WO2017195782A1 - タービン静翼及びこれを備えたタービン - Google Patents

Abstract

ロータ（１２）を回転可能に支持するケーシング（１１）の内周面（１１ａ）に設けられる静翼（１４）であって、ケーシング（１１）の内周面（１１ａ）に支持されるチップ面（１４ａ）と、ロータ（１２）の外周面と径方向において対向するハブ面（１４ｂ）とを繋ぐ前縁（２１）を備え、前縁（２１）は、ハブ面（１４ｂ）と接続する径方向内側端部（２１ｂ）と、径方向内側端部（２１ｂ）から所定の径方向高さ（Ｈ）に設定された後退起点（２１ｃ）と、チップ面（１４ａ）と接続すると共に後退起点（２１ｃ）よりも軸方向下流側に向けて後退した径方向外側端部（２１ａ）と、径方向外側端部（２１ａ）と後退起点（２１ｃ）との間を、軸方向上流側に向けて凸状をなすように結ぶ前縁湾曲部（２１ｄ）とを有する。

Description

タービン静翼及びこれを備えたタービン

　本発明は、圧力損失を抑制するようにしたタービン静翼に関する。

　従来から、流体の運動エネルギを回転エネルギに変えることによって動力を得るものとして、例えば、ガスタービンが周知となっている。このようなガスタービンにおいては、タービン効率の向上を図ることが重要な課題となっており、タービン効率の向上を図るためには、動翼や静翼に発生する圧力損失を低減させることが最も効果的とされている。

　そこで、特許文献１には、圧力損失の抑制を図ることを目的としたタービン翼が開示されている。

特開２０１３－２４５６８０号公報

　この特許文献１に開示されたタービン翼は、動翼を対象としているが、タービン効率の向上を図る際には、動翼に発生する圧力損失だけでなく、静翼に発生する圧力損失についても、何らかの対策を採る必要がある。

　ここで、ガスタービンに設置される動翼の中には、動翼のチップ面と、固定側となるケーシングとの間に、隙間を有するものがあり、このような隙間は、チップクリアランスと称されている。そして、チップクリアランスが設けられていると、当該チップクリアランスから燃焼ガスが漏れてしまい、その動翼の後段（次段）に位置する静翼においては、圧力損失が発生するおそれがある。

　以下、静翼におけるチップクリアランスに起因した圧力損失について、図７乃至図１１を用いて具体的に説明する。

　先ず、図７に示すように、動翼１３のチップ面１３ａには、シュラウド（図示省略）が設けられていない。このため、ケーシング１１の内周面１１ａと動翼１３のチップ面１３ａとの間には、隙間となるチップクリアランス１５が形成されている。このように、チップクリアランス１５を設置すると、当該チップクリアランス１５から漏れた燃焼ガスＧが、その動翼１３の後段に位置する静翼５０に向けて流れる場合があり、これにより、静翼５０に大きな圧力損失が発生するおそれがある。

　詳細に説明すると、図７乃至図９に示すように、燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、動翼１３の背面１３ｃ及び腹面１３ｄに沿って流れた後、当該動翼１３の後段に位置する静翼５０に向けて流れ込む。そして、静翼５０に流れ込んだ燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、静翼５０の背面５０ｃ及び腹面５０ｄに沿って流れる。一方、チップクリアランス１５から漏れた燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２は、主流Ｆ１の流入角度とは異なる流入角度で静翼５０に流れ込む。

　即ち、動翼１３に沿って流れる燃焼ガスＧの主流Ｆ１においては、背面１３ｃ側の圧力と腹面１３ｄ側の圧力との間で圧力差があり、背面１３ｃ側の圧力よりも腹面１３ｄ側の圧力の方が高くなっている。これにより、腹面１３ｄ側を流れる燃焼ガスＧの主流Ｆ１における一部は、漏れ流れＦ２として、チップクリアランス１５を通過して背面１３ｃ側に流れ込む。このとき、漏れ流れＦ２は、主流Ｆ１の流れ方向と交差する方向に流れる。

　更に、図１０及び図１１に示すように、燃焼ガスＧの主流Ｆ１が静翼５０に流れ込んだ場合には、その主流Ｆ１は、静翼５０の前縁５０ｅ付近に衝突した後、背面５０ｃ側と腹面５０ｄ側とに分流して、分岐流れＦ３となる。これにより、静翼５０の前縁５０ｅ付近には、よどみ線Ｐｏが発生する。このよどみ線Ｐｏは、背面５０ｃ側に向けて流れる燃焼ガスＧの分岐流れＦ３と、腹面５０ｄ側に向けて流れる燃焼ガスＧの分岐流れＦ３との境界となるものであって、静翼５０の表面の中で最も圧力が高くなる領域となっている。

　このように、静翼５０に流れ込んだ燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、よどみ線Ｐｏを境界にして、背面５０ｃ側と腹面５０ｄ側とに分かれて流れるため、そのよどみ線Ｐｏは、翼高さ方向（径方向）に直線的に延びるように形成されることが好ましい。しかしながら、チップクリアランス１５から漏れた燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が発生した場合には、よどみ線Ｐｏの発生位置は変化する。

　つまり、燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２は、静翼５０の前縁５０ｅ付近における背面５０ｃ寄りの位置から、当該静翼５０に流れ込む。これにより、前縁５０ｅのチップ面５０ａ付近においては、よどみ線Ｐｏが背面５０ｃ側に向けてずれることになる。即ち、静翼５０に発生するよどみ線Ｐｏにおいては、漏れ流れＦ２の流入によって、チップ面５０ａ付近のみが背面５０ｃ側に移動する。

　よって、静翼５０の背面５０ｃに沿って流れる燃焼ガスＧの圧力分布は、よどみ線Ｐｏの傾斜に倣って変化し、その圧力高低差を示す等圧力線Ｐは、チップ面５０ａに近づくに従って、背面５０ｃ側に向けて歪んでしまう。これにより、静翼５０の背面５０ｃにおいては、等圧力線Ｐの歪んだ部分と直交し、且つ、チップ面５０ａ側からハブ面５０ｂ側に向かう流れが誘起される。

　この結果、背面５０ｃに沿って流れる燃焼ガスＧの分岐流れＦ３は、前縁５０ｅから後縁５０ｆに向けて、翼高さ方向の位置を殆ど変えることなく流れることになるが、分岐流れＦ３の中でも、等圧力線Ｐの歪んだ部分を通る分岐流れＦ３は、２次流れＦ４として、前縁５０ｅから後縁５０ｆに向かいつつ、チップ面５０ａ側からハブ面５０ｂ側に向って流れることになる。このような、燃焼ガスＧの２次流れＦ４は、径方向内側に向かう強い流れとなっている。これにより、静翼５０の背面５０ｃにおいては、圧力損失となる２次流れ損失が発生してしまうため、この２次流れ損失によって、タービン効率が低下するおそれがある。

　従って、本発明は上記課題を解決するものであって、背面に沿って流れる２次流れの発生を抑えて、その２次流れの発生に伴う２次流れ損失を低減させることにより、タービン効率の向上を図ることができるタービン静翼及びこれを備えたタービンを提供することを目的とする。

　上記課題を解決する第１の発明に係るタービン静翼は、
　ロータを回転可能に支持するケーシングの内周面に、周方向において所定の間隔で設けられるタービン静翼であって、
　前記ケーシングの内周面に支持され、径方向外側端面となるチップ面と、
　前記ロータの外周面と径方向において対向し、径方向内側端面となるハブ面と、
　前記チップ面と前記ハブ面とを径方向において繋ぎ、上流側に配置される縦縁となる前縁と、
　前記チップ面と前記ハブ面とを径方向において繋ぎ、下流側に配置される縦縁となる後縁とを備え、
　前記前縁は、
　前記ハブ面と接続する径方向内側端部と、
　前記径方向内側端部から所定の径方向高さに設定される後退起点と、
　前記チップ面と接続すると共に、前記後退起点よりも軸方向下流側に向けて後退した径方向外側端部と、
　前記後退起点と前記径方向外側端部との間を、軸方向上流側に向けて凸状をなすように結ぶ前縁湾曲部とを有する
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第２の発明に係るタービン静翼は、
　前記後退起点と前記径方向内側端部との間を、前記軸方向上流側に向けて凹状もしくは直線状をなすように結ばれる
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第３の発明に係るタービン静翼は、
　前記後縁は、前記ハブ面と接続する径方向内側端部を有し、
　前記前縁の径方向内側端部と前記後縁の径方向内側端部との間の軸方向距離を２等分し、且つ、径方向に延在する軸方向中心線から、前記前縁の径方向内側端部までの軸方向距離を、Ｌｏとし、
　前記軸方向中心線から、前記前縁の径方向外側端部までの軸方向距離を、Ｌとし、
　前記前縁における径方向外側端部の後退率を、（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏとするときに、
　後退率（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏの範囲は、０≦（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏ≦０．５となる
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第４の発明に係るタービン静翼は、
　前記前縁の径方向内側端部から前記後退起点までの径方向高さを、Ｈとし、
　前記前縁の径方向内側端部から前記前縁の径方向外側端部までの径方向高さを、Ｈｏとするときに、
　径方向高さＨの範囲は、０＜Ｈ≦０．８Ｈｏとなる
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第５の発明に係るタービン静翼は、
　前記前縁の径方向外側端部における接線方向と、径方向とがなす角度を、θとするときに、
　角度θの範囲は、０°＜θ≦４５°となる
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第６の発明に係るタービン静翼は、
　前記後縁は、前記チップ面と接続する径方向外側端部を有し、
　前記後縁の径方向外側端部は、前記後縁の径方向内側端部よりも軸方向下流側に向けて後退している
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第７の発明に係るタービンは、
　ロータを回転可能に支持するケーシングの内周面に周方向において所定の間隔で設けられる静翼と、前記ロータの外周面に周方向において所定の間隔で設けられる動翼とを、軸方向において交互に配置するタービンにおいて、
　前記タービン静翼は、
　前記ケーシングの内周面との間でチップクリアランスを有する前記動翼の後段に配置される
　ことを特徴とする。

　従って、本発明に係るタービン静翼及びこれを備えたタービンによれば、前縁の径方向外側端部を、当該前縁における高さ方向中間部に設定した後退起点よりも軸方向下流側に向けて後退させると共に、その径方向外側端部と後退起点とを結ぶ前縁湾曲部を、軸方向上流側に向けて凸状としている。また、後退起点と前記径方向内側端部との間は軸方向上流側に向けて凹状もしくは直線状をなすように静翼前縁を構成してもよい。これにより、背面に沿って流れる２次流れの発生を抑えることができるので、その２次流れの発生に伴う２次流れ損失を低減させることができる。この結果、タービン効率の向上を図ることができる。なお、前縁の径方向内側端部を、当該後退起点よりも軸方向下流側に向けて後退させることが望ましい。

本発明の一実施例に係る静翼を備えたガスタービンにおける翼列構造の一部分を選出した縦断面図である。 図１のII－II矢視断面図である。 静翼を腹面側から見た前方斜視図である。 静翼を背面側から見た前方斜視図である。 静翼の子午断面図である。 後退端部の後退率とタービン全段効率との関係を示した図である。 従来のガスタービンにおける翼列構造の一部分を選出した縦断面図である。 図７のVIII－VIII矢視断面図である。 前段の動翼から後段の静翼に向けて燃焼ガスが流れる様子を示した前方斜視図である。 従来の静翼を腹面側から見た前方斜視図である。 従来の静翼を背面側から見た前方斜視図である。

　以下、本発明に係るタービン静翼及びこれを備えたタービンについて、図面を用いて詳細に説明する。

　図１に示すように、ガスタービン１のケーシング１１内には、ロータ１２が回転可能に支持されている。更に、ケーシング１１内には、複数枚の動翼１３及び静翼１４が、ロータ１２を中心として、円環状に配置されている。

　動翼１３は、ロータ１２の外周面に、径方向に向けて延びるように支持されており、周方向において一定の間隔で配置されている。つまり、動翼１３の径方向内側端面となるハブ面１３ｂは、ロータ１２の外周面に支持される一方、動翼１３の径方向外側端面となるチップ面１３ａは、ケーシング１１の内周面１１ａから径方向内側に離間している。

　このとき、ケーシング１１の内周面１１ａと動翼１３のチップ面１３ａとの間には、径方向において所定の隙間量となるチップクリアランス（隙間）１５が形成されている。即ち、チップ面１３ａには、そのチップクリアランス１５を埋めるためのシュラウドが取り付けられていない。

　一方、静翼１４は、ケーシング１１の内周面１１ａに、径方向に向けて延びるように支持されており、周方向において一定の間隔で配置されている。つまり、静翼１４の径方向外側端面となるチップ面１４ａは、ケーシング１１の内周面１１ａに支持される一方、静翼１４の径方向内側端面となるハブ面１４ｂは、ロータ１２の外周面から径方向外側に離間している。

　また、動翼１３と静翼１４とは、軸方向において交互に配置されることにより、複数の段からなる翼列構造をなしている。そして、ケーシング１１の内周面１１ａとロータ１２の外周面との間には、燃焼ガス（作動流体）Ｇが軸方向から供給されるようになっている。これにより、燃焼ガスＧは、ガス流れ方向上流側となる前段側から、ガス流れ方向下流側となる後段側に向けて流れることにより、各段を構成する動翼１３及び静翼１４を前段側から後段側に向けて順に通過することになる。

　更に、動翼１３及び静翼１４は、径方向外側から見た形状（翼形状）が、共に周方向において湾曲した形状となっている。具体的に、図２に示すように、動翼１３は、ロータ１２の回転方向下流側に向かって凸状をなすように湾曲しており、周方向両側に設けられる側面にうち、凸状をなす面が、負圧面となる背面１３ｃとなっており、凹状をなす面が、正圧面となる腹面１３ｄとなっている。一方、図２乃至図４に示すように、静翼１４は、ロータ１２の回転方向上流側に向かって凸状をなすように湾曲しており、周方向両側に設けられる側面のうち、凸状をなす面が、負圧面となる背面１４ｃとなっており、凹状をなす面が、正圧面となる腹面１４ｄとなっている。

　そして、静翼１４には、前縁２１及び後縁２２が形成されている。前縁２１は、静翼１４における上流側に配置される縦縁であって、背面１４ｃの前端部と腹面１４ｄの前端部とが交差する頂部を形成すると共に、チップ面１４ａの前端部とハブ面１４ｂの前端部との間を繋いでいる。一方、後縁２２は、静翼１４における下流側に配置される縦縁であって、背面１４ｃの後端部と腹面１４ｄの後端部とが交差する頂部を形成すると共に、チップ面１４ａの後端部とハブ面１４ｂの後端部との間を繋いでいる。

　ここで、チップクリアランス１５を有する動翼１３の後段に位置する静翼１４においては、そのチップクリアランス１５から漏れた燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２に起因した２次流れＦ４（図１０及び図１１参照）の発生を抑えるため、前縁２１における径方向外側部分を軸方向下流側に向けて後退させるようにしている。

　そこで、以下に、上記２次流れＦ４に対応した静翼１４の形状について、図５を用いて詳細に説明する。なお、図５は、静翼１４の子午断面を示しているが、この子午断面とは、背面１４ｃと腹面１４ｄとの間における翼厚さ方向中間点を結んだ線（キャンバーライン）を、翼高さ方向（径方向）に貫いたときの静翼１４の縦断面となっている。

　図５に示すように、前縁２１は、チップ面１４ａの前端部とハブ面１４ｂの前端部との間を繋いでおり、チップ面１４ａの前端部と接続する（一致する）径方向外側端部２１ａと、ハブ面１４ｂの前端部と接続する（一致する）径方向内側端部２１ｂとを有している。更に、径方向外側端部２１ａと径方向内側端部２１ｂとの間の中間部には、後退起点２１ｃが設定されており、前縁２１の中でも、後退起点２１ｃから径方向外側端部２１ａまでの部分は、前縁湾曲部２１ｄを構成している。

　一方、後縁２２は、チップ面１４ａの後端部とハブ面１４ｂの後端部との間を繋いでおり、そのチップ面１４ａの後端部と接続する（一致する）径方向外側端部２２ａと、そのハブ面１４ｂの後端部と接続する（一致する）径方向内側端部２２ｂとを有している。更に、径方向外側端部２２ａと径方向内側端部２２ｂとの間の中間部には、後退起点２２ｃが設定されており、後縁２２の中でも、後退起点２２ｃから径方向外側端部２２ａまでの部分は、後縁湾曲部２２ｄを構成している。

　そして、径方向内側端部２１ｂと径方向内側端部２２ｂとの間の軸方向距離を２等分し、且つ、径方向（翼高さ方向）に延在する直線を、軸方向中心線Ｏとすると、軸方向中心線Ｏから径方向内側端部２１ｂまでの軸方向距離は、Ｌｏとなり、軸方向中心線Ｏから径方向外側端部２１ａまでの軸方向距離は、Ｌとなる。これにより、径方向外側端部２１ａ（チップ面１４ａの前端部）の径方向内側端部２１ｂに対する後退率は、（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏとなる。このとき、後退率（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏは、０≦（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏ≦０．５の範囲に設定されている。このように、径方向外側端部２１ａを、軸方向下流側に向けて後退させることにより、前縁湾曲部２１ｄは、軸方向上流側に向けて凸状をなす曲線となる。一方、後退起点２１ｃと径方向内側端部２１ｂとの間を結ぶ静翼前縁は、図５中では直線状であるが、これに限るものではなく、軸方向上流側に向けて凹状となった前縁湾曲部となっていても良い。これにより、背面に沿って流れる２次流れの発生を抑えることができるので、その２次流れの発生に伴う２次流れ損失を低減させることができる。この結果、タービン効率の向上を図ることができる。

　また、後退起点２１ｃの径方向高さＨは、径方向内側端部２１ｂからの径方向高さとなっており、径方向外側端部２１ａの径方向高さＨｏは、径方向内側端部２１ｂからの径方向高さとなっている。このとき、後退起点２１ｃの径方向高さＨは、０＜Ｈ≦０．８Ｈｏの範囲に設定されている。

　更に、前縁湾曲部２１ｄの径方向外側端部２１ａにおける接線方向と、径方向とがなす角度をθとする。このとき、角度θは、０°＜θ≦４５°の範囲に設定されている。なお、静翼とケーシングとの接続部の形状(フィレット)は考慮しない。

　なお、後縁２２においても、径方向外側端部２２ａを、軸方向下流側に向けて後退させることにより、後縁湾曲部２２ｄが、軸方向上流側に向けて凸状をなす曲線となっている。このとき、後縁２２に後縁湾曲部２２ｄを形成する場合には、少なくとも、径方向外側端部２２ａが径方向内側端部２２ｂよりも軸方向下流側に向けて後退していれば良い。このように、前縁２１に前縁湾曲部２１ｄを形成すると共に、後縁２２に後縁湾曲部２２ｄを形成することにより、静翼１４の断面積を維持することができるので、当該静翼１４の剛性を保つことができる。但し、後退起点２２ｃは、径方向において、後退起点２１ｃと同じ位置に設定されている。即ち、後退起点２２ｃにおける径方向内側端部２１ｂからの径方向高さは、Ｈとなっている。

　次に、複数段の動翼１３及び静翼１４を備えたガスタービン１の作用について、図１乃至図４を用いて詳細に説明する

　先ず、図１及び図２に示すように、ガスタービン１の運転が開始されると、ロータ１２の回転に伴って動翼１３が回転する。これにより、軸方向上流側から供給された燃焼ガスＧは、動翼１３及び静翼１４を順次通過しながら、前段側（上流側）から後段側（下流側）に向けて流される。

　即ち、燃焼ガスＧの主流Ｆ１が動翼１３に向けて流されると、当該燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、腹面１３ｄ側から前縁付近に流れ込んだ後、背面１３ｃ及び腹面１３ｄに沿って流れる。このとき、動翼１３においては、翼形状が回転方向下流側に向けて凸状をなすと共に、前縁が後縁よりも回転方向下流側に配置されているため、燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、動翼１３によって、その前縁側から後縁側に向けて流されつつ、回転方向上流側に向けて流される。これにより、燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、動翼１３によって、流れの向きが変えられると共に、動翼１３に対して回転方向への力を与える。

　言い換えれば、動翼１３は、燃焼ガスＧの流れの向きを変更させる際に、当該燃焼ガスＧから受ける反作用によって、回転方向への力が付与される。これにより、動翼１３を支持するロータ１２は、回転する。

　また、燃焼ガスＧの主流Ｆ１が静翼１４に向けて流されると、当該燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、腹面１４ｄ側から前縁２１付近に流れ込んだ後、背面１４ｃ及び腹面１４ｄに沿って流れる。このとき、静翼１４においては、翼形状が回転方向上流側に向けて凸状をなすと共に、後縁２２が前縁２１よりも回転方向下流側に配置されているため、燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、静翼１４によって、前縁２１側から後縁２２側に向けて流されつつ、回転方向下流側に向けて流される。これにより、燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、静翼１４によって、整流化されると共に、流れの向きが変えられる。

　ここで、燃焼ガスＧの主流Ｆ１が動翼１３に流れ込む際には、上述したように、当該燃焼ガスＧの主流Ｆ１が腹面１３ｄ側から流れ込むため、動翼１３の表面に沿って流れる燃主流Ｆ１の圧力においては、背面１３ｃ側の圧力よりも、腹面１３ｄ側の圧力が高くなる。また、動翼１３がチップクリアランス１５を有しているため、腹面１３ｄ側を流れる燃焼ガスＧの主流Ｆ１における一部は、背面１３ｃ側の圧力と腹面１３ｄ側の圧力との圧力差によって、圧力が高い腹面１３ｄ側から、チップクリアランス１５を介して、圧力が低い背面１３ｃ側に流れ込む。

　つまり、チップクリアランス１５から漏れた燃焼ガスＧの流れとなる、漏れ流れＦ２は、回転方向下流側に向かいつつ、後段の静翼１４に流れ込む。この結果、燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が静翼１４に流れ込む際には、当該燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が、背面１４ｃ側から、前縁２１の径方向外側端部２１ａ付近、即ち、チップ面１４ａの前端部付近に向けて流れ込む。

　一方、燃焼ガスＧの主流Ｆ１が静翼１４に流れ込む際には、当該燃焼ガスＧの主流Ｆ１は、腹面１４ｄ側から、前縁２１付近に向けて流れ込んだ後、背面１４ｃ側と腹面１４ｄ側とに分かれて流れる。これにより、図３及び図４に示すように、双方向の流れの分岐部分となる前縁２１上には、燃焼ガスＧの圧力が最も高くなる領域として、よどみ線（図中、網掛け範囲）Ｐｏが発生する。このとき、燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が、前縁２１よりも若干背面１４ｃ側にずれて衝突する分、その漏れ流れＦ２が衝突する付近のよどみ線Ｐｏは、背面１４ｃ側に傾く傾向にある。

　これに対して、本発明に係る静翼１４においては、燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が衝突する部分となる径方向外側端部２１ａを、後退起点２１ｃを起点として、軸方向下流側に後退させて、その後退した径方向外側端部２１ａと後退起点２１ｃとを結ぶ前縁湾曲部２１ｄを、軸方向上流側に向けて凸状としている。このように、前縁２１の中でも、前縁湾曲部２１ｄを後退させることにより、燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が静翼１４に衝突する部分を、腹面１４ｄ側にずらすことができる。

　よって、燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が静翼１４に衝突する部分を、燃焼ガスＧの主流Ｆ１が静翼１４に衝突する部分に近づけることができるので、よどみ線Ｐｏを、径方向（翼高さ方向）に向けて、ほぼ直線的に形成することができる。この結果、静翼１４の背面１４ｃに沿って流れる燃焼ガスＧの圧力は、径方向においてほぼ等しくなり、燃焼ガスＧの圧力高低差を示す等圧力線Ｐについても、径方向に向けて、ほぼ直線的に形成される。

　従って、前縁２１付近から背面１４ｃ側及び腹面１４ｄ側に分岐する、燃焼ガスＧの分岐流れＦ３の中でも、前縁湾曲部２１ｄ付近から背面１４ｃ側に分岐する分岐流れＦ３は、背面１４ｃに沿って前縁２１側から後縁２２側に向けて流れる場合でも、背面１４ｃ上において、径方向内側に向かう強い流れとなる２次流れＦ４になることはない。

　このとき、前縁２１に前縁湾曲部２１ｄを形成してしまうと、その前縁湾曲部２１ｄを有する静翼１４と、当該静翼１４の前段に位置する動翼１３との間における段間距離（軸方向距離）が、長くなり、それらの間における内周面１１ａに、燃焼ガスＧが接触し易くなる。この結果、燃焼ガスＧの低速領域が、段間距離が長くなった部分に対応した内周面１１ａに沿って形成され、タービン効率の低下を招くおそれがある。これに対して、本発明に係る静翼１４においては、径方向外側端部２１ａの後退率（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌを、０≦（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌ≦０．５の範囲に設定することにより、静翼１４と動翼１３との間における段間距離が長くなることがないので、タービン効率の低下を抑制することができる。

　そして、図６に示すように、前縁湾曲部２１ｄを有する静翼１４を備えた本発明に係るガスタービン１においては、後退率（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌを、０≦（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌ≦０．５の範囲に設定することにより、前縁湾曲部２１ｄを有していない静翼５０を備えた従来のガスタービンと比べて、タービン全段効率を向上させることができる。なお、図６においては、本発明に係るガスタービン１におけるタービン全段効率を、実線で示しており、従来のガスタービンにおけるタービン全段効率を、●印で示している。

　また、前縁湾曲部２１ｄの長さが短くなり過ぎると、当該前縁湾曲部２１ｄ付近に燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が衝突し難くなってしまい、２次流れＦ４の発生防止効果が得られないおそれがある。これに対して、本発明に係る静翼１４においては、後退起点２１ｃの径方向高さＨを、０＜Ｈ≦０．８Ｈｏの範囲に設定することにより、前縁湾曲部２１ｄ付近に燃焼ガスＧの漏れ流れＦ２が衝突し易くなるため、その漏れ流れＦ２に起因した２次流れＦ４の発生を抑制することができる。

　更に、前縁湾曲部２１ｄの径方向外側端部２１ａにおける角度θが、４５°を超えるような、大きな角度になると、その前縁湾曲部２１ｄとケーシング１１の内周面１１ａとの間における空間（隙間）が非常に狭くなってしまう。この結果、その空間内において、燃焼ガスＧが停滞してしまうため、タービン効率の低下を招くおそれがある。これに対して、本発明に係る静翼１４においては、角度θを、０°＜θ≦４５°の範囲に設定することにより、前縁湾曲部２１ｄとケーシング１１の内周面１１ａとの間における空間が狭くなることがないので、タービン効率の低下を抑制することができる。

　従って、本発明に係る静翼１４及びガスタービン１によれば、前縁２１の径方向外側端部２１ａを、当該前縁２１における高さ方向中間部に設定した後退起点２１ｃを起点として、軸方向下流側に向けて後退させると共に、その径方向外側端部２１ａと後退起点２１ｃとを結ぶ前縁湾曲部２１ｄを、軸方向上流側に向けて凸状としている。これにより、背面１４ｃに沿って流れる２次流れＦ４の発生を抑えることができるので、その２次流れＦ４の発生に伴う２次流れ損失を低減させることができる。この結果、タービン効率の向上を図ることができる。

　１　　　ガスタービン
１１　　　ケーシング
１１ａ　　内周面
１２　　　ロータ
１３　　　動翼
１３ａ　　チップ面
１３ｂ　　ハブ面
１３ｃ　　背面
１３ｄ　　腹面
１４　　　静翼
１４ａ　　チップ面
１４ｂ　　ハブ面
１４ｃ　　背面
１４ｄ　　腹面
１５　　　チップクリアランス
２１　　　前縁
２１ａ　　径方向外側端部
２１ｂ　　径方向内側端部
２１ｃ　　後退起点
２１ｄ　　前縁湾曲部
２２　　　後縁
２２ａ　　径方向外側端部
２２ｂ　　径方向内側端部
２２ｃ　　後退起点
２２ｄ　　後縁湾曲部
　Ｇ　　　燃焼ガス
　Ｆ１　　主流
　Ｆ２　　漏れ流れ
　Ｆ３　　分岐流れ
　Ｆ４　　２次流れ
　Ｐｏ　　よどみ線
　Ｐ　　　等圧力線
　Ｏ　　　軸方向中心線
　Ｌｏ，Ｌ　　軸方向距離
　Ｈｏ，Ｈ　　径方向高さ
　θ　　　角度

Claims (7)

1. 　ロータを回転可能に支持するケーシングの内周面に、周方向において所定の間隔で設けられるタービン静翼であって、
   　前記ケーシングの内周面に支持され、径方向外側端面となるチップ面と、
   　前記ロータの外周面と径方向において対向し、径方向内側端面となるハブ面と、
   　前記チップ面と前記ハブ面とを径方向において繋ぎ、上流側に配置される縦縁となる前縁と、
   　前記チップ面と前記ハブ面とを径方向において繋ぎ、下流側に配置される縦縁となる後縁とを備え、
   　前記前縁は、
   　前記ハブ面と接続する径方向内側端部と、
   　前記径方向内側端部から所定の径方向高さに設定される後退起点と、
   　前記チップ面と接続すると共に、前記後退起点よりも軸方向下流側に向けて後退した径方向外側端部と、
   　前記後退起点と前記径方向外側端部との間を、軸方向上流側に向けて凸状をなすように結ぶ前縁湾曲部とを有する
   　ことを特徴とするタービン静翼。
2. 　請求項１に記載のタービン静翼において、
   　前記後退起点と前記径方向内側端部との間を、前記軸方向上流側に向けて凹状もしくは直線状をなすように結ばれる
   　ことを特徴とするタービン静翼。
3. 　請求項１又は２に記載のタービン静翼において、
   　前記後縁は、前記ハブ面と接続する径方向内側端部を有し、
   　前記前縁の径方向内側端部と前記後縁の径方向内側端部との間の軸方向距離を２等分し、且つ、径方向に延在する軸方向中心線から、前記前縁の径方向内側端部までの軸方向距離を、Ｌｏとし、
   　前記軸方向中心線から、前記前縁の径方向外側端部までの軸方向距離を、Ｌとし、
   　前記前縁における径方向外側端部の後退率を、（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏとするときに、
   　後退率（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏの範囲は、０≦（Ｌｏ－Ｌ）／Ｌｏ≦０．５となる
   　ことを特徴とするタービン静翼。
4. 　請求項１乃至３に記載のタービン静翼において、
   　前記前縁の径方向内側端部から前記後退起点までの径方向高さを、Ｈとし、
   　前記前縁の径方向内側端部から前記前縁の径方向外側端部までの径方向高さを、Ｈｏとするときに、
   　径方向高さＨの範囲は、０＜Ｈ≦０．８Ｈｏとなる
   　ことを特徴とするタービン静翼。
5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載のタービン静翼において、
   　前記前縁の径方向外側端部における接線方向と、径方向とがなす角度を、θとするときに、
   　角度θの範囲は、０°＜θ≦４５°となる
   　ことを特徴とするタービン静翼。
6. 　請求項１乃至５のいずれかに記載のタービン静翼において、
   　前記後縁は、前記チップ面と接続する径方向外側端部を有し、
   　前記後縁の径方向外側端部は、前記後縁の径方向内側端部よりも軸方向下流側に向けて後退している
   　ことを特徴とするタービン静翼。
7. 　ロータを回転可能に支持するケーシングの内周面に周方向において所定の間隔で設けられる静翼と、前記ロータの外周面に周方向において所定の間隔で設けられる動翼とを、軸方向において交互に配置するタービンにおいて、
   　請求項１乃至６のいずれかに記載された前記タービン静翼は、
   　前記ケーシングの内周面との間でチップクリアランスを有する前記動翼の後段に配置される
   　ことを特徴とするタービン。

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