JP2004263699A - タービンノズル用の翼形部形状 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ガスタービンの第３段ノズル用の翼形部を提供する。
【解決手段】 第３段ノズル（２２）は、表Ｉ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Ｉにおいて、Ｘ及びＹ値は、インチで表してあり、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクション（３２）を定め、またＺは、表ＩのＺ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値である。Ｚ距離における輪郭セクションは、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。Ｘ及びＹ距離は、拡大又は縮小したノズル用翼形部を得るために拡大縮小可能とすることができる。Ｘ、Ｙ及びＺ距離で与えられた基準翼形部は、±０．１００インチのエンベロープ内に在る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンのノズル段用の翼形部に関し、具体的にはガスタービンの第３段ノズル用の翼形部に関する。

全体的な効率及び負荷の改善を含む設計目標に適合させるためには、ガスタービンの各段の高温ガス流路セクションは多くの要件を満たされなければならない。具体的には、第３段のタービンセクションは、その目標に合わせるために効率、熱負荷、寿命、スロート面積及び流れ誘導の各要件を満たさなければならない。

本発明の好ましい実施形態によると、ガスタービンの性能を向上させるガスタービンのノズル段、好ましくは第３段ノズル用の翼形部形状が提供される。ノズル段の翼形部形状は、タービンの様々な段の間の相互作用を改善し、第３段における空気力学的効率の向上をもたらし、かつ第３段ブレードの負荷を改善する。従って、ノズル段周りの高温ガス流路アニュラスの一部を画成する各第２段ノズル翼形部の輪郭は、段効率を向上させかつ部品寿命及び生産性を改善する要件を満たす。

本発明による好ましい実施形態では、翼形形状を有する翼形部を含むタービンノズルが提供され、該翼形部は、表Ｉ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、この表Ｉにおいて、Ｚ値は、表ＩのＺ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹ値は、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを定めるインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、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。

本発明による別の好ましい実施形態では、翼形部を含むタービンノズルが提供され、該翼形部は、表Ｉ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皮膜のない基準翼形部輪郭を有し、この表Ｉにおいて、Ｚ値は、表ＩのＺ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹ値は、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを定めるインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションは、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成し、Ｘ、Ｙ及びＺ距離が、拡大又は縮小した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。

本発明による別の好ましい実施形態では、複数のノズルを有するタービン段を含むタービンが提供され、ノズルの各々は翼形形状を有する翼形部を含み、該翼形部は、表Ｉ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、この表Ｉにおいて、Ｚ値は、表ＩのＺ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹ値は、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを定めるインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、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。

ここで図面、特に図１を参照すると、複数のタービン段を含むガスタービン１２の、全体を符号１０で表した多段タービンセクションが示されている。ここには、３つの段が示されている。例えば、第１段は、複数の周方向に間隔を置いて配置されたノズルすなわちブレード１４及びバケット１６を含み、ノズルは、タービンロータ１５の軸線の周りで互いに周方向に間隔を置いて配置されかつ固定される。もちろん、バケット１６は、ロータ１５の周りで周方向に間隔を置いて配置され該ロータ１５に取付けられる。タービン１２の第２段も示されており、該第２段は、複数の周方向に間隔を置いて配置されたノズル１８とロータ１５に取付けられた複数のバケット２０とを含む。さらに、複数の周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２とバケット２４とを含む第３段も示されている。ノズル及びバケットは、矢印２６で示したタービンの高温ガス流路１０内に位置していることが分かるであろう。

図２及び図３を参照すると、ノズル段、例えば第３段ノズル２２は、それぞれ内側バンド２８と外側バンド３０との間でほぼ半径方向に延びており、内側及び外側バンド２８及び３０もまたタービン１２を通る高温ガス流路２６の一部を画成する。一般的に、ノズル２２は、それらの内側及び外側バンドを備えたシングレット、ダブレット又はトリプレットとして準備され、これらが互いに固定されてロータの回転軸線の周りにノズルの周方向配列を形成する。ノズル２２は、図示するようにトリプレットとして準備されるのが好ましい。各ノズル２２は、図５に示すように翼形状すなわちエーロフォイル状ブレード３２の形状になっていることが分かるであろう。つまり、各ノズル２２は、それぞれ内側及び外側バンド２８及び３０間のあらゆる断面において翼形部３２の形状をした輪郭になっている。この好ましい実施形態では、６６個の翼形部３２形状のノズルブレードがあり、これらノズルブレードが内側及び外側バンド２８及び３０と共にタービンの第３段のノズル２２を構成する。

高温ガスの方向転換の誘導及びタービンの全体効率を最適化する第３段ノズル翼形部の翼形形状を定めるために、段の要件を満たしかつ製造可能である、空間内における固有の点の組又は軌跡を提供する。この固有の点の軌跡は、ノズル負荷及び段効率の要件を満たすものであり、空気力学とノズルの機械的負荷との間での反復試索によって得られ、タービンが効率的な、安全なかつ円滑な状態で運転されることを可能にする。ノズル翼形部輪郭を定める軌跡は、６００個の点の組を含む。下記の表Ｉに示すＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系が、各ノズル翼形部の輪郭を定める。Ｘ及びＹ座標の値は、表Ｉにはインチで記載されているが、数値が適当に換算される場合、他の寸法単位を用いることもできる。表Ｉに記載したＺ値は、０から１までの無次元形式である。各Ｚ値をインチで表したＺ距離に換算するためには、表Ｉに示した無次元Ｚ値に、インチで表した定数、例えばノズル翼形部の高さが乗じられる。翼形部高さＨは、ノズル２２の後縁３８と外側バンド３０との交差位置における点から、符号３７の点（図４）において後縁３８から後方の内側バンドと交差する半径に沿って測定でき、約８．１２５インチである。第３段の各ノズルの交差点３５からロータ軸線３４までの好ましい距離Ｄ（図４）は、２８．９３０インチである。座標系は、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有しており、Ｚ軸がＸ及びＹ値を含む平面に垂直な平面に対して垂直に延びている。Ｙ軸は、タービンロータ中心線、すなわちロータ軸線３４に平行に位置しており、前方から後方に向かって正の方向である。Ｚ方向は、半径方向内向き方向が負の方向であり、Ｘ方向は、後方向に見て接線方向反時計方向が負の方向である。

Ｘ、Ｙ平面に対して垂直なＺ方向の選択位置におけるＸ及びＹ座標値を定めることにより、各Ｚ距離における翼形部の輪郭を確定することができる。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で接続することにより、各Ｚ距離における各輪郭セクションが決定される。距離Ｚ間の様々な表面位置の表面輪郭は、隣接する断面セクションを互いに滑らかに接続して翼形部を形成することによって決定される。表Ｉに記載した値は、周囲温度の非作動状態又は非高温状態における翼形部輪郭を表し、かつ皮膜のない翼形部に対するものである。一般的にデカルト座標系で用いられるように、記号規則によりＺ値には正の値を割り当て、Ｘ及びＹ座標には正及び負の値を割り当てている。

表Ｉの値は、ノズル翼形部の輪郭を決定するために小数点以下３桁まで作成されかつ示されている。翼形部の実際の輪郭には、考慮しなければならない一般的な製造公差と皮膜とが存在する。従って、表Ｉに示す輪郭の値は、基準翼形部のためのものである。従って、ノズル翼形部の実際の輪郭は、翼形部表面上の測定点と表Ｉに挙げたようなそれらの理想的位置との間の差異の範囲内にある。本設計は、機械的機能及び空気力学的機能を損なわない程度に、この差異に対してロバストである。それ故、あらゆる皮膜厚さを含む一般的な±製造公差、すなわち±値が、下表Ｉに示すＸ及びＹ値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±０．１００インチの距離が、この特定の第３段ノズル翼形部に対する翼形部輪郭エンベロープを定める。

好ましい基準翼形部エンベロープ用の座標値を以下に表Ｉに示す。
表Ｉ

上記の表に開示した翼形部輪郭は、他の類似のタービン設計において使用するために、幾何学的に拡大又は縮小することができることも分かるであろう。その結果、表Ｉに記載した座標値は、翼形部セクション形状が変化しない状態に維持して、率に応じて拡大又は縮小することができる。表Ｉの座標の拡大又は縮小バージョンは、定数により乗算又は除算されたインチで表したＸ、Ｙ及びＺ距離によって示される。

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本発明を説明してきたが、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示した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなくそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。

本発明の好ましい実施形態による第３段ノズル翼形部を示す、ガスタービンを通る高温ガス流路の概略図。 内側及び外側ノズルバンドを含み、本発明によるタービンの第３段ノズルの一部を形成する３つの翼形ブレードを後縁側から見た斜視図。 ブレードの前縁側から見た、図２と同様な図。 第３段ノズル翼形部の側面図。 第３段ノズル翼形部を通る位置で取った、第３段ノズルの翼形部の一般化断面図。

符号の説明

１０ 多段タービンセクション
１２ ガスタービン
１４ 第１段ノズル
１５ ロータ
１６ 第１段バケット
１８ 第２段ノズル
２０ 第２段バケット
２２ 第３段ノズル
２４ 第３段バケット
２８ 内側バンド
３０ 外側バンド

Claims (10)

1. 翼形形状を有する翼形部（３２）を含むタービンノズル（２２）であって、
   前記翼形部が、表Ｉ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Ｉにおいて、Ｚ値は、表ＩのＺ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹ値は、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを定めるインチで表した距離であり、
   Ｚ距離における輪郭セクションが、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、
   タービンノズル。
2. タービンの第３段の一部を形成する、請求項１記載のタービンノズル。
3. 前記翼形部形状が、該翼形部形状に沿った任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項１記載のタービンノズル。
4. 翼形部（３２）を含むタービンノズル（２２）であって、
   前記翼形部が、表Ｉ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皮膜のない基準翼形部輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ値は、表ＩのＺ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹ値は、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを定めるインチで表した距離であり、
   Ｚ距離における輪郭セクションが、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、Ｙ及びＺ距離が、拡大又は縮小した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、
   タービンノズル。
5. タービンの第３段の一部を形成する、請求項４記載のタービンノズル。
6. 各翼形部形状が、該翼形部形状に沿った任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項１記載のタービンノズル。
7. 複数のノズル（２２）を有するタービン段を含むタービンであって、
   前記ノズルの各々が、翼形形状を有する翼形部（３２）を含み、
   前記翼形部が、表Ｉ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Ｉにおいて、Ｚ値は、表ＩのＺ値にインチで表した翼形部の高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹ値は、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを定めるインチで表した距離であり、
   Ｚ距離における輪郭セクションが、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、
   タービン。
8. 前記タービンノズルが、該タービンの第３段の一部を含む、請求項７記載のタービン。
9. 前記タービン段が６６個のノズルを有し、座標値Ｙが該タービンの回転軸線に平行に延びる、請求項８記載のタービン。
10. 各翼形部形状が、該翼形部形状に沿った任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項７記載のタービン。
    
    

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