JP2003184503A - 第２段タービンバケットの翼形部 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、第２段タービンバケットの翼形部
輪郭に関する。 【解決手段】 第２段バケット（１７）は、表Ｉにイン
チで記載されたデカルト座標のＸ、Ｙ及びＺ値にほぼ一
致する翼形部輪郭（１０）を有し、ここで、Ｚはタービ
ン中心線からの半径に垂直でかつＸ及びＹ値を含む平面
からの垂直距離であり、Ｚ値は翼形部の半径方向最内側
の空気力学的セクションにおけるＸ、Ｙ平面内のゼロ点
から始まり、またＸ及びＹは各Ｚ距離における翼形部輪
郭を定める座標値である。Ｘ、Ｙ及びＺ値は、同一の定
数又は数値の関数として尺度を変えられて、拡大又は縮
小されたバケットのための翼形セクションを得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン段の
ためのタービンバケットに関し、具体的には、第２段タ
ービンバケットの翼形部輪郭に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、最新式のガスタービンは、燃焼温
度を上昇させまた様々なタービン構成部品の冷却を改善
する努力を増す傾向を示してきている。本出願人のある
特定のガスタービン設計においては、６０％複合サイク
ル効率を満たすために蒸気冷却と空気冷却の組合せを用
いる高出力タービンが、開発過程にある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】タービンバケット、特
にそのタービンの第２タービン段バケットの設計及び構
造は、空気力学的及び機械的バケット負荷だけでなく空
気力学的効率も最適化することを必要としていることを
理解されたい。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の実施形態による
と、負荷要件における必要な効率を達成するために独特
の点の軌跡により定められ、それによってタービン性能
の改良が得られるタービン段、好ましくは第２段用の独
特のタービンバケット翼形部輪郭が提供される。後で述
べる表ＩのＸ、Ｙ、Ｚ座標により与えられる基準輪郭
が、この独特の点の軌跡を形成することを理解された
い。表Ｉにおいてインチで示された座標は、バケットの
各断面に対する低温すなわち室温の輪郭についてのもの
である。定められた各断面は、隣接する断面と滑らかに
結合されて完全な翼形部形状を形成する。使用時にバケ
ットが加熱されると、輪郭は応力及び温度により変化す
ることになることも理解されたい。従って、低温又は室
温の輪郭は、製造目的のためにＸ、Ｙ、Ｚ座標により与
えられる。製造されたバケット翼形部輪郭は、下記の表
で与えられる基準翼形部輪郭とは異なる可能性があるの
で、基準輪郭に沿った任意の表面位置に垂直な方向に基
準輪郭から±4.064mm(0.160インチ)でしかも任意の被覆
処理を含む距離が、この設計に対する輪郭エンベロープ
を定める。この設計は、このばらつきに対して強く、機
械的機能も空気力学的機能も損なうことはない。

【０００５】翼形部は、他の類似のタービン設計に取り
入れるために幾何学的に一定の比率で尺度を変えて拡大
又は縮小することが可能であることも理解されたい。従
って、下記に示す基準翼形部輪郭のＸ、Ｙ及びＺ座標
は、同一の定数又は数値の関数である。すなわち、表に
示されるＸ、Ｙ及びＺ座標値は、同一の定数又は数値に
より乗じられるか又は割られ、翼形部セクションの形状
を維持しながらバケット翼形部輪郭の拡大又は縮小バー
ジョンを得ることができる。

【０００６】本発明による好ましい実施形態において、
任意の翼形部表面位置に垂直な方向に±4.064mm(0.160
インチ)以内のエンベロープ(Envelope)のバケット翼形
部形状を有し、該翼形部は、表Ｉにインチで記載された
デカルト座標のＸ、Ｙ及びＺ値にほぼ一致する被覆され
ていない基準輪郭を有しており、ここで、Ｚはタービン
中心線からの半径に垂直でかつＸ及びＹ値を含む平面か
らの垂直距離であり、Ｚ値は翼形部の半径方向最内側の
空気力学的セクションおけるＸ、Ｙ平面内のゼロ点から
始まり、またＸ及びＹは各距離Ｚにおける翼形部輪郭を
定める座標値であり、Ｚ距離における輪郭は互いに滑ら
かに結合されて完全な翼形部形状を形成することを特徴
とするタービンバケットが、提供される。

【０００７】本発明による別の好ましい実施形態におい
て、表Ｉにインチで記載されたデカルト座標のＸ、Ｙ及
びＺ値にほぼ一致する被覆されていない基準翼形部輪郭
を有し、ここで、Ｚはタービン中心線からの半径に垂直
でかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直距離であり、Ｚ
値は翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションに
おけるＸ、Ｙ平面内のゼロ点から始まり、またＸ及びＹ
は各Ｚ距離における翼形部輪郭を定める座標値であり、
Ｚ距離における輪郭は互いに滑らかに結合されて完全な
翼形部バケット輪郭を形成し、前記Ｘ、Ｙ及びＺ値は、
同一の定数又は数値の関数として尺度を変えられて、拡
大又は縮小されたバケット翼形部を得ることを特徴とす
るタービンバケットが、提供される。

【０００８】本発明による別の好ましい実施形態におい
ては、複数のバケットを有するタービンホイールを含む
タービンが提供され、該バケットの各々は、任意のバケ
ット翼形部表面位置に垂直な方向に±4.064mm(0.160イ
ンチ)以内のエンベロープの翼形部形状を有し、該翼形
部は、表Ｉにインチで記載されたデカルト座標のＸ、Ｙ
及びＺ値にほぼ一致する被覆されていない基準輪郭を有
しており、ここで、Ｚはタービン中心線からの半径に垂
直でかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直距離であり、
Ｚ値は翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクション
おけるＸ、Ｙ平面内のゼロ点から始まり、またＸ及びＹ
は各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定める座標値であり、
Ｚ距離における輪郭は互いに滑らかに結合されて完全な
翼形部形状を形成する。

【０００９】本発明による別の好ましい実施形態におい
ては、複数のバケットを有するタービンホイールを含む
タービンが提供され、該バケットの各々は、表Ｉにイン
チで記載されたデカルト座標のＸ、Ｙ及びＺ値にほぼ一
致する被覆されていない基準翼形部輪郭を有し、ここ
で、Ｚはタービン中心線からの半径に垂直でかつＸ及び
Ｙ値を含む平面からの垂直距離であり、Ｚ値は翼形部の
半径方向最内側の空気力学的セクションにおけるＸ、Ｙ
平面内のゼロ点から始まり、またＸ及びＹは各Ｚ距離に
おける翼形部輪郭を定める座標値であり、Ｚ距離におけ
る輪郭は互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を
形成し、前記Ｘ、Ｙ及びＺ値は、同一の定数又は数値の
関数として尺度を変えられて、拡大又は縮小されたバケ
ット翼形部を得る。

【００１０】

【発明の実施の形態】ここで図面の図、特に図１及び図
２を参照すると、本発明に従って構成され、シャンク１
４により支持されたプラットホーム１２に取り付けられ
た翼形部１０を含むタービンブレードが示されている。
シャンク１４の半径方向内端は、ブレードを、図示して
いないタービンホイールに結合するためのダブテール１
６を支持する。翼形部１０、プラットホーム１２及びダ
ブテール１６は、ひとまとめにしてバケットと呼ばれ、
全体を符号１７で表わしている。翼形部１０は、それぞ
れ負圧側面１８と正圧側面２０を備える複合曲面を有す
る。通常の通りに、ダブテール１６はタービンホイール
内のダブテール開口に嵌まることが分かるであろう。複
数の本発明の第２段バケット、好ましくは５０個のバケ
ットが、ホイール及びタービンロータ軸の周りに円周方
向に互いに間隔を置いて配置される。更に、シャンク１
４の軸方向前側面及び後側面に、ホイールスペース・シ
ール２２、すなわちエンジェルウィングが形成されてい
る。バケットは、図示していないが、翼形部１０を含む
バケットの内部の冷却通路、好ましくは蒸気冷却通路と
一体に鋳造されるのが好ましい。

【００１１】ここで図を参照すると、図には、Ｘ、Ｙ及
びＺ値に対するデカルト座標系が示されている。座標値
は、後で述べる表Ｉにインチで記載されている。デカル
ト座標系は、直交関係にあるＸ、Ｙ及びＺ軸を有してお
り、Ｚ軸はタービンロータの中心線からの半径に垂直な
平面に対して垂直に、すなわち、Ｘ及びＹ値を含む平面
に対して垂直に延びる。Ｚ距離は、半径方向最内側の空
気力学的セクションにおけるＸ、Ｙ平面内のゼロ点から
始まる。Ｘ軸は、タービンロータ中心線、すなわち回転
軸線に平行に位置している。Ｘ、Ｙ平面に垂直なＺ方向
の選定された位置でＸ及びＹ座標値を定めることによ
り、翼形部１０の輪郭を確定することができる。Ｘ及び
Ｙ値を滑らかな連続する弧により接続することによっ
て、各距離Ｚにおける各輪郭セクションが決定される。
距離Ｚの間の様々な表面位置における表面輪郭は、互い
に滑らかに接続されて翼形部を形成する。下記の表Ｉに
示される表の値は、インチであり、また周囲温度の又は
作動していないか又は加熱されていない状態における翼
形部輪郭を表し、かつ被覆されていない翼形部について
のものである。記号の慣行により、デカルト座標系に一
般的に用いられるように、値Ｚにプラスの値を、またＸ
及びＹ座標値にはプラス及びマイナス値を付ける。

【００１２】表Ｉの値は、翼形部の輪郭を決定するため
に小数３桁まで求められ示されている。更に、被覆と共
に一般的な製作公差があり、これらは、翼形部の実際の
輪郭においては考慮されなければならない。従って、表
Ｉに示される輪郭に対する値は、基準輪郭に対するもの
である。それ故、一般的な製造公差、すなわち、プラス
又はマイナス値及び被覆厚さが、下記の表Ｉに示される
Ｘ及びＹ値に加えられるということが理解されるであろ
う。従って、翼形部輪郭に沿った任意の表面位置に垂直
な方向の±4.064mm(0.160インチ)の距離が、この特定の
バケット設計及びタービンに対する翼形部輪郭エンベロ
ープを形成する。

【００１３】下記の表Ｉにインチ（1インチ＝25.4mm）
で示される座標値は、好ましい基準輪郭エンベロープを
提供する。

【００１４】表Ｉ

【表１】

【００１５】上記の表に開示した翼形部は、他の類似の
タービン設計において用いるために幾何学的に尺度を変
えて一定の比率で拡大又は縮小することができることも
理解されるであろう。その結果として、表Ｉに記載され
た座標値は、翼形部セクション形状が不変のままになる
ように、大きく又は小さく尺度を変えることができる。
表Ｉの座標値の尺度を変えたバージョンは、同一の定数
又は数値により乗じられるか又は割られるかされたＸ、
Ｙ及びＺ座標値により表わされることになる。

【００１６】ここで図７を参照すると、この図には、本
発明において形成された翼形部を有するタービンバケッ
トを用いた場合のタービンを示している。図示したター
ビンにおいて、符号４０で示すタービンロータは、それ
ぞれの静翼４１、４３、４５及び４７と共にロータの様
々な段を形成するバケットを取り付けるそれぞれ第１、
第２、第３及び第４段ロータホイール４２、４４、４６
及び４８を有する。具体的には、第２段は、本発明の翼
形部１０が第２段静翼４３に対向して取り付けられた第
２段ロータホイール４４を含む。複数の翼形部１０が、
第２段ホイール４４の周りに円周方向に互いに間隔を置
いて配置されており、この例では、第２段ホイール４４
には５０個のバケットが取り付けられていることを理解
されたい。

【００１７】本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実
施形態であると考えられるものに関して説明してきた
が、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきでは
ない。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解
容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に
限縮するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の好ましい実施形態に従って構成され
た翼形部、シャンク及びダブテールを含むタービンバケ
ットの側面図。

【図２】 バケットの反対側から見た図１と同様な図。

【図３】 本発明のバケットの上面、側面及び前縁の斜
視図。

【図４】 本発明のバケットの上面、側面及び後縁の斜
視図。

【図５】 その前縁から見た本発明のバケットの軸方向
図。

【図６】 半径方向内向きに見たバケットの拡大端面
図。

【図７】 本発明のバケットを用いている第２段タービ
ンホイールを有するタービンの概略図。

【符号の説明】

１０ 翼形部 １２ プラットホーム １４ シャンク １６ ダブテール １７ 第２段タービンバケット １８ 負圧側面 ２２ エンジェルウィング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マージド・アフマディー アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 シンプソンビル、ノース・オーチャード・ ファームズ・アベニュー、34番 (72)発明者 デビッド・ジョン・ヒューマンチュク アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 シンプソンビル、バルハラ・レーン、５番 (72)発明者 ニコラス・モレット アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ トン・パーク、バルドウィン・コート、19 番 (72)発明者 リチャード・エドワード・デレハンティー アメリカ合衆国、オハイオ州、メインビ ル、ウインザー・メドウ・ドライブ、7328 番 Ｆターム(参考） 3G002 BA03 BB01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意の翼形部表面位置に垂直な方向に±
   4.064mm(0.160インチ)以内のエンベロープのバケット翼
   形部形状（１０）を有し、該翼形部（１０）は、表Ｉに
   インチで記載されたデカルト座標のＸ、Ｙ及びＺ値にほ
   ぼ一致する被覆されていない基準輪郭を有しており、こ
   こで、Ｚはタービン中心線からの半径に垂直でかつ前記
   Ｘ及びＹ値を含む平面からの垂直距離であり、前記Ｚ値
   は前記翼形部（１０）の半径方向最内側の空気力学的セ
   クションおける前記Ｘ、Ｙ平面内のゼロ点から始まり、
   またＸ及びＹは各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定め
   る座標値であり、前記Ｚ距離における前記輪郭は互いに
   滑らかに結合されて完全な前記翼形部形状を形成するこ
   とを特徴とするタービンバケット（１７）。
2. 【請求項２】 表Ｉにインチで記載されたデカルト座標
   のＸ、Ｙ及びＺ値にほぼ一致する被覆されていない基準
   翼形部輪郭を有し、ここで、Ｚはタービン中心線からの
   半径に垂直でかつ前記Ｘ及びＹ値を含む平面からの垂直
   距離であり、前記Ｚ値は前記翼形部の半径方向最内側の
   空気力学的セクションにおける前記Ｘ、Ｙ平面内のゼロ
   点から始まり、またＸ及びＹは各Ｚ距離における前記翼
   形部輪郭を定める座標値であり、前記Ｚ距離における前
   記輪郭は互いに滑らかに結合されて完全な前記翼形部バ
   ケット輪郭を形成し、 前記Ｘ、Ｙ及びＺ値は、同一の定数又は数値の関数とし
   て尺度を変えられて、拡大又は縮小されたバケット翼形
   部を得る、ことを特徴とするタービンバケット。
3. 【請求項３】 タービンの第２段の一部を形成すること
   を特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のタービン
   バケット。
4. 【請求項４】 複数のバケット（１７）を有するタービ
   ンホイールを含むタービンであって、前記バケットの各
   々は、任意のバケット翼形部表面位置に垂直な方向に±
   4.064mm(0.160インチ)以内のエンベロープの翼形部形状
   を有し、該翼形部は、表Ｉにインチで記載されたデカル
   ト座標のＸ、Ｙ及びＺ値にほぼ一致する被覆されていな
   い基準輪郭を有しており、ここで、Ｚはタービン中心線
   からの半径に垂直でかつ前記Ｘ及びＹ値を含む平面から
   の垂直距離であり、前記Ｚ値は前記翼形部の半径方向最
   内側の空気力学的セクションおける前記Ｘ、Ｙ平面内の
   ゼロ点から始まり、またＸ及びＹは各距離Ｚにおける前
   記翼形部輪郭を定める座標値であり、前記Ｚ距離におけ
   る前記輪郭は互いに滑らかに結合されて完全な前記翼形
   部形状を形成することを特徴とするタービン。
5. 【請求項５】 複数のバケット（１７）を有するタービ
   ンホイール（４２、４４、４６、４８）を含むタービン
   であって、前記バケットの各々は、 表Ｉにインチで記載されたデカルト座標のＸ、Ｙ及びＺ
   値にほぼ一致する被覆されていない基準翼形部輪郭を有
   し、ここで、Ｚはタービン中心線からの半径に垂直でか
   つ前記Ｘ及びＹ値を含む平面からの垂直距離であり、前
   記Ｚ値は前記翼形部の半径方向最内側の空気力学的セク
   ションにおける前記Ｘ、Ｙ平面内のゼロ点から始まり、
   またＸ及びＹは各Ｚ距離における前記翼形部輪郭を定め
   る座標値であり、前記Ｚ距離における前記輪郭は互いに
   滑らかに結合されて完全な前記翼形部形状を形成し、 前記Ｘ、Ｙ及びＺ値は、同一の定数又は数値の関数とし
   て尺度を変えられて、拡大又は縮小されたバケット翼形
   部を得る、ことを特徴とするタービン。
6. 【請求項６】 前記タービンホイール（４４）は、前記
   タービンの第２段を含むことを特徴とする、請求項４又
   は請求項５に記載のタービン。
7. 【請求項７】 前記タービンホイールは、５０個のバケ
   ットを有しており、またＸは該タービンホイールの回転
   軸線に平行な距離を表わすことを特徴とする、請求項４
   又は請求項５に記載のタービン。