JP2006275049A

JP2006275049A - 第１段および第２段のタービンエーロフォイル

Info

Publication number: JP2006275049A
Application number: JP2006085756A
Authority: JP
Inventors: Michael A Sullivan; マイケル・アデルバート・サリバン; Dale W Ladoon; デール・ダブリュー・ラドゥーン; Ferruccio Candela; フェルッチオ・カンデラ; Adam Fredmonski; アダム・フレドモンスキ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2006-10-12
Also published as: US20080175707A1; US20060216144A1; EP1707740A1; KR20060104916A; US7467920B2; CN1840863A

Abstract

【課題】ガスタービン効率を最適化するために、第１段ならびに第２段のノズルおよび動翼のそれぞれにエーロフォイル形状を提供すること。
【解決手段】第１段、第２段のノズルおよび動翼は、それぞれ表１、２および表３、４に記載されたデカルト座標値Ｘ、Ｙ、およびＲにほぼ従った基準エーロフォイル輪郭を有する。Ｘ、ＹおよびＲ値はミリメートルである。Ｒは、タービンの回転軸から半径に沿った距離を表す。各エーロフォイルにおいて、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおいて半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離である。各エーロフォイルのＲ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせると、エーロフォイル形状を成す。Ｘ、ＹおよびＲ距離から得られるエーロフォイル形状は、エーロフォイル表面に沿ったどの位置からも垂直方向に±４．０６４ミリメートルのエンベロープの範囲内にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン用エーロフォイルに関し、特に、ガスタービンの第１段ならびに第２段用のノズルエーロフォイル形状および動翼エーロフォイル形状に関する。

タービン用のノズルエーロフォイルおよび動翼エーロフォイルの設計ならびに構造には、最適化された空気力学的効率、空気力学的および機械的ブレード負荷、ならびにガスタービンの様々な段間での相互作用を含めた多くの考慮事項がある。例えば、タービンノズルに関して述べると、ノズルのエーロフォイル形状によって、タービンの様々な段間で高温ガス通路に沿って相互に作用する高温ガスの進行方向が案内されることになり、これはタービンの総合効率にかなりの影響を及ぼす。
米国特許第６，９１０，８６８号米国特許第６，８８４，０３８号米国特許第６，８８１，０３８号米国特許第６，８６６，４７７号米国特許第６，８５７，８５５号米国特許第６，８５４，９６１号米国特許第６，８３２，８９７号米国特許第６，８０８，３６８号米国特許第６，７７９，９８０号米国特許第６，７７９，９７７号米国特許第６，７６９，８７９号米国特許第６，７３９，８３８号米国特許第６，７２２，８５３号米国特許第６，７２２，８５２号米国特許第６，７１５，９９０号米国特許第６，６８５，４３４号米国特許第６，５５８，１２２号米国特許第６，５０３，０５９号米国特許第６，５０３，０５４号米国特許第６，４７４，９４８号米国特許第６，４６１，１１０号米国特許第６，４６１，１０９号米国特許第６，４５０，７７０号米国特許第６，３９８，４８９号 U.S. Application No. 10/900,200, filed July 28, 2004, entitled: AIRFOIL SHAPE AND SIDEWALL FLOWPATH SURFACES FOR A TURBINE NOZZLE. U.S. Application No. 10/853,240, filed May 26, 2004, entitled: INTERNAL CORE PROFILE FOR A TURBINE NOZZLE AIRFOIL. U.S. Application No. 10/986,162, filed November 12, 2004, entitled: AIRFOIL SHAPE FOR A COMPRESSOR BLADE. U.S. Application No. 11/226,264, filed September 15, 2004, entitled: ROTOR BLADE FOR A FIRST PHASE OF A GAS TURBINE.

したがって、ガスタービン効率を最適化するために、第１段ならびに第２段のノズルおよび動翼のそれぞれにエーロフォイル形状が求められる。

本発明の好ましい実施形態では、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含むタービンノズルが提供され、このエーロフォイルは、表１にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、表中、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、Ｒ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせるとエーロフォイル形状を成す。

本発明の他の好ましい実施形態では、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含むタービン動翼が提供され、このエーロフォイルは、表２にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、表中、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、Ｒ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせるとエーロフォイル形状を成す。

本発明の他の実施形態では、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含むタービンノズルが提供され、このエーロフォイルは、表３にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、表中、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、Ｒ距離における半径に垂直な平面の輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせるとエーロフォイル形状を成す。

本発明の他の好ましい実施形態では、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含むタービン動翼が提供され、このエーロフォイルは、表４にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、表中、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、Ｒ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせるとエーロフォイル形状を成す。

本発明のさらに他の好ましい実施形態では、タービン軸周りで円周方向に整列した複数のノズルと、それらノズルの下流のタービン軸周りで円周方向に整列した複数の動翼とを有するタービンの第１段が提供され、各ノズルは、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含み、このエーロフォイルは、表１にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、表中、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、Ｒ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせるとエーロフォイル形状を成し、各動翼は、エーロフォイル形状を有する動翼エーロフォイルを含み、この動翼エーロフォイルは、表２にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準エーロフォイル輪郭を有し、表中、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面の動翼エーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、表２のＲ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせると動翼エーロフォイル形状を成す。

本発明の他の実施形態では、タービン軸周りで円周方向に整列した複数のノズルと、それらノズルの下流のタービン軸周りで円周方向に整列した複数の動翼とを有するタービンの第２段が提供され、各ノズルは、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含み、この動翼エーロフォイルは、表３にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、ここで、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、Ｒ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせるとエーロフォイル形状を成し、各動翼は、エーロフォイル形状を有する動翼エーロフォイルを含み、この動翼エーロフォイルは、表４にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、表中、Ｒはタービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、表４のＲ距離における輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせると動翼エーロフォイル形状を成す。

次に、図１を参照すると、全体を１０で示したタービンの一部分、具体的にはタービン１０の第１段１１および第２段１３がそれぞれ示されている。タービン１０は、ロータ１２および外側外筒１４を含む。ガスタービン１０の第１段１１は、外筒１４に固定されたノズルエーロフォイル１６が円周方向に間隔を置いて配置された列を有する第１段ノズルと、ロータ１２に取り付けられた動翼１８が円周方向に間隔を置いて配置された列とを含む。このタービンの第２段１３は、外筒１４に固定されたノズルエーロフォイル２０が円周方向に間隔を置いて配置された列と、ロータ１２に取り付けられた動翼２２が円周方向に間隔を置いて配置された列とを有する。このタービンには追加の段を含めてもよいことを理解されたい。また、各ノズルエーロフォイルおよび動翼エーロフォイルは、環状高温ガス流路中を流れる高温ガス流（矢印２４で全体を示す）中で、空気力学的効率、ならびに空気力学的および機械的ブレード負荷を最適化させるように独特のエーロフォイル形状をそれぞれ有する。

表１〜４にミリメートルで示したＸ、Ｙ、およびＲ値のデカルト座標系がそれぞれ、エーロフォイル１６、１８、２０、および２２の輪郭を画定する。これらの表では、Ｘ、Ｙ、およびＲ座標を表す座標値はミリメートルで記載されているが、他の寸法単位を使用してもよい。デカルト座標系は、直交関係にあるＸ、Ｙ、およびＲ軸を有する。Ｒ軸は、タービンの回転軸から半径に沿ってそこに垂直な平面までの直線距離をミリメートルで表し、この平面はＸおよびＹ値を含み、それによって回転軸から各距離Ｒにおけるエーロフォイル断面を画定する。Ｘ軸は、タービンロータ中心線、すなわち回転軸に平行に延び、Ｙ軸は接線方向に延びる。

Ｒ方向に垂直な平面のＸおよびＹ座標値をＲ方向に選択された距離ごとに規定することによって、各エーロフォイルの輪郭を確定することができる。各平面のＸおよびＹ値を滑らかな連続した弧で結ぶと、表に示した距離Ｒそれぞれにおける各輪郭の断面が定まる。距離Ｒにおける輪郭断面平面間の様々な表面位置の表面輪郭は、その隣接する輪郭断面同士を互いに滑らかに結ぶことによって決まり、それによってエーロフォイル形状を成す。

表１〜４に記載された値は、周囲条件が非動作すなわち非高温時の（ａｔａｍｂｉｅｎｔｎｏｎ−ｏｐｅｒａｔｉｎｇｏｒｎｏｎ−ｈｏｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）エーロフォイル輪郭断面を表している。表１〜４に示した値は、エーロフォイルの輪郭を決定するために小数点以下第３位まで求め示してある。各エーロフォイルの実際の輪郭には、一般的な製造公差ならびに被覆があり、これらを考慮に入れなければならない。したがって、表１〜４に示す、輪郭を表す値は、基準的なエーロフォイルのものである。したがって、一般的な±製造公差、すなわち±値は、どんな被覆厚も含めて、以下の表で示すＸ、Ｙ値に加算またはそこから減算されることを理解されたい。したがって、各エーロフォイル表面に沿った表面のどの位置からも垂直方向に±４．０６４ｍｍの距離が、特定のエーロフォイル形状のエーロフォイル輪郭エンベロープを規定する。

以下の表１に示す座標値は、第１段ノズルエーロフォイル１６の、フィレット領域を除いた好ましい基準輪郭形状を提供する。

表１
第１段ノズルエーロフォイル

一例として、第１段ノズルエーロフォイル１６の、翼根部付近、傾斜部（ｐｉｔｃｈ）付近、および先端部付近それぞれにおける距離Ｒの輪郭断面を図２に示す。

以下の表II（表２）に示す座標値は、第１段動翼エーロフォイル１８の、フィレット領域を除いた好ましい基準輪郭形状を提供する。

表２
第１段動翼エーロフォイル

表３
第２段ノズルエーロフォイル

一例として、第２段ノズルエーロフォイル２０の、翼根部付近、傾斜部付近、および先端部付近それぞれにおける距離Ｒの輪郭断面を図４に示す。

以下の表４に示す座標値は、第２段動翼エーロフォイル２２の、フィレット領域を除いた好ましい基準輪郭形状を提供する。

表４
第２段動翼エーロフォイル

一例として、第２段動翼エーロフォイル２２の、翼根部付近、傾斜部付近、および先端部付近それぞれにおける距離Ｒの輪郭断面を図４に示す。

上記の表１〜４に示したエーロフォイルは、他の同様のタービン設計で使用するために、幾何学的に拡大または縮小することもできることを理解されたい。したがって、表１〜４に記載された座標値は、エーロフォイル形状はそのまま変わらないように拡大または縮小することができる。表１〜４の座標値の拡大縮小版は、同じ定数または数字で乗算または除算されたＸ、Ｙ、およびＲ座標値によって表されることになる。

以上、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、ここに開示した実施形態のみに限られるものではなく、添付の特許請求の範囲および精神に含まれる様々な変形形態および同等の構成も包含するものであることを理解されたい。

本発明の好ましい態様による第１段ならびに第２段のノズルエーロフォイル形状および動翼エーロフォイル形状を有するタービンの高温ガス通路の概略図である。第１段ノズルエーロフォイル形状および第１段動翼エーロフォイル形状それぞれの、翼根部付近、傾斜部付近、および先端部付近の断面をプロットしたグラフである。第１段ノズルエーロフォイル形状および第１段動翼エーロフォイル形状それぞれの、翼根部付近、傾斜部付近、および先端部付近の断面をプロットしたグラフである。第２段ノズルエーロフォイル形状および第２段動翼エーロフォイル形状それぞれの、翼根部付近、傾斜部付近、および先端部付近の断面をプロットしたグラフである。第２段ノズルエーロフォイル形状および第２段動翼エーロフォイル形状それぞれの、翼根部付近、傾斜部付近、および先端部付近の断面をプロットしたグラフである。

符号の説明

１０タービン
１１第１段
１２ロータ
１３第２段
１４外側外筒
１６ノズルエーロフォイル
１８動翼
２０ノズルエーロフォイル
２２動翼
２４矢印

Claims

エーロフォイル形状を有するエーロフォイル（１６）を含むタービンノズルであって、前記エーロフォイルが、表１にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、前記表中、Ｒは前記タービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける前記半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、前記Ｒ距離における前記輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせると前記エーロフォイル形状を成すことを特徴とするタービンノズル。
タービンの第１段の一部を成すことを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
前記エーロフォイル形状が、エーロフォイル表面のどの位置からも垂直方向に±４．０６４ミリメートル以内のエンベロープ内にあることを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
エーロフォイル形状を有するエーロフォイル（１８）を含むタービン動翼であって、前記エーロフォイルが、表２にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、前記表中、Ｒは前記タービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける前記半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、前記Ｒ距離における前記輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせると前記エーロフォイル形状を成すタービン動翼。
タービンの第１段の一部を成すことを特徴とする請求項４記載のタービン動翼。
前記エーロフォイル形状が、エーロフォイル表面のどの位置からも垂直方向に±４．０６４ミリメートル以内のエンベロープ内にあることを特徴とする請求項４記載のタービン動翼。
エーロフォイル形状を有するエーロフォイル（２０）を含むタービンノズルであって、前記エーロフォイルが、表３にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、前記表中、Ｒは前記タービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける前記半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、前記Ｒ距離における前記半径に垂直な平面の前記輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせると前記エーロフォイル形状を成すことを特徴とするタービンノズル。
前記タービンの第２段の一部を成すことを特徴とする請求項７記載のタービンノズル。
前記エーロフォイル形状が、エーロフォイル表面のどの位置からも垂直方向に±４．０６４ミリメートル以内のエンベロープ内にあることを特徴とする請求項７記載のタービンノズル。
エーロフォイル形状を有するエーロフォイル（２２）を含むタービン動翼であって、前記エーロフォイルが、表４にミリメートルで記載されたＸ、Ｙ、およびＲのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、前記表中、Ｒは前記タービンの回転軸から半径に沿った距離であり、ＸおよびＹは、滑らかな連続した弧で結ぶと、各距離Ｒにおける前記半径に垂直な平面のエーロフォイル輪郭断面を画定する距離であり、前記Ｒ距離における前記輪郭断面をそれぞれ互いに滑らかに繋ぎ合わせると前記エーロフォイル形状を成すことを特徴とするタービン動翼。