JP3703866B2 - フィルム冷却構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、冷却空気等の冷却流体を薄膜状に放出して冷却を行うフィルム冷却（薄膜冷却）構造に関し、特に、例えばガスタービンエンジンの翼のように、高温のガス流にさらされる壁を冷却するフィルム冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸流式ガスタービンエンジンのタービン翼又は補助翼は、ガスタービンエンジンの燃焼室から排気される高温のガス流に直接さらされる。燃焼室温度（タービン入口温度）が上昇するにつれてガスタービンエンジンの性能は向上するが、排気ガスの温度が、材質や最大応力、要求寿命を考慮して定まる設計上の温度限界を超えてしまう。これを防止すべく、翼の内部空洞（インターナルキャビテイ）から、フィルム冷却を行うべく形成された多数の小さな冷却通路を介して、翼の外面に冷却空気を流出させ、この冷却空気によって翼を冷却している。この冷却フィルムは、各冷却通路から流出される冷却空気の流れ（ダウンストリーム）によって翼の外面に境界層を形成し、この結果、高温の排気ガス流と翼の外面との間に冷却空気の膜という防護物が生成される。冷却通路の軸線と翼の外面とがなす角度と、各冷却通路の出口において翼の外面を流れる高温の排気ガス流の流動方向とは、フィルム冷却の効果に影響を与える重要な要素である。各冷却通路の出口からの距離が遠くなるほどフィルム冷却の効果は急速に低下するため、可能な限り遠く、可能な限り広範囲に亘って、フィルム冷却の効果を高く維持することは、フィルム冷却構造の最終目標である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
コンプレッサの作動流体である空気の一部を抜き取って冷却空気に利用するため、この抜き取り（抽気）がエンジンの効率低下を招くということは、最小量の冷却空気を用いてエンジンの翼を冷却しなければならない当業者によく知られていることである。従って、翼の設計者は、許される最大の冷却空気流量を用いて全てのエンジンの翼を冷却する、という問題に直面する。高温の排気ガス流に向けて翼の内部空洞から個々の冷却通路を介してそれぞれ排気される冷却空気の流量は、計量部（メータリングエリア）、即ち、冷却通路の最小横断面積によって制御される。通常、この計量部は、冷却通路と内部空洞とが交差する箇所の近傍に位置する。所与の翼の内部空洞より導かれる全てのオリフィスと冷却通路との計量部の結合は、翼の外面と内部空洞との間の所与の差圧において、冷却空気の総流量を制限する。翼の設計者は、冷却通路の大きさや冷却通路間の間隔のみならず、冷却通路の形状や配置方向をも指定しなければならず、そのような翼の全ての部分（冷却通路の大きさ、間隔、形状、配置方向）は、設計上の温度限界下で維持される。理論上、翼の設計者は、翼の全ての外面を冷却空気のフィルムによって覆うことを望む。しかし、通常、冷却通路の出口から離れた冷却空気は、ただちに各冷却通路の出口から流れ出る細長い冷却フィルムを形成する。この細長い冷却フィルム（ストリップ）は、高温のガス流に対して垂直となる冷却通路の幅寸法と同様の幅寸法を有する。各冷却通路は、翼の構造上の完全さをある程度損なうため、冷却通路の数量及び大きさ、各冷却通路間の間隔には自ずと制限が課せられる。しかし、これらの制限は、冷却フィルムの切れ目（ギャップ）、又は冷却効果の低い部分のいずれか又は双方の発生を招くため、これにより翼に高温箇所（ホットスポット）が生じる。この翼の高温箇所は、タービンエンジンの使用温度を制限する一つの要素となる。
【０００４】
翼の構造上の完全さを著しく損なわず、要求される冷却空気の流量を増加させることなく、フィルム冷却効果を改善する手段が必要である。
【０００５】
そこで、本発明に係るフィルム冷却構造は、高温のガス流から保護するための冷却フィルムを形成する冷却通路形状の改善を目的とする。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、少量の冷却空気をフィルム状に広げることができる比較的短い間隔の冷却通路を有し、これにより翼の外面を広範囲に覆うことができるようにしたフィルム冷却構造の提供にある。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、高温のガス流へ浸透する冷却空気を最小限にできる角度で冷却空気を送出することができる冷却通路を備えたフィルム冷却構造の提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明に係るフィルム冷却構造は、所定方向に流れる高温のガス流にさらされる外面と冷却流体を満たした内部空洞を画成する内面とを有する壁部と、これら内面と外面とを連通して設けられ、高温のガス流に向けて外面に接続された通路出口を介して内面側の冷却流体を外面側に流出させる多数の冷却通路とを備え、前記各冷却通路は、前記内面に接続して設けられ、冷却流体供給部からの冷却流体を滑らかに流入させると共に冷却流体流量を制御する計量部と、前記通路出口に接続して設けられ、長手方向に伸びる軸線を有し、その入口が前記通路出口の反対側に位置して前記計量部に接続された排出部とを含んで構成され、前記排出部は、互いに離間して対向する第１面及び第２面と互いに離間して対向する第３面及び第４面とを接続してなり、前記第４面は他の各面よりも高温のガス流の下流側に位置すると共に、前記通路出口の方向に向けて前記軸線から離れるように湾曲して形成されていることを特徴としている。
【０００９】
【作用】
本発明によれば、冷却されるべき壁部を貫通して設けられた各冷却通路は、高温のガス流にさらされる壁部の外面に開口した出口を有する排出部と、この排出部と協働して連続した冷却流体の流れを生成する計量部を有している。また、この排出部は、冷却用流体の流出方向に垂直な断面が矩形状をなし、ガス流の上流側に位置する第３面とガス流の下流側に位置する第４面とは、互いに離間して対向し、第１面及び第２面を介して接続されている。この下流側に位置する第４面は、計量部からの距離が増大するに従って第３面との対向距離が増大するような所定の曲率で湾曲している。第４面を湾曲して形成しているため、第３面と第４面との間を広く確保して、通路出口の流路面積を増大することができる。これにより、冷却流体の流速が低下する。また、冷却空気は、湾曲した第４面に沿って流れるため、分流の発生が防止される。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例をガスタービンエンジンのタービン翼に用いた場合を例に挙げて、図１〜図４を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１及び図２には、本発明の実施例に係るフィルム冷却構造を具体化したタービン翼１０が示されている。このタービン翼１０は、中空翼部１２と付け根部１４とを含み、中空翼部１２は付け根部１４から縦方向又は翼長方向に伸びて形成されている。プラットフォーム１６は中空翼部１２の基底に設けられ、この中空翼部１２は外面２０と内面２２とを有する壁部１８を含んでいる。この内面２２は、縦方向に伸びるリブ３０，３２によって、互いに隣接する複数の縦穴部２４，２６，２８に分割された内部空洞（インターナルキャビテイ）を明確化している。付け根部１４内の通路３４，３６は、縦穴部２４，２６，２８に連通して、冷却流体供給部を構成している。タービン翼１０をガスタービンエンジンのタービン部のようなものに用いる場合、コンプレッサから抽出した空気（抽気）のような好ましい供給源からの加圧された冷却空気は、各通路３４，３６内に供給され、各縦穴部２４，２６，２８内を加圧する。前記中空翼部１２は、吸込側（低圧側）１００に設けられた冷却通路３８の列と、リーディングエッジ１０２の近傍に設けられた冷却通路４２の列と、圧力側（高圧側）１０４に設けられた冷却通路４４の列との、縦方向に配置された冷却通路の列を含んでいる。そして、これら各冷却通路３８，４２，４４は、その入口が内面２２に開口し、その出口が外面２０に開口している。また、吸込側１００の外面２０にも縦方向に伸びるスロット４０が設けられ、このスロット４０には、縦一列に配置された内面２２から伸びる複数の通路４１を介して冷却空気が供給されるようになっている。なお、発明の理解に資すべく、図１及び図２ではタービン翼１０を簡略化しており、図中に示す冷却通路列の数、各列を構成する冷却通路の数、各冷却通路列間の間隔は専ら表示のためのもので、これらの数値によって限定されない。
【００１２】
前記各冷却通路３８，４２，４４は、いずれか好ましい手段によって形成されるものである。この好ましい手段の一つとして、通路形状に合わせて形成された電極を用いる放電加工機（ＥＤＭ）がよく知られている。よく知られているように、複数の冷却通路は、冷却通路の形状に沿って形成され、共通のコモンベースに接続された複数の近接した「歯」を有する「くし形」電極を用いることによって、同時に形成される。
【００１３】
図１〜図３中の矢示５０は、中空翼部１２の外面２０上を流れる高温の排気ガスの流れの方向（即ち流線）を示している。本発明の説明のために、中空翼部１２の吸込側１００又は圧力側１０４のいずれかを流れる高温のガスの流れ方向は、下流方向が考慮されている。従って、外面２０の吸込側１００又は圧力側１０４のいずれの点においても、下流への流れは中空翼部１２の表面に接触し、おそらく不規則な流れが発生する翼端又はプラットフォーム１６の近傍を除いて、この下流への流れは実質的に中空翼部１２の翼長方向に対して垂直となる。
【００１４】
本発明に係る改良された冷却通路は、中空翼部１２の吸込側１００に翼長方向に沿って配設された通路３８として示され、図３及び図４では拡大して示されている。なお、冷却通路３８を中空翼部１２の吸込側１００に設ける場合を例示しているが、これに限定されるものではない。本発明が、一方の面が冷却用流体で満たされると共に他方の面が冷却用流体よりも低い圧力の高温の流体にさらされる、加圧された隔室又はチャンバを有する比較的薄い壁の冷却に有効であることは、明白である。
【００１５】
図３を参照すると、本発明に係る冷却通路３８の１つが示されており、この冷却通路３８は、厚さ寸法Ｔを有する壁部１８を貫通して設けられている。この壁部１８は湾曲しているが、本実施例では壁部１８が平坦であることを考慮しているため、この曲率は、冷却通路３８の大きさに比較してほんのわずかなものとなっている。この冷却通路３８は、計量部５２と該計量部５２に続く排出部５６という連続した流れ関係を有している。なお、本実施例では、計量部５２を略矩形状に形成しているが、本発明にとってその断面形状は重要ではなく、例えば円形状や楕円形状に形成してもよい。計量部５２は、冷却空気の流れ方向に対して垂直な最小断面積を有する冷却通路３８の一部分として定義される。冷却空気は、冷却通路３８の軸線に沿って流れ、計量部５２の断面の幾何学的中心を通る中心線３９に触れる。冷却通路３８の長さ寸法Ｌは、中心線３９が外面２０，内面２２と交差する２点間の距離である。ここで、「軸方向」とは、内面２２から外面２０に向けて中心線３９に沿って流れる冷却空気の流れ方向をいう。さらに、排出部５６と結合して用いられる「下流側面」とは、通路出口７１上を流れる高温ガス流の流れである矢示５０に向けて略開口する排出部５６の面６６をいう。この下流側面６６が外面２０と交差する箇所は、以下で述べるように通路出口７１の下流側エッジ７３として定義される。
【００１６】
計量部５２を通過する冷却空気の流量が減少するように、計量部５２の長さ寸法Ｌ₁は、好ましくは短くなっている。特に、この長さ寸法Ｌ₁は、計量部５２の断面の有効径寸法を約３倍した長さよりも短いのが好ましい。計量部５２の長さ寸法Ｌ₁は、計量領域が明確である限り短いほど良い。また、排出部５６の長さ寸法Ｌ₂は、冷却通路３８の長さ寸法Ｌと計量部５２の長さ寸法Ｌ₁との差分に等しい。壁部１８は、一定の厚さ寸法Ｔを有する平坦面となるように形成されるため、下記数１が成立する。
【００１７】
【数１】
Ｌ₂＝Ｌ−Ｌ₁＝（Ｔ／sinα₁）−Ｌ₁
計量部５２の入口５８は、壁部１８の内面２２で冷却通路３８の入口６０に連通しており、冷却用空気はここから供給される。計量部５２の出口６２は、排出部５６の入口と一致する。この排出部５６は、一対の離間した第４の面としての下流側面６６，第３の面としての上流側面６８を含んでいる。この面６８は、翼長又は縦方向と平行である。また、この面６８は、中心線３９に対しても平行になっている。
【００１８】
図４に示すように、排出部５６は、面６６，６８間に亘って設けられ、互いに対向する第１の面としての一方の側面７０，第２の面としての他方の側面７２を有する。これら各側面７０，７２のいずれか又は双方も、計量部５２の出口から通路出口７１に向けて中心線３９から外れた経路に沿って伸びている。また、各側面７０，７２は、平坦又は凸湾曲状に形成されている。これら各側面７０，７２は、角張ったコーナとは対照的な滑らかなコーナ７４，７６として示すように、その長手方向に沿って下流側面６６と滑らかに接続されている。よく知られているように、本実施例による滑らかなコーナ７４，７６は、排出部５６内に冷却空気を均一に流入させることの助けとなる。薄い壁を有する小さな翼（例えば約0.76ミリ（0.03インチ））においては、全ての冷却通路の計量部の断面積の総和は制限を受け、各計量部の大きさは実用上の理由から制限を受けるため、本実施例では、翼長方向に並んだ冷却通路の通路出口が、従来技術によるものよりも、互いにより近接するのを許している。
【００１９】
再び図３を参照すると、各面６６，６８は、略下流方向（ガス流の流れ方向）に伸びている。上流側面６８は中空翼部１２の外面２０と角度α₁をもって交差し、下流側面６６は外面２０と角度α₂をもって交差している。冷却空気が高温のガス流に入り込むという浸透（ペネトレーション）が著しい場合、通路出口７１からの冷却空気で形成されるフィルムとして外面２０上に滞留するのとは対照的に、冷却空気は、中空翼部１２の外面２０からただちに吹き流されてしまうため、垂直な流れ方向における冷却空気のガス流に対する浸透を最小限とすべく、前記角度α₁は、４０度を越えない浅い角度（好ましくは３０度以下）であるべきである。ここで、「垂直な流れ方向」とは、通路出口７１において外面２０と垂直な方向をいう。下流側面６６，上流側面６８が外面２０とそれぞれ交差する箇所は、下流側エッジ７３，上流側エッジ７５になっている。ここで、下流側面６６は矢示５０で示されるガス流の上流側を向き、上流側面６８はガス流の下流側を向いている。
【００２０】
図３において、線Ｃは中心線３９と平行な線であり、また、線Ａは、本発明に係る下流側面６６が平坦であり、中心線３９から角度δ₁で離間すると仮定した場合の線である。ここで、下流側面６６は、計量部５２と第１のエッジ１０６で交差すると共に、外面２０と第２のエッジたる下流側エッジ７３と交差し、これらのエッジ１０６，７３間を結んだものが線Ｂとなる。従って、図３において、線Ｂは、本発明に係る下流側面６６が平坦であり、中心線から角度δ₂で離間すると仮定した場合の線を表している。好ましくは、角度δ₁の値は５〜約１０度であり、角度δ₂の値は１２〜２０度である。
【００２１】
角度δ₁の値は、以下に述べる２つの競合する事項を考慮して定められるものである。まず、角度δ₁を大きくすると、通路出口７１の流路面積が増大するため、高温のガス流に向けて送風される冷却空気の流速が低下する。当業者ならば理解できるように、冷却空気の流速が低下すると、矢示５０で示される高温のガス流に向けて突入する冷却空気の浸透が減少し、これによりフィルム冷却の効果が増大する。従って、冷却空気の流速の観点からは、下流側面６６が中心線３９から離れる角度δ₁，δ₂を大きくするのが好ましい。しかし、他方、下流側面６６の平坦部が中心線３９から離間する角度δ₁を１０度を越えて大きくすると、冷却空気の流れに分流が生じるため、排出部５６内において冷却空気中に乱流が発生する。冷却通路出口７１の送風において、この乱流は、冷却空気と高温のガス流との混合を増加させるため、フィルム冷却の効果が低下する。従って、角度δ₁を約１０度に限定し、角度δ₂が角度δ₁を越えるように設定する従来技術では、許容できない乱流が発生してしまう。
【００２２】
本発明によれば、図３に示す如く、湾曲した下流側面６６を有する排出部５６によって、上述した分流の問題を解決することができる。この下流側面６６は、通路出口７１に向かうにつれて中心線３９から離間するように湾曲し、その湾曲の曲率は、通路出口７１へ向かう軸方向で増大している。この下流側面６６は、下記数２で示される曲率Ｒを有する円柱の周面の一部として定義される。
【００２３】
【数２】

【００２４】
ここで、前記数２中、Ｔは上述した通り壁部１８の厚さ寸法であり、α₁は中心線３９が外面２０と交差する角度であり、Ｌ₁は上述した通り計量部５２の長さ寸法であり、δ₁は排出部５６の入口において下流側面６６が中心線３９から離間する角度であり、δ₂は好ましい流路面積を形成すべく設定された線Ｂと中心線３９とのなす角度である。
【００２５】
従って、既知の範囲の通路出口を有する従来技術による冷却通路に対して、流路面積の３０％増を希望する場合、設計者が、まず最初に、そのような広い流路面積を形成するための角度δ₂を決定すると、他の全ての変数は既知のため、この角度δ₂を上記数２に代入することにより、本発明における曲率Ｒを正しく求めることができる。
【００２６】
計量部５２の出口６２の近傍に接する下流側面６６は、まず最初に、５〜約１０度の角度δ₁をもって中心線３９から離間し、線Ａは出口６２の近傍で下流側面６６に接する。そして、この下流側面６６は、線Ａとの接触点と外面２０との間に亘って、外面２０と角度α ₂ をもって交差し、上述した曲率Ｒに従って線Ａから離間している。本発明による下流側面６６は、冷却空気を案内すべく、連続した滑らかな面に形成されているため、分流が生じる可能性が低下すると共に、著しい乱流の発生を抑制しつつ、角度α₂で冷却空気を排出するのに十分な大きい角度で、冷却空気の流れを曲げることができる。平坦面同士が交差すると、これら平坦面に沿った分流を促進する「段差（ステップ）」が生じるため、本発明により得られる角度α₂は、２又は３の平坦面を用いることにより得られる従来技術による角度α₂を越えて、湾曲した下流側面６６に近づいている。
【００２７】
当業者であれば速やかに理解できるように、下流側面６６は、上述した曲率Ｒをもって中心線３９から離間しつつ、ガス流の下流側に向けて湾曲するため、外面２０に送風される冷却空気の角度α₂は、下記数３に示す如く、角度α₁よりも十分小さい。
【００２８】
【数３】
α₂＝α₁＋δ₁−２＊δ₂
本実施例によれば、従来技術でも用いられる側面７０，７２間において、下流側エッジ７３と上流側エッジ７５との間を、従来技術による冷却通路よりも広げることができるため、従来技術によりも広い流路面積で冷却空気を排出することができる。通路出口７１の流路面積が広くなるため、従来技術よりも、排出される冷却空気の流速が低下する。これに加えて、本実施例によれば、従来技術よりも著しく小さい角度α₂をもって、冷却空気を高温のガス流に向けて送風することができる。
【００２９】
当業者であればただちに理解できるように、本実施例によれば、垂直な流れ方向における冷却空気の流速成分を従来技術よりも遅くしつつ、冷却空気を送風することができる。これは、下流側面６６が外面２０と交差する入射角度α₂を従来技術よりも小さくすると共に、通路出口７１の流路面積を従来技術よりも広くしたことによるものである。本実施例による湾曲した下流側面６６は、従来技術よりも小さい角度α₂で、冷却空気を高温のガス流に向けて排出するため、冷却空気のガス流に対する浸透を少なくすることができる。さらに、本実施例による冷却通路３８を形成しても、翼材の量の変化を最小にできるため、タービン翼１０の構造上の完全さに著しい影響を与えることがない。
【００３０】
以上、本発明を好ましい実施例に即して説明したが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、他の種々の変更や省略が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明に係るフィルム冷却構造によれば、冷却通路の通路出口を形成する４つの面のうち、高温のガス流の下流側に位置する第４面を、軸線から離間して湾曲させたため、通路出口の流路面積を大きくして、冷却流体の流速を低下させることができ、この結果、高温のガス流に対する冷却流体の浸透を減少させて、冷却効果を向上することができる。また、滑らかに湾曲した第４面によって冷却流体を誘導することができるため、冷却流体に乱流が生じるのを防止でき、この結果、冷却効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフィルム冷却構造を具体化した中空のタービン翼の一部破断の説明図である。
【図２】図１中の２−２線に沿った断面図である。
【図３】冷却通路の形状を図２中の３−３線に沿って示す拡大断面図である。
【図４】図３中の４−４線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１２…中空翼部
１８…壁部
２０…外面
２２…内面
２４，２６，２８…内部空洞を分割した縦穴部（冷却流体供給部）
３８…冷却通路
５２…計量部
５６…排出部
５８…計量部の入口
６０…冷却通路の入口
６２…計量部の出口
６６…下流側面（第４面）
６８…上流側面（第３面）
７０…側面（第１面）
７１…通路出口
７２…側面（第２面）
７３…下流側エッジ（第２のエッジ）
１０６…第１のエッジ

Claims (8)

1. 所定方向に流れる高温のガス流にさらされる外面と冷却流体を満たした内部空洞を画成する内面とを有する壁部と、これら内面と外面とを連通して設けられ、高温のガス流に向けて外面に接続された通路出口を介して内面側の冷却流体を外面側に流出させる多数の冷却通路とを備え、前記各冷却通路は、
   前記内面に接続して設けられ、冷却流体供給部からの冷却流体を滑らかに流入させると共に冷却流体流量を制御する計量部と、
   前記通路出口に接続して設けられ、長手方向に伸びる軸線を有し、その入口が前記通路出口の反対側に位置して前記計量部に接続された排出部とを含んで構成され、
   前記排出部は、互いに離間して対向する第１面及び第２面と互いに離間して対向する第３面及び第４面とを接続してなり、前記第４面は他の各面よりも高温のガス流の下流側に位置すると共に、前記通路出口の方向に向けて前記軸線から離れるように湾曲して形成されており、
   前記第４面は、前記排出部における前記計量部のすぐ下流において少なくとも５度の角度δ₁をもって前記軸線から離間するように形成されているとともに、前記第４面は、前記計量部と第１のエッジで交差すると共に、前記外面と第２のエッジで交差し、これら各エッジにより、所定の角度δ₂をもって前記軸線から離間する平面が定められ、かつ、第１のエッジと第２のエッジとの間の前記第４面は、
   

   

   で表される曲率Ｒを有する円柱の周面の一部であり、ここで、Ｔは前記壁部の厚さ寸法、α₁は前記軸線が前記外面と交差する角度、Ｌ₁は前記計量部の長さ寸法であることを特徴とするフィルム冷却構造。
2. 前記軸線は４０度以下の角度α₁で前記外面と交差し、前記第４面は前記外面と角度α₂で交差し、ここで、α₂＝α₁＋δ₁−２＊δ₂であることを特徴とする請求項１に記載のフィルム冷却構造。
3. 前記角度δ₂と角度δ₁との差を、少なくとも５度にしたことを特徴とする請求項２に記載のフィルム冷却構造。
4. 前記軸線は実質的に前記第３面と平行であり、前記第４面は前記第１のエッジのすぐ近傍で前記第３面から約１０度までの角度で離間するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のフィルム冷却構造。
5. 前記壁部は、中空翼部の外壁であることを特徴とする請求項１に記載のフィルム冷却構造。
6. 前記軸線は４０度以下の角度α₁で前記外面と交差し、前記第４面は前記外面と角度α₂で交差し、ここで、α₂＝α₁＋δ₁−２＊δ₂であることを特徴とする請求項５に記載のフィルム冷却構造。
7. 前記角度δ₂と角度δ₁との差を、少なくとも５度にしたことを特徴とする請求項６に記載のフィルム冷却構造。
8. 前記軸線は実質的に前記第３面と平行であり、前記第４面は前記第１のエッジのすぐ近傍で前記第３面から約１０度までの角度で離間するようにしたことを特徴とする請求項７に記載のフィルム冷却構造。

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