JP2020090936A - タービン動翼、タービン及びチップクリアランス計測方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ロータ軸に固定される基端部と、
正圧面と、負圧面と、前記正圧面と前記負圧面とを接続する頂面と、を含み、内部に冷却流路が形成された翼型部と、
を備えるタービン動翼であって、
前記頂面は、前縁側に位置し前記ロータ軸に平行に形成される前縁領域と、前記前縁領域に隣接する後縁領域とを含み、
前記後縁領域は、後縁に近づくにつれて径方向内側に向かうように傾斜する傾斜面を備える。
ロータ軸に固定される基端部と、
正圧面と、負圧面と、前記正圧面と前記負圧面とを接続する頂面と、を含み、内部に冷却流路が形成された翼型部と、
を備えるタービン動翼であって、
前記頂面は、前縁側に位置する前縁領域と、前記前縁領域に隣接する後縁領域とを含み、
前記後縁領域は、後縁に近づくにつれて径方向内側に向かうように前記前縁領域に対して傾斜する傾斜面を備え、
前記頂面において、前記前縁領域と前記後縁領域との境界線と前記負圧面との交点の位置をP1、前記負圧面上の位置のうち隣接するタービン動翼の後縁と前記負圧面との間にスロートが形成される位置をP2とすると、
前記位置P1は、前記位置P2と一致する又は前記位置P2よりも前記翼型部の後縁側に位置する。
前記頂面において、前記前縁領域と前記後縁領域との境界線と前記負圧面との交点の位置をP1、前記負圧面上の位置のうち隣接するタービン動翼の後縁と前記負圧面との間にスロートが形成される位置をP2とすると、
前記位置P1は、前記位置P2と一致する又は前記位置P1は前記位置P2よりも後縁側に位置する。
前記頂面は、少なくとも一つの出口開口を有し、
前記頂面において、前縁側に位置し前記位置P2を通る第1仮想線、と後縁側に位置し前記出口開口の中心位置P3を通る第2仮想線とを選定し、
前記第1仮想線は、前記位置P2を通り周方向に延在する第1周方向仮想線と、前記位置P2を通りキャンバーラインに直交する方向に延在する第1キャンバーライン直交仮想線と、前記位置P2を通りロータ軸方向に延在する第1ロータ軸方向仮想線と、によって画定される範囲に位置し、
前記第2仮想線は、前記位置P3を通り周方向に延在する第2周方向仮想線と、前記位置P3を通りキャンバーラインに直交する方向に延在する第2キャンバーライン直交仮想線と、前記位置P3を通りロータ軸方向に延在する第2ロータ軸方向仮想線と、によって画定される範囲に位置し、
前記境界線は、前記位置P1を通る直線であり、前記第1仮想線と前記第2仮想線との間の前記頂面上に形成される。
前記第2周方向仮想線と前記負圧面との交点の位置をP4とすると、
前記位置P1は、前記位置P4よりも前記翼型部の前縁側に位置する。
前記第2キャンバーライン直交仮想線と前記負圧面との交点の位置をP5とすると、
前記位置P1は、前記位置P5よりも前記翼型部の前縁側に位置する。
前記ロータ軸方向仮想線と前記負圧面との交点の位置をP6とすると、
前記位置P1は、前記位置P6よりも前記翼型部の前縁側に位置する。
前記境界線は、前記ロータ軸に直交する方向に沿って延在する。
前記境界線は、前記ロータ軸の軸方向に沿って延在する。
前縁領域と後縁領域との境界線がロータ軸の軸方向に沿って延在するようにタービン動翼の頂面を構成することにより、境界線の形成が容易になる。
前記境界線は、キャンバーラインに直交する方向に沿って延在する。
前縁領域と後縁領域との境界線がキャンバーラインに直交する方向に沿って延在するようにタービン動翼の頂面を構成することにより、境界線の形成が容易になる。
前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記天板は、前記前縁領域の少なくとも一部に対応する範囲において、前記後縁に近づくにつれて厚さが大きくなるように構成されており、
前記天板は、前記後縁領域の少なくとも一部に対応する範囲において、前記後縁に近づくにつれて厚さが小さくなるように構成されている。
前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記天板は、前記前縁領域及び前記後縁領域において同じ厚さで形成されている。
前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記冷却流路は、前縁側から後縁側まで配置されたサーペンタイン流路を含み、
前記サーペンタイン流路の径方向外側端部は、流れを反転させるための少なくとも一つのリターン部を含み、
前記天板のうち前記頂面と反対側の内壁面は、前記リターン部を形成する少なくとも一つのリターン部形成壁面を含み、
前記リターン部形成壁面は、前記後縁に近づくにつれて径方向内側に向かうように傾斜している。
前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記冷却流路は、前縁側から後縁側まで配置されたサーペンタイン流路を含み、
前記サーペンタイン流路の径方向外側端部は、流れを反転させるための第1リターン部及び第2リターン部を含み、
前記天板のうち前記頂面と反対側の壁面は、前記第1リターン部を形成する第1リターン部形成壁面と、前記第1リターン部形成壁面に対して仕切壁を挟んで後縁側に隣接するとともに前記第2リターン部を形成する第2リターン部形成壁面とを含み、
前記第1リターン部形成壁面及び前記第2リターン部形成壁面の各々は、前記ロータ軸に平行に形成され、
前記第1リターン部形成壁面の前記ロータ軸からの高さは、前記第2リターン部形成壁面の前記ロータ軸からの高さより大きい。
ロータ軸と、
上記(1)乃至(15)の何れか1項に記載のタービン動翼と、
前記タービン動翼の頂面に対向する環状の静止壁面と、
を備える。
タービン動翼の頂面とタービンの静止壁面とのチップクリアランスを計測するチップクリアランス計測方法であって、
前記頂面は、前縁側に位置し前記静止壁面に平行に形成される前縁領域と、後縁に近づくにつれて前記静止壁面との間隔が大きくなるように傾斜した後縁領域とを含み、
前記チップクリアランス計測方法は、前記前縁領域と前記静止壁面とのチップクリアランスを計測する前縁領域計測ステップを含む。
前記前縁領域計測ステップでは、前記タービン動翼の負圧面側から前記前縁領域と前記静止壁面とのチップクリアランスを計測する。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1に示すように、ガスタービン1は、圧縮空気を生成するための圧縮機2と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器4と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン6と、を備える。発電用のガスタービン1の場合、タービン6には不図示の発電機が連結される。
圧縮機2には、空気取入口12から取り込まれた空気が送られるようになっており、この空気は、複数の静翼16及び複数の動翼18を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。
従って、前縁48から後縁50までのチップ高さ(ロータ軸8の中心から頂面42までの高さ)を同じとすると、通常運転時における前縁48側のチップクリアランスが、後縁50側と比較して相対的に大きくなり、前縁48側のチップ(頂面42)からの燃焼ガスのリーク流れが増加して、タービン動翼26の空力性能が低下する原因になる。
ここで、境界線の選定の基本的な考え方を以下に説明する。チップクリアランスは、タービン車室22の静止壁面54とタービン動翼26の頂面との間の隙間計測を前提として、管理される。すなわち、翼型部36の熱伸びの変化が前縁48側に近い範囲まで及ぶタービン動翼26の場合には、境界線は前縁48に近い位置に配置する必要があり、熱伸びが小さいタービン動翼26の場合は、後縁50に近い位置に配置してもよい。
但し、3つの仮想線の中では、仮想線L3が最も前縁48に近い最上流側仮想線LL1である。最上流側仮想線LL1は、仮想線L1、仮想線L2及び仮想線L3によって画定される範囲に位置し、仮想線L1(最上流側周方向仮想線)から反時計方向廻りで仮想線L3(最上流側ロータ軸方向仮想線)までの間の範囲で選定し得る。
図3に示す仮想線L11は、位置P3を通りロータ軸8に直交し周方向に伸びる最下流側周方向仮想線である。仮想線L12は、位置P3を通りキャンバーラインCLに直交する最下流側キャンバーライン直交仮想線である。仮想線L13は、位置P3を通りロータ軸8に沿って延びる最下流側ロータ軸方向仮想線である。最下流側仮想線LL2は、仮想線L11、仮想線L12及び仮想線L13によって画定される範囲に位置し、仮想線L11(最下流側周方向仮想線)から反時計方向廻りで仮想線L13(最下流側ロータ軸方向仮想線)の間の範囲で選定し得る。
以上に述べた基本的な考え方に基づき、以下に具体的に説明する。
仮想線L1をロータ軸8に直交する方向に定めれば、仮想線L1の位置決めが容易になる。このため、前縁領域44と後縁領域46との仮想線L1がロータ軸に直交する周方向に沿って延在するように頂面42を構成することにより、前縁領域44と後縁領域46との間の仮想線L1を頂面42上の正確な位置に形成でき、チップクリアランスである天板60(頂面42)と静止壁面54との間の隙間量を正確に管理が可能になる。
幾つかの実施形態では、例えば図2及び図3に示すように、冷却流路34は、後述するサーペンタイン流路62を形成し、最も後縁50に近い最終冷却流路34aを流下した冷却媒体は、頂面42に形成された出口開口56から排出される。なお、出口開口50は、最終冷却流路34aの径方向外側端の天板60に形成され、最終冷却流路34aに直結している。冷却媒体の一部は、最終冷却流路34aから分岐して、後縁50の端部50aの軸方向下流側を向く後縁端面50bに開口し、径方向に配列された複数の冷却孔63から燃焼ガス中に排出される。冷却媒体が複数の冷却孔63を介して燃焼ガス中に排出される過程で、後縁50の端部50aが冷却され、後縁端部50aの熱損傷が防止される。
他方の翼面37の位置まで延長された最上流側仮想線LL1は、頂面42上にも形成される。
かかる構成によれば、前縁48から後縁50までの天板60の厚さtの変化が小さく、前縁領域44と後縁領域46の温度が均一化され、天板60のメタル温度の上昇が抑制される。
かかる構成によれば、翼型部36の前縁領域から後縁領域に至る天板の厚さが均一化されているので、天板における熱応力の発生を抑制ことができる。
2 圧縮機
4 燃焼器
6 タービン
8 ロータ軸
10 圧縮機車室
12 入口
14 計測器
16 静翼
18 動翼
22 タービン車室
24 タービン静翼
26 タービン動翼
28 燃焼ガス流路
30 排気室
32 基端部
34 冷却流路
34a 冷却孔
35(35a,35b) 入口開口
36 翼型部
37 翼面
38 正圧面
40 負圧面
42 頂面
44 前縁領域
46 後縁領域
48 前縁
50 後縁
50a 後縁端部
50b 後縁端面
51 凸部
51a 頂部
52,51b 傾斜面
54 静止壁面
56(56a,56b) 出口開口
58 スロート
59 ストレート流路
60 天板
62 サーペンタイン流路
62a 最終冷却流路
63 冷却孔
64 径方向外側端部
66 リターン部
66a 第1リターン部
66b 第2リターン部
68 内壁面
70 リターン部形成壁面
70a 第1リターン部形成壁面
70b 第2リターン部形成壁面
72 仕切壁
LL 境界線
LL1 最上流側仮想線(第1仮想線)
LL2 最下流側仮想線(第2仮想線)
Claims (18)
- ロータ軸に固定される基端部と、
正圧面と、負圧面と、前記正圧面と前記負圧面とを接続する頂面と、を含み、内部に冷却流路が形成された翼型部と、
を備えるタービン動翼であって、
前記頂面は、前縁側に位置し前記ロータ軸に平行に形成される前縁領域と、前記前縁領域に隣接する後縁領域とを含み、
前記後縁領域は、後縁に近づくにつれて径方向内側に向かうように傾斜する傾斜面を備える、
タービン動翼。 - ロータ軸に固定される基端部と、
正圧面と、負圧面と、前記正圧面と前記負圧面とを接続する頂面と、を含み、内部に冷却流路が形成された翼型部と、
を備えるタービン動翼であって、
前記頂面は、前縁側に位置する前縁領域と、前記前縁領域に隣接する後縁領域とを含み、
前記後縁領域は、後縁に近づくにつれて径方向内側に向かうように前記前縁領域に対して傾斜する傾斜面を備え、
前記頂面において、前記前縁領域と前記後縁領域との境界線と前記負圧面との交点の位置をP1、前記負圧面上の位置のうち隣接するタービン動翼の後縁と前記負圧面との間にスロートが形成される位置をP2とすると、
前記位置P1は、前記位置P2と一致する又は前記位置P2よりも前記翼型部の後縁側に位置する、
タービン動翼。 - 前記頂面において、前記前縁領域と前記後縁領域との境界線と前記負圧面との交点の位置をP1、前記負圧面上の位置のうち隣接するタービン動翼の後縁と前記負圧面との間にスロートが形成される位置をP2とすると、
前記位置P1は、前記位置P2と一致する又は前記位置P1は前記位置P2よりも後縁側に位置する、
請求項1に記載のタービン動翼。 - 前記頂面は、開口の中心位置P3である少なくとも一つの出口開口を有し、
前記頂面において、前縁側に位置し前記位置P2を通る第1仮想線、と後縁側に位置し前記位置P3を通る第2仮想線とを選定し、
前記第1仮想線は、前記位置P2を通り周方向に延在する第1周方向仮想線と、前記位置P2を通りキャンバーラインに直交する方向に延在する第1キャンバーライン直交仮想線と、前記位置P2を通りロータ軸方向に延在する第1ロータ軸方向仮想線と、によって画定される範囲に位置し、
前記第2仮想線は、前記位置P3を通り周方向に延在する第2周方向仮想線と、前記位置P3を通りキャンバーラインに直交する方向に延在する第2キャンバーライン直交仮想線と、前記位置P3を通りロータ軸方向に延在する第2ロータ軸方向仮想線と、によって画定される範囲に位置し、
前記境界線は、前記位置P1を通る直線であり、前記第1仮想線と前記第2仮想線との間の前記頂面上に形成される、
請求項2又は3の何れか一項に記載のタービン動翼。 - 前記第2周方向仮想線と前記負圧面との交点の位置をP4とすると、
前記位置P1は、前記位置P4よりも前記翼型部の前縁側に位置する、
請求項4に記載のタービン動翼。 - 前記第2キャンバーライン直交仮想線と前記負圧面との交点の位置をP5とすると、
前記位置P1は、前記位置P5よりも前記翼型部の前縁側に位置する、
請求項4に記載のタービン動翼。 - 前記第2ロータ軸方向仮想線と前記負圧面との交点の位置をP6とすると、
前記位置P1は、前記位置P6よりも前記翼型部の前縁側に位置する、
請求項4に記載のタービン動翼。 - 前記境界線は、前記ロータ軸に直交する方向に沿って延在する、請求項2乃至7の何れか1項に記載のタービン動翼。
- 前記境界線は、前記ロータ軸の軸方向に沿って延在する、請求項2乃至7の何れか1項に記載のタービン動翼。
- 前記境界線は、キャンバーラインに直交する方向に沿って延在する、請求項2乃至7の何れか1項に記載のタービン動翼。
- 前記頂面の周方向の前記負圧面側の端部には、前記頂面から径方向外側に突出する凸部が翼面に沿って形成され、前記凸部の頂部の前記頂面に対する径方向の高さは、前縁から後縁まで一定である、請求項1乃至10の何れか1項に記載のタービン動翼。
- 前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記天板は、前記前縁領域の少なくとも一部に対応する範囲において、前記後縁に近づくにつれて厚さが大きくなるように構成されており、
前記天板は、前記後縁領域の少なくとも一部に対応する範囲において、前記後縁に近づくにつれて厚さが小さくなるように構成されている、
請求項1乃至11の何れか1項に記載のタービン動翼。 - 前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記天板は、前記前縁領域及び前記後縁領域において同じ厚さで形成されている、請求項1乃至12の何れか1項に記載のタービン動翼。 - 前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記冷却流路は、前縁側から後縁側まで配置されたサーペンタイン流路を含み、
前記サーペンタイン流路の径方向外側端部は、流れを反転させるための少なくとも一つのリターン部を含み、
前記天板のうち前記頂面と反対側の壁面は、前記リターン部を形成する少なくとも一つのリターン部形成壁面を含み、
前記リターン部形成壁面は、前記後縁に近づくにつれて径方向内側に向かうように傾斜している、請求項1乃至13の何れか1項に記載のタービン動翼。 - 前記翼型部は、前記頂面を形成する天板を含み、
前記冷却流路は、前縁側から後縁側まで配置されたサーペンタイン流路を含み、
前記サーペンタイン流路の径方向外側端部は、流れを反転させるための第1リターン部及び第2リターン部を含み、
前記天板のうち前記頂面と反対側の壁面は、前記第1リターン部を形成する第1リターン部形成壁面と、前記第1リターン部形成壁面に対して仕切壁を挟んで後縁側に隣接するとともに前記第2リターン部を形成する第2リターン部形成壁面とを含み、
前記第1リターン部形成壁面及び前記第2リターン部形成壁面の各々は、前記ロータ軸に平行に形成され、
前記第1リターン部形成壁面の前記ロータ軸からの高さは、前記第2リターン部形成壁面の前記ロータ軸からの高さより大きい、請求項1乃至14何れか1項に記載のタービン動翼。 - ロータ軸と、
請求項1乃至15の何れか1項に記載のタービン動翼と、
前記タービン動翼の頂面に対向する環状の静止壁面と、
を備えるタービン。 - タービン動翼の頂面とタービンの静止壁面とのチップクリアランスを計測するチップクリアランス計測方法であって、
前記頂面は、前縁側に位置し前記静止壁面に平行に形成される前縁領域と、後縁に近づくにつれて前記静止壁面との間隔が大きくなるように傾斜した後縁領域とを含み、
前記チップクリアランス計測方法は、前記前縁領域と前記静止壁面とのチップクリアランスを計測する前縁領域計測ステップを含む、
チップクリアランス計測方法。 - 前記前縁領域計測ステップでは、前記タービン動翼の負圧面側から前記前縁領域と前記静止壁面とのチップクリアランスを計測する、請求項17に記載のチップクリアランス計測方法。
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