JP2009299497A - タービンおよびタービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン動翼の強度を確保するとともにその性能向上を図ることができるタービンおよびタービン動翼を提供する。
【解決手段】ケーシング３の主流流路２内を回転軸線Ｃ回りに回転する動翼４と、ケーシング３に配置された静翼５と、動翼４における径方向外側の端部に配置され、動翼４から離れるに伴って回転軸線Ｃに沿う方向の長さが短くなるチップシュラウド４２と、ケーシング３における動翼４と対向する位置に形成され、チップシュラウド４２が内部に収納されるキャビティ部３２と、が設けられ、チップシュラウド４２の内周面における傾斜角θｂが、ケーシング３の内周面における傾斜角度であって、主流の上流側に配置された静翼５の後縁から、主流の下流側に配置されたキャビティ部３２までの平均傾斜角θａよりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンおよびタービン動翼、特にガスタービンや蒸気タービンに用いて好適なタービンおよびタービン動翼に関する。

一般に、ガスタービンなどのタービン動翼として、その翼端にシュラウド（チップシュラウド）を設けたものが知られている。このシュラウドは、タービン動翼に振動が発生した際に、隣接するタービン動翼のシュラウド同士が当接することにより、その振動を抑制している。

上述のタービン動翼におけるシュラウドは、強度の観点から軽量化が図られている。
特に、近年のタービンの高出力化に伴う大容量化により、タービン動翼が長翼化して翼高さが高くなっている中で、ガスタービンにおけるガス流れの下流側に配置されるタービン動翼、例えば、タービンの３段目や４段目に配置されるタービン動翼は、他の上流側に配置されているタービン動翼よりも回転時に働く遠心荷重が大きくなることから、遠心荷重を少しでも軽減するためにシュラウドの軽量化が図られている。

さらに、タービンの高出力化に伴うタービン動翼の周囲を流れる作動流体温度の高温化により、タービン動翼の強度確保が困難になるため、タービン動翼に求められる強度を少しでも軽減するためにシュラウドの軽量化が図られている。
具体的には、シュラウドの形状として、タービン動翼の翼部分と翼部分との隙間の一部分のみを覆うパーシャル（部分）カバー形状を採用することにより、シュラウドの軽量化が図られている（非特許文献１）。
Ｌ．Ｐｏｒｒｅｃａ， Ａ．Ｉ．Ｋａｌｆａｓ， Ｒ．Ｓ．Ａｂｈａｒｉ， "ＯＰＴＩＭＩＺＥＤ ＳＨＲＯＵＤ ＤＥＳＩＧＮ ＦＯＲ ＡＸＩＡＬ ＴＵＲＢＩＮＥ ＡＥＲＯＤＹＮＡＭＩＣ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＧＴ２００７， ＡＳＭＥ Ｔｕｒｂｏ Ｅｘｐｏ ２００７：Ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ Ｌａｎｄ， Ｓｅａ ａｎｄ Ａｉｒ， Ｍａｙ １４−１７， ２００７， Ｍｏｎｔｒｅａｌ， Ｃａｎａｄａ， ＧＴ２００７−２７９１５

しかしながら、上述のようにシュラウドをパーシャルカバー形状とすると、タービン動翼の翼部分と翼部分との隙間全体を覆うフルカバー形状のシュラウドを有するタービン動翼と比較して、非特許文献１に記載されているようにタービン動翼やタービンの性能が低下する可能性があるという問題があった。

図１２は、パーシャルカバー形状のシュラウドを径方向外側から見た模式図である。図１３は、図１２のパーシャルカバー形状のシュラウドを有するタービン動翼まわりにおける作動流体の流れを説明する模式図である。
例えば、チップシュラウド５４２の形状が、図１２に示すように、タービン動翼５０４の間で作動流体の流れ方向（図１２の上下方向）に凹んだ形状を有している場合におけるタービン動翼５０４まわりの作動流体の流れを、図１３を参照しながら説明する。

図１３は、図１２における点線に沿った作動流体の流れを模式的に説明している。言い換えると、タービン動翼５０４における動翼５４１の背側（湾曲した形状である動翼５４１の凸側）の作動流体の流れを模式的に説明している。

ケーシング５０３におけるタービン動翼５０４と対向する位置には、図１３に示すように、凹状に形成されたキャビティ部５３２が形成されている。タービン動翼５０４の径方向外側（図１３の上方向）の端部には、径方向外側に向かって延びるとともに、タービン動翼５０４の回転方向（図１３における紙面の垂直方向）に延びる板状のシールフィン５４３が設けられている。

ケーシング５０３内をタービン動翼５０４に向かって流れてきた作動流体の一部は、図１３に示すように、チップシュラウド５４２における凹状の部分に衝突する。衝突した作動流体は、再びケーシング５０３内に戻る際に、チップシュラウド５４２から剥離して剥離渦Ｖを形成する。
この剥離渦Ｖが形成されることにより、作動流体の流れ損失が発生してタービン動翼５０４などの性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、タービン動翼の強度を確保するとともにその性能向上を図ることができるタービンおよび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、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のタービンは、下流に向かって径が大きくなる略円筒状ケーシングの主流流路内を回転軸線回りに回転する動翼と、該動翼に対して前記回転軸線方向に間隔をあけて、前記ケーシングに配置された静翼と、前記動翼における径方向外側の端部に配置されて円環状のシュラウドの一部を構成するとともに、前記動翼から離れるに伴って前記回転軸線に沿う方向の長さが短くなるチップシュラウドと、前記ケーシングにおける前記動翼と対向する位置に凹状に形成され、前記チップシュラウドが内部に収納されるキャビティ部と、が設けられ、前記チップシュラウドの内周面における前記回転軸線に対する傾斜角θｂが、前記ケーシングの内周面における前記回転軸線に対する傾斜角度であって、前記主流の上流側に配置された前記静翼の後縁から、前記主流の下流側に配置された前記キャビティ部までの平均傾斜角θａよりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、チップシュラウドの内周面に係る傾斜角θｂは、ケーシングの内周面に係る平均傾斜角θａよりも大きいことから、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドとの衝突を回避し、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の性能や、タービンの性能の向上を図ることができる。

具体的には、ケーシングの内周面に沿って、回転軸線に対して略平均傾斜角θａの方向に流れる主流は、動翼およびシュラウドが配置された領域においても、略平均傾斜角θｂの方向に流れる。一方で、シュラウドの内周面に係る傾斜角θｂは平均傾斜角θａよりも大きいことから、主流の下流側に向かうほどシュラウドの内周面と、上述の主流との間の間隔は広くなる。

そのため、チップシュラウドにおける動翼から離れた部分は、動翼近傍の部分と比較して、上述の主流との間の間隔が広くなる。その結果、上述の主流との衝突と衝突が起こりやすいチップシュラウドにおける動翼から離れた部分、つまりチップシュラウドにおける主流の下流側に凹んだ部分における上述の衝突が起こりにくくなる。言い換えると、チップシュラウドとの衝突による主流の乱れの発生が回避され、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の性能や、タービンの性能の向上を図ることができる。

その一方で、チップシュラウドの形状を、動翼から離れるに伴って、チップシュラウドにおける回転軸線に沿う方向の長さを短くしたパーシャルカバー形状としているため、フルカバー形状のチップシュラウドと比較して、チップシュラウドの質量を軽減できる。
そのため、タービンの運転時に、動翼に働く遠心荷重の増加を抑制して、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の強度を確保することができる。

上記発明においては、前記チップシュラウドの内周面に係る傾斜角θｂが、前記ケーシングの内周面に係る平均傾斜角θａよりも５°以上大きいことが望ましい。

本発明によれば、チップシュラウドの内周面に係る傾斜角θｂを、ケーシングの内周面に係る平均傾斜角θａよりも５°以上大きくすることにより、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドとの衝突をより確実に回避し、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の性能や、タービンの性能の向上を図ることができる。

上記発明においては、前記チップシュラウドにおける前記主流の上流側端部から、前記キャビティ部における上流側端部までの前記回転軸線に沿った方向の距離である間隔ｄｘ１と、前記動翼の径方向外側端部における前記回転軸線に沿った方向の長さであるコード長ｄｘ２と、がｄｘ１＜０．５×ｄｘ２の関係式を満たすことが望ましい。

本発明によれば、間隔ｄｘ１をコード長ｄｘ２の半分より短くすることにより、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドとの衝突をより確実に回避し、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の性能や、タービンの性能の向上を図ることができる。

具体的には、間隔ｄｘ１を上述のように短くすることにより、ケーシング内を流れる主流がキャビティ部とチップシュラウドとの隙間に流入しにくくなり、チップシュラウドにおける主流の下流側に凹んだ部分における上述の衝突が起こりにくくなる。

なお、間隔ｄｘ１とコード長ｄｘ２との関係は、０．３×ｄｘ２＜ｄｘ１＜０．５×ｄｘ２を満たすことがより望ましく、さらには、ｄｘ１＝０．４５×ｄｘ２を満たすことが望ましい。

本発明のタービン動翼は、ケーシングの主流流路内を回転軸線まわりに回転する動翼と、前記動翼における径方向外側の端部に配置されて円環状のシュラウドの一部を構成するとともに、前記動翼から離れるに伴って前記回転軸線に沿う方向の長さが短くなるチップシュラウドと、が設けられ、前記チップシュラウドの内周面における前記動翼の凸側の部分が、前記チップシュラウドの内周面における前記動翼の凹側の部分よりも径方向外側に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、チップシュラウドの内周面における動翼の凸側の部分を、凹側の部分よりも径方向外側に配置することにより、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドにおける動翼の凸側の部分との衝突が回避され、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の性能や、タービンの性能の向上を図ることができる。

具体的には、動翼の凸側を流れる主流は、動翼の凹側を流れる主流と比較して、キャビティ部とチップシュラウドとの隙間に流入しやすく、チップシュラウドと衝突しやすい。そこで、上述のように、チップシュラウドの内周面における動翼の凸側の部分を、主流から離れた径方向外側に配置することにより、凸側の部分に係るチップシュラウドと主流との衝突を回避することができる。

その一方で、チップシュラウドの形状を、動翼から離れるに伴って、チップシュラウドにおける回転軸線に沿う方向の長さを短くしたパーシャルカバー形状としているため、フルカバー形状のチップシュラウドと比較して、チップシュラウドの質量を軽減できる。
そのため、タービン動翼の回転時に、動翼に働く遠心荷重の増加を抑制して、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の強度を確保することができる。

上記発明においては、前記チップシュラウドの前記動翼近傍において、前記チップシュラウドは、前記動翼の凹側から凸側に向かって、径方向外側に延びていることが望ましい。

本発明によれば、チップシュラウドにおける動翼の凸側の部分は、動翼から離れるに伴い径方向外側に向かって傾斜することから、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドにおける動翼の凸側の部分との衝突が回避される。言い換えると、チップシュラウドにおける動翼の凸側の部分は、凹側の部分より主流から離れていることから、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドにおける動翼の凸側の部分との衝突が回避される。

上記発明においては、前記動翼における凸側の部分と前記チップシュラウドとを繋ぐフィレット形状の曲率が、前記動翼における凹側の部分と前記チップシュラウドとを繋ぐフィレット形状の曲率よりも小さいことが望ましい。

本発明によれば、動翼における凸側の部分に係るフィレット形状の曲率を、凹側の部分に係るフィレット形状の曲率よりも小さくすることにより、動翼の近傍において、チップシュラウドの内周面における動翼の凸側部分は、凹側部分よりも径方向外側に配置される。そのため、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドにおける動翼の凸側の部分との衝突が回避される。

本発明のタービンによれば、チップシュラウドの内周面に係る傾斜角θｂは、ケーシングの内周面に係る平均傾斜角θａよりも大きいことから、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドとの衝突を回避し、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の性能や、タービンの性能の向上を図ることができるという効果を奏する。
さらに、チップシュラウドの形状を、動翼から離れるに伴って、チップシュラウドにおける回転軸線に沿う方向の長さを短くしたパーシャルカバー形状としているため、タービンの運転時に、動翼に働く遠心荷重の増加を抑制して、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の強度を確保することができるという効果を奏する。

本発明のタービン動翼によれば、チップシュラウドの内周面における動翼の凸側の部分を、凹側の部分よりも径方向外側に配置することにより、ケーシング内を流れる主流とチップシュラウドにおける動翼の凸側の部分との衝突が回避され、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の性能や、タービンの性能の向上を図ることができるという効果を奏する。
チップシュラウドの形状を、動翼から離れるに伴って、チップシュラウドにおける回転軸線に沿う方向の長さを短くしたパーシャルカバー形状としているため、タービン動翼の回転時に、動翼に働く遠心荷重の増加を抑制して、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼の強度を確保することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るタービン１ついて図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るタービンの構成を説明する模式図である。
タービン１には、図１に示すように、内部に燃焼ガスなどの高温流体が流れる主流流路２が形成されるケーシング３と、回転軸（図示せず）とともに回転軸線Ｃまわりに回転可能に配置されたタービン動翼４と、ケーシング３に取り付けられたタービン静翼５と、が設けられている。

図１に示されているタービン動翼４およびタービン静翼５は、タービン１における主流の上流側から３段目に配置された３段動翼および３段静翼である。
なお、本実施形態では、本願の発明をこれらのタービン動翼４およびタービン静翼５の周辺に適用して説明しているが、３段動翼および３段静翼の周辺に限定されるものではなく、４段動翼および４段静翼の周辺などに適用してもよく、特に限定するものではない。

ケーシング３は略円筒状に形成された部材であって、内部に主流流路２や、タービン動翼４や、タービン静翼５が配置されるものである。
ケーシング３におけるタービン動翼４およびタービン静翼５が配置された領域は、図１に示すように、内周面が、上流側から下流側に向かって（図１の左側から右側に向かって）、回転軸線Ｃを中心とする径方向外側に向かって傾斜して形成されている。

さらに、ケーシング３には、分割環３１と、キャビティ部３２と、が設けられている。
分割環３１は、タービン動翼４とタービン静翼５との間に配置され、ケーシング３の一部を構成する部材であって、回転軸線Ｃを中心とする略円環状に形成された部材である。

キャビティ部３２は、ケーシング３におけるタービン動翼４と対向する内周面に、回転軸線Ｃを中心とする径方向外側に向かって凹状に形成されたものである。言い換えると、キャビティ部３２は、ケーシング３の内周面に形成された円環状の溝部である。
キャビティ部３２に隣接するケーシング３の内周面には、タービン静翼５がキャビティ部３２に沿って、略等間隔に並ぶとともに、径方向内側に向かって延びて配置されている。

なお、ケーシング３におけるタービン動翼４およびタービン静翼５が配置された領域よりも上流側（図１の左側）には、外部の空気を圧縮する圧縮機や、圧縮された空気に燃料を混合させ燃焼を行う燃焼器などが配置されていてもよく、特に限定するものではない。

タービン動翼４には、径方向に沿って延びる翼部分である動翼４１と、動翼４１の翼端に配置されたチップシュラウド４２と、チップシュラウド４２の外周面に配置されたシールフィン４３と、が設けられている。

図２は、図１のタービン動翼におけるチップシュラウドおよびシールフィンなどの形状を説明する模式図である。
動翼４１は、図１および図２に示すように、径方向に沿って外側に向かって延びるとともに、回転軸線Ｃのまわりを回転可能に支持された回転翼である。
動翼４１は、断面が翼形状に形成された板状の部材であり、本実施形態では凸状に湾曲した面の側（図２の左側）を背側（凸側）、凹状に湾曲した面の側（図２の右側）を腹側（凹側）として説明する。

チップシュラウド４２は、図１および図２に示すように、他の複数のタービン動翼４に設けられたチップシュラウド４５とともに、回転軸線Ｃを中心とする円環状のシュラウドを構成するものである。
径方向外側から見たチップシュラウド４２は、図２に示すように、動翼４１の近傍において最も回転軸線Ｃに沿う方向（図２の上下方向）、言い換えると、主流流れに沿う方向の寸法である幅が最も広く、動翼４１から周方向（図２の左右方向）に沿って離れるに伴い、幅が狭くなる形状とされている。
さらに、チップシュラウド４２は、幅が狭くなった部分で隣接する他のチップシュラウド４２と当接している。

シールフィン４３は、動翼のチップシュラウド４２と、キャビティ部３２との隙間を狭めてＴｉｐクリアランスを形成することにより、流れるバイパス流れを抑制するものである。
具体的には、シールフィン４３は、チップシュラウド４２の外周面から径方向外側に向かって延びるリング板状の部材である。

ここで、本実施形態の特徴であるケーシング３の内周面に係る平均傾斜角θａと、チップシュラウド４２の内周面に係る傾斜角θｂと、の関係について説明する。

ケーシング３の内周面に係る平均傾斜角θａは、図１に示すように、タービン静翼５の後縁における内周面と、分割環３１の後流側端部における内周面と、を結んだ平均傾斜線Ｇと、回転軸線Ｃとの間の角度である。一方で、チップシュラウド４２の内周面に係る傾斜角θｂは、チップシュラウド４２の内周面と、回転軸線Ｃとの間の角度である。

上述の平均傾斜角θａおよび傾斜角θｂは、少なくとも以下の式（１）の関係を満たしている。
θａ＜θｂ ・・・（１）

さらには、以下の式（２）の関係を満たしていることがより好ましい。
θｂ−θａ＞５° ・・・（２）

言い換えると、チップシュラウド４２のける動翼４１から離れた部分の上流側端部４２ｂと、上述の平均傾斜線Ｇとの間の距離Ｌｂは、チップシュラウド４２における動翼４１の近傍部分の上流側端部４２ａと、上述の平均傾斜線Ｇとの間の距離Ｌａよりも長く設定されている。
さらに言い換えると、上流側端部４２ａは、上述の平均傾斜線Ｇよりも径方向外側に配置され、上流側端部４２ｂはさらに径方向外側に配置されている。

次に、タービン動翼４とキャビティ部３２との間の距離ｄｘ１と、タービン動翼４に係るコード長ｄｘ２との関係について説明する。

距離ｄｘ１は、チップシュラウド４２における上流側端部４２ａと、キャビティ部３２の上流側端部との間、言い換えると、上流側端部４２ａと分割環３１の下流側端部との間の距離を、回転軸線Ｃに沿って計測される距離である。
コード長ｄｘ２は、動翼４１の径方向外側端部における回転軸線Ｃに沿う方向の長さである。

上述の距離ｄｘ１およびコード長ｄｘ２は、少なくとも以下の式（３）の関係を満たしている。
ｄｘ１＜０．５×ｄｘ２ ・・・（３）
さらには、以下の式（４）の関係を満たしていることが好ましい。
０．３×ｄｘ２＜ｄｘ１＜０．５×ｄｘ２ ・・・（４）
望ましくは、以下の式（５）の関係を満たしていることがより好ましい。
ｄｘ１＝０．４５×ｄｘ２ ・・・（５）

次に、上記の構成からなるタービン１における高温流体の流れについて説明する。
タービン１の主流流路２を流れる高温流体は、図１に示すように、タービン静翼５の間を通過した後、ケーシング３の内周面に沿って下流側のタービン動翼４に向かって流れる。言い換えると、ケーシング３の内周面に係る平均傾斜角θａにしたがって、流路断面積を拡大させつつ下流に向かって流れる。

図３は、図１のタービン動翼周辺の高温流体の流れを説明する模式図である。
分割環３１からキャビティ部３２に流入した高温流体の一部は、図３に示すように、チップシュラウド４２の上流側端部４２ｂと、分割環３１との隙間からキャビティ部３２に流入して循環流れを形成する。一方で、その他の高温流体はチップシュラウド４２の内周面に沿って下流に向かって流れる。

チップシュラウド４２の上流側端部４２ａにおいても、チップシュラウド４２がキャビティ部３２の内部、言い換えると、分割環３１の内周面よりも径方向外側に配置されているため、高温流体は、チップシュラウド４２と衝突することなく下流に向かって流れる。

上記の構成によれば、チップシュラウド４２の内周面に係る傾斜角θｂは、ケーシング３の内周面に係る平均傾斜角θａよりも大きいことから、ケーシング３内を流れる高温流体とチップシュラウド４２との衝突を回避し、動翼４１およびチップシュラウド４２を有するタービン動翼４の性能や、タービン１の性能の向上を図ることができる。

具体的には、ケーシング３の内周面に沿って、回転軸線Ｃに対して略平均傾斜角θａの方向に流れる主流は、タービン動翼４が配置された領域においても、略平均傾斜角θｂの方向に流れる。一方で、チップシュラウド４２の内周面に係る傾斜角θｂは平均傾斜角θａよりも大きいことから、高温流体の下流側に向かうほどチップシュラウド４２の内周面と、上述の主流との間の間隔は広くなる。

そのため、チップシュラウドにおける動翼４１から離れた部分は、動翼４１近傍の部分と比較して、上述の主流との間の間隔が広くなる。その結果、上述の主流との衝突と衝突が起こりやすいチップシュラウド４２における動翼４１から離れた部分、つまり上流側端部４２ｂにおける上述の衝突が起こりにくくなる。言い換えると、チップシュラウド４２との衝突による主流の乱れの発生が回避され、タービン動翼４の性能や、タービン１の性能の向上を図ることができる。

その一方で、チップシュラウド４２の形状を、動翼４１から離れるに伴って、チップシュラウド４２における回転軸線Ｃに沿う方向の長さを短くしたパーシャルカバー形状としているため、フルカバー形状のチップシュラウドと比較して、チップシュラウド４２の質量を軽減することができる。
そのため、タービン１の運転時に、動翼４１に働く遠心荷重の増加を抑制して、タービン動翼４の強度を確保することができる。

チップシュラウド４２の内周面に係る傾斜角θｂを、ケーシング３の内周面に係る平均傾斜角θａよりも５°以上大きくすることにより、ケーシング３内を流れる高温流体とチップシュラウド４２との衝突をより確実に回避し、タービン動翼４の性能や、タービン１の性能の向上を図ることができる。

間隔ｄｘ１をコード長ｄｘ２の半分より短くすることにより、ケーシング３内を流れる高温流体とチップシュラウド４２との衝突をより確実に回避し、動翼およびチップシュラウドを有するタービン動翼４の性能や、タービン１の性能の向上を図ることができる。

具体的には、間隔ｄｘ１を上述のように短くすることにより、ケーシング３内を流れる高温流体がキャビティ部３２とチップシュラウド４２との隙間に流入しにくくなり、チップシュラウド４２における主流の下流側に凹んだ部分における上述の衝突が起こりにくくなる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図４から図９を参照して説明する。
本実施形態のタービンの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、タービン動翼におけるチップシュラウドの形状が異なっている。よって、本実施形態においては、図４から図９を用いてタービン動翼の周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図４は、本実施形態のタービンにおけるタービン動翼の形状を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のタービン１０１におけるタービン動翼１０４には、図４に示すように、径方向に沿って延びる翼部分である動翼４１と、動翼４１の翼端に配置されたチップシュラウド１４２と、チップシュラウド１４２の外周面に配置されたシールフィン４３およびコンタクトリブ１４５と、が設けられている。

図５は、図４のチップシュラウドの形状を説明する高温流体の流れの上流側から見た図である。図６は、図４のチップシュラウドの形状を説明する径方向外側から見た図である。
チップシュラウド１４２は、図４および図５に示すように、他の複数のタービン動翼１０４に設けられたチップシュラウド１４２とともに、回転軸線Ｃを中心とする円環状のシュラウドを構成するものである。

高温流体の流れの上流側から見たチップシュラウド１４２は、図４に示すように、動翼４１の近傍において、動翼４１の腹側から背側（図５の左側から右側）に向かって、径方向外側（図５の上側）に傾斜している。
その一方で、チップシュラウド１４２における動翼４１から離れた端部では、隣接するチップシュラウド１４２とともに、滑らかな内周面を形成するように、動翼４１の近傍とは逆向きに傾斜している。

このようにチップシュラウド１４２を構成することで、チップシュラウド１４２における動翼４１の背側近傍（図５の右側）の内周面は、腹側近傍（図５の左側）の内周面よりも径方向外側に配置される。

径方向外側から見たチップシュラウド１４２は、図５に示すように、動翼４１の近傍において最も回転軸線Ｃに沿う方向（図５の上下方向）、言い換えると、主流流れに沿う方向の寸法である幅が最も広く、動翼４１から周方向（図５の左右方向）に沿って離れるに伴い、幅が狭くなる形状とされている。
さらに、チップシュラウド１４２は、幅が狭くなった部分で隣接する他のチップシュラウド１４２と当接している。

コンタクトリブ１４５は、チップシュラウド１４２におけるチップシュラウド１４２同士が接触する端部に設けられた板状の部材であって、チップシュラウド１４２の外周面から径方向外側に向かって延びるとともに、回転軸線Ｃに沿って延びるものである。
このように構成することで、隣接するコンタクトリブ１４５同士が面接触する。

次に、上記の構成からなるタービン１０１における高温流体の流れについて説明する。
まず、タービン動翼１０４における動翼４１の背側における高温流体の流れについて説明し、その後に、動翼４１の腹側における高温流体の流れについて説明する。

図７は、図５のタービン動翼の背側における高温流体の流れを説明するＡ−Ａ断面視図である。
タービン動翼１０４における動翼４１の背側の近傍では、図７に示すように、高温流体が流れる。つまり、チップシュラウド１４２における動翼４１の背側近傍の部分が、腹側近傍の部分と比較して径方向外側、言い換えると、高温流体の流れから離れて配置されているため、分割環３１の領域からタービン動翼１０４の領域に流入した高温流体は、チップシュラウド１４２と衝突することなく、滑らかに下流に向かって流れる。

図８は、図５のタービン動翼の腹側における高温流体の流れを説明するＢ−Ｂ断面視図である。
タービン動翼１０４における動翼４１の腹側の近傍では、図８に示すように、高温流体が流れる。つまり、チップシュラウド１４２における動翼４１の腹側近傍の部分が、背側近傍の部分と比較して径方向内側、言い換えると高温流体の流れに接近して配置されているため、分割環３１の領域からタービン動翼１０４の領域に流入した高温流体は、キャビティ部３２内で強い循環流れ（図９参照。）を形成することなく、滑らかに下流に向かって流れる。

図９は、タービン動翼の腹側において強い循環流れが形成された場合の高温流体の流れを説明する模式図である。
チップシュラウド１４２における動翼４１の腹側近傍の部分が、背側近傍の部分と同様に、径方向外側に配置され、高温流体の流れから離れて配置されていると、図９に示すように、キャビティ部３２の内部、言い換えると、分割環３１とタービン動翼１０４との間に強い循環流れＳが形成される。この循環流れＳにより、高温流体の流れが曲げられタービン動翼１０４の性能が低下する。

動翼４１の背側の近傍と腹側の近傍と比較すると、背側の近傍における高温流体の流速が早い。そのため、チップシュラウド１４２における動翼４１の背側近傍は、径方向外側に配置されていても、腹側の近傍のように強い循環流れが形成されることなく、滑らかに下流に向かって流れる。
その一方で、チップシュラウド１４２における動翼４１の腹側の近傍は、径方向内側に配置されていても、背側の近傍のように高温流体の流れがチップシュラウド１４２に衝突することなく、滑らかに下流に向かって流れる。

上記の構成によれば、チップシュラウド１４２における動翼４１の背側の部分を、腹側の部分よりも径方向外側に配置することにより、ケーシング３内を流れる高温流体とチップシュラウド１４２における動翼４１の背側の部分との衝突が回避され、タービン動翼１０４の性能や、タービン１０１の性能の向上を図ることができる。

具体的には、動翼４１の背側を流れる高温流体は、動翼４１の腹側を流れる高温流体と比較して、キャビティ部３２とチップシュラウド１４２との隙間に流入しやすく、チップシュラウド１４２と衝突しやすい。そこで、上述のように、チップシュラウド１４２における動翼の背側の部分を、高温流体から離れた径方向外側に配置することにより、背側の部分に係るチップシュラウド１４２と高温流体の流れとの衝突を回避することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図１０および図１１を参照して説明する。
本実施形態のタービンの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、タービン動翼におけるチップシュラウドの形状が異なっている。よって、本実施形態においては、図１０および図１１を用いてタービン動翼の周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１０は、本実施形態のタービンにおけるタービン動翼の形状を説明する模式図である。図１１は、図１０のチップシュラウドの形状を説明する径方向外側から見た図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のタービン２０１におけるタービン動翼２０４には、図１０および図１１に示すように、径方向に沿って延びる翼部分である動翼４１と、動翼４１の翼端に配置されたチップシュラウド２４２と、チップシュラウド２４２の外周面に配置されたシールフィン４３およびコンタクトリブ１４５と、が設けられている。

チップシュラウド２４２は、他の複数のタービン動翼２０４に設けられたチップシュラウド２４２とともに、回転軸線Ｃを中心とする円環状のシュラウドを構成するものである。
動翼４１における背側の面（図１０の向かって右側の面）と、チップシュラウド２４２の内周面とは、背側フィレット２４３により滑らかにつながれている。一方、動翼４１における腹側の面（図１０の向かって左側の面）と、チップシュラウド２４２の内周面とは、腹側フィレット２４４により滑らかにつながれている。

背側フィレット２４３は、腹側フィレット２４４よりも曲率半径が小さい。そのため、動翼４１の近傍において、動翼４１の背側近傍におけるチップシュラウド２４２の内周面は、腹側近傍におけるチップシュラウド２４２の内周面よりも径方向外側（図１０の上側）に配置される。

言い換えると、腹側フィレット２４４は、背側フィレット２４３よりも曲率半径が大きい。そのため、動翼４１の近傍において、動翼４１の腹側近傍におけるチップシュラウド２４２の内周面は、背側近傍におけるチップシュラウド２４２の内周面よりも径方向内側（図１０の下側）に配置される。

径方向外側から見たチップシュラウド２４２は、図１１に示すように、動翼４１の近傍において最も回転軸線Ｃに沿う方向（図１１の上下方向）、言い換えると、主流流れに沿う方向の寸法である幅が最も広く、動翼４１から周方向（図１１の左右方向）に沿って離れるに伴い、幅が狭くなる形状とされている。

さらに、チップシュラウド２４２は、幅が狭くなった部分で隣接する他のチップシュラウド２４２と当接している。他のチップシュラウド２４２と当接するチップシュラウド２４２の端部は、図１１に示すように、動翼４１の背側の面に近く、腹側の面から離れる位置に配置されている。

上記の構成からなるタービン２０１における高温流体の流れは、第２の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

上記の構成によれば、背側フィレット２４３の曲率半径を、腹側フィレット２４４の曲率半径よりも小さくすることにより、動翼４１の近傍において、チップシュラウド２４２の内周面における動翼４１の背側部分は、腹側部分よりも径方向外側に配置される。そのため、ケーシング３内を流れる高温流体と、チップシュラウド２４２における動翼４１の背側の部分との衝突を回避することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明をガスタービンのタービン動翼に適用して説明したが、この発明はガスタービンのタービン動翼に限られることなく、蒸気タービンなどの各種タービンのタービン動翼に適用できるものである。

本発明の第１の実施形態に係るタービンの構成を説明する模式図である。 図１のタービン動翼におけるチップシュラウドおよびシールフィンなどの形状を説明する模式図である。 図１のタービン動翼周辺の高温流体の流れを説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態のタービンにおけるタービン動翼の形状を説明する模式図である。 図４のチップシュラウドの形状を説明する高温流体の流れの上流側から見た図である。 図４のチップシュラウドの形状を説明する径方向外側から見た図である。 図５のタービン動翼の背側における高温流体の流れを説明するＡ−Ａ断面視図である。 図５のタービン動翼の腹側における高温流体の流れを説明するＢ−Ｂ断面視図である。 タービン動翼の腹側において強い循環流れが形成された場合の高温流体の流れを説明する模式図である。 本実施形態のタービンにおけるタービン動翼の形状を説明する模式図である。 図１０のチップシュラウドの形状を説明する径方向外側から見た図である。 パーシャルカバー形状のシュラウドを径方向外側から見た模式図である。 図１２のパーシャルカバー形状のシュラウドを有するタービン動翼まわりにおける作動流体の流れを説明する模式図である。

符号の説明

１，１０１，２０１ タービン
２ 主流流路
４，１０４，２０４ タービン動翼
５ タービン静翼
３２ キャビティ部
４１ 動翼
４２，１４２，２４２ チップシュラウド
θａ 平均傾斜角
θｂ 傾斜角
Ｃ 回転軸線

Claims (6)

1. 下流に向かって径が大きくなる略円筒状ケーシングの主流流路内を回転軸線回りに回転する動翼と、
   該動翼に対して前記回転軸線方向に間隔をあけて、前記ケーシングに配置された静翼と、
   前記動翼における径方向外側の端部に配置されて円環状のシュラウドの一部を構成するとともに、前記動翼から離れるに伴って前記回転軸線に沿う方向の長さが短くなるチップシュラウドと、
   前記ケーシングにおける前記動翼と対向する位置に凹状に形成され、前記チップシュラウドが内部に収納されるキャビティ部と、
   が設けられ、
   前記チップシュラウドの内周面における前記回転軸線に対する傾斜角θｂが、
   前記ケーシングの内周面における前記回転軸線に対する傾斜角度であって、前記主流の上流側に配置された前記静翼の後縁から、前記主流の下流側に配置された前記キャビティ部までの平均傾斜角θａよりも大きいことを特徴とするタービン。
2. 前記チップシュラウドの内周面に係る傾斜角θｂが、前記ケーシングの内周面に係る平均傾斜角θａよりも５°以上大きいことを特徴とする請求項１記載のタービン。
3. 前記チップシュラウドにおける前記主流の上流側端部から、前記キャビティ部における上流側端部までの前記回転軸線に沿った方向の距離である間隔ｄｘ１と、
   前記動翼の径方向外側端部における前記回転軸線に沿った方向の長さであるコード長ｄｘ２と、
   がｄｘ１＜０．５×ｄｘ２の関係式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
4. ケーシングの主流流路内を回転軸線まわりに回転する動翼と、
   前記動翼における径方向外側の端部に配置されて円環状のシュラウドの一部を構成するとともに、前記動翼から離れるに伴って前記回転軸線に沿う方向の長さが短くなるチップシュラウドと、が設けられ、
   前記チップシュラウドの内周面における前記動翼の凸側の部分が、前記チップシュラウドの内周面における前記動翼の凹側の部分よりも径方向外側に配置されていることを特徴とするタービン動翼。
5. 前記チップシュラウドの前記動翼近傍において、前記チップシュラウドは、前記動翼の凹側から凸側に向かって、径方向外側に延びていることを特徴とする請求項４記載のタービン動翼。
6. 前記動翼における凸側の部分と前記チップシュラウドとを繋ぐフィレット形状の曲率が、
   前記動翼における凹側の部分と前記チップシュラウドとを繋ぐフィレット形状の曲率よりも小さいことを特徴とする請求項４記載のタービン動翼。

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