JP2010285878A - ガスタービン翼及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】シュラウド全体を効果的に冷却すると同時にシュラウドの軽量化を図ることができるガスタービン翼を提供すること。
【解決手段】内部を冷却空気が流れる翼本体と、翼本体の先端に配され、翼本体の翼背面２Ａ及び翼腹面２Ｂまわりに張り出されるとともに、翼本体から延出されて冷却空気が流れる複数の第一冷却孔３Ａ及び第二冷却孔３Ｂが挿通されたシュラウド５と、を備え、シュラウド５の肉厚が、翼本体側から縁端に向かって漸次薄くなるように形成され、シュラウド５における翼高さ方向の面を上面としたときに、第一冷却孔３Ａが、翼本体側から縁端に向かう途中の上面に開口して配されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン翼及びこれを備えるガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮機において加圧された空気が燃焼器において燃料と混合されて発生した高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部をタービンにおいて回転エネルギーとして抽出して圧縮機に動力を与えている。同時に、ターボファン式航空機エンジン用途においては上流ファンにも動力を与え、或いは船舶及び工業用途の場合には外部駆動シャフトに動力を与える。

近年、ガスタービンの高温、高効率化が進み、これに伴ってタービン動翼の翼高さも増大化（長大翼化）傾向にある。特に、後方段動翼では、排出される燃焼ガスの熱エネルギーを抑える必要があり、翼高さの増大化が著しくなっている。このような動翼では、翼高さの増大化にともない、振動数が低下することで、フラッターなどの不安定な振動モードを発生する可能性が高まる。

そこで、各動翼のチップ（翼先端）にシュラウドが配され、構造減衰を増加させることで不安定な振動モードの発生を抑えている。このシュラウドもガスタービンの高温化にともない冷却する必要があり、シュラウドには、翼本体からの冷却空気を内部に流通可能とする冷却構造が形成されている。

このような冷却構造として、具体的には、一端がシュラウドの付け根部分で翼本体内部の冷却通路に接続されるとともに、他端がシュラウド縁端に開口する冷却孔がシュラウド内部に形成されており、該冷却孔に翼本体内部の冷却通路からの冷却空気が流通することで、シュラウドの冷却を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−０１３４０２号公報

しかしながら、上記従来のガスタービン翼の場合、冷却孔が、シュラウドの付け根部分から縁端まで形成されるので、シュラウドの部材厚として、冷却孔とシュラウド外面及び内面との間に必要な肉厚を確保する必要があり、鋳物公差を考慮すると必要以上に肉厚が大きくなってシュラウドの部材重量が増大してしまうという問題がある。特にシュラウドが半径方向外周側となる翼の先端に取り付けられることから、シュラウドの部材重量の増大によって動翼の回転に伴う遠心荷重が増大してしまうこととなり、クリープ寿命を低下させてしまうことにもなる。また、長大翼化により翼先端に取り付けられるシュラウドの周方向ピッチは大きくなる。このため、シュラウドの周方向長さ寸法が大きくなり、シュラウド付け根近傍での遠心力による曲げ応力が高くなって要求される曲げ強度が厳しくなる。このように、シュラウドの部材重量が、動翼の翼高さを増大することに対する制限となりうる。

なお、特許文献１には、翼本体からシュラウドの上面に開口させる冷却孔について開示されているが、このような冷却孔では、この冷却孔が開口する翼本体及びシュラウド上面表面を冷却することができたとしても、要求される曲げ強度の厳しい付け根の近傍を冷却することができない。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、シュラウド全体を効果的に冷却すると同時にシュラウドの軽量化を図ることができるガスタービン翼を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るガスタービン翼は、内部を冷却空気が流れる翼本体と、該翼本体の先端に配され、前記翼本体の翼背面及び翼腹面まわりに張り出されるとともに、前記翼本体から延出されて前記冷却空気が流れる複数の冷却孔が形成されたシュラウドと、を備え、前記シュラウドの肉厚が、前記翼本体側から縁端に向かって漸次薄くなるように形成され、前記シュラウドにおける翼高さ方向先端側の面を上面としたときに、前記冷却孔として、前記翼本体側から縁端に向かう途中の前記上面に開口して配される第一冷却孔を有することを特徴とする。

この発明は、シュラウドの肉厚が、翼本体側から縁端に向かって相対的に漸次薄くなるように形成されているので、シュラウドをより軽量化することができる。この際、第一冷却孔を、シュラウドの肉厚が薄くなる縁端側の部分を除いて上面に開口するようにして設けることで、冷却が必要なところを確実に冷却しつつ、縁端側の部材厚を薄くしてシュラウドの軽量化を効果的に図ることができる。

また、本発明に係るガスタービン翼は、前記ガスタービン翼であって、前記シュラウドの張り出し長さが、前記翼本体のコード長方向に沿って変化するよう形成され、前記第一冷却孔が、張り出し長さが相対的に長い領域における前記上面に開口して配されていることを特徴とする。

この発明は、第一冷却孔によって、張り出し長さが相対的に長い領域で、シュラウドの付け根部分を効果的に冷却しつつ、付け根部分から張り出した縁端側の部分ではシュラウドの肉厚を効果的に小さくすることができる。

また、本発明に係るガスタービン翼は、前記ガスタービン翼であって、前記シュラウドが、前記翼本体の翼背面側で後縁側よりも前縁側が張り出すように形成されて、該前縁側の領域の前記上面に前記第一冷却孔が開口して配されているとともに、前記翼本体の翼腹面側で前縁側よりも後縁側が張り出すように形成されて、該後縁側の領域の前記上面に前記第一冷却孔が開口して配されていることを特徴とする。
この発明は、シュラウドを、翼本体の翼背面側で後縁側よりも前縁側が張り出すように形成するとともに、翼腹面側で前縁側よりも後縁側が張り出すように形成することで、シュラウドとして重量を抑えつつ、隣り合うもの同士で連結するとともに翼全体としての剛性を確保するのに必要最小限の大きさを確保することができる。そして、第一冷却孔によって、張り出し長さが相対的に長い領域で、シュラウドの付け根部分を効果的に冷却しつつ、付け根部分から張り出した縁端側の部分ではシュラウドの肉厚を効果的に小さくすることができる。

また、本発明に係るガスタービン翼は、前記ガスタービン翼であって、前記冷却孔として、前記翼本体の翼背面側かつ後縁側、及び翼腹面側かつ前縁側の縁端に開口して配された第二冷却孔をさらに有することを特徴とする。
この発明は、張り出し長さが相対的に短い肉厚領域では、第二冷却孔によってシュラウドを縁端まで効果的に冷却することができる。

また、本発明に係るガスタービン翼は、前記ガスタービン翼であって、前記翼本体の翼高さ方向に突出したフィンが、ガスタービンの軸方向に直交するよう配され、前記第一冷却孔が、前記フィンと前記翼本体とで挟まれた前記シュラウドに発生する応力が相対的に大きい領域を避けて前記上面に開口して配されていることを特徴とする。

この発明は、高圧の燃焼ガスの漏れをフィンによって抑えることができ、燃焼ガスが翼本体先端とそれを覆うケーシングとの間に形成された隙間から逃げないようにすることができる。また、第一冷却孔が高応力領域を避けて開口されているので、高応力領域を効果的に冷却しつつ、高応力領域に開口した場合に発生する応力集中を回避して相対的に応力の低い領域に開口することにより第一冷却孔の開口周辺の強度を確保することができる。

本発明に係るガスタービンは、本発明に係るガスタービン翼がタービン後方段に配されていることを特徴とする。
この発明は、タービン動翼を軽量化することができるので、後方段の長大翼の強度確保と冷却を両立させて性能を向上させることができるとともに、安定して運転することができる。

本発明によれば、シュラウド全体を効果的に冷却すると同時にシュラウドの軽量化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン翼が配されるガスタービンを示す一部破断面図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン翼のシュラウド上面を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図２のＩＶ―ＩＶ矢視図である。

本発明に係る一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係るガスタービン翼１は、内部を冷却空気が流れる翼本体２と、翼本体２の翼高さ方向（タービンの径方向）先端に配され、翼本体２の翼背面２Ａ及び翼腹面２Ｂまわりに張り出されるとともに、翼本体２から延出されて冷却空気が流れる複数の第一冷却孔３Ａ及び第二冷却孔３Ｂが挿通されたシュラウド５と、を備えている。

このガスタービン翼１は、タービン６の最終段に配されている。
ここで、タービン６は、圧縮空気を生成する圧縮機７と、圧縮機７から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃焼器８とともに、ガスタービン１０内に配されている。

シュラウド５における翼高さ方向先端側の面を上面（すなわち、図２において図示された面）５Ａとしたときに、上面５Ａには、該翼高さ方向に突出したフィン１１が、ガスタービン１０の軸方向、すなわち、燃焼ガス通路Ｒに対して直交するように配されている。シュラウド５の内部には、翼本体２の内部に配された冷却通路１２と連通されたキャビティ１３Ａ，１３Ｂが配されている。シュラウド５の内部に形成される冷却孔を構成する第一冷却孔３Ａ及び第二冷却孔３Ｂは、このキャビティ１３Ａ，１３Ｂと連通され、翼本体２の冷却通路１２を流れる冷却空気をシュラウド５内に導入している。

シュラウド５は、翼本体２と接続される付け根部分から縁端５Ｂに向かって肉厚が漸次薄くなるように、かつ、翼本体２のコード長方向に沿って張り出し長さが変化するように形成されている。ここでは、翼本体２の翼背面２Ａ側で後縁２Ｄ側よりも前縁２Ｃ側が張り出すように形成され、翼本体の翼腹面２Ｂ側で前縁２Ｃ側よりも後縁２Ｄ側が張り出すように形成されている。そして、翼本体２のコード長方向に沿って概略等しい肉厚となっているとともに、直交する方向に沿って漸次肉厚が小さくなるように形成されている。

シュラウド５は、タービン６の周方向に隣接する他のガスタービン動翼に配されたシュラウド５と面１５で連接され互いに押圧しあう。このため、翼本体２の翼背面２Ａ側かつ前縁２Ｃ側、及び翼腹面２Ｂ側かつ後縁２Ｄ側で、フィン１１と翼本体２と挟まれた領域は、上記押圧にともない、シュラウド５に発生する応力が相対的に大きい高応力領域Ｈとなっている。

第一冷却孔３Ａは、張り出し長さが相対的に長い領域、すなわち翼本体２の翼背面２Ａ側かつコード長方向中心よりも前縁２Ｃ側、及び翼腹面２Ｂ側かつコード長方向中心よりも後縁２Ｄ側で、翼本体２のコード長方向と交差する方向に配設されている。そして、第一冷却孔３Ａは、シュラウド５に発生する応力が相対的に小さい領域、すなわち高応力領域Ｈを避けた領域でシュラウド５の上面５Ａに開口して配されている。

各第一冷却孔３Ａは、それぞれ略同一の大きさで形成されている。第一冷却孔３Ａは、キャビティ１３Ａ，１３Ｂから上面５Ａに向かって、上面５Ａに対して所定の角度に傾斜して配されている。この角度及び孔径は、シュラウド５の肉厚とともに、加工技術及び冷却空気の圧損を考慮して決められる。

翼本体２の翼腹面２Ｂ側かつコード長方向中心よりも前縁２Ｃ側、及び翼背面２Ａ側かつコード長方向中心よりも後縁２Ｄ側となる領域は、張り出し長さが相対的に短く、肉厚部分となっている。
第二冷却孔３Ｂは、この領域で、翼本体２のコード長方向と交差する方向に配設され、縁端５Ｂに開口して配されている。第二冷却孔３Ｂは、キャビティ１３Ａ，１３Ｂから縁端５Ｂまで上面５Ａと略平行に延びるようにシュラウド５内に配されている。各第二冷却孔３Ｂは、それぞれ略同一の大きさで形成されている。

次に、本実施形態に係るガスタービン翼１の作用について説明する。
冷却通路１２を流れた冷却空気は、シュラウド５のキャビティ１３Ａ，１３Ｂから第一冷却孔３Ａ及び第二冷却孔３Ｂに分岐されて流れていく。ここで、第一冷却孔３Ａを流れる冷却空気は、シュラウド５において第一冷却孔３Ａが配設された範囲、特に高応力領域Ｈを冷却しながら、翼本体２の翼背面２Ａ側かつコード長方向中心よりも前縁２Ｃ側、及び翼腹面２Ｂ側かつコード長方向中心よりも後縁２Ｄ側の上面５Ａから燃焼ガス通路Ｒ内に放出される。

一方、第二冷却孔３Ｂを流れる冷却空気は、肉厚部分を冷却しながら、翼本体２の翼腹面２Ｂ側かつコード長方向中心よりも前縁２Ｃ側、及び翼背面２Ａ側かつコード長方向中心よりも後縁２Ｄ側の縁端５Ｂから燃焼ガス通路Ｒ内に放出される。

このガスタービン翼１及びこれを備えたガスタービン１０によれば、シュラウド５の肉厚が、縁端５Ｂに向かって漸次薄くなるように形成されているので、シュラウド５をより軽量化することができる。この際、第一冷却孔３Ａが、シュラウド５の肉厚が薄くなる縁端５Ｂ側の部分を除いて上面５Ａに開口するようにして設けられていることで、シュラウド付け根部分の肉厚が大きく冷却が必要なところを確実に冷却しつつ、縁端５Ｂ側の部材厚を薄くしてシュラウド５の軽量化を効果的に図ることができる。

特に、翼本体２の翼背面２Ａ側かつコード長方向中心よりも前縁２Ｃ側、及び翼腹面２Ｂ側かつコード長方向中心よりも後縁２Ｄ側における張り出し長さが相対的に長い領域に第一冷却孔３Ａが形成されている。このため、シュラウド５の付け根部分を効果的に冷却しつつ、付け根部分から張り出した縁端５Ｂ側の部分ではシュラウド５の肉厚を効果的に小さくすることができる。一方で、翼本体２の翼腹面２Ｂ側かつコード長方向中心よりも前縁２Ｃ側、及び翼背面２Ａ側かつコード長方向中心よりも後縁２Ｄ側の縁端５Ｂ、すなわち張り出し長さが短くシュラウド５の部材厚が大きい肉厚領域では、第二冷却孔３Ｂが配設されることによってシュラウド５の内部を付け根部分から縁端５Ｂまで効果的に冷却することができる。さらに、第一冷却孔３Ａが上面５Ａに対して略平行ではなく所定の角度に傾斜して配されている、言い換えれば、翼本体２及びキャビティ１３Ａ、１３Ｂに近い位置に開口しているので、圧損が低減されて冷却通路１２内の冷却空気が流れやすくなり、翼本体２及びシュラウド５の冷却効率を向上させることができる。

また、翼本体２の翼高さ方向に突出したフィン１１が、ガスタービン１０の軸方向に直交するよう配されているので、高圧の燃焼ガスの漏れをフィン１１によって抑えることができ、燃焼ガスが翼本体２先端とそれを覆うケーシング側との間に形成された隙間から逃げないようにすることができる。また、第一冷却孔３Ａが、フィン１１と翼本体２とで挟まれた高応力領域Ｈを避けて上面５Ａに開口されていることにより、高応力領域Ｈを効果的に冷却しつつ、高応力領域Ｈに開口した場合に発生する応力集中を回避して相対的に応力の低い領域に開口することにより、第一冷却孔３Ａの開口周辺の強度を確保することができる。
特に、タービン最終段の長大翼のように、タービン前方段に比して強度要求が高くなる一方、冷却要求が低くなるタービン後方段動翼に本発明を適用することにより、シュラウドを軽量化して遠心荷重の低減、クリープ寿命の向上、さらには、翼高さ制限の緩和を図り高性能化、高出力化を図ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の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。

１ ガスタービン翼
２ 翼本体
２Ａ 翼背面
２Ｂ 翼腹面
２Ｃ 前縁
２Ｄ 後縁
３Ａ 第一冷却孔
３Ｂ 第二冷却孔
５ シュラウド
５Ａ 上面
５Ｂ 縁端
６ タービン
１０ ガスタービン
１１ フィン

Claims (6)

1. 内部を冷却空気が流れる翼本体と、
   該翼本体の先端に配され、前記翼本体の翼背面及び翼腹面まわりに張り出されるとともに、前記翼本体から延出されて前記冷却空気が流れる複数の冷却孔が形成されたシュラウドと、
   を備え、
   前記シュラウドの肉厚が、前記翼本体側から縁端に向かって漸次薄くなるように形成され、
   前記シュラウドにおける翼高さ方向先端側の面を上面としたときに、前記冷却孔として、前記翼本体側から縁端に向かう途中の前記上面に開口して配される第一冷却孔を有することを特徴とするガスタービン翼。
2. 前記シュラウドの張り出し長さが、前記翼本体のコード長方向に沿って変化するよう形成され、
   前記第一冷却孔が、張り出し長さが相対的に長い領域における前記上面に開口して配されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン翼。
3. 前記シュラウドが、前記翼本体の翼背面側で後縁側よりも前縁側が張り出すように形成されて、該前縁側の領域の前記上面に前記第一冷却孔が開口して配されているとともに、前記翼本体の翼腹面側で前縁側よりも後縁側が張り出すように形成されて、該後縁側の領域の前記上面に前記第一冷却孔が開口して配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン翼。
4. 前記冷却孔として、前記翼本体の翼背面側かつ後縁側、及び翼腹面側かつ前縁側の縁端に開口して配された第二冷却孔をさらに有することを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載のガスタービン翼。
5. 前記翼本体の翼高さ方向に突出したフィンが、ガスタービンの軸方向に直交するよう配され、
   前記第一冷却孔が、前記フィンと前記翼本体とで挟まれた前記シュラウドに発生する応力が相対的に大きい領域を避けて前記上面に開口して配されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載のガスタービン翼。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載のガスタービン翼がタービン後方段に配されていることを特徴とするガスタービン。

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