(57)【要約】【課題】中型および小型のタービン翼を効率的に冷却することができる冷却構造を提供する。【解決手段】高温ガス（Ｇ）によって駆動されるタービンのタービン翼（１）を内部から冷却するための構造において、前記タービン翼（１）内に設けられた冷却通路（７）の壁面に配置された複数のリブ（１４）からなるリブ組を複数組格子状に重ねて組み合わせてなるラティス構造体（１１）と、前記ラティス構造体（１１）が配置された冷却通路内で、前記ラティス構造体（１１）に対して前記高温ガス（Ｇ）の流れ方向における後方に配置された、複数のピンフィン（２１）からなるピンフィン構造体（１３）とを設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を内部から冷却するための構造であって、
前記タービン翼内に設けられた冷却通路の壁面に配置された複数のリブからなるリブ組を複数組格子状に重ねて組み合わせてなるラティス構造体と、
前記ラティス構造体が配置された冷却通路内で、前記ラティス構造体に対して前記高温ガスの流れ方向における後方に配置された、複数のピンフィンからなるピンフィン構造体と、
を備えるタービン翼の冷却構造。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却構造において、前記ピンフィン構造体が、前記ラティス構造体から離間して配置されているタービン翼の冷却構造。
【請求項３】
請求項２に記載の冷却構造において、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体との間隔Ｌが、前記ラティス構造体の出口部分の流路幅をｗ，流路高さをｈ，Ｄｈ＝２ｗｈ／（ｗ＋ｈ）としたとき、２Ｄｈ≦Ｌ≦７Ｄｈの範囲にあるタービン翼の冷却構造。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却構造において、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体とからなる冷却構造体が、仕切り体によって前記タービン翼の高さ方向に分割された、複数の冷却構造分割体を有しているタービン翼の冷却構造。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却構造において、前記仕切り体として、複数の仕切り用ピンフィンが設けられているタービン翼の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンのタービンにおける静翼および動翼を、内部から冷却するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンを構成するタービンは、燃焼器の下流に配置され、燃焼器で燃焼された高温のガスが供給されるため、ガスタービンエンジンの運転中は高温にさらされる。したがって、タービンの静翼および動翼を冷却する必要がある。このようなタービン翼を冷却する構造として、圧縮機で圧縮された空気の一部を、翼内に形成した冷却通路に導入し、圧縮空気を冷却媒体としてタービン翼を冷却することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
圧縮空気の一部をタービン翼の冷却に用いる場合、外部から冷却媒体を導入する必要がなく、冷却構造を簡単にできるメリットがある一方、圧縮機で圧縮された空気を多量に冷却に用いるとエンジン効率の低下につながるので、最小限の空気量で効率的に冷却を行う必要がある。タービン翼を高い効率で冷却するための構造として、複数のリブを格子状に組み合わせて形成した、いわゆるラティス構造を採用することが提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５６０３６０６号明細書
【特許文献２】特許第４９５７１３１号明細書
【特許文献３】米国特許第６３８２９０７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ラティス構造のような複雑な冷却構造を、鋳造によって狭い空間に設けることは困難である。一方で、タービン翼は、その後縁部を薄く形成するのが一般的であり、特に中・小型のガスタービンのタービン翼においては、翼後縁部は極めて薄く設計される。したがって、上記特許文献２，３に開示されている、タービン翼内部の冷却通路全体にラティス構造を設ける構成は、中・小型のガスタービンに適用することが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、中型および小型のタービン翼を効率的に冷却することができる冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るタービン翼の冷却構造は、高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を内部から冷却するための構造であって、前記タービン翼内に設けられた冷却通路の壁面に配置された複数のリブからなるリブ組を複数組格子状に重ねて組み合わせてなるラティス構造体と、前記ラティス構造体が配置された冷却通路内で、前記ラティス構造体に対して前記高温ガスの流れ方向における後方に配置された、複数のピンフィンからなるピンフィン構造体とを備える。
【０００８】
この構成によれば、ラティス構造体によって冷却媒体流内に乱れを生じさせた状態で、この冷却媒体をさらにピンフィンに衝突させるので、ラティス構造体自体による高効率の冷却に加えて、ラティス構造体と比較して冷却効率が低いピンフィン構造体による冷却効率も向上する。したがって、極めて高い効率でタービン翼を冷却することができる。また、高温ガスの流れ方向の前方と比べて薄く設計される後方の冷却構造をピンフィン構造体とすることにより、中型および小型のガスタービンのタービン翼に対しても製作を可能とし、高い冷却効率を実現できる。
【０００９】
本発明の一実施形態において、前記ピンフィン構造体が、前記ラティス構造体から離間して配置されていることが好ましい。この場合、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体との間隔Ｌが、前記ラティス構造体の出口部分の流路幅をｗ，流路高さをｈ，Ｄｈ＝２ｗｈ／（ｗ＋ｈ）としたとき、２Ｄｈ≦Ｌ≦７Ｄｈの範囲にあることが好ましい。この構成によれば、ラティス構造体から流出した冷却媒体の流れの向きを均一化させた後に冷却媒体をピンフィンに衝突させることができる。その結果、ピンフィン構造体内部での冷却媒体の流れが不均一となることが防止され、ピンフィン構造体において冷却効率が低下することを抑制できる。
【００１０】
本発明の一実施形態において、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体とからなる冷却構造体が、仕切り体によって前記タービン翼の高さ方向に分割された、複数の冷却構造分割体を有していてもよい。この構成によれば、ラティス構造体の側壁間距離が短くなり、ラティス構造体の流路を流れる冷却媒体が側壁に衝突して折り返す回数が増える。これにより、ラティス構造体を流れる冷却媒体流の乱れが促進され、一層効率的な冷却が可能となる。
【００１１】
本発明の一実施形態において、前記仕切り体として、複数の仕切り用ピンフィンが設けられていることが好ましい。この構成によれば、仕切り体を軽量化でき、応力の発生が抑制される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、中型および小型のタービン翼を効率的に冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷却構造が適用されるタービン翼の一例を示す斜視図である。
【図２】図１のタービン翼の冷却構造を模式的に示す縦断面図である。
【図３】図２の冷却構造に用いられるラティス構造体１１を示す斜視図である。
【図４】図２の冷却構造のラティス構造体１１とピンフィン構造体１３との位置関係を説明する模式図である。
【図５】図１のタービン翼の横断面図である。
【図６】タービン翼における冷却構造の配置の一例を模式的に示す縦断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態を模式的に示す縦断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るタービン翼の冷却構造の例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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タービン翼の冷却構造が適用される、ガスタービンエンジンのタービンの動翼１を示す斜視図である。タービン動翼１は、図示しない燃焼器から供給された、矢印方向に流れる高温ガスＧによって駆動されるタービンＴを形成している。具体的には、タービン動翼１は、図２に示すように、そのプラットフォーム３がタービンディスク５の外周部に連結されることで、周方向に多数植設されてタービンＴを形成している。本明細書では、高温ガスＧの流れ方向に沿った上流側（図１の左側）を前方と呼び、下流側（図１の右側）を後方と呼ぶ。
【００１５】
なお、以下の説明では、冷却構造が設けられるタービン翼として、主としてタービン動翼１を例として示すが、特に説明する場合を除き、本実施形態に係る冷却構造はタービン静翼にも同様に適用することができる。
【００１６】
図２に示すように、タービン動翼１の前部１ａの内部には、翼高さ方向Ｈに延びて折り返す前部冷却通路６が形成されている。タービン動翼１の後部１ｂの内部には、後部冷却通路７が形成されている。圧縮機からの圧縮空気の一部（冷却媒体ＣＬ）が、径方向内側のタービンディスク５の内部に形成された前部冷却媒体導入通路８，後部冷却媒体導入通路９を通って、径方向外側に向かって流れ、それぞれ前部冷却通路６，後部冷却通路７に導入される。前部冷却通路６，後部冷却通路７に供給された冷却媒体ＣＬは、タービン動翼１の外部に連通する図示しない排出孔から外部へ排出される。以後、本実施形態に係る冷却構造をタービン動翼１の後部１ｂに設けた例について説明するが、本実施形態に係る冷却構造は、タービン動翼１の前後方向におけるどの部分に設けてもよい。
【００１７】
後部冷却通路７の内部には、タービン動翼１を内部から冷却するための冷却構造として、冷却構造体１０が設けられている。冷却構造体１０は、ラティス構造体１１とピンフィン構造体１３とからなる。冷却構造体１０は、後部冷却通路７の内壁面に立設されたラティス構造体のリブおよびピンフィン構造体１３のピンフィンに冷却媒体ＣＬを接触または衝突させることにより、タービン動翼１をその内部から冷却する。ピンフィン構造体１３は、後部冷却通路７内で、ラティス構造体１１に対して後方に配置されている。
【００１８】
後部冷却通路７内において、冷却媒体ＣＬの全体は、冷却構造体１０を前方から後方へ横切る方向に流れる。以下の説明では、この冷却媒体ＣＬ全体の流れ方向を、冷媒移動方向Ｍと呼ぶ。
【００１９】
図３に示すように、ラティス構造体１１は、後部冷却通路７の壁面に、互いに平行にかつ等間隔に配置された複数のリブ１４からなるリブ組を、複数組格子状に重ねて組み合わせることにより形成されている。本実施形態では、２つのリブ組、すなわち第１リブ組（図３における下段のリブ組）１５Ａと第２リブ組（図３における上段のリブ組）１５Ｂとを、リブ１４の高さ方向に格子状に重ねることによって組み合わせて、ラティス構造体１１が形成されている。なお、各リブ組における複数のリブ１４の配置構成は、互いに平行かつ等間隔である必要はなく、タービン翼の構造や要求される冷却性能等に応じて適宜設定してよい。
【００２０】
ラティス構造体１１において、各リブ組１５Ａ，１５Ｂの隣り合うリブ１４，１４間の間隙が冷却媒体ＣＬの流路（ラティス流路）１７を形成する。ラティス構造体１１は、後部冷却通路７内において、冷媒移動方向Ｍに延びる２つの側壁１９，１９の間に、ラティス流路１７が冷媒移動方向Ｍに対して傾斜するように配置される。ラティス構造体１１に導入された冷却媒体ＣＬは、図３に破線矢印で示すように、まず一方のリブ組（図３の例では下段の第１リブ組１５Ａ）のラティス流路１７を流れ、一方の側壁１９に衝突して折返し、図３に実線矢印で示すように、他方のリブ組（図３の例では上段の第２リブ組）のラティス流路１７に流れ込む。この他方のラティス流路１７を流れる冷却媒体ＣＬは、その後他方の側壁１９に衝突して折返し、再び第１リブ組のラティス流路１７に流れ込む。このように、ラティス構造体１１においては、冷却媒体ＣＬが、ラティス流路１７を流れ、側壁１９に衝突して折返し、他方のラティス流路１７に流れ込むことを繰り返した後にラティス構造体１１から排出される。冷却媒体ＣＬが側壁１９への衝突を繰り返すことにより、冷却媒体ＣＬ流れの中に乱れが発生し、冷却が促進される。
【００２１】
なお、図２に示す実施形態においては、後部冷却通路７の上下の端壁７ａ，７ｂが図３の側壁１９に相当する。また、図２の実施形態においては、一部のラティス流路１７に流入した冷却媒体ＣＬは、上下の端壁７ａ，７ｂに衝突することなくラティス構造体１１から流出する。
【００２２】
本実施形態では、図３に示すように、ラティス流路１７の各出口部分において、上段と下段の各リブ１４の高さ、すなわち翼厚方向のラティス流路高さｈは同一である。また、第１リブ組１５Ａにおけるリブ１４，１４同士の間隔と、第２リブ組１５Ｂにおけるリブ１４，１４同士の間隔とは同一である。すなわち、第１リブ組１５Ａにおけるラティス流路幅ｗと、第２リブ組１５Ｂにおけるラティス流路幅ｗとは同一である。第１リブ組１５Ａの延設方向と第２リブ組１５Ｂの延設方向とのなす角度は略９０°に設定されている。
【００２３】
図２に示すピンフィン構造体１３は、後部冷却通路７の内壁面間に立設された複数のピンフィン２１からなる。本実施形態におけるピンフィン構造体１３では、タービン動翼１の高さ方向Ｈ（タービンＴの径方向）にほぼ沿って等間隔に並ぶ複数のピンフィン２１からなるピンフィン列１３Ｒが、前後方向に複数（図示の例では３列）配列されている。
【００２４】
ピンフィン構造体１３における複数のピンフィン２１の配置は任意に設定してよい。図４に示すように、本実施形態では、各列におけるピンフィン２１，２１間の間隔Ｐｒはすべて等しい。また、前後に隣接するいずれのピンフィン２１，２１間の間隔Ｐｌも同一となるようにピンフィン２１を配置している。前後方向に隣接するピンフィン列１３Ｒの各ピンフィン２１は、前記ピン間隔Ｐｒの１／２だけずれている。その結果、各ピンフィン列１３Ｒのピンフィン２１は、冷媒移動方向Ｍに沿って千鳥状に配列されている。
【００２５】
本実施形態では、ピンフィン構造体１３が、ラティス構造体１１から離間して配置されている。ラティス構造体１１とピンフィン構造体１３との間を離間させることにより、ラティス構造体１１の複数のラティス流路１７から後方へ、ピンフィン構造体へ向かって流出する冷却媒体ＣＬ流の向きを均一化することができる。もっとも、ラティス構造体１１とピンフィン構造体１３との間隔Ｌ（冷媒移動方向Ｍに沿った距離）が長すぎると、冷却構造体１０における冷却に寄与しない部分の面積が増えることになる。このような観点から、より具体的には、ラティス構造体１１とピンフィン構造体１３との間隔Ｌが、Ｄｈ＝２ｗｈ／（ｗ＋ｈ）として、２Ｄｈ≦Ｌ≦７Ｄｈの範囲にあることが好ましく、４Ｄｈ≦Ｌ≦５Ｄｈの範囲にあることがより好ましい。ここで、「Ｄｈ」は、ラティス構造体１１の出口部分における矩形のラティス流路１７の水力直径である。なお、「ラティス構造体１１とピンフィン構造体１３との間隔Ｌ」とは、ラティス構造体１１の出口部分の後端１１ａと、ピンフィン構造体１３の最前列に位置するピンフィン列の複数のピンフィン２１の中心を結ぶ仮想線Ｃとの、冷媒移動方向Ｍに沿った距離を指す。
【００２６】
冷却構造体１０は、タービン動翼１の任意の位置および範囲に配置することができる。もっとも、図５に示すように、ピンフィン構造体１３は、複数のリブ組１５Ａ，１５Ｂを重ねることによって構成されるラティス構造体１１に比べて、冷却通路幅（冷却通路の壁面間距離）Ｄが短い領域にも容易に設けることができる。したがって、図５に示す、後方へ向かって冷却通路幅Ｄが次第に狭まる構造の冷却通路７において、冷却構造体１０を、図２に示すように、少なくとも翼長（翼断面の中心線に沿った長さ）に対して後方半分の範囲に設けることが好ましい。
【００２７】
また、ピンフィン構造体１３は、図５に示すように、冷却通路幅Ｄが短い領域にも容易に設けることができるので、ラティス構造体１１を設ける領域とピンフィン構造体１３を設ける領域との境界を、冷却通路幅Ｄによって決定してもよい。例えば、冷却通路幅Ｄが２ｍｍ以上の領域にはラティス構造体１１を配置し、冷却通路幅Ｄが２ｍｍ未満の領域にはピンフィン構造体１３を配置する。
【００２８】
同様の理由から、本実施形態に係る冷却構造は、中型〜小型のガスタービンエンジンのタービン翼に使用するのに特に適している。より具体的には、出力４０ＭＷ以下のガスタービンエンジンのタービン翼の冷却に用いるのに適している。
【００２９】
また、図２に示すように、冷却構造体１０は、タービン動翼１の高さ方向Ｈ（タービンの径方向）のほぼ全体に渡って設けることができるが、高さ方向Ｈの一部にのみ、例えば、図６に示すように、タービン動翼１の根元側（図示の例では根元側半分の領域）、すなわち径方向内側にのみ設けてもよい。これにより、タービン動翼１の中で大きな応力がかかる部分である根元部分を効果的に冷却することができる。同様の理由により、タービン静翼に冷却構造体１０を設ける場合には、タービンの径方向外側となるタービン静翼の根元側にのみ冷却構造体１０を設けてもよい。
【００３０】
このように、本実施形態に係る冷却構造によれば、ラティス構造体１１によって冷却媒体ＣＬ流内に乱れを生じさせた状態で、この冷却媒体ＣＬをさらにピンフィン２１に衝突させるので、ラティス構造体１１自体による高効率の冷却に加えて、ピンフィン構造体１３による冷却効率も向上する。したがって、極めて高い効率でタービン翼を冷却することができる。また、また、高温ガスの流れ方向の前方と比べて薄く設計される後方の冷却構造をピンフィン構造体１３とすることにより、中型および小型のガスタービンのタービン翼に対しても製作を可能とし、高い冷却効率を実現できる。
【００３１】
図７に、本発明の第２実施形態に係る冷却構造を示す。本実施形態における冷却構造体１０は、仕切り体２５によってタービン動翼１の高さ方向Ｈに分割された、複数の冷却構造分割体２９を有している点において第１実施形態と異なる。以下、主として第１実施形態と異なる点について詳述し、第１実施形態と共通する点については説明を省略する。
【００３２】
図７の例では、冷却構造体１０は、２つの仕切り体２５，２５によって高さ方向に分割された３つの冷却構造分割体２９を有している。隣接する冷却構造分割体２９間を仕切る仕切り体２５は、隣接する冷却構造分割体２９，２９間の冷却媒体ＣＬの流通を実質的に妨げることが可能であり、かつ、ラティス構造体１１の側部において、冷却媒体ＣＬを衝突させて、一方のラティス流路１７から他方のラティス流路１７（図４）へ流れ込むように折り返すことができれば、どのようなものを用いてもよい。一例として、平板状の仕切り板を仕切り体として用いることが考えられるが、本実施形態では、複数の仕切り用ピンフィン３１を仕切り体２５として用いている。
【００３３】
隣接する冷却構造分割体２９，２９間を仕切る仕切り体２５として仕切り用ピンフィン３１を用いることにより、仕切り体２５を軽量化でき、応力の発生が抑制される。仕切り用ピンフィン３１の外径は、ピンフィン構造体１３に用いるピンフィン２１の外径と同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００３４】
図７の例では、３つの冷却構造分割体２９は、同一の高さ方向寸法を有している。また、３つの冷却構造分割体におけるラティス構造体１１の前後方向寸法は同一であり、ピンフィン構造体１３の前後方向寸法も同一である。もっとも、冷却構造分割体２９の高さ方向寸法は、冷却構造分割体２９ごとに異なっていてもよく、また、各冷却体構造分割体２９におけるラティス構造体１１の前後方向寸法およびピンフィン構造体１３の前後方向寸法も、冷却構造分割体２９ごとに異なっていてよい。一例として、図８に、３つの冷却構造分割体２９のうち、高さ方向Ｈの中央部の冷却構造分割体２９の高さ方向寸法を、他の２つの冷却構造分割体２９の高さ方向寸法よりも短くし、かつ、高さ方向最上部の冷却構造分割体２９のピンフィン構造体１３の前後方向寸法を、他の２つの冷却構造分割体２９におけるピンフィン構造体１３の前後方向寸法よりも長くし、その分ラティス構造体１１の前後方向寸法を短くした例を示す。
【００３５】
このように、ラティス構造体１１とピンフィン構造体１３とからなる冷却構造体１０が、仕切り体２５によってタービン動翼１の高さ方向Ｈに分割された複数の冷却構造分割体２９を有することにより、ラティス構造体１１の側壁間距離が短くなり、ラティス構造体１１の流路を流れる冷却媒体ＣＬが側壁に衝突して折り返す回数が増える。これにより、ラティス構造体１１を流れる冷却媒体ＣＬ流の乱れが促進され、一層効率的な冷却が可能となる。さらには、ラティス構造体１１を分割することにより、各冷却構造分割体２９が互いに異なる寸法を有する構成とすることができる。これにより、タービン動翼１の部分に応じて最適な冷却効率を設定することが可能となる。
【００３６】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
１  タービン動翼（タービン翼）
７  後部冷却通路（冷却通路）
１０  冷却構造体
１１  ラティス構造体
１３  ピンフィン構造体
１４  ラティス構造体のリブ
２１  ピンフィン
ＣＬ  冷却媒体
Ｇ  高温ガス
【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】
2016125380.tif 000008
【図７】
2016125380.tif 000009
【図８】
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