JPS6036701A - ガス又は蒸気で運転されるタービンの軸方向で通流される翼列 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガス又は蒸気で運転されるタービンの軸方向
で通流される翼列であって、翼列の翼形が、流れを吸引
側（負圧側）の翼形上面の大部分に沿って狭い通路面積
範囲で速度最大量まで加速しかつこの範囲の下流で翼形
後縁まで減速し、これにより翼形境界層を吸引側の翼形
長さの大部分に亘って層流状にするように、形成されて
いる形式のものに関する。

従来の技術 流れの渦流度、流れ方向での圧力こう配の大きさおよび
レイノルズ数、又は翼弦長さｌと翼列の流出部における
動粘性係数０２と流出速度Ｃ２から成る類似のノぐラメ
ータに関連しているばあいには、境界層は直接又は遷移
又は剥離泡を形成して乱流状態に遷移する。

低圧タービンにおいては、例えば軸方向で通流される航
空ガスタービンの最終段においては、５００００乃至５
０００００のレイノルズ数が生ずる。

このレイノルズ数レベルは層流／乱流の遷移範囲にある
、即ち減速された層流状の境界層は著しい損失をもたら
す遷移又は剥離泡を形成してその流れ状態を変える。

従来では、多段式の流れ機械においては、層流が全く得
られないか又は境界層遷移が流れ減速のばあい直接的に
、即ち剥離泡を形成することなしに行なわれるような高
い乱流度が生ずるものと想像された。ごく最近の研究で
はこれとは反対に、低圧タービンの加速された流れ範囲
において層流状の境界層状態が維持されるとと、かつ層
流／乱流遷移もしくは剥離泡と関連して流れ損失によっ
てエネルギ伝達の効率が著しく損なわれることが明らか
となった。

翼空気力学のための専問書から、層流状の境界層流から
乱流状の境界層流へ移行する際の層流状の剥離泡を避け
るために機械的な攪乱部材、例えばトリップワイヤ、突
出した縁部、段部又は類似の障害物を使用することは公
知である。

翼形表面にこのような攪乱部材を配置することによって
翼形の抵抗値が高められかつ高いレイノルズ数レベルに
達したばあいには特に明白な損失が生ぜしめられること
、即ち撹乱部材本来の目的、つまり層流状の境界層から
乱流状の境界層への遷移を促進するという本来の目的を
自から生ぜしめる迅速な遷移に基づき剥離泡形成なしに
は最早溝せない範囲で、明白な損失が生ぜしめられるこ
とが明らかとなった。

アメリカ合衆国・オハイオ州・ディトン、Ｐクメント・
サービス−センター（ＤｕｃｕｍｅｎｔＳｅｒｖｉｃｅ
　Ｃｅｎｔｅｒ）によッテ公開すり、　タ”　７ｔｉ　
ｍ　（’）流れから乱流の流れへの遷移について（０ｎ
Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　Ｌａｍ１ｎａｒ　ｔ
ｏ　Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　Ｆｌｏｗ）”タイトルの１９
５６年８月のフランシスｅアール・バーナ、ジェームス
・ディ・ロングおよびジョン・シー・ヘガーテイの技術
報告書において、平らな板における層流状の境界層流か
ら乱　′流状の境界層流への遷移についての水タンク実
験が記載されていて、しかも、層流状の境界層流から乱
流状の境界層流への遷移を生ぜしめるために平らな板状
に接着された波状の線材又は細い三角形の一列の小板を
使用することが提案されている。空気力学的な翼列に関
する言及は上記報告書にはない。

発明が解決しようとする問題点 ターＩ機械においては機械的な攪乱部材は従来使用され
ていなかった。むしろドイツ連邦共和国特許第３０４３
５６７号明細書から空気力学的な翼形における流れを制
御するための装置が公知となっている。このばあい層流
状の剥離個所範囲における流体の吹出しによって乱流へ
の迅速な遷移が得られひいては層流状の剥離泡の発生が
防止される。このような装置の利点は、いずれにせよ層
流状の剥離泡を最早生ぜしめない高いレイノルズ数し４
ルの運転範囲において翼形に障害物が存在せずひいては
附加的な損失を被むらずに済むということにある。しか
しながら上記公知の装置の欠点は、前記装置を有する翼
形のための製作費用が極めて高額であるということにあ
る。ターボ機械の翼列のためには、特にターボ機械が熱
的なターボ機械であるばあいには上記公知の装置は使用
できないか又は極めて制限されてのみ使用できるに過ぎ
ない。何故ならば翼に高い機械的なかつ熱的な負荷が生
ずるために吹出される流体を案内するために適当な流れ
通路を配置することが欠点となるからである。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の軸方向で通流され
る翼列において、つまり特にレイノルズ数レベルに基づ
いて大きな運転範囲に亘って層流が生ぜしめられるよう
な翼列において、層流／乱流遷移泡に関連して翼形損失
が減少されひいてはタービンの全効率が改善されるよう
にすることにある。

問題点を解決するための手段 本発明の構成では冒頭に述べた形式の翼列において、速
度最大量の下流で吸引側（翼形上面）でしかも減速され
た流ねの範囲で、羽根がほぼ翼高さ全体に亘ってのびる
一貫した妨害縁部を有１〜ており、該妨害縁部が翼形−
上面に対する接平面内でのこ歯状に成形されており、更
に妨害縁部が、翼形上面自体内に、又は、通路の［革新
面変化により主流に影響を及ぼすことがないような、翼
形」−面かられずかたけ突出ｌまた高さに配置されてい
る。

実施例 第１図で図示された翼列では隣接する２つの翼が符号１
０で示されている。−流側の翼１０のために翼弦ｌ並び
に翼弦ｌの方向にのびる座標Ｘが示されている１、翼列
に対する流入および流出は矢印Ｗで示されている。下側
の翼１０のために境界層経過が概略的に示されている。

更に図面から明らかなように、翼１０の押圧側１３では
全長に亘って層流状の境界層が生ずるのて対して、翼１
０の吸引側１１では層流状の境界層は両翼によって形成
される流れ通路の狭い面積範囲３でほぼ速度最大量（Ｍ
ａＩｎａＸ）までしかのびておらずかつ狭い面積範囲の
下流で矢印によって示された範囲２において層流状の剥
離２ζ・２が生ぜしめら、ｆ′１、この剥離泡の範囲で
は境界層は乱流になる。第１Ａ図では無次元に示さ才ま
た翼形長さｘ　：　ＩＪ　ＩＣ亘って翼の表面に泊った
マツハ数が示されている。速度最大量はほぼ狭い面積範
囲に、即ちほぼｘ　：　ｌ＝　０．５５のところに位置
している。著しい損失をもたらす剥離泡の形成を肯ける
ために、第２図で図示されているように、翼の翼形上面
（吸引側）にほぼ翼形高さ全体に亘ってのびるのこ歯状
に切込まれた一貫した妨害縁部２０が設けられている。

軸線８を中心として回転するタービン回転子９の動翼並
びに案内翼は妨害縁部を備えている。

案内兄の図平面において見ることのできない妨害縁部は
断続的に示されている３、翼列を介した流れ方向はすべ
ての図面において矢印Ｗによって示されている。

最もわずかな翼形損失は、妨害線部が翼の吸引側で速度
最大量の下流０．０］乃至０．１　ｌ（１！・−翼の翼
弦長さ）に位置決めされ′７．）ばあいに得られる。

第３図で小された翼１０の部分横断面から明らかなよう
に、妨害線部は本発明の前記第１実施例のばあい翼の翼
形上面に固定された帯材１５から形成されている。帯材
１５は平らな薄板から切り抜かれかつ溶接によって翼の
翼形」二面に固定できる。翼形上面から突出する帯材１
５の高さひいては妨害線部の高さは符号１（で示されて
いる。更に帯材１５の幾何学的な構成は選択的な２つの
実施例で第＝１　ａ図および第４　ｂ図に図示されてい
る。第４ａ図および第・１１）図による両実施例は、第
４ａ図による実施例ではそれぞれの、ｉ歯形状の−に流
側に位置する歯頂２１が丸みを付けられていてかつ歯底
２２が尖って形成されているのに７１シて、第４　ｂ図
による実施例では歯頂が尖一つな頂部を形成していてか
つ歯底２２が丸みをイτｊけられていることが異なって
いる。のこ歯形状のピッチｔは００５乃至０１５１であ
る。のこ歯形状の開放角αは図示の実施例では９０°で
ある。帯４１１５の幅すはほぼＯＯｌ乃至０．０３１で
ある。妨害縁部、即ち到達する流れＷに向けて方向伺け
られた帯Ｈ−Ｌ縁はへりを鋭く形成されている。このこ
とは第５図、第８図、第１０図および第１２図で示され
た妨害縁部の実施例にも当て嵌る。歯頂および歯底に交
互に丸みを例げた第４ａ図および第４ｂ図で図示された
妨害線部の代りに、歯頂並びに歯底に丸みを付けるか又
は両個所で先を尖らせることもできる。

第２図、第３図および第４図に相応して形成された、翼
弦長さく　ｌ　＝　３５　ａｍ　）を有するブｆスター
ビンジェット推進器の低圧タービン翼のために、１０．
７　ｋｍ高度で飛行マツノ・数Ｍ　ａ　＝　０．８のば
あい、即ちレイノルズ数Ｒｅ２：　１０００００のばあ
い、本発明では００６乃至０．１２１ｍの高さｋが得ら
れた。相応に装備されたジェット推進器のばあい、周知
のように民間機用の飛行時間の最長部分を占める巡行飛
行において燃料消費はほぼ１％だけ下げることかて゛き
るということが比較実験で得られた。

第５図、第６図および第７図では第２の妨害像部構成が
示されている。第５図による翼の部分横断面図から明ら
かのように、本実施例では妨害線部３０は翼形上面１２
から形成された流れ方向に突出した段部の自由線部であ
る。妨害線部のこのような構成は翼の新規製作のために
のみ適している。第６図平面図および第７図にな よる適当に形成された翼の斜視図から明らかへように、
のこ歯形状の歯頂はそれぞれ尖って形成されているのに
対して、歯底範囲は丸みを付ｌｔらｈている。ピッチ１
および開放角αは第３図および第４図による実施例と関
連して記載されているのと同じ大ぎさである。

第８図および第９図では第５図、第６図および第７図の
変化実施例が示されており、このばあい同様に段付けさ
れた翼形上面１２設けられており、このばあい第５図、
第６図および第７図による構成とは異なって妨害線部４
０は流れ方向に引込まれた段部の自由線が成している。

第８図および第９図による実施例でものこ歯形状の歯底
４１は丸みを付けられているのに対して、歯頂は尖った
頂点を形成している。

別の妨害縁部構成は第１０図、第１１図および第１２図
で示されている。この実施例では妨害線部は翼１０の翼
形上面内に段部を沈めることによって生ぜしめられる。

このような沈下範囲は翼形上面に対して３°乃至６°の
傾斜角βを成してテーパ状にのびている。このばあい翼
形上面１２から沈下範囲の移行は連続的に行なわれる。

選択的に妨害縁部は流れに向けて方向付けられた段部（
妨害縁部５０）によって形成できるか（第１０図参照）
、又は、妨害線部を流れ方向でみて下流に方向付けるこ
とがでさる（第１１図参照）。のこ歯形状の幾何学形状
は第８図、第４図、第５図、第６図、第７図、第８図お
よび第９図における妨害線部構成と相応する形式で行な
われ、このばあい歯頂および歯底に丸みを付けた第１１
図による構成が有利である。

本発明により構成された翼列においては２層流状の剥離
泡を形成することなしに翼の吸引側で層流状の境界層流
から乱流状の境界層流への迅速な遷移が行なわれる。こ
のばあい最良の結果は、妨害線部が翼吸引側で速度最大
量の下流００】乃至０．１　ｌに位置決めされているば
あいに得られる。このばあいｌは翼弦の長さを意味して
いる。

最に本発明の実施態様では選択的に妨害縁部を、翼形上
面に隆起して配置された帯材から形成するか又は翼形上
面から形成された流れ方向に突出した段部の自由縁部が
形成することができる。

更に有利には貿形悶面を越える妨害縁部の高さｋは、妨
害線部のすぐ上流の個所での境界層の・ξルス損失厚さ
δ２と、この個所のために高さｋおよび壁間隔における
速度および流体の粘性によって形成されたレイノルズ数
Ｒｅｋとに関連して規定された範囲の値を有しており、
このばあい５０　＜　Ｒｅｋ＜　２００のために１．５
＜Ｋ／δ２く３５が当て嵌り、 ｙ−壁間隔座標 ｕ　＝　ｆ　（ｙ）−翼形上面に対して接線方向での速
度成分 Ｕ−摩擦によって妨げられない流れの速度Ｏｋ　−個所
ｋにおける流体の動粘性 この規定に基づいて生ぜしめられる妨害縁部の段部高さ
は、該妨害線部が層流から乱流への遷移を生ぜしめるた
めの手段として最早不必要である高いレイノルズ数のば
あいでも最小の損失しか受けないようにわずかである。

特に流れ抵抗の少ない特に効果的な乱流発生部材の前記
利点は特許請求の範囲第６項および第７項による実施態
様によって得られる。このばあい、剥離泡の発生を阻止
するために、特許請求の範囲第８項に記載されているよ
うに、段部にいくらか大きな高さを与えるととができる
。

有利にはいずれのばあいでも妨害縁部はへりを鋭く形成
できる。妨害縁部ののこ歯形状は歯頂および歯底におい
て尖って又は丸みを例げて形成できる。しかしながら歯
頂および歯底か交互に丸みを・［］げられてかつ尖って
形成されろと有利である。更にこの紹合わせによって妨
害縁部の最小高さで極めて効果的な境界層遷移が得られ
ることが明らかとなつｌこ。のこ歯形状の幾何学的な構
成は４５°乃至１２０°の開放角αによってかつ翼弦良
さの５％乃至１５％のピッチによって規定される。妨害
縁部を形成するために妨害帯材が使用されるばあいには
、妨害帯材の幅１）は妨害縁部に対して直角に測定して
０．０５乃至０．１．１である。特許請求の範囲第７項
による妨害縁部が翼形上面内に段部を沈めることによっ
て形成されるばあいには、この沈下範囲は翼形上面に対
して３°乃至６°の傾斜角βを以ってのびている。

本発明による翼列用の翼の製作は有利には、第１の方法
段階でのこ歯形状の帯拐を有利には取り付けることによ
って行なわれる。

翼列の本発明による構成は著しく傷付いた翼のばあいで
もどんな困難性もなしに応用できるので、すでに使用さ
れた翼を本発明による形式で後装備することができる。

このために有利には翼列用の滑らかな翼形−上面に妨害
帯材を、マスク噴射又は蒸着方法によって取付けるか又
はろう抜脱によって取付けるか、又は、妨害縁部の取付
けのために電気化学的又は火花腐食的・な加工を行なう
ことができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであって、第１図は低
圧タービンの軸方向で通流される翼列の横断面図、第１
Ａ図は表面マツハ数および境界層経過を示した図、第２
図は翼が本発明による妨害は部を備えた低圧タービンの
２つの段の子午線断面図、第３図は第２図ＩＴＩ　−ｍ
　ｉに沿つて断面した拡大図、第４ａ図および第４ｂ図
はそれぞれ異なる２つののこ歯形状を示す第１図矢印Ｉ
Ｖの方向で見た図、第５図は突出した段部を備えた翼の
横断面図、第６図は第１図矢印■の方向でみた乎面図、
第７図は第５図の実施例の斜視図、第８図は引込まれた
段部を備えたられた段部によって妨害線部が形成される
第２図ｍ−ｒｎ線に溢って断面した図、第１１図は第１
０図矢印Ｍの方向でみた図、第１２図は沈められた段部
を有する第８図に相応する図である２・・・範囲、３・
・・狭い面積範囲、８・・・軸線、９・・・タービン回
転子、１０・・・翼、１１・・・吸引側、１２・・・翼
形−上面、１３・・・押圧側、１５・・・帯材、２　（
］　、　３０　、４０・・・妨害縁部、２１，３１．４
１・・・歯頂、２２，３２．４２・・・歯底、α・・・
開放角、β・・・傾斜角、ｌ）・・・幅、ｋ・・・高さ
、ｔ・・・ピッチ、ＭａｌｎａＸ・・・最大速度量 代理人　弁理士　矢　野　敏　雄（ほか１名）第１頁の
続き ［相］発明者　アルツール・シェフラ　ドイツ連邦共和
国フィーアキルヒエン・ガングホーファーセ　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 】　ガス又は蒸気で運転されるタービンの軸方向で通流
   される翼列であって、翼列の翼形が、流れを吸引側（負
   圧側）の翼形上面の大部分に削って狭い通路面積範囲で
   速度最大量まで加速しかつこの範囲の下流で翼形後縁ま
   で減速し、これにより翼形境界層を吸引側の翼形長さの
   大部分に亘って層流状にするように、形成されている形
   式のものにおいて、速度最大量（Ｍａｍａ　Ｘ　）の下
   流で吸引側（翼形上面）でしかも減速された流れの範囲
   で翼（１０）がほぼ翼高（Ｈ）全体に亘ってのびる一貫
   した妨害縁部（２０，３０，４０，５０，６０）を有し
   ており、該妨害線部が翼形上面に対する接平面内でのこ
   歯状に成形されており、更に妨害縁部が、翼形上面自体
   内に、又は、通路の横断面変化により主流に影響を及ぼ
   すことがないような、出 翼形上面かられずかたけ突した高さに配置されているこ
   とを特徴とするガス又は蒸気で運転されるタービンの軸
   方向で通流される翼列。 ２　妨害縁部（２０）が翼形上面（１２）に隆起して配
   置された帯材（１５）から形成されている特許請求の範
   囲第１項記載の翼列。 ３　妨害縁部（３０）が翼形上面から形成された流れ方
   向に突出した段部の自由縁によって形成されている特許
   請求の範囲第１項記載の翼列。 ４　妨害縁部の高さくｋ）が、妨害縁部（２０，３０）
   のすぐ上流の個所での吸引側の境界層の・ξルス損失厚
   さδ２と、この個所のために高さくｋ）及び壁間隔にお
   ける速度および液体の粘性によって形成されたレイノル
   ズ数Ｒｅｋとに関連して規定された範囲の値を有してお
   り、このばあい５０　＜　Ｒｅｋ＜　２００のために１
   ．　ｓ　＜　Ｋ／δ２〈３５が当て嵌り、 ｙ−壁間隔座標 １１　＝　ｆ　（ｙ）−翼形上面に対して接線方向の速
   度成分 Ｕ二摩擦によって妨げられない流れの速度 ０１（−個所１（での流体の動粘性 である特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか
   １項記載の翼列。 ５　妨害縁部（４０）が翼形上面から形成された流れ方
   向に引込まれた段部の自由縁である特許請求の範囲第１
   項記載の翼列。 ６　妨害線部が翼形上面内に沈められた段部によって形
   成されている特許請求の範囲第１項記載の翼列。 ７　妨害縁部が翼形上面内に沈められた段部によって形
   成されており、更に翼形上面内の段部の高さくｋ）が、
   妨害縁部のすぐ上流の個所での境界層のパルス損失厚さ
   δ２と、この個所のために高さくｌＯおよび壁間隔にお
   ける速度および液体の粘性によって形成されたレイノル
   ズ数Ｒｅ、、とに関１卓（〜で規定された範囲の値を有
   しており、このばあい２００＜Ｒｅｋ＜５００のために
   ２　＜　ｋ　／δ２＜４．５が当て嵌り、ｙ−壁間隔座
   標 ｕ　＝　ｆ　（ｙ）−翼形−上面に対して接線方向での
   速度成分 Ｕ−摩擦によって妨げられない流れの速度 ０ｋ　−個所ｋにおける流体の動粘性 である特許請求の範囲第５項記載の翼列。 ８　妨害縁部（２０，３０，４０，５０，６０）がへり
   を鋭くして形成されている特許請求の範囲第１項から第
   ７項までのいずれか１項記載の翼列。 ９　妨害線部ののこ歯形状が歯頂並びに歯底で尖って形
   成されている特許請求の範囲第１項から第８項までのい
   ずれか１項記載の翼列。 １０　妨害線部ののこ歯形状が歯頂並びに歯底で丸みを
   付けられている特許請求の範囲第１項から第９項までの
   いずれか１項記載の翼列、っ月　妨害縁部ののこ歯形状
   が歯頂および歯底で交４ｆに尖らしかつ丸みを付けて形
   成されている特許請求の範囲第１項から第９項までのい
   ずれか１項記載の翼列。 １２　妨害縁部ののこ歯形状が４５°乃至１２０°の開
   放角（α）および翼弦長さく１）の５％乃至１５％のピ
   ッチ（１）を有している特許請求の範囲第１項から第１
   １項までのいずれか１項記載の翼列、。 １３　妨害帯材の幅（ｂ）が妨害縁部に対して直角に測
   定して０．０５乃至０．１１である特許請求の範囲第１
   ２項記載の翼列。 】４　妨害縁部を形成する沈下範囲が翼形上面（１２）
   に対して３°乃至６°の傾斜角（β）でのびている特許
   請求の範囲第７項から第１３項までのいずれか１項記載
   の翼列。