JP2003214107A

JP2003214107A - 軸流タービン翼およびこれを使用したガスタービン、並びに軸流圧縮機

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Publication number: JP2003214107A
Application number: JP2002017493A
Authority: JP
Inventors: Sumio Uchida; 澄生内田; Kazuyuki Matsumoto; 和幸松本; Hiroshi Satsuki; 浩史皐月; Yoshinori Tanaka; 良典田中; Eiichiro Watanabe; 英一郎渡辺
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2003-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】軸流タービン翼の空力性能を向上させるこ
と。【解決手段】軸流タービン翼である動翼１０は、中間
部分１０ａにおける翼前縁半径ｒ₁を付け根部分１０ｃ
の翼前縁半径ｒ₃等よりも小さくしてある。また、先端
部分１０ｂおよび付け根部分１０ｃにおける翼前縁半径
ｒ₂およびｒ₃を中間部分１０ａにおける翼前縁半径ｒ₁
よりも大きくしてある。これによって、動翼１０の先端
部分１０ｂおよび付け根部分１０ｃの翼前縁に生ずる二
次流れ渦を縮めることができる。また、中間部分１０ａ
に生ずるウェイクの縮みを抑えることができる。これら
の作用によって、動翼１０の空力性能を向上させること
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、軸流タービン翼
に関し、更に詳しくは、作動流体がタービン翼を通過し
た際のエネルギー損失を低減し、翼の空力性能を向上で
きる軸流タービン翼およびこれを使用したガスタービ
ン、並びに軸流圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】軸流圧縮機や蒸気タービン、あるいはガ
スタービン等の軸流タービン機械は、作動流体が軸方向
から入り軸方向に出るものであり、代表的な流体機械と
してよく使用されている。これらのガスタービンや蒸気
タービンの熱効率をより高くしたり、軸流圧縮機の性能
をさらに高くしたりする一つの方法としては、翼の空力
性能を高くする方法がある。図１３は、これまで使用さ
れてきた軸流タービン翼を示した斜視図である。同図に
示すように、これまで使用されてきた軸流タービン翼５
００は、翼の高さ方向（図中矢印Ｒで示す方向）に向か
ってその翼前縁半径ｒ₅₀₀が一定となっており、これま
での軸流タービン機械では動翼、静翼共にこのような形
式のタービン翼が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に軸流
タービン機械は、回転軸に取り付けられた動翼とケーシ
ング等の静止系に取り付けられた静翼との翼列が、軸方
向に対して交互に並んで配列されている。このような回
転系と静止系とが交互に存在する部分を通過する作動流
体の流れは極めて複雑であり、詳しい現象は十分に解明
されていなかった。このため、軸流タービン翼の空力性
能を改善する余地がまだ残されており、軸流タービンの
翼列を通過する作動流体のエネルギー損失を低減して、
軸流タービン機械の性能をさらに向上できる可能性があ
る。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたもので
あって、作動流体がタービン翼を通過した際のエネルギ
ー損失を低減し、翼の空力性能を向上できる軸流タービ
ン翼およびこれを使用したガスタービン、並びに軸流圧
縮機を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に係る軸流タービン翼は、軸流タービン
機械のケーシングとこのケーシング内に備えられる回転
軸との間に設けられる軸流タービン翼であって、ケーシ
ング側または回転軸側のうち少なくとも一方の翼前縁半
径を、前記ケーシング側または前記回転軸側のうち少な
くとも一方以外の部分における翼前縁半径よりも大きく
したことを特徴とする。

【０００５】軸流タービンにおいてはケーシング側と回
転軸側とに二次流れ渦が発生し、両者の中間部分は上流
側翼のウェイクの影響を受ける。そして、翼の翼前縁半
径が大きい程、二次流れ渦を弱めることができ、また、
翼の翼前縁半径が小さい程、前記ウェイクの影響を小さ
くできることが新たに分かった。この発明は、この新た
な知見に基づきなされたものであって、この軸流タービ
ン翼は、翼のケーシング側または回転軸側のうち少なく
とも一方の翼前縁半径を、これ以外の部分における翼前
縁半径よりも大きくしてある。これにより、翼のケーシ
ング側または回転軸側においては二次流れ渦を弱めるこ
とによって、作動流体のエネルギー損失を低減して翼の
空力性能を向上させることができる。また、上流側翼の
ウェイクの影響を受ける翼のケーシング側および回転軸
側の中間部分においては、この影響を低減して作動流体
のエネルギー損失を低減することによって、翼の空力性
能を向上させることができる。これらの作用によって、
この軸流タービン翼は、翼前縁半径が翼の高さ方向にわ
たって一定であった従来の軸流タービン翼よりも作動流
体のエネルギー損失を低減できるので、より高い空力性
能を発揮できる。したがって、この軸流タービン翼を適
用した軸流タービン機械は、従来よりも高い性能を発揮
できる。

【０００６】なお、この軸流タービン翼は軸流機械の動
翼にも静翼にも適用できる。ここで、この軸流タービン
翼を軸流タービン機械の動翼を動翼に適用するか静翼に
適用するかで、軸流タービン翼の付け根側と先端側とが
軸流タービン機械のケーシング側または回転軸側のいず
れかに該当するかが変化する。例えば動翼に適用すると
きには、動翼の付け根側が軸流タービン機械の回転軸側
に、先端側がケーシング側に該当する（以下同様）。

【０００７】また、請求項２に係る軸流タービン翼は、
軸流タービン機械のケーシングとこのケーシング内に備
えられる回転軸との間に設けられる軸流タービン翼であ
って、ケーシング側と回転軸側との翼前縁半径を、前記
ケーシング側および前記回転軸側以外の部分における翼
前縁半径よりも大きくしたことを特徴とする。

【０００８】この軸流タービン翼は、翼のケーシング側
と回転軸側との翼前縁半径を、これ以外の部分における
翼前縁半径よりも大きくしてある。このように、翼のケ
ーシング側と回転軸側においては両者の間よりも翼前縁
半径を大きくしてあるので、二次流れ渦の影響を受ける
翼のケーシング側と回転軸側とにおいて、二次流れ渦を
弱めることができる。その結果、この部分における作動
流体のエネルギー損失を従来よりも低減できる。また、
上流翼のウェイクの影響を受ける翼のケーシング側と回
転軸側との中間部分においては、翼のケーシング側およ
び回転軸側よりも翼前縁半径を大きくしているので、前
記ウェイクの影響を小さくできる。その結果、作動流体
のエネルギー損失を従来よりも低減できる。これらによ
って、この発明に係る軸流タービン翼は従来よりも高い
空力性能を発揮でき、当該軸流タービン翼を使用した軸
流タービン機械はこれまでよりも高い性能を発揮でき
る。例えば、蒸気タービンやガスタービン等の発動機に
おいては、従来よりも熱効率を向上させることができ、
また軸流圧縮機においては従来よりも少ない動力で同じ
圧縮性能を得ることができる。

【０００９】また、請求項３に係る軸流タービン翼は、
軸流タービン機械のケーシングとこのケーシング内に備
えられる回転軸との間に設けられる軸流タービン翼であ
って、ケーシング側と回転軸側との翼前縁半径を、前記
ケーシング側および前記回転軸側以外の部分における翼
前縁半径よりも大きくし、且つ前記ケーシング側または
前記回転軸側のうちいずれか一方の翼前縁半径を他方の
翼前縁半径よりも大きくしたことを特徴とする。

【００１０】この軸流タービン翼は、翼の翼前縁半径を
ケーシング側と回転軸側との中間部分を最も小さくし、
次にケーシング側または回転軸側のうちのいずれか一方
の翼前縁半径を他方の翼前縁半径よりも大きくしてあ
る。軸流タービン機械では回転軸に備えられた動翼を有
するが動翼は高速回転による遠心力の影響を受けるた
め、動翼の径方向外側における質量はできるだけ軽い方
がよい。この軸流タービンを適用した動翼は、例えば、
回転軸側の翼前縁半径、ケーシング側の翼前縁半径、両
者の中間部分における翼前縁半径の順に翼前縁半径の大
きさを小さくする。このようにすることで、動翼の径方
向外側部分であるケーシング側の質量増加を抑えつつ、
二次流れ渦を弱めて作動流体のエネルギー損失を低減し
て動翼の空力性能を向上できる。また、動翼の径方向外
側における質量増加を抑えることができるため、動翼の
付け根部分における強度を無闇に高くしなくともよく、
補強に伴う質量増加も抑えることができる。このよう
に、回転系の質量増加を抑えることができるので、動翼
の空力性能向上の効果と相まって、軸流タービン機械の
性能を向上させることができる。

【００１１】また、請求項４に係るガスタービンは、ケ
ーシングと回転軸との間に設けられた空気を圧縮するた
めの動翼と静翼とを有する軸流式の圧縮機と、この圧縮
機で圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器
と、ケーシングと回転軸との間に設けられた動翼と静翼
とを有し、これらに前記燃焼器からの燃焼ガスが噴射さ
れることによって駆動されるタービンと、を備え、前記
圧縮機または前記タービンの少なくとも一方が有する動
翼または静翼の少なくとも一方は、上記軸流タービン翼
であることを特徴とする。

【００１２】このガスタービンは、圧縮機またはタービ
ンのうち少なくとも一方における動翼または静翼の少な
くとも一方に、上記軸流タービン翼を備えている。この
ため、タービンの動翼または静翼に上記軸流タービン翼
を使用した場合には翼の空力性能が向上するので、ガス
タービンの熱効率を向上させることができる。また、圧
縮機に上記軸流タービン翼を使用した場合には、より少
ない動力で同じ圧縮性能が得られるので、軸出力として
取り出すことのできるタービン出力を大きくできる。さ
らにタービンと圧縮機との両方に上記軸流タービンを使
用すれば、両者の性能向上により、ガスタービン全体と
して見た場合にはさらに熱効率を向上させることができ
る。

【００１３】また、請求項５に係る軸流圧縮機は、気体
を圧縮するための動翼および静翼と、前記動翼が取り付
けられている回転軸と、この回転軸および前記静翼を内
部に有するケーシングと、を備え、前記動翼または静翼
のうち少なくとも一方は上記軸流タービン翼であること
を特徴とする。この圧縮機は、動翼または静翼の少なく
とも一方に、上記軸流タービン翼を備えている。このた
め、翼の空力性能が向上する結果、より少ない動力で同
じ圧縮性能が得られるので、省エネルギーの効果を得る
ことができる。

【００１４】

【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、下記実施の形
態における構成要素には、当業者が容易に想定できるも
の或いは実質的に同一のものが含まれる。

【００１５】（実施の形態１）図１は、この発明の実施
の形態１に係る軸流タービン翼を適用した軸流タービン
機械の動翼を示す斜視図である。この軸流タービン翼
は、翼の付け根側と翼の先端部分側との翼前縁半径を、
両者の中間部分における翼前縁半径よりも大きくした点
に特徴がある。ここで、実施の形態１においては、この
発明に係る軸流タービン翼を軸流タービン機械の動翼１
０に適用した例について説明するが、本発明の軸流ター
ビン翼は静翼にも適用できる。

【００１６】また、この軸流タービン翼を動翼１０に適
用しているため、回転軸側は翼の付け根部分１０ｃに、
ケーシング側は翼の先端部分１０ｂに、ケーシング側と
回転軸側以外の部分は中間部分１０ａとなる。この関係
は、本発明に係る軸流タービン翼を動翼１０に適用する
場合に成立するが、場合によってはこの関係が変わる場
合もある。つぎに、この軸流タービン翼を軸流タービン
機械の動翼に適用した場合における流れについて説明す
る。なお、図１中の矢印Ｒは翼の高さ方向を示し、矢印
Ｘは作動流体の流れ方向を示す。

【００１７】図２は、この発明の実施の形態１に係る軸
流タービン翼を動翼に適用した軸流タービンの翼列を流
れる作動流体の状態を示した説明図である。また、図３
は、従来の軸流タービン翼を適用した静翼と動翼とで構
成された軸流タービンの翼列を流れる作動流体の状態を
解析した結果の説明図である。なお、図３中の矢印Ｙ
は、動翼５１０の回転方向を示す。また、図３中の動翼
５１０および静翼５２０には従来の軸流タービン翼５０
０（図１２参照）が適用されており、動翼５１０および
静翼５２０の翼前縁半径は翼の高さ方向に対して一定で
ある。

【００１８】図３（ａ）および（ｂ）に示すように、従
来の軸流タービン翼列では上流側の翼である静翼５２０
で発生するウェイク５５０および二次流れ渦５５２が、
下流側の翼である動翼５１０に流入する。ここで、ウェ
イク５５０は動翼５１０の中間部分５１０ａに流入し
（図３（ａ））、二次流れ渦５５２は動翼５１０の付け
根部分５１０ｃ近傍および翼の先端部分５１０ｂ近傍に
流入する（図３（ｂ））。なお、説明を簡単にするた
め、図３（ｂ）においては翼の付け根部分５１０ｃ側の
みを示すが、先端部分においても同様の説明が成り立
つ。図２（ｂ）についても同様である。また、上記中間
部分５１０ａ等の位置は、図３（ｃ）に示す通りであ
る。

【００１９】ここで、ウェイクについて説明する。図４
は、ウェイクを示す説明図である。図４（ａ）は、上流
側の翼である静翼５２０のウェイク５５０を示してお
り、このウェイク５５０は、静翼５２０の高さ方向と平
行な方向に渦中心が向いている複数の渦５５０ａによっ
て構成されている。なお、静翼５２０の高さ方向は、図
４（ａ）の紙面に垂直な方向である。

【００２０】図４（ｂ）に示すように、このウェイク５
５０が引き伸ばされると渦度が弱まるのでウェイク５５
０が弱まり、その結果、作動流体のエネルギー損失が小
さくなる。反対に何らかの物体、例えば動翼５１０の前
縁部分５１１にウェイク５５０が衝突した場合等には、
図４（ｃ）に示すようにウェイク５５０が縮まって渦度
が大きくなる。このためウェイク５５０が強くなり、そ
の結果、作動流体のエネルギー損失が増大する。

【００２１】図３（ａ）の解析結果が示すように、ウェ
イク５５０は、静翼５２０の高さ方向における中間部分
で発生し、動翼５１０の中間部分５１０ａにおける前縁
部分５１１に流入する。そして、動翼５１０の前縁部分
５１１に静翼５２０のウェイク５５０が衝突するため、
図３（ａ）に示すようにウェイク５５０の長さが小さく
なる（図中Ｃで示す部分）ことが新たに分かった。その
結果、渦度が高くなってウェイク５５０が強まり、作動
流体のエネルギー損失が発生する。従来の動翼５１０に
おいては、中間部分５１０ａにおける翼前縁半径ｒ₅₁の
寸法が付け根部分５１０ｃ等と同程度に大きかったた
め、作動流体のエネルギー損失も大きくなる。

【００２２】そこで、この発明の実施の形態１に係る軸
流タービン翼を適用した動翼１０は、図１に示すよう
に、中間部分１０ａにおける翼前縁半径ｒ₁を付け根部
分１０ｃの翼前縁半径ｒ₃等よりも小さくしてある。そ
して、これによってウェイク５０を滑らかに通過させ
て、ウェイク５０の縮みを抑制する機能を持たせてあ
る。このため、図２（ａ）に示すように、中間部分１０
ａ（図１参照）における前縁部分１１ａにウェイク５０
が衝突しても、ウェイク５０の縮む程度を従来よりも小
さくできるので（図２（ａ）中Ａで示す部分）、作動流
体のエネルギー損失を従来よりも小さくできる。

【００２３】図５は、動翼に流入する二次流れ渦を示す
説明図である。ここで図５（ａ）は、上流側の翼である
静翼５２０で発生した二次流れ渦５５２を示しており、
この二次流れ渦５５２は、作動流体の流れ方向に渦中心
が向いた渦である。この二次流れ渦５５２が引き伸ばさ
れると渦の回転速度が速くなるため、作動流体のエネル
ギー損失が大きくなる（図５（ｂ）参照）。反対に、何
らかの物体に二次流れ渦５５２が衝突した場合等には二
次流れ渦５５２が縮まって渦の回転速度が遅くなるた
め、作動流体のエネルギー損失が増大する（図５（ｃ）
参照）。これはつぎの理由による。

【００２４】二次流れ渦５５２の角速度ω₁＝ｖ₁／ｒ_v1
＝ｖ₂／ｒ_v2であり、二次流れ渦５５２の回転速度およ
び回転半径が変化しても一定である。図５（ｂ）に示す
ように、二次流れ渦５５２が伸ばされたときは、二次流
れ渦５５２の回転半径ｒ_v1が小さくなる。このとき、角
速度ω₁を一定に保つために、回転速度ｖ₁が大きくなる
のである。反対に、二次流れ渦５５２が縮まった場合に
は（図５（ｃ）参照）、二次流れ渦５５２の回転半径ｒ
_v2が大きくなり、角速度ω₁を一定に保つために回転速
度ｖ₂が小さくなるのである。

【００２５】図３（ｂ）の解析結果が示すように、二次
流れ渦５５２は静翼５２０の両端部付近で発生し、動翼
５１０の付け根部分５１０ｃ等の付近に流入する。そし
て、動翼５１０の付け根部分５１０ｃにおける翼の前縁
に、静翼５２０で発生した二次流れ渦５５２が衝突する
ため、図３（ｂ）に示すように、二次流れ渦５５２の長
さが大きくなる（図中Ｄで示す部分）ことが新たに分か
った。その結果、二次流れ渦５５２の回転速度が大きく
なって作動流体のエネルギー損失が発生する。

【００２６】従来の軸流タービン翼を適用した動翼５１
０においては、先端部分５１０ｂおよび付け根部分５１
０ｃにおける翼前縁半径は十分に大きくなかったため、
二次流れ渦５５２を十分に縮めることができず作動流体
のエネルギー損失も大きいものとなっている（図３
（ｂ）参照）。そこで、この発明の実施の形態１に係る
軸流タービン翼を適用した動翼１０は、図１に示すよう
に、先端部分１０ｂおよび付け根部分１０ｃにおける翼
前縁半径ｒ₂およびｒ₃を中間部分１０ａにおける翼前縁
半径ｒ₁よりも大きくしてある。そして、これによって
二次流れ渦５２の長さを縮める機能を持たせてある。こ
のため、図２（ｂ）に示すように、付け根部分１０ｃの
前縁部分１１ｃに二次流れ渦５２が衝突しても、二次流
れ渦５２の縮む程度を従来よりも大きくできるので（図
２（ｂ）中Ｂで示す部分）、作動流体のエネルギー損失
を従来よりも小さくできる。

【００２７】ここで、二次流れ渦５５２によって動翼５
１０等の軸流タービン翼にエネルギー損失が生ずる領域
について説明する。図６は、この発明の実施の形態１に
係る軸流タービン翼を適用した軸流機械の動翼を示す側
面図および高さ方向に垂直な断面図である。ここで、翼
高さＲ＝０は翼の付け根を表す。なお、図６は動翼を示
すので、翼の付け根側が回転軸側となり、翼高さが高く
なる方向に軸流タービン機械のケーシングが存在する。
静翼の場合にはこの関係が変わる場合もある。

【００２８】また、図７は、従来の軸流タービン翼にお
けるエネルギー係数と翼高さとの関係を示す説明図であ
る。翼高さＲは、翼の付け根から先端までの高さを１０
０％として表してある。また、エネルギー係数が１．０
０よりも小さいと、翼の性能が低下する。図７に示すよ
うに、従来の軸流タービン翼では、翼高さが２５〜３０
％よりも小さい領域および翼高さが７０〜７５％を超え
る領域でエネルギー係数が低くなっている。この領域
は、上記二次流れ渦５５２の影響と対応する領域であ
り、従来の軸流タービン翼では、この二次流れ渦５５２
のエネルギー損失によって、前述した領域で翼性能を低
下させていた。

【００２９】したがって、翼前縁半径ｒ₃を選択する翼
の付け根部分１０ｃ付近の領域は０％以上２５％以下の
領域が、翼前縁半径ｒ₂を選択する翼の先端部分１０ｂ
付近の領域は７５％以上１００％以下の領域が、翼前縁
半径ｒ₁を選択する翼の中間部分１０ａの領域は２５％
以上７５％以下の領域が好ましい。さらには、翼前縁半
径ｒ₃を選択する翼の付け根部分１０ｃ付近の領域は０
％以上３０％以下の領域が、翼前縁半径ｒ₂を選択する
翼の先端部分１０ｂ付近の領域は７０％以上１００％以
下の領域が、翼前縁半径ｒ₁を選択する翼の中間部分１
０ａの領域は３０％以上７０％以下の領域が好ましい。
ここで、ｒ₃＞ｒ₁、ｒ₂＞ｒ₁である。また、翼前縁半径
ｒ₃と翼前縁半径ｒ₁との比ｒ₃／ｒ₁および翼前縁半径ｒ
₂と翼前縁半径ｒ₁との比ｒ₂／ｒ₁は、翼の構造設計等の
観点から、いずれも５程度までとすることが好ましい。

【００３０】上記説明のように、この発明の実施の形態
１に係る軸流タービン翼を適用した動翼１０は中間部分
１０ａの翼前縁半径を先端部分１０ｂおよび付け根部分
１０ｃの翼前縁半径よりも小さくしている。このため、
翼の高さ方向全体にわたってウェイク５０および二次流
れ渦５２の強さを弱くすることができる。その結果、従
来の軸流タービン翼を適用した動翼５１０と比較して作
動流体のエネルギー損失を少なくできるので、動翼１０
の空力性能を向上させて軸流タービン機械の性能を高め
ることができる。

【００３１】（変形例）図８は、実施の形態１に係る軸
流タービン翼の変形例を示す斜視図である。同図（ａ）
または（ｂ）に示す軸流タービン翼１２または１３のよ
うに、翼の先端部分１２ｂまたは付け根部分１２ｃのう
ちどちらか一方の翼前縁半径ｒ₂またはｒ₃のみを、中間
部分１２ａの翼前縁半径ｒ₁よりも大きくしてもよい。
このようにしても、中間部分１２ａの翼前縁半径ｒ₁は
翼の先端部分１２ｂ等の翼前縁半径ｒ₂等よりも小さく
なっているため、ウェイク５０および二次流れ渦５２に
よるエネルギー損失を低減して、翼の空力性能を向上さ
せることができる。なお、この軸流タービン翼を動翼に
適用するか静翼に適用するかで、軸流タービン機械のケ
ーシング側と回転軸側とが軸流タービン翼１２の付け根
部分１２ｃ側か先端部分１２ｂ側のどちらに該当するか
が変化する。

【００３２】ここで、軸流タービン機械の動翼にこの発
明に係る軸流タービン翼を適用する場合には、回転によ
る遠心加速度によって動翼は大きな遠心力を受ける。そ
して、遠心力は回転半径に比例して大きくなるので、翼
の先端における質量はできるだけ小さくすることが好ま
しい。したがって、軸流タービン機械の動翼にこの発明
に係る軸流タービン翼を適用する場合には、図８（ａ）
に示すように、翼の付け根部分１２ｃにおける翼前縁半
径ｒ₃のみを中間部分１２ａにおける翼前縁半径ｒ₁より
も大きくした軸流タービン翼１２を使用することが望ま
しい。

【００３３】この場合には、軸流タービン翼１２の先端
近傍を流れる二次流れ渦による作動流体のエネルギー損
失は十分に低減できないが、翼の付け根付近における二
次流れ渦および翼の中間部分におけるウェイクによる作
動流体のエネルギー損失は低減できる。また、軸流ター
ビン翼１２の先端部分１２ｂにおける質量が増加するこ
とはないので、軸流タービン翼１２の付け根部分１２ｃ
における強度を無闇に大きくしなくてもよい。これによ
って、軸流タービン翼１２の質量増加を抑え、且つ軸流
タービン翼１２の空力性能改善効果によって、軸流ター
ビン機械の性能をより向上させることができる。

【００３４】また、上記説明においては、この発明の実
施の形態１に係る軸流タービン翼を軸流機器の動翼に適
用した例を説明した。ところで、この軸流タービン翼は
上流翼で発生するウェイクや二次流れ渦による作動流体
のエネルギー損失低減に効果が高い。したがって、この
発明に係る軸流タービン翼を動翼の後流に配置される静
翼に適用してもよく、このようにしても静翼の空力性能
を向上させることができる。さらに、圧縮機の入り口案
内翼やガスタービンの入り口案内翼等にこの軸流タービ
ン翼を適用しても、翼端付近に発生する二次流れ渦によ
る作動流体のエネルギー損失を低減できる。したがっ
て、前記入り口案内翼等にこの発明に係るタービン翼を
適用したときにも、これらの空力性能向上という効果を
得ることができる。

【００３５】なお、図９に示すように、ガスタービン等
に使用されるタービン入り口案内翼や静翼は、静翼２１
を備えた断面が略Ｉ字形の分割環３０を複数連結して、
環状の翼列を構成する場合がある。ここで、図８は、タ
ービン入り口案内翼や静翼の一例を示す斜視図である。
この場合においては、軸流機器のケーシング側が図中の
矢印Ｒ方向になり、回転軸側が図中の矢印Ｒとは反対の
方向になる。これらの関係は、静翼２１の構造によって
も変化するので、場合に応じて判断する。

【００３６】また、静翼には付け根部分とその反対側端
部付近とにおける翼前縁半径が、両者の中間部分におけ
る翼前縁半径よりも大きい軸流タービン翼を使用し、動
翼にはこの変形例に係る付け根部分の翼前縁半径のみを
大きくした軸流タービン翼を使用してもよい。このよう
にすると、回転系である動翼の質量増加を抑えつつ、動
静翼の空力性能を向上させることができるので好まし
い。

【００３７】（実施の形態２）図１０は、この発明の実
施の形態２に係る軸流タービン翼を示した説明図であ
る。この軸流タービン翼は、翼前縁半径を翼の付け根部
分、先端部分、中間部分の順に小さくした点に特徴があ
る。この軸流タービン翼１４は、付け根部分１４ｃと先
端部分１４ｂとの翼前縁半径ｒ₃とｒ₂とが大きいため、
この部分を通過する二次流れ渦を縮める作用がある。ま
た、中間部分１４ａの翼前縁半径ｒ₁は先端部分１４ｂ
の翼前縁半径ｒ₂よりも小さいので、ウェイクの縮みを
抑制して渦度を弱める作用がある。

【００３８】また、先端部分１４ｂの翼前縁半径ｒ₂は
付け根部分１４ｃの翼前縁半径ｒ₃よりも小さいので、
両者の翼前縁半径を同じ大きさにした場合と比較して軸
流タービン翼１４の先端部分１４ｂにおける質量を小さ
くできる。このため、特にこの軸流タービン翼１４を動
翼に適用すると、回転による遠心力の作用を小さくでき
るので、付け根部分１４ｃの強度を無闇に高くしなくと
もよく、軸流タービン翼１４全体の質量増加を抑えるこ
とができる。

【００３９】そして、先端部分１４ｂの翼前縁半径ｒ₂
は中間部分１４ａの翼前縁半径ｒ₁よりも大きくしてあ
る。これによって、中間部分１４ａと先端部分１４ｂと
の翼前縁半径を同じ大きさにした場合と比較して、先端
部分１４ｂを通過する二次流れ渦による作動流体のエネ
ルギー損失を小さくできる。このように、この軸流ター
ビン翼１４は、従来の軸流タービン翼と同程度の質量を
維持しつつ翼の空力性能を高くできる。

【００４０】なお、静翼には付け根部分とその反対側端
部付近とにおける翼前縁半径が、両者の中間部分におけ
る翼前縁半径よりも大きい軸流タービン翼を使用し、動
翼にはこの実施の形態に係る翼前縁半径を付け根部分１
４ｃ、先端部分１４ｂ、中間部分１４ａの順に小さくし
た軸流タービン翼１４を使用してもよい。このようにす
ると、回転系である動翼の質量増加を抑えつつ、動静翼
の空力性能を向上させることができるので好ましい。

【００４１】（実施の形態３）次に、この軸流タービン
翼をガスタービンおよび軸流圧縮機のタービン翼に適用
した例について説明するが、この軸流タービン翼の適用
対象はこれらに限られるものではない。この発明に係る
軸流タービン翼は軸流タービン機械全般に適用でき、ガ
スタービン、軸流圧縮機の他、軸流送風機あるいは蒸気
タービンその他の軸流タービン機械全般に使用する動静
翼に適用できる。

【００４２】図１１は、この発明に係る軸流タービン翼
をタービン動静翼として備えたガスタービンを示す説明
図である。このガスタービン１００のタービン１１０に
備えられている動翼７０〜７３、静翼７４〜７６および
入り口案内翼７７は、この発明に係る軸流タービン翼が
適用されている。空気取り入れ口１２０から取り込まれ
た空気は、圧縮機１２２によって圧縮されて高温・高圧
の圧縮空気となって燃焼器１２４へ送り込まれる。燃焼
器１２４では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、
あるいは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃
焼させ、作動流体である高温・高圧の燃焼ガスを生成さ
せる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン１１０に備
えられた入り口案内翼７７に噴射される。

【００４３】燃焼器１２４から入り口案内翼７７に噴射
された燃焼ガスはここで整流された後、一段目の動翼７
０および静翼７４、二段目の動翼７１および静翼７５の
順に流れる過程でタービン１１０を駆動する。そしてタ
ービン１１０を流れ終わった燃焼ガスは、ガスタービン
１００の外部へ排出される。

【００４４】ここで、動翼７０〜７３、静翼７４〜７６
および入り口案内翼７７には、この発明に係る軸流ター
ビン翼が使用されている。そして、静翼７４〜７６はケ
ーシング１０１側および回転軸１０２側の翼前縁半径
が、翼の中間部分における翼前縁半径よりも大きくなっ
ている。また、動翼７０〜７３は、これらの付け根側で
ある回転軸１０２側における翼前縁半径が最も大きく、
ついでケーシング１０１側の翼前縁半径、翼の中間部分
における翼前縁半径の順に小さくなっている。このた
め、ウェイクおよび二次流れ渦による作動流体のエネル
ギー損失を、これまでのタービンよりも低減できるの
で、動翼７０等の空力性能を向上させて、ガスタービン
１００全体の熱効率を高くすることができる。

【００４５】なお、上記例においては動翼７０〜７３、
静翼７４〜７６および入り口案内翼７７のすべてにこの
発明に係る軸流タービン翼を適用した場合について説明
したが、これらのうち少なくとも一つにこの発明に係る
軸流タービン翼を適用してもよい。この場合にも、ウェ
イクや二次流れ渦による作動流体のエネルギー損失を低
減して、従来よりもガスタービン１００の熱効率を高く
できる。

【００４６】また、圧縮機１２２に備えられている動静
翼のうち少なくとも一方に、この発明に係る軸流タービ
ン翼を適用してもよい。この場合は、圧縮機１２２にお
ける動静翼の空力性能を向上させることができるので、
圧縮機１２２の効率を高くすることができる。ここで、
圧縮機１２２はタービン１１０によって駆動されるが、
圧縮機１２２の効率が従来よりも高くなるので、その分
タービン１１０の軸出力として取り出すことのできるエ
ネルギーが大きくなる。これによって、ガスタービン１
００の熱効率をさらに向上させることができる。

【００４７】図１２は、この発明に係る軸流タービン翼
を動静翼として備えた軸流圧縮機を示す説明図である。
この軸流圧縮機２００の回転軸２０２に備えられている
動翼群８０および静翼群８１のそれぞれの翼には、この
発明に係る軸流タービン翼が適用されている。この軸流
圧縮機２００は、回転軸２０２に取り付けられた電動機
２３０によって駆動される。電動機２３０が回転すると
気体の圧縮が始まり、気体取り入れ口２１０から取り込
まれた気体である空気は、動翼群８０および静翼群８１
を通過する過程で圧縮される。そして、気体取り入れ口
２１０における圧力よりも高い圧力となって吐き出し口
２２０から吐き出される。

【００４８】動翼群８０を構成するそれぞれの動翼は、
これらの付け根側である回転軸２０２側における翼前縁
半径が最も大きく、ついでケーシング２０１側の翼前縁
半径、翼の中間部分における翼前縁半径の順に小さくな
っている。また、静翼群８１を構成するそれぞれの静翼
は、ケーシング２０１側の翼前縁半径と回転軸２０２側
の翼前縁半径とが、両者の中間部分における翼前縁半径
よりも大きくなっている。このため、ウェイクおよび二
次流れ渦による作動流体のエネルギー損失をこれまでの
軸流圧縮機よりも低減できる。そして、動翼群８０や静
翼群８１を構成する翼の空力性能が向上して圧縮機の性
能が向上するので、これまでよりも少ない動力で同じ圧
縮性能を得ることができる。したがって、圧縮機を駆動
するエネルギーが低減できるので、これまでよりも省エ
ネルギー化に寄与できる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る軸
流タービン翼（請求項１）では、翼のケーシング側また
は回転軸側のうち少なくとも一方の翼前縁半径を、これ
以外の部分における翼前縁半径よりも大きくした。これ
により、翼のケーシング側または回転軸側において二次
流れ渦を弱め、また、上流側翼のウェイクの影響を受け
る翼のケーシング側および回転軸側の中間部分において
は、前記ウェイクの影響を低減する。その結果、作動流
体のエネルギー損失を低減できるので、従来の軸流ター
ビン翼よりも高い空力性能を発揮して軸流タービン機械
の性能を向上させることができる。

【００５０】また、この発明に係る軸流タービン翼（請
求項２）では、翼のケーシング側と回転軸側との翼前縁
半径を、これ以外の部分における翼前縁半径よりも大き
くした。このため、二次流れ渦の影響を受ける翼のケー
シング側と回転軸側とにおいては二次流れ渦を弱めるこ
とができ、また、上流翼のウェイクの影響を受ける翼の
ケーシング側と回転軸側との中間部分においては前記ウ
ェイクの影響を小さくできる。その結果、この軸流ター
ビン翼は作動流体のエネルギー損失を従来よりも低減で
きるので従来よりも高い空力性能を発揮でき、当該軸流
タービン翼を使用した軸流タービン機械はこれまでより
も高い性能を発揮できる。

【００５１】また、請求項３に係る軸流タービン翼は、
翼の翼前縁半径をケーシング側と回転軸側との中間部分
を最も小さくし、次にケーシング側または回転軸側のう
ちのいずれか一方の翼前縁半径を他方の翼前縁半径より
も大きくした。このため、特に動翼に適用した場合に
は、動翼の径方向外側における質量増加を抑えることが
できるので、動翼の付け根部分における強度を無闇に高
くしなくともよく、補強に伴う質量増加も抑えることが
できる。このように、回転系の質量増加を抑えることが
できるので、動翼の空力性能向上の効果と相まって、軸
流タービン機械の性能を向上させることができる。

【００５２】また、請求項４に係るガスタービンは、圧
縮機またはタービンのうち少なくとも一方における動翼
または静翼の少なくとも一方に、上記軸流タービン翼を
備えた。このため、翼の空力性能向上によって、作動流
体の持つエネルギーを有効に出力として取り出すことが
できるので、従来よりもガスタービンの熱効率を向上さ
せることができる。

【００５３】また、請求項５に係る軸流圧縮機は、動翼
または静翼の少なくとも一方に、上記軸流タービン翼を
備えた。このため、翼の空力性能が向上して効率よく作
動流体を圧縮できるので、より少ない動力で同じ圧縮性
能が得られ、圧縮機の駆動エネルギーをより有効に利用
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る軸流タービン翼
を適用した軸流タービン機械の動翼示す斜視図である。

【図２】この発明の実施の形態１に係る軸流タービン翼
を動翼に適用した軸流タービンの翼列を流れる作動流体
の状態を示した説明図である。

【図３】図３は、従来の軸流タービン翼を適用した静翼
と動翼とで構成された軸流タービンの翼列を流れる作動
流体の状態を解析した結果の説明図である。

【図４】ウェイクを示す説明図である。

【図５】動翼に流入する二次流れ渦を示す説明図であ
る。

【図６】この発明の実施の形態１に係る軸流タービン翼
を適用した軸流機械の動翼を示す側面図および高さ方向
に垂直な断面図である。

【図７】従来の軸流タービン翼におけるエネルギー係数
と翼高さとの関係を示す説明図である。

【図８】実施の形態１に係る軸流タービン翼の変形例を
示す斜視図である。

【図９】タービン入り口案内翼や静翼の一例を示す斜視
図である。

【図１０】この発明の実施の形態２に係る軸流タービン
翼を示した説明図である。

【図１１】この発明に係る軸流タービン翼をタービン動
静翼として備えたガスタービンを示す説明図である。

【図１２】この発明に係る軸流タービン翼を動静翼とし
て備えた軸流圧縮機を示す説明図である。

【図１３】これまで使用されてきた軸流タービン翼を示
した斜視図である。

【符号の説明】

１０、７０、７１、５１０動翼１０ａ、１２ａ、１４ａ、５１０ａ中間部分１０ｂ、１２ｂ、１４ｂ、５１０ｂ先端部分１０ｃ、１２ｃ、１４ｃ、５１０ｃ付け根部分１１ａ、１１ｃ、５１１、５１１ｃ前縁部分１２、１４、５００軸流タービン翼２１、７４、７５、５２０静翼３０分割環５０、５５０ウェイク５２、５５２二次流れ渦７７入り口案内翼８０動翼群８１静翼群１００ガスタービン１０１、２０１ケーシング１０２、２０２回転軸１１０タービン１２０、２１０空気取り入れ口１２２圧縮機１２４燃焼器２００軸流圧縮機２２０吐き出し口２３０電動機５５０ａ渦

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者皐月浩史兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者田中良典東京都千代田区丸の内二丁目５番１号三菱重工業株式会社内 (72)発明者渡辺英一郎東京都千代田区丸の内二丁目５番１号三菱重工業株式会社内Ｆターム(参考） 3G002 BA03 BB01 GA07 GB05 3H033 AA02 AA16 BB17 BB19 CC02 DD03 DD06 EE19 3H034 AA02 AA16 BB03 BB08 BB17 BB19 CC03 DD07 EE18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸流タービン機械のケーシングとこのケ
ーシング内に備えられる回転軸との間に設けられる軸流
タービン翼であって、ケーシング側または回転軸側のう
ち少なくとも一方の翼前縁半径を、前記ケーシング側ま
たは前記回転軸側のうち少なくとも一方以外の部分にお
ける翼前縁半径よりも大きくしたことを特徴とする軸流
タービン翼。
【請求項２】軸流タービン機械のケーシングとこのケ
ーシング内に備えられる回転軸との間に設けられる軸流
タービン翼であって、ケーシング側と回転軸側との翼前
縁半径を、前記ケーシング側および前記回転軸側以外の
部分における翼前縁半径よりも大きくしたことを特徴と
する軸流タービン翼。
【請求項３】軸流タービン機械のケーシングとこのケ
ーシング内に備えられる回転軸との間に設けられる軸流
タービン翼であって、ケーシング側と回転軸側との翼前
縁半径を、前記ケーシング側および前記回転軸側以外の
部分における翼前縁半径よりも大きくし、且つ前記ケー
シング側または前記回転軸側のうちいずれか一方の翼前
縁半径を他方の翼前縁半径よりも大きくしたことを特徴
とする軸流タービン翼。
【請求項４】ケーシングと回転軸との間に設けられた
空気を圧縮するための動翼と静翼とを有する軸流式の圧
縮機と、この圧縮機で圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させ
る燃焼器と、ケーシングと回転軸との間に設けられた動翼と静翼とを
有し、これらに前記燃焼器からの燃焼ガスが噴射される
ことによって駆動されるタービンと、を備え、前記圧縮機または前記タービンの少なくとも一方が有す
る動翼または静翼の少なくとも一方は、請求項１〜３の
いずれか一つに記載の軸流タービン翼であることを特徴
とするガスタービン。
【請求項５】気体を圧縮するための動翼および静翼
と、前記動翼が取り付けられている回転軸と、この回転軸および前記静翼を内部に有するケーシング
と、を備え、前記動翼または静翼のうち少なくとも一方は請求項１〜
３のいずれか一つに記載の軸流タービン翼であることを
特徴とする軸流圧縮機。