JPS6285102A - ガスタ−ビン冷却翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービンの冷却翼に係り、特に前縁部に吹
出し孔を持たせない翼のリターンフロ一方式による冷却
に好敵な翼冷却構造に関する。

〔発明の背景〕

ガス温度の上昇によってガスタービン効率の向上を図る
場合、翼材料の耐酸化性や高温強度、クリープ強度など
によって制約される許容温度以りのガス温度となる場合
は、翼の冷却が必・堤となる。

翼の冷却には圧縮材で圧縮されて燃焼８３に入るｒ＋ｆ
の高圧空気の一部を利用する方法が一般的に用いられる
。この冷却空俄に立積された圧縮体゛１（のエネルギは
、里に、翼を冷却するだけで外部に捨てられるので、冷
却空気量が増加すればガスタービン効率は低下する。そ
のため、ガスタービン設計者にとっては、翼を所定の温
度まで冷却するに必要な空気量を如何に少なくするかが
重要である。

翼に沿って、高温高圧のガスが流れる際、翼表面での熱
伝達はガスの衝突する前縁が最も激しく。

その他の部分にくらへて数倍の大きさになることがある
。そのため、前縁に翼を貫通する孔をあけ。

冷却空気を吹出させることによってＩ′ｉ？ｉ縁部の冷
却を強める方法が試みられている。しかし、このような
孔は翼前縁に応力を集中させる傾向があって好ましくな
い。

登録特許　昭５８−１１７３０３号は前縁内面に沿って
半径方向に冷却空気を流して前縁の冷却を強化した翼を
示している。この翼では前縁に冷却空気の流れを片寄ら
せる目的で、冷却空気流路内面の前縁を除いた部分にフ
ィン状突起を設けている。この突起は冷却空気の流れを
前縁に片寄らせる効果はあるけれども、フィンとしての
効果により前縁以外の部分の冷却効果も強化する傾向に
ある。そのため、ガスからの熱伝達の大きい前縁を所定
の温度以下に冷却すべく必要な冷却空気量を流すと、前
縁以外の部分が必要以上に冷却され。

前縁とそれに隣接する部分との間に大きな温度差が生じ
て熱応力の原因となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は前縁とそれに隣接する部分との間の温度
差を発生させずに前縁を効率的に冷却する翼を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明では翼前縁に沿って半径方向に延びる冷却空気流
路内壁面のうち、前縁部分にのみ冷却空気の流れを横切
るような複数個のフィン状突起を設け、この突起によっ
て冷却空気の流れ内に乱流を発生させて冷却空気と前縁
内壁面との間の熱伝達を増し、前縁部を効果的に冷却す
るようにした。

しかし、冷却空気流路内壁面の全周のうち前縁部分のみ
にフィン状突起を設けることによって、流路内の半ｆ−
１方向の流九がフィン状突起の抵抗を受け、突起の無い
側に片寄るため、結果的には前縁部分の冷却効果は期待
するほど大きくはならない。

この問題を解決するために、本発明では前縁以外の流路
内壁面に複数個のピン状の突起を設け、断面形状を略々
Ｕ字形に成形した薄板状の隔壁をピン状突起に当接させ
、隔壁外面と流路内壁面との間にピンの高さの分に相当
する間隙を設け、翼根部の流路入口から流入する冷却空
気の一部を隔壁の内面と流路の前縁部内面とで形成され
る第一の通路に流し、残りの冷却空気を隔壁の外面に形
成される第二の通路に流すようにし、さらに隔壁の内面
には前縁部に設けると同様のフィン状突起を設けるもの
とする。

このように構成することにより、第一の通路に関しては
通路の全周にわたってフィン状突起が設けられた構造に
なっており、冷却空気は通路内を全周一様に流れ、一方
に片寄って流れることは防止できる。これにより、前縁
部はフィン状突起が冷却空気の流れ内に乱流を発生させ
て冷却空気と前縁内壁面との間の熱伝達を増大させる効
果を１００％利用できる。隔壁内面にも同様なフィン状
突起が設けられているため、隔壁内面と冷却空気との間
の熱伝達も必然的に大きくなるが、隔壁自体はガス流と
は直接々触していないため、隔壁の温度はほとんど冷却
空気温度と等しくなり、両者の間で熱の流れはほとんど
生じない。従って、第一の通路を流れる冷却空気の温度
上４．はほとんど前縁部からの熱の流入によるものであ
り、冷却空気の冷却能力を前縁部の冷却だけに集中させ
ることが可能である。

一方、第二の通路に関しては通路のところどころにピン
状突起が設けられているが、この突起は隔壁と流路面と
の間に必要な間隙を確保する目的のほか、前縁部に設け
たフィン状突起と同様、この部分を流れる冷却空気と翼
部との間の熱伝達を増大させる目的をも兼ねたものであ
る。第二の通路に面した翼の外面とガスとの間の熱伝達
は、前縁部にくらへると数分の−の大きさであるから、
翼内面と冷却空気の間の熱伝達も１ｊｊｉ　Ｍはど大き
くする必要なないが、翼部が所定の温度になるよう熱伝
達を適切な値に制御することが重要である。

この目的は第二の通路に設けたピン状突起の形状と数を
適切に選ぶことと、ピン状突起の高さによって通路の断
面積を変え、第一の通路上第二の通路に流れる冷却空気
量の配分を適切な値に設定することの二つの手段によっ
て達成される。これにより第二の通路に関しては、翼内
面と冷却空気との間の熱伝達を、翼部面とガスとの間の
熱伝達に応じた適切な値に保つと同時に、ピン状突起に
よる熱伝達増大効果によって冷却空気量を節約すること
ができる。隔壁の外面もピン状突起に接しているため、
この面でも若干の熱伝達増大があるが。

第一の通路に関して説明したと同様に、隔壁自体はガス
と直接々触していないため、隔壁温度はほとんど冷却空
気温度と等しくなり１両者の間で熱の流れはほとんど生
じない。

このように構成することにより、前縁とそれに隣接する
部分との間に大きな温度差を生じさせないで、効率的に
翼を冷却することが可能になる。

もちろん、冷却空気通路内に設ける隔壁の温度はほぼ冷
却空気温度と等しくなるため、隔壁と翼との間に大きな
温度差を生じさせないで、効率的に翼を冷却することが
可能になる。もちろん、冷却空気通路内に設ける隔壁の
温度はほぼ冷却空気温度と等しくなるため、隔壁と翼と
の間には大きな温度差が生じるが、隔壁と翼とは完全に
５１１１体であり、この温度差によって翼または隔壁に
熱応力の生じることはない。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明する。

第１図はガスタービン動翼１を示すもので、動翼ｌは翼
値部２．翼幹３、翼部４及び翼部５から成る。翼根部２
はガスタービンのロータ　（図示せず）と係合するよう
に構成されている。翼部４はガスタービンのガス流路の
内壁の一部をなすように構成さ九でいる。翼部５はガス
流路を横切って半径方向へ延びており、その外端部には
′Ｒ端部６をもつ。動翼■はスパン方向Ｓ及びコード方
向Ｃと称する基準の方向がある。また、翼部５にはガス
の入口側に前縁部７．出［１側には後縁部８と弥する領
域がある。

動翼１の内部は中空状につくられ、翼根部２を入口とし
、翼部５の後縁部８を出口とする一つながりの流路９を
形成している。流路９は翼根部２から翼部４までの４人
部９ａをもち、翼部５の内部では背側翼壁１０及び腹側
翼壁１１　（第２図）と前縁部７及び第一中隔１２とで
囲まれた前縁流路９ｂ、背側Ｒ壁１０、腹側翼壁１１、
第一中隔１２及び第二中隔１３とで囲まれた中央流路９
ｃ、背側翼壁１０．腹側翼壁ｊ１及び第二中隔１３とで
囲まれ後縁部８に出口を持つ後禄流２′８９　ｄの三つ
の部分に分かれる。

第一中隔１２は翼部３から連続して半径方向外方へ延び
、翼端部６に達する手前で翼端壁１４との間に空間１５
をつくるように構成されている。

第二中隔１３は翼端壁１４から連続して半径方向内方へ
延び、翼部壁１６との間に空間１７をつくるように構成
されている。

流路９は翼根部２の入口部分で冷却空藏源（図示せず）
と連通しており、冷却空気は導入部９ａを経て前縁流路
９ｂに入って翼端部６に向う流れ１８を作り、翼端部６
で方向転換し、空間１５を経て中央流路９ｃを翼部壁１
６に向う流れ１９となり、さらに、翼部壁１６で再ノσ
方向転換して空間１７を経て後黴部８より翼部へｉｌｒ
出する流孔２０を作る。

中央流路９ｃの内面には冷却空電流１９に対し框直に延
在する複数個のフィン状突起２１が、背側翼壁１０と腹
側翼壁１１の壁面に設けられており、冷却空気流がフィ
ン状突起２１を通過する際、その境界層に乱流をひきお
こすことにより、冷却空λと翼壁面との間の熱伝達を増
大させるようになっている。

後縁流路９ｄには互いに隔置された複数個のピン状突起
２２が、背側翼壁ｌＯと腹側翼壁１１とをつなぐ支柱の
形態を成して１設けられている。さらに、第−中隔１３
の近くには中央流路９ｃと同様のフィン状突起２３が、
Ｉテ側翼壁１０と腹側翼壁１１のＩＪ、；面に設置寸ら
れている。玲Ｊ」空気は後縁流路９（」に入ったｊな、
フィン状突起２３及びピン状突起２２を通過する際、そ
の境界層に乱流を生じ。

翼壁面との間の熱伝達を促進する。

ｎｆ　欺流路９１）の内面にはＩテ側翼壁１０と腹側翼
壁１１のそれぞれにスパン方向に延在する縁機２・１及
び２５（第２図）が形成されている。縁機２４と２５は
前縁７と背側翼壁１０の境界付近及び耐Ｌ９７と腹側翼
壁１１の境界付近に設けられており、両縁機の間に挟ま
れた前縁７の内面には伝熱促進フィン２６が、冷却空気
の流れ１８に垂直に多数配置される。縁機２４，２５と
第一中隔１２の間にある背側翼壁１０及び腹側翼壁１１
の内面には、複数個のピン状突起２７が流路内に一定高
さで突出すように設けられる６同様なピン状突起２７は
第一中隔１２の前縁流路９ｂに面した壁面にも設けられ
る。また、背側翼壁１０及び復側翼壁１１の重台付近に
はピン状突起２７より突出し高い支持台２８が形成され
ている。断面がＵ字形に成形された隔壁２９は、背側翼
壁１０、腹側翼壁１１及び第一中隔１２の各壁面で形成
される断面Ｕ字形の空間に挿入され、各壁面に突出され
だピン状突８２７に押ソｊてられると同時に録（準２４
及び２５によってコートの方向の移動が固定さ扛る。隔
壁２９は翼端部６にあらか（じめあけられた挿入孔３０
を経て挿入さ九、隔壁２９の端部が支持台２８に達する
まで押込まＪし、挿入孔３゜に嵌込まれる盲ｉ’４３１
によってスパン方向の移動が固定される。隔壁２９と背
側翼壁１ｏ、腹側翼壁１１．及び第一中隔１２の各壁面
との間隔はピン状突起 ２７の突出し高さにより一定に保持される。前層３゛１
は挿入孔３０に嵌込まれた後、溶接々合により翼部１“
６部６と強固に結合される。

隔壁２９の内面には前縁内面に設けた伝熱促進フィン２
６と同様の複数個のフィン状突８３２が、冷却空気の流
れに対して傾斜して設けられている。

また、隔壁２９の冷却空気下流端にはＵ字形の切欠き部
３３が設けられ、隔壁２９の内面を通る冷却空気が、空
間１５を経て中央流路９ｃに流れるように構成される。

一方、隔壁２９と、背側翼壁１０．復側翼壁１１及び第
一中隔Ｉ２の各６７面とで形成さ、１する空間は、冷却
空気の流孔１８を分岐する第二の流れ１８　ｂの通路と
して、第二前縁流路３・１を構成する。

第２図は第１図のＩＩ　−ＴＩ矢視断面を示す。前線流
路９　ｂは前縁７、背側翼（Ｉ＾１０、腹側翼壁１１及
び第一中隔１２とで囲まれた空間である。ｉＷ　縁７の
内面には冷却空気流（紙面に前直方向）に欧直に延在す
る伝熱促進フィン２６が形成される。

１）ｉｉ　’像７と背側翼壁１０及び腹側翼壁１１との
境界付近には締機２４及び２５が形成されて、おり、伝
熱促進フィン２Ｇは締機２４と２５の間に延在するよう
に１投けられる、１！側翼壁１ｏ、腹側′Ｒ壁１１及び
第一中隔１２の壁面にはピン状突起２７が一定のａ″６
さで突出しいる隔壁２９は断面形状をＵ字形に成形され
、その内面には伝熱促進フィン２６と同様のフィン状突
８３２が全周にわたって切れ１」なく１没けられている
。隔壁２９の＋Ｊ字形断面の端部は締機２４及び２５に
よって固定され、隔壁２９のコート方向の移動が阻止さ
ｔしる。

隔壁２つと前縁７とで囲まれた空間は冷却空気の流れ１
８の通路として、前縁流路９ｂを構成し。

隔壁２９と背側翼壁１０．腹側翼壁１１及び第一中隔１
２とで囲まれた空間は冷却空気の一部の流れ１８ｂの通
路として第一前縁流路３４を構成している。

第３図は隔壁２９の斜視図を示す。ＴＪＪ字形断面の内
側に複数個のフィン状突起３２が、内部を流ｔしる冷ｒ
Ｊ空気の主たる流れの方向に対し傾斜して設けられてい
る。隔壁２９の端部には切欠き部３３が設（すられ、冷
却空気がこの切欠き部３３を通って中央流路９ｃへ流れ
るようにする。

ガスタービンの運転中、１ＰＩＩ翼１は翼部５の外表面
側を流れるガスによって加熱さハるが、翼財料に館°容
される温度を越えないよう、冷却空気流路９に冷却室＜
ＬＬを流して冷却する。導入部９ａを経て前縁流路９ｂ
に入った冷却空気１８は、伝熱促進フィン２６によって
前縁７との間の熱伝達を促進しながら前縁７を冷却する
。前縁流路９１）の隔壁２９の壁面にもフィン状突起３
２が存在するため、この壁面でも熱伝達は当然増大する
が、隔７：、！２９はガス流とは直接々触していないた
め、定常な運転状態では熱の出入りがなく、冷却空気の
冷却能力を消費することがない。フィン状突起３２が存
在することにより、前縁流路９ｂの内面は全周にわたり
冷却空気の主たる流れの抵抗が同一となる。さらに、フ
ィン状突起３２が傾斜しているごとにより、冷却空気を
前縁方向に編流させろ効果が生じる。この二つの効果に
より、隔壁２９のフィン状突起３２の存在は、これが存
在しない場合にくらへ前縁７と冷却空気の間の熱伝達を
著しく増大させる６ ６人部９ａを通った冷却空気の一部は第二前縁流路３４
に入る。第二前縁流路３４の中では背側翼壁が１０及び
腹側翼壁１１の壁面に設けたピン状突起２７が伝熱促進
の役割を果す。ここで重要なことは第二前縁流路３４に
おける熱伝達を必要以上に大きくしないことである。前
縁流路９ｂと第二前縁流路３４のそれぞれの熱伝達を所
定の比率にするには、両者の断面積の割合、伝熱促進フ
ィン２６及びピン状突起２７の数と配列を１調整するこ
とで実施できる。

〔発明の効果〕

本発明によ、ｔｌ、ば、前縁部とその隣接Δｊ５との１
ｌｊｌの温度勾配を小さくすることができるため、翼強
度にとって重要な熱応力の発生を抑制することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の断面図、第２図は第１図の［
ｆ　−［Ｉ矢視断面図、第３図は隔イζ！の、斜視（シ
１である。 ■・・・動翼、７・・ｎｊ＋縁部、８・後縁部、９・・
流路。 ９　ｂ　−ｉ’ｉ縁流路、１０・・・背側′Ｒ壁、１１
・復側翼壁、１２　・第一中隔、１８・冷却室低流２２
４絶機、２６・伝熱促進フィン、２９　・隔Ｑ、３＝１
−１゛　　＼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、翼と、この翼をタービンディスクに結合するための
   翼根部と、この翼根部から前記翼までの柄部分とからな
   り、前記翼根部に入口をもち、前記に出口をもち、入口
   から出口の間を蛇行形状の通路で形成した複数個の冷却
   孔を備え、この冷却孔の内部に冷却材を流して各部を冷
   却する方式のガスタービン冷却翼において、 翼前縁に沿つてほぼ半径方向に延びる前記冷却孔の内表
   面に、前記冷却材の流れを横切るように複数個のフィン
   状突起を前記翼前縁の丸みのある部分にだけ限定して設
   け、それ以外の内表面には複数個のピン状突起を設け、
   断面を略々Ｕ字形に成形した薄板状の隔壁を前記ピン状
   突起に接するように冷却孔内に挿入して、前記隔壁の外
   面と冷却孔内表面の間に一定の間隙を設け、前記翼根部
   入口から流入する前記冷却材の一部を前記隔壁の内面と
   前縁内面とで形成される第一の通路に、残りを前記隔壁
   の外面に形成される第二の通路に流すようにし、前記隔
   壁の内面には前記フィン状突起と同様の突起を設け、前
   記第一の通路を流れる前記冷却材が前記隔壁の側に片寄
   つて流れることを防止し、前記翼前縁の内表面に沿つて
   十分な冷却材が流れるように構成したことを特徴とする
   ガスタービン冷却翼。