JP5791406B2 - 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、
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、内部に供給された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供給部と、前記噴出孔と翼高さ方向に対応する位置で設けられて前記噴出孔から噴出した冷却用流体の全てを回収する回収口が形成され、前記回収口から回収された冷却用流体を翼高さ方向に案内して排出する排出部と、を備え、
前記供給部が、前記外郭部の内面であって翼形の背側を形成する部分に向かって冷却用流体を噴出させる背側噴出孔を有する背側供給部と、前記背側噴出孔から噴出した冷却用流体を回収し、前記外郭部の内面であって翼形の腹側を形成する部分に向かって冷却用流体を噴出させる腹側噴出孔を有する腹側供給部と、を備え、前記排出部が、前記腹側噴出孔から噴出した冷却用流体を前記回収口から回収す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、その内面に沿って回収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に行くほど増大する。しかし、回収口が噴出孔と翼高さ方向に対応する位置に設けられているため、クロスフローの流れ方向は翼高さ方向に略直交する方向である。従って、クロスフローの流れ方向が翼高さ方向である場合と比較すると、噴出孔から回収口までの距離が短いため、下流側でクロスフローの流量が増大しそれに伴って流速が増加することが抑制される。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、このような構成によれば、外郭部の背側を冷却した冷却用流体を回収した後、この冷却用流体を外郭部の腹側の冷却にも利用するので、より少量の冷却用流体によって外郭部の背側と腹側の両側をインピンジメント冷却することができ、冷却効率の向上を図ることができる。

また、本発明に係る回転機械の翼体は、前記外郭部の内面と前記供給部との間の隙間は、前記回収口へ向けての冷却用流体の流れ方向の上流側から下流側に向かうに従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、その内面に沿って回収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、下流側すなわち回収口に近付くほど増大する。しかし、外郭部の内面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、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。

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。 図２におけるＡ−Ａ線断面を模式的に示した図である。 第２実施形態に係る挿入部材の１つを拡大した図である。 第３実施形態に係る挿入部材の１つを拡大した図である。 第４実施形態に係る挿入部材の１つを拡大した図である。 第５実施形態の外フレームの内面を示す概略断面図である。 第５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。 第６実施形態の外フレームの内面を示す概略断面図である。 第６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、図２におけるＡ−Ａ線断面を模式的に示した図である。翼本体１１は、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３つの区画フレーム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４つの挿入部材２２と、を備えるものである。

外フレーム２０は、図３に示すように翼形を形成し、翼形の背側が凸状に形成されるとともに、翼形の腹側が凹状に形成されている。

区画フレーム２１は、図３に示すように、外フレーム２０における背側の所定位置とこれに対向する腹側の位置とを接続するようにして設けられている。そして、３つの区画フレームは、所定間隔で互いに略平行して延びるようにして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３つの区画フレーム２１とによって、４つの挿入空間２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄがそれぞれ形成されている。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に示すように、挿入空間２３Ｂ及び挿入空間２３Ｃにそれぞれ挿入された供給側挿入部材２２Ｂ及び供給側挿入部材２２Ｃと、挿入空間２３Ａ及び挿入空間２３Ｄにそれぞれ挿入された回収側挿入部材２２Ａ及び回収側挿入部材２２Ｄと、を有している。

供給側挿入部材２２Ｂは、タービン静翼１０の外部から翼本体１１の内部に供給した冷却ガスＲＧが流通する経路としての役割を果たすものである。この供給側挿入部材２２Ｂは、図３に示すように、複数の背側噴出孔５０（第一噴出孔）が形成された背側供給部５１（第一供給部）と、複数の腹側噴出孔５２（第二噴出孔）が形成された腹側供給部５３（第二供給部）と、導入口５４が形成された連通部５５と、回収口５６が形成された排出部５７と、を有している。尚、供給側挿入部材２２Ｃは、挿入空間２３Ｃの形状に応じた外形を有する点だけが異なり、その構成は供給側挿入部材２２Ｂと同じであるため、同じ符号を使用し、ここでは説明を省略する。

このように構成される供給側挿入部材２２Ｂは、図３に示すように、外フレーム２０との間に所定幅の隙間Ｃを開けるようにして、挿入空間２３Ｂに対して挿入される。そして、供給側挿入部材２２Ｂは、図３に示すように区画フレーム２１に対して２箇所の溶接部５８を介してそれぞれ固定される。これにより、外フレーム２０と供給側挿入部材２２Ｂとの間の隙間Ｃは、互いに隔絶された背側隙間Ｃ１と腹側隙間Ｃ２とに分割されている。尚、供給側挿入部材２２Ｃも、これと同様にして挿入空間２３Ｃに対して挿入される。

回収側挿入部材２２Ａは、翼本体１１の内部からタービン静翼１０の外部へ回収する冷却ガスＲＧが流通する経路としての役割を果たすものである。この回収側挿入部材２２Ａは、図３に示すように、複数の背側噴出孔６０（第一噴出孔）が形成された背側供給部６１（第一供給部）と、複数の腹側噴出孔６２（第二噴出孔）が形成された腹側供給部６３（第二供給部）と、導入口６４が形成された連通部６５と、回収口６６が形成された排出部６７と、を有している。尚、回収側挿入部材２２Ｄは、挿入空間２３Ｄの形状に応じた外形を有する点だけが異なり、その構成は供給側挿入部材２２Ａと同じであるため、同じ符号を使用し、ここでは説明を省略する。

このように構成される回収側挿入部材２２Ａも、図３に示すように、外フレーム２０との間に所定幅の隙間Ｃを開けるようにして、挿入空間２３Ａに対して挿入される。そして、回収側挿入部材２２Ａは、図３に示すように区画フレーム２１に対して２箇所の溶接部６８を介してそれぞれ固定される。これにより、外フレーム２０と回収側挿入部材２２Ａとの間の隙間Ｃは、互いに隔絶された背側隙間Ｃ３と腹側隙間Ｃ４とに分割されている。尚、回収側挿入部材２２Ｄも、これと同様にして挿入空間２３Ｄに対して挿入される。

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。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に示す供給側挿入部材２２Ｂの背側供給部５１に流入する。背側供給部５１に流入した冷却ガスＲＧは、背側噴出孔５０から噴射することにより、外フレーム２０の背側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、背側隙間Ｃ１に流入した冷却ガスＲＧは、外フレーム２０の内面２０ａに沿って流れることにより、背側噴出孔５０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、下流側すなわち導入口５４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、クロスフローＣＦの流れ方向は翼高さ方向Ｈに略直交する方向である。従って、クロスフローＣＦの流れ方向が翼高さ方向Ｈである場合と比較すると、クロスフローＣＦが外フレーム２０の内面２０ａに沿って流れる距離が短いため、下流側に達するまでにクロスフローＣＦに合流する冷却ガスＲＧの量が少ない。そのため、下流側においてクロスフローＣＦの流量が増大する幅が小さく、下流側においてクロスフローＣＦの流速が増加する幅も小さくなる。これにより、背側噴出孔５０から噴射する冷却ガスＲＧの流れが高速のクロスフローＣＦ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。

その後、この冷却ガスＲＧは、導入口５４から供給側挿入部材２２Ｂの内部に流入し、連通部５５を通って腹側供給部５３に達すると、腹側噴出孔５２から噴射することにより、外フレーム２０の腹側をインピンジメント冷却する。

そして、腹側隙間Ｃ２に流入した冷却ガスＲＧは、外フレーム２０の内面２０ａに沿って流れることにより、腹側噴出孔５２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、下流側すなわち回収口５６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加する。しかし、前述と同様の理由により、下流側でクロスフローＣＦの流速が増加することが抑制され、腹側噴出孔５２から噴射する冷却ガスＲＧの流れがクロスフローＣＦ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。

そして、冷却ガスＲＧは、回収口５６から排出部５７に流入し、排出部５７に沿って下方へ流通した後、外フレーム２０の外部へ排出され、図２に示す内側シュラウド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、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、図３に示す挿入空間２３Ａに挿入された回収側挿入部材２２Ａの内部に流入する。

その後、冷却ガスＲＧは、回収側挿入部材２２Ａの背側供給部６１に沿って上方へ流通し、背側噴出孔６０から噴射することにより、外フレーム２０の背側をインピンジメント冷却する。そして、背側隙間Ｃ３に流入した冷却ガスＲＧは、外フレーム２０の内面２０ａに沿って流れることによりクロスフローＣＦを形成する。そして、冷却ガスＲＧは、導入口６４から連通部６５を経て腹側供給部６３に達すると、腹側噴出孔６２から噴射することにより、外フレーム２０の腹側をインピンジメント冷却する。

そして、腹側隙間Ｃ４に流入した冷却ガスＲＧは、外フレーム２０の内面２０ａに沿って流れることによりクロスフローＣＦを形成し、回収口６６から排出部６７へ流入する。
そして、この冷却ガスＲＧは、排出部６７に沿って上方へ流通した後、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。これに対して、開放式空気冷却を採用したタービン静翼も存在する。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。

本実施形態の構成によれば、外フレーム２０の背側を冷却した冷却ガスＲＧを回収した後、腹側の冷却にも利用するので、より少量の冷却ガスＲＧによって外フレーム２０の背側と腹側の両側をインピンジメント冷却することができ、冷却効率の向上を図ることができる。

尚、本実施形態では供給側挿入部材２２Ｂと回収側挿入部材２２Ａを例に説明したが、供給側挿入部材２２Ｃ及び回収側挿入部材２２Ｄについても同様の作用効果が奏される。

［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、翼本体１１を構成する挿入部材７０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４は、挿入部材７０の１つを拡大した図である。挿入部材７０は、複数の背側噴出孔７１が形成された背側供給部７２と、複数の腹側噴出孔７３が形成された腹側供給部７４と、第一回収口７５及び第二回収口７６が形成された排出部７７と、を有している。

そして、このように構成される挿入部材７０は、外フレーム２０との間に所定幅の隙間Ｃを開けるようにして、挿入空間２３に対して挿入される。そして、挿入部材７０は、区画フレーム２１に対して２箇所の溶接部５８を介してそれぞれ固定される。これにより、外フレーム２０と挿入部材７０との間の隙間Ｃは、互いに隔絶された背側隙間Ｃ５と腹側隙間Ｃ６とに分割されている。

このような構成によれば、背側供給部７２及び腹側供給部７４に供給された冷却ガスＲＧが、背側噴出孔７１及び腹側噴出孔７３からそれぞれ噴射することにより、外フレーム２０の背側及び腹側をそれぞれインピンジメント冷却する。そして、背側隙間Ｃ５及び腹側隙間Ｃ６に流入した冷却ガスＲＧは、外フレーム２０の内面２０ａに沿って流れることにより、クロスフローＣＦをそれぞれ形成する。そして、冷却ガスＲＧは、第一回収口７５及び第二回収口７６から排出部７７へ流入する。

本実施形態の構成によれば、背側噴出孔７１及び腹側噴出孔７３の両方から噴射した冷却ガスＲＧを排出部７７が回収するので、第１実施形態の効果に加えて、冷却ガスＲＧを案内するために複雑な流路を設ける必要がなく、簡略な流路構成によって外フレーム２０の背側と腹側の両側をインピンジメント冷却することができる。

［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、翼本体１１を構成する挿入部材８０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、挿入部材８０の１つを拡大した図である。挿入部材８０は、複数の背側噴出孔８１が形成された背側供給部８２と、複数の腹側噴出孔８３が形成された腹側供給部８４と、４つの回収口８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｃ，８５Ｄが形成された排出部８６と、を有している。

そして、このように構成される挿入部材８０は、外フレーム２０との間に所定幅の隙間Ｃを開けるようにして、挿入空間２３に対して挿入される。そして、挿入部材８０は、区画フレーム２１に対して２箇所の溶接部５８を介してそれぞれ固定される。これにより、外フレーム２０と挿入部材８０との間の隙間Ｃは、互いに隔絶された背側隙間Ｃ７と腹側隙間Ｃ８とに分割されている。

このような構成によれば、背側供給部８２及び腹側供給部８４に供給された冷却ガスＲＧが、背側噴出孔８１及び腹側噴出孔８３からそれぞれ噴射することにより、外フレーム２０の背側及び腹側をそれぞれインピンジメント冷却する。そして、背側隙間Ｃ７及び腹側隙間Ｃ８に流入した冷却ガスＲＧは、左右に分岐して外フレーム２０の内面２０ａに沿って流れることにより、左右両方向へのクロスフローＣＦをそれぞれ形成する。そして、冷却ガスＲＧは、４つの回収口８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｃ，８５Ｄから排出部８６へ流入する。

本実施形態の構成によれば、背側噴出孔８１及び腹側噴出孔８３の両方から噴射した冷却ガスＲＧを排出部８６が回収するので、第1実施形態の効果に加えて、第２実施形態と同様の効果が奏される。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係るタービン静翼１０について説明する。第４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、翼本体１１を構成する挿入部材９０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６は、挿入部材９０の１つを拡大した図である。挿入部材７０は、第２実施形態の挿入部材７０と同様に、複数の背側噴出孔９１が形成された背側供給部９２と、複数の腹側噴出孔９３が形成された腹側供給部９４と、第一回収口９５及び第二回収口９６が形成された排出部９７と、を有している。そして挿入部材９０は、区画フレーム２１に対して２箇所の溶接部５８を介してそれぞれ固定されることにより、隙間Ｃが、互いに隔絶された背側隙間Ｃ９と腹側隙間Ｃ１０とに分割されている。

ここで、本実施形態の挿入部材９０は、背側隙間Ｃ９及び腹側隙間Ｃ１０が、クロスフローＣＦの流れ方向の上流側から下流側に向かってその断面積が次第に大きくなるようにそれぞれ形成されている。このような構成によれば、クロスフローＣＦの流量は下流側に行くほど増大するが、流量が増大する下流側においてその流速の増加が抑制される。これにより、背側噴出孔９１及び腹側噴出孔９３から噴射する冷却ガスＲＧの流れがクロスフローＣＦ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。

[第５実施形態]
次に、本発明の第５実施形態に係るタービン静翼１０について説明する。第５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７は、第５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に形成された背側噴出孔５０に対向する位置Ｘにそれぞれ固定されている。

次に、第５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８は、第５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、横軸が背側噴出孔５０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８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、すなわち背側噴出孔５０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、背側噴出孔５０に対向する位置Ｘでは、背側噴出孔５０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８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、背側噴出孔５０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９は、凸部３１の変形例を示す概略斜視図である。図９（ａ）に示す本実施形態の円錐形状の凸部３１に代えて、図９（ｂ）に示す四角錐形状の凸部３２や、図９（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６実施形態]
次に、本発明の第６実施形態に係るタービン静翼１０について説明する。第６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１０は、第６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に形成された背側噴出孔５０に対向する位置Ｘから離間するようにして、すなわち隣接する背側噴出孔５０の中間位置Ｙにそれぞれ固定されている。

次に、第６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１１は、第６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、横軸が背側噴出孔５０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８と同様に、図１１に破線で示す熱伝達率は、背側噴出孔５０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、すなわち隣接する背側噴出孔５０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、隣接する背側噴出孔５０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１１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、隣接する背側噴出孔５０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１２から図１７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１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する背側噴出孔５０（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１３（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１４（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１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する背側噴出孔５０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１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する背側噴出孔５０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１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、隣接する背側噴出孔５０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５実施形態の凸部３１と第６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、背側噴出孔５０それぞれに対向する位置Ｘに凸部３１を設けるとともに、隣接する背側噴出孔５０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。

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
２３ 挿入空間
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
５０ 背側噴出孔
５１ 背側供給部
５２ 腹側噴出孔
５３ 腹側供給部
５４ 導入口
５５ 連通部
５６ 回収口
５７ 排出部
５８ 溶接部
６０ 背側噴出孔
６１ 背側供給部
６２ 腹側噴出孔
６３ 腹側供給部
６４ 導入口
６５ 連通部
６６ 回収口
６７ 排出部
６８ 溶接部
７０ 挿入部材
７１ 背側噴出孔
７２ 背側供給部
７３ 腹側噴出孔
７４ 腹側供給部
７５ 第一回収口
７６ 第二回収口
７７ 排出部
８０ 挿入部材
８１ 背側噴出孔
８２ 背側供給部
８３ 腹側噴出孔
８４ 腹側供給部
８６ 排出部
９０ 挿入部材
９１ 背側噴出孔
９２ 背側供給部
９３ 腹側噴出孔
９４ 腹側供給部
９５ 第一回収口
９６ 第二回収口
９７ 排出部
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
２０ａ 内面（外フレーム）
２２Ａ 回収側挿入部材
２２Ｂ 供給側挿入部材
２２Ｃ 供給側挿入部材
２２Ｄ 回収側挿入部材
２３Ａ 挿入空間
２３Ｂ 挿入空間
２３Ｃ 挿入空間
２３Ｄ 挿入空間
３０ａ 内面（外フレーム）
４０ａ 内面（外フレーム）
８５Ａ 回収口
８５Ｂ 回収口
８５Ｃ 回収口
８５Ｄ 回収口
Ｃ 隙間
Ｃ１ 背側隙間
Ｃ１０ 腹側隙間
Ｃ２ 腹側隙間
Ｃ３ 背側隙間
Ｃ４ 腹側隙間
Ｃ５ 背側隙間
Ｃ６ 腹側隙間
Ｃ７ 背側隙間
Ｃ８ 腹側隙間
Ｃ９ 背側隙間
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 (5)

1. 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、内部に供給された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供給部と、
   前記噴出孔と翼高さ方向に対応する位置で設けられて前記噴出孔から噴出した冷却用流体の全てを回収する回収口が形成され、前記回収口から回収された冷却用流体を翼高さ方向に案内して排出する排出部と、
   を備え、
   前記供給部が、前記外郭部の内面であって翼形の背側を形成する部分に向かって冷却用流体を噴出させる背側噴出孔を有する背側供給部と、前記背側噴出孔から噴出した冷却用流体を回収し、前記外郭部の内面であって翼形の腹側を形成する部分に向かって冷却用流体を噴出させる腹側噴出孔を有する腹側供給部と、を備え、
   前記排出部が、前記腹側噴出孔から噴出した冷却用流体を前記回収口から回収することを特徴とする回転機械の翼体。
2. 前記外郭部の内面と前記供給部との間の隙間は、前記回収口へ向けての冷却用流体の流れ方向の上流側から下流側に向かうに従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。

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