JP2005113920A - タービンバケット用の翼形部形状 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、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段タービンバケット(20)は、表Iに記載したX、Y及びZのデカルト座標値に従った翼形部輪郭(36)を有す。表I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0.05〜0.95の無次元値である。X及びY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(38)を形成する距離である。各距離Zにおける輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて翼形部形状を形成する。X、Y及びZ距離は、拡大又は縮小されたバケット用翼形部セクションを得るために、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翼形部の表面に対して垂直な方向に±0.160インチのエンベロープ内に在る。
【選択図】 図3
【解決手段】 第2段タービンバケット(20)は、表Iに記載したX、Y及びZのデカルト座標値に従った翼形部輪郭(36)を有す。表I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0.05〜0.95の無次元値である。X及びY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(38)を形成する距離である。各距離Zにおける輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて翼形部形状を形成する。X、Y及びZ距離は、拡大又は縮小されたバケット用翼形部セクションを得るために、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翼形部の表面に対して垂直な方向に±0.160インチのエンベロープ内に在る。
【選択図】 図3
Description
本発明は、ガスタービン段のバケット用翼形部に関し、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。
効率及び翼形部負荷の全体的な改善を含む設計目標に適合させるために、ガスタービンの各段の高温ガス流路セクションにおいて多くの要件が満たされなければならない。特に、第2段タービンセクションのバケットは、その特定の段における熱的及び機械的作動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バケット、好ましくは第2段バケット用の固有の翼形部形状を提供する。本発明の翼形部形状はさらに、様々なタービン段間の相互作用を改善し、向上した空気力学的効率をもたらしながら、同時に第2段翼形部の熱的及び機械的応力を低減する。
バケット翼形部輪郭は、必要な効率及び負荷要件を達成するような固有の点の軌跡によって定められ、それによって向上したタービン性能が得られる。この固有の点の軌跡は、基準翼形部輪郭を定め、以下に示す表IのX、Y及びZデカルト座標によって特定される。表Iに示す座標値の1100個の点は、タービン中心線に対してのものであり、またバケット翼形部のその全長に沿った様々な断面における低温即ち室温に対するものである。X、Y及びZの正の方向は、それぞれ、タービンの排出端部に向かう軸方向、エンジンの回転方向における接線方向、及びバケット先端に向かう半径方向外向き方向である。X及びY座標は、距離のディメンション、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、5%スパン〜95%スパンの無次元形式で与えられ、従ってプラットフォーム及び先端シュラウドにおけるフィレット領域は除かれている。例えばインチで表した翼形部高さ寸法に、表Iの無次元Z値を乗じることによって、バケット翼形部の翼形部形状即ち輪郭が得られる。X、Y平面内の各形成された翼形部セクションが、Z方向における隣接する翼形部セクション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、機械的負荷及び温度の結果として、その輪郭が変化することになることが分かるであろう。従って、低温即ち室温輪郭は、製造目的のためのX、Y、Z座標によって与えられる。製造されたバケット翼形部輪郭は、下表により与えられた基準翼形部輪郭とは異なる可能性があるため、基準輪郭に沿った任意の表面位置対して垂直な方向の、該基準輪郭から±0.160インチの、任意の被膜を含む距離により、このバケット翼形部の輪郭エンベロープが定まる。この翼形部形状は、このような差異に強く、バケットの機械的機能及び空気力学的機能を損なうことがない。
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座標は、同一の定数又は数値の関数とすることができる。即ち、インチで表したX及びY座標値を、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では、翼形形状を有するバケット翼形部を含むタービンバケットを提供し、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、該表Iにおいて、Z値は、該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0.05〜0.95の無次元値であり、またX及びY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形成す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、バケット翼形部を含むタービンバケットを提供し、該バケット翼形部は、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被膜のない基準翼形部輪郭を有し、該表Iにおいて、Z値は、該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0.05〜0.95の無次元値であり、またX及びY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形成す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及びY距離は、拡大又は縮小され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。
本発明による更に別の好ましい実施形態では、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を提供し、バケットの各々は、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、該表Iにおいて、Z値は、該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0.05〜0.95の無次元値であり、またX及びY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形成す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。
本発明による更に別の好ましい実施形態では、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を提供し、バケットの各々は翼形部を含み、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被膜のない基準翼形部輪郭を有し、該表Iにおいて、Z値は、該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0.05〜0.95の無次元値であり、またX及びY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形成す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距離は、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。
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で表した高温ガス流路が示されている。ここには、3つの段が示されている。例えば、第1段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル14及びバケット16を含む。ノズルは、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、ロータの軸線の周りに固定される。もちろん、第1段バケット16は、タービンホイール19を介してタービンロータ17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、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル18とロータ17に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット20とを含む。更に、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル22とタービンホイール23を介してロータ17に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット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、タービンの高温ガス流路10内に位置しており、高温ガス流路10を通る高温ガスの流れの方向が、矢印26により示されていることが分かるであろう。
バケット、例えば第2段のバケット20は、ロータ17の一部を形成するロータホイール21上に取付けられることが分かるであろう。各バケット20には、プラットフォーム30と、シャンク32と、ロータホイール21上の相補形状の嵌合ダブテール(図示せず)に連結されるほぼ軸方向挿入式ダブテール34とが設けられる。各バケット20が、図2〜図5に示すようにバケット翼形部36を有することも分かるであろう。従って、バケット20の各々は、プラットフォーム30の中間点における翼形部根元31からバケット先端33までの任意の断面において翼形形状になっている翼形部輪郭セクション38(図3)を有する。
各第2段バケット翼形部36の翼形形状を形成するために、段の要件を満たしかつ製造することができる、空間における固有の点の組又は軌跡が準備される。この固有の点の軌跡は、段効率の要件と熱的及び機械的応力の低下の要件とを満たす。点の軌跡は、タービンを効率的、安全かつ円滑な状態で作動させることを可能にするように空気力学的負荷と機械的負荷と間の関係を反復することによって得られる。バケット翼形部輪郭を定めるこの軌跡は、タービンの回転軸線に対する1100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、その全長に沿った様々な位置におけるバケット翼形部の輪郭を定める。X及びY座標における座標値は、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。Z値は、表Iには5%スパン〜95%スパンの無次元形式で記載されている。これらの値では、プラットフォーム及び先端シュラウドのフィレット領域が除かれている。Z値を例えばインチで表したZ座標値に換算するためには、表に示した無次元Z値に、インチで表した翼形部の高さが乗じられる。デカルト座標系は、直交関係のX、Y及びZ軸を有しており、X軸は、タービンロータ中心線、即ち回転軸線に平行に位置し、正のX座標値は、後方、即ちタービンの排出端部に向う軸方向である。後方に向かって見たときの正のY座標値は、ロータの回転方向における接線方向に延びており、また正のZ座標値は、バケット先端に向かう半径方向外向き方向である。
X、Y平面に対して垂直なZ方向の選択された位置におけるX及びY座標値を定めることにより、翼形部の全長に沿った各Z距離におけるバケット翼形部の輪郭セクション、例えば図3に示す輪郭セクション38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38が、決定される。距離Z間の様々な表面位置の翼形部輪郭は、隣接する輪郭セクション38を互いに滑らかに接続して翼形部輪郭を形成することによって決定される。これらの値は、周囲温度、非作動状態又は非高温状態における翼形部輪郭を表し、また被膜のない翼形部に対するものである。
表Iの値は、翼形部の輪郭を決定するために小数点以下4桁まで作成されかつ示されている。しかしながら、小数点以下第4桁は重要なものではなく、切り上げ又は切り捨ててもよい。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被膜とが存在する。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。それ故、あらゆる被膜厚さを含む一般的な±製造公差、即ち±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±0.160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、即ち、基準の低温又は室温での実際の翼形部表面上で測定した点とそれと同一温度での下表に示したそれらの点の理想的な位置との間の差異の範囲を定める。このバケット翼形部設計は、この差異の範囲に強く、機械的機能及び空気力学的機能を損なうことがない。
下表I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。
この第2段タービンバケットの好ましい実施形態では、空気冷却される92個のバケット翼形部36がある。本発明の第2段バケットの好ましい実施形態では、バケット半径方向高さは、0%スパンと100%スパンとの間で14.290インチである。0%スパンにおけるエンジン中心線からの翼形部半径方向高さは、46.828インチであり、また100%スパンにおいては61.118インチである。表Iにおける翼形部セクションは、Z=5%スパンで始まりかつZ=95%スパンで終わっており、フィレット領域を排除している。本発明の一部を構成しないが、各第2段バケット翼形部36は、図示していないが複数の内部空気冷却通路を含み、該空気冷却通路は、先端シュラウド42に隣接する高温ガス流路内に冷却空気を排出する。
上記の表Iに開示した翼形部は、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理解されたい。その結果、表Iに記載した座標値は、翼形部輪郭形状が変化しない状態に維持されて、率に応じて拡大又は縮小することができる。定数により乗算又は除算された表IのX及びY座標値は、拡大縮小バージョンを表すことになる。バケット翼形部をZ方向に拡大縮小するためには、表Iに示す5%及び95%半径方向スパンに対して同様に定数を適用することができる。
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。
17 タービンロータ
20 第2段バケット
21 ロータホイール
30 プラットフォーム
31 翼形部根元
32 シャンク
33 バケット先端
34 ダブテール
36 第2段バケット翼形部
38 翼形部輪郭セクション
42 先端シュラウド
20 第2段バケット
21 ロータホイール
30 プラットフォーム
31 翼形部根元
32 シャンク
33 バケット先端
34 ダブテール
36 第2段バケット翼形部
38 翼形部輪郭セクション
42 先端シュラウド
Claims (8)
- 翼形形状を有するバケット翼形部(36)を含むタービンバケット(20)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、該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0.05〜0.95の無次元値であり、またX及びY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(38)を形成するインチで表した距離であり、
前記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、
タービンバケット。 - タービンの第2段の一部を形成している、請求項1記載のタービンバケット。
- 前記翼形部形状が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±0.406cm(±0.160インチ)の範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項1記載のタービンバケット。
- Z=0.0%スパンからZ=100%スパンまでの前記タービン翼形部の高さが、36.297cm(14.290インチ)である、請求項1記載のタービンバケット。
- バケット翼形部(36)を含むタービンバケット(20)であって、
前記バケット翼形部が、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被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、該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0.05〜0.95の無次元値であり、またX及びY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(38)を形成するインチで表した距離であり、
前記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、
前記X及びY距離が、拡大又は縮小され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、
タービンバケット。 - タービンの第2段の一部を形成している、請求項5記載のタービンバケット。
- 前記翼形部形状が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±0.406cm(±0.160インチ)の範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項5記載のタービンバケット。
- Z=0.0%スパンからZ=100%スパンまでの前記タービン翼形部の高さが、36.297cm(14.290インチ)である、請求項5記載のタービンバケット。
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