JP2005207300A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、シャンクにかかる応力を平準化し、亀裂が生じたり損傷したりする危険性を低減して、最適な設計が可能なタービン動翼を提供する。
【解決手段】 翼部と翼根とを連結するシャンクを備えたタービン動翼において、前記シャンクは、タービン回転時に発生する応力の分布がタービン半径方向に平準化されるように、そのシャンクのタービン半径方向中央部が、前記翼部のハブのプロフィルとは逆キャンバーとなる断面を有して成る。
【選択図】 なし

Description

本発明は、タービン動翼に関するものであり、更に詳しくは、ハブから翼根にかけて設けられるシャンクの形状に特徴を有するタービン動翼に関するものである。

従来より、このようなタービン動翼については、エンジンによって最適な設計が行われており、様々な形状がとられている。図３は、従来よりのタービン動翼の模式的な斜視図である。同図では、翼部のハブから翼根へかけてのシャンクの一般的な形状の一例を示している。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。

同図において、１は翼部であり、翼部１の下部即ちハブ側には、プラットフォーム２が固定されている。また、プラットフォーム２の下側には、図示しないタービンディスク側に固定される、横断面がクリスマスツリー状の翼根４と、これとプラットフォーム２とを連結するシャンク３が設けられている。このようなタービン動翼は、タービンディスク外周に配設され、全周に渡って取り付けられている。

シャンク３上部の平面断面ＡＡは、例えば図４（ａ）に示すように、略平行四辺形状若しくは長方形状であるか、或いは図４（ｂ）に示すように、翼部１のハブのプロフィルと同様の翼形状でキャンバーの方向（凹凸の側）が同じとなっている。一方、シャンク３の下部の平面断面ＣＣは、例えば図５に示すように、翼根４に合わせて略平行四辺形状若しくは長方形状となっている。この場合、シャンク３の中央部の平面断面ＢＢは、概ね断面ＡＡと断面ＣＣを直線で連続的に連結した際の断面となる（不図示）。即ち、略平行四辺形状若しくは長方形状であるか、或いは緩やかなキャンバーを有する翼形状となる。

その他、制振及びシーリング効果を向上したタービンブレード用一体型ダンパー／シールが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、プラットフォームに接触するダンパー部と、プラットフォームに対して接触及びシールを提供する、ダンパー部から半径方向内側に角度が付けられた、少なくともひとつのシール部とを有する構成としている。本文献には、発明内容と共にタービン動翼の一般的な構成が示されている。
特開平１０−１９６３０５号公報

しかしながら、上述したような従来のタービン動翼は、円筒面上を回転するといった幾何学的な理由から、ハブ（根元側）からチップ（先端側）にかけて捩れた形状となっている。実際のタービン回転時には、このタービン動翼に遠心力が作用することで、捩れのモーメントにより、動翼を取り付けている付け根となる翼の一部や、タービンディスクの一部に応力が立つ。この応力が、局所的にかかる為に多大な応力となる。

図６は、従来のタービン動翼の、シャンク下部で翼根との付け根部分にかかる応力の分布を示すグラフである。同図では横軸にタービン軸方向位置を取り、縦軸に応力を取っている。同図の左側がタービン駆動ガス上流側、右側が下流側である。同図において、曲線ａは圧縮側応力、曲線ｂは吸引側応力、曲線ｃは材料の許容応力を示している。同図の曲線ａで示したように、特に圧縮側端部で高い応力が発生している。

また図７は、従来のタービン動翼の、シャンクのタービン駆動ガス上流側にかかる応力の分布を模式的に示すグラフである。同図では横軸に応力を取り、縦軸にタービン半径方向位置を取っている。同図の上側がケーシング側、下側がハブ側である。同図に示すように、シャンクの上下部、特に下部即ちハブ側で高い応力が発生している。

つまり、図６の曲線ａ及び図７で示したように、シャンクの特にハブ側の圧縮側端部では高い応力が発生するため、ここから亀裂が生じたり損傷したりする危険性が高くなる。また、タービン動翼設計時に、当該各部位にかかる応力に制約され、最適な設計ができない可能性もある。場合によっては、タービン動翼の翼長を短くせざるを得ないが、これではエンジン等の性能を低下させる要因につながる。本発明は、以上のような問題点に鑑み、簡単な構成で、シャンクにかかる応力を平準化し、亀裂が生じたり損傷したりする危険性を低減して、最適な設計が可能な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、翼部と翼根とを連結するシャンクを備えたタービン動翼において、前記シャンクは、タービン回転時に発生する応力の分布がタービン半径方向に平準化されるように、そのシャンクのタービン半径方向中央部が、前記翼部のハブのプロフィルとは逆キャンバーとなる断面を有して成ることを特徴とする。

翼部と翼根とを連結するシャンクを備えたタービン動翼において、前記シャンクは、上端より所定の割合まで前記翼部のハブの平面断面をほぼ平行に下ろした形状となるように形成し、下端より所定の割合まで前記翼根上部の平面断面をほぼ平行に持ち上げた形状となるように形成して、残りの部分で応力の捩れ成分を吸収するようにして成ることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、シャンクにかかる応力を平準化し、亀裂が生じたり損傷したりする危険性を低減して、最適な設計が可能なタービン動翼を提供することができる。

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。従来技術では、翼根に近い応力集中部で過大な応力が発生していたが、その反面、シャンクの半径方向中間位置では、応力は非常に低いレベルとなっている。本発明では、タービン半径方向に応力を分散させることで、シャンクの当該部応力を低減し、応力の偏りも低減する。またこれにより、対応するタービンディスク側も同様に応力の偏りが無くなる。

図１は、本発明の実施例１にかかるタービン動翼の、シャンクの中央部の模式的な平面断面図である。同図は、上記従来例で述べた平面断面ＢＢに対応している。本実施例では、同図に示すように、シャンク３中央部は、翼部１のハブのプロフィル又は図４（ｂ）に示したようなシャンク上部での断面形状とは、キャンバーの方向（凹凸の側）が逆である逆キャンバーとなる断面を有している。これにより、シャンク３のタービン半径方向の応力分布が平準化され、亀裂が生じたり損傷したりする危険性が低減される。シャンクにかかる応力の平準化を施したタービン動翼を設計するにあたっては、応力解析プログラムとして例えばＮＡＳＴＲＡＮ等が用いられる。

図２は、本発明の実施例２にかかるタービン動翼の、タービン駆動ガス上流側から見た模式図である。本実施例では、まず、シャンク３の上部では応力が集中せず流れるようにするため、同図に示すように、シャンク３の全高を１００％とした場合、シャンク３の上端より２５％程度までの部分を、翼部１のハブの平面断面をほぼ平行に下ろした形状となるように形成している。

一方、シャンク３の下部でも応力が集中せず流れるようにするため、同図に示すように、シャンク３の下端より２５％程度までの部分を、翼根４上部の平面断面をほぼ平行に持ち上げた形状となるように形成している。そして、シャンク３中ほどの５０％部分で応力の捩れ成分を吸収する形状としている。

このとき、この５０％部分では応力が大きくなるので、これを吸収するため、矢印Ｄで示すようなタービン周方向に関するシャンク３の厚みを大きくする。或いは、この５０％部分において、実施例１の構成となるように、即ち、シャンク３中央部が、翼部１のハブのプロフィルのような翼形状とは逆キャンバーとなる断面を有している構成としても良い。

本発明の実施例１にかかるタービン動翼の、シャンクの中央部の平面断面図。 本発明の実施例２にかかるタービン動翼の、駆動ガス上流側から見た模式図。 従来よりのタービン動翼の模式的な斜視図。 従来よりのタービン動翼のシャンク上部の平面断面図。 従来よりのタービン動翼のシャンク下部の平面断面図。 従来のタービン動翼の、シャンク下部にかかる応力の分布を示すグラフ。 従来のタービン動翼の、シャンクの上流側にかかる応力の分布を示すグラフ。

符号の説明

１ 翼部
２ プラットフォーム
３ シャンク
４ 翼根

Claims (2)

1. 翼部と翼根とを連結するシャンクを備えたタービン動翼において、
   前記シャンクは、タービン回転時に発生する応力の分布がタービン半径方向に平準化されるように、そのシャンクのタービン半径方向中央部が、前記翼部のハブのプロフィルとは逆キャンバーとなる断面を有して成ることを特徴とするタービン動翼。
2. 翼部と翼根とを連結するシャンクを備えたタービン動翼において、
   前記シャンクは、上端より所定の割合まで前記翼部のハブの平面断面をほぼ平行に下ろした形状となるように形成し、下端より所定の割合まで前記翼根上部の平面断面をほぼ平行に持ち上げた形状となるように形成して、残りの部分で応力の捩れ成分を吸収するようにして成ることを特徴とするタービン動翼。

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