JP2003161298A - ガスタービンの圧縮機翼列 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 連続する静翼の位置関係を調整等して、動翼
のねじり振動を防止するガスタービンの圧縮機翼列を提
供すること。 【解決手段】 図の中段に横並びになっている静翼６、
動翼７、静翼８に注目すると、これらは一定の関係にな
っている。すなわち、静翼６を空気が通過するときに当
該静翼６の後縁部９の後方に生じる層状ウェイク流１０
を動翼７の前縁部１１が横切るときに、静翼８の前縁部
１２前方に生じる局所的高圧エリア１３を動翼７の後縁
部１４が通過する位置関係となっている。この位置関係
により、動翼７の腹側の両縁部１１、１４には、局所的
高圧部分１５、１７が同時に生じる。これにより、動翼
に生じる高圧部分がアンバランスに存在することに起因
するねじり振動を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスタービンの
圧縮機翼列に関し、更に詳しくは、連続する静翼の位置
関係を調整したり、形状を工夫して、動翼のねじり振動
を防止するガスタービンの圧縮機翼列に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスタービンの圧縮機翼列は、速
度三角形や圧力係数、ディフュージョンファクタ、臨界
マッハ数等を考慮して選定・設計される。そして、翼列
の圧力上昇を過大にしないように、コスト、安全性、効
率を考慮しつつ複数段に翼列を配設するのが一般的であ
る。設計によっては、同数の静翼を有する静翼列が連続
して配設される場合もある。

【０００３】同数の静翼を有する静翼列が連続する場
合、空気通路の大きさに合わせて翼の翼高さこそ異なる
ように設計されるが、静翼列の他の部分、特に静翼の周
方向配置は全く同じとなるように圧縮機内に設けられ
る。これはコスト的にも割安になるからである。したが
って、配設された静翼列を回転軸に直角方向から眺める
と、前段の静翼と後段の静翼とを回転軸に平行な直線で
結ぶことが出来る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のガスタービンの圧縮機翼列では、前段からの空気流
れを考慮して設計されているものの、ガスタービンが稼
働している最中の動的な圧力分布を考慮して設計されて
いない。そのため、前段静翼の後方に生じるウェイク流
や後段静翼のよどみ点付近のポテンシャル流が静翼間に
ある動翼にどのような影響を及ぼすかは全く不明であっ
た。また、このことに起因して動翼が激しいねじり振動
を生じた場合、効率を多少悪化させても動翼の剛性を上
げる等の手段をとらざるを得なかった。

【０００５】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、連続する静翼の位置関係を調整した
り、形状を工夫して、当該静翼間にある動翼のねじり振
動を防止するガスタービンの圧縮機翼列を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかるガスタービンの圧縮機翼列は、回
転軸方向に第一の静翼列、動翼列、第二の静翼列の順に
配設され、当該第一の静翼列および当該第二の静翼列
は、一定間隔で周方向に配置される同数の静翼を有する
ガスタービンの圧縮機翼列において、前記第一の静翼列
と前記第二の静翼列は、周方向配置に関して一定の関係
を有し、前記一定の関係は、前記第一の静翼列の有する
一の静翼の最大翼高さ部分を空気が通過するときに当該
静翼の後縁部後方に生じる層状ウェイク流を動翼のチッ
プ前縁部が横切るときに、前記第二の静翼列が有する一
の静翼の最大翼高さ部分であって当該静翼の前縁部前方
に生じる局所的高圧エリアを前記動翼のチップ後縁部が
通過する位置関係であるようにしたものである。

【０００７】第一の静翼列の有する一の翼の最大翼高さ
部分を空気が通過するときには、当該翼の後縁部後方に
層状のウェイク流が生じる。当該ウェイク流を動翼のチ
ップ前縁部が横切るとき、動翼チップ前縁部の腹側に
は、局所的に高圧部分ができる。一方、第二の静翼列が
有する一の翼の最大翼高さ部分であって当該翼の前縁部
は、空気の静圧成分が上昇し、翼の前縁部前方には、局
所的に高圧エリアが生じる。この高圧エリアを動翼のチ
ップ後縁部が通過するとき、当該後縁部腹側に局所的に
高圧部分ができる。

【０００８】したがって、動翼の腹側であって、両縁部
には、局所的高圧部分が生じることになる。このため、
翼の両縁部にかかる力のバランスが整い、片縁部だけに
高圧部分が生じる場合に励振されるねじり振動を防止す
ることができる。なお、第一の静翼列、第二の静翼列は
圧縮機の第一段、第二段の静翼列を意味するものでな
く、任意の段において同数の翼を有し、動翼を挟んで連
続する静翼列を意味するものである。また、静翼列の一
の翼で上記のような関係があると、他の翼でも同様な現
象を生じさせることが出来る。

【０００９】また、請求項２にかかるガスタービンの圧
縮機翼列は、請求項１に記載のガスタービンの圧縮機翼
列において、前記第一の静翼列が有する静翼の前記後縁
部は、翼高さ方向全域にわたって前記動翼の前記前縁部
に沿うように回転軸の周方向に傾いており、前記第二の
静翼列が有する静翼の前記前縁部は、翼高さ方向全域に
わたって前記動翼の前記後縁部に沿うように回転軸の周
方向に傾いているようにしたものである。

【００１０】動翼は回転軸の半径方向における周方向速
度差、流線の偏り等を考慮して、三次元的にねじれるよ
うにスタッキングされるのが一般的である。請求項１に
かかる発明では、動翼のねじり振動を防止する観点か
ら、最も影響を受けやすいチップ部に注目し、対応する
静翼との位置関係を創作した。請求項２にかかる発明で
は、前縁部が三次元的にねじれている動翼の前縁と後縁
に沿うように対応する静翼を傾けて設ける。これによ
り、動翼の翼高さ方向全域にわたって局所的高圧部分の
バランスを整え、ねじり振動防止に資することができ
る。

【００１１】また、請求項３にかかるガスタービンの圧
縮機翼列は、請求項１に記載のガスタービンの圧縮機翼
列において、前記第二の静翼列の静翼は、ガスタービン
の定格運転時に動翼に現れる振動モードのうち、最も防
止したい振動モードに合わせて最大翼高さ部分より下部
となる前記前縁部の曲率半径を、最大翼高さ部分の前記
前縁部の曲率半径よりも小さくしたものである。

【００１２】動翼のねじり振動にはいくつかの振動モー
ドが存在する。動翼の両縁部が周期的に振動する比較的
単純な振動モードに対しては、請求項１にかかる発明が
効果を奏するが、複雑な振動モードに対しては、さらに
手を加える余地がある。そこで、最も防止したい振動モ
ードに合わせて最大翼高さ部分より下部となる前縁部の
曲率半径を、最大翼高さ部分の前記前縁部の曲率半径よ
りも小さくする。これにより、ポテンシャル干渉による
影響が小さくなる。

【００１３】また、請求項４にかかるガスタービンの圧
縮機翼列は、請求項１に記載のガスタービンの圧縮機翼
列において、前記第二の静翼列の静翼は、ガスタービン
の定格運転時に動翼に現れる振動モードのうち、最も防
止したい振動モードに合わせて、最大翼高さ部分より下
部における前記前縁部と前記動翼の前記後縁部との距離
を最大翼高さ部分における前記前縁部と前記動翼の前記
後縁部との距離よりも大きくするようにしたものであ
る。

【００１４】第二の静翼列の翼は、最大翼高さ部分にお
いて動翼の後縁部との位置関係を調整することにより、
ポテンシャル干渉による局所的圧力のねじり振動への影
響を抑えることができた。この発明は、最大翼高さより
も下部となる部分でポテンシャル干渉の影響を小さくす
るものである。すなわち、最も防止したい振動モードに
合わせて、最大翼高さ部分より下部における前縁部と前
記動翼の後縁部との距離を、最大翼高さ部分における前
記前縁部と前記動翼の前記後縁部との距離よりも大きく
することにより、動翼が高圧力エリアを避けて通過でき
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。また、この実施の形
態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、
或いは実質的に同一のものを含む。

【００１６】（実施の形態１）図１は、この発明の実施
の形態１にかかる翼列を示した外観概略図である。同図
は、ガスタービンの圧縮機内に配設される複数の翼列の
うち一部を選出したものである。同図では、左から第一
の静翼列１、動翼列２、第二の静翼列３を平面上に展開
したものを示している。第一の静翼列１と第二の静翼列
３は、一定間隔で周方向に配置される同数の静翼を有す
る。

【００１７】圧縮機を流れる空気は矢印４のように左側
から流れるものとし、また、動翼列２は、矢印５のよう
に上方に回転するものとする。また、各静翼列１、２が
有する静翼は最大翼高さ部分の断面のみを表してあり、
動翼列２が有する動翼はチップ部の断面のみを表してあ
る。なお、ここでは、動翼の数と静翼の数が同数表して
あるが、動翼の数は問題とならない。

【００１８】同図の中段に横並びになっている静翼６、
動翼７、静翼８に注目すると、これらは一定の関係にな
っている。すなわち、静翼６を空気が通過するときに当
該静翼６の後縁部９の後方に生じる層状ウェイク流１０
を動翼７の前縁部１１が横切るときに、静翼８の前縁部
１２前方に生じる局所的高圧エリア１３を動翼７の後縁
部１４が通過する位置関係となっている。

【００１９】静翼６の最大翼高さ部分を空気が通過する
ときには、当該翼の後縁部９後方に層状ウェイク流１０
が生じる。これは空気の粘性によって上下の早い流れの
中に遅い流れが生じる現象である。このため、当該層状
ウェイク流１０を動翼７のチップ前縁部１１（全翼長に
対しておよそ２０％の部分）が横切るときに、速度三角
形でいうところのウェイク流の相対速度ベクトルが主流
の相対速度ベクトルに対して、動翼腹側に傾き、動翼７
のチップ前縁部１１の腹側には、局所的に高圧部分１５
ができる。

【００２０】一方、静翼８の最大翼高さ部分であって当
該静翼８の前縁部１２は、一定の厚み１６を有するの
で、その部分で空気が淀む。そのため、空気の静圧成分
が上昇し、静翼８の前縁部１２前方には、局所的に高圧
エリア１３が生じる。この高圧エリア１３を動翼７のチ
ップ後縁部１４が通過するときには、当該後縁部１４
（全翼長に対しておよそ２０％の部分）腹側に局所的高
圧部分１７ができる。

【００２１】したがって、動翼７の腹側の両縁部１１、
１４に局所的高圧部分１５、１７が同時に生じることに
なる。ここで、片縁部、たとえば、動翼７の前縁部１１
だけに局所的高圧部分１５が生じた場合を考えてみる。
静翼列３の周方向位置によっては、動翼７の片縁部のみ
に局所的高圧部分が生じる。この場合、動翼７の片縁部
に偏って圧力がかかるので、動翼７にはねじり応力が加
わり、動翼７の回転と共にその応力は周期的に加わる。
そして、その周期が動翼の有する固有振動数になれば、
動翼７の破損に至る可能性が大きくなる。

【００２２】図２は、２つの静翼と動翼との位置関係を
示した外観図である。同図では、横方向からみた図を下
方に示し、車室側からみた図を上方に示している。この
ように、この発明では、ねじり振動に最も影響をうける
動翼７のチップ部２１に着目して静翼６，８と動翼７の
位置関係を決定する。これによって、チップ部２１にお
ける力のバランスを整えることができる。

【００２３】上記のように、この発明では、局所的高圧
部分１５，１７が動翼７の両側に同時に作用するので、
ねじり応力が加わらず、それによってねじれ振動の励起
を防止することができる。また、動翼７のねじり振動は
チップ部が最も影響を受けやすいので、この発明によっ
て当該チップ部における力のバランスを整えることがで
きる。

【００２４】なお、２つの静翼６，８と動翼７とが前記
一定の関係を有するようにするには、たとえば、静翼６
の反り線の後縁部９における接線を延長した仮想線と、
動翼７の前縁部１１とが交叉するときに、動翼７の後縁
部１４と、静翼８の反り線の前縁部１２における接線を
延長した仮想線とが交叉するような設計にしてもよい。

【００２５】（実施の形態２）図３は、この発明の実施
の形態２にかかる圧縮機翼列を示す断面図である。同図
は、左の縦列から上段静翼列３１，動翼列３２、下段静
翼列３３を示し、それぞれが有する一の翼（静翼、動
翼）を示している。また、上段から最大翼高さ部（チッ
プ部）断面３４、最小翼高さ部（ルート部）断面３５、
車室側からみた外観図３６を示している。

【００２６】動翼列３２の有する動翼は、回転軸の半径
方向における周方向速度差、流線の偏り等を考慮して、
同図に示すように、三次元的にねじれるようにスタッキ
ングされるのが一般的である。すなわち、動翼のルート
部断面３８に比べてチップ部断面３７は、流入角と動翼
入口メタル角（前縁における翼弦の接線）が一致するよ
うに、空気流路に対する角度を大きくしてある。そのた
め、下段の外観図を見るとわかるように、前縁部４０や
後縁部４１は回転軸の周方向に傾く。

【００２７】この実施の形態２にかかる発明では、前縁
部が三次元的にねじれている動翼の前縁と後縁に沿うよ
うに、対応する静翼を傾けて設ける。すなわち、上段の
静翼の後縁部４２は、翼高さ方向全域にわたって動翼の
前縁部４０に沿うように回転軸の周方向に傾け、同様
に、下段の静翼の前縁部４３は、翼高さ方向全域にわた
って動翼の後縁部４１に沿うように回転軸の周方向に傾
けて設ける。

【００２８】上記のように静翼を設けると、動翼の翼高
さ方向全域にわたってウェイク干渉とポテンシャル干渉
に起因する局所的高圧部分のバランスが整うようにな
る。これにより、動翼に生じる高圧部分がアンバランス
に存在することに起因するねじり振動を翼高さ方向全域
にわたって防止することができる。

【００２９】（実施の形態３）一般に、構造体の振動特
性を測定して、固有周波数、固有振動モード等、その構
造体に特有の性質を抽出してモードモデルを構築するこ
とによって、構造体の動的応答を推定する解析手段をモ
ード解析という。近年では理論解析と実験解析をコンピ
ュータで統合する実験モード解析と呼ばれる新しい解析
法も開発され，機械構造物の設計・開発に利用されてい
る。

【００３０】図４は、動翼の振動モードを説明するため
の説明図であり、（ａ）は低周波数振動での振動モー
ド、（ｂ）は中周波数振動での振動モード、（ｃ）は高
周波振動での振動モードである。ここで、周波数振動
は、タービン回転数と翼列の有する翼数との積で求まる
周波数で生じる振動を意味する。したがって、ガスター
ビンの運転状況によって、おおよその振動モードを推定
することができる。

【００３１】上記モード解析によって動翼の振動モード
を解析すると、同図に示したように、周波数が増加する
と（タービン回転数が上昇すると）、動翼の振動モード
も変化することがわかった。具体的に説明すると、
（ａ）で示した低周波数振動では、動翼５１のチップ部
に近い部分５２で単純なねじり振動が生じることがわか
った。また、（ｂ）で示した中周波数振動では、動翼５
１全体をおおよそ四分割した領域５３〜５６であって隣
り合う上下左右の領域の位相が逆転するねじり振動が生
じることがわかった。

【００３２】さらに、（ｃ）で示した高周波振動では、
動翼５１全体をおおよそ六分割した領域５７〜６２であ
って隣り合う上下左右の領域で位相が逆転するねじり振
動が生じることがわかった。したがって、ガスタービン
を低速で回転させるときには、動翼のチップ部に注目し
て、実施の形態１の手法で静翼との位置関係を調整すれ
ばよい。しかし、同図（ｂ）（ｃ）のような振動モード
となるような回転数でガスタービンを運転するときが常
であれば、動翼のチップ部より下部の領域（ルート部か
ら５０％〜６５％の部分）で何かしらの振動防止手段が
必要となる。

【００３３】そこで、この実施の形態３では、ガスター
ビンの定格運転時に動翼に現れる振動モードのうち、最
も防止したい振動モードに合わせて、静翼の最大翼高さ
部分より下部となる前縁部（ルート部からおよそ５０％
〜６５％の部分）の曲率半径を、最大翼高さ部分の前縁
部の曲率半径よりも小さくするようにした発明を実施す
る例を示す。

【００３４】図５は、静翼の最大翼高さ部分より下部と
なる部分の断面形状を示す断面図であり、（ａ）は、最
大翼高さ部分の断面形状であり、（ｂ）は、最大翼高さ
部分より下部となる部分の断面形状である。同図（ｂ）
に示すように、最大翼高さ部分より下部となる部分の断
面形状における前縁部の曲率半径６２は、同図（ａ）の
曲率半径６１に比べて小さくなっている。

【００３５】動翼に局所的高圧部分を生じさせるポテン
シャル干渉は、下段静翼前縁部におけるよどみ点で静圧
が上昇した高圧エリアを動翼が通過することによって起
こる。したがって、下段静翼前縁部の曲率半径を小さく
すると、当該部分での空気のよどみが減少し、静圧の上
昇も抑えられる。この発明は、この点に着目し、動翼に
対するポテンシャル干渉の影響を減少させ、静翼の最大
翼高さ部分より下部で振動励起原因となる高圧部分を減
少させる。

【００３６】このように、実施の形態３で示した下段静
翼前縁部での曲率半径の工夫と、実施の形態１で示した
静翼と動翼との位置関係の工夫を合わせて実施すれば、
動翼の翼高さ方向全域において、ねじり振動の励起を防
止することができる。なお、図５では、翼断面形状全体
が大きく変化しているように見えるが、問題となるの
は、前縁部の曲率半径であるので、その他の部分の形状
は、従来の設計手法によって適当な形状が選択・設計さ
れる。

【００３７】（実施の形態４）図６は、実施の形態４に
かかる動翼と下段静翼を示す外観図である。この実施の
形態４は、実施の形態１ではカバーしきれない領域のポ
テンシャル干渉の影響を減少させるものである。具体的
には、図４（ｂ）（ｃ）といった中高周波振動モードに
合わせて、静翼７０の最大翼高さ部分７１より下部にお
ける前縁部７２（ルート部からおよそ５０％〜６５％の
部分）と動翼７３の後縁部７４との距離７５を、同図
（ａ）で示す従来の距離、または最大翼高さ部分７１に
おける前記前縁部７２と前記動翼７３の前記後縁部７４
との距離よりも大きくする。

【００３８】実施の形態３で述べたように、動翼に局所
的高圧部分を生じさせるポテンシャル干渉は、下段静翼
前縁部におけるよどみ点で静圧が上昇した高圧エリアを
動翼が通過することによって起こる。したがって、上記
のように、前縁部７２と動翼７３の後縁部７４との距離
７５が大きいと、静圧が高いエリアを動翼７３が通過し
なくなる。これにより、動翼７３（ルート部からおよそ
５０％〜６５％の部分）に対するポテンシャル干渉の影
響を減少させることができ、延いては、動翼のねじり振
動を防止することができる。なお、上記ポテンシャル干
渉の影響は、距離の大きさに応じて指数関数的に飛躍的
に小さくなることが知られている。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明にかかる
ガスタービンの圧縮機翼列（請求項１）によれば、局所
的高圧部分が動翼の両側に同時に作用するので、ねじり
応力が加わらず、それによってねじれ振動の励起を防止
することができる。また、動翼のねじり振動はチップ部
が最も影響を受けやすいので、この発明によって当該チ
ップ部における力のバランスを整えることができる。

【００４０】また、この発明にかかるガスタービンの圧
縮機翼列（請求項２）によれば、請求項１にかかる発明
による効果に加え、動翼の翼高さ方向全域にわたってウ
ェイク干渉とポテンシャル干渉に起因する局所的高圧部
分のバランスが整うようになる。これにより、動翼に生
じる高圧部分がアンバランスに存在することに起因する
ねじり振動を翼高さ方向全域にわたって防止することが
できる。

【００４１】また、この発明にかかるガスタービンの圧
縮機翼列（請求項３）によれば、請求項１にかかる発明
による効果に加え、第二の静翼列の翼前縁部前方におけ
る静圧上昇を抑えられるという効果を有する。これによ
り、動翼に生じる高圧部分がアンバランスに存在するこ
とに起因するねじり振動を翼高さ方向全域にわたって防
止することができる。

【００４２】また、この発明にかかるガスタービンの圧
縮機翼列（請求項４）によれば、請求項１にかかる発明
による効果に加え、動翼が静圧の高いエリアを通過しな
くなるという効果を有する。これにより、動翼に生じる
高圧部分がアンバランスに存在することに起因するねじ
り振動を翼高さ方向全域にわたって防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１にかかる翼列を示した
外観概略図である。

【図２】２つの静翼と動翼との位置関係を示した外観図
である。

【図３】この発明の実施の形態２にかかる圧縮機翼列を
示す断面図である。

【図４】動翼の振動モードを説明するための説明図であ
り、（ａ）は低周波数振動での振動モード、（ｂ）は中
周波数振動での振動モード、（ｃ）は高周波振動での振
動モードである。

【図５】静翼の断面形状を示す断面図であり、（ａ）
は、最大翼高さ部分の断面形状であり、（ｂ）は、最大
翼高さ部分より下部となる部分の断面形状である。

【図６】実施の形態４にかかる動翼と下段静翼を示す外
観図である。

【符号の説明】

１ 第一の静翼列 ２ 動翼列 ３ 第二の静翼列 ６ 静翼 ７、５１ 動翼 ８、７０、７３ 静翼 １０ 層状ウェイク流 １１、１２、４０、４３、７２ 前縁部 １３ 局所的高圧エリア １４、４１、４２、７４ 後縁部 １５、１７ 局所的高圧部分 ３７ チップ部断面 ３８ 動翼のルート部断面 ６１、６２ 曲率半径 ７５、７６ 距離

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸方向に第一の静翼列、動翼列、第
   二の静翼列の順に配設され、当該第一の静翼列および当
   該第二の静翼列は、一定間隔で周方向に配置される同数
   の静翼を有するガスタービンの圧縮機翼列において、 前記第一の静翼列と前記第二の静翼列は、周方向配置に
   関して一定の関係を有し、 前記一定の関係は、前記第一の静翼列の有する一の静翼
   の最大翼高さ部分を空気が通過するときに当該静翼の後
   縁部後方に生じる層状ウェイク流を動翼のチップ前縁部
   が横切るときに、前記第二の静翼列が有する一の静翼の
   最大翼高さ部分であって当該静翼の前縁部前方に生じる
   局所的高圧エリアを前記動翼のチップ後縁部が通過する
   位置関係であることを特徴とするガスタービンの圧縮機
   翼列。
2. 【請求項２】 前記第一の静翼列が有する静翼の前記後
   縁部は、翼高さ方向全域にわたって前記動翼の前記前縁
   部に沿うように回転軸の周方向に傾いており、前記第二
   の静翼列が有する静翼の前記前縁部は、翼高さ方向全域
   にわたって前記動翼の前記後縁部に沿うように回転軸の
   周方向に傾いていることを特徴とする請求項１に記載の
   ガスタービンの圧縮機翼列。
3. 【請求項３】 前記第二の静翼列の静翼は、ガスタービ
   ンの定格運転時に動翼に現れる振動モードのうち、最も
   防止したい振動モードに合わせて最大翼高さ部分より下
   部となる前記前縁部の曲率半径を、最大翼高さ部分の前
   記前縁部の曲率半径よりも小さくすることを特徴とする
   請求項１に記載のガスタービンの圧縮機翼列。
4. 【請求項４】 前記第二の静翼列の静翼は、ガスタービ
   ンの定格運転時に動翼に現れる振動モードのうち、最も
   防止したい振動モードに合わせて、最大翼高さ部分より
   下部における前記前縁部と前記動翼の前記後縁部との距
   離を最大翼高さ部分における前記前縁部と前記動翼の前
   記後縁部との距離よりも大きくすることを特徴とする請
   求項１に記載のガスタービンの圧縮機翼列。