JP2010190057A - Design method of turbine and turbine - Google Patents

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洋治 大北
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce heat loads to stationary blades of stationary blade lines arranged in a downstream region of moving blade lines in a turbine in which a plurality of stationary blade lines and moving blade lines are alternately arranged in a flowing direction of a fluid. <P>SOLUTION: Stationary blades 52 of stationary blade lines 62 arranged in a downstream region of moving blade lines 71 are arranged so as to avoid a hot streak H. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンの設計方法及びタービンに関するものである。   The present invention relates to a turbine design method and a turbine in which a plurality of stationary blade rows and moving blade rows are alternately arranged in a fluid flow direction.

従来から、ガスタービンエンジン等の高温流体によって回転駆動されるタービンを備える装置では、タービンに上記高温流体が供給されるため、タービンが備える翼の熱負荷が大きいことが知られている。
特にガスタービンエンジンが備える燃焼器の下流側には、燃焼器に設置される燃料噴射ノズルが離散的に配置されているため、局所的に高温の流体が流れる。よって、燃焼器の下流側の領域には、流体の流れ方向に延在するいわゆるホットストリークが、周方向に離散的に形成される。そして、タービンが備える翼がホットストリークに晒される場合には、特にタービン翼の熱負荷が大きくなる。
Conventionally, in an apparatus including a turbine that is rotationally driven by a high-temperature fluid such as a gas turbine engine, the high-temperature fluid is supplied to the turbine.
Particularly, since the fuel injection nozzles installed in the combustor are discretely arranged on the downstream side of the combustor included in the gas turbine engine, a high-temperature fluid flows locally. Therefore, so-called hot streaks extending in the fluid flow direction are discretely formed in the circumferential direction in the downstream region of the combustor. And when the blade | wing with which a turbine is exposed to a hot streak, the thermal load of a turbine blade especially becomes large.

このため、従来のガスタービンエンジン等においては、上記ホットストリークの発生を抑制するために、燃焼器において希釈空気を適切に混ぜることでホットストリークを解消する試みがなされている。
ところが、燃焼器内部の熱流動は、非常に複雑で予測が難しい。このため、ホットストリークの発生を抑制するために希釈空気を混ぜたとしても、必ずしも狙い通りの温度分布になるとは限らない。
For this reason, in the conventional gas turbine engine etc., in order to suppress the occurrence of the hot streak, an attempt has been made to eliminate the hot streak by appropriately mixing the diluted air in the combustor.
However, the heat flow inside the combustor is very complex and difficult to predict. For this reason, even if dilution air is mixed in order to suppress the occurrence of hot streaks, the target temperature distribution is not always achieved.

そこで、燃焼器でのホットストリークの対策を行わないあるいは簡便化し、タービンにおいて熱対策を施す試みも行われている。
具体的には、例えば、燃焼器に最も近いタービン翼である静翼の内部にホットストリークに耐えうるだけの冷却ガスを供給し、静翼を冷却することによって静翼への熱負荷を低減させている。
In view of this, attempts have been made not to take measures for hot streaks in the combustor or to simplify measures and to take measures against heat in the turbine.
Specifically, for example, a cooling gas that can withstand hot streak is supplied to the inside of the stationary blade that is the turbine blade closest to the combustor, and the stationary blade is cooled to reduce the thermal load on the stationary blade. ing.

特開2004−257390号公報JP 2004-257390 A

しかしながら、上記ホットストリークは、複数の静翼からなる静翼列及び該静翼列の下流領域に配置される動翼列にて減衰及び散逸するものではなく、さらに下流まで残存する。   However, the hot streak is not attenuated and dissipated in a stationary blade row composed of a plurality of stationary blades and a moving blade row arranged in a downstream region of the stationary blade row, and remains further downstream.

このため、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備える多段タービンにおいては、動翼列の下流に配置された静翼列を構成する静翼がホットストリークに晒されて大きな熱負荷を受ける場合がある。
これに対して、全ての静翼に対して内部にホットストリークに耐えうるだけの冷却ガスを供給することも考えられるが、冷却空気が非常に増加するため、エンジン性能が著しく低下する。
For this reason, in a multi-stage turbine including a plurality of cascade stages composed of a stationary cascade and a moving cascade, the stationary blades constituting the stationary cascade arranged downstream of the stationary cascade are exposed to hot streak and generate a large amount of heat. There may be a load.
On the other hand, it is conceivable to supply all the stationary blades with cooling gas that can withstand hot streak inside, but the cooling air increases so much that the engine performance is significantly reduced.

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンにおいて、動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼に対する熱負荷を低減させることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and in a turbine in which a plurality of stationary blade rows and moving blade rows are alternately arranged in the fluid flow direction, the static blade disposed in the downstream region of the moving blade row. The purpose is to reduce the thermal load on the stationary blades of the cascade.

上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。   The following configuration is adopted as means for solving the above-described problems.

第1の発明は、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンの設計方法であって、上記動翼列の下流領域の温度分布を取得する温度分布取得工程と、上記温度分布取得工程にて取得された温度分布のうち予め定められた閾値よりも低温の領域を上記静翼列の静翼の配置位置として設定する静翼配置位置設定工程とを有するという構成を採用する。   A first invention is a turbine design method in which a plurality of stationary blade rows and moving blade rows are alternately arranged in a fluid flow direction, and obtains a temperature distribution in a downstream region of the moving blade row. And a stationary blade arrangement position setting step of setting a region having a temperature lower than a predetermined threshold in the temperature distribution acquired in the temperature distribution acquisition step as a stationary blade arrangement position of the stationary blade row. The configuration is adopted.

第2の発明は、上記第1の発明において、上記温度分布取得工程において、流体解析により上記動翼列の下流領域におけるホットストリークの分布を算出することによって上記温度分布を取得するという構成を採用する。   According to a second invention, in the first invention, in the temperature distribution acquisition step, the temperature distribution is acquired by calculating a hot streak distribution in a downstream region of the blade row by fluid analysis. To do.

第3の発明は、上記第1または第2の発明において、上記温度分布取得工程において、流体解析により上記動翼列の下流領域におけるコールドストリークの分布を算出することによって上記温度分布を取得するという構成を採用する。   According to a third invention, in the first or second invention, in the temperature distribution acquisition step, the temperature distribution is acquired by calculating a cold streak distribution in a downstream region of the moving blade row by fluid analysis. Adopt the configuration.

第4の発明は、上記第1〜第3いずれかの発明において、上記静翼配置位置設定工程後において設定された上記静翼の配置位置に基づいて流体解析を行うことによって上記静翼配置位置設定工程後において設定された上記静翼の配置位置について検証を行う検証工程と、該検証工程の検証結果に基づいて上記静翼配置位置設定工程後において設定された上記静翼の配置位置を調整する調整工程とを有するという構成を採用する。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the stationary blade arrangement position is obtained by performing a fluid analysis based on the arrangement position of the stationary blade set after the stationary blade arrangement position setting step. A verification process for verifying the stator blade arrangement position set after the setting process, and adjusting the stator blade arrangement position set after the stator blade arrangement position setting process based on the verification result of the verification process The adjustment process is employed.

第5の発明は、上記第1〜第4いずれかの発明において、上記静翼配置位置設定工程において、複数の上記静翼の配置位置が存在する場合に、最も上記静翼の温度勾配が小さい上記静翼配置位置を最適なものとして選択するという構成を採用する。   According to a fifth invention, in any of the first to fourth inventions, in the stationary blade arrangement position setting step, when there are a plurality of stationary blade arrangement positions, the temperature gradient of the stationary blade is the smallest. A configuration is adopted in which the stationary blade arrangement position is selected as the optimum one.

第6の発明は、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンであって、上記動翼列の下流領域に配置される上記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも高温の領域を外れて配置されているという構成を採用する。   A sixth invention is a turbine in which a plurality of stationary blade rows and moving blade rows are alternately arranged in a fluid flow direction, and the stationary blades of the stationary blade row arranged in a downstream region of the moving blade row include: A configuration is adopted in which they are arranged outside a region having a temperature higher than a preset threshold value.

第7の発明は、上記第6の発明において、上記動翼列の下流領域に配置される上記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも低温の領域に位置するように配置されているという構成を採用する。   According to a seventh invention, in the sixth invention, the stationary blades of the stationary blade row arranged in the downstream region of the moving blade row are arranged so as to be located in a region lower in temperature than a preset threshold value. Adopt the configuration that.

本発明によれば、タービンの動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼が、ホットストリークを避けて配置される。
このため、流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンにおいて、動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼に対する熱負荷を低減させることが可能となる。
According to the present invention, the stationary blades of the stationary blade row arranged in the downstream region of the moving blade row of the turbine are arranged so as to avoid hot streak.
Therefore, in a turbine in which a plurality of stationary blade rows and moving blade rows are alternately arranged in the fluid flow direction, it is possible to reduce the thermal load on the stationary blades of the stationary blade rows arranged in the downstream region of the moving blade row. It becomes possible.

本発明の一実施形態におけるタービンを備えるガスタービンエンジンの要部構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the important section composition of the gas turbine engine provided with the turbine in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態におけるタービンが備える静翼及び動翼を側方から見た模式図である。It is the schematic diagram which looked at the stationary blade and the moving blade with which the turbine in one Embodiment of this invention is provided from the side. 本発明の一実施形態におけるタービンの設計に用いられる設計装置のシステムブロック図である。It is a system block diagram of the design apparatus used for the design of the turbine in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるタービンの設計方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the design method of the turbine in one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼の設計方法及びタービンの一実施形態について説明する。
なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
Hereinafter, an embodiment of a turbine blade design method and a turbine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.

図1は、本実施形態のタービンが設置されるガスタービンエンジンの高温部の要部構成を示す断面図である。
この図に示すように、ガスタービンエンジンは、燃焼器4及びタービン5を備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of a high temperature part of a gas turbine engine in which the turbine of the present embodiment is installed.
As shown in this figure, the gas turbine engine includes a combustor 4 and a turbine 5.

燃焼器4は、圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、燃焼ガスを排出する。なお、燃焼器4の内部には、ガスタービンエンジンの軸回りに複数の燃料噴射ノズル2が離散的に配置されており、当該燃料噴射バーナから噴射された燃料と空気とが混合されて燃焼される。   The combustor 4 mixes and burns fuel with compressed air, and discharges combustion gas. A plurality of fuel injection nozzles 2 are discretely arranged around the axis of the gas turbine engine inside the combustor 4, and the fuel and air injected from the fuel injection burner are mixed and burned. The

タービン5は、燃焼器4から供給される燃焼ガスから回転動力を得るものであり、複数の静翼52と複数の動翼53とからなるタービン翼51を備えている。
図2は、タービン5が備える静翼52及び動翼53を側方から見た模式図である。この図に示すように、本実施形態のタービン5は、静翼52からなる静翼列60(61,62)と動翼53からなる動翼列70(71,72)とによって構成される翼列段80が、燃焼ガスの流れ方向に2段配列された構成を有している。すなわち、燃焼ガスの流れ方向に静翼列60と動翼列70とが交互に配列されている。
また、図2に示すように、上流側の静翼列61の静翼52の内部には冷却ガスXが供給され、静翼52の翼面や後縁から静翼52の外部に冷却ガスXが排出されている。
The turbine 5 obtains rotational power from combustion gas supplied from the combustor 4, and includes turbine blades 51 including a plurality of stationary blades 52 and a plurality of moving blades 53.
FIG. 2 is a schematic view of the stationary blade 52 and the moving blade 53 provided in the turbine 5 as viewed from the side. As shown in this figure, the turbine 5 of the present embodiment includes blades composed of a stationary blade row 60 (61, 62) including the stationary blades 52 and a moving blade row 70 (71, 72) including the blades 53. The row stage 80 has a configuration in which two stages are arranged in the flow direction of the combustion gas. That is, the stationary blade rows 60 and the moving blade rows 70 are alternately arranged in the flow direction of the combustion gas.
In addition, as shown in FIG. 2, the cooling gas X is supplied to the inside of the stationary blade 52 of the upstream stationary blade row 61, and the cooling gas X is supplied to the outside of the stationary blade 52 from the blade surface and the trailing edge of the stationary blade 52. Has been discharged.

そして、本実施形態のタービン5においては、図2に示すように、上流側の翼列段81の動翼列71の下流領域に配置される静翼列62の静翼52が、燃焼ガス流れに含まれる高温流れであるホットストリークHが形成される領域を避けて配置されている。なお、本実施形態においてホットストリークとは予め設定された閾値よりも高い温度領域とし、本実施形態においてホットストリークを避けるとは予め設定された閾値よりも高い温度領域を外れて位置することを意味する。
さらに、本実施形態のタービン5においては、上流側の翼列段81の動翼列71の下流領域に配置される静翼列62の静翼52が、冷却ガスXによって形成されるコールドストリークC(燃焼ガス流れに含まれる低温流れ)が形成される領域に晒されるように配置されている。なお、本実施形態においてコールドストリークとは予め設定された閾値よりも低い温度領域とし、本実施形態においてコールドストリークに晒されるとは予め設定された閾値よりも低い温度領域に位置することを意味する。
なお、ホットストリークを定義するための上記閾値と、コールドストリークを定義するための上記閾値とは同じ値である必要はない。
In the turbine 5 of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the stationary blade 52 of the stationary blade row 62 arranged in the downstream region of the moving blade row 71 of the upstream blade row stage 81 causes the combustion gas flow. The hot streak H that is a high-temperature flow included in the area is formed so as to avoid the region. In this embodiment, the hot streak is a temperature region higher than a preset threshold value, and in this embodiment, avoiding a hot streak means being located outside the temperature region higher than the preset threshold value. To do.
Furthermore, in the turbine 5 of the present embodiment, the cold streak C formed by the cooling gas X is formed in the stationary blade 52 of the stationary blade row 62 arranged in the downstream region of the moving blade row 71 of the upstream blade row stage 81. It arrange | positions so that it may be exposed to the area | region in which (the low temperature flow contained in a combustion gas flow) is formed. In this embodiment, the cold streak is a temperature region lower than a preset threshold value, and in this embodiment, being exposed to a cold streak means being located in a temperature region lower than a preset threshold value. .
Note that the threshold value for defining hot streak and the threshold value for defining cold streak need not be the same value.

このような構成を有する本実施形態のタービン5を備えるガスタービンエンジン1では、燃焼器4にて発生した燃焼ガスがタービン5に供給されて回転動力が得られる。   In the gas turbine engine 1 including the turbine 5 of this embodiment having such a configuration, the combustion gas generated in the combustor 4 is supplied to the turbine 5 to obtain rotational power.

そして、本実施形態のタービン5においては、上流側の翼列段81の動翼列71の下流領域に配置される静翼列62の静翼52が、燃焼ガス流れに含まれる高温流れであるホットストリークHを避けて配置されている。このため、動翼列71の下流領域に配置される静翼列62の静翼52に対する熱負荷を低減させることが可能となる。   And in the turbine 5 of this embodiment, the stationary blade 52 of the stationary blade row | line | column 62 arrange | positioned in the downstream area | region of the moving blade row | line 71 of the upstream blade row stage 81 is a high temperature flow contained in a combustion gas flow. It is arranged avoiding the hot streak H. For this reason, it is possible to reduce the thermal load on the stationary blade 52 of the stationary blade row 62 arranged in the downstream region of the moving blade row 71.

さらに、本実施形態のタービン5においては、上流側の翼列段81の動翼列71の下流領域に配置される静翼列62の静翼52が、冷却ガスXによって形成されるコールドストリークCに晒されるように配置されている。このため、動翼列71の下流領域に配置される静翼列62の静翼52に対する熱負荷をさらに低減させることが可能となる。   Further, in the turbine 5 of the present embodiment, the cold streak C formed by the cooling gas X is formed in the stationary blade 52 of the stationary blade row 62 arranged in the downstream region of the moving blade row 71 of the upstream blade row stage 81. It is arranged to be exposed to. For this reason, it is possible to further reduce the thermal load on the stationary blade 52 of the stationary blade row 62 disposed in the downstream region of the moving blade row 71.

図3は、上記タービン5の設計を行うための設計装置Sのシステムブロック図である。また、図4は、上記タービン5の設計方法を説明するためのフローチャートである。   FIG. 3 is a system block diagram of the design apparatus S for designing the turbine 5. FIG. 4 is a flowchart for explaining a method for designing the turbine 5.

設計装置Sは、パーソナルコンピュータやワークステーションによって具現化されるものであり、図3に示すように、外部記憶装置100と、内部記憶装置200と、CPU300と、入力装置400と、出力装置500と、システムバス600とを備えている。   The design apparatus S is embodied by a personal computer or a workstation. As shown in FIG. 3, the design apparatus S includes an external storage device 100, an internal storage device 200, a CPU 300, an input device 400, and an output device 500. The system bus 600 is provided.

外部記憶装置100は、ハードディスクドライブ等によって具現化され、本実施形態においては、上述したホットストリークの分布を算出するための解析プログラムや、上述した下流領域の翼列段82の静翼列62の配置位置を設定するための配置位置設定プログラム等を記憶している。
また、外部記憶装置100は、上記解析プログラムや配置位置設定プログラムに用いられるパラメータ(燃焼器4における燃焼噴射バルブの配置間隔を示すデータ、燃焼器4に用いられる燃料の熱量を示すデータ、上流側の翼列段81における静翼52の形状や配置間隔を示すデータ、上流側の翼列段81における動翼53の形状、配置間隔及び回転数を示すデータ、下流側の翼列段82における静翼52の形状や配置間隔を示すデータ等)を記憶している。なお、解析プログラムや配置位置設定プログラムに用いられるパラメータは、必ずしも外部記憶装置100に予め記憶されている必要はなく、入力装置400に入力されて内部記憶装置200に記憶されるようにしても良い。
The external storage device 100 is embodied by a hard disk drive or the like. In the present embodiment, the analysis program for calculating the hot streak distribution described above, the stationary blade row 62 of the blade row stage 82 in the downstream region described above, and the like. An arrangement position setting program or the like for setting the arrangement position is stored.
The external storage device 100 also includes parameters used for the analysis program and the arrangement position setting program (data indicating the arrangement interval of the combustion injection valves in the combustor 4, data indicating the amount of heat of the fuel used in the combustor 4, upstream side Data indicating the shape and arrangement interval of the stationary blade 52 in the blade row stage 81, data indicating the shape, arrangement interval and rotation speed of the moving blade 53 in the upstream blade row stage 81, and static data in the downstream blade row stage 82. The data indicating the shape and arrangement interval of the blades 52 are stored. The parameters used for the analysis program and the arrangement position setting program do not necessarily have to be stored in advance in the external storage device 100, but may be input to the input device 400 and stored in the internal storage device 200. .

内部記憶装置200は、ROMやRAM等によって具現化され、本実施形態においては、上述の解析プログラム、配置位置設定プログラム及びこれらのプログラムに用いられる上記パラメータを一時的に記憶する。   The internal storage device 200 is embodied by a ROM, a RAM, or the like. In the present embodiment, the internal storage device 200 temporarily stores the analysis program, the arrangement position setting program, and the parameters used for these programs.

CPU300は、設計装置Sの動作全体を制御するものであり、本実施形態においては、解析プログラム、配置位置設定プログラム及びこれらのプログラムに用いられる上記パラメータに基づいて動翼列71の下流領域の温度分布を算出すると共に、当該温度分布に基づいて静翼列62の静翼の配置位置を設定する。   The CPU 300 controls the entire operation of the design apparatus S. In the present embodiment, the temperature in the downstream region of the moving blade row 71 is based on the analysis program, the arrangement position setting program, and the parameters used in these programs. The distribution is calculated, and the arrangement position of the stationary blades of the stationary blade row 62 is set based on the temperature distribution.

入力装置400は、キーボードやマウスによって具現化されるものであり、必要に応じて解析プログラムや配置位置設定プログラムに用いられるパラメータを入力するものである。
出力装置500は、ディスプレイやプリンタによって具現化されるものであり、CPU300の制御の下、各種データを視覚化して出力する。
システムバス600は、外部記憶装置100と、内部記憶装置200と、CPU300と、入力装置400と、出力装置500とを相互に電気的に接続する配線網である。
The input device 400 is embodied by a keyboard and a mouse, and inputs parameters used for an analysis program and an arrangement position setting program as necessary.
The output device 500 is embodied by a display or a printer, and visualizes and outputs various data under the control of the CPU 300.
The system bus 600 is a wiring network that electrically connects the external storage device 100, the internal storage device 200, the CPU 300, the input device 400, and the output device 500 to each other.

そして、このように構成された設計装置Sを用いて行われる本実施形態のタービンの設計方法においては、図4に示すように、まず温度分布取得工程(ステップS1)が行われる。この温度分布取得工程では、上記解析プログラム及びパラメータに基づいて、動翼列71の下流領域の温度分布が算出される。
なお、本実施形態のタービンの設計方法においては、解析プログラムとして非定常CFD解析プログラムを用いてホットストリーク及びコールドストリークの分布を算出することによって動翼列71の下流領域の温度分布が取得される。
また、非定常CFD解析を行う具体的な手法については、「Hirai, K., et al., “Unsteady Three-Dimensional Analysis of Inlet Distortion in Turbomachinery”, AIAA Paper AIAA-1997-2735」に記載されており、ここでの説明は省略する。そして、ホットストリーク及びコールドストリークの分布は、当該非定常CFD解析を行う具体的な手法を応用したプログラム(非定常CFD解析プログラム)及びパラメータを用いて算出することができる。
In the turbine design method of the present embodiment performed using the design apparatus S configured as described above, a temperature distribution acquisition step (step S1) is first performed as shown in FIG. In this temperature distribution acquisition step, the temperature distribution in the downstream region of the moving blade row 71 is calculated based on the analysis program and parameters.
In the turbine design method of the present embodiment, the temperature distribution in the downstream region of the moving blade row 71 is obtained by calculating the distribution of hot streaks and cold streaks using an unsteady CFD analysis program as an analysis program. .
In addition, specific methods for performing unsteady CFD analysis are described in “Hirai, K., et al.,“ Unsteady Three-Dimensional Analysis of Inlet Distortion in Turbomachinery ”, AIAA Paper AIAA-1997-2735. The description here is omitted. The distribution of hot streaks and cold streaks can be calculated using a program (unsteady CFD analysis program) and parameters applying a specific method for performing the unsteady CFD analysis.

続いて、本実施形態のタービンの設計方法においては、静翼配置位置設定工程(ステップS2)が行われる。この静翼配置位置設定工程では、上記配置位置設定プログラム及びパラメータに基づいて、動翼列71の下流領域に配置される静翼列62を構成する静翼52の配置位置が設定される。
なお、静翼列62を構成する静翼52の枚数及び離間間隔は、タービンに要求される性能に依存して決定されるため変更できない。このため、燃焼ガス流れの流れ方向から見た静翼列62の周方向における取付回転角度を変更することによって静翼列62を構成する静翼52の配置位置が設定される。
Subsequently, in the turbine design method of the present embodiment, a stationary blade arrangement position setting step (step S2) is performed. In the stationary blade arrangement position setting step, the arrangement position of the stationary blades 52 constituting the stationary blade row 62 arranged in the downstream region of the moving blade row 71 is set based on the arrangement position setting program and the parameters.
The number and spacing of the stationary blades 52 constituting the stationary blade row 62 are determined depending on the performance required for the turbine and cannot be changed. For this reason, the arrangement position of the stationary blade 52 which comprises the stationary blade row | line | column 62 is set by changing the attachment rotation angle in the circumferential direction of the stationary blade row | line | column 62 seen from the flow direction of the combustion gas flow.

そして、静翼配置位置設定工程においては、温度分布取得工程にて取得された動翼列71の下流領域の温度分布に基づいて、ホットストリークを避け、コールドストリークに晒されるように静翼列62を構成する静翼52の配置位置が設定される。   In the stationary blade arrangement position setting step, the stationary blade row 62 is avoided so as to avoid the hot streak and be exposed to the cold streak based on the temperature distribution in the downstream region of the moving blade row 71 obtained in the temperature distribution obtaining step. The arrangement position of the stationary blade 52 which comprises is set.

なお、動翼列71の下流領域において、ホットストリークを避け、コールドストリークに晒される静翼52の配置位置は、一つであるとは限らない。そこで、本実施形態のタービンの設計方法では、静翼配置位置設定工程において、CPU300が複数の静翼52の配置位置から最適なものを選択する。
具体的には、CPU300は、例えば、ホットストリークを算出して温度分布を求めて、その温度分布で静翼52の伝熱解析を行い、さらにコールドストリークを計算して温度分布を求めて、それを境界条件にして静翼52の伝熱解析を行う。そして伝熱解析の結果、静翼列62を構成する静翼52の温度勾配が小さい配置位置を選択して最適なものとして選択する。
また、CPU300は、例えば、平均温度が許容値以下あるいは静翼52に局所的な高温部が存在しない配置位置を選択する。さらに、CPU300は、選択した静翼52の配置位置の各々における静翼52の応力解析を実行して平均応力あるいは最大応力が最も小さいものを最終的な配置位置として設定する。
In addition, in the downstream area of the moving blade row 71, the arrangement position of the stationary blade 52 that avoids the hot streak and is exposed to the cold streak is not necessarily one. Therefore, in the turbine design method of the present embodiment, the CPU 300 selects an optimum one from the arrangement positions of the plurality of stationary blades 52 in the stationary blade arrangement position setting step.
Specifically, for example, the CPU 300 calculates a temperature distribution by calculating a hot streak, performs a heat transfer analysis of the stationary blade 52 with the temperature distribution, further calculates a cold streak to obtain a temperature distribution, As a boundary condition, heat transfer analysis of the stationary blade 52 is performed. As a result of the heat transfer analysis, an arrangement position having a small temperature gradient of the stationary blade 52 constituting the stationary blade row 62 is selected and selected as an optimum one.
Further, the CPU 300 selects, for example, an arrangement position where the average temperature is equal to or lower than an allowable value or where there is no local high temperature portion on the stationary blade 52. Further, the CPU 300 executes a stress analysis of the stationary blade 52 at each of the selected stationary blade 52 placement positions, and sets the one having the smallest average stress or maximum stress as the final placement position.

なお、図4に示すように、配置位置設定工程後に、再度、非定常CFD解析プログラムを用いて非定常CFD解析を行い、ホットストリーク及びコールドストリークの分布を算出し、動翼列71の下流領域の静翼列62の静翼52がホットストリークを避け、コールドストリークに晒されるように最適に配置されているかについて検証する検証工程(ステップS3)が行われることが好ましい。
ここで、静翼52が最適に配置されていないと判断された場合には、検証工程において最適と判断されるまで静翼52の配置位置の調整する調整工程が行われる(ステップS4)。
As shown in FIG. 4, after the arrangement position setting step, the unsteady CFD analysis is performed again using the unsteady CFD analysis program, the distribution of hot streaks and cold streaks is calculated, and the downstream region of the moving blade row 71 It is preferable to perform a verification process (step S3) for verifying whether the stationary blades 52 of the stationary blade row 62 are optimally arranged so as to avoid hot streaks and to be exposed to cold streaks.
Here, when it is determined that the stationary blade 52 is not optimally arranged, an adjustment process for adjusting the arrangement position of the stationary blade 52 is performed until it is determined to be optimal in the verification process (step S4).

以上のような本実施形態のタービンの設計方法によれば、動翼列71の下流領域に配置される静翼列62が備える静翼52が、ホットストリークを避け、コールドストリークCに晒されるように配置されたタービンを設計することが可能となる。
したがって、動翼列71の下流領域に配置される静翼列62の静翼52に対する熱負荷を低減させることが可能なタービンを設計することが可能となる。
According to the turbine design method of the present embodiment as described above, the stationary blade 52 provided in the stationary blade row 62 disposed in the downstream region of the moving blade row 71 is exposed to the cold streak C while avoiding hot streak. It is possible to design a turbine arranged in
Therefore, it is possible to design a turbine capable of reducing the thermal load on the stationary blade 52 of the stationary blade row 62 arranged in the downstream region of the moving blade row 71.

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態においては、ホットストリークとコールドストリークの両方の分布を算出して動翼列71の下流領域における温度分布を取得する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ホットストリークあるいはコールドストリークのいずれかのみを用いて動翼列71の下流領域における温度分布を取得するようにしても良い。
このような場合であっても、ホットストリークは予め定められた閾値よりも温度の高い領域でコールドストリークは予め定められた閾値よりも温度の低い領域であるため、静翼52の配置位置を予め定められた閾値よりも温度の高い領域を避けて予め定められた閾値よりも温度の低い領域に設定することが可能となる。
For example, in the above-described embodiment, the configuration in which the distribution of both hot streaks and cold streaks is calculated to obtain the temperature distribution in the downstream region of the moving blade row 71 has been described.
However, the present invention is not limited to this, and the temperature distribution in the downstream region of the rotor blade row 71 may be obtained using only hot streaks or cold streaks.
Even in such a case, since the hot streak is a region where the temperature is higher than a predetermined threshold and the cold streak is a region where the temperature is lower than a predetermined threshold, the arrangement position of the stationary blade 52 is determined in advance. It is possible to set a region where the temperature is lower than a predetermined threshold value while avoiding a region where the temperature is higher than the predetermined threshold value.

また、上記実施形態において、動翼列71の下流領域における温度分布が、ホットストリーク及びコールドストリークの分布を、非定常CFD解析を用いて算出することによって取得される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、動翼列71の下流領域における温度分布を熱電対等の温度計測装置を用いて取得しても良い。
In the above-described embodiment, the configuration has been described in which the temperature distribution in the downstream region of the moving blade row 71 is obtained by calculating the distribution of hot streaks and cold streaks using unsteady CFD analysis.
However, the present invention is not limited to this. For example, the temperature distribution in the downstream region of the moving blade row 71 may be acquired using a temperature measuring device such as a thermocouple.

また、上記実施形態においては、静翼列60と動翼列70とが交互に2つずつ配置された構成、すなわち2つの翼列段80が配置された構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに複数の翼列段を備える構成を採用することもでき、例えば3段目以降の静翼列60の静翼52の配置位置を設定することに応用することも可能である。
Moreover, in the said embodiment, the structure by which the stationary blade row | line | column 60 and the moving blade row | line | column 70 were alternately arrange | positioned 2 each was demonstrated, ie, the structure by which the two blade row | line | column stage 80 was arrange | positioned.
However, the present invention is not limited to this, and a configuration including a plurality of blade rows can also be adopted. For example, the arrangement position of the vanes 52 of the third and subsequent blade rows 60 is set. In particular, it can be applied.

また、上記実施形態においては、1つの静翼列60と1つの動翼列70とによって翼列段が構成される例について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、翼列段が2つの静翼列と1つの動翼列のように数の異なる静翼列と動翼列とによって構成されても良い。
このような場合であっても、動翼列の下流領域に配置される静翼列の静翼の配置位置を本発明によって設定することが可能となる。
Further, in the above-described embodiment, the example in which the blade row stage is configured by one stationary blade row 60 and one moving blade row 70 has been described.
However, the present invention is not limited to this, and the cascade stage may be configured by different numbers of stationary blade arrays and moving blade arrays such as two stationary blade arrays and one moving blade array.
Even in such a case, the arrangement position of the stationary blades of the stationary blade row arranged in the downstream region of the moving blade row can be set by the present invention.

また、上記実施形態においては、ガスタービンエンジンに備えられるタービン及び該タービンの設計方法について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、蒸気タービン発電機等に用いられるタービンに適用することも可能である。
Moreover, in the said embodiment, the turbine with which a gas turbine engine is equipped, and the design method of this turbine were demonstrated.
However, this invention is not limited to this, For example, it is also possible to apply to the turbine used for a steam turbine generator etc.

5……タービン、52……静翼、53……動翼、60(61,62)……静翼列、70(71,72)……動翼列、80……翼列段、H……ホットストリーク、C……コールドストリーク   5 ... Turbine, 52 ... Stator blade, 53 ... Rotor blade, 60 (61, 62) ... Stator blade row, 70 (71, 72) ... Rotor blade row, 80 ... Blade row stage, H ... ... hot streak, C ... cold streak

Claims (7)

流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンの設計方法であって、
前記動翼列の下流領域の温度分布を取得する温度分布取得工程と、
前記温度分布取得工程にて取得された温度分布のうち予め定められた閾値よりも低温の領域を前記静翼列の静翼の配置位置として設定する静翼配置位置設定工程と
を有することを特徴とするタービンの設計方法。
A turbine design method in which a plurality of stationary blade rows and moving blade rows are alternately arranged in a fluid flow direction,
A temperature distribution acquisition step of acquiring a temperature distribution in a downstream region of the blade row;
A stationary blade arrangement position setting step of setting a region having a temperature lower than a predetermined threshold in the temperature distribution acquired in the temperature distribution acquisition step as a stationary blade arrangement position of the stationary blade row. The turbine design method.
前記温度分布取得工程において、流体解析により前記動翼列の下流領域におけるホットストリークの分布を算出することによって前記温度分布を取得することを特徴とする請求項1記載のタービンの設計方法。   2. The turbine design method according to claim 1, wherein, in the temperature distribution acquisition step, the temperature distribution is acquired by calculating a hot streak distribution in a downstream region of the moving blade row by fluid analysis. 前記温度分布取得工程において、流体解析により前記動翼列の下流領域におけるコールドストリークの分布を算出することによって前記温度分布を取得することを特徴とする請求項1または2記載のタービンの設計方法。   3. The turbine design method according to claim 1, wherein in the temperature distribution acquisition step, the temperature distribution is acquired by calculating a cold streak distribution in a downstream region of the moving blade row by fluid analysis. 前記静翼配置位置設定工程後において設定された前記静翼の配置位置に基づいて流体解析を行うことによって前記静翼配置位置設定工程後において設定された前記静翼の配置位置について検証を行う検証工程と、
該検証工程の検証結果に基づいて前記静翼配置位置設定工程後において設定された前記静翼の配置位置を調整する調整工程と
を有することを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載のタービンの設計方法。
Verification for verifying the stationary blade arrangement position set after the stationary blade arrangement position setting step by performing fluid analysis based on the stationary blade arrangement position set after the stationary blade arrangement position setting step Process,
The adjustment step of adjusting the arrangement position of the stationary blade set after the stationary blade arrangement position setting step based on the verification result of the verification step, Turbine design method.
前記静翼配置位置設定工程において、複数の前記静翼の配置位置が存在する場合に、最も前記静翼の温度勾配が小さい前記静翼配置位置を最適なものとして選択することを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載のタービンの設計方法。   In the stationary blade arrangement position setting step, when there are a plurality of stationary blade arrangement positions, the stationary blade arrangement position having the smallest temperature gradient of the stationary blade is selected as an optimum one. Item 5. A turbine design method according to any one of Items 1 to 4. 流体の流れ方向に静翼列と動翼列とが交互に複数配列されるタービンであって、
前記動翼列の下流領域に配置される前記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも高温の領域を外れて配置されていることを特徴とするタービン。
A turbine in which a plurality of stationary blade rows and moving blade rows are alternately arranged in a fluid flow direction,
The turbine according to claim 1, wherein the stationary blades of the stationary blade row arranged in the downstream region of the moving blade row are arranged outside a region having a temperature higher than a preset threshold value.
前記動翼列の下流領域に配置される前記静翼列の静翼が、予め設定された閾値よりも低温の領域に位置するように配置されていることを特徴とする請求項6記載のタービン。   The turbine according to claim 6, wherein the stationary blades of the stationary blade row arranged in the downstream region of the moving blade row are arranged so as to be located in a region where the temperature is lower than a preset threshold value. .
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