JP5031103B2 - チップシニングを備えたタービン動翼 - Google Patents

Description

本発明は、翼先端部にチップシニングを備えたタービン動翼に関する。
本願は、２００８年１０月３０日に米国に出願された米国特許出願番号６１／１０９７３２に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。

ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成されている。空気取入口から取り込まれた空気は圧縮機で圧縮され、高温・高圧の圧縮空気として燃焼器に供給される。燃焼器では、圧縮空気と燃料を混合して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスとしてタービンへ供給される。タービンでは、ケーシング内に複数のタービン静翼およびタービン動翼が交互に配設され、排気通路に供給された燃焼ガスによりタービン動翼が回転駆動され、ロータに連結された発電機により電力として回収される。タービンを駆動した燃焼ガスは、ディフューザにより静圧に変換され大気に放出される。

このように構成されるガスタービンにおいては、複数のタービン静翼及びタービン動翼に作用する燃焼ガスの温度は１５００℃に達し、タービン静翼及びタービン動翼を加熱して、破損させてしまうおそれがある。そのため、タービン静翼及びタービン動翼は、翼体内に冷却通路を備え、外部から受入れた冷却空気等の冷却媒体により翼壁を冷却するとともに、翼壁に設けた冷却穴から冷却媒体を燃焼ガス側へ流出させる際、フィルム冷却等により翼面冷却を行っている。

一方、回転駆動するタービン動翼の翼先端部（頂部）とケーシングの一部を構成する分割環との間には、両者が干渉しないよう一定の隙間が設けられている。しかし、この隙間が大きすぎると燃焼ガスの一部が翼先端部を乗り越えて下流側に流失するため、エネルギー損失となって、ガスタービンの熱効率を低下させる原因となる。この隙間からの燃焼ガスの流出を抑制するため、タービン動翼の翼先端部に、堰止めの役目を果たすチップシニング（又はチップスキーラともいう）を設け、チップシニングの頂面と分割環の隙間を極力小さくして、ガスタービンの熱効率の低下を防止している。

このようなタービン動翼の一例を、図５Ａ及び図５Ｂに示す。
図５Ａに示されるタービン動翼５０は、翼根部１６を介して、回転するロータディスク（図示せず）に埋め込まれたプラットフォーム１１上に立設され、ロータ（図示せず）とロータディスク（図示せず）が一体となって回転する。翼の径方向からタービン動翼５０の断面を見た場合、翼の回転方向Ｒの上流側は、前縁から後縁にわたり凹状に加圧面側翼壁１８が形成され、翼の回転方向Ｒの下流側は、前縁から後縁にわたり凸状に負圧面側翼壁１９が形成されている。タービン動翼５０の先端部１５は、天板１７により閉塞されている。この天板１７には、チップシニング２３が、タービン動翼５０の周方向の負圧面側翼壁１９に沿って前縁側から後縁側にわたり帯状に設けられ、翼の径方向外方に向けて突出している。この構成において、タービン動翼５０の加圧面側翼壁２０側から翼面に衝突した燃焼ガスＦＧの一部は、翼先端部１５の天板１７に沿って流れ、チップシニング２３を乗り越えて下流側排気通路に流れる。

図５Ｂに示すように、タービン動翼５０の翼先端部１５には、天板１７及びチップシニング２３を冷却するため、翼体１２内の冷却流路２６を流れる冷却媒体ＣＡの一部が燃焼ガス中に吹き出す冷却孔２８ａ、２８ｂが設けられている。また、一部の燃焼ガスＦＧは、分割環６０とチップシニング２３の頂面２３ａとの隙間Ｃを流れるが、この隙間流はタービンのエネルギー損失を生じ、ガスタービンの熱効率の低下の原因となる。従って、隙間Ｃは極力小さくする工夫がされている。そのため、ガスタービンの運転条件によっては、タービン動翼５０の回転により、チップシニング２３の頂面２３ａと分割環６０の下面が接触しながら回転する状態が発生する。

また、高温燃焼ガスに直接曝される翼面を保護するため、翼先端部１５の天板１７、負圧面側翼壁１９、加圧面側翼壁２０、チップシニング側壁２３d等の外表面には、耐熱コーティング（ＴＢＣともいう）２４が施され、高温燃焼ガスからの熱を遮断して、翼面の焼損を防止している。但し、上述のように、チップシニング２３の頂面２３ａと分割環６０の隙間Ｃは極力小さくなるように調整されているため、チップシニング２３の頂面２３ａには耐熱コーティングを施すことが難しく、翼体の母材が燃焼ガスに曝されている。そのため、チップシニングの頂面２３ａは、冷却孔２８ｂを流れる冷却媒体ＣＡの対流冷却により、高温燃焼ガスから保護されている。

また、特許文献１〜３には、翼壁の全周にチップシニングを配置したタービン動翼の一例が開示されている。

特開２００４−１６９６９４号公報 特開２００１−１０７７０２号公報 特開２００８−０５１０９４号公報

近年、ガスタービンの熱効率を向上させるため、燃焼ガスの温度は高温化の傾向にあり、タービン翼の冷却強化が必要とされる。また、上述したタービン動翼の翼先端部に配設されるチップシニングは、翼先端部の翼壁に沿って前縁側から後縁側にかけて天板の上面に設けられているが、後縁側では翼幅が狭いために冷却孔を設けるスペースが限定され、冷却不足となる可能性がある。一方、チップシニングの頂面２３ａは、翼体の母材の表面が燃焼ガス中に曝されており、後縁側でチップシニングが冷却不足となった場合、高温燃焼ガスの影響を受けてチップシニングが焼損するという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決するチップシニングを備えたタービン動翼を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明のタービン動翼は、前縁領域から後縁領域にかけて冷却媒体が流れる複数の冷却流路を備えた翼体と、該翼体の頂部を形成し、上面に耐熱コーティングが施され、複数の冷却孔を備えた天板と、前記天板に翼径方向外方に向かって突出し、翼周方向に負圧面側翼壁に沿って前縁端から前記後縁領域の始端まで延在して形成されるチップシニングとを備え、前記前縁領域の天板の高さは、前記後縁領域の天板の高さよりも低くなるように形成され、前記前縁領域から前記後縁領域に向かって上り勾配を有する傾斜部が形成されていることを特徴とする。

この場合、チップシニングが、翼周方向には負圧面側翼壁に沿って前縁端から前記後縁領域の始端まで形成され、冷却不足に陥り易い後縁領域にはチップシニングが設けられないので、チップシニングの焼損が防止される。また、チップシニングを設けない後縁領域には、天板の上面に耐熱コーティングを施して、分割環との隙間を小さくするので、エネルギーの損失が低減され、燃焼ガスによる焼損も防止できる。
また、前記前縁領域の天板の高さが、前記後縁領域の天板の高さよりも低くなるように形成されているので、分割環と天板との重接触が防止でき、ガスタービンの安定した運転が可能である。

また本発明のタービン動翼は、前縁領域から後縁領域にかけて冷却媒体が流れる複数の冷却流路を備えた翼体と、該翼体の頂部を形成し、上面に耐熱コーティングが施され、複数の冷却孔を備えた天板と、前記天板に翼径方向外方に向かって突出し、翼周方向に前記後縁領域の始端から負圧面側翼壁に沿って前縁端まで形成され、更に前縁端より加圧面側翼壁に沿って前記後縁領域の始端まで連続的に延在して形成されるチップシニングとを備えていることを特徴とする。

この場合、チップシニングが、翼周方向には前記後縁領域の始端から負圧面側翼壁に沿って前縁端まで形成され、更に前縁端より加圧面側翼壁に沿って前記後縁領域の始端まで連続的に延在して形成され、冷却不足に陥り易い後縁領域にはチップシニングが設けられないので、チップシニングの焼損が防止される。また、チップシニングを設けない後縁領域には、天板の上面に耐熱コーティングを施して、分割環との隙間を小さくするので、翼先端部から漏洩する隙間流が一層小さくなり、エネルギーの損失が更に低減される。

前記天板の高さは、耐熱コーティングの仕上がり高さのばらつきを考慮して、少なくとも所定値だけ前記チップシニングの頂面の高さより低く設定されていてもよい。

この場合、天板がチップシニングの頂面より所定値より低く設定されているので、分割環と翼先端部との隙間が小さくなっても、天板と分割環との接触を防止できる。

前記前縁領域の天板の高さは、前記後縁領域の天板の高さよりも低くなるように形成されてもよく、前記前縁領域から前記後縁領域に向かって上り勾配を有する傾斜部が形成されてもよい。

この場合、前記前縁領域の天板の高さが、前記後縁領域の天板の高さよりも低くなるように形成されているので、分割環と天板との重接触が防止でき、ガスタービンの安定した運転が可能である。

前記複数の冷却孔は、前記前縁領域のチップシニング頂面又は前記天板の上面に複列になるように配置されていてもよく、前記後縁領域の前記天板の上面には単列になるように配置されていてもよい。

この場合、前縁領域のチップシニングの頂面又は天板の上面には複列の冷却孔が配置され、後縁領域の天板の上面には単列の冷却孔が配置されているので、前縁領域及び後縁領域の天板及びチップシニングの冷却不足が補われ、天板及びチップシニングの焼損を防止できる。

本発明によれば、チップシニングの高温燃焼ガスによる焼損を防止し、タービン動翼を乗り越える燃焼ガスの損失を抑制できるので、ガスタービンの熱効率の低下を防止できる。

図１は、第１の実施形態に係わるタービン動翼の斜視図を示す。 図２Ａは、第１の実施形態に係わるタービン動翼の翼先端部の概略平面図を示す。 図２Ｂは、図２Ａに示すタービン動翼の立設方向の断面の一部（図２Ａの断面Ａ―Ａ）を示す。 図３Ａは、第２の実施形態に係わるタービン動翼の斜視図を示す。 図３Ｂは、同実施形態に係わるタービン動翼の概略平面図を示す。 図４Ａは、第３の実施形態に係わるタービン動翼の後縁領域の斜視図を示す。 図４Ｂは、同実施形態に係わるタービン動翼の立設方向の断面の一部（図４Ａの断面Ｂ−Ｂ）を示す。 図５Ａは、従来技術のタービン動翼の斜視図を示し、図５Ｂは概略断面図を示す。 図５Ｂは、従来技術のタービン動翼の概略断面図を示す。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るチップシニングを備えたタービン翼の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、これらの実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るタービン動翼の斜視図、図２Ａは、図１に示すタービン動翼の翼先端部の概略平面図、図２Ｂは図１に示すタービン動翼の立設方向の断面の一部（図２Ａの断面Ａ−Ａ）を示す。従来技術で説明した動翼の各構成品の名称、符号で共通するものは、同じ名称、符号を使用して説明する。

本発明の第１の実施形態に係わるタービン動翼１０は、図１に示すように、翼根部１６を介して、ロータディスク（図示せず）に埋め込まれたプラットフォーム１１上に立設され、ロータ（図示せず）とロータディスクとが一体となって回転する。タービン動翼１０の翼体１２は、ロータの径方向から見た場合、ロータの回転方向Ｒの上流側は、前縁端２１から後縁端２２にわたり凹状に加圧面側翼壁１８が形成され、ロータの回転方向Ｒの下流側は、前縁端２１から後縁端２２にわたり凸状に負圧面側翼壁１９が形成されている。翼幅は、後縁端２２に近づくにつれて狭くなっている。また、本実施形態では、ロータの径方向から見た場合の翼体１２の形状において、前縁端２１の近傍の領域を前縁領域１３、後縁端２２の近傍の領域を後縁領域１４、前縁領域１３と後縁領域１４との間の領域を中間領域とする。そして、後縁領域１４と中間領域の境界を後縁領域１４の始端１４ａとする。
翼体１２の翼先端部１５は、その頂部が天板１７により閉塞されている。天板１７の上面１７ｔには、負圧面側翼壁１９からロータの径方向外方に向かって延在し、翼体１２の周方向には天板１７の上面１７ｔの負圧面側翼壁１９に沿って、前縁端２１から後縁領域１４の始端１４ａまで、チップシニング２３が配置されている。なお、タービン動翼１０は、高温燃焼ガスに曝されるため、図５Ａ及び図５Ｂに示す従来技術のタービン動翼と同様に、翼体１２の内部に冷却媒体が流れる冷却通路が設けられ、翼根部１６から冷却媒体を受入れて、翼体１２内の対流冷却及び翼面でのフィルム冷却等により翼体の冷却が行われる（詳細は後述する）。

タービン動翼１０の翼体１２の翼先端部１５には、図２Ａに示すように、チップシニング２３が、前縁端２１を起点として負圧面側翼壁１９に沿って後縁領域１４の始端１４ａまで配置され、当該始端１４ａより後縁端２２まではチップシニングを設けていない。すなわち、後縁領域１４の始端１４ａから後縁端２２の間で、天板１７の上面１７ｔの負圧面側翼壁１９に沿った部分は、チップシニングを設けず、後縁領域１４の天板１７と同じ高さに仕上げ、天板１７の上面１７ｔが負圧面側翼壁１９の縁まで延在している。また、前縁端２１から後縁端２２までの加圧面側翼壁２０に沿う天板１７の上面１７ｔには、チップシニングを設けていない。

図２Ｂは、図２Ａに示す翼の立設方向の断面（図２Ａの断面Ａ−Ａ）を示している。天板１７は、高温燃焼ガスによる焼損を防止するため、その上面１７ｔの全面に耐熱コーティング２４が施工される。上述のように、天板１７の上面１７ｔに配置されるチップシニング２３は、負圧面側翼壁１９に沿って前縁端２１から後縁領域１４の始端１４ａまで形成され、後縁領域１４の始端１４ａから後縁端２２まではチップシニングが配置されない。その代わりに、負圧面側翼壁１９に沿った、後縁領域１４の始端１４ａから後縁端２２までの間の上面は、天板１７の上面１７ｔと同じ高さになるように仕上げられる。また、天板１７の上面１７ｔには耐熱コーティング２４が施工され、分割環６０の下面と耐熱コーティング施工後の天板１７の上面１７ｔとの隙間が極力小さくなるように設定する。

また、後縁領域１４の耐熱コーティング２４の施工後の天板１７の上面１７ｔの高さは、チップシニング２３の頂面２３ａより高度差Ｈだけ低く抑えることが肝要である。このような高さの違いを設けるのは、以下の理由による。

チップシニング２３の頂面２３ａは、耐熱コーティングを施工せず、機械加工で仕上げられた翼体１２の母材表面である。一方、天板１７の上面１７ｔに積層した耐熱コーティング２４は、機械加工面ほどの仕上がり精度が得られない。すなわち、耐熱コーティングは、プラズマ溶射等で施工されるため、機械加工ほどの面粗度を形成するのが難しく、高精度の仕上がり面が形成できない。そのため、天板１７の耐熱コーティング厚みを含んだ上面１７ｔは、耐熱コーティングの仕上がり高さの最大ばらつき範囲を考慮して、チップシニング２３の頂面２３ａに対して、少なくとも所定値（高度差Ｈ）だけ低くしている。つまり、耐熱コーティングが最大の厚みで形成された場合においても、耐熱コーティングの上面１７ｔとチップシニング２３の頂面２３ａの高さの差が、所定値（高度差Ｈ）以上に維持されていれば、耐熱コーティング施工後の天板１７の上面１７ｔは、チップシニング２３の頂面２３ａの高さより高くなることがない。従って、ガスタービンの運転条件により、チップシニング２３の頂面２３ａが、分割環６０の下面に接触した場合であっても、後縁領域１４の天板１７が分割環６０の下面に接触するおそれはない。なお、所定値は少なくとも０ｍｍ以上であればよい。

なお、その他の翼面、例えば、負圧面側翼壁１９、加圧面側翼壁２０、チップシニング２３の側壁２３ｄにも耐熱コーティングを施工するのは、前述した従来技術と同様である。

次に、チップシニング２３と翼体１２内の冷却流路との位置関係を、図２Ｂにより説明する。翼体１２内には、ロータディスク（図示せず）側から翼根部１６に穿設された冷却流路（図示せず）を介して、冷却媒体ＣＡを受け入れる冷却流路２６、２７が配置されている。後縁領域１４の翼体１２を冷却する冷却媒体ＣＡは、冷却流路２６ａから受入れられて、後縁端２２から燃焼ガス中に排出され、前縁側の翼体１２を冷却する冷却媒体ＣＡは、翼根部１６側より冷却流路２７に受け入れられて、前縁端２１側から燃焼ガス中に排出される。

冷却流路２６（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）は、翼体１２内に形成される翼径方向に配置された隔壁２９により仕切られたサーペンタイン方式の折れ曲がり流路を形成する。すなわち、冷却媒体ＣＡは、翼根部１６側から受入れられて、冷却流路２６ａを翼先端部１５に向かって流れ、図２Ｂに示す冷却媒体ＣＡの矢印のように、翼先端部１５で折り返して冷却流路２６ｂを翼底部２５に向かって下向き方向（翼径方向の内方）に流れる。この間、冷却流路２６ａと冷却流路２６ｂは、隔壁２９ｂで区切られている。更に、冷却媒体ＣＡは、翼底部２５で折り返して、翼先端部１５に向かって最終冷却流路２６ｃを上向き方向（翼径方向の外方）に流れる。冷却流路２６ｂと最終冷却流路２６ｃの間は、前縁側隔壁２９ｃで区切られる。また、冷却流路２６ａと冷却流路２７の間は、隔壁２９ａで完全に仕切られている。

最終冷却通路２６ｃを翼先端部１５に向かう冷却媒体ＣＡは、後縁冷却部３０に流入し、後縁側の翼壁１８を冷却して、後縁端２２から燃焼ガス中へ排出される。図２Ｂに示す後縁冷却部３０は、マルチホール冷却方式を採用している。後縁冷却部３０は、多数の冷却孔３１が、翼底部２５側から翼先端部１５にかけて後縁冷却部３０を貫通するように穿設されている。各冷却孔３１は、上流側で最終冷却通路２６ｃに連通し、下流側で後縁端２２を介して燃焼ガス中に開口している。冷却媒体ＣＡが冷却孔３１を流れる間に、後縁冷却部３０の翼壁１８が対流冷却される。

また、翼先端部１５の天板１７も、冷却流路２６、２７を流れる冷却媒体ＣＡにより冷却される。しかし、天板１７の上面１７ｔに突出して配置されたチップシニング２３は、チップシニング２３を乗り越えて流れる燃焼ガスの流速が早いため、天板１７よりも熱負荷が高くなり、冷却不足になる。そのため、一端が冷却流路２６、２７に連通し、他端は天板１７の上面１７ｔ及びチップシニング２３の頂面２３ａに設けた冷却孔２８ａ、２８ｂに連通する冷却流路２８が設けられる。冷却媒体を燃焼ガス中に吹き出すことにより、天板１７及びチップシニング２３の対流冷却が行われ、これらが冷却不足になるのを防止している。なお、チップシニング２３の頂面２３ａに開口する冷却孔２８ｂは、頂面２３ａ上に開口せずに、図５Ｂに示すように、負圧面側翼壁１９と頂面２３ａの境界近傍の負圧面側翼壁１９側に設けてもよい。この位置に開口すれば、頂面２３ａが分割環６０の下面と接触した場合、冷却孔２８ｂが潰れる可能性が少なく、タービンの安定運転ができる。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、負圧面側翼壁１９に沿って設けられる冷却孔２８ｂは、前縁端２１（チップシニング末端２３ｂ）からチップシニング末端２３ｃまでは、冷却流路２６、２７側より冷却流路２８を介してチップシニング２３の頂面２３ａに開口し、チップシニング２３の末端２３ｃより後縁端２２までに設けられる負圧面側翼壁１９に沿う冷却孔２８ｃは、天板１７の上面１７ｔに開口する。

しかし、翼体１２内を流れる冷却媒体ＣＡは、前縁領域１３から後縁領域１４にかけて冷却流路２６ａ、２６ｂ及び最終冷却流路２６ｃを流れて後縁冷却部３０へ流入する過程で、冷却流路の内壁との間で熱交換して、高温の冷却媒体となって後縁冷却部３０に流入する。後縁領域１４の天板１７も後縁冷却部３０を流れる冷却媒体により冷却されるが、冷却媒体の温度が高いため、冷却不足になり勝ちである。

更に、図２Ａに示すように、後縁領域１４は翼幅が狭く、前縁領域１３のような複列の冷却孔を設けるスペースが確保できず、単列の冷却孔しか設けることができない。すなわち、前縁領域１３の天板１７の上面１７ｔには、前縁端２１から前縁領域１３の負圧面側翼壁１９及び加圧面側翼壁２０の両側に複列の冷却孔２８ａ、２８ｂが配置されるが、後縁領域１４の始端１４ａから後縁端２２までの間では、単列の冷却孔２８ｃしか配置できない。なお、後縁領域１４の単列の冷却孔２８ｃは、負圧面側翼壁１９に沿って配置してもよく、加圧面側翼壁２０に沿って配置してもよく、負圧面側翼壁１９と加圧面側翼壁２０の中間線に沿って配置してもよい。

後縁領域１４は、単列の冷却孔２８ｃしか配置できないため、前縁領域１３に比較して冷却し難い領域である。チップシニング２３は、熱負荷が高いため、特に冷却し難い部分である。ここで、単列及び複列の冷却孔とは、図２Ａに示す翼平面で、前縁端２１から後縁端２２を結ぶ翼幅の中心線（キャンバーライン）に垂直な断面で見た場合、負圧面側翼壁１９から加圧面側翼壁２０までのチップシニングの頂面２３ａ又は天板１７の上面１７ｔのいずれかに、１つの冷却孔の列を配置した場合を単列の冷却孔と呼び、２つ以上の冷却孔の列を配置する場合を複列の冷却孔と呼ぶ。

上記のチップシニングの焼損を回避するため、前縁端２１を起点として負圧面側翼壁１９に沿って後縁領域１４まで形成されるチップシニング２３は、後縁端２２まで延長せずに、後縁領域１４の始端１４ａでカットされている。すなわち、チップシニング２３の負圧面側末端２３ｃは後縁領域１４の始端１４ａの位置である。この始端１４ａの位置は、翼体１２内の最終冷却流路２６ｃを形成する隔壁の中で、前縁側の隔壁２９ｃの位置に平面的に一致する（図２Ｂ参照）。つまり、チップシニング２３の負圧面側末端２３ｃより後縁端２２までの間は、チップシニングを設けずに、後縁領域１４の天板１７と同じ高さになるように仕上げられる。

ここで、図２Ａ、図２Ｂに示すタービン翼の平面図及び断面図により、後縁領域１４及び後縁領域１４の始端の意義を説明する。上述のように、冷却孔の設置スペース及び後縁冷却部３０に入る冷却空気温度の制約から、後縁領域１４は、前縁領域１３に比較して冷却不足となる領域であり、チップシニングの焼損が発生し易い場所である。すなわち、後縁領域１４は、上述の後縁冷却部３０とその上流側にある最終冷却流路２６ｃを含んだ領域であり、前縁領域１３は、図２Ａにおいて、後縁領域１４を除いた翼前縁側から中間領域までの範囲である。中間領域と後縁領域１４の境界、すなわち、後縁領域１４の始端１４ａ（後縁領域１４が始まる位置）は、翼体１２内の最終冷却流路２６ｃを形成する隔壁のうち、前縁側隔壁２９ｃと平面的に一致する。この前縁側隔壁２９ｃの平面位置を後縁領域１４の始端１４ａと考え、ここより後縁端２２までが冷却不足になり易い領域である。但し、後縁領域１４の始端１４ａは、できるだけ後縁端２２に近い方が望ましいが、翼にかかる熱負荷によりその位置は変動する。すなわち、翼に対する熱負荷が高い場合には、後縁領域の始端１４ａは上記の前縁側隔壁２９ｃの位置であるが、熱負荷が小さい場合には、後縁冷却部３０の入口壁３０ａの位置とするのが望ましい。従って、後縁領域の始端１４ａは、前縁側隔壁２９ｃと後縁冷却部３０の入口壁３０ａの間に存在し、翼にかかる熱負荷により、前縁側隔壁２９ｃから後縁冷却部３０の入口壁３０ａの範囲で変わり得る。

第１の実施形態に示す発明の構成によれば、翼周方向に負圧面側翼壁１９に沿って、前縁端２１より後縁領域１４の始端１４ａまではチップシニング２３を形成し、当該始端１４ａより後縁端２２まではチップシニングを設けずに天板１７と同じ高さとし、チップシニングを設けない天板１７の上面１７ｔには耐熱コーティング２４が施されているので、チップシニングの焼損を防止できる。また、前縁端２１より後縁領域１４の始端１４ａまではチップシニング２３を設けているので、タービン動翼の翼先端部１５を乗り越える燃焼ガスの隙間流を小さくできる。

また、チップシニング２３を設けない後縁領域１４の始端１４ａから後縁端２２の間は、天板１７の上面１７ｔに耐熱コーティング２４を施して、分割環の下面と耐熱コーティング施工後の天板の上面との隙間が極力小さくなるように設定している。

更に、排気通路を流れる燃焼ガスの作用により、翼先端部を乗り越える隙間流の大きさは、加圧面側翼壁２０にかかる正圧（加圧面）と負圧面側翼壁１９にかかる負圧（負圧面）との差圧により変動する。後縁領域は前縁領域より格段に差圧が小さいので、後縁領域の隙間流がガスタービンの熱効率に与える影響は小さい。従って、本実施形態によれば、チップシニングの焼損を防止でき、ガスタービンの熱効率の低下も防止できる。

本発明に係わるタービン動翼の第２の実施形態について、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、第２の実施形態に係わるタービン動翼の斜視図を示し、図３Ｂは概略平面図を示す。図３Ａに示すように、翼体１２の天板１７の上面１７ｔに設けるチップシニング２３は、後縁領域１４の始端１４ａから負圧面側翼壁１９に沿って前縁端２１まで形成され、更に前縁端２１から加圧面側翼壁２０に沿って後縁領域１４の始端１４ａまで、連続した帯状に形成される。すなわち、チップシニング２３の加圧面側末端２３ｂ、負圧面側末端２３ｃは、いずれも後縁領域１４の始端１４ａに形成される。なお、本実施形態のチップシニング２３の頂面２３ａには、翼体１２内の冷却流路２６、２７から冷却媒体ＣＡが吹き出す冷却孔２８ｂが開口している。その他の構成は、上述した第２の実施形態と同じであるので、これらの構成の説明は省略する。

本発明に係わるタービン動翼の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、チップシニング２３が、後縁領域１４の始端１４ａから負圧面側翼壁１９に沿って前縁端２１に至り、更に加圧面側翼壁２０に沿って後縁領域１４の始端１４ａまで配置され、後縁領域１４の始端１４ａから後縁端２２まではチップシニングを設けていないため、チップシニングの焼損を防止できる。また、チップシニング２３が負圧面側翼壁１９及び加圧面側翼壁２０の両側に設けられているので、チップシニングを乗り越えて下流側排気通路に流出する燃焼ガスの隙間流が減少し、第１の実施形態と比較して、ガスタービンの熱効率の低下を更に抑制できる。その他の作用、効果は、第１の実施形態と同じである。

本発明に係わるタービン動翼の第３の実施形態について、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａ、図４Ｂに示すように、天板１７は、前縁領域１３から後縁領域１４にかけて滑らかな面で形成され、翼先端部１５を閉塞していることは、第１及び第２の実施形態と同様である。また、前縁領域１３から後縁領域１４にかけてチップシニング２３を負圧面側翼壁１９及び加圧面側翼壁２０に沿って設け、分割環６０との干渉を確実に回避するため、天板１７の上面１７ｔの高さはチップシニング２３の頂面２３ａより低く設定している点も、第１及び第２の実施形態と同様である。

ところで、ガスタービンはその運転条件によって、分割環６０の下面とチップシニング２３の頂面２３ａの隙間Ｃが小さくなり、両者が接触状態で運転される場合がある。このような接触状態でも、チップシニングの頂面２３ａが切削されつつ、ガスタービンの運転を可能とするのが望ましい。しかし、接触状態が長く続いた場合、チップシニングの頂面２３ａと、天板１７の上面１７ｔとの高さの差（高度差Ｈ１）が、隙間流を小さくするために極力小さくなるように設定されているため、天板１７の上面１７ｔと分割環６０の下面とが全面で接触する重接触の状態が発生して、運転不能となる場合がある。
通常、天板１７は第１及び第２の実施形態のように、前縁領域１３から後縁領域１４まで同じ高さとして、分割環６０の下面と天板１７の上面１７ｔとの間の隙間が同じとなるように設定する。

しかし、上述のような事態の発生を避けるため、本実施形態の天板１７は、前縁領域１３が後縁領域１４よりも低く形成され、前縁領域１３から後縁領域１４にかけて滑らかな上り勾配を有するように形成されている。すなわち、天板１７の前縁領域１３には平面状の凹部１７ａが形成され、後縁領域１４には平面状の凸部１７ｂが形成され、当該凸部１７ｂが凹部１７ａよりも翼径方向の外方に向かって高くなるように設定されている。また、後縁領域１４の凸部１７ｂは、チップシニング２３の頂面２３ａより低く設定されている。更に、天板１７には、凹部１７ａから凸部１７ｂに向かって滑らかな上り勾配を有する傾斜部１７ｃが形成されている。また、天板１７の凹部１７ａから傾斜部１７ｃを経て天板１７の凸部１７ｂに連なる面は、スロープ状の滑らかな面で形成されているため、この上面を流れる隙間流の流れを乱すことはない。

天板１７の全面に渡って、その上面１７ｔには耐熱コーティング２４が施工される。後縁領域１４の凸部１７ｂの上面にも耐熱コーティング２４が施工されるが、耐熱コーティング施工後の凸部１７ｂの高さは、チップシニング２３の頂面２３ａの高さより高度差Ｈ１だけ低く抑える。また、耐熱コーティング施工後の凸部１７ｂの高さは、前縁領域１３の耐熱コーティング施工後の凹部１７ａの高さより高度差Ｈ２だけ高く設定されている。
ここで、耐熱コーティングの仕上がり高さのばらつきに関して、高度差Ｈ１の考え方は、第１の実施形態と同じである。

なお、図４Ｂに示す後縁冷却部３０は、ピンフィン冷却方式を採用した例である。
すなわち、最終流路２６ｃを形成する後縁側隔壁３４には、後縁領域１４に配置された後縁冷却部３０に冷却媒体ＣＡを供給する複数の冷却孔３１が、翼根部１６から翼先端部１５にかけてロータ軸方向に穿設されている。また、後縁冷却部３０は、後縁側隔壁３４から後縁端２２までを範囲とする。この間に、多数のピンフィン３２及びペデスタル３３が翼根部１６から翼先端部１５にかけて配置されている。後縁冷却部３０は、最終流路２６ｃから冷却媒体ＣＡを受入れて、後縁領域１４の翼壁１８を対流冷却する役割を果たす。最終流路２６ｃを流れる冷却媒体ＣＡは、後縁側隔壁３４に穿設された冷却孔３１を介して、後縁冷却部３０に流入し、ピンフィン３２で対流冷却して、後縁端２２から燃焼ガス中に排出される。

本実施形態における後縁冷却部３０においても、第１及び第２の実施形態と同様に、冷却孔の設置スペース及び後縁冷却部３０に入る冷却空気温度の制約がある。従って、後縁領域における冷却不足の問題を解消するため、チップシニング２３は、後縁領域１４の始端１４ａでカットされ、後縁領域１４の始端１４ａから後縁端２２まではチップシニングを設けないのは、他の実施形態と同様である。

本実施形態では、後縁冷却部３０は、ピンフィン冷却方式で説明したが、第１の実施形態の図２Ｂに示すマルチホール冷却方式でもよい。また、図２Ｂで示す第１の実施形態の後縁冷却部３０に、ピンフィン冷却方式を採用してもよい。

本実施形態において、上記のように天板の高さの違いを設ける理由は、ガスタービンの運転条件により、分割環６０とチップシニング２３の頂面２３ａが接触し、更に接触状態が継続して、分割環６０と天板１７の上面１７ｔの全面で、重接触の状態が生ずるのを回避するためである。すなわち、チップシニング２３の頂面２３ａは、耐熱コーティングを施工せず、機械加工で仕上げられた翼体１２の母材表面である。一方、後縁領域１４の天板１７の凸部１７ｂ上に積層した耐熱コーティング２４の上面は、機械加工面ほどの仕上がり精度が得られない。従って、天板１７の耐熱コーティング厚みを含んだ上面１７ｔは、耐熱コーティングの仕上がり高さの最大ばらつき範囲を考慮して、チップシニング２３の頂面２３ａに対して、少なくとも所定値（高度差Ｈ１）だけ低くしている。更に、後縁領域１４の天板１７の凸部１７ｂの上面は、前縁領域１３の天板１７の凹部１７ａの上面より所定値（高度差Ｈ２）だけ高くしている。

その結果、分割環６０の下面と翼先端部１５の全面で接触するような重接触の状態は回避でき、タービンの安定運転が可能となる。なお、その他の翼面、例えば、負圧面側翼壁１９、加圧面側翼壁２０、チップシニング２３の側壁２３ｄにも耐熱コーティングを施工するのは、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様である。

なお、図４Ｂには示していないが、第１の実施形態の図２Ｂと同様に、第３の実施形態においても、翼体１２内の冷却流路２６、２７から天板１７及びチップシニング２３に吹き出す冷却媒体の冷却流路２８が設けられ、冷却媒体は冷却孔２８ａ、２８ｃから燃焼ガス中へ排出される。

本実施形態の構成を備えることにより、冷却不足に陥り易い後縁領域のチップシニングを切り欠いて、天板に耐熱コーティングを施した凸部と凹部と傾斜部を形成するので、チップシニングの焼損が防止され、エネルギーの損失が低減される。また、翼先端部１５の天板１７と分割環６０との重接触を回避できるので、ガスタービンの安定した運転が可能である。

なお、第１の実施形態におけるチップシニング２３は、後縁領域１４の始端１４ａから負圧面側翼壁１９に沿って前縁端２１まで設けられているが、前縁端２１から更に加圧面側翼壁２０に沿ってチップシニングを延長して、前縁領域１３の途中まで、すなわち、チップシニング２３が、前縁端２１から加圧面側翼壁２０に沿って後縁領域１４の始端１４ａまでは至らず、前縁領域１３の途中まで配置された場合であっても、第１の実施形態と基本的な技術思想は同じであり、本発明の範囲に含まれる。

本発明によれば、チップシニングの高温燃焼ガスによる焼損を防止し、タービン動翼を乗り越える燃焼ガスの損失を抑制できるので、ガスタービンの熱効率の低下を防止できる。

１０、４０、５０ タービン動翼
１１ プラットフォーム
１２ 翼体
１３ 前縁領域
１４ 後縁領域
１４ａ 後縁領域の始端
１５ 翼先端部（頂部）
１６ 翼根部
１７ 天板
１７ａ 凹部
１７ｂ 凸部
１７ｃ 傾斜部
１７ｔ 天板上面
１８ 翼壁
１９ 負圧面側翼壁
２０ 加圧面側翼壁
２１ 前縁端
２２ 後縁端
２３ チップシニング
２３ａ チップシニング頂面
２３ｂ、２３ｃ チップシニング末端
２３ｄ チップシニング側壁
２４ 耐熱コーティング
２５ 翼底部
２６ａ、２６ｂ 冷却流路
２６ｃ 最終冷却流路
２７、２８ 冷却流路
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ 冷却孔
２９ａ、２９ｂ 隔壁
２９ｃ 前縁側隔壁
３０ 後縁冷却部
３０ａ 入口壁
３１ 冷却孔
３２ ピンフィン
３３ ペデスタル
３４ 後縁側隔壁
６０ 分割環

Claims (5)

1. 前縁領域から後縁領域にかけて冷却媒体が流れる複数の冷却流路を備えた翼体と、
   該翼体の頂部を形成し、上面に耐熱コーティングが施され、複数の冷却孔を備えた天板と、
   前記天板に翼径方向外方に向かって突出し、翼周方向に負圧面側翼壁に沿って前縁端から前記後縁領域の始端まで延在して形成されるチップシニングと、
   を備え、
   前記前縁領域の天板の高さは、前記後縁領域の天板の高さよりも低くなるように形成され、前記前縁領域から前記後縁領域に向かって上り勾配を有する傾斜部が形成されているタービン動翼。
2. 前縁領域から後縁領域にかけて冷却媒体が流れる複数の冷却流路を備えた翼体と、
   該翼体の頂部を形成し、上面に耐熱コーティングが施され、複数の冷却孔を備えた天板と、
   前記天板に翼径方向外方に向かって突出し、翼周方向に前記後縁領域の始端から負圧面側翼壁に沿って前縁端まで形成され、更に前縁端より加圧面側翼壁に沿って前記後縁領域の始端まで連続的に延在して形成されるチップシニングと、
   を備えているタービン動翼。
3. 前記天板の高さは、耐熱コーティングの仕上がり高さのばらつきを考慮して、少なくとも所定値だけ前記チップシニングの頂面の高さより低く設定されている請求項２に記載されたタービン動翼。
4. 前記前縁領域の天板の高さは、前記後縁領域の天板の高さよりも低くなるように形成され、前記前縁領域から前記後縁領域に向かって上り勾配を有する傾斜部が形成されている請求項２に記載されたタービン動翼。
5. 前記複数の冷却孔は、前記前縁領域のチップシニング頂面又は前記天板の上面に複列になるように配置され、前記後縁領域の前記天板の上面には単列になるように配置されている請求項１又は請求項２又は請求項４のいずれかに記載されたタービン動翼。

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