KR101173725B1 - 가스 터빈의 날개 구조체 - Google Patents

Abstract

2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모하기 위해서, 정익(21)의 경계부(28)보다도 외쪽측에 위치하는 부분을 로터의 회전 방향측으로 굽힌다. 이에 의해, 케이싱의 단벽과 동익의 칩부와의 칩 클리어런스로부터 연소 가스가 누출되고, 칩부(22) 부근의 정체 선(35)이 배면(24)측에 위치했을 경우라도, 경계부(28)보다도 외쪽측에 위치하는 부분은, 로터의 회전 방향측에 굽혀져 있으므로, 이 정체 선(35)도 로터의 회전 방향으로 치우쳐 위치하게 된다. 따라서, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 상이한 높이의 위치에 발생하는 정체 선(35)은, 로터의 회전 방향에 있어서 위치가 거의 정렬된 위치가 되고, 정익(21)으로 흐르는 연소 가스의, 해당 정익(21)의 높이 방향에 있어서 압력 분포의 변화를 저감할 수 있다. 그 결과, 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

Description

가스 터빈의 날개 구조체{BLADE STRUCTURE FOR GAS TURBINE}

본 발명은 가스 터빈의 날개 구조체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동익(moving blade)의 외단부와 케이싱과의 사이에 간극이 마련된 가스 터빈의 날개 구조체에 관한 것이다.

도 17은 종래의 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 동익 및 정익(stator blade)의 설명도이다. 도 18은 도 17의 D-D 단면도이다. 도 19는 도 18의 동익 및 정익의 사시도이다. 종래의 가스 터빈의 날개 구조체는, 케이싱(61)에 원환으로 배열된 복수 단의 정익(81)과, 회전축(66)을 중심으로 회전 가능한 로터(65)에 원환으로 배열된 복수 단의 동익(71)을 구비하고 있고, 정익(81)과 동익(71)은 로터(65)의 회전축(66) 방향으로 교대에 배설되어 있다. 또한, 이러한 가스 터빈의 날개 구조체에서는, 로터(65)의 직경 방향에 있어서 동익(71)의 외단부측인 칩부(72)측에는 슈라우드(도시 생략)가 마련되어 있지 않은 것이 있고, 특히 동익(71)의 고압단에서, 슈라우드가 마련되지 않은 경우가 많다. 이 경우, 동익(71)의 칩부(72)와 케이싱(61)의 단벽(62)과의 사이에는 간극이 마련되고, 소위 칩 클리어런스(90)가 마련된다. 이와 같이, 칩 클리어런스(90)가 마련될 경우, 로터(65)가 회전했을 때에 칩 클리어런스(90)로부터 연소 가스가 누출되어 하류측으 로 흐르는 경우가 있고, 이에 의해, 압력 손실이 커지게 되는 우려가 있다.

즉, 로터(65)가 회전한 경우에는, 연소 가스의 주류(92)는 동익(71)의 배면(74) 및 복면(腹面)(75)의 형상에 따라 흐르고, 동익(71)의 하류측에 위치하는 정익(81)의 방향으로 흐른다. 이와 같이, 정익(81)에 연소 가스가 흘렀을 경우, 이 연소 가스는 정익(81)의 전연(86) 부근의 배면(84)이나 복면(85)의 형상에 거의 따른 형상으로 흐르지만, 한편 칩 클리어런스(90)로부터 누출되어 흐르는 연소 가스인 누출 흐름(93)은 주류(92)의 연소 가스와는 다른 각도에서 정익(81)에 대하여 흐른다.

즉, 동익(71)에 따라 흐르는 연소 가스는 동익(71)의 배면(74)측과 복면(75)측에서 압력차가 있고, 배면(74)측보다도 복면(75)측의 쪽이 압력이 높게 되어 있다. 이에 의해, 복면(75)측을 흐르는 연소 가스는 칩 클리어런스(90)로부터 누출되어, 누출 흐름(93)이 되어서 배면(74)측으로 흐르고, 이 누출 흐름(93)은 연소 가스의 주류(92)와 교차하는 방향으로 흐른다. 이 때문에, 이 누출 흐름(93)이 정익(81)으로 흘렀을 경우, 연소 가스의 주류(92)와는 다른 각도에서 정익(81)에 대해서 흐르고, 이 누출 흐름(93)이 흐르는 방향은 정익(81)의 형상에 따른 방향에서는 아닌 것에 의해, 압력 손실이 크게 된다.

이 때문에, 종래의 가스 터빈의 날개 구조체에서는, 칩 클리어런스(90)로부터 누출되는 연소 가스에 의한 압력 손실의 저감을 도모하고 있는 것이 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에 기재의 가스 터빈에 있어서 날개 구조체에서는, 정익의 전연 부근에 있어서 배면과 복면과의 각도인 전연 사잇각(included angle)을, 정익의 외단부인 칩부와 칩부 이외로 상이하게 하고, 칩부 이외의 전연 사잇각보다 칩부의 전연 사잇각을 크게 하고 있다. 이에 의해, 정익의 전연 부근에 있어서, 정익의 형성 방향에 대한 칩 클리어런스로부터 누출된 연소 가스의 흐름 방향의 각도인 입사각(incidence angle)과 압력 손실과의 상대 관계의 변화가 작아진다. 따라서, 동익의 칩 클리어런스로부터 연소 가스가 누출된 경우에 있어서 압력 손실을 작게 할 수 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제 2002-213206 호 공보

도 20 및 도 21은 도 17의 정익으로 가스가 흘렀을 경우의 설명도이다. 여기에서, 동익(71)으로부터 정익(81)으로 연소 가스가 흘렀을 경우에는, 이 연소 가스는 정익(81)의 전연(86) 부근에서 정익(81)에 접촉하고, 정익(81)의 배면(84)측과 복면(85)측으로 분리되어서 흐르기 때문에, 정익(81)의 전연(86) 부근에는, 배면(84)측으로 흐르는 연소 가스와 복면(85)측으로 흐르는 연소 가스와의 경계로 되는 정체 선(stagnation line)(96)이 발생한다. 이와 같이, 동익(71)으로부터 정익(81)으로 흐른 연소 가스는, 정체 선(96)을 경계로서 배면(84)측과 복면(85)측으로 분리되어서 흐르기 때문에, 정익(81)의 전연(86) 부근에 있어서 정체 선(96)의 위치는, 정익(81)의 높이 방향의 어느 위치에서도 일정한 것이 바람직하지만, 동익(71)의 칩 클리어런스(90)로부터 연소 가스가 누출되어 누출 흐름(93)이 발생했을 경우에는, 정체 선(96)의 위치는 변화된다.

즉, 칩 클리어런스(90)로부터의 누출 흐름(93)이 정익(81)으로 흘렀을 경우, 누출 흐름(93)에 의한 연소 가스는 정익(81)의 전연(86) 부근에 있어서 배면(84)측으로 치우친 위치로부터 정익(81)으로 흐르기 때문에, 정익(81)의 칩부(82) 부근에서는, 정체 선(96)은 배면(84)측에 위치한다. 즉, 정익(81)에 발생하는 정체 선(96)은 칩부(82) 부근만이 배면(84)측으로 이동한다. 이 때문에, 정익(81)으로 흐르는 연소 가스의 압력 분포는 정익(81)의 높이 방향에 있어서 변화되고, 도 20 및 도 21에 있어서 등압력선(99)에 의해 도시하는 바와 같이, 정익(81)의 전연(86) 부근의 압력은, 칩부(82) 부근에서 배면(84) 방향으로 압력이 왜곡된다. 이에 의해, 정익(81)의 배면(84)측에서는, 칩부(82)측으로부터, 정익(81)의 높이 방향에 있어서 내단부(83)측으로 향하는 흐름이 유기(誘起)되고, 배면(84)측을 흐르는 연소 가스의 흐름 방향(98)은, 정익(81)의 전연(86)측으로부터 후연(87) 방향으로 향하면서 칩부(82)측으로부터 내단부(83) 방향으로 향하기 때문에, 강한 2차 흐름이 발생한다. 이에 의해, 2차 흐름 손실이 발생하고, 터빈 효율이 저하할 우려가 있다.

본 발명의 목적은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모하는 것이 가능한 가스 터빈의 날개 구조체를 제공하다 것이다.

상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는, 케이싱에 원환으로 배열된 정익과, 회전축을 중심으로 해서 회전 가능한 로터에 원환으로 배열된 동익을 구비하고, 상기 정익과 상기 동익은 상기 회전축 방향으로 교대로 마련되는 것에 의해 복수의 단을 구성하고 있고, 또한 상기 동익의 외단부와 상기 케이싱과의 사이에는 간극이 마련된 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서, 상기 케이싱과의 사이에 상기 간극이 마련된 상기 동익의 후단측의 상기 정익은, 상기 로터의 직경 방향에 있어서 상기 정익의 높이를 100%로 했을 경우에 상기 정익의 내단부로부터 상기 직경 방향에 있어서 외측을 향해서 상기 정익의 높이의 80%의 위치가 경계부로 되어 있고, 상기 경계부보다도 상기 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부가 상기 로터의 회전 방향측으로 굽혀져 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 정익의 경계부보다도 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부를 로터의 회전 방향측으로 굽혀지게 하고 있으므로, 로터의 회전 방향에 있어서 정체 선의 위치를 거의 정렬할 수 있다. 즉, 케이싱과 동익의 간극으로부터 연소 가스가 누출된 경우에는, 이 연소 가스는 동익의 후단측에 위치하는 정익의 전연 부근에서, 또한 외단부 부근의 배면측으로 흐르기 때문에, 이 부분 부근의 정체 선은 정익의 다른 부분에 발생하는 정체 선보다도 배면측에 위치하기 용이하게 되지만, 정익의 경계부보다도 외쪽측에 위치하는 부분은, 로터의 회전 방향측으로 굽혀져 있다. 이 때문에, 이 굽혀져 있는 부분에 발생하는 정체 선도, 이 부분이 굽혀지지 않고 있을 경우에 발생하는 정체 선의 위치보다도, 로터의 회전 방향으로 치우쳐 발생한다. 이에 의해, 정익의 높이 방향에 있어서 상이한 높이의 위치에 발생하는 정체 선은, 로터의 회전 방향에 있어서 위치가 거의 정렬된 위치로 된다. 따라서, 정익으로 흐르는 연소 가스의, 해당 정익의 높이 방향에 있어서 압력 분포의 변화를 저감할 수 있다. 그 결과, 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는, 또한, 상기 정익은, 상기 경계부보다도 상기 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부의 상기 회전축 방향에 있어서의 폭이, 상기 경계부보다도 상기 직경 방향에 있어서 내쪽측에 위치하는 부분의 상기 회전축 방향에 있어서의 폭보다도 좁게 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 정익의 경계부보다도 직경 방향의 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부의 회전축 방향에 있어서의 폭을, 경계부보다도 직경 방향의 내쪽측에 위치하는 부분의 회전축 방향에 있어서의 폭보다도 좁게 하고 있다. 이에 의해, 회전축 방향에 있어서의 폭이 좁아진 부분은, 어스펙트비가 커진 효과를 얻기 때문에, 동익으로부터 정익으로 흘러온 연소 가스의 흐름 방향은, 회전축 방향에 있어서의 폭이 좁아진 부분과 다른 부분에서 상이한 흐름 방향이 된다. 이 때문에, 케이싱과 동익과의 간극으로부터 누출된 연소 가스가, 동익의 후단측에 위치하는 정익의 전연 부근에서, 또한 외단부 부근의 배면측으로 흐른 경우라도, 이 부분은 회전축 방향에 있어서의 폭이 다른 부분보다도 좁게 형성되어 있는 것에 의해 연소 가스의 흐름 방향이 상이하기 때문에, 2차 흐름이 발생하기 어려워져 있다. 그 결과, 보다 확실하게 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는, 케이싱에 원환으로 배열된 정익과, 회전축을 중심으로 해서 회전 가능한 로터에 원환으로 배열된 동익을 구비하고, 상기 정익과 상기 동익은 상기 회전축 방향으로 교대로 마련되는 것에 의해 복수의 단을 구성하고 있고, 또한 상기 동익의 외단부와 상기 케이싱과의 사이에는 간극이 마련된 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서, 상기 케이싱과의 사이에 상기 간극이 마련된 상기 동익의 후단측의 상기 정익은, 상기 로터의 직경 방향에 있어서 상기 정익의 높이를 100%로 했을 경우에 상기 정익의 내단부로부터 상기 직경 방향에 있어서 외측을 향해서 상기 정익의 높이의 80%의 위치가 경계부로 되어 있고, 상기 경계부보다도 상기 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부의 상기 회전축 방향에 있어서의 폭이, 상기 경계부보다도 상기 직경 방향에 있어서 내쪽측에 위치하는 부분의 상기 회전축 방향에 있어서의 폭보다도 좁게 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 정익의 경계부보다도 직경 방향의 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부의 회전축 방향에 있어서의 폭을, 경계부보다도 직경 방향의 내쪽측에 위치하는 부분의 회전축 방향에 있어서의 폭보다도 좁게 하고 있다. 이에 의해, 회전축 방향에 있어서의 폭이 좁아진 부분은 어스펙트비가 커진 효과를 얻기 때문에, 동익으로부터 정익으로 흘러온 연소 가스의 흐름 방향은, 회전축 방향에 있어서의 폭이 좁아진 부분과 다른 부분에서 상이한 흐름 방향이 된다. 이 때문에, 케이싱과 동익과의 간극으로부터 누출된 연소 가스가, 동익의 후단측에 위치하는 정익의 전연 부근에서, 또한 외단부 부근의 배면측으로 흐른 경우라도, 이 부분은 회전축 방향에 있어서의 폭이 다른 부분보다도 좁게 형성되어 있는 것에 의해 연소 가스의 흐름 방향이 상이하기 때문에, 2차 흐름이 발생하기 어렵게 되어 있다. 그 결과, 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는, 상기 케이싱에 있어서 상기 정익이 마련되어 있는 측의 벽면인 단벽은, 상기 로터의 회전 방향에서 인접하는 상기 정익끼리의 사이에 위치하는 상기 단벽중, 상기 정익끼리의 중간 부분보다도 상기 로터의 회전 방향측에 위치하는 부분은, 상기 중간 부분보다도 상기 로터의 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 부분보다도 오목하게 되어 있는 부분을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 로터의 회전 방향에서 인접하는 정익끼리의 사이에 위치하는 단벽을, 정익끼리의 중간 부분보다도 로터의 회전 방향측에 위치하는 부분에, 중간 부분보다도 로터의 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 부분보다도 오목해져 있는 부분을 마련하고 있다. 상세하게는, 로터의 회전 방향에서 인접하는 정익끼리에 있어서, 로터의 회전 방향측에 위치하는 정익은 다른쪽의 정익에 대하여 배면을 향해 있고, 로터의 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 정익은 다른쪽의 정익에 대하여 복면을 향해 있다. 또한, 로터를 회전시킨 경우에는, 동익으로부터 정익으로 흐르는 연소 가스에 의해, 정익에서는 배면측과 복면측에서는 복면측의 쪽이 압력이 높게 되기 쉽게 되고, 이 압력차에 의해 2차 흐름이 발생하기 쉽게 되지만, 상술한 바와 같이 단벽에 오목해져 있는 부분을 마련하는 것에 의해, 배면측 부근의 공간 부분이 크게 되기 때문에, 2차 흐름을 저감할 수 있다.

즉, 정익끼리의 중간 부분보다도 로터의 회전 방향측에는, 대향하는 정익의 배면과 복면중 배면이 위치하고 있고, 중간 부분보다도 로터의 회전 방향의 반대 방향측에는, 대향하는 배면과 복면중 복면이 위치하고 있다. 이 때문에, 정익끼리의 중간 부분보다도 로터의 회전 방향측에 위치하는 부분의 단벽에, 중간 부분보다도 로터의 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 부분의 단벽보다도 오목하게 되어 있는 부분을 마련하는 것에 의해, 배면측 부근의 공간 부분이 크게 된다. 이와 같이, 단벽에 오목해져 있는 부분을 마련하고, 배면측 부근의 공간 부분을 크게 하는 것에 의해, 배면측과 복면측과의 압력은 동일한 정도로 되고, 케이싱과 동익과의 간극으로부터 누출된 연소 가스가 정익의 외단부 부근으로 흐른 경우라도, 대향하는 정익의 배면 부근과 복면 부근과의 사이의 압력차가 저감하기 때문에, 이 압력차에 기인하는 2차 흐름을 저감할 수 있다. 그 결과, 보다 확실하게 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.

도 1은 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 동익 및 정익의 설명도,

도 2는 도 1의 A-A 단면도,

도 3은 도 2에 도시하는 정익의 사시도,

도 4는 도 2에 도시하는 정익의 사시도,

도 5는 정익으로 흐르는 연소 가스의 유입각을 도시하는 설명도,

도 6은 정익의 높이 방향에 있어서 연소 가스의 유입각의 분포도,

도 7은 정익의 높이 방향에 있어서 손실의 분포를 도시하는 설명도,

도 8은 원주 방향에 있어서 정체 선의 위치와 단 효율과의 관계를 도시하는 설명도,

도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 설명도,

도 10은 도 9에 도시하는 정익의 사시도,

도 11은 축 방향 코드의 삭감의 정도와 단 효율과의 관계를 도시하는 설명도,

도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 설명도,

도 13은 도 12의 B-B 단면도,

도 14는 도 13의 C-C 단면도,

도 15는 정익의 높이 방향에 있어서 손실의 분포를 도시하는 설명도,

도 16은 단벽 깊이와 단 효율과의 관계를 도시하는 설명도,

도 17은 종래의 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 동익 및 정익의 설명도,

도 18은 도 17의 D-D 단면도,

도 19는 도 18의 동익 및 정익의 사시도,

도 20은 도 17의 정익으로 가스가 흐른 경우의 설명도,

도 21은 도 17의 정익으로 가스가 흐른 경우의 설명도.

부호의 설명

1, 61 : 케이싱 2, 62 : 단벽

5, 65 : 로터 6, 66 : 회전축

11, 71 : 동익 12, 72 : 칩부

14, 74 : 배면 15, 75 : 복면

16 : 전연 17 : 후연

21, 41, 81 : 정익 22, 82 : 칩부

23, 83 : 내단부 24, 84 : 배면

25, 85 : 복면 26, 86 : 전연

27, 87 : 후연 28 : 경계부

30, 90 : 칩 클리어런스 32, 92 : 주류

33, 93 : 누출 흐름 35, 96 : 정체 선

38, 98 : 흐름 방향 39, 99 : 등압력선

42 : 폭협시 흐름 방향 45 : 폭일정시 흐름 방향

51 : 단벽 52 : 최심부

53 : 등고선 101 : 정익 굽힘 형상 손실선

102 : 단벽 오목 형상 손실선 105 : 종래의 형상 손실선

이하에, 본 발명에 따른 가스 터빈의 날개 구조체의 실시예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시예에 있어서 구성 요소에는, 당업자가 치환 가능 또한 용이한 것, 또는 실질적으로 동일한 것이 포함된다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 회전축 방향은 후술하는 로터(5)의 회전축(6)과 평행한 방향을 말하고, 직경 방향은 회전축(6)과 직교하는 방향을 말한다. 또한, 원주 방향은 회전축(6)을 회전의 중심으로 되는 축으로서 로터(5)가 회전했을 때에 있어서의 원주 방향을 말하고, 회전 방향은 로터(5)가 회전축(6)을 중심으로 해서 회전하는 방향을 말한다.

실시예 1

도 1은 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 동익 및 정익의 설명도이다. 도 1에 도시하는 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에서는, 종래의 가스 터빈의 날개 구조체와 마찬가지로, 케이싱(1)에 원환으로 배열된 복수 단의 정익(21)과, 가스 터빈의 운전시에는 회전축(6)을 중심으로 회전 가능한 로터(5)에 원환으로 배열된 복수 단의 동익(11)을 구비하고 있다. 상세하게는, 로터(5)는 케이싱(1)의 내측에 마련되어 있고, 케이싱(1)은 해당 케이싱(1)의 내주면으로 되고 로터(5)에 대향하고 있는 벽면인 단벽(2)을 갖고 있다. 정익(21)은 이 단벽(2)에 접속되어서 단벽(2)으로부터 로터(5)를 향해서 형성되어 있고, 복수가 소정의 간격을 두고서 원주 방향으로 나란하게 마련되고, 원환으로 배열되어 있다.

또한, 동익(11)은 로터(5)에 접속되어서 로터(5)로부터 케이싱(1)의 단벽(2)을 향해서 형성되어 있고, 복수가 소정의 간격을 두고서 원주 방향으로 나란하게 마련되고, 원환으로 배열되어 있다. 이와 같이 형성되는 정익(21)과 동익(11)은 로터(5)의 회전축(6)과 평행한 방향인 회전축 방향으로 교대로 배설되어 있고, 회 전축 방향에 있어서 복수의 단을 구성하고 있다. 또한, 동익(11)은 케이싱(1)으로부터 이간되어 있고, 직경 방향에 있어서 동익(11)의 외단부인 칩부(12)와 케이싱(1)의 단벽(2)과의 사이에는 간극인 칩 클리어런스(30)가 마련되고 있다.

도 2는 도 1의 A-A 단면도이다. 도 3 및 도 4는 도 2에 도시하는 정익의 사시도이다. 동익(11) 및 정익(21)은 직경 방향으로 본 경우에 있어서 형상이 모두 원주 방향으로 만곡되어 있고, 동익(11)은 로터(5)의 회전 방향을 향해서 볼록하게 되도록 만곡되고, 정익(21)은 로터(5)의 회전 방향의 반대 방향, 즉 동익(11)이 만곡하고 있는 방향의 반대 방향으로 볼록하게 되도록 만곡되어 있다. 이와 같이 만곡해서 형성되는 동익(11)과 정익(21)은 모두 원주 방향에 있어서 양면중 볼록하게 되어 있는 측의 면이 배면(14, 24)으로 되어 있고, 오목하게 되어 있는 측의 면이 복면(15, 25)으로 되어 있다. 즉, 동익(11)에서는, 회전 방향측의 면이 배면(14)으로 되어 있고, 회전 방향과 반대측의 면이 복면(15)으로 되어 있다. 이와 역으로, 정익(21)은, 회전 방향과 반대측의 면이 배면(24)으로 되어 있고, 회전 방향측의 면이 복면(25)으로 되어 있다.

또한, 동익(11)은, 로터(5)의 회전시에 동익(11) 근방을 흐르는 연소 가스의 흐름 방향에 있어서 상류측이 전연(16)으로 되어 있고, 하류측이 후연(17)으로 되어 있다. 이들 전연(16)과 후연(17)은, 전연(16)이 후연(17)보다도 회전 방향측에 위치하고 있다. 또한, 동익(11)은, 전연(16)으로부터 후연(17)을 향함에 따라서, 원주 방향에 있어서의 두께, 즉 배면(14)과 복면(15)과의 거리가 변화되고 있고, 전연(16)으로부터 후연(17)을 향하는 방향에서 보았을 경우에, 전연(16)으로부터 멀어짐에 따라서 두께가 두껍게 되고, 두께가 가장 두꺼운 위치로부터 후연(17)을 향함에 따라서, 두께는 얇게 되어 있다. 이 가장 두께가 두꺼운 위치는, 전연(16)과 후연(17)과의 중간 위치보다도 전연(16)에 치우쳐 위치되어 있다.

마찬가지로, 정익(21)도 로터(5)의 회전시에 정익(21) 근방을 흐르는 연소 가스의 흐름 방향에 있어서 상류측이 전연(26)으로 되어 있고, 하류측이 후연(27)으로 되어 있다. 이들 전연(26)과 후연(27)은, 동익(11)의 전연(16)과 후연(17)과는 반대로, 전연(26)이 후연(27)보다도 회전 방향의 반대 방향측에 위치되어 있다. 또한, 정익(21)은, 동익(11)과 마찬가지로 전연(26)으로부터 후연(27)을 향함에 따라서 원주 방향에 있어서의 두께, 즉 배면(24)과 복면(25)과의 거리가 변화되고 있고, 가장 두께가 두꺼운 위치는, 전연(26)과 후연(27)과의 중간 위치보다도 전연(26)에 치우쳐 위치되어 있다.

이 동익(11)과 정익(21)중, 로터(5)의 회전시에 동익(11)과 정익(21)을 흐르는 연소 가스의 흐름 방향에 있어서, 칩 클리어런스(30)가 마련된 동익(11)의 후단측의 정익(21)은, 직경 방향에 있어서 정익(21)의 외단부인 칩부(22) 근방이 로터(5)의 회전 방향측으로 굽혀져 있다. 상세하게는, 정익(21)은, 직경 방향에 있어서 정익(21)의 내단부(23)로부터 칩부(22)까지의 직경 방향에 있어서의 거리, 즉 로터(5)의 직경 방향에 있어서 정익(21)의 높이를 100%로 했을 경우에, 내단부(23)로부터 직경 방향에 있어서 외측을 향해서 정익(21)의 높이의 대략 80%의 위치가 경계부(28)로 되어 있다. 정익(21)은, 이 경계부(28)보다도 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부가 로터(5)의 회전 방향측으로 굽혀져 있다. 이에 의해, 정익(21)은 칩부(22)가 내단부(23)보다도 동익(11)의 회전 방향측으로 어긋나서 형성되어 있다.

또한, 경계부(28)의 위치는 내단부(23)로부터 직경 방향에 있어서 외측을 향해서 정익(21)의 높이의 대략 80%로 되어 있지만, 경계부(28)는 후술하는 누출 흐름(33)이 흐르는 범위(도 5, 도 6 참조)에 근거하여 설정하는 것이 바람직하다. 여기에서, 유체가 흐르는 때에는, 유체의 경계 부분은 서서히 상태가 변화되어서 흐르는데, 즉 서서히 유량이 변화되어서 흐르므로, 유체가 흐를 때에 있어서 유체의 경계 부분은 명확한 경계에는 형성되지 않고, 폭을 갖고서 흐른다. 이 때문에, 정익(21)에 대하여 주류(32)만이 흐르는 범위와, 누출 흐름(33)을 포함한 유체가 흐르는 범위와의 경계 부분도 폭을 갖고 있다. 따라서, 누출 흐름(33)이 흐르는 범위에 근거해서 설정하는 경계부(28)는 내단부(23)로부터 직경 방향에 있어서 외측을 향해서 정익(21)의 높이의 80%의 위치에서도 좋지만, 정확하게는 내단부(23)로부터 직경 방향에 있어서 외측을 향해서 정익(21)의 높이의 대략 80% 정도가 바람직하다.

이 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는 이상과 같이 구성되고, 이하 그 작용에 대해서 설명한다. 가스 터빈을 운전시켰을 경우에는, 회전축(6)을 중심으로 해서 로터(5)가 회전하는 것에 의해, 로터(5)에 접속되어 있는 동익(11)도 회전축(6)을 중심으로 해서 로터(5)의 회전 방향으로 회전한다. 동익(11)이 회전을 하면, 동익(11)은 회전 방향측으로 볼록하게 되어 있는 동시에 전연(16)이 후연(17)보다도 회전 방향측에 위치되어 있으므로, 연소 가스는 후단측의 정익(21)으 로 흐른다. 그 때에, 연소 가스는 동익(11)의 후연(17) 부근의 형상에 따른 흐름으로 되기 때문에, 동익(11)으로부터 정익(21)으로 흐르는 때에는 연소 가스는 상류측으로부터 하류측으로 흐르면서 회전 방향의 반대 방향으로 향해서 흐른다.

이와 같이, 동익(11)으로부터 정익(21)으로 흐르는 대부분의 연소 가스의 흐름인 연소 가스의 주류(32)는 동익(11)이 회전하는 방향의 반대 방향으로 흐르기 때문에, 연소 가스의 주류(32)가 정익(21)으로 흐르는 때에는, 회전 방향측에 위치하는 면인 복면(25)측으로부터 흐르고, 정익(21)의 전연(26) 부근의 형상에 따른 방향으로 흐른다. 정익(21)으로 흐른 연소 가스의 주류(32)는 정익(21)의 형상, 즉 정익(21)의 복면(25)과 배면(24)의 형상에 따라 흐르기 때문에, 정익(21)에 의해 정류되는 동시에 흐르는 방향을 바꿀 수 있어서, 해당 정익(21)의 후단측에 위치하는 동익(11)을 향해서 흐른다.

정익(21)에 의해 방향이 바뀌어진 연소 가스의 주류(32)가 정익(21)으로부터 동익(11)으로 흐르는 때에는, 정익(21)의 후연(27) 부근의 형상에 따른 흐름으로 되기 때문에, 정익(21)으로부터 동익(11)으로 흐르는 때에는 연소 가스의 주류(32)는 상류측으로부터 하류측으로 흐르면서 회전 방향을 향해서 흐른다. 이에 의해, 연소 가스의 주류(32)는 동익(11)에 있어서 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 면인 복면(15)측으로부터 흐르고, 동익(11)의 전연(16) 부근의 형상에 따른 방향으로 흐른다. 동익(11)으로 흐른 연소 가스의 주류(32)는 동익(11)의 형상, 즉 동익(11)의 복면(15)과 배면(14)의 형상에 따라 흐르기 때문에, 동익(11)에 의해 흐르는 방향을 바꿀 수 있는 동시에, 동익(11)에 대해서 회전 방향으로의 힘을 부여 한다. 환언하면, 동익(11)은, 연소 가스가 흐르는 방향을 바꿀 때의 반작용에 의해, 연소 가스로부터 회전 방향의 힘이 부여된다. 이 연소 가스로부터의 힘에 의해, 동익(11) 및 동익(11)이 접속된 로터(5)는 회전 방향으로 회전한다.

연소 가스의 주류(32)가 동익(11)으로 흐르는 때에는, 이와 같이 동익(11)의 복면(15)측으로부터 흐르기 때문에, 동익(11)에 따라 흐르는 연소 가스의 압력은 배면(14)측보다도 복면(15)측의 쪽이 높게 되어 있지만, 동익(11)의 칩부(12)와 케이싱(1)의 단벽(2)과의 사이에는 칩 클리어런스(30)가 마련되어 있다. 이 때문에, 동익(11)의 복면(15)측에 위치하는 연소 가스의 일부는, 복면(15)과 배면(14)과의 압력차에 의해, 칩 클리어런스(30)를 통해서 압력이 높은 복면(15)측으로부터 압력이 낮은 배면(14)측으로 흐른다. 이 칩 클리어런스(30)로부터 누출된 연소 가스의 흐름인 누출 흐름(33)은 연소 가스의 상류측으로부터 하류측으로 흐르면서, 회전 방향으로 향해서 흐른다. 이 때문에, 칩 클리어런스(30)로부터 누출된 연소 가스의 누출 흐름(33)이 정익(21)으로 흐르는 때에는, 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 면인 배면(24)측으로부터 정익(21)의 전연(26) 부근에서, 또한 정익(21)의 칩부(22) 부근의 형상에 따른 방향에서 흐른다. 정익(21)에 있어서, 이와 같이 칩 클리어런스(30)로부터의 누출 흐름(33)이 접촉하는 부분은, 주로 직경 방향에 있어서 경계부(28)보다도 외쪽측으로 되어 있다.

도 5는 정익으로 흐르는 연소 가스의 유입각을 도시하는 설명도이다. 도 6은 정익의 높이 방향에 있어서 연소 가스의 유입각의 분포도이다. 상세하게는, 정익(21)으로 흐르는 연소 가스의 유입각을, 회전축 방향을 0°로 해서 복면(25)측으 로부터의 연소 가스의 유입각을 +(플러스)로 하고, 배면(24)측으로부터의 연소 가스의 유입각을 -(마이너스)로 한다. 즉, 연소 가스의 주류(32)를 +로 하고, 누출 흐름(33)을 -로 한다. 이 경우에, 정익(21)으로 흐르는 연소 가스의 유입각의 분포는, 정익의 높이의 높이 방향에 있어서, 정익의 높이의 대략 80%의 위치까지는 유입각은 +로 되고, 대략 80%를 넘어서 100%로 향함에 따라서, 유입각은 -로 된다. 즉, 정익(21)으로 흐르는 연소 가스는, 정익(21)의 높이의 대략 80%의 위치까지는 주류(32)가 흐르고, 대략 80%로부터 100%의 사이는 누출 흐름(33)을 포함하는 유체가 흐른다.

또한, 연소 가스가 동익(11)으로부터 정익(21)으로 흐른 경우에는, 연소 가스는 정익(21)의 배면(24)측과 복면(25)측으로 분리되어서 흐르기 때문에, 쌍방향의 흐름의 분기 부분에는 압력이 높게 되는 부분인 정체 선(35)이 발생한다. 또한, 연소 가스가 정익(21)으로 흐르는 때에는, 주류(32)는 정익(21)의 복면(25)측으로부터 흐르지만, 누출 흐름(33)은 정익(21)의 배면(24)측으로부터 흐른다. 이 때문에, 정체 선(35)은, 연소 가스의 주류(32)가 접촉하는 부분과, 칩 클리어런스(30)로부터의 누출 흐름(33)이 접촉하는 부분에 의해 배면(24) 및 복면(25)에 대한 상대적인 위치가 변화된다. 구체적으로는, 칩 클리어런스(30)로부터의 누출 흐름(33)이 접촉하는 부분의 정체 선(35)은, 연소 가스의 주류(32)가 접촉하는 부분의 정체 선(35)에 대하여, 배면(24)측에 위치한다.

배면(24) 및 복면(25)에 대한 정체 선(35)의 상대적인 위치는, 이와 같이 칩 클리어런스(30)로부터의 누출 흐름(33)이 접촉하는 부분과, 연소 가스의 주류(32) 가 접촉하는 부분으로 상이하지만, 칩 클리어런스(30)로부터 누출되는 연소 가스가 접촉하는 부분이며, 직경 방향에 있어서 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분은 로터(5)의 회전 방향측으로 굽혀져 있다. 즉, 정익(21)은 직경 방향에 있어서 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분이 복면(25)측으로 어긋나서 형성되어 있다.

이 때문에, 이 부분의 정체 선(35)도 로터(5)의 회전 방향측, 또는 정익(21)의 복면(25)측으로 어긋나기 때문에, 직경 방향에 있어서 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분의 정체 선(35)과, 경계부(28)보다도 내쪽측의 부분, 즉 연소 가스의 주류(32)가 접촉하는 부분의 정체 선(35)은, 로터(5)의 회전 방향에 있어서 위치가 거의 동일한 위치로 된다. 따라서, 정체 선(35)은 로터(5)의 직경 방향, 또는 정익(21)의 높이 방향에 거의 직선적으로 연장되어 형성된다. 이와 같이, 정체 선(35)은 직경 방향에 거의 직선적으로 연장되어 형성되기 때문에, 정익(21)에 따라 흐르는 연소 가스의 압력은 직경 방향에 있어서는 거의 동등하게 되고, 연소 가스의 압력의 분포 상태를 도시하는 등압력선(39)도 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이 직경 방향으로 거의 직선적으로 연장되어 형성된다.

따라서, 정체 선(35)으로부터 배면(24)측과 복면(25)측으로 분기하는 연소 가스의 흐름 방향(38)은 정익(21)의 높이 방향으로는 그다지 향하지 않고, 전연(26)측으로부터 후연(27)측으로 흐른다. 이 때문에, 정익(21)에 따라 흐르는 연소 가스의 압력은 정익(21)의 높이 방향에 있어서 변화가 작아지기 때문에, 2차 흐름 손실이 저감한다.

도 7은 정익의 높이 방향에 있어서 손실의 분포를 도시하는 설명도이다. 이 와 같이, 정익(21)을 직경 방향에 있어서 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분을 복면(25)측으로 굽히는 것에 의해, 정익(21)을 흐르는 연소 가스의 2차 흐름 손실이 저감하기 때문에, 정익(21)으로 연소 가스가 흐르는 때에 있어서 손실은 저감한다. 구체적으로는, 정익(21)의 칩부(22) 부근, 즉 정익(21)의 높이 방향에 있어서 100% 부근에는, 주로 연소 가스의 누출 흐름(33)이 흐르기 때문에, 종래의 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서 정익의 형상에서는, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 100% 부근에서 2차 흐름이 발생해서 손실이 커진다. 이 때문에, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 손실의 분포는, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 100% 부근에서 크게 되고, 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분을 복면(25)측으로 굽혀 있지 않은 정익(21)의 높이 방향에 있어서 손실의 분포를 도시하는 종래 형상 손실선(105)은 100% 부근의 손실이 크게 된다.

이에 대하여, 정익(21)을 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분을 복면(25)측으로 굽힌 경우에는, 2차 흐름 손실이 저감하기 때문에, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 손실의 분포는 정익(21)의 높이 방향에 있어서 100% 부근이 종래 형상의 정익보다도 저감한다. 이 때문에, 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서 정익(21)의 높이 방향에 있어서 손실의 분포를 도시하는 정익 굽힘 형상 손실선(101)은 100% 부근의 손실이 종래 형상 손실선(105)보다도 작게 된다.

이상의 가스 터빈의 날개 구조체는, 정익(21)의 경계부(28)보다도 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부를 로터(5)의 회전 방향측으로 굽혀져 있으므로, 로터(5)의 회전 방향에 있어서 정체 선(35)의 위치를 거의 정렬하는 것이 가능하다. 즉, 케이싱(1)의 단벽(2)과 동익(11)의 칩부(12)와의 칩 클리어런스(30)로부터 연소 가스가 누출된 경우에는, 이 연소 가스는 동익(11)의 후단측에 위치하는 정익(21)의 전연(26) 부근에서, 또한 해당 정익(21)의 칩부(22) 부근의 배면(24)측으로 흐른다. 이 때문에, 이 부분 부근의 정체 선(35)은 정익(21)의 다른 부분, 즉 직경 방향에 있어서 경계부(28)의 내쪽측의 부분에 발생하는 정체 선(35)보다도 배면(24)측에 위치하게 쉽게 되지만, 정익(21)의 경계부(28)보다도 외쪽측에 위치하는 부분은 로터(5)의 회전 방향측으로 굽혀져 있다.

이에 의해, 이 굽혀져 있는 부분에 발생하는 정체 선(35)도, 이 부분이 굽혀져 있지 않은 경우에 발생하는 정체 선(35)의 위치보다도, 로터(5)의 회전 방향으로 치우쳐 발생한다. 따라서, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 상이한 높이의 위치에 발생하는 정체 선(35)은 로터(5)의 회전 방향에 있어서 위치가 거의 정렬된 위치로 되고, 정익(21)으로 흐르는 연소 가스의, 해당 정익(21)의 높이 방향에 있어서 압력 분포의 변화를 저감할 수 있다. 그 결과, 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분을 복면(25)측으로 굽히는 정도는, 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분의 정체 선(35)과, 경계부(28)보다도 내쪽측에 부분의 정체 선(35)이 원주 방향에 있어서 일치하는 정도까지 굽히는 것이 바람직하다. 도 8은 원주 방향에 있어서 정체 선의 위치와 단 효율과의 관계를 도시하는 설명도이다. 즉, 정익(21)이 마련되어 있는 단의 효율인 단 효율은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분의 정체 선(35)과, 경계부(28)보다도 내쪽측에 부분의 정체 선(35)이 원주 방향에 있어서 일치한 상태가 가장 높게 되고, 쌍방의 정체 선(35)이 원주 방향으로 어긋남에 따라서, 단 효율은 낮아진다. 이 때문에, 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분은, 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분의 정체 선(35)과, 경계부(28)보다도 내쪽측의 부분의 정체 선(35)이 원주 방향에 있어서 일치하는 정도까지 굽혀지는 것이 바람직하다.

실시예 2

실시예 2에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체와 대략 동일한 구성이지만, 정익은 직경 방향에 있어서 경계부보다도 외쪽측에 위치하는 부분이 회전 방향측으로 굽혀져 있는 것은 아니고, 회전축 방향에 있어서 폭이 변화되고 있는 점에 특징이 있다. 다른 구성은 실시예 1과 동일하므로, 그 설명을 생략하는 동시에, 동일한 부호를 붙인다. 도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 설명도이다. 도 9에 도시하는 실시예 2에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는, 케이싱(1)의 내측에, 회전축(6)을 중심으로 해서 회전 가능한 로터(5)가 마련되어 있고, 로터(5)에는 원환으로 배열된 복수의 동익(11)이 접속되어 있다. 케이싱(1)에는, 단벽(2)으로부터 로터(5)를 향해서 형성된 복수의 정익(41)이 원환으로 배열되어서 단벽(2)에 접속되어 있다. 이들과 같이 형성되는 정익(41)과 동익(11)은 로터(5)의 회전축 방향으로 교대로 배설되어 있고, 회전축 방향에 있어서 복수의 단을 구성하고 있다. 또한, 동익(11)의 칩부(12)와 케이싱(1)의 단벽(2)과의 사이에는 칩 클리어런스(30)가 마련되어 있다.

도 10은 도 9에 도시하는 정익의 사시도이다. 이들과 같이 형성되는 동익(11)과 정익(41)중, 정익(41)은 내단부(23)로부터 직경 방향에 있어서 외측으로 향해서 정익(41)의 높이의 대략 80%의 위치가 경계부(28)로 되어 있고, 경계부(28)보다도 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부의, 회전축 방향에 있어서의 폭, 즉 축 방향 코드가 경계부(28)보다도 직경 방향에 있어서 내쪽측에 위치하는 부분의 축 방향 코드보다도 좁게 되어 있다. 정익(41)에 있어서, 이와 같이 경계부(28)보다도 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치해서 축 방향 코드가 좁게 되어 있는 부분은 폭협부(42)로 되어 있다. 이 폭협부(42)는, 회전축 방향에 있어서 전연(26)측과 후연(27)측과의 거리가, 경계부(28)로부터 칩부(22)를 향함에 따라서 작게 되는 것에 의해, 축 방향 코드가 좁게 되어 있다.

또한, 폭협부(42)에서는, 이와 같이 축 방향 코드가, 경계부(28)보다도 직경 방향에 있어서 내쪽측에 위치하는 부분의 축 방향 코드보다도 좁게 되어 있기 때문에, 폭협부(42)에서는 어스펙트비가 커진 효과를 얻을 수 있다.

이 실시예 2에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는 이상과 같이 구성되고, 이하 그 작용에 대해서 설명한다. 가스 터빈을 운전시켰을 경우에는, 회전축(6)을 중심으로 해서 로터(5)가 회전하는 것에 의해, 로터(5)에 접속되어 있는 동익(11)도 회전축(6)을 중심으로 해서 로터(5)의 회전 방향으로 회전한다. 이에 의해, 연소 가스는 동익(11) 및 정익(41)의 상류측으로부터 하류측으로 흐른다.

이와 같이, 상류측으로부터 하류측으로 흐르는 연소 가스의 주류(32)가 정익(41)으로 흐르는 경우에는, 회전 방향측에 위치하는 면인 복면(25)측으로부터 흐 르고, 정익(41)의 전연(26) 부근의 형상에 따른 방향으로 흐른다. 정익(41)으로 흐른 연소 가스의 주류(32)는 정익(41)에 의해 정류되는 동시에 흐르는 방향을 바꿀 수 있어서, 해당 정익(41)의 후단측에 위치하는 동익(11)을 향해서 흐른다.

정익(41)에 의해 방향이 바뀌어진 연소 가스의 주류(32)가 정익(41)으로부터 동익(11)으로 흐르는 때에는, 동익(11)의 복면(15)측으로부터 흐르고, 동익(11)으로 의해 흐르는 방향을 바꿀 수 있는 동시에, 동익(11)에 대해서 회전 방향으로의 힘을 부여한다. 이 때문에, 동익(11)은, 연소 가스가 흐르는 방향을 바꿀 때의 반작용에 의해, 연소 가스로부터 회전 방향의 힘이 부여되고, 이 연소 가스로부터의 힘에 의해, 동익(11) 및 동익(11)이 접속된 로터(5)는 회전 방향으로 회전한다.

또한, 연소 가스의 주류(32)가 동익(11)으로 흐르는 때에는, 이와 같이 동익(11)의 복면(15)측으로부터 흐르기 때문에, 동익(11)에 따라 흐르는 연소 가스의 압력은 배면(14)측보다도 복면(15)측의 쪽이 높게 되고 있지만, 동익(11)의 칩부(12)와 케이싱(1)의 단벽(2)과의 사이에는 칩 클리어런스(30)가 마련되어 있다. 이 때문에, 동익(11)의 복면(15)측에 위치하는 연소 가스의 일부는, 복면(15)과 배면(14)과의 압력차에 의해, 칩 클리어런스(30)를 흐르는 누출 흐름(33)이 되어서 복면(15)측으로부터 배면(14)측으로 흐른다. 또한, 이 누출 흐름(33)은 연소 가스의 상류측으로부터 하류측으로 흐르면서, 회전 방향을 향해서 흐르기 때문에, 누출 흐름(33)이 정익(41)으로 흐르는 때에는, 배면(24)측으로부터 정익(41)의 전연(26) 부근에서, 또한 정익(41)의 칩부(22) 부근의 형상에 따른 방향에서, 주로 폭협부(42)로 흐른다.

또한, 연소 가스가 동익(11)으로부터 정익(41)으로 흐른 경우에는, 정체 선(35)이 발생하지만, 정익(41)의 높이 방향에 있어서, 칩 클리어런스(30)로부터의 누출 흐름(33)이 접촉하는 부분의 정체 선(35)은, 연소 가스의 주류(32)가 접촉하는 부분의 정체 선(35)에 대해서, 배면(24)측에 위치한다. 또한, 이 정체 선(35)은 직경 방향으로 연속해서 발생하기 때문에, 정체 선(35)이 연속해서 발생하는 것에 의해 형성되는 선은 정체 선(35)으로 되어 있다. 정익(41)에 흐른 연소 가스는 이 정체 선(35)으로부터 분기해서 배면(24)측과 복면(25)측으로 분리된다.

이들과 같이, 누출 흐름(33)은 폭협부(42)로 흐르고, 주류(32)는 경계부(28)보다도 직경 방향에 있어서 내쪽측에 위치하는 부분으로 흐르지만, 경계부(28)에서는 축 방향 코드가 짧기 때문 어스펙트비가 커진 효과를 얻을 수 있다.

이 때문에, 칩 클리어런스(30)로부터의 누출 흐름(33)이 폭협부(42)로 흐르는 경우에 있어서, 정익(41)의 전연(26) 부근으로부터 후연(27) 방향으로의 연소 가스의 흐름인 폭협시 흐름 방향(45)은 직경 방향에는 그다지 향하지 않고, 정익(41)의 형상에 따라 전연(26) 부근으로부터 후연(27) 방향으로 흐른다. 즉, 폭협시 흐름 방향(45)은, 폭협부(42)를 마련하지 않고, 정익(41)의 회전축 방향에 있어서의 폭을 일정하게 한 경우에, 누출 흐름(33)이 상류측으로부터 흘러온 경우에 있어서 연소 가스의 흐름인 폭일정시 흐름 방향(46)보다도, 직경 방향으로의 흐름이 작아진다. 따라서, 폭협부(42)에 있어서 전연(26) 부근으로부터 후연(27)으로 흐르는 연소 가스의 흐름 방향은 정익(41)의 높이 방향으로는 그다지 향하지 않고, 전연(26)측으로부터 후연(27)측으로 흐른다. 이 때문에, 정익(41)에 따라 흐르는 연소 가스의 압력은 정익(41)의 높이 방향에 있어서 변화가 작아지기 때문에, 2차 흐름 손실이 저감한다.

이상의 가스 터빈의 날개 구조체는, 정익(41)의 폭협부(42)의 축 방향 코드를 경계부(28)보다도 직경 방향의 내쪽측에 위치하는 부분의 축 방향 코드보다도 좁게 하고 있다. 이에 의해, 폭협부(42)는 어스펙트비가 커진 효과를 얻기 때문에, 동익(11)으로부터 정익(41)으로 흘러온 연소 가스의 흐름 방향은 폭협부(42)와 다른 부분과는 상이한 흐름 방향으로 된다. 이 때문에, 칩 클리어런스(30)로부터 누출된 연소 가스의 흐름인 누출 흐름(33)이 동익(11)의 후단측에 위치하는 정익(41)의 전연(26) 부근에서, 또한 칩부(22) 부근의 배면(24)측으로 흐른 경우라도, 이 부분은 축 방향 코드가 다른 부분보다도 좁게 형성되어서 연소 가스의 흐르는 방향이 상이하기 때문에, 2차 흐름이 발생하기 어렵게 되어 있다. 즉, 칩 클리어런스(30)로부터의 누출 흐름(33)이 동익(11)의 후단측에 위치하는 정익(41)으로 흐르는 것에 의한 압력 분포의 변화와, 축 방향 코드가 상이해서 형성되는 것에 의한 압력 분포의 변화가 서로에 부정하고, 2차 흐름의 발생이 저감한다. 그 결과, 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 폭협부(42)의 축 방향 코드를 경계부(28)보다도 직경 방향의 내쪽측에 위치하는 부분의 축 방향 코드보다도 좁게 하는 정도는 10～30%의 범위내에서 축소하는 것이 바람직하다. 도 11은 축 방향 코드의 삭감의 정도와 단 효율과의 관계를 도시하는 설명도이다. 즉, 정익(41)이 마련되어 있는 단의 효율인 단 효율은, 도 11에 도시하는 바와 같이, 10～30%의 범위내에서 축소한 상태가 가장 높게 되 고, 축 방향 코드의 삭감량이 이 범위로부터 떨어짐에 따라서, 단 효율은 낮아진다. 이 때문에, 폭협부(42)의 축 코드는, 경계부(28)보다도 직경 방향의 내쪽측에 위치하는 부분의 축 방향 코드의 10～30%의 범위내에서 축소시키는 것이 바람직하다.

실시예 3

실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체와 대략 동일한 구성이지만, 케이싱의 단벽을 오목하게 하고 있는 점에 특징이 있다. 다른 구성은 실시예 1과 동일하므로, 그 설명을 생략하는 동시에, 동일한 부호를 붙인다. 도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체를 도시하는 설명도이다. 도 12에 도시하는 실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는, 케이싱(1)의 내측에, 회전축(6)을 중심으로 해서 회전 가능한 로터(5)가 마련되어 있고, 로터(5)에는 원환으로 배열된 복수의 동익(11)이 접속되어 있다. 케이싱(1)에는, 단벽(51)으로부터 로터(5)를 향해서 형성된 복수의 정익(21)이 원환으로 배열되어서 단벽(51)에 접속되어 있다. 이들과 같이 형성되는 정익(21)과 동익(11)은 로터(5)의 회전축 방향으로 교대로 배설되어 있고, 회전축 방향에 있어서 복수의 단을 구성하고 있다. 또한, 동익(11)의 칩부(12)와 케이싱(1)의 단벽(51)과의 사이에는 칩 클리어런스(30)가 마련되어 있다. 또한, 정익(21)은 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체가 갖는 정익(21)과 마찬가지로, 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분이 복면(25)측(도 3, 도 4 참조)으로 굽혀져 있다.

도 13은 도 12의 B-B 단면도이다. 도 14는 도 13의 C-C 단면도이다. 또한, 케이싱(1)에 있어서 정익(21)이 마련되어 있는 측의 벽면인 단벽(51)은, 로터(5)의 회전 방향에서 인접하는 정익(21)끼리의 사이의 위치에서 오목하게 되어 있는 부분을 갖고 있다. 상세하게는, 로터(5)의 회전 방향에서 인접하는 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)중, 정익(21)끼리의 중간 부분보다도 로터(5)의 회전 방향측에 위치하는 부분은 중간 부분보다도 로터의 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 부분보다도 오목하게 되어 있는 부분을 갖고 있다.

로터(5)의 회전 방향에서 인접하는 정익(21)끼리는, 한쪽의 정익(21)의 배면(24)과 다른쪽의 정익(21)의 복면(25)이 대향해서 인접되어 있고, 로터(5)의 회전 방향측에 위치하는 정익(21)의 배면(24)과, 로터(5)의 회전 방향의 반대측에 위치하는 정익(21)의 복면(25)이 대향해서 정익(21)끼리가 인접되어 있다. 이 때문에, 이 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)은, 대향하는 배면(24)과 복면(25)중, 복면(25)측에 위치하는 부분보다도, 배면(24)측에 위치하는 부분쪽이 오목하게 되어 있고, 도 14의 등고선(53)으로 도시하는 바와 같이, 복면(25)측으로 치우진 위치로부터 배면(24) 방향으로 향함에 따라서, 서서히 오목부의 깊이가 깊게 되어 있다. 이에 의해, 이 단벽(51)은, 대향하는 배면(24)과 복면(25)중 배면(24) 근방에, 가장 오목하게 되어 있는 부분인 최심부(52)를 갖고 있다.

이 실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는 이상과 같이 구성되고, 이하 그 작용에 대해서 설명한다. 가스 터빈을 운전시켰을 경우에는, 회전축(6)을 중심으로 해서 로터(5)가 회전하는 것에 의해, 로터(5)에 접속되어 있는 동익(11)도 회 전축(6)을 중심으로 해서 로터(5)의 회전 방향으로 회전한다. 이에 의해, 연소 가스는 동익(11) 및 정익(21)의 상류측으로부터 하류측으로 흐른다.

이와 같이, 상류측으로부터 하류측으로 흐르는 연소 가스의 주류(32)가 정익으로 흐르는 경우에는, 회전 방향측에 위치하는 면인 복면(25)측으로부터 흐르고, 정익(21)의 전연 부근의 형상에 따른 방향으로 흐른다(도 2 참조). 정익(21)으로 흐른 연소 가스의 주류(32)는 정익(21)에 의해 정류되는 동시에 흐르는 방향을 바꿀 수 있어서, 해당 정익(21)의 후단측에 위치하는 동익(11)을 향해서 흐른다.

연소 가스의 주류(32)가 정익(21)으로 흐르는 경우에는, 이와 같이 복면(25)측으로부터 흐르지만, 로터(5)의 회전 방향에서 인접하는 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)은, 인접하는 정익(21)에 있어서 대향하는 배면(24)과 복면(25)중, 복면(25)에 치우친 위치보다도 배면(24)에 치우친 위치쪽이 깊게 오목하게 되어 있다. 이 때문에, 정익(21)과 단벽(51)과의 접속 부분의 근방에 있어서는, 복면(25)측 부근의 공간보다도 배면(24)측 부근의 공간쪽이 크게 되어 있다. 이에 의해, 동익(11)으로부터 정익(21)의 복면(25)측으로 흐른 연소 가스에 의한 복면(25) 부근과 배면(24) 부근의 압력차는 작아진다. 따라서, 정익(21)과 단벽(51)과의 접속 부분에 있어서 배면(24) 부근의 압력이 낮게 되는 것에 기인하는 2차 흐름이 억제되고, 2차 흐름 손실이 저감한다.

도 15는 정익의 높이 방향에 있어서 손실의 분포를 도시하는 설명도이다. 이와 같이, 로터(5)의 회전 방향에 있어서 인접하는 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)을, 정익(21)끼리의 대향하는 배면(24)과 복면(25)중 복면(25)측에 위 치하는 부분보다도 배면(24)측에 위치하는 부분을 오목하게 하는 것에 의해, 정익(21)과 단벽(51)과의 접속 부분에 있어서 복면(25) 부근과 배면(24) 부근과의 압력차를 저감할 수 있다. 이에 의해, 정익(21)을 흐르는 연소 가스의 2차 흐름 손실이 저감하기 때문에, 정익(21)에 연소 가스가 흐를 때에 있어서 손실은 저감한다.

구체적으로는, 정익(21)은 칩부(22)에서 단벽(51)에 접속되어 있기 때문에, 정익(21)의 칩부(22) 부근, 즉 정익(21)의 높이 방향에 있어서 100% 부근에서는 2차 흐름이 발생해서 손실이 커진다. 이 때문에, 로터(5)의 회전 방향에 있어서 인접하는 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)을 상기와 같이 오목하게 하는 것에 의해 2차 흐름 손실이 저감하기 때문에, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 손실의 분포는, 정익(21)의 높이 방향에 있어서 100% 부근이, 정익(21)을 경계부(28)보다도 외쪽측의 부분을 복면(25)측으로 굽힌 경우만의 경우보다도 저감한다. 이 때문에, 실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서 정익(21)의 높이 방향에 있어서 손실의 분포를 도시하는 단벽 오목 형상 손실선(102)은 100% 부근의 손실이 정익 굽힘 형상 손실선(101)보다도 작아진다.

이상의 가스 터빈의 날개 구조체는, 로터(5)의 회전 방향에서 인접하는 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)을, 정익(21)끼리의 중간 부분보다도 로터(5)의 회전 방향측에 위치하는 부분에, 중간 부분보다도 로터(5)의 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 부분보다도 오목하게 되어 부분을 마련하고 있다. 상세하게는, 로터(5)의 회전 방향에서 인접하는 정익(21)끼리에서는, 배면(24)과 복 면(25)을 대향시키고 있고, 로터(5)를 회전시켰을 경우에는, 동익(11)으로부터 정익(21)으로 흐르는 연소 가스는 대향하는 정익(21)의 배면(24)과 복면(25)중 복면(25)의 방향으로 흐른다. 이에 의해, 배면(24)측과 복면(25)측에서는 복면(25)측의 쪽이 압력이 높게 되기 쉽게 되고, 이 압력차에 의해 2차 흐름이 발생하기 쉬워지지만, 상기 한 바와 같이 단벽(51)에 오목하게 되어 있는 부분을 마련하는 것에 의해, 배면(24)측 부근의 공간 부분이 커지기 때문에, 2차 흐름을 저감할 수 있다.

즉, 정익(21)끼리의 중간 부분보다도 로터(5)의 회전 방향측에는, 대향하는 정익(21)의 배면(24)과 복면(25)중 배면(24)이 위치되어 있고, 중간 부분보다도 로터(5)의 회전 방향의 반대 방향측에는, 대향하는 배면(24)과 복면(25)중 복면(25)이 위치되어 있다. 이 때문에, 정익(21)끼리의 중간 부분보다도 로터(5)의 회전 방향측에 위치하는 부분의 단벽(51)에, 중간 부분보다도 로터(5)의 회전 방향의 반대 방향측에 위치하는 부분의 단벽(51)보다도 오목하게 되어 있는 부분을 마련하는 것에 의해, 배면(24)측 부근의 공간 부분이 크게 된다. 이와 같이, 단벽(51)으로 오목하게 되어 있는 부분을 마련하고, 배면(24)측 부근의 공간 부분을 크게 하는 것에 의해, 배면(24)측과 복면(25)측과의 압력차는 작아지고, 칩 클리어런스(30)로부터 연소 가스의 누출 흐름(33)이 정익(21)의 칩부(22) 부근으로 흘렀을 경우라도, 대향하는 정익(21)의 배면(24) 부근과 복면(25) 부근과의 사이의 압력차가 저감하기 때문에, 이 압력차에 기인하는 2차 흐름을 저감할 수 있다. 그 결과, 보다 확실하게 2차 흐름 손실을 저감하고, 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 로터(5)의 회전 방향에 있어서 인접하는 정익(21)끼리에 사이에 위치하는 단벽(51)의 깊이, 또는 최심부(52)의 깊이는 회전축 방향에 있어서 정익(21)의 폭인 축 방향 코드의 10～30%의 범위내에서 형성하는 것이 바람직하다. 도 16은 단벽 깊이와 단 효율과의 관계를 도시하는 설명도이다. 즉, 복수의 단으로 이루어지는 정익(21)에 있어서 로터(5)의 회전 방향에 있어서 인접하는 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)을 오목하게 한 단의 효율인 단 효율은, 도 16에 도시하는 바와 같이, 단벽(51)의 깊이가 축 방향 코드의 10～30%의 범위내에서 오목하게 한 상태가 가장 높게 되고, 단벽(51)의 깊이가 이 범위로부터 떨어짐에 따라서 단 효율은 낮아진다. 이 때문에, 로터(5)의 회전 방향에 있어서 인접하는 정익(21)끼리의 사이에 위치하는 단벽(51)의 깊이는 축 방향 코드의 10～30%의 범위내에서 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에서는, 정익(21)의 칩부(22) 부근이 로터(5)의 회전 방향으로 굽혀져 있고, 실시예 2에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에서는, 정익(41)의 칩부(22) 부근에 축 방향 코드를 축소하고 있지만, 이들은 조합해도 좋다. 즉, 정익(21)은 직경 방향에 있어서 경계부(28)보다도 외측 부분을 로터(5)의 회전 방향에 굽히면서, 회전축 방향에 있어서의 폭을 경계부(28)보다도 내쪽측에 위치하는 부분의 회전축 방향에 있어서의 폭보다도 좁게 해도 좋다. 이에 의해, 정익(21)으로 흐르는 연소 가스의, 해당 정익(21)의 높이 방향에 있어서 압력 분포의 변화를 보다 확실하게 저감하는 것이 가능하고, 2차 흐름 손실을 저감하는 것이 가능할 뿐만 아니라 보다 확실하게 터빈 효율의 향상을 도모 할 수 있다.

또한, 실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에서는, 정익(21)의 형상은 실시예 1에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서 정익(21)의 형상으로 되어 있지만, 정익(21)의 형상은 실시예 2에 따른 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서 정익(41)의 형상, 또는 이들을 조합한 형상이라도 좋다. 정익(21)의 형상에 관계없이, 케이싱(1)의 단벽을 실시예 3에 따른 가스 터빈의 날개 구조체와 같이 오목하게 하는 것에 의해, 로터(5)의 회전 방향에 있어서 인접하는 정익(21)끼리의 압력차를 저감할 수 있고, 정익(21)과 단벽(51)과의 접속 부분 부근의 압력이 높은 것에 기인하는 2차 흐름을 억제할 수 있다. 그 결과, 2차 흐름 손실을 저감하는 것이 가능하고, 보다 확실하게 터빈 효율의 향상을 도모할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 가스 터빈의 날개 구조체는 정익과 동익을 구비하는 경우에 유용하고, 특히 동익과 케이싱과의 사이에 칩 클리어런스가 마련되고 있을 경우에 적합하다.

Claims (4)

1. 케이싱(1)에 원환으로 배열된 정익(21; 41)과, 회전축(6)을 중심으로 해서 회전 가능한 로터(5)에 원환으로 배열된 동익(11)을 구비하고, 상기 정익(21; 41)과 상기 동익(11)은 상기 회전축(6) 방향으로 교대로 마련되는 것에 의해 복수의 단을 구성하고 있고, 또한 상기 동익(11)의 외단부(12)와 상기 케이싱(1)과의 사이에는 간극(30)이 마련된 가스 터빈의 날개 구조체에 있어서,

   상기 케이싱(1)과의 사이에 상기 간극(30)이 마련된 상기 동익(11)의 후단측의 상기 정익(21; 41)은, 상기 로터(5)의 직경 방향에 있어서 상기 정익(21; 41)의 높이를 100%로 했을 경우에 상기 정익(21; 41)의 내단부(23)로부터 상기 직경 방향에 있어서 외측을 향해서 상기 정익(21; 41)의 높이의 80%의 위치가 경계부(28)로 되어 있고, 상기 경계부(28)보다도 상기 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부가, 상기 경계부보다도 외쪽측의 부분에 있어서 상기 정익의 배면측으로 흐르는 연소 가스와 복면측으로 흐르는 연소 가스의 경계가 되는 정체 선(35)과, 상기 경계부보다도 내쪽측의 부분의 상기 정체 선이, 상기 회전축을 중심으로 한 원주 방향에 있어서 일치하는 정도까지 상기 로터(5)의 회전 방향측으로 굽혀져 있는 것을 특징으로 하는

   가스 터빈의 날개 구조체.
2. 제 1 항에 있어서,

   또한, 상기 정익(21; 41)은, 상기 경계부(28)보다도 상기 직경 방향에 있어서 외쪽측에 위치하는 부분의 적어도 일부의 상기 회전축(6) 방향에 있어서의 폭이, 상기 경계부(28)보다도 상기 직경 방향에 있어서 내쪽측에 위치하는 부분의 상기 회전축(6) 방향에 있어서의 폭보다도 좁게 되어 있는 것을 특징으로 하는

   가스 터빈의 날개 구조체.
3. 삭제
4. 삭제

Images