JPH0552201U - ガスタービンブレード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高温の燃焼ガスに曝されるガスタービンブレー
ドを、水の細粒（ミスト）を含んだ空気で冷却する際
に、冷却効果を向上させることのできるガスタービンブ
レードを得ようとする。 【構成】中空のブレード１と、ブレード内にミストを含
む空気を送るインサート３との間の通路５に、ブレード
内面に取付けた小さい板状のフィン６、６ａを突出させ
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、冷却効果のよいガスタービンブレードに関し、燃焼ガス温度を高 めてガスタービンの効率を向上させるのに利用できる考案である。

【０００２】

【従来の技術】

ガスタービンブレード（この明細書では、ノズルブレード、ロータブレードを 総称する）は、１０００℃以上の高温の燃焼ガスに曝されつつ作動するため、耐 熱性の大きな鋼材により造られるが、この材料の耐熱性は６５０℃程度に過ぎな いので、冷却空気によりブレードを冷却してその温度を使用材料の耐熱温度範囲 内に納める様にされている。

【０００３】 即ち、ブレードを中空にして内部にガスタービンコンプレッサで得た圧縮空気 を通し、ブレード内面とこれに沿って流れる空気（以下、風という）との接触に よりブレードを冷却する対流冷却、圧縮空気をブレード内面に吹付けて冷却する 吹付け冷却、ブレードに穿設した細孔から吹出した圧縮空気をブレード外面に沿 い流してブレード外面に断熱性の空気膜を形成して燃焼ガスによるブレードの加 熱程度を低くする膜冷却等が行なわれている。

【０００４】 図（１４）は、ブレード内面に風を吹付ける吹付け冷却と、ブレード外面に空 気膜を形成する膜冷却とを行なうタービンブレードの従来例を示すブレードの断 面図である。

【０００５】 中空のブレード（１）は隔壁１ａにより前部と後部とに区画され、前部には多 孔のノズル管（２）を挿入して圧縮空気をブレード内面に向けて噴出させる。こ の圧縮空気は、ブレード内面に衝突してこれを冷却すると共にブレードに設けた 細孔から噴出しブレード外面に沿って流れ、ブレード外面に断熱性の空気膜を形 成してブレード１が燃焼ガスにより加熱される程度を減少させる。

【０００６】 ブレードの後部にはインサート３を挿入してこれの細孔から圧縮空気を流出さ せ、ブレード内面とインサート外面との間に風を流しブレード１を冷却する。冷 却し終った風は、ブレード尾部の細孔４から流出する。

【０００７】 更に、風による冷却効果を向上させるために、風の中に水を含有させ、この水 の細粒（以下これをミストという）を高温のブレード内面に接触、蒸発させ、大 きな水の潜熱を利用してブレード冷却の効果を上げることも考えられている。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

上記のミスト冷却において、ミストを含んだ風がブレード内面とインサート外 面との間の通路５を流れるときに、ミストが風に乗ったままブレード内面に接触 しないで流れ去ってしまうと、ミストの潜熱を利用したブレード冷却ができず、 従ってブレード冷却効果を向上させることができない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

この考案は、ブレード内面に板状のフィンを突設することにより、ブレードの 冷却効果を高めるものである。

【００１０】

【作用】

風に乗ってブレード内面とインサート外面との間の通路５を流れるミストは、 風が板状のフィンのため直進を遮ぎられて進路を曲げるときでも、比重が大きい ため直進を続けてフィンに衝突し易く、この衝突によりフィンを介してブレード の熱を吸収し蒸発してブレードを冷却する。従って風とブレード内面との接触に よる冷却に併せて、ミスト蒸発による冷却を有効に行なって、ブレード冷却を良 好に行なうことができる。

【００１１】

【実施例】

図１は中空のブレード１の内面に矩形の小さい平板状のフィン６を通路５に突 出させて取付けた状態を示し、図１４の部分７を拡大したブレードの部分断面図 である。図２〜図４は図１のａ方向から見たフィンを示し、図２はフィンが風の 方向を示す矢印８に平行なもの、図３は矢印８に４５°傾斜するもの、図４は矢 印８に直交するものを示す。

【００１２】 インサート３から噴出した、ミストを含む風は、ブレード内面とインサート３ の外面との間の通路５を矢印８の方向に流れ、ブレード内面に接触しないミスト も平板状のフィン６に衝突し蒸発してブレードを冷却するので、ミストによるブ レード冷却効果を高めることができる。

【００１３】 本考案者の実験によると、平板状のフィン６の冷却効果は、上記した３種のフ ィン角度のうち、風の方向を示す矢印８となす角度が９０°（図４）の場合が最 もよく、０°（図２）のときが最も悪く、４５°（図３）のときが中間である。

【００１４】 図５〜図８は、平板状のフィン６と風との角度変化による冷却効果を調べるた めに、本考案者の行なった基礎的実験の方法を示し、図５は実験装置の側面図、 図６〜図８は板フィンの取付け角度を変えた状態を示す平面図である。

【００１５】 この実験装置では、ガスタービンブレードを模擬した厚さ２m/m の平鉄板９に 平板状の模擬フィン１２を取付ける。模擬フィン１２の寸法は、厚さ１m/m 、高 さ１１．５m/m 、幅８m/m とし、下部を直角に折曲げ穿孔して鉄板９に小ねじで 固定した。空気ノズル１０は鉄板９に対して垂直方向で３０°傾斜し、模擬フィ ン１２をこれの水平投影線に対して０°、４５°、９０°に変えて鉄板９に取付 けるようにした。ノズルの口径は２０m/m 、ノズル先端とフィン１２との距離は １５０m/m である。ノズル１０は鉄板９に垂直方向で３０°傾斜しているが、平 行するものと見做した。模擬フィン１２と鉄板９との間には熱電対１１を取付け て鉄板９の温度を測定した。

【００１６】 鉄板９の下には２１００kcal/hr のガスバーナー１３を置いて鉄板９を加熱し た。ノズル１０から吹出す風の風速は、コンプレッサの回転速度を制御して３． ８m/s 、７．３m/s 、１１．５m/s とし、風にミストを含ませるには、超音波振 動子式の噴霧機を４台使用し、運転台数を変えることにより空気とミストとの混 合比を４種類に変えて実験した。

【００１７】 図９は、ノズル１０からの風の吐出風速を３．８m/s としたときの風の含むミ スト量（体積比で示す）と、冷却効果との関係の実験結果を示し、ミスト量が多 くなるに従って鉄板９の温度は下って冷却効果は上り、その程度は模擬フィン１ ２の傾斜が４５°のもの（□印）が最も高く、垂直のもの（△印）が少し低く、 平行のもの（○印）が最も低くなっている。

【００１８】 冷却効果、冷却空気のミスト含有量及び計算式に用いた文字等の意味は図９に 書き込んだ通りである。以下の図１０、図１１にはこの説明は省略したが、両図 においても同様である。

【００１９】 図１０は、風の吐出風速を７．３m/s としたときの同様の実験結果を示し、模 擬フィン１２の傾斜が垂直のもの（△印）が最も効果がよく、４５°のとき（□ 印）がこれに次ぎ、平行のとき（○印）が最も悪い。

【００２０】 図１１は、風の吐出風速を１１．５m/s としたときの同様の実験結果を示し、 模擬フィン１２の傾斜が４５°のもの（□印）と垂直のもの（△印）は殆ど同じ 効果を示し、平行のもの（○印）が悪い。

【００２１】 以上の実験結果によれば、平板状のフィンを風に対して傾斜させれば、風に平 行に設置した場合よりも伝熱効果を高められることが判る。又フィンが無い場合 は、風に平行なフィンの場合よりも冷却効果が悪くなっている。従ってブレード 内面とインサート外面との間の空気通路５に平板状のフィンを設けることにより 、ミストを含む空気のみを流す場合に比べてブレードを冷却する効果が上ること が判る。

【００２２】 このように通路５に平板状のフィンを設けるには、ブレードを精密鋳造すると きにブレードと同体に鋳造することにより実施できる。フィンの傾斜角度も任意 に決められる。

【００２３】 なお、平板状のフィンを風に対して傾斜して設ければ、当然、風の流通に対し て抵抗となるが、ブレードを冷却する風の圧力は、容量の大きなガスタービン付 属のコンプレッサの吐出空気の一部を使用するから、抵抗の影響は無視できるも のである。例えば、コンプレッサの吐出圧力が２５kg/cm²ならば、途中の圧力損 失を考慮しても１２kg/cm²の圧力空気を利用することができる。

【００２４】 ミストがブレードに接触することなく、風に乗って通路５内を流れ去るのを捕 捉する手段としては、上記の平板状のフィンの他に、図１２及びこれのＡ−Ａ拡 大断面図である図１３に示すようなすな、空気流に対向する前面が三角形をなす 断面形の棒状のフィン６ａを多数ブレード内面に突設してもよい。このフィン６ ａは、平板状のフィンの変形である板状のフィンと見ることができる。このよう な断面形のフィンは、前述の平板状のフィンを空気流に対して傾斜させたのと同 様に作用し、しかも風の方向に平行に設けても、両面においてミストと接触させ ることができるので、ミストを捕捉する機会が多くなる。

【００２５】

【考案の効果】

この考案によるガスタービンブレードは、中空にしたブレード内面と、これに 挿入したインサート外面との間の通路に、ミストを含む風を通してブレードを冷 却する際に、ミストを板状のフィンに衝突させるものであるから、多くのミスト をフィンで捕捉してブレード冷却に利用することができ、ミストがブレード内面 に接触することなく風に乗ってブレード外に排出されてミストの蒸発による冷却 効果が低下することを防止して、ミストの蒸発によるブレード冷却を良好に行な わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】中空ブレードの内面に平板状のフィンを取付け
た状態を示す図１４の部分７の拡大断面図。

【図２】平板状のフィンが風に平行な場合を示す図１の
ａ方向から見た図。

【図３】フィンが風の方向４５°傾斜する場合を示す同
様の図。

【図４】フィンが風の方向に直交する場合を示す同様の
図。

【図５】ブレードの効果を調べる実験装置の側面図。

【図６】風に直交させて取付けた模擬フィンの平面図。

【図７】風と４５°傾斜させて取付けた模擬フィンの平
面図。

【図８】風に平行に取付けた模擬フィンの平面図。

【図９】この実験において、風速を３．８m/s とした時
の実験結果を示す図。

【図１０】風速を７．３m/h とした時の同様の図。

【図１１】風速を１１．５m/h とした時の同様の図。

【図１２】ピンフィンを示す図１同様の断面図。

【図１３】図１２のＡ−Ａ拡大断面図。

【図１４】従来の空気冷却法を例示するブレードの断面
図。

【符号の説明】

１ ブレード １ａ 隔壁 ２ ノズル管 ３ インサート ４ 細孔 ５ 通路 ６ 平板状のフィン ６ａ 前面が三角形のフィン ７ 部分 ８ 空気流の方向を示す矢印 ９ 鉄板 １０ 空気ノズル １１ 熱電対 １２ 模擬フィン １３ ガスバーナ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 インサートを挿入して冷却用空気をブレ
   ード内に吹込み冷却する中空のガスタービンブレードに
   おいて、ブレード内面に板状のフィンを取付けて、ブレ
   ード内面とインサート外面との間に形成される冷却用空
   気の通路に突出させた事を特徴とするガスタービンブレ
   ード。