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JP2011043118A - Cooling structure for turbine, and turbine - Google Patents

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JP2011043118A JP2009192311A JP2009192311A JP2011043118A JP 2011043118 A JP2011043118 A JP 2011043118A JP 2009192311 A JP2009192311 A JP 2009192311A JP 2009192311 A JP2009192311 A JP 2009192311A JP 2011043118 A JP2011043118 A JP 2011043118A
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cooling
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stationary blade
chamber
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Yosuke Mizogami
陽介 溝上
Hiroshi Kuroki
博史 黒木
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IHI Corp
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IHI Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a stress on the trailing edge of a turbine stator blade 23 while sufficiently ensuring the cooling performance of the impingement cooling of a cooling structure 53 for a turbine. <P>SOLUTION: A cooling chamber 55 is partitioned into an inner divided chamber 65 allowing a leakage flow of combustion gas FA on the radial inside and the radial outside and an outer divided chamber 67 suppressing the leakage flow of the combustion gas FA by a partition member 63. The inside of a front insert 73 communicates with the outer divided chamber 67 and is isolated from the inner divided chamber 65, and the inside of a rear insert 77 communicates with the inner divided chamber 65 and outer divided chamber 67. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、タービンのタービンステータにおけるタービン静翼内の前縁側冷却流路及び後縁側冷却流路の内壁面に対してインピンジ冷却を行うタービン用冷却構造等に関する。   The present invention relates to a turbine cooling structure that performs impingement cooling on inner wall surfaces of a leading edge side cooling passage and a trailing edge side cooling passage in a turbine stator blade in a turbine stator of a turbine.

従来のタービン用冷却構造等について図5を参照して説明する。なお、図面中、「F」は、前方向(上流方向)、「R」は、後方向(下流方向)、「In」は、径方向内側、「Out」は、径方向外側を指してある。   A conventional turbine cooling structure and the like will be described with reference to FIG. In the drawings, “F” indicates the front direction (upstream direction), “R” indicates the rear direction (downstream direction), “In” indicates the radially inner side, and “Out” indicates the radially outer side. .

図5に示すように、ガスタービンエンジン(図示省略)に用いられるタービンのタービンステータ101におけるタービン静翼103は中空構造になっており、通常、タービン静翼103の機械的強度及び剛性等を高めるために、タービン静翼103の内部には補強リブ105が設けられている。また、ガスタービンエンジンの稼働中、タービン静翼103は高温に曝されており、通常、タービン静翼103の高温化を抑えるために、タービン静翼103の内部を補強リブ105によって区画した前縁側冷却流路107及び後縁側冷却流路109の内壁面に対してインピンジ冷却を行っている。そして、インピンジ冷却を行う構造(タービン用冷却構造)111は、次のような構成になっている。   As shown in FIG. 5, turbine stationary blades 103 in a turbine stator 101 of a turbine used in a gas turbine engine (not shown) have a hollow structure, and usually increase the mechanical strength and rigidity of the turbine stationary blades 103. Therefore, a reinforcing rib 105 is provided inside the turbine stationary blade 103. Further, during operation of the gas turbine engine, the turbine stationary blade 103 is exposed to a high temperature. Usually, in order to suppress the high temperature of the turbine stationary blade 103, the front edge side in which the interior of the turbine stationary blade 103 is partitioned by the reinforcing rib 105. Impingement cooling is performed on the inner wall surfaces of the cooling channel 107 and the trailing edge side cooling channel 109. A structure (turbine cooling structure) 111 that performs impingement cooling has the following configuration.

即ち、タービンのタービンケース113の内周面とタービンステータ101のアウターバンド115の外周面との間には、環状の冷却チャンバー117が区画されており、この冷却チャンバー117は、ガスタービンエンジンの圧縮機等の冷却空気抽気源(図示省略)に接続されてあって、冷却空気抽気源から抽気した冷却空気CAを収容するものである。また、タービン静翼103の前縁側冷却流路107内には、パイプ状のフロントインサート119が挿入されており、このフロントインサート119の内部は、冷却チャンバー117に連通してあって、フロントインサート119には、タービン静翼103の前縁側冷却流路107の内壁面に向かって冷却空気CAを噴出する複数のフロント噴出孔121が形成されている。更に、タービン静翼103の後縁側冷却流路109内には、パイプ状のリアインサート123が挿入されており、このリアインサート123の内部は、冷却チャンバー117に連通してあって、リアインサート123には、タービン静翼103の後縁側冷却流路109の内壁面に向かって冷却空気CAを噴出する複数のリア噴出孔125が形成されている。   That is, an annular cooling chamber 117 is defined between the inner peripheral surface of the turbine case 113 of the turbine and the outer peripheral surface of the outer band 115 of the turbine stator 101, and this cooling chamber 117 is compressed by the gas turbine engine. It is connected to a cooling air extraction source (not shown) such as a machine, and accommodates cooling air CA extracted from the cooling air extraction source. Further, a pipe-like front insert 119 is inserted into the cooling passage 107 on the leading edge side of the turbine vane 103. The inside of the front insert 119 communicates with the cooling chamber 117, and the front insert 119 is inserted. A plurality of front ejection holes 121 for ejecting the cooling air CA toward the inner wall surface of the leading edge side cooling flow path 107 of the turbine stationary blade 103 are formed. Further, a pipe-like rear insert 123 is inserted into the cooling passage 109 on the trailing edge side of the turbine vane 103. The interior of the rear insert 123 communicates with the cooling chamber 117, and the rear insert 123 A plurality of rear ejection holes 125 for ejecting the cooling air CA toward the inner wall surface of the trailing edge side cooling flow path 109 of the turbine stationary blade 103 are formed.

従って、冷却空気抽気源から抽気した冷却空気CAが冷却チャンバー117を経由してフロントインサート119及びリアインサート123の内部に流入すると、フロントインサート119の複数のフロント噴出孔121からタービン静翼103の前縁側冷却流路107の内壁面に向かって冷却空気CAが噴出されると共に、リアインサート123の複数のリア噴出孔125からタービン静翼103の後縁側冷却流路109の内壁面に向かって冷却空気CAが噴出される。これにより、タービン静翼103の前縁側冷却流路107及び後縁側冷却流路109の内壁面に対してインピンジ冷却を行うことができる。このとき、タービンケース113のフック127とアウターバンド115の間との間隙から冷却チャンバー111へ燃焼ガスFAの漏れ流れが生じることが知られている。   Accordingly, when the cooling air CA extracted from the cooling air extraction source flows into the front insert 119 and the rear insert 123 via the cooling chamber 117, the front of the turbine stationary blade 103 is forwarded from the plurality of front ejection holes 121 of the front insert 119. The cooling air CA is ejected toward the inner wall surface of the edge side cooling flow path 107 and the cooling air is directed from the plurality of rear ejection holes 125 of the rear insert 123 toward the inner wall surface of the rear edge side cooling flow path 109 of the turbine stationary blade 103. CA is ejected. Thereby, impingement cooling can be performed on the inner wall surfaces of the leading edge side cooling channel 107 and the trailing edge side cooling channel 109 of the turbine stationary blade 103. At this time, it is known that a leakage flow of the combustion gas FA occurs from the gap between the hook 127 of the turbine case 113 and the outer band 115 to the cooling chamber 111.

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に示すものがある。   In addition, there exist some which are shown to patent document 1, patent document 2, and patent document 3 as a prior art relevant to this invention.

特開平5−240003号公報JP-A-5-240003 特開2001−254604号公報JP 2001-254604 A 特開2001−295604号公報JP 2001-295604 A

ところで、前述のタービン用冷却構造111のインピンジ冷却の冷却性能を十分に確保するには、フロントインサート119及びリアインサート123の内部に流入される冷却空気CAの圧力を高くして、フロントインサート119のフロント噴出孔121及びリアインサート123のリア噴出孔125の噴出圧を高くする必要がある。   By the way, in order to sufficiently ensure the impingement cooling performance of the turbine cooling structure 111 described above, the pressure of the cooling air CA flowing into the front insert 119 and the rear insert 123 is increased, and the front insert 119 It is necessary to increase the ejection pressure of the front ejection holes 121 and the rear ejection holes 125 of the rear insert 123.

一方、フロントインサート119及びリアインサート123の内部に流入される冷却空気CAの圧力を高くすると、タービン静翼103の内外の圧力差が大きくなり、タービン静翼103の膨らみが増大する。そのため、曲率の極めて小さい部位である、タービン静翼103の後縁に過大な応力が発生して、タービン静翼103の後縁にクラック等の損傷が生じ易くなる。   On the other hand, when the pressure of the cooling air CA flowing into the front insert 119 and the rear insert 123 is increased, the pressure difference between the inside and outside of the turbine stationary blade 103 increases, and the swelling of the turbine stationary blade 103 increases. Therefore, excessive stress is generated at the trailing edge of the turbine stationary blade 103, which is a portion having a very small curvature, and damage such as cracks is likely to occur at the trailing edge of the turbine stationary blade 103.

つまり、タービン用冷却構造111のインピンジ冷却の冷却性能を十分に確保した上で、タービン静翼103の後縁にクラック等の損傷が生じることを抑えることは困難であるという問題がある。   That is, there is a problem that it is difficult to prevent the rear edge of the turbine stationary blade 103 from being damaged, such as cracks, while sufficiently securing the impingement cooling performance of the turbine cooling structure 111.

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のタービン用冷却構造等を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a turbine cooling structure having a novel configuration that can solve the above-described problems.

本発明の第1の特徴は、ガスタービンエンジンのタービンに用いられ、前記タービンのタービンステータにおけるタービン静翼の内部を補強リブによって区画した前縁側冷却流路及び後縁側冷却流路の内壁面に対してインピンジ冷却を行うタービン用冷却構造において、前記タービンのタービンケースの内周面と前記タービンステータのアウターバンドの外周面との間に区画され、冷却空気抽気源に接続され、前記冷却空気抽気源から抽気した冷却空気を収容する環状の冷却チャンバーと、前記タービンステータの前記アウターバンドを囲むように設けられ、前記冷却チャンバー内を径方向内側と径方向の外側で、冷却空気よりも低圧の燃焼ガス(主流ガス)の漏れ流れを許容可能でかつ前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路に連通した内側分割チャンバーと燃焼ガスの漏れ流れを抑止可能(阻止可能)な外側分割チャンバーに仕切る環状の仕切部材と、前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路内に挿入され、内部が前記外側分割チャンバーに連通しかつ前記内側分割チャンバーと遮断されてあって、前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路の内壁面に向かって冷却空気を噴出する複数のフロント噴出孔が形成されたパイプ状のフロントインサートと、前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路内に挿入され、内部が前記内側分割チャンバー及び前記外側分割チャンバーに連通してあって、前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路の内壁面に向かって冷却空気を噴出するリア噴出孔が形成されたパイプ状のリアインサートと、を備えたことを要旨とする。   A first feature of the present invention is used in an inner wall surface of a leading edge side cooling channel and a trailing edge side cooling channel, which is used in a turbine of a gas turbine engine and in which the interior of a turbine stator blade in the turbine stator of the turbine is partitioned by reinforcing ribs. In the turbine cooling structure that performs impingement cooling, the cooling air extraction is defined between an inner peripheral surface of a turbine case of the turbine and an outer peripheral surface of an outer band of the turbine stator, and is connected to a cooling air extraction source. An annular cooling chamber for containing cooling air extracted from a source and an outer band of the turbine stator are provided so as to surround the outer side of the turbine stator. An internal combustion gas (mainstream gas) that allows leakage flow and communicates with the cooling passage on the trailing edge side of the turbine vane. An annular partition member that partitions the split chamber and an outer split chamber that can suppress (prevent) leakage of combustion gas, and is inserted into the cooling passage on the leading edge side of the turbine stationary blade, and the inside is formed in the outer split chamber A pipe-like front insert that is in communication with and cut off from the inner divided chamber and has a plurality of front injection holes for injecting cooling air toward the inner wall surface of the cooling passage on the leading edge side of the turbine stationary blade And the inside of the turbine stationary blade is inserted into the trailing edge side cooling channel, the inside communicates with the inner divided chamber and the outer divided chamber, and the inner wall surface of the trailing edge side cooling channel of the turbine stationary blade. And a pipe-like rear insert in which a rear ejection hole for ejecting cooling air is formed.

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、ブラケット等の介在部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「環状」とは、周方向に連続している状態に限られるものでなく、不連続部(分断部)があっても全体として環状とみなせる状態を含む意である。また、「冷却空気抽気源」には、前記ガスタービンエンジンの圧縮機等が含まれる。   In the specification and claims of the present application, “provided” means not only directly provided but also indirectly provided via an interposed member such as a bracket. The term “annular” is not limited to the state of being continuous in the circumferential direction, but includes a state in which even if there is a discontinuous portion (divided portion), it can be regarded as a ring as a whole. The “cooling air extraction source” includes the compressor of the gas turbine engine.

第1の特徴によると、前記ガスタービンエンジンの稼働中において、前記冷却空気抽気源から抽気した冷却空気が前記冷却チャンバーの前記外側分割チャンバーを経由して前記フロントインサートの内部に流入すると、前記フロントインサートの複数の前記フロント噴出孔から前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路の内壁面に向かって冷却空気が噴出される。また、前記冷却空気抽気源から抽気した冷却空気が前記外側分割チャンバー及び前記内側分割チャンバーを経由して前記リアインサートの内部に流入すると、前記リアインサートの複数の前記リア噴出孔から前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路の内壁面に向かって冷却空気が噴出される。これにより、前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路及び前記後縁側冷却流路の内壁面に対してインピンジ冷却を行うことができる。   According to the first feature, when the cooling air extracted from the cooling air extraction source flows into the front insert through the outer divided chamber of the cooling chamber during operation of the gas turbine engine, Cooling air is ejected from the plurality of front ejection holes of the insert toward the inner wall surface of the leading edge side cooling passage of the turbine stationary blade. Further, when the cooling air extracted from the cooling air extraction source flows into the rear insert through the outer divided chamber and the inner divided chamber, the turbine stationary blades from the plurality of rear ejection holes of the rear insert. The cooling air is jetted toward the inner wall surface of the trailing edge side cooling channel. Thereby, impingement cooling can be performed on the inner wall surfaces of the leading edge side cooling channel and the trailing edge side cooling channel of the turbine stationary blade.

ここで、前記仕切部材によって前記冷却チャンバー内を径方向内側と径方向の外側で前記内側分割チャンバーと前記外側分割チャンバーに仕切られ、前記フロントインサートの内部が前記外側分割チャンバーに連通しかつ前記内側分割チャンバーと遮断され、前記リアインサートの内部が前記内側分割チャンバー及び前記外側分割チャンバーに連通してあるため、通常、前記フロントインサートの内部に流入される冷却空気には、低圧の燃焼ガスが含まれないのに対して、前記リアインサートの内部に流入される冷却空気には、低圧の燃焼ガスが含まれることになる。これにより、前記フロントインサートの内部に流入される冷却空気の圧力を高くする一方、前記リアインサートの内部に流入される冷却空気の圧力の上昇を抑えて、前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路内の圧力と前記タービン静翼の外側の圧力との差を小さくして、前記タービン静翼の後縁の膨らみを低減することができる。   Here, the inside of the cooling chamber is partitioned into the inner divided chamber and the outer divided chamber on the radially inner side and the radially outer side by the partition member, and the inside of the front insert communicates with the outer divided chamber and the inner side. Since the interior of the rear insert is in communication with the inner and outer divided chambers, the cooling air flowing into the front insert usually contains low-pressure combustion gas. On the other hand, the cooling air flowing into the rear insert contains low-pressure combustion gas. Accordingly, the pressure of the cooling air flowing into the front insert is increased, while the increase in the pressure of the cooling air flowing into the rear insert is suppressed, and the trailing edge side cooling flow of the turbine stationary blade is suppressed. The difference between the pressure in the road and the pressure outside the turbine stationary blade can be reduced to reduce the swelling of the trailing edge of the turbine stationary blade.

本発明の第2の特徴は、ガスタービンエンジンの燃焼器からの燃焼ガス(主流ガス)の膨張によって駆動するタービンにおいて、第1の特徴からなるタービン用冷却構造を備えたことを要旨とする。   The gist of the second feature of the present invention is that the turbine driven by the expansion of the combustion gas (mainstream gas) from the combustor of the gas turbine engine includes the turbine cooling structure according to the first feature.

第2の特徴によると、第1の特徴による作用と同様の作用を奏する。   According to the 2nd characteristic, there exists an effect | action similar to the effect | action by a 1st characteristic.

本発明によれば、前記フロントインサートの内部に流入される冷却空気の圧力を高くしつつ、前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路内の圧力と前記タービン静翼の外側の圧力との差を小さくして、前記タービン静翼の後縁の膨らみを低減できるため、前記フロントインサートの前記フロント噴出孔の噴出圧を高くして、前記タービン用冷却構造のインピンジ冷却の冷却性能を十分に確保した上で、前記タービン静翼の後縁の応力を低減して、前記タービン静翼の後縁にクラック等の損傷が生じることを抑えることができる。   According to the present invention, while increasing the pressure of the cooling air flowing into the front insert, the difference between the pressure in the trailing edge side cooling passage of the turbine stationary blade and the pressure outside the turbine stationary blade. , And the swelling of the trailing edge of the turbine stationary blade can be reduced, so that the injection pressure of the front injection hole of the front insert is increased to sufficiently secure the impingement cooling performance of the turbine cooling structure. In addition, it is possible to reduce the stress at the trailing edge of the turbine stationary blade and suppress the occurrence of damage such as cracks at the trailing edge of the turbine stationary blade.

本発明の実施形態に係るタービンの一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of turbine which concerns on embodiment of this invention. 図1における矢視部Iの拡大図である。It is an enlarged view of the arrow I part in FIG. 図2におけるIII-IIIに沿った拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view along III-III in FIG. 2. 図4(a)は、実施例の場合における、タービン静翼の後縁側冷却流路の内側から見たタービン静翼の後縁の応力分布を示すコンタ図、図4(b)は、比較例の場合における、タービン静翼の後縁側冷却流路の内側から見たタービン静翼の後縁の応力分布を示す図である。FIG. 4A is a contour diagram showing the stress distribution of the trailing edge of the turbine vane as seen from the inside of the trailing edge cooling channel of the turbine vane in the case of the embodiment, and FIG. 4B is a comparative example. FIG. 6 is a diagram showing the stress distribution of the trailing edge of the turbine vane seen from the inside of the trailing edge cooling channel of the turbine vane in the case of. 従来のタービン用冷却構造等を説明する図である。It is a figure explaining the conventional cooling structure for turbines.

本発明の実施形態について図1から図3を参照して説明する。なお、図面中、「F」は、前方向(上流方向)、「R」は、後方向(下流方向)、「In」は、径方向内側、「Out」は、径方向外側を指してある。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. In the drawings, “F” indicates the front direction (upstream direction), “R” indicates the rear direction (downstream direction), “In” indicates the radially inner side, and “Out” indicates the radially outer side. .

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る高圧タービンは1は、ジェットエンジン(ガスタービンエンジンの一例)に用いられるものであって、燃焼器3からの燃焼ガス(主流ガス)FAの膨張によって回転力を得て、高圧圧縮機(図示省略)を駆動させるものである。また、高圧タービン1は、筒状の高圧タービンケース5を備えており、この高圧タービンケース5は、エンジン軸方向(前後方向)へ延びている。   As shown in FIGS. 1 and 2, a high-pressure turbine 1 according to an embodiment of the present invention is used for a jet engine (an example of a gas turbine engine), and is a combustion gas (mainstream gas) from a combustor 3. ) A rotational force is obtained by the expansion of the FA to drive a high-pressure compressor (not shown). The high-pressure turbine 1 includes a cylindrical high-pressure turbine case 5, and the high-pressure turbine case 5 extends in the engine axial direction (front-rear direction).

高圧タービンケース5内には、燃焼器3からの燃焼ガスFAの膨張によって回転する高圧タービンロータ7がエンジン軸心(図示省略)周りに回転可能に設けられている。そして、高圧タービンロータ7の具体的な構成は、次のようになる。   In the high-pressure turbine case 5, a high-pressure turbine rotor 7 that is rotated by the expansion of the combustion gas FA from the combustor 3 is provided to be rotatable around an engine axis (not shown). The specific configuration of the high-pressure turbine rotor 7 is as follows.

即ち、高圧タービンケース5内には、タービンディスク9がエンジン軸心周りに回転可能に設けられており、このタービンディスク9は、高圧圧縮機の高圧圧縮機ロータ(図示省略)に一体的に連結してある。また、タービンディスク9の周縁には、複数の取付溝11が円周方向に等間隔に形成されており、タービンディスク9の各取付溝11には、タービン動翼13が嵌合して設けられている。更に、タービンディスク9の前側には、複数のタービン動翼13を前方向から保持する筒状のフロント保持部材15が設けられており、タービンディスク9の後側には、複数のタービン動翼13を後方向から保持する筒状のリア保持部材17が設けられている。   That is, a turbine disk 9 is provided in the high-pressure turbine case 5 so as to be rotatable around the engine axis, and this turbine disk 9 is integrally connected to a high-pressure compressor rotor (not shown) of the high-pressure compressor. It is. Further, a plurality of mounting grooves 11 are formed at equal intervals in the circumferential direction on the peripheral edge of the turbine disk 9, and turbine blades 13 are fitted into the mounting grooves 11 of the turbine disk 9. ing. Further, a cylindrical front holding member 15 that holds a plurality of turbine rotor blades 13 from the front direction is provided on the front side of the turbine disk 9, and a plurality of turbine rotor blades 13 are provided on the rear side of the turbine disk 9. A cylindrical rear holding member 17 is provided to hold the rear side from behind.

高圧タービンケース5の内周面には、環状のシュラウド19が複数のタービン動翼13を囲むように設けられており、シュラウド19の内周側は、タービン動翼13の先端と接触を許容できるようにハニカム状になっている。また、シュラウド19は、周方向にセグメント化されており、換言すれば、複数の円弧状のシュラウドセグメントからなるものである。   An annular shroud 19 is provided on the inner peripheral surface of the high-pressure turbine case 5 so as to surround the plurality of turbine rotor blades 13, and the inner peripheral side of the shroud 19 can allow contact with the tips of the turbine rotor blades 13. It is like a honeycomb. Further, the shroud 19 is segmented in the circumferential direction, in other words, includes a plurality of arc-shaped shroud segments.

高圧タービンケース5内における高圧タービンロータ7の前側には、燃焼ガスFAを軸流に整流する環状の高圧タービンステータ21が設けられている。そして、高圧タービンステータ21の具体的な構成は、次のようになる。   An annular high-pressure turbine stator 21 that rectifies the combustion gas FA into an axial flow is provided on the front side of the high-pressure turbine rotor 7 in the high-pressure turbine case 5. The specific configuration of the high-pressure turbine stator 21 is as follows.

即ち、高圧タービンステータ21は、円周方向に等間隔に配列した複数(1つのみ図示)のタービン静翼23、複数のタービン静翼23の外側端部(径方向外側の端部)に連結するように設けられた円弧状のアウターバンド25、及び複数のタービン静翼23の内側端部(径方向内側の端部)に連結するように設けられた円弧状のインナーバンド27とを備えている。また、高圧タービンステータ21は、周方向にセグメント化されており、換言すれば、複数の円弧状のタービンステータセグメントからなるものである。   That is, the high-pressure turbine stator 21 is connected to a plurality (only one is shown) of turbine stationary blades 23 arranged at equal intervals in the circumferential direction, and outer end portions (radially outer end portions) of the plurality of turbine stationary blades 23. And an arc-shaped outer band 25 provided to be connected to each other and an arc-shaped inner band 27 provided so as to be connected to the inner ends (radially inner ends) of the plurality of turbine vanes 23. Yes. The high-pressure turbine stator 21 is segmented in the circumferential direction, in other words, a plurality of arc-shaped turbine stator segments.

アウターバンド25の前側には、環状のフロント爪29が形成されており、アウターバンド25のフロント爪29は、高圧タービンケース5の内周面に形成した環状のフロントフック31に係止可能である。また、アウターバンド25の後側には、環状のリア爪33が形成されており、アウターバンド25のリア爪33は、高圧タービンケース5の内周面におけるフロントフック31の後方に形成した環状のリアフック35に係止可能である。更に、インナーバンド27の内周面には、環状の突出片37が形成されており、インナーバンド27の突出片37は、高圧タービンケース5内に固定したステータ支持部材39の周溝41に嵌合可能である。   An annular front claw 29 is formed on the front side of the outer band 25, and the front claw 29 of the outer band 25 can be locked to an annular front hook 31 formed on the inner peripheral surface of the high-pressure turbine case 5. . An annular rear claw 33 is formed on the rear side of the outer band 25, and the rear claw 33 of the outer band 25 is an annular shape formed behind the front hook 31 on the inner peripheral surface of the high-pressure turbine case 5. The rear hook 35 can be locked. Further, an annular projecting piece 37 is formed on the inner peripheral surface of the inner band 27, and the projecting piece 37 of the inner band 27 is fitted in the peripheral groove 41 of the stator support member 39 fixed in the high-pressure turbine case 5. Is possible.

図2及び図3に示すように、各タービン静翼23は、セラミック基複合材料により構成されるものであって、中空構造になっている。また、各タービン静翼23の内部には、補強リブ43が設けられており、各タービン静翼23の内部は、補強リブ43によって前縁側冷却流路(フロント冷却流路)45と後縁側冷却流路(リア冷却流路)47に区画されている。そして、各タービン静翼23の前縁及び腹面には、冷却空気CAを吹出す複数の吹出孔49が形成されており、各タービン静翼23の後縁には、冷却空気CAを排出する複数の排出孔51が形成されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, each turbine stationary blade 23 is made of a ceramic matrix composite material and has a hollow structure. Further, a reinforcing rib 43 is provided inside each turbine vane 23, and the inside of each turbine vane 23 is cooled by the reinforcing rib 43 with a leading edge side cooling channel (front cooling channel) 45 and a trailing edge side cooling. A flow path (rear cooling flow path) 47 is partitioned. A plurality of blowout holes 49 for blowing out the cooling air CA are formed in the front edge and the abdominal surface of each turbine stationary blade 23, and a plurality of outlets for discharging the cooling air CA are discharged at the rear edge of each turbine stationary blade 23. The discharge hole 51 is formed.

高圧タービン1は、タービン用冷却構造53を備えており、このタービン用冷却構造53は、各タービン静翼23の前縁側冷却流路45及び後縁側冷却流路47の内壁面に対してインピンジ冷却を行うと共に、各タービン静翼23の表面(前縁、腹面、背面を含む)に対してフィルム冷却を行うものである。そして、本発明の実施形態の要部であるタービン用冷却構造53の具体的な構成は、次のようになる。   The high-pressure turbine 1 includes a turbine cooling structure 53, and the turbine cooling structure 53 impinges the inner wall surfaces of the leading edge side cooling passage 45 and the trailing edge side cooling passage 47 of each turbine vane 23. In addition, film cooling is performed on the surface (including the front edge, the abdominal surface, and the back surface) of each turbine stationary blade 23. And the concrete structure of the cooling structure 53 for turbines which is the principal part of embodiment of this invention is as follows.

即ち、高圧タービンケース5の内周面とアウターバンド25の外周面との間には、環状の冷却チャンバー55が区画(区画形成)されており、この冷却チャンバー55は、接続ポート57及び接続管59を介して低圧圧縮機(図示省略)又は高圧圧縮機等の冷却空気抽気源61に接続されており、冷却空気抽気源61から注記した冷却空気CAを収容するものである。また、高圧タービンケース5におけるフロントフック31とリアフック35の間には、環状の仕切部材63がアウターバンド25を囲みかつ圧接された状態で設けられており、この仕切部材63は、冷却チャンバー55内を径方向内側と径方向外側で内側分割チャンバー65と外側分割チャンバー67に仕切るものである。更に、仕切部材63における各タービン静翼23の前縁側冷却流路45に整合する位置(対向する位置)には、開口部69が形成されており、仕切部材63における各タービン静翼23の後縁側冷却流路47に整合する位置には、通孔(連通孔)71が形成されている。   That is, an annular cooling chamber 55 is defined (partitioned) between the inner peripheral surface of the high-pressure turbine case 5 and the outer peripheral surface of the outer band 25. The cooling chamber 55 includes the connection port 57 and the connection pipe. 59 is connected to a cooling air extraction source 61 such as a low-pressure compressor (not shown) or a high-pressure compressor, and accommodates the cooling air CA noted from the cooling air extraction source 61. An annular partition member 63 is provided between the front hook 31 and the rear hook 35 in the high-pressure turbine case 5 so as to surround and press-contact the outer band 25, and the partition member 63 is provided in the cooling chamber 55. Is divided into an inner divided chamber 65 and an outer divided chamber 67 on the radially inner side and the radially outer side. Further, an opening 69 is formed at a position (a position facing) the leading edge side cooling channel 45 of each turbine stationary blade 23 in the partition member 63, and the rear portion of each turbine stationary blade 23 in the partition member 63 is formed. A through hole (communication hole) 71 is formed at a position aligned with the edge side cooling flow path 47.

ここで、内側分割チャンバー65は、図2に示すように、フロントフック31とアウターバンド31の間との隙間及び仕切部材63とアウターバンド31との間の隙間を経由した冷却空気CAよりも低圧の燃焼ガスFAの漏れ流れを許容可能であって、各タービン静翼23の後縁側冷却流路47に連通してある。また、外側分割チャンバー67は、仕切部材63が高圧タービンケース5におけるフロントフック31とリアフック35に圧接されることによって、前記燃焼ガスFAの漏れ流れを抑止可能(阻止可能)になっている。なお、外側分割チャンバー67内の圧力が内側分割チャンバー65内の圧力よりも高圧であるため、通孔71を介して内側分割チャンバー65から外側分割チャンバー67への冷却空気CAの流入を抑止できるようになっている。   Here, as shown in FIG. 2, the inner divided chamber 65 has a lower pressure than the cooling air CA that passes through the gap between the front hook 31 and the outer band 31 and the gap between the partition member 63 and the outer band 31. The combustion gas FA can be allowed to leak, and is communicated with the cooling passage 47 on the trailing edge side of each turbine vane 23. Further, the outer divided chamber 67 is capable of suppressing (blocking) the leakage flow of the combustion gas FA by the partition member 63 being pressed against the front hook 31 and the rear hook 35 in the high-pressure turbine case 5. Since the pressure in the outer divided chamber 67 is higher than the pressure in the inner divided chamber 65, the inflow of the cooling air CA from the inner divided chamber 65 to the outer divided chamber 67 can be suppressed through the through hole 71. It has become.

仕切部材63の各開口部69の周縁には、パイプ状のフロントインサート73が設けられており、各フロントインサート73の内部は、外側分割チャンバー67に連通しかつ内側分割チャンバー65に遮断されている。また、各フロントインサート73は、各タービン静翼23の前縁側冷却流路45内に挿入されてあって、各フロントインサート73には、各タービン静翼23の前縁側冷却流路45の内壁面に対して冷却空気CAを噴出する複数のフロント噴出孔75が形成されている。ここで、各フロントインサート73を各タービン静翼23の前縁側冷却流路45内に挿入することによって、各タービン静翼23の前縁側冷却流路45と内側分割チャンバー65を遮断するようになっている。   A pipe-like front insert 73 is provided at the periphery of each opening 69 of the partition member 63, and the inside of each front insert 73 communicates with the outer divided chamber 67 and is blocked by the inner divided chamber 65. . Each front insert 73 is inserted into the leading edge side cooling channel 45 of each turbine vane 23, and each front insert 73 has an inner wall surface of the leading edge side cooling channel 45 of each turbine vane 23. On the other hand, a plurality of front ejection holes 75 for ejecting the cooling air CA are formed. Here, by inserting each front insert 73 into the leading edge side cooling flow path 45 of each turbine stationary blade 23, the front edge side cooling flow path 45 and the inner divided chamber 65 of each turbine stationary blade 23 are blocked. ing.

各アウターバンド25における各通孔71に整合する位置には、パイプ状のリアインサート77が設けられており、各アウターバンド25の内部は、内側分割チャンバー65及び外側分割チャンバー67に仕切部材63の各通孔71を介して連通してある。また、各リアインサート77は、各タービン静翼23の後縁側冷却流路47内に挿入されてあって、各リアインサート77には、各タービン静翼23の後縁側冷却流路47の内壁面に対して冷却空気CAを噴出する複数のリア噴出孔79が形成されている。   A pipe-like rear insert 77 is provided at a position aligned with each through hole 71 in each outer band 25, and the inside of each outer band 25 is connected to the inner divided chamber 65 and the outer divided chamber 67 with the partition member 63. It communicates via each through hole 71. Each rear insert 77 is inserted into the trailing edge side cooling flow path 47 of each turbine stationary blade 23, and the inner wall surface of the rear edge side cooling flow path 47 of each turbine stationary blade 23 is inserted into each rear insert 77. On the other hand, a plurality of rear ejection holes 79 for ejecting the cooling air CA are formed.

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。   Then, the effect | action and effect of embodiment of this invention are demonstrated.

ジェットエンジンを稼働させると、燃焼器3から燃焼ガスFAの膨張によって複数のタービン動翼13及びタービンディスク9(換言すれば、高圧タービンロータ7)を回転させることができる。一方、高圧タービンロータ7の回転によって高圧圧縮機ロータを回転させて、高圧圧縮機を駆動させることができる。   When the jet engine is operated, the plurality of turbine rotor blades 13 and the turbine disk 9 (in other words, the high-pressure turbine rotor 7) can be rotated by the expansion of the combustion gas FA from the combustor 3. On the other hand, the high-pressure compressor rotor can be driven by rotating the high-pressure compressor rotor by the rotation of the high-pressure turbine rotor 7.

ジェットエンジンの稼働中において、冷却空気抽気源61から抽気した冷却空気CAが冷却チャンバー55の外側分割チャンバー67を経由して各フロントインサート73の内部に流入すると、各フロントインサート73の複数のフロント噴出孔75から各タービン静翼23の前縁側冷却流路45の内壁面に向かって冷却空気CAが噴出される。また、冷却空気抽気源61から抽気した冷却空気CAが外側分割チャンバー67及び内側分割チャンバー65を経由して各リアインサート77の内部に流入すると、各リアインサート77の複数のリア噴出孔79から各タービン静翼23の後縁側冷却流路47の内壁面に向かって冷却空気CAが噴出される。これにより、各タービン静翼23の前縁側冷却流路45及び後縁側冷却流路47の内壁面に対してインピンジ冷却を行うことができる。更に、各フロントインサート73の複数のフロント噴出孔75から噴出された冷却空気CAが各タービン静翼23の複数の吹出孔49から吹出されることにより、各タービン静翼23の表面を覆う冷却空気フィルム(図示省略)を生成しつつ、各タービン静翼23の表面に対してフィルム冷却を行うことができるものである。なお、各リアインサート77の複数のリア噴出孔79から噴出された冷却空気CAは、各タービン静翼23の複数の排出孔51から排出される。   During operation of the jet engine, when the cooling air CA extracted from the cooling air extraction source 61 flows into the front inserts 73 via the outer divided chamber 67 of the cooling chamber 55, a plurality of front jets of the front inserts 73 are supplied. The cooling air CA is ejected from the hole 75 toward the inner wall surface of the cooling passage 45 on the leading edge side of each turbine stationary blade 23. Further, when the cooling air CA extracted from the cooling air extraction source 61 flows into the rear inserts 77 via the outer divided chamber 67 and the inner divided chamber 65, the cooling air CA is extracted from the plurality of rear ejection holes 79 of the rear inserts 77. Cooling air CA is ejected toward the inner wall surface of the trailing edge side cooling passage 47 of the turbine stationary blade 23. Thereby, impingement cooling can be performed on the inner wall surfaces of the leading edge side cooling flow path 45 and the trailing edge side cooling flow path 47 of each turbine stationary blade 23. Further, the cooling air CA ejected from the plurality of front ejection holes 75 of each front insert 73 is ejected from the plurality of ejection holes 49 of each turbine stationary blade 23, thereby covering the surface of each turbine stationary blade 23. Film cooling can be performed on the surface of each turbine vane 23 while generating a film (not shown). Note that the cooling air CA ejected from the plurality of rear ejection holes 79 of each rear insert 77 is exhausted from the plurality of exhaust holes 51 of each turbine stationary blade 23.

ここで、仕切部材63によって冷却チャンバー55内を径方向内側と径方向の外側で内側分割チャンバー65と外側分割チャンバー67に仕切られ、フロントインサート73の内部が外側分割チャンバー67に連通しかつ内側分割チャンバー65と遮断され、リアインサート77の内部が内側分割チャンバー65及び外側分割チャンバー67に連通してあるため、通常、各フロントインサート73の内部に流入される冷却空気CAには、低圧の燃焼ガスFAが含まれていないのに対して、各リアインサート77の内部に流入される冷却空気CAには、低圧の燃焼ガスFAを含まれることになる。これにより、各フロントインサート73の内部に流入される冷却空気CAの圧力を高くする一方、各リアインサート77の内部に流入される冷却空気CAの圧力の上昇を抑えて、各タービン静翼23の後縁側冷却流路47内の圧力と各タービン静翼23の外側の圧力との差を小さくして、各タービン静翼23の後縁の膨らみを低減することができる。   Here, the inside of the cooling chamber 55 is divided into an inner divided chamber 65 and an outer divided chamber 67 on the radially inner side and radially outer side by the partition member 63, and the inside of the front insert 73 communicates with the outer divided chamber 67 and is divided into the inner divided chambers. Since the rear insert 77 is cut off from the chamber 65 and communicates with the inner divided chamber 65 and the outer divided chamber 67, the cooling air CA that flows into the front insert 73 is usually low pressure combustion gas. While FA is not included, the cooling air CA that flows into the rear inserts 77 includes a low-pressure combustion gas FA. Thus, the pressure of the cooling air CA flowing into the front inserts 73 is increased, while the increase in the pressure of the cooling air CA flowing into the rear inserts 77 is suppressed, so that the turbine stationary blades 23 By reducing the difference between the pressure in the trailing edge side cooling flow path 47 and the pressure outside the turbine stationary blades 23, the swelling of the trailing edge of each turbine stationary blade 23 can be reduced.

従って、本発明の実施形態によれば、各フロントインサート73の内部に流入される冷却空気CAの圧力を高くしつつ、各タービン静翼23の後縁側冷却流路47内の圧力と各タービン静翼23の外側の圧力との差を小さくして、各タービン静翼23の後縁の膨らみを低減できるため、各フロントインサート73のフロント噴出孔75の噴出圧を高くして、タービン用冷却構造53のインピンジ冷却及びフィルム冷却の冷却性能を十分に確保した上で、各タービン静翼23の後縁の応力を低減して、各タービン静翼23の後縁にクラック等の損傷が生じることを抑えることができる。   Therefore, according to the embodiment of the present invention, while increasing the pressure of the cooling air CA flowing into each front insert 73, the pressure in the trailing edge side cooling passage 47 of each turbine stationary blade 23 and each turbine static Since the difference between the pressure outside the blades 23 can be reduced and the bulge of the trailing edge of each turbine vane 23 can be reduced, the jet pressure of the front jet holes 75 of each front insert 73 is increased, and the turbine cooling structure 53, after ensuring sufficient cooling performance for impingement cooling and film cooling, the stress at the trailing edge of each turbine vane 23 is reduced, and damage such as cracks occurs at the trailing edge of each turbine vane 23. Can be suppressed.

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。   In addition, this invention is not restricted to description of the above-mentioned embodiment, In addition, it can implement in a various aspect. Further, the scope of rights encompassed by the present invention is not limited to these embodiments.

本発明の実施例について図4(a)(b)を参照して説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

リアインサートの内部に流入される冷却空気に低圧の燃焼ガスが含まれている場合(実施例の場合)、及びリアインサートの内部に流入される冷却空気に低圧の燃焼ガスが含まれていない場合(比較例の場合)における、タービン静翼の後縁のフープ方向の応力分布について構造解析すると、図4(a)(b)に示すようになる。   When the low-pressure combustion gas is contained in the cooling air flowing into the rear insert (in the embodiment), and when the low-pressure combustion gas is not contained in the cooling air flowing into the rear insert A structural analysis of the hoop direction stress distribution at the trailing edge of the turbine stationary blade in the case of the comparative example is as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).

即ち、実施例の場合には、比較例の場合に比較して、タービン動翼の後縁の応力、特に、タービン動翼の後縁の噴出孔付近の応力を低減できることが確認された。より具体的には、比較例の場合における、タービン動翼の後縁の噴出孔付近の応力が41.4MPaであるのに対して、実施例の場合における、タービン動翼の後縁の噴出孔付近の応力が36.4MPaになり、タービン動翼の後縁の噴出孔付近の応力を12.1%低減できることが確認された。   That is, in the case of the example, it was confirmed that the stress at the trailing edge of the turbine blade, particularly the stress near the ejection hole at the trailing edge of the turbine blade can be reduced as compared with the comparative example. More specifically, the stress in the vicinity of the ejection hole at the trailing edge of the turbine blade in the case of the comparative example is 41.4 MPa, whereas the ejection hole at the trailing edge of the turbine blade in the example. The stress in the vicinity was 36.4 MPa, and it was confirmed that the stress in the vicinity of the ejection hole at the trailing edge of the turbine blade could be reduced by 12.1%.

CA 冷却空気
FA 燃焼ガス(主流ガス)
1 高圧タービン
3 燃焼器
5 高圧タービンケース
7 高圧タービンロータ
9 タービンディスク
13 タービン動翼
21 高圧タービンステータ
23 タービン静翼
25 アウターバンド
27 インナーバンド
29 フロント爪
31 フロントフック
33 リア爪
35 リアフック
43 補強リブ
45 前縁側冷却流路
47 後縁側冷却流路
49 吹出孔
51 排出孔
53 タービン用冷却構造
55 冷却チャンバー
61 冷却空気抽気源
63 仕切部材
65 内側分割チャンバー
67 外側分割チャンバー
69 開口部
71 通孔
73 フロントインサート
75 フロント噴出孔
77 リアインサート
79 リア噴出孔
CA Cooling air FA Combustion gas (Mainstream gas)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High pressure turbine 3 Combustor 5 High pressure turbine case 7 High pressure turbine rotor 9 Turbine disk 13 Turbine blade 21 High pressure turbine stator 23 Turbine stationary blade 25 Outer band 27 Inner band 29 Front claw 31 Front hook 33 Rear claw 35 Rear hook 43 Reinforcement rib 45 Front edge side cooling flow path 47 Rear edge side cooling flow path 49 Blowout hole 51 Discharge hole 53 Cooling structure for turbine 55 Cooling chamber 61 Cooling air extraction source 63 Partition member 65 Inner divided chamber 67 Outer divided chamber 69 Opening 71 Through hole 73 Front insert 75 Front ejection hole 77 Rear insert 79 Rear ejection hole

Claims (5)

ガスタービンエンジンのタービンに用いられ、前記タービンのタービンステータにおけるタービン静翼の内部を補強リブによって区画した前縁側冷却流路及び後縁側冷却流路の内壁面に対してインピンジ冷却を行うタービン用冷却構造において、
前記タービンのタービンケースの内周面と前記タービンステータのアウターバンドの外周面との間に区画され、冷却空気抽気源に接続され、前記冷却空気抽気源から抽気した冷却空気を収容する環状の冷却チャンバーと、
前記タービンステータの前記アウターバンドを囲むように設けられ、前記冷却チャンバー内を径方向内側と径方向の外側で、冷却空気よりも低圧の燃焼ガスの漏れ流れを許容可能でかつ前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路に連通した内側分割チャンバーと燃焼ガスの漏れ流れを抑止可能な外側分割チャンバーに仕切る環状の仕切部材と、
前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路内に挿入され、内部が前記外側分割チャンバーに連通しかつ前記内側分割チャンバーと遮断されてあって、前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路の内壁面に向かって冷却空気を噴出する複数のフロント噴出孔が形成されたパイプ状のフロントインサートと、
前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路内に挿入され、内部が前記内側分割チャンバー及び前記外側分割チャンバーに連通してあって、前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路の内壁面に向かって冷却空気を噴出するリア噴出孔が形成されたパイプ状のリアインサートと、を備えたことを特徴とするタービン用冷却構造。
Cooling for turbines used in a turbine of a gas turbine engine and performing impingement cooling on the inner wall surfaces of the leading edge side cooling flow path and the trailing edge side cooling flow path in which the inside of the turbine stationary blade in the turbine stator of the turbine is partitioned by reinforcing ribs In structure
Annular cooling that is defined between the inner peripheral surface of the turbine case of the turbine and the outer peripheral surface of the outer band of the turbine stator, is connected to a cooling air extraction source, and stores cooling air extracted from the cooling air extraction source A chamber;
The turbine stator is provided so as to surround the outer band, and is capable of allowing a leakage flow of combustion gas having a pressure lower than that of cooling air inside the cooling chamber on the radially inner side and the radially outer side. An inner partition chamber communicating with the trailing edge side cooling flow path and an annular partition member partitioning into an outer partition chamber capable of suppressing a leakage flow of combustion gas;
The turbine stationary blade is inserted into the leading edge side cooling flow path, and the inside communicates with the outer divided chamber and is cut off from the inner divided chamber. A pipe-shaped front insert formed with a plurality of front ejection holes for ejecting cooling air toward the wall surface;
The turbine stationary blade is inserted into the trailing edge side cooling channel, and the inside communicates with the inner divided chamber and the outer divided chamber, and faces the inner wall surface of the trailing edge side cooling channel of the turbine stationary blade. And a pipe-like rear insert in which a rear ejection hole for ejecting cooling air is formed.
前記フロントインサートを前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路内に挿入することによって前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路と前記内側分割チャンバーを遮断するようになっていることを特徴とする請求項1に記載のタービン用冷却構造。   The front insert is inserted into the leading edge side cooling flow path of the turbine stationary blade, whereby the leading edge side cooling flow path of the turbine stationary blade and the inner divided chamber are shut off. The turbine cooling structure according to claim 1. 前記仕切部材における前記タービン静翼の前記前縁側冷却流路に整合する位置に開口部が形成され、前記仕切部材の前記開口部の周縁に前記フロントインサートが設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のタービン用冷却構造。   The opening part is formed in the partition member in a position that matches the leading edge side cooling flow path of the turbine stationary blade, and the front insert is provided on the periphery of the opening part of the partition member. The cooling structure for turbines of Claim 1 or Claim 2. 前記仕切部材における前記タービン静翼の前記後縁側冷却流路に整合する位置に通孔が形成され、前記リアインサートの内部は前記外側分割チャンバー及び前記内側分割チャンバーに前記仕切部材の前記通孔を介して連通してあることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のタービン用冷却構造。   A through hole is formed in the partition member at a position aligned with the cooling passage on the trailing edge side of the turbine stationary blade, and the rear insert has the through hole of the partition member in the outer divided chamber and the inner divided chamber. The turbine cooling structure according to claim 1, wherein the turbine cooling structure is communicated with each other. ガスタービンエンジンの燃焼器からの燃焼ガスの膨張によって回転力を得るタービンにおいて、
請求項1から請求項4のうちのいずれかの請求項に記載のタービン用冷却構造を備えたことを特徴とするタービン。
In a turbine that obtains rotational power by expansion of combustion gas from a combustor of a gas turbine engine,
A turbine comprising the turbine cooling structure according to any one of claims 1 to 4.
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