JP2006283606A - ガスタービン用高温部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービン用高温部材の表面に形成される冷却媒体の膜の厚みを、その幅方向において均一にすることができて、フィルム冷却のムラをなくすことができるフィルム冷却孔を備えたガスタービン用高温部材を提供すること。
【解決手段】 ガスタービンの、高温ガスＦが通過する部分に配置されるガスタービン用高温部材１０であって、多孔質材料からなる多孔質部１１と、この多孔質部１１の外側に、多孔質部１１を覆うように配置されたフィルム板部１２とを備え、前記フィルム板部１２に、前記多孔質部１１から浸出してきた冷却媒体Ｃを前記フィルム板部１２の表面１０ａに導く複数のフィルム冷却孔１６が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービンに関し、さらに詳しくはタービンブレード（動翼・静翼）や燃焼器等、高温ガスに晒されるガスタービン用高温部材に関するものである。

ガスタービンの熱効率を向上させるためには、タービン入口における作動高温ガスの温度を高くすることが効果的である一方、タービンブレード（動翼・静翼）を始めとする、高温ガスに晒されるガスタービン用高温部材の耐熱性能は、その材料の物理的特性によって規定されるため、単純にタービン入口温度を高めることはできない。

そこで、上述したガスタービン用高温部材を冷却空気等の冷却媒体によって冷却しつつ、タービン入口温度を高温化することによって、ガスタービン用高温部材の耐熱性能の範囲内で熱効率を高めることが行われている。

このようなガスタービン用高温部材の冷却方法としては、このガスタービン用高温部材を多孔質材料（Porous Media）で作製し、その表面から冷却媒体を浸出させて、冷却媒体による膜を形成させ、高温ガスから高温部材表面への熱伝達を抑制する、トランスピレーション冷却（Transpiration Cooling）というものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２０８１０４号公報

トランスピレーション冷却は、理論的には最も進んだ冷却方式であるが、構造強度的に問題が多く、未だ実用化されるまでには至っていない。
また、上記特許文献に開示されているようなタービン翼においては、その表面を通過する高温ガスの不均一な圧力分布（すなわち、前縁付近の背側で圧力が最も高くなり、後縁側にいくにしたがって圧力が低下していくような圧力分布：図５参照）のため、均一な浸出しをさせることができないといった問題点もあった。
さらに、表面全体から冷却媒体が浸出してくるようになっているので、冷却媒体の流量が過大になってしまい、冷却媒体を多量に消費してしまうといった問題点もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ガスタービン用高温部材として十分な構造強度を確保することができ、均一な浸出しをさせることができるとともに、冷却媒体の消費量を低減させることができるガスタービン用高温部材を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明によるガスタービン用高温部材は、ガスタービンの、高温ガスが通過する部分に配置されるガスタービン用高温部材であって、多孔質材料からなる多孔質部と、この多孔質部の外側に、多孔質部を覆うように配置されたフィルム板部とを備え、前記フィルム板部に、前記多孔質部から浸出してきた冷却媒体を前記フィルム板部の表面に導く複数のフィルム冷却孔が設けられている。
このようなガスタービン用高温部材によれば、フィルム板部により多孔質部の表面全体が覆われているので、ガスタービン用高温部材として必要な構造強度を確保することができる。
また、フィルム板部によりガスタービン用高温部材の表面を通過する高温ガスが、多孔質部の表面から内部に浸入していくことを低減させることができるので、フィルム冷却孔から冷却媒体を安定的に吹き出させることができて、ガスタービン用高温部材の表面に冷却媒体の膜を安定的に形成させることができる。
さらに、多孔質部の内部を通過した冷却媒体は、フィルム冷却孔を通過することによりガスタービン用高温部材の表面に導き出されるようになっている、すなわち、多孔質部の内部を通過した冷却媒体の流出量が制限されることとなるので、冷却媒体の消費量を低減させることができる。
なお、多孔質部の内部を通過して多孔質部の表面に達した冷却媒体は、フィルム板部に形成された複数のフィルム冷却孔を通ってフィルム板部の表面に導かれた後、フィルム板部の表面に流出して膜状となり、それにより高温ガスからガスタービン用高温部材の表面への熱伝達が抑制されるようになっている。

本発明によるガスタービン用高温部材は、前記多孔質部の内部に、前記高温ガスの流れ方向に略垂直となる平面を有する第１の仕切板が複数枚設けられている。
このようなガスタービン用高温部材によれば、高温ガスの流れ方向に略垂直となる方向に仕切板が設けられていることとなるので、仮にガスタービン用高温部材の表面を通過する高温ガスが、フィルム冷却孔を逆流して多孔質部の内部に到達したとしても、その高温ガスが仕切板を通り抜けて隣の多孔質部の内部に浸入し、そこを流れる冷却媒体の流れを阻害してしまうことを防止することができる。
また、これら仕切板により多孔質部の構造強度が向上することとなる。

本発明によるガスタービン用高温部材は、前記多孔質部の内部に、前記高温ガスの流れ方向に略平行となる平面を有する第２の仕切板が複数枚設けられている。
このようなガスタービン用高温部材によれば、高温ガスの流れ方向にも仕切板が設けられていることになる。すなわち、多孔質部の内部に仕切板が格子状に配置されることとなるので、多孔質部の構造強度がさらに向上することとなる。

本発明によるガスタービン用高温部材は、前記多孔質部の内部に、平面視ハニカム状に構成された第３の仕切板が設けられている。
このようなガスタービン用高温部材によれば、多孔質部の内部に、構造強度上、非常に優れた平面視ハニカム状の仕切板が配置されることとなり、多孔質部の構造強度をより一層向上させることができる。

本発明によるガスタービン用高温部材は、前記フィルム冷却孔の流出口が、前記フィルム板部の表面に沿って幅方向に末広がりとなるように形成されている。
このようなガスタービン用高温部材によれば、フィルム冷却孔から吹き出される冷却媒体が幅方向に拡がりながら下流側に流れていくことになるので、フィルム冷却効率をさらに高めることができる。

本発明によるガスタービンは、ガスタービン用高温部材として必要な構造強度が確保され、かつ優れた冷却効果を備えたガスタービン用高温部材を備えている。
このようなガスタービンによれば、タービン入口における作動高温ガスの温度を高めることができて、ガスタービンの熱効率を向上させることができる。

本発明によれば、ガスタービン用高温部材として十分な構造強度を確保することができ、均一な浸出しをさせることができるとともに、冷却媒体の消費量を低減させることができるという効果を奏する。

以下、本発明によるガスタービン用高温部材の第１実施形態について、図１および図２を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）１０は、多孔質材料（例えば、発泡金属や発泡セラミックス等）により作製された多孔質部１１と、耐熱合金（例えば、ニッケル合金等）により作製されたフィルム板部１２とを主たる要素として構成されたものである。

多孔質部１１は、その内部に形成された空間１３，１４，１５内に冷却空気（冷却媒体）Ｃが導かれるようになっており、空間１３，１４，１５内に導かれた冷却空気Ｃは、図２に示すように、空間１３，１４，１５を形成する内壁面１３ａ，１４ａ，１５ａから多孔質部１１の内部を通って外側（フィルム板部１２の側）に浸出していく（染み出していく）ようになっている。
フィルム板部１２は、多孔質部１１の表面全体に密着し、かつ多孔質部１１の表面全体を覆うように配置された板状の部材である。また、このフィルム板部１２には、その内壁面と表面（タービンブレード１０の表面）１０ａとを連通する、複数個のフィルム冷却孔１６が設けられている。

各フィルム冷却孔１６は、図２に示すように、その中心軸線とタービンブレード１０の表面１０ａとのなす角が鋭角（例えば、３０°）となるように形成された貫通孔であり、空間１３，１４，１５内から多孔質部１１の内部を通って浸出してきた（染み出してきた）冷却空気Ｃが、これらフィルム冷却孔１６を通ってタービンブレード１０の表面１０ａ側に導き出されるようになっている。
すなわち、多孔質部１１の内部に形成された空間１３，１４，１５内に導入された冷却空気Ｃは、多孔質部１１の内部およびフィルム冷却孔１６を通ってタービンブレード１０の表面１０ａの方へ導かれた後、フィルム冷却孔１６の流出口から吹き出されて、タービンブレード１０の表面１０ａに冷却空気Ｃによる膜を形成し、それにより高温ガスＦからタービンブレード１０の表面１０ａへの熱伝達が抑制されるようになっている。

本実施形態によるタービンブレード１０によれば、フィルム板部１２により多孔質部１１の表面全体が覆われているので、タービンブレード１０として必要な構造強度を確保することができる。
また、フィルム板部１２によりタービンブレード１０の表面１０ａを通過する高温ガスＦが、多孔質部１１の表面から内部に浸入していくこと低減させることができるので、フィルム冷却孔１６から冷却空気Ｃを安定的に吹き出させることができて、タービンブレード１０の表面１０ａに冷却空気Ｃの膜を安定的に形成させることができる。
さらに、多孔質部１１の内部を通過した冷却空気Ｃは、フィルム冷却孔１６を通過することによりタービンブレード１０の表面１０ａに導き出されるようになっている、すなわち、多孔質部１１の内部を通過した冷却空気Ｃの流出量が制限されることとなるので、冷却空気Ｃの消費量を低減させることができる。

本発明によるガスタービン用高温部材の第２実施形態について、図３を参照しながら説明する。
本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）２０は、タービンブレード１０の立設方向に沿って複数枚の仕切板（第１の仕切板）２１が等間隔に設けられているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図３に示すように、これら仕切板２１は、多孔質部１１の厚み方向（図３において上下方向）全体にわたって設けられており、空間１３，１４，１５内から多孔質部１１の内部に浸入した冷却空気Ｃは、仕切板２１を通り抜けて隣接する多孔質部１１の内部に浸入できないようになっている。

本実施形態によるタービンブレード２０によれば、多孔質部１１の厚み方向全体にわたって仕切板２１が設けられているので、仮にタービンブレード２０の表面１０ａを通過する高温ガスＦが、フィルム冷却孔１６を逆流して多孔質部１１の内部に到達したとしても、その高温ガスＦが仕切板２１を通り抜けて隣の多孔質部１１の内部に浸入し、そこを流れる冷却空気Ｃの流れを阻害してしまうことを防止することができる。
また、これら仕切板２１により多孔質部１１の構造強度を向上させることができる。
その他の作用効果は、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるガスタービン用高温部材の第３実施形態について、図４および図５を参照しながら説明する。
本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）３０は、高温ガスＦの圧力勾配が急な部分（図５において高温ガス圧力の線が右下に大きく傾いている部分：冷却空気圧力との差が比較的小さい部分）において仕切板２１を密に配置し、高温ガスＦの圧力勾配が緩やかな部分（図５において高温ガス圧力の線が横軸と略平行となる部分：冷却空気圧力との差が比較的大きい部分）において仕切板２１を疎に配置しているという点で前述した第２実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第２実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、図５における原点（「０」点）は、タービンブレード１０の前縁位置を示している。また、前述した第２実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態によるタービンブレード３０によれば、高温ガスＦの圧力勾配が緩やかな部分において仕切板２１の数を前述した第２実施形態のものよりも減らすことができるので、全体の部品点数を減らすことができるとともに製造工数を減らすことができて、製造コストを低減させることができる。
その他の作用効果は、前述した第２実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるガスタービン用高温部材の第４実施形態について、図６を参照しながら説明する。
本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）４０は、高温ガスＦの圧力勾配が急な部分では多孔質部の空隙率が大となり、高温ガスＦの圧力勾配が緩やかな部分では多孔質部の空隙率が小となる多孔質部４１が設けられているという点で前述した第１実施形態ないし第３実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態によるタービンブレード４０によれば、フィルム冷却孔１６から吹き出される冷却空気Ｃの空気量をすべてのフィルム冷却孔１６において略均一にすることができて、タービンブレード４０の表面１０ａに形成される冷却媒体の膜の厚みを略均一にすることができ、フィルム冷却のムラを低減させることができる。
その他の作用効果は、前述した実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるガスタービン用高温部材の第５実施形態について、図７を参照しながら説明する。
本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）５０は、タービンブレード５０の立設方向と直交する方向に沿って、複数枚の仕切板（第２の仕切板）５１が等間隔に設けられているという点で前述した第１実施形態ないし第４実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態によるタービンブレード５０によれば、フィルム冷却孔１６から吹き出される冷却空気Ｃの空気量をすべてのフィルム冷却孔１６においてより均一になるようにすることができて、タービンブレード５０の表面１０ａに形成される冷却媒体の膜の厚みをより均一化することができ、フィルム冷却のムラをさらに低減させることができる。
その他の作用効果は、前述した実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるガスタービン用高温部材の第６実施形態について、図８を参照しながら説明する。
本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）６０は、フィルム冷却孔６１の流出口の平面視形状が、高温ガスＦの流れ方向に沿って末広がりとなるように形成されているという点で前述した第１実施形態ないし第５実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態によるタービンブレード６０によれば、フィルム冷却孔６１から吹き出される冷却空気Ｃが幅方向に拡がりながら下流側（後縁側）に流れていくことになるので、フィルム冷却効率をさらに高めることができる。
その他の作用効果は、前述した実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるガスタービン用高温部材の第７実施形態について、図９を参照しながら説明する。
本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）７０は、多孔質部１１が、ロウ材（例えば、銀ロウやニッケルロウ等）７１を介してフィルム板部１２、またはフィルム板部１２および仕切板２１に取り付けられている（固定されている）という点で前述した第１実施形態ないし第６実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態によるタービンブレード７０によれば、多孔質部１１とフィルム板部１２との間の熱抵抗を小さくすることができ、フィルム板部１２が多孔質部１１の内部を通過する冷却空気Ｃにより効果的に冷却されることとなる。
その他の作用効果は、前述した実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるガスタービン用高温部材の第８実施形態について、図１０を参照しながら説明する。
本実施形態によるガスタービン用高温部材（以下、「タービンブレード」という）８０は、格子状に配置された仕切板２１，５１の代わりに、ハニカム状に配置された仕切板（第３の仕切板）８１が設けられているという点で前述した第５実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態によるタービンブレード８０によれば、仕切板８１がハニカム状に配置されているので、フィルム板部１２の構造強度をさらに向上させることができ、タービンブレード８０として必要な構造強度を十分に確保することができる。
その他の作用効果は、前述した実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、上述した実施形態においては、ガスタービン用高温部材としてタービンブレードを例に挙げて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガスタービンにおいて高温ガスに晒され、フィルム冷却孔を有する部材であればどのようなものであってもよい。そのような部材としては、例えば、タービン動翼のプラットフォーム、タービン静翼の内側シュラウドおよび外側シュラウド、タービンの燃焼器等がある。

本発明によるガスタービン用高温部材の第１実施形態を示す斜視断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 本発明によるガスタービン用高温部材の第２実施形態を示す要部拡大断面図である。 本発明によるガスタービン用高温部材の第３実施形態を示す要部拡大断面図である。 高温ガスの圧力と冷却空気の圧力との関係を示すグラフである。 本発明によるガスタービン用高温部材の第４実施形態を示す要部拡大断面図である。 本発明によるガスタービン用高温部材の第５実施形態を示す要部拡大平面図である。 本発明によるガスタービン用高温部材の第６実施形態を示す要部拡大平面図である。 本発明によるガスタービン用高温部材の第７実施形態を示す要部拡大断面図である。 本発明によるガスタービン用高温部材の第８実施形態を示す要部拡大平面図である。

符号の説明

１０ ガスタービン用高温部材
１０ａ 表面
１１ 多孔質部
１２ フィルム板部
１６ フィルム冷却孔
２０ ガスタービン用高温部材
２１ 第１の仕切板
３０ ガスタービン用高温部材
４０ ガスタービン用高温部材
４１ 多孔質部
５０ ガスタービン用高温部材
５１ 第２の仕切板
６０ ガスタービン用高温部材
６１ フィルム冷却孔
７０ ガスタービン用高温部材
８０ ガスタービン用高温部材
８１ 第３の仕切板
Ｃ 冷却空気（冷却媒体）
Ｆ 高温ガス

Claims (6)

1. ガスタービンの、高温ガスが通過する部分に配置されるガスタービン用高温部材であって、
   多孔質材料からなる多孔質部と、この多孔質部の外側に、多孔質部を覆うように配置されたフィルム板部とを備え、
   前記フィルム板部に、前記多孔質部から浸出してきた冷却媒体を前記フィルム板部の表面に導く複数のフィルム冷却孔が設けられていることを特徴とするガスタービン用高温部材。
2. 前記多孔質部の内部に、前記高温ガスの流れ方向に略垂直となる平面を有する第１の仕切板が複数枚設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用高温部材。
3. 前記多孔質部の内部に、前記高温ガスの流れ方向に略平行となる平面を有する第２の仕切板が複数枚設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン用高温部材。
4. 前記多孔質部の内部に、平面視ハニカム状に構成された第３の仕切板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用高温部材。
5. 前記フィルム冷却孔の流出口が、前記フィルム板部の表面に沿って幅方向に末広がりとなるように形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン用高温部材。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービン用高温部材を備えてなることを特徴とするガスタービン。

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