JP7424893B2 - ターボ機械の動翼 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の動翼に関する。

タービンまたはコンプレッサのようなターボ機械は、ステータ側アセンブリおよびロータ側アセンブリを備えている。ターボ機械のロータ側アセンブリは、いわゆるターボ機械ロータを含み、ターボ機械ロータは、ハブ本体およびハブ本体から広がって、径方向外側に伸びた動翼を備えている。ターボ機械の動翼は、流れ誘導ブレード葉およびブレード根を備え、ブレード根を通じて、動翼はターボ機械のハブ本体に装着されることが可能である。ターボ機械の動翼は、流れ前縁、流れ後縁、および流れ前縁と流れ後縁との間に伸びた、サクション側およびプレッシャ側とも称され得る、プロセス媒体のための流れ誘導面、を備えている。ブレード根を通じて、動翼はターボ機械のハブ本体に装着されることが可能であり、ブレード根は一般的に、動翼の径方向に見て、互いから離間された少なくとも２つの突起を備えた、モミの木形状に形成されている。動翼は、動翼の径方向に見てブレード葉とブレード根との間に配置された、いわゆる内側シュラウドも備えている。適切な場合、外側シュラウドも、径方向外側においてブレード葉に隣接することが可能である。特に、高温のプロセス媒体がターボ機械を通じて流れるタービンの領域において、動翼は、冷却通路が統合されるように採用されている。冷却通路はそこで、ブレード根を越えておよびブレード葉を越えても伸びている。冷却通路の入口は、径方向内側においてブレード根に形成されている。冷却通路の出口は、径方向外側においてブレード葉に、または径方向外側シュラウドもしくは別の場所に形成され得る。

動翼内に統合された冷却通路を用いて冷却された動翼は、一般的に既知であるが、動翼の冷却をさらに改善する必要性、すなわち同時に動翼の高い強度を備える必要性がある。

ここから出発して、本発明は、冷却通路路にかかわらず、高強度を備えた、ターボ機械の新しいタイプの動翼を創造する目的に基づいている。

この目的は、請求項１による動翼を通じて解決される。

本発明によれば、冷却通路の入口は、第１入口通路部、およびブレード根の軸方向に見て第１入口通路部の後方に配置された第２入口通路部から形成され、入口通路部の間には、素材ウェブが伸びている。冷却通路の第１入口通路部および冷却通路の第２入口通路部は、冷却通路の一体化した通路部内に融合しており、径方向に見て、一体化した通路部は、ブレード根の最上のもしくは径方向最外側の突起の径方向外側もしくは径方向上側に、且つ内側シュラウドの径方向内側もしくは径方向下側に配置されている。このことは、動翼の効果的な冷却に寄与し、同時に動翼に高い強度を与えている。

優先的に、第１入口通路部および第２入口通路部は、径方向内側から径方向外側へと、初期的に直線的に径方向に伸びている。第１入口通路部および第２入口通路部が、直線的に径方向に伸びている、ブレード根のその領域において、素材ウェブの軸方向厚さは一定である。このことは、動翼の効果的な冷却に寄与し、同時に動翼に高い強度を与えている。

第１入口通路部およびそれに隣接した第２入口通路部は、各場合において一体化した通路部の方向に、すなわちプロセス媒体の流れに基づいて、ブレード根の上流端または軸方向前端の方向に曲がってまたは湾曲して伸びている。第１入口通路部および第２入口通路部が、各場合において曲がってまたは湾曲して伸びている、ブレード根のその領域において、素材ウェブの軸方向厚さは、優先的に一体化した通路部の方向において減少している。このことも、動翼の効果的な冷却に寄与し、同時に動翼に高い強度を与えている。

有利なさらなる展開によれば、第１入口通路部は、ブレード根の上流端または軸方向前端の方向に第１曲率半径を伴って湾曲されている。第２入口通路部は、ブレード根の上流端または軸方向前端の方向に第２曲率半径を伴って湾曲されている。第１曲率半径は、少なくとも第２曲率半径と同じ大きさであるか、または優先的に第２曲率半径よりも大きい。これらの特徴も、動翼の効果的な冷却に寄与し、同時に動翼に高い強度を与えている。

有利なさらなる展開によれば、一体化した通路部に隣接して、冷却通路は、径方向外側に径方向外側偏向通路部の方向に初期的に伸びている。径方向外側偏向通路部に隣接して、冷却通路は、径方向内側に径方向内側偏向通路部の方向に伸びている。径方向内側偏向通路部に隣接して、冷却通路は、径方向外側に冷却通路出口の方向に伸びている。径方向内側偏向通路部は、ブレード根の最上のもしくは径方向最外側の突起の径方向上側もしくは径方向外側に、且つ内側シュラウドの径方向下側もしくは径方向内側に配置されている。このことも、動翼の効果的な冷却に寄与し、同時に動翼に高い強度を与えている。

有利なさらなる展開によれば、第１入口通路部および冷却通路の第２入口通路部は、同じ流れ断面積を有する。このことは、動翼の効果的な冷却を保証している。

本発明の好適なさらなる展開は、従属請求項および以下の記載から得られる。本発明の例示的な実施形態は、これを制限することなく、図を用いてより詳細に説明されている。

本発明によるターボ機械の動翼を示した側面図である。 本発明による動翼の前部を示した斜視図である。 ブレード根の領域における本発明による動翼を示した詳細図である。 本発明による動翼の冷却通路の輪郭を示した図である。 図４のＶを抜き出した図である。 幾何的量を伴った、図４のＶを抜き出した図である。 さらなる幾何的量を伴った、図４のＶを抜き出した図である。

図１および図２は動翼１０の外観を示しており、動翼１０は、流れ誘導ブレード葉１１およびブレード根１２を備えている。流れ誘導ブレード葉１１は、ターボ機械を通じて流れるプロセス媒体、特にプロセスガスの流れの誘導に寄与し、ブレード葉１１は、プロセス媒体のための流れ前縁１３、プロセス媒体のための流れ後縁１４、および流れ前縁１３と流れ後縁１４との間に伸びた、プロセス媒体のための流れ誘導面１５、１６を備えている。流れ誘導面１５、１６は、サクション側およびプレッシャ側を形成している。

ブレード根１２は、図示されていないターボ機械のハブ本体の動翼１０を搭載することに寄与している。ブレード根１２は、動翼１０の径方向に見て、互いに離間された少なくとも２つの突起１７を備えた、モミの木形状を形成している。図示された例示的な実施形態においては、３つのそのような突起１７が、動翼１０の径方向に互いに離間されている。隣接した突起１７の間において、ブレード根１２のモミの木形状プロファイルは、各場合においてテーパ状とされている。各突起１７および個々の突起１７の直上に配置されたモミの木形状プロファイルのテーパ部は、各々がいわゆるモミの木形状プロファイルの歯を形成している。

動翼１０は内側シュラウド１８をさらに備え、このシュラウドは、動翼１０の径方向に見て、動翼１０のブレード葉１１とブレード根１２との間に配置されている。内側シュラウド１８は、プロセス媒体のための流れ誘導通路を、径方向内側において境界を定めている。図示された実施形態においては、動翼１０は外側シュラウド１９をさらに備えている。外側シュラウド１９は、プロセス媒体のための流れ誘導通路を、径方向外側において境界を定めている。

冷却媒体、特に冷却空気のための冷却通路２０は、動翼１０に統合されている。図１において、冷却通路２０の輪郭は破線で示されている。冷却通路２０の輪郭は、図３の所定の断面においても破線で示されている。図４、図５、図６、および図７は、実際の動翼１０を除いた冷却通路２０の輪郭を示している。

冷却通路２０は、ブレード根１２の径方向内側に形成された入口または冷却通路入口２１を備えている。さらに、冷却通路２０は出口または冷却通路出口３１を備え、この出口は、特にブレード葉１１の径方向外側または外側シュラウド１９に形成されている。冷却通路出口３１は、別の場所に配置されることも可能である。

図３、図５、図６、および図７は、冷却通路２０の入口または冷却通路入口２１の詳細を示している。

冷却通路２０の入口または冷却通路入口２１は、第１入口通路部２２および第２入口通路部２３を備えている。図１において最もよく見られているように、第１入口通路部２２は、軸方向に見て、プロセス媒体の流れに基づいて前方に配置されており、すなわちプロセス媒体の流れに基づいて、第２入口通路部２３よりもブレード根１２の上流端または軸方向前端により近づいて配置されている。

第２入口通路部２３は、ブレード根１２の軸方向に見て、第１入口通路部２２の後方に配置されている。

すでに説明したように、ブレード根１２はプロセス媒体の誘導に寄与するのではなく、単にハブ本体に動翼１０を搭載または組み付けるためのものである。それにもかかわらず、ブレード根１２は、互いに反対に、すなわちプロセス媒体の流れに基づいて上流端または軸方向前端、およびプロセス媒体の流れに基づいて下流端または軸方向後端、に配置された２つの軸端部を備えている。

第１入口通路部２２は、ブレード根１２の上流端または軸方向前端と、第２入口通路部２３と、の間に配置されている。

第２入口通路部２３は、第１入口通路部２２と、ブレード根１２の下流端または軸方向後端と、の間に配置されている。

ブレード根１２の軸方向に互いに離間された２つの入口通路部２２および２３の間には、素材ウェブ２４が伸びている。この素材ウェブ２４は、そのブレード根１２の領域内において動翼１０を強化している。

冷却通路２２の第１入口通路部２２および第２入口通路部２３は、接続通路部２５内へと融合している。

この接続通路部２５は、動翼１０の径方向に見て、最上のもしくは径方向最外側の突起１７の上方または径方向外側と、内側シュラウド１８の下方または径方向内側と、の間に形成または配置されている。

このことから、素材ウェブ２４は、径方向最外側の、ひいてはブレード根１２の最上の突起１７の上側または径方向外側に配置された、ブレード根１２の部分内である限り、径方向内側から径方向外側へと伸び、その結果として、動翼１０の強度は、ブレード根１２の領域内において特に有利に調節されることが可能である。好適に、素材ウェブ２４は径方向最外側の、したがってブレード根１２のモミの木形状プロファイルの最上の歯の最も狭い断面の領域内の範囲に伸びている。

ブレード根１２の径方向外側内側には、第１入口通路部２２が第１流れ入口開口部を形成し、ブレード根１２の径方向内側には、第２入口通路部２３が第２流れ入口開口部を形成している。入口通路部２２、２３自身とまったく同様に、これらの開口部は、ブレード根１２の軸方向に見て、一方が他方の後方に且つ素材ウェブ２４を用いて互いに離間されて配置されている。

第１流れ入口開口部、したがって第１入口通路部２２は、プロセス媒体の流れに基づいて、ブレード根１２の上流端または軸方向前端からの所定の軸方向距離Δｘを有する。好適に、第１入口通路部２２したがって第１流れ入口開口部と、ブレード根１２の上流端または軸方向前端と、の間の所定の軸方向距離Δｘは、ブレード根１２の軸方向長さＬの１０％から３０％、の間、特に１５％から２５％の間の量である。

図４、図５、図６、および図７において最も明白であるように、第１入口通路部２２および第２入口通路部２３は、個々の流れ入口開口部から生じ、すなわち径方向内側から生じ、初期的に径方向において直線的に径方向外側へと伸びている。この領域において、２つの入口通路部２２、２３は、径方向に直線的に伸びており、素材ウェブ２４は軸方向に一定の厚さを有する。先に定義された、第１入口通路部２２とブレード根１２の上流端との間の軸方向距離Δｘは、直線的に径方向に径方向外側へと伸びた第１入口通路部２２の領域に関連している。２つの入口通路部２２、２３が直線的に径方向に伸びた領域に隣接して、２つの入口通路部２２、２３は、接続通路部２５の方向に曲がってまたは湾曲して伸びている。この湾曲した領域において、前述の距離Δｘは変化している。直線的に径方向に同じく伸びた入口通路部２２、２３と接続通路部２５との間の、入口通路部２２、２３の湾曲は、ブレード根１２の上流端もしくは軸方向前端の方向、または動翼１の流れ前縁１３の方向に向けられている。この領域において、素材ウェブ２４を介して互いに離間された２つの入口通路部２２、２３は曲げられまたは湾曲されて伸び、素材ウェブ２４の軸方向厚さは、一体化した通路部２５の方向において優先的に減少している。この領域において、素材ウェブ２４はテーパ状である。代替的に、素材ウェブ２４の厚さは、この領域において一定とすることも可能である。

接続通路部２５に隣接して、図示された例示的な実施形態の冷却通路２０は、径方向外側偏向通路部２７の方向に、さらなる部分２６を伴って初期的に径方向外側へと伸びており、径方向外側偏向通路部２７に隣接して、内側偏向通路部２９の方向に、さらなる部分２８を伴って径方向内側へと伸び、径方向内側偏向通路部２９に隣接して、冷却通路出口３１の方向に、さらなる部分３０を伴って径方向外側へと伸びている。冷却通路２０の部分２６、２８、および３０は、ブレード葉１１内において伸びている。接続通路部２５の下流の冷却通路２０の他の経路も、可能である。

径方向内側偏向通路部２９は、ブレード根１２の最上のもしくは径方向最外側の突起１７の上側もしくは径方向外側から、および内側シュラウド１８の下側もしくは径方向内側から見て、はっきり言うと入口通路部２２、２３に対向した軸方向において、ブレード根１２の下流または軸方向後端の方向に、軸方向に後側にずらして配置されている。

上側または径方向外側偏向通路部２７は、外側シュラウド１９の領域内において伸びることが可能である。

本発明による動翼１０とともに、冷却媒体は、結果として入口通路部２２、２３の流れ入口開口部を通じて冷却通路２０内へと流れ、２つの入口通路部２２、２３を通じて流れるこの冷媒は、一体化した通路部２５の領域内へと統合される。このことは、ブレード根１２の領域内において発生する。これに隣接して、冷却媒体は、通路部２６、２７、２８、２９、および３０を通じて冷却通路出口３１の方向に誘導される。

径方向に伸びた通路部２６、２８、および３０は、ブレード葉１１の径方向の広がりを超えて伸びている。通路部２６と通路部２８との間および通路部２８と通路部３０との間では、偏向通路部２７および２９を通じて流れの偏向が発生する。

図６および図７は、冷却通路入口２１の領域内における流れ通路２０の幾何学的な特性変化を示している。これにより、ブレード根１２の上流軸方向端の方向に、第１入口通路部２２は第１曲率半径Ｒ１を伴って湾曲し、第２入口通路部２３は第２曲率半径Ｒ２を伴って湾曲したしていることが、図６から明白である。第１曲率半径Ｒ１は、少なくとも第２曲率半径Ｒ２と同じ大きさであり、優先的にＲ１はＲ２よりも大きい。

図７は、入口通路部２２、２３の流れ断面を可視化している。図７から、２つの入口通路部２２および２３が、はっきり言うと一体化された通路部２５の範囲までそれらの半径方向の全範囲にわたって、同じ流れ断面積Ａを有することが明白である。

本発明による動翼１０においては、入口通路部２２、２３の領域内の冷媒は、径方向において冷却通路２０に直接進入することが可能であり、その結果、冷却通路２０内への冷媒の効果的な進入が可能である。軸方向に見て、入口通路部２２、２３は、軸方向に互いから離間されており、ブレード根１２の上流端から所定の軸方向距離を有する。さらに、入口通路部２２、２３は、素材ウェブ２４により軸方向に互いから離間されている。このことは、ブレード根１２の領域において動翼１０に高強度を与えることに寄与している。ウェブ２４は、径方向に見て、モミの木形状のブレード根１２の最上部もしくは径方向最外側突起１７の上側または径方向最外側まで伸びている。このことは、ブレード根１２の領域内の最適化された強度を確実にしている。

ブレード根１２の領域内において、２つの入口通路部２２、および２３は、一体化した通路部２５内に融合し、一体化した通路部２５から軸方向に離間された径方向内側偏向通路部２９も配置されている。この径方向内側偏向通路部２９は、ブレード根１２内へと伸びているが、ウェブ２４の径方向外側または径方向上側の、モミの木形状ブレード根１２の径方向外側突起１７から離間されて終端となっている。本発明による動翼１０は、高強度とともに最適化された冷却を可能にしている。特にガスタービンに採用される。

１０ ・・・動翼
１１ ・・・ブレード葉
１２ ・・・ブレード根
１３ ・・・流れ前縁
１４ ・・・流れ後縁
１５ ・・・流れ誘導面
１６ ・・・流れ誘導面
１７ ・・・突起
１８ ・・・内側シュラウド
１９ ・・・外側シュラウド
２０ ・・・冷却通路
２１ ・・・冷却通路入口
２２ ・・・第１入口冷却通路部
２３ ・・・第２入口冷却通路部
２４ ・・・素材ウェブ
２５ ・・・一体化した通路部
２６ ・・・通路部
２７ ・・・偏向通路部
２８ ・・・通路部
２９ ・・・偏向通路部
３０ ・・・通路部
３１ ・・・冷却通路出口

Claims (11)

1. ターボ機械の動翼（１０）であって、
   流れ前縁（１３）、流れ後縁（１４）、および前記流れ前縁（１３）と前記流れ後縁（１４）との間に伸びた、プロセス媒体のための流れ誘導面（１５、１６）、を備えたブレード葉（１１）を備え、
   前記動翼を前記ターボ機械のハブ本体に装着するためのブレード根（１２）であって、該ブレード根（１２）は、径方向に見て互いから離間された少なくとも２つの突起（１７）を備えたモミの木形状に形成された、ブレード根（１２）を備え、
   径方向に見て、前記ブレード葉（１１）と前記ブレード根（１２）との間に配置された内側シュラウド（１８）を備え、
   前記ブレード葉（１１）および前記ブレード根（１２）内に統合された、冷却媒体のための冷却通路（２０）であって、該冷却通路（２０）の入口（２１）は、前記ブレード根（１２）の径方向内側に形成された、冷却通路（２０）を備えた、ターボ機械の動翼において、
   該冷却通路（２０）の入口は、第１入口通路部（２２）および第２入口通路部（２３）から形成され、前記ブレード根（１２）の軸方向に見て、前記第２入口通路部（２３）は、前記第１入口通路部（２２）の後方に配置されており、前記第１入口通路部と前記第２入口通路部の間には、素材ウェブ（２４）が伸びており、
   前記冷却通路（２０）の第１入口通路部（２２）および前記冷却通路（２０）の第２入口通路部（２３）は、前記冷却通路（２０）の一体化した通路部（２５）内に融合しており、径方向に見て、前記一体化した通路部は、前記ブレード根（１２）の最上のもしくは径方向最外側の突起（１７）の径方向外側もしくは径方向上側に、且つ前記内側シュラウド（１８）の径方向内側もしくは径方向下側に配置されており、
   前記冷却通路（２０）の第１入口通路部（２２）および前記冷却通路（２０）の第２入口通路部（２３）は、径方向内側から径方向外側へと、初期的に直線的に径方向に伸びており、
   前記第１入口通路部（２２）およびそれに隣接した前記第２入口通路部（２３）は、各場合において前記冷却通路（２０）の一体化した通路部（２５）の方向に、すなわちプロセス媒体の流れに基づいて、前記ブレード根（１２）の上流端または軸方向前端の方向に曲がってまたは湾曲して伸びており、
   前記第１入口通路部（２２）および前記第２入口通路部（２３）が径方向に直線的に伸びている領域においては、前記素材ウェブ（２４）の軸方向厚さは一定であり、
   前記第１入口通路部（２２）と前記第２入口通路部（２３）とが各場合において前記ブレード根（１２）の上流端または軸方向前端の方向に曲がってまたは湾曲して伸びている領域においては、前記素材ウェブ（２４）は前記ブレード根（１２）の上流端または軸方向前端の方向に曲がってまたは湾曲している
   動翼（１０）。
2. 前記冷却通路（２０）の第１入口通路部（２２）は、第１流れ入口開口部を形成し、前記冷却通路（２０）の第２入口通路部（２３）は、前記ブレード根（１２）の軸方向に見て、前記第１流れ入口開口部の後方に配置された第２流れ入口開口部を形成している、請求項１に記載の動翼。
3. 前記第１入口通路部（２２）ひいては前記第１流れ入口開口部は、前記プロセス媒体の流れに基づいて、前記ブレード根（１２）の上流端または軸方向前端から、所定の軸方向距離（Δｘ）を有する、請求項２に記載の動翼。
4. 第１入口通路部（２２）ひいては第１流れ入口開口部と、前記ブレード根（１２）の上流端または軸方向前端と、の間の、前記所定の軸方向距離（Δｘ）は、前記ブレード根（１２）の軸方向長さ（Ｌ）の１０％から３０％の間である、請求項３に記載の動翼。
5. 前記第１入口通路部（２２）および前記第２入口通路部（２３）が、各場合において曲がってまたは湾曲している領域においては、前記素材ウェブ（２４）の軸方向厚さは一体化した通路部（２５）の方向に減少している、請求項１に記載の動翼。
6. 前記第１入口通路部（２２）および前記第２入口通路部（２３）が、各場合において曲がってまたは湾曲している領域においては、前記素材ウェブ（２４）の軸方向厚さは一定である、請求項１に記載の動翼。
7. 前記第１入口通路部（２２）は、前記ブレード根（１２）の上流端または軸方向前端の方向に第１曲率半径（Ｒ１）を伴って湾曲され、
   前記第２入口通路部（２３）は、前記ブレード根（１２）の上流端または軸方向前端の方向に第２曲率半径（Ｒ２）を伴って湾曲され、
   前記第１曲率半径（Ｒ１）は、少なくとも前記第２曲率半径（Ｒ２）と同じ大きさであるか、または優先的に前記第２曲率半径（Ｒ２）よりも大きい、請求項１から６のいずれか一項に記載の動翼。
8. 前記一体化した通路部（２５）に隣接して、前記冷却通路（２０）は径方向外側に伸びている、請求項１から７のいずれか一項に記載の動翼。
9. 前記一体化した通路部（２５）に隣接して、前記冷却通路（２０）は、径方向外側に径方向外側偏向通路部（２７）の方向に初期的に伸び、
   この部分に隣接して、前記冷却通路（２０）は、径方向内側に径方向内側偏向通路部（２９）の方向に伸び、
   この部分に隣接して、前記冷却通路は、径方向外側に冷却通路出口（３１）の方向に伸びている、請求項１から８のいずれか一項に記載の動翼。
10. 前記径方向内側偏向通路部（２９）は、前記ブレード根（１２）の最上のもしくは径方向最外側の突起（１７）の径方向外側もしくは径方向上側に、且つ前記内側シュラウド（１８）の径方向内側もしくは径方向下側に配置されている、請求項９に記載の動翼。
11. 前記冷却通路（２０）の前記第１入口通路部（２２）および前記冷却通路（２０）の前記第２入口通路部（２３）は、同じ流れ断面積（Ａ）を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の動翼。

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