(57)【要約】【課題】  タービン動翼の冷却効率を向上させることにより、耐熱性が高く長時間使用できるタービン動翼を提供し、ガスタービンの熱効率を向上させると共に、稼動効率を向上させることこと。【解決手段】  燃焼ガス流路の内部に配列されるとともに、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されたタービン動翼であって、タービン動翼の後縁端１０に沿って翼根付近１４から翼先端付近１５へ並んで開口する複数の冷却媒体の後縁吹出口１１のうち、翼先端付近１５に位置する翼端後縁吹出口１１Ａの開口面積を他の後縁吹出口１１の開口面積より大きく設定したことを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガス流路内に配列されるとともに、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されたタービン動翼であって、
翼後縁端に沿って翼根付近から翼先端付近へ並んで開口する複数の冷却媒体の後縁吹出口のうち、翼先端付近に位置する翼端後縁吹出口の開口面積を他の後縁吹出口の開口面積より大きく設定したことを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
燃焼ガス流路内に配列されるとともに、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されたタービン動翼であって、
その内部に前記冷却媒体が流れる内部流路が設けられ、該内部流路は少なくとも一箇所にＵターン部と、該冷却媒体の流れ方向に対して傾斜させたタービュレータとを有しており、
前記Ｕターン部の上流側における前記タービュレータの傾斜方向が、前記Ｕターン部の外側壁に連続する壁から内側壁に連続する壁に向かって上流から下流に向かう傾斜とされていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項３】
燃焼ガス流路内に配列されるとともに、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されたタービン動翼であって、
前記冷却媒体を翼先端付近の翼面部に排出するチップホールが設けられおり、該チップホールが翼先端方向へ向けて傾斜していると共に、翼先端方向へ向けて広がる扇型の開口部を有していることを特徴とするタービン動翼。
【請求項４】
空気圧を圧縮する圧縮機と、高温高圧の流体を発生させる燃焼器と、前記流体のエネルギーを翼で機械仕事に変換して軸トルクを発生させるタービンとを具備してなるガスタービンにおいて、
前記タービンが、請求項１から３のいずれかに記載のタービン動翼を備えていることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントなどに用いられて好適なガスタービンのタービン動翼およびこの動翼を備えているガスタービンに関し、とくに、冷却構造を備えたタービン動翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラント等に用いられる産業用ガスタービン（industrial gas turbine）の熱効率を向上させるためには、タービン入口における作動用の燃焼ガス（流体）の温度を高くすることが効果的である。一方、タービンの動翼（moving blade）や静翼（stationary blade）のタービン翼（turbine blade）を始めとする燃焼ガスにさらされる各部材の耐熱性能は、その材料の物質的特性によって制限されているため、単純にタービン入口温度を高めることはできない。
【０００３】
そこで、上述したタービン翼を冷却空気等の冷却媒体によって冷却しつつ、タービン入口を高温化することによって、タービン翼の耐熱性能を確保して熱効率を高めることが行われている。
このようなタービン翼の冷却方法としては、該タービン翼の内部に冷却媒体を流す対流冷却（convection cooling）やインピンジ冷却（impingement cooling）があり、また、この冷却媒体をタービン翼の外表面に吹き出して冷却媒体の膜を形成させるフィルム冷却（film cooling）等がある。
【０００４】
図７、８を用いて、従来のタービン動翼の構造について説明する。
図７に示す内部断面図のように、タービン動翼５０は、冷却媒体が流れる３本の内部流路５１，５２，５３を有しており、基端面に冷却媒体が供給される供給口５１ａ，５２ａ，５３ａが設けられ、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されている。図８に示す断面図のように、吹出口には、タービン動翼５０の前縁端６４に設けられた前縁吹出口５４、翼面部に設けられた翼面吹出口５５、後縁端６６に設けられた後縁吹出口５６とがある。後縁吹出口５６は、後縁端６６に沿って翼根部付近５７から翼先端部付近５８の間の複数箇所に設けられており、各後縁吹出口５６は同寸法に形成されている。翼面吹出口５５は、高圧側翼面６５に多く設けられており、前縁方向または後縁方向に向けて傾斜している。前縁吹出口５４からの吹き出しＡによりシャワーヘッド冷却が行われ、翼面吹出口５５からの吹き出しＢにより全面フィルム冷却が行われ、後縁吹出口５６からの吹き出しＣによりスロット冷却が行われる。
【０００５】
また、内部流路５１，５２，５３には、冷却媒体の流れを攪拌させて冷却効率を向上させるための複数のタービュレータ（turbilator）５９が、冷却媒体の流れに対して傾斜して設けられている。この傾斜の向きは、２箇所のＵターン部を有する内部流路５２の場合、先のＵターン部６０の上流側において、Ｕターン部６０の内側壁に連続する壁６１から外側壁に連続する壁６２に向かって上流から下流に向かうように設けられている。また、Ｕターン部６０の下流側においては、その逆向きとなるようにタービュレータ５９が傾斜している。次のＵターン部６３のターンの向きはＵターン部６０のターンの向きと逆向きであるので、Ｕターン部６０の下流側のタービュレータ５９の傾斜は、そのままＵターン部６３の上流側のタービュレータ５９の傾斜となる。
【特許文献１】特開平１０−２５２４０４号公報
【特許文献２】特開平１０−８５９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述したようにタービン動翼５０において、耐熱性能を確保するために様々な工夫が行われているが、それでもなお十分に冷却が行われなかった場合、タービン動翼５０の各箇所、たとえば翼先端（tip）や翼面において焼損や欠損が生じるという問題があった。たとえば、タービン動翼５０の基端面の供給口５１ａ，５２ａ，５３ａから供給された冷却媒体は、内部流路５１，５２，５３を通過して翼先端側に向かうにしたがって温度が上昇するので、翼先端側において冷却効果が低下するという問題があった。これにより、タービン動翼５０の寿命が短くなり、タービン動翼５０を用いたガスタービンの稼動効率が低下するだけでなく、熱効率が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような背景の下になされたものであって、タービン動翼の冷却効率を向上させることにより、耐熱性が高く長時間使用できるタービン動翼を提供し、ガスタービンの熱効率を向上させると共に、稼動効率を向上させることことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、燃焼ガス流路内に配列されるとともに、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されたタービン動翼であって、翼後縁端に沿って翼根付近から翼先端付近へ並んで開口する複数の冷却媒体の後縁吹出口のうち、翼先端付近に位置する翼端後縁吹出口の開口面積を他の後縁吹出口の開口面積より大きく設定したことを特徴とする。
【０００９】
この発明に係るタービン動翼によれば、タービン動翼の翼後縁端に沿って翼根付近から翼先端付近の間の複数箇所に並んで設けられている冷却媒体の後縁吹出口のうち、翼先端付近に位置する翼端後縁吹出口（tip flag feature）の開口面積を他の後縁吹出口の開口面積より大きく設定したので、他の後縁吹出口より翼端後縁吹出口から吹き出る冷却媒体の流量が増加し、翼先端での冷却効果が向上する。つまり、タービン動翼の翼先端側において冷却媒体の温度の上昇による冷却効果の低下を、翼先端側での流量の増加による冷却効果の向上によって解消するので、冷却効果が向上するのである。これにより、タービン動翼の耐熱性を向上させ、焼損や欠損の発生を防止することができ、タービン動翼を長寿命とすることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、燃焼ガス流路内に配列されるとともに、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されたタービン動翼であって、その内部に前記冷却媒体が流れる内部流路が設けられ、該内部流路は少なくとも一箇所にＵターン部と、該冷却媒体の流れ方向に対して傾斜させたタービュレータとを有しており、前記Ｕターン部の上流側における前記タービュレータの傾斜方向が、前記Ｕターン部の外側壁に連続する壁から内側壁に連続する壁に向かって上流から下流に向かう傾斜とされていることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るタービン動翼によれば、Ｕターン部とタービュレータとを有する内部流路を流れる冷却媒体は、傾斜して設けられたタービュレータによって攪拌されながら、Ｕターン部によってＵターンさせられる。このとき、Ｕターン部の上流側において、Ｕターン部の外側壁に連続する壁から内側壁に連続する壁に向かって、上流から下流に向かう傾斜となるようにタービュレータが傾斜しているので、Ｕターン部において圧力損失が低減する。つまり、通常は冷却媒体のＵターンによる遠心力によって、Ｕターン部の外壁側において冷却媒体の流れが困難になるが、Ｕターン部の上流においてＵターン部の内側に冷却媒体を寄せるようにタービュレータが設けられているので、Ｕターン部において冷却媒体の流れが容易となり、圧力損失が低減するのである。これにより、内部流路を流れる冷却媒体の流量を増加させることができ、冷却効率を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、燃焼ガス流路内に配列されるとともに、外表面に冷却媒体を吹き出すための複数の吹出口が形成されたタービン動翼であって、前記冷却媒体を翼先端付近の翼面部に排出するチップホールが設けられおり、該チップホールが翼先端方向へ向けて傾斜していると共に、翼先端方向へ向けて広がる扇型の開口部を有していることを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るタービン動翼によれば、翼先端付の翼面部に開口しているチップホール（tip holes）から冷却媒体を排出することで翼先端付近のフィルム冷却の効果を得ており、このチップホールが、翼先端方向へ向けて傾斜していると共に、翼先端方向へ向けて広がる扇型（fan shaped）の開口部を有しているので、従来より冷却媒体が翼先端に流れ易くなり、翼先端におけるフィルム冷却の効果が向上する。これにより、翼先端において良好な冷却効果が得られ、翼先端における焼損や欠損を防止することができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、空気圧を圧縮する圧縮機と、高温高圧の流体を発生させる燃焼器と、前記流体のエネルギーを翼で機械仕事に変換して軸トルクを発生させるタービンとを具備してなるガスタービンにおいて、前記タービンが、請求項１から３のいずれかに記載のタービン動翼を備えていることを特徴とする。
【００１５】
この発明に係るガスタービンによれば、上述したタービン動翼を備えているので、タービン入口における作動用の燃焼ガス（流体）の温度を従来より高温としても、タービン動翼の焼損や欠損が抑制される。これにより、タービン入口における作動用の燃焼ガスの温度を高くすることができるので、ガスタービンの熱効率を向上させることができると共に、タービン動翼のメンテナンスを減らすことができるので、ガスタービンの稼動効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明によれば、翼端後縁吹出口の開口面積を他の後縁吹出口の開口面積より大きく設定したので、他の後縁吹出口よりも翼端後縁吹出口において吹き出る冷却媒体の流量を増加させることができ、翼先端付近での冷却効果を向上させることができる。これにより、タービン動翼の耐熱性を向上させ、焼損や欠損の発生を防止することができ、タービン動翼を長寿命とすることができる。
【００１７】
また、請求項２に係る発明によれば、タービュレータとＵターン部とを有する内部流路のＵターン部の上流側において、Ｕターン部の外側壁に連続する壁から内側壁に連続する壁に向かって、上流から下流に向かうような傾斜でタービュレータが設けられているので、Ｕターン部において圧力損失を低減させることができる。これにより、内部流路を流れる冷却媒体の流量を増加させることができ、冷却効率を向上させることができる。
【００１８】
また、請求項３に係る発明によれば、チップホールが、翼先端方向へ向けて傾斜していると共に、翼先端方向へ向けて広がる扇型の開口部を有しているので、従来より冷却媒体が翼先端に流れ易くなり、翼先端におけるフィルム冷却の効果を向上させることができる。これにより、翼先端において良好な冷却効果が得られ、翼先端における焼損や欠損を防止することができる。
【００１９】
また、請求項４に係る発明によれば、上述したタービン動翼を備えているので、タービン入口における作動用の燃焼ガス（流体）の温度を従来より高温としても、タービン動翼の焼損や欠損を抑制することができる。これにより、ガスタービンの熱効率を向上させることができると共に、ガスタービンの稼動効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態のガスタービン４０の概略構成を示す断面図である。圧縮機（compressor）４１で圧縮された空気は、燃焼器４２で燃料を混合されて燃焼され、その燃焼ガス（流体）がタービン入口４３からタービン４４の内部に送られる。タービン４４の内部の燃焼ガス流路４５では、タービン静翼４６によって燃焼ガスが整流され、燃焼ガスのエネルギーが回転軸４７に配列されたタービン動翼１によって軸トルクを発生させている。
【００２１】
上記のようなガスタービン４０に用いられるタービン動翼１の内部断面図を図２に示す。タービン動翼１は、基端部２が回転軸４７に固定され、その内部に３本の内部流路３，４，５が設けられており、基端面９に冷却媒体を供給する供給口６，７，８が設けられている。また、タービン動翼１には、冷却媒体を外表面に吹き出すための複数の吹出口が設けられており、図２には、後縁端１０に開口する複数の後縁吹出口１１と、翼先端面１２に開口する複数の先端面吹出口１３とが示されている。後縁吹出口１１は、タービン動翼１の後縁端１０に沿って翼根付近１４から翼先端付近１５へ並んで複数箇所に設けられており、複数の後縁吹出口１１のうち翼先端付近に位置する翼端後縁吹出口１１Ａは、他の後縁吹出口１１よりも開口面積が大きく設定されている。図２中の矢印の向きは、冷却媒体の流れの向きを示している。
【００２２】
内部流路３，４，５には、複数のタービュレータ１６が冷却媒体の流れに対して傾斜して設けられている。この傾斜の向きは、２箇所のＵターン部１７，１８を有する内部流路３の場合、先のＵターン部１７の上流側の流路３ａにおいて、Ｕターン部１７の外側壁に連続する壁１９から内側壁に連続する壁２０に向かって上流から下流に向かうように設けられている。つまり、Ｕターン部１７で冷却媒体は右回りにＵターンするので、流路３ａにおいてタービュレータ１６は、その左側を上流側、右側を下流側となるように傾斜している。
【００２３】
また、Ｕターン部１７の下流側の流路３ｂは、次のＵターン部１８に対しては上流側となるので、流路３ｂでのタービュレータ１６の傾斜は、Ｕターン部１８の外側壁に連続する壁２１から内側壁に連続する壁２２に向かって上流から下流に向かうように設けられている。つまり、Ｕターン部１７の上流側と下流側とでタービュレータ１６の傾斜が逆向きとなるように設けられている。また、Ｕターン部１８の下流側の流路３ｃでのタービュレータ１６の傾斜は、前縁側となる壁２３から後縁側となる壁２４に向かって上流から下流に向かうように設けられている。また、流路４もＵターン部を有しており、流路３のタービュレータ１６の傾斜と同様に傾斜してタービュレータ１６が設けられている。
【００２４】
また、タービン動翼１の翼先端面１２の付近の翼面部に設けられているチップホール２５の正面図を図３に示し、その断面図を図４に示す。チップホール２５は、内部流路３（内部流路４，５において同じ）から高圧側翼面６５（図８参照）に向かってタービン動翼１の基端側から翼先端面１２側に向けて傾斜している円形孔２６と、円形孔２６に連続して先端方向へ向けて広がる扇型の開口部２７とを有している。開口部２７は、内部流路３から高圧側翼面６５に向かって、正面視して右側面２７ａ、左側面２７ｂおよび断面視して上側面２７ｃが、それぞれ円形孔２６の中心軸Ｏから離間するように形成されており、高圧側翼面６５に形成される開口部２７の縁２８の形状が、正面視して扇型となっている。
【００２５】
このタービン動翼１において、供給口６から内部流路３に供給された冷却媒体は、タービュレータ１６によって攪拌されながら流路３ａを通過し、Ｕターン部１７，１８において流れの向きを変え、流路３ｃを通過しながらその一部が後縁吹出口１１から吹き出され、流路３ｃの終端に設けられている翼端後縁吹出口１１Ａから吹き出ていく。これと共に、先端面吹出口１３やチップホール２５などからも、冷却媒体がタービン動翼１の外表面に吹き出ていく。
【００２６】
このとき、翼端後縁吹出口１１Ａは、他の後縁吹出口１１より開口面積が大きく設定されているので、翼端後縁吹出口１１Ａにおける冷却媒体の流量が、他の後縁吹出口１１の流量よりも大きくなり、翼先端付近１５での冷却効果が向上する。また、翼端後縁吹出口１１Ａの開口面積を大きくすることによって、内部流路３を通過する流量自体を増加させることができるので、内部流路３による冷却効果が向上する。これにより、タービン動翼１の耐熱性を向上させ、焼損や欠損の発生を防止することができ、タービン動翼１を長寿命とすることができる。
【００２７】
また、複数のタービュレータ１６が、Ｕターン部１７の上流側の流路３ａにおいて、Ｕターン部１７の外側壁に連続する壁１９から内側壁に連続する壁２０に向かって上流から下流に向かうように傾斜して設けられているので、Ｕターン部１７において圧力損失が低減する。つまり、Ｕターン部１７の上流においてＵターン部１７の内側に冷却媒体を寄せるようにタービュレータ１６が設けられているので、圧力損失が低減すると考えられるのである。このことについては、Ｕターン部１８および流路４のＵターン部においても同様の効果が得られる。
【００２８】
図５、図６に、従来の傾斜でタービュレータ３０が設けられた流路３１と、本実施の形態の傾斜でタービュレータ３２が設けられた流路３３とにおける、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析に用いられた模式図を示す。ＣＦＤ解析は、エントロピー生成量の分布に基づき、定量的に流路で発生する圧力損失を評価する手法である。ＣＦＤ解析によって、図６における領域Ｘおよび領域Ｙにおいて、約１５％の圧力損失係数の低減が確認された。
【００２９】
また、チップホール２５が、翼先端面１２に向かって傾斜していると共に、扇型の開口部２７を有しているので、翼先端面１２に向けて排出される冷却媒体の流量が増加され、翼先端面１２の付近におけるフィルム冷却の効果が向上する。これにより、翼先端面１２の付近において良好な冷却効果が得られ、翼先端面１２の付近における焼損や欠損を防止することができる。
【００３０】
また、タービン動翼１を燃焼ガス流路４５に配列させて用いるガスタービン４０は、上述した効果によりタービン動翼１の耐熱性能が向上しているので、タービン入口４３における作動用の燃焼ガス（流体）の温度を従来より高温とすることができ、熱効率を向上させることができる。また、タービン動翼１の焼損や欠損が防止され、タービン動翼１を長時間使用することができるので、タービン動翼１の整備によるガスタービン４０の運転停止が減少し、ガスタービン４０の稼動効率を向上させることができる。
【００３１】
なお、本実施の形態においては、流路３に２箇所のＵターン部１７、１８が設けられているが、Ｕターン部は、１箇所でも２箇所以上でもよい。また、タービン動翼１の後縁端１０に後縁吹出口１１が設けられているが、ピンフィンが設けられているタービン動翼に本発明を用いてもよい。また、流路も３本に限らず、３本以下でも３本以上でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態におけるガスタービンの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるタービン動翼の内部断面図である。
【図３】タービン動翼に設けられたチップホールの正面図ある。
【図４】図２のＺ−Ｚ断面図である。
【図５】ＣＦＤ解析に用いられた従来のタービュレータの傾斜における内部流路の模式図である。
【図６】ＣＦＤ解析に用いられた本発明のタービュレータの傾斜における内部流路の模式図である。
【図７】従来のタービン動翼の内部断面図である。
【図８】従来のタービン動翼の断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  タービン動翼
３，４，５  内部流路
１０  後縁端
１１  後縁吹出口
１１Ａ  翼端後縁吹出口
１４  翼根付近
１５  翼先端付近
１６  タービュレータ
１７，１８  Ｕターン部
１９，２１  外側壁に連続する壁
２０，２２  内側壁に連続する壁
２５  チップホール
２７  開口部
【図１】
2004225690.tif 000003
【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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【図８】
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