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JP2000314301A - ガスタービン動翼用の内部冷却回路 - Google Patents

ガスタービン動翼用の内部冷却回路

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JP2000314301A
JP2000314301A JP11363874A JP36387499A JP2000314301A JP 2000314301 A JP2000314301 A JP 2000314301A JP 11363874 A JP11363874 A JP 11363874A JP 36387499 A JP36387499 A JP 36387499A JP 2000314301 A JP2000314301 A JP 2000314301A
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Japan
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gas turbine
passage
radially outward
radially
moving blade
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Susan Marie Hyde
スーザン・マリー・ハイド
Richard Mallory Davis
リチャード・マローリー・デイヴィス
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 シャンク部及び前縁と後縁と正圧面と負圧面とを有する
翼形部を有するガスタービン動翼において、内部冷却回
路が複数の半径方向外向き流路と複数の半径方向内向き
流路を含む蛇行形状を有し、内部冷却回路において冷却
媒体入口通路が半径方向外向き流路のうちの後縁に沿う
第１流路と連通し、この第１半径方向外向き流路は半径
方向に延在しかつ互いに半径方向に離隔した複数の細長
いリブセグメントを有し、これらのリブセグメントは第
１半径方向外向き流路における正圧面と負圧面の膨れを
防止すべく第１半径方向外向き流路の中央部で正圧面と
負圧面の間に延在してそれらを連結している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明はガスタービンにおける第２段動
翼用の内部冷却回路に関する。
【０００２】ガスタービン機械において高出力及び高効
率を得るには高いガス流路温度が必要である。ガスター
ビン内では、エネルギーを高温ガス流路から抽出するた
め、各種高温用合金で製造された数列（数段）の動翼が
使用される。第１及び第２段動翼の温度を材料設計限度
内に保つため内部冷却が必要である。先進ガスタービン
エンジンにおいて期待される高いガス流路温度に対し
て、冷却空気は、圧縮機の吐出空気を使用することに付
随する多大なサイクル効率低下のため魅力的ではない。
蒸気は、熱容量が高く、蒸気タービン及びガスタービン
を含む複合サイクル装置に利用できるので、実用可能な
代替冷却媒体として魅力的である。本発明は、ガスター
ビンエンジン内の閉回路蒸気冷却式第２段動翼用の内部
冷却回路の設計に関するものである。
【０００３】
【発明の概要】本発明による第２段動翼用の内部冷却回
路は動翼の翼形部内部の閉ループ蛇行通路を含んでお
り、この通路は多数の１８０度転向部を有し、動翼の半
径方向内方ダブテール部内の入口通路及び出口通路に接
続されている。冷却通路は冷却媒体（好ましい実施形態
では蒸気）を動翼内を循環するように導くために使用さ
れ、かくして動翼壁から熱を奪い去る。蛇行通路には半
径方向内方通路と半径方向外方通路が交互に配設され、
動翼の根元から翼先端まで延在し、次いで転向した後、
翼先端から根元に戻るように延在する。タービン寸法、
温度要件等に基づいて蛇行通路内に多数の転向部を設け
得る。
【０００４】動翼壁から冷却媒体への熱伝達を促進する
とともに、流れを後縁通路のさもなければ到達し難い翼
先端部内に導くために、タービュレータが使用される。
加えて、流れを翼先端後縁の隅に向けるための転向案内
羽根が半径方向外方又は翼先端の後縁通路内で使用され
る。通路縦横比（様々な通路の長さ対幅断面寸法）は、
外向き流路内の浮力数を最少にするように設計され、こ
れにより回転による熱伝達促進を最大にする。適当な縦
横比及び浮力数の説明は、本願出願人の米国特許第５５
３６１４３号に記載されている。
【０００５】従って、本発明は、一つの形態において、
シャンク部及び前縁と後縁と正圧面と負圧面とを有する
翼形部を有するガスタービン動翼に内部冷却回路を提供
するが、この内部冷却回路は複数の半径方向外向き流路
及び複数の半径方向内向き流路を含む蛇行形状を有し、
内部冷却回路において冷却媒体入口通路が半径方向外向
き流路のうちの後縁に沿う第１流路と連通し、この第１
半径方向外向き流路は半径方向に延在しかつ互いに半径
方向に離隔した複数の細長いリブセグメントを有し、こ
れらのリブセグメントは第１半径方向外向き流路におけ
る正圧面と負圧面の膨れを防止すべく第１半径方向外向
き流路の中央部で正圧面と負圧面の間に延在してそれら
を連結している。
【０００６】本発明は、もう一つの形態において、シャ
ンク部及び前縁と後縁と正圧面と負圧面とを有する翼形
部を有するガスタービン動翼に内部冷却回路を提供する
が、この内部冷却回路は、複数の半径方向外向き流路及
び複数の半径方向内向き流路を含む蛇行形状を有し、内
部冷却回路において冷却媒体入口通路が半径方向外向き
流路のうちの後縁に沿う第１流路と連通し、内部冷却回
路は前記複数の半径方向外向き及び内向き流路の各流路
内のタービュレータリブを含み、これらのタービュレー
タリブは前縁に沿った１つの半径方向内向き流路を除く
他の全ての流路内で冷却媒体流の方向に対して鋭角をな
して延在する。
【０００７】タービュレータ及び翼先端転向案内羽根を
有する閉回路蛇行設計の利点は、例えば、高容量冷却媒
体すなわち蒸気の使用による動翼から蒸気への優れた熱
伝達及び、従来の空冷動翼の場合より高い総合タービン
サイクル効率である。蒸気が蒸気タービンのトップサイ
クルから抽出され、動翼の冷却に用いられ、次いで閉ル
ープにおいて蒸気タービンのボトムサイクルに戻される
からである。その結果、圧縮機の吐出空気を冷却に使用
した後高温ガス流路内に排出するような従来の構成に比
べて改善された総合タービンサイクル効率が得られる。
【０００８】
【好ましい実施の形態】図１及び図２について説明する
と、本発明による第２段動翼１０において翼形部１２が
翼台部１４に取付けられており、この翼台部は、動翼の
シャンク１６を燃焼流路内の高温ガスから遮断する。シ
ャンク１６は従来のダブテール１８によりロータディス
クに取付けられる。エンゼルウイング形シール２０，２
２がホイール間空洞の密封をなす。図６についても説明
すると、ダブテール１８はその下方に延長部２４を有
し、この延長部は、軸方向配設通路２６，２８により冷
却用蒸気を動翼に供給しかつそれから排出するように作
用し、両軸方向通路は軸方向ロータ通路（図示せず）と
連通する。翼形部１２は前縁１３と後縁１５と正圧面１
７と負圧面１９を有する。
【０００９】特に図２について説明すると、第２段動翼
内の内部冷却通路は蛇行閉回路を構成し、この回路は全
部で６つの半径方向延在通路３０，３２，３４，３６，
３８，４０を有し、半径方向内方通路と半径方向外方通
路が交互に配設され、動翼の根元における１次半径方向
供給通路２７から動翼先端まで延在し、１８０度転向
し、次いで翼先端から延在し、最終的に根元に戻って１
次戻り通路２９に達する。図２は翼形部１２の半径方向
外端を密閉する翼先端キャップ４１も示していることに
注意されたい。
【００１０】図示した実施形態では、３つの半径方向外
側翼先端転向部及び２つの半径方向内側根元転向部が存
在していて、６つの通路、すなわち、３つの半径方向外
方通路（３０，３４，３８）及び３つの半径方向内方通
路（３２，３６，４０）を形成している。これらの様々
な通路は、翼先端転向部及び根元転向部を形成する５つ
の半径方向延在リブ又は内部隔壁４２，４４，４６，４
８，５０によって分離されている。これらのリブは翼形
部の全幅にわたって、すなわち、翼形部の負圧面から正
圧面まで延在する。図示した通り、蒸気が最初後縁通路
３０を通って上方すなわち半径方向外方に流れ、最後に
前縁通路４０を半径方向下方すなわち内方に通流する。
蒸気はまず通路２６，２７を経て後縁冷却通路３０に導
入される。動翼の後縁は通例最も冷却し難い箇所だから
である。
【００１１】タービュレータ５２が通路３２〜３８内で
用いられて動翼壁から冷却媒体への熱伝達を促進する。
これらのタービュレータは、図３及び図４及び図５に明
示した通り、通路の対向壁から外向きに延在する。ター
ビュレータ５２はただ冷却通路内に向かって延在し、冷
却媒体流を制限するほどではなく、動翼壁から冷却媒体
への熱伝達を促進するに十分なだけ延在する。好ましい
実施形態では、タービュレータ５２は流れの方向に対し
て４５度の角度で配設される。タービュレータは半径方
向に千鳥形に（すなわち、タービュレータが互いに直接
対向しないように）配設することができ、あるいは所望
に応じて横方向に整合（すなわち互いに直接対向）する
ようにしてもよい。
【００１２】通路４０内には、タービュレータ５４が冷
却流の方向に対して９０度の角度で配設されており、残
りの通路内の千鳥形の重なり合うタービュレータ５２と
比べて前縁通路内に優れた熱伝達をもたらす。タービュ
レータ５４は、図３に明示した通り、前縁内壁に沿って
設けられている。通路３０は動翼の後縁に沿って延在
し、大きな縦横比を有し、動翼の対向壁間に延在するリ
ブセグメント５６を必要とする。これは、動翼壁の膨れ
を防止するとともに通路３０の前部から同通路の翼先端
後縁部への蒸気の自由な分布を可能にするためである。
【００１３】加えて、転向案内羽根５８が後縁通路３０
の半径方向最外部に配置される。この湾曲案内羽根は、
通路３０，３２間の翼先端転向部で転向する冷却媒体を
分割して所要冷却媒体流を後縁翼先端の隅に導くように
配置される。案内羽根５８は三日月形のものが流れ損失
の極めて少ない最善の分流をもたらすということが判明
している。案内羽根５８は動翼の対向側面壁間に完全に
延在することにより冷却流を羽根の両側面に完全に分割
するということに注意されたい。この案内羽根５８は、
従来式のインベストメント鋳造工程において動翼の内部
冷却通路を画成するために用いたセラミックコアに含ま
れる鋳造部（タービュレータ５２，５４と同様）であ
る。タービュレータの配置、寸法、高さ対幅比、ピッ
チ、配向及びコーナ半径は全て動翼壁から冷却媒体への
最高効率の熱伝達をもたらすように選定される。
【００１４】以上、本発明の最適な実施形態と考えられ
るものについて説明したが、本発明は開示した実施形態
に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改
変及び均等な構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第２段動翼の平面図である。
【図２】 図１の線２−２に沿う断面図であるが、翼形
部先端キャップが付いている。
【図３】 図２の線３−３に沿う断面図である。
【図４】 本発明による第２段動翼内の冷却通路の対向
側面壁に設けたタービュレータを例示する拡大詳細図で
ある。
【図５】 本発明によるタービュレータプロフィールの
部分断面図である。
【図６】 図１に示した動翼の下部の部分側面図で、冷
却媒体の入口及び出口を示す。
【符号の説明】
１０ ガスタービンの第２段動翼 １２ 翼形部 １３ 前縁 １５ 後縁 １６ シャンク １７ 正圧面 １９ 負圧面 ２７ 供給通路 ２９ 戻り通路 ３０，３４，３８ 半径方向外向き流路 ３２，３６，４０ 半径方向内向き流路 ５２，５４ タービュレータ（タービュレータリブ） ５６ リブセグメント ５８ 転向案内羽根
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・マローリー・デイヴィス アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スコテ ィア、セイント・アンソニー・レーン、35 番

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シャンク部及び前縁と後縁と正圧面と負
    圧面とを有する翼形部を有するガスタービン動翼におい
    て、内部冷却回路が複数の半径方向外向き流路及び複数
    の半径方向内向き流路を含む蛇行形状を有し、上記内部
    冷却回路において冷却媒体入口通路が上記半径方向外向
    き流路のうちの上記後縁に沿う第１流路と連通し、この
    第１流路は半径方向に延在しかつ互いに半径方向に離隔
    した複数の細長いリブセグメントを有し、これらのリブ
    セグメントは上記第１半径方向外向き流路における上記
    正圧面と上記負圧面の膨れを防止すべく上記第１半径方
    向外向き流路の中央部で上記正圧面と上記負圧面の間に
    延在してそれらを連結している、ガスタービン動翼。
  2. 【請求項２】 前記内部冷却回路が前記複数の半径方向
    外向き及び内向き流路の各流路内のタービュレータリブ
    を含む、請求項１記載のガスタービン動翼。
  3. 【請求項３】 前記タービュレータリブが前記複数の半
    径方向外向き及び内向き流路のうちの１つを除く他の全
    てにおいて冷却媒体流の方向に対して鋭角をなして延在
    する、請求項２記載のガスタービン動翼。
  4. 【請求項４】 前記複数の半径方向外向き及び内向き流
    路のうちの前記１つの流路が前記前縁に沿う半径方向内
    向き流路からなる、請求項３記載のガスタービン動翼。
  5. 【請求項５】 前記前縁に沿う前記半径方向内向き流路
    内の前記タービュレータリブが冷却媒体流の前記方向に
    対して実質的に垂直に延在する、請求項４記載のガスタ
    ービン動翼。
  6. 【請求項６】 前記第１半径方向外向き流路の半径方向
    外端部の転向羽根をさらに含む、請求項１記載のガスタ
    ービン動翼。
  7. 【請求項７】 前記転向羽根が前記正圧面と前記負圧面
    の間に延在してそれらを連結している、請求項６記載の
    ガスタービン動翼。
  8. 【請求項８】 前記タービュレータが前記正圧面と前記
    負圧面の一方から延在しかつそれぞれの半径方向内向き
    及び外向き流路内に部分的にのみ延在する、請求項２記
    載のガスタービン動翼。
  9. 【請求項９】 シャンク部及び前縁と後縁と正圧面と負
    圧面とを有する翼形部を有するガスタービン動翼におい
    て、内部冷却回路が複数の半径方向外向き流路及び複数
    の半径方向内向き流路を含む蛇行形状を有し、上記内部
    冷却回路において冷却媒体入口通路が上記半径方向外向
    き流路のうちの上記後縁に沿う第１流路と連通し、上記
    内部冷却回路は上記複数の半径方向外向き及び内向き流
    路の各流路内のタービュレータリブを含み、これらのタ
    ービュレータリブは上記前縁に沿った１つの半径方向内
    向き流路を除く他の全ての流路内で冷却媒体流の方向に
    対して鋭角をなして延在する、ガスタービン動翼。
  10. 【請求項１０】 前記前縁に沿う前記半径方向内向き流
    路内の前記タービュレータリブが冷却媒体流の前記方向
    に対して実質的に垂直に延在する、請求項９記載のガス
    タービン動翼。
  11. 【請求項１１】 前記第１半径方向外向き流路の半径方
    向外端部の転向羽根をさらに含む、請求項９記載のガス
    タービン動翼。
  12. 【請求項１２】 前記転向羽根が前記正圧面と前記負圧
    面の間に延在してそれらを連結している、請求項１１記
    載のガスタービン動翼。
  13. 【請求項１３】 前記タービュレータが前記正圧面と前
    記負圧面の一方から延在しかつそれぞれの半径方向内向
    き及び外向き流路内に部分的にのみ延在する、請求項９
    記載のガスタービン動翼。
JP36387499A 1999-01-25 1999-12-22 ガスタービン動翼用の内部冷却回路 Expired - Lifetime JP4463362B2 (ja)

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