WO2011090083A1

WO2011090083A1 - タービン動翼及びターボ機械

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Publication number: WO2011090083A1
Application number: PCT/JP2011/050889
Authority: WO
Inventors: 飯田　耕一郎
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-07-28
Also published as: EP2527596B1; EP2527596A4; CN102639817B; JPWO2011090083A1; US20120224974A1; US9194239B2; EP2527596A1; KR101305575B1; JP5297540B2; KR20120075490A; CN102639817A

Abstract

　タービン動翼及びターボ機械において、ロータ（３２）の周方向に所定間隔で複数の動翼（２８）が配置され、この動翼（２８）が、ロータ（３２）に固定される翼根部（４１）と、基端部が翼根部（４１）に連結される翼本体（４２）と、円環形状をなすシュラウド（４５）の一部を構成するように翼本体（４２）の先端部に連結されるチップシュラウド（４３）とを有し、翼本体（４２）における前縁（５２）の先端部側を後縁（５３）側に湾曲する曲線部（５４）を介してチップシュラウド（４３）の外面（４３Ａ）に連続させ、翼本体（４２）の先端部とチップシュラウド（４３）の内面（４３Ｂ）との間にフィレット（５１ａ，５１ｂ）を設け、曲線部（５４）をフィレット（５１ａ，５１ｂ）より前縁（５２）側に位置させることで、軽量化を可能とする一方で性能の低下を抑制可能とする。

Description

タービン動翼及びターボ機械

　本発明は、回転軸の周方向に所定間隔で複数配置されるタービン動翼、並びに、これを備えたターボ機械に関するものである。

　例えば、ターボ機械の一種である発電用のガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。そして、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）を得て、この燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。

　このようなガスタービンのタービンにて、前方段の１段動翼や２段動翼は、翼高さ方向（回転軸における径方向）の長さが短いが、後方段の３段動翼や４段動翼（最終段動翼）では、性能面からこの翼高さ方向の長さが長いもの（長大翼）となっている。そして、翼高さ方向の長さが長いタービン動翼は、振動が発生しやすいことから、先端部にチップシュラウドを装着し、隣接する動翼のチップシュラウド同士を接触させることで、円環形状をなすシュラウドを形成している。しかし、動翼は、先端部にチップシュラウドを装着すると、先端部の重量が重くなり、回転時に作用する遠心力により動翼本体に引張力が発生し、変形するおそれがある。そのため、タービン動翼の先端部に装着されるチップシュラウドの軽量化が望まれている。

　このような問題を解決するものとして、例えば、下記特許文献１、２に記載されたものがある。これらの特許文献１、２に記載されたタービン動翼では、チップシュラウドにおける端部、つまり、円環形状のシュラウドを形成するために、各チップシュラウド同士が接触する部分を回転軸方向にくぼませることで、軽量化を図っている。

特開２００５－２０７２９４号公報特開２００９－１６８０１８号公報

　上述した従来のタービン動翼にあっては、チップシュラウドの一部を回転軸方向にくぼませる形状とすることで、軽量化を図ることはできる。ところが、チップシュラウドの一部を回転軸の回転方向に沿って回転軸方向にくぼませる形状とすることで、作動流体である燃焼ガスのスムーズな流れを阻害し、シュラウドの周辺で燃焼ガスの乱れが生じ、この燃焼ガスとチップシュラウドとの間の摩擦が大きくなり、性能が低下してしまうという問題がある。

　本発明は、上述した課題を解決するものであり、性能の低下を抑制する一方で軽量化を可能とするタービン動翼及びターボ機械を提供することを目的とする。

　上述した目的を達成するための本発明のタービン動翼は、回転軸の周方向に所定間隔で複数配置されるタービン動翼であって、基端部が前記回転軸に固定される翼本体と、円環形状をなすシュラウドの一部を構成するように前記翼本体の先端部に設けられるチップシュラウドとを有し、前記翼本体における前縁の先端部側の子午面形状が後縁側に湾曲する曲線部を介して前記チップシュラウドの外面に連続し、前記翼本体の先端部と前記チップシュラウドの内面との間にフィレットが設けられ、前記曲線部が前記フィレットより前縁側に位置する、ことを特徴とするものである。

　従って、翼本体における前縁の先端部側に曲線部を設け、この曲線部を介してチップシュラウドを設けており、翼本体の先端部側を後退させることで、軽量化を可能とすることができ、一方で、作動流体の流れをスムーズとすることで、翼本体及びチップシュラウドの各面の圧力分布を適正とし、性能の低下を抑制することができる。

　本発明のタービン動翼では、前記曲線部は、前記翼本体の両側に設けられた前記フィレットの前端を結ぶ直線より前記前縁側に突出することを特徴としている。

　従って、翼本体の先端部側を曲線部により容易に後退させることで、軽量化を可能とすることができると共に、性能の低下を抑制可能な翼形状とすることができる。

　本発明のタービン動翼では、前記曲線部と前記チップシュラウドの外面との接続位置が、前記回転軸の軸心方向に沿って前記翼本体の前縁から後縁側に向けて前記翼本体の前後長さにおける１０％の長さ以上の位置に設定されることを特徴としている。

　従って、翼本体の先端部側を適正量だけ後退させることで、翼本体及びチップシュラウドの形状の最適化を可能とすることができる。

　本発明のタービン動翼では、前記チップシュラウドは、外面に周方向に沿うシールフィンを有し、前記曲線部と前記チップシュラウドの外面との接続位置が、前記回転軸の軸心方向に沿って前記シールフィンの前端面と同等または該シールフィンより前記翼本体の前縁側の位置に設定されることを特徴としている。

　従って、翼本体の先端部側を適正量だけ後退させることで、翼本体、チップシュラウド、シールフィンの形状の最適化を可能とすることができる。

　本発明のタービン動翼では、前記翼本体の前縁と前記曲線部との接続位置が、前記回転軸の径方向に沿って前記翼本体の先端部から基端部側に向けて前記翼本体の前後長さにおける２０％の長さ以上の位置に設定されることを特徴としている。

　従って、翼本体の先端部側を適正量だけ後退させることで、翼本体の形状の最適化を可能とすることができる。

　本発明のタービン動翼では、前記翼本体の前縁と前記曲線部との接続位置が、前記回転軸の径方向に沿って前記翼本体の先端部から基端部側に向けて前記翼本体及びチップシュラウドの高さにおける２０％の長さ以下の位置に設定されることを特徴としている。

　本発明のタービン動翼では、ケーシングは、前記シュラウドに対向する内面に凹部が設けられることを特徴としている。

　従って、ケーシングと翼本体及びシュラウドとの領域のガス流れをスムーズとすることで、翼本体及びチップシュラウドの各面の圧力分布を適正とし、性能の低下を伴うことなく翼先端部の軽量化が図れる。即ち、従来、凹部の影響による複雑な流れがチップシュラウドに衝突して損失が発生していたが、タービン翼として仕事をなさずに空力的には何ら寄与していない部分であるチップシュラウドの前縁を後退させることで、流れとの衝突を緩和して性能の低下を確実に防ぎ、且つ、軽量化も可能とすることができる。

　本発明のタービン動翼では、前記チップシュラウドは、前記シュラウドの周方向に沿って長い板形状をなし、前記翼本体のない領域に狭幅部が設けられることを特徴としている。

　従って、チップシュラウドに狭幅部を設けることで、軽量化を可能とすることができる。

　また、本発明のタービン動翼は、回転軸の周方向に所定間隔で複数配置されるタービン動翼であって、基端部が前記回転軸に固定される翼本体と、円環形状をなすシュラウドの一部を構成するように前記翼本体の先端部に設けられるチップシュラウドとを有し、　前記翼本体における前縁の先端部側を後縁側に湾曲する曲線状となし、前記チップシュラウドの外面よりもガス流路の上流側に突出させる、ことを特徴とするものである。

　従って、翼本体における前縁の先端部側に曲線部を設け、この曲線部を介してチップシュラウドを設けており、翼本体の前縁先端部をガス流路の上流側に突出させる（＝チップシュラウドをガス流路下流側に後退させ）ことで、軽量化を可能とすることができ、一方で、作動流体の流れをスムーズとすることで、翼本体及びチップシュラウドの各面の圧力分布を適正とし、性能の低下を抑制することができる。

　また、本発明のターボ機械は、上記のタービン動翼を備えることを特徴とするものである。

　従って、翼本体における前縁の先端部側に曲線部を設け、この曲線部を介してチップシュラウドを設けており、翼本体の先端部側を後退させることで、軽量化を可能とすることができ、一方で、作動流体の流れをスムーズとすることで、翼本体及びチップシュラウドの各面の圧力分布を適正として性能の低下を抑制することができる。

　本発明のタービン動翼及びターボ機械によれば、翼本体における前縁の先端部側に曲線部を設け、この曲線部を介してチップシュラウドを設けることにより、翼本体の先端部側を後退させて軽量化を可能とすることができ、一方で、作動流体の流れをスムーズとして翼本体及びチップシュラウドの各面の圧力分布を適正とし、性能の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施例に係るタービン動翼を表す平面図である。図２は、本実施例のタービン動翼を表す側面図であって図１のII－II断面図である。図３は、本実施例のタービン動翼を表す正面図である。図４は、本実施例のタービン動翼の先端部を表す概略図である。図５は、本実施例のタービン動翼の組立状態を表す概略図である。図６は、本実施例のタービン動翼を表す概略図である。図７は、従来のタービン動翼における燃焼ガス（作動流体）の流れを表す概略図である。図８は、本実施例のタービン動翼における燃焼ガス（作動流体）の流れを表す概略図である。図９は、本実施例のタービン動翼が適用されたガスタービンを表す概略図である。図１０は、本実施例のタービン動翼における形状説明を補足するための概略図である。

　以下に添付図面を参照して、本発明に係るタービン動翼及びターボ機械の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

　図１は、本発明の一実施例に係るタービン動翼を表す平面図、図２は、本実施例のタービン動翼を表す側面図であって図１のII－II断面図、図３は、本実施例のタービン動翼を表す正面図、図４は、本実施例のタービン動翼の先端部を表す概略図、図５は、本実施例のタービン動翼の組立状態を表す概略図、図６は、本実施例のタービン動翼を表す概略図、図７は、従来のタービン動翼における燃焼ガス（作動流体）の流れを表す概略図、図８は、本実施例のタービン動翼における燃焼ガス（作動流体）の流れを表す概略図、図９は、本実施例のタービン動翼が適用されたガスタービンを表す概略図、１０は、本実施例のタービン動翼における形状説明を補足するための概略図である。

　本実施例のガスタービンは、図９に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。

　圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２１を有し、圧縮機車室２２内に複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。

　また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（回転軸）３２が位置している。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持される一方、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定され、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

　そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２２が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持されている。

　従って、圧縮機１１の空気取入口２１から取り込まれた空気が、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）が、タービン１３を構成する複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、排気ガス（燃焼ガス）のエネルギは、排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。

　上述した本実施例のタービン１３において、図５及び図６に示すように、動翼２８は、ディスク（ロータ３２）に固定される翼根部４１と、基端部がこの翼根部４１に接合される翼本体４２と、この翼本体４２の先端部に連結されるチップシュラウド４３、チップシュラウド４３の外面に形成されるシールフィン４４とから構成されており、翼本体４２は所定角度だけねじられている。そして、この動翼２８は、翼根部４１がディスクの外周部に周方向に沿って複数嵌合することで、各チップシュラウド４３同士が接触して接続され、外周側に円環形状をなすシュラウド４５が構成される。

　このように構成された本実施例の動翼２８にて、図２に示すように、タービン車室２６（図９参照）を構成するケーシング４６は、内面が燃焼ガス（作動流体）の流れ方向の下流側（図２の右側）に向かって広くなる円筒形状をなすガス流路４７を形成しており、この内面に傾斜面４６ａと環状溝（凹部）４６ｂが形成されている。そして、ケーシング４６内には、傾斜面４６ａに静翼２７（図９参照）の基端部が固定される一方、環状溝４６ｂには動翼２８の先端部が配置され、シールフィン４４と環状溝４６ｂとの間に所定隙間が確保されている。この場合、ケーシング４６の傾斜面４６ａと、動翼２８のチップシュラウド４３の外面４３Ａとが、ほぼ直線状をなす位置に設定されているが、燃焼ガス（作動流体）の流れに応じて径方向にずらして配置してもよい。

　そして、図５に示すように、動翼２８のチップシュラウド４３は、シュラウド４５の周方向に沿って長い板形状をなし、翼本体４２が連結していない領域にて、前縁側をロータ３２の回転方向に沿って軸心方向（回転軸方向）後方側にくぼませた切欠部４３ａ，４３ｂが形成され、後縁側をロータ３２の回転方向に沿って軸心方向（回転軸方向）前方側にくぼませた切欠部４３ｃ，４３ｄが形成されている。即ち、チップシュラウド４３は、一部に狭幅部（切欠部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ）が設けられた、所謂、パーシャルカバーとなっている。

　また、この動翼２８では、図１乃至図４に示すように、翼本体４２の先端部とチップシュラウド４３の内面４３Ｂとの間であって、翼本体４２の周方向両側に断面円弧状のフィレット（隅肉部）５１ａ，５１ｂが設けられており、翼本体４２とチップシュラウド４３とは、滑らかな曲面をもって段差なく連続している。この場合、フィレット５１ａ，５１ｂは、翼本体４２の前縁側と後縁側を除く領域に設けられ、チップシュラウド４３の外面４３Ａ側から見て楕円形状（図１参照）をなしている。

　動翼２８にて、翼本体４２は、前縁５２と後縁５３を有し、各縁５２，５３は、翼本体４２の厚さ方向の曲面により形成されている。また、前縁５２は、ロータ３２の軸心方向に直交する径方向に対して、翼本体４２の先端部側が後方（後縁５３側）に傾斜して子午面形状がほぼ直線状をなす直線部となっており、後縁５３は、ロータ３２の軸心方向に直交する径方向に沿った子午面形状がほぼ直線状をなす直線部となっている。なお、この前縁５２と後縁５３は、直線状に形成することが望ましいが、必要に応じて、直線状に近似する曲線状としてもよい。

　そして、動翼２８にて、翼本体４２における前縁５２は、先端部側の子午面形状が後縁５３側に湾曲する曲線部５４を介してチップシュラウド４３の外面４３Ａに連続しており、この曲線部５４は、フィレット５１ａ，５１ｂより前縁５２側に位置している。即ち、翼本体４２にて、前縁５２におけるチップシュラウド４３との接続部（接続位置）を後縁５３側へ後退させることで、翼本体４２の前縁５２をチップシュラウド４３の外面４３Ａに曲線部５４を介して段差なく、且つ、滑らかに連続させている。このとき、曲線部５４は、翼本体４２の両側に設けられた各フィレット５１ａ，５１ｂの前端を結ぶ直線Ａより前縁５２側に突出するような形状となっている。このとき、曲線部５４がフィレット５１ａ，５１ｂより前縁５２側に位置する、または、曲線部５４が各フィレット５１ａ，５１ｂの前端を結ぶ直線Ａ（図１参照）より前縁５２側に突出するとは、ロータ３２の軸心方向に直交する面に対して、前縁５２側に位置するということである。

　なお、曲線部５４は、翼本体４２の前縁５２から連続し、更に、チップシュラウド４３の外面４３Ａに連続するように形成されていることから、前縁５２と同様に、翼本体４２の厚さ方向の曲面により形成されており、三次元方向に湾曲する曲面部となっている。また、チップシュラウド４３は、外面４３Ａ及び内面４３Ｂがロータ３２の軸心方向に対して、所定角度だけ傾斜したほぼ直線状をなす平面で、且つ、ロータ３２の周方向に対して、曲線状をなす曲面となっている。

　ここで、曲線部５４の形状について具体的に説明する。曲線部５４は、翼本体４２の側面から見て（図２の方向）、１つ以上の円弧により形成されるものであり、一端が翼本体４２の前縁５２と交点ａで連続され、他端がチップシュラウド４３の外面４３Ａと交点ｂで接続している。また、翼本体４２の前縁５２の延長線とチップシュラウド４３の外面４３Ａの延長面との交点５２ａとし、翼本体４２の後縁５３の延長線とチップシュラウド４３の外面４３Ａの延長面との交点５３ａとするとき、交点５２ａと交点５３ａと間のロータ３２の軸心方向の長さを翼本体４２の先端部における翼前後長さＬとする。

　このとき、曲線部５４とチップシュラウド４３の外面４３Ａとの接続位置（交点ｂ）を、ロータ３２の軸心方向に沿って翼本体４２の前縁５２から後縁５３側に向けて翼本体４２の先端部における翼前後長さＬにおける１０％の長さＬ１以上の位置に設定することが望ましい。また、曲線部５４とチップシュラウド４３の外面４３Ａとの接続位置（交点ｂ）を、ロータ３２の軸心方向においてシールフィン４４の前端面４４ａと同等またはこのシールフィン４４の前端面４４ａより翼本体４２の前縁５２側の位置、つまり、翼本体４２の前縁５２から後縁５３側に向けてシールフィン４４の前端面４４ａまでの長さＬ２以下の位置に設定することが望ましい。また、この場合、長さＬ１は、交点ｂと交点５２ａとの間の長さに代えてもよいし、交点ａと交点ｂとのガス流路方向間距離に代えてもよい。

　また、フィレット５１ａ，５１ｂは、翼本体４２の正面から見て（図３の方向）、１つ以上の円弧により形成されるものであり、一端が翼本体４２の一側面と交線ｃ，ｄで連続され、他端がチップシュラウド４３の内面４３Ｂと交線ｅ，ｆで接続している。また、翼本体４２のプラットホーム４１ａの外面４１ａ´からチップシュラウド４３の外面４３Ａまでの長さを翼高さ（翼本体４２及びチップシュラウド４３の高さ）Ｈとする。

　このとき、翼本体４２の前縁５２と曲線部５４との接続位置（交点ａ）を、ロータ３２の径方向に沿って翼本体４２の先端部から基端部側に向けて翼本体４２の先端部における前後長さＬの２０％の長さ以上の位置（高さＨ１）に設定する。即ち、図１０に詳細に示すように、Ｈ３－Ｈ１の長さを翼本体４２の先端部における前後長さＬの２０％の長さ以上に設定することが望ましい。また、翼本体４２の前縁５２と曲線部５４との接続位置（交点ａ）を、ロータ３２の径方向に沿って翼本体４２の先端部から基端部側に向けて翼高さＨにおける２０％の長さ以下の位置（高さＨ２）に設定する。即ち、Ｈ３－Ｈ１の長さを翼高さＨにおける２０％の以下の長さに設定することが望ましい。また、長さＨ３－Ｈ１は交点ａと交点５２ａとの間の長さに代えてもよいし、交点ａと交点ｂとの翼高さ方向間距離に代えてもよい。なお、Ｈ３は、翼本体４２のプラットホーム４１ａの外面４１ａ´から交点５２ａまでの長さである。

　ここで、図７、図８を用いて、本実施例のタービン動翼２８における燃焼ガス（作動流体）の流れと、従来のタービン動翼における燃焼ガス（作動流体）の流れとを比較して説明する。

　タービン１３にて、ガス流路４７を流れる燃焼ガスは、絶対速度Ｖａであり、タービン動翼２８が矢印Ｒ方向に回転することからその回転速度Ｖｒとすると、翼本体４２及びチップシュラウド４３に対する燃焼ガスの相対速度Ｖｂが規定される。このとき、図２に示すように、ガス流路４７を流れる燃焼ガスは、ケーシング４６の傾斜面４６ａに沿った流れが、環状溝４６ｂと翼本体４２の先端部やチップシュラウド４３により領域Ｂで乱流となりやすい。

　従来のタービン動翼では、図７に示すように、翼本体００１の前縁００３が先端部側に向かってほぼ直線状に延出され、この先端にチップシュラウド００２が配置されることから、燃焼ガスの流れがケーシングの内面と翼本体００１の先端部及びチップシュラウド００２との間の領域Ｂ（図２参照）では、ここに形成される軸方向の隙間のために、燃焼ガスの翼本体００１に向かっていく流れが遅くなる。すると、ガス流路４７を流れる燃焼ガスの絶対速度Ｖａ１が小さくなり、タービン動翼２８の回転速度Ｖｒは変化しないことから、翼本体４２及びチップシュラウド４３に対する燃焼ガスの相対速度Ｖｂ１も低速となり、その方向も変わってしまう。即ち、燃焼ガスは、翼本体００１の前縁００３に対して、背側００１ｂに向かって流れ込むこととなり、翼本体００１は、この背側００１ｂの圧力が高くなって腹側００１ａの圧力が低くなるため、回転方向Ｒに対して逆方向の力が作用する。すると、タービン動翼２８の回転方向と逆方向の力が作用した分、タービンの行う仕事が奪われ、出力が低下し、性能が低下してしまう。

　一方、本実施例のタービン動翼では、図８に示すように、翼本体４２の前縁５２が曲線部５４によりチップシュラウド４３に滑らかに連続していることから、翼本体４２の前縁５２が先端部側で後退することとなり、翼本体４２の前縁がこの領域Ｂから遠ざかり、翼本体４２において、回転方向と逆方向の力が作用する部分が減少する。そのため、ガス流路４７を流れる燃焼ガスの絶対速度Ｖａが高速となり、タービン動翼２８の回転速度Ｖｒを加味すると、翼本体４２及びチップシュラウド４３に対する燃焼ガスの相対速度Ｖｂも高速となる。即ち、燃焼ガスは、翼本体４２の前縁５２に対して、腹側４２ａに向かって流れ込むこととなり、翼本体４２は、背側４２ｂの圧力に比べて腹側４２ａの圧力が高くなるため、回転方向Ｒと同方向の力が作用する。すると、燃焼ガスがスムーズに流れ、翼本体４２やチップシュラウド４３との間の摩擦が小さくなり、損失が低下して性能の低下が抑制される。

　このように本実施例のタービン動翼にあっては、ロータ３２の周方向に所定間隔で複数の動翼２８が配置され、この動翼２８が、ロータ３２に固定される翼根部４１と、基端部が翼根部４１に連結される翼本体４２と、円環形状をなすシュラウド４３の一部を構成するように翼本体４２の先端部に連結されるチップシュラウド４３とを有し、翼本体４２における前縁５２の先端部側を後縁５３側に湾曲する曲線部５４を介してチップシュラウド４３の外面４３Ａに連続させ、翼本体４２の先端部とチップシュラウド４３の内面４３Ｂとの間にフィレット５１ａ，５１ｂを設け、曲線部５４をフィレット５１ａ，５１ｂより前縁５２側に位置させている。

　従って、翼本体４２における前縁５２の先端部側に曲線部５４を設け、この曲線部５４を介してチップシュラウド４３を設け、曲線部５４をフィレット５１ａ，５１ｂより前縁５２側に位置させることで翼本体４２の先端部側が後退することとなり、翼本体４２の先端部側に設けられるチップシュラウド４３を軽量化することができる。また、この曲線部５４を設けることで、燃焼ガスがスムーズに流れ、翼本体４２及びチップシュラウド４３の各面の圧力分布が適正となり、性能の低下を抑制することができる。

　また、本実施例のタービン動翼では、曲線部５４とチップシュラウド４３の外面４３Ａとの接続位置を、翼本体４２の前縁５２から後縁５３側に向けて翼本体４２の先端部における前後長さＬにおける１０％の長さの位置からシールフィン４４の前端面４４ａまでの位置に設定している。従って、翼本体４２の前縁５２の先端部側を適正量だけ後退させることで、翼本体４２、チップシュラウド４３、シールフィン４４の形状の最適化を可能とすることができる。

　また、本実施例のタービン動翼では、翼本体４２の前縁５２と曲線部５４との接続位置を、翼本体４２の先端部から基端部側に向けて翼本体４２の先端部における前後長さＬの２０％の長さの位置から、翼本体４２の先端部から基端部側に向けて翼本体４２及びチップシュラウド４３の高さ（翼高さ）Ｈにおける２０％の長さの位置までに設定している。従って、翼本体４２の前縁５２の先端部側を適正量だけ後退させることで、翼本体４２、チップシュラウド４３、シールフィン４４の形状の最適化を可能とすることができる。

　本実施例のタービン動翼では、ケーシング４６におけるシュラウド４５に対向する内面に環状溝４６ｂを設けている。従って、ケーシング４６と翼本体４２及びチップシュラウド４３との領域のガス流れをスムーズとすることができ、翼本体４２及びチップシュラウド４３の各面の圧力分布を適正とし、性能の低下を抑制することができる。

　本実施例のタービン動翼では、チップシュラウド４３をシュラウド４５の周方向に沿って長い板形状をなし、翼本体４２のない領域に切欠部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを形成しており、更なる軽量化を可能とすることができる。

　また、本実施例のターボ機械にあっては、タービン１３として、静翼２７と動翼２８を作動流体（燃焼ガス）の流れ方向に沿って交互に配置し、この動翼２８として翼根部４１と翼本体４２とチップシュラウド４３を設け、翼本体４２における前縁５２の先端部側を後縁５３側に湾曲する曲線部５４を介してチップシュラウド４３の外面４３Ａに連続させ、翼本体４２の先端部とチップシュラウド４３の内面４３Ｂとの間にフィレット５１ａ，５１ｂを設け、曲線部５４をフィレット５１ａ，５１ｂより前縁５２側に位置させている。

　従って、翼本体４２における前縁５２の先端部側に曲線部５４を設け、この曲線部５４を介してチップシュラウド４３を設け、曲線部５４をフィレット５１ａ，５１ｂより前縁５２側に位置させることで翼本体４２の先端部側が後退することとなり、翼本体４２を軽量化することができる。また、この曲線部５４を設けることで、作動流体（燃焼ガス）がスムーズに流れ、翼本体４２及びチップシュラウド４３の各面の圧力分布が適正となり、性能の低下を抑制することができる。その結果、タービン効率を向上することができる。

　なお、上述した実施例では、本発明のタービン動翼を３段動翼や４段動翼（最終段動翼）に適用して説明したが、これに限定されず、チップシュラウドを有する動翼であればよい。また、ターボ機械として、発電用のガスタービンについて説明したが、これに限定されず、航空用ガスタービンや蒸気タービンなどのターボ機械にも適用できる。

　本発明に係るタービン動翼及びターボ機械は、翼本体の前縁の先端部側を後縁側に湾曲する曲線状とし、フィレットより前縁側に位置させたり、チップシュラウドの外面よりも突出させたりすることで、軽量化を可能とする一方で性能の低下を抑制するものであり、いずれの種類の動翼、ターボ機械にも適用することができる。

　１１　圧縮機
　１２　燃焼器
　１３　タービン
　２７　静翼
　２８　動翼（タービン動翼）
　３２　ロータ（回転軸）
　４１　翼根部
　４２　翼本体
　４３　チップシュラウド
　４４　シールフィン
　４５　シュラウド
　４６ｂ　環状溝（凹部）
　５１ａ，５１ｂ　フィレット
　５２　前縁
　５３　後縁
　５４　曲線部

Claims

　回転軸の周方向に所定間隔で複数配置されるタービン動翼であって、
　基端部が前記回転軸に固定される翼本体と、円環形状をなすシュラウドの一部を構成するように前記翼本体の先端部に設けられるチップシュラウドとを有し、
　前記翼本体における前縁の先端部側の子午面形状が後縁側に湾曲する曲線部を介して前記チップシュラウドの外面に連続し、前記翼本体の先端部と前記チップシュラウドの内面との間にフィレットが設けられ、前記曲線部が前記フィレットより前縁側に位置する、
　ことを特徴とするタービン動翼。
　前記曲線部は、前記翼本体の両側に設けられた前記フィレットの前端を結ぶ直線より前記前縁側に突出することを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
　前記曲線部と前記チップシュラウドの外面との接続位置が、前記回転軸の軸心方向に沿って前記翼本体の前縁から後縁側に向けて前記翼本体の前後長さにおける１０％の長さ以上の位置に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン動翼。
　前記チップシュラウドは、外面に周方向に沿うシールフィンを有し、前記曲線部と前記チップシュラウドの外面との接続位置が、前記回転軸の軸心方向に沿って前記シールフィンの前端面と同等または該シールフィンより前記翼本体の前縁側の位置に設定されることを特徴とする請求項３に記載のタービン動翼。
　前記翼本体の前縁と前記曲線部との接続位置が、前記回転軸の径方向に沿って前記翼本体の先端部から基端部側に向けて前記翼本体の前後長さにおける２０％の長さ以上の位置に設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のタービン動翼。
　前記翼本体の前縁と前記曲線部との接続位置が、前記回転軸の径方向に沿って前記翼本体の先端部から基端部側に向けて前記翼本体及びチップシュラウドの高さにおける２０％の長さ以下の位置に設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のタービン動翼。
　ケーシングは、前記シュラウドに対向する内面に凹部が設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のタービン動翼。
　前記チップシュラウドは、前記シュラウドの周方向に沿って長い板形状をなし、前記翼本体のない領域に狭幅部が設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載のタービン動翼。
　回転軸の周方向に所定間隔で複数配置されるタービン動翼であって、
　基端部が前記回転軸に固定される翼本体と、円環形状をなすシュラウドの一部を構成するように前記翼本体の先端部に設けられるチップシュラウドとを有し、
　前記翼本体における前縁の先端部側を後縁側に湾曲する曲線状となし、前記チップシュラウドの外面よりもガス流路の上流側に突出させる、
　ことを特徴とするタービン動翼。
　前記請求項１から９のいずれか一つに記載のタービン動翼を備えることを特徴とするターボ機械。