(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁（１９、２０、２１）で囲まれた少なくとも１つの通路（２２）を備え、該通路の少なくとも１つに、冷却流体を供給される挿入物（２５）がはめ込まれた翼（１３、１４）であって、前記壁（１９、２０）の少なくとも１つに、挿入物（２５）と壁（１９、２０）の間に位置する複数の水平リブ（２４）が設けられ、前記挿入物（２５）に、該挿入物から前記水平リブ（２４）間に冷却流体を流出させる開口（２７）が設けられ、前記水平リブ（２４）間に、壁（１９、２０）と冷却流体との熱交換を向上するために直線状に形成された乱流発生体（２３）が設けられた翼において、前記壁（１９、２０）の壁厚（ｄ）が、少なくとも複数の乱流発生体（２３）間の範囲で減少していることを特徴とする翼。
【請求項２】
挿入物（２５）が、水平リブ（２４）に接触することを特徴とする請求項１記載の翼。
【請求項３】
水平リブ（２４）と挿入物（２５）と壁（１９、２０）が、冷却流体の貫流する室（３２）を形成することを特徴とする請求項２記載の翼。
【請求項４】
挿入物（２５）の開口（２７）が室（３２）の片側端に配置され、壁（１９、２０）における冷却流体の流出開口（２８）が室（３２）の反対側端に配置されたことを特徴とする請求項３記載の翼。
【請求項５】
水平リブ（２４）が翼（１３、１４）の長手軸線（３１）に対し垂直に配置されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の翼。
【請求項６】
挿入物（２５）の片側端（３４）が閉じられたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の翼。
【請求項７】
一方の前記壁に設けられた複数の乱流発生体（２３）が壁（１９、２０）を強化するために使われ、互いに統合されて水平リブ（２４）に移行することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の翼。
【請求項８】
複数の乱流発生体（２３）が、複数の水平リブ（２４）と共に、互いに隣り合う多角形の凹所を形成すべく配置されたことを特徴とする請求項７記載の翼。
【請求項９】
翼が回転機械（１０）の静翼（１３）又は動翼（１４）として形成されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、壁で囲まれた少なくとも１つの通路を備え、該通路の少なくとも１つに冷却流体を供給される挿入物がはめ込まれた翼、特にタービン翼に関する。
【０００２】
この種の翼は米国特許第５４１９０３９号明細書で公知である。翼壁と挿入物との間に、翼の長手軸線の方向に延びる室が形成されている。その室内に挿入物から冷却流体が流入し、翼壁に衝突する。冷却流体はそれから壁に沿って流れ、特別に形成された室にある流出開口を経て壁の外側に流出し、そこから周囲に流出する。公知の翼の場合、冷却流体が壁に沿って流れる際の対流冷却作用は、その流れ長さが大きく制限されるので、ほんの僅かである。また、翼の長手軸線に沿って室内において冷却流体の混合が生ずるので、的確な冷却ができない。
【０００３】
同一出願人出願の国際公開第９８／２５００９号パンフレットにより、異なった翼が知られている。このパンフレットには、部分的に中空で、冷却流体が貫流する壁を備えた翼が記載されている。中空室の範囲での壁厚の減少に伴い、大きな冷却効果が達成される。しかし、このような中空壁を備えた翼は複雑な鋳造過程を必要とし、歩留りが悪く、従って非常に高価である。
【０００４】
本発明の課題は、良好な冷却作用を持ち、簡単に製造できる翼を提供することにある。
【０００５】
この課題は本発明に基づき、壁で囲まれた少なくとも１つの通路を備え、該通路の少なくとも１つに、冷却流体を供給される挿入物がはめ込まれた翼であって、前記壁の少なくとも１つに、挿入物と壁の間に位置する複数の水平リブが設けられ、前記挿入物に、該挿入物から前記水平リブ間に冷却流体を流出させる開口が設けられ、前記水平リブ間に、壁と冷却流体との熱交換を向上するために直線状に形成された乱流発生体が設けられた翼において、前記壁の壁厚が、少なくとも複数の乱流発生体間の範囲で減少していることにより解決される。
【０００６】
水平リブは、冷却流体を翼壁に沿って案内し、翼の長手軸線の方向における冷却流体の流れを阻止する。従って、壁の良好な対流冷却が達成される。また水平リブは翼を強化するので、壁厚を減少することができる。その壁厚の減少は冷却効果を高める。翼の製造は複雑な横断面にすることなしに公知の方法で行える。中空壁は不要であり、従って歩留りが良くなる。
【０００７】
本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載してある。
【０００８】
本発明の有利な実施態様では、挿入物が水平リブに接触している。その挿入物は接触支持され、所望の位置に合わされる。
【０００９】
本発明の有利な実施態様では、水平リブと挿入物と壁が、冷却流体の貫流する室を形成する。その室により、翼の長手軸線方向における冷却流体の流れを確実に阻止できる。更に、翼の長手軸線に沿った冷却作用が、各室に冷却流体を異なって供給することで的確に変化させられる。
【００１０】
本発明の有利な実施態様では、挿入物の開口が室の片側端に配置され、壁上の冷却流体の流出開口が室の反対側端に配置される。従って、冷却流体は室の全長にわたり被冷却壁に沿って流れるので、対流冷却作用が一層向上する。
【００１１】
水平リブは翼の長手軸線に対してほぼ垂直に或いは傾斜して設けられる。長手軸線に対し垂直に配置する場合、水平リブ、従って室の長さは最小となる。傾斜することで、室の長さを増大でき、従って対流冷却作用を一層向上できる。
【００１２】
挿入物は片側端を閉じるとよい。この場合、冷却流体は挿入物の他端からしか流入し得ない。反入口側端を経る冷却流体の流出が避けられるので、冷却効果が増大する。あるいはまた、両端から冷却流体が供給される。
【００１３】
本発明の有利な実施態様では、水平リブ間に、壁と冷却流体との熱交換を向上する乱流発生体を設ける。これにより、追加的な材料なしに、剛性を大幅に増大可能である。翼の強度が同じなら、壁厚を一層減少できる。同時に、壁と冷却流体の良好な熱交換が達成される。従って、高い冷却効果と総合効率が生ずる。
【００１４】
壁の強化は個々の乱流発生体間の範囲においてしか生じない。しかし、乱流発生体相互の結合によって、大きな面において強化される。
【００１５】
乱流発生体をほぼ真っ直ぐに形成すると有利である。真っ直ぐな乱流発生体を利用することで、製造を単純化し、大きな強度を得られる。
【００１６】
本発明の有利な実施態様では、乱流発生体は、水平リブと共に多角形、特に三角形或いは菱形をなし、並んで位置する凹所を形成する。壁の内側面はハニカム構造にされている。個々の多角形又はハニカムは、各々大きく荷重できる閉鎖断面を形成し、相互に支え合う。これに伴い、剛性の著しい増大が達成される。
【００１７】
本発明の有利な実施態様では、壁厚を少なくとも乱流発生体間の範囲で減少させる。この壁厚の減少は、乱流発生体が壁を強化することで可能となる。壁厚の減少に応じ、冷却効果が一層増大する。この場合乱流発生体を、翼の鋳造時の金属供給路として利用するとよい。従ってハニカム組織を容易に製造できる。
【００１８】
本発明に基づく翼は、回転機械の静翼並びに動翼として形成する。
【００１９】
以下図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付してある。
【００２０】
図１は、車室１１とロータ１２を備え、タービン１０の形をした回転機械の縦断面図を示す。車室１１に静翼１３、ロータ１２に動翼１４を夫々設けている。タービン１０の運転中、矢印１５の方向に流体が貫流する。該流体は静翼１３と動翼１４に沿って流れ、ロータ１２を中心軸線１６の周りで回転させる。
【００２１】
流体の温度は、多くの利用状態で、特に第１翼列（図１の左側に図示）の範囲において非常に高い。従って静翼１３と動翼１４の冷却が必要となる。冷却流体の流れを矢印１７、１８で概略的に示す。
【００２２】
図２は、静翼１３を破断して概略的に示す。静翼１３は湾曲した外側壁１９、２０を持つ。両外側壁１９、２０間にある内部空間は、２つの隔壁２１により全部で３つの通路２２に仕切られている。これら各通路２２に挿入物２５がはめ込まれている。分かり易くするため、中央通路２２の挿入物は図示していない。
【００２３】
各通路２２の両外側壁１９、２０に多数の水平リブ２４を設けてある。これらリブ２４は外側壁１９、２０に沿い隔壁２１迄延びている。水平リブ２４間に乱流発生体２３を配置しており、挿入物２５は水平リブ２４に接触している。
【００２４】
挿入物２５の内部空間２６に冷却流体、特に冷却空気が導入される。挿入物２５は、これと外側壁１９、２０の間の中間室に冷却流体を流出させる多数の開口２７を持つ。冷却流体はその後外側壁１９、２０に沿い外側壁１９、２０にある流出開口２８迄流れる。この流れを矢印３０で概略的に示す。挿入物２５の開口２７は、外側壁１９、２０の流出開口２８に対し間隔を隔てて配置されている。図示の実施例において、流出開口２８はほぼ真っ直ぐな列２９を形成している。
【００２５】
挿入物２５から流出する冷却流体は、まず外側壁１９、２０に衝突し、そこで衝突冷却を行う。続いて冷却流体は外側壁１９、２０に沿って流出開口２８迄流れ、この結果対流冷却が達成される。流出開口２８からの流出後、外側壁１９、２０の外側面に冷却流体膜が生じ、これによって膜冷却も起る。従って、非常に優れた冷却作用が生ずる。
【００２６】
図２の左側に示す静翼１３の前縁は、補助的に直接衝突冷却を受ける。衝突冷却のため、挿入物２５は静翼１３の前縁の直後に配置された開口３６を備える。冷却流体は開口３６を経て直接流出し、静翼１３の前縁を的確に冷却する。
【００２７】
静翼１３の後縁の範囲にも、挿入物２５に開口３７が設けられている。その開口３７を経て冷却流体が両外側壁１９、２０間の狭い隙間３８に流入し、そこから流出して、膜冷却作用をする。
【００２８】
図３〜５は、夫々異なった形態の外側壁１９の内側面を詳細に示す。水平リブ２４は静翼１３の長手軸線３１に対しほぼ直角に延びている。水平リブ２４は互いに平行に配置され、水平リブ２４間に真っ直ぐな乱流発生体２３が配置されている。これら乱流発生体２３は互いに交差し、水平リブ２４に移行している。
【００２９】
中央通路２２で、水平リブ２４の前縁３３は隔壁２１に移行している。図２の左側の通路２２において、水平リブ２４の前縁３３は最前部の流出開口２８に対して僅かな間隔を隔てて配置されている。
【００３０】
夫々２つの水平リブ２４は、外側壁１９および挿入物２５と共に室３２を境界づけている。冷却流体は挿入物２５の開口２７を経て室３２に流入する。続いて冷却流体は矢印３０に従い流出開口２８に向かって流れる。この場合、開口２７は室３２の一端に配置され、流出開口２８は他端に配置されている。この結果、冷却流体が外側壁１９に沿って流れる際に辿る距離が最大になる。従って、最大の対流冷却作用が生ずる。乱流発生体２３が外側壁１９と冷却流体との熱交換を改善するので、その対流冷却作用は乱流発生体２３によって強められる。
【００３１】
各室３２には、互いに異なる量の冷却流体が供給される。これは挿入物２５の開口２７の数および／又は大きさの変更により達成される。かくして、個々の室３２が他の室に比べて的確に強くあるいは弱く冷却される。従って、冷却は静翼１３の長手軸線３１に沿って的確に行われ、周辺条件に合わされる。
【００３２】
乱流発生体２３は外側壁１９を強化するためにも使われる。この場合、真っ直ぐな乱流発生体２３は多角形を形成するよう配置される。例として、図３には三角形、図６には菱形を示してある。乱流発生体２３により得られる強化は、乱流発生体２３間の範囲で外側壁１９の壁厚ｄを薄くすることを可能にする。この壁厚ｄの減少に基づき、冷却効果が一層増大する。
【００３３】
図６は、外側壁１９の内側面の第２形態を正面図で示す。この形態では、水平リブ２４は静翼１３の長手軸線３１に対し傾斜している。この傾斜に基づき、室３２の長さと、これに伴い対流冷却作用とが増大する。この形態の場合も、真っ直ぐな乱流発生体２３が設けられ、４つの乱流発生体２３が各々菱形をなして配置されている。この菱形内の十文字は、壁厚の減少を感覚的に示している。
【００３４】
勿論、反対側の外側壁２０にも同様の乱流発生体２３と水平リブ２４が設けられる。それに加えてあるいはその代わりに、動翼１４にも水平リブ２４および乱流発生体２３が設けられる。
【００３５】
図７と８は、挿入物２５の異なる実施例を示す。図７の実施例において、冷却流体は挿入物の両端３４、３５から導入され、開口２７を経て流出する。そのような挿入物２５は、例えば第１翼列に利用される。
【００３６】
或いは又、片側端３４が閉じられた図８に示す挿入物２５が利用される。その場合、冷却流体は反対側端３５を経てしか導入されない。この挿入物２５は、冷却流体を静翼１３ないし動翼１４の一端からしか、車室１１ないしロータ１２を経て供給できない翼列に利用される。
【００３７】
本発明に基づいて設けた水平リブ２４によれば、外側壁１９、２０に沿った冷却流体の適正な流れが生ずる。従って、冷却作用を著しく改善できる。同時に、中空壁付きの翼を省けるので、簡単に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  回転機械の縦断面図。
【図２】  本発明に基づくタービン翼の破断斜視図。
【図３】  本発明に基づくタービン翼の壁の内側面の正面図。
【図４】  図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。
【図５】  図３におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図。
【図６】  異なった実施例の図３に相当した図。
【図７】  挿入物の第１実施例の概略図。
【図８】  挿入物の第２実施例の図７に相当した概略図。
【符号の説明】
１０    タービン
１１    車室
１２    ロータ
１３    静翼
１４    動翼
１９、２０    タービン翼外側壁
２３    乱流発生体
２４    水平リブ
２５    挿入物
【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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【図７】
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【図８】
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