JP7289745B2 - 動翼、及びこれを備えている軸流回転機械 - Google Patents

動翼、及びこれを備えている軸流回転機械 Download PDF

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Description

本発明は、動翼、及びこれを備えている軸流回転機械動翼に関する。
軸流回転機械の一種であるガスタービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆うケーシングと、を備える。ロータは、ロータ軸と、このロータ軸に取り付けられている複数の動翼とを有する。
例えば、以下の特許文献に記載の動翼は、翼形を成す翼体と、シュラウドと、プラットフォームと、を有する。翼体は、軸線に対する径方向に延びている。よって、この翼体の翼高さ方向は、径方向である。シュラウドは、翼体の軸線に対する径方向外側の端に設けられている。プラットフォームは、翼体の軸線に対する径方向内側の端に設けられている。シュラウドとプラットフォームは、いずれも、径方向に対してほぼ垂直な方向に広がっている。シュラウドは、シュラウド本体(又はシュラウドカバー)と二つのシールフィンと、を有する。シュラウド本体は、径方向外側を向く反ガスパス面と、径方向内側を向くガスパス面と、を有する。二つのシールフィンは、いずれも、シュラウド本体の反ガスパス面から径方向外側に突出し、軸線に対する周方向に延びている。これら二つのシールフィンは、軸線が延びる軸線方向に間隔をあけて配置されている。シュラウド本体の反ガスパス面には、径方向内側に凹む二つの凹面が形成されている。二つの凹面は、二つのシールフィンの間に配置されている。
特開2008-038910号公報
前述したように、シュラウドは、翼体の径方向外側の端に設けられている。このため、このシュラウドの重量増加が翼体にかかる遠心荷重の増加につながる。よって、シュラウドを軽量化して、翼体にかかる遠心荷重を小さくすることが好ましい。以上の特許文献1に記載の技術では、シュラウド本体の反ガスパス面に凹面が形成されているため、シュラウドの軽量化がある程度図られている。
ところで、一般的に、シュラウド本体のガスパス面は、フィレット面を有する。このフィレット面は、翼体のキャンバーラインに直交する断面において、翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから翼体から離れる方向に向かうに連れて、径方向外側に湾曲して延びる。翼体に対するシュラウド本体の付け根部分には、応力が発生する。この応力を緩和する方法として、フィレット面の曲率半径を大きくする方法がある。しかしながら、単に、フィレット面の曲率半径を大きくすると、シュラウド本体(又はシュラウドカバー)の重量が増加してしまう。
そこで、本発明は、翼体に対するシュラウドカバーの付け根部分に発生する応力を緩和しつつも、シュラウドカバーの重量を軽減することができる技術を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための発明に係る一態様の動翼は、
翼形を成す翼体と、前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、を備える。前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がる。前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有する。前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有する。前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面を有する。前記シュラウドカバーは、カバー本体と、カバー本体につながる外縁部と、を有する。前記外縁部は、前記断面において、前記カバー本体よりも前記翼体離間方向に位置して、前記カバー本体に対して前記翼高さ方向に突出している。前記カバー本体及び前記外縁部は、いずれも、前記ガスパス面及び前記反ガスパス面を有する。前記カバー本体の前記反ガスパス面が前記凹面を有する。
翼体に対するシュラウドカバーの付け根部分には、応力が発生する。この応力を緩和する方法として、フィレット面の曲率半径を大きくする方法がある。本態様の凹面は、ガスパス面中のフィレット面に沿って第二側に凹むように広がっている面である。このため、本態様では、フィレット面の曲率半径を大きくしても、ガスパス面と反ガスパス面との間の距離であるカバー厚さが厚くならない。従って、本態様では、翼体に対するシュラウドカバーの付け根部分に発生する応力を緩和しつつも、シュラウドカバーの重量を軽減することができる。さらに、本態様では、シュラウドカバーの外縁の剛性を高めることができる。
ここで、前記一態様の動翼において、前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体のキャンバーラインに近づく翼体近接方向における前記フィレット面の中間部にあたる本体中間部を有し、前記本体中間部における前記反ガスパス面は、前記凹面の少なくとも一部を有してもよい。
また、以上のいずれかの前記態様の動翼において、前記凹面は、前記断面において、前記キャンバーラインを基準にして両側に広がってもよい。この場合、前記断面において、前記凹面中で、前記キャンバーラインを基準にして前記正圧面の側である正圧側の面は、前記キャンバーラインを基準にして前記負圧面の側である負圧側に向かうに連れて前記第二側に向かう。また、前記断面において、前記凹面中で、前記キャンバーラインを基準にして前記負圧側の面は、前記正圧側に向かうに連れて前記第二側に向かう。
本態様では、キャンバーラインを基準にして両側に凹面が広がっているので、シュラウドカバーの重量をより軽減することができる。
前記外縁部を有する、前記態様の動翼において、前記外縁部は、前記カバー本体に対して前記翼高さ方向における前記第一側に突出していてもよい。
前記外縁部を有する、以上のいずれかの前記態様の動翼において、前記断面における、前記ガスパス面と前記反ガスパス面との間の距離であるカバー厚さは、前記外縁部が、前記カバー本体中の端であって前記外縁部につながる本体端より厚くてもよい。
前記本体端を有する、前記態様の動翼において、前記カバー本体は、前記本体端より、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体のキャンバーラインに近づく翼体近接方向に位置して、前記翼体近接方向における前記フィレット面の中間部にあたる本体中間部を有してもよい。この場合、前記断面における前記カバー厚さは、前記本体端より前記本体中間部の方が厚くてもよい。
前記本体中間部を有する、前記態様の動翼において、前記カバー本体は、前記本体中間部よりも前記翼体近接方向に位置する翼寄り部を有してもよい。この場合、前記断面における前記カバー厚さは、前記翼寄り部より前記本体中間部の方が厚くてもよい。
前記外縁部及び前記本体端を有する、以上のいずれかの前記態様の動翼において、前記断面における前記カバー厚さは、前記シュラウドカバー中で前記外縁部が最も厚くてもよい。
本態様では、シュラウドカバーの外縁の剛性を高めつつも、シュラウドカバーの重量をより軽減することができる。
前記外縁部及び前記本体端を有する、以上のいずれかの前記態様の動翼において、前記断面における前記カバー厚さは、前記シュラウドカバー中で前記本体端が最も薄くてもよい。
本態様では、本体中間部よりもキャンバーラインから遠い領域に位置する本体端のカバー厚さがシュラウドカバー中で最も薄い。このため、本態様では、外縁部により、シュラウドカバーの外縁の剛性を高めつつも、キャンバーラインを基準にしたシュラウドカバーにかかるモーメントの増加を抑えることができる。
前記目的を達成するための発明に係る他の態様の動翼は、
翼形を成す翼体と、前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、を備える。前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がる。前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有する。前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有する。前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面と、を有する。さらに、前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記反ガスパス面の外縁の第一部から前記反ガスパス面の外縁の第二部にまで延びるシールフィンを備える。前記シールフィンは、前記反ガスパス面の外縁の前記第一部から前記キャンバーラインを跨いで前記反ガスパス面の外縁の前記第二部にまで延びている。この場合、前記シールフィンの前記翼高さ方向の高さに関し、前記反ガスパス面の外縁の前記第一部の位置での前記高さ及び前記反ガスパス面の外縁の前記第二部の位置での高さよりも、前記第一部と前記第二部との中間部の位置での前記高さの方が高い。
以上のいずれかの前記態様の動翼において、前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記反ガスパス面の外縁の一部から前記反ガスパス面の外縁の他の一部に向かって延びるリブをさらに備えてもよい。
本態様では、翼体よりも第一側の部分における重量増加を抑えつつも、シュラウドカバーの剛性を高めることができる。
前記リブを備える前記態様の動翼において、前記リブは、前記反ガスパス面の外縁の前記一部から前記他の一部まで延びてもよい。
本態様では、シュラウドカバーにおける反ガスパス面の外縁の一部の位置及び他の一部の位置での剛性を高めることができる。
前記シールフィンを備える前記態様の動翼において、前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記反ガスパス面の外縁の一部から前記シールフィンまで延びるリブをさらに備えてもよい。
本態様では、翼体よりも第一側の部分における重量増加を抑えつつも、シュラウドカバーの剛性を高めることができる。
前記シールフィンを備える前記態様の動翼において、前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記シールフィンから、前記シールフィンが延びている方向に対して交差する方向に延びるリブをさらに備えてもよい。
本態様では、翼体よりも第一側の部分における重量増加を抑えつつも、シュラウドカバーの剛性を高めることができる。
前記目的を達成するための発明に係るさらに他の態様の動翼は、
翼形を成す翼体と、前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、を備える。前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がる。前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有する。前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有する。前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面と、を有する。前記反ガスパス面の面積は、前記反ガスパス面の外縁を含む仮想平面における前記外縁内の面積を基準にして110%以上である。
前記目的を達成するための発明に係るさらに他の態様の動翼は、
翼形を成す翼体と、前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、を備える。前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がる。前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有する。前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有する。前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面と、を有する。前記断面中で、前記反ガスパス面は、前記反ガスパス面の外縁を成す第一端と第二端とを有し、前記断面中で前記第一端と前記第二端とを結ぶ直線と前記ガスパス面とで囲まれた領域の面積であるシュラウドカバー断面積を基準にして、前記断面中で前記直線と前記反ガスパス面とで囲まれた領域の面積である凹み面積は、20%以上である。
前記目的を達成するための発明に係る一態様の軸流回転機械は、
以上のいずれかの前記態様の動翼を複数備える。さらに、軸線を中心に回転するロータ軸と、ケーシングと、を備える。複数の前記動翼は、前記軸線に対する周方向に並び、且つ前記翼高さ方向が前記軸線に対する径方向になるよう、前記ロータ軸に取り付けられている。前記ケーシングは、前記ロータ軸及び複数の前記動翼の外周側を覆う。
本発明の一態様によれば、翼体に対するシュラウドカバーの付け根部分に発生する応力を緩和しつつも、シュラウドカバーの重量を軽減することができる。
本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの模式的な断面図である。 本発明に係る第一実施形態における動翼の斜視図である。 本発明に係る第一実施形態及び第二実施形態における動翼を径方向外側から見た図である。 本発明に係る第一実施形態における動翼を示す図3中のIV-IV線断面図である。 本発明に係る第一実施形態における動翼を示す図3中のV-V線断面図である。 本発明に係る第一実施形態における動翼を示す図3中のVI-VI線断面図である。 本発明に係る第一実施形態におけるシュラウドカバーに関する各種面積を説明するための説明図である。 本発明に係る第二実施形態における動翼を示す図3中のVIII-VIII線断面図である。 本発明に係る第二実施形態における動翼を示す図3中のIX-IX線断面図である。 本発明に係る第二実施形態における動翼を示す図3中のX-X線断面図である。 本発明に係る第三実施形態及び第四実施形態における動翼を径方向外側から見た図である。 本発明に係る第三実施形態における動翼を示す図11中のXII-XII線断面図である。 本発明に係る第三実施形態における動翼を示す図11中のXIII-XIII線断面図である。 本発明に係る第四実施形態における動翼を示す図11中のXIV-XIV線断面図である。 本発明に係る第四実施形態における動翼を示す図11中のXV-XV線断面図である。 本発明に係る第一実施形態及び第三実施形態の変形例における動翼を径方向外側から見た図である。 本発明に係る第二実施形態及び第四実施形態の変形例における動翼を径方向外側から見た図である。
以下、本発明の実施形態及び各種変形例について、図面を参照して詳細に説明する。
「軸流回転機械の実施形態」
本発明に係る軸流流体機械の一実施形態について、図1を参照して説明する。
本実施形態の軸流回転機械は、ガスタービンである。このガスタービン10は、空気Aを圧縮する圧縮機20と、圧縮機20で圧縮された空気A中で燃料Fを燃焼させて燃焼ガスGを生成する燃焼器30と、燃焼ガスGにより駆動するタービン40と、を備えている。
圧縮機20は、軸線Arを中心として回転する圧縮機ロータ21と、圧縮機ロータ21を覆う圧縮機ケーシング25と、複数の静翼列26と、を有する。タービン40は、軸線Arを中心として回転するタービンロータ41と、タービンロータ41を覆うタービンケーシング45と、複数の静翼列46と、を有する。なお、以下では、軸線Arが延びる方向を軸線方向Da、この軸線Arを中心とした周方向を単に周方向Dcとし、軸線Arに対して垂直な方向を径方向Drとする。また、軸線方向Daの一方側を軸線上流側Dau、その反対側を軸線下流側Dadとする。また、径方向Drで軸線Arに近づく側を径方向内側Dri、その反対側を径方向外側Droとする。
圧縮機20は、タービン40に対して軸線上流側Dauに配置されている。圧縮機ロータ21とタービンロータ41とは、同一軸線Ar上に位置し、互いに接続されてガスタービンロータ11を成す。このガスタービンロータ11には、例えば、発電機GENのロータが接続されている。ガスタービン10は、さらに、圧縮機ケーシング25とタービンケーシング45との間に配置されている中間ケーシング14を備えている。燃焼器30は、この中間ケーシング14に取り付けられている。圧縮機ケーシング25と中間ケーシング14とタービンケーシング45とは、互いに接続されてガスタービンケーシング15を成す。
圧縮機ロータ21は、軸線Arを中心として軸線方向Daに延びるロータ軸22と、このロータ軸22に取り付けられている複数の動翼列23と、を有する。複数の動翼列23は、軸線方向Daに並んでいる。各動翼列23は、いずれも、周方向Dcに並んでいる複数の動翼で構成されている。複数の動翼列23の各軸線下流側Dadには、複数の静翼列26のうちいずれか一の静翼列26が配置されている。各静翼列26は、圧縮機ケーシング25の内側に設けられている。各静翼列26は、いずれも、周方向Dcに並んでいる複数の静翼で構成されている。
タービンロータ41は、軸線Arを中心として軸線方向Daに延びるロータ軸42と、このロータ軸42に取り付けられている複数の動翼列43と、を有する。複数の動翼列43は、軸線方向Daに並んでいる。各動翼列43は、いずれも、周方向Dcに並んでいる複数の動翼50で構成されている。複数の動翼列43の各軸線上流側Dauには、複数の静翼列46のうちいずれか一の静翼列46が配置されている。各静翼列46は、タービンケーシング45の内側に設けられている。各静翼列46は、いずれも、周方向Dcに並んでいる複数の静翼で構成されている。
圧縮機20は、空気Aを吸込んで、これを圧縮する。圧縮された空気、つまり圧縮空気は、中間ケーシング14を介して燃焼器30に流入する。燃焼器30には、外部から燃料Fが供給される。燃焼器30は、圧縮空気内で燃料Fを燃焼させて、燃焼ガスGを生成する。この燃焼ガスGは、タービンケーシング45内に流入し、タービンロータ41を回転させる。このタービンロータ41の回転により、発電機GENが発電する。
以下、以上で説明した動翼の各種実施形態について説明する。
「動翼の第一実施形態」
図2~図7を参照して、本発明に係る第一実施形態の動翼について、説明する。
本実施形態の動翼50は、図2に示すように、翼形と成す翼体51と、プラットフォーム58と、翼根59と、シュラウドカバー60と、シールフィン78と、を有する。翼体51の翼高さ方向Dhは、動翼50がロータ軸42(図1参照)に取り付けられた状態では、径方向Drである。シュラウドカバー60は、翼体51の第一端部56に設けられている。プラットフォーム58は、翼体51の第二端部57に設けられている。翼体51の第一端部56は、翼高さ方向Dhにおける第一側Dh1と第二側Dh2とのうち、第一側Dh1の端部である。翼体51の第二端部57は、翼高さ方向Dhにおける第二側Dh2の端部である。翼高さ方向Dhの第一側Dh1は、動翼50がロータ軸42に取り付けられた状態では径方向外側Droになる。また、翼高さ方向Dhの第二側Dh2は、動翼50がロータ軸42に取り付けられた状態では径方向内側Driになる。そこで、以下では、翼高さ方向Dhを径方向Dr、翼高さ方向Dhの第一側Dh1を径方向外側Dro、翼高さ方向Dhの第二側Dh2を径方向内側Driとして記載する。
シュラウドカバー60及びプラットフォーム58は、径方向Drに対して垂直な方向成分を有する方向に広がっている。翼根59は、プラットフォーム58の径方向内側Driに設けられている。この翼根59は、動翼50をロータ軸42に取り付けるための構造である。
翼体51は、図2及び図3に示すように、前縁52と、後縁53と、凸状の面である負圧面(背側面)54と、凹状の面である正圧面(腹側面)55と、を有する。前縁52及び後縁53は、負圧面54と正圧面55とのつながり部分に存在する。前縁52及び後縁53は、いずれも、翼高さ方向Dhである径方向Drに延びている。前縁52は、動翼50がロータ軸42に取り付けられた状態で、後縁53に対して軸線上流側Dauに位置する。
シュラウドカバー60は、周方向Dcの両側に接触面73を有する。このシュラウドカバー60における接触面73は、このシュラウドカバー60を有する動翼50に対して周方向Dcで隣接する他の動翼50のシュラウドカバー60の接触面73と対向して接する。シールフィン78は、シュラウドカバー60の周方向Dcの一方側に存在する外縁の一部である第一部71から、シュラウドカバー60の周方向Dcの他方側に存在する外縁の一部である第二部72にまで、周方向Dcに延びている。
シュラウドカバー60は、図4~図6に示すように、翼体51のキャンバーラインCLに直交する断面において、翼体離間方向Dtに広がっている。なお、図4は図3におけるIV-IV線断面図であり、図5は図3におけるV-V線断面図であり、図6は図3におけるVI-VI線断面図である。これらの断面図は、いずれも、翼体51のキャンバーラインCLに直交する断面での断面図である。また、これらの断面図では、断面よりも奥の存在する部材を描いていない。前述の翼体離間方向Dtとは、径方向Dr(翼高さ方向Dh)に直交する方向であって翼体51から離れる側の方向である。また、翼体近接方向Dsとは、径方向Dr(翼高さ方向Dh)に直交する方向であって翼体51に近づく側の方向である。よって、翼体近接方向Dsは、翼体離間方向Dtに対して逆方向である。また、キャンバーラインCLを基準して負圧面54が存在する負圧側Dnでの翼体離間方向Dtは、キャンバーラインCLを基準にして正圧面55が存在する正圧側Dpでの翼体離間方向Dtに対して逆向きである。また、キャンバーラインCLを基準にして負圧側Dnでの翼体近接方向Dsは、キャンバーラインCLを基準にして正圧側Dpでの翼体近接方向Dsに対して逆向きである。
シュラウドカバー60は、カバー本体61と、このカバー本体61につながる外縁部62と、を有する。外縁部62は、キャンバーラインCLに直交する断面において、カバー本体61より翼体離間方向Dtに位置する。言い換えると、カバー本体61は、キャンバーラインCLに直交する断面において、外縁部62より翼体近接方向Dsに位置する。外縁部62は、カバー本体61に対して径方向Dr(翼高さ方向Dh)に突出している。本実施形態において、外縁部62は、カバー本体61に対して径方向外側Dro(翼高さ方向Dhの第一側Dh1)に突出している。前述した接触面73は、この外縁部62の一部に形成されている。
カバー本体61及び外縁部62は、いずれも、ガスパス面66と反ガスパス面68とを有する。ガスパス面66は、径方向内側Dri(翼高さ方向Dhの第二側Dh2)を向いて、動翼50の外部に露出している面である。反ガスパス面68は、径方向外側Dro(翼高さ方向Dhの第一側Dh1)を向いて、動翼50の外部に露出している面である。
ガスパス面66は、キャンバーラインCLに直交する断面において、翼体離間方向Dtに向かうに連れて、径方向外側Dro(翼高さ方向Dhの第一側Dh1)に次第に延びるフィレット面67を有する。このフィレット面67は、湾曲している。反ガスパス面68は、キャンバーラインCLに直交する断面において、翼体近接方向Dsに向かうに連れて径方向内側Dri(翼高さ方向Dhの第二側Dh2)に向かい、径方向内側Driに凹むように広がる凹面69を有する。言い換えると、この凹面69は、ガスパス面66中のフィレット面67に沿って径方向内側Driに凹むように広がる面である。この凹面69は、キャンバーラインCLを基準にした両側に広がっている。このため、キャンバーラインCLに直交する断面において、凹面69の一部は、キャンバーラインCLを基準にして負圧側Dnに位置し、凹面69の残りは、キャンバーラインCLを基準にして正圧側Dpに位置する。負圧側Dnに位置する凹面69の一部は、径方向内側Driに向かうに連れて正圧側Dpに向かうよう傾斜し、正圧側Dpに位置する凹部の残りは、径方向内側Driに向かうに連れて負圧側Dnに向かうよう傾斜している。よって、負圧側Dnに位置する凹面69の一部と正圧側Dpに位置する凹部の残りとは、傾斜方向が逆向きである。
カバー本体61は、本体端63と、本体中間部64と、翼寄り部65と、を有する。本体中間部64は、キャンバーラインCLに直交する断面において、カバー本体61中で、翼体近接方向Dsにおけるフィレット面67の中間部にあたる部分である。翼寄り部65は、キャンバーラインCLに直交する断面において、カバー本体61中で、本体中間部64より翼体近接方向Dsに位置する部分である。本体端63は、カバー本体61の端であって、外縁部62につながる部分である。凹面69は、本体端63、本体中間部64、及び翼寄り部65にかけて形成されている。
ここで、ガスパス面66と反ガスパス面68との間の距離をカバー厚さとする。図4~図6に示す各断面で、外縁部62のカバー厚さt1a,t1bは、本体端63のカバー厚さt2a,t2bより厚い。本体中間部64のカバー厚さt3a,t3bも、本体端63のカバー厚さt2a,t2bより厚い。さらに、翼寄り部65のカバー厚さt4a,t4bも、本体端63のカバー厚さt2a,t2bより厚い。すなわち、いずれの断面でも、本体端63のカバー厚さt2a,t2bが最も薄い。
前述したシールフィン78は、シュラウドカバー60の反ガスパス面68から径方向外側Dro(翼高さ方向Dhの第一側Dh1)に突出し、周方向Dcに延びている。軸線Arからこのシールフィン78の径方向外側Droの端である先端までの距離は、周方向Dcの位置に関わらず一定である。しかしながら、シュラウドカバー60の周方向Dcの一方側に存在する外縁の第一部71(図3参照)におけるフィン高さ、及びシュラウドカバー60の周方向Dcの他方側に存在する外縁の第二部72(図3参照)におけるフィン高さより、第一部71と第二部72との中間部の位置でのフィン高さh(図5参照)の方が高い。これは、反ガスパス面68が凹面69を有するからである。なお、フィン高さhとは、反ガスパス面68からシールフィン78の先端までの距離である。
図7に示すように、反ガスパス面68の面積Saは、反ガスパス面68の外縁を含む仮想平面における外縁内の面積Svより広い。具体的に、反ガスパス面68の面積Saは、仮想平面における外縁内の面積Svを基準にして110%以上であり、好ましくは、120%以上である。
また、図7に示すように、キャンバーラインCLに直交する断面において、反ガスパス面68の外縁を成す第一端と第二端とを結ぶ直線Lvとガスパス面66とで囲まれた領域の面積であるシュラウドカバー断面積Ssを基準にして、この断面中で前述の直線Lvと反ガスパス面68とで囲まれた領域の面積である凹み断面積Srは、20%以上、好ましくは30%以上である。なお、前述の仮想平面は、直線Lvを含む面である。
以上のように、本実施形態では、反ガスパス面68は、径方向内側Drに凹んだ凹面69を有するので、シュラウドカバー60の重量を軽減することができる。
ところで、翼体51に対するシュラウドカバー60の付け根部分には、応力が発生する。この応力を緩和する方法として、フィレット面67の曲率半径を大きくする方法がある。本実施形態の凹面69は、ガスパス面66中のフィレット面67に沿って、径方向内側Driに凹むよう広がっている面である。このため、本実施形態では、フィレット面67の曲率半径を大きくしても、ガスパス面66と反ガスパス面68との間の距離であるカバー厚さが厚くならない。従って、本実施形態では、翼体51に対するシュラウドカバー60の付け根部分に発生する応力を緩和しつつも、シュラウドカバー60の重量を軽減することができる。しかも、本実施形態では、キャンバーラインCLを基準にして両側に凹面69が広がっているので、シュラウドカバー60の重量をより軽減することができる。
本実施形態では、カバー本体61に対して径方向Drに突出した外縁部62を有するので、シュラウドカバー60の重量増加を抑えつつも、このシュラウドカバー60の外縁の剛性を高めることができる。
本実施形態では、本体中間部64よりもキャンバーラインCLから遠い領域に位置する本体端63のカバー厚さt2a,t2bがシュラウドカバー60中で最も薄い。このため、本実施形態では、外縁部62により、シュラウドカバー60の外縁の剛性を高めつつも、キャンバーラインCLを基準にしたフィレットにかかるモーメントの増加を抑えることができる。
なお、本実施形態において、外縁部62のカバー厚さt1a,t1bと本体中間部64のカバー厚さt3a,t3bと翼寄り部65のカバー厚さt4a,t4bとにおける相互の大小関係は問わない。但し、外縁部62のカバー厚さt1a,t1bを最も厚くすると、シュラウドカバー60の外縁の剛性を高めつつも、シュラウドカバー60の重量をより軽減することができる。
「動翼の第二実施形態」
図3、図8~図10を参照して、本発明に係る第三実施形態の動翼について、説明する。
図8~図10に示すように、本実施形態の動翼50aの構成は、第一実施形態の動翼50の構成からシールフィン78を省いた構成であり、その他の構成は、第一実施形態の動翼50の構成と同じである。なお、図8は図3におけるVIII-VIII線断面図であり、図9は図3におけるIX-IX線断面図であり、図10は図3におけるX-X線断面図である。また、本実施形態の動翼50aを説明するにあたり、第一実施形態の動翼50を示す図3を流用している関係で、図3中にシールフィン78が描かれている。しかしながら、本実施形態の動翼50aを径方向外側Droから見た正しい図には、シールフィン78が描かれない。
前述したように、本実施形態の動翼50aの構成は、第一実施形態の動翼50の構成からシールフィン78を省いた構成であり、その他の構成は、第一実施形態の動翼50の構成と同じである。このため、本実施形態でも、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態でも、翼体51に対するシュラウドカバー60の付け根部分に発生する応力を緩和しつつ、シュラウドカバー60の重量を軽減することができる。
「動翼の第三実施形態」
図11~図13を参照して、本実施形態の動翼について、説明する。
本実施形態の動翼50bは、第一実施形態の動翼50におけるカバー厚さを変更した動翼であり、本実施形態の動翼50bのその他の構成は、第一実施形態の動翼50の構成と同じである。
このため、本実施形態のシュラウドカバー60bも、図12及び図13に示すように、第一実施形態のシュラウドカバー60と同様、外縁部62と、カバー本体61bと、を有する。カバー本体61b及び外縁部62は、いずれも、ガスパス面66と反ガスパス面68bとを有する。本実施形態のガスパス面66は、第一実施形態のガスパス面66と同様、フィレット面67を有する。本実施形態の反ガスパス面68bは、第一実施形態の反ガスパス面68と同様、凹面69bを有する。この凹面69bは、ガスパス面66中のフィレット面67に沿って径方向内側Driに凹む面である。また、本実施形態のカバー本体61bも、第一実施形態のカバー本体61と同様、本体端63と、本体中間部64bと、翼寄り部65と、を有する。なお、図12は図11におけるXII-XII線断面図であり、図13は図11におけるXIII-XIII線断面図である。これらの断面図は、いずれも、翼体51のキャンバーラインCLに直交する断面での断面図である。
図12に示す断面で、外縁部62のカバー厚さt1a,t1bは、本体端63のカバー厚さt2a,t2bより厚い。本体中間部64bのカバー厚さt3a,t3bも、本体端63のカバー厚さt2a,t2bより厚い。さらに、翼寄り部65のカバー厚さt4a,t4bも、本体端63のカバー厚さt2a,t2bより厚い。すなわち、この断面で、本体端63のカバー厚さt2a,t2bが最も薄い。本実施形態では、本体中間部64bのカバー厚さt3a,t3bが、翼寄り部65のカバー厚さt4a,t4bよりも厚い。このため、本実施形態では、本体端63から本体中間部64bにかけてカバー厚さが次第に厚くなり、本体中間部64bから翼寄り部65にかけてカバー厚さが次第に薄くなる。
本実施形態の凹面69bも、第一実施形態の凹面69と同様、ガスパス面66中のフィレット面67に沿って径方向内側Driに凹む面である。このため、本実施形態でも、第一実施形態と同様、翼体51に対するシュラウドカバー60bの付け根部分に発生する応力を緩和しつつも、シュラウドカバー60bの重量を軽減することができる。さらに、本実施形態でも、キャンバーラインCLを基準にして両側に凹面69bが広がっているので、シュラウドカバー60bの重量をより軽減することができる。
本実施形態でも、カバー本体61bに対して径方向Drに突出した外縁部62を有するので、シュラウドカバー60bの重量増加を抑えつつも、このシュラウドカバー60bの外縁の剛性を高めることができる。
さらに、本実施形態でも、シュラウドカバー60b中で、本体中間部64bよりも翼体離間方向Dtに位置する本体端63のカバー厚さt2a,t2bが最も薄い。このため、本実施形態でも、外縁部62により、シュラウドカバー60bの外縁の剛性を高めつつも、キャンバーラインCLを基準にしたシュラウドカバー60bにかかるモーメントの増加を抑えることができる。
カバー本体61b中で、本体中間部64bにかかる荷重は、本体端63や翼寄り部65にかかる荷重より大きい。本実施形態では、本体中間部64bのカバー厚さが翼寄り部65よりも厚いので、本体中間部64bに発生する応力を緩和することができる。
なお、本実施形態において、外縁部62のカバー厚さt1a,t1bと本体中間部64のカバー厚さt3a,t3bとにおける相互の大小関係は問わない。但し、外縁部62のカバー厚さt1a,t1bを本体中間部64bのカバー厚さt3a,t3bよりも厚くし、シュラウドカバー60b中で最も厚くしてもよい。この場合、シュラウドカバー60bの外縁の剛性を高めつつも、シュラウドカバー60bの重量をより軽減することができる。一方、本体中間部64bのカバー厚さt3a,t3bを外縁部62のカバー厚さt1a,t1bよりも厚くし、シュラウドカバー60b中で最も厚くしてもよい。この場合、シュラウドカバー60bの重量増加を抑えつつ、本体中間部64bに発生する応力を緩和することができる。
また、本実施形態では、キャンバーラインCLを基準にして正圧側Dpで、本体中間部64bのカバー厚さt3aが翼寄り部65のカバー厚さt4aよりも厚く、キャンバーラインCLを基準にして負圧側Dnでも、本体中間部64bのカバー厚さt3bが翼寄り部65のカバー厚さt4bよりも厚い。しかしながら、キャンバーラインCLを基準にして正圧側Dpと負圧側Dnとのうち、一方の側でのみ、本体中間部64bのカバー厚さが翼寄り部65のカバー厚さよりも厚くてもよい。
「動翼の第四実施形態」
図11、図14及び図15を参照して、本発明に係る第四実施形態の動翼50について、説明する。
図14及び図15に示すように、本実施形態の動翼50cの構成は、第三実施形態の動翼50bの構成からシールフィン78を省いた構成であり、その他の構成は、第三実施形態の動翼50bの構成と基本的に同じである。なお、図14は図11におけるXIV-XIV線断面図であり、図15は図11におけるXV-XV線断面図である。また、本実施形態の動翼50cを説明するにあたり、第三実施形態の動翼50bを示す図11を流用している関係で、図11中にシールフィン78が描かれている。しかしながら、本実施形態の動翼50cを径方向外側Droから見た正しい図には、シールフィン78が描かれない。
前述したように、本実施形態の動翼50cの構成は、第三実施形態の動翼50bの構成からシールフィン78を省いた構成であり、その他の構成は、第三実施形態の動翼50bの構成と基本的に同じである。このため、本実施形態でも、第三実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態でも、翼体51に対するシュラウドカバー60bの付け根部分に発生する応力を緩和しつつ、シュラウドカバー60bの重量を軽減することができる。また、本実施形態でも、第三実施形態の動翼50bと同様、本体中間部64bのカバー厚さが翼寄り部65よりも厚いので、本体中間部64bに発生する応力を緩和することができる。
なお、本実施形態のシュラウドカバー60bは、図11におけるXV-XV線断面では、図15に示すように、キャンバーラインCLを基準にして正圧側Dpには外縁部62が形成されていない。さらに、この正圧側Dpでは、翼体近接方向Dsにおけるフィレット面67の中間部にあたる位置よりも翼体離間方向Dtには凹面69bが形成されておらず、この位置から翼体近接方向Dsに凹面69bが形成されている。
「その他の変形例」
以上の実施形態の動翼において、シュラウドカバーの反ガスパス面から径方向外側Droに突出するリブを追加してもよい。例えば、図16に示すように、シールフィン78を備える第一実施形態及び第三実施形態の動翼50,50bに、シュラウドカバー60,60bの外縁の一部からシールフィン78まで軸線方向Daに延びるリブ79を複数追加してもよい。なお、同図16に示すリブ79は、シュラウドカバー60,60bの外縁の一部から延びていなくてもよい。例えば、リブ79は、シールフィン78から、シールフィン78が延びている方向に対して交差する方向に延びていてもよく、このリブ79がシュラウドカバー60,60bの外縁の一部に達していなくてもよい。また、図17に示すように、シールフィン78を備えない第二実施形態及び第四実施形態の動翼50a,50cに、シュラウドカバー60,60bの外縁の一部からシュラウドカバー60,60bの外縁の他の一部まで軸線方向Da延びるリブ79cを複数追加してもよい。
このように、リブ79,79cを設けることで、翼体51よりも径方向外側Droの部分における重量増加を抑えつつも、シュラウドカバーの剛性を高めることができる。なお、以上で説明したリブ79,79cは、図7を用いて説明した反ガスパス面68の外縁を含む仮想平面よりも、基本的に径方向外側Droに突出しない。
以上の実施形態及び変形例で説明した構成の動翼は、ガスタービンの動翼である。しかしながら、以上の実施形態及び変形例で説明した構成の動翼は、ガスタービンの動翼に限られず、他の軸流回転機械、例えば、蒸気タービンの動翼であってもよい。
10:ガスタービン
11:ガスタービンロータ
14:中間ケーシング
15:ガスタービンケーシング
20:圧縮機
21:圧縮機ロータ
22:ロータ軸
23:動翼列
25:圧縮機ケーシング
26:静翼列
30:燃焼器
40:タービン
41:タービンロータ
42:ロータ軸
43:動翼列
45:タービンケーシング
46:静翼列
50,50a,50b,50c:動翼
51:翼体
52:前縁
53:後縁
54:負圧面
55:正圧面
56:第一端部
57:第二端部
58:プラットフォーム
59:翼根
60,60b:シュラウドカバー
61,61b:カバー本体
62:外縁部
63:本体端
64,64b:本体中間部
65:翼寄り部
66:ガスパス面
67:フィレット面
68,68b:反ガスパス面
69,69b:凹面
71:第一部
72:第二部
73:接触面
78:シールフィン
79,79c:リブ
A:空気
F:燃料
G:燃焼ガス
CL:キャンバーライン
Sa:反ガスパス面の面積
Sv:仮想平面における外縁内の面積
Sr:凹み断面積
Ss:シュラウドカバー断面積
Ar:軸線
Da:軸線方向
Dau:軸線上流側
Dad:軸線下流側
Dc:周方向
Dr:径方向
Dri:径方向内側
Dro:径方向外側
Dh:翼高さ方向
Dh1:翼高さ方向の第一側
Dh2:翼高さ方向の第二側
Dn:負圧側
Dp:正圧側
Ds:翼体近接方向
Dt:翼体離間方向

Claims (18)

  1. 翼形を成す翼体と、
    前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、
    を備え、
    前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がり、
    前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有し、
    前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有し、
    前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面を有し、
    前記シュラウドカバーは、カバー本体と、カバー本体につながる外縁部と、を有し、
    前記外縁部は、前記断面において、前記カバー本体よりも前記翼体離間方向に位置して、前記カバー本体に対して前記翼高さ方向に突出し、
    前記カバー本体及び前記外縁部は、いずれも、前記ガスパス面及び前記反ガスパス面を有し、
    前記カバー本体の前記反ガスパス面が前記凹面を有する、
    動翼。
  2. 請求項1に記載の動翼において、
    前記外縁部は、前記カバー本体に対して前記翼高さ方向における前記第一側に突出している、
    動翼。
  3. 請求項1又は2に記載の動翼において、
    前記断面における、前記ガスパス面と前記反ガスパス面との間の距離であるカバー厚さは、前記外縁部が、前記カバー本体の端であって前記外縁部につながる本体端より厚い、
    動翼。
  4. 請求項3に記載の動翼において、
    前記カバー本体は、前記本体端より、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体のキャンバーラインに近づく翼体近接方向に位置して、前記翼体近接方向における前記フィレット面の中間部にあたる本体中間部を有し、
    前記断面における前記カバー厚さは、前記本体端より前記本体中間部の方が厚い、
    動翼。
  5. 請求項4に記載の動翼において、
    前記カバー本体は、前記本体中間部よりも前記翼体近接方向に位置する翼寄り部を有し、
    前記断面における前記カバー厚さは、前記翼寄り部より前記本体中間部の方が厚い、
    動翼。
  6. 請求項3から5のいずれか一項に記載の動翼において、
    前記断面における前記カバー厚さは、前記シュラウドカバー中で前記外縁部が最も厚い、
    動翼。
  7. 請求項3から6のいずれか一項に記載の動翼において、
    前記断面における前記カバー厚さは、前記シュラウドカバー中で前記本体端が最も薄い、
    動翼。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載の動翼において、
    前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記反ガスパス面の外縁の一部から前記反ガスパス面の外縁の他の一部に向かって延びるリブをさらに備える、
    動翼。
  9. 請求項8に記載の動翼において、
    前記リブは、前記反ガスパス面の外縁の前記一部から前記他の一部まで延びる、
    動翼。
  10. 請求項1から7のいずれか一項に記載の動翼において、
    前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記反ガスパス面の外縁の第一部から前記反ガスパス面の外縁の第二部にまで延びるシールフィンをさらに備える、
    動翼。
  11. 請求項10に記載の動翼において、
    前記シールフィンは、前記反ガスパス面の外縁の第一部から前記キャンバーラインを跨いで前記反ガスパス面の外縁の第二部にまで延び、
    前記シールフィンの前記翼高さ方向の高さに関し、前記反ガスパス面の外縁の前記第一部の位置での前記高さ及び前記反ガスパス面の外縁の前記第二部の位置での高さよりも、前記第一部と前記第二部との中間部の位置での前記高さの方が高い、
    動翼。
  12. 翼形を成す翼体と、
    前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、
    を備え、
    前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がり、
    前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有し、
    前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有し、
    前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面を有し、
    前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記反ガスパス面の外縁の第一部から前記反ガスパス面の外縁の第二部にまで延びるシールフィンをさらに備え、
    前記シールフィンは、前記反ガスパス面の外縁の前記第一部から前記キャンバーラインを跨いで前記反ガスパス面の外縁の前記第二部にまで延び、
    前記シールフィンの前記翼高さ方向の高さに関し、前記反ガスパス面の外縁の前記第一部の位置での前記高さ及び前記反ガスパス面の外縁の前記第二部の位置での高さよりも、前記第一部と前記第二部との中間部の位置での前記高さの方が高い、
    動翼。
  13. 請求項10から12のいずれか一項に記載の動翼において、
    前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記反ガスパス面の外縁の一部から前記シールフィンまで延びるリブをさらに備える、
    動翼。
  14. 請求項10から12のいずれか一項に記載の動翼において、
    前記シュラウドカバーの前記反ガスパス面から前記第一側に突出し、前記シールフィンから、前記シールフィンが延びている方向に対して交差する方向に延びるリブをさらに備える、
    動翼。
  15. 請求項2から14のいずれか一項に記載の動翼において、
    前記反ガスパス面の面積は、前記反ガスパス面の外縁を含む仮想平面における前記外縁内の面積を基準にして110%以上である、
    動翼。
  16. 翼形を成す翼体と、
    前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、
    を備え、
    前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がり、
    前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有し、
    前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有し、
    前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面を有し、
    前記反ガスパス面の面積は、前記反ガスパス面の外縁を含む仮想平面における前記外縁内の面積を基準にして110%以上である、
    動翼。
  17. 翼形を成す翼体と、
    前記翼体の翼高さ方向における第一側と第二側とのうち、前記翼体中で前記第一側の第一端部に形成されているシュラウドカバーと、
    を備え、
    前記シュラウドカバーは、前記翼高さ方向に対して交差する方向であって前記翼体の前記第一端部におけるキャンバーラインから遠ざかる翼体離間方向に広がり、
    前記シュラウドカバーは、前記第一側を向いて外部に露出する反ガスパス面と、前記第二側を向いて外部に露出するガスパス面を有し、
    前記ガスパス面は、前記キャンバーラインに直交する断面において、前記翼体の正圧面及び負圧面のそれぞれから前記翼体離間方向に向かうに連れて、前記第一側に次第に延びるフィレット面を有し、
    前記反ガスパス面は、前記断面において、前記フィレット面中の少なくとも一部の面に沿って前記第二側に凹むように広がる凹面を有し、
    前記断面中で、前記反ガスパス面は、前記反ガスパス面の外縁を成す第一端と第二端とを有し、
    前記断面中で前記第一端と前記第二端とを結ぶ直線と前記ガスパス面とで囲まれた領域の面積であるシュラウドカバー断面積を基準にして、前記断面中で前記直線と前記反ガスパス面とで囲まれた領域の面積である凹み面積は、20%以上である、
    動翼。
  18. 請求項1から17のいずれか一項に記載の動翼を複数備えると共に、
    軸線を中心に回転するロータ軸と、ケーシングと、を備え、
    複数の前記動翼は、前記軸線に対する周方向に並び、且つ前記翼高さ方向が前記軸線に対する径方向になるよう、前記ロータ軸に取り付けられ、
    前記ケーシングは、前記ロータ軸及び複数の前記動翼の外周側を覆う、
    軸流回転機械。
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