JPH079193B2 - ガスタービン - Google Patents

ガスタービン

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JPH079193B2
JPH079193B2 JP15273290A JP15273290A JPH079193B2 JP H079193 B2 JPH079193 B2 JP H079193B2 JP 15273290 A JP15273290 A JP 15273290A JP 15273290 A JP15273290 A JP 15273290A JP H079193 B2 JPH079193 B2 JP H079193B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンの改良に係り、特に燃焼用圧縮空
気の一部を、動翼の冷却空気として用いているガスター
ビンの改良に関するものである。
〔従来の技術〕
従来一般に採用されているこの種ガスタービンは、たと
えば特開昭57-26206号公報にも記載されているように、
燃焼用の圧縮空気の一部を抽出し、この抽出した空気に
て動翼を冷却するようにしているのが普通である。
この構成について第4図及び第5図に基づきもう少し詳
しく説明すると、この図は極く一般的なガスタービン及
びその回転子の要部を断面して示したもので、ガスター
ビンは大きく分けると、固定側に配置されている燃焼器
1Aと、この燃焼器に用いられる圧縮空気を発生させる圧
縮機2Aと、燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービン
3Aとに分けられる。
圧縮機2Aはタービン3Aにて駆動され、高圧空気をつくり
燃焼空気として燃焼器1Aに供給する。燃焼器1Aはこの空
気と燃料とを化学反応させる。すなわち燃焼させる。燃
焼による高温のガス(1100〜1400℃)は、タービン3A部
に流入し、仕事を行なう。仕事は、回転エネルギとして
取り出され、負荷が例えば発電機であれば、電気エネル
ギに変換される。
タービン部3Aの燃焼高温ガスを受ける初段動翼10a,2段
動翼10bは、第5図から明らかなようにそれらの素材の
高温強度限界内にて、使用する必要があるため、通常、
軸内を流通してきた空気aにより冷却される。
その冷却法の一例として、動翼の内部を空洞化し、伝熱
を促進するためのタービユランスプロモータを内部に付
けたリターンフロー形冷却動翼が特開昭60-101202号に
記載されている。
ガスタービンにおいては、タービン初段および2段動翼
10a,10b共、圧縮機出口の高い圧力の空気aを冷却空気
として使用しなければならない。
すなわち初段動翼のこの冷却空気は、動翼の冷却孔より
最終的に高圧の燃焼ガス中へ排出される。よつて、逆流
(動翼の外部から内部への流れ)を防ぐため圧縮機出口
の高圧の冷却空気が必要となるのである。
〔発明が解決しようとする課題〕
動翼の冷却は、このように圧縮機の一部の高圧空気を、
その表面に設けられている数多くの冷却孔から排出(シ
ヤワ冷却)することにより行なわれるわけであるが、こ
の場合、高速で回転する動翼の表面に数多くの孔がある
ことは、単にそれだけでも表面損失の増大につながる
が、それにも増してこの冷却孔より高圧の空気が噴出さ
れるので、さらにその損失は増大することになる。すな
わち燃焼ガスがこの動翼を通過するとき、前述した動翼
からの冷却空気の噴出の影響を受け、すなわち外乱のを
生じ、いわゆる動翼の翼形損失が生じてしまうのであ
る。
勿論冷却ガスの温度が非常に低く動翼が充分冷却される
のであれば、動翼に設けられる冷却孔の数も少なくてす
み、その損失は減少するのであるが、この動翼の冷却空
気は前述したように逆流防止の点から圧力が高いことが
条件であり、高圧になればなる程その冷却空気の温度も
上昇することになり、したがつて動翼の充分な冷却には
多量の冷却空気を流通させなければならず、動翼表面の
冷却孔の数を減ずることは非常に難しいことなのであ
る。
本発明はこれにかんがみなされたものであり、その目的
とするところは、特に特殊な装置や特殊な冷媒を用いる
ことなく動翼の冷却が充分なされ、かつ動翼の翼形損失
の少ないこの種ガスタービンを提供するにある。
〔課題を解決するための手段〕
すなわち本発明は、動翼に圧縮冷却空気を供給している
冷却空気供給装置に、この供給冷却空気を冷却する熱交
換手段を設け、この熱交換手段の冷却媒体として、圧縮
機の中段部より抽出した圧縮空気を用いるようになし初
期の目的を達成するようにしたものである。
〔作用〕
すなわちこのようにすると、動翼を冷却している圧縮冷
却空気を、特にガスタービンの形状を変ることなく低温
化させることができ、したがつて動翼の表面に設けられ
ている冷却孔の数を減ずることが可能となつて、燃焼ガ
スが動翼を通過するとき冷却空気から受ける外乱が少な
くなり、動翼の翼形損失を減少させることができるので
ある。
〔実施例〕
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明す
る。
第1図及び第2図には、たとえば発電用に使用されるガ
スタービンの要部が断面で示されている。
尚前述した第4図及び第5図と同一の部品には同一符号
を付したのでその説明は省略する。
圧縮機2Aは、多数の翼2が植設された複数の回転対称の
デイスク4から構成されている。この複数のデイスク4
は、複数のスルーボルト6により結合されている。圧縮
機に隣接し、同軸上に、タービン3Aが配置されている。
タービンは、多数の冷却翼10が植設され、かつ回転対称
のスペーサ12を挟持した3枚の回転対称ホイール14から
構成されている。ホイール14とスペーサ12は、圧縮機同
様複数のスルーボルト16により結合されている。
圧縮機2Aとタービン3Aは、夫々その端部で両者に固接さ
れた中空状の回転対称のデイスタントピース20を介して
結合されている。
圧縮機2Aの中間段デイスク4aは、他のデイスク4と異な
り、ボアフアン(図示せず)が刻設されている(ボアフ
アンの詳細については、特開昭57-2428号タービン用冷
却空気案内装置参照)。
ボアフアンを有する圧縮機デイスク4aに、他にデイスク
4が、中心部近傍にて、締り嵌めにて積層され、デイス
ク4の中心孔が、抽気の通路24を形成している。出口段
の前段デイスク4bには、タービン3a側に、中心孔を有す
る延長部28が存在し、抽気通路24の一部となる。円筒30
が、中心孔を有するスペーサ12aと、前段デイスク4bの
延長部28を、接続し、抽気通路24(熱交換器の役目もす
る)は形成される。勿論円筒30の両端と接続部品28,12a
は接続部分にて充分空気を密封するように形成される。
この構成において動翼冷却空気の流れは、次のようにな
る。すなわち、圧縮機空気通路34から、抽気口34aを介
して主流の一部の空気を抽気する。この抽出した空気
は、圧縮機2A軸心の空洞部24を流れ更に、円筒30内を流
れ、スペーサ12aと2段ホイール14bの狭空間を通り、2
段冷却動翼10bのダブテイル近傍の冷却空気孔入口へ到
達する。この空気通路を通る空気は、2段冷却動翼10b
の冷却にのみ、利用される。
圧縮機2Aの出口段デイスク4cは、他のデイスク4と異な
り、ボアフアン(図示せず)が刻設されている。
出口段デイスク4cには、タービン3A側に、中心孔を有す
る延長部40が存在し、抽気通路42の一部となる。
前述した円筒30を、その内部に含む円筒44が、この延長
部40と中心孔を有する第1段タービンホイール14aとを
接続している。従つて、円筒30と円筒44が形成する環状
部46が、圧縮機2Aの出口抽気の通路となる。
また、圧縮機のデイスク4cおよびタービンホイール14a
と円筒44との接続部は、接続部分にて充分空気を密封す
るように形成される。
この圧縮機出口にて抽出された空気の流れは次のように
なる。すなわち、圧縮空気通路34から、抽気口34bを介
し、主流の一部分の空気が抽出され、この抽出された空
気は、圧縮機8軸心に近い空洞部46を流れ更に円筒30と
同心の円筒44内を流れて、初段ホイール14aとスペーサ1
2aの狭空間に至り、ここから初段冷却動翼10aのダブテ
イル近傍の冷却空気孔入口に到達する。この抽気通路を
通る空気は、初段冷却動翼10aの冷却にのみ利用され
る。
本発明のタービンはこのように形成されるが、ここで重
要なことは、前述もしたように、軸心に配置され、抽気
通路を形成している円筒30が、その内外を流通している
抽出空気の熱交換を行う熱交換器の役目をするというこ
とである。
第3図はその熱交換を積極的に行なわせるように形成し
たもので、圧縮機2Aとタービン3Aの構成は、第2図に示
したものと同じである。異なる点は圧縮機2A側とタービ
ン3A側を固接するデイスタントピース20内部の構造であ
る。
デイスタントピース20の圧縮機翼側とタービン側には、
それぞれデイスタントピース20の内壁に固接された中心
孔を有する端板50,52が存在し、この端板50,52間には、
デイスタントピース20の内壁と一定の間隙を有するバツ
フア板54が存在する。さらに端板50,52間には、中空の
多数のチユーブ56が、バツフル板54を貫通して接続され
ており、チユーブ56の接合端部は、端板50,52と空気を
密封する。端板50の中心孔に、圧縮機出口段前後4bの中
心孔を有する延長部28が接続され、接続部にて、空気を
密封する。
端板52の中心孔とスペーサ12aの中心孔は、円筒30bによ
り接続され、両端接続部は、空気を密封する。前段中心
孔を流れる抽気bは、バツフル板54の圧縮機空間62に入
り、デイスタントピース20の内面近傍の空間を通つて、
タービン側空間64に入り、円筒30bを経由して、2段冷
却翼10b冷却空気となる。出口段の抽気は、延長部40の
形成する環状部46を出た後、端板50に接続されたチユー
ブ56内に流入し、デイスタントピース20とホイール14a,
円筒30bにて定義された空間へ流出し、初段冷却翼10aの
冷却空気となる。
第6図及び第7図には熱交換を積極的に行なわせるさら
に他の実施例が示されている。
すなわち第6図は熱交換を促進させるため、熱交換面積
を増加する効果を有するフイン100を、円筒30の外表面
に複数個配設したものである。
このものであると前述の実施例に比較し、部品数や工数
少なくして、すなわち製造容易にして熱交換効率を向上
させることができる。
又第7図は円筒自体に波形30aを設けたものであつて、
これであつても前述実施例と同様な効果が得られる。
本発明における初段動翼の冷却効果は、例えば30MW定格
出力ガスタービンに適用した場合下記となる。
初段動翼冷却空気流量3kg/S,温度366℃,2段動翼冷却空
気流量1.5kg/S,温度250℃、また、熱交換器の伝熱面積
を、5m2とすると、初段動翼冷却空気流量35kg/S、温度
366℃,2段動翼冷却空気温度は、342℃となり約12℃低下
する。これ冷却空気を使うと、初段動翼のメタル温度
は、平均約6℃低下し、クリープ破断寿命は、約1.2倍
となる。また、2段冷却動翼10bは、もともと寿命は十
分長く、冷却空気の温度上昇に上る寿命への影響は、少
ない。
尚以上説明してきた実施例において、中間段の抽気を圧
縮機の中央部にしているが、この抽気は、2段冷却動翼
10bを冷却し、外部へ排気されるため、2段冷却動翼10b
の外部のガス圧力より高ければよく、この条件を満たせ
ば抽気段はどの段でも良いことは勿論である。
又、第2図の如く、圧縮機デイスク4外周の断面形状
が、低圧段において、平坦、中圧段において、傾斜を有
し、高圧段において、再度平坦となる圧縮機場合には、
中圧段と高圧段の接続部から抽気するのが最も望まし
い。なぜなら、この部分は、圧縮空気がハクリし流れが
不安定となりやすい。従つて、抽気を行なえば、ハクリ
により生じた不安定撹乱を、ある程度除去することが可
能となり、これは、圧縮機の不安定流動に対する低力を
増加する結果となるからである。
尚初段動翼の冷却空気は圧縮機の最終段より取入れられ
るように説明してきたが、この冷却空気も常にこの部分
から取入れなければならないわけではなく、たとえば第
8図に示すように圧縮機の吐出空気から抽気するように
してもよい。
すなわち、第8図は、圧縮機ロータ2aとタービンロータ
に挟持されたデイスタントピース20の外表面の近傍に、
周方向に複数個の開口部を有するペリフエラルフアン10
5を設けたもので、圧縮機吐出空気は一部パツキン間隙
からリークし、ペリフエラルフアンの近傍に達する。こ
こで、ロータ回転により、デイスタントピース20の外部
から内部へ吸引される。吸引された抽気はロータ中央部
の比較的温度が低い抽気熱交換を行ない初段動翼の冷却
空気入口に近ずく。
本例の抽気は、前述の例と比較し、空気圧力が高いた
め、冷却構造が複雑化した圧損の大きい初段動翼に、使
用すると有効である。
又以上の説明では、圧縮機の中段部より抽出した圧縮空
気を2段目の動翼に供給するように説明したが、たとえ
ば圧縮機後段より抽出した圧縮空気と熱交換したのちガ
スタービンの排気道へ排出させるようにしてもよい。
第9図はその一実施例を示すもので、比較的温度の低い
抽気は、圧縮機前段から、ロータ内部へ導入される。こ
の抽気は、ロータの中心部を通過しタービン最終段のス
タブシヤフトの孔より、大気へ放出される。この例の特
徴は、熱交換する抽気温度が低いため初段動翼10aを冷
却する比較的温度の高い抽気が、効果的に冷却されるこ
とである。
このように圧縮機の中段部より抽出した空気はいずこへ
排出してもよく、要は圧縮機後段より抽出された高圧の
圧縮空気と圧縮機の中段より抽出された圧縮空気(前記
圧縮機後段より抽出された圧縮空気より圧力は低い、又
温度も低い)とを熱交換させることが重要なのである。
すなわち両者間で熱交換が行なわれることは、最も高い
圧力が必要で、かつ温度が高くなつている初段動翼冷却
空気を、圧力は高く保ちながら、かつ温度を低くできる
ので、初段動翼への供給量が少なくてすみ、すなわち動
翼表面に設けられている冷却孔を減ずることができるの
で、燃焼ガスが動翼を通過するとき冷却空気から受ける
外乱が少なくなり動翼の翼形損失を充分減ずることがで
きるのである。
〔発明の効果〕
以上種々述べてきたように、本発明のガスタービンによ
れば、初段の動翼を冷却している冷却空気供給部分に、
冷却空気を冷却する熱交換手段を設け、この熱交換手段
の媒体として、圧縮機の中段部より抽出した圧縮空気を
用いるようになしたから、特に他の特殊な冷却媒体や装
置を用いることなく最も高温になりがちな動翼の冷却が
充分なされるので、動翼の冷却のために動翼表面に設け
られているシヤワ冷却孔の数を減ずることができ、した
がつて燃焼ガスが動翼を通過するとき、シヤワ冷却孔か
ら排出される冷却空気から受ける外乱が少なくなり、動
翼の翼形損傷を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のガスタービンの一実施例を示す一部縦
断側面図、第2図はその回転子の一実施例を示す縦断側
面図、第3図は同じく回転子の他の実施例を示す縦断側
面図、第4図は従来のガスタービンの要部断面図、第5
図はその回転子を示す縦断側面図、第6図及び第7図は
本発明の他の実施例を示す回転子要部断面図、第8図及
び第9図は同じくさらに他の実施例を示す回転子断面図
である。 1A……燃焼器、2A……圧縮機、3A……タービン、2……
圧縮動翼(圧縮翼)、10……動翼、30……内筒、34a,34
b……抽気口(抽出手段)、44……通風筒(冷却空気
路)(冷却空気供給装置)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 郡司 勉 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 飯塚 信之 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭56−72224(JP,A) 特開 昭64−45926(JP,A) 特開 昭50−58407(JP,A)

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて
    駆動されるとともにその表面に冷却孔を有する動翼と、 該動翼の駆動により駆動され、かつ燃焼器用の圧縮空気
    を発生する圧縮機と、 前記圧縮空気の一部を抽出し、該抽出した空気を前記動
    翼の冷却空気として動翼に供給する冷却空気供給装置
    と、 を備えたガスタービンにおいて、 前記冷却空気供給装置に、前記冷却空気を冷却する熱交
    換手段を設け、 該熱交換手段の冷却媒体として前記圧縮機の中段部より
    抽出した圧縮空気を用いるようにしたことを特徴とする
    ガスタービン。
  2. 【請求項2】回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて
    駆動されるとともにその表面に冷却孔を有する動翼と、 該動翼の駆動により駆動され、かつ燃焼器用の圧縮空気
    を発生する圧縮機と、 前記圧縮空気の一部を抽出し、該抽出した空気を前記動
    翼の冷却空気として動翼に供給する冷却空気供給装置
    と、 を備えたガスタービンにおいて、 前記冷却空気供給装置に、冷却空気を冷却する熱交換手
    段を設けるとともに、 該熱交換手段を回転側に乗置させるようにしたことを特
    徴とするガスタービン。
  3. 【請求項3】前記熱交換手段を回転軸心に配置するよう
    にしたことを特徴とする請求項2記載のガスタービン。
  4. 【請求項4】前記熱交換手段を同心二重路に形成し、か
    つその内側路に冷却空気の冷却媒体を流通させるように
    したことを特徴とする請求項2記載のガスタービン。
  5. 【請求項5】回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて
    駆動されるとともに、その表面に冷却孔を有する動翼
    と、 該動翼の駆動により駆動され、かつ燃焼器の燃焼用圧縮
    空気を発生する圧縮機と、 前記燃焼用圧縮空気の一部を抽出し、該抽出空気を前記
    動翼の冷却空気として動翼に供給する冷却空気供給装置
    と、 を備えたガスタービンにおいて、 前記冷却空気供給装置に、前記抽出空気の熱を奪う熱交
    換手段を設け、該熱交換手段の冷却媒体として、圧縮機
    の中段部より抽出した圧縮空気を用いるようにしたこと
    を特徴とするガスタービン。
  6. 【請求項6】回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて
    駆動されるとともに、その表面及び内部に冷却孔を有す
    る動翼と、 該動翼の駆動により駆動され、燃焼器の燃焼用圧縮空気
    を発生させる圧縮機と、 該圧縮機にて発生した圧縮空気の一部を、前記動翼の冷
    却媒体として、動翼の冷却孔に導びく通風路と、 を備えたガスタービンにおいて、 前記通風路中に、動翼の冷却媒体を冷却する熱交換器を
    設け、かつ前記圧縮機の部分に、前記動翼冷却媒体の圧
    力よりは低い圧力の圧縮空気を抽出する抽出手段を設
    け、該抽出手段にて抽出された圧縮空気を、前記熱交換
    器の冷媒として用いるようにしたことを特徴とするガス
    タービン。
  7. 【請求項7】燃焼器にて発生した高温高圧ガスにより駆
    動され、高温高圧ガスの噴流エネルギを回転エネルギに
    変換する複数段の動翼と、 該動翼が植設され、かつ回転可能に支持された回転軸
    と、 該回転軸に結合され、前記燃焼器の燃焼用圧縮空気を発
    生する圧縮機と、 を備えた、前記燃焼用圧縮空気の一部を抽出し、該抽出
    した空気にて前記動翼を冷却するようになしたガスター
    ビンにおいて、 前記圧縮空気の一部を抽出するに際し、圧力の異なる複
    数種類の圧縮空気を抽出するとともに、圧力の低い圧縮
    空気と圧力の高い圧縮空気との間で熱交換を行い、かつ
    圧力の高い圧縮空気にて前記動翼の冷却を行うようにし
    たことを特徴とするガスタービン。
  8. 【請求項8】前記回転軸内を少なくとも二重の中空軸に
    形成し、夫々の空間に圧力の異なる圧縮空気が流通せし
    めるとともに、その中空仕切り壁間で内外の圧縮空気の
    熱交換を行なわせるようにしたことを特徴とする請求項
    3記載のガスタービン。
  9. 【請求項9】前記回転軸を二重の中空軸に形成するとと
    もに、その内側空間を前記圧力の低い抽出空気の流通路
    となし、外側空間を、前記圧力の高い抽出空気の流通路
    となし、かつ両者圧縮空気を仕切つている中空仕切壁を
    介して両者圧縮空気の熱交換を行うようにしたことを特
    徴とする請求項3記載のガスタービン。
  10. 【請求項10】燃焼器にて発生した高温高圧ガスにて駆
    動され、かつその表面に冷却孔を有する動翼と、 該動翼が植設され、かつ回転自在に軸支された回転軸
    と、 該回転軸上に軸方向に複数段並設され、前記燃焼器の燃
    焼用圧縮空気を発生する圧縮翼と、を備え、 前記圧縮翼により圧縮された燃焼用空気の一部を、前記
    動翼の冷却空気として抽出するようになしたガスタービ
    ンにおいて、 前記圧縮翼の中段部近傍に、圧縮空気の一部を抽出する
    弱圧空気抽出手段を設け、該手段にて抽出された空気に
    より、前記動翼冷却用の空気を冷却するようにしたこと
    を特徴とするガスタービン。
  11. 【請求項11】燃焼器にて発生した高温高圧ガスにて駆
    動され、かつ該ガスの噴流方向に複数段並設された動翼
    と、 該動翼が植設され、かつ回転自在に軸支された回転軸
    と、 該回転軸上に軸方向に複数段並設され、前記燃焼器の燃
    焼用圧縮空気を発生する圧縮翼と、を備え、前記圧縮翼
    により圧縮された燃焼用空気の一部を、前記動翼の冷却
    空気として抽出するようになしたガスタービンにおい
    て、 前記圧縮翼の後段部近傍と中段部近傍とに、夫々圧縮空
    気を抽出する空気抽出手段を設け、後段部の空気抽出手
    段の圧縮空気にて、前記前段部に配置されている動翼を
    冷却し、かつ中段部の空気抽出手段の圧縮空気にて、前
    記後段部の圧縮空気を冷却するとともに、前記中段部に
    配置されている動翼を冷却するようにしたことを特徴と
    するガスタービン。
  12. 【請求項12】回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスに
    て駆動されるとともに、その表面にシヤワ冷却孔を有す
    る動翼と、 該動翼の駆動により駆動され、前記燃焼器の燃焼用圧縮
    空気を発生する圧縮機と、 該圧縮機の圧縮室にその一方が連通し、他方が前記動翼
    の冷却孔に連通した冷却空気路と、を備え、 燃焼用圧縮空気の一部にて動翼をシヤワ冷却するように
    なしたガスタービンにおいて、 前記冷却空気路内に、熱交換装置を設けるとともに、前
    記圧縮機の圧縮中段部に、弱圧空気を抽出する抽出手段
    を設け、該抽出手段にて抽出された弱圧空気を、前記熱
    交換装置の熱変換媒体としたことを特徴とするガスター
    ビン。
  13. 【請求項13】固定側には、 高温高圧ガスを発生する燃焼器と、 該燃焼器を支持するケーシングとを備え、 回転子側には、 前記燃焼器の高温高圧ガスにて駆動され、かつシヤワ冷
    却孔を有する複数段の動翼と、 前記燃焼器に用いる圧縮空気を発生させる複数段の圧縮
    動翼と、 該圧縮動翼の最終段近傍の空間にその一方端が結合さ
    れ、かつ他方端が前記動翼のシヤワ冷却孔に連通した通
    風筒とを備え、 燃焼用の圧縮空気の一部にて動翼をシヤワ冷却するよう
    になしたガスタービンにおいて、 前記通風筒の動翼側端部を初段動翼のみに連通させるよ
    うになし、かつ、 前記通風筒内に、 一方端が前記圧縮動翼の中段部近傍の空間に結合され、
    他方端が前記二段以降の動翼のシヤワ冷却孔に連通した
    熱伝導良好な内筒を、 設けるようにしたことを特徴とするガスタービン。
  14. 【請求項14】前記圧縮動翼の取付部径を、軸方向中段
    部で不連続となるように形成し、該不連続部の空間に前
    記内筒の一方端が連通するように形成したことを特徴と
    する請求項9記載のガスタービン。
  15. 【請求項15】前記内筒の内外壁面の少なくとも一方
    に、壁面の表面積を増大させるピンを設けるようにした
    ことを特徴とする請求項10記載のガスタービン。
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