JP6012519B2 - タービン、及びこれを備えた回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、タービンにおけるガスパス形状に関するものである。

従来から、動翼としてチップシュラウドが設けられていないフリースタンディング翼が知られている。そしてこのようなフリースタンディング翼を用いたタービンでは、ガスパスを形成するケーシングと動翼との間で、チップクリアランスが形成されている。

このようなタービンでは、チップクリアランスからの燃焼ガスの漏れを抑制するように、一段静翼よりも下流側ではガスパスの内径及び翼の径方向の高さ寸法が拡大していくコニカル形状となっているものがある（例えば、特許文献１）。そして、コニカル形状を採用することで下流側での静圧を増大させることが可能となり、動翼の上流側と下流側との間での静圧の差圧を低減でき、チップクリアランスからの燃焼ガスの漏れを抑制できる。

特開２００３−１０６１６９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたようなこれまでのコニカル形状のガスパスでは、ガスパス外形、即ちケーシングの内径が変化率一定で増大していく形状であるため、動翼の前縁から後縁に向かって一定の割合で静圧が回復することになる。従って、特に動翼の前縁側の位置で、動翼の上流側（腹側）と下流側（背側）の間の静圧差が大きくなり、チップクリアランスからの燃焼ガスの漏れ流量が大きくなる。そして、このような漏れ流れが生じると、その分の燃焼ガスのエネルギーが動翼で回転力に変換されないまま下流側で向かって流通することになり、タービン効率が低下してしまう。従って、可能な限り、このような燃焼ガスの漏れの低減を図る必要がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、動翼とケーシングとの間のクリアランスからの漏れ流れを低減し、さらなる性能向上を図ったタービン、及びこれを備えた回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るタービンは、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から径方向に延びるフリースタンディング翼である動翼と、これら回転軸及び動翼を囲んで、内周面における前記動翼の先端と対向する領域が該先端との間でクリアランスを形成する対向領域とされ、前記軸線に沿って気体が内部を流通するケーシングと、を備え、前記ケーシングは、前記内周面が、前記対向領域における前記軸線方向の上流端の内径よりも、前記軸線方向の下流端の内径の方が大きくされ、かつ前記軸線を含む断面視にて、前記対向領域における前記軸線方向に離間する二点間で該二点同士を結ぶ直線よりも径方向内側に向かって凸となる凸面部とされていることを特徴とする。

このようなタービンによると、ケーシングにおける対向領域では、内周面が凸面部とされていることで、ケーシングの内周面が気体の主流側に向かって突出する形状になっている。このため、ケーシングの内径の変化率が一定で増大していく場合と比較すると、対向領域における軸線方向の上流端側となる動翼の前縁側では、ケーシングの内径が拡径する度合いを小さく抑えることができる。よって、この前縁側の位置で、動翼の上流側（腹側）と下流側（背側）との間での静圧の差圧を小さくすることができ、差圧によって、動翼の前縁側の位置で、クリアランスを通じて動翼の腹側から背側に向かって動翼を乗り越えるように流通する気体の漏れ流れを低減することができる。

また、前記凸面部は、前記径方向内側に向かって凸となる凸曲面とされていてもよい。

このように凸面部が凸曲面とされていることで、滑らかにケーシング内径が拡径することになり、気体の淀みや剥離等の発生を抑制でき、気体の流れが乱されることがなくなる。よって、タービン効率の向上を図り、さらなる性能向上につながる。

さらに、前記凸面部は、前記上流端側の始点が、前記気体の流れのさらに上流側における前記内周面に、滑らかに連続していてもよい。

このように、凸面部の上流側の内周面に滑らかに連続するように凸面部が形成されていることで、気体の淀みや剥離等の発生を抑制しながら下流端側へ気体を流通させることができる。よって、タービン効率の向上を図り、さらなる性能向上につながる。

また、前記ケーシングでは、前記内周面が、前記凸面部の前記上流側で前記軸線に平行となる平行面部とされ、該平行面部が前記凸面部に接続されていてもよい。

このように平行面部が形成されていることで、凸面部が形成された対向領域へ円滑に気体を流通させることができ、凸面部の上流端側の始点での気体の淀みや剥離等の発生を抑制しながら下流端側へ気体を流通させることができ、さらなる性能向上につながる。

また、前記動翼は、前記クリアランスが、前記上流端側よりも前記下流端側で大きくなるように前記径方向の寸法が形成されていてもよい。

本発明では、対向領域での内径が下流端側に向かって拡径していることで、対向領域の凸面部の形状に動翼の先端形状を対応させると、下流端側で動翼の先端が径方向外側に突出するような形状となってしまう。よって、上流端側に比べてクリアランスが大きくなるように、下流端側での動翼の先端の位置を設定することで、下流端側で動翼の先端が突出する寸法を小さくできる。従って、この突出する部分で遠心力が作用した際などに生じる動翼の変形で、ケーシングと動翼の先端とが接触してしまうことを回避でき、さらなる性能向上につながる。

さらに、本発明に係る回転機械は、上記のタービンを備えることを特徴とする。

このような回転機械によると、ケーシングにおける対向領域で凸面部が形成されていることで、対向領域における軸線方向の上流端側となる動翼の前縁側では、ケーシングの内径の拡径度合いを小さく抑えることができ、この位置で、動翼の上流側（腹側）と下流側（背側）との間での静圧の差圧を小さくすることができる。これにより、動翼の前縁側の位置で、クリアランスを通じて動翼の腹側から背側に向かって動翼を乗り越えるように流通する気体の漏れ流れを低減することができる。

本発明のタービン、及び回転機械によると、凸面部による差圧低減によって、動翼とケーシングとの間のクリアランスからの漏れ流れを低減し、タービン効率向上による性能向上が可能である。

本発明の第一実施形態に係るガスタービンの全体側面図である。 本発明の第一実施形態に係るガスタービンに関し、ガスパス周辺を拡大して示す概略図である。 本発明の第二実施形態に係るガスタービンに関し、ガスパス周辺を拡大して示す概略図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係るガスタービン１（回転機械）について説明する。
ガスタービン１は、燃焼ガスＧ（気体）の運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、この回転エネルギーを用いて例えば発電装置を駆動させ、電力等を得るものである。

図１に示すように、ガスタービン１は、外部から空気を導入して圧縮空気を生成する圧縮機２と、この圧縮空気と燃料とを混合して燃焼ガスＧを生成する燃焼器３と、燃焼器３から供給される燃焼ガスＧにより回転動力を発生させるタービン４とを、上記圧縮空気及び燃焼ガスＧの供給方向となる上流側（図１の紙面に向かって左側）から下流側に向けて、この順に備えている。

図１及び図２に示すように、タービン４は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸５と、回転軸５から径方向外側に延びる複数段の動翼列１０と、これら回転軸５及び複数段の動翼列１０を外周側から囲むケーシング７と、複数段の動翼列１０と軸線Ｏ方向に隣接するように配されるとともに、ケーシング７の内周面１４から径方向内側に延びる複数段の静翼列１１とを備えている。

回転軸５は、燃焼ガスＧの流通する上流側から下流側に延びる軸線Ｏを中心としてこの軸線Ｏの方向に延在する略円筒状をなし、不図示の軸受によってケーシング７との間で相対回転可能に設けられている。

複数段の動翼列１０は、各段同士が軸線Ｏ方向に間隔をあけて配されて、各々の動翼列１０は、回転軸５の周方向に間隔をあけて回転軸５の外周側から嵌め込まれた複数の動翼１０ａを有し、環状をなしている。

これにより、各々の動翼１０ａは回転軸５と共に軸線Ｏ回りに回転可能となっており、また図示はしないが、各々の動翼１０ａは、背面が凸状に形成され、腹面が凹状に形成された翼部材となっている。
ここで、燃焼ガスＧの最も上流側に位置する動翼列１０を構成する動翼１０ａを、一段動翼１０ａＡとする。

複数段の静翼列１１は、各段同士が軸線Ｏ方向に間隔をあけて配されており、各々の静翼列１１は、各々の動翼列１０の上流側に隣接するように配されており、整流した燃焼ガスＧを動翼列１０へと流入させる。

また、各々の静翼列１１は、回転軸５の周方向に間隔をあけてケーシング７から径方向内側に回転軸５に向かって突出するように内周面１４に固定された複数の静翼１１ａを有して、環状をなしている。そして、静翼１１ａは動翼１０ａと同様な翼部材となっている。
ここで、燃焼ガスＧの最も上流側に位置する静翼列１１を構成する静翼１１ａを、一段静翼１１ａＡとする。

ケーシング７は、回転軸５との間に環状の内部空間を画成し、この空間が、燃焼ガスＧの流通する流路となるガスパスＣとなっている。

そして、このケーシング７の内周面１４は、各動翼１０ａの先端とクリアランスＳが形成された状態で対向している。以下、このケーシング７の内周面１４における一段動翼１０ａＡの先端と対向する領域を対向領域ＦＡとする。

次に、ケーシング７の対向領域ＦＡについて詳しく説明する。
対向領域ＦＡでは、燃焼ガスＧの流れの上流側となる軸線Ｏ方向の上流端に比べ、下流側となる軸線Ｏ方向下流端で、内径が大きくなるように、換言するとガスパスＣの外径が拡径するように内周面１４が形成されている。そして、この対向領域ＦＡにおいて内周面１４は、軸線Ｏを含む断面視で軸線Ｏ方向に離間するように配された仮想点Ａと仮想点Ｂの二点間で、これら二点を結ぶ直線（図２の点線）よりも径方向内側に向かって凸となる凸曲面とされている。即ち、この位置で内周面１４が、軸線Ｏを含む断面視で、軸線Ｏに対する傾きの変化率が徐々に大きくなるような凸面部１５とされている。

ここで、一段動翼１０ａＡの先端は、凸面部１５に沿った形状となっており、クリアランスＳの大きさが軸線Ｏ方向で一定となるように、一段動翼１０ａＡのスパンが設定されている。

また、本実施形態では対向領域ＦＡよりも上流側となる凸面部１５の上流側での内周面１４は、ガスパスＣが縮径されるように、即ち、ケーシングの内径が対向領域ＦＡに向かって小さくなるように形成された縮径面部１６とされている。

さらに、縮径面部１６に下流側で接続される内周面１４は、一段静翼１１ａＡと一段動翼１０ａＡとの間で、ケーシング７の内径が一定の状態となるように、軸線Ｏを含む断面視で、軸線Ｏに平行となって軸線Ｏ方向に延びる平行面部１７となっており、この平行面部１７が凸面部１５に接続されている。
また、この平行面部１７と凸面部１５との接続部分となる凸面部１５の始点では、面が滑らかに連続している。

このようなガスタービン１においては、ケーシング７における対向領域ＦＡでは、凸面部１５が形成されていることで、ケーシング７の内周面１４が燃焼ガスＧの主流側に向かって突出する形状になっている。このため、燃焼ガスＧのケーシング７の内径であるガスパスＣの外径が変化率一定で拡径していくようなコニカル形状の場合と比較すると、一段動翼１０ａＡの上流端側となる前縁側でガスパスＣの外径の変化率を小さく抑えることができる。

そして、一段動翼１０ａＡの下流端側となる後縁側ではガスパスＣの外径が大きくなり、動圧を低減し、静圧を増大させることが可能となる。
このように、凸面部１５によって対向領域ＦＡで急激にケーシングの内径を拡径することが可能となり、一段動翼１０ａＡの前縁側では、一段動翼１０ａＡの上流側（腹側）と下流側（背側）との間での静圧の差圧を小さくすることができる。従って、この差圧によって、一段動翼１０ａＡの前縁側の位置で、クリアランスＳを通じて一段動翼１０ａＡの腹側から背側に向かって翼を乗り越えるように流通する燃焼ガスＧの漏れ流れを低減することができる。

さらに、凸面部１５が滑らかな曲線状をなす凸曲面とされていることで、滑らかにガスパスＣが拡がることになり、角部等が形成されていないため燃焼ガスＧの淀みや剥離等の発生を抑制できる。このため、燃焼ガスＧの流れが乱されることがなくなり、タービン４の効率の向上が可能となる。

また、凸面部１５の上流端側で平行面部１７が形成され、凸面部１５が平行面部１７に滑らかに連続していることで、角部等が形成されていないため燃焼ガスＧの淀みや剥離等の発生を抑制しながら、下流端側へ燃焼ガスＧを流通させることができる。さらに、平行面部１７が形成されていることで、この位置での急激なガスパスＣの拡径を回避でき、燃焼ガスＧの淀みや剥離等の発生を抑制しながら、燃焼ガスＧを流通させることができ、この点においてもタービン４の効率の向上が可能となる。

本実施形態のガスタービン１によると、一段動翼１０ａＡとケーシング７とが対向する対向領域ＦＡで、凸面部１５によって、一段動翼１０ａＡの上流端側（前縁側）の差圧低減を図ることができ、クリアランスＳからの漏れ流れを低減し、タービン４の効率向上によってさらなる性能向上が可能である。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係るガスタービン５１について説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、一段動翼６０ａＡ（動翼６０ａ）の形状が第一実施形態と異なっている。

図３に示すように、一段動翼６０ａＡは、上記クリアランスＳが、軸線Ｏ方向の上流端側よりも下流端側で大きくなるように径方向の寸法が設定されている。即ち、一段動翼６０ａＡの下流端側でのスパンは第一実施形態の一段動翼１０ａＡに比べて小さくなっている。ここで、一段動翼６０ａＡの下流端で径方向外側に向かって突出する部分を突出部６１とする。

本実施形態のガスタービン５１においては、クリアランスＳが下流端側で大きくなっていることで、突出部６１の突出量を小さくでき、ケーシング７と一段動翼６０ａＡの先端との接触を回避できる。

具体的には、本実施形態では、対向領域ＦＡでのケーシング７の内径が下流端側で拡径している。このため、一段動翼６０ａＡの先端形状が、第一実施形態のように凸面部１５の形状に沿うような先端形状となっていると、特にガスパスＣが下流端側で大きく拡径する形状となっている場合には、突出部６１の径方向外側への突出量が大きくなってしまう。しかし、この点、本実施形態の一段動翼６０ａＡの先端形状を採用することによって、突出部６１の突出量を小さくできるため、突出部６１に遠心力が作用した際や、熱が滞留してしまうなどで、突出部６１が径方向に伸びるように変形が生じてしまった場合であっても、ケーシング７と一段動翼６０ａＡの先端との接触を回避できる。従って、さらなる性能向上につながる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、凸面部１５については、必ずしも凸曲面とされていなくともよく、対向領域ＦＡにおいて、仮想点Ａと仮想点Ｂとを結ぶ直線よりも径方向内側に凸となっていればよく、例えば角部を有する凸となっていてもよい。

さらに、対向領域ＦＡ内のいずれの位置に凸面部１５が形成されていてもよいが、特に動翼１０ａ（６０ａ）の上流側（腹側）と下流側（背側）の差圧が大きくなる位置に形成されていることが好ましい。そして、このように差圧が大きくなる領域としては、一段動翼１０ａＡのコード長の２０％〜８０％の位置であることが分かっており、この位置に凸面部１５が形成されていることがさらに好ましい。

また、平行面部１７と凸面部１５とは、必ずしも滑らかに連続していなくともよいが、上述したように、これらが滑らかに連続している方が、燃焼ガスＧの流動状態がより好ましいものとなる。

さらに、ケーシング７の内周面１４については、平行面部１７は必ずしも形成されていなくともよく、縮径面部１６と凸面部１５とが直接接続されていてもよい。
そして、対向領域ＦＡでガスパスＣの外径が下流に向かって一旦縮径した後に、拡径するような形状となっていてもよいし、平行面部１７が対向領域ＦＡの中途位置まで延びることで、ガスパスＣの外径が下流に向かって一定に形成された後に、拡径するような形状となっていてもよい。

また凸面部１５は、仮想点Ａと仮想点Ｂとの間のみに形成されていなくてもよく、対向領域ＦＡ外に凸面部１５の始点と終点とが位置するように凸面部１５を形成してもよい。即ち、少なくとも仮想点Ａと仮想点Ｂとの間で径方向内側に凸となる部分が形成されていればよい。

また、上述の実施形態では、一段動翼１０ａＡ（６０ａＡ）とケーシング７とが対向する位置を対向領域ＦＡとして、この対向領域ＦＡに凸面部１５が形成されているとして説明を行った。しかし、二段目以降の動翼１０ａ（６０ａ）についても同様に、これら二段目以降の動翼１０ａ（６０ａ）に対応する対向領域において内周面１４を凸面部１５とすることで、動翼１０ａ（６０ａ）の上流側と下流側での差圧低減が可能となる。

さらに、上述の実施形態ではガスタービン１（５１）について説明を行ったが、蒸気タービン等のタービンを備える回転機械であれば、上述した凸面部１５を適用可能である。

１…ガスタービン（回転機械） ２…圧縮機 ３…燃焼器 ４…タービン ５…回転軸 ７…ケーシング １０…動翼列 １０ａ…動翼 １０ａＡ…一段動翼 １１…静翼列 １１ａ…静翼 １１ａＡ…一段静翼 １４…内周面 １５…凸面部 １６…縮径面部 １７…平行面部 Ｓ…クリアランス Ｃ…ガスパス Ｇ…燃焼ガス（気体） Ｏ…軸線 ＦＡ…対向領域 ５１…ガスタービン ６０ａ…動翼 ６０ａＡ…一段動翼 ６１…突出部

Claims (6)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸から径方向に延びるフリースタンディング翼である動翼と、
   これら回転軸及び動翼を囲んで、内周面における前記動翼の先端と対向する領域が該先端との間でクリアランスを形成する対向領域とされ、前記軸線に沿って気体が内部を流通するケーシングと、
   を備え、
   前記ケーシングは、前記内周面が、前記対向領域における前記軸線方向の上流端の内径よりも、前記軸線方向の下流端の内径の方が大きくされ、かつ前記軸線を含む断面視にて、前記対向領域における前記軸線方向に離間する二点間で該二点同士を結ぶ直線よりも径方向内側に向かって凸となる凸面部とされていることを特徴とするタービン。
2. 前記凸面部は、前記径方向内側に向かって凸となる凸曲面とされていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記凸面部は、前記上流端側の始点が、前記気体の流れのさらに上流側における前記内周面に、滑らかに連続していることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン。
4. 前記ケーシングでは、前記内周面が、前記凸面部の前記上流側で前記軸線に平行となる平行面部とされ、該平行面部が前記凸面部に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン。
5. 前記動翼は、前記クリアランスが、前記上流端側よりも前記下流端側で大きくなるように前記径方向の寸法が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンを備えることを特徴とする回転機械。

Images