(57)【要約】【課題】  シュラウドの下流側における混合損失を低減する。【解決手段】  分割環１１内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて軸線回りに回転する動翼本体９と、動翼本体９が延在する半径方向に直交するように動翼本体９の外周端部に設けられ、分割環１１側の領域から動翼本体９側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウド１３とを備えたタービン動翼１０において、シュラウド１３は、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられた上流部１３ａと、対向する分割環１１の内周面と略平行に延在する下流部１３ｂとを備えていることを特徴とする。【選択図】      図１
2006233857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、
前記シュラウドは、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられた上流部と、対向する前記ケーシングの内周面と略平行に延在する下流部とを備えていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
前記シュラウドの前記下流部は、前記軸線方向と平行に延在していることを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
【請求項３】
軸線回りに回転するタービン動翼と、
該タービン動翼を収容するケーシングを備えてなり、
前記タービン動翼は、前記軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと有するタービンにおいて、
前記シュラウドは、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられ、
前記シュラウドの下流部に対向する前記ケーシングには、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大する拡径部が設けられていることを特徴とするタービン。
【請求項４】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、
前記シュラウドの後縁には、鋭角とされた角部を前記主流領域側に備えていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項５】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、
該シュラウドの外周面上に設けられ、隣り合うタービン動翼と当接するコンタクトリブと、
前記シュラウドの周方向に延在するように該シュラウドおよび前記コンタクトリブの外周面上に立設されたフィンと、を備えたタービン動翼において、
前記シュラウドは、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大する下流部を備え、
前記コンタクトリブの外周面は、前記シュラウドの前記下流部の最下流位置と略同じ半径とされていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項６】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、
該シュラウドの外周面上に設けられ、隣り合うタービン動翼と当接するコンタクトリブと、
前記シュラウドの周方向に延在するように該シュラウドおよび前記コンタクトリブの外周面上に立設されたフィンと、を備えたタービン動翼において、
前記コンタクトリブの上流側には、翼端側から見た場合に前記流体の上流側に向けて先細となる上流ガイドが設けられていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項７】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、
該シュラウドの外周面上に設けられ、隣り合うタービン動翼と当接するコンタクトリブと、
前記シュラウドの周方向に延在するように該シュラウドおよび前記コンタクトリブの外周面上に立設されたフィンと、を備えたタービン動翼において、
前記コンタクトリブの下流側には、前記動翼本体の背側へ向かう流れを妨げる下流ガイドを備えていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項８】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、
前記動翼本体は、前記流体流れの下流側における背側と腹側の圧力差が翼根側よりも小さくされた先端部を有することを特徴とするタービン動翼。
【請求項９】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、
前記動翼本体は、先端側に向かってコード長が増大する先端部を有することを特徴とするタービン動翼。
【請求項１０】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、
前記シュラウドは、前縁に、先細りの先細部を備えていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項１１】
ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、
該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、
前記シュラウドは、前縁に、外周側から前記主流領域へと流体を導く前縁ガイド部を備えていることを特徴とするタービン動翼
【請求項１２】
請求項１，２，４〜１１のいずれかに記載されたタービン動翼を備えたことを特徴とするタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに用いられて好適なタービン動翼およびこれを備えたタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンや蒸気タービン等の軸流タービンの長翼化された後方段には、タービン動翼として、翼端部にシュラウドが設けられたシュラウド翼が採用されている（例えば下記特許文献１参照）。
図１０には、このようなシュラウド翼が採用されたタービンの要部が示されている。図１０（ａ）に示されているように、タービンは、動翼１０と、動翼１０の上流および下流に配置される静翼１２と、動翼１０及び静翼１２を収容する分割環（ケーシング）１１とを主として備えている。
動翼１０及び静翼１２は、軸線Ｌ方向から見た場合、放射状に複数設けられており、軸線Ｌ方向（図において左右方向）に流れる流体力を受けて軸線Ｌ回りに回転する。
動翼１０の外周端部には、シュラウド１３が一体形成されている。シュラウド１３は、板状とされており、半径方向に延在する動翼本体９に対して直交するように設けられている。シュラウド１３は、運転時に、隣接する動翼１０のシュラウド１３と周方向端部において接触することにより環状の流路壁を構成する。このように、シュラウド１３により、シュラウド１３外周側の領域からシュラウド１３内周側（動翼本体９側）の主流領域を仕切るようになっている。
また、シュラウド１３は、運転時に、隣接する動翼１０のシュラウド１３と接触することにより、翼振動に起因する不安定現象による損傷を抑える働きをする。
【０００３】
シュラウド１３間の接触を確実にするために、シュラウド１３の周方向両端部には、ブロック状のコンタクトリブ１４が設けられている。すなわち、コンタクトリブ１４により接触面積を大きくすることにより、確実な接触が得られるようになっている。
図１０（ａ）に示すように、コンタクトリブ１４は、シュラウド１３の外周面からさらに外周側に突出した状態で設けられており、図１０（ｂ）に示すように、その接触面が動翼１０の回転方向（周方向；図において左右方向）に対して例えば４５°程度の角度を有して設けられている。
【０００４】
シュラウド１３およびコンタクトリブ１４の外周面上には、動翼１０の回転方向（周方向）に延在するように設けられたフィン１５が立設されている。このフィン１５により、動翼１０の外周端（すなわちシュラウド１３）と分割環１１の内周面との間の隙間を塞ぎ、シュラウド１３の外周側を流れる漏れ流れを低減する。また、フィン１５は、遠心荷重や振動によってシュラウド１３が変形することを防止する補強部材としての役割をも有している。
【０００５】
分割環１１は、図１０（ａ）に示すように、一定の直径の円筒状の内周面を有している。
なお、分割環１１の内周面には、図示しないが、動翼１０と分割環１１との接触を防止する緩衝部材として機能する板状のハニカムが全周にわたって被覆されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１０６１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のシュラウド翼は、以下のような損失が問題となる。
図１１に示すように、動翼１０の外周端近傍に流れ込む流体１６は、シュラウド１３よりも内周側（翼根側）を流れる主流１６ａと、シュラウド１３の前縁に衝突するシュラウド衝突流１６ｂと、シュラウド１３よりも外周側（すなわちシュラウド１３と分割環１１内周面との間）を流れるシュラウド外周流れ１６ｃとに分かれる。シュラウド外周流れ１６ｃは、さらに、コンタクトリブ１４の上流面に衝突するコンタクトリブ衝突流１６ｄと、フィン１５の先端と分割環１１内周面との間を流れる漏れ流れ１６ｅとに分かれる。
（１）漏れ流れと主流との混合損失
シュラウド１３の内周側を流れる主流１６ａは、シュラウド１３の内周面に沿って半径方向に拡大しながら流れ、その方向を保ちつつシュラウド１３の下流側に流出する。一方、漏れ流れ１６ｅは、分割環１１の内周面に沿い、半径方向の速度成分を持たずに軸線方向に流れる。したがって、シュラウド１３の下流側の領域Ａでは、主流１６ａと漏れ流れ１６ｅとの流れ方向が交差するので、これらが混合することになり、混合損失が生じる。
（２）コンタクトリブのブロッケージによる圧力損失
シュラウド外周流れ１６ｃから分離したコンタクトリブ衝突流１６ｄは、コンタクトリブ１４の前縁に衝突することにより、圧力損失を生じさせる。一般に、コンタクトリブ１４の上流面は流体流れに直交するように立設している（図１０（ｂ）参照）ので、圧力損失は無視できないものとなる。
（３）シュラウド前縁のブロッケージによる圧力損失
シュラウド衝突流１６ｂは、シュラウド１３の前縁に衝突することにより、圧力損失を生じさせる。一般に、シュラウド１３の前縁は、図１１に示すように、シュラウド衝突流１６ｂに直交するように切り落とされた形状となっており、圧力損失は無視できないものとなる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、シュラウド周りやコンタクトリブ周りの流れによる損失を低減したタービン動翼およびこれを備えた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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のタービン動翼およびこれを備えたタービンは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、前記シュラウドは、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられた上流部と、対向する前記ケーシングの内周面と略平行に延在する下流部とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
シュラウドの上流部は、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられているので、シュラウドの内周側を流れる主流の排気流速を落とすことができ、タービン効率を上げることができる。また、シュラウドの上流側ほど軸線からの距離が短くなるので、回転半径が小さくなり、シュラウドに加わる遠心力を低減でき、タービン動翼の強度を確保することができる。
シュラウドの下流部は、対向するケーシングの内周面と略平行に延在するように設けられているので、ケーシング側の領域（シュラウドの外周側）を流れる漏れ流れと、シュラウドの内周側を流れる主流とは、シュラウドを通過した後も平行に流れようとする。したがって、漏れ流れと主流とが混合して引き起こされる混合損失を低減することができる。
【００１１】
さらに、本発明のタービン動翼では、前記シュラウドの前記下流部は、前記軸線方向と平行に延在していることを特徴とする。
【００１２】
軸線方向に平行にシュラウドの下流部を延在させることとしたので、内周面が軸線方向に平行に形成されているケーシングに対して混合損失を低減することができる。
【００１３】
また、本発明のタービンは、軸線回りに回転するタービン動翼と、該タービン動翼を収容するケーシングを備えてなり、前記タービン動翼は、前記軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと有するタービンにおいて、前記シュラウドは、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられ、前記シュラウドの下流部に対向する前記ケーシングには、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大する拡径部が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
シュラウドは、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられているので、シュラウドの内周側を流れる主流の排気流速を落とすことができ、タービン効率を上げることができる。また、シュラウドの上流側ほど軸線からの距離が短くなるので、回転半径が小さくなり、シュラウドに加わる遠心力を低減でき、タービン動翼の強度を確保することができる。
シュラウドの下流部に対向するケーシングの内周面に、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大する拡径部を設けることとしたので、下流側に向かって拡大するシュラウドの下流部に対しても、ケーシング側の領域（シュラウドの外周側）を流れる漏れ流れと、シュラウドの内周側を流れる主流とは、シュラウドを通過した後も平行に流れようとする。したがって、漏れ流れと主流とが混合して引き起こされる混合損失を低減することができる。
【００１５】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、前記シュラウドの後縁には、鋭角とされた角部を前記主流領域側に備えていることを特徴とする。
【００１６】
シュラウドの後縁では、主として流速が大きい主流側の流れと流速が小さいケーシング側の領域(シュラウドの外周側)を流れる漏れ流れが合流する。タービンの運転状態は、非常に短い時間スケールで見ると変動しているため、上記主流側の流れも変動する。後縁の形状によって(例えば、後縁端の形状を円弧とした場合、製作精度によっては、綺麗な円弧を形成できない場合がある)は、上記主流の剥離地点もこれに合わせて変動する。剥離点が固定されていないと、主流流れとシュラウドの外周側を流れる漏れ流れとの混合領域が時間的にランダムに変動し、これにより生じる混合損失が増大してしまう可能性がある。また現在設計に使用しているCFDは一般的に、流体の特異点である剥離点を予測するのは非常に難しく、設計形状が製作精度に左右される場合などには特に、その影響を見落としてしまう可能性も高い。そこで、シュラウドの後縁に、鋭角とされた角部を主流領域側に設けることとした。これにより、主流流れの剥離点を角部に固定させることができ、漏れ流れとの間の混合損失を低減することができる。
【００１７】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、該シュラウドの外周面上に設けられ、隣り合うタービン動翼と当接するコンタクトリブと、前記シュラウドの周方向に延在するように該シュラウドおよび前記コンタクトリブの外周面上に立設されたフィンと、を備えたタービン動翼において、前記シュラウドは、前記軸線からの距離が前記流体流れの下流側に向かって拡大する下流部を備え、前記コンタクトリブの外周面は、前記シュラウドの前記下流部の最下流位置と略同じ半径とされていることを特徴とする。
【００１８】
フィンは、シュラウドおよびコンタクトリブの外周面上に立設されているので、その外周端はケーシング内周面と最も接近する。このフィン外周端とケーシング内周面との間から漏出した漏れ流れは、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大するシュラウドの下流部とケーシング内周面との間に形成された拡大領域に流れ込む。この拡大領域で漏れ流れが急拡大することにより、漏れ流れの流速が急降下するとともに渦が形成される。このように拡大領域において大幅に減速された漏れ流れは、動翼本体を通過した流速の大きい主流と混合される。漏れ流れの流速が小さいほど主流との速度差が大きくなるので、混合損失が増大してしまう。
本発明では、コンタクトリブの外周面をシュラウド下流部の最下流位置と略同じ半径とし、このコンタクトリブの外周面からフィンを立設させることとしたので、ケーシング内周面をシュラウド側に近づけることができる。これにより、シュラウド下流部とケーシング内周面との間に形成される領域を小さくすることができるので、下流における混合損失を低減することができる。
【００１９】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、該シュラウドの外周面上に設けられ、隣り合うタービン動翼と当接するコンタクトリブと、前記シュラウドの周方向に延在するように該シュラウドおよび前記コンタクトリブの外周面上に立設されたフィンと、を備えたタービン動翼において、前記コンタクトリブの上流側には、翼端側から見た場合に前記流体の上流側に向けて先細となる上流ガイドが設けられていることを特徴とする。
【００２０】
コンタクトリブの上流側に、翼端側から見た場合に流体の上流側に向けて先細となる上流ガイドが設けられているので、コンタクトリブに向かう流体は、この上流ガイドによってコンタクトリブの両側に低損失で分離されることになる。したがって、コンタクトリブの上流面に流体が衝突することによって生じるコンタクトリブのブロッケージ損失を低減することができる。
上流ガイドの形状は、例えば、翼端から見た場合に楔形とされている。
【００２１】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、該シュラウドの外周面上に設けられ、隣り合うタービン動翼と当接するコンタクトリブと、前記シュラウドの周方向に延在するように該シュラウドおよび前記コンタクトリブの外周面上に立設されたフィンと、を備えたタービン動翼において、前記コンタクトリブの下流側には、前記動翼本体の背側へ向かう流れを妨げる下流ガイドを備えていることを特徴とする。
【００２２】
動翼本体の下流には、衝撃波が形成される。コンタクトリブを通過した漏れ流れは、圧力の低い背側へと流れる。この漏れ流れが背側に流れて衝撃波が形成される領域に流れ込むと、混合損失が生じる。そこで、コンタクトリブの下流側に、動翼本体の背側に向かう流れを妨げる下流ガイドを設けることとして、コンタクトリブを通過した漏れ流れが動翼本体の背側へと流れる周方向漏れ流れを低減する。これにより、動翼本体の背側に生じる衝撃波に漏れ流れが流れ込むことを防止し、混合損失を低減することができる。
【００２３】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、前記動翼本体は、前記流体流れの下流側における背側と腹側の圧力差が翼根側よりも小さくされた先端部を有することを特徴とする。
【００２４】
動翼本体の下流には、衝撃波が形成される。この領域にシュラウド外周側を流れる漏れ流れが流れ込むと、混合損失が生じる。そこで、衝撃波との混合損失が生じる動翼本体の先端部（外周端部）における背側と腹側との圧力差を、先端部よりも内周側に位置する翼根側における圧力差よりも小さくすることにより、シュラウド外周面において動翼本体の背側に向かう周方向漏れ流れを小さくし、混合損失を低減する。
動翼本体の先端側の下流における差圧を小さくするには、例えば、動翼本体の断面形状を、前縁側で翼厚を大きくし、翼中心線の後縁側の曲率を小さくする（いわゆるフロントローディング）。
【００２５】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、前記動翼本体は、先端側に向かってコード長が増大する先端部を有することを特徴とする。
【００２６】
先端側（外周端側）に向かってコード長が増大する先端部を有する動翼本体としたので、先端部におけるピークマッハ数を低減することができる。これにより、シュラウド外周側から流入する漏れ流れと衝撃波との干渉による損失を低減することができる。
【００２７】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、前記シュラウドは、前縁に、先細りの先細部を備えていることを特徴とする。
【００２８】
シュラウドの前縁に先細りの先細部を設けることとしたので、流体が衝突することによるシュラウドの前縁におけるブロッケージを小さくし、圧力損失を低減することができる。
【００２９】
また、本発明のタービン動翼は、ケーシング内に配置され、軸線方向に流れる流体の流体力を受けて該軸線回りに回転する動翼本体と、該動翼本体が延在する半径方向に直交するように該動翼本体の外周端部に設けられ、前記ケーシング側の領域から該動翼本体側の主流領域を仕切るように設けられた板状のシュラウドと、を備えたタービン動翼において、前記シュラウドは、前縁に、外周側から前記主流領域へと流体を導く前縁ガイド部を備えていることを特徴とする
【００３０】
シュラウドの前縁に、外周側から主流領域へと流体を導く前縁ガイド部を設けることとしたので、タービン動翼へと流れ込む流体の多くを主流領域に取り込むことができる。これにより、シュラウドの外周側へ流れ込む漏れ流れを低減でき、タービン効率を向上させることができる。
【００３１】
また、上記の各タービン動翼を備えたタービンを提供する。
これにより、損失が低減されたタービン動翼を用いることにより、効率向上が実現されたタービンを提供することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、シュラウド通過後の漏れ流れと主流とが平行に流れるようにしたので、漏れ流れと主流とが混合して引き起こされる混合損失を低減することができる。
本発明は、コンタクトリブに対して、流れを整流するガイドを設けることとしたので、コンタクトリブの圧力損失を低減することができる。
本発明は、シュラウドの前縁を先細としたので、シュラウド前縁のブロッケージによる圧力損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、シュラウドの形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
シュラウド１３は、動翼１０を通過する流体流れからみて上流側に位置する上流部１３ａと、下流側に位置する下流部１３ｂとを備えており、それぞれの形状が異なっている。上流部１３ａは、動翼１０の回転中心とされる軸線（図１０（ａ）の符号Ｌ参照）からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられている。下流部１３ｂは、対向する分割環（ケーシング）１１の内周面と略平行に延在するように設けられている。つまり、下流部１３ｂは、分割環１１の円筒状の内周面と平行となるように、軸線方向に平行に延在するように構成されている。
【００３４】
本実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
シュラウド１３の上流部１３ａは、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大するように設けられているので、シュラウド１３の内周側を流れる主流１６ａの排気流速を落とすことができ、タービン効率を上げることができる。また、シュラウド１３の上流側ほど軸線からの距離が短くなるので、回転半径が小さくなり、シュラウド１３に加わる遠心力を低減でき、動翼１０の強度を確保することができる。
【００３５】
シュラウド１３の下流部１３ｂは、対向する分割環１１の内周面と略平行に延在するように設けられているので、分割環１１側の領域（シュラウドの外周側）を流れる漏れ流れ１６ｅと、シュラウドの内周側を流れる主流１６ａとは、シュラウド１３を通過した後も平行に流れようとする。したがって、漏れ流れ１６ｅと主流１６ａとが混合して引き起こされる混合損失を低減することができる。
また、軸線方向に平行にシュラウド１３の下流部１３ｂを延在させることとしたので、内周面が軸線方向に平行に形成されている既存の分割環１１に対して適用することができ、分割環１１の改造を必要としないという利点を有する。
【００３６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、分割環（ケーシング）の形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
シュラウド１３は、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって一定割合で拡大するように設けられている。これにより、シュラウド１３の内周側を流れる主流の排気流速を落とすことができ、タービン効率を上げることができる。また、シュラウド１３の上流側ほど軸線からの距離が短くなるので、回転半径が小さくなり、シュラウド１３に加わる遠心力を低減でき、タービン動翼の強度を確保することができる。
【００３７】
シュラウド１３の下流部１３ｂに対向する分割環１１には、拡径部１１ｂが設けられている。この拡径部１１ｂは、動翼１０の回転中心である軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大する形状となっている。拡径部１１ｂの上流側開始位置１１ｃは、フィン１５よりも軸線方向下流側に所定距離Ｐ１だけずれた位置となっている。これは、動翼１０は起動昇速中に軸線方向に変位するので、この変位に見合う所定距離Ｐ１に相当する長さを軸線に平行な平行部として、フィン１５と分割環１１内周面の間のクリアランスを一定値に保つようにするためである。
【００３８】
本実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
シュラウド１３の下流部に対向する分割環１１に、拡径部１１ｂを設けることとしたので、下流側に向かって拡大するシュラウド１３の下流部に対しても、漏れ流れ１６ｅと主流１６ａとは、シュラウド１３を通過した後も平行に流れようとする。したがって、漏れ流れ１６ｅと主流１６ａとが混合して引き起こされる混合損失を低減することができる
【００３９】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、シュラウドの後縁の形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
シュラウド１３は、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって一定割合で拡大するように設けられている。
図３（ｂ）に示すように、シュラウド１３の後縁１３ｅには、鋭角とされた角部１３ｃが設けられている。この角部１３ｃは、主流１６ａが流れる領域側、すなわち内周側に設けられている。同図には、比較のために、従来のシュラウド後縁の形状が２点鎖線で示されている。従来のシュラウド後縁は、動翼本体９の後縁の延長線を成すように形成されており、主流１６ａ側の角部は鈍角となっている。
【００４０】
本実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
図３（ｂ）に２点鎖線で示した従来のシュラウド後縁の形状では、主流側の角部が鈍角とされているので剥離点が固定されず、主流１６ａとシュラウド１３の外周側を流れる漏れ流れ１６ｅとの混合領域が時間的にランダムに変動し、これにより生じる混合損失が増大してしまう。
本実施形態では、シュラウド１３の後縁１３ｅに、鋭角とされた角部１３ｃを主流領域側に設けることとしたので、主流の剥離点を角部１３ｃに固定させることができ、漏れ流れ１６ｅとの間の混合損失を低減することができる。
【００４１】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、コンタクトリブとシュラウド後縁との位置関係が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
シュラウド１３は、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって一定割合で拡大するように設けられている。
シュラウド１３の外周面上に設けられたコンタクトリブ１４の外周面は、シュラウドの後縁すなわち下流部の最下流位置と略同じ半径Ｒとされている。
コンタクトリブ１４の外周面上にはフィン１５が立設されている。したがって、フィン１５の外周の半径は、シュラウドの後縁の半径Ｒよりも大きくなっている。
【００４２】
本実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
フィン１５は、シュラウド１３およびコンタクトリブ１４の外周面上に立設されているので、その外周端はケーシング内周面と最も接近する。このフィン１５の外周端と分割環１１の内周面との間から漏出した漏れ流れは、軸線からの距離が流体流れの下流側に向かって拡大するシュラウド１３の下流部とケーシング内周面との間に形成された拡大領域Ｃに流れ込む。この拡大領域Ｃで漏れ流れが急拡大することにより、漏れ流れの流速が急降下するとともに渦が形成される。このように拡大領域Ｃにおいて大幅に減速され渦度が増大した漏れ流れは、動翼本体９を通過した流速の大きい主流と混合される。漏れ流れの流速が小さいほど主流との速度差が大きくなるので混合損失が増大し、また渦度が大きいほど混合損失が増大してしまう。
本実施形態では、コンタクトリブ１４の外周面をシュラウド１３の後縁と略同じ半径Ｒとし、このコンタクトリブ１４の外周面からフィン１５を立設させることとしたので、分割環１１内周面をシュラウド１３側に近づけることができる。つまり、シュラウド１３外周面から突出するコンタクトリブ１４の高さをシュラウド１３後縁の高さとの関係で規定することにより、拡大領域Ｃの体積が最小となるようにする。
これにより、シュラウド１３下流部と分割環１１内周面との間に形成される拡大領域Ｃを小さくできるので、漏れ流れの拡大領域Ｃにおける減速及び渦度が低減され、ひいてはシュラウド１３下流での混合損失が低減される。
【００４３】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、コンタクトリブの上流側の形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
図５は、図１０（ｂ）と同様に、動翼１０の翼端側（外周側）からみた図である。
シュラウド１３の外周面上に形成されたコンタクトリブ１４の上流側には、シュラウド１３の外周側を流れる流体１６ｄ（コンタクトリブ衝突流，図１１参照）の上流側に向けて先細となる上流ガイド１４ａが設けられている。上流ガイド１４ａは、本実施形態では、楔形とされている。
【００４４】
本実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
コンタクトリブ１４の上流側に、翼端側から見た場合に流体の上流側に向けて先細となる上流ガイド１４ａが設けられているので、コンタクトリブ１４に向かう流体１６ｄは、この上流ガイド１４ａによってコンタクトリブ１４の両側に低損失で分離されることになる。したがって、コンタクトリブ１４の上流面に流体が衝突することによって生じるコンタクトリブ１４のブロッケージ損失を低減することができる。
【００４５】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、コンタクトリブの下流側の形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
図６は、図１０（ｂ）と同様に、動翼１０の翼端側（外周側）からみた図である。
シュラウド１３の外周面上に形成されたコンタクトリブ１４の下流側には、下流ガイド１４ｂが設けられている。この下流ガイド１４ｂは、動翼本体９の背側９ａへ向かう周方向漏れ流れ１６ｆを妨げるものである。すなわち、下流ガイド１４ｂは、図６（ｂ）に示すように、動翼本体９の背側９ｂ側の側壁１４ｂ１を高くし、コンタクトリブ１４の外周を通過する漏れ流れ１６ｅが動翼本体９の背側９ａへと流れないような形状とされている。本実施形態では、シュラウド１３の後縁とコンタクトリブ１４の上端とを結んだ外面１４ｂ３を有する形状となっている。なお、外面１４ｂ３を凹ませて、動翼本体９の背側１９ａへと流れる周方向漏れ流れ１６ｆをより妨げる形状としても良い。
【００４６】
本実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
図６（ｃ）に示されているように、動翼本体９の下流には、衝撃波Ｓが形成される。同図には、等マッハ線が動翼本体９の背側９ａと腹側９ｂとの間に示されている。同図に示されているように、衝撃波Ｓは、翼後縁の腹側９ｂから背側９ａの下流に向かって形成され、この領域で流れは大きく変動する。
一方、コンタクトリブ１４を通過した漏れ流れ１６ｅは、腹側９ｂよりも圧力の低い背側９ａへと流れようとする。この漏れ流れが背側９ａに流れて衝撃波が形成される領域に流れ込むと、この領域では流れが大きく乱れているので、大きな混合損失が生じる。
本実施形態では、コンタクトリブ１４の下流側に下流ガイド１４ｂを設けることとして、コンタクトリブ１４を通過した漏れ流れ１６ｅが動翼本体９の背側９ａへと流れる周方向漏れ流れ１６ｆを妨げる。これにより、動翼本体９の背側９ａに生じる衝撃波領域に漏れ流れ１６ｆが流れ込むことを防止し、混合損失を低減することができる。
【００４７】
［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について、図７を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、動翼の先端部の形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
図７（ａ）には、動翼本体９を、軸線Ｌ（図１０（ａ）参照）を中心線とする円筒面で切断した断面形状が示されている。同図において、実線が動翼本体９の先端部（シュラウドに近い位置）の断面形状を示し、破線が先端部よりも翼根側の断面形状を示す。同図から分かるように、動翼本体９の先端部は、前縁部において翼根側よりも翼厚が大きくなっている。
図７（ｂ）には、図７（ａ）に示した翼断面の中心線が示されており、実線が動翼本体９の先端部の中心線を示し、破線が先端部よりも翼根側の中心線を示す。このように、動翼本体９の先端部は、翼の後縁側の曲率が小さくなっている。
図７（ｃ）には、動翼の前縁から後縁にかけて流路長さをとった場合の流路幅が示されている。図７（ａ）及び（ｂ）で示したように、動翼本体９の先端部を、前縁側で翼厚を大きくし、翼中心線の後縁側の曲率を小さくすることとしたので、流路幅は、先端部よりも翼根側の位置に比べて（破線参照）、流入直後に急激に絞られるようになっている（いわゆるフロントローディング）。
このような翼形状を採用することにより、先端部の下流側における背側と腹側の圧力差を、先端部よりも翼根側の位置の圧力差よりも小さくすることができる。
【００４８】
このように先端部の下流側における背側と腹側の圧力差を、先端部よりも翼根側の位置の圧力差よりも小さくすることによる作用効果について説明する。
図６（ｃ）で示したように、動翼本体９の下流には、衝撃波Ｓが形成される。この領域にシュラウド１３外周側を流れる周方向漏れ流れ１６ｆが流れ込むと、混合損失が生じる。この周方向漏れ流れ１６ｆは、図７（ｄ）に示すように、動翼本体９の背側と腹側との圧力差△Ｐが大きいときに一層強くなる。本実施形態では、周方向漏れ流れ１６ｆに影響を及ぼす動翼本体９の先端部について、背側と腹側との差圧を翼根側における差圧よりも小さくすることにより、シュラウド外周面において背側に向かう周方向漏れ流れ１６ｆを小さくし、混合損失を低減している。
【００４９】
図７（ｅ）には、動翼本体９のアキシャル長さに対する圧力が示されている。同図において、実線が動翼本体９の先端部の圧力を示し、破線が先端部よりも翼根側の圧力を示す。また、背側を符号ａで示し、腹側を符号ｂで示す。これらの図から分かるように、動翼本体９の先端側では、流体流れの下流側において、流体流れの下流側において、背側ａと腹側ｂの圧力差が小さくされている。
図７（ｆ）には、動翼本体９のアキシャル長さに対する流速が示されている。同図において、実線が動翼本体９の先端部の流速を示し、破線が先端部よりも翼根側の流速を示す。また、背側を符号ａで示し、腹側を符号ｂで示す。これらの図から分かるように、動翼本体９の先端側では、流体流れの下流域において、図７（ｅ）で示したように背側及び腹側の圧力差が小さくなったことに伴い、背側ａの流速が低下している。つまり、動翼本体９の背側で生じる衝撃波のマッハ数を小さくすることができ、混合損失をより低減させることができる。
なお、本発明の動翼本体９の先端部の翼形状は本実施形態に限定されるものではなく、下流側における背側と腹側との圧力差が翼根側よりも小さくなるような形状とされていればよい。
【００５０】
［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態について、図８を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、動翼先端部の形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
図８（ａ）に示すように、動翼本体９は、シュラウド１３側すなわち先端側に向かってコード長が増大する先端部９ｄを有している。すなわち、先端部９ｄでは、後縁が下流側に延びた形状となっている。同図に示した破線は、比較例であり、翼先端に向かってコード長が漸次減少する動翼本体の後縁形状を示している。
図８（ｂ）には、翼高さの各位置（％Ｈｉ）に対するアキシャルコード長を示している。同図において、実線は本実施形態を示し、破線は図８（ａ）に示した比較例を示す。本実施形態では、例えば翼高さを百分率表示した場合に９５％を越えた先端部９ｄにおいて、コード長を増大させるようにしている。
図８（ｃ）には、先端部９ｄを流れる流体の流速が、アキシャル長さに対して示されている。実線は本実施形態を示し、破線は図８（ａ）に示した比較例を示す。同図において、符号ａは背側を示し、符号ｂは腹側を示す。本実施形態のようにコード長を大きくすると、比較例と同等の工業仕事（おおよそ背側と腹側の線で囲まれた面積に相当する）を得ようとした場合、背側ａのピークマッハ数を小さくすることができる。
このように動翼本体９のシュラウド１３に近い先端部９ｄにおける背側のピークマッハ数を小さくできるので、シュラウド１３外周側から流入する漏れ流れと背側に形成される衝撃波との干渉による損失を低減することができる。
【００５１】
［第９実施形態］
次に、本発明の第９実施形態について、図９を用いて説明する。
本実施形態は、図１０，１１を用いて説明した構成と基本的に同様であり、シュラウド前縁の形状が異なる。したがって、図１０，１１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
図９（ａ）に示すように、シュラウド１３の前縁１３ｆに、先細りとされた先細部１３０ｇを設けている。図９（ｂ）にはシュラウド前縁１３ｆの拡大図が示されている。先細部１３ｇは、シュラウド前縁１３ｆに流れ込む流体をシュラウド１３の外側および内側に低損失で分離するように前縁半径を小さくした形状とされている。
このような先細部１３ｇを設けることにより、シュラウド１３の前縁に流れ込む流体１６ｂが衝突する（図１１のシュラウド衝突流１６ｂ参照）ことによるシュラウド１３の前縁におけるブロッケージを小さくし、圧力損失を低減することができる。
【００５２】
また、図９（ｃ）に示すように、シュラウド前縁１３ｆに、外周側から主流１６ａ領域（内側）へと流体を導く前縁ガイド部１３ｈを設けることとしても良い。
前縁ガイド部１３ｈを設けることにより、動翼へと流れ込む流体の多くを主流１６ａ領域に取り込むことができる。これにより、シュラウド１３の外周側へ流れ込む漏れ流れを低減でき、タービン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる動翼の先端部近傍を示した側面図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかる動翼の先端部及び分割環を示した側面図である。
【図３】本発明の第３実施形態にかかる動翼を示し、（ａ）は動翼先端部近傍を示した側面図、（ｂ）は（ａ）の指示部IIIの拡大図である。
【図４】本発明の第４実施形態にかかる動翼の先端部近傍を示した側面図である。
【図５】本発明の第５実施形態にかかる動翼を外周側から見た図である。
【図６】本発明の第６実施形態にかかる動翼を示し、（ａ）は動翼を外周側から見た図、（ｂ）はコンタクトリブの下流側に設けた下流ガイドを示した斜視図、（ｃ）は動翼間を流れる流体のマッハ数分布を示した図である。
【図７】本発明の第７実施形態にかかる動翼を示し、（ａ）は動翼本体の断面形状を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の翼断面の翼中心線を示した図、（ｃ）は動翼間を流れる流体の流路幅を流路長さに対して示したグラフ、（ｄ）は動翼を外周側から見た図、（ｅ）は動翼本体の背側及び腹側に加わる圧力をアキシャル長さに対して示したグラフ、（ｆ）は動翼本体の背側及び腹側を流れる流体の流速を示したグラフである。
【図８】本発明の第８実施形態にかかる動翼を示し、（ａ）は動翼の先端部を示した側面図、（ｂ）は翼高さ方向の各位置におけるアキシャルコード長を示したグラフ、（ｃ）は動翼本体の背側及び腹側を流れる流体の流速を示したグラフである。
【図９】本発明の第９実施形態にかかる動翼を示し、（ａ）は動翼の先端部を示した側面図、（ｂ）は（ａ）の指示部ＩＸの拡大図、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示した図である。
【図１０】従来のタービンを示し、（ａ）は動翼及び静翼が示された部分断面側面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｘにおける図である。
【図１１】動翼先端のシュラウド近傍の流体流れを示した図である。
【符号の説明】
【００５４】
９  動翼本体
１０  動翼
１１  分割環（ケーシング）
１３  シュラウド
１４  コンタクトリブ
１５  フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006233857.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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