JP2008190531A - 片持ちタービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は例えば蒸気タービンのような流体機械の翼（１）に関し、運転中に僅かな隙間損失しか生じないようにする。
【解決手段】翼（１）が、翼形部（５）に対して湾曲された翼先端（４）を有し、その曲がり（８）が、航空機で知られているウィングレット（小翼）の形を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、翼が半径方向に沿って形成され、翼先端および翼の腹と翼の背とを備えた翼形部（羽根部）を有している流体機械の翼に関する。

例えば蒸気タービンのようなタービン機械において、特に低圧領域に片持ち低圧翼が利用されている。かかる流体機械は、構造上から、翼先端と車室との間に比較的大きな半径方向隙間を有する。それにもかかわらず損失が過度に大きくならないようにするために、翼先端ないし翼先端に対向して位置する車室に、摩耗層を設けることが知られている。翼先端と車室が接触した際、その摩耗層だけが軽く削り取られ、これにより、比較的小さな半径方向隙間が発生する。

翼先端と車室との間を貫流する漏れ流は隙間ジェットとも呼ばれる。低圧蒸気タービンにおいて、その隙間ジェットはディフューザ内において脈流を引き起し、これは望ましくないうなり音を生じさせる。

また、翼の先端部位を、即ち、翼の最終数ミリメートルの部位を、非常に薄肉の翼形状に形成することが知られている。その先端部位は翼の背輪郭に相当している。この処置によって、一方では、隙間流の空力学的に際立った絞り効果が得られ、これは隙間損失を僅かに減少する。他方では、これによって半径方向隙間はより小さくできる。これは、翼先端と車室が擦り合った際、翼先端部位が車室に大きな損傷を生じさせることなしに摩耗され、そのために、損傷の恐れがあまり考えられないからである。

隙間流を減少するための他の処置は、囲い板（シュラウドリング）付き翼の採用によって行われる。その囲い板はシール（漏れ止め）として作用し、これにより、隙間損失が減少する。もっとも、かかる囲い板付き翼は、囲い板が翼に望ましくない機械的負荷を生じさせる比較的大きな追加質量となっているために、機械的な欠点を有する。囲い板により引き起こされる他の欠点は、翼を相互に囲い板によって連結することにより生ずる。かかる連結は、そのようにして連結された翼列（翼輪）の追加的な振動系、共振系を生じさせる。

本発明の課題は、運転中に僅かな隙間損失しか生じさせない流体機械のタービン翼を提供することにある。

この課題は、翼が半径方向に沿って形成され、翼先端および翼の腹と翼の背とを備えた翼形部を有している流体機械の翼において、翼先端が曲がりを有していることによって解決される。

それに応じて、本発明により、翼の断面幾何学形状が著しく変化している。自由に洗流される航空機の主翼の場合と同様に、翼先端はいわゆるウィングレット（小翼）を備えて形成されている。この場合の主な特徴は、翼先端が翼形部の大部分に比べて大きな曲がりを有していることである。

この処置によって、翼先端にわたる作動差圧が減少する。他の効果は、翼先端と車室との間の半径方向隙間が減少され、これにより、隙間損失が小さくなることにある。結局、かかる流体機械の効率が改善される。

翼形部洗流の空力学的衝撃が車室との相互作用に対して抑制されるので、翼先端の部位における空力学的挙動をより良く制御することができる。これによって、衝撃反射が減少される。

本発明に基づく翼の他の効果は、いわゆるディフューザうなり音の発生傾向が小さいことにある。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

曲がりが屈曲部として形成されていると有利である。それに応じて、翼先端は航空機で知られているウィングレット（小翼）の形に形成されている。即ち、翼先端が半径方向において翼先端の方向に見て、まず翼の背に向けて、続いて翼の腹に向けて湾曲して形成されていることが有利である。

これによって、翼先端に作用する遠心力は、その遠心力が片側（翼の背側）では翼の伸張方向に作用し、反対側（翼の腹側）では翼の伸張方向に対抗して作用するので、最適に最小化される。

他の有利な実施態様において、運転中において車室内壁に対向して位置する翼先端表面に、耐摩耗性の被覆が設けられている。これによって、運転中に生ずる翼先端と内部車室との接触が許容される。その被覆層は、内部車室における損傷が全く生じないような強度を有する。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図１にタービン翼１が斜視図で示されている。タービン翼１は、ロータ（図示せず）に固定するために用いられる翼脚２を有している。この翼脚２はいわゆる断面クリスマスツリー形状を有している。なお、例えば断面フック状あるいはＴ状に形成された翼脚２も知られている。かかるタービン翼１は例えば蒸気タービン、ガスタービンあるいは圧縮機のような流体機械に採用される。タービン翼１は半径方向３に沿って形成され、翼先端４および翼の腹６と翼の背７とを備えた翼形部（羽根部）５を有している。

タービン翼１の翼先端４は曲がり８を有している。この曲がり８は翼先端４の上部部位に位置されている。曲がり８は屈曲部として形成され、これにより、翼先端４は航空機で知られているウィングレット（小翼）の形に形成されている。翼１は、翼脚表面９から翼先端４まで計った距離である全長Ｌを有している。曲がり８は、翼最終点１０から計って翼全長Ｌの約５％の部位にわたり行われている。

図３、図４、図５および図６に示されているように、翼先端４は種々の形に形成できる。理解を容易にするために、図３、図４、図５および図６にそれぞれ、回転方向ωが記されている。また、図３、図４、図５および図６に、翼先端４に対向して位置する内部車室１１が示されている。或る実施例において、翼先端４は翼の腹６に向けて湾曲される。異なった実施例において、翼先端４を翼の背７に向けて湾曲して形成することも可能である。

異なった実施例において、翼先端４は半径方向３において翼先端４の方向に見てまず、翼の背７に向けて、続いては翼の腹６に向けて湾曲して形成されている。

この翼先端４は、運転中に形成される円周方向に対してほぼ平行に形成されている翼先端縁１２を有している。

翼１の翼形部５は、半径方向３に沿って異なって形成された翼断面形状を有している。或る実施例において、半径方向３に見た翼先端４の投影面積は翼形部５の半径方向３における最大横断面形状の投影面積より小さい。換言すれば、翼先端縁１２は翼形部５の最大横断面形状から突出していない。

翼は運転中において車室内壁１１に対向して位置する翼先端表面１３を有し、この翼先端表面１３に耐摩耗性の被覆が設けられている。この耐摩耗被覆は、図４の実施例に示されているように、ギザギサ表面を有している。この耐摩耗被覆は例えば肉盛り溶接によって設けられる。

翼１は鋼あるいはチタンで作られる。翼形部５の横断面積は半径方向３に徐々に減少している。図５と図６の実施例で理解できるように、翼先端４は翼先端縁１２の方向に尖っているか、くさび状に延びている。

湾曲されたタービン翼先端４は、好適には、低圧蒸気タービンにおける低圧最終段翼に採用される。この場合、翼先端４の周速はマッハ１より大きな値にある。これによって、遷音速流の空力学的領域に採用できる。この場合、遷音速流とは入口流並びに出口流を意味する。

図２にタービン翼１の平面図が示されている。

図７において、湾曲されたタービン翼先端４が存在する翼の圧力分布と湾曲されたタービン翼先端４が存在しない翼の圧力分布が対比して線図で示されている。曲がり８は、好適には、隙間流損失を減少するために、翼１の腹６の側で行われている。

曲がり８は、翼最終点１０が軸方向において翼形部５の軸方向幅より突出しないように形成されている。翼先端４の曲がり８は、隙間損失を最小にするために、車室の曲率に従っている。

図３と図４に応じて、翼先端４はフックの形に形成されている。この翼先端４の実施例の場合、曲がりで引き起こされる遠心力はタービン翼１の半径方向に作用する。

翼先端表面における隙間損失を一層改善するために、被覆１４が設けられる。この被覆１４は、内部車室と接触しても大きな損傷を生じさせない摩耗性被覆として形成される。

タービン翼先端４の曲がり８は精密加工機械で作られる。また、その曲がり８は包絡線鍛造法によって鍛造し、フライス削りで後加工することができる。

本発明に基づくタービン翼の斜視図。 図１のタービン翼の平面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったタービン翼の断面図。 タービン翼の異なった実施例の図３に相応した断面図。 タービン翼の異なった実施例の図３に相応した断面図。 タービン翼の異なった実施例の図３に相応した断面図。 タービン翼先端における圧力経過の線図。

符号の説明

１ タービン翼
３ 半径方向
４ 翼先端
５ 翼形部（羽根部）
６ 翼の腹
７ 翼の背
８ 曲がり
１２ 翼先端縁
１４ 被覆

Claims (11)

1. 翼（１）が半径方向（３）に沿って形成され、翼先端（４）および翼の腹（６）と翼の背（７）とを備えた翼形部（５）を有している流体機械の翼（１）において、
   翼先端（４）が曲がり（８）を有していることを特徴とする流体機械の翼（１）。
2. 曲がり（８）が屈曲部として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の翼（１）。
3. 翼（１）が長さ（Ｌ）を有し、翼先端（４）の曲がり（８）が翼長（Ｌ）の５％にわたっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の翼（１）。
4. 翼先端（４）が翼の腹（６）に向けて湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の翼（１）。
5. 翼先端（４）が翼の背（７）に向けて湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の翼（１）。
6. 翼先端（４）が半径方向（３）において翼先端（４）の方向に見て、まず翼の背（７）に向けて、続いて翼の腹（６）に向けて湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の翼（１）。
7. 翼先端縁（１２）が、運転中に形成される円周方向に対してほぼ平行に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の翼（１）。
8. 翼（１）の翼形部（５）が半径方向（３）に沿って異なって形成された翼断面形状を有し、半径方向（３）に見た翼先端（４）の投影面積が、翼形部（５）の半径方向（３）における最大横断面形状の投影面積より大きいか又は小さいことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の翼（１）。
9. 運転中において車室内壁に対向して位置する翼先端表面（１３）が耐摩耗性の被覆（１４）を有していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の翼（１）。
10. 翼（１）が鋼あるいはチタン作られていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の翼（１）。
11. 翼形部（５）の翼先端（４）の横断面積が、半径方向（３）に見て徐々に減少していることを特徴とすることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の翼（１）。

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