特許 5743118 ガスタービン動翼およびガスタービン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5743118

(24)【登録日】2015年5月15日

(45)【発行日】2015年7月1日

(54)【発明の名称】ガスタービン動翼およびガスタービン

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/18 20060101AFI20150611BHJP

   F01D 5/18 20060101ALI20150611BHJP

【ＦＩ】

   F02C7/18 A

   F01D5/18

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-12586(P2014-12586)

(22)【出願日】2014年1月27日

(62)【分割の表示】特願2013-504514(P2013-504514)の分割

【原出願日】2011年11月29日

(65)【公開番号】特開2014-98392(P2014-98392A)

(43)【公開日】2014年5月29日

【審査請求日】2014年1月27日

(31)【優先権主張番号】特願2011-53779(P2011-53779)

(32)【優先日】2011年3月11日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】羽田 哲

【審査官】 米澤 篤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−８３８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１６６２４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第５９１５９２３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２４９１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｃ ７／１８

Ｆ０１Ｄ ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラットフォームと、
蛇行するサーペンタイン冷却流路を含む冷却流路を備えた翼体と、
前記翼体と前記プラットフォームの繋ぎ面に形成された曲面と前記翼体と前記プラットフォームとで囲まれた範囲内に形成されたフィレット部と、
前記翼体の冷却流路に連通する冷却流路を備えた基部と、
から形成されるガスタービン動翼であって、
前記冷却流路は、前記冷却流路の高圧部から分岐して、前記フィレット部に沿って前記フィレット部の内側に配設され、前記高圧部が配置された前記冷却流路に隣接する下流側冷却流路に配置された低圧部に接続するバイパス流路を備え、
前記バイパス流路は、前記フィレット部が形成された範囲内に形成されるガスタービン動翼。

【請求項2】

前記冷却流路は、入口側が前記高圧部の前記フィレット部に配設され、出口側が前記低圧部の前記フィレット部に配設されたバイパス流路を備える請求項１に記載のガスタービン動翼。

【請求項3】

前記冷却流路は、入口側が前記高圧部の前記フィレット部より径方向の内側に配設され、出口側が前記低圧部の前記フィレット部より径方向の外側に配設されたバイパス流路を備える請求項１に記載のガスタービン動翼。

【請求項4】

前記冷却流路は、入口側が前記高圧部の前記フィレット部より径方向の外側に配設され、出口側が前記低圧部の前記フィレット部より径方向の内側に配設されたバイパス流路を備える請求項１に記載のガスタービン動翼。

【請求項5】

前記冷却流路は複数系統の冷却流路からなり、前記高圧部が配設された冷却流路と、前記低圧部が配設された冷却流路とは、互いに異なる系統の冷却流路である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガスタービン動翼。

【請求項6】

前記冷却流路は複数系統の冷却流路からなり、前記高圧部が配設された冷却流路と、前記低圧部が配設された冷却流路とは、同一の系統の冷却流路である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガスタービン動翼。

【請求項7】

前記冷却流路は、少なくとも前記翼体の加圧面または負圧面のいずれか一方の面に設けられたバイパス流路を備えている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガスタービン動翼。

【請求項8】

前記翼体の冷却流路が、３系統の冷却流路からなり、
第１系統の冷却流路は、最も前縁に近接する第１冷却流路から形成され、
第２系統の冷却流路は、サーペンタイン冷却流路からなり、前記第１冷却流路に近接する第２冷却流路および第３冷却流路、第４冷却流路の順に、前縁から後縁に向けて配置される冷却流路であり、
第３系統の冷却流路は、サーペンタイン冷却流路からなり、前記第４冷却流路に近接する第５冷却流路および第６冷却流路、第７冷却流路の順に、前縁から後縁に向けて配置される冷却流路であって、
前記高圧部は前記第１冷却流路にあり、前記低圧部は前記第２冷却流路にある請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガスタービン動翼。

【請求項9】

請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガスタービン動翼を備えたガスタービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービンに適用されるガスタービン動翼およびガスタービンに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンは、高温の燃焼ガスが持つ熱エネルギーを回転エネルギーに変換して電力として取り出す装置であり、ガスタービンに組み込まれたガスタービン動翼は、常に高温の燃焼ガス中で使用される。そのため、ガスタービン動翼は、内部にサーペンタイン流路等の冷却流路を備え、外部から冷却空気を受入れて翼体を冷却している。特に、翼体とプラットフォームの繋ぎ面であるフィレット部は、壁が厚くなり、冷却しにくい部位であるため、相対的に壁温が高温となり、熱負荷や翼構造の点から熱応力が発生しやすい。これに対応するため、ガスタービン動翼のフィレット部を冷却する手段として、冷却空気によりフィレット部を対流冷却する方法が種々提案されている。

【0003】

特許文献１には、冷却空気を基部（翼根）側から冷却流路を通してフィレット部近傍の翼体内に設けたキャビティに導入し、フィレット部を内側から対流冷却して、冷却空気をキャビティに設けたフィルム孔から燃焼ガス中に排出する手段が開示されている。

【0004】

一方、特許文献２には、基部内に設けた冷却空気供給路から冷却空気の枝管を引き出し、フィレット部を貫通してフィルム冷却孔に開口して、冷却空気をフィルム冷却孔から吹き出してフィレット部を冷却する手段が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−１１２４２９号公報

【特許文献2】特開２００６−１７０１９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、一般に、熱負荷が大きいフィレット部近傍やプラットフォームの外表面は熱応力が大きいため、孔廻りの応力集中により疲労破壊が生じやすく、孔加工が困難という問題点がある。

【0007】

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、熱応力が大きい翼面やプラットフォームの外表面に孔加工を行わず、フィレット部を対流冷却した後の冷却空気をフィレット部近傍の冷却孔から燃焼ガス中に排出せずに、翼体内の冷却空気として有効利用できるガスタービン動翼の冷却構造を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記の問題点を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第１の態様に係るガスタービン動翼は、プラットフォームと、蛇行するサーペンタイン冷却流路を含む冷却流路を備えた翼体と、前記翼体と前記プラットフォームの繋ぎ面に形成された曲面と前記翼体と前記プラットフォームとで囲まれた範囲内に形成されたフィレット部と、前記サーペンタイン冷却流路に連通する冷却流路を備えた基部と、から形成されるガスタービン動翼であって、前記冷却流路は、前記冷却流路の高圧部から分岐して、前記フィレット部に沿って前記フィレット部の内側に配置され、前記高圧部が配置された前記冷却流路に隣接する下流側冷却流路に配置された低圧部に接続するバイパス流路を備え、前記バイパス流路は、前記フィレット部が形成された範囲内に形成されることを特徴とする。

【0009】

前記第１の態様によれば、冷却空気の圧力が高い冷却流路の高圧部からバイパス流路を取り出して、フィレット部に沿ってフィレット部の内側に配置され、圧力の低い冷却流路の低圧部に接続するので、高圧部と低圧部の冷却空気の差圧を利用して、バイパス流路内を冷却空気の一部を流すことができる。これにより、バイパス流路内の冷却空気によりフィレット部を内側から対流冷却する一方、フィレット部近傍またはプラットフォーム面に冷却孔を設ける必要がない。したがって、冷却孔周辺の応力集中に伴う翼の疲労破壊等の問題を回避でき、翼の信頼性が向上する。また、バイパス流路を流れる冷却空気は、冷却流路の低圧部に戻され、冷却流路内を流れて燃焼ガス中に排出する過程で、翼体を内部から対流冷却するので、冷却空気の使い廻しがされ、冷却空気量が低減できる。

【0010】

前記第１の態様に係る冷却流路は、入口側が前記高圧部の前記フィレット部に配設され、出口側が前記低圧部の前記フィレット部に配設されたバイパス流路を備えることが望ましい。

【0011】

前記第１の態様に係る前記冷却流路は、入口側が前記高圧部の前記フィレット部より径方向の内側に配設され、出口側が前記低圧部の前記フィレット部より径方向の外側に配設されたバイパス流路を備えることが望ましい。

【0012】

前記第１の態様に係る前記冷却流路は、入口側が前記高圧部の前記フィレット部より径方向の外側に配設され、出口側が前記低圧部の前記フィレット部より径方向の内側に配設されたバイパス流路を備えることが望ましい。

【0013】

前記第１の態様に係る冷却流路は、複数系統の冷却流路からなり、前記高圧部が配設された冷却流路と、前記低圧部が配設された冷却流路とは、互いに異なる系統の冷却流路であることが望ましい。

【0014】

前記第１の態様に係る冷却流路は、複数系統の冷却流路からなり、前記高圧部が配設された冷却流路と、前記低圧部が配設された冷却流路とは、同一の系統の冷却流路であることが望ましい。

【0015】

前記第１の態様に係る冷却流路は、少なくとも前記翼体の加圧面または負圧面のいずれか一方の面に設けられたバイパス流路を備えていることが望ましい。

【0016】

前記第１の態様に係る冷却流路は、前記翼体の冷却流路が、３系統の冷却流路からなり、第１系統の冷却流路は、最も前縁に近接する第１冷却流路から形成され、第２系統の冷却流路は、サーペンタイン冷却流路からなり、前記第１冷却流路に近接する第２冷却流路、第３冷却流路、第４冷却流路の順に、前縁から後縁に向けて配置される冷却流路であり、第３系統の冷却流路は、サーペンタイン冷却流路からなり、前記第４冷却流路に近接する第５冷却流路、第６冷却流路、第７冷却流路の順に、前縁から後縁に向けて配置される冷却流路であって、前記高圧部は前記第１冷却流路にあり、前記低圧部は前記第２冷却流路にあることが望ましい。

【0017】

本発明の第２の態様は、前述のガスタービン動翼を備えたガスタービンであることが望ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、ガスタービン動翼が、冷却流路の高圧部から分岐して、フィレット部に沿ってフィレット部の内側に配設され、冷却流路の低圧部に戻すバイパス流路を備えるので、フィレット部を内側から対流冷却できる。そのため、熱応力が大きいフィレット部近傍の外表面またはプラットフォームの外表面に、冷却孔等の孔加工を施すことなくフィレット部を冷却できるので、翼の疲労破壊等の問題が回避され、翼の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、ガスタービンの全体構成図の一例を示す。

【図2】図２は、ガスタービン動翼の斜視図を示す。

【図3A】図３Ａは、第１実施例に係わるガスタービン動翼の縦断面図を示す。

【図3B】図３Ｂはガスタービン動翼の前縁から後縁を見た縦方向部分断面図（図３Ａの断面Ａ―Ａ）を示す。

【図3C】図３Ｃはガスタービン動翼の横断面図（図３Ａの断面Ｂ―Ｂ）を示す。

【図3D】図３Ｄはバイパス流路の第１変形例を示す。

【図4A】図４Ａはバイパス流路の第２変形例を示す。

【図4B】図４Ｂはバイパス流路の第３変形例を示す。

【図4C】図４Ｃはバイパス流路の第４変形例を示す。

【図5A】図５Ａは、第２実施例に係わるガスタービン動翼の縦断面図を示す。

【図5B】図５Ｂはガスタービン動翼の横断面図（図５Ａの断面Ｃ−Ｃ）を示す。

【図5C】図５Ｃはバイパス流路の第５変形例を示す。

【図6A】図６Ａは、第３実施例に係わるガスタービン動翼の縦断面図を示す。

【図6B】図６Ｂはガスタービン動翼の横断面図（図６Ａの断面Ｄ−Ｄ）を示す。

【図6C】図６Ｃはバイパス流路の第６変形例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明に係るガスタービン動翼およびガスタービンについて、その実施形態を図１〜図６に基づいて以下に説明する。

【0021】

（第１実施例）
図１から図３に基づき、第１実施例について、以下に説明する。
図１は、ガスタービンの全体構成図を示す。ガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２から送られてきた圧縮空気に燃料を噴射させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器３と、燃焼器３の燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、燃焼器３を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部４と、圧縮機２とタービン部４と発電機（図示せず）を一体に締結するロータ５で構成されている。

【0022】

タービン部４は、燃焼器３で発生させた燃焼ガスをタービン静翼６およびタービン動翼７に供給し、タービン動翼７をロータ５の廻りに回転させて、回転エネルギーを電力に変換している。タービン静翼６およびタービン動翼７は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって交互に配置されている。また、タービン動翼７は、ロータ５の周方向に複数配置され、ロータ５と一体となって回転している。

【0023】

図２は、ガスタービン動翼の外観を示している。ガスタービン動翼７は、径方向に延在して内部に蛇行する冷却流路を備えた翼体１１と、翼体１１に直交するように設けられたプラットフォーム１２と、前記翼体１１とプラットフォーム１２をロータ５に固定する基部１３とから構成される。前記翼体１１と、前記プラットフォーム１２と、前記基部１３とは、鋳造で一体に製作されている。プラットフォーム１２と翼体１１との繋ぎ面のフィレット部１４は、翼体の全周に形成され、応力集中を避けるため、一定のＲ（曲率半径）をもった滑らかな曲面で形成されている。

【0024】

ガスタービン動翼の断面構造の一例を、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに基づき説明する。図３Ａは、ガスタービン動翼の縦断面図を示し、図３Ｂは翼体１１を前縁１７から後縁１８の方向に見た縦方向の部分断面図で、図３Ａの断面Ａ−Ａを示している。また、図３Ｃは翼体１１の横断面図で、図３Ａの断面Ｂ−Ｂを示している。図３Ａに示すように、翼体１１内には翼体１１を冷却空気ＣＡで冷却するため、複数系統の冷却流路２２、２３、２４が配置されている。また、翼体１１の冷却流路は、基部１３に配置された冷却流路に連通し、それぞれの冷却流路に流す冷却空気ＣＡは、基部１３に接続するロータ５側の冷却流路（図示せず）から供給されている。

【0025】

本実施例に示す翼体１１の冷却流路２２、２３、２４は、３つの系統の流路で構成され、プラットフォーム１２に接続する基部１３内に配置された互いに独立した３つの供給流路３３、３４、３５にそれぞれ連通している。

【0026】

前記翼体１１に配置された３系統の冷却流路は、前縁１７から後縁１８に向かって、最も前縁１７に近接する第１系統流路２２および第２系統流路２３、第３系統流路２４の順番に配置される。それぞれの系統の冷却流路は、基部１３に設けられた互いに独立した冷却流路である第１供給流路３３、第２供給流路３４、第３供給流路３５のそれぞれに連通している。

【0027】

第１系統流路２２は、最も前縁１７に近接し、径方向に基部１３側から翼頂部１６に向かう単一の第１冷却流路２５のみで形成され、基部１３から翼頂部１６まで延在している。また、第１冷却流路２５に接する翼体１１の壁面の負圧面２１（背側）および加圧面２０（腹側）には、燃焼ガス側と翼体１１内部の冷却流路側を連通させる多数のフィルム孔（図示せず）が設けられている。

【0028】

第２系統流路２３は、前縁１７と後縁１８の中間部の翼体１１内に設けられ、第２冷却流路２６、第３冷却流路２７、第４冷却流路２８の各流路が折返し構造（リターン部）で接続されて、一本の蛇行したサーペンタイン冷却流路に形成されている。第２系統流路２３は、前縁１７から後縁１８に向かって、最も第１冷却流路２５に近接して設けられた第２冷却流路２６および第３冷却流路２７、第４冷却流路２８の順番で配置されている。ロータ５側から供給された冷却空気ＣＡは、第２供給流路３４を経て第４冷却流路２８に流入し、リターン部３２で折返しながら第３冷却流路２７、第２冷却流路２６の順に流路内を流れる。

【0029】

すなわち、第４冷却流路２８は、基部１３側から翼頂部１６に向かって径方向に延在し、翼頂部１６近傍に設けられたリターン部３２で１８０°転回して、第３冷却流路２７に連通する。第３冷却流路２７も翼頂部１６から基部１３側に向かって半径方向に延在し、リターン部３２で１８０°転回して、第２冷却流路２６に連通する。さらに、第２冷却流路２６も、基部１３側から翼頂部１６に向かって径方向に延在し、第２冷却流路２６の翼頂部１６に設けられた冷却孔（図示せず）に連通する。また、第２冷却流路２６、第３冷却流路２７および第４冷却流路２８に接する翼体１１の壁面の負圧面２１（背側）および加圧面２０（腹側）には、第１冷却流路と同様に、燃焼ガス側と各冷却流路側とを連通させる多数のフィルム孔（図示せず）が設けられている。

【0030】

第３系統流路２４は、前縁１７と後縁１８の中間部から後縁１８側に設けられ、第５冷却流路２９、第６冷却流路３０、第７冷却流路３１が折返し構造（リターン部）で接続されて、一本の蛇行したサーペンタイン冷却流路に形成されている。第３系統流路２４は、前縁１７から後縁１８に向かって、第４冷却流路２８に近接して設けられた第５冷却流路２９および第６冷却流路３０、第７冷却流路３１の順に配置され、第７冷却流路３１を出た冷却空気ＣＡは、翼頂部１６に設けられた冷却孔（図示せず）から燃焼ガス中に排出されるとともに、冷却空気の一部は後縁端部１９より燃焼ガス中へ排出される。ロータ５側から供給された冷却空気ＣＡは、第２系統流路と同様に、第３供給流路３５を経て第５冷却流路２９に流入し、リターン部３２で折返しながら第６冷却流路３０、第７冷却流路３１の順に通路内を流れる。

【0031】

すなわち、第５冷却流路２９は、基部１３から翼頂部１６に向かって径方向に延在し、翼頂部１６近傍に設けられたリターン部３２で１８０°転回して、第６冷却流路３０に連通する。第６冷却流路３０は、同様に翼頂部１６から基部１３側に向かって半径方向に延在し、リターン部３２で１８０°転回して、第７冷却流路３１に連通する。さらに、第７冷却流路３１は、基部１３側から翼頂部１６に向かって径方向に延在する流路であり、翼頂部１６に設けた冷却孔（図示せず）および後縁端部１９に連通している。また、第５冷却流路２９、第６冷却流路３０、第７冷却流路３１に接する翼体１１の壁面の負圧面２１（背側）および加圧面２０（腹側）には、他の系統の冷却流路と同様に、燃焼ガス側と各冷却流路側とを連通させる多数のフィルム孔（図示せず）が設けられている。

【0032】

また、各冷却流路の内壁には、翼体の対流冷却を促進するため、タービュレータ（図示せず）を設けてもよい。

【0033】

前述の冷却流路の構成により、基部１３に設けられた各系統に連通する冷却流路（第１供給流路３３、第２供給流路３４、第３供給流路３５）にロータ５側から供給された冷却空気ＣＡは、第１系統流路２２（第１冷却流路２５）、第２系統流路２３（第４冷却流路２８、第３冷却流路２７、第２冷却流路２６）および第３系統流路２４（第５冷却流路２９、第６冷却流路３０、第７冷却流路３１）に供給される。第１系統流路２２に供給された冷却空気ＣＡは、前縁１７側の翼体１１の負圧面２１側および加圧面２０側の内壁面を対流冷却しながら、前縁１７側の翼面に設けられたフィルム冷却孔から燃焼ガス中に吹出す際、翼面をフィルム冷却している。第２系統流路２３は、翼体１１の中間部の負圧面２１および加圧面２０の内壁面を対流冷却すると共に、翼体１１の翼面に設けられた冷却孔から燃焼ガス中に排出する際、翼面をフィルム冷却する。また、第３系統流路２４も同様に、翼体１１の中間部から後縁１８側にかけ、翼体１１の負圧面２１（背側）および加圧面２０（腹側）の内壁面を対流冷却して、翼面に設けられた冷却孔から燃焼ガス中に排出する際、翼面をフィルム冷却する。また、第７冷却流路３１を流れる冷却空気ＣＡの一部は、後縁端部１９から燃焼ガス中に排出する過程で、後縁端部１９を対流冷却している。

【0034】

次に、フィレット部の冷却構造について説明する。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃには、第１冷却流路２５と第２冷却流路２６を接続するバイパス流路４１が示されている。バイパス流路４１は、翼体１１の壁体内に形成され、バイパス流路４１の入口４１ａ側が第１冷却流路２５に連通し、出口４１ｂ側は第２冷却流路２６に連通している。すなわち、バイパス流路４１は、図３Ａに示す翼体１１の縦断面図で、バイパス流路４１の入口４１ａおよび出口４１ｂともに、フィレット部１４が形成された範囲に配置されている。

【0035】

ここで、フィレット部の範囲について説明する。図３Ｂの部分断面図に示すように、フィレット部１４は、翼体１１とプラットフォーム１２の繋ぎ部の熱応力を低減するため一定の曲率半径を備えた曲面Ｒと翼体１１およびプラットフォーム１２で囲まれた領域として形成され、翼体の全周に配置されている。すなわち、図３Ｂの部分断面図で、翼体１１の径方向に伸びる直線状の外壁面１１ａとフィレット部１４の外表面を形成する曲面Ｒとが滑らかに交わる点をＸとし、プラットフォーム１２の直線状に広がるプラットフォーム外表面１２ａと曲面Ｒとが滑らかに交わる点をＹ点とすれば、点Ｘおよび点Ｙを翼体１１の廻りに描くことにより、フィレット部１４と翼体の外壁面１１ａおよびフィレット部１４とプラットフォーム外表面１２ａの境界に、フィレット上端ライン１４ａ、フィレット下端ライン１４ｂが形成される。
このフィレット上端ライン１４ａ、フィレット下端ライン１４ｂで囲まれた領域（図３Ｂのハッチングで示す部分）がフィレット部１４の範囲を形成する。

【0036】

バイパス流路４１は、図３Ｂの部分断面図に示すように、翼の前縁から後縁を見た断面視で、フィレット上端ライン１４ａ、フィレット下端ライン１４ｂで囲まれたフィレット部１４に配置される。すなわち、バイパス流路４１の入口４１ａは、翼の前縁から後縁を見た断面視で、フィレット部１４内に配置され、第１冷却流路２５の内壁面に形成される。バイパス流路４１は、入口４１ａから略水平方向（ロータ軸方向）に曲面Ｒに向かって延び、図３Ａおよび図３Ｃに示すように、フィレット部１４の曲面Ｒの内側（サーペンタイン流路側）をフィレット部１４に沿って配置され、さらに第２冷却流路出口４１ｂに接続している。なお、本実施例では、バイパス流路４１の全てが、フィレット上端ライン１４ａ、フィレット下端ライン１４ｂで囲まれたフィレット部１４内に配置される。なお、バイパス流路４１は、タービン動翼を一体鋳造する過程で、同時に製作が可能である。

【0037】

次に、バイパス流路の技術的な意義を説明する。
一般に、サーペンタイン流路は、細長い蛇行した距離の長い流路を備え、流路の途中に折返し構造（リターン部）やタービュレータ等の内部構造を備えるため、冷却空気が流路内を流れる過程で、圧力損失により圧力が低下する。なお、ロータ５側から冷却空気ＣＡを受入れる基部１３内に設けられた第１供給流路３３、第２供給流路３４、第３供給流路３５内の冷却空気ＣＡの圧力は、ほぼ同じ圧力である。

【0038】

図３Ａ、図３Ｃに示すように、第１系統流路２２の冷却流路（第１冷却流路２５）は、最も前縁１７に近接し、基部１３側から翼頂部１６まで延在する単一の流路である。第１冷却流路２５は、ロータ５側から冷却空気ＣＡを受入れる基部１３側の流路内の圧力が最も高く、フィレット部１４を挟んだ径方向の内側及び外側の流路を含めたフィレット部１４近傍の流路内が、高圧部３６を形成する。

【0039】

一方、第２系統流路２３は、第２冷却流路２６、第３冷却流路２７、第４冷却流路２８が折返し構造（リターン部）を介して接続されて、蛇行した長いサーペンタイン冷却流路が形成されている。冷却空気ＣＡは、ロータ５側から冷却空気ＣＡを受入れる第４冷却流路２８の上流側で圧力が最も高い。冷却流路およびリターン部を流れる間に圧力損失により冷却空気圧は徐々に低下して、第２冷却流路２６の翼体の冷却孔（図示せず）から排出された直後は、燃焼ガス圧とほぼ同じ圧力となる。すなわち、冷却空気ＣＡは、第４冷却流路２８、第３冷却流路２７、第２冷却流路２６の順に流路内部を流れて冷却空気圧が低下するため、第２冷却流路２６の下流端（翼頂部１６）が最も圧力が低くなる。第４冷却流路２８の基部１３側から翼体１１に入る冷却流路のうち、フィレット部１４を挟んだ径方向の内側及び外側の流路を含めたフィレット部１４近傍が高圧部３６を形成し、第２冷却流路２６のフィレット部１４近傍が低圧部３７を形成する。

【0040】

これにより、バイパス流路の入口４１ａ側の高圧部３６と出口４１ｂ側の低圧部３７との冷却空気の差圧を利用して、冷却空気の一部を分岐してバイパス流路４１に流すことができ、バイパス流路内の冷却空気ＣＡにより、フィレット部１４を翼体１１の内側から対流冷却できる。

【0041】

また、バイパス流路は、翼体１１の負圧面２１（背側）または加圧面２０（腹側）の一方の面に設けてもよいし、両面に設けてもよい。翼構造や翼面の熱負荷のかかり方により、いずれかを選択するのが望ましい。図３Ｃに示す第１実施例は、翼体１１の前縁１７側の加圧面２０にのみバイパス流路４１を設けた例であるが、熱応力の状態によっては負圧面２１のみに設けてもよい。また、図３Ｄに示す第１変形例は、加圧面２０と負圧面２１の両面にバイパス流路４１を設けた例を示している。

【0042】

第１実施例に示す構成によれば、フィレット部に近接させてバイパス流路を設けるので、フィレット部の内側から対流冷却できる。そのため、熱応力が大きいフィレット部近傍の翼面またはプラットフォーム面に冷却孔を設ける等の孔加工をする必要がなく、翼の疲労破壊等を回避して、翼の信頼性が向上する。

【0043】

また、冷却空気をフィレット近傍で冷却孔から燃焼ガス中に排出することなくサーペンタイン流路に戻すので、第２冷却流路２６内に戻った冷却空気は、更に第２冷却流路２６を流れる間に翼体１１を対流冷却する。更に、冷却空気は、フィルム孔から吹出して翼面をフィルム冷却するので、冷却空気の使い廻しが行われ、冷却空気量が低減される。そのため、ガスタービン全体の熱効率とガスタービンの信頼性が向上する。

【0044】

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃには、バイパス流路に係わる第１実施例の変形例を示している。図４Ａに示す第２変形例では、高圧部３６を第１冷却流路２５内のフィレット部１４より径方向の内側に設け、低圧部３７を第２冷却流路２６のフィレット部１４より径方向の外側に配置して、バイパス流路４２の入口４２ａを高圧部３６に、出口４２ｂを低圧部３７に配置した例である。バイパス流路４２は、縦断面視でバイパス流路４１の入口４２ａ、出口４２ｂを略直線状に接続して、中間部はフィレット部１４の内側（サーペンタイン流路側）に沿わせて配置している。

【0045】

図４Ｂに示す第３変形例は、高圧部３６を第１冷却流路２５内のフィレット部１４より径方向の外側に設け、低圧部３７を第２冷却流路２６のフィレット部１４より径方向の内側に配置して、バイパス流路４３の入口４３ａを高圧部３６に、出口４３ｂを低圧部３７に配置した例である。また、第２変形例と同様に、バイパス流路４３は、縦断面視でバイパス流路４３の入口４３ａ、出口４３ｂを略直線状に接続して、中間部はフィレット部１４の内側に沿わせて配置している。

【0046】

図４Ｃに示す第４変形例は、高圧部３６の選定は第１実施例と同じであるが、低圧部３７を第３冷却流路２７のフィレット部１４近傍に設けた点が異なる。第３冷却流路２７のフィレット部１４近傍であれば、第４冷却流路２８のフィレット部１４近傍と第３冷却流路２７のフィレット部１４近傍の間の差圧が利用できるので、バイパス流路４４内に冷却空気を流すことができる。また、第３冷却流路２７の下流側のフィレット部１４にバイパス流路４４の出口４４ｂを設け、中間のバイパス流路４４をフィレット部１４の内側に沿わせて配置すれば、前述の第１変形例よりバイパス流路長を延ばせるので、フィレット部１４の冷却長さを更に広げることが出来る。

【0047】

（第２実施例）
次に、第２実施例について、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに基づき、以下に説明する。第１実施例は第１系統流路２２と第２系統流路２３の間の異なる系統間のバイパス流路に関する例であるが、本実施例は第２系統流路２３内のバイパス流路４５である点が異なる。すなわち、本実施例では、高圧部３６を第４冷却流路２８の上流側のフィレット部１４に設け、低圧部３７を第２冷却流路２６の上流側のフィレット部１４に設けている。本実施例の構成によれば、前述の第１実施例と同様の効果が得られる。

【0048】

なお、本実施例のバイパス流路４５は、第１実施例と同様に、翼体１１の負圧面２１（背側）または加圧面２０（腹側）の一方の面に設けてもよいし、両面に設けてもよい。翼構造や翼面の熱負荷のかかり方により、いずれかを選択するのが望ましい。図５Ｂに示す例は、翼体１１の加圧面２０にのみバイパス流路４５を設けた例であるが、熱応力の状態によっては負圧面２１にのみ設けてもよい。図５Ｃに示す例は、加圧面２０と負圧面２１の両面にバイパス流路４５を設けた例である。また、フィレット部１４の考え方およびフィレット部とバイパス流路の関係は、第１実施例と同じ考え方を適用できる。さらに、図４Ａ、図４Ｂに示すバイパス流路の変形例の考え方は、本実施例にも適用できる。

【0049】

（第３実施例）
次に、第３実施例について、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに基づき、以下に説明する。本実施例は、第３系統流路２４内のバイパス流路４６である点が、第１実施例および第２実施例と異なる。すなわち、第３系統流路２４は、前縁１７から後縁１８にかけ、第４冷却流路２８に近接する第５冷却流路２９、第６冷却流路３０、第７冷却流路３１の順に折返し構造（リターン部）を介して接続されて、蛇行した長いサーペンタイン冷却流路が形成されている。冷却空気ＣＡは、ロータ５側から冷却空気を受入れる第５冷却流路２９の入口では圧力が最も高い。しかし、第２系統流路と同様に、冷却空気ＣＡが冷却流路内を流れる間に圧力損失により冷却空気の圧力は徐々に低下して、第７冷却流路３１から後縁１８側に流れて後縁端部１９から燃焼ガス中に排出された直後の冷却空気は、燃焼ガス圧とほぼ同じ圧力となる。すなわち、冷却空気ＣＡが、第５冷却流路２９、第６冷却流路３０、第７冷却流路３１の順に流路内を流れる過程で、冷却空気圧が徐々に低下する。第５冷却流路２９の基部１３側から翼体１１に入る冷却空気ＣＡのフィレット部１４近傍の流路内が圧力の高い高圧部３６を形成し、第７冷却流路３１の上流側内のフィレット部１４近傍が圧力の低い低圧部３７を形成する。従って、第５冷却流路２９と第７冷却流路３１の間の差圧を利用して、この間にバイパス流路４６を配置し、バイパス流路４６はフィレット部１４に沿わせて配置する構成としてもよい。本実施例の構成によれば、第１実施例と同様の効果が得られる。

【0050】

なお、本実施例においても、バイパス流路４６を翼体１１の負圧面２１または加圧面２０のいずれに設けるか、あるいは両面に設けるかは、第１実施例と同様に、翼構造や翼面の熱負荷のかかり方等により選択される。図６Ｂに示す例は、翼体１１の負圧面２１にのみバイパス流路４６を設けた例であるが、熱応力の状態によっては加圧面２０にのみ設けてもよい。図６Ｃに示す例は、加圧面と負圧面の両面にバイパス流路４６を設けた例である。また、フィレット部１４の考え方およびフィレット部とバイパス流路の関係は、第１実施例と同じ考え方を適用できる。さらに、第２実施例と同様に、図４Ａ、図４Ｂに示すバイパス流路の変形例の考え方は、本実施例にも適用できる。

【0051】

なお、前述の第１実施例から第３実施例に示す構成は、翼構造と翼面への熱負荷のかかり方により、各実施例ごとに単独に適用できるし、複数の実施例を組み合わせた構成が適用できる場合もある。また、複数の実施例の組合せた構成による効果は、第１実施例と同じである。

【0052】

また、第１実施例は、３系統のサーペンタイン流路を備え、前縁１７に最も近接する第１系統流路２２は、単一の冷却流路で構成し、第２系統流路２３および第３系統流路２４は、各々３本の冷却流路を前縁１７から後縁１８にかけて直列に結合したサーペンタイン冷却流路で構成されるが、他の冷却流路の構成にも同様の考え方が適用できる。

【0053】

第１実施例の冷却流路が、第１系統流路が単一流路、第２系統流路と第３系統流路が各々３本のサーペンタイン冷却流路で構成され、全体で７本の冷却流路で構成されたもの（この構成を、１−３Ｕ−３Ｄ系と呼ぶ）としている。ここで、「１−３Ｕ−３Ｄ系」とは、３系統の流路で構成され、第２系統流路および第３系統は各３本の流路で構成されていることを意味する。また、冷却空気ＣＡの流れが、前縁１７から後縁１８に向かう流路では「Ｄ」を付し、逆向きの流れでは「Ｕ」を付して区別している。

【0054】

他の流路構成を例にあげれば、第１実施例と同様に、全体で７本の流路で構成する点は同じであるが、第１系統流路が単一流路、第２系統流路が５本のサーペンタイン流路、第３系統流路が単一流路の冷却流路で構成し、第２系統流路は前縁１７から後縁１８に向かう冷却空気の流れとなる構成（１−５Ｄ−１系）がある。このような場合、第１実施例と同様に、前縁１７から後縁１８へかけ順番に流路番号を付して考えれば、第１冷却流路と第３冷却流路、第１冷却流路と第４冷却流路または第１冷却流路と第５冷却流路の間にバイパス流路を設け、バイパス流路は、フィレット部１４の内側に沿わせた配置とする構成が成立する。

【0055】

翼の冷却設計の考え方で、ガスタービン動翼の冷却流路の構成は多岐に渡るが、１つの系統の冷却流路の中で、最も圧力の高い流路を高圧部と考え、同一の系統または異なる系統の流路の中で圧力の最も低い流路を低圧部として、フィレット部に近い高圧部と低圧部の間にバイパス流路を設けることにより、本発明の技術思想を満足する構成が実現できる。高圧部と低圧部をフィッレト部から離れた位置に選定すると、バイパス流路を設けることが製作上困難となり、適当とは言えない。なお、前述の説明は、最も圧力の高い高圧部、最も圧力の低い低圧部を例に説明したが、中間の圧力であっても、高圧部と低圧部の間に冷却空気を流せる差圧が確保できれば、バイパス流路を設けることが出来る。

【0056】

前述の各実施例は、本発明の技術思想を反映した代表例であるが、本発明の技術思想を満足する限り、他の実施例および変形例も本発明の技術思想に範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0057】

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン部
５ ロータ
６ タービン静翼
７ タービン動翼
１１ 翼体
１１ａ 翼体外壁面
１２ プラットフォーム
１２ａ プラットフォーム外表面
１３ 基部
１４ フィレット部
１４ａ フィレット上端ライン
１４ｂ フィレット下端ライン
１６ 翼頂部
１７ 前縁
１８ 後縁
１９ 後縁端部
２０ 加圧面（腹側）
２１ 負圧面（背側）
２２ 第１系統流路
２３ 第２系統流路
２４ 第３系統流路
２５ 第１冷却流路
２６ 第２冷却流路
２７ 第３冷却流路
２８ 第４冷却流路
２９ 第５冷却流路
３０ 第６冷却流路
３１ 第７冷却流路
３２ リターン部
３３ 第１供給流路
３４ 第２供給流路
３５ 第３供給流路
３６ 高圧部
３７ 低圧部
４１、４２、４３、４４、４５、４６ バイパス流路
４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４６ａ 入口
４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４６ｂ 出口
ＣＡ 冷却空気

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】