特許 7248112 フィルム冷却構造及びガスタービンエンジン用タービン翼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-20

(45)【発行日】2023-03-29

(54)【発明の名称】フィルム冷却構造及びガスタービンエンジン用タービン翼

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/18 20060101AFI20230322BHJP

   F01D 9/02 20060101ALI20230322BHJP

【ＦＩ】

F01D5/18

F01D9/02 102

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021524767

(86)(22)【出願日】2020-05-25

(86)【国際出願番号】 JP2020020550

(87)【国際公開番号】W WO2020246289

(87)【国際公開日】2020-12-10

【審査請求日】2021-09-02

(31)【優先権主張番号】P 2019107005

(32)【優先日】2019-06-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】久保 世志

(72)【発明者】

【氏名】服部 均

(72)【発明者】

【氏名】大北 洋治

(72)【発明者】

【氏名】藤本 秀

(72)【発明者】

【氏名】池原 伶

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１５３２８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－２４２１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１９２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２０１４７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／０８９２５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００７１９７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】英国特許出願公開第２３８９３３０（ＧＢ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ ５／１８

Ｆ０１Ｄ ９／０２

Ｆ０２Ｃ ７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外面及び内面を有すると共に、前方から後方に延伸する壁部と、
前記内面に開口する入口及び前記外面に開口する出口を形成する管状の内周面を有し、前記出口が前記入口よりも後方に位置するように傾斜した状態で前記壁部を貫通する冷却孔と
を備え、
前記冷却孔は、最小の断面積をもつスロートと、前記スロートから前記出口まで延伸すると共に前記出口に近づくにつれて後方及び前記壁部に沿って拡大する流路断面を含むディフューザ部とを含み、
前記冷却孔の内周面は、
当該内周面のうちの前側の部位において前記冷却孔の延伸方向に直交し且つ前記壁部に沿った方向に延伸する平面部と、
前記内周面のうちの後側の部位から前記平面部に向けて突出し且つ前記平面部と平行に延伸すると共に前記平面部との間に前記スロートを形成する第１の凸部と、
前記内周面のうちの前側の部位において後方に突出すると共に前記出口まで延伸する第２の凸部と
を含む、
フィルム冷却構造。

【請求項2】

請求項１に記載のフィルム冷却構造を備えるガスタービンエンジン用タービン翼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はフィルム冷却構造及びガスタービンエンジン用タービン翼に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンエンジンのタービンは、静翼及び動翼を構成するタービン翼を備えている。タービン翼は燃焼器からの燃焼ガスに晒される。この燃焼ガスによる熱的損傷を防止するため、タービン翼の翼面には多数のフィルム冷却孔が形成されている（特許文献１及び２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５６００４４９号明細書

【文献】特開２０１３－１２４６１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ガスタービンエンジンの効率を向上させるためには、燃焼ガスの温度（燃焼温度）を高めることが重要である。この燃焼温度の上昇に伴って、タービン翼の冷却効率の更なる向上が求められている。

【0005】

本開示は上述の事情を鑑みてなされたものあり、冷却効率を向上させることが可能なフィルム冷却構造及びガスタービンエンジン用タービン翼の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の第１の態様はフィルム冷却構造であって、外面及び内面を有すると共に、前方から後方に延伸する壁部と、前記内面に開口する入口及び前記外面に開口する出口を形成する管状の内周面を有し、前記出口が前記入口よりも後方に位置するように傾斜した状態で前記壁部を貫通する冷却孔とを備え、前記冷却孔は、最小の断面積をもつスロートと、前記スロートから前記出口まで延伸すると共に前記出口に近づくにつれて後方及び前記壁部に沿って拡大する流路断面を含むディフューザ部とを含み、前記冷却孔の内周面は、当該内周面のうちの前側の部位において前記冷却孔の延伸方向に直交し且つ前記壁部に沿った方向に延伸する平面部と、前記内周面のうちの後側の部位から前記平面部に向けて突出し且つ前記平面部と平行に延伸すると共に前記平面部との間に前記スロートを形成する第１の凸部と、前記内周面のうちの前側の部位において後方に突出すると共に前記出口まで延伸する第２の凸部とを含むことを要旨とする。

【0008】

本開示の第２の態様はガスタービンエンジン用タービン翼であって、本開示の第１の態様に係るフィルム冷却構造を備えることを要旨とする。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、冷却効率を向上させることが可能なフィルム冷却構造及びガスタービンエンジン用タービン翼を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示の実施形態に係る冷却孔の上面図である。

【図2】図２は、本開示の実施形態に係るフィルム冷却構造の断面図である。

【図3】図３は、冷却孔の延伸方向に沿って当該冷却孔を出口側から見た図である。

【図4】図４は、冷却孔における冷却媒体の流れを示す図である。

【図5】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、冷却孔における冷却媒体の流れの速度分布を説明するための図であり、図５（ａ）はスロートにおける速度分布の模式的な一例を示す図、図５（ｂ）はディフューザ部における速度分布の模式的な一例を示す図である。

【図6】図６は、本開示の実施形態に係るタービン翼（静翼）の概略構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0012】

本実施形態に係るフィルム冷却構造は、高温の熱媒体（例えば燃焼ガス）ＨＧに曝される構造体に設けられる。構造体は、例えば、ガスタービンエンジン（図示せず）のタービン翼（動翼及び静翼）、燃焼器ライナ又はロケットエンジンのノズルなどである。構造体の壁部には多数の冷却孔が形成される。冷却孔は、壁部と共にフィルム冷却構造を構成する。冷却孔から流出する冷却媒体ＣＧ（例えば空気）は、当該壁部上に断熱層を形成し、構造体を熱媒体ＨＧから保護する。以下、説明の便宜上、熱媒体ＨＧの流れ方向の上流側を「前方」、熱媒体ＨＧの流れ方向の下流側を「後方」と定義する。

【0013】

図１は本実施形態に係るフィルム冷却構造１０における冷却孔３０の上面図である。図２は本実施形態に係るフィルム冷却構造１０の断面図である。また、図３は、冷却孔３０の延伸方向ＥＤに沿って当該冷却孔を出口側から見た図である。以下、説明の便宜上、冷却孔３０の延伸方向ＥＤと直交し且つ壁部２０に沿った方向を幅方向ＷＤと称する。また、冷却孔３０の延伸方向ＥＤ及び幅方向ＷＤと直交する方向を、高さ方向ＨＤと称する。さらに、幅方向ＷＤにおける長さを「幅」と称する。高さ方向ＨＤにおける長さを「高さ」と称する。

【0014】

図２に示すように、フィルム冷却構造１０は、壁部２０と、冷却孔３０とを備えている。壁部２０は、内面２１及び外面２２を有すると共に、前方から後方に延伸している。外面２２は熱媒体ＨＧに曝される。一方、内面２１は、所定の圧力が掛けられた冷却媒体ＣＧに面する。なお、壁部２０の材料は、公知の耐熱合金を適用できる。

【0015】

冷却孔３０は冷却媒体ＣＧの流路であり、管状（筒状）に延伸する内周面３１を有する。冷却孔３０は、壁部２０の内面２１に開口する入口３２と、壁部２０の外面２２に開口する出口３３とを含む。即ち、管状の内周面３１は、内面２１に開口する入口３２、及び外面２２に開口する出口３３を形成する

【0016】

冷却孔３０は、出口３３が入口３２よりも後方に位置するように傾斜した状態で壁部２０を貫通している。換言すれば、冷却孔３０は、壁部２０の厚さ方向ＴＤに対して熱媒体ＨＧの流れ方向に傾斜した角度で、内面２１から外面２２まで延伸している。冷却媒体ＣＧは冷却孔３０の入口３２から流入し、冷却孔３０の出口３３から流出する。

【0017】

図１及び図２に示すように、冷却孔３０は直管部３４と、スロート３５と、ディフューザ部３６とを含む。直管部３４は、冷却孔３０の入口３２を有する。直管部３４は、当該入口３２からディフューザ部３６に向けて延伸し、スロート３５を介してディフューザ部３６に接続（連通）している。直管部３４は、楕円や前方に湾曲した半円状の流路断面を有する。なお、直管部３４の流路断面は、三角形や矩形などの多角形でもよい。何れも、直管部３４の流路断面は、後述のスロート３５に近づくにつれて、スロート３５の流路断面（断面形状）に近づくように壁部２０に沿った扁平な形状に変化する。

【0018】

スロート３５は、冷却孔３０がもつ断面積のなかで最小の断面積（面積）の流路断面３５Ａをもつ流路（狭窄部、狭小部）である。流路断面３５Ａは、壁部２０に沿って扁平である。即ち、スロート３５の幅は、スロート３５の高さに比べて十分に大きい。なお、ここでいう断面積は、冷却孔３０の延伸方向ＥＤと直交する断面の面積を指す。また、スロート３５の幅は、直管部３４の幅に等しくてもよく、直管部３４の幅より大きくてもよい。何れも場合も、スロート３５の幅はディフューザ部３６の最小幅に等しい。

【0019】

ディフューザ部３６は、スロート３５から出口３３まで延伸している。ディフューザ部３６は、流路断面３６Ａを含む。流路断面３６Ａは、出口３３に近づくにつれて後方及び壁部２０に沿って（即ち幅方向ＷＤに）拡大する。例えば、図３に示すように、流路断面３６Ａは壁部２０に沿って扁平な半円状に形成される。この場合、ディフューザ部３６は、半円状の流路断面３６Ａを形成する内周面３１としての平面３７及び曲面３８を有する。平面３７は曲面３８よりも前方に位置し、幅方向に延伸している。一方、曲面３８は平面３７よりも後方に位置し、後方に湾曲している。つまり、平面３７は上述の半円状断面の外縁における弦、曲面３８は当該外縁における弧とも言える。ただし、後述の通り、この「弦」は直線に限られない。なお、平面３７と曲面３８は、両者を滑らかに接続するための微小な曲面（フィレット）を介して一体的に（連続的に）形成されている。

【0020】

図１及び図３に示すようにディフューザ部３６の流路断面３６Ａの幅は、出口３３に近づくにつれて増加する。また、図３に示すように、流路断面３６Ａの高さも、出口３３に近づくにつれて増加する。ただし、冷却孔３０の延伸方向から見たスロート３５の流路断面３５Ａの位置を基準として、流路断面３６Ａの高さは、出口３３に近づくにつれて前方よりも後方へ大きく増加する。

【0021】

図２及び図３に示すように、冷却孔３０の内周面３１は、平面部３１ａと、凸部（第１の凸部）３１ｂとを含む。平面部３１ａは、内周面３１のうちの前側の部位３１ｃにおいて幅方向ＷＤに延伸する帯状の平面である。なお、冷却孔３０の延伸方向ＥＤにおける平面部３１ａの長さは、平面部３１ａに最も近接する凸部３１ｂの頂部に対向できている限り任意である。

【0022】

凸部３１ｂは、平面部３１ａとの間で最小面積の流路断面３５Ａをもつスロート３５を形成する。換言すれば、凸部３１ｂと平面部３１ａは、両者の間で最小面積の流路断面３５Ａをもつスロート３５を構成する。凸部３１ｂは、内周面３１のうちの後側の部位３１ｄから平面部３１ａに向けて突出し、平面部３１ａと平行に延伸する。凸部３１ｂの頂部は、高さ方向ＨＤに所定の間隔だけ平面部３１ａから離れており、その結果、上述のスロート３５が形成される。換言すれば、平面部３１ａと凸部３１ｂは、内周面３１においてスロート３５が形成される位置に設けられる。

【0023】

図３に示すように、直管部３４、スロート３５及びディフューザ部３６のそれぞれにおける内周面３１のうち、最も前方に位置する部位（スロート３５においては平面部３１ａ）は、冷却孔３０の延伸方向ＥＤから見て、高さ方向ＨＤで同一の位置（高さ、レベル）に位置している。例えば、直管部３４、スロート３５及びディフューザ部３６は何れも、前側において、冷却孔３０の延伸方向ＥＤ及び幅方向ＷＤに延伸する仮想面５０に接していてもよい。

【0024】

図４は、冷却孔３０における冷却媒体ＣＧの流れを示す図である。図４では冷却媒体ＣＧの主流を実線で示している。図５は、冷却孔における冷却媒体ＣＧの流れの速度分布を説明するための図であり、（ａ）はスロート３５における速度分布の模式的な一例を示す図、（ｂ）はディフューザ部３６における速度分布の模式的な一例を示す図である。

【0025】

図４に示すように、冷却媒体ＣＧの主流は直管部３４からディフューザ部３６に向けて流れている。一方、ディフューザ部３６の上流側（入口３２に近い側）には、スロート３５を形成する凸部３１ｂが設けられている。上述の通り、凸部３１ｂは内周面３１のうちの後側の部位３１ｄから内周面３１のうちの前側の部位３１ｃに向けて突出している。従って、凸部３１ｂは、冷却媒体ＣＧの主流を前方に（換言すれば、前側の部位３１ｃ又は平面部３１ａに向けて）偏向させる。

【0026】

凸部３１ｂは、内周面３１の平面部３１ａと共にスロート３５を形成する。スロート３５において冷却孔３０の断面積は最小となっており、その流路断面３５Ａは幅方向ＷＤに沿って扁平な形状となっている。従って、冷却媒体ＣＧの主流は、スロート３５に向かうにつれて、圧縮されつつ加速する。

【0027】

スロート３５を通過した後も、冷却媒体ＣＧの流れは、前方に偏った状態で出口３３に流れる。一方、冷却孔３０の流路は、ディフューザ部３６において幅方向ＷＤに拡大している。従って、冷却媒体ＣＧの主流は、前方に偏った状態を維持しつつ、幅方向に拡大し、出口３３から流出する。

【0028】

上述の通り、冷却媒体ＣＧの主流は、前方に圧縮されながら加速される。これにより、加速された冷却媒体ＣＧと熱媒体ＨＧの主流との速度差が減少する。その結果、冷却孔３０の出口３３から流出したときの冷却媒体ＣＧと熱媒体ＨＧとの混合時に生じる空力損失（圧力損失）を抑えることができる。

【0029】

また、ディフューザ部３６によって冷却媒体ＣＧの主流は、幅方向ＷＤに拡大（分散）する。従って、空力損失を抑えつつ広範囲なフィルム冷却を行うことができる。即ち、冷却媒体ＣＧによる冷却効率を向上させることができる。

【0030】

なお、図１～図３において点線で示すように、ディフューザ部３６における冷却孔の内周面３１のうちの前側の面（前側の部位３１ｃ、例えば平面３７）は、凸部（第２の凸部）３９を含んでもよい。凸部３９は、後方に突出すると共に出口３３まで延伸する。また、凸部３９の幅は延伸方向ＥＤに沿って一定でもよく、或いは、出口３３に近づくにつれて増加してもよい。また、凸部３９は、最も後方に突出する頂部３９ａを含む。図３に示すように、この頂部３９ａは、幅方向ＷＤにおけるディフューザ部３６の中央に位置してもよい。何れの場合も、凸部３９は、冷却孔３０の延伸方向ＥＤから見て、スロート３５の一部を塞いでいる。従って、凸部３９は、前方に偏った冷却媒体ＣＧの主流の、ディフューザ部３６による幅方向への拡大を促進させる。この拡大の促進により、フィルム冷却の範囲を幅方向ＷＤに拡大させることができる。

【0031】

本実施形態のフィルム冷却構造１０は、ガスタービンエンジン用タービン翼に適用できる。図６は、当該タービン翼（静翼６０）の概略構成を示す斜視図である。静翼６０は、動翼（図示せず）と共にガスタービンエンジン（図示せず）のタービン（図示せず）を構成する。なお、フィルム冷却構造１０は、タービン（図示せず）を構成するタービン翼である動翼（図示せず）にも適用できる。

【0032】

図６は、静翼６０の概略構成を示す斜視図である。この図に示すように、静翼６０は、翼体６１と、バンド部６２と、冷却孔３０とを備えている。翼体６１は、上述の熱媒体ＨＧとしての燃焼ガスを排出する燃焼器（図示せず）の下流側に配置されており、燃焼ガスの流路に配置されている。

【0033】

翼体６１は、前縁６１ａと、後縁６１ｂと、正圧面（腹側）６１ｃと、負圧面（背側）６１ｄとを有する。熱媒体ＨＧとしての燃焼ガスは、正圧面６１ｃ及び負圧面６１ｄに沿って、前縁６１ａから後縁６１ｂに向かう方向に流れている。

【0034】

翼体６１は、冷却媒体ＣＧとしての冷却空気が導入される内部空間（空洞、冷却流路、図示せず）を有している。冷却空気は、例えば圧縮機（図示せず）から抽気される。バンド部６２は、スパン方向ＳＤにおいて翼体６１を挟み込むように設けられ、燃焼ガスの流路壁（エンドウォール、プラットフォーム、シュラウド）の一部として機能する。これらのバンド部６２は、翼体６１のチップとハブに一体化されている。

【0035】

本実施形態において、フィルム冷却構造１０は、翼体６１の正圧面６１ｃ及び負圧面６１ｄのうちの少なくとも一方に適用される。即ち、翼体６１の正圧面６１ｃ及び負圧面６１ｄのうちの少なくとも一方が、フィルム冷却構造１０の壁部２０として機能し、且つ、そこに複数の冷却孔３０が形成されている。以下、説明の便宜上、フィルム冷却構造１０が正圧面６１ｃに設けられている例を挙げて説明する。

【0036】

冷却孔３０は、出口３３が入口３２よりも後縁６１ｂの近くに位置するように傾斜した状態で、正圧面６１ｃに形成されている。また、ディフューザ部３６の平面３７は、冷却孔３０の延伸方向ＥＤ及び翼体６１のスパン方向ＳＤに延伸している。

【0037】

正圧面６１ｃにおいて、燃焼ガスの主流は前縁６１ａから後縁６１ｂに向かう方向に流れている。一方、翼体６１に導入された冷却空気は、冷却孔３０の入口３２から流入し、出口３３から流出する。出口３３から流出した冷却空気は、燃焼ガスの主流に合流しつつ下流に流れる。出口３３から流出の際、冷却空気はスパン方向ＳＤに拡大されている。従って、正圧面６１ｃ上の冷却範囲をスパン方向ＳＤに広げることができる。

【0038】

また、冷却空気は、出口３３から流出するまでに加速される。これにより、冷却空気の主流と燃焼ガスの主流との速度差が減少し、空力損失を抑えることができる。即ち、空力損失を抑えつつ広範囲なフィルム冷却を行うことが可能なタービン翼を提供することができる。

【0039】

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】