JPH09507549A - ガスタービンのエアフォイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 エアフォイル（１０）内で冷却エアーを流すチューブ（１６）である。このチューブ内のフロー開口部（２８）は、冷却エアー（２９）をエアフォイル内面に対して流し、衝突冷却を行わせる。突出部（３０）は、セグメント化されたトリップストリップの形態で、少なくとも開口部（２８）の幾つかと整合即ち対応して設けられ、表面を伸長させる。チューブ（１６）と表面（１４）との間のチャンバ（１８）は、エアー出口に向かって増大するフロー領域を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンのエアフォイル 技術分野 本発明は、実質的な空冷が要求されるガスタービンのファーストステージエア フォイル即ち第一段エアフォイルに関し、特に、衝突冷却（インピンジメント冷 却）配列に関する。 発明の背景 高効率ガスタービンエンジンにおいては、タービンに供給されるガスの温度が 高温であることが要求される。従って、第一段のベーンやブレードは、それらの 設計最高温度に近い温度で動作することになる。 これらのベーン及びブレードは、寿命を長くするために、冷却が必要とされる 。そのための一般的な方法としては、ベーンやブレードのエアフォイル等の冷却 するためにこれらの構造の内部に供給されている、圧縮機からの高圧エアーを活 用することである。 この冷却エアーを表面冷却に用いるための方法がいくつか知られている。上記 エアーがブレードの外側フィルムに沿って流れるように制御したうえで上記外表 面からエアーを流出させることで、上記外表面のフィルム冷却を行うことができ る。内面の対流冷却また用いられ、熱交換効率を工場するために、場合によって はトリップス トリップが設けられる。衝突冷却は、冷却されるエアフォイルの内部表面に対し て、高速の流れを実質的に垂直に向けることでもなされる。 日本国の特開昭５８−１９７４０２号公報においては、エアーは、突出部間に 位置したブレードの内部表面に衝突する。これらの突出部は、上記ブレードの壁 面の内表面から、エアー通路の全高にわたって延びている。 発明の開示 エアフォイル内において、エアフォイルの壁面の内表面から離間して、中空の チューブが設けられる。これは、チューブと内表面との間にフローチャンバ（流 通室）を形成する。エアー出口は、上記フローチャンバと流体的に連通している エアフォイルの後端に位置している。上記中空のチューブ内に設けられた複数の フロー開口部によって、チューブの中心部に供給された冷却エアーは、これらの 開口部を通過し、エアフォイルの内部表面に対して衝突し、その後にエアー出口 を通過して外部へと流れ出る。複数の表面突出部、または伸長した表面突出部が 内部表面に設けられており、フロー開口部は、少なくともこれら突出部のいくつ かと対応して設けられる。 内部通路の伸長した表面は、インピンジメント冷却即ち衝突冷却に対して有効 な表面積を増加させる。内部表面積の増加により、通路壁からの熱交換効率が工 場する。熱交換と表面積との関係は、熱交換式Ｑ＝Ｈ×Ａ×デルタＴによって示 される。ここで、Ｑは交換された熱、Ｈは熱交換効率、Ａは表面積、デルタＴは 壁面とエアー との温度差を示す。上記熱交換式から、表面積（Ａ）は、壁面からの熱交換（Ｑ ）が増加するにつれて増加することが示される。 伸長された表面による利点は、上記伸長した表面がトリップストリップの形態 をとるときは、エアーの衝突する部位から離れた位置においても生じる。これら の位置では、トリップストリップがフローチャンネル内で乱流を促進し、従って 熱交換が促進される。 図面の簡単な説明 図１は、冷却されたエアフォイルの断面図である。 図２は、トリップストリップを覆う衝突開口部を示す２−２断面図である。 図３は、ローカルトリップストリップに対する開口部の関係を示す３−３断面 図である。 図４は、先細すなわちテーパ状のエアフォイルチャンバを示す４−４断面図で ある。 発明の最適実施形態 図１に、壁面１２と内表面１４とを有するエアフォイル１０を示す。中空のチ ューブ１６は、このエアフォイル内に配置され、エアフォイルの内面からは離間 されている。 これにより、エアー室１８が中空のチューブとエアフォイル表面の内面との間 に形成される。エアー出口２０は、エアフォイルの後端２２に配置されており、 このエアー出口は、エアー室１８と流体的に連通している。 圧縮機の吐出口からエアーを受けるエアフォイルの一端には、エアー供給手段 ２４が設けられ、エアフォイルに冷却エアーを供給する。チューブ壁面２６は、 その内部を冷却エアーが流通する複数の開口部２８を有する。この冷却エアーは 、エアフォイルの内表面１４に対して衝突する。 複数の伸長された表面突出部３０は、内表面１４上に位置し、チューブ壁面２ ６を貫通する開口部２８は、少なくとも上記突出部のいくつかと対応している。 上記開口部を流通する流体２９は、矢線３２に示されるように、出口２０に向 かって流れる。 上記突出部は、フローチャンバ１８内に延びてこのチャンバの高さよりも短く 、流体の流通を可能としている。これらの突出部は、セグメント化されており、 エアー出口への方向に対して約４５°の角度をなしている。これらの突出部の主 な機能は、衝突フロー領域における熱交換面を増加させることである。第二の機 能は、この開口部間の領域において、交差する流れが存在することによって、乱 流及び熱交換を向上することである。 図３に示されるように、突出部３０は、表面１４上における実質的に半円柱の 隆起部となっている。上記特別な領域である突出部では、表面積が５０〜６０％ 増加している。突出部が設けられている領域全体では、表面積が１５％増加して いる。 図４は、図２の４−４断面図であり、流体のフロー３２の出口方向に行くに従 って高さが0.64〜1.02mmへと増加するフローチャンバ１８を示している。累積フ ロー（cumulative flow）３２は、各衝 突フロー２９が加えられるに従って増加する。 チャンネル高さが増加することで、累積される上流側からの流れと、伸長して いる表面アレイが設けられた領域に入っていくことによる通路高の減少と、が調 整される。高さが傾斜的に増加することにより、チャンネルでの上記表面積が増 加された領域を設けたことによる圧力降下を最小に抑える一方、フローチャンネ ル内での衝突フローと交差フローとの間の関係が最適化される。種々の上流側開 口部に対する背圧を減少させることで、衝突フローの均一性が向上する。 突出部により設けられた伸長された加熱面は、好ましくは、衝突開口部に対応 して集中されているか、または、衝突開口部の半影部（penumbra）において、集 中されていることが好ましい。また、トリップストリップの形態とすることで、 離れた位置における表面積を増加させることが望ましい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ガスタービンの第一段中空エアフォイルであって、 エアフォイル形状の外面と内面とをそれぞれ有するエアフォイル壁面と、 前記エアフォイル内に設けられて前記エアフォイル壁面の内面から離間されて いる中空のチューブであって、このチューブと前記内面との間にフローチャンバ が形成されるチューブと、 前記中空のチューブを通じて冷却エアーを供給するエアー供給手段と、 前記エアフォイルの後端に位置して前記フローチャンバと流体的に連通してい るエアー出口と、 前記内面上に設けられた複数の伸長した表面突出部と、 前記突出部の少なくともいくつかと対応して前記中空のチューブ内に設けられ た複数のフロー開口部と、 を有することを特徴とするエアフォイル。 ２． 前記中空のチューブは、前記内面との間隔が、前記エアー出口に向かっ て増加するように設けられていることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル 。 ３． 前記突出部は、前記フローチャンバ内に延びて前記チャンバの高さより も短いリブを有することを特徴とする請求項１記載の エアフォイル。 ４． 前記エアー出口に向かう方向は、出口方向を規定するものであり、 前記突出部は、セグメント化されていて、前記出口方向に対して平行ではない 所定の角度をなすことを特徴とする請求項３記載のエアフォイル。 ５． 前記所定の角度は、実質的に４５°であることを特徴とする請求項４記 載のエアフォイル。 ６． 前記中空のチューブは、前記内面との間隔が、前記エアー出口に向かっ て増加するように設けられていることを特徴とする請求項３記載のエアフォイル 。 ７． 前記中空のチューブは、前記内面との間隔が、前記エアー出口に向かっ て増加するように設けられていることを特徴とする請求項５記載のエアフォイル 。