JP5678066B2 - 軸流コンプレッサー用のコンプレッサーブレード - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の特徴に基づく軸流コンプレッサー用のコンプレッサーローターブレードに関する。

軸流コンプレッサー用のコンプレッサーブレードは、従来、広く知られている。たとえば、特許文献１は、あるプロファイルを有するコンプレッサーブレードを開示しており、その負圧側輪郭は、当該プロファイル翼弦の長さの５％においてプロファイル翼弦と垂直に交差する基準線を伴う負圧側交差ポイントにおいて、プロファイル翼弦の長さの半分よりも短い曲率半径を有する。この結果、達成される効果は、負圧側におけるブレード翼形の周りの周囲流の比較的短い拡張の後、速度最大値に達し、層流から乱流への流れの変換位置は速度最大値の位置と一致し、この結果、このプロファイルは、それが効率よくガス流を圧縮する特に広い作動レンジを有する、というものである。

さらに、いわゆる半径方向ガス損失がコンプレッサーローターブレードのブレードチップにおいて生じることが知られている。この場合、軸流コンプレッサーの稼働中の圧力ゲインのいくらかが、漏流がブレードエアフォイルの正圧側からブレードエアフォイルの負圧側へとブレードエアフォイルを横切って生じる結果として失われる。この漏流を低減するために、ブレードエアフォイルチップと、コンプレッサーダクトの、これと向き合って存在する環状壁との間に形成される半径方向ギャップは、常に、可能な限り最小化されるべきであることが知られている。それにもかかわらず、この場合には、ブレードエアフォイルチップが環状壁に対して接触するのを避けるために、ギャップ寸法の最小値を維持する必要がある。これは、この例では、特に、ダクトの、そしてローターブレードの両方の熱誘起膨張が依然として完了していない過渡的運転状態に当てはまる。

さらに、しばしば、ブレードエアフォイルチップの従来のプロファイリングは、環状壁の領域における特定の流入流条件にのみ適合させられることは事実であった。だが、実際のプロファイリングは、ブレードエアフォイルチップ上の実際の三次元流作用を考慮することなく実施されていた。従来設計のブレードエアフォイルプロファイリングは、それゆえ、ブレードエアフォイルチップの領域における複合流条件には最適に適合されない。この結果、特に小さなスパンおよび(スパンに関する)大きな相対ギャップ深さを備えたコンプレッサーローターブレードの場合には顕著な改善可能性が存在する。

特許文献１から公知であるように、最新のターボ機械羽根構造は、それまでの間に非常に高い空力的効率を達成してしまっているので、壁に近い環の外側領域において生じる、こうした半径方向ギャップ損失の結果として、全体損失の増大する比率が、より高いプロファイル荷重に向かう傾向を伴って上昇する。こうした相当の損失の低減は、したがって、ターボ機械の、そして軸流コンプレッサーの効率の著しい改善をもたらす。

こうした半径方向ギャップ損失を低減するために、たとえば、引用文献２から、Ｓの形状に基づいて軸流コンプレッサーのローターブレードのブレードエアフォイルチップを設計することが知られている。このプロファイルのキャンバー線は、変曲点において互いに一つになる二つの対向する円弧によって形成される。変曲点は、この例では、相対的翼弦長の５％ないし１５％の領域に配置される。この結果、二次流れ損失および亜音速コンプレッサーブレードの出口における流れの不規則さは、圧力勾配の低減によって低減される。特に、ローターブレード間の流路における前方領域および中央領域における圧力勾配は、この例では、低減されることになる。特許文献２によれば、前縁領域はブレードエアフォイルの負圧面の方向に向きが変えられ、この結果、プロファイルの前方、すなわち上流側の領域は、ブレードプロファイルの後方、すなわち下流側領域に比べて、反対の湾曲を有する。

既存の解決策にもかかわらず、ターボ機械の効率をさらに増大させるために、こうした機械の半径方向ギャップ損失の低減に依然として大きな関心が集まっている。

欧州特許第0 991 866号明細書(EP 0 991 866 B1) SU 1 751 430 A1

本発明の目的は、ターボ機械内での動作中に、特に、漏洩流および半径方向ギャップ損失が僅かなものであるブレードエアフォイルチップを備えたコンプレッサーローターブレードを提供することである。

この目的は、軸流コンプレッサー用のコンプレッサーローターブレードであって、湾曲ブレードエアフォイルを有し、このエアフォイルは、正圧側壁と負圧側壁を備え、これは、一方では、各場合に関して、共通前縁から共通後縁まで延在しており、かつ、他方では、取り付け側ブレードエアフォイル端部からブレードエアフォイルチップまで延在して、スパンを形成しており、スパンに沿って存在する各ブレードエアフォイル高に関してブレードエアフォイルは、負圧側輪郭および正圧側輪郭と、少なくとも部分的に湾曲したキャンバー線と、直線状プロファイル翼弦とを備えたプロファイルを有し、輪郭、キャンバー線およびプロファイル翼弦は、各場合に、前縁上に配置された前縁ポイントから後縁上に配置された後縁ポイントまで延在しており、上記プロファイルのキャンバー線の少なくとも一つ(すなわちブレードチップ側プロファイルのキャンバー線のいくつか)は、ブレードエアフォイルチップの領域に、少なくとも二つの変曲点を有するコンプレッサーローターブレードによって達成される。

本発明は、半径方向ギャップにおける損失は、ギャップ渦(これはまた損失の原因である)が相応に影響を及ぼされるならば低減可能であるという知見に基づくものである。本発明によれば、ギャップ渦(これはギャップ質量流によって形成されかつそれに沿って押しやられる)は、従来のブレードエアフォイルチッププロファイルと比べて、遅れて、すなわちさらに下流のポイントにおいて発達することになる。ギャップ渦(これはそれゆえ従来プロファイルに関して遅れて発達する)は前縁において改良されたプロファイルのより低い負荷によって説明できる。ギャップ渦を完全に弱める従前の一般的な試みとは対照的に、本発明によれば、ギャップ渦を形成するための、より強い局所的衝撃が発生させられ、だが、その流体的サポートは、続いて、従来プロファイルの場合よりも、さらに著しく急激に減少させられる。全体として、これは、半径方向ギャップにおける低い流動損失につながる。所望のギャップ渦を形成するために、ブレードチップ側プロファイルのキャンバー線の少なくともいくつか、好ましくはキャンバー線の全ては少なくとも二つの変曲点を有する。キャンバー線に二つの変曲点が存在することにより、かつ、従来の厚み分布を用いることによって、ブレードチップ側プロファイル、そしてまた、負圧側輪郭および正圧側輪郭は、当業者にはむしろ普通ではなく、しかも問題の輪郭に関しては続いてプロファイルキンクと呼ばれるキンクを持つ。この位置において、そうしたプロファイルキンクは、ギャップ質量流の局所的増大を引き起こし、これは、望まれるように、従前よりもより激しく、ブレードエアフォイルの負圧面に沿ってギャップ渦を押しやり、かつ、ギャップ渦をそこから離れるように押しやる。負圧側輪郭のキンクの後方の下流側領域において、半径方向ギャップにおける質量流密度は、ブレードエアフォイルチップにおいて従前のプロファリングを用いた場合よりも、さらに著しく急激に減少する。全体として、低減されたガス質量流は、それゆえ、従来のプロファイリングに比べて保証される。プロファイルキンクの負圧側輪郭によって、ギャップ渦は、負圧側輪郭のキンクの下流側にキンクをやはり有するラインに沿って発達する。ギャップ渦の早期のキンクは、その最大値までの半径方向ギャップにおける質量流密度の急激な増大と、そして上記質量流密度の確実な減少と一致する。そのキンク後のギャップ渦線は、従来プロファイルを備えた場合よりも、負圧側壁から、より大きな角度で突出する。この結果、その時点からギャップ渦は、従来プロファイリングの場合よりも大きなものとなる距離だけ逸脱する。より大きな角度は、増大および減少の両方場合のギャップ流の質量流密度のより大きな勾配に起因する。全体として、本発明に基づくプロファイリングは、より僅かな半径方向ギャップ損失と、ローターブレード列の出口における流れ場のより軽度の閉塞しか生じない。

半径方向ギャップ損失の達成された低減の結果、ブレードの効率を、したがってまた、このコンプレッサーローターブレードを備えたターボ機械の効率を著しく改善できる。

有利な展開は従属請求項に開示されている。

好ましくは、二つの変曲点の第１のものは、プロファイル翼弦への垂直投影によって、この上に第１の投影ポイントを形成し、これは、前縁ポイントからプロファイル翼弦の長さの１０％ないし３０％の距離にある。同時に、二つの変曲点の第２のものは、プロファイル翼弦への垂直投影によって、この上に第２の投影ポイントを形成し、これは、前縁ポイントからプロファイル翼弦の長さの３０％ないし５０％の距離にある。特に、本発明に関連した利点は、そうした様式で配置された変曲点によって特に高い程度まで生じる。二つの変曲点は、この例では、プロファイル翼弦の長さの少なくとも３％だけ離間している。

本発明のさらに好ましい展開によれば、プロファイルのキャンバー線はフロントセクションを備え、これは、各場合に、前縁ポイントからフロントセクションの終点ポイントまで延在しており、この投影ポイントは、プロファイル翼弦への垂直投影によって、前縁ポイントからプロファイル翼弦の長さの２％ないし１０％の距離にあり、ブレードチッププロファイルのフロントセクションの少なくともいくつか、好ましくはフロントセクションの全ては、プロファイル翼弦の１００倍よりも大きな曲率半径を有する。言い換えれば、ブレードチップ側プロファイルのキャンバー線のフロントセクションは、各場合に、直線に、あるいは少なくともほとんど対応する。したがって、問題のフロントセクションにおけるプロファイルは(特に湾曲を伴わずに)対称的であり、これは、事実上、正圧側から負圧側への圧力ポテンシャルが、ブレードエアフォイルのブレードチップ側前縁周りの局所的速度分布からさえ発達しないことを意味する。前縁領域の正圧側と負圧側との間の圧力ポテンシャルは、ギャップ渦の発達の原因と、したがってギャップ損失の原因と考えられるので、前縁領域のこの除荷は、この場合、ギャップ渦の弱化および遅れた(すなわち下流側での)発生をもたらす。キャンバー線のフロントセクションにおけるブレードチップ側プロファイルの負圧側輪郭および正圧側輪郭は、この例では、好ましくは対称的に形成され、あるいは、負圧側および正圧側にほとんど直線状の輪郭セクションを備えたクサビ形状として形成される。

さらに有利な展開によれば、各フロントセクションは、対向ガス流に関して入射角を有し、ここで、ほとんど直線状のキャンバー線セクションに加えてあるいはそれに代えて、ブレードチップ側プロファイルの入射角の少なくともいくつか、好ましくは、しかしながら、入射角の全ては、ブレードエアフォイルの残余のプロファイルの入射角よりも小さなものである。ブレードチップ側プロファイルのフロントキャンバー線セクションの入射角は、この例では、好ましくは１０°未満であり、好ましくは０°に等しい。言い換えれば、ブレードチップ側プロファイルのインレットメタル角度は、ブレードエアフォイルの残余のプロファイルのインレットメタル角度よりも著しく小さなものである。したがって、特許文献２に基づく解決策とは対照的に、ブレードエアフォイルチップの前縁領域は流入流内へと方向変換するが、これは、ブレードチップ側の前縁領域において正圧側と負圧側との間の圧力ポテンシャルが回避されることを同様に保証する、と言うことができる。さらに、これは前縁領域におけるギャップ渦の発生を抑止する。

提示した展開に代えて、あるいはそれに加えて、好ましくは、ブレードチップ側プロファイルの前縁ポイントの少なくともいくつか、好ましくは前縁ポイントの全ては、ブレードエアフォイルの残余のプロファイルの前縁ポイントよりも、さらに上流側に配置できる。言い換えれば、ブレードエアフォイルチップに関するプロファイルの前縁は、前方(上流側方向)にプロファイルを延在することによって、残余の前縁に関して前方にシフトされている。これは、半径方向圧力勾配がブレードエアフォイルチップの前縁領域において作用できず、この結果、半径方向圧力分布を伴ってさえ、正圧側と負圧側との間のポテンシャルが生じ得ない、という結果をもたらす。

好ましくは、ブレードエアフォイルチップの領域に存在するプロファイルのキャンバー線のみが二つの変曲点を有し、ここで、ブレードエアフォイルチップ側はブレードエアフォイルチップからスパンの２０％以下の領域を備える。取り付け側ブレードエアフォイル端部からスパンの８０％以上のブレードエアフォイル高さに至るブレードエアフォイルの残余の領域は、従来方式に基づいて輪郭取り可能である。

したがって、本発明は、主として、軸流コンプレッサー用の、リング状に配置された、コンプレッサーローターブレードの改変されたブレードエアフォイルチップに関する。

さらに有利な展開によれば、キャンバー線は、各場合に、セクションの起点から後縁ポイントまで延在するリアセクションを備え、ブレードチップ側キャンバー線の少なくともいくつか、好ましくは全てのリアセクションは、ブレードエアフォイルの残余のプロファイルのキャンバー線のリアセクションよりも大きな曲率を有する。したがって、ブレードチップ側プロファイルの出口メタル角度は、スパンに沿った途中のあるいは取り付け側(すなわちハブ側)ブレードエアフォイル端部の領域における出口メタル角度よりも小さなものである。好ましくは、セクション起点は、プロファイル翼弦への垂直投影によって、投影ポイントを規定し、この投影ポイントは、プロファイル翼弦上に配置されており、かつ、前縁ポイントからプロファイル翼弦の長さの多くても６０％の距離にある。後縁は、その結果、ブレードエアフォイルの残余の領域におけるよりもブレードチップ側領域において、より湾曲している。この増大した曲率は、ブレードエアフォイルの好ましくは後方４０％における、より優れた仕事変換につながり、この結果、ブレードエアフォイルの負荷全体は後方にシフトされる。この設計は、プロファイル翼弦の前方領域におけるブレードチップ側プロファイルの除荷にもかかわらず高い仕事変換を依然として実現するために、前縁における除荷のための補償として機能し得る。全体として、それゆえ、コンプレッサーローターブレードのブレードエアフォイルチップ領域におけるバリアを低減することによって、外側環状壁領域における後続のステーターブレードの流入流もまた改善できる。これは、後続のステーターブレードの局所的不整合流入流を低減する。

好ましくは、ブレードチップ側プロファイルの少なくとも一部、好ましくは全ては「後負荷設計」で構成され、かつ、残余の、すなわちブレードチップ側ではないプロファイルは「前負荷設計」で構成される。

ギャップ渦(これはギャップ損失の原因である)には、負圧側輪郭および正圧側輪郭がまた互い違いの符号を備えた少なくとも三つの湾曲セクションを有するならば、特に効果的に影響を及ぼすことができ、この隣接湾曲セクションは、各場合に、変曲点において、つながっている。これは、キャンバー線に対して直交するようにかつ対称的に従来様式で、すなわち同様の手法で両側において適用される好適な厚み分布によって達成できる。そうした手法は、負圧における凹状輪郭セクションに、そして正圧側における凸状輪郭セクションにつながり、これによって、ギャップ渦は、特に簡単な様式で理想的に影響を及ぼすことができる。

ブレードエアフォイルチップは、好ましくは、シュラウドを持たない構造のものである。

ガスの速度分布が、ガスによる周囲流の間、前縁ポイントから後縁ポイントまで負圧側輪郭に沿って確立される場合、ブレードチップ側プロファイルの少なくともいくつか、好ましくは全ては、最大位置に速度最大値が生じるように選択され、その速度最大値の投影ポイントは、プロファイル翼弦への垂直投影によって、前縁ポイントからプロファイル翼弦の長さの１０％ないし３０％の距離にある。こうした手法によって、ガス渦の発達のための特に大きな衝撃が保証される。この場合、可能な限り半径方向ギャップ損失を最小限に抑えるために、ギャップ渦のためのエネルギー供給が特に素早く、すなわち特に短い長さにわたって、特に激しい程度まで減少することが仮定される。このために、問題のプロファイルは、最大位置に隣接する負圧側輪郭の負圧側セクションにおいて、プロファイル翼弦の長さの多くても１５％の長さを伴って、速度の勾配が確立され、そのスロープが最大であるように選択されることが仮定される。これは、ギャップ渦がそのサイズに関して著しく十分に供給されないことにつながり、これは、より大きな角度で負圧側の表面から離れるようにこれが移動することにつながる。これは、軸流コンプレッサーの場合に特に低いギャップ損失につながり、そのローターは、本発明に基づくコンプレッサーローターブレードを備える。

図示する代表的実施形態に基づいて、本発明についてさらに説明する。

コンプレッサーローターブレード用の、本発明に基づくプロファイルおよび従来技術から公知のプロファイルを示す図である。 本発明に基づくプロファイルの、そして図１からの従来プロファイルの負圧側輪郭および正圧側輪郭に沿った速度分布を示す図である。 本発明に基づくプロファイルの、そして図１からの従来プロファイルの負圧側輪郭および正圧側輪郭に沿った速度分布を示す図である。 コンプレッサーローターのための本発明に基づくプロファイルの負圧面および正圧面の輪郭を示す図である。 負圧面および正圧面に沿った本発明に基づくプロファイルの曲率プログレッションを示す図である。 本発明に基づくプロファイルの、そして図１からの従来プロファイルの負圧側輪郭および正圧側輪郭に沿った速度分布を示す図である。 アンシュラウド・ブレードエアフォイルチップのために本発明に基づくプロファイルを用いた場合の、半径方向ギャップにおける質量流の密度を示す図である。 本発明に基づくプロファイルのための、そして従来プロファイルのためのガス渦軌跡のトポロジーを示す図である。 本発明に基づくコンプレッサーのアンシュラウド・ブレードエアフォイルチップの斜視図である。 本発明に基づくコンプレッサーのアンシュラウド・ブレードエアフォイルチップの斜視図である。

図９および図１０は、それぞれ、アンシュラウド・コンプレッサーローターブレード１０を、異なる視点から見て示している。ブレードエアフォイル１２は、正圧側壁１４および負圧側壁１６を備えるが、これは、一方では、各場合に、共通前縁１８(その上へとガス流が流れる)から共通後縁２０まで延在し、そして、他方では、取り付け側ブレードエアフォイル端部(図９および図１０には付加的に示していない)から、ブレードエアフォイルチップ２２まで延在して、スパンを形成している。

図９においては、ブレードエアフォイル１２の後縁２０が見えるように見え方が選択されており、そして、図１０においては、ブレードエアフォイル１２の前縁１８が見えるように見え方が選択されている。取り付け側ブレードエアフォイル端部において、プラットフォームのための、そしてまた、その上に配置されるブレード根のための備えを公知の様式でなすことができる。取り付け方式に依存して、コンプレッサーローターブレード１０のブレード根は、ダブテール形状、鋸歯形状、あるいは逆Ｔ字形状のいずれかである。コンプレッサーローターブレードはまたローターに溶接されてもよい。

軸流コンプレッサーのローターに固定された状態で、ブレードエアフォイル１２の向きは、このブレードエアフォイル１２が、前縁１８から後縁２０へと軸流コンプレッサーの概ね軸線方向に延在するようなものであるが、これは、図９および図１０に関連付けられた座標系では、Ｘ軸によって特定される。軸流コンプレッサーの半径方向は、図示された座標系のＺ軸と一致し、かつ、接線方向、すなわち周方向はＹ軸と一致する。

ブレードエアフォイル１２のスパンは、したがって、Ｚ軸の方向にカバーされている。

よく知られているように、軸流コンプレッサーのコンプレッサーローターブレード１０は、異なるかあるいは同一のプロファイルが直線状のあるいは僅かに湾曲したスタッキング軸(これは図示されていない)に沿って直列に配置されるように設計されるが、そのインクルーデッドスペースはブレードエアフォイル１２を画定する。各プロファイルは、原理的に、スタッキング軸線上に存在する面重心を有する。

さらに詳しく言うと、エンドレスな基準線(これはブレードエアフォイルの負圧側輪郭および正圧側輪郭を備える)がプロファイルによって理解される。輪郭は、一方側においては、前縁ポイントにおいて、そして他方側においては、後縁ポイントにおいて出会うが、こうしたポイントはまたプロファイルの一部であり、かつ、この例では、ブレードエアフォイルの対応縁部上に存在する。そうしたプロファイルは、スパンに沿って存在する各ブレードエアフォイル高に関して存在する。これに関して、当該プロファイルは、特定のブレードエアフォイル高に関するブレードエアフォイルを通る断面の輪郭を表しており、断面は、環状流路狭窄に対応して、軸流コンプレッサーの半径方向と直交するように、あるいは、それに対して僅かに傾斜するように方向付けることができる。図９において、三つのプロファイル２８,３０の正圧側輪郭４０は実線によって示されている。図１０において、異なるブレードエアフォイル高のプロファイル２８,３０の複数の負圧側輪郭４２もまた実線によって示されている。

図９および図１０に示す湾曲ブレードエアフォイル１２はブレードエアフォイルチップ領域４３を有するが、これは、従来のものと比べて、本発明に基づいて改変されており、その具体的な構造ならびに動作原理については、以下でさらに詳しく説明する。

図１においては、二つの基本的に異なるプロファイル２８,３０が示されている。第１のプロファイル２８(点線によって示す)は、ブレードエアフォイル１２のスパンの半分のブレードエアフォイル高で、図１０に基づくコンプレッサーローターブレード１０を通る断面を示している。プロファイル２８は、従来公知の一般的なプロファイルであってもよい。プロファイル３０(これは実線で示す)は、ブレードエアフォイルチップ２２の領域４３における、図１０に基づく本発明によるコンプレッサーローターブレード１０を通る断面を示している。図１に基づく各プロファイル２８,３０は、それと関連付けられたキャンバー線を有するが、単に分かりやすくするために、ブレードチップ側プロファイル３０の一つのキャンバー線３２が破線で図１に示されている。キャンバー線３２は前縁ポイント２４を起点とし、関連付けられた後縁ポイント２６において終わり、そして、常に、正圧側輪郭４０と負圧側輪郭４２との間で中央に配置される。これはまた、プロファイル中心線として公知である。

キャンバー線３２に加えて、プロファイルはまた、直線状プロファイル翼弦によって従来技術においても規定される。プロファイル翼弦は直線であり、これは前縁ポイントから後縁ポイントまで延在する。図１において、ブレードチップ側プロファイル３０に関する、ただ一つのプロファイル翼弦３４が示されている。プロファイル翼弦３４はプロファイル３０の重要なポイントの幾何学的定義のために続いて使用されるので、その長さは一つに規格化され、ここで、プロファイル翼弦の長さは前縁ポイント２４において０％であり、そしてプロファイル翼弦の長さは後縁ポイント２６において１００％である。相対的翼弦長はまた、これによって理解される。

当然ながら、プロファイル翼弦はまた、従来技術から公知のプロファイル２８のために存在する。このプロファイル翼弦は、しかしながら、分かりやすくするために、図１には示していない。

基準化されたプロファイル翼弦３４は、この例では、ｘ／ｃで示される。図１に示すプロファイル３０は、この例では、ブレードチップ側プロファイル３０の半径方向の最も外側に関する代表例である。図１に示す従来プロファイル２８は、一方で、従来技術から公知のプロファイルに関する代表例であり、かつ、他方では、コンプレッサーローターブレード１０の残余のプロファイルに関する代表例である。ブレードチップ側には配置されず、したがってブレードエアフォイル１２の取り付け側領域にあるいはブレードエアフォイルチップ２２と取り付け側ブレードエアフォイル端部との間で中央に配置できる、こうしたプロファイルは、たとえば、残余のプロファイル２８によって理解されるべきである。一般的なプロファイル２８からブレードチップ側プロファイル３０への移行は、この例では、図１０に示すように、無段階になされる。

本発明に基づくコンプレッサーローターブレード１０に関する特徴は、ブレードチップ側プロファイル３０のキャンバー線３２が少なくとも二つの変曲点３６,３８を有することである。これは、最も前方の変曲点３６の上流側では、キャンバー線３２は、第１の曲率を備えた第１の湾曲セクションＡを有し、かつ、第２の変曲点３８までの第１の変曲点３６の下流では、キャンバー線は第２の曲率を備えた第２の湾曲セクションＢを有することを意味する。この例における第１の曲率のおよび第２の曲率の符号は異なる。第２の湾曲セクションＢの下流側で第２の変曲点３８において隣接しているのが第３の湾曲セクションＣであり、その湾曲は、再び、第２の湾曲のそれとは異なる符号を有する。湾曲セクションＡ,Ｂ,Ｃの曲率の異なる符号の結果、負圧側輪郭４２および正圧側輪郭４０はまた対応する湾曲セクションを有する。主として凸状に湾曲した負圧側輪郭４２は、相対的翼弦長の３５％ないし５０％のセクションＤにおいて、凹形状を有する。主として凹状に湾曲した正圧側輪郭４０は、凸状であるセクションＥを有する。軸流コンプレッサーのコンプレッサーローターブレードに関する(従来技術から知られた)これまでのプロファイル形状とは対照的に、この凹状負圧側輪郭セクションＤおよびこの凸状正圧側輪郭セクションＥは、本明細書中ではプロファイルキンクと呼ばれる局所的にねじれたプロファイリングをもたらす。

この例では、二つの変曲点の第１のもの３６は、プロファイル翼弦への垂直投影によって、この上に第１の投影ポイントＡＰを規定し、これは前縁ポイント２４からプロファイル翼弦３４の長さの１０％ないし３０％の距離にあり、かつ、二つの変曲点の第２のもの３８は、プロファイル翼弦３４への垂直投影によって、この上に第２の投影ポイントＢＰを規定し、これは、前縁ポイント２４からプロファイル翼弦３４の長さの３０％ないし５０％の距離にあることが仮定されている。さらに、図１から、ブレードチップ側プロファイル３０は、既存のプロファイル２８と比べて、対向ガス流に向かって前方に変位させられた前縁１８を有することは明らかである。ブレードチップ側プロファイル３０の前方変位前縁１８は、図９および図１０に基づく斜視図において特に明らかである。

さらに、ブレードチップ側プロファイル３０のキャンバー線３２は、ブレードエアフォイル１２の残余のプロファイル２８のキャンバー線のリアセクションよりも、リアセクションＧにおいて、より大きな曲率を有する。キャンバー線３２のリアセクションＧは、キャンバーライン３２の後縁ポイント２６へとセクション起点ポイントＧＡから延在し、このセクション起点ポイントＧＡは、プロファイルド翼弦３４への投影によって、この上に投影ポイントを規定するが、これは、前縁ポイント２４からプロファイル翼弦３４の長さの多くても６０％の距離にある。

さらに、図１から、ブレードチップ側プロファイル３０は、フロントセクションＨを備えたキャンバー線３２を備えることは明らかである。キャンバー線３２のフロントセクションＨは、前縁ポイント２４からキャンバー線３２の投影ポイントＨＰまで延在するが、これは、プロファイル翼弦３４の長さの１０％に配置されている。投影ポイントＨＰは、この例では、翼弦３４に対して直交する、フロントセクションＨの終端ポイントＨＥの投影によって形成される。キャンバー線３２のこのフロントセクションＨにおいて、キャンバー線３２はほとんど湾曲しておらず、すなわち概ね直線状である。同様に、厚みの分布(これは大まかに知られたように同様の手法で両側においてキャンバー線３２に対して直交するように適用される)は、この例では、前縁領域(これは原則としてクサビ形状である)がブレードチップ側輪郭３０のために形成されるように選択される。概して、ブレードチップ側プロファイル３０のフロントセクションＨにおいて、負圧側輪郭３２および正圧側輪郭４０の対称的プログレッションは対称的に好ましい。

図２においては、負圧側流れに関する、そして正圧側流れに関する、ブレードチップ側プロファイル３０に沿った、そして従来のプロファイル２８に沿った速度分布が対比させられている。各速度分布は、この例では、標準化されたプロファイル翼弦ｘ／ｃに沿ってプロットされている。この例の速度はマッハ数で規定され、ここで、マッハ＝１は所与の温度に関する音速を意味する。速度分布は、この例では、コンプレッサーローターブレードのブレードエアフォイル高において記録されたが、これは、ブレードエアフォイルチップ２２と、このギャップを取り囲む軸流コンプレッサーの環状壁との間の半径方向ギャップのギャップ寸法の０.５％の、ブレードエアフォイルチップ２２からの距離にある。負圧側壁１６および正圧側壁１４に関する従来プロファイル２８の速度分布４８,５０は、図２、図３および図６に破線にて示されている。ブレードチップ側プロファイル３０の負圧側壁１６および正圧側壁１４に関する速度分布４４,４６は実線によって示されている。下側の線は、各場合に、対応する正圧側に関する速度分布を示し、かつ、上側の線は、各場合に、対応する負圧側に関する速度分布を示している。ブレードチップ側プロファイル３０に関する負圧側速度分布は４４で示され、ブレードチップ側プロファイルに関する正圧側速度分布は４６で示され、従来プロファイル２８に関する負圧側速度分布は４８で示され、そして従来プロファイル２８に関する正圧側速度分布は５０で示される。負圧側速度分布４４,４８のカーブと、標準化されたプロファイル翼弦３４の各ポイントに関する正圧側速度分布４６,５０との間の距離が大きくなればなるほど、ますます圧力差が大きくなり、したがって個々の検討されているプロファイル２８,３０のプロファイル翼弦の個々の検討されているポイント上で負荷がますます大きくなる。図２から、本発明によって改変されたブレードエアフォイルチップ領域４３によって、ブレードエアフォイル１２は、前側半分において、すなわち特に前縁ポイント２４から見たときプロファイル翼弦３４の最初の１５％において除荷されていることは明らかである。

確実な速度分布４４,４６の結果、より大きな負荷がブレードチップ側プロファイル３０のリアセクションＧに生じる。なぜなら、プロファイル翼弦３４の６０％からプロファイル翼弦３４の１００％までの後方プロファイルセクションに関する負圧側速度分布４４と正圧側速度分布４６との間の領域は、従来公知の従来プロファイル２８の対応する速度分布４８,５０間の対応する領域よりも大きなものであるからである。従来のプロファイル２８はブレードチップ上にはないコンプレッサーローターブレード１０の領域のために設けられていたので、ブレードエアフォイルのフロントセクション(「前荷重設計」)からブレードエアフォイルのリアセクション(「後荷重設計」)への荷重の変化が、それゆえ、ブレードエアフォイル高に沿って生じる。ブレードチップ側のブレードエアフォイル１２のプロファイル形状は、プロファイル翼弦３４の長さの約２０％での最大位置における速度載置までの速度増大が、可能な限り短いプロファイル翼弦セクション内で実現されるように選択されることが特徴である。さらに、最大位置に隣接するプロファイル翼弦３４の後続１５％において、負圧側ガス流の速度の比較的大きな低減が、可能な限り短いプロファイル翼弦セクション内で望まれる。特に、負圧側壁１６に沿った、この速度プログレッションによって、ギャップ渦(これはギャップ損失の原因である)が比較的多くのエネルギーと共に形成され、速度最大値が達成された後の大きな速度低下の結果、相対的に僅かなエネルギーのみが、これに付加的に供給されるが、これはそれを、かえって弱める。これは、全体として、半径方向ギャップ損失の低減につながる。

図３ないし図８は、プロファイルキンクの結果として生じる効果をさらに示している。図３および図６においては、相対的翼弦長に対する従来プロファイル２８の、そしてブレードチップ側プロファイル３０のマッハ数分布を再び示している。図４は、ｍ'‐シータ座標系においてブレードチップ側プロファイル３０を示している。下の図、図５は、ｍ'−座標に対する負圧側輪郭４２の曲率５２および正圧側輪郭４０の曲率５４を示している。正圧側キンク５６の領域においてマッハ数差の急激な上昇が、したがって負圧側輪郭４２と正圧側輪郭４０との間の圧力ポテンシャルの急激な上昇が生じることは明らかである。

図７は、質量流の密度を示しているが、これは、検討されている局所領域に関して、プロファイル翼弦３４に対して直交するように半径方向ギャップを経て流れる。従来プロファイル２８に関する質量流密度は５８で示され、そしてブレードチップ側プロファイル３０に関しては６０で示される。ブレードチップ側プロファイル３０に関して、圧力ポテンシャルの増大と、半径方向ギャップ内の質量流密度の増大との間のより明確な関係がわかる。半径方向ギャップ内の質量流密度は、さらに、上述したプロファイルキンクの直後に、その全体的な最大値に達する。ブレードチップ側プロファイル３０に関する質量流密度の全体的な最大値は、従来の場合におけるよりも高い。その最大値の後の半径方向ギャップにおける質量流密度の減少はまた、従来プロファイル２８の場合におけるよりも大きなものである。

図８は、二つのプロファイル２８,３０に関するギャップ渦軌跡(ギャップ渦線)のトポロジーを示す。従来プロファイル２８に関するギャップ渦線は６２で示され、そしてブレードチップ側プロファイルに関するギャップ渦線は６４で示されている。ブレードチップ側プロファイル３０の場合のギャップ渦は、(問題のプロファイルの相対的翼弦長に関して)前縁１８に対して、かなり後で発達し、そして、その後、従来のプロファイリング２８の場合よりも大きな角度で負圧側壁１６からねじれる。ギャップ渦の早期のキンクは、その最大値に対する質量流密度の急激な増大と、そしてそれに続く質量流密度の減少と一致する。より大きな角度は、質量流密度の増大中および減少中の、より急な勾配に起因する。従来のプロファイル２８に関するギャップ渦の遅れた発達は、前縁１８における改良されたプロファイル３０の低い負荷によって説明できる。

前縁領域におけるブレードエアフォイルチップ２２の除荷の結果として、ギャップ渦の生成が遅延させられる。続いて、負圧側プロファイルキンクの領域において、ギャップ質量流の急激な増大は、ブレードチップ側プロファイル３０の負圧側壁１６に沿ってギャップ渦を押しやりかつそこから離れるようにギャップ渦を押しやることを保証する。負圧側プロファイルキンクの下流側の領域において、半径方向ギャップ内の質量流密度は、従来プロファイリング２８の場合におけるよりも、さらに著しく急激に低下する。全体として、より小さなギャップ質量流はこうして保証される。ギャップ渦線は、従来プロファイリング２８を備えた場合よりも、負圧側壁１６からより大きな角度で負圧側プロファイルキンクの下流でねじれる。その時点から、それは、従来プロファイリング２８の場合よりも、負圧側壁１６からより大きな距離において離れるように移動する。全体として、変更されたプロファイリング３０の場合のギャップ流は、それゆえ、ローターブレード列の出口において、より少ない損失および流れ場のより軽度の閉塞しか引き起こさない。依然として高い仕事変換を実現するために、プロファイル翼弦３４の前半分におけるプロファイル３０の除荷にもかかわらず、プロファイル翼弦３４の後方４０％におけるプロファイル３０のより高いキャンバーによって負荷は増大する。

特に好ましいのは、新しいプロファイル３０の特定の曲率分布を伴って前方から後方に負荷のシフトの相互作用が、プロファイル翼弦３４の約２０％において実現される設計である。

特に、以下の表に記載したコンプレッサーブレード(その残余のプロファイルが図１に示すプロファイル形状２８に概ね対応する)は、特に有効であることが判明した。

全体的に見て、本発明はそれゆえ、好ましくは定置型ガスタービンの軸流コンプレッサー用のコンプレッサーローターブレードに関する。本発明によれば、半径方向ギャップ損失を低減するために、コンプレッサーローターブレード１０のブレードエアフォイル１２のブレードチップ側プロファイル３０のキャンバー線３２が少なくとも二つの変曲点３６,３８を有する。二つの変曲点３６,３８を設けたことによって、負圧側輪郭セクションＤ(これは凹形状のものである)が３５％ないし５０％のセクションにおいて負圧側輪郭４２に関して形成され、かつ、正圧側セクションＥ(これは凸形状のものである)が正圧側輪郭４０に関して形成される。このジオメトリーによって、こうしたコンプレッサーローターブレード１０を備えた軸流コンプレッサーの全体的効率を増大させるために低損失ギャップ渦を発生させることができる。

１０ アンシュラウド・コンプレッサーローターブレード
１２ ブレードエアフォイル
１４ 正圧側壁
１６ 負圧側壁
１８ 前縁
２０ 後縁
２２ ブレードエアフォイルチップ
２４ 前縁ポイント
２６ 後縁ポイント
２８,３０ プロファイル
３２ キャンバー線
３４ プロファイル翼弦
３６,３８ 変曲点
４０ 正圧側輪郭
４２ 負圧側輪郭
４３ ブレードエアフォイルチップ領域

Claims (17)

1. 軸流コンプレッサー用のコンプレッサーローターブレード(１０)であって、
   湾曲ブレードエアフォイル(１２)を有し、このエアフォイルは、正圧側壁(１４)と負圧側壁(１６)とを備え、これは、一方では、各場合に関して、共通前縁(１８)から共通後縁(２０)まで延在しており、かつ、他方では、取り付け側ブレードエアフォイル端部からブレードエアフォイルチップ(２２)まで延在して、スパンを形成しており、
   前記スパンに沿って存在する各ブレードエアフォイル高に関して前記ブレードエアフォイル(１２)は、
   ・負圧側輪郭(４２)および正圧側輪郭(４０)を備えたプロファイル(２８,３０)と、
   ・少なくとも部分的に湾曲したキャンバー線(３２)と、
   ・直線状プロファイル翼弦(３４)と、を有し、
   前記輪郭(４０,４２)、キャンバー線(３２)およびプロファイル翼弦(３４)は、各々が前縁ポイント(２４)から後縁ポイント(２６)まで延在しており、
   前記ブレードチップ側プロファイル(３０)の前記キャンバー線(３２)の少なくともいくつかは、少なくとも二つの変曲点(３６,３８)を有することを特徴とするコンプレッサーローターブレード(１０)。
2. 二つの変曲点の第１のもの(３６)は、前記プロファイル翼弦(３４)への垂直投影によって、この上に第１の投影ポイント(ＡＰ)を形成し、これは、前記前縁ポイント(２４)から前記プロファイル翼弦(３４)の長さの１０％ないし３０％の距離にあり、かつ、二つの変曲点の第２のもの(３８)は、前記プロファイル翼弦(３４)への垂直投影によって、この上に第２の投影ポイント(ＢＰ)を形成し、これは、前記前縁ポイント(２４)から前記プロファイル翼弦(３４)の長さの３０％ないし５０％の距離にあることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
3. 前記キャンバー線(３２)はフロントセクション(Ｈ)を備え、これは前記前縁ポイント(２４)からセクション終点ポイント(ＨＥ)まで延在しており、このフロントセクションの投影ポイント(ＨＰ)は、前記プロファイル翼弦(３４)への垂直投影によって、前記前縁ポイント(２４)から前記プロファイル翼弦(３４)の長さの２％ないし１０％の距離にあり、 前記ブレードチッププロファイル(３０)の前記フロントセクション(Ｈ)の少なくともいくつかは、前記プロファイル翼弦(３４) の長さの１００倍よりも大きな曲率半径を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
4. 各フロントセクション(Ｈ)は、対向ガス流に関して入射角を有し、前記ブレードチップ側プロファイル(３０)の前記入射角の少なくともいくつかは、前記ブレードエアフォイル(１２)の残余のプロファイル(２８)の入射角よりも小さなものであることを特徴とする請求項３に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
5. ブレードチップ側プロファイル(３０)の前記フロントセクション(Ｈ)の前記入射角は１０°未満であることを特徴とする請求項４に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
6. 前記キャンバー線(３２)の前記フロントセクション(Ｈ)におけるブレードチップ側輪郭(３０)の前記負圧側輪郭(４２)および前記正圧側輪郭(４０)は対称形状を有することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
7. 前記ブレードチップ側プロファイル(３０)の前記前縁ポイント(２４)の少なくともいくつかは、前記ブレードエアフォイル(１２)の前記残余のプロファイル(２８)の前記前縁ポイント(２４)よりも、さらに上流側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
8. 前記ブレードエアフォイルチップ(２２)の領域に存在する前記プロファイル(３０)の前記キャンバー線(３２)は、二つの変曲点(３６,３８)を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
9. 前記キャンバー線(３２)は、セクション起点(ＧＡ)から前記後縁ポイント(２６)まで延在するリアセクション(Ｇ)を備え、
   前記ブレードチップ側キャンバー線(３２)の少なくともいくつかの前記リアセクション(Ｇ)は、前記ブレードエアフォイル(１２)の前記残余のプロファイルのキャンバー線(３２)の前記リアセクションよりも大きな曲率を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
10. 前記セクション起点(ＧＡ)は、前記プロファイル翼弦(３４)への垂直投影によって、投影ポイント(ＧＰ)を規定し、この投影ポイント(ＧＰ)は、前記プロファイル翼弦(３４)上に配置されており、かつ、前記前縁ポイント(２４)から前記プロファイル翼弦(３４)の長さの多くても６０％の距離にあることを特徴とする請求項９に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
11. ブレードチップ側プロファイル(３０)の前記負圧側輪郭(４２)および前記正圧側輪郭(４０)は、各々が少なくとも二つの変曲点を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
12. 前記ブレードエアフォイルチップ(２２)はシュラウドを持たないことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
13. 前記ブレードチップ側プロファイル(３０)の少なくとも一部は後負荷設計で構成されており、かつ、前記残余のプロファイル(２８)は前負荷設計で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
14. 前記ブレードエアフォイルチップ側は、前記ブレードエアフォイルチップ(２２)の前記スパンの多くとも２０％の領域(４３)を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
15. 前記ガスの速度分布は、ガスによる周囲流の間、前記前縁ポイント(２４)から前記後縁ポイント(２６)まで前記負圧側輪郭(４２)に沿って確立され、
    前記ブレードチップ側プロファイル(３０)の少なくともいくつかは、最大位置に速度最大値が生じるように選択され、その速度最大値の投影ポイントは、前記プロファイル翼弦(３４)への垂直投影によって、前記前縁ポイント(２４)から前記プロファイル翼弦(３４)の長さの１０％ないし３０％の距離にあることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
16. 問題の前記プロファイル(３０)は、最大位置に隣接する前記負圧側輪郭(４２)の負圧側セクションにおいて、前記プロファイル翼弦(３４)の長さの多くても１５％の長さを伴って、前記速度の勾配が確立され、そのスロープが最大であるように選択されることを特徴とする請求項１５に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)。
17. ローターを備えた軸流コンプレッサーであって、
    その外周には、請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載のコンプレッサーローターブレード(１０)を備えた少なくとも一つのローターブレードリングが形成されていることを特徴とする軸流コンプレッサー。

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