JP2004124813A - Moving blade of rotating machine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転機械の動翼にかかり、より詳しくはターボ機械を構成するタービン、圧縮機、送風機等の回転機械の動翼に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3はターボジェットエンジンの模式的構成図であり、空気取入口31、ファン32、圧縮機33、燃焼器34、ガスタービン35、ジェットノズル36、等を備えている。かかるターボジェットエンジンでは、空気を空気取入口31からファン32によりエンジン内部に導入し、圧縮機33でこの空気を圧縮し、燃焼器34内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、発生した燃焼ガスでガスタービン35を駆動し、このガスタービン35の動力でファン32および圧縮機33を駆動し、燃焼排ガスをジェットノズル36から後方に噴出することにより推進力を発生するようになっている。
【0003】
図4に高圧縮比のターボファンエンジンのタービン部分の拡大図を示した。このエンジンのタービンは、図示しない圧縮機を駆動するための高圧タービンとファンを駆動するための低圧タービンの2軸式構造を有している。
図に示したように動翼4の先端部(チップ部6)とケーシング2の内周面との間には間隙(チップクリアランスΔ)があり、動翼とケーシングとはそれぞれ熱膨張率が異なるため、このチップクリアランスΔの大きさはエンジンの運転状態によって変化することになる。なお、5は高圧タービン用の静翼である。
【0004】
ここで主流ガスがチップクリアランスを抜けて正圧面側(腹側)から負圧面側(背側)へ漏れることによる損失を防ぐため、低圧タービンの動翼にはシュラウド3が形成されることが多い。このシュラウドとは動翼先端に付けられた小さなセグメントであり、全動翼をタービンディスクに組み付けて隣接するシュラウドをつなぎ合わせると動翼の外周端において環をなすし、これによりチップクリアランスからの主流ガス(燃焼ガス)の漏れを抑制することができる。しかしながら低圧タービンの動翼(5,000rpm程度で回転)に比べ、非常に高速で回転し(20,000rpm程度で回転)、また高温・高圧の状況下で使用される高圧タービンの動翼においては、大きな遠心力が作用することによるクリープの影響等を考慮して一般的にシュラウドが形成されることはない。
【0005】
そこで高圧タービンの動翼4では、チップクリアランスΔからの主流ガスの漏れを抑制するためにアクティブ・クリアランス・コントロール法(ACC法)が採用されている。ACC法とは、コンプレッサから空気を取り出しこれを動翼の内部やケーシングに送り込んでその冷却を行い、熱膨張をコントロールすることによってチップクリアランスΔを狭小化して主流ガスの漏れを抑制する手法である。
【0006】
また近年では、エンジンの軽量化を目的としてタービンの高負荷化が進められている。すなわち、エンジンを軽量化するために翼の枚数を減少させる一方、1枚の翼にさせる仕事量を増加させる取り組みがなされている。
【0007】
【特許文献1】特開平11−201092号公報
【特許文献2】特開昭58−113504号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにシュラウドを形成することができない高圧タービンの動翼では、ACC法によりチップクリアランスを可能な限り狭小化することでチップクリアランスを抜けて翼の正圧面側から負圧面側に流れる主流ガスの渦(「漏れ渦」という。)の影響を抑える努力が行われているが、これには構造的な限界があるため、タービンの高負荷化が進むにつれて漏れ渦によるタービン性能への影響(劣化)が重大な問題となってきている。すなわち、タービンの高負荷化に伴い翼の正圧面側(腹側)と負圧面側(背側)との圧力差が大きくなった結果、チップシュラウドのない高圧タービンの動翼では、ACC法によってもチップ部付近での漏れ渦の影響が大きく、これがタービン性能を著しく劣化させている実情があった。
【0009】
より具体的に説明するために高負荷化されたタービンの動翼の主流ガスの流れを解析した結果を図5にベクトルを用いて示した。この図に示したように、主流ガスは、隣接する動翼4の間を翼面に沿って流れる1次流れの他に、▲1▼ルート部15(翼の根元部分)の隅部に生じる剥離流れA、▲2▼翼面に沿って径方向に流れる径方向流れB、▲3▼チップ部6とケーシング2の内周面とのチップクリアランスを正圧面側(腹側4a)から負圧面側(背側4b)に流れる漏れ流れCなどがあり、これらの影響により動翼4の近傍には主流ガスの1次流れを乱す2次流れが発生していた。
【0010】
かかる2次流れのうち1次流れに与える損失が最も大きいのは漏れ流れCによるものであり、従来の動翼では、チップクリアランスを通過する漏れ流れと高速の1次流れとの干渉(漏れ渦)による損失がガスタービンの性能を劣化させる最大の要因となっていた。
【0011】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、チップクリアランスを通過する漏れ流れを抑制し、漏れ渦によるエネルギ損失を低減することができ、ガスタービンや圧縮機等の高性能化を達成可能とする回転機械の動翼を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、ケーシング(2)の内周面と動翼(4)のチップ部(6)との間に形成されるチップクリアランス(Δ)を通り抜けて腹側(4a)から背側(4b)に流れる主流ガスの漏れ流れを阻害するために、チップ部から腹側に庇状に突起するチップクリアランス渦低減用プレート(8)を形成した、ことを特徴とする回転機械の動翼を提供する。
【0013】
本発明によれば、チップクリアランスから正圧面側から負圧面側に漏れる主流ガスの漏れ流れを、動翼の腹側(正圧面側)に庇状に突起して形成したチップクリアランス渦低減用プレートにより阻害することにより減少させ、発生する漏れ渦によるエネルギ損失を低減してタービンや圧縮機等の回転機械の性能を向上させることができる。
特に本発明によれば、翼の正圧面側(腹側)と負圧面側(背側)との圧力差が大きく、ACC法によっても未だ十分に抑制することができなかった高圧タービンや高圧圧縮機での漏れ流れを簡易な形状の動翼によって効果的に減少させることができる。
【0014】
ここで、前記チップクリアランス渦低減用プレート(8)は湾曲する腹側(4a)の翼面に弦をなすように形成される、ことが好ましい。
【0015】
正圧面と負圧面との圧力差が大きく、従来多くの漏れが発生していた曲率が大きなチップ部の1次流れ方向中央付近での突起を大きく、曲率が小さく漏れ流れも少ないチップ部での突起を小さく形成することによって、漏れ流れを効果的に減少させることができると同時に、動翼の重量増加および重量増加に伴う遠心力の影響を最小限に抑えることができる。
【0016】
なお、本発明では動翼の腹側にチップクリアランス渦低減用プレートを形成することとしているが、腹側に加え背側にチップクリアランス渦低減用プレートを形成することを禁止することを意図したものではない。
【0017】
また好ましい実施例によれば、前記チップクリアランス渦低減用プレート(8)は径方向外側に向かい突起する高さを漸増するテーパー形状を有している。
【0018】
チップクリアランス渦低減用プレートの突起する高さを翼端に向かい漸増するテーパー形状とすることにより、後述するように、翼面に沿って径方向に流れる径方向流れによりチップクリアランスを抜けようとする漏れ流れを効果的に阻害し、1次流れに損失を最も大きく与える漏れ流れを減少させて回転機械の性能を向上させることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を用いて説明する。なお、各図において従来例と共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【0020】
本実施例のタービンは軸流タービンであり、路断面積を徐々に広げる気体流路を内部に有するケーシングと、燃焼器出口近傍の気体流路に設けられた高速回転する高圧タービン用の静翼列5および動翼列4と、その下流側の比較的低速回転する低圧タービン用の複数段の静翼列7および動翼列9と、動翼4、9が取り付けられたローター11等を備えている(図4参照)。このタービンはエンジンの軽量化を目的として、翼の枚数を減少させる一方、1枚の翼にさせる仕事量を増加させた高負荷化されたタービンである。
【0021】
図1にこの高圧タービン動翼の本実施例の動翼の下流側から見た斜視図(a)および(a)のZ−Z断面図(b)を示した。動翼は、ハブ13に周方向に等間隔に複数枚取り付けられており、また、軸心に対してチップ部では捩れ角が大きく、ルート部15では捩れ角が小さくなった形状を有している。更に、(b)に示すように、動翼の回転方向上流側(図で左側)が正圧面側4a(腹側)、回転方向下流側(図で右側)が負圧面側4b(背側)であり、動翼の回転により、正圧面側の静圧が高く、負圧面側の静圧が低くなっている。またこの高圧タービンは通常の高圧タービンに比べ特に正圧面側と負圧面側との圧力差が大きく高負荷化されたタービンである。
【0022】
この動翼4は図2(a)に示すように中空構造を有しており、図示しないコンプレッサから取り出した圧縮空気をここに送り込んで動翼4の内部から冷却を行うとともに、圧縮空気を動翼4に形成した細孔17から噴出して動翼外周面をフィルム冷却することにより燃焼室を出た直後の高温の燃焼ガスから動翼を保護している。またケーシングも同様に圧縮空気により冷却されてその熱膨張が制御され、ケーシングの内周面と動翼のチップ部との間に形成されるチップクリアランスが狭小となるようにコントロールされおり、チップクリアランスからの燃焼ガス(主流ガス)の漏れを可能な限り少なくする工夫がなされている(アクティブ・クリアランス・コントロール法)。
【0023】
また図1及び図2(a)に示すように、この動翼4のチップ部には、湾曲した腹側4aの翼面に弦をなすように庇状に突起するチップクリアランス渦低減用プレート8が形成されている。
【0024】
高負荷化されたタービン動翼においては、図5に示したように動翼の正圧面側4a(腹側)から負圧面側4b(背側)にチップクリアランスを通り抜けて流れる漏れ流れの抑制がACC法によっても未だ十分に達成できないため、正圧面側からチップクリアランスに流れ込む漏れ流れをこのチップクリアランス渦低減用プレート8により阻害するようになっている。この動翼によれば、低廉に形成可能なチップクリアランス渦低減用プレート8を用いて効果的に漏れ流れを減少させることができ、特に高負荷化された高圧タービンの運転効率を飛躍的に向上させることができる。
【0025】
なおチップクリアランス渦低減用プレート8を動翼4の腹側4aの翼面に弦をなすように突起する形状としたのは、横軸を無次元コード(X/XB)、縦軸を無次元圧力(P/PT)として表したタービン動翼の翼面静圧分布図である図2(b)からも分かるように、曲率が大きくそのため正圧面側と負圧面側との圧力差が大きくなる部分、すなわち動翼の1次流れ方向中央付近(X/XBが0.5付近)の突起を大きく、曲率が小さくそのため正圧面側と負圧面側との圧力差が小さな部分、すなわち動翼の1次流れ方向上流側及び下流側の突起を小さく形成することにより、正圧面を径方向外側に進行しチップクリアランスを抜けて負圧面側に流れ込もうとする漏れ流れを効果的に減少させることができると同時に、動翼の重量増加を最小限に抑えるためである。
【0026】
ここで本実施例のチップクリアランス渦低減用プレート8は図1(b)に示したように、その突起する高さを翼端に向かい漸増するテーパー形状を有している。動翼4の腹側4a翼面に沿って径方向外側に流れる径方向流れBは、チップ部6近傍でチップクリアランス渦低減用プレート8の傾斜に沿ってタービンの回転方向と反対側にその進行方向を変え、ケーシング2内周面に沿ってチップクリアランスに向かう漏れ流れCと衝突しその進入を阻害する。
【0027】
上述したように本実施例の動翼4によれば、従来、径方向流れBおよび漏れ流れCのいずれもがチップクリアランスに進入して漏れ渦を発生させ、タービンの性能を劣化させていたところを、径方向流れBを漏れ流れCの阻害に利用することで両流れを相殺し、チップクリアランスを抜け2次流れを形成する漏れ流れを減少させて回転機械の性能を向上させることができる。
【0028】
なお、上述した実施例は高負荷化された高圧タービンについてのものであるが本発明はこれに限定されず、回転機械の動翼であればガスタービンの他に圧縮機や送風機等にも適用可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその適用範囲等を種々変更できることは勿論である。
【0029】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の回転機械の動翼によれば、チップクリアランスを通過する漏れ流れを抑制し、漏れ渦によるエネルギ損失を低減することで、ガスタービンや圧縮機等の高性能化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例の高圧タービンの動翼を表した図である。
【図2】冷却翼断面図(a)および翼面静圧分布図(b)である。
【図3】ターボジェットエンジンの模式的構成図である。
【図4】ターボファンエンジンのタービン部分の拡大図である。
【図5】高負荷化されたタービンの動翼の主流ガスの流れをベクトルを用いて示した図である。
【符号の説明】
2 ケーシング
4 動翼
4a 腹側(正圧面側)
4b 背側(負圧面側)
5 高圧タービン用の静翼
6 チップ部
7 低圧タービン用静翼列
8 チップクリアランス渦低減用プレート
9 低圧タービン用動翼列
11 タービンディスク
13 ハブ
15 ルート部
17 細孔
31 空気取入口
32 ファン
33 圧縮機
34 燃焼器
35 ガスタービン
36 ジェットノズル
A 剥離流れ
B 径方向流れ
C 漏れ流れ
Δ チップクリアランス[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a moving blade of a rotating machine, and more particularly, to a moving blade of a rotating machine such as a turbine, a compressor, and a blower that constitutes a turbo machine.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a turbojet engine, which includes an air intake 31, a
[0003]
FIG. 4 is an enlarged view of a turbine portion of a turbofan engine having a high compression ratio. The turbine of this engine has a two-shaft structure of a high-pressure turbine for driving a compressor (not shown) and a low-pressure turbine for driving a fan.
As shown in the figure, there is a gap (tip clearance Δ) between the tip (tip portion 6) of the
[0004]
Here, a shroud 3 is often formed on the moving blade of the low-pressure turbine in order to prevent loss due to mainstream gas leaking from the pressure side (ventral side) to the suction side (back side) through the chip clearance. . This shroud is a small segment attached to the tip of the moving blade, and when all the moving blades are assembled to the turbine disk and the adjacent shrouds are connected, a ring is formed at the outer peripheral end of the moving blade, so that the main flow from the tip clearance Gas (combustion gas) leakage can be suppressed. However, compared with the low pressure turbine blade (rotating at about 5,000 rpm), it rotates at a very high speed (rotating at about 20,000 rpm), and the high pressure turbine blade used under high temperature and high pressure conditions In general, a shroud is not formed in consideration of the effect of creep caused by the action of a large centrifugal force.
[0005]
Therefore, in the
[0006]
In recent years, the load on the turbine has been increased to reduce the weight of the engine. That is, efforts have been made to reduce the number of blades in order to reduce the weight of the engine, while increasing the amount of work to be performed on one blade.
[0007]
[Patent Document 1] JP-A-11-201092 [Patent Document 2] JP-A-58-113504
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the blade of a high-pressure turbine in which a shroud cannot be formed, the main flow gas flowing from the pressure side to the suction side of the blade through the tip clearance by making the tip clearance as small as possible by the ACC method. Efforts have been made to reduce the effects of vortices (called "leakage vortices"), but due to structural limitations, the effects of leakage vortices on turbine performance (as turbine loads increase) Deterioration) has become a serious problem. That is, as the load on the turbine increases, the pressure difference between the pressure side (ventral side) and the suction side (back side) of the blades increases. As a result, the moving blades of the high pressure turbine without the tip shroud use the ACC method. Also, the influence of the leakage vortex near the tip part was large, and this had the fact that the turbine performance was significantly deteriorated.
[0009]
In order to explain this more specifically, the result of analyzing the flow of the mainstream gas of the rotor blade of the turbine with a high load is shown in FIG. 5 using vectors. As shown in this figure, the mainstream gas is generated at the corner of the root portion 15 (root portion of the blade) in addition to the primary flow flowing along the blade surface between the adjacent moving
[0010]
Among the secondary flows, the largest loss given to the primary flow is caused by the leakage flow C. In the conventional rotor blade, the interference between the leakage flow passing through the chip clearance and the high-speed primary flow (leakage vortex) ) Was the biggest factor that degraded the performance of the gas turbine.
[0011]
The present invention has been made to solve such a problem. That is, an object of the present invention is to reduce the leakage flow passing through the chip clearance, reduce the energy loss due to the leakage vortex, and increase the performance of a rotating machine capable of achieving high performance such as a gas turbine and a compressor. To provide wings.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, which achieves the above-mentioned object, the present invention passes through a tip clearance (Δ) formed between an inner peripheral surface of a casing (2) and a tip part (6) of a rotor blade (4), and from a ventral side (4a). A rotary machine having a tip clearance vortex reducing plate (8) that protrudes in an eaves-like shape from the tip portion to prevent leakage of mainstream gas flowing to the back side (4b). Provide moving blades.
[0013]
According to the present invention, a tip clearance vortex reduction plate formed by projecting a leakage flow of a mainstream gas leaking from a pressure side to a suction side from a tip clearance into an eaves-like shape on an abdominal side (pressure side) of a moving blade. The energy loss due to the generated leakage vortex can be reduced, and the performance of a rotating machine such as a turbine or a compressor can be improved.
In particular, according to the present invention, the pressure difference between the pressure side (ventral side) and the suction side (back side) of the blade is large, and the high-pressure turbine or high-pressure compression which cannot be sufficiently suppressed even by the ACC method. Leakage flow in the machine can be effectively reduced by the simple shape of the moving blade.
[0014]
Here, it is preferable that the tip clearance vortex reducing plate (8) is formed so as to form a chord on the curved wing surface on the ventral side (4a).
[0015]
The pressure difference between the positive pressure surface and the negative pressure surface is large, and the protrusion near the center in the primary flow direction of the large-curvature tip portion, which has conventionally caused a large amount of leakage, is large, and the small-curvature tip portion has a small leakage flow. By making the projections small, it is possible to effectively reduce the leakage flow, and at the same time, it is possible to minimize the increase in the weight of the bucket and the effect of centrifugal force accompanying the increase in the weight.
[0016]
In the present invention, the tip clearance vortex reduction plate is formed on the ventral side of the rotor blade, but is intended to prohibit the formation of the tip clearance vortex reduction plate on the back side in addition to the ventral side. is not.
[0017]
According to a preferred embodiment, the chip clearance vortex reducing plate (8) has a tapered shape that gradually increases the height of the protrusion toward the outside in the radial direction.
[0018]
By making the protruding height of the tip clearance vortex reduction plate a tapered shape that gradually increases toward the wing tip, as described later, the tip clearance tends to escape by a radial flow flowing in the radial direction along the wing surface. It is possible to effectively prevent the leakage flow and reduce the leakage flow that causes the largest loss to the primary flow, thereby improving the performance of the rotating machine.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the drawings, the same reference numerals are used for parts common to the conventional example.
[0020]
The turbine of the present embodiment is an axial flow turbine, and has a casing having a gas flow path for gradually widening the cross-sectional area of the passage, and a stationary blade for a high-speed rotating high-pressure turbine provided in the gas flow path near the combustor outlet. A row 5 and a moving
[0021]
FIG. 1 shows a perspective view (a) as viewed from the downstream side of the moving blade of this embodiment of the high-pressure turbine moving blade, and a ZZ sectional view (b) of (a). A plurality of blades are attached to the
[0022]
The moving
[0023]
As shown in FIGS. 1 and 2 (a), a tip clearance vortex reduction plate 8 which protrudes in an eave shape so as to form a chord on the curved wing surface of the
[0024]
In a turbine blade with a high load, as shown in FIG. 5, it is possible to suppress the leakage flow flowing through the tip clearance from the
[0025]
The reason why the tip clearance vortex reducing plate 8 is formed so as to project in a chord on the blade surface on the
[0026]
Here, as shown in FIG. 1B, the tip clearance vortex reducing plate 8 of this embodiment has a tapered shape in which the protruding height gradually increases toward the blade tip. The radial flow B flowing outward in the radial direction along the
[0027]
As described above, according to the
[0028]
Although the above-described embodiment is directed to a high-pressure turbine with a high load, the present invention is not limited to this, and is applicable not only to a gas turbine but also to a compressor or a blower as long as it is a moving blade of a rotary machine. It is possible, of course, to variously change the application range and the like without departing from the gist of the present invention.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the rotating blade of the rotating machine of the present invention, by suppressing the leakage flow passing through the chip clearance and reducing the energy loss due to the leakage vortex, the performance of a gas turbine, a compressor, and the like can be improved. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a moving blade of a high-pressure turbine according to an embodiment.
FIG. 2 is a sectional view of a cooling blade (a) and a distribution diagram of a blade surface static pressure (b).
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a turbojet engine.
FIG. 4 is an enlarged view of a turbine portion of the turbofan engine.
FIG. 5 is a diagram showing a flow of a mainstream gas of a rotor blade of a turbine with a high load, using vectors.
[Explanation of symbols]
2
4b Back side (negative pressure side)
Reference Signs List 5 Stator vane for high-
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