(57)【要約】【課題】本発明は、タービン動翼の翼体の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減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。【解決手段】圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａからタービンロータの径方向の外側に突出するとともに、翼体４３の前縁側から後縁側に向って延びるチップシニング４５と、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａに冷却媒体を吐出する吐出口５３Ｂが配置され、タービンロータの径方向においてチップシニング４５と対向するように傾斜した状態で天板４９を貫通する冷却孔５３を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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、並びに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、ケーシングの内周面と対向する外面を含む天板を有する翼体と、
前記天板の前記圧力面側翼壁側に、前記天板の外面から前記タービンロータの径方向外側に突出し、前記翼体の前縁側から後縁側に向って延びるチップシニングと、
を備えるタービン動翼であって、
前記翼体は、前記天板を貫通して形成された冷却孔と、
前記天板の内面において、前記チップシニングに対向する位置または前記チップシニングに対向する位置よりも前記負圧面側翼壁側に形成され、前記冷却孔に前記冷却媒体を導入する導入口と、
前記天板の外面のうち、前記チップシニングよりも前記圧力面側翼壁側に形成され、前記冷却孔を経由して冷却媒体を吐出する吐出口と、
を有しており、
前記天板の外面を基準としたときの前記チップシニングの突出量は、前記冷却孔の前記吐出口の径の０．２５倍以上２．００倍以下であるタービン動翼。
【請求項２】
前記チップシニングは、前記天板の前記圧力面側翼壁側のみに備える請求項１記載のタービン動翼。
【請求項３】
前記冷却孔は、前記翼体の前縁側から後縁側に向かう方向に複数形成されている請求項１または２記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記天板は、前記外面の外側に該外面を囲むように配置され、前記外面に対して傾斜した傾斜面を有する請求項１から３のうち、いずれか一項記載のタービン動翼。
【請求項５】
前記チップシニングよりも前記負圧面側翼壁側に位置する前記天板の外面と前記冷却孔の軸線とが成す角度は、２５°以上６５°以下である請求項１から４のうち、いずれか一項記載のタービン動翼。
【請求項６】
前記チップシニングよりも前記圧力面側翼壁側に位置する前記天板の外面の幅は、前記冷却孔の前記吐出口の径の１倍以上３倍以下である請求項１から５のうち、いずれか一項記載のタービン動翼。
【請求項７】
前記傾斜面の幅は、前記冷却孔の前記吐出口の径の０．２５倍以上３．００倍以下である請求項４記載のタービン動翼。
【請求項８】
複数の前記冷却孔は、前記圧力面側翼壁側の外面である圧力面に対して傾斜するとともに、前記翼体の前縁側または前記翼体の後縁側を向く冷却孔を含む請求項３から７のうち、いずれか一項記載のタービン動翼。
【請求項９】
前記翼体内に設けられ、該翼体内において冷却媒体が流れる流路を形成する流路形成部材を有しており、
前記流路形成部材は、前記天板と前記負圧面側翼壁との境界部分に前記冷却媒体を導いた後、該冷却媒体を前記冷却孔に案内する前記流路を形成する請求項１から８のうち、いずれか一項記載のタービン動翼。
【請求項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のうち、いずれか一項記載のタービン動翼。
【請求項１１】
請求項１から１０のうち、いずれか一項記載のタービン動翼が周方向及び軸線方向に複数配置されたタービンロータ、及び複数の前記タービン動翼を有するタービンと、
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、前記タービンを駆動させる燃焼ガスを生成する燃焼器と、
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、
を備えるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼、及びガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。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。このため、チップシニングを熱から保護するために、チップシニングを冷却することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１には、天板の腹側に形成されたチップシニングと、チップシニングの下端及び天板を貫通し、腹側（圧力面側）に冷却媒体を吐出可能な状態で傾斜した冷却孔を備えた動翼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５２６１７８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、チップシニングの下端及び天板を貫通するように、冷却孔を形成するため、チップシニングの一部から冷却媒体が吐出される。
これにより、吐出された冷却冷媒がチップシニングの壁面に沿ってケーシング側に流れやすくなるため、天板の外面から離間する方向に冷却媒体が流れる可能性があった。
このため、冷却孔から吐出された冷却媒体を用いたフィルム冷却効果により、チップシニングよりも背側に位置する天板を冷却することが困難であった。
つまり、チップシニングよりも背側に位置する天板を冷却するための冷却媒体が別途必要となるため、翼体の冷却に必要な冷却媒体の使用量を低減できないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、翼体の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、並びに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、ケーシングの内周面と対向する外面を含む天板を有する翼体と、前記天板の前記圧力面側翼壁側に、前記天板の外面から前記タービンロータの径方向外側に突出し、前記翼体の前縁側から後縁側に向って延びるチップシニングと、を備えるタービン動翼であって、前記翼体は、前記天板を貫通して形成された冷却孔と、前記天板の内面において、前記チップシニングに対向する位置または前記チップシニングに対向する位置よりも前記負圧面側翼壁側に形成され、前記冷却孔に前記冷却媒体を導入する導入口と、前記天板の外面のうち、前記チップシニングよりも前記圧力面側翼壁側に形成され、前記冷却孔を経由して冷却媒体を吐出する吐出口と、を有しており、前記天板の外面を基準としたときの前記チップシニングの突出量は、前記冷却孔の前記吐出口の径の０．２５倍以上２．００倍以下である。
【００１０】
本発明によれば、天板の内面において、チップシニングに対向する位置またはチップシニングに対向する位置よりも負圧面側翼壁側に形成され、冷却孔に冷却媒体を導入する導入口と、天板の外面のうち、チップシニングよりも圧力面側翼壁側に形成され、冷却孔を経由して冷却媒体を吐出する吐出口と、を有することで、チップシニングの上流側に冷却媒体を吐出して、チップシニングの突出面、及びチップシニングよりも負圧面側翼壁側に位置する天板の外面に沿って冷却媒体を流すことが可能となる。
【００１１】
これにより、吐出口から吐出された冷却媒体を用いて、チップシニングよりも負圧面側翼壁側に位置する天板の外面、及びチップシニングをフィルム冷却することが可能となるので、タービン動翼の翼体の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減することができる。
【００１２】
また、チップシニングに対向する位置またはチップシニングに対向する位置よりも負圧面側翼壁側に形成され、冷却孔に冷却媒体を導入する導入口を有することで、タービンロータの径方向における冷却孔とチップシニングとの距離を近くすることが可能となるので、天板を貫通する冷却孔を流れる冷却媒体を用いてチップシニングを内側から冷却することができる。これにより、チップシニングを効率良く冷却することができる。
【００１３】
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、前記天板の前記圧力面側翼壁側のみに備える。
【００１４】
このように、天板の前記圧力面側翼壁側のみにチップシニングを設けることで、フィルム冷却効果を高めることができる。
【００１５】
また、上記本発明の一態様に係るタービン動翼において、前記冷却孔は、前記翼体の前縁側から後縁側に向かう方向に複数形成されていてもよい。
【００１６】
このように、翼体の前縁側から後縁側に向かう方向に複数の冷却孔を形成することで、複数の冷却孔の吐出口から吐出された冷却媒体を用いて、チップシニングよりも負圧面側翼壁側に位置する天板の外面全体をフィルム冷却することができる。
【００１７】
また、上記本発明の一態様に係るタービン動翼において、前記天板は、前記外面の外側に該外面を囲むように配置され、前記外面に対して傾斜した傾斜面を有してもよい。
【００１８】
このように、天板の外面の外側を囲むように配置され、外面に対して傾斜した傾斜面を天板が有することで、傾斜面が形成された部分の温度が高くなりすぎることを抑制できる。
【００１９】
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よりも前記負圧面側翼壁側に位置する前記天板の外面と前記冷却孔の軸線とが成す角度は、２５°以上６５°以下であってもよい。
【００２０】
例えば、天板の外面と冷却孔とが成す角度が２５°よりも小さいと、冷却孔を加工することが困難となる恐れがある。
一方、天板の外面と冷却孔とが成す角度が６５°よりも大きいと、冷却孔から吐出された冷却媒体がチップシニングの突出面から離れた位置を流れてしまうため、フィルム冷却効果を得ることが困難となる恐れがある。
したがって、チップシニングよりも負圧面側翼壁側に位置する天板の外面と冷却孔とが成す角度を２５°以上６５°以下とすることで、冷却孔を加工しやすくした上で、チップシニングよりも負圧面側翼壁側に位置する天板の外面をフィルム冷却することができる。
【００２１】
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、前記天板の外面を基準としたときの前記チップシニングの突出量は、前記冷却孔の前記吐出口の径の０．２５倍以上２．００倍以下であってもよい。
【００２２】
例えば、チップシニングを適度に突出させることで、チップシニングよりも圧力面側翼壁側に位置する冷却孔からの冷却媒体をシニングとその下流の天板の外面に、より沿う様に流すことができ、フィルム冷却効果を高めることができる。
チップシニングの突出量が冷却孔の吐出口の径の０．２５倍よりも小さいと、フィルム冷却効果を高める効果も小さく、また、天板とケーシングの隙間が狭くなり天板が接触する可能性も高まり、チップシニングを設ける効果が小さくなる恐れがある。
一方、チップシニングの突出量が冷却孔の吐出口の径の２．００倍よりも大きいと、冷却孔吐出口及び天板とチップシニング先端までの距離が遠くなり、冷却媒体がチップシニングや天板から離間しやすくなり、負圧面側翼壁側に位置する天板の外面に沿って冷却媒体を流すことが困難となる恐れがある。
したがって、チップシニングの突出量を冷却孔の吐出口の径の０．２５倍以上２．００倍以下とすることで、チップシニングを設ける効果を維持した上で、チップシニングよりも負圧面側翼壁側に位置する天板の外面を冷却することができる。
【００２３】
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よりも前記圧力面側翼壁側に位置する前記天板の外面の幅は、前記冷却孔の前記吐出口の径の１倍以上３倍以下であってもよい。
【００２４】
チップシニングよりも圧力面側翼壁側に位置する天板の外面の幅が冷却孔の吐出口の径の１倍よりも小さいと、チップシニングよりも圧力面側翼壁側に位置する天板の外面に冷却孔の吐出口を形成することが困難となる恐れがある。
一方、チップシニングよりも圧力面側翼壁側に位置する天板の外面の幅が冷却孔の吐出口の径の３倍よりも大きいと、冷却孔とチップシニングとの距離が離れすぎるため、チップシニングを効率良く冷却することが困難となる可能性や圧力面側翼壁の縁や傾斜面の温度が高くなりすぎる可能性ある。
したがって、チップシニングよりも圧力面側翼壁側に位置する天板の外面の幅を、冷却孔の吐出口の径の１倍以上３倍以下にすることで、冷却孔を形成しやすくした上で、チップシニングを効率良く冷却良く冷却することができるとともに、傾斜面の温度が高くなりすぎることを抑制できる。
【００２５】
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、前記傾斜面の幅は、前記冷却孔の前記吐出口の径の０．２５倍以上３．００倍以下であってもよい。
【００２６】
例えば、傾斜面の幅が冷却孔の吐出口の径の０．２５倍よりも小さいと、冷却孔と冷却孔の中間の位置で翼壁側と天板側の両方からの加熱で傾斜面や縁の温度が高くなりすぎる可能性がある。一方、傾斜面の幅が冷却孔の吐出口の径の３．００倍よりも大きいと、正圧面側翼壁の近傍に位置する傾斜面が冷却孔から遠ざかり温度が高くなりすぎる可能性がある。
したがって、傾斜面の幅を冷却孔の前記吐出口の径の０．２５倍以上３．００倍以下にすることで、傾斜面や縁の温度上昇を抑制することができる。
【００２７】
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、複数の前記冷却孔は、前記圧力面側翼壁側の外面である圧力面に対して傾斜するとともに、前記翼体の前縁側または前記翼体の後縁側を向く冷却孔を含んでもよい。
【００２８】
このように、圧力面に対して傾斜するとともに、翼体の前縁側または翼体の後縁側を向く冷却孔を含むことで、複数の冷却孔から吐出された冷却媒体を、圧力面側翼壁側に位置するチップシニングの側面に沿わせることが可能となるので、フィルム冷却による効果を増加させることができる。
【００２９】
また、本発明の一態様に係るタービン動翼によれば、前記翼体内に設けられ、該翼体内において冷却媒体が流れる流路を形成する流路形成部材を有しており、前記流路形成部材は、前記天板と前記負圧面側翼壁との境界部分に前記冷却媒体を導いた後、該冷却媒体を前記冷却孔に案内する前記流路を形成してもよい。
【００３０】
このように、翼体内に設けられ、天板と負圧面側翼壁との境界部分に冷却媒体を導いた後、冷却媒体を冷却孔に案内するように流路を形成する流路形成部材を有することで、冷却孔から吐出させる冷却媒体を用いて、温度が高くなりやすい天板と負圧面側翼壁との境界部分の内側を冷却することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
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、チップシニングより強度の弱いケーシングを切削することで、翼体側の遮熱コーティングを保護することができる。
【００３３】
また、本発明の一態様に係るガスタービンによれば、上記タービン動翼が周方向及び軸線方向に複数配置されたタービンロータ、及び複数の前記タービン動翼を有するタービンと、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、前記タービンを駆動させる燃焼ガスを生成する燃焼器と、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、を備える。
【００３４】
このような構成とされたガスタービンは、複数のタービン動翼の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、タービン動翼の翼体の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明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２】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的な図である。
【図３】図２に示すタービン動翼のＡ１−Ａ２線方向の断面図である。
【図４】図２に示すタービン動翼の領域Ｂを拡大した図である。
【図５】（段差の高さＨ）／（冷却孔の直径Ｄ）とフィルム冷却効果との関係を示すグラフである。
【図６】本実施形態の第１変形例に係るタービン動翼を説明するための図である。
【図７】本実施形態の第２変形例に係るタービン動翼を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
（実施形態）
図１を参照して、本発明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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
図２〜図４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、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流れ方向（以下、「Ｅ方向」という）をそれぞれ示している。図２では、図１に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【００５１】
図３において、Ｏ２は冷却孔５３の軸線（以下、「軸線Ｏ２」という）、Ｒは冷却孔５３の吐出口の径（以下、「径Ｒ」という）、θは負圧面側翼壁４７側（背側）に位置する天板４９の外面４９ａと冷却孔５３の軸線Ｏ２とが成す角度（以下、「傾斜角度θ」という）をそれぞれ示している。
また、図３において、Ｈは天板４９の外面４９ａを基準としたときのチップシニング４５の突出量（以下、「突出量Ｈ」という）、Ｗ１は面取り部４９Ａの傾斜面４９Ａａの幅（以下、「幅Ｗ１」という）、Ｗ２はチップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側（腹側）に位置する天板４９の外面４９ａの幅（以下、「幅Ｗ２」という）をそれぞれ示している。
さらに、図３に示す点線の矢印Ｓは、冷却孔５３の吐出口５３Ｂから吐出された冷却媒体の流れを模式的に示している。
また、図３では、図２に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。図４では、図２及び図３に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【００５２】
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、冷却孔５３と、を有する。
【００５３】
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。
【００５４】
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Ｄ方向に回転すると、負圧面４７ａは、圧力面４６ａよりも低い圧力を受ける。
【００５５】
天板４９は、圧力面側翼壁４６及び負圧面側翼壁４７の端部（具体的には、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。
天板４９は、板状の部材であり、外面４９ａと、内面４９ｂと、面取り部４９Ａ，４９Ｂと、を有する。
天板４９の外面４９ａは、タービンケーシング３４の内周面３４ａ（具体的には、分割環４１の内周面４１ａ）と対向するとともにタービンケーシング３４の内周面３４ａに沿う形状或いは平面とされたな面である。
天板４９の内面４９ｂは、外面４９ａの反対側に配置された面であり、翼体４３内に形成された冷却流路５２に露出されている。
【００５６】
面取り部４９Ａは、圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の角部を面取り加工することで形成されている。面取り部４９Ａは、翼体４３の前縁４３Ａから後縁４３Ｂに亘って形成されている。
面取り部４９Ａは、天板４９の外面４９ａに対して傾斜した傾斜面４９Ａａを有する。図３では、一例として、傾斜面４９Ａａが平面の場合を例に挙げて説明したが、傾斜面４９Ａａは、例えば、凸状とされた湾曲面であってもよい。
【００５７】
傾斜面４９Ａａの幅Ｗ１は、例えば、冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの０．２５倍以上３．００倍以下であることが好ましい。
【００５８】
例えば、傾斜面４９Ａａの幅Ｗ１が冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの０．２５倍よりも小さいと、冷却孔５３と冷却孔５３の中間の位置で翼壁側と天板４９側の両方からの加熱で面取り部４９Ａ（傾斜面４９Ａａを含む）もしくは縁の温度が高くなりすぎる可能性がある。一方、傾斜面４９Ａａの幅Ｗ１が冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの３．００倍よりも大きいと、圧力面側翼壁４６の近傍の傾斜面４９Ａａが冷却孔５３から遠ざかり温度が高くなりすぎる可能性がある。
したがって、傾斜面４９Ａａの幅を冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの０．２５倍以上３．００倍以下にすることで、面取り部４９Ａ（傾斜面４９Ａａを含む）や縁の温度上昇を抑制することができる。
傾斜面４９Ａａの幅Ｗ１は、例えば、冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの０．５倍であることがより好ましい。
【００５９】
面取り部４９Ｂは、負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の角部を面取り加工することで形成されている。面取り部４９Ｂは、翼体４３の前縁４３Ａから後縁４３Ｂに亘って形成されている。
面取り部４９Ｂは、天板４９の外面４９ａに対して傾斜した傾斜面４９Ｂａを有する。図３では、一例として、傾斜面４９Ｂａが平面の場合を例に挙げて説明したが、傾斜面４９Ｂａは、例えば、凸状とされた湾曲面であってもよい。
【００６０】
上述した面取り部４９Ａ，４９Ｂの傾斜面４９Ａａ，４９Ｂａは、天板４９の外面４９ａを囲むように配置されている。このような構成とされた傾斜面４９Ａａ，４９Ｂａを有することで、燃焼ガスにより天板４９の角部の温度が高くなりすぎることを抑制できる。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
冷却孔５３は、天板４９の外面４９ａに設けられたチップシニング４５の下方に位置する天板４９からチップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９に亘って形成されている。
冷却孔５３は、タービンロータ３１の径方向においてチップシニング４５と対向するように傾斜した状態で天板４９を貫通している。これにより、冷却孔５３は、冷却媒体が流れる冷却流路５２と連通している。冷却孔５３の傾斜角度θは、一定の角度とされている。
【００６７】
冷却孔５３は、導入口５３Ａと、吐出口５３Ｂと、を有する。導入口５３Ａは、天板４９の内面４９ｂに配置されている。導入口５３Ａは、冷却流路５２内を流れる冷却冷媒を冷却孔５３内に導入する。導入口５３Ａは、チップシニング４５に対向する位置またはチップシニング４５に対向する位置よりも負圧面側翼壁４７側に形成されている。  吐出口５３Ｂは、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａに配置されている。吐出口５３Ｂは、分割環４１の内周面４１ａと天板４９の外面４９ａとの間に形成された空間に冷却媒体を吐出する。
【００６８】
このように、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａに冷却媒体を吐出する吐出口５３Ｂが配置された冷却孔５３を有することで、チップシニング４５から離間する主流の上流側に冷却媒体を吐出して、チップシニング４５の突出面４５ａ、及びチップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａに沿って冷却媒体を流す（主流の流れに冷却媒体をのせて流す）ことが可能となる。
【００６９】
これにより、吐出口５３Ｂから吐出された冷却媒体を用いて、チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａ、及びチップシニング４５をフィルム冷却することが可能となるので、翼体４３の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減させることができる。
【００７０】
また、タービンロータ３１の径方向においてチップシニング４５と対向するように傾斜した状態で天板４９を貫通するように冷却孔５３を配置させることで、タービンロータ３１の径方向における冷却孔５３とチップシニング４５との距離を近くすることが可能となる。これにより、対流冷却によりチップシニング４５を効率良く冷却することができる。
【００７１】
上記構成とされた冷却孔５３は、前縁４３Ａから後縁４３Ｂに向かう方向に間隔を空けて複数配置されている。
このように、翼体４３の前縁４３Ａ側から後縁４３Ｂ側に向かう方向に複数の冷却孔５３を形成することで、複数の冷却孔５３の吐出口５３Ｂから吐出された冷却媒体を用いて、チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａ全体をフィルム冷却することができる。
【００７２】
タービンロータ３１の径方向外側から複数の冷却孔５３を視た状態において、複数の冷却孔５３は、複数の冷却孔５３の軸線Ｏ２が圧力面側翼壁４６の外面である圧力面４６ａに対して直交するように配置されている。
【００７３】
チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａと各冷却孔５３の軸線Ｏ２とが成す角度θは、例えば、２５°以上６５°以下であることが好ましい。
【００７４】
例えば、天板４９の外面４９ａと冷却孔５３とが成す角度θが２５°よりも小さいと、冷却孔５３を加工することが困難となる恐れがある。
一方、天板４９の外面４９ａと冷却孔５３とが成す角度θが６５°よりも大きいと、冷却孔５３から吐出された冷却媒体がチップシニング４５の突出面４５ａ（分割環４１と内周面４１ａと対向する面）から離れた位置を流れてしまうため、フィルム冷却効果を得ることが困難となる恐れがある。
【００７５】
したがって、チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａと冷却孔５３とが成す角度を２５°以上６５°以下とすることで、冷却孔５３を加工しやすくした上で、チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａをフィルム冷却することができる。
天板４９の外面４９ａと冷却孔５３とが成す角度θは、例えば、４５°であることがより好ましい。
【００７６】
なお、冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒは、タービン動翼３７の大きさや周方向に配置する数等に応じて、適宜設定することが可能である。
【００７７】
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と一体形成されている。
チップシニング４５は、圧力面側翼壁４６側に位置する４９天板の外面４９ａからタービンロータ３１の径方向の外側（言い換えれば、分割環４１の内周面４１ａ側）に突出している。チップシニング４５は、翼体４３の前縁４３Ａ側から後縁４３Ｂ側に向って延びている。
【００７８】
チップシニング４５は、突出面４５ａと、側面４５ｂ，４５ｃと、を有する。突出面４５ａは、分割環４１の内周面４１ａと対向する面である。側面４５ｂは、圧力面側翼壁４６側に配置され、かつ天板４９の外面４９ａから露出された側面である。側面４５ｃは、負圧面側翼壁４７側に配置され、かつ天板４９の外面４９ａから露出された側面である。
【００７９】
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。
【００８０】
チップシニング４５の突出量Ｈは、図５に示すように、例えば、冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの０．２５倍以上２．００倍以下であることが好ましい。
【００８１】
図５に示すように、チップシニング４５を適度に突出させることで、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する冷却孔５３からの冷却媒体をチップシニング４５とその下流の天板４９の外面に、より沿う様に流すことができ、フィルム冷却効果を高めることができる。
チップシニング４５の突出量Ｈが冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの０．２５倍よりも小さいと、フィルム冷却効果を高める効果も小さく、また、天板４９とタービンケーシング３４の隙間が狭くなり天板４９が接触する可能性も高まるため、チップシニング４５を設ける効果が小さくなる可能性がある。
一方、チップシニング４５の突出量Ｈが冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの２．００倍よりも大きいと、冷却孔５３の吐出口及び天板とチップシニング４５の先端までの距離が遠くなり、冷却媒体がチップシニング４５や天板４９から離間しやすくなり、チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａに沿って冷却媒体を流すことが困難となる恐れがある。
したがって、チップシニング４５の突出量を冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの０．２５倍以上２．００倍以下とすることで、チップシニング４５を設ける効果を維持した上で、チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａを冷却することができる。
チップシニング４５の突出量Ｈは、例えば、冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの１倍であることがより好ましい。
【００８２】
また、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａの幅Ｗ２は、例えば、冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの１倍以上３倍以下であることが好ましい。
【００８３】
チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａの幅Ｗ２が冷却孔５３の吐出口の径Ｒの１倍よりも小さいと、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａに冷却孔５３の吐出口５３Ｂを形成することが困難となる恐れがある。
一方、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａの幅Ｗ２が冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの３倍よりも大きいと、冷却孔５３とチップシニング４５との距離が離れすぎるため、チップシニング４５を効率良く冷却することが困難となる可能性や圧力面側翼壁４６の縁や傾斜面４９Ａａの温度が高くなりすぎる可能性ある。
したがって、チップシニング４９よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａの幅Ｗ２を冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの１倍以上３倍以下にすることで、冷却孔５３を形成しやすくした上で、チップシニング４５を効率良く冷却良く冷却することができるとともに、傾斜面４９Ａａの温度が高くなりすぎることを抑制できる。
なお、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に位置する天板４９の外面４９ａの幅Ｗ２は、例えば、冷却孔５３の吐出口５３Ｂの径Ｒの２倍であることがより好ましい。
【００８４】
本実施形態のタービン動翼３７によれば、チップシニング４５に対向する位置またはチップシニング４５に対向する位置よりも負圧面側翼壁４７側に形成され、冷却孔５３に冷却媒体を導入する導入口５３Ａと、天板４９の外面４９ａのうち、チップシニング４５よりも圧力面側翼壁４６側に形成され、冷却孔５３を経由して冷却媒体を吐出する吐出口５３Ｂと、を有することで、チップシニング４５の上流側に冷却媒体を吐出して、チップシニング４５の突出面４５ａ、及びチップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａに沿って冷却媒体を流すことが可能となる。
【００８５】
これにより、吐出口５３Ｂから吐出された冷却媒体を用いて、チップシニング４５よりも負圧面側翼壁４７側に位置する天板４９の外面４９ａ、及びチップシニング４５をフィルム冷却することが可能となるので、翼体４３の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減させることができる。
【００８６】
また、チップシニング４５に対向する位置またはチップシニング４５に対向する位置よりも負圧面側翼壁４７側に形成され、冷却孔５３に冷却媒体を導入する導入口５３Ａを有することで、タービンロータ３１の径方向における冷却孔５３とチップシニング４５との距離を近くすることが可能となるので、天板４９を貫通する冷却孔５３を流れる冷却媒体を用いてチップシニング４５を内側から冷却することができる。これにより、チップシニング４５を効率良く冷却することができる。
【００８７】
また、上述したタービン動翼３７を複数有するガスタービン１０は、複数のタービン動翼３７の冷却に使用する冷却媒体の使用量を低減することができる。
【００８８】
ここで、図６を参照して、本実施形態の第１変形例に係るタービン動翼６５について説明する。図６は、タービン動翼６５をタービンロータの径方向外側から平面視した模式的な図である。図６では、図４に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。また、図６において、Ｏ３は、冷却孔６７の軸線（以下、「軸線Ｏ３」という）を示している。
【００８９】
タービン動翼６５は、冷却孔５３の他に、冷却孔６７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。
【００９０】
冷却孔６７は、タービンロータ（図示せず）の径方向外側から平面視した状態において、圧力面側翼壁４６の圧力面４６ａに対して傾斜するとともに、翼体の後縁側を向くこと以外は、冷却孔５３と同様に構成されている。冷却孔６７は、冷却冷媒を吐出する吐出口６７Ａを有する。
【００９１】
このような構成とされたタービン動翼６５によれば、圧力面側翼壁４６の圧力面４６ａに対して傾斜するとともに、翼体の後縁側を向く冷却孔６７を有することで、冷却孔６７の吐出口６７Ａから吐出される冷却冷媒をよりチップシニング及び天板上を沿う様にでき、フィルム冷却による効果を増加させることができる。
【００９２】
なお、図６に示す冷却孔６７の数は、一例であって、図６に示す冷却孔６７の数に限定されない。
また、図６では、一例として、複数の冷却孔５３及び冷却孔６７を設けた場合を例に挙げて説明したが、全ての冷却孔を冷却孔６７で構成してもよい。
また、例えば、複数の冷却孔５３は、前縁４３Ａ側に位置する前縁側領域、及び後縁４５Ｂ側に位置する後縁側領域に形成された複数の第１の冷却孔と、前縁側領域と後縁側領域との間に配置された中間領域に形成された複数の第２の冷却孔と、を含み、第１の冷却孔は、第１の冷却孔の軸線方向に対して直交する面で切断した際の切断面が円形状とされており、第２の冷却孔のうち、冷媒流路側に形成された第１の部分と、第１の部分と接続された状態で、第１の部分の外側に形成され、吐出口を含む第２の部分と、を有し、第１の部分は、第２の冷却孔の軸線方向に対して直交する面の切断面が円形状とされ、かつ第２の冷却孔の軸線方向の直径が一定とされており、第２の部分は、第１の部分から吐出口に向かうにつれて、圧力面側翼壁４６の圧力面４６ａに沿う方向の幅が徐々に広くなるように構成してもよい。
【００９３】
このように、中間領域に形成された複数の第２の冷却孔が、第２の冷却孔の軸線方向に対して直交する面の切断面が円形状とされ、かつ第２の冷却孔の軸線方向の直径が一定とされた第１の部分と、第１の部分から吐出面に向かうにつれて、圧力面側翼壁の圧力面に沿う方向の幅が徐々に広くなる第２の部分と、を有することで、圧力面側翼壁の圧力面に沿う方向における複数の第２の冷却孔の吐出口の幅が広くなるため、吐出口から広い範囲に冷却媒体を吐出させることが可能となる。
これにより、第１の冷却孔の配列ピッチよりも第２の冷却孔の配列ピッチを広くして、中間領域に配置させる第２の冷却孔の数を削減することができる。
【００９４】
また、図６では、圧力面側翼壁４６の圧力面４６ａに対して傾斜するとともに、翼体の後縁側を向く冷却孔６７を設けた場合を例に挙げて説明したが、冷却孔６７に替えて、圧力面側翼壁４６の圧力面４６ａに対して傾斜するとともに、翼体の前縁側を向く冷却孔を設けてもよい。この場合、複数の冷却孔の一部を翼体の前縁側を向く冷却孔で構成してもよいし、全ての冷却孔を翼体の前縁側を向く冷却孔で構成してもよい。
【００９５】
次に、図７を参照して、本実施形態の第２変形例に係るタービン動翼７０について説明する。図７において、図３に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００９６】
タービン動翼７０は、流路形成部材７３を有すること以外は、先に説明したタービン動翼３７と同様に構成されている。
流路形成部材７３は、圧力面側翼壁４６の内面４６ｂに設けられている。流路形成部材７３は、圧力面側翼壁４６の内面４６ｂから負圧面側翼壁４７に向かう方向に突出している。
流路形成部材７３は、天板４９と負圧面側翼壁４７との境界部分の内側に冷却媒体を導いた後、冷却媒体を冷却孔５３に案内する流路７１を形成している。流路７１は、冷却流路５２に流路形成部材７３を設けることで区画される流路である。
【００９７】
このような構成とされたタービン動翼７０によれば、上述した流路７１を形成する流路形成部材７３を有することで、冷却孔５３に供給される冷却媒体を、冷却孔５３に導く前に、天板４９と負圧面側翼壁４７との境界部分の内側に導くことで、温度が高くなりやすい天板４９と負圧面側翼壁４７との境界部分の内側を冷却することが可能となる。これにより、タービン動翼７０の冷却に必要な冷却媒体を低減することができる。
【００９８】
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。
【符号の説明】
【００９９】
１０…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，４１ａ…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、３７，６５，７０…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、４５ａ…突出面、４５ｂ，４５ｃ…側面、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、４９ａ，５６ａ…外面、４９Ａ，４９Ｂ…面取り部、４９Ａａ，４９Ｂａ…傾斜面、４６ｂ，４９ｂ…内面、５２…冷却流路、５３，６７…冷却孔、５３Ａ…導入口、５３Ｂ，６７Ａ…吐出口、５６…金属製基材、５８…遮熱コーティング層、７１…流路、７３…流路形成部材、Ｂ…領域、Ｄ，Ｅ…方向、Ｈ…突出量、Ｏ１〜Ｏ３…軸線、Ｗ１，Ｗ２…幅、θ…傾斜角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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