JPS6147285B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明はタービンの段落構造に関する。[Detailed description of the invention] The present invention relates to a turbine stage structure.
タービン及び圧縮機等の軸流流体機械に於いて
は、静止翼(以下静翼と称する)と回転翼(以下
動翼と称する)との一対の組合せによつて一段落
が構成されている。この段落を構成する静翼と動
翼とは、流体のエネルギーが有効に回転エネルギ
ーに変換されるよう、流体力学的な設計に基づい
て流路内の流れ状況(フローパターン)と翼形状
とが決定される。しかし実際の軸流流体機械内に
おける作動流体の動きに関しては、イ)流体の粘
性の影響、特に流路壁近傍の速度境界層による損
失、ロ)静翼および動翼の翼面の境界層の発達に
よつて翼の後流に速度欠損状態が発生すること、
等の技術的問題が有るため、現状の技術では流体
のエネルギーを回転エネルギーに有効に変換する
ことが未だ完全ではない。 In axial flow fluid machines such as turbines and compressors, one stage is constituted by a pair of stationary blades (hereinafter referred to as stationary blades) and rotary blades (hereinafter referred to as moving blades). The stator blades and rotor blades that make up this paragraph are designed based on fluid dynamic design to ensure that the flow conditions (flow pattern) in the flow path and the blade shape are designed to effectively convert fluid energy into rotational energy. It is determined. However, regarding the movement of the working fluid in an actual axial fluid machine, there are a) effects of fluid viscosity, especially losses due to the velocity boundary layer near the channel walls, and b) loss due to the boundary layer on the blade surfaces of the stator blades and rotor blades. The development causes a velocity deficit condition in the wake of the wing;
Due to these technical problems, it is still not possible to effectively convert fluid energy into rotational energy with current technology.
本発明はタービンの段落における静翼の形状を
改良することにより損失の低減、効率の向上を図
ろうとするものである。本発明は上記の目的を達
成するため、次記の如くタービン段落における作
動流体の状況を実測し解析することから出発して
いる。 The present invention aims to reduce loss and improve efficiency by improving the shape of stator blades in the turbine stage. In order to achieve the above object, the present invention starts from actually measuring and analyzing the condition of the working fluid in the turbine stage as described below.
従来一般に軸流流体機械においては第1図に示
すように静翼1と動翼2とが作動流体の流路内に
設けられ、静翼1は上記流路を構成する側壁3,
4に取付けられ、動翼2は回転する円板5に取付
けられている。この軸流流体機械の、静翼1の中
心部を通る半径に垂直な三つの平面A―A,B―
B,C―Cによる断面の形状、並びに静翼1と動
翼2との相対位置は第2図の如くである。 Conventionally, in an axial fluid machine, as shown in FIG. 1, a stator blade 1 and a rotor blade 2 are provided in a working fluid flow path, and the stator blade 1 is provided with side walls 3, which constitute the flow path.
4, and the rotor blade 2 is attached to a rotating disk 5. In this axial fluid machine, three planes AA, B- perpendicular to the radius passing through the center of the stationary blade 1
The cross-sectional shapes taken along lines B and CC and the relative positions of the stationary blades 1 and the rotor blades 2 are as shown in FIG.
第3図はタービンにおける静翼と動翼との間の
流れの状態を示している。静翼8、および動翼9
はそれぞれ全周にわたつて等間隔に設けられてい
るが本図においては5箇の静翼8,8…8と1個
の動翼9を例示している。 FIG. 3 shows the state of flow between the stator blades and rotor blades in the turbine. Stator blade 8 and moving blade 9
are provided at equal intervals over the entire circumference, and in this figure, five stationary blades 8, 8...8 and one rotor blade 9 are illustrated.
矢印V1およびV2は静翼8,8…8間の流路を
通過し終えた時の流体の流れ方向と速さとを示し
ている。図示するごとく静翼8,8…8間の流路
の中央部の流速V1に比して、静翼8,8…8の
後流の流速V2は小さく、この結果静翼後流の流
れ状態は全周にわたつて静翼の数に相当する数の
周期的な流速の変化を生じている。 Arrows V 1 and V 2 indicate the flow direction and velocity of the fluid after passing through the flow path between the stationary vanes 8, 8, . . . 8. As shown in the figure, the flow velocity V 2 in the wake of the stator blades 8, 8... 8 is smaller than the flow velocity V 1 in the center of the flow path between the stator blades 8, 8...8. The flow state causes periodic changes in flow velocity over the entire circumference, the number of which is equivalent to the number of stationary blades.
このように周上の位置によつて速さを異にする
静翼下流の流れが、回転している動翼9に流入す
る状態を速度三角形で示すと同図のbの如くであ
る。矢印Uは動翼9の周速を表わしている。この
矢印Uの如く運動する動翼9に矢印V1の速度で
流体が流入したとき、動翼9を基準として見た流
体の速度は矢印W1となる。同様に矢印V2の速度
で流入したとき動翼9を基準とした流体の速度は
矢印W2となる。 The state in which the flow downstream of the stationary blade, which has a speed varying depending on its position on the circumference, flows into the rotating rotor blade 9 is shown by a speed triangle as shown in b in the same figure. Arrow U represents the circumferential speed of the rotor blade 9. When fluid flows into the rotor blade 9 moving as shown by the arrow U at the speed of the arrow V1 , the velocity of the fluid when viewed from the rotor blade 9 as a reference becomes the arrow W1 . Similarly, when the fluid flows in at the speed of arrow V 2 , the velocity of the fluid with respect to the rotor blade 9 becomes arrow W 2 .
上述の如く流体の静翼に対する速度がV1で、
動翼に対する速度がW1のとき、動翼に対する流
入角はβ1である。同様に静翼に対する速度が
V2で動翼に対する速度がW2のとき、動翼に対す
る流入角はβ2である。 As mentioned above, the velocity of the fluid with respect to the stationary blade is V 1 ,
When the velocity with respect to the rotor blade is W 1 , the inlet angle with respect to the rotor blade is β 1 . Similarly, the speed relative to the stationary blade is
When the velocity relative to the rotor blade is W 2 at V 2 , the inlet angle to the rotor blade is β 2 .
従つて、動翼が回転している場合、任意の一つ
の動翼について見ると、この動翼に流入する流体
の速度は1回転の間に静翼8,8…8の数と同じ
回数だけV1とV2との間で周期的に変動する。 Therefore, when the rotor blades are rotating, looking at any one rotor blade, the velocity of the fluid flowing into this rotor blade is the same number of times as the number of stationary blades 8, 8...8 during one rotation. It fluctuates periodically between V 1 and V 2 .
これに伴つて流入角もβ1とβ2との間で周期
的に変動する。 Along with this, the inflow angle also changes periodically between β 1 and β 2 .
以上のような段落内部の流れの状態において、
動翼に流入する流体の流入角度と流速の周期変動
の状況は効率に大きい影響を与えるもので、この
周期変動が有ると、周期変動の無い場合に比して
動翼の性能が低下することが知られている。周期
変動の無い場合の動翼翼形損失係数をζPBとし、
周期変動が有る場合の動翼翼形損失係数をζPUと
すると次の関係式が成り立つことが知られてい
る。(L.A.Shubenko―Shubin:
Energomashinostroenie,1912―1)
ζPU=(1+K)ζPB ……(1)
上式において損失付加係数Kは静翼後流パラメ
ータB,U/V1およびαの関数となり、Bについて
は
の関係がある。ここにCfは定数、ζPNは静翼の
翼形損失係数、ΔZは静翼後縁端から動翼前後端
までのタービン軸方向距離、tは隣接する静翼間
の距離、αは静翼における流出角である。 In the above state of flow inside a paragraph,
Periodic fluctuations in the inflow angle and flow velocity of the fluid flowing into the rotor blade have a large effect on efficiency, and when there is this periodic fluctuation, the performance of the rotor blade decreases compared to when there is no periodic fluctuation. It has been known. The rotor blade airfoil loss coefficient when there is no periodic variation is ζ PB ,
It is known that the following relational expression holds true when the rotor blade airfoil loss coefficient when there is periodic variation is ζ PU . (LAShubenko-Shubin:
Energomashinostroenie, 1912-1) ζ PU = (1 + K) ζ PB ...(1) In the above equation, the loss addition coefficient K is a function of the stator blade wake parameters B, U/V 1 and α, and for B, There is a relationship between Here, Cf is a constant, ζ PN is the airfoil loss coefficient of the stator blade, ΔZ is the distance in the turbine axial direction from the trailing edge of the stator blade to the front and rear ends of the rotor blade, t is the distance between adjacent stator blades, and α is the stator blade is the outflow angle at .
上式に基づいて、従来の軸流機械の段落効率の
向上を図る場合、t,αおよびU/V1は流体力学的
設計上の制約があつて自由度が少ない。従つてB
を小さくするにはΔZを大きくすると共にζPNを
小さくする必要がある。しかしΔZを大きくする
とタービン全体に寸法が大きくなるため種々の不
具合を生じるので、静翼の翼形損失係数ζPNを低
減することが最も有効な手段を考えられる。 When trying to improve the stage efficiency of a conventional axial flow machine based on the above equation, there are limited degrees of freedom for t, α and U/V 1 due to hydrodynamic design constraints. Therefore B
In order to make it small, it is necessary to make ΔZ large and ζ PN small. However, increasing ΔZ increases the size of the entire turbine, which causes various problems, so the most effective means is to reduce the vane shape loss coefficient ζ PN of the stationary blade.
以上が静翼と動翼との相互間の流れ状態によつ
て動翼に発生する付加損失とその低減に関する一
般論であるが、静翼下流における実際の流れ状態
を更に詳しく解析した結果を第4図に示す。同図
aおよびbは流速の測定個所を示している。 The above is a general theory regarding the additional loss generated in the rotor blades due to the mutual flow conditions between the stator blades and the rotor blades, and its reduction. Shown in Figure 4. Figures a and b show locations where the flow velocity was measured.
第4図aの矢印xは静翼後流軸であり、点0は
後流軸上において静翼後端からのタービン軸方向
距離がΔZ1の点である。流速の測定はこの点0を
中心にして静翼後流軸に直角に+y方向と−y方
向との各点について行なう。なお第4図bに示す
ごとく静翼10の翼長の中央部を通るa―a面、
静翼端の側壁近傍のb―b面および静翼端の側壁
に更に接近したC―C面の3箇所について測定す
る。第4図cは測定値を示すグラフで、横軸は同
図aにおける直線+y―−y上の測定位置を表わ
し、縦軸は計測した流速Vの、静翼間の中央部に
於ける流速(前記のV1)に対する比を表わして
る。三つの曲線a,b,cは、それぞれ第4図b
のa―a面、b―b面、c―c面に於ける測定値
を示している。この図表に現われているように、
翼長方向の中央部a―a面に発生する後流に比し
てb―b面、更にc―c面と、側壁11に接近す
るにつれて発生する後流は範囲が広く流速低下が
著しい。 The arrow x in FIG. 4a is the stator blade wake axis, and point 0 is a point on the wake axis where the distance in the turbine axial direction from the stator blade rear end is ΔZ 1 . The measurement of the flow velocity is performed at each point in the +y direction and the -y direction at right angles to the stator blade wake axis with this point 0 as the center. As shown in FIG. 4b, the a-a plane passing through the center of the blade length of the stationary blade 10,
Measurements are taken at three locations: the bb plane near the side wall of the stator blade tip and the C-C plane closer to the side wall of the stator blade tip. Figure 4c is a graph showing the measured values, where the horizontal axis represents the measurement position on the straight line +y--y in Figure 4a, and the vertical axis represents the flow velocity at the center between the stationary blades of the measured flow velocity V. (V 1 above). The three curves a, b, and c are shown in Figure 4b, respectively.
Measured values on the aa plane, bb plane, and cc plane are shown. As shown in this chart,
Compared to the wake generated on the a-a plane at the central portion in the blade span direction, the wake generated on the bb plane and further on the cc plane as it approaches the side wall 11 has a wider range and the flow velocity decreases significantly.
次に、ある一つの面、たとえば上記のb―b面
について測定位置を変えてその変化を示すと第4
図dの如くである。この図表は第4図aにおいて
静翼10の後端からの距離がΔZ1の点、ΔZ2の
点、およびΔZ3の点について第4図cと同様の測
定を行つたものである。このように静翼10から
遠ざかるにつれて流速が均一化されて、動翼に流
入する速度の変動が少なくなる。 Next, if we change the measurement position for a certain plane, for example the b-b plane mentioned above, and show the change, the fourth
As shown in Figure d. This chart shows measurements similar to those in FIG. 4c for points at distances ΔZ 1 , ΔZ 2 , and ΔZ 3 from the rear end of the stationary blade 10 in FIG. 4a. In this way, the flow velocity becomes more uniform as it moves away from the stationary blade 10, and the fluctuation in the velocity flowing into the rotor blade decreases.
このように側壁11の近傍で後流が大きく、静
翼の翼形損失係数が増大し、また翼間流路中央の
速度V1に比較して後流中心部の速度が小さくな
つて動翼に流入する速度の変動が大きくなり、動
翼の付加損失の増大をもたらすものである。この
ような静翼における側壁近傍の現象は、翼間流路
に発生する二次流れによるものであることが広く
知られている
以上のような事実から、段落効率を向上させる
には機器の大きさに影響するような翼間の軸方向
距離ΔZの変更をせずに、後流発生の著しい側壁
近傍のみに於いて上記ΔZ寸法を大きくし、なお
かつ静翼の翼形損失の低減を図ることが有効な手
段であると考えられる。 In this way, the wake is large in the vicinity of the side wall 11, the airfoil loss coefficient of the stationary blade increases, and the velocity at the center of the wake becomes smaller than the velocity V 1 at the center of the flow path between the blades. This increases the fluctuation in the velocity flowing into the rotor, resulting in an increase in additional loss in the rotor blades. It is widely known that this phenomenon near the sidewall of stationary blades is caused by the secondary flow that occurs in the flow path between the blades. Based on the above facts, it is important to increase the size of the equipment in order to improve the stage efficiency. To increase the above-mentioned ΔZ dimension only in the vicinity of the side wall where wake generation is significant, without changing the axial distance ΔZ between blades that would affect is considered to be an effective method.
この場合、側壁近傍のみでなく翼全長にわたつ
てΔZ寸法を大きくして段落効率を向上させるこ
とも考えられるが、全長にわたつてΔZ寸法を大
きくするとタービン装置全体の形状寸法を大なら
しめる虞れが有るので、本発明においては側壁近
傍のみでΔZ寸法を大きくすることにより、ター
ビン装置全体の形状寸法に影響を及ぼさないよう
に配慮し、更に、側壁近傍のΔZ寸法を大きくす
ることによつて翼長方向に関する流量分布を改善
する効果をも期待する。 In this case, it may be possible to improve the stage efficiency by increasing the ΔZ dimension not only near the side wall but also over the entire length of the blade, but increasing the ΔZ dimension over the entire length may increase the overall geometry of the turbine device. Therefore, in the present invention, consideration is given to increasing the ΔZ dimension only near the side wall so as not to affect the shape and dimensions of the entire turbine device, and further, by increasing the ΔZ dimension near the side wall. It is also expected that this will have the effect of improving the flow distribution in the blade span direction.
本発明は上記の点に着目し、静翼の弦長および
静翼と動翼との軸方向距離を、その翼長方向の各
位置について適正に設定することにより静翼の翼
形損失の低減および動翼の付加損失の低減を図る
ことを特徴とする。 The present invention focuses on the above point, and reduces the airfoil loss of the stator blade by appropriately setting the chord length of the stator blade and the axial distance between the stator blade and the rotor blade at each position in the blade span direction. It is also characterized by reducing additional loss of the rotor blades.
次に本発明の一実施例を第5図について説明す
る。同図aに示す3箇の面A―A,B―B,C―
Cによる断面を同図bに示す。 Next, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Three planes A-A, B-B, C- shown in figure a
A cross section taken along line C is shown in figure b.
静翼13の弦長は翼長方向の中央部であるB―
B面で最大となり、従つて翼間の軸方向距離ΔZ
はこのB―B面で最小距離ΔZ0となつている。そ
してB―B面よりも翼先端の側壁15に近づくに
つれて静翼13の弦長が小さく、従つてΔZが大
きくなり、翼端の側壁15近傍のc―c面では翼
間の軸方向距離がΔZtになつている。 The chord length of the stationary blade 13 is B-, which is the center part in the blade span direction.
It is maximum on plane B, and therefore the axial distance between the blades ΔZ
is the minimum distance ΔZ 0 on this B-B plane. The chord length of the stationary blade 13 becomes smaller as it approaches the side wall 15 of the blade tip from the B-B plane, and therefore ΔZ increases, and the axial distance between the blades increases in the c-c plane near the side wall 15 of the blade tip. It is becoming ΔZ t .
またB―B面よりも翼根元の側壁16に近づく
につれて静翼13の弦長が小さく、従つてΔZが
大きくなり、翼根元の側壁16近傍のA―A面で
は翼間の軸方向距離がΔZhになつている。この
構成において、静翼13のB―B断面形状13B
に比して側壁近くのA―A断面形状13Aおよび
C―C断面形状13Cがそれぞれ小さくなるよう
に決定する。この形状について具体的な二つの実
施例をそれぞれ第6図aおよび同図bに示す。第
6図aの実施例においてはB―B断面の翼形矢高
線18に比して、A―断面の矢高線19を背面側
に移動させている。またC―C断面の矢高線はこ
の実施例ではA―A断面の矢高線19に合致して
いる。そして断面形状13Aおよび断面形状13
Cは断面形状13Bに対して、背面の輪郭線の大
部分を共有する相似形に作られている。ただし、
この場合の相似形とは幾何学的に厳密な相似関係
に限定されるものではなく、流体力学的に同一の
手法を用いつつ適用フアクターを若干変えて描か
れた形状であることを意味してる。 In addition, the chord length of the stationary blade 13 becomes smaller as it approaches the side wall 16 at the blade root from the B-B plane, and therefore ΔZ increases, and the axial distance between the blades increases in the A-A plane near the side wall 16 at the blade root. ΔZ h . In this configuration, the BB cross-sectional shape 13B of the stator blade 13
It is determined that the AA cross-sectional shape 13A and the CC cross-sectional shape 13C near the side wall are each smaller than the above. Two specific examples of this shape are shown in FIGS. 6a and 6b, respectively. In the embodiment shown in FIG. 6a, the arrow height line 19 of the A-section is moved to the rear side compared to the airfoil height line 18 of the B-B section. Further, in this embodiment, the arrow height line of the CC cross section coincides with the arrow height line 19 of the A-A cross section. And cross-sectional shape 13A and cross-sectional shape 13
C is made to have a similar shape to the cross-sectional shape 13B, sharing most of the contour line on the back surface. however,
In this case, similar shapes are not limited to strictly geometrically similar relationships, but mean shapes drawn using the same fluid-dynamic method but with slightly different applied factors. .
第6図bの実施例においては中央部の断面形状
13B′に対して、側壁近傍の断面形状13A′お
よび13C′が矢高線20を共有するような相似
形に作られている。 In the embodiment shown in FIG. 6B, the cross-sectional shapes 13A' and 13C' near the side walls are similar to the cross-sectional shape 13B' at the center so that they share the arrow height line 20.
上記二つの実施例第6図aおよびbにおいて、
翼間流路の最狭幅は、翼長方向中央部B―B面で
最小値S0である。そして上記B―B面から側壁近
傍のA―A面、又は、C―C面に近づくにつれ
て、静翼の弦長がC0からCまで減小すると共
に、翼間流路最狭幅はS0からSまで漸次増加して
いる。 In the above two embodiments FIGS. 6a and b,
The narrowest width of the inter-blade flow path is the minimum value S 0 at the center section B--B plane in the blade span direction. Then, as one approaches the A-A plane or the C-C plane near the side wall from the B-B plane, the chord length of the stationary blade decreases from C0 to C, and the narrowest width of the inter-blade flow path becomes S It increases gradually from 0 to S.
以上のように構成された段落構造のタービンに
おいては次記,,の作用効果を生じる。 In the turbine having the stage structure configured as described above, the following effects are produced.
静翼翼形損失の減少
本発明の構成においては第6図について説明し
たように側壁近傍における静翼の弦長Cを静翼中
央部の弦長C0よりも小さくしている。また側壁
近傍における静翼後端の流路幅Sを静翼中央部に
おける静翼後端の流路幅S0よりも大きくしてい
る。 Reduction of stator vane airfoil loss In the configuration of the present invention, as explained with reference to FIG. 6, the chord length C of the stator blade near the side wall is made smaller than the chord length C 0 of the central portion of the stator blade. Further, the flow passage width S at the rear end of the stator blade near the side wall is made larger than the flow passage width S 0 at the rear end of the stator blade in the central portion of the stator blade.
そして静翼に関して第7図に示すような翼列特
性があることが知られている。この図表の縦軸は
静翼の翼形損失係数ζPNを表わし、横軸はS/t
の値を表わしている。3本の曲線はそれぞれ静翼
の周上間隔寸法/弦長の値が(t/C)1の場
合、(t/C)2の場合、および(t/C)3の
場合を示しており(t/C)3>(t/C)2>
(t/C)1である。 It is known that stator blades have blade cascade characteristics as shown in FIG. The vertical axis of this chart represents the airfoil loss coefficient ζ PN of the stator blade, and the horizontal axis represents S/t
represents the value of The three curves show the cases where the circumferential spacing/chord length of the stationary blades is (t/C) 1 , (t/C) 2 , and (t/C) 3 , respectively. (t/C) 3 > (t/C) 2 >
(t/C) is 1 .
この図表から次の二つの傾向が認められる。 The following two trends can be recognized from this chart.
(1) 静翼翼形損失数はS/tの増加によつて減少
する。(1) The number of stator blade airfoil losses decreases as S/t increases.
(2) 静翼翼形損失係数はt/Cの増加によつて減
少する。(2) Stator vane airfoil loss coefficient decreases with increase in t/C.
而して本発明に係る段落構造はtの値に別段の
変更を加えないので、本発明を適用して静翼の側
壁近傍における流路幅Sを増すことによりS/t
の値が増加する。また側壁近傍における弦長Cを
縮めることによりt/Cの値が増加する。以上の
関係から静翼翼形損失係数が減少する。 Therefore, since the stage structure according to the present invention does not make any particular change to the value of t, by applying the present invention and increasing the channel width S near the side wall of the stator blade, S/t
The value of increases. Further, by reducing the chord length C near the side wall, the value of t/C increases. From the above relationship, the vane shape loss coefficient decreases.
動翼に流入する作動流体速度の均一化
第4図cおよびdについて説明したように、静
翼後流における速度低下率V/V1は、側壁近傍
で著しく小さく、また静翼後端からの軸方向距離
ΔZの増加とともに均一化されて1に近づく。 Equalizing the velocity of the working fluid flowing into the rotor blades As explained in Figures 4c and d, the velocity reduction rate V/V 1 in the wake of the stator blades is extremely small near the side wall, and from the rear end of the stator blade. As the axial distance ΔZ increases, it becomes uniform and approaches 1.
上記ΔZの値を大きくすることは装置全体を大
きくするという不具合を生じるが、本発明におい
ては後流の著しい側壁近傍のみについてΔZの値
を大きくしているので、装置全体を大ならしめる
ことなく、而も側壁近傍の著しい後流のみについ
て流速変動を均一化している。既述の如く動翼に
流入する作動流体速度の周期的変動が動翼翼形損
失を増加させることは広く知られている所であ
り、本発明の適用によつて後流の著しい個所が均
一化されて動翼流入速度の周期的変動が緩和され
るとその結果として動翼翼形損失が低減される。 Increasing the value of ΔZ causes the problem of increasing the size of the entire device, but in the present invention, the value of ΔZ is increased only near the side wall where the wake is significant, so the overall size of the device does not become large. Moreover, the flow velocity fluctuations are made uniform only for the significant wake near the side wall. As mentioned above, it is widely known that periodic fluctuations in the velocity of the working fluid flowing into the rotor blades increase the rotor blade airfoil loss, and by applying the present invention, significant portions of the wake can be made uniform. As a result, the periodic fluctuations in the rotor blade inlet velocity are reduced, and the rotor blade airfoil losses are reduced as a result.
動翼流入角および流量分布の改善
一般に静翼からの流出角はsin-1(S/t)(第
6図参照)で与えられるが、実際の流れは側壁近
傍において2次流れの発生や側壁に発達する速度
境界層などの影響によつて変化する。第8図に設
計的期待値と実際の流れの状況を比較して示す。 Improving the inflow angle and flow distribution of the rotor blades In general, the outflow angle from the stator blades is given by sin -1 (S/t) (see Figure 6), but in reality, secondary flows occur near the sidewalls and It changes depending on the influence of the velocity boundary layer that develops during the process. Figure 8 shows a comparison of the design expected value and the actual flow situation.
第8図aの横軸は前述の静翼からの流出角α=
sin-1s/tであり、縦軸は静翼の翼長方向の位置
を示している。同図bの横軸は静翼の翼長方向中
央部における作動気体の流量を1としてこれに対
する各部分流量の比を示しており、縦軸は本同a
と同じく静翼翼長方向の位置を示している。 The horizontal axis in Fig. 8a is the outflow angle α from the stationary blade mentioned above.
sin −1 s/t, and the vertical axis indicates the position of the stationary blade in the blade span direction. The horizontal axis in Figure b shows the ratio of each partial flow rate to the working gas flow rate at the center in the blade span direction of the stationary blade as 1, and the vertical axis represents the ratio of each partial flow rate to this figure.
Similarly, it shows the position in the stator blade span direction.
従来の段落構造においては本図aに示す如く機
械的な流出角を線21のごとく翼長方向の各位置
でほぼ一定にしていたが、実際の流出角は線30
のように側壁近傍で著しく小さい。これに伴つて
側壁近傍における流量も減少する。本図bの線3
1は設計的に期待される流量分布であるが、これ
に比して実際の流量分布は線23の如く側壁近傍
において著しく小さい。 In the conventional paragraph structure, as shown in Fig. a, the mechanical outflow angle is kept almost constant at each position in the blade span direction as shown by line 21, but the actual outflow angle is as shown by line 30.
It is noticeably smaller near the side wall, as in Along with this, the flow rate near the side wall also decreases. Line 3 in this figure b
1 is the expected flow rate distribution based on design, but compared to this, the actual flow rate distribution is significantly smaller near the side wall as shown by line 23.
このように静翼からの流出角αが小さくなると
動翼に対する流入角βも減少する。第8図cはそ
の状況をベクトル線図で示している。同図におい
て、α1は設計的に期待する流出角、α2は側壁
近傍における実際の流出角である。流出角がこの
ように変化することに従つて、設計的に期待する
流入角β1が側壁近傍ではβ2となる。この流入
角β2は動翼に対する最良条件ではないので動翼
性能が劣下する。 As described above, when the outflow angle α from the stationary blade decreases, the inflow angle β to the rotor blade also decreases. FIG. 8c shows this situation in a vector diagram. In the figure, α 1 is the expected outflow angle in terms of design, and α 2 is the actual outflow angle near the side wall. As the outflow angle changes in this way, the inflow angle β 1 expected from the design perspective becomes β 2 near the side wall. Since this inlet angle β2 is not the best condition for the rotor blade, the rotor blade performance deteriorates.
本発明の実施例においては、静翼の機械的流出
角α=sin-1(S/t)の値を側壁近傍で大きく
なるようにした。第8図aの線22は本発明の実
施例における機械的流出角を示している。この結
果、側壁近傍における部分流量の減少が緩和され
る。本図bの線24は本発明の実施例における流
量分布を示している。 In the embodiment of the present invention, the value of the mechanical outflow angle α=sin -1 (S/t) of the stationary blade is made larger near the side wall. Line 22 in FIG. 8a shows the mechanical outflow angle in an embodiment of the invention. As a result, the reduction in partial flow rate near the side wall is alleviated. Line 24 in Figure b shows the flow rate distribution in the embodiment of the invention.
このように流量分布が設計的期待値である線3
1に接近することにより、動翼に対する流入角も
設計的期待値β1に接近して動翼性能が改善され
る。 In this way, line 3 where the flow rate distribution is the design expected value
By approaching β1, the inflow angle to the rotor blade also approaches the design expectation value β1 , improving rotor blade performance.
以上本発明によつて得られタービン性能の向上
について定性的に説明したが、なお本発明を実際
に適用する場合の構成と効果について本願発明者
の行つた実験結果に基づいて定量的に説明すると
次の如くである。 Although the improvement in turbine performance obtained by the present invention has been qualitatively explained above, the configuration and effects when the present invention is actually applied will be quantitatively explained based on the experimental results conducted by the inventor. It is as follows.
第8図aに示した距離lは、側壁近傍の二次流
れと速度境界層による影響を受ける範囲を示して
いる。このlの値は近似的に
l/H=1/3(C0/H)
なる関係式で与えられることが実験的に確認され
ている。但し、C0は静翼中央部の弦長である。
(第6図参照)。 The distance l shown in FIG. 8a indicates the range affected by the secondary flow and velocity boundary layer near the side wall. It has been experimentally confirmed that the value of l is approximately given by the relational expression l/H=1/3 (C 0 /H). However, C 0 is the chord length at the center of the stationary blade.
(See Figure 6).
これに基づいて、本図aの線22のごとく静翼
の機械的流れ角を、側壁からの距離lの点から、
側壁に近づくにつれて放物線状に大きくし、側壁
に接する位置における流路幅Sを中央部の流路幅
S0に比して1.3〜1.5倍程度にする。この結果本図
bに示す如く影響範囲を示す距離はl′に縮小す
る。そして、
l′/H=1/6(C0/H)
なる関係式が成立することが実験的に確認されて
いる。 Based on this, the mechanical flow angle of the stator vane as shown by line 22 in the figure a can be calculated from the distance l from the side wall as follows:
It increases in a parabolic manner as it approaches the side wall, and the channel width S at the position touching the side wall is equal to the channel width at the center.
Make it about 1.3 to 1.5 times compared to S 0 . As a result, the distance indicating the influence range is reduced to l' as shown in Figure b. It has been experimentally confirmed that the following relational expression l'/H=1/6(C 0 /H) holds true.
上述の如く、Sの値をS0の1.3〜1.5倍とすると
通常の翼形の場合、側壁に接する部分の弦長Cが
中央部の弦長C0の0.6〜0.8程度となる。このよう
にして側壁近傍において静翼と動翼との軸方向距
離ΔZが増加するがαが大きくなるために先に示
した式(1),(2)のみについて見ると好ましい傾向で
はない。しかし、本発明者らは上述,,の
効果により、総合的な結果としてタービンの段落
効率が改善されることを実験的に確認した。 As mentioned above, when the value of S is set to 1.3 to 1.5 times S 0 , in the case of a normal airfoil, the chord length C of the portion in contact with the side wall is approximately 0.6 to 0.8 of the chord length C 0 of the central portion. In this way, the axial distance ΔZ between the stationary blade and the rotor blade increases near the side wall, but since α increases, this is not a favorable trend when looking only at equations (1) and (2) shown above. However, the present inventors have experimentally confirmed that the effects described above improve the stage efficiency of the turbine as a comprehensive result.
第10図は実際の3次元流れ場であるモデルタ
ービンにおいて、本発明の実施例と従来例とにつ
いて静翼の全圧損失分布を対比して示した図表
で、静翼アスペクト比(翼長/弦長)=0.6
動翼アスペクト比=1.0
の単段タービンを用いて実験した結果を表わして
いる。 Figure 10 is a chart comparing the total pressure loss distribution of the stator blades for the embodiment of the present invention and the conventional example in a model turbine that is an actual three-dimensional flow field, and shows the stator blade aspect ratio (blade length/ The graph shows the results of an experiment using a single-stage turbine with chord length) = 0.6 and rotor blade aspect ratio = 1.0.
本第10図のaは本発明の実施例を示し、翼根
元および翼先端における流出角が翼中央付近にお
ける流出角に比して約5゜大きくなるように設定
した。 FIG. 10a shows an embodiment of the present invention, in which the outflow angles at the blade root and the blade tip were set to be approximately 5° larger than the outflow angle near the blade center.
本第10図bは従来例を示し、翼根元から翼先
端までの間において流出角がほぼ一定(13゜±1
゜)である。 Figure 10b shows a conventional example in which the outflow angle is almost constant (13°±1) from the blade root to the blade tip.
゜).
図示の曲線は1ピツチ当たりの全圧損失が等し
い点を連ねたもので、付記した1〜30の数字はa
図のカーブとb図のカーブとを対比するために添
えた指標である。この図から明らかなように、特
に本実施例においては翼先端及び翼根元の損失低
下が顕著である。 The illustrated curve is a series of points where the total pressure loss per pitch is equal, and the numbers 1 to 30 are a
This is an index added to compare the curve in the figure and the curve in figure b. As is clear from this figure, the loss reduction at the blade tip and blade root is particularly remarkable in this example.
第9図はタービンの損失係数を解析した図表で
縦軸は翼長方向の位置を表わし、横軸は損失係数
を示している。 FIG. 9 is a diagram analyzing the loss coefficient of the turbine, in which the vertical axis represents the position in the blade span direction, and the horizontal axis represents the loss coefficient.
総損失係数ζは、静翼の損失係数ζPNと、流速
の周期変動が無い場合の動翼翼形損失係数ζPB
と、流速の周期変動による動翼翼形損失係数の増
加分(ζPU―ζPB)と、二次流れ損失係数ζSCと
の和である。第9図aの実線は従来の段落構造に
おける前記の総損失係数ζを、翼長方向の各位置
について上記ζPN,ζPB,(ζPU―ζPB)および
ζSCに解析して示したものである。そして点線は
本発明を実施した結果の各損失係数を値を示し、
斜線部は本発明の実施によつて低減し得る損失を
示している。すなわち静翼翼形損失係数ζPNは
t/Cが小さくなり、S/tが大きくなることに
よつて側壁に近づくにつれて損失低減量が大きく
なる。動翼翼形損失係数ζPBは変化しない。流速
の周期変動による損失係数の増加分(ζPU―ζP
B)は側壁い近づくにつれて著しく低減される。
そして二次流れ損失係数ζSCは静翼翼形損失の減
少と、側壁近くでS/tが大きくなつて流速分布
が均一化されたことによつて低減される。 The total loss coefficient ζ is the stator vane loss coefficient ζ PN and the moving blade airfoil loss coefficient ζ PB when there is no periodic variation in flow velocity.
is the sum of the increase in rotor blade airfoil loss coefficient due to periodic fluctuations in flow velocity (ζ PU - ζ PB ), and the secondary flow loss coefficient ζ SC . The solid line in Figure 9a shows the above-mentioned total loss coefficient ζ in the conventional paragraph structure, analyzed into the above-mentioned ζ PN , ζ PB , (ζ PU - ζ PB ) and ζ SC for each position in the blade span direction. It is something. And the dotted lines indicate the values of each loss coefficient as a result of implementing the present invention,
The shaded area indicates the loss that can be reduced by implementing the present invention. That is, as for the stator vane airfoil loss coefficient ζ PN , t/C becomes smaller, and as S/t becomes larger, the amount of loss reduction becomes larger as the vane approaches the side wall. The rotor blade airfoil loss coefficient ζ PB does not change. Increase in loss coefficient due to periodic fluctuations in flow velocity (ζ PU −ζ P
B ) is significantly reduced as the side wall approaches.
The secondary flow loss coefficient ζ SC is reduced by reducing the vane shape loss and by increasing S/t near the sidewall and making the flow velocity distribution uniform.
以上の結果を総合すると同図bに示すごとく、
従来構造のタービン段落における総損失係数を表
わす線25が本発明の実施によつて線26のよう
に低減される。 Combining the above results, as shown in Figure b,
Line 25, representing the total loss factor in a conventionally constructed turbine stage, is reduced to line 26 by the practice of the present invention.
本発明は各種のタービン段落に適用して上述の
効果を奏するが、特に第8図に示した側壁の影響
を受ける範囲の距離lの翼長Hに対する割合が大
きいタービン段落において効果が顕著であり、ま
た翼長Hに対する弦長C0の大きいタービン段落
において効果が顕著である。 The present invention achieves the above-mentioned effects when applied to various turbine stages, but the effect is particularly remarkable in the turbine stage where the ratio of the distance l of the range affected by the side wall to the blade length H as shown in FIG. 8 is large. , and the effect is remarkable in a turbine stage where the chord length C 0 is large relative to the blade length H.
2l≧Hである段落、即ちlが重なり合うような
段落で、0.3<H/C0<1.5である場合においてタ
ービン段落効率は本発明の適用によつて従来例に
比し2〜3%の向上が可能である。 In the case of a stage where 2l≧H, that is, a stage where l overlaps, and 0.3<H/C 0 <1.5, the turbine stage efficiency can be improved by 2 to 3% compared to the conventional example by applying the present invention. is possible.
第1図は従来一般に用いられているタービン段
落の構成例を示す一部を断面した図、第2図は第
1図におけるA―A断面、B―B断面およびC―
C断面図、第3図は静翼と動翼間の流れの状態を
説明する図で、aは静翼下流の流速分布図、bは
ベクトル解析図、第4図は静翼下流の流れと損失
発生状況を説明する図で、aは流れ方向における
流速測定点を示し、bは翼長方向における流速の
測定点を示す図、cおよびdは流速の分布を示す
図表、第5図は本発明の一実施例における構成を
説明するための図でaは第1図に対応する一部を
断面した図、bは第2図に対応する断面図、第6
図aおよびbはそれぞれ本発明の一実施例におけ
る静翼の形状を示す断面図、第7図は静翼の翼列
構成と翼形損失との関係を示す図表、第8図aお
よびbは本発明の実施例における性能向上に状況
を示す図表、同図cは同ベクトル解析図、第9図
aおよびbは本発明の実施例における損失係数の
低減を示す図表、第10図は本発明の効果を説明
するため、平均全圧損失を従来例と対比して示し
た図表である。
13……静翼、13A,13C……静翼の側壁
近傍における断面、13B……静翼の中央部にお
ける断面、15……静翼先端の側壁、16……静
翼根元の側壁、18,19,20……静翼の断面
における矢高線。
FIG. 1 is a partially sectional view showing an example of the configuration of a turbine stage commonly used in the past, and FIG.
C sectional view, Figure 3 is a diagram explaining the state of the flow between the stator blade and the rotor blade, a is the flow velocity distribution diagram downstream of the stator blade, b is a vector analysis diagram, and Figure 4 is the flow downstream of the stator blade. Figure 5 is a diagram explaining the loss occurrence situation, where a shows the flow velocity measurement point in the flow direction, b shows the flow velocity measurement point in the blade span direction, c and d are charts showing the flow velocity distribution, and Figure 5 is a diagram showing the flow velocity measurement point in the blade span direction. In the drawings for explaining the configuration of an embodiment of the invention, a is a partially sectional view corresponding to FIG. 1, b is a sectional view corresponding to FIG. 2, and FIG. 6 is a sectional view corresponding to FIG.
Figures a and b are cross-sectional views showing the shape of a stator vane in an embodiment of the present invention, Figure 7 is a chart showing the relationship between the blade row configuration of the stator blade and airfoil loss, and Figures 8 a and b are A chart showing the situation of performance improvement in the embodiment of the present invention, FIG. 9c is a vector analysis diagram of the same, FIGS. In order to explain the effect of the present invention, it is a chart showing the average total pressure loss in comparison with a conventional example. 13... Stator blade, 13A, 13C... Cross section near the side wall of the stator blade, 13B... Cross section at the center of the stator blade, 15... Side wall at the tip of the stator blade, 16... Side wall at the root of the stator blade, 18, 19, 20... Arrow height lines in the cross section of the stationary blade.
Claims (1)
において、静翼の弦長をその翼長の中央部で最大
となし、翼長の中央部から翼先端および翼根元の
側壁に近づくにつれて漸次縮小するように構成
し、かつ、静翼出口端から動翼入口端までの距離
が前記翼長の中央部で最小となり、翼中央部から
翼先端及び翼根元の側壁に近づくにつれて漸次増
大するように構成したことを特徴とするタービン
段落構造。 2 前記静翼は、その静翼を通る半径に垂直な任
意の平面による断面形状の投影が、矢高線の大部
分以上を共有する相似形となるような立体形状と
なしたることを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載のタービン段落構造。 3 前記静翼は、その静翼を通る半径に垂直な任
意の平面による断面形状の投影が、背面輪郭線の
大部分以上を共有する相似形となるような立体形
状となしたることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載のタービン段落構造。[Claims] 1. In a step structure consisting of stator blades and rotor blades of an axial fluid machine, the chord length of the stator blade is maximized at the center of the blade span, and from the center of the blade span to the blade tip and The blade is configured to gradually contract as it approaches the side wall of the blade root, and the distance from the stator blade outlet end to the rotor blade inlet end is the minimum at the center of the blade length, and the distance from the blade center to the blade tip and blade root is A turbine stage structure configured to gradually increase in size as it approaches a side wall. 2. The stationary blade is characterized in that the stationary blade has a three-dimensional shape such that the projection of the cross-sectional shape by an arbitrary plane perpendicular to the radius passing through the stationary blade results in a similar shape that shares most of the arrow height line. A turbine stage structure according to claim 1. 3. The stator vane is characterized in that it has a three-dimensional shape such that the projection of the cross-sectional shape by an arbitrary plane perpendicular to the radius passing through the stator vane results in a similar shape that shares most of the rear contour line. A turbine stage structure according to claim 1.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9169680A JPS5718405A (en) | 1980-07-07 | 1980-07-07 | Stage structure of turbine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPS6147285B2 true JPS6147285B2 (en) | 1986-10-18 |
Family
ID=14033672
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP9169680A Granted JPS5718405A (en) | 1980-07-07 | 1980-07-07 | Stage structure of turbine |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPS5718405A (en) |
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|---|---|---|---|---|
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- 1980-07-07 JP JP9169680A patent/JPS5718405A/en active Granted
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1981
- 1981-07-03 AU AU72554/81A patent/AU545992B2/en not_active Expired
Also Published As
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