JP2015081601A

JP2015081601A - ガスタービンノズルの後縁フィレット

Info

Publication number: JP2015081601A
Application number: JP2014210348A
Authority: JP
Inventors: アレキサンダー・スタイン; Alexander Stein; グレン・アーサー・マックミラン; Glen Arthur Macmillan; トーマス・ブラント; Brunt Thomas; ジョー・ティモシー・ブラウン; Timothy Brown Joe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2015-04-27
Also published as: CH708776A2; CN104564168A; DE102014115475A1; US20150110616A1; US10352180B2

Abstract

【課題】ガスタービン構成要素に関し、タービンエーロフォイルを提供する【解決手段】プラットフォーム２８へのその接続部において後縁部分に対するノズル部分の寿命を有意に縮める問題をなくすためのガスタービンノズルの後縁フィレットを提供する。ガスタービンエンジンのノズル部分は、第１の側において内側プラットフォームを有する弓状の内側端部壁によって結合され、第２の側において外側プラットフォーム２８を有する弓状の外側端部壁によって結合されたタービンエーロフォイルを有する。エーロフォイルは、内側プラットフォームから外側プラットフォーム２８に向かって延在する。エーロフォイル本体は、エーロフォイル本体の前縁と後縁の間に延在する対向する加圧側壁と、吸気側壁とを含む。エーロフォイル本体は、エーロフォイル本体の後縁１６において内側プラットフォームへと融合する第１の後縁フィレットを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン構成要素（例えばノズル部分）に関し、より詳細にはタービンエーロフォイルに関する。

ガスタービンエンジンは、加圧された空気を燃焼器に供給する圧縮器を含み、燃焼器で空気が燃料と混合され点火されて高温の燃焼ガスを生成する。これらの気体は、少なくとも１つのタービンへと下流に流れ、タービンが、そこからエネルギーを抽出して圧縮器に動力を提供し有益な仕事を提供する。タービンは一般に、タービンロータが後に続く固定式のタービンノズルを含む。

タービンノズルは、１列の円周方向に横並びのノズル部分を備え、その各々が、１つまたは複数の固定式のエーロフォイル形状の静翼を含み、これは、タービンロータへと流れる高温ガスのストリームを通すためのプラットフォームを画定する内側帯部分と、外側帯部分の間に設置されている。各々の静翼は、前縁および後縁において接続された加圧側壁と、吸気側壁とを含む。エーロフォイルセクションは典型的には、幅広でとがっていない前縁を有し、これは吸気側に前縁から細くなった後縁部分に移行する大きな曲率の領域を有する。

細くなった後縁部分に対する応力（例えば熱応力）によって、プラットフォームへのその接続部において後縁部分に対してノズル部分の寿命を有意に縮める恐れのある望ましくない問題が生じる可能性がある。

米国特許第８，１３３，０３２号明細書

開示される技術の制限的ではない一例の態様は、ガスタービンエンジンのノズル部分に関する。ノズル部分は、内側プラットフォームを有する弓状の内側端部壁と、内側プラットフォームから弓状の外側端部壁に向かって外向きに延在するエーロフォイル本体とを備える。エーロフォイル本体は、エーロフォイル本体の前縁と後縁の間に延在する対向する加圧側壁および吸気側壁、ならびに内側プラットフォームへと融合する第１の内側フィレットを含む。第１の内側フィレットは特定の高さを有し、この場合エーロフォイル本体は、エーロフォイル本体の後縁において内側プラットフォームへと融合する第１の後縁フィレットを含む。第１の後縁フィレットは、第１の内側フィレットの高さより高い高さを有する。

開示される技術の制限的ではない別の一例の態様は、ガスタービンエンジンのノズル部分に関する。ノズル部分は、内側プラットフォームを有する弓状の内側端部壁と、外側プラットフォームを有する弓状の外側端部壁と、内側プラットフォームから外向きに、かつ外側プラットフォームから内向きに延在するエーロフォイル本体とを備える。エーロフォイル本体は、エーロフォイル本体の前縁と後縁の間に延在する対向する加圧側壁と、吸気側壁、ならびにエーロフォイル本体の後縁において内側プラットフォームへと融合する第１の後縁フィレットを含み、第１の後縁フィレットの高さは、内側プラットフォームと外側プラットフォームの間でエーロフォイル本体の全体の半径方向の長さの少なくとも５％である。さらに、エーロフォイル本体の後縁は、エーロフォイル本体の半径方向において湾曲した構造体を形成するためにエーロフォイル本体の翼幅に沿って局所的に弓なりに曲げられている。

添付の図面によって、この技術の様々な例が容易に理解される。

開示される技術の一例によるタービンノズル部分の斜視図である。図１の線２−２に沿った断面図である。図１のノズル部分の静翼の後縁の部分斜視図である。内側端部壁付近の図３の静翼の後縁部分の部分側面図である。開示される技術の一例による弓なりに曲げられた後縁部分を有する静翼の後縁の部分斜視図である。開示される技術の一例による外側端部壁付近の静翼の後縁部分の側面図である。

図１から図３を参照すると、開示される技術の一例による例示のノズル部分１０が示されている。複数のこのようなノズル部分１０が、円周方向に横並びのやり方で組み立てられることでタービンノズルを構築する。ノズル部分１０は、１つまたは複数のエーロフォイルまたは静翼１２を含み、その各々が、前縁１４、後縁１６、基部１８、先端２０、ならびに離間された加圧側壁２２と、吸気側壁２４とをそれぞれ有する。外側プラットフォーム２８を有する弓状の外側端部壁２６が、静翼１２の先端２０に装着される。内側プラットフォーム３２を有する弓状の内側端部壁３０が、静翼１２の基部１８に装着される。外側端部壁２６および内側端部壁３０は、ノズル部分１０を通る主要なガスの流路の外側と内側の半径方向の境界をそれぞれ画定する。

ノズル部分１０は典型的には、高温に対応可能な金属合金、例えばニッケルまたはコバルトベースの「超合金」から形成される。ノズル部分は、単一のユニットとして鋳造される場合、あるいは個々の構成要素または副次的な組立体から組み立てられる場合もある。

図２は、図１の線２−２に沿った断面図であり、静翼１２のエーロフォイルセクションを示している。各々の静翼１２の吸気側壁２４は、前縁１４から後方に延びており、吸気側壁２４の相対的に曲率の低い前方部分３６と、尾翼部分３８のそれぞれの間に曲率の高いセクション３４を有する。

最小の断面の流れ領域を画定するスロート４０が、静翼１２の加圧側壁の尾翼部分４２と、隣接する静翼１２の吸気側壁２４の尾翼部分３８の間に画定される。スロート４０の領域は、ノズル部分１０の空気力学的性能に影響を与える重要な寸法である。よってスロート４０の実際の領域は、意図される設計値に可能な限り近くなるように維持することが望ましい。

図３に示されるように、静翼１２は、内側プラットフォーム３２付近に内側フィレット５０を含む。内側フィレット５０は、プラットフォーム３２へと融合する凹部を形成する。内側フィレット５０は、静翼１２の周辺全体を囲むように延在してよい。内側フィレット５０は、当業者が認識するように任意の好適な曲率半径ｒ１および高さｄ１を有する簡素なの湾曲した断面形状を有してよい。

図示の例において、後縁フィレット６０は、図３および図４に示されるように内側フィレット５０の対向する端部の間で静翼１２の後縁１６に配設されている。後縁フィレット６０は、内側フィレット５０の高さｄ１と比べて増大した高さｄ２を有する。図４に示されるように高さｄ２は、当業者が理解するように後縁フィレット６０が静翼１２の後縁へと融合する移行地点Ｂから測定されている。後縁フィレット６０は、従来のフィレットより縦長である。具体的には、後縁フィレット６０の高さｄ２は、内側プラットフォーム３２から外側プラットフォーム２８への静翼１２の全体の半径方向の範囲または長さ（高さ）の５％より大きい（例えば５％から２０％）。好ましくは高さｄ２は、静翼１２の高さの１０％を超える（例えば１５％）。

後縁フィレット６０はまた、内側フィレット５０（または、従来のフィレット）の同様の寸法と比べて増大した幅ｄ３を有する場合がある。図４に示されるように、幅ｄ３は、後縁フィレットの移行地点Ｂから端部地点Ｃまで測定される。好ましくは幅ｄ３は、高さｄ２の８０％から３００％である。湾曲した部分ＢＣは、当業者が理解するように特定の長さのＤ２およびＤ３に応じた円錐曲線部分として、かつ０．３〜０．５の範囲内のｒｈｏ値を有するように設計されている。

後縁フィレット６０の幅ｄ３に起因して、内側端部壁３０の翼弦長が増大することで局所的なスロート４０が縮小される。翼幅方向のスロートの配分を維持するために、図５に示されるように、静翼１２の後縁セクションが静翼１２の半径方向に沿って弓なりに曲げられている。すなわち、静翼１２の後縁部分は、意図されるスロートのサイズを保持するために弓なりに曲げられる。ノズルの後縁１６が局所的に弓なりにされてスロート幅を維持することにより二次的な流れを抑えることになる（すなわち、空気力学的な効率が増大する）。

内側端部壁３０へとその接続部における静翼１２の後縁１６は、後縁１６が弓なりに曲がる前に内側端部壁３０に接続される地点から（または後縁／内側端部壁接続部から円周方向に最も遠い後縁１６上の地点を通る半径方向に延びる線から）距離ｄ４だけずらされる場合がある。偏差ｄ４は、内側プラットフォーム３２から外側プラットフォーム２８への静翼１２の全体の半径方向の範囲（高さ）の３〜６％の範囲内であってよい。

図６は、外側端部壁２６付近の静翼１２の後縁部分を示している。静翼１２と内側端部壁３０との交点と同様に、静翼１２は、外側端部壁２６へと融合するためにフィレットを有することができる。

図６に示されるように、静翼１２は、外側プラットフォーム２８付近の外側フィレット１５０と、後縁フィレット１６０とを含む。外側フィレット１５０および後縁フィレット１６０は、上記に記載した内側フィレット５０および後縁フィレット６０と同様である。寸法ｄ１’、ｄ２’、ｄ３’およびｒ１’の範囲はそれぞれ、上記に記載した寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３およびｒ１と同一である。同様に、湾曲部分Ｂ’Ｃ’は、上記の部分ＢＣと同様のやり方で設計されている。しかしながら寸法ｄ１’、ｄ２’、ｄ３’およびｒ１’の特定の値、ならびに部分Ｂ’Ｃ’の形状は、寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３およびｒ１の値ならびに部分ＢＣの形状とは異なる場合があることに留意されたい。

静翼１２の後縁１６は、図５に示されるように外側端部壁２６付近で弓なりに曲げられる場合がある。外側端部壁２６における弓なりの偏差は、内側端部壁３０における弓なりの偏差ｄ４と同じ範囲内にあってよい。

より大きな後縁フィレット６０、１６０は、静翼１２と内側および外側プラットフォーム３２および２８との間の接合部における断面積を増大させ、これにより静翼をより応力に耐えるようにする。後縁フィレットによって、ノズル部分の寿命にわたる後縁接合部におけるクラッキングの全体量を削減し、これによりノズル部分の有益な寿命を有意に伸ばす。さらに後縁接合部分を弓なりに曲げることによって、スロートが維持されるため空気力学的効率を犠牲にすることがない。

本発明を目下のところ最も実際的で好ましい例であるとみなされるものに関連して記載してきたが、本発明は開示される例に限定されるものではなく、それどころか添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる多様な修正形態および等価な構成を包含することが意図されていることを理解すべきである。

１０ノズル部分
１２静翼
１４前縁
１６後縁
１８基部
２０先端
２２加圧側壁
２４吸気側壁
２６外側端部壁
２８外側プラットフォーム
３０内側端部壁
３２内側プラットフォーム
３４曲率の高いセクション
３６前方部分
３８吸気側壁の尾翼部分
４０吸気側壁のスロート
４２加圧側壁の尾翼部分
５０内側フィレット
６０後縁フィレット
１５０外側フィレット
１６０後縁フィレット
ｄ１内側フィレットの高さ
ｄ２後縁フィレットの高さ
ｄ３後縁フィレットの幅
ｄ４偏差
ｒ１曲率半径
Ｂ移行地点
Ｃ後縁フィレットの端部地点
ｄ１’ 内側フィレットの高さ
ｄ２’ 後縁フィレットの高さ
ｄ３’ 後縁フィレットの幅
ｒ１’ 曲率半径
Ｂ’ 移行地点
Ｃ’ 後縁フィレットの端部地点

Claims

内側プラットフォーム（３２）を有する弓状の内側端部壁（３０）と、
前記内側プラットフォーム（３２）から弓状の外側端部壁（２６）に向かって外向きに延在するエーロフォイル本体（１２）であって、前記エーロフォイル本体（１２）の前縁（１４）と後縁（１６）の間に延在する対向する加圧側壁（２２）と、吸気側壁（２４）とを含み、
前記内側プラットフォーム（３２）へと融合する第１の内側フィレット（５０）を含み、
前記第１の内側フィレット（５０）が特定の高さ（ｄ１）を有し、
前記エーロフォイル本体（１２）の前記後縁（１６）において前記内側プラットフォーム（３２）へと融合する第１の後縁フィレット（６０）を含み、前記第１の後縁フィレット（６０）が、前記第１の内側フィレット（５０）の高さ（ｄ１）より大きな高さ（ｄ２）を有するエーロフォイル本体（１２）とを備えるガスタービンエンジンのノズル部分（１０）。
前記第１の内側フィレット（５０）が、前記エーロフォイル本体（１２）の周辺に沿って延在し、前記エーロフォイル本体（１２）の前記後縁（１６）において前記第１の後縁フィレット（６０）に接続されることで、前記第１の後縁フィレット（６０）が前記第１の内側フィレット（５０）の対向する端部の間に配設される、請求項１に記載のノズル部分（１０）。
前記エーロフォイル本体（１２）の後縁（１６）が、前記エーロフォイル本体（１２）の翼弦に沿って局所的に弓なりに曲げられる、請求項２に記載のノズル部分（１０）。
前記エーロフォイル本体（１２）の前記後縁（１６）と、前記内側プラットフォーム（３２）の間の接続部が、前記接続部から円周方向に最も遠い前記後縁（１６）に沿った地点を通って半径方向に延在する線からずらされている、請求項３に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）が、前記内側端部壁（３０）と前記外側端部壁（２６）の間の前記エーロフォイル本体（１２）の全体の半径方向の長さの少なくとも５％である、請求項１に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）が、前記内側端部壁（３０）と前記外側端部壁（２６）の間の前記エーロフォイル本体（１２）の全体の半径方向の長さの少なくとも１０％である、請求項５に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）が、前記内側端部壁（３０）と前記外側端部壁（２６）の間の前記エーロフォイル本体（１２）の全体の半径方向の長さの少なくとも１５％である、請求項６に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の幅（ｄ３）が、前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）の８０％から３００％の範囲内である、請求項１に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の幅（ｄ３）が、前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）の１３０％から２２５％の範囲内である、請求項８に記載のノズル部分（１０）。
前記弓状の外側端部壁（２６）が外側プラットフォーム（２８）を有し、
前記エーロフォイル本体（１２）が前記外側プラットフォーム（２８）から内向きに延在し、前記外側プラットフォーム（２８）へと融合する第２の外側フィレット（１５０）を含み、前記第２の外側フィレット（１５０）が特定の高さを有し、
前記エーロフォイル本体（１２）が、前記エーロフォイル本体（１２）の後縁（１６）において前記外側プラットフォーム（２８）へと融合する第２の後縁フィレット（１６０）を含み、前記第２の後縁フィレット（１６０）が、前記第２の外側フィレット（１５０）の高さより大きな高さを有する、請求項１に記載のノズル部分（１０）。
高温ガスストリームを生成する燃焼器セクションと、
前記高温ガスストリームによって駆動されるタービンセクションとを備えるガスタービンであって、
前記タービンセクションが、請求項１のノズル部分（１０）を含むガスタービン。
内側プラットフォーム（３２）を有する弓状の内側端部壁（３０）と、
外側プラットフォーム（２８）を有する弓状の外側端部壁（２６）と、
前記内側プラットフォーム（３２）から外向きに、かつ前記外側プラットフォーム（２８）から内向きに延在するエーロフォイル本体（１２）であって、エーロフォイル本体（１２）の前縁（１４）と後縁（１６）の間に延在する対向する加圧側壁（２２）と、吸気側壁（２４）とを含み、
エーロフォイル本体（１２）の後縁（１６）において前記内側プラットフォーム（３２）へと融合する第１の後縁フィレット（６０）を含むエーロフォイル本体（１２）とを備えるガスタービンエンジンのノズル部分（１０）であって、
前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）が、前記内側プラットフォーム（３２）と前記外側プラットフォーム（２８）の間で前記エーロフォイル本体（１２）の全体の半径方向の長さの少なくとも５％であり、
前記エーロフォイル本体（１２）の前記後縁（１６）が、前記エーロフォイル本体（１２）の半径方向において湾曲した構造体を形成するために前記エーロフォイル本体（１２）の翼幅に沿って局所的に弓なりに曲げられるノズル部分（１０）。
前記エーロフォイル本体（１２）の前記後縁（１６）と、前記内側プラットフォーム（３２）の間の接続部が、前記接続部から円周方向に最も遠い前記後縁（１６）に沿った地点を通って半径方向に延在する線からずらされている、請求項１２に記載のノズル部分（１０）。
前記接続部が、前記内側プラットフォーム（３２）と前記外側プラットフォーム（２８）の間の前記エーロフォイル本体（１２）の全体の半径方向の長さの３〜６％の範囲の距離だけずらされている、請求項１３に記載のノズル部分（１０）。
前記エーロフォイル本体（１２）が、前記内側プラットフォーム（３２）へと融合する第１の内側フィレット（５０）を含み、前記第１の内側フィレット（５０）が特定の高さ（ｄ１）を有し、前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）が、前記第１の内側フィレット（５０）の高さ（ｄ１）より高い、請求項１２に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の内側フィレット（５０）が前記エーロフォイル本体（１２）の周辺に沿って延在し、前記エーロフォイル本体（１２）の前記後縁（１６）において前記第１の後縁フィレット（６０）に接続されることで、前記第１の後縁フィレット（６０）が、前記第１の内側フィレット（５０）の対向する端部の間に配設される、請求項１５に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）が、前記内側端部壁（３０）と前記外側端部壁（２６）の間の前記エーロフォイル本体（１２）の全体の半径方向の長さの少なくとも１０％である、請求項１２に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）が、前記内側端部壁（３０）と前記外側端部壁（２６）の間の前記エーロフォイル本体の全体の半径方向の長さの少なくとも１５％である、請求項１７に記載のノズル部分（１０）。
前記第１の後縁フィレット（６０）の幅（ｄ３）が、前記第１の後縁フィレット（６０）の高さ（ｄ２）の８０％から３００％の範囲内である、請求項１２に記載のノズル部分（１０）。
高温ガスストリームを生成する燃焼器セクションと、
前記高温ガスストリームによって駆動されるタービンセクションとを備えるガスタービンであって、
前記タービンセクションが請求項１２のノズル部分（１０）を含むガスタービン。