JP5047078B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、特にガスタービンのタービン動翼に用いて好適なタービン翼およびガスタービンに関する。

一般に、ガスタービンの動翼は高温ガスにさらされるため、動翼の強度を確保するために、耐熱性を有する材料から形成されている。さらに、熱負荷の高い動翼の前縁部では、動翼内に形成された冷却室（キャビティ）にタービュレータを設けたタービュレータ付き対流冷却や、冷却空気を外部に吹き出すシャワーヘッド冷却孔を設けて行うフィルム冷却などの種々の方法による冷却が行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特表平８−５０５９１７号公報

しかしながら、近年のガスタービンの高効率化にともなう動翼の周囲を流れるガス温度の高温化により、従来から行われていた動翼の前縁に対する冷却方法では冷却が不足することが予想され、冷却能力の向上が求められている。

例えば、動翼の前縁におけるシャワーヘッド冷却孔を設ける領域を広げ、動翼の前縁におけるハブ側、つまり径方向内側の端部までシャワーヘッド冷却孔を形成して、前縁における冷却能力の向上を図る方法が考えられる。

特に、前縁とハブとの間のフィレット部（接続部）は、熱負荷が高く、かつ、動翼の表面に形成された遮熱コーティング（ＴＢＣ）が剥がれやすい領域であるため、シャワーヘッド冷却孔を流れる冷却空気による対流冷却により、動翼のメタル温度（金属部分の温度）を所定の範囲に抑えることが望まれている。
言い換えると、上述のＴＢＣが剥がれた領域では、高温ガスが動翼の金属部分と直接接触して、メタル温度が上昇しやすく動翼強度が低下しやすい。この動翼強度の低下を抑制するために、上述のフィレット部の近傍にシャワーヘッド冷却孔を形成することが望まれている。

しかしながら、シャワーヘッド冷却孔が形成された領域は貫通孔が複数形成されることから、シャワーヘッド冷却孔が形成されない領域と比較して、動翼の強度が低下するおそれがある。特に、前縁におけるハブ側端部（フィレット部）の近傍は、動翼の振動に対する強度を確保する必要があることから、前縁におけるハブ側端部の近傍へのシャワーヘッド冷却孔の形成が困難であるという問題があった。

その一方で、いわゆる高負荷翼、つまり転向角が大きな動翼においては、前縁に熱応力が集中しやすいため、前縁へのシャワーヘッド冷却孔の形成が困難という問題があった。

具体的には、転向角が大きな動翼は、その翼断面視において、凹状に湾曲した正圧面（腹側の面）の長さと、凸状に湾曲した負圧面（背側の面）の長さとの間の差が大きくなっている。このような動翼が高温ガスにより加熱されると、転向角が小さな動翼と比較して、正圧面と負圧面との間の熱伸び量の差が大きくなる。そのため、前縁における正圧面側の領域には、この熱伸び量の差による歪み、つまり熱応力が集中しやすい。

このように応力が集中する領域にシャワーヘッド冷却孔などの貫通孔を形成すると、亀裂などの欠陥が発生しやすくなるため、前縁へのシャワーヘッド冷却孔の形成が困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高温ガスと接触する翼の信頼性向上を図ることができるタービン翼を備えたガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスタービンは、凹状に湾曲した正圧面と、凸状に湾曲した負圧面と、前記正圧面および前記負圧面の端部が接続する前縁および後縁とを有する翼形部と、前記正圧面と前記負圧面との間に延びて前記翼形部の内部を区切り、前記翼形部を冷却する冷却流体が流れる複数の冷却通路を形成する複数の板部と、が設けられ、前記複数の板部のうち、少なくとも前記前縁に最も近い前記板部は、前記負圧面側から前記正圧面側に向かって、その厚さがテーパー状に薄くなっており、前記板部における前記正圧面との接続部は、前記負圧面との接続部よりも剛性が低いタービン翼が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、前縁に最も近い板部による正圧面の拘束は、負圧面の拘束よりも弱くなるため、正圧面は変形しやすくなる。そのため、高温ガスなどによりタービン翼が加熱された際、正圧面における熱伸び量と負圧面における熱伸び量との間に差があっても、正圧面が変形つまり伸びやすいため、前縁における応力集中が緩和される。
また、板部の厚さを負圧面から正圧面に向かってテーパー状に薄くすることにより、板部における正圧面との接続部は、確実に負圧面との接続部よりも剛性が低くなる。
そして、これらにより、高温ガスと接触するタービン翼の信頼性向上を図ることができる。

上記発明においては、前記正圧面における前記前縁から、該前縁に最も近い前記板部との接続部までの距離と、前記負圧面における前記前縁から、該前縁に最も近い前記板部との接続部までの距離とが略等しいことが望ましい。

本発明によれば、タービン翼が加熱された際、正圧面における前縁から接続部までの熱伸び量と、負圧面における前縁から接続部までの熱伸び量とが略等しくなるため、前縁における応力集中が緩和される。

本発明のガスタービンによれば、タービン翼の板部による正圧面の拘束は負圧面の拘束よりも弱く、正圧面が変形つまり伸びやすいため、前縁における応力集中が緩和されることから、高温ガスと接触する翼の信頼性向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明のガスタービンによれば、タービン翼が加熱された際、正圧面における前縁から接続部までの熱伸び量と、負圧面における前縁から接続部までの熱伸び量とが略等しくなるため、高温ガスと接触する翼の信頼性向上を図ることができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係るガスタービンのタービン動翼について、図１および図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るタービン動翼の翼形などを説明する断面視図である。図２は、図１のタービン動翼の概略構成を説明する斜視図である。
なお、本実施形態では、本願の発明にかかるタービン翼を、ガスタービンにおけるタービン部の１段動翼に適用して説明するが、１段動翼に限られることなく他の動翼に適用してもよく、特に限定するものではない。
さらに、ガスタービンおよびタービン部としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

タービン動翼（タービン翼）１には、図１および図２に示すように、翼取付部２と、プラットフォーム３と、翼形部４と、が設けられている。

翼取付部２は、図２に示すように、径方向内側（図２の下側）に向かって延び、タービンのロータ（図示せず）に対して着脱可能に嵌め合わされるものであり、タービン動翼１をロータに取り付ける際に用いられる部分である。
なお、翼取付部２の形状としては、シャンク２１の端部にいわゆるクリスマスツリー形状を設けた形状などの公知の形状を採用することができ、特に限定するものではない。

シャンク２１は、図２に示すように、プラットフォーム３から径方向内側、つまりロータ側に向かって延びる略角柱状に形成された部材である。言い換えると、プラットフォーム３とロータとの間に配置された部材である。

プラットフォーム３は、図２に示すように、シャンク２１における径方向外側の端部に配置された略板状の部材である。

翼形部４は、図２に示すように、プラットフォーム３における外周面（図２における上側の面）から、径方向外側（図２の上側）に向かって延びる部材である。
本実施形態では、タービン動翼１がいわゆる高負荷翼、つまり転向角が大きな動翼である場合に適用して説明する。
ここで、転向角が大きな動翼としては、例えば転向角が約１１０°以上の動翼を例示することができる。

翼形部４には、図１に示すように、凹状の曲面である正圧面４１と、凸状の曲面である負圧面４２と、タービン部を流れる高温流体における上流側（図１の左側）の端部である前縁４３と、下流側（図１の右側）の端部である後縁４４と、が設けられている。

翼形部４の内部には、さらに、正圧面４１と負圧面４２との間に延びて翼形部４の内部を区切る複数のリブ（板部）４５と、翼形部４を冷却する冷却空気が流れる冷却通路４６と、が設けられている。

リブ４５は、図１に示すように、正圧面４１や負圧面４２と交差する方向に延びる略板状の部材であり、前縁４３から後縁４４に向かって、間隔をあけて複数設けられた部材である。
複数のリブ４５のうち、最も前縁４３側に配置された第１リブ４５Ａは、負圧面４２から正圧面４１に向かって、その板厚がテーパー状に薄くなるように形成された略板状の部材である。

さらに、第１リブ４５Ａと正圧面４１との接続部４７Ａから、前縁４３までの距離Ｌ１と、第１リブ４５Ａと負圧面４２との接続部４７Ｂから、前縁４３までの距離Ｌ２と、が略等しい長さとされている。

冷却通路４６は、翼形部４の内部に形成された空間であって、リブ４５により区切られた空間である。冷却通路４６の内部には、翼形部４の正圧面４１、負圧面４２、前縁４３および後縁４４などを冷却する冷却空気（冷却流体）が供給されている。

次に、上記の構成からなるタービン動翼１の前縁４３における応力集中の緩和について説明する。
タービン動翼１を有するガスタービンが運転されている間は、タービン動翼１の周囲に高温ガスが流れ、タービン動翼１の温度が上昇する。

すると、タービン動翼１の正圧面４１および負圧面４２は、図１に示すように、それぞれ熱膨張によりその長さが長くなる。正圧面４１および負圧面４２の熱伸び量は、構成する材料が同じつまり線膨張係数が同じであるため、正圧面４１および負圧面４２の長さに影響される。
本実施形態のように、転向角が大きなタービン動翼１の場合には、正圧面４１よりも負圧面４２が長く、その長さに差があるため、正圧面４１よりも負圧面４２の熱伸び量が長く、その熱伸び量に差が生じる。

第１リブ４５Ａは、負圧面４２側の接続部４７Ｂよりも正圧面４１側の接続部４７Ａの幅方向の寸法が薄く形成されているため、接続部４７Ａ側の剛性が接続部４７Ｂ側の剛性よりも低くなっている。そのため、第１リブ４５Ａは、比較すると、負圧面４２の熱伸びを拘束し、正圧面４１の熱伸びを許容する。
そのため、正圧面４１と負圧面４２とが接合される前縁４３の近傍における正圧面４１と負圧面４２との熱伸び量差が軽減される。

さらに、接続部４７Ａから前縁４３までの距離Ｌ１と、接続部４７Ｂから前縁４３までの距離Ｌ２とが略等しい長さとされているため、正圧面４１と負圧面４２とが接合される前縁４３の近傍における正圧面４１と負圧面４２との熱伸び量差がさらに軽減される。

上述のように、前縁４３の近傍における熱伸び量差が軽減されるため、熱伸び量差に起因する応力集中が緩和される。

上記の構成によれば、第１リブ４５Ａの厚さを負圧面４２側から正圧面４１側に向かってテーパー状に薄くすることにより、第１リブ４５Ａによる正圧面４１の拘束は、負圧面４２の拘束よりも弱くなり、正圧面４１は変形しやすくなる。そのため、高温ガスなどによりタービン動翼１が加熱された際、正圧面４１における熱伸び量と負圧面４２における熱伸び量との間に差があっても、正圧面４１が負圧面４２における熱伸びに追従して変形しやすくなっているため、前縁４３における応力集中が緩和される。

その結果、前縁４３の付け根における構造上の強度に余裕ができるため、翼形部４の内部の冷却通路４６から冷却用空気を供給する貫通孔、いわゆるシャワーヘッド冷却孔を前縁４３の付け根まで形成することができる。これにより、タービン動翼１の冷却性能の向上を図ることができ、特に高温の作動流体に対する強度上の信頼性向上を図ることができる。

さらに、接続部４７Ａから前縁４３までの距離Ｌ１と、接続部４７Ｂから前縁４３までの距離Ｌ２と、が略等しい長さとされているため、タービン動翼１が加熱された際、正圧面４１における前縁４３から接続部４７Ａまでの熱伸び量と、負圧面４２における前縁４３から接続部４７Ｂまでの熱伸び量とが略等しくなるため、前縁４３の正圧面４１側における応力集中が緩和される。

本発明の一実施形態に係るタービン動翼の翼形などを説明する断面視図である。 図１のタービン動翼の概略構成を説明する斜視図である。

符号の説明

１ タービン動翼（タービン翼）
４ 翼形部
４１ 正圧面
４２ 負圧面
４３ 前縁
４４ 後縁
４５ リブ（板部）
４６ 冷却通路
４７Ａ，４７Ｂ 接続部
Ｌ１，Ｌ２ 距離

Claims (2)

1. 凹状に湾曲した正圧面と、凸状に湾曲した負圧面と、前記正圧面および前記負圧面の端部が接続する前縁および後縁とを有する翼形部と、
   前記正圧面と前記負圧面との間に延びて前記翼形部の内部を区切り、前記翼形部を冷却する冷却流体が流れる複数の冷却通路を形成する複数の板部と、
   が設けられ、
   前記複数の板部のうち、少なくとも前記前縁に最も近い前記板部は、前記負圧面側から前記正圧面側に向かって、その厚さがテーパー状に薄くなっており、
   前記板部における前記正圧面との接続部は、前記負圧面との接続部よりも剛性が低いタービン翼が設けられていることを特徴とするガスタービン。
2. 前記正圧面における前記前縁から、該前縁に最も近い前記板部との接続部までの距離と、
   前記負圧面における前記前縁から、該前縁に最も近い前記板部との接続部までの距離とが略等しいことを特徴とする請求項１記載のガスタービン。

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