JP6019578B2 - タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、タービン翼に関するものである。

ガスタービンエンジン等が備えるタービン翼は、燃焼器によって生成された燃焼ガスに晒されて高温となる。このため、タービン翼の耐熱性を向上させるために、例えば特許文献１〜４に示すような、様々な対策が施されている。

特許第３９９７９８６号公報 特許第４７５２８４１号公報 特開平１０−８９００５号公報 特開平６−０９３８０２号公報

ところが、近年においてはガスタービンエンジン等のさらなる出力の向上が求められており、これによって燃焼器で生成される燃焼ガスの温度が、以前にも増して高温化される傾向にある。
このため、ガスタービンエンジン等が備えるタービン翼には、冷却効率のさらなる向上が求められている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ガスタービンエンジン等が備えるタービン翼の冷却効率をさらに高めることを目的とする。

本願発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、中空とされた翼体の内壁面から外壁面に貫通する冷却空気孔を備えるタービン翼であって、上記冷却空気孔が上記翼体の内壁面側に設けられる直管部と上記翼体の外壁面側に設けられる拡径部とを有し、上記拡径部の内壁に設けられると共に上記拡径部における冷却空気の案内を行うガイド溝を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ガイド溝が、上記拡径部の内壁面に沿って設けられているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ガイド溝が、上記直管部を流れる冷却空気の流れ方向に沿って設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記拡径部に設けられると共に上記冷却空気の流れ方向と交差する衝突面を有するという構成を採用する。

本発明によれば、冷却空気孔が、翼体の外壁面側に設けられる拡径部を備えている。このため、直管部に流れ込んだ冷却空気は、拡径部において広がる。よって、本発明の冷却空気孔によれば、直管部のみからなる冷却空気孔と比較して、より広範囲に冷却空気を噴き出すことができ、翼体の外壁面をより広範囲に冷却することができる。

ただし、冷却空気孔に拡径部を設けただけでは、十分に冷却空気を広げて流すことができない。これは、拡径部において、冷却空気の流れ方向が変化したときに当該冷却空気が冷却空気孔の内壁面から剥離し、内壁面近傍に冷却空気が流れ込み難くなるためと考えられる。このように、冷却空気孔に拡径部を設けただけでは、冷却空気の流れに偏りが生じることがあり、求める方向に十分な流量の冷却空気が流れない場合がある。
これに対して、本発明は、拡径部の内壁に設けられると共に上記拡径部における冷却空気の案内を行うガイド溝を備える。このため、直管部から拡径部に流れ込む冷却空気の一部をガイド溝によって所望の方向に案内することが可能となる。したがって、本発明によれば、確実に冷却空気を広範囲に広げることが可能となる。

このように、本発明によれば、冷却空気孔から確実に広範囲に冷却空気を噴き出すことができ、翼体の外壁面をより広範囲に冷却することができる。したがって、本発明によれば、タービン翼の冷却効率をさらに高めることが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるタービン翼の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部の概略図であり、（ａ）が冷却空気の流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部の変形例の概略図であり、（ａ）が冷却空気Ｙの流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＣ−Ｃ線断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 図３に示すガイド溝が拡径部に形成されたタービン翼のモデルとして外壁面の温度分布をシミュレーションした結果と、ガイド溝が拡径部に形成されていないタービン翼をモデルとして外壁面の温度分布をシミュレーションした結果とを示す図である。 本発明の第２実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部の概略図であり、（ａ）が冷却空気の流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第２実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部の模式的な断面図であり、（ａ）が本実施形態のフィルム冷却部の第１の態様を示し、（ｂ）がフィルム冷却部の第２の態様を示し、（ｃ）がフィルム冷却部の第３の態様を示している。 本発明の第３実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部の概略図であり、（ａ）が冷却空気の流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＧ−Ｇ線断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のタービン翼１の概略構成を示す斜視図である。本実施形態のタービン翼１は、タービン静翼であり、翼体２と、翼体２を挟み込むバンド部３と、フィルム冷却部４とを備えている。

翼体２は、不図示の燃焼器の下流側に配置されており、燃焼器によって生成された燃焼ガスＧ（図２参照）の流路に配置されている。この翼体２は、前縁２ａと、後縁２ｂと、正圧面２ｃと、負圧面２ｄとを有する翼形状とされている。翼体２は、中空とされており、内部に冷却空気を導入するための内部空間を有している。翼体２の内部空間には、不図示の冷却空気流路が接続されており、例えば燃焼器の上流側に設置される圧縮機から抽気された空気が冷却空気として導入される。バンド部３は、翼体２を高さ方向から挟み込んで設けられおり、燃焼ガスＧの流路壁の一部として機能する。これらのバンド部３は、翼体２のチップとハブに一体化されている。

図２は、フィルム冷却部４の概略図であり、（ａ）が冷却空気Ｙの流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。これらの図に示すように、フィルム冷却部４は、冷却空気孔５と、ガイド溝６とから構成されている。

冷却空気孔５は、翼体２の内壁面２ｅから外壁面２ｆに貫通する貫通孔であり、内壁面２ｅ側の直管部５ａと、外壁面２ｆ側の拡径部５ｂとから構成されている。直管部５ａは、直線状に延びる部位であり、断面が長孔形状とされている。また、直管部５ａは、内壁面２ｅ側の端部より外壁面２ｆ側の端部が翼体２の外壁面２ｆに沿って流れる主流ガスＧの下流側に配置されるように傾斜されている。拡径部５ｂは、外壁面２ｆに向かうに連れて流路断面が大きくなる部位である。なお、図２（ａ）に示すように、拡径部５ｂは、内壁面２ｅ側から外壁面２ｆ側に向かうに連れて、側壁面５ｃが翼体２の高さ方向に広がる形状とされている。
このような冷却空気孔５は、翼体２の内部空間から供給される冷却空気Ｙを外壁面２ｆに向けて案内すると共に、拡径部５ｂにおいて冷却空気Ｙを翼体２の高さ方向に分散させて広げてから外壁面２ｆに沿って噴き出す。

ガイド溝６は、拡径部５ｂの内壁のうち、主流ガスＧの下流側の部位に設けられる溝である。このガイド溝６は、冷却空気孔５の流路面積を局所的に大きくし、ガイド溝６が形成された部位により多くの冷却空気Ｙを導くものである。
本実施形態においては、ガイド溝６として、拡径部５ｂの側壁面５ｃに沿って設けられる２つの側部ガイド溝６ａと、これらの側部ガイド溝６ａの間に配置されると共に直管部５ａを流れる冷却空気Ｙの流れ方向に沿って設けられる中央ガイド溝６ｂとが形成されている。

また、各ガイド溝６の外壁面２ｆ側の端部には、冷却空気Ｙの流れと直交（交差）する衝突面７が設けられている。この衝突面７は、冷却空気Ｙの流れを阻害して圧力損失を高める機能を有し、衝突した冷却空気Ｙの流速を低下させる。

なお、図１に示すように、本実施形態のタービン翼１においては、上述のように構成されたフィルム冷却部４が多数設けられている。このようなフィルム冷却部４から噴出された冷却空気Ｙが翼体２の外壁面２ｆに沿って流れ、これによって翼体２の外壁面２ｆがフィルム冷却される。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼１によれば、翼体２の内部から冷却空気がフィルム冷却部４の冷却空気孔５に流れ込む。冷却空気孔５に流れ込んだ冷却空気Ｙは、流路面積が変化しない直管部５ａで真っ直ぐと案内され、流路面積が連続的に広がる拡径部５ｂで翼体２の高さ方向に広がりながら流れる。よって、本実施形態のタービン翼１が備える冷却空気孔５によれば、直管部のみからなる冷却空気孔と比較して、翼体２の高さ方向において、より広範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことができ、翼体２の外壁面２ｆをより広範囲に冷却することができる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、拡径部５ｂの側壁面５ｃに沿って設けられる側部ガイド溝６ａを備えている。このため、直管部５ａから拡径部５ｂに流れ込む冷却空気Ｙの一部を側部ガイド溝６ａによって側壁面５ｃに沿うように案内することができる。側部ガイド溝６ａを設けない場合には、側壁面５ｃから冷却空気Ｙが剥離しやすく、側壁面５ｃの周囲において冷却空気Ｙが流れ難くなり、冷却空気Ｙの広がりが十分でなくなる。これに対して、本実施形態のタービン翼１によれば、側壁面５ｃに沿って冷却空気Ｙを案内するため、冷却空気Ｙをより確実に広範囲に広げることが可能となる。

なお、側部ガイド溝６ａを設けることによって、側壁面５ｃに沿って流れる冷却空気Ｙの流量が増大し、拡径部５ｂにおける中央の冷却空気Ｙの流量が側壁面５ｃに沿って流れる冷却空気Ｙの流量よりも減少することが懸念される。これに対して、本実施形態のタービン翼１においては、側部ガイド溝６ａの間に配置されると共に直管部５ａを流れる冷却空気Ｙの流れ方向に沿って設けられる中央ガイド溝６ｂを備えている。このため、本実施形態のタービン翼１では、拡径部５ｂにおける中央にも冷却空気Ｙが案内され、拡径部５ｂにおける中央の冷却空気Ｙの流量が側壁面５ｃに沿って流れる冷却空気Ｙの流量よりも減少することを防止することができる。したがって、本実施形態のタービン翼１によれば、冷却空気孔５から噴き出される冷却空気Ｙの流量分布を均一化し、翼体２の外壁面２ｆを均一に冷却することが可能となる。

このように、本実施形態のタービン翼１よれば、冷却空気孔５から確実に広範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことができ、翼体２の外壁面２ｆをより広範囲に冷却することができる。したがって、本実施形態のタービン翼１によれば、タービン翼１の冷却効率をさらに高めることが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼１によれば、ガイド溝６の外壁面２ｆ側の端部には、冷却空気Ｙの流れと直交（交差）する衝突面７が設けられている。このため、ガイド溝６を流れる冷却空気Ｙが衝突面７と衝突して流速が低下する。これによって、冷却空気Ｙをより広げることが可能となる。

図３は、本実施形態のタービン翼１が備えるフィルム冷却部４の変形例の概略図であり、（ａ）が冷却空気Ｙの流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＣ−Ｃ線断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。これらの図に示すように、中央ガイド溝６ｂの底部６ｂ１を側部ガイド溝６ａの底部６ａ１よりも高くし、中央ガイド溝６ｂの内壁面２ｅ側にも衝突面８を設けるようにしても良い。このような衝突面８を設けることによって、拡径部５ｂの入口においても冷却空気Ｙの流速を低下させることができ、より冷却空気Ｙをより確実に広範囲に噴き出すことが可能となる。

図４は、図３に示すガイド溝６が拡径部５ｂに形成されたタービン翼１のモデルとして外壁面２ｆの温度分布をシミュレーションした結果と、ガイド溝６が拡径部５ｂに形成されていないタービン翼をモデルとして外壁面の温度分布をシミュレーションした結果とを示す図である。図４において（ａ）は、図３に示すガイド溝６が拡径部５ｂに形成されたタービン翼１のモデルとして外壁面２ｆの温度分布をシミュレーションした結果を模式的に示す温度分布図である。また、図４において（ｂ）は、ガイド溝６が拡径部５ｂに形成されていないタービン翼をモデルとして外壁面の温度分布をシミュレーションした結果を模式的に示す温度分布図である。
これらの図に示すように、図３のガイド溝６が拡径部５ｂに形成されたタービン翼１では、冷却空気Ｙがより広範囲に噴き出し、冷却効率が向上していることが分かる。

（第２実施形態）
図５は、本実施形態のタービン翼が備えるフィルム冷却部４Ａの概略図であり、（ａ）が冷却空気の流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＥ−Ｅ線断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態のフィルム冷却部４Ａは、ガイド溝６として外壁面２ｆ側の端部が尖った側部ガイド溝６ｃを備えている。また、本実施形態のタービン翼は、側部ガイド溝６ｃ同士の間に中間ガイド溝６ｂを備えておらず、側部ガイド溝６ｃ同士の分岐位置に衝突面９を備えている。

このような構成を有するタービン翼においても、側部ガイド溝６ｃによって、冷却空気孔５から噴き出される空気をより翼体２の高さ方向に広げることが可能となる。また、衝突面９によって、拡径部５ｂを流れる冷却空気Ｙの流速を低下させることができ、より冷却空気Ｙを広範囲に広げることが可能となる。

（第３実施形態）
図６は、本実施形態のタービン翼が備えるフィルム冷却部４Ｂの模式的な断面図であり、（ａ）が本実施形態のフィルム冷却部４Ｂの第１の態様を示し、（ｂ）がフィルム冷却部４Ｂの第２の態様を示し、（ｃ）がフィルム冷却部４Ｂの第３の態様を示している。

図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態のフィルム冷却部４Ｂでは、ガイド溝６に対して凹部１０が設けられている。この凹部１０は、図６（ａ）に示すようにディンプル状の窪み１０ａであっても良いし、図６（ｂ）に示すようにガイド溝６をもう一段掘り下げた溝部１０ｂであても良いし、図６（ｃ）に示すように内壁面２ｅに向けて掘られた穴部１０ｃであっても良い。

このような凹部１０を設けることによって、凹部１０において渦流を形成して圧力損失を高めることができる。この結果、ガイド溝６における冷却空気Ｙの流速を低下させることができ、冷却空気Ｙをより広範囲に広げることが可能となる。

（第４実施形態）
図７は、本実施形態のタービン翼が備えるフィルム冷却部４Ｃの概略図であり、（ａ）が冷却空気Ｙの流れ方向に沿う平面で切断した断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＧ−Ｇ線断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態のフィルム冷却部４Ｃは、ガイド溝６として中央ガイド溝６ｂのみを備えている。このような本実施形態のタービン翼によれば、何らかの原因によって直管部５ａでの冷却空気Ｙの流量分布に偏りが生じて中央部の流量が少ない場合であっても、拡径部５ｂにおいて中央部の流量を増加させることができ、均一に冷却空気Ｙを噴出することが可能となる。

なお、本実施形態においては、中央ガイド溝６ｂに対して、上記第２実施形態で示したような凹部１０を設けても良い。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態の翼体２におけるフィルム冷却部４の配置位置及び個数は一例であり、タービン翼に要求される冷却性能に応じて適宜変更可能である。
また、上記実施形態においては、タービン翼が静翼である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、動翼に対してフィルム冷却部を設置する構成を排除するものではない。

１……タービン翼、２……翼体、２ａ……前縁、２ｂ……後縁、２ｃ……正圧面、２ｄ……負圧面、２ｅ……内壁面、２ｆ……外壁面、３……バンド部、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ……フィルム冷却部、５……冷却空気孔、５ａ……直管部、５ｂ……拡径部、５ｃ……側壁面、６……ガイド溝、６ａ……側部ガイド溝、６ｂ……中央ガイド溝、６ｃ……側部ガイド溝、７，８，９……衝突面、１０……凹部、１０ａ……窪み、１０ｂ……溝部、１０ｃ……穴部、Ｇ……燃焼ガス、Ｙ……冷却空気

Claims (4)

1. 中空とされた翼体の内壁面から外壁面に貫通する冷却空気孔を備えるタービン翼であって、
   前記冷却空気孔が前記翼体の内壁面側に設けられる直管部と前記翼体の外壁面側に設けられる拡径部とを有し、
   前記拡径部の内壁に設けられると共に前記拡径部における冷却空気の案内を行うガイド溝と、前記ガイド溝に形成された凹部とを備え、
   前記凹部は、前記内壁面に向けて掘られた穴部である
   ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記ガイド溝は、前記拡径部の内壁面に沿って設けられていることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 前記ガイド溝は、前記直管部を流れる冷却空気の流れ方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のタービン翼。
4. 前記拡径部に設けられると共に前記冷却空気の流れ方向と交差する衝突面を有することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のタービン翼。