JP7221078B2 - 翼及びこれを備えた回転機械 - Google Patents

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Description

本開示は、翼及びこれを備えた回転機械に関する。
回転機械等の機械に適用される翼では、運転条件等に応じて、翼面近傍において流れの剥離が生じ得る。流れの剥離が生じると、翼面における仕事が減少し、これにより機械の性能や運転効率が低下する場合がある。そこで、流れの剥離等よる損失を低減するように翼型が設計する必要がある。
例えば特許文献１には、タービンエンジンに用いられる翼について記載されている。この翼の翼型部の内部には流路（チャネル）が設けられており、該流路を介して、負圧面に設けられた抽気入口と、翼型部の先端とが連通している。そして、翼型部に沿って進む空気流の一部が抽気入口を介して翼型部内部の流路に引き込まれることにより、空気流の翼面からの剥離を低減するようになっている。
特開２０１７－１９０７７６号公報
特許文献１に記載されるように、翼面近傍の流れの一部を翼型の内部流路に吸込むことで、翼面からの流れの剥離を低減可能であると考えられる。一方、このような剥離をより効果的に抑制するために、翼面上における吸込み口（特許文献１では抽気入口）の位置等をより適切に設定することが望まれる。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することが可能な翼及びこれを備えた回転機械を提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る翼は、
前縁と後縁との間において翼高さ方向に沿って基端と先端との間をそれぞれ延びる正圧面及び負圧面を有する翼型部と、
前記翼型部の内部を通り、前記正圧面又は負圧面の一方に開口する第１開口端、及び、前記翼高さ方向において前記第１開口端よりも前記先端の近くに位置し、前記翼型部の表面に開口する第２開口端を有する内部通路と、を備える翼であって、
前記翼高さ方向における前記基端から前記先端までの長さをＬとしたとき、前記翼高さ方向における前記基端から前記第１開口端までの距離が０以上０．３Ｌ以下である。
回転機械における翼面近傍での流れの剥離は、翼型部のうち基端側の領域（例えば、翼高さ方向にて基端側３０％以内の領域）にて比較的生じやすい場合がある。
この点、上記（１）の構成によれば、翼型部の内部を通る内部通路は、翼高さ方向において基端からの距離が０．３Ｌ以下の位置にて翼面（正圧面又は負圧面）に開口する第１開口端と、翼高さ方向において第１開口端よりも先端の近くに位置し、翼型部の表面に開口する第２開口端と、を有する。したがって、翼がロータ中心軸周りを回転するとき、上述の内部通路において、内径側（基端側）の第１開口端と、外径側（先端側）の第２開口端との間に半径差による遠心力による昇圧（ポンピング昇圧）が生じ、これにより、内部通路にて、内径側の第１開口端から、外径側の第２開口端へ向かう流れが生じる。このため、第１開口端が設けられる翼面近傍（すなわち、基端からの距離が０．３Ｌ以下の位置近傍の、剥離が生じやすい領域）の流れを第１開口端から内部通路に吸い込むことができ、これにより、該翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。よって、上記（１）の構成によれば、翼面における剥離領域を抑制して、回転機械の効率低下を抑制することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記第１開口端は前記負圧面に開口する。
回転機械の翼においては、運転条件と翼列の負荷にもよるが、負圧面側で流れの剥離が生じやすい場合がある。この点、上記（２）の構成によれば、内部通路の第１開口端を負圧面側に設けたので、上述のポンピング作用を利用して第１開口端から負圧面近傍の流れを吸い込むことができ、これにより、翼の負圧面の近傍で生じ得る流れの剥離を効果的に抑制することができる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記内部通路は、
前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部と、
前記径方向通路部の基端側端と前記第１開口端との間に延びる吸込部と、を含み、
前記翼高さ方向から視たとき、前記吸込部の延在方向と、前記第１開口端における前記正圧面又は前記負圧面の前記一方の接線のうち前記第１開口端よりも後縁側の部分とのなす角度が４５度以下である。
上記（３）の構成によれば、内部通路は、翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部を含むので、内部通路内に流入した流体が、上述のポンピング作用によって効果的に昇圧されやすい。このため、第１開口端を介して、翼面近傍の流れを効果的に吸い込んで、該翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。
また、上記（３）の構成によれば、翼高さ方向から視たとき、径方向通路部の基端側端と第１開口端との間に延びる吸込部の延在方向と上述の接線とのなす角度が４５度以下である。すなわち、吸込部は、第１開口端の位置において翼面（正圧面又は負圧面）に沿った形状を有するので、翼面近傍を流れる流体を、該吸込部を介して内部通路にスムーズに吸い込むことができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記第１開口端は、前記正圧面又は前記負圧面の前記一方に開口する複数の孔を有する。
上記（４）の構成によれば、内部通路の第１開口端は、翼面（正圧面又は負圧面）に開口する複数の孔を有するので、該複数の孔を介して、翼面近傍のより広範な領域から流体の流れを吸い込むことができる。よって、翼面近傍における流れの剥離をより効果的に抑制することができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記内部通路は、前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部を含み、
前記翼高さ方向における前記先端の位置での前記翼型部の最大翼厚をｔｍａｘとしたとき、前記径方向通路部の翼厚方向長さは、０．３ｔｍａｘ以上０．７ｔｍａｘ以下である。
上記（５）の構成によれば、径方向通路部の翼厚方向長さを０．３ｔｍａｘ以上としたので、径方向通路部における流路断面積を確保して、上述のポンピング作用を適切に得ることができ、第１開口端を介して、翼面近傍の流れを内部通路に適切に吸い込むことができる。また、上記（５）の構成によれば、径方向通路部の翼厚方向長さを０．７ｔｍａｘ以下としたので、翼型部の強度を適切に維持することができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記内部通路は、前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部を含み、
前記翼高さ方向における前記先端の位置での前記翼型部の最大翼厚をｔｍａｘとしたとき、前記径方向通路部の流路断面積の等価直径は、０．７ｔｍａｘ以上である。
上記（６）の構成によれば、径方向通路部の流路断面積の等価直径を０．７ｔｍａｘ以上としたので、該流路断面積を大きくすることができ、これにより、内部通路の流量を増やすことで上述のポンピング作用をより効果的に得ることができ、第１開口端を介して、翼面近傍の流れを内部通路に効果的に吸い込むことができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記内部通路は、前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部を含み、
前記第１開口端における前記内部通路の流路断面積Ｓ１又は前記第２開口端における前記内部通路の流路断面積Ｓ２と、前記径方向通路部の流路断面積Ｓ３との比Ｓ１／Ｓ３又はＳ２／Ｓ３は、０．８以上１．２以下である。
上記（７）の構成によれば、上述の比Ｓ１／Ｓ３又はＳ２／Ｓ３が１に近い。すなわち、第１開口端における流路断面積Ｓ１、第２開口端における流路断面積Ｓ２、及び、径方向通路部における流路断面積Ｓ３の間に大きな差がなく、内部通路の流路断面積は、第１開口端から第２開口端にかけて、大きく変化しない。よって、内部通路における圧損を低減しながら、翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、
前記翼高さ方向における前記基端から前記第２開口端までの距離が０．９Ｌ以上Ｌ以下である。
上記（８）の構成によれば、基端から第２開口端までの距離が０．９Ｌ以上Ｌ以下である。すなわち、第２開口端は、翼高さ方向において先端側１０％の範囲に設けられるので、翼高さ方向における第１開口端と第２開口端との距離を大きくとることができる。これにより、内部通路において、内径側（基端側）の第１開口端と、外径側（先端側）の第２開口端との間の半径差による遠心力差を大きくすることができ、ポンピングによる昇圧作用を効果的に得ることができる。よって、該ポンピング作用により、翼面近傍で生じ得る剥離をより効果的に抑制することができる。
また、回転機械においては、翼の先端とケーシングとの間のチップ漏れ流れ（チップクリアランスフロー）が生じる場合がある。この点、上記（８）の構成によれば、第１開口端を介して内部通路に吸い込まれた流れは、翼高さ方向において先端又は先端の近くに設けられた第２開口端から吹き出される。よって、第２開口端から吹き出された流れを利用して上述の漏れ流れを抑制することができ、回転機械の効率をより向上させることができる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、
前記第２開口端は前記正圧面又は前記負圧面の一方に開口する。
回転機械の翼においては、翼高さ方向において第１開口端が設けられる位置より先端側（径方向外側）の領域でも流れの剥離が生じ得る。この点、上記（９）の構成によれば、翼高さ方向において第１開口端よりも先端側に設けられる第２開口端が翼面（正圧面又は負圧面）に開口している。よって、第１開口端を介して内部通路に吸い込まれた流れが第２開口端から吹き出されることにより、第２開口端が設けられた翼面近傍の流れに運動量が供給されるため、該表面近傍で生じ得る流れの剥離を抑制することができる。よって、面近傍で生じ得る剥離をより効果的に抑制することができる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記内部通路は、
前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部と、
前記径方向通路部の先端側端と前記第２開口端との間に延びる吹出し部と、を含み、
前記翼高さ方向から視たとき、前記吹出し部の延在方向と、前記第２開口端における前記正圧面又は前記負圧面の前記一方の接線のうち前記第２開口端よりも前縁側の部分とのなす角度が４５度以下である。
上記（１０）の構成によれば、翼高さ方向から視たとき、径方向通路部の先端側端と第２開口端との間に延びる吹出し部の延在方向と上述の接線とのなす角度が４５度以下である。すなわち、吹出し部は、第２開口端の位置において翼面（正圧面又は負圧面）に沿った形状を有するので、吹出し部を介して第２開口端から流出する流れを翼面に沿わせることができる。これにより、第２開口端から流出する流れと翼面近傍を流れる流体との混合損失を低減することができる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、
前記内部通路は、
前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部と、
前記径方向通路部の先端側端と前記第２開口端との間に延びる吹出し部と、を含み、
前記吹出し部は、前記第２開口端を含む部分において、前記第２開口端に近づくにつれて流路断面積が徐々に拡大する形状を有する。
上記（１１）の構成によれば、前記吹出し部は、前記第２開口端を含む部分において、前記第２開口端に近づくにつれて流路断面積が徐々に拡大する形状を有するので、吹出し部を介して、運動量を持った流体を翼面近傍の広範囲に供給することができる。よって、上述のチップ漏れ流れを効果的に抑制したり、該翼面近傍で生じ得る流れの剥離を効果的に抑制したりすることができる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の構成において、
前記翼高さ方向における前記第２開口端の位置での断面上において、前記翼型部のコード長をＣとしたとき、前記翼型部のコード方向における前記前縁と前記第２開口端との距離は０より大きく０．５Ｃ以下である。
翼面近傍における流れの剥離は、コード方向の中央位置付近で生じやすい場合がある。この点、上記（１２）の構成によれば、第２開口端を、コード方向において比較的上流側に設けたので、翼面近傍での剥離は、第２開口端よりも下流側の位置で生じやすい傾向となる。よって、翼面近傍で生じ得る流れの剥離をより効果的に抑制することができる。
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）の何れかの構成において、
前記翼高さ方向から視たとき、前記第２開口端は、前記翼型部のコード方向において前記第１開口端よりも下流側に位置する。
上記（１３）の構成によれば、第２開口端は、第１開口端よりも下流側に位置するので、上流側から下流側に向かう流れの損失を低減することができ、回転機械の効率低下を抑制しながら、翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。
（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、上記（１）乃至（１３）の何れかに記載の翼を備える。
上記（１４）の構成によれば、翼型部の内部を通る内部通路は、翼高さ方向において基端からの距離が０．３Ｌ以下の位置にて翼面（正圧面又は負圧面）に開口する第１開口端と、翼高さ方向において第１開口端よりも先端の近くに位置し、翼型部の表面に開口する第２開口端と、を有する。したがって、翼がロータ中心軸周りを回転するとき、上述の内部通路において、内径側（基端側）の第１開口端と、外径側（先端側）の第２開口端との間に半径差による遠心力差（ポンピング）が生じ、これにより、内部通路にて、内径側の第１開口端から、外径側の第２開口端へ向かう流れが生じる。このため、第１開口端が設けられる翼面近傍（すなわち、基端からの距離が０．３Ｌ以下の位置近傍の、剥離が生じやすい領域）の流れを第１開口端から内部通路に吸い込むことができ、これにより、該翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。よって、上記（１４）の構成によれば、翼面における剥離を抑制して、回転機械の効率低下を抑制することができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することが可能な翼及びこれを備えた回転機械が提供される。
一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。 一実施形態に係る動翼の斜視図である。 一実施形態に係る動翼の斜視図である。 一実施形態に係る動翼の斜視図である。 図２に示す動翼の正面図である。 一実施形態に係る動翼の先端を翼高さ方向から視た模式図である。 図２に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 図２に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 図２に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 図４に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 図４に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 図４に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 一実施形態に係る動翼の翼型部の部分的な概略断面図である。 一実施形態に係る動翼の翼型部の部分的な概略断面図である。 一実施形態に係る動翼の翼型部の概略断面図である。 一実施形態に係る動翼の翼型部の概略断面図である。 一実施形態に係る動翼の斜視図である。 図１２に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 図１２に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。 図１２に示す動翼の翼高さ方向に直交する断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
本発明の実施形態に係る翼が適用される回転機械は、例えば圧縮機又はタービンであってもよく、あるいは、これらの圧縮機又はタービン含むガスタービンであってもよい。まず、図１を参照して、幾つかの実施形態に係る翼が適用される圧縮機を含むガスタービンについて説明する。
図１は、一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。同図に示すように、ガスタービン１は、圧縮空気を生成するための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン６と、を備える。発電用のガスタービン１の場合、タービン６には不図示の発電機が連結される。
圧縮機２は、圧縮機車室１０側に固定された複数の静翼１６と、静翼１６に対して交互に配列されるようにロータ８に植設された複数の動翼１８と、を含む。
圧縮機２には、空気取入口１２から取り込まれた空気が送られるようになっており、この空気は、複数の静翼１６及び複数の動翼１８を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。
燃焼器４には、燃料と、圧縮機２で生成された圧縮空気とが供給されるようになっており、該燃焼器４において燃料が燃焼され、タービン６の作動流体である燃焼ガスが生成される。図１に示すように、ガスタービン１は、ケーシング２０内にロータ８を中心として周方向に沿って複数配置された燃焼器４を有する。
タービン６は、タービン車室２２によって形成される燃焼ガス通路２８を有し、該燃焼ガス通路２８に設けられる複数の静翼２４及び動翼２６を含む。タービン６の静翼２４及び動翼２６は、燃焼ガスの流れに関して燃焼器４の下流側に設けられている。
静翼２４はタービン車室２２側に固定されており、ロータ８の周方向に沿って配列される複数の静翼２４が静翼列を構成している。また、動翼２６はロータ８に植設されており、ロータ８の周方向に沿って配列される複数の動翼２６が動翼列を構成している。静翼列と動翼列とは、ロータ８の軸方向において交互に配列されている。
タービン６では、燃焼ガス通路２８に流れ込んだ燃焼器４からの燃焼ガスが複数の静翼２４及び複数の動翼２６を通過することでロータ８が回転駆動され、これにより、ロータ８に連結された発電機が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、排気室３０を介して外部へ排出される。
以下、幾つかの実施形態に係る翼について説明する。幾つかの実施形態に係る翼は、回転機械に適用される翼であり、回転機械のロータに取り付けられ、ロータとともに回転する翼である。例えば、幾つかの実施形態に係る翼は、上述したガスタービン１の圧縮機２の動翼１８又はタービン６の動翼２６であってもよい。以下、幾つかの実施形態に係る翼として圧縮機２の動翼１８を用いて説明する。
図２～図４及び図１２は、それぞれ、一実施形態に係る動翼１８（１８Ａ～１８Ｄ）の斜視図である。図５は、図２に示す動翼１８Ａの正面図である。図６は、一実施形態に係る動翼１８の先端４４を翼高さ方向から視た模式図である。図７Ａ～図７Ｃは、それぞれ、図２に示す動翼１８Ａの翼高さ方向に直交する断面図であり、図８Ａ～図８Ｃは、それぞれ図４に示す動翼１８Ｃの翼高さ方向に直交する断面図である。図１３Ａ～図１３Ｃは、それぞれ図１２に示す動翼１８Ｄの翼高さ方向に直交する断面図である。
なお、本明細書において翼高さ方向とは、翼型部４０の基端４３と先端４４とを結ぶ方向であり、動翼１８が圧縮機２のロータに取り付けられた状態では、該ロータの径方向と略一致する。
図２～図５及び図１２に示すように、幾つかの実施形態に係る動翼１８は、翼高さ方向において、基端４３と先端４４の間に延在する翼型部４０を有する。翼型部４０の基端４３は翼根部３４に接続されている。動翼１８は、翼根部３４が圧縮機２のロータに埋設されることにより、該ロータに取り付けられるようになっている。翼型部４０は、翼高さ方向に沿って前縁４１と後縁４２との間に延在する正圧面４５及び負圧面４６を有している。翼高さ方向から視たとき、正圧面４５は翼型部４０の内側に向かって凹む凹形状を有し、負圧面４６は翼型部４０の内側から外側に向かって突出する凸形状を有している。
動翼１８は、翼型部４０の内部を通る内部通路５０をさらに備えている。内部通路５０は、正圧面４５又は負圧面４６に開口する第１開口端５２と、翼高さ方向において第１開口端５２よりも先端４４の近くに位置し、翼型部４０の表面に開口する第２開口端５４と、を有している。図２及び図４に示す例示的な実施形態では、第１開口端５２及び第２開口端５４は負圧面４６に開口している。図３に示す例示的な実施形態では、第１開口端５２は負圧面４６に開口するとともに、第２開口端５４は、翼型部４０の先端４４の表面に開口している。図１２に示す例示的な実施形態では、第１開口端５２及び第２開口端５４は正圧面４５に開口している。幾つかの実施形態では、第１開口端５２及び第２開口端５４のうち一方が負圧面４６に開口し、他方が正圧面４５に開口していてもよい。幾つかの実施形態では、第１開口端５２が正圧面４５に開口するとともに、第２開口端が翼型部４０の先端４４の表面に開口していてもよい。
動翼１８において、翼高さ方向における基端４３から先端４４までの長さをＬ（図５参照）としたとき、翼高さ方向における基端４３から第１開口端５２までの距離Ｌ１（図５参照）は、０以上０．３Ｌ以下である。
上述の実施形態では、翼型部４０の内部を通る内部通路５０は、翼高さ方向において基端４３からの距離が０．３Ｌ以下の位置にて負圧面４６に開口する第１開口端５２と、翼高さ方向において第１開口端５２よりも先端４４の近くに位置し、翼型部４０の表面（負圧面４６又は先端４４の表面）に開口する第２開口端５４と、を有する。したがって、動翼１８がロータ中心軸周りを回転するとき、上述の内部通路５０において、内径側（基端４３側）の第１開口端５２と、外径側（先端４４側）の第２開口端５４との間に半径差による遠心力差（ポンピング）が生じ、これにより、内部通路５０にて、内径側の第１開口端５２から、外径側の第２開口端５４へ向かう流れが生じる。このため、第１開口端５２が設けられる負圧面４６近傍（すなわち、基端４３からの距離が０．３Ｌ以下の位置近傍の、剥離が生じやすい領域）の流れを第１開口端５２から内部通路５０に吸い込むことができ、これにより、負圧面４６近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。よって、上述の実施形態によれば、負圧面４６における作動領域の低減を抑制して、圧縮機２の効率低下を抑制することができる。
また、動翼１８において、翼高さ方向における基端４３から先端４４までの長さをＬ（図５参照）としたとき、翼高さ方向における基端４３から第２開口端５４までの距離Ｌ２（図５参照）は０．９Ｌ以上Ｌ以下であってもよい。
この場合、第２開口端５４は、翼高さ方向において先端４４側１０％の範囲に設けられるので、翼高さ方向における第１開口端５２と第２開口端５４との距離を大きくとることができる。これにより、内部通路５０において、内径側（基端４３側）の第１開口端５２と、外径側（先端側）の第２開口端５４との間の半径差による遠心力差を大きくすることができ、ポンピングによる昇圧作用を効果的に得ることができる。よって、該ポンピング作用により、負圧面４６近傍で生じ得る剥離をより効果的に抑制することができる。
また、圧縮機２においては、動翼１８の先端４４とケーシングとの間のチップ漏れ流れ（チップクリアランスフロー）が生じる場合がある。この点、上述の実施形態によれば、第１開口端５２を介して内部通路５０に吸い込まれた流れは、翼高さ方向において先端４４又は先端の近くに設けられた第２開口端５４から吹き出される。よって、第２開口端５４から吹き出される流れを利用して上述の漏れ流れを抑制することができる。例えば、動翼１８の先端４４と圧縮機２のケーシングとの間の隙間に向けて、第２開口端５４からの流れを吹き出して、該隙間に流体カーテンを形成することで、該隙間を通過する漏れ流れを遮断して抑制することができる。このようにして、圧縮機２の効率をより向上させることができる。
第２開口端５４は、例えば図２及び図４に示すように、負圧面４６に開口していてもよい。この場合、第１開口端５２を介して内部通路５０に吸い込まれた流れが第２開口端５４から吹き出されることにより、第２開口端５４が設けられた負圧面４６近傍の流れに運動量が供給されるため、第１開口端５２よりも先端４４側の負圧面４６近傍で生じ得る流れの剥離を抑制することができる。よって、負圧面４６近傍で生じ得る剥離をより効果的に抑制することができる。
あるいは、第２開口端５４は、例えば図１２に示すように、正圧面４５に開口していてもよい。この場合、第１開口端５２を介して内部通路５０に吸い込まれた流れが第２開口端５４から吹き出されることにより、第２開口端５４が設けられた正圧面４５近傍、すなわちチップクリアランスの洩れ流れに運動量が供給されるため、第１開口端５２よりも先端４４側の正圧面４５近傍のチップクリアランス部で生じ得る流れの剥離を抑制することができる。よって、正圧面４５近傍で生じ得る剥離をより効果的に抑制することができる。
また、第２開口端５４は、例えば図３に示すように、翼型部４０の先端４４の表面に開口していてもよい。この場合、先端４４の表面に開口する第２開口端５４から、先端４４と圧縮機２のケーシングとの間の隙間に向けて、内部通路５０からの流れを吹き出しやすい。よって、動翼１８の先端４４とケーシングとの間のチップ漏れ流れを効果的に抑制することができる。
幾つかの実施形態では、翼高さ方向における第２開口端５４の位置での断面上において、翼型部４０のコード長をＣ（図７Ａ参照）としたとき、翼型部４０のコード方向における前縁４１と第２開口端５４との距離Ｃ２（図７Ａ参照）は０より大きく０．５Ｃ以下である。
なお、図７Ａは、翼高さ方向における第２開口端５４の位置での翼型部４０の概略断面図である。
また、翼型部４０のコード方向とは、翼型部４０の前縁４１と後縁４２とを結ぶ方向であり、コード長とは、前縁４１と後縁４２との距離である。
翼面（負圧面４６又は正圧面４５）近傍における流れの剥離は、コード方向の中央位置（０．５Ｃの位置）付近で生じやすい場合がある。この点、上述の実施形態によれば、第２開口端５４を、コード方向において比較的上流側に設けたので、翼面近傍での剥離は、第２開口端５４よりも下流側の位置で生じやすい傾向となる。よって、翼面近傍で生じ得る流れの剥離をより効果的に抑制することができる。
幾つかの実施形態では、翼高さ方向から視たとき、第２開口端５４は、翼型部４０のコード方向において第１開口端５２よりも下流側（あるいは、コード方向における後縁４２側）に位置する。
この場合、第２開口端５４は、第１開口端５２よりも下流側に位置するので、上流側から下流側に向かう流れの損失を低減することができ、圧縮機２の効率低下を抑制しながら、翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。
図７Ａ～図７Ｃ、図８Ａ～図８Ｃ及び図１３Ａ～図１３Ｃのうち、図７Ａ、図８Ａ及び図１３Ａは、翼高さ方向における第２開口端５４の位置での翼型部４０の概略断面図（図２に示すＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ断面、図４に示すＶＩＩＩＡ－ＶＩＩＩＡ断面、及び図１２に示すＸＩＩＩＡ－ＸＩＩＩＡ断面を示す図）である。図７Ｂ、図８Ｂ及び図１３Ｂは、翼高さ方向における第１開口端５２と第２開口端５４との間の位置での翼型部４０の概略断面図（図２に示すＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ断面、図４に示すＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ断面、及び図１２に示すＸＩＩＩＢ－ＸＩＩＩＢ断面を示す図）である。図７Ｃ、図８Ｃ及び図１３Ｃは、翼高さ方向における第１開口端５２の位置での翼型部４０の概略断面図（図２に示すＶＩＩＣ－ＶＩＩＣ断面、図４に示すＶＩＩＩＣ－ＶＩＩＩＣ断面を示す図、及び図１２に示すＸＩＩＩＣ－ＸＩＩＩＣ断面）である。
図２～図４及び図１２に示す例示的な実施形態では、内部通路５０は、翼型部４０の内部において翼高さ方向（圧縮機２ロータの径方向）に沿って延びる径方向通路部５８を含む。
このように、翼型部４０の内部において翼高さ方向に延びる径方向通路部５８を設けることで、内部通路５０内に流入した流体が、上述のポンピング作用によって効果的に昇圧されやすい。このため、第１開口端５２を介して、翼面近傍の流れを効果的に吸い込んで、該翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。
図２～図４及び図１２に示す例示的な実施形態では、内部通路５０は、翼型部４０の内部において、径方向通路部５８の基端側端５８ａと第１開口端５２との間に延びる吸込部６０をさらに含む。吸込部６０は、翼高さ方向から視たとき、翼型部４０のコード方向に沿って延びていてもよい（例えば図７Ｃ、図８Ｃ及び図１３Ｃ参照）。吸込部６０は、径方向通路部５８に比べて、翼面近傍の流れの方向に沿って延在するように設けることができるので、これにより、吸込部６０を介して翼面近傍の流れをスムーズに内部通路５０に引き込むことができる。
図２、図４及び図１２に示す例示的な形態では、内部通路５０は、翼型部４０の内部において、径方向通路部５８の先端側端５８ｂと第２開口端５４との間に延びる吹出し部６２をさらに含む。吹出し部６２は、翼高さ方向から視たとき、翼型部４０のコード方向に沿って延びていてもよい（例えば図７Ａ、図８Ａ及び図１３Ａ参照）。吹出し部６２は、径方向通路部５８に比べて、翼面近傍の流れの方向に沿って延在するように設けることができるので、これにより、吹出し部６２を介して、内部通路５０からの流れを、翼面に沿うように流出させることができる。
内部通路５０の断面形状は特に限定されないが、例えば、円形、楕円形又は矩形であってもよい。
例えば図２及び図７Ａ～図７Ｃ、又は、図１２及び図１３Ａ～図１３Ｃに示す例示的な実施形態では、径方向通路部５８、吸込部６０、及び吹出し部６２の断面形状はそれぞれ円形である。
また、図３に示す例示的な実施形態では、径方向通路部５８及び吸込部６０はそれぞれ円形である。
また、図４及び図８Ａ～図８Ｃに示す例示的な実施形態では、径方向通路部５８、吸込部６０、及び吹出し部６２の断面形状はそれぞれスリット状の矩形である。
幾つかの実施形態では、翼高さ方向における先端４４の位置での翼型部４０の最大翼厚をｔｍａｘ（図６参照）としたとき、径方向通路部５８の翼厚方向長さは、０．３ｔｍａｘ以上０．７ｔｍａｘ以下である。なお、図７Ｂ及び図８Ｂにおいて、径方向通路部５８の翼厚方向長さを、ｍ１及びｍ２でそれぞれ示す。
本明細書において、翼厚とは、コード直交方向における翼型部４０の厚さをいい、翼厚方向とは、コード直交方向のことである。
上述のように、径方向通路部５８の翼厚方向長さを０．３ｔｍａｘ以上とすることにより、径方向通路部５８における流路断面積を確保して、上述のポンピング作用を適切に得ることができ、第１開口端５２を介して、翼面近傍の流れを内部通路５０に適切に吸い込むことができる。また、上述のように、径方向通路部５８の翼厚方向長さを０．７ｔｍａｘ以下とすることにより、翼型部４０の強度を適切に維持することができる。
幾つかの実施形態では、径方向通路部５８の流路断面積の等価直径は、０．７ｔｍａｘ以上である。
径方向通路部５８の断面形状が円形の場合、径方向通路部５８の断面の直径がｄ１であるとき（図７Ｂ参照）、該流路断面積の等価直径Ｄｅは、ｄ１である。
また、径方向通路部５８の断面形状が矩形であり、対向する２対の辺の長さがｍ２及びｍ３であるとき（図８Ｂ参照）、該流路断面積の等価直径Ｄｅは、Ｄｅ＝４×ｍ２×ｍ３／｛２×（ｍ２＋ｍ３）｝で表される。なお、一般に、等価直径Ｄｅは、Ｄｅ＝４Ａｆ／Ｗｐの式で表される。ここで、Ａｆは流路断面積であり、Ｗｐは濡れ縁長さである。
上述の実施形態によれば、径方向通路部５８の流路断面積の等価直径を０．７ｔｍａｘ以上としたので、該流路断面積を大きくすることができ、これにより、上述のポンピング作用をより効果的に得ることができ、第１開口端５２を介して、翼面近傍の流れを内部通路に効果的に吸い込むことができる。
幾つかの実施形態では、第１開口端５２における内部通路５０の流路断面積Ｓ１と、径方向通路部５８の流路断面積Ｓ３との比Ｓ１／Ｓ３は、０．８以上１．２以下である。あるいは、幾つかの実施形態では、第２開口端５４における内部通路５０の流路断面積Ｓ２と、径方向通路部５８の流路断面積Ｓ３とのＳ２／Ｓ３は、０．８以上１．２以下である。
ここで、各流路断面積Ｓ１～Ｓ３は、それぞれ、内部通路５０の各位置（すなわち、第１開口端５２、径方向通路部５８又は第２開口端５４の位置）における流体の流れ方向に直交する方向の断面の面積である。
上述の場合、上述の比Ｓ１／Ｓ３又はＳ２／Ｓ３が０．８以上１．２以下であり、これは１に近い数値範囲である。すなわち、第１開口端５２における流路断面積Ｓ１と径方向通路部５８における流路断面積Ｓ３との間、または、第２開口端５４における流路断面積Ｓ２と径方向通路部５８における流路断面積Ｓ３とのの間に大きな差がない。したがって、内部通路５０の流路断面積は、第１開口端５２から径方向通路部５８にかけて大きく変化せず、あるいは、径方向通路部５８から第２開口端５４にかけて大きく変化しない。よって、上述の実施形態によれば、内部通路５０における圧損を低減しながら、翼面近傍で生じ得る剥離を効果的に抑制することができる。
幾つかの実施形態では、例えば図７Ｃ、図８Ｃ及び図１３Ｃに示すように、翼高さ方向から視たとき、吸込部６０の延在方向（図中の直線Ｌ１１の方向）と、第１開口端５２における正圧面４５又は負圧面４６（図７Ｃ及び図８Ｃでは負圧面４６、図１３Ｃでは正圧面４５）の接線Ｌ１２のうち第１開口端５２よりも後縁４２側の部分とのなす角度θ１が４５度以下である。
この場合、吸込部６０は、第１開口端５２の位置において翼面（図７Ｃ及び図８Ｃでは負圧面４６、図１３Ｃでは正圧面４５）に沿った形状を有するので、該翼面近傍を流れる流体を、吸込部６０を介して内部通路５０にスムーズに吸い込むことができる。
幾つかの実施形態では、例えば図７Ａ、図８Ａ及び図１３Ｃに示すように、翼高さ方向から視たとき、吹出し部６２の延在方向（図中の直線Ｌ１３の方向）と、第２開口端５４における正圧面４５又は負圧面４６（図７Ｃ及び図８Ｃでは負圧面４６、図１３Ｃでは正圧面４５）の接線Ｌ１４のうち第２開口端５４よりも前縁４１側の部分とのなす角度θ２が４５度以下である。
この場合、吹出し部６２は、第２開口端５４の位置において翼面（図７Ｃ及び図８Ｃでは負圧面４６、図１３Ｃでは正圧面４５）に沿った形状を有するので、吹出し部６２を介して第２開口端５４から流出する流れを翼面に沿わせることができる。これにより、第２開口端５４から流出する流れと翼面近傍を流れる流体との混合損失を低減することができる。
図９Ａ及び図９Ｂは、一実施形態に係る動翼１８の翼型部４０の翼高さ方向に直交する部分的な概略断面図であり、第１開口端５２の位置における断面図である。
幾つかの実施形態では、例えば図９Ａに示すように、第１開口端５２は、正圧面４５又は負圧面４６（図９Ａにおいては負圧面４６）に開口する複数の孔５３を有していてもよい。また、幾つかの実施形態では、例えば図９Ｂに示すように、第１開口端５２に、多孔板５５を設けてもよい。これらの実施形態のように、第１開口端５２が複数の孔を含む場合、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、吸込部６０は、第１開口端５２に近づくにつれて流路断面積が徐々に拡大するラッパ上の形状を有していてもよい。このように、複数の孔を含む第１開口端５２と、該第１開口端５２に近づくにつれて流路断面積が徐々に拡大する吸込部６０を併用することにより、そう開口面積を大きくせずに、翼面近傍のより広範な領域から流体の流れを吸い込むことができる。よって、翼面近傍における流れへの影響を少なくし、圧縮機の効率低下を抑制することができる。
図１０及び図１１は、それぞれ、一実施形態に係る動翼１８の翼型部４０の翼高さ方向に直交する概略断面図であり、第２開口端５４の位置における断面図である。
幾つかの実施形態では、例えば図１０に示すように、吹出し部６２は、第２開口端５４を含む部分において、第２開口端５４に近づくにつれて流路断面積が徐々に拡大する拡径部６４を有する。このように、第２開口端５４に近づくにつれて流路断面積が徐々に拡大する拡径部６４を設けることにより、吹出し部６２を介して、運動量を持った流体を翼面近傍の広範囲に供給することができる。よって、上述のチップ漏れ流れを効果的に抑制したり、翼面近傍で生じ得る流れの剥離を効果的に抑制したりすることができる。
幾つかの実施形態では、例えば図１１に示すように、吹出し部６２は、翼面（図１１においては負圧面４６）に沿うような曲線形状を有していてもよい。この場合、吹出し部６２を介して第２開口端５４から流出する流れを翼面に沿わせることができる。これにより、第２開口端５４から流出する流れと翼面近傍を流れる流体との混合損失を低減することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
１ ガスタービン
２ 圧縮機
４ 燃焼器
６ タービン
８ ロータ
１０ 圧縮機車室
１２ 空気取入口
１５ 径方向通路部
１６ 静翼
１８，１８Ａ～１８Ｃ 動翼
２０ ケーシング
２２ タービン車室
２４ 静翼
２６ 動翼
２８ 燃焼ガス通路
３０ 排気室
３４ 翼根部
４０ 翼型部
４１ 前縁
４２ 後縁
４３ 基端
４４ 先端
４５ 正圧面
４６ 負圧面
５０ 内部通路
５２ 第１開口端
５３ 孔
５４ 第２開口端
５５ 多孔板
５８ 径方向通路部
５８ａ 基端側端
５８ｂ 先端側端
６０ 吸込部
６２ 吹出し部
６４ 拡径部

Claims (12)

  1. 前縁と後縁との間において翼高さ方向に沿って基端と先端との間をそれぞれ延びる正圧面及び負圧面を有する翼型部と、
    前記翼型部の内部を通り、前記正圧面又は負圧面の一方に開口する第１開口端、及び、前記翼高さ方向において前記第１開口端よりも前記先端の近くに位置し、前記翼型部の表面に開口する第２開口端を有する内部通路と、を備える翼であって、
    前記翼高さ方向における前記基端から前記先端までの長さをＬとしたとき、前記翼高さ方向における前記基端から前記第１開口端までの距離が０以上０．３Ｌ以下であり、
    前記第１開口端及び前記第２開口端の両方が、前記負圧面又は前記正圧面の一方に開口する
    翼。
  2. 前記内部通路は、
    前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部と、
    前記径方向通路部の基端側端と前記第１開口端との間に延びる吸込部と、を含み、
    前記翼高さ方向から視たとき、前記吸込部の延在方向と、前記第１開口端における前記正圧面又は前記負圧面の前記一方の接線のうち前記第１開口端よりも後縁側の部分とのなす角度が４５度以下である
    請求項１に記載の翼。
  3. 前記第１開口端は、前記正圧面又は前記負圧面の前記一方に開口する複数の孔を有する
    請求項１又は２に記載の翼。
  4. 前記内部通路は、前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部を含み、
    前記翼高さ方向における前記先端の位置での前記翼型部の最大翼厚をｔｍａｘとしたとき、前記径方向通路部の翼厚方向長さは、０．３ｔｍａｘ以上０．７ｔｍａｘ以下である
    請求項１乃至３の何れか一項に記載の翼。
  5. 前記内部通路は、前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部を含み、
    前記翼高さ方向における前記先端の位置での前記翼型部の最大翼厚をｔｍａｘとしたとき、前記径方向通路部の流路断面積の等価直径は、０．７ｔｍａｘ以上である
    請求項１乃至４の何れか一項に記載の翼。
  6. 前記内部通路は、前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部を含み、
    前記第１開口端における前記内部通路の流路断面積をＳ１、前記第２開口端における前記内部通路の流路断面積をＳ２、前記径方向通路部の流路断面積をＳ３としたときに、
    Ｓ１／Ｓ３又はＳ２／Ｓ３は、０．８以上１．２以下である
    請求項１乃至５の何れか一項に記載の翼。
  7. 前記翼高さ方向における前記基端から前記第２開口端までの距離が０．９Ｌ以上Ｌ以下である
    請求項１乃至６の何れか一項に記載の翼。
  8. 前記内部通路は、
    前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部と、
    前記径方向通路部の先端側端と前記第２開口端との間に延びる吹出し部と、を含み、
    前記翼高さ方向から視たとき、前記吹出し部の延在方向と、前記第２開口端における前記正圧面又は前記負圧面の前記一方の接線のうち前記第２開口端よりも前縁側の部分とのなす角度が４５度以下である
    請求項１乃至７の何れか一項に記載の翼。
  9. 前縁と後縁との間において翼高さ方向に沿って基端と先端との間をそれぞれ延びる正圧面及び負圧面を有する翼型部と、
    前記翼型部の内部を通り、前記正圧面又は負圧面の一方に開口する第１開口端、及び、前記翼高さ方向において前記第１開口端よりも前記先端の近くに位置し、前記翼型部の表面に開口する第２開口端を有する内部通路と、を備える翼であって、
    前記翼高さ方向における前記基端から前記先端までの長さをＬとしたとき、前記翼高さ方向における前記基端から前記第１開口端までの距離が０以上０．３Ｌ以下であり、
    前記内部通路は、
    前記翼高さ方向に沿って延びる径方向通路部と、
    前記径方向通路部の先端側端と前記第２開口端との間に延びる吹出し部と、を含み、
    前記吹出し部は、前記第２開口端を含む部分において、前記第２開口端に近づくにつれて流路断面積が徐々に拡大する形状を有する
    翼。
  10. 前記翼高さ方向における前記第２開口端の位置での断面上において、前記翼型部のコード長をＣとしたとき、前記翼型部のコード方向における前記前縁と前記第２開口端との距離は０より大きく０．５Ｃ以下である
    請求項１乃至９の何れか一項に記載の翼。
  11. 前縁と後縁との間において翼高さ方向に沿って基端と先端との間をそれぞれ延びる正圧面及び負圧面を有する翼型部と、
    前記翼型部の内部を通り、前記正圧面又は負圧面の一方に開口する第１開口端、及び、前記翼高さ方向において前記第１開口端よりも前記先端の近くに位置し、前記翼型部の表面に開口する第２開口端を有する内部通路と、を備える翼であって、
    前記翼高さ方向における前記基端から前記先端までの長さをＬとしたとき、前記翼高さ方向における前記基端から前記第１開口端までの距離が０以上０．３Ｌ以下であり、
    前記第２開口端は、前記翼型部の前記先端の表面に開口し、
    前記翼高さ方向から視たとき、前記第２開口端は、前記翼型部のコード方向において前記第１開口端よりも下流側に位置する
    翼。
  12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の翼を備える回転機械。
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