JPWO2012169092A1 - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

プラットフォーム（１６）の後縁側の端面（１８）には、ロータ周方向に沿った凹部（ぬすみ部）（２０）が形成されている。この凹部（ぬすみ部）のロータ径方向外側に位置する後縁側の端面の外側領域（２２）に冷却流路（１４）の開口（１５）が形成されている。冷却流路の開口近傍の外側領域のロータ径方向における厚さ（Ｌ１）は、プラットフォームに接続される翼形部（１２）のハブ（１３）の後縁側端部に対応する外側領域のロータ径方向における厚さ（Ｌ２）より大きくなっている。

Description

本発明は、冷却流路が形成されたプラットフォームを備えるタービン動翼に関するものである。

ガスタービン内を流れる高温燃焼ガスによってタービン動翼の翼形部及びプラットフォームが高温になると、ロータ径方向外方に向かって熱伸びが発生する。このとき、翼形部及びプラットフォームはそれぞれ熱伸び量が異なるため、翼形部のハブと当該ハブが接続されているプラットフォームとの間に熱応力が発生する。熱応力が発生すると、特に、ハブの後縁側端部に集中して作用するため、この後縁側端部にクラックが生じ易い。そのため、翼形部及びプラットフォームの温度上昇を抑制するとともに、この熱応力を低減する必要がある。

そこで、特許文献１には、図１０に示すように、翼形部１２内及びプラットフォーム６０内にそれぞれ冷却流路６１〜６４を設けるとともに、ロータ周方向（図１０の紙面を貫通する方向）に沿ってプラットフォーム６０の後縁側の端面１８に凹部２０を設ける方法が開示されている。翼形部１２内には、複数の冷却流路６１〜６３がロータ径方向に沿って基端部２から翼形部１２まで形成されている。また、プラットフォーム６０内には、冷却流路６４がロータ軸方向に沿ってプラットフォーム６０の後縁側の端面１８から前縁側端部まで形成されている。そして、翼形部１２内及びプラットフォーム６０内に冷却空気を流すことにより冷却を行って、翼形部１２及びプラットフォーム６０の温度上昇を抑制している。
また、翼形部１２がロータ径方向外方に熱伸びすると、その熱伸びに追随して、プラットフォーム６０に形成された上記凹部２０のロータ径方向外側に位置する後縁側の端面１８の外側領域２２が、ロータ径方向外方に変形することで、熱応力がハブ１３の後縁側端部に集中することを抑制している。

特開２００１−２７１６０３号公報

上述した特許文献１に記載の方法では、プラットフォーム６０の冷却効果を高めるために、プラットフォーム６０のロータ軸方向に大径の冷却流路を形成しようとすると、凹部２０のロータ径方向外側に位置する後縁側の端面１８の外側領域２２を厚くしなければならない。しかしながら、当該外側領域２２を厚くするとプラットフォーム６０の後縁側端部が変形しにくくなるため、熱応力の低減効果が十分に得られなくなる。そこで、当該外側領域２２を厚くすることなく、冷却流路の径を大きくすると、図１１に示すように、後縁側端部には冷却流路６５の上半部分６６のみが形成されて、冷却流路６５の下半分は解放された状態となる。後縁側端部付近に到達した冷却空気は、開口６７から周囲に拡散するため、後縁側端部を冷却する機能が著しく低下してしまう。

そこで本発明では、ハブとプラットフォームとの間に作用する熱応力を低減可能で、かつ、効率的に冷却可能なプラットフォームを備えたタービン動翼を提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決する本発明に係るタービン動翼は、
ロータに固定される基端部と、
前記ロータの径方向に延在し、前縁と後縁との間における翼形状を形成する腹側及び背側の翼面を有する翼形部と、
前記基端部と前記翼形部との間に設けられ、前記ロータの周方向に沿った凹部が前記後縁側の端面に形成され、該凹部の前記ロータの径方向外側に位置する前記端面の外側領域に開口する冷却流路が内部に形成されたプラットフォームとを備えるタービン動翼であって、
前記端面の前記外側領域に開口する前記冷却流路の前記外側領域のロータ径方向における厚さは、前記プラットフォームに接続される前記翼形部のハブの後縁側端部に対応する前記外側領域の前記ロータの径方向における厚さより大きくなることを特徴とする。

上記タービン動翼によれば、翼形部のハブの後縁側端部に対応する外側領域のロータ径方向における厚さを、外側領域の他の部分より小さくできるので、ハブの後縁側端部が接続されているプラットフォームの後縁側端部付近が翼形部の熱伸びに応じて変形しやすくなり、後縁側端部付近に生ずる熱応力を抑制できる。

さらに、口径の大きい冷却流路の形成が可能となり、プラットフォームの冷却能力が向上するため、高温で用いられるタービンに適用することが可能となる。

また、前記プラットフォームの後縁側の前記端面において、前記外側領域のロータ径方向における厚さは、前記翼形部の背側から前記ハブの前記後縁側端部に向かって徐々に小さくしてもよい。

このように、プラットフォームの後縁側の端面において、外側領域のロータ径方向における厚さは、翼形部の背側からハブの前記後縁側端部に向かって徐々に小さくして、プラットフォームの背側の厚さを最も大きくしたため、背側のロータ軸方向の端面に沿って冷却流路の配置が可能となり、背側のプラットフォームの冷却能力が向上する。

また、前記冷却流路は、前記ロータの軸方向に沿って前記プラットフォーム内に複数形成され、
互いに隣接する前記冷却流路のうち前記翼形部の腹側に配置された前記冷却流路の径は、前記翼形部の背側に配置された前記冷却流路の径よりも小さいこととしてもよい。

このように、互いに隣接する冷却流路のうち翼形部の腹側に配置された冷却流路の径を、翼形部の背側に配置された冷却流路の径よりも小さくすることで、複数の冷却流路をプラットフォーム内に形成することができる。
そして、複数の冷却流路がプラットフォーム内に形成されることで、プラットフォームの冷却効果を大幅に増大させることができる。

また、前記プラットフォームの後縁側の前記端面において、前記外側領域の前記ロータの径方向における厚さは、前記翼形部の背側から前記ハブの後縁側端部に向かって徐々に小さくなり、前記翼形部の腹側から前記ハブの後縁側端部に向かって徐々に小さくなることとしてもよい。

このように、外側領域のロータ径方向における厚さを、前記翼形部の背側から前記ハブの後縁側端部に向かって徐々に小さくして、前記翼形部の腹側から前記ハブの後縁側端部に向かって徐々に小さくするため、ハブの後縁側端部を挟んでロータの周方向両側にそれぞれ大径の冷却流路を形成することができる。これによって、プラットフォームの冷却機能が大幅に向上する。

また、前記冷却流路は、前記ロータの軸方向に沿って前記プラットフォーム内に複数形成され、
互いに隣接する前記冷却流路のうち前記ハブの後縁端部に近い方の前記冷却流路の径は、前記ハブの後縁端部から遠い方の前記冷却流路の径より小さくなるとしてもよい。

このように、互いに隣接する冷却流路のうちハブの後縁端部に近い方の冷却流路の径を、ハブの後縁端部から遠い方の冷却流路の径より小さくすることで、複数の冷却流路をプラットフォーム内に形成することができる。
そして、複数の冷却流路がプラットフォーム内に形成されることで、プラットフォームの冷却効果を大幅に増大させることができる。

また、前記冷却流路は、前記背側の翼面の後縁側形状に沿って前記プラットフォームの後縁側端部に形成されてもよい。

このように、冷却流路が、背側の翼面の後縁側形状に沿ってプラットフォームの後縁側端部に形成されることで、プラットフォームの後縁側端部を確実に冷却することができる。

本発明によれば、プラットフォームを効率良く冷却することができ、かつ、ハブとプラットフォームとの間に作用する応力を低減できる。

本発明の第一実施形態に係るタービン動翼を示す斜視図である。 図１のＡ矢視図であり、プラットフォームの後縁側端部付近を拡大した図である。 図１のＢ―Ｂ断面図である。 タービン動翼付近の冷却空気の流れを示すガスタービンの断面図である。 プラットフォーム内に形成される冷却流路の他の実施例を示す図である。 プラットフォーム内に形成される冷却流路の他の実施例を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るタービン動翼を後縁側から矢視した図である。 本発明の第三実施形態に係るプラットフォームを示す断面図である。 本発明の第四実施形態に係るタービン動翼を後縁側から矢視した図である。 従来のタービン動翼の鉛直断面図である。 プラットフォームの後縁側端部を拡大して示す斜視図である。

以下、本発明に係るタービン動翼の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明では、タービン動翼をガスタービンに適用した場合について説明するが、これに限定されるものではなく、蒸気タービンにも適用することができる。また、以下の実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の第一実施形態に係るタービン動翼を示す斜視図である。また、図２は、図１のＡ矢視図であり、プラットフォームの後縁側端部付近を拡大した図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第一実施形態は、翼形部１２の背側のプラットフォーム１６の熱応力を低減するため、背側のプラットフォーム１６に冷却流路１４を設けた例である。
ガスタービンのタービン動翼１は、ロータに固定される基端部２と、ロータの径方向に延在し、前縁４と後縁６との間における翼形状を形成する腹側及び背側の翼面８、１０を有する翼形部１２と、冷却空気を流すための冷却流路１４が内部に形成されたプラットフォーム１６とを備えている。

プラットフォーム１６の後縁側の端面１８には、ロータ周方向に沿った凹部２０、いわゆる、ぬすみ部が形成されている。このぬすみ部のロータ径方向外側に位置する後縁側の端面１８の外側領域２２に冷却流路１４の開口１５が形成されている。

外側領域２２のロータ径方向における厚さＬは、翼形部１２の背側からハブ１３の後縁側端部に向かって徐々に小さくなっている。すなわち、外側領域２２のロータ径方向における厚さＬは、ロータ軸方向に沿って形成された冷却流路１４の開口１５近傍の外側領域２２（Ｌ１）から、ハブ１３の後縁側端部直下の外側領域２２（Ｌ２）までの間は徐々に小さくなっている。
なお、本実施形態では、翼形部１２の腹側のプラットフォーム１６には、ロータ軸方向に沿った冷却流路を設けていない。従って、ハブ１３の後縁側端部直下の外側領域２２から翼形部１２の腹側の端面までの間の外側領域２２のロータ径方向の厚さＬは、腹側の端面に向かって徐々に小さくしてもよいし、同一の厚さとしてもよい。

ロータ周方向におけるハブ１３の後縁側端部の接続位置直下の外側領域２２の厚さＬ２は、翼形部１２の熱伸びに追随して変形可能な厚さであり、背景技術の欄で説明した特許文献１に記載のプラットフォーム６０の外側領域２２の厚さＬ３（図１０参照）とほぼ同じである。したがって、ロータ軸方向に沿った冷却流路１４の開口１５位置の外側領域２２の厚さＬ１は、特許文献１に記載したプラットフォーム６０の外側領域２２の厚さＬ３よりも大きく形成されている。このことにより、従来のプラットフォーム６０に形成される冷却流路６４の径よりも大径の冷却流路１４を形成することができる。

図３は、図１のＢ―Ｂ断面図である。図３に示すように、冷却流路１４の一端は、タービン動翼１の基端部２から翼形部１２まで連通する前縁側の冷却流路２４に連通している。また、冷却流路１４は、冷却流路２４からプラットフォーム１６の前縁下側端部（図３の左下）に向かって延設されて、当該前方下側端部付近で後縁側に屈曲し、後縁側に向かってロータ軸方向に沿って形成されている。
そして、冷却流路１４へは、冷却流路２４内を流れる冷却空気の一部が流入する。冷却流路１４に流入した冷却空気は、冷却流路１４内を通って、後縁側の開口１５から排出される。

ハブ１３と後縁側の端面１８の外側領域２２とが最も接近する位置は、剛性の高いプラットフォーム側からの拘束力が大きく、後縁に近い翼形部１２やハブ１３にかかる熱応力が大きくなりやすい。そのため、前述のように、かかる熱応力を抑制するため、後縁側の端面１８に凹部２０（いわゆる、ぬすみ部）を設けている。すなわち、ハブ１３と後縁側の端面１８が最も接近する位置は、ハブ１３の後縁側端部の接続位置直下であり、この近傍でのプラットフォーム１６からの拘束を解放する必要がある。具体的には、図３に示すように、後縁６からロータ軸方向に平行な線を引き、外側領域２２との交点をＡ点とすれば、Ａ点近傍の外側領域２２がハブ側に最も接近する位置である。つまり、背側および腹側のプラットフォーム１６の後縁側の端面１８の外側領域２２がロータ軸方向に沿った冷却流路１４の開口１５を備える場合、高いぬすみ効果を得るためには、Ａ点近傍での外側領域２２のロータ径方向の厚さＬを最も薄くする必要がある。

図４は、タービン動翼１付近の冷却空気の流れを示すガスタービンの断面図である。
図４に示すように、車室から送給された冷却空気はロータ３０内のディスクキャビティ３１に流入し、ロータディスク３２に設けられたラジアルホール３３を通って基端部２内の冷却流路２４に導かれる。そして、翼形部１２へ向かって流れる途中で、冷却空気の一部がプラットフォーム１６の冷却流路１４に流入する。
なお、冷却流路１４への冷却空気の供給系統は、これに限定されるものではなく、他の系統を利用してもよい。

上述したように、本実施形態におけるタービン動翼１によれば、プラットフォーム１６の後縁側の端面１８のうち外側領域２２のロータ径方向における厚さＬは、翼形部１２のハブ１３の後縁側端部直下に対応する位置（図３中のＡ点近傍参照）の外側領域２２（Ｌ２）よりも冷却流路１４の開口１５位置の外側領域２２（Ｌ１）の方が大きいため、プラットフォーム１６の冷却能力が向上する。
一方、ハブ１３の後縁側端部直下に対応する外側領域２２の厚さＬ２は、冷却流路１４の開口１５位置の外側領域２２の厚さＬ１よりも小さいため、ハブ１３の後縁側端部が接続されている外側領域２２の周囲が翼形部１２の熱伸びに応じて変形しやすくなり、後縁側端部付近に生ずる熱応力を抑制できる。

さらに、翼形部１２の背側のプラットフォーム１６内に口径の大きい冷却流路１４の形成が可能となり、プラットフォーム１６の冷却能力が向上するため、高温で用いられるタービンに適用することが可能となる。

また、外側領域２２のロータ径方向における厚さＬは、翼形部１２の背側からハブ１３の後縁側端部に向かって徐々に小さくなっているため、熱負荷が高い翼形部１２の背側のプラットフォーム１６の冷却能力が向上する。そして、外側領域２２のロータ径方向における厚さＬを、翼形部１２の背側からハブ１３の後縁側端部に向かって徐々に小さくなるように形成する加工は容易であり、手間及びコストが増加することはない。

なお、上述した実施形態では、翼形部１２の背側に１つの冷却流路１４を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではない。プラットフォーム面の熱負荷および発生する熱応力の大きさにより、冷却流路１４の要否、流路口径は任意に選定し得る。例えば、図５及び図６に示すように、ハブ１３の後縁側端部直下の外側領域２２から翼形部１２の腹側の端面までの間の外側領域２２のロータ径方向の厚さＬを同一の厚さとし、翼形部１２の背側に複数の冷却流路１４、２６を設けるとともに、腹側にも冷却流路２８を設けてもよい。係る場合には、各冷却流路１４、２６、２８の流路口径の大きさは、翼形部１２の背側から腹側に向かって徐々に小さくなっている。

このように、冷却流路２６、２８の径を冷却流路１４の径よりも小さくすることで、外側領域２２のロータ径方向における厚さＬが小さい個所にも冷却流路２６、２８を形成することができる。
そして、複数の冷却流路１４、２６、２８がプラットフォーム１６内に形成されることで、プラットフォーム１６の冷却効果を大幅に増大させることができる。

次に、タービン動翼１の他の実施形態について説明する。以下の説明において、上記の実施形態に対応する部分には同一の符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。

図７は、本発明の第二実施形態に係るタービン動翼４１を後縁側から矢視した図である。
図７に示すように、本発明の第二実施形態は、背側および腹側の両側のプラットフォームの熱応力を低減するため、背側および腹側の双方のプラットフォーム４２に冷却流路１４、２６、４４を設け、これら冷却流路１４、２６、４４の配置に合わせて凹部（ぬすみ部）２０の形状を変えた例である。
タービン動翼４１のプラットフォーム４２に、複数の冷却流路１４、２６、４４が形成されている。そして、各冷却流路１４、２６、４４に対応した開口１５、２７、４５が、後縁側の端面１８の外側領域２２に形成されている。具体的には、冷却流路１４、２６に対応した開口１５、２７は、外側領域２２の背側端部にそれぞれ形成されている。また、冷却流路４４に対応した開口４５は、外側領域２２の腹側端部に形成されている。

上述の冷却流路１４、２６、４４の配置に対して形成される凹部（ぬすみ部）２０の形状の一例を図７に示している。ハブ１３の後縁側端部の接続位置直下の位置を点Ａとし、その位置での後縁側端部の下端の位置を点Ｄすれば、凹部２０の形状は、線ＢＣＤＥＦで示す形状となる。すなわち、点Ｄを中間にロータ径方向の長さＬ０が一定幅の直線部ＣＤＥを天井として、背側及び腹側の端面に向かってなだらかな傾斜面を形成し、全体としてＤ点を頂点とした山形状に形成されている。

このような凹部２０の形状とした場合、外側領域２２のロータ径方向における厚さＬは、ハブ１３の後縁側端部の接続位置直下の外側領域２２の厚さＬ０（点Ａから点Ｄまで）が最も小さくなっている。すなわち、ロータ軸方向に沿って形成された冷却流路１４、２６、４４の開口１５、２７、４５の位置の外側領域２２の厚さＬ４、Ｌ５、Ｌ６の方が、ロータ周方向におけるハブ１３の後縁側端部の接続位置直下の外側領域２２の厚さＬ０よりも大きくなっている。

本実施形態では、ハブ１３の後縁側端部の接続位置直下における外側領域２２の厚さＬ０は、第一実施形態と同様に、背景技術の欄で説明した特許文献１に記載のプラットフォーム６０の外側領域２２の厚さＬ３とほぼ同じである。したがって、ロータ周方向における冷却流路１４、２６、４４の開口１５、２７、４５位置の外側領域２２の厚さＬ４、Ｌ５、Ｌ６は、特許文献１に記載したプラットフォーム６０の外側領域２２の厚さＬ３よりも大きく形成されているため、従来のプラットフォーム６０に形成される冷却流路の径よりも大径の冷却流路１４、２６、４４を形成することができる。

上述したように、本実施形態におけるタービン動翼４１によれば、第一実施形態に係る効果に加えて、従来のプラットフォーム６０に形成される冷却流路６４よりも大径の冷却流路１４、２７、４４を備えているので、プラットフォーム１６の冷却能力を大幅に向上させることができる。

次に、タービン動翼の第三実施形態について説明する。本発明の第三実施形態は、第一実施形態のプラットフォーム１６内に、翼形部１２の背側の翼面８形状に沿った冷却流路５４を更に設けたものである。

図８は、本発明の第三実施形態に係るプラットフォーム１６を示す断面図である。
図８に示すように、冷却流路５４は、翼面１０の後縁側の形状に沿って、翼形部１２の背側のプラットフォーム１６内に形成されている。

冷却流路５４の一端側は、プラットフォーム１６の後縁側の端面１８における外側領域２２に開口５５している。冷却流路５４の径は、冷却流路１４の径よりも小さく形成されている。また、冷却流路５４の他端側は、プラットフォーム１６の基端部２側の表面に開口５６している。

次に、ロータ３０内から冷却流路５４までの冷却空気の流れについて説明する。

図４に示すように、冷却空気は、ロータ３０内のシールディスク３４及びディスクキャビィティ３５を通って、プラットフォームキャビィティ３６に流入し、プラットフォーム１６の基端部２側の表面に形成されている開口５６から冷却流路５４に流入する。冷却流路５４に流入した冷却空気は、プラットフォーム１６を冷却して、後縁側の開口５５から排出される。
なお、冷却空気の供給系統は、これに限定されるものではなく、例えば、第一実施形態で説明した翼形部１２に連通する冷却流路２４に冷却流路５４の他端を接続して、冷却流路２４から分岐することとしてもよい。

また、本実施形態では、冷却流路５４を第一実施形態のプラットフォーム１６に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第二実施形態のプラットフォーム４２にも適用可能である。

上述したように、本実施形態におけるタービン動翼５１によれば、第一及び第二実施形態に係る効果に加えて、冷却流路５４を備えているので、プラットフォーム１６の後縁側端部の冷却能力を大幅に向上させることができる。

次に、タービン動翼の第四実施形態について、図９に基づいて説明する。本発明の第四実施形態は、プラットフォーム１６の後縁側の端面１８における外側領域２２のロータ径方向における厚さを変えたことを除き、他の部分は第一実施形態と同じである。

すなわち、図９に示すように、本実施形態では、プラットフォーム１６の後縁側の端面１８における外側領域２２のロータ径方向における厚さが、プラットフォーム１６の背側のロータ軸方向に配置された冷却流路１４の開口１５近傍では、開口１５が配置できるような厚さＬ１とし、そこから後縁側端部直下を経て腹側端部までの間の外側領域は、厚さＬ１より薄い同一の厚さＬ２で形成してもよい。本実施形態の場合も、第一実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。

Claims (6)

1. ロータに固定される基端部と、
   前記ロータの径方向に延在し、前縁と後縁との間における翼形状を形成する腹側及び背側の翼面を有する翼形部と、
   前記基端部と前記翼形部との間に設けられ、前記ロータの周方向に沿った凹部が前記後縁側の端面に形成され、該凹部の前記ロータの径方向外側に位置する前記端面の外側領域に開口する冷却流路が内部に形成されたプラットフォームとを備えるタービン動翼であって、
   前記端面の前記外側領域に開口する前記冷却流路の前記外側領域のロータ径方向における厚さは、前記プラットフォームに接続される前記翼形部のハブの後縁側端部に対応する前記外側領域の前記ロータの径方向における厚さより大きくなることを特徴とするタービン動翼。
2. 前記プラットフォームの後縁側の前記端面において、前記外側領域の前記ロータの径方向における厚さは、前記翼形部の背側から前記ハブの前記後縁側端部に向かって徐々に小さくなることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
3. 前記冷却流路は、前記ロータの軸方向に沿って前記プラットフォーム内に複数形成され、
   互いに隣接する前記冷却流路のうち前記翼形部の腹側に配置された前記冷却流路の径は、前記翼形部の背側に配置された前記冷却流路の径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン動翼。
4. 前記プラットフォームの後縁側の前記端面において、前記外側領域の前記ロータの径方向における厚さは、前記翼形部の背側から前記ハブの後縁側端部に向かって徐々に小さくなり、前記翼形部の腹側から前記ハブの後縁側端部に向かって徐々に小さくなることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
5. 前記冷却流路は、前記ロータの軸方向に沿って前記プラットフォーム内に複数形成され、
   互いに隣接する前記冷却流路のうち前記ハブの後縁端部に近い方の前記冷却流路の径は、前記ハブの後縁端部から遠い方の前記冷却流路の径より小さいことを特徴とする請求項１又は４に記載のタービン動翼。
6. 前記冷却流路は、前記背側の翼面の後縁側形状に沿って前記プラットフォームの後縁側端部に形成されることを特徴とする請求項１〜５のうち何れか一項に記載のタービン動翼。
   

Images