JP6871770B2 - タービン動翼、及びガスタービン - Google Patents

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本発明は、タービン動翼、及びガスタービンに関する。
ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを備える。タービンは、複数の静翼及び動翼（タービン動翼）を有する。
ガスタービンでは、複数の静翼及び動翼に作用する燃焼ガスの温度が１５００℃の高温に達する。このため、静翼及び動翼は、内部に冷却媒体が流れる冷却通路及び冷却孔を備える。静翼及び動翼は、冷却媒体により翼壁を冷却するとともに、翼壁に設けた冷却穴から吐出された冷却媒体を燃焼ガス側へ流出させることで翼面の冷却を行う。
動翼の先端部とケーシングを構成する分割環（ケーシングの一部）との間には、両者が干渉しないよう一定の隙間が形成されている。この隙間が大きすぎると、燃焼ガスの一部が翼先端部を乗り越えて下流側に流失して、チップリークが大きくなってしまう。チップリークが大きくなると、エネルギー損失が大きくなるため、ガスタービンの熱効率が低下してしまう。
また、上記隙間が狭すぎると、動翼の翼体と分割環とが接触して、翼体が損傷する可能性がある。
そこで、従来、上記隙間からの燃焼ガスの流出、及び翼体の損傷を抑制するために、翼体の先端部にチップシニング（「チップスキーラ」ともいう）を設けることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１には、翼体を構成する天板の外側に向って突出し、翼周方向に負圧面側翼壁に沿って前縁端から後縁領域の始端まで延在するチップシニングを備えた動翼が開示されている。
特許第５０３１１０３号公報
ところで、チップシニングは、チップシニングの両側面、及びチップシニングの頂面の３方向から加熱されるため、熱負荷が大きい。
特許文献１の動翼では、負圧面側翼壁に沿って前縁端から後縁領域の始端まで延在するようにチップシニングを設けていた。このため、動翼のチップにおいて熱負荷を受ける部分が多いという問題があった。
そこで、本発明は、チップリークの増大を抑制した上で、チップの熱負荷を抑制することの可能なタービン動翼、及びガスタービンを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、を備え、前記前縁側領域は、前記翼体の前記前縁から前記タービンロータの軸線方向での前記翼体の全長の１０％以上の長さの範囲内の領域である。
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、を備え、前記翼体は、前記タービンロータの周方向に複数配置されており、前記タービンロータの周方向で隣り合う位置に配置された前記翼体の間には、スロート部が形成されており、前記負圧面側翼壁の負圧面は、前記スロート部に対応するスロート位置を含み、前記前縁側領域は、前記タービンロータの軸線方向において、前記スロート位置から前記前縁側に前記翼体の全長の５０％以下となる長さ分移動した位置と前記翼体の前記前縁との間の領域である。
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、を備え、前記翼体は、前記タービンロータの周方向に複数配置されており、前記翼体は、キャンバーラインを含み、前記前縁側領域は、前記キャンバーラインのうち、最も前記タービンロータの回転方向に配置された位置と前記翼体の前記前縁との間の領域である。
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、を備え、前記前縁側領域は、前記負圧面側翼壁の負圧面のうち、最も前記タービンロータの回転方向に配置された位置と前記翼体の前記前縁との間の領域である。
ところで、翼体の前縁側領域の温度は、翼体の後縁側領域の温度よりも低くなる。このため、翼体の前縁側領域を構成する金属の熱伸び量は、翼体の後縁側領域を構成する金属の熱伸び量と比較して小さくなる。したがって、ケーシングと翼体の前縁側領域とが接触する可能性は低い。よって、ケーシングと翼体の前縁側領域との接触を抑制する観点からは、前縁側領域にチップシニングを設ける必要はない。
そして、翼体の後縁側領域のみにチップシニングを設け、かつ翼体の前縁側領域にチップシニングを設けないことにより、チップシニングの形成領域が少なくなる。これにより、チップが受ける熱負荷を小さくすることができる。
また、翼体の前縁側領域の圧力面と負圧面との圧力差は、後縁側領域の圧力面と負圧面との圧力差よりも小さく、前縁側領域のチップリークは元々少ないため、前縁側領域におけるチップシニングの効果は小さい。
したがって、翼体の前縁側領域にチップシニングを設けていなくてもタービン動翼のチップリークが増加する可能性は低い。
本発明によれば、天板の後縁側領域のみに設けられ、ロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングを有することで、チップシニングによるチップリークの抑制効果の小さい前縁側領域にチップシニングが配置されることがなくなるため、チップシニングの形成領域を少なくすることが可能となる。
これにより、チップリークの増大を抑制した上で、チップシニングの熱負荷を抑制することができる。
また、翼体の前縁からタービンロータの軸線方向での翼体の全長の１０％以上の長さの範囲内は、チップシニングの効果が小さい。よって、この範囲内の領域を、チップシニングを形成しない前縁側領域とすることができる。
また、例えば、スロート位置から前縁側に翼体の全長の５０％よりも長い長さ分移動した位置と翼体の前縁との間を前縁側領域とすると、チップシニングが形成される後縁側領域が大きくなるため、チップの熱負荷を十分に抑制することが困難な可能性がある。
そこで、スロート位置から前縁側に翼体の全長の５０％以下の長さ分移動した位置と翼体の前縁との間を前縁側領域とすることで、チップの熱負荷を十分に抑制することができる。
また、例えば、キャンバーラインのうち、最もロータの回転方向に配置された位置よりも前縁側の位置から前縁までの領域を前縁側領域とすると、チップシニングが形成されない領域が少なくなるため、チップの熱負荷を抑制することが困難となる可能性がある。一方、キャンバーラインのうち、最もロータの回転方向に配置された位置よりも後縁側の位置から前縁までの領域を前縁側領域とすると、チップシニングが形成される領域が少なくなるため、チップリークが増加する可能性がある。したがって、キャンバーラインのうち、最もロータの回転方向に配置された位置と翼体の前縁との間の領域を前縁側領域とすることで、チップの熱負荷を抑制した上で、チップリークの増加を抑制することができる。
また、例えば、負圧面側翼壁の負圧面のうち、最もタービンロータの回転方向に配置された位置よりも前縁側の位置から前縁までの領域を前縁側領域とすると、チップシニングが形成されない領域が少なくなるため、チップの熱負荷を抑制することが困難となる可能性がある。一方、負圧面側翼壁の負圧面のうち、最もタービンロータの回転方向に配置された位置よりも後縁側の位置から前縁までの領域を前縁側領域とすると、チップシニングが形成される領域が少なくなるため、チップリークが増加する可能性がある。したがって、負圧面側翼壁の負圧面のうち、最もタービンロータの回転方向に配置された位置と翼体の前縁との間の領域を前縁側領域とすることで、チップの熱負荷を抑制した上で、チップリークの増加を抑制することができる。
また、上記本発明の一態様に係るタービン動翼において、前記チップシニングは、前記天板のうち、前記負圧面側翼壁側に位置する外周部に配置させてもよい。
このように、チップシニングは、天板のうち、負圧面側翼壁側に位置する外周部に配置させることで、圧力面側翼壁側にチップシニングを配置させたときよりもチップリークの増大を抑制することができる。
また、上記本発明の一態様に係るタービン動翼において、前記翼体は、該翼体の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却流路と、前記冷却媒体を該翼体の外側に吐出させる複数の冷却孔と、を備えており、前記複数の冷却孔は、前記翼体の前記後縁側領域のみに設けてもよい。
このように、翼体の後縁側領域のみに複数の冷却孔を設けることで、後縁側領域のみに形成されたチップシニングだけを積極的に冷却して、３面加熱されるチップシニングが溶融すること（減肉すること）を抑制すればよく、チップシニングがない前縁側領域はあまり冷却しなくてすむので、チップ冷却する冷却空気を低減することができる。
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、前記翼体は、該翼体の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却流路と、前記冷却媒体を該翼体の外側に吐出させる冷却孔と、を備えており、前記冷却孔は、前記翼体の前記前縁側領域及び前記後縁側領域にそれぞれ複数設けられており、前記前縁側領域に設けられた冷却孔の密度は、前記後縁側領域に設けられた冷却孔の密度よりも低くてもよい。
このように、翼体の前縁側領域及び後縁側領域にそれぞれ複数の冷却孔を設けるとともに、前縁側領域に設けられた冷却孔の密度を後縁側領域に設けられた冷却孔の密度よりも低くすることで、チップシニングがない前縁側領域はあまり冷却しなくてすむので、チップ冷却する冷却空気を低減することができる。
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、前記翼体は、該翼体の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却流路と、前記冷却媒体を前記翼体の外側に吐出させる冷却孔と、を備えており、前記冷却孔は、前記翼体の前記前縁側領域及び前記後縁側領域にそれぞれ設けられており、前記前縁側領域に設けられた冷却孔の径は、前記後縁側領域に設けられた冷却孔の径よりも小さくしてもよい。
このように、翼体の前縁側領域及び後縁側領域にそれぞれ冷却孔を設け、前縁側領域に設けられた冷却孔の径を後縁側領域に設けられた冷却孔の径よりも小さくすることで、温度が上昇しやすい翼体の後縁側領域を積極的に冷却して、３面加熱されるチップシニングが溶融すること（減肉すること）を抑制すればよく、チップシニングがない前縁側領域はあまり冷却しなくてすむので、チップ冷却する冷却空気を低減することができる。
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、前記後縁側領域のうち、前記翼体の前記後縁から前記タービンロータの軸線方向での前記翼体の全長の１０％の長さとなる位置と前記後縁との間に配置された領域には、前記チップシニングを配置しなくてもよい。
ここで、後縁側領域のうち、翼体の後縁からロータの軸線方向での翼体の全長の１０％の長さまでの範囲内となる領域での圧力面と負圧面との圧力差は、該領域を除いた後縁側領域での圧力面と負圧面との圧力差と比較して十分に小さい。
したがって、翼体の後縁からロータの軸線方向での翼体の全長の１０％の長さまでの範囲内となる領域にチップシニングを設けなくてもチップリークの増加を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、前記チップシニング及び前記翼体は、金属製基材を加工することで一体形成されており、前記翼体を構成する前記金属製基材の外面のみを覆う遮熱コーティング層を有してもよい。
このように、翼体を構成する金属製基材の外面のみを覆う遮熱コーティング層を有することで、チップシニングによる相手側の被切削性を確保することができる。
また、本発明の一態様に係るガスタービンによれば、燃焼用空気を吸入して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動されるタービンと、を備え、前記タービンは、所定方向に延在する前記タービンロータと、前記タービンロータの周方向及び軸線方向に複数配置された上記タービン動翼と、隙間を介在させた状態で前記チップシニングと対向する分割環を含み、かつ前記タービンロータ及び複数の前記タービン動翼を収容するケーシングと、を含んでもよい。
このような構成とされたガスタービンは、チップリークの増大を抑制した上で、チップ（シニング）全体としての熱負荷を低下することができる。
本発明によれば、チップリークの増大を抑制した上で、チップ（シニング）全体としての熱負荷を低減することができる。
本発明の第１の実施形態に係るガスタービンの概略構成を模式的に示す断面図である。 図１に示すタービン動翼をタービンロータの径方向外側から平面視した模式図である。 図１に示すタービン動翼のＡ１−Ａ２線方向の断面図である。 図１に示すタービン動翼のＢ１−Ｂ２線方向の断面図である。 ガスタービンの駆動時に図２に示すタービン動翼の圧力面及び負圧面が受ける圧力と、翼体の前縁を基準としたときの翼体の軸線Ｏ１方向の長さとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るガスタービンの構成要素のうち、タービン動翼及びタービンロータをタービンロータの径方向外側から平面視した模式図と、タービン動翼の翼体の圧力面が受ける圧力曲線と、負圧面が受ける圧力曲線と、を併せて示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るガスタービンの構成要素のうち、タービン動翼をタービンロータの径方向外側から平面視した模式図と、タービン動翼の断面図と、を併せた図である。 本発明の第４の実施形態に係るガスタービンの構成要素のうち、タービン動翼をタービンロータの径方向外側から平面視した模式図である。
以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るガスタービン１０について説明する。図１では、説明の便宜上、ガスタービン１０の構成要素ではない発電機１５も図示する。図１において、Ｏ１はロータ３０の軸線（以下、「軸線Ｏ１」という）を示している。ロータ３０の軸線Ｏ１は、タービンロータ３１の軸線でもある。以下の説明において、「タービンロータ３１の軸線Ｏ１」という場合がある。また、図１に示す圧縮機１１に記載された矢印は、圧縮空気の流れ方向を示している。
ガスタービン１０は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、を有する。
圧縮機１１は、圧縮機ロータ２１と、複数の圧縮機動翼段２３と、圧縮機ケーシング２４と、複数の圧縮機静翼段２５と、を有する。
圧縮機ロータ２１は、円筒形状とされた回転体である。圧縮機ロータ２１は、外周面２１ａを有する。圧縮機ロータ２１は、タービン１３を構成するタービンロータ３１と連結されている。圧縮機ロータ２１は、タービンロータ３１とともに、ロータ３０を構成している。圧縮機ロータ２１は、軸線Ｏ１回りに回転する。
複数の圧縮機動翼段２３は、軸線Ｏ１方向に間隔を空けた状態で、圧縮機ロータ２１の外周面２１ａに配列されている。圧縮機動翼段２３は、圧縮機ロータ２１の外周面２１ａの周方向に間隔を空けて配列された複数の圧縮機動翼２７を有する。複数の圧縮機動翼２７は、圧縮機ロータ２１とともに回転する。
圧縮機ケーシング２４は、複数の圧縮機動翼２７の先端部との間に隙間を介在させた状態で、圧縮機ロータ２１及び複数の圧縮機動翼段２３を収容している。
圧縮機ケーシング２４は、軸線Ｏ１を中心軸とする筒状の部材である。圧縮機ケーシング２４は、内周面２４ａを有する。
複数の圧縮機静翼段２５は、軸線Ｏ１方向に間隔を空けた状態で、圧縮機ケーシング２４の内周面２４ａに配列されている。複数の圧縮機静翼段２５は、軸線Ｏ１方向から見て、圧縮機動翼段２３と圧縮機静翼段２５とが交互に配置されるように配列されている。
圧縮機静翼段２５は、圧縮機ケーシング２４の内周面２４ａの周方向に間隔を空けて配列された複数の圧縮機静翼２８を有する。
上記構成とされた圧縮機１１は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気を生成する。圧縮機１１により生成された圧縮空気は、燃焼器１２内に流れ込む。
燃焼器１２は、圧縮機１１とタービン１３の間に設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で生成された圧縮空気に燃料を噴射させることで、燃焼ガスを生成する。燃焼器１２により生成された高温の燃焼ガスは、タービン１３内に導入され、タービン１３を駆動させる。
タービン１３は、タービンロータ３１と、複数のタービン動翼段３３と、タービンケーシング３４と、複数のタービン静翼段３５と、を有する。
タービンロータ３１は、円筒形状とされた回転体である。タービンロータ３１は、外周面３１ａを有する。タービンロータ３１は、軸線Ｏ１回りに回転する。
複数のタービン動翼段３３は、軸線Ｏ１方向に間隔を空けた状態で、タービンロータ３１の外周面３１ａに配列されている。タービン動翼段３３は、タービンロータ３１の外周面２１ａの周方向に間隔を空けて配列された複数のタービン動翼３７を有する。複数のタービン動翼３７は、タービンロータ３１とともに回転する。
タービンケーシング３４は、複数のタービン動翼３７の先端部との間に隙間を介在させた状態で、タービンロータ３１及び複数のタービン動翼段３３を収容している。
タービンケーシング３４は、軸線Ｏ１を中心軸とする筒状の部材である。タービンケーシング３４は、内周面３４ａを有する。
タービンケーシング３４は、隙間を介在させた状態で、複数のタービン動翼３７の先端部と対向する分割環４１を有する。
複数のタービン静翼段３５は、軸線Ｏ１方向に間隔を空けた状態で、タービンケーシング３４の内周面３４ａに配列されている。複数のタービン静翼段３５は、軸線Ｏ１方向から見て、タービン動翼段３３とタービン静翼段３５とが交互に配置されるように配列されている。
タービン静翼段３５は、タービンケーシング３４の内周面３４ａの周方向に間隔を空けて配列された複数のタービン静翼３８を有する。
図２〜図５を参照して、第１の実施形態のタービン動翼３７の構成について説明する。図２において、Ｃ１は翼体４３の前縁側領域（以下、「前縁側領域Ｃ１」という）、Ｃ２は翼体４３の後縁側領域（以下、「後縁側領域Ｃ２」という）、Ｃ３は後縁側領域Ｃ２のうち，後縁４３Ｂ側に位置する領域（以下、「領域Ｃ３」という）、Ｄはタービンロータ３１の回転方向（以下、「Ｄ方向」という）、Ｅは分割環４１とタービン動翼３７との間を流れる燃焼ガスの移動方向（以下、「Ｅ方向」という）をそれぞれ示している。
図２において、Ｌ１は、軸線Ｏ１方向における翼体４３の先端部の全長（以下、「全長Ｌ１という」を示している。
Ｌ２は、翼体４３の前縁側領域Ｃ１に対応する部分の軸線Ｏ１方向の長さ（以下、「長さＬ２」という）を示している。
また、Ｌ３は、翼体４３の後縁側領域Ｃ２のうち、圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差が小さい領域Ｃ３に対応する翼体４３の長さ（以下、「長さＬ３」という）を示している。翼体４３の長さＬ３は、翼体４３の後縁４３Ｂを基準としたときの長さである。
図３及び図４では、冷却流路５２を簡略化して図示している。
図５において、Ｐ１は前縁側領域Ｃ１での圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差（以下、「圧力差Ｐ１」という）、Ｐ２は後縁側領域Ｃ２での圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差（以下、「圧力差Ｐ２」という）、Ｐ３は領域Ｃ３での圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差（以下、「圧力差Ｐ３」という）をそれぞれ示している。また、図５に示す符号Ｌ１〜Ｌ３は、図２に示す符号Ｌ１〜Ｌ３と同一のものを示している。
第１の実施形態のタービン動翼３７は、翼体４３と、チップシニング４５と、を有する。
翼体４３は、前縁４３Ａと、後縁４３Ｂと、圧力面側翼壁４６と、負圧面側翼壁４７と、天板４９と、冷却流路５２と、前縁側領域Ｃ１と、後縁側領域Ｃ２と、冷却孔５３と、を有する。
圧力面側翼壁４６及び負圧面側翼壁４７は、タービンロータ３１の径方向に延出している。圧力面側翼壁４６及び負圧面側翼壁４７は、それぞれ湾曲した形状とされている。圧力面側翼壁４６及び負圧面側翼壁４７は、前縁４３Ａ及び後縁４３Ｂで互いに接続されている。
圧力面側翼壁４６は、圧力面側翼壁４６の外周面となる圧力面４６ａを有する。負圧面側翼壁４７は、負圧面側翼壁４７の外周面となる負圧面４７ａを有する。図１に示すガスタービン１０が駆動して、タービンロータ３１が回転すると、負圧面４７ａは、圧力面４６ａよりも低い圧力を受ける。
天板４９は、圧力面側翼壁４６及び負圧面側翼壁４７の端部（基端部及び先端部）のうち、タービンロータ３１の径方向の外側に配置された先端部に設けられている。
上述した圧力面側翼壁４６、負圧面側翼壁４７、及び天板４９は、金属製基材５６と、遮熱コーティング層５８（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ層（ＴＢＣ層））と、を含んだ構成とされている。
金属製基材５６は、耐熱性に優れた金属材料で構成されている。金属製基材５６は、外面５６ａを有する。
遮熱コーティング層５８は、翼体４３を構成する金属製基材５６の外面５６ａを被覆している。遮熱コーティング層５８は、高温の燃焼ガスから金属製基材５６を保護する機能を有する。
遮熱コーティング層５８としては、例えば、遮熱層と、結合層と、が積層された２層積層体を用いることが可能である。結合層は、遮熱層と金属製基材５６との間の熱膨張差を緩和させて、遮熱層と金属製基材５６との密着性を向上させるための層である。
遮熱層としては、例えば、熱伝導率の小さいセラミックス製の遮熱層（例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）層）を用いることが可能である。また、結合層としては、例えば、ＭＣｒＡｌＹと呼ばれる結合層を用いることが可能である。
冷却流路５２は、圧力面側翼壁４６、負圧面側翼壁４７、及び天板４９の内側（翼体４３の内側）に設けられている。冷却流路５２には、高温雰囲気下に配置される翼体４３を冷却するための冷却媒体が流れている。
前縁側領域Ｃ１は、翼体４３の前縁４３Ａからタービンロータ３１の軸線Ｏ１方向での翼体４３の全長Ｌ１の１０％（コード（Ｃｈｏｒｄ）長の１０％に対応）以上の長さＬ２の範囲内の領域とされている。
一般的に翼体４３の前縁４３Ａからタービンロータ３１の軸線Ｏ１方向での翼体４３の全長の１０％以上の長さの範囲内は、チップシニング４５の効果が小さい。よって、この範囲内の領域を、チップシニング４５を形成しない前縁側領域Ｃ１とすることができる。
冷却孔５３は、天板４９の後縁側領域Ｃ２のみに複数設けられており、天板４９の前縁側領域Ｃ１には設けられていない。複数の冷却孔５３は、冷却流路５２と連通している。複数の冷却孔５３は、天板４９と分割環４１との間に形成された隙間に冷却媒体を吐出する。
このように、天板４９の後縁側領域Ｃ２のみに複数の冷却孔５３を設けることで、翼体４３の後縁側領域Ｃ２のみに複数の冷却孔５３を設けることで、後縁側領域Ｃ２のみに形成されたチップシニング４５だけを積極的に冷却して、３面加熱されるチップシニング４５が溶融すること（減肉すること）を抑制すればよく、チップシニング４５がない前縁側領域Ｃ１はあまり冷却しなくてすむので、チップ冷却する冷却空気を低減することができる。
チップシニング４５は、翼体４３を形成する際に使用する金属製基材５６の一部を除去することで形成されている。つまり、チップシニング４５は、翼体４３と一体とされている。
チップシニング４５は、天板４９の後縁側領域Ｃ２のみに設けられている。チップシニング４５は、後縁側領域Ｃ２の一方の端（後縁４３Ｂ）から他方の端（前縁側領域Ｃ１と対向する端）まで延在している。チップシニング４５は、天板４９のうち、負圧面側翼壁４７側に位置する外周部に配置されている。
ガスタービン１０の駆動時において、分割環４１と翼体４３の前縁側領域Ｃ１とが接触する可能性は低いため、接触による分割環４１及び翼体４３の損傷を抑制するチップシニング４５を前縁側領域Ｃ１に設ける必要はない。
そして、翼体４３の後縁側領域Ｃ２のみにチップシニング４５を設け、翼体４３の前縁側領域Ｃ１にチップシニング４５を設けないことで、チップシニング４５の形成領域が少なくなる。これにより、熱負荷を受けるチップシニング４５の領域を小さくすることが可能となるので、３面加熱されるチップシニング４５が溶融すること（減肉すること）を抑制するための冷却空気を削減することができる。
また、図５に示すグラフから分かるように、翼体４３の前縁側領域Ｃ１の圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差Ｐ１は、後縁側領域Ｃ２の圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差Ｐ２よりも小さい。
チップシニング４５は、冷却流路５２に連通し、かつ冷却媒体を吐出する冷却孔５９を有する。このような構成とされた冷却孔５９をチップシニング４５に設けることで、高温雰囲気下に配置されるチップシニング４５を直接冷却することができる。
チップシニング４５の表面には、遮熱コーティング層５８（ＴＢＣ層）が形成されていない。このように、チップシニング４５の表面にＴＢＣ層を形成しないことで、チップシニング４５と分割環４１とが接触した際のチップシニング４５による相手側の被切削性を確保することができる。
第１の実施形態のタービン動翼３７によれば、天板４９の後縁側領域Ｃ２のみに設けられ、タービンロータ３１の径方向の外側に突出し、かつ前縁４３Ａ側から後縁４３Ｂ側に延在するチップシニング４５を有することで、チップシニング４５によるチップリークの抑制効果の小さい前縁側領域Ｃ１にチップシニング４５が配置されることがなくなるため、チップシニング４５の形成領域を少なくすることが可能となる。
これにより、チップリークの増大を抑制した上で、３面加熱されるチップシニング４５が溶融すること（減肉すること）を抑制するための冷却空気を削減することができる。
また、上述した第１の実施形態のタービン動翼３７を含むガスタービン１０によれば、チップリークの増大を抑制した上で、チップシニング４５の熱負荷を抑制することができるとともに、チップシニング４５を冷却する冷却空気を削減することができる。
なお、図２では、一例として、チップシニング４５を後縁４３Ｂまで配置させた場合を例に挙げて説明したが、翼体４３の後縁４３Ｂからタービンロータ３１の軸線Ｏ１方向における翼体４３の全長Ｌ１の１０％の長さＬ３までの範囲内の領域Ｃ３には、チップシニング４５を配置しなくてもよい。
図５に示すように、領域Ｃ３での圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差Ｐ３は、領域Ｃ３を除いた後縁側領域Ｃ２での圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差Ｐ２と比較して十分に小さい。したがって、翼体４３の後縁４３Ｂから長さＬ３までの範囲内となる領域Ｃ３にチップシニング４５を設けなくてもチップリークの増加を抑制することができる。
また、第１の実施形態では、一例として、翼体４３の後縁側領域Ｃ２のみに複数の冷却孔５３を設けた場合を例に挙げて説明したが、冷却孔５３を設ける位置はこれに限定されない。
例えば、同一の孔径とされた冷却孔を、翼体４３の前縁側領域Ｃ１及び後縁側領域Ｃ２にそれぞれ複数設け、前縁側領域Ｃ１に設けられた冷却孔の密度を、後縁側領域Ｃ２に設けられた冷却孔の密度よりも低くてもよい。
このような構成とすることで、チップシニング４５がない前縁側領域はあまり冷却しなくてすむので、チップ冷却する冷却空気を低減することができる。
また、翼体４３の前縁側領域Ｃ１及び後縁側領域Ｃ２にそれぞれ冷却孔を設け、前縁側領域Ｃ１に設けられた冷却孔の径を後縁側領域Ｃ２に設けられた冷却孔の径よりも小さくしてもよい。
このような構成とすることで、温度が上昇しやすい翼体の後縁側領域を積極的に冷却して、３面加熱されるチップシニング４５が溶融すること（減肉すること）を抑制すればよく、チップシニング４５がない前縁側領域はあまり冷却しなくてすむので、チップ冷却する冷却空気を低減することができる。
（第２の実施形態）
図６を参照して、第２の実施形態のガスタービン６５について説明する。図６では、図１〜図５に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。図６において、Ｌ４はスロート位置６９Ａから前縁４３Ａ側に翼体４３の全長の５０％以下の長さ分移動した位置から前縁４３Ａまでの長さ（以下、「長さＬ４」という）を示している。また、図６において、図１〜図５に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
第２の実施形態のガスタービン６５は、第１の実施形態で説明したタービン動翼３７に替えて、タービン動翼６７を有すること以外は、第１の実施形態のガスタービン１０と同様に構成されている。
タービン動翼６７は、第１の実施形態で説明したタービン動翼３７を構成する前縁側領域Ｃ１及び後縁側領域Ｃ２に替えて、前縁側領域Ｆ１及び後縁側領域Ｆ２を有するとともに、後縁側領域Ｆ２にチップシニング４５を配置させたこと以外は、タービン動翼３７と同様に構成されている。
タービンロータ３１の周方向で隣り合う位置に配置された翼体４３の間には、スロート部６９が形成されている。
ここでのスロート部６９とは、タービンロータ３１の周方向で隣り合う位置に配置された２つの翼体４３間に形成される流路が、一方の翼体４３の負圧面４７ａと他方の翼体４３の圧力面４６ａとに接触する仮想内接円を描いたときに内接円直径で示される幅の流路のことをいう。図６では、説明の便宜上、スロート部６９を直線で図示している。
なお、スロート部６９が形成される位置は、タービン動翼６７の形状によって異なる。図６に示すスロート部６９の形成位置は、一例であり、図６に示す位置に限定されない。
タービン動翼６７を構成する負圧面側翼壁４７の負圧面４７ａは、スロート部６９に対応するスロート位置６９Ａを有する。
前縁側領域Ｆ１は、スロート位置６９Ａから前縁４３Ａ側に翼体４３の全長Ｌ１の５０％以下の長さ分移動した位置６９Ｂと翼体４３の前縁４３Ａとの間に配置された領域（言い換えれば、長さＬ４に対応する領域）である。
後縁側領域Ｆ２は、位置６９Ｂから後縁４３Ｂまでの間に配置された領域である。後縁側領域Ｆ２は、領域Ｃ３を含む。チップシニング４５は、後縁側領域Ｆ２に設けられている。
前縁側領域Ｆ１の圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差Ｐ１は、後縁側領域Ｆ２の圧力面４６ａと負圧面４７ａとの圧力差Ｐ２よりも小さい。
例えば、スロート位置６９Ａから前縁４３Ａ側に翼体４３の全長Ｌ１の５０％よりも長い長さ分移動した位置と前縁４３Ａとの間を前縁側領域とすると、チップシニング４５が形成される後縁側領域が大きくなるため、チップの熱負荷を十分に抑制することが困難な可能性がある。
そこで、第２の実施形態のタービン動翼６７のように、スロート位置６９Ａから前縁４３Ａ側に翼体４３の全長Ｌ１の５０％以下の長さ分移動した位置６９Ｂと翼体４３の前縁４３Ａとの間を前縁側領域Ｆ１とすることで、チップの熱負荷を十分に抑制することができる。
なお、第２の実施形態のタービン動翼６７は、第１の実施形態のタービン動翼３７と同様な効果を得ることができる。
また、第２の実施形態のタービン動翼６７では、後縁側領域Ｆ２を構成する領域Ｃ３にもチップシニング４５を設けた場合を例に挙げて説明したが、領域Ｃ３には、チップシニング４５を設けなくてもよい。
（第３の実施形態）
図７を参照して、第４の実施形態のガスタービン８０について説明する。図７において、図１〜図４に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
ガスタービン８０は、タービン動翼３７に替えて、タービン動翼８１を有すること以外は、第１の実施形態のガスタービン１０と同様に構成されている。
タービン動翼８１は、第１の実施形態のタービン動翼３７を構成する前縁側領域Ｃ１及び後縁側領域Ｃ２に替えて、前縁側領域Ｇ１及び後縁側領域Ｇ２を有すること以外は、タービン動翼３７と同様に構成されている。
翼体４３は、キャンバーライン８３を含む。キャンバーライン８３は、翼体４３を平面視した状態で圧力面４６ａと負圧面４７ａから等しい距離にある点を結ぶことで形成される線である。
前縁側領域Ｇ１は、キャンバーライン８３のうち、最もタービンロータ３１の回転方向（Ｄ方向）に配置された位置８３Ａと翼体４３の前縁４３Ａとの間の領域である。
後縁側領域Ｇ２は、翼体４３のうち、位置８３Ａから後縁４３Ｂまでの領域である。後縁側領域Ｇ２は、領域Ｃ３を含む。チップシニング４５は、後縁側領域Ｇ２に設けられている。
例えば、キャンバーライン８３のうち、位置８３Ａよりも前縁４３Ａ側の位置から前縁４３Ａまでの領域を前縁側領域とすると、チップシニング４５が形成されない領域が少なくなるため、チップの熱負荷を抑制することが困難となる可能性がある。
一方、位置８３Ａよりも後縁４３Ｂ側の位置から前縁４３Ａまでの領域を前縁側領域とすると、チップシニング４５が形成される領域が少なくなるため、チップリークが増加する可能性がある。
第３の実施形態のタービン動翼８１によれば、キャンバーライン８３のうち、最もタービンロータ３１の回転方向に配置された位置と翼体４３の前縁４３Ａとの間の領域を前縁側領域Ｈ１とすることで、３面加熱されるチップシニング４５が溶融すること（減肉すること）を抑制するための冷却空気を削減することができる。
また、第３の実施形態のタービン動翼８１では、後縁側領域Ｈ２を構成する領域Ｃ３にもチップシニング４５を設けた場合を例に挙げて説明したが、領域Ｃ３には、チップシニング４５を設けなくてもよい。
（第４の実施形態）
図８を参照して、第４の実施形態のガスタービン９０について説明する。図８において、図１〜図５に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
ガスタービン９０は、タービン動翼３７に替えて、タービン動翼９１を有すること以外は、第１の実施形態のガスタービン１０と同様に構成されている。
タービン動翼９１は、第１の実施形態のタービン動翼３７を構成する前縁側領域Ｃ１及び後縁側領域Ｃ２に替えて、前縁側領域Ｉ１及び後縁側領域Ｉ２を有すること以外は、タービン動翼３７と同様に構成されている。
翼体４３の負圧面４７ａは、最もタービンロータ３１の回転方向（Ｄ方向）に配置された位置９１Ａを有する。
前縁側領域Ｉ１は、翼体４３のうち、位置９１Ａと翼体４３の前縁４３Ａとの間の領域とされている。後縁側領域Ｉ２は、翼体４３のうち、位置９１Ａと後縁４３Ｂとの間に配置された領域である。後縁側領域Ｉ２は、領域Ｃ３を含む。
チップシニング４５は、後縁側領域Ｉ２に設けられている。
例えば、位置９１Ａよりも前縁４３Ａ側の位置から前縁４３Ａまでの領域を前縁側領域とすると、チップシニング４５が形成されない領域が少なくなるため、チップの熱負荷を抑制することが困難となる可能性がある。
一方、位置９１Ａよりも後縁４３Ｂ側の位置から前縁４３Ａまでの領域を前縁側領域とすると、チップシニング４５が形成される領域が少なくなるため、チップリークが増加する可能性がある。
第４の実施形態のタービン動翼９１によれば、位置９１Ａと翼体４３の前縁４３Ａとの間の領域を前縁側領域Ｉ１とすることで、３面加熱されるチップシニング４５が溶融すること（減肉すること）を抑制するための冷却空気を削減することができる。
なお、第４の実施形態のタービン動翼９１では、後縁側領域Ｈ２を構成する領域Ｃ３にもチップシニング４５を設けた場合を例に挙げて説明したが、領域Ｃ３には、チップシニング４５を設けなくてもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０，６５，８０，９０…ガスタービン、１１…圧縮機、１２…燃焼器、１３…タービン、１５…発電機、２１…圧縮機ロータ、２１ａ，３１ａ…外周面、２３…圧縮機動翼段、２４…圧縮機ケーシング、２４ａ，３４ａ…内周面、２５…圧縮機静翼段、２７…圧縮機動翼、２８…圧縮機静翼、３０…ロータ、３１…タービンロータ、３３…タービン動翼段、３４…タービンケーシング、３５…タービン静翼段、３７，６７，８１，９１…タービン動翼、３８…タービン静翼、４１…分割環、４３…翼体、４３Ａ…前縁、４３Ｂ…後縁、４５…チップシニング、４６…圧力面側翼壁、４６ａ…圧力面、４７…負圧面側翼壁、４７ａ…負圧面、４９…天板、５２…冷却流路、５３，５９…冷却孔、５６…金属製基材、５６ａ…外面、５８…遮熱コーティング層、６９…スロート部、６９Ａ…スロート位置、６９Ｂ，９１Ａ…位置、８３…キャンバーライン、Ｃ１，Ｆ１，Ｇ１，Ｈ１，Ｉ１…前縁側領域、Ｃ２，Ｆ２，Ｇ２，Ｈ２，Ｉ２…後縁側領域、Ｃ３…領域、Ｄ，Ｅ…方向、Ｏ１…軸線、Ｌ１〜Ｌ４…上限閾値、Ｐ１〜Ｐ３…圧力差

Claims (11)

  1. タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、
    前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、
    を備え、
    前記前縁側領域は、前記翼体の前記前縁から前記タービンロータの軸線方向での前記翼体の全長の１０％以上の長さの範囲内の領域であるタービン動翼。
  2. タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、
    前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、
    を備え、
    前記翼体は、前記タービンロータの周方向に複数配置されており、
    前記タービンロータの周方向で隣り合う位置に配置された前記翼体の間には、スロート部が形成されており、
    前記負圧面側翼壁の負圧面は、前記スロート部に対応するスロート位置を含み、
    前記前縁側領域は、前記タービンロータの軸線方向において、前記スロート位置から前記前縁側に前記翼体の全長の５０％以下となる長さ分移動した位置と前記翼体の前記前縁との間の領域であるタービン動翼。
  3. タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、
    前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、
    を備え、
    前記翼体は、前記タービンロータの周方向に複数配置されており、
    前記翼体は、キャンバーラインを含み、
    前記前縁側領域は、前記キャンバーラインのうち、最も前記タービンロータの回転方向に配置された位置と前記翼体の前記前縁との間の領域であるタービン動翼。
  4. タービンロータの径方向に延出するとともに、前縁及び後縁で互いに接続される圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁、前記圧力面側翼壁及び負圧面側翼壁の端部のうち、前記タービンロータの径方向の外側に配置された先端部に設けられた天板、前縁側に配置された前縁側領域、及び後縁側に配置された後縁側領域、を含む翼体と、
    前記天板の前記後縁側領域のみに設けられ、隙間を介在させた状態でケーシングの内面と対向するように前記タービンロータの径方向の外側に突出し、かつ前縁側から後縁側に延在するチップシニングと、
    を備え、
    前記前縁側領域は、前記負圧面側翼壁の負圧面のうち、最も前記タービンロータの回転方向に配置された位置と前記翼体の前記前縁との間の領域であるタービン動翼。
  5. 前記チップシニングは、前記天板のうち、前記負圧面側翼壁側に位置する外周部に配置させる請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  6. 前記翼体は、該翼体の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却流路と、前記冷却媒体を該翼体の外側に吐出させる複数の冷却孔と、を備えており、
    前記複数の冷却孔は、前記翼体の前記後縁側領域のみに設ける請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  7. 前記翼体は、該翼体の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却流路と、前記冷却媒体を該翼体の外側に吐出させる冷却孔と、を備えており、
    前記冷却孔は、前記翼体の前記前縁側領域及び前記後縁側領域にそれぞれ複数設けられており、
    前記前縁側領域に設けられた冷却孔の密度は、前記後縁側領域に設けられた冷却孔の密度よりも低い請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  8. 前記翼体は、該翼体の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却流路と、前記冷却媒体を前記翼体の外側に吐出させる冷却孔と、を備えており、
    前記冷却孔は、前記翼体の前記前縁側領域及び前記後縁側領域にそれぞれ設けられており、
    前記前縁側領域に設けられた冷却孔の径は、前記後縁側領域に設けられた冷却孔の径よりも小さい請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  9. 前記後縁側領域のうち、前記翼体の前記後縁から前記タービンロータの軸線方向での前記翼体の全長の１０％の長さとなる位置と前記後縁との間に配置された領域には、前記チップシニングを配置しない請求項１から３のいずれか一項記載のタービン動翼。
  10. 前記チップシニング及び前記翼体は、金属製基材を加工することで一体形成されており、
    前記翼体を構成する前記金属製基材の外面のみを覆う遮熱コーティング層を有する請求項１から９のいずれか１項記載のタービン動翼。
  11. 燃焼用空気を吸入して圧縮空気を生成する圧縮機と、
    前記圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
    を備え、
    前記タービンは、所定方向に延在する前記タービンロータと、
    前記タービンロータの周方向及び軸線方向に複数配置された請求項１から１０のいずれか一項記載のタービン動翼と、
    隙間を介在させた状態で前記チップシニングと対向する分割環を含み、かつ前記タービンロータ及び複数の前記タービン動翼を収容するケーシングと、
    を含むガスタービン。
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