JP6986155B2 - タービン動翼、ターボ機械及びコンタクト面製造方法 - Google Patents

タービン動翼、ターボ機械及びコンタクト面製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、回転軸の周方向に所定間隔で複数配置されるタービン動翼、これを備えたターボ機械及びコンタクト面製造方法に関するものである。
例えば、ターボ機械の一種である発電用のガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。そして、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガス(作動流体)を得て、この燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。
このようなガスタービンのタービンにて、前方段の1段動翼や2段動翼は、翼高さ方向(回転軸における径方向)の長さが短いが、後方段の3段動翼や4段動翼(最終段動翼)では、性能面からこの翼高さ方向の長さが長いもの(長大翼)となっている。そして、翼高さ方向の長さが長いタービン動翼は、振動が発生しやすいことから、先端部にチップシュラウドを装着し、隣接する動翼のチップシュラウド同士を接触させることで、円環形状をなすシュラウドを形成している(特許文献1参照)。
特開2012−225207号公報
タービン動翼は、チップシュラウドのコンタクト面が、隣接するタービン動翼のチップシュラウドのコンタクト面と接触する。接触の際、運転時のチップシュラウドの変形により、コンタクト面に片当たりが生じ、コンタクト面が損傷する場合がある。チップシュラウドのコンタクト面に損傷が生じると、補修や交換等のメンテナンスが必要になる。
本発明の少なくとも1実施形態は、上述した課題を解決するものであり、コンタクト面に損傷が生じる可能性を低減することができ、翼の信頼性をより高くすることができるタービン動翼、ターボ機械、コンタクト面の製造方法を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するための本開示の少なくとも1実施形態に係るタービン動翼は、正圧面と負圧面とを備える翼本体と、翼本体先端に備えられ、軸方向に前記正圧面から前記負圧面に向けて径方向外側方向に傾くチップシュラウドと、を備え、前記チップシュラウドは、周方向中央部に配置され径方向外側に延伸するフィンと、前記正圧面側の腹側チップシュラウドと前記負圧面側の背側チップシュラウドと、からなり、前記背側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの前縁端部に背側コンタクトブロックを含み、前記腹側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの後縁端部に腹側コンタクトブロックを含み、前記背側コンタクトブロックは、周方向に向く第1面を備え、前記腹側コンタクトブロックは、前記第1面に対し周方向の反対方向を向く第2面を備え、前記第1面又は前記第2面の少なくとも一方の面であって、少なくとも軸方向下流側端部又は径方向外側端部の何れかに凹部が形成されている。
前記第1面と周方向に隣接する翼の前記第2面とが対向するように配置されていることが好ましい。
前記背側チップシュラウドは、前記背側コンタクトブロックと、前記チップシュラウドの径方向内周面縁から前記チップシュラウドの径方向内周面に沿って前記第1面から離間する方向であって、前記フィンの軸方向下流側に延在する背側カバー板と、から形成され、前記腹側チップシュラウドは、前記腹側コンタクトブロックと、前記チップシュラウドの径方向内周面縁から前記チップシュラウドの径方向内周面に沿って前記第2面から離間する方向であって、前記フィンの軸方向上流側に延在する腹側カバー板と、から形成され、前記第1面又は前記第2面を挟んだ周方向の断面視で、前記背側チップシュラウドは、軸方向下流側に向かうと共に、径方向外側に傾斜するように形成され、前記腹側チップシュラウドは、軸方向上流側に向かうと共に、径方向内側に傾斜するように形成されていることが好ましい。
前記第1面と前記第2面の間に形成される隙間の方向を見て、前記第1面から時計回りの方向に、前記第1面と、前記背側チップシュラウドの径方向内側を向く内周面とのなす角度は90度より小さく、前記第2面から反時計回りの方向に、前記第2面と、前記腹側チップシュラウドの径方向内側を向く内周面とのなす角度は90度より大きいことが好ましい。
前記第1面と前記第2面の間に形成される隙間に沿って、前記第1面又は前記第2面の前記軸方向下流側端部に形成された前記凹部は、少なくとも前記第1面又は前記第2面の径方向外側端面及び軸方向下流側端面を含み、径方向内側方向に延在するように形成されることが好ましい。
前記フィンは、フィレットを介して前記コンタクトブロック又はカバー板に結合され、前記第1面と前記第2面の間に形成される隙間に沿って前記軸方向下流側端部に形成される前記凹部の軸方向上流側端は、前記フィレットの軸方向下流側の外縁位置から軸方向上流側の外縁位置の間に形成されていることが好ましい。
前記チップシュラウドは、前縁端部に設けられ、前記翼本体側に固定端を有し前記固定端から回転方向前方側の自由端である背側カバー端面まで延在する背側端部領域と、後縁端部に設けられ、前記翼本体側に固定端を有し前記固定端から回転方向後方側の自由端である腹側カバー端面まで延在する腹側端部領域と、を含むことが好ましい。
前記第1面又は前記第2面の前記軸方向下流側端部に形成される前記凹部は、前記凹部の軸方向上流側端の外表面から軸方向下流側端に向かってコンタクト面から周方向に後退する方向に傾斜していることが好ましい。
前記第1面又は前記第2面の前記径方向外側端部に形成される前記凹部は、前記凹部の径方向内側端の外表面から径方向外側端に向かって前記フィンに接近する方向に傾斜していることが好ましい。
前記第1面を備える前記背側コンタクトブロックは、前記背側コンタクトブロックの軸方向上流側で前記フィンに接合し、軸方向下流側で傾斜面を介して背側カバー板に接合し、前記第2面を備える前記腹側コンタクトブロックは、前記腹側コンタクトブロックの軸方向下流側で前記フィンに接合し、軸方向上流側で傾斜面を介して腹側カバー板に接合することが好ましい。
上述した目的を達成するための本開示のターボ機械は、上記のいずれかに記載のタービン動翼を備える。
上述した目的を達成するための本開示のコンタクト面製造方法は、上記のいずれかに記載のタービン動翼の前記第1面及び前記第2面の少なくとも一方であるコンタクト面を製造するコンタクト面製造方法であって、前記タービン動翼の前記コンタクト面となる面の母材の表面にコーティングを形成するステップと、形成したコーティングの表面を研磨し、平坦にするステップと、前記コーティングの少なくとも軸方向下流側端部又は径方向外側端部を研磨し、凹部を形成するステップと、を有する。
本発明の少なくとも1実施形態によれば、チップシュラウドのコンタクト面に発生する損傷が回避され、タービン翼の信頼性が向上する。
図1は、第1実施形態のタービン動翼が適用されたガスタービンを表す概略図である。 図2は、第1実施形態のタービン動翼の組立状態を表す概略図である。 図3は、第1実施形態のタービン動翼のチップシュラウドの概略構成を示す模式図である。 図4は、図3におけるチップシュラウドの接触部分の周辺部を拡大して示す模式図である。 図5は、図3における背側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す正面図である。 図6は、図3における背側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す上面図である。 図7は、図3における背側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す側面図である。 図8は、図3における腹側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す正面図である。 図9は、図3における腹側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す上面図である。 図10は、図3における腹側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す側面図である。 図11Aは、背側コンタクトブロック及び腹側コンタクトブロック廻りの模式図を示す上面図である。 図11Bは、背側コンタクトブロック及び腹側コンタクトブロックを組み合わせた側面図である。 図11Cは、背側コンタクトブロック及び腹側コンタクトブロックを組み合わせた他の側面図である。 図12は、コンタクト面の製造方法の一例を示す模式図である。 図13は、第2実施形態のタービン動翼のチップシュラウドの概略構成を示す模式図である。 図14は、図13における背側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す正面図である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係るタービン動翼、ターボ機械、コンタクト面製造方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態のタービン動翼が適用されたガスタービンを表す概略図である。図2は、本実施形態のタービン動翼の組立状態を表す概略図である。本実施形態のガスタービンは、図1に示すように、圧縮機11と燃焼器12とタービン13により構成されている。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。
圧縮機11は、空気を取り込む空気取入口21を有し、圧縮機車室22内に複数の静翼23と動翼24が前後方向(後述するロータ32の軸方向)に交互に配設されてなり、その外側に抽気室25が設けられている。燃焼器12は、圧縮機11で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン13は、タービン車室26内に複数の静翼27と動翼28が前後方向(後述するロータ32の軸方向)に交互に配設されている。このタービン車室26の下流側には、排気車室29を介して排気室30が配設されており、排気室30は、タービン13に接続する排気ディフューザ31を有している。
また、圧縮機11、燃焼器12、タービン13、排気室30の中心部を貫通するようにロータ(回転軸)32が位置している。ロータ32は、圧縮機11側の端部が軸受部33により回転自在に支持される一方、排気室30側の端部が軸受部34により回転自在に支持されている。
そして、このガスタービンは、圧縮機11の圧縮機車室22が脚部35に支持され、タービン13のタービン車室26が脚部36により支持され、排気室30が脚部37により支持されている。
従って、圧縮機11の空気取入口21から取り込まれた空気が、複数の静翼23と動翼24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。燃焼器12にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。そして、この燃焼器12で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガス(作動流体)が、タービン13を構成する複数の静翼27と動翼28を通過することでロータ32を駆動回転し、このロータ32に連結された発電機を駆動する。一方、排気ガス(燃焼ガス)のエネルギは、排気室30の排気ディフューザ31により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。
上述した本実施形態のタービン13において、後段側の動翼(タービン動翼)28は、チップシュラウド43を備えている。図2に示すように、動翼28は、ディスク(ロータ32)に固定される翼根部41と、基端部がこの翼根部41に接合される翼本体42と、この翼本体42の先端部に連結されるチップシュラウド43と、チップシュラウド43の径方向外側の外面に形成されるシールフィン(フィン)44と、を有する。翼本体42は、負圧面42aと正圧面42bとを備える。負圧面42aは、翼本体42の平面断面の排ガスが流れる側の面が凸となる背側面である。正圧面42bは、翼本体42の平面断面の排ガスが流れる側の面が凹となる腹側面である。翼本体42は、所定角度だけねじられている。動翼28は、翼根部41がディスクの外周部に周方向に沿って複数嵌合することで、各チップシュラウド43同士が接触して接続される。タービン13は、複数の動翼28のチップシュラウド43同士を接触させることで、径方向の外周側に円環形状をなすシュラウドを構成する。
次に、図3に加え、図4から図10を用いて、チップシュラウド43の詳細な構造について説明する。図4は、チップシュラウド43の接触部分の周辺部を拡大して示す模式図である。図5は、背側コンタクトブロック50の概略構成を示す正面図である。図5は、背側コンタクトブロック50と腹側コンタクトブロック60の間の隙間を図3のA方向から見た図である。図6は、背側コンタクトブロック50の概略構成を示す上面図である。図7は、背側コンタクトブロック50の概略構成を示す側面図である。図7は、背側コンタクトブロック50を図3のB方向から見た図である。図8は、腹側コンタクトブロック60の概略構成を示す正面図である。図8は、腹側コンタクトブロック60を図3のC方向から見た図である。図9は、腹側コンタクトブロック60の概略構成を示す上面図である。図10は、腹側コンタクトブロック60の概略構成を示す側面図である。図10は、腹側コンタクトブロック60を図3のD方向から見た図である。
チップシュラウド43は、周方向に沿って延びる長い板形状であり、軸方向に正圧面(腹側翼面)から負圧面(背側翼面)に向けて径方向外側方向に傾いている(特許文献1の図9参照)。チップシュラウド43は、翼本体42の負圧面42a側に延在する背側チップシュラウド46と、翼本体42の正圧面42b側に延在する腹側チップシュラウド48と、を有する。タービン動翼28は、背側チップシュラウド46と腹側チップシュラウド48の径方向外側の上面には、径方向外側に延伸するフィン44が配置されている。フィン44は、チップシュラウド43の軸方向の中央部に配置され、タービン翼28の周方向に延在している。フィン44とチップシュラウド43との接続部にフィレット120が形成されている。つまり、フィン44のフィレット120は、接続部の径方向外側のフィン44の軸方向上流側及び下流側の端面44aと径方向内側のチップシュラウド43の上面の間に凹面状に形成され、チップシュラウド43の上面に形成されたフィレット120の末端は、フィレット外縁120aを形成する。
背側チップシュラウド46は、背側コンタクトブロック50と、フィン44から軸方向下流側に延在する背側カバー板51と、からなる。また、背側カバー板51は、フィン44より軸方向下流側の背側翼面42a側であって、前縁42c側の背側コンタクトブロック50側に形成される下流側背側カバー板52と、後縁42d側の腹側コンタクトブロック60側に形成される下流側腹側カバー板66と、を有する。フィン44と、背側コンタクトブロック50と、背側カバー板51とは、一体で成形されている。背側カバー板51は、翼本体42が延在する径方向に対して軸方向に交差して延在する板であり、背側カバー板51の軸方向上流側の端面の下面で翼本体42と結合している。また、背側カバー板51は、軸方向上流側の端面の上面の前縁42c側で背側コンタクトブロック50に連結し、背側カバー板51のその他の部分は、フィレット120を介してフィン44に連結している。
背側コンタクトブロック50は、背側チップシュラウド46の前縁端部43aに設けられている。背側コンタクトブロック50は、周方向で回転方向の前方側を向く背側コンタクト面(第1面)110を有する。背側コンタクトブロック50は、図7に示すように背側コンタクト面110に対して軸方向下流側の径方向に厚みがある構造であり、背側コンタクト面110とは軸方向の反対側の軸方向下流側の傾斜面外縁116aが、下流側背側カバー板52と滑らかな面で連結している。背側コンタクトブロック50は、下流側背側カバー板52側の端部が、下流側背側カバー板52に向かうにしたがって径方向の厚みが徐々に薄くなる傾斜面116を有する。傾斜面116は、径方向内側に凹む断面が凹面状に形成された傾斜面である。背側コンタクトブロック50は、背側コンタクト面110の周方向反対側の端部であって、軸方向上流側でフィン44に接合し、軸方向下流側は傾斜面116を介して背側チップシュラウド46の下流側背側カバー板52に接合する。
図3及び図4に示すように、背側コンタクト面110は、後述する隣接するタービン翼のチップシュラウド43の腹側コンタクトブロック60の腹側コンタクト面140と周方向で対向する面である。下流側背側カバー板52は、翼本体42の背側翼面42a又は背側コンタクト面110からチップシュラウド43の径方向内側の内周面46b(図7)に沿って軸方向下流側のフィン44から離間する方向に延在する。翼本体42に対して、周方向で、下流側背側カバー板50の反対側に配置された下流側腹側カバー板66は、中間接続部68を介して後述する腹側コンタクトブロック60の軸方向下流側の端部60bと接続している。中間接続部68は、下流側腹側カバー板66の一部を形成し、翼本体42の腹側翼面42b側に向かって凹む凹面状の湾曲面で形成されている。
腹側チップシュラウド48は、腹側コンタクトブロック60と、フィン44から軸方向上流側に延在する腹側カバー板61と、からなる。また、腹側カバー板61は、フィン44より軸方向上流側の腹側翼面42b側であって、前縁42c側の背側コンタクトブロック50側に形成される上流側背側カバー板56と、後縁42d側の腹側コンタクトブロック60側に形成される上流側腹側カバー板62と、を有する。フィン44と、腹側コンタクトブロック60と、腹側カバー板61とは、一体で成形されている。また、腹側カバー板61の上流側腹側カバー板62の一部は、腹側コンタクトブロック60の腹側コンタクト面140側とは軸方向反対側から傾斜面116を介して腹側コンタクトブロック60に連結している。上流側腹側カバー板62のその他の部分は、フィレット120を介してフィン44に接合している。
腹側コンタクトブロック60は、腹側チップシュラウド48の後縁端部43bに設けられている。腹側コンタクトブロック60は、周方向で回転方向の後方側を向く腹側コンタクト面(第2面)140を有する。腹側コンタクト面140は、隣接するタービン動翼28のチップシュラウド43の背側コンタクトブロック50(背側コンタクト面110)と周方向及び軸方向で対向する面である。つまり、腹側コンタクト面140は、隣接するタービン動翼28の背側コンタクト面110と周方向及び軸方向で対向して配置されている。上流側腹側カバー板62は、翼本体42が立設する径方向に交差する方向に延在する板状部材であり、翼本体42の背側翼面縁又は背側コンタクト面110からチップシュラウド43の内周面48bに沿って軸方向上流側の離間する方向に延在する。上流側背側カバー板56は、中間接続部58を介して背側コンタクトブロック50の軸方向上流側の端部と接続されている。中間接続部58は、翼本体42の背側翼面側に向かって突出する凸状の湾曲面で形成されている。なお、背側コンタクト面(第1面)110と腹側コンタクト面(第2面)は、互いに平行に配置されている。
後述する図11Aに示すように、回転方向R1の後方側の腹側カバー端面54において、上流側腹側カバー板62の腹側コンタクト面140に直交する方向の板幅は、腹側カバー端面54の延長線上の下流側背側カバー板52の背側コンタクト面110に直交する方向の板幅より短く形成されている。つまり、腹側カバー端面54の延長線上における下流側背側カバー板52の背側コンタクト面110に直交する方向の板幅は、腹側カバー端面54に沿った上流側腹側カバー板62の腹側コンタクト面140に直交する方向の板幅より長く形成されている。
一方、回転方向R1の前方側の背側カバー端面64において、下流側背側カバー板52の背側コンタクト面110に直交する方向の板幅は、背側カバー端面64の延長線上の上流側腹側カバー板62の腹側コンタクト面140に直交する方向の板幅より短く形成されている。つまり、背側カバー端面64の延長線上における上流側腹側カバー板62の腹側コンタクト面140に直交する方向の板幅は、背側カバー端面64に沿った下流側背側カバー板52の背側コンタクト面110に直交する方向の板幅より長く形成されている。
また、図3及び図4に示すように、前縁42c側であって回転方向R1の前方側の背側カバー端面64と、周方向に対向して配置された隣接する翼の下流側腹側カバー板66との間の隙間71は、燃焼ガスの漏れを抑制するため、背側カバー端面64と下流側腹側カバー端面64aとは互いに平行に配置され、所定の隙間が維持されている。つまり、一翼の構成において、前縁42c側の回転方向R1の前方側に配置され、背側コンタクトブロック50のコンタクトブロック端部114を含んだ背側カバー端面64と、背側カバー板51側であって回転方向R1の後方側の下流側腹側カバー端面64aとは、周方向及び軸方向で互いに平行に配置されている。同様に、軸方向上流側の腹側カバー板61において、後縁42d側であって回転方向R1の後方側の腹側カバー端面54と、前縁42c側であって回転方向R1の前方側の上流側背側カバー板56の上流側背側カバー端面54aとは、周方向及び軸方向で互いに平行に配置されている。
なお、背側チップシュラウド46の下流側背側カバー板52の軸方向下流側端面は、隣接するタービン動翼28との間に形成されるスロート位置より下流側に位置されている。上流側腹側カバー板62は、中間接続部68を介して腹側コンタクトブロック60の軸方向下流側の端部と接続している。中間接続部68は、翼本体42側に向かって突出する凸の湾曲面である。また、中間接続部58、68は、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の径方向外側面から腹側カバー板61又は背側カバー板51の上面に向けて滑らかな傾斜面を有する剛性を持たせた湾曲面状の壁部58a、68aとして形成されている(図4)。
次に、背側コンタクトブロック50の背側コンタクト面110及び腹側コンタクトブロック60の腹側コンタクト面140の構造を説明する。図3及び図4に示すように、背側コンタクト面110は、隣接するタービン動翼28の腹側コンタクト面140と周方向及び軸方向で対面している。
背側コンタクトブロック50の背側コンタクト面110は、母材100にコーティング102が形成されている。コーティング102は、溶射膜であり、耐摩耗性が高い材料で形成されている。なお、コーティング102の材料、形成方法はこれに限定されない。また、コーティング102を設けることが好ましいが、コーティング102を設けず母材100の表面を背側コンタクト面110としてもよい。
図3及び図4並びに図11A及び図11Bに示すように、軸方向上流側から背側コンタクト面110を見て、つまり、背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140の間に形成される隙間71を見る方向から背側チップシュラウド46の断面を見た場合、背側コンタクト面110から時計回りの方向に、背側コンタクト面110と背側チップシュラウド46の径方向内側を向く内周面46bとのなす角度は、90度より小さい。また、背側コンタクト面110又は腹側コンタクト面140を挟んだ周方向の断面視で、背側コンタクト面110(背側チップシュラウド46)は、軸方向下流側に向かうと共に、径方向外側に傾斜するように形成されている。背側コンタクト面110を含む背側コンタクトブロック50と腹側コンタクト面140を含む腹側コンタクトブロック60の構造詳細は、後述する。
背側コンタクト面110は、平坦面であり、軸方向下流側端部に凹部112を有する。図5及び図6に示すように、凹部112は、背側コンタクト面110の中間接続部58側とは反対側のコンタクトブロック端部114を含む位置に形成されている。背側コンタクトブロック50のコンタクトブロック端部114に向かうにしたがって、平坦面である背側コンタクト面110よりも回転方向R1の後方側の後縁42d方向に後退する方向に、傾斜角θを持った傾斜した凹部傾斜面112aが形成されている。凹部112は、背側コンタクト面110の径方向の全域、つまり、径方向の上端から下端まで形成されている。
ここで、凹部112は、軸方向上流側端がフィレット120の軸方向下流側のフィレット外縁120aの位置より軸方向上流側に形成されていることが好ましい。また、凹部112は、軸方向における形成位置が、フィレット120が形成されている領域、つまり、フィレット120の軸方向上流側のフィレット外縁120aに位置することが一層好ましい。凹部112の形成位置を上記範囲とすることで、背側コンタクト面110が、腹側コンタクト面140と接触する位置を、剛性が高いフィン44の付け根の強度が高い位置とすることができ、かつ、コンタクト面の接触面積の減少による面圧不足を回避することができる。なお、凹部112は、凹部傾斜面112aのように傾斜面である必要はなく、平坦面102aに対して周方向で回転方向の後方側に凹む形状であればよい。
図6に示すように、背側コンタクトブロック50の背側コンタクト面110は、母材100にコーティング102が形成されている。コーティング102は、溶射膜であり、耐摩耗性が高い材料で形成されている。なお、コーティング102の材料、形成方法はこれに限定されない。また、コーティング102を設けることが好ましいが、コーティング102を設けず、母材100の表面を背側コンタクト面110としてもよい。
図8及び図9並びに図11Bに示すように、軸方向上流側から腹側コンタクト面140を見て、つまり、背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140の間に形成される隙間71を見る方向から腹側チップシュラウド48の断面を見た場合、腹側コンタクト面140から反時計回りの方向に、腹側コンタクト面140と腹側チップシュラウド48の径方向内側を向く内周面48bとのなす角度は直角(90度)より大きい。背側コンタクト面110又は腹側コンタクト面140を挟んだ周方向の断面視で、腹側コンタクト面140(腹側チップシュラウド48)は、軸方向上流側に向かうと共に、径方向内側に傾斜するように形成されている。
腹側コンタクト面140は、平坦面であり、軸方向下流側端部に凹部142を有する。凹部142は、腹側コンタクト面140の中間接続部58と接続するコンタクトブロック端部144を含む位置に形成されている。腹側コンタクトブロック60のコンタクトブロック端部144に向かうにしたがって、平坦面である腹側コンタクト面140よりも回転方向R1の前方側の前縁42c方向に後退する方向に傾斜した凹部傾斜面142aが形成されている。凹部142は、腹側コンタクト面140の径方向の全域、つまり、径方向の上端から下端まで形成されている。腹側コンタクトブロック60の凹部142の、フィン44のフィレット120に対する好ましい位置は、背側コンタクトブロック50の凹部112と同様である。
タービン動翼28は、タービン13が回転すると回転により生じる遠心力を受ける。チップシュラウド43は、遠心力Fを受けて径方向に変形しつつ、背側コンタクトブロック50が周方向の一方に隣接するタービン動翼28の腹側コンタクトブロック60と接触し、腹側コンタクトブロック60が周方向の他方に隣接するタービン動翼28の背側コンタクトブロック50と接触する。つまり、タービン動翼28のチップシュラウド43の腹側コンタクト面140と、周方向に隣接するタービン動翼28のチップシュラウド43の背側コンタクト面110が、互いに接触しやすい状態となる。
一例として、タービン動翼28の背側チップシュラウド46の背側コンタクトブロック50の背側コンタクト面110と、周方向に対向して配置された隣接するタービン動翼28の腹側チップシュラウド48の腹側コンタクトブロック60の腹側コンタクト面140とが片当たりする理由を、図11A〜図11Cを参照しながら以下に説明する。
対向する背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140を有する背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクブロック60廻りの構造について、図11Aを参照しながら以下に説明する。図11Aは、図3に示すA部及びB部を組み合わせたAA廻りの拡大図であり、背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140を互いに周方向に対向させて配置された上面図である。つまり、周方向に対向して配置された背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクブロック60廻りの構造を示したもので、チップシュラウド43を径方向外側から内側方向に見た模式図である。また、図11Aには、背側チップシュラウド46に設けられ、点ABCDで囲われた2点鎖線で示された台形形状の背側端部領域47と、腹側チップシュラウド48に設けられ、点EFGHで囲われた2点鎖線で示された台形形状の腹側端部領域49と、が示されている。
背側端部領域47は、チップシュラウド43の回転方向R1の前方側の前縁端部43aに配置され、フィン44及び背側コンタクトブロック50並びに下流側背側カバー板52を含み、軸方向の上流側から下流側に向かって、背側コンタクトブロック50、フィン44、下流側背側カバー板52の順に配置され、一体化された構造を備えている。なお、背側端部領域47は、辺ABで翼本体42に近いチップシュラウド43の剛性の高い領域に接合され、辺BC、辺CD及び辺ADは他の部材から何らの拘束をされず、自由に変位が可能な端部(自由端)である。従って、背側端部領域47は、辺ABを固定端とし、辺CDを自由端とした台形形状の片持ち梁ABCDとして、簡易モデル化して捉えることが出来る。固定端の辺ABの周方向の位置は、下流側背側カバー板52より剛性が高い背側コンタクトブロック50の回転方向R1の後方側を向く端面と辺AA1で大略一致する。従って、固定端の辺ABは、自由端である辺CDと比較して変形し難い。辺ABは、軸方向で隣接して配置された腹側端部領域49の辺GHの延長線上に配置されている。また、片持ち梁ABCDの固定端である辺ABの長さは、自由端である辺CDの長さより長い。
腹側端部領域49は、チップシュラウド43の回転方向R1の後方側の後縁端部43bに配置され、フィン44及び腹側コンタクトブロック60並びに上流側腹側カバー板62を含み、軸方向の下流側から上流側に向かつて、腹側コンタクトブロック60、フィン44、上流側腹側カバー板62の順に配置され、一体化された構造である。腹側端部領域49は、辺EFで回転方向R1の前方側の翼本体42に近いチップシュラウド43の剛性の高い領域に接合され、辺FG、辺GH及び辺EHは他の部材から何らの拘束をされず、自由に変位が可能な端部(自由端)である。従って、腹側端部領域49は、辺EFを固定端とした台形形状の片持ち梁EFGHとして、簡易モデル化して捉えることが出来る。定端の辺EFの周方向の位置は、コンタクトブロック60の回転方向R1の前方側を向く端面と辺FF1で大略一致し、軸方向で隣接して配置された背側端部領域47の辺CDの延長線上に配置されている。また、片持ち梁EFGHの固定端である辺EFの長さは、自由端である辺GHの長さより長い。
図11Bは、図3及び図11Aに示されたB方向から見た断面図で、背側チップシュラウド46の背側コンタクト面110と腹側チップシュラウド48の腹側コンタクト面140の間に形成された隙間71を挟んで、背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140が対向して配置された背側チップシュラウド46と腹側チップシュラウド48の組合せ断面図である。また、図11Bは、背側端部領域47と腹側端部領域49をB方向から見た組合せ断面図でもある。図11Bは、背側チップシュラウド46と腹側チップシュラウド48の構造を簡易モデル化して示している。すなわち、背側チップシュラウド46は、点P1P2P3P4で囲まれた変形矩形断面で示された背側コンタクトブロック50の断面50aと、点P3P5P6P7で囲まれた変形矩形断面で示された下流側背側カバー板52の断面52a 、の2つの断面を結合した断面を簡略化して表示している。下流側背側カバー板52の断面52aは、軸方向上流側から下流側に向け背側コンタクト面110から離間する方向に延び、背側コンタクト面110から離間すると共に径方向外側方向の上向きに傾斜する変形矩形形状で示される。一方、腹側チップシュラウド48は、点P11P12P13P14で囲まれた変形矩形断面で示された腹側コンタクトブロック断面60aと、点P13P15P16P17で囲まれた変形矩形断面で示された上流側腹側カバー板62の断面62a、の2つの断面を結合した断面を簡略化して表示している。上流側腹側カバー板62の断面62aは、軸方向下流側から上流側に向け腹側コンタクト面140から離間する方向に延び、腹側コンタクト面140から離間すると共に径方向内側方向の下向きに傾斜する変形矩形形状で示される。
背側チップシュラウド46の断面46aと腹側チップシュラウド48の断面48aの断面形状の違いによる各断面の変形容易性及び変形の方向について、以下に説明する。図11Bに示すように、背側チップシュラウド46の断面46aの一部を形成する背側コンタクトブロック50の断面50aは、径方向に延伸する変形矩形断面であり、下流側背側カバー板52の断面52aは、背側チップシュラウド46の径方向内側の内周面46bに沿って径方向外側の上向き方向に傾斜して軸方向下流方向に延在する変形矩形断面である。
一方、腹側チップシュラウド48の断面48aを形成する腹側コンタクトブロック断面60aは、径方向に延伸する変形矩形断面であり、上流側腹側カバー板62の断面62aは、腹側チップシュラウド48の径方向内側の内周面48bに沿って径方向内側の下向き方向に傾斜して軸方向上流方向に延在する変形矩形断面である。
上述した構造の違いにより、タービン動翼28のチップシュラウド43が遠心力Fを受けた場合、背側チップシュラウド46の断面46aの変形の方向と、腹側チップシュラウド48の断面48aの変形の方向が異なっている。すなわち、背側チップシュラウド46の断面46aの最少断面二次モーメントの主軸を破線で示すIM1とし、主軸IM1に直交する方向を矢印で示すIMD1とすれば、IMD1が示す方向が、背側チップシュラウド46の断面46aが遠心力Fを受けて、最も変形し易く、変形量が大きくなる方向である。一方、腹側チップシュラウド48の断面48aの最少断面二次モーメントの主軸を破線で示すIM2とし、主軸IM2に直交する方向を矢印で示すIMD2とすれば、IMD2が示す方向が、腹側チップシュラウド48の断面48aが遠心力Fを受けて、最も変形し易く、変形量が大きくなる方向である。背側チップシュラウド46の断面46aが変形する方向IMD1は、径方向外側方向(ロータ32に直交する方向)より腹側コンタクト面140側に傾斜し、隣接する翼の腹側コンタクト面140に接近する方向である。この理由は、径方向に延伸する背側コンタクトブロック50の断面50aに接合する下流側背側カバー板52の延伸する方向が、径方向外側の上向き方向であることに起因している。一方、腹側チップシュラウド48の断面48aが変形する方向IMD2は、隣接する翼の背側コンタクト面110から離間する方向であり、背側チップシュラウド46の断面46aが変形するIMD1の方向より更に軸方向上流側に傾いている。この理由は、径方向に延伸する腹側コンタクトブロック断面60aに接合する上流側腹側カバー板62が延伸する方向が、径方向内側の下向き方向であることに起因している。その結果、背側チップシュラウド46と腹側チップシュラウド48が、遠心力Fを受けて、隣接する翼の背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140は、互いに離間する方向に変形する。
次に、図11Aを参照しつつ、径方向外側から内側方向にチップシュラウド43を見た場合の背側コンタクト面110と、周方向に隣接する翼の腹側コンタクト面140の相対的な動きを説明する。梁ABCDとして模式化された背側端部領域47と、周方向に隣接する翼の梁EFGHとして模式化された腹側端部領域49とは、固定端である辺AB、辺EFと自由端である辺CD、辺GHの位置が、回転方向R1で互いに反対側に配置されている。すなわち、背側端部領域47は、固定端である辺ABが回転方向R1の後方側に配置され、自由端である辺CDは、回転方向R1の前方側に配置されている。一方、周方向に隣接する翼の腹側端部領域49は、固定端である辺EFが回転方向R1の前方側に配置され、自由端である辺GHは、回転方向R1の後方側に配置されている。背側端部領域47と腹側端部領域49とは、回転方向R1で互いに反対方向に向いて配置されている。なお、翼単位で見た場合、図3に示すように、背側端部領域47は、翼本体42より回転方向R1の前方側の前縁端部43aに配置され、腹側端部領域49は、翼本体42より回転方向R1の後方側の後縁端部43bに配置されている。すなわち、背側端部領域47の固定端である辺ABと、腹側端部領域49の固定端である辺EFは、翼本体42を間に挟んで、回転方向R1の前方側と後方側に配置され、背側端部領域47は、固定端である辺ABから回転方向R1の前方側に自由端である辺CDまで延伸している。一方、腹側端部領域49は、固定端である辺EFから回転方向R1の後方側に自由端である辺GHまで延伸している。従って、固定端である辺AB、辺EFに対して、自由端である辺CD、辺GHは、周方向(回転方向R1)で互いに反対側の位置に配置されている。また、背側端部領域47の回転方向長さ(梁ABCDの隙間71に沿った方向の辺ADの長さ)は、腹側端部領域49の回転方向長さ(梁EFGHの隙間71に沿った方向の辺FGの長さ)とほぼ同じである。
このように、背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140を介して互いに隣接する背側端部領域47と腹側端部領域49の位置関係において、梁ABCDと梁EFGHが、遠心力Fを受けて径方向の外側方向に変形した後の形状は、梁ABC1D1と梁EFG1H1で表示される。すなわち、梁ABCDのうち、固定端である辺ABは、遠心力Fを受けてもほとんど変形することなく移動しない。一方、前述のように、背側チップシュラウド46の断面46aが変形する方向IMD1は、腹側コンタクト面140に接近する方向である。従って、自由端である辺CDは、隣接する翼の腹側コンタクト面140に接近する方向に移動する。移動後の辺CDの位置が辺C1D1で表示される。辺CDが変位した後、腹側コンタト面140に最も近い背側コンタクト面110の先端部である点Dが点D1に移動して、背側コンタクト面110が腹側コンタクト面140に接近する。最終的には、梁ABCDの回転方向R1の前方側(軸方向下流側)の先端部である背側コンタクト面110の点Dの近傍で、背側コンタクト面110が腹側コンタクト面140に片当たりにより接触する可能性が生ずる。
一方、前述したように、腹側チップシュラウド48の断面48aが変形する方向IMD2は、背側コンタクト面110から離間する方向である。従って、背側コンタクト面110に対向して配置された腹側コンタクト面140側の梁EFGHは、遠心力Fを受けて、自由端である辺GHが背側コンタクト面110から離間する方向に移動する。しかし、軸方向で背側コンタクト面110に最も近い腹側コンタクト面140の自由端近傍の点Gに対向する背側コンタクト面110側の点Aの位置は、梁ABCDを形成する固定端の一部であり、遠心力Fを受けてもほとんど移動しない。従って、梁ABCD側の背側コンタクト面110の点Aと、梁EFGH側の腹側コンタクト面140の点Gとが、遠心力Fにより接触する可能性はない。なお、図11Aにおいて、静止状態での翼形状は2点鎖線で表示され、運転状態における変形後の翼形状は実線で表示されている。
図11Cに示すように、背側チップシュラウド46と腹側チップシュラウド48は、遠心力Fを受けて、互いに反対方向の回転力を受けてねじり変形し、背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140とが、対向するコンタクト面の上端で接触する。すなわち、図11Cに示すように、背側チップシュラウド46の断面46aは、遠心力Fを受けて図11Cの紙面上で反時計廻り方向R2に回転する。一方、腹側チップシュラウド48の断面48aは、遠心力Fを受けて時計廻り方向R3に回転する。その理由を以下に説明する。
背側チップシュラウド46の断面46aは、図11Bで説明したように、背側コンタクトブロック50の断面50a(変形矩形断面P1P2P3P4)と下流側背側カバー板断面52a(変形矩形断面P3P5P6P7)とが結合した断面として表示できる。背側コンタクトブロック50の断面50aは、径方向に延伸する軸方向幅の大きい矩形断面であり剛性が大きい。従って、背側コンタクトブロック50の断面50a自体が、遠心力Fを受けて、回転によるねじり変形を生ずることはほとんどない。一方、下流側背側カバー板52の断面52aは、軸方向下流方向に延伸する板厚の薄い細長い矩形断面形状であり、下流側背側カバー板52の断面52aの断面中心52Gの位置が、背側コンタクトブロック50の断面50aから軸方向下流側の離れた位置にある。従って、下流側背側カバー板52の断面52aが遠心力Fを受けて径方向外側方向に変形し、径方向外側方向にめくり上げられる。背側コンタクトブロック50は、背側コンタクトブロック50の断面50aと下流側背側カバー板52の断面52aとが接合する位置(辺P3P7)で、背側コンタクトブロック50の断面50aが遠心力Fによる下流側背側カバー板52の断面52aから受ける回転モーメントにより、反時計廻り方向R2に回転し、ねじり変形を生ずる。
同様に、腹側チップシュラウド48の断面48aは、図11Bで説明したように、腹側コンタクトブロック断面60a(変形矩形断面P11P12P13P14)と上流側腹側カバー板62の断面62a(変形矩形断面P13P15P16P17)とが結合した断面として表示できる。腹側コンタクトブロック断面60aは、径方向に延伸する軸方向幅の大きい変形矩形断面であり剛性が大きい。従って、腹側コンタクトブロック断面60a自体が、遠心力Fを受けて回転によるねじり変形を生ずることはほとんどない。一方、上流側腹側カバー板62の断面62aは、軸方向上流方向に延伸する板厚の薄い細長い矩形断面形状であり、断面62aの断面中心62Gの位置が、腹側コンタクトブロック断面60aから軸方向上流側の離れた位置にある。従って、上流側腹側カバー板62の断面62aが、遠心力Fを受けて径方向外側方向に変形し、径方向外側方向にめくり上げられる。腹側コンタクトブロック60は、腹側コンタクトロック断面60aと上流側腹側カバー板62の断面62aとが接合する位置(辺P13P17)で、腹側コンタクトプロック断面60aが遠心力Fによる上流側腹側カバー板62の断面62aから受ける回転モーメントにより、時計廻り方向R3に回転し、ねじり変形を生ずる。
図11Cにおいて、遠心力Fを受けて、背側チップシュラウド46及び腹側チップシュラウド48が回転する方向を矢印R2、R3で示す。背側チップシュラウド46の断面46aと、腹側チップシュラウド48の断面48aに遠心力Fが働いた場合、背側チップシュラウド46の断面46aは反時計廻り方向R2に回転し、腹側チップシュラウド48の断面48aは時計廻り方向R3に回転する。従って、チップシュラウド43に遠心力Fが働いた場合、背側チップシュラウド46の背側コンタクト面110の径方向外側端部(背側コンタクトブロック50の断面50aの点P1)及び腹側チップシュラウド48の腹側コンタクト面140の径方向外側端部(腹側コンタクトブロック60の断面60aの点P11)が、点Qにおいて片当たりにより互いに接触し、点Qを中心にして背側チップシュラウド46及び腹側チップシュラウド48は、互いに逆方向の矢印R2方向及びR3方向に回転することになる。なお、図11Cにおいて、静止状態でのチップシュラウド43の断面形状は2点鎖線で表示され、運転状態で遠心力Fを受けて回転した状態でのチップシュラウド43の断面形状は、実線で表示されている。
図11Aから図11Cを用いて説明したように、背側チップシュラウド46の断面46aと、腹側チップシュラウド48の断面48aは、背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140を介して対面する構造であり、且つ、断面構造が異なるため、背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140が互いに片当たりにより接触し、コンタクト面を損傷させる可能性がある。従って、接触による損傷を回避して、タービン動翼の信頼性を向上させる対策が必要になり、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140の適正な位置に凹部112、142を設けることが、重要になる。
なお、背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140の周方向(回転方向R1)の間には、便宜的に隙間71を介して配置する態様で示しているが、組立時においては、背側コンタクト面110と隣接する翼の腹側コンタクト面140の間には、隙間が発生することなく、接触している。但し、運転時は、遠心力と熱伸びを受けて隙間71が発生し、前述のように、背側チップシュラウド46及び腹側チップシュラウド48の変形及び振動により、片当たりにより部分的に接触する場合がある。
タービン動翼28は、本実施形態のように、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の軸方向下流側の領域の、径方向の上端から下端の全域に凹部112、142を設けることで、背側コンタクト面110及び隣接する翼の腹側コンタクト面140の軸方向下流端部での接触を回避することができる。すなわち、チップシュラウド43の背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140との接触位置を、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60のコンタクトブロック端部114、144よりも中心側のフィン44の付け根近傍に移動した位置とすることができる。これにより、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の強度が高いフィン44の付け根近傍の領域を接触領域とし、軸方向下流端部での接触を回避することができるので、翼の耐久性をより向上させることができる。
具体的には、上述したように、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60は、周方向の厚みが厚く、周方向に背側カバー板51及び腹側カバー板61まで延びる傾斜面116が形成されて、剛性が高い部分を接触位置とすることができる。また、フィン44のフィレット120が形成されている位置を凹部112、142が形成される位置とすることで、背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140の接触可能な面積を広く取ることができ、接触による隣接する翼からの負荷が一部に集中することを抑制できる。
タービン動翼28は、本実施形態のように、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140の軸方向下流側の領域の、径方向の上端から下端の全域に凹部112、142を設けることが好ましいが、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の軸方向下流側の領域のうち径方向の一部のみに設けてもよい。径方向の一部に設ける場合は、径方向外側の端部を含むように設けることが好ましい。つまり、凹部112、142は、背側コンタクト面110の径方向外側端面及び軸方向下流側端面を含み、径方向内側方向に延在することが好ましい。
また、本実施形態のタービン動翼28は、背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140の軸方向下流側端部に凹部112、142を設けたがこれに限定されない。タービン動翼28は、背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140の径方向外側端部に凹部を形成してもよい。タービン動翼28は、背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140の径方向外側端部に凹部を形成することで、背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140の径方向外側端部が接触すること抑制することができ、接触位置を、端部よりも中心側に移動した位置とすることができる。径方向外側端部に形成される凹部は、凹部の径方向内側端の外表面から径方向外側端に向かってフィン44に接近する方向に傾斜させることが好ましい。これにより、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の強度が高い領域を接触領域とすることができ、耐久性をより向上させることができる。このため、タービン動翼28は、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140の径方向外側端部の、軸方向の上流側から下流側の全域に凹部を設けることが好ましいが、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の径方向外側の領域のうち軸方向の一部のみに設けてもよい。軸方向の一部に設ける場合は、軸方向下流側の端部を含むように設けることが好ましい。
また、タービン動翼28は、背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140の軸方向下流側端部と径方向外側端部の両方に凹部を形成してもよい。
タービン動翼28は、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60のいずれか一方に凹部112、142を設ければよい。つまり、タービン動翼28は、背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60の背側コンタクト面110及び腹側コンタクト面140の一方に凹部112、142を形成し、他方は、全面を平坦面としてもよい。凹部112、142の少なくとも一方を設けることで、背側コンタクト面110と腹側コンタクト面140との接触位置を、コンタクトブロック端部114、144よりも中心側のフィン44の付け根近傍に移動した位置とすることができる。
また、タービン動翼28は、軸方向下流側端部が、中間接続部58から離れた位置となる、背側チップシュラウド46の背側コンタクトブロック50に凹部112を形成することが好ましい。これより、凹部112の製造をより簡単にすることができる。
図12は、コンタクト面(背側コンタクト面110、腹側コンタクト面140)の製造方法の一例を示す模式図である。図6及び図9も併せて参照すれば、タービン動翼は、母材100で形成された背側コンタクトブロック50及び腹側コンタクトブロック60のコンタクト面に対応する領域の表面にコーティング102を形成することで、コンタクト面を形成する。コンタクト面は、作業者が処理を行い製造しても、自動で作成する装置で製造してもよい。以下は、作業者が作業を行う場合として説明する。
作業者は、母材のコンタクト面に相当する領域にコンタクトコーティングを溶射する工程を実施する(ステップS12)。次に、作業者は、母材の表面に形成したコンタクトコーティングの表面を研磨する工程を実施する(ステップS14)。作業者は、コンタクトコーティングの表面を研磨して、平坦面102aを形成する。次に、作業者は、コンタクトコーティングの軸方向下流側の端部に凹部112を形成する工程を実施する(ステップS16)。
コンタクト面製造方法は、コンタクト面のコーティングの全面を研磨した後、一部に凹部を形成することで、剛性の小さいコンタクトブロック端部114近傍での接触を回避し、剛性の高いフィン44の付け根近傍を接触位置として、片当たりによる損傷を防ぐタービン動翼のコンタクト面とすることができる。これにより、より耐久性が高いコンタクト面を製造することができる。
上記のコンタクト面製造方法は、新しく製造するタービン動翼のコンタクト面の製造に用いることができるがこれに限定されない。上記のコンタクト面製造方法は、使用したタービン動翼に対する補修でコーティングを形成する場合にも適用することができる。
〔第2実施形態〕
次に、タービン動翼の第2実施形態について、以下に説明する。図13は、第2実施形態のタービン動翼のチップシュラウドの概略構成を示す模式図である。図14は、図13における背側コンタクトブロック廻りの概略構成を示す正面図である。第2実施形態に示すタービン動翼は、第1実施形態と比較して、コンタクトブロック(背側コンタクトブロック50、腹側コンタクトブロック60)廻りの構造が異なっている。
図13及び図14に示すように、本実施形態のタービン翼28のチップシュラウド43は、フィン44と背側チップシュラウド246と腹側チップシュラウド48とからなる。本実施形態のチップシュラウド43は、背側チップシュラウド246の形状及び構造が、第1実施形態と異なるが、フィン44及び腹側チップシュラウド48の形状及び構造は、第1実施形態と同じ形状及び構造である。
本実施形態における背側チップシュラウド246は、背側コンタクトブロック250と、フィン44に接合し、フィン44から軸方向下流側に延在する背側カバー板251と、からなる。フィン44と、背側コンタクトブロック250と、背側カバー板251とは、一体で成形されている。また、背側カバー板251は、フィン44より軸方向下流側の背側翼面42a側であって、前縁42c側の背側コンタクトブロック250側に形成される下流側背側カバー板252と、後縁42d側の腹側コンタクトブロック60側に形成される下流側腹側カバー板266と、を有する。腹側チップシュラウド48は、第1実施形態と同様の形状及び構造であり、腹側コンタクトブロック60と腹側カバー板61とから形成される。腹側カバー板61は、第1実施形態と同様に、前縁42c側の上流側背側カバー板56と後縁42d側の上流側腹側カバー板62とから形成されている。
本実施形態における背側コンタクトブロック250は、第1実施形態と同様に、周方向で回転方向の前方側を向く背側コンタクト面(第1面)210を有する。背側コンタクトブロック250は、背側コンタクト面210に対して軸方向下流側の直交する方向に厚みがある構造であり、背側コンタクト面210とは軸方向の反対側に延びて、下流側背側カバー板252に連結している。背側コンタクトブロック250は、軸方向下流側に向かって徐々に厚さが薄くなる傾斜面116を有する。背側コンタクトブロック250は、背側コンタクト面210の周方向反対側の端部であって、軸方向上流側でフィン44に接合し、軸方向下流側は傾斜面116を介して背側チップシュラウド246の下流側背側カバー板252に接合する。
図13に示すように、背側コンタクトブロック250の軸方向下流側を向くコンタクトブロック端部214は、背側カバー端面64の一部を形成し、後縁42d側の下流側腹側カバー端面64aに平行に軸方向下流側に延び、下流側背側カバー板252の軸方向下流側の端面に接合する。背側コンタクトブロック250のコンタクトブロック端部214の回転方向の前方側の先端端部214aの軸方向位置は、フィレット120の背側チップシュラウド246側のフィレット外縁120aが交わる軸方向位置と一致する。
本実施形態におけるフィン44より軸方向上流側の腹側コンタクト面140及び腹側コンタクトブロック60並びに腹側コンタクトブロック60から前縁42c方向に延びる傾斜面116及び腹側カバー板61(上流側腹側カバー板62)の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態における背側コンタクトブロック250は、図6及び図8に示す第1実施形態の態様とは異なっている。すなわち、上述のように、背側コンタクトブロック250の軸方向下流側の端面は、コンタクトブロック端部214を形成し、コンタクトブロック端部214の軸方向上流側の先端端部214aを起点として、後縁42d側の下流側腹側カバー端面64aに平行に軸方向下流側方向に延びる端面である。つまり、本実施形態の背側コンタクト面210の形状と、第1実施形態の背側コンタクト面110の形状を比較すると、本実施形態の先端端部214aの軸方向の位置と、第1実施形態の先端端部114aの軸方向の位置が異なっている。本実施形態の先端端部214aは、フィン44の背側チップシュラウド46側のフィレット外縁120aの軸方向の位置と一致する。一方、第1実施形態の先端端部114aの軸方向の位置は、フィン44の背側チップシュラウド46側のフィレット外縁120aの軸方向の位置より軸方向下流側に形成され、フィレット外縁120aからコンタクトブロック端部114まの範囲に凹部112が形成されている。
本実施形態における背側コンタクトブロック250のコンタクトブロック端部214は、タービン動翼28の鋳造過程で、翼本体42及びチップシュラウド43の製造と同時に形成される。
本実施形態における背側コンタクトブロック250の背側コンタクト面210に適用されるコーティング102の材料及び形成方法は、第1実施形態における材料及び形成方法と同様である。
但し、本実施形態におけるコーティング形成方法では、図12に示す第1実施形態のコンタクト面の製造方法に対して、ステップ16に示す凹部112を形成する工程が省略される点が異なっている。すなわち、本実施形態においては、上述のように、背側コンタクトブロック250のコンタクトブロック端部214は、フィン44の背側チップシュラウド46側のフィレット外縁120aの位置である先端端部214aを起点とする端部として、タービン動翼28の鋳造過程で同時に形成される。従って、本実施形態における背側コンタク面110には、第1実施形態における凹部112形成される背側コンタクト面の部分は存在しない。本実施形態では、背側コンタクトブロック250のコンタクトブロック端部214の軸方向の位置が、剛性の高いフィン44の付け根の位置と一致する。そのため、隣接する翼の腹側コンタクト面140と片当たりによる接触が生じても、剛性の高いフィン44の付け根近傍の背側コンタクト面210で接触するため、背側コンタクト面210が損傷する可能性がなく、翼の信頼性が向上する。
また、本実施形態のコンタクト面の製造方法によれば、第1実施形態におけるコンタクト面の製造方法と比較して、図12に示す凹部112を形成する工程(ステップS16)が省略できるので、作業工程が短縮され、製造コストが低減される。
本発明に係る一実施形態によれば、隣接する翼のコンタクト面との間で片当たりによる接触が生じても、コンタクト面の剛性が高いフィン44との付け根の位置近傍で接触するため、コンタクト面の損傷が抑制される。
11 圧縮機
12 燃焼器
13 タービン
27 静翼
28 動翼(タービン動翼)
32 ロータ(回転軸)
41 翼根部
42 翼本体
42a 負圧面(背側翼面)
42b 正圧面(腹側翼面)
42c 前縁
42d 後縁
43 チップシュラウド
43a 前縁端部
43b 後縁端部
44 シールフィン(フィン)
44a 端面
46 背側チップシュラウド
47 背側端部領域
49 腹側端部領域
48 腹側チップシュラウド
50、250 背側コンタクトブロック
60 腹側コンタクトブロック
51、251 背側カバー板
52、252 下流側背側カバー板
56 上流側背側カバー板
54 腹側カバー端面
54a 上流側背側カバー端面
64 背側カバー端面
64a 下流側腹側カバー端面
58、68 中間接続部
61 腹側カバー板
62 上流側腹側カバー板
66、266 下流側腹側カバー板
71 隙間
100 母材
102 コーティング
102a 平坦面
110、210 背側コンタクト面(第1面)
140 腹側コンタクト面(第2面)
112、142 凹部
112a、142a 凹部傾斜面
114、144、214 コンタクトブロック端部
116 傾斜面
116a 傾斜面外縁
120 フィレット
120a フィレット外縁

Claims (12)

  1. 正圧面と負圧面とを備える翼本体と、
    翼本体先端に備えられ、軸方向に前記正圧面から前記負圧面に向けて径方向外側方向に傾くチップシュラウドと、を備え、
    前記チップシュラウドは、
    周方向中央部に配置され径方向外側に延伸するフィンと、前記正圧面側の腹側チップシュラウドと前記負圧面側の背側チップシュラウドと、からなり、
    前記背側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの前縁端部に背側コンタクトブロックを含み、
    前記腹側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの後縁端部に腹側コンタクトブロックを含み、
    前記背側コンタクトブロックは、周方向に向く第1面を備え、
    前記腹側コンタクトブロックは、前記第1面に対し周方向の反対方向を向く第2面を備え、
    前記第1面又は前記第2面の少なくとも一方の面軸方向下流側端部に凹部が形成されていると共に、
    前記フィンは、フィレットを介して前記背側コンタクトブロック又は前記腹側コンタクトブロック又はカバー板に結合され、前記第1面と前記第2面の間に形成される隙間に沿って前記軸方向下流側端部に形成される前記凹部の軸方向上流側端は、前記フィレットの軸方向下流側の外縁位置から軸方向上流側の外縁位置の間に形成されているタービン動翼。
  2. 前記第1面を備える前記背側コンタクトブロックは、前記背側コンタクトブロックの軸方向上流側で前記フィンに接合し、軸方向下流側で傾斜面を介して背側カバー板に接合し、
    前記第2面を備える前記腹側コンタクトブロックは、前記腹側コンタクトブロックの軸方向下流側で前記フィンに接合し、軸方向上流側で傾斜面を介して腹側カバー板に接合する請求項1に記載のタービン動翼。
  3. 正圧面と負圧面とを備える翼本体と、
    翼本体先端に備えられ、軸方向に前記正圧面から前記負圧面に向けて径方向外側方向に傾くチップシュラウドと、を備え、
    前記チップシュラウドは、
    周方向中央部に配置され径方向外側に延伸するフィンと、前記正圧面側の腹側チップシュラウドと前記負圧面側の背側チップシュラウドと、からなり、
    前記背側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの前縁端部に背側コンタクトブロックを含み、
    前記腹側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの後縁端部に腹側コンタクトブロックを含み、
    前記背側コンタクトブロックは、周方向に向く第1面を備え、
    前記腹側コンタクトブロックは、
    前記第1面に対し周方向の反対方向を向く第2面を備え、
    前記第1面又は前記第2面の少なくとも一方の面軸方向下流側端部又は径方向外側端部の何れかに凹部が形成されていると共に、
    前記第1面を備える前記背側コンタクトブロックは、前記背側コンタクトブロックの軸方向上流側で前記フィンに接合し、軸方向下流側で傾斜面を介して背側カバー板に接合し、
    前記第2面を備える前記腹側コンタクトブロックは、前記腹側コンタクトブロックの軸方向下流側で前記フィンに接合し、軸方向上流側で傾斜面を介して腹側カバー板に接合するタービン動翼。
  4. 前記凹部は、前記第1面又は前記第2面の少なくとも一方の面の軸方向下流側端部に形成され、
    前記フィンは、
    フィレットを介して前記コンタクトブロック又はカバー板に結合され、前記第1面と前記第2面の間に形成される隙間に沿って前記軸方向下流側端部に形成される前記凹部の軸方向上流側端は、前記フィレットの軸方向下流側の外縁位置から軸方向上流側の外縁位置の間に形成されている請求項に記載のタービン動翼。
  5. 前記第1面と周方向に隣接する翼の前記第2面とが対向するように配置されている請求項1から請求項のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  6. 前記背側チップシュラウドは、
    前記背側コンタクトブロックと、
    前記チップシュラウドの径方向内周面縁から前記チップシュラウドの径方向内周面に沿って前記第1面から離間する方向であって、前記フィンの軸方向下流側に延在する背側カバー板と、から形成され、
    前記腹側チップシュラウドは、
    前記腹側コンタクトブロックと、
    前記チップシュラウドの径方向内周面縁から前記チップシュラウドの径方向内周面に沿って前記第2面から離間する方向であって、前記フィンの軸方向上流側に延在する腹側カバー板と、から形成され、
    前記第1面又は前記第2面を挟んだ周方向の断面視で、前記背側チップシュラウドは、軸方向下流側に向かうと共に、径方向外側に傾斜するように形成され、前記腹側チップシュラウドは、軸方向上流側に向かうと共に、径方向内側に傾斜するように形成されている請求項1から請求項のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  7. 前記第1面と前記第2面の間に形成される隙間の方向を見て、
    前記第1面から時計回りの方向に、前記第1面と、前記背側チップシュラウドの径方向内側を向く内周面とのなす角度は90度より小さく、
    前記第2面から反時計回りの方向に、前記第2面と、前記腹側チップシュラウドの径方向内側を向く内周面とのなす角度は90度より大きい請求項1から請求項のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  8. 前記第1面と前記第2面の間に形成される隙間に沿って、前記第1面又は前記第2面の前記軸方向下流側端部に形成された前記凹部は、少なくとも前記第1面又は前記第2面の径方向外側端面及び軸方向下流側端面を含み、径方向内側方向に延在するように形成される請求項1から請求項のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  9. 前記チップシュラウドは、前縁端部に設けられ、前記翼本体側に固定端を有し前記固定端から回転方向前方側の自由端である背側カバー端面まで延在する背側端部領域と、
    後縁端部に設けられ、前記翼本体側に固定端を有し、前記固定端から回転方向後方側の自由端である腹側カバー端面まで延在する腹側端部領域と、を含む、
    請求項1から請求項のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  10. 前記第1面又は前記第2面の前記軸方向下流側端部に形成される前記凹部は、前記凹部の軸方向上流側端の外表面から軸方向下流側端に向かってコンタクト面から周方向に後退する方向に傾斜している請求項1から請求項のいずれか一項に記載のタービン動翼。
  11. 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載のタービン動翼を備えるターボ機械。
  12. 正圧面と負圧面とを備える翼本体と、
    翼本体先端に備えられ、軸方向に前記正圧面から前記負圧面に向けて径方向外側方向に傾くチップシュラウドと、を備え、
    前記チップシュラウドは、
    周方向中央部に配置され径方向外側に延伸するフィンと、前記正圧面側の腹側チップシュラウドと前記負圧面側の背側チップシュラウドと、からなり、
    前記背側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの前縁端部に背側コンタクトブロックを含み、
    前記腹側チップシュラウドは、前記チップシュラウドの後縁端部に腹側コンタクトブロックを含み、
    前記背側コンタクトブロックは、周方向に向く第1面を備え、
    前記腹側コンタクトブロックは、前記第1面に対し周方向の反対方向を向く第2面を備え、
    前記第1面又は前記第2面の少なくとも一方の面軸方向下流側端部に凹部が形成されたタービン動翼の前記第1面及び前記第2面の少なくとも一方であるコンタクト面を製造するコンタクト面製造方法であって、
    前記タービン動翼の前記コンタクト面となる面の母材の表面にコーティングを形成するステップと、
    形成したコーティングの表面を研磨し、平坦にするステップと、
    前記コーティングの軸方向下流側端部を研磨し、前記凹部を形成するステップと、を有するコンタクト面製造方法。
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