JP2008106754A - 圧縮機のエーロフォイル形状 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の静止翼及び回転翼のブレードは、その特定の段について要求され、熱動作条件及び機械的動作条件を実現する。
【解決手段】Ｘ、Ｙ及びＺのデカルト座標値にほぼ従った公称プロファイルを有する製造物。Ｘ及びＹは、滑らかな連続する円弧により結合された場合に、インチ単位の距離Ｚごとにエーロフォイルプロファイル断面を定義するインチ単位の距離である。Ｚ距離におけるプロファイル断面は互いに滑らかに接合されて、完全なエーロフォイル形状２２を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスタービンの動翼のエーロフォイルに関する。特に、本発明は、圧縮機の種々の段のための圧縮機エーロフォイルプロファイルに関する。特に、本発明は、圧縮機の種々の段における入口案内羽根、回転翼又は静止翼のいずれかのための圧縮機エーロフォイルプロファイルに関する。

ガスタービンにおいては、設計目標に適合するために、ガスタービンの流路部分の各段階において数多くのシステム要件が満たさなければならない。設計目標には、総合効率の改善及びエーロフォイル荷重能力があるが、それらに限定されない。本発明を限定しない一例を挙げると、圧縮機静止翼のブレードは、その特定の段について要求される熱動作条件及び機械的動作条件を実現しなければならない。更に、本発明を限定しない別の例を挙げると、圧縮機回転翼のブレードは、その特定の段について要求される熱動作条件及び機械的動作条件を実現しなければならない。

本発明の１つの面によれば、表１に記載されるＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値にほぼ従った公称プロファイルを有する製造物が提供される。Ｘ及びＹは、滑らかな連続する円弧により結合された場合に、インチ単位のＺ距離ごとにエーロフォイルプロファイル断面を定義するインチ単位の距離である。Ｚ距離におけるプロファイル断面は互いに滑らかに接合されて、完全なエーロフォイル形状を形成する。

本発明の別の面によれば、圧縮機は圧縮機ホイールを具備する。圧縮機ホイールは複数の製造物を有する。各製造物は、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含む。滑らかな連続する円弧により結合された場合に、インチ単位の距離Ｚごとにエーロフォイルプロファイル断面を定義するインチ単位の距離をＸ及びＹとするとき、エーロフォイルは、表１に記載されるＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値にほぼ従った公称プロファイルを具備する。Ｚ距離におけるプロファイル断面は互いに滑らかに接合されて、完全なエーロフォイル形状を形成する。

本発明の更に別の面によれば、圧縮機は、複数の製造物を有する圧縮機ホイールを具備する。滑らかな連続する円弧により結合された場合に、インチ単位の距離Ｚごとにエーロフォイルプロファイル断面を定義するインチ単位の距離をＸ及びＹとするとき、各製造物は、表１に記載されるＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値にほぼ従った未被覆公称エーロフォイルプロファイルを有するエーロフォイルを含む。Ｚ距離におけるプロファイル断面は互いに滑らかに接合されて、完全なエーロフォイル形状を形成する。

図面を参照すると、図１は、複数の圧縮機段を含むガスタービン圧縮機２の軸方向圧縮機流路１を示した図である。図中、圧縮機段は順に番号を付されている。圧縮気流路は、１８段などの任意の数の回転翼段及び静止翼段を具備する。しかし、回転翼段及び静止翼段の厳密な数は工業設計上の選択の問題である。本発明により実施されるように、燃焼器には任意の数の回転翼段及び静止翼段を設けることができる。回転翼段の数を１７にすることは、タービン設計の単なる一例である。１８段という回転翼段の数は、本発明を全く限定しない。

圧縮機動翼は気流に運動エネルギーを与え、それにより、圧縮機の排気側に所望の圧力上昇を発生させる。回転翼エーロフォイルのすぐ後に１段の静止翼エーロフォイルが続く。回転翼エーロフォイル及び静止翼エーロフォイルの双方は気流の方向を転換し、（それぞれ対応するエーロフォイル基準フレームにおいて）気流速度を遅くし、気流の静圧を上昇させる。周囲の面を含めたエーロフォイルの構成は、（周囲を取り囲むエーロフォイルとの相互作用を伴って）段の気流効率を規定し、空気力学的特性を改善し、段から段へと滑らかな層流を供給し、熱応力を減少し、段から段へと気流を有効に送り出すために段の相互関係を改善し、機械的応力を減少するが、本発明の望ましい面は他にも存在する。通常、軸流圧縮機においては、所望の排気／入口圧力比を実現するために、回転翼／静止翼段の複数の列が積み重ねられる。回転翼エーロフォイル及び静止翼エーロフォイルは、「根元部」、「ベース」又は「ダブテール」（図２〜図５を参照）として周知の場合が多い適切な装着構造により回転翼ホイール又は静止翼ケースに固着される。

図１には、圧縮機２の１つの段が例示される。圧縮機２の段は、回転翼ホイール５１に装着され周囲方向に互いに離間して配置された複数の動翼２２と、静止圧縮機ケース５９に装着され周囲方向に互いに離間して配置された複数の静翼２３とを具備する。各回転翼ホイールは後方駆動軸５８に装着される。駆動軸５８はエンジンのタービン部分に結合される。動翼及び静翼は圧縮機の流路１に位置する。本発明の実施形態において、圧縮機流路１を通る気流の方向は、矢印６０（図１）により示される。圧縮機２のこの段は、本発明の範囲内における圧縮機２の複数の段の中の一例であるにすぎない。図示され且つ説明される圧縮機２の段は、本発明を限定することを全く意図しない。

動翼２２は、後方駆動軸５８の一部を形成する回転翼ホイール５１に装着される。図２〜図６に示されるように、各動翼２２は、プラットフォーム６１と、回転翼ホイール５１に形成された相補形の互いにかみ合うダブテール（図示せず）と結合されるほぼ軸方向の又は軸方向に近い差込みダブテール６２とを具備する。しかし、軸方向差込みダブテールは、本発明により実施されるようなエーロフォイルプロファイルを備えていてもよい。図２〜図６に示されるように、各動翼２２は動翼エーロフォイル６３を具備する。従って、エーロフォイルの一般的な形状（図６）において、各動翼２２は、プラットフォーム６１の中央のエーロフォイル根元部６４から動翼先端部６５に至る全ての横断面において、動翼エーロフォイルプロファイル６６を有する。

動翼エーロフォイルのエーロフォイル形状を定義するために、空間における独自の点の集合又は点の軌跡が規定される。段の製造を可能にするように、この独自の点の集合又は点の軌跡は、段に要求される条件に適合する。また、この独自の点の軌跡は、段の効率を向上し且つ熱応力及び機械的応力を減少するための所望の必要条件にも適合する。圧縮機の効率的且つ安全で障害のない動作を可能にする空気力学的荷重付与と機械的荷重付与との繰返しにより、この点の軌跡に到達する。

本発明により実現される軌跡は動翼エーロフォイルプロファイルを定義し、エンジンの回転軸に対する点の集合から構成されることが可能である。例えば、動翼エーロフォイルプロファイルを定義するために、点の集合を規定できる。

以下に示す表に記載されるＸ、Ｙ及びＺの値から成るデカルト座標系は、動翼エーロフォイルの長さに沿った種々の場所における動翼エーロフォイルのプロファイルを定義する。本発明により実現されるエーロフォイルは、第１０段エーロフォイル動翼として適用可能である。Ｘ座標、Ｙ座標及びＺ座標の座標値はインチ単位で記載されるが、値が適切に変換される場合には、他の寸法単位が使用されてもよい。それらの値はプラットフォームの隅肉領域を除外する。デカルト座標系は、互いに直交する関係にあるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する。図７には回転翼に関して、図８には静止翼に関して示されるように、Ｘ軸は、エンジンの中心線に対して角度を成す圧縮機ブレードのダブテール軸と平行である。正のＸ座標値は、軸方向後方に向かう。例えば、これは圧縮機の排気端に向かう。正のＹ座標値はダブテール軸に対して垂直の向きである。正のＺ座標値は、エーロフォイルの半径方向外側へ先端部に向かう。これは、動翼の場合は圧縮機の静止ケーシングに向かう方向であり、静翼の場合には半径方向内側へ圧縮機のエンジン中心線に向かう方向である。

単に基準を定める目的のために、図５に示されるように、積み重ね軸に沿ってエーロフォイルとプラットフォームとの交差場所を通る点０を確定する。エーロフォイルの本実施形態においては、点０は、表のＺ座標がエンジン中心線又は回転翼中心線から設定された所定の距離である０．０００インチである基準断面として定義される。

Ｘ、Ｙ平面に対して垂直なＺ方向に選択された複数の場所でＸ座標値及びＹ座標値を定義することにより、エーロフォイルの長さに沿ってＺ距離ごとに、図６のプロファイル断面６６のような動翼エーロフォイルのプロファイル断面を確定できが、プロファイル断面はこれに限定されない。滑らかな連続する円弧によってＸ値とＹ値とを結合することにより、距離Ｚごとの各プロファイル断面６６を固定できる。隣接するプロファイル断面６６を互いに滑らかに結合することにより、距離Ｚの間の種々の表面場所のエーロフォイルプロファイルが判定され、その結果、エーロフォイルプロファイルが形成される。それらの値は周囲の非動作条件又は非高温条件におけるエーロフォイルプロファイルを表現し、未被覆エーロフォイルに関する。

エーロフォイルのプロファイルを判定するために、表の値は小数第３位まで生成されて示される。典型的な製造許容差並びに被覆膜が存在し、実際のエーロフォイルのプロファイルにおいてはそれらを考慮する必要がある。従って、表に示されるプロファイルの値は公称エーロフォイルに関する。従って、被覆膜厚さを含めて、＋／−値などの典型的な＋／−製造許容差はＸ値及びＹ値に加算されることが理解されるであろう。従って、エーロフォイルプロファイルに沿った任意の表面場所に対して垂直な方向における約＋／−０．１６０インチの距離は、動翼エーロフォイル構造及び圧縮機に関するエーロフォイルプロファイル包絡線を定義する。言い換えれば、エーロフォイルプロファイルに沿った任意の表面場所に対して垂直な方向における約＋／−０．１６０インチの距離は、公称低温又は公称室温における実際のエーロフォイル表面上の測定点と、本発明により実現される同一の温度におけるそれらの点の理想の位置との間の差異の範囲を定義する。本発明により実現される動翼エーロフォイル構造は、機械的機能及び空気力学的機能を損なうことなく、この差異の範囲に対して頑健である。

以下の表１に記載される座標値は、一例である第１０段エーロフォイル動翼の公称プロファイル包絡線を規定する。

また、他の同様の圧縮機構造において使用するために、表１に開示される例のエーロフォイルを幾何学的にスケールアップ又はスケールダウンしてもよいことが理解されるであろう。従って、エーロフォイルプロファイル形状は変わらないように、表１に記載される座標値はスケールアップ又はスケールダウンされてもよい。表１の座標のスケーリングした座標は、表１のＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値に定数を乗算するか又はそれらの座標値を定数で除算した値により表現される。

種々の実施形態を説明したが、当業者により実施形態の要素の種々の組合せ、変形又は改善が実施されてもよく、それらは本発明の範囲内に含まれることが明細書から理解されるであろう。

ガスタービンの複数の段を通過する圧縮機流路を示した概略図であり、本発明の一実施形態によるエーロフォイルの一例を示す。 プラットフォーム及びほぼ軸方向の差込みダブテール結合部と関連して動翼エーロフォイルをそれぞれ示した本発明の一実施形態による動翼の斜視図である。 プラットフォーム及び軸方向に近い差込みダブテール結合部と関連して動翼エーロフォイルをそれぞれ示した本発明の一実施形態による動翼の斜視図である。 エーロフォイルのからほぼ周囲方向に見た場合の図２の動翼並びに関連するプラットフォーム及びダブテール結合部を示した側面図である。 エーロフォイルの吸引側からほぼ周囲方向に見た場合の図２の動翼並びに関連するプラットフォーム及びダブテール結合部を示した側面図である。 図５の線６‐６にほぼ沿った動翼エーロフォイルの横断面図である。 座標系を重ね合わせて示した本発明の一実施形態による動翼の斜視図である。 座標系を重ね合わせて示した本発明の一実施形態による静翼の斜視図である。

符号の説明

２…ガスタービン圧縮機、２２…動翼、２３…静翼、５１…回転翼ホイール

Claims (9)

1. 滑らかな連続する円弧により結合された場合に、インチ単位の距離Ｚごとにエーロフォイルプロファイル断面を定義するインチ単位の距離をＸ及びＹとするとき、表１に記載されるＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値にほぼ従った公称プロファイルを有し、前記Ｚ距離における前記プロファイル断面は互いに滑らかに接合されて、完全なエーロフォイル形状（２２、２３）を形成する製造物。
2. 前記製造物はエーロフォイル（２２、２３）である請求項１記載の製造物。
3. 前記製造物の形状は、製造物表面の任意の場所に対して垂直な方向に±０．１６０インチ以内の包絡線に位置する請求項２記載の製造物。
4. 前記製造物は回転翼（２２）である請求項１記載の製造物。
5. 複数の製造物を含む圧縮機ホイールを具備する圧縮機であって、前記製造物の各々が、エーロフォイル形状を有するエーロフォイルを含み、滑らかな連続する円弧により結合された場合に、インチ単位の距離Ｚごとにエーロフォイルプロファイル断面を定義するインチ単位の距離をＸ及びＹとするとき、前記エーロフォイルが、表１に記載されるＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値にほぼ従った公称プロファイルを有し、前記Ｚ距離における前記プロファイル断面が互いに滑らかに接合されて、完全なエーロフォイル形状（２２、２３）を形成する圧縮機。
6. 前記製造物は回転翼（２２）である請求項５記載の圧縮機。
7. 複数の製造物を有する圧縮機ホイール（５１）を具備する圧縮機（２）であって、滑らかな連続する円弧により結合された場合に、インチ単位の距離Ｚごとにエーロフォイルプロファイル断面を定義するインチ単位の距離をＸ及びＹとするとき、前記製造物の各々が、表１に記載されるＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値にほぼ従った未被覆公称エーロフォイルプロファイルを有するエーロフォイルを含み、前記Ｚ距離における前記プロファイル断面が互いに滑らかに接合されて、完全なエーロフォイル形状（２２、２３）を形成し、スケールアップ又はスケールダウンされた動翼エーロフォイル（２２、２３）を提供するために、前記Ｘ距離及びＹ距離が同一の定数又は数の関数としてスケーリング可能である圧縮機（２）。
8. 前記製造物は回転翼（２２）である請求項７記載の圧縮機（２）。
9. 前記エーロフォイル形状は、エーロフォイル表面の任意の場所に対して垂直な方向に±０．１６０インチ以内の包絡線に位置する請求項７記載の圧縮機（２）。

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