JP6637630B1 - タービン翼およびタービン翼の製造方法並びにガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービン翼およびタービン翼の製造方法並びにガスタービンにおいて、翼を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ると共に、効率良くタービン翼を製造することができる。【解決手段】翼高さ方向Ｄｈに沿って冷却通路５０が設けられ、冷却通路５０は、一端が先端側に開口して翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が同じである第１冷却孔５３と、一端が第１冷却孔５３の他端に連通して基端側に向けて内径が大きくなる第２冷却孔５４と有し、第１冷却孔５３の一端から第１冷却孔５３と第２冷却孔５４との連通位置までの長さは、第１冷却孔５３と第２冷却孔５４とを合わせた長さの４０％〜６０％の範囲に設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンに適用される動翼や静翼などのタービン翼、タービン翼の製造方法、タービン翼を備えたガスタービンに関するものである。

ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンを有する。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、圧縮空気に燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスを得る。タービンは、燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動する。

ガスタービンにおける動翼や静翼などのタービン翼において、タービン翼の内部に冷却通路を設け、冷却通路に冷却流体を流すことにより、高温のガス流れに曝されるタービン翼を冷却することが知られている。例えば、下記特許文献１には、翼部の長手方向に沿って冷却媒体が流れる複数の冷却孔を貫通して設け、冷却孔を直径の異なる大径部と中径部と小径部とから構成し、翼先端部まで十分に冷却することができるようにしたものが記載されている。

特開２００９−１６７９３４号公報

上述した従来のタービン翼では、冷却孔の長手方向の少なくとも一箇所に流路変更部を設けることで、直径の異なる大径部と中経部と小径部を設けている。ところが、冷却孔の長手方向における所定の位置に直径が変更される流路変更部を設けると、流路変更部に応力集中が発生し、タービン翼の破損の原因になるおそれがあるという課題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、翼を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図るタービン翼を提供すると共に、効率良くタービン翼を製造することのできるタービン翼の製造方法並びにガスタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のタービン翼は、翼高さ方向に沿って冷却通路が設けられるタービン翼において、前記冷却通路は、一端が先端側に開口して翼高さ方向に沿って内径が同じである第１冷却孔と、一端が前記第１冷却孔の他端に連通して基端側に向けて内径が大きくなる第２冷却孔と、を有し、前記第１冷却孔の一端から前記第１冷却孔と前記第２冷却孔との連通位置までの長さは、前記第１冷却孔の一端から基端側におけるガスパス面までの長さの４０％〜６０％の範囲に設けられる、ことを特徴とする。

そのため、基端側に供給された冷却空気は、第２冷却孔から第１冷却孔を通って先端側に排出される。このとき、第２冷却孔が基端側に向けて内径が大きくなることから、第２冷却孔を流れる冷却空気は、徐々に流速が高くなって第１冷却孔を流れる。そして、第１冷却孔と第２冷却孔との連通位置が第１冷却孔の一端から基端側におけるガスパス面までの長さの４０％〜６０％の範囲にあることから、冷却通路を流れる冷却空気は、基端側で遅く、中間位置から先端側で速くなる。そのため、冷却空気により熱負荷が高い中間位置から先端側を積極的に冷却することができる。その結果、翼を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ることができる。

本発明のタービン翼では、前記冷却通路は、一端が基端側に開口する基端側冷却孔と、内径が前記基端側冷却孔の内径より大きくて前記第２冷却孔の他端および前記基端側冷却孔の他端が連通する空洞部とを有することを特徴とする。

そのため、基端側に供給された冷却空気は、基端側冷却孔から空洞部に導入され、空洞部から第２冷却孔を通って第１冷却孔に導入されることとなり、冷却空気を翼内に適正に供給することができる。

また、本発明のタービン翼は、翼高さ方向に沿って冷却通路が設けられるタービン翼において、前記冷却通路は、一端が基端側に開口する基端側冷却孔と、内径が前記基端側冷却孔の内径より大きくて前記基端側冷却孔の他端が連通する空洞部と、一端が先端側に開口して翼高さ方向に沿って内径が同じである第１冷却孔と、一端が前記第１冷却孔の他端に連通して他端が前記空洞部に連通すると共に基端側に向けて内径が大きくなる第２冷却孔と、を有する、ことを特徴とする。

そのため、基端側に供給された冷却空気は、基端側冷却孔から空洞部に導入され、空洞部から第２冷却孔を通って第１冷却孔に導入され、先端側に排出される。このとき、第２冷却孔が基端側に向けて内径が大きくなることから、第２冷却孔を流れる冷却空気は、徐々に流速が高くなって第１冷却孔を流れる。冷却通路を流れる冷却空気は、基端側で遅く、その後、先端側で速くなる。そのため、より低温の冷却空気を第２冷却孔から第１冷却孔に供給し、熱負荷が高い中間位置から先端側を積極的に冷却することができる。その結果、翼を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ることができる。

本発明のタービン翼では、前記第１冷却孔の一端から前記第１冷却孔と前記第２冷却孔との連通位置までの長さは、前記第１冷却孔の一端から基端側におけるガスパス面までの長さの４０％〜６０％の範囲に設けられることを特徴とする。

そのため、冷却空気により熱負荷が高い中間位置から先端側を積極的に冷却することができる。

本発明のタービン翼では、前記第２冷却孔は、基端側に向けて内径が連続して大きくなるテーパ形状をなすことを特徴とする。

そのため、第２冷却孔は、段差などがないテーパ形状をなすことから、応力集中の発生を抑制することができる。

本発明のタービン翼では、前記タービン翼は、翼部とプラットフォームと翼根部とを有し、前記空洞部は、前記プラットフォームに設けられることを特徴とする。

そのため、空洞部をプラットフォームに設けることから、第２冷却孔や基端側冷却孔より内径の大きい空洞部を容易に形成することができる。

本発明のタービン翼では、前記基端側冷却孔の内径は、前記第２冷却孔の最大内径より大きいことを特徴とする。

そのため、基端側冷却孔の内径は、前記第２冷却孔の最大内径より大きいことから、基端側冷却孔を流れる冷却空気の流速を遅くし、より低温の冷却空気を第２冷却孔から第１冷却孔に供給することができる。

本発明のタービン翼では、前記第２冷却孔の内径拡大率は、１００％より大きく２００％未満の範囲に設定されることを特徴とする。

そのため、第２冷却孔の基端側を流れる冷却空気の流速を低下させ、より低温の冷却空気を第２冷却孔から第１冷却孔に供給し、第２冷却孔の先端側を流れる冷却空気の流速を上昇させることで、翼の先端側を効率良く冷却することができる。

また、本発明のタービン翼の製造方法は、タービン翼の先端側から基端側に向けて翼高さ方向に沿って内径が一定である第１冷却孔を電解加工により形成する工程と、前記第１冷却孔から電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔を電解加工により形成する工程と、を有することを特徴とする。

そのため、第１冷却孔から電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら電解加工することで、翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔を容易に形成することができ、冷却性能の高いタービン翼を効率良く製造することができる。

本発明のタービン翼の製造方法では、基端側から電流値および加工速度を一定として翼高さ方向に沿って内径が同じである基端側冷却孔を電解加工により形成する工程と、前記基端側冷却孔の端部で加工速度を予め設定された最低加工速度まで減速または停止して内径が前記基端側冷却孔の内径より大きい空洞部を電解加工により形成する工程と有し、前記第２冷却孔を空洞部に連通させることを特徴とする。

そのため、先に基端側冷却孔と空洞部を電解加工により形成した後、第２冷却孔を空洞部に連通させることから、第２冷却孔の電解加工時に加工誤差が発生しても、第２冷却孔を内径の大きい空洞部に連通させるため、適正に冷却通路を形成することができる。

本発明のタービン翼の製造方法では、前記第２冷却孔を電解加工により形成する工程にて、電流値および加工速度を一定として翼高さ方向に沿って内径が同じである基礎第２冷却孔を電解加工により形成した後、電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔を電解加工により形成することを特徴とする。

そのため、１回目の電解加工時に、内径が同じである基礎第２冷却孔を形成し、２回目の電解加工時に、内径が大きくなる第２冷却孔を形成することから、１回目の電解加工時と２回目の電解加工時に、異なる電極を使用することで、電極の通電面積を大きくして適正な電解加工を実行することができる。

本発明のタービン翼の製造方法では、前記第２冷却孔を電解加工により形成する工程にて、電流値を最大で一定とし、加工速度を変更しながら翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔を電解加工により形成することを特徴とする。

そのため、電流値を最大で一定にすることで、所定の電解加工量を確保することができ、加工速度を変更しながら電極を移動することで、内径が大きくなる第２冷却孔を適正に形成することができる。

また、本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記タービン翼を有して前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、を備える。

そのため、冷却空気により熱負荷が高いタービン翼の中間位置から先端側を積極的に冷却することができ、翼を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ることができる。

本発明のタービン翼およびタービン翼の製造方法並びにガスタービンによれば、翼を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ることができると共に、効率良くタービン翼を製造することができる。

図１は、本実施形態のガスタービンの全体構成を表す概略図である。 図２は、本実施形態のタービン翼としての動翼を表す縦断面図である。 図３は、電解加工装置を表す概略図である。 図４は、本実施形態のタービン翼の製造方法を説明するための断面図である。 図５は、冷却孔の１パス加工時における加工距離に対する電流値を表すグラフである。 図６は、冷却孔の１パス加工時における加工距離に対する加工速度を表すグラフである。 図７は、冷却孔の２パス加工時における加工距離に対する電流値を表すグラフである。 図８は、冷却孔の２パス加工時における加工距離に対する加工速度を表すグラフである。 図９は、タービン翼の製造方法の第１変形例を説明するための断面図である。 図１０は、電解加工工具を表す概略図である。 図１１は、タービン翼の製造方法の第２変形例を説明するための断面図である。 図１２は、電解加工工具を表す概略図である。 図１３は、電流印加時間に対する冷却孔拡大率を表すグラフである。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態のガスタービンの全体構成を表す概略図である。なお、以下の説明では、ガスタービンのロータの中心の軸線をＯとしたとき、軸線Ｏが延びる方向を軸方向Ｄａとし、ロータの軸線Ｏに直交するロータの径方向を翼高さ方向Ｄｈ、ロータの軸線Ｏを中心とした周方向を周方向Ｄｃとして説明する。

本実施形態において、図１に示すように、ガスタービン１０は、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３とを備える。ガスタービン１０は、同軸上に図示しない発電機が連結され、発電機により発電が可能である。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と動翼２４が軸方向Ｄａに交互に配設され、その外側に抽気室２５が設けられる。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能である。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が軸方向Ｄａに交互に配設される。タービン車室２６は、下流側に排気車室２９を介して排気室３０が配設され、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有する。

また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ３２が位置する。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持され、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持される。ロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定され、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定され、排気室３０側の端部に発電機（図示略）の駆動軸が連結される。

ガスタービン１０は、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持される。

そのため、圧縮機１１の空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、ロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、タービン１３を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとして大気に放出される。

ここで、本実施形態のタービン翼としての動翼２８について詳細に説明する。図２は、本実施形態のタービン翼としての動翼を表す縦断面図である。

図２に示すように、動翼２８は、翼部４１と、プラットフォーム４２と、翼根部４３とを有する。翼部４１は、翼高さ方向Ｄｈに沿って長い形状をなし、基端４１ｂに対して先端４１ａが先細形状をなす。プラットフォーム４２は、表面４２ａ，４２ｂがガスパス面であり、この表面４２ａ，４２ｂに翼部４１の基端４１ｂが一体に接続される。翼根部４３は、軸方向Ｄａから見た形状が、所謂、クリスマスツリー形状であり、プラットフォーム４２の裏面４２ｃに一体に接続される。翼根部４３は、ロータ３２（図１参照）の外周部に固定される。

動翼２８は、翼高さ方向Ｄｈに沿って複数の冷却通路５０が設けられる。冷却通路５０は、基端側冷却孔５１と、空洞部５２と、第１冷却孔５３と、第２冷却孔５４とを有する。

基端側冷却孔５１は、一端が動翼２８の基端側、つまり、翼根部４３の基端４３ａに開口する。基端側冷却孔５１は、翼高さ方向Ｄｈに沿って設けられ、翼高さ方向Ｄｈに沿って内径Ｄ１が同じ寸法である。空洞部５２は、プラットフォーム４２（または翼根部４３）に設けられる。空洞部５２は、基端側冷却孔５１の他端部が連通する。空洞部５２は、内径Ｄ２が基端側冷却孔５１の内径Ｄ１より大きい寸法である。

第１冷却孔５３は、一端が動翼２８の先端側、つまり、翼部４１の基端４１ｂに開口する。第１冷却孔５３は、翼高さ方向Ｄｈに沿って設けられ、翼高さ方向Ｄｈに沿って内径Ｄ３が同じ寸法である。第２冷却孔５４は、一端が第１冷却孔５３の他端に連通し、他端が空洞部５２に連通する。第２冷却孔５４は、一端から他端に向けて内径Ｄ４が漸次大きくなる寸法である。この場合、第２冷却孔５４は、一端側から基端側に向けて内径が連続して大きくなるテーパ形状をなしている。

また、空洞部５２の内径Ｄ２は、基端側冷却孔５１の内径Ｄ１より大きく、基端側冷却孔５１の内径Ｄ１は、第２冷却孔５４の最大内径Ｄ４より大きく、第２冷却孔５４の最小内径Ｄ３は、第１冷却孔５３の内径Ｄ４と同じである。また、第２冷却孔５４は、一端から他端に向けて内径Ｄ４が漸次大きくなるが、第２冷却孔５４の内径拡大率は、１００％より大きく２００％未満の範囲に設定される。なお、第２冷却孔５４の内径拡大率は、１００％より大きく１７５％未満の範囲に設定されることが好ましい。ここで、内径拡大率とは、第２冷却孔５４における一端の内径に対する他端の内径の拡大率である。

そして、第１冷却孔５３は、翼部４１における先端４１ａ側の領域Ａ１に形成され、第２冷却孔５４は、翼部４１における基端４１ｂ側の領域Ａ２に形成される。そして、第１冷却孔５３と第２冷却孔５４とを合わせた翼高さ方向Ｄｈに沿った長さをＬ（Ａ１＋Ａ２）とするとき、第１冷却孔の一端（翼部４１の先端４１ａ）から、第１冷却孔５３と第２冷却孔５４との連通位置Ｂまでの長さは、第１冷却孔５３の一端から基端側におけるガスパス面までの長さの４０％〜６０％の範囲に設けられる。すなわち、翼高さ方向Ｄｈに沿った先端４１ａから後縁側の表面４２ｂまでの長さＬの４０％〜６０％の範囲に設けられる。

ここで、翼部４１における先端４１ａとは、翼高さ方向Ｄｈに沿った先端側の端面の位置である。なお、翼部４１の先端４１ａにチップシュラウドが設けられている構造にあっては、翼部４１における先端４１ａは、チップシュラウドにおけるガスパス面の位置である。また、翼部４１における基端４１ｂとは、翼高さ方向Ｄｈに沿った基端側の端面の位置であり、プラットフォーム４２のガスパス面となる表面４２ａ，４２ｂの位置である。そして、翼部４１の翼高さ方向Ｄｈに沿った長さを規定する場合には、翼部４１の後縁側（図２の右側）の位置としての先端４１ａ、表面４３ｂ側の長さである。

冷却空気は、動翼２８における基端部側に供給され、基端側冷却孔５１、空洞部５２、第２冷却孔５４、第１冷却孔５３を通って外部に排出される。このとき、動翼２８は、基端側冷却孔５１、空洞部５２、第２冷却孔５４、第１冷却孔５３を通る冷却空気により冷却される。このとき、まず、冷却空気が基端側冷却孔５１および空洞部５２を流れることで、プラットフォーム４２および翼根部４３を冷却し、次に、第２冷却孔５４および第１冷却孔５３を流れることで、翼部４１を冷却する。

ここで、動翼２８は、一般的に、翼部４１における翼高さ方向Ｄｈの中間付近で最もクリープ強度が厳しい。ところが、冷却空気は、基端側冷却孔５１、空洞部５２、第２冷却孔５４、第１冷却孔５３の順に流れて動翼２８を冷却することから、プラットフォーム４２や翼根部４３を冷却して温度上昇した冷却空気が翼部４１を冷却することとなり、熱負荷が高い翼部４１における翼高さ方向Ｄｈの中間位置を効率良く冷却することが困難となる。

そこで、本実施形態では、プラットフォーム４２に近い位置に設けられた第２冷却孔５４の内径Ｄ４を大きくする一方、翼部４１における翼高さ方向Ｄｈの中間位置に設けられた第１冷却孔５３の内径Ｄ３を小さくしている。そして、第１冷却孔５３と第２冷却孔５４とを段差なく連通させるため、第２冷却孔５４の内径Ｄ４を第１冷却孔５３と空洞部５２との間で連続的に変化させている。

動翼２８における基端部側に供給された冷却空気は、基端側冷却孔５１から空洞部５２に導入され、空洞部５２から第２冷却孔５４および第１冷却孔５３に流れて外部に排出される。このとき、基端側冷却孔５１や空洞部５２は、第２冷却孔５４や第１冷却孔５３より内径が大きいことから、冷却空気の流速が遅い。一方、第２冷却孔５４は、第１冷却孔５３側に向けて内径が漸次小さくなることから、冷却空気の流速が徐々に速くなり、最速なって第１冷却孔５３に流れる。そのため、第２冷却孔５４と第１冷却孔５３との連通部から第１冷却孔５３を流れる冷却空気の流速が最大となり、且つ、より低温の冷却空気を第２冷却孔５４から第１冷却孔５３に供給することで、翼部４１における熱負荷が高い中間位置から先端側を効率良く冷却することができる。

ここで、本実施形態の動翼２８の製造方法、具体的には、動翼２８における冷却通路５０の形成方法について説明する。図３は、電解加工装置を表す概略図、図４は、本実施形態のタービン翼の製造方法を説明するための断面図である。

図３に示すように、電解加工装置１００は、動翼２８へ冷却通路５０を形成する複数の電解加工工具１０１と、電解加工工具１０１を進行させる移動機構１０２と、電解加工工具１０１を進行させるときに電解加工工具１０１を案内するガイド部１０３とを備える。

移動機構１０２は、電解加工工具１０１を動翼２８に対して進退させる。そして、移動機構１０２は、動翼２８における翼部４１の先端４１ａ側に配置され、この先端４１ａに対して進退移動可能に構成される。そして、移動機構１０２は、例えば、図示しない駆動装置を用いて電解加工工具１０１の進退移動を行う。

移動機構１０２は、動翼２８の先端４１ａ側の面に電解加工工具１０１の基端１１０ｂ（図４参照）を把持する複数の把持部１０４を有する。把持部１０４は、内部が中空形状とされた筒形状をなし、軸方向の一端側に電解加工工具１０１の基端１１０ｂが挿入されることで電解加工工具３１０１把持可能となっている。また、把持部１０４の他端側は、図示しない電解液流通路に接続され、電解液流通路を介して把持部１０４の内部に電解液Ｗ（図４参照）が供給される。電解液Ｗの供給量は、図示しない流量制御装置によって任意に調整可能である。なお、電解液Ｗとしては、例えば、硫酸、硝酸、食塩水等が用いられる。

ガイド部１０３は、移動機構１０２と動翼２８の先端４１ａとの間に配置され、移動機構１０２によって進退される電解加工工具１０１を動翼２８の先端４１ａに対して所定の進行方向となるように案内する。ガイド部１０３は、移動機構１０２側と動翼２８側とを互いに連通する複数のガイド孔１０５が形成される。複数のガイド孔１０５は、それぞれ電解加工工具１０１が移動機構１０２側から動翼２８側に向かって挿通される。そして、この状態で、電解加工工具１０１が移動機構１０２によって前進させられることで、ガイド孔１０５の配置に応じて動翼２８の先端４１ａにおける所望の位置に、且つ、先端４１ａに対して所望の角度で電解加工工具１０１を導入することができる。

電解加工工具１０１について説明する。電解加工工具１０１は、動翼２８に冷却通路５０を電解加工により形成するものである。図４に示すように、電解加工工具１０１は、電極１１１と、電極１１１を外周から覆う絶縁層１１２を有し、全体として筒形状をなす工具本体１１０を備える。

工具本体１１０における電極１１１は、軸線Ｏに沿って延びる筒状をなし、例えば、ステンレス、銅、チタン等の可撓性を有する導電性材料から構成される。電極１１１は、内側の中空部分（電極１１１の内部）が、移動機構１０２の把持部１０４（いずれも図３参照）の中空部分と連通している。これによって、電極１１１は、内部に工具本体１１０の基端１１０ｂ側（移動機構１０２側）から先端１１０ａ側（動翼２８側）に向かって電解加工に供される電解液Ｗが流通される。

また、先端１１０ａ側での電極１１１の端面は、軸線Ｏに直交する平坦状、もしくはテーパ形状をなす。なお、本実施形態では電極１１１は円筒状をなしているが、例えば、断面多角形の角筒状としてもよい。

工具本体１１０における絶縁層１１２は、例えば、電気絶縁性を有するポリエステル系の樹脂等から構成され、電極１１１の外周面に被覆され、また、先端１１０ａ側での電極１１１の端面は、絶縁層１１２によって覆われずに電極１１１が露出している。

このような電解加工装置１００において、電解加工工具１０１によって電極１１１の内部を流通した電解液Ｗが工具本体１１０の先端１１０ａから導出される。そして、導出された電解液Ｗを介して工具本体１１０の先端１１０ａの端面と、動翼２８の冷却通路５０の内面との間が通電し、動翼２８が電解して冷却通路５０が軸線Ｏ方向に向かってより深く加工されていく。

図２に示すように、本実施形態の動翼２８において、冷却通路５０は、基端側冷却孔５１と、空洞部５２と、第１冷却孔５３と、第２冷却孔５４とを有し、第２冷却孔５４は、一端から他端に向けて内径Ｄ４が漸次大きくなっている。

本実施形態のタービン翼の製造方法は、冷却通路５０を構成する基端側冷却孔５１と空洞部５２と第１冷却孔５３と第２冷却孔５４を形成するものである。図５は、冷却孔の１パス加工時における加工距離に対する電流値を表すグラフ、図６は、冷却孔の１パス加工時における加工距離に対する加工速度を表すグラフである。

本実施形態のタービン翼の製造方法は、動翼２８の先端側から基端側に向けて電解加工により翼高さ方向Ｄｈに沿う冷却通路５０を形成するものであって、先端側から電流値および加工速度を一定として翼高さ方向に沿って内径が同じである第１冷却孔５３を電解加工により形成する工程と、第１冷却孔５３から電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が大きくなる第２冷却孔５４を電解加工により形成する工程とを有する。

また、本実施形態のタービン翼の製造方法は、基端側から電流値および加工速度を一定として翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が同じである基端側冷却孔５１を電解加工により形成する工程と、基端側冷却孔５１の端部で加工速度を予め設定された最低加工速度まで減速して内径が基端側冷却孔５１の内径より大きい空洞部５２を電解加工により形成する工程と有し、第２冷却孔５４を空洞部５２に連通させる。

すなわち、まず、前述した電解加工装置１００を用い、電流値および加工速度を一定とした状態で、電解加工工具１０１を動翼２８の基端側から先端側に移動することで、内径が変わらずに同じである基端側冷却孔５１を電解加工により形成する。次に、電流値および加工速度を一定とした状態で、電解加工工具１０１の加工速度を減速、または、停止して内径が基端側冷却孔５１の内径より大きい空洞部５２を電解加工により形成する。

続いて、電流値および加工速度を一定とした状態で、電解加工工具１０１を動翼２８の先端側から基端側に移動することで、内径が変わらずに同じである第１冷却孔５３を電解加工により形成する。そして、最後に、電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら、電解加工工具１０１を動翼２８に形成した第１冷却孔５３の端部から動翼２８の基端側に移動することで、内径が漸次大きくなる第２冷却孔５４を電解加工により形成する。そのため、動翼２８の翼部４１に連通部に段差のない第１冷却孔５３とテーパ形状の第２冷却孔５４を形成することができる。

具体的には、図５に示すように、電解加工工具１０１を領域Ａ１に相当する加工距離Ｌ１までは、電流値および加工速度を一定とした状態で、電解加工工具１０１を移動して内径が一定である第１冷却孔５３を形成する。その後、電解加工工具１０１を領域Ａ１＋Ａ２に相当する加工距離Ｌ２までは、電流値を上昇させながら、電解加工工具１０１を移動して内径が漸次大きくなる第２冷却孔５４を形成する。または、図６に示すように、第１冷却孔５３を形成した後、電解加工工具１０１を領域Ａ１＋Ａ２に相当する加工距離Ｌ２までは、加工速度を下降させながら、電解加工工具１０１を移動して内径が漸次大きくなる第２冷却孔５４を形成する。このとき、電流値や加工速度を変更する変更率は、第２冷却孔５４の形状に応じて適宜設定すればよい。また、電解加工工具１０１を移動して第２冷却孔５４を形成するとき、電解加工量が徐々に多くなることから、加工中に発生する水素ガスが増え、スラッジの排出性が悪化する可能性があるため、電解液Ｗの流通速度を徐々に高くしていくことが好ましい。

なお、第２冷却孔５４を電解加工により形成する工程にて、電流値を最大で一定とし、加工速度を変更しながら電解加工工具１０１を移動して内径が漸次大きくなる第２冷却孔５４を電解加工により形成することが好ましい。電流値を最大で一定とすることで、大きな加工量を確保することができ、加工時間を短縮することができる。

上述した説明では、電解加工工具１０１を領域Ａ１を移動させることで、第１冷却孔５３を電解加工により形成した後、電解加工工具１０１を領域Ａ２を移動させることで、第２冷却孔５５を１パスで電解加工により形成したが、この方法に限定されるものではない。図７は、冷却孔の２パス加工時における加工距離に対する電流値を表すグラフ、図８は、冷却孔の２パス加工時における加工距離に対する加工速度を表すグラフである。

図７に示すように、電解加工工具１０１を領域Ａ１＋Ａ２に相当する加工距離Ｌ２までは、電流値および加工速度を一定とした状態で、電解加工工具１０１を移動して内径が一定である第１冷却孔５３と基礎第２冷却孔を１パス目で形成する。その後、領域Ａ１に相当する加工距離Ｌ１から領域Ａ１＋Ａ２に相当する加工距離Ｌ２まで、電流値を上昇させながら、電解加工工具１０１を移動して内径が漸次大きくなる第２冷却孔５４を２パス目で形成する。または、図６に示すように、電解加工工具１０１を領域Ａ１＋Ａ２に相当する加工距離Ｌ２までは、電流値および加工速度を一定とした状態で、電解加工工具１０１を移動して内径が一定である第１冷却孔５３と基礎第２冷却孔を１パス目で形成する。その後、領域Ａ１に相当する加工距離Ｌ１から領域Ａ１＋Ａ２に相当する加工距離Ｌ２まで、加工速度を下降させながら、電解加工工具１０１を移動して内径が漸次大きくなる第２冷却孔５４を２パス目で形成する。なお、２パス目における電解加工工具１０１の電極の外径は、１パス目における電解加工工具１０１の電極の外径と同一である。なお、２パス目における電解加工工具１０１の電極の外径を、１パス目における電解加工工具１０１の電極の外径よりおおきくしてもよい。また、電解加工工具１０１の移動方向は、加工距離Ｌ２から加工距離Ｌ１に向かう方向であってもよい。

また、電解加工工具１０１を移動して第２冷却孔５４を形成するとき、電解加工量が多いことから、電解加工工具１０１と第２冷却孔５４の内面との距離が大きくなり、溶液抵抗が増大し、加工性が低下するおそれがある。図９は、タービン翼の製造方法の第１変形例を説明するための断面図、図１０は、電解加工工具を表す概略図である。

図９及び図１０に示すように、電解加工工具１０１Ａは、電極１２１と、電極１２１を外周から覆う絶縁層１２２を有し、全体として筒形状をなす工具本体１２０を備える。

工具本体１２０における電極１２１は、軸線Ｏに沿って延びる筒状をなす。電極１２１は、内部に工具本体１２０の基端１２０ｂ側から先端１２０ａ側に向かって電解加工に供される電解液Ｗが流通される。工具本体１２０は、電極１２１の外周面が絶縁層１２２により被覆され、先端１２０ａ側での電極１２１の端面は、絶縁層１２２によって覆われずに電極１２１が露出している。

工具本体１２０は、非絶縁部１２３が設けられる。非絶縁部１２３は、工具本体１２０の先端１２０ａと基端１２０ｂとの間の先端１２０ａ寄りの中途位置で、電極１２１の外周面が周方向の全域にわたって軸線Ｏを中心としてリング状に露出することで、動翼２８と径方向に対向するように形成される。非絶縁部１２３は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて２つが形成されるが、少なくとも１つが形成されていればよい。

そして、非絶縁部１２３は、工具本体１２０の先端１２０ａから導出される電解液Ｗを介して動翼２８との間で通電可能となっている。

電解加工のとき、非絶縁部１２３が形成されていることで、工具本体１２０の先端１２０ａにおける軸線Ｏ方向を向く端面だけでなく、電極１２１の外周面においても動翼２８との間で通電が可能となる。そのため、動翼２８との間での通電面積が増して、印加電圧の上昇を抑制しつつ、加工速度の向上を図ることができる。そして、第２冷却孔５４を形成するとき、電解加工工具１０１Ａと第２冷却孔５４の内面との距離が大きくなって、溶液抵抗が増大しても、加工性の低下を抑制することができる。

図１１は、タービン翼の製造方法の第２変形例を説明するための断面図、図１２は、電解加工工具を表す概略図である。

図１１および図１２に示すように、電解加工工具１０１Ｂは、電極１３１と、電極１３１を外周から覆う絶縁層１３２を有し、全体として筒形状をなす工具本体１３０を備える。

工具本体１３０における電極１３１は、軸線Ｏに沿って延びる筒状をなす。電極１３１は、内部に工具本体１３０の基端１３０ｂ側から先端１３０ａ側に向かって電解加工に供される電解液Ｗが流通される。工具本体１３０は、電極１３１の外周面が絶縁層１３２により被覆され、先端１３０ａ側での電極１３１の端面は、絶縁層１３２によって覆われずに電極１３１が露出している。

工具本体１２０は、非絶縁部１３３が設けられる。非絶縁部１３３は、電極１３１の外周面において、径方向視で四角形状をなして、工具本体１３０の先端１３０ａの端面における電極１３１の露出部分に連続するように軸線Ｏ方向に延びて形成される。非絶縁部１３３は、周方向に一定の間隔をあけて絶縁層１３２と周方向に交互となるように複数が形成されており、本実施形態では、４つ形成されている。

電解加工のとき、非絶縁部１３３によって、電極１３１の外周面においても動翼２８との間で通電が可能となるため、通電面積を増大できる。そして、第２冷却孔５４を形成するとき、電解加工工具１０１Ａと第２冷却孔５４の内面との距離が大きくなって、溶液抵抗が増大しても、加工性の低下を抑制することができる。

また、図２に示すように、電解加工により第１冷却孔５３と第２冷却孔５４を連続して形成し、基端側冷却孔５１に連通するとき、第２冷却孔５４の形成位置が軸方向Ｄａや周方向Ｄｃにずれると、第２冷却孔５４が基端側冷却孔５１に連通しない。そのため、第２冷却孔５４と基端側冷却孔５１との間に空洞部５２を設けている。すなわち、動翼２８の基端側から先端側に向けて電解加工して基端側冷却孔５１を形成した後、電流値を一定とし、加工速度を微速、または、０にし、空洞部５２を形成する。

図１３は、電流印加時間に対する冷却孔拡大率を表すグラフである。電極に高電圧を印加したＥ１では、電流印加時間の増加に対して冷却孔拡大率が曲線状に変化する。また、電極に低電圧を印加したＥ２では、電流印加時間の増加に対して冷却孔拡大率が直線状に変化するように見える。このような出圧と電流印加時間と冷却孔拡大率との関係に基づいて、第２冷却孔５４および基端側冷却孔５１の内径や位置ずれ量に応じて空洞部５２の内径を決定する。空洞部５２を設けることで、第２冷却孔５４の形成位置が軸方向Ｄａや周方向Ｄｃにずれても、第２冷却孔５４と基端側冷却孔５１を空洞部５２により連通することができる。

このように本実施形態のタービン翼にあっては、翼高さ方向Ｄｈに沿って冷却通路５０が設けられ、冷却通路５０は、一端が先端側に開口して翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が同じである第１冷却孔５３と、一端が第１冷却孔５３の他端に連通して基端側に向けて内径が大きくなる第２冷却孔５４と有し、第１冷却孔５３の一端から第１冷却孔５３と第２冷却孔５４との連通位置までの長さは、第１冷却孔５３の一端から基端側における表面（ガスパス面）４３ｂまでの長さの４０％〜６０％の範囲に設けられる。

そのため、基端側に供給された冷却空気は、第２冷却孔５４から第１冷却孔５３を通って先端側に排出される。このとき、第２冷却孔５４が基端側に向けて内径が大きくなることから、第２冷却孔５４を流れる冷却空気は、徐々に流速が高くなって第１冷却孔５３を流れる。そして、第１冷却孔５３と第２冷却孔５４との連通位置が第１冷却孔５３の一端から基端側における表面４３ｂまでの長さの４０％〜６０％の範囲にあることから、冷却通路５０を流れる冷却空気は、基端側で遅く、中間位置から先端側で速くなる。そのため、冷却空気により熱負荷が高い中間位置から先端側を積極的に冷却することができる。その結果、動翼２８を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ることができる。

本実施形態のタービン翼では、冷却通路５０は、一端が基端側に開口する基端側冷却孔５１と、内径が基端側冷却孔５１の内径より大きくて第２冷却孔５４の他端および基端側冷却孔５１の他端が連通する空洞部５２とを有する。そのため、基端側に供給された冷却空気は、基端側冷却孔５１から空洞部５２に導入され、空洞部５２から第２冷却孔５４を通って第１冷却孔５３に導入されることとなり、冷却空気を翼内に適正に供給することができる。

また、本実施形態のタービン翼にあっては、翼高さ方向Ｄｈに沿って冷却通路５０が設けられ、冷却通路５０は、一端が基端側に開口する基端側冷却孔５１と、内径が基端側冷却孔５１の内径より大きくて基端側冷却孔５１の他端が連通する空洞部５２と、一端が先端側に開口して翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が同じである第１冷却孔５３と、一端が第１冷却孔５３の他端に連通して他端が空洞部５２に連通すると共に基端側に向けて内径が大きくなる第２冷却孔５４とを有する。

そのため、基端側に供給された冷却空気は、基端側冷却孔５１から空洞部５２に導入され、空洞部５２から第２冷却孔５４を通って第１冷却孔５３に導入され、先端側に排出される。このとき、第２冷却孔５４が基端側に向けて内径が大きくなることから、第２冷却孔５４を流れる冷却空気は、徐々に流速が高くなって第１冷却孔５３を流れる。冷却通路５０を流れる冷却空気は、基端側で遅く、その後、先端側で速くなる。そのため、冷却空気により熱負荷が高い中間位置から先端側を積極的に冷却することができる。その結果、動翼２８を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ることができる。

本実施形態のタービン翼では、第１冷却孔５３の一端から第１冷却孔５３と第２冷却孔５４との連通位置までの長さは、第１冷却孔５３の一端から基端側における表面４３ｂまでの長さの４０％〜６０％の範囲に設けられる。そのため、冷却空気により熱負荷が高い中間位置から先端側を積極的に冷却することができる。

本実施形態のタービン翼では、第２冷却孔５４は、基端側に向けて内径が連続して大きくなるテーパ形状をなす。そのため、第２冷却孔５４が段差などがないテーパ形状をなすことから、応力集中の発生を抑制することができる。

本実施形態のタービン翼では、空洞部５２をプラットフォーム４２に設ける。そのため、第２冷却孔５４や基端側冷却孔５１より内径の大きい空洞部５２を容易に形成することができる。

本実施形態のタービン翼では、基端側冷却孔５１の内径は、第２冷却孔５４の最大内径より大きい。そのため、基端側冷却孔５１を流れる冷却空気の流速を遅くし、より低温の冷却空気を第２冷却孔５４から第１冷却孔５３に供給することができる。

本実施形態のタービン翼では、第２冷却孔５４の内径拡大率を１００％より大きく２００％未満の範囲に設定する。そのため、第２冷却孔５４の基端側を流れる冷却空気の流速を低下させ、より低温の冷却空気を第２冷却孔から第１冷却孔に供給し、第２冷却孔５４の先端側を流れる冷却空気の流速を上昇させることで、動翼２８の先端側を効率良く冷却することができる。

本実施形態のタービン翼の製造方法にあっては、動翼２８の先端側から基端側に向けて翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が一定である第１冷却孔５３を電解加工により形成する工程と、第１冷却孔５３から電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔５４を電解加工により形成する工程とを有する。

そのため、第１冷却孔５３から電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら電解加工することで、翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔５４を容易に形成することができ、冷却性能の高い動翼２８を効率良く製造することができる。

第１実施形態のタービン翼の製造方法では、基端側から電流値および加工速度を一定として翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が同じである基端側冷却孔５１を電解加工により形成する工程と、基端側冷却孔５１の端部で加工速度を予め設定された最低加工速度まで減速または停止して内径が基端側冷却孔５１の内径より大きい空洞部５２を電解加工により形成する工程と有し、第２冷却孔５４を空洞部５２に連通させる。

そのため、先に基端側冷却孔５１と空洞部５２を電解加工により形成した後、第２冷却孔５４を空洞部５２に連通させることから、第２冷却孔５４の電解加工時に加工誤差が発生しても、第２冷却孔５４を内径の大きい空洞部５２に連通させるため、適正に冷却通路５０を形成することができる。

第１実施形態のタービン翼の製造方法では、第２冷却孔５４を電解加工により形成する工程にて、電流値および加工速度を一定として翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が同じである基礎第２冷却孔を電解加工により形成した後、電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が大きくなる第２冷却孔５４を電解加工により形成する。そのため、１回目の電解加工時に、内径が同じである基礎第２冷却孔を形成し、２回目の電解加工時に、内径が大きくなる第２冷却孔５４を形成することから、１回目の電解加工時と２回目の電解加工時に、異なる電極を使用することで、電極の通電面積を大きくして適正な電解加工を実行することができる。

第１実施形態のタービン翼の製造方法では、第２冷却孔５４を電解加工により形成する工程にて、電流値を最大で一定とし、加工速度を変更しながら翼高さ方向Ｄｈに沿って内径が大きくなる第２冷却孔５４を電解加工により形成する。そのため、電流値を最大で一定にすることで、所定の電解加工量を確保することができ、加工速度を変更しながら電極を移動することで、内径が大きくなる第２冷却孔５４を適正に形成することができる。

また、本実施形態のガスタービンにあっては、圧縮機１１と、圧縮機１１が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器１２と、タービン翼としての動翼２８を有して燃焼器１２が生成した燃焼ガスＦＧにより回転動力を得るタービン１３とを備える。そのため、動翼２８にて、冷却空気により熱負荷が高い中間位置から先端側を積極的に冷却することができる。その結果、動翼２８を効率良く冷却することで冷却性能の向上を図ることができる。

なお、上述した実施形態では、本発明のタービン翼を動翼２８に適用して説明したが、静翼２７に適用してもよい。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２７ 静翼
２８ 動翼（タービン翼）
３２ ロータ
４１ 翼部
４１ａ 先端
４１ｂ 基端
４２ プラットフォーム
４２ａ，４２ｂ 表面
４３ 翼根部
４３ａ 基端
５０ 冷却通路
５１ 基端側冷却孔
５２ 空洞部
５３ 第１冷却孔
５４ 第２冷却孔
１００ 電解加工装置
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ 電解加工工具
１０２ 移動機構
１０３ ガイド部
１１０，１２０，１３０ 工具本体
１１１，１２１，１３１ 電極
１１２，１２２，１３２ 絶縁層
１２３，１３３ 非絶縁部
Ｄａ 軸方向
Ｄｃ 周方向
Ｄｈ 翼高さ方向

Claims (11)

1. 翼高さ方向に沿って冷却通路が設けられるタービン翼において、
   前記冷却通路は、
   一端が先端側に開口して翼高さ方向に沿って内径が同じである第１冷却孔と、
   一端が前記第１冷却孔の他端に段差なく連通して基端側に向けて内径が大きくなる第２冷却孔と、
   と有し、
   前記第１冷却孔の一端から前記第１冷却孔と前記第２冷却孔との連通位置までの長さは、前記第１冷却孔の一端から基端側におけるガスパス面までの長さの４０％〜６０％の範囲に設けられる、
   ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記冷却通路は、一端が基端側に開口する基端側冷却孔と、内径が前記基端側冷却孔の内径より大きくて前記第２冷却孔の他端および前記基端側冷却孔の他端が連通する空洞部とを有することを特徴とする請求項１に記載のタービン翼。
3. 前記第２冷却孔は、基端側に向けて内径が連続して大きくなるテーパ形状をなすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービン翼。
4. 前記タービン翼は、翼部とプラットフォームと翼根部とを有し、前記空洞部は、前記プラットフォームに設けられることを特徴とする請求項２に記載のタービン翼。
5. 前記基端側冷却孔の内径は、前記第２冷却孔の最大内径より大きいことを特徴とする請求項２または請求項４に記載のタービン翼。
6. 前記第２冷却孔の内径拡大率は、１００％より大きく２００％未満の範囲に設定されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のタービン翼。
7. タービン翼の先端側から基端側に向けて翼高さ方向に沿って内径が一定である第１冷却孔を電解加工により形成する工程と、
   前記第１冷却孔から段差なく連通するように電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔を電解加工により形成する工程と、
   を有し、
   前記第１冷却孔における前記タービン翼の先端側の一端から前記第１冷却孔と前記第２冷却孔との連通位置までの長さは、前記第１冷却孔の一端から前記タービン翼の基端側におけるガスパス面までの長さの４０％〜６０％の範囲に設ける、
   ことを特徴とするタービン翼の製造方法。
8. 基端側から電流値および加工速度を一定として翼高さ方向に沿って内径が同じである基端側冷却孔を電解加工により形成する工程と、前記基端側冷却孔の端部で加工速度を予め設定された最低加工速度まで減速または停止して内径が前記基端側冷却孔の内径より大きい空洞部を電解加工により形成する工程と有し、前記第２冷却孔を空洞部に連通させることを特徴とする請求項７に記載のタービン翼の製造方法。
9. 前記第２冷却孔を電解加工により形成する工程にて、電流値および加工速度を一定として翼高さ方向に沿って内径が同じである基礎第２冷却孔を電解加工により形成した後、電流値と加工速度の少なくともいずれか一方を変更しながら翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔を電解加工により形成することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のタービン翼の製造方法。
10. 前記第２冷却孔を電解加工により形成する工程にて、電流値を最大で一定とし、加工速度を変更しながら翼高さ方向に沿って内径が大きくなる第２冷却孔を電解加工により形成することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載のタービン翼の製造方法。
11. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
    請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のタービン翼を有して前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
    を備えるガスタービン。
    

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