JPH09195703A - ガスタービン冷却動翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 動翼の内部に冷却空気を通して、内側から冷
却したガスタービン冷却動翼の提供。 【解決手段】 動翼１の翼幅方向に穿設された冷却通路
２に、冷却通路２を流れる冷却空気３の流れ方向と交叉
する方向に複数列配列されたタービュレータ８相互の間
に、タービュレータ８の背高より低い補助タービュレー
タ１１を、タービュレータ８の配列方向に対して所定の
角度傾けて配置した。これにより、タービュレータ８に
より発生する２次流れ９が乱され、２次流れの動翼１と
の熱交換量も大きくでき、動翼１を効果的に冷却できる
ようになり、ガスタービンプラントの熱効率を向上させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外周を流れる高温
ガスに曝され、高温になるガスタービン動翼の内部に冷
却通路を穿設し、この冷却通路に導入され、通過する圧
縮空気等の冷却媒体により、ガスタービン動翼を内方か
ら冷却するようにしたガスタービン冷却動翼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロータの外周に植設され、約１０００℃
にもなる高温ガス中で作動するガスタービン動翼は、高
温化による強度低下を防止するため、その内部に翼根部
より翼端部の方向、いわゆる翼幅方向に、冷却通路を穿
設し、ロータの内部に穿設した流体通路を介して、外部
から取入れた高圧の冷却空気を、この冷却通路に導入
し、内部から冷却することが行われている。

【０００３】図２は、このような、内部に冷却通路を設
けた従来のガスタービン動翼を示す図である。図２
（ａ）の横断面図に示すように、動翼１の内部には、翼
幅方向に３列の冷却通路２が、それぞれ連通して設けら
れている。図示しない、動翼１を外周に植設するロータ
の内部に穿設した流体通路から、動翼１の翼根部の冷却
通路２に導入された冷却空気３は、翼端部方向へ流れ、
翼端部で１８０°旋回して翼根部方向へ流れ、翼根部で
再び１８０°旋回して翼端部方向へ流れ、翼端部に設け
た開口４から動翼１の外周縁を流れる高温ガス５中へ流
出する。この冷却通路２を流れる冷却空気３と熱交換す
ることによって、動翼１は冷却され、高温化による強度
低下が防止でき、強度を維持できる。

【０００４】また、冷却通路２には、冷却空気３の流れ
る方向と直交させて、直交タービュレータ６が冷却通路
２の幅全体に突設されている。この直交タービュレータ
６は、図２（ｂ）に示すように、直交タービュレータ６
の後方に生じるはく離渦７で、冷却空気３の流れに攪乱
を生じさせて、冷却通路２を流れる冷却空気３の熱伝達
率を向上させるためのものであり、冷却通路２面に沿っ
て流れる冷却空気３の境界層の厚さより上端が高くなる
ように、冷却通路２面から突設されている。

【０００５】また、図３は従来のガスタービン動翼の他
の例を示す図である。この例では、図３（ａ）の横断面
図に示すように、動翼１の冷却通路２に、冷却空気３の
流れ方向から傾斜させた斜めタービュレータ８を冷却通
路２の幅全体に突設している。この斜めタービュレータ
８を用いて、図３（ｂ）に示すように、前述した直交タ
ービュレータ６と同様、斜めタービュレータ８の後方に
生じるはく離渦７で、冷却空気３の流れに攪乱を生じさ
せて、冷却通路２を流れる冷却空気３の熱伝達率を向上
させるとともに、更に、冷却空気３の流れ方向から傾け
て配置することにより、斜めタービュレータ８に沿って
２次流れ９が発生し、熱伝達率をさらに向上させること
ができるようにしたものである。

【０００６】このように、冷却通路２に設けるタービュ
レータは、初期には、図２に示す直交タービュレータ６
が用いられ、通過する冷却空気に乱流を発生させ、この
流れの遷移により、熱伝達を大きくするだけであったも
のが、最近の高温ガスタービンでは、図３に示す斜めタ
ービュレータ８が用いられ、冷却空気３の流れを乱流に
遷移させ、熱伝達率を大きくすることに加え、２次流れ
９を生じさせることにより、直交タービュレータより、
さらに熱伝達率は大きくするようにしている。

【０００７】しかしながら、この斜めタービュレータ８
に沿って流れる２次流れ９、すなわち、冷却空気３と交
叉する方向に流れる２次流れは、平滑な面に沿って流れ
るだけであり、平滑な面に沿って流れる流れに循環が生
じないために、冷却通路３面との熱交換がさほどでな
く、熱伝達率の飛躍的な向上は望めないという不具合が
あった。すなわち、冷却空気３と交叉する２次流れは、
流速自体が小さく、層流状態に容易に遷移するため、冷
却通路３面との熱交換が少なく、２次流れによる熱伝達
率の向上はさほどでなく、折角の２次流れの発生に拘わ
らず、熱伝達率の向上への寄与が多く望めないという不
具合があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のガス
タービン冷却動翼の不具合を解消するため、動翼の内部
に穿設した冷却通路に、冷却空気の流れの方向と交叉す
る方向に流れる２次流れを、乱流状態に強制的に遷移さ
せて、冷却通路面との熱交換量を大きくして、熱伝達率
を、斜めタービュレータの熱伝達率より、更に高めるこ
とのできるガスタービン冷却動翼を提供することを課題
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のガス
タービン冷却動翼は、次の手段とした。ガスタービン動
翼の内部を翼幅方向に穿設された、冷却通路を流れる冷
却空気の流れの方向と交叉する方向に複数列配置され、
冷却通路面から突出されて設けられた、タービュレータ
の配設方向に対し、所定の角度をなし、さらに、隣接し
て設けられたタービュレータの間に配置され、タービュ
レータの冷却通路面からの突出量より小さい背高にされ
た補助タービュレータを設けた。

【００１０】なお、タービュレータは、冷却通路を交叉
する方向に設けるが、冷却通路を流れる冷却空気の流れ
の方向とは直交させず、傾斜させて設けることが望まし
く、また、補助タービュレータを配列する方向は、この
タービュレータの配列方向と直交する方向に設けること
が望ましい。また、補助タービュレータの背高、すなわ
ち冷却通路面からの突出量は、補助タービュレータによ
り、冷却通路を流れる冷却空気が整流されることなく、
タービュレータによる２次流れが充分発生できるように
するため、タービュレータの背高より小さくするととも
に、補助タービュレータの後流側にも２次流れのはく離
渦が発生できる程度の大きさに設定することが望まし
い。

【００１１】本発明のガスタービン冷却動翼は、上述の
手段により、冷却通路に交叉させて設けたタービュレー
タ、特に、冷却通路の方向に対して傾斜させた斜めター
ビュレータを設けることによって、隣接したタービュレ
ータの間には、２次流れが生じるとともに、この２次流
れは、隣接するタービュレータの間に設けた補助タービ
ュレータによって、補助タービュレータ後方にはく離渦
が生じ、攪乱が生じ、乱流に強制的に遷移させることが
できる。

【００１２】これにより、２次流れによる熱伝達率、す
なわち、冷却通路面を流れる冷却空気の冷却効果が飛躍
的に向上する。従来のタービュレータ、例えば斜めター
ビュレータでは、斜めタービュレータ後方のはく離渦に
よる攪乱、及び斜めタービュレータに沿った２次流れで
熱伝達率が向上するだけであるのに対して、本発明で
は、更に、補助タービュレータ後方のはく離渦による攪
乱が新たに追加され、従来の斜めタービュレータの熱伝
達率より、更に熱伝達率が向上する冷却空気の流れとす
ることができる。

【００１３】また、補助タービュレータの背高をタービ
ュレータの背高より小さくしたことにより、補助タービ
ュレータにより冷却空気が整流されることがなく、ター
ビュレータ後方に充分はくり渦を発生できるとともに、
タービュレータによる２次流れの発生は、従来通り十分
確保できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガスタービン冷却
動翼の実施の一形態を、図面にもとづき説明する。図１
は本発明のガスタービン冷却動翼の実施の第１形態を示
す図で、図１（ａ）は横断面図、図１（ｂ）は図１
（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図、図１（ｃ）は図１
（ａ）の矢視Ｂ−Ｂにおける断面図である。なお、図に
おいて図２、図３に示す符番と同一符番のものは、同
一、若しくは類似の部材につき、説明は省略する。

【００１５】図に示すように、高温ガス５の流れの中で
作動する動翼１の内部には、冷却通路２が翼幅方向に設
けられており、この冷却通路２に、ロータ内部に設けた
流体通路から導入した冷却空気３を通過させ、動翼１を
内部から冷却するようにしている。この動翼１の内部
に、互いに連通して設けた３列の冷却通路２には、冷却
空気３の流れの方向と傾斜させた、複数の斜めタービュ
レータ８が流れの方向に等ピッチに配置され、冷却通路
２の全幅にわたり設けられている。

【００１６】冷却通路２を流れる冷却空気３は、図１
（ｂ）に示すように、この斜めタービュレータ８が冷却
通路２の内壁面より高さｈだけ突出され、しかも冷却空
気３の流れ方向、すなわち冷却通路の設置方向と傾斜さ
せて設けられているので、斜めタービュレータ８の後流
側には、はく離渦７を発生するとともに、図１（ａ）に
示すように、冷却空気３の流れの方向と交叉する方向に
流れる２次流れ９が発生する。

【００１７】また、冷却空気３の流れの方向に、等ピッ
チに配置された斜めタービュレータ８の間には、隣接す
る斜めタービュレータ８のそれぞれに直交させて、両端
を斜めタービュレータ８の側部に連結された、補助ター
ビュレータ１１が設けられている。この補助タービュレ
ータ１１は、その高さｈ′が斜めタービュレータ８の背
高ｈより小さくされるとともに、隣接する斜めタービュ
レータ８の間に２列づつ設けられている。

【００１８】この補助タービュレータ１１を設けたこと
により、斜めタービュレータ８の設置により発生した、
冷却通路２と交叉する方向に流れる２次流れ９にも、図
１（ｃ）に示すように、補助タービュレータ１１の後流
側にはく離渦１０が発生し、２次流れ９も乱流状態に遷
移する。このように、斜めタービュレータ８によるはく
離７の発生とともに、補助タービュレータ１１によるは
く離渦１０の発生により、冷却通路２を流れる冷却空気
３は、冷却通路２の方向、交叉する方向の流れとともに
乱流状態となり、外周を流れる高温ガス５によって加熱
された動翼１の内部に設けた冷却通路面との熱交換量が
大きくなり、動翼１を内部から効率良く冷却し、動翼１
の高温化を防止し、構造強度を保持することができる。

【００１９】また、補助タービュレータ１１の背高ｈ′
を斜めタービュレータ８の背高ｈより小さくしたので、
斜めタービュレータ８による２次流れ９の発生が阻害さ
れることがなく、従来通り２次流れ９の発生による冷却
効果は維持されるとともに、斜めタービュレータ８の後
方のはくり渦の発生が阻害されることなく、このはくり
渦の発生による冷却効果の向上も維持される。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガスター
ビン冷却動翼によれば、特許請求の範囲に示す構成によ
り、動翼の冷却通路を通過する冷却空気の熱伝達率が、
従来使用されている斜めタービュレータを設けただけの
ものより更に向上する。

【００２１】このために、動翼の内部冷却性能が向上
し、ガスタービン動翼材料の耐熱温度が同じであれば、
より高温ガス温度を高めることができ、これによりガス
タービンの熱効率を向上させることができる。また、高
温ガスの温度、およびガスタービン動翼の材料の耐熱温
度が同じであれば、冷却通路に流す冷却空気の流量を少
なくでき、これにより、同様にガスタービンの熱効率を
向上させることができる。

【００２２】このように、本発明のガスタービン冷却動
翼は、ガスタービンの熱効率の向上に寄与できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン冷却動翼の実施の第１形
態を示す図で、図１（ａ）は横断面図、図１（ｂ）は図
１（ａ）に示す矢視Ａ−Ａにおける断面図、図１（ｃ）
は図１（ａ）に示す矢視Ｂ−Ｂにおける断面図、

【図２】従来のガスタービン冷却動翼の１例を示す図
で、図２（ａ）は横断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に
示す矢視Ａ−Ａにおける断面図、

【図３】従来のガスタービン冷却動翼の他の例を示す図
で、図３（ａ）は横断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に
示す矢視Ａ−Ａにおける断面図である。

【符号の説明】

１ 動翼 ２ 冷却通路 ３ 冷却空気 ４ 開口 ５ 高温ガス ６ 直交タービュレータ ７ はく離渦 ８ 斜めタービュレータ ９ ２次流れ １０ はく離渦 １１ 補助タービュレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン動翼の内部を翼幅方向に穿
   設された、冷却通路と交叉する方向にタービュレータを
   複数列配設し、前記冷却通路を通過させる流体で冷却を
   行うようにしたガスタービン冷却動翼において、前記タ
   ービュレータの配設方向と所定の角度をなして、隣接す
   る前記タービュレータの間に配設され、前記タービュレ
   ータの背高より小さい背高にされた補助タービュレータ
   を設けたことを特徴とするガスタービン冷却動翼。