WO2020137599A1

WO2020137599A1 - 回転体の動翼およびディスク

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Publication number: WO2020137599A1
Application number: PCT/JP2019/048856
Authority: WO
Inventors: 寛貴倉嶋; 博和松田; 亮嗣玉井; 良造田中
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: US11946390B2; DE112019006421T5; JP7385992B2; GB202109949D0; GB2594847A; DE112019006421B4; JP2020106015A; US20210324750A1; CN113227540A; GB2594847B

Abstract

回転体（１）のディスク（１７）に植設される動翼（１５）において、当該動翼の翼根（２１）が、横断面形状において、当該翼根（２１）をディスク（１７）に係止するための、周方向成分を含む方向の両側に突出する突出部（２３）を少なくとも１段有し、前記突出部（２３）の、ディスク（１７）に接触する接触面（２３ａ）が、当該翼根（２１）の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜しており、前記突出部（２３）の、ディスク（１７）に接触しない非接触面（２３ｂ）が、当該翼根（２１）の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜している。

Description

回転体の動翼およびディスク

関連出願

　本出願は、２０１８年１２月２８日出願の特願２０１８－２４８０１６の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　本発明は、ガスタービンエンジン、蒸気タービンなどのタービンロータのような、複数の動翼および前記動翼が植設されるディスクを有する回転体に関する。

　ガスタービンや蒸気タービンなどのターボ機械の回転体には、多数の動翼が等間隔に配設される。動翼は、その内径側の取付部分である翼根が、回転体の外周部に設けられたディスクの翼溝に嵌合されることによって回転体に連結される。翼根と翼溝の嵌め合いによって動翼をディスクに係止する必要があるため、翼根は、周方向に突出する部分を複数有するツリー形状に形成されることが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－１２５４７８号公報

　ガスタービンや蒸気タービンなどのターボ機械の回転体は、高速で回転するので、上記の構造を有する動翼の取付部分には、遠心力に起因する応力が局所的に集中する部分が生じやすい。しかも、ターボ機械の性能を向上させる手法として、一般的な手法として回転体の回転速度をさらに大きくすることや、動翼の高さ寸法を大きくすることが考えられるが、いずれの手法も遠心力の増大よる応力の増大を伴う。つまり、動翼の取付部分に生じる応力がターボ機械の性能向上を制約している。

　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、回転体の動翼の翼根およびディスクの翼溝の形状を改良することにより、動翼の翼根およびディスクの翼溝における局所的な応力集中を緩和することにある。

　前記した目的を達成するために、本発明に係る回転体の動翼は、回転体のディスクに植設される動翼であって、
　当該動翼の翼根が、横断面形状において、
　当該翼根をディスクに係止するための、周方向成分を含む方向の両側に突出する突出部を少なくとも１段有し、
　前記突出部の、ディスクに接触する接触面が、当該翼根の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜しており、
　前記突出部の、ディスクに接触しない非接触面が、当該翼根の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜している。

　また、本発明に係る回転体のディスクは、動翼が植設される回転体のディスクであって、
　当該ディスクの翼溝が、横断面形状において、
　動翼の翼根を当該ディスクに係止するための、周方向成分を含む方向の両側に凹む凹部を少なくとも１段有し、
　前記凹部の、翼根に接触する接触面が、当該翼溝の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜しており、
　前記凹部の、翼根に接触しない非接触面が、当該翼溝の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜している。

　従来の翼根および翼溝の形状においては、非接触面が、中央部に向かうに従って径方向外側から径方向内側へ延びるように傾斜（正の角度で傾斜）している。このような従来形状では、接触面における接触部分の両端部、および翼根および翼溝の、接触端部に隣接する円弧形状の凹部（Ｒ状部）において大きな応力集中が発生する。本発明の構成に係る動翼およびディスクによれば、非接触面が、従来形状とは逆の、負の角度で傾斜することにより、翼根および翼溝の全体寸法を増大させることなく接触端部およびＲ状部における応力集中を緩和することができる。

　本発明の一実施形態に係る動翼において、前記翼根の前記突出部が、先細りの横断面形状を有していてもよい。また、本発明の一実施形態に係るディスクにおいて、前記翼溝の前記凹部が、先細りの横断面形状を有していてもよい。この構成によれば、突出部における剛性の分布の重心が先端側にシフトするので、より確実に荷重伝達経路を接触部分の中央部へシフトさせて、接触端部における応力集中を緩和することができる。

　本発明の一実施形態に係る動翼は、複数段の前記突出部を有していてもよい。また、本発明の一実施形態に係るディスクは、複数段の前記凹部を有していてもよい。この構成によれば、突出部が一段のみ設けられている場合に比べて、より確実に動翼をディスクの翼溝に係止することができる。

　本発明の一実施形態に係る動翼において、前記翼根の内径側端部に、径方向外側に凹む内径端凹部が形成されていてもよい。この構成によれば、動翼の重量が低減するので、動翼が受ける遠心力が小さくなり、その結果、翼根および翼溝全体に発生する応力が小さくなる。さらに、内径側端部の突出部においても非接触面が負の角度で傾斜することになるので、剛性の分布の重心が先端側にシフトし、接触端部における応力集中が緩和される。

　本発明に係る回転体は、複数の動翼が植設された回転体であって、
　前記したいずれかの動翼と、
　前記動翼の翼根を収容可能な形状の翼溝を有する、前記したいずれかのディスクと、
を備えている。

　本発明の一実施形態に係る回転体において、前記翼溝の内径側端部の、前記翼根に接触しない非接触面が、横断面形状において、前記翼根の内径側端部の非接触面よりも大きい曲率半径を有していてもよい。この構成によれば、翼溝の内径側端部の凹部においても曲率半径を大きくすることにより、この部分における応力集中を緩和することができる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の第１実施形態に係る回転体が適用されるガスタービンの概略構成を示す部分破断側面図である。本発明の第１実施形態に係る回転体を示す正面図である。図２の回転体における動翼の取付部分を拡大して示す正面図である。図３のIV部分を拡大して示す正面図である。図３の実施形態の効果に関する計算結果を示すコンター図である。図３の実施形態の効果に関する計算結果を示すコンター図である。本発明の第２実施形態に係る回転体における動翼の取付部分を拡大して示す正面図である。図７の実施形態の変形例に係る回転体を示す正面図である。従来の動翼の翼根およびディスクの翼溝の形状を示す正面図である。

　以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。

　図１に、本発明の第１実施形態に係る回転体１が適用されるターボ機械の一例を示す。同図には、ターボ機械の一例としてガスタービンＧＴを示す。ガスタービンＧＴは、外部から導入された空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して圧縮空気ＣＡとして燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して圧縮空気ＣＡとともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスによりタービン７を駆動する。タービン７の回転によって、前記回転体１を構成する回転軸９であるロータに連結された発電機のような負荷（図示せず）が駆動される。

　タービン７において、タービンケーシング１１の内周部に植設された多数の静翼１３と、ロータの外周部に配置された多数の動翼１５とが、軸心方向に交互に隣接して配置されている。具体的には、図２に示すように、動翼１５は、回転体１に設けられたディスク１７の外周部に連結されることにより、周方向に多数植設されている。

　回転体１は、回転軸９と、回転軸９の外周面に円盤状に突設されたディスク１７と、ディスク１７の外周部に、周方向に複数並べて配置された動翼１５とを有している。各動翼１５は翼根２１を有している。翼根２１は、当該動翼１５の内径側に配置されてディスク１７に嵌合連結される部分となる。図３に示すように、動翼１５の翼根２１は、当該翼根２１をディスク１７に係止するための、周方向成分を含む方向の両側に突出する突出部２３を有している。各動翼１５の翼根２１は、その横断面形状が、回転体１の径方向ｒに対してほぼ線対称となるように形成されている。なお、本明細書において、「横断面」とは、回転体１を基準とした横断面を指す。

　ディスク１７は、その外周部に翼溝２５を有している。翼溝２５は、動翼１５の翼根２１を収容可能な形状を有し、翼根２１が嵌合される部分となる。翼溝２５は、翼根２１を収容可能な形状に形成されており、動翼１５の翼根２１を当該ディスク１７に係止するための、周方向成分を含む方向の両側に凹む凹部２７を有している。各ディスク１７の翼溝２５は、その横断面形状が、回転体１の径方向ｒに対してほぼ線対称となるように形成されている。本明細書では、同一の径方向位置において翼根２１の周方向の両側に突出する突出部２３の一組、および突出部２３に対応する翼溝２５の周方向の両側に凹む凹部２７の一組を「段」と称する。図示の例では、動翼１５の翼根２１は複数段（この例では３段）の突出部２３を有している。ディスク１７の翼溝２５も複数段（この例では３段）の凹部２７を有している。また、本明細書では、翼根２１および翼溝２５が複数の段を有する場合、径方向外側からの順に沿って「第ｎ段」と呼ぶ。すなわち、径方向の最も外側に位置する段が第１段である。

　回転体１が回転することによって動翼１５に遠心力が作用するので、回転体１が設置される装置（この実施形態では図１に示したガスタービンＧＴ）の運転中、翼根２１の各突出部２３において、主として径方向外側を向く面がディスク１７の翼溝２５面に接触する接触面２３ａとなり、主として径方向内側を向く面が非接触面２３ｂとなる。また、翼溝２５の各凹部２７において、主として径方向内側を向く面が翼根２１に接触する接触面２７ａとなり、主として径方向外側を向く面が非接触面２７ｂとなる。

　翼根２１の突出部２３の接触面２３ａは、横断面視において、当該翼根２１の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜している。翼溝２５の凹部２７の接触面２７ａも同様に、横断面視において、当該翼溝２５の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜している。なお、以下の説明において、翼根２１または翼溝２５の中央部に向かうに従って径方向外側から径方向内側へ延びる傾斜角度（換言すれば、径方向内側から外側へ向かって、翼根２１または翼溝２５の中央部から離れるように延びる傾斜角度）を「正」の角度と呼び、正の角度と逆向きの角度を「負」の角度と呼ぶ。すなわち、負の角度とは、翼根２１または翼溝２５の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側へ延びる傾斜角度（換言すれば、径方向内側から外側へ向かって、翼根２１または翼溝２５の中央部へ近づくように延びる傾斜角度）として定義される。翼根２１の突出部２３および翼溝２５の凹部２７の接触面２３ａ，２７ａは負の角度で傾斜している。

　本実施形態では、動翼１５の翼根２１において、少なくとも１段の突出部２３の非接触面２３ｂが負の角度で傾斜している。同様に、ディスク１７の翼溝２５において、少なくとも１段の凹部２７の各非接触面２７ｂが負の角度で傾斜している。

　より具体的には、図示の例では、翼根２１の、最終段（この例では第３段）を除くすべての段（この例では第１段および第２段）の突出部２３の各非接触面２３ｂが負の角度で傾斜している。翼根２１の内径側端部２１ａである最終段の非接触面２３ｂは、径方向ｒに対してほぼ直交する平坦面として形成されている。また、翼溝２５の、最終段（この例では第３段）を除くすべての段（この例では第１段および第２段）の凹部２７の各非接触面２７ｂが負の角度で傾斜している。翼溝２５の内径側端部２５ａである最終段の非接触面２７ｂは、全体として径方向内側に凹む曲面として形成されている。なお、ディスク１７の翼溝２５において、最終段（この例では第３段）を除くすべての段（この例では第１段および第２段）の凹部２７の形状は、動翼１５の翼根２１の対応する段の突出部２３の形状にほぼ対応する形状に形成されているので、以下の説明において、翼溝２５の凹部２７の形状の説明を省略する場合がある。

　本実施形態の動翼１５およびディスク１７では、翼根２１の突出部２３および翼溝２５の凹部２７の非接触面２３ｂ，２７ｂを、負の角度で傾斜するように形成することにより、翼根２１および翼溝２５における局所的な応力集中の発生を抑制することができる。この作用について以下詳細に説明する。

　図９に、一般的な従来例に係る回転体１０１の動翼１５の翼根２１およびディスク１７の翼溝２５の形状を示す。この従来例では、本実施形態に係る翼根２１および翼溝２５と異なり、それぞれの非接触面２３ｂ，２７ｂが正の角度で傾斜している。このような従来例に係る翼根２１および翼溝２５では、（１）接触面における接触部分の両端部（以下、単に「接触端部」と呼ぶ。）３１，３１、および（２）翼根２１および翼溝２５の、接触端部３１に隣接する円弧形状の凹部（以下、単に「Ｒ状部」と呼ぶ。）３３において大きな応力集中が発生する。

　まず、接触端部３１における応力集中を低減するためには、翼根２１，翼溝２５に作用する遠心力荷重の経路を両接触端部３１，３１から接触部分の中央部へシフトさせる必要がある。荷重は、剛性の大きい部分を通り易い傾向にあるので、上述した遠心力荷重の経路をシフトさせるためには、翼根２１の突出部２３の剛性の分布の重心をより先端側へシフトさせることが有効である。他方、Ｒ状部３３の応力集中を低減するためには、Ｒ状部３３の曲率半径を大きくすることが有効である。本実施形態のように、翼根２１および翼溝２５において、非接触面を負の角度で傾斜させることにより、翼根２１および翼溝２５についての上述のような効果をもたらす形状変更を、翼根２１および翼溝２５の径方向寸法および周方向寸法を増大させることなく実現することが可能になる。

　より具体的には、図３に示すように、本実施形態に係る動翼１５では、翼根２１の突出部２３の接触面２３ａと共に非接触面２３ｂを負の角度で傾斜させることによって、従来形状と比較して、突出部２３の断面形状が細長くなる。すなわち、突出部２３の幅寸法が突出部２３全体に渡って細くかつ均一化される。翼溝２５の凹部２７，２７間の突出部についても同様である。このような形状によって、両突出部の剛性の分布の重心が従来形状よりも先端側にシフトし、接触端部３１における応力集中が緩和される。

　また、突出部２３の断面形状が細長くなることにより、接触端部３１に隣接する非接触部分の曲率半径を大きく取ることが容易となる。この例では、図４に示すように、突出部２３の接触端部３１よりも根元側のＲ状部３３は、２段の異なる曲率半径からなる湾曲形状に形成されている。ここでは、接触端部３１に隣接するＲ状部３３を「第１Ｒ状部３３Ａ」と呼び、第１Ｒ状部３３Ａに隣接し、突出部２３の先端部を形成するＲ状部３３を「第２Ｒ状部３３Ｂ」と呼ぶ。なお、図９に示す従来形状においても同様に、接触端部３１に隣接するＲ状部３３は２段の異なる曲率半径からなる湾曲形状に形成されている。本実施形態における第１Ｒ状部３３Ａの曲率半径は、従来形状のＲ状部における第１Ｒ状部の曲率半径の約３倍に設定されている。

　図５，図６に、本実施形態に係る形状（図３の形状：実施例）および従来形状（図９の形状：比較例）について応力の集中状態をシミュレーションした計算結果を示す。図５には、実施例および比較例について、最小主応力、つまり当該箇所における最大圧縮応力の大きさを計算した結果を示す。図６には、実施例および比較例について、最大主応力、つまり当該箇所における最大引張応力の大きさを計算した結果を示す。なお、実施例と比較例とで、翼根と翼溝の接触部分の長さは同一とした。

　図５に示す結果からは、比較例において接触端部で発生していた圧縮応力の集中が、実施例において大幅に緩和されていることがわかる。同様に、図６に示す結果からは、比較例においてＲ状部で発生していた引張応力の集中が、実施例において大幅に緩和されていることがわかる。

　図９の従来形状においても、例えば翼根２１、翼溝２５の周方向寸法の増大を許容すれば、翼根２１の突出部２３、翼溝２５の凹部２７を細長い形状とすることも可能であるし、翼根２１、翼溝２５の径方向寸法の増大を許容すれば、Ｒ状部３３の曲率半径を大きくすることは可能である。しかし、これら２つの要素を含む形状変更を、翼根２１、翼溝２５全体の周方向寸法および径方向寸法を維持しながら実現することは困難である。これに対して、図３に示す本実施形態では、翼根２１および翼溝２５において非接触面２３ｂ，２７ｂを負の角度で傾斜させることにより、翼根２１、翼溝２５の全体寸法を増大させることなく上述の形状変更を実現している。

　本実施形態では、さらに、翼根２１の第１段および第２段の突出部２３が、先細りの横断面形状に形成されている。つまり、図４に示すこれらの各突出部２３において、径方向ｒに対する接触面２３ａの傾斜角度θ１よりも、径方向ｒに対する非接触面２３ｂの傾斜角度θ２の方が大きい。同様に、翼溝２５の第１段および第２段の凹部２７が先細りの横断面形状に形成されている。つまり、これらの各凹部２７において、径方向ｒに対する接触面２７ａの傾斜角度θ１よりも、径方向ｒに対する非接触面２７ｂの傾斜角度θ２の方が大きい。ここで、接触面の傾斜角度θ１とは、接触面の両接触端部３１，３１の中間点Ｍ１における径方向ｒに対する傾斜角度をいい、非接触面の傾斜角度θ２とは、回転体１に遠心力が作用しておらず非接触面同士が接触した状態における接触面の両接触端部の中間点Ｍ２における径方向ｒに対する傾斜角度をいう。すなわち、接触面および非接触面が、その断面視において全体が直線状である場合は、その直線の傾斜角度（上記中間点における傾斜角度に等しい）が前記「傾斜角度θ１」または「傾斜角度θ２」となり、接触面および非接触面が、その断面視において数段に屈曲した形状や曲線状である場合は、上記中間点における傾斜角度が前記「傾斜角度θ１」または「傾斜角度θ２」となる。

　このように構成することにより、突出部２３における剛性の分布の重心が先端側にシフトするので、より確実に荷重の経路を接触部分の中央部へシフトさせて、接触端部３１における応力集中を緩和することができる。

　本実施形態では、図３に示すように、さらに、ディスク１７の翼溝２５の内径側端部２５ａ（最終段の凹部２７）の非接触面２７ｂが、横断面形状において、動翼１５の翼根２１の内径側端部２１ａ（最終段の突出部２３）の非接触面２３ｂよりも大きい曲率半径を有している。翼溝２５の内径側端部２５ａの非接触面２７ｂの曲率半径は、ディスク１７の全体寸法を支持し、かつ動翼１５支持性能を十分に確保できる範囲で、できるだけ大きいことが好ましい。このように、翼溝２５の内径側端部２５ａの凹部２７においても曲率半径が大きい形状とすることにより、この部分における応力集中を緩和することができる。

　以上説明した本実施形態に係る回転体１の動翼１５およびディスク１７、およびこれらを備える回転体１によれば、非接触面２３ｂ、２７ｂの傾きを負の角度とすることにより、接触端部３１およびＲ状部３３における応力集中を、翼根２１および翼溝２５の全体寸法を増大させることなく緩和することができる。

　図７に、本発明の第２実施形態に係る回転体１を示す。本実施形態では、動翼１５の翼根２１の内径側端部２１ａである最終段の非接触面２３ｂに、径方向外側に凹む内径端凹部４１が形成されている。本実施形態のその他の構成は、図３に示した第１実施形態と同様である。

　このように、動翼１５の翼根２１の内径側端部２１ａに内径端凹部４１を形成することにより、動翼１５の支持にほとんど寄与しない部分の肉を削減して動翼１５の重量を低減することができる。これにより、動翼１５が受ける遠心力が小さくなり、その結果、翼根２１および翼溝２５全体に発生する応力も小さくなる。さらには、翼根２１の最終段の突出部２３に相当する内径側端部２１ａに内径端凹部４１を形成することによって、最終段の突出部２３においても非接触面２３ｂ、２７ｂが負の角度で傾斜することになる。これにより、最終段の突出部２３において剛性の分布の重心が先端側にシフトするので、接触端部３１における応力集中が緩和される。

　なお、上記の各実施形態において、翼根２１が複数段の突出部２３を有している例を示した。このような構成により、より確実に動翼１５をディスク１７の翼溝２５に係止することができる。もっとも、図８に示すように、動翼１５の翼根２１が１段のみの突出部２３を有し、ディスク１７の翼溝２５が１段のみの凹部２７を有していてもよい。この場合も、翼根２１の内径側端部２１ａとなる唯一の突出部２３の非接触面２３ｂが負の角度で傾斜することにより、内径側端部２１ａに内径端凹部４１が形成されることになる。

　また、本発明に係る回転体１の動翼１５、ディスク１７およびこれらを備える回転体１は、上記の各実施形態において一例として示したガスタービンのタービンのみならず、例えばガスタービンの圧縮機、蒸気タービン等、各種のターボ機械に適用することができる。

　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１　回転体
１５　動翼
１７　ディスク
２１　翼根
２３　突出部
２５　翼溝
２７　凹部

Claims

　回転体のディスクに植設される動翼であって、
　当該動翼の翼根が、横断面形状において、
　当該翼根をディスクに係止するための、周方向成分を含む方向の両側に突出する突出部を少なくとも１段有し、
　前記突出部の、ディスクに接触する接触面が、当該翼根の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜しており、
　前記突出部の、ディスクに接触しない非接触面が、当該翼根の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜している、
動翼。
　請求項１に記載の動翼において、前記翼根の前記突出部が、先細りの横断面形状を有している動翼。
　請求項１または２に記載の動翼において、複数段の前記突出部を有する動翼。
　請求項３に記載の動翼において、前記翼根の内径側端部に、径方向外側に凹む内径端凹部が形成されている動翼。
　動翼が植設される回転体のディスクであって、
　当該ディスクの翼溝が、横断面形状において、
　動翼の翼根を当該ディスクに係止するための、周方向成分を含む方向の両側に凹む凹部を少なくとも１段有し、
　前記凹部の、翼根に接触する接触面が、当該翼溝の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜しており、
　前記凹部の、翼根に接触しない非接触面が、当該翼溝の中央部に向かうに従って径方向内側から径方向外側に延びるように傾斜している、
ディスク。
　請求項５に記載のディスクにおいて、前記翼溝の前記凹部が、先細りの横断面形状を有しているディスク。
　請求項５または６に記載のディスクにおいて、複数段の前記凹部を有するディスク。
　複数の動翼が植設された回転体であって、
　請求項１から４のいずれか一項に記載の動翼と、
　前記動翼の翼根を収容可能な形状の翼溝を有する、請求項５から７のいずれか一項に記載のディスクと、
を備える回転体。
　請求項８に記載の回転体において、前記翼溝の内径側端部の、前記翼根に接触しない非接触面が、横断面形状において、前記翼根の内径側端部の非接触面よりも大きい曲率半径を有する回転体。