JP2015036544A - ターボ機械エアフォイル位置決め - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザに入る圧力変動を低減するためのエアフォイルの位置決め。
【解決手段】一実施形態は、ディフューザと、（１）前記ディフューザに隣接していて、静翼及び動翼より成る群から選択された第１の種類より成る第１のエアフォイル列、（２）前記第１のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類とは異なる第２の種類より成る第２のエアフォイル列、及び（３）前記第２のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類より成る第３のエアフォイル列を含んでいる複数のエアフォイル列とを有するターボ機械を含み、前記複数のエアフォイル列の内の少なくとも１つのエアフォイル列が、前記ターボ機械の別のエアフォイル列に対してクロックされて、ターボ機械の運転状態中に前記第１のエアフォイル列に隣接した前記ディフューザ内の少なくとも１つのスパン方向位置における空気流の円周方向圧力の変動を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に云えば、ターボ機械に関し、より詳しく云えば、エアフォイル(airfoil) の位置決めに関するものである。

タービン、エンジン及び圧縮機のようなターボ機械は、複数の静翼(stationary vane) 及び動翼(rotating blade)を含む。これらは、典型的には、機械の長手方向軸の周りに且つ該軸に沿って配置された交互のスタックされたエアフォイル列として配列される。静翼はタービン・ケーシングに取り付けられ、また動翼はディスクに取り付けられ、該ディスクはシャフトに接続される。このような機械の効率を改善するための取り組みとして、１つの列内のエアフォイルの円周方向の位置を、隣接の又は近隣の列のエアフォイルの円周方向位置に対して相対的に割り出す又は「クロック(clock) する」ことがなされている。典型的には、このような改善は、動翼に及ぼす静翼の伴流の影響を低減することによって達成される。

ガスタービンのような或る種のターボ機械は、タービンの最終段に隣接して配置されたディフューザを含む。このようなディフューザは、タービンの排出流を減速して、動的エネルギを静圧の上昇へ変換するように構成されて、該ディフューザに入る流れの円周方向の変動が低減されているときに該変換をより効率よく行うように構成されている。既知のターボ機械及びクロッキング方法は、ディフューザディフューザに入る流れの場の円周方向変動を対象とせず又は考慮していない。実際に、或る種のクロッキング(clocking)方法は、タービンの他の領域での効率をよくするため、例えば、エアフォイルにおけるエネルギ効率を増大し又は振動及び応力を低減するために、円周方向変動を増大させることがある。

米国特許第８２９７９１９号

本発明の様々な実施形態は、一般に、ターボ機械に関し、より詳しく述べると、ターボ機械のディフューザに入る空気流圧力変動を低減するためのターボ機械エアフォイルのクロッキングに関する。

一実施形態では、本発明は、ディフューザと複数のエアフォイル列とを有するターボ機械を提供し、該複数のエアフォイル列は、（１）前記ディフューザに隣接した第１のエアフォイル列であって、静翼及び動翼より成る群から選択された第１の種類より成る第１のエアフォイル列と、（２）前記第１のエアフォイル列に隣接した第２のエアフォイル列であって、前記第１の種類とは異なる第２の種類より成る第２のエアフォイル列と、（３）前記第２のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類より成る第３のエアフォイル列とを含んでおり、前記複数のエアフォイル列の内の少なくとも１つのエアフォイル列は、前記ターボ機械の別のエアフォイル列に対してクロックされて、前記ターボ機械の運転状態中に前記第１のエアフォイル列に隣接した前記ディフューザ内の少なくとも１つのスパン方向位置における空気流の円周方向の圧力の変動を低減する。

別の実施形態では、本発明は、ターボ機械のディフューザに入る空気流圧力の変動を低減する方法を提供する。当該方法は、前記ターボ機械の少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流を計算する段階を含み、前記少なくとも３つのエアフォイル列は、（１）前記ターボ機械の前記ディフューザに隣接した第１のエアフォイル列であって、静翼及び動翼より成る群から選択された第１の種類より成る第１のエアフォイル列と、（２）前記第１のエアフォイル列に隣接した第２のエアフォイル列であって、前記第１の種類とは異なる第２の種類より成る第２のエアフォイル列と、（３）前記第２のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類より成る第３のエアフォイル列とを含んでいる。当該方法はまた、前記ディフューザの少なくとも１つのスパン方向位置における圧力変動を評価する段階と、前記圧力変動が所定の目標内にあるかどうか決定する段階とを含む。

更に別の実施形態では、本発明は、ターボ機械のディフューザに入る空気流圧力の変動を低減する方法を提供する。当該方法は、前記ターボ機械の少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流を計算する段階と、前記ターボ機械のディフューザの少なくとも１つのスパン方向位置における第１の圧力変動を評価する段階と、前記３つのエアフォイル列の内の少なくとも１つのエアフォイル列の相対的クロッキング位置を変更する段階と、前記少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流を再計算する段階と、前記ディフューザの前記少なくとも１つのスパン方向位置における第２の圧力変動を評価する段階と、前記第２の圧力変動が前記第１の圧力変動よりも小さいかどうか決定する段階と、前記第２の圧力変動が前記第１の圧力変動よりも小さい場合に、前記少なくとも１つのエアフォイル列の変更した相対的クロッキング位置を使用して前記ターボ機械を運転する段階とを有する。

本発明の実施形態のこれらの及び他の特徴は、本発明の実施形態を図示する添付図面を参照した本発明の様々な面についての以下の詳しい説明からより良く理解されよう。

ところで、図面は縮尺通りでないこと、また、図面は本発明の典型的な面のみを描出していることに留意されたい。従って、図面は本発明の範囲を制限するものと見なすべきではない。図面では、全図を通じて同様な要素を同様な参照符号で表す。

図１は、ターボ機械の複数のエアフォイル及びディフューザの概略図を示す。 図２は、ディフューザに最も近いエアフォイル列に隣接した位置におけるディフューザの断面形状の概略図を示す。 図３は、ディフューザの半径方向スパンにわたって測定された圧力のグラフ表示である。 図４は、本発明の一実施形態に従った方法の流れ図を示す。 図５は、本発明の一実施形態に従ったエアフォイル・クロッキングの前及び後でのディフューザの表面における圧力変動のグラフ表示である。

図１は、例えばガスタービンにおいて見られるような隣接する一群のエアフォイル列１１０、１２０、１３０、１４０、１５０及び１６０の概略表現である。列１６０はタービンの最後の（すなわち、最も下流の又は終端の）エアフォイル列であって、ディフューザ１８０に隣接して位置する。列１１０、１３０及び１５０は静翼を示す。列１２０、１４０及び１６０は動翼を示し、これらは運転時にはＲ方向に回転する。当業者には理解されるように、本発明の他の実施形態では、列１１０、１３０及び１５０は動翼を構成することができ、また列１２０、１４０及び１６０は静翼を構成することができる。

同様に、当業者には理解されるように、列１１０、１２０、１３０、１４０、１５０及び１６０（これらを、以後、第１、第２、第３、第４、第５及び第６の列とそれぞれ呼ぶ）は、相対的な列の順序を記述することを意図したものである。すなわち、本発明の様々な実施形態に従ったタービン又は他のターボ機械は、図１に示された６個よりも多い数のエアフォイル列を含むことができ、また本発明の様々な実施形態に従った方法は、６個のエアフォイル列よりも多い又は少ない数のエアフォイルを持つターボ機械に適用し得る。以下に更に詳しく述べるように、本発明の様々な実施形態に従った方法は、ディフューザ及び３つ以上のエアフォイル列を持つタービン又は他のターボ機械に適用可能である。

図１に示されている複数のエアフォイル及びそれらの形状は、一例に過ぎず、本発明の範囲を制限するものと見なすべきではない。本発明の様々な実施形態に従った方法、並びに本発明の様々な実施形態に従って製造され又は構成されたターボ機械では、任意の数、形状及びサイズのエアフォイルを含むことができる。

エアフォイルのピッチは、同じ列内の隣り合うエアフォイルの対応する特徴部の間の円周方向距離として記述することができる。例えば、図１に示されているように、ピッチＰは静翼１０及び静翼１２の高曲率点の間の距離である。勿論、ピッチＰを定義するために他の特徴部を用いることができる。例えば、ピッチＰは、隣り合う静翼の前縁間で測定することができ、これは円筒形流路において後縁間の距離と同じ距離になるであろう。

図１から分かるように、第１の列１１０は列１３０に対してクロックされ、静翼３０が静翼１０から距離δだけずらされている。距離δは、例えば、ピッチＰの関数として、例えばピッチＰの０．１、０．２、０．３等として表すことができる。図１に示されているように、距離δは、例えば、ピッチＰの０．３とすることができる。

当業者に理解されように、それらのクロックされたエアフォイル列は実質的に同じピッチを持つが、一列内のエアフォイルは、それがクロックされている列の中の対応するエアフォイルから位置がずらされる。図１はまた、列１１０、１２０、１３０、１４０、１５０及び１６０を通ってディフューザ１８０へ流れる複数の流体流Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥも示している。

図２は、第４の列１４０（図１）に隣接するディフューザ１８０の概略図である。流体流はスパンＳにわたってディフューザ１８０に入る。スパンＳは、内周Ｃ_１ （０％スパン）から外周Ｃ_２ （１００％スパン）まで延在する。ディフューザ１８０に入る流れの円周方向の圧力変動は機械全体の効率を低減させる。

図３は、典型的なタービンのディフューザのスパンにわたって測定した圧力のグラフを示す。０％スパンから１００％スパンまで測定された最小圧力１８２は、最大圧力１８６よりもかなり小さい。平均圧力１８４は、予想される通り、最小圧力１８２と最大圧力１８６との中間である。最小圧力１８２と最大圧力１８６との差を低減するために取られるどのようなステップも、ディフューザ及びターボ機械全体の効率を改善すると考えられる。

既知のクロッキング手法は、動翼についての静翼伴流の影響のような、非効率又は歪みの他の原因に対処するために用いられているが、このような手法は一般に、ディフューザから最も遠くに位置する「上流の」エアフォイル列に焦点を合わせている。本出願人は、最後の段のエアフォイル（ディフューザに近い方のエアフォイル）のクロッキングが、ディフューザに入る流れの場の変動を有意に低減し、これによってディフューザの性能及び空気力学的頑丈さを改善することを見い出した。本発明の或る実施形態では、このような最後の段のエアフォイルのクロッキングは、ディフューザに最も近い３つの隣接のエアフォイル列の内の少なくとも２つのエアフォイル列におけるクロッキングを含む。

例えば、再び図１を参照して説明すると、本発明の一実施形態では、第３及び第５の列１３０及び１５０を互いに対してクロックすることができる。本発明の別の実施形態では、第２及び第４の列１２０及び１４０もまた互いに対してクロックすることができる。当業者には、エアフォイル列のクロッキングを、対の又は一群の静翼列に関して、並びに対の又は一群の動翼列に関して実施できることが理解されよう。

図４は、本発明の一実施形態に従ってディフューザに入る流れの変動を低減するためにエアフォイルをクロックする方法の流れ図を示す。段階Ｓ１において、ディフューザに最も近い少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流が計算される。前に述べたように、少なくとも３つのエアフォイル列は、一対の静翼列と中間の動翼列とを、又は一対の動翼列と中間の静翼列とを含むことができる。例えば、再び図１を参照して説明すると、段階Ｓ１において計算しようとする空気流が横切る少なくとも３つのエアフォイル列は、列１４０、１５０及び１６０を含む。

ターボ機械エアフォイルを横切る空気流の計算は、典型的には、乱流をモデル化する計算流体力学（ＣＦＤ）に依存する。本発明の実施形態によっては、これは、（粘性熱伝導性流体についての基本的な支配方程式である）ナビエ−ストークス(Navier-Stokes)又はレイノルズ平均化ナビエ−ストークス・ソルバー(solver)方程式を用いることを含むことができる。他のソルバー方程式もまた、当業者によって理解されるような多数の理由のために用いることができる。

ナビエ−ストークス・ソルバー方程式は、質量の保存についての連続方程式、運動量保存の方程式、及びエネルギ保存の方程式を含んでいる一組の微分方程式である。これらの方程式は、空間及び時間変数、並びに圧力、温度及び密度変数を用いる。勿論、当業者に認識されるように、他のＣＦＤ方程式及び手法を使用することができる。特に、他のソルバー方程式を用いることができること、また他のＣＦＤ方程式、手法、又はソルバー方程式の使用が本発明の範囲内に含められるものとしていることに留意されたい。

再び図４について説明すると、段階Ｓ２において、段階Ｓ１において計算された流れを用いて、関心のある１つ又は複数のスパン位置においてディフューザにおける圧力変動を評価する。或る実施形態では、圧力変動は、ディフューザの（その内周（図２のＣ_１ ）における）０％スパンから（その外周（図２のＣ_２ ）における）１００％スパンまでのスパン全体にわたって複数の代表的な位置において評価することができる。他の実施形態では、圧力変動は、単一の位置において、例えば、０％スパンの位置において評価することができる。

以下に説明するように、当業者には、典型的には、ディフューザにおける圧力変動が完全に除去されないことが認められよう。このような場合、一般に、特定のターボ機械にとって許容できる幾分かのレベルの圧力変動がディフューザに存在する。これは、例えば、平均圧力からの百分率偏差であってよい。従って、本発明の様々な実施形態に従ったエアフォイルのクロッキングは、典型的には、このような目標とする圧力変動に等しいか又はそれより小さい点まで圧力変動を低減しようとすることである。

段階Ｓ３において、同様な種類のエアフォイルの少なくとも１つの上流の列の相対的クロッキング位置が変更される（例えば、ディフューザに隣接したエアフォイル列が動翼列である場合、上流の動翼列の相対的クロッキング位置が変更される）。例えば、図１を参照して説明すると、段階Ｓ３においてクロッキングを変更することは、列１６０の動翼に対する列１４０の動翼のクロッキングをピッチＰの関数として変更することを含む。

本発明の他の実施形態では、段階Ｓ３においてクロッキングを変更することは、列１５０に対する列１３０のクロッキングを変更することを含むことができる。当業者には、段階Ｓ３を実施する際に上流のエアフォイル列の相対的位置に他の変更を行い得ることが認められよう。

いずれの場合でも、段階Ｓ４において、変更されたクロッキング位置を使用して、流れが再計算され、そして段階Ｓ５において、圧力変動が再評価される。

段階Ｓ６において、段階Ｓ５における圧力変動が目標の圧力変動（例えば、測定された平均圧力の５％）内にあるかどうか決定される。もしそうであれば（すなわち、段階Ｓ６において「ＹＥＳ」であれば）、段階Ｓ７において、変更されたクロッキング位置をターボ機械の運転に用いることができる。またそうでない場合（すなわち、段階Ｓ６において「ＮＯ」であれば）、段階Ｓ５における圧力変動が目標の圧力変動内にあると段階Ｓ６において見い出されるまで、段階Ｓ３〜段階Ｓ６をループとして繰り返すことができる。

段階Ｓ６での目標の圧力変動は、絶対値（例えば、ｐ．ｓ．ｉ単位で表される変動量）、又は段階Ｓ２における圧力変動に対する圧力変動の減少量（例えば、１％、２％、３％などの減少量）、又は段階Ｓ２における圧力変動よりも小さい任意の圧力変動値とすることができる。

図５は、本発明の一実施形態に従ったクロッキングの前（曲線１９０）及び後（曲線１９２）のクロッキング位置（ピッチ）の関数として圧力変動（測定された圧力／平均圧力）を比較して示すグラフである。ここで、クロッキング前（曲線１９０）及び後（曲線１９２）は、本発明の一実施形態に従ったクロッキングの前及び後を意味していて、必ずしも、ターボ機械のエアフォイルについての任意のクロッキングの前及び後を意味していないことに留意されたい。すなわち、本発明の実施形態は、ターボ機械のエアフォイルがディフューザにおける空気流の変動を低減する目的以外の目的でクロックされた後に、ディフューザ１８０に近い複数の列内のエアフォイルをクロックするために用いることができる。前に述べたように、このような他の目的には、屡々、ディフューザから最も遠い「上流の」複数のエアフォイル列のクロッキングが含まれる。このような場合、本発明の実施形態に従ったクロッキング方法は、当該技術分野で知られている他のクロッキング方法と組み合わせて用いることができる。

再び図５について説明すると、図から分かるように、クロッキングの前では、圧力変動はＡ％であると計算されたが、本発明の一実施形態に従ったクロッキングを用いることによって約Ｂ％まで低減された。

本書において用いられる用語は特定の実施形態を記述するためにのみ用いられ、本発明を制限しようとするものではない。本書において用いられる単数形の表現は、特に明記していない限り、複数の存在を含むことを意図している。更に、本書で用いられる用語「有する」及び／又は「有している」は、記述した特徴、整数、段階、動作、素子及び／又は構成要素の存在を明示しているが、１つ以上の他の特徴、整数、段階、動作、素子、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではない。

本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施できるようにするために、様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 流体流
Ｐ ピッチ
Ｓ スパン
Ｃ_１ 内周
Ｃ_２ 外周
１０、１２、３０ 静翼
１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０ エアフォイル列
１８０ディフューザ
１８２ 最小圧力
１８４ 平均圧力
１８６ 最大圧力
１９０ クロッキング前
１９２ クロッキング後

Claims (20)

1. ディフューザと複数のエアフォイル列とを有するターボ機械であって、
   前記複数のエアフォイル列は、
   （１）前記ディフューザに隣接した第１のエアフォイル列であって、静翼及び動翼より成る群から選択された第１の種類より成る第１のエアフォイル列と、
   （２）前記第１のエアフォイル列に隣接した第２のエアフォイル列であって、前記第１の種類とは異なる第２の種類より成る第２のエアフォイル列と、
   （３）前記第２のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類より成る第３のエアフォイル列とを含んでおり、
   前記複数のエアフォイル列の内の少なくとも１つのエアフォイル列が、前記ターボ機械の別のエアフォイル列に対してクロックされて、前記ターボ機械の運転状態中に前記第１のエアフォイル列に隣接した前記ディフューザ内の少なくとも１つのスパン方向位置における空気流の円周方向圧力の変動を低減すること、
   を特徴とするターボ機械。
2. タービン、エンジン及び圧縮機より成る群から選択された請求項１記載のターボ機械。
3. 前記ターボ機械はガスタービンである、請求項２記載のターボ機械。
4. 前記複数のエアフォイル列の内の少なくとも１つのエアフォイル列は、前記ディフューザの表面上の少なくとも１つの点における空気流圧力の第１の変動を示す第１の相対的位置であって、第２の相対的位置で示される前記ディフューザ内の少なくとも１つの点における空気流圧力の第２の変動よりも小さい該第１の変動を示す第１の相対的位置にクロックされる、請求項１記載のターボ機械。
5. 前記第１及び第２の変動は、前記ターボ機械の前記少なくとも１つのエアフォイル列及び別のエアフォイル列の相対的位置を用いて計算される、請求項４記載のターボ機械。
6. 前記第１及び第２の変動は、計算流体力学方程式を用いて計算される、請求項５記載のターボ機械。
7. 前記計算流体力学方程式はナビエ−ストークス方程式を含んでいる、請求項６記載のターボ機械。
8. クロックされる前記複数のエアフォイル列の内の前記少なくとも１つのエアフォイル列は、前記第３のエアフォイル列を含んでいる、請求項１記載のターボ機械。
9. 前記第１及び第３のエアフォイル列は動翼列であり、また前記第２のエアフォイル列は静翼列である、請求項９記載のターボ機械。
10. ターボ機械のディフューザに入る空気流圧力の変動を低減する方法であって、
    前記ターボ機械の少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流を計算する段階であって、前記少なくとも３つのエアフォイル列が、（１）前記ターボ機械の前記ディフューザに隣接していて、静翼及び動翼より成る群から選択された第１の種類より成る第１のエアフォイル列、（２）前記第１のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類とは異なる第２の種類より成る第２のエアフォイル列、及び（３）前記第２のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類より成る第３のエアフォイル列を含んでいる、段階と、
    前記ディフューザの少なくとも１つのスパン方向位置における圧力変動を評価する段階と、
    前記圧力変動が所定の目標内にあるかどうか決定する段階と、
    有する方法。
11. 前記圧力変動が前記所定の目標内に無い場合、前記方法は、更に、
    前記少なくとも３つのエアフォイル列の内の少なくとも１つのエアフォイル列の相対的クロッキング位置を変更する段階と、
    前記少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流を再計算する段階と、
    前記ディフューザの前記少なくとも１つのスパン方向位置における圧力変動を再評価する段階と、
    前記再評価された圧力変動が前記所定の目標内にあるかどうか決定する段階と、
    を有している、請求項１１記載の方法。
12. 前記相対的クロッキング位置を変更する前記段階は、前記第１、第２又は第３のエアフォイル列以外のエアフォイル列のクロッキング位置を変更する段階を含んでいる、請求項１１記載の方法。
13. 前記空気流を計算する前記段階は、計算流体力学方程式を用いることを含んでいる、請求項１０記載の方法。
14. 前記計算流体力学方程式はナビエ−ストークス・ソルバー方程式を含んでいる、請求項１３記載の方法。
15. （欠番）
16. ターボ機械のディフューザに入る空気流圧力の変動を低減する方法であって、
    前記ターボ機械の少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流を計算する段階と、
    前記ターボ機械のディフューザの少なくとも１つのスパン方向位置における第１の圧力変動を評価する段階と、
    前記３つのエアフォイル列の内の少なくとも１つのエアフォイル列の相対的クロッキング位置を変更する段階と、
    前記少なくとも３つのエアフォイル列を横切る空気流を再計算する段階と、
    前記ディフューザの前記少なくとも１つのスパン方向位置における第２の圧力変動を評価する段階と、
    前記第２の圧力変動が前記第１の圧力変動よりも小さいかどうか決定する段階と、
    前記第２の圧力変動が前記第１の圧力変動よりも小さい場合に、前記少なくとも１つのエアフォイル列の前記変更した相対的クロッキング位置を使用して前記ターボ機械を運転する段階と、
    を有する方法。
17. 前記少なくとも３つのエアフォイル列が、（１）前記ターボ機械の前記ディフューザに隣接していて、静翼及び動翼より成る群から選択された第１の種類より成る第１のエアフォイル列、（２）前記第１のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類とは異なる第２の種類より成る第２のエアフォイル列、及び（３）前記第２のエアフォイル列に隣接していて、前記第１の種類より成る第３のエアフォイル列を含んでいる、請求項１６記載の方法。
18. 前記相対的クロッキング位置を変更する前記段階は、前記第１、第２又は第３のエアフォイル列以外のエアフォイル列のクロッキング位置を変更する段階を含んでいる、請求項１７記載の方法。
19. 前記空気流を計算する前記段階は、計算流体力学方程式を用いることを含んでいる、請求項１６記載の方法。
20. 前記計算流体力学方程式はナビエ−ストークス・ソルバー方程式を含んでいる、請求項１９記載の方法。