JP6263365B2 - ガスタービン翼 - Google Patents

Description

本発明はガスタービンに使用されるガスタービン翼に関する。

ガスタービン翼は、その表面を高温の燃焼ガスに晒されるため、翼材料の高温腐食や構造強度の低下を抑制して健全性を確保するために、強制的に冷却する必要がある。近年、ガスタービンの熱効率を向上するために燃焼温度が上昇しており、従来は無冷却であった第二段静翼の内周側エンドウォールも強制的な冷却が必要となっている。

本技術分野に係る文献として、特開平５−１０１０２号公報（特許文献１）がある。この公報には、「翼母体（２０ａ）を冷却した冷却媒体は主流ガス中に放出されるわけであるが、重要なことは冷却空気の排出口（２５）が、内周側のエンドウォール（２０ｂ）の翼前縁側の位置に設けられていることである。」と記載されている。さらに「この排出口（２５）は、本静翼（２０）の上流側にある動翼（１）との間のキャビティ（２８）に排出されるような位置に設けられている。」と記載されている。

また、特開平１０−１８４３１２号公報（特許文献２）には、「内径側エンドウォール（４ｂ）は、静翼（２ｂ）の内部冷却流路（７）に連通した、空気通路（８）を周方向に備えており、その噴出口（９）はシールフィン（１６ａ）の先端部に対して主流側に且つスリット状に位置して開口している。」と記載されている。そして、「冷却空気は、一部を内径側エンドウォール（４ｂ）に設けられた空気通路（８）を通過して、スリット状の噴出口（９）から周方向に連続して第２段動翼体（１１ｂ）のシールフィン（１６ａ）に向かって噴出される。噴出される冷却空気は、内径側エンドウォール（４ｂ）とシールフィン（１６ａ）の先端で協働するシール装置に噴出される。この時、段間隙（２５）に洩れ込んでくる主流ガスを希釈して、シール装置近傍の温度低下をもたらす。」と記載されている。なお、上記において括弧内に示した符号は、各文献内での参照符号を示しており、後述する本稿の参照符号とは無関係である。

特開平５−１０１０２号公報 特開平１０−１８４３１２号公報

ガスタービンでは、タービンと同軸上にある圧縮機で大気を吸込み、圧縮した空気を燃焼器へ送って燃料と混合し燃焼させる。一方、タービン翼の冷却空気は、圧縮機から圧縮空気を一部抽気して使用している。このため、タービン翼の冷却空気は冷却性能を維持したままでなるべく少なくして、圧縮空気は燃焼用として用いることがガスタービンの熱効率向上に必要である。

この点に関して、特開平５−１０１０２号公報には、内周側のエンドウォールの翼前縁側に配置された冷却空気の排出口をエンドウォールの冷却の観点からタービン周方向にどのように配置すべきかについては言及が無い。一方、特開平１０−１８４３１２号公報の内径側エンドウォールに設けられた空気通路は、段間隙に配置されたシール装置近傍の冷却のためのものであり、先の文献と同様にエンドウォールの冷却の観点からどのようにタービン周方向に配置すべきかについては言及が無い。

本発明の目的は、エンドウォール部の冷却性能およびガスタービンの熱効率に優れたガスタービン翼を提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、内部に冷却流路を有する翼部と、当該翼部のタービン径方向の一方側端部に位置するエンドウォール部と、当該エンドウォール部に隣接するダイアフラムに当該エンドウォール部を係合させるためのフック部であって、前記翼部の前縁側に位置する前縁側フック部と、当該前縁側フック部に設けられ、前記冷却流路と連通する複数の冷却孔とを備え、前記複数の冷却孔はタービン周方向に沿って配列されており、当該複数の冷却孔のうちタービン周方向で隣り合うもの同士の間隔は異なるものが存在することを特徴とする。

本発明によれば、エンドウォールの部分毎の冷却強化の必要性に応じてタービン周方向に冷却空気を適宜配分することができるので、冷却空気の使用量を抑制できガスタービンの熱効率を向上できる。

本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン翼３００の内周側エンドウォール部１００の一例の平面図。 図１に示したガスタービン翼を図１中のＡ−Ａ’面で切断した断面図。 図１に示したガスタービン翼３００の側面図。 ガスタービン翼の内周側エンドウォール部における外周面をシール空気を流れる状態を示した図。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン翼３００の内周側エンドウォール部１００の一例の平面図。 図５に示したガスタービン翼３００を図５中のＢ−Ｂ’面で切断した断面図。 本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン翼３００の内周側エンドウォール部１００の一例の平面図。 図７に示したガスタービン翼３００を図７中のＣ−Ｃ’面で切断した断面図。

まず、本発明の各実施の形態を説明する前に、本発明の各実施の形態に係るガスタービン翼に含まれる主な特徴について説明する。

（１）後述する本発明の実施の形態に係るガスタービン翼では、内部に冷却流路を有する翼部と、当該翼部のタービン径方向の一方側端部に位置するエンドウォール部と、当該エンドウォール部に隣接するダイアフラムに当該エンドウォール部を係合させるためのフック部であって、前記翼部の前縁側に位置する前縁側フック部（上流側フック部）と、当該前縁側フック部に設けられ、前記冷却流路と連通する複数の冷却孔とを備え、前記複数の冷却孔はタービン周方向に沿って配列されており、当該複数の冷却孔のうちタービン周方向で隣り合うもの同士の間隔は異なるものが存在するものとする。

このような冷却孔の配置方法を採用した場合、例えば、エンドウォール部のタービン周方向において他の部分と比較して相対的に温度の高い部分に冷却孔を集中させれば、当該冷却孔内を冷却空気が通過することによる対流冷却と、当該冷却孔から放出された冷却空気によるシール空気の流量増加および温度低下とにより、冷却孔を密に配置した部分を優先的に冷却でき、冷却孔をタービン周方向に均等配置した場合と比較して各冷却孔から放出される冷却空気量を低減できる。つまり、冷却孔をタービン周方向に均等配置した場合よりも冷却孔から放出される冷却空気量の合計を低減することができ、圧縮空気の抽気量を低減できるので、ガスタービン効率の低下を抑制できる。

（２）また、エンドウォール部のタービン周方向における温度分布は、タービン軸方向で隣接する動翼と静翼の間隙（ギャップ）から流出するシール空気であって、その後に当該静翼のエンドウォール部におけるガスパス側の表面に沿って流れるシール空気の流量に依存する。そこで、前記エンドウォール部の表面のうち前記翼部側の表面（ガスパス側の表面）を流れるシール空気の流量が相対的に少ない領域（例えば後の図４の領域７２０）に位置する前記複数の冷却孔の配列間隔は、当該流量が相対的に多い領域（例えば後の図４の領域７１０）に位置するものの配列間隔よりも狭くすることが好ましい。このように冷却孔を配置すると、シール空気の流量が相対的に少ない高温部の領域の冷却を優先することができ、結果的にガスタービン効率の低下を抑制できる。

（３）なお、上記（２）において「エンドウォール部においてシール空気流量が相対的に少ない領域」とは、前記エンドウォール部における前記翼部の前縁近傍の部分および当該部分から前記翼部の腹側寄りの部分までの領域となる（例えば、後の図１のＰｌからＰｍまでの領域であり、当該領域にさらにＰｌからＰｂまでの領域を加えても良い）。従って、当該領域に位置する前記複数の冷却孔の配列間隔を他の領域（例えば、前記翼部の背側寄りの領域）よりも密に配置することで、ガスタービン効率の低下を効果的に抑制できる。

（４）複数の冷却孔の形状としては、種々のものが利用可能であるが、例えば次のようなものがある。まず、前記前縁フック部を介して前記エンドウォール部を前記ダイアフラム部に固定した状態で、前記前縁フック部の表面のうち前記冷却流路に臨む面に設けた開口である入口部と、前記前縁フック部の表面のうち前記ダイアフラムに対向する面に設けた開口である出口部と、当該入口部と当該出口部を前記前縁フック部内で連通する孔であって、当該入口部から前縁側に向かって当該出口部まで延びる中間部とを備える冷却孔がある（例えば、後述する第１の実施の形態の冷却孔１３０がこれに該当する）。

このように形成した冷却孔では、前記冷却流路から前記入口部を介して前記冷却孔内に進入した冷却空気により前記エンドウォール部はまず冷却される。その後、当該冷却空気は、前記出口部を介して前記前縁フック部の外部に放出され、前記ダイアフラムと前記エンドウォール部の間に形成される間隙を通過しながら動翼と静翼の前記ギャップに到達するまでの間に前記エンドウォール部をさらに冷却する。そして、当該ギャップに到達した冷却空気は、シール空気と一緒にガスパス内に放出される。

（５）上記（４）のように冷却孔を設けた場合には、前記エンドウォール部の表面のうち前記前縁側フック部が突出した表面に設けられた溝であって、前記冷却孔の前記出口部から前記エンドウォール部の前縁部まで繋がる溝をさらに設けても良い（例えば、後述する第２の実施の形態の溝１３５がこれに該当する）。この溝は、「前記ダイアフラムと前記エンドウォール部の結合部の間に形成される間隙」に設けられることになるので、当該間隙が微小の場合でも当該溝の存在により冷却空気が当該間隙を通過し易くなり冷却性能が向上する。

（６）また、前記冷却孔の他の形状としては、前記前縁フック部を介して前記エンドウォール部を前記ダイアフラム部に固定した状態で、前記前縁フック部または前記エンドウォールの表面のうち前記冷却流路に臨む面に設けた開口である入口部と、前記エンドウォール部の前縁部（つまり、当該エンドウォール部において燃焼ガスの流通方向の上流側に位置する部分）に開口する出口部と、当該入口部と当該出口部を連通する孔であって、当該入口部から前縁側に向かって当該出口部まで延びる中間部とを備えるものがある（例えば、後述する第３の実施の形態の冷却孔１３１がこれに該当する。）。

このように形成した冷却孔によっても前記入口部を介して前記冷却孔内に導入された冷却空気によって前記エンドウォール部が冷却され、前記エンドウォール部を冷却した当該冷却空気は前縁部において前記出口部を介して前記ギャップの近傍に放出され、先の場合と同様に最終的にシール空気と一緒にガスパスに放出される。したがって、上記のように冷却孔を形成してもエンドウォール部を冷却することができる。

以下、本発明の各実施の形態について図面を用いて具体的に説明する。ここではガスタービンの第二段静翼３００を例に挙げ、当該第二段静翼３００の翼部３１０に対してタービン径方向の内側に位置する内周側エンドウォール部１００の冷却構造について説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン翼（静翼）３００の内周側エンドウォール部１００の一例の平面図である。図１は、タービン径方向の内側から外側に向かって内周側エンドウォール部１００を見た図であり（図２の矢印Ｉ，Ｉ’参照）、本実施の形態に係る静翼（第二段静翼）３００は１枚のエンドウォール部１００に対して翼部３１０が２枚配置されている２連翼となっている。図１では、フック部１１０に設けられた複数の冷却孔１３０の配置の一例を示しており、複数の冷却孔１３０の中にはタービン周方向で隣り合うもの同士の間隔が異なっているものが存在している。また、図２は、図１に示したガスタービン翼を図１中のＡ−Ａ’面で切断した断面図である。以下では、図１に示した冷却孔１３０の配置を採用した理由について説明する。

図３は図１に示したガスタービン翼３００の側面図である。図３において、本実施の形態に係るガスタービン翼（第二段静翼）３００は、翼部３１０と、外周側エンドウォール部２００と、上流側フック部２１０と、下流側フック部２２０と、内周側エンドウォール部１００と、上流側フック部１１０と、下流側フック部１２０を備えている。

図３に示すように、本実施の形態に係る第二段静翼３００は、燃焼ガス８００の流れの上流側にある第一段動翼５００と下流側にある第二段動翼６００の間に位置している。第一段動翼５００から流れてきた燃焼ガス８００は、第二段動翼６００で効率良く動力を取り出せるように、第二段静翼３００の翼部３１０で加速され、流れの向きを偏向される。第二段静翼３００の内周側（タービン径方向内側）の端部には内周側エンドウォール部１００が、外周側（タービン径方向外側）の端部には外周側エンドウォール部２００が設けてあり、これら２つのエンドウォール部１００，２００はガスタービンのガスパスの一部を構成しているため、高温の燃焼ガスに晒されている。

外周側エンドウォール部２００におけるタービン径方向外側に位置する面（外周面）には、ダイアフラム外輪（外ダイアフラム）４５０に外周側エンドウォール部２００を固定するための上流側フック部（前縁側フック）２１０と下流側フック部（後縁側フック）２２０が設けてある。

上流側フック部２１０は、エンドウォール部２００の外周面からタービン径方向外側に向かって突出しており、その先端が燃焼ガスの流通方向（ガス流通方向）における上流側に向かって略直角に折れ曲がったカギ型の形状を有している。一方、下流側フック部２２０は、エンドウォール部２００の外周面からタービン径方向外側に向かって突出しており、その先端がガス流通方向における下流側に向かって略直角に折れ曲がったカギ型の形状を有している。２つのフック部２１０，２２０はこの凸状のカギ型の形状でもって、ダイアフラム外輪４５０に設けられた凹部に係合されており、当該２つのフック部２１０，２２０によって第二段静翼３００のタービン径方向外側が静止体であるケーシング（外ダイヤフラム４００）に固定されている。

一方、内周側エンドウォール部１００におけるタービン径方向内側に位置する面（内周面）には、ダイアフラム内輪（内ダイアフラム）４００に内周側エンドウォール部１００を固定するための上流側フック部（前縁側フック）１１０と下流側フック部（後縁側フック）１２０が設けてある。

上流側フック部１１０は、エンドウォール部１００の内周面からタービン径方向内側に向かって突出しており、その先端がガス流通方向における上流側に向かって略直角に折れ曲がったカギ型の形状を有している。一方、下流側フック部１２０は、エンドウォール部１００の内周面からタービン径方向内側に向かって突出しているが、その先端は上流側フック１１０と異なり折れ曲がっていない（但し、上流側フック部１１０と同様に下流側フック部１２０の先端を折り曲げても良い）。ダイアフラム内輪（内ダイアフラム）４００は、上流側フック部１１０が係合する部分としてフック部４１０を備えている。フック部４１０は、ダイアフラム４００の外周からタービン径方向外側に向かって突出した部分であり、その先端がガス流通方向における下流側に向かって略直角に折れ曲がったカギ型の形状を有している。このように形成された２つのフック部１１０，１２０は凸状の形状でもって、ダイアフラム内輪４００に設けられたフック部４１０を含む凹部に係合されており、当該２つのフック部１１０，１２０によって第二段静翼３００のタービン径方向内側が静止体であるダイアフラム４００に固定されている。

図２に示すように、第二段静翼３００の翼部３１０の内部に形成された冷却流路３２０に流すための冷却空気７００は、ガスタービン設備に搭載された圧縮機（図示せず）から抽気され、翼部３１０のタービン径方向外側から供給される。その後、翼部３１０内部の冷却流路３２０を通って一部ガスパス中へ放出されながら、残りの冷却空気は内周側エンドウォール１００に設けられた開口部１４０を介してダイアフラム４００側の冷却流路３３０へ流れる。

なお、図２に示した冷却流路３２０は、タービン径方向に延びる直線状の流路となっているが、これだけに限らず、翼部３００内をタービン径方向にジグザグに進む流路形状を始め公知の形状が利用可能である。また、ここでは図示して説明しないが、冷却空気は、その後ダイアフラム４００に開けられている流量調整孔からホイールスペースへ流出してホイールスペースを冷却した後、上流側は第一段動翼５００とのギャップ５５０、下流側は第二段動翼６００とのギャップ６５０からガスパス中へ流出され、燃焼ガスのホイールスペースへの流れ込みを防止するためのシール空気として機能している。

また、図２に示した例では、外周側エンドウォール部２００のタービン径方向外側に、細孔であるインピンジメント孔（図示せず）が複数設けられたインピンジメントプレート２３０が設置されている。当該複数のインピンジメント孔から外周側エンドウォール部２００の外周面に対して噴出される冷却空気によって外周側エンドウォール部２００がインピンジメント冷却される構造となっている。

図４は、タービン径方向の外側から内側に向かって内周側エンドウォール部１００を見た際の表面（外周面）を示しており、第一段動翼５００とのギャップ５５０から流出したシール空気７１０の流れ状態を観測した実験結果を重ね合わせて示している。この図に示すように、シール空気７１０は、内周側エンドウォール部１００の外周面上を偏った分布で流れており、各翼部３１０の前縁近傍の部分および当該部分から各翼部３１０の腹側寄りの部分までの領域ではシール空気７１０の流量が相対的に少なくなっている。当該領域は、高温の燃焼ガスに晒されている領域７２０となっているため、シール空気７１０による冷却効果が低い。そこで、発明者等は、内周側エンドウォール部１００の材料健全性を確保し、かつ冷却流路３２０内に導入する冷却空気量を絞るには、高温の燃焼ガスに晒されている領域７２０の冷却を重点的に強化することが効果的であることを知見した。そして、発明者等は、内周側エンドウォール部１００の冷却用に利用される複数の冷却孔１３０のうち領域７２０及びその近傍に位置するものの配列を他の部分よりも密にすることで当該領域７２０の冷却強化を図ることとした。

ここで図１に戻る。図１において、上流側フック部１１０にはタービン周方向に所定の間隔を介して複数の冷却孔１３０が設けられており、当該複数の冷却孔１３０は、それぞれ、翼部３１０内の冷却流路３２０と連通している。複数の冷却孔１３０のタービン周方向における配列間隔は、全てが同一となっておらず、一部に異なるものが存在している。具体的には、冷却孔１３０は、図４の領域７２０に相当する領域においてタービン周方向における配列間隔を他の部分よりも狭めて配置されている。

タービン周方向における冷却孔１３０の配列間隔を狭める領域は、図４に示したシール空気の分布に基づいて決定すれば良いが、当該領域の決定方法の目安として次のようなものがある。すなわち、本実施の形態では、図１に示すようにタービン周方向における翼前縁の位置を点Ｐｌ、翼後縁の位置を点Ｐｔ、点Ｐｌと点Ｐｔの中心（中点）を点Ｐｍ、タービン中心軸を含む面が翼部３１０の背側と接する位置を点Ｐｂとしたとき、点Ｐｌから点Ｐｍまでの領域に含まれる冷却孔１３０の配列間隔を他の領域よりも狭めている。また、この点Ｐｌから点Ｐｍまでの領域にさらに点Ｐｌから点Ｐｂまでの領域でも配列間隔を狭めても良い。

図１および図２に示したように、各冷却孔１３０は、入口部１３０ａと、出口部１３０ｂと、入口部１３０ａと出口部１３０ｂを接続する中間部１３０ｃを備えている。入口部１３０ａは、フック部１１０，１２０を介して内周側エンドウォール部１００をダイアフラム内輪４００に固定した状態において、上流側フック部１１０の表面のうち冷却流路３３０に臨む面に開口している。図２の入口部１３０ａは、内周側エンドウォール部１００に対する上流側フック部１１０の付け根（根元部）に設けられている。出口部１３０ｂは、フック部１１０，１２０を介して内周側エンドウォール部１００をダイアフラム内輪４００に固定した状態において、上流側フック部１１０の表面のうちダイアフラム４００のフック部４１０のカギ型に対向する面に開口している。中間部１３０ｃは、入口部１３０ａと出口部１３０ｂを上流側フック部１１０内で連通する孔であって、入口部１３０ａから前縁１０１側に向かって出口部１３０ｂまで延びている。

上記のように構成された第二段静翼３００において、圧縮機から抽気された冷却空気７００は、図２に示すように、第二段静翼３００に対してタービン径方向外側から供給され、まず、インピンジプレート２３０上のインピンジ孔から噴出して、外周側エンドウォール部２００を冷却する。そして、当該冷却空気は、翼部３１０の内部冷却流路３２０を通って翼部３１０を冷却した後、一部はガスパス中へ放出される。また、ガスパスに放出されなかった残りの空気は、冷却流路３２０から開口部１４０を介してダイアフラム４００の側の流路３３０に流れ込み、ダイアフラム４００の内部と外部の圧力差により、上流側フック部１１０の表面に開口した各入口部１３０ａから冷却孔１３０内に進入し、各冷却孔１３０を通って出口部１３０ｂから放出される。各出口部１３０ｂから放出された冷却空気は、内周側エンドウォール部１００の内周面とフック部４１０の外周面の間に形成される間隙１５０（図３参照）に入り込み、当該間隙１５０内を内周側エンドウォール部１００の前縁１０１（図１，２参照）の方向へ移動し、第一段動翼５００とのギャップ５５０にシール空気とともに放出される。

このように冷却孔１３０および間隙１５０を通過する冷却空気は、対流冷却により内周側エンドウォール部１００を冷却する。特に図４に示したシール空気の流量が少ない領域７２０では、冷却孔１３０の配列間隔が他の領域よりも密にされているので、領域７２０での対流冷却能力の強化がなされるとともに、領域７２０でのシール空気の流量増加及び温度低下による冷却能力の強化がなされているので効果的な冷却が実現される。

このように冷却孔１３０のタービン周方向における配列間隔を変更すれば、内周側エンドウォール部１００における各部の冷却強化の必要性に応じてタービン周方向に冷却空気を適宜配分することができる。具体的には、シール空気流量が相対的に少ないところ（冷却強化の必要性が高いところ）に冷却孔１３０を密に配置して冷却空気を多く配分することができ、その一方でシール空気流量が相対的に多いところ（冷却強化の必要性の低いところ）に冷却孔１３０を疎に配置して冷却空気の配分を減らすことができる。したがって、例えば冷却空気総量と冷却孔１３０の総数が一定と仮定した場合、本実施の形態によれば、冷却孔１３０の配列間隔が同じ場合と比較して冷却空気総量を低減できる。これにより圧縮機から圧縮空気の抽気量を減少できるので、最終的にガスタービンの熱効率を向上できる。

なお、上記の例では、冷却孔１３０のタービン周方向における配列間隔は２種類しか無かったが、シール空気流量の分布によっては３種類以上の配列間隔を利用しても良い。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態で説明したフック部１１０の冷却孔１３０に加えて、内周側エンドウォール部１００の内周面上に当該冷却孔１３０に繋がる溝１３５を設け、当該冷却孔１３０と当該溝１３５を組み合わせることで冷却空気量を増やして冷却性能を強化している。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン翼（第二段静翼）３００の内周側エンドウォール部１００の一例の平面図であり、図１と同じ方向（図６の矢印Ｖ，Ｖ’参照）からエンドウォール部１００を見た図である。この図にはフック部１１０の冷却孔１３０とエンドウォール表面の溝１３５の配置の一例が示されている。図６は、図５に示したガスタービン翼３００を図５中のＢ−Ｂ’面で切断した断面図である。図５および図６において先の実施の形態で既に説明した部分と同一の機能を有する部分については、先の実施の形態の同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態においては、図５に示すように、上流側フック部１１０に設けられた冷却孔１３０はタービン周方向に等間隔に配列されており、内周側エンドウォール部１００の表面のうち上流側フック部１１０が突出した表面（内周面）に設けられた溝であって、冷却孔１３０の出口部１３０ｂから内周側エンドウォール部１００の前縁部１０１又はその近傍まで繋がる溝１３５が設けられている。なお、内周側エンドウォール部１００で高温部に該当する領域７２０（図４参照）の冷却機能強化を図る観点から、溝１３５は、図１の点Ｐｂから点Ｐｍまでの領域に含まれる冷却孔１３０の出口部１３０ｂのみに設けられている。

図６に示すように、先の実施の形態と同様に、本実施の形態でも内周側エンドウォール部１００の上流側フック部１１０はダイアフラム４００の上流側フック部４１０と噛み合わされている。そのため、先の実施の形態のように冷却孔１３０を内周側エンドウォール部１００に設けた場合に、当該内周側エンドウォール部１００の内周側表面とフック部４１０の隙間１５０（図３参照）が狭いと、上流側フック１１０に設けた冷却孔１３０から噴出した冷却空気は前縁１０１方向に流れにくいことがある。

そこで、本実施の形態では内周側エンドウォール部１００の内周側表面に溝１３５を設けて冷却空気の流路幅を拡げることにした。これにより、冷却孔１３０の出口から噴出して隙間１５０を通過する冷却空気量を増やすことができる。図５に示すように、溝１３５は、第１の実施の形態と同様に冷却強化が必要な翼前縁付近から腹側にかけての領域に位置する冷却孔１３０の出口側にのみ設けてある。このような構造にすることより、冷却空気が冷却孔１３０および溝１３５を通過する際の対流冷却効果に加えて、当該領域のシール空気の流量を冷却孔１３０から流出した冷却空気を増加でき、高温の燃焼ガスに晒されている領域７２０（図４参照）の冷却を強化できる。この結果、内周側エンドウォール１００の冷却空気流量を必要な部分に配分することができ、冷却空気流量を抑えてガスタービンの熱効率を向上することができる。

なお、本実施の形態では、冷却孔１３０のタービン周方向における配列間隔を等間隔としたが、第１の実施の形態のように配列間隔を異ならせることでさらに流量配分の差異を明確にして内周側エンドウォール部１００の冷却強化を図ることも可能である。また、溝１５０が全ての冷却孔１３０の出口に位置するようにしても良い。

＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、上流側フック部１１０に冷却孔１３０を設けるのではなく、主として内周側エンドウォール部１００の内部に冷却孔１３１を設けて必要な部分の冷却を強化している。

図７は、本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン翼（第二段静翼）３００の内周側エンドウォール部１００の一例の平面図であり、図１および図５と同じ方向（図８の矢印VII，VII’参照）からエンドウォール部１００を見た図である。この図には冷却孔１３１の配置の一例が示されている。図８は、図７に示したガスタービン翼３００を図７中のＣ−Ｃ’面で切断した断面図である。図７および図８において先の実施の形態で既に説明した部分と同一の機能を有する部分については、先の実施の形態と同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態においては、図８に示すように、冷却孔１３１は、入口部１３１ａと、出口部１３１ｂと、中間部１３１ｃを備えている。具体的には、冷却孔１３１は、上流側フック１１０部の付け根に入口部１３１ａを有し、当該入口部から内周側エンドウォール１００の内部を通って前縁１０１近傍の出口部１３１ｂで開口するように穿孔してある。この構造では、冷却孔１３１の対流冷却効果を利用して内周側エンドウォール部１００の内部から冷却できるので冷却効果が高い。

また、図７に示すように、冷却孔１３１は、第１の実施の形態と同様に冷却強化が必要な翼前縁付近から腹側にかけての領域７２０及びその近傍でタービン周方向における間隔を狭めて配置している。このような構造にすることより、先の実施の形態と同様に、配列間隔を狭めた範囲のシール空気の流量を冷却孔１３１から流出した冷却空気を増加でき、さらに内周側エンドウォール部１００の内部からの冷却も強化できるので、高温の燃焼ガスに晒されている領域７２０を効果的に冷却強化することができる。

なお、冷却孔１３１を利用して内周側エンドウォール部１００のシール空気流量の増加を促進する場合には、冷却孔１３１の出口部１３１ｂは図８に示した例のように内周側エンドウォール部１００の外周面上の前縁１０１付近に設け、出口部１３１ｂをガスタービンのガスパスに向かって開口させることが好ましい。このように出口部１３１ｂを設けると、冷却孔１３１から放出された冷却空気が速やかにエンドウォール部１００の外周面上を流れるので、高温部の領域７２０に係るシール空気流量を容易に増加できる。

ところで、本実施の形態では、他の実施の形態と比較して冷却孔１３１が長くなり冷却孔１３１の内部での圧力損失が大きくなる傾向があるので、冷却空気量の減少や燃焼ガスの逆流に配慮する必要性が他の実施の形態と比較して高くなるが、これらの点に注意して適用すれば、内周側エンドウォール部１００の冷却空気を必要な部分に流量配分することができ、冷却空気流量を抑えてガスタービンの熱効率を向上することができる。

なお、図８に示した例では冷却孔１３１の入口部１３１ａを上流側フック１１０部の付け根に設けたが、冷却流路３３０に臨む面上であれば、上流側フック１１０部の付け根以外の部分に入口部１３１ａを設けても良く、さらには内周側エンドウォール部１００の内周面上に入口部１３１ａを設けても構わない。

また、冷却孔１３１の出口部１３１ｂは、図８に示した内周側エンドウォール部１００の外周面上だけでなく、内周側エンドウォール部１００の前縁部１０１の近傍であれば他の部分に設けても構わない。

ところで、上記の各実施の形態では、配列間隔は異なるもののタービンの全周に亘って冷却孔１３０，１３１および溝１３５を配列する例について説明したが、エンドウォール部１００の冷却需要の程度によっては、冷却孔１３０，１３１および溝１３５の配列の疎密をさらに明確にしてタービン周方向の一部分のみに空気孔１３０，１３１および溝１３５を配列させても良い。例えば、各翼部について図１のＰｂからＰｍまでの領域のみに冷却孔１３０を配列し、他の領域には冷却孔１３０を設けない構成を採用しても良い。

また、上記の各実施の形態においてそれぞれ図示した冷却孔１３０，１３１の断面は、所定の半径の円形であり、長軸方向における断面形状の変化はないが、ダイアフラム４００の外部と内部の圧力差が確保でき、内周側エンドウォール部１００の冷却に効果を発揮する程度の速度及び流量で冷却空気が冷却孔１３０，１３１内を通過する範囲であれば、冷却孔１３０，１３１の断面形状は適宜変更が可能である。また、冷却孔１３０，１３１の軸方向長さについても同様である。さらに、図示した例では静翼３００に対する冷却孔１３０，１３１の加工を容易にする観点から、上流側フック部１１０または内周側エンドウォール部１００に対してタービン軸方向と平行な中心軸を有するように冷却孔１３０，１３１を設けているが、当該方向に限らず他の方向に沿って冷却孔１３０，１３１を設けても構わない。これらの点は溝１３５についても同様である。

また、上記の各実施の形態では、ガスタービンにおける第二段静翼の内周側エンドウォール部１００の冷却について説明したが、他段落の静翼の内周側エンドウォール部についても本発明は適用可能であり、上記と同様の構造が利用できる箇所であれば、さらに、外周側エンドウォール部への適用、蒸気タービンの静翼の内周側および外周側エンドウォール部への適用、ガスタービン及び蒸気タービンの動翼への適用も可能である。

なお、本発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の各実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

１００…内周側エンドウォール部、１０１…エンドウォール部１００の前縁、１０２…エンドウォール部１００の後縁、１１０…上流側フック部（前縁側フック部）、１２０…下流側フック部（後縁側フック）、１３０…冷却孔、１３０ａ…入口部、１３０ｂ…出口部、１３０ｃ…中間部、１３１…冷却孔、１３１ａ…入口部、１３１ｂ…出口部、１３１ｃ…中間部、１３５…溝、１４０…開口部、２００…外周側エンドウォール部、２１０…上流側フック部（前縁側フック部）、２２０…下流側フック部（後縁側フック）、２３０…インピンジメントプレート、３００…第二段静翼、４００…ダイアフラム、４１０…フック、５００…第一段動翼、６００…第二段動翼、７００…冷却空気、７１０…シール空気、７２０…高温の燃焼ガスに晒されている領域、８００…燃焼ガス

Claims (5)

1. 内部に冷却流路を有する翼部と、
   当該翼部のタービン径方向の一方側端部に位置するエンドウォール部と、
   当該エンドウォール部に隣接するダイアフラムに当該エンドウォール部を係合させるためのフック部であって、前記翼部の前縁側に位置する前縁側フック部と、
   当該前縁側フック部に設けられ、前記冷却流路と連通する複数の冷却孔とを備え、
   前記複数の冷却孔はタービン周方向に沿って配列されており、当該複数の冷却孔のうちタービン周方向で隣り合うもの同士の間隔は異なるものが存在し、
   前記複数の冷却孔のタービン周方向における配列間隔は、
   前記エンドウォール部における前記翼部の前縁近傍の部分および当該部分から前記翼部の腹側寄りの部分までの領域に位置する前記複数の冷却孔の配列間隔は、その他の領域に位置するものの配列間隔よりも狭いことを特徴とするガスタービン翼。
2. 内部に冷却流路を有する翼部と、
   当該翼部のタービン径方向の一方側端部に位置するエンドウォール部と、
   当該エンドウォール部に隣接するダイアフラムに当該エンドウォール部を係合させるためのフック部であって、前記翼部の前縁側に位置する前縁側フック部と、
   当該前縁側フック部に設けられ、前記冷却流路と連通する複数の冷却孔とを備え、
   前記複数の冷却孔はタービン周方向に沿って配列されており、当該複数の冷却孔のうちタービン周方向で隣り合うもの同士の間隔は異なるものが存在し、
   前記複数の冷却孔は、それぞれ、前記前縁側フック部の表面のうち前記冷却流路に臨む面に開口する入口部と、前記前縁側フック部の表面のうち前記ダイアフラムに対向する面に設けた開口である出口部と、当該入口部と当該出口部を連通する中間部とを備えることを特徴とするガスタービン翼。
3. 請求項２に記載のガスタービン翼において、
   前記エンドウォール部の表面のうち前記前縁側フック部が突出した表面に設けられた溝であって、前記複数の冷却孔のいずれか１つの前記出口部から前記エンドウォール部の前縁部まで繋がる溝をさらに備えることを特徴とするガスタービン翼。
4. 内部に冷却流路を有する翼部と、
   当該翼部のタービン径方向の一方側端部に位置するエンドウォール部と、
   当該エンドウォール部に隣接するダイアフラムに当該エンドウォール部を係合させるためのフック部であって、前記翼部の前縁側に位置する前縁側フック部と、
   当該前縁側フック部に設けられ、前記冷却流路と連通する複数の冷却孔とを備え、
   前記複数の冷却孔はタービン周方向に沿って配列されており、当該複数の冷却孔のうちタービン周方向で隣り合うもの同士の間隔は異なるものが存在し、
   前記複数の冷却孔は、それぞれ、前記前縁側フック部または前記エンドウォール部の表面のうち前記冷却流路に臨む面に開口する入口部と、前記エンドウォール部の前縁部に開口する出口部と、当該入口部と当該出口部を連通する中間部とを備え、
   前記複数の冷却孔の前記出口部は、ガスタービンのガスパスに向かって開口していることを特徴とするガスタービン翼。
5. 請求項１に記載のガスタービン翼を備えるガスタービン。

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