JP2677688B2

JP2677688B2 - タービン動翼

Info

Publication number: JP2677688B2
Application number: JP1319035A
Authority: JP
Inventors: 正小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1997-11-17
Anticipated expiration: 2012-11-17
Also published as: JPH03182601A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、ガスタービンなどに用いられるタービン動
翼に係り、特に高速で回転する翼軸が高温の作動ガス環
境下でも破損するおそれのないタービン動翼に関する。

（従来の技術）第６図は、ガスタービン発電プラントなどで使用され
るガスタービン１の切欠断面図である。タービン軸２と
同軸に設けられた圧縮機３は、空気を取り込んでこれを
圧縮し、圧縮空気として燃料器４へ送る。燃焼器４では
この圧縮空気と、燃焼器４に導入される燃料を混合して
混合気を形成し、さらにこの混合気に点火して燃焼させ
る。燃焼によって生じた高温・高圧の燃焼ガス（破線矢
印で示す）は、トランジションピース５を通過した後、
タービン静翼６、次いでタービン動翼７に導入され、以
下交互にタービン静翼６およびタービン動翼７に案内さ
れる。そして、タービン動翼７を回転させることによ
り、タービン軸２を回転駆動させる。

なお、タービン動翼７は、燃焼ガスが衝突する側が高
圧側、その反対側が低圧側となる。また、タービン軸２
内には、圧縮機３で得られた圧縮空気を冷却空気として
通過させる通気管（図示せず）が埋設される。さらに、
この種のガスタービン１においては、タービン入口温度
を上昇させると、ガスタービン１の熱効率が向上するこ
とが知られている。

第７図は第６図に示したタービン動翼７の断面図、第
８図は第７図のVIII−VIII線断面図である。

翼軸８は、前述のタービン軸通気管に連通する冷却空
気流路９が複数個軸方向に貫通し、タービン軸２に植設
される植込部8aとタービン軸２から突出するコア部8bを
有する。そして翼軸８のコア部8bの根元にはフランジ10
が形成される。このフランジ10は、高温の燃焼ガス（作
動ガス）が、タービン軸２における翼軸８の植込部8aの
植設箇所に侵入してこれを熱損傷するのを防止する。な
お、翼軸８は高温の燃焼ガスにも耐久性を有するように
Ni基合金等の耐熱性超合金で製造される。

そして、この翼軸８は筒状の外被11に、その端面をフ
ランジ10に当接させながら挿入され、翼軸８のコア部8b
の先端には、外被11に当接しながら頂部カバー12が接合
される（翼軸８のコア部8bと頂部カバー12の接合面を符
号Ａで示す）。翼軸８のコア部8bと外被11の間には空隙
13が保持される。なお、頂部カバー12にも冷却空気流路
14があり、この空気空気流路14は翼軸８の冷却空気流路
９と連通する。また、頂部カバー12にもNi基合金等の耐
熱性超合金が用いられ、翼軸８のコア部8bとは拡散接合
などによって接合される。

外被11は通常Si₃N₄やSiCなどの、靭性には欠けるもの
の翼軸８を構成する耐熱性超合金よりもさらに耐熱性に
富むセラミックで製造され、表面積の大きい翼軸８のコ
ア部8bが高温の燃焼ガスに直接晒されるのを防止する。
翼軸８は回転時の遠心力に伴う引張応力にも耐えられる
ように金属（耐熱性超合金）製にせざるを得ない。しか
し、いくら耐熱性超合金でも1300℃にも上る高温の燃焼
ガス（作動ガス）に直接吹き付けられながら、高速で回
転するとなると損傷するおそれも出てくる。そこで、外
被11で取り囲むことにより、翼軸８のコア部8bを熱に伴
う損傷から保護する。なお、空隙13は外被11と翼軸８の
コア部8bとの間の熱伝導を阻む。

また、冷却空気は植込部8aからコア部8bに向けて冷却
空気流路９を通り、頂部カバー12の冷却空気流路14から
タービン動翼７外に排出されるものの、この間翼軸８を
冷却するため、この冷却空気も翼軸８のコア部8bおよび
頂部カバー12を熱損傷から保護する役目を果たす。

（発明が解決しようとする課題）ところで、タービン動翼７を回転させると、翼軸８、
外被11および頂部カバー12には遠心力が働き、接合面Ａ
には高い引張応力が作用する。その結果、接合面Ａには
接合が不十分な箇所や欠陥が生ずるおそれがあるが、接
合面Ａは外被11で覆われているため、外部からこれらの
欠陥を発見することができない。そのため、タービン動
翼７がこの接合面Ａがら破損することがあった。

その他、外被11は遠心力によって頂部カバー12を押圧
しながら、フランジ10との間には軸方向にクリアランス
δを生じる。そうすると、外被11を取巻く高温の燃焼ガ
スは、このクリアランスδから空隙13内に侵入し、冷却
空気による翼軸８と頂部カバー12の冷却作用を阻害して
これらに熱応力を発生させる。このため、接合面Ａに接
合が不十分な箇所や欠陥が生じた場合は、これらの欠陥
をさらに拡大するおそれもある。

また、空隙13に入り込んだ作動ガスによって冷却空気
による冷却作用が阻害されると、翼軸８と頂部カバー12
が熱膨張する。すると、翼軸８と頂部カバー12の材料で
ある耐熱性超合金の熱膨張係数は、外被11の材料である
セラミックのそれの約３倍であるため、外被11と頂部８
カバー12の当接部には大きな摩擦力が生じる。その結
果、外被11の頂部カバー12との当接部には強い引張応力
や剪断応力が生じ、セラミックからなる外被11が破損す
ることがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ガス
タービンの稼働時に高速で回転する翼軸が高温の作動ガ
ス環境下でも破損するおそれのないタービン動翼を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するために、タービン軸に植
設される植込部とタービン軸から突出するコア部とを備
え、このコア部は根元と先端にそれぞれ互いに対向する
面に陥没部を有する根元フランジと先端フランジが一体
形成される翼軸と、前記両フランジの陥没部に両端面が
嵌め込まれ互いに気密に接合される複数個の外被と、こ
れらの外被と前記根元フランジ側の陥没部との間に嵌合
される外被押さえブロックと、前記植込部の冷却空気流
路から前記根元フランジ側の陥没部に向けて貫通される
冷却空気分岐路とを具備するタービン動翼を提供する。

（作用）本発明のタービン動翼は、タービン軸に植設される植
込部とタービン軸から突出するコア部とを備え、このコ
ア部は根元と先端にそれぞれ互いに対向する面に陥没部
を有する根元フランジと先端フランジが一体形成される
翼軸と、前記両フランジの陥没部に両端面が嵌め込まれ
互いに気密に接合される複数個の外被と、これらの外被
と前記根元フランジ側の陥没部との間に嵌合される外被
押さえブロックと、前記植込部の冷却空気流路から前記
根元フランジ側の陥没部に向けて貫通される冷却空気分
岐路とを具備する。

すなわち、本発明のタービン動翼においては、外被を
支持する先端フランジと翼軸コア部が一体形成されるた
め、ガスタービンの稼働時に遠心力が作用しても、両者
が剥離・破損することはない。

また、本発明のタービン動翼においては、外被が複数
個の組み合わせによって構成されるため、翼軸の外側か
ら個々の外被を根元フランジと先端フランジの陥没部に
嵌め合わせながら装着することができる。その結果、外
被の取付作業を簡略化することができる。

さらに、外被は翼軸に単に当接されるだけではなく、
外被と根元フランジ側の陥没部との間に外嵌押さえブロ
ックを介在させたので、外被は遠心作用によって先端フ
ランジ方向に押付け力を受けたとしても、外嵌押さえブ
ロックが根元フランジ側の陥没部から浮き上がって外れ
たり、外被が根元フランジから浮き上がって、その隙間
から作動ガスが外被の内側に入り込むことはない。した
がって、翼軸に過大な熱応力や熱膨張が生じることもな
く、タービン動翼の健全性が保たれる。

そして、植込部の冷却空気流路から根元フランジ側の
陥没部に向けて冷却空気分岐路が貫通されているので、
冷却空気分岐路に入る冷却空気は、根元フランジを冷却
しながら陥没部から出た後、タービン動翼外に排出され
る。したがって、陥没部から出る冷却空気は、作動ガス
が陥没部に侵入し、偶発的に外被内に入り込むのを防止
することができる。

（実施例）以下、第１図ないし第５図を参照して本発明の実施例
を説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係るタービン動翼20の
断面図、第２図は第１図のII−II線断面図である。

翼軸21はタービン軸２に植設される植込部21aとター
ビン軸２から突出するコア部21bからなり、コア部21bの
根元には根元フランジ22、コア部21bの先端には先端フ
ランジ23が一体形成される。翼軸21と両フランジ22,23
の材料には耐熱性超合金を用いる。そして、根元フラン
ジ22と先端フランジ23の互いに対向する面、すなわち根
元フランジ22の上面と先端フランジ23の下面には、それ
ぞれ陥没部としての外被挿入溝24aと24bが設けられる。
また翼軸21には、植込部21aからコア部21bを通って先端
フランジ23で分岐する冷却空気流路25aが複数個貫通さ
れる。さらに、本実施例においては、翼軸植込部21aの
冷却空気流路25aから外被挿入溝24aに向けて冷却空気分
岐路25bが複数個貫通される。なお、外被挿入溝24bは、
先端フランジ23の外周側から内周側に向けて深さを増す
ようにテーパ加工される。

本実施例においては、前縁側外被26aと後縁側外被26b
の２つが、翼軸21との間に空隙27を保ちながら、翼軸21
の軸方向に沿って互いに突き合わされて気密に接合さ
れ、筒状の外被26を形成する。この外被26の筒径は根元
フランジ22と先端フランジ23の幅径よりも小さいが、本
実施例においては、取付前は前縁側外被26aと後縁側外
被26bの２つに分れているため、根元フランジ22と先端
フランジ23の幅径よりも内側に装着することが可能にな
る。

なお、両外被26a,26bの材質は、翼軸21の材料である
耐熱性超合金より熱に強いセラミックである。前縁側外
被26aと後縁側外被26bの高圧（腹）側と低圧（背）側の
接合面を第２図にそれぞれ符号28a,28bで示す。そし
て、２個の外被26a,26bは、根元フランジ22と先端フラ
ンジ23側に、それぞれ窒化ホウ素等からなる摩擦軽減パ
ッド29aと29bを介しながら、外被挿入溝24aと24bに嵌め
込まれる。外被26a,26bと摩擦軽減パッド29a,29bは接合
される。なお、外被26a、26bの摩擦軽減パッド29a,29b
との接触部は、翼軸21のコア部21b側が伸びるようにテ
ーパ加工され、特に摩擦軽減パッド29b側の接触面は外
被挿入溝24b底部の傾斜角に合わせて加工される。この
ようなテーパ加工によって、外被26a,26bは外被挿入溝2
4a,24bに嵌め込みやすくなる。

すなわち、上記のように外被挿入溝24bは外周側から
内周側に向けて深さを増すようにテーパ加工されてお
り、また外被26a、26bの先端フランジ23側端も外被挿入
溝24bに対応してテーパ加工されている。他方、外被26
a、26bの根元フランジ22側端もテーパ加工されるととも
に、ここを押圧する外被押さえブロック33も対応してテ
ーパ加工されている。

そして、組立時にプッシュピン31を介して外被押さえ
ブロック33を先端フランジ23側に押圧すると、この押圧
力は外被挿入溝24bのテーパ加工、外被押さえブロック3
3のテーパ加工、および外被26a、26bの両端のテーパ加
工により外被26a、26bを互いに近接させる方向の力とし
て作用するので、両外被26a、26bが突き合わされて気密
に接合される。

ところで、本実施例においては、外被挿入溝24aには
翼軸21の軸方向に貫通孔30が設けられる。そして、この
貫通孔30にはプッシュピン31が挿入され、外被挿入溝24
a内に側壁との間で間隙32を保ちながら収められる外被
押さえブロック33を押し上げる。その結果、外被押さえ
ブロック33は摩擦軽減パッド29aに当接し、さらに押し
上げれば今度は摩擦軽減パッド29bが外被挿入溝24bの底
部に密着する。プッシュピン31は、この密着した時点で
貫通孔30に固着する。

さて、本実施例のタービン動翼20に高圧の燃焼ガスを
当てて回転させると、翼軸21、先端フランジ23および外
被26には遠心力が働く。しかし、翼軸21のコア部21と先
端フランジ23は一体形成されているため、たとえ外被26
a、26bが先端フランジ23を押圧したとしても、先端フラ
ンジ23が翼軸21のコア部21bから破損されたりすること
はない。

一方、外被26a,26bは、遠心作用によって先端フラン
ジ23方向に押付け力を受けたとしても、外被挿入溝24a
に嵌合された外被押さえブロック33が外被挿入溝24aか
ら浮き上がって外れることはない。また、前縁側外被26
aと後縁側外被26bの接合面28a,28bも気密に保たれる。
したがって、外被26a,26を取り囲む作動ガスが、空隙27
に入り込むことはない。この際、冷却空気は冷却空気流
路25aを通ってコア部21bと先端フランジ23を冷却する一
方、冷却空気分岐路25bに入る冷却空気は、根元フラン
ジ22を冷却しながら外被挿入溝24aに出た後、間隙32を
通ってタービン動翼20外に排出される。したがって、間
隙32を通る冷却空気は、作動ガスが外被挿入溝24aに入
り込み、偶発的に空隙27内に入り込むのを防止する役割
も果たす。

さらに、先端フランジ23と外被26a,26bとの間には摩
擦軽減パッド29bが介在するため、先端フランジ23が不
可避的な熱膨張をしたとしても、熱膨張係数がより小さ
い外被26a,26bとの間で大きな摩擦抵抗は生じない。し
たがって、外被26a,26bに引張応力や剪断応力が発生す
ることはなく、外被26a,26bが破損するおそれはない。

第３図は、本実施例に係るタービン動翼20の運転時に
おいて作動ガスが外被26の前縁から後縁にかけて作用す
る圧力分布を、高圧（腹）側と低圧（背）側に分けて示
したものである。曲線ｂは作動ガスが及ぼす高圧側の圧
力を、曲線ｃは作動ガスが及ぼす低圧側の圧力をそれぞ
れ示す。また、前縁から接合面28aおよび接合面28bまで
の距離をそれぞれＢおよびＣで示す。同図から分かるよ
うに、両接合面28a,28bに作用する圧力は等しくなる。

このように本実施例では、作動ガスが外被26の前縁か
ら後縁にかけて作用する圧力が等しくなる位置に両接合
面28a,28bを配置している。したがって、両接合面28aと
28bの接合力に及ぼす力も等しくなり、圧力が大きな片
方の接合面のみが剥離するということもないので、作動
ガスがこの剥離した箇所から空隙27に入り込むことはな
い。

第４図は本発明の第２実施例に係るタービン動翼40の
断面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線断面図である。本実
施例に係るタービン動翼40の基本的構成は、第１図およ
び第２図に示したものと実質的に異ならないので、対応
する箇所には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例においては、外被挿入溝24aに嵌め込まれる
外被押さえブロック33は、外被挿入溝24aの底部に配置
されるスプリング34で下方から押圧されることにより、
高圧側外被35aと低圧側外被35bを押圧支持する。なお、
スプリング34は外被35a,35bと外嵌押さえブロック33を
下方から押圧し、外被35a,35bを外被挿入溝24bに気密に
当接されることのできるものであれば、他の弾性部材で
もよい。

また、本実施例において複数個（２個）設けられる外
被、すなわち高圧側外被35aと低圧側外被35bはそれぞれ
高圧側と低圧側に配置され、前縁部と後縁部において気
密に接合させる（接合面をそれぞれ符号36a,36bで示
す）。このように、複数個の外被の配置箇所と接合箇所
には特に制限はない。

なお、本実施例においては、翼軸21のコア部21bに空
隙27側に、第５図に示すように外被35a,35bに断熱パッ
ド37を介して当接するリブ38を突設し、外から燃焼ガス
で押圧される外被35a,35bを内側から補強し、破損を防
止する。

また、接合面36a,36bの空隙27側には、翼軸コア部21b
に取付けたシール材39を、断熱パッド41を介して密着さ
せる。その結果、接合面36a,36bの気密性保持は万全と
なる。なお、上述の断熱パッド37および41は、外被35a,
35bから翼軸21のコア部21bに作動ガスの熱が伝わるのを
防止する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のタービン動翼は、ター
ビン軸に植設される植込部とタービン軸から突出するコ
ア部とを備え、このコア部は根元と先端にそれぞれ互い
に対向する面に陥没部を有する根元フランジと先端フラ
ンジが一体形成される翼軸と、前記両フランジの陥没部
に両端面が嵌め込まれ互いに気密に接合される複数個の
外被と、これらの外被と前記根元フランジ側の陥没部と
の間に嵌合される外被押さえブロックと、前記植込部の
冷却空気流路から前記根元フランジ側の陥没部に向けて
貫通される冷却空気分岐路とを具備する。

さらに、外被は翼軸に単に当接されるだけではなく、
外被と根元フランジ側の陥没部との間に外被押さえブロ
ックを介在させたので、外被は遠心作用によって先端フ
ランジ方向に押付け力を受けたとしても、外被押さえブ
ロックが根元フランジ側の陥没部から浮き上がって外れ
たり、外被が根元フランジから浮き上がって、その隙間
から作動ガスが外被の内側に入り込むことはない。した
がって、翼軸に過大な熱応力や熱膨張が生じることもな
く、タービン動翼の健全性が保たれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るタービン動翼の断面
図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図は第１図
の外被の前縁部から後縁部にかけての圧力分布を示す
図、第４図は本発明の第２実施例に係るタービン動翼の
断面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線断面図、第６図はガ
スタービンの切欠断面図、第７図は従来のタービン動翼
の断面図、第８図は第７図のVIII−VIII線断面図であ
る。 21……翼軸、21a……植込部、21b……コア部、22……根
元フランジ、23……先端フランジ、24a,24b……外被挿
入溝、25a……冷却空気流路、25b……冷却空気分岐路、
26a,26b……外被、33……外被押さえブロック。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】タービン軸に植設される植込部とタービン
軸から突出するコア部とを備え、このコア部は根元と先
端にそれぞれ互いに対向する面に陥没部を有する根元フ
ランジと先端フランジが一体形成される翼軸と、前記両
フランジの陥没部に両端面が嵌め込まれ互いに気密に接
合される複数個の外被と、これらの外被と前記根元フラ
ンジ側の陥没部との間に嵌合される外被押さえブロック
と、前記植込部の冷却空気流路から前記根元フランジ側
の陥没部に向けて貫通される冷却空気分岐路とを具備し
たことを特徴するタービン動翼。