JP4698917B2 - タービン翼 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、内部非冷却形翼形部を備え、該翼形部が翼台座から出発して延び、この翼台座にタービン円板にかみ合い結合する翼脚が続き、この翼脚の、半径方向断面における厚さが翼台座に向かい増大する範囲を持つタービン翼に関する。
【０００２】
ガスタービンの効率と有効断面積を増大するため、通常、タービン翼の翼形部をできるだけ延長し、これによって、通過して流れる高温ガスの利用を改善している。しかしその翼形部の延長は、多くのパラメータによって制限される。
【０００３】
長い翼形部とこれに伴う大きな運動質量のため、例えばタービン円板のハブ部位は、作用する遠心力で強く負荷される。これには、円板の軸方向延長によりハブ部位における支持面積を増大することで対処すべく試みられている。しかしこの延長法には限度がある。増大した翼形部でハブが強く負荷されるばかりか、タービン翼の翼脚がタービン円板にある溝にはめ込まれた部位も大きな負荷を受ける。しかし翼形部の延長は、円板ハブに対し半径方向にも行われる。この結果、タービン円板の外周上に分布して存在する多数の保持溝が互いに接近し、相互間隔が小さくなり、この結果、保持溝間の円板部位が一層強く負荷される。この負荷は、タービン円板の損傷の危険なしにはごく僅かしか高められない。
【０００４】
本発明の課題は、タービン円板から動翼脚の局所的な負荷を全く或いはほんの僅かしか増大せずに、翼形部を延長できるタービン翼を形成することにある。
【０００５】
この課題は、翼脚が、反翼台座側端が開き翼台座側端が閉じた空洞を有し、該空洞の断面積が、翼脚の厚さ増大範囲で広がっていることにより解決される。
【０００６】
通常翼脚は、強度を確保すべく中実に形成され、タービン翼の他の部分の寸法に比べ大きな横断面積を有している。従って、その質量は大きく、タービン円板の回転中に生ずるタービン円板およびタービン翼の保持装置における遠心力負荷のかなりの部分を占める。翼脚を空洞にすることでその質量が減少し、これに伴い遠心力負荷もかなり減少する。空洞の特別な形状、即ち翼脚の厚さ増大範囲での長手壁の断面積拡大は、質量減少に関し翼脚の形状の最適利用を保障する。空洞が翼台座側で閉じていることで、強度要件が満たされる。この強度要件は、特に翼台座と翼形部との間の範囲で、数倍強い力および熱的作用により非常に厳しくなっている。従って本発明によれば、タービン翼の質量を小さくし、同時にその強度を得たり改善したりすることができる。軽量化により、翼脚部位における平均応力レベルが減少し、翼脚およびタービン円板にあるかみ合い保持歯における応力集中が減少し、この結果タービン翼の寿命が延び、特に翼脚の保持性が改善される。従って、タービン翼の強度を損なうことなく翼脚の形状を維持し、翼形部を外に向けて延長でき、結果的にタービンの効率を高めることができる。
【０００７】
空洞が、翼脚と翼台座の翼台座上側面の下側との間の移行部位で終えていることにより、翼形部の翼台座側部位の良好な強度が得られる。特に翼台座上側面の上側で翼形部に力が大きく作用し、翼形部は翼台座部位におけるより細く形成されている。しかし空洞が翼台座上側面の下側で終えているとき、安定した翼台座およびそれに隣接する部位により、作用する力は十分に受け止められる。
【０００８】
応力集中とこれに伴う局所的に過大な負荷を回避すべく、空洞を丸みをつけた壁で境界づけ、翼台座上側面の下側で丸天井形に終わらせることを提案する。
【０００９】
空洞の長手壁が翼脚のほぼ全幅にわたって延び、空洞の横壁が翼脚のほぼ全厚さにわたって延び、空洞の壁が遠心力作用時における十分な強度を保障することことによって、非常に大きな軽量化が達成される。
【００１０】
空洞がその長さ方向における中央範囲に最大奥行きを有し、空洞の横壁および長手壁に向かって浅くなっているとき、大部分が中央に作用する力は、空洞の壁を過大に負荷することなしに、タービン翼の中実部位に良好に伝達される。
【００１１】
空洞の長手壁が、翼台座側端に向かう方向において、空洞の横壁における最小壁幅を維持した状態で、部位的に連続的に広がっていることで、軽量化が進み、同時に、丸みをつけた終端部位に移行する際に局所的な最大応力を生じさせる曲率の唐突な変化が避けられる。
【００１２】
高温作動ガスは、特に始めて直接洗流するタービン翼の縁部を負荷する。高温ガス入口側近傍における最小壁幅を、高温ガス出口側における最小壁幅より大きくすることで、高温ガス入口側の高い強度要件に配慮している。
【００１３】
翼脚の材料と質量を節約しての強度増大は、翼脚を両側長手壁間に形成されたクロスピースで強化することで得られる。空洞の片側長手壁に作用する力は、クロスピースによって空洞の反対側長手壁にそして空洞の両側壁によってタービン円板に、空洞の強度を害することなく伝達できる。また質量の一層の減少によって、遠心力負荷が減少し、翼脚の負荷は一層減少する。
【００１４】
クロスピースを、翼脚の翼台座側で空洞の最深部および翼脚の反翼台座側端から各々間隔を開けることで、強度を維持しつつ追加的な軽量化が図れる。
【００１５】
クロスピースの位置と形状を、翼形部に作用する遠心力により生ずる力線経過に合わせることで、力の最適な伝達が行える。クロスピースの最適な数および形状により、一方では、空洞の壁をクロスピースの支援作用に基づき薄く形成できるため、翼脚の質量を大きく減少することができ、他方では、クロスピースによる支持により、空洞の長手側に沿った均等な応力経過を得ることができる。
【００１６】
中央範囲に特に大きく作用する力は、クロスピースが空洞の長さ方向の中央範囲で最も大きな長さを有し、その長さが、空洞が浅くなるに伴い減少していることにより受け止められる。
【００１７】
図は本発明の実施例を示す。
【００１８】
図１は、タービン翼の翼脚４、翼台座２および翼形部（羽根）１の一部を半径方向断面図で示す。翼脚４は、図２に示すように、タービン円板３にある保持溝３０内に挿入され、翼脚４の歯３５およびそれに対応した保持溝３０の歯３６によりかみ合い結合で保持されている。翼脚４、翼台座２および翼形部１は一体に形成され、好適には鋳造されている。互いに並んで配置された翼形部１は通流する高温ガスに抵抗し、その速度と方向を変化させ、これに伴い、タービン円板３をその中心軸線を中心として非常に高速で回転させる。その際に生ずる遠心力は翼脚４の歯３５および保持溝３０の歯３６により受け止めねばならない。特に内部冷却形タービン翼の場合、一般に、タービン翼の大部分は中実に形成され、従って大きな重量を有し、これは翼脚部位を強く負荷する。
【００１９】
翼脚４は、本発明に基づき軽量化のための空洞７を有する。この空洞７は丸天井状に形成され、翼脚４の翼台座側端１９で翼台座２の上側面２１の下側で閉じている。空洞７は、翼脚４の反翼台座側端３１で開いている。翼脚４は反翼台座側端３１の部位で一定の幅３２を有している。この幅３２は、翼台座２に向かう方向においてまず移行部位３８の突出部３７のために幾分増大し、その後、翼台座２迄徐々に減少している。空洞７は横壁８および長手壁１２により境界づけられ、空洞幅３３を有し、長手壁１２は長さ１３にわたって延びている。
【００２０】
長手壁１２の長さ１３は、翼脚４の反翼台座側端３１から出発して或る距離の後、翼脚４の翼台座側端１９迄増大し、移行部位３８で空洞７の奥行き１６を持つ最深部迄円弧状に短くなり、そこで空洞７は閉じている。この空洞端は、好適には翼の十分な強度を保障するため、翼台座上側面２１の範囲又はその下側に位置している。翼形部の翼台座部位は中実であり、事情によっては、翼台座から間隔を離てられた翼形部上側部位（図示せず）に空洞を有し、軽量化されている。この結果、翼台座部位における翼の強度を損ねることが防止される。内部非冷却形タービン翼が対象とされ、従って翼脚を通しての冷却材の搬送が不要なので、空洞７は翼形部の空洞と連通していない。
【００２１】
空洞幅３３は、図２に示すように、翼脚４の反翼台座側端３１から翼台座側端１９迄の範囲５で増大している。続いて、空洞７は移行部位３８でタービン翼の曲がりに追従している。空洞幅３３は移行部位３８においてまず幾分か増大し、それから移行部位３８のほぼ中央から翼台座２迄徐々に減少している。この結果最大の軽量化を達成すべく、翼脚４から移行部位３８の内部において最大の範囲が空洞にされる。この場合、特に強い遠心力が作用した場合でも翼脚４の強度を保障するため、空洞７の壁８、１２が十分な壁厚１４を有するよう考慮されている。空洞７の丸天井形の形状によって、強度を弱める応力集中は防止できる。
【００２２】
空洞７は破壊形中子を用いて形成できる。該中子はタービン翼の脚部部位に鋳造前にはめ込まれ、翼脚４の反翼台座側端から突出している。これによって、反翼台座側が開いた空洞が生ずる。中子は翼脚４の翼台座側端１９においてそこで閉じている盲中子として形成されている。空洞７の幅が開口に向けて狭まっているので、鋳造後、中子を壊し、空洞７から除去する。
【００２３】
空洞７の内部に、長手壁１２間を延びるクロスピース２８を設けている。空洞７はクロスピース２８により、壁８、１２に作用する力に対抗して支持される。この実施例では５つのクロスピース２８が存在し、そのうち空洞７の長さ方向における中央範囲１５にあるクロスピース２８が最大長さ２０を有し、空洞７の最深部１６の範囲に配置されている。クロスピース２８は応力集中を防止すべく丸みをつけられている。クロスピース２８は互いに間隔３４を隔てて平行に、タービン翼の長手軸線３９の方向に延びて配置されている。クロスピース２８は両側長手壁１２間においてほぼ全範囲を占めている。空洞７の翼台座側端および反翼台座側端にだけ、空洞７の上限（底）に対し距離４０を隔てられたクロスピースなし湾曲範囲と、反翼台座側端３１における空洞の下限（開口端）に対し距離４１を隔てられたクロスピースなし範囲が存在している。このクロスピースなし範囲は製造上必要である。これは精確な寸法を得るようにするために、クロスピース２８間の材料のない範囲を形成する複数の中子が各々両端で互いに結合されるからである。またこれは一層の軽量化に貢献する。
【００２４】
図２は、図１の断面図に対してほぼ直角に図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った半径方向断面図を示す。翼脚４は規則的な間隔を隔てて湾曲歯３５を有している。これらの湾曲歯３５は、翼脚４がはめ込まれるタービン円板３の保持溝３０の相応して形成された歯３６の後ろにひっかかり、かくして、遠心力負荷時にタービン翼を抜け止めする確実なかみ合い結合を保障している。翼脚４の反翼台座側端３１から翼台座側端１９迄、翼脚４における歯３５と、歯３５間に位置する凹所の平均厚さ６′が増大している。この翼脚４の平均厚さ６′に、長手壁１２の強度を確保する最小壁幅を維持した状態で、空洞７の空洞幅３３が追従している。翼脚４に続く移行部位３８は、図４の横断面図から明らかなようにレンズ状に膨らんでいる。それに応じて空洞７は、図４における形状に対して、空洞７の両側における十分な壁幅１４を保障すべくずらしている。
【００２５】
図３は、図１と図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う翼脚４の横断面図を示す。翼脚を通る横断面の厚さ６は、この横断面が翼脚４の上側歯３５を通って、即ち翼脚４の最大厚さ６の範囲を延びているので正に大きい。この横断面において空洞７は複数の室２９から成り、その場合、クロスピース２８が室の隔壁に相当する。室２９は、翼脚４の両側横壁８から出発し、まず空洞幅３３が増大している。この空洞幅３３は中央クロスピース２８で最大となり、翼脚４の反対側横壁８に近づくにつれて減少している。室２９の境界部は応力集中を避けるべく全面に丸みをつけて形成されている。
【００２６】
図４は、移行範囲３８を通る図１、２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面を示す。この断面図が高温ガス入口側において２番目のクロスピースの上側を示すので、この範囲で空洞７は、５個の室２９と４個のクロスピース２８しか有していない。従って高温ガス入口側１７の範囲に大きな室２９が存在している。高温ガス入口側１７の範囲における横壁８の壁幅１４は、反対側の高温ガス出口側範囲におけるより大きくされている。空洞７のこのような微かに非対称的な形状によって、最適に軽量化した状態で、個々の強さの応力や作用力が受け止められる。
【００２７】
図５は、図１と２のＶ−Ｖ線に沿う翼脚４の最も細い部位の横断面図を示す。空洞７の室２９は同様に、横壁８から出発して増大する空洞幅３３を備える。しかし、その横断面変化は、図３の場合ほどに大きくない。最大空洞幅は中央クロスピース２８の範囲に位置している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 タービン翼の翼脚の半径方向断面図。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ったタービン翼の縦断面図。
【図３】 図１および図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったタービン翼の翼脚の横断面図。
【図４】 図１および図２のＩＶ−ＩＶ線に沿ったタービン翼の翼脚の横断面図。
【図５】 図１および図２のＶ−Ｖ線に沿ったタービン翼の翼脚の横断面図。
【符号の説明】
１ 翼形部
２ 翼台座
３ タービン円板
４ 翼脚
５ 翼脚の厚さ増大範囲
６ 翼脚厚さ
７ 空洞
８ 空洞の横壁
１２ 空洞の長手壁
１４ 横壁の最小壁幅
１５ 空洞の長さ方向における中央範囲
１６ 空洞の奥行き
１７ 高温ガス入口側
１８ 高温ガス出口側
１９ 翼台座側端
２０ クロスピース長さ
２８ クロスピース

Claims (11)

1. 内部非冷却形翼形部（１）を備え、該翼形部（１）が翼台座（２）から出発して延び、この翼台座（２）にタービン円板（３）にかみ合い結合される翼脚（４）が続き、この翼脚（４）が半径方向断面積における厚さ（６）が翼台座（２）に向かって増大している範囲（５）を有するタービン翼において、翼脚（４）が、反翼台座側端が開き、翼台座側端が閉じた空洞（７）を有し、この空洞（７）の断面積が翼脚（４）の厚さ増大範囲（５）において広げられたことを特徴とするタービン翼。
2. 空洞（７）が、翼脚（４）と翼台座（２）の翼台座上側面（２１）の下側との間の移行部位（３８）で終えていることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 空洞（７）が丸みをつけられた壁（８、１２）によって境界づけられ、翼台座上側面（２１）の下側において丸天井形で終えていることを特徴とする請求項１又は２記載のタービン翼。
4. 空洞（７）の長手壁（１２）が翼脚（４）の全幅（３２）にわたって延び、空洞（７）の横壁（８）が翼脚（４）の全厚さ（６）にわたって延び、空洞（７）の壁（８、１２）が遠心力作用時に十分な強度を保障することを特徴とする請求項１から３の１つに記載のタービン翼。
5. 空洞（７）がその長さ方向における中央範囲（１５）に最大奥行き（１６）を有し、空洞（７）の横壁（８）と長手壁（１２）に向かって浅くなっていることを特徴とする請求項１から４の１つに記載のタービン翼。
6. 空洞（７）の長手壁（１２）が、翼台座側端（１９）に向かう方向において、空洞（７）の横壁（８）における最小壁幅（１４）を維持した状態で、部位的に連続的に広がっていることを特徴とする請求項１から５の１つに記載のタービン翼。
7. 高温ガス入口側（１７）近傍の最小壁幅（１４）が、高温ガス出口側（１８）における最小壁幅（１４）より大きいことを特徴とする請求項１から６の１つに記載のタービン翼。
8. 翼脚（４）が、両側長手壁（１２）間に形成したクロスピース（２８）によって強化されたことを特徴とする請求項１から７の１つに記載のタービン翼。
9. クロスピース（２８）が、翼脚（４）の翼台座側において空洞（７）の最深部（１２）および翼脚（４）の反翼台座側端（３１）から、各々間隔（４０、４１）を開けられたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載のタービン翼。
10. クロスピース（２８）の位置および形状が、翼形部（１）に作用する遠心力により生ずる力線経過に合わされたことを特徴とする請求項１から９の１つに記載のタービン翼。
11. クロスピース（２８）が空洞（７）の長さ方向における中央範囲（１５）において最も大きな長さ（２０）を有し、空洞（７）の浅くなる経過に合わせて、クロスピース（２８）の長さ（２０）が減少することを特徴とする請求項１から１０の１つに記載のタービン翼。

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