(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のガスタービン羽根の後縁領域のための冷却装置であって、該装置の場合、羽根基部（１）から羽根先端部（２）にまで、長手方向に貫流されるダクト（３）が延びており、該ダクトが、一方では後縁（５）と、背側（６）と、腹側（７）との内壁によって、また他方では腹側を背側と結合させているウェブ（９）によって仕切られており、この場合、少なくともほぼ平行に延びた多数のリブ（８）を備えた、背側および腹側の内壁が設けられている形式のものにおいて、
リブ（８）が、ウェブ（９）から後縁（５）に向かって斜めに延びており、両内壁の内の少なくとも一方において、半径方向外方に方向付けられており、リブ（８）の高さ（ｈ）が、後縁（５）からウェブ（９）に向かって増大していることを特徴とする、中空のガスタービン羽根の後縁領域のための冷却装置。
【請求項２】
羽根高さに亘って腹側のリブと背側のリブとが（半ピッチだけ）互いにずらされている、請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
ダクトの局所高さ（Ｈ）に対するリブ（８）の高さ（ｈ）の割合が、リブの長さに亘って一定である、請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
リブ（８）の高さ（ｈ）が、ウェブ（９）の領域において減少している、請求項１記載の冷却装置。
【請求項５】
リブ（８）の高さ（ｈ）が、羽根高さに亘って可変である、請求項１記載の冷却装置。
【請求項６】
リブ（８）のピッチが、互いに対して、羽根高さに亘って可変である、請求項１記載の冷却装置。
【請求項７】
腹側（７）のリブ（８′）が、ウェブ（９）から後縁（５）に向かって半径方向外方に方向付けられておりかつ背側（６）のリブ（８）が、ウェブ（９）から後縁（５）に向かって半径方向内方に方向付けられているか、または、腹側のリブが、ウェブから後縁に向かって半径方向内方に方向付けられておりかつ背側のリブが、ウェブから後縁に向かって半径方向外方に方向付けられている、請求項２記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空のガスタービン羽根の後縁領域のための冷却装置であって、この装置の場合、羽根基部から羽根先端部にまで、長手方向に貫流されるダクトが延びており、このダクトが、一方では後縁と、吸引側と、腹側との内壁によって、また他方では腹側を背側と結合させているウェブによって仕切られており、この場合、少なくともほぼ平行に延びた多数のリブを備えた、背側および腹側の内壁が設けられている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷却剤としての流体、蒸気または空気を備えた、中空の内部冷却されるタービン羽根はよく知られている。特にこのような閉じられた回路で冷却剤が貫流させられているような羽根の後縁領域の冷却には、問題がある。後縁を形成している壁は、狭隘部を取り囲んでおり、この狭隘部から熱が導出されるようになっている。さらに、製造上の理由から、狭隘部は幅が最小値を下回ってはならない。後縁の過剰加熱を回避するために、大きな材料蓄積部も存在してはならない。さらに、強度上の理由から、壁厚が所定の寸法を下回ってはならない。これらの基準値により、後縁に大きな曲率半径を備えた内部冷却される羽根が提供され、このことは羽根効率に悪影響をもたらす。
【０００３】
冒頭に述べた形式の冷却装置は、ドイツ連邦共和国特許第３２４８１６２号明細書より公知である。問題となる領域には、内壁にリブが備えられており、これらのリブは後縁からウェブにまで機械軸線に対して平行に延びている。これらのリブは、乱流の誘発および促進のために設けられている。この場合、リブは実際の後縁に対して適当な間隔を有しており、したがって後縁はリブを備えずに形成されている。これらのリブは、軸線方向に範囲において一定の高さを有している。実際の後縁領域の効果的な冷却は、対応して配置構成されたエレメントによる冷却剤の吹き出しによって行われる。
【０００４】
リブを用いて、ガスタービン羽根の後縁領域から成るようないわゆる三角ダクトにおける熱交換を改善することができるという別の思想が、雑誌「ジャーナルオブ  サーモフィジックス  アンド  ヒート  トランスファ（Journal of Thermophisics and Heat Transfer）」のツアング（Zhang ）他の記事（第８巻、第３番、１９９４年７月〜９月、第５７４〜５７９頁）に説明されている。
【０００５】
リブが同じ高さで備えられている三角ダクトの場合の問題は、以下のことである。つまり、三角形の底部における大きな横断面を、抵抗が比較的小さいために多すぎる量の冷却剤が流過するのに対し、三角形の頂部においては僅かな量の流体がたいてい層流でしか流過しない。このことは、以下で説明するような不都合をもたらすおそれがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、冒頭に述べた形式の冷却装置を改良して、後縁領域における乱流および別の手段の増大により伝熱係数の著しい増大を達成することができ、また、特に、存在する狭隘部からの熱導出が改善されるような冷却装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、リブが、ウェブから後縁に向かって斜めに延びており、両内壁の内の少なくとも一方において、半径方向外方に方向付けられているようにした。
【０００８】
【発明の効果】
新たな手段により、特に、吹出しを行わない羽根後縁の形成が可能となり、ひいては蒸気または別の媒体を羽根の冷却に使用することができる。
【０００９】
ダクトの局所高さに対するリブの高さの割合が、後縁からウェブに向かって増大しているか、またはリブの長手方向範囲で一定であることは特に有利である。これらの手段により、各半径方向平面において、後縁からウェブまで、少なくともほぼ等しい遮断部を備えた横断面、ひいては均一な流れ分配を達成することができる。このことは、冒頭に述べた従来技術に比べて後縁がより強く負荷されると同時にウェブが負荷軽減されるという利点を有している。低温のウェブの両側での高温の羽根壁との結合箇所における過度に高い応力を回避するためには、ウェブが負荷軽減されることが重要である。さらに、一定の局所的なダクト高さを備えたリブ配置構成により、流体がダクトの角隅領域に到達し、この角隅領域において乱流が生じる。その上、一定の局所的なダクト高さを備えたリブは、以下のことを保証する。すなわち、非常に強い二次的流れが生じ、この二次的流れは、自由ダクト横断面における大きなリブ高さにより制御される。この二次的流れは、角隅領域から高温の流体を引き出し、この領域における乱流撹拌を助成する。
【００１０】
また、リブがウェブにまで延びていないように、または低い高さでしかウェブに隣接しないように、ウェブ領域におけるリブ高さが早期に減じられていると、ウェブ領域の別の負荷軽減が達せられる。したがってこの領域において乱流が生じないことにより、有利には結合領域におけるウェブの冷却が低減される。
【００１１】
本発明の別の有利な構成は、請求項２以下より判る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１３】
図面には、本発明を理解するために重要な部材だけを示した。特に、冷却剤が、後縁領域における流過ダクトにとのように到達するか、またこの冷却剤が、羽根先端部において羽根からどのように排出されるかは示されていない。分割された媒体の流れ方向は、矢印により示した。
【００１４】
図１に示した鋳造された羽根は、３つの内室ａ，ｂ，ｃを有しており、これらの内室には冷却剤たとえば蒸気が図面に対して垂直方向に貫流している。この場合、壁Ｗを形成した羽根輪郭の内側を冷却剤が流れており、また、外側には両側で高温のガスが流れており、前記羽根輪郭の内側が、ガスの熱を冷却剤に引き渡す。概して、少なくとも前側の２つの内室ａ，ｂには、ガイドリブ、流過ダクト、インパクト冷却のための挿入体等の多数の、ここには図示しない補助手段が、壁冷却を高めるために設けられている。実施例の場合、冷却剤が閉じられた回路を循環しており、これに基づき、前縁、背側、腹側、さらには後縁の領域のいずれからも冷却剤の流過ダクトへの吹出しが生ぜしめられないことが判る。
【００１５】
後側の内室ｃには２つの問題領域が存在する。一方は、周囲を熱いガスが流れている上に吹出しによるフィルム冷却が設けられていないため、特に入念な冷却を必要とする実際の薄い壁の後縁であり、他方は、決して冷却され過ぎないことが望ましい、背側６の内壁と腹側７の内壁とのウェブ９の結合箇所である。
【００１６】
実際の後縁ジオメトリに関する問題を図５に基づき説明する。壁により形成された狭隘部Ｅは、上昇した熱の導出のための十分な冷却剤を収容することができるように、最小限の大きさでなければならない。したがって、丸みを帯びた内縁部は直径ｄを備えて形成されている。この最小限の直径は、概して、鋳造等の製造方法によって決定される。同様に、強度上の問題から、最小の壁厚Ｔを下回ることはできない。後縁の過剰加熱を回避するために、後縁には大きな材料蓄積部を生じてはならない。したがって、寸法Ｌａは、概して壁厚Ｔの寸法に対応している。これらの全てのことにより、比較的大きな直径Ｄａを備えた、丸みを帯びた外縁部が形成される。冷却される後縁についてはここまで知られている。
【００１７】
自体公知の、羽根と一緒に鋳造される、しかし新規の構成およびジオメトリのリブの利用に基づき、本発明は、両領域で生じる問題を同一の手段を用いて解決する。
【００１８】
図２および図３には、中空のガスタービン羽根の後縁領域のための冷却装置が示されている。羽根基部１から羽根先端部２にまで、長手方向に貫流されるダクト３が延びており、このダクト３は図１に示した内室ｃに対応している。羽根胴部４の領域において、このダクトは、後縁５、背側６および腹側７の内壁と、腹側を背側に接続させたウェブとによって仕切られている。背側および腹側の内壁には、少なくともほぼ平行に斜めに延びた多数のリブ８が設けられており、これらのリブ８は、羽根高さに亘って互い違いに配置されている。背側のリブと腹側のリブとは、羽根高さに亘って互いに半ピッチだけずらされている。
【００１９】
リブは、ウェブ９から後縁に向かって半径方向外方に４５゜の角度を成して延びている。１５゜〜４５゜の迎角が適していると予想される。斜めに配置されたこのリブの作用は、乱流発生装置としての自体公知の固有の機能の他に、以下のものがある：
リブの構造は、ダクト内に二次的流れを生ぜしめ、この二次的流れは、後縁の直接領域からの高温の空気をダクト中央部へ送り込む。この高温の空気に、ダクト中央部からの低温の空気が補われる。
【００２０】
背側６および腹側７におけるリブのずらされた配列は、以下のことを生ぜしめる。
【００２１】
すなわち、ずらされていない配列に比べて、小さな圧力損失の場合には、乱流強化により伝熱の極めて良好な促進が達成される。流れは、腹側および背側においてリブが成す障害物を回避することを絶えず強制され、このことは強度の熱伝達を生ぜしめる。
【００２２】
ダクト３の局所高さＨに対するリブの高さｈの割合は、後縁５からウェブ９に向かって増大している。この高さの増大は、実施例の場合、後縁とウェブとの間では自由な貫流ダクトがどの軸線方向平面においてもほぼ同じ幅を有するように選択されている。この手段により、流過横断面全体に亘って均一な冷却剤分配が生ぜしめられる。箇所に応じたリブ高さを用いることにより初めて、伝熱を向上させるための前記両機構が特に有効となる。箇所に応じたリブ高さはダクト内に流れを生ぜしめ、この流れは、狭い後縁領域においてさえも流れる。なぜならば、狭い後縁領域では今や流れ抵抗が残りのダクト内の流れ抵抗とほぼ同じ大きさであるからである。さらに、冷却通路内の新規リブの構成は、ダクト内の前記二次的流れに対して極めて積極的かつ補助的な影響をもたらし、この二次的流れは、空気を後縁から前方のダクト領域へ移動させる。この場合、前方のダクト領域に設けられた高さの高いリブは、極めて強い二次的流れを生ぜしめる。
【００２３】
実験的に証明されたように、所定の条件の場合には、ダクトの局所高さＨに対するリブの高さｈの割合がリブの長さに亘って一定であると有利である。
【００２４】
図２より明らかなように、リブの高さｈは、ウェブ９の領域において、０になるように徐々に減少している。縁部の角張った結合は製造上の条件からほとんど不可能であることは明らかである。既に説明したように、この構成は、内壁とのウェブの結合箇所において冷却剤が壁に沿ってほとんど妨げなしに流れ、これにより、より少ない冷却作用を生ぜしめるという利点を有している。もちろん、中間ウェブは決して高温になりすぎてはならない。選択された配置構成に基づきこのことが可能であるならば、リブを適当な高さ、すなわち同じ高さまたは減じられた高さを備えながら、ウェブにまでさらに延長させる可能性もある。
【００２５】
羽根高さに亘って互い違いに配置された個々のリブの高さｈは、もちろん、局所的に存在する熱負荷に適応させられていることができる。羽根先端部に向かってリブを大きく形成することが特に適しているのは、冷却剤が、ダクトを貫通した通路の通過時に既に著しく加熱されており、その結果、リブ高さが小さな場合に、冷却したい壁と冷却剤との所要の温度差は、目標とする熱交換のためにもはやより小さくなることはない場合である。
【００２６】
羽根高さに亘って配置されたリブの間隔が可変に構成されている場合にも同様の作用を得ることができる。もちろん、両手段を組み合わせることもできる。
【００２７】
図４に示した変化実施例の場合には、同様にウェブに向かって広くなった腹側７に設けられたリブ８′は、ウェブ９から後縁５に向かって半径方向外方へ方向付けられており、背側６に設けられたリブ８は、ウェブ９から後縁に向かって半径方向内方へ方向付けられている。この変化実施例は以下のような思想に基づいている。つまり、後縁領域において成形体周囲に亘って均一な金属温度を得ようとするならば、より高い熱的負荷を受ける羽根側においてより多くの熱が引き渡されなければならないという思想である。
【００２８】
したがって、後縁と側壁とのジオメトリおよび壁厚；冷却剤が貫流する内室ｃのジオメトリ；羽根後縁の熱負荷；冷却剤の種類、温度および流速；といった条件が与えられている場合には、リブ形成角度の選択、貫流されるダクト内に突出したリブの局所高さ、半径方向で羽根高さに亘って互い違いに配置されたリブの数および分配は、羽根高さに亘って一定な金属温度のために決定的である。
【００２９】
測定の結果、軸線方向に延びた公知のリブとの伝熱係数よりも、局所的な可変の高さを備えた、斜めに配置された新規のリブとの伝熱係数の方が何倍も大きいことが示された。
【図面の簡単な説明】
【図１】羽根の横断面図である。
【図２】図１の羽根の後縁領域を示す横断面図である。
【図３】後縁領域の縦断面図である。
【図４】リブ配列の変化実施例を示す図である。
【図５】従来技術に属する後縁を備えた、図１の詳細な図である。
【符号の説明】
ａ，ｂ，ｃ  内室、  Ｗ  羽根壁、  Ｅ  狭隘部、  Ｌ  長さ、  Ｔ  壁厚、Ｄ，ｄ  直径、  １  羽根基部、  ２  羽根先端部、  ３  ダクト、  ４  羽根胴部、  ５  後縁、  ６  背側、  ７  腹側、  ８，８′  リブ、  ９  ウェブ、  ｈ  高さ、  Ｈ  局所高さ
【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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