JP2017122439A - ターボ機械およびターボ機械用タービンブレード - Google Patents

ターボ機械およびターボ機械用タービンブレード Download PDF

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Abstract

【課題】翼形部を有し、ターボ機械とともに使用するよう構成されているブレードを提供する。【解決手段】翼形部37が、隣接するブレード同士の間の経路の最も狭い領域で測定されるスロートの分布であって、上記領域において、隣接するブレード36が対向する壁同士の間の経路にわたって延び、流体流動と空気力学的に相互作用する、スロートの分布を有する。翼形部は、スロートの分布を規定し、スロートの分布が空気力学的損失を低減させ、翼形部37に対する空気力学的負荷を改善する。翼形部37は、直線状の後エッジ46のプロファイルを有する。【選択図】図2

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、タービン内のブレードに関する。
ガスタービンなどのターボ機械は、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む場合がある。空気が、圧縮機内で圧縮される。圧縮された空気は、燃焼器に供給される。燃焼器は、燃料と圧縮された空気とを混合させて、気体と燃料との混合物に点火する。次に、高温かつ高エネルギーの排出流体がタービンに供給され、タービンで、流体のエネルギーが機械的エネルギーに変換される。タービンは、複数のノズル段および複数のブレード段を含む。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。
国際公開第03/006798号
出願当初特許請求された主題と範囲が一致するいくつかの実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求されてい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、特許請求されている主題がとり得る形態の概要を提供することを意図している。実際に、特許請求されている主題は、様々な形態を包含してもよく、それらの形態は、下記の態様/実施形態と類似していても、異なっていてもよい。
一態様では、ブレードが翼形部を有し、ブレードはターボ機械とともに使用するよう構成されている。翼形部は、隣接するブレード同士の間の経路の最も狭い領域で測定されるスロートの分布を有する。この領域において、隣接するブレードが、対向する壁同士の間の経路にわたって延びて、流体流動と空気力学的に相互作用する。翼形部は、スロートの分布を規定し、スロートの分布は空気力学的損失を低減させ、翼形部に対する空気力学的負荷を改善する。翼形部は直線状の後エッジのプロファイルを有する。
別の態様では、製造物品が、翼形部を備えている。翼形部は、隣接する翼形部同士の間の経路の最も狭い領域で測定されるスロートの分布を備えている。翼形部はスロートの分布を規定し、スロートの分布は空気力学的損失を低減させ、翼形部に対する空気力学的負荷を改善する。翼形部は直線状の後エッジのプロファイルを有し、後エッジのプロファイルは、軸方向の上流で約1.8度、かつ周方向で約1.4度、オフセットされている。
さらに別の態様では、ターボ機械が複数のブレードを有し、各々のブレードは翼形部を有している。ターボ機械は、経路を画定する対向する壁を含み、この経路は、その内部に流体流動を受けて、経路を通して流すことができる。スロートの分布が、隣接するブレード同士の間の経路の最も狭い領域で測定され、この領域において、隣接するブレードが対向する壁同士の間の経路にわたって延び、流体流動と空気力学的に相互作用する。翼形部はスロートの分布を規定し、スロートの分布は空気力学的損失を低減させ、翼形部に対する空気力学的負荷を改善する。翼形部は直線状の後エッジのプロファイルを有する。
本開示の、これらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体で類似の文字は類似の部品を表している、添付する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。
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ブレードの斜視図である。 本開示の態様による2枚の隣接するブレードの上面図である。 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、最大厚みの分布のプロットである。 本開示の態様による、軸方向翼弦長で除算した最大厚みの分布のプロットである。 本開示の態様による、翼長の中央における軸方向翼弦長で除算した軸方向翼弦長の、プロットである。
本開示の1以上の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとするにあたり、本明細書においては、実際の実装のすべての特徴を説明しない場合がある。任意の工学プロジェクトまたは設計プロジェクトにおけるように、任意の実際の実装の開発においては、個々の実装ごとに異なる場合のある、システムに関する制約、業務に関する制約など、開発者の固有の目標を達成するためには、実装に固有の多くの決定をしなければならないことは、理解されよう。さらに、上記のような開発努力は、複雑で時間がかかる場合があるにもかかわらず、本開示の恩恵を有する当業者にとっては、設計、製作、製造の日常的業務であろうことも理解されよう。
本主題の様々な実施形態の要素を導入するにあたっては、単数形の表現は、要素が1以上あることを意味することが意図されている。「備える」、「含む」、「有する」という語は、包含することを意図して用いられ、列挙された要素以外の追加的要素があり得ることを意味する。
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)の一実施形態の図である。図1に示されたターボ機械10は、圧縮機12と、燃焼器14と、タービン16と、ディフューザ17とを含む。空気、またはその他の気体が圧縮機12内で圧縮され、燃焼器14内に供給され、燃料と混合され、その後燃焼される。排出流体が、タービン16に供給され、タービン16で、排出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16は、個別の段20を含む、複数の段18を含む。各々の段18は、回転軸26の周りを回転する、軸方向に位置合わせされたブレードの環状の配列を有するロータ(すなわち回転シャフト)と、ノズルの環状の配列を有するステータとを含む。したがって段20は、ノズル段22とブレード段24とを含んでいてもよい。明確にするため、図1は、軸方向28と、径方向32と、周方向34とを含む座標系を含んでいる。さらに、径方向面30が示されている。径方向面30は、軸方向28に(回転軸26に沿って)1方向に延び、その後径方向32に、外向きに延びている。
図2は、ブレード36の斜視図である。ブレードは、製造物品として説明することもできる。段20におけるブレード36は、第1壁(またはプラットフォーム)40と第2壁42との間で、径方向32に延びている。第1壁40は第2壁42に対向しており、両壁は、流体流動を受けることが可能な経路を画定している。ブレード36は、ハブの周りに周方向34に配置されている。各々のブレード36は翼形部37を有し、翼形部37は、排出流体がタービン16を通って軸方向28に概して下流に流れるとき、燃焼器14からの排出流体と空気力学的に相互作用するように構成されている。各々のブレード36は、前エッジ44と、前エッジ44の軸方向28の下流に配置されている後エッジ46と、圧力側48と、吸引側50とを有する。圧力側48は、前エッジ44と後エッジ46との間で軸方向28に、かつ第1壁40と第2壁42との間で径方向32に第2壁42に向かって延びている。吸引側50は、圧力側48の反対側で、前エッジ44と後エッジ46との間で軸方向28に、かつ第1壁40と第2壁42との間で径方向32に延びている。段20のブレード36は、1枚のブレード36の圧力側48が、隣接するブレード36の吸引側50に対向するように、構成されている。
翼形部37は、直線状の後エッジ46プロファイルを有し、ほぼ直線が、後エッジの上(径方向の外方)部と後エッジの下(径方向の内方)部とを結んでいる。後エッジプロファイルは、軸平面に対しオフセットされており、後エッジは、前方に(軸方向の上流)に、後エッジの底部(すなわち径方向の下方)部に対し約1.8度(202を参照)前方に(軸方向の上流に)傾斜している。例えば、後エッジ46は軸平面で厳密に径方向の外側に延びているのではなく、軸方向の上流で約1.8度の角度がつけられている。1.8度という数値は一例に過ぎず、望ましい適用例において、軸方向前方への任意の適切な傾斜を使用してもよい。後エッジは、周方向でも、約1.4度、オフセットされている(204を参照)。周方向は、ロータの周りに360度広がる軸平面にある。オフセットがゼロであれば、径方向軸32等の、径方向の線となる。これに対し、後エッジは、図2の矢印34が示す方向に径方向軸32から約1.4度、オフセットされている。例えば、ブレード36の下流側(後エッジ46の近く)から、ブレードの上流側(前エッジ44の近く)の方を見ると、周方向のオフセットは、左側、すなわち反時計回りの方向になされている。軸方向および周方向の、後エッジのプロファイルのオフセットは、ブレードの機械的応力に対する耐性を高め、2次流れ損失だけでなく、径方向に再分配される流れを低減させて、全体の性能を高める。排出流体がブレード36に向かって、ブレード36同士の間の通路を通って流れるとき、排出流体は、排出流体が軸方向28に対する角運動量を伴って流れるように、ブレード36と空気力学的に相互作用する。固有のスロートの分布と後エッジのオフセットとを有するブレード36が取り付けられているブレード段24は、空気力学的損失の低減と空気力学的負荷の改善とを示すように構成され、その結果、機械の効率と部品の寿命とを改善することができる。
図3は、2枚の隣接するブレード36の上面図である。下のブレード36の吸引側50が、上のブレード36の圧力側48に対向している点に留意されたい。軸方向翼弦長56は、ブレード36の、軸方向28の寸法である。翼弦長57は、翼形部の、前エッジと後エッジとの間の距離である。段18の、2枚の隣接するブレード36同士の間の通路38は、隣接するブレード36同士の間の通路38の最も狭い領域で測定されるスロートの分布Doを規定する。流体が、通路38を通って軸方向28に流れる。この、第1壁40から第2壁42までの翼長にわたるスロートの分布Doは、図4に関してより詳細に説明される。所与の翼長割合における、各々のブレード36の最大厚みをTmaxで示す。ブレード36の高さにわたるTmaxの分布は、図4に関する説明で、より詳細に説明される。
図4は、隣接するブレード36により規定され、曲線60として示されているスロートの分布Doのプロットである。縦軸は、環状の第1壁40と、環状の第2壁42、すなわち翼形部37の径方向32の対向端部との間の、翼長割合を表している。すなわち、0%の翼長割合は概略的に環状の第1壁40を表し、100%の翼長割合は翼形部37の対向端部を表し、0%と100%との間の任意の点は、径方向の内側部分と径方向の外側部分との間の、翼形部37の高さに沿った径方向32の距離の割合に対応する。横軸は、所与の翼長割合における2枚の隣接するブレード36同士の間の最短距離であるDo(スロート)を、約50%から約55%の翼長割合におけるDoであるDo#MidSpan(スロート_MidSpan)で除算したものを表している。DoをDo#MidSpanで除算することによりプロットが無次元化され、このため、異なる適用例のためにブレード段24を拡大または縮小しても、曲線60は同じままである。横軸が単なるDoである単一サイズのタービンについて、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、ブレードの後エッジによって規定されるスロートの分布は、約0%の翼長割合における約87%のスロート/スロート_mid−spanの値(点66)から、約90%の翼長割合における約106%のスロート/スロート_mid−spanの値(点70)まで、かつ約95%の翼長割合における約103%のスロート/スロート_mid−spanの値まで、ほぼ直線的に延びている。0%の翼長割合は翼形部37の径方向の内側部分にあり、100%の翼長割合は翼形部の径方向の外側部分にある。スロート/スロート_mid−spanの値は、約50%から55%の翼長割合で100%である(点68)。図4に示されたスロートの分布は、2通りの方法で、性能の改善に役立つ可能性がある。第1に、スロートの分布は望ましい出口流のプロファイルを生成するのに役立つ。第2に、図4に示されたスロートの分布は、環状の第1壁40(例えば、ハブ)近くの2次流れ(例えば、主流方向を横断する流れ)、および/またはパージ流を操作するのを助けることができる。表1は、複数の翼長位置に沿った、翼形部37のスロートの分布を示している。図4は、表1に列挙されたスロートの分布と値とを、グラフで示したものである。表1のスロートの分布および値は、±10%の許容範囲内で使ってもよいことを理解するべきである。
図5は、ブレードの翼形部37の厚みによって規定される、厚みの分布Tmax/Tmax_Midspanのプロットである。縦軸は、環状の第1壁40と、翼形部37の径方向32の対向端部との間の、翼長割合を表している。横軸は、TmaxをTmax_Midspanで除算した値を示している。Tmaxは、所与の翼長における翼形部の最大厚み、Tmax_Midspanは翼長の中央(例えば、約50%から約55%の翼長割合)における翼形部の最大厚みである。TmaxをTmax/Tmax_Midspanで除算することによりプロットが無次元化され、このため、異なる適用例のためにブレード段24を拡大または縮小しても、曲線は同じままである。表2を参照すると、翼長の中央の値が55%でTmax/Tmax_Midspanの値が1になるが、これはこの翼長でTmaxがTmax_Midspanに等しくなるためである。
図6は、翼長の様々な値について、翼形部の軸方向翼弦長で、翼形部の厚み(Tmax)を除算した値のプロットである。縦軸は、環状の第1壁40と、翼形部37の径方向32の対向端部との間の、翼長割合を表している。横軸は、軸方向翼弦長の値で除算したTmaxを表している。翼形部の厚みを軸方向翼弦長で除算することにより、プロットが無次元化され、このため、異なる適用例のためにブレード段24を拡大または縮小しても、曲線は同じままである。図5および図6に示すTmaxの分布を有するブレードの設計は、ブレードの共振周波数がドライバと交差することを防ぐために、ブレードの共振周波数を調整することを助けることができる。したがって、図5および図6に示すTmaxの分布を有するブレード36の設計は、ブレード36の運用寿命を延ばすことができる。表3は、様々な翼長の値の、Tmax/軸方向翼弦長の値を示している。
図7は、翼長の様々な値について、翼形部の軸方向翼弦長を、翼長の中央における軸方向翼弦長の値で除算した値のプロットである。縦軸は、環状の第1壁40と、翼形部37の径方向32の対向端部との間の、翼長割合を表している。横軸は、軸方向翼弦長を、翼長の中央における軸方向翼弦長で除算した値を表している。表4を参照すると、55%の、翼長の中央の値において、軸方向翼弦長/軸方向翼弦長_MidSpanの値が1になるが、これはこの翼長で、軸方向翼弦長が、翼長の中央位置における軸方向翼弦長に等しくなるためである。軸方向翼弦長を、翼長の中央における軸方向翼弦長で除算することはで除算することによりプロットが無次元化され、このため、異なる適用例のためにブレード段24を拡大または縮小しても、曲線は同じままである。表4は、様々な翼長の値について、翼形部の軸方向翼弦長を翼長の中央における軸方向翼弦長の値で除算した値を示している。
図7に示す軸方向翼弦長の分布を有するブレードの設計は、ブレードの共振周波数がドライバと交差することを防ぐために、ブレードの共振周波数を調整することに役立つ可能性がある。例えば、直線状に設計されたブレードは、400Hzの共振周波数を有する場合があるが、特定の翼長の辺りで厚みを増したブレード36は、450Hzの共振周波数を有する場合がある。ブレードの共振周波数が、ドライバと交差することを防ぐために慎重に調整されないと、運転の結果、ブレード36に過度の応力が加わり、構造的破壊を招く可能性がある。したがって、図7に示す軸方向翼弦長の分布を有するブレード36の設計は、ブレード36の運用寿命を延ばす可能性がある。
開示された実施形態の技術的効果は、いくつかの異なる方法による、タービンの性能の改善を含む。図4に示された、ブレード36の設計、およびスロートの分布は、ハブ(例えば、環状の第1壁40)近くの2次流れ(例えば、主流方向を横断する流れ)、および/またはパージ流を操作するのを助けることができる。軸方向翼弦長の分布および厚みの分布は、ブレード36の固有周波数の調整を助ける。ブレードの共振周波数が、ドライバとの交差を防ぐために慎重に調整されないと、運転の結果、ブレード36に過度の応力が加わり、構造的破壊を招く可能性がある。したがって、特定の翼長の位置で厚みを増したブレード36の設計は、ブレード36の運用寿命を延ばすことができる。
本明細書は、最良の態様を含む例を用いて本主題を開示し、かつ当業者であれば、任意の装置またはシステムを製造および使用すること、ならびに任意の取り入れられた方法を実行することを含む、本主題を実施できるようにしている。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んでもよい。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的には異ならない均等の構造的要素を有する場合は、特許請求の範囲に含まれ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 ディフューザ
18 段
20 段
22 ノズル段
24 ブレード段
26 回転軸
28 軸方向
30 径方向面
32 径方向
34 周方向
36 ブレード
37 翼形部
38 通路
39 取り付け部
40 第1壁またはプラットフォーム
42 第2壁
44 前エッジ
46 後エッジ
48 圧力側
50 吸引側
56 軸方向翼弦長
57 翼弦長
58 プロット
60 曲線
66 点
68 点
70 点
202 オフセット
204 オフセット

Claims (20)

  1. 翼形部(37)を有し、ターボ機械(10)とともに使用するよう構成されているブレード(36)であって、前記翼形部(37)が、
    隣接するブレード(36)同士の間の経路の最も狭い領域で測定されるスロートの分布であって、前記領域において、前記隣接するブレード(36)が対向する壁同士の間の前記経路にわたって延び、前記流体流動と空気力学的に相互作用するスロートの分布を備え、
    前記翼形部(37)が、前記スロートの分布を規定し、前記スロートの分布が空気力学的損失を低減させ、前記翼形部(37)に対する空気力学的負荷を改善し、かつ前記翼形部(37)が直線状の後エッジ(46)のプロファイルを有する、ブレード(36)。
  2. 前記後エッジ(46)が、軸方向(28)および周方向(34)の両方でオフセットされているプロファイルを有する、請求項1に記載のブレード(36)。
  3. 前記後エッジ(46)が、前記軸方向の上流で約1.8度、オフセットされている、請求項2に記載のブレード(36)。
  4. 前記後エッジ(46)が、前記周方向(34)で約1.4度、オフセットされている、請求項3に記載のブレード(36)。
  5. 前記ブレード(36)の前記後エッジ(46)によって規定される前記スロートの分布が、約0%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約87%から、約90%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約106%、約95%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約103%、約100%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約81%まで、概略的に曲線的に延びており、
    0%の前記翼長割合が前記翼形部(37)の径方向の内側部分にあり、100%の翼長割合が前記翼形部(37)の径方向の外側部分にあり、かつ約55%の翼長割合で、前記スロート/スロート_mid−spanの値が100%である、請求項4に記載のブレード(36)。
  6. 前記スロートの分布が、±10%の許容範囲内の表1に示された値によって規定される、請求項4に記載のブレード(36)。
  7. 前記翼形部(37)が、表2に示された値によって規定される厚みの分布(Tmax/Tmax_Midspan)を有する、請求項6に記載のブレード(36)。
  8. 前記翼形部(37)が、表3に示された値に従って、軸方向翼弦長(56)で除算することによって無次元化された厚みの分布を有する、請求項7に記載のブレード(36)。
  9. 前記翼形部(37)が、表4に示された値に従って、翼長の中央における軸方向翼弦長(56)で除算することによって無次元化された軸方向翼弦長(56)の分布を有する、請求項8に記載のブレード(36)。
  10. 翼形部(37)を備える製造物品であって、前記翼形部(37)が、
    隣接する翼形部(37)同士の間の経路の最も狭い領域で測定されるスロートの分布を備え、
    前記翼形部(37)がスロートの分布を規定し、前記スロートの分布が空気力学的損失を低減させ、前記翼形部(37)に対する空気力学的負荷を改善し、かつ前記翼形部(37)が直線状の後エッジ(46)のプロファイルを有し、前記後エッジ(46)のプロファイルが、軸方向の上流で約1.8度、かつ周方向(34)で約1.4度、オフセットされている、製造物品。
  11. 前記スロートの分布が、±10%の許容範囲内の表1に示された値によって規定され、前記翼形部(37)が、表2に示された値によって規定される厚みの分布(Tmax/Tmax_Midspan)を有する、請求項10に記載の製造物品。
  12. 前記翼形部(37)が、表3に示された値に従って、軸方向翼弦長(56)で除算することによって無次元化された厚みの分布と、表4に示された値に従って、翼長の中央における軸方向翼弦長(56)で除算することによって無次元化された軸方向翼弦長(56)の分布とを有する、請求項11に記載の製造物品。
  13. 各々が翼形部(37)を備える複数のブレード(36)を備えるターボ機械(10)であって、
    経路を画定する対向する壁であって、前記経路が、その内部に流体流動を受けて、前記経路を通して流すことができ、スロートの分布が、隣接するブレード(36)同士の間の前記経路の最も狭い領域で測定され、前記領域において、前記隣接するブレード(36)が対向する壁同士の間の前記経路にわたって延び、前記流体流動と空気力学的に相互作用する、対向する壁と、
    前記スロートの分布を規定する前記翼形部(37)であって、前記スロートの分布が空気力学的損失を低減させ、前記翼形部(37)に対する空気力学的負荷を改善し、かつ前記翼形部(37)が直線状の後エッジ(46)のプロファイルを有する前記翼形部(37)と
    を備えるターボ機械(10)。
  14. 前記後エッジ(46)が、軸方向(28)および周方向(34)の両方でオフセットされているプロファイルを有する、請求項13に記載のターボ機械(10)。
  15. 前記後エッジ(46)が、前記軸方向の上流で約1.8度、オフセットされており、前記後エッジ(46)が、前記周方向(34)で約1.4度、オフセットされている、請求項14に記載のターボ機械(10)。
  16. 前記ブレード(36)の前記後エッジ(46)によって規定される前記スロートの分布が、約0%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約87%から、約90%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約106%、約95%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約103%、約100%の翼長割合におけるスロート/スロート_mid−spanの値約81%まで、概略的に曲線的に延びており、
    0%の前記翼長割合が前記翼形部(37)の径方向の内側部分にあり、100%の翼長割合が前記翼形部(37)の径方向の外側部分にあり、かつ前記スロート/スロート_mid−spanの値が、約55%翼長で100%である、請求項15に記載のターボ機械(10)。
  17. 前記スロートの分布が、±10%の許容範囲内の表1に示された値によって規定される、請求項15に記載のターボ機械(10)。
  18. 前記翼形部(37)が、表2に示された値によって規定される厚みの分布(Tmax/Tmax_Midspan)を有する、請求項15に記載のターボ機械(10)。
  19. 前記翼形部(37)が、表3に示された値によって、軸方向翼弦長(56)で除算することによって無次元化された厚みの分布を有する、請求項15に記載のターボ機械(10)。
  20. 前記翼形部(37)が、表4に示された値によって、翼長の中央における軸方向翼弦長(56)で除算することによって無次元化された軸方向翼弦長(56)の分布を有する、請求項15に記載のターボ機械(10)。
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