(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガス（１８）で洗流される壁構造物（２）を備え、この壁構造物（２）が流入縁（８）と、流出縁（９）と、前記流入縁（８）と前記流出縁（９）との間に互いに対向して位置する圧力側面（１０）および吸込み側面（１１）とを有し、少なくとも区域的に、高温ガス（１８）で洗流される外側壁（３）と、内側壁（４）と、内外壁（４、３）間に配置され冷却流体（６）が貫流する冷却部位（５）とを有し、前記各冷却部位（５）が前記内側壁（４）を貫通する冷却流体入口（１５）と前記外側壁（３）を貫通する冷却流体出口（１６）とを有しているタービン翼（１）において、前記冷却部位（５）内に前記冷却流体（６）によって主流れ方向（１２）に洗流される複数の熱伝達要素（７）が連続して配置され、これらの熱伝達要素（７）が前記外側壁（３）に熱的に結合され、前記熱伝達要素（７）と前記外側壁（３）との熱的結合は前記熱伝達要素（７）と前記外側壁（３）との固い結合として形成され、前記冷却部位（５）が前記外側壁（３）と前記内側壁（４）とで包囲された冷却室（２０）として形成され、前記内側壁（４）が前記外側壁（３）より厚くされていることを特徴とするタービン翼。
【請求項２】
前記冷却流体出口（１６）が一つあるいは複数の孔（１７）によって形成されていることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
【請求項３】
複数の前記熱伝達要素（７）が前記主流れ方向（１２）に対して角度を成している線（１４）に沿って熱伝達要素列（１３）を成して配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のタービン翼。
【請求項４】
複数の前記熱伝達要素列（１３）が連続して配置され、直接隣り合う前記熱伝達要素列（１３ａ、１３ｂ）の前記熱伝達要素（７）が線（１４）の方向に互いにずらされていることを特徴とする請求項３記載のタービン翼。
【請求項５】
前記内側壁（４）が前記外側壁（３）の１．５倍厚くされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のタービン翼。
【請求項６】
前記冷却流体出口（１６）が、前記冷却室（２０）から前記高温ガス（１８）で洗流される前記外側壁（３）の表面に向けて広がっている横断面形状をしていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のタービン翼。
【請求項７】
前記冷却流体入口（１５）が、前記外側壁（３）に対して角度を成している軸線（２２）に沿って延びていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のタービン翼。
【請求項８】
前記冷却部位（５）において前記冷却流体入口（１５）と前記流入縁（８）との間に前記冷却流体出口（１６）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のタービン翼。
【請求項９】
前記冷却部位（５）は、前記流出縁（９）の周辺における前記吸込み側面（１１）に、前記冷却流体出口（１６）が前記高温ガス（１８）で洗流される際に最も低い圧力レベルの部位と前記流入縁（８）との間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項８記載のタービン翼。
【請求項１０】
前記外側壁（３）と、前記内側壁（４）と、前記熱伝達要素（７）とが鋳造で一回の作業工程で作られることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のタービン翼。
【請求項１１】
ガスタービンの動翼（１ａ）あるいは静翼（１ｂ）であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のタービン翼。
【請求項１２】
ガスタービン設備に使用されることを特徴とする請求項９記載のタービン翼。
【発明の詳細な説明】
本発明は、高温ガスで洗流される壁構造物を備え、この壁構造物が少なくとも区域的に高温ガスで洗流される外側壁と、内側壁と、内外壁間に配置され冷却流体が貫流する冷却部位とを有しているタービン翼に関する。本発明は更にこのガスタービン翼のガスタービン設備における使用に関する。
冷却ガスが導入されて冷却されるガスタービンの静翼は米国特許第５４１９０３９号明細書に記載されている。その静翼は一つの鋳造品として形成されるか二つの鋳造部分から組み立てられる。その静翼はその内部にガスタービン設備の圧縮機からの冷却空気の導入路を有している。ガスタービンの高温ガス流に曝され空気導入路を包囲している壁構造物に片側が開いた冷却ポケットが鋳造成形されている。その冷却ポケットは壁構造物の外側面において高温ガスの流れ方向並びに高温ガスの流れ方向に垂直に静翼の主広がり方向に沿って配置されている。冷却空気導入路から壁構造物にある多数の孔を介して冷却ポケットの中に冷却空気が流入する。冷却ポケットは高温ガスの流れ方向に冷却空気で貫流され、この冷却空気は静翼を鋳造する際に既に形成され冷却ポケットの全幅にわたって延びる隙間内において高温ガスの流れの中に流出する。これによって壁構造物の外側表面に或る程度の膜冷却が得られる。熱伝達を改善するために詳述されていない一つあるいは複数のベースが冷却ポケットに設けられている。
ドイツ特許出願公告第２２４１１９２号明細書にインサートを備えた中空ガスタービン翼が記載されている。そのインサートはタービン翼によって包囲されている中空室の中で分離壁として使用される。そのインサートはスペーサによって互いに間隔を隔てられている二つの部分から成っている。タービン翼の中空室は長手方向に延びる条帯によって冷却空気流入室と冷却空気流出室とに分割されている。冷却空気流入室の中にインサートと翼壁との間に中間室が形成され、この中間室の中に翼壁に結合された熱伝達にも使用されるスペーサが設けられている。インサートの両部分は、これがタービン翼流入縁だけで流入室に向いて開いた通路を形成するように、冷却空気流入室において透過不能に形成されている。従って冷却空気はタービン翼流入縁からインサートの両部分によって形成された通路を通ってタービン翼流出縁の方向に流れる。冷却空気流出室においてインサートの両部分は多数の開口を有し、それらの開口を通って冷却空気が流出室に流出する。タービン翼の流入縁並びに流出縁に冷却空気の流出開口が設けられている。流入縁における開口を通って流出する冷却空気によって翼壁の外側表面における膜冷却が達成される。
１９９１年８月２６日発行の日本特許抄録のＭ−１１５１（第１５巻、第１３６号）に掲載の特開平３−１３０５０３号公報に、ガスタービンの高温負荷される部品特にガスタービン翼の水冷方法が記載されている。そのガスタービン翼は中空翼として形成され、その内部に中間壁を有している。この中間壁は冷却リブを介してタービン翼の外側壁に結合されている。中間壁で包囲されている内室の中に加圧水を中間室の中に噴射する導入路が設けられている。そのように噴射された水は中間壁に衝突してこれを冷却する。中間壁を冷却することによって冷却リブを介して翼の外側壁も冷却される。外側壁並びに中間壁に多数の小孔が存在している。
本発明の課題は冷却可能な壁構造物を備えたタービン翼を提供することにある。本発明の別の課題はそのようなタービン翼の用途を提供することにある。
高温ガスで洗流される壁構造物を備えたタービン翼に関する課題は本発明に基づいて、流入縁と、流出縁と、流入縁と流出縁との間に互いに対向して位置する圧力側面および吸込み側面とを有し、少なくとも区域的に、高温ガスで洗流される外側壁と、内側壁と、これらの内外壁間に配置され冷却流体が貫流する冷却部位とを有し、この冷却部位が内側壁を貫通する冷却流体入口と外側壁を貫通する冷却流体出口とを有しているタービン翼において、冷却部位内に冷却流体によって主流れ方向に洗流される複数の熱伝達要素が連続して配置され、これらの熱伝達要素が外側壁に熱的に結合され、熱伝達要素と外側壁との熱的結合は熱伝達要素と外側壁との固い結合として形成され、冷却部位が外側壁と内側壁とで包囲された冷却室として形成され、内側壁が外側壁より厚くされていることによって解決される。
冷却部位は好適には外側壁と内側壁とで包囲された冷却室として形成されている。この冷却室の形成は冷却流体の入口および出口を形成する際における加工の柔軟性を高め、冷却流体特に冷却空気の入口並びに出口をタービン翼における要件に応じて追加的に変えることを可能にする。その場合好適には出口は一つあるいは複数の孔によって作られる。これらの孔あるいは漏斗状開口は好適には主流れ方向に対して特に４５°より小さな角度、好適には２０〜３０°傾けられる。その傾斜は好適には、タービン翼を洗流する高温ガスの流れに対して例えば同様に４５°の鋭角を成すように選定される。そのような鋭角によって外側壁の表面における冷却膜の形成が助長される。孔あるいは漏斗状開口の向きはタービン翼の主軸線に対して垂直な平面からも同様の角度だけ傾けられる。
冷却流体の主流れ方向に連続して配置され外側壁に熱的に結合されている複数の熱伝達要素は、冷却部位において長い距離にわたって冷却流体を有効に加熱することを可能にする。熱伝達要素が外側壁に熱的に結合されていることによって、外側壁から冷却流体への有効な熱伝達が得られる。これは外側壁を効果的かつ効率的に冷却する。更に壁構造物を外側壁と内側壁とに設計的に分割することは壁構造物の機能的特性の切り離しを可能にし、その場合、外側壁における機械的強度についての要求は内側壁におけるそれより僅かにできる。従って内側壁はこれが高温ガス流に直接曝されないので外側壁よりも大きな厚さに形成でき、主としてタービン翼の機械的支持機能を担わせることができる。これに反して外側壁は薄い厚さに形成され、これによって外側壁は熱伝達要素を介して特に効果的に冷却される。好適には内側壁は外側壁の約１．５倍以上に厚くされている。内側壁と外側壁との間の冷却部位の横断面高さは好適には冷却流体の流速を高めるために小さくされ、特に外側壁の壁厚の範囲内にある。冷却部位の小さな貫流断面積およびこれに伴って生ずる冷却流体の高い流速によって、極めて大きな熱伝達係数が得られる。更に外側壁において冷却部位から流出する冷却空気は外側壁の高温ガスに曝される表面に冷却膜（膜冷却）を形成する。
好適には複数の熱伝達要素が主流れ方向に対して好適には９０°の角度を成している線に沿って列を成して配置される。この主流れ方向が、タービン翼が延びているタービン翼主軸線に対して垂直であると有利である。静翼として採用されるタービン翼の場合、主流れ方向はタービン翼を洗流する高温ガスの流れ方向と一致しているかこれと全く逆となっている。熱伝達要素はその線に沿って好適には等間隔で配置されている。熱伝達要素は好適には柱状あるいは台状に形成され、外側壁から内側壁まで延びている。これは内側壁にも固く結合できる。熱伝達要素の横断面形状はそれぞれ熱伝達要求および流れ技術的要求に合わされ、例えば円形に、多角形にあるいは流れプロフィルに基づいて形成されている。
主流れ方向に直接隣り合って連続する列の熱伝達要素は好適には互いにずらされ、特に線に沿って配置された二つの熱伝達要素間の距離の半分だけずらされている。これによって特に、線に沿って隣接する二つの熱伝達要素間を貫流する冷却流体の部分流は主流れ方向に後置された熱伝達要素に熱エネルギを交換するためにほぼ完全に接触する。
冷却流体出口は外側壁の外表面に向けて広がっている漏斗状開口としても形成できる。そのような漏斗状開口の追加的な設置は例えば浸食加工あるいはレーザビーム加工によって実施される。漏斗状開口は例えば横断面円形、矩形あるいは別の単純な形状をした横断面形状を有し、場合によっては外側壁の直径に関して変化することもできる。漏斗状に広がっている開口によって外側壁の特に良好な膜冷却が達成できる。
冷却流体入口は好適には外側壁に対して傾いている軸線、特に外側壁に垂直な軸線に沿って延びている。従って、その入口を通して流入する冷却流体は外側壁に衝突し、これによって少なくとも入口の範囲で外側壁の追加的な衝突冷却が達成される。
特に吸込み側面における冷却部位の出口は好適には冷却空気の入口とタービン翼流入縁との間に配置されている。これは冷却流体が冷却部位の内部でタービン翼を洗流する高温ガス流の流れ方向と逆向きに流れるいわゆる対向流冷却を保証する。これは特に静翼として採用されるタービン翼の場合に一層良好な膜冷却を生ずる。
この対向流式の冷却部位は好適には流出縁の周辺における吸込み側面に、その冷却流体出口が高温ガスの流れに関して吸込み側面に沿って流れる高温ガスの最も低い圧力レベルの部位の上流に位置するように配置されている。これは特に空気力学的に有利であり、その場合高温ガスの流れは流出縁において流出する冷却流体によってほとんど害されない。
外側壁と内側壁との間に配置された少なくとも一つの冷却部位を有する壁構造物を備えたタービン翼は、全体として鋳造で一回の作業工程で作られる。このタービン翼は勿論鋳造後に適当な方式（接合法）で互いに固く結合される二つ以上の鋳造部品を含むこともできる。好適には冷却流体入口も鋳造で作られる。タービン翼がその主軸線に沿って並びに主軸線に対して垂直な平面内に多数の冷却部位を有すると好ましい。定置形ガスタービンの静翼は吸込み側面並びに圧力側面に３×３個の冷却室並びに達成すべき熱伝達に応じてより多くのあるいはより少ない冷却室を有する。幾何学的に複雑に形成された動翼は好適には吸込み側面および圧力側面にそれに匹敵する静翼よりも少数の冷却室を有する。
タービン翼の用途に関する課題は、上述のタービン翼が特にタービン翼を洗流する高温ガスの温度が１０００℃をかなり越えているようなガスタービン設備の動翼あるいは静翼として使用されることによって解決される。
図に示した実施例を参照してタービン翼を詳細に説明する。図には説明のために使用される構造的および機能的特徴が概略的に示されている。
図１はガスタービンの静翼の横断面図、
図２は図１における壁構造物の一部拡大縦断面図、
図３は図２における壁構造物の断面図である。
図１にはガスタービンの主軸線１９に沿って延びるタービン翼１つまり静翼が示されている。これは流入縁８と、流出縁９と、これらの両縁間に互いに対向して位置する圧力側面１０および吸込み側面１１とを備えた壁構造物２を有している。この壁構造物２にはその吸込み側面１１並びに圧力側面１０にそれぞれ冷却室２０として形成された三つの中空冷却部位５、５ａが設けられている。これらの冷却部位５、５ａは壁構造物２内に外側壁３と内側壁４との間に配置されている。外側壁３はガスタービン（図示せず）の運転中に高温ガス１８（図２参照）で洗流される。タービン翼１は中空翼として形成され、これにより内側壁４で包囲された冷却空気導入路２１が形成されている。冷却部位５、５ａはその横断面高さよりかなり大きな長さ、例えばその１０倍の長さを有している。外側壁３は内側壁４よりかなり薄く形成され、例えば外側壁３の壁厚は１．０ｍｍ、内側壁４の壁厚は１．５ｍｍである。冷却部位５、５ａの高さは外側壁３の壁厚の範囲内にあり、これは例えば約１．０ｍｍの高さをしている。各冷却部位５、５ａの長さにわたって多数の好適には五つ以上の熱伝達要素７が配置されている。冷却空気導入路２１から各冷却部位５、５ａにそれぞれ入口１５が通じており、この入口１５は特に一つあるいは複数の孔として形成されているか鋳造成形され、必要な冷却力に合わされている。この入口１５は外側壁３に対してほぼ垂直な軸線２２に沿って延びている。これによって入口１５の範囲で外側壁３の追加的な衝突冷却が得られる。各冷却部位５、５ａからそれぞれ出口１６が壁構造物２の外側表面に通じている。出口１６も同様に特に必要な冷却力に応じて一つあるいは複数の孔１７によって形成されている。出口１６は例えば浸食加工あるいはレーザビーム加工によって作られ、高温ガス１８の流れに向かって漏斗状に広がっている。その孔１７はタービン翼１に沿って流れる高温ガス１８の流れ方向に対して鋭角に延び、これによって壁構造物２の外側表面に冷却空気膜が特に有利に形成される。特に吸込み側面１１における出口１６は同じ冷却室２０付設された入口１５よりも流入縁８の近くに配置されている。これによって冷却空気６は冷却室２０内において高温ガス１８の流れと逆向きに流れる。
図２および図３にはそれぞれ冷却室２０の範囲における壁構造物２が拡大して示されている。冷却室２０は冷却流体６、特に冷却空気で主流れ方向１２に貫流される。この主流れ方向１２はタービン翼１の主軸線１９に対してほぼ垂直に延びている。出口１６の孔１７は主軸線１９に対して垂直な平面から出ている。熱伝達要素７は直径ｄ1の断面円形の柱として形成されている。これは内側壁４並びに外側壁３に熱的に結合されている。それぞれ主流れ方向１２に対して垂直な線１４に沿って複数の熱伝達要素７が配置されている。主流れ方向１２に沿って複数の熱伝達要素列１３ａ、１３ｂが設けられている。互いに隣り合う二つの列１３ａ、１３ｂ間の距離ｄ2は各列１３ａ、１３ｂの互いに隣接する二つの熱伝達要素７間の距離ｄ3と同じかそれより幾分小さくされている。熱伝達要素７の直径ｄ1は例えば１．０ｍｍ、二つの列１３ａ、１３ｂ間の距離ｄ2は約１．５〜１．７５ｍｍ、二つの熱伝達要素７間の距離ｄ3は約１．７５ｍｍである。直径ｄ1並びに距離ｄ2、ｄ3は必要な熱伝達に応じて線１４ごとに変えることができる。直接隣り合う両列１３ａ、１３ｂの熱伝達要素７はそれぞれの線１４の方向に互いに熱伝達要素間の距離ｄ3の約半分の距離だけずらされている。これによって線１４の方向に隣り合う二つの熱伝達要素７の間を貫流する冷却空気６は、流れ方向に後続する列１３の熱伝達要素７に衝突してほぼ完全に接触する。熱伝達要素７をこのように互い違いに配置することによって、冷却空気６と外側壁３に結合された熱伝達要素７との間で熱伝達する冷却空気６の接触時間が増大され、これによって特に高い熱伝達作用、従って外側壁３の高い冷却作用が行われる。その冷却効率は外側壁３の壁厚が薄く形成されていることによって一層向上される。更に高温ガス１８に直接曝されない支持用内側壁４の冷却も行われる。
本発明は、冷却機能が主に外側壁にそして支持機能が主に内側壁に分担されている壁構造物を備えたタービン翼によって特徴づけられる。内外壁間に小さな高さの冷却室を形成することによって、これにより冷却空気の流速が高められることによっておよび冷却室内に熱伝達要素が配置されていることによって、外側壁、従ってタービン翼全体の有効な冷却が保証される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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