JP2011137463A

JP2011137463A - タービンエンジンの圧縮機静翼およびディフューザに関するシステムおよび装置

Info

Publication number: JP2011137463A
Application number: JP2010285389A
Authority: JP
Inventors: Kevin R Kirtley; ケヴィン・アール・カートレー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2011-07-14
Also published as: CN102121480A; EP2354452A2; EP2354452A3; US8328513B2; US20110158798A1

Abstract

【課題】タービンの領域を通る流れの特性を向上させ、損失を制限しながらも、出口面積対入口面積比の増大を可能とするシステムおよび装置を提供すること。
【解決手段】燃焼タービンエンジンの圧縮機５２内の静翼６２の列であって、この燃焼タービンエンジンは、圧縮機５２の下流に配置されたディフューザ８３を含み、静翼６２の列はディフューザ８３に近接して配設され、静翼６２の列は、内側前方ノッチ９５および外側前方ノッチ１２１の少なくとも一方を含む静翼６２を備える、静翼６２の列。
【選択図】図１０

Description

本願は、一般に、燃焼タービンエンジンの効率および／または動作を改善するシステムおよび装置に関する。より具体的には、限定するものではないが、本願は、圧縮機ディフューザ、およびその動作を改善する後段静翼の設計に関する改良されたシステムおよび装置に関する。

燃焼タービンエンジンでは、圧縮機からの加圧空気流が、ディフューザに送られることが理解されよう。一般に、ディフューザは、損失を制限しながら、圧縮機から出る流れを減速し、圧力を高めるように構成されている。加圧流は、ディフューザからプレナムに送られ、そこから燃焼器に送られる。ディフューザの出口面積対入口面積を増大させることは、後述するように、ある側面では望ましいが、この比率が増大することによって、境界層流が逆流する危険が増し、こうした逆流には著しい損失が伴う。

より具体的には、ガスタービンエンジンの高圧圧縮機と燃焼器との間に配置された圧縮機ディフューザの出口面積対入口面積比は、一般に、ディフューザの端部壁に発達する境界層の悪影響によって制限される。ディフューザを介して面積がより急速に増大すると、圧力がより急速に上昇し、境界層がより急速に発達し、ついには境界層の運動量が、上昇圧力に打ち勝つには不十分になる。その結果、逆流が生じ、こうした逆流には大きなエネルギー損失が伴う。当業者には理解されるように、ディフューザ内の境界層を活性化（ｅｎｅｒｇｉｚｅ）させ、対流混合によって、より高い運動量を維持することが望ましい。すなわち、活性化された境界層は、より高い出口面積対入口面積比のディフューザに耐えることができ、また、当業者には理解されるように、より低いディフューザ出口マッハ数を、より低い混合損失で実現することができる。

様々な技術によって、高面積比ディフューザに伴う問題が対処されてきている。これらの技術には、延長ディフューザ（ｅｘｔｅｎｄｅｄｌｅｎｇｔｈｄｉｆｆｕｓｅｒ）、複数通路ディフューザ、境界層の放出および／または吸込を利用した流体流量制御、ならびに渦流発生器が含まれる。それぞれの技術は、一般に、コストの増大、信頼性、および／または実施の難しさを含む欠点を有する。例えば、従来の渦流発生器は、流入流に対してある角度で配置される台形の小型タブである。渦流発生器は、典型的には境界層の半分の高さであり、これらの渦流発生器は、その高さの約３〜６倍の間隔を置いて配置される。しかし、かかる構成は、境界層を強化するには最適であるが、低コストかつ長寿命で製造するには課題がある。

米国特許第７１０１１５１号公報

したがって、タービンのこの領域を通る流れの特性を向上させ、損失を制限しながらも、出口面積対入口面積比の増大を可能とするシステムおよび装置が求められている。

したがって、本願は、燃焼タービンエンジンの圧縮機内の静翼列について記載するものであり、燃焼タービンエンジンは、圧縮機の下流に配置されたディフューザを含み、この静翼列はディフューザに近接して配設され、この静翼列は、内側前方ノッチおよび外側前方ノッチの少なくとも一方を含む静翼を備える。

いくつかの実施形態では、静翼は、内側前方ノッチおよび外側前方ノッチを含み、この静翼列は、ディフューザから上流方向に配設された第１の静翼列を含む。

いくつかの実施形態では、静翼列内の各静翼は、半径方向外縁で外壁に、半径方向内縁で内壁に連結し、外壁は、圧縮機の主要流路の外側流路境界を画定し、内壁は、圧縮機の主要流路の内側流路境界を画定し、内側前方ノッチは、静翼の前縁から内壁に沿って後方に第１の所定の距離で延びる切欠区画を含み、この第１の所定の距離は、静翼の長さよりも短い距離を含み、外側前方ノッチは、静翼の前縁から外壁に沿って後方に第２の所定の距離で延びる切欠区画を含み、この第２の所定の距離は、静翼の長さよりも短い距離を含む。

いくつかの実施形態では、内側前方ノッチは、内側前方ノッチの半径方向高さを画定するノッチ高さを含み、このノッチ高さは、内側前方ノッチの長さにわたって実質的に一定であり、外側前方ノッチは、外側前方ノッチの半径方向高さを画定するノッチ高さを含み、このノッチ高さは、外側前方ノッチの長さにわたって実質的に一定である。

いくつかの実施形態では、ＮＨ／ＢＨの比率において、「ＮＨ」は、内側前方ノッチのノッチ高さおよび／または外側前方ノッチのノッチ高さを含み、「ＢＨ」は、静翼の半径方向高さを含み、静翼と、内側前方ノッチおよび／または外側前方ノッチとは、「ＮＨ／ＢＨ」の比率が約０．００５〜０．０５の範囲を含むように構成される。

いくつかの実施形態では、ＮＨ／ＢＨの比率において、「ＮＨ」は、内側前方ノッチのノッチ高さおよび／または外側前方ノッチのノッチ高さを含み、「ＢＨ」は、静翼の半径方向高さを含み、静翼と、内側前方ノッチおよび／または外側前方ノッチとは、「ＮＨ／ＢＨ」の比率が約０．０１〜０．０３の範囲を含むように構成される。

いくつかの実施形態では、中間点基準線が、静翼列内の静翼の負圧面と正圧面との間の中間点を結ぶ基準線を含み、この中間点基準線は、静翼の前縁と後縁との間に延び、ノッチ前縁は、内側前方ノッチおよび／または外側前方ノッチ内の静翼の前縁を含み、内側前方ノッチの長さは、内側前方ノッチが前縁から中間点基準線に沿って後方に下がって延びる距離を含み、外側前方ノッチの長さは、外側前方ノッチが前縁から中間点基準線に沿って後方に下がって延びる距離を含む。

いくつかの実施形態では、内側前方ノッチおよび／または外側前方ノッチの長さは、静翼のエーロフォイルの前方湾曲の大部分が内側前方ノッチおよび／または外側前方ノッチを通り抜ける流れによってバイパスされることが可能となり、一方で、静翼が内壁および外壁のどちらにもしっかりと連結されることが可能となる、ある長さを含む。いくつかの実施形態では、ノッチ前縁は、滑らかで、丸みを帯びたエーロフォイル形状を含む。

いくつかの実施形態では、ＮＬ／ＴＬの比率において、「ＴＬ」は、静翼列内の静翼の前縁から後縁までの中間点基準線に沿った距離を含み、「ＮＬ」は、静翼列内の静翼の前縁からノッチ前縁までの中間点基準線に沿った距離を含み、静翼と、内側前方ノッチおよび／または外側前方ノッチとは、「ＮＬ／ＴＬ」の比率が約０．１０〜０．３５の範囲を含むように構成される。

本願は、燃焼タービンエンジンの圧縮機内の静翼列についてさらに記載するものであり、燃焼タービンエンジンは、圧縮機の下流に配置されたディフューザと、ディフューザに近接して配設された静翼列とを含み、この列内の静翼はそれぞれ、内側前方ノッチおよび外側前方ノッチを備え、この静翼列は、ディフューザから上流方向に配設された第１の静翼列を備え、静翼列内の各静翼は、半径方向外縁で外壁に、半径方向内縁で内壁に連結し、外壁は、圧縮機の主要流路の外側流路境界を画定し、内壁は、圧縮機の主要流路の内側流路境界を画定し、内側前方ノッチは、静翼の前縁から内壁に沿って後方に第１の所定の距離で延びる切欠区画を備え、この第１の所定の距離は、静翼の長さよりも短い距離を含み、外側前方ノッチは、静翼の前縁から外壁に沿って後方に第２の所定の距離で延びる切欠区画を備え、この第２の所定の距離は、静翼の長さよりも短い距離を含み、内側前方ノッチの第１の所定の距離は、静翼のエーロフォイルの前方湾曲の大部分が内側前方ノッチを通り抜ける流れによってバイパスされることが可能となる距離を含み、外側前方ノッチの第２の所定の距離は、静翼のエーロフォイルの前方湾曲の大部分が外側前方ノッチを通り抜ける流れによってバイパスされることが可能となる距離を含む。

本願の上記およびその他の特徴は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を、図面および添付の特許請求の範囲と併せ読めば明らかとなるであろう。

本発明の上記およびその他の特徴は、以下の本発明の例示的な実施形態のより詳細な説明を、添付の図面と併せ入念に検討すれば、より完全に理解され、解釈されるであろう。

本願の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンエンジンの概略図である。図１のガスタービンエンジンの圧縮機の断面図である。図１のガスタービンエンジンのタービンの断面図である。従来の設計による圧縮機の最終段および圧縮機ディフューザの構成の断面図である。従来の設計による圧縮機の最終段および圧縮機ディフューザの構成の別の断面図である。従来の設計による圧縮機の最終段および圧縮機ディフューザの構成の別の断面図である。本願の実施形態による圧縮機の最終段および圧縮機ディフューザの構成の断面図である。本願の実施形態による静翼の上面図である。本願の実施形態による圧縮機の最終段および圧縮機ディフューザの構成の断面図である。本願の例示的な実施形態による静翼の側面図である。

次に、背景として図を参照すると、図１〜３は、本願の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンエンジンを示す。図１は、ガスタービンエンジン５０の概略図である。一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気流内で燃料を燃焼することによって生じる加圧高温ガス流からエネルギーを抽出することによって動作する。図１に示すように、ガスタービンエンジン５０は、共通シャフトまたはロータによって下流タービン区画またはタービン５４に機械的に結合された軸流圧縮機５２と、圧縮機５２とタービン５４との間に配置された燃焼器５６とで構成することができる。

図２は、図１のガスタービンエンジン内で使用することができる例示的な多段軸流圧縮機５２の図を示す。図示のように、圧縮機５２は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機動翼６０の列と、その後に続く圧縮機静翼６２の列とを含むことができる。（図２には示していないが、圧縮機静翼６２はシュラウド付きで形成することができ、その例を図４に示していることに留意されたい。）したがって、第１の段は、中央シャフトの周りを回転する圧縮機動翼６０の列と、その後に続く、動作中静止したままの圧縮機静翼６２の列とを含むことができる。圧縮機静翼６２は、一般に、円周方向に互いに間隔を置いて配置され、回転軸を中心として固定されている。圧縮機動翼６０は、円周方向に間隔を置いて配置され、シャフトに取り付けられており、シャフトが動作中に回転すると、圧縮機動翼６０はそのシャフトの周りを回転する。当業者には理解されるように、圧縮機動翼６０は、シャフトの周りを回転すると、圧縮機５２中を流れる空気または流体に運動エネルギーを与えるように構成される。圧縮機５２は、図２に示す段以外に、他の段を有してもよい。追加の段は、円周方向に間隔を置いて配置された複数の圧縮機動翼６０と、その後に続く円周方向に間隔を置いて配置された複数の圧縮機静翼６２とを含むことができる。

図３は、図１のガスタービンエンジン内で使用することができる例示的なタービン区画またはタービン５４の部分図を示す。タービン５４もやはり、複数の段を含むことができる。例示として３つの段を示しているが、タービン５４内の段は、それより多くても、またはそれより少なくてもよい。第１の段は、動作中、シャフトの周りを回転する複数のタービンバケットまたはタービン動翼６６と、動作中、静止したままの複数のノズルまたはタービン静翼６８とを含む。タービン静翼６８は、一般に、円周方向に互いに間隔を置いて配置され、回転軸を中心として固定されている。タービン動翼６６は、シャフト（図示せず）周りで回転するように、タービン翼車（図示せず）に取り付けることができる。タービン５４の第２の段もやはり、示されている。第２の段も同様に、円周方向に間隔を置いて配置された複数のタービン静翼６８と、その後に続く円周方向に間隔を置いて配置された複数のタービン動翼６６とを含み、これらのタービン動翼６６もやはり、回転するようにタービン翼車に取り付けられている。第３の段もやはり示されており、複数のタービン静翼６８、およびタービン動翼６６を同様に含む。タービン静翼６８およびタービン動翼６６は、タービン５４の高温ガス経路中に位置することが理解されよう。高温ガス経路中を通る高温ガス流の向きを矢印で示す。当業者には理解されるように、タービン５４は、図３に示す段以外に、他の段を有してもよい。追加の各段は、タービン静翼６８の列と、その後に続くタービン動翼６６の列とを含むことができる。

使用時には、軸流圧縮機５２内の圧縮機動翼６０の回転によって、空気流を圧縮することができる。燃焼器５６内で、圧縮空気が燃料と混合し、着火すると、エネルギーを放出することができる。作動流体と呼ばれることがある燃焼器５６から生じる高温ガス流は、次いでタービン動翼６６に導かれ、この作動流体流によって、タービン動翼６６が、シャフト周りで回転し始める。それによって、作動流体流のエネルギーは、回転ブレードの機械エネルギーに、また動翼とシャフトとが連結されているため回転シャフトの機械エネルギーに変換される。次いで、シャフトのこの機械エネルギーを用いて、必要となる圧縮空気供給量が生成されるように、圧縮機動翼６０の回転を駆動することができ、また、例えば、電気を発生する発電機も駆動することができる。

本願の発明を明白に伝えるために、タービンエンジンのある機械構成要素または機械部品を指し、説明する用語を選択する必要があり得ることが理解されよう。可能である場合には常に、一般的な業界用語を、その一般に認められている意味に沿って使用するものとする。しかし、かかる用語はいずれも、広義の意味が与えられ、本明細書および添付の特許請求の範囲で意図する意味が不当に限定されるように狭義に解釈されるものではないことが意図される。ある構成要素を、いくつかの異なる名称で呼ぶことがしばしばあることが当業者には理解されよう。さらに、本明細書では単一の部品として説明することができるものが、いくつかの構成部品を含み、また、別の状況ではいくつかの構成部品からなるものとして参照されることがあり、あるいは、本明細書で複数の構成要素を含むものとして説明することができるものが、単一の部品として形成されることがあり、場合によっては、単一の部品として参照されることもある。したがって、本明細書に記載の本発明の範囲を理解する際には、使用されている用語および説明だけでなく、本明細書に記載の構成要素の構造、構成、機能、および／または使用法にも注意を払われたい。

さらに、本明細書ではいくつかの説明的用語を使用することがある。これらの用語の意味は、以下の定義を含むものとする。用語「動翼（ｒｏｔｏｒｂｌａｄｅ）」とは、さらなる特定のない限り、圧縮機５２またはタービン５４の回転ブレード（ｒｏｔａｔｉｎｇｂｌａｄｅ）を指し、圧縮機動翼６０およびタービン動翼６６のどちらも含まれる。用語「静翼（ｓｔａｔｏｒｂｌａｄｅ）」とは、さらなる特定のない限り、圧縮機５２またはタービン５４の固定ブレード（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙｂｌａｄｅ）を指し、圧縮機静翼６２およびタービン静翼６８のどちらも含まれる。用語「ブレード（ｂｌａｄｅ）」は、本明細書では、いずれの種類のブレードをも指すために使用される。したがって、さらなる特定のない限り、用語「ブレード」は、圧縮機動翼６０、圧縮機静翼６２、タービン動翼６６、およびタービン静翼６８を含めて、あらゆる種類のタービンエンジンブレードを含むものである。さらに、本明細書では、「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」および「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」とは、タービン中を通る作動流体の流れに関する向きを示す用語である。したがって、用語「下流」とは、流れる向きを意味し、用語「上流」とは、タービン中の流れとは逆の向きを意味する。これらの用語に関して、用語「後方に（ａｆｔ）」および／または「後縁（ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅ）」とは、説明している構成要素の下流方向、下流端部、および／または下流端部の方向を指す。また、用語「前方に（ｆｏｒｗａｒｄ）」および／または「前縁（ｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅ）」とは、説明している構成要素の上流方向、上流端部、および／または上流端部の方向を指す。用語「半径方向（ｒａｄｉａｌ）」とは、軸に垂直な運動または位置を指す。軸に対して異なる半径方向位置にある部品について説明する必要がしばしばある。この場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸に近い場合、本明細書では、第１の構成要素は、第２の構成要素の「内側に（ｉｎｂｏａｒｄ）」または「半径方向内方に（ｒａｄｉａｌｌｙｉｎｗａｒｄ）」にあると述べることがある。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸から離れている場合、本明細書では、第１の構成要素は、第２の構成要素の「外側に（ｏｕｔｂｏａｒｄ）」または「半径方向外方に（ｒａｄｉａｌｌｙｏｕｔｗａｒｄ）」にあると述べることがある。用語「軸方向の（ａｘｉａｌ）」とは、軸に平行な運動または位置を指す。また、用語「円周方向の（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ）」とは、軸周りの運動または位置を指す。

再度図を参照すると、図４は、従来の設計による圧縮機の最終段および圧縮機ディフューザの構成の断面図を示す。図示のように、（ロータディスク８２上に配設された）圧縮機動翼６０の列と、圧縮機動翼６０の下流の、圧縮機静翼６２の列とを含む圧縮機の最終段が示されている。静翼６２の下流にはディフューザ８３があり、このディフューザ８３は、一般に、入口面積８４から出口面積８５へと外方に滑らかに広がった流路を備える。外壁８８が、最終段およびディフューザ８６の外側流路境界を成し、内壁９０が、圧縮機動翼６０の最終列下流の内側流路境界を成す。図示のように、静翼６２は、一端部で外壁８８に、他端部で内壁９０に取り付けられている。この種の構造は典型的であり、静翼６２の両端部がしっかりと係止されるため、望ましい。

図４に示すように、従来の構成では、出口面積８５対入口面積８４の比率は、限定される。すなわち、ディフューザ８３があまりに急速に外方へ広がると（すなわち、比較的短い軸長さにわたって、ディフューザの出口面積が大幅に増大する場合）、境界層が逆流し、そのため著しい損失が生じる危険が増す。図５は、出口面積８５が、図４に示すディフューザ８３と同じ軸距離にわたってより高い率で増大したディフューザ８３を示している。ここでは、流れのパターンが示すように、境界層の逆流が生じている。当業者には理解されるように、この逆流の結果、一般に著しい空力損失が生じる。

図６は、図５に示したものと同様のディフューザ８３を示す。しかし、ここでは、静翼６２の全長に沿って、静翼６２と内壁９０との間に間隙９２が残るように、静翼６２が改変されている。すなわち、静翼６２は、外壁８８から延び、内壁９０に達する手前で終端して、狭間隙９２が残されている。この構成では、内側端壁９０に沿って渦流が生じ、これらの渦流は、内壁９０に沿ってディフューザ中を搬送される。以下でより詳細に論じるように、渦流は、静翼６２によって向きが変わった（ｒｅｄｉｒｅｃｔｅｄ）、または「曲がった（ｔｕｒｎｅｄ）」流れと、間隙９２を通り抜けて進む流れとの差によって生じる。すなわち、静翼６２を通る流れは、静翼の湾曲に従って送られ、または曲がり、一方、間隙９２を通り抜けて流れる流れは、曲がらず、実質的にまっすぐな経路で流れ続ける。当業者には理解されるように、渦流は、このように流れの特性が異なるため生じる。これらの渦流が生じると、低運動量境界層流が高運動量自由流と混合される。こうした混合によって、内壁９０に沿った境界層が活性化される。活性化された境界層によって、ディフューザ８３中の空力損失が低減し、特に、活性化された内壁境界層が下方に流れることによって、拡散中の逆流に対する抵抗が向上する。上記によって、より活動的なディフューザ設計、すなわち、出口面積対入口面積比が増大したディフューザが可能となる。

しかし、静翼６２を、静翼６２が内壁９０と連結する手前で終端させると、他の問題が生じる。第１に、これは一般的ではない構築方法であり、一般に製造費および構築費が増大する。第２に、静翼６２と外壁８８との連結部により大きな負荷がかかり、したがって係止手段が複雑になり、異なる材料が必要となり、かつ／または構築費が増大する。第３に、静翼６２は、一端部だけで係止されることになるので、静翼６２は、ある動作条件中に振動する恐れがあり、その程度は、損失が生じ、部品寿命に悪影響を及ぼすまでとなり得る。

次に、図７を参照すると、本願の実施形態による圧縮機の最終段および圧縮機ディフューザの構成の断面図が示されている。図示のように、本願によれば、静翼６２の内側に沿って前方ノッチが形成され、したがって、このノッチは、内側前方ノッチ９５と呼ぶことがある。本明細書では、前方ノッチ９５は、内壁９０か、または以下でより詳しく論じるように、外壁８８に沿って、静翼６２の前方区画に切欠区画を備える。図示のように、前方ノッチ９５は、ある半径方向高さを有することができる（この高さは、図１０で具体的に識別される）。前方ノッチ９５の半径方向高さによって、静翼６２と内壁９２との間に形成される間隙の高さが画定されることが理解されよう。好ましい実施形態では、半径方向高さは、前方ノッチ９５の長さにわたって実質的に一定とすることができ、これは、前方ノッチ９５を画定する半径方向に並んだ表面（すなわち、内壁９０と、内壁９０に対向した静翼６２の内側表面と）が、実質的に平行であることを意味する。

さらに、図７の実施形態に示すように、内側前方ノッチ９５は、静翼６２の軸方向長さよりも短い軸方向長さを有することができる。すなわち、内側前方ノッチ９５は、静翼６２の長さの一部分だけ下がって延びる。図６に示す静翼６２とは異なり、本願の内側前方ノッチ９５では、静翼６２をその両端部で、すなわち内壁８８および外壁９０に沿ってなおも係止しておくことが可能となる。静翼６２を両端部で、流路を画定している構造に連結することが可能であることは、先に述べたように望ましく、その理由は、他にもあるが、多くの従来の構築方法およびブレード係止方法と適合するためである。したがって、本願に従って形成した静翼６２は、一般に、従来の設計を有するタービンエンジンに組み込む／後付けすることができる。さらに、２カ所連結（ｄｕａｌ−ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）によって、より簡単な設計、よりコスト効果の高い材料の使用、よりコスト効果の高いアセンブリが可能となり、かつ／または、より耐久性があり、動作中の振動がより少ない、よりしっかりと係止された静翼６２が得られる。

内側前方ノッチ９５の長さ（すなわち、切欠領域が静翼６２の前縁からその後縁の方へと延びる距離）は、図８を参照するとよりよく理解することができる。図８は、本願の実施形態による静翼６２の上面図を示す。静翼６２の負圧面１０３と正圧面１０５との間の中間点を結ぶ中間点基準線１０１が示されている。この中間点基準線１０１は、静翼６２の長さにわたって延び、静翼６２の前縁１０７と後縁１０９とを結んでいる。ノッチ前縁１１１もやはり示されている。このノッチ前縁１１１は、内側前方ノッチ９５内の静翼６２の前縁を表す。ノッチ前縁１１１は、内側前方ノッチ９５の終端点であることが理解されよう。図示のように、好ましい実施形態では、ノッチ前縁１１１は、前縁１０７と同様の滑らかで、丸みを帯びたエーロフォイル形状を含むことができる。一般に、内側前方ノッチ９５の長さは、静翼６２のエーロフォイルの形状に依存して変えることができる。いくつかの実施形態では、内側前方ノッチ９５の長さは、静翼６２のエーロフォイルの湾曲の大部分が、前方ノッチ９５を通り抜ける流れによってバイパスされる（したがって、所望の渦流が形成される）ような長さであるが、内壁９０と、そのまま残る部分とが十分しっかりと連結することができなくなるほど長くはない。

場合によっては、本発明の実施形態による内側前方ノッチ９５の長さは、中間点基準線１０１に沿った前縁１０７から後縁１０９までの距離を、中間点基準線に沿った前縁１０７からノッチ前縁１１１までの距離と比較することによってより具体的に表すことができる。一般に、圧縮機静翼６２は、流れを誘導する湾曲の大部分が、ブレードの前縁または前方半分に沿って設けられる（図８に図示）ように設計されることが当業者には理解されよう。したがって、（静翼６２のより湾曲した上流部分からある区画だけを除去することを提案する）本願の設計によって、図６に示す設計と実質的に同じレベルの有益な境界層活性化が得られ、一方でなおも、静翼６２を外壁８８および内壁９０のどちらにもしっかりと係止することが可能となる。

図８のいくつかの矢印は、本願による内側前方ノッチ９５を有する静翼６２周辺で生じる流れを表している。第１の流れ部分（矢印１１５で表す）は、静翼６２の湾曲によって「曲がって（ｔｕｒｎｅｄ）」いる。しかし、第２の流れ部分（矢印１１６で表す）は、前方ノッチ９５を通り抜けて進み、それによって、静翼６２の最も大きく湾曲している区画をバイパスしている。したがって、この静翼６２から、第２の流れ部分１１６は、第１の流れ部分１１５とは異なる方向に進む。当業者には理解されるように、第１の流れ部分１１５と、第２の流れ部分１１６との間の流れの差によって、渦流１１７が生じる。前述のように、これらの渦流１１７は、低運動量境界層流れを高運動量自由流れと混合し、それによって境界層が内壁に沿って活性化される。このようにして活性化された境界層は、一般にディフューザ８３中の損失を低減させ、特に、拡散中の逆流に対する抵抗が向上し、それによって、より高い出口面積対入口面積比を備えたディフューザ８３が可能となる。

上述のように、本発明の態様による前方ノッチ９５の長さは、前方ノッチ９５の長さを静翼６２の寸法または長さと比較することによって表すことができる。具体的には、中間点基準線１０１に沿った前縁１０７から後縁１０９までの距離（すなわち全長または「ＴＬ」）を、中間点基準線に沿った前縁１０７からノッチ前縁１１１までの距離（すなわちノッチ長さまたは「ＮＬ」）と比較することができる。本願のある実施形態では、静翼６２／前方ノッチ９５は、「ＮＬ／ＴＬ」の比率が約０．０５〜０．５０の範囲を含むように構成される。この比率では、前方ノッチを通り抜ける流れが、静翼６２の前方領域に沿って設けられる静翼６２の湾曲の少なくともかなりの（ａｐｐｒｅｃｉａｂｌｅ）量をバイパスし、それによって、所望の渦流が形成され、一方で、静翼６２の適切な（ａｄｅｑｕａｔｅ）区画がそのまま残ることにもなり、したがって、静翼６２と内壁９０との間でしっかりとした連結を行うことができることが判明している。より好ましい実施形態では、静翼６２／前方ノッチ９５は、ＮＬ／ＴＬの比率が約０．１０〜０．３５の範囲を含むように構成される。このより狭い比率では、前方ノッチ９５を通り抜ける流れが、静翼６２の前方領域に沿って設けられる静翼６２の湾曲の少なくとも大部分の（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ）量をバイパスし、したがってより強い渦流が形成され、一方で、静翼６２の大部分の（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ）区画がそのまま残ることにもなり、したがって、静翼６２と内壁９０との間でしっかりとした連結を行うことができることが判明している。理想的には、静翼６２／前方ノッチ９５は、ＮＬ／ＴＬの比率が約０．１５〜０．２５の範囲を含むように構成される。このさらに狭い比率では、前方ノッチを通り抜ける流れが、静翼６２の前方領域に沿って設けられる静翼６２の湾曲の少なくとも最適（ｏｐｔｉｍｕｍ）量をバイパスし、したがって強い渦流が形成され、一方で、静翼６２の十分な（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ）区画がそのまま残ることにもなり、したがって、静翼６２と内壁９０との間でしっかりとした連結を行うことができることが判明している。

図９は、本願の代替実施形態による圧縮機の最終段、および圧縮機ディフューザの構成の断面図である。図９に示すように、前方ノッチ１２１は、静翼６２の外縁、すなわち、静翼６２の外縁が外壁８８に連結する位置に形成してもよい。したがって、この位置では、図９の前方ノッチ１２１は、「外側前方ノッチ１２１」と呼ぶこともできる。当然ながら、外側前方ノッチ１２１は、外壁８８沿いに進む渦流１２３を生じ、それによって、外壁８８に沿った損失を防止する点を除いては、内側前方ノッチ９５に関して説明したものと同じように機能することができる。実質的に全ての点において、外側前方ノッチは、内側前方ノッチ９５に関して上記で説明した形（すなわち、サイズ、寸法、向き、軸方向位置など）で実施することができる。簡潔にするために、これらの異なる代替形態については、再掲しない。

図１０は、本願の別の実施形態による静翼の側面図である。図１０に示すように、例示的な実施形態によれば、静翼６２は、外側前方ノッチ１２１および内側前方ノッチ９５の両方を含むように形成してもよい。このようにすると、所望の渦流および活性化境界層を、ディフューザ８３の内壁９０および外壁８８の両方に沿って形成することができる。

図１０はさらに、（前方ノッチ９５、１２１が、外壁８８、内壁９０、または外壁８８および内壁９０の両方のいずれに位置しても）前方ノッチ９５、１２１の動作に影響を及ぼし得る別の寸法の構成要素を示している。図示のように、前方ノッチ９５、１２１の高さを示す距離（すなわち、ノッチ高さまたは「ＮＨ」）が、内側前方ノッチ９５および外側前方ノッチ１２１の両方について示されている。また、静翼６２の半径方向高さ（すなわち、ブレード高さまたは「ＢＨ」）を示す距離も示されている。この距離はまた、一般には外壁９０と内壁８８との間の距離と一致する。本願のある好ましい実施形態では、静翼６２、内側前方ノッチ９５、および外側前方ノッチ１２１は、「ＮＨ／ＢＨ」の比率が約０．００５〜０．０５の範囲を含むように構成することができる。この比率では、前方ノッチ９５、１２１を通り抜ける流れは、所望の渦流が形成されるのに一般に十分であるということが判明している。より好ましい実施形態では、静翼６２、内側前方ノッチ９５、および外側前方ノッチ１２１は、「ＮＨ／ＢＨ」の比率が約０．０１〜０．０３の範囲を含むように構成することができる。

さらに、前方ノッチ９５、１２１の高さは、静翼６２高さの広い範囲に対して有効であることが一般に証明されている非相対的なある距離範囲内で指定することもできる。したがって、本願のいくつかの好ましい実施形態では、前方ノッチ９５、１２１の半径方向高さは、約０．５〜５ｍｍの範囲を含む。より好ましくは、前方ノッチ９５、１２１の高さは、約１〜３ｍｍの範囲を含む。

動作に際しては、本願の実施形態では、境界層を活性化させる渦流を形成する前方ノッチ９５、１２１を使用することによって、より活動的で、より高い出口面積対入口面積比のディフューザが可能となる。上述のように、静翼６２を流れる流れと、前方ノッチ９５、１２１を通り抜けて流れる流れとの空力的相互作用によって、静翼６２下流で内壁９０境界層または外壁８８境界層を活性化させる渦流が生じ、それによって、著しい損失を生じ得る逆流に対する抵抗が向上する。さらに、これらの利点は、実質的に標準の静翼構築技術および取付け技術を維持しながらも実現される。

当業者には理解されるように、いくつかの例示的な実施形態に関して上記で説明した多くの様々な特徴および構成をさらに選択的に応用して、本発明の他の実施可能な実施形態を形成することができる。説明を簡潔にするため、また、当業者の能力を考慮に入れて、それぞれの考えられ得る繰返しは、本明細書では詳細には論じていないが、以下のいくつかの請求項に含まれるあらゆる組合せ、および実施可能な実施形態は、本願の一部となるものである。さらに、本発明の例示的ないくつかの実施形態の上記説明から、当業者には、改良形態、変形形態、および改変形態が理解されよう。当技術分野に含まれるかかる改良形態、変形形態、および改変形態もやはり、添付の特許請求の範囲の対象となるものである。さらに、前述は、本願の記載の実施形態のみに関するものであり、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される本願の趣旨および範囲から逸脱することなく、数多くの変形および改変を本発明において行うことができることが明白であろう。

５０ガスタービンエンジン
５２圧縮機
５４タービン
５６燃焼器
６０圧縮機動翼
６２圧縮機静翼
６６タービン動翼
６８タービン静翼
８２ロータディスク
８３ディフューザ
８４入口面積
８５出口面積
８８外壁
９０内壁
９２間隙
９５内側前方ノッチ
１０１中央点基準線
１０３負圧面
１０５正圧面
１０７前縁
１０９後縁
１１１ノッチ前縁
１１５第１の流れ部分（矢印）
１１６第２の流れ部分（矢印）
１１７渦流
１２１外側前方ノッチ
１２３渦流

Claims

燃焼タービンエンジン（５０）の圧縮機（５２）内の静翼（６２）列であって、前記燃焼タービンエンジン（５０）が、前記圧縮機（５２）の下流に配置されたディフューザ（８３）を含み、静翼（６２）列が前記ディフューザ（８３）に近接して配設され、静翼（６２）列が、内側前方ノッチ（９５）および外側前方ノッチ（１２１）の少なくとも一方を含む静翼（６２）を備える、静翼（６２）列。
前記静翼（６２）が、内側前方ノッチ（９５）および外側前方ノッチ（１２１）を備え、
静翼（６２）列が、前記ディフューザ（８３）から上流方向に配設された第１の静翼（６２）列を備える、請求項１記載の静翼（６２）列。
静翼（６２）列内の各静翼（６２）が、半径方向外縁で外壁（８８）に、半径方向内縁で内壁（９０）に連結し、
前記外壁（８８）が、前記圧縮機（５２）の主要流路の外側流路境界を画定し、前記内壁（９０）が、前記圧縮機（５２）の前記主要流路の内側流路境界を画定し、
前記内側前方ノッチ（９５）が、前記静翼（６２）の前縁（１０７）から前記内壁（９０）に沿って後方に第１の所定の距離で延びる切欠区画を備え、前記第１の所定の距離が、前記静翼（６２）の長さよりも短い距離を含み、
前記外側前方ノッチ（１２１）が、前記静翼（６２）の前縁（１０７）から前記外壁（８８）に沿って後方に第２の所定の距離で延びる切欠区画を備え、前記第２の所定の距離が、前記静翼（６２）の前記長さよりも短い距離を含む、請求項１記載の静翼（６２）列。
前記内側前方ノッチ（９５）が、前記内側前方ノッチ（９５）の半径方向高さを画定するノッチ高さを含み、前記ノッチ高さが、前記内側前方ノッチ（９５）の長さにわたって実質的に一定であり、
前記外側前方ノッチ（１２１）が、前記外側前方ノッチ（１２１）の半径方向高さを画定するノッチ高さを含み、前記ノッチ高さが、前記外側前方ノッチ（１２１）の長さにわたって実質的に一定である、請求項３記載の静翼（６２）列。
ＮＨ／ＢＨの比率において、
「ＮＨ」が、前記内側前方ノッチ（９５）の前記ノッチ高さおよび／または前記外側前方ノッチ（１２１）の前記ノッチ高さを含み、
「ＢＨ」が、前記静翼の前記半径方向高さを含み、
前記静翼（６２）と、前記内側前方ノッチ（９５）および／または前記外側前方ノッチ（１２１）とが、「ＮＨ／ＢＨ」の前記比率が約０．００５〜０．０５の範囲を含むように構成される、請求項４記載の静翼（６２）列。
ＮＨ／ＢＨの比率において、
「ＮＨ」が、前記内側前方ノッチ（９５）の前記ノッチ高さおよび／または前記外側前方ノッチ（１２１）の前記ノッチ高さを含み、
「ＢＨ」が、前記静翼の半径方向高さを含み、
前記静翼（６２）と、前記内側前方ノッチ（９５）および／または前記外側前方ノッチ（１２１）とが、「ＮＨ／ＢＨ」の前記比率が約０．０１〜０．０３の範囲を含むように構成される、請求項４記載の静翼（６２）列。
中間点基準線（１０１）が、静翼（６２）列内の前記静翼（６２）の負圧面と正圧面との間の中間点を結ぶ基準線を含み、前記中間点基準線（１０１）が、前記静翼（６２）の前縁（１０７）と後縁（１０９）との間に延び、
ノッチ前縁（１１１）が、前記内側前方ノッチ（９５）および／または前記外側前方ノッチ（１２１）内の前記静翼（６２）の前縁を含み、
前記内側前方ノッチ（９５）の長さが、前記内側前方ノッチ（９５）が前記前縁（１０７）から前記中間点基準線（１０１）に沿って後方に下がって延びる距離を含み、
前記外側前方ノッチ（１２１）の長さが、前記外側前方ノッチ（１２１）が前記前縁（１０７）から前記中間点基準線（１０１）に沿って後方に下がって延びる距離を含む、請求項３記載の静翼（６２）列。
前記内側前方ノッチ（９５）および／または前記外側前方ノッチ（１２１）の前記長さが、前記静翼（６２）のエーロフォイルの前方湾曲の大部分が前記内側前方ノッチ（９５）および／または前記外側前方ノッチ（１２１）を通り抜ける流れによってバイパスされることが可能となり、一方で、前記静翼（６２）が前記内壁（９０）および前記外壁（８８）のどちらにもしっかりと連結されることが可能となる、ある長さを含む、請求項７記載の静翼（６２）列。
前記ノッチ前縁（１１１）が、滑らかで、丸みを帯びたエーロフォイル形状を備える、請求項８記載の静翼（６２）列。
ＮＬ／ＴＬの比率において、
「ＴＬ」が、静翼（６２）列内の前記静翼（６２）の前記前縁（１０７）から前記後縁（１０９）までの前記中間点基準線（１０１）に沿った距離を含み、
「ＮＬ」が、静翼（６２）列内の前記静翼（６２）の前記前縁（１０７）から前記ノッチ前縁（１１１）までの前記中間点基準線（１０１）に沿った距離を含み、
前記静翼（６２）と、前記内側前方ノッチ（９５）および／または前記外側前方ノッチ（１２１）とが、「ＮＬ／ＴＬ」の前記比率が約０．１０〜０．３５の範囲を含むように構成される、請求項７記載の静翼（６２）列。