JPH11280404A - ガスタービン冷却翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン冷却翼に関し、冷却通路内の冷
却媒体による熱伝達率を向上させる。 【解決手段】 ガスタービン冷却翼の冷却通路２には多
数のリブ１１が傾斜し、所定のピッチで配列している。
リブ１１の長さは冷却通路２の全幅のほぼ中央部より多
少長くした位置で交互に逆に傾斜して前方のリブと接
し、その形状は互いに接する端部が高く、徐々に減少し
て低くなっている。冷却媒体はリブ１１により渦流３ｂ
が生じ、この渦流３ｂは（ｂ），（ｃ）に示すように両
側に発生し、（ｄ）に示すように熱伝達率の高い領域６
をリブ１１間の両側に生ずる。更に、リブ１１同志の接
続部より生ずる小渦流７により熱伝達率が一層高まり、
この領域６が均一化され、平均熱伝達率の向上が図れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンの冷却
翼に関し、ガスタービンの動翼や静翼の冷却通路内の熱
伝達率を向上させるような構造としたものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの動翼や静翼には内部に冷
却通路が設けられており、この冷却通路に導入されて通
過する冷却媒体により、ガスタービン翼を内部から冷却
するようにしている。このような冷却により外周を流れ
る高温ガスに曝され、高温になるガスタービン翼の高温
化による強度低下を防止し、強度維持を図るようにして
いる。

【０００３】図７はガスタービン冷却翼の縦断面図であ
り、図において、１は冷却翼（動翼）であり、内部に連
通する冷却通路２が設けられている。３は冷却媒体であ
り、冷却翼１の基部から翼内部に流入し、冷却通路２
ａ，２ｂ，２ｃを順次流れて高温ガス５の流れる通路に
流出する。４はリブであり、後述するように多数のリブ
が傾斜して各冷却通路２ａ，２ｂ，２ｃの内壁面に配列
しており、流入した冷却媒体３により流れ９を生じて熱
伝達率を向上させるようにしている。

【０００４】図５は上記に説明した従来の冷却翼１の冷
却通路の拡大詳細図であり、（ａ）は冷却通路の部分平
面図、（ｂ）は同部分斜視図である。図において、冷却
翼１内の冷却通路２には冷却媒体３の流れ方向に対し、
傾斜させた一定の角度θとピッチＰをもつリブ４が、冷
却通路２の全幅Ｗにわたり、高さｅで突設されている。
冷却媒体３は図７でも説明したように、冷却翼１の外方
から冷却通路２に導入され、冷却翼１の内部を順次冷却
しながら、高温ガス５中に放出される。この際、リブ４
は冷却媒体３の流れに攪乱を生じさせて、冷却通路２を
流れる冷却媒体３の熱伝達率を向上させるものである。

【０００５】図６は上記に説明の冷却通路の冷却媒体３
のフローパターンとそれに伴う冷却作用を模式的に説明
する図であり、図において、（ａ）は冷却通路を平面で
見た時の冷却媒体３の流れの方向を、（ｂ）は同側面で
見た時の流れを、（ｃ）は同斜視的に見た時の流れをそ
れぞれ示し、（ｄ）は冷却通路の熱伝達率分布を示した
図である。

【０００６】これらの図に示すように、冷却媒体３の流
れは、（ｂ）に示すようにリブ４によって渦流３ａとな
り、（ｃ）に示すように傾斜して設けたリブ４に沿うよ
うに、上流側から下流側へと一定方向を向いて流れる。
この為、同図（ｄ）に熱伝達率分布として概念的に示す
ように、渦流３ａが冷却通路２壁に対して漸近する（境
界層が薄い）上流側において、熱伝達率の高い領域１０
が生じる反面、渦流３ａが冷却通路２壁から遠ざかる
（境界層が厚い）下流側においては、上流側に比して熱
伝達率が低下する傾向となり、場所によって熱伝達率の
不均一が生じ全体としての平均熱伝達率向上を減じてい
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のように従来のガ
スタービン冷却翼においては、図６に示すように冷却媒
体がリブ４に沿って生じる渦流３ａとなって冷却通路２
内を流れ、図６（ｄ）に示すように冷却通路２の壁面で
渦流３ａが壁面に対して漸近する部分において熱伝達率
の高い領域１０を生じ、又、反面渦流３ａが冷却通路２
の壁面から遠ざかる部分において熱伝達率が低下する領
域が生じ、熱伝達率が不均一となり、平均した熱伝達率
が低下する原因となっていた。

【０００８】そこで本発明はガスタービン冷却翼の冷却
通路において、リブの配置や形状に工夫をし、冷却通路
内で冷却媒体の流れにより生ずる熱伝達率の高い領域を
リブとリブ間に均一に生ずるようにし、全体の平均熱伝
達率を向上させるような冷却通路の構造を提供すること
を課題としてなされたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決するために次の（１）乃至（５）の手段を提供する。

【００１０】（１）翼内部に連通する冷却通路を有し、
同冷却通路内壁には多数のリブを冷却媒体の流れ方向と
交差するように所定のピッチで配設したガスタービン冷
却翼において、前記各リブは前記冷却通路の側面から中
央部を越える位置まで伸びると共に、冷却媒体の流れ方
向に対して左右交互に逆に傾斜して順次配設され、前記
各リブの中央部を越えた先端は冷却媒体流れ方向の前流
側リブの側面とそれぞれ接していることを特徴とするガ
スタービン冷却翼。

【００１１】（２）上記（１）の発明において、前記リ
ブの高さは、冷却通路の中央部を越える先端が他端より
も高く、同他端に向かって減少する形状であることを特
徴とするガスタービン冷却翼。

【００１２】（３）翼内部に連通する冷却通路を有し、
同冷却通路内壁には多数のリブを冷却媒体の流れ方向と
交差するように所定のピッチで配設したガスタービン冷
却翼において、前記リブの長手方向の所定位置には、同
リブとほぼ直交するように立設したことを特徴とするガ
スタービン冷却翼。

【００１３】（４）上記（３）の発明において、前記ピ
ンは配列するリブに所定間隔で設けたことを特徴とする
ガスタービン冷却翼。

【００１４】（５）上記（３）又は（４）において、前
記ピンは冷却通路の背側と腹側の壁面に連結されている
ことを特徴とするガスタービン冷却翼。

【００１５】本発明の（１）においては、各リブが冷却
媒体の流れ方向に対して交互に逆に傾斜し、冷却通路の
中央部よりやや側面寄りで前方のリブの側面と接してい
る。従って冷却媒体の流れは交互に逆方向に傾斜したリ
ブに沿って流れる渦流が両側に生じ、この渦流は所定の
ピッチで配列した前後のリブ間を順次旋回しながら流
れ、このリブ間の冷却通路両側に熱伝達率の高い領域が
生じ、従来のように熱伝達率の高い領域が片寄って生ず
るようなことがなく、高熱伝達領域が均一化され、全体
の平均熱伝達率が向上する。

【００１６】又、本発明の（２）のように、各リブの高
さが互いに接する端部が高く側面の方が順次低くなって
いるので、接する部分の角部にも流れ方向に向かう小渦
流が生じ、この小渦流によっても熱伝達率を高める作用
を助長する。

【００１７】本発明の（３）では各リブにはピンが立設
されているので、従来と同じように渦流によって熱伝達
率の高い領域が生ずると共に、更に、これに加えてピン
の後流側にも渦状の流れが生じ、この流れはリブの傾斜
に沿って流れ、従来高い熱伝達率の生じにくい領域にも
このピンにより生じた流れにより熱伝達率の高い領域が
生じ、熱伝達率の高い領域を均一化して全体の平均熱伝
達率が向上する。

【００１８】本発明の（４）のように、上記のピンを全
部のリブだけでなく所定の間隔に設けても良く、ピンに
より生ずる流れによる高熱伝達領域を必要に応じて適宜
調整することができる。更に本発明の（５）では各ピン
が背側と腹側に連結して設けるのでこのピンを冷却通路
内部の補強部材として兼用することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施
の第１形態に係るガスタービン冷却動翼を示し、（ａ）
は冷却通路の部分拡大平面図、（ｂ）はその側面図、
（ｃ）はその斜視図である。これら図において、１１は
多数のリブであり、冷却通路２の内壁面に一定角度θ、
一定ピッチＰで冷却媒体３の主流方向に対して傾斜し、
その傾斜を左右交互に逆の傾斜で配列している。

【００２０】リブ１１は又、冷却通路２の全幅Ｗに対し
てＷよりも小さいＷａの位置まで傾斜して配置され、そ
の高さは中央部からやや側面寄りのＷａの位置において
ｅとし、その位置から外側（下流側）に向かって高さを
減少してゆき、端部においてｅよりも低いｆとなるよう
に形成されている。

【００２１】このような形状のリブ１１は高さｅの先端
部において上流側の傾斜したリブ１１の側面と接し、こ
の接する部分においては上流側リブ１１よりも高くな
り、これより突出している。このような傾斜したリブ１
１を交互に逆に傾斜させ、高さｅの高い部分を上流側リ
ブ１１の側面の中央部近辺で接するようにし、このよう
な多数のリブ１１を冷却通路２の冷却媒体３の主流方向
へピッチＰで多数配置している。

【００２２】図２は実施の第１形態における冷却媒体の
フローパターンと熱伝達率分布を示し、（ａ）はフロー
パターンの平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその
斜視図であり、（ｄ）は熱伝達率分布図である。これら
の図に示すように、冷却媒体は交互に中央部で逆方向に
傾斜して配置されているリブ１１により、冷却通路２の
中央部から両外側に分かれる流れとなる渦流３ｂが生ず
る。

【００２３】この渦流３ｂは冷却通路２の両側でピッチ
Ｐで傾斜して配列しているリブ１１間の空間から次の下
流側の空間へ向かって旋回する渦流となり、又、リブ１
１の形状が高さｅからｆへと低くなる形状であり、リブ
同志が接する端部では高さに差があるのでこの高さｅの
リブ１１角部で小渦流７が発生する。この小渦流７も、
リブ同志の接する部分が左右に交互に形成されているの
で両側に生ずることになる。

【００２４】上記の構成の実施の第１形態によれば、従
来の冷却構造と同様に、発生する渦流３ｂの上流側では
図２（ｄ）に示すように熱伝達率の高い領域６が形成さ
れるが、渦流３ｂは両外側に生じているのでこの領域６
もリブ１１の配列で形成される空間の両側に生ずること
になる。

【００２５】又、リブ形状が高さｅからｆに低減するよ
うに変化しているので、リブ同志の接合部のリブ角部に
生ずる小渦流７も両側に発生し、上記の高熱伝達率の領
域６の発生を助長し、更に熱伝達率向上を高めることが
できる。

【００２６】なお、リブ１１の高さの寸法ｅ，ｆについ
ては、ｅ＝ｆでも同様の効果が期待でき、必要な熱伝達
率が得られるように、このｅ，ｆの値を選択し、高熱伝
達率の得られる程度を調整すれば良いものである。

【００２７】上記のように本実施の第１形態によれば、
リブ１１を傾斜させ、その傾斜を交互に配置して先端部
を前流側のリブ側面に接し、かつその寸法をｅ〜ｆと変
形させる形状とすることにより、熱伝達率の高い領域６
を増加させ、冷却通路２の両側に均一に生ずるように
し、更に接合部の角部に生ずる小渦流７によっても熱伝
達率の高い領域が生ずるのを助長し、冷却翼の全体の平
均熱伝達率が向上するものである。

【００２８】図３は本発明の実施の第２形態に係るガス
タービン冷却翼を示し、（ａ）は冷却通路の部分拡大平
面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその斜視図であ
る。これら図において、本実施の第２形態の形状は、基
本的にはリブ形状及びその配置は従来技術の形状をベー
スとしており、熱伝達率の低い領域を更に熱伝達率を高
めるようにしたものである。

【００２９】これら図において、冷却通路２の全幅Ｗに
対してほぼ中央部の寸法Ｃの位置においてリブ４上にピ
ン８を取付けたものである。ピン８の形状は直径がｄで
高さがｈであり、図では各リブ４すべてに配置している
が、かならずしもすべてのリブ４に配置せずに何枚か毎
に飛び越して配置しても良いものである。

【００３０】図４は上記に説明の実施の第２形態におけ
る冷却媒体のフローパターンと熱伝達率分布を示し、
（ａ）はフローパターンの平面図、（ｂ）はその側面
図、（ｃ）はその斜視図、（ｄ）は熱伝達率分布を示す
図である。これら図に示すように、リブ４により生じた
濁流３ａが形成され、この濁流３ａにより（ａ）に示す
ように熱伝達率の高い領域１０が生ずる。この領域１０
は従来例と同様の作用である。

【００３１】上記に加えて、ピン８の存在により、ピン
８の後縁側には、ピン８により生じた渦流１２が形成さ
れ、この渦流１２はリブ４の傾きに沿って流れ、領域１
０と反対側に（ｄ）に示すように熱伝達率の高い領域１
１が形成される。従って、ピン８の直径ｄ，高さｈを任
意に決定することにより領域１１の熱伝達率を調整する
ことができる。

【００３２】又、冷却通路２の幅Ｗが大きい場合には、
ピン８はリブ４の長手方向に沿って複数本配置すること
もでき、この場合には高い熱伝達率の領域を拡大させる
ことができる。

【００３３】本実施の第２形態においては、ピン立設方
式の場合は、例えば翼の背側と腹側とをピン８で接続
し、薄肉構造である中空翼の補強材として、冷却促進と
兼ねて用いると好適である。本実施の第２形態において
も実施の第１形態と同じく熱伝達率の高くなる領域が増
加することで平均熱伝達率の向上が図れる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の（１）のガスタービン冷却翼
は、翼内部に連通する冷却通路を有し、同冷却通路内壁
には多数のリブを冷却媒体の流れ方向と交差するように
所定のピッチで配設したガスタービン冷却翼において、
前記各リブは前記冷却通路の側面から中央部を越える位
置まで伸びると共に、冷却媒体の流れ方向に対して左右
交互に逆に傾斜して順次配設され、前記各リブの中央部
を越えた先端は冷却媒体流れ方向の前流側リブの側面と
それぞれ接していることを特徴としている。又、（２）
は上記（１）の発明において前記リブの高さは、冷却通
路の中央部を越える先端が他端よりも高く、同他端に向
かって減少する形状であることを特徴としている。この
ような構成により、従来のように熱伝達率の高い領域が
片寄って生ずることがなく冷却通路に熱伝達率の高い領
域が均一に生じ、全体の平均熱伝達率が向上する。

【００３５】本発明の（３）のガスタービン動翼は、翼
内部に連通する冷却通路を有し、同冷却通路内壁には多
数のリブを冷却媒体の流れ方向と交差するように所定の
ピッチで配設したガスタービン冷却翼において、前記リ
ブの長手方向の所定位置には、同リブとほぼ直交するよ
うにピンを立設したことを特徴としている。又、（４）
は上記（３）の発明において、前記ピンは配列するリブ
に所定間隔で設けたことを特徴とし、（５）では上記
（３）又は（４）の発明において、前記ピンは冷却通路
の背側と腹側の壁面に連結されていることを特徴として
いる。このような構成によっても、従来のように熱伝達
率の高い領域の発生に加え、更にピンの後流側に発生す
る流れによって従来の熱伝達率の低い領域にも熱伝達率
の高い領域を生じさせることができ、全体の平均熱伝達
率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係るガスタービン冷
却翼を示し、（ａ）は冷却通路の部分拡大平面図、
（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその斜視図である。

【図２】本発明の実施の第１形態に係るガスタービン冷
却翼の冷却媒体のフローを示し、（ａ）はフローパター
ンの平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその斜視
図、（ｄ）は熱伝達率分布図である。

【図３】本発明の実施の第２形態に係るガスタービン冷
却翼を示し、（ａ）は冷却通路の部分拡大平面図、
（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその斜視図である。

【図４】本発明の実施の第２形態に係るガスタービン冷
却翼の冷却媒体のフローを示し、（ａ）はフローパター
ンの平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその斜視
図、（ｄ）は熱伝達率分布図である。

【図５】従来のガスタービン冷却翼を示し、（ａ）は冷
却通路の部分拡大平面図、（ｂ）はその斜視図である。

【図６】従来のガスタービン冷却翼の冷却媒体のフロー
を示し、（ａ）はフローパターン平面図、（ｂ）はその
側面図、（ｃ）はその斜視図、（ｄ）は熱伝達率分布図
である。

【図７】従来のガスタービン冷却翼の縦断面図である。

【符号の説明】

１ 冷却翼 ２ 冷却通路 ３ 冷却媒体 ３ａ，３ｂ 渦流 ４，１１ リブ ５ 高温ガス ６，１０，１１ 熱伝達率の高い領域 ７ 小渦流 ８ ピン １２ 流れ

フロントページの続き (72)発明者 武石 賢一郎 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 末永 潔 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 翼内部に連通する冷却通路を有し、同冷
   却通路内壁には多数のリブを冷却媒体の流れ方向と交差
   するように所定のピッチで配設したガスタービン冷却翼
   において、前記各リブは前記冷却通路の側面から中央部
   を越える位置まで伸びると共に、冷却媒体の流れ方向に
   対して左右交互に逆に傾斜して順次配設され、前記各リ
   ブの中央部を越えた先端は冷却媒体流れ方向の前流側リ
   ブの側面とそれぞれ接していることを特徴とするガスタ
   ービン冷却翼。
2. 【請求項２】 前記リブの高さは、冷却通路の中央部を
   越える先端が他端よりも高く、同他端に向かって減少す
   る形状であることを特徴とする請求項１記載のガスター
   ビン冷却翼。
3. 【請求項３】 翼内部に連通する冷却通路を有し、同冷
   却通路内壁には多数のリブを冷却媒体の流れ方向と交差
   するように所定のピッチで配設したガスタービン冷却翼
   において、前記リブの長手方向の所定位置には、同リブ
   とほぼ直交するようにピンを立設したことを特徴とする
   ガスタービン冷却翼。
4. 【請求項４】 前記ピンは配列するリブに所定間隔で設
   けたことを特徴とする請求項３記載のガスタービン冷却
   翼。
5. 【請求項５】 前記ピンは冷却通路の背側と腹側の壁面
   に連結されていることを特徴とする請求項３又は４記載
   のガスタービン冷却翼。