JP2020090953A - 軸流式ターボ機械及びその翼 - Google Patents
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Abstract
Description
−ターボ機械−
図1は本発明のターボ機械の一例であるガスタービンの部分断面図である。この図に示したガスタービンは、大気A1を吸い込んで圧縮する圧縮機10、圧縮機10からの圧縮空気A2を燃料Fと共に燃焼する燃焼器20、及び燃焼器20からの燃焼ガスG1によって駆動されるタービン30を備えている。
図2は本発明の第1実施形態に係る翼の要部を抜き出して表した斜視図、図3は図2に示した翼を作動流体の上流側から見た図(図2を矢印III方向に見た図)、図4は図3中のIV−IV線による翼の断面図、図5は第1実施形態に係る翼の形状の説明図である。これらの図に示した翼1は前述した通り圧縮機10の動翼12であり、翼根部2、エンドウォール3、翼プロフィル部4及びフィレット5を有している。本実施形態の場合、翼根部2、エンドウォール3、翼プロフィル部4及びフィレット5は一体に形成されている(例えば翼1は素材から一体に削り出して形成される)。
フィレット5は翼1の強度向上のために設けられた要素であり、翼プロフィル部4の全周に亘ってエンドウォール3の流路壁面3aと翼プロフィル部4との境界部に沿って環状に設けられている。このフィレット5の表面は凹状の曲面であり、翼プロフィル部4の翼面と流路壁面3aとを滑らかに接続している。例えば翼プロフィル部4の翼面と流路壁面3aとに直交する断面で見た場合、フィレット5の外形は流路壁面3aの端部と翼プロフィル部4の翼面に外接する半径Rの円弧で形成されている。つまりフィレット5の表面は凹状で断面が半径Rの円弧状曲面である。図3は流路壁面3aに沿った視点から描かれているため、翼プロフィル部4の翼面と流路壁面3aとに直交する断面で見たフィレット5の外形は同図に示した形状に一致する。なお、同断面におけるフィレット5の半径Rは、本実施形態では翼プロフィル部4の全周の領域に亘って一定である。
図10は従来技術に係る翼の要部を抜き出して表した斜視図、図11は従来技術に係る翼を作動流体の上流側から見た図である。図10は図2、図11は図3に対応する図である。同図に示した比較例は、距離dに関わらず(狭小部3bの有無に関わらず)流路壁面αから採ったフィレットβの上端部の高さが一定(=R)である。図11において翼プロフィル部の背側及び腹側の距離d1,d2はいずれもフィレットβの断面の半径Rより小さい。そのためエンドウォールγの幅wが狭いとフィレットβの円弧状曲面の下端に流路壁面αからの高さh’,h”が生じ、作動流体の流れ方向に見てエンドウォールγの幅方向の両端において流路壁面αに対しフィレットβによる高さh’,h”の段差が発生する。段差の高さh’,h”は翼プロフィル部に対してエンドウォールγの幅wが狭く距離d1,d2が短いほど大きくなる。この段差は空力性能に悪影響を及ぼす。
(1)空力性能の翼信頼性の両立
本実施形態においては、上記の通りエンドウォール3の流路壁面3a上における狭小部3bであっても、流路壁面3aの外縁部においてフィレット5による段差が生じないように構成してある。これにより、狭小部においてフィレットが流路壁面の外縁部で段差になることで生じる空力性能の低下を抑制できる。またフィレット5の高さが距離dに応じて減少するのが狭小部3bに制限されるため、全体としてフィレット5が過度に小さくなることもなく、強度的信頼性も確保できる。よって、空力性能と翼信頼性(強度)をバランス良く両立することができる。特に本実施形態では狭小部3bでもフィレット5の半径Rを不変としたことで、狭小部3bにおけるフィレット5の高さの変化が抑えられ、強度低下の抑制効果が高い。
フィレット5の円弧状曲面の半径R(曲率半径)が不変であるため、フィレット5の形成がし易く、製作容易性も良好である。
図6は本発明の第2実施形態に係る翼を作動流体の上流側から見た図であり、第1実施形態の図3に対応している。同図において第1実施形態に係る翼と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態が第1実施形態と相違する点は、翼プロフィル部4の背側及び腹側のうちの背側(図6中の右側)の狭小部3bのみでフィレット5の円弧状曲面の下端部を流路壁面3aに一致させるフィレット形状を採用している点である。翼プロフィル部4の翼面と流路壁面3aとに直交する断面におけるフィレット5の半径Rは、第1実施形態と同じく翼プロフィル部4の全周に亘る領域において一定である。腹側(図6中の左側)の狭小部3bでは、フィレット5の円弧状曲面の下端部が流路壁面3aに対して比較例(図11)と同様に高さh”の段差を生じている。他の点において本実施形態は第1実施形態と同様である。
図7は本発明の第3実施形態に係る翼を作動流体の上流側から見た図、図8は図7中のVIII−VIII線による翼の断面図であり、図7は第1実施形態の図3に対応している。同図において第1実施形態に係る翼と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態が第1実施形態と相違する点は、フィレット5の上記半径Rが変化し、狭小部3b以外の領域に比べて狭小部3bにおけるフィレット5の円弧状曲面の半径Rが小さくなっている点である。半径Rは、第1実施形態と同じく翼プロフィル部4の翼面と流路壁面3aとに直交するフィレット5の断面の円弧部分の半径である。
図9は本発明の第4実施形態に係る翼の断面図であり、第3実施形態の図8に対応している。同図において第1実施形態に係る翼と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態はフィレット5の断面の半径Rが変化する点で第3実施形態に共通するが、第3実施形態のように狭小部3bにおいて半径Rが連続的に変化するのではなく、半径Rが2段階に変化する点で本実施形態と第3実施形態は異なる。具体的には、狭小部3bを含んで2つの境界部8で挟まれた領域におけるフィレット5の半径Rは、狭小部3bを含まず2つの境界部8で挟まれた領域におけるフィレット5の半径Rに比べて小さくなっている。狭小部3bを含む領域では、距離dの最小値と同じかよれよりも若干小さい程度の一定値に半径Rが設定されている。狭小部3bを含まない領域では第1実施形態における狭小部3b以外におけるフィレット5の半径Rと同様に、距離dよりも小さな一定値(狭小部を含む領域における半径Rよりも大きな値)に設定されている。言うまでもないが、フィレット5の円弧状曲面の下端部は流路壁面3aに一致している点は、第1−第3実施形態と共通している。他の点において本実施形態は第1実施形態と同様である。
Claims (7)
- 翼プロフィル部、
前記翼プロフィル部のチップ側及びハブ側のうち少なくともハブ側に設けられ作動流体の環状流路の一部を画定する流路壁面を有するエンドウォール、及び
前記翼プロフィル部の全周に亘って前記翼プロフィル部と前記流路壁面との境界部に設けたフィレットを備えた軸流式ターボ機械の翼において、
前記流路壁面と前記翼プロフィル部の翼面とに直交する断面で見て前記フィレットの外形が半径Rの円弧状曲面であり、
前記流路壁面に対する前記翼プロフィル部の投影の外縁から前記流路壁面の外縁までの距離dが前記フィレットの半径Rの最大値よりも小さい狭小部が、前記流路壁面に存在し、
前記流路壁面から翼長方向に高さを採った場合に、前記狭小部における前記フィレットの円弧状曲面の上端部を前記狭小部以外の領域における前記フィレットの円弧状曲面の上端部よりも低くし、前記円弧状曲面の下端部が、前記狭小部を含めて前記翼プロフィル部の全周に亘って前記流路壁面に一致させてある軸流式ターボ機械の翼。 - 請求項1の軸流式ターボ機械の翼において、前記翼プロフィル部の背側及び腹側のうち少なくとも前記背側に前記狭小部が存在するターボ機械の翼。
- 請求項1の軸流式ターボ機械の翼において、前記断面における前記フィレットの半径Rが前記翼プロフィル部の全周に亘って一定であるターボ機械の翼。
- 請求項1の軸流式ターボ機械の翼において、前記狭小部以外の領域に比べて前記狭小部における前記円弧状曲面の前記断面における半径が小さくなっているターボ機械の翼。
- 請求項4の軸流式ターボ機械の翼において、前記狭小部における前記半径Rが前記距離dに等しいターボ機械の翼。
- 請求項1の翼である静翼、及び前記静翼と共に1つの段落部を形成する動翼を備えた軸流式ターボ機械。
- 請求項1の翼である動翼、及び前記動翼と共に1つの段落部を形成する静翼を備えた軸流式ターボ機械。
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