JP2004108366A - 第２段タービンバケット翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】　最適化された空気力学的効率と同時に、最適化された空気力学的及び機械的バケット負荷をもたらす第２段タービンバケットの翼形部輪郭を提供する。
【解決手段】　第２段バケット（２２）は、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った翼形部輪郭を有し、該表１において、Ｘ及びＹ値はインチで表されており、Ｚ値は、該Ｚ値に前記翼形部の高さを乗じかつその結果に根元半径を加算することによってタービン軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン半径と一致するバケット中心線に沿った無次元数である。Ｘ及びＹ距離は、拡大又は縮小されたバケット用の翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能にすることができる。Ｘ、Ｙ及びＺ距離により与えられる基準翼形部は、±４．０６４mm（0.160インチ）のエンベロープ内に位置している。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、ガスタービン段用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。

　近年、最新式のガスタービンは、システムの効率及び負荷要件を満たすために燃焼温度を上昇させる傾向になってきている。その結果、タービンバケットの設計及び構成は、最適化された空気力学的効率と同時に、最適化された空気力学的及び機械的バケット負荷を必要とする。

　本発明の好ましい実施形態によると、タービン段、好ましくはガスタービンの第２段バケット用の固有のタービンバケット翼形部輪郭が提供される。このバケット翼形部輪郭は、固有の点の軌跡により定められて、必要な効率及び負荷要件を達成し、それによって改善されたタービン性能が得られる。

　これらの固有の点の軌跡は、基準翼形部輪郭を定め、下記に示す表１のＸ、Ｙ及びＺデカルト座標により特定される。表1に示す座標値におけるる３６００個の点は、その長さに沿ったバケット翼形部の様々な断面における低温すなわち室温時の輪郭のためのものである。Ｘ及びＹ座標は、距離寸法、例えばインチの単位で与えられ、各Ｚ位置において滑らかに結合されて、滑らかな連続した翼形部断面を形成する。Ｚ座標は、回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った０から１まで無次元形式で与えられる。例えばインチで表した翼形部高さ寸法に表1の無次元Ｚ値を乗じ、その値をバケットの根元半径に加算することにより、例えばインチで表した回転軸からの実際のＺ距離が得られる。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。

　各バケット翼形部は使用中に高温になるので、応力及び温度の結果として、輪郭が変化することになるのが分かるであろう。従って、低温すなわち室温輪郭は、製造目的のためにＸ、Ｙ及び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、以下の表により与えられる基準翼形部輪郭とは異なる可能性があるために、基準輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向でありまた任意の被覆処理を含む、該基準輪郭から±４．０６４mm（0.160インチ）の距離により、このバケット翼形部のための輪郭エンベロープが形成される。この設計は、このようなばらつきに対して強く、機械的及び空気力学的機能を損なうこともない。

　翼形部は、類似のタービン設計に取り入れるために幾何学的に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。その場合、下に与えられた基準翼形部輪郭のインチで表したＸ及びＹ座標とインチに変換された場合のＺ座標とは、同一の定数又は数値の関数となる。すなわち、Ｘ及びＹ座標値と随意的にインチで表したＺ座標値とを、同一の定数又は数値により乗算又は除算して、翼形部断面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。

　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対して垂直な方向に±４．０６４mm（0.160インチ）の範囲内にあるエンベロープのバケット翼形部形状を有するタービンバケットが提供され、該タービンバケットにおいて、翼形部は、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準輪郭を有し、該表１において、Ｚが、該Ｚ値に翼形部の高さを乗じかつその積をバケットの根元半径に加算することによってタービン軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、Ｘ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭が、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ようになっている。

　本発明による別の好ましい実施形態において、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準翼形部輪郭を有するタービンバケットが提供され、該表１において、Ｚが、該Ｚ値に翼形部の高さを乗じかつその積をバケットの根元半径に加算することによってタービン軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成し、Ｘ及びＹ距離が、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能であるようになっている。

　本発明による更に別の好ましい実施形態において、複数のバケットを有し、該バケットの各々が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±４．０６４mm（0.160インチ）の範囲内にあるエンベロープの翼形部形状を有するタービンホイールを含むタービンが提供され、該タービンにおいて、翼形部は、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準輪郭を有し、該表１において、Ｚが、該Ｚ値に前記翼形部の高さを乗じかつその積をバケットの根元半径に加算することによってタービン軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭が、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ようになっている。

　本発明による更に別の好ましい実施形態において、複数のバケットを有し、該バケットの各々が、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準翼形部輪郭を有するタービンホイールを含むタービンが提供され、該表１において、Ｚが、該Ｚ値に翼形部の高さを乗じかつその積をバケットの根元半径に加算することによってタービン回転軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成し、Ｘ及びＹ距離が、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能であるようになっている。

　次に図１を参照すると、全体を符号１０で示すタービンの一部分が示されており、このタービン１０内において、本明細書に記載するような翼形部輪郭を有する第２段タービンバケット２２が用いられることができる。タービン１０は、バケット２０、２２及び２４を有する第１、第２及び第３段ロータホイール１４、１６及び１８を有するロータ１２を含み、該バケット２０、２２及び２４は、様々なロータ段のそれぞれの静翼２６、２８及び３０と組合わされる。３段式タービンが図示されていることが分かるであろう。

　第２段は、その上にバケット２２が上流の静翼２８に対して軸方向に対向して取付けられたロータホイール１６を含む。複数のバケット２２が、第２段ホイール１６の周りに円周方向に互いに間隔を置いて配置され、本実施例の場合には、９２個のバケットが第２段ホイール１６上に取付けられていることを理解されたい。

　次に図２を参照すると、本発明により構成されたタービンバケット２２が示されており、該タービンバケット２２は、プラットホーム３４上に取付けられた翼形部４０を含む。タービンバケットは更に、それぞれ前方及び後方ホイールスペースシール、すなわちエンジェルウィング３６及び３８を含む。バケット２２は、図示していないが適当な手段によりタービンホイール１６上に適切に取付けられる。翼形部４０及びプラットホーム３４は、全体でバケット２２と呼ばれる。翼形部４０は、それぞれ負圧側面４２及び正圧側面４４と前縁４６及び後縁４８を備えた複合曲面を含む輪郭を有する。

　表１に示したＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系により、翼形部４０の輪郭を定める。Ｘ及びＹ座標についての座標値が、表１にインチで記載されているが、他の寸法単位を用いることができる。Ｚ値は、回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った０から１までの無次元形式で表１に記載されている。Ｚ値を、タービン回転軸線からの例えばインチで表したＺ座標値に変換するためには、表において与えられた無次元のＺ値に、インチで表した翼形部４０の高さを乗じ、その積がインチで表された根元半径に加算される。翼形部高さは、タービンの中心線すなわち軸線からの半径に沿ったバケット中心線と流路の根元半径との交点から測定される。好ましい実施形態における第２段の各バケットについての根元半径とのこの交点のＺ座標値は、１１８．１８６cm（46.530インチ）である。この好ましい実施形態における根元半径からの第２段翼形バケットの高さは、３４．６２cm（13.63インチ）である。デカルト座標系は、Ｚ軸が、Ｘ及びＹ値を含む平面に垂直に延びている、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有する。インチに変換する場合、Ｚ距離は、タービン中心線における０から始まる。Ｙ軸は、タービンロータ中心線、すなわち回転軸線に対して平行になっている。

　Ｘ、Ｙ平面に垂直なＺ方向の選定された位置におけるＸ及びＹ座標を定めることによって、翼形部４０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円弧で結合することにより、各距離Ｚにおける各輪郭断面が、決定される。距離Ｚの間の様々な表面位置の表面輪郭は、隣接する断面を互いに滑らかに結合することにより決定されて、翼形部を形成する。これらの値は、周囲温度、非作動又は非高温状態での翼形部輪郭を表すものであり、また被覆されていない翼形部のためのものである。符号規則は、デカルト座標系で一般的に用いられるように、Ｚ値に正の値を割り当て、またＸ及びＹ座標には正又は負の値を割り当てる。

　表１の値は、翼形部の輪郭を決定するために生成され、少数点３位まで示されている。翼形部の実際の輪郭においては、考慮しなければならない一般的な製作公差及び被覆がある。従って、表１に示した輪郭の値は、基準翼形部に対するものである。それ故、±一般的製作公差、すなわち、任意の被覆厚さを含む±値が下の表１に示した値Ｘ及びＹに加算されることが分かるであろう。従って、翼形部輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に±４．０６４mm（0.160インチ）の距離が、この特定のバケット翼形部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。

　下の表１に示した座標値は、好ましい基準輪郭エンベロープを提供する。（表中の単位はインチ）

　上記の表に開示された翼形部は、他の類似のタービン設計に用いるために、幾何学的に拡大又は縮小することができることも理解されたい。その結果、表１に記載した座標値は、翼形部断面形状が変化しない状態に維持されるように、率に応じて拡大又は縮小することができる。表１の座標の拡大又は縮小バージョンは、同一の定数又は数値により乗算又は除算されたＸ、Ｙ座標値と随意的にＺ座標値（値Ｚがインチに変換された後の）とによって表されることになる。

　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ものではなく、また、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。

本発明のバケット及びバケット翼形部を用いる第２段タービンホイールを有するタービンの概略図。 本発明の好ましい実施形態による翼形部及びシャンクを含む第２段タービンバケットの上端、後縁及び正圧側面の側から見た斜視図。 本発明の翼形部を含むバケットの側面図。 図３に示すバケットの平面図。 本発明のバケット翼形部の負圧側面後方側から見た斜視図。

符号の説明

　１０　タービン
　２２　タービンバケット
　３４　プラットホーム
　３６、３８　エンジェルウィング
　４０　翼形部
　４２　負圧側面
　４４　正圧側面
　４６　前縁
　４８　後縁

Claims (8)

1. 任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±４．０６４mm（0.160インチ）の範囲内にあるエンベロープのバケット翼形部形状を有するタービンバケット（２２）であって、前記翼形部は、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準輪郭を有し、前記表１において、Ｚが、該Ｚ値に前記翼形部の高さを乗じかつその積を前記バケットの根元半径に加算することによって前記タービン軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、前記Ｚ距離における輪郭が、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ようになっていることを特徴とするタービンバケット。
2. 前記値Ｚが、前記タービン軸線からの半径に沿った前記バケット中心線と前記タービンを通る流路の前記根元半径との交点から測定されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービンバケット。
3. 表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準翼形部輪郭を有するタービンバケットであって、前記表１において、Ｚが、該Ｚ値に前記翼形部の高さを乗じかつその積を前記バケットの根元半径に加算することによって前記タービン軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、前記Ｚ距離における輪郭が、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及びＹ距離が、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能であるようになっていることを特徴とするタービンバケット。
4. 第２段タービンの一部を形成することを特徴とする、請求項１又は３に記載のタービンバケット。
5. 前記翼形バケットの前記根元半径が、１１８．１８６cm（46.530インチ）であり、また該翼形バケットが、３４．６２cm（13.63インチ）の前記根元半径からの高さを有することを特徴とする、請求項１又は３に記載のタービンバケット。
6. 複数のバケット（２２）を有し、該バケットの各々が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±４．０６４mm（0.160インチ）の範囲内にあるエンベロープの翼形部形状を有するタービンホイール（１６）を含むタービン（１０）であって、前記翼形部は、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準輪郭を有し、前記表１において、Ｚが、該Ｚ値に前記翼形部の高さを乗じかつその積を前記バケットの根元半径に加算することによって前記タービン軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、前記Ｚ距離における輪郭が、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ようになっていることを特徴とするタービン。
7. 前記タービンホイールが、該タービンの第２段を含むことを特徴とする、請求項６に記載のタービン。
8. 複数のバケット（２２）を有し、該バケットの各々が、表１に記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準翼形部輪郭を有するタービンホイール（１６）を含むタービン（１０）であって、前記表１において、Ｚが、該Ｚ値に前記翼形部の高さを乗じかつその積を前記バケットの根元半径に加算することによって前記タービン回転軸線からのインチで表したＺ距離に変換可能な、タービン回転軸線からの半径と一致するバケット中心線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定めるインチで表した距離であり、前記Ｚ距離における輪郭が、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及びＹ距離が、拡大又は縮小されたバケット翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能であるようになっていることを特徴とするタービン。
   
   

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