(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根ベース（１１）及び羽根本体（１）からほぼ成る冷却式羽根であって、羽根本体（１）が吐出側の壁（６）及び吸込側の壁（５）から形成されており、該壁がほぼ後縁領域（４）及び前縁領域（３）を介して、冷却流体通路として使用される少なくとも１つの中空室（２）を形成するように、互いに結合されている形式のものにおいて、後縁領域（４）内に、ほぼ半径方向に延在して拡散する冷却通路（７）を配置してあり、該冷却通路が１つの入口開口（９）を介して中空室（２）に接続され、かつ少なくとも１つの接続通路（８）を介して前記中空室（２）に接続されており、該中空室（２）内に少なくとも１つのリブ（３０）を形成してあり、該リブが１つの頂点（３１）と２つの脚部（３２，３３）とを有しており、リブの前記頂点（３１）が冷却流体（２０）の主流れ方向で見て下流側に位置していることを特徴とする冷却式羽根。
【請求項２】
拡散する冷却通路（７）がディフューザとして形成されている請求項１記載の冷却式羽根。
【請求項３】
冷却通路（７）が少なくとも羽根本体（１）の中央領域（１４）から羽根ヘッド（１３）まで延在している請求項１又は２記載の冷却式羽根。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、羽根ベース及び羽根本体からほぼ成る冷却式羽根であって、羽根本体が吐出側の壁及び吸込側の壁から形成されており、該壁がほぼ後縁領域及び前縁領域を介して、冷却流体通路として使用される少なくとも１つの中空室を形成するように、互いに結合されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の冷却式羽根はイギリス国特許第２１６５３１５号明細書から公知である。この場合、冷却流体は仕切壁により形成された蛇行通路を介して羽根の後縁領域から前縁領域まで導かれ、次いで、羽根ヘッドの開口を介して噴出される。羽根の後縁領域を充分に冷却するために、空気が羽根の後縁から噴出される。このような方法は、しかしながら半径の小さな後縁では製作上の理由から使用できない。後縁の冷却を行うためには、さらに多数のフィルム冷却孔(Filmkuehlungsloch)が必要であり、このことは羽根の製作を極めて高価にする。さらに、後縁からの空気噴出は羽根の空気力学的な効率を減少させることになり、それというのは比較的大きな後縁半径が必要であるからである。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許第１６０１６２７号明細書により、同じく冷却式羽根が公知であり、該羽根はその後縁領域に、半径方向に延在して羽根先端に向かって拡散する冷却通路を備えている。冷却通路は比較的大きな入口開口を介して冷却空気を供給される。この場合、冷却通路の横断面は羽根中央では主通路の横断面とほぼ同じ大きさであるが、しかし羽根先端の領域では主通路の横断面に比べて大きくなっている。従って、羽根の後縁領域の熱伝導率が羽根の中央部の熱伝導率に比べて良好ではなく、かつ羽根の後縁領域の充分な冷却が、熱的に著しく負荷される羽根においてはもはや保証されない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に記載した形式の冷却式羽根において羽根の後縁領域の冷却を改善すると共に、羽根の空気力学的な効率を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の構成では、後縁領域内に、ほぼ半径方向に延在して拡散する冷却通路を配置してあり、該冷却通路が１つの入口開口を介して中空室に接続され、かつ少なくとも１つの接続通路を介して前記中空室に接続されており、該中空室内に少なくとも１つのリブを形成してあり、該リブが１つの頂点と２つの脚部とを有しており、リブの前記頂点が冷却流体の主流れ方向で見て下流側に位置している。
【０００６】
【発明の効果】
本発明の利点は特に、冷却通路を通して導かれる冷却流体が羽根ヘッドの領域内で羽根から噴出され、従って羽根の空気力学的な作用に影響しないことにある。さらに、羽根の後縁で噴出を行う必要がないので、小さな後縁半径が実現される。冷却通路の拡散した形状により、羽根の後縁領域の効果的な冷却が達成される。拡散した冷却通路の構成により、局部的な領域の冷却が良好に調整される。さらに、囲い板を備えた回転羽根においては、羽根ヘッドに向かってクリープの危険の著しい上部領域が特に良好に冷却される。
【０００７】
拡散した冷却通路を使用することにより、例えば後縁のフィルム冷却の場合よりも著しくわずかな冷却空気しか必要としない。拡散した冷却通路を備える羽根は、鋳造法で製造され得る。
【０００８】
中空室と冷却通路とを接続する接続通路は中空室から冷却空気を吸い込む箇所として作用すると共に、中空室の後縁領域内での熱伝導を強化する。冷却流体は接続通路を通って噴流状に冷却通路内に流入して、熱伝導率を著しく高める。本発明のさらに有利な構成が請求項２以下に記載してある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき流体機械の羽根の本発明の実施例を説明する。図面には本発明の理解にとって重要なエレメントだけが示している。
【００１０】
図１及び図２には流体機械の羽根１０を示してあり、羽根は羽根本体(Schaufelblatt)１と羽根ベース(Schaufelfuss)ベース１１とから成っており、羽根ベースにより羽根１０が取付られる。羽根本体１と羽根ベース１１との間には一般的にプラットフォーム(Plattform)１２を配置してあり、プラットフォームは羽根本体の周りを流れる流体から羽根ベースを遮蔽する。羽根本体１は前縁領域(Vorderkantenbereich)３と、後縁領域(Hinterkantenbereich)４と、吸込側の壁５と、吐出側の壁６とを有しており、吸込側の壁と吐出側の壁とが前縁領域３及び後縁領域４で互いに結合されており、これによって、横断面Ａ２を有する中空室２が形成されている。前縁領域３が、羽根本体１の周りを流れる流体によりまず負荷される。中空室２は羽根１０をほぼ半径方向に貫通して延在していて、冷却流体２０のための冷却流体通路として役立っている。
【００１１】
後縁領域４には、横断面Ａ７を有しかつ半径方向に延在する冷却通路７を配置してあり、冷却通路７は流れ方向で羽根１０の羽根ヘッド１３へ向かって拡散しているが、しかし特に羽根ヘッドの領域内では平行に延在していてもよい。この場合、冷却通路７は殊にディフユーザとして形成されていてよい。冷却通路７は、横断面Ａ８を有する接続通路８及び羽根本体中央領域１４にある入口開口９を介して中空室２に接続されている。冷却通路の入口開口９は任意の箇所、例えば羽根ベースの近く又は羽根ベース自体に配置され得るが、このことは図示していない。しかしながら通常は、冷却通路７は羽根の羽根本体１のほぼ中央部から下流の部分に配置され、それというのは、この箇所で負荷とクリープの危険とが最大であるからである。
【００１２】
冷却流体２０は中空室２を通って流れて、入口開口９及び接続通路８を介して冷却通路７内へ流入する。これにより、中空室２内で後縁領域内に流れの循環が惹起される。従って、摩擦の局所的な増大に基づき後縁領域に停滞する傾向にある加熱された冷却流体が、比較的冷えた冷却流体と混合され、特に冷却通路７内に流入する冷却流体とも混合される。
【００１３】
後縁領域が、冷却通路７を通して導かれる冷却流体により冷却され、この場合、熱伝導係数が冷却通路７内では羽根本体中央部から羽根ヘッドに向かって増大している。このことは、冷却通路７内に接続通路８を介して冷却流体をさらに供給して冷却通路７内の冷却流体の流過量を増大することに基づく。これによって、羽根ヘッド１３の冷却が改善される。
【００１４】
冷却通路、入口開口及び接続通路の構成により、中空室の後縁領域内の流れの循環並びに後縁領域内の冷却能力が調整され得る。さらに、冷却通路の拡散角度(Divergenzwinkel)及び中空室からの接続通路の数が、羽根の冷却を最適にするように適合せしめられ得る。この場合、接続通路８の横断面Ａ８は冷却通路７の横断面Ａ７よりも小さくなっており、かつ冷却通路７の横断面Ａ７は中空室２の横断面Ａ２よりもに著しく小さくなっている（Ａ８＜Ａ７＜＜Ａ２）。横断面Ａ２に対する横断面Ａ８のパーセンテージは有利には数パーセント、特に１％〜５％であり、横断面Ａ７に対する横断面Ａ８のパーセンテージは有利には数十パーセント、特に３０％〜１００％であり、横断面Ａ２に対する横断面Ａ７のパーセンテージは有利には数パーセント、特に１％〜１０％である。接続通路内並びにディフユーザ通路（冷却通路７）内の流体の流れ速度は、選ばれた前記幾何学寸法により冷却通路２内の流れ速度よりも著しく大きくなっている。
【００１５】
横断面Ａ８，Ａ７，及びＡ２の適当に構成によって、冷却通路７内の流体の流れ速度をほぼ同じ速さに保つか、若しくは半径の増大に伴って軽く上昇させることができる。
【００１６】
図３には冷却通路７の増大された横断面及び接続通路８の横断面が示されている。ヌセルト数Ｎｕは、伝導された熱量に対する対流により排出された熱量の比として規定されている。この場合、冷却通路のヌセルト数Ｎｕ-kuehlkanal は、平滑な中空室（Ａ２）内のヌセルト数Ｎｕ-Hohlraum に比して数倍大きい。例えば、実験によりＮｕ-kuehlkanal／Ｎｕ-Hohlraum ＝１０〜１５であることが確認された。
【００１７】
図４においては中空室２内の吸込側の壁５に、１つの頂点３１と２つの脚部３２，３３とを備えたＶ字形のリブ３０が配置されている。この場合、リブの脚部３２，３３は冷却流体２０の主流れ方向に対して所定の角度３４に傾斜されている。この場合、前記角度３４は３０゜乃至６０°、有利には４０゜乃至５０°、特に４５°である。中空室高さに対するリブ高さの比は、リブのあらゆる箇所でほぼ同じであり、５％〜５０％である。リブ３０の頂点はリブ高さの最大箇所に配置されている。中空室２が前縁領域及び後縁領域内へ移行する領域内では、リブ３０は該領域内への冷却媒体の通過を妨げないように細くされている。
【００１８】
吐出側の壁６の内側に配置された図示されていないリブは同様にＶ字形に形成されている。このリブの頂点は同様にリブ高さの最大箇所に位置している。吐出側の壁上のリブと吸込側の壁上のリブとは、流れ方向で互いにずらして配置されており、その結果、流れが吸込側の壁５のリブ３０と吐出側の壁のリブとに順次に衝突する。有利には、それぞれ一方の壁のリブがそれぞれ他方の壁のリブ間の中央に配置される。冷却通路７と組合せたリブにより、一様な壁温度分布を生ぜしめる羽根冷却が保証される。
【００１９】
図５には、例えば冒頭に挙げたイギリス国特許第２１６５３１５号明細書から公知であるように、中空室１２の可能な別の構成が示されている。この場合には冷却流体２０は、仕切壁４０，４１により形成された蛇行通路を介して羽根の後縁領域４から前縁領域３へ導かれ、次いで羽根ヘッド１３の開口４２から噴出される。この場合にも、後縁領域４内に後縁領域の冷却のための拡散した冷却通路７が配置されている。
【００２０】
もちろん本発明は、説明した図示の実施例に限定されない。中空室、ひいては冷却流体通路は図示のものと異なり、例えば個別の複数の冷却通路として構成されてよい。重要なことは、拡散した冷却通路をディフユーザと主通路との間の接続通路に連通させる構成である。横断面Ａ２，Ａ７及びＡ８はそれぞれ、中空室２を流過する流体の流れ方向に対して垂直に測定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく実施例の羽根の部分縦断面図
【図２】羽根の図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った部分横断面図
【図３】羽根の図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った部分横断面図
【図４】本発明に基づく別の実施例の羽根の部分縦断面図
【図５】本発明に基づくさらに別の実施例の羽根の部分縦断面図
【符号の説明】
１  羽根本体、    ２  中空室、    ３  前縁領域、    ４  後縁領域、    ５，６  壁、    ７  冷却通路、    ８  接続通路、    ９  入口開口、    １０  羽根、    １１  羽根ベース、    １２  プラットフォーム、    １３  羽根ヘッド、    １４  羽根本体中央領域、    ２０  冷却流体、    ３０  リブ、    ３１  頂点、    ３２，３３  脚部、    ３４  角、    ４０，４１  仕切壁、    ４２  開口、    Ａ２  中空室の横断面、    Ａ７  冷却通路の横断面、    Ａ８  接続通路の横断面
【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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