JP2006090314A - ガスタービンの第１フェーズ用のロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードを提供する。
【解決手段】 本ブレード（１）は、それ自体と中心軸線からの距離（Ｚ）に位置する平面（Ｘ、Ｙ）との間の一連の交差閉曲線（２０）によって特定される輪郭を有し、各閉曲線（２０）が、第１の面（３）のトレースを陥凹した第２の面（５）のトレースと接続した丸味のある第１の端部（２１）と丸味のある第２の端部（２２）とを有し、第１の端部（２１）が最初にタービンのガス流に接触し、各閉曲線（２０）が、軸線（Ｘ）に沿った第１の端部（２１）の第２の端部（２２）からの最大距離として定義した軸方向翼弦長（４０）を有しかつ第１の端部（２１）に内接した円の最大直径として定義した該第１の端部（２１）の厚さ（３０）を有し、無次元厚さ（３０）、すなわち軸方向翼弦長（４０）で除算した厚さは、軸線（Ｚ）に沿った４次曲線による二次曲面分布を有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードに関する。

ガスタービンは、燃焼により得られたガスを使用してガスのエンタルピーを有用なエネルギーに転換しかつ回転シャフトに機械的動力を供給する回転熱機械である。

従って、タービンは通常、その内部で外部環境から取入れた空気を加圧状態にする圧縮機又はターボ圧縮機を含む。

様々な噴射器により燃料を供給し、この燃料を空気と混合して空気−燃料点火混合気を形成する。

軸流圧縮機には、真の意味でのタービン、すなわちターボエキスパンダが続き、このターボエキスパンダが、燃焼室内で燃焼したガスのエンタルピーを変換した機械エネルギーをユーザに対して供給する。

機械エネルギーを発生させる用途では、膨張ジャンプは、その各々がタービン内で行われる２つの部分的ジャンプに細分される。燃焼室の下流に位置する高圧タービンは圧縮機を駆動する。次に、高圧タービンからのガスを受ける低圧タービンは、ユーザに接続される。

ターボエキスパンダ、ターボ圧縮機、燃焼室（又は加熱器）、出力シャフト、調整システム及び点火システムは、ガスタービンプラントの主要部分を形成する。

ガスタービンを作動させることの範囲では、一連の入口ダクトを通して流体を圧縮機内に流入させることが知られている。

これらの流れ配置では、ガスは低圧及び低温特性を有するが、ガスが圧縮機を通過するとき、ガスは加圧されてその温度が上昇する。

ガスは次に、燃焼（加熱）室内に流入し、燃焼室において、ガスはその温度がさらに大きく上昇する。

ガスの温度上昇に必要な熱は、噴射器によって加熱室内に導入された液体燃料の燃焼によって供給される。

機械を作動させるときの燃焼の開始は、スパークプラグによって得られる。

燃焼室の出口において、高圧及び高温ガスは特殊なダクトを通してタービンに達し、タービンにおいて、ガスは圧縮機及び加熱室（燃焼器）内で蓄積したエネルギーの一部を放出し、その後吐出チャネルによって外部に流出する。

ガスによってタービンに与えられるエネルギーは、圧縮機内でそのために吸収したエネルギーよりも大きいので、補機類と可動機械内部部品の受動抵抗とによって吸収された仕事を除いた一定量のエネルギーが、機械のシャフト上に使用可能な状態で残り、プラントの有用な仕事を行う。

利用可能になった高い比エネルギーの結果として、真の意味でのタービン、すなわちターボエキスパンダは一般的に、ガスによって移入される有用な仕事へのエネルギー転換収率を最適化するために多フェーズになっている。

従って、フェーズは、タービンの各セクションの構成要素であり、その各々が一連のブレードを備えたステータ及びロータを含む。

しかしながら、全てのタービンに共通する主な必要条件の１つは、タービンの全ての構成部品における作動において得られなければならない高い効率に関連している。

近年、技術的に前衛的なタービンは、例えば燃焼温度、圧力変化、冷却システムの効力及びタービンの構成部品などの熱力学サイクルパラメータを高めることによってさらに改良されてきている。

現今では、効率をさらに向上させるために、タービンは、ブレードシステムの輪郭の空気力学的パラメータで作動させることが必要である。

ブレードシステムの幾何学的構成は、空気力学的効率に大きく影響を与える。

このことは、ブレードの幾何学的特性により相対的流体流量の分布が決まり、その結果、壁に沿った境界層の分布及び最後だからといって重要でないということではなく摩擦損失に影響を与えるという事実による。

低圧タービンでは、回転速度作動条件は、基準速度の５０％から１０５％まで変化させることができ、その結果タービンのブレードシステムは、極めて広範な範囲内で高い空気力学的効率を維持しなければならないことが認められる。

具体的には、低圧タービンの第１フェーズのロータブレードの場合には、適切な空気力学的負荷及び機械的負荷を支持すると同時に、極度に高い効率が必要とされる。

現在、タービンの作動条件が変化する状態で高い効率を可能にし、かつ同時に有効寿命を維持することができるブレードを得ることは困難である。

本発明の目的は、広範な作動範囲内で高い空気力学的性能を可能にする、ガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードを提供することである。

別の目的は、同時に構成部品自体の長い有効寿命を可能にする、ガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードを提供することである。

さらに別の目的は、広範な作動範囲内で高い空気力学的性能を可能にしかつ同時に構成部品自体の長い有効寿命を可能にする、ガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードを提供することである。

本発明によるこれらの目的は、請求項１に記載したようなガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードを提供することによって達成される。

本発明のさらに別の特徴は、後続の請求項に示している。

本発明によるガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードの特徴及び利点は、添付の概略図面を参照しながら以下の例示的かつ非制限的な説明からより明白になると思われる。

図を参照すると、これらの図は、ガスタービンの第１フェーズ用のロータのブレード１を示す。

このブレード１は、一連のブレードと共にガスタービンのロータ上に挿入される。

このブレード１は、軸線Ｚがタービンの中心軸線と交差する半径方向軸線であるデカルト基準系Ｘ、Ｙ、Ｚにおける、点の配慮した組合せの座標によって定まる。

このブレード１は、それ自体と中心軸線からの距離Ｚに位置する平面（Ｘ、Ｙ）との間の一連の交差閉曲線２０によって定まる輪郭を有する。

このブレード１の輪郭は、正圧下にある第１の凹形面３と陥凹しておりかつ第１の面と反対側の第２の凸形面５とを含む。

２つの面３、５は連続しており、共同して各ブレード１の輪郭を形成する。

公知の技術によると、端部には、各ブレード１とロータ自体との間にコネクタが設けられる。

各閉曲線２０は、ほぼ［Ｃ」形状であり、第１の面３のトレースを陥凹した第２の面５のトレースと接続した丸味のある第１の端部２１と丸味のある第２の端部２２とを有する。

各閉曲線の入口における第１の端部２１は、ガス流が最初に接触する端部である。

この第１の端部２１の厚さ３０は、該第１の端部２１に内接した円の最大直径として定義される。

各閉曲線２０の厚さ３０は、設計条件とは異なる、ブレード１の空気力学的作動条件に非常に影響を与える。

この厚さ３０は、軸線Ｘに沿った第１の端部２１の第２の端部２２からの最大距離として定義した軸方向翼弦長４０に対して無次元である。

この無次元厚さ３０、すなわち軸方向翼弦長４０によって除算した厚さは、ガスタービンの広範な作動範囲内で高い空気力学的効率を得るのを可能にする、軸線Ｚに沿った分布を有する。

この無次元厚さ３０は、軸線Ｚに沿った二次曲面分布を有する。

軸線Ｚに沿ってブレード１の基部から始まって、この二次曲面分布は、最初に減少しかつ次に増大する値を有する。

このようにして、ブレード１の長い有効寿命を維持しかつさらにガスタービンの広範な作動範囲内で一定の或いは僅かに変化する高い空気力学的効率を有することが可能となる。

このことは、第１フェーズロータの入口においてガス流の流体動的状態が大きく変化する可変ノズルを使用した場合に極めて有用である利点を有することを示している。

本発明の別の態様によると、可変吸込みノズルを備えたガスタービンの第１フェーズ用のロータを提供し、このロータは、その各々が空気力学的形状輪郭を有する一連の形状ブレード１を含む。

各ブレード１の空気力学的輪郭は、軸線Ｚがタービンの中心軸線と交差する半径方向軸線であるデカルト基準系Ｘ、Ｙ、Ｚに対してその座標が定められた一連の閉曲線２０によって定まり、中心軸線からの距離Ｚに位置する閉曲線２０は、表１によって定まり、各閉曲線２０の表１の値は、室温輪郭を示しかつ表１のＣＨＸで示した軸線Ｘに沿った軸方向翼弦長４０のミリメートルで表した値によって除算されている。

さらに、本発明によるブレードの空気力学的輪郭は、一連の閉曲線２０を互いに重ね合わせかつ連続的な空気力学的輪郭を得るようにそれらの閉曲線を接続することによって、表１の値を使用して得られる。

溶融法によって得るのが好ましい各ブレード１の寸法上のばらつきを考慮するために、各ブレード１の輪郭は、ブレード１自体の輪郭に対して垂直方向に＋／−０．３ｍｍの公差を有することができる。

各ブレード１の輪郭はまた、その後施工され、輪郭自体を変化させるような皮膜を含むことができる。

この耐摩耗性皮膜は、ブレードの各面に対して垂直方向に定まりかつ０〜０．５ｍｍの範囲にある厚さを有するのが好ましい。

さらに、表１の座標の値を補正定数によって乗算又は除算して、同一形状を維持しながらより大きいか又はより小さい尺度の輪郭を得ることができることは明らかである。

従って、本発明によるガスタービンの第１フェーズ用のロータブレードにより、上記に示した目的が達成されることが理解できるであろう。

本発明による空気力学的輪郭で製作した、タービンのロータのブレードの立面図。 図１のブレードの反対側の立面図。 本発明によるブレードの左側立面斜視図。 本発明によるブレードの右側立面斜視図。 本発明によるブレードを上から見た図。 本発明によるブレードの断面図。

符号の説明

３ 第１の凹形面
５ 第２の凸形面
２１ 丸味のある第１の端部
２２ 丸味のある第２の端部
３０ 第１の端部の厚さ
４０ 軸方向翼弦長

Claims (6)

1. 中心軸線からの距離（Ｚ）に位置する平面（Ｘ、Ｙ）との間の一連の交差閉曲線（２０）によって特定される輪郭を有し、
   各閉曲線（２０）が、第１の面（３）のトレースを陥凹した第２の面（５）のトレースと接続した丸味のある第１の端部（２１）と丸味のある第２の端部（２２）とを有し、
   前記第１の端部（２１）が最初にタービンのガス流に接触し、各閉曲線（２０）が、軸線（Ｘ）に沿った前記第１の端部（２１）の前記第２の端部（２２）からの最大距離として定義した軸方向翼弦長（４０）を有しかつ前記第１の端部（２１）に内接した円の最大直径として定義した該第１の端部（２１）の厚さ（３０）を有する、ガスタービンの第１フェーズ用のロータのブレード（１）であって、
   前記無次元厚さ（３０）、すなわち前記軸方向翼弦長（４０）で除算した厚さが、軸線（Ｚ）に沿った４次曲線による二次曲面分布を有することを特徴とする、ブレード。
2. 前記閉曲線（２０）が表１に従って定まり、該表１の値は、室温輪郭を示しかつ各閉曲線（２０）について前記それぞれの軸方向翼弦長（４０）のミリメートルで表した値で除算されていることを特徴とする、請求項１記載のブレード（１）。
3. 各ブレード（１）の輪郭が、該ブレード（１）自体の輪郭に対して垂直方向に＋／−０．３ミリの公差を有することを特徴とする、請求項１及び請求項２のいずれか１項記載のブレード（１）。
4. 各ブレード（１）の輪郭が、耐摩耗性皮膜を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項記載のブレード（１）。
5. 前記皮膜が、０〜０．５ミリの範囲にある厚さを有することを特徴とする、請求項４記載のブレード（１）。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項記載の一連のブレードを含むタービンの第１フェーズ用のロータ。
   

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