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JP2016125380A - Cooling structure of turbine blade - Google Patents

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JP2016125380A
JP2016125380A JP2014265048A JP2014265048A JP2016125380A JP 2016125380 A JP2016125380 A JP 2016125380A JP 2014265048 A JP2014265048 A JP 2014265048A JP 2014265048 A JP2014265048 A JP 2014265048A JP 2016125380 A JP2016125380 A JP 2016125380A
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JP
Japan
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cooling
lattice
turbine
turbine blade
lattice structure
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Pending
Application number
JP2014265048A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
智紀 谷口
Tomonori Taniguchi
智紀 谷口
良造 田中
Ryozo Tanaka
良造 田中
豪 堀内
Takeshi Horiuchi
豪 堀内
雅英 餝
Masahide Kazari
雅英 餝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Priority to JP2014265048A priority Critical patent/JP2016125380A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cooling structure capable of efficiently cooling medium type and small-sized type turbine blades.SOLUTION: In a structure for cooling a turbine blade 1 of a turbine driven by high-temperature gas G from thereinside, provided are: a lattice structure 11 configured by overlapping and combining a plurality of rib sets in a lattice manner, the rib set comprising a plurality of ribs 14 arranged on the wall surface of a cooling passage 7 provided in the turbine blade 1; and a pin fin structure 13 arranged at a rear side in a flow direction of the high-temperature gas G to the lattice structure 11, in the cooling passage where the lattice structure 11 is arranged, and comprising a plurality of pin fins 21.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのタービンにおける静翼および動翼を、内部から冷却するための構造に関する。   The present invention relates to a structure for cooling a stationary blade and a moving blade in a turbine of a gas turbine engine from the inside.

ガスタービンエンジンを構成するタービンは、燃焼器の下流に配置され、燃焼器で燃焼された高温のガスが供給されるため、ガスタービンエンジンの運転中は高温にさらされる。したがって、タービンの静翼および動翼を冷却する必要がある。このようなタービン翼を冷却する構造として、圧縮機で圧縮された空気の一部を、翼内に形成した冷却通路に導入し、圧縮空気を冷却媒体としてタービン翼を冷却することが知られている(例えば、特許文献1参照)。   The turbine constituting the gas turbine engine is disposed downstream of the combustor and is supplied with high-temperature gas combusted in the combustor. Therefore, the turbine is exposed to high temperatures during operation of the gas turbine engine. Therefore, it is necessary to cool the stationary blades and the moving blades of the turbine. As a structure for cooling such turbine blades, it is known that a part of air compressed by a compressor is introduced into a cooling passage formed in the blades, and the turbine blades are cooled by using compressed air as a cooling medium. (For example, refer to Patent Document 1).

圧縮空気の一部をタービン翼の冷却に用いる場合、外部から冷却媒体を導入する必要がなく、冷却構造を簡単にできるメリットがある一方、圧縮機で圧縮された空気を多量に冷却に用いるとエンジン効率の低下につながるので、最小限の空気量で効率的に冷却を行う必要がある。タービン翼を高い効率で冷却するための構造として、複数のリブを格子状に組み合わせて形成した、いわゆるラティス構造を採用することが提案されている(例えば、特許文献2,3参照)。   When a part of compressed air is used for cooling turbine blades, there is no need to introduce a cooling medium from the outside, and there is an advantage that the cooling structure can be simplified. On the other hand, if a large amount of air compressed by the compressor is used for cooling Since this leads to a decrease in engine efficiency, it is necessary to efficiently perform cooling with a minimum amount of air. As a structure for cooling the turbine blades with high efficiency, it has been proposed to adopt a so-called lattice structure in which a plurality of ribs are combined in a lattice pattern (see, for example, Patent Documents 2 and 3).

米国特許第5603606号明細書US Pat. No. 5,603,606 特許第4957131号明細書Japanese Patent No. 4957131 米国特許第6382907号明細書US Pat. No. 6,382,907

しかし、ラティス構造のような複雑な冷却構造を、鋳造によって狭い空間に設けることは困難である。一方で、タービン翼は、その後縁部を薄く形成するのが一般的であり、特に中・小型のガスタービンのタービン翼においては、翼後縁部は極めて薄く設計される。したがって、上記特許文献2,3に開示されている、タービン翼内部の冷却通路全体にラティス構造を設ける構成は、中・小型のガスタービンに適用することが困難であった。   However, it is difficult to provide a complicated cooling structure such as a lattice structure in a narrow space by casting. On the other hand, the turbine blade is generally formed with a thin trailing edge. In particular, in a turbine blade of a medium or small-sized gas turbine, the blade trailing edge is designed to be extremely thin. Therefore, it is difficult to apply the structure disclosed in Patent Documents 2 and 3 in which a lattice structure is provided in the entire cooling passage inside the turbine blade to a medium / small gas turbine.

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、中型および小型のタービン翼を効率的に冷却することができる冷却構造を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a cooling structure capable of efficiently cooling medium and small turbine blades in order to solve the above-described problems.

上記目的を達成するために、本発明に係るタービン翼の冷却構造は、高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を内部から冷却するための構造であって、前記タービン翼内に設けられた冷却通路の壁面に配置された複数のリブからなるリブ組を複数組格子状に重ねて組み合わせてなるラティス構造体と、前記ラティス構造体が配置された冷却通路内で、前記ラティス構造体に対して前記高温ガスの流れ方向における後方に配置された、複数のピンフィンからなるピンフィン構造体とを備える。   To achieve the above object, a turbine blade cooling structure according to the present invention is a structure for cooling a turbine blade of a turbine driven by high-temperature gas from the inside, and is provided in the turbine blade. A lattice structure formed by combining a plurality of rib sets each including a plurality of ribs arranged on the wall surface of the passage in a lattice pattern, and a cooling passage in which the lattice structure is arranged, with respect to the lattice structure A pin fin structure including a plurality of pin fins disposed rearward in the flow direction of the hot gas.

この構成によれば、ラティス構造体によって冷却媒体流内に乱れを生じさせた状態で、この冷却媒体をさらにピンフィンに衝突させるので、ラティス構造体自体による高効率の冷却に加えて、ラティス構造体と比較して冷却効率が低いピンフィン構造体による冷却効率も向上する。したがって、極めて高い効率でタービン翼を冷却することができる。また、高温ガスの流れ方向の前方と比べて薄く設計される後方の冷却構造をピンフィン構造体とすることにより、中型および小型のガスタービンのタービン翼に対しても製作を可能とし、高い冷却効率を実現できる。   According to this configuration, since the cooling medium further collides with the pin fin in a state in which the cooling medium flow is disturbed by the lattice structure, in addition to the highly efficient cooling by the lattice structure itself, the lattice structure As a result, the cooling efficiency by the pin fin structure having a low cooling efficiency is also improved. Therefore, the turbine blade can be cooled with extremely high efficiency. In addition, by using a pin fin structure for the rear cooling structure designed to be thinner than the front of the hot gas flow direction, it is possible to manufacture turbine blades for medium and small gas turbines with high cooling efficiency. Can be realized.

本発明の一実施形態において、前記ピンフィン構造体が、前記ラティス構造体から離間して配置されていることが好ましい。この場合、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体との間隔Lが、前記ラティス構造体の出口部分の流路幅をw,流路高さをh,Dh=2wh/(w+h)としたとき、2Dh≦L≦7Dhの範囲にあることが好ましい。この構成によれば、ラティス構造体から流出した冷却媒体の流れの向きを均一化させた後に冷却媒体をピンフィンに衝突させることができる。その結果、ピンフィン構造体内部での冷却媒体の流れが不均一となることが防止され、ピンフィン構造体において冷却効率が低下することを抑制できる。   In one embodiment of the present invention, it is preferable that the pin fin structure is disposed apart from the lattice structure. In this case, when the interval L between the lattice structure and the pin fin structure is w, the flow path width of the exit portion of the lattice structure is h, the flow path height is h, Dh = 2wh / (w + h), It is preferably in the range of 2Dh ≦ L ≦ 7Dh. According to this configuration, the cooling medium can collide with the pin fins after the flow direction of the cooling medium flowing out from the lattice structure is made uniform. As a result, the flow of the cooling medium inside the pin fin structure is prevented from becoming non-uniform, and the cooling efficiency of the pin fin structure can be suppressed from decreasing.

本発明の一実施形態において、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体とからなる冷却構造体が、仕切り体によって前記タービン翼の高さ方向に分割された、複数の冷却構造分割体を有していてもよい。この構成によれば、ラティス構造体の側壁間距離が短くなり、ラティス構造体の流路を流れる冷却媒体が側壁に衝突して折り返す回数が増える。これにより、ラティス構造体を流れる冷却媒体流の乱れが促進され、一層効率的な冷却が可能となる。   In one embodiment of the present invention, the cooling structure composed of the lattice structure and the pin fin structure has a plurality of cooling structure divided bodies divided in the height direction of the turbine blades by a partition. May be. According to this configuration, the distance between the side walls of the lattice structure is shortened, and the number of times the cooling medium flowing through the flow path of the lattice structure collides with the side wall and turns back is increased. Thereby, the disturbance of the cooling medium flow flowing through the lattice structure is promoted, and more efficient cooling is possible.

本発明の一実施形態において、前記仕切り体として、複数の仕切り用ピンフィンが設けられていることが好ましい。この構成によれば、仕切り体を軽量化でき、応力の発生が抑制される。   In one embodiment of the present invention, it is preferable that a plurality of partition pin fins are provided as the partition body. According to this structure, a partition body can be reduced in weight and generation | occurrence | production of stress is suppressed.

本発明によれば、中型および小型のタービン翼を効率的に冷却することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to efficiently cool medium-sized and small turbine blades.

本発明の第1実施形態に係る冷却構造が適用されるタービン翼の一例を示す斜視図である。It is a perspective view showing an example of a turbine blade to which a cooling structure concerning a 1st embodiment of the present invention is applied. 図1のタービン翼の冷却構造を模式的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows typically the cooling structure of the turbine blade of FIG. 図2の冷却構造に用いられるラティス構造体11を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the lattice structure 11 used for the cooling structure of FIG. 図2の冷却構造のラティス構造体11とピンフィン構造体13との位置関係を説明する模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a positional relationship between a lattice structure 11 and a pin fin structure 13 having a cooling structure in FIG. 2. 図1のタービン翼の横断面図である。It is a cross-sectional view of the turbine blade of FIG. タービン翼における冷却構造の配置の一例を模式的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows typically an example of arrangement | positioning of the cooling structure in a turbine blade. 本発明の第2実施形態を模式的に示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing a 2nd embodiment of the present invention typically. 本発明の第2実施形態に係るタービン翼の冷却構造の例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of the cooling structure of the turbine blade which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

以下,本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態であるタービン翼の冷却構造が適用される、ガスタービンエンジンのタービンの動翼1を示す斜視図である。タービン動翼1は、図示しない燃焼器から供給された、矢印方向に流れる高温ガスGによって駆動されるタービンTを形成している。具体的には、タービン動翼1は、図2に示すように、そのプラットフォーム3がタービンディスク5の外周部に連結されることで、周方向に多数植設されてタービンTを形成している。本明細書では、高温ガスGの流れ方向に沿った上流側(図1の左側)を前方と呼び、下流側(図1の右側)を後方と呼ぶ。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a turbine blade 1 of a turbine of a gas turbine engine to which a turbine blade cooling structure according to an embodiment of the present invention is applied. The turbine rotor blade 1 forms a turbine T that is driven by a hot gas G that is supplied from a combustor (not shown) and flows in the direction of the arrow. Specifically, as shown in FIG. 2, the turbine rotor blade 1 is connected to the outer periphery of the turbine disk 5 so that a large number of the turbine blades 1 are implanted in the circumferential direction to form a turbine T. . In the present specification, the upstream side (the left side in FIG. 1) along the flow direction of the hot gas G is referred to as the front, and the downstream side (the right side in FIG. 1) is referred to as the rear.

なお、以下の説明では、冷却構造が設けられるタービン翼として、主としてタービン動翼1を例として示すが、特に説明する場合を除き、本実施形態に係る冷却構造はタービン静翼にも同様に適用することができる。   In the following description, the turbine blade 1 is mainly shown as an example of the turbine blade provided with the cooling structure. However, the cooling structure according to the present embodiment is similarly applied to the turbine stationary blade unless otherwise described. can do.

図2に示すように、タービン動翼1の前部1aの内部には、翼高さ方向Hに延びて折り返す前部冷却通路6が形成されている。タービン動翼1の後部1bの内部には、後部冷却通路7が形成されている。圧縮機からの圧縮空気の一部(冷却媒体CL)が、径方向内側のタービンディスク5の内部に形成された前部冷却媒体導入通路8,後部冷却媒体導入通路9を通って、径方向外側に向かって流れ、それぞれ前部冷却通路6,後部冷却通路7に導入される。前部冷却通路6,後部冷却通路7に供給された冷却媒体CLは、タービン動翼1の外部に連通する図示しない排出孔から外部へ排出される。以後、本実施形態に係る冷却構造をタービン動翼1の後部1bに設けた例について説明するが、本実施形態に係る冷却構造は、タービン動翼1の前後方向におけるどの部分に設けてもよい。   As shown in FIG. 2, a front cooling passage 6 extending in the blade height direction H and turning back is formed inside the front portion 1 a of the turbine blade 1. A rear cooling passage 7 is formed inside the rear portion 1 b of the turbine rotor blade 1. A part of the compressed air (cooling medium CL) from the compressor passes through the front cooling medium introduction passage 8 and the rear cooling medium introduction passage 9 formed inside the turbine disk 5 on the radially inner side, and then radially outside. To the front cooling passage 6 and the rear cooling passage 7 respectively. The cooling medium CL supplied to the front cooling passage 6 and the rear cooling passage 7 is discharged to the outside through a discharge hole (not shown) communicating with the outside of the turbine rotor blade 1. Hereinafter, an example in which the cooling structure according to the present embodiment is provided in the rear portion 1b of the turbine rotor blade 1 will be described. However, the cooling structure according to the present embodiment may be provided in any portion in the front-rear direction of the turbine rotor blade 1. .

後部冷却通路7の内部には、タービン動翼1を内部から冷却するための冷却構造として、冷却構造体10が設けられている。冷却構造体10は、ラティス構造体11とピンフィン構造体13とからなる。冷却構造体10は、後部冷却通路7の内壁面に立設されたラティス構造体のリブおよびピンフィン構造体13のピンフィンに冷却媒体CLを接触または衝突させることにより、タービン動翼1をその内部から冷却する。ピンフィン構造体13は、後部冷却通路7内で、ラティス構造体11に対して後方に配置されている。   A cooling structure 10 is provided in the rear cooling passage 7 as a cooling structure for cooling the turbine rotor blade 1 from the inside. The cooling structure 10 includes a lattice structure 11 and a pin fin structure 13. The cooling structure 10 allows the cooling blade CL to contact or collide with the ribs of the lattice structure erected on the inner wall surface of the rear cooling passage 7 and the pin fins of the pin fin structure 13 to bring the turbine rotor blade 1 from the inside. Cooling. The pin fin structure 13 is disposed behind the lattice structure 11 in the rear cooling passage 7.

後部冷却通路7内において、冷却媒体CLの全体は、冷却構造体10を前方から後方へ横切る方向に流れる。以下の説明では、この冷却媒体CL全体の流れ方向を、冷媒移動方向Mと呼ぶ。   In the rear cooling passage 7, the entire cooling medium CL flows in a direction crossing the cooling structure 10 from the front to the rear. In the following description, the flow direction of the entire cooling medium CL is referred to as a refrigerant moving direction M.

図3に示すように、ラティス構造体11は、後部冷却通路7の壁面に、互いに平行にかつ等間隔に配置された複数のリブ14からなるリブ組を、複数組格子状に重ねて組み合わせることにより形成されている。本実施形態では、2つのリブ組、すなわち第1リブ組(図3における下段のリブ組)15Aと第2リブ組(図3における上段のリブ組)15Bとを、リブ14の高さ方向に格子状に重ねることによって組み合わせて、ラティス構造体11が形成されている。なお、各リブ組における複数のリブ14の配置構成は、互いに平行かつ等間隔である必要はなく、タービン翼の構造や要求される冷却性能等に応じて適宜設定してよい。   As shown in FIG. 3, the lattice structure 11 is formed by combining a plurality of ribs 14 including a plurality of ribs 14 arranged in parallel to each other at equal intervals on the wall surface of the rear cooling passage 7. It is formed by. In the present embodiment, two rib sets, that is, a first rib set (lower rib set in FIG. 3) 15A and a second rib set (upper rib set in FIG. 3) 15B are arranged in the height direction of the ribs 14. The lattice structure 11 is formed by combining by overlapping in a lattice shape. Note that the arrangement of the plurality of ribs 14 in each rib set need not be parallel to each other and equally spaced, and may be appropriately set according to the structure of the turbine blade, the required cooling performance, and the like.

ラティス構造体11において、各リブ組15A,15Bの隣り合うリブ14,14間の間隙が冷却媒体CLの流路(ラティス流路)17を形成する。ラティス構造体11は、後部冷却通路7内において、冷媒移動方向Mに延びる2つの側壁19,19の間に、ラティス流路17が冷媒移動方向Mに対して傾斜するように配置される。ラティス構造体11に導入された冷却媒体CLは、図3に破線矢印で示すように、まず一方のリブ組(図3の例では下段の第1リブ組15A)のラティス流路17を流れ、一方の側壁19に衝突して折返し、図3に実線矢印で示すように、他方のリブ組(図3の例では上段の第2リブ組)のラティス流路17に流れ込む。この他方のラティス流路17を流れる冷却媒体CLは、その後他方の側壁19に衝突して折返し、再び第1リブ組のラティス流路17に流れ込む。このように、ラティス構造体11においては、冷却媒体CLが、ラティス流路17を流れ、側壁19に衝突して折返し、他方のラティス流路17に流れ込むことを繰り返した後にラティス構造体11から排出される。冷却媒体CLが側壁19への衝突を繰り返すことにより、冷却媒体CL流れの中に乱れが発生し、冷却が促進される。   In the lattice structure 11, the gap between the adjacent ribs 14, 14 of each rib set 15 </ b> A, 15 </ b> B forms a flow path (lattice flow path) 17 for the cooling medium CL. In the rear cooling passage 7, the lattice structure 11 is arranged between the two side walls 19, 19 extending in the refrigerant movement direction M so that the lattice flow path 17 is inclined with respect to the refrigerant movement direction M. The cooling medium CL introduced into the lattice structure 11 first flows through the lattice flow path 17 of one rib set (the first rib set 15A in the lower stage in the example of FIG. 3), as indicated by broken line arrows in FIG. It collides with one side wall 19 and turns back, and flows into the lattice channel 17 of the other rib set (the upper second rib set in the example of FIG. 3) as shown by the solid line arrow in FIG. The cooling medium CL flowing through the other lattice channel 17 then collides with the other side wall 19 and turns back, and flows again into the lattice channel 17 of the first rib set. As described above, in the lattice structure 11, the cooling medium CL flows through the lattice channel 17, collides with the side wall 19, turns back, and repeatedly flows into the other lattice channel 17, and then is discharged from the lattice structure 11. Is done. When the cooling medium CL repeatedly collides with the side wall 19, turbulence occurs in the flow of the cooling medium CL, and cooling is promoted.

なお、図2に示す実施形態においては、後部冷却通路7の上下の端壁7a,7bが図3の側壁19に相当する。また、図2の実施形態においては、一部のラティス流路17に流入した冷却媒体CLは、上下の端壁7a,7bに衝突することなくラティス構造体11から流出する。   In the embodiment shown in FIG. 2, the upper and lower end walls 7a and 7b of the rear cooling passage 7 correspond to the side wall 19 in FIG. In the embodiment of FIG. 2, the cooling medium CL that has flowed into some of the lattice channels 17 flows out of the lattice structure 11 without colliding with the upper and lower end walls 7a and 7b.

本実施形態では、図3に示すように、ラティス流路17の各出口部分において、上段と下段の各リブ14の高さ、すなわち翼厚方向のラティス流路高さhは同一である。また、第1リブ組15Aにおけるリブ14,14同士の間隔と、第2リブ組15Bにおけるリブ14,14同士の間隔とは同一である。すなわち、第1リブ組15Aにおけるラティス流路幅wと、第2リブ組15Bにおけるラティス流路幅wとは同一である。第1リブ組15Aの延設方向と第2リブ組15Bの延設方向とのなす角度は略90°に設定されている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the height of each of the upper and lower ribs 14 in each outlet portion of the lattice channel 17, that is, the lattice channel height h in the blade thickness direction is the same. The interval between the ribs 14 and 14 in the first rib set 15A is the same as the interval between the ribs 14 and 14 in the second rib set 15B. That is, the lattice flow path width w in the first rib set 15A and the lattice flow path width w in the second rib set 15B are the same. The angle formed by the extending direction of the first rib set 15A and the extending direction of the second rib set 15B is set to approximately 90 °.

図2に示すピンフィン構造体13は、後部冷却通路7の内壁面間に立設された複数のピンフィン21からなる。本実施形態におけるピンフィン構造体13では、タービン動翼1の高さ方向H(タービンTの径方向)にほぼ沿って等間隔に並ぶ複数のピンフィン21からなるピンフィン列13Rが、前後方向に複数(図示の例では3列)配列されている。   The pin fin structure 13 shown in FIG. 2 includes a plurality of pin fins 21 erected between the inner wall surfaces of the rear cooling passage 7. In the pin fin structure 13 according to the present embodiment, a plurality of pin fin rows 13R including a plurality of pin fins 21 arranged at equal intervals substantially along the height direction H (the radial direction of the turbine T) of the turbine rotor blade 1 are provided in the front-rear direction ( In the example shown in FIG.

ピンフィン構造体13における複数のピンフィン21の配置は任意に設定してよい。図4に示すように、本実施形態では、各列におけるピンフィン21,21間の間隔Pはすべて等しい。また、前後に隣接するいずれのピンフィン21,21間の間隔Pも同一となるようにピンフィン21を配置している。前後方向に隣接するピンフィン列13Rの各ピンフィン21は、前記ピン間隔Pの1/2だけずれている。その結果、各ピンフィン列13Rのピンフィン21は、冷媒移動方向Mに沿って千鳥状に配列されている。 The arrangement of the plurality of pin fins 21 in the pin fin structure 13 may be arbitrarily set. As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the interval P r between the pin fins 21, 21 in each row are equal. Also arranged pin fins 21, as the interval P l the same between any pin fins 21, 21 which are adjacent back and forth. Each pin fin 21 of the pin fin rows 13R adjacent in the longitudinal direction are shifted by 1/2 of the pin spacing P r. As a result, the pin fins 21 of each pin fin row 13R are arranged in a staggered manner along the refrigerant moving direction M.

本実施形態では、ピンフィン構造体13が、ラティス構造体11から離間して配置されている。ラティス構造体11とピンフィン構造体13との間を離間させることにより、ラティス構造体11の複数のラティス流路17から後方へ、ピンフィン構造体へ向かって流出する冷却媒体CL流の向きを均一化することができる。もっとも、ラティス構造体11とピンフィン構造体13との間隔L(冷媒移動方向Mに沿った距離)が長すぎると、冷却構造体10における冷却に寄与しない部分の面積が増えることになる。このような観点から、より具体的には、ラティス構造体11とピンフィン構造体13との間隔Lが、D=2wh/(w+h)として、2D≦L≦7Dの範囲にあることが好ましく、4D≦L≦5Dの範囲にあることがより好ましい。ここで、「D」は、ラティス構造体11の出口部分における矩形のラティス流路17の水力直径である。なお、「ラティス構造体11とピンフィン構造体13との間隔L」とは、ラティス構造体11の出口部分の後端11aと、ピンフィン構造体13の最前列に位置するピンフィン列の複数のピンフィン21の中心を結ぶ仮想線Cとの、冷媒移動方向Mに沿った距離を指す。 In the present embodiment, the pin fin structure 13 is disposed away from the lattice structure 11. By separating the lattice structure 11 and the pin fin structure 13 from each other, the direction of the cooling medium CL flowing out backward from the plurality of lattice channels 17 of the lattice structure 11 toward the pin fin structure is made uniform. can do. However, if the distance L between the lattice structure 11 and the pin fin structure 13 (the distance along the refrigerant moving direction M) is too long, the area of the cooling structure 10 that does not contribute to cooling increases. From this point of view, more specifically, the distance L between the lattice structure 11 and the pin fin structure 13 may be in the range of 2D h ≦ L ≦ 7D h , where D h = 2wh / (w + h). Preferably, it is in the range of 4D h ≦ L ≦ 5D h . Here, “D h ” is the hydraulic diameter of the rectangular lattice channel 17 at the exit portion of the lattice structure 11. The “interval L between the lattice structure 11 and the pin fin structure 13” refers to the rear end 11 a of the exit portion of the lattice structure 11 and the plurality of pin fins 21 in the pin fin row located in the front row of the pin fin structure 13. The distance along the refrigerant moving direction M with the virtual line C connecting the centers of the two points.

冷却構造体10は、タービン動翼1の任意の位置および範囲に配置することができる。もっとも、図5に示すように、ピンフィン構造体13は、複数のリブ組15A,15Bを重ねることによって構成されるラティス構造体11に比べて、冷却通路幅(冷却通路の壁面間距離)Dが短い領域にも容易に設けることができる。したがって、図5に示す、後方へ向かって冷却通路幅Dが次第に狭まる構造の冷却通路7において、冷却構造体10を、図2に示すように、少なくとも翼長(翼断面の中心線に沿った長さ)に対して後方半分の範囲に設けることが好ましい。   The cooling structure 10 can be disposed at any position and range of the turbine rotor blade 1. However, as shown in FIG. 5, the pin fin structure 13 has a cooling passage width (distance between wall surfaces of the cooling passage) D as compared with the lattice structure 11 configured by overlapping a plurality of rib sets 15 </ b> A and 15 </ b> B. It can be easily provided even in a short region. Therefore, in the cooling passage 7 having a structure in which the cooling passage width D gradually narrows toward the rear as shown in FIG. 5, the cooling structure 10 is at least blade length (along the center line of the blade cross section as shown in FIG. 2). It is preferable to provide in the range of the rear half with respect to (length).

また、ピンフィン構造体13は、図5に示すように、冷却通路幅Dが短い領域にも容易に設けることができるので、ラティス構造体11を設ける領域とピンフィン構造体13を設ける領域との境界を、冷却通路幅Dによって決定してもよい。例えば、冷却通路幅Dが2mm以上の領域にはラティス構造体11を配置し、冷却通路幅Dが2mm未満の領域にはピンフィン構造体13を配置する。   Further, as shown in FIG. 5, the pin fin structure 13 can be easily provided even in a region where the cooling passage width D is short. Therefore, the boundary between the region where the lattice structure 11 is provided and the region where the pin fin structure 13 is provided. May be determined by the cooling passage width D. For example, the lattice structure 11 is disposed in a region where the cooling passage width D is 2 mm or more, and the pin fin structure 13 is disposed in a region where the cooling passage width D is less than 2 mm.

同様の理由から、本実施形態に係る冷却構造は、中型〜小型のガスタービンエンジンのタービン翼に使用するのに特に適している。より具体的には、出力40MW以下のガスタービンエンジンのタービン翼の冷却に用いるのに適している。   For the same reason, the cooling structure according to the present embodiment is particularly suitable for use in the turbine blades of a medium to small gas turbine engine. More specifically, it is suitable for use in cooling a turbine blade of a gas turbine engine having an output of 40 MW or less.

また、図2に示すように、冷却構造体10は、タービン動翼1の高さ方向H(タービンの径方向)のほぼ全体に渡って設けることができるが、高さ方向Hの一部にのみ、例えば、図6に示すように、タービン動翼1の根元側(図示の例では根元側半分の領域)、すなわち径方向内側にのみ設けてもよい。これにより、タービン動翼1の中で大きな応力がかかる部分である根元部分を効果的に冷却することができる。同様の理由により、タービン静翼に冷却構造体10を設ける場合には、タービンの径方向外側となるタービン静翼の根元側にのみ冷却構造体10を設けてもよい。   In addition, as shown in FIG. 2, the cooling structure 10 can be provided over almost the entire height direction H (the radial direction of the turbine) of the turbine rotor blade 1, but in a part of the height direction H. Only, for example, as shown in FIG. 6, the turbine rotor blade 1 may be provided only on the root side (in the illustrated example, the region on the root side half), that is, on the radially inner side. Thereby, the root part which is a part to which a big stress is applied in the turbine rotor blade 1 can be cooled effectively. For the same reason, when the cooling structure 10 is provided on the turbine stationary blade, the cooling structure 10 may be provided only on the root side of the turbine stationary blade that is the radially outer side of the turbine.

このように、本実施形態に係る冷却構造によれば、ラティス構造体11によって冷却媒体CL流内に乱れを生じさせた状態で、この冷却媒体CLをさらにピンフィン21に衝突させるので、ラティス構造体11自体による高効率の冷却に加えて、ピンフィン構造体13による冷却効率も向上する。したがって、極めて高い効率でタービン翼を冷却することができる。また、また、高温ガスの流れ方向の前方と比べて薄く設計される後方の冷却構造をピンフィン構造体13とすることにより、中型および小型のガスタービンのタービン翼に対しても製作を可能とし、高い冷却効率を実現できる。   As described above, according to the cooling structure according to the present embodiment, the lattice structure 11 causes the cooling medium CL to further collide with the pin fins 21 in a state in which the lattice structure 11 causes a disturbance in the cooling medium CL flow. In addition to the highly efficient cooling by 11 itself, the cooling efficiency by the pin fin structure 13 is also improved. Therefore, the turbine blade can be cooled with extremely high efficiency. In addition, by using the pin fin structure 13 as the rear cooling structure designed to be thinner than the front in the flow direction of the high-temperature gas, it is possible to manufacture the turbine blades of medium and small gas turbines. High cooling efficiency can be realized.

図7に、本発明の第2実施形態に係る冷却構造を示す。本実施形態における冷却構造体10は、仕切り体25によってタービン動翼1の高さ方向Hに分割された、複数の冷却構造分割体29を有している点において第1実施形態と異なる。以下、主として第1実施形態と異なる点について詳述し、第1実施形態と共通する点については説明を省略する。   FIG. 7 shows a cooling structure according to the second embodiment of the present invention. The cooling structure 10 according to the present embodiment is different from the first embodiment in that the cooling structure 10 includes a plurality of cooling structure divided bodies 29 that are divided in the height direction H of the turbine rotor blade 1 by a partition body 25. Hereinafter, the points different from the first embodiment will be mainly described in detail, and the description of the points common to the first embodiment will be omitted.

図7の例では、冷却構造体10は、2つの仕切り体25,25によって高さ方向に分割された3つの冷却構造分割体29を有している。隣接する冷却構造分割体29間を仕切る仕切り体25は、隣接する冷却構造分割体29,29間の冷却媒体CLの流通を実質的に妨げることが可能であり、かつ、ラティス構造体11の側部において、冷却媒体CLを衝突させて、一方のラティス流路17から他方のラティス流路17(図4)へ流れ込むように折り返すことができれば、どのようなものを用いてもよい。一例として、平板状の仕切り板を仕切り体として用いることが考えられるが、本実施形態では、複数の仕切り用ピンフィン31を仕切り体25として用いている。   In the example of FIG. 7, the cooling structure 10 includes three cooling structure division bodies 29 divided in the height direction by two partition bodies 25 and 25. The partition body 25 that partitions the adjacent cooling structure division bodies 29 can substantially prevent the flow of the cooling medium CL between the adjacent cooling structure division bodies 29 and 29, and is on the side of the lattice structure body 11. As long as the cooling medium CL can be collided in the part and can be turned back so as to flow from one lattice channel 17 to the other lattice channel 17 (FIG. 4), any material may be used. As an example, it is conceivable to use a flat partition plate as a partition body, but in the present embodiment, a plurality of partition pin fins 31 are used as the partition body 25.

隣接する冷却構造分割体29,29間を仕切る仕切り体25として仕切り用ピンフィン31を用いることにより、仕切り体25を軽量化でき、応力の発生が抑制される。仕切り用ピンフィン31の外径は、ピンフィン構造体13に用いるピンフィン21の外径と同一であってもよく、異なっていてもよい。   By using the partition pin fin 31 as the partition body 25 that partitions between the adjacent cooling structure division bodies 29, 29, the partition body 25 can be reduced in weight, and the generation of stress is suppressed. The outer diameter of the partition pin fin 31 may be the same as or different from the outer diameter of the pin fin 21 used for the pin fin structure 13.

図7の例では、3つの冷却構造分割体29は、同一の高さ方向寸法を有している。また、3つの冷却構造分割体におけるラティス構造体11の前後方向寸法は同一であり、ピンフィン構造体13の前後方向寸法も同一である。もっとも、冷却構造分割体29の高さ方向寸法は、冷却構造分割体29ごとに異なっていてもよく、また、各冷却体構造分割体29におけるラティス構造体11の前後方向寸法およびピンフィン構造体13の前後方向寸法も、冷却構造分割体29ごとに異なっていてよい。一例として、図8に、3つの冷却構造分割体29のうち、高さ方向Hの中央部の冷却構造分割体29の高さ方向寸法を、他の2つの冷却構造分割体29の高さ方向寸法よりも短くし、かつ、高さ方向最上部の冷却構造分割体29のピンフィン構造体13の前後方向寸法を、他の2つの冷却構造分割体29におけるピンフィン構造体13の前後方向寸法よりも長くし、その分ラティス構造体11の前後方向寸法を短くした例を示す。   In the example of FIG. 7, the three cooling structure division bodies 29 have the same height direction dimension. The front-rear direction dimensions of the lattice structure 11 in the three cooling structure divided bodies are the same, and the front-rear direction dimensions of the pin fin structure 13 are also the same. But the height direction dimension of the cooling structure division body 29 may differ for every cooling structure division body 29, and the front-back direction dimension of the lattice structure 11 in each cooling body structure division body 29 and the pin fin structure 13 The front-rear direction dimensions may also be different for each cooling structure divided body 29. As an example, in FIG. 8, among the three cooling structure divided bodies 29, the height direction dimension of the cooling structure divided body 29 in the center in the height direction H is shown as the height direction of the other two cooling structure divided bodies 29. The dimension in the front-rear direction of the pin fin structure 13 of the cooling structure division 29 at the top in the height direction is shorter than the dimension in the front-rear direction of the pin fin structure 13 in the other two cooling structure divisions 29. An example in which the length is increased and the dimension in the front-rear direction of the lattice structure 11 is shortened accordingly.

このように、ラティス構造体11とピンフィン構造体13とからなる冷却構造体10が、仕切り体25によってタービン動翼1の高さ方向Hに分割された複数の冷却構造分割体29を有することにより、ラティス構造体11の側壁間距離が短くなり、ラティス構造体11の流路を流れる冷却媒体CLが側壁に衝突して折り返す回数が増える。これにより、ラティス構造体11を流れる冷却媒体CL流の乱れが促進され、一層効率的な冷却が可能となる。さらには、ラティス構造体11を分割することにより、各冷却構造分割体29が互いに異なる寸法を有する構成とすることができる。これにより、タービン動翼1の部分に応じて最適な冷却効率を設定することが可能となる。   As described above, the cooling structure 10 including the lattice structure 11 and the pin fin structure 13 includes the plurality of cooling structure divided bodies 29 divided in the height direction H of the turbine blade 1 by the partition 25. The distance between the side walls of the lattice structure 11 is shortened, and the number of times the cooling medium CL flowing through the flow path of the lattice structure 11 collides with the side wall and turns back. Thereby, the disturbance of the flow of the cooling medium CL flowing through the lattice structure 11 is promoted, and more efficient cooling is possible. Further, by dividing the lattice structure 11, the cooling structure divided bodies 29 can have different dimensions. Thereby, it becomes possible to set optimal cooling efficiency according to the part of the turbine rotor blade 1.

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。   As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, but various additions, modifications, or deletions can be made without departing from the spirit of the present invention. Therefore, such a thing is also included in the scope of the present invention.

1 タービン動翼(タービン翼)
7 後部冷却通路(冷却通路)
10 冷却構造体
11 ラティス構造体
13 ピンフィン構造体
14 ラティス構造体のリブ
21 ピンフィン
CL 冷却媒体
G 高温ガス
1 Turbine blade (turbine blade)
7 Rear cooling passage (cooling passage)
10 Cooling Structure 11 Lattice Structure 13 Pin Fin Structure 14 Lattice Structure Rib 21 Pin Fin CL Cooling Medium G Hot Gas

Claims (5)

高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を内部から冷却するための構造であって、
前記タービン翼内に設けられた冷却通路の壁面に配置された複数のリブからなるリブ組を複数組格子状に重ねて組み合わせてなるラティス構造体と、
前記ラティス構造体が配置された冷却通路内で、前記ラティス構造体に対して前記高温ガスの流れ方向における後方に配置された、複数のピンフィンからなるピンフィン構造体と、
を備えるタービン翼の冷却構造。
A structure for cooling a turbine blade of a turbine driven by hot gas from the inside,
A lattice structure obtained by combining a plurality of rib sets each including a plurality of ribs arranged on a wall surface of a cooling passage provided in the turbine blade,
A pin fin structure composed of a plurality of pin fins, arranged rearward in the flow direction of the hot gas with respect to the lattice structure in the cooling passage in which the lattice structure is disposed;
A turbine blade cooling structure comprising:
請求項1に記載の冷却構造において、前記ピンフィン構造体が、前記ラティス構造体から離間して配置されているタービン翼の冷却構造。   The cooling structure according to claim 1, wherein the pin fin structure is disposed away from the lattice structure. 請求項2に記載の冷却構造において、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体との間隔Lが、前記ラティス構造体の出口部分の流路幅をw,流路高さをh,Dh=2wh/(w+h)としたとき、2Dh≦L≦7Dhの範囲にあるタービン翼の冷却構造。   3. The cooling structure according to claim 2, wherein an interval L between the lattice structure and the pin fin structure is such that the flow path width of the exit portion of the lattice structure is w, the flow path height is h, and Dh = 2wh / A turbine blade cooling structure in a range of 2Dh ≦ L ≦ 7Dh when (w + h). 請求項1から3のいずれか一項に記載の冷却構造において、前記ラティス構造体と前記ピンフィン構造体とからなる冷却構造体が、仕切り体によって前記タービン翼の高さ方向に分割された、複数の冷却構造分割体を有しているタービン翼の冷却構造。   4. The cooling structure according to claim 1, wherein the cooling structure composed of the lattice structure and the pin fin structure is divided in a height direction of the turbine blade by a partition body. 5. The cooling structure of the turbine blade which has the following cooling structure division body. 請求項4に記載の冷却構造において、前記仕切り体として、複数の仕切り用ピンフィンが設けられているタービン翼の冷却構造。   The cooling structure according to claim 4, wherein a plurality of partition pin fins are provided as the partition body.
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