JP2008509316A - 圧縮機翼並びに圧縮機翼の製造方法と利用 - Google Patents

Abstract

本発明は、主軸線（５３）に沿って翼脚（５５）と翼台座部（５９）とそれに続く翼形部先端付き翼形部（６１）を有し、この翼形部（６１）が凸面状背側壁（６９）と該背側壁（６９）とは反対側の凹面状腹側壁（６７）により形成され、これらの両側壁（６９、６７）が流れ媒体に関して入口縁（６３）から出口縁（６５）まで延び、前記両側壁（６９、６７）間の中央を翼形部中心線（７１）が延び、翼形部先端（７２）に主軸線（５３）に対して直角に延びる端面（７３）が配置され、この端面（７３）においてシール舌片（７５）が少なくとも部分的に入口縁（６３）から出口縁（６５）まで延び、翼形部（６１）がシール舌片（７５）を含めて主軸線（５３）の方向に延びる翼高（Ｈ）を有する圧縮機（９）の翼（５０）に関する。漏れ止め作用を変化させることなしにシール舌片が変更された安価で空力学的に良好な圧縮機翼を得るために、シール舌片（７５）の高さ（ＨＬ）が前記翼高（Ｈ）の２％以下であることを提案する。

Description

本発明は、主軸線に沿って翼脚と翼台座部とそれに続く翼形部先端付き翼形部を有し、該翼形部が凸面状背側壁と該背側壁とは反対側の凹面状腹側壁により形成され、これらの両側壁が流れ媒体に関して入口縁から出口縁まで延び、前記両側壁間の中央を翼形部中心線が延び、翼形部先端に主軸線に対して直角に延びる端面が配置され、該端面において翼形部と一体に形成されたシール舌片が、少なくとも部分的に入口縁から出口縁まで、背側壁および腹側壁から間隔を隔てて翼形部中心線に沿って延び、翼形部がシール舌片を含めて主軸線の方向に延びる翼高を有する圧縮機の翼に関する。

翼形部（羽根）に一体成形されたシール舌片を備えたタービン翼は米国特許第６０３９５３１号明細書で知られている。そのシール舌片は翼形部先端において翼の背と翼の腹との間を同心的に延びている。

また特開２０００−１３０１０２号公報で、翼形部の自由端に端面を有し、その端面において翼の腹側部位に舌状リブが入口縁から出口縁まで延びている圧縮機翼が知られている。その圧縮機翼のリブは、圧縮機の運転中、翼先端と圧縮機流路の境界面との間で生ずる圧縮機における先端隙間損失を減少するために、シール要素として用いられる。

翼の腹側におけるかすめ縁付きのかかるシール舌片の製造は、特に周縁区域が大きく補正された翼、即ち、先端部位が特に大きく湾曲された翼の場合、その製造ないし輪郭フライス削りが五軸フライス装置（フライス盤）により実施されるので、かなりの経費がかかる。腹側壁とシール舌片幾何学形状をフライス削りした後、必要な表面品質を得るために、翼は腹側が手作業で研削加工される。この手作業加工は、例えば傷や不良輪郭のような不利な製造欠陥をしばしば生じさせる。

本発明の課題は、シール舌片の漏れ止め作用を害することのない空力学的に良好な圧縮機翼を提供することにある。また本発明の課題は、かかる圧縮機翼の経済的な製造方法並びにその利用を提供することにある。

圧縮機翼に関する課題は請求項１に記載の特徴によって解決され、製造方法に関する課題は請求項６に記載の特徴によって解決され、利用に関する課題は請求項８に記載の特徴によって解決される。

本発明は、シール舌片の高さが翼高の２％以下であることを提案する。

本発明は、圧縮機翼の翼形部（羽根）の幾何学形状的に厳しく要求される空力学的形状のために、翼形部が五軸フライス装置あるいは精密鍛造で製造されるけれども、圧縮機翼の本発明に基づくシール舌片が三軸フライス装置によって安価に製造されるという認識から出発している。

従って、その製造のために、単純な製造方法および／又は使用上経済的な機械が採用できる。これは特に、先端部位が比較的大きく湾曲された圧縮機翼の場合に特に有利である。

また、例えば手作業再加工のような経費がかかり欠陥を生じ易い製造工程が省かれる。その製造工程は短縮する。さらに、手作業再加工の省略は非常に高い工程信頼性を生じさせる。

また、本発明に基づくシール舌片の幾何学形状の精度は、翼の腹に対して平行に形成されたシール舌片よりも簡単に検査でき、管理できる。

本発明によれば、シール舌片の高さは翼高の２％以下である。従来、翼形部と一体化されたシール舌片は、製造技術上の理由から大きな高さを有していた。

計算の結果、翼端面における新たに選定されたシール舌片の大きさは、翼形部の空力学的性能に悪い影響を与えず、むしろ、低いシール舌片により、翼形部の空力学的に良好な有効面積が増大することが確認され、これは、本発明に基づく圧縮機翼が装備された圧縮機において、空力学的性能を向上し、翼形部の先端部位における乱流を少なくし、全体として、効率を高める。

有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

特に、シール舌片が主軸線に対して平行に延びる腹側面と背側面を有していることによって、シール舌片は特に簡単に、従って安価に製造できる。また、シール舌片の両側面を、これらが翼形部中心線に対して平行に延びるように製造することを推奨する。その結果、シール舌片の側面は空力学的に成形されず、即ち、翼形部の側壁の輪郭のように主軸線に対して傾斜していない。また、シール舌片は翼形部先端における先端隙間損失を減少する。

有利な実施態様において、シール舌片の両側面は、圧縮機のロータの半径に対して垂直なかすめ面により互いに接続されている。これにより、車室部品ないしハブ部品と圧縮機翼との間に、隙間損失を減少する円筒状隙間が形成される。

本発明に基づく圧縮機翼は、動翼並びに静翼として同じように有利に利用できる。

シール舌片の少なくとも片側側面が翼形部端面に移行半径を介して結合され、この半径の大きさがシール舌片の高さの２５％以下であることが特に有利である。特に小さな移行半径のために、極めて低いシール舌片高さが得られる。かかる移行半径の製造はシール舌片と共に、三軸フライス装置におけるエンドミルによって安価に行われる。これに対して、特に入口縁と出口縁との中間部位における大きな移行半径で切削加工されたシール舌片を備えた従来の大きく湾曲された翼形部は、入口縁および出口縁の部位におけるより大きなシール舌片高さを有し、これは従来、乱流を生じさせた。そのようなシール舌片の凸面状経過ないしその高さは、非常に小さな移行半径により回避される。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

圧縮機およびガスタービン並びにその運転方法は一般に知られている。このため、図１は回転軸線３を中心として回転可能に支持されたロータ５を備えたガスタービン１を示している。

ガスタービン１は、回転軸線３に沿って順々に、吸込み室７、圧縮機９、トーラス形環状燃焼器１１、タービン装置１３を有している。

圧縮機９並びにタービン装置１３に、静翼１５および動翼１７がそれぞれ翼輪（翼列）の形で配置されている。圧縮機９において動翼輪１９に静翼輪２１が続いている。その動翼１７はロータ５にタービン円板２３により固定され、これに対して、静翼１５は車室２５に固定して配置されている。

同様に、タービン装置１３において静翼１５から成る翼輪（翼列）２１が配置され、その各静翼輪２１に流れ媒体の流れ方向に見て動翼１７から成る翼輪（翼列）が続いている。

静翼１５および動翼１７のそれぞれの翼形部（羽根）は、環状流路２７の中に放射状に延びている。

ガスタービン１の運転中、圧縮機９によって空気２９が吸込み室７を通して吸い込まれ圧縮される。その圧縮空気は圧縮機９の出口３１から複数のバーナ３３に導かれる。これらのバーナ３３は環状燃焼器１１に円周方向に分布して配置されている。各バーナにおいて圧縮空気２９が燃料３５と混合され、その燃料混合気が環状燃焼器１１で燃焼され、高温の燃焼ガス３７が発生される。その燃焼ガス３７は続いてタービン装置１３の流路２７を貫通する際に静翼１５および動翼１７に流れこむ。その際、燃焼ガス３７はタービン装置１３の動翼１７で仕事をしながら膨張する。これにより、ガスタービン１のロータ５が回転運動され、この回転運動が圧縮機９の駆動と作業機械（図示せず）の駆動に利用される。

図２は圧縮機翼５０を斜視図で示している。圧縮機翼５０は主軸線５３に沿って、翼脚５５と翼台座５９付き翼台座部５７と翼形部（羽根）６１を有している。翼形部６１に、圧縮機９の運転中、空気２９が流入する。この空気２９は翼形部６１にその入口縁６３で流入し、出口縁６５から出る。翼形部６１は腹側壁６７と背側壁６９で形成され、主軸線５３の方向に延びる翼高Ｈを有している。

翼形部中心線７１が入口縁６３から出口縁６５まで延び、この翼形部中心線７１は、その経過のあらゆる箇所で、背側壁６９並びに腹側壁６７と垂直に交差する垂線７４を有している。その場合、垂線７４と翼形部中心線７１との交点と腹側壁６７と垂線７４との交点との第１間隔Ｂは、翼形部中心線７１と垂線７４との交点と背側壁６９と垂線７４との交点との第２間隔Ａと同じである。

さらに、翼形部６１はその翼台座５９とは反対側の先端７２に翼形部端面７３を有し、この翼形部端面７３にシール舌片７５が配置されている。このシール舌片７５は翼形部６１より薄肉であり、入口縁６３から出口縁６５まで延び、翼形部中心線７１に沿って、即ち、背側壁６９および腹側壁６７から間隔を隔てて延びている。

かすめ縁とも呼ぶシール舌片７５は、腹側壁６７の側の第１側面７９、背側壁６９の側の第２側面７７を有している。

シール舌片７５の湾曲された側面７７、７９は、主軸線５３に対して平行に延び、また翼形部中心線７１に対しても平行に延びている。これに対して、翼形部６１の背側壁６９並びに翼形部６１の腹側壁６７は、空力学的理由から傾斜され、即ち、主軸線３５に対して傾斜して延びている。これにより、従来の翼に比べて、シール舌片７５を簡単に製造することができる。

また、シール舌片７５の両側面７７、７９は、圧縮機９のロータ５の半径に対して垂直なかすめ面８１により互いに接続されている。

シール舌片７５は主軸線５３に対して平行に延びる高さＨＬを有し、この高さＨＬは翼形部の端面７３とかすめ面８１との距離であり、翼高Ｈの一部である。

図３は本発明に基づくかすめ縁を詳細に示している。この図から、シール舌片７５が背側壁６９と腹側壁６７との間の中央を入口縁６３から出口縁６５まで延び、主軸線５３および翼形部中心線７１に対して平行に延びる両側面７７、７９を有していることが明らかに理解できる。

その両側面７７、７９は移行部半径Ｒを介して端面７３に移行し、この半径Ｒは、好適には、最高でシール舌片７５の高さＨＬの２５％以下である。これにより、特に低いシール舌片が製造でき、その高さＨＬは翼高Ｈの２％以下である。

シール舌片７５の新たな幾何学形状と位置とにより、傷つけ易く高価な製造工程が省かれる。これにより、製造費並びに圧縮機翼５０の不良率が減少される。圧縮機翼５０と内部車室との間の半径方向空隙における先端隙間損失の悪化は生ぜず、小さくされた実行し得る最大の空力学的有効翼形部面積に基づく流れ損失と同じように僅かとなる。

圧縮機を備えたガスタービンの部分縦断面図。 本発明に基づく圧縮機翼の斜視図。 圧縮機翼の端面の詳細図。

符号の説明

９ 圧縮機
５０ 圧縮機翼
５３ 主軸線
５５ 翼脚
５９ 翼台座
６１ 翼形部（羽根）
６３ 入口縁
６５ 出口縁
７１ 翼形部中心線
７３ 翼形部端面
７５ シール舌片
Ｈ 翼形部高さ
ＨＬ シール舌片高さ

Claims (8)

1. 主軸線（５３）に沿って翼脚（５５）と翼台座部（５９）とそれに続く翼形部先端（７２）付き翼形部（６１）を有し、該翼形部（６１）が凸面状背側壁（６９）と該背側壁（６９）とは反対側の凹面状腹側壁（６７）により形成され、これらの両側壁（６９、６７）が流れ媒体に関して入口縁（６３）から出口縁（６５）まで延び、前記両側壁（６９、６７）間の中央を翼形部中心線（７１）が延び、翼形部先端（７２）に主軸線（５３）に対して直角に延びる端面（７３）が配置され、該端面（７３）において翼形部（６１）と一体に形成されたシール舌片（７５）が、少なくとも部分的に入口縁（６３）から出口縁（６５）まで、背側壁（６９）および腹側壁（６７）から間隔を隔てて翼形部中心線（７１）に沿って延び、翼形部（６１）がシール舌片（７５）を含めて主軸線（５３）の方向に延びる翼高（Ｈ）を有する圧縮機（１９）の翼（５０）において、シール舌片（７５）の高さ（ＨＬ）が前記翼高（Ｈ）の２％以下であることを特徴とする圧縮機翼。
2. シール舌片（７５）が主軸線（５３）に対して平行に延びる背側面（７９）と腹側面（７７）を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機翼。
3. シール舌片（７５）の両側面（７９、７７）が翼形部中心線（７１）に対して平行に延びていることを特徴とする請求項２に記載の圧縮機翼。
4. シール舌片（７５）の両側面（７９、７７）が、圧縮機（９）のロータ（５）の半径に対して垂直なかすめ面（８１）により互いに接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧縮機翼。
5. シール舌片（７５）の少なくとも片側側面（７７、７９）が翼形部端面（７３）に移行半径（Ｒ）を介して結合され、該移行半径（Ｒ）の大きさがシール舌片（７５）の高さ（ＨＬ）の２５％以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧縮機翼。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載のシール舌片（７５）付き圧縮機翼（５０）の製造方法において、翼形部（６１）の先端（７２）にシール舌片（７５）が三軸フライス装置により切削加工されることを特徴とする圧縮機翼の製造方法。
7. 圧縮機翼（５０）がフライス削りあるいは精密鍛造により製造されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧縮機（９）の翼の利用において、特に定置形軸流ガスタービン（１）の圧縮機に利用されることを特徴とする圧縮機翼の利用。

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