JP2001355405A - ターボ機械用ブレード - Google Patents
ターボ機械用ブレードInfo
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- JP2001355405A JP2001355405A JP2001123733A JP2001123733A JP2001355405A JP 2001355405 A JP2001355405 A JP 2001355405A JP 2001123733 A JP2001123733 A JP 2001123733A JP 2001123733 A JP2001123733 A JP 2001123733A JP 2001355405 A JP2001355405 A JP 2001355405A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
- F05D2250/20—Three-dimensional
- F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
- F05D2250/294—Three-dimensional machined; miscellaneous grooved
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 衝撃波を弱めるもしくは無くすように、膨張
波及び衝撃波のパターンに影響を与えるターボ機械のブ
レードを提供する。 【解決手段】 タービンブレード列において使用される
ターボ機械のブレードは、翼弦方向に互いに離間され、
かつ正の方向に湾曲した前方及び後方のセグメント（３
５，３６）と、前方及び後方のセグメントの翼弦方向中
間に位置し、かつ負の方向に湾曲した中間セグメント
（３７）と、を特徴とする負圧面（２０）形状を有す
る。遷音速環境で動作する同様のブレード列において使
用した場合に、本発明のブレードは、ブレード間流路
（１７）を通って流れる作動媒体流体の過膨張を軽減す
る。これにより、空気力学的な衝撃波（３１，３２）に
よって続いて生じる流体の再圧縮が弱まり、衝撃波に関
連する空気力学的な非効率性が小さくなる。
波及び衝撃波のパターンに影響を与えるターボ機械のブ
レードを提供する。 【解決手段】 タービンブレード列において使用される
ターボ機械のブレードは、翼弦方向に互いに離間され、
かつ正の方向に湾曲した前方及び後方のセグメント（３
５，３６）と、前方及び後方のセグメントの翼弦方向中
間に位置し、かつ負の方向に湾曲した中間セグメント
（３７）と、を特徴とする負圧面（２０）形状を有す
る。遷音速環境で動作する同様のブレード列において使
用した場合に、本発明のブレードは、ブレード間流路
（１７）を通って流れる作動媒体流体の過膨張を軽減す
る。これにより、空気力学的な衝撃波（３１，３２）に
よって続いて生じる流体の再圧縮が弱まり、衝撃波に関
連する空気力学的な非効率性が小さくなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ機械のブレ
ードに関し、特に、衝撃波によって生じる空気力学的な
損失を軽減する固有の負圧面形状を有するブレードに関
する。
ードに関し、特に、衝撃波によって生じる空気力学的な
損失を軽減する固有の負圧面形状を有するブレードに関
する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンや同様のターボ機
械は、作動媒体流体の流れからエネルギを抽出するため
にタービンを利用する。一般的な軸流タービンは、回転
ハブから径方向に突出するブレードの１つまたはそれ以
上の列を含む。これらのブレードは、連続するブレード
間流体流路を周方向に境界づける。運転条件によって
は、作動流体がブレード間流路を通って流れるに従っ
て、作動流体が超音速まで加速することもあり得る。流
体の加速によって、膨張波が引き起こされ、続く減速に
よって、圧縮波とともに、圧縮波に伴って各ブレードの
後縁の近傍で発生して隣接するブレードの負圧面へと流
路を横切って延びる一次衝撃波が引き起こされる。二次
的な即ち“反射された”衝撃波が、生じるおそれもあ
る。二次衝撃波は、ブレード列の下流の作動媒体流体の
流れ内へ延びる。
械は、作動媒体流体の流れからエネルギを抽出するため
にタービンを利用する。一般的な軸流タービンは、回転
ハブから径方向に突出するブレードの１つまたはそれ以
上の列を含む。これらのブレードは、連続するブレード
間流体流路を周方向に境界づける。運転条件によって
は、作動流体がブレード間流路を通って流れるに従っ
て、作動流体が超音速まで加速することもあり得る。流
体の加速によって、膨張波が引き起こされ、続く減速に
よって、圧縮波とともに、圧縮波に伴って各ブレードの
後縁の近傍で発生して隣接するブレードの負圧面へと流
路を横切って延びる一次衝撃波が引き起こされる。二次
的な即ち“反射された”衝撃波が、生じるおそれもあ
る。二次衝撃波は、ブレード列の下流の作動媒体流体の
流れ内へ延びる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような衝撃波は、
流体流れの動圧の回復不能な損失を引き起こし、タービ
ン効率を低下させる。衝撃波は、また、ブレードの負圧
面に付着した流体境界層に作用して境界層を拡大し、こ
れにより、更に空気力学的な不効率性が引き起こされ
る。衝撃波は、更に、流体流れに静圧パルスを生じさせ
る。このような圧力パルスは、ブレード列の下流におけ
るタービン部材に衝突し、これらのタービン部材の高周
波疲労破壊のおそれを大きくする。最大タービン効率を
確実に得るとともにタービン部材の耐久性を高めるため
に、衝撃波のこのような悪影響をなくすかまたは軽減す
ることが明らかに望ましい。
流体流れの動圧の回復不能な損失を引き起こし、タービ
ン効率を低下させる。衝撃波は、また、ブレードの負圧
面に付着した流体境界層に作用して境界層を拡大し、こ
れにより、更に空気力学的な不効率性が引き起こされ
る。衝撃波は、更に、流体流れに静圧パルスを生じさせ
る。このような圧力パルスは、ブレード列の下流におけ
るタービン部材に衝突し、これらのタービン部材の高周
波疲労破壊のおそれを大きくする。最大タービン効率を
確実に得るとともにタービン部材の耐久性を高めるため
に、衝撃波のこのような悪影響をなくすかまたは軽減す
ることが明らかに望ましい。
【０００４】従って、本発明の主な目的は、衝撃波を弱
めるかもしくは無くすように、膨張波及び衝撃波のパタ
ーンに影響を与えるターボ機械用のブレードを提供する
ことである。
めるかもしくは無くすように、膨張波及び衝撃波のパタ
ーンに影響を与えるターボ機械用のブレードを提供する
ことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１つの形態で
は、ターボ機械用ブレードのエアフォイルは、固有の形
状を有する負圧面を備えており、この負圧面は、翼弦方
向に互いに離間され、かつ正の方向に湾曲した前方及び
後方のセグメントと、正の方向に湾曲したこれらのセグ
メントの翼弦方向中間に位置し、かつ負の方向に湾曲し
た中間セグメントと、を含む。中間セグメントは、実質
的にブレードの全翼幅に亘って延在してもよく、または
翼幅方向で局部的に設けることもできる。ターボ機械の
ブレード列において使用される場合に、中間セグメント
は、流体の流れが流路を通って加速するに従って流れが
膨張するのを制限する。従って、流体の流れに要求され
る空気力学的な境界条件を満たすために、続いて衝撃波
によって流体の流れが再圧縮されるとともに減速する程
度も、同様に制限される。これにより、一次及び二次衝
撃波が弱くなり、タービン効率への悪影響が小さくな
る。条件によっては、二次衝撃波が現れない可能性もあ
る。
は、ターボ機械用ブレードのエアフォイルは、固有の形
状を有する負圧面を備えており、この負圧面は、翼弦方
向に互いに離間され、かつ正の方向に湾曲した前方及び
後方のセグメントと、正の方向に湾曲したこれらのセグ
メントの翼弦方向中間に位置し、かつ負の方向に湾曲し
た中間セグメントと、を含む。中間セグメントは、実質
的にブレードの全翼幅に亘って延在してもよく、または
翼幅方向で局部的に設けることもできる。ターボ機械の
ブレード列において使用される場合に、中間セグメント
は、流体の流れが流路を通って加速するに従って流れが
膨張するのを制限する。従って、流体の流れに要求され
る空気力学的な境界条件を満たすために、続いて衝撃波
によって流体の流れが再圧縮されるとともに減速する程
度も、同様に制限される。これにより、一次及び二次衝
撃波が弱くなり、タービン効率への悪影響が小さくな
る。条件によっては、二次衝撃波が現れない可能性もあ
る。
【０００６】本発明の主な利点は、空気力学的な損失の
減少によって得られる効率の改善である。これに関連す
る利点は、タービン部材を早期に高周波疲労破壊にさら
す危険性が減少することである。
減少によって得られる効率の改善である。これに関連す
る利点は、タービン部材を早期に高周波疲労破壊にさら
す危険性が減少することである。
【０００７】上述の目的や利点及び本発明の動作は、以
下の実施形態及び添付図面によってより明らかとなる。
下の実施形態及び添付図面によってより明らかとなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、ガスタービン
エンジン用のタービンモジュールは、回転ハブ１０とこ
のハブから径方向に突出するブレード１１の列とを有す
る。各ブレード１１は、ハブ１０のスロットと係合する
接続部１２と、プラットフォーム１３と、エアフォイル
根部１５からエアフォイル先端部１６まで径方向即ち翼
幅方向に延在するエアフォイル１４と、を備える。エア
フォイル１４は、複数のブレード間流路１７を周方向に
境界づける。運転中は、作動媒体流体Ｗがブレード間流
路１７を通って流れ、ハブ１０をモジュール軸Ａを中心
として方向Ｒに回転させる。
エンジン用のタービンモジュールは、回転ハブ１０とこ
のハブから径方向に突出するブレード１１の列とを有す
る。各ブレード１１は、ハブ１０のスロットと係合する
接続部１２と、プラットフォーム１３と、エアフォイル
根部１５からエアフォイル先端部１６まで径方向即ち翼
幅方向に延在するエアフォイル１４と、を備える。エア
フォイル１４は、複数のブレード間流路１７を周方向に
境界づける。運転中は、作動媒体流体Ｗがブレード間流
路１７を通って流れ、ハブ１０をモジュール軸Ａを中心
として方向Ｒに回転させる。
【０００９】タービンモジュールは、１つまたはそれ以
上の非回転のステータベーンの列（図示省略）も有す
る。本発明の原理は、ブレードと同様にベーンにも適用
される。従って、本明細書及び請求項において、ブレー
ドとは回転ブレードと非回転ベーンの両方を意味する。
上の非回転のステータベーンの列（図示省略）も有す
る。本発明の原理は、ブレードと同様にベーンにも適用
される。従って、本明細書及び請求項において、ブレー
ドとは回転ブレードと非回転ベーンの両方を意味する。
【００１０】図２では、一般的なタービンエアフォイル
１４が負圧面２０と正圧面２１とを備えている。負圧面
と正圧面は、前縁２２と後縁２３において接続されてい
るが、それ以外の箇所では互いから側方に離間されてい
る。平均キャンバ線ＭＣＬは、該平均キャンバ線に垂直
に測定した正圧面と負圧面の中間の線である。翼弦線Ｃ
は、前縁から後縁へと延びるとともに平均キャンバ線の
端部をつなぐ直線である。エアフォイルは、軸Ａを含む
平面に翼弦線Ｃを投影したものとなる軸方向翼弦ＣAを
有する。各ブレード間流路１７は、最小断面領域即ちス
ロート部２４を有する。
１４が負圧面２０と正圧面２１とを備えている。負圧面
と正圧面は、前縁２２と後縁２３において接続されてい
るが、それ以外の箇所では互いから側方に離間されてい
る。平均キャンバ線ＭＣＬは、該平均キャンバ線に垂直
に測定した正圧面と負圧面の中間の線である。翼弦線Ｃ
は、前縁から後縁へと延びるとともに平均キャンバ線の
端部をつなぐ直線である。エアフォイルは、軸Ａを含む
平面に翼弦線Ｃを投影したものとなる軸方向翼弦ＣAを
有する。各ブレード間流路１７は、最小断面領域即ちス
ロート部２４を有する。
【００１１】運転中は、作動媒体流体の流れＷが、スロ
ート部に実質的に垂直な方向で流路を通って流れる。流
路を通って流体が流れるに従って、流体の静圧が降下す
るとともに、流路入口における亜音速からスロート部の
上流における超音速まで流体が加速する。流体は、エア
フォイルの後縁２３を通過するときに、流線２５，２６
で示すように主な流れの方向から瞬間的にそれ、続いて
負圧面上を流れる流体が正圧面上を流れる流体と再び合
流すると、主な流れの方向に向かって戻る。第１の方向
転換は、流体の流れを“過膨張”させる。この過膨張
は、ブレードの後縁から隣接するブレードの負圧面まで
ブレード間流路１７に亘って延びる“扇形に広がる”膨
張波２９として現れる。
ート部に実質的に垂直な方向で流路を通って流れる。流
路を通って流体が流れるに従って、流体の静圧が降下す
るとともに、流路入口における亜音速からスロート部の
上流における超音速まで流体が加速する。流体は、エア
フォイルの後縁２３を通過するときに、流線２５，２６
で示すように主な流れの方向から瞬間的にそれ、続いて
負圧面上を流れる流体が正圧面上を流れる流体と再び合
流すると、主な流れの方向に向かって戻る。第１の方向
転換は、流体の流れを“過膨張”させる。この過膨張
は、ブレードの後縁から隣接するブレードの負圧面まで
ブレード間流路１７に亘って延びる“扇形に広がる”膨
張波２９として現れる。
【００１２】過膨張は、流体流れに加わる空気力学的な
境界条件と両立しない。従って、流体の流線２５，２６
の第２の方向転換に関連する圧縮波３０が、膨張波のす
ぐ下流で現れる。このような圧縮波は、隣接するブレー
ドの負圧面まで延びる一次衝撃波３１と合体する。圧縮
波と一次衝撃波は、既存の境界条件に適合するように流
体を再圧縮する。一次衝撃波は、負圧面から反射して
“反射された”即ち二次的な衝撃波３２を生じさせる。
二次衝撃波３２は、一般に一次衝撃波３１よりも弱い
が、これらの衝撃波は、共に流体流れの動圧を減少させ
ることによりタービン効率を低下させる。これらの衝撃
波は、また、流体流れに静圧パルスを生じさせる。この
ような圧力パルスは、ブレード列の下流のタービン部材
に衝突し、これらのタービン部材の高周波疲労破壊のお
それを大きくする。一次衝撃波は、隣接するブレードの
負圧面上の境界層３３にも作用し、これにより、境界層
の厚みが増し、更に不効率となる。
境界条件と両立しない。従って、流体の流線２５，２６
の第２の方向転換に関連する圧縮波３０が、膨張波のす
ぐ下流で現れる。このような圧縮波は、隣接するブレー
ドの負圧面まで延びる一次衝撃波３１と合体する。圧縮
波と一次衝撃波は、既存の境界条件に適合するように流
体を再圧縮する。一次衝撃波は、負圧面から反射して
“反射された”即ち二次的な衝撃波３２を生じさせる。
二次衝撃波３２は、一般に一次衝撃波３１よりも弱い
が、これらの衝撃波は、共に流体流れの動圧を減少させ
ることによりタービン効率を低下させる。これらの衝撃
波は、また、流体流れに静圧パルスを生じさせる。この
ような圧力パルスは、ブレード列の下流のタービン部材
に衝突し、これらのタービン部材の高周波疲労破壊のお
それを大きくする。一次衝撃波は、隣接するブレードの
負圧面上の境界層３３にも作用し、これにより、境界層
の厚みが増し、更に不効率となる。
【００１３】図３〜図５、主に図３を参照すると、本発
明のターボ機械のブレードは、エアフォイル根部１５、
根部から翼幅方向に離間された先端部１６、負圧面２
０、及び負圧面から側方に離間された正圧面２１を有
し、負圧面と正圧面は、前縁２２と前縁から翼弦方向に
離間された後縁２３で接続されている。比較のために、
図３に代表的な従来技術のブレードを仮想線で示してい
る。
明のターボ機械のブレードは、エアフォイル根部１５、
根部から翼幅方向に離間された先端部１６、負圧面２
０、及び負圧面から側方に離間された正圧面２１を有
し、負圧面と正圧面は、前縁２２と前縁から翼弦方向に
離間された後縁２３で接続されている。比較のために、
図３に代表的な従来技術のブレードを仮想線で示してい
る。
【００１４】負圧面２０は、その曲率によって説明する
ことができる。曲率は、負圧面に沿って翼弦方向に変化
し、負圧面上の各点は、対応する曲率中心ｃから放射さ
れる曲率半径Ｒｃを有する。各曲率中心ｃは、（負圧面
によって境界づけられたブレード間流路１７から離れ
る）正の方向もしくは、（負圧面によって境界づけられ
たブレード間流路１７に向かう）負の方向で負圧面から
ずれている。ずれの方向が正であれば、負圧面上の点に
おける曲率は正となり、ずれの方向が負であれば、曲率
は負となる。直線の曲率は、ゼロである。
ことができる。曲率は、負圧面に沿って翼弦方向に変化
し、負圧面上の各点は、対応する曲率中心ｃから放射さ
れる曲率半径Ｒｃを有する。各曲率中心ｃは、（負圧面
によって境界づけられたブレード間流路１７から離れ
る）正の方向もしくは、（負圧面によって境界づけられ
たブレード間流路１７に向かう）負の方向で負圧面から
ずれている。ずれの方向が正であれば、負圧面上の点に
おける曲率は正となり、ずれの方向が負であれば、曲率
は負となる。直線の曲率は、ゼロである。
【００１５】本発明のブレードのエアフォイルは、翼弦
方向に互いに離間され、かつ正の方向に湾曲した前方及
び後方のセグメント３５，３６と、前方及び後方のセグ
メントの翼弦方向中間に位置し、かつ負の方向に湾曲し
た中間セグメント３７と、を有する。遷移領域即ち接合
部３８，３９は、中間セグメント３７を前方及び後方の
セグメントにそれぞれ接合する。前方及び後方のセグメ
ントは、これらのセグメントに沿った各点がブレード間
流路１７から離れる方向で負圧面からずれた（例えばＣ
1やＣ2の）曲率中心を有しているので、正の方向に湾曲
していると見なされる。中間セグメントは、このセグメ
ントに沿った各点がブレード間流路１７に向かう方向で
負圧面からずれた（例えばＣ3の）曲率中心を有してい
るので、負の方向に湾曲していると見なされる。図示し
たセグメントの曲率と中間セグメントの対応する深さＤ
は、より明瞭とするために誇張してある。例えば、本発
明の出願人によって実際に製造されているブレードで
は、負の方向に湾曲した中間セグメントの深さＤは、翼
幅方向において、翼弦の０．３％〜１．４％まで変化
し、流体流れのマッハ数が小さい箇所でより小さい深さ
を有するとともに、マッハ数が大きい箇所でより大きい
深さを有する。与えられた用途における必要条件によ
り、深さＤを１．４％よりも大きくすることもできる。
方向に互いに離間され、かつ正の方向に湾曲した前方及
び後方のセグメント３５，３６と、前方及び後方のセグ
メントの翼弦方向中間に位置し、かつ負の方向に湾曲し
た中間セグメント３７と、を有する。遷移領域即ち接合
部３８，３９は、中間セグメント３７を前方及び後方の
セグメントにそれぞれ接合する。前方及び後方のセグメ
ントは、これらのセグメントに沿った各点がブレード間
流路１７から離れる方向で負圧面からずれた（例えばＣ
1やＣ2の）曲率中心を有しているので、正の方向に湾曲
していると見なされる。中間セグメントは、このセグメ
ントに沿った各点がブレード間流路１７に向かう方向で
負圧面からずれた（例えばＣ3の）曲率中心を有してい
るので、負の方向に湾曲していると見なされる。図示し
たセグメントの曲率と中間セグメントの対応する深さＤ
は、より明瞭とするために誇張してある。例えば、本発
明の出願人によって実際に製造されているブレードで
は、負の方向に湾曲した中間セグメントの深さＤは、翼
幅方向において、翼弦の０．３％〜１．４％まで変化
し、流体流れのマッハ数が小さい箇所でより小さい深さ
を有するとともに、マッハ数が大きい箇所でより大きい
深さを有する。与えられた用途における必要条件によ
り、深さＤを１．４％よりも大きくすることもできる。
【００１６】中間セグメント３７は、下り面４２と上り
面４３とを備える。一方が下り面４２の任意の点に正接
し、他方が上り面４３の任意の点に正接する概念上の基
準線４４，４５は、０°よりも大きくかつ１８０°より
も小さい角度αを定める。これにより、中間セグメント
は、作動媒体流体に実質的にさらされる。中間セグメン
トは、図４に示すように翼幅方向で局部的に設けること
ができ、または図５に示すように実質的にエアフォイル
の翼幅の全長に亘って延びるように設けることもでき
る。
面４３とを備える。一方が下り面４２の任意の点に正接
し、他方が上り面４３の任意の点に正接する概念上の基
準線４４，４５は、０°よりも大きくかつ１８０°より
も小さい角度αを定める。これにより、中間セグメント
は、作動媒体流体に実質的にさらされる。中間セグメン
トは、図４に示すように翼幅方向で局部的に設けること
ができ、または図５に示すように実質的にエアフォイル
の翼幅の全長に亘って延びるように設けることもでき
る。
【００１７】遷移領域３８，３９は、有限の長さの直線
領域とすることができ、または図示のように複数の単一
の遷移点とすることもできる。いずれの場合でも、中間
セグメントと前方及び後方のセグメントの間の遷移領域
は、急ではなく、即ち尖った端部、角部、先端部や他の
角のある特徴を全く含まない。
領域とすることができ、または図示のように複数の単一
の遷移点とすることもできる。いずれの場合でも、中間
セグメントと前方及び後方のセグメントの間の遷移領域
は、急ではなく、即ち尖った端部、角部、先端部や他の
角のある特徴を全く含まない。
【００１８】本発明のブレードのエアフォイルは、翼弦
方向に互いに離間され、かつ凸面をなす前方及び後方の
セグメント３５，３６と、前方及び後方のセグメントの
翼弦方向中間に位置し、かつ凹面をなす中間セグメント
３７と、を有しているという説明もできる。
方向に互いに離間され、かつ凸面をなす前方及び後方の
セグメント３５，３６と、前方及び後方のセグメントの
翼弦方向中間に位置し、かつ凹面をなす中間セグメント
３７と、を有しているという説明もできる。
【００１９】続いて、図６を参照すると、本発明のエア
フォイルの負圧面形状が数学的に示されている。図６Ａ
では、前方、中間、及び後方のセグメントを備える負圧
面２０の部分が、２次元デカルト座標系の正の象限にお
ける連続する曲線として表されている。座標系は、従来
の横軸と縦軸を有する。横軸の値は、エアフォイルの翼
弦線Ｃに沿った距離を表している。この曲線は、連続す
る一次導関数（図６Ｂ）と二次導関数（図６Ｃ）を有す
る。そして、この曲線は、曲線上の各点が各横軸の値と
１対１で対応する単一の縦軸の値を有し、かつ縦軸上に
おける一次導関数の値がゼロとなるように座標系上に位
置づけられている（図６Ｂ参照）。曲線をこのように配
置、かつ方向づけると、負圧面は、図４，図５で示した
翼幅範囲ＲSに亘って少なくとも２回符号が変わる二次
導関数を有する。図６で示した面では、符号がちょうど
２回変わり、符号の変更は、それぞれ正の方向及び負の
方向に湾曲したセグメント間の接合部３８，３９で起こ
る。
フォイルの負圧面形状が数学的に示されている。図６Ａ
では、前方、中間、及び後方のセグメントを備える負圧
面２０の部分が、２次元デカルト座標系の正の象限にお
ける連続する曲線として表されている。座標系は、従来
の横軸と縦軸を有する。横軸の値は、エアフォイルの翼
弦線Ｃに沿った距離を表している。この曲線は、連続す
る一次導関数（図６Ｂ）と二次導関数（図６Ｃ）を有す
る。そして、この曲線は、曲線上の各点が各横軸の値と
１対１で対応する単一の縦軸の値を有し、かつ縦軸上に
おける一次導関数の値がゼロとなるように座標系上に位
置づけられている（図６Ｂ参照）。曲線をこのように配
置、かつ方向づけると、負圧面は、図４，図５で示した
翼幅範囲ＲSに亘って少なくとも２回符号が変わる二次
導関数を有する。図６で示した面では、符号がちょうど
２回変わり、符号の変更は、それぞれ正の方向及び負の
方向に湾曲したセグメント間の接合部３８，３９で起こ
る。
【００２０】図２，図３，図７を参照することにより、
従来技術のブレードと比較した場合の本発明のブレード
の動作が最もよく理解される。図２，図３は、従来技術
のブレードと本発明のブレードがブレードの列で使用さ
れた場合に生じる膨張波２９，圧縮波３０、及び衝撃波
３１，３２を示している。図７は、図２の従来技術のブ
レード（実線）と図３の本発明のブレード（破線）の両
方に関して、ブレード列での動作における正圧面及び負
圧面に沿った静圧と動圧の比率を示している。ブレード
は、遷音速環境、即ち流体流れが亜音速の相対速度でブ
レード間流路１７に流入するとともに流路内で超音速の
相対速度まで加速する環境において動作している状態で
示されている。
従来技術のブレードと比較した場合の本発明のブレード
の動作が最もよく理解される。図２，図３は、従来技術
のブレードと本発明のブレードがブレードの列で使用さ
れた場合に生じる膨張波２９，圧縮波３０、及び衝撃波
３１，３２を示している。図７は、図２の従来技術のブ
レード（実線）と図３の本発明のブレード（破線）の両
方に関して、ブレード列での動作における正圧面及び負
圧面に沿った静圧と動圧の比率を示している。ブレード
は、遷音速環境、即ち流体流れが亜音速の相対速度でブ
レード間流路１７に流入するとともに流路内で超音速の
相対速度まで加速する環境において動作している状態で
示されている。
【００２１】主に図３を参照すると、後縁２３の近傍の
流線２５によって示されるように、扇形に広がる膨張波
２９は、主な流れ方向から流体がそれることによりブレ
ード間流路を横切って延びる。膨張波は、流路の最小断
面領域であるスロート部に近い位置で流路を横切る。膨
張波は、１つのブレードの後縁２３に隣接する第１の端
部４６と、隣接するブレードの負圧面２０に隣接する第
２の端部４７と、を含む。隣接するエアフォイルの中間
セグメント３７は、膨張波の第２の端部と実質的に翼弦
方向で一致している。流体流れＷは、流線２６によって
示されるように負圧面形状に沿って流れ、下り面４２を
通過するとともに続いて上り面４３を超えて流れるにつ
れて、局部的に方向転換する。この方向転換は、流体を
圧縮して、膨張波２９によって示される膨張を少なくと
も部分的に補償する。これにより、従来技術のブレード
で一般的な局部的過膨張（図２の膨張波２９参照）が軽
減される。このことは、従来技術及び本発明のブレード
の膨張波２９によってそれぞれ生じる、静圧の局部的な
降下を比較している図７に明瞭に示されている。
流線２５によって示されるように、扇形に広がる膨張波
２９は、主な流れ方向から流体がそれることによりブレ
ード間流路を横切って延びる。膨張波は、流路の最小断
面領域であるスロート部に近い位置で流路を横切る。膨
張波は、１つのブレードの後縁２３に隣接する第１の端
部４６と、隣接するブレードの負圧面２０に隣接する第
２の端部４７と、を含む。隣接するエアフォイルの中間
セグメント３７は、膨張波の第２の端部と実質的に翼弦
方向で一致している。流体流れＷは、流線２６によって
示されるように負圧面形状に沿って流れ、下り面４２を
通過するとともに続いて上り面４３を超えて流れるにつ
れて、局部的に方向転換する。この方向転換は、流体を
圧縮して、膨張波２９によって示される膨張を少なくと
も部分的に補償する。これにより、従来技術のブレード
で一般的な局部的過膨張（図２の膨張波２９参照）が軽
減される。このことは、従来技術及び本発明のブレード
の膨張波２９によってそれぞれ生じる、静圧の局部的な
降下を比較している図７に明瞭に示されている。
【００２２】局部的な膨張２９に続いて、流体流れに要
求される境界条件を満たすように、衝撃波３１が流体を
圧縮する。本発明のエアフォイルは、上述したように、
また図７に示しているように流体流れの過膨張を軽減す
るので、衝撃波３１（図３参照）は、図２の従来技術の
ブレードに関連する、対応する衝撃波３１のように強く
即ち圧縮力が大きくならない。更に、通常、正の方向に
湾曲した後方セグメントと一致する衝撃波３１（図３参
照）の圧縮力は、上り面４３から後方セグメントに沿っ
て負圧面の近傍の流体が方向転換するとともに、この流
体が主な流れの方向に戻るにつれて起こる補償膨張によ
って更に軽減される。衝撃波の強さの減少は、図７に明
瞭に示されており、本発明のブレードに関連する圧力上
昇３１は、従来技術のブレードによって生じる対応する
圧力上昇よりも小さい。二次衝撃波３２も、弱くなるか
または現れない可能性もある。対応する従来の衝撃波３
１，３２（図２参照）に対する本発明の衝撃波３１，３
２（図３参照）の強さの減少によって、流体流れの動圧
における望ましくない損失が減少するとともに境界層３
３の望ましくない成長（図２参照）を引き起こす作用も
軽減される。また、衝撃波の強さの減少によって、衝撃
波の下流でタービン部材に衝突して損傷を引き起こすお
それのある静圧パルスが弱くなる。
求される境界条件を満たすように、衝撃波３１が流体を
圧縮する。本発明のエアフォイルは、上述したように、
また図７に示しているように流体流れの過膨張を軽減す
るので、衝撃波３１（図３参照）は、図２の従来技術の
ブレードに関連する、対応する衝撃波３１のように強く
即ち圧縮力が大きくならない。更に、通常、正の方向に
湾曲した後方セグメントと一致する衝撃波３１（図３参
照）の圧縮力は、上り面４３から後方セグメントに沿っ
て負圧面の近傍の流体が方向転換するとともに、この流
体が主な流れの方向に戻るにつれて起こる補償膨張によ
って更に軽減される。衝撃波の強さの減少は、図７に明
瞭に示されており、本発明のブレードに関連する圧力上
昇３１は、従来技術のブレードによって生じる対応する
圧力上昇よりも小さい。二次衝撃波３２も、弱くなるか
または現れない可能性もある。対応する従来の衝撃波３
１，３２（図２参照）に対する本発明の衝撃波３１，３
２（図３参照）の強さの減少によって、流体流れの動圧
における望ましくない損失が減少するとともに境界層３
３の望ましくない成長（図２参照）を引き起こす作用も
軽減される。また、衝撃波の強さの減少によって、衝撃
波の下流でタービン部材に衝突して損傷を引き起こすお
それのある静圧パルスが弱くなる。
【００２３】通常は、タービンブレードの列で使用され
るブレードの全てが、上述した本発明の種類のものであ
る。しかし、本発明のブレードは、同じブレード列にお
いて従来のブレードと混ぜて使用することもでき、ブレ
ードの全数量の一部だけを本発明のブレードによって構
成することができる。このようにブレードを混ぜて使用
することは、衝撃波３１，３２を生じさせる周方向の不
均一性が、全ての流路よりも少ない流路において予測さ
れる場合に望ましいこともあり得る。例えば、１８０°
の２つの列部分のブレード総数が異なるステータベーン
の列でこのような不均一性が発生し得る。このように異
なる列部分は、ブレード列の下流のエアフォイルが軸対
称のブレード列によって引き起こされる反復圧力パルス
にさらされた場合に生じるおそれのある過度な振動を防
止するために使用されている。
るブレードの全てが、上述した本発明の種類のものであ
る。しかし、本発明のブレードは、同じブレード列にお
いて従来のブレードと混ぜて使用することもでき、ブレ
ードの全数量の一部だけを本発明のブレードによって構
成することができる。このようにブレードを混ぜて使用
することは、衝撃波３１，３２を生じさせる周方向の不
均一性が、全ての流路よりも少ない流路において予測さ
れる場合に望ましいこともあり得る。例えば、１８０°
の２つの列部分のブレード総数が異なるステータベーン
の列でこのような不均一性が発生し得る。このように異
なる列部分は、ブレード列の下流のエアフォイルが軸対
称のブレード列によって引き起こされる反復圧力パルス
にさらされた場合に生じるおそれのある過度な振動を防
止するために使用されている。
【００２４】本発明は、好適実施例に基づいて説明した
が、当業者であれば分かるように、請求項に記載した本
発明の趣旨から逸脱しない範囲で種々の変更、改良、及
び応用を行うことができる。
が、当業者であれば分かるように、請求項に記載した本
発明の趣旨から逸脱しない範囲で種々の変更、改良、及
び応用を行うことができる。
【図１】タービンロータディスクの断片とディスクに固
定された３つの代表的なブレードを示す斜視図である。
定された３つの代表的なブレードを示す斜視図である。
【図２】従来技術のタービンブレードと関連する膨張
波、圧縮波、及び衝撃波を示す断面図である。
波、圧縮波、及び衝撃波を示す断面図である。
【図３】本発明のタービンブレードと関連する膨張波、
圧縮波、及び衝撃波を示す断面図である。
圧縮波、及び衝撃波を示す断面図である。
【図４】本発明のタービンブレードの１つの実施例を示
す斜視図である。
す斜視図である。
【図５】本発明のタービンブレードの他の実施例を示す
斜視図である。
斜視図である。
【図６】図６Ａは、デカルト座標系上の曲線として示さ
れた本発明のブレードの固有の負圧面形状を示すグラフ
であり、図６Ｂと図６Ｃは、曲線の一次導関数と二次導
関数を示している。
れた本発明のブレードの固有の負圧面形状を示すグラフ
であり、図６Ｂと図６Ｃは、曲線の一次導関数と二次導
関数を示している。
【図７】本発明のタービンブレードの表面の近傍の流体
圧力と従来技術のブレードの表面の近傍の流体圧力とを
比較したグラフである。
圧力と従来技術のブレードの表面の近傍の流体圧力とを
比較したグラフである。
１７…ブレード間流路 ２０…負圧面 ３１…一次衝撃波 ３２…二次衝撃波 ３５…前方セグメント ３６…後方セグメント ３７…中間セグメント
Claims (24)
- 【請求項１】 ブレード列で使用されるターボ機械用ブ
レードであって、該ブレードは、根部と、該根部から翼
幅方向に離間された先端部と、負圧面と、負圧面から側
方に離間された正圧面と、を有するエアフォイルを含
み、前記負圧面と前記正圧面は、前縁と該前縁から翼弦
方向に離間された後縁において接続されており、該負圧
面は、翼弦方向に互いに離間され、かつ正の方向に湾曲
した前方及び後方のセグメントと、該前方及び後方のセ
グメントの翼弦方向中間に位置し、かつ負の方向に湾曲
した中間セグメントと、を備えていることを特徴とする
ターボ機械用ブレード。 - 【請求項２】 ブレード列で使用されるターボ機械用ブ
レードであって、該ブレードは、根部と、該根部から翼
幅方向に離間された先端部と、負圧面と、負圧面から側
方に離間された正圧面と、を有するエアフォイルを含
み、前記負圧面と前記正圧面は、前縁と該前縁から翼弦
方向に離間された後縁において接続されており、該負圧
面は、翼弦方向に互いに離間され、かつ凸面をなす前方
及び後方のセグメントと、該前方及び後方のセグメント
の翼弦方向中間に位置し、かつ凹面をなす中間セグメン
トと、を備えていることを特徴とするターボ機械用ブレ
ード。 - 【請求項３】 前記中間セグメントは、前記前方及び後
方のセグメントへとなだらかに遷移していることを特徴
とする請求項１または２記載のターボ機械用ブレード。 - 【請求項４】 前記中間セグメントは、前記負圧面上を
流れる作動媒体流体に実質的にさらされていることを特
徴とする請求項１または２記載のターボ機械用ブレー
ド。 - 【請求項５】 前記中間セグメントは、関連する複数の
概念的な下降接線を有する下り面と、関連する複数の概
念的な上昇接線を有する上り面とを備え、下降接線のい
ずれか１つと上昇接線のいずれか１つによって形成され
る角度は、０°より大きくかつ１８０°より小さいこと
を特徴とする請求項１または２記載のターボ機械用ブレ
ード。 - 【請求項６】 前記ブレードは、翼幅を有し、前記中間
セグメントは、実質的に翼幅の全長に亘って延在してい
ることを特徴とする請求項１または２記載のターボ機械
用ブレード。 - 【請求項７】 前記ブレードは、翼幅を有し、前記中間
セグメントは、翼幅方向で局部的に設けられていること
を特徴とする請求項１または２記載のターボ機械用ブレ
ード。 - 【請求項８】 ブレード列で使用されるターボ機械用ブ
レードであって、該ブレードは、根部と、該根部から翼
幅方向に離間された先端部と、負圧面と、負圧面から側
方に離間された正圧面と、を有するエアフォイルを含
み、前記負圧面と前記正圧面は、前縁と該前縁から翼弦
方向に離間された後縁において接続されており、該負圧
面の少なくとも一部は、横軸と縦軸を有する２次元のデ
カルト座標系の正の象限における連続する曲線として表
され、該曲線は、連続する一次導関数と二次導関数とを
有するとともに、横軸に沿った値が前記エアフォイルの
翼弦に対応し、かつ縦軸上における一次導関数の値がゼ
ロとなり、該曲線上の点が各横軸の値と１対１の関係で
対応する単一の縦軸の値を有するように設けられてお
り、前記負圧面は、二次導関数の符号が翼幅方向位置の
範囲に亘って少なくとも２回変化していることを特徴と
するターボ機械用ブレード。 - 【請求項９】 前記二次導関数の符号は、ちょうど２回
変化することを特徴とする請求項８記載のターボ機械用
ブレード。 - 【請求項１０】 前記翼幅方向位置の範囲は、実質的に
翼幅の全長を含んでいることを特徴とする請求項８記載
のターボ機械用ブレード。 - 【請求項１１】 前記翼幅方向位置の範囲は、翼幅方向
で局部的に設けられていることを特徴とする請求項９記
載のターボ機械用ブレード。 - 【請求項１２】 複数のブレードを有するターボ機械用
ブレードの列であって、各ブレードは、根部と、該根部
から翼幅方向に離間された先端部と、負圧面と、該負圧
面から側方に離間された正圧面と、を有するエアフォイ
ルを含み、前記負圧面と前記正圧面は、前縁と該前縁か
ら翼弦方向に離間された後縁において接続されており、
該ブレードは、複数のブレード間流路を定めており、こ
れらの各流路は、前記ブレードの列を通して作動媒体流
体の流れを導くように、１つの前記ブレードの正圧面と
隣接するブレードの負圧面によって部分的に境界づけら
れており、各流路は、該流路に亘って延びるスロート部
を含み、少なくとも一部の前記ブレードの負圧面は、翼
弦方向に互いに離間され、かつ正の方向に湾曲した前方
及び後方のセグメントと、該前方及び後方のセグメント
の翼弦方向中間に位置し、かつ負の方向に湾曲した中間
セグメントと、を備えており、該中間セグメントは、前
記スロート部と翼弦方向で実質的に一致していることを
特徴とするターボ機械用ブレードの列。 - 【請求項１３】 前記中間セグメントは、前記前方及び
後方のセグメントへとなだらかに遷移していることを特
徴とする請求項１２記載のターボ機械用ブレードの列。 - 【請求項１４】 前記ブレードは、翼幅を有し、前記中
間セグメントは、実質的に翼幅の全長に亘って延在して
いることを特徴とする請求項１２記載のターボ機械用ブ
レードの列。 - 【請求項１５】 前記ブレードは、翼幅を有し、前記中
間セグメントは、翼幅方向で局部的に設けられているこ
とを特徴とする請求項１２記載のターボ機械用ブレード
の列。 - 【請求項１６】 前記列は、長手方向軸を中心に回転可
能に設けられていることを特徴とする請求項１２記載の
ターボ機械用ブレードの列。 - 【請求項１７】 前記スロート部は、前記各エアフォイ
ルの後縁と隣接するエアフォイルの負圧面との間に延び
ていることを特徴とする請求項１２記載のターボ機械用
ブレードの列。 - 【請求項１８】 複数のブレードを有するターボ機械用
ブレードの列であって、各ブレードは、根部と、該根部
から翼幅方向に離間された先端部と、負圧面と、該負圧
面から側方に離間された正圧面と、を有するエアフォイ
ルを含み、前記負圧面と前記正圧面は、前縁と該前縁か
ら翼弦方向に離間された後縁において接続されており、
該ブレードは、複数のブレード間流路を定めており、こ
れらの各流路は、前記ブレードの列を通して作動媒体流
体の流れを導くように、１つの前記ブレードの正圧面と
隣接するブレードの負圧面によって部分的に境界づけら
れており、少なくとも一部の前記流路における流体の流
れは、該流路を横切って延びる翼弦方向の局部膨張領域
を含み、この膨張領域は、１つの前記ブレードの後縁に
おいて回転する流体と関連しているとともに、前記１つ
のブレードの後縁に隣接する第１の端部と、隣接するブ
レードの負圧面に隣接する第２の端部と、を有し、少な
くとも一部の前記流路を境界づける負圧面は、翼弦方向
に互いに離間され、かつ正の方向に湾曲した前方及び後
方のセグメントと、該前方及び後方のセグメントの翼弦
方向中間に位置し、かつ負の方向に湾曲した中間セグメ
ントと、を備えており、該中間セグメントは、前記膨張
領域の前記第２の端部と翼弦方向で実質的に一致してい
ることを特徴とするターボ機械用ブレードの列。 - 【請求項１９】 前記中間セグメントは、前記前方及び
後方のセグメントへとなだらかに遷移していることを特
徴とする請求項１８記載のターボ機械用ブレードの列。 - 【請求項２０】 前記ブレードは、翼幅を有し、前記中
間セグメントは、実質的に翼幅の全長に亘って延在して
いることを特徴とする請求項１８記載のターボ機械用ブ
レードの列。 - 【請求項２１】 前記ブレードは、翼幅を有し、前記中
間セグメントは、翼幅方向で局部的に設けられているこ
とを特徴とする請求項１８記載のターボ機械用ブレード
の列。 - 【請求項２２】 前記列は、長手方向軸を中心に回転可
能に設けられていることを特徴とする請求項１８記載の
ターボ機械用ブレードの列。 - 【請求項２３】 翼弦方向における局部圧縮領域が、前
記膨張領域の後方で前記流路を横切って延びていること
を特徴とする請求項１８記載のターボ機械用ブレードの
列。 - 【請求項２４】 前記圧縮領域は、正の方向に湾曲した
前記後方セグメントと翼弦方向で一致していることを特
徴とする請求項２３記載のターボ機械用ブレードの列。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/561997 | 2000-05-01 | ||
| US09/561,997 US6358012B1 (en) | 2000-05-01 | 2000-05-01 | High efficiency turbomachinery blade |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001355405A true JP2001355405A (ja) | 2001-12-26 |
Family
ID=24244367
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001123733A Pending JP2001355405A (ja) | 2000-05-01 | 2001-04-23 | ターボ機械用ブレード |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6358012B1 (ja) |
| EP (1) | EP1152122B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001355405A (ja) |
| DE (1) | DE60112986T2 (ja) |
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| JP2019120169A (ja) * | 2017-12-28 | 2019-07-22 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 回転機械 |
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