(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンに用いられる翼（１０）であって、該翼（１０）が、翼形部（１１）を有しており、該翼形部（１１）の翼壁（１８）が、内室（１７）を取り囲んでおり、翼壁（１８）内に、該翼壁（１８）を冷却するための冷却装置（１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）が配置されており、該冷却装置（１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）が、翼長手方向に延びる１つの半径方向通路（２０）を有しており、該半径方向通路（２０）から、横方向で翼壁（１８）内に延びる複数の冷却通路（２１，２２）が分岐しており、また、半径方向通路（２０）から、横方向で外向きに複数のフィルム冷却孔（２３）が延設されている、ガスタービンに用いられる翼において、半径方向通路（２０）に沿ったフィルム冷却孔（２３）の分配が、半径方向通路（２０）に沿った冷却通路（２１，２２）の分配に依存せずに選択されており、半径方向通路（２０）が、一方の端部において外部に対して開放可能であって、該端部において、事後的に取り付けられた閉鎖エレメント（２８）によって閉鎖されていることを特徴とする、ガスタービンに用いられる翼。
【請求項２】
半径方向通路（２０）が、翼壁（１８）の中心から内方にずらされて配置されており、これによって、フィルム冷却孔（２３）の扇形の配置が可能である、請求項１記載の翼。
【請求項３】
翼（１０）が、プラットフォーム（１２）を有しており、該プラットフォーム（１２）に翼形部（１１）が、下側の端部において移行しており、半径方向通路（２０）が、翼形部（１１）とプラットフォーム（１２）との間の移行部において外部に対して開放可能である、請求項１または２記載の翼。
【請求項４】
翼（１０）が、プラットフォーム（１２）を有しており、該プラットフォーム（１２）に翼形部（１１）が、下側の端部においてすみ肉（２４）を形成して移行しており、移行範囲を冷却するために、すみ肉（２４）の範囲に冷却通路（２２）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の翼。
【請求項５】
冷却を改善するために、冷却通路（２１，２２）内に、特にリブまたは支柱の形の乱流発生エレメント（２６）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の翼。
【請求項６】
翼（１０）の内室（１７）から冷却通路（２１，２２）に通じるインピンジメント冷却孔（２５）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の翼。
【請求項７】
半径方向通路（２０）から一方の側にだけ冷却通路（２１，２２）が延びている、請求項１から６までのいずれか１項記載の翼。
【請求項８】
半径方向通路（２０）から両側に冷却通路（２１，２２）が延びている、請求項１から６までのいずれか１項記載の翼。
【請求項９】
半径方向通路（２０）から両側に分岐した冷却通路（２１，２２）の配置が、互いに依存し合わずに選択されている、請求項８記載の翼。
【請求項１０】
請求項１記載の翼（１０）を製造するための方法において、第１のステップにおいて、一方の側で開いた１つの半径方向通路（２０）を備えた翼（１０）を準備し、第２のステップにおいて、開いた半径方向通路（２０）内にストリップ状の挿入体（２７）を押し込み、第３のステップにおいて、外部から翼（１０）にフィルム冷却孔（２３）を加工し、その際、加工時には、半径方向通路（２０）の、フィルム冷却孔（２３）と反対の側の壁が、挿入体（２７）によって保護されており、第４のステップにおいて、挿入体（２７）を半径方向通路（２０）から取り出すことを特徴とする、翼を製造するための方法。
【請求項１１】
挿入体（２７）を取り出した後、半径方向通路（２０）を閉鎖エレメント（２８）によって閉鎖する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
閉鎖エレメント（２８）を硬ろう付けする、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
挿入体（２７）としてＰＴＦＥ製ストリップを使用して、フィルム冷却孔（２３）をレーザ穿孔によって加工する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの技術分野に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、ガスタービンに用いられる翼であって、該翼が、翼形部を有しており、該翼形部の翼壁が、内室を取り囲んでおり、翼壁内に、該翼壁を冷却するための冷却装置が配置されており、該冷却装置が、翼長手方向に延びる１つの半径方向通路を有しており、該半径方向通路から、横方向で翼壁内に延びる複数の冷却通路が分岐しており、また、半径方向通路から、横方向で外向きに複数のフィルム冷却孔が延設されている、ガスタービンに用いられる翼に関する。
【０００３】
さらに、本発明は、翼を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
ガスタービンでは、高温ガス温度がますます高くなっているため、使用される動翼および／または静翼を特殊な材料から製造するだけでなく、冷媒を利用して効率よく冷却することも必要である。この冷媒は翼の内部に導入され、壁内に配置された冷却通路を通流し、フィルム冷却孔を通って外側に流出し、これによって、翼の外面における、熱により特に負荷がかけられる箇所に冷却フィルムが形成される。
【０００５】
翼冷却テクノロジの現在の状況は、たとえば米国特許第６３７９１１８号明細書に基づき公知である。同明細書では、壁内に設けられた冷却通路が、インピンジメント冷却、乱流を発生させるエレメント、向流およびフィルム冷却と組み合わされて使用され、これによって、壁温度が低く保たれて、構成要素の十分な寿命が達成されるようになっている。
【０００６】
しかし、同明細書に記載された公知先行技術は、種々異なる欠点：すなわち、
・種々異なる冷却メカニズム（フィルム冷却および内部冷却）を釣り合わせるために、フィルム冷却孔の間隔を自由に選択することができない。なぜならば、冷却通路とフィルム冷却孔との厳密な順序が維持されるからである；
・フィルム冷却孔の加工の間、背壁を保護するための可能性が存在しない；
・寿命に対して特に臨界的となる、翼形部とプラットフォームとの間のすみ肉を冷却するための方法が存在しない：
を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６３７９１１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、冷却が著しく改善された、ガスタービンに用いられる翼を提供することである。
【０００９】
さらに、本発明の課題は、このような翼を製造するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決するために本発明に係る翼によれば、半径方向通路に沿ったフィルム冷却孔の分配が、半径方向通路に沿った冷却通路の分配に依存せずに、つまり、無関係に選択されている。
【００１１】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、半径方向通路が、翼壁の中心から内方にずらされて配置されており、これによって、フィルム冷却孔の扇形の配置が可能である。
【００１２】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、半径方向通路が、一方の端部において外部に対して開放可能であって、該端部において、事後的に取り付けられた閉鎖エレメントによって閉鎖されている。
【００１３】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、翼が、プラットフォームを有しており、該プラットフォームに翼形部が、下側の端部において移行しており、半径方向通路が、翼形部とプラットフォームとの間の移行部において外部に対して開放可能である。
【００１４】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、翼が、プラットフォームを有しており、該プラットフォームに翼形部が、下側の端部においてすみ肉を形成して移行しており、移行範囲を冷却するために、すみ肉の範囲に冷却通路が設けられている。
【００１５】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、冷却を改善するために、冷却通路内に、特にリブまたは支柱の形の乱流発生エレメントが設けられている。
【００１６】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、翼の内室から冷却通路に通じるインピンジメント冷却孔が設けられている。
【００１７】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、半径方向通路から一方の側にだけ冷却通路が延びている。
【００１８】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、半径方向通路から両側に冷却通路が延びている。
【００１９】
本発明に係る翼の有利な態様によれば、半径方向通路から両側に分岐した冷却通路の配置が、互いに依存し合わずに、つまり、無関係に選択されている。
【００２０】
さらに、前述した課題を解決するために本発明に係る方法によれば、第１のステップにおいて、一方の側で開いた１つの半径方向通路を備えた翼を準備し、第２のステップにおいて、開いた半径方向通路内にストリップ状の挿入体を押し込み、第３のステップにおいて、外部から翼にフィルム冷却孔を加工し、その際、加工時には、半径方向通路の、フィルム冷却孔と反対の側の壁が、挿入体によって保護されており、第４のステップにおいて、挿入体を半径方向通路から取り出す。
【００２１】
本発明に係る方法の有利な態様によれば、挿入体を取り出した後、半径方向通路を閉鎖エレメントによって閉鎖する。
【００２２】
本発明に係る方法の有利な態様によれば、閉鎖エレメントを硬ろう付けする。
【００２３】
本発明に係る方法の有利な態様によれば、挿入体としてＰＴＦＥ製ストリップを使用して、フィルム冷却孔をレーザ穿孔によって加工する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、ガスタービンに用いられる翼であって、この翼が、翼形部を有しており、この翼形部の翼壁が、内室を閉鎖しており、翼壁内に、この翼壁を冷却するための冷却装置が配置されており、この冷却装置が、翼長手方向に延びる１つの半径方向通路を有しており、この半径方向通路から、横方向で翼壁内に延びる複数の冷却通路が分岐しており、また、半径方向通路から、横方向で外向きに複数のフィルム冷却孔が延設されている、ガスタービンに用いられる翼に係る。本発明に係る翼は、半径方向通路に沿ったフィルム冷却孔の分配が、半径方向通路に沿った冷却通路の分配に依存せずに、つまり、無関係に選択されている点に特徴がある。
【００２５】
本発明の１つの態様は、半径方向通路が、翼壁の中心から内方にずらされて配置されており、これによって、フィルム冷却孔の扇形の配置が可能であることを特徴としている。ずれによって、半径方向通路と外面との間の壁範囲が著しく肉厚となり、これによって、扇形の配置のために十分な壁材料が存在している。
【００２６】
別の態様は、半径方向通路が、一方の端部において外部に対して開放可能であって、この端部において、事後的に取り付けられた閉鎖エレメントによって閉鎖されている点に特徴がある。外部に対する開放によって、翼の加工時に半径方向通路の内部に内壁の保護のためにストリップを押し込むことが可能となる。
【００２７】
更なる態様は、翼が、プラットフォームを有しており、このプラットフォームに翼形部が、下側の端部において移行しており、半径方向通路が、翼形部とプラットフォームとの間の移行部において外部に対して開放可能であることを特徴としている。こうして、翼の内部に閉鎖可能な開口が位置している。
【００２８】
本発明のさらに別の態様は、翼が、プラットフォームを有しており、このプラットフォームに翼形部が、下側の端部においてすみ肉を形成して移行しており、移行範囲を冷却するために、すみ肉の範囲に冷却通路が設けられていることを特徴としている。これによって、特に臨界的な移行範囲が最適に冷却される。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、冷却を改善するために、冷却通路内に、特にリブまたは支柱の形の乱流発生エレメントが設けられている。
【００３０】
更なる態様は、翼の内室から冷却通路に通じるインピンジメント冷却孔が設けられていることを特徴としている。
【００３１】
別の態様は、半径方向通路から一方の側にだけ冷却通路が延びている点に特徴がある。
【００３２】
しかし、半径方向通路から両側に冷却通路が延びていることも可能である。
【００３３】
外部に対して開放可能な半径方向通路を備えた翼を製造するための本発明に係る方法は、第１のステップにおいて、一方の側で開いた１つの半径方向通路を備えた翼を準備し、第２のステップにおいて、開いた半径方向通路内にストリップ状の挿入体を押し込み、第３のステップにおいて、外部から翼にフィルム冷却孔を加工し、その際、加工時には、半径方向通路の、フィルム冷却孔と反対の側の壁が、挿入体によって保護されており、第４のステップにおいて、挿入体を半径方向通路から取り出すことを特徴としている。
【００３４】
本発明に係る方法の１つの態様は、挿入体を取り出した後、半径方向通路を閉鎖エレメントによって閉鎖することを特徴としている。
【００３５】
特に閉鎖エレメントを硬ろう付けする。
【００３６】
本発明に係る方法の別の態様は、挿入体としてＰＴＦＥ製ストリップを使用して、フィルム冷却孔をレーザ穿孔によって加工する点に特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】プラットフォームを備えたガスタービン翼の斜視的な側面図であり、ガスタービン翼の壁には、半径方向通路と、側方に分岐した冷却通路とを備えた冷却装置が配置されている。
【図２】本発明の１つの実施の形態における冷却装置を備えた翼壁の横断面図（図２ａ）および同冷却装置の側面図（図２ｂ）である。
【図３】半径方向通路から両側に分岐した冷却通路を備えた冷却装置を図２ｂに対応させて示す図である。
【図４】半径方向通路から別の側に分岐した冷却通路と、フィルム冷却孔のより密な配置形態とを備えた冷却装置を図２ｂに対応させて示す図である。
【図５】本発明の１つの実施の形態における冷却装置を備えた、翼形部とプラットフォームとの間の移行部における翼の断面図である。
【図６】本発明に係る方法の１つの実施の形態において加工のために挿入体が押し込まれた下方で開放可能な半径方向通路を備えた、翼形部とプラットフォームとの間の移行部における翼の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
【００３９】
本発明は、ガスタービンに用いられる翼に関する。この翼は、図１に斜視的な側面図で例示してある。ガスタービンの動翼または静翼であってよい翼１０は翼ブレード、つまり、翼形部１１を有している。この翼形部１１は、従来同様、前縁１３と、後縁１４と、正圧面１５と、負圧面１６とを有している。翼形部１１の長手方向軸線は半径方向に延びている。翼形部１１は下方にすみ肉２４を形成してプラットフォーム１２に移行している。翼形部１１は、中空の内室１７を取り囲む翼壁１８を有している。この翼壁１８内には、（破線で示した）冷却装置１９が設けられている。この冷却装置１９は、内側から到来した冷媒、たとえば冷却空気を壁を通して案内し、その後、外側に導いて、冷却フィルムを形成する。
【００４０】
冷却装置１９は、本実施の形態では、１つの中央の半径方向通路２０を有している。この半径方向通路２０から、複数の冷却通路２１，２２が両側にかつ互いに等しい間隔を置いて分岐している。さらに、半径方向通路２０から外向きにフィルム冷却孔２３が延びている。このフィルム冷却孔２３を通って冷媒が外側に流れ、フィルムを形成する。本発明では、このような冷却装置１９において、翼１０の外面でのフィルム冷却を内部の壁冷却に依存せずに、つまり、無関係に最適化するために、フィルム冷却孔２３の分配もしくは密度もしくは周期性（ピッチ）が、冷却通路２１，２２の分配もしくは密度もしくは周期性に依存せずに、つまり、無関係に選択されていることが重要である。
【００４１】
図２には、本発明における冷却装置の１つの実施の形態が横断面図（図２ａ）および側面図（図２ｂ）で示してある。この冷却装置１９ａは１つの半径方向通路２０を有している。この半径方向通路２０から、複数の冷却通路２１が一方の側にだけ互いに均等な間隔を置いて分岐している。これらの冷却通路２１内には、自体公知の乱流発生エレメント２６を配置することができ、これによって、乱流の発生により冷媒と壁との間での熱伝達が改善される。乱流発生エレメント２６は、たとえばリブまたは支柱（「ピン」）の形で形成することができる。さらに、冷却通路２１に対して、インピンジメント冷却孔２５を設けることができる。このインピンジメント冷却孔２５を通って、翼１０の内室１７から冷媒が冷却通路２１内に流入し、この冷却通路２１の、インピンジメント冷却孔２５と反対の側の内壁に衝突して、この内壁を冷却する。
【００４２】
図２ａに認めることができるように、半径方向通路２０は翼壁１８の中心から内方（図２ａで見て下方）にずらされて配置されている。これによって、半径方向通路２０と外面との間の壁区分がより大きな厚さｄを獲得する。この厚さｄは、フィルム冷却孔２３の扇形の配置ひいては外面への冷却フィルムの改善された形成を可能にするために必要となる。
【００４３】
冷却装置の別の実施の形態が図３および図４に示してある。図３の冷却装置１９ｂは、中央の半径方向通路２０から両側に複数の冷却通路２１，２２が分岐していて、これらの冷却通路２１，２２が、それぞれ対応するインピンジメント冷却孔２５を具備している点に特徴がある。半径方向通路２０から両側に分岐した冷却通路２１，２２の配置は、必ずしも対称的である必要はない。すなわち、冷却通路２１，２２は半径方向通路２０に沿って互いに異なる分配を有していてよい。図４の冷却装置１９ｃは、半径方向通路２０から複数の冷却通路２２が他方の側にだけ分岐していて、半径方向通路２０に通じる複数のフィルム冷却孔２３が、互いに特に短い間隔を有している点に特徴がある。
【００４４】
すでに述べたように、翼形部１１とプラットフォーム１２との間の移行部に設けられたすみ肉２４は、冷却に関して特に重要である。したがって、図５に示したように、本発明の思想の範囲内では、すみ肉２４の範囲でも翼壁１８に冷却通路２２が設けられている。この冷却通路２２によって、臨界的な範囲が十分に冷却される。
【００４５】
翼１０の製造に関して、図６によれば、半径方向通路２０が一方の側、特に下側で開放可能であると有利である。これは、図６の実施の形態によれば、半径方向通路２０がすみ肉２４の範囲で翼１０の内室１７に開口することによって達成される。なお、図６では、この開口がすでに閉鎖エレメント２８によって閉鎖されている。しかし、このことは、フィルム冷却孔２３の加工後に初めて行われる。外側から、たとえばレーザビーム２９によるレーザ穿孔によってフィルム冷却孔２３を翼１０に加工したい場合には、まず、下側の開口を通して、有利にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から成るストリップ状の挿入体２７が半径方向通路２０内に押し込まれ、これによって、孔の穿孔時に半径方向通路２０における反対の側の内壁が保護される。フィルム冷却孔２３が加工された後、挿入体２７が半径方向通路２０から引き出され、この半径方向通路２０が、硬ろう付けされた閉鎖エレメント２８によって閉鎖される。
【符号の説明】
【００４６】
１０  翼（静翼または動翼）
１１  翼形部
１２  プラットフォーム
１３  前縁
１４  後縁
１５  正圧面
１６  負圧面
１７  内室
１８  翼壁
１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ  冷却装置
２０  半径方向通路
２１  冷却通路
２２  冷却通路
２３  フィルム冷却孔
２４  すみ肉
２５  インピンジメント冷却孔
２６  乱流発生エレメント
２７  （ストリップ状の）挿入体
２８  閉鎖エレメント
２９  レーザビーム
【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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