JP2017115873A - ターボ機械およびそのためのタービンノズル - Google Patents

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Abstract

【課題】ターボ機械のタービン内のノズルを提供する。【解決手段】ターボ機械は、複数のノズル36を含み、各ノズルはエーロフォイル37を有する。ターボ機械は、通路を画定する対向壁40、42を含み、流体流はその中へ受け入れられて通路を通って流れることができる。スロート分布は、隣接するノズル間の通路における最も狭い領域で測定され、そこで、隣接するノズルは、対向壁間の通路にわたって延びて、流体流と空気力学的に相互に作用する。エーロフォイルはスロート分布を画定し、スロート分布は、空気力学的損失を低減させ、各エーロフォイルに及ぶ空気力学的荷重を改善する。【選択図】図2

Description

本明細書に開示される発明の対象は、ターボ機械に関し、より具体的にはタービン内のノズルに関する。
ガスタービンのようなターボ機械には、圧縮機、燃焼器およびタービンが含まれていてもよい。空気は、圧縮機内で圧縮される。圧縮された空気は、燃焼器内に送り込まれる。燃焼器は、燃料と圧縮された空気を混ぜ合わせ、それからガス/燃料混合物に点火する。高温および高エネルギーの排出流体は、それからタービンに送り込まれ、そ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。タービンには、複数のノズルステージおよびブレードステージが含まれる。ノズルは固定構成要素であり、ブレードはロータの周りを回転する。
米国特許第8998577号明細書
本来の特許請求に係る発明の対象の範囲に整合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、特許請求に係る発明の対象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、特許請求に係る発明の対象の可能な形態の概要を提供することのみを意図するものである。実際に、特許請求に係る発明の対象は、下記の態様/実施形態と同様であってもよくまたは異なっていてもよい様々な形態を包含することができる。
ある態様において、ターボ機械には複数のノズルが含まれ、各ノズルはエーロフォイルを有する。ターボ機械は、通路を画定する対向壁を含み、流体流はその中に受け入れられて、通路を通って流れることができる。スロート分布は、隣接するノズル間の通路における最も狭い領域で測定され、そこで、隣接するノズルは、対向壁間の通路にわたって延びて、流体流と空気力学的に相互に作用する。エーロフォイルはスロート分布を画定し、スロート分布は、空気力学的損失を低減させ、各エーロフォイルに及ぶ空気力学的荷重を改善する。
別の態様において、ノズルはエーロフォイルを有し、ノズルはターボ機械と共に使用するために構成される。エーロフォイルは、隣接するノズル間の通路における最も狭い領域で測定されるスロート分布を有し、そこで、隣接するノズルは、対向壁間の通路にわたって延びて、流体流と空気力学的に相互に作用する。エーロフォイルはスロート分布を画定し、スロート分布は、空気力学的損失を低減させ、エーロフォイルに及ぶ空気力学的荷重を改善する。ノズルの後縁によって画定されるスロート分布は、約0%スパンにおける約111%のスロート/スロート_中間スパン値から、約51%スパンにおける約100%のスロート/スロート_中間スパン値まで、約100%スパンにおける約123%のスロート/スロート_中間スパン値まで、曲線状に延びてもよく、0%におけるスパンは、エーロフォイルの半径方向内側部分のものであり、100%におけるスパンは、エーロフォイルの半径方向外側部分のものである。スロート分布は、表1に規定される値によって定義されてもよく、スロート分布の値は、表1に規定される値の+/−10%の許容差の範囲内である。エーロフォイルの後縁は、約50%スパンにおいて突出部を有する。エーロフォイルの後縁は、0%スパンにおいて約0、約50%スパンにおいて約100%、および100%スパンにおいて0のオフセットを有していてもよい。エーロフォイルの後縁は、表2によって規定される値によって定義されるオフセットを有していてもよい。エーロフォイルは、表3によって規定される値によって定義される厚さ分布(Tmax/Tmax_中間スパン)を有していてもよい。エーロフォイルは、表4に規定される値による無次元の厚さ分布を有していてもよい。エーロフォイルは、表5に規定される値による無次元の軸方向コード分布を有していてもよい。
さらに別の態様において、ノズルはエーロフォイルを有し、ノズルは、ターボ機械と共に使用するために構成される。エーロフォイルは、隣接するノズル間の通路における最も狭い領域で測定されるスロート分布を有し、そこで、隣接するノズルは、対向壁間の通路にわたって延びて、流体流と空気力学的に相互に作用する。エーロフォイルはスロート分布を画定し、スロート分布は表1に規定される値によって定義され、スロート分布の値は、表1に規定される値の+/−10%の許容差の範囲内である。スロート分布は、空気力学的損失を低減させ、エーロフォイルに及ぶ空気力学的荷重を改善する。
本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体にわたって同様の符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良く理解されるであろう。
本開示の態様によるターボ機械の図である。 本開示の態様によるノズルの斜視図である。 本開示の態様による2つの隣接するノズルの上面図である。 本開示の態様によるスロート分布のプロットである。 本開示の態様による後縁オフセットのプロットである。 本開示の態様による最大厚さ分布のプロットである。 本開示の態様による軸方向コード分布によって割った最大厚さのプロットである。 本開示の態様による中間スパンにおける軸方向コードで割った軸方向コードのプロットである。
本開示の1つまたは複数の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡単に説明することを目的として、明細書には、実際の実施に関する全ての特徴を記載しない場合がある。そのような実際の実施に関する開発の中で、任意の工学または設計プロジェクトにおいて、開発者の特定の目的を達成するために、実施によって異なり得る、システム関連およびビジネス関連の制約の順守のような、実施に関する数多くの特定の決定を行わなければならないことは認識されたい。さらに、そのような開発の努力は、複雑で時間が掛かるかもしれないが、それにもかかわらず、本開示の利益を得る当業者にとっては、設計、作製、および製造の日常的な仕事であることは、認識されたい。
本発明の対象の様々な実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「1つ」および「その」(「a」、「an」および「the」)は、その要素が1つまたは複数あることを意味することを意図するものである。用語「含まれる」、「含む」および「有する」(「comprising」、「including」および「having」)は、包含的であることを意図するものであり、リストアップされた要素の他に付加的な要素があってもよいことを意味する。
図1はターボ機械10(例えば、ガスタービンおよび/または圧縮機)の1つの実施形態の図である。図1に示されるターボ機械10には、圧縮機12、燃焼器14、タービン16、および拡散器17が含まれる。空気または何か他の気体は、圧縮機12内で圧縮され、燃焼器14内に送り込まれて燃料と混合され、それから燃焼させられる。排出流体は、タービン16に送り込まれ、そ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せられる。タービン16には、個別のステージ20を含む複数のステージ18が含まれる。各ステージ18には、軸方向に整列したブレードが環状に配置された、回転軸26の周りを回転するロータ(すなわち、回転式シャフト)と、ノズルが環状に配置されたステータと、が含まれる。したがって、ステージ20には、ノズルステージ22とブレードステージ24が含まれていてもよい。明確にするために、図1には、軸方向28、半径方向32、および周方向34を含む座標系が含まれる。したがって、放射状の平面30が示される。放射状の平面30は、軸方向28に(回転軸26に沿って)一方向に延び、それから半径方向32に外側に延びる。
図2は、2つのノズル36の斜視図である。ステージ20内のノズル36は、第1の壁(またはプラットフォーム)40と第2の壁42との間に半径方向32に延びる。第1の壁40は第2の壁42に対向し、両方の壁は、流体流がその中に受け入れられる通路を画定する。ノズル36は、ハブの周りに周方向34に配置される。各ノズル36はエーロフォイル37を有し、排出流体はタービン16を通って軸方向28に大抵下流に流れるので、エーロフォイル37は、燃焼器14からの排出流体と空気力学的に相互に作用するように構成されている。各ノズル36は、前縁44、軸方向28において前縁44の下流に配置される後縁46、圧力側48、および吸い込み側50を有する。圧力側48は、軸方向28において前縁44と後縁46との間に延び、半径方向32において第1の壁40と第2の壁42との間に延びる。吸い込み側50は、軸方向28において前縁44と後縁46との間に延び、半径方向32において、圧力側48の反対側で、第1の壁40と第2の壁42との間に延びる。ステージ20内のノズル36は、1つのノズル36の圧力側48が隣接ノズル36の吸い込み側50に面するように、構成されている。排出流体は、ノズル36間の通り道に向かって且つノズル36間の通り道を通って流れるので、排出流体は、排出流体が軸方向28に対して角運動量または速度を持って流れるように、ノズル36と空気力学的に相互に作用する。空気力学的損失が低減し空気力学的荷重が改善されるように構成された特定のスロート分布を有するノズル36が装着されたノズルステージ22は、機械効率および部品寿命を改善させる可能性がある。
図3は、2つの隣接するノズル36の上面図である。下部ノズル36の吸い込み側50は上部ノズル36の圧力側48に面していることに留意されたい。軸方向コード56は、軸方向28におけるノズル36の寸法である。コード57は、エーロフォイルの前縁と後縁との間の距離である。ステージ18の2つの隣接するノズル36間の通り道38は、隣接するノズル36間の通り道38の最も狭い領域で測定されるスロート分布Doを画定する。流体は、通り道38を通って軸方向28に流れる。第1の壁40から第2の壁42までのスパンにわたるこのスロート分布Doを、図4に関して、より詳細に論じる。所与のパーセントスパンにおける各ノズル36の最大厚さは、Tmaxとして示される。ノズル36の高さにわたるTmaxの分布を、図4に関して、より詳細に論じる。
図4は、隣接するノズル36によって画定されるスロート分布Doのプロットであり、曲線60として示される。縦軸は、第1の環状壁40と第2の環状壁42または半径方向32におけるエーロフォイル37の対向端との間のパーセントスパンを表す。すなわち、0%スパンは一般に第1の環状壁40を表し、100%スパンはエーロフォイル37の対向端を表し、0%と100%との間の任意のポイントは、エーロフォイルの高さに沿った半径方向32における、エーロフォイル37の半径方向内側部分と半径方向外側部分との間のパーセント距離に対応する。横軸は、所与のパーセントスパンにおけるDo(スロート)(2つの隣接するノズル36間の最短距離)を、約50%から約55%のスパンにおけるDoであるDo_中間スハ゜ン(スロート_中間スパン)によって割ったものを表す。DoをDo_中間スハ゜ンで割ると、無次元のプロット58ができ、したがって、曲線60は、様々な用途のためにノズルステージ22がスケールアップされてもスケールダウンされても同一のままである。単一サイズのタービンのために横軸が単にDoである同様のプロットを作成することもできる。
図4に見られるように、ノズルの後縁によって画定されるスロート分布は、約0%スパンにおける約111%のスロート/スロート_中間スパン値(ポイント66)から、約51%スパンにおける約100%のスロート/スロート_中間スパン値(ポイント68)、および約100%スパンにおける約122%のスロート/スロート_中間スパン値(ポイント70)まで、曲線状に延びる。0%におけるスパンは、エーロフォイルの半径方向内側部分におけるものであり、100%におけるスパンは、エーロフォイルの半径方向外側部分におけるものである。スロート/スロート_中間スパン値は、約51%スパンにおいて100%である(ポイント68)。図4に示されるスロート分布は、2つの方法で性能改善に役立ち得る。第1に、スロート分布は、所望の出口流れプロファイルを生み出すのに役立つ。第2に、図4に示されるスロート分布は、二次流(例えば、主流方向を横切る流れ)を操作しおよび/または第1の環状壁40(例えば、ハブ)に近い流れをパージするのに役立ち得る。表1は、多数のスパン位置に沿った、スロート分布とエーロフォイル37の後縁の形状に関する様々な値をリストアップする。図4は、スロート分布をグラフで説明する。スロート分布の値は、約+/−10%だけ変動してもよいことを理解されたい。
図5は、ノズル36のエーロフォイル37の後縁オフセットのプロットである。後縁46は、約50%スパンにおいて突出部500を有する。縦軸は、第1の環状壁40と半径方向32におけるエーロフォイル37の対向端との間のパーセントスパンを表す。横軸は、後縁の半径方向内側部分から後縁の半径方向外側に延びる線510(図2参照)から延びる直線からの後縁オフセットを表す。突出部500は、約50%スパンにおいて最大(すなわち、1または100%)であり、それから約0%スパンおよび約100%スパンにおける0オフセットまで徐々に推移して戻る。ほんの一例として、最大後縁オフセット(すなわち、約50%スパンにおける)は、約0.25インチであってもよいが、これは、ノズルがスケールアップまたはスケールダウンされると変化する。また、50%スパン付近で後縁オフセットが増加するノズル36は、ドライバーとの接触を避けるためにノズルの共振周波数を調整するのに役立ち得る。ドライバーとの接触を避けるためにノズルの共振周波数が注意深く調整されない場合は、操作によって、ノズル36に過度のストレスおよび、構造上の欠陥が生じる可能性がある。したがって、図5に示される、突出部500を備えるまたは後縁オフセットが増加するノズル36の設計によると、ノズル36の操作上の寿命は長くなり得る。表2は、多数のスパン位置に沿った、後縁オフセットと、エーロフォイル37の後縁の様々な値に関する突出部の形状と、をリストアップする。
図6は、ノズルのエーロフォイル37の厚さによって定義される厚さ分布Tmax/Tmax_中間スパンのプロットである。縦軸は、第1の環状壁40と半径方向32におけるエーロフォイル37の対向端との間のパーセントスパンを表す。横軸は、Tmax_中間スパン値によって割ったTmaxを表す。Tmaxは、所与のスパンにおけるエーロフォイルの最大厚さであり、Tmax_中間スパンは、中間スパン(例えば、約50%から55%スパン)におけるエーロフォイルの最大厚さである。TmaxをTmax_中間スパンで割ると、無次元のプロットができ、したがって、曲線は、様々な用途のためにノズルステージ22がスケールアップされてもスケールダウンされても同一のままである。表3を参照して、約50%の中間スパン値では、このスパンにおいてTmaxはTmax_中間スパンと等しいので、Tmax/Tmax_中間スパン値は1である。
図7は、様々な値のスパンに沿ったエーロフォイルの軸方向コードによって割ったエーロフォイルの厚さ(Tmax)のプロットである。縦軸は、第1の環状壁40と半径方向32におけるエーロフォイル37の対向端との間のパーセントスパンを表す。横軸は、軸方向コードの値によって割ったTmaxを表す。エーロフォイルの厚さを軸方向コードで割ると、無次元のプロットができ、したがって、曲線は、様々な用途のためにノズルステージ22がスケールアップされてもスケールダウンされても同一のままである。図6および図7に示されるTmaxの分布を持つノズルの設計は、ドライバーとの接触を避けるために、ノズルの共振周波数を調整するのに役立ち得る。したがって、図6および図7に示されるTmaxの分布を持つノズル36の設計によると、ノズル36の操作上の寿命は長くなり得る。表4は、様々なスパンの値に関するTmax/軸方向コード値をリストアップし、ここで、無次元の厚さは、所与のスパンにおける軸方向コードに対するTmaxの比として定義される。
図8は、様々な値のスパンに沿った中間スパンにおける軸方向コードの値で割ったエーロフォイルの軸方向コードのプロットである。縦軸は、第1の環状壁40と半径方向32におけるエーロフォイル37の対向端との間のパーセントスパンを表す。横軸は、中間スパン値における軸方向コードによって割った軸方向コードを表す。表5を参照して、約50%の中間スパン値は、このスパンにおける軸方向コードは中間スパン位置における軸方向コードと等しいので、軸方向コード/軸方向コード_中間スパン値は1である。軸方向コードを中間スパンにおける軸方向コードで割ると、無次元のプロットができ、したがって、曲線は、様々な用途のためにノズルステージ22がスケールアップされてもスケールダウンされても同一のままである。表5は、様々な値のスパンに沿った、中間スパンにおける軸方向コードの値で割ったエーロフォイルの軸方向コードに関する値をリストアップし、無次元の軸方向コードは、中間スパンにおける軸方向コードに対する所与のスパンにおける軸方向コードの比として定義される。
図8に示される軸方向コード分布を持つノズルの設計は、ドライバーとの接触を避けるために、ノズルの共振周波数を調整するのに役立ち得る。例えば、直線状に設計されたノズルは、400Hzの共振周波数を有することができ、一方、特定のスパン付近において厚さが増すノズル36は、450Hzの共振周波数を有することができる。ドライバーとの接触を避けるためにノズルの共振周波数が注意深く調整されない場合は、操作によって、ノズル36に過度のストレスが及び、構造上の欠陥が生じる可能性がある。したがって、図8に示される軸方向コード分布を持つノズル36の設計により、ノズル36の操作上の寿命は長くなり得る。
開示される本実施形態の技術的効果には、タービンの性能を様々な異なる方法で改善することが含まれる。第1に、ノズル36の設計および図4に示されるスロート分布は、二次流(例えば、主流方向を横切る流れ)を操作しおよび/またはハブ(例えば、第1の環状壁40)に近い流れをパージするのに役立ち得る。第2に、50%スパン付近に突出部500を持つノズル36は、ドライバーとの接触を避けるために、ノズルの共振周波数を調整するのに役立ち得る。ドライバーとの接触を避けるためにノズルの共振周波数が注意深く調整されない場合は、操作によって、ノズル36に過度のストレスが及び、構造上の欠陥が生じる可能性がある。したがって、特定のスパン位置において厚さが増すノズル36の設計によると、ノズル36の操作上の寿命は長くなり得る。
本明細書では、ベストモードを含む発明の対象を開示するため、また、当業者が、任意のデバイスまたはシステムの製造および使用ならびに任意の組み込まれた方法を含んで発明の対象を実施することを可能にするために、例が用いられる。本発明の対象の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められるものであり、当業者に思い浮かぶ他の実施例を含んでいてもよい。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素がある場合、または特許請求の範囲の文言と見掛けは異なるが均等の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内であることが意図される。
10 ターボ機械
12 圧縮機
14 燃焼器
16 タービン
17 拡散器
18 ステージ
20 ステージ
22 ノズルステージ
24 ブレードステージ
26 回転軸
28 軸方向、X軸
30 放射状の平面
32 Y軸
34 周方向
36 ノズル
37 エーロフォイル
38 通り道
39 取り付け部分
40 第1の壁またはプラットフォーム
42 第2の壁
44 前縁
46 後縁
48 圧力側
50 吸い込み側
56 軸方向コード
57 コード
58 プロット
60 曲線
66 ポイント
68 ポイント
70 ポイント
500 突出部
510 線

Claims (20)

  1. 複数のノズル(36)を含み、各ノズル(36)はエーロフォイル(37)を含むターボ機械(10)であって、前記ターボ機械(10)には、
    通路を画定し、流体流がその中に受け入れられて前記通路を通って流れる対向壁であって、スロート分布は、隣接するノズル(36)間の前記通路における最も狭い領域で測定され、そこで、隣接するノズル(36)は、前記対向壁間の前記通路にわたって延びて、前記流体流と空気力学的に相互に作用する、対向壁と、
    前記スロート分布を画定する前記エーロフォイル(37)であって、前記スロート分布は、空気力学的損失を低減させ、各エーロフォイル(37)に及ぶ空気力学的荷重を改善する、前記エーロフォイル(37)と、
    が含まれる、ターボ機械(10)。
  2. 前記スロート分布は、表1に規定される値によって定義され、前記スロート分布の値は、表1に規定される前記値の+/−10%の許容差の範囲内である、請求項1記載のターボ機械(10)。
  3. 前記エーロフォイル(37)の後縁(46)は、約50%スパンにおいて突出部を有し、前記エーロフォイル(37)の後縁(46)は、表2に規定される値によって定義されるオフセットを有する、請求項2記載のターボ機械(10)。
  4. 前記エーロフォイル(37)は、表3に規定される値によって定義される厚さ分布(Tmax/Tmax_中間スパン)を有する、請求項2記載のターボ機械(10)。
  5. 前記エーロフォイル(37)は、表4に規定される値による無次元の厚さ分布を有する、請求項2記載のターボ機械(10)。
  6. 前記エーロフォイル(37)は、表5に規定される値による無次元の軸方向コード分布を有する、請求項2記載のターボ機械(10)。
  7. エーロフォイル(37)を有するノズル(36)であって、前記ノズル(36)は、ターボ機械(10)と共に使用するために構成され、前記エーロフォイル(37)には、
    隣接するノズル(36)間の通路における最も狭い領域で測定されたスロート分布であって、そこで、隣接するノズル(36)は対向壁間の前記通路にわたって延びて、流体流と空気力学的に相互に作用する、スロート分布が含まれ、
    前記エーロフォイル(37)は、前記スロート分布を画定し、前記スロート分布は、空気力学的損失を低減させ、前記エーロフォイル(37)に及ぶ空気力学的荷重を改善する、ノズル(36)。
  8. 前記ノズル(36)の後縁(46)によって画定される前記スロート分布は、約0%スパンにおける約111%のスロート/スロート_中間スパン値から、約51%スパンにおける約100%のスロート/スロート_中間スパン値まで、約100%スパンにおける約123%のスロート/スロート_中間スパン値まで曲線状に延び、
    0%における前記スパンは、前記エーロフォイル(37)の半径方向内側部分におけるものであり、100%における前記スパンは、前記エーロフォイル(37)の半径方向外側部分におけるものである、請求項7記載のノズル(36)。
  9. 前記スロート分は、表1に規定される値によって定義され、前記スロート分布の値は、表1に規定される値の+/−10%の許容差の範囲内にある、請求項7記載のノズル(36)。
  10. 前記エーロフォイル(37)の後縁(46)は、約50%スパンにおいて突出部を有する、請求項9記載のノズル(36)。
  11. 前記エーロフォイル(37)の後縁(46)は、0%スパンにおいて約0、約50%スパンにおいて約100%、および100%スパンにおいて0のオフセットを有する、請求項10記載のノズル(36)。
  12. 前記エーロフォイル(37)の後縁(46)は、表2に規定される値によって定義されるオフセットを有する、請求項11記載のノズル(36)。
  13. 前記エーロフォイル(37)は、表3に規定される値によって定義される厚さ分布(Tmax/Tmax_中間スパン)を有する、請求項12記載のノズル(36)。
  14. 前記エーロフォイル(37)は、表4に規定される値による無次元の厚さ分布を有する、請求項13記載のノズル(36)。
  15. 前記エーロフォイル(37)は、表5に規定される値による無次元の軸方向コード分布を有する、請求項14記載のノズル(36)。
  16. エーロフォイル(37)を有するノズル(36)であって、前記ノズル(36)は、ターボ機械(10)と共に使用するために構成され、前記エーロフォイル(37)には、
    隣接するノズル(36)間の通路における最も狭い領域で測定されるスロート分布であって、そこで、隣接するノズル(36)は、対向壁間の前記通路にわたって延びて、流体流と空気力学的に相互に作用する、スロート分布が含まれ、
    前記エーロフォイル(37)は、前記スロート分布を画定し、前記スロート分布は、表1に規定される値によって定義され、前記スロート分布の値は、表1に規定される前記値の+/−10%の許容差の範囲内であり、前記スロート分布は、空気力学的損失を低減させ、前記エーロフォイル(37)に及ぶ空気力学的荷重を改善する、ノズル(36)。
  17. 前記エーロフォイル(37)の後縁(46)は、約50%スパンにおいて突出部を有し、前記エーロフォイル(37)の後縁(46)は、表2に規定される値によって定義されるオフセットを有する、請求項16記載のノズル(36)。
  18. 前記エーロフォイル(37)は、表3に規定される値によって定義される厚さ分布(Tmax/Tmax_中間スパン)を有する、請求項16記載のノズル(36)。
  19. 前記エーロフォイル(37)は、表4に規定される値による無次元の厚さ分布を有する、請求項16記載のノズル(36)。
  20. 前記エーロフォイル(37)は、表5に規定される値による無次元の軸方向コード分布を有する、請求項16記載のノズル(36)。
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