JP2017075601A

JP2017075601A - 二次流れの制御および最適なディフューザ性能のための膨出ノズル

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Publication number: JP2017075601A
Application number: JP2016197669A
Authority: JP
Inventors: ソウミーク・クマール・バウミク; Kumar Bhaumik Soumyik; ロヒト・チョーハン; Chouhan Rohit
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: JP7229652B2; CN106907185B; CH711695A2; DE102016117958A1; CN106907185A; US20170107835A1; US9988917B2

Abstract

【課題】二次流れの制御および最適なディフューザ性能のための膨出ノズルを提供する。【解決手段】タービンノズル（３６）は、負圧側面（５０）に配置された膨出部（５２）を含む。膨出部（５２）は、半径方向（３２）および軸方向（２８）の両方を横切る方向に負圧側面（５０）の他の部分に対して突出して、負圧側面（５０）に配置される。タービンノズル（３６）は、表１に記載した選択された座標により、タービンノズル（３６）の高さ（５４）に沿って第１の位置において第１の断面（１０６）で画定された第１の外周（１１２）を有する。【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械のタービン内の最終ノズル段に関する。

ガスタービンエンジンなどのターボ機械は、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含むことができる。気体が圧縮機で圧縮され、燃料と混合され、次に燃焼器に供給されて、そこで気体／燃料混合気が燃焼される。高温かつ高エネルギーの排気流体が、次にタービンに供給され、そこで流体のエネルギーが機械的エネルギーに変換される。タービンの最終段では、低い根元反作用が主要な流れの方向を横切る二次流れを引き起こす場合がある。二次流れは、最終段の効率に悪影響を与え、望ましくない局所的なハブ渦流をもたらす場合があり、ディフューザの性能に悪影響を及ぼす。したがって、根元反作用を増加させて、二次流れを制御し、局所的なハブ渦流を低減することが有益であろう。

米国特許出願公開第１４／９３７９９２号明細書

最初に特許請求する主題の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求する主題の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は開示する主題の可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本主題は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態では、タービン内に配置されるように構成されたタービンノズルは、負圧側面、正圧側面、および負圧側面に配置された膨出部を含む。負圧側面は、軸方向にタービンノズルの長手方向軸を横切るようにタービンノズルの前縁とタービンノズルの後縁との間に延在し、かつ長手方向軸に沿って半径方向にタービンノズルの高さを延長し、正圧側面は、負圧側面の反対側に配置され、軸方向にタービンノズルの前縁とタービンノズルの後縁との間に延在し、かつ半径方向にタービンノズルの高さを延長し、膨出部は、半径方向および軸方向の両方を横切る方向に負圧側面の他の部分に対して突出して、タービンノズルの負圧側面に配置され、タービンノズルは、表１に記載した選択された座標により、タービンノズルの高さに沿って第１の位置において第１の断面で画定された第１の外周を有する。

第２の実施形態では、システムは、第１の環状壁、第２の環状壁、および最終段を有するタービンを含む。最終段は、タービンの回転軸を中心に第１の環状壁と第２の環状壁との間に環状に配置された複数のノズルを含む。複数のノズルの各ノズルは、第１の環状壁と第２の環状壁との間に延びる高さと、前縁と、前縁の下流に配置された後縁と、軸方向に前縁と後縁との間に延在し、かつ半径方向にノズルの高さを延長する負圧側面と、負圧側面の反対側に配置され、軸方向にノズルの前縁とノズルの後縁との間に延在し、かつ半径方向にノズルの高さを延長する正圧側面と、膨出部と、を含む。膨出部は、ノズルの負圧側面に配置され、回転軸から延びる半径方向平面を横切る方向に突出する。複数のノズルの各ノズルは、表１に記載した選択された座標により、複数のノズルの各ノズルの高さに沿って第１の位置において第１の断面で画定された第１の外周を含む。

第３の実施形態では、システムは、第１の環状壁、第２の環状壁、および最終段を有するタービンを含む。最終段は、タービンの回転軸を中心に第１の環状壁と第２の環状壁との間に環状に配置された複数のノズルを含む。複数のノズルの各ノズルは、第１の環状壁と第２の環状壁との間の高さと、前縁と、前縁の下流に配置された後縁と、軸方向に前縁と後縁との間に延在し、かつ半径方向にノズルの高さを延長する負圧側面と、負圧側面の反対側に配置され、軸方向にノズルの前縁とノズルの後縁との間に延在し、かつ半径方向にノズルの高さを延長する正圧側面と、膨出部と、を含む。膨出部は、ノズルの負圧側面に配置され、回転軸から延びる半径方向平面を横切る方向に突出する。複数のノズルの各ノズルは、第１、第２、第３、第４、および第５の外周を含む。第１の外周は、表１に記載した選択された座標により、複数のノズルの各ノズルの高さに沿って第１の位置において第１の断面で画定される。第２の外周は、表２に記載した選択された座標により、複数のノズルの各ノズルの高さに沿って第１の位置と異なる第２の位置において第２の断面で画定される。第３の外周は、表３に記載した選択された座標により、複数のノズルの各ノズルの高さに沿って第１および第２の位置のいずれとも異なる第３の位置において第３の断面で画定される。第４の外周は、表４に記載した選択された座標により、複数のノズルの各ノズルの高さに沿って第１、第２、および第３の位置のいずれとも異なる第４の位置において第４の断面で画定される。第５の外周は、表５に記載した選択された座標により、複数のノズルの各ノズルの高さに沿って第１、第２、第３、および第４の位置のいずれとも異なる第５の位置において第５の断面で画定される。さらに、複数のノズルの各ノズルは、正圧側面に向かって半径方向平面に対して傾斜している。

本主題のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。

本開示の態様によるターボ機械の一実施形態を示す図である。本開示の態様によるノズルの一実施形態の斜視正面図である。本開示の態様によるタービンの１つの段における負圧側面膨出部を有するように設計されたノズルの部分的なアレイの一実施形態の正面図である。本開示の態様によるタービンの１つの段における負圧側面膨出部を有するように設計されたノズルの部分的なアレイの一実施形態の背面図である。本開示の態様による隣接する２つのノズルの上面断面図である。本開示の態様によるタービンの１つの段の隣接するノズルによって画定される無次元スロート分布を示すグラフである。本開示の態様による、５０％スパンにおける最大ノズル厚さで割った最大ノズル厚さの無次元分布を示すグラフである。本開示の態様による、軸方向翼弦で割った最大ノズル厚さの無次元分布を示すグラフである。本開示の態様による、負圧側面膨出部を有するノズルの断面図である。本開示の態様による、負圧側面膨出部を有するノズルと交差する５つのスパン位置における５つの平面を示す図である。本開示の態様による、第１の高さにおける負圧側面膨出部を有するノズルの断面図である。本開示の態様による、第２の高さにおける負圧側面膨出部を有するノズルの断面の外周のプロット図である。本開示の態様による、第３の高さにおける負圧側面膨出部を有するノズルの断面の外周のプロット図である。本開示の態様による、第４の高さにおける負圧側面膨出部を有するノズルの断面の外周のプロット図である。本開示の態様による、第５の高さにおける負圧側面膨出部を有するノズルの断面の外周のプロット図である。本開示の態様による、半径方向にスタックされた翼形部に対して正圧側面に向かって傾斜したノズルの概略図である。本開示の態様による、半径方向にスタックされた翼形部と比較して、３度の正圧側面傾きを有するノズルの斜視図である。

以下で、本主題の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、たとえばシステム関連および事業関連の制約条件への対応等実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施毎に異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。

本主題の様々な実施形態の要素を導入する場合に、単数の表現および「前記」は１つまたは複数の要素があることを意味するものである。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するものである。

ガスタービンエンジンで燃焼した後に、排気流体は燃焼器から出てタービンに入る。低い根元反作用は、タービンの最終段に強い二次流れ（主要な流れの方向を横切る流れ）を導入し、最終段の効率を低減させるおそれがある。さらに、下流の回転する翼形部ハブの内部または周囲の二次流れは、望ましくない渦流をもたらす可能性があり、それは回転する翼形部の出口流れプロファイルにおける渦流スパイクとして現れ、ディフューザの性能に悪影響を及ぼすおそれがある。負圧側面の膨出部、最終段に実装された正圧側面に向かうわずかな傾き、およびハブ領域付近のスロート部の開口を有するノズル設計は、根元反作用を可能にするために使用され、したがって二次流れおよび望ましくない渦流を低減することができる。

ここで図面に見ると、図１は、ターボ機械１０（たとえば、ガスタービンエンジン）の一実施形態を示す図である。図１に示すターボ機械１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、およびタービン１６を含む。空気、またはいくらかの他の気体は、圧縮機１２で圧縮され、燃料と混合され、燃焼器１４に供給され、それから燃焼される。排気流体は、タービン１６に供給され、そこで排気流体からのエネルギーが機械的エネルギーに変換される。タービンは、複数の段１８を含み、それは最終段２０を含む。各段１８は、回転シャフトに結合され、軸方向に整列したブレード、バケット、または翼形部の環状アレイを有し、回転軸２６を中心に回転するロータと、ノズルの環状アレイを有するステータと、を含むことができる。したがって、最終段２０は、最終ノズル段２２および最終翼形部段２４を含むことができる。明確にするために、図１は、軸方向２８、半径方向３２、および円周方向３４を含む座標系を含む。さらに、半径方向平面３０が示されている。半径方向平面３０は、軸方向２８（回転軸２６に沿う）に１つの方向に延び、それから半径方向外側に延びる。

図２は、ノズル３６の一実施形態の正面斜視図（すなわち、ほぼ下流方向を見る）である。最終段２０のノズル３６は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間に半径方向３２に延在するように構成される。各ノズル３６は、翼形形状を有し、排気流体が軸方向２８にタービン１６を通ってほぼ下流側に流れる際に、燃焼器１４からの排気流体と空気力学的に相互作用するように構成することができる。各ノズル３６は、前縁４４と、前縁４４の下流側に軸方向２８に配置された後縁４６と、正圧側面４８と、負圧側面５０と、を有する。正圧側面４８は、前縁４４と後縁４６との間で軸方向２８に延在し、かつ第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間で半径方向３２に延在する。負圧側面５０は、正圧側面４８の反対側に、前縁４４と後縁４６との間で軸方向２８に延在し、かつ第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間で半径方向３２に延在する。最終段２０のノズル３６は、１つのノズル３６の正圧側面４８が隣接するノズル３６の負圧側面５０に対向するように構成される。排気流体がノズル３６間の流路３８に向かって流れ、流路３８を通過する際に、排気流体は、軸方向２８に対してある角運動量を伴って流れるように、ノズル３６と空気力学的に相互作用する。低い根元反作用は、タービンの最終ブレード段２０に強い二次流れおよび望ましくない渦流をもたらす場合があり、最終ブレード段２０の効率およびディフューザの性能を低減させるおそれがある。負圧側面の下部から突出する膨出部５２を有するノズル３６が設けられた最終ノズル段２４は、ハブ領域付近でスロートを開き、（およびいくつかの実施形態では、正圧側面４８に向かうわずかな傾きは）根元反作用を促進するので、二次流れおよび望ましくない渦流を低減させることができる。

図３および図４は、ノズル３６の部分的なアレイの正面斜視図（すなわち、軸方向２８にほぼ下流側を見る）および背面斜視図（すなわち、軸方向２８の反対方向にほぼ上流側を見る）をそれぞれ示し、ノズル３６の部分的なアレイは、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間で半径方向３２に延在し、タービン１６の最終ノズル段２４に負圧側面膨出部５２を有するように設計されている。ノズル３６間の流路３８の幅は、幅Ｗ₁を有するノズル３６の底部付近から開始することに留意されたい。半径方向３２にノズル３６の高さ５４の約２０〜４０％上がったところで膨出部５２が最も大きい場合に流路３８の幅Ｗ₂が最も小さくなり、流路３８の幅Ｗ₃、Ｗ₄は、膨出部５２が弱まるにつれてノズル３６頂部に向かって大きくなる。

図５は、隣接する２つのノズル３６の上面図である。底部ノズル３６の負圧側面５０は、頂部ノズルの正圧側面４８に対向していることに留意されたい。軸方向翼弦５６は、ノズル３６の軸方向の寸法である。１つの段１８の隣接する２つのノズル３６の間の流路３８は、スロートＤ_oを画定し、それは隣接するノズル３６間の流路３８の最も狭い領域で測定される。流体は、軸方向２８に流路３８を通って流れる。ノズル３６の高さに沿ったＤ_oの分布は、図６に関連してより詳細に説明する。所与の高さにおける各ノズル３６の最大厚さを、Ｔ_maxで示す。ノズル３６の高さにわたるＴ_maxの分布は、図７および図８に関連してより詳細に説明する。

図６は、最終段２０の隣接するノズル３６によって画定されたスロートＤ_oの分布のプロット５８であり、曲線６０で示す。縦軸６２、ｘは、半径方向３２における第１の環状壁４０と第２の環状壁との間のパーセントスパン、すなわち半径方向３２におけるノズル３６の高さ５４に沿ったパーセントスパンを表す。すなわち、０％スパンは第１の環状壁４０を表し、１００％スパンは第２の環状壁４２を表し、０％〜１００％の任意の点は、ノズルの高さに沿った半径方向３２の環状壁４０、４２の間のパーセント距離に対応する。横軸６４、ｙは、ノズル３６の高さ全体にわたるＤ_oの平均Ｄ_o,AVGで割った、所与のパーセントスパンにおける隣接する２つのノズル３６間の最短距離Ｄ_oを示す。Ｄ_oをＤ_o,AVGで割ることによって、プロット５８が無次元になるので、ノズル段２２が種々の用途のために拡大または縮小されても曲線６０は変化しない。単一サイズのタービンについて、横軸がＤ_oである同様なプロットを作成することができる。

図６から分かるように、第１の環状壁４０、すなわち点６６から半径方向３２に移動すると、膨出部５２はＤ_oを平均Ｄ_oの約８０％に維持する。膨出部５２のほぼ中間である点６８（たとえば、ノズルの高さ５４の約３０％上方）において膨出部５２が後退し始め、Ｄ_oは第２の環状壁４２、すなわち点７０では平均Ｄ_oの約１．３倍まで成長する。このスロートＤ_oの分布は、最終ブレード段２０の根元反作用を促進し、最終ブレード段の効率およびディフューザの性能を改善して、タービンの動力出力の実質的な増加をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、１．７ＭＷより多く動力出力を増加させることができる。

図７は、Ｔ_max／５０％スパンにおけるＴ_maxの分布のプロット７２を曲線７４で示し、従来の設計７６のノズルと比較している。縦軸７８、ｘは、半径方向３２における第１の環状壁４０と第２の環状壁との間のパーセントスパン、すなわち半径方向３２におけるノズル３６の高さ５４に沿ったパーセントスパンを表す。横軸８０、ｙは、所与のパーセントスパンにおけるノズル３６の最大厚さＴ_maxを５０％スパンにおけるＴ_maxで割った値を表す。Ｔ_maxを５０％スパンにおけるＴ_maxで割ることによって、プロット７２が無次元になるので、ノズル段２２が種々の用途のために拡大または縮小されても曲線７４は変化しない。単一サイズのタービンについて、横軸がＴ_maxである同様なプロットを作成することができる。

図７から分かるように、第１の環状壁４０、すなわち点８２から半径方向３２に移動すると、Ｔ_maxが５０％スパンにおけるＴ_maxの約８３％で開始し、それから速やかに５０％スパンにおけるＴ_maxに近づく。３５％スパンから約６０％スパンまでは、Ｔ_maxは５０％スパンにおけるＴ_maxと実質的に同じである。点８４、すなわち約６０％スパンでは、Ｔ_maxは５０％スパンにおけるＴ_maxから外れて、ノズル２２が第２の環状壁４２、すなわち点８５に到達するまで５０％スパンにおけるＴ_maxより大きいままである。

図８は、Ｔ_max／軸方向翼弦の分布のプロット８６を曲線８８で示し、従来の設計９０のノズルと比較している。縦軸９２、ｘは、半径方向３２における第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間のパーセントスパン、すなわち半径方向３２におけるノズル３６の高さ５４に沿ったパーセントスパンを表す。横軸９４、ｙは、所与のパーセントスパンにおけるノズル３６の最大厚さＴ_maxを、ノズル３６の軸方向２８の寸法である軸方向翼弦５６で割った値を表す。Ｔ_maxを軸方向翼弦５６で割ることによって、プロット８６が無次元になるので、ノズル段２２が種々の用途のために拡大または縮小されても曲線８８は変化しない。

図８から分かるように、第１の環状壁４０、すなわち点９６から半径方向３２に移動すると、Ｔ_maxは従来の設計よりも小さい状態で開始するが、膨出部が点９８において従来の設計から最も外れた状態に達すると、従来の設計よりも大きくなる。点９８から第２の環状壁４２（点１００）までは、Ｔ_maxは従来の設計のＴ_maxに近づく。この最大厚みＴ_maxの分布は、最終ブレード段２０の根元反作用を促進し、最終ブレード段の効率およびディフューザの性能を改善して、タービンの動力出力の実質的な増加をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、１．７ＭＷより多く動力出力を増加させることができる。

図９は、負圧側面５０の膨出部５２を有するノズル３６の側断面図である。図９の点線１０２は、半径方向にスタックされたノズル（すなわち、膨出部５２のない同様のノズル設計）の負圧側面壁１０２を示す。膨出部５２は、１つの方向として半径方向３２に、かつ第２の方向として軸方向２８に回転軸２６から延びる半径方向平面３０を横切る方向に負圧側面５０から突出している。距離１０４は、膨出部５２が最大突出となるノズル３６の高さ５４に沿った点において、膨出部５２のない半径方向にスタックされたノズルの仮定の負圧側面１０２から膨出部が突出している距離を表す。図９に見られるように、膨出部５２は、ノズル３６の高さの約０〜２０％の位置で突出し始めることができる（すなわち、第１の環状壁４０から第２の環状壁４２までのスパンの０〜２０％）。すなわち、膨出部５２を有するノズル３６のプロファイルは、ノズル３６の底部（すなわち、ノズル３６が第１の環状壁４０に接触するところ）からノズル３６の高さ５４の約２０％までの任意の点において半径方向にスタックされたノズルの仮定の負圧側面壁１０２から外れ始めることができる。たとえば、膨出部５２は、ノズル３６の高さ５４の約０％、２％、５％、１５％、もしくは２０％において、またはこれらの間の任意の位置で突出し始めることができる。他の実施形態では、膨出部は、ノズル３６の高さ５４の約１％〜１５％において、またはノズル３６の高さ５４の約５％〜１０％において突出し始めることができる。膨出部５２は、ノズル３６の高さ５４の約０．５％〜１０％において最大突出１０４（すなわち、半径方向にスタックされたノズルの負圧側面壁１０２からの最大偏差）を有することができる。あるいは、最大膨出突出１０４は、ノズル３６の高さ５４の約０．５％〜５．０％、または１．０％〜４．０％であってもよい。膨出部５２は、ノズル３６の高さ５４の約２０％〜４０％（すなわち、第１の環状壁４０から第２の環状壁４２までのスパンの約２０％〜４０％）において最大突出１０４に到達することができる。たとえば、最大膨出突出は、ノズル３６の高さ５４の約２０％、２２％、２４％、２６％、２８％、３０％、３２％、３４％、３８％、もしくは４０％、またはこれらの間の任意の位置で生じることができる。いくつかの実施形態では、膨出部５２は、ノズル３６の高さ５４の約２０％〜４０％、２２％〜３８％、２５％〜３５％、または２８％〜３２％において最大突出１０４に達することができる。最大膨出突出１０４に到達すると、負圧側面膨出部５２を有するノズル３６のプロファイルは、半径方向にスタックされたノズルの負圧側面壁１０２に収束し始める。膨出部５２は、ノズル３６の高さ５４の約５０％〜６０％（すなわち、第１の環状壁４０から第２の環状壁４２までのスパンの約５０％〜６０％）の点において終了する（すなわち、負圧側面膨出部５２を有するノズル３６のプロファイルは、半径方向にスタックされたノズルの負圧側面壁１０２に収束する）ことができる。他の実施形態では、膨出部５２は、ノズル３６の高さ５４の約５２％〜５８％、５３％〜５７％、または５４％〜５６％の点において終了することができる。すなわち、膨出部５２は、ノズル３６の高さ５４の約５０％、５２％、５４％、５６％、５８％、もしくは６０％、またはこれらの間の任意の点で終了することができる。いくつかの実施形態では、膨出部５２は、前縁４４から後縁４６まで、軸方向２８に負圧側面５０の長さ全体に沿って延在することができる。他の実施形態では、膨出部５２は、前縁４４と後縁４６との間で、負圧側面５０の一部のみに沿って延在してもよい。負圧側面５０に膨出部５２を有するノズル３６が設けられた最終段ステータ２２は、根元反作用を促進し、二次流れおよび望ましくない渦流を低減させるのに役立つ。開示された技術を実施することで、最終段およびディフューザの両方の性能を向上させることができ、その結果ターボ機械の出力の実質的な利益を得ることができる。いくつかの実施形態では、開示された技術は、最終ブレード段の性能を約２００ｋＷ以上向上させることができ、またディフューザ性能を約１５００ｋＷ以上向上させることができ、約１７００ｋＷ以上の総利益となる。しかし、開示された技術を実施することで得られる利益は、ターボ機械によって異なる場合があり得ることを理解されたい。

ノズル３６の形状を関節運動させる別の方法は、様々な断面におけるノズルの外周に沿った多数の異なる点のＹ、Ｚ座標を用いる。図１０は、ノズル３６の高さにわたる５つのスパン位置における５つの平面１０６、１１４、１２２、１３０、１３８を示す。平面１０６は６％スパンにあり、平面１１４は２６％スパンにあり、平面１２２は４６％スパンにあり、平面１３０は６６％スパンにあり、平面１３８は８６％スパンにある。ノズルの形状は、これら５つの平面１０６、１１４、１２２、１３０、１３８におけるノズルの断面形状によって画定することができる。これらの平面におけるノズルの断面形状およびノズルの外周のＹ、Ｚ座標は、図１１〜図１５および表１〜表５に示されている。しかし、これは、一実施形態にすぎず、ノズル３６が様々なターボ機械１０（たとえば、５０Ｈｚ機械から６０Ｈｚ機械に、またはギヤボックス機械など）について拡大または縮小されると、寸法が変化する場合があり得ることを理解されたい。

図１１〜図１５は、ノズル３６の高さ５４にわたる様々なスパン位置での５つの平面１０６、１１４、１２２、１３０、１３８におけるノズル３６の外周の形状の断面図である。表１〜表５は、図１１〜図１５に対応し、各々は５つの断面毎にノズル３６の外周の周りの５０個の点のＹ、Ｚ座標を与える。

図１１は、約６％スパンの第１の断面におけるノズル３６の外周または周辺（符号１１２で示す）の断面図を示すプロット１０６である。プロット１０６の横軸は、メートル単位のｙ軸１０８である。プロット１０６の縦軸は、メートル単位のｚ軸１１０であり、図１に示す回転軸２６に対応する。ＸＺ平面は、図１に示す半径方向平面３０に対応する。ノズル３６の外周は、約６％スパンに位置する平面で表される。表１は、約６％スパンに位置する平面におけるノズル３６の外周または周辺１１２に沿って配置された５０個の点のＹ、Ｚ座標を与える。

図１２は、約２６％スパンの第２の断面におけるノズル３６の外周または周辺（符号１２０で示す）の断面図を示すプロット１１４である。プロット１１４の横軸は、メートル単位のｙ軸１１６である。プロット１１４の縦軸は、メートル単位のｚ軸１１８であり、図１に示す回転軸２６に対応する。ＸＺ平面は、図１に示す半径方向平面３０に対応する。ノズル３６の外周は、約２６％スパンに位置する平面で表される。表２は、約２６％スパンに位置する平面におけるノズル３６の外周または周辺１２０に沿って配置された５０個の点のＹ、Ｚ座標を与える。

図１３は、約４６％スパンの第３の断面におけるノズル３６の外周または周辺（符号１２８で示す）の断面図を示すプロット１２２である。プロット１２２の横軸は、メートル単位のｙ軸１２４である。プロット１２２の縦軸は、メートル単位のｚ軸１２６であり、図１に示す回転軸２６に対応する。ＸＺ平面は、図１に示す半径方向平面３０に対応する。ノズル３６の外周は、約４６％スパンにおける平面で表される。表３は、約４６％スパンに位置する平面におけるノズル３６の外周または周辺１２８に沿って配置された５０個の点のＹ、Ｚ座標を与える。

図１４は、約６６％スパンの第４の断面におけるノズル３６の外周または周辺（符号１３６で示す）の断面図を示すプロット１３０である。プロット１３０の横軸は、メートル単位のｙ軸１３２である。プロット１３０の縦軸は、メートル単位のｚ軸１３４であり、図１に示す回転軸２６に対応する。ＸＺ平面は、図１に示す半径方向平面３０に対応する。ノズル３６の外周は、約６６％スパンにおける平面で表される。表４は、約６６％スパンに位置する平面におけるノズル３６の外周または周辺１３６に沿って配置された５０個の点のＹ、Ｚ座標を与える。

図１５は、約８６％スパンの第５の断面におけるノズル３６の外周または周辺（符号１４４で示す）の断面図を示すプロット１３８である。プロット１３８の横軸は、メートル単位のｙ軸１４０である。プロット１３８の縦軸は、メートル単位のｚ軸１４２であり、図１に示す回転軸２６に対応する。ＸＺ平面は、図１に示す半径方向平面３０に対応する。ノズル３６の外周は、約８６％スパンに位置する平面で表される。表５は、約８６％スパンに位置する平面におけるノズル３６の外周または周辺１４４に沿って配置された５０個の点のＹ、Ｚ座標を与える。

負圧側面膨出部は、図１２および図１３に見ることができることに留意されたい。さらに、正圧側面の傾きは、断面が第１の環状壁４０から第２の環状壁４２まで進むにつれて、ノズル３６の外周のプロットが正圧側面４８に向かって負のｙ方向にシフトしていることで分かる。

図１１〜図１５に関して説明したように、いくつかの実施形態では、半径方向にスタックされた翼形部１４６と比較して、ノズル３６は、正圧側面４８に対して傾斜してまたは傾いていることができる。図１６は、半径方向にスタックされた翼形部１４６と比較して、正圧側面４８に向かって傾斜したノズル３６の概略図を示す。すなわち、ノズル３６は、半径方向平面３０から正圧側面４８に向かって（すなわち、円周方向３４に）傾き角度１４８を有することができる。図１６は正確な縮尺ではなく、明確にするために、いくつかの実施形態で見ることができるよりも多くのまたは少ない傾き１４８を示している場合があることに留意されたい。半径方向にスタックされた翼形部１４６は、半径方向平面３０に沿って半径方向３２に延在する長手方向軸を有し、タービン１６の回転軸２６と交差することができる。対照的に、ノズル３６の長手方向軸１５０は、半径方向平面３０からノズル３６の正圧側面４８に向かって角度１４８だけ傾斜することができる。ノズルの長手方向軸１５０は、第１の環状壁４０またはその近傍の点１５２において半径方向平面３０と交差することができ、タービン１６の回転軸２６と交差しなくてもよい。

図１７は、半径方向にスタックされた翼形部１４６と比較して、正圧側面４８の約３度の傾き１４８を有するノズル３６の斜視図を示す。すなわち、ノズル３６は、半径方向平面３０から正圧側面４８に向かって（すなわち、円周方向３４に）３度傾斜することができる。傾き１４８は、０〜５度のいずれであってもよい。図１７に示す実施形態では、正圧側面４８の傾き１４８は３度である。しかし、傾き１４８は、正圧側面４８に向かう約０〜５度の任意の角度の傾きであってもよいことを理解されたい。正圧側面４８の傾き１４８を有するノズル３６は、段２４を通過する流体に体積力を及ぼし、ハブに向かって半径方向に流体を押し出す。ハブに向かって流体を押すことにより、根元反作用を増加させる。このように、負圧側面５０の膨出部５２および正圧側面４８の傾き１４８を有するノズル３６は、最終ブレード段２０の根元反作用を増加させて、二次流れおよび渦流を低減し、最終ブレード段２０の効率を向上させ、さらにディフューザの性能を向上させる。

開示された実施形態の技術的効果は、二次流れおよび望ましくない渦流の両方の低減を含む。いくつかの実施形態では、開示された技術は、最終ブレード段の性能を約２００ｋＷ以上向上させることができ、またディフューザ性能を約１５００ｋＷ以上向上させることができ、約１７００ｋＷ以上の総利益となる。しかし、開示された技術を実施することで得られる利益は、ターボ機械によって異なる場合があり得ることを理解されたい。

本明細書は、特許請求する主題を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本主題を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。特許請求する主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
タービン（１６）内に配置されるように構成されたタービンノズル（３６）であって、
軸方向（２８）に前記タービンノズル（３６）の長手方向軸（１５０）を横切るように前記タービンノズル（３６）の前縁（４４）と前記タービンノズル（３６）の後縁（４６）との間に延在し、かつ前記長手方向軸（１５０）に沿って半径方向（３２）に前記タービンノズル（３６）の高さ（５４）を延長する負圧側面（５０）と、
前記負圧側面（５０）の反対側に配置され、前記軸方向（２８）に前記タービンノズル（３６）の前記前縁（４４）と前記タービンノズル（３６）の前記後縁（４６）との間に延在し、かつ前記半径方向（３２）に前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）を延長する正圧側面（４８）と、
前記半径方向（３２）および前記軸方向（２８）の両方を横切る方向に前記負圧側面（５０）の他の部分に対して突出して、前記タービンノズル（３６）の前記負圧側面（５０）に配置された膨出部（５２）と、を含み、
前記タービンノズル（３６）は、表１に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って第１の位置において第１の断面（１０６）で画定された第１の外周（１１２）を有する、タービンノズル（３６）。
［実施態様２］
実施態様１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表２に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１の位置と異なる第２の位置において第２の断面（１１４）で画定された第２の外周（１２０）を有する、タービンノズル（３６）。
［実施態様３］
実施態様２に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表３に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１および第２の位置のいずれとも異なる第３の位置において第３の断面（１２２）で画定された第３の外周（１２８）を有する、タービンノズル（３６）。
［実施態様４］
実施態様３に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表４に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、および第３の位置のいずれとも異なる第４の位置において第４の断面（１３０）で画定された第４の外周（１３６）を有する、タービンノズル（３６）。
［実施態様５］
実施態様４に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表５に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、第３、および第４の位置のいずれとも異なる第５の位置において第５の断面（１３８）で画定された第５の外周（１４４）を有する、タービンノズル（３６）。
［実施態様６］
実施態様５に記載のタービンノズル（３６）であって、前記膨出部（５２）は、前記ノズルの前記高さ（５４）の第１の割合の開始高さで突出を開始し、前記ノズルの前記高さ（５４）の第２の割合の最大突出（１０４）に到達し、前記ノズルの前記高さ（５４）の第３の割合の終了高さで突出を終える、タービンノズル（３６）。
［実施態様７］
実施態様１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記膨出部（５２）は、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の前記負圧側面（５０）の長さの少なくとも１／２より長く延在する、タービンノズル（３６）。
［実施態様８］
実施態様１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記膨出部（５２）は、前記負圧側面（５０）の長さ全体に沿って延在する、タービンノズル（３６）。
［実施態様９］
実施態様１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記ノズルは、前記半径方向（３２）に前記タービンの回転軸（２６）から延びる平面に対して前記正圧側面（４８）への傾き（１４８）を有する、タービンノズル（３６）。
［実施態様１０］
実施態様９に記載のタービンノズル（３６）であって、前記正圧側面（４８）への前記傾き（１４８）は、約０度よりも大きく、かつ約５度以下である、タービンノズル（３６）。
［実施態様１１］
システムであって、
タービン（１６）を含み、前記タービン（１６）は、
第１の環状壁（４０）と、
第２の環状壁（４２）と、
前記タービン（１６）の回転軸（２６）を中心に前記第１の環状壁（４０）と前記第２の環状壁（４２）との間に環状に配置された複数のノズルを含む最終段（２０）と、を含み、前記複数のノズルの各ノズルは、
前記第１の環状壁（４０）と前記第２の環状壁（４２）との間に延びる高さ（５４）と、
前縁（４４）と、
前記前縁（４４）の下流に配置された後縁（４６）と、
軸方向（２８）に前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間に延在し、かつ半径方向（３２）に前記ノズルの前記高さ（５４）を延長する負圧側面（５０）と、
前記負圧側面（５０）の反対側に配置され、前記軸方向（２８）に前記ノズルの前記前縁（４４）と前記ノズルの前記後縁（４６）との間に延在し、かつ前記半径方向（３２）に前記ノズルの前記高さ（５４）を延長する正圧側面（４８）と、
前記回転軸（２６）から延びる半径方向平面（３０）を横切る方向に突出する前記ノズルの前記負圧側面（５０）に配置された膨出部（５２）と、
表１に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って第１の位置において第１の断面（１０６）で画定された第１の外周（１１２）と、を含む、システム。
［実施態様１２］
実施態様１１に記載のシステムであって、前記複数のノズルの各ノズルは、表２に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１の位置と異なる第２の位置において第２の断面（１１４）で画定された第２の外周（１２０）を含む、システム。
［実施態様１３］
実施態様１２に記載のシステムであって、前記複数のノズルの各ノズルは、表３に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１および第２の位置のいずれとも異なる第３の位置において第３の断面（１２２）で画定された第３の外周（１２８）を含む、システム。
［実施態様１４］
実施態様１３に記載のシステムであって、前記複数のノズルの各ノズルは、表４に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、および第３の位置のいずれとも異なる第４の位置において第４の断面（１３０）で画定された第４の外周（１３６）を含む、システム。
［実施態様１５］
実施態様１４に記載のシステムであって、前記複数のノズルの各ノズルは、表５に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、第３、および第４の位置のいずれとも異なる第５の位置において第５の断面（１３８）で画定された第５の外周（１４４）を含む、システム。
［実施態様１６］
実施態様１１に記載のシステムであって、前記前縁（４４）および前記後縁（４６）は、前記半径方向（３２）に前記回転軸（２６）から延びる前記半径方向平面（３０）に対して前記正圧側面（４８）に向かう傾き（１４８）を有する、システム。
［実施態様１７］
実施態様１６に記載のシステムであって、前記複数のノズルの各ノズルは、前記半径方向平面（３０）に対して約３度だけ前記正圧側面（４８）に向かって傾斜している、システム。
［実施態様１８］
実施態様１１に記載のシステムであって、前記膨出部（５２）の最大突出（１０４）は、前記ノズルの前記高さ（５４）の約０．５％〜約５．０％である、システム。
［実施態様１９］
実施態様１１に記載のシステムであって、前記膨出部（５２）の最大突出（１０４）は、前記ノズルの前記高さ（５４）の約２０％〜約４０％で生じる、システム。
［実施態様２０］
システムであって、
タービン（１６）を含み、前記タービン（１６）は、
第１の環状壁（４０）と、
第２の環状壁（４２）と、
前記タービン（１６）の回転軸（２６）を中心に前記第１の環状壁（４０）と前記第２の環状壁（４２）との間に環状に配置された複数のノズルを含む最終段（２０）と、を含み、前記複数のノズルの各ノズルは、
前記第１の環状壁（４０）と前記第２の環状壁（４２）との間の高さと、
前縁（４４）と、
前記前縁の下流に配置された後縁（４６）と、
軸方向（２８）に前記前縁と前記後縁（４６）との間に延在し、かつ半径方向（３２）に前記ノズルの前記高さ（５４）を延長する負圧側面（５０）と、
前記負圧側面（５０）の反対側に配置され、前記軸方向（２８）に前記ノズルの前記前縁（４４）と前記ノズルの前記後縁（４６）との間に延在し、かつ前記半径方向（３２）に前記ノズルの前記高さ（５４）を延長する正圧側面（４８）と、
前記回転軸（２６）から延びる半径方向平面（３０）を横切る方向に突出する前記ノズルの前記負圧側面（５０）に配置された膨出部（５２）と、
表１に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って第１の位置において第１の断面（１０６）で画定された第１の外周（１１２）と、
表２に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１の位置と異なる第２の位置において第２の断面（１１４）で画定された第２の外周（１２０）と、
表３に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１および第２の位置のいずれとも異なる第３の位置において第３の断面（１２２）で画定された第３の外周（１２８）と、
表４に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、および第３の位置のいずれとも異なる第４の位置において第４の断面（１３０）で画定された第４の外周（１３６）と、
表５に記載した選択された座標により、前記複数のノズルの各ノズルの前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、第３、および第４の位置のいずれとも異なる第５の位置において第５の断面（１３８）で画定された第５の外周（１４４）と、を含み、
前記複数のノズルの各ノズルは、前記正圧側面（４８）に向かって前記半径方向平面（３０）に対して傾斜している、システム。

１０ターボ機械
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
１８段
２０最終ブレード段
２２、２４最終ノズル段
２６回転軸
２８軸方向
３０半径方向平面
３２半径方向
３４円周方向
３６ノズル
３８流路
４０第１の環状壁
４２第２の環状壁
４４前縁
４６後縁
４８正圧側面
５０負圧側面
５２膨出部
５４高さ
５６軸方向翼弦
５８、７２、８６プロット
６０、７４、８８曲線
６２、７８、９２縦軸
６４、８０、９４横軸
６６、６８、７０、８２、８４、８５、９６、９８、１００、１５２点
７６、９０従来の設計
１０２仮定の負圧側面壁
１０４最大膨出突出
１０６、１１４、１２２、１３０、１３８平面
１０８、１１６、１２４、１３２、１４０ｙ軸
１１０、１１８、１２６、１３４、１４２ｚ軸
１１２、１２０、１２８、１３６、１４４外周または周辺
１４６半径方向にスタックされた翼形部
１４８傾き
１５０長手方向軸

Claims

タービン（１６）内に配置されるように構成されたタービンノズル（３６）であって、
軸方向（２８）に前記タービンノズル（３６）の長手方向軸（１５０）を横切るように前記タービンノズル（３６）の前縁（４４）と前記タービンノズル（３６）の後縁（４６）との間に延在し、かつ前記長手方向軸（１５０）に沿って半径方向（３２）に前記タービンノズル（３６）の高さ（５４）を延長する負圧側面（５０）と、
前記負圧側面（５０）の反対側に配置され、前記軸方向（２８）に前記タービンノズル（３６）の前記前縁（４４）と前記タービンノズル（３６）の前記後縁（４６）との間に延在し、かつ前記半径方向（３２）に前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）を延長する正圧側面（４８）と、
前記半径方向（３２）および前記軸方向（２８）の両方を横切る方向に前記負圧側面（５０）の他の部分に対して突出して、前記タービンノズル（３６）の前記負圧側面（５０）に配置された膨出部（５２）と、を含み、
前記タービンノズル（３６）は、表１に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って第１の位置において第１の断面（１０６）で画定された第１の外周（１１２）を有する、タービンノズル（３６）。
請求項１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表２に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１の位置と異なる第２の位置において第２の断面（１１４）で画定された第２の外周（１２０）を有する、タービンノズル（３６）。
請求項２に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表３に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１および第２の位置のいずれとも異なる第３の位置において第３の断面（１２２）で画定された第３の外周（１２８）を有する、タービンノズル（３６）。
請求項３に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表４に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、および第３の位置のいずれとも異なる第４の位置において第４の断面（１３０）で画定された第４の外周（１３６）を有する、タービンノズル（３６）。
請求項４に記載のタービンノズル（３６）であって、前記タービンノズル（３６）は、表５に記載した選択された座標により、前記タービンノズル（３６）の前記高さ（５４）に沿って前記第１、第２、第３、および第４の位置のいずれとも異なる第５の位置において第５の断面（１３８）で画定された第５の外周（１４４）を有する、タービンノズル（３６）。
請求項５に記載のタービンノズル（３６）であって、前記膨出部（５２）は、前記ノズルの前記高さ（５４）の第１の割合の開始高さで突出を開始し、前記ノズルの前記高さ（５４）の第２の割合の最大突出（１０４）に到達し、前記ノズルの前記高さ（５４）の第３の割合の終了高さで突出を終える、タービンノズル（３６）。
請求項１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記膨出部（５２）は、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の前記負圧側面（５０）の長さの少なくとも１／２より長く延在する、タービンノズル（３６）。
請求項１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記膨出部（５２）は、前記負圧側面（５０）の長さ全体に沿って延在する、タービンノズル（３６）。
請求項１に記載のタービンノズル（３６）であって、前記ノズルは、前記半径方向（３２）に前記タービンの回転軸（２６）から延びる平面に対して前記正圧側面（４８）への傾き（１４８）を有する、タービンノズル（３６）。
請求項９に記載のタービンノズル（３６）であって、前記正圧側面（４８）への前記傾き（１４８）は、約０度よりも大きく、かつ約５度以下である、タービンノズル（３６）。