JP5189406B2 - ガスタービン翼およびこれを備えたガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、冷却構造を備えたガスタービン翼に関するものである。

近年、ガスタービン性能向上のため、ガスタービン翼に流入する燃焼ガスの入口温度は上昇傾向にあり、将来的には1700℃に達する。このため、ガスタービン翼の冷却構造が種々開発されている。その冷却構造の一つとして、翼の内部にスパン方向に沿って冷却流路を複数形成し、これらを翼の基端部または先端部にて折り返して接続したサーペンタイン流路が知られている（特許文献１参照）。

特開平８−１４４７０４号公報（図１参照）

サーペンタイン流路内を流れる冷却流体は、ガスタービン翼を冷却することによって受け取った熱によって温度上昇し、下流側では所望の冷却性能を発揮できないという問題がある。これに対して、流路内にタービュレータを設けて伝熱性能を増大させるといった対策が施されているが、将来的な燃焼ガスの温度上昇を考慮すると十分とはいえない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、サーペンタイン流路の伝熱性能を向上させることができるガスタービン翼およびこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービン翼およびこれを備えたガスタービンは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるガスタービン翼は、翼の基端部側から先端部側にわたって延在する冷却流路が翼の前縁から後縁にかけて複数設けられ、これら冷却流路の少なくとも２つが前記基端部または前記先端部にて折り返して接続されたサーペンタイン流路を有するガスタービン翼において、前記サーペンタイン流路は、該サーペンタイン流路の最上流側の冷却流路から最下流側の冷却流路にかけて、流路断面積が順次小さく形成されていることを特徴とする。

サーペンタイン流路を構成する冷却流路の流路断面積が最上流側から最下流側にかけて順次小さく形成されているので、冷却流体が下流に流れるにしたがい流速が上昇する。したがって、下流に流れるにしたがい冷却流体の温度が上昇しても流速の増大によって伝熱性能の低下を補うことができる。

さらに、本発明のガスタービン翼では、前縁側に位置する第１冷却流路と該第１冷却流路の後縁側に隣接する第２冷却流路とを区画する第１壁部と、前記第２冷却流路と該第２冷却流路の後縁側に隣接する第３冷却流路とを区画する第２壁部と、前記第３冷却流路と該第３冷却流路の後縁側に隣接する第４冷却流路とを区画する第３壁部とを備え、前記第２冷却流路が最下流側とされるように、前記第２乃至第４冷却流路によって前記サーペンタイン流路が形成され、前記第１壁部と前記第３壁部とは、これらの間隔が翼の腹側から背側に向かって離間するように配置され、前記第２壁部は、前記第３壁部と略平行に延在し、前記第１壁部、前記第２壁部および翼の背側壁部によって、略三角形状の横断面を有する前記第２流路が形成され、前記第２壁部、翼の背側壁部、前記第３壁部および翼の腹側壁部によって略四角形状の横断面を有する前記第３流路が形成されていることを特徴とする。

第１壁部と第３壁部とは、これらの間隔が翼の腹側から背側に向かって離間するように配置されているので、第１壁部、第３壁部、翼の腹側壁部および翼の背側壁部によって形成される横断面形状は、翼の腹側壁部が短辺、翼の背側壁部が長辺、第１壁部および第３壁部が斜辺とされた略台形となる。この台形を、第３壁部と平行に延在させた第２壁部によって三角形状と四角形状に分けることとした。これにより、台形の短辺となる翼の腹側壁部を四角形の一辺として用いることとして、可及的に扁平とならない四角形状を得ることができる。したがって、腹側壁部の伝熱面積を大きくすることができ、翼の冷却能力が増大する。

さらに、本発明のガスタービン翼では、前記第２壁部は、翼の腹側壁部に接続されずに、前記第１壁部に接続されていることを特徴とする。

第２壁部を翼の腹側壁部に接続せずに第１壁部に接続することとしたので、翼の腹側壁部が第２壁部の肉厚によって覆われることがない。したがって、翼の腹側壁部が第２壁部によって邪魔されずに冷却流体に直接的に接する伝熱面積を確保することができ、冷却能力が増大する。

さらに、本発明の参考例にかかるガスタービン翼では、前縁側に位置する第１冷却流路と該第１冷却流路の後縁側に隣接する第２冷却流路とを区画する第１壁部と、前記第２冷却流路と該第２冷却流路の後縁側に隣接する第３冷却流路とを区画する第２壁部と、前記第３冷却流路と該第３冷却流路の後縁側に隣接する第４冷却流路とを区画する第３壁部とを備え、前記第２冷却流路が最下流側とされるように、前記第２乃至第４冷却流路によって前記サーペンタイン流路が形成され、前記第１壁部と前記第３壁部とは、これらの間隔が翼の腹側から背側に向かって離間するように配置され、前記第２壁部は、前記第１壁部と略平行に延在し、前記第１壁部、翼の背側壁部、前記第２壁部および翼の腹側壁部によって、略四角形状の横断面を有する前記第２流路が形成され、前記第２壁部、翼の腹側壁部、前記第３壁部によって略三角形状の横断面を有する前記第３流路が形成されていることを特徴とする。

第１壁部と第３壁部とは、これらの間隔が翼の腹側から背側に向かって離間するように配置されているので、第１壁部、第３壁部、翼の腹側壁部および翼の背側壁部によって形成される横断面形状は、翼の腹側壁部が短辺、翼の背側壁部が長辺、第１壁部および第３壁部が斜辺とされた略台形となる。この台形を、第１壁部と平行に延在させた第２壁部によって四角形状と三角形状に分けることとした。これにより、台形の短辺となる翼の腹側壁部を四角形の一辺として用いることとして、可及的に扁平とならない四角形状を得ることができる。これにより、腹側壁部の伝熱面積を大きくすることができ、翼の冷却能力が増大する。

さらに、本発明の参考例にかかるガスタービン翼では、前記第２壁部は、翼の腹側壁部に接続されずに、前記第３壁部に接続されていることを特徴とする。

第２壁部を翼の腹側壁部に接続せずに第３壁部に接続することとしたので、翼の腹側壁部が第２壁部の肉厚によって覆われることがない。したがって、翼の腹側壁部が第２壁部によって邪魔されずに冷却流体に直接的に接する伝熱面積を確保することができ、冷却能力が増大する。

また、本発明のガスタービンは、上記のいずれかのガスタービン翼を備えていることを特徴とする。
上記のいずれかに記載されたガスタービン翼を備えているので、冷却性能に優れたガスタービンを提供することができる。

サーペンタイン流路を構成する冷却流路の流路断面積が最上流側から最下流側にかけて順次小さく形成されているので、下流に流れるにしたがい冷却流体の温度が上昇しても流速の増大によって伝熱の低下を補うことができる。これにより、必要最小限とした少ない冷却空気量で高い冷却効率を得ることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図４には、本実施形態にかかるガスタービン翼の縦断面が示されている。
同図に示されたガスタービン翼１は、動翼に用いられて好適なものである。ガスタービン翼１は、プラットフォームを形成する基部６と、基部６の上方（半径方向）に立設するとともに翼のプロファイルを形成する翼部４とを備えている。

基部６には、冷却流体である冷却空気が導入される第１空気導入路１０Ａ、第２空気導入路１０Ｂおよび第３空気導入路１０Ｃが設けられている。冷却空気は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機によって圧縮された空気の一部が用いられる。

翼部４には、翼のスパン方向に延在する複数の冷却流路が形成されており、翼の前縁から後縁に向かって、第１冷却流路１２Ａ、第２冷却流路１２Ｂ、第３冷却流路１２Ｃ、第４冷却流路１２Ｄ、第５冷却流路１２Ｅ、第６冷却流路１２Ｆ、第７冷却流路１２Ｇおよび第８冷却流路１２Ｈが形成されている。

第１冷却流路１２Ａは、第１空気導入路１０Ａと接続されている。第１空気導入路１０Ａから導入された冷却空気は、第１冷却流路１２Ａ内を下方から上方へと（半径方向外側へと）流れ、図示しないフィルム冷却穴から外部へと流出して、翼の外表面を冷却する。

第２乃至第４冷却流路１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄは、一連のサーペンタイン流路を形成している。すなわち、第４冷却流路１２Ｄが最上流、第３冷却流路１２Ｃがその下流、第２冷却流路１２Ｂが最下流となるように接続されている。第４冷却流路１２Ｄと第３冷却流路１２Ｃは、翼の先端部にて折り返して接続されている。さらに、第３冷却流路１２Ｃと第２冷却流路１２Ｂは、翼の基端部にて折り返して接続されている。第４冷却流路１２Ｄに対して、第２空気導入路１０Ｂが接続されており、第２空気導入路１０Ｂから導入された冷却空気が第４冷却流路１２Ｄ、第３冷却流路１２Ｃ、第２冷却流路１２Ｂの順に流れる。第２冷却流路１２Ｂへと流れた冷却空気は、フィルム冷却穴（図示せず）から外部へと流出して、翼の外表面を冷却する。

第５乃至第７冷却流路１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇは、一連のサーペンタイン流路を形成している。すなわち、第５冷却流路１２Ｅが最上流、第６冷却流路１２Ｆがその下流、第７冷却流路１２Ｇが最下流となるように接続されている。第５冷却流路１２Ｅと第６冷却流路１２Ｆは、翼の先端部にて折り返して接続されている。さらに、第６冷却流路１２Ｆと第７冷却流路１２Ｇは、翼の基端部にて折り返して接続されている。第５冷却流路１２Ｅに対して、第３空気導入路１０Ｃが接続されており、第３空気導入路１０Ｃから導入された冷却空気が第５冷却流路１２Ｅ、第６冷却流路１２Ｆ、第７冷却流路１２Ｇの順に流れる。第７冷却流路１２Ｇへと流れた冷却空気は、フィルム冷却穴（図示せず）から外部へと流出して、翼の外表面を冷却する。

第８冷却流路１２Ｈには図示しない空気導入路から冷却空気が導入され、導入された冷却空気は、第８冷却流路１２Ｈ内を上方（半径方向外側）へと流れるとともに、翼の後縁から外部へと流出する。

図１には、ガスタービン翼１の横断面が示されている。同図の各冷却流路１２に記入された記号のうち、○内に中実点がある記号は、流路内を半径方向外側（図４において下方から上方）に冷却空気が流れることを意味し、○内に×印がある記号は、流路内を半径方向内側（図４において上方から下方）に冷却空気が流れることを意味する。
同図に示されているように、第１冷却流路１２Ａと第２冷却流路１２Ｂとは、第１壁部２２Ａによって仕切られている。同様に、第２冷却流路１２Ｂと第３冷却流路１２Ｃは第２壁部２２Ｂ、第３冷却流路１２Ｃと第４冷却流路１２Ｄは第３壁部２２Ｃ、第４冷却流路１２Ｄと第５冷却流路１２Ｅは第４壁部２２Ｄ、第５冷却流路１２Ｅと第６冷却流路１２Ｆは第５壁部２２Ｅ、第６冷却流路１２Ｆと第７冷却流路１２Ｇは第６壁部２２Ｆ、第７冷却流路１２Ｇと第８冷却流路１２Ｈは第７壁部２２Ｇによって、それぞれ仕切られている。

第２乃至第４冷却流路１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄによって形成されるサーペンタイン流路は、冷却空気の流れ方向にしたがって流路断面積が順次小さく形成されている。すなわち、最上流の第４冷却流路１２Ｄよりも、その下流の第３冷却流路１２Ｃの方が流路断面積が小さくされており、第３冷却流路１２Ｃよりも、その下流の第２冷却流路１２Ｂの方が流路断面積が小さくされている。

また、第５乃至第７冷却流路１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇによって形成されるサーペンタイン流路についても、冷却空気の流れ方向にしたがって流路断面積が順次小さく形成されている。すなわち、最上流の第５冷却流路１２Ｅよりも、その下流の第６冷却流路１２Ｆの方が流路断面積が小さくされており、第６冷却流路１２Ｆよりも、その下流の第７冷却流路１２Ｇの方が流路断面積が小さくされている。

このように、サーペンタイン流路を構成する冷却流路の流路断面積を最上流側から最下流側にかけて順次小さく形成することにより、以下の作用効果を奏する。
冷却空気は、サーペンタイン流路を流れるに従い、翼を冷却することによって熱を受け取り温度上昇するので、冷却能力が低下する。本実施形態では、サーペンタイン流路の流路断面積を順次小さくすることとしたので、冷却空気が下流に流れるにしたがい流速を上昇させることができる。したがって、下流に流れるにしたがい冷却流体の温度が上昇しても流速の増大によって伝熱性能の低下を補うことができ、所望の冷却能力を発揮することができる。

第１壁部２２Ａと第３壁部２２Ｃとは、これらの間隔が翼の腹側壁部４Ａから背側壁部４Ｂに向かって離間するように配置されている。そして、第２壁部２２Ｂは、第３壁部２２Ｃと略平行に延在している。これにより、第１壁部２２Ａ、第２壁部２２Ｂおよび翼の背側壁部４Ｂによって、略三角形状の横断面を有する第２流路１２Ｂが形成されている。そして、第２壁部２２Ｂ、翼の背側壁部４Ｂ、第３壁部２２Ｃおよび翼の腹側壁部４Ａによって略四角形状の横断面を有する第３流路１２Ｃが形成されている。

このような構成とすることにより、以下の作用効果を奏する。
第１壁部２２Ａと第３壁部２２Ｃとは、これらの間隔が翼の腹側壁部４Ａから背側壁部４Ｂに向かって離間するように配置されているので、第１壁部２２Ａ、第３壁部２２Ｃ、翼の腹側壁部４Ａおよび翼の背側壁部４Ｂによって形成される横断面形状は、翼の腹側壁部４Ａが短辺、翼の背側壁部４Ｂが長辺、第１壁部２２Ａおよび第３壁部２２Ｃが斜辺とされた略台形となる。この台形を、第３壁部２２Ｃと平行に延在させた第２壁部２２Ｂによって三角形状と四角形状に分けることとした。これにより、台形の短辺となる翼の腹側壁部４Ａを四角形の一辺として用いることとして、可及的に扁平とならない四角形状を得ることができる。したがって、腹側壁部４Ａの伝熱面積を大きくすることができ、翼の冷却能力が増大する。

また、第２壁部２２Ｂは、翼の腹側壁部４Ａに接続されずに、第１壁部２２Ａに接続されている。これによる作用効果は以下の通りである。
仮に、第２壁部２２Ｂを翼の腹側壁部４Ａに接続し、翼の腹側壁部４Ａを第２壁部２２Ｂの肉厚によって覆ってしまうと、この覆われた部分が邪魔をして冷却空気が翼の腹側壁部４Ａに直接的に接触することができず、冷却が不十分となるおそれがある。そこで、本実施形態では、第２壁部２２Ｂを翼の腹側壁部４Ａに接続せずに第１壁部２２Ａに接続することで、翼の腹側壁部４Ａが第２壁部２２Ｂの肉厚によって覆われることがないようにした。これにより、翼の腹側壁部４Ａが第２壁部２２Ｂによって邪魔されずに冷却流体に直接的に接する伝熱面積を確保することができ、冷却能力が増大する。

なお、本実施形態では、第４乃至第６壁部２２Ｄ，２２Ｅ，２２Ｆについても、第３壁部２２Ｃと略平行となっている。これは、ガスタービン翼１を鋳造する際に用いる冷却流路形成用の中子を製造する際に、同一方向に型抜きができるという利点があるからである。

［第１参考実施形態］
次に、本発明の第１参考実施形態について、図２を用いて説明する。本参考実施形態は、第１実施形態に対して、第２壁部２４Ｂの延在方向が異なり、その他の構成については同様である。したがって、以下では相違点のみついて説明し、その他については同様の作用効果を奏するものとする。

第２壁部２４Ｂは、第１壁部２２Ａと略平行に延在している。これにより、第１壁部２２Ａ、翼の背側壁部４Ｂ、第２壁部２４Ｂおよび翼の腹側壁部４Ａによって、略四角形状の横断面を有する第２流路１２Ｂが形成されている。そして、第２壁部２４Ｂ、翼の背側壁部４Ｂ、第３壁部２２Ｃによって略三角形状の横断面を有する第３流路１２Ｃが形成されている。

このような構成とすることにより、以下の作用効果を奏する。
第１壁部２２Ａと第３壁部２２Ｃとは、これらの間隔が翼の腹側壁部４Ａから背側壁部４Ｂに向かって離間するように配置されているので、第１壁部２２Ａ、第３壁部２２Ｃ、翼の腹側壁部４Ａおよび翼の背側壁部４Ｂによって形成される横断面形状は、翼の腹側壁部４Ａが短辺、翼の背側壁部４Ｂが長辺、第１壁部２２Ａおよび第３壁部２２Ｃが斜辺とされた略台形となる。この台形を、第１壁部２２Ａと平行に延在させた第２壁部２４Ｂによって四角形状と三角形状に分けることとした。これにより、台形の短辺となる翼の腹側壁部４Ａを四角形の一辺として用いることとして、可及的に扁平とならない四角形状を得ることができる。したがって、腹側壁部４Ａの伝熱面積を大きくすることができ、翼の冷却能力が増大する。

また、第２壁部２４Ｂは、翼の腹側壁部４Ａに接続されずに、第３壁部２２Ｃに接続されている。これによる作用効果は以下の通りである。
仮に、第２壁部２４Ｂを翼の腹側壁部４Ａに接続し、翼の腹側壁部４Ａを第２壁部２４Ｂの肉厚によって覆ってしまうと、この覆われた部分が邪魔をして冷却空気が翼の腹側壁部４Ａに直接的に接触することができず、冷却が不十分となるおそれがある。そこで、本実施形態では、第２壁部２４Ｂを翼の腹側壁部４Ａに接続せずに第３壁部２２Ｃに接続することで、翼の腹側壁部４Ａが第２壁部２４Ｂの肉厚によって覆われることがないようにした。これにより、翼の腹側壁部４Ａが第２壁部２４Ｂによって邪魔されずに冷却流体に直接的に接する伝熱面積を確保することができ、冷却能力が増大する。

［第２参考実施形態］
次に、本発明の第２参考実施形態について、図３を用いて説明する。本参考実施形態は、第１実施形態および第１参考実施形態に対して、第２壁部の形状が異なり、その他の構成については同様である。したがって、以下では相違点のみついて説明し、その他については同様の作用効果を奏するものとする。なお、本参考実施形態は、第１実施形態および第１参考実施形態と異なり、第２壁部によって第２冷却流路および第３冷却流路を三角形状および四角形状に分けるものではない。したがって、これらの構成から導かれる作用効果は奏しない。

第２壁部２５は、屈曲された形状となっている。すなわち、第２壁部２５の腹側部分２５ａは第３壁部２２Ｃと平行に形成され、第２壁部２５の背側部分２５ｂは第１壁部２２Ａと平行に形成されている。このように、第２壁部２５を屈曲して形成することにより、サーペンタイン流路を構成する第２冷却流路１２Ｂ及び第３冷却流路１２Ｃの流路断面積比を調整することができる。
また、本参考実施形態は、第１実施形態および第１参考実施形態と同様に、第２乃至第４冷却流路１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄによって構成されるサーペンタイン流路、及び、第５乃至第７冷却流路１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇによって構成されるサーペンタイン流路の流路断面積が最上流側から最下流側にかけて順次小さく形成するようになっているので、冷却空気が下流に流れるにしたがい流速を上昇させることができ、下流に流れるにしたがい冷却流体の温度が上昇しても流速の増大によって伝熱の低下を補うことができ、所望の冷却能力を発揮することができる。

本発明の第１実施形態にかかるガスタービン翼の横断面図である。 本発明の第１参考実施形態にかかるガスタービン翼の横断面図である。 本発明の第２参考実施形態にかかるガスタービン翼の横断面図である。 本発明の一実施形態にかかるガスタービン翼の縦断面図である。

１ ガスタービン翼
４ 翼部
６ 基部
１２Ａ 第１冷却流路
１２Ｂ 第２冷却流路
１２Ｃ 第３冷却流路
１２Ｄ 第４冷却流路
２２Ａ 第１壁部
２２Ｂ 第２壁部
２２Ｃ 第３壁部

Claims (3)

1. 前縁側に位置する第１冷却流路と該第１冷却流路の後縁側に隣接する第２冷却流路とを区画する第１壁部と、
   前記第２冷却流路と該第２冷却流路の後縁側に隣接する第３冷却流路とを区画する第２壁部と、
   前記第３冷却流路と該第３冷却流路の後縁側に隣接する第４冷却流路とを区画する第３壁部と、
   を備え、
   前記第２冷却流路が最下流側とされるように、前記第２乃至第４冷却流路によって前記サーペンタイン流路が形成され、
   前記第１壁部と前記第３壁部とは、これらの間隔が翼の腹側から背側に向かって離間するように配置され、
   前記第２壁部は、前記第３壁部と略平行に延在し、
   前記第１壁部、前記第２壁部および翼の背側壁部によって、略三角形状の横断面を有する前記第２流路が形成され、
   前記第２壁部、翼の背側壁部、前記第３壁部および翼の腹側壁部によって略四角形状の横断面を有する前記第３流路が形成されていることを特徴とするガスタービン翼。
2. 前記第２壁部は、翼の腹側壁部に接続されずに、前記第１壁部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン翼。
3. 請求項１又は２に記載されたガスタービン翼を備えていることを特徴とするガスタービン。

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