JP2011047277A - 軸流ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、前縁と後縁が同方向に振動するストライプモードに対しても上流側翼の後流による振動応力を低減できる軸流ターボ機械を提供することにある。
【解決手段】上記目的を達成するために、上流側翼５と下流側翼４によって段落が構成される軸流ターボ機械において、下流側翼４の翼先端８の翼幅方向に見た上流側翼５の後流の間隔を、前記下流側翼４の翼先端８の翼幅Ｌに対して０.４５から０.５５倍の範囲に構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は軸流ターボ機械に係り、特に翼が上流側翼の後流に起因する流体加振力による共振を抑制するのに好適な軸流ターボ機械に関する。

軸流ターボ機械では、ロータが回転することにより、動翼はその上流側に位置する静翼からの後流を横切るため、周期的な流体加振力を受ける。また同様に、ロータの回転により動翼の後流も回転するため、静翼にも上流側動翼の後流による流体加振力が作用する。この流体加振力の加振周波数と翼の固有振動数が一致すると共振が発生し、翼に過大な応力が発生してしまう可能性がある。

翼の固有振動モードの中には、翼高さ方向に節がなく、翼幅方向に節を有するストライプモードがある。例えば、ねじり振動モードは翼幅方向節が１本のストライプモードと考えることができる。ストライプモードは翼高さ方向には同位相で振動し、上流側翼の後流に起因する流体加振力の加振パターンに近い。このため、ストライプモードは上流側翼の後流に起因する流体加振力によって励振されやすい。翼幅方向節数が偶数のストライプモードでは前縁と後縁が同方向に振動し、翼幅方向中央部が振動の腹になる。一方、翼幅方向節数が奇数のストライプモードでは前縁と後縁が逆方向に振動し、翼幅方向中央部が振動の節になる。

なお、翼の共振応力を低減する技術の一つとして、例えば特許文献１には、翼の前縁が上流側翼の後流を横切るときに、翼の後縁が下流側翼の前方に生じる局所的高圧エリアを通過するように、上流側翼と下流側翼を配置する構造が開示されている。本構造は、翼の前縁と後縁において同時に同方向に流体力を作用させることにより、翼の前縁と後縁が逆方向に振動するねじり振動モードの振動応力を低減するものである。

特開２００３−１６１２９８号公報

特許文献１に開示された構造では、前縁と後縁を同方向に加振するため、前縁と後縁が逆方向に振動する、翼幅方向節数が奇数のストライプモードの振動応力を低減できるが、前縁と後縁が同方向に振動する、翼幅方向節数が偶数のストライプモードの共振応力を低減できない。

本発明の目的は、前縁と後縁が同方向に振動するストライプモードに対しても上流側翼の後流による振動応力を低減できる軸流ターボ機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る軸流ターボ機械は、上流側翼と下流側翼によって段落が構成される軸流ターボ機械において、下流側翼の翼先端の翼幅方向に見た前記上流側翼の後流の間隔を、前記下流側翼先端の翼幅に対して０.４５から０.５５倍の範囲に構成したことを特徴とするものである。

本発明によれば、前縁と後縁が同方向に振動するストライプモードに対しても上流側翼の後流による振動応力を低減できる。

本発明の軸流ターボ機械の一実施例におけるある段落の動翼先端半径位置での円周方向展開図である。 本発明の軸流ターボ機械の一実施例の断面図である。 流体加振力と固有振動モードの関係を示す模式図である。 翼幅方向節が２本のストライプモードに対する翼幅方向に見た上流側翼の後流の間隔と振動応答の関係の計算例である。 翼幅方向節が２本のストライプモードに対する翼幅方向に見た上流側翼の後流の間隔と振動応答の関係の他の計算例である。 本発明の軸流ターボ機械の一実施例におけるある段落の静翼先端半径位置での円周方向展開図である。 軸流ターボ機械の一実施例であるガスタービンの断面図である。

本発明の基本原理は次の通りである。すなわち、翼幅方向に見た上流側翼の後流の間隔を、下流側翼の翼幅に対して０.４５倍から０.５５倍の範囲とすることにより、上流側翼の後流に起因する流体加振力が下流側翼の前縁に作用したときに、下流側翼の翼幅方向中央及び後縁にも同方向の流体加振力が作用する。これにより、翼幅方向節数が奇数のストライプモードでは前縁と後縁が逆方向に振動し、翼幅方向中央部が振動の節になるため、前縁と後縁の流体力の励振効果が相殺し、翼幅方向中央の流体力による振動応答感度が小さくなるので共振応力を低減できる。一方、翼幅方向節数が２本であるストライプモードでは前縁と後縁が同方向に振動し、翼幅方向中央部は前縁及び後縁とは逆方向に振動するため、前縁及び後縁の流体力と翼幅方向中央の流体力の励振効果が相殺し共振応力を低減できる。この結果、前縁と後縁が同方向に振動するストライプモードに対しても上流側翼の後流による振動応力を低減できる。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例である軸流ターボ機械におけるある段落の動翼先端の半径位置での円周方向展開図、図２は軸流ターボ機械の断面図である。

先ず、本実施例の軸流ターボ機械の全体構成について図２を用いて説明する。本実施例の軸流ターボ機械１は、回転するロータ２と、ロータ２を内包して、ロータ２を回転自由に保持して軸流ターボ機械の作動流体の流路を形成するケーシング３と、ロータ２の円周方向に分布して複数配置される動翼４と、ケーシング３の円周方向に分布して複数配置される静翼５とで構成される。なお、ロータ２に対して環状に配置される静翼５と動翼４は流れ方向に交互に設置されており、この静翼５と動翼４の組み合わせにより段落が形成される。複数の段落を有する軸流ターボ機械では、少なくとも１つの段落に後述する構成が適用されることになるが、複数或いは全段落に適用しても良い。

このように構成された軸流ターボ機械においては、図１中に点線で示すように、静翼５の下流側に後流が発生する。そして、ロータ２が回転すると、静翼５の下流側に配置された動翼４が後流を横切ることにより、動翼４には流体加振力が作用する。そこで、本実施例では図１の上下方向の中央に位置する動翼４を見るとわかるように、動翼先端８の翼幅方向に見た静翼５の後流の間隔が、動翼先端８の翼幅Ｌに対して０.５倍に構成している。ここで、動翼先端８における取付角をβ、静翼５のピッチをＰ、静翼５の出口角をαとすると、次式の関係が成り立つ。
Ｐ＝cosβ｜tanβ−tanα｜Ｌ／２ …（数１）

流体加振力と固有振動モードの関係を図３に示す。動翼４の前縁６に流体加振力が作用したときに、翼幅方向中央及び後縁７にも同方向の流体加振力が作用する。図３（ａ），（ｃ）に示すような翼幅方向節数が奇数（１及び３）のストライプモードでは、前縁６と後縁７が逆方向に振動し、翼幅方向中央部が振動の節となるため、前縁６と後縁７の流体力の励振効果が相殺し、翼幅方向中央の流体力による振動応答感度が小さくなるので共振応力を低減できる。なお、翼幅方向節数が３以上の奇数の場合も同様である。

一方、図３（ｂ）に示すような翼幅方向節数が２本であるストライプモードでは、前縁６と後縁７が同方向に振動し、翼幅方向中央部は前縁６及び後縁７とは逆方向に振動するため、前縁６及び後縁７の流体力と翼幅方向中央の流体力の励振効果が相殺し共振応力を低減できる。なお、翼幅方向節数が２以上の偶数の場合も同様である。

図４は、翼幅方向節が２本のストライプモードに対する翼幅方向に見た上流側翼の後流の間隔と振動応答の関係を示す図である。図４では、動翼先端８の翼幅方向に見た後流の間隔が動翼先端８の翼幅の０.５倍である場合に振動応答が最も良い状態を示している。なお、振動応力を最小化するための後流間隔の最適値は固有振動モードの正弦関数からの偏差などにより若干変化する。しかしながら、種々の条件により最適値が変動したとしても、その最適値は０.４５倍〜０.５５倍の範囲内に存在する。すなわち、動翼先端８の翼幅方向に見た後流の間隔と振動応力の関係を見出したのが本発明である。

例えば、図５は翼を自由平板と仮定したときの、翼幅方向節が２本のストライプモードに対する翼幅方向に見た上流側翼の後流の間隔と振動応答の関係を図示したものである。本ケースでは、動翼先端８の翼幅方向に見た後流の間隔の最適値は動翼先端８の翼幅の０.５倍より６％程度大きくなっている。しかし、本ケースでも後流間隔の最適値は動翼先端８の翼幅の０.４５倍〜０.５５倍の範囲内に存在している。従って、実際の設計では振動応答解析を行い、動翼先端８の翼幅方向に見た後流の間隔を、動翼先端８の翼幅の０.４５倍〜０.５５倍の範囲で最適化することが望ましい。

また、これまでは動翼先端８の翼幅を基準にした上流側翼の後流の間隔について説明してきたが、上流側翼の後流の間隔を基準にしても発明を捉えることができる。この場合、動翼先端８の翼幅方向に見た上流側翼の間隔に対して、動翼先端８の翼幅を０.９〜１.１倍の範囲で最適化することとなる。また、静翼５のピッチＰと動翼先端８の翼幅Ｌとの関係で捉えた場合、前述した数１を
Ｐ＝cosβ（tanβ−tanα）ｘＬ
と表すことができ、上記式の右辺ｘに０.４５〜０.５５、すなわち翼長Ｌの０.４５〜０.５５倍の範囲の中で最適値を設定することとなる。

本発明の軸流ターボ機械１の他の実施例を説明する。図６は、軸流ターボ機械におけるある段落の静翼先端の半径位置での円周方向展開図である。図６に示すように、動翼４の下流側には後流が発生する。そして、ロータ２が回転することにより、動翼４の後流が円周方向に移動するため、動翼４の下流側に配置された静翼５を後流が横切る。このため静翼５に流体加振力が作用する。そこで、本実施例では図６の上下方向中央の静翼５を見るとわかるように、静翼先端１０の翼幅方向に見た動翼４の後流の間隔が、静翼先端１０の翼幅Ｌに対して０.５倍としている。ここで、静翼先端１０における取付角をβ、動翼４のピッチをＰ、動翼４の出口角をαとすると、前述した（数１）と同様の関係が成り立つ。

本実施例も実施例１と同様に、図３に図示するような翼幅方向節数が奇数（１及び３）のストライプモード及び翼幅方向節数が２本であるストライプモードにおいて静翼５の共振応力を低減できる。また、実際の設計では振動応答解析を行い、静翼先端１０の翼幅方向に見た後流の間隔を翼幅の図4に示す０.４５倍〜０.５５倍の範囲で最適化することが望ましい。

次に、本発明の軸流ターボ機械の一実施例としてガスタービンを例に用い、その全体構成について図６を用いて説明する。ガスタービンは、大別して空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮された空気と燃料とを燃焼させる燃焼器１２と、燃焼器１２で発生した燃焼ガスにより駆動されるタービン１３により構成されている。また、圧縮機１１は回転軸である圧縮機ロータ１４と、ケーシングである圧縮機外筒１５、この圧縮機外筒１５により保持される圧縮機静翼１６，圧縮機ロータ１４に取り付けられる圧縮機動翼１７によって構成される。また、タービン１３は、タービンロータ１８と、ケーシングであるタービン外筒１９と、このタービン外筒１９により保持されるタービン静翼２０，タービンロータ１８に取り付けられるタービン動翼２１によって構成される。

以上のように構成されたガスタービンにおいて、圧縮機１１の圧縮機静翼１６，圧縮機動翼１７、或いはタービン１３のタービン静翼２０，タービン動翼２１を実施例１，２で説明した構成とすることにより、前縁と後縁が同方向に振動するストライプモードに対しても上流側翼の後流による振動応力を低減することが可能となる。

１ 軸流ターボ機械
２ ロータ
３ ケーシング
４ 動翼
５ 静翼
６ 前縁
７ 後縁
８ 動翼先端
９ 根元
１０ 静翼先端

Claims (5)

1. 上流側翼と下流側翼によって段落が構成される軸流ターボ機械において、
   下流側翼の翼先端の翼幅方向に見た前記上流側翼の後流の間隔を、前記下流側翼先端の翼幅に対して０.４５から０.５５倍の範囲に構成したことを特徴とする軸流ターボ機械。
2. 上流側翼と下流側翼によって段落が構成される軸流ターボ機械において、
   下流側翼の翼先端の翼幅方向に見た前記上流側翼の後流の間隔に対して、前記下流側翼先端の翼幅を０.９から１.１倍の範囲に構成したことを特徴とする軸流ターボ機械。
3. 上流側翼と下流側翼によって段落が構成される軸流ターボ機械において、
   前記上流側翼の出口角α，前記下流側翼の先端における取付角β，前記上流側翼のピッチＰ，前記下流側翼の先端における翼幅Ｌの関係を
   Ｐ＝cosβ（tanβ−tanα）ｘＬ
   とし、ｘを０.４５から０.５５の範囲で設定することを特徴とする軸流ターボ機械。
4. 回転するロータと、該ロータを内包するケーシングと、前記ロータの円周方向に分布して複数配置される動翼と、前記ケーシングの円周方向に分布して複数配置される静翼とを有する軸流ターボ機械において、
   前記動翼先端の翼幅方向に見た前記静翼の後流の間隔を、前記動翼先端の翼幅に対して０.４５から０.５５倍の範囲に構成したことを特徴とする軸流ターボ機械。
5. 回転するロータと、該ロータを内包するケーシングと、前記ロータの円周方向に分布して複数配置される動翼と、前記ケーシングの円周方向に複数配置される静翼とを有する軸流ターボ機械において、
   前記静翼先端の翼幅方向に見た前記動翼の後流の間隔を、前記静翼先端の翼幅に対して０.４５から０.５５倍の範囲に構成したことを特徴とする軸流ターボ機械。

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