JP5260740B2 - ブレードとハウジングとの間に規定された遊びを備えるガスタービンのための軸流タービン - Google Patents

ブレードとハウジングとの間に規定された遊びを備えるガスタービンのための軸流タービン Download PDF

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Description

本発明は、小さい先端隙間損失を有するガスタービンのための軸流タービン(axial turbine)に関するものである。
ガスタービンは、例えば軸流タイプの構成のタービンを有している。タービンは、ケーシングとケーシングで囲まれたローターとを有する。ローターはそれから延出可能なシャフトを有する。シャフトを取り囲むためにハブが設けられているが、このハブの輪郭はケーシングの内部輪郭とともにタービンを通る流路を形成する。流路は、ケーシングがおおむね円錐形状の内部輪郭を有するため、流れ方向に広がっていく横断面を有する。
ローターは、ローターブレード翼列によってそれぞれ形成される多数のローターステージを有する。ローターブレード翼列は、多数のローターブレードを有しており、それらの端部のうちの一方はハブ側においてローターにそれぞれ取り付けられており、それらの他方の端部に関しては放射状に外側へ向かっている。ケーシングの内面に面しかつケーシングの内面に近接して配置されたブレード先端部は、ローターブレードの上記他方の端部に形成されている。ブレード先端部とケーシングの内面との間の距離は、ブレード先端部がガスタービンの作動中にケーシングに擦れることがない一方でガスタービンの作動中に生じる半径方向の隙間を通る漏出流をできる限り小さくする方法で半径方向の隙間が寸法決めされるように設けられる。ガスタービンは高い効率性を有しているため、半径方向の隙間を通る漏出流をできる限り小さくし、それによってタービンのパワーゲインをできる限り大きくすることが望まれている。
タービンのケーシングは、ガスタービンの作動中の圧力ストレスおよび温度ストレスに耐えうるように丈夫に構成されている。さらにケーシングは、ガスタービンの作動中にケーシングに生じる負荷がケーシングの最小の変形のみをもたらすように堅固に構成されている。これに比べてローターブレードは、ケーシングよりも薄手にかつ堅固でないように構成されている。
軸流タービンの作動中にケーシングの内面およびローターブレードはホットガスと接するようになり、ローターブレードはホットガスによる周囲の流れに完全に晒されるようになる。ローターブレードがケーシングよりも精巧なデザインでありかつケーシングに比べてより広範囲にわたってホットガスと接触するため、ローターブレードはケーシングより素早く加熱される。これは、ガスタービンの作動および停止に関して、ローターブレードとケーシングとが異なる熱膨張の比率を有するようになり、それによって、ガスタービンの作動および停止時に半径方向のギャップの高さが変形する、つまり半径方向のギャップが作動時にはより小さくなりかつ停止時にはより大きくなるという結果をもたらす。作動時において、ローターブレードのブレード先端部はケーシングにその端部が固定されずかつそれを損傷しないようにするため、半径方向のギャップは、ガスタービンの作動時にブレード先端部がめったにケーシングと接触しないような寸法の最小高さとなるように形成される。これによって、ブレード先端部に、パワー密度およびガスタービンの効率性を減少させる、対応するよう寸法決めされた半径方向のギャップが提供される。
今日のローターブレードは、ローターブレードの高い圧力負荷の結果として得られる非常に高度の空気力学的効率を有している。半径方向のギャップを経た漏出流は高い圧力負荷によって大きくなり、それによって、半径方向のギャップを経た漏出流の特性および激しさに応じてローターブレードの全効率は著しく減少されるようになる。漏出流によってもたらされる損失を低減することによって、ローターブレードの全効率において大きく向上された効率性が得られる。
慣習的に、漏出流の低減に関する寸法に基づいてローターブレードのギャップ領域における空気力学的損失を低減させることが試みられてきた。この場合、半径方向のギャップを小さくするための寸法およびブレード先端部の特別な形状、例えばクラウンまたは方向付けられた冷却空気流出口などの提供がなされてきた。これに代えて、最小半径方向のギャップを形成するために対向配置される通路壁へ溝を入り込ませる屈曲ブレード先端部を備えるローターブレードが特許文献２によって公知となっている。その屈曲部は、ブレード先端部に付与される研磨コーティングを用いてコーティング厚さを変化させることで得られる。その縁部(つまり前縁および後縁)において、コーティングは、隣接通路壁に入り込む溝が段を作らずに組み込まれるようにコーティングを使用する様式でもたらされる。よりコストのかかるローターブレードの製造工程は不利な点として考えられており、かつローターブレードの最小強度の増大を生じる組み込みプロセスの付加を必要とする。
従来のタービンローターブレードは、「後方負荷デザイン」に基づいて構成されており、このローターブレードの最大圧力ストレスはその後縁の領域にもたらされる。さらに旧式のものとしてだが「前方負荷デザイン」に基づいて構成されたローターブレードも知られており、このものにおいては、最高圧力負荷はその前縁の領域にもたらされる。これに関して、ブレードエアフォイルを備えるタービンローターブレードは例えば特許文献１によって公知となっており、ブレードエアフォイルは、ハブ側においては「前方負荷デザイン」および「中間負荷デザイン」を有しており、かつ先端部側においては「後方負荷デザイン」を有しており、その結果、先端速度の変化比率の配分が容易となる。
欧州特許出願公開第1 057 969 A2号明細書 独国特許出願公開第10 2004 059 904 A1号明細書
本発明の目的は高い空気力学的効率性を有するガスタービンのための軸流タービンを形成することである。
ガスタービンのための本発明に基づく軸流タービンは、前縁と後縁と放射状に外側へ向かうよう設けられた自立ブレード先端部とをそれぞれ有するローターブレードから形成されたローターブレード翼列と、環状壁がブレード先端部へ向かって隣接するように構成する環状内面によってローターブレード翼列を封入してブレード先端部の外形と環状内面との間に半径方向のギャップを形成する環状ケースとを有しており、このものにおいて、ローターブレードは、そのブレード先端部に前縁と後縁との間のブレード先端部の最高圧力負荷がかかる領域を有しており、かつこの最高圧力負荷の領域においてローターブレードはそれぞれ半径方向突出部を有しており、かつ環状内面における環状壁はそれぞれ半径方向突出部に対向して配置される取り囲み半径方向凹部を有している。この圧力負荷は、本明細書においてはローターブレードの吸い込み側部および圧力側部の間の圧力差にそれぞれ対応しており、それはその部分形状に沿って変化する値からなる。
結果として、損失の最小化に直接関連して最適化されたブレード先端部および環状輪郭を用いることによって、好ましくない損失作用を及ぼすギャップ流が低減される。この場合において、ブレード先端部の領域にける環状部は、従来の環状部とは異なる外形となるよう構成されている。環状外形の形状が定められると、さらに、軸流タービンの作動中の最小ギャップ幅がローターブレードの吸い込み側部と圧力側部との間の最大圧力差のある領域に位置させられることが考慮される。これら寸法は、ローターブレードの作動の空気力学的法則に基づく影響をほぼ有しておらず、かつ従来のように設計された軸流タービンに比べて、ブレード先端部にわたる圧力側部から吸い込み側部へのギャップ流において著しい低減をもたらすようになる。さらに、本発明に基づく軸流タービンにおける漏出流の望ましくない作用を低減するために、従来公知の寸法を適用することもできる。
さらに、半径方向凹部および半径方向突出部は、半径方向のギャップの推移部が軸流タービンの主流れ方向に見て、波状でありかつステップ(段)のない様式で一定の幅を備えて本質的に延在するように形成されていることが好ましい。
上記半径方向凹部の推移部は、軸流タービンの主流れ方向に見て、環状内面において、第１の屈曲部と、第１の屈曲部に隣接する第２の屈曲部と、第２の屈曲部に隣接する第３の屈曲部とを有しており、第１の屈曲部は第１の変曲点によって第２の屈曲部と区分されており、かつ第２の屈曲部は第２の変曲点によって第３の屈曲部と区分されており、それによって第１の屈曲部の曲率と第３の屈曲部の曲率とは同じ正負の符号(sign)を有しており、これは第２の屈曲部の曲率の符号とは異なる。この場合において、ブレード先端部と環状壁との間の半径方向のギャップのサイズは、−軸方向に沿って見ると−、一定であってもよい。
したがって、環状のギャップは、主流れ方向に見て、均一な、急激に変化する部分のない推移部を有しており、それによって、ブレード先端部の領域における流れはその損失が小さくなっている。
有利なことに、漏出流の量は所望の様式で一方向において低減され、かつローターブレード翼列のすべての効率性に基づくその好ましくない効果が低減される。その結果、付加的な構成寸法を提供することなく、ローターブレード翼列の改善された空気力学的性質が生じる。
ブレード先端部における輪郭部は、有利なことに、従来の構成とは反対に「前方負荷デザイン」として構成できる。つまり、最大圧力負荷はブレードの(後縁に近接する)後部から(前縁に近接する)形状入口縁部の領域へと移動させられている。この領域は、ローターブレードの高さ全体を見ると、その２０％までとなってもよい。ローターブレードの残りの領域は、「後方負荷デザイン」で従来のように構成されてもよい。ローターブレードの高さの２０％の範囲内の「前方負荷デザイン」から「後方負荷デザイン」への変位は、ステップが形成されないよう実施されることが好ましい。
軸流タービンの主流れ方向に見た半径方向のギャップの広がりに関して、半径方向凹部は前方１／３に配置されていることが好ましい。
したがって、ギャップ流量が低減されるように、半径方向凹部はブレード先端部の最高圧力負荷領域に配置される。
半径方向突出部の推移部は、軸流タービンの主流れ方向に見て、その半径方向のギャップに面する側においては、半径方向凹部の推移部に適合されている。
さらに、第１の屈曲部の曲率は、第３の屈曲部の曲率より大きいことが好ましい。加えて、第１の変曲点は前縁の領域に配置されていることが好ましい。
軸流タービンの主流れ方向に見て、上流および下流において半径方向凹部に近接している環状通路の部分が円錐形であることが好ましい。
以下、本発明について、図面を用いて、本発明に基づく軸流タービンの好ましい実施形態を参照して説明する。
ブレード先端部の領域における、本発明に基づくローターブレードの形状部を示す。 本発明に基づく軸流タービンの側面図である。 従来の軸流タービンと比較した、図２に基づく側面図である。
図１ないし３から明らかなように軸流タービン１は、前縁３と後縁４とを有するローターブレード２を有している。ローターブレード２は、いずれも前縁３から後縁４へ向かって延在する圧力側部５と吸い込み側部６とを有する。圧力側部５は、吸い込み側部６に比べると、よりシャープな凹形状となるようカーブしている。ローターブレード２は、その半径方向の外側端部において、自立式のブレード先端部(free-standing blade tip)１３を有している。ブレード先端部１３の領域においてローターブレード２は「前方負荷デザイン(front-loaded design)」７で構成されている。これと対応するものとして「後方負荷デザイン(rear-loaded design)」８が示されているが、「後方負荷デザイン」８の場合においては、圧力側部５は、「前方負荷デザイン」７の場合に比べて、前縁３の領域にではあまりシャープには曲がっていない。
ローターブレード２がブレード先端部１３の領域において「前方負荷デザイン」７で構成されているため、前縁３に近接するブレード先端部１３の領域には、ローターブレード２の最高圧力負荷がかかる領域９が位置させられる。
さらに、ハブ側における軸流タービン１は、ローターブレード２が固定されるハブ輪郭１０を有する。軸流タービン１は、外側において半径方向に限定する環状壁１１を有しており、環状壁１１は、ブレード先端部１３に面する環状内面１２を有する。ローターブレード２は、環状内面１３とともに、ハブ輪郭１０と環状壁１１によって封入されており、それはハブ輪郭１０と一緒に軸流タービンの広がり環状部を形成する。この場合、環状壁１１は、主に、−すなわち放射状凹部１５を除いて−、ハブ輪郭１０に比べてより傾斜度を有する円錐形デザインとなっている。
ブレード先端部１３と環状内面１２との間において、放射状ギャップ１４がブレード先端部１３と環状内面１２との間に設けられるようにする空間が配置されている。
図３において、従来のブレード先端部２３を備えるローターブレード２と従来の環状内部２４を備える環状壁１１が示されているが、このものにおいて、従来のブレード先端部２３はおよび従来の環状内面２４とは直線状の推移部を有する。
これと比較して、本発明に基づく環状壁１１は、環状内面１２において、ローターブレード３の前縁３の領域に配置される半径方向凹部１５を有しており、半径方向凹部１５と関連し、かつこれと係合するものとして、半径方向突出部１６がブレード先端部１３に設けられている。半径方向突出部１６は、軸流タービン１の主流れ方向に見た場合に半径方向のギャップ１４が均一な推移部を有するように、実質的に半径方向凹部１５に平行に延在している。
軸流タービン１の主流れ方向に見た場合に、半径方向凹部は、第１の屈曲部１７と、第１の屈曲部１７に隣接する第２の屈曲部１９と、第２の屈曲部１９に隣接する第３の屈曲部２１とを有している。第１の屈曲部１７は、第１の変曲点１８によって第２の屈曲部１９と区分されており、かつ第２の屈曲部１９は、第２の変曲点２０によって第３の屈曲部２１と区分されている。結果的に、第１の屈曲部１７と第３の屈曲部２１との屈曲中間点は、半径方向において見ると、軸流タービン１の外側に位置しており、かつ第２の屈曲部１９の屈曲中間点は、軸流タービン１の内側に位置している。
半径方向において外側に見たときに、前縁３の領域における半径方向のギャップ１４が第３の屈曲部２１の領域における半径方向のギャップ１４よりも急勾配となる推移部を有するように、第１の屈曲部１７の曲率は、第３の屈曲部２１の曲率より大きくなっている。
軸流タービン１の主流れ方向に見たときに、半径方向凹部１５および半径方向突出部１６は、ブレード先端部１３の前方の１／３に配置されている。ブレード先端部１３の領域においてローターブレードは「前方負荷デザイン」で形成されているため、この領域に特に最高圧力負荷が作用する領域９は、特にこの領域に位置させられている。
半径方向の凹部１５および半径方向の突出部１６は、ギャップ最小部２２が最高圧力負荷に関連する領域９に形成されるように、互いに関連しあって配置されている。その結果、軸流タービン１の作動中に引き起こされる半径方向のギャップ１４を介した漏出流は、最高圧力負荷に関連する領域９で特に少なくなる。結果的に、ローターブレード２は、特にブレード先端部１３の領域において高い空気力学効果を有するようになる。
１ 軸流タービン
２ ローターブレード
３ 前縁
４ 後縁
５ 圧力側部
６ 吸い込み側部
７ 前方負荷デザイン
８ 後方負荷デザイン
９ 最高圧力負荷領域
１０ ハブ輪郭
１１ 環状壁
１２ 環状内面
１３ ブレード先端部
１４ 半径方向のギャップ
１５ 半径方向凹部
１６ 半径方向突出部
１７ 第１の屈曲部
１８ 第１の変曲点
１９ 第２の屈曲部
２０ 第２の変曲点
２１ 第３の屈曲部
２２ ギャップ最小部
２３ ブレード先端部
２４ 環状内面

Claims (5)

  1. ガスタービンのための軸流タービン(１)であって、
    ローターブレード(２)であって、前縁(３)と後縁(４)と半径方向に外側に向かって設けられた自立式ブレード先端部(１３)とをそれぞれ有するローターブレード(２)から形成されるローターブレード翼列と、
    環状内面(１２)で前記ローターブレード翼列を封入する円錐形状壁(１１)であって、それによって、前記円錐形状壁(１１)は、前記ブレード先端部(１３)の輪郭と前記環状内面(１２)との間に半径方向ギャップを形成して前記ブレード先端部(１３)と直接隣り合うように配置されている、円錐形状壁(１１)と、
    を備えており、
    前記ローターブレード(２)は、それらの前記ブレード先端部(１３)において、前記前縁(３)と前記後縁(４)との間において前記ブレード先端部(１３)の最高圧力負荷がもたらされる領域を有しており、かつ、
    前記ローターブレード(２)はそれぞれ、前記最高圧力負荷がもたらされる領域において、半径方向突出部(１６)を有しており、かつ、前記円錐形状壁(１１)は、前記環状内面(１２)において、前記半径方向突出部(１６)と対向して位置する取り囲み半径方向凹部(１５)を有しており、
    前記半径方向凹部(１５)と前記半径方向突出部(１６)とは、前記半径方向のギャップ(１４)が、前記軸流タービン(１)の主貫流方向に見て、本質的に、波状の、縁および段のない様式で一定の幅を備えて延在するように形成されており、
    前記半径方向凹部(１５)の推移部は、前記軸流タービン(１)の主貫流方向に見て、前記環状内面(１２)において、第１の屈曲部(１７)と、前記第１の屈曲部(１７)に隣接する第２の屈曲部(１９)と、前記第２の屈曲部(１９)に隣接する第３の届曲部(２１)とを有しており、
    前記第１の屈曲部(１７)の曲率と前記第３の屈曲部(２１)の曲率とが同じ符号を有するが、それは前記第２の屈曲部(１９)の曲率の符号とは異なるように、前記第１の屈曲部(１７)は、第１の変曲点(１８)によって前記第２の屈曲部(１９)と区分されており、かつ前記第２の屈曲部(１９)は、第２の変曲点(２０)によって前記第３の屈曲部(２１)と区分されており、
    前記ローターブレード先端部（１３）からローターブレード（２）の高さの２０％にわたる範囲において、最高圧力負荷が前縁（３）の近傍にもたらされ、ローターブレード（２）の残りの範囲においては、最高圧力負荷が後縁（４）の近傍に付与され、
    前記第１の屈曲部(１７)の曲率は、前記第３の屈曲部(２１)の曲率より大きく、
    前記第１の変曲点(１８)は、前記前縁(３)の前記領域に配置されていることを特徴とする軸流タービン(１)。
  2. 少なくとも前記ローターブレード先端部(１３)の前記領域において、前記ローターブレード(２)の最高圧力負荷は、前記前縁(３)の前記領域に付与されることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン(１)。
  3. 前記軸流タービン(１)の主貫流方向に見て、前記半径方向のギャップ(１４)の広がりに対して、前記半径方向凹部(１５)は、その前方の１／３に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の軸流タービン(１)。
  4. 前記半径方向突出部(１６)の推移部は、前記軸流タービン(１)の主貫流方向に見て、その前記半径方向のギャップ(１４)に面する側において、前記半径方向凹部(１５)の前記推移部に適合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の軸流タービン(１)。
  5. 前記軸流タービン(１)の主貫流方向に見て、その上流および下流部が前記半径方向凹部(１５)に近接している前記環状通路の部分は、円錐状となっていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の軸流タービン(１)。
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