WO2024117014A1

WO2024117014A1 - タービン翼及びこのタービン翼を製造する方法

Info

Publication number: WO2024117014A1
Application number: PCT/JP2023/042099
Authority: WO
Inventors: 聡水上; 竜太伊藤; 秀次谷川; 篤哉坂田; 咲生松尾; 大和白砂; 亮田中; 悠輔赤田
Original assignee: 三菱重工業株式会社; 三菱パワー株式会社
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2023-11-24
Publication date: 2024-06-06

Abstract

タービン翼は、翼壁と、翼壁の内部に形成された空間に挿入されたインサートとを備えるタービン翼であって、インサートの内部には、タービン翼の外部と連通する内部空洞が形成され、インサートの外表面には、翼壁の内面に向かって突出する複数の突出部が形成され、複数の突出部のうち隣り合う２つの突出部間に、タービン翼の外部と連通する回収空間が画定され、複数の突出部のそれぞれには、内部空洞に連通する流路と、流路と連通するとともに翼壁の内面に対向するように開口する少なくとも１つの冷却孔とが形成され、複数の突出部が並ぶ方向における流路の長さを流路の幅と定義し、流路が冷却孔に接続される位置における流路の幅をｂとし、冷却孔の内径をｄとすると、ｂ／ｄ≧１．２である。

Description

タービン翼及びこのタービン翼を製造する方法

　本開示は、タービン翼及びこのタービン翼を製造する方法に関する。
　本願は、２０２２年１１月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０２２－１８９１５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　特許文献１には、インピンジメント冷却によって冷却可能なタービン翼が記載されている。このタービン翼において、翼壁の内部に形成された空間にインサートが設けられ、インサートには、翼壁の内面に向けて突出するように複数の突出部が形成され、各突出部の先端に、冷却媒体を噴出するための冷却孔が形成されている。冷却孔から噴出した冷却媒体が翼壁の内面に衝突することにより、翼壁を冷却することができる。翼壁の内面に衝突した冷却媒体は、隣り合う突出部間に画定された回収空間を流通した後、タービン翼の外部に排出される。

　冷却媒体が翼壁の内面に衝突した後にインサートと翼壁の内面との間で内面に沿った方向に冷却媒体が流れる現象、すなわちクロスフローが生じると、冷却孔から噴出した冷却媒体がクロスフローにより干渉されることにより、翼壁の冷却効率が低下するおそれがある。これに対し、特許文献１に記載のタービン翼では、冷却媒体が翼壁の内面に衝突した後に回収空間を流通することにより、クロスフローを低減することができる。クロスフローの低減の観点からは、回収空間の流路断面積が大きい方が好ましい。回収空間の流路断面積を大きくするほど、各突出部の幅、すなわち、各突出部の内部に形成されて冷却孔に連通する冷却媒体の流路の幅が小さくなる。したがって、クロスフローの低減の観点からは、流路の幅ｂと冷却孔の内径ｄとの比ｂ／ｄを１に近い値にすることが好ましい。

特開２０１５－６３９９７号公報

　複数の突出部が形成されたインサートは複雑な形状を有することから、インサートの成形には３次元積層造形（付加的製造方法：ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（以下、「ＡＭ」という））が想定され得る。ＡＭによる成形品は表面が粗く、スパッタによる突起物が表面に付着することもあるため、流路の幅ｂ及び冷却孔の内径ｄにばらつきが生じ得る。冷却孔の内径ｄは、ＡＭ後に機械加工や仕上げ加工により精度よく仕上げることは可能だが、インサートの構造上、突出部の内部（流路）への工具のアクセスが難しいため、流路の幅ｂのばらつきを低減することはできない。そうすると、上記比ｂ／ｄを１に近づけると、冷却孔から突出部の内部（流路）を見たときに、流路の表面の突起物等が見える状態となり、流路から冷却孔に流入する冷却媒体の流れを乱すことになるので、翼壁の冷却効率が低減するおそれがある。

　上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、翼壁の冷却効率が低減するおそれを抑制可能なタービン翼及びこのタービン翼を製造する方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本開示に係るタービン翼は、翼壁と、前記翼壁の内部に形成された空間に挿入されたインサートとを備えるタービン翼であって、前記インサートの内部には、前記タービン翼の外部と連通する内部空洞が形成され、前記インサートの外表面には、前記翼壁の内面に向かって突出する複数の突出部が形成され、前記複数の突出部のうち隣り合う２つの突出部間に、前記タービン翼の外部と連通する回収空間が画定され、前記複数の突出部のそれぞれには、前記内部空洞に連通する流路と、前記流路と連通するとともに前記翼壁の内面に対向するように開口する少なくとも１つの冷却孔とが形成され、前記複数の突出部が並ぶ方向における前記流路の長さを前記流路の幅と定義し、前記流路が前記冷却孔に接続される位置における前記流路の幅をｂとし、前記冷却孔の内径をｄとすると、ｂ／ｄ≧１．２である。

　本開示のタービン翼によれば、タービン翼内に挿入されるインサートをＡＭで成形した場合に流路の幅ｄのばらつきがあっても、冷却孔の内径に対する流路の幅ｂの比ｂ／ｄを１．２以上とすることにより、冷却孔から突出部の内部（流路）を見たときに、冷却孔を介して流路の表面が見える状態になる可能性を低減できる。これにより、冷却媒体を内面に衝突させることによって翼壁を冷却する際に、流路から冷却孔に流入する冷却媒体の流れが乱れる可能性を低減することになるので、翼壁の冷却効率が低減するおそれを抑制することができる。

本開示の一実施形態に係るタービン翼が用いられたガスタービンの概略構成図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼を、圧力面から負圧面に向かう方向に見た図である。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの一部分の拡大断面図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの突出部における流路と冷却孔との相対位置関係を示す図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼において翼壁の内面に対する冷却孔の向きを説明するための断面図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの複数の突出部の構成を説明するための断面図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの複数の突出部の構成を説明するための断面図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの複数の突出部の構成を説明するための斜視図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの複数の突出部に形成された複数の冷却孔の配列を千鳥配列にした場合の作用効果を説明するための図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの複数の突出部に形成された複数の冷却孔の配列を千鳥配列にした場合の作用効果を説明するための図である。本開示の一実施形態に係るタービン翼のインサートの複数の突出部に形成された複数の冷却孔の配列を千鳥配列にした場合の作用効果を説明するための図である。

　以下、本開示の実施形態によるタービン翼について、図面に基づいて説明する。以下で説明する実施形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

＜本開示のタービン翼が用いられたガスタービンの構成＞
　図１に示されるように、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とを備えている。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ている。

　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、ロータ８に取付けられた複数の動翼１８とを含んでいる。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、燃焼器４において燃料と圧縮空気とが混合された後に燃焼され、タービン６の作動流体である燃焼ガスが生成される。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、燃焼ガス流路２８に設けられる複数の静翼２４及び動翼２６を含んでいる。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に取付けられており、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。

＜本開示のタービン翼の構成＞
　本開示のタービン翼は、タービン６の静翼２４及び動翼２６のいずれも対象としている。以下では、本開示の一実施形態に係るタービン翼を静翼２４として説明するが、動翼２６であってもよい。

　図２に示されるように、静翼２４は翼壁３４を備え、翼壁３４は、静翼２４のハブ側縁２４ａからチップ側縁２４ｂに向かう方向、すなわち静翼２４の翼高さ方向に延びており、チップ側縁２４ｂ及びハブ側縁２４ａのそれぞれに外側シュラウド３８及び内側シュラウド４０が設けられている。翼壁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との間において延びる圧力面４６及び負圧面４８を有している。

　後述するように、翼壁３４の内部には空間５０（図３参照）が形成されているが、外側シュラウド３８及び内側シュラウド４０のそれぞれには、静翼２４の外部と空間５０とを連通する経路３７，３９が形成されている。経路３７，３９は、外側シュラウド３８及び内側シュラウド４０のそれぞれに形成される形態に限定するものではなく、外側シュラウド３８及び内側シュラウド４０のいずれか一方に形成されてもよい。図２には、経路３７，３９はそれぞれ模式的に１つずつ設けられるように描かれているが、それぞれ又はいずれか一方が複数個設けられてもよい。尚、経路３７，３９の役割については後述する。

　図３に示されるように、翼壁３４の内部に空間５０が形成されている。空間５０は、中壁５７によって複数の空間、例えば２つの空間５０ａ，５０ｂに区画されていてもよい。尚、２つ以上の中壁５７によって空間５０を３つ以上の空間に区画してもよいし、中壁５７を設けずに、空間５０を１つの空間としてもよい。空間５０にはインサート５１が挿入されている。図３に例示的に示されるように、空間５０が２つの空間５０ａ，５０ｂに区画されている場合には、インサート５１は、各空間に挿入されたインサート５１ａ，５１ｂを備えていてもよい。

＜インサートの構成＞
　インサート５１ａ，５１ｂはそれぞれ、静翼２４の翼高さ方向（図３の紙面に垂直な方向）に沿った長手方向軸を有する形状を有し、それぞれの内部に内部空洞５６（５６ａ，５６ｂが形成されている。インサート５１ａ，５１ｂのそれぞれの外表面には、翼壁３４の内面３４ａに向かって突出する複数の突出部５２が形成されている。それぞれのインサートにおいて、複数の突出部５２は、静翼２４の翼高さ方向に沿って延びており、長手方向軸を中心とした周方向に間隔をあけて並ぶように形成されている。

　経路３７（図２参照）は、空間５０ａ，５０ｂにおける内部空洞５６ａ，５６ｂのそれぞれと連通しており、経路３９は、空間５０ａ，５０ｂにおけるインサート５１ａ，５１ｂのそれぞれの外表面と翼壁３４の内面３４ａとの間の領域、特に空間５０ａ，５０ｂにおいては、それぞれのインサートにおいて長手軸方向を中心とした周方向に隣り合う突出部５２，５２間に画定された回収空間５３と連通している。

　次に、突出部５２の構成について説明する。図４には、インサート５１ａに設けられた複数の突出部５２のうちの一部の断面図が示されている。図４を参照しながら以下で説明する突出部５２の構成は、他のインサート５１ｂに設けられた複数の突出部５２のうちの全て又は一部にも当てはまる。

　突出部５２の内部には、内部空洞５６ａに連通する空洞である流路５４が形成されている。また、突出部５２には、流路５４と連通するとともに翼壁３４の内面３４ａに対向するように開口する冷却孔５５が形成されている。図４には、各突出部５２に１つの冷却孔５５が形成されているように描かれているが、１つの冷却孔５５のみが形成される構成に限定するものではない。上述したように、突出部５２は、静翼２４の翼高さ方向に沿って、すなわち図４の紙面に垂直な方向に沿って延びる形状を有しているため、例えば、この方向に沿って複数の冷却孔５５が互いに間隔をあけるように形成されていてもよい。

　複数の突出部５２が並ぶ方向（図４では左右方向）における流路５４の長さを「流路５４の幅」と定義する。図４では、流路５４の幅は突出部５２の内面３４ａに向かって突出する方向（図４では下向き）に一定であるが、冷却孔５５に向かって幅が増加する構成又は減少する構成もあるので、このような構成の場合は「流路５４の幅」といっても、どこの長さであるか特定することはできない。そこで、流路５４がどのような構成であっても、流路５４が冷却孔５５に接続される位置、すなわち、図４では最も下方の位置における流路５４の幅をｂとし、冷却孔５５の内径をｄとすると、ｂ／ｄ≧１．２となっている。

　突出部５２は、静翼２４の全体を均等に冷却するために等間隔で配置してもよいし、特に冷却したい箇所における隣り合う突出部５２，５２間の間隔を他の箇所における隣り合う突出部５２，５２間の間隔よりも小さくしてもよい。例えば、静翼２４の腹側に配置される突出部５２，５２間の間隔を静翼２４の背側に配置される突出部５２，５２間の間隔よりも小さくしてもよい。さらに、静翼２４の腹側及び背側のそれぞれに配置される突出部５２は、静翼２４の前縁から後縁に向かって隣り合う突出部５２，５２間の間隔が徐々に大きくなるように配置してもよい。また、特に冷却したい箇所に面する突出部５２に形成される冷却孔５５の数を、他の箇所に面する突出部５２に形成される冷却孔５５の数よりも多くしてもよい。

　例えば、実測やシミュレーションによって特定の箇所が高温になることが判明した場合には、空間５０を中壁５７で複数の空間に区画し、高温になる箇所が存在する空間に挿入されたインサート５１に形成される突出部５２の数を、他の空間に挿入されたインサート５１に形成される突出部５２の数よりも多くして、後者における隣り合う突出部５２，５２間の間隔よりも前者における隣り合う突出部５２，５２間の間隔の方が小さくなるようにしてもよい。この場合、突出部５２の数を変更するのではなく、前者における冷却孔５５の個数を後者における冷却孔５５の個数よりも多くなるようにしてもよい。

　例えば、実測やシミュレーションによって静翼２４の腹側の方が背側よりも高温になることが判明した場合には、静翼２４の腹側の突出部５２に形成される冷却孔５５の個数を、静翼２４の背側の突出部５２に形成される冷却孔５５の個数よりも多くしてもよい。この逆に、静翼２４の背側の方が腹側よりも高温になることが判明した場合には、静翼２４の背側の突出部５２に形成される冷却孔５５の個数を、静翼２４の腹側の突出部５２に形成される冷却孔５５の個数よりも多くしてもよい。

　各突出部５２に複数の冷却孔５５を形成する場合、隣り合う冷却孔５５，５５間の間隔は等間隔であってもよいし、異なっていてもよい。後者の構成の場合、例えば、ハブ側からチップ側に向かって、隣り合う冷却孔５５，５５間の間隔が徐々に大きくなるようにしてもよいし、その逆に、チップ側からハブ側に向かって、隣り合う冷却孔５５，５５間の間隔が徐々に大きくなるようにしてもよい。

＜本開示のタービン翼における翼壁の冷却動作＞
　本開示のタービン翼における翼壁の冷却動作について説明する。図２に示されるように、経路３７を介して、静翼２４の外部から冷却媒体（例えば冷却空気）が翼壁３４の内部に供給される。図３に示されるように、冷却媒体は、内部空洞５６ａ及び５６ｂのそれぞれに流入する。例えば内部空洞５６ａに流入した冷却媒体は、図４に示されるように、流路５４に流入し、次いで冷却孔５５に流入して、冷却孔５５から翼壁３４の内面３４ａに向けて噴出する。冷却孔５５から噴出した冷却媒体は、翼壁３４の内面３４ａに衝突することにより、翼壁３４が冷却される。冷却媒体は、翼壁３４の内面３４ａに衝突した後、隣り合う突出部５２，５２間に画定された回収空間５３に導入され、経路３９（図２参照）を介して静翼２４の外部に排出される。

　冷却媒体が翼壁３４の内面３４ａに衝突した後、他の冷却孔５５の近傍において内面３４ａに沿った方向に冷却媒体が流れる現象、すなわちクロスフローが生じると、他の冷却孔５５から噴出した冷却媒体がクロスフローにより干渉されることにより、冷却効率が低下するおそれがある。これに対し、上述した構成を有する静翼２４では、冷却媒体が翼壁３４の内面３４ａに衝突した後に回収空間５３に導入されるので、クロスフローを低減することができ、その結果、翼壁３４の冷却効率が低下するおそれを抑制することができる。

＜本開示のタービン翼による作用効果＞
　クロスフローの低減の観点からは、回収空間５３の流路断面積が大きい方が好ましい。このためには、突出部５３の幅、したがって流路５４の幅を小さくする必要がある一方で、冷却孔５５の内径ｄについては、冷却媒体の噴出量の観点からはある程度の大きさを確保する必要があることから、比ｂ／ｄが１に近い値となる。これに対し、本開示の静翼２４では、ｂ／ｄ≧１．２となっている。この構成による作用効果を説明するためには、静翼２４の製造方法、特にインサート５１ａ，５１ｂの製造方法に関係するので、静翼２４の製造方法を説明しながら作用効果を説明する。

　図３に示されるように、静翼２４は、翼壁３４を成形することと、インサート５１ａ，５１ｂを成形することと、翼壁３４及びインサート５１ａ，５１ｂを組み合わせることとにより製造される。インサート５１ａ，５１ｂのような複雑な形状を有するインサートの成形にはＡＭによることが好ましい。インサート５１ａ，５１ｂをＡＭによって成形する場合、インサート５１ａ，５１ｂの成形では、金属製の粉末材料を用いてインサート５１ａ，５１ｂの中間体を積層造形した後に、図４に示されるように中間体の突出部５２に冷却孔５５を機械加工することが行われる。中間体を積層造形する際に中間体の突出部５２に冷却孔５５のための仮孔を成形しておき、仮孔を仕上げ加工することにより冷却孔５５を形成してもよいし、中間体を積層造形する際に中間体の突出部５２に仮孔を成形せずに、冷却孔を機械加工によって形成してもよい。中間体に形成される仮孔は、冷却孔５５と同様に、流路５４に連通するとともに突出部５２の外表面において開口する構成を有している。

　一般的に、ＡＭによる成形品は表面が粗く、スパッタによる突起物が表面に付着することもある。このため、インサート５１ａ，５１ｂをＡＭによって成形すると、流路５４の幅ｂ及び冷却孔５５の内径ｄにばらつきが生じ得る。冷却孔５５の内径ｄは、ＡＭ後に機械加工や仕上げ加工により精度よく仕上げることは可能だが、インサート５１ａ，５１ｂの構造上、突出部５２の内部（流路５４）への工具のアクセスが難しいため、流路５４の幅ｂのばらつきを低減することはできない。そうすると、比ｂ／ｄを１に近づけると、冷却孔５５から突出部５２の内部（流路５４）を見たときに、例えば図５に示されるように、流路５４の表面５４ａの突起物等が見える状態となる場合がある。また、流路５４の幅ｂ及び冷却孔５５の内径ｄのばらつきの発生を極力抑えられたとしても、比ｂ／ｄを１に近づけると、インサートの成形時に冷却孔５５と流路５４との相対位置がずれた場合、流路５４の表面５４ａが冷却孔５５を介して見える状態となり易くなる。このような状態になると、図４に示されるように、冷却媒体を内面３４ａに衝突させることによって翼壁３４を冷却する際に、流路５４から冷却孔５５に流入する冷却媒体の流れを乱すことになるので、翼壁３４の冷却効率が低減するおそれがある。

　これに対し、流路５４の幅ｂを冷却孔５５の内径ｄに比べてある程度大きくすることにより、流路５４の幅ｂのばらつきが生じた場合、又は、冷却孔５５と流路５４との相対位置がずれた場合でも、流路５４の幅内に冷却孔５５が収まるようになる。このような作用効果を得るために、本開示の発明者らの検討では、ｂ／ｄ≧１．２であることが好ましいと考えられる。ただし、比ｂ／ｄが大きければ良いというわけではなく、比ｂ／ｄを大きくし過ぎると、クロスフローの低減効果が小さくなり、また、流路５４から冷却孔５５へ冷却媒体が流通する際に縮流による圧損が大きくなる。このような悪影響を極力抑制するためには、ｂ／ｄ≦１．５であることが好ましい。

　このように、静翼２４内に挿入されるインサートをＡＭで成形した場合に流路５４の幅ｂのばらつきがあっても、冷却孔５５の内径ｄに対する流路５４の幅ｂの比ｂ／ｄを１．２以上とすることにより、冷却孔５５から突出部５２の内部（流路５４）を見たときに、冷却孔５５を介して流路５４の表面５４ａが見える状態になる可能性を低減できる。これにより、冷却媒体を内面３４ａに衝突させることによって翼壁３４を冷却する際に、流路５４から冷却孔５５に流入する冷却媒体の流れが乱れる可能性を低減することになるので、翼壁３４の冷却効率が低減するおそれを抑制することができる。

＜インサートの追加的な構成＞
　以下に、インサート５１ａ，５１ｂのそれぞれについて、必須ではない追加的ないくつかの構成を説明する。以下では、インサート５１ａの構成について説明するが、特に言及しない限り、インサート５１ｂについても同様な構成が可能である。

＜追加的な構成１＞
　図４に示されるように、冷却孔５５が翼壁３４の内面３４ａに対して面直であることが好ましい。このような構成であれば、冷却媒体が内面３４ａに効率的に衝突するので、翼壁３４を効率的に冷却することができる。ただし、内面３４ａは必ずしも平坦な面であるとは限らず、湾曲した内面３４ａに対して冷却孔５５が面直であるという構成が不明確と考えられる可能性がある。このため、内面３４ａが湾曲している場合も考慮して、図６に示されるように、「面直」を「冷却孔５５の軸線Ｌ_５５が翼壁３４の内面３４ａに交差する位置Ｐ_Ｌにおいて内面３４ａに接する仮想接平面ＩＰ_１を想定すると、軸線Ｌ_５５は仮想接平面ＩＰ_１に対して垂直に交差する」のように定義する。尚、この目的のためには、冷却孔５５が翼壁３４の内面３４ａに対して厳密に面直であること、すなわち、軸線Ｌ_５５が仮想接平面ＩＰ_１に対して厳密に垂直に交差することに限定するものではなく、冷却孔５５が翼壁３４の内面３４ａに対してほぼ面直となる構成、すなわち、仮想接平面ＩＰ_１に対して軸線Ｌ_５５のなす角度が９０°±１０°の範囲内となる構成であってもよい。冷却孔５５が翼壁３４の内面３４ａに対してほぼ面直であることにより、静翼２４の前縁側では、複数の突出部５２は、内面３４ａに倣ってほぼ放射状に配置される。

＜追加的な構成２＞
　図４に示されるように、突出部５２がインサート５１ａの外表面から翼壁３４の内面３４ａに向かって延びる長さＬは、できるだけ長い方が好ましい。そうすれば、流路５４の幅を小さくしなくても、回収空間５３の流路断面積を大きくすることができるので、クロスフローの低減効果を高めることができる。具体的には、Ｌ＞５ｄとなるように、突出部５２の長さＬを設計することが好ましい。

　次に、このようなクロスフローの低減効果をさらに高めるための構成を説明する。図３に示される空間５０ａの断面において、内部空洞５６ａの面積をＡ_１とし、回収空間５３の面積の合計をＡ_２とする。面積Ａ_１は、内部空洞５６ａを流れる冷却媒体の圧力損失や圧力分布のみに影響するのに対し、面積Ａ_２は、回収空間５３を流れる冷却媒体の圧力損失や圧力分布に影響することに加え、クロスフローや熱伝達率にも影響するので、後者は前者よりも重要な因子である。このため、面積Ａ_２をできるだけ大きくすることが好ましく、これを実現するための条件として、上述のＬ＞５ｄが挙げられるが、この条件に加えて、さらに直接的な条件として、Ａ_１＜Ａ_２であることが好ましい。

＜追加的な構成３＞
　図４に示されるように、冷却孔５５の開口と内面３４ａとの距離をＺとすると、１＜Ｚ／ｄ＜５であることが好ましい。一般にＺが大きいほど、冷却孔５５から噴出される冷却媒体の流れを横切る冷却媒体の流れ（内面３４ａに衝突した後の回収空間５３の軸線方向に沿った冷却媒体の流れ）の面積を確保できるため、翼壁３４の冷却に望ましい影響があると考えられる。しかしながら、Ｚ／ｄ≧５になると、冷却孔５５から噴出した冷却媒体が内面３４ａに到達するまでの間に流速が低下してしまい、翼壁３４を冷却する能力が低下するおそれがある。このため、Ｚ／ｄ＜５という条件が好ましい。一方で、Ｚ／ｄ≦１になると、冷却孔５５の開口と内面３４ａとの間の圧力損失が大きくなり、冷却孔５５から噴出した冷却媒体の流速が低下してしまう。冷却孔５５から噴出した冷却媒体による翼壁３４の冷却に適した流速を実現できる圧力損失を確保するために、１＜Ｚ／ｄという条件が好ましい。

＜追加的な構成４＞
　図７に示されるように、インサート５１ａの長さ方向（静翼２４の翼高さ方向）に対して垂直な断面において、隣り合う突出部５２，５２の先端のピッチが大きいほど、単位面積当たりの冷却媒体の流量が少なくなるので、翼壁３４を効率的に冷却することが可能になる。隣り合う突出部５２，５２の先端のピッチをＸとし、突出部５２に形成された冷却孔５５の内径をｄとすると、Ｘ／ｄ≧１０であることが好ましい。ただし、インサート５１ａの全体においてＸ／ｄ≧１０が成立する構成に限定するものではなく、インサート５１ａの少なくとも一部分においてＸ／ｄ≧１０が成立する構成であってもよい。インサート５１ａの一部分においてＸ／ｄ≧１０が成立する構成をインサート５１ａが有する場合、クロスフローが生じやすくなるところ、例えば、静翼２４のチップ側縁の近傍やハブ側縁の近傍にこの構成を有することが好ましい。

　図７では、隣り合う突出部５２，５２の先端のピッチ及び冷却孔５５の内径が全て同一な構成であったが、これらが異なる場合の構成を、図８を参照しながら説明する。複数の突出部５２が、第１突出部５２ａと、第１突出部５２ａの隣に位置する第２突出部５２ｂと、第２突出部５２ｂに対して第１突出部５２ａと反対側で第２突出部５２ｂの隣に位置する第３突出部５２ｃとを含むこととする。第１突出部５２ａに形成された冷却孔５５である第１冷却孔５５ａの内径をｄ_１とし、第２突出部５２ｂに形成された冷却孔５５である第２冷却孔５５ｂの内径をｄ_２とし、第３突出部５２ｃに形成された冷却孔５５である第３冷却孔５５ｃの内径をｄ_３とする。また、第１突出部５２ａの先端と第２突出部５２ｂの先端とのピッチをＸ_１とし、第２突出部５２ｂの先端と第３突出部５２ｃの先端とのピッチをＸ_２とする。そうすると、図７におけるＸ／ｄ≧１０の関係に相当する図８における関係は、

となる。この関係において、Ｘ_１＝Ｘ_２＝Ｘかつｄ_１＝ｄ_２＝ｄ_３＝ｄとすると、Ｘ／ｄ≧１０となる。

　尚、各突出部５２に２つ以上の冷却孔５５が形成されている場合、各突出部５２に形成された冷却孔５５の内径が全て同一であれば、上述の不等式のｄ（又は、ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３）に代入する値は特に問題ないが、各突出部５２に内径の異なる複数の冷却孔５５が形成されている場合、どの値を代入するべきかが問題となる。このような場合には、各突出部５５に形成された複数の冷却孔５５の内径の平均値を算出して、その平均値を不等式のｄに代入すればよい。ただし、「平均値」は算術平均に限定するものではなく、幾何平均や中央値等を使用してもよい。

＜追加的な構成５＞
　図９には、複数の突出部５２として例示的に第１突出部５２ａ及び第２突出部５２ｂのみを記載しているが、この２つに限定しない複数の突出部５２のそれぞれに、複数の冷却孔５５が形成されてもよい。各突出部５２に形成された複数の冷却孔５５は、回収空間５３の軸線方向に沿って一列に配列されていることが好ましい。一般に、冷却孔５５から噴出される冷却媒体の流れを横切る冷却媒体の流れ（以下、「横風」という）の流速が小さいほど、熱伝達率が上昇するので、翼壁３４（図３等参照）を冷却する能力が向上する。このような横風の影響を小さくするために、各突出部５２に形成された複数の冷却孔５５を回収空間５３の軸線方向に沿って一列に配列させると、このような横風に対して最も上流側に位置する冷却孔５５から噴出した冷却媒体の流れと横風とが干渉することで横風の方向が変化するので、横風に対して最も上流側に位置する冷却孔５５よりも下流側に位置する冷却孔５５から噴出する冷却媒体の流れと横風との干渉が弱まる。この結果、翼壁３４を冷却する能力を向上することができる。

　さらに、複数の突出部５２のそれぞれに回収空間５３の軸線方向に沿って一列に配列するように形成された複数の冷却孔５５は、格子配列ではなく千鳥配列とすることが好ましい。ここで、「千鳥配列」とは、第１突出部５２ａに形成された複数の冷却孔５５のそれぞれを通過するとともに回収空間５３の軸線方向に垂直な複数の仮想平面ＩＰ_２を想定すると、複数の仮想平面ＩＰ_２はそれぞれ、第２突出部５２ｂに形成された複数の冷却孔５５のうち隣り合う冷却孔５５，５５間を通過する構成を意味する。一方、「格子配列」とは、隣り合う突出部のそれぞれに形成された冷却孔５５を仮想平面ＩＰ_２が通過する構成を意味する。

　冷却孔５５の配列を格子配列ではなく千鳥配列にすると、次のような効果がある。図１０に示されるように、第１突出部５２ａの隣り合う２つの冷却孔５５，５５に着目すると、回収空間５３（図９参照）の軸線方向Ａにおける冷却孔５５，５５間の中央付近の位置に対応する内面３４ａの領域３４ａ２には、軸線方向Ａにおける冷却孔５５の位置に対応する内面３４ａの領域３４ａ１に比べて冷却媒体が当たりにくいので、領域３４ａ２における冷却効果は領域３４ａ１における冷却効果よりも小さくなる。すなわち、複数の冷却孔５５が間隔をあけて一列に配列されているので、軸線方向Ａにおいて内面３４ａに冷却ムラが生じてしまう。これに対し、冷却孔５５の配列を千鳥配列とすると、第１突出部５２ａの冷却孔５５から噴出された冷却媒体による冷却効果が小さいと考えられる領域３４ａ２と、第１突出部５２ａの隣の第２突出部５２ｂ（図９参照）に面する内面３４ａのうち冷却孔５５から噴出された冷却媒体による冷却効果が大きいと考えられる領域（第１突出部５２ａに対する領域３４ａ１に相当する領域）とが、軸線方向Ａにおいて同じ位置となる。そうすると、図１１に示されるように、内面３４ａにおいて領域３４ａ１と領域３４ａ２とは千鳥状に存在することになる。一方で、冷却孔５５の配列を格子配列にすると、図１２に示されるように、領域３４ａ１と領域３４ａ２とは、軸線方向Ａにおいて交互に存在する縞状とになる。後者の状態よりも前者の状態のほうが、翼壁３４内の熱伝導によって内面３４ａの冷却効果が均一になるまでの時間が短いと考えられるので、内面３４ａ全体としての冷却ムラを小さくできると考えられる。

　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］一の態様に係るタービン翼は、
　翼壁（３４）と、
　前記翼壁（３４）の内部に形成された空間（５０）に挿入されたインサート（５１）と
を備えるタービン翼（静翼２４及び動翼２６）であって、
　前記インサート（５１）の内部には、前記タービン翼（２４／２６）の外部と連通する内部空洞（５６）が形成され、
　前記インサート（５１）の外表面には、前記翼壁（３４）の内面（３４ａ）に向かって突出する複数の突出部（５２）が形成され、
　前記複数の突出部（５２）のうち隣り合う２つの突出部（５２，５２）間に、前記タービン翼（２４／２６）の外部と連通する回収空間（５３）が画定され、
　前記複数の突出部（５２）のそれぞれには、
　前記内部空洞（５６）に連通する流路（５４）と、
　前記流路（５４）と連通するとともに前記翼壁（３４）の内面（３４ａ）に対向するように開口する少なくとも１つの冷却孔（５５）と
が形成され、
　前記複数の突出部（５２）が並ぶ方向における前記流路（５４）の長さを前記流路（５４）の幅と定義し、前記流路（５４）が前記冷却孔（５５）に接続される位置における前記流路（５４）の幅をｂとし、前記冷却孔（５５）の内径をｄとすると、ｂ／ｄ≧１．２である。

［２］別の態様に係るタービン翼は、［１］のタービン翼であって、
　ｂ／ｄ≦１．５である。

　比ｂ／ｄを大きくし過ぎると、クロスフローの低減効果が小さくなり、また、流路から冷却孔へ冷却媒体が流通する際に縮流による圧損が大きくなる。これに対し、［２］のような構成によれば、このような悪影響を極力抑制することができる。

［３］さらに別の態様に係るタービン翼は、［１］または［２］のタービン翼であって、
　前記冷却孔（５５）の軸線（Ｌ_５５）が前記翼壁（３４）の内面（３４ａ）に交差する位置（Ｐ_Ｌ）において前記内面（３４ａ）に接する仮想接平面（ＩＰ_１）を想定すると、前記軸線（Ｌ_５５）は仮想接平面（ＩＰ_１）に対して９０°±１０°の角度をなして交差する。

　このような構成によれば、冷却孔が翼壁の内面に対してほぼ面直となり、冷却媒体が内面に効率的に衝突するので、翼壁を効率的に冷却することができる。

［４］さらに別の態様に係るタービン翼は、［１］～［３］のいずれかのタービン翼であって、
　前記複数の突出部（５２）は、
　第１突出部（５２ａ）と、
　前記第１突出部（５２ａ）の隣に位置する第２突出部（５２ｂ）と、
　前記第２突出部（５２ｂ）に対して前記第１突出部（５２ａ）と反対側で前記第２突出部（５２ｂ）の隣に位置する第３突出部（５２ｃ）と
を備え、
　前記タービン翼（２４／２６）とチップ側縁（２４ｂ）とハブ側縁（２４ａ）との間での前記タービン翼（２４／２６）の翼高さ方向に垂直な前記タービン翼（２４／２６）の少なくとも１つの断面において、前記第１突出部（５２ａ）に形成された前記少なくとも１つの冷却孔（５５）である少なくとも１つの第１冷却孔（５５ａ）の内径をｄ_１とし、前記第２突出部（５２ｂ）に形成された前記少なくとも１つの冷却孔（５５）である少なくとも１つの第２冷却孔（５５ｂ）の内径をｄ_２とし、前記第３突出部（５２ｃ）に形成された前記少なくとも１つの冷却孔（５５）である少なくとも１つの第３冷却孔（５５ｃ）の内径をｄ_３とし、前記第１突出部（５２ａ）の先端と前記第２突出部（５２ｂ）の先端とのピッチをＸ_１とし、前記第２突出部（５２ｂ）の先端と前記第３突出部（５２ｃ）の先端とのピッチをＸ_２とすると、

である。

　このような構成によれば、インサートの長さ方向に対して垂直な断面において、隣り合う突出部の先端のピッチが大きいほど、単位面積当たりの冷却媒体の流量が少なくなるので、翼壁を効率的に冷却することが可能になる。

［５］さらに別の態様に係るタービン翼は、［１］～［４］のいずれかのタービン翼であって、
　前記少なくとも１つの断面において、前記複数の突出部（５２）のうちの少なくとも１つの突出部が前記インサート（５１）の外表面から前記翼壁（３４）の内面（３４ａ）に向かって延びる長さを前記少なくとも１つの突出部（５２）の長さと定義し、前記少なくとも１つの突出部（５２）の長さをＬとし、前記少なくとも１つの突出部（５２）に形成された前記少なくとも１つの冷却孔（５５）の内径をｄとすると、Ｌ＞５ｄである。

　このような構成によれば、流路の幅を小さくしなくても、回収空間の流路断面積を大きくすることができるので、クロスフローの低減効果を高めることができる。

［６］さらに別の態様に係るタービン翼は、［５］のタービン翼であって、
　前記少なくとも１つの断面において、前記内部空洞（５６）の面積をＡ_１とし、前記回収空間（５３）の面積の合計をＡ_２とすると、Ａ_１＜Ａ_２である。

［７］さらに別の態様に係るタービン翼は、［１］～［６］のいずれかのタービン翼であって、
　前記複数の突出部（５２）のそれぞれには複数の前記冷却孔（５５）が形成され、
　前記複数の突出部（５２）のそれぞれにおいて前記複数の冷却孔（５５）は、前記回収空間（５３）の軸線方向に沿って一列に配列されている。

　このような構成によれば、冷却孔から噴出される冷却媒体の流れを横切る冷却媒体の流れ（横風）に対して最も上流側に位置する冷却孔から噴出した冷却媒体の流れと横風とが干渉することで横風の方向が変化するので、横風に対して最も上流側に位置する冷却孔よりも下流側に位置する冷却孔から噴出する冷却媒体の流れと横風との干渉が弱まる。この結果、翼壁を冷却する能力を向上することができる。

［８］さらに別の態様に係るタービン翼は、［７］のタービン翼であって、
　前記複数の突出部（５２）は、
　第１突出部（５２ａ）と、
　前記第１突出部（５２ａ）の隣に位置する第２突出部（５２ｂ）と
を備え、
　前記第１突出部（５２ａ）に形成された前記複数の冷却孔（５５）のそれぞれを通過するとともに前記回収空間（５３）の軸線方向に垂直な複数の仮想平面（ＩＰ_２）を想定すると、該複数の仮想平面（ＩＰ_２）はそれぞれ、前記第２突出部（５２ｂ）に形成された前記複数の冷却孔（５５）のうち隣り合う冷却孔（５５，５５）間を通過する。

　このような構成によれば、翼壁の内面全体としての冷却ムラを小さくすることができる。

［９］さらに別の態様に係るタービン翼は、［１］～［８］のいずれかのタービン翼であって、
　前記少なくとも１つの断面において、前記翼壁（３４）の内面（３４ａ）に対向する前記冷却孔（５５）の開口と前記内面（３４ａ）との距離をＺとすると、１＜Ｚ／ｄ＜５である。

　このような構成によれば、冷却孔から噴出される冷却媒体の流れを横切る冷却媒体の流れの面積を確保できるため、翼壁の冷却に対して望ましい影響がある。

［１０］一の態様に係るタービン翼を製造する方法は、
　［１］～［９］のいずれかのタービン翼（２４／２６）を製造する方法であって、
　前記翼壁（３４）を成形するステップと、
　前記インサート（５１）を成形するステップと、
　前記翼壁（３４）及び前記インサート（５１）を組み合わせるステップと
を含み、
　前記インサート（５１）を成形するステップは、
　金属製の粉末材料を用いて前記インサート（５１）の中間体を積層造形するステップと、
　前記中間体の前記突出部に前記冷却孔（５５）を機械加工するステップと
を含む。

　本開示のタービン翼を製造する方法によれば、複雑な形状を有するインサートであっても成形することができる。

［１１］別の態様に係るタービン翼を製造する方法は、［１０］のタービン翼を製造する方法であって、
　前記中間体を積層造形するステップにおいて、前記中間体の前記突出部に前記冷却孔（５５）のための仮孔を成形しておき、前記冷却孔（５５）を機械加工するステップにおいて前記仮孔を仕上げ加工することにより前記冷却孔（５５）を形成する。

　このような方法によれば、冷却孔の内径を精度よく仕上げることができる。

［１２］さらに別の態様に係るタービン翼を製造する方法は、［１０］のタービン翼を製造する方法であって、
　前記中間体を積層造形するステップにおいて、前記中間体の前記突出部には、前記流路（５４）に連通する孔を成形せず、前記冷却孔（５５）を機械加工するステップにおいて前記冷却孔を形成する。

２４　静翼（タービン翼）
２４ａ　ハブ側縁
２４ｂ　チップ側縁
２６　動翼（タービン翼）
３４　翼壁
３４ａ　（翼壁の）内面
５０　空間
５１　インサート
５２　突出部
５２ａ　第１突出部
５２ｂ　第２突出部
５２ｃ　第３突出部
５３　回収空間
５４　流路
５５　冷却孔
５５ａ　第１冷却孔
５５ｂ　第２冷却孔
５５ｃ　第３冷却孔
ＩＰ_１　仮想接平面
ＩＰ_２　仮想平面

Claims

　翼壁と、
　前記翼壁の内部に形成された空間に挿入されたインサートと
を備えるタービン翼であって、
　前記インサートの内部には、前記タービン翼の外部と連通する内部空洞が形成され、
　前記インサートの外表面には、前記翼壁の内面に向かって突出する複数の突出部が形成され、
　前記複数の突出部のうち隣り合う２つの突出部間に、前記タービン翼の外部と連通する回収空間が画定され、
　前記複数の突出部のそれぞれには、
　前記内部空洞に連通する流路と、
　前記流路と連通するとともに前記翼壁の内面に対向するように開口する少なくとも１つの冷却孔と
が形成され、
　前記複数の突出部が並ぶ方向における前記流路の長さを前記流路の幅と定義し、前記流路が前記冷却孔に接続される位置における前記流路の幅をｂとし、前記冷却孔の内径をｄとすると、ｂ／ｄ≧１．２であるタービン翼。
　ｂ／ｄ≦１．５である、請求項１に記載のタービン翼。
　前記冷却孔の軸線が前記翼壁の内面に交差する位置において前記内面に接する仮想接平面を想定すると、前記軸線は前記仮想接平面に対して９０°±１０°の角度をなして交差する、請求項１または２に記載のタービン翼。
　前記複数の突出部は、
　第１突出部と、
　前記第１突出部の隣に位置する第２突出部と、
　前記第２突出部に対して前記第１突出部と反対側で前記第２突出部の隣に位置する第３突出部と
を備え、
　前記タービン翼とチップ側縁とハブ側縁との間での前記タービン翼の翼高さ方向に垂直な前記タービン翼の少なくとも１つの断面において、前記第１突出部に形成された前記少なくとも１つの冷却孔である少なくとも１つの第１冷却孔の内径をｄ_１とし、前記第２突出部に形成された前記少なくとも１つの冷却孔である少なくとも１つの第２冷却孔の内径をｄ_２とし、前記第３突出部に形成された前記少なくとも１つの冷却孔である少なくとも１つの第３冷却孔の内径をｄ_３とし、前記第１突出部の先端と前記第２突出部の先端とのピッチをＸ_１とし、前記第２突出部の先端と前記第３突出部の先端とのピッチをＸ_２とすると、

である、請求項１または２に記載のタービン翼。
　前記少なくとも１つの断面において、前記複数の突出部のうちの少なくとも１つの突出部が前記インサートの外表面から前記翼壁の内面に向かって延びる長さを前記少なくとも１つの突出部の長さと定義し、前記少なくとも１つの突出部の長さをＬとし、前記少なくとも１つの突出部に形成された前記少なくとも１つの冷却孔の内径をｄとすると、Ｌ＞５ｄである、請求項４に記載のタービン翼。
　前記少なくとも１つの断面において、前記内部空洞の面積をＡ_１とし、前記回収空間の面積の合計をＡ_２とすると、Ａ_１＜Ａ_２である、請求項５に記載のタービン翼。
　前記複数の突出部のそれぞれには複数の前記冷却孔が形成され、
　前記複数の突出部のそれぞれにおいて前記複数の冷却孔は、前記回収空間の軸線方向に沿って一列に配列されている、請求項１または２に記載のタービン翼。
　前記複数の突出部は、
　第１突出部と、
　前記第１突出部の隣に位置する第２突出部と
を備え、
　前記第１突出部に形成された前記複数の冷却孔のそれぞれを通過するとともに前記回収空間の軸線方向に垂直な複数の仮想平面を想定すると、該複数の仮想平面はそれぞれ、前記第２突出部に形成された前記複数の冷却孔のうち隣り合う冷却孔間を通過する、請求項７に記載のタービン翼。
　前記少なくとも１つの断面において、前記翼壁の内面に対向する前記冷却孔の開口と前記内面との距離をＺとすると、１＜Ｚ／ｄ＜５である、請求項１または２に記載のタービン翼。
　請求項１または２に記載のタービン翼を製造する方法であって、
　前記翼壁を成形するステップと、
　前記インサートを成形するステップと、
　前記翼壁及び前記インサートを組み合わせるステップと
を含み、
　前記インサートを成形するステップは、
　金属製の粉末材料を用いて前記インサートの中間体を積層造形するステップと、
　前記中間体の前記突出部に前記冷却孔を機械加工するステップと
を含む、タービン翼を製造する方法。
　前記中間体を積層造形するステップにおいて、前記中間体の前記突出部に前記冷却孔のための仮孔を成形しておき、前記冷却孔を機械加工するステップにおいて前記仮孔を仕上げ加工することにより前記冷却孔を形成する、請求項１０に記載のタービン翼を製造する方法。
　前記中間体を積層造形するステップにおいて、前記中間体の前記突出部には、前記流路に連通する孔を成形せず、前記冷却孔を機械加工するステップにおいて前記冷却孔を形成する、請求項１０に記載のタービン翼を製造する方法。