WO2008053635A1

WO2008053635A1 - Profil aérodynamique transsonique et machine rotative à écoulement axial

Info

Publication number: WO2008053635A1
Application number: PCT/JP2007/067645
Authority: WO
Inventors: Naonori Nagai; Junji Iwatani
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2008-05-08
Also published as: US20100068064A1; CN101535654B; EP2080909A4; JP4664890B2; EP2080909B1; KR101040825B1; US8133012B2; KR20090078345A; CN101535654A; EP2080909A1; JP2008115736A

Description

明細書

遷音速翼及び軸流回転機

技術分野

[0001] 本発明は、遷音速又は超音速の流れ領域で作動する遷音速翼、及びこの遷音速翼を備えるタービンなどの軸流回転機に関するもので、特に、 3次元形状となる遷音速翼、及びこの遷音速翼を備える軸流回転機に関する。

背景技術

[0002] ガスタービンや航空用ファンエンジンや航空用ジェットエンジンなどの軸流回転機において、翼列に発生する損失は大きく分類すると、翼型形状そのものに起因するプロファイル損失と翼列間を流れる流体に起因する二次損失とに分けられる。二次損失を低減させる翼として、前縁部の高い位置を低い位置より軸方向に前方に配置させて、翼面に発生する固体壁境界層における二次流れを抑制する動翼が提案されている（特許文献 1参照）。尚、本明細書において、軸方向とは、翼が周囲に設置されるロータの軸方向を表し、径方向は、このロータの径方向を表す。又、プロフアイノレ損失に対しては、 3次元構造の翼を構成することによって、その損失の低減が図られている。

[0003] 又、動翼として、遷音速又は超音速の差動流体が流入して作動する遷音速翼が設けられているものがある。この遷音速翼が設けられた、遷音速又は超音速の差動流体で作動する軸流回転機では、差動流体の圧縮性に伴う衝撃波が発生し、上述のプロファイル損失及び二次損失となる種々の損失が生じる。即ち、衝撃波そのものによる損失、衝撃波と固体壁境界層との干渉による損失、及び、衝撃波とチップタリァランス漏れ流れ (翼の背腹の圧力差により翼先端とケーシングとの間隙から噴出す漏れ流れ）との干渉による損失が発生する。

[0004] そして、これらの衝撃波による損失それぞれの影響は、図 15の翼面静圧分布に示すように、翼 100のチップ（翼先端） 101側で強い衝撃波が生じるため、図 16に示す周方向（翼の高さ方向）の効率分布に示すように、チップ側での効率が低くなる。更に、図 17に示すように、衝撃波の一種である離脱衝撃波 110により減速した流れ力翼 100の前縁 102に対して、そのインシデンス（入流角と翼の前縁の角度との差）が大きくなる。このインシデンスが大きくなると、圧力損失が大きくなつて、その分、軸流回転機における効率が低下することとなる。

[0005] このような衝撃波による様々な損失に対して、特許文献 1における動翼では、特に、衝撃波と固体壁境界層との干渉による損失を抑制するために、翼の径方向衝撃波と固体壁境界層との干渉点の位置が、径方向の高さが高い位置ほど、軸方向の上流側となるように設計されている。即ち、動翼断面における前縁部力径方向の高さが高い位置ほど軸方向の上流側になるように、全体として上流側に前傾した形とされる。これにより、固体壁境界層の二次流れを抑制し、衝撃波との干渉前での境界層の肥大を避けるとともに剥離を防ぎ、その損失を低減することができる。

特許文献 1 :特開平 7— 224794号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 上述したように、特許文献 1の動翼では、上流側に前傾姿勢となるように構成することで、上述したように、チップ漏れ流れによる二次流れと衝撃波との干渉が緩和され、チップ側の損失低下は認められる。これにより、チップ側に流れを寄せるものとなり、チップ側の効率を良好なものとすることができる力逆に、ハブ (根本)側の境界層が厚くなつて流れが不安定なものとなり、ハブ側の効率が悪化してしまう。

課題を解決するための手段

[0007] このような問題を鑑みて、本発明は、チップ側の衝撃波による効率の低下を抑制するとともに、ハブ側の境界層の肥大をさけて剥離を防ぐことのできる遷音速翼及び軸流回転機を提供することを目的とする。

[0008] 上記目的を達成するために、本発明の遷音速翼は、遷音速以上の作動流体による流れ領域で作動する遷音速翼であって、回転軸との接続位置側のハブと、前記回転軸の径方向となる高さ方向の中心位置であるミーンと、前記高さ方向において前記回転軸から最も離れた位置の先端であるチップと、流入する前記作動流体の上流側に位置する前縁と、前記作動流体の下流側に位置する後縁と、を備え、前記前縁と前記後縁とを結ぶ第 1方向に平行に、前記翼の高さ方向の各断面プロファイルを連続的に遷移させ、前記チップ側の前記断面プロファイルと前記ミーン及び前記ハブの間の前記断面プロファイルとを、前記第 1方向における上流側に突出させて、 s字形状とし、前記チップ側の前記断面プロファイルの前記第 1方向における遷移量が、前記ミーン及び前記ハブの間の前記断面プロファイルの前記第 1方向における遷移量より大き!/、ことを特徴とする。

[0009] 即ち、前記第 1方向にお!/、て前記チップ側が上流側に傾レ、たフォヮ一ドスイープ形状と、前記第 1方向において前記ミーン及び前記ハブの間の部分が上流側に突出したバックワードスイープ形状とを組み合わせた S字形状であり、前記チップ側が最も上流側に突出した形状とされる。

[0010] このとき、前記第 1方向に垂直となる第 2方向に対しても、前記翼の高さ方向の各断面プロファイルを連続的に遷移させるものとしても構わない。即ち、前記第 2方向にお

V、て前記チップ側が上流側に傾!/、たフォワードリーン形状を更に組み合わせた形状としても構わないし、前記第 2方向において前記ミーン及び前記ハブの間の部分が上流側に突出したバックワードリーン形状を更に組み合わせた形状としても構わない

〇

[0011] 又、前記翼の高さ方向の各断面プロファイルにおける前記第 1方向と前記回転軸の軸方向との交差角が連続的に変化するようにした三次元翼形状としても構わない。

[0012] 本発明の軸流回転機は、中心に位置するとともに回転する回転軸と、前記回転軸の外周方向及び軸方向それぞれにおいて等間隔で前記回転軸の外周表面に設置された複数の動翼と、前記回転軸及び動翼を覆う車室と、該車室の内周表面に前記動翼と前記回転軸の軸方向に交互になって配置される複数の静翼と、を備える軸流回転機であって、前記複数の動翼の一部として、上述のいずれかの遷音速翼を備えることを特徴とする。

[0013] 本発明によると、チップ側とハブ及びミーンの間の部分とを上流側に突出させた S 字形状とすることで、ハブ側の境界層を薄くして、ハブ側における剥離耐カを強化するとともに、チップ側の境界層を厚くして、チップ漏れ損失を低減することができる。更に、チップ側が上流側に突出した形状であるため、衝撃波を弱めることができ、衝撃波による各種損失を抑制することができる。これらの損失の低減により、翼の回転ェネルギーを効率よく流体に伝達することができる。又、ハブでの剥離を低減することで、ストールマージン (失速余裕）を増カロさせること力 Sできる。

図面の簡単な説明

[図 1]は、ガスタービンの概略構成図である。

[図 2]は、遷音速翼の断面プロファイルを示す図である。

[図 3]は、遷音速翼の構成を示すスパン方向の断面図である。

[図 4A]は、遷音速翼の断面プロファイルの重心の遷移方向であるスイープ方向を説明するための図である。

[図 4B]は、遷音速翼の断面プロファイルの重心の遷移方向であるリーン方向を説明するための図である。

[図 5A]は、本発明の遷音速翼における基本構成を説明するための図である。

[図 5B]は、本発明の遷音速翼における基本構成を説明するための図である。

[図 5C]は、本発明の遷音速翼における基本構成を説明するための図である。

[図 6]は、図 5A〜図 5Cの遷音速翼それぞれに対するスパン方向の軸流速度分布を示す図である。

[図 7]は、図 5A〜図 5Cの遷音速翼それぞれに対するスパン方向の効率分布を示す図である。

[図 8]は、ロータの周方向に並ぶ図 5Bに示す遷音速翼に対する衝撃波の状態を示す図である。

[図 9]は、第 1の実施形態の遷音速翼の構成を示す概略斜視図である。

[図 10]は、図 9の遷音速翼において、スパン方向に対する各断面プロファイルのスィープ方向における遷移を示す図である。

[図 11A]は、基準形状となる遷音速翼のチップ側からみた上面図である。

[図 11B]は、図 9の遷音速翼のチップ側からみた上面図である。

[図 12A]は、基準形状となる遷音速翼における、ハブ、ミーン、及びチップそれぞれでの断面プロファイルを示す図である。

[図 12B]は、図 9の遷音速翼における、ハブ、ミーン、及びチップそれぞれでの断面プ口ファイルを示す図である。 [図 13A]は、リーン方向に断面プロファイルの位置を変化させた遷音速翼の構成を示す図である。

[図 13B]は、リーン方向に断面プロファイルの位置を変化させた遷音速翼の構成を示す図である。

[図 13C]は、リーン方向に断面プロファイルの位置を変化させた遷音速翼の構成を示す図である。

[図 14]は、第 2の実施形態の遷音速翼において、スパン方向に対する各断面プロフアイルのリーン方向における遷移を示す図である。

[図 15]は、従来の翼における翼面静圧分布を示す図である。

[図 16]は、従来の翼におけるスパン方向の効率分布を示す図である。

[図 17]は、ロータの周方向に並ぶ従来の翼に対する衝撃波の状態を示す図である。符号の説明

1 圧縮機

2 燃焼器

3 タービン

4 車室

5 ロータ

11 , 31 静翼

12, 32 動翼

12a~12e, 12x, 12y 遷音速翼

121 前縁

122 後縁

123 ノヽブ

124 チップ

125 ミーン

126 背面

127 腹面

発明を実施するための最良の形態 [0016] (軸流回転機）

まず、遷音速翼を動翼として使用する軸流回転機について、以下に説明する。尚、以下では、この軸流回転機として、ガスタービンの圧縮機を例に挙げて説明する。図 1に、ガスタービンの概略構成図を示す。

[0017] 図 1に示すように、ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機 1と、圧縮機 1で圧縮された空気と燃料が供給されて燃焼動作を行う燃焼器 2と、燃焼器 2からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン 3と、を備える。この圧縮機 1、燃焼器 2、及びタービン 3はそれぞれ、車室 4で覆われ、又、燃焼器 2が、圧縮機 1とタービン 3とを 1軸とするロータ 5の外周に等間隔で複数配置される。

[0018] このガスタービンにおいて、圧縮機 1で圧縮された空気が、車室 4内を通じて燃焼器 2やロータ 5に供給される。そして、燃焼器 2に供給された圧縮空気は、燃焼器 2に供給される燃料の燃焼に使用される。又、タービン 3側の車室 4内及びロータ 5内に供給された圧縮空気は、燃焼器 2からの燃焼ガスにより高温に曝される車室 4に固定された静翼 31とロータ 5に固定された動翼 32とを冷却するために使用される。この静翼 31及び動翼 32が、ロータ 5の軸方向に交互に配列される。

[0019] そして、燃焼器 2における燃焼動作によって発生する燃焼ガスがタービン 3に供給されて、燃焼ガスが動翼 32に吹き付けられるとともに静翼 31で整流されることで、タ一ビン 3が回転駆動する。タービン 3の回転駆動がロータ 5を介して圧縮機 1に伝えられることで、圧縮機 1が回転駆動する。これにより、圧縮機 1において、ロータ 5に固定された動翼 12が回転することで、車室 4に固定された静翼 11と動翼 12とにより形成される空間を流れる空気が圧縮される。この静翼 11及び動翼 12が、ロータ 5の軸方向に交互に配列される。

[0020] この図 1に示すようなガスタービンにおいて、圧縮機 1は、その流入速度が遷音速、即ち、動翼に流入する作動流体（空気）中にマッハ数が 1を越す超音速の部分が発生する速度以上となる作動流体（空気）で作動される遷音速又は超音速圧縮機とされる。そして、この遷音速又は超音速圧縮機とされる圧縮機 1において、その動翼 12 として、遷音速翼が使用される。

[0021] 以下において、本発明における遷音速翼について説明する。尚、以下の説明において、図 1に示すガスタービンにおけるロータ 5の軸方向において、作動流体（空気）の流入する側を「上流側」、作動流体（空気）が流出する側を「下流側」とする。又、図 1に示すガスタービンにおけるロータ 5の径方向、即ち、遷音速翼の高さ方向を、「スパン方向」とする。又、ロータ 5の軸方向の作動流体の流れに対して平行な面を「子午線面」とし、ロータ 5の径方向に垂直な遷音速翼の断面の形状を「断面プロフアイル」とする。

[0022] そして、遷音速翼において、断面プロファイルをスパン方向に堆積することを、「スタッキング」と呼ぶ。又、図 2に示す遷音速翼 12の断面プロファイルにおいて、作動流体 (空気）が流入する側の先端を「前縁」（図 2の符号 121)とし、作動流体 (空気）が流出する側の先端を「後縁」（図 2の符号 122)とし、この前縁と後縁を接続する直線のロータ 5軸に対する傾き方向を「スタツガ方向」（図 2の矢印 S)とする。そして、ロータ 5の軸方向の上流側に面した面を「背面」（図 2の符号 126)とし、ロータ 5の軸方向の下流側に面した面を「腹面」（図 2の符号 127)とする。

[0023] 更に、図 3に示す遷音速翼 12のスパン方向断面において、ロータ 5に接続される部分 (遷音速翼 12の高さ方向 80〜； 100%位置）を「ノ、ブ」（図 3の符号 123)とし、車室 4に近接する先端部分 (遷音速翼 12の高さ方向 0〜20%位置）を「チップ」（図 3の符号 124)とし、翼の高さの中央位置 (遷音速翼 12の高さ方向 50%近傍位置）を「ミーン」（図 3の符号 125)とする。尚、遷音速翼 12の高さ方向の位置をパーセント表示としたが、このパーセント表示は、ロータ 5の径方向（遷音速翼 12の高さ方向に相当）の各位置を、遷音速翼 12の高さの相対位置として表すものである。そして、ロータ 5 の外周表面から最も離れた先端を 0%とし、ロータ 5の外周表面における接続位置を 100%としている。

[0024] 又、遷音速翼 12の断面プロファイルにおいて、図 4Aに示すように、スタツガ方向（矢印 S)に平行に遷移させるとき、その遷移させる方向（矢印 P)を「スイープ方向」とし、又、図 4Bに示すように、スタツガ方向に垂直に遷移させるとき、その遷移させる方向 (矢印 Q)を「リーン方向」とする。

[0025] (本発明における遷音速翼の基本構成）

本発明における遷音速翼の基本構成について、図面を参照して説明する。本基本構成においては、スパン方向に対する遷音速翼の各断面プロファイルによる重心位置がスイープ方向に連続的に変化させられる。図 5A〜図 5Cに、スパン方向におけるハブ 123からチップ 124に向かって、スイープ方向に連続的に変化させた 3種類の遷音速翼 12a〜12cの構成を示す。

[0026] 図 5Aに示す遷音速翼 12aは、ハブ 123からチップ 124に向かって、各断面プロフアイルの重心 Gをスパン方向に平行となるようにした構成とする。即ち、ロータ 5径方向に向かって、各断面プロファイルの重心 Gがー致した構成とし、この図 5Aに示す構成を基準とする。この遷音速翼 12aのような形状を、以下において、「基準形状」と呼ぶ。

[0027] そして、図 5Bに示す遷音速翼 12bは、ハブ 123からチップ 124に向かって、各断面プロファイルの重心 Gをスイープ方向に対して下流側から上流側に連続的に遷移した構成とする。即ち、図 5Aの遷音速翼 12aと比べて、ロータ 5の径方向に対して上流側（前縁 121側）に前傾した構成とする。この遷音速翼 12bのような形状を、以下において、「フォワードスイープ形状」と呼ぶ。

[0028] 又、図 5Cに示す遷音速翼 12cは、チップ 124からハブ 123に向かって、各断面プ口ファイルの重心 Gをスイープ方向に対して下流側から上流側に連続的に遷移した構成とする。即ち、図 5Aの遷音速翼 12aと比べて、ロータ 5の径方向に対して下流側 (後縁 122側）に後傾し、ハブ 123側が上流側（前縁 121側）に突起した構成とする。この遷音速翼 12cのような形状を、以下において、「バックワードスイープ形状」と呼ぶ

〇

[0029] この図 5A〜図 5Cの遷音速翼 12a〜12cそれぞれに対して、スパン方向の軸流速度（前縁 121に流入する作動流体の速度）分布が図 6の曲線 X；!〜 Z1それぞれで示す分布形状となる。このスパン方向の軸流速度分布について、図 5Aの基準形状の遷音速翼 12aと図 5Bのフォワードスイープ形状の遷音速翼 12bとを比較したとき、遷音速翼 12aに対する曲線 XIに比べて、遷音速翼 12bに対する曲線 Y1では、チップ 124側での軸流速度が速くなり、逆に、ハブ 123側での軸流速度が遅くなつている。一方、図 5Aの基準形状の遷音速翼 12aと図 5Cのバックワードスイープ形状の遷音速翼 12cとを比較したとき、遷音速翼 12aに対する曲線 XIに比べて、遷音速翼 12c に対する曲線 Zlでは、チップ 124側での軸流速度が遅くなり、逆に、ハブ 123側での軸流速度が速くなつている。

[0030] この図 6の曲線 X；!〜 Z1の結果より、図 5Bの遷音速翼 12bに示すように、チップ 12 4側を前傾させたフォワードスイープ形状とすることにより、チップ 124側に作動流体（空気）の流れが寄ることとなる。一方、図 5Cの遷音速翼 12cに示すように、チップ 124 側を後傾させたバックワードスイープ形状とすることにより、ハブ 123側に作動流体（空気）の流れが寄ることとなる。

[0031] 又、図 5A〜図 5Cの遷音速翼 12a〜12cそれぞれに対して、スパン方向の効率（遷音速翼を回転させる動力が作動流体に伝達されるエネルギー効率）分布が図 7の曲泉 X2〜Z2それぞれで示す分布形状となる。このスパン方向の効率分布について、図 5Aの基準形状の遷音速翼 12aと図 5Bのフォワードスイープ形状の遷音速翼 12b とを比較したとき、遷音速翼 12aに対する曲線 X2に比べて、遷音速翼 12bに対する曲線 Y2では、チップ 124側での効率が高くなる反面、ハブ 123側での効率が低くなつている。一方、図 5Aの基準形状の遷音速翼 12aと図 5Cのバックワードスイープ形状の遷音速翼 12cとを比較したとき、遷音速翼 12aに対する曲線 X2に比べて、遷音速翼 12cに対する曲線 Z2では、チップ 124側での効率が悪くなるものの、チップ 124 近傍以外の部分での効率を維持又は向上している。

[0032] この図 7の曲線 X2〜Z2の結果より、図 5Bの遷音速翼 12bに示すように、チップ 12 4側を前傾させたフォワードスイープ形状とすることにより、スパン方向の翼高さの 70 %以上となるチップ 124側において、前縁 121における背面 126及び腹面 127それぞれの静圧の圧力差が小さくなる。一方、図 5Cの遷音速翼 12cに示すように、チップ 124側を後傾させたバックワードスイープ形状とすることにより、スパン方向の翼高さの 70%以下となるハブ 123側において、前縁 121における背面 126及び腹面 127 それぞれの静圧の圧力差が小さくなる。

[0033] 又、図 5Bのようなフォワードスイープ形状とすることにより、図 8に示すロータ 5の周方向に並ぶ複数の遷音速翼 12bのチップ 124側における断面プロファイルのように、チップ 124側では、前端 121に衝突する衝撃波 80により、背面 126及び腹面 127それぞれに斜め衝撃波 80a, 80bが生じる。そして、チップ 124側において、腹面 127 側に生じる斜め衝撃波 80bにより作動流体（空気）の流れが減速して、隣接する遷音速翼 12b間に生じる垂直衝撃波 81が弱まる。

[0034] これらのことより、図 5Bのようなフォワードスイープ形状とすることで、チップ 124側において、作動流体（空気）の流れを寄せ、前縁 121でのマッチングを良好とするとともに、更に、衝撃波を弱めることができる。これにより、チップ 124側において、衝撃波そのものによる損失、衝撃波と固体壁境界層との干渉による損失、及び、衝撃波とチップクリアランス漏れ流れとの干渉による損失を低減することができる。

[0035] 一方、図 5Cのようなバックワードスイープ形状とすることで、ハブ 123側に作動流体

(空気）の流れを寄せ、チップ 124以外の前縁 121でのマッチングを良好とする。尚、「マッチングが良好である」とは、翼メタル角に対して、作動流体の翼に対する流入角度が適当な値となり、翼で生じる損失が最小もしくはそれに近い状態となることを示す。これにより、ハブ 123側での固体壁境界層を薄くして、剥離耐カを強化することができる。よって、ハブ 123側での衝撃波と固体壁境界層との干渉による損失を低減すること力 Sでさる。

[0036] このように、スパン方向にスタツキングする断面プロファイルをスイープ方向に調整することで、衝撃波下流の三次元圧力場を制御し、前縁 121での軸流速度プロフアイルを変更することができる。これにより、インシデンス角をわせ、プロファイル損失を低減すること力 Sできるとともに、後縁 122に流れを寄せて、境界層の発達を抑制することができる。そのため、遷音速翼となる動翼 12に対する静翼 11の車室 4側のハブでの剥離を低減し、ストールマージン (失速余裕）を増加させることができる。又、上述したように、遷音速翼となる動翼 12のスパン方向の各位値に対して、衝撃波に基づく各種損失を抑制し、その効率を高くするように、調整すること力 Sできる。

[0037] 以下では、このようにスイープ方向に調整された断面プロファイルをスパン方向にスタツキングして得られる遷音速翼の実施形態について、説明する。

[0038] <第 1の実施形態〉

上述の基本構造に基づいてスパン方向の各断面プロファイルがスイープ方向に調整されて構成される遷音速翼の第 1の実施形態について、図面を参照して説明する。図 9は、本実施形態の遷音速翼の構成を示す概略斜視図である。又、図 10は、ハブからチップまでのスパン方向に対する各断面プロファイルのスイープ方向における遷移を示す図である。

[0039] 本実施形態の遷音速翼 12xは、図 9に示すように、図 5Bの遷音速翼 12bのフォヮードスイープ形状と、図 5Cの遷音速翼 12cのバックワードスイープ形状とを組み合わせた形状とする。即ち、図 9に示す遷音速翼 12xは、図 5Bの遷音速翼 12bのフォヮードスイープ形状と同様、チップ 124側における断面プロファイルがスイープ方向の上流側に突起した形状となる。そして、図 5Cの遷音速翼 12cのバックワードスイープ形状と同様、ハブ 123とミーン； 125との間の部分における断面プロファイルがスィープ方向の上流側に突起した形状となる。

[0040] このように、図 9に示す遷音速翼 12xは、各断面プロファイルがスイープ方向に位置調整された構成とされることで、スパン方向に対して S字形状となる。このスパン方向に対して連続させて変化させるスイープ方向の位置調整量について、図 10に示す。この図 10に示すように、図 9に示す遷音速翼 12xは、チップ 124 (スパン方向 100% の位置）におけるスイープ方向上流側への突起部分 90が、ノヽブ 123とミーン; 125との間の部分（スパン方向 20%〜50%の位置）におけるスイープ方向上流側への突起部分 91よりも、スイープ方向の上流側に突起するように形成されることで、 S字形状とされる。

[0041] このように、フォワードスイープ形状とバックワードスイープ形状とを組み合わせた S 字形状とすることで、ハブ 123側の境界層を薄くして、ハブ 123側における剥離耐カを強化するとともに、チップ 124での衝撃波構造の適正化により圧力損失を低減すること力 Sでさる。

[0042] 更に、この遷音速翼 12xは、プロファイル損失の低減を図る三次元的な翼形状とするために、スパン方向に対して、各断面プロファイルのスタツガ方向が変更される。この各段面プロファイルのスタツガ方向の変更について、遷音速翼のチップ側からみた上面図を図 11A及び図 11Bに示す。尚、図 11Bに、本実施形態の遷音速翼 12xの上面図を示すとともに、より理解を簡単とするために、図 11Aに、スイープ方向の変位のない基準形状の遷音速翼 12aに示して、遷音速翼 12xと対比させる。又、より理解を容易にするために、図 12A及び図 12Bそれぞれに、遷音速翼 12a, 12xそれぞれにおけるノヽブ 123、ミーン; 125、及びチップ 124での断面プロファイルを示す。

[0043] 図 11A、図 11B、図 12A、及び図 12Bに示すように、遷音速翼 12a, 12xともに、チップ 124側がロータ 5の軸方向に対して垂直に近い角度となるようにスタツガ方向が決められ、ハブ 123側がロータ 5の軸方向に対して平行に近い角度となるようにスタツガ方向が決められる。そして、ハブ 123からチップ 124に向かって、そのスタツガ方向が連続的に変化するように、各断面プロファイルのスタツガ方向が設定される。即ち、遷音速翼 12a, 12xともに、ミーン 125でのスタツガ方向のロータ 5の軸方向に対する角度が、チップ 124及びハブ 123それぞれでのスタツガ方向のロータ 5の軸方向に対する角度の中間値となる。

[0044] <第 2の実施形態〉

上述の基本構造に基づいてスパン方向の各断面プロファイルがスイープ方向に調整されて構成される遷音速翼の第 2の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、第 1の実施形態の遷音速翼のように、スパン方向の各断面プロフアイルがスイープ方向に調整された構成に対して、リーン方向にも断面プロフアイノレの位置を変化させてスタツキングした構成とする。

[0045] 即ち、本実施形態の遷音速翼 12yは、第 1の実施形態の遷音速翼 12xと同様、図 1 0に示すように、スイープ方向に対して、ハブからチップまでのスパン方向に対する各断面プロファイルが遷移され、チップ 124側がフォワードスイープ形状とされるとともに、ハブ 123側がバックワードスイープ形状とされている。それに加えて、ハブからチップまでのスパン方向に対する各断面プロファイルが、リーン方向に対しても遷移されるようにして構成される。

[0046] このリーン方向に断面プロファイルの位置を変化させた遷音速翼について、図 13A 〜図 13Cを参照して簡単に説明する。図 13〜図 13Cに、スパン方向におけるハブ 1 23からチップ 124に向かって、リーン方向に連続的に変化させた 3種類の遷音速翼 12a, 12d, 12eの構成を示す。尚、図 13Aの遷音速翼 12aは、図 5Aと同様の「基準形状」の遷音速翼である。

[0047] 図 13Bに示す遷音速翼 12dは、ハブ 123からチップ 124に向かって、各断面プロフアイルの重心 Gをリーン方向に対して下流側（腹面 127側）から上流側（背面 126側）に連続的に遷移した構成とする。即ち、図 13Aの遷音速翼 12aと比べて、ロータ 5の径方向に対して上流側（前縁 121側）に前傾した構成とする。この遷音速翼 12dのような形状を、以下において、「フォワードリーン形状」と呼ぶ。

[0048] 又、図 13Cに示す遷音速翼 12eは、チップ 124からハブ 123に向かって、各断面プ口ファイルの重心 Gをリーン方向に対して下流側（腹面 127側）から上流側（背面 126 側）に連続的に遷移した構成とする。即ち、図 13Aの遷音速翼 12aと比べて、ロータ 5の径方向に対して下流側（後縁 122側）に後傾し、ハブ 123側が上流側（前縁 121 側）に突起した構成とする。この遷音速翼 12eのような形状を、以下において、「バックワードリーン形状」と呼ぶ。

[0049] よって、本実施形態の遷音速翼 12yでは、第 1の実施形態と同様、図 5Bの遷音速翼 12bのフォワードスイープ形状と、図 5Cの遷音速翼 12cのバックワードスイープ形状とを組み合わせた S字形状に対して、更に、図 13Bの遷音速翼 12dのフォワードリーン形状、又は、図 13Cの遷音速翼 12eのバックワードリーン形状を組み合わせた形状とする。これにより、第 1の実施形態の遷音速翼 12xと比べて、軸流速度プロファィルゃマッチングの調整の自由度が大きくなるため、空力性能を向上させることができる。

[0050] 又、図 14に、フォワードリーン形状を組み合わせた場合において、ハブからチップまでのスパン方向に対する各断面プロファイルのリーン方向における遷移状態を示す。この図 14に示すように、フォワードスイープ形状とバックワードスイープ形状による S字形状にフォワードリーン形状を組み合わせる場合、例えば、リーン方向の上流側（背面 126側）への遷移量力ハブ 123からチップ 124にむかって緩やかに増加し、遷移量の変化率がハブ 123側で大きぐチップ 124側で小さくなるように設定される

産業上の利用可能性

[0051] 本発明は、遷音速又は超音速の作動流体雰囲気内で利用される遷音速翼に適用可能である。又、本発明は、この遷音速翼を動翼として備える軸流回転機に適用可能である。更に、この軸流回転機として、ガスタービン、航空用ファンエンジン、航空用ジェットエンジンなどの圧縮機に適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 遷音速以上の作動流体による流れ領域で作動する遷音速翼であって、

回転軸との接続位置側のハブと、

前記回転軸の径方向となる高さ方向の中心位置であるミーンと、

前記高さ方向において前記回転軸から最も離れた位置の先端であるチップと、流入する前記作動流体の上流側に位置する前縁と、

前記作動流体の下流側に位置する後縁と、

を備え、

前記前縁と前記後縁とを結ぶ第 1方向に平行に、前記翼の高さ方向の各断面プロファイルを連続的に遷移させ、

前記チップ側の前記断面プロファイルと前記ミーン及び前記ハブの間の前記断面プロファイルとを、前記第 1方向における上流側に突出させて、 S字形状とし、前記チップ側の前記断面プロファイルの前記第 1方向における遷移量が、前記ミーン及び前記ハブの間の前記断面プロファイルの前記第 1方向における遷移量より大き!/、ことを特徴とする遷音速翼。

[2] 前記翼の高さ方向の各断面プロファイルにおける前記第 1方向と前記回転軸の軸方向との交差角が連続的に変化することを特徴とする請求項 1に記載の遷音速翼。

[3] 前記第 1方向に垂直となる第 2方向に対しても、前記翼の高さ方向の各断面プロフアイルを連続的に遷移させることを特徴とする請求項 1に記載の遷音速翼。

[4] 前記翼の高さ方向の各断面プロファイルにおける前記第 1方向と前記回転軸の軸方向との交差角が連続的に変化することを特徴とする請求項 3に記載の遷音速翼。

[5] 中心に位置するとともに回転する回転軸と、

前記回転軸の外周方向及び軸方向それぞれにおいて等間隔で前記回転軸の外周表面に設置された複数の動翼と、

前記回転軸及び動翼を覆う車室と、

該車室の内周表面に前記動翼と前記回転軸の軸方向に交互になって配置される複数の静翼と、

を備え、前記複数の動翼の一部として、請求項 1〜請求項 4のいずれかに記載の遷音速翼を備えることを特徴とする軸流回転機。