WO2014188961A1 - タービン翼の冷却構造 - Google Patents

Abstract

　タービン翼（１）を内部から冷却するための構造において、前記タービン翼（１）内に冷却媒体通路（５）を設け、この冷却媒体通路（５）を、互いに平行に延びる複数のほぼ円筒状の空間（Ｓ１，Ｓ２）の一部が互いに重なり合った形状を有するものとし、前記冷却媒体通路に冷却媒体（ＣＬ）を供給する冷却媒体供給通路（９）を、前記冷却媒体通路の周壁（１５）を含む部分に、前記冷却媒体通路の長手方向に対して鋭角をなす方向に接続する。

Description

タービン翼の冷却構造 関連出願

　本出願は、２０１３年５月２０日出願の特願２０１３－１０５８１８の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　本発明は、ガスタービンエンジンのタービンにおけるタービン翼を、内部から冷却するための構造に関する。

　ガスタービンエンジンを構成するタービンは、燃焼器の下流に配置され、燃焼器で燃焼された高温のガスが供給されるため、ガスタービンエンジンの運転中は高温にさらされる。したがって、タービン翼、すなわちタービンの静翼および動翼を冷却する必要がある。このようなタービン翼を冷却する構造として、圧縮機で圧縮された空気の一部を、翼内に形成した冷却通路に導入し、圧縮空気を冷却媒体としてタービン翼を冷却することが知られている。このような冷却構造の例として、タービン翼内に円管によって冷却通路を形成し、その一端から冷却用の空気を供給して旋回流を生じさせることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第５６０３６０６号明細書

　圧縮空気の一部をタービン翼の冷却に用いる場合、外部から冷却媒体を導入する必要がなく、冷却構造を簡単にできるメリットがある一方、圧縮機で圧縮された空気を多量に冷却に用いるとエンジン効率の低下につながるので、最小限の空気量で効率的に冷却を行う必要がある。しかし、上記のように単純な円筒状の空間に空気を流すのみでは、冷却通路内で冷却媒体である空気が一方向に旋回するのみで、冷却媒体中の温度分布が不均一となり、十分な冷却効果は得られない。

　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、タービン翼内の冷却通路を通過する冷却媒体の温度分布の均一化を図ることにより、高効率にタービン翼を冷却することができる冷却構造を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明に係るタービン翼の冷却構造は、タービン翼を内部から冷却するための構造であって、前記タービン翼内に設けられた冷却媒体通路が、互いに平行に延びる複数のほぼ円筒状の空間の一部が互いに重なり合った形状を有しており、前記冷却媒体通路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給通路が、前記冷却媒体通路の周壁を含む部分に、前記冷却媒体通路の長手方向に対して鋭角をなす方向に接続されている。

　この構成によれば、冷却媒体通路の周壁を含む部分から冷却媒体通路に供給された冷却媒体が、複数の円筒形状空間に分かれて流入し、各円筒形状空間内でそれぞれ旋回流を形成する。さらに、両空間の重なり領域を介して、両円筒形状空間内の各旋回流の一部が、他方の円筒形状空間へ流入する。このように、隣り合う円筒形状空間内で形成された冷却媒体の各旋回流が、他方へ流入し合う際に、冷却媒体の混合が促進され、冷却媒体内の温度分布が均一化されるので、高い冷却効率を得ることができる。さらには、各旋回流が他方の円筒形状空間に流入する際に、円筒形状空間の間に形成される区画辺に衝突することにより、インピンジ効果による高い冷却効果がもたらされる。

　本発明の一実施形態において、隣り合う２つの前記円筒形状空間の両断面円の中心間を結ぶ直線に沿った重なり長さＷが、一方の円筒形状空間の断面直径Ｄ１および他方の円筒形状空間の断面直径Ｄ２に対して、０．０５≦Ｗ／（（Ｄ１＋Ｄ２）／２）≦０．３５となるように前記隣り合う２つの円筒形状空間が重なっていることが好ましい。両円筒形状空間の重なり度合いをこのように設定することにより、両円筒形状空間内にそれぞれ分離した旋回流が生じ、かつ互いの旋回流が隣り合う円筒形状空間内に流入し合う現象を確実に発生させることができる。

　本発明の一実施形態において、前記冷却媒体通路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給通路が、前記冷却媒体通路の隣り合う２つの前記円筒形状空間の重なり領域に接続されていてもよい。その場合、前記冷却媒体供給通路から供給された冷却媒体が、前記隣り合う２つの円筒形状空間の間に形成される区画辺に衝突するように、前記冷却媒体供給通路が前記重なり領域に接続されていることが好ましい。この構成によれば、冷却媒体供給通路から供給された冷却媒体が、両空間の間に形成される区画辺に衝突することによって、両円筒形状空間内にほぼ均等に振り分けられ、各円筒形状空間を形成する内壁面に沿って指向性の高い逆方向の旋回流が形成されるので、冷却媒体の混合が一層促進される。また、冷却媒体の供給部分においても、冷却媒体を区画辺に衝突させることにより、インピンジ効果によって壁面の冷却が促進される。これらの効果により、極めて高い冷却効率を得ることができる。

　本発明の一実施形態において、前記冷却媒体通路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給通路が、前記冷却媒体通路の隣り合う２つの前記円筒形状空間の両断面円の中心間を結ぶ直線上の前記円筒形状空間の重なり領域と反対側の側部に接続されていてもよい。この構成によれば、当該冷却構造を適用するタービン翼の部位の形状に応じた柔軟な設計が可能となる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の第１実施形態に係る冷却構造が適用されるタービン翼の一例を示す斜視図である。 図１のタービン翼の冷却構造を模式的に示す断面図である。 図２の冷却構造の冷却媒体通路の形状を示す斜視図である。 図２の冷却構造の冷却媒体通路の形状を示す断面図である。 図２のタービン翼の前端部の横断面図である。 図２の冷却構造の作用を模式的に示す断面図である。 図２の冷却構造の冷却媒体供給通路を模式的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るタービン翼の冷却構造の例を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るタービン翼の冷却構造の例を模式的に示す断面図である。

　以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態であるタービン翼の冷却構造が適用される、ガスタービンエンジンのタービンのタービン翼である動翼１を示す斜視図である。タービン動翼１は、そのプラットフォーム２がタービンディスクの外周部に連結されることで、周方向に多数植設されてタービンを形成している。タービン動翼１は、燃焼器から供給される矢印方向に流れる高温ガスＧに曝されている。以下の説明では、高温ガスＧの流れ方向に沿った上流側（図１の左側）を前方とよび、下流側（図１の右側）を後方と呼ぶ。本実施形態では、タービン動翼１において特に高温となる前端部１ａの内部に冷却構造を適用している。

　図２に示すように、タービン動翼１の前端部１ａの内部には、タービンの径方向（同図の上下方向）に沿って延びる第１冷却媒体通路５が形成されている。冷却媒体ＣＬとして使用される圧縮機からの圧縮空気は、タービンディスク３の内部に形成された冷却媒体導入通路６を介してタービン動翼１の内部に導入される。タービン動翼１の内部に導入された冷却媒体ＣＬの一部は第１冷却媒体通路５に供給される。タービン動翼１の内部に導入された冷却媒体ＣＬの残りの一部はタービン動翼１の後部１ｂを冷却するための第２冷却媒体通路７に供給される。冷却媒体ＣＬを、これら冷却媒体通路５，７を通過させることにより、タービン動翼１が内部から冷却される。第１冷却媒体通路５に供給された冷却媒体ＣＬは、タービン動翼１の外部に連通する排出孔８から排出される。

　図３に示すように、第１冷却媒体通路５は、互いに平行に延びる複数（この例では２つ）のほぼ円筒状の円筒状空間Ｓ１，Ｓ２の一部が互いに重なり合った形状を有している。すなわち、図４に示すように、第１冷却媒体通路５の断面は、２つの円（以下、断面円という）Ｃ１、Ｃ２の一部が重なり合った形状を有している。なお、本明細書において、「ほぼ円筒状」とは、断面形状が円形状である筒状、または長軸長さに対する短軸長さの比が０．５以上の楕円形状である筒状を意味する。図示の例では、一方の断面円Ｃ１の直径Ｄ１と他方の断面円Ｃ２の直径Ｄ２とは等しい値に設定されているが、両直径Ｄ１，Ｄ２は異なる値に設定されていてもよい。

　隣り合う２つの円筒形状空間Ｓ１とＳ２との重なり度合いは、断面円Ｃ１とＣ２とが外接した状態よりも互いに近接しており、かつ内接した状態（両直径Ｄ１，Ｄ２が等しい場合には、断面円Ｃ１とＣ２とが完全に重なった状態）よりも互いに離間していれば特に限定されない。もっとも、冷却媒体ＣＬをより効果的に第１冷却媒体通路５内で分離させるための好ましい重なり度合いとしては、隣り合う２つの円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の両断面円Ｃ１，Ｃ２の中心Ｏ１，Ｏ２間を結ぶ直線Ｌに沿った重なり長さＷが、一方の断面円Ｃ１の直径Ｄ１および他方の断面円Ｃ２の直径Ｄ２に対して、０．０５≦Ｗ／（（Ｄ１＋Ｄ２）／２）≦０．３５となるように設定されていることが好ましく、０．１０≦Ｗ／（（Ｄ１＋Ｄ２）／２）≦０．３０であることがより好ましく、Ｗ／（（Ｄ１＋Ｄ２）／２）＝０．２０であることがさらに好ましい。なお、以下の説明では、隣り合う２つの円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の両断面円Ｃ１，Ｃ２の中心Ｏ１，Ｏ２間を結ぶ直線Ｌに沿った方向を、単に幅方向Ｘとよぶ。

　両円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の重なり度合いをこのように設定することにより、図６と共に後に詳述するように、両円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２内にそれぞれ分離した旋回流Ｒ１，Ｒ２が生じ、かつ互いの旋回流Ｒ１，Ｒ２が隣り合う円筒形状空間内に流入し合う現象を確実に発生させることができる。

　図６に示すように、第１冷却媒体通路５に冷却媒体ＣＬを供給する冷却媒体供給通路９は、第１冷却媒体通路５の隣り合う２つの円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の重なり領域Ｍに接続されている。特に、冷却媒体供給通路９から第１冷却媒体通路５に供給された冷却媒体ＣＬが、隣り合う２つの円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の間に形成される区画辺１１に衝突するように冷却媒体供給通路９が重なり領域Ｍに接続されていることが好ましい。より詳細には、冷却媒体供給通路９は、円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２間の重なり領域Ｍに対して、断面視で幅方向Ｘに直交し、かつ通路の中心が、対向する区画辺１１にほぼ一致する配置で接続されている。ここで、区画辺１１とは、図３に示すように、隣り合う両円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の間、つまり、円筒形状空間Ｓ１を形成する周壁と円筒形状空間Ｓ２を形成する周壁とを区画する部分に形成される、第１冷却媒体通路５の長手方向に延びる辺のことである。

　なお、図５に示すように、幅方向Ｘは、例えば、タービン動翼１の厚さ方向にほぼ合致している。第１冷却媒体流路５内に供給された冷却媒体ＣＬは、前端部１ａに形成された複数の噴射孔１３から外部へ噴射されて、前端部１ａの翼表面をフィルム冷却する。

　また、図７に示すように、冷却媒体供給通路９は、第１冷却媒体通路５の周壁１５を含む部分に、第１冷却媒体通路５の長手方向に対して鋭角をなす方向に接続されている。図示の例では、冷却媒体供給通路９は、第１冷却媒体通路５の上流側端部における周壁１５と底壁１７との間に形成される角部１９に接続されている。冷却媒体供給通路９の長手方向と第１冷却媒体通路５とがなす角度αは、０°より大きく、９０°より小さい値であれば特に限定されないが、冷却媒体ＣＬが確実に第１冷却媒体通路５内で旋回流を形成するためには、当該角度αは１５°≦α≦６０°の範囲にあることが好ましく、３０°≦α≦４５°の範囲にあることがより好ましい。

　このように構成された第１冷却媒体通路５を備える冷却構造によれば、図６に示すように、冷却媒体供給通路９を介して、第１冷却媒体通路５に、第１冷却媒体通路の周壁を含む部分から供給された冷却媒体ＣＬが、円筒形状空間Ｓ１とＳ２に分かれて流入した後、各円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２内でそれぞれ旋回流Ｒ１，Ｒ２を形成する。さらに、第１冷却媒体通路５内を旋回流Ｒ１，Ｒ２として通過していく過程で、両空間Ｓ１，Ｓ２の重なり領域Ｍを介して、旋回流Ｒ１の外径側を流れる一部が、円筒形状空間Ｓ１からＳ２へ流入し、旋回流Ｒ２の外径側を流れる一部が、円筒形状空間Ｓ２からＳ１へ流入する。このように、互いの円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の旋回流Ｒ１，Ｒ２が他方の円筒形状空間Ｓ２，Ｓ１へ流入し合う際に冷却媒体ＣＬの混合が促進され、冷却媒体ＣＬ内の温度分布が均一化されるので、高い冷却効率を得ることができる。さらには、各旋回流Ｒ１，Ｒ２が円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２間に形成される区画辺１１に衝突することにより、インピンジ効果による高い冷却効果がもたらされる。

　特に、図示した例では、冷却媒体供給通路９が隣り合う円筒形状空間Ｓ１，Ｓ２の重なり領域Ｍに接続されているので、冷却媒体ＣＬは、冷却媒体供給通路９から第１冷却媒体通路５へ流入する際にも両空間Ｓ１，Ｓ２間に形成される区画辺１１に衝突する。この区画辺１１によって、冷却媒体ＣＬが両円筒形状空間Ｓ１、Ｓ２内にほぼ均等に振り分けられ、各円筒形状空間Ｓ１、Ｓ２を形成する内壁面に沿って互いに逆方向に旋回する旋回流Ｒ１，Ｒ２が形成されるので、重なり領域Ｍにおける混合が一層促進される。また、冷却媒体ＣＬの供給部分においても、冷却媒体ＣＬを区画辺１１に衝突させることにより、インピンジ効果によって壁面の冷却が促進される。これらの効果により、極めて高い冷却効率を得ることができる。

　なお、冷却構造の形態としては、上記で説明した例に限らず、タービン翼内に設けられた冷却媒体通路が、互いに平行に延びる複数のほぼ円筒状の空間の一部が互いに重なり合った形状を有し、かつ冷却媒体供給通路が、冷却媒体通路の周壁を含む部分に、冷却媒体通路の長手方向に対して鋭角をなす方向に接続されていれば、互いの円筒形状空間の旋回流が他方へ流入し合う際に冷却媒体ＣＬの混合が促進され、冷却媒体ＣＬ内の温度分布が均一化されるという効果が得られる。

　例えば、本発明の第２実施形態として、冷却媒体供給通路９は、図８（ａ）に示すように、第１冷却媒体通路５の、直線Ｌ上の、円筒形状空間の重なり領域Ｍと反対側の側部５ａ，５ａの一方に接続されていてもよい。または、図８（ｂ）に示すように、冷却媒体供給通路９を２つ設けて、第１冷却媒体通路５の両側部に接続してもよい。このように冷却媒体供給通路９を冷却媒体通路５の側部５ａに接続する場合、第１冷却媒体通路５の断面視において、冷却媒体供給通路９による冷却媒体ＣＬの供給方向が、断面円Ｃ１，Ｃ２の接線方向となるように設定することが好ましい。この第２実施形態において、上記で特に説明した以外の構成は、冷却媒体供給通路９が、第１冷却媒体通路５の周壁１５を含む部分に、第１冷却媒体通路５の長手方向に対して鋭角をなす方向に接続されている構成を含めて、第１実施形態と同様である。

　また、本発明の第３実施形態として、第１冷却媒体通路５を形成する円筒状空間の数は２つに限らず、例えば図９に示すように、３つの円筒形状空間Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３をこの順に並べて、隣り合う円筒形状空間Ｓ１とＳ２，およびＳ２とＳ３がそれぞれ互いに重なり合う形状を有していてもよい。その場合、図９（ａ）に示すように、第１冷却媒体通路５の形状を、３つの円筒状空間Ｓ１～Ｓ３をほぼ直線状に並べた（つまり、断面円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各中心Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３が同一直線状にある）形状としてもよいが、この冷却構造を適用するタービン翼の部分の形状に合わせて、図９（ｂ）に示すように、円筒状空間Ｓ１，Ｓ２の幅方向Ｘ１と円筒状空間Ｓ２，Ｓ３の幅方向Ｘ２とが平行とならない（つまり、断面円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各中心Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３が同一直線状にない）形状としてもよい。円筒状空間の数を４つ以上とする場合も同様である。

　この第３実施形態において、上記で特に説明した以外の構成は、冷却媒体供給通路９が、第１冷却媒体通路５の周壁１５を含む部分に、第１冷却媒体通路５の長手方向に対して鋭角をなす方向に接続されている構成を含めて、第１実施形態と同様である。

　第１～第３実施形態として例示した冷却構造は、タービン動翼１の前端部１ａのみならず、これに代えて、または追加して、後方部１ｂの第２冷却媒体通路７に適用してもよい。また、いずれの実施形態においても、冷却媒体ＣＬとして、圧縮機からの圧縮空気に限らず、一般的に冷却媒体として用いられる他の気体または液体を使用してもよい。さらには、本発明に係る冷却構造は、ガスタービンのタービン翼として、タービン動翼１のほかに、タービン静翼にも適用できる。

　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１　タービン動翼（タービン翼）
５　第１冷却媒体通路（冷却媒体通路）
９　冷却媒体供給通路
１５　冷却媒体通路の周壁
ＣＬ　冷却媒体
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３　断面円
Ｍ　重なり領域
Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３　断面円の中心
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３　円筒状空間

Claims (5)

1. 　タービン翼を内部から冷却するための構造であって、
   　前記タービン翼内に設けられた冷却媒体通路が、互いに平行に延びる複数のほぼ円筒状の空間の一部が互いに重なり合った形状を有しており、
   　前記冷却媒体通路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給通路が、前記冷却媒体通路の周壁を含む部分に、前記冷却媒体通路の長手方向に対して鋭角をなす方向に接続されている、
   　タービン翼の冷却構造。
2. 　請求項１に記載の冷却構造において、隣り合う２つの前記円筒形状空間の両断面円の中心間を結ぶ直線に沿った重なり長さＷが、一方の円筒形状空間の断面直径Ｄ１および他方の円筒形状空間の断面直径Ｄ２に対して、０．０５≦Ｗ／（（Ｄ１＋Ｄ２）／２）≦０．３５となるように前記隣り合う２つの円筒形状空間が重なっているタービン翼の冷却構造。
3. 　請求項１または２に記載の冷却構造において、前記冷却媒体供給通路が、前記冷却媒体通路の隣り合う２つの前記円筒形状空間の重なり領域に接続されているタービン翼の冷却構造。
4. 　請求項３に記載の冷却構造において、前記冷却媒体供給通路から供給された冷却媒体が、前記隣り合う２つの円筒形状空間の間に形成される区画辺に衝突するように、前記冷却媒体供給通路が前記重なり領域に接続されているタービン翼の冷却構造。
5. 　請求項１または２に記載の冷却構造において、前記冷却媒体供給通路が、前記冷却媒体通路の隣り合う２つの前記円筒形状空間の両断面円の中心間を結ぶ直線上の前記円筒形状空間の重なり領域と反対側の側部に接続されているタービン翼の冷却構造。

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