(57)【要約】【課題】励振力に起因する振動を減衰させるとともに、バネなどの弾性部材の交換を容易にすることができるタービン翼およびガスタービンを提供する。【解決手段】翼形部１２の端部に配置されたシュラウド部１３と、シュラウド部１３に対してスライド移動可能であるとともに着脱可能とされ、シュラウド部１３との間に空間を形成する端部筐体１４と、空間に配置されシュラウド部１３と端部筐体１４とを離間させる方向に付勢するとともに、シュラウド部１３と相対移動可能に配置された弾性部１５と、が設けられていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部の端部に配置されたシュラウド部と、
前記シュラウド部に対してスライド移動可能であるとともに着脱可能とされ、前記シュラウド部との間に空間を形成する端部筐体と、
前記空間に配置されシュラウド部と端部筐体とを離間させる方向に付勢するとともに、前記シュラウド部と相対移動可能に配置された弾性部と、
が設けられていることを特徴とするタービン翼。
【請求項２】
前記シュラウド部は、複数の前記翼形部のそれぞれに独立して配置され、
複数の前記シュラウド部に対して、一つの前記端部筐体が着脱可能とされていることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
【請求項３】
前記弾性部は、複数の前記シュラウド部が並ぶ方向に沿って延びるとともに、略波形に形成された板バネであり、
該板バネの頂部が前記シュラウド部または前記端部筐体と当接されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン翼。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のタービン翼が設けられていることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン翼およびガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンの圧縮機における静翼には、シュラウドが別体で設けられたカンチレバータイプの静翼や、シュラウドが一体に設けられたシュラウド付きタイプの静翼などが用いられている。
【０００３】
シュラウド付きタイプの静翼は、カンチレバータイプの静翼に比べて、翼形部の先端から空気などが漏れにくく、かつ、シュラウドの内周に、静翼とロータとの間における空気などの漏れを抑制するロータシール構造を設けることができる。このことから、シュラウド付きタイプの静翼は漏れ空気量を適量に削減できるため、性能的に有利とされている。
【０００４】
上述のシュラウド付きタイプの静翼は、翼形部（プロファイル部）の内側および外側の端部にシュラウド部と呼ばれる円周状の基部が設けられている。
翼形部とシュラウド部との間の固定は、シュラウド部に設けた差込口に翼形部から突出した差込部を差込むテノンタイプの固定方法や、上述の差込口に、翼形部から広がって形成された差込ツバ部を差し込むポークチョップタイプの固定方法が挙げられる。
【０００５】
これらのテノンタイプの固定方法や、ポークチョップタイプの固定方法では、差込部または差込ツバ部を差込口に機械的に差し込んで固定してもよいし、ロウ付けや溶接によって固定してもよい。このようにして静翼のシュラウド部がリング状に組み立てられる。
また翼形部とシュラウド部とを一体構造として成型する場合や加工する場合もある。
【０００６】
一般に、シュラウド部は、リング状に組み立てられた状態における周方向への熱膨張を吸収するため、シュラウド部の加工性や組立て性を向上させるため、シュラウド部などのメンテナンス性の向上を図るために、円周方向に複数に分割されている。例えば、シュラウド付きタイプの静翼の場合には、シュラウド部は静翼ごとに分割されている。
【０００７】
さらに、シュラウド部には、回転するロータ軸との間に、ラビリンスシールや、ハニカムシールなどのシール構造がもうけられている（例えば、特許文献１参照。）。
このシール構造は、加工の容易さや補修の容易さを考慮して、翼形部またはシュラウド部と別構造として形成され、形成後に翼形部またはシュラウド部と組み合わせる構成であってもよい。
【０００８】
シュラウド部とシール構造とを組み合わせる構成としては、特許文献１に記載された構造の他に、シュラウド部に設けられた溝構造にシール構造が嵌め合わされる構成を例示することができる。
【０００９】
その一方で、静翼は、ガスタービンの圧縮機内部における空気またはガスの流れ場の中で静翼の固有振動数と一致する周波数、または、回転数の整数倍の周波数を有する励振力が加えられると、静翼の翼形部やシュラウド部が大きく振れる（振動応答する）ことが知られている。
上述の励振力としては、回転する動翼の後流流れ（ウェーク）による励振力や、干渉流れ（ポテンシャル）による励振力などを例示することができる。
【００１０】
上述の振動応答により静翼に働く応力が、静翼を構成する材料の疲労強度を超えて大きくなると、静翼に疲労亀裂が発生するおそれがあり、疲労亀裂により静翼が破損するおそれがある。
このため、翼形部やシュラウド部に対しては、振動応答が発生したとしても疲労亀裂を起こさない体格強度を持たせる設計が行われるとともに、静翼の固有振動数を、静翼に働くと予想される励振周波数からずらす、言い換えると離調させる必要がある。
【００１１】
一方で、近年のガスタービンの高出力化や、高性能化や、コストの低減などに伴い、プロファイル部における翼プロファイル幅（翼弦）の拡大や、翼長（スパン）の拡大など、プロファイル部の大型化が進んでいる。
【００１２】
このようにプロファイル部が大型化すると、翼形部に働く空気力またはガス力が大きくなり、翼形部の付け根部、言い換えると、翼形部とシュラウド部との接続部にかかる荷重またはモーメントが増加する。この荷重またはモーメントの増加に耐えるために翼形部の付け根部に形成されるフィレット形状の曲率半径Ｒを大径化して、十分な強度を確保する必要がある。
【００１３】
これに対して、空気力学の観点から、翼形部の付け根部に形成されるフィレット形状の曲率半径Ｒを小径化したいという、翼形部の付け根部の十分な強度を確保とは逆の要求もある。
【００１４】
プロファイル部は、回転駆動されることによりガスを含む空気などを圧縮する一方で、流れ場の中で空気（ガスを含む）抵抗を受ける。そこで、この空気抵抗を減少させるために、プロファイル形状の最適化や、プロファイル部における前縁の径や、後縁の径の小径化が図られるとともに、プロファイル部における翼形の厚み自体の薄肉化が図られている。
【００１５】
しかしながら、上述の小径化や薄肉化は静翼の強度、特に共振応答に対する強度を低下させる要因となる。そのため、プロファイル部の設計においては、プロファイル部の強度を確保するために、上述の小径化や薄肉化に制約が設けられている。
【００１６】
その他にも、静翼が励振力と共振を起こして破壊されることを回避するため、複数の静翼が組み合わされた静翼リング全体としての固有振動数を、励振源の周波数からずらす、つまり一致しないようにする離調設計が行われている。
【００１７】
しかしながら、上述の固有振動数は、プロファイル部の形状や、シュラウド部の形状などに依存するため、固有振動数と例震源の周波数との離調を優先させると、静翼の空力特性を犠牲にして静翼の設計をせざるを得ない場合が多い。
【００１８】
特許文献１には、静翼による相対移動を拘束するために、波形の板バネにより静翼を押圧する技術が提案されている。
【００１９】
さらに、静翼における振動応答を低減するために、バネを利用した摩擦力を用いた振動減衰（ダンピング）により、静翼における振動応答による振動を減衰する技術も知られている。
【００２０】
具体的には、内周側に配置されたシュラウドリングと、シールを保持するシールホルダとの間に、ドーナッツリング状のバネを挿入し、シュラウドリングにバネを圧接させた構造により、静翼の振動を減衰させる構造が知られている。
このようにすることで、プロファイル部と連接されたシュラウド部が共振により振動変形すると、シュラウド部とバネとが摺動して、シュラウド部とバネとの間に摩擦力が働く。すると、シュラウド部とバネとの摺動面において振動エネルギが摩擦エネルギ（熱エネルギ）に変換され、静翼の振動が減衰される。
【特許文献１】特開２００２−２７６３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、静翼などの翼体格が大きくなると、振動による振動エネルギも相対的に大きくなるため、静翼の振動を減衰させる機構における減衰力も大きくする必要がある。例えば、上述のバネをシュラウドリングに圧接させる構造の場合には、摩擦による十分な減衰力を得るために、バネ力を高くする必要がある。
【００２２】
特許文献１に記載された構成では、上述のバネの交換を考慮した構造になっていないため、長期間の使用による磨耗でバネが損耗した場合に、上述のようにバネ力を高めたバネを交換することが困難であるという問題があった。
【００２３】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、励振力に起因する振動を減衰させるとともに、バネなどの弾性部材の交換を容易にすることができるタービン翼およびガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のタービン翼は、翼形部の端部に配置されたシュラウド部と、前記シュラウド部に対してスライド移動可能であるとともに着脱可能とされ、前記シュラウド部との間に空間を形成する端部筐体と、前記空間に配置されシュラウド部と端部筐体とを離間させる方向に付勢するとともに、前記シュラウド部と相対移動可能に配置された弾性部と、が設けられていることを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、翼形部およびシュラウド部が振動して端部筐体に対してスライド移動すると、弾性部とシュラウド部とが相対移動、つまり、弾性部とシュラウド部とが摺動する。そのため、翼形部およびシュラウド部の振動に係るエネルギは、摺動による熱エネルギ（摩擦エネルギ）に変換され、翼形部およびシュラウド部の振動が減衰される。
その一方で、弾性部を端部筐体とともにシュラウド部からスライド移動させて着脱させることにより、弾性部を容易に交換することができる。
【００２６】
上記発明においては、前記シュラウド部は、複数の前記翼形部のそれぞれに独立して配置され、複数の前記シュラウド部に対して、一つの前記端部筐体が着脱可能とされていることが望ましい。
【００２７】
本発明によれば、複数の翼形部のそれぞれにシュラウド部を独立して配置しているため、複数のシュラウド部が一体に形成されている場合と比較して、それぞれの翼形部およびシュラウド部は、弾性部に対して相対移動しやすい。言い換えると、シュラウド部と弾性部との間の摺動距離が長くなる。
そのため、より多くの翼形部およびシュラウド部の振動に係るエネルギが、摺動による熱エネルギ（摩擦エネルギ）に変換され、翼形部およびシュラウド部の振動がより減衰されやすい。
【００２８】
上記発明においては、前記弾性部は、複数の前記シュラウド部が並ぶ方向に沿って延びるとともに、略波形に形成された板バネであり、該板バネの頂部が前記シュラウド部または前記端部筐体と当接されていることが望ましい。
【００２９】
本発明によれば、弾性部を波形状に形成された板バネとすることで、他のバネを用いた場合と比較して、シュラウド部に対してより大きな押し付け力を付加することができる。
その一方で、板バネの各頂部をそれぞれシュラウド部に当接させることにより、一つの板バネに対して複数のシュラウド部が摺動される。
【００３０】
本発明のガスタービンは、上記本発明のタービン翼が設けられていることを特徴とする。
【００３１】
本発明によれば、本実施形態のタービン翼が設けられているため、タービン翼の翼形部およびシュラウド部の振動に係るエネルギは、摺動による熱エネルギ（摩擦エネルギ）に変換され、翼形部およびシュラウド部の振動が減衰される。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のタービン翼およびガスタービンによれば、弾性部とシュラウド部とが相対移動、つまり、弾性部とシュラウド部とが摺動するため、翼形部およびシュラウド部の振動に係るエネルギは、摺動による熱エネルギ（摩擦エネルギ）に変換され、翼形部およびシュラウド部の振動を減衰させることができるという効果を奏する。
その一方で、弾性部を端部筐体とともにシュラウド部からスライド移動させて着脱させることにより、弾性部を容易に交換することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
この発明の一実施形態に係るガスタービンについて、図１から図５を参照して説明する。なお、本実施形態では、本願発明のタービン翼をガスタービン１の圧縮部２における１段静翼から３段静翼、５段静翼から１７段静翼、あるいは、１０段静翼から１４段静翼に適用して説明する。
【００３４】
図１は、本実施形態に係るガスタービンの構成を説明する模式図である。
ガスタービン１には、図１に示すように、圧縮部２と、燃焼部３と、タービン部４と、回転軸５と、が設けられている。
【００３５】
圧縮部２は、図１に示すように、空気を吸入して圧縮し、圧縮された空気を燃焼部３に供給するものである。圧縮部２には、回転軸５を介してタービン部４から回転駆動力が伝達され、回転駆動されることにより圧縮部２は空気を吸入して圧縮する。
なお、圧縮部２としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
【００３６】
図２は、図１の圧縮部におけるロータディスクおよび静翼の構成を説明する模式図である。
圧縮部２には、図１および図２に示すように、ガスタービン１のケーシング６に取り付けられる静翼（タービン翼）１０と、回転軸５により回転駆動される円板状のロータディスク（図示せず）の円周面に配置される動翼と、が設けられている。
静翼１０と動翼とは、回転軸５における周方向に等間隔に並んで配置されているとともに、回転軸５の軸線方向に交互に並んで配置されている。
【００３７】
燃焼部３は、図１に示すように、外部から供給された燃料と供給された圧縮空気と混合し、混合気を燃焼させて高温ガスを生成し、生成された高温ガスをタービン部４に供給するものである。
なお、燃焼部３としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００３８】
タービン部４は、図１に示すように、供給された高温ガスから回転駆動力を抽出し、回転軸５を回転駆動するものである。
なお、タービン部４としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
【００３９】
次に、本実施形態の特徴である静翼１０について説明する。
図３は、図２の静翼におけるシールホルダ近傍の構成を説明する断面図である。
本実施形態では、静翼１０をピッチが固定された静翼、言い換えると、圧縮部２の内部を流れる流体の流れに対して、迎え角が固定された静翼に適用して説明する。
静翼１０は、図２および図３に示すように、外側シュラウド部１１と、翼形部１２と、内側シュラウド部（シュラウド部）１３と、シールホルダ（端部筐体）１４と、バネ（弾性部）１５と、ハニカムシール１７と、が設けられている。
【００４０】
外側シュラウド部１１は、図２に示すように、圧縮部２における流体が流れる流路の壁面の一部を構成する部材である。さらに、外側シュラウド部１１は、翼形部１２における径方向外側の端部に配置された湾曲した板状の部材であり、複数の翼形部１２に対して一つの外側シュラウド部１１が配置されている。言い換えると、外側シュラウド部１１は、円筒状の部材を複数に分割したものであって、その内周面に複数の翼形部１２が接続されたものである。
外側シュラウド部１１の形状や、翼形部１２との接続方法としては、公知の形状や方法を用いることができ、特に限定するものではない。
【００４１】
翼形部１２は、図２に示すように、回転軸５の径方向に延びる断面が翼形状に形成された部材であって、回転軸５により回転駆動される動翼とともに、空気などの流体を圧縮し、燃焼部３に向かって送り込むものである。
翼形部１２には、周囲の流体の流れにおける上流側端部である前縁ＬＥと、下流側端部である後縁ＴＥと、凸状に湾曲した面である負圧面と、凹状に湾曲した面である正圧面とが設けられている。
【００４２】
内側シュラウド部１３は、図２および図３に示すように、外側シュラウド部１１と同様に、圧縮部２の内部における流体が流れる流路の一部を構成するものである。さらに内側シュラウド部１３は、翼形部１２における径方向内側の端部に配置された湾曲した板状の部材であり、一つの翼形部１２に対して一つの内側シュラウド部１３が配置されている。言い換えると、内側シュラウド部１３は、円筒状の部材を複数に分割したものであって、その外周面に翼形部１２が接続されたものである。
【００４３】
内側シュラウド部１３における前縁ＬＥおよび後縁ＴＥ側の端部には、周方向（図３の紙面に対して垂直方向）に延び、シールホルダ１４と嵌合する嵌合溝１３Ａが設けられている。
【００４４】
シールホルダ１４は、図３に示すように、内側シュラウド部１３の内周側（図３の下側）に取り付けられ、内側シュラウド部１３とともにバネ１５を内部に収納する空間を形成するとともに、ハニカムシール１７を支持する部材である。
シールホルダ１４は、外側シュラウド部１１と同様に、複数の翼形部１２および内側シュラウド部１３に対して一つのシールホルダ１４が配置されている。
【００４５】
シールホルダ１４には、前縁ＬＥ側および後縁ＴＥ側において径方向に沿って延びる一対の側壁部１４Ｓと、一対の側壁部１４Ｓにおける径方向内側の端部を繋ぐ底板部１４Ｂと、が設けられている。
言い換えると、シールホルダ１４には、周方向外側（図３の上側）に向かって開口した溝部が形成されている。
【００４６】
側壁部１４Ｓにおける径方向外側の端部には、シールホルダ１４の内側に向かって突出するとともに周方向に延び、内側シュラウド部１３の嵌合溝１３Ａと嵌め合わされる突出部１４Ａが設けられている。
【００４７】
バネ１５は、図２および図３に示すように、内側シュラウド部１３と、シールホルダ１４とを離間する方向に付勢する弾性部材である。さらに、バネ１５は、内側シュラウド部１３と摺動することにより、静翼１０つまり翼形部１２や内側シュラウド部１３の振動を減衰させるものである。
【００４８】
このようにバネ１５により内側シュラウド部１３とシールホルダ１４とを離間させる方向に付勢することで、嵌合溝１３Ａと突出部１４Ａとが押し付けられて密着し、内側シュラウド部１３とシールホルダ１４との間のシール性を確保することができる。
【００４９】
バネ１５は、略長方形に形成した板バネを略波形に形成したものであり、バネ１５のバネ力は、板バネの板厚を調節することにより調節されている。バネ１５を構成する材料としては、ガスタービン１の運転時、つまり、バネ１５が高温になっても必要とされるバネ特性を維持できる材料が望ましい。
【００５０】
バネ１５は、内側シュラウド部１３とシールホルダ１４とにより形成された空間、より具体的には、内側シュラウド部１３とシールホルダ１４との間に配置されている。さらに、前縁ＬＥ側に一つ、後縁ＴＥ側に一つ、合計二つのバネ１５が平行に並んで配置されている。
【００５１】
本実施形態では、この二つのバネ１５が同じ位相で配置されている例、言い換えると、二つのバネ１５の頂部が同じ位置で内側シュラウド部１３やシールホルダ１４と接触する例に適用して説明する。
【００５２】
図４は、図３のバネの他の配置例を説明する模式図である。
なお、二つのバネ１５を上述のように同じ位相で配置してもよいし、図４に示すように異なる位相で配置してもよく、特に限定するものではない。
図４に示すバネ１５の配置では、一のバネ１５の頂部が内側シュラウド部１３に接触している場所で、他のバネ１５の頂部はシールホルダ１４と接触している。
【００５３】
このようにすることで、一のバネ１５における頂部の配置間隔が、内側シュラウド部１３の配置間隔よりも広い場合であっても、全ての内側シュラウド部１３に対してバネ１５を当接させることができる。つまり、一のバネ１５の頂部と当接しない内側シュラウド部１３に対しては、他のバネ１５の頂部を当接させることにより、全ての内側シュラウド部１３に対してバネ１５を当接させることができる。
【００５４】
バネ１５の形状は、波形の振幅（径方向に関する頂部から頂部までの距離）が、内側シュラウド部１３の内周面から、シールホルダ１４の外周面までの距離よりも長く、かつ、各内側シュラウド部１３の内周面に対してバネ１５の頂部が当接するように決定されている。
【００５５】
より具体的には、バネ１５の波形における振幅は、静翼１０の振動を減衰させる摩擦力、つまりバネ力を発生させるために必要なバネ１５の圧縮量に基づいて決定されている。バネ１５の波形における波長（周方向に関する頂部から頂部までの距離）は、内側シュラウド部１３の配置間隔つまりピッチに基づいて決定されている。
【００５６】
ハニカムシール１７は、図３に示すように、ロータ２１に設けられたシールフィン２２とともに、静翼１０とロータ２１との間を流れる流体の漏れを抑制するものである。
ハニカムシール１７としては公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００５７】
次に、上記の構成からなる静翼１０における振動の減衰方法について説明する。
ガスタービン１が運転されると、圧縮部２を流れる流体等の影響により静翼１０に振動が生じる。具体的には、静翼１０の翼形部１２および内側シュラウド部１３が周方向に振れる振動が発生する。
【００５８】
上述のように内側シュラウド部１３が振動すると、内側シュラウド部１３に押し付けられたバネ１５の頂部と、内側シュラウド部１３の内周面との間で摺動が発生する。内側シュラウド部１３とバネ１５との間には、バネ１５による押し付け力と、内側シュラウド部１３とバネ１５との間の摩擦係数に応じた摩擦力が働く。
【００５９】
上述の摺動により翼形部１２および内側シュラウド部１３の振動エネルギは、熱エネルギなどの摩擦エネルギに変換され、静翼１０における振動が減衰される。
【００６０】
上記の構成によれば、翼形部１２および内側シュラウド部１３が振動してシールホルダ１４に対してスライド移動すると、バネ１５と内側シュラウド部１３とが相対移動、つまり、バネ１５と内側シュラウド部１３とが摺動する。そのため、翼形部１２および内側シュラウド部１３の振動に係るエネルギは、摺動による熱エネルギ（摩擦エネルギ）に変換され、翼形部１２および内側シュラウド部１３の振動を減衰することができる。
【００６１】
その一方で、バネ１５をシールホルダ１４とともに内側シュラウド部１３からスライド移動させて着脱させることにより、バネ１５を容易に交換することができる。そのため、バネ１５が長期間の使用による磨耗で損耗しても、簡単にバネ１５を交換することができる。
また、バネ１５は、シールホルダ１４および内側シュラウド部１３により囲まれた空間内に配置されているため、たとえ、バネ１５が破損しても当該空間から飛び出して翼形部１２に損傷を与えることを防止することができる。
【００６２】
複数の翼形部１２のそれぞれに内側シュラウド部１３を独立して配置しているため、複数の内側シュラウド部１３が一体に形成されている場合と比較して、それぞれの翼形部１２および内側シュラウド部１３は、バネ１５に対して相対移動しやすい。言い換えると、内側シュラウド部１３とバネ１５との間の摺動距離が長くなる。
そのため、より多くの翼形部１２および内側シュラウド部１３の振動に係るエネルギが、摺動による熱エネルギ（摩擦エネルギ）に変換され、翼形部１２および内側シュラウド部１３の振動をより減衰させることができる。
【００６３】
図５は、図３のバネのさらに別の配置例を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、二つのバネ１５を内側シュラウド部１３とシールホルダ１４との間に配置してもよいし、図５に示すように、四つのバネ１５を内側シュラウド部１３とシールホルダ１４との間に配置してもよく、バネ１５の数を特に限定するものではない。
【００６４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明のタービン翼をガスタービンの圧縮部における静翼に適用して説明したが、ガスタービンのタービン部における静翼に適用することもできるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンの構成を説明する模式図である。
【図２】図１の圧縮部におけるロータディスクおよび静翼の構成を説明する模式図である。
【図３】図２の静翼におけるシールホルダ近傍の構成を説明する断面図である。
【図４】図３のバネの他の配置例を説明する模式図である。
【図５】図３のバネのさらに別の配置例を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  ガスタービン
１０  静翼（タービン翼）
１２  翼形部
１３  内側シュラウド部（シュラウド部）
１４  シールホルダ（端部筐体）
１５  バネ（弾性部）
【図１】
2010151046.tif 000003
【図２】
2010151046.tif 000004
【図３】
2010151046.tif 000005
【図４】
2010151046.tif 000006
【図５】
2010151046.tif 000007