(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のフィルム冷却孔を有するタービン翼外壁と、多数のインピンジ孔を有するタービン翼内壁とが間隙をおいて配置され、且つタービン翼外壁とタービン翼内壁とが複数の多角柱ピンにより連結され、前記多角形ピンが、横断面四角形のピンの一つの角部を切除部分の横断面が直角二等辺三角形をなすよう縦方向に切断して切断面を形成した五角形ピンであり、二個のフィルム冷却孔と二個のインピンジ孔とが正方形配置となっており、四本の前記五角形ピンが、二個のフィルム冷却孔と二個のインピンジ孔が正方形配置された対角線上において切断面が二個のフィルム冷却孔と二個のインピンジ孔の夫々に向くように配置され、各五角形ピンの相互間に十字方向流路が形成されていることを特徴とするタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造。
【請求項２】
多数のフィルム冷却孔を有するタービン翼外壁と、多数のインピンジ孔を有するタービン翼内壁とが間隙をおいて配置され、且つタービン翼外壁とタービン翼内壁とが複数の多角柱ピンにより連結され、前記多角形ピンが、正三角形ピンであり、一個のインピンジ孔に対して等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置にフィルム冷却孔が配置され、且つ各フィルム冷却孔に対して等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置にインピンジ孔が配置されており、前記インピンジ孔及びフィルム冷却孔の外周を取り囲む六箇所において、正三角形ピンの角部の一つがインピンジ孔に対向し、角部の他の一つがフィルム冷却孔に対向するように配置され、各正三角形ピンの相互間に六方向流路が形成されていることを特徴とするタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば航空用ガスタービン・エンジンやロケットエンジン等のタービン翼を、小流量の冷却空気にて効果的に冷却できるようにしたタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば航空用ガスタービン・エンジンにおいて、燃焼ガスが吹き付けられるガスタービンのタービン翼を、少ない圧力損失のもとで効率よく冷却するには、薄膜冷却（film cooling）方式及びインピンジメント冷却（impingement cooling）方式を組み合わせたシャワーヘッドタイプが採用されていた。
【０００３】
即ち、ガスタービンのタービン翼は、図５、図６に示すように、タービン翼外壁１に、内外に貫通する多数のフィルム冷却孔２を開口し、且つ、タービン翼外壁１の内側に挿入したタービン翼内壁３（インサート）に多数のインピンジ孔４を開口したトランスピレーション冷却（空気染み出し冷却）構造となっている。
そして、インピンジ孔４から噴出される高速の冷却空気をタービン翼外壁１の内面（図５の上側面）に吹き付けてタービン翼外壁１を冷却し、続いて、フィルム冷却孔２からタービン翼外壁１の外面に導出させてタービン翼外壁１の特に前縁部を冷却空気の薄膜で覆うことによりタービン翼を高温から保護するようにしている。
【０００４】
この時のタービン翼外壁１とタービン翼内壁３との間には、相互間隔を保持し、同時にタービン翼外壁１の強度を高めるための円柱形状を有した複数の支持ピン５が設けられている。上記トランスピレーション冷却構造は、前記フィルム冷却孔２及び前記インピンジ孔４を含めて精密鋳造により一体成形されている。
【０００５】
そして、前記フィルム冷却孔２とインピンジ孔４及び支持ピン５は、例えば図６に示すように、フィルム冷却孔２とインピンジ孔４とが交互に升目状に正方形配置され、且つ二個のフィルム冷却孔２と二個のインピンジ孔４の正方形の中心位置に支持ピン５が配置された構成となっている。
【０００６】
上記図５、図６に示した従来のトランスピレーション冷却構造によれば、タービン翼外壁１に対して多数の支持ピン５により連結したタービン翼内壁３によって強度部材が構成されるので、タービン翼外壁１の強度を高めてタービン翼全体の壁厚を薄くすることができる。
【０００７】
更に、タービン翼外壁１の内表面及びタービン翼内壁３の外表面とそれらを繋ぐ多数の支持ピン５の全表面が熱を放出する伝熱面積として寄与することになるので、熱伝達が向上し、よって効果的な冷却が行われるようになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、更にガスタービンの熱効率を高めることが要求されるようになってきており、このためにタービン入口温度の上昇を図ることが想定され、従って、更に少ない冷却空気量で冷却性能が高められる技術の出現が望まれている。
【０００９】
このとき、特に図５、図６に示した従来の構成では、支持ピン５が図示したように円柱形状を有しているために伝熱面積が比較的小さく、しかも支持ピン５の配置構成上、冷却空気と接する機会が少ないために、冷却効果を十分に高めることができない。このために、図５、図６に示した従来の構成ではある程度以上に冷却空気量を低減することはできず、よってガスタービンの熱効率を所定以上に高めることができないという問題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなしたものであり、小流量の冷却空気にてタービン翼の冷却効率を大幅に向上させられるようにしたタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多数のフィルム冷却孔を有するタービン翼外壁と、多数のインピンジ孔を有するタービン翼内壁とが間隙をおいて配置され、且つタービン翼外壁とタービン翼内壁とが複数の多角柱ピンにより連結され、前記多角形ピンが、横断面四角形のピンの一つの角部を切除部分の横断面が直角二等辺三角形をなすよう縦方向に切断して切断面を形成した五角形ピンであり、二個のフィルム冷却孔と二個のインピンジ孔とが正方形配置となっており、四本の前記五角形ピンが、二個のフィルム冷却孔と二個のインピンジ孔が正方形配置された対角線上において切断面が二個のフィルム冷却孔と二個のインピンジ孔の夫々に向くように配置され、各五角形ピンの相互間に十字方向流路が形成されていることを特徴とするタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造、に係るものである。
【００１４】
本発明は、多数のフィルム冷却孔を有するタービン翼外壁と、多数のインピンジ孔を有するタービン翼内壁とが間隙をおいて配置され、且つタービン翼外壁とタービン翼内壁とが複数の多角柱ピンにより連結され、前記多角形ピンが、正三角形ピンであり、一個のインピンジ孔に対して等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置にフィルム冷却孔が配置され、且つ各フィルム冷却孔に対して等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置にインピンジ孔が配置されており、前記インピンジ孔及びフィルム冷却孔の外周を取り囲む六箇所において、正三角形ピンの角部の一つがインピンジ孔に対向し、角部の他の一つがフィルム冷却孔に対向するように配置され、各正三角形ピンの相互間に六方向流路が形成されていることを特徴とするタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造、に係るものである。
【００１５】
上記手段によれば、従来の構成に比して平均冷却効率を大幅に高めることができ、よって、従来の構成に比して少ない冷却空気の流量でも同一の冷却効果を上げることができるようになり、従ってタービン効率を大幅に向上できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明のタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造の一例を示したものであり、図中図５、図６と同一のものには同じ符号を付して詳細な説明は省略し、本発明の特徴部分についてのみ詳述する。
【００１８】
図１に示すように、図５のタービン翼外壁１に列をなして形成したフィルム冷却孔２と、タービン翼内壁３に列をなして形成したインピンジ孔４とが、所要の間隔を有して交互に配置され、且つ二個のフィルム冷却孔２，２と二個のインピンジ孔４，４とが正方形の升目を形成するように配置されており、二個のフィルム冷却孔２，２と二個のインピンジ孔４，４の正方形配置の内側に、四本の五角形ピン６が等間隔に配置されている。
【００１９】
図１における五角形ピン６は、横断面四角形のピンの一つの角部を切除部分の横断面が直角二等辺三角形をなすよう縦方向に切断して切断面７を形成しており、更に四本の五角形ピン６は、切断面７が前記二個のフィルム冷却孔２，２と二個のインピンジ孔４，４の夫々に向くように、前記二個のフィルム冷却孔２，２と二個のインピンジ孔４，４による正方形の対角線上に配置されている。これにより、二個のフィルム冷却孔２，２と二個のインピンジ孔４，４による正方形の内部には五角形ピン６によって十字方向流路８が形成されている。又、一個のフィルム冷却孔２と一個のインピンジ孔４との間には前記と形が異なる十字方向流路８’が形成されている。
【００２０】
尚、五角形ピン６の形状は図に示した形状以外にも変更することができ、又五角形ピン６の相互間に形成される十字方向流路８，８’の流路幅も種々変更することができる。
【００２１】
次に、上記形態例の作用を説明する。
【００２２】
図１に示すように、升目配置された、二個のフィルム冷却孔２，２と二個のインピンジ孔４，４の正方形配置の内側に、切断面７が二個のフィルム冷却孔２，２と二個のインピンジ孔４，４の夫々に向くように、四本の五角形ピン６を等間隔に配置して、その相互間に十字方向流路８，８’が形成されるようにしているので、インピンジ孔４から吹き出された冷却空気は、先ず四本の五角形ピン６の切断面７に衝突し、続いて五角形ピン６の相互間を流動した後、フィルム冷却孔２に流入する直前で五角形ピン６にて流路が狭められていることにより流速が高められてフィルム冷却孔２から噴出される。
【００２３】
このように、インピンジ孔４からフィルム冷却孔２に向かう冷却空気は、五角形ピン６の切断面７に衝突することによって冷却効果が高められると共に、複数の五角形ピン６に接することによって伝熱面積が増加されることにより冷却効果が高められ、更にインピンジ孔４からフィルム冷却孔２に向かう間に冷却空気の流速が変化することによって冷却効果が高められ、これにより効果的な冷却が行われるようになる。
【００２４】
図３は、ピン高さ（図５のタービン翼外壁１とタービン翼内壁３との間隔）と平均冷却効率Ａとの関係を示したものであり、図３では前記図５、図６の従来の構成の場合における平均冷却効率を１としたときに対して、図１に示した五角形ピン６の構成の場合を比較して示している。
【００２５】
図３において、ピン高さが０．２ｍｍより小さい時には図５、図６の従来の構成の場合の値１より低い平均冷却効率Ａを示しているが、ピン高さが０．２ｍｍより大きくなると図１の構成による平均冷却効率Ａは図５、図６の従来の構成に比して大幅に高められる。タービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造を実施する場合に、製作上からピン高さ（図５のタービン翼外壁１とタービン翼内壁３との間隔）は一般に０．４ｍｍ以上とすることが想定されるので、平均冷却効率Ａは充分高い値を保持することができる。
【００２６】
このように平均冷却効率Ａが大幅に高められることによって、図５、図６の従来の構成に比して少ない冷却空気の流量でも同一の冷却効果を上げることができるようになり、よってタービン効率を向上させられる効果がある。
【００２７】
図２は本発明のタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造の他の例を示したものであり、図中図５、図６と同一のものには同じ符号を付して詳細な説明は省略し、本発明の特徴部分についてのみ詳述する。
【００２８】
図２では、図５のタービン翼内壁３に形成する一個のインピンジ孔９に対して、等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置になるようにフィルム冷却孔１０をタービン翼外壁１に形成しており、これにより、一個のインピンジ孔９に対して最も近い位置に３個のフィルム冷却孔１０が位置することになる。更に、各フィルム冷却孔１０に対しても、等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置にインピンジ孔９が配置されるようにしている。
【００２９】
更に、前記インピンジ孔９の外周を取り囲む六箇所において、正三角形ピン１１の角部の一つが前記インピンジ孔９の中心に対向し、角部の他の一つがフィルム冷却孔１０の中心に対向するように配置している。そして、各正三角形ピン１１の相互間に六方向流路１２が形成されるようにしている。この時、前記一個のインピンジ孔９に対して等間隔に３個設けられているフィルム冷却孔１０の相互間は、フィルム冷却孔１０もインピンジ孔９も配置されておらず、六個の正三角形ピン１１によって六方向流路１２’が形成された箇所となっている。
【００３０】
尚、図２では正三角形ピン１１の場合を示しており、このために一個のインピンジ孔９から六方向に延びる六方向流路１２は均一幅になっているが、インピンジ孔９からフィルム冷却孔１０に向かうに従って流路間隔が狭くなるようにしてもよく、この場合には正三角形ピン１１とすることなく、例えば二等辺三角形のピンとしてもよい。
【００３１】
次に、上記形態例の作用を説明する。
【００３２】
図２に示すように、一個のインピンジ孔９に対して等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置に三個のフィルム冷却孔１０が配置され、更に、各フィルム冷却孔１０に対しても等間隔で且つ互いに１２０゜ずつ離れた位置にインピンジ孔９が配置され、そして、前記インピンジ孔９の外周を取り囲む六箇所において、正三角形ピン１１の角部の一つが前記インピンジ孔９に対向し、角部の他の一つがフィルム冷却孔１０に対向するように配置されて、正三角形ピン１１によって六方向流路１２，１２’が形成されるようにしているので、インピンジ孔９から吹き出された冷却空気は、正三角形ピン１１による六方向流路１２，１２’を流動してフィルム冷却孔１０に向かうようになる。
【００３３】
このため、六方向流路１２，１２’を流動する冷却空気は、インピンジ孔９を取り囲む六個の正三角形ピン１１の総てに接することになるために伝熱面積が増大されて冷却効果が大幅に高められ、よって効果的な冷却が行われるようになる。
【００３４】
図４は、ピン高さ（図５のタービン翼外壁１とタービン翼内壁３との間隔）と平均冷却効率Ｂとの関係を示したものであり、図４では前記図５、図６の従来の構成の場合における平均冷却効率を１としたときに対して、図２に示したインピンジ孔９とフィルム冷却孔１０と正三角形ピン１１の配置構成の場合を比較して示している。
【００３５】
図４において、ピン高さが０．２４ｍｍより小さい時には図５、図６の従来の構成の場合の値１より低い平均冷却効率Ｂを示しているが、ピン高さが０．２４ｍｍより大きくなると図２の構成による平均冷却効率Ｂは図５、図６の構成に比して大幅に高められる。タービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造を実施する場合に、製作上からピン高さ（図５のタービン翼外壁１とタービン翼内壁３との間隔）は一般に０．４ｍｍ以上とすることが想定されるので、上記平均冷却効率Ｂは充分高い値を保持することができる。
【００３６】
このように平均冷却効率Ｂが大幅に高められることによって、図５、図６の従来の構成に比して少ない冷却空気の流量でも同一の冷却効果を上げることができるようになり、よってタービン効率を向上させられる効果がある。
【００３７】
尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、五角形ピン、正三角形ピンを用いた場合について例示したが、その他の種々の多角形ピンを用いるようにしてもよいこと、多角形ピンの配置構成も種々変更し得ること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること、等は勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造によれば、従来の構成に比して平均冷却効率を大幅に高めることができ、よって、従来の構成に比して少ない冷却空気の流量でも同一の冷却効果を上げることができるようになり、従ってタービン効率を大幅に向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造の形態の一例を示す切断平面図である。
【図２】本発明のタービン翼のトランスピレーション冷却伝熱促進構造の形態の他の例を示す切断平面図である。
【図３】図１の構成の場合の平均冷却効率を従来の構成の場合と比較して示した線図である。
【図４】図２の構成の場合の平均冷却効率を従来の構成の場合と比較して示した線図である。
【図５】従来のタービン翼のトランスピレーション冷却構造の一例を示す切断側面図である。
【図６】図５をＶＩ−ＶＩ方向から見た切断平面図である。
【符号の説明】
１  タービン翼外壁
２  フィルム冷却孔
３  タービン翼内壁
４  インピンジ孔
６  五角形ピン
７  切断面
８  十字方向流路
８’        十字方向流路
９  インピンジ孔
１０  フィルム冷却孔
１１  三角形ピン
１２  六方向流路
１２’        六方向流路
【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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