(57)【要約】【課題】タービン翼の冷却効率を高める。【解決手段】ガスタービン用の翼１は、長手方向軸線（ａ）に沿って配置された少なくとも１つの内部冷却チャネル２を有しており、冷却チャネルの曲がった部分において、長手方向軸線（ａ）が湾曲させられ、ガスタービンの設計軸線の鉛直方向軸線（ｚ）から逸脱しており、翼１は、長手方向に間隔を置かれた複数のタービュレータ５１，５２を有しており、タービュレータは、内部冷却チャネル２の少なくとも１つの壁４１において分配されており、各タービュレータ５１，５２が長手方向軸線（ａ）と傾斜角（α）を形成するように傾斜させられており、各タービュレータ５１，５２の傾斜は、傾斜角（α）が長手方向軸線（ａ）に沿って実質的に一定であるように適応させられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン用の翼（１）であって、該翼（１）は、長手方向軸線（ａ）に沿って配置された少なくとも１つの内部冷却チャネル（２）を有しており、該少なくとも１つの冷却チャネル（２）は、曲がった部分を有しており、該曲がった部分において、前記長手方向軸線（ａ）が湾曲させられ、前記ガスタービンの設計軸線の鉛直方向軸線（ｚ）から逸脱しており、前記翼（１）は、長手方向に間隔を置かれた複数のタービュレータ（５１，５２）を有しており、該タービュレータは、前記内部冷却チャネル（２）の少なくとも１つの壁（４１）において分配されており、各タービュレータ（５１，５２）が前記長手方向軸線（ａ）と傾斜角（α）を形成するように傾斜させられている、ガスタービン用の翼（１）において、各タービュレータ（５１，５２）の傾斜は、前記傾斜角（α）が前記長手方向軸線（ａ）に沿って実質的に一定であるように適応させられていることを特徴とする、ガスタービン用の翼（１）。
【請求項２】
前記傾斜角（α）は、前記長手方向軸線（ａ）に沿って、平均値の±３°の範囲で変化している、請求項１記載の翼（１）。
【請求項３】
前記傾斜角（α）は、４０°〜７０°の範囲で選択されている、請求項１または２記載の翼（１）。
【請求項４】
前記傾斜角（α）は、実質的に一定であり、６０°に等しい、請求項１から３までのいずれか１項記載の翼（１）。
【請求項５】
前記タービュレータ（５１，５２）は、前記内部冷却チャネル（２）の前記長手方向軸線（ａ）の方向で互いの間に等しい間隔を置かれており、これにより、連続するタービュレータ（５１，５２）の間に前記長手方向軸線（ａ）に沿って決定されたピッチは、前記内部冷却チャネル（２）に沿って一定である、請求項１から４までのいずれか１項記載の翼（１）。
【請求項６】
２つの連続するタービュレータ（５１，５２）の間の相対的な傾斜の変化に関連した第２の傾斜角（β）が、実質的に３°以下である、請求項１から５までのいずれか１項記載の翼（１）。
【請求項７】
前記翼（１）は、複数の内部冷却チャネル（２，２１，２２）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の翼（１）。
【請求項８】
前記複数の内部冷却チャネル（２，２１，２２）は、蛇行状に直列で互いに接続されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の翼（１）。
【請求項９】
前記タービュレータ（５１，５２）は、リブ状のエレメントである、請求項１から８までのいずれか１項記載の翼（１）。
【請求項１０】
前記冷却チャネル（２）は、２つの向き合った壁（４１，４２）によって形成されており、前記翼（１）は、さらに、前記壁（４２）において分配されたタービュレータ（５１’，５２’）を有しており、前記壁（４１）において分配されたタービュレータ（５１，５２）は、向き合った壁（４２）において分配されたタービュレータ（５１’，５２’）に対して互い違いにずらされている、請求項１から９までのいずれか１項記載の翼（１）。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項記載の翼（１）を備えることを特徴とする、ガスタービンのロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、翼の内部冷却チャネルに形成された改良されたタービュレータ配列を有する、ガスタービン用の翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のように、ガスタービン、または概して高温ガスの流れを生ぜしめることによって有効な仕事を抽出するように構成された機械は、このような機能のために配置された、翼などの構成部材を有する。翼は、機械の作動中、翼の部品の温度を許容可能な範囲に維持するために冷却される必要がある。この理由から、翼は、概して、冷却空気を受け取るように構成された、長手方向に延びる内部チャネルもしくはダクトを有する。通常、翼は、蛇行状に互いに接続された複数の内部チャネルを有する。特に、冷却空気は、高い外部熱負荷を受ける翼の部分である前縁の近くに配置された第１のチャネルにおいて冷却回路に進入し、今度は後縁の近くに配置された冷却チャネルを通って回路から出ていく。
【０００３】
チャネル内において、乱流プロモータまたはタービュレータは、冷却チャネルの内壁の近くで乱流を発生させるために一般的に配置された手段であり、これにより、冷却流と翼との間の熱交換を高め、ひいては、冷却性能を高める。
【０００４】
タービュレータは、概して、冷却チャネルの内壁に配置されたリブ状エレメントの形態で提供されている。
【０００５】
翼と冷却流体との間の熱交換に影響するパラメータのうちの１つは、翼の長手方向軸線と一致する冷却空気流の方向と、タービュレータとの間に形成された角度である。直線的な長手方向軸線を有する翼の場合、リブは、鉛直方向軸線に沿って一定の傾きを維持し、このような角度は、冷却チャネルを通じて一定である。
【０００６】
しかしながら、タービン効率を高めるために、翼は、三次元形状であってよい。これは、翼の長手方向軸線が湾曲しており、構成部材設計軸線である鉛直方向軸線から逸脱していることを意味する。この鉛直方向軸線は、ガスタービンの配置に関する。このような湾曲は、通常、翼の前縁部分の近くにおいて最も顕著である。
【０００７】
その結果、リブを冷却チャネルの内壁に沿って、鉛直方向軸線に対して一定の傾斜で配置することが、不十分な冷却性能を生じる。なぜならば、長手方向軸線が湾曲している領域は、リブと、冷却空気流の方向とによって形成された角度の減少によって特徴付けられるからである。上に示したように、このような角度は、冷却システムの効率のための駆動パラメータである。
【０００８】
加えて、さらに公知の翼によれば、熱伝達のための別の駆動パラメータである、連続するリブの間の距離、またはリブからリブまでのピッチは、鉛直方向軸線に沿って一定に保たれている。同様に、このような公知のジオメトリは、三次元に湾曲した形状を有する翼の場合、一般的にＰとして知られるリブからリブまでのピッチの変化につながる。特に、これは、さらに大きなピッチにつながり、有効リブ角度に関して、これらの影響を受ける領域における熱伝達をさらに低下させる。
【０００９】
したがって、標準的な設計アプローチは、特に湾曲した輪郭を有する翼のために不十分な冷却を提供する。さらに、標準的なアプローチは、湾曲したダクトに沿って不均一な冷却につながる。なぜならば、最も湾曲した形状を有する領域では、直線的な部分と比較して熱伝達が低いからである。
【００１０】
標準的な設計のための可能な対抗手段は、冷却空気消費を増大させることである。しかしながら、冷却ダクト内に配置されたタービュレータのジオメトリは、同じままであり、したがって、これは、直線的な部分と比較して三次元形状の領域においてより低い冷却性能を生じ、ダクトに沿った不均一な冷却が依然として存在する。加えて、翼の湾曲した部分における金属温度を所定の値に維持するなどのために冷却空気流を増大させることは、必然的にタービン効率および動力を低減する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、独立請求項１に実質的に定義されたような革新的な翼を提供することによって前述の技術的問題を解決することである。
【００１２】
好適な実施の形態は、対応する従属請求項に定義されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
典型的な非制限的な目的のためだけに以下の詳細な説明において説明される発明の好適な実施の形態によれば、各タービュレータに関してチャネル内の冷却流の一定の角度を保証するために、タービュレータと鉛直方向軸線との間に形成される角度が、有利には、全ての各タービュレータのために、湾曲した領域において適応されている。さらに、同じ原理が、翼内に存在する全ての冷却チャネルに適用されてもよい。
【００１４】
さらに、本発明の好適な実施の形態によれば、２つの連続するタービュレータの間の相対的な傾斜の最大変化は、３°を超えるべきではない。なぜならば、さもなければリブの前縁および後縁におけるピッチの間のより大きな変化が、より低い冷却性能を生じるからである。
【００１５】
最後に、連続するタービュレータの間の距離もしくはピッチは、鉛直方向軸線に沿って変化しつつ、ピッチを冷却流路に沿って一定に維持するなどのために適応されている。
【００１６】
本発明の、前記課題、および付随する利点の多くは、さらに容易に認められるであろう。なぜならば、それらは、添付の図面に関連して見た場合に以下の詳細な説明を参照することによってさらに理解されるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明によるガスタービン用の翼の透視図である。
【図２】図１の翼の断面図である。
【図３】本発明によるタービュレータ配列を有する翼の断面図（右側）と、従来技術による配列を有する翼の断面図（左側）とを概略的に示している。
【図４】本発明によるタービュレータ配列を有する翼の断面図（右側）と、従来技術による配列を有する翼の断面図（左側）とを概略的に示している。
【図５】本発明によるタービュレータ配列を有する翼の好適な実施の形態を概略的に強調している。
【図６】本発明による翼の側方断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照すると、概略的に参照符号１で示された、ガスタービン用の本発明による翼の外形の図が示されている。翼１は、内部冷却回路（図１には示されていない）を有する。内部冷却回路は、通常、エンジンの圧縮機から抽出された空気である冷却流体を構造内部に吹き込むための入口１１と、冷却回路の端部における出口としての圧力側ブリード１２とを有している。
【００１９】
次の図２を参照すると、翼１の断面図が示されている。特に、図２の断面図は、蛇行状に互いに接続された内部冷却チャネル２，２１および２２の存在を示している。内部チャネル２は、翼の前縁部分の近くに配置されているのに対し、内部チャネル２２は、翼１の後縁の近くに配置されている。内部チャネル２１は、チャネル２とチャネル２２との間に位置決めされた中間チャネルである。翼は、異なる種類の冷却回路を有してもよく、１つだけの冷却チャネルを有してもよいことが認められるであろう。
【００２０】
ここから、前縁の内部チャネル２に言及するが、同じ説明が冷却回路の全てのチャネルにも当てはまることが認められるであろう。図示したように、冷却チャネル２は、長手方向軸線ａを規定しており、（ガスタービンのロータボディ（図示せず）に取り付けることができる）第１の下側部分と、上側部分とを有する。特に、下側部分は実質的に直線的であり、前記部分に沿った長手方向軸線ａは、概してガスタービンの設計軸線に関連した鉛直方向に関連した、鉛直方向軸線ｚと実質的に整合している。それとは異なり、上側部分は、三次元の発展においてねじられており、前記部分における長手方向軸線ａは、図において明らかに見られるように、鉛直方向軸線ｚから著しく逸脱している。冷却チャネル内に乱流を発生させ、冷却流と翼との熱交換を促進させるために、チャネルに沿って、長手方向に間隔を置いた複数のタービュレータが設けられている。非制限的な例として、図に示されたような連続するタービュレータ５１および５２に言及される。この好適な実施の形態では、タービュレータは、リブ状のエレメントの形態で提供されている。しかしながら、他の形状も考えられる。
【００２１】
ここで、次の図３の左側を参照すると、従来技術による冷却チャネルに沿ったリブ状エレメントもしくはリブの典型的な配列が概略的に示されている。特に、リブは、鉛直方向軸線ｚに関して一定の傾斜で配置されている。しかしながら、チャネルの上側部分はねじられており、したがって、長手方向軸線ａは鉛直方向軸線から逸脱している。チャネル内に供給された冷却流は、ダクトの長手方向軸線ａによって規定された方向をたどるので、このような配列は、チャネルの上側の曲がった部分における流れとリブとの間のより小さな傾斜角θと、下側部分におけるより大きな傾斜角θとを有することにつながる。チャネルに沿ったこのような傾斜角変化の結果、ダクトに沿った不均一な冷却性能が生じる。
【００２２】
図３の右側を参照すると、本発明による冷却チャネル２に沿ってリブ配列が示されている。特に、鉛直方向軸線ｚに対する各リブの傾斜は、この場合、リブと長手方向軸線ａ（冷却流の方向と整合させられている）との間に形成された傾斜角αが、内部冷却チャネル２に沿って実質的に一定であるように、適応されている。より好適には、角度αは、ダクトに沿って、平均値の±３°の範囲で変化し得る。満足できる冷却性能は、傾斜角αが、角度が上述の範囲で変化する場合の平均値として意図された、４０°〜７０°の範囲で選択されている場合に達成することができることが評価された。より好適には、角度は、４５°〜６０°の範囲で選択されている。好適な実施の形態では、傾斜角αは、実質的に６０°である。
【００２３】
ここで次の図４を参照すると、本発明の別の好適な実施の形態が概略的に示されている。左側には再び、従来技術によるリブ配列が示されている。特に、連続するリブの間の距離もしくはピッチが鉛直方向軸線ｚに沿って一定であるように、リブがチャネルに沿って配置されていることが認められる。右側には、本発明によるリブ配列が示されている。本発明によれば、有利には、リブはこの場合、長手方向軸線ａの方向で互いに等しい間隔を置いており、これにより、図面において符号Ｐで示された、連続するリブの間の長手方向軸線ａに沿って決定されたピッチは、冷却チャネルに沿って一定である。
【００２４】
ここで図５を参照すると、好適には、２つの連続するリブの配置（図示の例ではリブ５１および５２のみが示されている）において、図面に参照符号３１で示された前縁ピッチと、他方で参照符号３２で示された後縁ピッチとの間の大きな差を有さないようになっている。これは、第２の傾斜角βの値を維持することによって達成される。第２の傾斜角βは、２つの連続するタービュレータ５１および５２の間の相対的な傾斜の変化であり、実質的に３°以下である。この別の好適な制限により、リブ配列の最適なジオメトリを達成することができ、その結果、ガスタービンの作動中に翼の最良の冷却性能を生じる。
【００２５】
ここで最後の図６を参照すると、本発明による翼の冷却チャネル２の側方断面図が概略的に示されている。冷却チャネル２は、圧力側の壁４１と、これに向き合った吸込側の壁４２とによって形成されている。圧力側の壁４１において、一例として示されたリブ５１および５２が、前の図４に示されたようにピッチＰだけ間隔を置かれている。同様に、対面する壁４２も他方で、一連のリブを有する。図において、リブ５１’および５２’が示されている。非制限的な例としてここに示された好適な実施の形態では、圧力側の壁４１において分配されたリブは、向き合った吸込側の壁４２において分配されたリブに対して互い違いにずらされている。好適には、連続する向き合ったリブ、例えば５１と５１’との間の距離は、ピッチの半分であるＰ／２と等しくなるように選択されている。
【００２６】
さらに、図６を参照すると、リブのジオメトリはさらに、パラメータｅおよびｗによって規定されている。パラメータｅおよびｗは、それぞれリブの高さおよび幅である。特に、第１のパラメータは、リブのピッチと高さとの比として定義される。第１のパラメータＰ／ｅは、５〜１２の範囲で選択される。好適には、第１のパラメータＰ／ｅの選択された値は、８である。
【００２７】
さらに、第２のパラメータは、リブの幅と高さとの比として定義される。第２のパラメータｗ／ｅは、０．８〜１．２の範囲で選択される。好適には、第２のパラメータｗ／ｅの選択された値は、１．０である。
【００２８】
最後に、リブは、好適には、側方断面図において台形を有しており、抜き勾配γを規定している。抜き勾配γは、好適な実施の形態によれば、２°〜５°の範囲で選択されている（図面において角度は分かりやすくする目的だけのためにサイズが増大されている）。
【００２９】
本発明は、好適な実施の形態に関して完全に説明されたが、本発明の範囲に変更が加えられてよく、本出願をこれらの実施の形態によって限定されるものと考えず、しかし以下の請求項の内容による。
【符号の説明】
【００３０】
１  翼、  ２  内部冷却チャネル、  １１  入口、  １２  ブリード、  ２１，２２  内部冷却チャネル、  ３１  前縁ピッチ、  ３２  後縁ピッチ、  ４１  圧力側の壁、  ４２  吸込側の壁、  ５１，５２  タービュレータ、  ａ  長手方向軸線、  ｚ  鉛直方向軸線、  θ  傾斜角、  α  角度、  β  第２の傾斜角、  Ｐ  ピッチ、  ｅ  リブの高さ、  ｗ  リブの幅、  γ  抜き勾配
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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