JP2008248734A - 軸流流体機械用翼 - Google Patents

Abstract

【課題】翼の摩擦損失を低減させることができるとともに、高いサージ耐性を備えた軸流流体機械用翼を提供すること。
【解決手段】軸流流体機械に用いられる軸流流体機械用翼６０であって、前縁６１が、そのチップ部、ミッドスパン部、およびそのルート部において上流側に向かって突出し、後縁６２が、そのチップ部、およびルート部において下流側に向かって突出するように形成され、後縁６２により形成される後縁スタッキングラインが、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、軸流流体機械（例えば、軸流圧縮機等）に用いられる翼（例えば、静翼）に関するものである。

軸流流体機械に用いられる翼としては、例えば、特許文献１，２に開示されたものが知られている。
特開平１０−１０３００２号公報 特開平１０−１８４３０３号公報

上記特許文献１に開示されている翼は、その前縁のチップ部およびルート部が上流側に向かって突出した、平面視略Ｕ字状を呈する前縁を備えたものである。
また、上記特許文献２に開示されている翼は、その後縁のチップ部およびルート部が下流側に向かって突出した、平面視略Ｕ字状を呈する後縁を備えたものである。
さて、翼の摩擦損失を低減させて、軸流流体機械の性能を向上させるには、上記特許文献１の発明と上記特許文献２の発明とを組み合わせて、翼全体の表面積の低減化を図り、翼の摩擦損失を大幅に低減させて、軸流流体機械の性能を向上させることが考えられる。
しかしながら、上記特許文献１に開示された翼と上記特許文献２に開示された翼とを組み合わせたような翼では、ミッドスパン部におけるコード長がその他の部分のコード長に比べて短くなってしまう。そのため、定格点では翼の摩擦損失を低減させて、軸流流体機械の性能を向上させることができるが、例えば、高負荷時に、作動点が定格点よりも圧力比大の側に移動すると、ミッドスパン部において空気流が剥離して、サージが生じてしまうといった問題点がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、摩擦損失を低減させることができるとともに、高いサージ耐性を備えた軸流流体機械用翼を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る軸流流体機械用翼は、軸流流体機械に用いられる軸流流体機械用翼であって、前縁が、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において上流側に向かって突出し、後縁が、そのチップ部およびそのルート部において下流側に向かって突出するように形成され、かつ、後縁により形成される後縁スタッキングラインが、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されている。

本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、その前縁が平面視略Ｗ字状を呈するように、かつ、その後縁が平面視略Ｕ字状を呈するように形成されているので、軸流流体機械用翼全体のコード長を低減させることができ、軸流流体機械用翼全体の表面積を低減させることができる。
また、その後縁に形成される後縁スタッキングラインが平面視略Ｗ字状を呈するように形成されているので、例えば、図３（ａ）〜図３（ｃ）および図４中に実線矢印で示すように、軸流流体機械用翼のミッドスパン部を通過する作動流体（例えば、燃焼用空気）を、チップ部およびルート部に向かって進行させることができ、後縁チップ部および後縁ルート部における剥離を低減させる（抑制する）ことができる。
すなわち、本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、特に、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間における領域の摩擦損失、並びに、後縁チップ部、および後縁ルート部における圧力損失を低減させることができ、軸流流体機械用翼全体としての損失を、例えば、図５に破線で示すように低減させることができる。

また、本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）におけるコード長が、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間におけるコード長よりも長くなるように（例えば、０％Ｈｔにおけるコード長および１００％Ｈｔにおけるコード長と略等しくなるように）形作られているので、高負荷時に、作動点が定格点よりも圧力比大の側に移動したとしても５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）における作動流体の流れの剥離を防止することができて、サージ耐性の低下を防止することができる。
さらに、本発明に係る軸流流体機械用翼は、その前縁および後縁を削り取るようにして作製されている（すなわち、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部を上流側および／または下流側に増設するようにして作製されたものではない）ので、軸方向における寸法が大型化してしまうことを回避することができる。

本発明に係る軸流流体機械用翼は、軸流流体機械に用いられる軸流流体機械用翼であって、前縁が、そのチップ部およびそのルート部において上流側に向かって突出し、後縁が、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において下流側に向かって突出するように形成され、後縁により形成される後縁スタッキングラインが、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されている。

本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、その前縁が平面視略Ｕ字状を呈するように、かつ、その後縁が平面視略Ｗ字状を呈するように形成されているので、軸流流体機械用翼全体のコード長を低減させることができ、軸流流体機械用翼全体の表面積を低減させることができる。
また、その後縁に形成される後縁スタッキングラインが平面視略Ｗ字状を呈するように形成されているので、例えば、図３（ａ）〜図３（ｃ）および図４中に実線矢印で示すように、軸流流体機械用翼のミッドスパン部を通過する作動流体（例えば、燃焼用空気）を、チップ部およびルート部に向かって進行させることができ、後縁チップ部および後縁ルート部における剥離を低減させる（抑制する）ことができる。
すなわち、本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、特に、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間における領域の摩擦損失、並びに、後縁チップ部、および後縁ルート部における圧力損失を低減させることができ、軸流流体機械用翼全体としての損失を、例えば、図５に破線で示すように低減させることができる。

また、本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）におけるコード長が、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間におけるコード長よりも長くなるように（例えば、０％Ｈｔにおけるコード長および１００％Ｈｔにおけるコード長と略等しくなるように）形作られているので、高負荷時に、作動点が定格点よりも圧力比大の側に移動したとしても５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）における作動流体の流れの剥離を防止することができて、サージ耐性の低下を防止することができる。
さらに、本発明に係る軸流流体機械用翼は、その前縁および後縁を削り取るようにして作製されている（すなわち、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部を上流側および／または下流側に増設するようにして作製されたものではない）ので、軸方向における寸法が大型化してしまうことを回避することができる。

本発明による軸流流体機械用翼は、軸流流体機械に用いられる軸流流体機械用翼であって、０％Ｈｔ（Ｈｔは翼高さ）をその根元、１００％Ｈｔをその先端とした場合に、２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が、５０％Ｈｔ付近におけるコード長よりも短くなるように形成され、後縁により形成される後縁スタッキングラインが、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されている。

本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、その前縁が、例えば、平面視略Ｗ字状または平面視略Ｕ字状を呈するように、かつ、その後縁が、例えば、平面視略Ｕ字状または平面視略Ｗ字状を呈するように形成されているので、軸流流体機械用翼全体のコード長を低減させることができ、軸流流体機械用翼全体の表面積を低減させることができる。
また、その後縁に形成される後縁スタッキングラインが平面視略Ｗ字状を呈するように形成されているので、例えば、図３（ａ）〜図３（ｃ）および図４中に実線矢印で示すように、軸流流体機械用翼のミッドスパン部を通過する作動流体（例えば、燃焼用空気）を、チップ部およびルート部に向かって進行させることができ、後縁チップ部および後縁ルート部における剥離を低減させる（抑制する）ことができる。
すなわち、本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、特に、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間における領域の摩擦損失、並びに、後縁チップ部、および後縁ルート部における圧力損失を低減させることができ、軸流流体機械用翼全体としての損失を、例えば、図５に破線で示すように低減させることができる。

また、本発明に係る軸流流体機械用翼によれば、５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）におけるコード長が、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間におけるコード長よりも長くなるように（例えば、０％Ｈｔにおけるコード長および１００％Ｈｔにおけるコード長と略等しくなるように）形作られているので、高負荷時に、作動点が定格点よりも圧力比大の側に移動したとしても５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）における作動流体の流れの剥離を防止することができて、サージ耐性の低下を防止することができる。
さらに、本発明に係る軸流流体機械用翼は、その前縁および後縁を削り取るようにして作製されている（すなわち、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部を上流側および／または下流側に増設するようにして作製されたものではない）ので、軸方向における寸法が大型化してしまうことを回避することができる。

上記軸流流体機械用翼において、前縁により形成される前縁スタッキングラインが、そのチップ部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されているとさらに好適である。

このような軸流流体機械用翼によれば、その前縁に形成される前縁スタッキングラインが平面視略Ｕ字状を呈するように形成されており、軸流流体機械用翼のミッドスパン部を通過する作動流体（例えば、燃焼用空気）が、チップ部およびルート部に向かってよりスムーズに導かれることとなるので、後縁チップ部および後縁ルート部における剥離をさらに低減させる（抑制する）ことができ、後縁チップ部、および後縁ルート部における圧力損失をさらに低減させることができる。

本発明に係る軸流流体機械は、翼の摩擦損失を低減させることができるとともに、高いサージ耐性を有する軸流流体機械用翼を備えている。

本発明に係る軸流流体機械によれば、性能が向上するとともに、サージマージンが向上することとなる。

本発明によれば、摩擦損失を低減させることができるとともに、サージ耐性の低下を防止することができる。

以下、本発明に係る軸流流体機械用翼の第１実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る軸流流体機械用翼（以下、「静翼」という）６０を具備したガスタービン１０を示す図であって、車室上半部を取り外した状態を示す概略斜視図ある。

図１に示すように、ガスタービン１０は、燃焼用空気を圧縮する圧縮部（軸流流体機械）２０と、この圧縮部２０から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部３０と、この燃焼部３０の下流側に位置し、燃焼部３０を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部４０とを主たる要素とするものである。

圧縮部２０は、ロータアセンブリ２１と、静翼アセンブリ２２とを具備するものである。
ロータアセンブリ２１は、車室５０内に設けられたジャーナル軸受５１上に配置される軸２１ａ、およびこの軸２１ａに設けられた複数枚の動翼ディスク２１ｂを備えている。また、この動翼ディスク２１ｂには、複数枚の動翼２１ｃが設けられている。
静翼アセンブリ２２は、それら動翼ディスク２１ｂに対し軸方向に隣接して配置されるとともに、車室５０の周方向に沿って複数のセグメントに分割されたものであり、例えば、車室５０の上半部・下半部においてそれぞれ２つずつのセグメントに分割されているものでは、４つのセグメント（すなわち４つの静翼アセンブリ）で１段分のステータ部を構成していることとなる。
また、静翼アセンブリ２２は、環状に配列された複数の静翼６０を備えるとともに、後段に位置する動翼２１ｃ（またはディフューザ２６）に空気流を導くものである。

つぎに、本実施形態に係る静翼６０を、図２および図３を用いて詳細に説明する。図２は図１に示す静翼６０を上流側から見た図であって、（ａ）は鳥瞰図、（ｂ）は正面図であり、図３は本実施形態に係る静翼６０を詳細に説明するための図であって、（ａ）は図２（ａ）および図２（ｂ）に示す矢印Ａに沿って見た平面図、すなわち、静翼６０を、その背面側を下にして平らな机の上に置いたときに上方から見ることのできる輪郭を示す図、（ｂ）は上流側から前縁を見た図、すなわち、前縁により形成される前縁スタッキングラインを示す図、（ｃ）は上流側から後縁を見た図、すなわち、後縁により形成される後縁スタッキングラインを示す図である。
なお、図２において紙面の手前側が前縁側、奥側が後縁側、上側がチップ（先端）側、下側がルート（根元）側であり、図３（ａ）において紙面の左側が前縁側、右側が後縁側、上側がチップ（先端）側、下側がルート（根元）側である。
また、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す白抜き矢印は、空気流の流れ方向を示している。

図２（ａ）および図３（ａ）に示すように、静翼６０の前縁６１は、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部が上流側（燃焼用空気の流れに対して上流側）に向かって突出した、平面視略Ｗ字状を呈するように形成されている。
また、図３（ａ）に示すように、静翼６０の後縁６２は、そのチップ部、およびルート部が下流側（燃焼用空気の流れに対して下流側）に向かって突出した、平面視略Ｕ字状を呈するように形成されている。
すなわち、静翼６０は、２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が、５０％Ｈｔ付近におけるコード長よりも短くなるように（言い換えれば、２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が最も短くなるように）作製されている。
なお、５０％Ｈｔ付近のコード長は、０％Ｈｔにおけるコード長および１００％Ｈｔにおけるコード長と略等しい。
また、０％Ｈｔとは静翼６０の根元、１００％Ｈｔとは静翼６０の先端のことである。

さらに、図２（ａ）、図２（ｂ）、および図３（ｂ）に示すように、静翼６０の前縁６１により形成される前縁スタッキングラインは、そのチップ部、およびルート部が背側に向かって突出した、平面視略Ｕ字状を呈するように形成されている。
さらにまた、静翼６０の後縁６２により形成される後縁スタッキングラインは、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部が背側に向かって突出した、平面視略Ｗ字状を呈するように形成されている。
そして、図２（ｂ）に示すように、静翼６０はそれぞれ、そのチップがルートよりもＺ側、すなわち、隣接して配置された静翼６０の背側に位置するように取り付けられている。

本実施形態に係る静翼６０によれば、その前縁６１が平面視略Ｗ字状を呈するように、かつ、その後縁６２が平面視略Ｕ字状を呈するように形成されているので、静翼６０全体のコード長を低減させることができ、静翼６０全体の表面積を低減させることができる。
また、その前縁スタッキングラインが平面視略Ｕ字状を呈するように、かつ、その後縁スタッキングラインが平面視略Ｗ字状を呈するように形成されているので、図３（ａ）〜図３（ｃ）および図４中に実線矢印で示すように、静翼６０のミッドスパン部を通過する燃焼用空気を、チップ部およびルート部に向かって進行させることができ、後縁チップ部および後縁ルート部における剥離を低減させる（抑制する）ことができる。
すなわち、本実施形態に係る静翼６０によれば、特に、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間における領域の摩擦損失、並びに、後縁チップ部、および後縁ルート部における圧力損失を低減させることができ、静翼６０全体としての損失を図５に破線で示すように低減させることができる。

なお、図５中の太い実線は、図３に示す前縁６１と、ルートからチップにかけて直線状とされた（すなわち、ルートからチップにかけて凹凸を有しない）後縁とを有する静翼についてのものである。
また、図５中の破線は、２５％Ｈｔ付近におけるコード長および７５％Ｈｔ付近におけるコード長が、５０％Ｈｔ付近におけるコード長よりも短くなるように（言い換えれば、２５％Ｈｔ付近におけるコード長および７５％Ｈｔ付近におけるコード長が最も短くなるように）作製された静翼６０のものである。
さらに、図４の静翼６０中に描いた細い実線は、流線を示している。

また、本実施形態に係る静翼６０によれば、５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）におけるコード長が、チップ部とミッドスパン部との間、およびミッドスパン部とルート部との間におけるコード長よりも長くなるように（例えば、０％Ｈｔにおけるコード長および１００％Ｈｔにおけるコード長と略等しくなるように）形作られているので、高負荷時に、作動点が定格点よりも圧力比大の側に移動したとしても５０％Ｈｔ付近（ミッドスパン部）における空気流の剥離を防止することができて、サージ耐性の低下を防止することができる。
さらに、本実施形態に係る静翼６０は、その前縁および後縁を削り取るようにして作製されている（すなわち、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部を上流側および／または下流側に増設するようにして作製されたものではない）ので、軸方向における寸法が大型化してしまうことを回避することができる。

本実施形態による静翼６０を備えた圧縮部２０では、その性能が向上するとともに、サージマージンが向上することとなる。

本発明による静翼の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。
本実施形態に係る静翼７０は、その前縁７１が平面視略Ｕ字状を呈するように、かつ、その後縁７２が平面視略Ｗ字状を呈するように形成されているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

図３（ａ）と同様の図である図６に示すように、静翼７０の前縁７１は、そのチップ部、およびルート部が上流側（燃焼用空気の流れに対して上流側）に向かって突出した、平面視略Ｕ字状を呈するように形成されている。また、静翼７０の後縁７２は、そのチップ部、ミッドスパン部、およびそのルート部が下流側（燃焼用空気の流れに対して下流側）に向かって突出した、平面視略Ｗ字状を呈するように形成されている。すなわち、静翼７０は、２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が、５０％Ｈｔ付近におけるコード長よりも短くなるように（言い換えれば、２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が最も短くなるように）作製されている。
なお、５０％Ｈｔ付近のコード長は、０％Ｈｔにおけるコード長および１００％Ｈｔにおけるコード長と略等しい。
また、０％Ｈｔとは静翼７０の根元、１００％Ｈｔとは静翼７０の先端のことである。

作用効果については、前述した第１実施形態と同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明による静翼６０，７０は、特に亜音速段において用いられると好適である。

なお、本発明は上述した実施形態では、２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が、５０％Ｈｔ付近におけるコード長よりも短くなるように（言い換えれば、２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が最も短くなるように）作製されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、２５％Ｈｔ付近におけるコード長および７５％Ｈｔ付近におけるコード長が、５０％Ｈｔ付近におけるコード長よりも短くなるように作製することもできる。また、どの部分のコード長をどの部分のコード長よりも短くするといった点については、適宜必要に応じて変更され得る事項である。

また、本発明は静翼のみに適用され得るものではなく、動翼にも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る軸流流体機械用翼を具備したガスタービンを示す図であって、車室上半部を取り外した状態を示す概略斜視図である。 図１に示す軸流流体機械用翼を上流側から見た図であって、（ａ）は鳥瞰図、（ｂ）は正面図である。 本発明の第１実施形態に係る軸流流体機械用翼を詳細に説明するための図であって、（ａ）は図２（ａ）および図２（ｂ）に示す矢印Ａに沿って見た平面図、（ｂ）は上流側から前縁を見た図、（ｃ）は上流側から後縁を見た図である。 本発明の第１実施形態に係る軸流流体機械用翼の背側に沿って形成される流線の状態を示す図である。 本発明に係る軸流流体機械用翼の摩擦損失と、従来の軸流流体機械用翼の摩擦損失とを比較したグラフである。 本発明の第２実施形態に係る軸流流体機械用翼を示す図であって、図３（ａ）と同様の図である。

符号の説明

２０ 圧縮部（軸流流体機械）
６０ 静翼（軸流流体機械用翼）
６１ 前縁
６２ 後縁
７０ 静翼（軸流流体機械用翼）
７１ 前縁
７２ 後縁

Claims (5)

1. 軸流流体機械に用いられる軸流流体機械用翼であって、
   前縁が、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において上流側に向かって突出し、後縁が、そのチップ部およびそのルート部において下流側に向かって突出するように形成され、かつ、
   後縁により形成される後縁スタッキングラインが、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されていることを特徴とする軸流流体機械用翼。
2. 軸流流体機械に用いられる軸流流体機械用翼であって、
   前縁が、そのチップ部およびそのルート部において上流側に向かって突出し、後縁が、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において下流側に向かって突出するように形成され、かつ、
   後縁により形成される後縁スタッキングラインが、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されていることを特徴とする軸流流体機械用翼。
3. 軸流流体機械に用いられる軸流流体機械用翼であって、
   ０％Ｈｔ（Ｈｔは翼高さ）をその根元、１００％Ｈｔをその先端とした場合に、
   ２０％Ｈｔ付近におけるコード長および８０％Ｈｔ付近におけるコード長が、５０％Ｈｔ付近におけるコード長よりも短くなるように形成され、かつ、
   後縁により形成される後縁スタッキングラインが、そのチップ部、ミッドスパン部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されていることを特徴とする軸流流体機械用翼。
4. 前縁により形成される前縁スタッキングラインが、そのチップ部、およびルート部において背側に向かって突出するように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の軸流流体機械用翼。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の軸流流体機械用翼を備えてなることを特徴とする軸流流体機械。

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