JP6806599B2 - タービン翼、タービン及びタービン翼の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン翼、タービン及びタービン翼の冷却方法に関する。

ガスタービンは、高圧空気を生成する圧縮機と、高圧空気に燃料を混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備えている。このうち、タービンは、回転するロータ本体と、ロータ本体に設けられた複数の動翼と、これらロータ本体及び動翼を外周側から覆うとともに、内周面に沿って複数の静翼が設けられたケーシングと、を有している。動翼に燃焼ガスが衝突することで当該燃焼ガスのエネルギーが、ロータ本体の回転エネルギーに変換される。ここで、高圧側に位置する動翼は、高温高圧の燃焼ガスに曝されることから、当該動翼を冷却する必要がある。動翼を冷却するための技術として、例えば、特許文献１に記載された技術がある。

特許文献１に記載された装置では、動翼の内部に冷却空気が流通するための冷却流路が形成されている。さらに、冷却流路内には、冷却空気の流れ方向に間隔をあけて配列された複数のタービュレータが設けられている。タービュレータは、冷却流路の内面に設けられた突起である。より具体的には、タービュレータは、翼断面形状を有する動翼の内面に沿って延びる板形状をなしている。

特開２００１−１５２８０２号公報

タービン翼は、内部の冷却通路にタービュレータを設け、タービュレータに冷却空気がぶつかる構造とすることで、冷却空気の流れに乱れが生じる。これにより、動翼と冷却空気との間の熱伝達効率を向上することができ、動翼を効率よく冷却することができる。ここで、タービュレータは、冷却空気が流れる経路に設置される凸形状である。このため、凸形状のタービュレータに強度が低い部分が生じると、タービン翼としての耐久性が低くなる場合がある。耐久性が低いタービュレータを含む構造である場合、タービュレータで冷却を効率よく行えたとしても、タービン翼としての耐久性が低くなってしまう。

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、強度の向上したタービン翼、これを備えるタービン及びタービン翼の冷却方法を提供することを目的とする。

本発明のタービン翼は、内側に冷却媒体が流れる冷却流路が形成された翼本体と、前記冷却媒体の流れ方向に配列され、前記翼本体の内面から前記冷却流路内に突出し、かつ、前記流れ方向に交差する方向に延びる複数のタービュレータと、を備え、前記複数のタービュレータのうち少なくとも１つは第一タービュレータであり、該第一タービュレータは、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが第一変化率で変化する第一部分と、一端が前記第一部分に接続される接続点を有し、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが前記第一変化率より大きい第二変化率で変化する第二部分と、を有する。

この構成によれば、第二部分の内面からの突出高さが流れ方向に沿って次第に変化していることから、タービュレータに角部が形成されない。これにより、タービュレータにおける応力集中を低減することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記第一部分の前記第一変化率が０であってもよい。

この構成によれば、タービュレータにおける応力集中をさらに低減することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記第二部分は、前記第一部分から離れるにしたがって、前記突出高さが減少してもよい。

この構成によれば、第二部分が、第一部分から離れるにしたがって突出高さが減少することで、タービュレータにおける応力集中をより低減することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記第二部分は、前記流れ方向から見て、前記内面とは反対側の端縁が前記内面に対して正接する円弧状であってもよい。

この構成によれば、タービュレータにおける応力集中をさらに低減することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記第一タービュレータは、前記第一部分と前記第二部分とが、曲線状に接続されていてもよい。

この構成によれば、第一部分と第二部分とが曲線状に接続されていることから、当該部分に角部が形成されない。これにより、タービュレータにおける応力集中を低減することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記第一タービュレータは、前記複数のタービュレータのうち、前記流れ方向の最も一方側に位置する前記タービュレータであってもよい。

ここで、複数のタービュレータのうち、流れ方向の最も一方側、すなわちタービンの径方向における最も内側に位置するタービュレータでは、製造工程上の制約から切欠きが設けられる場合がある。上記の構成によれば、タービュレータに角部を形成することなく、当該切欠きを形成することができるため、タービュレータにおける応力集中を低減することができるとともに、製造工程上の制約をも満たすことができる。

また、本発明のタービン翼では、前記複数のタービュレータは、前記第一タービュレータ以外の第二タービュレータが、前記内面からの突出高さが前記流れ方向に交差する方向に沿って一定であってもよい。

この構成によれば、第二タービュレータによって、翼本体を十分に冷却することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記第一タービュレータと前記第二タービュレータは、前記内面側の端縁は平行であり、前記内面から離間する側の端縁は平行でなくてもよい。

この構成によれば、第二タービュレータによって、翼本体を十分に冷却することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記翼本体は、前記冷却流路を複数のキャビティに区画する複数の隔壁を有し、前記複数のタービュレータは、前記第一タービュレータ以外の第二タービュレータの両端が前記隔壁同士、前記隔壁と前記翼本体の前縁側の内面、又は前記隔壁と後縁側の内面に接続していてもよい。

この構成によれば、第二タービュレータによって、翼本体を効率的に冷却することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記翼本体は、前記冷却流路を複数のキャビティに区画する複数の隔壁を有し、前記隔壁は、前記第一部分に近い第一隔壁と、前記第二部分に近い第二隔壁と、を有し、前記第二隔壁と前記第二部分との距離は、前記第一隔壁と前記接続点との距離の半分より長くてもよい。

この構成によれば、第二タービュレータによって、翼本体を十分に冷却することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記翼本体は、ガスパスの半径方向の面であるガスパス面を規定するガスパス面規定部材を有し、前記第二部分は、前記ガスパス面規定部材に近接していてもよい。

この構成によれば、第二タービュレータによって、翼本体を十分に冷却することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記翼本体は、前記第一タービュレータを含まない他の冷却流路を備え、前記他の冷却流路における前記タービュレータの少なくとも一部は、前記ガスパス面よりも径方向内側に位置してもよい。

この構成によれば、第二タービュレータによって、翼本体を十分に冷却することができる。

また、本発明のタービン翼では、前記翼本体の少なくとも一部には、前記冷却流路と外面とを連通する複数の冷却孔が形成され、前記第一タービュレータは、前記冷却孔と重複する位置に設けられた前記タービュレータであってもよい。

ここで、冷却孔と重複する位置に設けられたタービュレータでは、両者の干渉を防ぐため、タービュレータに切欠きが設けられる場合がある。上記の構成によれば、タービュレータに角部を形成することなく、当該切欠きを形成することができるため、タービュレータにおける応力集中を低減することができるとともに、冷却孔によるタービン翼の冷却を実現することができる。

また、本発明のタービンは、軸線回りに回転するロータ本体と、前記ロータ本体に設けられた上記のタービン翼と、前記ロータ本体を外周側から覆うことで流体流路を形成するケーシングと、を備え、前記第二タービュレータは、流れ方向に交差する方向から見て、前記第一部分が前記流体流路と重複し、前記第二部分の少なくとも一部が前記流体流路と重複していない。

この構成によれば、タービュレータの第一部分のみが流体流路と重複する位置に設けられる。すなわち、流体流路と重複するために積極的な冷却が必要とされる部分にはタービュレータの第一部分が位置している。これにより、タービュレータによる冷却効果を十分に確保し、かつタービュレータにおける応力集中を低減することができる。

また、内側に冷却媒体が流れる冷却流路が形成された翼本体と、前記冷却媒体の流れ方向に配列され、前記翼本体の内面から前記冷却流路内に突出し、かつ、前記流れ方向に交差する方向に延びる複数のタービュレータと、を備え、前記複数のタービュレータのうち少なくとも１つは第一タービュレータであり、該第一タービュレータは、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが第一変化率で変化する第一部分と、一端が前記第一部分に接続される接続点を有し、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが前記第一変化率より大きい第二変化率で変化する第二部分と、を有するタービン翼の冷却方法であって、前記冷却流路に冷却空気を流し、前記冷却空気の流れ方向を前記第一タービュレータ及び前記第二タービュレータによって変化させつつ、前記翼本体と前記冷却空気とで熱交換を行い、前記翼本体を冷却する。

この方法によれば、タービン翼の強度を十分に向上させ、かつタービン翼を効率的に冷却することができる。

本発明によれば、十分な強度を有するタービン翼及びタービンを提供することができる。

図１は、本発明の各実施形態に係るタービンの構成を示す断面図である。 図２は、本発明の第一実施形態に係るタービン翼の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の第一実施形態に係るタービン翼の構成を示す他の断面図である。 図４は、本発明の第一実施形態に係る第一タービュレータの構成を示す図である。 図５は、本発明の第一実施形態に係る第二タービュレータの構成を示す図である。 図６は、本発明の第二実施形態に係るタービン翼の構成を示す断面図である。

［第一実施形態］
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に示すように、本実施形態に係るガスタービン１００は、高圧空気を生成する圧縮機１と、高圧空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器２と、燃焼ガスによって駆動されるタービン３と、を備えている。

圧縮機１は、軸線Ａｍ回りに回転する圧縮機ロータ１１と、圧縮機ロータ１１を外周側から覆う圧縮機ケーシング１２と、を有している。圧縮機ロータ１１は、軸線Ａｍに沿って延びる柱状をなしている。圧縮機ロータ１１の外周面上には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼段１３が設けられている。各圧縮機動翼段１３は、圧縮機ロータ１１の外周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼１４を有している。

圧縮機ケーシング１２は、軸線Ａｍを中心とする筒状をなしている。圧縮機ケーシング１２の内周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼段１５が設けられている。これらの圧縮機静翼段１５は、上記の圧縮機動翼段１３に対して、軸線Ａｍ方向から見て交互に配列されている。各圧縮機静翼段１５は、圧縮機ケーシング１２の内周面上で、軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼１６を有している。

燃焼器２は、上記の圧縮機ケーシング１２と、後述するタービンケーシング３２との間に設けられている。圧縮機１で生成された高圧空気は、燃焼器２内部で燃料と混合されて予混合ガスとなる。燃焼器２内で、この予混合ガスが燃焼することで高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、タービンケーシング３２内に導かれてタービン３を駆動する。

タービン３は、軸線Ａｍ回りに回転するタービンロータ３１と、タービンロータ３１を外周側から覆うタービンケーシング３２と、を有している。タービンロータ３１は、軸線Ａｍに沿って延びる柱状をなしている。タービンロータ３１の外周面上には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段３３が設けられている。各タービン動翼段３３は、タービンロータ３１の外周面上で、軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼３４（タービン翼）を有している。このタービンロータ３１は、上記の圧縮機ロータ１１に対して軸線Ａｍ方向に一体に連結されることで、ガスタービンロータ１０１を形成する。

タービンケーシング３２は、軸線Ａｍを中心とする筒状をなしている。タービンケーシング３２の内周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼段３５が設けられている。これらのタービン静翼段３５は、上記のタービン動翼段３３に対して、軸線Ａｍ方向から見て交互に配列されている。各タービン静翼段３５は、タービンケーシング３２の内周面上で、軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼３６を有している。タービンケーシング３２は、上記の圧縮機ケーシング１２に対して軸線Ａｍ方向に連結されることで、ガスタービンケーシング１０２を形成する。すなわち、上記のガスタービンロータ１０１は、このガスタービンケーシング１０２内で、軸線Ａｍ回りに一体に回転可能とされている。ガスタービンケーシング１０２とガスタービンロータ１０１との間には、軸線Ａｍに沿って延びる流体流路Ａが形成されている。この流体流路Ａに沿って、上述の圧縮空気や燃焼ガス等の作動流体が流通する。圧縮機動翼１４、タービン動翼３４の径方向外側の端部を含む大部分は、この流体流路Ａ中に曝されている。

続いて、タービン動翼３４の詳細な構成について説明する。なお、以下では、複数設けられるタービン動翼段３３のうち、上流側から数えて２段目以降のタービン動翼段３３に適用されるタービン動翼３４について説明する。

タービン動翼３４は、タービンロータ３１の外周面から軸線Ａｍの径方向に沿って延びている。タービン動翼３４は、図２及び図３に示すように、軸線Ａｍの径方向から見て翼断面形状を有している。具体的には、タービン動翼３４は、径方向に延びる筒状の翼本体４０と、翼本体４０を径方向内側から支持するガスパス面規定部材としてのプラットホームＰと、を有している。なお、ガスパス面規定部材としては、プラットホームＰのほか、タービン静翼３６の内側シュラウドまたは外側シュラウドを適用することができる。タービン動翼３４は、翼本体４０内部が、複数のキャビティに区画されている。タービン動翼３４は、キャビティの内部に複数のタービュレータ４１が形成されている。プラットホームＰは、流体流路Ａの径方向外側の面であるガスパス面Ｇを規定している。

翼本体４０は、軸線Ａｍ方向両端部のうち、断面が曲線状に形成された前縁４０Ｌが、軸線Ａｍ方向の一方側である上流側に向いている。翼本体４０は、前縁４０Ｌとは反対側の後縁４０Ｔが、軸線Ａｍ方向の他方側である下流側を向いている。

翼本体４０は、内部が４つの隔壁４２，４３，４４，４５により、５つのキャビティに区画されている。以降の説明では、翼本体４０の前縁４０Ｌ側から後縁４０Ｔ側に向かって順に、第一キャビティＣ１、第二キャビティＣ２、第三キャビティＣ３、第四キャビティＣ４、第五キャビティＣ５と呼ぶことがある。第一キャビティＣ１、第二キャビティＣ２、第三キャビティＣ３、第四キャビティＣ４、第五キャビティＣ５には、圧縮機１から供給された高圧空気が冷却空気として流通している。すなわち、第一キャビティＣ１、第二キャビティＣ２、第三キャビティＣ３、第四キャビティＣ４、第五キャビティＣ５は、タービン翼を冷却するための冷却流路Ｆとして機能する。なお、図３に示すように、第二キャビティＣ２は第三キャビティＣ３と径方向外側の部分で連通している。

冷却流路Ｆの内壁面、すなわち翼本体４０の内面４０Ｓには、複数のタービュレータ４１が設けられている。タービュレータ４１は、冷却流路Ｆ中における冷却空気の流れ方向に沿って間隔をあけて配列されている。各タービュレータ４１は、翼本体４０の内面４０Ｓから突出し、かつ上記冷却空気の流れ方向に交差する方向に延びる板形状である。タービュレータ４１は、鋳造により翼本体４０に対して一体に形成されている。各タービュレータ４１は、翼本体４０の腹側（燃焼ガス流れにおいて下流側の面側）と、背側（燃焼ガス流れにおいて上流側の面側）とで、交互に設けられている。つまり、翼本体４０は、ガスタービンの径方向（翼の長手方向）において、腹側のタービュレータ４１と背側のタービュレータ４１が重ならない。内面４０Ｓは、ガスタービンの径方向において、翼本体４０の腹側にタービュレータ４１が設けられている位置には、背側にタービュレータ４１が設けられていない。また、内面４０Ｓは、ガスタービンの径方向において、翼本体４０の背側にタービュレータ４１が設けられている位置には、原側にタービュレータ４１が設けられていない。

複数のタービュレータ４１のうち、径方向の最も内側に位置する内径側タービュレータ（第一タービュレータ）４１Ｒは、他のタービュレータ（第二タービュレータ）４１Ａと異なる形状を有している。図４は、第二キャビティＣ２に設けられた内径側タービュレータ４１Ｒを拡大して示している。なお、図４は、内径側タービュレータ４１Ｒが、図中の下側、タービン動翼の背側に設けられている場合を示している。なお、タービン動翼３４は、タービン動翼の腹側に内径側タービュレータ４１Ｒａが設けられる場合がある。図４のタービン動翼３４は、内径側タービュレータ４１Ｒａを備えていなため、二点鎖線で示している。タービン動翼３４は、タービュレータの配置間隔、配置位置によって、内径側タービュレータ４１Ｒと内径側タービュレータ４１Ｒａのいずれか一方、または、両方が設けられる場合がある。内径側タービュレータ４１Ｒａは、内径側タービュレータ４１Ｒと配置位置が異なるのみで、基本的に同様の構成である。

図４に示すように、内径側タービュレータ４１Ｒは、翼本体４０の内面４０Ｓからの突出高さが第一変化率で変化する第一部分４１１と、突出高さが冷却空気の流れ方向に交差する方向に沿って、第二変化率で変化する第二部分４１２と、を有している。第二変化率は、第一変化率よりも大きい。ここで、変化率は、所定長さにおいて突出高さが変化する割合である。また、本実施形態では、第一変化率は０である。すなわち、第一部分４１１では、内面４０Ｓからの突出高さが一定である。なお、第一変化率は必ずしも０でなくてもよく、０以上であってもよい。第一部分４１１は、延在方向（冷却空気の流れ方向に交差する方向）の一方の端部が内面４０Ｓのうち隔壁を構成する部分と接し、他方の端部が第二部分４１２と接している。なお、第一部分４１１は、内面４０Ｓのうち前縁または後縁を構成する部分と接していてもよい。第一部分４１１は、翼本体４０の内面４０Ｓからの突出高さが一定である。内径側タービュレータ４１Ｒａも、第１部分４１１ａと第２部分４１２ａを有する。

第二部分４１２は、一方の端部が第一部分４１１と接続点ＰＣを介して接している。第二部分４１２ａも、一方の端部が第一部分４１１ａと接続点ＰＣａを介して接している。第二部分４１２は、延在方向において、第一部分から離れるにしたがって、突出高さが徐々に減少する。各キャビティに設けられた内径側タービュレータ４１Ｒは、第二部分４１２は、軸線Ａｍ方向の一方側から他方側に向かうにしたがって、突出高さが次第に減少、又は増加している。本実施形態では、第一キャビティＣ１、及び第三キャビティＣ３に設けられた内径側タービュレータ４１Ｒでは、第二部分４１２は、軸線Ａｍ方向の一方側から他方側に向かうにしたがって、突出高さが次第に増加している。第二キャビティＣ２、第四キャビティＣ４、第五キャビティＣ５に設けられた内径側タービュレータ４１Ｒでは、第二部分４１２は、軸線Ａｍ方向の一方側から他方側に向かうにしたがって、突出高さが次第に減少している。なお、図４の例は、第二キャビティＣ２に設けられた内径側タービュレータ４１Ｒの構成を示している。

第二部分４１２は、第一部分４１１と滑らかな曲線によって連続的に接続されている。すなわち、第二部分４１２は、第一部分４１１側の端部が、当該第一部分４１１から離間するにしたがって、内面４０Ｓに近接する方向に湾曲している。また、第二部分４１２は、後縁４０Ｔ側の端部が、翼本体４０の内面４０Ｓに連続する曲線によって接続されている。より詳細には、第二部分４１２の端縁（すなわち、内面４０Ｓから離間する側の端縁）は、内面４０Ｓに対して正接する円弧状をなしている。すなわち、第二部分４１２は、第一部分４１１から隔壁４３側に向かうにしたがって、内面４０Ｓに次第に近接する方向に湾曲した後、変曲点４１Ｃを境界として湾曲方向が変わり、内面４０Ｓに正接する方向に湾曲している。したがって、この内径側タービュレータ４１Ｒでは、前縁４０Ｌ側から後縁４０Ｔ側にかけて角部が形成されていない。なお、第二部分４１２は、内径側タービュレータ４１Ｒの軸線Ａｍ方向における長さをαとした場合、０．３α以下であることが望ましく、より望ましくは０．１α以上０．２α以下である。また、第一部分４１１に近い隔壁４２を第一隔壁４２とし、第二部分４１２に近い隔壁４３を第二隔壁４３とした場合、第二隔壁４３と第二部分４１２の接続点ＰＣとの距離Ｌ２は、第一隔壁４２と接続点ＰＣとの距離Ｌ１の半分よりも長く設定されている。

内径側タービュレータ４１Ｒ以外の他のタービュレータ４１Ａは、延在方向（冷却空気の流れ方向に交差する方向）の両方の端部が、それぞれ、内面４０Ｓのうち隔壁を構成する部分、内面４０Ｓのうち前縁または後縁を構成する部分と接している。具体的には、第一キャビティＣ１に設けられたタービュレータ４１Ａは、翼本体４０における前縁４０Ｌ側の内面４０Ｓと、隔壁４２とを接続している。第二キャビティＣ２に設けられたタービュレータ４１Ａは、隔壁４２と隔壁４３とを接続している。第三キャビティＣ３に設けられたタービュレータ４１Ａは、隔壁４３と隔壁４４とを接続している。第四キャビティＣ４に設けられたタービュレータ４１Ａは、隔壁４４と隔壁４５とを接続している。第五キャビティＣ５に設けられたタービュレータ４１Ａは、隔壁４５と、後縁４０Ｔ側の内面４０Ｓとを接続している。

また、本実施形態の内径側タービュレータ４１Ｒ以外の他のタービュレータ４１Ａは、翼本体４０の内面４０Ｓからの突出高さが、タービュレータ４１Ａの延在する方向の全域にわたって一定である。つまり、タービュレータ４１Ａは、第一キャビティＣ１、第二キャビティＣ２、第三キャビティＣ３、第四キャビティＣ４、第五キャビティＣ５の各区画において、タービン動翼３４の翼弦方向にかけて一定の突出高さを有している。さらに言い換えると、他のタービュレータ４１Ａは、翼本体４０の外面４０Ｒが延びる方向の全域にかけて、内面Ｓからの突出高さが一定である。なお、ここで言う突出高さが一定であるとは、実質的な一定を指すものであって、わずかな製造誤差等があってもよい。また、他のタービュレータ４１Ａは、突出高さが実質的に一定であればよく、内面の凹凸が変動しやすい端部においては突出高さが変動してもよい。さらに、内径側タービュレータ４１Ｒと、他のタービュレータ４１Ａは、内面４０Ｓ側の端縁は互いに平行であり、内面４０Ｓから離間する側の端縁は平行ではない。

タービン動翼３４の径方向外側の端部を含む大部分は、作動流体が流通する流体流路Ａ中に露出している。すなわち、ガスパス面Ｇよりも径方向外側に位置している。なお、図３中において、流体流路Ａは鎖線よりも軸線Ａｍの径方向外側の領域である。より詳細には、冷却空気の流れ方向と交差する方向（すなわち、軸線Ａｍの径方向）から見て、内径側タービュレータ４１Ｒのうち、第一部分４１１のみが流体流路Ａに重複しており、第二部分４１２は流体流路Ａよりも径方向内側に位置している。また、第二部分４１２の変曲点４１Ｃと反対側は、プラットホームＰのガスパス面Ｇに近接している。なお、他のタービュレータ４１Ａの少なくとも一部は、ガスパス面Ｇよりも径方向内側に露出している。

ここで、タービン動翼３４にタービュレータ４１を構成するに当たっては、精密鋳造を用いることが一般的である。冷却性能を確保する観点からは、いずれのタービュレータ４１も、前縁４０Ｌ側から後縁４０Ｔ側にかけて連続的に形成されていることが望ましい。しかしながら、鋳造を行う際に用いられる中子の形状の制約から、一部のタービュレータ４１は、前縁４０Ｌ側から後縁４０Ｔ側にかけて連続的に形成することが難しい場合がある。タービュレータ４１を連続的に形成することが難しい場合、従来は当該タービュレータ４１に直線的な角部Ｒを有する切欠きを設けることが一般的であった（図４の鎖線で示す部分）。ところが、このような角部を有する切欠きがある場合、ロータの高速回転に伴う遠心力によって、当該角部Ｒに応力集中が生じてしまう。これにより、他のタービュレータに比べて、当該部の強度が低下する可能性がある。

一方で、本実施形態に係るタービン動翼３４では、内径側タービュレータ４１Ｒにおける第二部分４１２の内面４０Ｓからの突出高さが流れ方向に沿って次第に変化していることから、内径側タービュレータ４１Ｒには角部Ｒが形成されない。これにより、タービュレータ４１における応力集中を低減することができる。すなわち、タービン動翼３４の設計強度を十分に確保することができる。

さらに、上記の構成では、第二部分４１２は、流れ方向から見て内面４０Ｓに対して正接する円弧状である。この構成によれば、内径側タービュレータ４１Ｒにおける応力集中をさらに低減することができる。

上記の構成では、内径側タービュレータ４１Ｒの第一部分４１１と第二部分４１２とが、曲線状に接続されている。この構成によれば、第一部分４１１と第二部分４１２とが曲線状に接続されていることから、当該接続部分に角部が形成されない。これにより、内径側タービュレータ４１Ｒにおける応力集中を低減することができる。

上記の構成では、複数のタービュレータ４１のうち、流れ方向の最も一方側に位置するタービュレータ４１（内径側タービュレータ４１Ｒ）が、第一部分４１１及び第二部分４１２を有している。

ここで、複数のタービュレータ４１のうち、流れ方向の最も一方側、すなわちタービン３の径方向における最も内側に位置するタービュレータ４１では、製造工程上の制約から切欠きが設けられる場合がある。上記の構成によれば、タービュレータ４１に角部を形成することなく、当該切欠きを形成することができるため、タービュレータ４１における応力集中を低減することができるとともに、製造工程上の制約をも満たすことができる。

さらに、上記の構成では、タービュレータ４１の第一部分４１１のみが流体流路Ａと重複する位置に設けられる。すなわち、流体流路Ａ中の作動流体に接するために積極的な冷却が必要とされる部分には、第二部分よりも突出高さの大きい第一部分４１１が位置している。これにより、タービュレータ４１による冷却効果を十分に確保し、かつ第二部分４１２によってタービュレータ４１における応力集中を低減することができる。

以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を施すことが可能である。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態について、図６を参照して説明する。同図に示すように、本実施形態では、タービン動翼３４の翼本体４０に複数の冷却孔５０が形成されている。さらに、複数のタービュレータ４１のうち、複数の冷却孔５０と重複する位置にあるタービュレータ４１は、上述の第一部分４１１と、第二部分４１２と、を有している。

具体的には冷却孔５０は、翼本体４０の内面４０Ｓと外面４０Ｒとを貫通している。これにより、冷却流路Ｆ内を流通する冷却空気の一部は、当該冷却孔５０を通じて内面４０Ｓ側から外面４０Ｒ側に向かって噴出する。噴出した冷却空気が外面４０Ｒに沿って流れることで、タービン動翼３４を外面４０Ｒ側からも冷却することができる。

ここで、冷却孔５０の位置と対応する内面４０Ｓ側の位置にもタービュレータ４１が設けられている。このため、タービュレータ４１と冷却孔５０との干渉を回避する必要がある。従来は、タービュレータ４１に直線的な角部を有する切欠きを設けることで、冷却孔５０との干渉を回避していた。ところが、このような角部を有する切欠きがある場合、ロータの高速回転に伴う遠心力によって、当該角部に応力集中が生じてしまう。これにより、当該部の強度が低下する可能性がある。

一方で、本実施形態に係るタービン動翼３４では、冷却孔５０に対応する位置におけるタービュレータは上述の第一部分４１１と第二部分４１２とを有している。第二部分４１２の内面４０Ｓからの突出高さが流れ方向に交差する方向に沿って次第に変化していることから、タービュレータ４１に角部が形成されない。これにより、タービュレータ４１における応力集中を低減することができる。すなわち、タービュレータ４１における応力集中を低減することができるとともに、冷却孔５０によるタービン動翼３４の冷却を実現することができる。

以上、本発明の第二実施形態について図面を参照して説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態と同様に、第一部分４１１と第二部分４１２とは滑らかな曲線状に接続されていてもよい。また、第二部分４１２の後縁４０Ｔ側の端部は、翼本体４０の内面４０Ｓに連続する曲線によって接続されていてもよい。より詳細には、第二部分４１２の端縁（すなわち、内面４０Ｓから離間する側の端縁）は、内面に対して正接する円弧状をなしている。言い換えると、このタービュレータ４１では、前縁４０Ｌ側から後縁４０Ｔ側にかけて角部が形成されていない。

１００ ガスタービン
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
１１ 圧縮機ロータ
１２ 圧縮機ケーシング
１３ 圧縮機動翼段
１４ 圧縮機動翼
１５ 圧縮機静翼段
１６ 圧縮機静翼
３１ タービンロータ
３２ タービンケーシング
３３ タービン動翼段
３４ タービン動翼
３５ タービン静翼段
３６ タービン静翼
４０ 翼本体
４０Ｌ 前縁
４０Ｒ 外面
４０Ｓ 内面
４０Ｔ 後縁
４１ タービュレータ
４１Ｒ 内径側タービュレータ
４２，４３，４４，４５ 隔壁
５０ 冷却孔
４１１ 第一部分
４１２ 第二部分
Ｃ１ 第一キャビティ
Ｃ２ 第二キャビティ
Ｃ３ 第三キャビティ
Ｃ４ 第四キャビティ
Ｃ５ 第五キャビティ
Ａ 流体流路
Ａｍ 軸線
Ｇ ガスパス面
Ｐ プラットホーム

Claims (14)

1. 内側に冷却媒体が流れる冷却流路が形成された翼本体と、
   前記冷却媒体の流れ方向に配列され、前記翼本体の内面から前記冷却流路内に突出し、かつ、前記流れ方向に交差する方向に延びる複数のタービュレータと、
   を備え、
   前記複数のタービュレータのうち少なくとも１つは第一タービュレータであり、該第一タービュレータは、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが第一変化率で変化する第一部分と、一端が前記第一部分に接続される接続点を有し、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが前記第一変化率より大きい第二変化率で変化する第二部分と、
   を有し、
   前記第一変化率は、０または前記第一部分が前記第二部分に近づくにしたがって前記突出高さが減少する値であるタービン翼。
2. 前記第二部分は、前記第一部分から離れるにしたがって、前記突出高さが減少する請求項１に記載のタービン翼。
3. 前記第二部分は、前記流れ方向から見て、前記内面とは反対側の端縁が前記内面に対して正接する円弧状である請求項１または２に記載のタービン翼。
4. 前記第一タービュレータは、前記第一部分と前記第二部分とが、曲線状に接続されている請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン翼。
5. 前記第一タービュレータは、前記複数のタービュレータのうち、前記流れ方向の最も一方側に位置する前記タービュレータである請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン翼。
6. 前記複数のタービュレータは、前記第一タービュレータ以外の第二タービュレータが、前記内面からの突出高さが前記流れ方向に交差する方向に沿って一定である請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン翼。
7. 前記第一タービュレータと前記第二タービュレータは、前記内面側の端縁は平行であり、前記内面から離間する側の端縁は平行でない請求項６に記載のタービン翼。
8. 前記翼本体は、前記冷却流路を複数のキャビティに区画する複数の隔壁を有し、
   前記複数のタービュレータは、前記第一タービュレータ以外の第二タービュレータの両端が前記隔壁同士、前記隔壁と前記翼本体の前縁側の内面、又は前記隔壁と後縁側の内面に接続している請求項１から７のいずれか一項に記載のタービン翼。
9. 前記翼本体は、前記冷却流路を複数のキャビティに区画する複数の隔壁を有し、
   前記隔壁は、前記第一部分に近い第一隔壁と、前記第二部分に近い第二隔壁と、を有し、
   前記第二隔壁と前記第二部分との距離は、前記第一隔壁と前記接続点との距離の半分より長い請求項１から８のいずれか一項に記載のタービン翼。
10. 前記翼本体は、ガスパスの半径方向の面であるガスパス面を規定するガスパス面規定部材を有し、
    前記第二部分は、前記ガスパス面規定部材に近接している請求項１から９のいずれか一項に記載のタービン翼。
11. 前記翼本体は、前記第一タービュレータを含まない他の冷却流路を備え、
    前記他の冷却流路における前記タービュレータの少なくとも一部は、ガスパスの半径方向の面であるガスパス面よりも径方向内側に位置する請求項１から１０のいずれか一項に記載のタービン翼。
12. 前記翼本体の少なくとも一部には、前記冷却流路と外面とを連通する複数の冷却孔が形成され、
    前記第一タービュレータは、前記冷却孔と重複する位置に設けられた前記タービュレータである請求項１から１１のいずれか一項に記載のタービン翼。
13. 軸線回りに回転するロータ本体と、
    前記ロータ本体に設けられた請求項１から１２のいずれか一項に記載のタービン翼と、
    前記ロータ本体を外周側から覆うことで流体流路を形成するケーシングと、
    を備え、
    前記第一タービュレータは、流れ方向に交差する方向から見て、前記第一部分が前記流体流路と重複し、前記第二部分の少なくとも一部が前記流体流路と重複していないタービン。
14. 内側に冷却媒体が流れる冷却流路が形成された翼本体と、
    前記冷却媒体の流れ方向に配列され、前記翼本体の内面から前記冷却流路内に突出し、かつ、前記流れ方向に交差する方向に延びる複数のタービュレータと、
    を備え、前記複数のタービュレータのうち少なくとも１つは第一タービュレータであり、該第一タービュレータは、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが第一変化率で変化する第一部分と、一端が前記第一部分に接続される接続点を有し、前記流れ方向に交差する方向に沿って前記内面からの突出高さが前記第一変化率より大きい第二変化率で変化する第二部分と、を有し、前記第一変化率は、０または前記第一部分が前記第二部分に近づくにしたがって前記突出高さが減少する値であり、タービン翼の冷却方法であって、
    前記冷却流路に冷却空気を流し、前記冷却空気の流れ方向を前記第一タービュレータ及び前記第一タービュレータ以外の第二タービュレータによって変化させつつ、前記翼本体と前記冷却空気とで熱交換を行い、前記翼本体を冷却するタービン翼の冷却方法。

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