JPWO2018147162A1

JPWO2018147162A1 - 軸流機械の翼

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Publication number: JPWO2018147162A1
Application number: JP2018567394A
Authority: JP
Inventors: 正昭浜辺
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: EP3553277B1; CA3046450A1; EP3553277A1; JP6780713B2; WO2018147162A1; US20190338659A1; EP3553277A4; CA3046450C; US11230934B2

Abstract

軸流機械の翼（１２）は、背面（１３ａ）及び腹面（１３ｂ）を有する翼型部（１３）と、シュラウド（１５）或いはプラットフォーム（１４）としてのエンドウォールと、翼型部（１３）とエンドウォールの接続部に沿って設けられるフィレット（１６）とを備え、フィレット（１６）は、背面（１３ａ）側において少なくとも翼型部（１３）の前縁（１３ｃ）側及び後縁（１３ｄ）側に形成される第１の曲面（１６ａ）と、第１の曲面（１６ａ）が形成される箇所以外の箇所に形成される第２の曲面（１６ｂ）とを含み、第２の曲面（１６ｂ）は第１の曲面（１６ａ）よりも曲率半径が小さい。

Description

本開示は、軸流式のコンプレッサ或いはタービンとして動作する軸流機械(axial flow machine)の翼に関する。

軸流機械は、軸方向に沿って交互に配置された動翼及び静翼の各翼列を有する。各翼列の径方向内側および径方向外側にはエンドウォールが設けられており、翼列と共に軸流機械内を流れる流体の流路を形成している。

軸流機械の稼働中、エンドウォールと動翼及びエンドウォールと静翼の各接続部には流体の衝突による曲げ応力や捻り応力等の応力が発生する。また、動翼であればさらに遠心力による曲げ応力等の応力も加わる。このような応力による疲労の抑制及び損傷の防止を目的として、フィレットが各翼とエンドウォールの接続部に沿って形成されている。フィレットは翼からエンドウォールに延伸する曲面であり、両者の表面を滑らかに接続するものである（特許文献１参照）。

特開２０１４−１０９２７３号公報

上述の応力に耐えられるよう、フィレットの寸法（即ち曲率半径）はある程度大きな値に設定する必要がある。しかしながら、フィレットの寸法が過度に大きくなると、フィレット自体に起因する二次流れ損失が悪化する。

そこで本開示は、曲げ応力等の応力に対する耐久性を維持しつつ、二次流れ損失を抑制することが可能なフィレットを有する軸流機械の翼を提供することを目的とする。

本開示の一態様は軸流機械の翼であって、腹面及び背面を有する翼型部と、シュラウド或いはプラットフォームとしてのエンドウォールと、前記翼型部と前記エンドウォールの接続部に沿って設けられ、前記翼型部から前記エンドウォールに向けて延伸する曲面として形成されるフィレットと、を備え、前記フィレットは、前記接続部に沿って設けられる第１の曲面及び第２の曲面を含み、前記第２の曲面の曲率半径は、前記第１の曲面の曲率半径よりも小さく、前記第１の曲面は、前記フィレットが形成される領域のうちの背面側において少なくとも前記翼型部の前縁側及び後縁側の各箇所に形成され、前記第２の曲面は前記領域において前記第１の曲面が形成される箇所以外の箇所に形成されることを要旨とする。

前記領域の前記背面側において、前記第２の曲面は、前記前縁側の前記第１の曲面と前記後縁側の前記第１の曲面との間に形成されていてもよい。

前記第１の曲面は、前記領域の前記背面側において前記翼型部の前縁から後縁まで連続的に形成されてもよい。

前記前縁側の前記第１の曲面は、前記翼型部の前縁を経由して前記領域の腹面側に延伸して前記第２の曲面に接続してもよく、前記後縁側の前記第１の曲面は、前記翼型部の後縁を経由して前記領域の前記腹面側に延伸して前記第２の曲面に接続してもよい。

前記前縁側の前記第１の曲面は、前記領域の腹面側において前記前縁から前記翼型部のコード長の１０％の範囲で前記２の曲面に接続し、前記後縁側の前記第１の曲面は、前記領域の腹面側において前記後縁から前記翼型部のコード長の１０％の範囲で前記２の曲面に接続してもよい。

前記翼は静翼であってもよい。この場合、前記フィレットは前記翼型部と前記シュラウドとしての前記エンドウォールとの接続部に沿って設けられていてもよい。

本開示によれば、曲げ応力等の応力に対する耐久性を維持しつつ、二次流れ損失を抑制することが可能なフィレットを有する軸流機械の翼を提供することができる。

本開示の実施形態に係る軸流機械を備えるガスタービンエンジン（ターボファンエンジン）を示す断面図である。本開示の実施形態に係る動翼を示す図である。フィレットを有する動翼における応力分布を示す解析結果である。本開示の実施形態に係るフィレットの形成箇所を示す図である。図４のＶ−Ｖ線に沿ったフィレットの断面図であり、（ａ）はシュラウド側の断面図、（ｂ）はプラットフォーム側の断面図である。フィレットの曲率半径を変えたときの静翼における二次流れ損失の解析結果を示すグラフである。

以下、本開示の実施形態に係る軸流機械の翼について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。本実施形態に係る軸流機械は軸流式のタービン或いはコンプレッサであり、本実施形態に係る翼は軸流式のタービン或いはコンプレッサの動翼或いは静翼である。以下、動翼を例に挙げて説明する。

本実施形態に係る軸流機械を搭載するエンジンとしては、例えば、航空機用のターボファンエンジン、ターボジェットエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジン、ターボラムジェットエンジン、発電用のガスタービンエンジン、船舶用のガスタービンエンジン、などが挙げられる。以下の説明ではターボファンエンジンを例に挙げて説明する。

図１に示すように、ターボファンエンジン１は、ファン２と、圧縮機３と、燃焼室４と、タービン５とを備える。ターボファンエンジン１の基本的な構成及び動作（即ち、流体の圧縮、燃焼、圧力エネルギーから運動（回転）エネルギーへの変換など）は、従来のものと同一である。即ち、圧縮機３は、ファン２が吸入した流体（作動流体、本実施形態では空気）を圧縮し、燃焼室４は圧縮機３によって圧縮された流体と燃料との混合ガスを燃焼する。タービン５は膨張する燃焼ガスの圧力エネルギーをタービン５内のロータ１０の回転エネルギーに変換してファン２及び圧縮機３を駆動すると共に、燃焼ガスを排気ダクト６から排出する。なお、圧縮機３は、流体の圧力に応じて複数の圧縮機に分割された多軸式のものを採用してもよい。これはタービン５についても同様である。

タービン５は、回転中心軸７に沿って交互に配置されるロータ１０及びステータ２０を備える。ロータ１０は筒状のケーシング８内に回転可能に収容され、動翼列を構成する複数の動翼（ブレード）１２と、動翼１２を支持し、回転中心軸７を中心軸として複数の動翼１２と一体的に回転する回転体（ディスク、ドラム）１１とを備える。各動翼１２は、回転体１１の回転中心軸７を中心として放射状に配置されている。

ステータ２０はケーシング８内に収容され、静翼列を構成する複数の静翼（ベーン）２２と、静翼２２のハブ側に設けられた環状のベーン支持体２１とを備える。動翼１２と同じく、各静翼２２も、回転体１１の回転中心軸７を中心として放射状に配置されている。各静翼２２のチップ側はケーシング８の内面に固定されている。

図２に示すように、動翼１２は翼型部１３を備える。翼型部１３は、背面（負圧面、suction surface）１３ａ（図４参照）と、腹面（正圧面、pressure surface）１３ｂと、前縁１３ｃと、後縁１３ｄとを有し、回転中心軸７の径方向外方に延伸している。

動翼１２は、翼型部１３のハブ側に設けられるプラットフォーム１４と、翼型部１３のチップ側に設けられるシュラウド１５とを備える。プラットフォーム１４及びシュラウド１５は何れも、翼型部１３と共に流体の流路を画成する壁、即ちエンドウォールである。

動翼１２は、翼型部１３とシュラウド１５との接続部、並びに翼型部１３とプラットフォーム１４との接続部に沿って設けられるフィレット１６を備える。フィレット１６は、翼型部１３からシュラウド１５及びプラットフォーム１４のそれぞれに向けて延伸する曲面として形成される。この曲面は、翼型部１３の表面とシュラウド１５及びプラットフォーム１４の各表面とを滑らかに接続する。

フィレット１６は、シュラウド１５と翼型部１３との接続部の周囲及びプラットフォーム１４と翼型部１３との接続部の周囲に生じる各応力を分散させ、疲労や亀裂の発生を抑制する。この応力についての解析結果の一例を図３に示す。図３は、フィレット３６を有する動翼３２に遠心力を加えたときの応力分布を示す解析結果である。この応力分布においてハッチングを施した部分は、応力がその周囲よりも相対的に高いことを示す。また、ハッチングが濃い部分ほど応力が高い。この図から理解されるように、翼型部３３におけるシュラウド３５との接続部に沿って（換言すればフィレット３６に沿って）応力が発生していることが判る。また、この応力は翼型部３３の前縁３３ａ側と後縁３３ｂ側に集中し、その間の部分（中央部）の応力は比較的低い。なお、翼型部３３とプラットフォーム（図示せず）との接続部近傍にも、図３に示す解析結果と同様の分布の応力が発生している。

図３に示すような局所的な応力を分散させるためには、フィレットの寸法（即ち曲率半径）を大きな値に設定することが効果的である。しかしながら、フィレットの寸法増加は、その部分の流路の断面形状を変化させ、二次流れの発生を促進させてしまう。二次流れは、翼型部１３の前縁１３ｃにおけるエンドウォール（即ちプラットフォーム１４或いはシュラウド１５）の近傍で発生する。この二次流れは概ねエンドウォールに沿って進行しつつ、拡散しながら隣の動翼１２における翼型部１３の背面１３ａに到達する。その後、二次流れは、隣の動翼１２において背面１３ａに沿って後縁１３ｄに進行し、後方に流出する。二次流れは本来の流体の流れと異なる方向の流れ成分をもっているため、圧力損失を伴う渦を発生させ、これを増長させる。

つまり、フィレットの寸法増加は、応力の分散を促進させて動翼を補強する一方で、圧力損失等の損失を増長させている。そこで、応力が局在している点に着目し、本実施形態に係るフィレット１６はこのような二律背反を考慮した構造を有する。即ち、フィレット１６の曲率半径に対して応力の分散（緩和）に必要な値を算出し、その後、フィレット１６において応力の分散（緩和）への寄与が小さい部分についてはその曲率半径を上述の算出値よりも小さな値に設定する。換言すれば、応力が発生しやすい箇所のみに曲率半径の大きいフィレットを形成し、その他の箇所には曲率半径の小さいフィレットを形成する。

以上を踏まえ、本実施形態に係るフィレット１６は、翼型部１３とエンドウォール（即ちプラットフォーム１４或いはシュラウド１５）との接続部に沿って設けられる第１の曲面１６ａ及び第２の曲面１６ｂを有する。第２の曲面１６ｂの曲率半径Ｒａは、第１の曲面１６ａの曲率半径Ｒｂよりも小さい（図５（ａ）及び図５（ｂ）参照）。

第１の曲面１６ａは、フィレット１６が形成される領域１７の中の少なくとも一部に形成される。この一部とは、翼型部１３において相対的に高い応力が発生する箇所に近接し、且つ、二次流れ損失に影響を及ぼす可能性が低い領域１７内の箇所である。つまり、図３の解析結果を考慮すると、第１の曲面１６ａを形成する候補として、翼型部１３の前縁１３ｃ側及び後縁１３ｄ側の各箇所が挙げられ、さらに、二次流れ損失への影響を考慮すると、これらの箇所における少なくとも背面１３ａ側が、第１の曲面１６ａを形成する最適な箇所となる。ここで、前縁１３ｃ側の箇所とは、少なくとも前縁１３ｃに接する部分を含む領域である。同様に、後縁１３ｄ側の箇所とは、少なくとも後縁１３ｄに接する部分を含む領域である。

一方、第２の曲面１６ｂは、領域１７において第１の曲面１６ａが形成される箇所以外の箇所に形成される。第２の曲面１６ｂが形成される箇所とは、主に二次流れ損失に影響を及ぼす可能性が高く、応力の分散への寄与が低い箇所、例えば、領域１７における腹面１３ｂ側や背面１３ａ側の前縁１３ｃと後縁１３ｄの間の部分である。背面１３ａ側の前縁１３ｃと後縁１３ｄの間の部分とは、即ち、背面１３ａ側における前縁１３ｃ側の第１の曲面１６ａ及び後縁１３ｄ側の第１の曲面１６ａとの間の領域である。

つまり、フィレット１６は全体として応力の分散に寄与しつつ、そのうちの第１の曲面１６ａが局所的に高い応力を緩和し、第２の曲面１６ｂはフィレット１６の全体で発生する二次流れ損失を抑制する。

例えば図４、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第１の曲面１６ａが領域１７のうちの背面１３ａ側における前縁１３ｃ側及び後縁１３ｄ側に形成され、第２の曲面１６ｂが領域１７のうちの背面１３ａ側において第１の曲面１６ａが形成されていない箇所（即ち、２つの第１の曲面１６ａの間）に形成される。さらに、第２の曲面１６ｂは、領域１７のうちの腹面１３ｂ側の全域に（即ち、前縁１３ｃから後縁１３ｄまで）形成される。そして、第２の曲面１６ｂの曲率半径Ｒａは、第１の曲面１６ａの曲率半径Ｒｂよりも小さい。

第１の曲面１６ａの曲率半径Ｒａは接続部に沿って一定でもよく、徐々に変化していてもよい。同様に、第２の曲面１６ｂの曲率半径Ｒｂは接続部に沿って一定でもよく、徐々に変化していてもよい。ただし、フィレット１６の曲率半径は、第１の曲面１６ａと第２の曲面１６ｂの境界において、第１の曲面１６ａと第２の曲面１６ｂを滑らかに接続するように変化する。

なお、翼型部１３の中心線と直交する面において、曲率半径Ｒａ及び曲率半径Ｒｂは一定でもよく、徐々に変化していてもよい。ただし、最大値をとる第１の曲面１６ａの曲率半径Ｒａでもその値は精々数ｍｍ程度である。従って、第１の曲面１６ａ及び第２の曲面１６ｂが、翼型部１３の中心線と直交する面において楕円や放物線等の曲線を有する場合でも、その曲線は曲率半径が一定の円弧で近似できる。

本実施形態の動翼（静翼）をジェットエンジンの低圧タービンに適用した場合、第１の曲面１６ａの曲率半径Ｒａは、例えば１．５ｍｍ〜３ｍｍに設定される。一方、第２の曲面１６ｂの曲率半径Ｒｂは、例えば１ｍｍ〜２ｍｍに設定される。なお、曲率半径Ｒａの上限値、並びに、曲率半径Ｒｂの上限値及び下限値は上述の値に限られず、本実施形態の動翼（静翼）が適用される装置の種類や、動翼（静翼）の鋳造工程で必要な値、応力に対する所望の耐久性及び二次流れ損失の許容値に応じて変化する。

図６は、第１の曲面１６ａの曲率半径Ｒａ及び第２の曲面１６ｂの曲率半径Ｒｂを変えたときの静翼における二次流れ損失の解析結果を示すグラフである。この解析結果は、フィレットを持たない静翼における二次流れ損失を基準としている。即ち、図６は、フィレットの形成による二次流れ損失がどの程度であるか、また、フィレットの曲率半径がその形成場所に応じて変化している場合に二次流れ損失がどの程度であるか、を示している。なお、この解析結果が示す二次流れ損失の傾向は、動翼を解析対象とした場合でも変わらない。

サンプルＡ〜サンプルＤの何れの静翼もエンドウォールと翼型部の各形状は同一であり、第１の曲面１６ａが背面１３ａ側の全域に形成され、第２の曲面１６ｂが腹面１３ｂ側の全域（即ち、前縁１３ｃ側から後縁１３ｄ側まで）に形成される。しかしながら、サンプルＡの静翼では、第１の曲面１６ａの曲率半径Ｒａと第２の曲面１６ｂの曲率半径Ｒｂが何れも１ｍｍに設定され、サンプルＢの静翼では、曲率半径Ｒａと曲率半径Ｒｂが何れも２ｍｍに設定されている。また、サンプルＣの静翼では、曲率半径Ｒａが２ｍｍ、曲率半径Ｒｂが１ｍｍに設定され、サンプルＤの静翼では、曲率半径Ｒａが１ｍｍ、曲率半径Ｒｂが２ｍｍに設定されている。つまり、本実施形態に係る静翼はサンプルＣのみである。

図６から理解されるように、何れのサンプルでもフィレットの形成によって二次流れ損失は悪化する。また、サンプルＡとサンプルＢとの比較から、フィレットの曲率半径が大きいほど二次流れ損失が悪化することが判る。さらに、サンプルＤの解析結果からフィレットの曲率半径が腹面１３ｂ側で背面１３ａ側よりも大きいと、腹面１３ｂ側のフィレットと同一の曲率半径のフィレットが翼型部１３の全周に亘って形成された場合（サンプルＢを参照）と同程度の損失が発生することが判る。

しかしながら、本実施形態に係るサンプルＣの二次流れ損失は、背面１３ａ側でサンプルＢと同一の曲率半径を持つフィレットを有しているにも関わらず、サンプルＢよりも小さい。また、サンプルＣの二次流れ損失は、背面１３ａ側でサンプルＡよりも大きい曲率半径を持つフィレットを有しているにも関わらず、サンプルＡの二次流れ損失に匹敵している。

このように、フィレット１６として、第１の曲面１６ａを背面１３ａ側に設け、且つ、第１の曲面１６ａよりも曲率半径の小さい第２の曲面１６ｂを腹面１３ｂ側に設けることにより、動翼１２における二次流れ損失を、第２の曲面１６ｂが翼型部１３とエンドウォールの接続部の全周に亘って形成された場合と同様の値に留めることができる。つまり、フィレットの形成によって曲げ応力等の応力に対する耐久性を維持しつつ、二次流れによる損失を抑制することが可能な翼を提供することができる。

なお、図４において点線で示すように、第１の曲面１６ａは、領域１７の背面１３ａ側において前縁１３ｃから後縁１３ｄまで連続的に形成されてもよい。また、設定された使用環境に応じて、領域１７の背面１３ａ側における前縁１３ｃ側と後縁１３ｄ側に互いに離隔して形成されてもよい。後者の形態は、第１の曲面１６ａを設けずとも応力の緩和が十分な場合に適用でき、２つの第１の曲面１６ａの間には、第１の曲面１６ａよりも曲率半径の小さい曲面（例えば、腹面１３ｂ側に形成される第２の曲面１６ｂと同一の曲面）が形成される。この場合も、図６と同様の解析結果が得られており、上述した効果が得られる。

また、前縁１３ｃ側の第１の曲面１６ａは、前縁１３ｃを経由して領域１７の腹面１３ｂ側に延伸して第２の曲面１６ｂに接続し、後縁１３ｄ側の第１の曲面１６ａは、後縁１３ｄを経由して領域１７の腹面１３ｂ側に延伸して第２の曲面１６ｂに接続してもよい。この場合、前縁１３ｃ及び後縁１３ｄの補強を促進させることができる。ただし、第１の曲面１６ａが腹面１３ｂ側で過剰に延伸すると、二次流れ損失を悪化させてしまうことは図６の解析結果から明らかである。従って、前縁１３ｃ側の第１の曲面１６ａが腹面１３ｂ側に延伸する場合でも、その終端は精々前縁１３ｃの先端から翼型部１３のコード長の１０％程度の範囲に位置する。換言すれば、前縁１３ｃ側の第１の曲面１６ａは、腹面１３ｂ側において前縁１３ｃの先端から翼型部１３のコード長の１０％程度の範囲で第２の曲面１６ｂに接続する。同様に、後縁１３ｄ側の第１の曲面１６ａが腹面１３ｂ側に延伸する場合でも、その終端は後縁１３ｄの先端から翼型部１３のコード長の１０％程度の範囲に位置する。換言すれば、後縁１３ｄ側の第１の曲面１６ａは、腹面１３ｂ側において後縁１３ｄの先端から翼型部１３のコード長の１０％程度の範囲で第２の曲面１６ｂに接続する。例えば、当該終端は、後縁１３ｄと腹面１３ｂの境界までの範囲に位置する。なお、この境界は、例えば後縁１３ｄの輪郭を円弧で定義した場合、その円弧と腹面１３ｂを定義する曲面との間に位置する。

上述の通り、曲率半径を変化させた時の二次流れ損失の傾向（図３参照）は、動翼及び静翼の何れ翼にも見られ、特に上流側のクリアランス（エンドウォールとケーシングとの間の空間）からの流体の漏れ流れ量が大きい翼の端部において顕著となる。つまり、本実施形態のフィレットは、動翼のハブ側及びチップ側、並びに静翼のハブ側及びチップ側に設けることができるが、静翼のチップ側に設けたとき（換言すれば、フィレットを翼型部とシュラウドとの接続部に沿って設けたとき）に最も効果的に二次流れ損失を抑制しつつ、応力を分散（緩和）できる。

なお、本開示は上述の実施形態に限定されない。即ち、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。例えば、動翼はシュラウドを持たないものであってもよい。

１…ターボファンエンジン、２…ファン、３…圧縮機、４…燃焼室、５…タービン、６…排気ダクト、７…回転中心軸、８…ケーシング、１０…ロータ、１１…回転体（ディスク、ドラム）、１２…動翼（ブレード）、１３…翼型部、１３ａ…背面、１３ｂ…腹面、１３ｃ…前縁、１３ｄ…後縁、１４…プラットフォーム、１５…シュラウド、１６…フィレット、１６ａ…第１の曲面、１６ｂ…第２の曲面、１７…領域、２０…ステータ、２１…ベーン支持体、２２…静翼（ベーン）、Ｒａ…第１の曲面の曲率半径、Ｒｂ…第２の曲面の曲率半径

Claims

腹面及び背面を有する翼型部と、
シュラウド或いはプラットフォームとしてのエンドウォールと、
前記翼型部と前記エンドウォールの接続部に沿って設けられ、前記翼型部から前記エンドウォールに向けて延伸する曲面として形成されるフィレットと、
を備え、
前記フィレットは、前記接続部に沿って設けられる第１の曲面及び第２の曲面を含み、
前記第２の曲面の曲率半径は、前記第１の曲面の曲率半径よりも小さく、
前記第１の曲面は、前記フィレットが形成される領域のうちの背面側において少なくとも前記翼型部の前縁側及び後縁側の各箇所に形成され、前記第２の曲面は前記領域において前記第１の曲面が形成される箇所以外の箇所に形成される
軸流機械の翼。
前記領域の前記背面側において、前記第２の曲面は、前記前縁側の前記第１の曲面と前記後縁側の前記第１の曲面との間に形成されている
請求項１に記載の軸流機械の翼。
前記第１の曲面は、前記領域の前記背面側において前記翼型部の前縁から後縁まで連続的に形成されている
請求項１に記載の軸流機械の翼。
前記前縁側の前記第１の曲面は、前記翼型部の前縁を経由して前記領域の腹面側に延伸して前記第２の曲面に接続し、
前記後縁側の前記第１の曲面は、前記翼型部の後縁を経由して前記領域の前記腹面側に延伸して前記第２の曲面に接続している
請求項１〜３の何れか一項に記載の軸流機械の翼。
前記前縁側の前記第１の曲面は、前記領域の腹面側において前記前縁から前記翼型部のコード長の１０％の範囲で前記２の曲面に接続し、
前記後縁側の前記第１の曲面は、前記領域の腹面側において前記後縁から前記翼型部のコード長の１０％の範囲で前記２の曲面に接続する
請求項４に記載の軸流機械の翼。
前記翼は静翼であり、
前記フィレットは前記翼型部と前記シュラウドとしての前記エンドウォールとの接続部に沿って設けられる
請求項１〜５の何れか一項に記載の軸流機械の翼。