JP6108982B2 - タービン翼及びこれを備える回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、タービン翼及びこれを備える回転機械に関する。

ガスタービン翼には、内部に冷却流路が設けられており、この冷却流路に冷却媒体となる流体を流通させることによりガスタービン翼を内部から冷却している。このように冷却を行うことで、ガスタービン翼の材質の融点を超える高温ガス等にガスタービン翼が曝されて、ガスタービン翼が高温となり、融解することを防止している。そして、このようなガスタービン翼では、冷却流路にタービュレータを設けることでガスタービン翼の冷却効率を向上させている。タービュレータは、冷却流路に形成されるリブであり、冷却流路を流通する流体を剥離、再付着させることによって、流体による冷却効率を向上させている。

このようなタービュレータの一例が特許文献１に記載されている。このタービュレータは、冷却流路において流体の流れに対して傾斜して設けられている。具体的には、冷却流路のＵターン部の上流側において、Ｕターン部の外側壁に連続する壁から内側壁に連続する壁に向かって上流側から下流側に向かうように傾斜して設けられている。このようにタービュレータを流体の流れに対して傾斜するよう設けることで、Ｕターン部の上流においてＵターン部の内側に冷却媒体を寄せられて圧力損失が低減できる。したがって、冷却流路における流体の流量を増加させることができ、冷却効率を向上させることができる。

特開２００４−２２５６９０号公報

ところで、このようなタービュレータが設けられた冷却流路の形状は、タービン翼を十分に冷却するためにタービン翼の形状に沿って何度も曲がるような複雑な形状となっている。そのため、冷却流路内を流通する流体に流速差が生じて流量のばらつき、流体による冷却効率にばらつきが生じてしまう。そして、タービン翼が熱によって損傷しないよう冷却効率の最も低い部分に合わせて流体を流す必要があるため、冷却効率がもともと高い部分では過冷却となってしまうなど、タービン翼の温度分布のばらつきが生じている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、タービン翼の温度分布のばらつきを容易に緩和することができるタービン翼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。
本発明の一態様に係るタービン翼は、内部に流体が流通する冷却流路が形成された翼本体と、前記冷却流路の内面から突出して前記冷却流路の幅方向にわたって延びるタービュレータと、を備え、前記タービュレータは、前記幅方向の一方側から他方側に向かうに従って、前記内面との接触面積及び前記内面からの突出高さが漸次小さくなり、前記冷却流路は、前記流体の流通方向を反転させるリターン部を有し、前記タービュレータは、前記リターン部の上流側に前記リターン部の内側を前記一方側として配置され、前記リターン部の上流側に配置された場合に、前記一方側が前記他方側よりも前記流体の流通方向の上流側に配置されるように前記幅方向に対して傾斜して延びていることを特徴とする。

このようなタービン翼によれば、タービュレータが冷却流路の内面との接触面積及び突出高さが幅方向の一方側から他方側に向かうにしたがって漸次小さくなるよう形成されていることで、幅方向の一方側と他方側との形状を大きく変えることができる。そのため、冷却流路を流通する流体に与える影響を幅方向の一方側と他方側とで大きく変えることができる。具体的には、冷却流路の内面から突出高さを高くすることで、冷却流路を流通する流体の圧力損失を大きくし、流体の流通方向を変化させて他方側を流れる流体に流量を増加させることができる。また、冷却流路の内面との接触面積を増加させることで、冷却流路を流通する流体によって冷却されるタービュレータから冷却流路の内面への熱伝達率を増加させて、冷却流路の内面をより冷却させることができる。したがって、冷却流路の流体の流量や冷却効率に差がある箇所に設けることで、幅方向の一方側と他方側とで流体や冷却流路に与える影響を変化させることができ、タービン翼の温度分布のばらつきを容易に緩和することができる。また、冷却流路がリターン部を有し、タービュレータがリターンの流体の流通方向の上流側でリターン部の内側を一方側として配置されていることで、リターン部の内側を流れる流体の流量を減少させ、外側を流れる流体の流量を増加させることができる。タービュレータによって流体の流通方向を変化させて他方側であるリターン部の外側を流れる流体の流量を、リターン部に流入する前から増加させていることで、リターン部の内側を通過して外側に寄りながら流れようとする流体の流れを緩和することができる。その結果、第一リターン部の下流側を流れる流体の流量の一方側と他方側とのばらつきを低減できる。これによって、冷却流路を流通する流体の流量を均一な状態に近づけて冷却効率を均一に近づけることができ、タービン翼の温度分布のばらつきをより容易に緩和することができる。

また、本発明の他の態様に係るタービン翼は、前記タービュレータは、前記幅方向と交差する面における断面形状が三角形状をなしていることを特徴とする。

このようなタービン翼によれば、冷却流路の幅方向と直交する面における断面形状が三角形状をなすようタービュレータが突出していることで、冷却流路の内面から突出するタービュレータの側面を二面だけにすることができる。タービュレータは、冷却流路の内面に面する側面からタービン翼の熱が入熱し、その熱を冷却媒体である流体に面する側面から流体に放熱している。したがって、タービュレータの内部では、冷却流路の内面に面する側面から流体に面する側面に向けて徐々に温度が減少するような温度勾配が生じている。ところが、断面形状が三角形状に形成されることで、流体に面する側面が二面となり角部分も１箇所のみとなることでタービュレータ内の温度勾配を抑えて内部の熱応力を低減することができる。これにより、タービュレータ内の熱応力を抑えて、タービュレータの損傷を防止し長寿命化を図ることができる。

また、本発明の他の態様に係るタービン翼は、前記冷却流路は、前記流体の流通方向を反転させるリターン部を有し、前記タービュレータは、前記リターン部の下流側に前記リターン部の内側を前記一方側として配置されることを特徴とする。

このようなタービン翼によれば、リターン部の下流側にタービュレータがリターン部の内側を一方側として配置されることで、タービュレータによって他方側の冷却効率をほとんど変化させずに一方側の冷却効率を向上させることができる。したがって、冷却媒体である流体の流量のよる冷却効率が十分でないリターン部の下流側の一方側を重点的に冷却することができ、リターン部の下流側における流体の流量による冷却効率の差を低減することができる。これにより、冷却流路内の温度に合わせて冷却することができ、タービン翼の温度分布のばらつきを容易に緩和することができる。

さらに、本発明の一の態様に係る回転機械は、前記タービン翼を備えることを特徴とする。

このような回転機械によれば、タービン翼を破損させることなく、安定して使用することができる。

本発明のタービン翼によれば、タービン翼の温度分布のばらつきを容易に緩和することができる。

本発明の実施形態に係るガスタービンを示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係るタービン翼を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係るタービュレータの配置を説明する図１における第一リターン部の拡大図である。 本発明の第一実施形態に係るタービュレータの形状を説明する拡大図で、同図（ａ）はタービュレータの斜視図、同図（ｂ）はタービュレータの各部分の断面図である。 本発明の第二実施形態に係るタービン翼を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係るタービュレータの配置を説明する図４における第一リターン部の拡大図である。 本発明の第三実施形態に係るタービン翼を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係るタービュレータの配置を説明する図６における第一リターン部の拡大図である。

以下、本発明に係る第一実施形態のタービン翼１０について図１から図４を参照して説明する。
第一実施形態のタービン翼１０は、例えば、翼根部が回転軸に固定されて回転軸とともに回転する回転機械であるガスタービン１００に用いられる動翼である。
本実施形態のガスタービン１００は、図１に示すように、空気を圧縮する圧縮機１０１と、圧縮機１０１で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器１０２と、高温高圧の燃焼ガスにより駆動するタービン１０３と、を備えている。
タービン１０３は、動翼であるタービン翼１０や静翼１１を有している。

タービン翼１０は、図２に示すように、内部に流体が流通する冷却流路２が形成された翼本体１と、冷却流路２の内面から突出して冷却流路２の幅方向にわたって延びるタービュレータ３とを備えている。

翼本体１は、翼根部側の下端側（図２紙面下側）から対向する上端側（図２紙面上側）に向かって内部を連通する冷却流路２が形成されている。
冷却流路２は、翼本体１内に形成され、冷却媒体となる流体を流通させる流路である。冷却流路２は、断面矩形状をなして、翼本体１の内部で流体の流通方向を変えながら、翼本体１の翼根部側である下端側の流入口２ａから対向する上端側の流出口２ｇまで連通している。

具体的には、冷却流路２は、翼本体１の下端側に形成された流入口２ａと、流入口２ａから上端側に向けて延在する第一ストレート部２ｂと、第一ストレート部２ｂを流れる流体の流通方向を下端側に向けて反転させる第一リターン部２ｃとが形成されている。さらに、冷却流路２は、第一リターン部２ｃから下端側に向けて延在する第二ストレート部２ｄと、第二ストレート部２ｄを流れる流体の流通方向を上端側に向けて反転させる第二リターン部２ｅと、第二リターン部２ｅから上端側に向けて延在する第三ストレート部２ｆと、翼本体１の上端部で第三ストレート部２ｆから流通する流体を外部へ排出する流出口２ｇとが形成されている。即ち、冷却流路２は、流入口２ａから流出口２ｇまでが連続して開口することで、翼本体１を連通する流路が形成されている。
第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅは、流体の流通方向を反転させるようＵ字状をなして形成されている。

タービュレータ３は、図２及び図３に示すように、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの流通方向の手前側である上流側に配置されている。即ち、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃの曲げ部分の手前側である第一ストレート部２ｂと第一リターン部２ｃとの接続部分、及び第二リターン部２ｅの流通方向の手前側である第二ストレート部２ｄと第二リターン部２ｅとの接続部分にそれぞれ設けられている。そして、タービュレータ３は、流通方向に沿って離間して配置されており、本実施形態では三本ずつ形成されている。タービュレータ３は、冷却流路２の内面から突出して、流体の流通方向と交差する冷却流路２の幅方向に沿って延在している。具体的には、タービュレータ３は、冷却流路２の内面から幅方向と直交する流体の流通方向に沿った面における断面形状が三角形状をなすよう突出するリブとして、流体の流通方向に直交するよう冷却流路２の幅方向に対して僅かに傾斜して形成されている。

ここで、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅのＵ字状の内側を一方側とし、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅのＵ字状の外側を他方側とする。即ち、第一ストレート部２ｂと第一リターン部２ｃとの接続部分において第一リターン部２ｃの内側と連続する面側、及び第二ストレート部２ｄと第二リターン部２ｅとの接続部分において第二リターン部２ｅの内側と連続する面側が一方側となる。そして、第一リターン部２ｃと第一ストレート部２ｂとの接続部分において第一リターン部２ｃの外側と連続する面側、及び第二リターン部２ｅと第三ストレート部２ｆとの接続部分において第二リターン部２ｅの外側と連続する面側を他方側とする。

タービュレータ３は、延在する方向である幅方向の一方側から他方側に向かうにしたがって冷却流路２の内面との接触面積ａ及び冷却流路２の内面からの突出高さｄが漸次小さくなるよう形成されている。具体的には、第一実施形態においては、タービュレータ３は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、一方側で大きな断面三角形状をなして突出して形成され、三角錐状をなして他方側に向かうにしたがって徐々に冷却流路２の内面からの突出高さｄ、及び冷却流路２の内面との接触面積ａが小さくなっている。

次に、上記構成のタービン翼１０の作用について説明する。
このような第一実施形態のタービン翼１０では、流入口２ａから導入される冷却媒体である流体は、冷却流路２の内面を冷却しながら第一ストレート部２ｂを流通して第一リターン部２ｃに流入する。第一リターン部２ｃに流入する際に、流体は第一リターン部２ｃの上流側である第一ストレート部２ｂと第一リターン部２ｃとの接続部分で、タービュレータ３に衝突する。タービュレータ３に衝突すると、流体はタービュレータ３の側面に沿って流れた後に、三角形状をなすタービュレータ３の頂点付近でタービュレータ３の側面から剥離し、渦を巻くように流れて再び冷却流路２の内面に衝突する。そして、タービュレータ３が流体の流れを乱すことで、冷却媒体である流体によって冷却流路２の内面が冷却される。

さらに、タービュレータ３に衝突すると、第一ストレート部２ｂと第一リターン部２ｃとの接続部分の一方側を流れる流体は、タービュレータ３の冷却流路の内面からの突出高さｄが大きいために圧力損失が大きくなり、流れが遮られて突出高さｄの小さい他方側に向かうように流れる。一方、他方側を流れる流体は、タービュレータ３の突出高さｄが小さいために圧力損失が小さくなり、流れがほとんど遮られることなくそのまま他方側に沿って流れる。そのため、図３に示すように、一方側を流れる流体の流量が徐々に減少し、他方側を流れる流体の流量が徐々に増加しながら冷却流路２の第一リターン部２ｃに流体が流入する。

そして、第一リターン部２ｃの上流側において他方側を流れる流体の流量が増加していることで、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃで、一方側である内側を流れる流体が外側に寄りながら流れる流れが緩和される。そのため、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃの下流側では、流体の流れが外側に寄ることなく流出する。したがって、第一リターン部２ｃの下流部である第一リターン部２ｃ及び第二ストレート部２ｄの接続部分を流通する流体は、一方側と他方側とでの流量のばらつきが抑えられて均一に近い状態で流れている。
その後、第二リターン部２ｅでも、上述した第一リターン部２ｃでの流れと同様の流れとなり、第三ストレート部２ｆを介して冷却媒体である流体は流出口２ｇから排出される。

上記のようなタービン翼１０によれば、タービュレータ３が冷却流路２の内面との接触面積ａ及び冷却流路２の内面からの突出高さｄが幅方向の一方側から他方側に向かうにしたがって漸次小さくなるよう形成されていることで、幅方向の一方側と他方側とでタービュレータ３の形状を大きく変えることができる。即ち、幅方向の一方側においては、タービュレータ３の形状は、冷却流路２の内面からの突出高さｄも大きく、冷却流路２の内面との接触面積ａの大きい。一方、幅方向の他方側は、タービュレータ３の三角錐状の先端部分であるため、ほとんど冷却流路２の内面から突出せず、冷却流路２の内面との接触面積ａも小さい。

そのため、冷却流路２の幅方向の一方側と他方側とでは、流体や冷却流路２に与える影響を大きく変えることができる。具体的には、冷却流路２の内面から突出高さｄを高くすることで、冷却流路２を流通する流体の圧力損失を大きくし、流体の流通方向を変化させて他方側を流れる流体に流量を増加させることができる。また、冷却流路２の内面との接触面積ａを増加させることで、冷却流路２を流通する流体によって冷却されるタービュレータ３から冷却流路２の内面への熱伝達率を増加させて、冷却流路２の内面をより冷却させることができる。したがって、冷却流路２の流体の流量や冷却効率に差がある箇所に設けることで、幅方向の一方側と他方側とで流体や冷却流路２に与える影響を変化させることができ、タービン翼１０の温度分布のばらつきを容易に緩和することができる。

また、冷却流路２の幅方向と交差する流体の流通方向に沿った面における断面形状が三角形状をなすようタービュレータ３が突出していることで、冷却流路２の内面から突出するタービュレータ３の側面を二面だけにすることができる。タービュレータ３は、冷却流路２の内面に面する側面からタービン翼１０の熱が入熱し、その熱を冷却媒体である流体に面する側面から流体に放熱している。したがって、冷却流路２の内面から突出してリブ状をなすタービュレータ３の内部では、冷却流路２の内面に面する側面から流体に面する側面に向けて徐々に温度が減少するような温度勾配が生じている。

例えば、矩形状をなすタービュレータ３では、冷却流路２の内面から突出する側面が三面となり、冷却流路２を流通する流体によって三面から冷やされることでタービュレータ３内では大きな温度勾配が生じてしまう。その結果、突出している矩形状の二カ所の角部分がそれぞれ隣接する二面から冷やされて局所的に温度が低下し、内部に高い熱応力が発生して角部分が損傷する恐れがある。ところが、断面形状が三角形状に形成されることで、流体に面する側面が二面となり角部分も１箇所のみとなることで、タービュレータ３内の温度勾配を抑えて内部の熱応力を低減することができる。これにより、タービュレータ３内の熱応力を抑えて、タービュレータ３の損傷を防止し長寿命化を図ることができる。

さらに、タービュレータ３が三角形状をなして突出していることで、冷却流路２にタービュレータ３を形成し易くすることができる。即ち、冷却流路２は、タービン翼１０を形成する際に冷却流路２の形状に形成された砂型である中子を鋳型の中に配置し、タービン翼１０を形成する金属材料を流し込むことで形成されている。そして、タービュレータ３は、この中子を削りとって凹部を形成し、削り取った凹部に金属材料が流れ込むことで冷却流路２の内面から突出するリブとして形成されている。したがって、例えば、タービュレータ３の断面形状が矩形状をなしている場合、冷却流路２の内面から垂直に立ち上がり角部分が二カ所となって金属材料が矩形状をなす凹部には流れにくいため、角部分等の形状が正確に形成されない恐れがある。

一方、タービュレータ３の断面形状が三角形状をなしている場合、冷却流路２の内面から勾配をもって立ち上がり角部分が一カ所のみであることで、角部分まで金属材料が流れ込みやすいため、要求する形状通りのタービュレータ３を容易に形成することができる。

また、冷却流路２が第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅを有し、タービュレータ３が第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの流体の流通方向の上流側で第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの内側を一方側として配置されていることで、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの内側を流れる流体の流量を減少させ、外側を流れる流体の流量を増加させることができる。

例えば、第一リターン部２ｃでは、流体の流通方向を反転させるようにＵ字状をなしているため、内部を流れる流体は外側に寄るように流れる。即ち、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃの内側を流れる流体も外側に向かって流れることで、流体が外側に寄って外側の流量が増加する。しかし、タービュレータ３によって流体の流通方向を変化させて他方側である第一リターン部２ｃの外側を流れる流体の流量を、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃに流入する前から増加させていることで、第一リターン部２ｃの内側を通過して外側に寄りながら流れようとする流体の流れを緩和することができる。

その結果、第一リターン部２ｃの下流側である第一リターン部２ｃ及び第二ストレート部２ｄの接続部分を流れる流体の流量の一方側と他方側とのばらつきを低減できる。これによって、冷却流路２を流通する流体の流量を均一な状態に近づけて冷却流路２内の冷却効率を均一に近づけることができ、タービン翼１０の温度分布のばらつきをより容易に緩和することができる。

さらに、このようなタービュレータ３を有するタービン翼１０を備えていることで、回転機械であるガスタービン１００は、タービン翼１０を破損させることなく、安定して使用することができる。

次に、図５及び図６を参照して第二実施形態のタービン翼１０について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を伏して詳細な説明を省略する。この第二実施形態のタービン翼１０は、タービュレータ３の配置される位置が下流側である点が第一実施形態と相違する。

即ち、図５に示すように、第二実施形態では、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの流通方向の奥側である下流側に配置されている。即ち、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃの流通方向の奥側である第一リターン部２ｃと第二ストレート部２ｄとの接続部分、及び第二リターン部２ｅの流通方向の奥側である第二リターン部２ｅと第三ストレート部２ｆとの接続部分にそれぞれ設けられている。そして、タービュレータ３は、第一実施形態と同様に、断面形状が三角形状をなして突出するリブとして、流通方向に沿って離間して配置されて三本ずつ形成されている。

ここで、第二実施形態においても、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの内側を一方側とし、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの外側を他方側とする。即ち、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの下流側に配置されたタービュレータ３は、延在する方向である幅方向の一方側から他方側に向かうにしたがって冷却流路２の内面との接触面積ａ及び冷却流路２の内面からの突出高さｄが漸次小さくなるよう形成されている。

具体的には、タービュレータ３は、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅのＵ字状の内側に連続する面側である一方側で大きな断面三角形状をなして突出して形成されている。そして、タービュレータ３は、三角錐状をなして第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅのＵ字状の外側に連続する面側である他方側に向かうにしたがって徐々に冷却流路２の内面からの突出高さｄ及び冷却流路２の内面との接触面積ａが小さくなっている。

次に、上記構成のタービン翼１０の作用について説明する。
このような第二実施形態のタービン翼１０では、図６に示すように、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃを流体が流通すると、内側を流れる流体は外側に寄るように流れて第二ストレート部２ｄに流入する。そして、第一リターン部２ｃから第二ストレート部２ｄに流入する流体は、第一リターン部２ｃの下流側である第一リターン部２ｃと第二ストレート部２ｄとの接続部分でタービュレータ３と衝突する。タービュレータ３に衝突した流体は、上流側に配置した第一実施形態と同様に、突出高さｄによって三角形状をなすタービュレータ３の頂点付近でタービュレータ３の側面から剥離する量を一方側と他方側とで変化させて、渦を巻くように流れて再び冷却流路２の内面に衝突することで、冷却流路２の内面を冷却している。

ここで、タービュレータ３に衝突すると、下流側である第一リターン部２ｃと第一ストレート部２ｂとの接続部分の一方側を流れる流体は、タービュレータ３の突出高さｄが大きいために圧力損失が大きくなり、流れを大きく乱される。一方、他方側を流れる流体は、タービュレータ３の突出高さｄが小さいために圧力損失が小さくなり、流れをほとんど乱されることなく、そのまま他方側に沿って流れる。即ち、タービュレータ３に衝突した流体は、三角形状をなすタービュレータ３の頂点付近でタービュレータ３の側面から剥離する量が突出高さｄの高い一方側が他方側よりも大きくなる。そのため、第一リターン部２ｃの下流側の冷却流路２の内面では、一方側の領域Ａの方が他方側の領域Ｂよりも冷却効率が高くなっている。

また、タービュレータ３と冷却流路２の内面との接触面積ａも一方側の方が他方側よりも大きいため、タービュレータ３から冷却流路２の内面への熱伝達率が大きくなり、一方側の方が他方側よりも高い冷却効率となる。即ち、一方側の方が他方側よりもタービュレータ３を介して冷却媒体である流体に冷却流路２の内面の熱が放熱されている。そのため、第一リターン部２ｃの下流側の冷却流路２の内面では、一方側の領域Ａの方が他方側の領域Ｂよりも冷却効率が高くなっている。
これらに作用によって、第一リターン部２ｃの下流側では一方側の領域Ａの方が他方側の領域Ｂよりもタービュレータ３による冷却効率が高くなり、より冷却されている。
その後、第二リターン部２ｅでも、上述した第一リターン部２ｃでの流れと同様の流れとなり、第三ストレート部２ｆを介して冷却媒体である流体は流出口２ｇから排出される。

上記のようなタービン翼１０では、第一リターン部２ｃや第二リターン部２ｅを流体が流通すると、内側を流れる流体は外側に寄るように流れる。即ち、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅを流れる流体は、流れ方向が反転される際に、内側を流れる流体が外側に寄りながら流れて外側の流量が増加する。そのため、例えば、第一リターン部２ｃにおいては、第一リターン部２ｃから第二ストレート部２ｄに流入する流体は、第一リターン部２ｃの内側と連続する面側である一方側よりも、第一リターン部２ｃの外側と連続する面側である他方側の方が、流量が増加した状態で流れている。

冷却流路２内では、冷却媒体である流体の流量が多い方が、流体に熱がより放熱されるため冷却効率が高くなっている。したがって、第一リターン部２ｃと第二ストレート部２ｄとの接続部分では、流体による冷却効率は他方側の方が高く、一方側の内面よりも冷却通路の内面が冷却されている。

ところが、第一リターン部２ｃの下流側である第一リターン部２ｃと第二ストレート部２ｄとの接続部分にタービュレータ３が第一リターン部２ｃの内側を一方側として配置されることで、タービュレータ３によって他方側の領域Ｂの冷却効率をほとんど変化させずに一方側の領域Ａの冷却効率を向上させることができる。したがって、冷却媒体である流体の流量のよる冷却効率が十分でない第一リターン部２ｃの下流側の一方側の領域Ａのみを重点的に冷却することができ、第一リターン部２ｃの下流側である第一リターン部２ｃと第二ストレート部２ｄとの接続部分における流体の流量による過冷却等の冷却効率の差を低減することができる。これにより、冷却流路２内の温度に合わせて冷却することができ、タービン翼１０の温度分布のばらつきを容易により緩和することができる。

次に、図７及び図８を参照して第三実施形態のタービン翼１０について説明する。
第三実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を伏して詳細な説明を省略する。この第三実施形態のタービン翼１０は、タービュレータ３の配置される位置が上流側と下流側の両方である点が第一実施形態と相違する。

即ち、図７に示すように、第三実施形態では、第一実施形態と第二実施形態と合わせたように、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの上流側及び下流側の両側に配置されている。即ち、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃでは、流通方向の手前側である第一ストレート部２ｂと第一リターン部２ｃとの接続部分と、流通方向の奥側である第一リターン部２ｃと第二ストレート部２ｄとの接続部分とに配置されている。同様に第二リターン部２ｅでは、流通方向の手前側である第二ストレート部２ｄと第二リターン部２ｅとの接続部分と、流通方向の奥側である第二リターン部２ｅと第三ストレート部２ｆとの接続部分とに配置されている。そして、タービュレータ３は、第一実施形態と同様に断面形状が三角形状をなすよう突出するリブとして、流通方向に沿って離間して配置されており、上流側と下流側でそれぞれ三本ずつ形成されている。

次に、上記構成のタービン翼１０の作用について説明する。
このような第三実施形態のタービン翼１０では、流入口２ａから導入される冷却媒体である流体は、冷却流路２の内面を冷却しながら第一ストレート部２ｂを流通して第一リターン部２ｃに流入する。第一リターン部２ｃに流入する際に、第一実施形態と同様に、流体は第一リターン部２ｃの上流側である第一ストレート部２ｂと第一リターン部２ｃとの接続部分で、タービュレータ３に衝突する。

タービュレータ３に衝突すると、第一ストレート部２ｂと第一リターン部２ｃとの接続部分の一方側を流れる流体は、タービュレータ３の突出高さｄが大きいために圧力損失が大きくなり、流れが遮られて突出高さｄの小さい他方側に向かうように流れる。一方、他方側を流れる流体は、タービュレータ３の突出高さｄが小さいために圧力損失が小さくなり、流れがほとんど遮られることなくそのまま他方側に沿って流れる。そのため、図８に示すように、一方側を流れる流体の流量が減少し、他方側を流れる流体の流量が増加しながら冷却流路２の第一リターン部２ｃに流体が流入する。

そして、第一リターン部２ｃの上流側において他方側を流れる流体の流量が増加していることで、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃで、一方側である内側を流れる流体が外側に寄りながら流れる流れが緩和される。そのため、Ｕ字状をなす第一リターン部２ｃの下流側では、流体の流れが外側に寄ることなく流出する。したがって、第一リターン部２ｃの下流部である第一リターン部２ｃ及び第二ストレート部２ｄの接続部分を流通する流体は、一方側と他方側とでの流量のばらつきが抑えられて均一に近い状態で流れている。

その後、第一リターン部２ｃの下流部である第一リターン部２ｃ及び第二ストレート部２ｄの接続部分で再びタービュレータ３と流体が衝突する。再びタービュレータ３に衝突すると、第二実施形態と同様に、下流側である第一リターン部２ｃと第一ストレート部２ｂとの接続部分の一方側を流れる流体は、第一リターン部２ｃの下流側の冷却流路２の内面では、一方側の領域Ａの方が他方側の領域Ｂよりも冷却効率が高くなっている。そのため、冷却流路２の下流側では一方側の領域Ａの方が他方側の領域Ｂよりもタービュレータ３による冷却効率が高くなっている。
その後、第二リターン部２ｅでも、上述した第一リターン部２ｃでの流れと同様の流れとなり、第三ストレート部２ｆを介して冷却媒体である流体は流出口２ｇから排出される。

上記のようなタービン翼１０では、第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの上流側に配置したタービュレータ３によって冷却流路２を流通する流体の流量を均一に近い状態にして冷却効率を均一に近づけることができる。そして、下流側に配置したタービュレータ３によって第一リターン部２ｃ及び第二リターン部２ｅの下流側における僅かな流体の流量による冷却効率の差もより一層低減し、冷却流路２内の冷却効率をより一層均一に近づけることができる。これらによって、冷却流路２内の冷却効率をより一層均一に近づけることができ、タービン翼１０の温度分布のばらつきを容易により一層緩和することができる。

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、クレームの範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態では、タービュレータ３を三本ずつ配置したが、配置される本数はこれに限定されるものではなく、冷却するタービン翼１０と冷却流路２の形状に合わせて適宜選択すれば良い。
また、タービュレータ３の延在方向は冷却流路２の幅方向と完全に平行であることに限定されるものではなく、流体に流通方向に合わせて冷却流路２の幅方向に対して僅かに傾けて配置されても良い。

１０…タービン翼 １１…静翼 １…翼本体 ２…冷却流路 ２ａ…流入口 ２ｂ…第一ストレート部 ２ｃ…第一リターン部 ２ｄ…第二ストレート部 ２ｅ…第二リターン部 ２ｆ…第三ストレート部 ２ｇ…流出口 ３…タービュレータ ｄ…突出高さ ａ…接触面積 Ａ…一方側の領域 Ｂ…他方側の領域 １００…ガスタービン 圧縮機…１０１ 燃焼器…１０２ タービン…１０３

Claims (5)

1. 内部に流体が流通する冷却流路が形成された翼本体と、
   前記冷却流路の内面から突出して前記冷却流路の幅方向にわたって延びるタービュレータと、を備え、
   前記タービュレータは、前記幅方向の一方側から他方側に向かうに従って、前記内面との接触面積及び前記内面からの突出高さが漸次小さくなり、
   前記冷却流路は、前記流体の流通方向を反転させるリターン部を有し、
   前記タービュレータは、前記リターン部の上流側に前記リターン部の内側を前記一方側として配置され、
   前記リターン部の上流側に配置された場合に、前記一方側が前記他方側よりも前記流体の流通方向の上流側に配置されるように前記幅方向に対して傾斜して延びていることを特徴とするタービン翼。
2. 前記タービュレータは、前記幅方向と交差する面における断面形状が三角形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼。
3. 前記冷却流路は、前記流体の流通方向を反転させるリターン部を有し、
   前記タービュレータは、前記リターン部の下流側に前記リターン部の内側を前記一方側として配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービン翼。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のタービン翼を備えることを特徴とする回転機械。
5. 内部に流体が流通する冷却流路が形成された翼本体と、
   前記冷却流路の内面から突出して前記冷却流路の幅方向にわたって延びるタービュレータと、を備え、
   前記タービュレータは、前記幅方向の一方側から他方側に向かうに従って、前記内面との接触面積及び前記内面からの突出高さが漸次小さくなり、
   前記冷却流路は、前記流体の流通方向を反転させるリターン部を有し、
   前記タービュレータは、前記リターン部の下流側に前記リターン部の内側を前記一方側として配置されることを特徴とすることを特徴とするタービン翼。

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