タービンの基礎 - タービンとブレード冷却技術

軸流タービン構造

タービンは、作動流体のエンタルピーを機械エネルギーに変換する回転力機械です。これは航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービンの主要部品の一つです。タービンとコンプレッサーにおける空気流れとの間でのエネルギー変換は手順が逆です。コンプレッサーが動作している際には機械エネルギーを消費し、空気流れがコンプレッサーを通る際に機械エネルギーを得て、圧力とエンタルピーが増加します。タービンが動作中には、タービンシャフトからシャフトワークが出力されます。シャフトワークの一部はベアリングの摩擦を克服し、付属装置を駆動するために使用され、残りはコンプレッサーによって吸収されます。

ここでは軸流タービンのみについて説明します。ガスタービンエンジンのタービンは通常、複数のステージで構成されていますが、回転するインペラの前に静止翼（ノズルリングまたはガイド）が配置されています。タービン要素ステージの羽根チャネルは収束しており、燃焼室から供給される高温高圧のガスがここで膨張し加速します。同時に、タービンは機械的な作業を出力します。

タービン羽根外表面の熱伝達特性

羽根表面とガスとの間の対流熱伝達係数は、ニュートン冷却式を使用して計算されます。

圧力面と吸込面において、対流熱伝達係数はブレードの前縁で最も高くなります。層状境界層が徐々に厚くなるにつれて、対流熱伝達係数は徐々に減少します。遷移点では、対流熱伝達係数が急増します。乱流境界層への遷移後、粘性底層が徐々に厚くなるにつれて、対流熱伝達係数は徐々に減少します。吸込面では、後部で発生する可能性のある流れの分離により、対流熱伝達係数が若干増加します。

ショッククーリング

インピンジメント冷却とは、1つまたは複数の冷たい空気ジェットを熱い表面に衝突させ、衝突領域で強い対流熱移動を形成する方法です。インピンジメント冷却の特徴は、冷たい空気流れが衝突する停滞領域の壁面において高い熱伝達係数が存在することであり、この冷却方法は表面に集中冷却を適用するために使用できます。

タービンブレードのリーディングエッジ内表面のインピンジメント冷却は、限られた空間でのインピンジメント冷却であり、ジェット（冷たい空気流れ）は周囲の空気と自由に混合できません。以下では、単孔平面ターゲットのインピンジメント冷却について紹介します。これは、インピンジメント流れと熱移動の影響を研究するための基礎となります。

図に示されているのは、単孔垂直インパクト平面ターゲットの流れです。この平面ターゲットは十分に大きく、回転がなく、表面には他の横流しの流体もありません。ノズルとターゲット表面の距離が非常に近い場合を除き、ジェットの出口断面は自由ジェットとみなすことができ、これをコアセクション（ ⅰ ）およびベースセクション（ ⅱ ）と図で示されています。ジェットがターゲット表面に近づくと、ジェットの外境界線が直線から曲線に変わり始め、ジェットは旋回ゾーン（ について ）に入ります。これは停滞ゾーンとも呼ばれています。停滞ゾーンでは、ジェットがターゲット表面に対して垂直な流れから平行な流れへの移行を完了します。ジェットが90度 違う そして、それは次の区画の壁ジェット領域（IV）に入ります。壁ジェット領域では、流体は目標面に平行に流れ、その外側境界は直線のままです。壁近くには非常に薄い層流境界層があります。ジェットは大量の冷たい空気を運び、到達速度は非常に高いです。また、停滞領域での乱流も非常に大きく、そのため衝撃冷却の熱伝達係数は非常に高くなります。

対流冷却

（1）羽根内部の径方向直接冷却チャネル

冷却空気は導葉の内腔を径方向に直接流れ、対流熱伝達によって熱を吸収し、羽根本体の温度を低下させます。しかし、一定の冷却空気量の条件下では、この方法の対流熱伝達係数は低く、冷却効果は限定的です。

(2) 羽根内部の複数の冷却チャネル（多腔設計)

マルチキャビティ設計は、タービンブレードの内表面と冷気との間の対流熱伝達係数を向上させるだけでなく、総熱交換面積を増やし、内部流れと熱交換時間を延長し、高い冷気利用率を持っています。冷気流量を適切に分配することで冷却効果を向上させることができます。もちろん、マルチキャビティ設計にも欠点があります。冷却空気の循環距離が長く、循環面積が小さく、気流が多次にわたって曲がるため、流れ抵抗が増加します。この複雑な構造は、加工プロセスの難易度を高め、コストを増大させます。

（3）リブ構造は対流熱伝達を強化し、スポイラー柱冷却を促進します

リブ構造内の各リブは流れを攪乱する要素として機能し、流体が境界層から剥離して、異なる強さとサイズの渦を形成させます。これらの渦は流体の流れ構造を変化させ、壁面近くでの流体の乱れの増加と、大規模な渦と主流間の周期的な質量交換を通じて、熱移動プロセスが大幅に強化されます。

スポイラー列冷却とは、内冷却チャネル内に特定の方法で複数列の円柱形のリブを配置することです。これらの円柱形のリブは熱交換エリアを増加させるだけでなく、流れの攪乱により異なる領域の冷気の相互混合も増加させ、これにより熱移動効果が大幅に向上します。

フィルム冷却

エアフィルム冷却とは、熱い表面から穴や隙間を通して冷たい空気を吹き出し、その表面に冷たい空気の膜を作り、高温のガスによる固体壁の加熱を防ぐ方法です。冷たい空気の膜が主気流と作業面の接触を遮ることで、断熱と腐食防止の目的を達成するため、一部の文献ではこの冷却方法をバリア冷却とも呼びます。

フィルム冷却のノズルは通常、円形の穴または円形の穴の列であり、時には2次元のスロットに作られることもあります。実際の冷却構造では、通常、ノズルと冷却対象の表面の間に一定の角度が設けられています。

1990年代に行われた円柱穴に関する多くの研究は、ブローアー比（ジェットの密集流束と主流れの比率）が単列の円柱穴の絶縁膜冷却効果に著しく影響することを示しました。冷たい空気のジェットが高温の主流域に流入すると、前進および後退する渦対が形成され、これを腎臓形渦対とも呼びます。ブローアー比が高い場合、前進渦だけでなく、逆回転する渦も形成されます。この逆渦は主流内の高温ガスを捕捉し、それをブレードパスの後縁に運び、結果として膜冷却効果を低下させます。