(57)【要約】【課題】壁面上のフィルム効率を高めて、壁面を効果的に冷却ができるフィルム冷却構造を提供する。【解決手段】高温ガスＧの通路２１に臨む壁面１に、冷却媒体Ｃを前記通路２１に噴出する一対以上の噴出孔２ａ，２ｂが設けられ、各対の噴出孔２ａ，２ｂからの冷却媒体Ｃの噴出方向Ａ，Ｂが、これら冷却媒体Ｃを互いに前記壁面１に押し付ける方向の渦Ａ１，Ｂ１を形成するように設定されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガスの通路に臨む壁面に、冷却媒体を前記通路に噴出する一対以上の噴出孔が設けられ、
各対の噴出孔からの冷却媒体の噴出方向が、これら冷却媒体を互いに前記壁面に押しつける方向の渦を形成するように設定されているフィルム冷却構造。
【請求項２】
請求項１において、前記各対の噴出孔から噴出される冷却媒体の噴出速度ベクトルはそれぞれ、前記高温ガスの流れ方向に対して、前記壁面に沿った面上で横方向角度成分β１，β２を有し、これら横方向角度成分β１，β２が互いに相違しているフィルム冷却構造。
【請求項３】
請求項２において、前記２つの横方向角度成分β１，β２が、前記流れ方向を挟んで互いに反対方向を向いているフィルム冷却構造。
【請求項４】
請求項２または３において、前記横方向角度成分β１，β２が５〜１７５°であるフィルム冷却構造。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一項において、前記噴出速度ベクトルは、前記壁面に直交する縦方向角度成分α１，α２が５〜８５°であるダブルジェット式フィルム冷却構造。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項において、前記対をなす２つの噴出孔は、前記高温ガスの流れ方向と直交する直交方向に沿った横間隔Ｗが、前記噴出孔の孔径Ｄに対して０〜４Ｄであり、かつ、前記流れ方向に沿った縦間隔Ｌが０〜８Ｄであるダブルジェット式フィルム冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンにおける動翼、靜翼、燃焼器の内筒などのように高温ガスの通路に臨む壁面に噴出孔を設け、この噴出孔から噴出される冷却媒体を壁面に沿って流すことによって壁面の冷却を行うフィルム冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンにおける動翼のような壁面には、同一方向を指向する多数の噴出孔が設けられ、これら噴出孔から噴出される空気のような冷却媒体のフィルム流により高温ガスに曝される前記壁面を冷却する（特許文献１）。
【特許文献１】特開平４−１２４４０５号公報の第３図
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来では、噴出孔から高温ガスの通路内に噴出された冷却媒体が壁面から剥離し易いために、壁面上における冷却効率を示すフィルム効率が低い。通常、フィルム効率は、０．２〜０．４程度である。ここで、フィルム効率とは、ηf,ad＝（Ｔｇ―Ｔｆ）／（Ｔｇ―Ｔｃ）であり、このとき、Ｔｇはガスの温度、Ｔｆは壁面の表面温度、Ｔｃは壁面上における冷却媒体の温度である。
【０００４】
そこで、本発明は、ガスタービンの動，靜翼などの壁面上におけるフィルム効率を高めて、壁面を効率的に冷却ができるフィルム冷却構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明にかかるフィルム冷却構造は、高温ガスの通路に臨む壁面に、冷却媒体を前記通路に噴出する一対以上の噴出孔が設けられ、各対の噴出孔からの冷却媒体の噴出方向が、これら冷却媒体を互いに前記壁面に押し付ける方向の渦を形成するように設定されている。
【０００６】
上記構成によれば、２つの噴出孔からの冷却媒体同士が干渉し合い、一方の冷却媒体の渦流により他方の冷却媒体が壁面上に押し付けられて、この冷却媒体の壁面からの剥離が抑制される。このため、壁面上におけるフィルム効率が高められて、壁面が効果的に冷却される。
【０００７】
本発明の好ましい態様では、前記各対の噴出孔から噴出される冷却媒体の噴出速度ベクトルはそれぞれ、前記高温ガスの流れ方向に対して、前記壁面に沿った面上で横方向角度成分β１，β２を有し、これら横方向角度成分β１，β２が互いに相違している。これにより、前記冷却媒体同士の干渉効果が容易に得られる。
【０００８】
前記２つの横方向角度成分β１，β２は、前記流れ方向を挟んで互いに反対方向を向いているのが好ましい。これにより、高温ガスの流れ方向に沿って壁面上に、冷却媒体のフィルム流が効果的に形成されて、フィルム効率が一層向上する。
【０００９】
前記噴出速度ベクトルが前記流れ方向となす角度の前記横方向角度成分β１，β２は５〜１７５°とするのが好ましい。また、前記壁面に直交する縦方向角度成分α１，α２は５〜８５°とするのが好ましい。さらに、対をなす２つの噴出孔は、前記高温ガスの流れ方向と直交する直交方向に沿った横間隔Ｗが、前記噴出孔の孔径Ｄに対して０〜４Ｄであり、かつ、前記流れ方向に沿った縦間隔Ｌが０〜８Ｄであることが好ましい。これら好ましい構成によれば、壁面に向かう強い渦が生成されて、壁面のより効果的な冷却が行える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高温ガスに曝される壁面上における冷却媒体の剥離を抑制して壁面上に良好なフィルム流を生成することができ、これにより壁面の冷却を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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は本発明の一実施形態であるダブルジェット式フィルム冷却構造を適用した壁面の正面図である。壁面１は矢印方向に流れる高温ガスＧに曝されており、この壁面１には、高温ガスＧの流れ方向に沿って前後一対をなす第１および第２噴出孔２ａ，２ｂの複数が、上下方向に等間隔に形成されており、これら噴出孔２ａ，２ｂから高温ガスＧの通路２１に空気のような冷却媒体を噴出する。各噴出孔２ａ，２ｂは、ドリルなどにより壁面１に対し斜め方向Ｐ１，Ｐ２から傾斜状に開孔された円孔ており、その結果、壁面１上では楕円状に開口する。これら各対の噴出孔２ａ，２ｂは、図２の拡大正面図で示すように、噴出孔２ａ，２ｂから噴出される冷却媒体Ｃの噴出方向Ａ，Ｂが、壁面１に沿った面上で、つまり壁面１と直交する方向から見て、互いに異なる方向を指向するように形成されている。
【００１２】
前記各対の噴出孔２ａ，２ｂは、高温ガスＧの流れ方向に沿って縦間隔Ｌで並んでいる。したがって、高温ガスＧの流れ方向と直交し、かつ壁面に沿った方向を直交方向Ｔとしたとき、このＴに沿った横間隔Ｗはゼロである。前記噴出孔２ａ，２ｂから噴出される冷却媒体Ｃの孔径Ｄに対して、前記縦間隔Ｌは、その３倍（Ｌ＝３Ｄ）とされている。また、図３の第２実施形態では、横間隔Ｗ＝１Ｄ、縦間隔Ｌ＝３Ｄとされ、さらに、図４の第３実施形態では、横間隔Ｗ＝２Ｄ、縦間隔Ｌ＝３Ｄとされている。
【００１３】
図２〜４に示した各対の噴出孔２ａ，２ｂから噴出される冷却媒体Ｃは、相互に影響し合い相手方を壁面１に押し付けるように作用する。その様子を図５により説明する。図５は高温ガスＧの流れ方向と直交する横断面を示すもので、２つの噴出孔２ａ，２ｂが互いに近接し、かつ、両者からの冷却媒体Ｃの噴出方向が壁面１と直交する方向から見て互いに異なっているために、冷却媒体Ｃの２つの流れの間に圧力の低い部分１０が生じる結果、各冷却媒体Ｃの内側部、つまり互いに対向する部分に、壁面１へ向かう流れが生じる。これにより、２つの冷却媒体Ｃの流れに、内側で壁面１へ向かって冷却媒体Ｃを巻き込むような互いに逆方向の渦Ａ１，Ｂ１が発生する。これらの渦Ａ１，Ｂ１は、互いに相手方の冷却媒体Ｃの流れを壁面１に押し付けるように作用する。
【００１４】
前記渦Ａ１，Ｂ１を効果的に発生させて、互いの冷却媒体Ｃを壁面１に押し付ける干渉効果を発揮するために、２つの噴出孔２ａ，２ｂは互いに適切な距離だけ離れる必要がある。そこで、図３および図４に示した噴出孔２ａ，２ｂの横間隔Ｗは０〜４Ｄとされ、好ましくは０．５〜２Ｄとされる。また、前記各噴出孔２ａ，２ｂは、高温ガスＧの流れ方向に沿った縦間隔Ｌが０〜８Ｄとされ、好ましくは１．５〜５Ｄとされる。横間隔Ｗおよび縦間隔Ｌがそれぞれ４Ｄおよび８Ｄを越えると、２つの冷却媒体Ｃが離れ過ぎて互いの干渉効果が低下する。
【００１５】
図６は各対の噴出孔２ａ，２ｂから噴出される冷却媒体Ｃの方向を示す。２つの冷却媒体Ｃの噴出速度ベクトルＶ1，Ｖ2は、壁面１に直交する方向から見て互いに異なる方向Ａ，Ｂを向いている。すなわち、噴出速度ベクトルＶ1，Ｖ2はそれぞれ、高温ガスＧの流れ方向に対して、壁面１に沿った面上で横方向角度成分β１，β２を有し、これら横方向角度成分β１，β２が互いに相違している。さらに、噴出速度ベクトルＶ1，Ｖ2の直交方向Ｔの速度成分Ｖｙ1，Ｖｙ2が互いに反対方向を向いている。すなわち、横方向角度成分β１，β２が、高温ガスＧの流れ方向を挟んで互いに反対方向を向いている。
【００１６】
このとき、噴出速度ベクトルＶ1，Ｖ2が前記高温ガスＧの流れ方向となす角度の横方向角度成分β１，β２は５〜１７５°とされ、好ましくは２０〜６０°とされる。また、前記角度の壁面１に直交する縦方向角度成分α１，α２は５〜８５°とされ、好ましくは１０〜５０とされる。この範囲で前記干渉効果が発揮される。
【００１７】
以上の冷却構造によれば、図５のように、各対の噴出孔２ａ，２ｂからの冷却媒体Ｃが、その渦Ａ１，Ｂ１によって互いに干渉し合い、相手方の冷却媒体Ｃの流れを壁面１に押し付けて、壁面１の広い範囲に接触して、冷却媒体Ｃのフィルム流が形成される。図７は、図２に示す噴出孔２ａ，２ｂを形成した場合に、壁面１上に得られるフィルム効率ηf,adの等値線図を示している。この図から明らかなように、各噴出孔２ａ，２ｂから噴出される冷却媒体Ｃは互いに干渉し合って、その下流域に、フィルム効率０．８の領域が、これの周りにはフィルム効率０．６の領域が、さらに、その周りにはフィルム効率０．４、０．２の領域がそれぞれ広域にわたって形成されている。このような高いフィルム効率を有する冷却媒体Ｃのフィルム流を壁面１に形成することにより、冷却媒体Ｃの壁面１からの剥離が阻止されて壁面１の効率的な冷却が行われる。また、図６に示す、噴出速度ベクトルＶ1，Ｖ2の横方向角度成分β１，β２が、高温ガスＧの流れ方向を挟んで互いに反対方向を向いているから、高温ガスＧの流れ方向に沿って壁面１上に、冷却媒体Ｃのフィルム流が効果的に形成されて、フィルム効率が一層向上する。なお、図５は図７におけるフィルム効率０．８付近で断面したＶ−Ｖ線断面図である。
【実施例】
【００１８】
図８および図９は、本発明をガスタービンのタービン翼に適用した実施例を示す。ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器、燃焼器からの高温、高圧の燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えている。前記タービンは、図８に示すタービンディスク１２の外周に多数の動翼１３を植設したものである。動翼１３の背中側の翼面（壁面１）における前縁１５から若干後方寄りの部分に、７対の噴射孔２ａ，２ｂが径方向に並べて配置されており、これら噴射孔２ａ，２ｂが、隣接する動翼１３間の高温ガス（燃焼ガス）通路２１に臨んでいる。各対の噴射孔２ａ，２ｂは図２に示したものと同一であり、噴射孔２ａが噴射孔２ｂよりも高温ガス通路２１の上流側に位置している。
【００１９】
動翼１３の内部には、図９に示す折り返した冷却媒体通路１７が形成されており、この冷却媒体通路１７の中途部に噴射孔２ｂが、下流部に噴射孔２ａがそれぞれ連通している。圧縮機から抽気された空気からなる冷却媒体Ｃが、タービンディスク１２内の通路から冷却媒体通路１７に導入され、噴射孔２ｂ，２ａから噴射されたのち、翼端１９に開口させた噴出孔２０から通路２１内に噴出される。このように、図８に示す壁面１である翼面に開口した噴射孔２ａ，２ｂから噴射される冷却媒体Ｃにより、翼面１上に冷却媒体Ｃのフィルム流が形成されて、動翼１３が効果的に冷却される。
【００２０】
上記実施形態では、２個一対の噴出孔２ａ，２ｂを形成したものについて説明したが、本発明は２個以上で１組をなす噴出孔を形成し、各組のうちの少なくとも一対が互いに干渉し合って冷却媒体を壁面に押し付けるような渦を形成するようにしてもよい。
【００２１】
本発明は、ガスタービンにの動翼のほかに、靜翼、燃焼器の内筒などのように、高温ガスの通路に臨む壁面に対して広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるフィルム冷却構造を適用した高温ガスに曝される壁面一部の正面図である。
【図２】各対の噴出孔が形成された壁面を拡大して示す正面図である。
【図３】第２実施形態を示す壁面の正面図である。
【図４】第３実施形態を示す壁面の正面図である。
【図５】壁面の外表面に形成される冷却媒体の流れを説明する図であり、図７のＶ−Ｖ線断面図に相当する。
【図６】各対の噴出孔の形成態様を説明する斜視図である。
【図７】壁面に得られるフィルム効率の等値線図である。
【図８】本発明の実施例を示すタービン動翼の斜視図である。
【図９】同タービン動翼の縦断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  壁面
２ａ，２ｂ  対の噴出孔
２１    通路
Ａ，Ｂ  冷却媒体の噴出方向
Ａ１，Ｂ１  渦
Ｃ  冷却媒体
Ｄ  噴出孔の孔径
Ｇ  高温ガス
Ｌ  冷却媒体の流れ方向に沿った縦間隔
Ｔ  直交方向
Ｗ  壁面の直交方向に沿った横間隔
Ｖ1，Ｖ2  冷却媒体の噴出速度ベクトル
Ｖｙ1，Ｖｙ2  壁面に沿った直交方向の速度成分
α１，α2  壁面に直交する縦方向角度成分
β1，β2  高温ガスの流れ方向となす角度の横方向角度成分
【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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【図９】
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