JP7216335B2

JP7216335B2 - タービン動翼

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Publication number: JP7216335B2
Application number: JP2019064401A
Authority: JP
Inventors: 勝俊濱崎; 玄行谷光
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-02-01
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020165340A

Description

本開示は、タービン動翼に関する。

例えばターボファンエンジン等のガスタービンエンジンは、主要構成要素として圧縮機、燃焼器及びタービンを含んでいる。

このうち、燃焼器で生成された燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換する要素であるタービンは、軸方向に配列された１つ又は複数の段を備えており、各段は、それぞれ周方向に等間隔で配置された複数の静翼及び動翼から成っている。

タービン動翼は、通常、径方向外側から順に、翼部、プラットフォーム、シャンク及びダブテールを備えている。

翼部は、主流流路（燃焼ガスの流路）を横断して径方向に延びる部位であって、翼型の断面形状（プロファイル）を有しており、燃焼ガスの流れ方向においてそれぞれ上流側及び下流側に位置する前縁及び後縁と、前縁と後縁の間をそれぞれ延びる凹状の正圧面及び凸状の負圧面と、を備えている。翼部は、上流に配置された静翼から流出する燃焼ガスを転向させることにより、燃焼ガスから周方向の反力を受け、この反力によるトルクがタービンロータを回転させる。翼部のチップ部（径方向外側の先端部）は、その径方向外側に配置されて主流流路の径方向外端を画定する部材（円筒状のタービンケーシング、又は、タービンケーシングの内周に環状に配置された複数のシュラウドセグメント）と、微小なクリアランスを介して対向している。

プラットフォームは、翼部のハブ部（径方向内側の基端部）に結合された板状の部位であり、主流流路の径方向内端を画定している。

ダブテールは、動翼の径方向内端の部位であり、シャンクによってプラットフォームと接続されている。ダブテールが、タービンロータを構成するディスクの外周面に設けられた溝に嵌め込まれることにより、動翼はディスクに取り付けられる。

なお、主流流路のうち特に高い温度の燃焼ガスが流れる部位（即ち、燃焼器により近い上流側の部位）に配置される動翼は、通常、中空構造とされており、ダブテール及びシャンクを貫く供給通路を経て導入された冷却媒体（通常は、圧縮機から抽出された空気）が翼部の内部に設けられた冷却通路を経て流れることにより、冷却される。

以上のように構成された動翼において、翼部のチップ部にスキーラを設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

スキーラは、翼部のチップ部に形成された径方向内側へ向かう凹部を取り囲むように、プロファイルの周縁部に沿って配置された薄い板状の部位であり、通常、その厚さは径方向に沿って一定とされる。スキーラは、その外側面（即ち、凹部に臨む内側面とは反対側の側面）が正圧面又は負圧面の一部を成しており、翼部の一部位ではあるが、タービンの運転中に翼部のチップ部がタービンケーシング又はシュラウドセグメントと接触した場合には、その薄い板状の形状ゆえに容易に摩耗することが想定されている。これにより、上述した接触が生じた場合に、タービンケーシング又はシュラウドセグメントが摩耗して翼部のチップ部との間のクリアランスが過剰に拡大し、その結果、タービン動翼、ひいてはタービン及びガスタービンエンジンの性能が低下する、という事態が回避される。

一方、空力性能の向上を目的として、翼部をスパン方向（長手方向）において弓状に湾曲させる技術が知られている。

例えば、特許文献２が開示するタービン動翼においては、翼部がハブ部からチップ部へ向かうにつれて正圧面から負圧面へ向かう方向に弓状に湾曲しており、これにより、翼部のチップ部とタービンケーシング又はシュラウドセグメントの間のクリアランスを経て正圧面側から負圧面側へ漏れる燃焼ガスの量が抑制され、当該燃焼ガスの漏れに起因する全圧損失が低減される。

特開２０１６－２１１５５６号公報米国特許第５５２５０３８号明細書

スキーラは、鋳造等の方法により製造された翼部のチップ部に機械加工を施して凹部を設けることにより形成される。即ち、当該機械加工の結果として凹部の周囲に残される薄い板状の部位が、スキーラとなる。

ここで、上述したように翼部がハブ部からチップ部へ向かうにつれて正圧面から負圧面へ向かう方向に弓状に湾曲している場合、径方向に沿って一定の厚さを有するスキーラを形成しようとすると、翼部の正圧面側については、スキーラの内側面と凹部の底面との成す角を鋭角とする必要がある。即ち、当該鋭角を成す隅部は、径方向外側から見て死角に入り、機械加工用の工具を径方向内側へ向かって送るだけでは、加工できない。

このように、空力性能の向上を目的としてスパン方向において弓状に湾曲した翼部に、タービンケーシング又はシュラウドセグメントの摩耗の軽減を目的としてスキーラを設けることは、従来においては困難又は不可能であった。

本開示は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、空力性能の向上と、タービンケーシング又はシュラウドセグメントの摩耗軽減のためのスキーラの加工性維持とを両立し得るタービン動翼を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示のタービン動翼は、ハブ部からチップ部までスパン方向に延びる翼部を備え、前記翼部のうち、スパン方向においてスキーラ基端位置から前記チップ部までの範囲には、スキーラが形成されており、前記翼部は、前記ハブ部から前記スキーラ基端位置までの範囲において、ベース翼部と同一の形状を有しており、前記ベース翼部は、各スパン方向位置におけるプロファイルの重心を連ねるスタッキングラインが、前記ハブ部から前記チップ部へ向かうにつれて、前記ハブ部における前記プロファイルの重心を通る径方向の直線を基準として、正圧面から負圧面へ向かう方向に徐々に遠ざかるような形状を有しており、前記ベース翼部の各スパン方向位置における前記プロファイルは、前縁を含む前縁部曲線と、後縁を含む後縁部曲線と、前記正圧面側において前記前縁部曲線と前記後縁部曲線とを接続する正圧側曲線と、前記負圧面側において前記前縁部曲線と前記後縁部曲線とを接続する負圧側曲線とから成り、また、前記正圧側曲線は、前記前縁側の前方正圧側曲線と前記後縁側の後方正圧側曲線とから成っており、各スパン方向位置における前記前縁部曲線、前記後縁部曲線、前記前方正圧側曲線、前記後方正圧側曲線、前記負圧面曲線のそれぞれを、前記ハブ部から前記チップ部まで積み重ねることにより形成される前記ベース翼部の翼面を、それぞれ前縁部ベース翼面、後縁部ベース翼面、前方正圧側ベース翼面、後方正圧側ベース翼面、負圧側ベース翼面と称するとき、前記スキーラ基端位置から前記チップ部までの範囲における前記翼部の翼面は、同範囲における前記負圧側ベース翼面及び前記後縁部ベース翼面とそれぞれ同一の曲面である負圧側翼面及び後縁部翼面と、前記スキーラ基端位置における前記前方正圧側曲線を前記チップ部まで径方向に積み重ねることにより形成される前方正圧側翼面と、前記前方正圧側翼面と前記負圧側翼面とを、その曲率の符号が全面に亘って前記前縁部ベース翼面の曲率の符号と同一であるような態様で滑らかに接続する前縁部翼面と、前記前方正圧側翼面と前記後縁部翼面とを、その曲率の符号が全面に亘って前記後方正圧側ベース翼面の曲率の符号と同一であるような態様で滑らかに接続する後方正圧側翼面と、から成っている。

本開示によれば、空力性能の向上と、タービンケーシング又はシュラウドセグメントの摩耗軽減のためのスキーラの加工性維持とを両立することができるという、優れた効果を得ることができる。

本開示の実施形態のタービン動翼の外観を示す概略説明図であり、（Ａ）は全体斜視図（軸方向前側かつ周方向正圧面側から見た図）、（Ｂ）は翼部のうちスキーラが形成されたチップ部の近傍の部位の拡大斜視図である。ベース翼部をベースとして本開示の実施形態のタービン動翼の翼部を得るためのプロセスを示す概略説明図であり、（Ａ）はベース翼部のスキーラ基端位置におけるプロファイルを構成する曲線を、（Ｂ）はスキーラ基端位置からチップ部までの範囲におけるベース翼部の翼面と翼部の翼面との関係を、それぞれ示している。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本開示の実施形態のタービン動翼の外観を示す概略説明図であり、（Ａ）は全体斜視図（軸方向前側かつ周方向正圧面側から見た図）、（Ｂ）は翼部のうちスキーラが形成されたチップ部の近傍の部位の拡大斜視図である。なお、図１（Ａ）においては、タービンの径方向、軸方向、周方向を、それぞれ矢印Ｒ、Ｚ、Ｃで示している。

タービン動翼ＲＢは、図１（Ａ）に示すように、翼部ＡＦ、プラットフォームＰＭ、シャンクＳＫ及びダブテールＤＴを備えている。なお、これらの各部位の機能は、背景技術欄で説明した従来のタービン動翼におけるものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

翼部ＡＦは、ハブ部ＨＢからチップ部ＴＰまでスパン方向（長手方向）に延びており、燃焼ガスの流れ方向においてそれぞれ上流側及び下流側に位置する前縁ＬＥ及び後縁ＴＥと、前縁ＬＥと後縁ＴＥの間をそれぞれ延びる凹状の正圧面ＰＳ及び凸状の負圧面ＳＳと、を備えている。

また、翼部ＡＦのチップ部ＴＰには、図１（Ｂ）に示すように、径方向内側へ向かう凹部（チップキャビティ）ＴＣが形成されており、当該凹部ＴＣを取り囲むように、翼部ＡＦの周縁部に沿って薄い板状のスキーラＳＱが形成されている。ここで、スキーラＳＱの外側面（即ち、チップキャビティＴＣに臨む内側面とは反対側の側面）は、正圧面ＰＳ及び負圧面ＳＳの一部を成している。なお、図示された実施例においては、スキーラＳＱが、翼部ＡＦの周縁部の全周に亘って、厚さ及び高さ（径方向の寸法）が一様な板状の部位として形成されているが、スキーラＳＱは、翼部ＡＦの周縁部の一部において途切れていてもよく、また、その厚さ及び高さが一様でなくてもよい。

本開示のタービン動翼ＲＢは、翼部ＡＦのうちスキーラＳＱが形成されたチップ部ＴＰの近傍の部位の形状に特徴があり、当該翼部ＡＦは、後述するベース翼部ＡＦ_Ｂのチップ部の近傍の部位の形状を変更することにより得られる。これについて、以下で詳述する。

ベース翼部ＡＦ_Ｂは、上述したとおり、本開示のタービン動翼ＲＢの翼部ＡＦを得るためのベースとなる翼部であって、以下の特徴を有するものである。
（１）全高が、翼部ＡＦの全高（ハブ部ＨＢからチップ部ＴＰまでの高さ；Span）と同一である。
（２）形状は、各スパン方向位置におけるプロファイルの重心を連ねるスタッキングラインが、ハブ部からチップ部へ向かうにつれて、ハブ部におけるプロファイルの重心を通る径方向の直線を基準として、正圧面から負圧面へ向かう方向に徐々に遠ざかるような態様のものである。

換言すれば、ベース翼部ＡＦ_Ｂは、翼部ＡＦと同一の全高を有する負圧面側へ湾曲した翼部であるといえる。なお、ベース翼部ＡＦ_Ｂは、上述した特徴を有するものであればどのようなものであってもよく、新規に設計されたものでも既存のものでもよい。

ベース翼部ＡＦ_Ｂのうち、形状変更の対象となる部位は、翼部ＡＦのうちスキーラＳＱが形成されるべき部位である。一実施例において、この部位は、スパン方向において９５～１００％Spanの範囲である。ここで、％Spanは、ハブ部ＨＢから計った高さを全高（Span）で除した無次元値のパーセンテージである。

上述した実施例において、９５％Spanは、チップ部ＴＰに形成されたチップキャビティＴＣを取り囲むように、当該チップキャビティＴＣの底面から径方向外側へ突出するスキーラＳＱの基端部（径方向内側端部）に相当するスパン方向位置であり、これをスキーラ基端位置ＳＲと称することにする。

翼部ＡＦは、ハブ部ＨＢからスキーラ基端位置ＳＲまでの範囲（上述した実施例では、０～９５％Spanの範囲）においては、ベース翼部ＡＦ_Ｂと同一の形状を有している。一方、スキーラ基端位置ＳＲからチップ部ＴＰまでの範囲（上述した実施例では、９５～１００％Spanの範囲）において、翼部ＡＦはベース翼部ＡＦ_Ｂとは異なる形状を有している。スキーラ基端位置ＳＲからチップ部ＴＰまでの範囲における翼部の形状変更の方法について、図２を参照しながら以下で詳述する。

図２は、ベース翼部ＡＦ_Ｂをベースとして本開示の実施形態のタービン動翼ＲＢの翼部ＡＦを得るためのプロセスを示す概略説明図であり、（Ａ）はベース翼部ＡＦ_Ｂの各スパン方向位置におけるプロファイルを構成する曲線を、（Ｂ）はスキーラ基端位置ＳＲからチップ部ＴＰまでの範囲におけるベース翼部ＡＦ_Ｂの翼面と翼部ＡＦの翼面との関係を、それぞれ示している。ただし、図２（Ｂ）においては、スキーラＳＱの図示を省略している。

図２（Ａ）に示すように、各スパン方向位置におけるベース翼部ＡＦ_ＢのプロファイルＰＦ_Ｂは、前縁部曲線ＣＬ、後縁部曲線ＣＴ、正圧側曲線ＣＰ及び負圧側曲線ＣＳの４つの曲線から成る閉曲線である。

前縁部曲線ＣＬは、正圧側曲線前端Ｆ_ＣＰから前縁ＬＥを経て負圧側曲線前端Ｆ_ＣＳに至る曲率の大きな曲線である。

後縁部曲線ＣＴは、正圧側曲線後端Ｒ_ＣＰから後縁ＴＥを経て負圧側曲線後端Ｒ_ＣＳに至る曲率の大きな曲線である。

正圧側曲線ＣＰは、正圧面ＰＳ側において前縁部曲線ＣＬと後縁部曲線ＣＴとを接続する曲線であり、正圧側曲線前端Ｆ_ＣＰから正圧側曲線後端Ｒ_ＣＰまで延びている。

負圧側曲線ＣＳは、負圧面ＳＳ側において前縁部曲線ＣＬと後縁部曲線ＣＴとを接続する曲線であり、負圧側曲線前端Ｆ_ＣＳから負圧側曲線後端Ｒ_ＣＳまで延びている。

なお、正圧側曲線ＣＰは、翼弦方向（前縁ＬＥ及び後縁ＴＥを通る直線の方向）のほぼ中間に位置する正圧側曲線中間点Ｍ_ＣＰを境界として、前縁ＬＥ側の前方正圧側曲線ＣＰ_Ｆと後縁ＴＥ側の後方正圧側曲線ＣＰ_Ｒとから成っている。

ベース翼部ＡＦ_Ｂの翼面は、上述した各曲線をハブ部ＨＢからチップ部ＴＰまで積み重ねることにより形成されている。ここでは、前縁部曲線ＣＬ、後縁部曲線ＣＴ、前方正圧側曲線ＣＰ_Ｆ、後方正圧側曲線ＣＰ_Ｒ、負圧側曲線ＣＳにより形成される翼面を、それぞれ、前縁部ベース翼面ＦＬ_Ｂ、後縁部ベース翼面ＦＴ_Ｂ、前方正圧側ベース翼面ＦＰ_ＦＢ、後方正圧側ベース翼面ＦＰ_ＲＢ、負圧側ベース翼面ＦＳ_Ｂと称することにする。

本開示のタービン動翼ＲＢの翼部ＡＦは、上述したように、スキーラ基端位置ＳＲからチップ部ＴＰまでの範囲において、ベース翼部ＡＦ_Ｂとは異なる形状を有している。この範囲における翼部ＡＦの翼面は、以下の（１）～（５）の翼面から成っている（図２（Ｂ）参照）。
（１）上記範囲における負圧側ベース翼面ＦＳ_Ｂと同一の曲面である負圧側翼面ＦＳ
（２）上記範囲における後縁部ベース翼面ＦＴ_Ｂと同一の曲面である後縁部翼面ＦＴ
（３）スキーラ基端位置ＳＲにおける前方正圧側曲線ＣＰ_Ｆをチップ部ＴＰまで径方向に積み重ねることにより形成される前方正圧側翼面ＦＰ_Ｆ
（４）前方正圧側翼面ＦＰ_Ｆと負圧側翼面ＦＳとを、その曲率の符号が全面に亘って前縁部ベース翼面ＦＬ_Ｂの曲率の符号と同一であるような態様で滑らかに接続する前縁部翼面ＦＬ
（５）前方正圧側翼面ＦＰ_Ｆと後縁部翼面ＦＴとを、その曲率の符号が全面に亘って後方正圧側ベース翼面ＦＰ_ＲＢの曲率の符号と同一であるような態様で滑らかに接続する後方正圧側翼面ＦＰ_Ｒ

なお、（５）の後方正圧側翼面ＦＰ_Ｒを、（３）の前方正圧側翼面ＦＰ_Ｆと同様に、スキーラ基端位置ＳＲにおける後方正圧側曲線ＣＰ_Ｒをチップ部ＴＰまで径方向に積み重ねることにより形成していないのは、そのようにすると、後縁ＴＥの近傍の翼厚さが大きくなりすぎ、空力性能の低下を招く虞があるためである。

このように、本開示のタービン動翼ＲＢの翼部ＡＦのうちスキーラ基端位置ＳＲからチップ部ＴＰまでの部位の翼面は、以下のような特徴を有している。
（１Ａ）負圧側翼面ＦＳ及び後縁部翼面ＦＴは、ベース翼部ＡＦ_Ｂの負圧側ベース翼面ＦＳ_Ｂ及び後縁部ベース翼面ＦＴ_Ｂと同様に、負圧面ＳＳ側へ湾曲している。
（１Ｂ）前縁部翼面ＦＬは、径方向に延びる前方正圧側翼面ＦＰ_Ｆとの接続部を除き、ベース翼部ＡＦ_Ｂの前縁部ベース翼面ＦＬ_Ｂと比較してその度合いは小さいものの、負圧面ＳＳ側へ湾曲している。
（２Ａ）ベース翼部ＡＦ_Ｂの前方正圧側ベース翼面ＦＰ_ＦＢが負圧面ＳＳ側へ湾曲しているのに対して、前方正圧側翼面ＦＰ_Ｆは径方向に延びている。
（２Ｂ）後方正圧側翼面ＦＰ_Ｒは、前方正圧側翼面ＦＰ_Ｆとの接続部を除いて径方向には延びていないものの、ベース翼部ＡＦ_Ｂの後方正圧側ベース翼面ＦＰ_ＲＢと比較すると、負圧面ＳＳ側への湾曲の度合いが小さい。

上述した特徴（１Ａ）及び（１Ｂ）を有していることにより、本開示のタービン動翼ＲＢの翼部ＡＦは、負圧面ＳＳ側へ湾曲していない翼部と比較して、空力性能を向上させることができる。また、上述した特徴（２Ａ）及び（２Ｂ）を有していることにより、本開示のタービン動翼ＲＢの翼部ＡＦは、正圧面ＰＳがスパン方向の全域に亘って負圧面ＳＳ側へ湾曲している翼部と比較して、スキーラＳＱの加工性を向上させることができる。

このように、本開示のタービン動翼ＲＢによれば、空力性能の向上と、タービンケーシング又はシュラウドセグメントの摩耗軽減のためのスキーラの加工性維持とを両立することができるという、優れた効果を得ることができる。

なお、以上の説明では、スキーラ基端位置ＳＲとして９５％Spanを例示したが、スキーラ基端位置ＳＲは他の適宜の位置に設定することができる。

また、各スパン方向位置におけるベース翼部ＡＦ_ＢのプロファイルＰＦ_Ｂを構成する曲線のうち、前方正圧側曲線ＣＰ_Ｆと後方正圧側曲線ＣＰ_Ｒとの接続点である正圧側曲線中間点Ｍ_ＣＰの位置は、例えば３０～７０％Chordとすることができる。ここで、％Chordは、前縁ＬＥから正圧側曲線中間点Ｍ_ＣＰまで翼弦方向に計った距離を、翼弦長（前縁ＬＥと後縁ＴＥを結ぶ線分の長さ）で除した無次元値のパーセンテージである。

ＡＦ翼部
ＡＦ_Ｂベース翼部
ＣＬ前縁部曲線
ＣＰ正圧側曲線
ＣＰ_Ｆ前方正圧側曲線
ＣＰ_Ｒ後方正圧側曲線
ＣＳ負圧側曲線
ＣＴ後縁部曲線
ＦＬ前縁部翼面
ＦＬ_Ｂ前縁部ベース翼面
ＦＰ_Ｆ前方正圧側翼面
ＦＰ_ＦＢ前方正圧側ベース翼面
ＦＰ_Ｒ後方正圧側翼面
ＦＰ_ＲＢ後方正圧側ベース翼面
ＦＳ負圧側翼面
ＦＳ_Ｂ負圧側ベース翼面
ＦＴ後縁部翼面
ＦＴ_Ｂ後縁部ベース翼面
ＨＢハブ部
ＬＥ前縁
ＰＦ_Ｂプロファイル
ＰＳ正圧面
ＲＢタービン動翼
ＳＱスキーラ
ＳＲスキーラ基端位置
ＳＳ負圧面
ＴＥ後縁
ＴＰチップ部

Claims

ハブ部からチップ部までスパン方向に延びる翼部を備えるタービン動翼であって、
前記翼部のうち、スパン方向においてスキーラ基端位置から前記チップ部までの範囲には、スキーラが形成されており、
前記翼部は、前記ハブ部から前記スキーラ基端位置までの範囲において、ベース翼部と同一の形状を有しており、
前記ベース翼部は、各スパン方向位置におけるプロファイルの重心を連ねるスタッキングラインが、前記ハブ部から前記チップ部へ向かうにつれて、前記ハブ部における前記プロファイルの重心を通る径方向の直線を基準として、正圧面から負圧面へ向かう方向に徐々に遠ざかるような形状を有しており、
前記ベース翼部の各スパン方向位置における前記プロファイルは、前縁を含む前縁部曲線と、後縁を含む後縁部曲線と、前記正圧面側において前記前縁部曲線と前記後縁部曲線とを接続する正圧側曲線と、前記負圧面側において前記前縁部曲線と前記後縁部曲線とを接続する負圧側曲線とから成り、また、前記正圧側曲線は、前記前縁側の前方正圧側曲線と前記後縁側の後方正圧側曲線とから成っており、
各スパン方向位置における前記前縁部曲線、前記後縁部曲線、前記前方正圧側曲線、前記後方正圧側曲線、前記負圧面曲線のそれぞれを、前記ハブ部から前記チップ部まで積み重ねることにより形成される前記ベース翼部の翼面を、それぞれ前縁部ベース翼面、後縁部ベース翼面、前方正圧側ベース翼面、後方正圧側ベース翼面、負圧側ベース翼面と称するとき、
前記スキーラ基端位置から前記チップ部までの範囲における前記翼部の翼面は、
同範囲における前記負圧側ベース翼面及び前記後縁部ベース翼面とそれぞれ同一の曲面である負圧側翼面及び後縁部翼面と、
前記スキーラ基端位置における前記前方正圧側曲線を前記チップ部まで径方向に積み重ねることにより形成される前方正圧側翼面と、
前記前方正圧側翼面と前記負圧側翼面とを、その曲率の符号が全面に亘って前記前縁部ベース翼面の曲率の符号と同一であるような態様で滑らかに接続する前縁部翼面と、
前記前方正圧側翼面と前記後縁部翼面とを、その曲率の符号が全面に亘って前記後方正圧側ベース翼面の曲率の符号と同一であるような態様で滑らかに接続する後方正圧側翼面と、
から成っている、タービン動翼。