(57)【要約】【課題】従来の内部対流冷却に用いられているリブは、流路もしくは主流の向きに対して垂直、または、若干傾斜するように設置されている。そのため、流れの抵抗が大きくなり、圧力損失が増加する。【解決手段】実施形態の冷却構造は、翼内部に設けられ冷却媒体を流すための流路と、前記流路内に設けられ、前記冷却媒体の流通方向と略平行に千鳥状に配置された複数のリブとを備え、前記複数のリブのうち、前記流通方向の上流側に位置する第一のリブと、前記複数のリブのうち、前記第一のリブと並び前記流通方向の下流側に位置する第二のリブとの間に乱流発生部を有することを特徴としている。リブを冷却媒体の流通方向と平行に配置し乱流発生部を設けることで、リブによる圧力損失を低減しつつ強い乱流を発生させ、ガスタービンの冷却効率を改善している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼内部に設けられ、冷却媒体を流すための流路と、
前記流路内に設けられ、前記冷却媒体の流通方向と略平行に並列し交互にずらして配置された複数のリブと、を備え、
前記複数のリブのうち、前記流通方向の上流側に位置する第一のリブと、
前記複数のリブのうち、前記第一のリブと並び前記流通方向の下流側に位置する第二のリブと、
前記第一のリブと前記第二のリブの間に乱流発生部を有する冷却構造。
【請求項２】
前記乱流発生部が、前記第一のリブの後端部と前記第二のリブの前端部との重なり部である請求項１に記載の冷却構造。
【請求項３】
前記乱流発生部が、前記流路の内壁面より突出した突起部である請求項１に記載の冷却構造。
【請求項４】
前記突起部が、前記第二のリブの前縁よりも上流側になるように隙間部を設けた請求項３に記載の冷却構造。
【請求項５】
前記第一のリブと前記流路の内壁面との間の流路断面積が、前記第一のリブの後縁と前記突起部との間の流路断面積よりも大きい請求項３又は４に記載の冷却構造。
【請求項６】
前記リブおよび前記突起部の上端および下端が、翼の背面および腹面に対向する流路壁面に当接するように設けられた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷却構造。
【請求項７】
前記リブおよび前記突起部の上端もしくは下端のうち、いずれか一方が前記流路壁面に当接し、残りの一方が前記流路壁面に当接せずに隙間を設けている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷却構造。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の冷却構造を含むガスタービン。
【請求項９】
翼内部に設けられ、冷却媒体を流すための流路と、
前記流路内に設けられ、前記冷却媒体の流通方向と略平行に並列し交互にずらして配置された複数のリブと、を備え、
前記複数のリブのうち、前記流通方向の上流側に位置する第一のリブと、
前記複数のリブのうち、前記第一のリブと並び前記流通方向の下流側に位置する第二のリブと、
前記第一のリブの後端部と前記第二のリブの前端部との間に重なり部を有し、
前記重なり部が前記冷却媒体の流れに乱流を発生させる冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、翼冷却構造とそれを用いたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機で圧縮された高圧の空気を燃焼器に送り、空気を酸化剤として燃料を燃焼させ、発生した高温・高圧のガスをタービンに送り込む。タービンでは燃焼器で発生した高温・高圧のガスにより動翼列が回転することで、動力や推力を得る。発電用のガスタービンでは、得られた動力を回転軸力として取り出して発電機を駆動させて電力などのエネルギーに変換する。
【０００３】
ガスタービンの性能向上をはかる手段の一つとして、作動ガスの高温・高圧化が進められている。作動ガスの高温化に際し、タービンの耐用温度を満足させる必要があり、材料や遮熱コーティングなどの開発に加えて、冷却技術の開発が行われている。
【０００４】
冷却方法には、主に翼内部に設けられた流路に冷却媒体を流す内部対流冷却や、翼面から冷却媒体を吹出して翼周りに冷却媒体の薄い膜を形成するフィルム冷却などが挙げられる。冷却媒体には一般に空気が用いられており、このとき、冷却空気は圧縮機から抽気される。
【０００５】
以下、図９を参照しつつ、タービン翼の冷却構造の例について説明する。図９（ａ）は、ガスタービン翼の斜視図を示している。図９（ｂ）がガスタービン翼の内部構造である。
【０００６】
図９（ｂ）に示すように翼部１０１は、プラットフォーム部１０２に固定されており、翼部１０１内にサーペンタイン冷却流路１０３、翼後縁部にピンフィン１０６が複数設置されたピンフィン冷却流路１０５が設けられている。冷却媒体は、プラットフォーム部１０２側から３０１ａ〜３０１ｄの向きに翼部１０１内を流れ、３０２ａ〜３０２ｄの向きに翼部１０１内から抜けていく。サーペンタイン冷却流路１０３内には、流れを乱流に遷移させて伝熱促進をはかるために、リブ１０４が複数設置されている。
【０００７】
従来の内部対流冷却に用いられているリブは、流路もしくは主流の向きに対して垂直、または、若干傾斜するように設置されている。そのため、流れの抵抗が大きくなり、圧力損失が増加する。
【０００８】
図１０に示すように、流路１１０内の流れ３０７、流れ３０８の一部は、リブ１０４の下流側で剥離して流れ３０９となり、渦３０６ａを形成する。また、リブ１０４の上流側でも渦３０６ｂが形成される。渦３０６ａ、渦３０６ｂの部分は熱伝達率が小さくなる。剥離した流れ３０９が翼内壁面１０７に再付着すると、その下流側で熱伝達率は大きくなる。このように、従来のリブでは、流れの剥離によって生じた渦の影響により、局所的に熱伝達率が小さくなり冷却性能にムラが生じる。
【０００９】
従来の冷却構造では、リブの抵抗による圧力損失の増加や、局所的な熱伝達率の低下による冷却性能のムラが生じるといった問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１３７９５８号公報
【特許文献２】米国特許第７１８９０６０号明細書
【特許文献３】特開２００３−１８４５７４号公報
【特許文献４】特開昭６１−１８７５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、リブによる圧力損失を低減しつつ強い乱流を発生させガスタービンの冷却効率を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態の翼冷却構造は、翼内部に設けられ、冷却媒体を流すための流路と、
前記流路内に設けられ、前記冷却媒体の流通方向と略平行に並列し交互にずらして配置された複数のリブと、を備え、
前記複数のリブのうち、前記流通方向の上流側に位置する第一のリブと、
前記複数のリブのうち、前記第一のリブと並び前記流通方向の下流側に位置する第二のリブと、
前記第一のリブと前記第二のリブの間に乱流発生部を有する冷却構造である。
【００１３】
また、実施形態のガスタービンは、本発明の翼冷却構造を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスタービン翼の全体構成を示す概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るガスタービン翼の内部流路の構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るガスタービン翼の内部流路の流れの構成図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る変形例を示す構成図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るガスタービン翼の全体構成を示す概略図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るガスタービン翼の内部流路の構成図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るガスタービン翼の内部流路の流れの構成図。
【図８】本発明の第１、第２の実施形態に係る変形例を示す構成図。
【図９】従来のガスタービン翼構造の例を示す構成図。
【図１０】従来の内部流路の流れの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
以下図１から図３を参照しつつ、第１の実施形態に係るガスタービン翼について、サーペンタイン冷却流路における構成を例にとって説明する。ここで、各図の共通する部分についての説明は省略する。図１（ａ）に示すように、翼部の内部には、サーペンタイン冷却流路１０３、翼後縁部にピンフィン１０６が複数設置されたピンフィン冷却流路１０５を設ける。サーペンタイン冷却流路１０３内には、流路方向に所定の長さを有するリブ２０１が複数配置されている。この場合、流路１０３もしくは冷却媒体の主流の方向と略平行に並列し交互にずらしてフィン状のリブ２０１を複数列設置する。リブをいわゆる千鳥状に２列配置した構成を例にとって説明する。
【００１７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ部の断面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＦ部分の拡大図である。リブ２０１の端２０７ａは翼背側１１１に対向する翼内壁２０６ａに当接し、リブ２０１の端２０８ａも翼腹側１１２に対向する翼内壁２０６ｂに当接するように取り付けられる。リブを翼内壁に当接するように取り付けることで、リブが冷却フィンの役割を果たすことができるようになる。
【００１８】
図２（ａ）は、図１（ａ）のＥの部分の拡大図であって、図面上方向が下流側となっている。ここでは、リブ２０１ｂはリブ２０１ａよりも流路を横切る方向（右）にずらして配置するとともに、下流側にシフトして配置している。すなわち、リブ２０１ａの後縁２１０aが、リブ２０１ｂの前縁２１１ａよりも下流側にシフトさせることで、乱流発生部として機能する重なり部２２１ａが形成される。
【００１９】
図２（ｂ）は、リブを千鳥状に３列配置した場合を示す。この場合も同様に、リブ２０１ｄの後縁２１０ｂがリブ２０１ｆの前縁２１１ｂよりも下流側にシフトさせることで、重なり部２２１ｂが形成され、リブ２０１ｇの後縁２１０ｃがリブ２０１ｆの前縁２１１ｂよりも下流側にシフトさせることで、重なり部２２１ｃが形成されている。
【００２０】
図３は、重なり部が形成された場合における流路内の冷却媒体の流れを示している。流路内では各々のリブの後縁で渦３５３が生成され、リブはボルテックスジェネレータの役割をしている。流路内の流れはリブ２０１ａの前縁側で流れ３５１ａと３５１ｂに分岐する。流れ３５１ａは流路隔壁２０４ａとリブ２０１ａから構成される領域を通り、リブ２０１ａの後縁部分で剥離する流れ３５１ｄと、流路隔壁２０４ａとリブ２０１ｃから構成される領域を通る流れ３５１ｅに分かれる。流れ３５１ｂの一部は流れ３５１ｃとなり、リブ２０１ｂの前縁部分で流れの方向が変えられ、ミキシング領域２２３において、流れ３５１ｄと衝突し、混合される。その後、流れ３５１ｅ、流れ３５１ｆとなって、下流へと流れていく。各々のリブにおいて、上記の流れが繰り返される。以上のように、リブによって、流れが乱流に遷移することで、熱伝達率が大きくなり、熱伝達が促進され、冷却性能が向上する。
【００２１】
図２に示す、重なり部２２１ａ、２２１ｂを設けることで、重なり部がない場合と比較して、例えば２０１ａと２０１ｂの間を流れる３５１ｃの流れの向きを変えつつ流速を増すことでミキシング領域２２３での混合をより促進し強い乱流を発生する。
【００２２】
本発明におけるリブは、流路もしくは冷却媒体の主流の方向と略平行になるように配置されている。そのため、従来の冷却構造にみられる流路の向きに対して垂直、または、若干傾斜したリブに比べて、抵抗が小さくなり、圧力損失が低減する。また、リブが、翼内壁に当接するように取り付けられているため、冷却フィンの役割も果たすことができる。さらに、図１０に示すようなリブの上流および下流側に生じる渦３０６ａ、渦３０６ｂを生じないため、局所的な熱伝達率の低下を防ぎ、冷却性能のムラを防ぐことができる。
【００２３】
以上のようなガスタービン翼冷却構造にすることで、熱伝達率の増加と圧力損失の低減を両立できるようになり、少ない空気量で効果的な冷却をすることができる。その結果、圧縮機から抽気される空気量を減少させ、燃焼器へ送られる空気量を増やすことができるようになり、効率的なガスタービンを実現できる。
【００２４】
（第１の実施形態の変形例）
以下図４を参照しつつ、第１の実施形態に係るタービン冷却翼の変形例を説明する。図４に示すように、リブ２０２ａは、例えば、流路隔壁２０４ａに対向する側面が流路もしくは主流の方向に平行で、もう一方の側面が略平行となるように、どちらか一方の側面のみを略平行としてもよいし、両方の側面を略平行となるような構成としてもよい。同様にリブ２０２ｂにおいて、どちらか一方の側面のみを流路もしくは主流の方向と略平行としてもよいし、両方の側面を略平行となるような構成としてもよい。このとき、リブ２０２ａの後縁２１０ｄはリブ２０２ｂの前縁２１１ｄよりも下流側となるように重なり部２２２を設けるように配置されることが望ましい。
【００２５】
（第２の実施形態）
以下図５から図７を参照しつつ、第２の実施形態に係るタービン冷却翼について、サーペンタイン冷却流路における構成を例にとって説明する。図５に示すようにタービン翼内部に設けられたサーペンタイン流路１０３において、翼内部の流路もしくは主流の方向と略平行にフィン状のリブ２０３を千鳥状に複数列設置する。さらに、リブ２０３の下流側に乱流発生部である突起部２０５を設ける。リブを千鳥状に２列配置した構成を例にとって説明する。
【００２６】
図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ部の断面図である。図５（ｃ）のＨ部分の拡大図である図５（ｄ）に示すように、リブ２０３の端２０７ｂは翼背側１１１に対向する翼内壁２０６ａに当接し、リブ２０３の端２０８ｂは翼腹側１１２に対向する翼内壁２０６ｂに当接するように取り付けられる。図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図５（ｂ）に示すように、突起部２０５も同様に翼内壁に当接するように取り付けられる。リブおよび突起部を翼内壁に当接するように取り付けることで、リブおよび突起部が冷却フィンの役割を果たすことができるようになる。
【００２７】
リブは図５（ａ）のＧの部分の拡大図である図６に示すように、リブ２０３ａは、流路隔壁２０４ａとリブ２０３ａから構成される領域の断面積がＳ１となるように配置され、突起部２０５は、リブ２０３ａの後縁２１０ｅと突起部２０５の間の断面積がＳ２となるように配置される。このとき、流路断面積はＳ１＞Ｓ２となるのが望ましい。リブ２０３ａの下流側に配置されるリブ２０３ｂは、突起部２０５との間に隙間部２２５を設けるように配置されるのが望ましい。
【００２８】
図７に示すように、流路内ではリブ２０３ａによって、流れ３５２ａと３５２ｂに分岐し、流路隔壁２０４ａとリブ２０３ａからなる領域を通過した流れ３５２ａは突起部２０５によって加速され、流路中央付近に誘導される。流れ３５２ｂと流れ３５２ａはミキシング領域２２４において、衝突し混合される。その後、流れ３５２ｃと流れ３５２ｄに分岐し下流へと流れていく。各々のリブと突起部によって、上記の流れが繰り返される。以上のように、リブと突起部によって流れが乱流に遷移することで、熱伝達率が大きくなり、熱伝達が促進され、冷却性能が向上する。
【００２９】
図６に示すように、突起部２０５は下流側のリブ２０３ｂの前縁２１１ｅよりも上流側にあるように隙間部２２５を設けることが望ましい。また、流路断面積Ｓ１とＳ２は、Ｓ１＞Ｓ２とするのが望ましい。Ｓ１＞Ｓ２とすることで、突起部分を通過する際に流れ３５２ａが加速され、より一層のミキシング効果が得られ、冷却性能が向上する。
【００３０】
本発明におけるリブは、流路もしくは冷却媒体の主流の方向と略平行になるように配置されているため、従来の冷却構造にみられる流路の向きに対して垂直、または、若干傾斜したリブに比べて、抵抗が小さくなり、圧力損失が低減する。また、リブおよび突起部が、翼内壁に当接するように取り付けられているため、冷却フィンの役割も果たすことができる。さらに、図１０に示すようなリブの上流および下流側に生じる渦３０６ａ、３０６ｂを生じないため、局所的な熱伝達率の低下を防ぎ、熱伝達が促進され、冷却性能のムラを防ぐことができる。
【００３１】
以上のようなガスタービン翼冷却構造にすることで、熱伝達率の増加と圧力損失の低減を両立できるようになり、少ない空気量で効果的な冷却をすることができる。その結果、圧縮機から抽気される空気量を減少させ、燃焼器へ送られる空気量を増やすことができるようになる。
【００３２】
（第１および第２の実施形態の変形例）
以下図８を参照しつつ、第１、第２の実施形態に係るタービン冷却翼の変形例を説明する。図８（ａ）のＩ部分の拡大図である図８（ｂ）に示すように、リブ２０９ａの端２０７ａは翼内壁２０６ａに当接せずに、隙間部２２６ａを設け、端２０８ａは翼内壁２０６ｂに当接するように取り付けられるような構成にしてもよい。同様に図８（ｃ）に示すように、リブ２０９ｂの端２０７ｂは翼内壁２０６ａに当接するように取り付けられ、端２０８ｂは翼内壁２０６ｂに当接せずに、隙間部２２６ｂを設けるような構成にしてもよい。
【００３３】
図８（ｂ）および（ｃ）に示すように、リブの端のいずれか一方のみが翼内壁に当接しているときも、両端が当接しているときと同様に、上述の効果を得ることができる。さらに、リブのいずれか一方の端のみが翼内壁に当接しているときは、リブ２０９ａと翼内壁２０６ａの間の隙間部２２６ａおよびリブ２０９ｂと翼内壁２０６ｂの間の隙間部２２６ｂにおいて流れが加速される。その結果、より一層のミキシング効果が得られ、熱伝達が促進され、冷却性能が向上する。
【００３４】
以上のような構成のガスタービン冷却翼とすることで、従来の構造にみられるリブによる抵抗増加に伴う圧力損失の増加、およびリブの上流および下流側の渦の生成にともなう冷却性能のムラを防ぐことができる。それにより、熱伝達率の増加と圧力損失の低減を両立でき、少ない空気量でタービン翼を効果的に冷却できる。その結果、冷却空気量増加によるガスタービンの熱効率低下を防ぎ、ガスタービンの性能を向上させることができる。
【００３５】
（その他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１から第２の実施形態を全て、またはいずれかを組み合わせたものも包含される。
【００３６】
以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００３７】
また、本発明に係る構成はタービン翼の冷却に適用したが、タービン翼に限定せず、その他の様々な部品の冷却に用いることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０１：翼部
１０２：プラットフォーム部
１０３：サーペンタイン冷却流路
１０４：リブ
１０５：ピンフィン冷却流路
１０６：ピンフィン
１０７：翼内壁面
１１０：流路
１１１：翼背側
１１２：翼腹側
２０１、２０２、２０３、２０１ａ〜２０１ｈ、２０２ａ〜２０２ｂ、２０３ａ〜２０３ｂ、２０９ａ〜２０９ｂ：リブ
２０４、２０４ａ〜２０４ｄ：流路隔壁
２０５：突起部
２０６ａ〜２０６ｂ：翼内壁面
２０７ａ〜２０７ｂ、２０８ａ〜２０８ｂ：リブの端
２１０ａ〜２１０ｅ：リブの後縁
２１１ａ〜２１１ｅ：リブの前縁
２２１ａ〜２２１ｃ、２２２：重なり部
２２３、２２４：ミキシング領域
２２５：リブと突起部の間の隙間部
２２６ａ〜２２６ｂ：翼内壁面とリブの間の隙間部
３０１ａ〜３０１ｄ：内部冷却流路への流れ
３０２ａ〜３０２ｄ：翼チップの孔からの流れ
３０６ａ〜３０６ｂ、３５３：渦
３０７〜３０８：流れ
３０９：翼内壁面に再付着する流れ
３５１ａ〜３５１ｆ、３５２ａ〜３５２ｄ：流路内の流れ
Ｓ１、Ｓ２：流路断面積
【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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【図１０】
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