JPH0252196B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガスタービンの冷却部材であつて、
内壁を形成する内側金属薄板と、この内壁を翼状
に取り囲む外壁を形成する外側金属薄板とから成
つており、この内壁と外壁との間に形成された中
間室に冷却媒体が流れる形式のものに関する。

従来の技術 今日、一般に用いられている高熱ガスタービン
においては、各ガスタービン部材、例えば羽根、
熱せき止めセグメント、燃焼室及び吸い込み通路
等は主として空気によつて冷却される。各構成部
材には、冷却空気が流れる冷却空気通路及び空気
が再びここを通つて出て行くスリツトと開口とが
設けられている。そのために例えばガスタービン
の羽根において、冷却空気の一部が流出縁の所で
噴き出される。各構成部材において冷却空気通路
を配置するためには、比較的厚い壁厚を必要とす
る。これに相応して、この構成部材には、縦方向
にも、横方向にも作用する高い熱応力が生じる。
この熱応力は非静止運転及び静止運転において生
じ、高い熱負荷を導くか、若しくは構造部分の破
壊を引き起こす。

公知の装置、例えばアメリカ合衆国特許第
3446481号明細書によれば、前記構成部分は精密
鋳物で製造されるが、熱応力を小さく保つために
は、部分的に金属薄板構造も使用される。この場
合、平らな薄い外側壁は、内側壁として用いられ
る波形金属薄板に溶接されており、これによつて
冷却媒体のための冷却通路が形成される。

しかしながらこの公知の装置の欠点は、内側壁
として使用される波形金属薄板が一方の方向での
み弾性的なので、加熱される外側壁の方向で膨張
するということである。これに対して他方の方向
では、加熱される外側壁と冷却される内側壁との
間に膨張差が生じて、この方向で高い熱応力が生
じる。

高温のガス熱においては、強い冷却が必要なの
で、冷却媒体として空気を使用する場合は、冷却
空気側の高い熱伝導率のために流れ速度を速くす
ることが必要であつて、これによつて高い圧力損
失が生じる。そこでこのような場合は、空気冷却
のかわりに蒸気冷却あるいは液体冷却が使用され
る。これは例えば、内実の羽根芯部に、冷却媒体
通路、有利には管を受容するために切削部が形成
されており、管は表皮によつて被覆されている
（ドイツ連邦共和国特許出願公開第2825801号明細
書参照）。

この公知の装置の欠点は、羽根芯部が内実に形
成されていて、外側壁部と接続されているので、
高い熱応力が生じるということである。液体を導
く導管を銅に埋め込む形式はこの熱応力をほんの
少し減少するだけである。

発明が解決しようとする課題 そこで本発明の課題は、熱を伴なう機械あるい
は装置の任意の部分に使用できて、各構成部材が
比較的低い圧力損失によつて冷却され、この場
合、生じる熱応力が低く保たれるような冷却部材
を提供することである。

課題を解決するための手段 本発明によればこの課題は、外側金属薄板と内
側金属薄板との間の中間室に仕切壁が配置されて
おり、前記外側金属薄板側で冷却媒体室が形成さ
れかつ前記内側金属薄板側で圧力補償室が形成さ
れていることによつて解決された。

仕切壁が隆起部付金属薄板より形成されてい
て、この隆起部付金属薄板の各隆起部が外側金属
薄板に溶接されていると特に有利である。

外側金属薄板と内側金属薄板との間の仕切壁が
隆起部付金属薄板として形成されていることによ
つて、各隆起部を外側金属薄板に有利には溶接に
よつて接続することができ、これによつて、外側
金属薄板と内側金属薄板との間に通路が形成さ
れ、この通路内で、隆起部が存在することによつ
て流れの渦が生じるので、冷却媒体の流れ速度が
比較的遅い場合でも高い熱伝導値を得ることがで
きる。また隆起部付金属薄板は前記公知の波形金
属薄板とは異なりすべての方向で非常にフレキシ
ブルであつて、これによつて隆起部形状、隆起部
直径、隆起部方向、各隆起部間の間隔、金属薄板
の厚さに応じて、縦方向の剛性を平らな金属薄板
に対して減少させることができる。他方、隆起部
付金属薄板自体は曲げに対しては非常に強い。外
側金属薄板を隆起部付金属薄板に接続することに
よつて、剛性はより高められる。高い熱が生じ
て、外側金属薄板が膨張する際に、内側の隆起部
付金属薄板は、その高い弾性のために、たとえ隆
起部付金属薄板が著しく低い温度を有していて
も、外側金属薄板の膨張にそのまましたがう。こ
れによつて隆起部付金属薄板は外側金属薄板と共
に縦方向でも横方向でも膨張でき、高い熱応力は
生じない。

水あるいは水蒸気を冷却媒体として使用する場
合には、外側金属薄板と隆起部付金属薄板との間
の流通通路に著しく高い圧力が生じる。隆起部を
外側金属薄板に溶接することによつて閉じた流通
通路が形成される。このように形成された通路で
は金属薄板内に、外側金属薄板の外側表面に作用
する加熱ガスの外圧によつて一種の「ボイラ応
力」が生じる。

この「ボイラ応力」を避けるか、あるいは少な
くとも減少するために、隆起部付金属薄板と内側
金属薄板との間に、外側の加熱ガス圧力と同じ圧
力が形成される圧力補償室が設けられている。こ
れは、有利には圧力補償室を圧力源に接続するこ
とによつて得られる。圧力補償室内の圧力形成
は、ガスタービンにおいては、圧力補償室を圧縮
機の適当な圧力段に接続することによつて簡単な
形式で得られる。

本発明による冷却部材が羽根として構成されて
いて、該羽根の内壁が内部で流通通路を有する羽
根芯部として形成されていて、外壁が外套壁とし
て形成されており、該羽根がベースプレートとカ
バープレートを備えている場合、前記外套壁と羽
根芯部との間で羽根の全長にわたつて仕切り壁が
延びており、該仕切り壁の両端部がカバープレー
ト及びベースプレートに密着して溶接されてお
り、、前記流通通路内に、この流通通路及びひい
ては羽根芯部の内側面を部分的におおうライニン
グが配置されていて、該ライニングの一方の端部
が羽根芯部の前記内側面に密接して溶接されてい
て、ライニングの他方の端部が前記カバープレー
トに密接して溶接されている。この場合、ライニ
ングは波形の金属薄板である。

圧力補償室内で、流通通路における圧力と同じ
圧力を維持するために、圧力補償室の一方側が、
接続導管を介して圧力源に接続されており、他方
側が伸縮継ぎ目を介して、羽根芯部とライニング
との間の室に接続されている。

冷却媒体室を圧力補償室から仕切るために、隆
起部付金属薄板の端部がカバープレートとベース
プレートとに溶接されている。

本発明による冷却壁は、特に有利には、ガスタ
ービンの燃焼室、熱せき止めセグメント及び吸い
込み通路において使用される。

実施例 第１図においては、例えばガスタービンの燃焼
室の外側金属薄板１と間隔を保つて内側金属薄板
２が配置されており、この２つの金属薄板の間に
冷却媒体室３が形成されている。冷却媒体室３の
内部には、有利には隆起部付金属薄板として形成
された仕切壁４が配置されている。隆起部付金属
薄板の各隆起部５は外側金属薄板１と、例えば溶
接によつて固く結合されているが、はんだ、拡散
結合等のその他の公知の手段を使用しても良い。
こうして外側金属薄板１と隆起部付金属薄板４と
の間には、矢印６で示されている流通通路が形成
される。この流通通路を通つて流れる流通媒体
は、各隆起部５の周囲に沿つて流れる。隆起部付
金属薄板４と内側金属薄板２との間には圧力補償
室７が形成され、この圧力補償室７内の圧力は、
外側金属薄板１の外側面に作用する圧力と同じ圧
力に設定してある。これによつて、例えばボイラ
を膨出させるような応力分布が外側金属薄板１に
作用することは避けられる。圧力補償室７内で外
側金属薄板１の外側面に作用する圧力と同じ圧力
を生ぜしめるために、この圧力補償室７は有利に
は圧力源（図示せず）に接続されている。つま
り、例えばガスタービンにおいては、圧力補償室
７は圧縮器の段に接続されている。

第２図では隆起部付金属薄板４の２つの実施例
が示されている。図面左側の実施例では、単一の
隆起部５が隆起部付金属薄板４の表面上に一様に
分配されている。図面右側の実施例では金属薄板
の両面側に隆起部５が設けられていて、この実施
例では高い弾性係数を有しており、上方へ突き出
ている隆起部５と下方へ突き出ている隆起部５と
の間の金属薄板平面はほぼ水平に延びている。

第３図で分かるように、隆起部付金属薄板４
の、隣接し合う各隆起部５間の間隔ｔは隆起部５
の直径ｄに対して所定の関係を有している。この
関係は特に隆起部付金属薄板４の厚さに基づいて
いる。つまり、隆起部付金属薄板４が相応に変形
できる程度の厚さを有している場合にのみ、最適
な構成が得られる。

第４図及び第５図に示した本発明による冷却部
材の、タービン羽根における応用例において、タ
ービン羽根は、この実施例では、部分的に中空に
形成されていて、流通通路９を取り囲む羽根芯部
８と、ベースプレート１０と、カバープレート１
１と、羽根芯部８に対して間隔を保つて配置され
かつ輪郭を形成する外套壁１′とから成つており、
この外套壁１′は機能的には第１図における外側
金属薄板１に相応する。ベースプレート１０はカ
バー２１によつて閉鎖されていて、カバープレー
ト１１は羽根芯部８に溶接されているが、この場
合羽根芯部８とカバープレート１１との間には伸
縮継ぎ目１２が設けられている。さらにカバープ
レート１１内には通路１３が配置されていて、こ
の通路１３は流通通路９と接続している。外套壁
１′と羽根芯部８との間に形成される室には、隆
起部付金属薄板４より形成された仕切壁が、外套
壁１′側で冷却媒体室３を形成し、かつ、羽根芯
部８側で圧力補償室７を形成するように配置され
ており、この場合、隆起部付金属薄板４は一方の
端部で羽根芯部８の内側表面と密接して溶接され
ていて、他方の端部でカバープレート１１と密接
して溶接されている。隆起部付金属薄板４の各隆
起部５は、外套壁１′に溶接されているか若しく
はその他の公知の形式で固く結合されている。圧
力補償装置７は伸縮継ぎ目１２を介して、一方で
はライニング１４（有利には波形金属薄板より形
成されている）によつて取り囲まれている室１５
に接続されており、他方では接続導管１６を介し
て圧力源（図示せず）に接続されている。ライニ
ング１４は流通通路９の内側表面の一部をおおつ
ている。

この実施例においては、矢印で示された冷却媒
体はベースプレート１０を冷却した後、外套壁
１′と、仕切壁として用いられる隆起部付金属薄
板４との間で羽根軸線に沿つて流れる。カバープ
レート１１を冷却した後、冷却媒体は羽根芯部８
内の流通通路９を通つてベースプレート１０に戻
る。外套壁１′は加熱ガスによつて負荷され、し
かも隆起部付金属薄板４に固定的に結合されてい
るので、隆起部付金属薄板４より形成された仕切
壁は一種の圧力容器を形成するか、若しくはボイ
ラ壁とみなされる。従つて、対抗措置を講じなけ
れば、金属薄板内にこの金属薄板を膨出させるよ
うな、いわゆるボイラ応力が生じる。このような
応力分布は、隆起部付金属薄板４と羽根芯部８と
の間に設けた圧力補償室７によつて避けられる。
この圧力補償室７内には、例えばガスタービンの
圧縮段（図示せず）から、接続導管１６を介して
圧縮空気が供給される。隆起部付金属薄板４の２
つの端部を羽根芯部８及びカバープレート１１と
密接して溶接することによつて、圧力補償室７に
対する冷却媒体室３の密閉が得られる。この場
合、外套壁１′の自由伸張が、隆起部付金属薄板
４とカバープレート１１とによつて妨げられるこ
とはない。羽根芯部８はその縦軸方向でのみ伸張
するので、ライニング１４は波形金属薄板で構成
することができる。このような形式の冷却された
タービン羽根は内実の羽根芯部８を有していても
良いが、この場合は、冷却媒体を戻し案内するた
めに相応の流通通路を設けなくてはならない。空
気力学的な力に起因する曲げ応力を吸収するため
に、冷却されたタービン羽根においては、一般に
羽根芯部が必要である。力学的な大きな応力を受
容する必要のないタービン羽根においては、第１
図に示したような、内壁で十分である。また、冷
却媒体をここで図示した流れ方向とは逆の方向で
流通させても良い。冷却媒体を例えば流入側でベ
ースプレートからカバープレートへ、次いで流出
側でカバープレートからベースプレートへと流す
こともできる。この場合、羽根芯部８は内実に形
成される。

第５図に示されている、第４図のＡ−Ａ線に沿
つた、冷却式タービン羽根の断面図によれば、カ
バープレート１１に、付加的に冷却ひれ１７（破
線で示されている）を設けてもよいことが示され
ている。

第６図は、第１の案内羽根列を有するガスター
ビン１８の部分的な縦断面図である。この実施例
においては、案内羽根１９にも熱せき止めセグメ
ント２０にも、また、流入部分にも、図示してい
ない燃焼室に接続された加熱ガスケーシング４′
の部分にも、外側金属薄板１、外套壁１′、内側
金属薄板２及び、仕切壁として形成された隆起部
付金属薄板４とを有する本発明による冷却部材が
備えられている。冷却媒体室３への冷却媒体供給
部並びに圧力補償室への圧力媒体供給部は、公知
の形式で得られるので省いた。

効 果 本発明の冷却壁によれば、簡単な形式で加熱応
力を低く保つことができる。

本発明による冷却部材の応用は、ここに示した
実施例に限定されるものではなく、高い熱応力に
さらされるすべての対象物に応用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による冷却部材の一
部の横断面図、第２図は隆起部付金属薄板の隆起
部の２つの異なる実施例を示した横断面図、第３
図はさらに別の実施例による隆起部付金属薄板の
一部の平面図、第４図は本発明の冷却部材をター
ビン羽根に応用した実施例の縦断面図、第５図は
第４図のＡ−Ａ線に沿つた断面図、第６図はガス
タービンの流入路及び第１の案内羽根列その他に
本発明の冷却部材を応用した実施例の概略的縦断
面図である。 １……外側金属薄板、１′……外套壁、２……
内側金属薄板、３……冷却媒体室、４……隆起部
付金属薄板、４′……加熱ガスケーシング、５…
…隆起部、６……矢印、７……圧力補償室、８…
…羽根芯部、９……流通通路、１０……ベースプ
レート、１１……カバープレート、１２……伸縮
継ぎ目、１３……通路、１４……ライニング、１
５……室、１６……接続導管、１７……冷却ひ
れ、１８……ガスタービン、１９……案内羽根、
２０……熱せき止めセグメント、２１……カバ
ー、ｔ……間隔、ｄ……直径。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンの冷却部材であつて、内壁を形
   成する内側金属薄板２と、この内壁を翼状に取り
   囲む外壁を形成する外側金属薄板１とから成つて
   おり、この内壁と外壁との間に形成された中間室
   に冷却媒体が流れる形式のものにおいて、前記中
   間室に仕切壁が配置されており、前記外側金属薄
   板１側で冷却媒体室３が形成されかつ前記内側金
   属薄板２側で圧力補償室７が形成されていること
   を特徴とする、ガスタービンの冷却部材。 ２ 前記仕切壁が隆起部付金属薄板４である、特
   許請求の範囲第１項記載の冷却部材。 ３ 隆起部付金属薄板４の各隆起部５が外側金属
   薄板１に溶接されている、特許請求の範囲第２項
   記載の冷却部材。 ４ 前記冷却部材が羽根として構成されていて、
   該羽根の内壁が内部で流通通路９を有する羽根芯
   部８として形成されていて、外壁が外套壁１′と
   して形成されており、該羽根がベースプレート１
   ０とカバープレート１１を備えており、前記外套
   壁１′と羽根芯部８との間で羽根の全長にわたつ
   て仕切り壁４が延びており、該仕切り壁４の両端
   部がカバープレート１１及びベースプレート１０
   に密接して溶接されており、、前記流通通路９内
   に、この流通通路９及びひいては羽根芯部８の内
   側面を部分的におおうライニング１４が配置され
   ていて、該ライニング１４の一方の端部が羽根芯
   部８の前記内側面に密接して溶接されていて、ラ
   イニング１４の他方の端部が前記カバープレート
   １１に密接して溶接されている、特許請求の範囲
   第１項から第３項までのいずれか１項記載の冷却
   部材。 ５ 前記ライニング１４が波形金属薄板として構
   成されている、特許請求の範囲第４項記載の冷却
   部材。 ６ 圧力補償室７の一方側が、接続導管１６を介
   して圧力源に接続されており、他方側が伸縮継ぎ
   目１２を介して、羽根芯部８とライニング１４と
   の間の室１５と接続されている、特許請求の範囲
   第４項記載の冷却部材。 ７ 冷却部材が燃焼室として構成されており、冷
   却部材の外側金属薄板１と内側金属薄板２とが、
   燃焼室の加熱ケーシング４′を形成している、特
   許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１
   項記載の冷却部材。