(57)【要約】【課題】旋回ノズル流路の加工を容易化させるとともに、冷却媒体の流れの調整自由度を向上させることができるガスタービン動翼冷却構造を提供する。【解決手段】実施の形態によるガスタービン動翼冷却構造４０は、冷却媒体供給空間４２から旋回ノズル流路４５を介して冷却媒体が供給される冷却媒体入口空間４３を備えている。静翼内周側静止部３７の内周側に、静翼内周側静止部３７とは別体のノズル画定部６０が設けられている。ノズル画定部６０は、２つの半円筒状部材６１によって円筒状に形成されている。半円筒状部材６１は、その外周面６１ａに設けられた、旋回ノズル流路４５を画定する旋回ノズル溝６３を有している。旋回ノズル溝６３は、冷却媒体入口空間４３に供給される冷却媒体に、タービンロータ３１の回転方向Ｒの旋回速度成分を付与する。【選択図】図２
2017101589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体供給空間と、
ケーシングにタービン静翼を介して支持された静翼内周側静止部と当該静翼内周側静止部に隣り合うタービンディスクとの間に設けられ、前記冷却媒体供給空間から旋回ノズル流路を介して前記冷却媒体が供給される冷却媒体入口空間と、
前記タービンディスクに設けられ、前記冷却媒体入口空間に供給された前記冷却媒体を、当該タービンディスクに設けられたタービン動翼内の動翼内流路に供給するディスク冷却孔と、
前記静翼内周側静止部の内周側に設けられ、前記静翼内周側静止部とは別体のノズル画定部と、を備え、
前記ノズル画定部は、２つの半円筒状部材によって円筒状に形成され、
前記半円筒状部材は、その外周面または内周面に設けられた、前記旋回ノズル流路を画定する旋回ノズル溝を有し、
前記旋回ノズル溝は、前記冷却媒体入口空間に供給される前記冷却媒体に、タービンロータの回転方向の旋回速度成分を付与することを特徴とするガスタービン動翼冷却構造。
【請求項２】
前記旋回ノズル溝は、前記半円筒状部材の外周面に設けられており、
前記半円筒状部材の外周面が、前記静翼内周側静止部の被当接面に当接し、
前記旋回ノズル流路は、前記旋回ノズル溝と前記静翼内周側静止部の前記被当接面とによって画定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項３】
前記半円塔状部材は、前記静翼内周側静止部に着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項４】
前記旋回ノズル溝は、一対の側壁を含み、
一対の前記側壁のうち回転方向の側の前記側壁と、前記半円筒状部材の前記冷却媒体供給空間の側の端面との間に、Ｒ部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項５】
軸方向に直交する方向における前記旋回ノズル溝の断面形状は、角部が丸みを帯びた矩形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項６】
外周側から見たときに、前記旋回ノズル溝の下流側部分が回転方向となす角度は、当該旋回ノズル溝の上流側部分が回転方向となす角度よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項７】
外周側から見たときに、前記旋回ノズル溝が回転方向となす角度は、上流側部分から下流側部分に向かって徐々に小さくなっていることを特徴とする請求項６に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項８】
前記旋回ノズル流路は、前記冷却空気入口空間に供給される前記冷却媒体に、内周方向の速度成分を付与することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項９】
前記旋回ノズル溝は、前記半円筒状部材の内周面に設けられており、
前記ノズル画定部の内周側に、前記ノズル画定部とは別体の追加ノズル画定部が設けられ、
前記追加ノズル画定部は、２つの追加半円筒状部材によって円筒状に形成され、
前記追加半円塔状部材の外周面が、前記半円塔状部材の内周面に当接し、
前記旋回ノズル流路は、前記旋回ノズル溝と前記追加半円塔状部材の前記外周面とによって画定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項１０】
前記追加半円塔状部材は、前記ノズル画定部に着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項９に記載のガスタービン動翼冷却構造。
【請求項１１】
媒体を圧縮して、その一部を前記冷却媒体供給空間に前記冷却媒体として供給する圧縮機と、
前記圧縮機において圧縮された前記媒体と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器において生成された前記燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部と、
前記タービン部に設けられ、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の前記ガスタービン動翼冷却構造と、を備えた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】
本発明の実施形態は、ガスタービン動翼冷却構造およびガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ガスタービンは、外部から空気を取り入れて圧縮する空気圧縮機と、空気圧縮機において圧縮された高圧空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器において生成された燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部と、を備えている。
【０００３】
このうちタービン部では、ケーシングにタービンロータが回転可能に設けられている。このタービンロータに、周方向に離間して配列された複数のタービン動翼を有するタービン動翼列が設けられている。一方、ケーシングには、周方向に離間して配列された複数のタービン静翼を有するタービン静翼列が設けられている。これらのタービン静翼列とタービン動翼列とにより一のタービン段落が構成されている。そして、タービン段落が、タービンロータの軸方向に複数配列されており、タービン部は、いわゆる軸流タービンと呼ばれる構造をなしている。
【０００４】
このような軸流タービン構造では、タービン静翼を通過する燃焼ガスが膨張して増速し、増速した作動流体がタービン動翼を通過する際に転向してタービン動翼に対して仕事を行う。このようにして、タービンロータが作動流体から動力（回転力）を得ている。
【０００５】
ところで、ガスタービン特有の仕様として、タービン部の入口における燃焼ガス温度は、プラントの熱効率向上を図るため１３００℃以上に達する場合がある。一方、タービン静翼やタービン動翼の材料として使用できる耐熱性超合金材料の限界温度は、９００℃程度であり、タービン部に流入する燃焼ガス温度よりも低い。このため、ガスタービンの信頼性を維持するために、タービン静翼やタービン動翼を耐熱性超合金材料の限界温度まで冷却する冷却構造がタービン部に設けられていることが好ましい。
【０００６】
このような冷却構造の一例として、図１７に示すように、空気圧縮機で圧縮された空気の一部を冷却空気として用いる場合がある。図１７に示す例では、ケーシングにタービン静翼１００を介して静翼内周側静止部１０１が支持されており、この静翼内周側静止部１０１の上流側に、空気圧縮機において圧縮された高圧空気が冷却空気として供給される圧縮機出口空間１０２が設けられている。静翼内周側静止部１０１内には、圧縮機出口空間１０２内の冷却空気が供給される静止部チャンバー１０３が設けられている。また、静翼内周側静止部１０１と、これに隣り合うタービンディスク１０４との間に、冷却空気入口空間１０５が設けられている。この冷却空気入口空間１０５には、静止部チャンバー１０３から旋回ノズル孔１０６（旋回ノズル流路）を介して冷却空気が供給される。タービンディスク１０４には、半径方向に延びる複数のディスク冷却孔１０７が設けられている。複数のディスク冷却孔１０７は、周方向に離間して配列されており、冷却空気入口空間１０５に供給された冷却空気は、各ディスク冷却孔１０７から、ディスクチャンバー１０８を介して各タービン動翼１０９内に設けられた動翼内流路１１０に供給される。動翼内流路１１０に供給された冷却空気は、タービン動翼１０９を冷却する。その後、冷却空気は、タービン動翼１０９の有効部の表面（翼面）に形成された動翼冷却孔１１１から吹き出され、タービン動翼１０９を通過する燃焼ガスに混合される。
【０００７】
しかしながら、動翼冷却孔１１１から吹き出された冷却空気は、タービン動翼１０９に対して実質的に仕事を行うことはできない。このことにより、冷却空気は、タービンロータ１１２の回転トルクの発生に実質的に寄与することができず、タービン効率が低下し得る。このため、タービン部の入口における燃焼ガス温度を高くすればするほど、タービン動翼１０９を冷却するための冷却空気の流量が増加し、性能向上が困難になっている。
【０００８】
このような問題に対処することを目的として、図１８に示すように、旋回ノズル孔１０６を、静止部チャンバー１０３から冷却空気入口空間１０５に向かって、タービンロータ１１２の軸方向に対して回転方向Ｒの側に傾斜させることが知られている。この場合、冷却空気入口空間１０５に供給される冷却空気に、タービンロータ１１２の回転方向Ｒの旋回速度成分が付与される。このことにより、冷却空気入口空間１０５に供給される冷却空気の相対速度を小さくすることができる。すなわち、図１８に示すように、冷却空気入口空間１０５に供給される冷却空気の絶対速度ベクトルＣが、タービンロータ１１２の回転方向成分を有する場合、この絶対速度ベクトルＣと、タービンロータ１１２の回転速度ベクトルＵとから求められる冷却空気の相対速度ベクトルＷの大きさが小さくなり得る。この結果、冷却空気入口空間１０５に供給された冷却空気の相対全温が低くなり、タービン動翼１０９の冷却効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
より具体的には、図１８に示す速度三角形から、冷却空気の絶対全温度をＴ、タービンロータ１１２に対する冷却空気の相対全温度をＴｒｅｌ、冷却空気の絶対速度をＣ、タービンロータ１１２に対する冷却空気の相対速度をＷ、冷却空気の定圧比熱をＣｐとすると、以下の関係式が成り立つ。
Ｔ−Ｔｒｅｌ＝（Ｃ２−Ｗ２）／（２Ｃｐ）・・・式（１）
上記式（１）によれば、冷却空気入口空間１０５に供給される冷却空気の相対速度Ｗが小さくなればなるほど、冷却空気入口空間１０５における冷却空気の相対全温度Ｔｒｅｌを低くすることができる。この結果、タービン動翼１０９の冷却効率が向上し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３０３４５１９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述したような旋回ノズル孔を軸方向に対して傾斜するように加工する場合、静翼内周側静止部の静止部チャンバーの側（または冷却空気入口空間の側）の端面に対して、孔加工用のドリルを斜めに傾けながら加工する。このことにより、旋回ノズル孔の加工が困難になり得るという問題がある。また、旋回ノズル孔は、孔加工用のドリルを用いて加工されるため、旋回ノズル孔の形状自由度が制限され得るという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、旋回ノズル流路の加工を容易化させるとともに、冷却媒体の流れの調整自由度を向上させることができるガスタービン動翼冷却構造およ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】
【００１３】
実施の形態によるガスタービン動翼冷却構造は、ケーシングにタービン静翼を介して支持された静翼内周側静止部と、冷却媒体供給空間と、冷却媒体供給空間から旋回ノズル流路を介して冷却媒体が供給される冷却媒体入口空間と、を備えている。冷却媒体入口空間は、静翼内周側静止部と、静翼内周側静止部に隣り合うタービンディスクとの間に設けられている。タービンディスクに、冷却媒体入口空間に供給された冷却媒体を、タービンディスクに設けられたタービン動翼内の動翼内流路に供給するディスク冷却孔が設けられている。静翼内周側静止部の内周側に、静翼内周側静止部とは別体のノズル画定部が設けられている。ノズル画定部は、２つの半円筒状部材によって円筒状に形成されている。半円筒状部材は、その外周面または内周面に設けられた、旋回ノズル流路を画定する旋回ノズル溝を有している。旋回ノズル溝は、冷却媒体入口空間に供給される冷却媒体に、タービンロータの回転方向の旋回速度成分を付与する。
【００１４】
また、実施の形態によるガスタービンは、媒体を圧縮して、その一部を冷却媒体供給空間に冷却媒体として供給する圧縮機と、圧縮機において圧縮された媒体と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器において生成された燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部と、を備えている。タービン部に、上述したガスタービン動翼冷却構造が設けられている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、旋回ノズル流路の加工を容易化させるとともに、冷却媒体の流れの調整自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１の実施の形態におけるガスタービンの構成を示す模式断面図である。
【図２】図２は、図１のガスタービン動翼冷却構造を示す子午面断面図である。
【図３】図３は、図２の半円筒状部材を示す斜視図である。
【図４】図４は、図３の半円筒状部材を組み立てる方法を説明するための図である。
【図５】図５は、軸方向に直交する方向における、図２の半円筒状部材を示す断面図である。
【図６】図６は、外周側から見た図５の半円筒状部材を示す図である。
【図７】図７は、図５の半円筒状部材の変形例（変形例１）を示す図である。
【図８】図８は、図７の比較例を示す図である。
【図９】図９は、図２の半円筒状部材の他の変形例（変形例２）として、旋回ノズル溝を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図５の半円筒状部材の他の変形例（変形例３）を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０における速度三角形を示す図である。
【図１２】図１２は、第２の実施の形態において、ガスタービン動翼冷却構造を示す子午面断面図である。
【図１３】図１３は、図１２の半円筒状部材を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、第３の実施の形態において、ガスタービン動翼冷却構造を示す子午面断面図である。
【図１５】図１５は、軸方向に直交する方向における、図１４の半円筒状部材を示す断面図である。
【図１６】図１６は、図１５のノズル画定部の変形例（変形例４）を示す断面図である。
【図１７】図１７は、一般的なガスタービン動翼冷却構造を示す子午面断面図である。
【図１８】図１８は、外周側から見た図１７の旋回ノズル孔およびディスク冷却孔を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるガスタービン動翼冷却構造およびガスタービンについて説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１乃至図６を用いて、第１の実施の形態におけるガスタービン動翼冷却構造およびガスタービンについて説明する。ここでは、まず、図１および図２を用いて、ガスタービンについて説明する。なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「一定」等の用語については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めるものとしている。
【００１９】
図１に示すように、ガスタービン１は、外部から取り入れられる空気（媒体）を圧縮する空気圧縮機１０と、空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲと燃料とを燃焼させて燃焼ガスＦＧを生成する燃焼器２０と、燃焼器２０において生成された燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部３０と、を備えている。すなわち、これら空気圧縮機１０とタービン部３０とはケーシング２に収容されており、ケーシング２に、圧縮機ロータ１１およびタービンロータ３１が回転可能に設けられている。圧縮機ロータ１１とタービンロータ３１とが一体に同軸状に軸結合されている。
【００２０】
ケーシング２内には、周方向に離間して配列された複数の圧縮機静翼１２を有する圧縮機静翼列が設けられている。一方、圧縮機ロータ１１に、周方向に離間して配列された複数の圧縮機動翼１３を有する圧縮機動翼列が設けられている。圧縮機静翼列と、当該圧縮機静翼列に下流側で隣り合う圧縮機動翼列とによって圧縮機段落が構成されている。空気圧縮機１０は、このような圧縮機段落を複数有しており、複数の圧縮機段落は、圧縮機ロータ１１の軸方向に配列されている。このような構成により、外部から取り込まれた空気は、各圧縮機段落を順に通過して、燃焼器２０に供給される。この間、空気が、回転する圧縮機ロータ１１に植設された圧縮機動翼１３によって圧縮され、高圧空気ＡＲとなる。
【００２１】
燃焼器２０は、空気圧縮機１０とタービン部３０との間に配置されており、周方向に複数の燃焼器２０が配列されている。空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲは、燃焼器２０のライナ２１に流入し、供給された燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスＦＧが生成される。生成された燃焼ガスＦＧは、ライナ２１から流出して、トランジションピース２２を通過してタービン部３０に流入する。
【００２２】
また、ケーシング２内には、図１および図２に示すように、タービン静翼３２が固設され、タービンロータ３１にはタービン動翼３３が植設されている。タービン静翼３２とタービン動翼３３は、燃焼ガスＦＧが流れる燃焼ガス通路３４内に配置されている。また、タービン静翼３２は、周方向に複数配列されており、タービン静翼列を構成している。同様に、タービン動翼３３は、周方向に複数配列されており、タービン動翼列を構成している。このようなタービン静翼列と、このタービン静翼列に下流側で隣り合うタービン動翼列とによって一のタービン段落が構成されている。タービン部３０は、このようなタービン段落を複数有しており、複数のタービン段落は、タービンロータ３１の軸方向に配列されている。最も上流側のタービン段落は、第１タービン段落３５といい、第１タービン段落３５の下流側に隣り合うタービン段落は、第２タービン段落という。最も下流側のタービン段落は、最終タービン段落という。
【００２３】
このような構成により、燃焼ガスＦＧは、図２の太矢印で示すように第１タービン段落３５に流入し、各タービン段落を順に通過して、タービン部３０から排出される。この間、タービン静翼３２に流入した燃焼ガスＦＧは膨張して増速し、タービン動翼３３で転向してタービン動翼３３に対して仕事を行う。このことにより、燃焼ガスＦＧの速度エネルギがタービンロータ３１の回転エネルギに変換され、タービンロータ３１が回転駆動される。このため、タービンロータ３１が燃焼ガスＦＧから動力（回転力）を得て、タービンロータ３１に連結された発電機（図示せず）において発電が行われる。
【００２４】
図２に示すように、ケーシング２（図１参照）には、静翼外周側静止部３６が設けられている。この静翼外周側静止部３６の内周側に、静翼内周側静止部３７が設けられている。静翼外周側静止部３６と静翼内周側静止部３７との間に、上述したタービン静翼３２が複数設けられている。複数のタービン静翼３２は、周方向に配列されている。このようにして、ケーシング２に静翼外周側静止部３６およびタービン静翼３２を介して静翼内周側静止部３７が支持されている。静翼内周側静止部３７は、上流側（空気圧縮機１０の側）に向って延びるように形成されている。
【００２５】
タービンロータ３１にはタービンディスク３８が設けられており、タービンディスク３８の外周側部に、上述したタービン動翼３３が複数植設されている。
【００２６】
このように構成されたタービン部３０の第１タービン段落３５に、本実施の形態によるガスタービン動翼冷却構造４０が設けられている。以下に、図２を用いて、ガスタービン動翼冷却構造４０について説明する。
【００２７】
ガスタービン動翼冷却構造４０は、上述した第１タービン段落３５の静翼内周側静止部３７と、静翼内周側静止部３７の上流側に設けられた圧縮機出口空間４１と、静翼内周側静止部３７内に設けられた静止部チャンバー４２（冷却媒体供給空間）と、冷却空気入口空間４３と、を備えている。このうち圧縮機出口空間４１は、環状に形成されており、空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲの一部が冷却空気（冷却媒体）として供給されるように構成されている。静翼内周側静止部３７内には圧縮機側流路４４が設けられており、圧縮機出口空間４１内の冷却空気は、圧縮機側流路４４を介して静止部チャンバー４２に供給される。複数の圧縮機側流路４４が、周方向に離間して配列されており、静止部チャンバー４２は、環状に形成されている。各圧縮機側流路４４は、静止部チャンバー４２に連通している。
【００２８】
冷却空気入口空間４３は、静翼内周側静止部３７と、当該静翼内周側静止部３７に隣り合うタービンディスク３８との間に設けられており、環状に形成されている。冷却空気入口空間４３に、上述した静止部チャンバー４２から、後述する旋回ノズル流路４５を介して冷却空気が供給される。このようにして、圧縮機出口空間４１内の冷却空気が、圧縮機側流路４４、静止部チャンバー４２および旋回ノズル流路４５を介して冷却空気入口空間４３に供給されるようになっている。ここで、圧縮機出口空間４１内の冷却空気の圧力は比較的高いため、圧縮機出口空間４１から冷却空気入口空間４３に冷却空気が供給可能になっている。
【００２９】
ところで、冷却空気入口空間４３の上流側（空気圧縮機１０の側）には、周方向に延びる圧縮機側シール装置４６が設けられている。この圧縮機側シール装置４６は、後述するノズル画定部６０より上流側に配置されている。一方、冷却空気入口空間４３の下流側（あるいは燃焼ガス通路３４の側）には、周方向に延びる静翼側シール装置４７が設けられている。本実施の形態による、冷却空気入口空間４３は、圧縮機側シール装置４６および静翼側シール装置４７によって画定されており、主として静止部チャンバー４２から冷却空気が供給されて、この冷却空気が、主として後述するディスク冷却孔４８に供給されるようになっている。
【００３０】
タービンディスク３８には、半径方向に延びるディスク冷却孔４８が設けられている。このディスク冷却孔４８は、冷却空気入口空間４３に供給された冷却空気を、タービンディスク３８内に設けられたディスクチャンバー４９を介して、タービン動翼３３内の動翼内流路５０に供給する。より具体的には、タービンディスク３８に、複数のディスク冷却孔４８が周方向に離間して配列されているとともに、ディスクチャンバー４９が環状に形成されている。各ディスク冷却孔４８はディスクチャンバー４９に連通しており、このディスクチャンバー４９に各動翼内流路５０が連通している。このような構成により、冷却空気入口空間４３に供給された冷却空気は、各ディスク冷却孔４８およびディスクチャンバー４９を介して各タービン動翼３３の動翼内流路５０に供給され、各タービン動翼３３が冷却される。タービン動翼３３を冷却した冷却空気は、動翼冷却孔（図１７参照）から燃焼ガス通路３４に噴出される。
【００３１】
図２に示すように、静翼内周側静止部３７の内周側に、静翼内周側静止部３７とは別体に形成されたノズル画定部６０が設けられている。このノズル画定部６０は、図３および図４に示すように、２つの半円筒状部材６１によって円筒状に形成されている。２つの半円筒状部材６１は、図４に示すように組み合わせることによりノズル画定部６０をなす。例えば、一方の半円筒状部材６１を、静翼内周側静止部３７のうちの上半部分（タービンロータ３１の回転軸線より上側の部分）に取り付けて、他方の半円筒状部材６１を、静翼内周側静止部３７のうちの下半部分（タービンロータ３１の回転軸線より下側の部分）に取り付けることができる。半円塔状部材６１は、静止部チャンバー４２と冷却空気入口空間４３との間に設けられており、上流側において静止部チャンバー４２に隣接し、下流側において冷却空気入口空間４３に隣接している。
【００３２】
図５に示すように、半円筒状部材６１の外周面６１ａが、静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａに当接し、半円筒状部材６１が、静翼内周側静止部３７にそれぞれ着脱可能に取り付けられていることが好適である。例えば、各半円筒状部材６１は、図示しないボルト等によって静翼内周側静止部３７に着脱可能に取り付けることができる。なお、本実施の形態による静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａの半径方向位置は、図２に示すように、静翼内周側静止部３７の内周面３７ｂ（圧縮機側シール装置４６が設けられている部分の面）の半径方向位置よりも半径方向外側に配置されている。
【００３３】
また、図２乃至図５に示すように、半円筒状部材６１は、その外周面６１ａに設けられた旋回ノズル溝６３を有している。この旋回ノズル溝６３は、静止部チャンバー４２から冷却空気入口空間４３に延びており、静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａに対向している。本実施の形態による旋回ノズル流路４５は、この旋回ノズル溝６３と静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａとによって画定されている。
【００３４】
より詳細に説明すると、半円筒状部材６１は、半円筒状に形成された、静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａに当接した半円筒状部材本体６２と、半円筒状部材本体６２の外周面（６１ａ）に設けられた旋回ノズル溝６３と、を有している。このうち旋回ノズル溝６３は、図３乃至図５に示すように、外周側に開放されて静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａに対向している。本実施の形態においては、旋回ノズル溝６３が、タービンロータ３１の軸方向に直交する方向における断面において、矩形状に形成されている。上述したように半円筒状部材６１の外周面６１ａが静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａに当接していることにより、本実施の形態による旋回ノズル流路４５は、閉じた矩形状断面を有している。
【００３５】
図６に示すように、旋回ノズル溝６３は、外周側から見たときに、上流側部分６５（静止部チャンバー４２の側の部分）から下流側部分６６（冷却空気入口空間４３の側の部分）に向かってタービンロータ３１の軸方向に対して回転方向Ｒの側に傾斜している。より具体的には、旋回ノズル溝６３は、外周側から見たときに、上流側部分６５から下流側部分６６に向かって軸方向に対して回転方向Ｒの側に傾斜した一対の側壁６４を含んでいる。
【００３６】
本実施の形態においては、外周側から見たときに旋回ノズル溝６３が回転方向Ｒとなす角度は、図６に示す旋回角度θで傾斜している。この旋回角度θは、回転方向Ｒと、旋回ノズル溝６３が延びる方向とのなす角度となっている。このようにして、旋回ノズル溝６３は、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気に、タービンロータ３１の回転方向Ｒの旋回速度成分を付与するようになっている。本実施の形態においては、この旋回角度θは、旋回ノズル溝６３の上流側部分６５から下流側部分６６にわたって、一定になっている。
【００３７】
旋回ノズル溝６３は、半円筒状部材本体６２に複数設けられており、周方向に離間して設けられていることが好適である。このことにより、冷却空気入口空間４３内の冷却空気の圧力および温度を周方向に均一化させることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態においては、旋回ノズル溝６３は、図６に示すように、全体的に一定の幅で形成されている例が示されているが、このことに限られることはない。例えば、上流側部分６５の幅よりも、下流側部分６６の幅が小さくなるように形成してもよく、更には、上流側部分６５から下流側部分６６に向かって、旋回ノズル溝６３の幅が徐々に小さくなるように形成してもよい。
【００３９】
また、図２に示すように、本実施の形態における半円筒状部材６１の外周面６１ａは、タービンロータ３１の軸方向に平行に形成されている。旋回ノズル溝６３は、当該外周面６１ａに沿って形成されており、上流側部分６５から下流側部分６６にわたって、同一の半径方向位置に形成されている。半円筒状部材６１の内周面６１ｂも、軸方向に平行に形成されている。
【００４０】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００４１】
ガスタービン１の運転中、図１に示すように、外部から空気が取り入れられて空気圧縮機１０において圧縮される。空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲは、燃焼器２０に供給されるが、一部の高圧空気ＡＲは、冷却空気として圧縮機出口空間４１（図２参照）に供給される。
【００４２】
圧縮機出口空間４１に供給された冷却空気は、図２に示すように、圧縮機側流路４４を通過して静止部チャンバー４２に流入する。そして、静止部チャンバー４２に供給された冷却空気は、旋回ノズル流路４５を通過して冷却空気入口空間４３に流入する。旋回ノズル流路４５を通過する空気は、旋回ノズル流路４５を画定する旋回ノズル溝６３に沿って流れる。すなわち、図６に示すように、タービンロータ３１の軸方向に対して回転方向Ｒの側に傾斜する方向に流れる。このことにより、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気に、旋回成分が付与される。
【００４３】
冷却空気に旋回成分が付与されると、図６に示すように、冷却空気の絶対速度ベクトルＣが、回転方向Ｒの側に傾斜し、絶対速度ベクトルＣと回転速度ベクトルＵとから求められる冷却空気の相対速度ベクトルＷの大きさを小さくすることができる。この場合、当該冷却空気の相対全温度を低くすることができる（上述した式（１）参照）。このため、タービン動翼３３の冷却効率が向上し得る。
【００４４】
冷却空気入口空間４３に流入した冷却空気は、図２に示すように、ディスク冷却孔４８を通過して、タービン動翼３３内の動翼内流路５０に流入する。このことにより、燃焼ガス通路３４を流れる燃焼ガスＦＧによって加熱されているタービン動翼３３が、冷却空気によって冷却される。タービン動翼３３を冷却した冷却空気は、動翼冷却孔（図１７の符号１１１参照）から燃焼ガス通路３４に噴出される。
【００４５】
このように本実施の形態によれば、静止部チャンバー４２から冷却空気入口空間４３に延びる旋回ノズル流路４５が、ノズル画定部６０を構成する半円筒状部材６１の外周面６１ａに設けられた旋回ノズル溝６３によって画定されている。このことにより、旋回ノズル溝６３を、半円筒状部材６１に対して外周側から加工して形成することができ、旋回ノズル流路４５をドリル加工によって形成することを不要とすることができる。このため、旋回ノズル溝６３の加工を容易化させて、旋回ノズル流路４５を容易に得ることができる。
【００４６】
また、本実施の形態によれば、旋回ノズル溝６３を半円筒状部材６１に外周側から加工することができるため、旋回ノズル溝６３の形状自由度を向上させることができる。すなわち、旋回ノズル流路４５をドリル加工で形成された孔によって構成する場合には、加工された孔の形状の自由度は制限される傾向にあった。しかしながら、本実施の形態のように半円筒状部材６１の外周面６１ａに旋回ノズル溝６３を加工する場合には、加工による形状の自由度が制限されることを防止できる。このことにより、旋回ノズル溝６３を種々の形状に形成することが可能になる。この場合、冷却空気入口空間４３における冷却空気の相対全温度を効果的に低下し得る形状に旋回ノズル溝６３を加工することが可能になる。
【００４７】
さらに、本実施の形態によれば、半円筒状部材６１が、静翼内周側静止部３７に着脱可能に取り付けられている。このことにより、半円筒状部材６１を静翼内周側静止部３７から容易に取り外すことができる。このため、旋回ノズル溝６３の形状や個数が異なる他の半円筒状部材６１に容易に交換することができ、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の流れの調整を容易に行うことができる。この結果、流れの調整自由度を向上させることができる。このような交換は、例えば、定期検査時の分解組立の際に行うことができる。
【００４８】
（変形例１）
なお、上述した本実施の形態においては、例えば、図７に示すように、旋回ノズル溝６３の一対の側壁６４のうち回転方向Ｒの側（図７の上側）の側壁６４と、半円筒状部材６１の静止部チャンバー４２の側の端面６１ｃの間に、Ｒ部７０が設けられていてもよい。Ｒ部７０は、当該側壁６４と当該端面６１ｃとを滑らかに接続する曲面形状を有している。このことにより、静止部チャンバー４２から旋回ノズル溝６３に流入する空気の流れ方向を緩やかに変化させることが可能になる。
【００４９】
すなわち、図８に示すように、図７に示すようなＲ部７０が設けられていない場合には、回転方向Ｒの側の側壁６４と半円筒状部材６１の静止部チャンバー４２の側の端面６１ｃとのなす角度が鋭角になる。この場合、静止部チャンバー４２から旋回ノズル溝６３に流入する空気の流れ方向の変化が急激になり、図８に示すような流れの剥離が発生して圧力損失が増大する可能性がある。
【００５０】
これに対して、図７に示す変形例１によれば、上述したＲ部７０によって、静止部チャンバー４２から旋回ノズル溝６３に流入する空気の流れ方向の変化を緩やかにすることができる。このことにより、流れの剥離が発生することを抑制し、圧力損失を低減することができる。このため、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の絶対速度が低減することを抑制でき、当該冷却空気に効果的に旋回成分を付与することができる。この場合、冷却空気の相対全温度を低くして、タービン動翼３３の冷却効率をより一層向上させることができる。
【００５１】
（変形例２）
また、上述した本実施の形態においては、例えば、図９に示すように、タービンロータ３１の軸方向に直交する方向における旋回ノズル溝６３の断面形状は、角部が丸みを帯びていてもよい。より具体的には、旋回ノズル溝６３は、一対の側壁６４と、これらの側壁６４を接続する底壁７１とを含んでおり、各側壁６４と底壁７１とが、曲面状（あるいは円弧状）のフィレット形状７２を介して滑らかに接続されている。このことにより、各側壁６４と底壁７１との角部における圧力損失を抑制することができ、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の絶対速度が低減することを抑制できる。圧力損失をより一層抑制するためには、旋回ノズル溝６３は、半円弧状や半楕円弧状に形成されていてもよい。
【００５２】
（変形例３）
さらに、上述した本実施の形態においては、旋回ノズル溝６３の上流側部分６５から下流側部分６６にわたって、旋回角度θが一定になっている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、図１０に示すように、外周側から見たときに、旋回ノズル溝６３の下流側部分６６が回転方向Ｒとなす旋回角度θ２が、旋回ノズル溝６３の上流側部分６５が回転方向Ｒとなす旋回角度θ１よりも小さくなっていてもよい。図１０に示す形態では、外周側から見たときに、旋回角度θが、旋回ノズル溝６３の上流側部分６５から下流側部分６６に向かって徐々に小さくなっており、旋回ノズル溝６３の側壁６４が、外周側から見たときに円弧状に形成されている。
【００５３】
図１１に、変形例３における速度三角形を実線で示している。また、図１１には、旋回ノズル溝６３が旋回角度θ１で一定に形成されている場合（すなわち、図６に示す形態に相当）における速度三角形を破線で示している。図１１に示すように、旋回角度を小さくすることにより、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の相対速度Ｗをより一層小さくすることができる。この場合、当該冷却空気の相対全温度をより一層低くすることができる。すなわち、変形例３における冷却空気の絶対速度をＣ’、冷却空気の相対速度をＷ’とすると、
（Ｃ’２−Ｗ’２）＞（Ｃ２−Ｗ２）
となる。このため、上述した式（１）により、冷却空気の相対全温度Ｔｒｅｌをより一層低くし、タービン動翼３３の冷却効率をより一層向上させることが可能になる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
次に、図１２および図１３を用いて、第２の実施の形態におけるガスタービン動翼冷却構造およびガスタービンについて説明する。
【００５５】
図１２および図１３に示す第２の実施の形態においては、旋回ノズル流路は、冷却空気入口空間に供給される冷却媒体に、内周方向の速度成分を付与する点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１２および図１３において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５６】
本実施の形態においては、旋回ノズル流路４５は、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気に、内周方向の速度成分（ピッチ角度成分）を付与する。
【００５７】
図１２および図１３に示すように、静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａが円錐台状に形成されているとともに、ノズル画定部６０を構成する半円筒状部材６１の外周面６１ａが円錐台状に形成されている。言い換えると、子午面断面において、半円筒状部材６１の外周面６１ａは、静止部チャンバー４２から冷却空気入口空間４３に向かって軸方向に対して内周方向に傾斜しており、当該外周面６１ａの半径方向位置が半径方向内側に徐々に変位するように形成されている。本実施の形態における旋回ノズル溝６３は、この半円筒状部材６１の外周面６１ａに沿って形成されており、旋回ノズル溝６３の半径方向位置は、静止部チャンバー４２から冷却空気入口空間４３に向かって半径方向内側に徐々に変位するように形成されている。なお、半円筒状部材６１の内周面６１ｂは、タービンロータ３１の軸方向に平行に形成されている。
【００５８】
このように本実施の形態によれば、旋回ノズル流路４５が、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気に内周方向の速度成分を付与する。このことにより、旋回ノズル溝６３から冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の流れ方向を、半径方向内側に向けることができる。このため、図１２に示すように、旋回ノズル溝６３の下流側部分６６（図６参照）の半径方向位置が、ディスク冷却孔４８の半径方向位置よりも半径方向外側に配置されている場合であっても、旋回ノズル溝６３から流出する冷却空気を、ディスク冷却孔４８に向けて流すことができる。従って、冷却空気入口空間４３に供給された冷却空気がタービンディスク３８に衝突することにより生じる圧力損失を低減することができる。すなわち、冷却空気に内周方向の速度成分が付与されない場合には、冷却空気入口空間４３に供給された冷却空気はタービンディスク３８に衝突しやすくなり、圧力損失が増大するおそれがある。これに対して本実施の形態によれば、冷却空気を半径方向内側に向けることができるため、このような衝突を抑制することができ、圧力損失を低減することができる。このため、冷却空気入口空間４３内の冷却空気の絶対速度が低減することを抑制できる。この場合、冷却空気の相対全温度を低くして、タービン動翼３３の冷却効率をより一層向上させることができる。
【００５９】
（第３の実施の形態）
次に、図１４および図１５を用いて、第３の実施の形態におけるガスタービン動翼冷却構造およびガスタービンについて説明する。
【００６０】
図１４および図１５に示す第３の実施の形態においては、半円筒状部材が、その内周面に設けられた旋回ノズル溝を有している点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１４および図１５において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
本実施の形態においては、図１４に示すように、静翼内周側静止部３７に、図２に示すような静止部チャンバー４２および圧縮機側流路４４は設けられていない。一方、静翼内周側静止部３７には、半径方向に延びる圧縮機側流路８０が設けられており、圧縮機出口空間４１内の冷却空気が、圧縮機側流路８０および圧縮機側シール装置４６を介してロータ表面空間８１（冷却媒体供給空間）に供給されるようになっている。このロータ表面空間８１は、静翼内周側静止部３７とタービンロータ３１との間に形成された空間であって、圧縮機側シール装置４６と冷却空気入口空間４３との間に形成された空間となっている。ロータ表面空間８１に供給された冷却空気は、旋回ノズル流路８２を介して冷却空気入口空間４３に供給されるようになっている。
【００６２】
静翼内周側静止部３７の内周側には、静翼内周側静止部３７とは別体に形成された本実施の形態によるノズル画定部８３が設けられている。このノズル画定部８３は、第１の実施の形態におけるノズル画定部６０と同様に、２つの半円筒状部材８４によって円筒状に形成されている。半円筒状部材８４の内周面８４ｂは、タービンロータ３１の外周面３１ａに対向している。半円筒状部材８４の内周面８４ｂとタービンロータ３１の外周面３１ａとの間には、半円筒状部材８４とタービンロータ３１との干渉を防止するためのクリアランスが設けられている。なお、半円筒状部材８４の外周面８４ａは、全体的に静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａに当接している。本実施の形態における静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａの半径方向位置は、静翼内周側静止部３７の内周面３７ｂ（圧縮機側シール装置４６が設けられている部分の面）の半径方向位置と同一になっている。また、半円筒状部材８４は、第１の実施の形態における半円筒状部材６１と同様に、静翼内周側静止部３７に着脱可能に取り付けられていることが好適である。
【００６３】
図１４および図１５に示すように、半円筒状部材８４は、その内周面８４ｂに設けられた旋回ノズル溝８５を有している。この旋回ノズル溝８５は、第１の実施の形態における旋回ノズル溝６３と同様に形成されており、ロータ表面空間８１から冷却空気入口空間４３に延びている。また、旋回ノズル溝８５は、内周側に開放されており、タービンロータ３１の外周面３１ａに対向している。本実施の形態による旋回ノズル流路８２は、この旋回ノズル溝８５によって画定されている。なお、図１４および図１５に示す旋回ノズル溝８５は内周側に開放されているが、半円筒状部材８４の内周面８４ｂとタービンロータ３１の外周面３１ａとの間のクリアランスを小さくする、若しくは旋回ノズル溝８５の流路面積を大きくすることにより、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気のうち旋回ノズル溝８５を通過する冷却空気の割合を大きくすることができる。この場合、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気に、効果的に旋回成分を付与することが可能になる。
【００６４】
ガスタービン１の運転中、圧縮機出口空間４１に供給された冷却空気は、圧縮機側流路８０および圧縮機側シール装置４６を通過してロータ表面空間８１に流入する。そして、ロータ表面空間８１に供給された冷却空気は、旋回ノズル流路８２を通過して冷却空気入口空間４３に流入する。旋回ノズル流路８２を通過する空気は、旋回ノズル流路８２を画定する旋回ノズル溝８５に沿って流れる。すなわち、タービンロータ３１の軸方向に対して回転方向Ｒの側に傾斜する方向に流れる。このことにより、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気に、旋回成分が付与される。
【００６５】
冷却空気に旋回成分が付与されると、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の相対速度を小さくすることができ、当該冷却空気の相対全温度を低くすることができる（上述した式（１）参照）。このため、タービン動翼３３の冷却効率が向上し得る。
【００６６】
このように本実施の形態によれば、ロータ表面空間８１から冷却空気入口空間４３に延びる旋回ノズル流路８２が、ノズル画定部８３を構成する半円筒状部材８４の内周面８４ｂに設けられた旋回ノズル溝８５によって画定されている。このことにより、旋回ノズル溝８５を、半円筒状部材８４に対して内周側から加工して形成することができ、旋回ノズル流路８２をドリル加工によって形成することを不要とすることができる。このため、旋回ノズル溝８５の加工を容易化させて、旋回ノズル流路８２を容易に得ることができる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、旋回ノズル溝８５を半円筒状部材８４に内周側から加工することができるため、旋回ノズル溝８５の形状自由度を向上させることができる。すなわち、旋回ノズル流路８２をドリル加工で形成された孔によって構成する場合には、加工された孔の形状の自由度は制限される傾向にあった。しかしながら、本実施の形態のように半円筒状部材８４の内周面８４ｂに旋回ノズル溝８５を加工する場合には、加工による形状の自由度が制限されることを防止でき、旋回ノズル溝８５を種々の形状に形成することが可能になる。この場合、冷却空気入口空間４３における冷却空気の相対全温度を効果的に低下し得る形状に旋回ノズル溝８５を加工することも可能になる。
【００６８】
また、本実施の形態によれば、半円筒状部材８４が、静翼内周側静止部３７に着脱可能に取り付けられている。このことにより、半円筒状部材８４を静翼内周側静止部３７から容易に取り外すことができる。このため、旋回ノズル溝８５の形状や個数が異なる他の半円筒状部材８４に容易に交換することができ、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の流れの調整を容易に行うことができる。この結果、流れの調整自由度を向上させることができる。このような交換は、例えば、定期検査時の分解組立の際に行うことができる。
【００６９】
さらに、本実施の形態によれば、静翼内周側静止部３７の被当接面３７ａに、ノズル画定部８３が設けられていない既設のガスタービン１のタービン部３０においても、当該被当接面３７ａにノズル画定部８３の半円筒状部材８４を取り付けるという改造を容易に行うことができる。このため、既設のガスタービン１のタービン動翼３３の冷却効率を向上させることができる。
【００７０】
（変形例４）
なお、上述した本実施の形態においては、例えば、図１６に示すように、ノズル画定部８３の内周側に、ノズル画定部８３とは別体に形成された追加ノズル画定部９０が設けられていてもよい。この追加ノズル画定部９０は、ノズル画定部８３と同様に、２つの追加半円筒状部材９１によって円筒状に形成されており、２つの追加半円筒状部材９１を組み合わせることにより追加ノズル画定部９０をなす。例えば、一方の追加半円筒状部材９１を、上半部分に対応する半円筒状部材８４に取り付けるとともに、他方の追加半円筒状部材９１を、下半部分に対応する半円筒状部材８４に取り付けることができる。追加半円筒状部材９１の外周面９１ａは、半円筒状部材８４の内周面８４ｂに当接している。また、追加半円筒状部材９１がノズル画定部８３に着脱可能に取り付けられていることが好適である。例えば、各追加半円筒状部材９１は、図示しないボルト等によってノズル画定部８３に着脱可能に取り付けることができる。なお、追加半円塔状部材９１の内周面９１ｂとタービンロータ３１の外周縁３１ａとの間には、図１４および図１５に示す形態と同様に、追加半円塔状部材９１とタービンロータ３１との干渉を防止するためのクリアランスが設けられている。
【００７１】
変形例４による旋回ノズル流路８２は、この旋回ノズル溝８５と追加半円筒状部材９１の外周面９１ａとによって画定されている。より詳細に説明すると、旋回ノズル溝８５は、内周側に開放されて追加半円筒状部材９１の外周面９１ａに対向している。本実施の形態においては、旋回ノズル溝８５が、タービンロータ３１の軸方向に直交する方向における断面において、矩形状に形成されている。上述したように半円筒状部材８４の内周面８４ｂが追加半円筒状部材９１の外周面９１ａに当接していることにより、本実施の形態による旋回ノズル流路８２は、閉じた矩形状断面を有している。このことにより、旋回ノズル流路８２を通過する冷却空気の圧力損失を低減することができる。このため、冷却空気入口空間４３に供給される冷却空気の絶対速度が低減することを抑制でき、当該冷却空気に効果的に旋回成分を付与することができる。
【００７２】
以上述べた実施の形態によれば、旋回ノズル流路の加工を容易化させるとともに、冷却媒体の流れの調整自由度を向上させることができる。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１：ガスタービン、２：ケーシング、１０：空気圧縮機、２０：燃焼器、３０：タービン部、３１：タービンロータ、３２：タービン静翼、３３：タービン動翼、３７：静翼内周側静止部、３７ａ：被当接面、３８：タービンディスク、４０：ガスタービン動翼冷却構造、４２：静止部チャンバー、４３：冷却空気入口空間、４５：旋回ノズル流路、４８：ディスク冷却孔、５０：動翼内流路、６０：ノズル画定部、６１：半円筒状部材、６１ａ：外周面、６１ｂ：内周面、６１ｃ：端面、６３：旋回ノズル溝、６４：側壁、６５：上流側部分、６６：下流側部分、７０：Ｒ部、７１：底壁、８１：ロータ表面空間、８２：旋回ノズル流路、８３：ノズル画定部、８４：半円筒状部材、８４ａ：外周面、８４ｂ：内周面、８５：旋回ノズル溝、９０：追加ノズル画定部、９１：追加半円筒状部材、９１ａ：外周面、Ｒ：回転方向
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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