JP5449087B2 - 翼体 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ガスタービン圧縮機や車両用冷却ファンなどの流体機械用や、航空機用等の翼体に関するものである。

一般に、流体機械や航空機に用いられる翼体は、翼表面が前縁部と後縁部とを基準として、流体から圧力を受ける正圧面と、正圧面に作用する圧力に対して相対的に負圧となる負圧面とに区分されている。例えば、ガスタービン圧縮機や車両用冷却ファンに用いられる翼体は、翼形状（前縁と後縁を結んだ翼弦に沿って、翼長方向に直交する断面）が弓型状に形成されており、正圧面に沿って流れる流体の圧力を上昇させると共に、負圧面に沿って流れる流体の圧力を相対的に負圧とし、これにより駆動力を発生させている。

このような翼体は、所定の風量、静圧、回転数等の設計動作点が定められて、翼形状が最適なものとなるようにされている。ところが、実際の使用においては、上記の設計動作点よりも高負荷で使用される場合があり、負圧面に沿って流れる流体が剥離して、騒音や翼性能の低下を招いてしまう。

下記特許文献１に記載の翼体は、翼前縁付近の平均表面粗さを、正圧面側及び負圧面側の平均表面粗さより粗く形成すると共に、その粗さを、流動流体に乱流遷移を起こさせる粗さに形成している。すなわち、この翼体は、負圧面に沿って流れる作動流体を強制的に乱流遷移させて、負圧面に生じる剥離を抑止しようとしている。

また、下記特許文献２の翼体では、背高が最も高くされた頂角が気流の上流端に設置され、後流側に向けて背面高さを直線的に減少させると共に、横幅を直線的に増大させた平面視が三角形にされたプラウ材を翼面に設けている。これにより、気流がプラウ材を乗り越える際に生じる縦渦によって、翼面に生じる流れの剥離を抑止できるとされている。

特開２０００−１０４５０１号公報 特開２００３−１０８１４４号公報

しかしながら、上記特許文献１の翼体は、翼前縁付近の平均表面粗さを調整して乱流遷 移を起こさせるものであるが、単に乱流遷移を起こさせるだけでは、剥離抑制効果が小さいという問題がある。特に、流体に粉塵が含まれる場合には、翼前縁表面の凹部に粉塵が堆積するために乱流遷移の効果が低下して、剥離抑制効果がさらに小さくなってしまうという問題がある。

また、上記特許文献２の翼体は、翼面にプラウ材を設けて縦渦を発生させるものであるが、このような突起物を気流の上端端に配置すると、剥離が生じ難い状態においては流動抵抗として機能してしまうという問題がある。また、剥離が生じ易い流れの状態においては、プラウ材よりも上流側で生じる剥離を抑制することができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、負圧面における流れの剥離を、最小限の流動抵抗で効果的に抑制することができる翼体を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の翼体は、前縁部と後縁部とを接続し圧力が作用する正圧面と、該正圧面と対向して設けられ、前縁部から後縁部へと凸状に湾曲して形成され、正圧面に作用する圧力に対して相対的に負圧が作用する負圧面と、該負圧面側に、前記前縁部に沿って設けられ、前記正圧面側に窪んで前記負圧面との間に段差を形成するとともに、翼長方向の幅寸法が前縁部側の始端から後縁部側の終端に向かうに従って漸次小さくなるように形成され、底面、及び該底面と前記負圧面との間で前記段差を形成する側面を有する切欠段差部と、該切欠段差部よりも後縁部側で、前記負圧面の前縁部から後縁部へ向かう曲率が最大となる最大転向部または該最大転向部よりも前縁部側に突出して設けられた突起部とを備えることを特徴としている。

この構成によれば、前縁部に切欠段差部が設けられているので、負圧面側に流れた流体の一部は、まず切欠段差部に流入して、この切欠段差部から負圧面に乗り上げる。この負圧面に乗り上げた流体は、乗り上げる際に巻き込むようにして縦渦を形成し、この縦渦が負圧面に沿って下流側へと流れていく。すなわち、この縦渦が負圧面近傍に高エネルギ流体を誘引して負圧面近傍の境界層の発達を抑制するので、剥離抑制効果を大きくすることができる。また、前縁部に沿って切欠段差部を設けているので、負圧面の上流側で生じる剥離を効果的に抑制することができる。さらに、切欠段差部が正圧面側に窪んでいるので、負圧面に突起物を設けた場合と比較して、流動抵抗を小さくすることができる。その一方で、負圧面において、切欠段差部より下流側で、曲率が最大となる最大転向部または最大転向部より前縁側には、突起部が設けられ、該突起部により負圧面に沿う流れには縦渦が改めて形成される。このため、流れの向きが大きく変わることで比較的剥離が生じやすい最大転向部において、切欠段差部によって形成される縦渦が弱まってしまったとしても、突起部よって発生する縦渦によって剥離が生じてしまうことを効果的に抑制することができる。

また、上記の翼体において、前記切欠段差部の前記側面は、前記始端から前記終端へかけて凸面状に形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、切欠段差部の段差を形成する面が始端から終端にかけて凸面状に形成されていることで、互いに対向する段差を形成する面同士の間隔で規定される切欠段差部の幅は、始端において大きく設定されているとともに、始端から中間部にかけて高い減少率で減少する。その一方、中間部から終端部へかけては、切欠段差部の幅は、小さな幅で比較的低い減少率で減少していく。従って、始端においては、負圧面側に流れる流体を効果的に切欠段差部に流入させるととともに、幅が高い減少率で減少することで切欠段差部に流入した流体を流出させて縦渦を発生させるようにさせ、さらに中間部から終端にかけては比較的に低い減少率で減少することで、中間部から終端にわたって全体でバランス良く流体を流出させて縦渦を形成することができる。

また、上記の翼体において、前記切欠段差部は、前縁部側から後縁部側に向かう方向視した断面積の変化率が、前縁部側の少なくとも途中から後縁部側へかけて一定となるように形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、切欠段差部の断面積の変化率が前縁部側の少なくとも途中から後縁部側へかけて一定となっていることで、当該一定の変化率となる範囲全体において、一定流量で流体を流出させて均一な縦渦を形成して効果的に剥離を抑制することができる。

また、上記の翼体において、前記切欠段差部及び前記突起部は、翼長方向に互いに異なる位置となるように複数設けられていることを特徴としている。

この構成によれば、切欠段差部と突起部とが翼長方向に互いに異なる位置としていることで、切欠段差部で発生する縦渦と突起部で発生する縦渦とを互いに重ならないようにすることができ、翼長方向全体にわたってバランス良く縦渦を発生させて剥離を抑制することができる。

また、上記の翼体において、前記突起部は、前記負圧面の曲率が大きくなるのに応じて前記負圧面から突出する高さが高くなるようにして、前縁部側から後縁部側へ向かって複数設けられていることを特徴としている。

この構成によれば、突起部が前縁部から後縁部へ向かって複数設けられていることで、切欠段差部及び複数の突起部によって、前縁部から後縁部へ向かって段階的に縦渦を発生させることができる。また、前縁部から後縁部へ向かって負圧面の曲率に応じて突起部の突出する高さが高くなるようになっていることで、曲率の高い箇所ではより効果的に縦渦を発生させて剥離を抑制しつつ、曲率の比較的低く剥離が生じにくい箇所では流動抵抗を最小限に抑えることができる。

また、本発明の翼体は、前縁部と後縁部とを接続し圧力が作用する正圧面と、該正圧面と対向して設けられ、前縁部から後縁部へと凸状に湾曲して形成され、正圧面に作用する圧力に対して相対的に負圧が作用する負圧面と、前記負圧面側に、前記前縁部に沿って設けられ、前記正圧面側に窪んで前記負圧面との間に段差を形成するとともに、翼長方向の幅寸法が前縁部側から後縁部側に向かうに従って漸次小さくなるように形成され、底面、及び該底面と前記負圧面との間で前記段差を形成する側面を有する切欠段差部とを備え、該切欠段差部の前記側面は、前縁部側の始端から、後縁部側の終端へかけて凸面状に形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、前縁部に切欠段差部が設けられているので、負圧面側に流れた流体の一部は、まず切欠段差部に流入して、この切欠段差部から負圧面に乗り上げる。この負圧面に乗り上げた流体は、乗り上げる際に巻き込むようにして縦渦を形成し、この縦渦が負圧面に沿って下流側へと流れていく。すなわち、この縦渦が負圧面近傍に高エネルギ流体を誘引して負圧面近傍の境界層の発達を抑制するので、剥離抑制効果を大きくすることができる。また、前縁部に沿って切欠段差部を設けているので、負圧面の上流側で生じる剥離を効果的に抑止することができる。さらに、切欠段差部が正圧面側に窪んでいるので、負圧面に突起物を設けた場合と比較して、流動抵抗を小さくすることができる。また、切欠段差部の段差を形成する面が始端から終端にかけて凸面状に形成されていることで、互いに対向する段差を形成する面同士の間隔で規定される切欠段差部の幅は、始端において大きく設定されているとともに、始端から中間部にかけて高い減少率で減少する。その一方、中間部から終端部へかけては、切欠段差部の幅は、小さな幅で比較的低い減少率で減少していく。従って、始端においては、負圧面側に流れる流体を効果的に切欠段差部に流入させるととともに、幅が高い減少率で減少することで切欠段差部に流入した流体を流出させるようにさせて縦渦を発生させるようにさせ、さらに中間部から終端にかけては比較的に低い減少率で減少することで、中間部から終端にわたってバランス良く流体を流出させて縦渦を形成することができる。

また、上記の翼体において、前記切欠段差部の前記側面は、前記負圧面と共に稜辺を形成する絶壁面とされていることを特徴としている。

この構成によれば、切欠段差部に流入した流体が絶壁面に衝突又は絶壁面に沿って流れ
て、負圧面に乗り上げる際に稜辺を巻き込むようにして強い縦渦を形成するので、境界層
の発達をさらに抑制し、剥離抑制効果をより大きくすることができる。

また、上記の翼体において、前記切欠段差部の底面は、前記始端から前記終端に進むに従って漸次浅くなり、前記終端が曲率をもって前記負圧面と滑らかに接続されていることを特徴としている。

この構成によれば、切欠段差部に流入した流体のうち終端まで流れたものが滑らかに負
圧面へと導かれるので、圧力損失の増大を抑制することができる。

また、上記の翼体において、前記切欠段差部は、前記前縁部に沿って複数設けられ、隣接する二つの前記切欠段差部の間には、前記負圧面の法線方向から見て前記負圧面が略三角形状に残存したデルタ部が形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、切欠段差部が翼前縁に沿って複数連続的に設けられているので
、翼幅方向の広い範囲において縦渦を形成することができる。これにより、翼幅方向の広
い範囲において、剥離を抑制することができる。

本発明の翼体によれば、負圧面における流れの剥離を、最小限の流動抵抗で効果的に抑制することができる。

本発明の第１の実施形態のガスタービンの概要図である。 本発明の第１の実施形態のガスタービンの圧縮機において、圧縮機動翼の詳細を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の圧縮機動翼において、翼長方向に直交する断面図である。 本発明の第１の実施形態の圧縮機動翼において、前縁部及び負圧面の詳細を示す部分斜視図である。 図４の切断線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 図４のＩＩＩ矢視した平面図である。 本発明の第１の実施形態の圧縮機動翼において負圧面の形状を表すグラフであって、（ａ）負圧面上の翼弦に沿う位置と、翼弦と負圧面の接線とがなす角との関係を表すグラフ、（ｂ）負圧面上の翼弦に沿う位置と、翼弦と負圧面の接線とがなす角の変化率との関係を表すグラフである。 本発明の第１の実施形態の圧縮機動翼の作用説明図であって、低負荷運転時の状態を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の圧縮機動翼の作用説明図であって、低負荷運転時の状態を示す部分斜視図である。 本発明の第１の実施形態の圧縮機動翼の作用説明図であって、高負荷運転時の状態を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例の圧縮機動翼において、前縁部及び負圧面の詳細を示す部分斜視図である。 本発明の第２の実施形態の圧縮機動翼の前縁部及び負圧面の詳細を示す部分平面図である。 本発明の第２の実施形態の圧縮機動翼の前縁部の詳細を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態の圧縮機動翼において切欠段差部の形状を表すグラフであって、（ａ）始端からの位置と切欠段差部の幅との関係を表すグラフ、（ｂ）始端からの位置と切欠段差部の深さとの関係を表すグラフ、（ｃ）始端からの位置と切欠段差部の断面積との関係を表すグラフ、（ｄ）始端からの位置と切欠段差部の断面積の変化率との関係を表すグラフである。 本発明の第３の実施形態の圧縮機動翼の詳細を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の圧縮機動翼において、翼長方向に直交する断面図である。 本発明の翼体を適用した他の実施形態としてプロペラファンを示す正面図である。 図１７に示すプロペラファンの翼体の詳細を示す斜視図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係る第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の翼体を適用した一例として、ガスタービンを示している。
図１に示すように、ガスタービン１は、ロータ２と、圧縮空気を生成する圧縮機３と、圧縮機３から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスＧを生成する燃焼器４と、燃焼器４から供給される燃焼ガスＧにより回転駆動するタービン５とを備える。圧縮機３は、ロータ２の外周に配された圧縮機ケーシング３ａと、ロータ２に固定されて環状に配列された複数の圧縮機動翼３ｂと、圧縮機ケーシング３ａに支持されて環状に配列された複数の圧縮機静翼３ｃとを備え、圧縮機動翼３ｂ及び圧縮機静翼３ｃは、タービン軸方向Ｒに複数段交互に配されている。また、タービン５は、ロータ２の外周に配されて内部を燃焼ガス流路Ｆとするタービンケーシング５ａと、ロータ２に固定され環状に配列された複数のタービン動翼５ｂと、タービンケーシング５ａに支持されて環状に配列された複数のタービン静翼５ｃとを備え、タービン動翼５ｂ及びタービン静翼５ｃは、タービン軸方向Ｒに複数段交互に配されている。そして、第１の実施形態では、圧縮機動翼３ｂに、本発明の一態様を示す翼体が適用されている。以下に詳細を示す。

図２に示すように、圧縮機動翼３ｂは、断面が翼型をなす翼本体１０と、翼本体１０の基端から張り出すように設けられたプラットフォーム１１と、プラットフォーム１１から基端側へ突出した翼根１２とを備える。翼根１２は、ロータ２に形成された図示しない翼溝と対応する形状のセレーション１２ａが形成されており、該翼根１２を図示しない翼溝に嵌合させることで、圧縮機動翼３ｂは翼本体１０の翼長方向Ｙがロータ２の径方向となるようにしてロータ２に固定される。

翼本体１０は、圧縮空気の気流の流れ方向上流側の前縁部１３と、流れ方向下流側の後縁部１４と、前縁部１３と後縁部１４とを接続し圧力が作用する正圧面１５と、正圧面１５と対向して設けられて正圧面１５に作用する圧力に対して相対的に負圧が作用する負圧面１６とを備える。図３に示すように、本実施形態では、翼本体１０は、翼長方向Ｙに直交する断面において、正圧面１５が凸状の曲面をなし、負圧面１６が凹状の曲面をなし、前縁部１３側から後縁部１４側へかけて次第に幅寸法が小さくなるようにして全体として弓形に形成されている。また、前縁部１３及び後縁部１４の表面は、正圧面１５及び負圧面１６を滑らかに接続するように、翼長方向Ｙに直交する断面において略円弧状となる曲面に形成されている。なお、このような圧縮機動翼３ｂは、所定の風量、静圧、回転数等の設計動作点が定められて、翼型が最適なものとなるように設計されている。

また、図２及び図３に示すように、翼本体１０は、負圧面１６側に前縁部１３に沿って設けられ、正圧面１５側に窪んで負圧面１６との間に段差を形成する切欠段差部２０と、切欠段差部２０よりも後縁部１４側に設けられた突起部２１とを備える。負圧面１６には、前縁部１３に沿って複数の切欠段差部２０が連続的に形成されており、隣接する切欠段差部２０の間には、デルタ部２２が形成されている。

図４は、切欠段差部２０及び突起部２１の拡大斜視図であり、図５は、図４におけるＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図６は、図４におけるＩＩＩ矢視図である。
図６に示すように、切欠段差部２０は、負圧面１６の法線方向から見て二等辺三角形状となっており、後縁部１４側の終端２０ｂを後縁部１４側に頂点を向け、前縁部１３側の始端２０ａを底辺とするように形成されている。すなわち、この切欠段差部２０は、翼長方向Ｙの幅寸法Ｐが、前縁部１３側の始端２０ａから後縁部１４側の終端２０ｂに進むに従って漸次小さくなっている。

図３に示すように、この切欠段差部２０は、翼弦長をＬ（前縁部１３と後縁部１４とを結んだ直線の長さ）、切欠長をＤ（始端２０ａと終端２０ｂとを結んだ直線の長さ）とすると、本実施形態ではＤ／Ｌ＝０．０５となるように形成されている。

図５に示すように、この切欠段差部２０は、底面２０ｃと、この底面２０ｃと負圧面１６との間で段差を形成する側面２０ｄ、２０ｅとを備えている。底面２０ｃは、始端２０ａで前縁部１３の表面１３ａに接続されているとともに、終端２０ｂで負圧面１６に接続されている。また、側面２０ｄ、２０ｅは、絶壁面として負圧面１６と共に稜辺（角張った辺）２３を形成しており、また、底面２０ｃと共にθ＝９０°となる角隅部２４を形成している。

図６に示すように、デルタ部２２は、負圧面１６の法線方向から見て、負圧面１６が二等辺三角形状に残存した部位であり、切欠段差部１６の形状及び配置関係から、前縁部１３側に頂点を向け、後縁部１４側に底辺を向けている。
図６に示すように本実施形態では、デルタ部２２は、頂点におけるなす角である頂角αが６０°となるように設定されている。
また、図５に示すように、切欠段差部２０の深さ、すなわち底面２０ｃからデルタ部２２の負圧面１６までの高さ（より厳密には、翼型において底面２０ｃと負圧面１６とに接する内接円の直径）をＨとし、隣接する切欠段差部２０の終端２０ｂ間の寸法をＷとすると、本実施形態ではＨmax／Ｗを０．３としている。

また、図３及び図４に示すように、突起部２１は、例えば三角錘状に形成されており、負圧面１６に接続される底面を構成する三角形の一頂点２１ａを前縁部１３側へ向けるようにして配置されている。また、突起部２１において、前縁部１３側へ向けた当該頂点２１ａと、底面と対向し負圧面１６から突出した頂点２１ｂとを結ぶ稜線２１ｃの負圧面１６に対する傾斜に対して、当該稜線２１ｃと対向する後縁部１４側を向く側面２１ｄの負圧面１６に対する傾斜がなだらかな角度となるように設定されている。図７は、負圧面形状の一例を表すものであり、（ａ）が翼長方向に直交する断面において、負圧面上における翼弦方向の位置と、負圧面の接線の翼弦に対する角度φとの関係を示すグラフであり、（ｂ）が負圧面上における翼弦方向の位置と、角度φの変化率、すなわち負圧面の曲率との関係を示すグラフである。なお、負圧面上における翼弦方向の位置は、負圧面の前縁部との接続部を０とし、当該接続部からの距離Ｎによって表している。図７（ａ）に示すように、本例では、前縁部側で翼弦に対して一定の角度を有し、後縁部側に向かうに従って角度が大きく変化して次第に翼弦と平行、すなわちなす角度φが０に近づき、その後翼弦とのなす角度が負の値となることで、全体として凸状の曲面を形成している。また、図７（ｂ）に示すように、負圧面の曲率は、前縁部から中間部にかけて次第に高くなり、ある位置で曲率が最大となる最大転向部となり、その後、後縁部１４に向かうに従って曲率が小さくなっている。そして、図３に示すように、突起部２１は、翼長方向Ｙに直交する断面において、この負圧面１６の前縁部１３から後縁部１４へ向かう曲率が最大となる最大転向部Ｍに設けられている。さらに、本実施形態において、突起部２１は、切欠段差部２０と翼長方向Ｙの位置が異なるようにして、すなわち、切欠段差部２０同士の間に形成されたデルタ部２２と翼長方向Ｙの位置が一致するようにして配置されている。

次に、上記の構成からなる翼体１０の作用について説明する。
まず、図１に示すように、ロータ２７が回転駆動して、圧縮機３において圧縮機動翼３ｂが回転することで、吸気された空気は圧縮機動翼３ｂにより圧縮され、圧縮空気となって燃焼器４に供給される。この際、圧縮機動翼３ｂによって圧縮される空気は、前縁部１３において正圧面１５に沿った気流と負圧面１６に沿った気流とに分かれて後縁部１４側へと流れ、該後縁部１４から、その後方の圧縮機静翼３ｃ間へと流入する。

正圧面１５に沿った気流は、正圧面１５に沿って流れる過程で、徐々に圧力が高められて後縁部１４から排出される。一方、負圧面１６に沿った気流は、その一部が切欠段差部２０によって縦渦Ｔ１となって、負圧面１６に沿って後方に流れていく。さらに、負圧面１６に沿って後方に流れる気流は、その一部が突起部２１に衝突して縦渦Ｔ２となって負圧面１６に沿って後縁部１４側まで流れていく。以下、気流に対する切欠段差部２０及び突起部２１の作用の詳細を説明する。

まず、切欠段差部２０における縦渦形成の作用について説明する。
図８及び図９に示すように、前縁部１３から負圧面１６に沿って流れた気流の大部分が複数に分かれて各切欠段差部２０に流入する。そして、この切欠段差部２０に流入した気流が側面２０ｄ、２０ｅに衝突又は側面２０ｄ、２０ｅに沿って流れ、このうちの一部が近接する負圧面１６に乗り上げる。この際、負圧面１６に乗り上げた気流は、図８に示すように、稜辺２３を巻き込むようにして強い縦渦Ｔ１を形成する。そして、図９に示すように、各稜辺２３において、始端２０ａ側から終端２０ｂ側に進むに従って徐々に縦渦Ｔ１が大きく、強いものとなっていく。換言すれば、縦渦Ｔ１の中心が稜辺２３に沿って翼長方向Ｙに移動しながら縦渦Ｔ１が大きくなり、終端２０ｂに達すると縦渦Ｔ１が下流に向けて流れていく。このようにして形成された縦渦Ｔ１は、負圧面１６の下流側まで良好に維持される。

圧縮機３の所定の設計動作点を下回る運転時（低負荷運転時）においては、図８に示すように、前縁部１３に対する気流の流入角度は想定内のものとなり、負圧面１６においても流れの剥離が生じ難い。このような状態であっても、切欠段差部２０は、縦渦Ｔ１を形成するが、正圧面１５側に窪んでいるために、気流に対する流動抵抗としては小さなものとなる。

圧縮機３の所定の設計動作点を上回る運転時（高負荷運転時）においては、図１０に示すように、前縁部１３に対する気流の流入角度が想定外のものとなって、負圧面１６の上流側で流れの剥離が生じ易くなる。このような状態であっても、切欠段差部２０によって形成された縦渦Ｔ１が、負圧面１６の上流側において高エネルギ流体を誘引する。すなわち、この高エネルギ流体が負圧面１６近傍に誘引されることにより、低エネルギとなる境界層の発達が抑制され、剥離の発生を阻害する。

一方、突起部２１では、前縁部１３側の稜線２１ｃで翼長方向Ｙに分岐した気流は、稜線２１ｃを形成する両側面に沿って流れ、これら側面と後縁部１４側に面する側面２１ｄとの間に形成する稜線を乗り越え、この時に強い縦渦Ｔ２を形成する。ここで、突起部２１は、負圧面１６において曲率が最大となる最大転向部Ｍに設けられている。このため、切欠段差部２０によって形成された縦渦Ｔ１が弱まってしまったとしても、あらためて突起部２１によって縦渦Ｔ２が形成されることにより、負圧面１６に沿う気流が曲率が大きくなる最大転向部Ｍ及びその近傍において剥離してしまうことを効果的に抑制することができる。

以上のように、本実施形態の圧縮機動翼３ｂでは、切欠段差部２０によって流動抵抗が増大を抑えつつ、前縁部１３において縦渦Ｔ１を発生させて前縁部１３から下流側での剥離を効果的に抑制するとともに、負圧面１６上において縦渦Ｔ２を発生させて剥離を抑制し得る突起部２１を、最も剥離が生じやすい最大転向部Ｍに配置することで、流動抵抗を最小限に抑えつつ効果的に剥離を抑制することができる。このような圧縮機動翼３ｂが複数設けられた圧縮機３では、高負荷運転時においても、剥離に起因する振動などが発生してしまうことなく、安定的に作動して空気を圧縮し、燃焼器４に供給することができる。

また、本実施形態では、切欠段差部２０において側面２０ｄ、２０ｅが負圧面１６と稜辺２３を形成しているので、気流が側面２０ｄ、２０ｅに衝突又は側面２０ｄ、２０ｅに沿って流れて負圧面１６に乗り上げる際に、稜辺２３を巻き込むようにして強い縦渦Ｔ１を形成する。これにより、境界層の発達をさらに抑制し、剥離抑制効果をより大きくすることができる。

また、切欠段差部２０が前縁部１３に沿って複数連続的に設けられているので、翼長方向Ｙの広い範囲において縦渦Ｔ１を形成することができる。これにより、翼長方向Ｙの広い範囲において、気流の剥離を抑制することができる。また、切欠段差部２０と突起部２１とが翼長方向Ｙに互いに異なる位置としていることで、切欠段差部２０で発生する縦渦Ｔ１と突起部２１で発生する縦渦Ｔ２とを互いに重ならないようにすることができ、翼長方向Ｙ全体にわたってバランス良く縦渦を発生させて剥離を抑制することができる。

なお、上述した構成では、切欠段差部２０において、Ｄ／Ｌの値を０．０５としたが、この値に限られることはなく、他の値を設定することができる。但し、Ｄ／Ｌ＜０．１の条件で設定するのが望ましい。同様に、Ｈmax／Ｗの値を０．３としたが、この値に限られることなく、他の値に設定することができる。但し、０．２≦Ｈmax／Ｗ≦０．５の範囲で設定するのが望ましい。

また、上述した構成では、角隅部２４の角度を底面２０ｃに対して垂直（θ＝９０°）としたが、他の角度となるように形成してもよい。この際、θ＝９０〜１２０°となるように形成すると縦渦Ｔ１が良好に形成される。また、上述した構成では、稜辺２３を形成したが、稜辺２３を設けずに面取りをしてもよい。また、上述した構成では、デルタ部２２の頂角αを６０°としたが、他の角度としてもよい。この際、５０°≦α≦７０°となるようにすると縦渦Ｔ１が良好に形成される。

また、上記実施形態では、切欠段差部２０の底面２０ｃの形状は、三角形状として、終端２０ｂで幅Ｐがゼロとなるように形成されるものとしたが、これに限るものではない。図１１に示すように、終端２０ｂでも一定の幅を有していて全体として台形状に形成されるものとしても良い。このようにすることで、互いに対向する側面のそれぞれを乗り越えて形成される縦渦Ｔ１同士の離間距離を保つことができ、縦渦同士が干渉し合うことがない。すなわち、高密度の縦渦Ｔ１が翼長方向Ｙの広い範囲に亘って形成されて、負圧面１６近傍に高エネルギ流体を誘引し、境界層の発達をさらに抑制する。これにより、流体の剥離抑制効果をより大きくすることができる。また、終端２０ｂにおいて底面２０ｃが曲率をもって負圧面１６と滑らかに接続するようにするものとしても良い。このようにすることで、切欠段差部２０に流入した気流のうち終端２０ｂまで流れたものが滑らかに負圧面１６へと導かれるので、圧力損失の増大を抑制することができる。

また、本実施形態では、突起部２１が、三角錐状として、前縁部１３側に稜線２１ｃを有し、当該稜線２１ｃと対向して後縁部１４側に傾斜面２１ｄを有する構成としたが、これに限るものではなく、前後逆向きとなるようにしても良い。この場合には、前縁部１３側からの気流が傾斜面２１ｄを乗り越えた際に縦渦Ｔ２が形成されることとなる。さらに突起部２１の形状は、三角錐状に限るものではなく、少なくとも、負圧面１６から離間する方向に気流を案内するような突起形状であれば、案内された気流が当該突起部２１を乗り越えた際に縦渦Ｔ２を形成することができる。また、突起部２１を設ける位置は最大転向部Ｍとしたが、これに限るものではなく、最大転向部Ｍよりも前縁部１３側としても、当該突起部２１よって形成された縦渦Ｔ２が最大転向部Ｍ上を流れるようにすることで、最大転向部Ｍ近傍における剥離を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、突起部２１は、翼長方向Ｙに一列に配置されているが、これに限ることはない。例えば最大転向部Ｍに配置するとしても、断面形状が翼長方向Ｙに変化する場合には、前縁部１３から後縁部１４に向かって曲率が最大となる最大転向部Ｍの位置も翼長方向Ｙに直交する各断面で異なることなり、これに応じて突起部２１の配列も翼長方向Ｙと平行とならない配列となり得る。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１２から図１４は、本発明の第２の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

第２の実施形態では、切欠段差部の形状に特徴を有する。図１２及び図１３に示すように、本実施形態の切欠段差部３０は、段差を形成する側面３０ｄ、３０ｅが前縁部１３側の始端３０ａから、後縁部１４側の終端３０ｂへかけて凸面状に湾曲した曲面に形成されている。このため、図１４（ａ）に示すように、互いに対向する側面３０ｄ、３０ｅ同士の間隔で規定される切欠段差部３０の幅Ｐは、始端２０ａにおいて大きく設定されているとともに、始端３０ａから中間部にかけて高い減少率で減少する。その一方、中間部から終端３０ｂ部へかけては、切欠段差部３０の幅Ｐは、小さな幅で比較的低い減少率で減少していく。なお、図１４において、横軸Ｑは、切欠段差部２０における位置を、始端２０ａを基点として終端２０ｂへ向かう直線距離で表したものである。また、図１３に示すように、切欠段差部３０の底面３０ｃは、始端３０ａにおいて翼本体１０の断面中心線Ｌ１０に略平行であるとともに、次第に負圧面１６に向かうように凹面状に湾曲している。このため、図１４（ｂ）に示すように、前縁部１３の表面１３ａ及び負圧面１６と、底面２０ｃによって規定される深さＨは、始端２０ａ側では前縁部１３の表面１３ａの形状により高い増加率で急激に増加するとともに、中間部において前縁部１３の表面１３ａから負圧面１６に連続する面が断面中心線Ｌ１０に沿うようになる。その一方、中間部から終端２０ｂにかけては、底面２０ｃが負圧面１６に向かうように断面中心線Ｌ１０となす角が大きくなることで、深さＨの変化は増加から減少に転じ、終端３０ｂ付近では減少率が高くなって深さＨが急激に小さくなるように形成されている。そして、図１４（ｃ）、（ｄ）に示すように、幅Ｐと深さＨの積によって求められる切欠段差部３０の前縁部１３側から後縁部１４側に向かう方向視した断面積Ａは、その変化率ｄＡ／ｄＱが中間部から終端３０ｂにかけて略一定の変化率で減少するように設定されている。

本実施形態では、切欠段差部３０の段差を形成する側面３０ｄ、３０ｅが始端３０ａから終端３０ｂにかけて凸面状に形成されていることで、互いに対向する段差を形成する側面３０ｄ、３０ｅ同士の間隔で規定される切欠段差部３０の幅Ｐは、上記のとおりに変化する。このため、始端３０ａにおいては、負圧面１６側に流れる気流を効果的に切欠段差部３０に流入させるととともに、幅Ｐが高い減少率で減少することで切欠段差部３０に流入した気流を流出させて縦渦Ｔ１を発生させるようにさせる。さらに中間部から終端３０ｂにかけては幅Ｐが比較的に低い減少率で減少することで、中間部から終端３０ｂにわたって全体でバランス良く気流を流出させて縦渦Ｔ１を形成することができる。さらに、本実施形態では、上記のように側面３０ｄ、３０ｅが凸面状の曲面に形成され、側面３０ｄ、３０ｅによって規定される幅Ｐと、底面３０ｃが前縁部１３の表面１３ａ及び負圧面１６とで規定される深さＨとの関係から、断面積Ａが中間部から終端３０ｂにかけて一定となっていることで、当該一定の変化率となる範囲全体において、一定流量で気流を流出させて均一な縦渦Ｔ１を形成することで、効果的に剥離を抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１５及び図１６は、本発明の第３の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１５及び図１６に示すように、この実施形態の圧縮機動翼４０は、突起部２１を前縁部１３側から後縁部１４側へ向かって複数備えている。より具体的には、本実施形態では、前縁部１３側から後縁部１４側へ向かって２箇所に突起部２１（２１Ａ、２１Ｂ）が設けられている。ここで、突起部２１Ａ、２１Ｂの負圧面１６から突出する高さは、負圧面１６の曲率が大きくなるのに応じて高く設定されており、最大転向部Ｍに相対的に近い後縁部１４側の突起部２１Ｂの方が高く設定されている。

本実施形態の圧縮機動翼４０では、突起部２１（２１Ａ、２１Ｂ）が前縁部１３から後縁部１４へ向かって複数設けられていることで、切欠段差部３０及び複数の突起部２１（２１Ａ、２１Ｂ）によって、前縁部１３から後縁部１４へ向かって段階的に縦渦Ｔ１、Ｔ２を発生させて、より効果的に剥離を抑制することができる。また、前縁部１３から後縁部１４へ向かって負圧面１６の曲率に応じて突起部２１（２１Ａ、２１Ｂ）の突出する高さが高くなるようになっていることで、曲率の高い箇所ではより効果的に縦渦Ｔ２を発生させて剥離を抑制しつつ、曲率の比較的低く剥離が生じにくい箇所では流動抵抗を最小限に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、上記各実施形態では、圧縮機動翼３ｂ、４０が、切欠段差部２０、３０や突起部２１を備えるものとしたが、これに限るものではなく、圧縮機静翼３ｃに備えるようにしても、同様の効果を奏する。また、タービン動翼５ｂやタービン静翼５ｂに適用するものとしてもよい。さらには、切欠段差部２０、３０や突起部２１を備えた翼体としては、ガスタービン１における圧縮機動翼３ｂ、圧縮機静翼３ｃ、タービン動翼５ｂ及びタービン静翼５ｃに限るものではなく、様々な翼体に適用可能である。例えば、図１７及び図１８に示すように、車両用冷却ファンとして用いられるプロペラファン５０の回転翼車５１において、プロペラ５２の前縁部５２ａに沿って切欠段差部５３を設け、また、プロペラ５２の負圧面５４において最大転向部Ｍまたは最大転向部Ｍよりも前縁部５２ａ側に突起部５５を設けるようにしても良い。この場合にも、上記同様の効果を奏する。また、ガスタービン１やプロペラファン５０などの回転機械に組み込まれる翼体に限らず、航空機に用いられる翼体、例えば飛行機の主翼などに適用可能である。また、上記各実施形態では、翼体である圧縮機動翼３ｂ、４０は、正圧面で凹状の曲面をなし、負圧面で凸状の曲面をなし、全体として弓形をなしているものとしたが、これに限ることなく、適用される用途に応じて様々な形状となり得る。例えば、負圧面のみならず正圧面も凸状の曲面である翼体や、全体としてＳ字状に形成された翼体にも適用し得る。

３ｂ、４０ 圧縮機動翼（翼体）
１３ 前縁部
１４ 後縁部
１５ 正圧面
１６ 負圧面
２０、３０ 切欠段差部
２０ａ、３０ａ 始端
２０ｂ、３０ｂ 終端
２１ 突起部
２２ デルタ部
Ｍ 最大転向部
Ｙ 翼長方向

Claims (10)

1. 前縁部と後縁部とを接続し圧力が作用する正圧面と、
   該正圧面と対向して設けられ、前縁部から後縁部へと凸状に湾曲して形成され、正圧面に作用する圧力に対して相対的に負圧が作用する負圧面と、
   該負圧面側に、前記前縁部に沿って設けられ、前記正圧面側に窪んで前記負圧面との間に段差を形成するとともに、翼長方向の幅寸法が前縁部側の始端から後縁部側の終端に向かうに従って漸次小さくなるように形成され、底面、及び該底面と前記負圧面との間で前記段差を形成する側面を有する切欠段差部と、
   該切欠段差部よりも後縁部側で、前記負圧面の前縁部から後縁部へ向かう曲率が最大となる最大転向部または該最大転向部よりも前縁部側に突出して設けられた突起部とを備えることを特徴とする翼体。
2. 請求項１に記載の翼体において、
   前記切欠段差部の前記側面は、前記始端から前記終端へかけて凸面状に形成されていることを特徴とする翼体。
3. 請求項２に記載の翼体において、
   前記切欠段差部は、前縁部側から後縁部側に向かう方向視した断面積の変化率が、前縁部側の少なくとも途中から後縁部側へかけて一定となるように形成されていることを特徴とする翼体。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の翼体において、
   前記切欠段差部及び前記突起部は、翼長方向に互いに異なる位置となるように複数設けられていることを特徴とする翼体。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の翼体において、
   前記突起部は、前記負圧面の曲率が大きくなるのに応じて前記負圧面から突出する高さが高くなるようにして、前縁部側から後縁部側へ向かって複数設けられていることを特徴とする翼体。
6. 前縁部と後縁部とを接続し圧力が作用する正圧面と、
   該正圧面と対向して設けられ、前縁部から後縁部へと凸状に湾曲して形成され、正圧面に作用する圧力に対して相対的に負圧が作用する負圧面と、
   前記負圧面側に、前記前縁部に沿って設けられ、前記正圧面側に窪んで前記負圧面との間に段差を形成するとともに、翼長方向の幅寸法が前縁部側から後縁部側に向かうに従って漸次小さくなるように形成され、底面、及び該底面と前記負圧面との間で前記段差を形成する側面を有する切欠段差部とを備え、
   該切欠段差部の前記側面は、前縁部側の始端から、後縁部側の終端へかけて凸面状に形成されていることを特徴とする翼体。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の翼体において、
   前記切欠段差部の前記側面は、前記負圧面と共に稜辺を形成する絶壁面とされていることを特徴とする翼体。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の翼体において、
   前記切欠段差部の底面は、前記始端から前記終端に進むに従って漸次浅くなり、前記終端が曲率をもって前記負圧面と滑らかに接続されていることを特徴とする翼体。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の翼体において、
   前記切欠段差部は、前記前縁部に沿って複数設けられ、
   隣接する二つの前記切欠段差部の間には、前記負圧面の法線方向から見て前記負圧面が略三角形状に残存したデルタ部が形成されていることを特徴とする翼体。
10. 請求項９に記載の翼体において、
    前記切欠段差部は、前記終端の翼長方向の幅寸法が、隣接する前記切欠段差部同士の終端との間隔以上となる大きさに設定されていることを特徴とする翼体。

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