JP2009523211A - Turbine blade having a concave tip - Google Patents
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Abstract
空気力学的な外形を有する側面(7)を伴うタービンブレード(1)。タービンブレード(1)は、端面(6)を更に備えており、タービン内に装着され、それにより、端面(6)は、タービンのケーシング(8)から間隙によって画成される。端面(6)は、改良された空気力学的なシールとして作用するように形成される凹部(2)を備える。
【選択図】 図6Turbine blade (1) with side (7) having an aerodynamic profile. The turbine blade (1) further comprises an end face (6) and is mounted in the turbine, whereby the end face (6) is defined by a gap from the turbine casing (8). The end face (6) comprises a recess (2) that is formed to act as an improved aerodynamic seal.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、例えば航空エンジンで使用される或いは発電のための高負荷軸流ロータタービンにおけるタービンブレードの分野に関する。 The present invention relates to the field of turbine blades in high load axial rotor turbines, for example used in aero engines or for power generation.
軸流タービンにおいて、ロータブレード列で起こる先端クリアランス流は、ブレード列における空気力学的損失の約1/3の原因となっており、多くの場合、ブレード寿命における限定因子である。 In axial turbines, the tip clearance flow that occurs in the rotor blade row accounts for about one third of the aerodynamic losses in the blade row and is often a limiting factor in blade life.
先端漏れ渦は、漏れ流体がロータブレード先端とケーシングとの間の間隙を横断するときに圧力側から吸引側へと生じ、ブレード吸引側で渦へと巻き上がる。先端間隙を通じた流れは高い速度及び高い温度を有しており、熱い流体からブレードへの熱伝達はブレード先端領域で非常に高い。ブレード先端の焼損及び機械の故障を回避するため、ブレード先端冷却が一般に使用される。 The tip leakage vortex occurs from the pressure side to the suction side when the leaking fluid crosses the gap between the rotor blade tip and the casing and rolls up into a vortex on the blade suction side. The flow through the tip gap has a high velocity and high temperature, and the heat transfer from the hot fluid to the blade is very high in the blade tip region. Blade tip cooling is commonly used to avoid blade tip burnout and machine failure.
先端クリアランス流は、最近、公開文献において多くの貢献を伴って研究されてきた。常に参照される重要な貢献は、キャビテーションの関心事によって動機付けられる軸流ポンプにおける先端クリアランス流を研究したRains[1](後段の参考文献のリスト参照)による研究である。Moore & Tilton[2]は、先端漏れ流を実験的及び解析的に研究する。間隙の内側の流動構造及びブレードへの熱伝達が論じられている。間隙出口で均一な流れ状態をもたらす縮流部(一般に、流れの直径が最も小さい流体流れ中のポイント)の背後での完全混合に伴う間隙損失を担う流れモデルが与えられている。Bindon[3]は、先端クリアランス損失形成を測定して研究した。彼は、全端壁損失を、先端間隙内で形成される損失、先端漏れ渦の混合損失、二次・端壁損失へと分けることができた。彼は、先端漏れ質量流だけが損失形成において重要なのではなく(混合損失で見られる全損失の48%)、間隙内の流動構造も重要な役割を果たす(間隙内で形成される全損失の39%)という結論を下した。また、彼は、先端クリアランス損失形成のための概念的なモデルを示した。Bindon & Morphis[4]は、異なるブレード先端形状における損失を研究した。彼らは、全損失が不変のままであるが、間隙損失がベースライン鋭縁平坦先端と異なって輪郭付けられたブレード先端との間で大きく変化することを見出した。鋭縁のケースが圧力側リップで強い剥離バブルを伴って間隙内で高い損失を示したのに対し、輪郭付けられたケースは、間隙入口で剥離バブルが形成されなかったため、低い損失を示したが、増大された先端間隙質量流が見出された。 Tip clearance flow has recently been studied with many contributions in the published literature. An important contribution that is always referenced is the work by Rains [1] (see list of references below) that studied tip clearance flow in axial pumps motivated by cavitation concerns. Moore & Tilton [2] investigates tip leakage flow experimentally and analytically. The flow structure inside the gap and the heat transfer to the blade are discussed. A flow model is provided that is responsible for gap losses associated with complete mixing behind a constriction (generally the point in the fluid flow where the flow diameter is the smallest) that results in a uniform flow condition at the gap outlet. Binder [3] measured and studied tip clearance loss formation. He was able to divide the total end wall loss into a loss formed in the tip gap, a mixing loss of the tip leakage vortex, and a secondary / end wall loss. He noted that not only the tip leakage mass flow is important in loss formation (48% of the total loss seen in mixing loss), but the flow structure in the gap also plays an important role (of the total loss formed in the gap). 39%). He also presented a conceptual model for tip clearance loss formation. Bindon & Morphis [4] studied losses in different blade tip shapes. They found that the total loss remains unchanged, but the gap loss varies greatly between the baseline sharp edge flat tip and the contoured blade tip. The sharp-edged case showed a high loss in the gap with a strong peeling bubble at the pressure lip, whereas the contoured case showed a low loss because no peeling bubble was formed at the gap inlet However, increased tip clearance mass flow was found.
Heyes, Hodson & Dailey[5]による異なるスクイーラチップの研究では、関連する縮流部を伴う剥離バブルが間隙を効果的にシールしており、先端質量流を減少させることにより先端クリアランス損失を減少させることができるという結論も下された。この研究でも、スクイーラチップのための流れモデルが含められるとともに、ケーシングと間隙中間高さとの間の等エントロピジェットと剥離バブルの背後に形成される伴流との組み合わせとして表わされる間隙出口での流れのためのモデルも含められる。ブレード先端における熱伝達に関するAmeri[6]による計算研究は、平均キャンバラインスクイーラチップ及び丸みを帯びたブレード先端を有する平坦な先端と比べて、鋭い縁部を有する平坦な先端が効率及び全圧損失に関して最も良く機能することを示した。Bindon & Morphis[4]によって実験的に研究されたリニアカスケードに関するTallman[7]、[8]による更なる計算研究は、先端間隙における物理的流れに対する先端クリアランス高さ及び相対ケーシング壁移動の影響を論じている。移動するケーシング壁に起因する先端クリアランス流れの物理的過程に関する更なる実験的研究は、Yaras & Sjolander[9,10]による2部研究で与えられている。相対ケーシング動作をシミュレートする移動ベルトが先端間隙質量流を著しく減少させることが見出された。 In a study of different squealer tips by Heyes, Hodson & Dailey [5], an exfoliating bubble with an associated constriction effectively seals the gap, reducing tip clearance loss by reducing tip mass flow It was also concluded that it could be This study also includes a flow model for the squealer tip and at the gap exit, expressed as a combination of the isentropic jet between the casing and the gap mid-height and the wake formed behind the exfoliation bubble. A model for the flow is also included. The computational study by Ameri [6] on heat transfer at the blade tip shows that a flat tip with sharp edges is more efficient and total pressure compared to a flat tip with an average camber line squealer tip and a rounded blade tip. It has been shown to work best with respect to loss. Further computational studies by Tallman [7], [8] on the linear cascade experimentally studied by Bindon & Morphis [4] show the effects of tip clearance height and relative casing wall movement on physical flow in the tip gap. Arguing. Further experimental work on the physical process of tip clearance flow due to moving casing walls is given in a two part study by Yaras & Sjorander [9, 10]. It has been found that a moving belt that simulates relative casing motion significantly reduces tip clearance mass flow.
また、先端通過渦も吸引側に引かれ、それにより、絞り効果が与えられる。更に、流れを間隙内へと推進する圧力差の減少も観察された。 Further, the tip passing vortex is also drawn to the suction side, thereby providing a throttling effect. In addition, a reduction in the pressure differential driving the flow into the gap was also observed.
最近の研究では、凹状ブレード先端への詳細な熱伝達が最初にDunnら[12]によって研究された。凹状ブレード先端は、熱流束ゲージを備えており、全段回転タービンにおいて実験的に研究された。異なるベーン/ブレード間隔においてヌッセルト数が示された。キャビティ底部における前縁ヌッセルト数がブレード淀み値を越えることが見出された。 In a recent study, detailed heat transfer to the concave blade tip was first studied by Dunn et al. [12]. The concave blade tip is equipped with a heat flux gauge and has been studied experimentally in a full-stage rotating turbine. Nusselt numbers were shown at different vane / blade spacings. It has been found that the leading edge Nusselt number at the bottom of the cavity exceeds the blade stagnation value.
[1]Rains,D.A.,1954,“Tip Clearance Flows in Axial Flow Compressors and Pumps”,California Institute of Technology,Hydrodynamics and Mechanical Engineering Laboratories,Report No.5,June 1954. [1] Rains, D .; A. , 1954, “Tip Clearance Flows in Axial Flow Compressors and Pumps”, California Institute of Technology, Hydrodynamics and Engineering Engineers. 5, June 1954.
[2]Moore,J.&Tilton,J.S.,1988,“Tip Leakage Flow in a Linear Turbine Cascade,”,ASME Journal of Turbomachinery,Vol 110,pp.18−26. [2] Moore, J. et al. & Tilton, J.M. S. , 1988, “Tip Leakage Flow in a Linear Turbine Cascade,” ASME Journal of Turbomachinery, Vol 110, pp. 18-26.
[3]Bindon,J.P.,1989,“The Measurement and Foramtion of Tip Leakage Loss,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 111,pp.257−263. [3] Bindon, J .; P. , 1989, “The Measurement and Forum of Tip Leakage Loss,” ASME Journal of Turbomachinery, Vol 111, pp. 257-263.
[4]Morphis,G.&Bindon,J.P.,1992,“The Development of Axial Turbine Leakage Loss for Two Profiled Tip Geometries Using Linear Cascade Data,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 114,pp.198−203. [4] Morphis, G .; & Bindon, J.M. P. , 1992, “The Development of Axial Turbine Leakage Loss for Two Profiled Tip Geometrics Using Linear Cascade Data,” ASME Journal of Volt. 114. 198-203.
[5]Heyes,F.J.G.,Hodson,H.P.,&Dailey,G.M.,1992,”The Effect of Blade Tip Geometry on the Tip Leakage Flow in Axial Turbine Cascades,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 114,pp.643−651. [5] Heyes, F .; J. et al. G. Hodson, H .; P. , & Dailey, G. M.M. 1992, “The Effect of Blade Tip Geometry on the Tip Leakage Flow in Axial Turbine Cascades,” ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 114. 643-651.
[6]Ameri Ali,A.,2001,“Heat Transfer and Flow on the Blade Tip of a Gas Turbine Equipped with a Mean−Camberline Strip,”ASME Paper 2001−GT−0l56. [6] Ameri Ali, A. , 2001, “Heat Transfer and Flow on the Blade Tip of a Gas Turbine Equipped with a Mean-Camberline Strip,” ASME Paper 2001-GT-0156.
[7]Tallman,J.&Lakshminarayana B.,2000,“Numerical Simulation of Tip Clearance Flows in Axial Flow Turbines,With Emphasis on Flow Physics,Part I−Effect of Tip Clearance Height,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 123,pp.314−323. [7] Tallman, J. et al. & Lakshminarayana B. , 2000, “Numerical Simulation of Tip Clearance Flows in Axial Flow Turbines, With Emphasis on Flow Physics, Part I-Effect of Tip Clean Jourmanship. 314-323.
[8]Tallman,J.&Lakshminarayana B.,2000,“Numerical Simulation of Tip Clearance Flows in Axial Flow Turbines,With Emphasis on Flow Physics,Part II−Effect of Outer Casing Relative Motion,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 123,pp.324−333. [8] Tallman, J. et al. & Lakshminarayana B. , 2000, “Numerical Simulation of Tip Clearance Flows in Axial Flow Turbines, With Emphasis on Flow Physics, Part II-Effect of OutTurning ME”. 324-333.
[9]Yaras,M.I.&Sjolander,S.A.,1992,“Effects of Simulated Rotation on Tip Leakage in a Planar Cascade of Turbine Blades: Part I − Tip Gap Flow,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 114,pp.652−659. [9] Yaras, M .; I. & Sjorander, S .; A. , 1992, “Effects of Simulated Rotation on Tip Leakage in a Planar Cascade of Turbine Blades, Part I—Tip Gap Flow,” ASME Journal of Turp. 652-659.
[10]Yaras,M.I.&Sjolander,S.A.,1992,“Effects of Simulated Rotation on Tip Leakage in a Planar Cascade of Turbine Blades: Part II−Downstream Flow Field and Blade Loading,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 114,pp.660−667. [10] Yaras, M .; I. & Sjorander, S .; A. , 1992, "Effects of Simulated Rotation on Tip Leakage in a Planar Cascade of Turbine Blades, Part II-Downstream Flow Field and Bure. 660-667.
[11]Basson,A.H.&Lakshminarayana,B.,1995,“Numerical Simulation of Tip Clearance Effects in Turbomachinery,”ASME Journal of Turbomachinery,Vol 109,pp.545−549. [11] Basson, A .; H. & Lakshminarayana, B .; 1995, “Numerical Simulation of Tip Clearance Effects in Turbomachinery,” ASME Journal of Turbomachinery, Vol 109, pp. 545-549.
[12]Dunn,M.G.&Haldemann,C.W.,2000,“Time Averaged Heat Flux for a Recessed Blade Tip,Lip and Platform of a Transonic Turbine Blade”,ASME Paper GT2000−0197. [12] Dunn, M .; G. & Haldemann, C.I. W. , 2000, “Time Averaged Heat Flux for a Received Blade Tip, Lip and Platform of a Transonic Turbine Blade”, ASME Paper GT2000-0197.
[13]Behr,T.,Kalfas,A.I. Abhari,R.S.,“Unsteady Aerodynamics in Casing Injection for Tip Leakage Treatment in an Oneand−l/2−Stage Unshrouded Turbine”,ASME Paper No.GT2006−90959. [13] Behr, T .; , Kalfas, A .; I. Abhari, R.A. S. , “Unsteady Aerodynamics in Casing Injection for Tip Leakage Treatment in an One-L / 2-Stage Unwrapped Turbine”, ASME Paper No. GT2006-90959.
[14]Sell M.,Schlienger J.,Pfau A.,Treiber M.,Abhari R.S.,2001,”The 2−stage Axial Turbine Test Facility LISA”,ASME Paper No.2001−GT−049. [14] Sell M.M. Schliinger J., et al. , Pfau A. , Treiber M .; Abhari R .; S. 2001, “The 2-stage Axial Turbine Test Facility LISA”, ASME Paper No. 2001-GT-049.
本発明は、航空エンジン又は発電における高圧軸流タービンにおいて用途を有する高負荷軸流ロータタービンブレードのための凹状ブレード先端に関する。 The present invention relates to a concave blade tip for a high load axial flow rotor turbine blade having application in a high pressure axial flow turbine in aero engines or power generation.
従来技術から知られる問題を克服するため、単純な平坦なブレード先端ではなく、ブレード先端に凹部を有するブレード先端構造が提案される。ブレード先端の内側の凹部(キャビティ)は、それが流れ分布に影響を与えるという点で、タービンの性能を向上させ及び/又はタービン先端の熱負荷を減少させる空気力学的シールとしての機能を果たす。ブレードの上面における材料が回転軸から下側の半径へと移動されるため、ブレード根元の機械的応力を低減することができる。また、先端摩擦の場合も、即ち、ロータブレードが回転中にケーシングに接触するときも、薄いキャビティ縁部だけが損傷される。ケーシングに対する損耗も制限され、また、ブレード先端冷却用のパージ穴がキャビティの内側に位置するため、摩擦が穴の出口を損傷しない。そのため、摩擦が生じる場合であっても、効率的な冷却が確保される。最後に、凹部キャビティは、先端クリアランス質量流を減少させるのに有利となり得るラビリンスシールとして作用してもよい。 In order to overcome the problems known from the prior art, a blade tip structure with a recess at the blade tip is proposed rather than a simple flat blade tip. A recess (cavity) inside the blade tip serves as an aerodynamic seal that improves turbine performance and / or reduces turbine tip heat load in that it affects flow distribution. Since the material on the upper surface of the blade is moved from the rotation axis to the lower radius, the mechanical stress at the blade root can be reduced. Also in the case of tip friction, i.e. when the rotor blade contacts the casing during rotation, only the thin cavity edge is damaged. Wear on the casing is also limited and the blade tip cooling purge hole is located inside the cavity so that friction does not damage the hole outlet. Therefore, efficient cooling is ensured even when friction occurs. Finally, the recessed cavity may act as a labyrinth seal that may be advantageous in reducing tip clearance mass flow.
凹部形状の適切なプロファイリングにより、全先端熱伝達ヌッセルト数をかなり減少させることができること、例えば、平坦な先端よりも15%低くでき、また、ベースライン凹部形状よりも7%低くできることが分かった。また、実験結果は、改良された凹部構造を用いると、平坦な先端のケースと比べてタービン全体の全効率が0.3%全体的に改善することを示しており、このことは、CFD解析からの0.38%予測を立証している。 It has been found that proper profiling of the recess shape can significantly reduce the total tip heat transfer Nusselt number, for example, 15% lower than a flat tip and 7% lower than the baseline recess shape. The experimental results also show that the overall efficiency of the entire turbine is improved by 0.3% compared to the flat tip case with the improved recess structure, which is a CFD analysis. Proves the 0.38% prediction from
3次元計算流体力学(CFD)を用いて、凹部キャビティの異なる形状に関してブレードの先端近傍の流れ場が調査される。キャビティ垂直構造の制御により、改良された構造が得られ、従来技術において一般的なブレード先端との違いが強調される。 Using three-dimensional computational fluid dynamics (CFD), the flow field near the tip of the blade is investigated for different shapes of the recessed cavities. Control of the cavity vertical structure results in an improved structure, highlighting the differences from the blade tips common in the prior art.
ロータのブレード先端とケーシングとの間の先端クリアランスは、ロータブレード列の自由な回転のために必要である。しかしながら、間隙により、流体は、圧力側及び吸引側の圧力差に起因して、ブレードの圧力側から吸引側へとブレード先端を横断できる。この流れは、2つの主要な問題に関連付けられる。第1に、ロータ列における全ての空気力学的損失の約1/3は、ブレード先端上にわたる先端漏れが再びブレード吸引側で通過流に入るときに生じる先端漏れ渦に関連している。それは、それが主要な流れと混合する際に両方の混合損失を形成するとともに、ブレードリフトを担うブレード先端壁上の圧力場をかき乱す。また、間隙を横断する流体はブレードによって回転されず、したがって、それからは仕事が抽出されない。そのため、それは、損失仕事抽出として解釈される。第2に、先端クリアランスを横断する流体は、ホットストリーク移動に起因して比較的高い温度を有しており、それにより、ブレード先端において高い熱負荷がもたらされる。実際に、ブレード先端は、適切に冷却されなければ焼失し、そのため、ブレード寿命における限定因子のうちの1つである。 Tip clearance between the rotor blade tips and the casing is necessary for free rotation of the rotor blade rows. However, the gap allows fluid to cross the blade tip from the pressure side of the blade to the suction side due to the pressure difference between the pressure side and the suction side. This flow is associated with two main problems. First, about one third of all aerodynamic losses in the rotor row are related to tip leakage vortices that occur when tip leakage over the blade tip enters the flow through again on the blade suction side. It creates both mixing losses as it mixes with the main flow and disturbs the pressure field on the blade tip wall responsible for the blade lift. Also, the fluid traversing the gap is not rotated by the blade, and therefore no work is extracted from it. It is therefore interpreted as a lost work extraction. Second, the fluid that traverses the tip clearance has a relatively high temperature due to hot streak movement, which results in a high thermal load at the blade tip. In fact, the blade tip will burn out if not properly cooled, and is therefore one of the limiting factors in blade life.
また、先端漏れ質量流の減少によって性能を向上させるため、先端クリアランス間隙高さを最小限に抑えることが望ましい。しかしながら、この間隙高さの減少は、時として動作エンベロープ中にケーシングでのロータブレード摩擦の危険を高める。これは、例えば、過渡電流、ロータの動的軌跡、ケーシングの楕円化に起因して、或いは、ケーシング熱変形によって、ロータがケーシングよりも遠くに広がる場合に起こり得る。平坦な先端を有するブレードがケーシングで激しく摩耗する場合、先端が摩損すると、破滅的な冷却損失が起こり得る。平坦な先端における比較的僅かな摩耗の場合でも、先端に位置する任意の冷却穴が損傷される場合があり、それにより、冷却が不十分になり、最終的にブレード先端が焼損する。 It is also desirable to minimize the tip clearance gap height to improve performance by reducing the tip leakage mass flow. However, this reduction in gap height sometimes increases the risk of rotor blade friction in the casing during the operating envelope. This can occur, for example, due to transient currents, rotor dynamic trajectories, casing ovalisation, or due to casing thermal deformation or when the rotor extends farther than the casing. If a blade with a flat tip wears hard on the casing, the tip can wear out and catastrophic cooling losses can occur. Even with relatively little wear at the flat tip, any cooling holes located at the tip may be damaged, resulting in poor cooling and eventually burning the blade tip.
平坦なブレード先端の場合とは異なり、凹状ブレード先端における更に複雑な物理的流れは、その複雑さを理解することがより困難である。また、キャビティのサイズ及び形状における系統的設計手続きは利用できない。研究によって、この問題を克服することができ、凹部キャビティの熱伝達の物理的過程及び空気力学をより良く理解することができるとともに、高圧タービンを代表する標準的な高負荷ロータブレードのための新たな設計境界を与えることができた。特別な3次元CFD器具がこの目的のために広範囲に使用されてきた。 Unlike the case of a flat blade tip, the more complex physical flow at the concave blade tip is more difficult to understand. Also, systematic design procedures for cavity size and shape are not available. Research can overcome this problem, provide a better understanding of the physical processes and aerodynamics of the heat transfer in the recessed cavity, as well as new for standard high-load rotor blades that represent high-pressure turbines. It was possible to give a design boundary. Special three-dimensional CFD instruments have been used extensively for this purpose.
本発明それ自体及び結果を向上させるための計算器具を一般的に図面にしたがって説明する。市場で入手できないため、前処理のための計算器具及び解法が発明者によって開発されてきた。これらの器具は、後処理のための市販の製品と部分的に相互作用してもよい。 The invention itself and the computing instrument for improving the results will generally be described with reference to the drawings. Since they are not available on the market, calculators and solutions for pretreatment have been developed by the inventors. These instruments may partially interact with commercial products for post processing.
意図される計算及び実験研究を行なうため、予め設計された軸流タービンテストケースが利用された。1.5段の覆いがされていないタービンの形状は、高負荷(DH/U2=2.36)低アスペクト比ガスタービン環境をモデリングする。テスト装置のエアループは、準閉型であり、ラジアルコンプレッサと、2段水−空気熱交換器と、質量流量測定のための目盛り付きベンチュリノズルとを含んでいる。流れは、タービン部分に入る前に、均一に分布された入口流れ場を確保するための流れ直線化器を含む3m長さの真っ直ぐなダクトを通過する。タービンの下流側で、エアループが大気状態に対して開放されている。DC発生器は、タービン出力を吸収して、タービンの回転速度を制御する。正確なトルクメータは、ロータシャフトによって発生器へ伝えられるトルクを測定する。TET(タービン入口温度)が0.3%の精度に制御され、また、RPM(回転/分)がDC発生器によって±0.5min−1内で一定に維持される。タービン構造(Behrら[13])及び実験設備(Sellら[14])の動作に関するより多くの情報を公開文献において見出すことができる。 A pre-designed axial turbine test case was used to perform the intended computational and experimental studies. The 1.5 stage uncovered turbine shape models a high load (DH / U 2 = 2.36) low aspect ratio gas turbine environment. The air loop of the test apparatus is semi-closed and includes a radial compressor, a two-stage water-air heat exchanger, and a graduated venturi nozzle for mass flow measurement. Prior to entering the turbine section, the flow passes through a 3m long straight duct containing a flow straightener to ensure a uniformly distributed inlet flow field. On the downstream side of the turbine, the air loop is open to atmospheric conditions. The DC generator absorbs the turbine output and controls the rotational speed of the turbine. An accurate torque meter measures the torque transmitted to the generator by the rotor shaft. The TET (turbine inlet temperature) is controlled with an accuracy of 0.3% and the RPM (rev / min) is kept constant within ± 0.5 min −1 by the DC generator. More information on the operation of the turbine structure (Behr et al. [13]) and experimental equipment (Sell et al. [14]) can be found in the published literature.
以下の表は、設計動作点における「LISA」1.5段軸流タービン研究設備の主要なパラメータを示している(表1)。
軸流タービンロータブレードで一般に使用される公称凹部キャビティのための計算設計の最適化が与えられている。広範囲にわたるパラメータ研究から、改良された凹部キャビティ構造が与えられる。新たな構造と平坦な先端ブレードと公称凹部先端との間の広範囲にわたる空気力学及び熱伝達の比較が与えられる。計算データは、スイス連邦工科大学(ETHZ)の実験データと比較された。この場合、平坦な先端及び新たな凹部構造を有するロータブレードの3D流動構造及び性能が測定された。予測熱伝達データを立証するため、OSUからの実験データとの定性比較も使用された。以下の結びの記述は、この研究から引き出すことができる。 An optimization of the computational design for a nominally recessed cavity commonly used in axial turbine rotor blades is given. Extensive parameter studies provide an improved recessed cavity structure. An extensive aerodynamic and heat transfer comparison between the new structure and the flat tip blade and the nominal recess tip is given. The calculated data were compared with experimental data from the Swiss Federal Institute of Technology (ETHZ). In this case, the 3D flow structure and performance of a rotor blade with a flat tip and a new recess structure was measured. A qualitative comparison with experimental data from OSU was also used to verify the predicted heat transfer data. The following conclusions can be drawn from this study.
・凹部キャビティ内の3次元流れの更なる理解が得られた。キャビティを通じた漏れ流を支配するために3つのキャビティ渦が見出された。 A further understanding of the three-dimensional flow in the recessed cavity was obtained. Three cavity vortices were found to dominate the leakage flow through the cavity.
・キャビティ形状の変化は、主要な凹部渦の形成及び相互作用に影響を及ぼす。高い熱伝達を担う吸引側前部での特定の再循環は、排除することができるとともに、改善された熱伝達挙動を伴う新たな構造をもたらすことができる。 Cavity shape changes affect the formation and interaction of major recess vortices. Specific recirculation at the suction front responsible for high heat transfer can be eliminated and can result in a new structure with improved heat transfer behavior.
・空気力学的シールを形成する有利な効果が両方の凹部構造において示されてきた。先端漏れ質量流は、本発明に係る新たな凹部構造では、平坦な先端と比べて、25%程度下げることができる。CFDは、新たな構造においても増大された出力を示した。実験測定値は、設計点において平坦な先端と新たな凹部先端との間でタービン効率の0.3%の増加を示した。 The beneficial effect of forming an aerodynamic seal has been shown in both recess structures. The tip leakage mass flow can be reduced by about 25% in the new recess structure according to the present invention compared to the flat tip. CFD showed increased output even in the new structure. Experimental measurements showed a 0.3% increase in turbine efficiency between the flat tip and the new recess tip at the design point.
・ブレード先端での熱負荷は、異なるブレード先端要素、即ち、先端縁、キャビティ縁壁、キャビティ底部、及び、後部平坦ブレード先端における熱負荷間で釣り合うように見出される。新たな凹部構造は、ベースライン凹部構造に比べて全熱負荷が約7%低く、平坦な先端に比べて15%低い。 The heat load at the blade tip is found to be balanced between the heat loads at the different blade tip elements: tip edge, cavity edge wall, cavity bottom, and rear flat blade tip. The new recess structure has a total heat load of about 7% lower than the baseline recess structure and 15% lower than the flat tip.
・筆者の知識の限りでは、これは、性能を向上させ且つ熱負荷を減少させるためにブレード先端凹部キャビティの詳細なプロファイリングが示される最初のときである。 To the best of the author's knowledge, this is the first time detailed profiling of the blade tip recess cavities is shown to improve performance and reduce thermal load.
・ブレード先端凹部キャビティ壁の3次元幾何学的プロファイリングは、全体の効率を著しく向上させると同時に、ブレード先端における熱負荷及び機械的応力の両方を効果的に減少させる。 • Three-dimensional geometric profiling of the blade tip recess cavity wall significantly improves overall efficiency while effectively reducing both thermal load and mechanical stress at the blade tip.
・凹部キャビティ壁の3次元幾何学的プロファイリングは、不均一な縁部壁厚及びキャビティ凹部容積の内側の3次元成形を使用することによって達成することができる。 • Three-dimensional geometric profiling of the concave cavity wall can be achieved by using non-uniform edge wall thickness and three-dimensional shaping inside the cavity concave volume.
・3次元幾何学的プロファイリングは、凹部縁部厚及びキャビティ深さを個別に或いは組み合わせて変化させることによって起こる。 3D geometric profiling occurs by changing the recess edge thickness and cavity depth individually or in combination.
・凹部キャビティの3次元幾何学的プロファイリングは、漏れ流及びキャビティ内での渦とのその相互作用を最適化するとともに、キャビティ壁での流れ及び高い熱負荷によってキャビティ内に損失をもたらす垂直流形成を抑制する。 3D geometric profiling of recessed cavities optimizes leakage flow and its interaction with vortices in the cavity, while creating flow in the cavity due to flow at the cavity wall and high thermal loads Suppress.
・上記特徴を示すブレード先端凹部キャビティの3次元幾何学的プロファイリングは、二次的な渦形成を軽減して抑制するとともに、周方向及び径方向の両方で渦形成に必要な利用可能空間を制限する。 ・ Three-dimensional geometric profiling of blade tip recess cavities with the above features reduces and suppresses secondary vortex formation and limits the space available for vortex formation in both circumferential and radial directions To do.
・凹部キャビティ壁の3次元幾何学的プロファイリングは、有利なキャビティ圧勾配の場合にキャビティ壁の更なるブレード表面に起因して、ブレードのより高い作業出力をもたらす。 • Three-dimensional geometric profiling of the concave cavity wall results in a higher working output of the blade due to the additional blade surface of the cavity wall in the case of advantageous cavity pressure gradients.
・上記特徴に係る3次元幾何学的プロファイリングは、組み合わせるための最適なキャビティ容積を規定する。 3D geometric profiling according to the above features defines the optimal cavity volume to combine.
・上記特徴を示す3次元幾何学的プロファイリングは、周方向に合わせられる渦の数を減少させる。 -Three-dimensional geometric profiling that exhibits the above features reduces the number of vortices fitted in the circumferential direction.
・上記特徴を示す3次元幾何学的プロファイリングは、エネルギ散逸の少ない渦パターンをキャビティ内にもたらす。 3D geometric profiling that exhibits the above characteristics results in a vortex pattern with less energy dissipation in the cavity.
・上記特徴を示すブレード先端凹部キャビティの3次元幾何学的プロファイリングは、摩耗が減少された表面領域、冷却穴保護、機械的応力の低下など、輪郭形成されていない縁部厚が一定のキャビティの利点を維持する。 ・ Three dimensional geometric profiling of blade tip recess cavities with the above characteristics can be achieved for cavities with constant edge thickness that are not contoured, such as surface areas with reduced wear, cooling hole protection, and reduced mechanical stress. Maintain the benefits.
・上記特徴を示すブレード先端凹部キャビティの3次元幾何学的プロファイリングは、覆いがされていない及び特定の部分的に覆いがされたタービンブレードにおいて適用可能である。 -Three-dimensional geometric profiling of blade tip recess cavities exhibiting the above characteristics is applicable in uncovered and certain partially covered turbine blades.
・上記特徴を示す3次元の幾何学的に輪郭形成された先端凹部キャビティ壁は、絞り機構として作用することにより、漏れ流の受動的な流れ制御を与える。 A three-dimensional geometrically contoured tip recess cavity wall exhibiting the above characteristics provides passive flow control of leakage flow by acting as a throttling mechanism.
・上記特徴を示す3次元流動構造に基づく3次元の幾何学的に輪郭形成された先端凹部キャビティ壁は、性能向上のための既存のブレード及び代替ブレードの両方のブレード先端を再設計するために使用でき、新たな構造形態に組み込むことができる。 A 3D geometrically contoured tip cavity wall based on a 3D flow structure that exhibits the above features to redesign the blade tips of both existing and alternative blades for improved performance Can be used and incorporated into new structural forms.
本発明は、空気力学的な外形を有する側面を有するタービンブレードに関する。タービンブレードは、タービンのケーシングから間隙によって画成されるタービン内の装着位置に配置される端面を有している。端面は、空気力学的なシールとして作用するように及び/又はブレード先端熱負荷を減少させるように形成される凹部を備えている。凹部は、周方向で変化可能な壁厚を有する側壁によって画成される。側壁は、高さ方向(タービンブレードの長さ方向)で略一定の壁厚を有している。特定の実施形態において、側壁の壁厚は、タービンブレードがその最大厚を有する領域で全体的最大値を有する。更なる実施形態において、側壁の壁厚は、ブレード前縁(後縁±100%)に対して+0%〜+50%の相対長さで、タービンブレードの吸引側に最大値を有する。特定の実施形態において、この最大値は全体的最大値である。しかしながら、特定の他の実施形態において、側壁の壁厚は、タービンブレードの圧力側に最小値を有する。適用分野に応じて、これは、ブレード前縁淀み点(0%)に対して−0%〜−70%の相対長さ範囲に位置されてもよい。圧力側の壁厚は少なくとも部分的に一定であってもよい。良好な結果は、側壁の壁厚の全体的最大値が全体的最小値よりも約5.5〜6.5倍大きいという点で達成されてもよい。一実施形態において、凹部は略一定の深さを有している。 The present invention relates to a turbine blade having a side surface having an aerodynamic profile. The turbine blade has an end face located at a mounting position in the turbine defined by a gap from the turbine casing. The end face is provided with a recess formed to act as an aerodynamic seal and / or to reduce blade tip thermal load. The recess is defined by a side wall having a wall thickness that is variable in the circumferential direction. The side wall has a substantially constant wall thickness in the height direction (the length direction of the turbine blade). In certain embodiments, the wall thickness of the sidewall has an overall maximum in the region where the turbine blade has its maximum thickness. In a further embodiment, the wall thickness of the sidewall has a maximum value on the suction side of the turbine blade, with a relative length of + 0% to + 50% relative to the blade leading edge (trailing edge ± 100%). In certain embodiments, this maximum value is an overall maximum value. However, in certain other embodiments, the wall thickness of the sidewall has a minimum value on the pressure side of the turbine blade. Depending on the field of application, this may be located in a relative length range of −0% to −70% with respect to the blade leading edge stagnation point (0%). The wall thickness on the pressure side may be at least partially constant. Good results may be achieved in that the overall maximum wall thickness of the sidewalls is approximately 5.5 to 6.5 times greater than the overall minimum. In one embodiment, the recess has a substantially constant depth.
ここに記載された発明は、添付の請求項に記載される本発明を限定するものと見なされるべきではない添付図面及びここで与えられる以下の詳細な説明からより十分に理解される。図面は、簡略的で且つ概略的な態様で示している。 The invention described herein will be more fully understood from the accompanying drawings and the following detailed description given herein, which should not be considered as limiting the invention as set forth in the appended claims. The drawings are shown in a simplified and schematic manner.
本発明の次の実施形態について更に詳しく説明する。同様の特徴が同じ参照符号が付された異なる図面中にある。 The following embodiment of the present invention will be described in more detail. Similar features are in different figures with the same reference numerals.
図1は、タービンブレードの先端に配置された凹部の挙動の数値計算のための2つのタービンブレードのコンピュータモデルを示している。 FIG. 1 shows a computer model of two turbine blades for numerical calculation of the behavior of a recess located at the tip of a turbine blade.
適用される解析モデルは、一般に、タービンブレード1の数値グリッド(メッシュ)に基づいている。使用される数値グリッドは、MELLIPと呼ばれる社内で開発されたグリッドジェネレータを用いて生成された。マルチブロック構造のグリッドジェネレータは、計算領域境界をメッシュするために、入力データとして二次元NURBSライブラリを使用する。一組の幾何学的変換を使用して、意図されるグリッドトポロジーにしたがって内部ブロック境界が画成される。各ブロックのメッシング中にフレキシブルなクラスタリング仕様を用いる非線形補間アルゴリズム及び二次元ポアソンタイプの楕円型偏微分方程式の両方を使用すると、高いグリッド品質、即ち、滑らかなグリッドライン、制限されたアスペクト比、歪み、セル間比が得られる。幾つかのトポロジーが実施されるとともに、これらのトポロジーは、ブレード凹部ケースにおいて、凹部領域を有するブレード先端のための計算領域を18ブロックに分ける。特に、調整可能なサイズ及びグリッド密度を有する上流及び下流伴流ブロックの使用は、後縁領域で低いグリッド歪みを維持するのに役立つとともに、シェッドウェイク(shed wake)の数値拡散を防止する。この研究のために使用されるグリッドは、この領域で流れ勾配を獲得するために、ブレード先端領域で高い分解能を示す。
The applied analysis model is generally based on a numerical grid (mesh) of the
これは、グリッド点の数を約900000点に保つのに役立つ。なぜなら、壁の近傍のクラスタリングが2層乱流モデル計算の場合のように積極的である必要がないからである。そのため、ブレード先端領域でグリッド点の数が多いと、滑らかなセル間比分布を伴って均一なメッシュ密度がもたらされる。密度が高い密集した先端領域グリッドブロックは、ブレード範囲のおおよそ上10%にわたっている。 This helps to keep the number of grid points at about 900,000. This is because clustering in the vicinity of the wall need not be as aggressive as in the case of two-layer turbulence model calculations. Therefore, a large number of grid points in the blade tip region results in a uniform mesh density with a smooth cell-to-cell ratio distribution. The dense, dense tip region grid block spans approximately 10% above the blade range.
好んで使用される数値流れ解法は、MBStage3D、即ち、多段ターボ機械用途における3次元構造化ナビエ−ストークス解法と呼ばれる。MBStage3Dにおいて好んで使用されるタイムマーチングアルゴリズムは、ジェームソン型アルゴリズム、即ち、安定性を高めるために適用される残余平均化技術を用いたイクスプリシット法である。四次精度を有する5段階ルンゲ・クッタ技術によって時間離散化が達成されることが好ましい。ここで論じられる全ての計算は、壁での乱流粘度を計算するためにゾンマーフェルト対数壁関数と共に代数的Baldwin−Lomax乱流モデルを用いて行なわれる。 The preferred numerical flow solution is called MBStage3D, a three-dimensional structured Navier-Stokes solution in multi-stage turbomachine applications. The time marching algorithm preferably used in MBStage3D is a Jameson type algorithm, ie, an explicit method using a residual averaging technique applied to increase stability. Time discretization is preferably achieved by a five-stage Runge-Kutta technique with fourth order accuracy. All calculations discussed here are performed using an algebraic Baldwin-Lomax turbulence model with Sommerfeld logarithmic wall functions to calculate turbulent viscosity at the wall.
流れ物理学の理解を得るために必要な広範囲にわたる後処理は、対象の流れ場の3D,2D,1D及びスカラー調査によって達成される。3D視覚化はTECPLOTを用いて行なわれ、積分器の収集及びTECPLOTのための3Dデータ生成サブルーチンは社内で開発される。 The extensive post-processing necessary to gain an understanding of flow physics is achieved by 3D, 2D, 1D and scalar investigations of the subject flow field. 3D visualization is performed using TECPLOT, and 3D data generation subroutines for integrator collection and TECPLOT are developed in-house.
図2は、従来技術から知られる一般的なタービンブレード51を概略的に示している。タービンブレード51は、空気力学的な外形を成す外側表面57を有している。また、タービンブレードは、タービンのケーシング58(図5)に対して離間して配置されるタービン内の装着位置にある端面56を備えている。端面56は、空気力学的シールとしての機能を果たすように形成される凹部52を備えている。ブレード先端53にある凹部52は、長さL及び均一な深さDを有している。凹部2を取り囲む壁54は、垂直・周方向で一定の厚さtを有している。軸方向翼弦(翼の深さ)の80%の長さL及び先端間隙高さの2倍の深さDを有する凹部52及びブレード先端53の周囲の3次元流れ場の調査で、典型的な態様で流れ特性を確認することができた。
FIG. 2 schematically shows a
先端凹部52の幾何学的形態及びブレード先端53の周囲の流れ場の分布に対するその影響は、より改良された凹部構造を見い出すために標準的な(公称)凹部構造52(図2,4,5参照)に基づいて調査された。変化する主な幾何学的パラメータは、凹部キャビティの長さL、キャビティの深さD、及び、殆ど一般的に前の2つのパラメータの任意の関数となり得る凹部縁部の形状であった。しかしながら、形状は、殆どの場合、長さの関数として決定された。
The geometry of the
凹部2のキャビティ壁(図6参照)は、外側ブレード壁によって生成される主要出力に対して加えられる必要がある更なる出力を生成する更なる表面を与える。また、凹部ケースのブレード先端における先端漏れ流が平坦な先端の場合よりも低いことも観察された。計算領域にわたる全質量流は不変のままであった。このことは、漏れ質量流の変化が吸引側喉領域よりも前で起こり、そのため、ロータを通じて一定した補正された流れがもたらされることを示唆している。また、全体の圧力損失係数の変化が先端間隙質量流の変化に従うことに留意することも重要である。空気力学的損失と検証された先端漏れ質量との間の関係は、重要な設計基準として先端漏れ質量流の更なる減少を必要とした。深さに伴う変化はかなり非線形であった。この場合、最適な深さにより、最小先端漏れ質量流が確認された。これも、先端漏れ質量流が間隙高さに伴って直線的に変化する平坦な先端のケースにおける先端漏れ質量流の進展との重要な違いである。凹部の長さの変化はほぼ直線的であった。 The cavity wall of the recess 2 (see FIG. 6) provides an additional surface that generates additional output that needs to be added to the main output generated by the outer blade wall. It was also observed that the tip leakage flow at the blade tip of the recess case was lower than that at the flat tip. The total mass flow over the computational domain remained unchanged. This suggests that the change in leakage mass flow occurs before the suction side throat region, thus providing a constant corrected flow through the rotor. It is also important to note that the overall pressure loss coefficient change follows the tip gap mass flow change. The relationship between aerodynamic losses and verified tip leakage mass required further reduction of tip leakage mass flow as an important design criterion. The change with depth was rather nonlinear. In this case, the minimum tip leakage mass flow was confirmed with the optimum depth. This is also an important difference from the development of tip leakage mass flow in a flat tip case where the tip leakage mass flow varies linearly with gap height. The change in the length of the recess was almost linear.
したがって、詳細な流れ物理学の理解は、設計プロセスにおいて特に重要であり、3つの主要なテストケースのために次に調査される。第1のテストケースは平坦な先端ブレードである。第2のテストケースは、軸方向翼弦の80%の長さ及び先端間隙の2倍の深さを有し且つ縁部厚さが一定に維持される従来技術から知られる公称凹部キャビティである。このテストケースは、凹部キャビティにおける現在の設計を表わしている。最後のテストケースは、広範囲にわたる物理モデリング及び幾何学的摂動に基づいて新たに設計される凹部形状である。 Therefore, an understanding of detailed flow physics is particularly important in the design process and will be investigated next for three major test cases. The first test case is a flat tip blade. The second test case is a nominally recessed cavity known from the prior art with 80% length of the axial chord and twice the depth of the tip gap and with a constant edge thickness. . This test case represents the current design in the recessed cavity. The final test case is a newly designed recess shape based on extensive physical modeling and geometric perturbations.
図3は、2つの主要な流動構造を伴う平坦な先端101を有する一般的なタービンブレード100の周囲の流れ場を典型的な態様で示している。第1の主要な流動構造は、発生駆動流体が前縁において吸引側から先端間隙に入って約20%軸方向翼弦の後に再び先端間隙から出るときに生じる先端通過渦102である。更に前縁と約15%軸方向翼弦との間の圧力側で起こる先端漏れは、先端間隙を横断し、先端通過渦内で発生流と混合する。先端通過渦の供給はうまく編成される。この場合、分割流線を通過する流れが先端通過渦の形成を誘発する。先端通過渦を供給する引き続いて起こる圧力側漏れ流も確認することができる。
FIG. 3 illustrates in a typical manner the flow field around a
観察される第2の主要な流れ特性は、約15%軸方向翼弦で始まる圧力側から間隙を横断する先端漏れ流から生じる先端漏れ渦103である。先端通過渦を供給する圧力側漏れと先端漏れ渦外側流体層との間の分割流線を確認することができる。先端漏れ渦103における外側流体層は、漏れジェットを生成する圧力駆動される低い間隙剪断損失の主要部分に起因する。先端漏れ渦コアがブレード先端境界層流体によって形成される。 The second major flow characteristic observed is the tip leakage vortex 103 resulting from the tip leakage flow across the gap from the pressure side starting at about 15% axial chord. A split streamline between the pressure side leakage supplying the tip passing vortex and the tip leakage vortex outer fluid layer can be confirmed. The outer fluid layer in the tip leakage vortex 103 is due to the main part of the pressure driven low gap shear loss that generates the leaking jet. A tip leaking vortex core is formed by the blade tip boundary layer fluid.
ブレード平均キャンバラインに対して垂直な切断面は、良く知られた間隙流構造を明らかにする。先端漏れ流が圧力側から間隙内に入ると、剥離バブルが形成され、それにより、縮流部がもたらされる。縮流部から出る漏れジェットは、その後、間隙の下部に伴流を形成する。この伴流は、混合損失を形成するとともに、後に先端漏れ渦コアで見出される。伴流部よりも上側の漏れジェットは、しばしば、等エントロピジェットとしてモデリングされ、それが吸引側で間隙から出るときに軸方向位置に応じて先端漏れ渦コアの周囲に外側流体層を形成する。 A cutting plane perpendicular to the blade average camber line reveals a well-known interstitial flow structure. When the tip leakage flow enters the gap from the pressure side, a separation bubble is formed, thereby providing a constriction. The leaking jet exiting the constriction then forms a wake at the bottom of the gap. This wake forms a mixing loss and is later found in the tip leaking vortex core. The leaky jet above the wake is often modeled as an isentropic jet and forms an outer fluid layer around the tip leaky vortex core depending on the axial position as it exits the gap on the suction side.
図4は、その先端53に凹部52を有する図2に係るタービンブレード51の周囲の流動構造を概略的に示している。凹部52は、後縁62を除くそのほぼ全長にわたって周方向及び垂直方向(タービンブレードの長さ方向)で、略一定の壁厚を有している。なお、流動構造は、異なるタービンブレードロータ構造において幾分変化するタービンの空気力学的構造に依存しており、したがって、以下の説明と正確に一致しない場合がある。これにもかかわらず、現代の軸流高作業タービンにおいては流れ特性の多くが一般に同一のままであり、幾何学的な変化に関連する当業者研究及び感度が適用可能なままであると考えられている。全部で6つの主要な流れ特性がキャビティ流に影響を及ぼすことが分かった。圧力側の前縁60から始まって、通過のブレード前縁淀み点61の流体よりも上側の流体がキャビティ52内に入る。当該流体は、低い損失を伴って且つ前縁での流体の流れ角でキャビティを横断するとともに、ピーク吸引後直ぐにキャビティ底部とキャビティ吸引側壁との間の角部に衝突する。角部壁にぶつかった後、この圧力側前縁ジェットは、渦構造体Cへと巻き上がって、キャビティ52の内側で下流側へ移動し、部分的にキャビティ52から出るとともに、吸引通過流内に再び入る。吸引側の直ぐ最初の20%軸方向翼弦上の、先端クリアランス圧力勾配に起因して全圧力側20に沿ってキャビティに入る凹部縁上の境界層は、キャビティ底部とキャビティ壁との間の角部で渦Aへと巻き上がり、それにより、全圧力側20に沿ってキャビティの端部へと広がり、吸引側21の軸方向翼弦の20%までキャビティ壁に達する。軸方向翼弦の10%後、渦Cのこの吸引側部分は、キャビティに入る発生駆動吸引側漏れジェットによってキャビティ底部から離昇される。第3の重要な流れ特性は、ケーシング境界層流体が圧力側先端漏れジェットTLに抗して巻き上がるときに生じる渦Bである。この渦は、ケーシング壁上に留まり、図5に示されるようにキャビティの内側で圧力先端漏れをそらす。上記2つの垂直流動構造間で分割流線DS1が確立する。
FIG. 4 schematically shows the flow structure around the
20%軸方向翼弦の下流側において、圧力側漏れの流れ挙動は、漏れがキャビティ渦によってそらされてキャビティ渦と相互作用するという違いを伴って平坦な先端のケースと同様である。この流体は、吸引側で間隙を出た後、先端漏れ渦及び先端通過渦の外側層を再び形成する。先端通過渦のコアは、10%軸方向翼弦〜20%軸方向翼弦でキャビティに入って出るときにキャビティ角部渦から離昇する同じ発生先端漏れによって形成される。先端漏れ渦のコアは、圧力側漏れジェットがキャビティから出るときに生じる吸引側縁部での剥離バブルの背後の伴流である。 Downstream of the 20% axial chord, the flow behavior of the pressure side leak is similar to the flat tip case with the difference that the leak is deflected by the cavity vortex and interacts with the cavity vortex. After leaving the gap on the suction side, this fluid again forms the outer layer of tip leakage vortices and tip passing vortices. The core of the tip passing vortex is formed by the same generated tip leakage that lifts away from the cavity corner vortex as it enters and exits the cavity with 10% axial chord to 20% axial chord. The core of the tip leakage vortex is the wake behind the separation bubble at the suction side edge that occurs when the pressure side leakage jet exits the cavity.
キャビティの内側の流れ特性を更に明確にするため、圧力側前縁ジェットによって形成される渦の形成体の下流側に位置するキャンバラインに対して垂直な切断面が図5に示されている。上記3つの主要なキャビティ渦が参照される。ケーシング渦Bと縁部境界層巻き上げ渦Aとの間において、圧力側漏れは、圧力側前縁キャビティジェットによって引き起こされるキャビティ持ち上げ渦Cを横断する。2つの剥離バブルは、先端漏れジェットが間隙に入るときに外側ブレード壁に対して圧力側リム縁部で一方が形成され、先端漏れがキャビティから再び出るときにキャビティ壁を有する吸引側リム縁部で他方が形成される。先端漏れジェットは、渦が位置する高エントロピー領域間の低エントロピー領域として認識される。ケーシング渦はやや圧迫され、これは、ブレードの下流側で徐々に多くの流体が隣接する渦から混入する理由を説明する。 In order to further clarify the flow characteristics inside the cavity, a cut plane perpendicular to the camber line located downstream of the vortex former formed by the pressure side leading edge jet is shown in FIG. Reference is made to the three main cavity vortices. Between the casing vortex B and the edge boundary layer winding vortex A, the pressure side leakage traverses the cavity lifting vortex C caused by the pressure side leading edge cavity jet. Two stripping bubbles are formed on the pressure side rim edge against the outer blade wall when the tip leak jet enters the gap, and the suction side rim edge with the cavity wall when the tip leak exits the cavity again The other is formed. The tip leak jet is recognized as a low entropy region between the high entropy regions where the vortices are located. The casing vortex is somewhat squeezed, which explains why more fluid gradually enters the adjacent vortex downstream of the blade.
公称構造は、凹部キャビティ内に多くの渦構造を示した。特に、キャビティの前部はこれらの構造によって影響される。以上から分かるように、縁部からキャビティ内へと漏れる境界層流体は、キャビティ底部とキャビティ縁部壁との間の角部に沿って渦内で巻き上がる。新たな設計の目的は、ブレードの前部で再循環領域を排除して、空気力学的損失を最小限に抑え、ヘッド移動係数を減少させることであった。 The nominal structure showed many vortex structures in the recessed cavity. In particular, the front of the cavity is affected by these structures. As can be seen, boundary layer fluid leaking from the edge into the cavity rolls up in the vortex along the corner between the cavity bottom and the cavity edge wall. The purpose of the new design was to eliminate the recirculation zone at the front of the blade to minimize aerodynamic losses and reduce the head movement coefficient.
図6は、本発明に係るタービンブレード1の先端3の周囲の流れ分布を示している。凹部2は、周方向に可変壁厚tを有する壁4によって取り囲まれる。これにより、壁4は、タービンブレード1が全ての厚さにわたって最大値を有する領域において吸引側21で最大厚tを有する。凹部2の側面5においてそれぞれ壁4は、ここでは、タービンブレード1の長手方向軸と略平行(タービンブレード1の端面6に対して略垂直)に配置される。しかしながら、適用分野に応じて、他の構造が適する場合がある。1つの利点は、図示の構造を標準的な研削プロセスによって形成するのが比較的容易であるという点にある。
FIG. 6 shows the flow distribution around the
改良された構造の1つの効果は、再循環領域を圧力側前縁ジェットから分離する流線が移動されるという点である。図6には、キャビティ流れパターンに対する改良された構造の影響が示されている。前縁10での再循環が抑えられる。ここで、圧力側前縁ジェットが全キャビティ2内で広がる。ケーシング境界層流体は、渦Bへと巻き上がるとともに、圧力側前縁ジェットからの流体と相互作用する。このとき、公称構造における再循環で捕捉された流体は、キャビティ内に入るとともに、圧力側前縁ジェットによって再び押し出される。当該流体は、キャビティから出た後、先端通過渦を供給する。
One advantage of the improved structure is that the streamline separating the recirculation region from the pressure side leading edge jet is moved. FIG. 6 shows the effect of the improved structure on the cavity flow pattern. Recirculation at the
図7は、タービンブレード1の長手方向と平行な切断面に沿うタービンブレード1の先端3の周囲及びキャビティ2内の渦流パターンを示している。図示のように、タービンブレード1の端面6は、タービンのケーシング8から間隙12によって画成される。渦A,Bは積極的に相互作用している。したがって、渦Bは、ケーシングにもはや限定されず、全てのキャビティ容積を占めることができる。渦Cは、公称ケースにおける吸引側前縁再循環をもたらした流体によって形成される。当該渦は、この流体が圧力側前縁ジェットによってキャビティから押し出されつつキャビティ縁部で分離する際に形成される。
FIG. 7 shows the eddy current pattern around the
その後、3つのテストケースの空気熱力学的性能に関する結果が導入される。空気力学的性能において、先端漏れ質量流が調査される。なぜなら、それが全体の圧力損失に集中的に関与しているからである。熱伝達に対する新たな構造の影響を評価するため、ブレード先端壁上の累積熱流束ベクトル及びヌッセルト数分布が比較される。 Thereafter, results on the aerodynamic performance of the three test cases are introduced. In aerodynamic performance, tip leakage mass flow is investigated. Because it is intensively involved in the overall pressure loss. To assess the effect of the new structure on heat transfer, the cumulative heat flux vector and Nusselt number distribution on the blade tip wall are compared.
図8は、3つの調査されたテストケースに関する圧力側及び吸引側における前縁から後縁までの累積先端間隙質量流の変化を個別に示している。図中、xは長さを意味し、c axは軸方向翼弦を意味し、mdt*はブレード先端上にわたる漏れ質量流を軸方向距離の関数として示している。圧力側において、最も重要な特徴は、凹部キャビティが縁部の背後で開放する限り、直線的な増大と比較される平坦な先端における前縁から後縁までの累積先端間隙質量流の成長である。キャビティ後縁の下流側では、累積先端間隙質量流も、非直線的に変化し、両方の凹部構造において平坦な先端のケースに類似している。直線的増大は、圧力側では先端間隙入口及び吸引側では先端間隙出口での平均静圧変化によって説明されてもよい。 FIG. 8 individually shows the change in accumulated tip clearance mass flow from the leading edge to the trailing edge on the pressure and suction sides for the three investigated test cases. In the figure, x means length and c ax means axial chord, mdt * indicates the leakage mass flow over the blade tip as a function of axial distance. On the pressure side, the most important feature is the cumulative tip gap mass flow growth from the leading edge to the trailing edge at the flat tip compared to a linear increase as long as the recessed cavity opens behind the edge. . Downstream of the cavity trailing edge, the accumulated tip clearance mass flow also varies non-linearly and resembles a flat tip case in both recessed structures. The linear increase may be explained by the mean static pressure change at the tip gap inlet on the pressure side and at the tip gap outlet on the suction side.
図9に示されるように、静圧は、平坦な先端のケースでは、圧力側及び吸引側の両方において不均一に減少する。図は、軸方向長さに応じた静圧変化を示している。しかしながら、凹部ケースの場合、先端漏れがキャビティ内に入るときは常に静圧が一定のレベルを保ち、これは、圧力側間隙全体におけるケースであるが、発生流体がキャビティ内に入る吸引側の前部におけるケースでもある。凹部キャビティは、圧力が一定を保つリザーバのように作用する。シール効果及び結果として生じる累積先端間隙質量流の減少が明確に観察される。公称凹部ケースは、平坦な先端と比べると、漏れ質量流の23%の減少を示し、新たな構造は、平坦な先端と比べて間隙を横断する質量流が25%少なかった。 As shown in FIG. 9, static pressure decreases non-uniformly on both the pressure and suction sides in the case of a flat tip. The figure shows the static pressure change according to the axial length. However, in the case of a concave case, the static pressure always remains at a constant level when the tip leak enters the cavity, which is the case in the entire pressure side gap, but before the suction side where the generated fluid enters the cavity. It is also a case in the department. The recessed cavity acts like a reservoir where the pressure remains constant. The sealing effect and the resulting reduction of the accumulated tip clearance mass flow is clearly observed. The nominally recessed case showed a 23% reduction in leakage mass flow compared to the flat tip, and the new structure had 25% less mass flow across the gap than the flat tip.
図10は、ブレード吸引側における間隙出口での累積先端クリアランス質量流を示しており、平坦な先端ブレード(従来技術)、一定の壁厚を有する凹部(公称凹部、従来技術)、及び、可変壁厚を有する改良された凹部(本発明に係る新たな構造として示される)に関して示されている。発生駆動先端漏れ質量流は、平坦な先端のケースよりも凹部ケースの方でかなり激しい。発生漏れは、全ての3つのケースにおいて、前縁から22%軸方向翼弦まで達する。しかしながら、凹部キャビティに入る質量流の量は、平坦な先端における量のほぼ2倍である。これは、キャビティを、流体で満たされるべきリザーバとして作用する状態に再び維持する。キャビティ内に更に入った質量流の量の平坦先端間隙と比べた違いは、吸引側全体にわたる合計累積先端漏れ質量流における減少とほぼ正確に一致する。公称構造と新たな凹部構造との間に先端間隙質量流の大きな違いがないのが分かる。 FIG. 10 shows the accumulated tip clearance mass flow at the gap exit on the blade suction side, flat tip blade (prior art), recess with constant wall thickness (nominal recess, prior art), and variable wall. It is shown with respect to an improved recess having a thickness (shown as a new structure according to the invention). The generated drive tip leakage mass flow is much more severe in the recessed case than in the flat tip case. Occurrence leaks reach 22% axial chords from the leading edge in all three cases. However, the amount of mass flow that enters the recessed cavity is approximately twice that at the flat tip. This again maintains the cavity in a state that acts as a reservoir to be filled with fluid. The difference in the amount of mass flow further entering the cavity compared to the flat tip gap is almost exactly consistent with the decrease in total accumulated tip leakage mass flow across the suction side. It can be seen that there is no significant difference in tip clearance mass flow between the nominal structure and the new recessed structure.
図11は、3つの異なるタービンブレードの先端における熱伝達を示している。図11aは、図3に示されるような平坦な端面を有する一般的なタービンブレードのヌッセルト数(Nu数)分布を比較態様で示しているが、図11b及び11cは、従来技術(「公称」として示されている)及び本発明(「新」として示されている)に係る凹部を有するタービンブレードにおける分布を示している。高いヌッセルト数が全ての3つのケースにおいて前縁で起こる。これは、熱い流体がブレード先端と最初に接触し、熱伝達が最も高い場合である。圧力側縁部において、ヌッセルト数は、全ての3つのケースで同じ大きさを有する。公称凹部の薄い縁部は、新たな構造と比べて吸引側前部で同様の分布を示す。先端漏れ渦が生じると(約25%軸方向翼弦)、ヌッセルト数の値は、平坦な先端のケース及び公称凹部のケースの両方において減少する。しかしながら、この観察は、新たな構造の吸引側縁部において行なうことができない。平坦な先端及び公称凹部はいずれも、前縁において高いNu数を示す。しかしながら、新たな構造において、Nu数値は、キャビティ底部で高い数値に達しない。図11から、本発明に係る凹部を有する改良された構造(「新」として示される)と平坦な先端(「平坦」として示されている)との間の違いが視覚化される。より厚い縁部による吸引側再循環領域の遮断は、より高いヌッセルト数を縁部でもたらさなかった。 FIG. 11 shows heat transfer at the tip of three different turbine blades. FIG. 11a shows, in a comparative manner, the Nusselt number (Nu number) distribution of a typical turbine blade having a flat end face as shown in FIG. 3, while FIGS. 11b and 11c show prior art (“nominal”). And the distribution in a turbine blade having a recess according to the present invention (shown as “new”). A high Nusselt number occurs at the leading edge in all three cases. This is the case when the hot fluid first contacts the blade tip and has the highest heat transfer. At the pressure side edge, the Nusselt number has the same magnitude in all three cases. The thin edge of the nominal recess shows a similar distribution at the suction side front compared to the new structure. When a tip leakage vortex occurs (about 25% axial chord), the Nusselt number value decreases in both the flat tip case and the nominal recess case. However, this observation cannot be made at the suction side edge of the new structure. Both the flat tip and the nominal recess show a high Nu number at the leading edge. However, in the new structure, the Nu value does not reach a high value at the cavity bottom. From FIG. 11 the difference between an improved structure with a recess according to the invention (shown as “new”) and a flat tip (shown as “flat”) is visualized. Blocking the suction side recirculation zone with a thicker edge did not result in a higher Nusselt number at the edge.
図12は、異なるタービンブレードの熱負荷を視覚化している。一般的な平坦ブレード先端(「平坦」として示されている)のブレード先端及び従来技術(「公称」として示されている)並びに本発明(「新」として示されている)に係る凹部を有するブレード先端の累積熱流束ベクトルは、3つのテストケースにおいて熱負荷を与える。 FIG. 12 visualizes the heat load of different turbine blades. With a blade tip of a general flat blade tip (shown as “flat”) and a recess according to the prior art (shown as “nominal”) and the present invention (shown as “new”) The cumulative heat flux vector at the blade tip provides a thermal load in three test cases.
影響された壁タイプにしたがって熱負荷が分けられる図12から、以下の観察を行なうことができる。全体の予測先端熱負荷は、平坦な先端において最も高く、可変壁厚を有する改良された構造(「新たな」構造)において最も低い。平坦な先端と新たな構造との間の熱負荷の減少(約14%)は、公称と新たな凹部構造との間(7%)よりも約2倍高い。しかしながら、新たな構造も公称構造より高い熱負荷領域を有することに留意しなければならない。これは、キャビティ縁壁及び残りの後部平坦ブレード先端部が属するキャビティ壁及び先端縁におけるケースである。縁部厚さの増大及び更に深くて短いキャビティは、この増大する熱負荷の原因である。しかしながら、吸引側再循環領域の除去によってキャビティ内の前縁で流れ場を変えると、キャビティ底部での熱負荷の減少に有効であることも分かった。 From FIG. 12, where the heat load is divided according to the affected wall type, the following observations can be made. The overall predicted tip heat load is highest at the flat tip and lowest in the improved structure ("new" structure) with variable wall thickness. The reduction in thermal load (about 14%) between the flat tip and the new structure is about twice as high as between the nominal and new recess structure (7%). However, it should be noted that the new structure also has a higher heat load area than the nominal structure. This is the case at the cavity wall and tip edge to which the cavity edge wall and the remaining rear flat blade tip belong. Increased edge thickness and deeper and shorter cavities are responsible for this increased heat load. However, it has also been found that changing the flow field at the leading edge in the cavity by removing the suction side recirculation zone is effective in reducing the thermal load at the bottom of the cavity.
図13及び図14では、CFD予測からの計算結果(図3−12参照)が、スイス連邦工科大学(ETHZ)において極秘態様で行なわれた実験結果と比較される。平坦な先端及び新たな凹部構造ブレードは、ETHZ軸流タービン設備LISAで実験的に評価された。 In FIG. 13 and FIG. 14, the calculation result from CFD prediction (refer FIG. 3-12) is compared with the experimental result performed in the top secret mode in Swiss Federal Institute of Technology (ETHZ). The flat tip and the new recessed structure blade were experimentally evaluated in the ETHZ axial flow turbine facility LISA.
図13aは、平坦先端ブレードにおける14%軸方向翼弦下流ロータブレード後縁での実験的な相対全圧係数分布を示している。最初に、平坦な先端及び新たな凹部構造における予測された実験的な相対全圧損失係数が、ロータ後縁の14%軸方向翼弦下流に位置する2D軸方向切断面で比較される。図13aに示される平坦先端ブレードにおける実験データは、不安定流時の所定の点でのスナップ写真である。したがって、単列安定状態CFD結果において存在しない不安定流れ特性が解決される。不安定データの事実はまた、二次流渦及び先端漏れ渦を特定する低い相対全圧領域の変化を明らかにする。 FIG. 13a shows the experimental relative total pressure coefficient distribution at the trailing edge of the 14% axial chord downstream rotor blade in a flat tip blade. Initially, the predicted experimental relative total pressure loss coefficients at the flat tip and the new recess structure are compared at a 2D axial cut plane located 14% axial chord downstream of the rotor trailing edge. The experimental data for the flat tip blade shown in FIG. 13a is a snapshot at a given point during unstable flow. Thus, unstable flow characteristics that do not exist in single row steady state CFD results are resolved. The fact of instability data also reveals changes in the low relative total pressure region that identify secondary flow vortices and tip leakage vortices.
図13bは、単列安定状態計算からのCFD予測を示している。計算的に予測された相対全圧損失係数は、実験によって測定された二次流動構造を十分に良好な精度で解決する。ハブ及び先端通過渦は、それらの空間的延在及び損失の大きさの両方で捕らえられる。また、ロータブレードの後縁伴流はCFD結果において捕らえられる。しかしながら、先端クリアランス渦に関連付けられる損失領域は、前述したように実験と比べて過大予測される。 FIG. 13b shows CFD prediction from single row steady state calculations. The computationally predicted relative total pressure loss factor resolves the experimentally measured secondary flow structure with sufficiently good accuracy. Hubs and tip passing vortices are captured both by their spatial extension and the magnitude of the loss. Also, the trailing edge wake of the rotor blade is captured in the CFD result. However, as described above, the loss region associated with the tip clearance vortex is overestimated compared to the experiment.
図13cは、平坦先端ブレードにおけるロータブレード後縁の軸方向翼弦下流の14%における相対流れヨー角のCFD予測され且つ測定されたピッチ平均径方向分布を示している。図示のように、80%範囲〜100%範囲の先端漏れ渦に起因する相対ヨー角の変化は、大部分は、計算結果によって過大予測される。ハブ及び先端二次流動構造に起因する相対ヨー角変化の大きさは、うまく予測される。 FIG. 13c shows the CFD predicted and measured pitch average radial distribution of the relative flow yaw angle at 14% downstream of the axial chord downstream of the rotor blade trailing edge in a flat tip blade. As shown in the figure, the change in relative yaw angle caused by the tip leakage vortex in the 80% range to 100% range is largely overestimated by the calculation result. The magnitude of the relative yaw angle change due to the hub and tip secondary flow structure is well predicted.
図14a及び14bは、周方向で可変壁厚を有する本発明(「新たな」構造として示されている)に係る改良された凹部を有するタービンブレードにおける実験データ及びCFD予測データが比較されることを示している。図14aに示される実験データは、先と同様、不安定データのスナップ写真である。平坦なブレード先端及び新たな凹部構造におけるスナップ写真はいずれも同じ時間点で取得された。安定状態計算からのCFD予測相対全圧係数が図14bに示されている。この場合も、図示のように、予測CFD結果は、測定された流れ場によって取得される同じ特徴を解決する。ハブ及び先端通過渦を示す予測相対全圧損失係数は、実験データとうまく一致する。平坦な先端のケースにおいて留意される先端漏れ渦の過大予測は新たな凹部構造ケースでも見出される。平坦な先端のケースにおける計算的に予測された相対全圧損失係数と比べると、新たな凹部構造における先端漏れ渦損失コアの空間的延在が減少されたことに気付くことができる。 14a and 14b show that experimental data and CFD prediction data for turbine blades with improved recesses according to the present invention (shown as "new" structures) with variable wall thickness in the circumferential direction are compared. Is shown. The experimental data shown in FIG. 14a is a snapshot of unstable data as before. Snapshots of the flat blade tip and the new recessed structure were both taken at the same time point. The CFD predicted relative total pressure coefficient from the steady state calculation is shown in FIG. 14b. Again, as shown, the predicted CFD results resolve the same features obtained by the measured flow field. The predicted relative total pressure loss coefficients showing the hub and tip passing vortices are in good agreement with the experimental data. The overestimation of the tip leakage vortex noted in the flat tip case is also found in the new concave structure case. It can be noted that the spatial extension of the tip leakage vortex loss core in the new recess structure has been reduced compared to the computationally predicted relative total pressure loss factor in the flat tip case.
図14cは、新たな構造における測定され且つ予測されたピッチ平均相対流れヨー角分布を示している。CFD予測相対流れ角度分布は、範囲の約80%まで実験データと一致する。80%範囲〜100%範囲の部分は、先端漏れ渦によって影響される。ハブ及び先端における二次流れ特性が正確に予測されるのに対し、先端漏れ渦に起因する流れ角の違いはかなり過大予測される。 FIG. 14c shows the measured and predicted pitch average relative flow yaw angle distribution in the new structure. The CFD predicted relative flow angle distribution is consistent with experimental data up to about 80% of the range. The portion in the 80% range to 100% range is affected by the tip leakage vortex. While the secondary flow characteristics at the hub and tip are accurately predicted, the flow angle differences due to tip leakage vortices are considerably overpredicted.
図15には、平坦な先端及び新たな凹部構造における実験的に測定された相対ヨー角分布が、60%範囲から100%の範囲のケーシングまでの先端領域において与えられている。図示のように、新たな凹部構造は、平坦先端ブレードよりも少ない過剰回転を示している。この結果は、凹部キャビティが定まった過剰回転を担う先端漏れ渦に影響を及ぼすことを明確に示している。 In FIG. 15, the experimentally measured relative yaw angle distribution for the flat tip and the new recess structure is given in the tip region from the 60% range to the 100% range casing. As shown, the new recess structure exhibits less over-rotation than a flat tip blade. This result clearly shows that the recess cavity affects the tip leakage vortex responsible for over-determined rotation.
実験的に測定された性能データは、使用されるタービンにおいて「新たな」凹部構造が正に同じ全タービン作動状態で平坦な先端と比べたときに0.3%の全効率を有することを示している。両方の効率間の予測された違いは0.38%であった。これは、実験データと定量的にうまく一致する。 Experimentally measured performance data show that the “new” recess structure in the turbine used has an overall efficiency of 0.3% when compared to a flat tip at exactly the same all turbine operating conditions. ing. The expected difference between both efficiencies was 0.38%. This is in good agreement with the experimental data quantitatively.
予測された熱伝達は、オハイオ州立大学ガスタービン研究所によって与えられたデータと定量的に比較される[12]。ここで与えられた公称構造に類似する凹部キャビティを有するタービンブレードには、前縁、後縁及び中央の近傍のキャビティ底部で熱伝達を測定するために熱伝達ゲージが備えられた。また、縁部にも幾つかのゲージが備えられた。異なるベーン/ブレード間隔においてヌッセルト数が報告された。調査された場所におけるNu数の変化の傾向は類似している。最も高いNu数は前縁領域で見出される。第2の熱流束ゲージは、ピーク吸引から12.5%ブレード軸方向翼弦下流に位置された。これは、前縁におけるNu数のほぼ半分を報告している。また、これは、図11からの公称凹部ケースにおいても観察できる。最後に、80%キャビティ軸方向翼弦に対応する62%ブレード軸方向翼弦における第3のヒートゲージは、全てのベーン間隔においてほぼ同じNu数を報告し、これは、短い間隔における先のNu数に関して小さいベーン間隔において報告された。 The predicted heat transfer is quantitatively compared with data provided by the Ohio State University Gas Turbine Laboratory [12]. Turbine blades with recessed cavities similar to the nominal structure given here were equipped with heat transfer gauges to measure heat transfer at the cavity bottom near the leading, trailing and central edges. The edges were also equipped with several gauges. Nusselt numbers were reported at different vane / blade spacings. The trend of Nu number change at the investigated locations is similar. The highest Nu number is found in the leading edge region. The second heat flux gauge was located 12.5% blade axial chord downstream from the peak suction. This reports almost half of the Nu number at the leading edge. This can also be observed in the nominally recessed case from FIG. Finally, the third heat gauge at the 62% blade axial chord corresponding to the 80% cavity axial chord reports approximately the same Nu number at all vane intervals, which is the previous Nu at the short interval. Reported in small vane intervals with respect to numbers.
図16及び図17は、本発明に係るタービンブレードの幾つかの凹部の周方向の壁厚の分布を示している。タービンブレードの凹部の異なる形状を比較することが可能になるように、グラフは、y軸上で厚さtが基準厚t0に対して示されているという点で正規化された態様で示されている。図6を参照すると、壁4の局所的な厚さtは、タービンブレード1の側面7及び端面6によって形成されるタービンブレード1の外縁13に沿ってこれと垂直なタービンブレード1の端面6の高さで測定される。グラフでは、局所的な壁厚tが、いずれも周方向で、ブレード前縁淀み点0(0%周方向長さ)から始まってx軸上に示されており、これにより、タービンブレード1の後縁11の相対的な位置が値1(100%)及び1(−100%)のそれぞれによって示される。吸引側がプラス(+)であり、外形の圧力側がマイナス(−)である。グラフでは+0.6(+60%)〜+1(+100%)及び0.6(−60%)〜−1(−100%)の範囲にほぼ位置する後縁11は、この領域でタービンブレードの厚さが減少するため、図では考慮されていない。図示のように、壁厚tは、吸引側で増大するとともに、適用分野に応じて、+0.1(+10%)〜+0.4(+40%)相対長さ範囲で、タービンブレードの吸引側に(局所的な)最大値15を有する。他の実施形態において、最大値15は、+11%、19%、30%、37%(誤差±5%)にそれぞれ配置される。最大値15は、特定の実施形態では、タービンブレードの最大厚14の領域内に配置される。図示のグラフから読み取ることができるように、特定の実施形態は、厚さの局所的に減少される増大を伴って、+0.05(+5%)〜+0.15(+15%)の範囲内に肩部16を有している(例えば図6を参照)。一実施形態において、壁厚の増大(矢印17で示される)は、タービンブレードの圧力側、例えば0.1〜0の範囲で既に始まる。グラフから分かるように、特定の実施形態において、壁厚の増大及び減少は、一般に互いに類似しており、0.1正規化周方向長さ毎に300%〜400%の範囲内にある。グラフから更に読み取ることができるように、最大壁厚は、圧力側の最小壁厚よりも約5.5〜6.5倍厚い。
16 and 17 show the wall thickness distribution in the circumferential direction of several recesses of the turbine blade according to the present invention. The graph is shown in a normalized manner in that the thickness t is shown relative to the reference thickness t0 on the y-axis so that it is possible to compare different shapes of the turbine blade recesses. ing. Referring to FIG. 6, the local thickness t of the
圧力側において、特定の実施形態では、壁厚が一定であり、これは、この領域では一般にグラフの水平な進行によって示される。しかしながら、特定の実施形態(外形3参照)は、圧力側で局所的な最大値18を有していてもよい。
On the pressure side, in certain embodiments, the wall thickness is constant, which is generally indicated in this region by the horizontal progression of the graph. However, certain embodiments (see outline 3) may have a
本発明をその特定の実施形態に関連して説明してきたが、多くの他の変形及び変更並びに他の用途が当業者に明らかとなる。したがって、本発明は、本明細書中の特定の開示内容によって限定されず、添付の特許請求の範囲のみによって限定されることが好ましい。 Although the present invention has been described with reference to specific embodiments thereof, many other variations and modifications and other uses will become apparent to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is preferably not limited by the specific disclosure herein, but only by the appended claims.
Claims (15)
前記端面(6)が、空気力学的なシールとして作用するように形成される凹部(2)を備える、タービンブレード(1)において、
前記凹部(2)が、当該タービンブレード(1)の周方向において変化する壁厚(t)を有する側壁(4)によって画成されることを特徴とする、タービンブレード。 A side surface (7) having an aerodynamic profile and an end surface (6) disposed at a mounting position in the turbine defined by a gap (12) from a casing (8) of the turbine;
In the turbine blade (1), the end face (6) comprises a recess (2) formed to act as an aerodynamic seal,
Turbine blade, characterized in that the recess (2) is defined by a side wall (4) having a wall thickness (t) that varies in the circumferential direction of the turbine blade (1).
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Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2725194B1 (en) | 2012-10-26 | 2020-02-19 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG | Turbine rotor blade of a gas turbine |
US10048144B2 (en) * | 2013-07-12 | 2018-08-14 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Method and system for applying a compressive preload |
FR3023635B1 (en) * | 2014-07-10 | 2018-05-25 | Safran Aircraft Engines | METHOD FOR MODELING A BATHTUB OF A DAWN |
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CN115203833B (en) * | 2022-05-29 | 2023-07-07 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | Air-cooled turbine movable blade modeling method for suction side exhaust |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6142739A (en) * | 1996-04-12 | 2000-11-07 | Rolls-Royce Plc | Turbine rotor blades |
US20020182074A1 (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-05 | Bunker Ronald Scott | Film cooled blade tip |
US20020197160A1 (en) * | 2001-06-20 | 2002-12-26 | George Liang | Airfoil tip squealer cooling construction |
US20050232771A1 (en) * | 2004-04-17 | 2005-10-20 | Harvey Neil W | Turbine rotor blades |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4097192A (en) * | 1977-01-06 | 1978-06-27 | Curtiss-Wright Corporation | Turbine rotor and blade configuration |
US6086328A (en) * | 1998-12-21 | 2000-07-11 | General Electric Company | Tapered tip turbine blade |
US20060073022A1 (en) * | 2004-10-05 | 2006-04-06 | Gentile David P | Frequency tailored thickness blade for a turbomachine wheel |
US7604461B2 (en) * | 2005-11-17 | 2009-10-20 | General Electric Company | Rotor blade for a wind turbine having aerodynamic feature elements |
-
2007
- 2007-01-15 JP JP2008549883A patent/JP2009523211A/en active Pending
- 2007-01-15 EP EP07703852A patent/EP1977083A1/en not_active Withdrawn
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6142739A (en) * | 1996-04-12 | 2000-11-07 | Rolls-Royce Plc | Turbine rotor blades |
US20020182074A1 (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-05 | Bunker Ronald Scott | Film cooled blade tip |
US20020197160A1 (en) * | 2001-06-20 | 2002-12-26 | George Liang | Airfoil tip squealer cooling construction |
US20050232771A1 (en) * | 2004-04-17 | 2005-10-20 | Harvey Neil W | Turbine rotor blades |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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Mischo et al. | Flow physics and profiling of recessed blade tips: impact on performance and heat load | |
Zhou et al. | Squealer geometry effects on aerothermal performance of tip-leakage flow of cavity tips | |
Jiang et al. | Effects of the squealer winglet structures on the heat transfer characteristics and aerodynamic performance of turbine blade tip | |
Lu et al. | Mechanism of the interaction between casing treatment and tip leakage flow in a subsonic axial compressor | |
Jang et al. | Optimal design of swept, leaned and skewed blades in a transonic axial compressor | |
JP2009523211A (en) | Turbine blade having a concave tip | |
CN114718659A (en) | Turbine blade tip clearance flow control method for coupling radial ribs and circumferential grooves | |
Wanjin et al. | Effects of leaning and curving of blades with high turning angles on the aerodynamic characteristics of turbine rectangular cascades | |
Huang et al. | Investigations on the aerothermal performance of the turbine blade winglet squealer tip within an uncertainty framework | |
Chen et al. | Effects of combined sweeping jet actuator and winglet tip on aerodynamic performance in a turbine cascade | |
CN110032784B (en) | Low-speed modeling design method of high-speed axial flow compressor with sealing labyrinth | |
Shi et al. | Numerical study on effect of design parameters of the single-circumferential groove on tip leakage flow reduction in a transonic turbine | |
Cao et al. | Blade lean and tip leakage flows in highly loaded compressor cascades | |
Mischo et al. | Flow physics and profiling of recessed blade tips: Impact on performance and heat load | |
Zhu et al. | Impact of hub gap leakage on stator endwall flow in an axial compressor stage with casing treatment | |
Cui et al. | Effect of leading-edge optimization on the loss characteristics in a low-pressure turbine linear cascade | |
Jung et al. | An investigation on aerodynamics loss mechanism of squealer tips of a high pressure turbine blade using URANS | |
Maral et al. | A parametric and computational aerothermal investigation of squealer tip geometry in an axial turbine: a parametric approach suitable for future advanced tip carving optimizations | |
Kikuchi et al. | Detailed studies on aerodynamic performance and unsteady flow behaviors of a single turbine stage with variable rotor-stator axial gap | |
Zhou et al. | A novel suction side winglet design method for high pressure turbine rotor tips | |
da Silva et al. | A study of the heat transfer in Winglet and Squealer rotor tip configurations for a non-cooled HPT blade based on CFD calculations | |
Ma et al. | Numerical investigation of effects of non-uniform tip clearance on flow field inside a turbine cascade | |
Ye et al. | Investigations of heat transfer and film cooling effect on a worn squealer tip | |
Tong et al. | Numerical investigation of high pressure turbine blade tip-shaping effects on the aerothermal and dynamic performance | |
Li et al. | The use of blended blade and end wall in compressor cascade: Optimization design and flow mechanism |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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