JP2014101889A - Gas turbine stationary vane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はガスタービンの静翼に関する。 The present invention relates to a stationary blade of a gas turbine.
翼に掛かる負荷が大きい翼では、内周側,タービンケーシング側によらずエンドウォール近傍で主流ガスの流れに対して垂直な断面での流れ、つまり二次流れが大きくなる。二次流れが大きくなることでエンドウォール近傍の流量が減少し、その分、平均径付近での流量が増加し翼負荷が増大する。その結果、全圧損失の増大を招くことが知られている。 In a blade with a large load on the blade, the flow in a cross section perpendicular to the flow of the main gas in the vicinity of the end wall, that is, the secondary flow is large near the end wall regardless of the inner peripheral side and the turbine casing side. As the secondary flow increases, the flow rate in the vicinity of the end wall decreases, and accordingly, the flow rate in the vicinity of the average diameter increases and the blade load increases. As a result, it is known that the total pressure loss increases.
翼に掛かる負荷が大きい翼における全圧損失の増大を防ぐため、エンドウォール面の形状を、非軸対称の形状にする方法が提案されている。これにより、翼列における全圧損失が低減される。この一例として、エンドウォール面に関して圧力面側に凸面、負圧面側に凹面を一対持つ曲面が形成された翼が特許文献1に示されている。
In order to prevent an increase in total pressure loss in a blade with a large load on the blade, a method of making the shape of the end wall surface a non-axisymmetric shape has been proposed. Thereby, the total pressure loss in the cascade is reduced. As an example of this,
負圧面と圧力面で挟まれた領域における二次流れを抑制するため、エンドウォール形状について圧力勾配を指針として定義した場合、圧力面側のエンドウォール形状が凸型のエンドウォール形状になり、負圧面側のエンドウォール形状が凹型になるように決定される。しかし、この方法では圧力面と負圧面で挟まれた領域で二次流れを抑制する効果は見込めるが、翼の前縁近傍におけるエンドウォール形状定義の指針とならないため、前縁近傍で発生する馬蹄形渦の増大を抑制することができず、馬蹄形渦の影響が大きい翼型では効果が無い。 In order to suppress the secondary flow in the region sandwiched between the suction surface and the pressure surface, when the pressure gradient is defined as a guideline for the end wall shape, the end wall shape on the pressure surface side becomes a convex end wall shape and is negative. The end wall shape on the pressure side is determined to be concave. However, this method is expected to suppress the secondary flow in the area between the pressure surface and the suction surface, but it does not serve as a guideline for defining the endwall shape near the leading edge of the wing. An increase in the vortex cannot be suppressed, and an airfoil that is greatly affected by a horseshoe vortex has no effect.
本発明は、翼の前縁近傍で発生する馬蹄形渦の増大を抑制すると共に、負圧面と圧力面で挟まれた領域における二次流れを抑制する効果を持つタービン静翼を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a turbine vane having an effect of suppressing secondary flow in a region sandwiched between a suction surface and a pressure surface while suppressing an increase in a horseshoe vortex generated near the leading edge of the blade. And
翼弦方向に凹形状をなす圧力面と翼弦方向に凸形状をなす負圧面とを備えた翼型部と、
前記翼型部の外周側に位置する外周側エンドウォールと、前記翼型部の内周側に位置する
内周側エンドウォールを有するガスタービン静翼において、前記外周側エンドウォールの
内周側の面である外周側エンドウォール内面が、前記翼型部の負圧面側で内向き凸形状と
外向き凸形状を有し、前記内向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁近傍に位置し、前記外
向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁と後縁の中間近傍に位置し、前記内向き凸形状が、前記前縁よりも、ガスの流れ方向について上流側から形成され、前期内向き凸形状が形成された領域であって前記外向き凸形状よりもガスの流れ方向上流側の領域において、前記外周側エンドウォール内面の半径位置がタービン回転軸に垂直な平面において同じとなる領域が形成されていることを特徴とする。
An airfoil portion having a pressure surface that is concave in the chord direction and a suction surface that is convex in the chord direction;
In a gas turbine stationary blade having an outer peripheral side end wall positioned on the outer peripheral side of the airfoil portion and an inner peripheral side end wall positioned on the inner peripheral side of the airfoil portion, an inner peripheral side of the outer peripheral side end wall is provided. The inner surface of the outer end wall is an inward convex shape and an outward convex shape on the suction surface side of the airfoil portion, and the apex of the inward convex shape is located near the leading edge of the airfoil portion The apex of the outward convex shape is located in the vicinity of the middle between the front edge and the rear edge of the airfoil portion, and the inward convex shape is formed from the upstream side in the gas flow direction than the front edge. The radial position of the inner surface of the outer peripheral end wall is the same in the plane perpendicular to the turbine rotation axis in the region where the inward convex shape is formed in the previous period and in the region upstream of the outward convex shape in the gas flow direction. That the region to be And butterflies.
本発明によれば、翼の前縁近傍で発生する馬蹄形渦の増大を抑制すると共に、負圧面と圧力面で挟まれた領域における二次流れを抑制する効果を持つタービン静翼を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while suppressing the increase in the horseshoe-shaped vortex which generate | occur | produces in the front edge of a blade, the turbine stationary blade which has the effect of suppressing the secondary flow in the area | region pinched by the suction surface and the pressure surface can be provided.
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiments.
図6にはガスタービン断面図が示されている。ローター1は主として回転軸3、この回転軸3に配置された動翼4および圧縮機5の動翼(図示省略)とを備え、ステーター2は主としてケーシング7、このケーシング7に支持され動翼4に対向するように配置されている燃焼器6、それに燃焼器のノズルの役をなす静翼8を備えている。
FIG. 6 shows a gas turbine cross-sectional view. The
このように構成されているガスタービンの概略動作を説明する、まず圧縮機5からの圧縮空気と燃料が燃焼器6に与えられ、この燃焼器内でこれら燃料が燃焼し高温ガスを発生する。そして発生した高温ガスは静翼8を介して動翼4に吹きつけられ動翼4を介してローター1を駆動する。
The general operation of the gas turbine configured as described above will be described. First, compressed air and fuel from the
この場合高温ガス中にさらされている動翼4や静翼8は必要に応じて冷却する。その冷却媒体には圧縮機5の圧縮空気の一部が用いられている。
In this case, the moving
図1はタービン静翼8の拡大図を示す。図1に示すタービン静翼8はタービンケーシング7に取り付けられ、動翼4の回転軸に対して外周側、すなわちタービンケーシング側に位置する外周側のエンドウォール部と、外周側エンドウォール部内面10から半径位置が小さくなる方向に延びる翼型部12とを有している。さらに翼型部の半径が最も小さくなる閉局面に接してガス流路面を形成する内周側エンドウォール部外面16が形成されている。また、翼型部12の内部には中空部を有し、中空部に冷却媒体を流して翼を内部から冷却するように形成された翼型部を構成している場合もある。図1では入口9が冷却媒体の入口であり、矢印の方向に冷却媒体が流れ翼型部を冷却する仕組みになっている。
FIG. 1 shows an enlarged view of the turbine stationary blade 8. A turbine stationary blade 8 shown in FIG. 1 is attached to a turbine casing 7, and has an outer peripheral side end wall portion located on the outer peripheral side, that is, on the turbine casing side with respect to the rotating shaft of the moving
静翼8は外周壁であるケーシング7に設置されている。冷却空気供給源としては圧縮機5が用いられることが多く、冷却空気はケーシング7に設けられた冷却空気導入孔を用いて静翼8に導入される。冷却後の冷却空気は内周壁に設けられた排出孔15より排出され、やがてはガスパス路に排出される。
The stationary blade 8 is installed in a casing 7 that is an outer peripheral wall. As the cooling air supply source, the
図2は翼型部の断面形状を示す。翼型部は、翼弦方向に凹形状をなす圧力面10bと、翼弦方向に凸形状をなす負圧面10aと、翼前縁12aと、翼後縁12bとを有し、翼厚みが前縁側より中央側に向かうにしたがい徐々に大きくなり、かつその途中より後縁側に向かうにしたがい徐々に翼厚みが小さくなるように形成された翼型部を構成している。また、この翼型部の内部に中空部9a,9bを有し、中空部に冷却媒体を流して翼を内部から冷却するように形成された翼型部を構成している場合もある。なお図1中線矢印は冷却空気の流れを示し、横方向の枠どり矢印は高温ガス、すなわち主流作動ガスの流れを示している。
FIG. 2 shows a cross-sectional shape of the airfoil portion. The airfoil portion includes a
これらの図2において、12aはその前縁、負圧面10aは翼背側部、圧力面10bは翼腹側部、12bは後縁部である。中空部9a,9bが前述した空気冷却室である。この場合翼の前部の空気冷却室9f1,9f2には熱変換を良好にするためにフィンが設けられている。冷却後の図1の静翼と同様、冷却空気は内周壁に設けられた排出孔より排出され、やがてはガスパス路に排出される。なおこの冷却構造は対流冷却や他の冷却手段であっても構わない。重要なのはこのような冷却空気が混入するタービンのエンドウォール形状である。
In these FIG. 2, 12a is the leading edge, the
図3は、このようなタービン静翼の内周側エンドウォール近傍の翼断面における翼面マッハ数を示した図である。内周側エンドウォール近傍における負圧面10aの翼前縁12aから翼後縁12bまでの翼面マッハ数をMsで示し、内周側エンドウォールにおける圧力面10bの翼前縁12aから翼後縁12bまでの翼面マッハ数をMpで示している。図3に示すように、負圧面10aの翼面マッハ数は、翼前縁と翼後縁の中間部で最大翼面マッハ数M_maxを示し、中間部から翼後縁にかけて大きく減少している。これは、主流流体が複数のタービン静翼によって構成された翼列の入口から出口にかけて流れるとき、主流流体のガス膨張が行われるためである。M_minは圧力面10bにおける最小翼表面マッハ数を指示する。M_maxとM_minの差が大きいほど、翼型部に作用する最大圧力と最小圧力の差が大きいということになり、翼に掛かる負荷が大きくなる。
FIG. 3 is a diagram showing the blade surface Mach number in the blade cross section in the vicinity of the end wall on the inner peripheral side of such a turbine stationary blade. The blade surface Mach number from the
このような翼に掛かる負荷が大きい翼では、内周側,タービンケーシング側によらずエンドウォール近傍で主流ガスの流れに対して垂直な断面での流れ、つまり二次流れが大きくなる。二次流れが大きくなることでエンドウォール近傍の流量が減少し、その分、平均径付近での流量が増加し翼負荷が増大する。その結果、全圧損失の増大を招く。 In such a blade having a large load on the blade, the flow in a cross section perpendicular to the flow of the main gas in the vicinity of the end wall, that is, the secondary flow becomes large near the end wall regardless of the inner peripheral side and the turbine casing side. As the secondary flow increases, the flow rate in the vicinity of the end wall decreases, and accordingly, the flow rate in the vicinity of the average diameter increases and the blade load increases. As a result, the total pressure loss increases.
このような全圧損失の増大を防ぐため、内周側,タービンケーシング側のエンドウォール面の形状を、軸対称の曲面から非軸対称の形状にする方法が提案されている。これにより、翼列における全圧損失が低減される。この方法では、エンドウォール面に関して圧力面側に凸面、負圧面側に凹面を一対持つ曲面が形成されることが特徴である。 In order to prevent such an increase in total pressure loss, a method has been proposed in which the shape of the end wall surface on the inner peripheral side and the turbine casing side is changed from an axisymmetric curved surface to a non-axisymmetric shape. Thereby, the total pressure loss in the cascade is reduced. This method is characterized in that a curved surface having a pair of convex surfaces on the pressure surface side and a concave surface on the negative pressure surface side with respect to the end wall surface is formed.
図5にタービン静翼列を示す。周方向に並んだ静翼8間において、負圧面10a′と圧力面10bで挟まれた領域における二次流れ抑制を図る際、エンドウォール形状を変更するための指針として圧力勾配に着目し形状を定義することができる。この指針に基づきエンドウォール形状を定義した場合、圧力面10b側のエンドウォール形状が凸型のエンドウォール形状になり、負圧面10a側のエンドウォール形状が凹型になるように決定される。この方法では圧力面10b,負圧面10aで挟まれた領域で二次流れを抑制する効果があるが、前縁12a近傍におけるエンドウォール形状定義の指針とならないため、前縁12aから発生する馬蹄形渦の増大を抑制することができず、馬蹄形渦の影響が大きい翼型では効果が小さい。
FIG. 5 shows a turbine stationary blade row. When suppressing the secondary flow in the region sandwiched between the
また、このような翼型の上流のハブ側から冷却空気等が混入してきた場合には、ハブ9での入口,出口の圧力差が更に小さくなり主流流体の減速が更に大きくなる。その結果、ハブ9の翼断面における全圧損失は更に大きくなる。 Further, when cooling air or the like enters from the hub side upstream of the airfoil, the pressure difference between the inlet and the outlet of the hub 9 is further reduced, and the deceleration of the mainstream fluid is further increased. As a result, the total pressure loss in the blade cross section of the hub 9 is further increased.
以下、前縁12a近傍で発生する馬蹄形渦の増大を抑制すると共に、負圧面10a′と圧力面10bで挟まれた領域における二次流れをも抑制する効果を持つタービン静翼の実施形態について説明する。
Hereinafter, an embodiment of a turbine vane having an effect of suppressing an increase in a horseshoe vortex generated in the vicinity of the
図6で示した静翼8に注目する。図7は、本発明の実施形態であるタービン静翼8で、翼型部12の負圧面を斜視した図である。矢印13はガスの流れの向きを表し、前縁12a側が上流側、後縁12bが下流側である。Rは半径位置を表す座標軸である。翼型部12の外周側には外周側エンドウォールが位置し、翼型部12の内周側には内周側エンドウォールが位置する。この外周側エンドウォールの内周側の面である外周側エンドウォール部内面10は、翼型部12の負圧面側で内向き凸形状と外向き凸形状を有する。ここで翼型部の外周側とは、この静翼8をガスタービンに組み込んだときに翼型部12に対してローター1から遠い側を意味し、内周側とは、ローター1側を意味する。また、外とは外周側、内とは内周側を意味する。各凸形状はエンドウォールの面上にあればよく、翼型部に接していても離れていても同種の効果が得られる。
Attention is paid to the stationary blade 8 shown in FIG. FIG. 7 is a perspective view of the suction surface of the
本実施形態の静翼8は、負圧面側の内向き凸形状の頂点が、前縁近傍に位置している。
具体的には、外周側エンドウォール部内面10と接する翼型部の前縁を0%とし後縁を100%としたとき、内向き凸形状の頂点が−10%以上40%以下の範囲内に位置するように形成される。静翼8の前縁近傍領域において流体が急激に減速して渦発生の要因となることに着目し、これに対処したためである。外周側エンドウォール部内面10の前縁近傍を内向き凸形状にすることで流速を大きくして流体の減速を抑えている。この効果は、エンドウォール部を内向き凸形状にして流路を縮小することで、流速を急激に増加させることができ、渦発生を抑制できることによる。内向き凸形状の頂点が−10%より小さい、また、40%より大きい範囲に位置する場合には、前縁近傍の渦発生に起因する問題を抑制する効果は小さくなってしまう。
In the stationary blade 8 of the present embodiment, the apex of the inwardly convex shape on the suction surface side is located in the vicinity of the front edge.
Specifically, when the front edge of the airfoil portion in contact with the
本実施形態の静翼8はまた、負圧面側の外向き凸形状の頂点が前縁と後縁の中間近傍に位置している。具体的には30%以上80%以下の範囲内に位置するように形成されている。この領域は流速が急激に上昇し、渦が発生しやすい領域である。外向き凸形状にすることで流速を小さくし流速の急激な上昇を抑制する。外向き凸形状の頂点が30%より小さい場合、外向き凸領域が小さくなるため流速調整量が小さくなり二次流れ抑制効果が小さい。また、80%より大きい場合、外向き凸領域の下流側で急激な流速増加が発生し衝撃波損失により翼列性能が劣化する。 The stationary blade 8 of the present embodiment also has an apex of the outwardly convex shape on the suction surface side located in the vicinity of the middle between the front edge and the rear edge. Specifically, it is formed so as to be located within a range of 30% to 80%. This region is a region where the flow velocity increases rapidly and vortices are likely to occur. By making the convex shape outward, the flow velocity is reduced and the rapid increase of the flow velocity is suppressed. If the apex of the outwardly convex shape is smaller than 30%, the outwardly convex region becomes smaller, so the flow rate adjustment amount becomes smaller and the secondary flow suppression effect is small. On the other hand, if it is larger than 80%, a rapid increase in the flow velocity occurs downstream of the outward convex region, and the cascade performance is degraded due to shock wave loss.
ここで、翼型部12とエンドウォール部の接する箇所の構造について説明する。この箇所にはアールと呼ばれる丸みを帯びた領域が存在する。すなわちエンドウォール部と翼型部12とは垂直に交わっているわけではない。ただしこのアールの大きさは設計時には無視される値である。本実施例では、外周側エンドウォール部内面10と翼型部12との接点を基準に0%〜100%の点を定めているが、これは設計上の接点を意味するものであり、アールは考慮していないものとする。
Here, the structure of the portion where the
次に、前縁近傍,前縁と後縁の中間近傍に関し、具体的に挙げた数値について説明する。内向き凸形状の頂点が40%を越えると、下流側に続く凸領域の最大凸量が、翼型部とエンドウォールに設けられたアールと同程度になり、凸領域の効果が無視できる程度になってしまう。このような理由から内向き凸形状の領域は40%以下としている。一方、外向き凸形状の頂点が30%より小さくなると、上流側の内向き凸形状の最大凸量が、80%より大きくなると外向き凸形状の最大凸量がアールと同程度になってしまう。そのため、外向き凸形状の領域は30%以上80%以下としている。 Next, specific numerical values relating to the vicinity of the leading edge and the vicinity of the middle of the leading edge and the trailing edge will be described. When the apex of the inward convex shape exceeds 40%, the maximum convex amount of the convex region following the downstream side becomes the same as the radius provided on the airfoil portion and the end wall, and the effect of the convex region can be ignored. Become. For these reasons, the inwardly convex region is 40% or less. On the other hand, if the vertex of the outward convex shape is smaller than 30%, the maximum convex amount of the upstream inward convex shape becomes larger than 80%, and the maximum convex amount of the outward convex shape becomes about the same as the radius. . Therefore, the outward convex region is set to be 30% or more and 80% or less.
以上のように、本実施例の静翼8は、タービンケーシング7側のエンドウォールである外周側エンドウォール部内面10の負圧部付近に、ガスの流れの上流側から半径位置が小さくなり内向き凸形状を形成し、そこから下流に向けて半径位置が大きくなり外向き凸形状が形成されている。静翼8をこのような形状とすることにより、矢印13で示した主流方向において流れの急激な減速と増速を抑えて速度変化をなだらかに推移させることができ、好適な静翼8が提供できる。なお、各凸形状はエンドウォール上にあればよく、翼型部12に接していても離れていても同種の効果を得ることができる。
As described above, the stationary blade 8 of the present embodiment has a radial position that decreases from the upstream side of the gas flow in the vicinity of the negative pressure portion of the
このように構成されたガスタービンでは、タービン静翼8に向かって流入した主流流体は、翼前縁12aから流入し、翼型部に沿って流れ、翼後縁12bから流出する。本エンドウォール形状にすることで二次流れが抑制され、翼型部負圧面10aに沿って流れる主流流体の外周側のエンドウォール付近の流れの減速が抑制され、静翼8の翼型部負圧面10aにおけるマッハ数の減少も小さくなる。その結果、静翼8の翼型部負圧面10aの翼断面における全圧損失を低減させることができる。そして空力負荷が高い場合においても、また混入する冷却流量が変化する場合においてもハブの翼断面における全圧損失の増大を抑制させることができる。
In the gas turbine configured as described above, the main flow fluid that flows in toward the turbine stationary blade 8 flows in from the
なお、外周側エンドウォール部内面10はガス流路面を形成する面である。エンドウォールの外周側には、外周側エンドウォール部内面10と対をなす外周側エンドウォール部外面10′がある。この外周側エンドウォール部外面10′と外周側エンドウォール部内面10との距離である外周側エンドウォール厚みは、一定であっても一定でなくても構わない。
In addition, the outer peripheral side end wall part
図8は、本発明の別の実施形態に基づくタービン静翼8の翼型部負圧面10aを斜視した図である。図7と同様の部分は省略し、相違点のみ説明する。内周側エンドウォールの外周側の面である内周側エンドウォール部外面16は、翼型部12の負圧面側で外向き凸形状と内向き凸形状を有する。
FIG. 8 is a perspective view of an
本実施形態の静翼8は、負圧面側の外向き凸形状の頂点が、前縁近傍に位置している。
具体的には、内周側エンドウォール部外面16と接する翼型部の前縁を0%とし後縁を100%としたとき、外向き凸形状の頂点が−10%以上40%以下の範囲内に位置するように形成される。静翼8の前縁近傍領域において流体が急激に減速して渦発生の要因となることに着目し、これに対処したためである。内周側エンドウォール部外面16の前縁近傍を外向き凸形状にすることで流速を大きくして流体の減速を抑えている。この効果は、エンドウォール部を外向き凸形状にして流路を縮小することで、流速を急激に増加させることができ、渦発生を抑制できることによる。外向き形状の頂点が−10%より小さい、また、40%より大きい場合には、前縁近傍の渦発生に起因する問題を抑制する効果は小さくなる。
In the stationary blade 8 of the present embodiment, the apex of the outwardly convex shape on the suction surface side is located in the vicinity of the front edge.
Specifically, when the leading edge of the airfoil portion in contact with the
本実施形態の静翼8はまた、負圧面側の内向き凸形状の頂点が前縁と後縁の中間近傍に位置している。具体的には30%以上80%以下の範囲内に位置するように形成されている。この領域は流速が急激に上昇し、渦が発生しやすい領域である。内向き凸形状にすることで流速を小さくし流速の急激な上昇を抑制する。内向き凸形状の頂点が30%より小さい場合、内向き凸領域が小さくなるため流速調整量が小さくなり二次流れ抑制効果が小さい。また、80%より大きい場合、内向き凸領域の下流側で急激な流速増加が発生し衝撃波損失により翼列性能が劣化する。負圧面側の外向き凸形状の頂点と内向き凸形状の頂点は、設計すべきタービンの空力設計条件に基づいて、矢印13で示した主流方向において流れの急激な減速と増速を抑えて速度変化がなだらかに推移するよう、上記条件の中で最適になるように選択される。
The stationary blade 8 of the present embodiment also has an inwardly convex vertex on the suction surface side located in the vicinity of the middle between the front edge and the rear edge. Specifically, it is formed so as to be located within a range of 30% to 80%. This region is a region where the flow velocity increases rapidly and vortices are likely to occur. By making it inwardly convex, the flow velocity is reduced and the rapid increase of the flow velocity is suppressed. When the vertex of the inwardly convex shape is smaller than 30%, the inwardly convex region becomes smaller, so the flow rate adjustment amount becomes smaller and the secondary flow suppression effect is small. On the other hand, if it is larger than 80%, a rapid increase in flow velocity occurs downstream of the inwardly convex region, and the cascade performance deteriorates due to shock wave loss. The apex of the outward convex shape on the suction surface side and the apex of the inward convex shape are based on the aerodynamic design conditions of the turbine to be designed to suppress rapid deceleration and acceleration of the flow in the main flow direction indicated by
次に、前縁近傍,前縁と後縁の中間近傍に関し、具体的に挙げた数値について説明する。外向き凸形状の頂点が40%を越えると、下流側に続く内向き凸領域の最大凸量が、翼型部とエンドウォールに設けられたアールと同程度になり、凸領域の効果が無視できる程度になってしまう。このような理由から外向き凸形状の領域は40%以下としている。一方、内向き凸形状の頂点が30%より小さくなると上流側の外向き凸領域の最大凸量が、80%より大きくなると内向き凸形状の最大凸量がアールと同程度になってしまう。そのため、内向き凸形状の領域は30%以上80%以下としている。 Next, specific numerical values relating to the vicinity of the leading edge and the vicinity of the middle of the leading edge and the trailing edge will be described. When the apex of the outward convex shape exceeds 40%, the maximum convex amount of the inward convex region following the downstream side becomes the same as the radius provided on the airfoil and end wall, and the effect of the convex region is ignored. It will be to the extent possible. For these reasons, the outwardly convex region is 40% or less. On the other hand, when the vertex of the inward convex shape is smaller than 30%, the maximum convex amount of the upstream outward convex region becomes larger than 80%, and the maximum convex amount of the inward convex shape becomes approximately the same as the radius. Therefore, the inwardly convex region is set to be 30% or more and 80% or less.
以上のように、本実施例の静翼8は、ローター1側のエンドウォールである内周側エンドウォール部外面16の負圧部付近に、ガスの流れの上流側から半径位置が大きくなり外向き凸形状を形成し、そこから下流に向けて半径位置が小さくなり内向き凸形状が形成されている。
As described above, the stationary blade 8 of this embodiment has a radial position that increases from the upstream side of the gas flow in the vicinity of the negative pressure portion of the inner peripheral side end wall portion
このように構成されたガスタービンでは、タービン静翼8に向かって流入した主流流体は、翼前縁12aから流入し、翼型部12に沿って流れ、翼後縁12bから流出する。流れの方向に外向き凸領域と内向き凸領域が上記の領域に設定されることで速度変化が緩やかになり二次流れ損失が抑制される。その結果、翼型部12のハブの翼断面における全圧損失を低減させることができる。
In the gas turbine configured as described above, the main flow fluid that flows in toward the turbine stationary blade 8 flows in from the
なお、内周側エンドウォール部外面16はガス流路面を形成する面である。エンドウォールの内周側には、内周側エンドウォール部外面16と対をなす内周側エンドウォール部内面16′がある。この内周側エンドウォール部内面16′と内周側エンドウォール部外面16との距離である内周側エンドウォールの厚みは、一定であっても一定でなくとも構わない。
In addition, the inner peripheral side end wall part
図9は、本発明の別の実施形態に基づくタービン静翼の翼型部12の負圧面を斜視した図である。図7,図8と共通する部分は説明を省略する。本実施形態は、実施例1と実施例2を組み合わせたものである。すなわち、実施例1の静翼8の内周側エンドウォール部外面16の外向き凸形状が前縁12aの近傍に位置し、内周側エンドウォール部外面16の内向き凸形状の頂点が翼型部12の前縁と後縁の中間近傍に位置している。本実施形態の静翼8は両実施例の長所をそれぞれ享受できることで、さらに好適な静翼を提供できる。
FIG. 9 is a perspective view of a suction surface of an
次に、各実施例の静翼を、別の角度から見た図10〜図13について説明する。 Next, FIGS. 10-13 which looked at the stationary blade of each Example from another angle are demonstrated.
図10は、外周側エンドウォール部内面10を内周側から見た図を示す。縦点線部は半径位置が低くなるように形成され、横点線部は半径位置が高くなるように形成されている。13aはタービンケーシング側エンドウォール部の負圧側の流れ、13bはタービンケーシング側エンドウォール部の圧力面側の流れである。
FIG. 10 shows a view of the outer peripheral side end wall portion
外周側エンドウォール部内面10の負圧面側では、流れ方向13aにおいて前縁付近でローター1の半径位置が小さくなる向きの凸形状の領域から半径位置が大きくなる向きの凸形状の領域に移行している。また、圧力面側の流れ方向13bにおいては前縁付近で半径位置が小さくなる向きの凸形状の領域から半径位置が大きくなる向きの凸形状に移行している。注意すべき点はエンドウォール部の圧力面側と負圧面側で凹面と凸面が一対になっていない一方で、負圧面側でも圧力面側でも流れ方向に凹面と凸面が一対になっている点である。
On the suction surface side of the
図12に、図10の前縁12a付近の外周側エンドウォール部内面10を形成する曲面を、タービン回転軸と垂直な平面で切断したとき断面図を示す。この曲面の断面を曲線L_endとし、翼型部12の負圧面との交点を点C、圧力面との交点を点Dとする。曲線L_endは交点Cから交点Dまで滑らかに延びている。曲線L_endの半径位置は同じである。交点C,交点Dの半径位置,曲面L_endの形状は、設計すべきタービンの空力設計条件に基づいて、最適になるように選択される。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the curved surface forming the outer peripheral end wall portion
曲線L_endは図10の前縁12a付近のタービンケーシング側エンドウォール部付近で半径位置は同じであるが、この半径位置が同じである条件が全領域で設定されるわけではない。仮に半径位置が同じである条件が全領域で設定される場合、タービン翼の全圧損失増大に大きく影響する衝撃波が発生してしまう。そうすると翼の入口出口の圧力比の条件が小さくなりタービン翼の性能低下を引き起こす。
The curve L_end has the same radial position in the vicinity of the turbine casing side end wall in the vicinity of the
内周側エンドウォール部外面16を外周側から見た図を図11に示す。縦点線部は半径位置が高くなるように形成され、横斜線部は半径位置が小さくなるように形成されている。13aはエンドウォール部の負圧側の流れ、13bはエンドウォール部の圧力面側の流れである。この時、内周側エンドウォール部外面の負圧面側では、流れ方向13aにおいて前縁付近でローター1の半径位置が大きくなる向きの凸形状の領域から半径位置が小さくなる向きの凸形状の領域に移行している。また、圧力面側の流れ方向13bにおいては、前縁付近で半径位置が大きくなる向きの凸形状の領域から半径位置が小さくなる向きの凸形状に移行している。注意すべき点はエンドウォール部の圧力面側と負圧面側で凹面と凸面が一対になっていない一方で、負圧面側でも圧力面側でも流れ方向に凹面と凸面が一対になっている点である。
FIG. 11 shows a view of the outer
図13に、図11の前縁12a付近の内周側エンドウォール部を形成する曲面を、タービン回転軸と垂直な平面で切断したとき断面図を示す。この曲面の断面を曲線L_endとし、翼型部の負圧面との交点を点C、圧力面との交点を点Dとする。曲線L_endは交点Cから交点Dまで滑らかに延びている。曲線L_endの半径位置は同じである。交点C,交点Dの半径位置、曲面10の上面形状輪郭は、設計すべきタービンの空力設計条件に基づいて、最適になるように選択される。
FIG. 13 is a cross-sectional view of the curved surface forming the inner peripheral side end wall portion in the vicinity of the
曲線L_endは図10の前縁12a付近の内周側エンドウォール部外面16付近で半径位置は同じであるが、この半径位置が同じである条件が全領域で設定されるわけではない。仮に半径位置が同じである条件が全領域で設定される場合、タービン翼の全圧損失増大に大きく影響する衝撃波が発生してしまう。そうすると翼の入口出口の圧力比の条件が小さくなりタービン翼の性能低下を引き起こす。
The curve L_end has the same radial position in the vicinity of the outer
図14は、翼型部に上下方向にわたる翼断面の全圧損失を示す図である。図14は、エンドウォールに局地的な凹凸がない比較例と上記説明した実施形態とを比較したものである。比較例では、実線で示すように、エンドウォールにおいて、特に顕著な翼断面全圧損失が見られるが、本実施形態では、実線で示すように、内周側のエンドウォール、タービンケーシング側のエンドウォールの翼断面における全圧損失が低減され、翼型部の上下方向にわたってより均一な全圧損失が達成されている。このことは、翼型部の上下方向にわたってより均等な膨張仕事が達成されていることを意味し、それにより、タービン効率を向上させ、ガスタービンの燃費を削減することができる。 FIG. 14 is a diagram showing the total pressure loss of the blade cross section over the airfoil portion in the vertical direction. FIG. 14 shows a comparison between the comparative example in which the end wall has no local unevenness and the above-described embodiment. In the comparative example, as shown by the solid line, particularly significant blade section total pressure loss is observed in the end wall. However, in this embodiment, as shown by the solid line, the end wall on the inner peripheral side and the end on the turbine casing side are shown. The total pressure loss in the blade cross section of the wall is reduced, and a more uniform total pressure loss is achieved in the vertical direction of the airfoil portion. This means that more uniform expansion work is achieved in the up-down direction of the airfoil, thereby improving turbine efficiency and reducing gas turbine fuel consumption.
1 ローター
2 ステーター
3 回転軸
4 動翼
5 圧縮機
6 燃焼器
7 ケーシング
8 静翼
9h フィン
9a,9b 中空部
9c 圧力面
9f 空気冷却室
10 外周側エンドウォール部内面
10a 負圧面
10b 圧力面
12 翼型部
12a 前縁
12b 後縁
13 矢印
15 排出孔
16 内周側エンドウォール部外面
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記翼型部の外周側に位置する外周側エンドウォールと、
前記翼型部の内周側に位置する内周側エンドウォールを有するガスタービン静翼において、
前記外周側エンドウォールの内周側の面である外周側エンドウォール内面が、前記翼型部の負圧面側で内向き凸形状と外向き凸形状を有し、
前記内向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁近傍に位置し、
前記外向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁と後縁の中間近傍に位置し、
前記内向き凸形状が、前記前縁よりも、ガスの流れ方向について上流側から形成され、
前記内向き凸形状が形成された領域であって前記外向き凸形状よりもガスの流れ方向上流側の領域において、前記外周側エンドウォール内面の半径位置がタービン回転軸に垂直な平面において同じとなる領域が形成されていることを特徴とするガスタービン静翼。 An airfoil portion having a pressure surface that is concave in the chord direction and a suction surface that is convex in the chord direction;
An outer peripheral side wall located on the outer peripheral side of the airfoil, and
In the gas turbine stationary blade having the inner peripheral side end wall located on the inner peripheral side of the airfoil part,
The outer peripheral side end wall inner surface which is the inner peripheral side surface of the outer peripheral side end wall has an inward convex shape and an outward convex shape on the suction surface side of the airfoil portion,
The vertex of the inwardly convex shape is located near the leading edge of the airfoil,
The apex of the outward convex shape is located in the vicinity of the middle of the front edge and the rear edge of the airfoil part,
The inward convex shape is formed from the upstream side in the gas flow direction from the front edge,
In the region where the inward convex shape is formed and upstream of the outward convex shape in the gas flow direction, the radial position of the inner surface of the outer peripheral end wall is the same in the plane perpendicular to the turbine rotation axis. A gas turbine vane characterized in that a region is formed.
前記翼型部の外周側に位置する外周側エンドウォールと、
前記翼型部の内周側に位置する内周側エンドウォールを有するガスタービン静翼において、
前記内周側エンドウォールの外周側の面である内周側エンドウォール外面が、前記翼型部の負圧面側で外向き凸形状と内向き凸形状を有し、
前記外向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁近傍に位置し、前記内向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁と後縁の中間近傍に位置し、
前記外向き凸形状が、前記前縁よりも、ガスの流れ方向について上流側から形成され、
前記外向き凸形状が形成された領域であって前記内向き凸形状よりもガスの流れ方向上流側の領域において、前記内周側エンドウォール外面の半径位置がタービン回転軸に垂直な平面において同じとなる領域が形成されていることを特徴とするガスタービン静翼。 An airfoil portion having a pressure surface that is concave in the chord direction and a suction surface that is convex in the chord direction;
An outer peripheral side wall located on the outer peripheral side of the airfoil, and
In the gas turbine stationary blade having the inner peripheral side end wall located on the inner peripheral side of the airfoil part,
The inner peripheral side end wall outer surface which is the outer peripheral side surface of the inner peripheral side end wall has an outwardly convex shape and an inwardly convex shape on the negative pressure surface side of the airfoil portion,
The apex of the outwardly convex shape is located in the vicinity of the leading edge of the airfoil portion, and the apex of the inwardly convex shape is located in the vicinity of the middle between the front edge and the trailing edge of the airfoil portion,
The outward convex shape is formed from the upstream side in the gas flow direction from the front edge,
In the region where the outward convex shape is formed and upstream of the inward convex shape in the gas flow direction, the radial position of the outer surface of the inner end wall is the same in the plane perpendicular to the turbine rotation axis. A gas turbine stationary blade characterized in that a region to be formed is formed.
前記内周側エンドウォール外面の外向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁近傍に位置し、前記内周側エンドウォール外面の内向き凸形状の頂点が前記翼型部の前縁と後縁の中間近傍に位置していることを特徴とするガスタービン静翼。 The gas turbine stationary blade according to claim 1,
The apex of the outwardly convex shape on the outer surface of the inner peripheral side end wall is located in the vicinity of the leading edge of the airfoil portion, and the apex of the inwardly convex shape of the outer surface of the inner peripheral side endwall is the front edge of the airfoil portion. A gas turbine stationary blade, characterized by being positioned in the vicinity of the middle of the trailing edge.
前記前縁近傍とは、前記エンドウォールと前記翼型の前縁との接点を0%、前記エンドウォールと前記翼型の後縁との接点を100%としたときに、−10%以上40%以下の範囲内であることを特徴とするガスタービン静翼。 In any one of Claim 1 to 3,
The vicinity of the leading edge means that the contact between the end wall and the leading edge of the airfoil is 0%, and the contact between the end wall and the trailing edge of the airfoil is 100%. % Of a gas turbine stationary blade, characterized by being within a range of% or less.
前記中間近傍とは、前記エンドウォールと前記翼型の前縁との接点を0%、前記エンドウォールと前記翼型の後縁との接点を100%としたときに、30%以上80%以下の範囲内であることを特徴とするガスタービン静翼。 In any one of Claim 1-4,
The intermediate vicinity means 30% or more and 80% or less when the contact between the end wall and the leading edge of the airfoil is 0% and the contact between the end wall and the trailing edge of the airfoil is 100%. A gas turbine stationary blade characterized by being in the range of.
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