JP2005207294A

JP2005207294A - タービン動翼

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Publication number: JP2005207294A
Application number: JP2004013979A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hiyama; 貴志檜山; Eisaku Ito; 栄作伊藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP4191621B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、翼端部に設けたシュラウドに発生する応力が大幅に低減されるタービン動翼を提供する。
【解決手段】シュラウド２の縁取りをするようにして、コンタクトリブ３の端部とフィン４端部とを連結するように補強リブ５を設けている。具体的には、コンタクトリブ３の動翼側端部とタービン駆動ガス上流側のフィン４端部とを連結するように補強リブ５ａを設け、またコンタクトリブ３のタービン周方向端部側の端部とタービン駆動ガス下流側のフィン４端部とを連結するように補強リブ５ｂを設けている。これにより、シュラウド２の高応力部位を直接補強することで、シュラウド２に発生する応力を大幅に低減している。
【選択図】図１

Description

本発明は、翼端部にシュラウドが設けられたタービン動翼に関するものである。

従来より、例えばガスタービン動翼において、その翼端部にシュラウドを設けたものがある。これは、主としてタービン駆動ガス下流側に配設される長尺の動翼において、タービン高速回転時に発生する可能性のある大きな振動を、隣接して設けた各動翼のシュラウド同士で抑制するようにしたものである。また、このシュラウド外周面上でタービン周方向にフィンを単数或いは複数列設けることにより、ケーシング内周面との間に形成される隙間からタービン駆動ガスが流出するのを防止するとともに、シュラウドが撓まないように補強している。なお、シュラウド外周面はタービン外側面に相当し、ケーシング内周面と対向する面となっている。

図９は、このような従来よりのタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。同図の左側がタービン駆動ガス上流側、右側が下流側となっている。また、上下方向がタービン周方向である。同図に示すように、高速回転して駆動力を出力する動翼１の破線で示す翼端部には、タービン外周に沿って湾曲した略平板状のシュラウド２が固着されている。これは、高速回転時の動翼１に振動が発生した場合に、これを２点鎖線で示したように隣接して設けたシュラウド２同士が当接することにより抑制するようにしたものである。このシュラウド２は、タービン全周に渡って設けられる。

また、シュラウド２同士の隣接部となる各シュラウド２のタービン周方向両端部には、シュラウド２の外周面２ａ上に突出させた略直方体状のコンタクトリブ３が設けられている。コンタクトリブ３は、その長手方向がシュラウド２の外周面２ａ上でタービン周方向に対して例えば４５゜等の角度を成しており、この外側面が当接面３ａとなっていて、互いに隣接するシュラウド２のコンタクトリブ３同士がこの当接面３ａで当接する。このように、シュラウド２同士を広い面で当接させることにより、シュラウド２同士が支えあうことにより反力を分散させるとともに、シュラウド２同士の当接が外れることのないようにしている。

また、シュラウド２の外周面２ａには、タービン周方向に２列のフィン４が立設されており、これらの間にコンタクトリブ３が位置している。このフィン４は、回転する動翼１の翼端と静止する図示しないケーシングの内周面との間に形成される隙間を塞ぐことにより、この隙間からタービン駆動ガスが下流側へと流出してタービン効率が低下するのを防止するとともに、シュラウド２が回転による遠心荷重や振動等により撓まないように補強している。なお、フィン４は２列に限定されるものではなく、１列或いは３列以上としても良い。

その他、フィン間に形成されるキャビティ内の静圧を上げて、チップシュラウド翼の下面から上面へ抜けてキャビティ内に流入する主流ガスの流量を少なくし、翼端部の冷却効果を向上させて、クリープ寿命を長くできるガスタービンチップシュラウド翼が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、チップシュラウド翼の外周面上を周方向に２列配設されたフィンのうち、上流側フィンの背高が下流側のフィンよりも小さくされている構成としている。
特開平１０−３１７９０５号公報

しかしながら、近年のタービン高出力化に伴う大容量化により、動翼が長翼化して翼高さが高くなり、回転時の遠心荷重及び振動が増大してきている。このため、シュラウドの軽量化が求められているが、その一方で、上述したような従来の構成においては、コンタクトリブの付け根部に発生する過大な応力により、亀裂等の損傷が生じる恐れがある。これについて、以下に具体的に説明する。

図１０は、上述した従来よりのタービン動翼のシュラウドにおける応力分布を示した図（応力コンタ図）である。同図に示すように、コンタクトリブ３の当接面３ａには、隣接するシュラウド２からの矢印ａのような力が加わり、これに伴いコンタクトリブ３の動翼側付け根部付近より動翼１の前縁或いは後縁にかけて、動翼１の両側に矢印ｂのような応力流れが生じる。このときの流れに沿った領域が、隣接するコンタクトリブ３が互いに押し合うことにより発生する高応力領域Ａ１となる。

一方、動翼１の回転に伴う遠心力により、コンタクトリブ３自体の重量でシュラウド２端部が捲れ上がろうとするので、これにより、コンタクトリブ３のタービン周方向端部側付け根部付近には高応力部Ａ２が発生する。このように、コンタクトリブ３の付け根部等には過大な応力が発生するので、これにより、亀裂等の損傷が生じる恐れがある。

本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で、翼端部に設けたシュラウドに発生する応力が大幅に低減されるタービン動翼を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、翼端部に固着されるシュラウドと、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、前記フィンと前記コンタクトリブとを連結する補強リブを備えたことを特徴とする。そして、前記補強リブは、前記シュラウドを縁取りするように設けられることを特徴とする。

また、翼端部に固着されるシュラウドと、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブ同士を連結する連結フィンを備えたことを特徴とする。

また、翼端部に固着されるシュラウドと、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、前記フィンにより、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブ同士を連結するようにして成ることを特徴とする。

また、翼端部に固着されるシュラウドと、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブ間を埋めるようにして１列のコンタクトリブを形成したことを特徴とする。

また、翼端部に固着されるシュラウドと、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向に２列に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、前記シュラウドの高応力領域を横切るように配置され、前記２列のフィン同士を連結する連結リブを設けたことを特徴とする。

また、翼端部に固着されるシュラウドと、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、前記フィンにおける前記シュラウドの高応力領域を横切る部分を他の部分より厚くしたことを特徴とする。

また、翼端部に固着されるシュラウドと、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、前記シュラウドにおいて、そのシュラウドの高応力領域を含み、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブのうち一方のコンタクトリブからタービン動翼前縁までに渡る区域、及び他方のコンタクトリブからタービン動翼後縁までに渡る区域を、他の区域より厚くしたことを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、翼端部に設けたシュラウドに発生する応力が大幅に低減されるタービン動翼を提供することができる。

具体的には、フィンとコンタクトリブとを連結する補強リブを備えたことにより、シュラウドの高応力部位を直接補強することで、シュラウドに発生する応力を大幅に低減することができる。

また、シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブ同士を連結する連結フィンを備えたことにより、コンタクトリブを補強し、シュラウドの高応力部位に発生する応力を低減することができる。

また、フィンによりシュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブ同士を連結する構成とすることにより、コンタクトリブを補強し、シュラウドの高応力部位に発生する応力を低減することができる。

また、シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブ間を埋めるようにして１列のコンタクトリブを形成したことにより、コンタクトリブを補強し、シュラウドの高応力部位に発生する応力を低減することができる。

また、シュラウドの高応力領域を横切るように配置され、２列のフィン同士を連結する連結リブを設けたことにより、シュラウドの高応力部位に発生する応力を低減することができる。

また、フィンにおけるシュラウドの高応力領域を横切る部分を他の部分より厚くしたことにより、シュラウドの高応力部位に発生する応力を低減することができる。

また、シュラウドにおいて、そのシュラウドの高応力領域を含み、そのシュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブのうち一方のコンタクトリブからタービン動翼前縁までに渡る区域、及び他方のコンタクトリブからタービン動翼後縁までに渡る区域を、他の区域より厚くしたことにより、シュラウドの高応力部位に発生する応力を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、従来のタービン動翼のシュラウドにおける主として高応力部に補強を行うことで、シュラウドに発生する応力を大幅に低減している。

図１は、本発明の実施例１に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。同図の左側がタービン駆動ガス上流側、右側が下流側となっている。そして、上下方向がタービン周方向である。また、図２は本実施例に係るシュラウドの要部斜視図である。本実施例では、各図に示すように、シュラウド２の縁取りをするようにして、コンタクトリブ３の端部とフィン４端部とを連結するように補強リブ５を設けている。

具体的には、コンタクトリブ３の動翼側端部とタービン駆動ガス上流側のフィン４端部とを連結するように補強リブ５ａを設け、またコンタクトリブ３のタービン周方向端部側の端部とタービン駆動ガス下流側のフィン４端部とを連結するように補強リブ５ｂを設けている。これにより、シュラウド２の高応力部位を直接補強することで、シュラウド２に発生する応力を大幅に低減している。補強リブ５ａ，５ｂは、両方同時に設けて補強する必要がある。例えば、補強リブ５ｂのみによる補強では、段落〔０００８〕で述べたように、コンタクトリブ３の動翼側付け根部付近の剛性が低下するために、高応力領域Ａ１が発生する。

一例として、上記高応力部Ａ２に発生していた応力が、本実施例の構成を採ることにより、数分の１（１／５〜１／８程度）に低減されている。なお、補強リブ５ａを補強リブ５ｂと同じ側に設け、ここでのコンタクトリブ３を同じ側のフィン４に連結するようにしても良い。

図３は、本発明の実施例２に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。本実施例では、同図に示すように、シュラウド２のタービン周方向両端部のコンタクトリブ３同士を連結する連結フィン６を設け、フィン４と合わせて３列のフィンとなるようにしている。このような連結フィン６によりコンタクトリブ３を補強し、シュラウド２の高応力部位に発生する応力を低減している。

図４は、本発明の実施例３に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。本実施例では、同図に示すように、２列のフィン４の配設幅を従来より内側に寄せて、これら２列のフィン４により、シュラウド２のタービン周方向両端部のコンタクトリブ３同士を連結している。そして、このようなフィン４によりコンタクトリブ３を補強し、シュラウド２の高応力部位に発生する応力を低減している。また、２列のフィン４を内側に寄せた位置とすることにより、シュラウド２の各フィン４外側部分（タービン駆動ガス上流側及び下流側部分）を削減し、シュラウド２を軽量化することができる。

図５は、本発明の実施例４に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。本実施例では、同図に示すように、上記フィン４の代わりに、上記コンタクトリブ３間を埋めるようにして１列のコンタクトリブ７を形成し、シュラウド２の高応力部位に発生する応力を低減している。また上記フィン４を取り外した構成としているので、これにより、シュラウド２のタービン駆動ガス上流側及び下流側部分を削減し、シュラウド２を軽量化することができる。

図６は、本発明の実施例５に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。本実施例では、同図に示すように、動翼１の両側において、２列のフィン４同士を連結するように連結リブ８を設けた構成としている。この連結リブ８は、図１０で示した高応力領域Ａ１を横切るように配置され、ここでの応力を低減するようにしている。連結リブ８とコンタクトリブ３の長手方向との成す角度は、０゜即ち平行か或いは±１０゜程度以内とする。この場合、応力の流れに応じて連結リブ８の最適な取付角度，取付位置，厚み，及び高さ等を応力解析により求めて実施する。

図７は、本発明の実施例６に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。本実施例では、同図に示すように、フィン４の全長を１００％とした場合、各フィン４の一端より２５％〜７５％の部分を厚くする構成としている。そして、この肉厚部４ａで、図１０で示した高応力領域Ａ１を横切るようにして、ここでの応力を低減するようにしている。

この場合、シュラウド２の外周面２ａの高応力領域は、その他の部分と比較して約２倍の応力を示しているので、平均的な応力を下げるという意味で、フィン４の上記２５％〜７５％の部分の厚みを、元の１〜２倍の範囲で取る構成としている。

図８は、本発明の実施例７に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図である。本実施例では、応力の流れているラインに沿って、シュラウド２の外周面２ａを盛り上げ、この部分を厚くして応力を低減する。具体的には、斜線部２ａａで示すように、図１０で示した高応力領域Ａ１に沿って、これを含み一方のコンタクトリブ３から動翼１前縁までに渡る区域、及び他方のコンタクトリブ３から動翼１後縁までに渡る区域を厚くする。そして、この厚みを元の１〜２倍の範囲で取る構成としている。これにより、高応力領域Ａ１での応力を低減するようにしている。

実施例１に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。本実施例に係るシュラウドの要部斜視図。実施例２に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。実施例３に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。実施例４に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。実施例５に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。実施例６に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。実施例７に係るタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。従来よりのタービン動翼のシュラウドをタービン外側より見た図。従来よりのタービン動翼のシュラウドにおける応力分布を示した図。

符号の説明

１動翼
２シュラウド
２ａ外周面
３コンタクトリブ
３ａ当接面
４フィン
４ａ肉厚部
５補強リブ
６連結フィン
７コンタクトリブ
８連結リブ
Ａ１高応力領域
Ａ２高応力部

Claims

翼端部に固着されるシュラウドと、該シュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、
前記フィンと前記コンタクトリブとを連結する補強リブを備えたことを特徴とするタービン動翼。
前記補強リブは、前記シュラウドを縁取りするように設けられることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
翼端部に固着されるシュラウドと、該シュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、
前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブ同士を連結する連結フィンを備えたことを特徴とするタービン動翼。
翼端部に固着されるシュラウドと、該シュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、
前記フィンにより、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブ同士を連結するようにして成ることを特徴とするタービン動翼。
翼端部に固着されるシュラウドと、該シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、
前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブ間を埋めるようにして１列のコンタクトリブを形成したことを特徴とするタービン動翼。
翼端部に固着されるシュラウドと、該シュラウドの外周面上でタービン周方向に２列に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、
前記シュラウドの高応力領域を横切るように配置され、前記２列のフィン同士を連結する連結リブを設けたことを特徴とするタービン動翼。
翼端部に固着されるシュラウドと、該シュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、
前記フィンにおける前記シュラウドの高応力領域を横切る部分を他の部分より厚くしたことを特徴とするタービン動翼。
翼端部に固着されるシュラウドと、該シュラウドの外周面上でタービン周方向に設けられるフィンと、前記シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられるコンタクトリブとを有し、互いに隣接する前記シュラウドの前記コンタクトリブ同士がその当接面で当接するようにして成るタービン動翼において、
前記シュラウドにおいて、該シュラウドの高応力領域を含み、該シュラウドの外周面上でタービン周方向両端部に設けられる前記コンタクトリブのうち一方のコンタクトリブからタービン動翼前縁までに渡る区域、及び他方のコンタクトリブからタービン動翼後縁までに渡る区域を、他の区域より厚くしたことを特徴とするタービン動翼。