特許 7362997 タービンブレードおよびこれを含むタービン

(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】

(24)【登録日】2023-10-10

(45)【発行日】2023-10-18

(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

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/18 20060101AFI20231011BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

F01D5/18

F02C7/18 A

F02C7/18 E

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2022100584

(22)【出願日】2022-06-22

(65)【公開番号】P2023004939

(43)【公開日】2023-01-17

【審査請求日】2022-06-22

(31)【優先権主張番号】10-2021-0082484

(32)【優先日】2021-06-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(31)【優先権主張番号】10-2021-0128309

(32)【優先日】2021-09-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】507002918

【氏名又は名称】ドゥサン エナービリティー カンパニー リミテッド

(73)【特許権者】

【識別番号】509016896

【氏名又は名称】インダストリ－アカデミック コオペレーション ファウンデイション， ヨンセイ ユニヴァーシティ

【氏名又は名称原語表記】Ｉｎｄｕｓｔｒｙ－Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ， Ｙｏｎｓｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】キム、イエ ジー

(72)【発明者】

【氏名】チョ、ヒュン ヒー

(72)【発明者】

【氏名】ヒュン、ミン ジョー

(72)【発明者】

【氏名】パク、ヒー セウン

(72)【発明者】

【氏名】チョイ、セウン ヨウン

(72)【発明者】

【氏名】キム、テ ヒョン

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０５６５１６６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１１５１０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１２４６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２４９３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００９９１８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２４８７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１８１０８７２９（ＤＥ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第２０１７－００２０００８（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ １／００－１１／２４

Ｆ０２Ｃ １／００－ ９／５８

Ｆ２３Ｒ ３／００－ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

リーディングエッジおよびトレーリングエッジが形成され、内部に冷却流体の流動する冷却流路が形成されたエアホイルと、
前記エアホイルにおいて前記冷却流路と外部とを連通させ、入口および出口が形成された冷却ホールとを含み、
前記冷却ホールは、前記出口に、
拡張部と、前記拡張部から前記トレーリングエッジに向かって陥没した凹溝部とが形成され、
前記拡張部は、
前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとを結ぶ直線と並ぶ方向が第１方向の時、前記第１方向への幅である第１－１幅が少なくとも一部の区間で一定に維持されるように形成され、
前記第１－１幅は、前記入口の内径より小さい、タービンブレード。

【請求項2】

前記冷却ホールは、
前記出口の断面積が前記入口の断面積より大きく形成される、請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項3】

前記拡張部と前記凹溝部との境界部分に一定の曲率半径を有する曲線部が形成された、請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項4】

前記拡張部は、
略四角形状に形成される、請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項5】

前記凹溝部は、
略四角形状に形成される、請求項１に記載のタービンブレード。

【請求項6】

前記拡張部は、
前記タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、前記第２方向への幅である第１－２幅が前記入口の前記内径より４倍以上大きく形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンブレード。

【請求項7】

前記第１－２幅は、前記入口の前記内径の４．５倍より大きく、前記入口の前記内径の５．９５倍より小さく形成される、請求項６に記載のタービンブレード。

【請求項8】

前記凹溝部は、
前記第２方向への幅が第２－２幅であり、
前記第１－２幅は、
前記入口の前記内径と前記第２－２幅との合計より大きく形成される、請求項６に記載のタービンブレード。

【請求項9】

前記凹溝部は、
前記第１方向への幅が第２－１幅であり、
前記第２－１幅は、前記入口の前記内径の１．５倍より小さく形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンブレード。

【請求項10】

前記第２－１幅は、前記入口の前記内径の０．５倍より大きく形成される、請求項９に記載のタービンブレード。

【請求項11】

前記凹溝部は、第１凹溝部および第２凹溝部を含み、
前記第１凹溝部は、前記拡張部から前記トレーリングエッジに向かって陥没形成され、
前記第２凹溝部は、前記第１凹溝部から前記トレーリングエッジに向かって陥没形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンブレード。

【請求項12】

前記タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、前記凹溝部は、前記第２方向への幅が第２－２幅であり、
前記曲線部は、２つが離隔して形成され、
前記それぞれの曲線部間の中心間隔は、前記第２－２幅より大きく形成される、請求項３に記載のタービンブレード。

【請求項13】

リーディングエッジおよびトレーリングエッジが形成され、内部に冷却流体の流動する冷却流路が形成されたエアホイルと、
前記エアホイルにおいて前記冷却流路と外部とを連通させ、入口および出口が形成された冷却ホールとを含み、
前記冷却ホールは、前記出口に、
拡張部と、前記拡張部から前記トレーリングエッジに向かって陥没した凹溝部とが形成され、
前記拡張部と前記凹溝部との境界部分に一定の曲率半径を有する曲線部が形成され、
タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、前記凹溝部は、前記第２方向への幅が第２－２幅であり、
前記曲線部は、２つが離隔して形成され、
前記それぞれの曲線部間の中心間隔は、前記第２－２幅より大きく形成される、タービンブレード。

【請求項14】

回転可能に配置されるタービンロータディスクと、
前記タービンロータディスクに配置される複数のタービンブレードと、
固定配置される複数のタービンベーンとを含み、
前記タービンブレードは、
リーディングエッジおよびトレーリングエッジが形成され、内部に冷却流体の流動する冷却流路が形成されたエアホイルと、
前記エアホイルにおいて前記冷却流路と外部とを連通させ、入口および出口が形成された冷却ホールとを含み、
前記冷却ホールは、前記出口に、
拡張部と、前記拡張部から前記トレーリングエッジに向かって陥没した凹溝部とが形成され、
前記拡張部は、
前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとを結ぶ直線と並ぶ方向が第１方向の時、前記第１方向への幅である第１－１幅が少なくとも一部の区間で一定に維持されるように形成され、
前記第１－１幅は、前記入口の内径より小さい、タービン。

【請求項15】

前記拡張部と前記凹溝部との境界部分に一定の曲率半径を有する曲線部が形成された、請求項１４に記載のタービン。

【請求項16】

前記拡張部は、
略四角形状に形成される、請求項１４に記載のタービン。

【請求項17】

前記凹溝部は、
略四角形状に形成される、請求項１４に記載のタービン。

【請求項18】

前記拡張部は、
前記タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、前記第２方向への幅である第１－２幅が前記入口の前記内径より大きく形成される、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のタービン。

【請求項19】

前記凹溝部は、
前記第２方向への幅が第２－２幅であり、
前記第１－２幅は、
前記入口の前記内径と前記第２－２幅との合計より大きく形成される、請求項１８に記載のタービン。

【請求項20】

前記タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、前記凹溝部は、前記第２方向への幅が第２－２幅であり、
前記曲線部は、２つが離隔して形成され、
前記それぞれの曲線部間の中心間隔は、前記第２－２幅より大きく形成される、請求項１５に記載のタービン。

【請求項21】

回転可能に配置されるタービンロータディスクと、
前記タービンロータディスクに配置される複数のタービンブレードと、
固定配置される複数のタービンベーンとを含み、
前記タービンブレードは、
リーディングエッジおよびトレーリングエッジが形成され、内部に冷却流体の流動する冷却流路が形成されたエアホイルと、
前記エアホイルにおいて前記冷却流路と外部とを連通させ、入口および出口が形成された冷却ホールとを含み、
前記冷却ホールは、前記出口に、
拡張部と、前記拡張部から前記トレーリングエッジに向かって陥没した凹溝部とが形成され、
前記拡張部と前記凹溝部との境界部分に一定の曲率半径を有する曲線部が形成され、
前記タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、前記凹溝部は、前記第２方向への幅が第２－２幅であり、
前記曲線部は、２つが離隔して形成され、
前記それぞれの曲線部間の中心間隔は、前記第２－２幅より大きく形成される、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に関し、より詳しくは、冷却ホールが形成されたタービンブレードおよびこれを含むタービンに関する。

【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、膜冷却方式がある。膜冷却方式は、タービンブレードに形成された膜冷却ホールによって行われる。膜冷却ホールの形状には、代表的に、ホールの入口と出口の面積が等しい円形ホールがある。円形ホールの場合、ホールの出口での噴射速度が速くて、冷却流体がタービンブレードの表面を覆えないことがある。この場合、冷却流体が燃焼ガスの流動を突き抜けて膜冷却効率が減少しうる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記の技術的背景に基づき、本発明は、冷却効率が向上したタービンブレードおよびこれを含むタービンを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態に係るタービンブレードは、エアホイルと、冷却ホールとを含む。エアホイルは、リーディングエッジおよびトレーリングエッジが形成され、内部に冷却流体の流動する冷却流路が形成される。冷却ホールは、エアホイルにおいて冷却流路と外部とを連通させ、入口および出口が形成される。冷却ホールは、出口に、拡張部が形成され、拡張部からトレーリングエッジに向かって陥没した凹溝部が形成される。

【0008】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの冷却ホールは、出口の断面積が入口の断面積より大きく形成される。

【0009】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードは、拡張部と凹溝部との境界部分に一定の曲率半径を有する曲線部が形成される。

【0010】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの拡張部は、略四角形状に形成される。

【0011】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの凹溝部は、略四角形状に形成される。

【0012】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの拡張部は、リーディングエッジとトレーリングエッジとを結ぶ直線と並ぶ方向が第１方向の時、第１方向への幅である第１－１幅が少なくとも一部の区間で一定に維持されるように形成される。

【0013】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの第１－１幅は、入口の内径より小さいか、等しく形成される。

【0014】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの拡張部は、タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、第２方向への幅である第１－２幅が入口の内径より４倍以上大きく形成される。

【0015】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの凹溝部は、第２方向への幅が第２－２幅であり、第１－２幅は、入口の内径と第２－２幅との合計より大きく形成される。

【0016】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードの凹溝部は、第１凹溝部および第２凹溝部を含み、第１凹溝部は、拡張部からトレーリングエッジに向かって陥没形成され、第２凹溝部は、第１凹溝部からトレーリングエッジに向かって陥没形成される。

【0017】

本発明の一実施形態に係るタービンブレードは、タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、凹溝部は、第２方向への幅が第２－２幅であり、曲線部は、２つが離隔して形成され、それぞれの曲線部間の中心間隔は、第２－２幅より大きく形成される。

【0018】

本発明の実施形態に係るタービンは、タービンロータディスクと、タービンブレードと、タービンベーンとを含む。タービンロータディスクは、回転可能に配置される。タービンブレードは、タービンロータディスクに複数個配置される。タービンベーンは、複数個が固定配置される。タービンブレードは、エアホイルと、冷却ホールとを含む。エアホイルは、リーディングエッジおよびトレーリングエッジが形成され、内部に冷却流体の流動する冷却流路が形成される。冷却ホールは、エアホイルにおいて冷却流路と外部とを連通させ、入口および出口が形成される。冷却ホールは、出口に、拡張部と、拡張部からトレーリングエッジに向かって陥没した凹溝部とが形成される。

【0019】

本発明の一実施形態に係るタービンは、拡張部と凹溝部との境界部分に一定の曲率半径を有する曲線部が形成される。

【0020】

本発明の一実施形態に係るタービンの拡張部は、略四角形状に形成される。

【0021】

本発明の一実施形態に係るタービンの凹溝部は、略四角形状に形成される。

【0022】

本発明の一実施形態に係るタービンの拡張部は、リーディングエッジとトレーリングエッジとを結ぶ直線と並ぶ方向が第１方向の時、第１方向への幅である第１－１幅が少なくとも一部の区間で一定に維持されるように形成される。

【0023】

本発明の一実施形態に係るタービンの第１－１幅は、入口の内径より小さいか、等しく形成される。

【0024】

本発明の一実施形態に係るタービンの拡張部は、タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、第２方向への幅である第１－２幅が入口の内径より大きく形成される。

【0025】

本発明の一実施形態に係るタービンの凹溝部は、第２方向への幅が第２－２幅であり、第１－２幅は、入口の内径と第２－２幅との合計より大きく形成される。

【0026】

本発明の一実施形態に係るタービンは、タービンブレードの回転半径方向が第２方向の時、凹溝部は、第２方向への幅が第２－２幅であり、曲線部は、２つが離隔して形成され、それぞれの曲線部間の中心間隔は、第２－２幅より大きく形成される。

【発明の効果】

【0027】

本発明によるタービンブレードおよびこれを含むタービンは、拡張部と、凹溝部とを含む冷却ホールが形成されて、冷却効率が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の一実施形態に係るガスタービンの内部の様子を示す斜視図である。

【図2】図１のガスタービンの一部を切開して示す断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るタービンブレードを示す図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る冷却ホールを示す図である。

【図5】図４の冷却ホールの出口を示す図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る冷却ホールから吐出される冷却流体の流動を、従来の場合と比較して示す図である。

【図7】第１－１幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフである。

【図8】第１－２幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフである。

【図9】第２－２幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフである。

【図10】第２－１幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフである。

【図11】曲線部の中心間隔に応じた冷却効率を比較して示すグラフである。

【図12】本発明の他の実施形態に係る冷却ホールの出口を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

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が、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、均等物乃至代替物を含むことが理解されなければならない。

【0030】

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。

【0031】

以下、添付した図面を参照して、本発明の好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だけ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。

【0032】

以下、添付した図面を参照して、本発明に係るタービンブレードおよびこれを含むタービンについて詳しく説明する。

【0033】

図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービンの内部の様子を示す斜視図であり、図２は、図１のガスタービンの一部を切開して示す断面図であり、図３は、本発明の一実施形態に係るタービンブレードを示す図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る冷却ホールを示す図であり、図５は、図４の冷却ホールの出口を示す図であり、図６は、本発明の一実施形態に係る冷却ホールから吐出される冷却流体の流動を、従来の場合と比較して示す図である。

【0034】

以下、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係るガスタービン１０００について説明する。本発明の第１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）、定圧給熱、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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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、高圧の燃焼ガスを作り、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温度を上昇させる。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

以下、図３～図５を参照して、本発明の一実施形態に係るタービンブレード１４００およびこれを含むタービン１３００についてより詳しく説明する。本発明の一実施形態に係るタービンブレードは、エアホイル１４１０と、冷却ホール１４４０とを含む。

【0045】

エアホイル１４１０の横断面が翼型であり、半径方向を縦方向にして長く延びて形成される。エアホイル１４１０には燃焼ガスの流動が通過できる。エアホイル１４１０には、リーディングエッジ１４１１と、トレーリングエッジ１４１２と、圧力面１４１３と、吸入面１４１４とが形成される。エアホイル１４１０において、リーディングエッジ１４１１は、燃焼ガス流動の上流側に形成され、トレーリングエッジ１４１２は、燃焼ガス流動の下流側に形成される。圧力面１４１３と吸入面１４１４は、リーディングエッジ１４１１とトレーリングエッジ１４１２との間に形成される。圧力面１４１３は、エアホイル１４１０で凹んで形成される。吸入面１４１４は、圧力面１４１３の背面で膨らんで形成される。圧力面１４１３と吸入面１４１４とでの圧力の差によって、タービンブレード１４００は回転可能である。

【0046】

タービンブレード１４００は、プラットフォーム１４２０と、ルート１４３０とを含むことができる。プラットフォーム１４２０は、エアホイル１４１０の半径方向内側端部に配置される。プラットフォーム１４２０は、略厚さを有する四角プレート形状に形成される。プラットフォーム１４２０は、エアホイル１４１０を支持することができる。プラットフォーム１４２０は、複数のタービンブレード１４００間の間隔を維持させることができる。

【0047】

ルート１４３０は、プラットフォーム１４２０の半径方向内側に配置される。ルート１４３０は、ロータディスク１３１０に固定結合される。タービンブレード１４００のルート１４３０は、複数個がロータディスク１３１０に放射状に配置される。これにより、ロータディスク１３１０が回転する時、ルート１４３０も共に回転可能である。ルート１４３０は、モミ形状またはダブテール形状に形成される。

【0048】

エアホイル１４１０の内部には、冷却流体Ｆの流動する冷却流路ＣＳが形成される。冷却流体Ｆは、圧縮機１１００で圧縮された空気であってもよい。冷却流路ＣＳは、ルート１４３０とプラットフォーム１４２０を順次に通過して、エアホイル１４１０に至るように形成される。この場合、冷却流体Ｆは、ルート１４３０を通してエアホイル１４１０に流入できる。

【0049】

エアホイル１４１０には冷却流路ＣＳと外部とを連通させ、入口および出口Ｏが形成された冷却ホール１４４０が形成される。冷却ホール１４４０は、エアホイル１４１０の側壁に形成される。冷却ホール１４４０は、少なくとも１つ以上備えられる。冷却ホール１４４０の入口は、内径がＤの円形に形成される。冷却ホール１４４０は、入口から出口Ｏに向かって一定の区間で内径がＤの管状に形成される。冷却ホール１４４０は、内径がＤで一定の区間を経て、出口Ｏまで縦断面積が拡張される区間を含むことができる。出口Ｏの断面積は、入口の断面積より大きく形成される。この場合、冷却流体Ｆの出口Ｏでの流速が減少して、冷却流体Ｆがタービンブレード１４００の表面にさらに多く付着可能であり、キドニー渦流の発生を低減できるというメリットがある。

【0050】

冷却ホール１４４０は、エアホイル１４１０の表面を基準に全体的に、傾斜して配置される。例えば、冷却ホール１４４０は、入口から出口Ｏへ向かうほど、トレーリングエッジ１４１２に向かうように傾斜して形成される。

【0051】

以下、タービンブレード１４００の回転軸と並ぶ方向、またはリーディングエッジ１４１１とトレーリングエッジ１４１２とを結ぶ直線と並ぶ方向を第１方向Ａ１とし、第１方向Ａ１と垂直な方向を第２方向Ａ２として定義する。

【0052】

冷却ホール１４４０の出口Ｏは、拡張部１４４１と、凹溝部１４４２とを含むことができる。拡張部１４４１は、略四角形状であってもよい。拡張部１４４１は、角張った四角形状であってもよく、頂点部分が曲線に形成された四角形状であってもよい。拡張部１４４１は、略長方形状であってもよく、場合によって、平行四辺形、台形のような形状に形成されてもよい。拡張部１４４１の具体的な形状は、タービンブレード１４００の運転条件および環境に応じて最適化できることはもちろんである。

【0053】

拡張部１４４１は、少なくとも一部の区間で第１方向Ａ１への幅である第１－１幅Ｗ１－１が一定に維持されるように形成される。拡張部１４４１は、少なくとも一部の区間で第１－１幅Ｗ１－１が一定に維持されたまま、第２方向Ａ２に長く延びて形成されてもよい。拡張部１４４１は、第１－１幅Ｗ１－１と、第２方向Ａ２への幅である第１－２幅Ｗ１－２とを有する四角形状に形成されてもよい。拡張部１４４１の第１－１幅Ｗ１－１は、入口の内径Ｄより小さいか、等しい大きさに形成される。このように、第１－１幅Ｗ１－１が一定の区間では、拡張部１４４１において冷却流体Ｆが第２方向Ａ２の地点ごとに均一な量で吐出可能である。

【0054】

凹溝部１４４２は、拡張部１４４１のトレーリングエッジ１４１２側の周縁で陥没して形成される。凹溝部１４４２は、トレーリングエッジ１４１２に向かって陥没して形成される。凹溝部１４４２は、拡張部１４４１からトレーリングエッジ１４１２に向かって端部が尖ったように陥没して形成されてもよく、端部が曲線状に丸く形成されてもよい。また、凹溝部１４４２は、略四角形の形状に形成されてもよい。この場合、凹溝部１４４２は、第１方向Ａ１への幅である第２－１幅Ｗ２－１と、第２方向Ａ２への幅である第２－２幅Ｗ２－２とを有する四角形状に形成されてもよい。凹溝部１４４２の具体的な形状は、タービンブレード１４００の運転条件および環境に応じて最適化できることはもちろんである。

【0055】

拡張部１４４１と凹溝部１４４２との境界部分には曲線部１４４３が形成される。曲線部１４４３は、拡張部１４４１と凹溝部１４４２との出会う角部分で形成される。曲線部１４４３は、冷却ホール１４４０の出口Ｏの外側に曲率中心が配置され、一定の曲率半径を有する曲線の形状に形成される。曲線部１４４３は、２つの曲線部１４４３が互いに離隔したまま形成される。２つの曲線部１４４３は、それぞれの曲率中心の間に間隔Ｒが形成され、これを中心間隔Ｒという。曲線部１４４３は、拡張部１４４１と凹溝部１４４２で渦流が形成されるのを防止して、冷却流体Ｆが円滑に吐出できるようにする。

【0056】

図６を参照して、本発明の一実施形態に係る冷却ホール１４４０での流動をより詳しく説明する。図６は、冷却流体Ｆが流動する冷却ホール１４４０の側端面を、従来の場合と、本発明の一実施形態による場合とに分けて示す図である。図６には温度分布が示されている。温度分布は、流体の温度がＴ、燃焼ガスの入口流動の温度がＴＨ、冷却流体Ｆの出口流動の温度がＴｃの時、（ＴＨ－Ｔ）／（ＴＨ－Ｔｃ）のパラメータで表すことができる。

【0057】

凹溝部１４４２から吐出される冷却流体Ｆの流動は、拡張部１４４１から吐出される冷却流体Ｆの流動より、エアホイル１４１０の表面においてトレーリングエッジ１４１２に向かってさらに長く付着して形成される。凹溝部１４４２から吐出される冷却流体Ｆは、拡張部１４４１から吐出される冷却流体Ｆの流動をトレーリングエッジ１４１２に向かって誘導することができる。これにより、従来の場合（図６の（ａ））より、冷却流体Ｆの流動がエアホイル１４１０の表面に付着したままさらに遠く伸びていくことが分かる（図６の（ｂ））。

【0058】

図７は、第１－１幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフであり、図８は、第１－２幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフであり、図９は、第２－２幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフであり、図１０は、第２－１幅の大きさに応じた冷却効率を比較して示すグラフであり、図１１は、曲線部の中心間隔に応じた冷却効率を比較して示すグラフである。

【0059】

以下、図７～図１１を参照して、本発明の一実施形態に係る冷却ホール１４４０および冷却ホール１４４０の形状によるタービンブレード１４００の冷却効率について詳しく説明する。

【0060】

以下のグラフは、噴射比率（Ｂｌｏｗｉｎｇ Ｒａｔｉｏ、以下、ＢＲ）が２の場合を条件として測定したものである。噴射比率ＢＲは、タービンブレード１４００での単位面積あたりの燃焼ガスの質量流量に対する、冷却ホール１４４０での単位面積あたりの冷却流体Ｆの質量流量の比率で定義される。すなわち、タービンブレード１４００での燃焼ガスの流速と密度がそれぞれＶＨとＤＨであり、冷却ホール１４４０での冷却流体Ｆの流速と密度がそれぞれＶｃとＤｃである場合、噴射比率ＢＲは、（Ｖｃ＊Ｄｃ）／（ＶＨ＊ＤＨ）で定義される。

【0061】

また、以下のグラフで示された冷却効率（Ａｒｅａ－ａｖｅｒａｇｅｄ ｆｉｌｍ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）は、（Ｔ－ＴＨ）／（Ｔｃ－ＴＨ）で定義される。この時、ＴＨは、燃焼ガス流動の入口の温度であり、Ｔｃは、冷却流体Ｆ流動の出口Ｏの温度であり、Ｔは、断熱壁面の温度である。

【0062】

図７は、入口の内径Ｄ、第１－２幅Ｗ１－２、第２－１幅Ｗ２－１、第２－２幅Ｗ２－２が一定の時、第１－１幅Ｗ１－１の変化に応じた冷却効率を比較して示す図である。第１－１幅Ｗ１－１が入口の内径Ｄより大きい場合には、冷却効率が０．２５より小さく測定された。これに対し、第１－１幅Ｗ１－１が入口の内径Ｄの半分の場合、冷却効率が０．４に近接した値で測定された。すなわち、第１－１幅Ｗ１－１が入口の内径Ｄの以下の場合、冷却効率が極大化されることが分かる。これは、冷却流体Ｆの、拡張部１４４１での流動と、凹溝部１４４２での流動との相互作用によるものである。

【0063】

図８は、入口の内径Ｄ、第１－１幅Ｗ１－１、第２－１幅Ｗ２－１、第２－２幅Ｗ２－２が一定の時、第１－２幅Ｗ１－２の変化に応じた冷却効率を比較して示す図である。第１－２幅Ｗ１－２が入口の内径Ｄの３倍または４倍の場合には、冷却効率が０．２５より小さく測定された。これに対し、入口の内径Ｄの５倍の場合には、冷却効率が０．３０に近接した値で測定された。したがって、第１－２幅Ｗ１－２が入口の内径Ｄの４倍より大きい場合、冷却効率が増加することが分かる。

【0064】

さらに具体的には、第１－２幅Ｗ１－２が入口の内径Ｄの４．５倍より大きく、５．９５より小さい場合、冷却効率が極大化されることが測定された。これは、冷却流体Ｆの、拡張部１４４１での流動と、凹溝部１４４２での流動との相互作用によるものである。

【0065】

図９は、入口の内径Ｄ、第１－１幅Ｗ１－１、第１－２幅Ｗ１－２、第２－１幅Ｗ２－１が一定の時、第２－２幅Ｗ２－２の変化に応じた冷却効率を比較して示す図である。第２－２幅Ｗ２－２が入口の内径Ｄに等しい場合、冷却効率は０．２０に近接し、第２－２幅Ｗ２－２が入口の内径Ｄの２倍の場合、冷却効率は０．２５に及ばないものと測定された。これに対し、第２－２幅Ｗ２－２が入口の内径Ｄの３倍の場合、冷却効率が０．２５を超えて０．３０に近接する値で測定された。

【0066】

具体的には、第１－２幅Ｗ１－２の長さが第２－２幅Ｗ２－２と入口の内径Ｄとの合計より大きい場合に、冷却効率が極大化された。ただし、第１－２幅Ｗ１－２の長さが第２－２幅Ｗ２－２と入口の内径Ｄの２倍との合計以上の場合には、冷却効率が増加しなかった。これは、冷却流体Ｆの、拡張部１４４１での流動と、凹溝部１４４２での流動との相互作用によるものである。

【0067】

図１０は、入口の内径Ｄ、第１－１幅Ｗ１－１、第１－２幅Ｗ１－２、第２－２幅Ｗ２－２が一定の時、第２－１幅Ｗ２－１の変化に応じた冷却効率を比較して示す図である。第２－１幅Ｗ２－１が入口の内径Ｄの１．５倍または２．０倍の場合、冷却効率は０．２５より小さく測定された。これに対し、第２－１幅Ｗ２－１が入口の内径Ｄに等しい場合、冷却効率が０．２５より高く測定された。したがって、第２－１幅Ｗ２－１が入口の内径Ｄの１．５倍より小さい場合、冷却効率が極大化されることが分かる。

【0068】

これは、冷却流体Ｆの、拡張部１４４１での流動と、凹溝部１４４２での流動との相互作用によるものである。ただし、冷却ホール１４４０の出口Ｏに曲線部１４４３が形成される場合、曲線部１４４３の曲率半径を考慮して、第２－１幅Ｗ２－１は、入口の内径Ｄの０．５倍よりは大きく形成される。

【0069】

図１１は、第１－２幅Ｗ１－２が入口の内径Ｄの４倍であり、第２－２幅Ｗ２－２が入口の内径Ｄの２倍であり、第１－１幅Ｗ１－１が入口の内径Ｄに等しく、第２－１幅Ｗ２－１が入口の内径Ｄの１．５倍である場合、曲線部１４４３の間隔変化に応じた冷却効率を比較して示す図である。曲線部１４４３の間隔Ｒは、２つの曲線部１４４３においてそれぞれの曲率中心間の間隔である中心間隔Ｒを意味する。中心間隔Ｒの大きさが第２－２幅Ｗ２－２に等しい場合、冷却効率は０．２５より低く測定された。中心間隔Ｒの大きさが第２－２幅Ｗ２－２と入口の内径Ｄの０．５倍との合計に等しい場合、冷却効率は０．２５に近接して測定された。そして、中心間隔Ｒが第２－２幅Ｗ２－２と入口の内径Ｄとの合計に等しい場合、冷却効率は０．２５より高く測定された。

【0070】

すなわち、曲線部１４４３が形成された場合が、曲線部１４４３が形成されていない場合より冷却効率が高く測定され、曲線部１４４３の中心間隔Ｒは、第２－２幅Ｗ２－２と入口の内径Ｄとの合計に等しい場合、高い冷却効率を有することが分かる。これは、曲線部１４４３が拡張部１４４１と凹溝部１４４２で発生しうる渦流の形成を防止したためである。

【0071】

図１２は、本発明の他の実施形態に係るタービンブレードの冷却ホールの出口を示す図である。

【0072】

以下、図１２を参照して、本発明の他の実施形態に係るタービンブレード１４００の冷却ホール１４４０について説明する。本発明の他の実施形態に係る冷却ホール１４４０は、凹溝部１４４２が第１凹溝部１４４４および第２凹溝部１４４５を含むことができる。

【0073】

凹溝部１４４２が第１凹溝部１４４４および第２凹溝部１４４５を含む場合、拡張部１４４１から吐出される冷却流体Ｆが、第１凹溝部１４４４から吐出される冷却流体Ｆによって案内される。そして、第１凹溝部１４４４から吐出される冷却流体Ｆは、第２凹溝部１４４５から吐出される冷却流体Ｆによって案内される。すなわち、拡張部１４４１と凹溝部１４４２から吐出される冷却流体Ｆ間の相互作用がさらに緊密に形成可能で、冷却効率がさらに極大化できるというメリットがある。

【0074】

図１２では、冷却ホール１４４０の凹溝部１４４２が第１凹溝部１４４４および第２凹溝部１４４５で備えられたことを示しているが、場合によって、第ｎ凹溝部から陥没形成された第ｎ＋１凹溝部が追加的に形成されてもよい（ｎは、２以上の自然数）。

【0075】

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させることができ、このような修正、変更も本発明の権利範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0076】

１４００：タービンブレード
１４１０：エアホイル
１４１１：リーディングエッジ
１４１２：トレーリングエッジ
１４１３：圧力面
１４１４：吸入面
１４２０：プラットフォーム
１４３０：ルート
１４４０：冷却ホール
１４４１：拡張部
１４４２：凹溝部
１４４３：曲線部
１４４４：第１凹溝部
１４４５：第２凹溝部
Ｗ１－１：第１－１幅
Ｗ１－２：第１－２幅
Ｗ２－１：第２－１幅
Ｗ２－２：第２－２幅
Ｒ：中心間隔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】