(57)【要約】  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。
2007119696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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いる翼。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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、例えばタービンの効率や性能、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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、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が、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い位置であるので、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、この前縁部において乱流を生じさせるようにした翼が提案されているが、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いう問題がある。【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く、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いるので、前縁部から流入した流体が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、この擾乱付加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能になる。
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く、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。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の流れる方向に沿っ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いる。【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Ｌよりも圧力面１２側に位置されている。【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っ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、擾乱付加部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１３ｄ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１３ｄ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１３ａ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能になる。【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鋳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く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加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が、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より曲率が大きい修正翼型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から把握されるように、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としての段部におい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につき、層流剥離は発生しない。【００２５】
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１１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１１から続く前方側（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（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α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１１と後縁部１４とを結ぶ接線Ｍに対し直交する複数の直線の内、前縁部１１に接する直線Ｎ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）γを示している。
ギャップ角度β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βは、擾乱付加部１５で流体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γ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１４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において最大となる最大速度点Ｐ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としての段部におい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が小さい場合、タービン損失が小さく、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く、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】
【００２８】
製造上の制約を生じさせることなく、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2007119696.tif 000020
2007119696.tif 000021
2007119696.tif 000022
2007119696.tif 000023