JP2017089629A

JP2017089629A - ディフューザ性能を最適にするための最終段エーロフォイルの設計

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Publication number: JP2017089629A
Application number: JP2016211156A
Authority: JP
Inventors: スミク・クマール・バウミック; Kumar Bhaumik Soumyik; ブライアン・デンヴァー・ポッター; Brian Denver Potter; ロヒト・チョハン; Rohit Chouhan; ジョージア・フレミング・ブラント; Fleming Brunt Georgia
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2017-05-25
Also published as: US20170130587A1; CN106948865A; EP3165714A1

Abstract

【課題】望ましいタービンの出口流れのプロファイルを生成すること。【解決手段】タービンエーロフォイルは、負圧側５０と圧力側４８と、負圧側に配置された第１の隆起部５２または圧力側に配置された第２の隆起部５４またはそれらの両方とを含む。負圧側はタービンエーロフォイルの前縁４４とタービンエーロフォイルの後縁４６との間を軸方向にかつタービンエーロフォイルの長手方向軸を横切って延在する。圧力側は負圧側の反対側に配置され、タービンエーロフォイルの前縁とタービンエーロフォイルの後縁との間を軸方向に延在する。第１の隆起部はタービンエーロフォイルの負圧側に配置され、負圧側の他の部分に対して半径方向および軸方向ともに横切る第１の方向に隆起する。第２の隆起部はタービンエーロフォイルの圧力側に配置され、圧力側の他の部分に対して半径方向および軸方向ともに横切り、第１の方向と反対の第２の方向に隆起する。【選択図】図２

Description

本明細書で開示する主題はターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械のタービンの最終段エーロフォイルに関する。

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、タービン、およびディフューザを含む場合がある。ガスは圧縮機で圧縮され、燃料と混合され、次いで燃焼器内に供給され、ここでガス／燃料混合物が燃焼される。次いで、高温で高エネルギーの排出流体はタービンに供給され、ここで流体のエネルギーは機械的エネルギーに変換される。タービンの出口では、流体はディフューザに入り、ここで流体の速度は下がって、流体の圧力が上がる。タービンの出口およびディフューザの入口での２次流れ、パージ流れ、および／またはスワールはディフューザの性能に悪影響を及ぼす場合がある。

米国特許出願公開第２０１３／０１０４５６６号明細書

本来、特許請求され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することを意図するものではなく、むしろ、これらの実施形態は、特許請求する主題の可能な形態の簡潔な概要を提供することだけを意図する。実際、特許請求する主題は、下記に説明する実施形態と同様な、または異なる様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態では、システムは、タービンに配置されるように構成されたタービンエーロフォイルを含む。エーロフォイルは、負圧側と、圧力側と、負圧側に配置された第１の隆起部、または圧力側に配置された第２の隆起部、またはそれらの両方とを含む。負圧側は、タービンエーロフォイルの前縁とタービンエーロフォイルの後縁との間を軸方向に、かつタービンエーロフォイルの長手方向軸を横切って延在し、さらに長手方向軸に沿って半径方向にタービンエーロフォイルの高さを延在する。圧力側は、負圧側の反対側に配置され、タービンエーロフォイルの前縁とタービンエーロフォイルの後縁との間を軸方向に延在し、かつ半径方向にエーロフォイルの高さを延在する。第１の隆起部は、タービンエーロフォイルの負圧側に配置され、負圧側の他の部分に対して半径方向および軸方向ともに横切る第１の方向に隆起する。第２の隆起部は、タービンエーロフォイルの圧力側に配置され、圧力側の他の部分に対して半径方向および軸方向ともに横切り、第１の方向と反対の第２の方向に隆起する。

第２の実施形態では、装置は、第１の環状壁と、第２の環状壁と、最終段とを含むタービンを含む。最終段は、タービンの回転軸の周りに第１の環状壁と第２の環状壁との間を環状に配置された複数のエーロフォイルを含む。複数のエーロフォイルの各エーロフォイルは、第１の環状壁と第２の環状壁との間を延在する高さと、前縁と、前縁の下流に配置された後縁と、前縁と後縁との間を軸方向に延在し、エーロフォイルの高さを半径方向に延在する負圧側と、負圧側の反対側に配置され、エーロフォイルの前縁とエーロフォイルの後縁との間を軸方向に延在し、エーロフォイルの高さを半径方向に延在する圧力側と、回転軸から延在するラジアル平面を横切る第１の方向に隆起した、エーロフォイルの負圧側に配置された第１の隆起部、または回転軸から延在するラジアル平面を横切り、第１の方向と反対の第２の方向に隆起した、エーロフォイルの圧力側に配置された第２の隆起部、またはそれらの両方とを含む。

第３の実施形態では、ターボ機械は、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。タービンは、回転軸の周りに配置された複数のエーロフォイルを含む。複数のエーロフォイルの各エーロフォイルは、負圧側と、圧力側と、負圧側に配置された第１の隆起部、または圧力側に配置された第２の隆起部、またはそれらの両方とを含む。負圧側は、エーロフォイルの前縁とエーロフォイルの後縁との間を軸方向に、かつエーロフォイルの長手方向軸を横切って延在し、さらに長手方向軸に沿って半径方向にエーロフォイルの高さを延在する。圧力側は、負圧側の反対側に配置され、エーロフォイルの前縁とエーロフォイルの後縁との間を軸方向に延在し、かつ半径方向にエーロフォイルの高さを延在する。第１の隆起部は、エーロフォイルの負圧側に配置され、負圧側の他の部分に対して半径方向および軸方向ともに横切る第１の方向に隆起する。第２の隆起部は、エーロフォイルの圧力側に配置され、圧力側の他の部分に対して半径方向および軸方向ともに横切り、第１の方向と反対の第２の方向に隆起する。

本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様な符号が同様な部品を示す添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解できるであろう。

本開示の態様によるターボ機械の一実施形態の図である。本開示の態様による最終段エーロフォイルの実施形態の斜視図である。本開示の態様による隣接する２つのエーロフォイルの上面図である。本開示の態様によるスロートの分布のプロットである。本開示の態様による軸方向翼弦長の分布のプロットである。本開示の態様による最大厚さの分布のプロットである。本開示の態様による軸方向翼弦長で割った最大厚さの分布のプロットである。本開示の態様による最終段エーロフォイルの一実施形態の断面図である。本開示の態様によるディフューザの入口における正規化された全圧（絶対圧）（ＰＴＡ：ｔｏｔａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｂｓｏｌｕｔｅ）のプロファイルのプロットである。本開示の態様によるディフューザの入口におけるスワールのプロファイルのプロットである。本開示の態様によるターボ機械のディフューザの圧力回復係数（Ｃ_p）のプロットである。

本開示の１つまたは複数の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書で説明するわけではない。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトにおけるように、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わり得る開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを認識すべきである。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを認識すべきである。

本主題の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素のうちの１つまたは複数があることを意味することを意図する。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。

ガスタービンエンジンでは燃焼の後、排出流体は燃焼器を出てタービンに入る。タービン出口流れのプロファイル（すなわち、全圧およびスワールの半径方向のプロファイル）は、ディフューザ性能の指標とすることができる。タービンの最終段の翼根では反動度が低いため、強い２次流れ（すなわち、主流方向に対して横切る流れ）および／またはパージ流れが生じる場合があり、これらによってディフューザの入口で望ましくない全圧（絶対圧）（ＰＴＡ）のプロファイルおよびスワールのプロファイルになる場合がある。さらに、エーロフォイルの共振振動数を注意深く選ばなければ、エーロフォイルの共振振動数が励振源と共振する場合があり、その結果、エーロフォイルに過度な応力がかかり、構造的な損傷につながる場合がある。約６０％スパンにおいて増厚部を有する最終段エーロフォイルの設計を用いて、望ましいタービン出口流れのプロファイルを生成し、２次流れを制御すること、および振動数が励振源と共振することを避けることができる。

次に図面を参照すると、図１はターボ機械１０（例えば、ガスタービンエンジン）の一実施形態の図である。図１に示すターボ機械１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、およびディフューザ１７を含む。空気、または他の何らかのガスは、圧縮機１２で圧縮され、燃料と混合され、燃焼器１４内に供給され、次いで燃焼される。排出流体はタービン１６に供給され、ここで排出流体からのエネルギーは機械的エネルギーに変換される。タービン１６は、最終段２０を含む複数の段１８を含む。各段１８は、ロータおよびステータを含むことができ、ロータ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、またはエーロフォイルの環状列を有し、回転軸２６の周りに回転し、ステータはノズルの環状列を有する。したがって、最終段２０は、最終段ノズル２２および最終段エーロフォイル２４を含むことができる。説明を明瞭にするために、図１は、軸方向２８、半径方向３２、および周方向３４を含む座標系を含む。さらに、ラジアル平面３０が示されている。ラジアル平面３０は、１つの方向では軸方向２８に（回転軸２６に沿って）延在し、さらに半径方向３２に外向きに延在する。

図２は、最終段エーロフォイル３６の実施形態の斜視図（すなわち、概ね下流方向に見た図）である。最終段２０のエーロフォイル３６は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間を半径方向３２に延在する。エーロフォイル３６は、ハブ（例えば、第１の環状壁４０）の周りを周方向３４に配置される。各エーロフォイル３６は翼型の形状を有して、燃焼器１４からの排出流体がタービン１６を通って概ね軸方向２８下流に流れるときに、排出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。各エーロフォイル３６は、前縁４４、前縁４４の軸方向２８下流に配置された後縁４６、圧力側４８、および負圧側５０を有する。圧力側４８は、前縁４４と後縁４６との間を軸方向２８に延在し、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間を半径方向３２に延在する。負圧側５０は、圧力側４８の反対側を、前縁４４と後縁４６との間を軸方向２８に延在し、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間を半径方向３２に延在する。最終段２０のエーロフォイル３６は、１つのエーロフォイル３６の圧力側４８が、隣接するエーロフォイル３６の負圧側５０に面するように構成される。排出流体がエーロフォイル３６間の通路３８に向かって、かつそれを通って流れる際、排出流体はエーロフォイル３６と空気力学的に相互作用し、その結果、排出流体は軸方向２８に対して角運動量をもって流れる。スパンの約６０％において増厚部を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４は、励振源との共振を避けるように共振振動数を調整することによって、エーロフォイル３６の構造的健全性を改善することに役立つことができる。ここで、スパンとは、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２の距離である（例えば、エーロフォイルの翼根では０％スパンとなり、エーロフォイルの翼端では１００％スパンとなる）。増厚部５３は、負圧側５０の隆起部５２、圧力側４８の隆起部５４、またはそれら両方として現すことができる。

図３は、隣接する２つのエーロフォイル３６の上面図である。下のエーロフォイル３６の負圧側５０が上のエーロフォイル３６の圧力側４８に面していることに留意されたい。軸方向翼弦長５６は、エーロフォイル３６の軸方向２８の寸法である。段１８の隣接する２つのエーロフォイル３６間の通路３８は、隣接するエーロフォイル３６間の通路３８の最も狭い場所で測られたスロートＤ₀の分布を画定する。流体は、通路３８を通って軸方向２８に流れる。第１の環状壁４０から第２の環状壁４２までのスパンにわたるこのスロートＤ₀の分布は、図４に関してより詳細に論じられる。軸方向翼弦長５６の分布は、図５に関して論じられる。スパンの所与のパーセントにおける各エーロフォイル３６の最大厚さはＴ_maxとして示されている。エーロフォイル３６の高さにわたるＴ_maxの分布は、図６および７に関してより詳細に論じられる。

図４は、最終段エーロフォイル２４の隣接するエーロフォイル３６によって画定されたスロートＤ₀の分布のプロット５８であり、曲線６０として示されている。水平軸６２のｘは、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２のスパンのパーセントを表している。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％と１００％との間の任意の点は、環状壁４０と環状壁４２との間のエーロフォイルの高さに沿った半径方向３２の距離のパーセントに相当する。垂直軸６４のｙは、５０％スパンにおけるＤ₀であるＤ_{0 Pitch}で割ったスパンの所与のパーセントにおける隣接する２つのエーロフォイル３６間の最短の距離Ｄ₀を表している。Ｄ₀をＤ_{0 Pitch}で割ることにより、プロット５８は無次元となり、したがって、曲線６０は、異なる用途に対してエーロフォイル段２４をスケールアップまたはスケールダウンしたときも同じままである。タービンの寸法がただ１つの場合には、垂直軸を単にＤ₀としても同様のプロットとなる。

図４で分かるように、第１の環状壁４０すなわち点６６から半径方向３２に移動していくと、点６８すなわち約５５％スパン近くで曲線６０は水平になり始める。これは、エーロフォイルの増厚部５３を表している。点７０（例えば、ほぼ６５％スパン）の近くで、スロートの分布は増加し始める。点７２（ほぼ７５％スパン）近くでは、エーロフォイルの増厚部によるスロートの分布の平坦な箇所はほとんど完全に後退してしまう。点７４で第２の環状壁４２となる。図４に示すスロートの分布は、２つの点でディフューザ性能を改善することに役立つことができる。第１に、このスロートの分布は、望ましいタービン１６出口流れのプロファイル（例えば、図９に示すＰＴＡのプロファイル、および図１０に示すスワールのプロファイル）を生成することに役立つ。第２に、図４に示すスロートの分布は、第１の環状壁４０（例えば、ハブ）近くの２次流れ（例えば、主流方向に対して横切る流れ）および／またはパージ流れを制御することに役立つことができる。

図５は、ハブにおける（すなわち、０％スパンにおける）軸方向翼弦長５６で割ったスパンの所与のパーセントにおける軸方向翼弦長５６の分布のプロット７６であり、曲線７８として示されている。水平軸８０のｘは、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２のスパンのパーセントを表している。垂直軸８２のｙは、ハブにおける軸方向翼弦長で割った軸方向翼弦長を表す。軸方向翼弦長をハブにおける軸方向翼弦長で割ることにより、プロット７６は無次元となり、したがって、曲線７８は、異なる用途に対してエーロフォイル段２４をスケールアップまたはスケールダウンしたときも同じままである。タービン１６の寸法がただ１つである場合には、垂直軸を単にスパンの所与のパーセントにおける軸方向翼弦長５６としても同様のプロットとなる。

図５で分かるように、第１の環状壁４０すなわち点８４から半径方向３２に移動していくと、点８６すなわち約５５％スパンのすぐ前で、翼弦長５６の分布は直線状のエーロフォイルから拡がり始める。点８８（例えば、ほぼ６５％スパン）の近くで、翼弦長５６は最大になり、それからよりきつい傾斜で後退し始める。点９０（ほぼ７５％スパン）近くで、翼弦長５６はほとんど完全に後退してしまう。点９２で第２の環状壁４２となる。これの代わりに、エーロフォイル３６の形状は、増厚部５３によって隔てられた２つの非直線状に漸減する部分として説明することができる。図５に示すように、第１の非直線状に漸減する部分は、０％スパン（点８４）から約５５％スパン（点８６の直前）で生じる。第１の非直線状に漸減する部分の端部は増厚部５３に移行する。次いで、翼弦長は、約６５％スパン（点８８）から１００％スパン（点９２）で生じる第２の非直線状に漸減する部分に移行する。図５に示す軸方向翼弦長の分布を有する最終段エーロフォイルの設計は、励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を調整することに役立つことができる。例えば、直線状に設計したエーロフォイルでは４００Ｈｚの共振振動数であるが、６５％スパン近くに増厚部５３を有するエーロフォイル３６では共振振動数は４５０Ｈｚにすることができる。励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を注意深く調整しなければ、運転することによって、エーロフォイル３６に過度な応力がかかり、構造的な損傷が生じる可能性がある。したがって、図５に示す軸方向翼弦長の分布を有するエーロフォイル３６の設計は、エーロフォイル３６の運転寿命を延ばすことができる。

図６は、Ｔ_max／５０％スパンにおけるＴ_maxの分布のプロット９４であり、曲線９６として示されている。水平軸９８のｘは、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２のスパンのパーセントを表している。垂直軸１００のｙは、５０％スパンにおけるＴ_maxで割ったスパンの所与のパーセントにおけるエーロフォイル３６の最大厚さＴ_maxを表している。Ｔ_maxを５０％スパンにおけるＴ_maxで割ることにより、プロット９４は無次元となり、したがって、曲線９６は、異なる用途に対してエーロフォイル段２４をスケールアップまたはスケールダウンしたときも同じままである。タービン１６の寸法がただ１つである場合には、垂直軸を単にＴ_maxとしても同様のプロットとなる。

図６で分かるように、第１の環状壁４０すなわち点１０２から半径方向３２に移動していくと、Ｔ_max／５０％スパンにおけるＴ_{max pitch}の値は着実に下がっている。点１０４すなわち約５０％スパンの直前で、Ｔ_maxは拡がり始める。点１０６（例えば、ほぼ６５％スパン）の近くで、Ｔ_maxは最大となり、それから後退し始める。点１０８（ほぼ８０％スパン）近くで、Ｔ_maxはほとんど完全に後退してしまう。点１１０で第２の環状壁４２となる。図５に関して論じたように、エーロフォイル３６の形状は、これの代わりに、増厚部５３によって隔てられた２つの非直線状に漸減する部分として説明することができる。図６では、第１の非直線状に漸減する部分は、０％スパン（点１０２）から約５５％スパン（点１０４の直前）で生じる。第１の非直線状に漸減する部分の端部は増厚部５３に移行する。次いで、増厚部は、約６５％スパン（点１０６）から１００％スパン（点１１０）で生じる第２の非直線状に漸減する部分に移行する。図６に示すＴ_maxの分布を有する最終段エーロフォイルの設計は、励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を調整することに役立つことができる。したがって、図６に示すＴ_maxの分布を有するエーロフォイル３６の設計は、エーロフォイル３６の運転寿命を延ばすことができる。

図７は、Ｔ_max／軸方向翼弦長の分布のプロット１１２であり、曲線１１４として示されている。水平軸１１６のｘは、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２のスパンのパーセントを表している。垂直軸１１８のｙは、エーロフォイル３６の軸方向２８の寸法である軸方向翼弦長５６で割ったスパンの所与のパーセントにおけるエーロフォイル３６の最大厚さ、Ｔ_max／軸方向翼弦長を表している。Ｔ_maxを軸方向翼弦長５６で割ることにより、プロット１１２は無次元となり、したがって、曲線１１４は、異なる用途に対してエーロフォイル段２４をスケールアップまたはスケールダウンしたときも同じままである。

図７で分かるように、第１の環状壁４０すなわち点１２０から半径方向３２に移動していくと、Ｔ_max／軸方向翼弦長は着実に小さくなり、その後、点１２２、１２４、および１２６で表された増厚部５３が外向きに隆起する。Ｔ_max／軸方向翼弦長は点１２４で隆起が最大に達し、それから後退する。点１２８で、エーロフォイル３６は第２の環状壁４２に合致する。図５および６に関して論じたように、エーロフォイル３６の形状は、これの代わりに、増厚部５３によって隔てられた２つの非直線状に漸減する部分として説明することができる。図７では、第１の非直線状に漸減する部分は、０％スパン（点１２０）から約５５％スパン（点１２２の直前）で生じる。第１の非直線状に漸減する部分の端部は増厚部５３に移行する。次いで、増厚部は、約６５％スパン（点１２４）から１００％スパン（点１２８）で生じる第２の非直線状に漸減する部分に移行する。図７に示すＴ_max／軸方向翼弦長の分布を有する最終段エーロフォイルの設計は、励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を調整することに役立つことができる。したがって、図７に示すＴ_max／軸方向翼弦長の分布を有するエーロフォイル３６の設計は、エーロフォイル３６の運転寿命を延ばすことができる。

図４に関して論じたＤ₀の分布のエーロフォイルを有する最終段は、２次流れを減らし、望ましいＰＴＡおよびスワールのプロファイルを生成することに役立つ。２次流れを減らし、望ましいＰＴＡおよびスワールのプロファイルを生成することによって、開示した最終段エーロフォイルの設計は、ディフューザ性能を改善することができ、その結果、タービン１６の出力を実質的に増大させることができる。図５〜７にそれぞれ示すＴ_maxおよび軸方向翼弦長の分布を有する最終段エーロフォイルの設計は、励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を調整することに役立つことができる。励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を注意深く調整しなければ、運転することによって、エーロフォイル３６に過度な応力がかかり、構造的な損傷が生じる可能性がある。したがって、図５〜７にそれぞれ示すＴ_maxおよび軸方向翼弦長の分布を有するエーロフォイル３６の設計は、エーロフォイル３６の運転寿命を延ばすことができる。

図８は、高さ１２９を有し、かつ高さ１２９の約６０％のところで増厚部５３（負圧側の隆起部５２、および圧力側の隆起部５４を含む）を有するエーロフォイル３６の側面断面図である。増厚部５３は、図８では、負圧側隆起部５２および圧力側隆起部５４として現れているが、増厚部を中央に配置することができ、あるいは負圧側５０または圧力側４８にずらすことができ、その結果、エーロフォイル３６は負圧側５０に隆起部５２を有して圧力側４８には有しないこともできるし、または圧力側４８に隆起部５４を有して負圧側５０に有しないこともできることを理解すべきである。あるいは、負圧側５０の隆起部５２が圧力側４８の隆起部５４より大きくなるように、またはその逆になるように、増厚部をわずかにずらすことができる。高さ１２９は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間のスパンに相当することを理解すべきである。例えば、高さ１２９の６０％は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間のスパンの６０％とほぼ同じであることを理解すべきである。図８に示すように、１つの方向では回転軸２６から半径方向３２に、第２の方向では軸方向２８に延在するラジアル平面３０を横切る方向に、圧力側隆起部５４は圧力側４８から隆起し、負圧側隆起部５２は負圧側５０から隆起する。図８に示すエーロフォイル３６は中空であるが、これは単に説明を明瞭にするためであることを理解すべきである。いくつかの実施形態では、エーロフォイル３６は中実とすることができる。

図８で分かるように、増厚部５３は、エーロフォイル３６の高さ１２９のほぼ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６０％）の位置で隆起することができる。すなわち、増厚部５３を有するエーロフォイル３６のプロファイルは、高さ１２９の３０％から高さ１２９のほぼ５０％までの任意の点で直線状のエーロフォイル３６（すなわち、増厚部のないエーロフォイル３６）の仮想プロファイルから拡がり始めることができる。例えば、増厚部５３は、高さ１２９のほぼ３０％、３５％、４０％、４５％、または５０％において、あるいはそれらの間のいずれかの位置において、直線状のエーロフォイルから隆起し始めることができる。増厚部５３は、高さ１２９のほぼ５０％と７０％との間でその最大値に達することができる。例えば、最大厚さ５３は、高さ１２９のほぼ５０％、５５％、６０％、６５％、または７０％において、あるいはそれらの間のいずれかの位置において生じることができる。最大厚さ５３に達すると、増厚部５３を有するエーロフォイル３６のプロファイルは直線状のエーロフォイルのプロファイルに収束し始める。隆起部５２、５４は、高さ１２９のほぼ６５％と９０％との間の点で終えることができる（すなわち、増厚部５３を有するエーロフォイル３６のプロファイルは直線状のエーロフォイルの仮想プロファイルに収束する）。すなわち、増厚部５２、５４は、高さ１２９のほぼ６５％、７０％、７５％、８０％、８５％または９０％、あるいはそれらの間のいずれかの点で終えることができる。いくつかの実施形態では、隆起部５２、５４は、前縁４４から後縁４６まで、圧力側４８および／または負圧側５０の全長に沿って軸方向２８に延在することができる。他の実施形態では、隆起部５２、５４は、前縁４４と後縁４６との間で、圧力側４８および／または負圧側５０の一部分に沿ってのみ延在することができる。圧力側４８および／または負圧側５０に隆起部５２、５４を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４は、望ましい出口流れのプロファイルを生成し、２次流れを制御し、したがって、ディフューザの性能を改善する。さらに、６０％スパンの近くに増厚部５３を有するエーロフォイル３６は、励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を調整することに役立つことができる。励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を注意深く調整しなければ、運転することによって、エーロフォイル３６に過度な応力がかかり、構造的な損傷が生じる可能性がある。したがって、図８に示す増厚部を有するエーロフォイル３６の設計は、エーロフォイル３６の運転寿命を延ばすことができる。

図９は、ディフューザの入口における正規化された全圧（絶対圧）（ＰＴＡ）のプロファイルのプロット１３０を示す。図９に示す特定のプロット１３０は、増厚部を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用するターボ機械１０の実施形態からのものである。正規化されたＰＴＡのプロット１３０は単なる例であり、異なる実施形態では異なるＰＴＡのプロファイルを有する場合があることを理解すべきである。図９では、水平軸１３２は単位のない正規化された全圧（絶対圧）（ＰＴＡ）を示す。正規化されたＰＴＡは、全スパンにわたる平均のＰＴＡで割ったスパンの所与のパーセントにおけるＰＴＡとして定義される。垂直軸１３４はスパンのパーセントを示し、第１の環状壁４０は０％スパンとなり、第２の環状壁４２は１００％スパンとなる。曲線１３８は、直線状のエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用する設計のＰＴＡのプロファイルを示す。曲線１４０は、図４〜７に関して説明したものと同様な形状および／または分布を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用するシステムの正規化されたＰＴＡのプロファイルを示す。一般に、第１の環状壁４０および第２の環状壁４２の近くでのＰＴＡの急上昇は、ディフューザ１７の性能を改善する。したがって、好ましいプロファイルは、０〜３０％スパンで第１の環状壁（例えば、ハブ）の近くで急上昇し、中央の５０％では比較的平坦で、８０〜１００％スパンで第２の環状壁（例えば、ケーシング）の近くで再び急上昇する。図９で分かるように、曲線１３８には、第１の環状壁４０および第２の環状壁４２の近くには、正規化されたＰＴＡの比較的急上昇している部分がなく、スパンの中央では、目標の曲線１３６よりも高いＰＴＡを有している。曲線１４０は、第１の環状壁４０および第２の環状壁４２の近くに望ましい急上昇部分を有しており、これは、図４〜７に関して説明したものと同様の形状および／または分布を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用しないシステムの曲線１３８とは異なる。さらに、正規化されたＰＴＡ曲線１４０は、中央の５０％においては、増厚部を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用しないシステムの曲線１３８よりもずっと平坦である。

同様に、図１０はディフューザの入口におけるスワールのプロファイルのプロット１４２を示す。図１０のプロット１４２は、図４〜７に関して説明したものと同様な形状および／または分布を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用するターボ機械１０の実施形態からのものである。したがって、スワールのプロファイルのプロット１４２は単なる例である。異なる実施形態は異なるスワールのプロファイルを有する場合がある。図１０では、水平軸１４４は、度で表した、軸方向２８に対するスワールの角度を示す。垂直軸１４６はスパンのパーセントを示し、第１の環状壁４０は０％スパンとなり、第２の環状壁４２は１００％スパンとなる。曲線１５０は、直線状のエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用する設計のスワールのプロファイルを示す。曲線１５２は、図４〜７に関して説明したものと同様な形状および／または分布を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用するシステムのスワールのプロファイルを示す。一般に、第１の環状壁４０近くで（例えば、ほぼ８％スパン位置１６２で）スワールが小さく、スパンの中央（例えば、２０％スパンから８０％スパン）で傾きが直線状のとき、ディフューザの性能が改善される。図１０に示すように、曲線１５２は、第１の環状壁４０の近くで（例えば、ほぼ８％スパン位置１６２で）スワール角度が小さく、スパンの中央で傾きが直線状である。曲線１５２は、開示した方法を使用しないシステムの曲線１５０よりも望ましい特性を多く有する。

図１１は、６０％スパンの近くで増厚部を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を有するターボ機械１０のディフューザの改善された圧力回復係数（Ｃ_p）を示すプロット１５４である。垂直軸１５６は、０から１までのＣ_p値を示す。ディフューザによって回復される圧力の比率であるＣ_pは、ディフューザ性能を評価する１つの方法である。Ｃ_pは０と１との間で変化する。Ｃ_p値が０であることは、ディフューザを通る流体の圧力をディフューザが全く回復しないことを意味する。Ｃ_p値が１であることは、ディフューザを通る流体の圧力をディフューザがすべて回復することを意味する。一般に、Ｃ_pが高いほど望ましい。棒１５８で示すように、開示した形状を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を使用しない１つの設計では、Ｃ_p値はほぼ０．５である。これに代わって、棒１６０で示すように、開示した形状を有するエーロフォイル３６を備えた最終段エーロフォイル２４を有するターボ機械１０の一実施形態では、Ｃ_p値は約０．８２である。図９および１０と同様、図１１に示したＣ_pのプロット１５４は単なる例である。開示した方法を使用する他の実施形態では、異なるＣ_p値となる場合がある。

開示した実施形態の技術的効果には、いくつかの異なる方法でディフューザの性能を改善することを含む。第１に、エーロフォイル３６の設計は、望ましいタービン１６の出口流れのプロファイル（例えば、図９に示すＰＴＡのプロファイル、および図１０に示すスワールのプロファイル）を生成することに役立つ。具体的には、第１の環状壁の近く（例えば、ほぼ８％スパン位置１６２）でＰＴＡが急上昇しスワール角度が小さいとき、ディフューザの圧力回復が改善される。第２に、図４に示すスロートの分布を有するエーロフォイル３６の設計は、ハブ（例えば、第１の環状壁４０）近くの２次流れ（すなわち、主流方向に対して横切る流れ）および／またはパージ流れを制御することに役立つことができる。第３に、６０％スパンの近くで増厚部５３を有するエーロフォイル３６は、励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を調整することに役立つことができる。励振源との共振を避けるようにエーロフォイルの共振振動数を注意深く調整しなければ、運転することによって、エーロフォイル３６に過度な応力がかかり、構造的な損傷が生じる可能性がある。したがって、増厚部を有するエーロフォイル３６の設計は、エーロフォイル３６の運転寿命を延ばすことができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本主題を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本主題を実施できるように本発明を開示している。本主題の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。

１０ターボ機械
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
１７ディフューザ
１８段
２０最終段
２２最終段ノズル
２４最終段バケット
２６回転軸
２８軸方向
３０ラジアル平面
３２半径方向
３４周方向
３６エーロフォイル
３８通路
４０第１の環状壁
４２第２の環状壁
４４前縁
４６後縁
４８圧力側
５０負圧側
５２負圧側隆起部
５３増厚部
５４圧力側隆起部
５６軸方向翼弦長
５８プロット
６０曲線
６２Ｘ軸
６４Ｙ軸
６６点
６８点
７０点
７２点
７４点
７６プロット
７８曲線
８０Ｘ軸
８２Ｙ軸
８４点
８６点
８８点
９０点
９２点
９４プロット
９６曲線
９８Ｘ軸
１００Ｙ軸
１０２点
１０４点
１０６点
１０８点
１１０点
１１２プロット
１１４曲線
１１６Ｘ軸
１１８Ｙ軸
１２０点
１２２点
１２４点
１２６点
１２８点
１２９高さ
１３０プロット
１３２Ｘ軸
１３４Ｙ軸
１３６目標
１３８旧設計
１４０隆起バケット
１４２プロット
１４４Ｘ軸
１４６Ｙ軸
１５０旧設計
１５２隆起バケット
１５４プロット
１５６Ｙ軸
１５８旧設計
１６０隆起バケット
Ｄ₀ スロート
Ｔ_max 最大厚さ

Claims

タービン（１６）に配置されるように構成されたタービンエーロフォイル（３６）であって、
前記タービンエーロフォイル（３６）の前縁（４４）と前記タービンエーロフォイル（３６）の後縁（４６）との間を軸方向（２８）に、かつ前記タービンエーロフォイル（３６）の長手方向軸を横切って延在し、さらに前記長手方向軸に沿って半径方向（３２）に前記タービンエーロフォイル（３６）の高さを延在する負圧側（５０）と、
前記負圧側（５０）の反対側に配置され、前記タービンエーロフォイル（３６）の前記前縁（４４）と前記タービンエーロフォイル（３６）の前記後縁（４６）との間を前記軸方向（２８）に延在し、かつ前記半径方向（３２）に前記エーロフォイル（３６）の前記高さを延在する圧力側（４８）と、
前記タービンエーロフォイル（３６）の前記負圧側（５０）に配置され、前記負圧側（５０）の他の部分に対して前記半径方向（３２）および前記軸方向（２８）ともに横切る第１の方向に隆起した第１の隆起部（５２）、または前記タービンエーロフォイル（３６）の前記圧力側（４８）に配置され、前記圧力側（４８）の他の部分に対して前記半径方向（３２）および前記軸方向（２８）ともに横切る方向で、前記第１の方向と反対の第２の方向に隆起した第２の隆起部（５４）、またはそれらの両方と
を備えるタービンエーロフォイル（３６）。
前記第１および第２の隆起部（５２、５４）が、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの第１のパーセントの開始高さで隆起し始め、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの第２のパーセントでそれぞれ第１および第２の最高隆起部に達し、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの第３のパーセントの終了高さで隆起し終わる、請求項１記載のタービンエーロフォイル（３６）。
前記第１および第２の隆起部（５２、５４）の前記第１および第２の最高隆起部がともに、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの約５０％と約７０％との間で生じる、請求項２記載のタービンエーロフォイル（３６）。
前記第１および第２の隆起部（５２、５４）の前記第１および第２の最高隆起部がともに、前記エーロフォイルの前記高さの約５５％と約６５％との間で生じる、請求項２記載のタービンエーロフォイル（３６）。
前記第１の隆起部（５２）が、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の前記負圧側（５０）の長さの少なくとも半分より長く延在する、請求項１記載のタービンエーロフォイル（３６）。
前記第１の隆起部（５２）が前記負圧側（５０）の全長に沿って延在する、請求項５記載のタービンエーロフォイル（３６）。
前記第２の隆起部（５４）が、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の前記圧力側（４８）の長さの少なくとも半分より長く延在する、請求項１記載のタービンエーロフォイル（３６）。
軸方向翼弦長（５６）が、前記エーロフォイル（３６）の前記軸方向（２８）の寸法であり、前記エーロフォイル（３６）の前記高さにわたって近位端から遠位端に前記半径方向（３２）に移動する軸方向翼弦長（５６）の分布が、前記近位端における前記軸方向翼弦長（５６）で割った前記高さのパーセントにおける前記軸方向翼弦長（５６）として定められ、前記軸方向翼弦長（５６）の分布が、実質的に平坦な部分によって隔てられた、０％高さから約５５％高さにわたる第１の非直線状に漸減する部分と、約６５％高さから１００％高さにわたる第２の非直線状に漸減する部分と、によって特徴付けられる、請求項１記載のタービンエーロフォイル（３６）。
システムであって、
タービンを備え、前記タービンが、
第１の環状壁（４０）と、
第２の環状壁（４２）と、
タービン（１６）の回転軸（２６）の周りに前記第１の環状壁（４０）と前記第２の環状壁（４２）との間を環状に配置された複数のエーロフォイル（３６）を備える最終段（２０）と
を備え、前記複数のエーロフォイル（３６）の各エーロフォイル（３６）が、
前記第１の環状壁（４０）と前記第２の環状壁（４２）との間を延在する高さと、
前縁（４４）と、
前記前縁（４４）の下流に配置された後縁（４６）と、
前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間を軸方向（２８）に延在し、前記エーロフォイル（３６）の前記高さを半径方向（３２）に延在する負圧側（５０）と、
前記負圧側（５０）の反対側に配置され、前記エーロフォイル（３６）の前記前縁（４４）と前記エーロフォイル（３６）の前記後縁（４６）との間を前記軸方向（２８）に延在し、前記エーロフォイル（３６）の前記高さを前記半径方向（３２）に延在する圧力側（４８）と、
前記回転軸（２６）から延在するラジアル平面（３０）を横切る第１の方向に隆起した、前記エーロフォイル（３６）の前記負圧側（５０）に配置された第１の隆起部（５２）、または前記回転軸（２６）から延在するラジアル平面（３０）を横切り、前記第１の方向と反対の第２の方向に隆起した、前記エーロフォイル（３６）の前記圧力側（４８）に配置された第２の隆起部（５４）、またはそれら両方と
を備える、システム。
前記第１および第２の隆起部（５２、５４）が、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの第１のパーセントの開始高さで隆起し始め、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの第２のパーセントでそれぞれ第１および第２の最高隆起部に達し、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの第３のパーセントの終了高さで隆起し終わる、請求項９記載のシステム。
前記第１の隆起部（５２）が、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの約５０％と約７０％との間で最高隆起部に達する、請求項１０記載のシステム。
前記第１の隆起部（５２）が、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの約５５％と約６５％との間で最高隆起部に達する、請求項１０記載のシステム。
前記第２の隆起部（５４）が、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの約５０％と約７０％との間で最高隆起部に達する、請求項１０記載のシステム。
前記第２の隆起部（５４）が、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの約５５％と約６５％との間で最高隆起部に達する、請求項１０記載のシステム。
前記第１の隆起部（５２）が、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の前記負圧側（５０）の長さの少なくとも半分より長く延在する、請求項９記載のシステム。
軸方向翼弦長（５６）が、前記複数のエーロフォイル（３６）の各エーロフォイル（３６）の前記軸方向（２８）の寸法であり、前記エーロフォイル（３６）の前記高さにわたって前記第１の環状壁（４０）から前記第２の環状壁（４２）に前記半径方向（３２）に移動する軸方向翼弦長（５６）の分布が、前記第１の環状壁（４０）における前記軸方向翼弦長（５６）で割った前記高さのパーセントにおける前記軸方向翼弦長（５６）として定められ、前記軸方向翼弦長（５６）の分布が、実質的に平坦な部分によって隔てられた、０％高さから約５５％高さにわたる第１の非直線状に漸減する部分と、約６５％高さから１００％高さにわたる第２の非直線状に漸減する部分と、によって特徴付けられる、請求項９記載のシステム。
スロート（Ｄ₀）が、前記複数のエーロフォイル（３６）の隣接する２つのエーロフォイル（３６）間の通路（３８）であり、前記エーロフォイル（３６）の前記高さにわたって前記第１の環状壁（４０）から前記第２の環状壁（４２）を前記半径方向（３２）に移動するスロートの分布が、５０％スパンにおける前記スロート（Ｄ₀）で割った前記第１の環状壁（４０）と前記第２の環状壁（４２）との間のスパンのパーセントにおける前記スロート（Ｄ₀）として定められ、前記スロートの分布が、０％スパンから約５５％スパンまで着実に増加し、約５５％スパンと約６５％スパンとの間では実質的に平坦であり、次いで、約６５％スパンから１００％スパンまで着実に増加する、請求項９記載のシステム。
ターボ機械（１０）であって、
圧縮機（１２）と、
燃焼器（１４）と、
回転軸（２６）の周りに配置された複数のエーロフォイル（３６）を備えるタービン（１６）と
を備え、前記複数のエーロフォイル（３６）の各エーロフォイル（３６）が、
前記エーロフォイル（３６）の前縁（４４）と前記エーロフォイル（３６）の後縁（４６）との間を軸方向（２８）に、かつ前記エーロフォイル（３６）の長手方向軸を横切って延在し、さらに前記長手方向軸に沿って半径方向（３２）に前記エーロフォイル（３６）の高さを延在する負圧側（５０）と、
前記負圧側（５０）の反対側に配置され、前記エーロフォイル（３６）の前記前縁（４４）と前記エーロフォイル（３６）の前記後縁（４６）との間を前記軸方向（２８）に延在し、かつ前記半径方向（３２）に前記エーロフォイル（３６）の前記高さを延在する圧力側（４８）と、
前記エーロフォイル（３６）の前記負圧側（５０）に配置され、前記負圧側（５０）の他の部分に対して前記半径方向（３２）および前記軸方向（２８）ともに横切る第１の方向に隆起した第１の隆起部（５２）、または前記エーロフォイル（３６）の前記圧力側（４８）に配置され、前記圧力側（４８）の他の部分に対して前記半径方向（３２）および前記軸方向（２８）ともに横切る方向で、前記第１の方向と反対の第２の方向に隆起した第２の隆起部（５４）、またはそれら両方とを備える、ターボ機械（１０）。
前記第１および第２の隆起部（５２、５４）の前記第１および第２の最高隆起部がともに、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの約５０％と約７０％との間で生じる、請求項１８記載のターボ機械（１０）。
前記第１および第２の隆起部（５２、５４）の前記第１および第２の最高隆起部がともに、前記エーロフォイル（３６）の前記高さの約５５％と約６５％との間で生じる、請求項１８記載のターボ機械（１０）。