JP2008106753A - コンプレッサ用のエアフォイル形状 - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良い安全なコンプレッサー翼型を提供する。
【解決手段】表において規定されるＸ，ＹおよびＺのデカルト座標数値に実質的に従った公称輪郭を有するように翼を製造する。そこでは、ＸおよびＹは、滑らかな連続的円弧によって接続するとき、インチ表示の各々の距離Ｚにおいてエアフォイル輪郭断面を形成するインチ表示の距離である。Ｚ距離における輪郭断面は、互いに滑らかに接合して、完全なエアフォイル形状を形成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、概ねガスタービンのロータブレード用のエアフォイルに関する。詳細には、本発明は、コンプレッサの様々なステージのためのコンプレッサエアフォイル輪郭に関する。詳細には、本発明は、コンプレッサの様々なステージにおける入口ガイド翼形部、ロータまたはステータの何れかのためのコンプレッサエアフォイル輪郭に関する。

ガスタービンでは、多くのシステム要求事項が、設計目標に適合するガスタービンの流れ通路セクションの各ステージにおいて満たされなければならない。これらの設計目標は、全体的に改善された効率とエアフォイル負荷処理能力とを包含するが、それらに限定されるものではない。例えば、そして、如何なる様式においても本発明を限定することなく、コンプレッサステータのブレードは、その特定のステージに関する熱的および機械的な作動要求事項を達成しなければならない。更に、例えば、そして、如何なる様式においても本発明を限定することなく、コンプレッサのロータブレードもまた、その特定のステージに関する熱的および機械的な作動要求事項を達成しなければならない。

本発明の１つの典型的な様相に従えば、製造物品が、表１において規定されるＸ，ＹおよびＺのデカルト座標数値に実質的に従った公称輪郭を有する。そこでは、ＸおよびＹは、滑らかな連続的円弧によって接続するとき、インチ表示の各々の距離Ｚにおいてエアフォイル輪郭断面を形成するインチ表示の距離である。Ｚ距離における輪郭断面は、互いに滑らかに接合して、完全なエアフォイル形状を形成する。

本発明のもう１つの典型的な様相に従えば、コンプレッサはコンプレッサホイールを含む。コンプレッサホイールは複数の製造物品を有する。製造物品の各々は、エアフォイル形状を有するエアフォイルを包含する。エアフォイルは、表１において規定されるＸ，ＹおよびＺのデカルト座標数値に実質的に従った公称輪郭を含み、ＸおよびＹは、滑らかな連続的円弧によって接続するとき、インチ表示の各々の距離Ｚにおいてエアフォイル輪郭断面を形成するインチ表示の距離である。Ｚ距離における輪郭断面は、互いに滑らかに接合して、完全なエアフォイル形状を形成する。

本発明の更にもう１つの典型的な様相に従えば、コンプレッサは複数の製造物品を有するコンプレッサホイールを含む。製造物品の各々は、表１において規定されるＸ，ＹおよびＺのデカルト座標数値に実質的に従った非コーティング式の公称エアフォイル輪郭を有するエアフォイルを包含し、ＸおよびＹは、滑らかな連続的円弧によって接続するとき、インチ表示の各々の距離Ｚにおいてエアフォイル輪郭断面を形成するインチ表示の距離である。Ｚ距離における輪郭断面は、互いに滑らかに接合して、完全なエアフォイル形状を形成する。

ここで、本件図面を参照すると、図１は、複数のコンプレッサステージを包含するガスタービンコンプレッサ２の軸方向のコンプレッサ流れ通路１を示している。コンプレッサステージは、当該図面では順番に番号付けされている。コンプレッサ流れ通路は、例えば１８個のようなロータステージおよびステータステージの任意個数を含んでいる。しかし、ロータおよびステータのステージの正確な個数は、エンジニアリング設計の選択事項である。本発明によって具現されるように、ロータおよびステータのステージの任意個数が燃焼室内に設けられても良い。１７個のロータステージは、１つのタービン設計に関する単なる例示に過ぎない。１８個のロータステージは、如何なる様式においても本発明を限定するようには意図されていない。

コンプレッサロータブレードは、空気流に運動エネルギーを付与し、その結果として、コンプレッサの全体にわたって所望の圧力上昇をもたらす。ロータエアフォイルの直後に続くものは、ステータエアフォイルのステージである。ロータおよびステータのエアフォイルは、空気流を旋回させて、（それぞれの基準のエアフォイルフレーム内において）空気流速度を減速し、空気流の静圧における増大を産み出す。その周表面をも包含する当該エアフォイルの構成は（取り囲むエアフォイルに対するその相互作用と共に）、本発明のその他の望ましい様相の中でも、特に、ステージ空気流効率と、強化した空気力学的特性と、ステージからステージへの滑らかな層流と、削減した熱ストレスと、空気流をステージからステージへと効果的に通過させる強化したステージ相互関係と、削減した機械的ストレスとを規定する。典型的には、ロータ／ステータのステージの複数列は、軸方向の流れコンプレッサ内においてスタックされ、入口圧力比に対する所望の吐出しを達成する。ロータおよびステータのエアフォイルは、しばしば、「根元」、「ベース」或いは「ダブテール」として知られている（図２−図５を参照）適当な取付け構成によってロータホイールまたはステータケースに対して固定され得る。

コンプレッサ２のステージは、図１では例示的に示されている。コンプレッサ２のステージは、ロータホイール５１に取付けられる複数の周方向に離間したロータブレード２２と、静的なコンプレッサケース５９に取付けられる複数の周方向に離間したステータブレード２３とを含む。ロータホイールの各々は、エンジンのタービンセクションに接続する後方の駆動軸５８に取付けられる。ロータブレードおよびステータブレードは、コンプレッサの流れ通路１の中に位置する。本発明によって具現されるようなコンプレッサ流れ通路１を介する空気流の方向は、矢印６０（図１）で示されている。コンプレッサ２のこのステージは、本発明の範囲内におけるコンプレッサ２のステージの単なる例示的なものに過ぎない。コンプレッサ２に関して図示されて説明されたステージは、如何なる様式においても本発明を限定するようには意図されていない。

ロータブレード２２は、後方の駆動軸５８の一部を形成するロータホイール５１に取付けられる。各々のロータブレード２２は、図２−図６に示すように、プラットホーム６１を備え、ロータホイール５１上における図示されていない補足的な形状の嵌合いダブテールに接続する実質的または近似的な軸方向の入口ダブテール６２をも備えている。しかし、軸方向の入口ダブテールは、本発明によって具現されるようなエアフォイル輪郭を設けられても良い。各々のロータブレード２２は、図２−図６に示すように、ロータブレードエアフォイル６３を含む。結果として、ロータブレード２２の各々は、エアフォイルの包括的な形状におけるロータブレード先端６５までのプラットホーム６１の中間点では、エアフォイルの根元６４からの任意の横断面におけるロータブレードエアフォイル輪郭６６を有する（図６）。

ロータブレードエアフォイルのエアフォイル形状を形成するために、空間における各ポイントの特有な設定すなわち位置を提供する。この各ポイントの特有な設定すなわち位置は、ステージ要求事項を満たし、当該ステージが製造され得ることになる。この各ポイントの特有な位置は、ステージ効率と削減した熱的ストレスおよび機械的ストレスとに関する所望の要求事項をも満たす。各ポイントの位置は、コンプレッサが効率的で安全且つ滑らかな様式で作動することを可能にする空気力学的負荷と機械的負荷との間の繰返しによって到達される。

本発明によって具現されるような位置は、ロータブレードエアフォイル輪郭を形成するものであり、エンジンの回転軸に対する各ポイントの設定をも含み得る。例えば、各ポイントの設定は、ロータブレードエアフォイル輪郭を形成すべく提供され得る。

下記の表において提示されるＸ，ＹおよびＺの数値のデカルト座標系は、その長さに沿った様々な場所におけるロータブレードエアフォイルの輪郭を形成する。本発明によって具現されるようなエアフォイルは、５段目のステージのエアフォイルロータブレードとしての用途を見出し得る。Ｘ，ＹおよびＺの座標に関する座標数値は、それら数値が適切に変換されるときにはその他の寸法の単位が使用されても良いが、インチ表示で規定されている。これらの数値は、プラットホームのフィレット領域を除外する。デカルト座標系は、直交して関連付けられるＸ，ＹおよびＺの軸を有する。Ｘ軸は、ステータに関しては図８において示し、ロータに関しては図７において示すように、エンジンの中心線に対して所定の角度にあるコンプレッサブレードのダブテール軸に対して平行に位置する。正のＸ座標値は、例えばコンプレッサの排気端である後方に向かう軸方向である。正のＹ座標値は、ダブテール軸に対して垂直に方向付けされる。正のＺ座標値は、ロータブレードに関してはコンプレッサの静的なケースに向かうエアフォイルの先端に向かって半径方向外向きに方向付けされ、ステータブレードに関してはコンプレッサのエンジン中心線に向かって半径方向内向きに方向付けされる。

参照目的のためにのみ、図５に示すように、スタッキング軸に沿ってエアフォイルとプラットホームの交差個所を通るポイント０が設定される。本文におけるエアフォイルの例示的な実施例では、ポイント０は、表上のＺ座標がエンジンまたはロータの中心線からの設定された所定の距離である０．０００インチに位置する基準セクションとして規定される。

Ｘ，Ｙの平面に対して垂直なＺ方向における選択的な位置においてＸおよびＹ座標の数値を規定することによって、例えば図６における輪郭断面６６のようなものであるが、それには限定されないロータブレードエアフォイルの輪郭断面が、エアフォイルの長さに沿った各々のＺ距離において確認され得る。ＸおよびＹの数値を滑らかな連続的円弧によって接続することによって、各々の距離Ｚにおける各々の輪郭断面６６が確定され得る。各距離Ｚの間における様々な表面位置のエアフォイル輪郭は、隣接する輪郭断面６６を互いに滑らかに接続することによって決定され、その結果として、エアフォイル輪郭を形成する。これらの数値は、大気状態、非作動状態または非高温状態、且つ非コーティング式エアフォイルの場合のエアフォイル輪郭を表している。

表の各数値は、エアフォイルの輪郭を決定すべく３つの小数位に関して生成されて示されている。エアフォイルの実際的な輪郭では考慮されなければならない、コーティングだけでなく典型的な製造公差もまた存在する。従って、提示された輪郭に関する数値は、公称エアフォイルのためのものである。それ故、例えば任意のコーティングの厚さを包含する＋／−数値のように、＋／−の典型的な製造公差がＸおよびＹの数値に対して補足されることが認識されよう。その結果、エアフォイル輪郭に沿った任意の表面の場所に対する垂直な方向における約＋／−０．１６０インチの距離が、ロータブレードエアフォイル設計およびコンプレッサのためのエアフォイル輪郭のエンベロープを形成する。言い換えれば、エアフォイル輪郭に沿った任意の表面の場所に対する垂直な方向における約＋／−０．１６０インチの距離は、本発明によって具現されるような同じ温度において、公称の低温または室温における実際のエアフォイル表面上の各計測ポイントと、これらの各ポイントの理論的な位置との間における変動の範囲を規定する。本発明によって具現されるようなロータブレードエアフォイル設計は、機械的および空気力学的な機能を損なうことなく、この変動の範囲に対してロバストである。

下記の表１において提示される座標数値は、例示的な５段目のステージのエアフォイルロータブレードのための公称輪郭のエンベロープを提供する。

上記の表１において開示した例示的なエアフォイル（各エアフォイル）は、その他の同様なコンプレッサ設計において使用されるものとして幾何学的に拡大または縮小されても良いと認識されるであろう。結果として、表１において規定された座標数値は、エアフォイル輪郭形状が不変のままに留まるように拡大または縮小されても良い。表１における座標の基準バージョンは、定数によって乗算され或いは除算される表１のＸ，ＹおよびＺの座標数値によって提示されることになる。

本文では様々な実施例が説明されているが、本件明細書からは、それに関する要素、バリエーションまたは改善の様々な組合せが、当業者によって形成され得るものであり、本発明の範囲内に納まるものでもあると認識されるであろう。

ガスタービンの複数のステージを貫通するコンプレッサ流れ通路の例示的な概略図であり、本発明の実施例に従った例示的なエアフォイルを示している。 本発明の実施例に従ったロータブレードの例示的な斜視図であり、ロータブレードエアフォイルが、そのプラットホームおよびその実質的または近似的な軸方向の入口ダブテール接続部と共に示されている。 これもまた、本発明の実施例に従ったロータブレードの例示的な斜視図であり、ロータブレードエアフォイルが、そのプラットホームおよびその実質的または近似的な軸方向の入口ダブテール接続部と共に示されている。 エアフォイルの圧力側および吸込み側から略周方向の方向において観察される、図２のロータブレードおよび関連するプラットホームおよびダブテール接続部の側面立面図である。 これもまた、エアフォイルの圧力側および吸込み側から略周方向の方向において観察される、図２のロータブレードおよび関連するプラットホームおよびダブテール接続部の側面立面図である。 図５における６−６線の回りにおいて概略的に捕捉されたロータブレードエアフォイルの断面図である。 座標系をその上に重畳させた本発明の例示的な実施例に従ったロータブレードの斜視図である。 座標系をその上に重畳させた本発明の例示的な実施例に従ったステータブレードの斜視図である。

符号の説明

１ 軸方向のコンプレッサ流れ通路
２ ガスタービンコンプレッサ
２２ 周方向に離間したロータブレード
５１ ロータホイール
２３ 周方向に離間したステータブレード
５９ 静的なコンプレッサケース
５８ 後方の駆動軸
６０ 空気流矢印の方向
６１ プラットホーム
６２ 軸方向の入口ダブテール
６３ ロータブレードのエアフォイル
６６ ロータブレードのエアフォイル輪郭
６４ エアフォイルの根元
６５ ロータブレード先端
６６ 輪郭断面

Claims (9)

1. 製造物品であって、当該物品は、表１において規定されるＸ，ＹおよびＺのデカルト座標数値に実質的に従った公称輪郭を有し、ＸおよびＹは、滑らかな連続的円弧によって接続するとき、インチ表示の各々の距離Ｚにおいてエアフォイル輪郭断面を形成するインチ表示の距離であり、Ｚ距離における輪郭断面は、互いに滑らかに接合して、完全なエアフォイル形状（２２，２３）を形成する、
   製造物品。
2. 物品がエアフォイル（２２，２３）を含む、
   請求項１記載の製造物品。
3. 前記物品形状が任意の物品表面位置に対して垂直な方向における±０．１６０インチ以内のエンベロープの中に位置する、
   請求項２記載の製造物品。
4. 物品がロータ（２２）を含む、
   請求項１記載の製造物品。
5. 複数の製造物品を有するコンプレッサホイールを含み、前記製造物品の各々は、エアフォイル形状を有するエアフォイルを包含し、前記エアフォイルは、表１において規定されるＸ，ＹおよびＺのデカルト座標数値に実質的に従った公称輪郭を有するコンプレッサであって、ＸおよびＹは、滑らかな連続的円弧によって接続するとき、インチ表示の各々の距離Ｚにおいてエアフォイル輪郭断面を形成するインチ表示の距離であり、Ｚ距離における輪郭断面は、互いに滑らかに接合して、完全なエアフォイル形状（２２，２３）を形成する、コンプレッサ。
6. 製造物品がロータ（２２）を含む、
   請求項５記載のコンプレッサ。
7. 複数の製造物品を有するコンプレッサホイール（５１）を含み、前記製造物品の各々は、表１において規定されるＸ，ＹおよびＺのデカルト座標数値に実質的に従った非コーティング式の公称エアフォイル輪郭を有するエアフォイルを包含するコンプレッサ（２）であって、ＸおよびＹは、滑らかな連続的円弧によって接続するとき、インチ表示の各々の距離Ｚにおいてエアフォイル輪郭断面を形成するインチ表示の距離であり、Ｚ距離における輪郭断面は、互いに滑らかに接合して完全なエアフォイル形状（２２，２３）を形成し、ＸおよびＹの距離は、同じ定数または数値の関数として基準化可能であり、拡大または縮小したロータブレードエアフォイル（２２，２３）を提供する、
   前記コンプレッサ（２）。
8. 製造物品がロータ（２２）を含む、
   請求項７記載のコンプレッサ（２）。
9. 前記エアフォイル形状が任意のエアフォイル表面位置に対して垂直な方向における±０．１６０インチ以内のエンベロープの中に位置する、
   請求項７記載のコンプレッサ（２）。

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