(57)【要約】【課題】チップクリアランスを通過する漏れ流れを抑制し、漏れ渦によるエネルギ損失を低減し、ガスタービンや圧縮機等の高性能化を達成する。【解決手段】動翼（４）のチップ部（６）から腹側（４ａ）に庇状に突起する突起帯（８）を形成し、チップクリアランス（Δ）を通り抜けようとする主流ガスの漏れ流れを阻害する。ここで突起帯は湾曲する腹側の翼面に弦をなすように形成され、また、径方向外側に向かい突起する高さを漸増するテーパー形状を有している。【選択図】　　　図１
2004124813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（２）の内周面と動翼（４）のチップ部（６）との間に形成されるチップクリアランス（Δ）を通り抜けて腹側（４ａ）から背側（４ｂ）に流れる主流ガスの漏れ流れを阻害するために、チップ部から腹側に庇状に突起するチップクリアランス渦低減用プレート（８）を形成した、ことを特徴とする回転機械の動翼。
【請求項２】
前記チップクリアランス渦低減用プレート（８）は湾曲する腹側（４ａ）の翼面に弦をなすように形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の回転機械の動翼。
【請求項３】
前記チップクリアランス渦低減用プレート（８）は径方向外側に向かい突起する高さを漸増するテーパー形状を有している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機械の動翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転機械の動翼にかかり、より詳しくはターボ機械を構成するタービン、圧縮機、送風機等の回転機械の動翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３はターボジェットエンジンの模式的構成図であり、空気取入口３１、ファン３２、圧縮機３３、燃焼器３４、ガスタービン３５、ジェットノズル３６、等を備えている。かかるターボジェットエンジンでは、空気を空気取入口３１からファン３２によりエンジン内部に導入し、圧縮機３３でこの空気を圧縮し、燃焼器３４内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、発生した燃焼ガスでガスタービン３５を駆動し、このガスタービン３５の動力でファン３２および圧縮機３３を駆動し、燃焼排ガスをジェットノズル３６から後方に噴出することにより推進力を発生するようになっている。
【０００３】
図４に高圧縮比のターボファンエンジンのタービン部分の拡大図を示した。このエンジンのタービンは、図示しない圧縮機を駆動するための高圧タービンとファンを駆動するための低圧タービンの２軸式構造を有している。
図に示したように動翼４の先端部（チップ部６）とケーシング２の内周面との間には間隙（チップクリアランスΔ）があり、動翼とケーシングとはそれぞれ熱膨張率が異なるため、このチップクリアランスΔの大きさはエンジンの運転状態によって変化することになる。なお、５は高圧タービン用の静翼である。
【０００４】
ここで主流ガスがチップクリアランスを抜けて正圧面側（腹側）から負圧面側（背側）へ漏れることによる損失を防ぐため、低圧タービンの動翼にはシュラウド３が形成されることが多い。このシュラウドとは動翼先端に付けられた小さなセグメントであり、全動翼をタービンディスクに組み付けて隣接するシュラウドをつなぎ合わせると動翼の外周端において環をなすし、これによりチップクリアランスからの主流ガス（燃焼ガス）の漏れを抑制することができる。しかしながら低圧タービンの動翼（５，０００ｒｐｍ程度で回転）に比べ、非常に高速で回転し（２０，０００ｒｐｍ程度で回転）、また高温・高圧の状況下で使用される高圧タービンの動翼においては、大きな遠心力が作用することによるクリープの影響等を考慮して一般的にシュラウドが形成されることはない。
【０００５】
そこで高圧タービンの動翼４では、チップクリアランスΔからの主流ガスの漏れを抑制するためにアクティブ・クリアランス・コントロール法（ＡＣＣ法）が採用されている。ＡＣＣ法とは、コンプレッサから空気を取り出しこれを動翼の内部やケーシングに送り込んでその冷却を行い、熱膨張をコントロールすることによってチップクリアランスΔを狭小化して主流ガスの漏れを抑制する手法である。
【０００６】
また近年では、エンジンの軽量化を目的としてタービンの高負荷化が進められている。すなわち、エンジンを軽量化するために翼の枚数を減少させる一方、１枚の翼にさせる仕事量を増加させる取り組みがなされている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２０１０９２号公報
【特許文献２】特開昭５８−１１３５０４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにシュラウドを形成することができない高圧タービンの動翼では、ＡＣＣ法によりチップクリアランスを可能な限り狭小化することでチップクリアランスを抜けて翼の正圧面側から負圧面側に流れる主流ガスの渦（「漏れ渦」という。）の影響を抑える努力が行われているが、これには構造的な限界があるため、タービンの高負荷化が進むにつれて漏れ渦によるタービン性能への影響（劣化）が重大な問題となってきている。すなわち、タービンの高負荷化に伴い翼の正圧面側（腹側）と負圧面側（背側）との圧力差が大きくなった結果、チップシュラウドのない高圧タービンの動翼では、ＡＣＣ法によってもチップ部付近での漏れ渦の影響が大きく、これがタービン性能を著しく劣化させている実情があった。
【０００９】
より具体的に説明するために高負荷化されたタービンの動翼の主流ガスの流れを解析した結果を図５にベクトルを用いて示した。この図に示したように、主流ガスは、隣接する動翼４の間を翼面に沿って流れる１次流れの他に、▲１▼ルート部１５（翼の根元部分）の隅部に生じる剥離流れＡ、▲２▼翼面に沿って径方向に流れる径方向流れＢ、▲３▼チップ部６とケーシング２の内周面とのチップクリアランスを正圧面側（腹側４ａ）から負圧面側（背側４ｂ）に流れる漏れ流れＣなどがあり、これらの影響により動翼４の近傍には主流ガスの１次流れを乱す２次流れが発生していた。
【００１０】
かかる２次流れのうち１次流れに与える損失が最も大きいのは漏れ流れＣによるものであり、従来の動翼では、チップクリアランスを通過する漏れ流れと高速の１次流れとの干渉（漏れ渦）による損失がガスタービンの性能を劣化させる最大の要因となっていた。
【００１１】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、チップクリアランスを通過する漏れ流れを抑制し、漏れ渦によるエネルギ損失を低減することができ、ガスタービンや圧縮機等の高性能化を達成可能とする回転機械の動翼を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、ケーシング（２）の内周面と動翼（４）のチップ部（６）との間に形成されるチップクリアランス（Δ）を通り抜けて腹側（４ａ）から背側（４ｂ）に流れる主流ガスの漏れ流れを阻害するために、チップ部から腹側に庇状に突起するチップクリアランス渦低減用プレート（８）を形成した、ことを特徴とする回転機械の動翼を提供する。
【００１３】
本発明によれば、チップクリアランスから正圧面側から負圧面側に漏れる主流ガスの漏れ流れを、動翼の腹側（正圧面側）に庇状に突起して形成したチップクリアランス渦低減用プレートにより阻害することにより減少させ、発生する漏れ渦によるエネルギ損失を低減してタービンや圧縮機等の回転機械の性能を向上させることができる。
特に本発明によれば、翼の正圧面側（腹側）と負圧面側（背側）との圧力差が大きく、ＡＣＣ法によっても未だ十分に抑制することができなかった高圧タービンや高圧圧縮機での漏れ流れを簡易な形状の動翼によって効果的に減少させることができる。
【００１４】
ここで、前記チップクリアランス渦低減用プレート（８）は湾曲する腹側（４ａ）の翼面に弦をなすように形成される、ことが好ましい。
【００１５】
正圧面と負圧面との圧力差が大きく、従来多くの漏れが発生していた曲率が大きなチップ部の１次流れ方向中央付近での突起を大きく、曲率が小さく漏れ流れも少ないチップ部での突起を小さく形成することによって、漏れ流れを効果的に減少させることができると同時に、動翼の重量増加および重量増加に伴う遠心力の影響を最小限に抑えることができる。
【００１６】
なお、本発明では動翼の腹側にチップクリアランス渦低減用プレートを形成することとしているが、腹側に加え背側にチップクリアランス渦低減用プレートを形成することを禁止することを意図したものではない。
【００１７】
また好ましい実施例によれば、前記チップクリアランス渦低減用プレート（８）は径方向外側に向かい突起する高さを漸増するテーパー形状を有している。
【００１８】
チップクリアランス渦低減用プレートの突起する高さを翼端に向かい漸増するテーパー形状とすることにより、後述するように、翼面に沿って径方向に流れる径方向流れによりチップクリアランスを抜けようとする漏れ流れを効果的に阻害し、１次流れに損失を最も大きく与える漏れ流れを減少させて回転機械の性能を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を用いて説明する。なお、各図において従来例と共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００２０】
本実施例のタービンは軸流タービンであり、路断面積を徐々に広げる気体流路を内部に有するケーシングと、燃焼器出口近傍の気体流路に設けられた高速回転する高圧タービン用の静翼列５および動翼列４と、その下流側の比較的低速回転する低圧タービン用の複数段の静翼列７および動翼列９と、動翼４、９が取り付けられたローター１１等を備えている（図４参照）。このタービンはエンジンの軽量化を目的として、翼の枚数を減少させる一方、１枚の翼にさせる仕事量を増加させた高負荷化されたタービンである。
【００２１】
図１にこの高圧タービン動翼の本実施例の動翼の下流側から見た斜視図（ａ）および（ａ）のＺ−Ｚ断面図（ｂ）を示した。動翼は、ハブ１３に周方向に等間隔に複数枚取り付けられており、また、軸心に対してチップ部では捩れ角が大きく、ルート部１５では捩れ角が小さくなった形状を有している。更に、（ｂ）に示すように、動翼の回転方向上流側（図で左側）が正圧面側４ａ（腹側）、回転方向下流側（図で右側）が負圧面側４ｂ（背側）であり、動翼の回転により、正圧面側の静圧が高く、負圧面側の静圧が低くなっている。またこの高圧タービンは通常の高圧タービンに比べ特に正圧面側と負圧面側との圧力差が大きく高負荷化されたタービンである。
【００２２】
この動翼４は図２（ａ）に示すように中空構造を有しており、図示しないコンプレッサから取り出した圧縮空気をここに送り込んで動翼４の内部から冷却を行うとともに、圧縮空気を動翼４に形成した細孔１７から噴出して動翼外周面をフィルム冷却することにより燃焼室を出た直後の高温の燃焼ガスから動翼を保護している。またケーシングも同様に圧縮空気により冷却されてその熱膨張が制御され、ケーシングの内周面と動翼のチップ部との間に形成されるチップクリアランスが狭小となるようにコントロールされおり、チップクリアランスからの燃焼ガス（主流ガス）の漏れを可能な限り少なくする工夫がなされている（アクティブ・クリアランス・コントロール法）。
【００２３】
また図１及び図２（ａ）に示すように、この動翼４のチップ部には、湾曲した腹側４ａの翼面に弦をなすように庇状に突起するチップクリアランス渦低減用プレート８が形成されている。
【００２４】
高負荷化されたタービン動翼においては、図５に示したように動翼の正圧面側４ａ（腹側）から負圧面側４ｂ（背側）にチップクリアランスを通り抜けて流れる漏れ流れの抑制がＡＣＣ法によっても未だ十分に達成できないため、正圧面側からチップクリアランスに流れ込む漏れ流れをこのチップクリアランス渦低減用プレート８により阻害するようになっている。この動翼によれば、低廉に形成可能なチップクリアランス渦低減用プレート８を用いて効果的に漏れ流れを減少させることができ、特に高負荷化された高圧タービンの運転効率を飛躍的に向上させることができる。
【００２５】
なおチップクリアランス渦低減用プレート８を動翼４の腹側４ａの翼面に弦をなすように突起する形状としたのは、横軸を無次元コード（Ｘ／ＸＢ）、縦軸を無次元圧力（Ｐ／ＰＴ）として表したタービン動翼の翼面静圧分布図である図２（ｂ）からも分かるように、曲率が大きくそのため正圧面側と負圧面側との圧力差が大きくなる部分、すなわち動翼の１次流れ方向中央付近（Ｘ／ＸＢが０．５付近）の突起を大きく、曲率が小さくそのため正圧面側と負圧面側との圧力差が小さな部分、すなわち動翼の１次流れ方向上流側及び下流側の突起を小さく形成することにより、正圧面を径方向外側に進行しチップクリアランスを抜けて負圧面側に流れ込もうとする漏れ流れを効果的に減少させることができると同時に、動翼の重量増加を最小限に抑えるためである。
【００２６】
ここで本実施例のチップクリアランス渦低減用プレート８は図１（ｂ）に示したように、その突起する高さを翼端に向かい漸増するテーパー形状を有している。動翼４の腹側４ａ翼面に沿って径方向外側に流れる径方向流れＢは、チップ部６近傍でチップクリアランス渦低減用プレート８の傾斜に沿ってタービンの回転方向と反対側にその進行方向を変え、ケーシング２内周面に沿ってチップクリアランスに向かう漏れ流れＣと衝突しその進入を阻害する。
【００２７】
上述したように本実施例の動翼４によれば、従来、径方向流れＢおよび漏れ流れＣのいずれもがチップクリアランスに進入して漏れ渦を発生させ、タービンの性能を劣化させていたところを、径方向流れＢを漏れ流れＣの阻害に利用することで両流れを相殺し、チップクリアランスを抜け２次流れを形成する漏れ流れを減少させて回転機械の性能を向上させることができる。
【００２８】
なお、上述した実施例は高負荷化された高圧タービンについてのものであるが本発明はこれに限定されず、回転機械の動翼であればガスタービンの他に圧縮機や送風機等にも適用可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその適用範囲等を種々変更できることは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の回転機械の動翼によれば、チップクリアランスを通過する漏れ流れを抑制し、漏れ渦によるエネルギ損失を低減することで、ガスタービンや圧縮機等の高性能化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の高圧タービンの動翼を表した図である。
【図２】冷却翼断面図（ａ）および翼面静圧分布図（ｂ）である。
【図３】ターボジェットエンジンの模式的構成図である。
【図４】ターボファンエンジンのタービン部分の拡大図である。
【図５】高負荷化されたタービンの動翼の主流ガスの流れをベクトルを用いて示した図である。
【符号の説明】
２　ケーシング
４　動翼
４ａ　腹側（正圧面側）
４ｂ　背側（負圧面側）
５　高圧タービン用の静翼
６　チップ部
７　低圧タービン用静翼列
８　チップクリアランス渦低減用プレート
９　低圧タービン用動翼列
１１　タービンディスク
１３　ハブ
１５　ルート部
１７　細孔
３１　空気取入口
３２　ファン
３３　圧縮機
３４　燃焼器
３５　ガスタービン
３６　ジェットノズル
Ａ　剥離流れ
Ｂ　径方向流れ
Ｃ　漏れ流れ
Δ　チップクリアランス
【図１】
2004124813.tif 000003
【図２】
2004124813.tif 000004
【図３】
2004124813.tif 000005
【図４】
2004124813.tif 000006
【図５】
2004124813.tif 000007