JP6977222B2 - エアホイル、これを含むガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、エアホイルおよびこれを含むガスタービンに関する。

タービンとは、蒸気、ガスのような圧縮性流体の流れを利用して衝動力または反動力で回転力を得る機械装置であり、蒸気を用いる蒸気タービンおよび高温の燃焼ガスを用いるガスタービンなどがある。

このうち、ガスタービンは、大きく、圧縮機と、燃焼器と、タービンとから構成される。圧縮機は、空気を導入する空気導入口が具備され、圧縮機ケーシング内に複数の圧縮機ベーンと、圧縮機ブレードとが交互に配置されている。

燃焼器は、圧縮機で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することにより高温高圧の燃焼ガスが生成される。

タービンは、タービンケーシング内に複数のタービンベーンと、タービンブレードとが交互に配置されている。また、圧縮機と燃焼器とタービンおよび排気室の中心部を貫通するようにロータが配置されている。

ロータは、両端部がベアリングによって回転自在に支持される。そして、ロータに複数のディスクが固定されて、それぞれのブレードが連結されると同時に、排気室側の端部に発電機などの駆動軸が連結される。

このようなガスタービンは、４行程機関のピストンのような往復運動機構がないため、ピストン−シリンダのような相互摩擦部分がなくて潤滑油の消費が極めて少なく、往復運動機械の特徴である振幅が大幅に減少し、高速運動が可能であるという利点がある。

ガスタービンの作動について簡略に説明すれば、圧縮機で圧縮された空気が燃料と混合されて燃焼されることにより高温の燃焼ガスが作られ、このように作られた燃焼ガスはタービン側に噴射される。噴射された燃焼ガスがタービンベーンおよびタービンブレードを通過しながら回転力を生成させ、よってロータが回転する。

大韓民国公開特許第１０−２０１０−００６４７５４号（名称：ガスタービンの冷却ブレード）

本発明は、冷却効率が向上したエアホイルおよびこれを含むガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係るエアホイルは、内部に冷却流路が形成されたエアホイルであって、冷却流路の内壁に形成され、冷却流路の流動断面積を減少させて、冷却流路を流動する冷却流体の流動圧力を増加させるディスクボディと、ディスクボディを貫通して形成され、ディスクボディを通過した冷却流体が渦流を形成するようにする貫通ホールとを含む。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、ディスクボディは、冷却流路の入口側内壁に形成され、冷却流路に流入する冷却流体の流動圧力を増加させることができる。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、貫通ホールは、ディスクボディに一対で形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、一対の貫通ホールのいずれか１つの貫通ホールは吸込面側に形成され、残る１つの貫通ホールは圧力面側に形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、一対の貫通ホールのいずれか１つの貫通ホールは一方向に傾斜をなすように形成され、残る１つの貫通ホールは他方向に傾斜をなすように形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、貫通ホールは、ディスクボディに３つ以上の複数個形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、冷却流路は、タービンロータディスクの軸方向を中心として放射方向に延長形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、冷却流路は、ルート部に形成されて冷却流体を冷却流路に流入させる流入口と連結形成され、エアホイルの下端から上端に延びた後、上端から再び下端に延びる蛇行構造を含むことができる。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、冷却流路の内壁に突出形成された冷却リブをさらに含み、冷却リブは、ディスクボディを通過した冷却流体に追加的な渦流を発生させることができる。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、貫通ホールは、タービンロータディスクの軸方向を中心とする放射方向と平行な方向に形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、貫通ホールは、タービンロータディスクの軸方向を中心とする放射方向と予め設定された角度で傾斜をなす方向に形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、貫通ホールは、下部が広くて上部が狭い円錐形態に形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、貫通ホールは、下部が広くて上部が狭い円錐形態と、下部が狭くて上部が広い逆円錐形態との組み合わせで形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、冷却流路には、貫通ホールが形成されたディスクボディが複数個形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの大きさが同一の時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの個数が、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの個数より小さく形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの個数が同一の時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの大きさが、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの大きさより小さく形成される。

本発明の一実施形態に係るエアホイルにおいて、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの個数と貫通ホールの大きさとを乗じた値を貫通面積とする時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディの貫通面積が、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディの貫通面積より小さく形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンは、流入する空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機から圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器から燃焼されたガスで動力を発生させ、燃焼ガスの通る燃焼ガス経路上で燃焼ガスをガイドするタービンベーンおよび、燃焼ガス経路上で燃焼ガスによって回転するタービンブレードを備えるタービンとを含み、タービンベーンまたはタービンブレードの少なくともいずれか１つは、内部に冷却流路が形成されたエアホイルを含む。エアホイルは、冷却流路の内壁に形成され、冷却流路の流動断面積を減少させて、冷却流路を流動する冷却流体の流動圧力を増加させるディスクボディと、ディスクボディを貫通して形成され、ディスクボディを通過した冷却流体が渦流を形成するようにする貫通ホールとを含む。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、ディスクボディは、冷却流路の入口側内壁に形成され、冷却流路に流入する冷却流体の流動圧力を増加させることができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、貫通ホールは、ディスクボディに一対で形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、一対の貫通ホールのいずれか１つの貫通ホールは吸込面側に形成され、残る１つの貫通ホールは圧力面側に形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、一対の貫通ホールのいずれか１つの貫通ホールは一方向に傾斜をなすように形成され、残る１つの貫通ホールは他方向に傾斜をなすように形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、貫通ホールは、ディスクボディに３つ以上の複数個形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、冷却流路は、タービンロータディスクの軸方向を中心として放射方向に延長形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、冷却流路は、ルート部に形成されて冷却流体を冷却流路に流入させる流入口と連結形成され、エアホイルの下端から上端に延びた後、上端から再び下端に延びる蛇行構造を含むことができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、冷却流路の内壁に突出形成された冷却リブをさらに含み、冷却リブは、ディスクボディを通過した冷却流体に追加的な渦流を発生させることができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、貫通ホールは、タービンロータディスクの軸方向を中心とする放射方向と平行な方向に形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、貫通ホールは、タービンロータディスクの軸方向を中心とする放射方向と予め設定された角度で傾斜をなす方向に形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、貫通ホールは、下部が広くて上部が狭い円錐形態に形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、貫通ホールは、下部が広くて上部が狭い円錐形態と、下部が狭くて上部が広い逆円錐形態との組み合わせで形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、冷却流路には、貫通ホールが形成されたディスクボディが複数個形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの大きさが同一の時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの個数が、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの個数より小さく形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの個数が同一の時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの大きさが、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディに形成された貫通ホールの大きさより小さく形成される。

本発明の一実施形態に係るガスタービンにおいて、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの個数と貫通ホールの大きさとを乗じた値を貫通面積とする時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディの貫通面積が、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディの貫通面積より小さく形成される。

本発明の一実施形態に係るタービンブレードは、下部側には、タービンロータディスクに結合されるルート部が形成され、ルート部の上部側には、空気圧力によって回転し、内部に冷却流路が形成されたエアホイルを一体に結合する。エアホイルは、冷却流路の内壁に形成され、冷却流路の流動断面積を減少させて、冷却流路を流動する冷却流体の流動圧力を増加させるディスクボディと、ディスクボディを貫通して形成され、ディスクボディを通過した冷却流体が渦流を形成するようにする貫通ホールとを含む。

本発明の一実施形態に係るタービンブレードにおいて、ルート部は、エアホイルに冷却流体が流入するようにする流入口を含み、冷却流路には、貫通ホールが形成されたディスクボディが複数個形成されるが、ディスクボディのいずれか１つは、流入口と冷却流路が接する冷却流路の入口側内壁に形成され、残りのディスクボディは、冷却流体の流動方向後方に予め設定された間隔で形成され、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの個数と貫通ホールの大きさとを乗じた値を貫通面積とする時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディの貫通面積が、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディの貫通面積より小さく形成される。

本発明の一実施形態に係るタービンベーンは、外側シュラウドと内側シュラウドとの間に形成され、内部に冷却流路が形成されたエアホイルを含む。エアホイルは、冷却流路の内壁に形成され、冷却流路の流動断面積を減少させて、冷却流路を流動する冷却流体の流動圧力を増加させるディスクボディと、ディスクボディを貫通して形成され、ディスクボディを通過した冷却流体が渦流を形成するようにする貫通ホールとを含む。

本発明の一実施形態に係るタービンベーンにおいて、冷却流路には、貫通ホールが形成されたディスクボディが複数個形成されるが、ディスクボディのいずれか１つは、流体流入口と冷却流路が接する冷却流路の入口側内壁に形成され、残りのディスクボディは、冷却流体の流動方向後方に予め設定された間隔で形成され、複数のディスクボディに形成された貫通ホールの個数と貫通ホールの大きさとを乗じた値を貫通面積とする時、冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディの貫通面積が、冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディの貫通面積より小さく形成される。

本発明の実施形態に係るエアホイルおよびこれを含むガスタービンによれば、冷却流路に流入する冷却流体に渦流を形成することにより、エアホイルの冷却性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの内部が示される図である。 図１のガスタービンの一部を切断した断面図である。 本発明の一実施形態に係るエアホイルを含むタービンブレードが示される斜視図である。 本発明の一実施形態に係るエアホイルを含むタービンブレードが示される断面図である。 本発明の他の実施形態に係るエアホイルを含むタービンブレードが示される断面図である。 本発明の一実施形態に係るエアホイルを含むタービンベーンが示される断面図である。 本発明の実施形態に係るディスクボディに形成される多様な形状の貫通ホールが示される断面図である。 本発明の実施形態に係るディスクボディに形成される多様な形状の貫通ホールが示される断面図である。 本発明の実施形態に係るディスクボディに形成される多様な形状の貫通ホールが示される断面図である。 本発明の実施形態に係るディスクボディに形成される多様な形状の貫通ホールが示される断面図である。 本発明の実施形態に係るディスクボディに一対の貫通ホールが形成されたことを例示する平面図である。 本発明の実施形態に係る冷却流路に複数のディスクボディが形成されたことを例示する断面図である。 従来技術によるエアホイルにおける冷却流体による冷却過程を概念的に示す図である。 従来技術によるエアホイルにおける冷却流体による冷却過程を概念的に示す図である。 本発明の実施形態に係るエアホイルにおける冷却流体による冷却過程を概念的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るエアホイルおよびこれを含むガスタービンに関して具体的に説明する。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現されるはずであり、単に本実施形態は本発明の開示が完全になるようにし、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。さらに、明細書全体において、「〜上に」とは、対象部分の上または下に位置することを意味するものであり、必ずしも重力方向を基準として上側に位置することを意味するものではない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。この時、添付した図面において、同一の構成要素は、できる限り同一の符号で表していることに留意する。また、本発明の要旨をあいまいにしうる公知の機能および構成に関する詳細な説明は省略する。同じ理由から、添付図面において、一部の構成要素は、誇張または省略されるか、概略的に示された。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービンの内部が示される図であり、図２は、本発明の一実施形態に係るガスタービンの断面を概念的に示す図である。

図１および図２に示されるように、本発明の一実施形態に係るガスタービン１は、圧縮機１０と、燃焼器２０と、タービン３０とを含む。圧縮機１０は、流入する空気を高圧に圧縮する役割を果たし、圧縮された空気を燃焼器側に伝達する。圧縮機１０は、放射状に設けられた複数の圧縮機ブレードを備え、タービン３０の回転から生成された動力の一部を受けて圧縮機ブレードが回転し、ブレードの回転によって空気が圧縮されながら燃焼器２０側に移動する。ブレードの大きさおよび設置角度は、設置位置に応じて異なる。

圧縮機１０で圧縮された空気は、燃焼器２０に移動して環状に配置された複数の燃焼チャンバと燃料ノズルモジュールを通して燃料と混合されて燃焼される。燃焼によって発生した高温の燃焼ガスはタービン３０に排出され、燃焼ガスによってタービンが回転する。

タービン３０は、タービンロータディスク３００を軸方向に結合するセンタータイロッド４００を介して多段に配列される。タービンロータディスク３００は、放射状に配置される複数のタービンブレード１００を含む。タービンブレード１００は、ダブテールなどの方式でタービンロータディスク３００に結合される。同時に、タービンブレード１００の間にもハウジングに固定されるタービンベーン２００が備えられ、タービンブレード１００を通過した燃焼ガスの流れ方向をガイドする。

図２に示されるように、タービン３０は、タービンベーン２００とタービンブレード１００がガスタービン１の軸方向に沿ってｎ個ずつ交互に配列される。高温の燃焼ガスは、軸方向に沿ってタービンベーン２００およびタービンブレード１００を通過し、タービンブレード１００を回転させる。

本発明の一実施形態に係るエアホイルは、タービンブレード１００またはタービンベーン２００に適用されたエアホイルであってもよい。以下の説明において、ガスタービンのタービンブレード１００（図４参照）に適用されたエアホイルを例として説明するが、タービンベーン２００（図６参照）にも適用可能である。また、本明細書に記載の技術的思想は、ガスタービンに限定されるものではなく、蒸気タービンをはじめとしてエアホイルを備えた装置に適用可能である。

図３は、本発明の一実施形態に係るエアホイルを含むタービンブレードが示される斜視図であり、図４は、本発明の一実施形態に係るエアホイルを含むタービンブレードが示される断面図であり、図５は、本発明の他の実施形態に係るエアホイルを含むタービンブレードが示される断面図であり、図６は、本発明の一実施形態に係るエアホイルを含むタービンベーンが示される断面図である。

図３〜図６を参照すれば、本発明の一実施形態に係るタービンブレード１００は、ルート部１１０と、エアホイル１０００とを含む。

タービンブレード１００は、タービンロータディスク３００に装着され、高圧の燃焼ガスによってタービンを回転作動させるものであって、下部側には、タービンロータディスク３００に結合されるルート部１１０が形成され、ルート部１１０の上部側には、ガス圧力によって回転するエアホイル１０００を一体に結合して、エアホイル１０００の前後面の圧力差によってタービンを回転作動させる。

ルート部１１０の外側面には、外側方に突出したシャンクおよびプラットフォームが形成されるようにして強固な固定が行われるようにする。ルート部１１０には、エアホイル１０００に冷却流体Ｆの流入する流入口１１１０が形成される。冷却流体は、圧縮機１０で圧縮された圧縮空気の一部であるか、または外気を圧縮して供給された空気であり、圧縮機１０からタービンブレード１００のルート部１１０に供給され、流入口１１１０を通してエアホイル１０００に流入しながらタービンブレード１００を冷却させる。あるいは、冷却流体は、圧縮機１０からタービン３０につながる内部流路（図示せず）を通してルート部１１０に供給され、流入口１１１０を通してエアホイル１０００に流入しながらタービンブレード１００を冷却させる。

エアホイル１０００は、ルート部１１０の上側に配置される。一方、エアホイル１０００がタービンベーン２００に形成された場合、エアホイル１０００は、外側シュラウド２０１と内側シュラウド２０２との間に形成され、冷却流体Ｆは、内側シュラウドまたは外側シュラウド側に形成された流体流入口２０３を通して流入することができる。（図６参照）

エアホイル１０００は、燃焼ガスが流入する前面には、外側方に膨らんでいる曲面をなして突出した吸込面（ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅ）１１００が形成されるようにし、後面には、吸込面１１００側に凹状に陥没した曲面をなす圧力面（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｄｅ）１２００が形成されるようにして、エアホイル１０００の前後の圧力差が極大化されながら円滑なガスの流れが行われるようにする。

エアホイル１０００は、圧力面１２００と吸込面１１００が接する両端部であるリーディングエッジ（ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ）１２１とトレーリングエッジ（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ）１２３とを含み、リーディングエッジ１２１は、エアホイル１０００で流動する流体を迎える前部分の末端を意味し、トレーリングエッジ１２３は、エアホイル１０００の後部分の末端を意味する。また、ルート部からエアホイルチップ（ｔｉｐ）に向かう方向をスパン（ｓｐａｎ）方向と称する。

エアホイル１０００は、吸込面１１００または圧力面１２００を貫通して形成する複数の冷却ホール１２１０を含むことができる。冷却流体は、冷却ホール１２１０を通して噴射されながら、エアホイルの外面にエアカーテンのように作用しながら、いわゆるフィルム冷却（ｆｉｌｍ ｃｏｏｌｉｎｇ）方式でエアホイル１０００の外面を冷却することができる。一方、本発明の実施形態において、リーディングエッジ１２１側に形成された冷却流路１３００には冷却ホール１２１０が形成されなくてもよい。

図４を参照すれば、エアホイル１０００は、内部に冷却流体が流動する冷却流路１３００を備える。冷却流体は、冷却流路１３００を流動しながら冷却流路１３００の内壁と衝突して、エアホイル１０００の熱を吸収して冷却させる。

冷却流路１３００は、タービンロータディスク３００の軸方向を中心として放射方向に延長形成される。冷却流路１３００は、流入口１１１０と連結形成され、エアホイル１０００の下端から上端に延びた後、上端から再び下端に延びる蛇行構造が繰り返される。もちろん、これは例示に過ぎず、冷却流路１３００が必ずしも蛇行構造を具備する必要はなく、エアホイル１０００の下端から上端に延びかつ、上端で終端する構造であってもよい。この場合、冷却流路１３００を流動する冷却流体は、トレーリングエッジ１２３側の内壁に形成された流動ホール１３２０（図５参照）を通して隣接した冷却流路に流動することができる。

本発明の一実施形態において、冷却流路１３００の所定位置にはディスクボディ２１００が形成され、ディスクボディ２１００には、冷却流体の通過する貫通ホール２２００が形成される。

ディスクボディ２１００は、冷却流路１３００の流動断面積を減少させて、冷却流体の流動圧力を増加させる。このために、ディスクボディ２１００は、冷却流路１３００の内壁に冷却流路１３００を密閉する形態で形成される。ここで、「密閉」は、冷却流体の流動を完全に遮断するのではなく、貫通ホール２２００を通して冷却流体の一部が流動することを含む意味である。

ディスクボディ２１００は、冷却流路１３００の様々な位置に形成される。一方、冷却流路１３００の入口１３０１は、ルート部１１０の流入口１１１０と連結形成される。冷却流路１３００の入口１３０１は、圧縮機１０から供給された圧縮空気（冷却流体）の圧力損失が少ない部分であるので、ディスクボディ２１００は、冷却流路１３００の入口１３０１側内壁に形成されることが好ましい。

貫通ホール２２００は、ディスクボディ２１００を貫通して形成される。貫通ホール２２００は、ディスクボディ２１００を通過した冷却流体が渦流を形成するようにする。冷却流路１３００を密閉するディスクボディ２１００によって流動圧力が増加した冷却流体は、貫通ホール２２００を通過しながら流動圧力が低くなって、冷却流路１３００の内壁側に拡散すると同時に渦巻状に流動する。冷却流体は、冷却流路１３００の内壁側に渦巻状に拡散しながら内壁を衝突して、エアホイル１０００を冷却させる。

図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の実施形態に係るディスクボディに形成される多様な形状の貫通ホールが示される断面図である。

図７Ａに示されるように、貫通ホール２２００ａは、タービンロータディスク３００の軸方向を中心とする放射方向（ｒａｄｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と平行な方向に形成される。

図７Ｂに示されるように、貫通ホール２２００ｂは、タービンロータディスク３００の軸方向を中心とする放射方向と予め設定された角度（θ）で傾斜をなす方向に形成される。貫通ホール２２００ｂが傾斜方向に形成されると、冷却流体が貫通ホール２２００ｂを通過する時、予め一定角度を有しながら通過するので、冷却流体の渦流形成がより容易になる。

図７Ｃに示されるように、貫通ホール２２００ｃは、下部が広くて上部が狭い円錐形態に形成される。この場合、貫通ホール２２００ｃの下部が広いので、図７Ａおよび図７Ｂの貫通ホールよりは冷却流体が円滑に貫通ホール２２００ｃに流入することができて、ディスクボディ２１００に冷却流体の流動滞留を解消することができる。

図７Ｄに示されるように、貫通ホール２２００ｄの下部から中間地点までは下部が広くて上部が狭い円錐形態に形成され、中間地点から上部までは下部が狭くて上部が広い逆円錐形態に形成される。この場合、図７Ｃの利点を具備しつつ、冷却流体が貫通ホール２２００ｄを通過する途中に拡散できるようにして冷却流体の渦流形成をより容易に行える。

一方、貫通ホール２２００の大きさおよび傾斜角は、冷却流路１３００の断面積の大きさ、冷却流路１３００の位置、エアホイル１０００の種類などの様々な設計条件による実験データによって選択されて設計できるものであるので、特に限定されない。ディスクボディ２１００に単一の貫通ホール２２００が形成される場合にも、貫通ホール２２００を通過した冷却流体は渦流が形成されるので、貫通ホール２２００の個数も特に限定はない。

さらに、図４を参照すれば、冷却流路１３００の内壁には冷却リブ１３１０が形成される。冷却リブ１３１０は、冷却流路１３００の内壁から突出形成される突起であってもよい。冷却リブ１３１０は、冷却流路１３００を流動する冷却流体に追加的な渦流（または乱流ともいう）を発生させ、その結果、冷却流体が冷却流路１３００の内壁に衝突する回数を増加させて冷却効率を向上させる。

冷却流体は、貫通ホール２２００を通過しながら１次的な渦流が形成され、この渦流は、再び冷却リブ１３１０と衝突しながら追加的な渦流が形成されて、全体として冷却流体の冷却効率を向上させる。このような冷却リブ１３１０は、リーディングエッジ１２１側の冷却流路に形成されることが好ましい。

図５を参照すれば、冷却流路１３００は、第１流入口１１１１と連結形成され、エアホイル１０００の下端から上端に延びかつ、上端で終端する構造１３００Ａと、第２流入口１１１２と連結形成され、エアホイル１０００の下端から上端に延びた後、上端から再び下端に延びる蛇行構造１３００Ｂとが結合された形態であってもよい。

一方、図６は、冷却流路１３００を有するエアホイル１０００を備えたタービンベーン２００を例示している。

図８は、本発明の実施形態に係るディスクボディに一対の貫通ホールが形成されたことを例示する平面図である。

図８に示されるように、本発明の一実施形態において、貫通ホール２２００は、一対で形成される。もちろん、これに限定されず、貫通ホール２２００は、３つ以上で形成されてもよい。また、それぞれの貫通ホール２２００は、図７Ａ〜図７Ｄに示された形状の貫通ホール２２００ａ〜２２００ｄ、およびこれらの組み合わせで形成されてもよい。

図８は、圧力面１２００と吸込面１１００が接する両端部であるリーディングエッジ１２１側の冷却流路１３００にディスクボディ２１００が形成されることを例示するものであり、略三角形状に形成される。もし、図５のようにリーディングエッジ１２１側の冷却流路１３００Ａと隣接した冷却流路１３００Ｂにディスクボディ２１００が形成される場合、隣接した冷却流路１３００の形状に応じて四角形状に形成されてもよい。

一対の貫通ホール２２００の配置位置は特に限定されないが、エアホイル１０００の吸込面１１００と圧力面１２００の冷却を促進させるために、一対の貫通ホール２２００のいずれか１つの貫通ホールは吸込面１１００側に形成され、残る１つの貫通ホールは圧力面１２００側に形成される。

図９は、本発明の実施形態に係る冷却流路に複数のディスクボディが形成されたことを例示する断面図である。

図９に示されるように、貫通ホール２２００が形成されたディスクボディ２１００（２１０１、２１０２）は、冷却流路１３００に複数個設けられる。図９では、２つのディスクボディを例示しているが、これに限定されるものではない。以下の説明において、説明の便宜のために、「ディスクボディ２１００（２１０１、２１０２）」は、貫通ホールを含むものとする。

複数のディスクボディ２１００（２１０１、２１０２）は、冷却流路１３００を流動する冷却流体の圧力損失を考慮して適切な位置に配置される。冷却流路１３００の入口１３０１は、圧縮機１０から供給された圧縮空気（冷却流体）の圧力損失が少ない部分であるので、第１ディスクボディ２１０１は、冷却流路１３００の入口１３０１側内壁に形成されることが好ましい。第１ディスクボディ２１０１を通過した冷却流体の圧力が損失して衝突による冷却効果が減少する地点に第２ディスクボディ２１０２を設けて、冷却流体の流動圧力を増加させる。このような第２ディスクボディ２１０２の設置位置は、冷却流路１３００の断面積の大きさ、冷却流路１３００の位置、エアホイル１０００の種類などの様々な設計条件による実験データによって選択されて設計できるものであるので、特に限定されない。

第１ディスクボディ２１０１に形成された第１貫通ホール２２０１と第２ディスクボディ２１０２に形成された第２貫通ホール２２０２は、異なる大きさ、または異なる個数で形成されてもよい。第１貫通ホール２２０１と第２貫通ホール２２０２は、例えば、図７Ａ〜図７Ｄに示されたいずれか１つの形状に形成される。

第２ディスクボディ２１０２には、冷却流路１３００の内壁と衝突して圧力の損失した冷却流体が到達する。したがって、第２貫通ホール２２０２を第１貫通ホール２２０１と同一に製造する場合、第２貫通ホール２２０２を通過した冷却流体の流動圧力は低くなって、冷却流路の領域ごとに差等冷却が発生する恐れがある。そこで、第２貫通ホール２２０２を第１貫通ホール２２０１より流動圧力がさらに増加するように製造して、冷却流路全体として均等に冷却することができる。

例えば、第１貫通ホール２２０１と第２貫通ホール２２０２の大きさは同一に製造するが、第２貫通ホール２２０２の個数が第１貫通ホール２２０１の個数より小さくなるように製造すれば、第２貫通ホール２２０２が形成された第２ディスクボディ２１０２での流動圧力増加量は、第１ディスクボディ２１０１での流動圧力増加量より大きくなって、損失した圧力を補うことができる。

また、例えば、第１貫通ホール２２０１と第２貫通ホール２２０２の個数は同一に製造するが、第２貫通ホール２２０２の大きさが第１貫通ホール２２０１の大きさより小さくなるように製造すれば、第２ディスクボディ２１０２での流動圧力増加量は、第１ディスクボディ２１０１での流動圧力増加量より大きくなって、損失した圧力を補うことができる。

全体として「貫通ホールの個数」×「貫通ホールの大きさ」を「貫通面積」とする時、第２貫通ホール２２０２の貫通面積が、第１貫通ホール２２０１の貫通面積より小さくなるように形成することが好ましい。

次に、図１０〜図１２を参照して、本発明の実施形態に係るエアホイルと、従来技術によるエアホイルの冷却性能を定性的に比較説明する。

図１０および図１１は、従来技術によるエアホイルにおける冷却流体による冷却過程を概念的に示す図であり、図１２は、本発明の実施形態に係るエアホイルにおける冷却流体による冷却過程を概念的に示す図である。

図１０に示されるような従来技術では、冷却流路１３ａに流入する冷却流体は、流入方向を維持しながら冷却流路１３ａに沿って流動する。流動する途中に冷却流体の一部は冷却流路１３ａの内壁と衝突してエアホイルを冷却させるが、内壁と衝突する冷却流体が相対的に少なくて冷却性能を低下させる。

また、図１１に示されるような従来技術では、冷却流路１３ｂに冷却流体が排出されるクーリングホール１３ｂｂが備えられる。流動する途中に冷却流体の一部は冷却流路１３ｂの内壁と衝突してエアホイルを冷却させ、冷却流体の一部は、クーリングホール１３ｂｂを通してエアホイルの外部に排出される過程でクーリングホール１３ｂｂおよび冷却流路１３ｂの内壁と衝突して、図１０に比べて冷却性能は向上する。しかし、クーリングホール１３ｂｂを通してエアホイルの外部を流動する高温の燃焼ガスが冷却流路１３ｂに流入することがあり、この高温の燃焼ガスによって冷却性能が低下する問題がある。

一方、図１２に示されるような本発明の実施形態によれば、ルート部１１０の流入口１１１０を通して冷却流路１３００に流入する冷却流体は、ディスクボディ２１００によって流動が一時的に遮断されながら流動圧力が増加する。流動圧力が増加した冷却流体は、貫通ホール２２００を通してディスクボディ２１００を通過しながら流動圧力が低くなって、冷却流路１３００の内壁側に拡散すると同時に渦巻状に流動する。冷却流体は、冷却流路１３００の内壁側に渦巻状に拡散しながら内壁を衝突してエアホイルを冷却させるので、冷却性能が向上する。また、図１１のようなクーリングホール１３ｂｂを形成しなくても冷却性能を向上させることができる。

本実施形態および本明細書に添付した図面は、本発明に含まれる技術的思想の一部を明確に示しているに過ぎず、本発明の明細書および図面に含まれた技術的思想の範囲内で当業者が容易に類推できる多様な変形例と具体的な実施形態はすべて本発明の権利範囲に含まれることが自明である。

１：ガスタービン
１０：圧縮機
２０：燃焼器
３０：タービン
１００：タービンブレード
２００：タービンベーン
３００：タービンロータディスク
４００：センタータイロッド
１０００：エアホイル
１１００：吸込面
１２００：圧力面
１３００：冷却流路
２１００：ディスクボディ
２２００：貫通ホール

Claims (17)

1. 内部に冷却流路が形成されたエアホイルであって、
   前記冷却流路の内壁に形成され、前記冷却流路の流動断面積を減少させて、前記冷却流路を流動する冷却流体の流動圧力を増加させるディスクボディと、
   前記ディスクボディを貫通して形成され、前記ディスクボディを通過した冷却流体が渦流を形成するようにする貫通ホールであり、タービンロータディスクの軸方向を中心とする放射方向に対して予め設定された角度で傾斜をなす方向に形成される、前記貫通ホールと、
   を含むエアホイル。
2. 前記ディスクボディは、
   前記冷却流路の入口側内壁に形成され、前記冷却流路に流入する冷却流体の流動圧力を増加させる、請求項１に記載のエアホイル。
3. 前記貫通ホールは、
   前記ディスクボディに２つ以上の複数個形成される、請求項１または請求項２に記載のエアホイル。
4. 前記冷却流路には、前記貫通ホールが形成されたディスクボディが複数個形成される、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のエアホイル。
5. 複数の前記ディスクボディに形成された前記貫通ホールの個数と前記貫通ホールの大きさとを乗じた値を貫通面積とする時、前記冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディの貫通面積が、前記冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディの貫通面積より小さい、請求項４に記載のエアホイル。
6. 前記貫通ホールは、前記冷却流路の中心から離間する位置に、前記放射方向に前記中心に対して外向きに傾斜して形成される、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のエアホイル。
7. 前記貫通ホールとは別の貫通ホールをさらに含み、前記別の貫通ホールは、下部が広くて上部が狭い円錐形態と、下部が狭くて上部が広い逆円錐形態との組み合わせで形成される、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のエアホイル。
8. 前記冷却流路の内壁に突出形成された冷却リブをさらに含み、
   前記冷却リブは、前記軸方向及び前記放射方向に関する前記冷却流路の断面上で前記冷却流路の対向する内壁面のそれぞれに前記放射方向に千鳥状に配置され、前記ディスクボディを通過した冷却流体に追加的な渦流を発生させる、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のエアホイル。
9. 流入する空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器から燃焼されたガスで動力を発生させ、燃焼ガスの通る燃焼ガス経路上で前記燃焼ガスをガイドするタービンベーンおよび、前記燃焼ガス経路上で前記燃焼ガスによって回転するタービンブレードを備えるタービンと、を含み、
   前記タービンベーンまたは前記タービンブレードの少なくともいずれか１つは、内部に冷却流路が形成されたエアホイルを含み、前記エアホイルは、
   前記冷却流路の内壁に形成され、前記冷却流路の流動断面積を減少させて、前記冷却流路を流動する冷却流体の流動圧力を増加させるディスクボディと、
   前記ディスクボディを貫通して形成され、前記ディスクボディを通過した冷却流体が渦流を形成するようにする貫通ホールであり、タービンロータディスクの軸方向を中心とする放射方向に対して予め設定された角度で傾斜をなす方向に形成される、前記貫通ホールと、を含む、ガスタービン。
10. 前記ディスクボディは、
    前記冷却流路の入口側内壁に形成され、前記冷却流路に流入する冷却流体の流動圧力を増加させる、請求項９に記載のガスタービン。
11. 前記冷却流路には、前記貫通ホールが形成されたディスクボディが複数個形成される、請求項９または請求項１０に記載のガスタービン。
12. 複数の前記ディスクボディに形成された前記貫通ホールの個数と前記貫通ホールの大きさとを乗じた値を貫通面積とする時、前記冷却流体の流動方向後方に形成されるディスクボディの貫通面積が、前記冷却流体の流動方向前方に形成されるディスクボディの貫通面積より小さい、請求項１１に記載のガスタービン。
13. 前記貫通ホールは、前記冷却流路の中心から離間する位置に、前記放射方向に前記中心に対して外向きに傾斜して形成される、請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載のガスタービン。
14. 前記貫通ホールとは別の貫通ホールをさらに含み、前記別の貫通ホールは、下部が広くて上部が狭い円錐形態と、下部が狭くて上部が広い逆円錐形態との組み合わせで形成される、請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載のガスタービン。
15. 前記冷却流路の内壁に突出形成された冷却リブをさらに含み、
    前記冷却リブは、前記軸方向及び前記放射方向に関する前記冷却流路の断面上で前記冷却流路の対向する内壁面のそれぞれに前記放射方向に千鳥状に配置され、前記ディスクボディを通過した冷却流体に追加的な渦流を発生させる、請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載のガスタービン。
16. 前記タービンブレードは、
    タービンロータディスクに装着されて高圧の燃焼ガスによって回転し、下部側に前記タービンロータディスクに結合されるルート部が形成され、前記ルート部の上部側に前記エアホイルが一体に結合される、請求項９〜請求項１５のいずれか１項に記載のガスタービン。
17. 前記タービンベーンは、
    外側シュラウドと内側シュラウドとの間に形成され、冷却流体は、前記内側シュラウドおよび前記外側シュラウド側に形成された少なくともいずれか１つの流体流入口を通して流入する、請求項９〜請求項１６のいずれか１項に記載のガスタービン。

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