特開 2022-54406 タービンブレードおよびこれを含むタービン並びにガスタービン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022054406

(43)【公開日】2022-04-06

(54)【発明の名称】タービンブレードおよびこれを含むタービン並びにガスタービン

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/18 20060101AFI20220330BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20220330BHJP

   F01D 25/12 20060101ALI20220330BHJP

【ＦＩ】

F01D5/18

F02C7/18 A

F01D25/12 E

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021127429

(22)【出願日】2021-08-03

(31)【優先権主張番号】10-2020-0125082

(32)【優先日】2020-09-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】507002918

【氏名又は名称】ドゥサン ヘヴィー インダストリーズ アンド コンストラクション カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】キム、クワン イル

(72)【発明者】

【氏名】ソン、ジン ウー

(72)【発明者】

【氏名】ホフマン、ウィリー

(72)【発明者】

【氏名】ブランドル、ハーバート

【テーマコード（参考）】

3G202

【Ｆターム（参考）】

3G202CA06

3G202JJ05

3G202JJ17

(57)【要約】      （修正有）

【課題】トルクおよび出力が向上したタービンブレード、タービン並びにガスタービンを提供する。
【解決手段】一側面によるタービンブレード１４００は、翼形状からなり、吸入面および圧力面を有するエアホイル１４１０と、前記エアホイル１４１０の下部に結合されたプラットフォーム部１４２０と、前記プラットフォーム部１４２０から下部に突出してロータディスクに結合されるルート部１４２５とを含み、前記エアホイル１４１０は、内部に形成された冷却流路と、前記冷却流路の上部に連結されて冷却空気を排出させる排出ホール１４６０とを含み、前記排出ホール１４６０は、前記タービンブレード１４００のチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びて形成される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

翼形状からなり、吸入面および圧力面を有するエアホイルと、前記エアホイルの下部に結合されたプラットフォーム部と、前記プラットフォーム部から下部に突出してロータディスクに結合されるルート部とを含み、
前記エアホイルは、内部に形成された冷却流路と、前記冷却流路の上部に連結されて冷却空気を排出させる排出ホールとを含み、
前記排出ホールは、タービンブレードのチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びたタービンブレード。

【請求項2】

前記排出ホールは、前記圧力面にのみ形成された請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項3】

前記排出ホールは、前記タービンブレードの回転方向と平行に延びて形成された請求項２に記載のタービンブレード。

【請求項4】

前記排出ホールは、前記タービンブレードのリーディングエッジに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びた請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項5】

前記タービンブレードには、冷却空気を排出する複数の冷却ホールが形成され、前記排出ホールは、前記複数の冷却ホールよりも外側に位置し、より大きい直径を有する請求項１～４のいずれか１項に記載のタービンブレード。

【請求項6】

前記排出ホールが前記タービンブレードの高さ方向に垂直な平面となす傾斜角は、５度～１５度、または３５度～４５度となる請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項7】

前記エアホイルは、前記吸入面および前記圧力面に連結され、外側に配置され、開口を有しない塞がれた板からなるチッププレートをさらに含む請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項8】

前記冷却流路には、前記冷却流路の内部に突出し、前記排出ホールに連結された流動延長部が形成され、
前記流動延長部は、前記チッププレートの内面に対して傾斜して突出した上部延長部と、前記圧力面に対して傾斜して突出した側部延長部とを含む請求項７に記載のタービンブレード。

【請求項9】

前記冷却流路には、前記冷却流路の内部に突出し、前記排出ホールに連結された流動ガイド部が形成され、
前記流動ガイド部は、前記チッププレートの下面および前記吸入面から突出して前記排出ホールに連結され、湾曲した曲面からなる第１ガイド部と、前記圧力面から突出して前記排出ホールに連結された第２ガイド部とを含む請求項７に記載のタービンブレード。

【請求項10】

前記排出ホールは、外側へいくほど内径が漸進的に減少する圧縮通路と、前記圧縮通路から前記圧力面に延び、均一な内径を有する案内通路とを含む請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項11】

前記タービンブレードの内部から外部に排出される空気の排出速度と空気の密度とを乗じた値を、前記タービンブレードの外面を通過する燃焼ガスの速度とガスの密度とを乗じた値で割った値を噴射比率とし、
前記排出ホールを通して排出される空気と、タービンブレードを通るガスとの噴射比率は、４～１０となる請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項12】

回転可能なロータディスクと、前記ロータディスクに設けられる複数のタービンブレードとを含むタービンにおいて、
前記複数のタービンブレードは、翼形状からなり、吸入面および圧力面を有するエアホイルと、前記エアホイルの下部に結合されたプラットフォーム部と、前記プラットフォーム部から下部に突出してロータディスクに結合されるルート部とを含み、前記エアホイルは、内部に形成された冷却流路と、前記冷却流路の上部に連結されて冷却空気を排出させる排出ホールとを含み、前記排出ホールは、前記複数のタービンブレードのチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びたタービン。

【請求項13】

前記排出ホールは、前記吸入面および前記圧力面のうち圧力面にのみ形成された請求項１２に記載のタービン。

【請求項14】

前記排出ホールは、前記複数のタービンブレードの回転方向と平行に延びて形成された請求項１３に記載のタービン。

【請求項15】

前記排出ホールは、前記複数のタービンブレードのリーディングエッジに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びた請求項１２に記載のタービン。

【請求項16】

前記複数のタービンブレードには、冷却空気を排出する複数の冷却ホールが形成され、前記排出ホールは、前記複数の冷却ホールよりも外側に位置し、より大きい直径を有する請求項１２～１５のいずれか１項に記載のタービン。

【請求項17】

前記排出ホールが前記複数のタービンブレードの高さ方向に垂直な平面となす傾斜角は、５度～１５度、または３５度～４５度となる請求項１２に記載のタービン。

【請求項18】

前記エアホイルは、前記吸入面および前記圧力面に連結され、外側に配置され、開口を有しない塞がれた板からなるチッププレートをさらに含む請求項１２に記載のタービン。

【請求項19】

前記冷却流路には、前記冷却流路の内部に突出し、前記排出ホールに連結された流動延長部が形成され、
前記流動延長部は、前記チッププレートの内面に対して傾斜して突出した上部延長部と、前記圧力面に対して傾斜して突出した側部延長部とを含む請求項１８に記載のタービン。

【請求項20】

外部から流入した空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって回転する複数のタービンブレードを含むタービンとを含むガスタービンにおいて、
前記複数のタービンブレードは、翼形状からなり、吸入面および圧力面を有するエアホイルと、前記エアホイルの下部に結合されたプラットフォーム部と、前記プラットフォーム部から下部に突出してロータディスクに結合されるルート部とを含み、前記エアホイルは、内部に形成された冷却流路と、前記冷却流路の上部に連結されて冷却空気を排出させる排出ホールとを含み、前記排出ホールは、前記複数のタービンブレードのチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びたガスタービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、タービンブレードおよびこれを含むタービン並びにガスタービンに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンは、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させ、燃焼で発生した高温のガスでタービンを回転させる動力機関である。ガスタービンは、発電機、航空機、船舶、列車などを駆動するのに用いられる。

【0003】

一般的に、ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機は、外部の空気を吸入して圧縮した後、燃焼器に伝達する。圧縮機で圧縮された空気は高圧および高温の状態になる。燃焼器は、圧縮機から流入した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる。燃焼によって発生した燃焼ガスはタービンに排出される。燃焼ガスによってタービン内部のタービンブレードが回転し、これにより動力が発生する。発生した動力は、発電、機械装置の駆動など多様な分野に使用される。

【0004】

最近は、タービンの効率を増加させるために、タービンに流入するガスの温度（Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｉｎｌｅｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＴＩＴ）が持続的に上昇する傾向にあるが、これによって、タービンブレードの耐熱処理および冷却の重要性が浮かび上がっている。

【0005】

タービンブレードを冷却するための方法には、フィルムクーリングおよびインターナルクーリング方式がある。フィルムクーリング方式は、タービンブレードの外面にコーティング膜を形成して、外部からブレードへの熱伝達を防止する方式である。フィルムクーリング方式によれば、ブレードに塗布される耐熱塗料が、ブレードの耐熱特性および機械的耐久性を決定する。

【0006】

インターナルクーリング方式は、冷却流体とブレードとの熱交換によりブレードを冷却する方式である。一般的に、タービンブレードは、ガスタービンの圧縮機から抽出された圧縮された冷却空気を用いて冷却する。

【0007】

タービンブレードにおいて半径方向に最も外側に位置するエアホイルチップはタービンシュラウドに隣接して配置されて冷却が極めて難しい問題があった。このため、従来は、エアホイルチップの周り方向に延びたチップリブを形成し、エアホイルのチッププレートをチップリブが取り囲むように形成した状態で、チッププレートから空気を噴射してエアホイルチップを冷却した。チッププレートで空気を噴射すれば、圧力損失を防止し、チッププレートを冷却させることはできるが、タービンの回転力のトルクおよび出力を増加させることができない問題があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記の技術的背景に基づき、本発明は、トルクおよび出力が向上したタービンブレード、タービン並びにガスタービンを提供しようとする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一側面によるタービンブレードは、翼形状からなり、吸入面および圧力面を有するエアホイルと、前記エアホイルの下部に結合されたプラットフォーム部と、前記プラットフォーム部から下部に突出してロータディスクに結合されるルート部とを含み、前記エアホイルは、内部に形成された冷却流路と、前記冷却流路の上部に連結されて冷却空気を排出させる排出ホールとを含み、前記排出ホールは、タービンブレードのチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びて形成される。

【0010】

本発明の一側面による前記排出ホールは、前記吸入面および前記圧力面のうち圧力面にのみ形成される。

【0011】

本発明の一側面による前記排出ホールは、前記タービンブレードの回転方向と平行に延びて形成される。

【0012】

本発明の一側面による前記排出ホールの直径は、前記タービンブレードの壁面の厚さよりも大きく形成される。

【0013】

本発明の一側面による前記タービンブレードには、冷却空気を排出する複数の冷却ホールが形成され、前記排出ホールは、前記冷却ホールよりも外側に位置し、より大きい直径を有するように形成される。

【0014】

本発明の一側面による前記排出ホールが前記タービンブレードの高さ方向に垂直な平面となす傾斜角は、５度～１５度、または３５度～４５度となる。

【0015】

本発明の一側面による前記エアホイルは、前記吸入面および前記圧力面に連結され、外側に配置され、開口を有しない塞がれた板からなるチッププレートをさらに含むことができる。

【0016】

本発明の一側面による前記冷却流路には、前記冷却流路の内部に突出し、前記排出ホールに連結された流動延長部が形成され、前記流動延長部は、前記チッププレートの内面に対して傾斜して突出した上部延長部と、前記圧力面に対して傾斜して突出した側部延長部とを含むことができる。

【0017】

本発明の一側面による前記冷却流路には、前記冷却流路の内部に突出し、前記排出ホールに連結された流動ガイド部が形成され、前記流動ガイド部は、前記チッププレートの下面および前記吸入面から突出して前記排出ホールに連結され、湾曲した曲面からなる第１ガイド部と、前記圧力面から突出して前記排出ホールに連結された第２ガイド部とを含むことができる。

【0018】

本発明の一側面による前記排出ホールは、外側へいくほど内径が漸進的に減少する圧縮通路と、前記圧縮通路から前記圧力面に延び、均一な内径を有する案内通路とを含むことができる。

【0019】

本発明の一側面による前記タービンブレードの内部から外部に排出される空気の排出速度と空気の密度とを乗じた値を、前記タービンブレードの外面を通過する燃焼ガスの速度とガスの密度とを乗じた値で割った値を噴射比率とし、前記排出ホールを通して排出される空気と、タービンブレードを通るガスとの噴射比率は、４～１０となる。

【0020】

本発明の一側面によるタービンは、回転可能なロータディスクと、前記ロータディスクに設けられる複数のタービンブレードとを含み、前記タービンブレードは、翼形状からなり、吸入面および圧力面を有するエアホイルと、前記エアホイルの下部に結合されたプラットフォーム部と、前記プラットフォーム部から下部に突出してロータディスクに結合されるルート部とを含み、前記エアホイルは、内部に形成された冷却流路と、前記冷却流路の上部に連結されて冷却空気を排出させる排出ホールとを含み、前記排出ホールは、タービンブレードのチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びることができる。

【0021】

本発明の一側面による前記排出ホールは、前記吸入面および前記圧力面のうち圧力面にのみ形成される。

【0022】

本発明の一側面による前記排出ホールは、前記タービンブレードの回転方向と平行に延びて形成される。

【0023】

本発明の一側面による前記排出ホールの直径は、前記タービンブレードの壁面の厚さよりも大きく形成される。

【0024】

本発明の一側面による前記タービンブレードには、冷却空気を排出する複数の冷却ホールが形成され、前記排出ホールは、前記冷却ホールよりも外側に位置し、より大きい直径を有することができる。

【0025】

本発明の一側面による前記排出ホールが前記タービンブレードの高さ方向に垂直な平面となす傾斜角は、５度～１５度、または３５度～４５度となる。

【0026】

本発明の一側面による前記エアホイルは、前記吸入面および前記圧力面に連結され、外側に配置され、開口を有しない塞がれた板からなるチッププレートをさらに含むことができる。

【0027】

本発明の一側面による前記冷却流路には、前記冷却流路の内部に突出し、前記排出ホールに連結された流動延長部が形成され、前記流動延長部は、前記チッププレートの内面に対して傾斜して突出した上部延長部と、前記圧力面に対して傾斜して突出した側部延長部とを含むことができる。

【0028】

本発明の一側面によるガスタービンは、外部から流入した空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって回転する複数のタービンブレードを含むタービンとを含み、前記タービンブレードは、翼形状からなり、吸入面および圧力面を有するエアホイルと、前記エアホイルの下部に結合されたプラットフォーム部と、前記プラットフォーム部から下部に突出してロータディスクに結合されるルート部とを含み、前記エアホイルは、内部に形成された冷却流路と、前記冷却流路の上部に連結されて冷却空気を排出させる排出ホールとを含み、前記排出ホールは、前記タービンブレードのチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びることができる。

【発明の効果】

【0029】

本発明の一側面によるタービンブレード、タービン並びにガスタービンによれば、排出ホールが傾斜して形成され、圧力面にのみ形成されるので、排出ホールを通して排出される冷却空気によって、タービンのトルクおよび出力が向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の第１実施形態に係るガスタービンの内部が示された図である。

【図2】図１のガスタービンの一部を切断した縦断面図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係るタービンブレードを示す斜視図である。

【図4】本発明の第１実施形態に係るタービンブレードの一部を示す斜視図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図である。

【図6】本発明の第１実施形態に係るタービンブレードの一部を示す横断面図である。

【図7】本発明の第１実施形態に係るブレードで形成された排出ホールの傾斜角の変化によるトルク増加率を示すグラフである。

【図8】第１実施形態に係るブレードで形成された排出ホールの傾斜角の変化による出力増加率を示すグラフである。

【図9】本発明の第１実施形態の変形例によるタービンブレードの一部を示す横断面図である。

【図10】本発明の第２実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図である。

【図11】本発明の第３実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図である。

【図12】本発明の第４実施形態に係るタービンブレードの一部を示す斜視図である。

【図13】本発明の第４実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本発明は多様な変換が加えられて様々な実施例を有し得ることから、特定の実施例を例示して詳細な説明に詳しく説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態について限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物または代替物を含むことが理解されなければならない。

【0032】

本発明で使った用語は単に特定の実施例を説明するために使われたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。

【0033】

以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。この時、添付した図面において同一の構成要素は、できる限り同一の符号で表していることに留意する。また、本発明の要旨をあいまいにしうる公知の機能および構成に関する詳細な説明は省略する。同様の理由から、添付図面において一部の構成要素は誇張または省略されるか、概略的に示された。

【0034】

以下、本発明の第１実施形態に係るガスタービンについて説明する。

【0035】

図１は、本発明の第１実施形態に係るガスタービンの内部が示された図であり、図２は、図１のガスタービンの一部を切断した縦断面図である。

【0036】

図１および図２を参照して説明すれば、本実施形態に係るガスタービン１０００の熱力学的サイクルは、理想的にはブレイトンサイクル（Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ）によることができる。ブレイトンサイクルは、等エントロピー圧縮（断熱圧縮）、定圧急熱、等エントロピー膨張（断熱膨張）、定圧放熱につながる４つの過程からなる。すなわち、大気の空気を吸入して高圧に圧縮した後、定圧環境で燃料を燃焼して熱エネルギーを放出し、この高温の燃焼ガスを膨張させて運動エネルギーに変換させた後に、残留エネルギーを含む排気ガスを大気中に放出することができる。すなわち、圧縮、加熱、膨張、放熱の４過程でサイクルが行われる。

【0037】

このようなブレイトンサイクルを実現するガスタービン１０００は、図１に示されるように、圧縮機１１００と、燃焼器１２００と、タービン１３００とを含むことができる。以下の説明は図１を参照するが、本発明の説明は、図１に例示的に示されたガスタービン１０００と同等の構成を有するタービン機関に対しても幅広く適用可能である。

【0038】

図１を参照すれば、ガスタービン１０００の圧縮機１１００は、外部から空気を吸入して圧縮することができる。圧縮機１１００は、圧縮機ブレード１１３０によって圧縮された圧縮空気を燃焼器１２００に供給し、また、ガスタービン１０００で冷却が必要な高温領域に冷却用空気を供給することができる。この時、吸入された空気は圧縮機１１００で断熱圧縮過程を経るので、圧縮機１１００を通過した空気の圧力と温度は上昇する。

【0039】

圧縮機１１００は、遠心圧縮機（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ）や軸流圧縮機（ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）で設計されるが、小型ガスタービンでは遠心圧縮機が適用されるのに対し、図１に示されるような大型ガスタービン１０００は、大量の空気を圧縮しなければならないため、多段軸流圧縮機１１００が適用されることが一般的である。この時、多段軸流圧縮機１１００では、圧縮機１１００のブレード１１３０は、センタータイロッド１１２０とロータディスクの回転により回転して、流入した空気を圧縮しながら圧縮された空気を後段の圧縮機ベーン１１４０に移動させる。空気は多段に形成されたブレード１１３０を通過しながら次第により高圧に圧縮される。

【0040】

圧縮機ベーン１１４０は、ハウジング１１５０の内部に装着され、複数の圧縮機ベーン１１４０が段を形成して装着できる。圧縮機ベーン１１４０は、前段の圧縮機ブレード１１３０から移動した圧縮空気を後段のブレード１１３０側に案内する。一実施形態において、複数の圧縮機ベーン１１４０の少なくとも一部は、空気の流入量の調節などのために定められた範囲内で回転可能に装着できる。

【0041】

圧縮機１１００は、タービン１３００から出力される動力の一部を用いて駆動できる。このために、図１に示されるように、圧縮機１１００の回転軸とタービン１３００の回転軸とは、トルクチューブ１１７０によって直結できる。大型ガスタービン１０００の場合、タービン１３００で生産される出力のほぼ半分程度が圧縮機１１００を駆動させるのに費やされる。

【0042】

一方、燃焼器１２００は、圧縮機１１００の出口から供給される圧縮空気を燃料と混合して、等圧燃焼させて高いエネルギーの燃焼ガスを作ることができる。燃焼器１２００では、流入した圧縮空気を燃料と混合、燃焼させて高いエネルギーの高温、高圧燃焼ガスを作り、等圧燃焼過程で燃焼器およびタービン部品が耐えられる耐熱限度まで燃焼ガスの温度を上昇させる。

【0043】

燃焼器１２００は、セル状に形成されるハウジング内に複数配列され、燃料噴射ノズルなどを含むバーナ（Ｂｕｒｎｅｒ）と、燃焼室を形成する燃焼器ライナ（Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ Ｌｉｎｅｒ）と、燃焼器とタービンとの連結部になるトランジションピース（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｐｉｅｃｅ）とを含んで構成される。

【0044】

一方、燃焼器１２００から出た高温、高圧の燃焼ガスはタービン１３００に供給される。供給された高温高圧の燃焼ガスが膨張しながらタービン１３００のタービンブレード１４００に衝動、反動力を与えて回転トルクがもたらされ、このように得られた回転トルクは上述したトルクチューブ１１７０を経て圧縮機１１００に伝達され、圧縮機１１００の駆動に必要な動力を超える動力は発電機などを駆動するのに用いられる。

【0045】

タービン１３００は、ロータディスク１３１０と、ロータディスク１３１０に放射状に配置される複数のタービンブレード１４００と、タービンベーン１５００とを含む。ロータディスク１３１０は、略円板形状を有しており、その外周部には複数の溝が形成されている。溝は屈曲面を有するように形成され、溝にタービンブレード１４００が挿入される。タービンブレード１４００は、ダブテールなどの方式でロータディスク１３１０に結合できる。タービンベーン１５００は、回転しないように固定され、タービンブレード１４００を通過した燃焼ガスの流れ方向を案内する。

【0046】

図３は、本発明の第１実施形態に係るタービンブレードを示す斜視図であり、図４は、本発明の第１実施形態に係るタービンブレードの一部を示す斜視図であり、図５は、本発明の第１実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図であり、図６は、本発明の第１実施形態に係るタービンブレードの一部を示す横断面図である。

【0047】

図３～図６を参照して説明すれば、タービンブレード１４００は、翼形状のエアホイル１４１０と、エアホイル１４１０の下部に結合されたプラットフォーム部１４２０と、プラットフォーム部１４２０の下に突出してロータディスクに結合されるルート部１４２５とを含む。エアホイル１４１０は、翼形状の曲面板からなってもよいし、ガスタービン１０００の仕様によって最適化された翼形を有するように形成される。

【0048】

プラットフォーム部１４２０は、エアホイル１４１０とルート部１４２５との間に位置し、略四角板または四角柱形状からなってもよい。プラットフォーム部１４２０は、隣り合うタービンブレード１４００のプラットフォーム部１４２０とその側面とが互いに接してタービンブレード１４００間の間隔を維持させる役割を果たす。

【0049】

ルート部１４２５は、略モミ形態の屈曲部を有し、これはロータディスク１３１０のスロットに形成された屈曲部の形態に対応するように形成される。ここで、ルート部１４２５の結合構造は必ずしもモミ形態を有する必要はなく、ダブテール形態を有するように形成されてもよい。ルート部１４２５の下端には、冷却空気の供給のための流入口が形成される。

【0050】

エアホイル１４１０は、燃焼ガスの流れ方向を基準として上流側に配置されるリーディングエッジＬＥと、下流側に配置されるトレーリングエッジＴＥとを備えることができる。また、エアホイル１４１０において燃焼ガスの流入する前面には、外側方に凸の曲面をなして突出した吸入面Ｓ１が形成され、エアホイルの後面には、吸入面側に凹に陥没した曲面をなす圧力面Ｓ２が形成される。エアホイル１４１０の吸入面Ｓ１と圧力面Ｓ２との圧力差が発生してタービン１３００が回転する。

【0051】

エアホイル１４１０の内部には複数の冷却流路ＣＰが形成され、冷却流路ＣＰには冷媒の空気が供給される。冷却流路ＣＰは、エアホイル１４１０の高さ方向に延びて形成される。エアホイル１４１０は、冷却ホールを有しておらず、内部冷却のみを行う構造からなるか、外面にフィルムクーリングのための複数の冷却ホールを有する構造からなってもよい。

【0052】

一方、エアホイル１４１０は、半径方向の外側端部にはプラットフォーム部１４２０に対向するチッププレート１４３０が形成されるが、チッププレート１４３０は、タービン１３００のシュラウド１３５０から間隔をおいて離隔する。チッププレート１４３０は、エアホイル１４１０の側壁に固定されて側壁の内部に冷却空間を形成する。チッププレート１４３０は、エアホイル１４１０の横断面に対応する形状からなる。チッププレート１４３０の周りには、外側に突出したリブ１４５０が形成される。

【0053】

エアホイル１４１０は、冷却流路ＣＰに連結されて冷却空気を排出させる排出ホール１４６０をさらに含むことができる。本第１実施形態に係るタービンブレード１４００は、フィルムクーリングのための冷却ホールを有しておらず、タービンブレード１４００の内側から供給された冷却空気は、タービンブレード１４００の内部を冷却した後に、排出ホール１４６０およびトレーリングエッジＴＥを通して排出される。排出ホール１４６０は、吸入面Ｓ１および圧力面Ｓ２のうち圧力面Ｓ２にのみ形成される。

【0054】

排出ホール１４６０は、冷却流路ＣＰの側面に形成されかつ、側面の上端に形成される。また、排出ホール１４６０は、圧力面Ｓ２に連結されて、冷却流路ＣＰから圧力面Ｓ２に冷却空気を排出する。排出ホール１４６０は、一般的な冷却ホールよりも大きい直径を有するが、排出ホール１４６０の直径Ｄ１は、タービンブレード１４００の壁面１４１１の厚さＴ１よりも大きく形成される。

【0055】

排出ホール１４６０の直径Ｄ１は、タービンブレード１４００の壁面１４１１の厚さＴ１の１．２倍～１００倍となる。これによって、排出ホール１４６０を通して排出される空気の速度が増加し、多量の空気が速やかに排出できる。タービンブレード１４００の内部に供給された空気の５０重量％～７０重量％の空気が排出ホール１４６０を通して排出できる。

【0056】

排出ホール１４６０は、タービンブレード１４００のチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延び、排出ホール１４６０がタービンブレード１４００の高さ方向に垂直な仮想平面Ｐ１となす傾斜角Ａ１は、５度～１５度、または３５度～４５度となる。ここで、タービンブレード１４００のチップは、タービンブレード１４００の外側端部からなる。

【0057】

図７は、本発明の第１実施形態に係るブレードで形成された排出ホールの傾斜角の変化によるトルク増加率を示すグラフであり、図８は、第１実施形態に係るブレードで形成された排出ホールの傾斜角の変化による出力増加率を示すグラフである。

【0058】

図７および図８は、タービンブレード１４００の回転速度が３６００ｒｐｍであり、圧縮比が１８．１６であり、タービンブレード１４００を通過する燃焼ガスの流量に対する排出ホール１４６０を通して排出される空気の流量比は０．６％であり、フルスピードフルロード（ＦＳＦＬ）で運転する時の、傾斜角の変化によるガスタービンのトルクおよび出力増加率を示す。

【0059】

図７および図８に示されるように、傾斜角Ａ１が０度の場合、最も大きなトルク値を有するが、出力は低いことが分かる。また、傾斜角Ａ１が０度の場合には、空気がチッププレート１４３０にうまく流入できない問題が発生しうる。

【0060】

一方、図７および図８に示されるように、傾斜角Ａ１が５０度よりも大きければ、トルク増加率および出力増加率が低くなる問題がある。また、傾斜角Ａ１が１５度～３５度の場合には、出力が低くなる問題がある。

【0061】

一方、排出ホール１４６０は、タービンブレード１４００の回転方向と平行に延びて形成される。すなわち、排出ホール１４６０は、タービン１３００の中心軸Ｘ１の方向に垂直な方向に延びて形成される。一般的に、タービンブレード１４００に形成される冷却ホールは、曲面であるタービンブレード１４００の表面に対して垂直な方向に延びて形成される。しかし、排出ホール１４６０がタービンブレード１４００の表面に対して垂直に延びると、タービンブレード１４００の回転力を十分に増加させることが困難である。

【0062】

排出ホール１４６０は、タービンブレード１４００の回転方向と平行に延びて形成され、タービンブレード１４００が回転する方向と反対方向に空気を排出すれば、排出ホール１４６０を通して排出される空気によって、タービンブレード１４００の回転力が増加できる。

【0063】

ただし、本発明がこれに限定されるものではなく、図９に示されるように、排出ホール１４６１は、リーディングエッジＬＥに向かう方向に内側から外側へ傾斜して延びて形成されてもよい。すなわち、排出ホール１４６０は、タービン１３００の中心軸Ｘ１の方向に予め設定された傾斜角Ａ２に傾斜して形成されてもよいし、ここで、傾斜角Ａ２は、６０度～８５度となる。

【0064】

一方、排出ホール１４６０を通して排出される空気の速度は、従来の冷却ホールを通して排出される空気の速度よりも速い。また、排出ホール１４６０を通して排出される空気と、タービンブレード１４００を通るガスとの噴射比率（ｂｌｏｗｉｎｇ ｒａｔｉｏ；ＢＲ）は、４～１０となる。

【0065】

噴射比率は、タービンブレード１４００の内部から外部に排出される空気の排出速度（ＶＡ）と空気の密度（ＤＡ）とを乗じた値を、タービンブレード１４００の外面を通過する燃焼ガスの速度（ＶＧ）と燃焼ガスの密度（ＤＧ）とを乗じた値で割った値で定義される。

【0066】

これによって、噴射比率（ＢＲ）は、下記の数式１のように表すことができる。
（数１）
噴射比率（ＢＲ）＝（ＶＡ＊ＤＡ）／（ＶＧ＊ＤＧ）

【0067】

噴射比率が４よりも小さければ、タービンの出力増加率が低い問題があり、噴射比率が１０よりも大きければ、圧縮機の負荷が増加する問題がある。チッププレート１４３０は、吸入面Ｓ１および圧力面Ｓ２に連結され、外側に配置され、開口を有しない塞がれた板からなる。チッププレート１４３０が塞がれた構造からなると、排出ホール１４６０を通してより多量の空気が排出されて、出力およびトルクが向上できる。

【0068】

上記のように、本第１実施形態によれば、タービンブレード１４００の上部に傾斜した複数の排出ホール１４６０が形成されるので、排出ホール１４６０から排出される空気の力によって、タービン１３００のトルクおよび出力が向上できる。また、排出ホール１４６０から排出された空気がチッププレート１４３０に移動して、圧力の漏洩を防止し、チッププレート１４３０を冷却することができる。

【0069】

以下、本発明の第２実施形態に係るタービンについて説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図である。

【0070】

図１０を参照して説明すれば、本第２実施形態に係るタービンは、タービンブレード２４００を除けば、上記の第１実施形態に係るタービンと同一の構造からなるので、同一の構成に関する重複説明は省略する。

【0071】

本実施形態に係るタービンブレード２４００は、翼形状のエアホイル２４１０を含み、エアホイル２４１０は、翼形状の曲面板からなってもよいし、タービンの仕様によって最適化された翼形を有するように形成される。

【0072】

エアホイル２４１０において燃焼ガスの流入する前面には、外側方に凸の曲面をなして突出した吸入面Ｓ１が形成され、エアホイルの後面には、吸入面側で凹に陥没した曲面をなす圧力面Ｓ２が形成される。

【0073】

エアホイル２４１０の内部には複数の冷却流路ＣＰが形成され、冷却流路ＣＰには冷媒の空気が供給される。冷却流路ＣＰは、エアホイル２４１０の高さ方向に延びて形成される。エアホイル２４１０は、冷却ホールを有しておらず、内部冷却のみを行う構造からなるか、外面にフィルムクーリングのための複数の冷却ホールを有する構造からなってもよい。

【0074】

一方、エアホイル２４１０は、半径方向の外側端部にはチッププレート２４３０が形成されるが、チッププレート２４３０は、タービン２３００のシュラウド２３５０から間隔をおいて離隔する。チッププレート２４３０の外側端には、周り方向に延びたリブ２４５０が形成される。

【0075】

エアホイル２４１０は、冷却流路ＣＰに連結されて冷却空気を排出させる排出ホール２４６０をさらに含むことができる。排出ホール２４６０は、吸入面Ｓ１および圧力面Ｓ２のうち圧力面にのみ形成される。排出ホール２４６０は、タービンブレード２４００のチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びる。また、排出ホール２４６０は、タービンブレード２４００の回転方向と平行に延びて形成される。チッププレート２４３０は、エアホイル２４１０の外側端に配置され、開口を有しない塞がれた板からなる。

【0076】

チッププレート２４３０とエアホイル２４１０の壁面２４１１との接するコーナー部には、冷却流路ＣＰの内部に突出した流動延長部２４７０が形成される。流動延長部２４７０は、チッププレート２４３０から内側に突出した上部延長部２４７１と、圧力面Ｓ２から内側に突出した側部延長部２４７２とを含むことができる。

【0077】

上部延長部２４７１は、チッププレート２４３０の内面に対して傾斜して突出し、排出ホール２４６０に連結される。また、上部延長部２４７１は、排出ホール２４６０から遠くなるほど厚さが漸進的に減少するように形成される。側部延長部２４７２は、圧力面Ｓ２に対して傾斜して突出し、排出ホール２４６０に連結される。

【0078】

このように流動延長部２４７０が形成されると、排出ホール２４６０の長さが増加でき、冷却空気の流動が均一化できる。また、上部延長部２４７１と側部延長部２４７２が冷却流路ＣＰの表面に対して傾斜して形成されるので、渦流の発生を防止しながら空気を排出ホールに案内して空気の噴射速度を向上させることができる。

【0079】

以下、本発明の第３実施形態に係るタービンについて説明する。図１１は、本発明の第３実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図である。

【0080】

図１１を参照して説明すれば、本第３実施形態に係るタービンは、タービンブレード２４００を除けば、上記の第１実施形態に係るタービンと同一の構造からなるので、同一の構成に関する重複説明は省略する。

【0081】

本実施形態に係るタービンブレード２４００は、翼形状のエアホイル２４１０を含み、エアホイル２４１０は、翼形状の曲面板からなってもよいし、タービンの仕様によって最適化された翼形を有するように形成される。

【0082】

エアホイル２４１０において燃焼ガスの流入する前面には、外側方に凸の曲面をなして突出した吸入面Ｓ１が形成され、エアホイルの後面には、吸入面側に凹に陥没した曲面をなす圧力面Ｓ２が形成される。

【0083】

エアホイル２４１０の内部には複数の冷却流路ＣＰが形成され、冷却流路ＣＰには冷媒の空気が供給される。冷却流路ＣＰは、エアホイル２４１０の高さ方向に延びて形成される。エアホイル２４１０は、冷却ホールを有しておらず、内部冷却のみを行う構造からなるか、外面にフィルムクーリングのための複数の冷却ホールを有する構造からなってもよい。

【0084】

一方、エアホイル２４１０は、半径方向の外側端部にはチッププレート２４３０が形成されるが、チッププレート２４３０は、タービン２３００のシュラウド２３５０から間隔をおいて離隔する。チッププレート２４３０の外側端には、周り方向に延びたリブ２４５０が形成される。

【0085】

エアホイル２４１０は、冷却流路ＣＰに連結されて冷却空気を排出させる排出ホール２４６０をさらに含むことができる。排出ホール２４６０は、吸入面Ｓ１および圧力面Ｓ２のうち圧力面にのみ形成される。排出ホール２４６０は、タービンブレード２４００のチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びる。また、排出ホール２４６０は、タービンブレード２４００の回転方向と平行に延びて形成される。チッププレート２４３０は、エアホイル２４１０の外側端に配置され、開口を有しない塞がれた板からなる。

【0086】

チッププレート２４３０とエアホイル２４１０の壁面２４１１との接するコーナー部には、排出ホール２４６０を通して排出される空気を案内する流動ガイド部２４８０が形成される。流動ガイド部２４８０は、チッププレート２４３０から吸入面Ｓ１まで延びた第１ガイド部２４８１と、圧力面Ｓ２から内側に突出した第２ガイド部２４８２とを含むことができる。

【0087】

第１ガイド部２４８１は、チッププレート２４３０の下面および吸入面Ｓ１から突出して排出ホール２４６０に連結され、湾曲した曲面からなってもよい。第２ガイド部２４８２は、圧力面から突出し、排出ホール２４６０に連結される。

【0088】

このように流動ガイド部２４８０が形成されると、冷却流路ＣＰの内側から外側に移動する空気を排出ホール２４６０に誘導して、渦流の発生を防止しながら噴射速度を増加させることができる。また、流動ガイド部２４８０が排出ホール２４６０へいくほど狭くなるので、空気の排出速度が向上できる。

【0089】

以下、本発明の第４実施形態に係るタービンについて説明する。

【0090】

図１２は、本発明の第４実施形態に係るタービンブレードの一部を示す斜視図であり、図１３は、本発明の第４実施形態に係るタービンブレードの一部を示す縦断面図である。

【0091】

図１２および図１３を参照して説明すれば、本第４実施形態に係るタービンは、タービンブレード３４００を除けば、上記の第１実施形態に係るタービンと同一の構造からなるので、同一の構成に関する重複説明は省略する。

【0092】

本実施形態に係るタービンブレード３４００は、翼形状のエアホイル３４１０を含み、エアホイル３４１０は、翼形状の曲面板からなってもよいし、ガスタービン３０００の仕様によって最適化された翼形を有するように形成される。

【0093】

エアホイル３４１０において燃焼ガスの流入する前面には、外側方に凸の曲面をなして突出した吸入面Ｓ１が形成され、エアホイルの後面には、吸入面側に凹に陥没した曲面をなす圧力面Ｓ２が形成される。

【0094】

エアホイル３４１０の内部には複数の冷却流路ＣＰが形成され、冷却流路ＣＰには冷媒の空気が供給される。冷却流路ＣＰは、エアホイル３４１０の壁面３４１１の高さ方向に延びて形成される。エアホイル３４１０には、フィルムクーリングのための複数の冷却ホールが形成される。

【0095】

一方、エアホイル３４１０は、半径方向の外側端部には、プラットフォーム部３４２０に対向するチッププレート３４３０が形成されるが、チッププレート３４３０は、タービン３３００のシュラウド３３５０から間隔をおいて離隔する。チッププレート３４３０の外側端には、周り方向に延びたリブ３４５０が形成される。

【0096】

エアホイル３４１０は、冷却流路ＣＰに連結されて冷却空気を排出させる排出ホール３４６０をさらに含むことができる。冷却流路ＣＰに沿って移動する冷却空気の一部は冷却ホール３４８０を通して排出され、残りの空気は排出ホール３４６０を通して排出される。排出ホール３４６０は、吸入面Ｓ１および圧力面Ｓ２のうち圧力面Ｓ２にのみ形成される。

【0097】

排出ホール３４６０は、タービンブレード３４００のチップに向かう方向に傾斜して内側から外側へ延びる。排出ホール３４６０と冷却ホール３４８０は、互いに異なる方向に延びて形成されるが、冷却ホール３４８０は、湾曲したタービンブレード３４００の表面に対して垂直な方向に延びるのに対し、排出ホール３４６０は、タービンブレード３４００の回転方向と平行に延びて形成される。また、冷却ホール３４８０は、タービンブレード３４００の高さ方向に垂直な仮想の平面と平行に延びたのに対し、排出ホール３４６０は、タービンブレード３４００の高さ方向に垂直な仮想の平面に対して傾斜して延びて形成される。

【0098】

排出ホール３４６０は、チッププレート３４３０とタービンブレード３４００の側壁との接するコーナー部から圧力面Ｓ２に延びて形成される。また、排出ホール３４６０は、外側へいくほど内径が漸進的に減少する圧縮通路３４６１と、圧縮通路３４６１から圧力面Ｓ２に延び、均一な内径を有する案内通路３４６２とを含むことができる。圧縮通路３４６１が形成されると、冷却ホール３４６０に沿って移動する冷却空気がより容易に排出ホール３４６０に流入し、排出ホール３４６０に沿って移動する過程で冷却空気が圧縮されてより強く排出されることが可能である。

【0099】

排出ホール３４６０は、冷却ホール３４８０よりも外側に配置され、排出ホール３４６０は、冷却ホール３４８０よりも大きい直径を有する。排出ホール３４６０の最小直径Ｄ２は、冷却ホール３４８０の最大直径Ｄ３の２倍～５倍となる。

【0100】

また、排出ホール３４６０を通して噴射される空気は、冷却ホール３４８０を通して噴射される空気よりも大きい速度を有し、排出ホール３４６０での噴射比率は、冷却ホール３４８０での噴射比率よりも大きくなる。

【0101】

これによって、排出ホール３４６０を通して多量の空気が排出されて、タービン３３００のトルクおよび出力が向上できる。

【0102】

以上、本発明の一実施例について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想を逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除または追加などによって本発明を多様に修正および変更可能であり、これも本発明の権利範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0103】

１０００：ガスタービン
１１００：圧縮機
１１３０：圧縮機ブレード
１１４０：ベーン
１１５０：ハウジング
１１７０：トルクチューブ
１２００：燃焼器
１３００：タービン
１３１０：ロータディスク
１４００、２４００、３４００：タービンブレード
１４１０、２４１０、３４１０：エアホイル
１４２０：プラットフォーム部
１４２５：ルート部
１４３０、２４３０、３４３０：チッププレート
１４６０、２４６０、３４６０：排出ホール
２４７０：流動延長部
２４８０：流動ガイド部
３４８０：冷却ホール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】