JP2008106749A - 圧縮機用の翼形状 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、製品、すなわち圧縮機用の翼形状を提供する。
【解決手段】本製品は、表１に記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有する。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状（２２，２３）を形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ガスタービンのロータブレードの翼形部に関する。具体的には、本発明は、圧縮機の様々な段の圧縮機翼形部輪郭に関する。具体的には、本発明は、圧縮機の様々な段における入口案内ベーン、ロータ又はステータのいずれかの圧縮機翼形部輪郭に関する。

ガスタービンでは、設計目標を満足すべくガスタービンの流路セクションの各段で数多くのシステム要件を満たす必要がある。こうした設計目標としては、特に限定されないが、効率及び翼形部負荷性能の全体的向上が挙げられる。例えば、本発明を限定するものではないが、圧縮機ステータのブレードはその特定の段についての熱的及び機械的作動要件を達成すべきである。さらに、例えば、本発明を限定するものではないが、圧縮機ロータのブレードも、その特定の段についての熱的及び機械的作動要件を達成すべきである。

本発明のある例示的な態様では、製品は、表１に記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有する。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。

本発明の別の例示的な態様では、圧縮機は圧縮機ホイールを含む。圧縮機ホイールは複数の製品を有する。各製品は、翼形状を有する翼形部を含む。翼形部は、表１に記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有しており、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。

本発明のさらに別の例示的な態様では、圧縮機は、複数の製品を有する圧縮機ホイールを含む。各製品は、表１に記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する非被覆公称翼形部輪郭を有する翼形部を有しており、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。

ここで図面を参照すると、図１は、複数の圧縮機段を有するガスタービン圧縮機２の軸方向圧縮機流路１を示す。図中、圧縮機段には連続番号を付した。圧縮機流路は、例えば１８のように任意の数のロータ段及びステータ段を含む。ロータ及びステータ段の正確な数は工学設計上の選択である。本発明の実施に際して、圧縮機には、任意の数のロータ及びステータ段を設けることができる。１８ロータ段はタービン設計の一例にすぎない。１８ロータ段は本発明を限定するものではない。

圧縮機ロータブレードは空気流に運動エネルギーを与え、圧縮機全体で所望の圧力上昇をもたらす。ロータ翼形部のすぐ後ろには、ステータ翼形部の段がある。ロータ及びステータ翼形部はいずれも空気流の方向を変え、空気流速度を（各翼形部構成で）低下させ、空気流の静圧を上昇をさせる。翼形部のその外周面を含めた構成は（周辺の翼形部との相互作用と併せて）、本発明の他の望ましい特徴の中でも特に、段空気流効率、向上した空気力学、段から段への滑らかな層流、低減した熱応力、空気流を段から段に効果的に流す段間の向上した相互関係、及び低減した機械応力を与える。通例、所望の吐出／入口圧力比を達成するため軸流圧縮機では複数列のロータ／ステータ段を並べる。ロータ及びステータ翼形部は、「根元」、「基部」又は「ダブテール」（図２〜図５参照）として知られる適当な取付け構成によってロータホイール又はステータケースに固定できる。

図１に圧縮機２の段の例を示す。圧縮機２の段は、ロータホイール５１に円周方向に間隔をおいて装着された複数のロータブレード２２と、静止圧縮機ケース５９に円周方向に間隔をおいて取り付けられた複数のステータブレード２３とを含む。各ロータホイールは後方駆動シャフト５８に取付けられ、後方駆動シャフト５８はエンジンのタービンセクションと連結している。ロータブレード及びステータブレードは圧縮機の流路１内にある。本発明で具体化される圧縮機流路１を流れる空気流の方向を矢印６０（図１）で示す。圧縮機２の段は、本発明の技術的範囲に属する圧縮機２の段の単なる例示にすぎない。圧縮機２の図示しかつ説明した段は本発明を限定するものではない。

ロータブレード２２は、後方駆動シャフト５８の一部をなすロータホイール５１に取付けられる。図２〜図６に示すように、各ロータブレード２２には、プラットフォーム６１と、ロータホイール５１の相補的形状の嵌合ダブテールスロット（図示せず）と連結する実質的又は略軸方向挿入式ダブテール６２とが設けられる。ただし、軸方向挿入式ダブテールには、本発明で具体化される翼形部輪郭を設けてもよい。各ロータブレード２２は、図２〜図６に示すようにロータブレード翼形部６３を含む。従って、ロータブレード２２の各々は、プラットフォーム６１の中間点の翼形部根元６４から略翼形のロータブレード先端６５までの任意の断面でロータブレード翼形輪郭６６を有する（図６）。

ロータブレード翼形部の翼形状を規定するため、空間内の固有の点の組又は軌跡が規定される。この固有の点の組又は軌跡はその段の要件を満足し、段をそのように製造することができる。この固有の点の軌跡は、段効率並びに低減した熱及び機械応力に関する所望の要件を満足する。この点の軌跡は、圧縮機を効率的にしかも安全かつ円滑に運転できるように空気力学的負荷と機械的負荷との間の反復法（iteration）によって得られる。

本発明で具体化される軌跡はロータブレード翼形部輪郭を規定し、エンジンの回転軸線に対する点の組を含むことができる。例えば、点の組によってロータブレード翼形部輪郭を規定することができる。

以下の表に記載したＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系は、その長さ方向の様々な位置でのロータブレード翼形部の輪郭を規定する。本発明で具体化される翼形部は、第４段翼形ロータブレードとしての用途を見出すことができる。Ｘ、Ｙ及びＺ座標の座標値はインチ単位で記載されており、これらの値は適切に変換すれば他の単位系を用いることもできる。これらの値はプラットフォームのフィレット部を除外している。デカルト座標系は、直交Ｘ、Ｙ及びＺ軸を有する。Ｘ軸は圧縮機ブレードのダブテール軸線と平行であり、ダブテール軸線は、ロータに関する図７及びステータに関する図８に示すように、エンジンの中心線に対してある角度をなしている。正のＸ座標値は、後方、例えば圧縮機の排出端に向かう軸方向である。正のＹ座標値は、ダブテール軸線に垂直な方向である。正のＺ座標値は、ロータブレードの場合には径方向外側に翼形部先端に向かう方向つまり圧縮機の固定ケーシングに向かう方向であり、ステータブレードの場合には径方向内側に圧縮機のエンジン中心線に向かう方向である。

基準としての目的のため、図５に示すように、スタッキング軸線に沿った翼形部とプラットフォームとの交差部を通るゼロ（０）点を設ける。本発明の翼形部のこの例示的な実施形態では、ゼロ（０）点は、以下の表のＺ座標が０．０００インチである基準断面として定義され、エンジン又はロータ中心線から所定の距離にある。

ＸＹ平面に垂直なＺ方向の所定の位置でのＸ及びＹ座標値を規定することによって、ロータブレード翼形部の輪郭断面（例えば、特に限定されないが、翼形部の長さ方向の各距離Ｚにおける図６の輪郭断面６６）を確定することができる。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続弧で結ぶと、各距離Ｚにおける輪郭断面６６を求めることができる。隣接する輪郭断面６６同士を滑らかに結ぶと、距離Ｚ間の様々な表面位置での翼形部輪郭を求めることができ、翼形部輪郭が形成される。これらの値は、周囲温度の非作動状態つまり非高温状態における翼形部輪郭を表すとともに、非被覆（つまりコーティングされていない）翼形部の輪郭を表す。

翼形部の輪郭を定める表の値は、小数点以下３桁で作成し、記載する。通常は製造公差とコーティングが存在し、翼形部の実際の輪郭についてはこれらも考慮しなければならないする。従って、本明細書に記載した輪郭の値は公称翼形に対するものである。これから明らかであろうが、±値のような典型的な±製造公差が、コーティング厚も含めて、Ｘ及びＹ値に加えられる。従って、翼形部輪郭の表面位置に垂直な方向における約±０．１６０インチの距離によって、ロータブレード翼形部設計及び圧縮機の翼形部輪郭包絡曲面が規定される。換言すれば、翼形部輪郭に沿った表面位置に垂直な方向における約±０．１６０インチの距離は、公称低温（つまり常温）での実際の翼形部表面の測定点と、本発明で具体化される同一温度でのこれらの点の理想位置との変動範囲を規定する。本発明で具体化されるロータブレード翼形部設計は、この変動範囲内で、機械的及び空気力学的機能を損なうことなく、堅調である。

以下の表１に記載した座標値は、例示的な第４段翼形ロータブレード用の公称輪郭包絡曲面を与える。

なお、上記の表１に示した例示的な翼形部は、他の同様の圧縮機設計で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。従って、表１に記載の座標値は、翼形部輪郭形状を変えずに、拡大又は縮小することができる。表１の座標を縮尺したものは、表１のＸ、Ｙ及びＺ座標値に定数を乗算又は除算したもので表される。

本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、本明細書の記載から、本発明の技術的範囲内において、当業者が構成要素を種々組合せ、実施形態に変更、修正を加えることができることは明らかであろう。

多段ガスタービンを通る圧縮機流路の概略図であって、本発明の実施形態に係る例示的な翼形部を示す概略図。 本発明の実施形態に係る例示的なロータブレードの斜視図であって、ロータブレード翼形部をそのプラットフォーム及び略軸方向挿入式ダブテール継手と共に示す斜視図。 図２のロータブレード及び付随プラットフォーム及びダブテール継手を軸方向に観た図。 図２のロータブレード及び付随プラットフォーム及びダブテール継手を翼形部の正圧側面から略円周方向に観た側面図。 図２のロータブレード及び付随プラットフォーム及びダブテール継手を翼形部の負圧側面から略円周方向に観た側面図。 図５のロータブレード翼形部の矢視６−６断面図。 本発明の例示的な実施形態に係るロータブレードに座標系を重ねた図。 本発明の例示的な実施形態に係るステータブレードに座標系を重ねた図。

符号の説明

１ 軸方向圧縮機流路
２ ガスタービン圧縮機
２２ ロータブレード
５１ ロータホイール
２３ ステータブレード
５９ 固定圧縮機ケース
５８ 後方駆動シャフト
６０ 空気流の方向
６１ プラットフォーム
６２ 軸方向挿入式ダブテール
６３ ロータブレード翼形部
６６ ロータブレード翼形部輪郭
６４ 翼形部根元
６５ ロータブレード先端
６６ 輪郭断面

Claims (9)

1. 表１に記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有する製品であって、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成され、距離Ｚにおける翼形輪郭断面を滑らかに結ぶと完全な翼形状（２２，２３）を形成する、製品。
2. 当該製品が翼形部（２２，２３）を含む、請求項１記載の製品。
3. 当該製品の形状が、製品の任意の表面位置に垂直な方向に±０．１６０インチ以内の包絡曲面内に位置する、請求項２記載の製品。
4. 前記物品がロータ（２２）を含む、請求項１記載の製品。
5. 各々翼形状を有する翼形部を備えた複数の製品を有する圧縮機ホイールを含む圧縮機であって、上記翼形部が、表１に記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有し、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成され、距離Ｚにおける翼形輪郭断面を滑らかに結ぶと完全な翼形状（２２，２３）を形成する、圧縮機。
6. 前記製品がロータ（２２）を含む、請求項５記載の圧縮機。
7. 各々翼形部を備えた複数の製品を有する圧縮機ホイール（５１）を含む圧縮機（２）であって、上記記翼形部が、表１に記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する非被覆公称翼形部輪郭を有し、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成され、距離Ｚにおける翼形輪郭断面を滑らかに結ぶと完全な翼形状（２２，２３）を形成し、距離Ｘ及びＹが同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能であって拡大又は縮小ロータブレード翼形部（２２，２３）を与える、圧縮機（２）。
8. 前記製品がロータ（２２）を含む、請求項７記載の圧縮機（２）。
9. 前記翼形状が、翼形部の任意の表面位置に垂直な方向に±０．１６０インチ以内の包絡曲面内に位置する、請求項７記載の圧縮機（２）。

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