WO2007119696A1

WO2007119696A1 - 翼

Info

Publication number: WO2007119696A1
Application number: PCT/JP2007/057756
Authority: WO
Inventors: Akira Takahashi; Yukie Sasaki; Haruyuki Tanimitsu; Hiroshi Hamazaki
Original assignee: Ihi Corporation
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2007-10-25
Also published as: US20090136354A1; EP2019186A1; US8118560B2; EP2019186B1; EP2019186A4; CA2649799C; JPWO2007119696A1; CA2649799A1

Abstract

　流体（Ｆ）が流入する側の前縁部（１１）と、流体（Ｆ）の流れる方向に沿って凹とされた凹曲面状の圧力面（１２）と、流体（Ｆ）の流れる方向に沿って凸とされた凸曲面状の負圧面（１３）と、流体（Ｆ）が流出する側の後縁部（１４）とに囲まれてなる翼（１０）であって、負圧面（１３）には、流体（Ｆ）の流速がこの負圧面（１３）において最大となる最大速度点（Ｐ）よりも前縁部（１１）側に、この負圧面（１３）上における層流流れを擾乱させて乱流に遷移する擾乱付加部（１５）が設けられている。

Description

明細書

翼

技術分野

[0001] 本発明は、例えばガスタービンや送風機等に用いられる翼に関するものである。

本願は、 2006年 4月 17日に出願された特願 2006— 113537号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] この種の翼は、一般に、流体が流入する側の前縁部と、流体の流れる方向に沿つて凹とされた凹曲面状の圧力面と、流体の流れる方向に沿って凸とされた凸曲面状の負圧面と、流体が流出する側の後縁部とに囲まれた構成とされ、従来から、例えば下記特許文献 1および 2に示されるように、負圧面上を流れる流体がその後縁部側で境界層が剥がれる現象、いわゆる層流剥離の発生を防止することによって、例えばタ一ビンの効率や性能、あるいは送風性能の向上を図ったり、騒音の発生を防ぐことがなされている。

なお、翼が例えば航空エンジンのように高空条件下で使用される場合には、負圧面の後縁部側ではレイノルズ数が小さくなるため、上述の層流剥離が特に発生し易くなる。

特許文献 1 :特開 2002— 21502号公報

特許文献 2 :特開 2000— 104501号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] し力しながら、前記従来の翼では、上述の層流剥離を良好に防止することができないという問題がある。

すなわち、前記特許文献 1記載の発明では、負圧面上の後縁部側にこの翼の翼弦方向に延びるスリット壁を形成した翼が提案されているが、この場合、スリット壁の形成された位置力負圧面に流入した流体の流速がこの負圧面において最大となる最大速度点よりも後縁部側で層流剥離が発生し易、位置であるので、このスリット壁に到達した流体が既に層流剥離していた場合には、このようなスリット壁が形成されていたとしても前記剥離を層流流れに戻すことは困難であるという問題がある。

また、前記特許文献 2記載の発明では、翼の平均表面粗さを、負圧面よりも前縁部の方を大きくして、この前縁部にお、て乱流を生じさせるようにした翼が提案されてヽる力この文献 2の段落 0015に記載されているような平均表面粗さを実現することは製造上困難であると!/、う問題がある。

[0004] 本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、製造上の問題を生じさせることなぐ負圧面の後縁部側で層流剥離が発生するのを防ぐことができる翼を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の翼は、流体が流入する側の前縁部と、流体の流れる方向に沿って凹とされた凹曲面状の圧力面と、流体の流れる方向に沿って凸とされた凸曲面状の負圧面と、流体が流出する側の後縁部とに囲まれてなる翼であって、前記負圧面には、流体の流速がこの負圧面において最大となる最大速度点よりも前記前縁部側に、この負圧面上における層流流れを擾乱させて乱流に遷移する擾乱付加部が設けられている。

[0006] この発明によれば、負圧面に擾乱付加部が設けられて!/、るので、前縁部から流入した流体力この擾乱付加部に到達したときに、擾乱付加部よりも前縁部側に位置する負圧面上での層流流れをこの擾乱付加部において擾乱させて、擾乱付加部よりも後縁部側に位置する負圧面上で乱流に遷移させることが可能になる。

以上より、擾乱付加部よりも後縁部側に位置する負圧面上において流体が層流剥離するのを防ぐことができる。

[0007] ここで、前記擾乱付加部は、前記圧力面と前記負圧面とがなす当該翼の厚さ方向に凹み、かつ前記流体の流れる方向に沿って延びる段部とされ、前記負圧面は、前記前縁部側に位置する第 1負圧面と、前記後縁部側に位置する第 2負圧面とが、前記段部を介して連結されるとともに、前記第 2負圧面は、前記第 1負圧面をこの第 2負圧面に沿うように前記後縁部側に延長したときの仮想曲線よりも前記圧力面側に位置されてもよい。 [0008] この場合、負圧面が前記第 1負圧面と前記第 2負圧面とを備え、これらの第 1、第 2 負圧面が段部を介して連結されているので、前縁部から流入した流体が第 1負圧面を流れて擾乱付加部に到達し、第 2負圧面に向けて移動するときに、この擾乱付カロ部としての段部においてこの流体を急加速した後に急減速させることにより、第 2負圧面上において第 1負圧面上での層流流れを擾乱させて乱流に遷移させることが可會になる。

さらに、擾乱付加部は、前記流体の流れる方向に沿って延びるような前記段部とされているとともに、第 2負圧面に連続しているので、この擾乱付加部を通過する流体の一部がこの部分で滞留するのを防ぐことが可能になり、前記遷移した乱流の状態でスムーズにこの第 2負圧面上を流れさせることができる。したがって、層流流れを乱流に遷移させたことによるエネルギ損失量を最小限に抑えることができる。

以上より、負圧面の後縁部側において流体が層流剥離するのを確実に防ぐことができる。

さらにまた、負圧面が、第 1負圧面と第 2負圧面とが前記段部により連結された構成とされているので、例えば上記特許文献 2に示されるように、翼の部分毎で平均表面粗さを異ならせたり、負圧面に凹凸形状を設けることにより前記流体の剥離発生を防ぐのに比べて、製造上の制約を低減させることができる。

発明の効果

[0009] 本発明に係る翼によれば、製造上の制約を生じさせることなぐ負圧面の後縁部側における層流剥離の発生を防ぐことができる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]図 1は、本発明の一実施形態として示した翼の横断面図である。

[図 2]図 2は、図 1に示す翼の A部拡大図である。

[図 3]図 3は、図 1に示す翼の斜視図である。

[図 4]図 4は、図 1から図 3に示す翼および本発明の従来例に係る翼の負圧面上を通過する流体の軸コード長さに対する翼表面速度を示す図である。

[図 5A]図 5Aは、本発明の実施形態に係る翼の設計方法を示す図である。

[図 5B]図 5Bは、本発明の実施形態に係る翼の設計方法を示す図である。 [図 5C]図 5Cは、本発明の実施形態に係る翼を示す図である。

[図 6]図 6は、従来例に係る翼における流体の流れを示す図である。

[図 7]図 7は、本発明の実施形態に係る翼における流体の流れを示す図である。

[図 8A]図 8Aは、本発明の実施形態に係る翼の部分拡大図である。

[図 8B]図 8Bは、本発明の実施形態に係る翼におけるギャップ高さを示す図である。

[図 8C]図 8Cは、本発明の実施形態に係る翼におけるギャップ角度、及び、ギャップ長さを示す図である。

[図 9]図 9は、本発明の実施形態に係る翼における実コード長を規定する図である。

[図 10]図 10は、本発明の実施形態に係る翼および従来例に係る翼における翼表面速度を示す図である。

[図 11]図 11は、本発明の実施形態に係る翼および従来例に係る翼における翼表面静圧を示す図である。

[図 12]図 12は、本発明の実施形態に係る翼におけるタービン損失の改善効果を示す図である。

[図 13]図 13は、図 12の横軸におけるピッチを示す図である。

符号の説明

[0011] 10 翼、 11 前縁部、 12 圧力面、 13 負圧面、 13a 第 1負圧面、 13b 第 2負圧面、 14 後縁部、 15 擾乱付加部、 F 流体、 L 仮想曲線、 P 従来翼の最大速度点

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、本発明に係る翼の一実施形態を図 1から図 3を参照しながら説明する。

本実施形態の翼 10は、図 1に示されるように、流体 Fが流入する側の前縁部 11と、流体 Fの流れる方向に沿って凹とされた凹曲面状の圧力面 12と、流体 Fの流れる方向に沿って凸とされた凸曲面状の負圧面 13と、流体 Fが流出する側の後縁部 14とに囲まれた構成とされている。なお、本実施形態では、翼 10は、タービン翼とされ、図 3 に示されるように、この翼 10の側面に、図示されないタービン本体に取付けられる取付け台 16が設けられている。

[0013] そして、負圧面 13には、流体 Fの流速力この負圧面 13において最大となる最大速度点 Pよりも前縁部 11側に、この負圧面 13上における層流流れを擾乱させて乱流に遷移する擾乱付加部 15が設けられている。本実施形態の擾乱付加部 15は、圧力面 12と負圧面 13とがなす当該翼 10の厚さ方向に凹み、かつ流体 Fの流れる方向に沿つて延びる段部とされている。そして、負圧面 13は、前縁部 11側に位置する第 1負圧面 13aと、後縁部 14側に位置する第 2負圧面 13bとが擾乱付加部 15を介して連結された構成とされて、る。

[0014] また、第 2負圧面 13bは、第 1負圧面 13aをこの第 2負圧面 13bに沿うように後縁部 14側に延長したときの仮想曲線しょりも圧力面 12側に位置されて、る。

[0015] 擾乱付加部 15は、負圧面 13において流体 Fが流れる方向に直交する方向、つまり翼高さ方向に延在して設けられ、負圧面 13における前記翼高さ方向の全域に渡つて延在して設けられている。なお、最大速度点 Pは一般に翼 10のスロート部付近に位置されている。

[0016] また、擾乱付加部 15は、第 1負圧面 13aとの連結部分 13cが前記流体 Fの流れ方向に向けて凸とされた凸曲面状とされ、第 2負圧面 13bとの連結部分 13dが前記流体 Fの流れ方向と逆方向に向けて凹む凹曲面状とされ、これらの連結部分 13c、 13d 同士の間が前記流体 Fの流れ方向に沿って延在する傾斜面 13eとされている。なお、傾斜面 13eの第 1負圧面 13aに対する傾斜角度 Θは、例えば擾乱付加部 15で流体 Fの一部が滞留しないように、あるいは第 2負圧面 13b上で流体 Fを層流状態から乱流に遷移させることができるような角度とされている。

[0017] 以上の構成において、前縁部 11から負圧面 13に流入された流体 Fは、擾乱付カロ部 15に到達すると、まず、第 1負圧面 13aとの連結部分 13cの凸曲面形状および傾斜面 13eの傾斜形状によりその速度が急加速され、その後、この流体 Fが第 2負圧面 13bとの連結部分 13dに到達すると、傾斜面 13eの傾斜形状およびこの連結部分 13 dの凹曲面形状によりその速度が急減速される。

[0018] このようにして擾乱付加部 15を通過した流体 Fは、第 2負圧面 13bとの連結部分 13 dの凹曲面形状によりスムーズに第 2負圧面 13bに流入することになる。さらにこの際、前記急加速および急減速によって、第 2負圧面 13bに流入した流体 Fは、第 1負圧面 13a上での層流流れが擾乱されて乱流に遷移することになる。 [0019] 以上説明したように、本実施形態による翼 10によれば、負圧面 13が第 1負圧面 13 aと第 2負圧面 13bとを備え、これらの第 1、第 2負圧面 13a、 13bが擾乱付加部 15としての前記段部を介して連結されているので、前縁部 11から流入した流体 Fが第 1 負圧面 13aを流れて擾乱付加部 15に到達し、第 2負圧面 13bに向けて移動するときに、この擾乱付加部 15においてこの流体 Fを急加速した後に急減速させることにより、第 2負圧面 13b上において第 1負圧面 13a上での層流流れを擾乱させて乱流に遷移させることが可會になる。

[0020] さらに、擾乱付加部 15は、前記流体 Fの流れる方向に沿って延びるような前記段部とされているとともに、第 2負圧面 13bに連続しているので、この擾乱付加部 15を通過する流体 Fの一部が擾乱付加部 15で滞留するのを防ぐことが可能になり、前記遷移した乱流の状態でスムーズにこの第 2負圧面 13b上を流れさせることができる。した力 Sつて、層流流れを乱流に遷移させたことによるエネルギ損失量を最小限に抑えることがでさる。

以上より、負圧面 13の後縁部 14側において流体 Fが層流剥離するのを確実に防ぐことができる。

[0021] さらにまた、負圧面 13に、擾乱付加部 15としての前記段部を設けることにより第 1 負圧面 13aと第 2負圧面 13bとを備えさせているので、例えば上記特許文献 2に示されるように、翼の部分毎で平均表面粗さを異ならせたり、負圧面に凹凸形状を設けることにより前記流体の剥離発生を防ぐのに比べて、製造上の制約を低減させることができる。

特に、翼 10を例えばロストワックス法等の铸造により形成する場合には、本実施形態のように擾乱付加部 15が負圧面 13において前記翼高さ方向の全域に渡って延在していることと相俟って、このような制約をより一層確実に低減させることができる。

[0022] なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をカ卩えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、擾乱付加部 15と第 1負圧面 13aとの連結部分 13cを凸曲面状とし、擾乱付加部 15と第 2負圧面 13bとの連結部分 13dを凹曲面状とした構成を示した力例えば角部としてもよい。この場合においても、前記と略同様の作用効果が奏効される。また、本発明の翼とは、動翼および静翼の双方に適用可能である。

[0023] 次に、本発明に係る翼 10の実施形態につき、更に、詳細に説明する。

図 5A〜図 5Cは、本発明の実施形態に係る翼 10の設計方法 (製造方法の概略)、特に、翼 10の負圧面 13の設計方法を示している。

まず、図 5Aで示されるように、従来の翼型 (オリジナル翼型） 21、及び、従来の翼型 21に対し形状が修正され、従来の翼型 21より曲率が大き、修正翼型 20が用意され、修正翼型 20が従来の翼型 21に重ね合わされる。

そして、図 5Bで示されるように、修正翼型 20の後方側が削除され、後方側が削除されることにより修正翼型 20の後端となった箇所と従来の翼型 21が、擾乱付加部 15 の傾斜面 13eとなる繋ぎ部により繋がれることで、本発明の実施形態に係る翼 10の負圧面 13が設計される。このように、修正翼型 20は第 1負圧面 13aとなり、従来の翼型 21は第 2負圧面 13bとなる。

このようにして設計された本発明の実施形態に係る翼 10は、図 5Cで記載されているように、圧力面 12は従来の翼型 (オリジナル翼型)であり、負圧面 13は、前方側 (第 1負圧面 13a)が修正翼型 20であり、後方側 (第 2負圧面 13b)が従来の翼型 21であり、前方側の修正翼型 20と後方側の従来の翼型 21が繋ぎ部としての傾斜面 13eにより繋がれている形状となる。

[0024] 次に、図 6および図 7を参照して、従来例に係る翼 100と本発明の実施形態に係る翼 10における流体 Fの流れにつき説明する。

図 6は、従来例に係る翼 (オリジナル翼型） 100における流体 Fの流れを示す。図 6 力も把握されるように、従来例に係る翼 100の場合、前縁部 110から負圧面 130に流入された流体 Fは、後縁部 140側で境界層が剥がれる現象、いわゆる層流剥離が発生する。

これに対し、図 7は、本発明の実施形態に係る翼 10における流体 Fの流れを示す。図 7から把握されるように、本発明の実施形態に係る翼 10の場合、前縁部 11から流入した流体 Fは第 1負圧面 13aを流れて擾乱付加部 15に到達し、第 2負圧面 13bに向けて移動するとき、この擾乱付加部 15としての段部にお、て急加速した後に急減速される。そして、第 2負圧面 13b上において第 1負圧面 13a上での層流流れが擾乱し乱流に遷移して後縁部 14側にもたらされる。そのため、本発明の実施形態に係る翼 10では、後縁部側 14における流体 Fにっき、層流剥離は発生しない。

次に、図 8A〜図 8C、及び、図 9を参照して、本発明の実施形態に係る翼 10における擾乱付加部 15の具体的構成につき、説明する。

図 8Aは、本発明の実施形態に係る翼 10における、前縁部 1 1から擾乱付加部 15 にかけての部分拡大図である。

図 8Aで示されるように、本発明の実施形態に係る翼 10では、圧力面 12は従来の翼型 (オリジナル翼型)であり、負圧面 13は、前縁部 1 1から続く前方側 (第 1負圧面 1 3a)が修正翼型 20であり、後方側 (第 2負圧面 13b)が従来の翼型 (オリジナル翼型） 21であり、前方側の修正翼型 20と後方側のオリジナル翼型 21が繋ぎ部としての傾斜面 13eにより繋がれている形状となっている。

図 8Bは、本発明の実施形態に係る翼 10における、ギャップ高さ（ギャップ量、擾乱付加部高さ） αを示している。ギャップ高さ exは、負圧面 13における前方側（第 1負圧面 13a)の修正翼型 20と繋ぎ部としての傾斜面 13eとの交点 (連結部分） 13cから圧力面 12に対して垂直線を引いた場合の負圧面 13と圧力面 12との距離である。上記のように規定されるギャップ高さ αは、後述の実コード長 Rに対して、 0. 1 %〜10. 0%に規定される。

ここで、実コード長 Rは以下のように規定される。

即ち、図 9で示されるように、実コード長 Rとは、前縁部 1 1と後縁部 14とを結ぶ接線 Μに対し直交する複数の直線の内、前縁部 1 1に接する直線 Νと後縁部 14に接する直線 Qとの間の距離である。

図 8Cは、本発明の実施形態に係る翼 10における、ギャップ角度 (傾斜面角度） β 、及び、ギャップ長さ (傾斜面長さ） yを示している。

ギャップ角度 ι8は、負圧面 13における前方側 (第 1負圧面 13a)の修正翼型 20と繋ぎ部としての傾斜面 13eとの交点 (連結部分） 13cから圧力面 12に対して引かれた垂直線と傾斜面 13eとがなす角度である。このギャップ角度 j8は、擾乱付加部 15で流体の一部が滞留しな、ように、ある、は第 2負圧面 13b上で流体を層流状態から乱流に遷移させることができるように、 20° 〜85° に設定される。

また、ギャップ長 γさは、負圧面 13における前方側 (第 1負圧面 13a)の修正翼型 2 0と繋ぎ部としての傾斜面 13eとの交点 (連結部分） 13cから圧力面 12と傾斜面 13eとの交点 (連結部分） 13dとの間における傾斜面 13eの長さである。即ち、ギャップ長さ yは傾斜面 13eの長さである。このギャップ長さ γは、前縁部 11の先端から後縁部 1 4の後端までの翼 10の負圧面 13に沿った全長に対して、 0. 2〜20%に設定される

[0026] 次に、本発明の実施形態に係る翼 10の負圧面 13側における翼表面速度および翼表面静圧の検証試験を実施したので、図 10、図 11を参照して、従来例に係る翼の場合と比較しつつ、説明する。

図 10で示されるように、本発明の実施形態に係る翼 10では、負圧面 13において、流体の流速が負圧面 13にお、て最大となる最大速度点 Ρよりも前縁部 11側に、負圧面 13上における層流流れを擾乱させて乱流に遷移する擾乱付加部 15が設けられている。

これにより、前縁部 11から流入した流体が第 1負圧面 13aを流れて擾乱付加部 15 に到達し、第 2負圧面 13bに向けて移動するときに、負圧面 13に流入した流体が、最大速度点 Pよりも前縁部 11側で、擾乱付加部 15としての段部にぉヽて急加速した後に急減速させられることとなる。

また、図 11から把握されるように、従来例に係る翼では、第 2負圧面において、流体の層流剥離および再付着が発生し、静圧が急変化してしまう。これに対し、本発明の実施形態に係る翼 10では、第 2負圧面 13bにおいても、流体の層流剥離が発生せず、スムーズに静圧が変化することが把握される。

[0027] 次に、本発明の実施形態に係る翼 10におけるタービン損失改善効果についての検証試験を実施したので、図 12、図 13を参照して、従来例に係る翼の場合と比較しつつ、説明する。

図 12は、本発明の実施形態に係る翼 10および従来例に係る翼におけるタービン損失を表すグラフである。図 12の横軸におけるピッチにつき、図 13において示されている。即ち、図 12の横軸におけるピッチとは、図 13で示されるように、 1の翼 10aの後縁部 14aを 0. 0ピッチとした場合、その 1の翼 10aに対し、その 1の翼 10aの負圧面側で隣り合う他の翼 10bの後縁部 14bを— 1. 0ピッチとして規定し、その 1の翼 10a に対し、その 1の翼 10aの圧力面側で隣り合う更に他の翼 10cの後縁部 14cを + 1. 0 ピッチとして規定している。また、 1の翼 10aの後縁部 14aおよび他の翼 10bの後縁部 14bの中間位置を— 0. 5ピッチとして規定し、 1の翼 10aの後縁部 14aおよび更に他の翼 10cの後縁部 14cの中間位置を +0. 5ピッチとして規定している。

図 12から把握されるように、本発明の実施形態に係る翼 10では、従来例に係る翼と比較し、タービン損失が約 10%改善されている（図 12のグラフにおいて、タービン損失のトータル面積力、さい場合、タービン損失が小さぐタービン損失が改善されているものである）。本発明の実施形態に係る翼 10では、負圧面 13側の層流剥離が防止され、負圧面 13側での流体の流れがスムーズで、翼出口での負圧面 13側の圧力欠損が小さぐ図 12のグラフのように、タービン損失が約 10%改善される。

産業上の利用可能性

製造上の制約を生じさせることなぐ負圧面の後縁部側における層流剥離の発生を防ぐ翼を提供する。

Claims

請求の範囲

[1] 流体が流入する側の前縁部と、流体の流れる方向に沿って凹とされた凹曲面状の圧力面と、流体の流れる方向に沿って凸とされた凸曲面状の負圧面と、流体が流出する側の後縁部とに囲まれてなる翼であって、

前記負圧面には、流体の流速がこの負圧面において最大となる最大速度点よりも前記前縁部側に、この負圧面上における層流流れを擾乱させて乱流に遷移する擾乱付加部が設けられて!/ヽる翼。

[2] 請求項 1記載の翼において、

前記擾乱付加部は、前記圧力面と前記負圧面とがなす当該翼の厚さ方向に凹み、かつ前記流体の流れる方向に沿って延びる段部とされ、前記負圧面は、前記前縁部側に位置する第 1負圧面と、前記後縁部側に位置する第 2負圧面とが、前記段部を介して連結されるとともに、前記第 2負圧面は、前記第 1負圧面をこの第 2負圧面に沿うように前記後縁部側に延長したときの仮想曲線よりも前記圧力面側に位置されている翼。