(57)【要約】【課題】ハブ側で仕事をさせてタービン仕事を増やすとともにディフューザ入口の全圧を下げ、ディフューザ内部の流れを翼型部寄りにすることでディフューザ効率を向上させた翼構造を提供する。【解決手段】翼型部３のハブ８に強度を増すフィレットＲ部９が設けられている翼構造において、隣接する翼型部３，３の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージが、フィレットＲ部９によるノズルパッセージ幅の変動分をプラットホーム部２０の上面２１の形状を上下に調整して所望の値とされる。【選択図】図１
2010203259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼型部のハブに強度を増すフィレットＲ部が設けられている翼構造において、
隣接する翼型部の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージが、前記フィレットＲ部によるノズルパッセージ幅の変動分をプラットホーム上面形状の上下により調整して所望の値とされることを特徴とする翼構造。
【請求項２】
翼型部のハブに強度を増すフィレットＲ部が設けられている翼構造において、
隣接する翼型部の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージが、翼表面の背側で応力集中部となる部分の前記フィレットＲ部の形状を周方向に広げ、かつ、前記応力集中部との間にパッセージ長さを形成する翼表面の腹側の部分で前記フィレットＲ部の形状を周方向に狭めるように変更して、所望の値に調整されることを特徴とする翼構造。
【請求項３】
タービン動翼またはタービン静翼の少なくとも一方が、請求項１または２に記載の翼構造を有していることを特徴とする軸流ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン等の軸流ターボ機械に適用される翼構造、及びこの翼構造を備えた軸流ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービン等の軸流機械においては、タービンロータに取り付けられてタービン翼列を形成するタービン動翼が知られている。
図７（ａ）、（ｂ）に示すタービン動翼１は、平らな上面２ａを有するプラットホーム部２と、プラットホーム部２の上面２ａから上方（外向き）に延びる翼型部（プロファイル部）３とを有している。翼型部３は、翼弦方向に凸形状をなす圧力面（背側）４と、翼弦方向に凹形状をなす負圧面（腹側）５と、翼前縁６と、翼後縁７とを有している。なお、プラットホーム部２の上面２ａについては、上述した平面だけでなく、曲面を有するものもある。
また、翼型部３のハブ８には、強度を確保するためのフィレットＲ部９が形成されている。なお、図中の符号１０は、翼根部である。
【０００３】
このようなタービン動翼においては、プラットホーム部の上面を上向きの凸形状に形成することにより、空力負荷の高いタービン動翼において、ハブ翼断面の全圧損失を低減することが提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
また、タービン翼の翼厚を減少させてスタガー角を増加させた場合において、衝撃波の発生を抑制して圧力損失の増加を防止したガスタービンエンジンが提案されている。この場合、内周壁または外周壁のタービン翼に連なる接続部分の軸方向断面が、ガスの流れ方向に対して負の曲率を持つ前縁側の凹部と正の曲率を持つ後縁側の凸部とを有している。（たとえば、特許文献２参照）
また、軸流ターボ機械の排気ディフューザにおいては、ディフューザ中間部でのガスパス形状を凹凸化し、熱効率や信頼性の向上を図ることが提案されている。（たとえば、特許文献３参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４９２０１号公報
【特許文献２】特開２００１−２７１６０２号公報
【特許文献３】特開昭６２−１７４５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ガスタービンのような軸流ターボ機械においては、低ボス比となるタービン最終段動翼のハブ断面に対し、タービンとして滑らかに変化するようにノズルパッセージ（通路面積）を確保することが困難である。
翼型部３において、タービン動翼１，１間のパッセージ幅（ディフューザ幅）Ｌは、図８（ａ）に示すように定義される。このパッセージ幅Ｌは、図８（ｂ）に示すように、翼前縁６側の入口から翼後縁７側の出口へ向けて滑らかに減少しており、従って、通路面積も滑らかに変化することとなる。
しかし、上述したフィレットＲ部９は、ノズルパッセージの性能設計において全く考慮されておらず、従って、ハブ断面においてはフィレットＲ部９の突出分がパッセージ幅Ｌを狭める要因となっている。
【０００６】
一方、低ボス比となる後段側のタービン動翼１は、長翼化によりロータ径が小さくなるので、各タービン動翼１のプラットホーム部２は、周方向の長さ（幅）が制限されて短くなる。この結果、プラットホーム２の上面２ａでは、翼間の端部寸法に余裕がなく、図７（ｂ）に示すハブ断面においては、フィレットＲ部９の断面形状が不均一になって分断されやすくなる。
また、高負荷化のため転向角が大きくなると、プラットホーム２の上面２ａでは、同様に翼間の端部寸法に余裕がなくなるので、ハブ断面においてはフィレットＲ部９の断面形状が不均一になって分断されやすくなる。
【０００７】
このようなフィレットＲ部９の分断により、ハブ断面におけるディフューザのパッセージ長さは、図８（ｃ）に示すように、軸方向に増減を繰り返す。すなわち、図７（ｂ）に示すパッセージ長さは、負圧面５側の翼前縁６付近でフィレットＲ部９が分断されるＡ、圧力面４側にフィレットＲ部９の分断が生じるＢ，Ｃ，Ｄ、及び負圧面５側の翼後縁７付近でフィレットＲ部９が分断されるＥにおいて、フィレットＲ部９の幅に応じてそれぞれ異なる値に変化する。このため、ハブ断面においては、フィレットＲ部９の影響で変化するパッセージ長さに応じて、通路面積も変化することとなる。
従って、フィレットＲ部９の流れは、パッセージ長さ及び通路面積の変動に伴って急減速するので、たとえば図９に破線で示すように、フィレットＲ部９においては、特に圧力面４側に剥離が発生して翼面のマッハ数を低下させている。なお、図９において、実線は翼型部（プロファイル部）３における翼面のマッハ数を示している。
【０００８】
また、フィレットＲ部９は、タービン動翼１の強度面から設けられるものであるから、翼の性能設計面ではその存在について考慮されていない。従って、図１０に示すように、フィレットＲ部９があると、フィレットＲ部９により流れが上向き（図１０（ｂ）の矢印を参照）となり、このような流れは仕事をしないため、フィレットＲ部９における全圧は上がる方向となる。
このように、パッセージ形状が急激に変化することにより、衝撃波が発生するなどして翼型部３のハブ側では仕事をしないため、全圧が上がる方向となる。この結果、ハブ側に寄った流れになるので、タービン動翼間に形成されるディフューザ性能を悪化させる可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハブ側で仕事をさせてタービン仕事を増やすとともにディフューザ入口の全圧を下げ、ディフューザ内部の流れを翼型部（チップ）寄りにすることでディフューザ効率を向上させた翼構造及び軸流ターボ機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１に係る翼構造は、翼型部のハブに強度を増すフィレットＲ部が設けられている翼構造において、隣接する翼型部の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージが、前記フィレットＲ部によるノズルパッセージ幅の変動分をプラットホーム上面形状の上下により調整して所望の値とされることを特徴とするものである。
【００１１】
このような翼構造によれば、隣接する翼型部の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージが、前記フィレットＲ部によるノズルパッセージ幅の変動分をプラットホーム上面形状の上下により調整して所望の値とされるので、フィレットＲ部の影響によるノズルパッセージの変動を解消して滑らかにすることができる。すなわち、フィレットＲ部の影響によりノズルパッセージが減少する領域では、プラットホームの上面を下げるように形状を変更してハブ断面のノズルパッセージを大きくする方向に調整し、反対に、フィレットＲ部の影響によりノズルパッセージが増加する領域では、プラットホームの上面を上げるように形状を変更してハブ断面のノズルパッセージを小さくする方向に調整する。このようにして滑らかなノズルパッセージが形成されると、ハブ側で仕事をさせてディフューザ入口の全圧を下げることができる。
【００１２】
本発明の請求項２に係る発明は、翼型部のハブに強度を増すフィレットＲ部が設けられている翼構造において、隣接する翼型部の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージが、翼表面の背側で応力集中部となる部分の前記フィレットＲ部の形状を周方向に広げ、かつ、前記応力集中部との間にパッセージ長さを形成する翼表面の腹側の部分で前記フィレットＲ部の形状を周方向に狭めるように変更して、所望の値に調整されることを特徴とするものである。
【００１３】
このような翼構造によれば、隣接する翼型部の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージが、翼表面の背側で応力集中部となる部分のフィレットＲ部の形状を周方向に広げ、かつ、応力集中部との間にパッセージ長さを形成する翼表面の腹側の部分でフィレットＲ部の形状を周方向に狭めるように変更して、所望の値に調整されるので、強度を考慮したフィレットＲ部の幅にして滑らかなノズルパッセージを形成することができる。すなわち、応力集中部となる背側にフィレットＲ部の幅を広げて強度を増し、その分だけ腹側のフィレットＲ部の幅を狭めてノズルパッセージを所望の値に調整するので、強度と滑らかなパッセージ形状とを両立させることができる。このようにして滑らかなノズルパッセージが形成されると、ハブ側で仕事をさせてディフューザ入口の全圧を下げることができる。
【００１４】
本発明の請求項３に係る軸流ターボ機械は、タービン動翼またはタービン静翼の少なくとも一方が、請求項１または２に記載の翼構造を有するものである。
【００１５】
このような軸流ターボ機械によれば、タービン動翼またはタービン静翼の少なくとも一方が、請求項１または２に記載の翼構造を有しているので、タービン動翼またはタービン静翼においては、ハブ断面のノズルパッセージを滑らかにすることができ、従って、ハブ側で仕事をさせることでディフューザ入口の全圧を下げることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明によれば、タービン動翼及び／またはタービン静翼のような翼構造において、ハブ断面のノズルパッセージを滑らかに形成することが可能になり、この結果、ハブ側で仕事をさせてタービン仕事を増やすとともに、ディフューザ入口の全圧を下げることができる。このため、ディフューザ内部の流れを翼型部（チップ）寄りにして、ディフューザ効率を向上させた翼構造及び軸流ターボ機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る翼構造について、第１の実施形態を示すタービン動翼の正面図（要部）である。
【図２】図１に示す翼構造について、改善されたパッセージ長さを従来構造と比較して示す図である。
【図３】本発明に係る翼構造について第２の実施形態を示す図で、（ａ）はタービン動翼を圧力面（背側）から見て応力集中部を示す正面図（要部）、（ｂ）はフィレットＲ部の形状例を従来構造と比較して示すハブ断面図である。
【図４】図３（ｂ）に示すフィレットＲ部の形状例について、圧力面（背側）及び負圧面（腹側）の応力分布を従来構造と比較して示す図である。
【図５】タービン動翼の応力分布説明図であり、（ａ）はタービン動翼の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面における応力線の流れを示す図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ断面における応力線の流れを示す図である。
【図６】図３（ｂ）に示したフィレットＲ部の形状について、改善されたパッセージ長さを従来構造と比較して示す図である。
【図７】従来のタービン動翼を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）はハブ断面図である。
【図８】図７に示すタービン動翼に関する図であり、（ａ）はパッセージ幅（ディフューザ幅）の定義を示す図、（ｂ）はフィレットＲ部のない翼型部におけるパッセージ幅の軸方向変化を示す図、（ｃ）はフィレットＲ部におけるパッセージ長さの軸方向変化を示す図である。
【図９】図７に示すタービン動翼について翼面マッハ数分布を示す図であり、フィレットＲ部及び翼型部について圧力面及び負圧面毎に示されている。
【図１０】フィレットＲ部の有無による全圧の変化を示す図で、（ａ）はフィレットＲ部のないタービン動翼、（ｂ）はフィレットＲ部のあるタービン動翼、（ｃ）はフィレットＲ部の有無により異なる全圧を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る翼構造及び軸流ターボ機械について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１に示す翼構造の実施形態は、ガスタービンのタービン動翼１Ａについて、プラットホーム部２０の周辺構造を示している。このタービン動翼１Ａは、上面２１から上方に延びる翼型部３を備え、該翼型部３については、上述した従来構造（図７参照）と同様に、圧力面４、負圧面５、翼前縁６及び翼後縁７を有している。また、プラットホーム部２０の上面２１と翼型部３との連結部であるハブ８には、翼型部３の連結部強度を確保するためにフィレットＲ部９が形成されている。
【００１９】
このように、翼型部３のハブ８に強度を増すフィレットＲ部９が設けられている翼構造において、本発明の第１の実施形態では、プラットホーム部２０の上面２１について、従来の平面（図中に想像線で示す上面２ａ）から、曲面による凹凸を形成した波形に形状変更されている。この形状変更は、隣接する翼型部３，３の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージ（通路面積）が、フィレットＲ部９によるノズルパッセージ幅Ｌの変動分をプラットホーム上面形状の上下により調整して所望の値にするものである。
【００２０】
以下では、上面２１の形状変更について、図７（ｂ）及び図８（ｃ）のパッセージ長さＡ〜Ｅに対応させたプラットホーム上面形状の凹凸曲面を、図１及び図２に基づいて具体的に説明する。
従来のタービン動翼では、ハブ断面のパッセージ長さが、たとえば図２に破線で示すように変化する。すなわち、徐々に狭くなるＡからＢまでの間と、徐々に広くなるＢからＣまでの間と、再度徐々に狭くなるＣからＤまでの間と、再度徐々に広くなるＤからＥまでの間のように、軸方向へ広がる（増加する）領域と、軸方向へ狭まる（減少する）領域とが交互に繰り返す。
【００２１】
そこで、パッセージ長さＡの周辺では、上面２１の形状を変更することなくそのままとする。しかし、パッセージ長さが減少するＡからＢの領域では上面２１を徐々に下げ、パッセージ長さが増加するＢからＣの領域では上面２１を徐々に上げることにより、Ｂ部を底部とする曲面の凹部２２を形成している。さらに、パッセージ長さが再度減少するＣからＤの領域で上面２１を徐々に下げることにより、Ｃ部を頂部とする凸部２３を形成し、パッセージ長さが再度増加するＤからＥの領域で上面２１を徐々に上げることにより、Ｄ部を底部とする凹部２４を形成している。なお、この場合のＥ部は、Ｃ部と略同じ高さの凸部２５となる。
この結果、凹部２２，２４では通路面積が大きくなり、凸部２３，２５では通路面積が小さくなる。
【００２２】
このような翼構造によれば、隣接する翼型部３，３の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージは、フィレットＲ部９によるノズルパッセージ幅の変動分をプラットホーム部２０の上面２１を上下させる形状変更により調整されるので、所望の値に設定することができる。
すなわち、フィレットＲ部９の影響によりノズルパッセージが減少する領域では、プラットホーム２０の上面２１を下げるように形状を変更してハブ断面のノズルパッセージを大きくする方向に調整し、反対に、フィレットＲ部９の影響によりノズルパッセージが増加する領域では、プラットホーム２０の上面２１を上げるように形状を変更してハブ断面のノズルパッセージを小さくする方向に調整する。
【００２３】
このようにして、フィレットＲ部９によるノズルパッセージ幅の変動分をプラットホーム部２０の上面２１を上下させる形状変更で調整すれば、たとえば図２に実線で示すように、軸方向へ滑らかに変化するノズルパッセージとすることができる。換言すれば、フィレットＲ部９によるノズルパッセージ幅の変動分をプラットホーム部２０の上面２１を上下させる形状変更を行って調整することにより、フィレットＲ部９の影響によるノズルパッセージの変動を解消して滑らかにすることができる。
そして、滑らかなノズルパッセージが形成されると、ハブ８側で仕事をさせてタービン仕事を増やすとともにディフューザ入口の全圧を下げることができるので、ディフューザ入口での全圧を下げ、よりチップ寄りの流れにすることによって、すなわち、プラットホーム部２０の上面２１から離して翼型部３側に寄せた流れとすることにより、ディフューザ効率を向上させることができる。
【００２４】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明に係る翼構造について、第２の実施形態を図３から図６に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、翼型部３のハブ８に強度を増すフィレットＲ部９が設けられているタービン動翼１Ｂの翼構造において、隣接する翼型部３，３の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージを所望の値に調整するため、形状を変更したフィレットＲ部９Ａを採用している。
【００２５】
すなわち、図３（ｂ）に示すように、フィレットＲ部９Ａは、翼表面の圧力面（背側）４において応力集中部Ｓとなる部分で形状を周方向に広げ、かつ、応力集中部Ｓとの間にパッセージ長さを形成する翼表面の負圧面（腹側）５の部分で形状を周方向に狭めるように変更して、ハブ断面のノズルパッセージを所望の値に調整するものである。
具体的に説明すると、図３（ａ）に示す圧力面４のハブ８には、応力集中部Ｓが存在している。この応力集中部Ｓは、図５に示す応力線Ｌが集中する部分であり、翼長方向の略中央部となるＸ−Ｘ断面では、プラットホーム部２の上面２ａにおいて負圧面（腹側）５側に存在し、翼長方向の翼前縁６及び翼後縁７の近傍となるＹ−Ｙ断面では、プラットホーム部２の上面２ａにおいて圧力面（背側）４側に存在している。
【００２６】
そこで、翼前縁６側の応力集中部Ｓ付近では、想像線で示す従来のフィレットＲ部９を実線表示の位置まで移動させることにより、フィレットＲ部９Ａの圧力面側を隣接する翼型部３の負圧面５側へ広げている。同様に、翼後縁７側の応力集中部Ｓ付近でも、想像線で示す従来のフィレットＲ部９を実線表示の位置まで移動させることにより、フィレットＲ部９Ａの圧力面側を隣接する翼型部３の負圧面５側へ広げている。
また、翼前縁６側の応力集中部Ｓ付近と対向する負圧面５側では、想像線で示す従来のフィレットＲ部９を実線表示の位置まで移動させることにより、フィレットＲ部９Ａを負圧面５側へ狭めている。同様に、翼後縁７側の応力集中部Ｓ付近と対向する負圧面５側でも、想像線で示す従来のフィレットＲ部９を実線表示の位置まで移動させることにより、フィレットＲ部９Ａを負圧面５側へ狭めている。
【００２７】
このとき、フィレットＲ部９Ａの形状変更は、圧力面４側へ広げる幅と負圧面５側を狭める幅とを調整することにより、ハブ断面におけるノズルパッセージを所望の値に設定することができる。すなわち、図６に実線で示すように、所望のノズルパッセージが得られるように、パッセージ長さを滑らかに変化させることができる。
【００２８】
このような翼構造によれば、隣接する翼型部３，３の間に形成されるハブ断面のノズルパッセージは、フィレットＲ部９Ａの形状（幅）を変更することにより調整可能となる。従って、翼型部３の強度を考慮したフィレットＲ部９Ａの幅にして、かつ、滑らかなノズルパッセージを形成することができる。すなわち、応力集中部Ｓとなる圧力面（背側）４側にフィレットＲ部９Ａの幅を広げて強度を増し、その分だけ負圧面（腹側）５側でフィレットＲ部９Ａの幅を狭めてノズルパッセージを所望の値に調整するので、たとえば図４に示すように、背側に形成されている２箇所の凸部（応力集中部Ｓ）で応力を下げたなだらかな応力分布とし、強度と滑らかなパッセージ形状とを両立させることができる。
【００２９】
そして、滑らかなノズルパッセージが形成されると、ハブ８側で仕事をさせてタービン仕事を増やすとともにディフューザ入口の全圧を下げることができるので、ディフューザ入口での全圧を下げ、よりチップ寄りの流れにすることによって、ディフューザ効率を向上させることができる。
【００３０】
上述した実施形態１及び２の翼構造は、ガスタービンはもとより、圧縮機や蒸気タービン等の軸流ターボ機械において、タービン動翼またはタービン静翼の少なくとも一方に適用することができる。従って、上述した本発明の翼構造を採用して軸流ターボ機械は、タービン動翼またはタービン静翼において、ハブ断面のノズルパッセージを滑らかにすることができることから、良好なディフューザ効率を得ることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１Ａ，１Ｂ    タービン動翼
２，２０    プラットホーム部
２ａ，２１    上面
３    翼型部
４    圧力面（背側）
５    負圧面（腹側）
６    翼前縁
７    翼後縁
８    ハブ
９，９Ａ    フィレットＲ部
１０    翼根部
【図１】
2010203259.tif 000003
【図２】
2010203259.tif 000004
【図３】
2010203259.tif 000005
【図４】
2010203259.tif 000006
【図５】
2010203259.tif 000007
【図６】
2010203259.tif 000008
【図７】
2010203259.tif 000009
【図８】
2010203259.tif 000010
【図９】
2010203259.tif 000011
【図１０】
2010203259.tif 000012