JPWO2018155635A1 - タービン動翼及びガスタービン - Google Patents

Abstract

周方向一方側を向く負圧面（５１）と周方向他方側を向く圧力面（５２）とが前縁（５３）及び後縁（５４）で接続されており、径方向に延びる翼本体（５０）と、翼本体（５０）の径方向外側の端部となる先端に設けられたシュラウド（６０）とを備え、シュラウド（６０）は、径方向外側を向く外周面（６３）、翼本体（５０）の前縁（５３）側を基点（Ｐ１）として周方向両側に延びる前端面（６４）、翼本体（５０）の後縁（５４）側を基点（Ｐ２）として周方向両側に延びる後端面（６７）、及び周方向両側に設けられたコンタクト面を有するシュラウド本体（６１）と、外周面（６３）から突出し、前端面（６４）と後端面（６７）とにわたって延びる補強部（９０）とを備える。

Description

本発明は、タービン動翼及びガスタービンに関する。
本願は、２０１７年２月２３日に出願された特願２０１７−０３１７６７号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えばガスタービンのタービン動翼として、翼端部にシュラウドを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。特にタービンの最終段の長尺の動翼では、隣接する各タービン動翼のシュラウドのコンタクト面同士が接触し合うことで、高速回転時に発生する振動を抑制している。また、シュラウドの外周面上には、周方向に延びるフィンが設けられている。これにより、タービンを駆動させる燃焼ガスがケーシングの内周面とシュラウドの外周面との間に形成される隙間から流出してしまうことを抑制している。

特開２００５−２０７２９４号公報

ところで、近年のガスタービンの高出力化・高性能化に伴い、特にタービンの最終段の動翼の長翼化が図られている。タービンから排出される排気ガスの流速を出来る限り減少させ、タービン効率を上げるためには、最終段の動翼の翼長を伸ばし、接触面積を増大させることが有効である。

一方でこのような長翼化が進めば、シュラウドに作用する遠心力も大きくなるため、特にシュラウドの翼本体に対する付け根部分の応力が非常に大きくなる。これに対して、例えば翼本体とシュラウドとを溶接する際のフィレットを大きくすることで剛性を高める手法が知られている。しかしながら、フィレットは燃焼ガスの主流路に張り出しているため、燃焼ガスによる仕事を妨げ、効率低下を招いてしまう。

ここで特許文献１に記載のタービン動翼では、シュラウドにおけるコンタクト面から翼本体の前縁まで至る領域、及び、コンタクト面から翼本体の後縁まで至る領域に補強用リブを設けて応力を低減する構成が開示されている。しかしながら当該タービン動翼では、補強用リブの存在領域が十分ではなく、発生する応力に適切に対応することができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、効率低下を抑制しながら、シュラウドに生じる応力に抗することのできるタービン動翼及びガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様に係るタービン動翼は、周方向一方側を向く負圧面と周方向他方側を向く圧力面とが前縁及び後縁で接続されており、径方向に延びる翼本体と、該翼本体の径方向外側の端部となる先端に設けられたシュラウドとを備え、前記シュラウドは、径方向外側を向く外周面、前記翼本体の前縁側を基点として周方向両側に延びる前端面、前記翼本体の後縁側を基点として周方向両側に延びる後端面、及び、周方向両側に設けられたコンタクト面を有するシュラウド本体と、前記外周面から突出し、前記前端面と前記後端面とにわたって延びる補強部とを備える。

上記構成のタービン動翼によれば、補強部がシュラウド本体の前端面と後端面とにわたって形成されている。したがって、翼本体の前縁と後縁との間の全域にわたって補強部が存在することになる。このため、シュラウドの翼本体に対する付け根部分の全域で剛性を確保することができる。また、補強部はシュラウドの外周面に設けられているため、燃焼ガスの主流路に影響を与えることはない。

上記タービン動翼では、前記前端面は、前記前縁側の基点から周方向一方側に延びる第一前端面と、前記前縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一前端面と交差して延びる第二前端面とを有し、前記後端面は、前記後縁側の基点から周方向一方側に延びる第一後端面と、前記後縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一後端面と交差して延びる第二後端面とを有し、前記補強部は、前記第一前端面と前記第一後端面とにわたって延びる第一補強用リブを有していてもよい。

第一補強用リブが周方向一方側、即ち、翼本体の負圧面側に形成されているため、特にシュラウドにおける翼本体の負圧面側の応力が大きくなる場合は、当該応力に対して、第一補強用リブによる剛性の増加により対応することができる。

上記タービン動翼では、前記シュラウドは、前記翼本体の負圧面と前記シュラウド本体の内周面とが接続される部分に形成され、前記翼本体の負圧面から前記シュラウド本体の内周面に曲面状をなして連なる第一フィレット部を備え、前記第一補強用リブは、前記シュラウド本体を挟んで前記第一フィレット部と周方向に重複して配置されてもよい。

シュラウド本体には、タービン動翼の回転に伴い径方向外側に遠心力が作用するが、ガスタービンの作動効率向上を目的としてタービン動翼の長翼化が図られるに従い、シュラウド本体に作用する遠心力も増大するため、その対策を施す必要がある。従来は、翼本体とシュラウド本体との接続部分に形成されるフィレット部を大きくして強度を増すなどの対策も講じられたが、フィレット部を大きくするとシュラウド内部の燃焼ガス主流路の断面積を減少させることになり、タービン動翼の長翼化の目的を損ねることになるので好ましくない。
上記タービン動翼には、翼本体の負圧面と前記シュラウド本体の内周面とが接続される部分に、前記翼本体の負圧面から前記シュラウド本体の内周面に曲面状をなして連なる第一フィレット部が形成され、前記第一補強用リブがシュラウド本体を挟んで前記第一フィレット部と周方向に重複しているので、タービン動翼の長翼化に伴いシュラウド本体に作用する遠心力が増大しても、ガス主流路の断面積を減じることなく、シュラウド本体に対する遠心力の影響を小さくすることができる。つまり、翼本体の負圧面側のシュラウドの剛性が増すので、シュラウドにおける翼本体の負圧面側の応力が大きくなったとしても、シュラウド本体の変形を抑制することができる。

上記タービン動翼では、前記補強部は、前記第二前端面と前記第二後端面とにわたって延びる第二補強用リブをさらに有していてもよい。

第二補強用リブが周方向他方側、即ち、翼本体の圧力面側に形成されているため、特にシュラウドにおける翼本体の圧力面側の応力が大きくなる場合は、当該応力に対して、第二補強用リブによる剛性の増加により対応することができる。つまり、翼本体の負圧面側に第一補強用リブが存在し、圧力面側に第二補強用リブが存在するため、翼本体の両側に該翼本体の前縁から後縁までにわたっての高剛性領域を形成することができる。

上記タービン動翼では、前記前端面は、前記前縁側の基点から周方向一方側に延びる第一前端面と、前記前縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一前端面と交差して延びる第二前端面とを有し、前記後端面は、前記後縁側の基点から周方向一方側に延びる第一後端面と、前記後縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一後端面と交差して延びる第二後端面とを有し、前記補強部は、前記第二前端面と前記第二後端面とにわたって延びる第二補強用リブを有していてもよい。

上記タービン動翼では、前記シュラウドは、前記翼本体の圧力面と前記シュラウド本体の内周面とが接続される部分に形成され、前記翼本体の圧力面から前記シュラウド本体の内周面に曲面状をなして連なる第二フィレット部を備え、前記第二補強用リブは、前記シュラウド本体を挟んで前記第二フィレット部と周方向に重複して配置されてもよい。

上記タービン動翼には、翼本体の圧力面と前記シュラウド本体の内周面とが接続される部分に、前記翼本体の圧力面から前記シュラウド本体の内周面に曲面状をなして連なる第二フィレット部が形成され、前記第二補強用リブがシュラウド本体を挟んで第二フィレット部と周方向に重複しているので、タービン動翼の長翼化に伴いシュラウド本体に作用する遠心力が増大しても、ガス主流路の断面積を減じることなく、シュラウド本体に対する遠心力の影響を小さくすることができる。つまり、翼本体の圧力面側のシュラウドの剛性が増すので、シュラウドにおける翼本体の圧力面側の応力が大きくなったとしても、シュラウド本体の変形を抑制することができる。

本発明の第二態様に係るガスタービンは、空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機と、前記高圧空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、複数の動翼が周方向に配列されてなる動翼段を複数段有し、前記燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備え、複数の前記動翼段のうち少なくとも最終段の前記動翼段の前記動翼が、上記いずれかのタービン動翼である。
これによって、タービンの最終段でのシュラウドの剛性を高めることができる。

本発明のタービン動翼及びガスタービンによれば、効率低下を抑制しながら、シュラウドに生じる応力に抗することができる。

第一実施形態に係るガスタービンの模式的な縦断面図である。 第一実施形態に係るタービン動翼を径方向外側から見た図である。 図２のＩＩ−ＩＩ断面図である。 第一実施形態の変形例に係るタービン動翼を径方向外側から見た図である。 第二実施形態に係るタービン動翼を径方向外側から見た図である。 第二実施形態の変形例に係るタービン動翼を径方向外側から見た図である。 第三実施形態に係るタービン動翼を、径方向外側から見た図である。 第三実施形態の変形例に係るタービン動翼を径方向外側から見た図である。

以下、本発明に係る第一実施形態について図１から図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１は、高圧空気を生成する圧縮機１０と、高圧空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器２０と、燃焼ガスによって駆動されるタービン３０とを備えている。

圧縮機１０は、軸線Ｏ回りに回転する圧縮機ロータ１１と、圧縮機ロータ１１を外周側から覆う圧縮機ケーシング１２とを有している。圧縮機ロータ１１は、軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしている。圧縮機ロータ１１の外周面上には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼段１３が設けられている。各圧縮機動翼段１３は、圧縮機ロータ１１の外周面上で軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼１４を有している。

圧縮機ケーシング１２は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。圧縮機ケーシング１２の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼段１５が設けられている。これらの圧縮機静翼段１５は、上記の圧縮機動翼段１３に対して、軸線Ｏ方向から見て交互に配列されている。各圧縮機静翼段１５は、圧縮機ケーシング１２の内周面上で、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼１６を有している。

燃焼器２０は、上記の圧縮機ケーシング１２と、後述するタービンケーシング３２との間に設けられている。圧縮機１０で生成された高圧空気は、燃焼器２０内部で燃料と混合されて予混合ガスとなる。燃焼器２０内で、この予混合ガスが燃焼することで高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、タービンケーシング３２内に導かれてタービン３０を駆動する。

タービン３０は、軸線Ｏ回りに回転するタービンロータ３１と、タービンロータ３１を外周側から覆うタービンケーシング３２とを有している。タービンロータ３１は、軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしている。タービンロータ３１の外周面上には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段３３が設けられている。各タービン動翼段３３は、タービンロータ３１の外周面上で、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼４０，４０Ａを有している。このタービンロータ３１は、上記の圧縮機ロータ１１に対して軸線Ｏ方向に一体に連結されることで、ガスタービンロータを形成する。

タービンケーシング３２は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。タービンケーシング３２の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼段３５が設けられている。これらのタービン静翼段３５は、上記のタービン動翼段３３に対して、軸線Ｏ方向から見て交互に配列されている。各タービン静翼段３５は、タービンケーシング３２の内周面上で、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼３６を有している。タービンケーシング３２は、上記の圧縮機ケーシング１２に対して軸線Ｏ方向に連結されることで、ガスタービン１ケーシングを形成する。すなわち、上記のガスタービン１ロータは、このガスタービン１ケーシング内で、軸線Ｏ回りに一体に回転可能とされている。

次に、複数のタービン動翼段３３のうちの最終段のタービン動翼段３３におけるタービン動翼４０Ａの詳細構成について、図２及び図３を参照して説明する。本実施形態では、最終段のタービン動翼４０Ａのみに本発明を適用している。
タービン動翼４０Ａは、翼本体５０、シュラウド６０及び補強部９０を有している。

翼本体５０は、軸線Ｏの径方向に延びるブレード状をなしている。翼本体５０は、負圧面５１と圧力面５２とを有している。負圧面５１は、軸線Ｏの周方向一方側（タービンロータ３１の回転方向Ｒ前方側、図２及び図３の左側）を向く面であって、周方向一方側に凸となる凸曲面状をなしている。圧力面５２は、軸線Ｏの周方向他方側（タービンロータ３１の回転方向Ｒ後方側、図２及び図３の右側）を向く面であって、周方向一方側に凹となる凹曲面状をなしている。

負圧面５１と圧力面５２とは、軸線Ｏ方向一方側（燃焼ガスの流通方向上流側）で互いに接続されており、接続により形成される稜線が、径方向にわたって延びる翼本体５０の前縁５３とされている。負圧面５１と圧力面５２とは、軸線Ｏ方向他方側（燃焼ガスの流通方向下流側）で互いに接続されており、接続により形成される稜線が、径方向にわたって延びる翼本体５０の後縁５４とされている。
翼本体５０の前縁５３は後縁５４よりも周方向一方側に位置している。

翼本体５０は、径方向外側に向かうにしたがって、前縁５３と後縁５４との距離（コード長）が小さくなり、かつ、負圧面５１と正圧面との距離（翼厚さ）が小さくなるように構成されている。なお、翼本体５０の内部には、冷却空気が流通するための冷却流路が形成されている。

シュラウド６０は、シュラウド本体６１とフィン８０とを有している。
シュラウド本体６１は、翼本体５０の径方向外側となる先端部に、例えば溶接等によって一体に取り付けられている。シュラウド本体６１は、軸線Ｏ方向及び周方向に延びる板状をなしており、翼本体５０の先端部から周方向に張り出すように設けられている。

翼本体５０における径方向内側を向く内周面６２は、周方向の中央部で翼本体５０の先端部に固定されている。翼本体５０の負圧面５１とシュラウド本体６１の内周面６２とが接続する部分には第一フィレット部Ｆ１が形成され、翼本体５０の圧力面５２とシュラウド本体６１の内周面６２とが接続する部分には第二フィレット部Ｆ２が形成されている。

第一フィレット部Ｆ１は、タービンロータ３１の径方向に平行な断面形状においては翼本体５０の負圧面５１とシュラウド本体６１の内周面６２との間を滑らかに繋ぐ弧を描くように曲面状をなし、翼本体５０の負圧面５１及びシュラウド本体６１の内周面６２に沿って翼本体５０の翼弦方向に連なっている。第二フィレット部Ｆ２は、タービンロータ３１の径方向に平行な断面形状においては翼本体５０の圧力面５２とシュラウド本体６１の内周面６２との間を滑らかに繋ぐ弧を描くように曲面状をなし（図３参照）、翼本体５０の圧力面５２及びシュラウド本体６１の内周面６２に沿って翼本体５０の翼弦方向に連なっている。
第一、第二フィレット部Ｆ１、Ｆ２は、例えば翼本体５０とシュラウド本体６１とを溶接する際の溶接部（ビード）によって形成されている。

シュラウド本体６１の径方向外側を向く外周面６３は、翼本体５０の負圧面５１側及び圧力面５２側に張り出すような形状をなしている。即ち、シュラウド本体６１の外周面６３は、径方向から見てシュラウド本体６１の内周面６２と同様の形状をなしている。
このようなシュラウド本体６１の内周面６２と外周面６３とは、前端面６４、後端面６７、第一側端面７０及び第二側端面７４とによって径方向に接続されている。

前端面６４は、シュラウド本体６１の軸線Ｏ方向一方側（軸線Ｏ方向の上流側）を形成する端面である。前端面６４は、燃焼ガスの上流側を向き、周方向に延びている。前端面６４は、翼本体５０の前縁５３側に形成されており、一部が前縁５３よりもさらに上流側に位置している。

前端面６４は、第一前端面６５と第二前端面６６とを有している。
第一前端面６５は、翼本体５０の前縁５３よりもさらに上流側の位置を基点Ｐ１として、周方向一方側に向かって延びている。第一前端面６５は、上記基点Ｐ１から周方向一方側に向かうにしたがって燃焼ガスの下流側に向かって漸次延びている。第一前端面６５の周方向一方側かつ下流側の端部は、翼本体５０の前縁５３よりも下流側、かつ、翼本体５０の後縁５４よりも上流側に位置している。

第二前端面６６は、第一前端面６５の基点Ｐ１と同様の位置を基点として、周方向他方側に向かって延びている。第二前端面６６は、上記基点Ｐ１から周方向他方側に向かうにしたがって漸次燃焼ガスの下流側に向かって延びている。第二前端面６６の周方向他方側かつ下流側の端部は、翼本体５０の前縁５３よりも下流側、かつ、翼本体５０の後縁５４よりも上流側に位置している。第一前端面６５と第二前端面６６とは基点Ｐ１で交差して稜線を形成している。
本実施形態では、第一前端面６５よりも第二前端面６６の方が周方向の寸法が大きく形成されている。即ち、径方向から見たときの長さは、第一前端面６５よりも第二前端面６６の方が長い。

後端面６７は、シュラウド本体６１の軸線Ｏ方向他方側（軸線Ｏ方向の下流側）を形成する端面である。後端面６７は、燃焼ガスの下流側を向き、周方向に延びている。後端面６７は、翼本体５０の後縁５４側に形成されており、一部が後縁５４よりもさらに下流側に位置している。

後端面６７は、第一後端面６８と第二後端面６９とを有している。
第一後端面６８は、翼本体５０の後縁５４よりもさらに下流側の位置を基点Ｐ２として、周方向一方側に向かって延びている。第一後端面６８は、上記基点Ｐ２から周方向一方側に向かうにしたがって漸次燃焼ガスの上流側に向かって延びている。第一後端端面の周方向一方側かつ上流側の端部は、翼本体５０の後縁５４よりも上流側、かつ、翼本体５０の前縁５３よりも下流側に位置している。

第二後端面６９は、第一後端面６８の基点Ｐ２と同様の位置を基点Ｐ２として、周方向他方側に向かって延びている。第二後端面６９は、上記基点Ｐ２から周方向他方側に向かうにしたがって漸次燃焼ガスの上流側に向かって延びている。第二後端面６９の周方向他方側かつ上流側の端部は、翼本体５０の後縁５４よりも上流側、かつ、翼本体５０の前縁５３より下流側に位置している。第一後端面６８と第二後端面６９とは基点Ｐ２で交差して稜線を形成している。
本実施形態では、第二後端面６９よりも第一後端面６８の方が周方向の寸法が大きく形成されている。即ち、径方向から見たときの長さは、第二後端面６９よりも第一後端面６８の方が長い。

第一側端面７０は、シュラウド本体６１の周方向一方側（回転方向Ｒ前方側）を形成する端面である。第一側端面７０は、シュラウド本体６１の内周面６２と外周面６３とを接続するとともに、第一前端面６５と第一後端面６８とを軸線Ｏ方向に接続している。第一側端面７０は、第一前側面７１、第一後側面７２及び第一コンタクト面７３を有している。

第一前側面７１は、上流側の端部が第一前端面６５に接続されており、下流側かつ周方向他方側に向かって延びている。
第一後側面７２は、下流側の端部が第一後端面６８に接続されており、上流側かつ周方向一方側に向かって延びている。

第一コンタクト面７３は、第一前側面７１と第一後側面７２とを接続している。第一コンタクト面７３は、第一前側面７１との接続箇所から下流側かつ周方向一方側に向かって延びて、第一後側面７２に接続されている。第一コンタクト面７３は、径方向内側又は外側を向くように傾斜していてもよい。

第二側端面７４は、シュラウド本体６１の周方向他方側（回転方向Ｒ後方側）を形成する端面である。第二側端面７４は、シュラウド本体６１の内周面６２と外周面６３とを接続するとともに、第二前端面６６と第二後端面６９とを軸線Ｏ方向に接続している。第二側端面７４は、第二前側面７５、第二後側面７６及び第二コンタクト面７７を有している。

第二前側面７５は、上流側の端部が第二前端面６６に接続されており、下流側かつ周方向他方側に向かって延びている。
第二後側面７６は、下流側の端部が第二後端面６９に接続されており、上流側かつ周方向一方側に向かって延びている。

第二コンタクト面７７は、第二前側面７５と第二後側面７６とを接続している。第二コンタクト面７７は、第二前側面７５との接続箇所から下流側かつ周方向一方側に向かって延びて、第二後側面７６に接続されている。第二コンタクト面７７は、径方向外側又は内側を向くように傾斜していてもよい。

複数のタービン動翼４０Ａによってタービン動翼段３３が構成された際には、互いに隣り合うタービン動翼４０Ａの第一コンタクト面７３、第二コンタクト面７７同士が接触する。これによって、動翼段全体としての剛性が確保されている。

フィン８０は、シュラウド本体６１の外周面６３から突出し、周方向に延びている。フィン８０は、シュラウド本体６１の第一側端面７０と第二側端面７４とにわたって延びている。フィン８０は、シュラウド本体６１の第一前側面７１と第一コンタクト面７３との境界から、第二前側面７５と第二コンタクト面７７との境界とにわたって周方向に延びている。

補強部９０は、シュラウド６０の外周面６３から突出するように設けられており、前端面６４と後端面６７とにわたって延びている。補強部９０は、第一補強用リブ９１と第二補強用リブ９２とを有する。

第一補強用リブ９１は、第一前端面６５と第一後端面６８とにわたって連続的に延びている。第一補強用リブ９１は、シュラウド本体６１の外周面６３における翼本体５０の負圧面５１よりもさらに周方向一方側に形成されている。即ち、第一補強用リブ９１は、径方向から見たときに、負圧面５１の向く回転方向Ｒ前方側に、該負圧面５１と離間するように配置されている。第一補強用リブ９１は第一前端面６５から第一後端面６８に向かうにしたがって周方向他方側に向かうように延在している。即ち、第一補強用リブ９１は、翼本体５０の負圧面５１に沿うように延在している。

第二補強用リブ９２は、第二前端面６６と第二後端面６９とにわたって連続的に延びている。第二補強用リブ９２は、シュラウド本体６１の外周面６３における翼本体５０の圧力面５２よりもさらに周方向他方側に形成されている。即ち、第二補強用リブ９２は、径方向から見たときに、圧力面５２の向く回転方向Ｒ後方側に、該圧力面５２と離間するように配置されている。第二補強用リブ９２は第二前端面６６から第二後端面６９に向かうにしたがって周方向他方側に向かうように延在している。即ち、第二補強用リブ９２は、翼本体５０の圧力面５２に沿うように延在している。
径方向から見たときに、第一補強用リブ９１と第二補強用リブ９２とによって、翼本体５０が周方向から挟まれている。

第一補強用リブ９１及び第二補強用リブ９２の延在方向に直交する幅方向の寸法は、フィン８０の延在方向に直交する幅寸法よりも大きい。
第一補強用リブ９１及び第二補強用リブ９２の高さ（径方向の寸法）は、フィン８０の高さよりも小さい。

次に上記構成のガスタービン１及びタービン動翼４０Ａの作用効果について説明する。
ガスタービン１を運転するに当たっては、まず外部の駆動源によって圧縮機ロータ１１（ガスタービンロータ）を回転駆動する。圧縮機ロータ１１の回転に伴って外部の空気が順次圧縮され、高圧空気が生成される。この高圧空気は、圧縮機ケーシング１２内部の空間を通じて燃焼器２０内に供給される。

燃焼器２０内では、燃料ノズルから供給された燃料がこの高圧空気に混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはタービンケーシング３２内部の空間を通じてタービン３０内に供給される。タービン３０内では、タービン動翼段３３、及びタービン静翼段３５に燃焼ガスが順次衝突することで、タービンロータ３１（ガスタービン１ロータ）に対して回転駆動力が与えられる。この回転エネルギーは、軸端に連結された発電機Ｇ等の駆動に利用される。そして、燃焼ガスは、最終的に最終段のタービン動翼４０Ａを経て、排気ディフューザを介して外部に排出される。

ここで、最終段のタービン動翼４０Ａは、他の段のタービン動翼４０に比べて一般に翼長が大きい。そのため、ガスタービン１の運転時には、最終段のタービン動翼４０Ａは遠心力の影響を受け、特にシュラウド本体６１の翼本体５０に対する付け根部分での応力が大きくなる。
これに対して、本実施形態では、補強部９０がシュラウド本体６１の前端面６４と後端面６７とにわたって形成されている。したがって、翼本体５０の前縁５３と後縁５４との間の全域にわたって補強部９０が存在することになる。このため、シュラウド６０の翼本体５０に対する付け根部分の全域で剛性を確保することができる。

ここで、シュラウド本体６１の付け根部分での剛性を高めるためには、例えば、シュラウド本体６１の内周面６２を補強することが考えられ、例えばフィレット部Ｆ１、Ｆ２を大きくすることにより剛性を確保することも考えられる。しかしながらこの場合、フィレットを大きくすることが燃焼ガスの流路を狭めることになるため、タービン３０効率を低下させてしまう。本実施形態では、シュラウド本体６１の外周面６３に補強部９０が形成されているため、フィレットを大きくするのを最小に留めることができる。これにより、タービン３０効率の低下を回避しながら、シュラウド本体６１の剛性を高めることができる。

また、仮に補強部９０が前端面６４と後端面６７とにわたらず一部のみに存在している場合、前端面６４と後端面６７との間で剛性が高い部分と低い部分が存在することになる。このような場合には、シュラウド６０に作用する遠心力が非常に大きな場合には、やはりシュラウド６０の付け根部分の剛性確保には不十分である。当該付け根部分は、翼本体５０の負圧面５１及び圧力面５２の軸線Ｏ方向全域にわたって存在するため、前端面６４と後端面６７とにわたって補強部９０を設けることで、始めて十分な剛性を確保することができる。

さらに、本実施形態では、第一補強用リブ９１が、第一前端面６５と第一後端面６８とにわたって形成されており、即ち、翼本体５０の負圧面５１側に形成されている。これによって、負圧面５１側におけるシュラウド本体６１の翼本体５０に対する付け根部分の剛性を適切に確保することができる。
さらに、第二補強用リブ９２が、第二前端面６６と第二後端面６９とにわたって形成されており、即ち、翼本体５０の圧力面５２側に形成されている。これによって、圧力面５２側におけるシュラウド本体６１の翼本体５０に対する付け根部分の剛性を適切に確保することができる。

したがって、本実施形態によれば、翼本体５０の負圧面５１側及び圧力面５２側でのシュラウド本体６１の付け根部分の双方について、剛性をバランスよく確保することができるため、シュラウド本体６１が翼本体５０に対してめくり上がるように変形してしまうことを効果的に抑制することができる。

さらに、第一実施形態の変形例について図４を参照して説明する。図４に示すタービン動翼４０Ａａは、第一実施形態のタービン動翼４０Ａと同じく最終段の動翼である。このタービン動翼４０Ａａを、タービンロータの径方向に対して平行に断面視すると、第一補強用リブ９１は、第一フィレット部Ｆ１と、シュラウド本体６１を挟んでタービンロータ１３の周方向（回転方向Ｒ）に重複する位置に形成されている（重複部分Ｌ１）。第二補強用リブ９２は、第二フィレット部Ｆ２と、シュラウド本体６１を挟んでタービンロータ１３の周方向（回転方向Ｒ）に重複する位置に形成されている（重複部分Ｌ２）。

シュラウド本体６１には、タービン動翼４０の回転に伴い径方向外側に遠心力が作用するが、ガスタービン１の作動効率向上を目的としてタービン動翼４０の長翼化が図られるに伴い、シュラウド本体６１に作用する遠心力も増大するため、その対策を施す必要がある。本変形例では、第一補強用リブ９１が、翼本体５０の負圧面５１とシュラウド本体６１の内周面６２とが接続される部分に形成された第一フィレット部Ｆ１と、シュラウド本体６２を挟んで周方向に重複しているので、第一補強用リブ９１が形成された部分と翼本体５０の負圧面５１との間のシュラウド本体６１には、他の部分よりも高い剛性が付与されている。

さらに、第二補強用リブ９２も、翼本体５０の圧力面５２とシュラウド本体６１の内周面６２とが接続される部分に形成された第二フィレット部Ｆ２と、シュラウド本体６１を挟んで周方向に重複しているので、第二補強用リブ９２が形成された部分と翼本体５０の圧力面５２との間のシュラウド本体６１にも、他の部分よりも高い剛性が付与されている。

したがって、本変形例によれば、第一補強用リブ９１及び第二補強用リブ９２が形成された部分のシュラウド本体６１にタービンロータ３１の回転によって作用する遠心力が増大しても、その遠心力によりシュラウド本体６１に反りなどの変形が生じるのを抑制することができる。

次に、本発明の第二実施形態について図５を参照して説明する。第二実施形態では、第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
図５に示すタービン動翼４０Ｂは、第一実施形態のタービン動翼４０Ａと同じく最終段の動翼であるが、補強部９０として第一補強用リブ９１のみを備えており、第一実施形態の第二補強用リブ（９２）を備えてはいない。
タービン動翼４０Ｂの構造によれば、特に翼本体５０の負圧面５１側でのみ、シュラウド本体６１の付け根部分に応力が大きくなる場合がある。このような場合には、第一補強用リブ９１のみを設けることで、当該応力に適切に対応することができる。また、第二補強用リブ９２を設ける場合に比べて、シュラウド６０自体の重量が小さくなるため、遠心力の影響を抑えることができる。

さらに、第二実施形態の変形例について図６を参照して説明する。
図６に示すタービン動翼４０Ｂａも、第二実施形態のタービン動翼４０Ｂと同じく最終段の動翼である。このタービン動翼４０Ｂａには、翼本体５０の負圧面５１とシュラウド本体６１の内周面６２とが接続される部分に、第一実施形態の変形例と同じ構造の第一フィレット部Ｆ１が設けられている。第一フィレット部Ｆ１は、シュラウド本体６１を挟んで第一補強用リブ９１と重複している（重複部分Ｌ１）。なお、タービン動翼４０Ｂａには、第二補強用リブ（９２）は設けられていない。

本変形例によれば、第一補強用リブ９１が、シュラウド本体６２を挟んで第一フィレット部Ｆ１と周方向に重複しているので、第一補強用リブ９１が形成された部分と翼本体５０の負圧面５１との間のシュラウド本体６１には、他の部分よりも高い剛性が付与されている。これにより、動翼の長翼化に伴い第一補強用リブ９１が形成された部分のシュラウド本体６１にタービンロータ３１の回転によって作用する遠心力が増大しても、その遠心力によりシュラウド本体６１に反りなどの変形が生じるのを抑制することができる。

次に、本発明の第三実施形態について図７を参照して説明する。第三実施形態では、第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
図７に示すタービン動翼４０Ｃは、第一実施形態のタービン動翼４０Ａと同じく最終段の動翼であるが、補強部９０として第二補強用リブ９２のみを備えており、第一実施形態の第一補強用リブ９１を備えてはいない。
タービン動翼４０Ｃの構造によれば、特に翼本体５０の圧力面５２側でのみ、シュラウド本体６１の付け根部分に応力が大きくなる場合がある。このような場合には、第二補強用リブ９２のみを設ければよい。これによって、シュラウド本体６１の変形を抑制することができる。

さらに、第三実施形態の変形例について図８を参照して説明する。
図８に示すタービン動翼４０Ｃａも、第三実施形態のタービン動翼４０Ｃと同じく最終段の動翼である。このタービン動翼４０Ｃａには、翼本体５０の圧力面５２とシュラウド本体６１の内周面６２とが接続される部分に、第一実施形態の変形例と同じ構造の第二フィレット部Ｆ２が設けられている。第二補強用リブ９２は、シュラウド本体６１を挟んで第二フィレット部Ｆ２と重複している（重複部分Ｌ２）。なお、タービン動翼４０Ｃａには、第一補強用リブ（９１）は設けられていない。

本変形例によれば、第二フィレット部Ｆ２が、シュラウド本体６２を挟んで第二補強用リブ９２と周方向に重複しているので、第二補強用リブ９２が形成された部分と翼本体５０の圧力面５２との間のシュラウド本体６１には、他の部分よりも高い剛性が付与されている。これにより、動翼の長翼化に伴い第二補強用リブ９２が形成された部分のシュラウド本体６１にタービンロータ３１の回転によって作用する遠心力が増大しても、その遠心力によりシュラウド本体６１に反りなどの変形が生じるのを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば上記の各実施形態では、単一のフィン８０を設けた場合について説明したが、当該フィン８０が複数設けられていてもよい。

第一補強用リブ９１は、径方向から見たときに、翼本体５０の負圧面５１に沿って湾曲した形状をなしていてもよい。第二補強用リブ９２は径方向から見たときに、翼本体５０の圧力面５２に沿って湾曲した形状をなしていてもよい。

第一補強用リブ９１、第二補強用リブ９２は、前端面６４から後端面６７に向かうに従って、幅寸法（延在方向に直交する周方向の寸法）が変化してもよい。例えば、後端面６７に向かうに従って幅寸法が漸次大きくなってもよいし、漸次小さくなってもよい。

第一補強用リブ９１、第二補強用リブ９２は、前端面６４から後端面６７に向かうに従って、幅寸法が大きくなった後に小さくなってもよい。当該幅寸法の変化は、翼本体５０の厚さの寸法（負圧面５１と圧力面５２との周方向の距離）に対応して変化してもよい。
また、幅寸法と同様に、第一補強用リブ９１及び第二補強用リブ９２の高さ（径方向の寸法）が変化してもよい。
上記の各実施形態及びその変形例では、最終段のタービン動翼にのみ本発明を適用したが、最終段以外の他のタービン動翼に本発明を適用してもよい。

本発明は、タービン動翼及びガスタービンに関する。本発明によれば、効率低下を抑制しながら、シュラウドに生じる応力に抗することができる。

１ ガスタービン
１０ 圧縮機
１１ 圧縮機ロータ
１２ 圧縮機ケーシング
１３ 圧縮機動翼段
１４ 圧縮機動翼
１５ 圧縮機静翼段
１６ 圧縮機静翼
２０ 燃焼器
３０ タービン
３１ タービンロータ
３２ タービンケーシング
３３ タービン動翼段
３５ タービン静翼段
３６ タービン静翼
４０ タービン動翼
４０Ａ、４０Ａａ、４０Ｂ、４０Ｂａ、４０Ｃ、４０Ｃａ タービン動翼
５０ 翼本体
５１ 負圧面
５２ 圧力面
５３ 前縁
５４ 後縁
６０ シュラウド
６１ シュラウド本体
６２ 内周面
６３ 外周面
６４ 前端面
６５ 第一前端面
６６ 第二前端面
６７ 後端面
６８ 第一後端面
６９ 第二後端面
７０ 第一側端面
７１ 第一前側面
７２ 第一後側面
７３ 第一コンタクト面
７４ 第二側端面
７５ 第二前側面
７６ 第二後側面
７７ 第二コンタクト面
８０ フィン
９０ 補強部
９１ 第一補強用リブ
９２ 第二補強用リブ
Ｇ 発電機
Ｆ１ 第一フィレット部
Ｆ２ 第二フィレット部
Ｏ 軸線
Ｒ 回転方向
Ｐ１、Ｐ２ 基点

Claims (8)

1. 周方向一方側を向く負圧面と周方向他方側を向く圧力面とが前縁及び後縁で接続されており、径方向に延びる翼本体と、
   該翼本体の径方向外側の端部となる先端に設けられたシュラウドとを備え、
   前記シュラウドは、
   径方向外側を向く外周面、前記翼本体の前縁側を基点として周方向両側に延びる前端面、前記翼本体の後縁側を基点として周方向両側に延びる後端面、及び、周方向両側に設けられたコンタクト面を有するシュラウド本体と、
   前記外周面から突出し、前記前端面と前記後端面とにわたって延びる補強部とを備えるタービン動翼。
2. 前記前端面は、前記前縁側の基点から周方向一方側に延びる第一前端面と、前記前縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一前端面と交差して延びる第二前端面とを有し、
   前記後端面は、前記後縁側の基点から周方向一方側に延びる第一後端面と、前記後縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一後端面と交差して延びる第二後端面とを有し、
   前記補強部は、前記第一前端面と前記第一後端面とにわたって延びる第一補強用リブを有する請求項１に記載のタービン動翼。
3. 前記シュラウドは、前記翼本体の負圧面と前記シュラウド本体の内周面とが接続される部分に形成され、前記翼本体の負圧面から前記シュラウド本体の内周面に曲面状をなして連なる第一フィレット部を備え、
   前記第一補強用リブは、前記シュラウド本体を挟んで前記第一フィレット部と周方向に重複して配置されている請求項２に記載のタービン動翼。
4. 前記補強部は、前記第二前端面と前記第二後端面とにわたって延びる第二補強用リブを有する請求項２又は３に記載のタービン動翼。
5. 前記シュラウドは、前記翼本体の圧力面と前記シュラウド本体の内周面とが接続される部分に形成され、前記翼本体の圧力面から前記シュラウド本体の内周面に曲面状をなして連なる第二フィレット部を備え、
   前記第二補強用リブは、前記シュラウド本体を挟んで前記第二フィレット部と周方向に重複して配置されている請求項４に記載のタービン動翼。
6. 前記前端面は、前記前縁側の基点から周方向一方側に延びる第一前端面と、前記前縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一前端面と交差して延びる第二前端面とを有し、
   前記後端面は、前記後縁側の基点から周方向一方側に延びる第一後端面と、前記後縁側の基点から周方向他方側に向かって前記第一後端面と交差して延びる第二後端面とを有し、
   前記補強部は、前記第二前端面と前記第二後端面とにわたって延びる第二補強用リブを有する請求項１に記載のタービン動翼。
7. 前記シュラウドは、前記翼本体の圧力面と前記シュラウド本体の内周面とが接続される部分に形成され、前記翼本体の圧力面から前記シュラウド本体の内周面に曲面状をなして連なる第二フィレット部を備え、
   前記第二補強用リブは、前記シュラウド本体を挟んで前記第二フィレット部と周方向に重複して配置されている請求項６に記載のタービン動翼。
8. 空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機と、
   前記高圧空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   複数の動翼が周方向に配列されてなる動翼段を複数段有し、前記燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備え、
   複数の前記動翼段のうち少なくとも最終段の前記動翼段の前記動翼が、請求項１から７のいずれか一項に記載のタービン動翼であるガスタービン。

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