JP7162514B2 - 軸流式ターボ機械及びその翼 - Google Patents

Description

本発明は、軸流式ターボ機械及びその翼に関する。

軸流式ターボ機械を構成する翼としては、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。

特開２０１０－１５６３３８号公報

軸流式ターボ機械では、例えばロータの動翼の遠心応力に対する強度の向上を狙って翼プロフィル部の付け根部分（プラットフォーム等のエンドウォールとの接続部分）等にフィレットを設けている。しかし、翼プロフィル部の外周面からエンドウォールの縁までの距離ｄが短く、フィレットの半径Ｒが距離ｄに納まらない場合がある。

一般にフィレットの半径Ｒは全周に亘って統一され、フィレットにおける翼プロフィル部側の縁部（フィレットと翼プロフィル部の境界）は翼プロフィル部の全周に亘ってエンドウォールから一定の高さに設定される。そのため、上記距離ｄが半径Ｒよりも短い領域では、フィレットが中腹で切断されたような形状となってエンドウォールの表面に対して段差になる。エンドウォールの表面は作動流体の流路壁面を構成するため、フィレットによる段差が大きいと空力性能の低下を招く。フィレットの半径Ｒを上記の距離ｄの最小値に設定すれば凸凹は抑えられるが、この場合フィレットが必要以上に小さくなり、遠心応力の集中により翼の信頼性が懸念される。

本発明は、空力性能と翼信頼性をバランス良く両立することができる軸流式ターボ機械及びその翼を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、翼プロフィル部、前記翼プロフィル部のチップ側及びハブ側のうち少なくともハブ側に設けられ作動流体の環状流路の一部を画定する流路壁面を有するエンドウォール、及び前記翼プロフィル部の全周に亘って前記翼プロフィル部と前記流路壁面との境界部に設けたフィレットを備えた軸流式ターボ機械の翼において、前記流路壁面と前記翼プロフィル部の翼面とに直交する断面で見て前記フィレットの外形が半径Ｒの円弧状曲面であり、前記流路壁面に対する前記翼プロフィル部の投影の外縁から前記流路壁面の外縁までの距離ｄが前記フィレットの半径Ｒの最大値よりも小さい狭小部が、前記流路壁面に存在し、前記流路壁面から翼長方向に高さを採った場合に、前記狭小部における前記フィレットの円弧状曲面の上端部を他の場所における前記フィレットの円弧状曲面の上端部の中で最も低い部分よりも低くし、前記円弧状曲面の下端部が、前記狭小部を含めて前記翼プロフィル部の全周に亘って前記流路壁面に一致させてある。

本発明によれば、空力性能と翼信頼性をバランス良く両立することができる。

本発明のターボ機械の一例であるガスタービンの部分断面図 本発明の第１実施形態に係る翼の要部を抜き出して表した斜視図 本発明の第１実施形態に係る翼を作動流体の上流側から見た図 図３中のIV－IV線による翼の断面図 本発明の第１実施形態に係る翼の形状の説明図 本発明の第２実施形態に係る翼を作動流体の上流側から見た図 本発明の第３実施形態に係る翼を作動流体の上流側から見た図 図７中のVIII－VIII線による翼の断面図 本発明の第４実施形態に係る翼の断面図 従来技術に係る翼の要部を抜き出して表した斜視図 従来技術に係る翼を作動流体の上流側から見た図

以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
－ターボ機械－
図１は本発明のターボ機械の一例であるガスタービンの部分断面図である。この図に示したガスタービンは、大気Ａ１を吸い込んで圧縮する圧縮機１０、圧縮機１０からの圧縮空気Ａ２を燃料Ｆと共に燃焼する燃焼器２０、及び燃焼器２０からの燃焼ガスＧ１によって駆動されるタービン３０を備えている。

圧縮機１０のロータ１１とタービン３０のロータ３１は同軸上に連結されている。また、ロータ１１又はロータ３１には、負荷機器として例えば発電機が連結される。これによってタービン３０のロータ３１と共に発電機が回転し、ロータ３１の回転エネルギーが電気エネルギーに変換される。ロータ３１に軸動力を与えた燃焼ガスＧ２はガスタービンから排出され、例えば浄化装置等に導かれた後、放出される。負荷機器としてポンプが連結され、ガスタービンがポンプの原動機として用いられる場合もある。

圧縮機１０のロータ１１は、ガスタービンの外郭をなすケーシング９の内部に回転自在に収容されている。ロータ１１は、外周部に動翼１２を周方向に複数設けたディスク１３を軸方向に交互に複数積層して構成されている。また、ケーシング９の内側には、各段落において動翼１２の下流側に対向するように静翼１４の環状翼列が固定されている。つまり動翼１２の１つの環状列とその下流側に対面する静翼１４の１つの環状列とで１つの段落部が形成されている。

燃焼器２０には、燃料Ｆと圧縮空気Ａ２を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナ２１や、燃焼器ライナ２１をタービン３０に接続する尾筒２２の他、図示していないが、燃焼器ライナ２１や尾筒２２を包囲するアウタケーシングやバーナ等が備わっている。燃焼器ライナ２１及び尾筒２２とアウタケーシングの間には円筒状の空気流路が形成される。

タービン３０のロータ３１は、ケーシング９の内部に回転自在に収容されている。ロータ３１は、外周部に動翼３２を周方向に複数設けたディスク３３とスペーサ３４とを軸方向に交互に複数積層して構成されている。また、ケーシング９の内側には、各段落において動翼３２の上流側に対向するように静翼３５の環状翼列が固定されている。つまり動翼３２の１つの環状列とその上流側に対面する静翼３５の１つの環状列とで１つの段落部が形成されている。

図１のガスタービンにおいては、圧縮機１０の動翼１２及び静翼１４、並びにタービン３０の動翼３２及び静翼３５が、本発明に係る翼に該当し得る。また、本例ではガスタービンを例示しているが、蒸気タービンの動翼及び静翼にも本発明は適用可能である。また図１では単軸のガスタービンを例示しているが、二軸式ガスタービンにも本発明は適用可能である。以下、本発明に係る翼の構造の代表例として、圧縮機１０の動翼１２について詳細を説明する。

－翼－
図２は本発明の第１実施形態に係る翼の要部を抜き出して表した斜視図、図３は図２に示した翼を作動流体の上流側から見た図（図２を矢印III方向に見た図）、図４は図３中のIV－IV線による翼の断面図、図５は第１実施形態に係る翼の形状の説明図である。これらの図に示した翼１は前述した通り圧縮機１０の動翼１２であり、翼根部２、エンドウォール３、翼プロフィル部４及びフィレット５を有している。本実施形態の場合、翼根部２、エンドウォール３、翼プロフィル部４及びフィレット５は一体に形成されている（例えば翼１は素材から一体に削り出して形成される）。

翼根部２は、翼１を圧縮機１０のディスク１３（図１）の外周部に取付けるための部位である。

エンドウォール３はプラットフォーム又はダブテイルとも称され、その圧縮機半径方向の外側を向いた面は作動流体が流れる環状流路（図１の大気Ａ１が吸い込まれ流通する流路）の一部を画定する流路壁面３ａをなす。本実施形態の圧縮機１０の場合、流路壁面３ａは作動流体の流れ方向の下流側に向かって圧縮機半径方向の外側に傾斜している（図２）。

翼プロフィル部４はエンドウォール３の流路壁面３ａに端部（図２の例では根元側の端部）が支持されている。翼プロフィル部４は凹形状の腹側面（圧力面）４ａと凸形状の背側面（負圧面）４ｂを持つ。翼長方向の任意の位置で切断した直交断面（図４も参照）の腹側面４ａと背側面４ｂとの中間点を通る曲面を翼中心面４ｃとすると、翼プロフィル部４は翼中心面４ｃに沿って前縁４ｆから翼中心にかけて厚みを増し、翼中心から後縁４ｒに向かって薄くなる。

なお、本実施形態においては、翼プロフィル部４のチップ側（図２中の上側）及びハブ側（図２中の下側）のうちのハブ側にのみエンドウォール３が設けられていることとする。しかし、翼プロフィル部４のハブ側に加えてチップ側にエンドウォール３が存在する場合もある。動翼１２の翼プロフィル部４のチップ側のエンドウォール３が存在する場合、それはインテグラルカバーとも称される。動翼１２以外の翼について説明すると、タービン３０の動翼３２も圧縮機１０の動翼１２と同じく、翼プロフィル部４のチップ側及びハブ側のうちの少なくともハブ側にエンドウォール３が設けられる。圧縮機１０やタービン３０の静翼１４，３５の翼プロフィル部４にも、ハブ側（図１中の下側）及びチップ側（同上側）にエンドウォール３が存在する。ハブ側のエンドウォール３はダイヤフラム内輪、チップ側のエンドウォール３はダイヤフラム外輪とも称される。いずれのエンドウォール３も作動流体（空気や燃焼ガス）の流路壁面（環状流路の内周側壁面又は外周側壁面）を構成する。

－フィレット－
フィレット５は翼１の強度向上のために設けられた要素であり、翼プロフィル部４の全周に亘ってエンドウォール３の流路壁面３ａと翼プロフィル部４との境界部に沿って環状に設けられている。このフィレット５の表面は凹状の曲面であり、翼プロフィル部４の翼面と流路壁面３ａとを滑らかに接続している。例えば翼プロフィル部４の翼面と流路壁面３ａとに直交する断面で見た場合、フィレット５の外形は流路壁面３ａの端部と翼プロフィル部４の翼面に外接する半径Ｒの円弧で形成されている。つまりフィレット５の表面は凹状で断面が半径Ｒの円弧状曲面である。図３は流路壁面３ａに沿った視点から描かれているため、翼プロフィル部４の翼面と流路壁面３ａとに直交する断面で見たフィレット５の外形は同図に示した形状に一致する。なお、同断面におけるフィレット５の半径Ｒは、本実施形態では翼プロフィル部４の全周の領域に亘って一定である。

ここで、流路壁面３ａに対する翼プロフィル部４の投影（図４のハッチングを施した図形に相当）の外縁から流路壁面３ａの外縁まで流路壁面３ａに沿って翼プロフィル部４の翼面に直交する方向に採った寸法を距離ｄとする。流路壁面３ａには、フィレット５の半径Ｒの最大値（本例ではＲ一定）よりも距離ｄが小さい領域が存在する。本願明細書ではＲ＞ｄとなる領域を狭小部３ｂと称する。本発明の適用対象となる翼には翼プロフィル部の背側及び腹側のうち少なくとも背側にこの狭小部が存在することが前提となり、本実施形態においては背側及び腹側の双方に狭小部３ｂが存在している。

また、流路壁面３ａから翼プロフィル部４の翼長方向に高さを採った場合に、狭小部３ｂにおけるフィレット５の円弧状曲面の上端部の高さをｈ１（図５）とする。狭小部３ｂ以外の領域におけるフィレット５の円弧状曲面の上端部の高さは半径Ｒに等しい。本実施形態では、最も大きな特徴として、狭小部３ｂにおけるフィレット５の円弧状曲面の上端部の高さを狭小部３ｂ以外の領域におけるフィレット５の円弧状曲面の上端部の高さよりも低くしてある（ｈ１＜Ｒ）。このようにフィレット５の上端部の高さを変化させることにより、フィレット５の円弧状曲面の下端部（流路壁面３ａ側の端部）を、狭小部３ｂを含めて翼プロフィル部４の全周の領域に亘って流路壁面３ａに一致させてある。エンドウォール３の側面から見て（ロータ回転方向から見て）フィレット５の下端部は流路壁面３ａに一致して段差なく作動流体の流れ方向に直線状に延びている（図２）。

－比較例－
図１０は従来技術に係る翼の要部を抜き出して表した斜視図、図１１は従来技術に係る翼を作動流体の上流側から見た図である。図１０は図２、図１１は図３に対応する図である。同図に示した比較例は、距離ｄに関わらず（狭小部３ｂの有無に関わらず）流路壁面αから採ったフィレットβの上端部の高さが一定（＝Ｒ）である。図１１において翼プロフィル部の背側及び腹側の距離ｄ１，ｄ２はいずれもフィレットβの断面の半径Ｒより小さい。そのためエンドウォールγの幅ｗが狭いとフィレットβの円弧状曲面の下端に流路壁面αからの高さｈ’，ｈ”が生じ、作動流体の流れ方向に見てエンドウォールγの幅方向の両端において流路壁面αに対しフィレットβによる高さｈ’，ｈ”の段差が発生する。段差の高さｈ’，ｈ”は翼プロフィル部に対してエンドウォールγの幅ｗが狭く距離ｄ１，ｄ２が短いほど大きくなる。この段差は空力性能に悪影響を及ぼす。

それに対し、本実施形態では図５に示した通り、狭小部３ｂにおいてフィレット５は比較例のフィレット（破線）と同一の半径Ｒを維持しつつ比較例のフィレットの段差の高さｈ’，ｈ”だけ流路壁面３ａ側に平行移動している。これによりエンドウォール３の幅方向の両端において流路壁面３ａに対してフィレット５による段差のない構成となっている。

－効果－
（１）空力性能の翼信頼性の両立
本実施形態においては、上記の通りエンドウォール３の流路壁面３ａ上における狭小部３ｂであっても、流路壁面３ａの外縁部においてフィレット５による段差が生じないように構成してある。これにより、狭小部においてフィレットが流路壁面の外縁部で段差になることで生じる空力性能の低下を抑制できる。またフィレット５の高さが距離ｄに応じて減少するのが狭小部３ｂに制限されるため、全体としてフィレット５が過度に小さくなることもなく、強度的信頼性も確保できる。よって、空力性能と翼信頼性（強度）をバランス良く両立することができる。特に本実施形態では狭小部３ｂでもフィレット５の半径Ｒを不変としたことで、狭小部３ｂにおけるフィレット５の高さの変化が抑えられ、強度低下の抑制効果が高い。

（２）製作容易性
フィレット５の円弧状曲面の半径Ｒ（曲率半径）が不変であるため、フィレット５の形成がし易く、製作容易性も良好である。

（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係る翼を作動流体の上流側から見た図であり、第１実施形態の図３に対応している。同図において第１実施形態に係る翼と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態が第１実施形態と相違する点は、翼プロフィル部４の背側及び腹側のうちの背側（図６中の右側）の狭小部３ｂのみでフィレット５の円弧状曲面の下端部を流路壁面３ａに一致させるフィレット形状を採用している点である。翼プロフィル部４の翼面と流路壁面３ａとに直交する断面におけるフィレット５の半径Ｒは、第１実施形態と同じく翼プロフィル部４の全周に亘る領域において一定である。腹側（図６中の左側）の狭小部３ｂでは、フィレット５の円弧状曲面の下端部が流路壁面３ａに対して比較例（図１１）と同様に高さｈ”の段差を生じている。他の点において本実施形態は第１実施形態と同様である。

流路壁面の段差が空力性能に与える影響が顕著となるのは翼プロフィル部の背側であるため、段差の生じないフィレット構造を背側のみに適用しても空力性能の高い改善効果が得られる。また第１実施形態に比べて加工が簡単である。

なお、本実施形態の特徴は後の第３－第４実施形態にも適用可能である。

（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係る翼を作動流体の上流側から見た図、図８は図７中のVIII－VIII線による翼の断面図であり、図７は第１実施形態の図３に対応している。同図において第１実施形態に係る翼と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態が第１実施形態と相違する点は、フィレット５の上記半径Ｒが変化し、狭小部３ｂ以外の領域に比べて狭小部３ｂにおけるフィレット５の円弧状曲面の半径Ｒが小さくなっている点である。半径Ｒは、第１実施形態と同じく翼プロフィル部４の翼面と流路壁面３ａとに直交するフィレット５の断面の円弧部分の半径である。

本実施形態においては、半径Ｒは、狭小部３ｂにおいては距離ｄに等しく、狭小部３ｂ以外の領域では距離ｄよりも小さい一定値に設定されている。つまりフィレット５の断面の半径Ｒは基本的に一定値であるが、狭小部３ｂにおいては距離ｄに応じて連続的に変化する。図７において第１実施形態のフィレット外形線を二点鎖線で示した通り、狭小部３ｂではフィレット５の半径Ｒが距離ｄに等しく第１実施形態に比べて小さくなっており、その分だけ第１実施形態よりも狭小部３ｂにおけるフィレット５の高さが低くなっている。その一方で、翼長方向から見たフィレット５の形状は第１実施形態と同一である（図８）。他の点において本実施形態は第１実施形態と同様である。

このような構成であっても、狭小部３ｂを除く領域ではフィレット５の高さを第１実施形態と同様に十分に確保できるので、距離ｄの最小値に合わせて一律にフィレット５の高さを低くする構成に比べて高い強度が確保できる。また、第１実施形態と同じく流路壁面３ａの縁部においてフィレット５による段差が生じず、更に狭小部３ｂにおいては第１実施形態に比べてフィレット５が低く小さい。加えてフィレット５が流路壁面３ａに滑らかに接続している。そのため、空力抵抗の点では第１実施形態よりも良好である。但し、翼強度の観点では狭小部３ｂにおけるフィレット５の高さの差の分だけ本実施形態よりも第１実施形態が優れている。

（第４実施形態）
図９は本発明の第４実施形態に係る翼の断面図であり、第３実施形態の図８に対応している。同図において第１実施形態に係る翼と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態はフィレット５の断面の半径Ｒが変化する点で第３実施形態に共通するが、第３実施形態のように狭小部３ｂにおいて半径Ｒが連続的に変化するのではなく、半径Ｒが２段階に変化する点で本実施形態と第３実施形態は異なる。具体的には、狭小部３ｂを含んで２つの境界部８で挟まれた領域におけるフィレット５の半径Ｒは、狭小部３ｂを含まず２つの境界部８で挟まれた領域におけるフィレット５の半径Ｒに比べて小さくなっている。狭小部３ｂを含む領域では、距離ｄの最小値と同じかよれよりも若干小さい程度の一定値に半径Ｒが設定されている。狭小部３ｂを含まない領域では第１実施形態における狭小部３ｂ以外におけるフィレット５の半径Ｒと同様に、距離ｄよりも小さな一定値（狭小部を含む領域における半径Ｒよりも大きな値）に設定されている。言うまでもないが、フィレット５の円弧状曲面の下端部は流路壁面３ａに一致している点は、第１－第３実施形態と共通している。他の点において本実施形態は第１実施形態と同様である。

本実施形態においても第３実施形態と概ね同様の効果が得られる。加えて、狭小部３ｂを含む領域においてフィレット５の円弧曲面の断面の半径Ｒが変化しないので、狭小部３ｂにおいて連続的に半径Ｒが変化する第３実施形態に比べて製作が容易である。

１…翼、３…エンドウォール、３ａ…流路壁面、３ｂ…狭小部、４…翼プロフィル部、５…フィレット、１２…動翼（翼）、１４…静翼（翼）、３２…動翼（翼）、３５…静翼（翼）、ｄ…距離、ｈ１，ｈ２…高さ、Ｒ…半径

Claims (7)

1. 翼プロフィル部、
   前記翼プロフィル部のチップ側及びハブ側のうち少なくともハブ側に設けられ作動流体の環状流路の一部を画定する流路壁面を有するエンドウォール、及び
   前記翼プロフィル部の全周に亘って前記翼プロフィル部と前記流路壁面との境界部に設けたフィレットを備えた軸流式ターボ機械の翼において、
   前記流路壁面と前記翼プロフィル部の翼面とに直交する断面で見て前記フィレットの外形が半径Ｒの円弧状曲面であり、
   前記流路壁面に対する前記翼プロフィル部の投影の外縁から前記流路壁面の外縁までの距離ｄが前記フィレットの半径Ｒの最大値よりも小さい狭小部が、前記流路壁面に存在し、
   前記流路壁面から翼長方向に高さを採った場合に、前記狭小部における前記フィレットの円弧状曲面の上端部を前記狭小部以外の領域における前記フィレットの円弧状曲面の上端部の中で最も低い部分よりも低くし、前記円弧状曲面の下端部が、前記狭小部を含めて前記翼プロフィル部の全周に亘って前記流路壁面に一致させてある軸流式ターボ機械の翼。
2. 請求項１の軸流式ターボ機械の翼において、前記翼プロフィル部の背側及び腹側のうち少なくとも前記背側に前記狭小部が存在するターボ機械の翼。
3. 請求項１の軸流式ターボ機械の翼において、前記断面における前記フィレットの半径Ｒが前記翼プロフィル部の全周に亘って一定であるターボ機械の翼。
4. 請求項１の軸流式ターボ機械の翼において、前記狭小部以外の領域に比べて前記狭小部における前記円弧状曲面の前記断面における半径が小さくなっているターボ機械の翼。
5. 請求項４の軸流式ターボ機械の翼において、前記狭小部における前記半径Ｒが前記距離ｄに等しいターボ機械の翼。
6. 請求項１の翼である静翼、及び前記静翼と共に１つの段落部を形成する動翼を備えた軸流式ターボ機械。
7. 請求項１の翼である動翼、及び前記動翼と共に１つの段落部を形成する静翼を備えた軸流式ターボ機械。

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