JP2017057722A - 翼及びこれを備えるガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】翼は、フィルム冷却を行うための冷却媒体を有効に利用して、効率的に冷却する。【解決手段】翼は、外面３が燃焼ガスに曝され、内面４が冷却流路２００に面する外壁部２を有する翼体１０を備える。外壁部２は、翼高さ方向Ｚと交差する仮想平面内で広がる第一流路及び第二流路が内部に形成される。第一流路は、外面３に沿って延びる第一主流路４１０と、傾斜して形成されて外面３で開口する第一出口流路４４０と、第一出口流路４４０と第一主流路４１０とを繋ぐ第一出口遷移部４５０と、を有する。第二流路は、第一主流路４１０に対して並んで配置される第二主流路５１０と、内面４で開口する第二入口流路５２０と、第二入口流路５２０と第二主流路５１０とを繋ぐ第二入口遷移部５３０と、を有する。第一出口流路４４０及び第二入口流路５２０は、前記仮想平面において、第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との間で互い重なっている。【選択図】図４

Description

本発明は、翼及びこれを備えるガスタービンに関する。

ガスタービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆う車室と、を備えている。ロータは、ロータ軸と、このロータ軸に取り付けられている複数の動翼とを有する。車室の内側には、複数の静翼が設けられている。

動翼は、軸線に対する径方向に延びる翼体と、翼体の径方向内側に設けられているプラットフォームと、プラットフォームの径方向内側に設けられている翼根と、を有する。動翼の翼体は、燃焼ガスが通る燃焼ガス流路内に配置される。プラットフォームは、燃焼ガス流路の径方向内側の位置を画定する。翼根は、ロータ軸に固定される。

静翼は、軸線に対する径方向に延びる翼体と、翼体の径方向内側に設けられている内側シュラウドと、翼体の径方向外側に設けられている外側シュラウドと、を有する。静翼の翼体は、燃焼ガスが通る燃焼ガス流路内に配置される。内側シュラウドは、燃焼ガス流路の径方向内側の位置を画定する。外側シュラウドは、燃焼ガス流路の径方向外側の位置を画定する。

静翼及び動翼等のガスタービンの翼は、いずれも高温の燃焼ガスに曝される。このため、ガスタービンの翼は、内部に冷却媒体を流すことで冷却されている。例えば、特許文献１に記載の翼では、静翼のシュラウドに対してガスタービンの軸線、周方向及び径方向に傾斜した向きに真直ぐ伸びた複数の冷却通路を設けている。この冷却流路は、主ガス流の方向に対しても傾斜して形成されている。

特公平６−１０２９８３号公報

ところで、上述したシュラウドに形成された冷却通路によるフィルム冷却だけでは、高温の燃焼ガスに曝される翼の冷却としては、冷却効果が不足する場合がある。そのため、翼を効率良く冷却するために、フィルム冷却用の冷却媒体を有効に利用することが望まれている。

本発明は、上記要望を応じるためになされたものであって、フィルム冷却を行うための冷却媒体を有効に利用して、効率的に冷却することが可能な翼及びこれを備えるガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様における翼は、冷却媒体を流通させる冷却流路が内部に形成された翼体を備え、前記翼体は、外面が燃焼ガスに曝され、前記外面と反対側を向く内面が前記冷却流路に面する外壁部を有し、前記外壁部は、前記冷却流路から流入する前記冷却媒体を流通させ、前記翼体の翼高さ方向と交差する仮想平面内で広がる第一流路及び第二流路が内部に形成され、前記第一流路は、前記外面に沿って延びる第一主流路と、前記外面に対して傾斜して形成されて前記外面で開口する第一出口流路と、前記第一出口流路と前記第一主流路とを繋ぐ第一出口遷移部と、を有し、前記第二流路は、前記第一主流路に対して前記外面に沿った方向に並んで配置されて前記外面に沿って延びる第二主流路と、前記内面で開口する第二入口流路と、前記第二入口流路と前記第二主流路とを繋ぐ第二入口遷移部と、を有し、前記第一出口流路及び前記第二入口流路は、前記仮想平面において、前記外面に沿った方向の位置が前記第一出口遷移部と前記第二入口遷移部との間で互いに少なくとも一部が重なるように配置されている。

このような構成によれば、第一主流路内及び第二主流路内に冷却媒体が流通することで、対流冷却によって翼体の外面を冷却することができる。また、第一出口流路が外面に対して傾斜していることで、対流冷却後の冷却媒体を翼体の外面に沿って流すことができる。これにより、外面をフィルム冷却によって冷却することができる。また、第一出口流路が、外面に対して傾斜していることで、対流冷却後の冷却媒体を外面に沿って流すことができる。これにより、外面をフィルム冷却によって冷却することができる。加えて、第二主流路が形成されている領域に比べて外面から距離が遠くなることで冷却効率が低下する第二入口流路の開口が形成されている領域に対応する外面を、第一出口流路によって補って冷却することができる。したがって、複雑な曲面を有する翼体に対して、広範囲にわたって効率的に対流冷却を行いながら、対流冷却後の冷却媒体によってフィルム冷却を行うことができる。

また、本発明の第二の態様における翼では、前記第一の態様において、前記第二入口流路は、前記第一出口流路と平行に形成されていてもよい。

このような構成によれば、外壁部に対して第一流路と第二流路とを翼高さ方向と交差する仮想平面における外面に沿った方向に効率良く配置することができる。

また、本発明の第三の態様における翼では、前記第一または前記第二の態様において、前記第二入口流路は、前記内面に対して鈍角をなして延びていてもよい。

このような構成によれば、内面に対して第二入口流路が直角や鋭角をなして延びている場合に比べて、鈍角をなして延びていることで、圧損を低減することができる。

また、本発明の第四の態様における翼では、前記第一から第三の態様のいずれか一つにおいて、前記翼体の内部に配置されて前記外壁部の内面に向かって前記冷却媒体を噴射する噴射孔が形成されたインピンジメント板を備え、前記第一流路及び前記第二流路は、前記噴射孔から噴射された冷却媒体が流通していてもよい。

このような構成によれば、外壁部の内面に噴射されてインピンジメント冷却に利用された冷却媒体を再利用することができる。これにより、冷却媒体をより効率的に利用することができる。

また、本発明の第五の態様における翼では、第四の態様において、前記翼は、前記外壁部と前記インピンジメント板とを接続する仕切りとを備え、前記仕切りは、前記仮想平面において、前記外面に沿った方向における前記第一出口遷移部と前記第二入口遷移部との間に配置されていてもよい。

このような構成によれば、リブを第一出口流路及び第二入口流路によって冷却することができる。

また、本発明の第六の態様における翼では、第五の態様において、前記仕切りは、前記外壁部と前記インピンジメント板の間で延びるリブであってもよい。

また、本発明の第七の態様におけるガスタービンは、前記燃焼ガスを生成する燃焼器と、第一から第六の態様のいずれか一つの翼を有するタービンとを備える。

このような構成によれば、翼を効率的に冷却することができるため、冷却媒体を効率的に利用することができる。そのため、冷却媒体として圧縮空気の一部をタービンに供給する量を減少でき、ガスタービンとして効率を向上させることができる。

本発明によれば、第一流路及び第二流路に冷却媒体を流通させることで広範囲にわたって対流冷却を行うことができ、フィルム冷却を行うための冷却媒体を有効に利用して、効率的に冷却することができる。

本発明に係る実施形態におけるガスタービンの模式的な断面図である。 本発明に係る実施形態におけるガスタービンの要部断面図である。 本発明に係る実施形態における翼体の高さ方向と直交する仮想平面での断面図である。 図３における要部拡大図である。 本実施形態における第一壁部流路及び第二壁部流路を説明する模式図である。

以下、本発明に係る実施形態について図１から図５を参照して説明する。
本実施形態のガスタービン１００は、図１に示すように、外気Ａｏを圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機１１０と、燃料Ｆを圧縮空気Ａ中で燃焼させ燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器１２０と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン１３０と、を備えている。

圧縮機１１０は、軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ１１１と、圧縮機ロータ１１１を回転可能に覆う圧縮機車室１１２と、を有する。タービン１３０は、軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ１４０と、タービンロータ１４０を回転可能に覆うタービン車室１５０と、を有する。圧縮機ロータ１１１の軸線Ａｒとタービンロータ１４０の軸線Ａｒとは、同一直線上に位置している。圧縮機ロータ１１１とタービンロータ１４０とは、互いに連結されてガスタービンロータ１０１を成している。また、圧縮機車室１１２とタービン車室１５０とは、互いに連結されてガスタービン車室１０２を成している。

なお、以下では、軸線Ａｒが延びる方向を軸方向Ｄａとし、この軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとし、軸線Ａｒに対して垂直な方向を径方向Ｄｒとする。

ガスタービンロータ１０１には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが連結されている。複数の燃焼器１２０は、軸線Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んで、ガスタービン車室１０２に収納されている。燃焼器１２０は、ガスタービン車室１０２に固定されている。

タービンロータ１４０は、図２に示すように、軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びるロータ軸１４１と、このロータ軸１４１に取り付けられている複数の動翼段１４２と、を有する。複数の動翼段１４２は、軸方向Ｄａに並んでいる。各動翼段１４２は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼１４２ａで構成されている。複数の動翼段１４２の各上流側には、静翼段１４３が配置されている。各静翼段１４３は、タービン車室１５０の内側に設けられている。各静翼段１４３は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼１で構成されている。

タービン車室１５０は、その外殻を構成する筒状の外側車室１５１と、外側車室１５１の内側に固定されている内側車室１５２と、内側車室１５２の内側に固定されている複数の分割環１５３とを有する。複数の分割環１５３は、いずれも、複数の静翼段１４３の相互の間の位置に設けられている。従って、各分割環１５３の径方向Ｄｒ内側には、動翼段１４２が配置されている。

軸方向Ｄａで静翼１及び動翼１４２ａが配置されている環状の空間は、燃焼器１２０からの燃焼ガスＧが流れる燃焼ガス流路Ｐｇを成している。この燃焼ガス流路Ｐｇは、軸線Ａｒを中心として環状を成している。燃焼ガス流路Ｐｇは、ロータ軸１４１が延びる軸方向Ｄａに延在している。

ロータ軸１４１には、冷却媒体として圧縮空気Ａの一部が通るロータ冷媒通路１４１ａが形成されている。ロータ冷媒通路１４１ａを通った冷却媒体は、動翼１４２ａ内に導入されて、動翼１４２ａの冷却に利用される。

タービン車室１５０の内側車室１５２には、径方向Ｄｒに貫通する車室冷媒通路１５２ａが形成されている。車室冷媒通路１５２ａを通った冷却媒体は、静翼１内及び分割環１５３内に導入されて、静翼１及び分割環１５３の冷却に利用される。

なお、静翼段１４３によっては、ガスタービン車室１０２内の空気が、冷却媒体として、車室冷媒通路１５２ａを経ずにこの静翼段１４３を構成する静翼１に供給される場合もある。

以下、本発明に係る翼の実施形態について説明する。
本実施形態の翼は、ガスタービン１００の静翼１である。静翼１は、燃焼ガス流路Ｐｇ内に配置されている。静翼１は、図２に示すように、翼体１０と、内側シュラウド２０と、外側シュラウド３０とを有する。

内側シュラウド２０は、翼体１０の径方向Ｄｒ内側に形成されている。内側シュラウド２０は、環状の燃焼ガス流路Ｐｇの径方向Ｄｒ内側の位置を画定する。
外側シュラウド３０は、翼体１０の径方向Ｄｒ外側に形成されている。外側シュラウド３０は、環状の燃焼ガス流路Ｐｇの径方向Ｄｒ外側の位置を画定する。

翼体１０は、ロータ軸１４１に対して径方向Ｄｒに延びている。翼体１０は、図３に示すように、翼高さ方向Ｚと直交する断面形状が翼型に形成されている。翼体１０は、筒状をなしている。翼体１０は、冷却媒体を流通させる冷却流路２００が内部に形成されている。本実施形態の翼体１０は、外壁部２と、インピンジメント板６００と、リブ（仕切り）７００とを有している。

なお、本実施形態では、翼体１０の翼高さ方向Ｚは、翼体１０の延びている方向であって、本実施形態における径方向Ｄｒ（図３紙面奥行方向）である。また、翼体１０の翼弦方向Ｘは、本実施形態における翼高さ方向Ｚと直交する方向であって、翼体１０の翼弦の延びる方向（図３紙面左右方向）である。翼体１０の翼厚方向Ｙは、本実施形態における翼高さ方向Ｚ及び翼弦方向Ｘと直交する方向であって、翼体１０の厚み方向（図３紙面上下方向）である。

また、翼体１０の翼面方向Ｗは、外面３に沿った方向であって、翼弦方向Ｘ成分を含む方向である。つまり、翼面方向Ｗは、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、翼体１０の翼面（外壁部２の外面３）が延びている方向である。

外壁部２は、翼体１０の外郭を形成している。外壁部２は、外面３が燃焼ガス流路Ｐｇに面していることで燃焼ガスＧに曝されている。外壁部２は、外面３と反対側を向く内面４が冷却流路２００に面している。つまり、外壁部２は、冷却流路２００を取り囲むように配置されている。外壁部２は、図３に示すように、翼弦方向Ｘの前方側の端部が前縁部１１を成している。外壁部２は、翼弦方向Ｘの後方側の端部が後縁部１２を成している。この外壁部２の表面であって、翼体１０の翼厚方向Ｙを向く外面３のうち、凸状の外面３が背側外面３２（＝負圧面）を成している。翼体１０の翼厚方向Ｙを向く外面３のうち、凹状の外面３が腹側外面３１（＝正圧面）を成している。

外壁部２は、内部に冷却媒体を流通させる複数のメイン壁部流路３００（第一流路または第二流路）とサブ壁部流路３０１とが形成されている。本実施形態の外壁部２の内部に形成される複数の冷却媒体を流通させる流路は、全てメイン壁部流路３００又はサブ壁部流路３０１である。メイン壁部流路３００及びサブ壁部流路３０１は、冷却流路２００から冷却媒体が流入する。

サブ壁部流路３０１は、翼高さ方向Ｚと交差する仮想平面内において、外面３に沿って翼面方向Ｗに複数並んで形成されている。本実施形態のサブ壁部流路３０１は、翼弦方向Ｘの中心よりも前縁部１１側に複数形成されている。本実施形態においける翼弦方向Ｘの中心よりも前縁部１１側とは、前縁部１１よりもわずかに腹側にずれた位置αであり、翼体１０の周囲を流れる燃焼ガスＧの流れが淀む領域に面した部位である。サブ壁部流路３０１は、翼高さ方向Ｚと交差する仮想平面内において、内面４から外面３に向かって直線状をなして延びているフィルム孔である。

メイン壁部流路３００は、翼高さ方向Ｚと交差する仮想平面内において、外面３に沿って翼面方向Ｗに複数並んで形成されている。本実施形態のメイン壁部流路３００は、翼弦方向Ｘの中心よりも前縁部１１側で、前縁部１１から背側及び腹側にわたって形成されている。複数のメイン壁部流路３００は、図４に示すように、位置αを境界として、背側と腹側とで冷却媒体を流通させる方向が異なっている。複数のメイン壁部流路３００は、複数のサブ壁部流路３０１を、背側と腹側とからそれぞれ挟み込むように形成されている。複数のメイン壁部流路３００は、翼高さ方向Ｚと交差する仮想平面において外面３に沿って形成される主流路３１０と、内面４で開口する入口流路３２０と、主流路３１０と入口流路３２０とを繋ぐ入口遷移部３３０と、外面３で開口する出口流路３４０と、主流路３１０と出口流路３４０とを繋ぐ出口遷移部３５０とをそれぞれ有している。

具体的には、図４及び図５を利用して、翼体１０の背側に形成された隣接するメイン壁部流路３００を例に挙げて説明する。本実施形態のメイン壁部流路３００は、図５に示すように、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面内に広がっている。ここで、翼体１０の背側に形成された隣接するメイン壁部流路３００のうち、翼面方向Ｗの前側である前縁部１１側に配置されたメイン壁部流路３００を第一流路である第一壁部流路４００と称する。また、翼体１０の背側に形成された隣接するメイン壁部流路３００のうち、翼面方向Ｗの後側である後縁部１２側に配置されたメイン壁部流路３００を第二流路である第二壁部流路５００と称する。

なお、翼体１０の腹側に形成された隣接するメイン壁部流路３００の場合には、翼面方向Ｗの後縁部１２側が第一壁部流路（第一流路）４００となり、翼面方向Ｗの前縁部１１側が第二壁部流路（第二流路）５００となる。

第一壁部流路４００は、外面３に沿って延びる第一主流路４１０と、内面４で開口する第一入口流路４２０と、第一入口流路４２０と第一主流路４１０とを接続する第一入口遷移部４３０と、外面３で開口する第一出口流路４４０と、第一主流路４１０と第一出口流路４４０とを接続する第一出口遷移部４５０と、を有する。

第一主流路４１０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、背側外面３２に沿って湾曲して延びている。本実施形態の第一主流路４１０は、外壁部２の内部において、背側外面３２からの距離と内面４からの距離とが同程度の位置に形成されている。第一主流路４１０は、第一入口流路４２０や第一出口流路４４０よりも長く形成されている。第一主流路４１０は、第一入口流路４２０と接続されている位置から第一出口流路４４０と接続されている位置まで、断面流路面積が一定となるように形成されている。第一主流路４１０は、外面３及び内面４からそれぞれ一定の距離を保った状態で延びている。

第一入口流路４２０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、内面４で開口している。第一入口流路４２０は、この開口から冷却流路２００を流通する冷却媒体が流れ込む。第一入口流路４２０では、内面４に形成される開口が第一主流路４１０よりも背側外面３２に沿った方向の後縁部１２側に形成されている。つまり、第一入口流路４２０では、内面４に形成された開口が翼面方向Ｗの位置が第一主流路４１０と重ならないように、第一主流路４１０よりも翼面方向Ｗの前側に形成されている。これにより、第一入口流路４２０は、内面４に対して傾斜して延びている。したがって、第一入口流路４２０は、第一主流路４１０と異なる傾きで形成されている。本実施形態の第一入口流路４２０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第一主流路４１０が延びていない側の内面４に対して鈍角に傾斜するように第一主流路４１０に向かって延びている。第一入口流路４２０は、開口から第一主流路４１０までの断面流路面積が一定となるように形成されている。

第一入口遷移部４３０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第一入口流路４２０と第一主流路４１０とを繋ぐ接続部分である。第一入口流路４２０を流通する冷却媒体は、第一入口遷移部４３０を介して第一主流路４１０に送られることで流通方向が変化している。

第一出口流路４４０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、背側外面３２で開口している。第一出口流路４４０は、この開口から冷却媒体を外壁部２の外部に排出する。第一出口流路４４０は、背側外面３２に対して傾斜して形成されている。したがって、第一出口流路４４０は、第一主流路４１０と異なる傾きで形成されている。第一出口流路４４０では、背側外面３２に形成される開口が第一主流路４１０よりも背側外面３２に沿った方向の後縁部１２側に形成されている。本実施形態の第一出口流路４４０は、第一主流路４１０から翼面方向Ｗに離れるにしたがって、背側外面３２に近づくように傾斜した方向に延びている。つまり、本実施形態の第一出口流路４４０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第一主流路４１０が延びている側の背側外面３２に対して鈍角に傾斜するように第一主流路４１０から延びている。第一出口流路４４０は、開口から第一主流路４１０までの断面流路面積が一定となるように形成されている。

第一出口遷移部４５０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第一主流路４１０と第一出口流路４４０とを繋ぐ接続部分である。第一主流路４１０を流通する冷却媒体は、第一出口遷移部４５０を介して第一出口流路４４０に送られることで流通方向が変化している。第一出口遷移部４５０は、第一壁部流路４００と第二壁部流路５００との間に配置されたリブ７００よりも翼面方向Ｗの前縁部１１側に配置されている。

第二壁部流路５００は、外面３に沿って延びる第二主流路５１０と、内面４で開口する第二入口流路５２０と、第二入口流路５２０と第二主流路５１０とを接続する第二入口遷移部５３０と、外面３で開口する第二出口流路５４０と、第二主流路５１０と第二出口流路５４０とを接続する第二出口遷移部５５０と、を有する。

第二主流路５１０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、背側外面３２に沿って湾曲して延びている。第二主流路５１０は、第一主流路４１０に対して背側外面３２に沿った方向である翼面方向Ｗに並んで配置されている。本実施形態の第二主流路５１０は、外壁部２の内部において、背側外面３２からの距離と内面４からの距離とが同程度の位置に形成されている。つまり、本実施形態の第二主流路５１０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面における外壁部２の板厚方向の位置が第一主流路４１０と同じ位置に形成されている。第二主流路５１０は、第二入口流路５２０や第二出口流路５４０よりも長く形成されている。第二主流路５１０の長さは、第一主流路４１０と同じ長さである必要はなく、冷却する領域に合わせて適宜設定されることが好ましい。第二主流路５１０は、第二入口流路５２０と接続されている位置から第二出口流路５４０と接続されている位置まで、断面流路面積が一定となるように形成されている。第二主流路５１０は、外面３及び内面４からそれぞれ一定の距離を保った状態で延びている。

第二入口流路５２０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、内面４で開口している。第二入口流路５２０は、この開口から冷却流路２００を流通する冷却媒体が流れ込む。第二入口流路５２０で、内面４に形成された開口が第二主流路５１０よりも翼面方向Ｗの後縁部１２側であって、第一主流路４１０よりも翼面方向Ｗの前縁部１１側に形成されている。つまり、第二入口流路５２０では、内面４に形成された開口が第二主流路５１０に対して翼面方向Ｗの前側の重ならない位置であって、翼面方向Ｗにおいて第一主流路４１０と第二主流路５１０とに挟まれる位置に形成されている。これにより、第二入口流路５２０は、内面４に対して傾斜して延びている。したがって、第二入口流路５２０は、第二主流路５１０と異なる傾きで形成されている。本実施形態の第二入口流路５２０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第二主流路５１０が延びていない側の内面４に対して鈍角に傾斜するように第二主流路５１０に向かって延びている。第二入口流路５２０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第一出口流路４４０と平行に延びている。第二入口流路５２０は、開口から第二主流路５１０までの断面流路面積が一定となるように形成されている。

第二入口遷移部５３０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第二入口流路５２０と第二主流路５１０とを繋ぐ接続部分である。第二入口流路５２０を流通する冷却媒体は、第二入口遷移部５３０を介して第二主流路５１０に送られることで流通方向が変化している。本実施形態の背側に形成されたメイン壁部流路３００では、第二入口遷移部５３０は、第一出口遷移部４５０に対して翼面方向Ｗに間隔を空けて、第一出口遷移部４５０よりも後縁部１２側に配置されている。第二入口遷移部５３０は、第一壁部流路４００と第二壁部流路５００との間に配置されたリブ７００よりも後縁部１２側に配置されている。

第二出口流路５４０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、背側外面３２で開口している。第二出口流路５４０は、この開口から冷却媒体を外壁部２の外部に排出する。第二出口流路５４０は、背側外面３２に対して傾斜して形成されている。したがって、第二出口流路５４０は、第二主流路５１０と異なる傾きで形成されている。第二出口流路５４０では、背側外面３２に形成される開口が第二主流路５１０よりも背側外面３２に沿った方向の後縁部１２側に形成されている。本実施形態の第二出口流路５４０は、第二主流路５１０から翼面方向Ｗに離れるにしたがって、背側外面３２に近づくように傾斜した方向に延びている。つまり、本実施形態の第二出口流路５４０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第二主流路５１０が延びている側の背側外面３２に対して鈍角に傾斜するように第二主流路５１０から延びている。第二出口流路５４０は、開口から第二主流路５１０までの断面流路面積が一定となるように形成されている。

第二出口遷移部５５０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第二主流路５１０と第二出口流路５４０とを繋ぐ接続部分である。第二主流路５１０を流通する冷却媒体は、第二出口遷移部５５０を介して第二出口流路５４０に送られることで流通方向が変化している。

第一出口流路４４０及び第二入口流路５２０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との間で互いに外面３に沿った方向の位置の少なくとも一部が重なるように配置されている。具体的には、図５の模式図に示すように、第一出口流路４４０及び第二入口流路５２０は、第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との間で、翼面方向Ｗの位置が互いに重なるように配置されている。つまり、背側外面３２に形成された第一出口流路４４０の背側外面３２の開口は、翼面方向Ｗの位置が重なるように、内面４に形成された第二入口流路５２０の内面４の開口の裏側に形成されている。

インピンジメント板６００は、図３及び図４に示すように、外壁部２よりも翼体１０の内部に配置されている。インピンジメント板６００は、冷却流路２００内に配置されている。インピンジメント板６００は、径方向Ｄｒに延びる筒状をなしている。本実施形態におけるインピンジメント板６００は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、外壁部２の内面４の輪郭線に対応する形状をなしている。インピンジメント板６００は、外壁部２の内面４と間隔をあけて配置されている。これにより、インピンジメント板６００の外側を向く板外周面６１０と、外壁部２の内面４との間には間隙が形成される。この間隙は、冷却流路２００の一部を画成しており、冷却媒体が流通する。また、インピンジメント板６００は、内部も冷却流路２００の一部を画成しており、冷却媒体が流通する。インピンジメント板６００は、部分的に外側シュラウド３０における凹部の底で開口している。さらに、インピンジメント板６００は、部分的に内側シュラウド２０で開口している。静翼１の径方向Ｄｒ外側又は径方向Ｄｒ内側に存在する冷却媒体の一部は、この開口からインピンジメント板６００の内部に流入する。インピンジメント板６００は、内部を流れる冷却媒体を外壁部２の内面４に向かって噴出する噴射孔６２０が複数形成されている。噴射孔６２０は、翼面方向Ｗ及び翼高さ方向Ｚに間隔を空けて複数形成されている。つまり、噴射孔６２０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、板外周面６１０に沿って複数並んで形成されている。

リブ７００は、インピンジメント板６００と外壁部２とを接続している。リブ７００は、インピンジメント板６００の板外周面６１０と外壁部２の内面４との間の空間を区画している。リブ７００は、インピンジメント板６００の板外周面６１０と外壁部２の内面４とを接続するよう一体をなして延びている。リブ７００は、板外周面６１０に沿った方向に複数配置されている。本実施形態のリブ７００は、平板状をなして、翼高さ方向Ｚに延びている。リブ７００は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、外面３に沿った方向における第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との間に配置されている。具体的には、リブ７００は、図４に示すように、出口遷移部３５０と入口遷移部３３０と翼面方向Ｗの間に配置されている。具体的には、第一壁部流路４００と第二壁部流路５００との間に配置されたリブ７００を例に挙げて説明すると、リブ７００は、図５に示すように、第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との翼面方向Ｗの間に配置されている。より具体的には、第一壁部流路４００と第二壁部流路５００との間に配置されたリブ７００は、第一出口遷移部４５０と内面４に形成された第二入口流路５２０の開口との間に配置されている。

本実施形態のガスタービン１００によれば、図１に示すように、圧縮機１１０からの圧縮空気Ａは、ガスタービン車室１０２内に入り、燃焼器１２０内に流れ込む。燃焼器１２０では、この圧縮空気Ａと共に外部から供給される燃料Ｆを燃焼して、燃焼ガスＧが生成される。この燃焼ガスＧは、燃焼ガスＧ流路を通る過程で、動翼１４２ａに接して、タービンロータ１４０をロータ軸１４１回りに回転させる。

図２に示すように、圧縮機１１０からの圧縮空気Ａの一部は冷却媒体として、動翼１４２ａや静翼１を冷却するために、ロータ冷媒通路１４１ａや車室冷媒通路１５２ａに流れこむ。ロータ冷媒通路１４１ａに流れ込んだ冷却媒体は、動翼１４２ａを内部から冷却する。

車室冷媒通路１５２ａに流れ込んだ冷却媒体は、その径方向Ｄｒ内側に配置されている外側シュラウド３０や分割環１５３の径方向Ｄｒ外側に流れ込み、外側シュラウド３０や分割環１５３を冷却する。外側シュラウド３０の径方向Ｄｒ外側に流れ込んだ冷却媒体は、インピンジメント板６００の内部に流れ込む。その後、冷却媒体は、図３に示すように、インピンジメント板６００の噴射孔６２０から外壁部２の内面４に向かって噴射されて、外壁部２に対してインピンジメント冷却を行う。その後、噴射孔６２０から噴射された冷却媒体は、外壁部２の内面４に形成された開口から流入して、メイン壁部流路３００内を流通する。

具体的には、第一壁部流路４００を例に挙げて説明する。噴射孔６２０から噴射された冷却媒体は、外壁部２の内面４に形成された開口から第一入口流路４２０に流入する。第一入口流路４２０に流入した冷却媒体は、第一入口遷移部４３０を経て、第一主流路４１０を流れる。第一主流路４１０を冷却媒体が流通することで、外壁部２の背側外面３２と冷却媒体との間で対流冷却が行われる。その後、冷却媒体は、第一出口遷移部４５０を経て背側外面３２に形成された第一出口流路４４０の開口から排出される。排出された冷却媒体は、周囲の燃焼ガスとともに背側外面３２に沿って流れ、フィルム冷却を行うことで外面３を冷却する。
同様に、他のメイン壁部流路３００においても、噴射孔６２０から噴射された冷却媒体が流入し、翼体１０の外部に排出される。

上記のような第一実施形態の翼である静翼１によれば、外壁部２の内部に外面３に沿って第一流路及び第二流路である複数のメイン壁部流路３００が形成されている。例えば、第一壁部流路４００では、背側外面３２に沿って延びる第一主流路４１０が形成されている。また、第二壁部流路５００では、背側外面３２に沿って延びる第二主流路５１０が形成されている。そのため、第一主流路４１０内及び第二主流路５１０内に冷却媒体が流通することで、対流冷却によって翼体１０の背側外面３２を冷却することができる。

また、第一出口流路４４０や第二出口流路５４０が、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、背側外面３２に対して鈍角に傾斜していることで、対流冷却後の冷却媒体を背側外面３２に沿って流すことができる。これにより、背側外面３２をフィルム冷却によって冷却することができる。したがって、複雑な曲面を有する翼体１０に対して、広範囲にわたって効率的に対流冷却を行いながら、対流冷却後の冷却媒体によってフィルム冷却を行うことができる。

加えて、第一出口流路４４０及び第二入口流路５２０が、第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との間で翼面方向Ｗの位置が互いに重なるように配置されている。そのため、第二主流路５１０が形成されている領域に比べて背側外面３２から距離が遠くなることで冷却効率が低下する第二入口流路５２０の開口が形成されている領域に対応する背側外面３２を、第一出口流路４４０によって補って冷却することができる。

また、第一出口流路４４０を流れる冷却媒体は、第一主流路４１０を流通して外壁部２を冷却した後のために冷却能力が落ちている。ところが、第一出口流路４４０と第二入口流路５２０とが第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との間で翼面方向Ｗの位置が互いに重なるように配置されている。これにより、冷却能力の高い冷却媒体が流れる第二入口流路５２０によって、第一出口流路４４０だけでは十分に外壁部２を冷却できなかった場合であっても、冷却能力を補って外壁部２を冷却することができる。

したがって、複雑な曲面を有する翼体１０に対して、翼体１０の外部の燃焼ガスＧの流れの状態に関係なく、広範囲にわたって、均一に冷却することができる。これにより、フィルム冷却を行うための冷却媒体を利用して、広範囲にわたって対流冷却を行うことができる。

また、第二入口流路５２０が第一出口流路４４０と平行に形成されていることで、第一壁部流路４００と第二壁部流路５００とを翼面方向Ｗに隣接させ、効率良く外壁部２内に配置することができる。

また、第一入口流路４２０や第二入口流路５２０が、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、内面４に対して鈍角に傾斜して第一主流路４１０や第二主流路５１０まで延びている。そのため、第一入口流路４２０や第二入口流路５２０が、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、内面４に対して直角に傾斜して第一主流路４１０や第二主流路５１０まで延びている場合と比べて、第一入口遷移部４３０や第二入口遷移部５３０を冷却媒体が流通する際の冷却媒体の圧損を低減することができる。つまり、第一入口遷移部４３０や第二入口遷移部５３０において、冷却媒体が大きく流通方向を変更する必要が無いため、圧損を低減することができる。これにより、第一壁部流路４００及び第二壁部流路５００を流通する冷却媒体の圧損を低減することができる。

また、第一入口流路４２０及び第一出口流路４４０が、開口から第一主流路４１０までの断面流路面積が一定となるように形成されていることで、ピンフィン等で冷却せずとも、断面流路面積を小さくして開口と第一主流路４１０との間で流速を早くすることができる。同様に、第二入口流路５２０及び第二出口流路５４０が、開口から第二主流路５１０までの断面流路面積が一定となるように形成されていることで、断面流路面積を小さくして開口と第二主流路５１０との間で流速を早くすることができる。

また、翼体１０の周囲を流れる燃焼ガスＧの流速は、腹側よりも背側の方が速くなっている。その結果、背側外面３２の方が腹側外面３１よりも熱伝導率が高くなってしまい、腹側外面３１に比べて背側外面３２をより低温まで冷却する必要がある。そのため、背側外面３２に面してメイン壁部流路３００を形成することで、背側外面３２を効果的に冷却することができる。

また、インピンジメント板６００に形成された噴射孔６２０から噴射された冷却媒体が、第一壁部流路４００及び第二壁部流路５００内を流通する。そのため、外壁部２の内面４に噴射されてインピンジメント冷却に利用された冷却媒体を再利用することができる。これにより、冷却媒体をより効率的に利用することができる。

また、インピンジメント板６００と外壁部２とを接続する仕切りであるリブ７００を有している。そのため、インピンジメント板６００の板外周面６１０と外壁部２の内面４との間の空間を仕切ることができる。通常、翼体１０の外面３の周囲を流れる燃焼ガスの圧力は、翼面である外面３に沿って一定ではない。このため、第一入口流路４２０や第二入口流路５２０において、必要とされる圧力は配置されている位置によって異なってくる。ところが、インピンジメント板６００と外壁部２との間の空間がリブ７００によって仕切られていることで、噴射孔６２０の位置を調整するだけで、内面４の開口における第一入口流路４２０や第二入口流路５２０に流入する冷却媒体の入口圧力を調整することができる。

さらに、リブ７００を設けつつ、本実施形態のように第一主流路４１０及び第二主流路５１０の長さを長くすることで、冷却媒体の入口と出口との距離を離すことができる。したがって、リブ７００によって仕切られた任意の空間から冷却媒体を供給することができる。これにより、冷却媒体が流入する入口側の開口と、冷却媒体が流出する出口側の開口との差圧の設計の自由度を上げることができる。

また、第一壁部流路４００と第二壁部流路５００との間に配置されてインピンジメント板６００と外壁部２とを繋ぐリブ７００が、第一出口遷移部４５０と第二入口遷移部５３０との間に配置されている。そのため、リブ７００を第一出口流路４４０及び第二入口流路５２０によって冷却することができる。

また、上記のようなガスタービン１００によれば、メイン壁部流路３００に冷却媒体を流通させることで、冷却媒体を効率的に利用して翼を冷却することができる。そのため、冷却媒体として圧縮空気Ａの一部をタービン１３０に供給する量を減少でき、ガスタービン１００として効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態では翼として、静翼１を例に挙げて説明したが、本発明の翼は静翼１に限定されるものではない。例えば、翼は、動翼１４２ａであってもよい。

また、本実施形態では、メイン壁部流路３００のうち、背側に形成された二つのメイン壁部流路３００を例に挙げて説明されたが、第一流路及び第二流路はこれに限定されるものではない。例えば、上述した第一壁部流路４００よりも翼面方向Ｗの前側に別のメイン壁部流路３００が形成されている場合、別のメイン壁部流路３００が第一流路となり、第一壁部流路４００が第二壁部流路５００となる。同様に、例えば、上述した第二壁部流路５００よりも翼面方向Ｗの後側に別のメイン壁部流路３００が形成されている場合、別のメイン壁部流路３００が第二流路となり、第二壁部流路５００が第一壁部流路４００となる。

また、第一入口流路４２０及び第二入口流路５２０は、本実施形態のように内面４に対して鈍角に傾斜して第一主流路４１０及び第二主流路５１０に向かって延びていることに限定されるものではなく、内面４に対して反対側の鋭角に傾斜して第一主流路４１０に向かって延びていなければよい。したがって、第一入口流路４２０及び第二入口流路５２０は、内面４に対して直交する方向に延びていてもよい。

仮に、第一入口流路４２０や第二入口流路５２０が、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、内面４に対して直角に第一主流路４１０や第二主流路５１０まで延びている場合であっても、内面４に対して鋭角に傾斜して第一主流路４１０や第二主流路５１０まで延びている場合と比べて、冷却媒体の圧損を低減することができる。具体的には、本実施形態のようにインピンジメント板６００の噴射孔６２０から内面４に向かって噴射された冷却媒体に対して、開口から冷却媒体が流入する際の圧損を低減することができる。

したがって、第一入口流路４２０や第二入口流路５２０が、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、内面４に対して鋭角をなすように形成されなければ、内面４に対して直角をなすように形成された場合であっても、冷却媒体の圧損を低減することができる。これにより、第一壁部流路４００及び第二壁部流路５００を流通する冷却媒体の圧損を低減することができる。

また、メイン壁部流路３００は、本実施形態のように翼体１０の前縁部１１のみに形成されることに限定されるものではない。例えば、メイン壁部流路３００は、翼体１０の全域にわたって形成されていてもよく、後縁部１２のみに形成されていてもよい。

また、第一主流路４１０及び第二主流路５１０は、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面において、開口から内面４に対して傾斜して形成されることに限定されるものではなく、翼高さ方向Ｚに傾斜していてもよい。

また、メイン壁部流路３００は、本実施形態のように、翼高さ方向Ｚと直交する仮想平面内で広がって設けられることに限定されるものではなく、翼高さ方向Ｚと交差する仮想平面内で広がっていればよい。したがって、例えば、メイン壁部流路３００は、翼高さ方向Ｚに対して傾いて交差する仮想平面内で広がって設けられていてもよい。

また、本実施形態では、インピンジメント板６００はリブ７００と一体に形成されているがこのような構造に限定されるものではなく、外壁部２とインピンジメント板６００とを接続する仕切りを有していればよい。例えば、インピンジメント板６００として、翼体１０の外壁部２の内部にインサートが配置されており、このインサートと外壁部２とを接続する仕切りが設けられていてもよい。

１００…ガスタービン Ａｏ…外気 Ａ…圧縮空気 １１０…圧縮機 Ａｒ…軸線 １１１…圧縮機ロータ １１２…圧縮機車室 Ｆ…燃料 Ｇ…燃焼ガス １２０…燃焼器 １３０…タービン １４０…タービンロータ １４１…ロータ軸 １４１ａ…ロータ冷媒通路 １４２…動翼段 １４２ａ…動翼 １４３…静翼段 １…静翼 １０…翼体 ２００…冷却流路 ２…外壁部 ３００…メイン壁部流路 ３０１…サブ壁部流路 ３１０…主流路 ３２０…入口流路 ３３０…入口遷移部 ３４０…出口流路 ３５０…出口遷移部 ４００…第一壁部流路 ４１０…第一主流路 ４２０…第一入口流路 ４３０…第一入口遷移部 ４４０…第一出口流路 ４５０…第一出口遷移部 ５００…第二壁部流路 ５１０…第二主流路 ５２０…第二入口流路 ５３０…第二入口遷移部 ５４０…第二出口流路 ５５０…第二出口遷移部 Ｘ…翼弦方向 １１…前縁部 １２…後縁部 ３…外面 ３１…腹側外面 ３２…背側外面 ４…内面 Ｙ…翼厚方向 Ｚ…翼高さ方向 Ｗ…翼面方向 ２０…内側シュラウド ３０…外側シュラウド ６００…インピンジメント板 ６１０…板外周面 ６２０…噴射孔 ７００…リブ １５０…タービン車室 １５１…外側車室 １５２…内側車室 １５２ａ…車室冷媒通路 １５３…分割環 １０１…ガスタービンロータ １０２…ガスタービン車室 ＧＥＮ…発電機 Ｄａ…軸方向 Ｄｃ…周方向 Ｄｒ…径方向 Ｐｇ…燃焼ガス流路

Claims (7)

1. 冷却媒体を流通させる冷却流路が内部に形成された翼体を備え、
   前記翼体は、外面が燃焼ガスに曝され、前記外面と反対側を向く内面が前記冷却流路に面する外壁部を有し、
   前記外壁部は、前記冷却流路から流入する前記冷却媒体を流通させ、前記翼体の翼高さ方向と交差する仮想平面内で広がる第一流路及び第二流路が内部に形成され、
   前記第一流路は、前記外面に沿って延びる第一主流路と、前記外面に対して傾斜して形成されて前記外面で開口する第一出口流路と、前記第一出口流路と前記第一主流路とを繋ぐ第一出口遷移部と、を有し、
   前記第二流路は、前記第一主流路に対して前記外面に沿った方向に並んで配置されて前記外面に沿って延びる第二主流路と、前記内面で開口する第二入口流路と、前記第二入口流路と前記第二主流路とを繋ぐ第二入口遷移部と、を有し、
   前記第一出口流路及び前記第二入口流路は、前記仮想平面において、前記外面に沿った方向の位置が前記第一出口遷移部と前記第二入口遷移部との間で互いに少なくとも一部が重なるように配置されている翼。
2. 前記第二入口流路は、前記第一出口流路と平行に形成されている請求項１に記載の翼。
3. 前記第二入口流路は、前記内面に対して鈍角をなして延びている請求項１又は請求項２に記載の翼。
4. 前記翼体の内部に配置されて前記外壁部の内面に向かって前記冷却媒体を噴射する噴射孔が形成されたインピンジメント板を備え、
   前記第一流路及び前記第二流路は、前記噴射孔から噴射された冷却媒体が流通する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の翼。
5. 前記翼は、前記外壁部と前記インピンジメント板とを接続する仕切りとを備え、
   前記仕切りは、前記仮想平面において、前記外面に沿った方向における前記第一出口遷移部と前記第二入口遷移部との間に配置されている請求項４に記載の翼。
6. 前記仕切りは、前記外壁部と前記インピンジメント板の間で延びるリブである請求項５に記載の翼。
7. 前記燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の翼を有するタービンとを備えるガスタービン。

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