JP7380846B2

JP7380846B2 - 二次流れ抑制構造

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Publication number: JP7380846B2
Application number: JP2022511623A
Authority: JP
Inventors: 大亮西井; 正昭浜辺
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2041-02-12
Also published as: WO2021199718A1; US11808156B2; EP4130439A4; EP4130439A1; US20220259983A1; JPWO2021199718A1

Description

本開示は軸流タービンにおける二次流れ抑制構造に関する。

ジェットエンジン等のガスタービンエンジンは、コンプレッサを回転駆動する軸流タービンを搭載している。軸流タービンは、軸方向に交互に配置され、少なくとも１つの段を構成する複数の動翼及び複数の静翼を有する。動翼は所定の間隔をおいて周方向に配列し、動翼列を構成する。同様に、静翼は所定の間隔をおいて周方向に配列し、静翼列を構成する。

動翼のチップには外側シュラウドが設けられ、静翼のチップには外側バンドが設けられている。同様に、動翼のハブには内側シュラウドが設けられ、静翼のハブには内側バンドが設けられている。外側シュラウド及び外側バンドは、動翼列および静翼列を通過する作動流体の流路（主流路）を構成する外壁であり、内側シュラウド及び内側バンドは、作動流体の流路を構成する内壁である。

動翼は、内側シュラウドの径方向内方にダブテイルを有し、このダブテイルはシャフトに連結されたロータに取り付けられている。一方、静翼のチップは、当該静翼の支持部材を介してケーシングに固定されている。

動翼の回転を許容するため、外側シュラウドはケーシングの内側に設置されたシール面から離隔している。この空間を介した作動流体の通過を抑制するため、外側シュラウドの外面にはフィンが設けられている。

特開２０１５－１０８３４０号公報

上述の通り、動翼の外側シュラウドとシール面の間には、フィンが設けられている。しかしながら、フィンの先端はシール面に極力近接しているものの接触してはいない。従って、作動流体の一部は漏れ流れとして、主流路から動翼の外側シュラウドとシール面の間に流入する。漏れ流れは外側シュラウドとシール面の間を通過し、その後、動翼の外側シュラウドと静翼の外側バンドの間から主流路に戻る。

上述の漏れ流れは、静翼の前縁及びその近傍の背側への衝突によって静翼の腹側における作動流体の剥離を誘発する。この剥離は比較的大きいため、静翼のチップ近傍の二次流れを増大させる。この二次流れの増大は、結果的にタービン効率を低下させる。

本開示は上述の状況を鑑みて成されたものである。即ち、本開示は、軸流タービンにおいて、漏れ流れによる二次流れの増大を抑制することが可能な二次流れ抑制構造の提供を目的とする。

本開示に係る二次流れ抑制構造は、外側シュラウドを有するタービン動翼と、前記タービン動翼の後方に位置し、外側バンドを有するタービン静翼と、前記外側シュラウドの径方向外方において、前記外側シュラウドに面する環状のシール面と、前記シール面の後端と前記外側バンドとの間の範囲に形成され、後方に伸びる前記シール面の仮想面において作動流体の漏れ流れが流入するように径方向内方に開口する開口部を含み、且つ、周方向に延伸する環状に形成されるキャビティとを備え、前記外側シュラウドは、前記シール面に向けて突出て前記シール面との間に狭小部を形成して前記シール面との間に狭小部を形成するフィンを含み、前記キャビティは前記シール面を構成する部材に形成され、前記シール面は前記フィンとの間に前記狭小部を形成した位置から前記後端まで環状に延伸する。

前記外側バンドの前端は、径方向において前記仮想面と同じ高さに位置してもよく、或いは、前記仮想面よりも径方向内方に位置してもよい。前記キャビティの前記開口部は、前記フィンと前記シール面が対向する位置よりも後方に位置してもよい。前記シール面の支持部材と前記外側バンドの支持部材との間に間隙が形成されてもよく、前記間隙は前記キャビティに連通し、且つ、前記キャビティと連通する部分において前記キャビティよりも短い幅を有してもよい。

本開示によれば、軸流タービンにおいて、漏れ流れによる二次流れの増大を抑制することが可能な二次流れ抑制構造を提供することができる。

本開示の実施形態に係る二次流れ抑制構造を示す概念図である。周方向に沿った動翼列及び静翼列の展開図である。キャビティによる二次流れの変化を示す側面図である。静翼のチップ近傍における二次流れの分布を示す斜視図であり、（ａ）はキャビティが存在しないときの分布を示し、（ｂ）はキャビティが存在するときの分布を示す。二次流れ抑制構造を適用した軸流タービンの一例の一部を示す図である。

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本実施形態に係る二次流れ抑制構造１０は、航空機用又は発電機用ガスタービンエンジンの軸流タービンに適用される。以下、説明の便宜上、軸流タービンにおける動翼１２の回転中心軸の延伸方向を軸方向ＡＤとし、この回転中心軸を中心として周方向ＣＤ及び径方向ＲＤを定義する。また、前方及び後方は、作動流体ＷＦの流れにおける上流側及び下流側をそれぞれ示す。

二次流れ抑制構造１０の構成について説明する。
図１は、二次流れ抑制構造１０を示す概念図である。図２は、周方向ＣＤに沿った動翼列１５及び静翼列２５、２５Ｆの展開図である。本実施形態に係る二次流れ抑制構造１０は、動翼（タービン動翼）１２と、静翼（タービン静翼）２２と、シール面３２と、キャビティ４２とを備えている。なお、図１は、二次流れ抑制構造１０の構成を端的に示すため、シール面３２及び静翼２２の外側バンド２４を一枚の壁面Ｗで表している。従って、この図に例において、キャビティ４２はこの壁面Ｗに形成されている。

動翼１２は、翼型部１３と、翼型部１３の（動翼１２の）チップ１３ｔに設けられた外側シュラウド１４とを有する。外側シュラウド１４は、作動流体ＷＦの流路５２を画成する外壁である。外側シュラウド１４は、翼型部１３と一体化されている。図２に示すように、動翼１２は周方向ＣＤに配列し、動翼列１５を構成する。

静翼２２は、動翼列１５の後方に位置する。静翼２２は、翼型部２３と、翼型部２３の（静翼２２の）チップ２３ｔに設けられる外側バンド２４とを有する。外側バンド２４は、外側シュラウド１４と共に、作動流体ＷＦの流路５２を画成する外壁である。外側バンド２４は、翼型部２３と一体化されている。図２に示すように、静翼２２は周方向ＣＤに配列し、静翼列２５を構成する。

径方向ＲＤに沿った外側バンド２４の前端２４ａの位置（高さ）は、仮想面３４に対して任意に設定できる。即ち、径方向ＲＤにおいて、前端２４ａは、仮想面３４よりも径方向外方に位置してもよく、同じ高さに位置してもよく、或いは、仮想面３４よりも径方向内方に位置してもよい。但し、前端２４ａを仮想面３４と同位置又は径方向内方に位置させることによって、前端２４ａが仮想面３４よりも径方向外方に位置する場合よりも、後述する漏れ流れＬＦが静翼２２の背側２２ｓに衝突することを緩和させることが可能である。

シール面３２は、外側シュラウド１４の径方向外方に位置する。シール面３２は外側シュラウド１４の外面１４ａに面し、動翼列１５を外側から囲むように周方向ＣＤに延伸する環状に形成されている。シール面３２は、例えば、周知の構造を有するハニカムシール、或いは研磨材料を含んだ所定の厚みを有する層状体である。

外側シュラウド１４は、少なくとも１つのフィン１６を含む。フィン１６は、外側シュラウド１４の外面１４ａと一体に形成され、シール面３２に向けて外面１４ａから突出する。また、フィン１６は、周方向ＣＤにおける外側シュラウド１４の一端側から他方側まで、周方向ＣＤに延伸する。フィン１６は、軸方向ＡＤに所定の幅を有する。この幅は、外側シュラウド１４の幅よりも十分に狭い。従って、フィン１６は、外側シュラウド１４の外面１４ａ上で、周方向ＣＤに隣接する他の動翼のフィンと共に環状の壁を形成する（図２参照）。なお、フィン１６の数は１つでも複数でもよい。ただし、複数のフィン１６が外側シュラウド１４に設けられる場合、最下流のフィンが、二次流れ抑制構造１０を構成する。

フィン１６の先端１６ａは、所定のクリアランスをもってシール面３２と対向する。このクリアランスは、外側シュラウド１４の外面１４ａとシール面３２の間隔よりも十分に小さい。従って、フィン１６とシール面３２は狭小部３６を形成する。狭小部３６は、外側シュラウド１４の外面１４ａとシール面３２によって画成される空間を径方向ＲＤに狭くする。つまり、フィン１６は、動翼１２の回転を許容するクリアランスを規定しつつ、シール面３２と共に漏れ流れＬＦの流れを抑制、或いは、漏れ流れＬＦの量を制御する。

キャビティ４２は、軸方向ＡＤにおけるシール面３２と静翼２２との間に形成される。例えば、キャビティ４２は、シール面３２を構成するハニカムシール等の部材に形成される。また、キャビティ４２は、シール面３２の後端３２ａと外側バンド２４の前端２４ａとの間の範囲４８に位置する。キャビティ４２は、当該キャビティ４２の内部空間を形成する内周面４３と、シール面３２から後方に伸びる仮想面３４において径方向内方に開口する開口部４４とを含む。内周面４３は、例えば、互いに平行且つ対向すると共に、周方向ＣＤに延伸する環状の側面と、この側面の径方向外方に位置する底面とを含む。この場合、キャビティ４２は矩形の断面を有し、周方向ＣＤに延伸する環状に形成される。換言すれば、キャビティ４２は、径方向内方に開口する溝あるいは凹部である。なお、キャビティ４２は、シール面３２の後端３２ａと外側バンド２４の前端２４ａとの間の全域に形成されてもよく、その一部でもよい。

図１に示すように、キャビティ４２の開口部４４は、狭小部３６よりも後方に位置する。複数のフィン１６によって狭小部３６が複数形成されている場合、開口部４４は、複数の狭小部３６のうちの最も後方に位置するものよりも後方に位置する。換言すれば、開口部４４は、フィン１６の先端１６ａとシール面３２が対向する位置よりも外側バンド２４の前端２４ａに近接している。つまり、キャビティ４２は、狭小部３６による流れの狭窄に対して干渉しない位置（領域４８）に形成される。

キャビティ４２の幅及び深さは、キャビティ４２の存在によって漏れ流れＬＦの本来の流れ（即ち、キャビティ４２が存在しないときの流れ）が変化する値に設定される。発生する流れの変化とは、例えばキャビティ４２内及びその近傍での旋回、転向（偏向）、減速（淀み）等である。これらの値は、ＣＦＤ（数値流体力学）等による数値解析で求めることができる。なお、キャビティ４２の幅とは軸方向ＡＤに沿ったキャビティ４２の最大長であり、実質的には、軸方向ＡＤに沿った開口部４４の長さである。また、キャビティ４２の深さとは径方向ＲＤに沿ったキャビティ４２の開口部４４（仮想面３４）から内周面４３の底面４３ｂまでの長さである。

また、周方向ＣＤに直交するキャビティ４２の断面形状は、例えば図１に示す矩形である。ただし、キャビティ４２が漏れ流れＬＦの本来の流れを変化させることが可能である限り、キャビティ４２の断面形状は矩形に限られない。

作動流体ＷＦ、漏れ流れＬＦ及び二次流れＳＦの各流れについて説明する。
図３は、キャビティ４２による二次流れＳＦの変化を示す側面図である。図４は、静翼２２のチップ２３ｔの近傍における二次流れＳＦの分布を示す斜視図であり、図４（ａ）はキャビティ４２が存在しないときの分布を示し、図４（ｂ）はキャビティ４２が存在するときの分布を示す。灰色は、二次流れＳＦが流れている空間を示し、この空間内の矢印は二次流れＳＦの流れ方向を示している。なお、これらの分布はＣＦＤによる解析結果に基づいている。

上述の通り、動翼１２の外側シュラウド１４は、シール面３２に向けて突出するフィン１６を含んでいる。フィン１６の先端１６ａは、上述のクリアランスをもって、シール面３２に極力近接しているものの、シール面３２に接触してはいない。従って、漏れ流れＬＦは、動翼１２の外側シュラウド１４とシール面３２の間を通過し、その後、動翼１２の外側シュラウド１４と静翼２２の外側バンド２４の間から作動流体ＷＦの流路５２に流出する（戻る）。

図２に示すように、作動流体ＷＦは、動翼列１５に流入する前に、動翼列１５の前方に設置された静翼列２５Ｆによって偏向されている。漏れ流れＬＦは、静翼列２５Ｆを通過した作動流体ＷＦのうち、外側シュラウド１４とシール面３２の間に流入したものである。従って、漏れ流れＬＦ、作動流体ＷＦと同様の偏向を受けている。

作動流体ＷＦが動翼列１５を通過するとき、作動流体ＷＦは動翼列１５によって、静翼列２５Ｆが偏向した方向と逆方向に偏向され、動翼列１５の後方に設置された静翼列２５に流入する。一方、漏れ流れＬＦは、動翼列１５による偏向を受けず、その流れ方向を維持したまま流路５２に流入する。従って、漏れ流れＬＦは、静翼列２５の静翼２２の前縁２２ａとその近傍の背側２２ｓに、作動流体ＷＦの流れ方向に対して大きな角度で衝突する。

この漏れ流れＬＦの衝突は、静翼２２の腹側２２ｐのうちのチップ２３ｔの近傍で作動流体ＷＦの剥離を誘発する、或いは、剥離を増長させる。腹側２２ｐにおける作動流体ＷＦの剥離は比較的に大きいため、チップ２３ｔの近傍の二次流れＳＦを増大させ、結果的にタービン効率を低下させる。特に、チップ２３ｔの近傍における二次流れＳＦは、静翼２２の背側２２ｓ（図２参照）よりも、静翼２２の腹側２２ｐ（図２参照）において増大しやすい。

上述の通り、腹側２２ｐにおける作動流体ＷＦの剥離は、前縁２２ａの近傍における漏れ流れＬＦの背側２２ｓへの衝突に起因する。そこで、本実施形態では、静翼列２５の前方に形成されたキャビティ４２によって、キャビティ４２内或いはその近傍における漏れ流れＬＦの本来の流れを変化させる。

キャビティ４２が形成されていない場合は、シール面３２（或いは仮想面３４）に沿って流れることしかできない。即ち、漏れ流れＬＦは本来の流れを維持する。一方、図３に示すように、キャビティ４２が形成されている場合、狭小部３６から流出した漏れ流れＬＦはキャビティ４２内に流入し、例えば図３に示す渦を形成する。この場合、キャビティ４２は、静翼列２５に向かう漏れ流れＬＦを偏向あるいはその速度を緩和していると言える。

静翼２２の前縁２２ａを含む静翼列２５の前側の領域（空間）３７（図２参照）において、周方向ＣＤに沿ったポテンシャル（圧力場）は、静翼２２の前縁２２ａで最も高く、前縁２２ａから離れるに従って減少する。従って、漏れ流れＬＦは、静翼２２の前縁２２ａから離れ、前縁２２ａよりもポテンシャルの低い静翼２２と静翼２２の間の空間を優先的に流れる。

その結果、キャビティ４２が存在する場合（図４（ｂ）参照）の漏れ流れＬＦは、キャビティ４２が存在しない場合（図４（ａ）参照）の漏れ流れＬＦの流れと比べて、静翼２２の前縁２２ａ及び背側２２ｓへの衝突が緩和される。つまり、前縁２２ａ及びその近傍の背側２２ｓへの衝突に起因した腹側２２ｐでの作動流体ＷＦの剥離が抑制され、漏れ流れＬＦによる前縁２２ａの近傍での二次流れＳＦの増大が抑制される。その結果、タービン効率の低下も抑制されることになる。

また、図３の実線で示すように、キャビティ４２が存在する場合の二次流れＳＦは、キャビティ４２が存在しない場合の二次流れＳＦ（点線で示す）よりも、径方向内方への進入が抑制され、外側バンド２４に沿って流れやすくなる。つまり、二次流れの増大が抑制されている。

上述した二次流れ抑制構造１０を適用したタービン６０の一例について説明する。
図５は、タービン６０の一部を示す図である。なお、タービンシャフトなどの図示されていないタービン６０の構成については、周知のものが適用できる。

図５に示すように、動翼１２は、上述した翼型部１３及び外側シュラウド１４に加え、内側シュラウド１７と、ダブテイル１８とを有する。内側シュラウド１７は翼型部１３のハブ１３ｈに設けられ、ダブテイル１８は内側シュラウド１７の径方向内方に設けられる。内側シュラウド１７及びダブテイル１８は、翼型部１３と一体化されている。ダブテイル１８は、ロータ１９に嵌合され、ロータ１９はコンプレッサ（図示せず）の動翼に接続したシャフト（図示せず）に結合される。

静翼２２は、上述した翼型部２３及び外側バンド２４に加え、内側バンド２６と、シール部材２７とを有する。内側バンド２６は翼型部２３のハブ２３ｈに設けられ、シール部材２７は内側バンド２６の径方向内方に設けられる。内側バンド２６は、内側シュラウド１７と共に、作動流体ＷＦの流路５２を画成する内壁である。

シール面３２は、支持部材３５によって支持されている。図５に示すように、支持部材３５は、タービン６０のケーシング３８とシール面３２との間に介在する構造体である。

静翼の外側バンド２４（即ち、静翼２２）は、その径方向外方に設けられるリング、フランジなどの支持部材２８を介して、ケーシング３８に固定される。支持部材２８は、外側バンド２４と一体化されていてもよい。

なお、シール面３２の支持部材３５と外側バンド２４の支持部材２８との間に間隙４５が形成されてもよい（図１参照）。この場合、間隙４５は、キャビティ４２に連通し、例えば内周面４３の底面４３ｂに開口する。また、間隙４５は、キャビティ４２と連通する部分においてキャビティ４２よりも短い幅（軸方向ＡＤに沿った長さ）を有する。間隙４５は、支持部材３５と支持部材２８の間の物理的干渉を防ぐためのものであり、間隙４５の幅は、漏れ流れＬＦに干渉しない値を有する。従って、間隙４５が形成されている場合でも、キャビティ４２による効果は失われない。

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

Claims

外側シュラウドを有するタービン動翼と、
前記タービン動翼の後方に位置し、外側バンドを有するタービン静翼と、
前記外側シュラウドの径方向外方において、前記外側シュラウドに面する環状のシール面と、
前記シール面の後端と前記外側バンドとの間の範囲に形成され、後方に伸びる前記シール面の仮想面において作動流体の漏れ流れが流入するように径方向内方に開口する開口部を含み、且つ、周方向に延伸する環状に形成されるキャビティと
を備え、
前記外側シュラウドは、前記シール面に向けて突出して前記シール面との間に狭小部を形成するフィンを含み、
前記キャビティは前記シール面を構成する部材に形成され、
前記シール面は前記フィンとの間に前記狭小部を形成した位置から前記後端まで環状に延伸する
二次流れ抑制構造。
前記外側バンドの前端は、径方向において前記仮想面と同じ高さに位置する、或いは、前記仮想面よりも径方向内方に位置する、
請求項１に記載の二次流れ抑制構造。
前記キャビティの前記開口部は、前記フィンと前記シール面が対向する位置よりも後方に位置する
請求項１または２に記載の二次流れ抑制構造。
前記シール面の支持部材と前記外側バンドの支持部材との間に間隙が形成され、
前記間隙は前記キャビティに連通し、且つ、前記キャビティと連通する部分において前記キャビティよりも短い幅を有する、
請求項１または２に記載の二次流れ抑制構造。