JP2005233140A - Turbine blade - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン等のターボ機械における、タービン翼の構造に関するものである。 The present invention, in the turbo machine such as a gas turbine, to a structure of the turbine blade.
従来より、ガスタービンを含むターボ機械では、静翼と動翼が配設されるエンドウォールの間に隙間が出来る構造となっている。図5は、このような従来のターボ機械の一種であるガスタービンにおける翼部の基本構造の一例を模式的に示す縦断面図である。同図に示すように、従来よりのガスタービンにおける翼部は、静翼1とその後方に配設された動翼2の段によって構成される。静翼1は、作動流体通路としての円環状の燃焼ガス流路3を形成するシュラウド4及びケーシング5の間に配設されている。
Conventionally, a turbomachine including a gas turbine has a structure in which a gap is formed between an end wall on which a stationary blade and a moving blade are disposed. FIG. 5 is a longitudinal sectional view schematically showing an example of a basic structure of a blade portion in a gas turbine which is a kind of such a conventional turbomachine. As shown in the figure, a blade portion in a conventional gas turbine is constituted by a stage of a stationary blade 1 and a moving
また動翼2は、タービンディスク(不図示)の外周に植設されており、ハブ側のプラットフォーム6とチップ側から少し隔てた外周側のケーシング7とにより、上記静翼1の段より連通する燃焼ガス流路3を形成している。そして、燃焼器(不図示)によって生成され静翼1により偏向された燃焼ガス流によって、動翼2及び前記タービンディスクが回転駆動されるようになっている。
The
このようなガスタービンにおいては、タービンディスクの回転を可能とするために、シュラウド4とプラットフォーム6との間には必然的に隙間8が設定されている。このとき、同図の矢印Aで示すように、燃焼ガス流が動翼2に当接すると、馬蹄形渦等と呼ばれる、部分的に流れが逆流する現象が生じ、燃焼ガス(タービン駆動ガス)が隙間8へ流れ込む場合がある。
In such a gas turbine, a
このようにして、燃焼ガス流路3を流れる高温の燃焼ガスが、隙間8を介してシュラウド4やプラットフォーム6の内側へ侵入すると、シュウラウド4の内側の構成部材やタービンディスクの中心側が燃焼ガスによって加熱され、劣化して耐久性が低下する等の不具合が生じる。このため、隙間8には燃焼ガスの流入を防ぐための図示しないシール部が形成されている。
In this way, the hot combustion gases flowing through the combustion gas flow path 3, and enters through the
さらに、図示しない圧縮機側からシュラウド4やプラットフォーム6の内側に、燃焼ガスより高圧の二次空気を供給して、シュウラウド4の内側の構成部材やタービンディスクを冷却するとともに、この二次空気を矢印Bで示すように隙間8から燃焼ガス流路3に流出させ、これによりシール効果を高めて、燃焼ガスの隙間8への流入を完全に防ぐようにしている。
Further, secondary air having a pressure higher than that of the combustion gas is supplied from the compressor side (not shown) to the inside of the
ところが、このように、二次空気を隙間8から燃焼ガス流路3に流出させるような構成では、圧力損失が生じて効率低下の原因となるという問題があった。そこで、二次空気によって燃焼ガスの内周ケーシング(本実施例ではシュラウド4やプラットフォーム6)の内側への流入を防ぎつつ効率向上を可能とする、ガスタービンの段落シール部構造が開示されている(例えば、特許文献1参照)。また、シール部のクリアランスコントロールを可能とし、もれ空気量を減少するガスタービンのシール装置が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、近年のガスタービン燃焼ガスの高温化、具体例として1350℃から1500℃への移行に伴い、上記各特許文献に記載されているようなシール構造のみでは不十分となってきている。そして、このような高温ガスが冷却対策を十分に施していない隙間へ流れ込むことによる、隙間周辺部位の耐久性,信頼性の低下といった、新たな問題が生じてきている。本発明は、このような問題点に鑑み、高温ガスの静翼と動翼との隙間への流れ込みを抑制し、耐久性及び信頼性を向上させたタービン翼を提供することを目的とする。 However, the high temperature of recent gas turbine combustion gases, with the transition from 1350 ° C. Examples to 1500 ° C., with only seal structure as described in the above patent documents has become insufficient. Further, new problems such as a decrease in durability and reliability of a portion around the gap have arisen due to such high-temperature gas flowing into the gap where cooling measures are not sufficiently taken. In view of such problems, an object of the present invention is to provide a turbine blade in which high temperature gas is prevented from flowing into a gap between a stationary blade and a moving blade, and durability and reliability are improved.
上記目的を達成するために、本発明では、タービン駆動ガスの上流側に配設される上流側翼と、その下流側に配設される下流側翼とより成るタービン翼において、前記下流側翼に当接した前記タービン駆動ガスが逆流して前記上流側翼と前記下流側翼との隙間に流れ込まないように、前記下流側翼の前縁近傍ハブ面に盛り上げ部を設けたことを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention, the upstream-side blade which is disposed upstream of the turbine driving gas, in a more composed turbine blades and downstream blades disposed on the downstream side, abuts the downstream blade wherein as turbine drive gas does not flow into the gap of reflux to said upstream blade and the downstream blades, and is characterized in that a raised portion in proximity to the leading edge hub surface of said downstream wing.
また、前記上流側翼及び下流側翼のいずれか一方が静翼であり、他方が動翼であることを特徴とする。 Further, either one of the upstream blade and the downstream blade is stationary blade, and the other is a moving blade.
また、以下の条件式を満足することを特徴とする。
120゜≦θ≦150゜
但し、θはL1とL2とがなす角度であり、
L1:上流側翼の後縁ハブ点と上流側翼のハブ面下流端点が通る直線
L2:下流側翼のハブ面上流端点と下流側翼前縁上流のハブ面上の点が通る直線
であって、前記下流側翼前縁上流のハブ面上の点は、下流側翼のハブ面上流端点と下流側翼の前縁ハブ点が通る直線との距離が、タービン外径側で一番遠い点である。
Further, the following conditional expression is satisfied.
120 ° ≦ theta ≦ 0.99 ° However, theta is the angle between L1 and L2,
L1: A straight line through which the trailing edge hub point of the upstream wing and the hub surface downstream end point of the upstream wing pass L2: A straight line through which a point on the hub surface upstream of the downstream wing and a point on the hub surface upstream of the downstream blade leading edge passes through the downstream side The point on the hub surface upstream of the side blade leading edge is the farthest point on the turbine outer diameter side between the upstream surface of the hub surface of the downstream blade and the straight line passing through the front edge hub point of the downstream blade.
また、前記下流側翼のハブ面上流端点が、前記L1よりタービン内径側にあることを特徴とする。 Further, the hub surface upstream end point of the downstream blade is located on the turbine inner diameter side from the L1.
また、前記下流側翼前縁上流のハブ面上の点が前記L1よりタービン外径側にあり、以下の条件式を満足することを特徴とする。
D>0.25Tmax
或いは
D>0.05Rht
但し、
D:下流側翼前縁上流のハブ面上の点とL1との距離
Tmax:下流側翼の最大翼厚さ
Rht:下流側翼のガスパス高さ
である。
Further, there is a turbine outer diameter side than the L1 is a point on the downstream blade leading edge upstream of the hub surface, and satisfies the following conditional expression.
D> 0.25Tmax
Or D> 0.05 Rht
However,
D: distance between a point and L1 on the downstream blade leading edge upstream of the hub surface Tmax: maximum blade thickness of the downstream-side blade Rht: a gas path height downstream wing.
また、前記下流側翼の前縁ハブ点と前記下流側翼前縁上流のハブ面上の点との、タービン駆動ガス流方向の距離が、下流側翼前縁円弧半径或いは楕円弧短軸半径より小さいことを特徴とする。 Further, the point on the hub surface of the downstream blade leading edge upstream the leading edge hub point of the downstream blade, the distance of the turbine drive gas flow direction, the downstream blade leading smaller than edge arc radius or elliptic minor axis radius and it features.
その他、前記下流側翼の前縁近傍チップ面に盛り上げ部を設けたことを特徴とする。 In addition, a raised portion is provided on the tip surface near the leading edge of the downstream blade.
本発明によれば、高温ガスの静翼と動翼との隙間への流れ込みを抑制し、耐久性及び信頼性を向上させたタービン翼を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a suppressing flow into the gap between the vanes and the rotor blades of the high-temperature gas turbine blade having improved durability and reliability.
具体的には、下流側翼に当接したタービン駆動ガスが逆流して上流側翼と下流側翼との隙間に流れ込まないように、下流側翼の前縁近傍ハブ面に盛り上げ部を設けた構成とすることにより、動翼ハブフロントキャビティー内や静翼ハブフロントキャビティー内等への高温ガスの進入低減を図り、タービンディスクやタービンローター、或いは静翼シュラウド上流端面の高温酸化を低減することが可能となる。 Specifically, as abutting turbine drive gas on the downstream side blade does not flow into the gap between the upstream blade and the downstream-side blade and reflux, to a structure provided with raised portions in proximity to the leading edge hub surface of the downstream-side blade Accordingly, achieving penetration reduction of hot gas into the rotor blade hub front cavity and the stationary blade hub front cavity or the like, can be reduced turbine disks and turbine rotors, or the high temperature oxidation of the vane shroud upstream end face Become.
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。まず、上述した燃焼ガスの逆流を抑制するコンセプトについて述べる。図1は、このような逆流抑制のコンセプトについて模式的に示す図である。同図(a)は従来の構成、同図(b)は本発明に適用される構成を示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a concept for suppressing the above-described backflow of combustion gas will be described. Figure 1 is a diagram schematically showing the concept of such a backflow inhibiting. FIG. 2A shows a conventional configuration, and FIG. 2B shows a configuration applied to the present invention.
まず、同図(a)に示すように、壁面11より上方に延びる円柱等の遮蔽物12が存在するとする。遮蔽物12に向かうガスの流れは、境界層理論に従い、矢印Cで示すように、壁面11近傍では流速が遅く、遠方では速くなっている。このため、矢印Dで示すように、遮蔽物12に当接した流れは渦を巻き、結果として壁面11のごく近傍の流れは逆流する。
First, it is assumed that there is a
この逆流領域Eを小さくするために、同図(b)に示すように、遮蔽物12の前面近傍で、壁面11を適切な高さだけ11aのように盛り上げる。これにより、矢印Daのようにガスの上向きの流れを誘起させ、壁面近傍の渦を小さくし、結果として逆流領域E上流端の遮蔽物12からの距離を短く抑制する。
In order to reduce this back flow region E, as shown in FIG. (B), the front vicinity of the
図2は、本発明の実施例1に係るタービン翼の要部を模式的に示す縦断面図である。本実施例では、上述したような燃焼ガス逆流抑制のコンセプトに従い、タービン駆動ガスの上流側翼である静翼に対し、下流側翼である動翼の前縁近傍壁面(ハブ面)をタービンの回転半径方向外側へ盛り上げた構成としている。具体的には、動翼2前縁近傍のプラットフォーム6上に、盛り上がり部6aを設けた構成としている。なお、静翼1後縁を1aとし、動翼2前縁を2aとしている。但し、上流側翼を動翼とし、下流側翼を静翼としても良い。この構成については後述する。同図の各点及び各線を以下のように定義する。
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view schematically showing a main part of the turbine blade according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, in accordance with the concept of combustion gas backflow inhibition as described above, with respect to the stationary blade on the upstream side blades of the turbine driving gas, the rotor blade leading edge near the wall rotate (hub side) of the turbine radius is the downstream-side blade The configuration is raised outward in the direction. Specifically, the raised
X:タービン軸方向を示す座標
R:タービンの回転半径方向を示す座標
(X1,R1):静翼1の後縁ハブ点
(X2,R2):静翼1のハブ面下流端点
(X3,R3):動翼2のハブ面上流端点
(X4,R4):動翼2の前縁ハブ点
(X0,R0):動翼2前縁上流のハブ面上の点であり、(X3,R3)と(X4,R4)を結ぶ直線との距離が、タービン外径側で一番遠い点
L1:(X1,R1)と(X2,R2)が通る直線
L2:(X3,R3)と(X0,R0)が通る直線
θ: L1とL2とがなす角度
X: coordinate shows the turbine axis R: coordinates indicating the radial direction of the turbine (X1, R1): trailing hub point of the stationary blade 1 (X2, R2): hub surface downstream end points of the stationary blade 1 (X3, R3 ): Hub surface upstream end point of moving blade 2 (X4, R4): Leading edge hub point of moving blade 2 (X0, R0): Point on the hub surface upstream of moving
ここで、以下の各条件を満たすことが望ましい。
1.120゜≦θ≦150゜
2.(X3,R3)がL1よりタービン内径側にある。
3.(X0,R0)がL1よりタービン外径側にあり、以下の条件式を満足する。
D>0.25Tmax
或いは
D>0.05Rht
但し、
D:(X0,R0)とL1との距離
Tmax:動翼2の最大翼厚さ
Rht:動翼2のガスパス高さ
である。
4. (X4−X0)<(動翼2前縁円弧半径、或いは楕円弧短軸半径)
Here, it is desirable to satisfy the following conditions.
1.120 ° ≦ θ ≦ 150 ° (X3, R3) is on the turbine inner diameter side from L1.
3. (X0, R0) is in the turbine outer diameter side than L1, to satisfy the following condition.
D> 0.25Tmax
Or D> 0.05 Rht
However,
D: (X0, R0) and the distance between L1 Tmax: maximum blade thickness of the
4). (X4-X0) <(moving
条件1.及び条件4.は、動翼2前縁近傍の盛り上がり部6aが適切な位置となるための条件である。また条件2.は、燃焼ガスが隙間8へ直接入り込み難くするための条件である。更に条件3.は、燃焼ガスの境界層高さより盛り上がり部6aが高くなるようにするための条件である。ここでのガスパス高さRhtとは、動翼2の前縁ハブ点から上記ケーシング7までの高さである(図5参照)。
Condition 1. And
なお、上記条件4.は、動翼前縁近傍の盛り上がり位置を決めるものであり、図3に示すように、動翼2の平面断面において、前縁部に内接する円或いは楕円の径を基準とするものである。即ち、同図(a)に示すように、前縁部に内接する円の半径rを基準長さとするか、同図(b)に示すように、翼の長手方向に長軸aが沿って内接する楕円の、短軸bの半分の長さを基準長さとする。
The
このとき、同図の破線で示すように、盛り上がり部6aの頂点を動翼2前縁より燃焼ガス上流側に基準長さの範囲内で配置すれば良いが、更に図4の破線で示すように、盛り上がり部6aの頂点を前縁部に沿うようにして2次元的に分布させても良い。この場合、2次元的に分布させる範囲は、具体的には例えば、円或いは楕円が前縁部に内接する範囲が、その中心Oで成す角度範囲としても良い。
At this time, as shown by the broken line in the figure, the apex of the swelled
さて、本実施例では、図2に示したように、燃焼ガスの上流側から静翼,動翼の順序で配置し、動翼2の前縁部近傍のプラットフォーム6上に盛り上がり部6aを設けたことにより、隙間8からの動翼ハブフロントキャビティー内等への高温ガスの進入低減を図り、これによりタービンディスクやタービンローターの高温酸化を低減している。
Now, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the stationary blade from an upstream side of the combustion gases, placed at the rotor blades of the order, the raised
一方、図2の場合とは逆に、燃焼ガスの上流側から動翼,静翼の順序で配置し、静翼の前縁部近傍のシュラウド上に盛り上がり部を設けることにより、静翼ハブフロントキャビティー内等への高温ガスの進入低減を図り、これにより静翼シュラウド上流端面の高温酸化を低減することができる。この構成は、以下の各例においても適用可能である。 On the other hand, contrary to the case of FIG. 2, the moving blades and the stationary blades are arranged in this order from the upstream side of the combustion gas, and a raised portion is provided on the shroud in the vicinity of the leading edge portion of the stationary blades. It is possible to reduce the high temperature gas intrusion into the cavity or the like, thereby reducing the high temperature oxidation of the upstream end face of the stationary blade shroud. This configuration can also be applied to the following examples.
また、図2に示したように、L1の傾きを正とする、即ち静翼1下流側のハブ面がタービン外径側に上がる構成とすることにより、燃焼ガスの境界層が減少し、上述した動翼ハブフロントキャビティー内等への高温ガスの進入低減の効果がより顕著に得られる。或いは、図2とは異なり、L1の傾きをゼロとする、即ち静翼1下流側のハブ面を水平とすることにより、上流側の翼形状等は変更せずに本発明が適用可能となり、コストの低減を図ることができる。或いは、ガスパスを下流に向かって広げる必要がある場合は、図2とは逆に、L1の傾きを負とする、即ち静翼1下流側のハブ面がタービン内径側に下がる構成とする必要がある。 Further, as shown in FIG. 2, by setting the inclination of L1 to be positive, that is, by setting the hub surface on the downstream side of the stationary blade 1 to the turbine outer diameter side, the boundary layer of the combustion gas is reduced, and the above-mentioned The effect of reducing the entry of high-temperature gas into the rotor blade front cavity or the like is more remarkable. Alternatively, unlike FIG. 2, a zero inclination of L1, namely by a hub surface of the stationary blade 1 downstream and horizontal, blade shape of the upstream side becomes the present invention can be applied without changing, Cost can be reduced. Or, when it is necessary to widen the gas path toward the downstream, contrary to FIG. 2, it is necessary that the inclination of L1 is negative, that is, the hub surface on the downstream side of the stationary blade 1 is lowered to the turbine inner diameter side. is there.
その他、図2は各翼のハブ側の構造を示しているが、チップ側も同じ構造にすることができる。即ち、ハブ側の構造を上下反転させたような形でチップ側にも設けることにより、チップ側のシュラウド,翼環の高温酸化の低減を図ることができる。 In addition, FIG. 2 shows the structure on the hub side of each wing, but the tip side can also have the same structure. That is, the high temperature oxidation of the shroud and blade ring on the tip side can be reduced by providing the tip side with the hub side structure turned upside down.
なお、上記図4に示したように、盛り上がり部を2次元的に分布させる構成とすることにより、タービン周方向に配設される翼と翼との隙間に対する流れ込みを防止することが可能となる。また、この構成を動翼に用いた場合はプラットフォームの、静翼に用いた場合はシュラウドの、それぞれ周方向端面の高温酸化の低減を図ることが可能となる。 Note that, as shown in FIG. 4 described above, it is possible to prevent inflow into the gap between the blades arranged in the turbine circumferential direction by adopting a configuration in which the rising portions are distributed two-dimensionally. . Further, when this configuration is used for a moving blade, it is possible to reduce high-temperature oxidation of the circumferential end surface of the platform, and when used for a stationary blade, the shroud.
1 静翼
2 動翼
3 燃焼ガス流路
4 シュラウド
5 ケーシング
6 プラットフォーム
7 ケーシング
8 隙間
1
Claims (7)
120゜≦θ≦150゜
但し、θはL1とL2とがなす角度であり、
L1:上流側翼の後縁ハブ点と上流側翼のハブ面下流端点が通る直線
L2:下流側翼のハブ面上流端点と下流側翼前縁上流のハブ面上の点が通る直線
であって、前記下流側翼前縁上流のハブ面上の点は、下流側翼のハブ面上流端点と下流側翼の前縁ハブ点が通る直線との距離が、タービン外径側で一番遠い点である。 Turbine blade according to claim 1 or claim 2, characterized by satisfying the following conditional expression.
120 ° ≦ θ ≦ 150 ° However, θ is an angle formed by L1 and L2.
L1: A straight line through which the trailing edge hub point of the upstream wing and the hub surface downstream end point of the upstream wing pass L2: A straight line through which a point on the hub surface upstream of the downstream wing and a point on the hub surface upstream of the downstream blade leading edge passes through the downstream side The point on the hub surface upstream of the side blade leading edge is the farthest point on the turbine outer diameter side between the upstream surface of the hub surface of the downstream blade and the straight line passing through the front edge hub point of the downstream blade.
D>0.25Tmax
或いは
D>0.05Rht
但し、
D:下流側翼前縁上流のハブ面上の点とL1との距離
Tmax:下流側翼の最大翼厚さ
Rht:下流側翼のガスパス高さ
である。 The downstream blade leading there than the points on the hub surface of the edge upstream L1 to the turbine outer diameter side, the turbine blade according to claim 3 or claim 4, characterized by satisfying the following conditional expression.
D> 0.25Tmax
Or D> 0.05 Rht
However,
D: distance between a point and L1 on the downstream blade leading edge upstream of the hub surface Tmax: maximum blade thickness of the downstream-side blade Rht: a gas path height downstream wing.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004045627A JP2005233140A (en) | 2004-02-23 | 2004-02-23 | Turbine blade |
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Cited By (2)
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JP2014199059A (en) * | 2014-07-30 | 2014-10-23 | 三菱重工業株式会社 | End wall member and gas turbine |
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2004
- 2004-02-23 JP JP2004045627A patent/JP2005233140A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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