JP2014227957A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、タービン効率の向上が可能なタービン翼を提供することを目的とする。
【解決手段】
作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部と、前記プラットホーム部から延びる翼形部とを備えたタービン動翼であって、前記翼形部が、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面と凸形状の負圧面と、前記プラットホーム部と反対側の先端側端面となる翼端面とを備え、前記翼端面に線状の溝またはリブを１本以上有し、１本以上の前記溝または前記リブの両端が前記負圧面と交わることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービン動翼に関する。

タービン動翼では、ケーシング等の静止部材と翼先端との間に間隙が存在するため、翼の正圧面から負圧面に向かう漏れ流れが発生する。そして、この漏れ流れが主流と干渉することで全圧損失が増大し、タービン効率が低下する。

翼端漏れ流れによる全圧損失の増大を防ぐため、翼端漏れ流れ量を低減するためのさまざまな翼端部の形状が提案されている。その中の一つに、スキーラと呼ばれる、翼の正圧面や負圧面と翼端面との交線周辺の翼端面が周囲より高くなった構造を有するものがある。

このような構造の一例として、特開２００９−１０８８３４号公報（特許文献１）がある。この公報には、「内側に凹部を形成する翼形状のスキーラを備え、スキーラの背側部分にタービン動翼の背側のみに連通する切欠部を有する」と記載されている。また、特開２０１０−１５６３２５号公報（特許文献２）がある。この公報には、先端板から半径方向外向きに延出した先端壁によって形成される翼形状のスキーラを備え、翼端ミッドコード線（先端中央翼弦線）に対して８０〜１００度の角度を成すリブを有する動翼が記載されている。

特開２００９−１０８８３４号公報 特開２０１０−１５６３２５号公報

翼端漏れ流れ量を低減するために静止部材と翼先端との間隙を小さくした場合、静止部材と翼先端との摺動が生じる可能性が高まる。しかし、従来の構造ではケーシングと翼先端との摺動による摩擦熱が翼端部の凹部にとどまりやすい。また、翼先端部を冷却するための空気を翼端面から噴出したときに、冷却空気が翼端面を十分冷却する前に下流に流れてしまい、翼端面全体に冷却空気を行き渡らせることが難しく翼端部が一部高温となってしまうという問題があった。

そこで本発明は、翼端漏れ流れの低減や翼端面の冷却性能の向上により、タービン効率の向上が可能なタービン翼を提供することを目的とする。

本発明は、作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部と、前記プラットホーム部から延びる翼形部とを備え、前記翼形部が、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面と凸形状の負圧面と、前記プラットホーム部と反対側の先端側端面となる翼端面とを備え、前記翼端面に線状の溝またはリブを１本以上有し、１本以上の前記溝または前記リブの両端が前記負圧面と交わることを特徴とする。

本発明によれば、翼端漏れ流れの低減や翼端面の冷却性能の向上により、タービン効率の向上が可能なタービン翼を提供することができる。

実施例１に係るタービン動翼の翼端部と漏れ流れを表す図である。 翼端漏れ流れ方向間隙部の断面を表す概略断面図である。 溝方向の決定方法を表す図である。 冷却タービン動翼の翼端形状を表す図である。 実施例２に係るタービン動翼の翼端形状を表す図である。 実施例２に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。 実施例２に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。 実施例２に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。 実施例３に係るタービン動翼の翼端形状を表す図である。 発電用ガスタービンシステムの概略図である。 ガスタービンの構造を表す概略部分断面図である。 冷却タービン翼のＡ−Ａ断面図である。 実施例１に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。 実施例１に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。 タービン動翼の拡大図である。 タービン動翼の翼形状を表す図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１０は発電用ガスタービンシステムの概略図である。発電用ガスタービンシステムは、主に圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、シャフト１４から構成される。圧縮機１１は、空気を吸込んで圧縮し、圧縮空気を生成する。燃焼器１２は、圧縮機１１で生成された圧縮空気と燃料とを燃焼させて高温ガスが発生させる。タービン１３はこの高温ガスを作動ガスとして利用してエネルギーを回収する。

タービン１３は、作動ガスが有する圧力エネルギーを膨張させることによって運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーが高まった作動ガスに動翼に対して仕事をさせて回転動力を発生させる。シャフト１４を通してタービン１３で発生する回転動力が圧縮機１１に伝えられることで、タービン１３で回収したエネルギーの一部が圧縮機の駆動に使用される。そして、タービン１３で回収したエネルギーの余剰分は出力として利用され、例えば発電機の駆動に使用されて電力を発生させる。

図１１にはガスタービンの概略部分断面図を示す。圧縮機１１とタービン１３はシャフト１４を通してつながっており、その間には燃焼器１２が存在する。タービン動翼２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂはタービンロータに取り付けられたプラットホーム部から半径位置が大きくなる方向に延びており、タービン静翼２１ｎ、２２ｎ、２３ｎ、２４ｎはケーシング２５側に支持されている。また、ケーシング２５の、タービン動翼２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂの径方向外周にあたる位置には、それぞれ静止部材であるケーシングシュラウド３１、３２、３３、３４が取り付けられている。タービン動翼２１ｎ、２２ｎ、２３ｎ、２４ｎの先端部とケーシングシュラウド３１、３２、３３、３４との間には、それぞれ間隙が存在する。

図１５はタービン動翼の拡大図である。タービン動翼は、作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部５１と、プラットホーム部５１から延びる翼高さ５０の翼形部と、プラットホーム部５１の根元側に設けられているシャンク部５２等で構成されている。図１６はタービン動翼の翼形状を表わす図である。翼形部は、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面１と凸形状の負圧面２とで形作られており、タービンロータに取り付けられた動翼はタービン翼列を形成して作動ガスによって矢印６０の方向に回転駆動される。また、翼前縁と翼後縁との距離５５は軸コード長を表す。

図１は、本実施例に係るタービン動翼の翼端部を示す図である。タービン動翼の翼端部は、主に上述の正圧面１及び負圧面２と、翼形部のプラットホーム部５１とは反対側の先端側の端面である翼端面３から構成される。翼端部とこれに対向する静止部材との間隙では、図中に破線の矢印で示すような翼端漏れ流れ５が発生する。本実施例では、このような翼端漏れ流れ５を抑制するための構成として、翼端面３に溝幅５３の線状の溝４が設けられている。

図２はタービン動翼の翼端部と対向する静止部材６との間の間隙部を拡大した概略断面図である。図２に示すように、本実施例のタービン動翼は、漏れ流れ５の流れ方向に対してほぼ垂直に形成された複数の溝４を翼端面３に有する。このような本実施例の構成によれば、それぞれの溝４で発生する渦によって翼端間隙部の流れの侵入を妨げることができるため、漏れ流れ５の流量を低減させることができる。そして、漏れ流れが低減された分の作動ガスはタービン動翼に空気力を与えることによりタービンロータを回転させ、エネルギーを生み出すのに利用されることになる。そのため、漏れ流れ５の流量を低減させることにより、ガスタービン効率の向上を図ることができる。

図３はタービン動翼の翼端近傍の翼断面における翼面上圧力分布を示した図である。横軸は翼面上の位置を、縦軸は圧力を表している。そして、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８e、８ｆはそれぞれ線状の溝４と翼正圧面１または負圧面２との交点８ａ’、８ｂ’、８ｃ’、８ｄ’、８e’、８f’における圧力を表している。

図３に示す通り、本実施例のタービン動翼では、線状の溝４の両端の圧力、即ち、８ａと８ｂ、８ｃと８ｄ、８eと８fの圧力の値はそれぞれ等しくなっている。この場合、溝方向に圧力勾配がほとんど存在しないため溝内に流れが発生しにくくなる。そのため溝４を備えたことにより、正圧面から負圧面に向けて溝内を空気が漏れるといった問題は発生しにくい。なお、溝は1本以上設置されるが本数に特に制限はない。溝の間隔は等間隔の場合もあるが、不均一に設置する場合もある。

ここで、図３に示す通り、翼面状の圧力変化の様子は正圧面側と負圧面側とで異なっている。ほぼ単調に減少する正圧面側の圧力に対し、負圧面側の圧力は翼の後半部分で極小値をとる形で変化しているため、特に翼の後半部分で正圧面側と負圧面側との間の圧力差が大きくなる。したがって、翼の後半部分における漏れ流れを抑制することが重要となる。

そこで本実施例のタービン翼は、翼端部に設けられる溝４の一つとして両端が負圧面と交わる溝４ａを備えている。正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分では、負圧面側の圧力が正圧面側の最小圧力よりも小さくなる。そのため、この範囲において両端の圧力が等しくなるように溝４を配置して漏れ流れの低減を図るには、両端が８e’及び８f’のように共に負圧面と交わるような溝４ａを配置することが有効である。

両端が共に負圧面と交わる４ａを１本以上備えた本実施例の構成によれば、正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分における漏れ流れを抑制することができ、漏れ流れ全体の流量を効果的に低減することができ、タービンの効率を向上させることができる。

さらに、正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分に複数の溝４、４ａを密に配置することで効果的に漏れ流れを抑制できる。反対にこの部分にのみ1本の溝４ａを配置した場合には少ないコストで高い漏れ流れ抑制効果を得ることができる。

なお、翼面上の圧力分布は前縁近傍で最大となり負圧面側で最小となるが、翼面の最大圧力と最小圧力との差を最大圧力差９としたとき、両端部の圧力差が最大圧力差９の１０％以下となるように溝４、４ａを形成することにより、溝内の流れを効果的に抑制することができる。

また、設計等の都合により溝の両端部に圧力差が生じる場合には、両端部のうち、より後縁側に位置する端部における圧力が小さくなるように溝を配置し、溝の圧力分布が後縁側に行くに従って小さくなるようにすることが望ましい。このように設定することで、溝内では前縁側から後縁側に向かう流れが誘起されて溝内流れが翼正圧面または翼負圧面から放出されることとなるが、放出される流れと主流とのなす角度を小さく抑えられるため、損失が大きくなることを回避することができる。

タービン動翼先端部において、前記正圧面から前記負圧面に向かって発生する漏れ流れは、正圧面と翼端面が交わる位置で一度剥離をした後に、再付着する。剥離した領域の厚さは、翼高さの０．４％%程度である。そのため溝の深さは、翼高さの０．４％%程度、溝幅は、軸コード長の０．４％%程度とすると各溝の位置で発生する剥離による渦の発生が翼端漏れ流れを防ぐため、より効果的に翼端漏れ流れを低減できる。一方、溝の深さや幅を必要以上に大きくした場合、翼面の面積を減少させる必要等が生じ、これにより十分なタービン効率の向上が見込めなくなる恐れがある。そのため、溝の深さは翼高さ５０の１％以下の範囲、溝の幅は軸コード長５５の１％以下の範囲で設定すると良い。

また、溝は直線である場合もあるし、曲線の場合もある。さらには、折れ線としても良い。なお、図１４のように、溝を上流側にせり出した格好に曲線を設定することにより、溝端8ａ’’,8b’’の圧力が溝中央部に比べて低くなり、溝内への主流空気の流入を抑制することができる。当然、溝を折れ線状とする場合にも、上流側にせり出した格好で折れ線を設定することでも同様の効果が得られる。

さらに、溝４は翼正圧面または負圧面と交わる位置で開放されているため、ケーシングとの摩擦熱により加熱された流体が翼端部にとどまり、翼端部を加熱するといった問題が生じにくい。したがって、冷却空気量の削減が可能となり、これによりタービン効率を向上させることができる。

図５は、実施例２におけるタービン動翼の翼端形状を示す構成図である。本実施例では、翼端面に凹凸を付ける手段として、線状の溝を設けるのではなく、幅５４の線状のリブ１０を設けている。漏れ流れ方向に対してほぼ垂直に複数の凸部を有すると、それぞれの凸部により渦が発生することで翼端間隙部の流れの侵入を妨げ、翼端漏れ流れの流量を低減させるというものである。

実施例１で説明したのと同様に、リブの方向に圧力勾配がほとんど存在しないようにするとリブとリブの間の凹部にリブの方向に沿った流れが発生しにくくなる。そのためリブとリブの間の凹部を、正圧面から負圧面に向けて空気が漏れるといった問題が発生しにくい。

また、本実施例のようにリブの両端が共に負圧面と交わる線状のリブ１０ａを１本以上備えることで、正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分における漏れ流れを抑制することができ、漏れ流れ全体の流量を効果的に低減することができる。そのため、実施例１の溝４ａと同様に、タービン効率の向上が可能である。

タービン動翼先端部において、前記正圧面から前記負圧面に向かって発生する漏れ流れは、正圧面と翼端面が交わる位置で一度剥離をした後に、再付着する。剥離した領域の厚さは、翼高さの０．４％%程度である。そのためリブの高さとして翼高さ５０の０．４％程度、リブの幅として、軸コード長５５の０．４％程度を確保すると各リブの位置で発生する剥離による渦の発生が翼端漏れ流れを妨げることにより効果的に翼端漏れ流れを低減できる。一方、リブの高さや幅を必要以上に大きくした場合、翼面の面積を減少させる必要等が生じ、これにより十分なタービン効率の向上が見込めなくなる恐れがある。そのため、リブの高さは翼高さ５０の１％以下の範囲、リブの幅は軸コード長５５の１％以下の範囲で設定すると良い。

先端間隙が変化して翼先端がケーシングに接触する場合、ケーシングと接するのはリブの部分のみであるため、本実施例を採用することで、実施例１と比べてケーシングとの接触面積が減少し、ケーシングの摩耗とケーシングとの摺動による翼端部の発熱を抑制することができる。したがって、冷却空気量の削減が可能となり、これによりタービン効率を向上させることができる。

また、リブの形状として、図６のような円弧形状のリブ１５や、図７のような三角形状のリブ１６などを採用するとケーシングとの接触面積を更に減らすことができるため、摩擦による発熱を低減することが可能となる。なお、リブは直線である場合もあるし、曲線の場合もある。さらに、図８に示すような折れ線状のリブ３５としても良い。

図１０に示したように、冷却空気は圧縮機中の空気の一部を抽気することにより取得され、タービン翼へと導かれる。冷却空気として抽気されたバイパス空気はタービンにおいて仕事にほとんど寄与しないため、冷却空気の増加は、ガスタービン性能の低下につながる。

ガスタービン動翼は、内部に中空部を有し、中空部に冷却媒体を流して翼を内部から冷却するように形成された翼形部を構成している場合がある。図４に冷却のために内部が中空となっているタービン翼の翼端形状を示す。また、図１２には図４に示したタービン動翼のＡＡ断面図を示す。

圧縮機から導かれた冷却空気は開口部３６、３７よりタービン翼内部に導入され、タービン翼内部の中空部（冷却流路）をそれぞれ矢印３８、３９の方向に流れていく。その際、タービン翼からの熱を吸収することで、翼メタル温度を低減する。タービン翼内部の冷却流路を流れた冷却空気は、その後、翼前縁部に配置された複数の冷却孔４０から噴出することで翼前縁部を冷却したり、翼後縁部の噴孔４２から噴出したり、または翼端部に配置された冷却孔７から噴出したりすることでガスパス路に排出される。

冷却空気の一部は矢印４１のように、翼端の溝４に設けられた冷却孔７から噴出される。図９は実施例３における翼端形状を示す構成図の例である。実施例１のように溝を設けた場合には、図９のように溝４に冷却孔７を設け、ここから冷却空気を噴出する。一方、実施例２のようにリブを設けた場合は、図８のように隣り合うリブ同士の間の領域にあたる翼端面３に冷却孔７を設ける。

実施例１や実施例２でそれぞれ説明したタービン動翼は、スキーラ翼とは異なり、溝やリブとリブの間の凹空間は翼正圧面または負圧面と交わる位置で開放されているため、ケーシングとの摩擦熱により加熱された流体が翼端部にとどまり、翼端部を加熱するといった問題が生じにくい。その上、溝やリブの存在により、冷却孔７より噴出された冷却空気は、冷却孔を有する溝内もしくはリブとリブの間にとどまりやすい。そのため、それぞれの冷却孔から噴出される冷却空気量を調整することにより、それぞれの冷却孔の属する溝内もしくはリブとリブの間付近の金属温度を制御できる。高温部の冷却孔の径を大きくして冷却空気量を増やす一方、それほど高温でない部分の冷却孔の径は小さくして冷却空気量を減らすことにより翼端面全域に渡って熱負荷を許容範囲内に抑えることが可能になる。加えて、必要最低限の冷却空気しか噴出する必要がなくなり、冷却空気量の削減に寄与する。

以下にいくつか例を示す。図８において、くの字型の凹部３の屈折部分は溝内で最も圧力が高くなっており、そこに冷却孔7を設けると、溝内に冷却空気を沿わせて流すことができる。図１４のような曲線の場合にも同様の効果が期待できる。または、上流側の翼面との交差位置の圧力値8ａが下流側の翼面との交差位置8bの圧力値に比べ、全圧力幅９の０％以上１０%以下の範囲で高い状態に設定し、図１３のように溝内で最も圧力の高い8ａ近くに冷却孔を設けると、冷却空気は8ａから8b方向へと溝内をながれ、溝付近を効果的に冷却することができる。

なお、以上の実施例は蒸気タービンやジェットエンジン等においても適用可能である。

１ 動翼正圧面
２ 動翼負圧面
３ 動翼翼端面
４ 翼端部の溝
５ 翼端漏れ流れ
６ 静止部材
７ 冷却空気噴射孔
９ 圧力差
１０ 翼端部のリブ
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ シャフト
１５ 円弧形状のリブ
１６ 三角形状のリブ
２１ｎ 第１段静翼
２１ｂ 第１段動翼
２２ｎ 第２段静翼
２２ｂ 第２段動翼
２３ｎ 第３段静翼
２３ｂ 第３段動翼
２４ｎ 第４段静翼
２４ｂ 第４段動翼
２５ ケーシング
３６開口部（前縁側）
３７開口部（後縁側）
５０タービン動翼の翼高さ
５１プラットホーム部
５２シャンク部
５３ スリットの溝幅
５４ リブの幅
５５ 軸コード長
６０ 回転方向

Claims (7)

1. 作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部と、前記プラットホーム部から延びる翼形部とを備えたタービン動翼であって、
   前記翼形部は、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面と凸形状の負圧面と、前記プラットホーム部と反対側の先端側端面となる翼端面とを備え、
   前記翼端面に線状の溝を１本以上有し、１本以上の前記溝の両端が前記負圧面と交わることを特徴とするタービン動翼。
2. 作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部と、前記プラットホーム部から延びる翼形部とを備えたタービン動翼であって、
   前記翼形部は、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面と凸形状の負圧面と、前記プラットホーム部と反対側の先端側端面となる翼端面とを備え、
   前記翼端面に線状のリブを１本以上有し、１本以上の前記リブの両端が前記負圧面と交わることを特徴とするタービン動翼。
3. 請求項１または請求項２に記載のタービン動翼において、
   前記溝または前記リブは、その両端が前記正圧面または前記負圧面と交わると共に、前記正圧面または前記負圧面との交点における翼面上圧力が等しくなるように配置されていることを特徴とするタービン動翼。
4. 請求項１または請求項２に記載のタービン動翼において、
   前記溝または前記リブは、その両端が前記正圧面または前記負圧面と交わると共に、前記正圧面における圧力の最大値と前記翼負圧面における圧力の最小値との差を１００％としたときに、前記正圧面または前記負圧面との交点における翼面上の圧力差が、１０％以下の範囲内であることを特徴とするタービン動翼。
5. 請求項１ないし請求項４において、
   それぞれの前記溝または前記リブの高さが、翼高さの１％以下であることを特徴とするタービン動翼。
6. 請求項１ないし請求項５に記載のタービン動翼において、
   それぞれの前記溝または前記リブの幅が、翼の軸コード長の１％以下であることを特徴とするタービン動翼。
7. 請求項１ないし請求項６に記載のタービン動翼において、
   前記タービン動翼の内部に中空部を有し、前記中空部に冷却媒体を導入する開口部と、前記中空部に導入された冷却媒体を前記タービン動翼の外部に噴出する冷却孔とを備え、
   前記冷却孔が、前記翼端面に設けられた前記溝、もしくは、隣り合った前記リブ同士の間に配置されていることを特徴とするタービン動翼。