JP3541479B2

JP3541479B2 - 軸流圧縮機の静翼

Info

Publication number: JP3541479B2
Application number: JP03632995A
Authority: JP
Inventors: 進寺本; 知己川久保; 健児小林
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JPH08232897A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ジェットエンジン、ガスタービン等の軸流圧縮機の静翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジェットエンジン、ガスタービン等の産業用軸流圧縮機において、効率向上は極めて重要な課題である。しかし、軸流圧縮機の静翼列間の流体の３次元的挙動は極めて複雑であり、依然として十分には解明されていない。
図６は、従来の軸流圧縮機静翼の模式図である。この図に示すように、従来の静翼は、取付け部から先端まで曲がりが少なくほぼ直線状に半径方向に延びていた。すなわち、従来の静翼は、２次元翼断面を半径方向に直線状に積み重ねた２次元スタッキング翼構造が用いられてきた。しかし、軸流圧縮機における静翼列では、図７に例示するように、▲１▼隣接する静翼間の正圧面側から負圧面側に流れる２次流れが発生し、この２次流れによる渦損失により効率が低下する問題点があった。
【０００３】
かかる２次流れによる渦損失を低減するために、従来種々の研究がなされ、例えば、特開昭６０−１７０７０７号（軸流流体機械の静翼）、米国特許４，８２６，４００号（"CURVILINEAR TURBINE AIRFOIL" ）等が創案され、出願されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、タービンの静翼と相違し、圧縮機の静翼では更に、▲２▼２次流れにより境界層が吹き寄せられて図７のＡ部に溜まり、この部分の境界層が発達して厚くなり、これが剥離することにより効率が低下する問題点が明らかとなった。
すなわち、図８は従来の静翼損失分布図であり、上述した２次流れによる渦損失を考慮に入れた設計値（破線）と、実際の試験値（実線）とを比較するとチップ部において損失係数が設計値より大きくなっている。この原因の少なくとも１つは、圧縮機の翼列後縁部における２次流れの流速分布図（図９）からわかるように、円周方向の２次流れの流速がＡ部（チップ部及びルート部）で大きく、この２次流れによって輸送されたエンドウォール境界層内の高損失流体が、負圧面とエンドウォール面（ケーシング面又はハブ面）の角部に集積して剥離し、損失を増大させることによると考えられる。この蓄積した境界層の厚さは、通常の境界層の厚さの２倍以上に増加する。
【０００５】
これに対して、気体が膨張するタービンの場合には、境界層が薄く、２次流れによる損失は、上述した渦損失が主であり、境界層の蓄積は問題とされていなかった。
【０００６】
本発明はかかる新規な問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、２次流れにより生じる境界層の蓄積を低減し、これにより２次流れによる損失を減少させ圧縮機の効率を向上させることができる軸流圧縮機の静翼を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、半径方向翼端において壁面と１１０°以上の鈍角をなすように円周方向に湾曲した負圧面を有し、これにより前記壁面境界層の負圧面翼端部への集積を防いで剥離を抑制し、かつ軸線方向上流側に傾斜する翼端部を有し、これにより負圧面に半径方向内方への力成分を発生させる、ことを特徴とする軸流圧縮機の静翼が提供される。
【０００８】
本発明の好ましい実施例によれば、前記翼端部はチップ側であり、前記半径方向端の壁面は、ケーシング内面である。また、前記翼端部がルート側であり、前記半径方向端の壁面は、ハブ外面であってもよい。
【０００９】
【作用】
上述した本発明の構成によれば、半径方向翼端における静翼負圧面と半径方向端の壁面（エンドウォール）のなす角が１１０°以上の鈍角であるので、エンドウォール面と負圧面が幾何学的に滑らかに接続され、エンドウォール境界層内の高損失流体が角部（負圧面翼端部）に集積することなく拡散される。また、静翼の翼端部（エンドウォール付近）が前方に傾斜しているので、翼端部の等圧線が傾斜して負圧面に半径方向の力成分が生じ、これにより、角部に集積した高損失流体が半径方向内方に流されて拡散される。従って、高損失流体の集積が防止されてその剥離が抑制され、損失を減少させることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１（Ａ）は、本発明による静翼を有する軸流圧縮機の軸方向から見た部分図であり、図１（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ線における矢視図である。また、図２（Ａ）は、本発明による軸流圧縮機の静翼であり、同図（Ｂ）は従来の静翼である。各図において、左図は負圧面を示し、右図は静翼の前縁側からの斜視図である。また、各図において、Ｔはチップ、Ｈはハブ、Ｆは前縁、Ｂは後縁を示している。
【００１１】
図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すように、本発明の静翼１０は、半径方向翼端において壁面と１１０°以上の鈍角θをなすように円周方向に湾曲した負圧面１２を有する。図１において、翼端部はチップ側であり、半径方向端の壁面すなわちエンドウォールは、ケーシングの内面１４である。また、図１（Ｂ）に示すように、本発明の静翼１０は、軸線方向上流側に傾斜する翼端部（この図ではチップ側）を有する。なお、図２（Ａ）における矢印は、被圧縮流体の主流を示している。また、図１において１６は、ハブ外面である。
【００１２】
図３は、軸線方向からみた隣接する静翼間の全圧分布図であり、（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来例を示している。なお、静翼１０は、その後縁のみを示している。図３（Ａ）から明らかなように、半径方向翼端（チップ側）における静翼負圧面１２と半径方向端の壁面（ケーシング内面１４）のなす角θが１１０°以上（この図では約１５０°）の鈍角であるので、ケーシング内面１４と負圧面１２が幾何学的に滑らかに接続され、エンドウォール境界層内の高損失流体が角部（負圧面翼端部）に集積することなく拡散される。すなわち、図３においてＣ部は剥離部であるが、（Ｂ）の従来例に比較して（Ａ）の本発明では、角部（負圧面翼端部）における境界層の厚さが薄くなっており、剥離部Ｃが減少しているのがわかる。
【００１３】
図４は、静翼の負圧面における圧力の等圧線図であり、（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来例を示している。この図から明らかなように、本発明によれば、静翼１０の翼端部（チップ側のエンドウォール付近）が被圧縮流体の流れの前方（上流側）に傾斜しているので、チップ側翼端部の等圧線が傾斜し、これにより矢印で示すように負圧面に半径方向の力成分が生じる。従って、この半径方向の力成分（圧力差）により、角部に集積した高損失流体が半径方向内方に流されて拡散される。
【００１４】
図５は、静翼の負圧面における流線図であり、（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来例を示している。この図から明らかなように、従来例（Ｂ）では、負圧面翼端部Ｄの流線の方向が複雑に曲がっており、剥離部Ｃが激しく生じていることがわかるが、本発明（Ａ）では、流線の方向は滑らかに変化し、剥離部Ｃも小さくなっている。
【００１５】
上述したように本発明の構成によれば、半径方向翼端における静翼負圧面と半径方向端の壁面（エンドウォール）のなす角が１１０°以上の鈍角であるので、エンドウォール面と負圧面が幾何学的に滑らかに接続され、エンドウォール境界層内の高損失流体が角部（負圧面翼端部）に集積することなく拡散される。また、静翼の翼端部（エンドウォール付近）が前方に傾斜しているので、翼端部の等圧線が傾斜して負圧面に半径方向の力成分が生じ、これにより、角部に集積した高損失流体が半径方向内方に流されて拡散される。従って、高損失流体の集積が防止されてその剥離が抑制され、損失を減少させることができる。
【００１６】
なお、上述した実施例では、翼端部はチップ側であり、半径方向端の壁面はケーシング内面であるが、本発明はかかる実施例に限定されず、翼端部がルート側であり、半径方向端の壁面がハブ外面であってもよい。すなわち、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の軸流圧縮機の静翼は、２次流れにより生じる境界層の蓄積を低減し、これにより２次流れによる損失を減少させ圧縮機の効率を向上させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による静翼を有する軸流圧縮機の部分図である。
【図２】本発明による軸流圧縮機の静翼の図である。
【図３】軸線方向からみた隣接する静翼間の全圧分布図である。
【図４】静翼の負圧面における圧力の等圧線図である。
【図５】静翼の負圧面における流線図である。
【図６】従来の軸流圧縮機静翼の模式図である。
【図７】従来の軸流圧縮機の模式図である。
【図８】従来の静翼損失分布図である。
【図９】従来の翼列後縁部における２次流れの流速分布図である。
【符号の説明】
Ａ境界層蓄積部
Ｃ剥離部
Ｄ負圧面翼端部
Ｔチップ
Ｈハブ
Ｆ前縁
Ｂ後縁
１０静翼
１２負圧面
１４ケーシング内面
１６ハブ外面

Claims

半径方向翼端において壁面と１１０°以上の鈍角をなすように円周方向に湾曲した負圧面を有し、これにより前記壁面境界層の負圧面翼端部への集積を防いで剥離を抑制し、かつ軸線方向上流側に傾斜する翼端部を有し、これにより負圧面に半径方向内方への力成分を発生させる、ことを特徴とする軸流圧縮機の静翼。
前記翼端部はチップ側であり、前記半径方向端の壁面は、ケーシング内面である、ことを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機の静翼。
前記翼端部はルート側であり、前記半径方向端の壁面は、ハブ外面である、ことを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機の静翼。