特開 2024-115081 ラジアルタービンインペラ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115081

(43)【公開日】2024-08-26

(54)【発明の名称】ラジアルタービンインペラ

(51)【国際特許分類】

   F01D 1/08 20060101AFI20240819BHJP

   F01D 5/14 20060101ALI20240819BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20240819BHJP

【ＦＩ】

F01D1/08

F01D5/14

F02B39/00 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023020553

(22)【出願日】2023-02-14

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】榊原 隆

(72)【発明者】

【氏名】久野 直樹

【テーマコード（参考）】

3G005

3G202

【Ｆターム（参考）】

3G005EA16

3G005FA05

3G005GB24

3G005GB79

3G005GB81

3G202BA01

3G202BB01

(57)【要約】

【課題】スプリッタブレードの翼形状を工夫することによって翼負荷を低減すると共にタービンの断熱効率の向上を図る。
【解決手段】ラジアルタービンインペラ５８の回転方向に交互に配置されたフルブレードと前記フルブレードよりも前記ラジアルタービンインペラにおける流体の流れ方向の翼長が短いスプリッタブレードとを含み、前記回転方向に隣り合う前記フルブレード間にスロートが設けられ、前記スプリッタブレードの下流縁は、前記ハブの外周面に接合する基端縁側が前記スロートよりも上流側に位置し、前記ハブの外周面から離反した先端縁側が前記基端縁側よりも下流側に位置している。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

略円錐形状のハブと、前記ハブの外周面に回転方向に間隔をおいて設けられた複数のタービン翼とを有するラジアルタービンインペラにおいて、
前記タービン翼は、前記ラジアルタービンインペラの回転方向に交互に配置されたフルブレードと前記フルブレードよりも前記ラジアルタービンインペラにおける流体の流れ方向の翼長が短いスプリッタブレードとを含み、
前記回転方向に隣り合う前記フルブレード間にスロートが設けられ、
前記スプリッタブレードの下流縁は、前記ハブの外周面に接合する基端縁側が前記スロートよりも上流側に位置し、前記ハブの外周面から離反した先端縁側が前記基端縁側よりも下流側に位置しているラジアルタービンインペラ。

【請求項2】

前記スプリッタブレードの前記下流縁の前記先端縁側は、前記スロートよりも下流側に位置している請求項１に記載のラジアルタービンインペラ。

【請求項3】

前記スロートは、前記ハブの外周面に接合する前記フルブレードの前記基端縁側において前記回転方向に隣り合う前記フルブレード間に画定される第１スロート部と、前記ハブの外周面から離反した前記フルブレードの先端縁側において前記回転方向に隣り合う前記フルブレードと前記スプリッタブレードとの間に画定される第２スロート部とを含む請求項２に記載のラジアルタービンインペラ。

【請求項4】

前記スプリッタブレードの前記下流縁における前記基端縁から前記先端縁までのブレード全高に対する前記基端縁からのブレード高さの比率を０～１．０としたとき、前記第２スロート部は、前記比率の０．５～１．０の範囲内に画定される請求項３に記載のラジアルタービンインペラ。

【請求項5】

前記スプリッタブレードの前記先端縁の前記スロートから下流側への飛び出し寸法Ｌｓと前記フルブレードの前記先端縁の前記スロートから下流側への延出寸法Ｌｆとの割合Ｒｐ＝Ｌｓ／Ｌｆが、０＜Ｒｐ≦０．３である請求項３又は４に記載のラジアルタービンインペラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ラジアルタービンインペラに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンエンジンに代表されるタービン機械に用いられるラジアルタービンにおいては、高温ガス等の圧縮された流体（以下、圧縮流体と言う）が、静翼（ベーン）により画定されたタービンノズルからタービンインペラに供給される。圧縮流体は、タービンノズルを通過するときに体積膨張することにより流速を増加し、タービンインペラを高速に回転させる。

【0003】

タービンインペラでより多く仕事をさせるためには、タービンインペラのタービンブレード（タービン翼）間に、より多くの圧縮流体を流す必要がある。タービンブレード間を流れる圧縮流体の流量が増えると、タービンブレードにかかる負荷が大きくなり、しかも高温の圧縮流体が流れるため、十分な強度のタービンブレードであることが要求される。

【0004】

このことに対し、タービンインペラに配置するブレード（翼）数を増やしたり、翼高を高くしたりすることによりタービンの断熱効率を高め、翼厚を厚くすることにより、必要な強度を確保することが行われている。しかしながら、厚みのあるタービンブレードの配置数が増えると、タービンの回転方向に隣接するタービンブレード間の出口面積が小さくなり、タービンの断熱効率が低下する傾向がある。また、ハブがタービンブレードを十分な強度をもって支持するためには、翼付け根（基端縁）付近のタービンブレードの厚みやフィレットの曲率（Ｒ径）が大きくする必要がある。このことにより、隣接するタービンブレードのフィレットが互いに干渉し、ブレード数を増やすことに限界が生じる。

【0005】

上記問題を解消し、上記要望を満たすタービンインペラとして、翼長が長いフルブレード（長翼）と翼長が短いスプリッタブレード（短翼）とを組み合わせたラジアルタービンインペラが提案されている（例えば、特許文献１～３）。

【0006】

このようなラジアルタービンインペラでは、圧縮流体の入口（高負荷）側においては、フルブレードとスプリッタブレードとが交互に配置され、ブレード数が増加することにより、各ブレードにかかる負荷が低減しつつ断熱効率が向上すると共に、出口（低負荷）側においては、詳細には、隣り合うフルブレードによって画定されるスロートにおいては、フルブレードのみであることにより、インペラの回転方向のブレード間の間隔が確保され、隣接するブレードのフィレットが干渉することがない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１－１１７３４４号公報

【特許文献2】特開２０１７－１９３９８４号公報

【特許文献3】特開２０１７－１９３９８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記ラジアルタービンでは、フルブレード間に画定されるスロートにスプリッタブレードが存在しないようにスプリッタブレードの翼長が設定されるため、スプリッタブレードを十分に長くすることができず、断熱効率を効果的に高めることが難しい。

【0009】

スプリッタブレードの翼長が長いと、スプリッタブレードがスロートに干渉し、スロート面積が十分に確保されなくなり、断熱効率を高めることが難しくなる。また、スプリッタブレードの翼長が長いと、スプリッタブレードがスロートに干渉し、スロート面積が十分に確保されなくなる。

【0010】

本発明は、以上の背景に鑑み、スプリッタブレードの翼形状を工夫することによって翼負荷を低減すると共にタービンの断熱効率の向上を図ることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために本発明のある態様は、略円錐形状のハブ（７０）と、前記ハブの外周面（７０Ａ）に回転方向に間隔をおいて設けられた複数のタービン翼とを有するラジアルタービンインペラ（５８）において、前記タービン翼は、前記ラジアルタービンインペラの回転方向に交互に配置されたフルブレード（８０）と前記フルブレードよりも前記ラジアルタービンインペラにおける流体の流れ方向（Ｆ）の翼長が短いスプリッタブレード（９０）とを含み、前記回転方向に隣り合う前記フルブレード間にスロート（Ｓ）が設けられ、前記スプリッタブレードの下流縁（９０Ｂ）は、前記ハブの外周面に接合する基端縁（９０Ｃ）側が前記スロートよりも上流側に位置し、前記ハブの外周面から離反した先端縁（９０Ｄ）側が前記基端縁側よりも下流側に位置している。

【0012】

この態様によれば、負荷の高い先端縁側ではスプリッタブレードの翼長が長いことにより、翼負荷が低減すると共に、基端縁側ではスプリッタブレードがスロートと干渉しないことにより、スロート面積への影響が抑えられ、ラジアルタービンの断熱効率が向上する。

【0013】

上記の態様において、好ましくは、前記スプリッタブレードの前記下流縁の前記先端縁側は、前記スロートよりも下流側に位置している。

【0014】

この態様によれば、先端縁側のスプリッタブレードの翼長が十分長くなり、翼負荷が効果的に低減すると共にラジアルタービンの断熱効率が効果的に向上する。

【0015】

上記の態様において、好ましくは、前記スロートは、前記ハブの外周面に接合する前記フルブレードの前記基端縁（８０Ｃ）側において前記回転方向に隣り合う前記フルブレード間に画定される第１スロート部（Ｓ１）と、前記ハブの外周面から離反した前記フルブレードの先端縁（８０Ｄ）側において前記回転方向に隣り合う前記フルブレードと前記スプリッタブレードとの間に画定される第２スロート部（Ｓ２）とを含む。

【0016】

この態様によれば、第１スロート部と第２スロート部とにより十分なスロート面積が確保され、ラジアルタービンの断熱効率が向上する。

【0017】

上記の態様において、前記スプリッタブレードの前記下流縁における前記基端縁から前記先端縁までのブレード全高に対する前記基端縁からのブレード高さの比率を０～１．０としたとき、前記第２スロート部は前記比率の０．５～１．０の範囲内に画定される。

【0018】

この態様によれば、翼厚が厚い基端縁側においてはスプリッタブレードが第１スロート部に干渉することがなく、第１スロート部のスロート面積が十分確保され、ラジアルタービンの断熱効率が向上する。

【0019】

上記の態様において、前記スプリッタブレードの前記先端縁の前記スロートから下流側への飛び出し寸法Ｌｓと前記フルブレードの先端縁の前記スロートから下流側への延出寸法Ｌｆとの割合Ｒｐ＝Ｌｓ／Ｌｆが、０＜Ｒｐ≦０．３であってよい。

【0020】

この態様によれば、スプリッタブレードの下流縁の翼が特異的に長くなることなく翼面積が増大してラジアルタービンの断熱効率が向上する。

【発明の効果】

【0021】

以上の態様によれば、翼負荷が低減すると共にラジアルタービンの断熱効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】ラジアルタービンインペラを備えた発電用ガスタービンシステムの断面図

【図2】実施形態に係るラジアルタービンインペラを側方から見た斜視図

【図3】実施形態に係るラジアルタービンインペラを下流側から見た斜視図

【図4】実施形態に係るラジアルタービンインペラのスプリッタブレードの子午面断面図

【図5】実施形態に係るラジアルタービンインペラの基端縁側の翼配列を示す説明図

【図6】実施形態に係るラジアルタービンインペラの先端縁側の翼配列を示す説明図

【図7】実施形態に係るラジアルタービンインペラの要部を径方向外方から見た斜視図

【図8】実施形態に係るラジアルタービンインペラの要部を側方から見た斜視図

【図9】ラジアルタービンの断熱効率―膨張率特性を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照して、本発明に係るラジアルタービンインペラを含む実施形態について説明する。

【0024】

図１は、本実施形態に係るラジアルタービンインペラ５８を備えた発電用ガスタービンシステム１０の断面図である。図１に示されているように、発電用ガスタービンシステム１０は、回転軸１２によって互いに同軸上に連結されたラジアルコンプレッサ１４及びラジアルタービン１６と、回転軸１２に連結された発電機２０とを有する。

【0025】

発電用ガスタービンシステム１０は、軸線方向に順に互いに連結された前部端板２２と前部ハウジング２４と中間ハウジング２６と後部ハウジング２８とを有する。

【0026】

ラジアルコンプレッサ１４は、前部ハウジング２４に取り付けられてコンプレッサ室３０を画定するコンプレッサハウジング３２及びディフューザ３４を固定するディフューザ固定部材３６と、前部端板２２に取り付けられた空気取入案内部材３８とを有する。空気取入案内部材３８はコンプレッサハウジング３２と協働して空気取入口４０を画定している。コンプレッサ室３０には回転軸１２に取り付けられたコンプレッサロータ４２が回転可能に配置されている。コンプレッサロータ４２はラジアルタービン１６の出力軸である回転軸１２により回転駆動される。ディフューザ固定部材３６にはディフューザ３４が取り付けられている。

【0027】

ラジアルコンプレッサ１４は、空気取入口４０から空気（外気）を取り入れ、コンプレッサロータ４２の回転により空気を圧縮加圧し、圧縮加圧された空気（圧縮空気）をディフューザ３４に噴出する。

【0028】

後部ハウジング２８内には回転軸１２の中心軸線周りに燃焼器１８が設けられている。後部ハウジング２８はディフューザ３４から各燃焼器１８に圧縮空気を導く圧縮空気通路４４を画定する部分を含んでいる。各燃焼器１８は燃焼室４６を画定している。各燃焼器１８には燃料噴射ノズル４８が取り付けられている。燃料噴射ノズル４８は燃焼室４６に燃料を噴射する。

【0029】

各燃焼室４６では、燃料噴射ノズル４８により燃焼室４６に噴射された燃料とラジアルコンプレッサ１４からの圧縮空気との混合気が燃焼し、高圧の燃焼ガス（圧縮流体）が発生する。燃焼器１８のガス出口部にはタービンノズル５０が設けられている。

【0030】

ラジアルタービン１６は、後部ハウジング２８の内側部分によって画定され、燃焼器１８のガス出口部に連通するタービン室５２を有する。タービン室５２は隔壁部材５４によってコンプレッサ室３０と隔てられている。タービン室５２の隔壁部材５４と離反する側はシュラウド５６によって画定されている。タービン室５２には回転軸１２を一体的に有するラジアルタービンインペラ５８が回転可能に配置されている。

【0031】

タービンノズル５０は、ラジアルタービンインペラ５８を外囲するように円環状をなし、燃焼ガスをラジアルタービンインペラ５８に向けて径方向内側且つ周方向に噴射する。ラジアルタービンインペラ５８は、タービンノズル５０から噴射された燃焼ガスによって回転駆動される。ラジアルタービンインペラ５８を回転駆動した燃焼ガスは排気ガスとして排気ガス通路６０から大気中に排出される。

【0032】

回転軸１２には発電機２０のロータ軸６２が連結されている。これにより、発電機２０は、ラジアルタービン１６の回転軸１２によって回転駆動され、発電を行う。

【0033】

次に、ラジアルタービンインペラ５８の詳細を、図２～図８を参照して説明する。

【0034】

ラジアルタービンインペラ５８（以下の説明では、インペラ５８と略称することがある）は、図２～図４に示されているように、略円錐形状のハブ７０と、ハブ７０の外周面７０Ａにインペラ５８の回転方向に間隔をおいて設けられた複数のフルブレード８０及びスプリッタブレード９０とを有する。以下の説明では、フルブレード８０及びスプリッタブレード９０を総称してタービン翼と呼ぶことがある。

【0035】

各フルブレード８０と各スプリッタブレード９０とはインペラ５８の回転方向に交互に配置されている。

【0036】

インペラ５８の回転方向は図２で見て反時計廻り方向の一方向である。以下の説明は、このインペラ５８の回転方向を単に回転方向と言うことがある。

【0037】

各フルブレード８０は、ハブ７０の外周面７０Ａの母線方向の略全長に亘って延在、つまり、インペラ５８の流体入口端５８Ａから流体出口端５８Ｂに至るように延在している。

【0038】

インペラ５８の流体入口端５８Ａはタービンノズル５０に対応する位置にある（図１参照）。インペラ５８の流体出口端５８Ｂは排気ガス通路６０に対応する位置にある（図１参照）。

【0039】

各フルブレード８０は、流体入口端５８Ａに位置する上流縁（前縁）８０Ａと、流体出口端５８Ｂに位置する下流縁（後縁）８０Ｂと、ハブ７０の外周面７０Ａに接合し、外周面７０Ａに沿って上流縁８０Ａと下流縁８０Ｂとの間に延在する基端縁（ルート縁）８０Ｃと、ハブ７０の外周面７０Ａから離反し、シュラウド５６（図１参照）の内周面に沿って上流縁８０Ａと下流縁８０Ｂとの間に延在する先端縁（チップ縁）８０Ｄとを有する。

【0040】

各スプリッタブレード９０は、ブレード翼の流体入口端５８Ａに位置する上流縁（前縁）９０Ａと、ブレード翼の流体出口端５８Ｂに位置する下流縁（後縁）９０Ｂと、ハブ７０の外周面７０Ａに接合し、外周面７０Ａに沿って上流縁９０Ａと下流縁９０Ｂとの間に延在する基端縁（ルート縁）９０Ｃと、ハブ７０の外周面７０Ａから離反し、シュラウド５６（図１参照）の内周面に沿って上流縁９０Ａと下流縁９０Ｂとの間に延在する先端縁（チップ縁）９０Ｄとを有する。

【0041】

各フルブレード８０の基端縁８０Ｃ及び各スプリッタブレード９０の基端縁９０Ｃは図５に示されているように、図６に示されている先端縁８０Ｄ及び９０Ｄよりも翼厚が厚い。

【0042】

インペラ５８の回転方向に隣り合うフルブレード８０の下流側には、図３に示されているように、フルブレード８０間の最狭部であるスロートＳが形成されている。スロートＳは、隣り合うタービン翼間を流れる圧縮流体の流れ方向Ｆ（図４参照）に交差する面状をなす。

【0043】

スプリッタブレード９０の下流縁（後縁）９０Ｂは、図３及び図４に示されているように、スロートＳに対して傾斜しており、基端縁９０Ｃ側がスロートＳよりも上流側に位置し、先端縁９０Ｄ側が基端縁９０Ｃ側よりも下流側へ、好ましくはスロートＳよりも下流側に位置している。これにより、スプリッタブレード９０の先端縁９０ＤはスロートＳを横切って延在している。スプリッタブレード９０の下流縁９０Ｂと基端縁９０Ｃとの交点９０ＥはスロートＳよりも上流側に位置し、スプリッタブレード９０の下流縁９０Ｂと先端縁９０Ｄとの交点９０ＦはスロートＳより下流側に位置している。

【0044】

スロートＳは、フルブレード８０の基端縁８０Ｃ側において回転方向に隣り合うフルブレード８０間に画定される１つの第１スロート部Ｓ１と、フルブレード８０の先端縁８０Ｄ側において回転方向に隣り合うフルブレード８０とスプリッタブレード９０との間、換言すると、スプリッタブレード９０の両側方に画定される２つの第２スロート部Ｓ２とを含む。

【0045】

これにより、負荷の高い先端縁９０Ｄ側ではスプリッタブレード９０の翼長が長く、翼負荷が低減すると共に、基端縁９０Ｃ側ではスプリッタブレード９０がスロートＳと干渉せず、スロート面積への影響が抑えられ、第１スロート部Ｓ１と第２スロート部Ｓ２とにより十分なスロート面積が確保され、ラジアルタービン１６の断熱効率が向上する。

【0046】

スプリッタブレード９０の下流縁９０Ｂにおける基端縁９０Ｃから先端縁９０Ｄまでのブレード全高Ｈ（図４参照）に対する基端縁９０Ｃからのブレード高さの比率Ｒｓを０～１．０としたとき、第２スロート部Ｓ２は、上述の効果を得るうえで、比率Ｒｓ＝０．５～１．０の範囲内に画定されていることが好ましい。換言すると、スプリッタブレード９０の下流縁９０ＢがスロートＳに交差する点９０Ｇ（図４参照）は、上述の効果を得るうえで、基端縁９０Ｃを基点としてブレード高さの０．５以上且つ１．０未満の範囲に設定されることが好ましい。

【0047】

図７に示されているように、スプリッタブレード９０の先端縁９０Ｄの翼間最小寸法（スロートＳにおけるスプリッタブレード９０の先端縁９０Ｄの翼間寸法）をＷｓ、スプリッタブレード９０の先端縁９０ＤのスロートＳから下流側への飛び出し寸法をＬｓ、図８に示されているように、スプリッタブレード９０とラジアルタービン１６の回転軸線Ｘとが１つの投影面でなす角度βの流体出口部における角度をβｏとしたとき、スプリッタブレード９０がスロートＳから飛び出す割合は下式（１）により示される。

【0048】

Ｒｐ＝Ｌｓ／（Ｗｓ・ｔａｎβｏ） ...（１）
Ｒｐは、０＜Ｒｐ≦０．３であることが好ましい。

【0049】

割合Ｒｐ＝０ではスプリッタブレード９０の先端縁９０ＤのスロートＳから飛び出し飛び出さないので、上述の効果を奏することができない。割合Ｒｐが０．３（３０％）を超えると、翼面積が増大して断熱効率はよくなると考えられるが、スプリッタブレード９０の下流縁９０Ｂの翼が特異的に長くなり、翼の製造が難しくと共に高い耐久性を得ることが難しくなる。スプリッタブレード９０の基端縁９０Ｃ側も流体出口端５８Ｂ側に延ばされると、フルブレード８０とスプリッタブレード９０との配列が密なり、隣接するフルブレード８０及びスプリッタブレード９０のフィレットが干渉すると共に、スロート面積が狭小化して必要な流量を確保できない問題が生じる。

【0050】

図９は、本実施形態のラジアルタービン１６及び従来例のラジアルタービンの断熱効率―膨張率特性を示している。図９の特性線Ｅは本実施形態の断熱効率特性を、特性線Ｐは従来例断熱効率特性を各々示している。

【0051】

特性線Ｅと特性線Ｐとの比較により、本実施形態のラジアルタービン１６では、従来例に比して広い膨張率域に亘って断熱効率が向上していることが分かる。

【0052】

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、ハブ７０の形状、フルブレード８０及びスプリッタブレード９０の個数は、適宜変更可能である。本実施形態のラジアルタービンインペラ５８は、発電用ガスタービンシステム１０のラジアルタービン１６のインペラに限られることはなく、各種のラジアルタービンのインペラに適用することができる。

【符号の説明】

【0053】

１０ 発電用ガスタービンシステム
１６ ：ラジアルタービン
５８ ：ラジアルタービンインペラ（インペラ）
７０ ：ハブ
７０Ａ ：外周面
８０ ：フルブレード
８０Ａ ：上流縁
８０Ｂ ：下流縁
８０Ｃ ：基端縁
８０Ｄ ：先端縁
９０ ：スプリッタブレード
９０Ａ ：上流縁
９０Ｂ ：下流縁
９０Ｃ ：基端縁
Ｆ ：流れ方向
Ｓ ：スロート
Ｓ１ ：第１スロート部
Ｓ２ ：第２スロート部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】