CN111094701B - 涡轮叶片及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片及燃气轮机，涡轮叶片具备：叶片体；以及多个冷却通路，它们在所述叶片体的内部分别沿着叶片高度方向延伸，并且相互连通而形成蛇行流路，所述冷却通路具备：第一湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的上游侧通路的内壁面；以及第二湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的、配置于比所述上游侧通路靠下游侧的下游侧通路的内壁面，所述第二湍流器相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向所成的第二角度比所述第一湍流器相对于所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向所成的第一角度小。

Description

涡轮叶片及燃气轮机

技术领域

本发明涉及涡轮叶片及燃气轮机。

背景技术

已知在燃气轮机等涡轮叶片中，通过使冷却流体在形成于涡轮叶片的内部的冷却通路中流动，来对暴露于高温的气体流等的涡轮叶片进行冷却。

例如，在专利文献1～3中公开了如下那样的涡轮叶片，其中，在叶片部的内部设置有由沿着叶片高度方向延伸的多个冷却通路形成的蛇行流路(迂回流路)。在这些涡轮叶片的冷却通路的内壁面设置有肋状的湍流器。湍流器是出于促进冷却通路中的冷却流体的流动的紊乱以提高冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率的目的而设置的。

另外，在专利文献3中记载了如下技术：以在湍流器(肋)与各冷却通路中的冷却流的方向之间形成的倾斜角实质上恒定的方式设置湍流器。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-229806号公报

专利文献2：日本特开2004-137958号公报

专利文献3：日本特开2015-214979号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，根据涡轮叶片的叶片形状、运转状态，选定热传递率高且冷却性能良好的湍流器，有时反而对涡轮叶片的性能带来不良影响。

因此，本发明的至少一个实施方式的目的在于，提供一种通过选定适当的湍流器而能够有效地冷却涡轮的涡轮叶片及燃气轮机。

用于解决课题的方案

(1)本发明的至少一个实施方式的涡轮叶片的特征在于，具备：

叶片体；以及

多个冷却通路，它们在所述叶片体的内部分别沿着叶片高度方向延伸，并且相互连通而形成蛇行流路，

所述冷却通路具备：

第一湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的上游侧通路的内壁面；以及

第二湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的、配置于比所述上游侧通路靠下游侧的下游侧通路的内壁面，

所述第二湍流器相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向所成的第二角度比所述第一湍流器相对于所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向所成的第一角度小。

(1’)或者，本发明的至少一个实施方式的涡轮叶片的特征在于，具备：

叶片体；

多个冷却通路，它们在所述叶片体的内部分别沿着叶片高度方向延伸，并且相互连通而形成蛇行流路；

肋状的第一湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的上游侧通路的内壁面；以及

肋状的第二湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的、在所述蛇行流路中位于比所述上游侧通路靠下游侧的下游侧通路的内壁面，

所述第二湍流器相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向所成的第二角度比所述第一湍流器相对于所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向所成的第一角度小。

在冷却通路中，在湍流器相对于冷却流体的流动方向所成的角(以下，也称为“倾斜角”。)为90度附近的范围内，存在该倾斜角越小，冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率越大的倾向。

关于这一点，根据上述(1)的结构，下游侧通路中的第二湍流器的倾斜角(第二角度)比蛇行流路的上游侧通路中的第一湍流器的倾斜角(第一角度)小。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率相对变小，抑制了涡轮叶片的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且在下游侧通路中，上述的热传递率相对变大，促进了涡轮叶片的冷却，因此能够在蛇行流路的下游侧区域中强化涡轮叶片的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片而向蛇行流路供给的冷却流体的量，因此能够提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(2)在几个实施方式中，在上述(1)的结构的基础上，相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向而由所述第二湍流器的高度和间距规定的第二形状系数比相对于所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向而由所述第一湍流器的高度和间距规定的第一形状系数小。

(3)本发明的至少一个实施方式的涡轮叶片的特征在于，具备：叶片体；多个冷却通路，它们在所述叶片体的内部分别沿着叶片高度方向延伸，并且相互连通而形成蛇行流路，所述冷却通路具备：第一湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的上游侧通路的内壁面；以及第二湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的、与所述上游侧通路连通且位于比所述上游侧通路靠下游侧的下游侧通路的内壁面，相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向而由所述第二湍流器的高度和间距规定的第二形状系数比相对于所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向而由所述第一湍流器的高度和间距规定的第一形状系数小。

根据上述(3)的结构，上游侧通路中的第一形状系数比下游侧通路中的第二形状系数小。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率相对变小，抑制了涡轮叶片的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且在下游侧通路中，上述的热传递率相对变大，促进了涡轮叶片的冷却，因此能够在折返流路的下游侧区域中强化涡轮叶片的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片的冷却而向折返流路供给的冷却流体的量，因此能够提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(4)在几个实施方式中，在上述(3)的结构的基础上，所述第二湍流器相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向所成的第二角度比所述第一湍流器相对于所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向所成的第一角度小。

在冷却通路中，在湍流器相对于冷却流体的流动方向所成的角(以下，也称为“倾斜角”。)为90度附近的范围中，存在该倾斜角越小，冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率越大的倾向。

关于这一点，根据上述(4)的结构，下游侧通路中的第二湍流器的倾斜角(第二角度)比折返流路的上游侧通路中的第一湍流器的倾斜角(第一角度)小。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率相对变小，抑制了涡轮叶片的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且在下游侧通路中，上述的热传递率相对变大，促进了涡轮叶片的冷却，因此能够在折返流路的下游侧区域中强化涡轮叶片的冷却。由此，能够进一步削减为了冷却涡轮叶片而向折返流路供给的冷却流体的量，因此能够进一步提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(5)在几个实施方式中，在上述(1)、(2)、(4)中任一个结构的基础上，

在所述上游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第一湍流器，

在所述下游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第二湍流器，

所述多个所述第二湍流器的第二角度的平均值比所述多个所述第一湍流器的第一角度的平均值小。

根据上述(5)的结构，下游侧通路中的多个第二湍流器的倾斜角(第二角度)的平均值比蛇行流路的上游侧通路中的多个第一湍流器的倾斜角(第一角度)的平均值小。因此，如上述(1)所述，能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且能够在蛇行流路的下游侧区域中强化涡轮叶片的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片而向蛇行流路供给的冷却流体的量，因此能够提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(6)在几个实施方式中，在上述(2)至(4)中任一个结构的基础上，

在所述上游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第一湍流器，在所述下游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第二湍流器，所述多个所述第二湍流器的所述第二形状系数的平均值比所述多个所述第一湍流器的所述第一形状系数的平均值小。

(7)在几个实施方式中，在上述(2)至(4)、(6)中的任一个结构的基础上，

一部分所述第一湍流器的所述第一形状系数比同一通路内的其他所述第一湍流器的所述第一形状系数的平均值小。

根据上述(7)的结构，即使在同一通路内的叶片内壁产生热点的情况下，也能够使该部位的第一湍流器的第一形状系数比其他第一湍流器的第一形状系数小，实现局部的冷却强化。

(8)在几个实施方式中，在上述(1)至(7)中任一个结构的基础上，

所述涡轮叶片具备设置于所述上游侧通路、且所述第一角度为90度的所述第一湍流器。

如上所述，在冷却通路中的湍流器的倾斜角为90度附近的范围中，存在该倾斜角越小，冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率越大的倾向。关于这一点，根据上述(8)的结构，上游侧通路中的第一湍流器的倾斜角(第一角度)为90度，并且下游侧通路中的第二湍流器的倾斜角(第二角度)小于90度，因此能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且能够在蛇行流路的下游侧区域中强化涡轮叶片的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片而向蛇行流路供给的冷却流体的量，因此能够提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(9)在几个实施方式中，在上述(2)至(4)、(6)、(7)中任一个结构的基础上，

所述第一形状系数由所述多个所述第一湍流器中的相邻的一对第一湍流器的间距P1与以所述上游侧通路的内壁面为基准的所述一对第一湍流器的高度e1之比P1/e1表示，

所述第二形状系数由所述多个所述第二湍流器中的相邻的一对第二湍流器的间距P2与以所述下游侧通路的内壁面为基准的所述一对第二湍流器的高度e2之比P2/e2表示。

在将设置于冷却通路的多个湍流器中的相邻的一对湍流器的间距P与以该冷却通路的内壁面为基准的这些湍流器的平均高度e之比P/e设为形状系数时，存在形状系数P/e越小，冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率越大的倾向。

关于这一点，根据上述(9)的结构，上游侧通路中的第一形状系数P1/e1比下游侧通路中的第二形状系数P2/e2小。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率相对变小，抑制了涡轮叶片的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且在下游侧通路中，上述的热传递率相对变大，促进了涡轮叶片的冷却，因此能够在蛇行流路的下游侧区域中强化涡轮叶片的冷却。由此，能够进一步削减为了冷却涡轮叶片而向蛇行流路供给的冷却流体的量，因此能够进一步提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(10)在几个实施方式中，在上述(1)至(9)中任一个结构的基础上，

所述下游侧通路包括所述多个冷却通路中的位于所述冷却流体的流动方向的最下游侧的最下游通路，

所述上游侧通路包括与所述最下游通路相邻配置的所述冷却通路。

在形成蛇行流路的多个冷却通路中流动的冷却流体，通过与作为冷却对象的涡轮叶片的热交换，温度随着朝向下游而上升，在位于冷却流体的流动的最下游侧的最下游通路中，温度变得最高。

关于这一点，根据上述(10)的结构，在包括最下游通路的下游侧通路中，与和该最下游通路相邻配置的上游侧通路相比，湍流器的倾斜角小。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率相对变小，抑制了涡轮叶片的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向最下游通路的冷却流体的温度维持得较低，并且在最下游通路中，上述的热传递率相对变大，促进了涡轮叶片的冷却，因此能够在最下游通路中强化涡轮叶片的冷却。由此，能够有效地削减为了冷却涡轮叶片而向折返流路供给的冷却流体的量，因此能够提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(11)在几个实施方式中，在上述(1)至(10)中任一个结构的基础上，所述多个冷却通路是包括三个以上的所述冷却通路的蛇行流路。

根据上述(11)的结构，能够使这三个以上的冷却通路中的下游侧通路中的第二湍流器的倾斜角(第二角度)比形成蛇行流路的三个以上的冷却通路中的上游侧通路中的第一湍流器的倾斜角(第一角度)小。因此，如上述(1)所述，能够削减为了冷却涡轮叶片而向蛇行流路供给的冷却流体的量，因此能够提高包括燃气轮机等在内的涡轮的热效率。

(12)在几个实施方式中，在上述(11)的结构的基础上，

所述多个冷却通路包括位于该多个冷却通路中的所述冷却流体的流动方向的最上游侧的最上游通路，

所述最上游通路的内壁面由未设置湍流器的平滑面形成。

在冷却通路的内壁面由未设置湍流器的平滑面形成的情况下，与在冷却通路的内壁面设置湍流器的情况相比，冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率小。

关于这一点，根据上述(12)的结构，由于多个冷却通路中的位于最上游侧的最上游通路的内壁面由未设置有湍流器的平滑面形成，因此该最上游通路中的上述的热传递率比上游侧通路中的上述的热传递率小。即，形成蛇行流路的最上游通路、上游侧通路及下游侧通路中的上述的热传递率依次变大。因此，在蛇行流路中，容易使热传递率阶段性地变化，容易调节各个冷却通路中的冷却性能。

(13)在几个实施方式中，在上述(1)至(12)中任一个结构的基础上，

所述下游侧通路包括位于所述多个冷却通路中的所述冷却流体的流动的最下游侧的最下游通路，

所述最下游通路形成为朝向所述冷却流体的流动的下游侧而流路面积变小。

根据上述(13)的结构，最下游通路形成为流路面积朝向冷却流体的流动的下游侧变小，因此在该最下游通路中，冷却流体的流速随着朝向下游侧而增加。由此，能够提高冷却流体成为比较高温的最下游通路中的冷却效率。

(14)在几个实施方式中，在上述(1)至(13)中任一个结构的基础上，

所述下游侧通路包括所述多个冷却通路中的位于所述冷却流体的流动的最下游侧的最下游通路，

所述涡轮叶片还具备冷却流体供给路，所述冷却流体供给路以与所述最下游通路的上游部连通的方式设置，且构成为将来自外部的冷却流体以不经由所述上游侧通路的方式向所述最下游通路供给。

根据上述(14)的结构，除了来自上游侧通路的冷却流体流入最下游通路之外，另外还经由冷却流体供给路供给来自外部的冷却流体。因此，能够进一步强化来自上游侧通路的冷却流体成为比较高温的最下游通路中的冷却。

(15)在几个实施方式中，在上述(1)至(14)中任一个结构的基础上，

所述涡轮叶片为燃气轮机的动叶。

根据上述(15)的结构，由于作为涡轮叶片的燃气轮机的动叶具有上述(1)～(14)中任一个结构，因此能够削减为了冷却动叶而向蛇行流路供给的冷却流体的量，因此能够提高燃气轮机的热效率。

(16)在几个实施方式中，在上述(1)至(14)中任一个结构的基础上，

所述涡轮叶片为燃气轮机的静叶。

根据上述(16)的结构，由于作为涡轮叶片的燃气轮机的静叶具有上述(1)～(14)中任一个结构，因此能够削减为了静叶的冷却而向蛇行流路供给的冷却流体的量，因此能够提高燃气轮机的热效率。

(17)本发明的至少一个实施方式的燃气轮机具备：

上述(1)至(16)中任一项所述的涡轮叶片；以及

燃烧器，其用于生成在设置有所述涡轮叶片的燃烧气体流路中流动的燃烧气体。

根据上述(17)的结构，由于涡轮叶片具有上述(1)～(16)中个任一个结构，因此能够削减为了冷却涡轮叶片而向蛇行流路供给的冷却流体的量，能够提高燃气轮机的热效率。

发明效果

根据本发明的至少一个实施方式，提供能够有效地冷却涡轮的涡轮叶片及燃气轮机。

附图说明

图1是应用一个实施方式的涡轮叶片的燃气轮机的概要结构图。

图2A是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的沿着叶片高度方向的局部剖视图。

图2B是表示图2A的IIB-IIB剖面的图。

图3A是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的沿着叶片高度方向的局部剖视图。

图3B是表示图3A的IIIB-IIIB剖面的图。

图4是用于说明一个实施方式的湍流器的结构的示意图。

图5是用于说明一个实施方式的湍流器的结构的示意图。

图6是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的示意性剖视图。

图7是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的示意性剖视图。

图8是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的示意性剖视图。

图9是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的示意性剖视图。

图10是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的示意性剖视图。

图11是一个实施方式的静叶(涡轮叶片)的示意性剖视图。

图12是一个实施方式的动叶(涡轮叶片)的示意性剖视图。

图13是表示热传递率比α与湍流器的倾斜角θ的相关关系的一例的曲线图。

图14是表示热传递率比α与湍流器的形状系数P/e的相关关系的一例的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。其中，作为实施方式所记载的或附图中所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并不旨在将本发明的范围限定于此，而只不过是简单的说明例。

首先，对应用几个实施方式的涡轮叶片的燃气轮机进行说明。

以下，说明后述的几个实施方式中共通的本发明的基本思路。

代表性的涡轮叶片配置在高温的燃烧气体气氛中，因此为了防止叶片体的由燃烧气体引起的热损伤，叶片体内部被冷却流体冷却。叶片体通过在形成于叶片体内的蛇行流路(迂回流路)内流动冷却流体而被冷却。另外，为了进一步提高叶片体的基于冷却流体的冷却性能，在冷却流体流动的通路的叶片内壁配置有紊流促进构件(湍流器)。即，选择最佳的湍流器，尽可能地提高冷却流体与叶片内壁之间的热传递率，实现最佳的叶片体的冷却结构。

但是，为了进一步提高燃气轮机的热效率，有时需要进一步减少冷却流体的流量。冷却流体的流量减少会引起冷却流体的流速降低，而叶片体的冷却性能降低导致叶片体的金属温度上升。因此，需要缩小通路截面积来提高流速等对策。

但是，缩小通路截面积并应用了热传递率最佳的湍流器的冷却结构有时对该叶片而言并不为适当的冷却结构，需要选定与该叶片的叶片形状、运转条件相匹配的冷却结构。例如，在对具有叶片高度(跨度方向)相对于叶片长度(弦方向长度)更高的叶片形状的叶片、针对热负载相对抑制了冷却流体的流量并谋求提高燃气轮机的热效率的叶片应用冷却性能良好的冷却结构的情况下，存在冷却流体在迂回流路中流动的过程中过热(升温)而最终通路(最下游通路)的金属温度超过使用极限温度的情况。针对这样的叶片，重要的是选定抑制升温且最终通路的金属温度不超过使用极限温度的适当的冷却结构。

具体而言，理想的是，比最终通路靠上游侧的上游侧通路的湍流器选定将冷却流体的流动与叶片面之间的热传递率抑制得较低的湍流器，最终通路选定热传递率最佳的湍流器。通过该选定，抑制在上游侧通路中流动的冷却流体的升温，且在被抑制升温的冷却流体在最终通路中流动的过程中，通过应用热传递率大的湍流器，从而提高冷却流体对叶片体的冷却性能。其结果是，能够将最终通路的金属温度抑制在使用极限温度以下。另外，如前所述，将热传递率抑制得较低具有降低冷却流体的压力损失的效果。因此，通过冷却流体的升温抑制效果与压力损失的降低效果的叠加效果，最终通路的冷却性能被最大限度地发挥。

如图4和图5所示，湍流器由设置在形成冷却流路的叶片内壁的突起状的肋形成，对此后文详述。肋在冷却流体的流动方向上以规定间隔配置。在冷却流体越过肋时，在流动方向的下游侧产生涡流，从而促进叶片内壁与冷却流体的流动之间的热传递。因此，在无肋的平滑面的叶片内壁和具备肋的叶片内壁之间，热传递率存在较大差异。

确定湍流器的性能及规格的要素是湍流器的倾斜角和形状系数。

图13表示冷却流体和叶片内壁之间的热传递率与湍流器的倾斜角的关系，图14表示冷却流体和叶片内壁之间的热传递率与湍流器的形状系数的关系，对此后文详述。如果是倾斜角为最佳角(最佳值)且形状系数也为最佳系数(最佳值)的湍流器，则热传递率最高，冷却性能最良好。其结果是，能够促进叶片内壁面的冷却，降低冷却流路的金属温度。另一方面，在选定倾斜角为比最佳值大的角度的中间角(中间值)且形状系数也为比最佳值大的值的中间系数(中间值)的湍流器的情况下，则与应用了倾斜角及形状系数的最佳值的情况相比，热传递率变低，冷却性能受到抑制。

如前所述，根据叶片形状、运转条件，有时与选定热传递率最高、冷却性能最优的湍流器相比，采用具备在上游侧通路中抑制冷却性能、在最终通路中最大限度地提高冷却性能的冷却结构的叶片结构更适合作为叶片整体的冷却结构。引用后述的各实施方式的叶片结构对按照该思路的具体的叶片结构进行说明。需要说明的是，在以下说明的各实施方式的冷却结构中，上游侧通路的湍流器规格是根据各实施方式而不同的结构，但最终通路的湍流器的倾斜角及形状系数均选定最佳值，这一点在各实施方式中共通。

在图6所示的实施方式中，湍流器的倾斜角选定了针对所有通路而言为最佳值的倾斜角。形状系数在最终通路中选择了最佳值，在比最终通路靠上游侧的上游侧通路中选定了中间值。根据这样的冷却结构，能够抑制上游侧通路中的冷却流体的升温。另一方面，在冷却流体在冷却性能良好的最终通路中流动的过程中，将叶片体充分冷却，因此叶片内壁的金属温度的上升被抑制，不会超过使用极限温度。

图7所示的实施方式是相对于图6的冷却结构进一步抑制了上游侧通路的冷却性能的例子。即，与图6的冷却结构相比，是选定了上游侧通路的湍流器的倾斜角比最佳角(最佳值)的角度大的中间角(中间值)的例子。根据图6的冷却结构，在即使进一步抑制上游侧通路的热传递率，上游侧通路的金属温度也不超过使用极限温度的情况下，最终通路的冷却能力具有富余，因此从最终通路的冷却能力的方面来看，比图6的冷却结构更有利。也就是说，在图7所示的冷却结构中，比最终通路靠上游侧的所有上游侧通路的湍流器的倾斜角选定了比最终通路的湍流器的倾斜角(最佳值)大的角度即中间值。但是，各通路的倾斜角选定了不同的中间值。上游侧通路内的最上游通路的湍流器的倾斜角被选定为小于90度，接近最终通路，并且各上游侧通路的湍流器的倾斜角逐渐变小。另外，湍流器的形状系数为与图6的冷却结构相同的结构，在上游侧通路中选定相同的中间值，在最终通路中选定最佳值。如果是这样的冷却结构，则与图6所示的冷却结构相比，上游侧通路中的冷却被抑制，冷却流体的温度与图6所示的结构相比降低，最终通路中的冷却能力产生富余。因此，能够在抑制上游侧通路中的冷却流体的升温的同时，逐渐提高冷却性能，因此能够弥补最终通路中的冷却能力不足。

图8所示的实施方式是相对于图7的冷却结构进一步抑制了上游侧通路的冷却性能的例子。也就是说，即使是图8所示的冷却结构，在上游侧通路的金属温度不超过使用极限温度的情况下，最终通路的冷却能力进一步产生富余。即，在图8所示的冷却结构中，将上游侧通路的湍流器的倾斜角统一为90度，仅将最终通路的湍流器的倾斜角设为最佳值。另外，湍流器的形状系数为与图6的冷却结构相同的结构，在上游侧通路中选定中间值，在最终通路中选定最佳值。根据这样的冷却结构，与图7所示的冷却结构相比，能够进一步抑制上游侧通路中的冷却流体的升温。因此，供给到最终通路的冷却流体的流入温度与图7所示的结构相比变得更低。在冷却流体在最终通路中流动的过程中，与图7的结构相比，最终通路的冷却变得更容易，能够抑制叶片内壁的金属温度的上升，能够将最终通路的金属温度抑制在使用极限温度内。

图9所示的实施方式是相对于图8的冷却结构进一步抑制了上游侧通路的冷却性能的实施方式。即，在本实施方式所示的叶片结构中，在上游侧通路内的最上游通路中不配置湍流器，流路内壁由平滑面形成。若最上游通路的金属温度成为即使是没有湍流器的平滑面也比使用极限温度低的金属温度，则进一步抑制冷却流体的升温，最终通路的冷却能力进一步产生富余。即，在图9所示的结构中，使最上游通路为平滑面，除了最上游通路以外的其他上游侧通路的湍流器的倾斜角选定中间值，湍流器的形状系数选定与图8相同的结构的中间值。最终通路的湍流器的倾斜角及形状系数与图6的结构相同。如果是这样的冷却结构，则与图8所示的冷却结构相比，能够进一步抑制上游侧通路中的冷却流体的升温。另外，在最终通路中，冷却流体的冷却能力产生富余，最终通路的冷却变得更容易。

图10所示的实施方式是相对于图9的冷却结构进一步抑制了上游侧通路的冷却性能的实施方式。最上游通路由平滑面形成且不具备湍流器，这一点与图9的实施方式相同。但是，与图9所示的冷却结构不同之处在于，与最上游通路连续的相邻的两个其他上游侧通路的湍流器的倾斜角为90度。需要说明的是，与最终通路相邻的上游侧通路的湍流器的倾斜角与图9所示的结构相同。另外，最终通路的湍流器的倾斜角及形状系数与图6所示的结构相同。即使是这样的冷却结构，在上游侧通路的金属温度不超过使用极限温度的情况下，也能够抑制上游侧通路中的冷却流体的升温，最终通路的冷却能力进一步产生富余。如果是图10所示的冷却结构，则最终通路的冷却变得更容易，能够抑制最终通路的叶片内壁的金属温度的上升，能够将金属温度抑制在使用极限温度内。

图11所示的实施方式是将本发明的基本思路应用于静叶的例子。在静叶的情况下，向迂回流路供给的冷却流体的入口位于叶片体的径向外侧，在最终通路中流动的冷却流体的径向的流动方向是与动叶相反的方向。但是，湍流器的倾斜角及形状系数是与图6同样的结构。即使是这样的冷却结构，与作为湍流器的倾斜角及形状系数选定了最佳值的叶片结构相比的话，也能够抑制上游侧通路中的冷却流体的升温，在冷却流体在最终通路中流动的过程中，能够抑制叶片内壁的金属温度的上升，能够将金属温度抑制在使用极限温度内。

如上所述，通过选定与叶片形状及运转条件相匹配的适当的湍流器规格，能够抑制上游侧通路中的冷却流体的升温，抑制最终通路的叶片体的金属温度的上升，并且能够有效地冷却燃气轮机。以下，对各实施方式的具体内容进行详细说明。

图1是应用一个实施方式的涡轮叶片的燃气轮机的概要结构图。如图1所示，燃气轮机1具备用于生成压缩空气的压缩机2、用于使用压缩空气及燃料产生燃烧气体的燃烧器4、以及构成为由燃烧气体驱动而旋转的涡轮6。在发电用的燃气轮机1的情况下，在涡轮6连结有未图示的发电机。

压缩机2包括固定于压缩机机室10侧的多个静叶16、以及以相对于静叶16交替地排列的方式植设于转子8的多个动叶18。

从空气导入口12导入的空气被输送至压缩机2，该空气通过多个静叶16及多个动叶18而被压缩，从而成为高温高压的压缩空气。

向燃烧器4供给燃料和由压缩机2生成的压缩空气，在该燃烧器4中燃料和压缩空气被混合燃烧，生成作为涡轮6的工作流体的燃烧气体。如图1所示，也可以在外壳20内以转子为中心沿着周向配置多个燃烧器4。

涡轮6具有形成于涡轮机室22内的燃烧气体流路28，包括设置于该燃烧气体流路28的多个静叶24及动叶26。

静叶24固定于涡轮机室22侧，沿转子8的周向排列的多个静叶24构成静叶栅。另外，动叶26植设于转子8，沿转子8的周向排列的多个动叶26构成动叶栅。静叶栅和动叶栅在转子8的轴向上交替地排列。

在涡轮6中，流入燃烧气体流路28的来自燃烧器4的燃烧气体通过多个静叶24及多个动叶26而驱动转子8旋转，由此，驱动与转子8连结的发电机生成电力。驱动涡轮6后的燃烧气体经由排气室30向外部排出。

在几个实施方式中，涡轮6的动叶26或静叶24的至少一方为以下说明的涡轮叶片40。

以下，主要参照作为涡轮叶片40的动叶26的图来进行说明，但对于作为涡轮叶片40的静叶24，基本上也能够适用同样的说明。

图2A及图3A分别是一个实施方式的动叶26(涡轮叶片40)的沿着叶片高度方向的局部剖视图，图2B及图3B分别是表示图2A的IIIA-IIIA剖面及IIIB-IIIB剖面的图。需要说明的是，图中的箭头表示冷却流体的流动的朝向。

如图2A～图3B所示，作为一个实施方式的涡轮叶片40的动叶26具备叶片体42、平台80和叶片根部82。叶片根部82埋设于转子8(参照图1)中，动叶26与转子8一起旋转。平台80与叶片根部82一体地构成。

叶片体42以沿着转子8的径向(以下，有时简称为“径向”或“跨度方向”。)延伸的方式设置，具有：基端50(端部1)，其固定于平台80；以及顶端48(端部2)，其在叶片高度方向(转子8的径向)上位于与基端50相反的一侧(径向外侧)，由形成叶片体42的顶部的顶板49构成。

另外，动叶26的叶片体42从基端50到顶端48具有前缘44及后缘46，该叶片体42的叶片面在基端50与顶端48之间包括沿着叶片高度方向延伸的压力面(腹面)56和负压面(背面)58。

在叶片体42的内部设置有用于使冷却涡轮叶片40的冷却流体(例如空气)流动的冷却流路。在图2A～图3B所示的例示性实施方式中，在叶片体42中，作为冷却流路，形成有蛇行流路61和位于比蛇行流路61靠前缘44侧的前缘侧流路36。在折返流路61及前缘侧流路36中，分别经由内部流路84、35供给来自外部的冷却流体。

这样，通过向蛇行流路61、前缘侧流路36等冷却流路供给冷却流体，对设置于涡轮6的燃烧气体流路28且暴露于高温的燃烧气体的叶片体42进行冷却。

在涡轮叶片40中，蛇行流路61包括分别沿着叶片高度方向延伸的多个冷却通路60a、60b、60c...(以下，也总称为“冷却通路60”。)。在涡轮叶片40的叶片体42的内部沿着叶片高度方向设置有多个肋32，通过各个肋32分隔相邻的冷却通路60。

在图2A及图2B所示的例示性实施方式中，蛇行流路61包括三个冷却通路60a～60c，冷却通路60a～60c从前缘44侧朝向后缘46侧依次排列。另外，在图3A及图3B所示的例示性实施方式中，折返流路61包括五个冷却通路60a～60e，冷却通路60a～60e从前缘44侧朝向后缘46侧依次排列。

形成蛇行流路61的多个冷却通路60中的彼此相邻的冷却通路(例如冷却通路60a和冷却通路60b)在顶端48侧或基端50侧彼此连接，在该连接部中，形成冷却流体的流动方向在叶片高度方向上逆向折返的返回流路，蛇行流路61整体具有在径向上蜿蜒曲折的形状。即，多个冷却通路60彼此连通地形成蛇行流路(迂回流路)61。

形成蛇行流路61的多个冷却通路60包括这些多个冷却通路60中的位于最上游侧的最上游通路和位于最下游侧的最下游通路。在图2A～图3B所示的例示性实施方式中，多个冷却通路60中的位于最前缘44侧的冷却通路60a为最上游通路65，位于最后缘46侧的冷却通路60c(图2A～图2B)或冷却通路60e(图3A～图3B)为最下游通路66。

在具有上述的蛇行流路61的涡轮叶片40中，冷却流体例如经由形成于叶片根部82的内部的内部流路84及设置于叶片体42的基端50侧的入口开口62(参照图2A及图3A)被导入蛇行流路61的最上游通路65，在多个冷却通路60中依次朝向下游侧流动。并且，在多个冷却通路60中，在冷却流体流动方向的最下游侧的最下游通路66中流动的冷却流体经由设置于叶片体42的顶端48侧的出口开口64向涡轮叶片40的外部的燃烧气体流路28流出。出口开口64是形成于顶板49的开口，在最下游通路66中流动的冷却流体的一部分从出口开口64排出。通过设置出口开口64，从而在最下游通路66的顶板49附近的空间中产生冷却流体的停滞空间，能够抑制顶板49的内壁面63过热。

需要说明的是，折返流路61的形状并不限定于图2A～图3B所示的形状。例如，也可以在一个涡轮叶片40的叶片体42的内部形成多个折返流路。或者，蛇行流路61也可以在该蛇行流路61上的分支点分支为多个流路。

在几个实施方式中，如图2A及图3A所示，在叶片体42的后缘部47(包括后缘46的部分)以沿着叶片高度方向排列的方式形成有多个冷却孔70。多个冷却孔70与形成在叶片体42的内部的冷却流路(在图示的例中为蛇行流路61的最下游通路66)连通，并且在叶片体42的后缘部47的表面开口。

在冷却流路(在图示的例中为蛇行流路61的最下游通路66)中流动的冷却流体的一部分通过冷却孔70，从叶片体42的后缘部47的开口向涡轮叶片40的外部的燃烧气体流路28流出。这样，冷却流体通过冷却孔70，对叶片体42的后缘部47进行对流冷却。

在多个冷却通路60中的至少几个内壁面63上设置有肋状的湍流器34。在图2A～图3B所示的例示性实施方中，在多个冷却通路60各自的内壁面63设置有多个湍流器34。

在此，图4及图5分别是用于说明一个实施方式的湍流器34的结构的示意图，图4是沿着包含图2A～图3B所示的涡轮叶片40的叶片高度方向及叶片厚度方向(转子8的周向)的平面的局部剖面的示意图，图4是沿着包含图2A～图3B所示的涡轮叶片40的叶片高度方向及叶片宽度方向(转子8的轴向)的平面的局部剖面的示意图。

如图4所示，各湍流器34设置于冷却通路60的内壁面63，以该湍流器34的该内壁面63为基准的高度为e。另外，如图4及图5所示，在冷却通路60中，多个湍流器34以间距P的间隔设置。另外，如图5所示，冷却通路60中的冷却流体的流动方向(图5的箭头LF)与各湍流器34之间形成的锐角的角度(以下，也称为“倾斜角”。)为倾斜角θ。

若在冷却通路60中设置有上述的湍流器34，则当冷却流体在冷却通路60中流动时，在湍流器34附近促进涡流的产生等流动的紊乱。即，越过湍流器34的冷却流体在配置于下游侧的相邻的湍流器34之间形成涡流。由此，在冷却流体的流动方向上相邻的湍流器34彼此的中间位置附近，冷却流体的涡流附着于冷却通路60的内壁面63，能够增大冷却流体与叶片体42之间的热传递率，能够有效地冷却涡轮叶片40。但是，通过湍流器34的倾斜角，冷却流体的涡流的产生状态发生变化，会影响与叶片内壁之间的热传递率。另外，在湍流器的高度与湍流器的间距相比过高的情况下，有时涡流不附着于内壁面63。因此，在热传递率与湍流器的倾斜角、以及热传递率与间距、高度的比率之间，如后述那样存在适当的范围。另外，若湍流器的高度过高，则成为使冷却流体的压力损失增大的原因。

图6～图10及图12分别是一个实施方式的动叶26(涡轮叶片40)的示意性剖视图。另外，图11是一个实施方式的静叶24(涡轮叶片40)的示意性剖视图。图中的箭头表示冷却流体的流动的朝向。

需要说明的是，图6～图10及图12所示的动叶26具有与上述的动叶26同样的结构。

另外，在图6～图12所示的涡轮叶片40中形成的蛇行流路61分别由五个冷却通路60a～60e形成，其中，位于最前缘44侧的冷却通路60a为最上游通路65，位于最后缘46侧的冷却通路60e为最下游通路66。

以下，参照图2A～图3B、及图6～图12对几个实施方式的涡轮叶片40中的湍流器34的特征进行说明，但在其之前，参照图11，对一个实施方式的静叶24(涡轮叶片40)的结构进行说明。

如图11所示，一个实施方式的静叶24(涡轮叶片40)具备叶片体42、相对于叶片体42位于径向内侧的内侧护罩86、以及相对于叶片体42位于径向外侧的外侧护罩88。外侧护罩88支承于涡轮机室22(参照图1)，静叶24经由外侧护罩88支承于涡轮机室22。叶片体42具有位于外侧护罩88侧(即径向外侧)的外侧端52和位于内侧护罩86侧(即径向内侧)的内侧端54。

静叶24的叶片体42从外侧端52到内侧端54具有前缘44及后缘46，叶片体42的叶片面在外侧端52与内侧端54之间包括沿着叶片高度方向延伸的压力面(腹面)56和负压面(背面)58。

在静叶24的叶片体42的内部形成有由多个冷却通路60形成的蛇行流路61，该蛇行流路61具有与上述的动叶26中的蛇行流路61同样的结构。在图11所示的例示性实施方式中，由五个冷却通路60a～60e形成蛇行流路61。

在图11所示的静叶24(涡轮叶片40)中，冷却流体经由形成于外侧护罩88的内部的内部流路(未图示)及设置于叶片体42的外侧端52侧的入口开口62被导入蛇行流路61，在多个冷却通路60中依次朝向下游侧流动。并且，在多个冷却通路60中，在冷却流体的流动方向的最下游侧的最下游通路66中流动的冷却流体经由设置于叶片体42的内侧端54侧(内侧护罩86侧)的出口开口64向静叶24(涡轮叶片40)的外部的燃烧气体流路28流出、或者从后述的后缘部47的冷却孔70向燃烧气体中排出。

在静叶24中，在多个冷却通路60中的至少几个内壁面设置有上述的湍流器34。在图11所示的例示性实施方式中，在多个冷却通路60各自的内壁面设置有多个湍流器34。

在静叶24中，也可以在叶片体42的后缘部47以沿着叶片高度方向排列的方式形成有多个冷却孔70。

接着，参照图2A～图3B以及图6～图12对几个实施方式的涡轮叶片40中的湍流器34的特征进行说明。

在此，在图6～图12所示的涡轮叶片40中，将冷却通路60a～60e各自中的湍流器34的倾斜角分别设为θa、θb、θc、θd、θe，将冷却通路60a～60e的各通路中的相邻的湍流器34的间距分别设为Pa、Pb、Pc、Pd、Pe，将各通路中的该相邻的湍流器34的高度(或平均高度)分别设为ea、eb、ec、ed、ee。

在图6所示的动叶26中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为θa＝θb＝θc＝θd＝θe(<90度)，并且冷却通路60a～60e中的湍流器34的间距为Pa＝Pb＝Pc＝Pd＞Pe。

在图7所示的动叶26中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为θa(＝90度)＞θb＞θc＞θd＞θe，并且冷却通路60a～60e中的湍流器34的间距为Pa＝Pb＝Pc＝Pd＞Pe。

在8所示的动叶26及图11所示的静叶24中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为0a＝θb＝θc＝θd(＝90度)＞θe，并且冷却通路60a～60e中的湍流器34的间距为Pa＝Pb＝Pc＝Pd＞Pe。

在图9所示的动叶26中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为(90度＞)θb＝θc＞θd＞θe，并且冷却通路60a～60e中的湍流器34的间距为Pb＝Pc＝Pd＞Pe。

在图10所示的动叶26中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为θb＝θc(＝90度)＞θd＝θe，并且冷却通路60a～60e中的湍流器34的间距为Pb＝Pc＝Pd＞Pe。

在图12所示的动叶26中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为θa＝θb＝θc＝θd＝θe(<90度)。关于图12所示的动叶26的冷却通路60a～60e中的湍流器34的间距将在后文叙述。

需要说明的是，在图9～图10所示的动叶26的冷却通路60a中未设置湍流器34，冷却通路60a的内壁面由平滑面形成。

在几个实施方式中，具备在多个冷却通路60中的上游侧通路的内壁面设置的肋状的第一湍流器(湍流器34)、以及在多个冷却通路60中的蛇行流路61中位于比上游侧通路靠下游侧的下游侧通路的内壁面设置的肋状的第二湍流器(湍流器34)。并且，第二湍流器相对于下游侧通路中的冷却流体的流动方向所成的第二角度02(倾斜角)比第一湍流器相对于上游侧通路中的冷却流体的流动方向所成的第一角度θ1(倾斜角)小。

即，多个冷却通路60包括设置有倾斜角为第一角度θ1的第一湍流器的上游侧通路、以及设置有倾斜角为比第一角度θ1小的第二角度02的第二湍流器的下游侧通路。

图7～8及图9～图11所示的涡轮叶片40(动叶26或静叶24)分别为本实施方式的涡轮叶片。

例如，在图8所示的动叶26及图11所示的静叶24中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为θa＝θb＝θc＝θd＞θe。因此，湍流器34的倾斜角为θa～θd(第一角度θ1)的冷却通路60a～60d是上述的上游侧通路，湍流器34的倾斜角为比第一角度θ1小的θe(第二角度02)的冷却通路60e(即最下游通路66)是上述的下游侧通路。

另外，例如，在图9所示的动叶26中，冷却通路60a～60e中的湍流器34的倾斜角为θb＝θc＞θd＞θe。因此，湍流器34的倾斜角为θb(第一角度θ1)的冷却通路60b是上述的上游侧通路，湍流器34的倾斜角为比第一角度θ1小的θd～θe(第二角度θ2)的冷却通路60d～60e是上述的下游侧通路。同样地，如果将冷却通路60c设为倾斜角为第一角度θ1(θc)的上游侧通路，则冷却通路60d～60e是倾斜角为第二角度θ2(<θ1)的下游侧通路。另外，同样地，如果将冷却通路60d设为倾斜角为第一角度θ1(θd)的上游侧通路，则冷却通路60e是倾斜角为第二角度θ2(<θ1)的下游侧通路。

这样，“上游侧通路”及“下游侧通路”表示多个冷却通路60中的两个冷却通路60的相对位置关系。

在此，图13是表示热传递率比α与湍流器的倾斜角θ的相关关系的一例的曲线图。但是，热传递率比α是热传递率h与热传递率h0之比h/h0，该热传递率h是在冷却通路的内壁面设置有湍流器的情况下的该冷却通路中的冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率，该热传递率h0是在冷却通路中未设置湍流器且冷却通路的内壁面由平滑面形成的情况下的该冷却通路中的冷却流体与涡轮叶片之间的热传递率。

如图13所示，在冷却通路60中的湍流器34的倾斜角θ小于90度的范围中，存在该倾斜角θ越小，冷却流体与涡轮叶片40之间的热传递率比α越大的倾向。需要说明的是，冷却通路的内壁面为平滑面时的热传递率h0不被湍流器34的倾斜角左右，为恒定的常数。因此，热传递率比α(＝h/h0)大是指冷却流体与涡轮叶片40之间的热传递率h大。也就是说，在冷却通路60中的湍流器34的倾斜角θ小于90度的范围中，存在该倾斜角θ越小，冷却流体与涡轮叶片40之间的热传递率h越大的倾向。另一方面，当湍流器34的倾斜角θ变大时，在通路中流动的冷却流体的压力损失变小。因此，重要的是，取得由减小倾斜角θ引起的热传递率的增加与压力损失的增加的平衡，并且选定湍流器34的倾斜角θ。需要说明的是，如图13所示，倾斜角θ存在热传递率比α最高的最佳角度。为了方便起见，将该倾斜角θ称为最佳角(最佳值)。最佳角的一例为60度。另外，在比最佳角大且小于90度的倾斜角中，将热传递率比最佳角处的热传递率比α小的倾斜角称为中间角(中间值)。

关于这一点，在上述的实施方式中，与蛇行流路61的上游侧通路中的第一湍流器的倾斜角(第一角度θ1)相比，下游侧通路中的第二湍流器的倾斜角(第二角度θ2)小。在该情况下，第二湍流器的倾斜角(第二角度θ2)选定了最佳角(最佳值)，第一湍流器的倾斜角(第一角度θ1)选定了中间角(中间值)。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率h(或热传递率比α)相对变小，抑制了涡轮叶片40的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低。另一方面，在下游侧通路中，上述的热传递率h(或热传递率比α)相对变大，促进了涡轮叶片40的冷却，因此能够在蛇行流路61的下游侧区域中强化涡轮叶片40的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片40而向蛇行流路61供给的冷却流体的量，因此能够提高涡轮6的热效率。

在几个实施方式中，多个第二湍流器(湍流器34)的第二角度θ2的平均值小于多个第一湍流器(湍流器34)的第一角度θ1的平均值。

在该情况下，也通过与上述同样的理由，能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且能够在蛇行流路61的下游侧区域中强化涡轮叶片40的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片40而向蛇行流路61供给的冷却流体的量，因此能够提高涡轮6的热效率。

在几个实施方式中，例如，如图7、图8、图10及图11所示，涡轮叶片40具备设置于上游侧通路且第一角度θ1为90度的第一湍流器(湍流器34)。

即，图7中的冷却通路60a、图8中的冷却通路60a～60d中的任一个、图10中的冷却通路60b或60c、或者图11中的60a～60d中的任一个也可以是具备第一角度θ1为90度的第一湍流器(湍流器34)的上游侧通路，位于上游侧通路各自的下游侧的至少一个冷却通路60也可以是下游侧通路。

如上所述，在冷却通路60中的湍流器34的倾斜角θ为90度或小于90度的范围中，存在该倾斜角θ越小，冷却流体与涡轮叶片40之间的热传递率h(或热传递率比α)越大的倾向。关于这一点，在上述的实施方式中，上游侧通路中的第一湍流器的倾斜角(第一角度θ1)为90度，并且下游侧通路中的第二湍流器的倾斜角(第二角度θ2)小于90度。因此，能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低，并且能够在蛇行流路61的下游侧区域中强化涡轮叶片40的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片40而向蛇行流路61供给的冷却流体的量，因此能够提高燃气轮机1的热效率。

在此，在冷却通路60中，将相邻的一对湍流器34的间距P(参照图4及图5)与以冷却通路60的内壁面63为基准的湍流器34的高度e(或一对湍流器34的平均高度e)之比P/e定义为形状系数。

在几个实施方式中，与设置于上游侧通路的多个第一湍流器(湍流器34)的第一形状系数P1/e1相比，设置于下游侧通路的多个第二湍流器(湍流器34)的第二形状系数P2/e2小。

其中，第一形状系数P1/e1是多个第一湍流器(湍流器34)中的相邻的一对第一湍流器的间距P1与该第一湍流器的高度e1(或一对第一湍流器的平均高度e1)之比P1/e1。另外，第二形状系数P2/e2是多个第二湍流器(湍流器34)中的相邻的一对第二湍流器的间距P2与该第二湍流器的高度e2(或一对第二湍流器的平均高度e2)之比P2/e2。

图6～图12所示的涡轮叶片40(动叶26或静叶24)分别是本实施方式的涡轮叶片。

例如，在图6～图8及图11所示的动叶26或静叶24中，冷却通路60e中的形状系数Pe/ee小于位于比冷却通路60e靠上游侧的冷却通路60a～60d中的形状系数(Pa/ea～Pd/ed)。

或者，在图9～图10所示的动叶26中，冷却通路60e中的形状系数Pe/ee小于位于比冷却通路60e靠上游侧的冷却通路60b～60d中的形状系数(Pb/eb～Pd/ed)。

即，冷却通路60e是湍流器34的形状系数小的第二形状系数P2/e2(Pe/ee)的下游侧通路，并且位于比该下游侧通路(冷却通路60e)靠上游侧的位置，且湍流器34的形状系数为比第二形状系数P1/e2大的第一形状系数P1/e1(Pa/ea～Pd/ed、或Pb/eb～Pd/ed)的冷却通路60a～60d或冷却通路60b～60d是上游侧通路。

在此，图14是表示热传递率比α与湍流器的形状系数P/e的相关关系的一例的曲线图。但是，热传递率比α是上述的热传递率h与热传递率h0之比h/h0。

如图14所示，存在冷却通路60中的湍流器34的形状系数P/e越小，冷却流体与涡轮叶片40之间的热传递率比α越大，冷却流体与涡轮叶片40之间的热传递率h越大的倾向。另一方面，若减小湍流器34的形状系数P/e，则存在在通路中流动的冷却流体的压力损失变大的倾向。例如，若不改变湍流器的高度e而减小间距P，则形状系数P/e变小，但冷却流体的压力损失变大。因此，重要的是，取得由减小形状系数P/e引起的热传递率的增加与压力损失的增加的平衡，并且选定湍流器34的形状系数P/e。但是，如图14所示，即使减小形状系数P/e，热传递率比α的增加也存在极限。为了方便起见，将热传递率比α最高的最佳形状系数称为最佳系数(最佳值)。另外，将形状系数P/e比最佳系数大，热传递率比α比最佳系数的形状系数P/e小的形状系数P/e称为中间系数(中间值)。

关于这一点，在上述的实施方式中，上游侧通路中的第一形状系数P1/e1比下游侧通路中的第二形状系数P2/e2大。在该情况下，第二湍流器的形状系数(第二形状系数)选定最佳系数，第一湍流器的形状系数(第一形状系数)选定中间系数。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率h(或热传递率比α)相对变小，抑制了涡轮叶片40的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向下游侧通路的冷却流体的温度维持得较低。另一方面，在下游侧通路中，上述的热传递率h(或热传递率比α)相对变大，促进了涡轮叶片40的冷却，因此能够在蛇行流路61的下游侧区域中强化涡轮叶片40的冷却。由此，能够削减为了冷却涡轮叶片40而向蛇行流路61供给的冷却流体的量，因此能够提高燃气轮机1的热效率。

如前所述，湍流器34的形状系数P/e由相邻的一对湍流器34的间距P与湍流器34的高度e之比P/e表示。另外，如图14所示，如果使形状系数P/e变化，则热传递率h(热传递率比α)变化。例如，能够通过改变湍流器34的高度e或间距P来改变形状系数P/e，从而选定作为目标的热传递率h。需要说明的是，湍流器的高度e与形状系数P/e相关，并且也与通路的背腹方向宽度D(参照图4)相关。即，相对于背腹方向宽度D，若过度增大湍流器34的高度e，则使在通路中流动的冷却流体的压力损失变大。特别是，最终通路(最下游通路66)的背腹方向宽度D变小，因此，理想的是，湍流器34的高度e比上游侧通路中的湍流器34的高度e小(低)。通过选定适当的湍流器34的高度e，能够维持热传递率h，并且降低冷却流体的压力损失。

在几个实施方式中，下游侧通路包括多个冷却通路60中的位于冷却流体的流动的最下游侧的最下游通路66，上游侧通路包括与最下游通路66相邻配置的冷却通路60。

例如，在图6～图10所示的例示性实施方式中，多个冷却通路60中的位于最下游侧的冷却通路60e(最下游通路66)为下游侧通路，上游侧通路包括与冷却通路60e(最下游通路66)相邻配置的冷却通路60d。

在形成蛇行流路61的多个冷却通路60中流动的冷却流体通过与作为冷却对象的涡轮叶片40的热交换而被升温，随着朝向下游而温度上升，在位于冷却流体的流动方向的最下游侧的最下游通路66中，温度变得最高。

关于这一点，在上述的实施方式中，在包括最下游通路66的下游侧通路中，湍流器34的倾斜角比上游侧通路小，或者，湍流器34的形状系数P/e比上游侧通路小。因此，在上游侧通路中，上述的热传递率h(或热传递率比α)相对变小，抑制了涡轮叶片40的冷却，因此能够将从上游侧通路朝向最下游通路的冷却流体的温度抑制得较低。另一方面，在最下游通路中，上述的热传递率h(或热传递率比α)相对变大，促进了涡轮叶片40的冷却，因此能够在最下游通路中强化涡轮叶片40的冷却。由此，能够有效地削减为了冷却涡轮叶片40而向蛇行流路61供给的冷却流体的量，能够提高燃气轮机1的热效率。

例如，如图2A～图3B及图6～图12所示，多个冷却通路60也可以包含三个以上的冷却通路60。

或者，例如，如图3A～图3B及图6～图12所示，多个冷却通路60也可以包含五个以上的冷却通路60。

在该情况下，与形成蛇行流路61的三个或五个通路以上的冷却通路60中的上游侧通路中的第一湍流器的倾斜角(第一角度θ1)相比，能够减小这三个或五个通路以上的冷却通路60中的下游侧通路中的第二湍流器的倾斜角(第二角度θ2)。或者，与上游侧通路中的第一湍流器的形状系数P1/e1相比，能够减小这三个或五个通路以上的冷却通路60中的下游侧通路中的第二湍流器的形状系数P2/e2。

因此，能够削减为了冷却涡轮叶片40而向蛇行流路61供给的冷却流体的量，因此能够提高燃气轮机1的热效率。

另外，通过将形成蛇行流路61的冷却通路60设为三个或五个通路以上，使冷却通路60的数量增加，各冷却通路60的通路截面积减少，由此，能够增加冷却流体的流速，能够促进涡轮叶片40的冷却。

另外，若将形成蛇行流路61的冷却通路60设为三个或五个通路以上，使冷却通路60的数量增加，在相邻的冷却通路60之间设置的肋32的数量也增加，因此涡轮叶片40中的与冷却流体接触的表面积增加。因此，能够在有效地降低涡轮叶片40的剖面平均温度的同时，剖面平均蠕变强度的裕度变大，因此能够削减冷却流体的量。

在几个实施方式中，例如，如图9～图10所示，多个冷却通路60中的位于冷却流体的流动方向的最上游侧的最上游通路65的内壁面由未设置有湍流器的平滑面67形成。

在冷却通路60的内壁面由未设置有湍流器的平滑面67形成的情况下，与在冷却通路60的内壁面设置有湍流器的情况相比，冷却流体与涡轮叶片40之间的热传递率h＝h0(或热传递率比α＝1)小。

关于这一点，在上述的实施方式中，最上游通路65的内壁面由未设置有湍流器的平滑面67形成，最上游通路65中的上述的热传递率h＝h0(或热传递率比α＝1)比上游侧通路中的上述的热传递率h(或热传递率比α)小。即，形成蛇行流路61的最上游通路65、上游侧通路及下游侧通路中的上述的热传递率h(或热传递率比α)依次变大。因此，在蛇行流路61中，容易使热传递率h(或热传递率比α)阶段性地变化，容易调节各个冷却通路60中的冷却性能。

在几个实施方式中，下游侧通路包括多个冷却通路60中的位于冷却流体的流动方向的最下游侧的最下游通路66，该最下游通路66形成为流路截面积随着朝向冷却流体的流动方向的下游侧变小。

例如，在图2A及图3A所示的例示性实施方式中，最下游通路66与位于比该最下游通路66靠上游侧的冷却通路60相比，是湍流器34的倾斜角θ或形状系数P/e小的下游侧通路。并且，最下游通路66形成为，流路截面积从该最下游通路66中的冷却流体的流动方向的上游侧(叶片体42的基端50侧(端部1))朝向下游侧(叶片体42的顶端48侧(端部2))变小。另外，与最下游通路66相邻且与最下游通路66连通的上游侧通路的冷却通路60d形成为，流路截面积从冷却流体的流动方向的上游侧(叶片体42的顶端48侧)朝向下游侧(叶片体42的基端50侧)变小。

在该情况下，最下游通路66形成为流路截面积朝向冷却流体的流动方向的下游侧变小，因此，在该最下游通路66中，冷却流体的流速随着朝向下游侧而增加。另外，冷却通路60d与最下游通路66同样地，形成为流路截面积朝向冷却流体的流动方向的下游侧变小，因此在冷却通路60d中，冷却流体的流速随着朝向下游侧而增加。由此，能够抑制冷却通路66d的下游侧即基端50侧的叶片内壁的金属温度的上升。进而，最下游通路66的流路截面积形成为朝向冷却流体的流动方向的下游侧即顶端48侧变小，因此冷却流体的流速增加，能够有效地冷却叶片内壁。其结果是，能够抑制最下游通路66的叶片内壁的金属温度的上升，提高冷却流体成为比较高温的最下游通路66中的冷却效率。上述的说明是图3A的叶片结构的情况，但图2A所示的叶片结构中的最下游通路66和冷却通路60b中的流路截面积的变化也能够同样地进行说明。另外，即使在图11的示意图所示的静叶26的情况下，也可以形成为流路截面积从最下游通路66的外侧端52(端部1)朝向冷却流体的流动方向的下游侧的内侧端54(端部2)变小。其结果是，冷却流体的流速增加，能够抑制最下游通路66的叶片内壁的金属温度的上升。

在几个实施方式中，下游侧通路包括多个冷却通路60中的位于冷却流体的流动方向的最下游侧的最下游通路66，并且涡轮叶片40还具备冷却流体供给路92，该冷却流体供给路92构成为以与最下游通路66的上游部连通的方式设置，将来自外部的冷却流体不经由上游侧通路而向最下游通路66(下游侧通路)供给。

例如，在图2A及图3A所示的例示性实施方式中，以与作为下游侧通路的最下游通路66的上游部(叶片体42的基端50侧)连通的方式，在叶片根部82的内部设置有冷却流体供给路92。并且，来自外部的冷却流体能够不经由位于比最下游通路66靠上游侧的上游侧通路(冷却通路60a～的60d中的至少一个)，而经由该冷却流体供给路92向最下游通路66供给。

在该情况下，除了来自蛇行流路61的上游侧通路的冷却流体流入最下游通路66之外，另外还经由冷却流体供给路92供给来自外部的冷却流体，在最下游通路中流动的冷却流体的流速增加。因此，能够进一步强化来自蛇行流路61的上游侧通路的冷却流体成为比较高温的最下游通路66中的冷却。

需要说明的是，图11所示的静叶24(涡轮叶片40)具有与图8所示的动叶26(涡轮叶片40)对应的湍流器34的结构(各冷却通路60中的倾斜角θ或形状系数P/e的大小关系等)，但是几个实施方式的静叶24(涡轮叶片40)也可以具有与图6、图7、图9、图10及图12所示的动叶26(涡轮叶片40)中的任一个对应的结构。

在几个实施方式中，在具备第一湍流器的上游侧通路中，一部分所述第一湍流器的所述第一形状系数比同一通路内的其他所述第一湍流器的所述第一形状系数的平均值小。

如图12所示，设置于上游侧通路内的最下游侧的冷却通路60d的第一湍流器的第一形状系数选定了比同一通路中的其他第一湍流器的第一形状系数或多个其他第一湍流器的第一形状系数的平均值小的系数。例如，在最下游侧的冷却通路60d的同一通路内的一部分产生热点，存在叶片内壁的金属温度与其他叶片内壁相比局部变成高温的情况。在这样的情况下，例如不改变相应的内壁的湍流器34a的高度e，而减小间距P，减小湍流器34的第一形状系数P/e。也就是说，使产生了热点的通路内壁的第一湍流器的第一形状系数比其他部位小，以提高热传递率h，实现局部冷却的强化。图12所示的例子示出了冷却通路66d的例子，但不限于该实施方式，也可以适用于其他上游侧通路。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，也包括对上述的实施方式施加变形的方式、适当地组合这些方式而得到的方式。

在本说明书中，“在某方向上”、“沿着某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对或绝对的配置的表达不仅表示严格上该种配置，也表示具有公差、或者以能够得到相同功能的程度的角度、距离相对地位移了的状态。

例如，“相同”、“相等”以及“均质”等表示物事相等的状态的表达不仅表示严格相等的状态，也表示存在公差、或者能够得到相同功能的程度的差的状态。

另外，在本说明书中，四边形状、圆筒形状等表示形状的表达不仅表示几何学上严格意义的四边形状、圆筒形状等形状，也表示在能够得到相同效果的范围内包含凹凸部、倒角部等的形状。

另外，在本说明书中，“具备”、“包含”、或“具有”一构成要素这样的表达不是将其他构成要素的存在排除在外的排他性表达。

附图标记说明：

1...燃气轮机；

2...压缩机；

4...燃烧器；

6...涡轮；

8...转子；

10...压缩机机室；

12...空气导入口；

16...静叶；

18...动叶；

20...外壳；

22...涡轮机室；

24...静叶；

26...动叶；

28...燃烧气体流路；

30...排气室；

32...肋；

34...湍流器；

35...内部流路；

36...前缘侧流路；

40...涡轮叶片；

42...叶片体；

44...前缘；

46...后缘；

47...后缘部；

48...顶端；

49...顶板；

50...基端；

52...外侧端；

54...内侧端；

60、60a～60e...冷却通路；

61...蛇行流路；

62...入口开口；

63...内壁面；

64...出口开口；

65...最上游通路；

66...最下游通路(最终通路)；

67...平滑面；

70...冷却孔；

80...平台；

82...叶片根部；

84...内部流路；

86...内侧护罩；

88...外侧护罩；

92...冷却流体供给路；

P...间距；

e...高度；

θ...倾斜角。

Claims (12)

1.一种涡轮叶片，其特征在于，

所述涡轮叶片具备：

叶片体；以及

多个冷却通路，它们在所述叶片体的内部分别沿着叶片高度方向延伸，并且相互连通而形成蛇行流路，

所述冷却通路具备：

第一湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的上游侧通路的内壁面；以及

第二湍流器，其设置于所述多个冷却通路中的、配置于比所述上游侧通路靠下游侧的下游侧通路的内壁面，

所述下游侧通路是位于所述多个冷却通路中的冷却流体的流动的最下游侧的最下游通路，

所述最下游通路在所述叶片体的顶端具有出口开口，且形成为朝向所述冷却流体的流动的下游侧而流路面积减小，

所述第二湍流器相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向所成的第二角度比设置于与所述最下游通路相邻地配置的所述上游侧通路的内壁面的所述第一湍流器相对于与所述最下游通路相邻地配置的所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向所成的第一角度小，且所述第一角度为90度。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，

相对于所述下游侧通路中的所述冷却流体的流动方向而由所述第二湍流器的高度和间距规定的第二形状系数比相对于所述上游侧通路中的冷却流体的流动方向而由所述第一湍流器的高度和间距规定的第一形状系数小。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，

在所述上游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第一湍流器，

在所述下游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第二湍流器，

所述多个所述第二湍流器的第二角度的平均值比所述多个所述第一湍流器的第一角度的平均值小。

4.根据权利要求2所述的涡轮叶片，其特征在于，

在所述上游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第一湍流器，

在所述下游侧通路设置有沿着所述叶片高度方向排列的多个所述第二湍流器，

所述多个所述第二湍流器的所述第二形状系数的平均值比所述多个所述第一湍流器的所述第一形状系数的平均值小。

5.根据权利要求2或4所述的涡轮叶片，其特征在于，

一部分所述第一湍流器的所述第一形状系数比同一通路内的其他所述第一湍流器的所述第一形状系数的平均值小。

6.根据权利要求2或4所述的涡轮叶片，其特征在于，

所述第一形状系数由所述多个所述第一湍流器中的相邻的一对第一湍流器的间距(P1)与以所述上游侧通路的内壁面为基准的所述一对第一湍流器的高度(e1)之比(P1/e1)表示，

所述第二形状系数由所述多个所述第二湍流器中的相邻的一对第二湍流器的间距(P2)与以所述下游侧通路的内壁面为基准的所述一对第二湍流器的高度(e2)之比(P2/e2)表示。

7.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，

所述多个冷却通路是包括三个以上的所述冷却通路的蛇行通路。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片，其特征在于，

所述多个冷却通路包括位于该多个冷却通路中的所述冷却流体的流动方向的最上游侧的最上游通路，

所述最上游通路的内壁面由未设置湍流器的平滑面形成。

9.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，

所述涡轮叶片还具备冷却流体供给路，所述冷却流体供给路以与所述最下游通路的上游部连通的方式设置，且构成为将来自外部的冷却流体以不经由所述上游侧通路的方式向所述最下游通路供给。

10.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，

所述涡轮叶片是燃气轮机的动叶。

11.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，

所述涡轮叶片是燃气轮机的静叶。

12.一种燃气轮机，其特征在于，具备：

权利要求1或2所述的涡轮叶片；以及

燃烧器，其用于生成在设置有所述涡轮叶片的燃烧气体流路中流动的燃烧气体。

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