JP7168926B2 - フィルム冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、高温気体が流れる高温流路に臨むタービン翼等のガスタービンの高温部材の表面にフィルム冷却膜を形成するフィルム冷却構造等に関する。

高温気体に晒される部材のフィルム冷却では、部材表面に設けたフィルム冷却孔（細孔）から冷却気体を噴出させ、この冷却気体で部材表面を覆うことで、高温気体から部材への入熱を抑制する。従って、噴き出した冷却気体が部材表面に沿って流れることがフィルム冷却性能を向上する上で重要である。そこで、フィルム冷却孔よりも上流側に一対の突起を設けて高温気体に縦渦を与え、フィルム冷却孔から噴出する冷却気体を旋回する高温気体で押えることで、部材表面からのフィルム冷却空気の剥離の抑制を図ることが提唱されている（特許文献１等参照）。

特開２０１４－２１４６３２号公報

しかし、特許文献１のように高温部品の表面に突起を形成することは製造上の困難性がある。また、高温高速気体に晒されるうちに突起部が消失する可能性があり、実用性の面で課題がある。

本発明は、高温部材の表面からの冷却気体の剥離を抑制してフィルム冷却性能を向上させることができる実用的なフィルム冷却構造等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、高温部材の表面に開口したフィルム冷却孔の高温気体の流れ方向におけるフィルム冷却孔よりも上流側に位置するように、高温気体の流れ方向に延ばしたフィルム冷却孔の噴出口の中心線について対称に形成され、前記フィルム冷却孔に向かって吹き下ろす向きに旋回する一対の縦渦を前記高温気体に生じさせる窪みを高温部材の表面に少なくとも１つ配置すると共に、前記窪みを、短軸及び長軸をそれぞれ有する形状の一対の凹部を備え、互いの長軸の間隔が前記高温気体の流れ方向の下流側に向かって広がるように前記一対の凹部が配置された形状とし、かつ前記凹部の短軸の長さを、前記フィルム冷却孔の直径以下とする。

本発明によれば、高温部材の表面からの冷却気体の剥離を抑制してフィルム冷却性能を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るフィルム冷却構造の斜視図 図１のフィルム冷却構造の高温流路から見た平面図 図２のＡ－Ａ線による矢視断面図 図２のＢ－Ｂ線による矢視断面図 図２のＣ－Ｃ線による矢視断面図 本発明の第２実施形態に係るフィルム冷却構造の平面図 本発明の第３実施形態に係るフィルム冷却構造の平面図 本発明の第４実施形態に係るフィルム冷却構造の平面図 本発明のフィルム冷却構造の一適用対象であるガスタービンの部分断面図 本発明のフィルム冷却構造の適用例１を示す図 本発明のフィルム冷却構造の適用例２を示す図 本発明のフィルム冷却構造の適用例３を示す図 比較例に係るフィルム冷却構造の平面図 図１３のＣ’－Ｃ’線による矢視断面図

以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
－フィルム冷却構造－
図１は本発明の第１実施形態に係るフィルム冷却構造の斜視図、図２は図１のフィルム冷却構造を高温流路から見た平面図、図３は図２のＡ－Ａ線による矢視断面図、図４は図２のＢ－Ｂ線による矢視断面図である。これらの図では高温部材１のフィルム冷却構造近傍を抜き出して部分的に表している。図示したフィルム冷却構造は、矢印方向に高温気体１０が流れる高温流路に臨む高温部材１の表面にフィルム冷却膜を形成するための構造であり、フィルム冷却孔４と窪み３０を含んでいる。以降、単に「上流側」、「下流側」と記載した場合には、高温気体１０の流れ方向の上流側、下流側を意味することとする。

高温部材１は、高温気体１０に相対して温度が低い低温気体が流れる低温流路と高温気体１０が流れる高温流路とを隔てる。以降、高温部材１の高温流路に臨む表面を高温表面２、低温流路に臨む表面を低温表面３と記載する。高温表面２と低温表面３は表裏の関係にある。フィルム冷却孔４は高温部材１を貫通しており、一端が冷却気体２０の流入口６として低温表面３に開口し、他端が冷却気体２０の噴出口５として高温表面２に開口している。低温流路を流れる高圧の冷却気体２０は流入口６を介してフィルム冷却孔４に流入し、噴出口５から高温流路に噴出する。噴出口５から噴出した冷却気体２０で形成されるフィルム冷却膜で高温表面２を覆うことにより、高温気体１０から高温表面２への入熱を抑制する。フィルム冷却孔４は、なるべく高温表面２に沿って高温流路に冷却気体２０が噴出するように、低温表面３から高温表面２に向かって高温気体１０の流れ方向に傾斜している。フィルム冷却孔４の中心線Ｃ１（直線）と高温表面２がなす角度α（図２）は、制作上可能な範囲で小さく設定される（例えば３０°程度）。フィルム冷却孔４は自己の中心線Ｃ１と直交する断面が円形の円孔（円筒形の孔）であるため、流入口６と噴出口５は共に高温気体１０の流れ方向に長軸を延ばした楕円形状をしている。なお、角度αは、高温気体１０の流れ方向に延ばした噴出口５の中心線Ｃ２を含む高温表面２に直交する断面内の角度である。

－窪み－
窪み３０はフィルム冷却孔４の噴出口５に対応して高温表面２に設けられており、本実施形態ではフィルム冷却孔４と窪み３０とが一対一の関係にある。図１－図４ではフィルム冷却構造を部分的に表しているのでフィルム冷却孔４が１つしか図示されていないが、実際にはフィルム冷却孔４は高温部材１に複数設けられており、フィルム冷却孔４の数だけ窪み３０が存在する。窪み３０は噴出口５よりも上流側に位置し、高温流路から見て噴出口５の中心線Ｃ２について対称な形状をしている。また窪み３０は高温部材１の鋳造段階で成形することができる。

窪み３０は高温部材１の高温表面２側に設けた凹みであり、高温表面２との境界である楕円形の縁部と中心線Ｃ２上の部分を除き、内壁面は角のない曲面で形成されている。窪み３０の内壁面は高温部材１の肉厚内にあり、高温表面２よりも低温表面３側（高温流路と反対側）に位置している。窪み３０は短軸及び長軸をそれぞれ有する形状の一対の凹部３０ａ，３０ｂを備えている。凹部３０ａ，３０ｂの内壁面は回転楕円体の表面の一部のような曲面で、高温表面２との境界は楕円形状をしており、互いの長軸の間隔が下流側に向かって広がるように配置されている。本実施形態では凹部３０ａ，３０ｂの上流側の部分は中心線Ｃ２上で重なっており、高温流路から見て窪み３０は中心線Ｃ２について対称なＶ字を描いている。

中心線Ｃ２を通って高温表面２に直交する面（Ａ－Ａ線断面）に対して、凹部３０ａ，３０ｂの長軸は角度θで傾斜している。θは４５度以下とする（θ≦４５°）。θ＞４５°とすると、凹部３０ａ，３０ｂにより形成される一対の縦渦の回転方向が意図する方向と逆になる可能性があるためである。凹部３０ａ，３０ｂの短軸方向に採った幅（凹部３０ａ，３０ｂの短軸の長さ）Ｗは、長軸方向に採った長さ（窪み３０の長軸の長さ）Ｌよりも当然短い（Ｌ＞Ｗ）。また凹部３０ａ，３０ｂの幅Ｗは、円孔であるフィルム冷却孔４の直径（孔径）Ｄ以下に設定してある。窪み３０の深さ（高温表面２からの凹み量）Ｈは、窪み３０の幅Ｗの半分としてある（Ｗ≦Ｄ）。また、フィルム冷却孔４の噴出口５と窪み３０との高温気体１０の流れ方向に採った距離（中心線Ｃ２上の間隔）Ｘは、あまり長いと効果が期待できないため、フィルム冷却孔４の直径Ｄの４倍以下に設定すべきである（Ｘ≦４Ｄ）。本実施形態では、図３及び図４に示したように、高温気体１０の流れ方向において窪み３０とフィルム冷却孔４は位置が重複している（窪み３０の下流側縁部は、流入口６の上流側縁部よりも下流側に位置している）。

－フィルム冷却－
図５は図２のＣ－Ｃ線による矢視断面図である。同図において、高温気体１０は紙面に直交する方向の手前から奥に向かって高温流路を流れている。噴出口５から高温流路に噴出する冷却気体２０も紙面直交方向の奥に向かって流れ、この冷却気体２０によって高温部材１の高温表面２を覆うようなフィルム冷却膜が形成される。本実施形態では、上記の通り噴出口５の上流側に位置するように中心線Ｃ２について対称に形成した窪み３０を高温表面２に配置した。これにより、高温表面２に沿って流れる高温気体１０には、窪み３０を越える際にフィルム冷却孔４に向かって吹き下ろす向きの旋回成分が付与される。具体的には、同図のように高温気体１０の流れ方向の上流側から見ると、中心線Ｃ２の右側を流れる高温気体１０が窪み３０（凹部３０ａ）を超える際に左回り（反時計回り）に旋回する縦渦５０が生じる。中心線Ｃ２を挟んで対称的に、中心線Ｃ２の左側を流れる高温気体１０が窪み３０（凹部３０ｂ）を超える際に右回り（時計回り）に旋回する縦渦５１が生じる。これら縦渦５０，５１は中心線Ｃ２の付近では高温流路から高温表面２に吹き下ろす旋回成分を持つため、中心線Ｃ２上にあるフィルム冷却孔４から噴出する冷却気体２０に対向する。このように高温気体１０に冷却気体２０に対向する成分を与えることにより、高温流路に噴出する冷却気体２０を高温気体１０で高温表面２に向かって押える。これにより高温表面２からの冷却気体２０の剥離を抑制し、高温表面２に沿ってフィルム冷却膜を効果的に形成し拡げる。

－比較例－
図１３は比較例に係るフィルム冷却構造を表す平面図、図１４は図１３の高温部材のＣ’－Ｃ’線による矢視断面図である。図１３は図２、図１４は図５に対応する図である。

同図の比較例は、本実施形態に係るフィルム冷却構造から窪み３０を省略した構成に相当する。高温気体１１０が矢印方向に流れ、フィルム冷却孔１０４の噴出口１０５から冷却気体１２０が噴き出す。フィルム冷却孔１０４は、高温表面１０２に対する冷却気体１２０の密着性を向上させるために低温表面１０３から高温表面１０２に向かって高温気体１１０の流れ方向に傾斜している。こうしたフィルム冷却孔１０４から冷却気体１２０が噴き出すと、図１４に示したように高温気体１１０を巻き込むような一対の渦１５０，１５１が冷却気体１２０の周りに発生する。同図に示したように高温気体１１０の流れ方向から見ると、冷却気体１２０の右側の渦１５０は右回り（時計回り）に、冷却気体１２０の左側の渦１５１は左回り（反時計回り）に回転する。これら一対の渦１５０，１５１は冷却気体１２０と高温表面１０２の間に高温気体１１１，１１２を引き込み、冷却気体１２０の高温表面１０２からの剥離を促してフィルム冷却性能を低下させる。

－効果－
（１）フィルム冷却性能
本実施形態では、上記の通り、高温表面２に沿って流れる高温気体１０が窪み３０を越える際に旋回成分を付与され、フィルム冷却孔４に向かって吹き下ろす向きに旋回する一対の縦渦５０，５１を生じさせることができる。縦渦５０，５１は冷却気体２０の噴出に伴う渦１５０，１５１（図１４）と反対方向に回転し、渦１５０，１５１を弱める。この作用と相俟って、窪み３０により旋回成分を与えた高温気体１０（渦５０，５１）により、フィルム冷却孔４から噴き出す冷却気体２０が押えられ、冷却気体２０の高温表面２からの冷却気体２０の剥離が抑制されてフィルム冷却性能が向上する。

（２）実用性
特許文献３に示されているように、仮にフィルム冷却孔４の噴出口５の上流側の高温表面２に突起を設けた場合、本実施形態と同等のフィルム冷却性能が期待できる。しかし、高温気体１０に晒されることで突起の高さが高温酸化現象により徐々に低くなり、フィルム冷却性能が経時的に低下する可能性がある。それに対し、本実施形態における窪み３０は元から凹んでいるので消失することがなく、フィルム冷却性能の経時的な低下を抑制することができる。

特に本実施形態では、窪み３０がフィルム冷却孔４と高温気体１０の流れ方向において重複した位置関係にあるため、周囲の高温表面２に比べてフィルム冷却孔４に近い。これによりフィルム冷却孔４を流れる冷却気体２０による対流冷却効果により高温部材１の周辺部位に比べて窪み３０の温度低減効果を向上させることができ、窪み３０の形状の計時的変化が抑制できることで、冷却性能の変化をより効果的に抑えることができる。

（３）製作容易性
窪み３０は高温部材１の鋳造段階で成形することができ、この場合には高温部材１の鋳造後に窪み３０を仕上げ加工する工程は省略できる。仮に高温部材１の鋳造後に窪み３０の仕上げ加工が必要な場合でも、窪み３０に形状を合わせた電極を用いた放電加工により容易に窪み表面を仕上げることができる。フィルム冷却孔４は高温部材１の鋳造後に放電加工等で単純な円孔を穿てば良く、製作時間の短縮とコストの低減を図ることができる。フィルム冷却孔４の形状が単純なので精度良く加工することができ、フィルム冷却孔４の形状のばらつきを抑え、冷却性能の低下を抑制することができる。但し、フィルム冷却孔４は単純な円孔ではなく、フィルム冷却性能を向上するために用いられている断面形状が複雑なシェイプト孔としても良い。

（４）その他
本願発明者等は、フィルム冷却孔４の噴出口５の上流側に窪み３０を設ける構成について、窪み３０の形状や配置のパターンを変えて幾通りかフィルム冷却性能を検討した。その結果、次の知見が得られた。まず、本実施形態においては、前述した通り窪み３０の長さＬを幅Ｗより長くして細長い形状とし、下流側に向かって開くＶ字型に窪み３０を配置した。この構造の場合、例えば窪み３０を１つの円形の窪みとした場合、中心線Ｃ２を挟んで分離した凹部３０ａ，３０ｂを平行に配置した場合に比べて、縦渦５０，５１の速度成分が強化されてフィルム冷却性能がより向上することが分かった。また、窪み３０（凹部３０ａ，３０ｂ）の幅Ｗをフィルム冷却孔４の直径Ｄより小さくすることにより、縦渦５０，５１の強度がより強まり、フィルム冷却性能の向上に一層効果的であることも判った。

（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係るフィルム冷却構造の高温流路から見た平面図である。第１実施形態と同様の要素には既出図面と同符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態は窪み３０の形状を変えた例である。本実施形態では窪み３０を構成する２つの凹部３０ａ，３０ｂが分離されている。一対の凹部３０ａ，３０ｂは噴出口５の中心線Ｃ２について対称であり、中心線Ｃ２を挟んで間隔Ｓだけ離して配置してある。間隔Ｓは高温表面２と直交する方向から見た凹部３０ａ，３０ｂの中心点間距離である。同図に示すように、凹部３０ａ，３０ｂは互いの長軸の間隔が高温気体１０の流れ方向の下流側に向かって広がるように配置されている。その他の構成は、幅Ｗ、長さＬ、角度θ、直径Ｄの関係を含めて第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、縦渦５０，５１を発生させることができ、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係るフィルム冷却構造の高温流路から見た平面図である。第１実施形態と同様の要素には既出図面と同符号を付して適宜説明を省略する。第１実施形態では１つの噴出口５に対応して高温部材１の高温表面２に窪み３０を１つ設けた構成を例示したが、窪み３０は少なくとも１つあれば良く、１つの噴出口５に対応して窪み３０を複数設けても良い。本実施形態は、１つのフィルム冷却孔４の噴出口５の上流側において、高温気体１０の流れ方向に窪み３０を複数（本例では２つ）並べて配置した例である。２つの窪み３０はいずれも中心線Ｃ２について対称な第１実施形態の窪み３０と形状及び向きも同様であり、中心線Ｃ２に沿って並べられている。この例では２つの窪み３０の大きさも等しい。また窪み３０は２つともフィルム冷却孔４と高温気体１０の流れ方向の位置が重複している。その他の構成は第１実施形態と同様である。

このように窪み３０を高温気体１０の流れ方向に複数タンデムに配置したことにより、本実施形態では縦渦５０，５１の速度を第１実施形態に比べて強めることができ、冷却気体２０の高温表面２からの剥離をより効果的に抑制することができる。

なお、１つの噴出口５に対応して窪み３０を２つ設けた場合のフィルム冷却性能の向上は１つの場合よりも著しく高い。しかし、窪み３０を３つにした場合のフィルム冷却性能は２つの場合と同程度であり、窪み３０を３つ以上に増やしてもフィルム冷却性能の効果は小さいことが判明した。第２実施形態のよう中心線Ｃ２を挟んで凹部３０ａ，３０ｂを離した構成に比べても、本実施形態のフィルム冷却性能の向上の効果は顕著であった。

（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態に係るフィルム冷却構造の高温流路から見た平面図である。第１実施形態と同様の要素には既出図面と同符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態は第２実施形態と第３実施形態を組み合わせた例であり、第３実施形態のような凹部３０ａ，３０ｂが分離した窪み３０をフィルム冷却孔４の噴出口５の上流側に高温気体１０の流れ方向に複数並べて配置してある。その他の構成については、説明済みの実施形態と同様である。このように実施形態を組み合わせてもフィルム冷却性能の向上の効果が得られる。

（変形例）
上記実施形態では窪み３０の凹部３０ａ，３０ｂが高温流路から見て楕円形状である場合を例に挙げて説明したが、例えば短軸方向のいずれかに凸となるように長軸がカーブしたような、楕円を変形させた形状としても良い。その他、凹部３０ａ，３０ｂが長軸について非対称であるような形状（例えば長軸が中心から短軸方向のいずれかにオフセットしたような形状）としても良い。

（適用対象）
図９は本発明のフィルム冷却構造の一適用対象であるガスタービンの部分断面図である。この図に示したガスタービンは、大気ａを吸い込んで圧縮する圧縮機１００、圧縮機１００からの圧縮空気ｂを燃料ｃと共に燃焼する燃焼器２００、及び燃焼器２００からの燃焼ガスｄによって駆動されるタービン３００を備えている。

圧縮機１００のロータ１００Ａとタービン３００のロータ３００Ａは同軸上に連結されている。また、ロータ１００Ａ又はロータ３００Ａには、例えば発電機が連結される。これによってタービン３００のロータ３００Ａと共に発電機が回転し、ロータ３００Ａの回転エネルギーが電気エネルギーに変換される。ロータ３００Ａに軸動力を与えた燃焼ガスｅはガスタービンから排出され、例えば浄化装置等に導かれた後、放出される。

燃焼器２００には、燃料ｃと圧縮空気ｂを燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナ２０１やこれをタービン３００に接続する尾筒２０２の他、図示していないが、燃焼器ライナ２０１や尾筒２０２を包囲するアウタケーシングやバーナ等が備わっている。燃焼器ライナ２０１及び尾筒２０２とアウタケーシングの間には円筒状の空気流路が形成される。

タービン３００は、ロータ３００Ａと、このロータ３００Ａの周方向外側を覆うケーシング３１５とを備えている。ロータ３００Ａは、外周部に動翼３１６を周方向に複数設けたタービンディスク３１７とスペーサ３１８とを軸方向に交互に複数積層して構成されている。また、ケーシング３１５の内側には、各段落において動翼３１６の上流側に対向するように静翼３２１の環状翼列が固定されている。

前述した本実施形態に係るフィルム冷却構造は、このようなガスタービンのタービン部材、例えば燃焼器ライナ２０１や尾筒２０２、静翼３２１、動翼３１６に適用することができる。例えば燃焼器ライナ２０１や尾筒２０２を適用対象とする場合、燃焼器ライナ２０１や尾筒２０２の内側が高温流路、外側の環状流路が低温流路、燃焼器ライナ２０１や尾筒２０２の壁面が高温部材１に相当する。従って、燃焼器ライナ２０１や尾筒２０２に多数設けられた空気孔をフィルム冷却孔４として、内周面における空気孔の下流側（タービン３００側）に窪み３０を設けることで適用できる。静翼３２１や動翼３１６を適用対象とする場合、特に燃焼ガスｄの温度が高い初段に好適に適用することができる。次に静翼３２１や動翼３１６への適用例を順次例示していく。

（適用例１）
図１０は本発明のフィルム冷却構造の適用例１を示す図である。同図には本発明の高温部材のフィルム冷却構造をガスタービンの静翼３２１の翼部３０２の表面（翼面）に適用した例を示している。静翼３２１は内外周のエンドウォール３０３，３０４とこれらに両端を支持された翼部３０２を備えている。翼部３０２は同一段落において円環状に複数配列されるが、同図ではそのうちの一つを抜き出して図示している。静翼環の内外周、翼部３０２の内部には、低温流路が存在する。ガスタービンの燃焼ガスｄ（高温気体）が周方向に隣接する静翼３２１の間に流れ込むと、翼面とエンドウォール３０３，３０４の表面が高温の燃焼ガスｄに晒される。翼部３０２の腹側面（圧力面）には、いずれかの実施形態（図では第３実施形態）に係るフィルム冷却構造が設けられている。本例ではタービン径方向（静翼の翼高さ方向）に複数のフィルム冷却構造を並べた場合を例示している。フィルム冷却構造は図７で説明した例と同様であり、翼部３０２の表面におけるフィルム冷却孔４の燃焼ガスｄの流れ方向の上流側にフィルム冷却性能の向上に最も効果的な２列の窪み３０が設けてある。

ここで、ガスタービンシステムでは、省資源化及び環境保全の観点から、熱効率向上のために燃焼ガスの高温化が進められている。そのため高温気体に晒されるタービン翼のような部材においては、健全性を確保するために構成部品をその材料の制限温度以下に冷却し、構成部品の高温腐食や構造強度の低下を抑制する必要がある。それに対し、ガスタービンの高温部材の冷却には、一般に圧縮機から抽気した圧縮空気を使用するため、高温化に伴って冷却気体量が増加すると燃焼器で燃焼する空気量が減って出力が低下する。また、燃焼ガスが流れるタービンのガスパスに部材冷却後の冷却気体が放出されると、燃焼ガスの温度が低下して熱効率が低下する。

それに対し、本例では特徴的フィルム冷却構造を適用したことによって冷却効率が向上するため、燃焼ガスの温度を上昇させても冷却気体量の増加を抑制することができる。前述したように、窪み３０のない基準構造に比べて本発明のフィルム冷却構造は高い冷却効率を得ることができる。

また、ガスタービン翼は、通常、精密鋳造で製作するが、窪み３０も翼と一体で精密鋳造することができるので、従来の製作工程を変更することなく、製作時間もコストも増やすことなく製作することができる。また、フィルム冷却孔４の加工も従来と同様に、精密鋳造で翼を製作した後、前述した通り放電加工等で穿孔することができる。フィルム冷却孔４は円孔で良いので、複雑な形状のシェイプト孔に比べて加工が格段に容易であり、製作時間とコストを抑制することができる。また静翼３２１のように、翼部３０２とエンドウォール３０３，３０４の境目付近や翼間の狭隘部分等、フィルム冷却孔４を放電加工するための電極が入り難いような場所でも円孔であれば一回の放電加工で済むので容易に製作することができる。

なお、一般的に翼部の背側よりも腹側のフィルム冷却孔から噴き出した冷却気体の方が翼面から剥がれ易い。従って、図１０の例のように翼部３０２の腹側に本発明に係るフィルム冷却構造を適用することによって特に効果的にフィルム冷却性能を向上させることができる。但し、腹側面のみならず、背側面にも本発明に係るフィルム冷却構造は適用可能であって前述した効果を奏することができる。背側及び腹側の少なくとも一方に本発明に係るフィルム冷却構造を設けることができる。図１０にはフィルム冷却構造を１列設けた場合を例示しているが、複数列設けることも可能である。

（適用例２）
図１１は本発明のフィルム冷却構造の適用例２を示す図である。同図には本発明に係るフィルム冷却構造をガスタービンの静翼３２１のエンドウォール３０４に適用した例を示している。本例では一つのエンドウォール３０４に２枚の翼部３０２を設けた構成を例示している。翼部３０２と同様にガスパスに臨むエンドウォール３０４の表面も高温の燃焼ガスｄに晒される。従って、エンドウォール３０４の健全性を確保するため、エンドウォール３０４に複数のフィルム冷却孔４が設けられていて、ここから冷却気体を噴き出すことによってエンドウォール３０４の温度を低減している。本例ではフィルム冷却孔４はエンドウォール３０４の前縁３０６の近くに配置されていて、その上流側に２列の窪み３０が設けてある。フィルム冷却構造は図６で説明した例と同様であるが、他の実施形態のフィルム冷却構造も当然適用可能である。

図１０の例と同様、ガスタービンの熱効率向上のために燃焼温度を上げた場合でも、冷却気体量や空力損失の増加を抑制することができるので、ガスタービンの熱効率を効果的に向上することができる。

また隣接する翼部３０２の間の領域である翼間３０７では、翼前縁３０８で発生した馬蹄形渦等によって翼間３０７を流れる燃焼ガスｄの乱れが大きく、フィルム冷却孔４の噴出口５の上流側に設けた窪み３０の効果が低減されてしまう。それに対し、図１１のように翼間３０７を避けてエンドウォール３０４の前縁３０６の近くにフィルム冷却構造を設けたことによって特に効果的にフィルム冷却効率を向上させることができる。但し、翼間３０７にフィルム冷却構造を設けてフィルム冷却性能の向上を図ること自体は可能である。また、図１１ではエンドウォール３０４にフィルム冷却構造を設けた場合を図示したが、エンドウォール３０３，３０４の少なくとも一方にフィルム冷却構造を設けることができる。フィルム冷却構造を１列設けた場合を例示しているが、複数列設けることも可能である。

翼部３０２と同様にエンドウォール３０３，３０４も精密鋳造で製作するので、窪み３０も一体に精密鋳造することによって従来の製作工程から製作時間やコストを増やすことなく製作可能である。製作容易性についても図１０の例と同様に確保できる。また、翼部３０２に近いエンドウォール３０３，３０４の表面に複雑な形状の孔を穿つことは難しいが、フィルム冷却孔４の場合は円孔で足りるので容易に穿孔することができる。

（適用例３）
図１２は本発明のフィルム冷却構造の適用例３を示す図である。同図はガスタービンの動翼３１６の翼面３０１に本発明に係るフィルム冷却構造を適用した例を示している。図示したように、動翼３１６の内部は隔壁３３１によって前側の流路３３２と後側の流路３３３に仕切られた蛇行流路構造となっている。本図では、前縁側の３つの流路と後縁側の３つの流路が一組となっており、それぞれ翼の付根側と先端側で繋がった蛇行流路となっている。翼の付根部に冷却空気の導入口があり、圧縮機１００からの圧縮空気の一部が冷却気体としてタービン軸を介して導かれていて、翼前縁部や腹側部分に設けたフィルム冷却孔４から冷却気体がガスパスに放出される。本例では、腹側と背側のフィルム冷却孔４の噴出口５の上流側に２列の窪み３０を設けた場合を例示している。このフィルム冷却構造は図６で説明した例と同様であるが、他の実施形態のフィルム冷却構造も当然適用可能である。

本例のように動翼３１６に発明を適用した場合も図１０や図１１の場合と同様の効果が得られる。図１２では、動翼３１６の背側面と腹側面のそれぞれにおいて、翼スパン方向にフィルム冷却構造を複数並べた列をコード長方向に１列ずつ設けた構成を例示したが、背側面若しくは腹側面のみ、又はコード長方向に複数列のフィルム冷却構造を設けても勿論良い。

（その他の適用例）
適用例１－３は、それぞれ単独で適用することもできるし、他の少なくとも１つの適用例と組み合わせて適用することもできる。また、本発明に係るフィルム冷却構造を燃焼器ライナ２０１や尾筒２０２、静翼３２１の翼部３０２、エンドウォール３０３，３０４、動翼３１６に適用した例を説明した。しかし、これらの部位に限られず、動翼３１６のプラットフォーム、シュラウド等、一般にフィルム冷却が採用されている種々の高温部材にも本発明に係るフィルム冷却構造は適用可能であり、同様の効果が得られる。

１…高温部材、２…高温表面（高温部材の表面）、４…フィルム冷却孔、５…噴出口、１０…高温気体、３０…窪み、３０ａ，３０ｂ…凹部、１００…圧縮機、２００…燃焼器、２０１…燃焼器ライナ、３００…タービン、３１６…動翼（タービン翼）、３２１…静翼（タービン翼）、ａ…大気（空気）、ｂ…圧縮空気、ｃ…燃料、ｄ…燃焼ガス（高温気体）、Ｃ１…フィルム冷却孔の中心線、Ｃ２…噴出口の中心線、Ｄ…フィルム冷却孔の直径、Ｗ…凹部の幅（凹部の短軸の長さ）、Ｘ…フィルム冷却孔と窪みとの高温気体の流れ方向に採った距離

Claims (12)

1. 高温気体が流れる高温流路に臨む高温部材の表面にフィルム冷却膜を形成するフィルム冷却構造であって、
   前記高温部材の表面に噴出口が開口したフィルム冷却孔、及び
   前記噴出口に対応して前記高温部材の表面に設けられ、前記フィルム冷却孔に向かって吹き下ろす向きに旋回する一対の縦渦を前記高温気体に生じさせる、少なくとも１つの窪みを備え、
   前記窪みが、前記高温気体の流れ方向における前記噴出口よりも上流側に位置し、前記高温気体の流れ方向に延ばした前記噴出口の中心線について対称に形成してあり、
   前記窪みが短軸及び長軸をそれぞれ有する形状の一対の凹部を備えており、互いの長軸の間隔が前記高温気体の流れ方向の下流側に向かって広がるように前記一対の凹部を配置してあり、
   前記凹部の短軸の長さが、前記フィルム冷却孔の直径以下であることを特徴とするフィルム冷却構造。
2. 請求項１のフィルム冷却構造において、前記一対の凹部の上流側の部分が前記噴出口の中心線上で重なっていることを特徴とするフィルム冷却構造。
3. 請求項１のフィルム冷却構造において、前記一対の凹部が前記噴出口の中心線を挟んで離して配置してあることを特徴とするフィルム冷却構造。
4. 請求項１のフィルム冷却構造において、前記高温気体の流れ方向に前記窪みが複数配置してあることを特徴とするフィルム冷却構造。
5. 請求項１のフィルム冷却構造において、前記窪みは、前記高温部材の表面との境界である縁部を除いて角のない曲面で形成されていることを特徴とするフィルム冷却構造。
6. 請求項１のフィルム冷却構造において、前記フィルム冷却孔が、その中心線と直交する断面が円形の円孔であることを特徴とするフィルム冷却構造。
7. 請求項１のフィルム冷却構造において、前記噴出口と前記窪みとの前記高温気体の流れ方向に採った距離が、前記フィルム冷却孔の直径の４倍以下であることを特徴とするフィルム冷却構造。
8. 請求項１のフィルム冷却構造を備えたタービン翼。
9. 請求項１のフィルム冷却構造を備えた燃焼器ライナ。
10. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機からの圧縮空気と共に燃料を燃焼する燃焼器と、
    請求項８のタービン翼を備えて前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動されるタービンと
    を備えたことを特徴とするガスタービン。
11. 空気を圧縮する圧縮機と、
    請求項９の燃焼器ライナを備えて前記圧縮機からの圧縮空気と共に燃料を燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動されるタービンと
    を備えたことを特徴とするガスタービン。
12. 高温気体が流れる高温流路に臨む高温部材の表面にフィルム冷却膜を形成するフィルム冷却方法であって、
    前記高温部材の表面に開口したフィルム冷却孔の噴出口よりも前記高温気体の流れ方向における上流側に位置するように、前記高温気体の流れ方向に延ばした前記噴出口の中心線について対称に形成した窪みを前記高温部材の表面に少なくとも１つ配置すると共に、
    前記窪みを、短軸及び長軸をそれぞれ有する形状の一対の凹部を備え、互いの長軸の間隔が前記高温気体の流れ方向の下流側に向かって広がるように前記一対の凹部が配置された形状とし、かつ
    前記凹部の短軸の長さを、前記フィルム冷却孔の直径以下とすることで、
    前記窪みを通る高温気体に前記フィルム冷却孔に向かって吹き下ろす向きの旋回成分を付与して一対の縦渦を生じさせ、前記フィルム冷却孔から噴出する冷却気体を旋回する高温気体で押え、前記高温部材の表面からの前記冷却気体の剥離を抑制することを特徴とするフィルム冷却方法。

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