JP2012052532A - 圧縮機用の翼形状 - Google Patents

Abstract

【課題】製品を提供する。
【解決手段】本製品は、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有する。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であって、これらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。ことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンのベーン用の翼形部に関する。具体的には、本発明は、第４段ロータベーン用の圧縮機翼形部輪郭に関する。

ガスタービンでは、設計目標を満足すべくガスタービンの流路セクションの各段で数多くのシステム要件を満たす必要がある。タービン高温ガス通路については、圧縮機翼形ロータベーンが設計目標だけでなく、効率、信頼性及び負荷の所望の要件を満たすことが必要とされる。例えば、本発明を限定するものではないが、圧縮機ロータのベーンはその特定の段についての熱的及び機械的作動要件を達成すべきである。さらに、例えば、本発明を限定するものではないが、圧縮機ロータのベーンも、その特定の段についての熱的及び機械的作動要件を達成すべきである。

米国特許第７５７２１０５号明細書

設計目標及び所望の要件を満たすための従前の取り組みとして翼形部に皮膜が施されてきたが、かかる皮膜は、設計目標及び所望の要件をもたらすのに十分又は永続的な堅牢性（ロバストネス）を有していないことがある。

そこで、設計目標及び所望の要件を満たす輪郭を有する翼形構成を提供できれば望ましい。

本発明の一実施形態では、製品は、翼形状を有するベーン翼形部を含み、翼形部は、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有する。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であって、これらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。

本発明の別の実施形態では、圧縮機ベーンは、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する非被覆公称翼形部輪郭を有するベーン翼形部を含む。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であって、これらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。距離Ｘ及びＹは、ある定数の関数として拡大縮小可能であって拡大又は縮小翼形部を与える。

本発明のさらに別の実施形態では、圧縮機は、ロータベーンと協働する複数のブレードを有する圧縮機ホイールを含む。ベーンの各々は、翼形状を有する翼形部を含む。翼形部は、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を含む。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であって、これらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。

本発明のさらに別の実施形態では、圧縮機は、ロータベーンと協働する複数のブレードを有する圧縮機ホイールを備えており、上記ベーンの各々は、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する非被覆公称翼形部輪郭を有する翼形部を含む。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であって、これらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成される。距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。Ｘ、Ｙ及び距離Ｚは、ある定数の関数として拡大縮小可能であって拡大又は縮小ベーン翼形部を与える。

圧縮機の部分断面図であって、本発明の実施形態に係る様々な段落を示す図。 本発明の実施形態に係る圧縮機用ブレードの斜視図。 本発明の実施形態に係る圧縮機用ブレードの側面図。 本発明の実施形態に係る圧縮機ブレードの接線方向・後方斜視図。 本発明の実施形態に係る圧縮機ブレードのブレード先端から半径方向外向きに観た端面図。 図２と同様の図面。 図６の圧縮機ブレードの矢視７−７断面図。

本発明の一実施形態では、製品は、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有する。Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成され、距離Ｚにおける輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する。

本発明の一実施形態では、ガスタービンの性能を高める該ガスタービンのベーン用の圧縮機翼形状を提供する。この翼形状はまた、圧縮機の様々な段間の相互作用を向上させかつ空気力学的効率の向上をもたらすと同時に、段翼形部の熱的及び機械的応力を減少させる。

本発明で具体化されるベーン翼形部輪郭は、必要な効率及び負荷要件を達成するために固有の点の軌跡によって定まり、それにより圧縮機性能の向上が得られる。これら固有の点の軌跡は、基準翼形部輪郭を形成しかつ下記する表ＡのＸ、Ｙ及びＺデカルト座標によって特定される。表Ａに示す座標値の点は、エンジン中心線に対するものでありかつベーン翼形部のその長さに沿った様々な断面における低温つまり常温ベーンについてのものである。正のＸ、Ｙ及びＺ方向は、それぞれタービンの排出端部に向かう軸方向、エンジン回転の方向における接線方向、及び固定ケースに向かう半径方向外向き方向である。Ｘ、Ｙ及びＺ座標は、距離寸法、例えばインチの単位で示され、かつ各Ｚ位置において滑らかに結合されて滑らかな連続翼形部断面を形成する。Ｘ、Ｙ平面内の各形成された翼形部セクションは、Ｚ方向における隣接する翼形部セクションと滑らかに結合されて完全な翼形状を形成する。

当業者には公知なように、翼形部は、使用時に次第に加熱されることが分かるであろう。従って、翼形部輪郭は、機械的負荷及び温度の結果として変化する。それ故に、製造目的のための低温又は常温輪郭は、Ｘ、Ｙ及びＺ座標によって示されている。公称輪郭に沿ったかつあらゆる皮膜を備えた任意の表面位置に対して垂直な方向における該公称輪郭から約±０．１６０インチの距離は、製造ベーン翼形部輪郭が下記の表によって示した基準翼形部輪郭とは異なっている可能性があるので、このベーン翼形部に対する輪郭包絡曲面を定める。翼形状は、この変動に対してロバストであって、ベーンの機械的及び空気力学的機能に悪影響を与えることはない。

本発明で具体化される翼形部は、同様のタービン設計内に導入するために幾何形状的に拡大又は縮小することができる。その結果、基準翼形部輪郭のＸ、Ｙ及びＺ座標は、定数の関数とすることができる。つまり、Ｘ、Ｙ及びＺ座標値は、同一の定数又は数値により乗算又は除算して、本発明で具体化される翼形部セクション形状を維持しながらベーン翼形部輪郭の拡大又は縮小したバージョンを得ることができる。

次に図１を参照すると、その全体を符号１０で表した圧縮機の一部分を示しており、圧縮機１０は、その全体を符号１２で表した第１段を備えた複数段を有する。各段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータブレード並びに圧縮機ロータ１６上に取付けられたロータブレード１４を含む。第１段圧縮機ステータブレード１２は、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、かつ下記に明示する特定の翼形状又は輪郭の翼形部１８を有する。図２を参照すると、翼形状又は輪郭は、それぞれ前縁２０及び後縁２２を含む。

次に図２〜図７を参照すると、翼形ブレードの各々は、Ｘ、Ｙ及びＺ値におけるデカルト座標系によって定まる翼形部輪郭を有する。座標値は、下記の表Ａにおいてインチで記載している。デカルト座標系は、Ｚ軸が圧縮機ロータの中心線から半径に沿ってつまりＸ及びＹ値を含む平面に対して垂直に延びる状態で、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を含む。距離Ｚは、半径方向最外側の空気力学的セクションにおけるＸ、Ｙ平面内においてゼロで始まる。この距離ＺつまりＺ＝０は、圧縮機中心線から１７．１１４インチの半径上に位置する。Ｘ軸は、圧縮機ロータ中心線つまり回転軸線に平行に位置する。Ｘ、Ｙ平面に垂直なＺ方向における選択位置にＸ及びＹ座標値を定めることによって、翼形部２０の輪郭を確定することができる。滑らかな連続弧でＸ及びＹ値を接続することによって、各距離Ｚにおける各輪郭断面が決定される。距離Ｚ間の様々な表面位置における表面輪郭は、互いに滑らかに連結されて翼形部を形成する。下記の表Ａに示す表形式値は、インチで表しており、周囲温度つまり非作動又は非高温状態での翼形部輪郭を表しておりかつ皮膜のない翼形部についてのものである。この符号規約では、デカルト座標系において一般的に使用されるのと同様に、半径方向内向き方向に正の値Ｚを割り当てまたＸ及びＹ座標値に対しては正及び負の値を割り当てる。

ベーン翼形部の翼形状を形成するために、空間内における固有の点の組又は軌跡が与えられる。この固有の点の組又は軌跡は、段をそのように形成することができる段要件を満たしている。この固有の点の軌跡はまた、段効率並びに熱的及び機械的応力の減少のための所望の要件を満たしている。この点の軌跡は、圧縮機を効率的、安全かつ円滑な方法で作動させるのを可能にする空気力学的及び機械的負荷間での反復法によって得られる。

本発明で具体化される軌跡は、ベーン翼形部輪郭を形成し、かつエンジンの回転軸線に対する点の組を含むことができる。例えば、点の組は、ベーン翼形部輪郭を形成するように使用することができる。さらに、本発明で具体化されるベーン翼形部輪郭は、圧縮機の第４段ロータベーン用のベーンを含むことができる。

下記の表Ａに示すＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系は、ベーン翼形部のその長さに沿った様々な位置での輪郭を定める。Ｘ、Ｙ及びＺ座標の座標値は、インチで記載しているが、この値を適切に変換した場合には、他の寸法単位を使用することもできる。これらの値は、プラットフォームのフィレット領域を除外している。デカルト座標系は、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有する。Ｘ軸は、回転軸線のような圧縮機ロータ中心線に平行に位置する。正のＸ座標値は、後方、例えば圧縮機の排出端部に向かう軸方向である。正のＹ座標値は、ロータの回転の方向に接線方向に延びる。正のＺ座標値は、圧縮機の固定ケーシングに向けて半径方向外向きに配向されている。

表Ａの値は、翼形部の輪郭を決定するために小数点以下３桁まで作成しかつ示している。翼形部の実際の輪郭においては考慮しなければならない一般的な製造公差及び皮膜が存在する。従って、示した輪郭の値は、基準翼形部のためのものである。従って、あらゆる皮膜厚さを含む±値のような一般的な±製造公差が、Ｘ及びＹ値に加算されることを理解されたい。従って、翼形部輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に約±０．１６０インチの距離は、ベーン翼形部設計及び圧縮機に対する翼形部輪郭包絡曲面を定める。言い換えれば、翼形部輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向における約±０．１６０インチの距離は、基準の低温又は常温での実際の翼形部表面上の測定点と本発明で具体化される同一温度でのこれらの点の理想的な位置との間における変動の範囲を定める。本発明で具体化されるベーン翼形部の設計は、この変動の範囲に対してロバストであり、機械的及び空気力学的機能に悪影響を与えることはない。

下記の表Ａに示す座標値は、例示的なＳ１段ロータにおける公称輪郭包絡曲面を示している。

本発明で具体化されるこの例示的な実施形態では、例えば第１段圧縮機ベーンには、非冷却型の多くの翼形部が設けられる。説明目的だけのために、スタッキング軸線に沿って翼形部及びプラットフォームの交差部を通るゼロ（０）点を設定する。

上記の表Ａに開示した例示的な１つ又は複数の翼形部は、他の同様の圧縮機設計に使用するために幾何学的に拡大又は縮小することができることも解るであろう。従って、表Ａに記載の座標値は、翼形部輪郭形状を変化しない状態に維持しながら、この表Ａを率に応じて拡大又は縮小することができる。表Ａにおける座標の拡大縮小バージョンは、定数により乗算又は除算した表ＡのＸ、Ｙ及びＺ座標値によって表される。

具体的には、本発明で具体化されるように、表Ａによって定まる翼形部は、それに限定されないが、例えばＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ製の「７ＦＡ＋ｅ」型圧縮機のようなタービンの圧縮機に適用することができる。さらに、本発明で具体化されるベーン翼形部輪郭は、圧縮機の第４段ロータベーンを含むことができる。この圧縮機は、本発明で具体化される翼形部のための意図した用途の単なる例示に過ぎない。さらに、本発明で具体化される表Ａの翼形部はまた、本発明で具体化される翼形部の拡大縮小を示すＧＥのフレームＦクラスタービン並びにＧＥのフレーム６及び９型タービンにおけるロータベーンとして使用することができると予想される。

翼形部は、空気流に対して運動エネルギーを与え、従って圧縮機にわたる所望の流れを生じさせる。翼形部は、流体流れを方向転換させ、流体流れ速度（関連するそれぞれの翼形部フレーム内における）を低下させ、かつ流体流れの静圧の上昇をもたらす。本発明で具体化されるその周辺表面を備えた翼形部の構成（周囲の翼形部とのその相互作用と共に）は、本発明の他の望ましい態様の中でも、段空気流効率、気体力学性の強化、円滑な段間層流、熱応力の減少、段間に空気流を効率的に流す段の相互関係の強化、及び機械応力の減少を可能にする。一般的に、それに限定されないが、ロータ／ロータ翼形部のような多数列の翼形部段は、重ねられて所望の吐出対入口圧力比を達成する。翼形部は、多くの場合に「根元」、「基部」又は「ダブテール」として知られる適当な取付け構成によってホイール又はケースに固定することができる。

本発明の望ましい態様の流体流れダイナミクス及び層流をもたらす本発明で具体化される翼形部の構成及び周囲翼形部とのあらゆる相互作用は、様々な手段によって決定することができる。本発明で具体化される直前の／上流の翼形部からの流体流れは、翼形部と交差し、また本発明で具体化される翼形部上での及び該翼形部の周りでの流れは、この翼形部の構成により高められる。具体的には、本発明で具体化される翼形部からの流体ダイナミクス及び層流は、高められる。あらゆる直前の／上流の１つ又は複数の翼形部からの円滑な移行流体流れ並びに隣接する／下流の１つ又は複数の翼形部への円滑な移行流体流れが生じる。さらに、本発明で具体化される翼形部からの流れは、隣接する／下流の１つ又は複数の翼形部に進み、かつ本発明で具体化される翼形部から離れる層流流体流れの強化により高められる。従って、本発明で具体化される翼形部の構成は、本発明で具体化される翼形部を含む装置内での乱流流体流れを防止するのを助ける。

例えば、本発明を限定するものではないが、翼形部構成（流体流れ相互作用を有する又は有しない状態の）は、コンピュータモデリング流体力学（ＣＦＤ）；伝統的な流体ダイナミックス解析；オイラー・ナビエ−ストークス方程式；伝達関数、アルゴリズム、製造：翼形部の手動位置決め、流れ試験（例えば風洞における）及び修正；現場試験；モデル化：翼形部、機械、装置又は製造プロセスを設計或いは開発するための科学的原理の適用；翼形部流れ試験及び修正；並びにこれらの組合せ、さらに他の設計プロセス及び手法によって決定することができる。これらの決定方法は、単なる例示に過ぎないものであり、いずれにしても本発明を限定することを意図するものではない。

上記のように、本発明で具体化されるその周辺表面を備えた翼形部構成（周囲の翼形部とのその相互作用と共に）は、同様の用途を有する他の同様の翼形部と比較して、本発明の他の望ましい態様の中でも、段空気流効率、空気力学性の強化、円滑な段間層流、熱応力の減少、段間に空気流を効率的に流す段の相互関係の強化、及び機械応力の減少を可能にする。言うまでもなく、他のそのような利点は、本発明の技術的範囲内にある。

本明細書では様々な実施形態を説明しているが、当業者がこれらの実施形態における要素の様々な組合せ、変更又は改良を行うことができまたそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。

１０ 圧縮機
１２ 第１段圧縮機ステータブレード
１４ ロータブレード
１６ 圧縮機ロータ
１８ 翼形部
２０ 前縁
２２ 後縁

Claims (8)

1. 表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有する製品であって、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成され、距離Ｚにおける翼形輪郭断面を滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する、製品。
2. 前記翼形状が翼形部をなす、請求項１記載の製品。
3. 前記翼形状が、当該製品の任意の表面位置に垂直な方向に±０．１６０インチ以内の包絡曲面内に位置する、請求項２記載の製品。
4. 前記翼形状がロータベーンをなす、請求項１記載の製品。
5. 複数のロータベーンと各々協働した複数のブレードを有する圧縮機ホイールを含む圧縮機であって、上記複数のロータベーンが翼形状を有する翼形部を備えていて、該翼形状が、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する公称輪郭を有し、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成され、距離Ｚにおける翼形輪郭断面を滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成する、圧縮機。
6. 複数のロータベーンと各々協働した複数のブレードを有する圧縮機ホイールを含む圧縮機であって、上記複数のロータベーンが、表Ａに記載のＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する非被覆公称翼形部輪郭を有する翼形部を備えていて、Ｘ及びＹはインチ単位の距離であってこれらを滑らかな連続弧で結ぶとインチ単位の距離Ｚにおける翼形輪郭断面が画成され、距離Ｚにおける翼形輪郭断面を滑らかに結ぶと完全な翼形状を形成し、距離Ｘ及びＹが同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能であって拡大又は縮小ベーン翼形部を与える、圧縮機。
7. 前記複数のロータベーンが第４段ロータベーンを含む、請求項６記載の圧縮機。
8. 前記翼形状が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１６０インチ以内の包絡曲面内に位置する、請求項６記載の圧縮機。