JP7254668B2 - タービン翼及びこれを備えたガスタービン - Google Patents

Description

本開示は、タービン翼及びこれを備えたガスタービンに関する。

ガスタービン等のタービン翼において、タービン翼の内部に形成された流路に冷却媒体（空気等）を流すことにより、高温のガス流れに曝されるタービン翼を冷却することが知られている。

例えば、特許文献１には、翼高さ方向に沿って延びる複数の冷却通路により形成される蛇行流路（サーペンタイン流路）が翼部の内部に設けられたタービン翼が開示されている。この蛇行流路（冷却流路）は、背腹分離壁によって隔離された腹側（圧力面側）流路及び背側（負圧面側）流路を含む。タービン翼の根元部から腹側流路に流入した冷却媒体は、腹側流路を半径方向外向きに流れた後、翼先端部で折り返して、背側流路を半径方向内向きに流れるようになっている。腹側流路及び背側流路を流れる冷却媒体の一部は、腹側流路及び背側流路から翼面に通じるようにタービン翼に形成された複数のフィルム孔を介してタービン翼の外部に排出されるようになっている。また、タービン翼の前縁部には、前述の蛇行流路（冷却流路）とは別に、翼高さ方向に沿って延びる冷却通路が設けられている。翼根元部から前縁部の冷却通路に供給された冷却媒体は、該冷却通路から前縁部の翼表面に通じる冷却孔（シャワーヘッド）を介してタービン翼の外部に排出されるようになっている。

特開平７－１８９６０３号公報

ところで、タービン翼内部の冷却流路に供給された冷却媒体が、温度があまり上がらないうちに（即ち、冷却能力が残っている状態で）冷却流路から排出される場合、タービン翼の冷却流路への冷却媒体の供給量が多くなってしまい、タービンシステム全体の効率低下につながる場合がある。そこで、タービン翼の冷却流路への冷却媒体の供給量増大を抑制することが望まれる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、冷却媒体の供給量増大を抑制可能なタービン翼及びこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン翼は、
翼高さ方向に延在し、前縁と後縁との間において延在する圧力面及び負圧面を有する翼形部と、
少なくとも前記翼形部の内部において前記翼高さ方向に沿ってそれぞれ延在する複数のキャビティと、を備え、
前記複数のキャビティは、互いに連通して蛇行流路を形成する前縁側キャビティ、圧力面側キャビティ及び負圧面側キャビティを含み、
前記前縁側キャビティは、前記複数のキャビティのうち前記翼形部のコード方向において最も前縁側に位置し、
前記圧力面側キャビティは、前記コード方向において前記前縁側キャビティよりも後縁側に位置し、前記翼高さ方向における前記翼形部の基端側の第１リターン部を介して前記前縁側キャビティに接続され、
前記負圧面側キャビティは、前記コード方向において前記前縁側キャビティよりも後縁側にて前記圧力面側キャビティと少なくとも部分的に重なるように位置し、前記翼高さ方向における前記翼形部の先端側の第２リターン部を介して前記圧力面側キャビティに接続され、
前記翼形部の前縁部に形成され、前記前縁側キャビティに連通するとともに前記前縁部における前記翼形部の表面に開口する出口孔を備える。

また、本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、上述のタービン翼と、前記タービン翼が設けられる燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスを生成するための燃焼器と、を備える。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、冷却媒体の供給量増大を抑制可能なタービン翼及びこれを備えたガスタービンが提供される。

一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。 一実施形態に係るタービン翼の概略図である。 図２に示すタービン翼の翼高さ方向に直交する概略断面図である。 図３のＢ－Ｂ矢視概略断面図である。 図３のＣ－Ｃ矢視概略断面図である。 一実施形態に係るタービン翼のプラットフォームの概略断面図である。 一実施形態に係るタービン翼のプラットフォームの概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（ガスタービンの構成）
まず、幾つかの実施形態に係るタービン翼が適用されるガスタービンについて説明する。
図１は、一実施形態に係るタービン翼が適用されるガスタービンの概略構成図である。図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮空気を生成するための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン６と、を備える。発電用のガスタービン１の場合、タービン６には不図示の発電機が連結される。

圧縮機２は、圧縮機車室１０側に固定された複数の静翼１６と、静翼１６に対して交互に配列されるようにロータ８に植設された複数の動翼１８と、を含む。圧縮機２には、空気取入口１２から取り込まれた空気が送られるようになっており、この空気は、複数の静翼１６及び複数の動翼１８を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。

燃焼器４には、燃料と、圧縮機２で生成された圧縮空気とが供給されるようになっており、該燃焼器４において燃料と圧縮空気が混合され、燃焼され、タービン６の作動流体である燃焼ガスが生成される。図１に示すように、ケーシング２０内にロータを中心として周方向に沿って複数の燃焼器４が配置されていてもよい。

タービン６は、タービン車室２２内に形成される燃焼ガス流路２８を有し、該燃焼ガス流路２８に設けられる複数の静翼２４及び動翼２６を含む。静翼２４はタービン車室２２側に固定されており、ロータ８の周方向に沿って配列される複数の静翼２４が静翼列を構成している。また、動翼２６はロータ８に植設されており、ロータ８の周方向に沿って配列される複数の動翼２６が動翼列を構成している。静翼列と動翼列とは、ロータ８の軸方向において交互に配列されている。

タービン６では、燃焼ガス流路２８に流れ込んだ燃焼器４からの燃焼ガスが複数の静翼２４及び複数の動翼２６を通過することでロータ８が回転駆動され、これにより、ロータ８に連結された発電機が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、排気室２９を介して外部へ排出される。

幾つかの実施形態において、タービン６の動翼２６又は静翼２４の少なくとも一方は、以下に説明するタービン翼３０である。

（タービン翼の構成）
以下、幾つかの実施形態に係るタービン翼３０についてより詳細に説明する。図２は、一実施形態に係るタービン翼３０（動翼２６）を、負圧面から圧力面に向かう方向（ロータ周方向に沿った方向）に見た概略図である。図３は、図２に示すタービン翼３０の翼高さ方向に直交する概略断面図であり、図２のＡ－Ａ矢視断面図である。図４は図３のＢ－Ｂ矢視概略断面図であり、図５は図３のＣ－Ｃ矢視概略断面図である。図６及び図７は、それぞれ、一実施形態に係るタービン翼３０のプラットフォームの概略断面図であり、図２のＤ－Ｄ矢視断面図に相当する図である。
以下においては、動翼２６の図を参照しながらタービン翼３０について説明するが、タービン翼３０としての静翼２４についても、基本的には同様の説明が適用できる。

図２～図５に示すように、一実施形態に係るタービン翼３０（動翼２６）は、プラットフォーム３２と、プラットフォーム３２に接続される翼形部３４及び翼根部３６と、を備えている。

翼形部３４は、翼高さ方向（スパン方向）に延在しており、翼高さ方向における両端である基端３８及び先端４０を有し、基端３８側にてプラットフォーム３２に接続されている。また、翼形部３４は、翼高さ方向に沿って延びる前縁４２及び後縁４４を有するとともに、前縁４２と後縁４４との間において延在する圧力面４６及び負圧面４８を有する。

翼根部３６は、翼高さ方向においてプラットフォーム３２を挟んで翼形部３４とは反対側に位置している。翼根部３６は、凹凸形状を有する係合部３７を含み、該係合部３７がロータ８とともに回転するロータディスク（不図示）に設けられた翼溝に係合されることにより、タービン翼３０がタービン６のロータ８に取り付けられる。

なお、タービン翼３０がロータ８に取り付けられた状態では、翼高さ方向は、タービン６の径方向に沿った方向となる。すなわち、タービン翼３０の翼高さ方向とタービン６の径方向とが略一致する。

図３～図５に示すように、タービン翼３０は、少なくとも翼形部３４の内部において翼高さ方向に沿ってそれぞれ延在する複数のキャビティ５２，５４，５６，６２，６４，６６を備えている。図３～図５に示す例示的な実施形態では、隣り合うキャビティの間に、翼高さ方向に沿って延びて翼形部３４の内部空間を仕切るリブ７６ａ～７６ｄ及び隔壁５８が設けられており、翼形部３４の内壁面３４ａと、リブ７６ａ～７６ｄ及び隔壁５８とによって、複数のキャビティが形成されている。

上述の複数のキャビティのうち、前縁側キャビティ５２、圧力面側キャビティ５４、及び、負圧面側キャビティ５６は、互いに連通して蛇行流路（サーペンタイン流路）５０を形成している。

前縁側キャビティ５２は、上述の複数のキャビティのうち、翼形部３４のコード方向（翼高さ方向直交断面において前縁４２と後縁４４とを結ぶ方向；図３参照）において最も前縁４２側に位置するキャビティである。

圧力面側キャビティ５４及び負圧面側キャビティ５６は、コード方向において前縁側キャビティ５２よりも後縁４４側に位置している。また、圧力面側キャビティ５４及び負圧面側キャビティ５６は、コード方向において少なくとも部分的に互いに重なるように位置している。翼高さ方向直交断面（図３参照）において、圧力面側キャビティ５４は、少なくとも部分的に、負圧面側キャビティ５６と圧力面４６との間に位置している。また、翼高さ方向直交断面において、負圧面側キャビティ５６は、少なくとも部分的に、圧力面側キャビティ５４と負圧面４８との間に位置している。

圧力面側キャビティ５４は、翼高さ方向における基端３８側（即ち径方向内側）に位置する第１リターン部５３を介して前縁側キャビティ５２に接続されている。負圧面側キャビティ５６は、翼高さ方向における先端４０側（即ち径方向外側）に位置する第２リターン部５５を介して圧力面側キャビティ５４に接続されている。

一実施形態に係るタービン翼３０は、翼形部３４の前縁部４３に形成され、前縁側キャビティ５２に連通するとともに前縁部４３における翼形部３４の表面（外表面）３４ｂに開口する出口孔７０をさらに備えている。

図３及び図４に示すように、出口孔７０は、翼形部３４の前縁部４３において翼高さ方向に配列された複数の前縁出口孔（フィルム孔）７２を含んでいてもよい。また、図３及び図４に示すように、出口孔７０は、翼形部３４の先端部４１に設けられた先端出口孔７４を含んでいてもよい。

タービン翼３０の内部に形成された蛇行流路５０には、タービン翼３０の翼根部３６の端部に開口する入口開口５１を介して冷却媒体（例えば空気）が供給されるようになっている。タービン翼３０には、冷却媒体として、例えば、圧縮機２（図１参照）によって生成された圧縮空気の一部が供給されるようになっていてもよい。

図３～図５を参照して説明すると、タービン翼３０の翼根部３６の端部に開口する入口開口５１を介して蛇行流路５０に導入された冷却媒体は、負圧面側キャビティ５６内を基端３８側から先端４０側に向かって（即ち径方向外側に向かって）流れ、負圧面側キャビティ５６の下流端側に位置する第２リターン部５５を経て圧力面側キャビティ５４に流入する。そして、冷却媒体は、圧力面側キャビティ５４内を先端４０側から基端３８側に向かって（即ち径方向内側に向かって）流れ、圧力面側キャビティ５４の下流端側に位置する第１リターン部５３を経て前縁側キャビティ５２に流入する。そして、冷却媒体は、前縁側キャビティ５２内を、基端３８側から先端４０側に向かって（即ち径方向外側に向かって）流れ、冷却媒体の一部は、前縁出口孔７２（出口孔７０）を介してタービン翼３０の外部に排出され、冷却媒体の他の一部は、先端出口孔７４（出口孔７０）を介してタービン翼３０の外部に排出される。

冷却媒体は、負圧面側キャビティ５６、圧力面側キャビティ５４及び前縁側キャビティ５２を含む蛇行流路５０を流れる過程で、蛇行流路５０の内壁面を対流冷却するようになっている。また、出口孔７０（前縁出口孔７２又は先端出口孔７４）からタービン翼３０の外部に排出された冷却媒体は、翼形部３４の表面３４ｂを覆うフィルムを形成し、該表面３４ｂを冷却するようになっていてもよい。

なお、各キャビティを形成する壁面（翼形部３４の内壁面３４ａや、リブ７６ａ～７６ｄ又は隔壁５８の表面）には、冷却媒体による対流冷却を促進するためのタービュレータが設けられていてもよい。

上述の実施形態に係るタービン翼３０、冷却媒体が流れる蛇行流路５０を形成する圧力面側キャビティ５４と負圧面側キャビティ５６とを別々に設けるとともに第２リターン部５５を介して接続したので、負圧面側キャビティ５６を通過後の冷却媒体を圧力面側キャビティ５４に流すことができる。したがって、１本のキャビティで翼形部３４の圧力面４６側と負圧面４８側の両方を冷却する場合に比べて、熱負荷の比較的小さい圧力面４６側の過冷却を防止しながら、翼形部３４を含むタービン翼３０を効果的に冷却することができる。また、圧力面側キャビティ５４と前縁側キャビティ５２とを第１リターン部５３を介して接続するとともに、前縁側キャビティ５２に連通する出口孔７０（前縁出口孔７２及び先端出口孔７４）を設けたので、圧力面側キャビティ５４を通過後の冷却媒体を、第１リターン部５３を介して前縁側キャビティ５２に流入させるとともに出口孔７０を介してタービン翼３０の外部に排出させることができる。
すなわち、負圧面側キャビティ５６及び圧力面側キャビティ５４を流れることで翼形部３４を冷却した冷却媒体を、さらに前縁側キャビティ５２に供給することで、残余の冷却能力を活用して翼形部３４の冷却を行うとともに、翼形部３４を冷却することにより温度が上昇した冷却媒体を、出口孔７０から排出してタービン翼３０のフィルム冷却等に用いることができる。よって、上述の実施形態によれば、熱負荷の異なる圧力面４６側と負圧面４８側とをバランスよく冷却しながら冷却媒体の有効活用が可能となり、タービン翼３０への冷却媒体の供給量増大を抑制することができる。

なお、幾つかの実施形態では、タービン翼３０の内部には、蛇行流路５０とは別の冷却流路がさらに設けられていてもよい。例えば図３～図５に示す例示的な実施形態では、タービン翼３０の内部には、上述の蛇行流路５０よりもコード方向において後縁４４側に位置する蛇行流路６０がさらに設けられている。

図３及び図４に示すように、蛇行流路６０は、キャビティ６２と、リターン部６３を介してキャビティ６２に接続されるキャビティ６４と、リターン部６５を介してキャビティ６４に接続されるキャビティ６６と、を含む。キャビティ６６は、タービン翼３０の内部に設けられた複数のキャビティのうち、コード方向にて最も後縁側に位置する。翼形部３４の後縁部４５には、キャビティ６６に連通するとともに後縁部４５における翼形部３４の表面に開口する出口孔６８，６９が設けられている。

蛇行流路６０には、タービン翼３０の翼根部３６の端部に開口する入口開口６１を介して冷却媒体（例えば空気）が供給されるようになっている。入口開口６１を介して蛇行流路６０に導入された冷却媒体は、キャビティ６２内を基端３８側から先端４０側に向かって流れ、リターン部６３を経てキャビティ６４に流入する。そして、冷却媒体は、キャビティ６４内を先端４０側から基端３８側に向かって流れ、リターン部６５を経てキャビティ６６に流入する。そして、冷却媒体は、キャビティ６６内を、基端３８側から先端４０側に向かって流れ、冷却媒体の一部は、後縁部４５に設けられた出口孔６９を介してタービン翼３０の外部に排出され、冷却媒体の他の一部は、先端部４１に設けられた出口孔６８を介してタービン翼３０の外部に排出される。

幾つかの実施形態では、タービン翼３０は、蛇行流路５０に供給された冷却媒体が、出口孔７０（前縁出口孔７２及び先端出口孔７４）を介してのみ、タービン翼３０の外部に排出されるように構成される。すなわち、タービン翼３０は、蛇行流路５０に供給された冷却媒体の全量が、出口孔７０を介してタービン翼３０の外部に排出されるように構成されている。

例えば、図３～図５に示す例示的な実施形態では、翼形部３４には、圧力面側キャビティ５４又は負圧面側キャビティ５６に接続され、翼形部３４の表面に開口する孔が設けられていない。すなわち、タービン翼３０の内部に形成された蛇行流路５０は、出口孔７０及び入口開口５１を除き、タービン翼３０の外部空間に対して、閉じた空間となっている。したがって、入口開口５１を介してタービン翼３０に供給された冷却媒体の全量が、負圧面側キャビティ５６及び圧力面側キャビティ５４を通過して前縁側キャビティ５２に導入された後、出口孔７０（前縁出口孔７２又は先端出口孔７４）を介してタービン翼３０の外部に排出される。

上述の実施形態によれば、蛇行流路５０に供給された冷却媒体の全てが、前縁側キャビティ５２から翼形部３４の表面３４ｂに通じる出口孔７０を介してのみタービン翼３０の外部に排出される。すなわち、負圧面側キャビティ５６に供給された冷却媒体の全てを、圧力面側キャビティ５４を介して前縁側キャビティ５２に導くようにしたので、負圧面側キャビティ５６に供給された冷却媒体の全量について、温度を十分に上昇させて冷却能力を十分に使ってから、出口孔７０を介して冷却媒体をタービン翼３０の外部に排出することができる。このようにして、冷却媒体を有効活用して、タービン翼３０を効果的に冷却することができる。

幾つかの実施形態では、圧力面側キャビティ５４と負圧面側キャビティ５６との間の隔壁５８により形成される圧力面側キャビティ５４の内壁面９６および負圧面側キャビティ５６の内壁面９８の間のキャンバ直交方向の距離ｗ１（図３参照）が、コード方向において後縁４４に近づくにつれて大きくなる。
幾つかの実施形態では、上述の距離ｗ１が、コード方向における少なくとも一部の領域において、コード方向において後縁４４に近づくにつれて大きくなる。
幾つかの実施形態では、少なくとも、コード方向において翼形部３４の厚さ（コード方向に直交する方向のサイズ）が最も大きい位置よりも前縁４２側の領域において、上述の距離ｗ１がコード方向において後縁４４に近づくにつれて大きくなる。

上述の実施形態では、圧力面側キャビティ５４と負圧面側キャビティ５６とを隔離する隔壁５８により形成される内壁面９６，９８間の距離ｗ１が、コード方向にて後縁４４に近づくにつれて大きくなるようにしたので、圧力面側キャビティ５４断面形状を圧力面４６に沿った形状にしやすくなるとともに、負圧面側キャビティ５６の断面形状を負圧面４８に沿った形状にしやすくなる。これにより、圧力面４６と圧力面側キャビティ５４との間の肉厚、及び、負圧面４８と負圧面側キャビティ５６との間の肉厚を薄くしやすくなるので、圧力面側キャビティ５４及び負圧面側キャビティ５６を流れる冷却媒体により、タービン翼３０をより効果的に冷却することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図６及び図７に示すように、タービン翼３０は、プラットフォーム３２の内部に形成されたプラットフォーム冷却流路８０を備える。プラットフォーム冷却流路８０は、負圧面側キャビティ５６に接続される第１端８２と、前縁側キャビティ５２に接続される第２端８４と、を有する。

上述の実施形態では、プラットフォーム３２の内部に上述のプラットフォーム冷却流路８０を設けたので、負圧面側キャビティ５６（蛇行流路５０）を流れる冷却媒体の一部を分岐させてプラットフォーム冷却流路８０に導くとともに、プラットフォーム冷却流路８０を通過した冷却媒体を、前縁側キャビティ５２（蛇行流路５０）に合流させることができる。よって、蛇行流路５０に供給した冷却媒体の一部を利用してプラットフォーム３２の冷却をすることができ、タービン翼３０の冷却をより効率的に行うことができる。また、プラットフォーム冷却流路８０を通過後の冷却媒体は、前縁側キャビティ５２に合流した後、前縁側キャビティ５２に連通する出口孔７０を介してタービン翼３０から排出される。したがって、プラットフォーム３２を冷却後の冷却媒体の残余の冷却能力を活用して翼形部の冷却を行うとともに、温度が上昇した冷却媒体を出口孔７０から排出してタービン翼３０のフィルム冷却等に用いることができる。よって、上述の実施形態によれば、冷却媒体を有効利用して、タービン翼３０への冷却媒体の供給量増大をより効果的に抑制することができる。

また、上述の実施形態では、翼形部３４及びプラットフォーム３２の冷却負荷の差異を考慮して、分岐点（負圧面側キャビティ５６とプラットフォーム冷却流路８０の接続点）で分配される冷却媒体の分配比が適切になるように、蛇行流路５０及びプラットフォーム冷却流路８０の形状（流路断面積や長さ等）を設定することにより、圧力面側キャビティ５４（蛇行流路５０）を経由して前縁側キャビティ５２に流入する冷却媒体と、プラットフォーム冷却流路８０を経由して前縁側キャビティ５２に流入する冷却媒体との温度差を小さくすることができる。これにより、タービン翼３０をより効果的に冷却することができる。

幾つかの実施形態では、タービン翼３０は、第１端８２を介してプラットフォーム冷却流路８０に供給された冷却媒体が、第２端８４を介してのみ、プラットフォーム冷却流路８０から排出されるように構成される。すなわち、タービン翼３０は、第１端８２を介してプラットフォーム冷却流路８０に供給された冷却媒体の全量が、第２端８４を介してプラットフォーム冷却流路８０から排出されるように構成されている。

例えば、図６及び図７に示す例示的な実施形態では、プラットフォーム３２には、プラットフォーム冷却流路８０に連通し、タービン翼３０（例えばプラットフォーム３２の表面に開口する孔が設けられていない。すなわち、プラットフォーム３２の内部に形成されたプラットフォーム冷却流路８０は、第１端８２及び第２端８４を除き、プラットフォーム３２内で閉じた空間となっている。したがって、負圧面側キャビティ５６から第１端８２を介してプラットフォーム冷却流路８０に流入冷却媒体の全量が、第２端８４を介してプラットフォーム冷却流路８０から排出されて前縁側キャビティに流入する。

したがって、上述の実施形態によれば、プラットフォーム冷却流路８０に供給された冷却媒体の全てを、第２端８４を介して前縁側キャビティ５２に導くようにしたので、プラットフォーム冷却流路８０に供給された冷却媒体の全量について、温度を十分に上昇させて冷却能力を十分に使ってから、前縁側キャビティ５２に排出することができる。このようにして、冷却媒体を有効活用して、タービン翼３０を効果的に冷却することができる。

また、上述の実施形態では、プラットフォーム３２の内部にプラットフォーム冷却流路８０を設けたので、プラットフォーム３２の表面に開口する冷却孔を設けずにプラットフォーム３２を冷却可能である。よって、プラットフォーム冷却流路８０を流れることでプラットフォーム３２を冷却した後の冷却媒体を前縁側キャビティ５２に戻して有効活用することが可能である。

以下、本明細書において、プラットフォーム３２のうち圧力面４６に面する領域を、圧力面側領域１０２といい、プラットフォーム３２のうち負圧面４８に面する領域を負圧面側領域１０４という。すなわち、圧力面側領域１０２は、平面視において（径方向から視たとき）、プラットフォーム３２と翼形部３４との接続位置３５における翼形部３４（図６及び図７において破線で示す）の圧力面４６よりも、コード直交方向にて該圧力面４６を挟んで負圧面４８とは反対側の領域である。また、負圧面側領域１０４は、平面視において（径方向から視たとき）、上述の接続位置３５における翼形部３４の負圧面４８よりも、コード直交方向にて該負圧面４８を挟んで圧力面４６とは反対側の領域である。
なお、前縁４２よりも前方の領域については、前縁４２を起点とし、コード方向にて後縁４４から前縁４２に向かう方向に延びる半直線Ｌ１を、圧力面側領域１０２と負圧面側領域１０４の境界とする。また、後縁４４よりも後方の領域については、後縁４４を起点とし、コード方向にて前縁４２から後縁４４に向かう方向に延びる半直線Ｌ２を、圧力面側領域１０２と負圧面側領域１０４の境界とする。

幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、プラットフォーム冷却流路８０の第２端８４は、前縁側キャビティ５２のうち、平面視におけるプラットフォーム３２と翼形部３４との接続位置３５におけるキャンバラインＬｃよりも圧力面４６側の部分に接続される。あるいは、幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、プラットフォーム冷却流路８０は、平面視において、上述の半直線Ｌ１を跨いで延びている。

上述の実施形態によれば、プラットフォーム冷却流路８０の第２端８４を、前縁側キャビティ５２のうち圧力面４６側の部分に接続したので、プラットフォーム冷却流路８０の一部は、プラットフォーム３２の圧力面側領域１０２内に位置することになる。よって、プラットフォーム冷却流路を流れる冷却媒体により、プラットフォームのうち負圧面側領域１０４だけでなく圧力面側領域１０２も冷却することが可能となり、タービン翼３０をより効果的に冷却することができる。

幾つかの実施形態では、プラットフォーム冷却流路８０は、平面視において、プラットフォーム３２のうち負圧面４８に面する負圧面側領域１０４内に延在する第１負圧面側通路と、負圧面側領域１０４内にて第１負圧面側通路に沿って延在し、第３リターン部を介して第１負圧面側通路に接続される第２負圧面側通路と、を含む。すなわち、第１負圧面側通路及び第２負圧面側通路は、負圧面側領域１０４内にて蛇行流路（サーペンタイン流路）を形成している。

たとえば、図６及び図７に示す例示的な実施形態では、プラットフォーム冷却流路８０は、平面視において、プラットフォーム３２のうち負圧面側領域１０４内に延在する負圧面側通路８６（第１負圧面側通路）と、負圧面側領域１０４内にて負圧面側通路８６（第１負圧面側通路）に沿って延在し、リターン部８７（第３リターン部）を介して負圧面側通路８６（第１負圧面側通路）に接続される負圧面側通路８８（第２負圧面側通路）と、を含む。すなわち、負圧面側通路８６（第１負圧面側通路）及び負圧面側通路８８（第２負圧面側通路）は、負圧面側領域１０４内にて蛇行流路（サーペンタイン流路）を形成している。

また、図６及び図７に示す例示的な実施形態では、プラットフォーム冷却流路８０は、平面視において、プラットフォーム３２のうち負圧面側領域１０４内に延在する負圧面側通路８８（第１負圧面側通路）と、負圧面側領域１０４内にて負圧面側通路８８（第１負圧面側通路）に沿って延在し、リターン部８９（第３リターン部）を介して負圧面側通路８８（第１負圧面側通路）に接続される負圧面側通路９０（第２負圧面側通路）と、を含む。すなわち、負圧面側通路８８（第１負圧面側通路）及び負圧面側通路９０（第２負圧面側通路）は、負圧面側領域１０４内にて蛇行流路（サーペンタイン流路）を形成している。

上述の実施形態によれば、プラットフォーム３２の負圧面側領域１０４内に第１負圧面側通路及び第２負圧面側通路を含む蛇行流路を形成したので、負圧面側領域１０４内におけるプラットフォーム冷却流路８０の長さを長くすることができる。よって、プラットフォーム３２のうち負圧面側領域１０４をより効果的に冷却することができる。

幾つかの実施形態では、プラットフォーム冷却流路８０は、平面視において、プラットフォーム３２のうち圧力面４６に面する圧力面側領域１０２内に延在する第１圧力面側通路と、圧力面側領域１０２内にて第１圧力面側通路に沿って延在し、第４リターン部を介して第１圧力面側通路に接続される第２圧力面側通路と、を含む。すなわち、第１圧力面側通路及び第２圧力面側通路は、圧力面側領域１０２内にて蛇行流路（サーペンタイン流路）を形成している。

たとえば、図７に示す例示的な実施形態では、プラットフォーム冷却流路８０は、平面視において、プラットフォーム３２のうち圧力面側領域１０２内に延在する圧力面側通路９２（第１圧力面側通路）と、圧力面側領域１０２内にて圧力面側通路９２（第１圧力面側通路）に沿って延在し、リターン部９３（第４リターン部）を介して圧力面側通路９２（第１圧力面側通路）に接続される圧力面側通路９４（第２圧力面側通路）と、を含む。すなわち、圧力面側通路９２（第１圧力面側通路）及び圧力面側通路９４（第２圧力面側通路）は、圧力面側領域１０２内にて蛇行流路（サーペンタイン流路）を形成している。

上述の実施形態によれば、プラットフォーム３２の圧力面側領域１０２内に第１圧力面側通路及び第２圧力面側通路を含む蛇行流路を形成したので、圧力面側領域１０２内におけるプラットフォーム冷却流路８０の長さを長くすることができる。よって、プラットフォーム３２のうち圧力面側領域１０２をより効果的に冷却することができる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン翼（３０）は、
翼高さ方向に延在し、前縁（４２）と後縁（４４）との間において延在する圧力面（４６）及び負圧面（４８）を有する翼形部（３４）と、
少なくとも前記翼形部の内部において前記翼高さ方向に沿ってそれぞれ延在する複数のキャビティ（５２，５４，５６）と、を備え、
前記複数のキャビティは、互いに連通して蛇行流路（５０）を形成する前縁側キャビティ（５２）、圧力面側キャビティ（５４）及び負圧面側キャビティ（５６）を含み、
前記前縁側キャビティは、前記複数のキャビティのうち前記翼形部のコード方向において最も前縁側に位置し、
前記圧力面側キャビティは、前記コード方向において前記前縁側キャビティよりも後縁側に位置し、前記翼高さ方向における前記翼形部の基端（３８）側の第１リターン部（５３）を介して前記前縁側キャビティに接続され、
前記負圧面側キャビティは、前記コード方向において前記前縁側キャビティよりも後縁側にて前記圧力面側キャビティと少なくとも部分的に重なるように位置し、前記翼高さ方向における前記翼形部の先端（４０）側の第２リターン部（５５）を介して前記圧力面側キャビティに接続され、
前記翼形部の前縁部に形成され、前記前縁側キャビティに連通するとともに前記前縁部における前記翼形部の表面に開口する出口孔（７０）を備える。

上記（１）の構成によれば、冷却媒体が流れる蛇行流路を形成する圧力面側キャビティと負圧面側キャビティとを別々に設けるとともに第２リターン部を介して接続したので、負圧面側キャビティを通過後の冷却媒体を圧力面側キャビティに流すことができる。したがって、１本のキャビティで翼形部の圧力面側と負圧面側の両方を冷却する場合に比べて、熱負荷の比較的小さい圧力面側の過冷却を防止しながら、翼形部を含むタービン翼を効果的に冷却することができる。また、圧力面側キャビティと前縁側キャビティとを第１リターン部を介して接続するとともに、前縁側キャビティに連通する出口孔を設けたので、圧力面側キャビティを通過後の冷却媒体を、第１リターン部を介して前縁側キャビティに流入させるとともに出口孔を介してタービン翼の外部に排出させることができる。
すなわち、負圧面側キャビティ及び圧力面側キャビティを流れることで翼形部を冷却した冷却媒体を、さらに前縁側キャビティに供給することで、残余の冷却能力を活用して翼形部の冷却を行うとともに、翼形部を冷却することにより温度が上昇した冷却媒体を、出口孔から排出してタービン翼のフィルム冷却等に用いることができる。よって、上記（１）の実施形態によれば、熱負荷の異なる圧力面側と負圧面側とをバランスよく冷却しながら冷却媒体の有効活用が可能となり、タービン翼への冷却媒体の供給量増大を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記翼形部（３４）には、前記圧力面側キャビティ又は前記負圧面側キャビティに接続され、前記翼形部の表面に開口する孔が設けられていない。

上記（２）の構成によれば、負圧面側キャビティ又は圧力面側キャビティからタービン翼の外部へ冷却媒体を排出するための孔が設けられていないので、負圧面側キャビティに供給された冷却媒体の全てを、圧力面側キャビティを介して前縁側キャビティに導くことができる。よって、負圧面側キャビティに供給された冷却媒体の全量について、温度を十分に上昇させて冷却能力を十分に使ってから、出口孔を介して冷却媒体をタービン翼の外部に排出することができる。このようにして、冷却媒体を有効活用して、タービン翼を効果的に冷却することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記タービン翼（３０）は、
前記蛇行流路（５０）に供給された冷却媒体が、前記出口孔（７０）を介してのみ、前記タービン翼（３０）の外部に排出されるように構成される。

上記（３）の構成によれば、蛇行流路に供給された冷却媒体の全てが、前縁側キャビティから翼形部の表面に通じる出口孔を介してのみタービン翼の外部に排出される。すなわち、負圧面側キャビティに供給された冷却媒体の全てを、圧力面側キャビティを介して前縁側キャビティに導くようにしたので、負圧面側キャビティに供給された冷却媒体の全量について、温度を十分に上昇させて冷却能力を十分に使ってから、出口孔を介して冷却媒体をタービン翼の外部に排出することができる。このようにして、冷却媒体を有効活用して、タービン翼を効果的に冷却することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記圧力面側キャビティ（５４）と前記負圧面側キャビティ（５６）との間の隔壁（５８）により形成される前記圧力面側キャビティの内壁面（９６）および前記負圧面側キャビティの内壁面（９８）の間のキャンバ直交方向の距離（ｗ１）が、前記コード方向において前記後縁（４４）に近づくにつれて大きくなる。

上記（４）の構成によれば、圧力面側キャビティと負圧面側キャビティとを隔離する隔壁により形成される内壁面間の距離が、コード方向にて後縁に近づくにつれて大きくなるようにしたので、圧力面側キャビティ及び負圧面側キャビティの断面形状を、圧力面及び負圧面に沿った形状にしやすくなる。これにより、圧力面と圧力面側キャビティとの間の肉厚、及び、負圧面と負圧面側キャビティとの間の肉厚を薄くしやすくなるので、圧力面側キャビティ及び負圧面側キャビティを流れる冷却媒体により、タービン翼をより効果的に冷却することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記タービン翼（３０）は、
前記翼形部（３４）に接続されるプラットフォーム（３２）と、
前記プラットフォームの内部に形成され、前記負圧面側キャビティ（５６）に接続される第１端（８２）、及び、前記前縁側キャビティ（５４）に接続される第２端（８４）を有するプラットフォーム冷却流路（８０）と、
を備える。

上記（５）の構成によれば、プラットフォームの内部に形成され、両端が負圧面側キャビティ及び前縁側キャビティに接続されるプラットフォーム冷却流路を設けたので、負圧面側キャビティ（蛇行流路）を流れる冷却媒体の一部を分岐させてプラットフォーム冷却流路に導くとともに、プラットフォーム冷却流路を通過した冷却媒体を、前縁側キャビティ（蛇行流路）に合流させることができる。よって、蛇行流路に供給した冷却媒体の一部を利用してプラットフォームの冷却をすることができ、タービン翼の冷却をより効率的に行うことができる。また、プラットフォーム冷却流路を通過後の冷却媒体は、前縁側キャビティに合流した後、前縁側キャビティに連通する出口孔を介してタービン翼から排出される。したがって、プラットフォームを冷却後の冷却媒体の残余の冷却能力を活用して翼形部の冷却を行うとともに、温度が上昇した冷却媒体を出口孔から排出してタービン翼のフィルム冷却等に用いることができる。よって、上記（５）の構成によれば、冷却媒体を有効利用して、タービン翼への冷却媒体の供給量増大をより効果的に抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記第２端（８４）は、前記前縁側キャビティ（５４）のうち、平面視における前記プラットフォーム（３２）と前記翼形部（３４）との接続位置（３５）におけるキャンバライン（Ｌｃ）よりも圧力面（４６）側の部分に接続される。

上記（６）の構成によれば、プラットフォーム冷却流路の第２端を、前縁側キャビティのうち圧力面側の部分に接続したので、プラットフォーム冷却流路の一部は、プラットフォームの圧力面側領域内に位置することになる。よって、プラットフォーム冷却流路を流れる冷却媒体により、プラットフォームのうち負圧面側領域だけでなく圧力面側領域も冷却することが可能となり、タービン翼をより効果的に冷却することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）の構成において、
前記プラットフォーム冷却流路（８０）は、
平面視において、前記プラットフォーム（３２）のうち前記負圧面（４８）に面する負圧面側領域（１０４）内に延在する第１負圧面側通路（例えば負圧面側通路８６）と、
前記負圧面側領域内にて前記第１負圧面側通路に沿って延在し、第３リターン部（例えばリターン部８７）を介して前記第１負圧面側通路に接続される第２負圧面側通路（例えば負圧面側通路８８）と、を含む。

上記（７）の構成によれば、プラットフォームの負圧面側領域内に第１負圧面側通路及び第２負圧面側通路を含む蛇行流路を形成したので、負圧面側領域内におけるプラットフォーム冷却流路の長さを長くすることができる。よって、プラットフォームのうち負圧面側領域をより効果的に冷却することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（５）乃至（７）の何れかの構成において、
前記プラットフォーム冷却流路（８０）は、
平面視において、前記プラットフォーム（３２）のうち前記圧力面（４６）に面する圧力面側領域（１０２）内に延在する第１圧力面側通路（例えば圧力面側通路９２）と、
前記圧力面側領域内にて前記第１圧力面側通路に沿って延在し、第４リターン部（例えばリターン部９３）を介して前記第１圧力面側通路に接続される第２圧力面側通路（例えば圧力面側通路９４）と、を含む。

上記（８）の構成によれば、プラットフォームの圧力面側領域内に第１圧力面側通路及び第２圧力面側通路を含む蛇行流路を形成したので、圧力面側領域内におけるプラットフォーム冷却流路の長さを長くすることができる。よって、プラットフォームのうち圧力面側領域をより効果的に冷却することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン（１）は、
上記（１）乃至（８）の何れか一項に記載のタービン翼（３０）と、
前記タービン翼が設けられる燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスを生成するための燃焼器（４）と、
を備える。

上記（９）の構成によれば、冷却媒体が流れる蛇行流路を形成する圧力面側キャビティと負圧面側キャビティとを別々に設けるとともに第２リターン部を介して接続したので、負圧面側キャビティを通過後の冷却媒体を圧力面側キャビティに流すことができる。したがって、１本のキャビティで翼形部の圧力面側と負圧面側の両方を冷却する場合に比べて、熱負荷の比較的小さい圧力面側の過冷却を防止しながら、翼形部を含むタービン翼を効果的に冷却することができる。また、圧力面側キャビティと前縁側キャビティとを第１リターン部を介して接続するとともに、前縁側キャビティに連通する出口孔を設けたので、圧力面側キャビティを通過後の冷却媒体を、第１リターン部を介して前縁側キャビティに流入させるとともに出口孔から排出させることができる。
すなわち、負圧面側キャビティ及び圧力面側キャビティを流れることで翼形部を冷却した冷却媒体を、さらに前縁側キャビティに供給することで、残余の冷却能力を活用して翼形部の冷却を行うとともに、翼形部を冷却することにより温度が上昇した冷却媒体を、出口孔から排出してタービン翼のフィルム冷却等に用いることができる。よって、上記（９）の実施形態によれば、熱負荷の異なる圧力面側と負圧面側とをバランスよく冷却しながら冷却媒体の有効活用が可能となり、タービン翼への冷却媒体の供給量増大を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
４ 燃焼器
６ タービン
８ ロータ
１０ 圧縮機車室
１２ 空気取入口
１６ 静翼
１８ 動翼
２０ ケーシング
２２ タービン車室
２４ 静翼
２６ 動翼
２８ 燃焼ガス流路
２９ 排気室
３０ タービン翼
３２ プラットフォーム
３４ 翼形部
３４ａ 内壁面
３４ｂ 表面
３５ 接続位置
３６ 翼根部
３７ 係合部
３８ 基端
４０ 先端
４１ 先端部
４２ 前縁
４３ 前縁部
４４ 後縁
４５ 後縁部
４６ 圧力面
４８ 負圧面
５０ 蛇行流路
５１ 入口開口
５２ 前縁側キャビティ
５３ 第１リターン部
５４ 圧力面側キャビティ
５５ 第２リターン部
５６ 負圧面側キャビティ
５８ 隔壁
６０ 蛇行流路
６１ 入口開口
６２ キャビティ
６３ リターン部
６４ キャビティ
６５ リターン部
６６ キャビティ
６８ 出口孔
６９ 出口孔
７０ 出口孔
７２ 前縁出口孔
７４ 先端出口孔
７６ａ～７６ｄ リブ
８０ プラットフォーム冷却流路
８２ 第１端
８４ 第２端
８６ 負圧面側通路
８７ リターン部
８８ 負圧面側通路
８９ リターン部
９０ 負圧面側通路
９２ 圧力面側通路
９３ リターン部
９４ 圧力面側通路
９６ 内壁面
９８ 内壁面
１０２ 圧力面側領域
１０４ 負圧面側領域

Claims (9)

1. 翼高さ方向に延在し、前記翼高さ方向における両端である基端及び先端と、前縁と後縁との間において延在する圧力面及び負圧面と、を有する翼形部と、
   少なくとも前記翼形部の内部において前記翼高さ方向に沿ってそれぞれ延在する複数のキャビティと、を備え、
   前記複数のキャビティは、互いに連通して蛇行流路を形成する前縁側キャビティ、圧力面側キャビティ及び負圧面側キャビティを含み、
   前記前縁側キャビティは、前記複数のキャビティのうち前記翼形部のコード方向において最も前縁側に位置し、
   前記圧力面側キャビティは、前記コード方向において前記前縁側キャビティよりも後縁側に位置し、前記翼高さ方向における前記翼形部の基端側の第１リターン部を介して前記前縁側キャビティに接続され、
   前記負圧面側キャビティは、前記コード方向において前記前縁側キャビティよりも後縁側にて前記圧力面側キャビティと少なくとも部分的に重なるように位置し、前記翼高さ方向における前記翼形部の先端側の第２リターン部を介して前記圧力面側キャビティに接続され、
   前記翼形部の前縁部に形成され、前記前縁側キャビティに連通するとともに前記前縁部における前記翼形部の表面に開口する出口孔を備える
   タービン翼。
2. 前記翼形部には、前記圧力面側キャビティ又は前記負圧面側キャビティに接続され、前記翼形部の表面に開口する孔が設けられていない
   請求項１に記載のタービン翼。
3. 前記蛇行流路に供給された冷却媒体が、前記出口孔を介してのみ、前記タービン翼の外部に排出されるように構成された
   請求項１又は２に記載のタービン翼。
4. 前記圧力面側キャビティと前記負圧面側キャビティとの間の隔壁により形成される前記圧力面側キャビティの内壁面および前記負圧面側キャビティの内壁面の間のキャンバ直交方向の距離が、前記コード方向において前記後縁に近づくにつれて大きくなる
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービン翼。
5. 前記翼形部に接続されるプラットフォームと、
   前記プラットフォームの内部に形成され、前記負圧面側キャビティに接続される第１端、及び、前記前縁側キャビティに接続される第２端を有するプラットフォーム冷却流路と、
   を備える
   請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービン翼。
6. 前記第２端は、前記前縁側キャビティのうち、平面視における前記プラットフォームと前記翼形部との接続位置におけるキャンバラインよりも圧力面側の部分に接続される
   請求項５に記載のタービン翼。
7. 前記プラットフォーム冷却流路は、
   平面視において、前記プラットフォームのうち前記負圧面に面する負圧面側領域内に延在する第１負圧面側通路と、
   前記負圧面側領域内にて前記第１負圧面側通路に沿って延在し、第３リターン部を介して前記第１負圧面側通路に接続される第２負圧面側通路と、を含む
   請求項５又は６に記載のタービン翼。
8. 前記プラットフォーム冷却流路は、
   平面視において、前記プラットフォームのうち前記圧力面に面する圧力面側領域内に延在する第１圧力面側通路と、
   前記圧力面側領域内にて前記第１圧力面側通路に沿って延在し、第４リターン部を介して前記第１圧力面側通路に接続される第２圧力面側通路と、を含む
   請求項５乃至７の何れか一項に記載のタービン翼。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のタービン翼と、
   前記タービン翼が設けられる燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスを生成するための燃焼器と、
   を備えるガスタービン。

Images