JP2010059968A

JP2010059968A - タービンエアフォイルのクロッキング

Info

Publication number: JP2010059968A
Application number: JP2009196263A
Authority: JP
Inventors: Wei Ning; ウェイ・ニン; Michael E Friedman; マイケル・イー・フリードマン; John F Ryman; ジョン・エフ・ライマン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2010-03-18
Also published as: CN101666327A; US20100054929A1; DE102009043833A1

Abstract

【課題】効率の良い回転翼列機械の提供。
【解決手段】中間エアフォイル列１３６、第１上流エアフォイル列１３４、及び第１下流エアフォイル列１３８からなる、タービンエンジンの圧縮機におけるエアフォイル１３０のアセンブリを開示する。中間エアフォイル列１３６は、その両側が、第１上流エアフォイル列１３４と第１下流エアフォイル列１３８とに隣接している。第１上流エアフォイル列１３４及び第１下流エアフォイル列１３８は各々が、作動中に実質的に同じ速度で回転する動翼の列からなる。中間エアフォイル列１３６は、作動中に実質的に静止している静翼の列からなる。第１上流エアフォイル列１３４の少なくとも９０％のエアフォイル１３０及び第１下流エアフォイル列１３４の少なくとも９０％のエアフォイル１３０は、２５％〜７５％ピッチのクロッキング関係を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンエンジンに関する。本発明は特に、これに限定されないが、一定の作動利益が得られるように隣又は近くの列のエアフォイルに対して一列にエアフォイルを配置することに関する。

ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機及びタービンは、一般的に、段状に軸方向に積み重ねられたエアフォイル又は翼の列を含む。各々の段は、一般的に、固定されている、円周方向に離間された静翼の列と、中心軸又はシャフトの周りを回転する、円周方向に離間された動翼の組を含む。一般に、作動中、圧縮機ロータの動翼はシャフトの周りを回転して、空気流を圧縮する。燃料供給を燃焼させるために、燃焼器内で圧縮空気供給が使用される。燃焼による高温ガス流がタービン内に広がることにより、タービン動翼がシャフトの周りを回転する。このように、燃料に含まれるエネルギーを動翼の機械的エネルギーに変換して、圧縮機の動翼と発電機のコイルを回転させて電気を発生させることができる。作動中は、極端な温度、作動流体の速度、及び動翼の回転速度によって、圧縮機及びタービン両方の静翼及び動翼が高応力部品となる。

多くの場合、タービンエンジンの圧縮機及びタービン部分両方において、近く又は隣の段の静翼又は動翼の列は、実質的に同じ数の円周方向に離間された翼で構成される。タービンエンジンの空気効率を向上させる目的で、近く又は隣の列の翼の円周方向位置に対して、１つの列の翼の相対的な円周方向位置をインデックス（角度割り出し）即ち「クロック（ｃｌｏｃｋ）」する努力がなされている。しかし、そのような従来のクロッキング（ｃｌｏｃｋｉｎｇ）方法では、ほんの僅か又は取るに足らない程度のエンジンの空気効率の向上はあるものの、一般的に、作動中のエアフォイルに作用する機械的応力が増加してしまうことがわかった。当然ながら、作動応力の増加によって翼損傷が生じる可能性があり、ガスタービンエンジンに多大な損害をもたらす場合がある。最低限でも、作動応力の増加によってエアフォイルの部品寿命が縮まり、エンジンの作動コストが増加する。

米国特許第５，４８６，０９１号米国特許第５，６８１，１４２号米国特許第６，１７４，１２９Ｂ１号米国特許第６，４０２，４５８Ｂ１号米国特許第６，５５４，５６２Ｂ２号米国特許第６，９１３，４４１Ｂ２号

エネルギー需要の増大により、効率的なタービンエンジンを設計することが、継続的且つ重要な課題となっている。しかし、タービンエンジンを効率的にする方法の多くは、エンジンの圧縮機及びタービン部分のエアフォイルに重点を置いている。即ち、タービン効率は、一般的に、寸法の大きさ、焼成温度、及び／又は回転速度などのいくつかの手段によって向上するが、これらは全て、作動中のエアフォイルに大きな負担をかけるものである。その結果、タービンエアフォイルへの応力を低減する新しい方法及びシステムが必要である。エアフォイルに作用する作動応力を低減する、新しいタービンエアフォイルのクロッキング方法又はシステムにより、効率的なタービンエンジンの設計が大きく進歩する。

本発明の例示的実施形態において、少なくとも３つの軸方向に積み重ねられたエアフォイルの列：中間エアフォイル列、第１上流エアフォイル列、及び第１下流エアフォイル列を含む、タービンエンジンの圧縮機におけるエアフォイルのアセンブリを開示する。中間エアフォイル列は、両側が、中間エアフォイル列から上流方向にあるエアフォイルの第１列からなる第１上流エアフォイル列と、中間エアフォイル列から下流方向にあるエアフォイルの第１列からなる第１下流エアフォイル列と隣接する。第１上流エアフォイル列及び第１下流エアフォイル列は、実質的に同じ数の同様形状のエアフォイルを有する。第１上流エアフォイル列及び第１下流エアフォイル列は各々が、作動中に実質的に同じ速度で回転する動翼の列からなる。中間エアフォイル列は、作動中に実質的に静止している静翼の列からなる。第１上流エアフォイル列の少なくとも９０％のエアフォイル及び第１下流エアフォイル列の少なくとも９０％のエアフォイルは、２５％〜７５％ピッチのクロッキング関係を有する。

更なる実施形態において、圧縮機を有するタービンエンジンの作動方法を開示する。圧縮機は、少なくとも３つの軸方向に積み重ねられたエアフォイルの列：中間エアフォイル列、第１上流エアフォイル列、及び第１下流エアフォイル列を有する。中間エアフォイル列は、両側が、中間エアフォイル列から上流方向にあるエアフォイルの第１列からなる第１上流エアフォイル列と、中間エアフォイル列から下流方向にあるエアフォイルの第１列からなる第１下流エアフォイル列と隣接する。第１上流エアフォイル列及び第１下流エアフォイル列は、実質的に同じ数の同様形状のエアフォイルを有する。第１上流エアフォイル列及び第１下流エアフォイル列は各々が、作動中に実質的に同じ速度で回転する動翼の列からなる。中間エアフォイル列は、作動中に実質的に静止している静翼の列からなる。この方法は、第１上流エアフォイル列のエアフォイル及び第１下流エアフォイル列のエアフォイルを、第１上流エアフォイル列の少なくとも９０％のエアフォイル及び第１下流エアフォイル列の少なくとも９０％のエアフォイルが２５％〜７５％ピッチのクロッキング関係を有するように構成するステップを含む。

少なくとも６つの軸方向に積み重ねられたエアフォイルの列：第１動翼列、第１静翼列、第２動翼列、第２静翼列、第３動翼列、及び第３静翼列からなる圧縮機であって、第１動翼列、第２動翼列、及び第３動翼列は、作動中に実質的に同じ速度で回転する、実質的に同じ数の同様形状の動翼を有する、ガスタービンエンジンの圧縮機において、本発明は更に、第１動翼列のエアフォイル及び第２動翼列のエアフォイルを、第１動翼列の実質的に全てのエアフォイル及び第２動翼列の実質的に全てのエアフォイルが２５％〜７５％ピッチのクロッキング関係を有するように構成するステップと、第２動翼列のエアフォイル及び第３動翼列のエアフォイルを、第２動翼列の実質的に全てのエアフォイル及び第３動翼列の実質的に全てのエアフォイルが２５％〜７５％ピッチのクロッキング関係を有するように構成するステップとを含む、タービンエンジンの作動方法を開示する。

本発明に係る以上の及びその他の特徴は、図面及び添付の特許請求の範囲を参照しながら以下の好適な実施形態の詳細な説明を検討することによって明らかとなるであろう。

また、本発明のこれら及びその他の目的及び利点は、添付図面を参照しながら本発明の例示的実施形態の以下のより詳細な説明を慎重に検討することによって、より良く理解し評価されよう。

本発明の実施形態による例示的なタービンエンジンの概略図である。本発明の実施形態によるガスタービンエンジンにおける圧縮機の断面図である。本発明の実施形態によるガスタービンエンジンにおけるタービンの断面図である。例示的なクロッキング関係を示す隣接するエアフォイル列の概略図である。例示的なクロッキング関係を示す隣接するエアフォイル列の概略図である。例示的なクロッキング関係を示す隣接するエアフォイル列の概略図である。例示的なクロッキング関係を示す隣接するエアフォイル列の概略図である。本発明の例示的実施形態によるクロッキング関係を示す隣接するエアフォイル列の概略図である。

図１は、ガスタービンエンジン１００の概略図を示す。一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気流内の燃料の燃焼によって発生する圧縮された高温ガス流からエネルギーを抽出することによって作動する。図１に示すように、ガスタービンエンジン１００は、共通シャフト又はロータによって下流タービン部分又はタービン１１０に機械的に連結される軸流圧縮機１０６と、圧縮機１０６とタービン１１０の間に配置された燃焼器１１２とで構成される。なお、以下の発明は、ガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、航空機エンジンなどを含むあらゆるタイプのタービンエンジンにも適用可能である。更に、本明細書に記載の発明は、複数のシャフトおよび再加熱構成を備えたタービンエンジンのみならず、様々な構造、例えば、環状又は缶燃焼器構成の燃焼器を備えたガスタービンエンジンにも適用可能である。以下に、図１に示すような例示的なガスタービンエンジンに関して本発明を説明する。当業者であれば、この説明が単なる例示であって、何ら限定するものではないことがわかるであろう。

図２は、ガスタービンエンジンで使用される例示的な多段軸流圧縮機１１８の図を示す。図示のように、圧縮機１１８は複数の段を含む。各々の段は、圧縮機動翼１２０の列と、圧縮機静翼１２２の列とを含む。従って、第１段は、中心シャフトの周りを回転する圧縮機動翼１２０の列と、作動中に静止している圧縮機静翼１２２の列とを含む。圧縮機静翼１２２は、一般的に、互いに円周方向に離間されて、回転軸の周りに固定される。圧縮機動翼１２０は、ロータ軸の周りに円周方向に離間されて、作動中にシャフトの周りを回転する。当業者であれば、圧縮機動翼１２０は、シャフトの周りを回転する時、圧縮機１１８を流れる空気または作動流体に運動エネルギーを与えるように構成されることがわかるであろう。当業者であれば、圧縮機１１８は、図２に示す段よりも多くの段を有しても良いこともわかるであろう。各々の追加段は、複数の円周方向に離間された圧縮機動翼１２０と、複数の円周方向に離間された圧縮機静翼１２２とを含む。

図３は、ガスタービンエンジンで使用される例示的なタービン１２４の部分図である。タービン１２４は、複数の段を含む。３つの例示的な段が図示されているが、それ以上又はそれ以下の段がタービン１２４に存在しても良い。第１段は、作動中にシャフトの周りを回転する複数のタービンバケット又はタービン動翼１２６と、作動中に静止している複数のノズル又はタービン静翼１２８とを含む。タービン静翼１２８は、一般的に、互いに円周方向に離間されて、回転軸の周りに固定される。タービン動翼１２６は、タービンホイール（図示せず）に取り付けられて、シャフト（図示せず）の周りを回転する。タービン１２４の第２段も図示されている。第２段も同様に、複数の円周方向に離間されたタービン静翼１２８と、やはりタービンホイールに取り付けられて回転する複数の円周方向に離間されたタービン動翼１２６とを含む。第３段も図示されており、同様に、複数の円周方向に離間されたタービン静翼１２８及びタービン動翼１２６を含む。タービン静翼１２８及びタービン動翼１２６は、タービン１２４の高温ガス経路にあることがわかるであろう。高温ガス経路内の高温ガスの流れ方向は、矢印で示される。当業者であれば、タービン１２４は、図３に示す段よりも多くの段を有しても良いことがわかるであろう。各々の追加段は、複数の円周方向に離間されたタービン静翼１２８と、複数の円周方向に離間されたタービン動翼１２６とを含む。

なお、本明細書において、「動翼」について更なる特定を伴うことなく言及する場合、圧縮機１１８又はタービン１２４どちらかの回転翼に言及しており、圧縮機動翼１２０及びタービン動翼１２６の両方を含むことを意味する。「静翼」について特定を伴うことなく言及する場合、圧縮機１１８又はタービン１２４どちらかの静止翼に言及しており、圧縮機静翼１２２及びタービン静翼１２８の両方を含むことを意味する。用語「エアフォイル」は、本明細書では、両タイプの翼について言及している。従って、特定を伴わずとも、用語「エアフォイル」は、圧縮機動翼１２０、圧縮機静翼１２２、タービン動翼１２６、及びタービン静翼１２８を含む、あらゆるタイプのタービンエンジン翼を含んでいる。

作動中、軸流圧縮機１１８内の圧縮機動翼１２０の回転により、空気流を圧縮する。燃焼器１１２において、圧縮空気が燃料と混合されて点火すると、エネルギーが放出される。そして、燃焼器１１２から得られた高温ガス流がタービン動翼１２６の上に案内されて、シャフトの周りのタービン動翼１２６の回転が生じることで、高温ガス流のエネルギーが回転シャフトの機械的エネルギーに変換される。そして、シャフトの機械的エネルギーは、必要な供給量の圧縮空気が生成されるような圧縮機動翼１２０の回転、更には、例えば、電気を発生させる発電機を駆動させるために使用される。

多くの場合、ガスタービンの圧縮機１０６及びタービン１１０の両方において、近く又は隣のエアフォイル１３０の列は、実質的に同じ構成を有する、即ち、列の円周上に同様に離間される同じ数の同様寸法のエアフォイルを有する。この場合、更に、２つ以上の列が各々の間で相対運動がないように作動する（例えば、２つ以上の動翼列又は２つ以上の静翼列の場合がそうである）場合、これらの列のエアフォイルは「クロック」される。本明細書において使用する用語「クロック」又は「クロッキング」は、近くの列のエアフォイルの円周方向位置に対して１つの列のエアフォイルの一定の円周方向位置を指す。

図４〜７は、エアフォイル１３０の列がクロックされる方法の例の簡略図を示す。これらの図は、並んでいる３つのエアフォイル１３０の列を含む。図４〜７の２つの外側のエアフォイル１３０の列は各々が動翼の列を表し、中間にある列は静翼の列を表しており、或いは、当業者であればわかるように、２つの外側列が静翼の列を表し、中間にある列が動翼の列を表す。当業者であればわかるように、２つの外側列は、静翼であろうと動翼であろうと、それらの間で実質的に相対運動がなく（即ち、作動中に両方共静止しているか、両方共同じ速度で回転する）、一方、両方の外側列は、中間列に対して実質的に同じ相対運動がある（即ち、中間列が静止している間は外側列の両方が回転するか、中間列が回転している間は両方の外側列が静止している）。更に、すでに説明したように、２つの外側列の間で最も効果的にクロッキングするためには、それらを各々同様に構成しなければならない。そのため、図４〜７の２つの外側列は実質的に同じ数のエアフォイルを有すると考えられ、各々の列のエアフォイルは各々の列の円周上に同様に寸法決め及び離間されると考えられる。

図４〜７の例では便宜上、エアフォイルの一方の外側列を第１上流エアフォイル列又は第１エアフォイル列１３４と称し、エアフォイルの中間列を中間エアフォイル列又は第２エアフォイル列１３６と称し、エアフォイルの他方の外側列を第１下流エアフォイル列又は第３エアフォイル列１３８と称する。矢印１４０で、第１エアフォイル列１３４及び第３エアフォイル列１３８の相対運動を示す。矢印１４２で、圧縮機１１８又はタービン１２４の流れ方向のいずれもが示される。ここで留意すべきは、図４〜７で使用される例示的なエアフォイル列は、用語「第１」、「第２」、及び「第３」と記載されていることである。この記載は、各々の図の他の列に対する図示の列の相対位置のみに適用されるものであって、タービンエンジンにおけるその他の列のエアフォイルに関する全体位置を示すものではない。例えば、その他の列のエアフォイルは、「第１エアフォイル列１３６」の上流に配置される（即ち、第１エアフォイル列１３６は、必ずしもタービンエンジンにおけるエアフォイルの第１列ではない）。

本明細書において、エアフォイル列の「ピッチ」とは、特定の列の円周上の反復パターンの測定値に言及するためのものである。従って、ピッチは、例えば、特定の列のエアフォイルの前縁と同じ列のどちらかの隣のエアフォイルの前縁の間の円周方向距離で記載される。ピッチはまた、例えば、特定の列のエアフォイルの後縁と同じ列のどちらかの隣のエアフォイルの後縁の間の円周方向距離を記載する。当然のことながら、より効果的なクロッキングのためには、２つの列は、一般的に、同様のピッチ測定値を有することになる。第１エアフォイル列１３４及び第３エアフォイル列１３８は、図示のように、実質的に同じピッチを有しており、図４の第３エアフォイル列１３８において距離１４４として示されている。なお、図４〜７のクロッキング例は、ある一定の方法を描写することで、近く又は隣のエアフォイル列の間の様々なクロッキング関係を説明し、理解を助けるためのものである。一般に、下記に更に詳しく説明するように、２つの列の間のクロッキング関係は、ピッチ測定値の百分率において示される。即ち、２つの列のエアフォイルがクロック又はオフセットしている距離を示すのがピッチ測定値の百分率である。従って、ピッチ測定値の百分率は、例えば、特定の列のエアフォイルの前縁及び第２の列の対応するエアフォイルの前縁が互いに対してオフセットしている円周方向距離を示している。

図４〜７に、２つの外側列、即ち、第１エアフォイル列１３４及び第３エアフォイル列１３８の間の様々なクロッキング関係のいくつかの例を挙げる。図４において、明らかなように、第３エアフォイル列１３８は、第１エアフォイル列１３４に対して約０％ピッチだけオフセットされる。従って、図示するように、第３エアフォイル列１３８のエアフォイル１３０の円周方向位置は、約０％のピッチ測定値のオフセット分だけ第１エアフォイル列１３４の対応するエアフォイル１３０の後方にあり、言うまでもなく、第３エアフォイル列１３８のエアフォイル１３０が第１エアフォイル列１３４の対応するエアフォイル１３０と実質的に同じ円周方向位置を維持することとなる。そのため、第１エアフォイル列１３４のエアフォイル１３０の前縁（その１つを参照番号１４８で示す）は、約０％のピッチ測定値の円周方向距離だけ第３エアフォイル列１３８の対応するエアフォイル１３０の前縁（参照番号１５０で示す）の前方にあり、対応するエアフォイルの前縁が実質的に同じ円周方向位置を占めることとなる。

図５において、明らかなように、第３エアフォイル列１３８は、第１エアフォイル列１３４に対して約２５％ピッチだけオフセットしている。従って、図示のように、第３エアフォイル列１３８のエアフォイル１３０の円周方向位置は、約２５％のピッチ測定値のオフセット分だけ第１エアフォイル列１３４の対応するエアフォイル１３０の（外側列の相対運動の方向で示して）後方にある。そのため、第１エアフォイル列１３４のエアフォイル１３０の前縁（その１つを参照番号１５４で示す）は、約２５％のピッチ測定値の円周方向距離だけ第３エアフォイル列１３８の対応するエアフォイル１３０の前縁（参照番号１５６で示す）の前方にある。

図６において、明らかなように、第３エアフォイル列１３８は、第１エアフォイル列１３４に対して約５０％ピッチだけオフセットしている。従って、図示するように、第３エアフォイル列１３８のエアフォイル１３０の円周方向位置は、約５０％のピッチ測定値のオフセット分だけ第１エアフォイル列１３４の対応するエアフォイル１３０の（外側列の相対運動の方向で示して）後方にある。そのため、第１エアフォイル列１３４のエアフォイル１３０の前縁（その１つを参照番号１５８で示す）は、約５０％のピッチ測定値の円周方向距離だけ第３エアフォイル列１３８の対応するエアフォイル１３０の前縁（参照番号１６０で示す）の前方にある。

図７において、明らかなように、第３エアフォイル列１３８は、第１エアフォイル列１３４に対して約７５％ピッチだけオフセットしている。従って、図示するように、第３エアフォイル列１３８のエアフォイル１３０の円周方向位置は、約７５％のピッチ測定値のオフセット分だけ第１エアフォイル列１３４の対応するエアフォイル１３０の（外側列の相対運動の方向で示して）後方にある。そのため、第１エアフォイル列１３４のエアフォイル１３０の前縁（その１つを参照番号１６２で示す）は、約７５％のピッチ測定値の円周方向距離だけ第３エアフォイル列１３８の対応するエアフォイル１３０の前縁（参照番号１６４で示す）の前方にある。

もちろん、エアフォイル１３０は、上記の関係（即ち、０％、２５％、５０％、７５％ピッチ）とは異なるようにクロックする（即ち、第１及び第３エアフォイル列間で異なるオフセットを維持する）ことができる。上記のいくつかのクロッキング関係は（下記で更に詳しく説明するように）本発明の特定の実施形態の範囲内であるが、例示的なものでもあり、いくつかの近く又は隣のエアフォイル列の間のクロッキング関係を説明する方法を明記することを意図している。当業者であれば、クロッキング関係を説明するために他の方法を使用しても良いことがわかるであろう。本明細書において使用する例示的な方法は、何ら限定することを意図するものではない。むしろ、重要なのは、近くのエアフォイル間の相対位置、即ち、下記及び特許請求の範囲において描写するようなクロッキング関係であって、クロッキング関係を説明する方法ではない。

分析モデリング及び実験データによって、特定のクロッキング構成が圧縮機１１８及びタービン１２４に特定の作動利点をもたらすことがわかった。より詳細には、作動中にエアフォイル列が受ける機械的応力又は作動応力には、エアフォイル、特に静翼の振動又は揺動が含まれるが、隣及び／又は近くのエアフォイル列のクロッキング関係によって大きな影響を受ける可能性があることがわかった。特定のクロッキング関係は特定のエアフォイル列に作用する作動応力を増加させるが、その他のクロッキング関係は列に作用する応力を低減する。更に、図４〜７は３つのエアフォイル列を含むクロッキング構成のみを示しているが、更なる作動利点が得られるように、クロッキング関係を更なる列に適用しても良いことがわかった。

図８は、本発明の例示的実施形態に従ったクロッキング構成を示す。図８は、並んでいる５つのエアフォイル列：第１エアフォイル列１７１、第２エアフォイル列１７２、第３エアフォイル列１７３、第４エアフォイル列１７４、及び第５エアフォイル列１７５を含む。当業者であれば、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５が動翼を表し、これらの動翼列の間の第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４が静翼列を表すことがわかるであろう。或いは、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は、静翼も表す。この場合、静翼列の間の第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４は動翼を表す。更に、当業者であればわかるように、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は、各々が静翼であろうと動翼であろうと、作動中にそれらの間で実質的に相対運動がないことになる（即ち、全ての列が、静翼である場合は静止しているか、動翼である場合は同じ速度で回転する）。また、第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４は、各々が静翼であろうと動翼であろうと、作動中にそれらの間で実質的に相対運動がないことになる（即ち、これらの２つの列は、静翼である場合は静止しているか、動翼である場合は同じ速度で回転する）。このことから、言うまでもなく、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は、第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４に対して実質的に同じ相対運動を有することになる（即ち、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５が回転する一方、第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４が静止している、或いは、３つの列が静止している一方、第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４が回転する）。当業者であれば、図８のエアフォイル列はタービンエンジンの圧縮機１１８又はタービン１２４に配置しても良いことがわかるであろう。

更に、既に説明したように、一般に、クロッキング構成をより効果的に実行するためには、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は、実質的に同様に構成される。そのため、図８の第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は、一般的に、同じ数のエアフォイル又は実質的に同じ数のエアフォイルを有する。各々の列のエアフォイルはまた、実質的に同じ寸法であって、各々の列の円周上に実質的に同様に離間される。

図８において、本発明の例示的実施形態によれば、第３エアフォイル列１７３は、第１エアフォイル列１７１に対して約５０％ピッチでクロックされる。従って、図示するように、第３エアフォイル列１７３のエアフォイルの円周方向位置は、約５０％のピッチ測定値のオフセット分だけ第１エアフォイル列１７１の対応するエアフォイルの（列の相対運動の方向で示して）後方にある。そのため、第１エアフォイル列１７１のエアフォイルの前縁（その１つを参照番号１８２で示す）は、約５０％のピッチ測定値の円周方向距離だけ第３エアフォイル列１７３の対応するエアフォイルの前縁（参照番号１８４で示す）の前方にある。

いくつかある利点の中でも特に、分析モデリング及び実験データによって、第１エアフォイル列１７１及び第３エアフォイル列１７３の間で表わされる近似値、即ち５０％ピッチのクロッキング構成が、作動中に第２エアフォイル列１７２のエアフォイルに作用する応力、例えば振動及び揺動等の機械的応力を低減することが確認された。即ち、特定の列のエアフォイルに作用する作動応力の著しい減少は、２つの隣接するエアフォイル列、即ち、特定の列の両側のエアフォイル列を図８に示すのと同じ方法でクロッキングすることによって達成されること、及び５０％ピッチにごく近い値または５０％ピッチの値であるクロッキング構成が一部の実施形態及び用途においてほぼ最大レベルの応力緩和をもたらすことがわかった。また、５０％ピッチ値のプラスマイナス１０％の値の範囲内のクロッキング値が最大応力低減レベルに近い応力低減をもたらすことが判明した。（本明細書において使用する５０％ピッチ±１０％は、４５％〜５５％ピッチのピッチ範囲である。）当業者であれば、いくつかある利点の中でも特に、作動応力の低減がエアフォイルの部品寿命を延ばすことによって、タービンをより費用効率の高い方法で作動させることが可能になることがわかるであろう。

第１エアフォイル列１７１および第３エアフォイル列１７３等の２つのエアフォイル列がクロックされる一部の実施形態において、第１エアフォイル列１７１は圧縮機動翼１２０の列であり、第２エアフォイル列１７２は圧縮機静翼１２２の列であり、第３エアフォイル列１７３は圧縮機動翼１２０の列である。より詳細には、本発明の例示的実施形態において、第１エアフォイル列１７１は圧縮機の第１４段の圧縮機動翼１２０の列であり、第２エアフォイル列１７２は圧縮機の第１４段の圧縮機静翼１２２の列であり、第３エアフォイル列１７３は圧縮機の第１５段の圧縮機動翼１２０の列である。この例示的実施形態のいくつかの例において、第１４段及び第１５段は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社製の７Ｆ又は９ＦガスタービンエンジンのＦクラス圧縮機の第１４段及び第１５段である。更に、この例及び一部の実施形態において、圧縮機は、各々の段が単一の動翼列及び単一の静翼列を有する全１７段のエアフォイルを有する。１７段に加えて、Ｆクラス圧縮機は、１つの入口案内翼列及び２つの出口案内翼列も有する。第１４段の動翼列は計６４個の動翼を有し、第１５段の動翼列は計６４個の動翼を有する。最後に、一部の実施形態において、第１４段の静翼列は計１３２個の静翼を有し、第１５段の静翼列は計１３０個の静翼を有する。本明細書において説明及び主張したようなクロッキング関係は、本段落において上記した圧縮機構成で十分に機能することが実験データ及び分析モデリングによってわかった。

更に、代替的実施形態において、第１エアフォイル列１７１は圧縮機の第１５段の圧縮機動翼１２０の列であり、第２エアフォイル列１７２は圧縮機の第１５段の圧縮機静翼１２２の列であり、第３エアフォイル列１７３は圧縮機の第１６段の圧縮機動翼１２０の列である。この例示的実施形態のいくつかの例において、第１５段及び第１６段は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社製の７Ｆ又は９ＦガスタービンエンジンのＦクラス圧縮機の第１５段及び第１６段である。更に、この例及び一部の実施形態において、圧縮機は、各々の段が単一の動翼列及び単一の静翼列を有する全１７段のエアフォイルを有する。第１５段の動翼列は計６４個の動翼を有し、第１６段の動翼列は計６４個の動翼を有する。最後に、一部の実施形態において、第１５段の静翼列は計１３０個の静翼を有し、第１６段の静翼列は計１３２個の静翼を有する。本明細書において説明及び主張したようなクロッキング関係は、本段落において上記した圧縮機構成で十分に機能することが実験データ及び分析モデリングによってわかった。

分析モデリング及び実験データによって、作動利点及び応力低減は、一部の実施形態では利点がそれほど大きくはないが、上記したよりも広い範囲のクロッキング構成によって可能であることも確認された。作動応力は、約５０％ピッチ±５０％の第１エアフォイル列１７１及び第３エアフォイル列１７３の間のクロッキング構成の範囲内で低減される。（本明細書において使用する５０％ピッチ±５０％は、２５％〜７５％ピッチのピッチ範囲である。）上記のように、オフセット範囲が５０％ピッチレベルに近いと、より好結果が得られる。オフセットが約５０％ピッチ±３０％の範囲（即ち、３５％〜６５％ピッチのピッチ範囲）内の場合、この狭い範囲外の値よりも明らかな作動利点があり、応力が低減される。

図８は、２つの更なるエアフォイル列：第４エアフォイル列１７４及び第５エアフォイル列１７５も含む。第２エアフォイル列１７２に関して上記したものと同様に、第３エアフォイル列１７３に対して第５エアフォイル列１７５をクロッキングすることによって、第４エアフォイル列１７４への作動応力が低減される。２つのエアフォイル列が中間エアフォイル列に有利にクロックされる一部の実施形態において、中間エアフォイル列は静翼列であり、２つのクロックされたエアフォイル列は動翼列である。その他の実施形態において、中間エアフォイル列は動翼列であり、２つのクロックされたエアフォイル列は静翼列である。エアフォイル列は、圧縮機エアフォイル列又はタービンエアフォイル列である。

更に、エアフォイルの特定列に作用する作動応力が、２つの隣接するエアフォイル列、即ち、すぐ両側のエアフォイルよりも多くのエアフォイル列をクロッキングすることによって更に低減されることがわかった。第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は、第４エアフォイル列１７４の相対位置に位置する列が、一部の実施形態において作動応力のより著しい低減を示すように、互いに対してクロックされる。この場合、第３エアフォイル列１７３は第１エアフォイル列１７１に対して約５０％ピッチでクロックされ、第５エアフォイル列１７５は第３エアフォイル列１７３に対して約５０％ピッチでクロックされる。従って、図示するように、第１エアフォイル列１７１のエアフォイルの前縁（参照番号１８２を参照）は、約５０％のピッチ測定値の円周方向距離だけ第３エアフォイル列１７３の対応するエアフォイルの前縁（参照番号１８４を参照）の前方にあり、第３エアフォイル列１７３のエアフォイルの前縁（参照番号１８４を参照）は、約５０％のピッチ測定値の円周方向距離だけ第５エアフォイル列１７５の対応するエアフォイルの前縁の前方にある。３つのクロックされたエアフォイル列を含んでいる実施形態で使用されるピッチ値の範囲は、２つのクロックされたエアフォイル列を含んでいる実施形態で使用されるピッチ値の範囲と同じである。即ち、第４エアフォイル列１７４に配置されたエアフォイルに対する応力がほぼ最大限に緩和されるのは、第３エアフォイル列１７３が第１エアフォイル列１７１に対して約５０％ピッチでクロックされ、第５エアフォイル列１７５が第３エアフォイル列１７３に対して約５０％ピッチでクロックされた時である。

上記の範囲内である第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５に関するその他のクロッキング構成において、第４エアフォイル列１７４に対して明白且つ顕著に作動利益があり、作動応力が低減されることも判明した。そのため、４５％〜５５％ピッチ、３５％〜６５％ピッチ、又は２５％〜７５％ピッチのピッチ範囲は全て、様々な成功度合いで使用される。更に、第１エアフォイル列１７１及び第３エアフォイル列１７３と第３エアフォイル列１７３及び第５エアフォイル列１７５間のクロッキング関係は、作動利益を得て応力を低減させるために（ほぼ同じではあるが）同じである必要はない。即ち、３つの列がクロックされている場合、作動利益及び応力低減は、第１エアフォイル列１７１及び第３エアフォイル列１７３の間のクロッキング関係が上述の範囲内の関係であり、第３エアフォイル列１７３及び第５エアフォイル列１７５の間のクロッキング関係が（第１エアフォイル列１７１及び第３エアフォイル列１７３の間のクロッキング関係とは異なるが）上述の範囲内の関係であれば可能である。つまり、両者が広いピッチ範囲、即ち、２５％〜７５％ピッチの範囲内であれば、作動利益が見られる。一部の実施形態において、第１エアフォイル列１７１及び第３エアフォイル列１７３と第３エアフォイル列１７３及び第５エアフォイル列１７５を同じピッチ又はほぼ同じピッチでクロッキングすることによって、可能な作動利益及び応力低減が増加する。

３つのエアフォイル列がクロックされる一部の実施形態において、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は動翼列であり、第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４は静翼列である。その他の実施形態において、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５は静翼列であり、第２エアフォイル列１７２及び第４エアフォイル列１７４は動翼列である。いずれの場合も、エアフォイル列は、タービンエンジンの圧縮機又はタービンに配置される。更なる利点として、例えば、第１エアフォイル列１７１及び第３エアフォイル列１７３であっても良く、或いは、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５であっても良い、互いに対してクロックされるエアフォイル列に作用する作動応力も低減される。

更に、第１エアフォイル列１７１、第３エアフォイル列１７３、及び第５エアフォイル列１７５等の３つのエアフォイル列がクロックされる一部の実施形態において、第１エアフォイル列１７１は圧縮機動翼１２０の列であり、第２エアフォイル列１７２は圧縮機静翼１２２の列であり、第３エアフォイル列１７３は圧縮機動翼１２０の列であり、第４エアフォイル列１７４は圧縮機静翼１２２の列であり、第５エアフォイル列１７５は圧縮機動翼１２０の列である。より詳細には、本発明の例示的実施形態において、第１エアフォイル列１７１は圧縮機の第１４段の圧縮機動翼１２０の列であり、第２エアフォイル列１７２は圧縮機の第１４段の圧縮機静翼１２２の列であり、第３エアフォイル列１７３は圧縮機の第１５段の圧縮機動翼１２０の列であり、第４エアフォイル列１７４は圧縮機の第１５段の圧縮機静翼１２２の列であり、第５エアフォイル列１７５は圧縮機の第１６段の圧縮機動翼１２０の列である。この例示的実施形態のいくつかの例において、第１４段、第１５段、及び第１６段は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社製の７Ｆ又は９ＦガスタービンエンジンのＦクラス圧縮機の第１４段、第１５段、及び第１６段である。更に、この例及び一部の実施形態において、圧縮機は、各々の段が単一の動翼列及び単一の静翼列を有する全１７段のエアフォイルを有する。第１４段の動翼列は計６４個の動翼を有し、第１５段の動翼列は計６４個の動翼を有し、第１６段の動翼列は計６４個の動翼を有する。最後に、一部の実施形態において、第１４段の静翼列は計１３２個の静翼を有し、第１５段の静翼列は計１３０個の静翼を有し、第１６段の静翼列は計１３２個の静翼を有する。本明細書において説明及び主張したようなクロッキング関係は、本段落において上記した圧縮機構成で十分に機能することが実験データ及び分析モデリングによってわかった。

以上に説明した本発明の好ましい実施形態について、当業者には様々な改良、変更、及び修正が想起可能であろう。かかる改良、変更、及び修正は、添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。更に、上記の説明は、あくまでも本明細書に記載の実施形態に関するものであり、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の本質及び意図から逸脱することなく、これらに多様な改良、変更、及び修正を加えることができる。

１００ガスタービンエンジン
１０６圧縮機
１１０タービン
１１２燃焼器
１１８圧縮機
１２０圧縮機動翼
１２２圧縮機静翼
１２４タービン
１２６タービン動翼
１２８タービン静翼
１３０エアフォイル
１３４第１エアフォイル列
１３６第２エアフォイル列
１３８第３エアフォイル列
１４０矢印
１４２矢印
１７１第１エアフォイル列
１７２第２エアフォイル列
１７３第３エアフォイル列
１７４第４エアフォイル列
１７５第５エアフォイル列

Claims

少なくとも３つの軸方向に積み重ねられたエアフォイル（１３０）の列：中間エアフォイル列（１３６）、第１上流エアフォイル列（１３４）、及び第１下流エアフォイル列（１３８）からなる、タービンエンジン（１００）の圧縮機（１０６）におけるエアフォイル（１３０）のアセンブリであって、
前記中間エアフォイル列（１３６）は、両側が、前記中間エアフォイル列（１３６）から上流方向にあるエアフォイルの第１列からなる前記第１上流エアフォイル列（１３４）と、前記中間エアフォイル列（１３６）から下流方向にあるエアフォイルの第１列からなる第１下流エアフォイル列（１３８）と隣接しており、
前記第１上流エアフォイル列（１３４）及び第１下流エアフォイル列（１３８）は、実質的に同じ数の同様形状のエアフォイル（１３０）を有しており、
前記第１上流エアフォイル列（１３４）及び第１下流エアフォイル列（１３８）は各々が、作動中に実質的に同じ速度で回転する動翼（１２０）の列からなっており、
前記中間エアフォイル列（１３６）は、作動中に実質的に静止している静翼（１２２）の列からなっており、
前記第１上流エアフォイル列（１３４）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）及び前記第１下流エアフォイル列（１３８）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）は、２５％〜７５％ピッチのクロッキング関係を有する、エアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記第１上流エアフォイル列（１３４）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）及び前記第１下流エアフォイル列（１３８）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）は、３５％〜６５％ピッチのクロッキング関係を有する、請求項１に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記第１上流エアフォイル列（１３４）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）及び前記第１下流エアフォイル列（１３８）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）は、約５０％ピッチのクロッキング関係を有する、請求項１に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記第１上流エアフォイル列（１３４）は前記圧縮機（１０６）の第１４段の動翼（１２０）の列であり、
前記中間エアフォイル列（１３６）は前記圧縮機（１０６）の前記第１４段の静翼（１２２）の列であり、
前記第１下流エアフォイル列（１３８）は前記圧縮機（１０６）の第１５段の動翼（１２０）の列である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記圧縮機（１０６）は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社製のＦクラス圧縮機であり、前記タービンエンジン（１００）は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社製の７Ｆガスタービンエンジン及び９Ｆガスタービンエンジンの一方である、請求項４に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記第１４段の前記動翼（１２０）の列は６４個の動翼（１２０）を有し、前記第１５段の前記動翼（１２０）の列は６４個の動翼（１２０）を有し、前記第１４段の前記静翼（１２２）の列は１３２個の静翼（１２２）を有する、請求項４に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
第１上流エアフォイル列（１７３）に隣接し、中間エアフォイル列（１７４）から上流方向にある前記エアフォイル（１３０）の第２列からなる、第２上流エアフォイル列（１７２）と、
前記第２上流エアフォイル列（１７２）に隣接し、前記中間エアフォイル列（１７４）から上流方向にある前記エアフォイル（１３０）の第３列からなる、第３上流エアフォイル列（１７１）とを更に含んでおり、
前記第３上流エアフォイル列（１７１）、前記第１上流エアフォイル列（１７３）、及び前記第１下流エアフォイル列（１７５）は、実質的に同じ数の同様形状のエアフォイル（１３０）を有しており、
前記第３上流エアフォイル列（１７１）、前記第１上流エアフォイル列（１７３）、及び前記第１下流エアフォイル列（１７５）は各々が、作動中に実質的に同じ速度で回転する動翼（１２０）の列からなっており、
前記第２上流エアフォイル列（１７２）は、作動中に実質的に静止している静翼（１２２）の列からなっており、
前記第３上流エアフォイル列（１７１）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）及び前記第１上流エアフォイル列（１７３）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）は、２５％〜７５％ピッチのクロッキング関係を有する、請求項１に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記第３上流エアフォイル列（１７１）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）及び前記第１上流エアフォイル列（１７３）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）は、３５％〜６５％ピッチのクロッキング関係を有する、請求項７に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記第３上流エアフォイル列（１７１）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）及び前記第１上流エアフォイル列（１７３）の少なくとも９０％の前記エアフォイル（１３０）は、４５％〜５５％ピッチのクロッキング関係を有する、請求項７に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。
前記第３上流エアフォイル列（１７１）は前記圧縮機（１０６）の第１４段の動翼（１２０）の列であり、
前記第２上流エアフォイル列（１７２）は前記圧縮機（１０６）の前記第１４段の静翼（１２２）の列であり、
前記第１上流エアフォイル列（１７３）は前記圧縮機（１０６）の第１５段の動翼（１２０）の列であり、
前記中間エアフォイル列（１７４）は前記圧縮機（１０６）の前記第１５段の静翼（１２２）の列であり、
前記第１下流エアフォイル列（１７５）は前記圧縮機（１０６）の第１６段の動翼（１２０）の列であり、
前記第１４段の前記動翼（１２０）の列は６４個の動翼（１２０）を有し、前記第１５段の前記動翼（１２０）の列は６４個の動翼（１２０）を有し、前記第１６段の前記動翼（１２０）の列は６４個の動翼（１２０）を有し、前記第１４段の前記静翼（１２２）の列は１３２個の静翼（１２２）を有し、前記第１５段の前記静翼（１２２）の列は１３２個の静翼（１２２）を有する、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のエアフォイル（１３０）のアセンブリ。