JP5232084B2 - タービン動翼 - Google Patents

Description

本発明は、先端シュラウドの内部に冷却構造を備えたタービン動翼に関する。

近年、ガスタービンの高温化及び高出力化が進み、動翼も長大化となる傾向にあり、特に後方段動翼の長大化が著しくなっている。このような長大動翼では、動翼自体の重量が大きくなり、また振動も大きくなるので回転時の遠心力により発生する応力は従来より格段に大きくなる。従って、このような動翼では翼断面の厚さを極力薄くして軽量化し、また翼の幅も翼端部にいくに従いテーパを付けて小さくするようになってきている。

また、ガスタービン動翼は、燃焼器から排出される高温ガスに暴露されるので、有効な設計寿命サイクルを得るための冷却法が必要とされる。図７は、一般的な冷却法を施した先端シュラウドを有するタービン動翼の全体図である。図７において、１は動翼部、２は動翼部１の下端に設けられた植え込み部、３は動翼部１の先端に設けられた先端シュラウドである。この先端シュラウド３は、動翼部１より幅が広くなっており、ケーシング（図示していない）と動翼部１との間に通路を形成するように設けられている。４は先端シュラウド３に設けられたシールフィンである。シールフィン４は、ケーシングと先端シュラウド３との間に形成された通路を塞ぐように先端シュラウド３の表面より突出している。５は動翼部１の内部に設けられた翼部冷却孔である。この翼部冷却孔５は、動翼部１の下端に設けられた植え込み部２から、先端に設けられた先端シュラウド３まで貫通している。

動翼部１の冷却は、圧縮機からの圧縮空気を動翼部１内部に流すことにより行われる。圧縮機から抽出された圧縮空気は、動翼部１の下端にある植え込み部２に供給される。植え込み部２には翼部冷却孔５の入口があり、供給された圧縮空気は、翼部冷却孔５に流れる。翼部冷却孔５を流れる圧縮空気が、先端シュラウド３に設けられた翼部冷却孔５の出口より排出されることにより、動翼部１の冷却が行われる。

この動翼部１を複数個隣接して周状に配置することにより、１つのタービンが構成される。図８は、隣接する複数の動翼部１の配置をタービンの外周方向から内周方向をみた平面図である。図８において、６ａ，６ｂは先端シュラウド３の端部に設けられた他のタービン動翼部とのコンタクト面である。コンタクト面６ａ，６ｂは、隣接する先端シュラウド３同士が広い面で係合することができるように形成されている。

燃焼ガスの流れにより、先端シュラウド３の表面の圧力は、シールフィン４の両側で高圧側と低圧側に別れる。そのため、高圧側の先端シュラウド３の表面に設けられた翼部冷却孔５の出口より排出される冷却空気は、先端シュラウド３及びシールフィン４の表面を流れ低圧側へと移動する。先端シュラウド３及びシールフィン４の表面を冷却空気が移動することにより、先端シュラウド３の表面の冷却が行われる。これにより、先端シュラウド３のコンタクト部６ａ，６ｂの熱による変形を防止することができる。

一方、先端シュラウド３の表面の冷却を効率良く行うためには、先端シュラウド３の面積を広し、先端シュラウド３表面の圧力差を大きくする方が望ましい。しかしながら、先端シュラウド３の面積を広くすると、動翼部１の回転時にコンタクト部６ａ，６ｂには大きな遠心力が加わる。大きな遠心力が長期間加わることにより、先端シュラウド３のコンタクト部６ａ，６ｂには、図９に示すようなクリープ変形が生じ、隣接する動翼部１同士のコンタクト部６での接触状況が変化する。これにより、振動抑制等の効果が正常に機能しなくなるだけでなく、クリープ変形が進行することで破損に至るケースも見うけられる。

この課題を解決するために、遠心力による応力を低減する目的で、図１０に示すように先端シュラウド３の一部を取り除くことで、発生する応力を低減する方法が用いられている。しかしながら近年のガスタービンの高温化に伴い、先端シュラウド３のメタル温度が上昇している。特に冷却空気が直接吹出する動翼部１から離れた部位（コンタクト部６ａ，６ｂ側）では、先端シュラウド３の表面の圧力差による冷却方法のみでは、冷却効果が十分に発揮されないため温度上昇が大きい。このため、前記による応力低減にも関わらず、高温化によるクリープ変形が発生する。そこで、新たに先端シュラウド３に冷却構造を設け、先端シュラウド３がクリープ変形することを防止する方法が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平１１−１３４０２号公報 特開２００７−３２７４９３号公報 特開２００８−１６９８４５号公報

特許文献１の発明では、動翼部１に設けられた翼部冷却孔５を流れる冷却空気の一部を、先端シュラウド３の表面に沿った長穴の冷却孔に供給するとしている。しかしながら、長穴の冷却孔の具体的な構造は示されておらず、長穴の冷却孔の形状は複雑になると考えられる。このため、長穴の冷却孔の加工を含めて、製造が困難であるという問題点がある。

また、特許文献２，３の発明では、先端シュラウド３内に冷却孔を設け、その冷却孔に冷却空気を供給するとしている。しかしながら、薄肉の先端シュラウド３内部に設けられた冷却孔は、複雑な構造を有しており、製造には精密鋳造や高度な製造技術を駆使する必要があるため、製造が困難である。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高温環境においても先端シュラウドのクリープ変形を低減できる冷却構造の先端シュラウドを備えたタービン動翼を提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明のタービン動翼は、内部に冷却用の翼部冷却孔を設けた動翼部と、その動翼部の先端に設けられた先端シュラウドと、前記先端シュラウドの内部を貫通するシュラウド冷却孔と、前記先端シュラウドの表面に設けられ、燃焼ガスの流れを遮るシールフィンとを備え、前記シュラウド冷却孔の導入口が、前記シールフィンで分割された先端シュラウドの燃焼ガスの上流側で、且つ前記先端シュラウドの表面に設けられ、シュラウド冷却孔の流出口が前記導入口に対して燃焼ガスの下流側で、且つ前記先端シュラウドの動翼部側の面に設けられ、冷却空気又は冷却空気と燃焼ガスの混合気が、先端シュラウドの燃焼ガスの上流側から下流側に向かって、シュラウド冷却孔の内部を流れることを特徴とする。

本発明によれば、先端シュラウドを貫通する冷却孔を設けるという構造により先端シュラウドを効果的に冷却することができ、先端シュラウドのクリープ変形を低減させることが可能となる。また、本発明はシュラウド冷却孔の導入口を燃焼ガスの上流側に設けることで、冷却孔内に冷却孔用空気やガスを効果的に流入させることができる。さらに、本発明では、既存の動翼に対してシュラウド冷却孔を追設することも可能である。

本発明の実施例１による先端シュラウドの上面からの平面図 本発明の実施例１による先端シュラウドのＡ−Ａ断面図 本発明の実施例２による先端シュラウドの上面からの平面図 本発明の実施例２による先端シュラウドのＡ−Ａ断面図 本発明の実施例３による先端シュラウドの上面からの平面図 本発明の実施例３による先端シュラウドのＡ−Ａ断面図 一般的な先端シュラウドを有するタービン動翼全体図 先端シュラウドの隣接する翼とのコンタクト状況を示す平面図 先端シュラウドの高応力部を示す図 先端シュラウドのクリープ変形状況を示す断面図

以下、本発明に係るタービン動翼の実施例を図面を参照して説明する。各実施例で同一または類似の構成部分には、共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

［１−１．構成］
図１は、本発明に係る実施例１の動翼シュラウドの構成を示す平面図である。図２は、図１の動翼シュラウドのＡ−Ａ断面図である。

図１において、１は動翼部、３は動翼部１の先端に設けられた先端シュラウドである。先端シュラウド３は板状であり、動翼部１とは垂直になるように設けられている。この先端シュラウド３の表面側は、ケーシング（図示していない）との間に通路を形成している。また、先端シュラウド３の内側は、燃焼ガスが流れる通路となる。４は先端シュラウド３に設けられたシールフィンである。

シールフィン４は、ケーシングと先端シュラウド３との間に形成された通路を塞ぐように先端シュラウド３の表面より突出している。シールフィン４の突出部分とケーシングは密接しておらず、シールフィン４とケーシングの間には微小の隙間が設けられている。このシールフィン４により、先端シュラウド３の表面は、燃焼ガスの上流側Ｘと燃焼ガスの下流側Ｙの２つに分割される。

５は動翼部１の内部に複数設けられた翼部冷却孔である。翼部冷却孔５は、従来技術と同様に、動翼部１の下端に設けられた植え込み部２から、先端に設けられた先端シュラウド３まで貫通している。６ａ，６ｂは先端シュラウド３の端部に設けられた他のタービン動翼部とのコンタクト面である。

７は先端シュラウド３に複数個設けられたシュラウド冷却孔である。この複数のシュラウド冷却孔７は、一定の間隔を保ってシールフィン７と平行に設けられている。各シュラウド冷却孔７は、シールフィン４と交差する方向で、且つ先端シュラウド３の表面に対して燃焼ガスの流れに沿う向きに斜めに設けられている。すなわち、各冷却孔７は、燃焼ガスの上流側Ｘの先端シュラウド３の表面（シールフィン４側）に開口した導入口８と、先端シュラウド３の内側（動翼部１側）に開口した流出口９とを有している。そのため、この導入口８は、流出口９と比較して燃焼ガスの上流側に開口している。

［１−２．作用］
このような構成を有する実施例１では、従来技術と同様に、温度の下がった冷却空気と燃焼ガスの混合気が、シールフィン４で２つに分割された先端シュラウド３の表面側を燃焼ガスの上流側Ｘから下流側Ｙへ移動する。その上、翼部冷却孔５の吹出口より冷却空気が吹出している。これらの現象により、先端シュラウド３の表面側と内側に設けられた燃焼ガス通路側とでは、圧力差が生じる。

本実施例１では、この圧力差により、温度が低下した燃焼ガスや冷却空気は、先端シュラウド３の内部をシュラウド冷却孔７を通過して、先端シュラウド３の表面側（シールフィン４側）から内側（動翼部１側）へ流れる。シュラウド冷却孔７は、先端シュラウド３の表面に対して燃焼ガスの流れに沿う向きに斜めに設けられている。このため、先端シュラウド３表面の燃焼ガス上流側Ｘに燃焼ガスが溜まることがなく、温度が低下した燃焼ガスや冷却空気がシュラウド冷却孔７の導入口８に流入しやすくなる。

［１−３．効果］
以上の通り、本実施例においては、温度が下がった混合気が先端シュラウド３の表面側を冷却するだけでなく、シュラウド冷却孔７を通ることにより先端シュラウド３を冷却することができる。この時、シュラウド冷却孔７が、先端シュラウド３の内部を斜めに貫通しているため、温度が下がった混合気が先端シュラウド３内部を流れる時間が長くなる。これにより、先端シュラウド３の冷却の効率を向上することができる。

また、シュラウド冷却孔７は、一定の間隔を保ってシールフィン７と平行に設けられているので、先端シュラウド３の全体を冷却することができる。これにより、従来では冷却が十分に行えなかった、翼部冷却孔５から離れた先端シュラウド３のコンタクト部６ａ，６ｂ付近の冷却も十分に行うことができる。これにより、先端シュラウド３の温度が上昇しクリープ変形することを防止することが可能になる。

また、シュラウド冷却孔７に混合気が流れるため、先端シュラウド３表面の燃焼ガスの上流側Ｘに混合気が滞留することがなくなる。このため、混合気がシールフィン４部分で滞留する時間が減少し、混合気の温度の上昇を抑えることが可能である。よって、混合気が吹出す流出口９側でも冷却効果の低減を抑えることができる。一方、シュラウド冷却孔７の流出口９付近では、流出した混合気により先端シュラウド３の内側に温度の低い空気の膜が発生する。この温度の低い空気の膜により、燃焼ガスの熱が先端シュラウド３に直接伝わることを防止することができる。このため、先端シュラウド３の寿命サイクルを延長することができる。

さらに、本実施例は、既存の動翼に対してシュラウド冷却孔７を追設することにより、実施することが可能であるため、先端シュラウドの冷却手段として汎用性が高い。

本実施例は、前記実施例１のシュラウド冷却孔７の形状を変形し、シュラウド冷却孔７の位置を先端シュラウド３のシールフィン４の付近に設けたものである。

［２−１．構成］
図３は、実施例２の動翼シュラウドの構成を示す平面図である。図４は、図３の動翼シュラウドのＡ−Ａ断面図である。図３において、シュラウド冷却孔７は、シールフィン４が接する部分の先端シュラウド３内部で、且つシールフィン４の長さ方向に沿うように設けられている。シュラウド冷却孔７の位置は、先端シュラウド３の内側の燃焼ガス通路側寄りに設けることが、良好な冷却効果を得る上で望ましい。シュラウド冷却孔７は、シュラウド冷却孔７の長さ方向の中央付近で、燃焼ガスの上流側Ｘの先端シュラウド３表面（シールフィン４側）に開口している導入口８を有している。さらに、シュラウド冷却孔７は、シュラウド冷却孔７の両端で、且つ先端シュラウド３の表面（シールフィン４側）の燃焼ガス下流側Ｙに開口している流出口９を有している。すなわち、この導入口８は、流出口９と比較して燃焼ガスの上流側に開口している。

［２−２．作用］
このような構成を有する実施例２では、従来技術と同様に、温度の下がった冷却空気と燃焼ガスの混合気が、シールフィン４で２つに分割された先端シュラウド３の表面側を燃焼ガスの上流側Ｘから下流側Ｙへ移動する。その上、シュラウド冷却孔７も先端シュラウド３の燃焼ガスの上流側Ｘと下流側Ｙとのそれぞれに開口している。このため、先端シュラウド３表面の燃焼ガス上流側Ｘに燃焼ガスが溜まることがなく、温度が低下した燃焼ガスや冷却空気がシュラウド冷却孔７の導入口８に流入しやすくなる。

［２−３．効果］
以上の通り、この実施例２においては、前記実施例１と同様に、先端シュラウド３の表面側と内部側から同時に冷却することや、先端シュラウド３表面の燃焼ガスの上流側Ｘに混合気が滞留することを防止することができる。さらに、実施例２では、シュラウド冷却孔７が、先端シュラウド３の翼部冷却孔５から離れた部分を貫通している。そのため、従来では冷却が十分に行えなかった、翼部冷却孔５から離れた先端シュラウド３のコンタクト部６ａ，６ｂ付近の冷却も十分に行うことができる。これにより、先端シュラウド３の温度が上昇しクリープ変形することを防止することが可能になる。

このとき、混合気がシュラウド冷却孔７の長さ方向の中央付近の導入口８から導入して、両端の流出口９から流出することにより、混合気がシュラウド冷却孔７の内部を流れる距離を短くしている。混合気がシュラウド冷却孔７の内部を流れる距離が短くなると、シュラウド冷却孔７を通過する際の圧力損失を低減することができる。これにより、より多くの混合気をシュラウド冷却孔７内部に流入することができる。

さらに、シュラウド冷却孔７は、コンタクト部６ａ、６ｂ側から放電加工等などの手段で、先端シュラウド３を貫通する冷却孔を形成した後、貫通した冷却孔の両端を溶接またはプラグ等で塞ぐことで形成できるため、シュラウド冷却孔７の形成を容易に行うことができる。

本実施例は、前記実施例２のシュラウド冷却孔７に、翼部冷却孔５を流れる冷却空気を直接導入するものである。

［３−１．構成］
図５は、実施例３の動翼シュラウドの構成を示す平面図である。図６は、図５の動翼シュラウドのＡ−Ａ断面図である。この実施例３において、シールフィン４の長さ方向に延びるシュラウド冷却孔７は、燃焼ガスの上流側Ｘの翼部冷却孔５と連通する導入口８を有している。すなわち、この導入口８の一端は、シュラウド冷却孔７の長さ方向の中央付近に開口すると共に、導入口８の他端は、動翼部１に設けられた複数（図６では２本）の翼部冷却孔５，５の出口部分を繋ぐように先端シュラウド３の表面に設けられた溝１０ｂに開口している。本実施例では、この溝１０ｂの上面開口部には、カバー１０ｂが設けられ、このカバー１０ｂによって、翼部冷却孔５，５を出た冷却空気が、溝１０ｂ内を通って、導入口８に流入するように構成されている。また、カバー１０ｂには、翼部５，５の出口部部の位置にあわせて、小径の吹出口１１，１１が設けられ、翼部冷却孔５，５を出た冷却空気の一部が、溝１０ｂを出て、先端シュラウド３の表面、特にシールフィン４を境として、燃焼ガスの上流側に吹出すように構成されている。さらに、シュラウド冷却孔７は、シュラウド冷却孔７の両端で、且つ先端シュラウド３の表面（シールフィン４側）の燃焼ガス下流側Ｙに開口している流出口９を有している。すなわち、この導入口８は、流出口９と比較して燃焼ガスの上流側Ｘに開口している。

図５では導入口８の数が１つで、且つ導入口８が燃焼ガスの上流側Ｘに流出する２つの翼部冷却孔５に開口しているが、導入口８の数は１個あるいはそれ以上としても良い。また、導入口８が開口する翼部冷却孔５の数も任意とすることができる。さらに、導入口８は、燃焼ガスの上流側Ｘに流出する翼部冷却孔５に開口しているが、上流側Ｘの翼部冷却孔５に加えて、下流側Ｙの翼部冷却孔５に開口することも可能である。

［３−２．作用］
このような構成を有する実施例３では、翼部冷却孔５内の冷却空気の一部は、翼部冷却孔５内の圧力により、直接シュラウド冷却孔７を通り、先端シュラウド３の表面の下流側Ｙへ流れる。すなわち、翼部冷却孔５は、カバー１０ａと溝１０ｂが作る通路を介して、シュラウド冷却孔７の導入口８と連通しているので、翼部冷却孔５内を流れる冷却空気の一部は、このカバー１０ａと溝１０ｂが作る通路を通りシュラウド冷却孔７へ流れ、先端シュラウド３をその内側から冷却する。その後、シュラウド冷却孔７内の冷却空気は、流出口１０から先端シュラウド３表面（シールフィン４側）の下流側Ｙの空間に流出する。

一方、翼部冷却孔５内を流れる冷却空気の他の一部は、前記溝１０ｂのカバー１０ａに設けた吹出口１１から、先端シュラウド３の表面にも吹出する。吹出した冷却空気は、先端シュラウド３表面の燃焼ガスと混合することにより、燃焼ガスの温度を低下させる。

［３−３．効果］
以上の様な実施例３では、前記実施例２と同様に、先端シュラウド３の表面側と内部側を同時に冷却することができる。さらに、実施例３では、シュラウド冷却孔７に冷却空気のみを流入させるので、燃焼ガスと冷却空気の混合気を流入する場合に比べて、効率的に翼部冷却孔５から離れた部分の先端シュラウド３を冷却することが可能である。これにより、より高温の燃焼ガスに長時間晒された場合でもクリープ変形がおこることを防止することが可能になる。また、カバー１０に設けられた吹出口１１の大きさを変更することにより、導入口８からシュラウド冷却孔７へ流れる冷却空気の量を調節することも可能である。

シュラウド冷却孔７は、コンタクト部６ａ、６ｂ側から放電加工等などの手段で、先端シュラウド３を貫通する孔を形成した後、貫通した孔の両端を溶接またはプラグ等で塞ぐことで形成できる。導入口８は、先端シュラウド３に放電加工等の手段で溝１０ｂを加工し、その後カバー１０ａを溶接あるいはろう付け等で接合することで形成可能である。このため、シールフィン４の内部冷却通路の追設と併せて導入口や流出口を追設することも可能である。

実施例２，３では、シュラウド冷却孔７の流出口９は、先端シュラウド３の表面（シールフィン４側）の燃焼ガス下流側Ｙに開口しているとしたが、導入口８よりも燃焼ガス下流側Ｙであれば先端シュラウド３の内側（動翼部１側）に開口することもできる。これにより、先端シュラウドの内側（動翼側）に向けて、温度の下がった混合気を流出することができ、流出した混合気により先端シュラウド３の内側に温度の低い空気の膜が発生する。この温度の低い空気の膜により、燃焼ガスの熱が先端シュラウド３に直接伝わることを防止することができる。このため、先端シュラウド３の寿命サイクルを延長することができる。

１…動翼部
２…植込み部
３…先端シュラウド
４…シールフィン
５…翼部冷却孔
６a，６a…コンタクト部
７…シュラウド冷却孔
８…導入口
９…流出口
１０ａ…カバー
１０ｂ…溝
１１… 吹出口
Ｘ…上流側
Ｙ…下流側

Claims (6)

1. 内部に冷却用の翼部冷却孔を設けた動翼部と、
   その動翼部の先端に設けられた先端シュラウドと、
   前記先端シュラウドの表面に略垂直に設けられ、燃焼ガスの流れを遮るシールフィンとを備えたタービン動翼において、
   前記先端シュラウドは、その内部を貫通するシュラウド冷却孔を備え、
   そのシュラウド冷却孔の導入口が前記シールフィンで分割された先端シュラウドの燃焼ガスの上流側で、且つ前記先端シュラウドの表面に設けられ、
   シュラウド冷却孔の流出口が前記導入口に対して燃焼ガスの下流側で、且つ前記先端シュラウドの動翼部側の面に設けられ、
   冷却空気又は冷却空気と燃焼ガスの混合気が、先端シュラウドの燃焼ガスの上流側から下流側に向かって、シュラウド冷却孔の内部を流れることを特徴とするタービン動翼。
2. 前記シュラウド冷却孔は、動翼部の翼間を流れる燃焼ガスの流れる方向に沿った角度で、先端シュラウドの表面に対して斜めに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
3. 前記シュラウド冷却孔は、先端シュラウド内部においてシールフィンの長さ方向に沿うように設けられ、
   その導入口が長さ方向の中央に設けられ、
   その流出口は、シュラウド冷却孔の長さ方向の両端側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
4. 前記導入口が前記翼部冷却孔に連通し、
   この翼部冷却孔を流れる冷却空気の一部が導入口を通って、前記シュラウド冷却孔に直接流入することを特徴とする請求項３に記載のタービン動翼。
5. 複数の前記導入口が翼部冷却孔と連通し、
   この導入口の少なくとも１つが、シールフィンで分割された先端シュラウドの燃焼ガスの下流側に設けられた翼部冷却孔に開口していることを特徴とする請求項４に記載のタービン動翼。
6. 前記導入口が前記先端シュラウドに形成された溝と、この溝を覆うカバーにより形成され、
   このカバーには前記翼部冷却孔を流れた冷却空気が、先端シュラウドの表面に吹出す吹出口を備えていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のタービン動翼。

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