特許 7682821 タービン静翼

(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】2025-05-16

(45)【発行日】2025-05-26

(54)【発明の名称】タービン静翼

(51)【国際特許分類】

   F01D 9/02 20060101AFI20250519BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20250519BHJP

【ＦＩ】

F01D9/02 102

F02C7/18 E

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022033399

(22)【出願日】2022-03-04

(65)【公開番号】P2023128794

(43)【公開日】2023-09-14

【審査請求日】2024-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高木 紀和

(72)【発明者】

【氏名】岩井 章吾

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 祥史

(72)【発明者】

【氏名】小野 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】千葉 皓太

【審査官】村山 美保

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２４１８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０３５１７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－１２７７６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０９４９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２９９１９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ ９／０２

Ｆ０２Ｃ ７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスタービンのケーシング内に配されるタービン静翼であって、
作動流体流路に配される翼有効部と、
前記翼有効部の径方向の外側端部と接続してエンドウォール上流側面、エンドウォール下流側面および周方向の両側のエンドウォール周方向側面の４つの側面を有するエンドウォールと、前記エンドウォールから径方向外側に延びて周方向に幅を有しその先端が前記ケーシングとそれぞれ係合する上流側フックおよび下流側フックと、を有する外輪と、
前記翼有効部の径方向の内側端部に接続された内側ウォールと
を具備し、
前記エンドウォール、前記上流側フックおよび前記下流側フックに囲まれた空間は、前記ケーシング側から供給される冷却媒体の冷却媒体用空間を形成し、
前記エンドウォールには、前記翼有効部の翼有効部下流側縁と前記エンドウォールとの接続部の熱応力を緩和するための熱応力緩和部が形成され、
前記熱応力緩和部は、前記エンドウォールの前記４つの側面の一つの側面と他の側面とを連通させるように前記エンドウォールの内部に形成され前記冷却媒体を通過させるための熱応力緩和冷却孔を有し、
前記熱応力緩和冷却孔は、前記冷却媒体用空間に連通する前記エンドウォール周方向側面に設けられた冷却孔入口と前記エンドウォール下流側面に設けられた冷却孔出口とを連通させ、前記エンドウォールにおいて前記翼有効部下流側縁の前記エンドウォールとの前記接続部の近傍を通過する少なくとも一つの第１冷却孔を有することを特徴とするタービン静翼。

【請求項2】

前記熱応力緩和部は、前記エンドウォールにおいて、前記エンドウォール周方向側面または前記エンドウォール下流側面に形成された熱応力緩和溝を有し、
前記熱応力緩和溝は、前記翼有効部の前記エンドウォールとの前記接続部の近傍に形成されていることを特徴とする請求項１記載のタービン静翼。

【請求項3】

ガスタービンのケーシング内に配されるタービン静翼であって、
作動流体流路に配される翼有効部と、
前記翼有効部の径方向の外側端部と接続してエンドウォール上流側面、エンドウォール下流側面および周方向の両側のエンドウォール周方向側面の４つの側面を有するエンドウォールと、前記エンドウォールから径方向外側に延びて周方向に幅を有しその先端が前記ケーシングとそれぞれ係合する上流側フックおよび下流側フックと、を有する外輪と、
前記翼有効部の径方向の内側端部に接続された内側ウォールと、
を具備し、
前記エンドウォール、前記上流側フックおよび前記下流側フックに囲まれた空間は、前記ケーシング側から供給される冷却媒体の冷却媒体用空間を形成し、
前記エンドウォールには、前記翼有効部の翼有効部下流側縁と前記エンドウォールとの接続部の熱応力を緩和するための熱応力緩和部が形成され、
前記熱応力緩和部は、前記エンドウォールにおいて、前記エンドウォール周方向側面または前記エンドウォール下流側面に形成された熱応力緩和溝を有し、
前記熱応力緩和溝は、前記翼有効部の前記エンドウォールとの前記接続部の近傍に形成されていることを特徴とするタービン静翼。

【請求項4】

前記熱応力緩和部は、前記エンドウォールの前記４つの側面の一つの側面と他の側面とを連通させるように前記エンドウォールの内部に形成され前記冷却媒体を通過させるための熱応力緩和冷却孔を有することを特徴とする請求項３に記載のタービン静翼。

【請求項5】

前記熱応力緩和冷却孔は、前記冷却媒体用空間に連通する前記エンドウォール周方向側面に設けられた冷却孔入口と前記エンドウォール下流側面に設けられた冷却孔出口とを連通させ、前記エンドウォールにおいて前記翼有効部下流側縁の前記エンドウォールとの前記接続部の近傍を通過する少なくとも一つの第１冷却孔を有することを特徴とする請求項４記載のタービン静翼。

【請求項6】

前記タービン静翼は下流側に隣接するタービン動翼とともにタービン段落を形成し、
前記熱応力緩和冷却孔は、上流側の前記タービン段落の前記冷却媒体を有する空間に面した前記エンドウォールのエンドウォール上流側面と前記エンドウォール周方向側面とを連通させる少なくとも一つの第２冷却孔をさらに有することを特徴とする請求項１または５に記載のタービン静翼。

【請求項7】

前記外輪には、複数の前記翼有効部および前記内側ウォールが接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のタービン静翼。

【請求項8】

前記エンドウォールの前記作動流体流路に面する表面に設けられた遮熱コーティングを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のタービン静翼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ガスタービンに用いるタービン静翼に関する。

【背景技術】

【0002】

近年のガスタービンにおいては、精密鋳造によって製作された動翼や静翼に中空冷却構造が形成されている。これらの中空部に冷却媒体を供給することによって、高温、高圧の作動媒体からの入熱による動翼や静翼のメタル温度の上昇を防止する。

【0003】

ケーシングを安価な材質で構成する上で、ケーシングと嵌合する静翼の外輪の温度も下げる必要がある。このため、ケーシングと静翼の外輪で囲まれた空間に冷却媒体が供給される。

【0004】

さらに、静翼自体を冷却するために、上述のように静翼を中空構造とし、中空部から主流部へ貫通する冷却穴が放射状に設けられ、中空部および冷却穴を冷却媒体が通過することで静翼が冷却される。

【0005】

外輪には主流と冷却媒体の温度差により径方向に温度勾配が生じ、これに起因して外輪の熱変形が生じる。このとき、特に、翼有効部の外輪への付け根部において応力集中により大きな熱応力が生じる。

【0006】

超臨界ＣＯ_２タービンの運転温度は、従来のガスタービンと同程度の高温であり、ガスタービンと同様の冷却構造が必要となる。一方で、超臨界ＣＯ_２タービンの運転圧力は蒸気タービンと同程度の高圧であり、その圧力差は従来のガスタービンの１０倍程度である。蒸気タービンでは厚肉構造で大きな圧力差に耐える構造となっており、超臨界ＣＯ_２タービンも同様の強度を有する構造である必要がある。このように、超臨界ＣＯ_２タービンの静翼は、ガスタービンよりも熱応力が大きく、強度上厳しい高温高圧条件で使用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開第２０１９／０３５１７８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

タービン静翼は、フックでケーシングに取り付けられる。超臨界ＣＯ_２タービンの静翼は、高圧で使用されることから、十分な剛性を確保する必要がある。このため、従来のガスタービンに比べてエンドウォールおよびフックの肉厚が厚くなり、フックが径方向に長い構造となる。超臨界ＣＯ_２タービンの運転中は、主流ガスに触れて高温となるエンドウォールの径方向内側部分と、冷却媒体に触れて低温となるエンドウォールの径方向外側部分であるフック先端のメタルとの温度差が大きくなる。このため、熱変形したときに、翼有効部のエンドウォールへの付け根部の熱応力が高くなり、早期に損傷に至るという課題があった。

【0009】

本発明の目的は、熱変形および熱応力を低減するタービン静翼構造を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係るタービン静翼は、ガスタービンのケーシング内に配されるタービン静翼であって、作動流体流路に配される翼有効部と、前記翼有効部の径方向の外側端部と接続してエンドウォール上流側面、エンドウォール下流側面および周方向の両側のエンドウォール周方向側面の４つの側面を有するエンドウォールと、前記エンドウォールから径方向外側に延びて周方向に幅を有しその先端が前記ケーシングとそれぞれ係合する上流側フックおよび下流側フックと、を有する外輪と、前記翼有効部の径方向の内側端部に接続された内側ウォールとを具備し、前記エンドウォール、前記上流側フックおよび前記下流側フックに囲まれた空間は、前記ケーシング側から供給される冷却媒体の冷却媒体用空間を形成し、前記エンドウォールには、前記翼有効部の翼有効部下流側縁と前記エンドウォールとの接続部の熱応力を緩和するための熱応力緩和部が形成され、前記熱応力緩和部は、前記エンドウォールの前記４つの側面の一つの側面と他の側面とを連通させるように前記エンドウォールの内部に形成され前記冷却媒体を通過させるための熱応力緩和冷却孔を有し、前記熱応力緩和冷却孔は、前記冷却媒体用空間に連通する前記エンドウォール周方向側面に設けられた冷却孔入口と前記エンドウォール下流側面に設けられた冷却孔出口とを連通させ、前記エンドウォールにおいて前記翼有効部下流側縁の前記エンドウォールとの前記接続部の近傍を通過する少なくとも一つの第１冷却孔を有する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係るタービン静翼の取り付け状態を示すガスタービンのタービン軸に沿った部分断面図である。

【図2】第１の実施形態に係るタービン静翼を示す周方向から見た側面図である。

【図3】第１の実施形態に係るタービン静翼を示す図２のＡ－Ａ矢視横断面図である。

【図4】従来のタービン静翼における温度分布の例を模式的に示す概念図である。

【図5】第１の実施形態に係るタービン静翼の効果を説明するための温度分布の例を模式的に示す概念図である。

【図6】第２の実施形態に係るタービン静翼を示す横断面図である。

【図7】第３の実施形態に係るタービン静翼を示す横断面図である。

【図8】第４の実施形態に係るタービン静翼を示すタービン軸に沿った方向から見た正面図である。

【図9】第４の実施形態に係るタービン静翼を示す図８のＣ－Ｃ矢視横断面図である。

【図10】第４の実施形態に係るタービン静翼を示す図９のＤ－Ｄ矢視横断面図である。

【図11】第４の実施形態に係るタービン静翼の効果を説明するための温度分布の例を模式的に示す概念図である。

【図12】第５の実施形態に係るタービン静翼を示すタービン軸に沿った方向から見た正面図である。

【図13】第５の実施形態に係るタービン静翼を示す図１２のＥ－Ｅ矢視横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るタービン静翼について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

【0013】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るタービン静翼の取り付け状態を示すガスタービン１０のタービン軸Ｃに沿った部分断面図である。以下、タービン軸Ｃに平行な方向をタービン軸方向というものとする。

【0014】

ガスタービン１０は、ケーシング２０、ケーシング２０をタービン軸方向に貫通するロータシャフト１１、およびタービン軸方向に配列され、作動流体流路１６を形成する、すなわち作動流体の流路となる複数のタービン段落１４を有する。

【0015】

複数のタービン段落１４のそれぞれは、複数のタービン静翼１００を有する静翼翼列１０１および作動流体流路１６内の作動流体の流れ方向に静翼翼列１０１の直後に配され複数の動翼１３を有する動翼翼列１３ａを有する。以下、ガスタービン１０の各部材の方向については、それがガスタービン１０に設置された状態においての方向を用いて表現することとする。具体的には、作動流体の流れ方向からみての表現として、上流側および下流側と呼ぶものとする。

【0016】

静翼翼列１０１を構成する複数のタービン静翼１００は、周方向に互いに隣接して設けられている。それぞれのタービン静翼１００は、作動流体流路１６内に配される翼有効部１１０、翼有効部１１０の径方向外側端部に接続する外輪１２０、および、翼有効部１１０の径方向内側端部に接続する内側ウォール１３０を有する。

【0017】

外輪１２０は、環状板の部分形状を有するエンドウォール１２３、エンドウォール１２３から上流側の端部側から径方向外側に延びて周方向に幅を有する上流側フック１２１および下流側の端部側から径方向外側に延びて周方向に幅を有する下流側フック１２２を有する。一方、ケーシング２０にも第１フック２０ｆおよび第２フック２０ｒが形成されている。

【0018】

上流側フック１２１は、径方向に延びる上流側フック壁部１２１ａおよび上流側フック壁部１２１ａの径方向の最外部に設けられ上流側に延びる上流側フック突部１２１ｂを有する。上流側フック突部１２１ｂがケーシング２０の第１フック２０ｆと係合する。また、下流側フック１２２は、径方向に延びる下流側フック壁部１２２ａおよび下流側フック壁部１２２ａの径方向の最外部に設けられ下流側に延びる下流側フック突部１２２ｂがケーシング２０の第２フック２０ｒと係合する。この結果、タービン静翼１００は、ケーシング２０により支持される。

【0019】

複数の外輪１２０のそれぞれには、エンドウォール１２３、上流側フック１２１および下流側フック１２２に囲まれた冷却媒体用空間１２６が形成され、静翼翼列１０１において周方向に互いに連通している。ケーシング２０には、冷却媒体の図示しない供給源に連通する冷媒供給孔２０ａが形成されている。冷媒供給孔２０ａを介して、冷却媒体が冷却媒体用空間１２６に供給される。この結果、タービン静翼１００が冷却される。

【0020】

ロータシャフト１１には、タービン軸方向に互いに間隔をおいて複数のロータディスク１２が形成されている。それぞれのロータディスク１２は、ロータシャフト１１から径方向に円環状に突出するように形成されている。動翼翼列１３ａを構成する複数の動翼１３は、それぞれのロータディスク１２に周方向に亘り互いに隣接するように植設されている。

【0021】

動翼翼列１３ａの径方向外側には、動翼翼列１３ａの先端部との間にギャップを介して、シュラウド１５が設けられている。シュラウド１５は、その上流側および下流側の外輪１２０に支持されている。

【0022】

図２は、第１の実施形態に係るタービン静翼を示す周方向から見た側面図である。また、図３は、第１の実施形態に係るタービン静翼を示す図２のＡ－Ａ矢視横断面図である。なお、図２は、図３のＢ－Ｂ矢視側面図である。

【0023】

外輪１２０のエンドウォール１２３は、上流側フック１２１の付け根となる部分より上流側に突出する上流側突部１２４と、下流側フック１２２の付け根となる部分より下流側に突出する下流側突部１２５を有する。上流側突部１２４と上流側段落のタービン静翼１００の下流側突部１２５は、前述のようにシュラウド１５（図１）を径方向内側から支持している。

【0024】

図２および図３に示すように、エンドウォール１２３は、４つの側面を有し、これらに囲まれている。具体的には、エンドウォール１２３は、上流側のエンドウォール上流側面１２３ａ、周方向の側面であるエンドウォール周方向側面１２３ｂ、１２３ｃ、および下流側のエンドウォール下流側面１２３ｄを有する。エンドウォール上流側面１２３ａは上流側突部１２４の上流側に向かう面である。また、エンドウォール下流側面１２３ｄは下流側突部１２５の下流側に向かう面である。エンドウォール周方向側面１２３ｂおよびエンドウォール周方向側面１２３ｃは、隣接するタービン静翼１００のエンドウォール１２３のエンドウォール周方向側面１２３ｃおよびエンドウォール周方向側面１２３ｂとそれぞれ対向する。

【0025】

前述のように、静翼翼列１０１を構成する複数のタービン静翼１００は、周方向に互いに隣接して設けられている。このため、それぞれのタービン静翼１００の外輪１２０も、互いに隣接して配されている。エンドウォール周方向側面１２３ｂは、隣接するタービン静翼１００のエンドウォール周方向側面１２３ｃと、また、エンドウォール周方向側面１２３ｃは、隣接するタービン静翼１００のエンドウォール周方向側面１２３ｂと、それぞれ周方向に対向する。

【0026】

この際、冷却媒体用空間１２６に供給される冷却媒体を有する空間が、互いに隣接する外輪１２０同士の間隙を通じて、作動流体流路１６と連通しないように、図示しないシール板が設けられている。また、シール板を取り付けるために、エンドウォール周方向側面１２３ｂおよびエンドウォール周方向側面１２３ｃには、図２に示すように、シール用溝部１２７が形成されている。この結果、冷却媒体が存在する空間と、作動流体流路１６側の空間が隔離されている。

【0027】

図２では、当該タービン段落１４のタービン静翼１００の冷却媒体用空間１２６に供給された冷却媒体が存在する空間と同じタービン段落１４（図１）の中間空間１８（図１）との間が隔離され、またこの冷却媒体が存在する空間と上流側のタービン段落１４（図１）側の中間空間１８（図１）との間が隔離されている場合を示している。

【0028】

外輪１２０のエンドウォール１２３には、熱応力緩和部１５０としての熱応力緩和冷却孔１５１が設けられている。後述するケースとの区別のために、本実施形態における熱応力緩和冷却孔１５１を、第１冷却孔１５２と呼ぶものとする。なお、以下、図２および図３に示すように第１冷却孔１５２が一つの場合を示すが、第１冷却孔１５２は、複数設けられてもよい。

【0029】

第１冷却孔１５２は、エンドウォール１２３を貫通している。第１冷却孔１５２の入口である冷却孔入口１５２ａは、冷却媒体用空間１２６に連通する一方のエンドウォール周方向側面１２３ｂに形成されている。したがって、冷却孔入口１５２ａは、シール用溝部１２７の径方向の外側に形成されている。

【0030】

また、第１冷却孔１５２の出口である冷却孔出口１５２ｂは、エンドウォール下流側面１２３ｄに形成されている。

【0031】

すなわち、熱応力緩和部１５０としての熱応力緩和冷却孔１５１は、エンドウォール１２３の４つの側面の一つの側面であるエンドウォール周方向側面１２３ｂと他の側面であるエンドウォール下流側面１２３ｄを連通させるようにエンドウォール１２３の内部に形成されている。

【0032】

第１冷却孔１５２は、エンドウォール１２３において翼有効部１１０の翼有効部下流側縁１１２との接続部である外側付け根部１１２ａ（図２）の近傍を通過する。具体的には、図３に示すように、径方向外側から透視した平面上において、第１冷却孔１５２が翼有効部下流側縁１１２の近傍を通過する。ここで、第１冷却孔１５２が翼有効部下流側縁１１２の近傍を通過する場合とは、外側付け根部１１２ａを含めた領域の温度を低減可能な位置を言うものとする。具体的には、径方向から透視した平面上において、翼有効部下流側縁１１２から所定の距離ｄ_０の範囲内にエンドウォール１２３内を通過する第１冷却孔１５２の孔の中心線ＣＬの一部が存在する場合をいうものとする。ここで、所定の距離ｄ_０は、外側付け根部１１２ａを含めた領域の温度を低減する効果が期待できる範囲として、翼有効部１１０のタービン軸方向の長さＬｂの５０％以下、好ましくは２０％程度、さらに好ましくは１０％程度である。

【0033】

図２では、冷却孔入口１５２ａと冷却孔出口１５２ｂは、径方向位置が同じであり、第１冷却孔１５２は同じ径方向位置を維持するように形成されている例を示した。しかしながらこれに限定されず、冷却孔入口１５２ａと冷却孔出口１５２ｂの径方向位置が異なる場合であってもよい。また、第１冷却孔１５２は、冷却孔入口１５２ａと冷却孔出口１５２ｂを直線的に結ぶように形成されていなくともよい。たとえば、途中で方向を変えるように形成されていてもよい。

【0034】

径方向から透視した平面上における第１冷却孔１５２のエンドウォール１２３内を通過する方向については、エンドウォール１２３内の長さが長い方がエンドウォール１２３の冷却効果が向上する。したがって、このような観点から方向を決めてもよい。あるいは、たとえば、径方向から透視した平面上における翼有効部１１０のキャンバーラインに垂直な方向に設定してもよい。

【0035】

図２では、上述のように、冷却孔出口１５２ｂは、エンドウォール下流側面１２３ｄに形成されている場合を示しており、第１冷却孔１５２を通過した冷却媒体は、シュラウド１５の径方向内側、すなわち作動流体流路１６に排出される場合を示している。ただし、これには限定されず、第１冷却孔１５２を通過した冷却媒体が、シュラウド１５の径方向外側、すなわち中間空間１８に排出されるように、冷却孔出口１５２ｂの位置が設定されていてもよい。

【0036】

次に、本実施形態に係るタービン静翼１００の効果を説明する。

【0037】

図４は、従来のタービン静翼における温度分布の例を模式的に示す概念図である。また、図５は、第１の実施形態に係るタービン静翼１００の効果を説明するための温度分布の例を模式的に示す概念図である。それぞれの破線は、等温線を示す。

【0038】

図４の従来の例に示すように、外輪１２０の径方向の内側面は、高温の作動流体が通過する作動流体流路１６（図１）に面しており、また、径方向外側は、冷却媒体用空間１２６（図２）を通過する低温の冷却媒体により冷却されている。この結果、外輪１２０の径方向内側が高温であり、径方向外側に向かって温度が低下するような温度分布がついている。このため、外輪１２０の径方向内側の熱膨張量が径方向外側の熱膨張量より大きくなり、外輪１２０は、径方向内側に反り返る方向に変形しようとする。

【0039】

この結果、翼有効部１１０との接続部分においては、翼有効部上流側縁１１１および翼有効部下流側縁１１２の位置において、上述のように変形しようとする量が最も大きくなる。特に、翼有効部下流側縁１１２は、翼有効部１１０の幅（厚み）が小さいことから、外輪１２０が径方向に反り返る方向への変形による外側付け根部１１２ａにおける熱応力が最も大きくなる。

【0040】

一方、本実施形態においては、図５に示すように、熱応力緩和部１５０としての熱応力緩和冷却孔１５１により、外輪１２０の径方向内側部分が冷却されることにより径方向内側部分の熱膨張量が低減する。このため、外輪１２０が径方向に反り返る方向への変形量が低減し、外側付け根部１１２ａにおける熱応力が低減する。

【0041】

さらに、翼有効部下流側縁１１２近傍の領域の温度が低減することにより、翼有効部下流側縁１１２近傍の領域の金属材料の許容応力の低下が抑制され、構造健全性上の尤度を確保できる。

【0042】

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係るタービン静翼を示す横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態では、熱応力緩和部１５０である熱応力緩和冷却孔１５１として、第１の実施形態で説明した第１冷却孔１５２が２つ設けられているのに加えて、第２冷却孔１５３がさらに設けられている。この点以外は、第１の実施形態と同様である。

【0043】

第２冷却孔１５３は、エンドウォール１２３に形成されている。なお、図６では、第２冷却孔１５３が１つ設けられている場合を示しているが、複数設けられていてもよい。

【0044】

第２冷却孔１５３の出口である冷却孔出口１５３ｂは、第１冷却孔１５２の冷却孔入口１５２ａが形成されている方のエンドウォール周方向側面１２３ｂとは反対側のエンドウォール周方向側面１２３ｃに形成されている。

【0045】

第２冷却孔１５３の冷却孔出口１５３ｂの反対側には、上流側突部１２４（図２）において冷却孔方向転換部１５３ａが形成されている。第２冷却孔１５３は、冷却孔方向転換部１５３ａにおいて径方向外側に向かって、上流側突部１２４の径方向外表面に形成された冷却孔入口（図示せず）に連通している。この冷却孔入口は、上流側突部１２４の径方向外側に設けられたシュラウド１５（図１）を径方向に貫通する冷却媒体の流路に連通している。

【0046】

なお、冷却孔入口が、当該タービン段落１４の上流の段落の中間空間１８に面する上流側フック１２１（図１）の上流側表面に形成されていてもよい。

【0047】

以上のような構成により、冷却孔入口には、当該タービン段落１４の上流の段落の中間空間１８内の冷却媒体が、シュラウド１５に形成された流路を通じて、あるいは直接に冷却孔入口に供給される。冷却孔入口に流入した冷却媒体は、エンドウォール１２３に形成された第２冷却孔１５３を通過して、冷却孔出口１５３ｂから当該段落の冷却媒体用空間１２６に連通する空間に流出する。

【0048】

以上のように、本実施形態においては、エンドウォール１２３をさらに冷却することにより、外輪１２０の径方向内側の熱膨張量がさらに低減される。この結果、外輪１２０が周方向に反り返る方向への変形量が低減し、外側付け根部１１２ａにおける熱応力がさらに低減する。

【0049】

［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係るタービン静翼を示す横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

【0050】

本実施形態は、１つの外輪１２０に複数の翼有効部１１０が接続されている場合に、適用したものである。

【0051】

本実施形態においては、外輪１２０のエンドウォール１２３に、熱応力緩和部１５０である熱応力緩和冷却孔１５１として第１冷却孔１５２設けられている。

【0052】

第１の実施形態と同様に、第１冷却孔１５２の入口である冷却孔入口１５２ａは、冷却媒体用空間１２６（図２）に連通する一方のエンドウォール周方向側面１２３ｂに形成されている。また、第１冷却孔１５２の出口である冷却孔出口１５２ｂは、エンドウォール下流側面１２３ｄに形成されている。

【0053】

ただし、第１冷却孔１５２は、第１の実施形態に比べて、上流側に形成されていることから、第１冷却孔１５２の長さが長くなり、エンドウォール１２３を冷却する効果が大きくなる。この結果、外輪１２０が周方向に反り返る方向への変形量がさらに低減し、外側付け根部１１２ａにおける熱応力のさらなる低減を図ることができる。

【0054】

［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態に係るタービン静翼１００を示すタービン軸に沿った方向から見た正面図である。図９は、第４の実施形態に係るタービン静翼１００を示す図８のＣ－Ｃ矢視横断面図である。また、図１０は、第４の実施形態に係るタービン静翼１００を示す図９のＤ－Ｄ矢視横断面図である。

【0055】

本実施形態においては、熱応力緩和部１５０として、第１ないし第３の実施形態における熱応力緩和冷却孔１５１に代えて、熱応力緩和溝１５５が設けられている。

【0056】

熱応力緩和溝１５５は、エンドウォール１２３のエンドウォール下流側面１２３ｄから流れの上流側方向、すなわち軸方向にエンドウォール１２３の内部に向かって形成されている。熱応力緩和溝１５５は、図１０に示すように、径方向から透視した平面上において、翼有効部下流側縁１１２の近傍に形成されている。ここで、近傍にある場合とは、たとえば、径方向から透視した平面上において、翼有効部下流側縁１１２が熱応力緩和溝１５５の範囲内に存在するように形成されている場合である。

【0057】

あるいは、翼有効部下流側縁１１２が熱応力緩和溝１５５の範囲内に存在しなくとも、径方向から透視した平面上において、翼有効部下流側縁１１２と熱応力緩和溝１５５の外郭との距離が所定の距離ｄ_０以下である場合であってもよい。ここで、所定の距離ｄ_０は、翼有効部１１０のタービン軸方向の長さＬｂの２０％程度、さらに好ましくは１０％程度である。

【0058】

なお、図８ないし図１０では、熱応力緩和溝１５５がエンドウォール１２３のエンドウォール下流側面１２３ｄ側に形成されている場合を例にとって示したが、これに限定されない。径方向から透視した平面上において、翼有効部下流側縁１１２が熱応力緩和溝１５５の範囲内に存在するように形成されているのであれば、例えば、エンドウォール周方向側面１２３ｂ側に形成されていてもよい。

【0059】

次に、本実施形態の効果を説明する。

【0060】

図１１は、第４の実施形態に係るタービン静翼１００の効果を説明するための温度分布の例を模式的に示す概念図である。それぞれの破線は、等温線を示す。

【0061】

図１１に示すように、熱応力緩和溝１５５を設けたことによって、図４に示した熱応力緩和部１５０を設けない場合に比べて、エンドウォール１２３の外側付け根部１１２ａ近傍の温度分布を緩和し、かつ、外輪１２０の温度を均一化させることができる。この結果、外輪１２０の熱変形量が低減される。

【0062】

さらに、熱応力緩和溝１５５を設けたことによって、エンドウォール１２３の剛性が低下する。この結果、タービン静翼１００全体における外輪１２０の熱変形に及ぼす外輪１２０単独の熱変形の影響が低下する。

【0063】

以上の結果、外側付け根部１１２ａにおける熱応力が緩和される。

【0064】

また、熱応力緩和溝１５５の近傍に冷却冷媒を積極的に流した場合には、翼有効部下流側縁１１２近傍の領域の温度が低減することにより、翼有効部下流側縁１１２近傍の領域の金属材料の許容応力の低下が抑制され、構造健全性上の尤度の確保が期待できる。

【0065】

なお、本実施形態は、第１ないし第３の実施形態の特徴と組み合わせてもよい。

【0066】

［第５の実施形態］
図１２は、第５の実施形態に係るタービン静翼を示すタービン軸に沿った方向から見た正面図である。また、図１３は、第５の実施形態に係るタービン静翼を示す図１２のＥ－Ｅ矢視横断面図である。

【0067】

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、第１の実施形態に加えて、図１２および図１３に示すように、外輪１２０の高温の作動流体と触れる部分に、遮熱コーティング１６０が設けられている。詳細には、エンドウォール内側面１２３ｆの翼有効部１１０と接続されていない部分に、遮熱コーティング１６０としての径方向内側コーティング１６１が設けられている。また、エンドウォール下流側面１２３ｄには、遮熱コーティング１６０としての軸方向下流側コーティング１６２が設けられている。

【0068】

遮熱コーティング１６０としては、たとえば、ＴＢＣが用いられる。ＴＢＣは、耐酸化性を有する金属層と、金属に比べて熱伝導率の小さなセラミック層で形成されている。ＴＢＣは、施工対象表面に溶射により成膜される。

【0069】

以上のように形成された本実施形態によるタービン静翼１００では、作動流体側からの入熱が低減され、エンドウォール１２３の温度勾配が低減し、熱変形を低減することができる。

【0070】

なお、以上は、第１の実施形態の特徴と組み合わせた場合を示したが、本実施形態は、第２ないし第４の実施形態の特徴と組み合わせてもよい。

【0071】

以上、説明した実施形態によれば、熱変形および熱応力を低減するタービン静翼構造を提供することが可能となる。

【0072】

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、本発明の実施形態は、タービン静翼１００の翼有効部１１０が、冷却のための中空構造を有する場合、有さない場合のいずれにも適用される。また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0073】

１０…ガスタービン、１１…ロータシャフト、１２…ロータディスク、１３…動翼、１３ａ…動翼翼列、１４…タービン段落、１５…シュラウド、１６…作動流体流路、１８…中間空間、２０…ケーシング、２０ａ…冷媒供給孔、２０ｆ…第１フック、２０ｒ…第２フック、２１…ケーシング下流側フック、２２…ケーシング上流側フック、１００…タービン静翼、１０１…静翼翼列、１１０…翼有効部、１１１…翼有効部上流側縁、１１２…翼有効部下流側縁、１１２ａ…外側付け根部、１２０…外輪、１２１…上流側フック、１２１ａ…上流側フック壁部、１２１ｂ…上流側フック突部、１２２…下流側フック、１２２ａ…下流側フック壁部、１２２ｂ…下流側フック突部、１２３…エンドウォール、１２３ａ…エンドウォール上流側面、１２３ｂ、１２３ｃ…エンドウォール周方向側面、１２３ｄ…エンドウォール下流側面、１２３ｆ…エンドウォール内側面、１２４…上流側突部、１２５…下流側突部、１２６…冷却媒体用空間、１２７…シール用溝部、１３０…内側ウォール、１３１…エンドウォール、１３２…ラビリンス歯、１５０…熱応力緩和部、１５１…熱応力緩和冷却孔、１５２…第１冷却孔、１５２ａ…冷却孔入口、１５２ｂ…冷却孔出口、１５３…第２冷却孔、１５３ａ…冷却孔方向転換部、１５３ｂ…冷却孔出口、１５５…熱応力緩和溝、１６０…遮熱コーティング、１６１…径方向内側コーティング、１６２…軸方向下流側コーティング、Ｃ…タービン軸

【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】