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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine dreidimensionale Form einer
Schaufel, die in einer rotierenden Axialströmungsmaschine, etwa einer Axialströmungsturbine
oder einem Axialströmungskompressor,
verwendet wird, und insbesondere eine Schaufel mit einer extrem
geringen Streckung.
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Ein
Flügelprofil
einer Turbinenschaufel einer Axialströmungsturbine, die in der japanischen
Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2002-138801 beschrieben
ist, enthält
einen Wendepunkt zwischen einem stromaufwärts gelegenen konkaven Abschnitt und
einem stromabwärts
gelegenen konvexen Abschnitt hinter einer 80%-Position an einer
Hohlseite (inneren Bogenfläche),
so dass eine von der Hohlseite (inneren Bogenfläche) einer Hinterkante erzeugte Stoßwelle durch
den Effekt des Wendepunkts in zwei Komponenten aufgeteilt wird,
um die jeweiligen Stoßwellenkomponenten
zu schwächen.
Der aufgrund der Interferenz dieser Stoßwellenkomponenten mit einer
Grenzschicht einer Rückseite
(äußeren Bogenfläche) einer
benachbarten Turbinenschaufel erzeugte Energieverlust wird hierdurch
verringert. Bei diesem Schaufelflügelprofil ist eine Skelettlinie
in der Nähe
der Hinterkante durch das Vorsehen des Wendepunkts an der Hohlseite
(inneren Bogenfläche)
in der Nähe
der Hinterkante S-förmig
gekrümmt.
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Eine
Turbinenschaufel mit einer geringen Streckung besitzt eine deutliche
Tendenz dafür,
dass die Strömung
eines Fluids entlang einer Schaufelfläche von der Seite einer Schaufelspitze
zu einer Schaufelwurzel (einem Schaufelfuß) hin abgelenkt wird (eine
sekundäre
Strömung),
was zu einem Problem eines erhöhten
Druckverlustes an der Schaufel führt.
Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Schaufel
ist jedoch eine dreidimensionale Form der Turbinenschaufel, nämlich eine
Differenz zwischen dem Flügelprofil
der Schaufelwurzel (des Schaufelfußes) und dem Flügelprofil
der Schaufelspitze nicht berücksichtigt,
so dass der die Sekundärströmung begleitende
Druckverlust nicht ausreichend verringert werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände gemacht
und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Druckverlust
in einer Schaufel einer hauptsächlich
in einem transonischen Bereich verwendeten Axialströmungsmaschine
zu verringern.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, ist
gemäß einem
ersten Merkmal der Erfindung eine Schaufel einer Axialströmungsmaschine
vorgesehen, umfassend: eine zur Erzeugung eines Überdrucks zwischen einer Vorderkante
und einer Hinterkante ausgebildete Hohlseite (innere Bogenwölbung) und
eine zur Erzeugung eines Unterdrucks zwischen der Vorderkante und
der Hinterkante ausgebildete Rückseite
(äußere Bogenwölbung),
dadurch gekennzeichnet, dass eine Skelettlinie bei der Hinterkante einen
ersten gekrümmten
Abschnitt umfasst, der zu der Hohlseite (inneren Bogenwölbung) hin
gekrümmt ist,
sowie einen zweiten gekrümmten
Abschnitt umfasst, der hinter dem ersten gekrümmten Abschnitt angeordnet
ist und zur Rückseite
(äußeren Bogenwölbung) hin
gekrümmt
ist, wobei der zweite gekrümmte
Abschnitt eine sich von der Seite einer Schaufelwurzel (eines Schaufelfußes) zu
einer Schaufelspitze hin verringernde Krümmung aufweist.
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Gemäß einem
zweiten Merkmal der Erfindung befindet sich zusätzlich zum ersten Merkmal dann,
wenn Positionen entlang der Skelettlinie in einer solchen Weise
wiedergegeben werden, dass die Position der Vorderkante durch eine
0%-Position wiedergegeben wird und die Position der Hinterkante durch
eine 100%-Position wiedergegeben wird, die Position des ersten gekrümmten Abschnitts
hinter einer 90%-Position, und die Neigung der Skelettlinie unmittelbar
hinter dem zweiten gekrümmten
Abschnitt ist wenigstens bei der Schaufelwurzel (Schaufelfuß) im Wesentlichen
gleich der Neigung der Skelettlinie unmittelbar vor dem ersten gekrümmten Abschnitt.
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Gemäß einem
dritten Merkmal der Erfindung besitzt zusätzlich zum ersten Merkmal die
Schaufel einen Wendepunkt an der Hohlseite (inneren Bogenfläche) in
der Nähe
der Hinterkante und zwei oder mehr Wendepunkte an der Hohlseite
(inneren Bogenfläche)
vor dem einen Wendepunkt.
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Mit
der obigen Anordnung sind der vordere erste gekrümmte Abschnitt, der zur Hohlseite
(inneren Bogenwölbung)
hin gekrümmt
ist, und der hintere zweite gekrümmte
Abschnitt, der zur Rückseite
(äußeren Bogenwölbung) hin
gekrümmt
ist, an der Skelettlinie an der Hinterkante der Schaufel der Axialströmungsmaschine
vorgesehen, und die Krümmung des
zweiten gekrümmten
Abschnitts verringert sich von der Seite der Schaufelwurzel zur
Schaufelspitze hin. Daher wird ein Abschnitt höheren Drucks an der Hohlseite
(inneren Bogenwölbung),
die eine Druckfläche
der Schaufel ist, zur Hinterkante hin verlagert, so dass eine Sekundärströmung von
der Seite der Schaufelspitze zu der Schaufelwurzel hin unterdrückt werden
kann. Hierdurch kann ein Druckverlust insbesondere in der Nähe der Schaufelwurzel
auf das Minimum unterdrückt
werden.
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Die
obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden deutlich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigt.
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1 ein
Diagramm, das Flügelprofile
von Schaufelwurzeln von Turbinenschaufeln gemäß einem Vergleichsbeispiel
und einer Ausführungsform zeigt,
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2 ein
vergrößertes Diagramm
des Bereichs 2 in 1,
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3 ein
vergrößertes Diagramm
des Bereichs 3 in 2,
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4 ein
Diagramm, das Flügelprofile
von Schaufelspitzen der Turbinen schaufeln gemäß dem Vergleichsbeispiel und
der Ausführungsform
zeigt,
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5 ein
vergrößertes Diagramm
des Bereichs 5 in 4,
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6 ein
vergrößertes Diagramm
des Bereichs 6 in 5,
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7A ein
Diagramm, das Strömungslinien entlang
einer Oberfläche
der Turbinenschaufel im Vergleichsbeispiel zeigt,
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7B ein
Diagramm, das Strömungslinien entlang
einer Fläche
der Turbinenschaufel in der Ausführungsform
zeigt,
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8 ein
Diagramm, das Verteilungen von isentropischen Mach-Zahlen in einer
Sehnenrichtung in der Turbinenschaufel in dem Vergleichsbeispiel zeigt,
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9 ein
Diagramm, das Verteilungen von isentropischen Mach-Zahlen in einer
Sehnenrichtung in der Turbinenschaufel in der Ausführungsform zeigt,
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10 ein
Diagramm, das Verteilungen von normierten akkumulierten Entropien
in der Sehnenrichtung im Vergleichsbeispiel und der Ausführungsform
zeigt, und
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11 ein
Diagramm, das Verteilungen von Gesamtdruckverlusten in einer Spannweitenrichtung im
Vergleichsbeispiel und der Ausführungsform
zeigt.
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In
den Zeichnungen gibt "X" eine Axialposition
wieder, "Cax" gibt eine axiale
Schaufelsehnenlänge
wieder ung "rθ" gibt eine Umfangsposition
wieder.
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Turbinenschaufeln
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
sind in einem ringförmigen
Gasdurchgang in einer Axialströmungsturbine
derart angeordnet, dass sie eine Turbinenschaufelkaskade bilden.
Ein in 1 gezeigtes Flügelprofil
stammt von einer Schaufelwurzel (einem mit einer Nabe verbundenen
Abschnitt) eines radial inneren Endes einer Turbinenstatorschaufel,
und ein in 4 gezeigtes Flügelprofil
stammt von einer Schaufelspitze an einem radial äußeren Ende der Turbinenstatorschaufel (Turbinenleitschaufel).
Das Flügelprofil
der Turbinenschaufel verändert
sich progressiv von der Schaufelwurzel zur Schaufelspitze hin. Wie
aus 7B deutlich wird, besitzt die dreidimensionale
Form der Turbinenschaufel eine extrem geringe Streckung, wobei eine
Länge in
Spannweitenrichtung länger
ist als eine Länge
in Sehnenrichtung.
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Bei
dem Flügelprofil
der in 1 gezeigten Schaufelwurzel zeigt eine gestrichelte
Linie ein Flügelprofil
(„Grundform") gemäß einem
Vergleichsbeispiel, welches eine Grundlage ist. Eine durchgezogene
Linie zeigt ein Flügelprofil
(„optimiert") gemäß der Ausführungsform,
welches auf der Grundlage des Vergleichsbeispiels optimiert ist.
Das Flügelprofil
gemäß der Ausführungsform
umfasst eine Hohlseite (innere Bogenwölbung) 13 (eine Überdruckfläche), die
zur Erzeugung eines Überdrucks
bei Strömung eines
Fluids ausgebildet ist, sowie eine Rückseite (äußere Bogenwölbung) 14 (eine Unterdruckfläche), die
zur Erzeugung eines Unterdrucks bei Strömung des Fluids ausgebildet
ist, zwischen einer Vorderkante 11 an einem linken Ende
und einer Hinterkante 12 an einem rechten Ende.
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Wie
aus dem Vergleich zwischen der Ausführungsform und dem Vergleichsbeispiel
deutlich wird, weist das Flügelprofil
in der Ausführungsform
eine Schaufeldicke in der Nähe
der Vorderkante 11 auf, die kleiner ist als diejenige des
Flügelprofils
gemäß Vergleichsbeispiel.
Das Flügelprofil
in der Ausführungsform
besitzt einen S-förmig
gekrümmten
Abschnitt in der Nähe
der Hinterkante 12, der im Vergleichsbeispiel nicht vorhanden
ist. Eine Hohlseite (innere Bogenwölbung) 13 des Flügelprofils
im Vergleichsbeispiel besitzt eine einfache konkave Form, während an
der Hohlseite 13 des Flügelprofils
gemäß der Ausführungsform
fünf Wendepunkte
P1 bis P5 auf einanderfolgend von der Vorderkante 11 zur
Hinterkante 12 hin vorhanden sind. Die Krümmung bei jedem
der Wendepunkte P1, P3 und P5 verändert sich von konkav zu konvex
in einer Richtung der Strömung
eines Gases und die Krümmung
bei jedem der Wendepunkte P2 und P4 verändert sich von konvex zu konkav
in der Strömungsrichtung
des Gases.
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2 und 3 zeigen
vergrößerte Formen der
Flügelprofile
in der Nähe
der Hinterkante 12, in denen das Flügelprofil gemäß der Ausführungsform eine
bemerkenswerte Charakteristik besitzt. Eine Skelettlinie (Wölbungslinie)
CLb des Flügelprofils
im Vergleichsbeispiel ist im Wesentlichen geradlinig, während eine
Skelettlinie (Wölbungslinie)
CLo des Flügelprofils
in der Ausführungsform
S-förmig
gekrümmt
ist. Folglich sind bei der Hinterkante 12 zwei gekrümmte Abschnitte
Q1 und Q2 an der Skelettlinie CLo vorhanden. Der vordere erste gekrümmte Abschnitt
Q1 ist an seiner in Strömungsrichtung
des Fluids stromabwärts
gelegenen Seite zu der Hohlseite 13 hin gekrümmt. Der
hintere zweite gekrümmte
Abschnitt Q2 ist an seiner in Strömungsrichtung des Fluids stromabwärts gelegenen
Seite zu der Rückseite 14 hin
gekrümmt.
Die Positionen des ersten und des zweiten gekrümmten Abschnitts Q1 und Q2
existieren hinter einer Position von 90% der Sehnenlänge. Bei
der Skelettlinie CLo des Flügelprofils
gemäß dieser
Ausführungsform
sind durch die Wirkung der oben beschriebenen S-förmigen Krümmung die
Neigung eines Abschnitts vor dem ersten gekrümmten Abschnitt Q1 und die
Neigung eines Abschnitts hinter dem zweiten gekrümmten Abschnitt Q2 im Wesentlichen
parallel zueinander, wodurch der Strömungswinkel des von der Hinterkante 12 strömenden Fluids eingestellt
wird. Zwischen dem ersten und dem zweiten gekrümmten Abschnitt Q1 und Q2 existiert
ein Abschnitt, dessen Schaufeldicke teilweise geringer ist als diejenige
von Abschnitten jeweils vor und hinter dem gekrümmten Abschnitt Q1 und Q2.
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Ein
in 4 bis 6 gezeigtes Flügelprofil der
Schaufelspitze verändert
sich progressiv von dem Flügelprofil
der Schaufelwurzel, das unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben
wurde. Die Form der Hohlfläche 13 und
die Form der Skelettlinie CLo übernehmen
grundsätzlich
das Merkmal des Flügelprofils
der Schaufelwurzel, aber sind im folgenden Punkt geringfügig verschieden:
die Hohlseite 13 des Flügelprofils
der Schaufelwurzel enthält
fünf Wendepunkte
P1 bis P5 (siehe 1). Aber an der Hohlseite 13 des
Flügelprofils
der Schaufelspitze sind der Wendepunkt P1, der am nächsten zur
Vorderkante 11 liegt, und der Wendepunkt P5, der am nächsten zur
Hinterkante 12 liegt, verschwunden (siehe 4).
Die Skelettlinie CLo des Flügelprofils der
Schaufelwurzel ist S-förmig
gekrümmt
mit einem ersten und einem zweiten gekrümmten Abschnitt Q1 und Q2 (siehe 1),
aber bei der Skelettlinie CLo des Flügelprofils der Schaufelspitze
ist der näher
zur Hinterkante 12 angeordnete zweite gekrümmte Abschnitt
Q2 verschwunden (siehe 4).
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Jedoch
tritt das Verschwinden der beiden Wendepunkte P1 und P5 und des
zweiten gekrümmten
Abschnitts Q2 in dem Flügelprofil
der Schaufelspitze auf. An einer Stelle, die geringfügig von
der Schaufelspitze zu der Schaufelwurzel hin verlagert ist, sind
die beiden Wendepunkte P1 und P5 und der zweite gekrümmte Abschnitt
Q2 vorhanden, ohne dass sie verschwunden wären. Die Krümmung des zweiten gekrümmten Abschnitts
Q2 verringert sich allmählich
von einem vorbestimmten Wert an der Schaufelwurzel auf null an der
Schaufelspitze.
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Es
ist bekannt, dass eine Sekundärströmung in
einer Richtung von der Schaufelspitze zu der Schaufelwurzel hin
im Allgemeinen an einer Fläche einer
Turbinenschaufel vorhanden ist (insbesondere an der Hohlseite 13)
und ein Druckverlust aufgrund der Sekundärströmung erzeugt wird, um die Leistungsfähigkeit
der Turbinenschaufel zu verschlechtern. 7A und 7B zeigen
Strömungen
eines Fluids entlang einer Fläche
einer Turbinenschaufel, wobei 7A dem
Vergleichsbeispiel entspricht und 7B der
Ausführungsform
entspricht. Sekundärströmungen in
einer Richtung von der Schaufelspitze zu der Schaufelwurzel hin
sind sowohl im Vergleichsbeispiel als auch in der Ausführungsform
vorhanden. Aus der Ausführungsform
ist ersichtlich, dass die Neigung von Strömungslinien bezüglich einer
Strömungsrichtung
einer Hauptströmung
geringer ist und dass der Betrag der Sekundärströmungen zu der Schaufelwurzel
hin verringert ist. Die Verringerung des Betrags der Sekundärströmungen wird
hauptsächlich
durch den ersten und den zweiten gekrümmten Abschnitt Q1 und Q2 bereitgestellt,
die in der Nähe
der Hinterkante 12 der Hohlseite (inneren Bogenfläche) 13 vorgesehen
sind.
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8 und 9 zeigen
Verteilungen von isentropischen Mach-Zahlen in Sehnenrichtung an der
Hohlseite (inneren Bogenfläche) 13 (PS)
und der Rückseite
(äußeren Bogenfläche) 14 (SS),
wobei 8 dem Vergleichsbeispiel entspricht und 9 der
Ausführungsform
entspricht. Eine dicke Linie und eine dünne Linie entsprechen jeweils
Geschwindigkeitsverteilungen auf der Hohlseite (an der Seite der inneren
Bogenfläche) 13 und
auf der Rückseite
(an der Seite der äußeren Bogenfläche) 14.
Eine durchgezogene Linie entspricht der Schaufelwurzel (einer 100%-Position
in einer Spannweitenrichtung). Eine gestrichelte Linie entspricht
einem mittleren Abschnitt (einer 50%-Position in Spannweitenrichtung). Eine
strichpunktierte Linie entspricht der Schaufelspitze (einer 90%-Position
in Spannweitenrichtung).
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Unter
sorgfältiger
Bezugnahme auf die Druckverteilungen (siehe die dicken Linien) auf
der Hohlseite 13 im Vergleichsbeispiel und der Ausführungsform
ist bei der Ausführungsform
im Vergleich zum Vergleichsbeispiel ein Abschnitt mit dem höheren Druck
(ein Abschnitt mit geringerer Mach-Zahl) signifikant in Richtung
zur Hinterkante 12 hin verlagert und die Mach-Zahl steigt
in der Nähe
der Hinterkante 12 steil an. Die charakteristische Druckverteilung
in der Ausführungsform
ist auf das Vorhandensein des ersten und des zweiten gekrümmten Abschnitts
Q1 und Q2 in der Nähe
der Hinterkante 12 zurückzuführen. Die
Sekundärströmung von
der Schaufelspitze zu der Schaufelwurzel hin an der Hohlseite 13 der
Turbinenschaufel wird durch diese Druckverteilung unterdrückt.
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10 zeigt
eine Verteilung von normierten akkumulierten Entropiewerten in einer
Sehnenrichtung von einer 0%-Position (der Schaufelwurzel) bis zu
einer 50%-Position (dem mittleren Abschnitt) in der Spannweitenrichtung der
Turbinenschaufel, wobei eine gestrichelte Linie und eine durchgezogene Linie
jeweils dem Vergleichsbeispiel und der Ausführungsform entsprechen. Wie
aus 10 deutlich ist, ist ersichtlich, dass die normierte
akkumulierte Entropie in der Ausführungsform hinter –1,0 an
der X-Abszisse in der Sehnenrichtung deutlich mehr verringert ist
als beim Vergleichsbeispiel. Es wird davon ausgegangen, dass dies
darauf zurückzuführen ist,
dass die Sekundärströmung von
der Schaufelspitze zu der Schaufelwurzel in einem Bereich des sehnenweisen Zwischenabschnitts
zur Hinterkante 12 der Hohlseite 13 der Turbinenschaufel
unterdrückt
ist.
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11 zeigt
eine Verteilung des Gesamtdruckverlustes in der Spannweitenrichtung,
wobei eine gestrichelte Linie und eine durchgezogene Linie jeweils
dem Vergleichsbeispiel und der Ausführungsform entsprechen. Wie
aus 11 deutlich wird, ist ersichtlich, dass der Gesamtdruckverlust
in der Ausführungsform
geringer ist als derjenige im Vergleichsbeispiel, hauptsächlich in
einem Bereich von dem spannweitenweisen mittleren Abschnitt zu der Schaufelwurzel.
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Obwohl
die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden ist, können verschiedene
Modifikationen im Design gemacht werden, ohne vom Gegenstand der
Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise
ist die Schaufel gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
nicht auf eine Turbinenschaufel in der Ausführungsform beschränkt und auch
auf eine Kompressorschaufel anwendbar.