(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流路が形成された翼本体と、
前記翼本体の基端方向に延びる第１構造体と
を具備し、
前記流路は、前記翼本体の基部から端部まで前記基端方向に延びる第１流路部分を含み、
前記翼本体は、前記基部及び前記端部の一方側から他方側に向かって細くなり、
前記第１流路部分は、前記一方側の第１流路一方側部分と、前記他方側の第１流路他方側部分とだけから構成され、
前記第１流路一方側部分及び前記第１流路他方側部分は、前記基端方向に延び、
前記第１構造体は、前記第１流路一方側部分に設けられ、前記第１流路他方側部分に設けられず、
前記第１構造体は、前記第１流路一方側部分を互いに並列な流路としての第１流路一方側第１部分及び第１流路一方側第２部分に分離する
タービン翼。
【請求項２】
前記第１流路一方側第１部分の流路断面における縦横比と前記第１流路一方側第２部分の流路断面における縦横比との両方が、前記第１構造体がないとした場合の前記第１流路一方側部分の流路断面における縦横比よりも１に近い
請求項１のタービン翼。
【請求項３】
前記基端方向に延びる第２構造体を更に具備し、
前記第１流路一方側部分は、前記第１構造体がないとした場合の前記翼本体の背腹方向に沿う流路幅が前記翼本体の前後方向に沿う流路幅よりも大きく、
前記第１流路一方側第１部分は、前記第１構造体よりも前記翼本体の背側に配置され、
前記第１流路一方側第２部分は、前記第１構造体よりも前記翼本体の腹側に配置され、
前記流路は、前記基部から前記端部まで前記基端方向に沿って延びる第２流路部分を含み、
前記第２流路部分は、前記一方側の第２流路一方側部分と、前記他方側の第２流路他方側部分とだけから構成され、
前記第２流路一方側部分及び前記第２流路他方側部分は、前記基端方向に延び、
前記第２構造体は、前記第２流路一方側部分に設けられ、前記第２流路他方側部分に設けられず、
前記第２構造体は、前記第２流路一方側部分を互いに並列な第２流路一方側第１部分及び第２流路一方側第２部分に分離し、
前記第２流路一方側部分は、前記第２構造体がないとした場合の前記前後方向に沿う流路幅が前記背腹方向に沿う流路幅よりも大きく、
前記第２流路一方側第１部分は、前記第２構造体よりも前記翼本体の前縁側に配置され、
前記第２流路一方側第２部分は、前記第２構造体よりも前記翼本体の後縁側に配置される
請求項１のタービン翼。
【請求項４】
前記基端方向に延びる第２構造体を更に具備し、
前記第１流路一方側第１部分は、前記第１構造体よりも前記翼本体の背側に配置され、
前記第１流路一方側第２部分は、前記第１構造体よりも前記翼本体の腹側に配置され、
前記流路は、前記第１流路部分と前記翼本体の前後方向に隣り合うように前記基部から前記端部まで前記基端方向に沿って延びる第２流路部分を含み、
前記第２流路部分は、前記一方側の第２流路一方側部分と、前記他方側の第２流路他方側部分とだけから構成され、
前記第２流路一方側部分及び前記第２流路他方側部分は、前記基端方向に延び、
前記第２構造体は、前記第２流路一方側部分に設けられ、前記第２流路他方側部分に設けられず、
前記第２構造体は、前記第２流路一方側部分を互いに並列な第２流路一方側第１部分及び第２流路一方側第２部分に分離し、
前記第２流路一方側第１部分は、前記第２構造体よりも前記背側に配置され、
前記第２流路一方側第２部分は、前記第２構造体よりも前記腹側に配置され、
前記翼本体は、前記第１流路部分と前記第２流路部分との間に流路壁を備え、
前記第１構造体は、第１位置において前記流路壁に接合され、
前記第２構造体は、前記第１位置に対して前記背腹方向にずれた第２位置において前記流路壁に接合される
請求項１のタービン翼。
【請求項５】
前記第１流路一方側第１部分及び前記第１流路一方側第２部分には、冷却媒体が同一方向へ流れる
請求項１乃至４のいずれかに記載のタービン翼。
【請求項６】
前記第１構造体は、前記一方側の端部又は前記他方側の端部に圧力損失低減構造を備える
請求項１乃至５のいずれかに記載のタービン翼。
【請求項７】
前記第１構造体の前記基端方向に垂直な断面において、前記一方側で断面積が大きく前記他方側で断面積が小さい
請求項１乃至６のいずれかに記載のタービン翼。
【請求項８】
内部に流路が形成された翼本体と、前記翼本体の基端方向に延びる第１構造体とを具備するタービン翼の冷却方法であって、
前記流路は、前記翼本体の基部から端部まで基端方向に延びる第１流路部分を含み、
前記翼本体は、前記基部及び前記端部の一方側から他方側に向かって細くなり、
前記第１流路部分は、前記一方側の第１流路一方側部分と、前記他方側の第１流路他方側部分とだけから構成され、
前記第１流路一方側部分及び前記第１流路他方側部分は、前記基端方向に延び、
前記第１構造体は、前記第１流路一方側部分に設けられ、前記第１流路他方側部分に設けられず、前記第１構造体は、前記第１流路一方側部分を互いに並列な流路としての第１流路一方側第１部分及び第１流路一方側第２部分に分離し、
前記流路に冷却媒体を供給するステップを具備する
タービン翼の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンのタービン翼の冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、タービン翼の冷却構造を開示している。図１は、タービン翼１００の断面図を示す。タービン翼１００には、冷却空気を流すための腹面側流路及び背面側流路が設けられている。腹面側流路は、空洞１２４及び空洞１２６を含む。背面側流路は、空洞１４２及び空洞１４４を含む。空洞１２４、１２６、１４２及び１４４の各々は、タービン翼１００の基端方向（高さ方向）に延びている。空洞１２６は空洞１２４の前縁側に配置され、空洞１４２は空洞１４４の前縁側に配置されている。空洞１４２は空洞１２６の背面側に配置され、空洞１４４は空洞１２４の背面側に配置されている。空洞１２４及び空洞１２６はタービン翼１００の端部において接続され、空洞１４２及び空洞１４４はタービン翼１００の端部において接続されている。空洞１２４の基部側部分に供給された冷却空気は、空洞１２４を基部側から端部側へと流れた後、空洞１２６を端部側から基部側へと流れる。また、空洞１４２の基部側部分に供給された冷却空気は、空洞１４２を基部側から端部側へと流れた後、空洞１４４を端部側から基部側へと流れる。
【０００３】
このようにタービン翼１００の背面側と腹面側とに異なる流路を設けることで、流路の断面積が小さくなる。したがって、冷却空気の流量が少ない場合でも流速を高くして熱伝達率を高くすることができる。
【０００４】
ところで、発明者の検討によれば、タービン翼が基部側から端部側に向かって細くなっている場合、タービン翼の基端方向に延びる流路の断面積は基部側で大きく端部側で小さい。したがって、基部側で必要な流速が得られる流量の冷却空気を流路に流した場合、端部側における流速が必要以上に高くなる。過剰な流速は、過大な圧力損失を招く。逆に、端部側における流速が適切な範囲に納まる流量の冷却空気を流路に流した場合、基部側において必要な流速が得られなくなる。
【０００５】
また、非特許文献１は、タービン翼に設けられた流路のアスペクト比が熱伝達及び圧力損失に及ぼす影響を開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８４３号公報
【非特許文献１】Ｊｅ−Ｃｈｉｎ  Ｈａｎ，Ｓａｎｄｉｐ  Ｄｕｔｔａ，  Ｓｒｉｎａｔｈ  Ｅｋｋａｄ著、「ＧＡＳ  ＴＵＲＢＩＮＥ  ＨＥＡＴ  ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＡＮＤ  ＣＯＯＬＩＮＧ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ」、ｐｐ２９５−２９６，ＴＡＹＬＯＲ  ＆  ＦＲＡＮＣＩＳ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、タービン翼の基部側及び端部側の両方において冷却を高効率化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下に、（発明を実施するための最良の形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための最良の形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明によるタービン翼（１０）は、内部に流路（３１〜３３）が形成された翼本体（１１）と、翼本体（１１）の基端方向に延びる第１構造体（４１〜４３）とを具備する。流路（３１〜３３）は、翼本体（１１）の基部（１３）から端部（１２）まで基端方向に延びる第１流路部分（３１ａ、３３ａ〜３３ｃ）を含む。翼本体（１１）は、基部（１３）及び端部（１２）の一方側から他方側に向かって細くなっている。第１流路部分（３１ａ、３３ａ〜３３ｃ）は、一方側の第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）と、他方側の第１流路他方側部分（３１ｖ、３３ｖ）とだけから構成される。第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）及び第１流路他方側部分（３１ｖ、３３ｖ）は、基端方向に延びている。第１構造体（４１〜４３）は、第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）に設けられ、第１流路他方側部分（３１ｖ、３３ｖ）に設けられない。
【００１０】
第１構造体（４１〜４３）は、第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）を互いに並列な流路としての第１流路一方側第１部分（３１ｘ、３３ｙ、３３ｔ）及び第１流路一方側第２部分（３１ｙ、３３ｘ、３３ｓ）に分離する。
【００１１】
第１流路一方側第１部分（３１ｘ、３３ｙ、３３ｔ）の流路断面における縦横比と第１流路一方側第２部分（３１ｙ、３３ｘ、３３ｓ）の流路断面における縦横比との両方が、第１構造体（４１〜４３）がないとした場合の第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）の流路断面における縦横比よりも１に近い。
【００１２】
タービン翼（１０）は、基端方向に延びる第２構造体（４１）を更に具備する。第１流路一方側部分（３３ｗ）は、第１構造体（４２、４３）がないとした場合の翼本体（１１）の背腹方向に沿う流路幅（ｂ）が翼本体（１１）の前後方向に沿う流路幅（ａ）よりも大きい。第１流路一方側第１部分（３３ｙ、３３ｔ）は、第１構造体（４２、４３）よりも翼本体（１１）の背側に配置される。第１流路一方側第２部分（３３ｘ、３３ｓ）は、第１構造体（４２、４３）よりも翼本体（１１）の腹側に配置される。流路（３１〜３３）は、基部（１３）から端部（１２）まで基端方向に沿って延びる第２流路部分（３１ａ、３３ｃ）を含む。第２流路部分（３１ａ、３３ｃ）は、一方側の第２流路一方側部分（３１ｗ）と、他方側の第２流路他方側部分（３１ｖ）とだけから構成される。第２流路一方側部分（３１ｗ）及び第２流路他方側部分（３１ｖ）は、前記基端方向に延びている。第２構造体（４２）は、第２流路一方側部分（３１ｗ）に設けられ、第２流路他方側部分（３１ｖ）に設けられない。第２構造体（４１）は、第２流路一方側部分（３１ｗ）を互いに並列な第２流路一方側第１部分（３１ｘ）及び第２流路一方側第２部分（３１ｙ）に分離する。第２流路一方側部分（３１ｗ）は、第２構造体（４１）がないとした場合の前後方向に沿う流路幅（ａ）が背腹方向に沿う流路幅（ｂ）よりも大きい。第２流路一方側第１部分（３１ｘ）は、第２構造体（４１）よりも翼本体（１１）の前縁側に配置される。第２流路一方側第２部分（３１ｙ）は、第２構造体（４１）よりも翼本体（１１）の後縁側に配置される。
【００１３】
タービン翼（１０）は、基端方向に延びる第２構造体（４３）を更に具備する。第１流路一方側第１部分（３３ｙ）は、第１構造体（４２）よりも翼本体（１１）の背側に配置される。第１流路一方側第２部分（３３ｘ）は、第１構造体（４２）よりも翼本体（１１）の腹側に配置される。流路（３１〜３３）は、第１流路部分（３３ａ）と前後方向に隣り合うように基部（１３）から端部（１２）まで基端方向に沿って延びる第２流路部分（３３ｂ）を含む。第２流路部分（３３ｂ）は、一方側の第２流路一方側部分と、他方側の第２流路他方側部分とだけから構成され。第２流路一方側部分及び第２流路他方側部分は、基端方向に延びている。第２構造体（４３）は、第２流路一方側部分に設けられ、第２流路他方側部分に設けられない。第２構造体（４３）は、第２流路一方側部分を互いに並列な第２流路一方側第１部分（３３ｔ）及び第２流路一方側第２部分（３３ｓ）に分離する。第２流路一方側第１部分（３３ｔ）は、第２構造体（４３）よりも背側に配置される。第２流路一方側第２部分（３３ｓ）は、第２構造体（４３）よりも腹側に配置される。翼本体（１１）は、第１流路部分（３３ａ）と第２流路部分（３３ｂ）との間に流路壁（１９）を備える。第１構造体（４２）は、第１位置において流路壁（１９）に接合される。第２構造体（４３）は、第１位置に対して背腹方向にずれた第２位置において流路壁（１９）に接合される。
【００１４】
第１流路一方側第１部分（３１ｘ、３３ｙ、３３ｔ）及び第１流路一方側第２部分（３１ｙ、３３ｘ、３３ｔ）には、冷却媒体が同一方向へ流れる。
【００１５】
第１構造体（４１〜４３）は、一方側の端部（４１ｂ、４２ｂ）又は他方側の端部（４２ａ、４２ａ）に圧力損失低減構造を備えることが好ましい。
【００１６】
第１構造体（４１〜４３）の基端方向に垂直な断面において、一方側で断面積が大きく他方側で断面積が小さいことが好ましい。
【００１７】
本発明によるタービン翼の冷却方法において、内部に流路（３１〜３３）が形成された翼本体（１１）と、翼本体（１１）の基端方向に延びる第１構造体（４１〜４３）とを具備するタービン翼（１０）が冷却される。流路（３１〜３３）は、翼本体（１１）の基部（１３）から端部（１２）まで基端方向に延びる第１流路部分（３１ａ、３３ａ〜３３ｃ）を含む。翼本体（１１）は、基部（１３）及び端部（１２）の一方側から他方側に向かって細くなっている。第１流路部分（３１ａ、３３ａ〜３３ｃ）は、一方側の第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）と、他方側の第１流路他方側部分（３１ｖ、３３ｖ）とだけから構成され。第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）及び第１流路他方側部分（３１ｖ、３３ｖ）は、基端方向に延びている。第１構造体（４１〜４３）は、第１流路一方側部分（３１ｗ、３３ｗ）に設けられ、第１流路他方側部分（３１ｖ、３３ｖ）に設けられない。タービン翼の冷却方法は、流路（３１〜３３）に冷却媒体を供給するステップを具備する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、タービン翼の基部側及び端部側の両方において冷却が高効率化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
添付図面を参照して、本発明によるタービン翼及びタービン翼の冷却方法を実施するための最良の形態を以下に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える。タービンは、タービン翼を備える。圧縮機は、加圧空気を生成する。加圧空気の一部は、燃料と混合される燃焼空気として燃焼器に供給される。加圧空気の他の一部は、タービン翼を冷却するための冷却空気としてタービン翼に供給される。燃焼器は、燃料を燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、タービンに供給する。タービンは、燃焼ガスからエネルギを受けて圧縮機を駆動する。
【００２１】
図２Ａは、タービンが備えるタービン翼１０の断面図を示す。ここで、切断面は、タービン翼１０の中心線を含む。タービン翼１０は、翼本体１１と、翼本体１１の基部１３に結合された翼取付部２１とを備える。翼本体１１は、端部１２、基部１３、前縁１４及び後縁１５を備える。翼本体１１は、基部１３から端部１２に向かって細くなっている。翼本体１１の基端方向に垂直な断面の断面積は、基部１３において大きく、端部１２において小さい。基端方向は、基部１３から端部１２を見る方向、又は、端部１２から基部１３を見る方向である。基端方向は、翼本体１１の高さ方向とも呼ばれる。タービン翼１０には、流路３１、流路３２及び流路３３が設けられている。流路３１は、１パスの流路である。流路３２及び３３の各々は、３パスのサーペンタイン（蛇状）流路である。流路３１は、タービン翼１０の前縁１４に設けられている。流路３２は、流路３１よりも後縁１５側に設けられている。流路３３は、流路３２よりも後縁１５側に設けられている。流路３１は、翼本体１１内に設けられた流路部分３１ａを備える。流路部分３１ａは、基部１３から端部１２まで基端方向に延びている。流路部分３１ａは、基端方向に延びる端部側部分３１ｖと、端部側部分３１ｖよりも基部１３側で基端方向に延びる基部側部分３１ｗとだけから構成される。基部側部分３１ｗには、構造体４１が設けられている。端部側部分３１ｖには、構造体４１は設けられていない。構造体４１は、端部側部分３１ｖに入らないように基端方向に延びている。構造体４１は、端部１２側の端部４１ａと、基部１３側の端部４１ｂとを備える。基部側部分３１ｗは、構造体４１によって前縁１４側の基部側第１部分３１ｘと後縁１５側の基部側第２部分３１ｙとに分離されている。流路３３は、翼本体１１内に設けられた流路部分３３ａ、流路部分３３ｂ及び流路部分３３ｃを備える。流路部分３３ａ、流路部分３３ｂ及び流路部分３３ｃの各々は、基部１３から端部１２まで基端方向に延びている。流路部分３３ｂは、流路部分３３ａよりも後縁１５側に配置されている。流路部分３３ｃは、流路部分３３ｂよりも後縁１５ｂ側に配置されている。流路部分３３ａ及び流路部分３３ｂは、端部１２において接続されている。流路部分３３ｂ及び流路部分３３ｃは、基部１３において接続されている。流路部分３３ｃの基部側部分にも、構造体４１のような構造体が設けられている。翼本体１１が基部１３から端部１２に向かって細くなっていることに対応して、流路部分３１ａ、流路部分３３ａ、流路部分３３ｂ及び流路部分３３ｃの各々は、基部１３側から端部１２側に向かって細くなっている。
【００２２】
翼本体１１の基端方向に沿う高さ方向位置Ｈが定義される。基部１３の高さ方向位置Ｈは０である。端部４１ａの高さ方向位置ＨはＨ１（＞０）である。
【００２３】
図２Ｂは、タービン翼１０の基部１３における断面図を示す。ここで、切断面は、タービン翼１０の高さ方向に垂直である。構造体４１は、翼本体１１の背面壁１６及び腹面壁１７に接合されている。基端方向に延びる流路（例示：流路部分３１ａ、３３ａ〜３３ｃ）の流路断面の縦横比（ｂ／ａ）が流路断面の背腹方向の幅ｂと前後方向の幅ａとによって定義される。
【００２４】
図２Ｃは、タービン翼１０の端部１２における断面図を示す。ここで、切断面は、タービン翼１０の高さ方向に垂直である。図２Ｃに示された翼本体１１の断面の断面積は、図２Ｂに示された断面の断面積よりも小さい。
【００２５】
以下に、流路３１、流路３２、流路３３を流れる冷却空気の流れについて説明する。
【００２６】
流路３１の翼取付部２１内の部分に、冷却空気が供給される。冷却空気は、二つに分かれて基部側第１部分３１ｘ及び基部側第２部分３１ｙを端部側部分３１ｖに向かって同一方向に流れ、合流して端部側部分３１ｖを端部１２に向かって流れ、端部１２から燃焼ガス中に出て行く。基部側第１部分３１ｘ及び基部側第２部分３１ｙは並列の関係にある。
【００２７】
流路３２の翼取付部２１内の部分に供給された冷却空気は、３つのパスを順に通過した後、端部１２から燃焼ガス中に出て行く。
【００２８】
流路３３の翼取付部２１内の部分に、冷却空気が供給される。冷却空気は、流路部分３３ａを基部１３から端部１２に向かって流れ、流路部分３３ｂを端部１２から基部１３に向かって流れ、流路部分３３ｃを基部１３から端部１２に向かって流れて、端部１２から燃焼ガス中に出て行く。
【００２９】
以下、構造体４１がある場合とない場合とを比較して構造体の効果を説明する。
【００３０】
図３Ａ及び図３Ｂは、比較例に係るタービン翼１０’を示す。タービン翼１０’は、タービン翼１０から構造体４１及び流路部分３３ｃの基部側部分に設けられた構造体を取り除いたものである。
【００３１】
図４Ａは、タービン翼１０’の流路部分３１ａにおける高さ方向位置Ｈと流路断面積の関係を示すグラフである。曲線５１が示すように、高さ方向位置Ｈが端部１２に近いほど流路部分３１ａの流路断面積が小さくなる。
【００３２】
図４Ｂは、タービン翼１０’の流路部分３１ａにおける高さ方向位置Ｈと冷却空気の流速の関係を示すグラフである。曲線５２は、第１流量の冷却空気を流路部分３１ａに供給した場合における高さ方向位置Ｈと冷却空気の流速の関係を示す。曲線５２’は、第１流量より多い第２流量の冷却空気を流路部分３１ａに供給した場合における高さ方向位置Ｈと冷却空気の流速の関係を示す。曲線５２及び曲線５２’の各々が示すように、高さ方向位置Ｈが端部１２に近いほど流速が高くなる。全ての高さ方向位置Ｈにおいて、曲線５２’が示す流速は曲線５２が示す流速より高い。
【００３３】
図４Ｃは、タービン翼１０’の流路部分３１ａにおける高さ方向位置Ｈと冷却される側の壁面（例示：背面壁１６又は腹面壁１７の流路部分３１ａに面した内壁面）の熱伝達率との関係を示すグラフである。曲線５３は、第１流量の冷却空気を流路部分３１ａに供給した場合における高さ方向位置Ｈと熱伝達率の関係を示す。曲線５３’は、第２流量の冷却空気を流路部分３１ａに供給した場合における高さ方向位置Ｈと熱伝達率の関係を示す。曲線５３及び曲線５３’の各々が示すように、高さ方向位置Ｈが端部１２に近いほど熱伝達率が高くなる。流速が高いほど熱伝達率が高くなるためである。全ての高さ方向位置Ｈにおいて、曲線５３’が示す熱伝達率は曲線５３が示す熱伝達率より高い。曲線５４は、タービンに供給される燃焼ガスの温度が第１温度の場合に必要とされる熱伝達率（以下、必要熱伝達率という）を示す。曲線５４’は、タービンに供給される燃焼ガスの温度が第１温度より高い第２温度の場合の必要熱伝達率を示す。曲線５４及び曲線５４’の各々において、必要熱伝達率は高さ方向位置Ｈによらずほぼ同じである。全ての高さ方向位置Ｈにおいて、曲線５４’が示す必要熱伝達率は曲線５４が示す必要熱伝達率より高い。
【００３４】
全ての高さ方向位置Ｈにおいて、曲線５３が示す熱伝達率は、曲線５４が示す必要熱伝達率を上回っている。しかし、燃焼ガスの温度を第１温度から第２温度に上げると、曲線５３及び曲線５４’が示すように、流路部分３１ａの基部１３側の部分において必要熱伝達率が確保されない。ここで、冷却空気の流量を第１流量から第２流量に増やすと、曲線５３’及び曲線５４’が示すように、全ての高さ方向位置Ｈにおいて、必要熱伝達率を確保することが可能である。しかし、冷却空気の流量を増やすと、燃焼空気が不足してガスタービンの性能が低下し、且つ、曲線５２’が示すように流路部分３１ａの端部１２側の部分において流速が過大となって圧力損失が大きくなる。
【００３５】
図５Ａは、タービン翼１０の流路部分３１ａにおける高さ方向位置Ｈと流路断面積の関係を示すグラフである。曲線６１が示すように、端部側部分３１ｖと基部側部分３１ｗの各々において、高さ方向位置Ｈが端部１２に近いほど流路断面積が小さくなる。ここで、基部側部分３１ｗにおける流路断面積は、基部側第１部分３１ｘにおける流路断面積と基部側第２部分３１ｙにおける流路断面積の和で表される。構造体４１が設けられているため、タービン翼１０の基部側部分３１ｗにおける流路断面積は、タービン翼１０’の基部側部分３１ｗにおける流路断面積より小さい。一方、タービン翼１０の端部側部分３１ｖにおける流路断面積は、タービン翼１０’の端部側部分３１ｖにおける流路断面積と同じである。
【００３６】
図５Ｂは、タービン翼１０の流路部分３１ａにおける高さ方向位置Ｈと冷却空気の流速の関係を示すグラフである。曲線６２は、第１流量の冷却空気を流路部分３１ａに供給した場合における高さ方向位置Ｈと冷却空気の流速の関係を示す。曲線６２が示すように、端部側部分３１ｖと基部側部分３１ｗの各々において、高さ方向位置Ｈが端部１２に近いほど流速が高くなる。タービン翼１０の基部側部分３１ｗにおける流路断面積がタービン翼１０’の基部側部分３１ｗにおける流路断面積より小さいため、タービン翼１０の基部側部分３１ｗにおける流速は、タービン翼１０’の基部側部分３１ｗにおける流速より高い。一方、タービン翼１０の端部側部分３１ｖにおける流速は、タービン翼１０’の端部側部分３１ｖにおける流速と同じである。
【００３７】
図５Ｃは、タービン翼１０の流路部分３１ａにおける高さ方向位置Ｈと冷却される側の壁面（例示：背面壁１６又は腹面壁１７の流路部分３１ａに面した内壁面）の熱伝達率との関係を示すグラフである。曲線６３は、第１流量の冷却空気を流路部分３１ａに供給した場合における高さ方向位置Ｈと熱伝達率の関係を示す。曲線６３が示すように、端部側部分３１ｖと基部側部分３１ｗの各々において、高さ方向位置Ｈが端部１２に近いほど熱伝達率が高くなる。タービン翼１０の基部側部分３１ｗにおける流速がタービン翼１０’の基部側部分３１ｗにおける流速より高いため、タービン翼１０の基部側部分３１ｗにおける熱伝達率は、タービン翼１０’の基部側部分３１ｗにおける熱伝達率より高い。一方、タービン翼１０の端部側部分３１ｖにおける熱伝達率は、タービン翼１０’の端部側部分３１ｖにおける熱伝達率と同じである。
【００３８】
全ての高さ方向位置Ｈにおいて、曲線６３が示す熱伝達率は、曲線５４が示す必要熱伝達率及び曲線５４’が示す必要熱伝達率の両方を上回っている。第１の実施形態によれば、タービンに供給される燃焼ガスの温度が高い場合であっても、流路部分３１ａに供給する冷却空気の流量を増やさずに翼本体１１を適切に冷却することが可能である。したがって、冷却空気の流量増加によるガスタービンの性能低下及び流路部分３１ａの端部１２側の部分における大きな圧力損失が防がれる。
【００３９】
構造体４１が基部側部分３１ｗを基部側第１部分３１ｘと基部側第２部分３１ｙとに分離しない場合であっても、構造体４１が基部側部分３１ｗの流路断面積を減少させるために上述の効果が得られる。構造体４１は、背面壁１６及び腹面壁１７の一方のみに接合されていても良く、これらのどちらにも接合されていなくても良い。
【００４０】
構造体４１が基部側部分３１ｗを基部側第１部分３１ｘと基部側第２部分３１ｙとに分離する場合、基部側第１部分３１ｘにおける縦横比と基部側第２部分３１ｙにおける縦横比の両方が構造体４１がないとした場合の基部側部分３１ｗにおける縦横比より１に近くなるように構造体４１が設けられることが好ましい。このように構造体４１を設けることで、熱伝達率の低下の抑制及び圧力損失の増加の抑制の少なくとも一方の効果がある。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るタービン翼１０は、第１の実施形態に係るタービン翼１０から構造体４１及び流路部分３３ｃの基部側部分に設けられた構造体を取り除き、構造体４２を設けたものである。
【００４２】
図６Ａは、第２の実施形態に係るタービン翼１０の断面図を示す。ここで、切断面は、タービン翼１０の中心線を含む。流路部分３３ａの前縁１４側に流路壁１８が設けられ、流路部分３３ａの後縁１５側に流路壁１９が設けられている。流路壁１８は、流路部分３３ａと流路３２とを連通しないように分離している。流路壁１９は、流路部分３３ａと流路部分３３ｂとを端部１２において連通するように分離している。
【００４３】
図６Ｂは、タービン翼１０の基部１３における断面図を示す。切断面は、タービン翼１０の高さ方向に垂直である。流路壁１８及び流路壁１９の各々は、背面壁１６及び腹面壁１７に接合されている。背面壁１６及び腹面壁１７の各々は、燃焼ガスにさらされて高温になるが、流路壁１８及び流路壁１９は燃焼ガスにさらされないためそれほど高温にならない。
【００４４】
タービン翼１０の端部１２における断面図は、図２Ｃに示された断面図と同様である。
【００４５】
図６Ｃは、図６ＡのＣ−Ｃ切断線におけるタービン翼１０の断面図を示す。流路部分３３ａは、基端方向に延びる端部側部分３３ｖと、端部側部分３３ｖよりも基部１３側で基端方向に延びる基部側部分３３ｗとだけから構成される。基部側部分３３ｗには、構造体４２が設けられている。端部側部分３３ｖには、構造体４２が設けられていない。構造体４２は、端部側部分３３ｖに入らないように基端方向に延びている。構造体４２は、端部１２側の端部４２ａと、基部１３側の端部４２ｂとを備える。基部側部分３３ｗは、構造体４２によって腹面壁１７側の基部側第２部分３３ｘと背面壁１６側の基部側第１部分３３ｙとに分離されている。
【００４６】
構造体４２は、図６Ｂに示されるように、流路壁１８及び流路壁１９に接合されている。
【００４７】
流路３３の翼取付部２１内の部分に供給された冷却空気は、二つに分かれて基部側第１部分３３ｙ及び基部側第２部分３３ｘを端部側部分３３ｖに向かって同一方向に流れ、合流して端部側部分３３ｖを端部１２に向かって流れ、端部１２側において流路部分３３ｂに流入する。基部側第１部分３３ｙ及び基部側第２部分３３ｘは並列関係を有している。
【００４８】
構造体４２の効果は、構造体４１の効果と同様である。構造体４２が基部側部分３３ｗを基部側第１部分３３ｙと基部側第２部分３３ｘとに分離しない場合であっても、上述の効果が得られる。構造体４２は、流路壁１８及び流路壁１９の一方のみに接合されていても良く、これらのどちらにも接合されていなくても良い。
【００４９】
構造体４２が基部側部分３３ｗを基部側第１部分３３ｙと基部側第２部分３３ｘとに分離する場合、基部側第１部分３３ｙにおける縦横比と基部側第２部分３３ｘにおける縦横比の両方が構造体４２がないとした場合の基部側部分３３ｗにおける縦横比より１に近くなるように構造体４２が設けられることが好ましい。このように構造体４２を設けることで、熱伝達率の低下の抑制及び圧力損失の増加の抑制の少なくとも一方の効果がある。
【００５０】
構造体４２が流路壁１８及び流路壁１９だけに接合され、背面壁１６及び腹面壁１７に接合されていない場合、構造体４２における熱応力が低減される。
【００５１】
流路部分３３ｂの基部側部分及び流路３２の各パスの基部側部分に構造体４２のような構造体を設けても良い。この場合、流路部分３３ｂは、基部側部分と端部側部分とだけから構成され、基部側部分だけに構造体が設けられる。流路部分３３ｂの基部側部分及び端部側部分は、基端方向に延びている。
【００５２】
翼本体１１の中心線は、図６Ｂに示されるように構造体４２内を通っていても良く、構造体４２内を通らなくても良い。
【００５３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態におけるタービン翼１０は、第１の実施形態におけるタービン翼１０において端部４１ａ及び端部４１ｂのいずれか一方又は両方に圧力損失低減構造を設けたもの、又は、第２の実施形態におけるタービン翼１０において端部４２ａ及び端部４２ｂのいずれか一方又は両方に圧力損失低減構造を設けたものである。
【００５４】
図７は、端部４２ａ及び端部４２ｂの両方に圧力損失低減構造が設けられたタービン翼１０の断面図を示す。図７においては、端部４２ａ及び端部４２ｂが丸み形状を有している。圧力損失低減構造は、丸み形状に限定されない。
【００５５】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態におけるタービン翼１０は、第１の実施形態に係るタービン翼１０において構造体４１の形状を構造体４１の基端方向に垂直な断面の断面積が端部１２側の端部４１ａから基部１３側の端部４１ｂに向かって増加するようにしたもの、又は、第２の実施形態に係るタービン翼１０において構造体４２の形状を構造体４２の基端方向に垂直な断面の断面積が端部１２側の端部４２ａから基部１３側の端部４２ｂに向かって増加するようにしたものである。第４の実施形態においては、基部側部分３１ｗ又は基部側部分３３ｗの基部１３側の部分における熱伝達が更に向上する。
【００５６】
図８は、基端方向に垂直な断面の断面積が端部４２ａから端部４２ｂに向かって増加する形状の構造体４２を示す。このような構造体４２の形状は、楔形状に例示される。
【００５７】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態におけるタービン翼１０は、第１の実施形態に係るタービン翼１０の流路３３及び流路３２に第２の実施形態に係る構造体を更に設けたものである。図９Ａは、本実施形態におけるタービン翼１０の断面図を示す。ここで、切断面は、タービン翼１０の中心線を含む。図９Ｂは、本実施形態におけるタービン翼１０の基部１３における断面図を示す。ここで、切断面は、タービン翼１０の高さ方向に垂直である。本実施形態の端部１２における断面図は、図２Ｃと同様である。本実施形態においては、流路３２の各パス、流路部分３３ａ及び流路部分３３ｂの基部側部分における構造体がないとした場合の縦横比（ｂ／ａ）が１より大きく、流路部分３１ａ及び流路部分３３ｃの基部側部分における構造体がないとした場合の縦横比（ｂ／ａ）が１より小さい。
【００５８】
本実施形態においては、構造体を設けることで縦横比が１に近づき、熱伝達率の低下の抑制及び圧力損失の増加の抑制の少なくとも一方の効果がある。
【００５９】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係るタービン翼１０は、第５の実施形態に係るタービン翼１０において流路３２の３つのパスの基部側部分にそれぞれ設けられた３つの構造体、基部側部分３３ｗに設けられた構造体４２、流路部分３３ｂの基部側部分に設けられた構造体（以下、構造体４３という）の隣り合う２つの背腹方向の位置がオフセットされたものである。これらの構造体は、例えば、交互に配置される。
【００６０】
図１０Ａは、第６の実施形態に係るタービン翼１０の断面図を示す。ここで、切断面は、タービン翼１０の中心線を含む。
【００６１】
図１０Ｂは、タービン翼１０の基部１３における断面図を示す。切断面は、タービン翼１０の高さ方向に垂直である。
【００６２】
タービン翼１０の端部１２における断面図は、図２Ｂと同様である。
【００６３】
図１０Ｂを参照して、構造体４３は、流路部分３３ｂの基部側部分を背面壁１６側の基部側第１部分３３ｔと腹面壁１７側の基部側第２部分３３ｓとに分離する。構造体４２は、第１位置において流路壁１９に接合されている。構造体４３は、第１位置から背面壁１６側にずれた第２位置において流路壁１９に接合されている。したがって、タービン翼１０を鋳造する際に、構造体４２及び構造体４３が接合されている流路壁１９の部分に引け巣が発生することが防がれる。
【００６４】
なお、第２位置は、第１位置に対して腹面壁１７側にずれていてもよい。
【００６５】
流路３２の３つのパスの基部側部分にそれぞれ設けられた３つの構造体、基部側部分３３ｗに設けられた構造体４２、及び流路部分３３ｂの基部側部分に設けられた構造体４３の上述の配置を第２の実施形態に係るタービン翼１０に適用してもよい。
【００６６】
上記実施形態においては、翼本体１１が基部１３から端部１２に向かって細くなる場合について説明した。翼本体１１は、端部１２から基部１３に向かって細くなっていてもよい。この場合、構造体４１、構造体４２、構造体４３のような構造体は、基端方向に延びる流路の端部側部分に設けられる。
【００６７】
上記実施形態において、タービン翼１０は、動翼であっても良く、静翼であっても良い。上記実施形態において、冷却空気の代わりに蒸気のような他の冷却媒体を用いてタービン翼１０を冷却してもよい。
【００６８】
なお、上記実施形態において、流路３１、流路３２、流路３３に乱流促進体を設けても良く、流路３１、流路３２、流路３３を通過した冷却空気を翼本体１１のフィルム冷却に用いても良く、流路部分３３ｃよりも後縁１５側に冷却のための流路を設けても良い。また、タービン翼１０を冷却するための流路の配置及び形状は、上述した流路３１、流路３２、流路３３と異なっていても良い。
【００６９】
上記実施形態の組み合わせは、具体的な記載がない場合であっても可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、従来のタービン翼の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、比較例に係るタービン翼の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、比較例に係るタービン翼の断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、比較例に係るタービン翼内の流路における翼高さ方向位置と流路断面積との関係を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、比較例に係るタービン翼内の流路における翼高さ方向位置と冷却空気流速との関係を示すグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、比較例に係るタービン翼内の流路における翼高さ方向位置と熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、第１の実施形態に係るタービン翼内の流路における翼高さ方向位置と流路断面積との関係を示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第１の実施形態に係るタービン翼内の流路における翼高さ方向位置と冷却空気流速との関係を示すグラフである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、第１の実施形態に係るタービン翼内の流路における翼高さ方向位置と熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の第２の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第５の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第５の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第６の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の第６の実施形態に係るタービン翼の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…タービン翼
１１…翼本体
１２…端部
１３…基部
１４…前縁
１５…後縁
１６…背面壁
１７…腹面壁
１８、１９…流路壁
２１…翼取付部
３１〜３３…流路
３１ａ、３３ａ〜３３ｃ…流路部分
３１ｖ、３３ｖ…端部側部分
３１ｗ、３３ｗ…基部側部分
３１ｘ、３３ｙ、３３ｔ…基部側第１部分
３１ｙ、３３ｘ、３３ｓ…基部側第２部分
４１〜４３…構造体
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ…端部
５１〜５４、５２’〜５４’、６１〜６３…曲線
１００…タービン翼
１２４、１２６、１４２、１４４…空洞
【図１】
0004981608.tif 000002
【図２Ａ】
0004981608.tif 000003
【図２Ｂ】
0004981608.tif 000004
【図２Ｃ】
0004981608.tif 000005
【図３Ａ】
0004981608.tif 000006
【図３Ｂ】
0004981608.tif 000007
【図４Ａ】
0004981608.tif 000008
【図４Ｂ】
0004981608.tif 000009
【図４Ｃ】
0004981608.tif 000010
【図５Ａ】
0004981608.tif 000011
【図５Ｂ】
0004981608.tif 000012
【図５Ｃ】
0004981608.tif 000013
【図６Ａ】
0004981608.tif 000014
【図６Ｂ】
0004981608.tif 000015
【図６Ｃ】
0004981608.tif 000016
【図７】
0004981608.tif 000017
【図８】
0004981608.tif 000018
【図９Ａ】
0004981608.tif 000019
【図９Ｂ】
0004981608.tif 000020
【図１０Ａ】
0004981608.tif 000021
【図１０Ｂ】
0004981608.tif 000022