JP2017122439A5 - - Google Patents
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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、タービンにおけるブレードに関する。
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、燃料と圧縮空気とを混合して、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、複数のノズル段及び複数のブレード段を含む。ノズルは静止部品であり、ブレードはロータの周りを回転する。
出願当初の特許請求の範囲に記載された発明に属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、特許請求の範囲に記載された発明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、特許請求の範囲に記載された発明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、特許請求の範囲に記載された発明は、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で使用されるように構成されている。翼形部は、隣接ブレード間の経路の最も狭い領域で測定されるスロート分布を有しており、その領域において、隣接するブレードが、対向する壁間の経路を横断して延在して、流体の流れと空気力学的に相互作用する。翼形部は、スロート分布を規定し、スロート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。翼形部は直線的な後縁プロファイルを有する。
別の態様では、製品は翼形部を備える。翼形部は、隣接翼形部間の経路の最も狭い領域で測定されるスロート分布を有する。翼形部はスロート分布を規定し、スロート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。翼形部は直線的な後縁プロファイルを有し、後縁プロファイルは、軸方向上流に約1.8度及び周方向に約1.4度オフセットしている。
さらに別の態様では、ターボ機械は複数のブレードを有し、各々のブレードは翼形部を有する。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、その内部に流体の流れを受けて、該経路を通して流体の流れを流すことができる。スロート分布が、隣接ブレード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間の経路を横断して延在し、流体の流れと空気力学的に相互作用する。翼形部はスロート分布を規定し、スロート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。翼形部は直線的な後縁プロファイルを有する。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって理解を深めることができよう。なお、図面を通して類似の符号は類似の部材を表す。
以下、本発明の1以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標(システム及び業務に関連した制約に従うことなど)を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかであろう。
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が1以上存在することを意味する。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
図1は、ターボ機械10(例えば、ガスタービン及び/又は圧縮機)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。空気又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、燃料と混合されて燃焼される。排出流体は、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へと変換される。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、軸方向に整列したブレードの環状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方向に延在し、次いで径方向32に外向きに延在する。
図2は、ブレード36の斜視図である。ブレードは、製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の壁(又はプラットフォーム)40と第2の壁42との間で、径方向32に延在する。第1の壁40は第2の壁42に対向しており、これらの壁は、流体の流れを受け入れることができる経路を画定する。ブレード36は、ハブの周りに周方向34に配置される。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、前縁44と、前縁44の軸方向28の下流に配置されている後縁46と、正圧側48と、負圧側50とを有する。正圧側48は、前縁44と後縁46との間で軸方向28に、かつ第1の壁40と第2の壁42との間で径方向32に第2の壁42に向かって延在する。負圧側50は、正圧側48の反対側で、前縁44と後縁46との間で軸方向28に、かつ第1の壁40と第2の壁42との間で径方向32に延在する。段20のブレード36は、1枚のブレード36の正圧側48が、隣接するブレード36の負圧側50に対向するように、構成されている。
翼形部37は、直線的な後縁46プロファイルを有しており、後縁の上方(径方向外側)部分と後縁の下方(径方向内側)部分とが略直線で結ばれる。後縁プロファイルは、軸平面に対してオフセットしており、後縁は、後縁の底部(すなわち径方向下方)部分に対して約1.8度(202参照)前方(軸方向上流)に傾斜している。例えば、後縁46は軸平面において厳密に径方向外側に延在しているわけではなく、軸方向上流に約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すぎず、所望の用途において適切な軸方向前方への傾斜を用いてもよい。後縁は、周周方向にも約1.4度オフセットしている(204参照)。周方向は、ロータの周りで360度広がる軸平面内にある。オフセットがゼロのとき、径方向軸32のように、径方向の線となる。これに対して、後縁は、径方向軸32から図2の矢印34で示す方向に約1.4度オフセットしている。例えば、ブレード36の下流側(後縁46付近)から、ブレードの上流側(前縁44付近)の方を見ると、周方向オフセットは、左方向、すなわち反時計回りの方向である。後縁プロファイルの軸方向及び周方向のオフセットは、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、全体的性能を高める。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もって流れるように、ブレード36と空気力学的に相互作用する。特定のスロート分布と後縁オフセットとを有するブレード36が取り付けられたブレード段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、機械効率と部材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。下に描かれたブレード36の負圧側50が、上に描かれたブレード36の正圧側48と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、翼形部の前縁と後縁との間の距離である。段18の2枚の隣接するブレード36間の通路38は、隣接ブレード36間の通路38の最も狭い領域で測定されるスロート分布Doを規定する。流体は通路38を通って軸方向28に流れる。この第1の壁40から第2の壁42までの翼長に沿ったスロート分布Doについては、図4に関してさらに詳しく説明する。所与の%翼長位置での各々のブレード36の最大厚さをTmaxで示す。ブレード36の高さに沿ったTmax分布については、図4に関してさらに詳しく説明する。
図4は、隣接ブレード36により規定されるスロート分布Doのプロットであり、曲線60として示してある。縦軸は、第1の環状壁40と第2の環状壁42すなわち翼形部37の径方向32の対向端部との間の%翼長位置を表す。すなわち、0%翼長位置は概して第1の環状壁40を表し、100%翼長位置は翼形部37の対向端部を表し、0%と100%との間の任意の点は、径方向内側部分と径方向外側部分との間の、翼形部37の高さに沿った径方向32の距離の百分率に対応する。横軸は、所与の%翼長位置における2枚の隣接するブレード36間の最短距離であるDo(スロート)を、約50%〜約55%翼長位置でのDoであるDo_MidSpan(スロート_MidSpan)で除算したものを表す。DoをDo_MidSpanで除算するとプロットは無次元となるので、異なる用途のためにブレード段24を拡大又は縮小しても、曲線60は同じままとなる。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から明らかな通り、ブレードの後縁によって規定されるスロート分布は、約0%翼長位置(点66)での約87%のスロート/スロート_mid−span値から約90%翼長位置(点70)での約106%のスロート/スロート_mid−span値まで略直線的に延び、約95%翼長位置で約103%のスロート/スロート_mid−span値となる。0%翼長位置は翼形部37の径方向内側部分にあり、100%翼長位置は翼形部の径方向外側部分にある。スロート/スロート_mid−span値は、約50%〜55%翼長位置で100%である(点68)。図4に示すスロート分布は、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に示すスロート分布は、第1の環状壁40(例えば、ハブ)近くの2次流れ(例えば、主流方向を横断する流れ)、及び/又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のスロート分布を示す。図4は、表1に記載されたスロート分布及び数値を、グラフで示したものである。表1のスロート分布及び数値は、±10%の許容範囲内で用いることができることを理解するべきである。
開示された実施形態の技術的効果は、様々な方法によるタービンの性能の改善を含む。図4に示すブレード36の設計及びスロート分布は、ハブ(例えば、第1の環状壁40)近くの2次流れ(例えば、主流方向を横断する流れ)及び/又はパージ流を操作するのに役立てることができる。軸方向翼弦長分布及び厚さ分布は、ブレード36の固有周波数の調整に役立つ。ドライバとの交差を防ぐためにブレードの共振周波数を慎重に調整しないと、運転によって、ブレード36に過度の応力が加わり、構造的破壊を招くおそれがある。したがって、特定の翼長位置で厚さを増加させたブレード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。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明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、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
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
40 第1の壁又はプラットフォーム
42 第2の壁
44 前縁
46 後縁
48 正圧側
50 負圧側
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
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