JP5791405B2 - 回転機械の翼体 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械を構成し高温の作動流体に曝される翼体に関するものである。

ガスタービンの静翼や動翼のような回転機械の翼体は、高温の作動流体に曝されるため、その素材として耐熱性に優れた金属材料が用いられるとともに、翼体を積極的に冷却するための冷却構造を備えている。この冷却構造で用いられる冷却方式は、いわゆる対流冷却方式とインピンジメント冷却方式に大別される（特許文献１を参照）。対流冷却方式とは、翼体の内部に形成した流路に冷却ガスを流通させ、その対流効果によって翼体を冷却する方式である。一方、インピンジメント冷却方式とは、翼形を形成する外郭部の内部にインサートと呼ばれる部材を挿入して翼体を構成し、インサートの内部に供給した冷却ガスをその表面に形成した複数の噴出孔から噴射させることにより、外郭部の内面を冷却する方式である。

特許第４０８７５８６号公報

しかし、インピンジメント冷却方式を採用する従来の翼体では、噴出孔から外郭部に対する冷却ガスの噴射が、これに交差して流れるクロスフローによって阻害されることにより、冷却効率が低下する問題がある。より詳細に説明すると、インサート部材の噴出孔から噴射する冷却ガスは、外郭部の内面に衝突した後、内面に沿った下方への流れすなわちクロスフローを形成する。そして、このクロスフローは、下流側すなわち翼高さ方向下側に行くに従って多くの冷却ガスが集まることにより、その流量が増大する。従って、外郭部とインサート部材との間の隙間幅が一定である場合、翼高さ方向下側に行くに従ってクロスフローの流速が増加する。そうすると、クロスフローの流速が速い翼高さ方向下側では、噴出孔から噴射する冷却ガスの流れがクロスフローによって大きく阻害されることにより、外郭部に対する熱伝達率が相対的に低くなる。その結果、外郭部にはその温度分布にムラが生じることに起因して熱応力が発生する。これにより、外郭部を所定の目標温度まで冷却する際に、必要な冷却ガスの量が増大することにより、または圧力損失が増大することにより、冷却効率が低下する。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、インピンジメント冷却方式を採用する翼体において、クロスフローの流速が下流側で増加することを抑制してその影響を低減することにより、冷却効率の向上を図る手段を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係る回転機械の翼体は、
ロータに対する径方向に延びる翼本体と、前記径方向における前記翼本体の一方側に設けられている外側シュラウドと、前記径方向における前記翼本体の他方側に設けられている内側シュラウドと、を備え、
前記外側シュラウド及び前記内側シュラウドは、いずれも、内部に空間が形成されている本体部と、前記本体部の前記空間を前記径方向で二つの区画に分割するインピンジメントプレートを、を有し、前記インピンジメントプレートには、二つの前記区画のうち、前記径方向で前記翼本体と反対側の区画に流入した冷却用流体を前記翼本体側の区画内に噴出する複数の冷却孔が形成され、
前記翼本体は、翼形を形成する外郭部と、前記外郭部の内部に、前記外郭部の内面と隙間を有して配されるとともに、前記外側シュラウドの前記翼本体側の区画から内部に供給された前記冷却用流体を前記外郭部の内面に向かって噴出させる噴出孔を有する第一供給部と、前記外郭部と前記第一供給部との隙間に流入した前記冷却用流体を前記内側シュラウドの前記翼本体と反対側の前記区画内に排出する第一排出口と、前記外郭部の内部に、前記外郭部の内面と隙間を有して配されるとともに、前記内側シュラウドの前記翼本体側の区画から内部に供給された前記冷却用流体を前記外郭部の内面に向かって噴出させる噴出孔を有する第二供給部と、前記外郭部と前記第二供給部との隙間に流入した冷却用流体を外部に排出する第二排出口と、を有し、
前記外郭部の内面と前記第一供給部との間の前記隙間は、前記第一排出口への前記冷却用流体の排出する方向の上流側から下流側に向かうにしたがって断面積が次第に大きくなるように形成され、前記外郭部の内面と前記第二供給部との間の前記隙間は、前記第二排出口への前記冷却用流体の排出する方向の上流側から下流側に向かうにしたがって断面積が次第に大きくなるように形成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、供給部の噴出孔から噴射した冷却用流体は、外郭部の内面に衝突した後、その内面に沿って排出口へ向かって流れることによりクロスフローを形成する。そして、このクロスフローの流量は、下流側すなわち排出口に近付くほど増大する。しかし、外郭部と供給部との間の隙間は、その断面積が下流側に向かって次第に大きくなるように形成されている。従って、クロスフローの流量が増大する下流側においても、その流速の増加が抑制される。これにより、噴出孔から噴射する冷却用流体の流れがクロスフローによって大きく阻害されることがないため、冷却効率が低下することを未然に防止することができる。

また、本発明に係る回転機械の翼体は、前記冷却用流体を排出する方向が、前記外郭部の翼高さ方向であることを特徴とする。

このような構成によれば、噴出孔から排出口までの距離が、冷却用流体の排出方向が翼の高さ方向以外の方向である場合と比較して長くなるため、クロスフローの下流側において流量が増大しやすい。従って、クロスフローの流速が増加するのを抑制する効果がより有効に発揮される。

また、本発明に係る回転機械の翼体は、前記外郭部の内面であって前記噴出孔の対向位置に、凸部が設けられていることを特徴とする。

このような構成によれば、外郭部の内面であって噴出孔の対向位置では、噴出孔から噴射する冷却用流体の流れが凸部によって阻害されることにより、外郭部に対する熱伝達率が相対的に低くなる。その結果、外郭部はその温度分布が均一化することに起因して熱応力が低減する。これにより、外郭部を所定の目標温度まで冷却する際に、必要な冷却用流体の量が減少することにより、または圧力損失が低減することにより、冷却効率が向上する。

また、本発明に係る回転機械の翼体は、前記外郭部の内面であって前記噴出孔の対向位置から離間した位置に、内面に沿って流れる前記冷却用流体に乱流を形成させる乱流促進リブが突出して設けられていることを特徴とする。

このような構成によれば、噴出孔の対向位置から離間した位置では、吹き付けられる冷却用流体の量が少ない領域が局所的に存在する。しかし、当該領域に突出して設けられた乱流促進リブによって冷却用流体に乱流の発生が促進されることにより、外郭部に対する熱伝達率が相対的に高くなる。その結果、外郭部はその温度分布が均一化することに起因して熱応力が低減する。これにより、外郭部を所定の目標温度まで冷却する際に、必要な冷却用流体の量が減少することにより、または圧力損失が低減することにより、冷却効率が向上する。

また、本発明に係る回転機械の翼体は、前記供給部が、前記外郭部とは別部材であることを特徴とする。

このような構成によれば、冷却用流体を流通させる流路を、外郭部と供給部との間の隙間として形成するので、鋳造等によっては形成が難しい小さな流路であっても、供給部の形状を適宜変化させることによって容易に形成することができる。

また、本発明に係る回転機械の翼体は、前記供給部は、その長手方向一端部が前記外郭部によって支持されていることを特徴とする。

このような構成によれば、供給部はその長手方向一端部が外郭部によって片持ち支持された状態であって外郭部に対する相対的な変形が許容されている。従って、回転機械の稼動時に翼体が高温の燃焼ガスに曝されると、外郭部と供給部とで熱伸びに差が生じる場合があるが、この場合でも供給部が外郭部に対して相対的に変形することにより、供給部または外郭部に熱応力が発生するのを抑制することができる。これにより、高温環境下においても回転機械を良好に稼動させることができる。

本発明に係る回転機械の翼体によれば、インピンジメント冷却方式を採用する翼体において、クロスフローの流速が下流側で増大することを抑制してその影響を低減することにより、冷却効率の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係るタービン静翼を備えたガスタービンを示す全体構成図である。 第１実施形態に係るタービン静翼を一部破断した状態で示す概略斜視図である。 タービン静翼の翼高さ方向への断面を模式的に示した断面図である。 図３におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係るタービン静翼における外フレームの内面を示す概略断面図である。 第２実施形態の外フレームに対する熱伝達率の分布を示すグラフである。 凸部の変形例を示す概略斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るタービン静翼における外フレームの内面を示す概略断面図である。 第３実施形態の外フレームに対する熱伝達率の分布を示すグラフである。 乱流促進リブの変形例を示す図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。 乱流促進リブの変形例を示す図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。 乱流促進リブの変形例を示す図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。 乱流促進リブの変形例を示す図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。 乱流促進リブの変形例を示す図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。 乱流促進リブの変形例を示す図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態に係る回転機械の翼体について説明する。本実施形態では、回転機械の翼体の一例として、ガスタービンのタービン静翼について説明する。

図１は、第１実施形態に係るタービン静翼を備えたガスタービンを示す全体構成図である。ガスタービン１は、流体の流通方向Ｆに沿って最も上流側の位置に設けられて圧縮空気を生成する圧縮機２と、その下流側に設けられて圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器３と、更にその下流側に設けられて燃焼ガスにより回転駆動されるタービン４と、を備えるものである。

タービン４は、図１に示すように、ロータ５の外周に設けられて内部に燃焼ガス流路が形成されたタービンケーシング６と、ロータ５の外周面から突出して周方向に所定間隔で設けられた複数のタービン動翼７と、タービンケーシング６の内周面から突出して周方向に所定間隔で設けられた複数のタービン静翼１０と、を有している。そして、複数段のタービン動翼７及びタービン静翼１０が、ロータ５の軸線方向に沿って交互に設けられている。

タービン静翼１０は、燃焼ガスを減速してその圧力を上昇させる役割を果たすものである。ここで図２は、タービン静翼１０を一部破断した状態で示す概略斜視図である。タービン静翼１０は、ロータ５の径方向に相当する翼高さ方向Ｈに延設される翼本体１１と、この翼本体１１の翼高さ方向一端部に設けられた外側シュラウド１２と、翼本体１１の翼高さ方向他端部に設けられた内側シュラウド１３と、を具備している。

（外側シュラウド）
外側シュラウド１２は、周方向に複数設けられたタービン静翼１０をその先端部において互いに連結する役割を果たすものである。この外側シュラウド１２は、図２に示すように、上面が開口された筐体である本体部１４と、この本体部１４の開口を封止する蓋体１５と、本体部１４の内部に設けられたインピンジメントプレート１６と、蓋体１５から上方へ突出した配管群１７と、を有している。

本体部１４は、図２に示すように、横断面で略矩形形状を有するとともに、その底面を貫通して複数の貫通穴１４１が形成されている。また、蓋体１５は、平面視で本体部１４の開口と同形状である略矩形に形成され、開口を覆うようにして本体部１４に固定されている。これにより、本体部１４及び蓋体１５によって包囲される空間として、冷却室１８が構成されている。そして、この冷却室１８は、貫通穴１４１を介して翼本体１１の内部に連通している。

インピンジメントプレート１６は、本体部１４をインピンジメント冷却する役割を果たすものである。このインピンジメントプレート１６は、図２に示すように、平面視で冷却室１８と略同じ断面形状を有し、複数の冷却孔１６１が形成されている。このように構成されるインピンジメントプレート１６は、本体部１４の内部に固定して配置されることにより、冷却室１８を翼高さ方向Ｈに２つの区画すなわち上側の第一冷却室１８１と下側の第二冷却室１８２とに分割している。

配管群１７は、タービン静翼１０に冷却ガスＲＧ（冷却用流体）を供給し、またはタービン静翼１０から冷却ガスＲＧを排出する役割を果たすものである。この配管群１７は、図２に示すように、蓋体１５の中央部に突出して設けられてタービン静翼１０から冷却ガスＲＧを排出する排出管１７１と、この排出管１７１を挟んだ両側の位置に突出して設けられてタービン静翼１０に冷却ガスＲＧを供給する第一供給管１７２及び第二供給管１７３と、を有している。

排出管１７１は、図２に示すように断面略円形の配管であって、蓋体１５及びインピンジメントプレート１６を貫通してその一端が蓋体１５の上方に開口するとともに、他端が翼本体１１の内部空洞に接続されている（図２では不図示）。これにより、この排出管１７１を介して翼本体１１の内部とタービン静翼１０の外部とが連通した状態になっている。

第一供給管１７２は、図２に示すように断面略円形の配管であって、蓋体１５を貫通してその一端が蓋体１５の上方に開口するとともに、他端が第一冷却室１８１に開口している。これにより、この第一供給管１７２を介して第一冷却室１８１とタービン静翼１０の外部とが連通した状態になっている。

第二供給管１７３は、図２に示すように断面略三角形の配管であって、蓋体１５及びインピンジメントプレート１６を貫通してその一端が蓋体１５の表面に開口するとともに、他端が翼本体１１の内部空洞に接続されている（図２に破線で示す）。これにより、この第二供給管１７３を介して翼本体１１の内部とタービン静翼１０の外部とが連通した状態になっている。

尚、配管群１７を構成する配管の本数やその設置位置は本実施例に限定されず、翼本体１１の内部の構成等に応じて適宜設計変更が可能である。

（内側シュラウド）
内側シュラウド１３は、周方向に複数設けられたタービン静翼１０をその基端部において互いに連結する役割を果たすものである。この内側シュラウド１３は、図２に示すように、下面が開口された筐体である本体部１４と、この本体部１４の開口を封止する蓋体１５と、本体部１４の内部に設けられたインピンジメントプレート１６と、を有している。ここで、本体部１４、蓋体１５、及びインピンジメントプレート１６の各構成は外側シュラウド１２と同じであるため、同じ符号を付し、その説明を省略する。そして、本体部１４及び蓋体１５によって冷却室１９が構成され、この冷却室１９がインピンジメントプレート１６によって上側の第三冷却室１９１と下側の第四冷却室１９２とに分割されている。

（翼本体）
図３は、タービン静翼１０の翼高さ方向Ｈへの断面を模式的に示した断面図、図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。翼本体１１は、図２及び図４に示すように翼形の外形を成し内部が空洞の外フレーム２０（外郭部）と、外フレーム２０の内部を区画するように設けられた複数の区画フレーム２１と、外フレーム２０の内部に所定幅の隙間Ｃを介して挿入された複数の挿入部材２２（供給部）と、を備えるものである。

区画フレーム２１は、図４に示すように、外フレーム２０における相対向する位置同士を互いに接続するように、或いは区画フレーム２１と外フレーム２０とを互いに接続するようにそれぞれ設けられている。これにより、翼本体１１の内部には、外フレーム２０と区画フレーム２１とによって包囲される挿入空間２３が複数形成されている。尚、区画フレーム２１は、外フレーム２０と一体的に構成してもよいし、或いは別部材として構成してもよい。

挿入部材２２は、図３及び図４に示すように、断面で細長い台形に形成された筐体であって、その長手方向一端側すなわち台形の長辺側の端面が開口されることにより、供給用開口２２１が形成されている。また、この挿入部材２２を構成する傾斜板２２２には、長手方向に沿って所定間隔で複数の噴出孔２２３が形成されている。またこの噴出孔２２３は、図４に詳細は示さないが、長手方向に略直交する方向へも所定間隔で形成されることにより、傾斜板２２２の全面に渡って形成されている。

このように構成される挿入部材２２は、図３及び図４に示すように、その長手方向一端側の供給用開口２２１を上方に向けた状態で、且つ、その傾斜板２２２を外フレーム２０の側に向けた状態で、ある１つの挿入空間２３Ａに対して上方から挿入される。そして、挿入部材２２は、図３に示すように供給用開口２２１の縁部が外フレーム２０及び区画フレーム２１に対して溶接部２４を介してそれぞれ固定される。これにより挿入部材２２は、その長手方向一端部だけが外フレーム２０及び区画フレーム２１によって支持された状態、すなわち片持ち支持された状態となっている。

そして、このように挿入部材２２を挿入空間２３Ａに挿入した時、挿入部材２２の傾斜板２２２と外フレーム２０の内面２０ａとの間には、隙間Ｃが形成される。また、挿入部材２２が断面で細長い台形に形成されていることにより、隙間Ｃの断面積、より詳細には翼高さ方向Ｈに略直交する方向への断面積は、翼高さ方向Ｈの上方から下方に向かって次第に大きくなっている。そして、この隙間Ｃの最下部には、流入した冷却ガスＲＧを外部へ排出するための排出口２５が形成されている。一方、この隙間Ｃの最上部は、挿入部材２２と外フレーム２０との溶接部２４によって封止されている。

また、図３及び図４に示すように、この挿入空間２３に隣接する挿入空間２３Ｂに対しては、挿入部材２２は挿入空間２３Ａと上下を逆転させた状態で挿入される。すなわち、この挿入空間２３Ｂに対しては、挿入部材２２はその供給用開口２２１を下方に向けた状態で、且つ、その傾斜板２２２を外フレーム２０の側に向けた状態で上方から挿入される。そして、図３に示すように、この挿入空間２３Ｂに挿入された挿入部材２２も、その供給用開口２２１の縁部が溶接部２４を介して外フレーム２０及び区画フレーム２１によって支持された状態、すなわち片持ち支持された状態となっている。

そして、この挿入空間２３Ｂでも、挿入部材２２の傾斜板２２２と外フレーム２０の内面２０ａとの間に隙間Ｃが形成される。しかし、この隙間Ｃの断面積は、挿入空間２３Ａとは逆に、翼高さ方向Ｈの下方から上方に向かって次第に大きくなっている。

尚、挿入部材２２を鋳造等によって外フレーム２０と一体的に形成することも可能である。しかし、本実施形態のように挿入部材２２を外フレーム２０とは別部材として構成すれば、冷却ガスＲＧの流路として機能する隙間Ｃを、鋳造等によっては形成が難しい小さな形状であっても、挿入部材２２の形状を適宜変化させることで容易に形成することができるという利点がある。

次に、第１実施形態に係るガスタービン１のタービン静翼１０の作用効果について説明する。図１に示すガスタービン１が稼動されると、タービン４を構成するタービン静翼１０は、燃焼器３で生成された高温の燃焼ガスに曝された状態となる。ここで、翼本体１１を構成する挿入部材２２は、前述のように外フレーム２０及び区画フレーム２１によって片持ち支持された状態となっており、外フレーム２０に対する相対的な変形が許容されている。従って、翼本体１１が高温の燃焼ガスに曝され、外フレーム２０と挿入部材２２とで熱伸びに差が生じても、挿入部材２２が外フレーム２０に対して相対的に変形することにより、挿入部材２２または外フレーム２０に熱応力が発生するのを抑制することができる。これにより、高温環境下においてもガスタービン１を良好に稼動させることができる。

そして、このように高温環境下に曝されるタービン静翼１０を冷却すべく、圧縮機２で圧縮した圧縮空気をクーラで冷却することによって冷却ガスＲＧが生成され、この冷却ガスＲＧがタービン静翼１０に供給される。

より詳細に説明すると、圧縮空気を冷却して生成した冷却ガスＲＧは、図２に示すように、タービン静翼１０の外側シュラウド１２に設けられた第一供給管１７２に供給される。この冷却ガスＲＧは、第一供給管１７２を通って本体部１４の第一冷却室１８１に流入し、インピンジメントプレート１６に形成された冷却孔１６１から第二冷却室１８２に向かって下向きに噴射することにより、外側シュラウド１２の本体部１４をインピンジメント冷却する。

そして冷却ガスＲＧは、本体部１４の底面に形成された貫通穴１４１を通って第二冷却室１８２から翼本体１１の内部に流入し、図３に示すように、供給用開口２２１から挿入部材２２の内部に流入する。そして冷却ガスＲＧは、挿入部材２２の内部を下方へ流通しながら、傾斜板２２２の噴出孔２２３から側方へ噴射することにより、外フレーム２０をインピンジメント冷却する。このように、外フレーム２０の冷却にインピンジメント冷却方式を用いることにより、対流冷却方式を用いる場合と比較してより効率的な冷却が可能となる。

そして、外フレーム２０と挿入部材２２との間の隙間Ｃに流入した冷却ガスＲＧは、外フレーム２０の内面２０ａに沿って下方へ流れることにより、噴出孔２２３から噴射する流れに対して交差して流れるクロスフローＣＦを形成する。このクロスフローＣＦは、下流側すなわち排出口２５に近付くほど多くの冷却ガスＲＧが合流することにより、その流量が次第に増大する。しかし前述のように、外フレーム２０と挿入部材２２との間の隙間Ｃは、その断面積が下方すなわちクロスフローＣＦの下流側に向かって次第に大きくなるように形成されている。従って、クロスフローＣＦの流量が増大する下流側においても、その流速の増加が抑制される。これにより、噴出孔２２３から噴射する冷却ガスＲＧの流れがクロスフローＣＦに大きく阻害されることによって冷却効率が低下することを、未然に防止することができる。

その後、隙間Ｃの最下流部に到達した冷却ガスＲＧは、排出口２５から外フレーム２０の外部へ排出され、内側シュラウド１３の第四冷却室１９２に流入する。そして、この冷却ガスＲＧは、インピンジメントプレート１６に形成された冷却孔１６１から第三冷却室１９１に向かって上向きに噴射することにより、内側シュラウド１３の本体部１４をインピンジメント冷却する。

そして冷却ガスＲＧは、図３に示すように、内側シュラウド１３の上面に形成された貫通穴（不図示）を通って第三冷却室１９１から翼本体１１の内部に流入する。そしてこの冷却ガスＲＧは、前記挿入部材２２とは別の挿入空間２３Ｂに挿入された挿入部材２２の内部に、供給用開口２２１から流入する。

その後、冷却ガスＲＧは、挿入部材２２の内部を上方へ流通しながら、傾斜板２２２の噴出孔２２３から側方へ噴射することにより、外フレーム２０をインピンジメント冷却する。そして、外フレーム２０と挿入部材２２との間の隙間Ｃに流入した冷却ガスＲＧは、外フレーム２０の内面２０ａに沿って上方へ流れる事により、クロスフローＣＦを形成する。このクロスフローＣＦは、下流側すなわち排出口２５に近付くほどにその流量が次第に増大するが、外フレーム２０と挿入部材２２との間の隙間Ｃは、その断面積が上方すなわちクロスフローＣＦの下流側に向かって次第に大きくなるように形成されている。従って、クロスフローＣＦは流量が増大する下流側において流速の増加が抑制される。これにより、噴出孔２２３から噴射する冷却ガスＲＧの流れがクロスフローＣＦに大きく阻害されることによって冷却効率が低下することを、未然に防止することができる。

その後、隙間Ｃの最下流部に到達した冷却ガスＲＧは、排出口２５から外フレーム２０の外部へ排出され、図２に示す外側シュラウド１２の排出管１７１を通ってタービン静翼１０の外部へ回収される。このように回収した冷却ガスＲＧを、図１に示す燃焼器３において予混合燃焼を行うための燃焼用空気として再利用することにより、燃焼に伴う窒素酸化物の排出を低減することができる。尚、本実施形態では冷却ガスＲＧを回収して再利用する回収式空気冷却を採用したタービン静翼１０について説明したが、開放式空気冷却を採用したタービン静翼１０として構成することも可能である。この開放式空気冷却とは、冷却ガスＲＧを回収することなく翼本体１１の外部へそのまま放出し、翼本体１１の表面に薄い空気のフィルム層を形成することにより、燃焼ガスに触れた翼本体１１の温度が上昇することを抑制する方式である。この開放式空気冷却を採用する場合、例えば、翼本体１１の内部を外側シュラウド１２の側から内側シュラウド１３の側へ向かってのみ、冷却ガスＲＧが流通するように構成してもよい。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態に係るタービン静翼１０について説明する。第２実施形態に係るタービン静翼１０は、第１実施形態に係るタービン静翼１０と比較すると、外フレーム３０（外郭部）の構成だけが異なっている。それ以外の構成は第１実施形態と同じであるため、同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。

図５は、第２実施形態の外フレーム３０の内面３０ａを示す概略断面図である。本実施形態では、外フレーム３０の内面３０ａに突出して複数の凸部３１が設けられている。これら凸部３１は、円錐形状を有し、挿入部材２２の傾斜板２２２に形成された噴出孔２２３に対向する位置Ｘにそれぞれ固定されている。

次に、第２実施形態に係るタービン静翼１０の作用効果について説明する。図６は、第２実施形態の外フレーム３０に対する熱伝達率の分布を示すグラフであって、横軸が噴出孔２２３の中心に対向する位置Ｘからの離間距離を、縦軸が外フレーム３０に対する熱伝達率をそれぞれ示している。外フレーム３０の内面３０ａに凸部３１が設けられていない場合、図６に破線で示すように、冷却ガスＲＧが最も多く吹き付けられる位置、すなわち噴出孔２２３の中心に対向する位置Ｘにおいて、熱伝達率が最も高くなっている。そして、その位置から離間するに従って、熱伝達率は徐々に低くなる傾向を有している。

しかし、本実施形態では外フレーム３０の内面３０ａに凸部３１を設けたことにより、噴出孔２２３に対向する位置Ｘでは、噴出孔２２３から噴射する冷却ガスＲＧの流れが凸部３１によって阻害されることにより、図６に実線で示すように、当該箇所では外フレーム３０への熱伝達率が相対的に低くなる。その結果、外フレーム３０は温度分布が均一化することに起因して熱応力が低減する。これにより、外フレーム３０を所定の目標温度まで冷却する際に、必要な冷却ガスＲＧの量が減少することにより、または圧力損失が低減することにより、冷却効率が向上する。

尚、本実施形態では凸部３１を外フレーム３０とは別部材としたが、凸部３１を外フレーム３０と一体的に形成してもよい。また凸部３１は、噴出孔２２３に対向して設けられていれば、その材質や形状等は特に限定されない。ここで、図７は、凸部３１の変形例を示す概略斜視図である。図７（ａ）に示す本実施形態の円錐形状の凸部３１に代えて、図７（ｂ）に示す四角錐形状の凸部３２や、図７（ｃ）に示す台形柱形状の凸部３３を採用することも可能である。

[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態に係るタービン静翼１０について説明する。第３実施形態に係るタービン静翼１０も、第１実施形態に係るタービン静翼１０と比較すると、外フレーム４０（外郭部）の構成だけが異なっている。それ以外の構成は第１実施形態と同じであるため、同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。

図８は、第３実施形態の外フレーム４０の内面４０ａを示す概略断面図である。本実施形態では、外フレーム４０の内面４０ａに突出して複数の乱流促進リブ４１が設けられている。これら乱流促進リブ４１は、平面視で略円環形状を有し、挿入部材２２の傾斜板２２２に形成された噴出孔２２３に対向する位置Ｘから離間するようにして、すなわち隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙにそれぞれ固定されている。

次に、第３実施形態に係るタービン静翼１０の作用効果について説明する。図９は、第３実施形態の外フレーム４０に対する熱伝達率の分布を示すグラフであって、横軸が噴出孔２２３の中心に対向する位置Ｘからの離間距離を、縦軸が外フレーム４０に対する熱伝達率をそれぞれ示している。外フレーム４０の内面４０ａに乱流促進リブ４１が設けられていない場合、第２実施形態の図６と同様に、図９に破線で示す熱伝達率は、噴出孔２２３の中心に対向する位置Ｘにおいて最も高くなっており、その位置から離間するに従って徐々に低くなる傾向を有している。そして熱伝達率は、冷却ガスＲＧが吹き付けられる量が最も少ない位置、すなわち隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙにおいて最も低くなっている。

しかし本実施形態では、隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙに設けた乱流促進リブ４１によって冷却ガスＲＧについて乱流ＲＦの発生が促進されることにより、図９に実線で示すように、中間位置Ｙにおける熱伝達率が相対的に高くなる。その結果、外フレーム４０は温度分布が均一化することに起因して熱応力が低減する。これにより、外フレーム４０を所定の目標温度まで冷却する際に、必要な冷却ガスＲＧの量が減少することにより、または圧力損失が低減することにより、冷却効率が向上する。

尚、本実施形態では乱流促進リブ４１を外フレーム４０とは別部材としたが、乱流促進リブ４１を外フレーム４０と一体的に形成してもよい。また乱流促進リブ４１は、隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙに設けられていれば、その材質や形状等は特に限定されない。ここで、図１０から図１５は、乱流促進リブ４１の変形例を示す図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。乱流促進リブ４１は、本実施形態のような平面視で略円環形状に限られず、平面視で略直線形状に形成することも可能である。

そして乱流促進リブ４１の配置の仕方としては、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する噴出孔２２３（図に破線で示す）の中間位置Ｙを通り、クロスフローＣＦの流れ（図に矢印で示す）に略直交する方向へ延びるように乱流促進リブ４２を配置してもよい。また、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、クロスフローＣＦの流れに略平行する方向へ延びるように乱流促進リブ４３を配置してもよい。更に、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、クロスフローＣＦの流れに略直交する方向と略平行する方向の両方へ延びるように乱流促進リブ４４を格子状に配置してもよい。

また、図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙを通り、クロスフローＣＦの流れに対して所定の角度をなして斜めに延びるように乱流促進リブ４５を配置してもよい。更に、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙを２本の乱流促進リブ４６が通り、クロスフローＣＦの流れに略直交する方向へそれぞれ延びるように（或いは平行する方向へ延びるように）乱流促進リブ４６を配置してもよい。また、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙを２本の乱流促進リブ４７が通り、クロスフローＣＦの流れに対して所定の角度をなしてそれぞれ斜めに延びるように乱流促進リブ４７を配置してもよい。

また、第２実施形態の凸部３１と第３実施形態の乱流促進リブ４１〜４７とを並存させることも可能である。すなわち、図に詳細は示さないが、噴出孔２２３それぞれに対向する位置Ｘに凸部３１を設けるとともに、隣接する噴出孔２２３の中間位置Ｙに乱流促進リブ４１〜４７を設けてもよい。

また、以上説明した各実施形態では冷却ガスＲＧの排出方向を翼高さ方向Ｈとしたが、これに限られず冷却ガスＲＧの排出方向は翼本体１１の内部における任意の方向とすることが可能である。しかし、本実施形態のように冷却ガスＲＧの排出方向を翼高さ方向Ｈとした場合、排出方向を他の方向とした場合と比較して、噴出孔２２３から排出口２５までの距離が長くなるため、クロスフローＣＦの下流側において流量が増大しやすい。従って、クロスフローＣＦの流速が増加するのを抑制する効果がより有効に発揮される。

また、本発明に係る回転機械の翼体は、各実施形態で説明したガスタービン１のタービン静翼１０に限られず、タービン動翼７や、高温の作動流体に曝されるその他の翼体として構成することも可能である。

尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ロータ
６ タービンケーシング
７ タービン動翼
１０ タービン静翼
１１ 翼本体
１２ 外側シュラウド
１３ 内側シュラウド
１４ 本体部
１５ 蓋体
１６ インピンジメントプレート
１７ 配管群
１８ 冷却室
１９ 冷却室
２０ 外フレーム（外郭部）
２１ 区画フレーム
２２ 挿入部材（供給部）
２３ 挿入空間
２４ 溶接部
２５ 排出口
３０ 外フレーム（外郭部）
３１ 凸部
３２ 凸部
３３ 凸部
４０ 外フレーム（外郭部）
４１ 乱流促進リブ
４２ 乱流促進リブ
４３ 乱流促進リブ
４４ 乱流促進リブ
４５ 乱流促進リブ
４６ 乱流促進リブ
４７ 乱流促進リブ
１４１ 貫通穴
１６１ 冷却孔
１７１ 排出管
１７２ 第一供給管
１７３ 第二供給管
１８１ 第一冷却室
１８２ 第二冷却室
１９１ 第三冷却室
１９２ 第四冷却室
２２１ 供給用開口
２２２ 傾斜板
２２３ 噴出孔
２０ａ 内面（外フレーム）
２３Ａ 挿入空間
２３Ｂ 挿入空間
３０ａ 内面（外フレーム）
４０ａ 内面（外フレーム）
Ｃ 隙間
ＣＦ クロスフロー
Ｆ 流通方向
Ｈ 翼高さ方向
ＲＦ 乱流
ＲＧ 冷却ガス（冷却用流体）
Ｘ 位置
Ｙ 中間位置

Claims (6)

1. ロータに対する径方向に延びる翼本体と、
   前記径方向における前記翼本体の一方側に設けられている外側シュラウドと、
   前記径方向における前記翼本体の他方側に設けられている内側シュラウドと、
   を備え、
   前記外側シュラウド及び前記内側シュラウドは、いずれも、
   内部に空間が形成されている本体部と、
   前記本体部の前記空間を前記径方向で二つの区画に分割するインピンジメントプレートを、を有し、
   前記インピンジメントプレートには、二つの前記区画のうち、前記径方向で前記翼本体と反対側の区画に流入した冷却用流体を前記翼本体側の区画内に噴出する複数の冷却孔が形成され、
   前記翼本体は、
   翼形を形成する外郭部と、
   前記外郭部の内部に、前記外郭部の内面と隙間を有して配されるとともに、前記外側シュラウドの前記翼本体側の区画から内部に供給された前記冷却用流体を前記外郭部の内面に向かって噴出させる噴出孔を有する第一供給部と、
   前記外郭部と前記第一供給部との隙間に流入した前記冷却用流体を前記内側シュラウドの前記翼本体と反対側の前記区画内に排出する第一排出口と、
   前記外郭部の内部に、前記外郭部の内面と隙間を有して配されるとともに、前記内側シュラウドの前記翼本体側の区画から内部に供給された前記冷却用流体を前記外郭部の内面に向かって噴出させる噴出孔を有する第二供給部と、
   前記外郭部と前記第二供給部との隙間に流入した冷却用流体を外部に排出する第二排出口と、
   を有し、
   前記外郭部の内面と前記第一供給部との間の前記隙間は、前記第一排出口への前記冷却用流体の排出する方向の上流側から下流側に向かうにしたがって断面積が次第に大きくなるように形成され、
   前記外郭部の内面と前記第二供給部との間の前記隙間は、前記第二排出口への前記冷却用流体の排出する方向の上流側から下流側に向かうにしたがって断面積が次第に大きくなるように形成されていることを特徴とする回転機械の翼体。
2. 前記冷却用流体を排出する方向が、前記外郭部の翼高さ方向であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械の翼体。
3. 前記外郭部の内面であって前記噴出孔の対向位置に、凸部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機械の翼体。
4. 前記外郭部の内面であって前記噴出孔の対向位置から離間した位置に、内面に沿って流れる前記冷却用流体に乱流を形成させる乱流促進リブが突出して設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転機械の翼体。
5. 前記第一供給部及び前記第二供給部が、前記外郭部とは別部材であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転機械の翼体。
6. 前記第一供給部及び前記第二供給部は、その長手方向一端部が前記外郭部によって支持されていることを特徴とする請求項５に記載の回転機械の翼体。

Images