JP2010144578A - ガスタービン用部材、及びガスタービン用部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの性能の低下を抑制できるガスタービン用部材を提供する。
【解決手段】ガスタービン用部材は、基材と、基材の表面に形成された凹部と、凹部の内側に配置された給気口と、凹部の周囲の基材の表面の第１領域を覆うように基材に支持され、第１領域から凹部にオーバーハングして給気口から離れた位置で給気口と対向するオーバーハング部を有する遮熱膜とを備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービン用部材、及びガスタービン用部材の製造方法

ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えており、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼器で燃焼して、生成された高温・高圧のガス（燃焼ガス）をタービンで膨張させて、動力を発生する。ガスタービンの作動時において、加熱されるガスタービン内部の部材の表面の温度が上昇し過ぎると、例えばその部材の表面が劣化する等、不具合が生じる可能性がある。そのため、従来より、加熱されるガスタービン内部の部材の表面の温度上昇を抑制するための種々の技術が案出されている。下記特許文献には、翼の一部に設けられた孔から冷却媒体を供給し、翼表面をフィルム冷却する技術の一例が開示されている。
特開２００１−１７３４０５号公報

フィルム冷却において、翼の一部に設けられた孔からの冷却媒体が、部材の表面付近に留まらずに、燃焼ガスに貫通すると、部材の表面の温度上昇を抑制することが困難となる可能性がある。また、冷却媒体の流量は少ない方が、ガスタービンの性能が高くなり、好ましい。

本発明は、冷却媒体を有効に用いて部材の表面を燃焼ガスから保護し、ガスタービンの性能の低下を抑制できるガスタービン用部材、及びガスタービン用部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、基材と、基材の表面に形成された凹部と、凹部の内側に配置された給気口と、凹部の周囲の基材の表面の第１領域を覆うように基材に支持され、第１領域から凹部にオーバーハングして給気口から離れた位置で給気口と対向するオーバーハング部を有する遮熱膜と、を備えるガスタービン用部材が提供される。

本発明の第１の態様によれば、凹部の内側に給気口を設け、その給気口から離れた位置で給気口と対向するオーバーハング部を有する遮熱膜を設けたので、給気口から供給された冷却媒体は、オーバーハング部に当たる。したがって、給気口から供給された冷却媒体が部材の表面付近に留まらずに、燃焼ガスに貫通することを抑制することができる。また、給気口から供給された冷却媒体を、部材の表面など、望みの部位に導くことができ、その部位の温度上昇を抑制することができる。また、遮熱膜を配置したことにより、基材の表面が熱で劣化してしまうことを抑制できる。また、遮熱膜でオーバーハング部が形成されているので、高温に耐えることができる。そのため、部材の表面を効果的に燃焼ガスから保護することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができる。したがって、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、オーバーハング部を、給気口より大きくすることによって、給気口から供給された冷却媒体が部材の表面付近に留まらずに、燃焼ガスに貫通することをより確実に抑制することができる。また、給気口から供給された冷却媒体を、望みの部位により確実に導くことができる。したがって、冷却媒体を有効に利用することができる。そのため、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、第１領域を、凹部に対して基材の表面とほぼ平行な第１方向の一側に配置された領域とし、オーバーハング部を、第１方向の他側に延びるように形成することによって、給気口から供給された冷却媒体を、他側に導くことができる。燃焼器で生成された燃焼ガスが第１方向の一側から部材に供給される場合、給気口に対して他側の望みの部位を、給気口からの冷却媒体で冷却することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができる。したがって、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、凹部が、給気口に対して第１方向の一側に配置され、第１領域と結ばれる第１面と、給気口に対して第１方向の他側に配置され、給気口から他側に向かって、凹部に対して第１方向の他側に配置された基材の表面の第２領域に近づくように傾斜する第２面とを有することによって、給気口から供給された冷却媒体は、オーバーハング部及び傾斜する第２面によってガイドされながら、他側に円滑に流れることができる。したがって、給気口に対して他側の望みの部位を、給気口からの冷却媒体で良好に冷却することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができる。したがって、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、給気口を、第１面と第２面との間の凹部の第３面に配置することによって、給気口から供給された冷却媒体を、凹部の内側に十分に行き渡らせることができる。すなわち、給気口から供給された冷却媒体は、凹部（凹部の開口）を介して流出するので、冷却媒体の供給むら、ひいては冷却むらの発生を低減することができる。したがって、望みの部位を良好に冷却することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができる。したがって、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、遮熱膜は、オーバーハング部を有する第１部分と、第２領域及び第２面を覆うように配置された第２部分とを含み、給気口からの冷却媒体は、第１部分のエッジと第２部分との間に形成された間隙から流出する。これにより、より一層、冷却媒体の供給むら、ひいては冷却むらの発生を低減することができる。したがって、望みの部位を良好に冷却することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができる。したがって、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、間隙が第２部分の表面に冷却媒体を導くように、その間隙を形成することによって、第２部分の表面を良好に冷却することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができる。したがって、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、間隙を給気口より大きくすることによって、間隙から流出する冷却媒体の速度（流速）を抑制できる。したがって、給気口から供給され、間隙から流出する冷却媒体が部材の表面付近に留まらずに、燃焼ガスに貫通することを抑制することができる。また、冷却媒体の供給むら、ひいては冷却むらの発生をより一層低減することができる。したがって、望みの部位の温度上昇を抑制することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができるため、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、凹部を、第１方向と交差する第２方向に長くして、給気口を、所定間隔で第２方向に複数配置することによって、冷却媒体の供給むら、ひいては冷却むらの発生をより一層低減することができる。したがって、望みの部位の温度上昇を抑制することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができるため、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、オーバーハング部を、第２方向に長くすることによって、複数の給気口のそれぞれから供給された冷却媒体を、オーバーハング部によって、望みの部位へ良好にガイドすることができる。また、冷却媒体を有効に利用することができるため、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、凹部を、所定間隔で、第１方向と交差する第２方向に複数形成することによって、例えば圧力分布のある部材表面に対して、冷却媒体の流量を調節し、冷却媒体を有効に利用することが可能となる。また、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、オーバーハング部と第１領域に接続される遮熱膜の基部とに亘って配置され、遮熱膜を補強する線状の補強部材を設けることによって、遮熱膜の強度を増すことができる。

第１の態様のガスタービン用部材において、補強部材を、遮熱膜の内部に配置することによって、より一層、遮熱膜の強度を増すことができる。

本発明の第２の態様に従えば、基材の表面に形成された凹部の内側に配置された開口を塞ぐようにマスキング部材を配置する処理と、基材の表面及びマスキング部材の上面を覆うように遮熱膜をコーティングする処理と、マスキング部材を除去する処理と、を含むガスタービン用部材の製造方法が提供される。

本発明の第２の態様によれば、基材の表面に形成された凹部の内側に配置された開口を塞ぐようにマスキング部材を配置した後、基材の表面及びマスキング部材の上面を覆うように遮熱膜をコーティングし、その後、マスキング部材を除去することによって、開口から離れた位置で開口と対向するオーバーハング部を有する遮熱膜を形成することができる。その場合、開口から冷却媒体を供給することによって、その開口から供給された冷却媒体は、オーバーハング部に当たって、部材の表面など、望みの部位に供給される。これにより、その部位の温度上昇を抑制することができる。また、開口から供給された冷却媒体が部材の表面付近に留まらずに、燃焼ガスに貫通することを抑制することができる。また、基材の表面に遮熱膜が配置されるので、基材の表面が熱で劣化してしまうことを抑制できる。また、遮熱膜でオーバーハング部が形成されているので、高温に耐えることができる。また、冷却媒体を有効に利用することができるため、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第２の態様の製造方法において、凹部は、給気口に対して第１方向の一側に配置され、凹部に対して一側に配置された基材の表面の第１領域と結ばれる第１面と、給気口に対して第１方向の他側に配置され、給気口から他側に向かって、凹部に対して他側に配置された基材の表面の第２領域に近づくように傾斜する第２面と、第１面と前記第２面との間に配置され、開口が配置された第３面とを有し、第２面に面するマスキング部材の側面の少なくとも一部に遮熱膜が形成されないように、第１領域及び第２領域に遮熱膜をコーティングすることで、遮熱膜の少なくとも一部に、開口からの冷却媒体を流出させる間隙を形成することができる。したがって、開口からの冷却媒体を、間隙を介して、望みの部位に供給することができる。また、第２面は傾斜しているので、給気口から供給された冷却媒体は、オーバーハング部及び傾斜する第２面によってガイドされながら、円滑に流れることができる。また、冷却媒体を供給する開口が、第１面と第２面との間の凹部の第３面に配置されているので、給気口から供給された冷却媒体を、凹部の内側に十分に行き渡らせることができる。したがって、望みの部位を良好に冷却することができる。また、冷却媒体を有効に利用することができるため、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

第２の態様の製造方法において、マスキング部材の上面と第１領域とがほぼ同一平面内に配置された状態で、遮熱膜をコーティングすることができる。これにより、遮熱膜の厚みをほぼ均一にすることができる。

第２の態様の製造方法において、基材の表面とマスキング部材の上面とに亘って線状の補強部材が配置された状態で、遮熱膜をコーティングすることができる。これにより、遮熱膜の内部に補強部材が配置され、遮熱膜の強度を向上することができる。

第２の態様の製造方法において、マスキング部材の除去は、マスキング部材を加熱して消失させる処理を含む。マスキング部材を、例えば黒鉛などで形成することにより、そのマスキング部材を所定の温度に加熱することによって、燃焼させ、消失させることができる。

本発明によれば、ガスタービンの性能を向上することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（鉛直方向、上下方向）をＺ軸方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ及びθＺ方向とする。

＜第１実施形態＞
第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るガスタービン１００の一例を示す図である。図１において、ガスタービン１００は、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３とを備えている。また、ガスタービン１００は、圧縮機１、燃焼器２、及びタービン３の中心部に配置されたロータ４を備えている。圧縮機１、燃焼器２、及びタービン３は、ロータ４の軸心Ｒに沿って、空気の流れの前側から後側に向かって順に配置されている。

ここで、以下の説明において、軸心Ｒと平行な方向を適宜、軸方向、と称し、軸心Ｒを中心とした回転（傾斜）方向を適宜、周方向、と称する。

圧縮機１は、空気を圧縮するものである。圧縮機１は、空気を取り込む空気取入口１１を有する圧縮機ケーシング１２と、圧縮機ケーシング１２内に配置された圧縮機静翼１３と、圧縮機ケーシング１２内に配置された圧縮機動翼１４とを備えている。圧縮機静翼１３は、圧縮機ケーシング１２に取り付けられている。圧縮機静翼１３は、周方向に複数配置されている。圧縮機動翼１４は、ロータ４に取り付けられている。圧縮機動翼１４は、周方向に複数配置されている。それら圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とは、軸方向に交互に配置されている。

燃焼器２は、圧縮機１で圧縮された空気（以下、圧縮空気、と称する）に対して燃料を供給し、バーナで点火することによって、高温・高圧のガス（以下、燃焼ガス、と称する）を生成するものである。燃焼器２は、バーナ（不図示）を有する内部で圧縮された空気と燃料を混合して燃焼させる内筒（燃焼筒）２１と、内筒２１から燃焼ガスをタービン３に導く尾筒２２と、圧縮機１からの圧縮空気を内筒２１に導く外筒２３とを備えている。燃焼器２は、燃焼器ケーシング２４に対して、周方向に複数配置されている。

タービン３は、燃焼器２で生成された燃焼ガスにより動力を発生するものである。タービン３は、タービンケーシング３１と、タービンケーシング３１内に配置されたタービン静翼３２と、タービンケーシング３１内に配置されたタービン動翼３３とを備えている。タービン静翼３２は、タービンケーシング３１に取り付けられている。タービン静翼３２は、周方向に複数配置されている。タービン動翼３３は、ロータ４に取り付けられている。タービン動翼３３は、周方向に複数配置されている。それらタービン静翼３２とタービン動賞３３とは、軸方向に交互に配置されている。タービンケーシング３１の後側には、タービン３に連続する排気ディフューザ３４ａを有する排気室３４が設けられている。

ロータ４は、軸心Ｒを中心として、軸受４１、４２に回転可能に支持されている。軸受４１は、圧縮機１側に配置され、軸受４２は、排気室３４側に配置されている。排気室３４側のロータ４の端部に、発電機（図示せず）の駆動軸が連結される。

次に、ガスタービン１００の動作の一例について説明する。圧縮機１の空気取入口１１から取り込まれた空気が、複数の圧縮機静翼１３及び圧縮機動翼１４を通過して圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となる。そして、燃焼器２おいて、圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼されることによって、高温・高圧の燃焼ガスが生成される。その燃焼ガスがタービン３のタービン静翼３２及びタービン動翼３３を通過することによって、ロータ４が回転する。そのロータ４に連結された発電機に動力が与えられることによって、発電が行われる。ロータ４を回転した後の排気ガスは、排気室３４の排気ディフューザ３４ａで静圧に変換されてから、大気に放出される。

図２は、タービン動翼３３を示す図である。図２において、タービン動翼３３は、プラットフォーム４３と、プラットフォーム４３上に設けられた翼５０とを備えている。翼５０は、基材５１と、その基材５１の表面の少なくとも一部に形成された遮熱膜５２とを備えている。また、翼５０は、表面に複数の給気口５３を備えている。給気口５３は、翼５０の腹部５０Ａ及び背部５０Ｂのそれぞれに配置されている。

本実施形態において、翼５０の前方側（＋Ｘ側）から、翼５０に対して、燃焼器２で生成された高温・高圧の燃焼ガスが供給される。翼５０の前縁部５０Ｃに供給された燃焼ガスは、腹部５０Ａ及び背部５０Ｂに沿って流れ、後縁部５０Ｄより後方側（−Ｘ側）に流れる。以下の説明おいて、腹部５０Ａ及び背部５０Ｂを含む翼５０の表面に沿って流れる燃焼ガスの流れを適宜、主流２００、と称する。

図３は、翼５０の腹部５０Ａの一部を拡大した図、図４は、図３の側断面図である。図２，図３，及び図４において、翼５０は、基材５１と、基材５１の表面に形成された凹部５４と、凹部５４の内側に配置された給気口５３と、凹部５４の周囲の基材５１の表面の第１領域６１を覆うように基材５１に支持された遮熱膜５２とを備えている。遮熱膜５２は、第１領域６１から凹部５４にオーバーハングして、給気口５３から離れた位置で給気口５３と対向するオーバーハング部５２Ｈを有する。

以下の説明においては、簡単のため、腹部５０Ａにおける翼５０の表面（基材５１の表面）が、ＸＺ平面とほぼ平行であるものとして説明する。ＸＺ平面内において、オーバーハング部５２Ｈは、給気口５３より十分に大きい。

本実施形態において、基材５１の表面の第１領域６１は、凹部５４に対してＸ軸方向の＋Ｘ側（前縁部５０Ｃ側）に配置された領域である。遮熱膜５２は、その第１領域６１に支持されている。また、本実施形態においては、凹部５４に対して−Ｘ側（後縁部５０Ｄ側）に配置された基材５１の表面の第２領域６２にも、遮熱膜５２が配置されている。

凹部５４は、給気口５３に対して＋Ｘ側に配置され、第１領域６１と結ばれる第１面７１と、給気口５３に対して−Ｘ側に配置され、給気口５３から−Ｘ側に向かって、第２領域６２に近づくように傾斜する第２面７２とを有する。遮熱膜５２は、第２面７２にも配置されている。

また、凹部５４は、第１面７１と第２面７２との間に配置された第３面７３を有する。Ｙ軸方向に関して、第３面７３は、第１，第２，第３面７１，７２，７３のうち、基材５１の表面（第１，第２領域６１，６２）から最も遠い位置に配置される。給気口５３は、第３面７３に配置されている。本実施形態において、遮熱膜５２の少なくとも一部が、第３面７３に配置される。なお、第３面７３に遮熱膜５２が配置されなくてもよい。

以下の説明において、オーバーハング部５２Ｈを有し、凹部５４に対して＋Ｘ側に配置された遮熱膜５２を適宜、第１部分５２１、と称し、第２領域６２及び第２面７２を覆うように配置された遮熱膜５２を適宜、第２部分５２２、と称する。

オーバーハング部５２Ｈは、第１領域６１から、−Ｘ方向に延びるように配置されている。第１部分５２１のエッジ（オーバーハング部５２Ｈの先端）と、第２部分５２２との間には、所定の間隙５８が形成されている。間隙５８は、給気口５３より十分に大きい。

図２及び図３に示すように、凹部５４は、Ｚ軸方向に長い。また、凹部５４は、前縁部５０Ｃと後縁部５０Ｄとの間の腹部５０Ａにおいて、Ｘ軸方向に複数配置されている。給気口５３は、複数の凹部５４のそれぞれの内側において、所定間隔でＺ軸方向に複数配置されている。

オーバーハング部５２Ｈは、複数の凹部５４のそれぞれに対応するように、複数設けられている。オーバーハング部５２Ｈは、Ｚ軸方向に長い。

なお、腹部５０Ａと同様に、背部５０Ｂにも、凹部５４、給気口５３、及びオーバーハング部５２Ｈを有する遮熱膜５２を設けることができる。また、本実施形態においては、翼５０の前縁部５０Ｃにも、給気口５３が複数配置されている。

基材５１は、金属製である。遮熱膜５２は、ＴＢＣ（Thermal Barrier Coating）とも呼ばれ、基材５１の表面の劣化を抑制するための保護膜として機能する。基材５１の表面が高温になると、その基材５１の表面が酸化したり、劣化したりする可能性がある。遮熱膜５２は、基材５１の表面の酸化を抑制する機能、及び基材５１の表面の温度の上昇を抑制する機能の少なくとも一方を有する。

本実施形態において、遮熱膜５２は、基材５１の表面に接触するように形成される金属結合層５２Ａと、金属結合層５２Ａの表面に接触するように形成されるセラミックス層５２Ｂとを含む。金属結合層５２Ａは、基材５１の酸化を抑制する機能を有する。金属結合層５２Ａは、例えば溶射法によってコーティングされる。セラミックス層５２Ｂは、基材５１への熱伝導を抑制する機能を有する。セラミックス層５２Ｂは、例えば溶射法によってコーティングされる。金属結合層５２Ａは、セラミックス層５２Ｂより薄い。

本実施形態において、金属結合層５２Ａは、耐食性及び耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金で形成可能である。ＭＣｒＡｌＹ合金のＭは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ等の単独元素又は２種類以上の元素の組み合わせである。本実施形態において、セラミックス層５２Ｂは、ジルコニアセラミックス層である。ジルコニアセラミックス層としては、Ｙ_２Ｏ_３（添加量８ｗｔ％）等の安定化材で部分安定化された熱伝導率の低いＺｒＯ_２が用いられる。

金属結合層５２Ａは、基材５１とセラミックス層５２Ｂとの線膨張係数の差を小さくして熱応力を緩和し、セラミックス層５２Ｂが基材５１から剥離することを抑制する。セラミックス層５２Ｂは、高温のガス等が吹き付けられた際にも基材５１に熱を伝えにくいので、基材５１の表面温度が上昇することを抑制することができる。

金属結合層５２Ａは、真空又は減圧アルゴン雰囲気において低圧プラズマ溶射法を用いて溶射される。低圧プラズマ溶射における溶射温度は、約７００〜９００℃である。セラミックス層５２Ｂは、大気雰囲気において大気圧プラズマ溶射法を用いて溶射される。大気圧プラズマ溶射における溶射温度は、約１００〜５００℃である。

本実施形態においては、上述のような溶射が実行され、金属結合層５２Ａ及びセラミックス層５２Ｂが積層されることによって、遮熱膜５２が形成される。

給気口５３は、翼５０の内部から供給される冷却媒体を外部に吹き出して供給する。本実施形態において、冷却媒体は、気体である。基材５１には、その基材５１を貫通する孔５９が形成されている。

給気口５３から供給された冷却媒体の少なくとも一部は、翼５０の表面に冷却媒体の膜９０を形成して、翼５０の温度上昇を抑制する。本実施形態においては、給気口５３から空気が供給される。翼５０の温度上昇を抑制するために翼５０の表面に形成される冷却媒体の膜９０は、冷却フィルム等とも呼ばれる。以下の説明において、給気口５３から供給される冷却媒体によって、翼５０の表面に形成される冷却媒体の膜９０を適宜、冷却媒体膜９０、と称する。

なお、一例として、給気口５３の大きさ（直径）は、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。遮熱膜５２の厚みは、０．３ｍｍ〜０．６ｍｍ程度である。基材５１の厚みは、３ｍｍ程度である。

次に、給気口５３から冷却媒体を供給したときの翼５０の作用の一例について説明する。給気口５３から吹き出した冷却媒体は、オーバーハング部５２Ｈに当たるとともに、凹部５４の内側を流れる。給気口５３から供給され、凹部５４の内側を流れた冷却媒体は、間隙５８から凹部５４の外側に流出する。間隙５８は、第２部分５２２の表面に冷却媒体を導くように形成されており、間隙５８から流出した冷却媒体は、翼５０の表面（第２部分５２２の表面）に、冷却媒体膜９０を形成する。冷却媒体膜９０が形成されることによって、主流２００（燃焼ガス）が、翼５０の表面に熱をもたらすことを抑制することができる。したがって、翼５０の表面の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態によれば、凹部５４の内側に給気口５３を設け、その給気口５３から離れた位置で給気口５３と対向するオーバーハング部５２Ｈを有する遮熱膜５２を設けたので、給気口５３から供給された冷却媒体は、オーバーハング部５２Ｈに当たる。したがって、給気口５３から供給された冷却媒体が、翼５０の表面付近に留まらずに、主流２００に貫通することを抑制することができる。また、オーバーハング部５２Ｈが形成されているので、給気口５３から供給された冷却媒体を、翼５０の表面に円滑に導くことができ、その翼５０の表面の温度上昇を抑制することができる。また、遮熱膜５２を配置したことにより、基材５１の表面が熱で劣化してしまうことを抑制できる。また、オーバーハング部５２Ｈは遮熱膜５２で形成されているので、高温に耐えることができる。

また、オーバーハング部５２Ｈは、給気口５３より十分に大きいので、給気口５３から供給された冷却媒体が、翼５０の表面付近に留まらずに、主流２００に貫通することをより確実に抑制することができる。

また、主流２００が＋Ｘ側から−Ｘ側に流れる場合において、オーバーハング部５２Ｈが、−Ｘ側に延びるように形成されているので、給気口５３から供給された冷却媒体を、−Ｘ側に導くことができる。主流２００が＋Ｘ側から−Ｘ側に流れる場合、給気口５３に対して−Ｘ側の翼５０の表面を、給気口５３からの冷却媒体で冷却することができる。

また、本実施形態においては、凹部５４に第２面７２（斜面）が設けられているので、給気口５３から供給された冷却媒体は、オーバーハング部５２Ｈ及び第２面７２によってガイドされながら、−Ｘ側に円滑に流れることができる。したがって、給気口５３に対して−Ｘ側の翼５０の表面を、給気口５３からの冷却媒体で良好に冷却することができる。

また、給気口５３は、凹部５４の第１，第２，第３面７１，７２，７３のうち、基材５１の表面から最も遠い第３面７３に配置されているので、給気口５３から供給された冷却媒体を、凹部５４の内側に十分に行き渡らせることができる。したがって、冷却媒体膜９０のむら（冷却媒体の供給むら、冷却むら）の発生を抑制することができる。

また、給気口５３から吹き出した冷却媒体は、遮熱膜５２の第１部分５２１と第２部分５２２との間の間隙５８を介して流出するので、より一層、良好な冷却媒体膜９０を形成することができる。したがって、冷却むらの発生を抑制することができる。

また、本実施形態においては、間隙５８の大きさ（間隙５８全体の大きさ）が、給気口５３の大きさ（複数の給気口５３の大きさの総和）より大きいので、間隙５８から流出する冷却媒体の速度（流速）を抑制できる。したがって、冷却媒体膜９０を良好に形成することができ、間隙５８から流出する冷却媒体が、翼５０の表面付近に留まらずに、主流２００に貫通することを抑制することができる。また、冷却むらの発生をより一層低減することができる。

また、凹部５４をＺ軸方向に長くして、給気口５３を、所定間隔でＺ軸方向に複数配置することによって、冷却媒体の供給むら、ひいては冷却むらの発生をより一層低減することができる。

また、オーバーハング部５２Ｈを、Ｚ軸方向に長くすることによって、複数の給気口５３のそれぞれから供給された冷却媒体を、オーバーハング部５２Ｈによって、望みの部位へ良好にガイドすることができる。

次に、翼５０の製造方法の一例について、図５，図６，図７，及び図８を参照して説明する。なお、図５，図６，図７，及び図８の（ａ）図は、腹部５０Ａを＋Ｙ側から見た図であり、（ｂ）図は、（ａ）図の側断面図である。

まず、図５に示すように、基材５１の表面に、凹部５４及び給気口５３（孔５９）が形成される。例えば放電加工、ドリル加工、切削加工等によって、凹部５４及び給気口５３が形成される。

次に、図６に示すように、給気口５３を塞ぐように、凹部５４の内側にマスキング部材１６０が配置される。本実施形態において、マスキング部材１６０は、黒鉛である。マスキング部材１６０は、凹部５４に対応するように、Ｚ軸方向に長い。

次に、図７に示すように、基材５１の表面を覆うように、遮熱膜５２がコーティングされる。上述のように、遮熱膜５２は、例えば溶射法によって形成可能である。

図７に示すように、凹部５４の第２面７２に面するマスキング部材１６０の側面の少なくとも一部に遮熱膜５２が形成されないように、基材５１の表面の第１領域６１及び第２領域６２に、遮熱膜５２がコーティングされる。本実施形態においては、第２面７２にも、遮熱膜５２がコーティングされる。

また、本実施形態においては、マスキング部材１６０の上面と基材５１の表面の第１領域６１とがほぼ同一平面内に配置された状態で（面一の状態で）、遮熱膜５２がコーティングされる。

次に、マスキング部材１６０が除去される。マスキング部材１６０の除去は、マスキング部材１６０を加熱して消失させる処理を含む。黒鉛からなるマスキング部材１６０は、例えば８００℃程度に加熱すれば、燃焼して消失する。一方、マスキング部材１６０が消失（燃焼）する温度まで翼５０を加熱しても、基材５１及び遮熱膜５２には影響が殆どない。以上により、図８に示すように、本実施形態に係る翼５０が製造される。

なお、マスキング部材１６０は、黒鉛に限られず、例えばポリエチレン樹脂、フッ素樹脂等の合成樹脂、炭素繊維強化プラスチックなど、遮熱膜５２のコーティング時に給気口５３を塞ぐことができ、マスキング部材１６０を除去するときに、基材５１及び遮熱膜５２に影響を与えることなく消失（燃焼）できる材料であれば、任意の材料を用いることができる。

本実施形態の製造方法によれば、給気口５３を塞ぐようにマスキング部材１６０を配置した後、基材５１の表面及びマスキング部材１６０の上面を覆うように遮熱膜５２をコーティングし、その後、マスキング部材１６０を除去することによって、オーバーハング部５２Ｈを有する遮熱膜５２を容易に形成することができる。

また、図７に示したように、マスキング部材１６０の側面の少なくとも一部に遮熱膜５２が形成されないように、第１領域６１及び第２領域６２に遮熱膜５２をコーティングすることで、遮熱膜５２の少なくとも一部に、給気口５３からの冷却媒体を流出させる間隙５８を形成することができる。

また、マスキング部材１６０の上面と第１領域６１とがほぼ同一平面内に配置された状態で、遮熱膜５２をコーティングすることによって、遮熱膜５２の厚みをほぼ均一にすることができる。オーバーハング部５２Ｈと、第１領域６１に接続される遮熱膜５２の基部５２Ｋとの厚みをほぼ均一にすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、給気口５３から吹き出した冷却媒体が翼５０の表面付近に留まらずに、主流２００に貫通することを抑制しつつ、翼５０の表面に冷却媒体膜９０を良好に形成することができる。したがって、冷却媒体を有効に利用することができるため、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図９は、第２実施形態に係る翼５０の腹部５０Ａの一部を拡大した図、図１０は、図９の側断面図である。上述の第１実施形態と異なる第２実施形態の特徴的な部分は、凹部５４Ｂが、所定間隔で、Ｚ軸方向に複数形成されている点にある。図９及び図１０には、複数の凹部５４Ｂのうち、１つの凹部５４Ｂを代表して示す。

図９に示すように、ＸＺ平面内における凹部５４Ｂの形状は、台形状である。凹部５４Ｂにおいて、前縁部５０Ｃ側（＋Ｘ側）の辺は、後縁部５０Ｄ側（−Ｘ側）の辺より短い。給気口５３は、凹部５４Ｂのそれぞれに配置されている。図１０に示すように、凹部５４Ｂは、第１面７１と、傾斜した第２面７２と、第１面７１と第２面７２との間に配置される第３面７３とを有し、給気口５３は、第３面７３に配置されている。

遮熱膜５２は、第１部分５２１と第２部分５２２とを有し、オーバーハング部５２Ｈは、第１部分５２１に設けられている。オーバーハング部５２Ｈは、給気口５３から離れた位置で、給気口５３と対向するように配置される。

本実施形態においても、給気口５３から吹き出した冷却媒体が翼５０の表面付近に留まらずに、主流２００に貫通することを抑制しつつ、翼５０の表面に冷却媒体膜９０を良好に形成することができる。また、本実施形態によれば、１つの凹部５４Ｂの大きさが比較的小さいので、例えば圧力分布のある部材表面に対して、冷却媒体の流量を調節し、冷却媒体を有効に利用することが可能となる。したがって、冷却媒体の流量を削減することができ、ガスタービンの性能を向上することができる。

図１１，図１２，図１３，及び図１４は、本実施形態に係る翼５０の製造方法の一例を示す図である。なお、図１１，図１２，図１３，及び図１４の（ａ）図は、腹部５０Ａを＋Ｙ側から見た図であり、（ｂ）図は、（ａ）図の側断面図である。

図１１に示すように、基材５１の表面に、凹部５４Ｂ及び給気口５３（孔５９）が形成される。次に、図１２に示すように、給気口５３を塞ぐように、凹部５４Ｂの内側にマスキング部材１６０が配置される。次に、図１３に示すように、基材５１の表面を覆うように、遮熱膜５２がコーティングされる。次に、マスキング部材１６０が加熱されて除去される。以上により、図１４に示すように、本実施形態に係る翼５０が製造される。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図１５は、第３実施形態に係る翼５０の一部を示す側断面図である。上述の第１，第２実施形態と異なる第３実施形態の特徴的な部分は、オーバーハング部５２Ｈと第１領域６１に接続される遮熱膜５２の基部５２Ｋとに亘って、遮熱膜５２を補強する線状の補強部材１５０を設けた点にある。

図１５に示すように、オーバーハング部５２Ｈと基部５２Ｋとに亘るように、遮熱膜５２の内部に線状の補強部材１５０が配置されている。補強部材１５０は、例えば金属製のワイヤーである。補強部材１５０は、Ｘ軸方向に長い。補強部材１５０は、複数配置されている。補強部材１５０は、Ｚ軸方向に複数配置されている。なお、複数の補強部材１５０のうち、一部の補強部材１５０が、Ｚ軸方向に延びるように配置されてもよい。また、複数の線状の補強部材１５０を交差させて、メッシュ状の補強部材を形成してもよい。

図１５に示す翼５０を製造する場合、基材５１に凹部５４（５４Ｂ）及び給気口５３（孔５９）を形成し、給気口５３を塞ぐようにマスキング部材１６０を配置した後、基材５１（第１領域６１）の表面とマスキング部材１６０の上面とに亘って線状の補強部材１５０を配置する。そして、補強部材１５０が配置された状態で、遮熱膜５２をコーティングする。これにより、遮熱膜５２の内部に、補強部材１５０が配置される。その後、マスキング部材１６０を加熱して除去することによって、本実施形態に係る翼５０を製造することができる。

なお、上述の第１〜第３実施形態においては、オーバーハング部５２Ｈと給気口５３の全部とが対向する場合を例にして説明したが、オーバーハング部５２Ｈと給気口５３の一部とが対向するように配置してもよい。例えば、Ｘ軸方向に関するオーバーハング部５２Ｈの長さ（オーバーハング量）を短くして、給気口５３の一部がオーバーハング部５２Ｈと対向するようにしてもよい。

なお、上述の各実施形態においては、給気口５３から吹き出した冷却媒体の少なくとも一部は、その給気口５３と対向するオーバーハング部５２Ｈの裏面にほぼ垂直に供給されるが、例えばオーバーハング部５２Ｈの裏面に対して給気口５３（孔５９）が傾斜するように給気口５３（孔５９）を形成し、オーバーハング部５２Ｈの裏面に対して傾斜した方向から冷却媒体が供給されるようにしてもよい。

なお、上述の各実施形態においては、タービン動翼３３の翼５０に本願発明を適用する場合を例にして説明したが、もちろん、タービン静翼３２に適用してもよいし、圧縮機静翼１３及び圧縮機動翼１４の少なくとも一方に適用してもよい。また、翼に限られず、ガスタービン１００において高温に加熱される部材（高温部材）に本願発明を適用することができる。例えば、燃焼器ケーシング２４、あるいはタービンケーシング３１等に本願発明を適用することができる。ケーシング２４，３１に本願発明を適用する場合、例えばケーシング２４，４１の内面に、凹部及び給気口を設けるとともに、給気口に対向するオーバーハング部５２Ｈを有する遮熱膜５２を、ケーシング２４，４１の内面にコーティングする。遮熱膜５２をコーティングするには、マスキング部材１６０を用いて給気口５３が塞がれる。また、その遮熱膜５２に補強部材１５０を配置することができる。こうすることにより、ガスタービン１００の性能の低下を抑制できる。

第１実施形態に係るガスタービンの一例を示す図である。 第１実施形態に係る翼の一例を示す図である。 第１実施形態に係る翼の一部を示す平面図である。 第１実施形態に係る翼の一部を示す側断面図である。 第１実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第１実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第１実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第１実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第２実施形態に係る翼の一部を示す平面図である。 第２実施形態に係る翼の一部を示す側断面図である。 第２実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第２実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第２実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第２実施形態に係る翼の製造方法の一例を説明するための図である。 第３実施形態に係る翼の一部を示す側断面図である。

符号の説明

５０…翼、５１…基材、５２…遮熱膜、５２Ｈ…オーバーハング部、５２Ｋ…基部、５３…給気口、５４…凹部、５８…間隙、６１…第１領域、６２…第２領域、７１…第１面、７２…第２面、７３…第３面、１００…ガスタービン、１５０…補強部材、１６０…マスキング部材、５２１…第１部分、５２２…第２部分

Claims (18)

1. 基材と、
   前記基材の表面に形成された凹部と、
   前記凹部の内側に配置された給気口と、
   前記凹部の周囲の前記基材の表面の第１領域を覆うように前記基材に支持され、前記第１領域から前記凹部にオーバーハングして前記給気口から離れた位置で前記給気口と対向するオーバーハング部を有する遮熱膜と、を備えるガスタービン用部材。
2. 前記オーバーハング部は、前記給気口より大きい請求項１記載のガスタービン用部材。
3. 前記第１領域は、前記凹部に対して前記基材の表面とほぼ平行な第１方向の一側に配置され、
   前記オーバーハング部は、前記第１方向の他側に延びる請求項１又は２記載のガスタービン用部材。
4. 前記凹部は、前記給気口に対して前記第１方向の一側に配置され、前記第１領域と結ばれる第１面と、前記給気口に対して前記第１方向の他側に配置され、前記給気口から前記他側に向かって、前記凹部に対して前記第１方向の他側に配置された前記基材の表面の第２領域に近づくように傾斜する第２面とを有する請求項３記載のガスタービン用部材。
5. 前記給気口は、前記第１面と前記第２面との間の前記凹部の第３面に配置される請求項４記載のガスタービン用部材。
6. 前記遮熱膜は、前記オーバーハング部を有する第１部分と、前記第２領域及び前記第２面を覆うように配置された第２部分とを含み、
   前記給気口からの冷却媒体は、前記第１部分のエッジと前記第２部分との間に形成された間隙から流出する請求項４又５記載のガスタービン用部材。
7. 前記間隙は、前記第２部分の表面に前記冷却媒体を導く請求項６記載のガスタービン用部材。
8. 前記間隙は、前記給気口より大きい請求項６又は７記載のガスタービン用部材。
9. 前記凹部は、前記第１方向と交差する第２方向に長く、
   前記給気口は、所定間隔で前記第２方向に複数配置される請求項３〜８のいずれか一項記載のガスタービン用部材。
10. 前記オーバーハング部は、前記第２方向に長い請求項９記載のガスタービン用部材。
11. 前記凹部は、所定間隔で、前記第１方向と交差する第２方向に複数形成されている請求項３〜８のいずれか一項記載のガスタービン用部材。
12. 前記オーバーハング部と前記第１領域に接続される前記遮熱膜の基部とに亘って配置され、前記遮熱膜を補強する線状の補強部材を備える請求項１〜１１のいずれか一項記載のガスタービン用部材。
13. 前記補強部材は、前記遮熱膜の内部に配置されている請求項１２記載のガスタービン用部材。
14. 基材の表面に形成された凹部の内側に配置された開口を塞ぐようにマスキング部材を配置する処理と、
    前記基材の表面及び前記マスキング部材の上面を覆うように遮熱膜をコーティングする処理と、
    前記マスキング部材を除去する処理と、を含むガスタービン用部材の製造方法。
15. 前記凹部は、前記給気口に対して前記第１方向の一側に配置され、前記凹部に対して一側に配置された前記基材の表面の第１領域と結ばれる第１面と、前記給気口に対して前記第１方向の他側に配置され、前記給気口から前記他側に向かって、前記凹部に対して他側に配置された前記基材の表面の第２領域に近づくように傾斜する第２面と、前記第１面と前記第２面との間に配置され、前記開口が配置された第３面とを有し、
    前記第２面に面する前記マスキング部材の側面の少なくとも一部に遮熱膜が形成されないように、前記第１領域及び前記第２領域に前記遮熱膜をコーティングする請求項１４記載の製造方法。
16. 前記マスキング部材の上面と前記第１領域とがほぼ同一平面内に配置された状態で、前記遮熱膜をコーティングする請求項１５記載の製造方法。
17. 前記基材の表面と前記マスキング部材の上面とに亘って線状の補強部材が配置された状態で、前記遮熱膜をコーティングする請求項１４〜１６のいずれか一項記載の製造方法。
18. 前記除去は、前記マスキング部材を加熱して消失させる処理を含む請求項１４〜１７のいずれか一項記載の製造方法。

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