JP2015090134A

JP2015090134A - ガスタービン翼

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Publication number: JP2015090134A
Application number: JP2013231143A
Authority: JP
Inventors: 喬横山; Takashi Yokoyama
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2015-05-11

Abstract

【課題】ガスタービン翼において、翼端部に設けられた先端シュラウドの高応力部や変形しやすい部位を効果的に補強することにより、先端シュラウドに発生する応力を大幅に低減し、先端シュラウドの変形を抑制する構造を提供する。【解決手段】ガスタービン翼先端から翼の周方向および翼の回転軸方向に伸びるカバー１５と、翼の回転半径方向に沿ってカバーから翼の反対側に伸びる複数のフィン１６とで構成される先端シュラウド１０を有するガスタービン翼において、カバーのフィンを有する面において、後縁側フィン１６ｂの背側周方向端部より後縁側に位置するカバー背側周方向端部と、翼面延長面の背側前縁側を通り前縁側フィン１６ａとを連結する第一の補強部２１と、前縁側フィンの腹側周方向端部より前縁側に位置するカバー腹側周方向端部と、翼面延長面の腹側後縁側を通り後縁側フィンとを連結する第二の補強部２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、翼端部にシュラウドが設けられたガスタービン翼に関するものである。

ガスタービン発電に用いられるタービンは複数の動翼および静翼が交互に配置される動静翼列で構成されており、タービンの後段側すなわちタービン駆動ガス流の下流側ほど動翼および静翼の翼長は長いものとなっている。翼長の長い後段側の動翼には、１枚の翼が単独で回転する状態いわゆる単翼状態においてタービンの前段側すなわちタービン駆動ガス流の上流側の翼に比べて高い振動応力が発生する。そのため、翼先端部にシュラウドすなわち先端シュラウドを設け、運転時に隣接する翼の先端シュラウドと接合させることにより、振動に対する剛性を高め動翼に生じる応力の低減を図っている。

また、動翼の先端においては、翼先端とケーシングの間隙に燃焼ガスが漏れてしまい、タービン仕事に損失が生じることを防ぐために、前述の先端シュラウドの外周面に翼の回転半径方向および周方向すなわち翼の回転方向に伸びるフィンを設け、運転中の遠心力によってガスタービン動翼が伸長した際にガスタービン動翼とケーシングの間隙が最小となるように設計がなされている。

ところで、近年ガスタービン発電の高効率化、高出力化の要求が高まり、ガスタービン翼はより長翼化する傾向にある。翼の長翼化に伴い、翼先端部に設けられた先端シュラウドが受ける遠心力が増大し、先端シュラウドを構成するカバー部が受ける応力が増加することにより、カバー部が変形しやすい状態となる。また、先端シュラウドが受ける遠心力と隣接するガスタービン翼の先端シュラウドから受ける応力により、翼部とカバー部の連結部にも集中的に応力が発生する。特に、翼背側ではフィンより前縁側、翼腹側ではフィンより後縁側の位置に高応力が生じる。さらには、燃焼温度の上昇に伴って、先端シュラウドの温度も上昇し、一定の応力下で時間と共に進行する永久変形いわゆるクリープ変形に対する懸念も高まっている。従って、先端シュラウドに対し、これらの応力を低減する補強構造が求められている。その一方で、翼に発生する振動応力や遠心応力を低減するために、先端シュラウドに対する軽量化も必要となっている。

先端シュラウドの補強構造については、例えば特許文献１のような技術が提案されている。特許文献１には、カバー周方向端部に設けられた、隣接する翼との接触部をフィンと連結する補強部を設けることやカバーに発生する高応力部に補強部を設けることにより応力を低減する技術が開示されている。

特開２００５−２０７２９４号公報

前記特許文献１によれば、先端シュラウドの剛性が高められ、部分的に応力の低減が期待されるものの、翼前縁側のフィンよりも前縁側に位置するカバー部、および翼後縁側のフィンよりも後縁側に位置するカバー部においては、遠心力によりカバーが外径方向に捲れあがる変形は抑制されない。つまり、カバーの外径方向への変形は翼面を中心として翼面から離れるほど大きくなるものと考えられるが、翼とカバーの形状によっては、カバーの面上において翼面から最も離れた位置が翼前縁側のフィンよりも前縁側、あるいは翼後縁側のフィンよりも後縁側となる可能性があり、それらの翼面から最も離れた位置の変形を防止することができない。また、補強により先端シュラウドの重量は増すため、翼部に発生する振動応力や遠心応力は増大し、強度の確保が課題となると同時に翼形に制約が生じることとなる。

そこで、本発明は、低応力で、変形し難い先端シュラウド構造を備えたガスタービン翼を提供することを目的とする。

上記の課題を克服するために、本発明は、ガスタービン発電に用いるガスタービン翼において、ガスタービン翼先端から翼の周方向および翼の回転軸方向に伸びるカバーと、翼の回転半径方向に沿って前記カバーから翼の反対側に伸びる複数のフィンとで構成される先端シュラウドと、前記カバーの前記フィンを有する面において、後縁側フィンの背側周方向端部より後縁側に位置するカバー背側周方向端部と、翼面延長面の背側前縁側を通り前縁側フィンとを連結する第一の補強部と、前縁側フィンの腹側周方向端部より前縁側に位置するカバー腹側周方向端部と、前記翼面延長面の腹側後縁側を通り後縁側フィンとを連結する第二の補強部とを備える。

本発明によれば、低応力で、変形し難い先端シュラウド構造を備えたガスタービン翼を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１に係るガスタービン翼の先端シュラウドの斜視図である。実施例１に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例１に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。実施例１に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。実施例２に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例３に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例３に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。実施例３に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。実施例４に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例５に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例６に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例７に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例８に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例８に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。実施例９に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。実施例９に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。実施例１０に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例１１に係るガスタービン翼の先端シュラウドの平面図である。実施例１１に係るガスタービン翼の先端シュラウドの一部断面図である。代表的なガスタービン翼の構造を示す図である。代表的なガスタービンの構造を示す図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

ガスタービンの代表的な構造断面図を図１６に、先端シュラウドを有するガスタービン翼の構造例を図１５に示す。ガスタービンは大きく分けて、圧縮機１、燃焼器２、およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気から吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合して燃焼することで高温高圧のガスを生成し、タービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。

ガスタービンの動翼４については、静翼５とともに交互に配置され、ホイール６の外周側に設けられた溝に植え込まれる構造が一般的である。動翼４は、図１５に示すように、翼部７、プラットフォーム８、ダブテイル９、先端シュラウド１０から構成される。翼部７は、燃焼ガスを最初に受ける前縁１１と燃焼ガスが出ていく後縁１２を境に、凹形状の腹側１３と凸形状の背側１４に分けられる。先端シュラウド１０は、翼部７の先端に接続し、翼の周方向すなわち翼の回転方向および翼の回転軸方向に伸びるカバー１５と、翼の周方向すなわち翼の回転方向および翼の回転半径方向に沿ってカバーから翼の反対側に伸びる１つ以上のフィン１６とで構成される。

本発明の実施例１に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図１から図３Ｂに示す。本実施例におけるガスタービン翼４は、ガスタービン翼先端から翼の周方向すなわち翼の回転方向および翼の回転軸方向に伸びるカバー１５と、翼の周方向すなわち翼の回転方向および翼の回転半径方向に沿ってカバーから翼の反対側に伸びる２つのフィン１６ａおよび１６ｂとで構成される先端シュラウド１０を有している。先端シュラウド１０は、カバー１５の外側面すなわち翼と連結する面の反対側の面において、後縁側フィン１６ｂの背側周方向端部より後縁側に位置するカバー背側周方向端部１９と、翼面延長面２０の背側前縁側２０ａを通り前縁側フィン１６ａとを連結する第一の補強部２１と、前縁側フィン１６ａの腹側周方向端部より前縁側に位置するカバー腹側周方向端部１８と、翼面延長面２０の腹側後縁側２０ｂを通り後縁側フィン１６ｂとを連結する第二の補強部２２とを備えている。ここで翼面延長面２０とは、翼部７とカバー１５との連結部における翼部７の横断面、すなわちカバー１５を翼の回転半径方向に沿って翼の方向に向かって平面視した場合の翼部７とカバー１５との仮想的な連結面を指している。

カバー１５、２つのフィン１６ａおよび１６ｂ、第一の補強部２１、第二の補強部２２を有する先端シュラウド１０は、翼部７と一体で鋳造成型することが可能であるし、また各部を個別に鋳造成型した後に溶接により成型しても良い。但し、先端シュラウド１０の剛性の点では一体鋳造成型の方が有利である。

カバー背側周方向端部１９と前縁側フィン１６ａとをつなぐ中心線２１ａに直交する第一の補強部２１の断面形状は、必要とする剛性と重量のバランスに応じて矩形、半円形等に設定することができる。

図３Ａおよび図３Ｂは、図２における第一の補強部２１および第二の補強部２２の縦断面形状すなわち翼の回転半径方向に沿った第一の補強部２１のＡ−Ａ’断面および第二の補強部２２のＢ−Ｂ’断面を示している。図３Ａおよび図３Ｂのように、中心線２１ａに沿って第一の補強部２１の断面形状を変化させることもできる。つまり、第一の補強部２１の翼の回転半径方向において、前縁側フィン１６ａと連結する側からカバー背側周方向端部１９に向かって高さが低くなるような傾斜を有するように設けても良い。第二の補強部２２の断面形状についても、第一の補強部２１と同様の考えに基づいて設定することができる。

実施例１によれば、２つのフィンを有する先端シュラウド１０に第一の補強部２１と第二の補強部２２とを備えることにより、カバー１５の外側面上において翼面延長面２０から最も離れたカバー部が受ける遠心力によりカバー１５が外径方向に捲れあがる変形を抑制し、翼部７とカバー１５の連結部すなわち翼面延長面２０の近傍に発生する応力を低減することができる。また、図３Ａおよび図３Ｂに示すように第一の補強部２１と第二の補強部２２が傾斜を有するような断面形状とすることにより、より応力が集中しやすい翼面延長面２０の近傍すなわち翼部７とカバー１５との連結面近傍の剛性を高めることが可能であると同時に、先端シュラウド１０を必要以上に重量を増やすことなくカバー背側周方向端部１９が捲れあがる変形を抑制することができる。また、第一の補強部２１および第二の補強部２２を設けることにより、前縁側フィン１６ａおよび後縁側フィン１６ｂの補強もできるため、前縁側フィン１６ａおよび後縁側フィン１６ｂを薄くすることも可能である。これにより、翼部７とカバー１５の連結部のクリープ変形や疲労亀裂の発生を抑制し、ガスタービン翼の長寿命化が可能となる。

なお、ここでは２つのフィンを有する先端シュラウド１０の例を示しているが、翼先端とケーシングの間隙の燃焼ガスの漏れをより効果的に防ぐために、２つ以上のフィン、例えば３つのフィンあるいは４つのフィンを有する先端シュラウド１０の場合であっても、２つのフィンを有する先端シュラウド１０の場合と同様に翼面延長面２０の近傍からカバー背側周方向端部１９およびカバー腹側周方向端部１８において第一の補強部２１および第二の補強部２２を設けることにより同様の効果を得ることができる。

また、実施例１では、図２に示すように第一の補強部２１を前縁側フィン１６ａと連結するように設け、第二の補強部２２を後縁側フィン１６ｂと連結するように設けているが、第一の補強部２１が前縁側フィン１６ａを突き抜けて前縁側フィン１６ａより前縁側に延在するように設け、第二の補強部２２が後縁側フィン１６ｂを突き抜けて後縁側フィン１６ｂより後縁側に延在するように設けても良い。但し、剛性的にはメリットは少なく、重量が増加してしまう点でデメリットとなる。

本発明の実施例２に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図４に示す。本実施例においては、実施例１において、第一の補強部の中心線２１ａは、カバー背側周方向端部１９から翼面延長面２０の背側に伸ばした垂線２３と、カバー背側周方向端部１９から前縁側フィン１６ａの中心線と翼面延長面２０の背側との交点に伸ばした直線２４との間に位置し、第二の補強部の中心線２２ａは、カバー腹側周方向端部１８から翼面延長面２０の腹側に伸ばした垂線２５と、カバー腹側周方向端部１８から後縁側フィン１６ｂの中心線と翼面延長面２０の腹側の交点に伸ばした直線２６との間に位置するように第一の補強部２１および第二の補強部２２を備えている。

実施例２によれば、垂線２３は翼面延長面２０に対して最も剛性の高い角度すなわち９０°で交わる線であることから、垂線２３に沿って第一の補強部２１を設けることにより、最も高い剛性を得ることができる。また、直線２４は前縁側フィン１６ａと翼面延長面２０の背側との交点を通り、カバー背側周方向端部１９と翼面延長面２０とを最短距離で結ぶ線であるため、直線２４に沿って第一の補強部２１を設けることにより、より軽量で補強の効果を得ることができる。従って、垂線２３と直線２４の間に第一の補強部２１を設けることにより、効果的な補強を実現することが期待できる。第二の補強部２２についても、第一の補強部２１と同様の考えに基づいて設定することができる。

本発明の実施例３に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図５から図６Ｂに示す。本実施例におけるガスタービン翼４は、ガスタービン翼先端から翼の周方向および翼の回転軸方向に伸びるカバー１５と、翼の回転半径方向に沿ってカバー１５から翼の反対側に伸びる１つのフィン１６とで構成される先端シュラウド１０と、カバー１５のフィン１６を有する面において、フィン１６の背側周方向端部より後縁側に位置するカバー背側周方向端部１９とフィン１６とを連結する第一の補強部２１と、フィン１６の腹側周方向端部より前縁側に位置するカバー腹側周方向端部１８とフィン１６とを連結する第二の補強部２２とを備えている。

カバー１５、フィン１６、第一の補強部２１、第二の補強部２２を有する先端シュラウド１０は、翼部７と一体で鋳造成型することが可能であるし、また各部を個別に鋳造成型した後に溶接により成型しても良い。但し、先端シュラウド１０の剛性の点では一体鋳造成型の方が有利である。

カバー背側周方向端部１９とフィン１６とをつなぐ中心線２１ａに直交する第一の補強部２１の断面形状は、必要とする剛性と重量のバランスに応じて矩形、半円形等に設定することができる。図６Ａおよび図６Ｂは、図５における第一の補強部２１および第二の補強部２２の縦断面形状すなわち翼の回転半径方向に沿った第一の補強部２１のＡ−Ａ’断面および第二の補強部２２のＢ−Ｂ’断面を示している。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、中心線２１ａに沿って第一の補強部２１の断面形状を変化させることもできる。つまり、第一の補強部２１の翼の回転半径方向において、フィン１６と連結する側からカバー背側周方向端部１９に向かって高さが低くなるような傾斜を有するように第一の補強部２１を設けても良い。第二の補強部２２についても、第一の補強部２１と同様の考えに基づいて設定することができる。

実施例３によれば、１つのフィン１６を有する先端シュラウド１０に第一の補強部２１と第二の補強部２２とを備えることにより、カバー１５の外側面上において翼面延長面２０から最も離れたカバー部が受ける遠心力によりカバー１５が外径方向に捲れあがる変形を抑制し、翼部７とカバー１５の連結部すなわち翼面延長面２０の近傍に発生する応力を低減することができる。また、図６Ａおよび図６Ｂに示すように第一の補強部２１と第二の補強部２２が傾斜を有するような断面形状とすることにより、より応力が集中しやすい翼面延長面２０の近傍すなわち翼部７とカバー１５との連結面近傍の剛性を高めることが可能であると同時に、先端シュラウド１０を必要以上に重量を増やすことなくカバー背側周方向端部１９およびカバー腹側周方向端部１８が捲れあがる変形を抑制することができる。これにより、翼部７とカバー１５の連結部のクリープ変形や疲労亀裂の発生を抑制し、ガスタービン翼の長寿命化が可能となる。

本発明の実施例４に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図７に示す。本実施例においては、実施例３において、第一の補強部２１は、カバー背側周方向端部１９から翼面延長面２０の背側に伸ばした垂線２３と、カバー背側周方向端部１９からフィン１６の中心線と翼面延長面２０の背側との交点に伸ばした直線２４との間を第一の補強部の中心線２１ａが通るように設けられ、前記第二の補強部２２は、カバー腹側周方向端部１８から翼面延長面２０の腹側に伸ばした垂線２５と、カバー腹側周方向端部１８からフィン１６の中心線と翼面延長面２０の腹側との交点に伸ばした直線２６との間を第二の補強部の中心線２２ａが通るように設けられている。

実施例４によれば、第一の補強部２１について、垂線２３はカバー背側周方向端部１９と翼面延長面２０との最短距離であることから、垂線２３に沿って第一の補強部２１を設けることにより小重量で剛性を確保することができる。また、フィン１６の中心線と翼面延長面２０の背側との交点は剛性が高い箇所であるため、直線２４に沿って第一の補強部２１を設けることにより補強の効果を高めることができる。従って、垂線２３と直線２４の間に第一の補強部２１を設けることにより、効果的な補強を実現することが期待できる。第二の補強部２２についても、第一の補強部２１と同様の考えに基づいて設定することができる。

本発明の実施例５に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図８に示す。本実施例においては、実施例１から４のいずれかにおいて、カバー１５のフィン１６を有する面において、第一の補強部２１の中心線２１ａと翼面延長面２０の背側との交点から、翼面延長面２０の背側とカバー１５の翼の回転半径方向外側面との交線に沿って伸びる第三の補強部２７と、第二の補強部２２の中心線２２ａと翼面延長面２０の腹側との交点から、翼面延長面２０の腹側とカバー１５の翼の回転半径方向外側面との交線に沿って伸びる第四の補強部２８とを備えている。

翼面延長面２０の背側とカバー１５の翼の回転半径方向外側面との交線に沿う第三の補強部２７の長さは、翼部７とカバー１５の連結部に発生する高応力部の範囲に応じて設定することができる。また、翼面延長面２０の背側とカバー１５の翼の回転半径方向外側面との交線に直交する第三の補強部２７の断面形状は、応力の低減に必要とする断面積と重量のバランスに応じて、矩形、三角形等に設定することができる。また、断面形状は、翼面延長面２０の背側とカバー１５の翼の回転半径方向外側面との交線に沿って変化させることもできる。第四の補強部２８についても、第三の補強部２７と同様の考えに基づいて設定することができる。

実施例５によれば、先端シュラウド１０に第三の補強部２７と第四の補強部２８とを備えることにより、翼部７とカバー１５の連結部の断面積を増し、応力を低減することができる。これにより、連結部のクリープ変形や疲労亀裂の発生を抑制し、ガスタービン翼の長寿命化が可能となる。

本発明の実施例６に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図９に示す。本実施例においては、実施例５において、第三の補強部２７は、第一の補強部２１の中心線２１ａと翼面延長面２０の背側との交点から、翼面延長面２０の背側とカバー１５の翼の回転半径方向外側面との交線に沿って前縁方向に伸びて設けられている。また、第四の補強部２８は、第二の補強部２２の中心線２２ａと翼面延長面２０の腹側との交点から、翼面延長面２０の腹側とカバー１５の翼の回転半径方向外側面との交線に沿って後縁方向に伸びて設けられている。

実施例６によれば、第三の補強部２７を、第一の補強部２１の中心線２１ａと翼面延長面２０の背側との交点から前縁方向に設けることにより、高応力が発生する翼部７とカバー１５の連結部の前縁側フィン１６ａより前縁側の断面積を増し、先端シュラウド１０の重量を必要以上に増やすことなく、効果的に応力を低減することができる。また、第四の補強部２８を、第二の補強部２２の中心線２２ａと翼面延長面２０の腹側との交点から後縁方向に設けることにより、高応力が発生する翼部７とカバー１５の連結部の後縁側フィン１６ｂより後縁側の断面積を増し、先端シュラウド１０の重量を必要以上に増やすことなく、効果的に応力を低減することができる。

本発明の実施例７に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図１０に示す。本実施例においては、実施例１と実施例２のいずれかにおいて、翼面延長面２０の背側と前縁側フィン１６ａの前縁側面との交線に沿って延びる第五の補強部２９と、翼面延長面２０の背側と前縁側フィン１６ａの後縁側面との交線に沿って延びる第六の補強部３０と、翼面延長面２０の腹側と後縁側フィン１６ｂの前縁側面との交線に沿って延びる第七の補強部３１と、翼面延長面２０の腹側と後縁側フィン１６ｂの後縁側面との交線に沿って延びる第八の補強部３２とを備えている。

翼面延長面２０の背側と前縁側フィン１６ａの前縁側面との交線に直交する第五の補強部２９の断面形状は、必要とする剛性と重量のバランスに応じて矩形、半円形等に設定することができる。また、断面形状は、交線に沿って変化させることもできる。第六の補強部３０、第七の補強部３１、第八の補強部３２についても、第五の補強部２９と同様の考えに基づいて設定することができる。

実施例７によれば、複数のフィンを有する先端シュラウド１０に第五の補強部２９、第六の補強部３０、第七の補強部３１、第八の補強部３２とを備えることにより、高応力が発生する連結部の前縁側フィン１６ａ近傍および後縁側フィン１６ｂ近傍の断面積を増し、効果的に応力を低減することができる。

本発明の実施例８に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図１１Ａおよび図１１Ｂに示す。本実施例においては、図１１Ａおよび図１１ＢのＣ−Ｃ’断面に示すように、実施例１と実施例２のいずれかにおいて、カバー１５の前縁側フィン１６ａと後縁側フィン１６ｂとで挟まれる領域において、第一の補強部２１と第二の補強部２２とで囲まれる領域の板厚は、第一の補強部２１より背側の領域の板厚、および第二の補強部２２より腹側の領域の板厚よりも薄くなっている。

実施例８によれば、カバー１５の前縁側フィン１６ａと後縁側フィン１６ｂとで挟まれる領域において、隣接するガスタービン翼の先端シュラウドとの接触面積を確保するために、第一の補強部２１より背側の領域の板厚、および第二の補強部２２より腹側の領域の板厚を確保した上で、比較的応力の低い第一の補強部２１と第二の補強部２２とで囲まれる領域の板厚を薄くすることにより、先端シュラウド１０に発生する最大応力を上昇させることなく重量を低減することができ、翼部に発生する振動応力、遠心応力を低減することができる。

本発明の実施例９に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図１２Ａおよび図１２Ｂに示す。図１２Ａおよび図１２Ｂは、図１１ＡにおけるＤ−Ｄ’断面およびＥ−Ｅ’断面を示している。本実施例においては、実施例１と実施例２のいずれかにおいて、カバー１５の前縁側端部近傍における板厚は、前縁側フィン１６ａ近傍のカバー１５の板厚よりも薄く、カバー１５の後縁側端部近傍における板厚は、後縁側フィン１６ｂ近傍のカバー１５の板厚よりも薄くなっている。

実施例９によれば、カバー１５において、翼面延長面２０すなわち翼部７とカバー１５との連結部に近いため変形の小さい前縁側端部近傍および後縁側端部近傍の板厚を、前縁側フィン１６ａ近傍および後縁側フィン１６ｂ近傍の板厚よりも薄くすることにより、先端シュラウド１０に発生する最大応力を上昇させることなく、また翼面延長面２０から最も離れた位置の捲れあがり量を大きくすることなく重量を低減することができ、翼部に発生する振動応力、遠心応力を低減することができる。

本発明の実施例１０に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図１３に示す。本実施例においては、実施例３と実施例４のいずれかにおいて、翼面延長面２０と１つのフィン１６の前縁側面との交線に沿って延びる第五の補強部２９と、翼面延長面２０とフィン１６の後縁側面との交線に沿って延びる第六の補強部３０とを備えている。

翼面延長面２０の背側とフィン１６の前縁側面との交線に直交する第五の補強部２９の断面形状は、必要とする剛性と重量のバランスに応じて矩形、半円形等に設定することができる。また、断面形状は、交線に沿って変化させることもできる。第六の補強部３０についても、第五の補強部２９と同様の考えに基づいて設定することができる。

実施例１０によれば、１つのフィンを有する先端シュラウド１０に第五の補強部２９と第六の補強部３０とを備えることにより、高応力が発生する翼部７とカバー１５との連結部のフィン１６近傍の断面積を増し、効果的に応力を低減することができる。

本発明の実施例１１に係るガスタービン翼の先端シュラウド構造を図１４Ａおよび図１４Ｂに示す。本実施例においては、図１４Ａおよび図１４ＢのＦ−Ｆ’断面図に示すように、実施例３と実施例４のいずれかにおいて、カバー１５の前縁側端部近傍における板厚は、フィン１６近傍の板厚よりも薄く、カバー１５の後縁側端部近傍における板厚は、フィン１６近傍の板厚よりも薄くなっている。

実施例１１によれば、カバー１５において、翼面に近いため変形の小さい前縁側端部近傍および後縁側端部近傍の板厚を、フィン１６近傍の板厚よりも薄くすることにより、先端シュラウド１０に発生する最大応力を上昇させることなく、また翼面延長面２０から最も離れた位置の捲れあがり量を大きくすることなく重量を低減することができ、翼部に発生する振動応力、遠心応力を低減することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…動翼、５…静翼、６…タービンホイール、
７…翼部、８…プラットフォーム、９…ダブテイル、１０…先端シュラウド、１１…前縁、
１２…後縁、１３…腹側、１４…背側、１５…カバー、１６…フィン、１６ａ…前縁側フィン、１６ｂ…後縁側フィン、１８…カバー腹側周方向端部、１９…カバー背側周方向端部、２０…翼面延長面、２１…第一の補強部、２１ａ…第一の補強部の中心線、２２…第二の補強部、２２ａ…第二の補強部の中心線、２３…カバー背側周方向端部１９から翼面延長面２０の背側に伸ばした垂線、２４…カバー背側周方向端部１９からフィンの中心線と翼面延長面２０の背側との交点に伸ばした直線、２５…カバー腹側周方向端部１８から翼面延長面２０の腹側に伸ばした垂線、２６…カバー腹側周方向端部１８からフィンの中心線と翼面延長面２０の腹側との交点に伸ばした直線、２７…第三の補強部、２８…第四の補強部、２９…第五の補強部、３０…第六の補強部、３１…第七の補強部、３２…第八の補強部。

Claims

ガスタービン翼先端から翼の周方向および翼の回転軸方向に伸びるカバーと、
翼の回転半径方向に沿って前記カバーから翼の反対側に伸びる複数のフィンとで構成される先端シュラウドと、
前記カバーの前記フィンを有する面において、
後縁側フィンの背側周方向端部より後縁側に位置するカバー背側周方向端部と、
翼面延長面の背側前縁側を通り前記前縁側フィンとを連結する第一の補強部と、
前縁側フィンの腹側周方向端部より前縁側に位置するカバー腹側周方向端部と、
前記翼面延長面の腹側後縁側を通り前記後縁側フィンとを連結する第二の補強部と、
を備えることを特徴とするガスタービン翼。
前記第一の補強部は翼の回転半径方向において、前記前縁側フィンと連結する側から前記カバー背側周方向端部側に向かって高さが低くなるような傾斜を有し、
前記第二の補強部は翼の回転半径方向において、前記後縁側フィンと連結する側から前記カバー腹側周方向端部側に向かって高さが低くなるような傾斜を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン翼。
前記第一の補強部は、前記カバー背側周方向端部から前記翼面延長面の背側に伸ばした垂線と、前記カバー背側周方向端部から前縁側フィンと前記翼面延長面の背側との交点に伸ばした直線との間を前記第一の補強部の中心線が通るように設けられ、
前記第二の補強部は、前記カバー腹側周方向端部から前記翼面延長面の腹側に伸ばした垂線と、前記カバー腹側周方向端部から後縁側フィンと翼面延長面の腹側との交点に伸ばした直線との間を前記第二の補強部の中心線が通るように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン翼。
前記フィンは２つのフィンからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン翼。
ガスタービン翼先端から翼の周方向および翼の回転軸方向に伸びるカバーと、
翼の回転半径方向に沿って前記カバーから翼の反対側に伸びる１つのフィンとで構成される先端シュラウドと、
前記カバーの前記フィンを有する面において、
前記フィンの背側周方向端部より後縁側に位置するカバー背側周方向端部と前記フィンとを連結する第一の補強部と、
前記フィンの腹側周方向端部より前縁側に位置するカバー腹側周方向端部と前記フィンとを連結する第二の補強部と、
を備えることを特徴とするガスタービン翼。
前記第一の補強部は翼の回転半径方向において、前記フィンと連結する側から前記カバー背側周方向端部側に向かって高さが低くなるような傾斜を有し、
前記第二の補強部は翼の回転半径方向において、前記フィンと連結する側から前記カバー腹側周方向端部側に向かって高さが低くなるような傾斜を有することを特徴とする請求項５に記載のガスタービン翼。
前記第一の補強部は、前記カバー背側周方向端部から前記翼面延長面の背側に伸ばした垂線と、前記カバーの背側周方向端部から前記フィンと前記翼面延長面の背側との交点に伸ばした直線との間を前記第一の補強部の中心線が通るように設けられ、
前記第二の補強部は、前記カバー腹側周方向端部から前記翼面延長面の腹側に伸ばした垂線と、前記カバー腹側周方向端部から前記フィンと前記翼面延長面の腹側との交点に伸ばした直線との間を前記第二の補強部の中心線が通るように設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載のガスタービン翼。
前記カバーの前記フィンを有する面において、
前記第一の補強部の中心線と翼面延長面の背側との交点から、前記翼面延長面の背側とカバーの翼の回転半径方向外側面との交線に沿って延びる第三の補強部と、
前記第二の補強部の中心線と翼面延長面の腹側との交点から、前記翼面延長面の腹側とカバーの翼の回転半径方向外側面との交線に沿って延びる第四の補強部とを備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のガスタービン翼。
前記第三の補強部は、前記第一の補強部の中心線と前記翼面延長面の背側との交点から、前記翼面延長面の背側とカバーの翼の回転半径方向外側面との交線に沿って前縁方向に延びるように設けられていることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン翼。
前記第四の補強部は、前記第二の補強部の中心線と前記翼面延長面の腹側との交点から、前記翼面延長面の腹側とカバーの翼の回転半径方向外側面との交線に沿って後縁方向に延びるように設けられていることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン翼。
前記翼面延長面の背側と前記前縁側フィンの前縁側面との交線に沿って延びる第五の補強部と、
前記翼面延長面の背側と前記前縁側フィンの後縁側面との交線に沿って延びる第六の補強部と、
前記翼面延長面の腹側と前記後縁側フィンの前縁側面との交線に沿って延びる第七の補強部と、
前記翼面延長面の腹側と前記後縁側フィンの後縁側面との交線に沿って延びる第八の補強部とを備えることを特徴とする請求項１から４に記載のガスタービン翼。
前記前縁側フィンと前記後縁側フィンとで挟まれる前記カバー部において、
前記第一の補強部と前記第二の補強部とで囲まれるカバー部の板厚が、第一の補強部より背側のカバーの板厚、および第二の補強部より腹側のカバーの板厚より薄いことを特徴とする請求項１から４に記載のガスタービン翼。
前記カバーの前縁側端部の厚さが、前記前縁側フィン近傍のカバーの厚さよりも薄く、前記カバーの後縁側端部の厚さが、前記後縁側フィン近傍のカバーの厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスタービン翼。
前記翼面延長面と前記フィンの前縁側面との交線に沿って延びる第五の補強部と、
前記翼面延長面と前記フィンの後縁側面との交線に沿って延びる第六の補強部とを備えることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のガスタービン翼。
前記カバーの前縁側端部および後縁側端部の厚さが、前記フィン近傍のカバーの厚さよりも薄いことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のガスタービン翼。