JP5554542B2 - バケット先端損失を低減するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には熱機械タービンに関し、より具体的には、バケット先端損失を低減するためのシステム及び方法に関する。

ガス又は蒸気タービンのような熱機械タービンの性能及び効率は、タービン動翼又は「バケット」に高圧ガス（及び／又は流体）を作用させて機械的回転及びエネルギー出力を生じさせる時に発生する機械的エネルギー変換に対する熱損失を低減することによって向上させるのが望ましい。そのような損失は、バケット先端と周囲の静止部品（シュラウド、ハウジングなどのような）との間の間隙を通してバケットを通過し、それによって望ましくない圧力混合及び渦流発生を引き起こす漏洩により発生することが多い。それらの「先端越え」及び「先端渦」損失を低減することは、タービンの１以上の段において使用されることが多いシュラウドなし先端構成の場合に特に困難な課題である。

米国特許第４６８２９３５号明細書 米国特許第５５２５０３８号明細書 米国特許第６６７２８２９号明細書 米国特許第７２１７１０１号明細書

本発明の１つの態様では、バケット先端損失を低減するためのシステムは、シュラウドなしタービンバケットの翼形部を含む。翼形部は、各々根元表面から先端表面まで延在し前縁及び後縁でつながる正圧面及び負圧面を含む。正圧面は略凹面形を有し、また負圧面は略凸面形を有する。翼形部は、根元表面から先端表面までスパン方向に漸増するスタッガ角と、負圧面が先端表面に近づきかつ先端表面が前縁に近づくにつれて負荷の増す負圧面とを有する。翼形部はまた、前縁が先端表面に近づくにつれて負圧面の方向に合成傾斜（resultant lean）を有し、また正圧面及び負圧面は各々、それらの先端表面との交差位置において正圧面の方向に反転した湾曲を有しているか或いは局所的に減少した湾曲を有している。

本発明の別の態様では、バケット先端損失を低減する方法は、シュラウドなしタービンバケットの翼形部を準備するステップを含む。翼形部は、各々根元表面から先端表面まで延在し前縁及び後縁でつながる正圧面及び負圧面を含む。正圧面は略凹面形を有し、また負圧面は略凸面形を有する。翼形部は、根元表面から先端表面までスパン方向に漸増するスタッガ角と、負圧面が先端表面に近づきかつ先端表面が前縁に近づくにつれて負荷の増す負圧面とを有する。翼形部はまた、前縁が先端表面に近づくにつれて負圧面の方向に合成傾斜を有し、また正圧面及び負圧面は各々、それらの先端表面との交差位置において正圧面の方向に反転した湾曲を有しているか或いは局所的に減少した湾曲を有している。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の例示的な実施形態に係るタービンバケットの翼形部の例示的な斜視図を示す図。 本発明の例示的な実施形態に係るタービンバケットの翼形部の別の例示的な斜視図を示す図。 本発明の例示的な実施形態に係る図１の翼形部の例示的な傾斜プロフィールを示す線図。 本発明の例示的な実施形態に係る図１の翼形部の例示的な細部を示す概略図。

この詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

以下の詳細な説明では、様々な実施形態の完全な理解を得るために、幾つかの固有の細部について説明している。しかしながら、これら実施形態は、それらの固有の細部がない状態で実施することができる。その他の場合では、公知の方法、手順及び部品について、詳細には説明していない。

さらに、様々な操作は、本発明の実施形態を理解するのに役立つような方法で実行した幾つかの個別ステップとして説明することができる。しかしながら、この説明の順序は、提示した順序でそれら操作を実行する必要があること、或いはそれらが順序依存性でさえあることを意味するものとして解釈してはならない。さらに、「実施形態では」という表現の反復使用は、必ずしも同一の実施形態を意味するものではないが、同一の実施形態とすることもできる。最後に、本出願で使用する場合に、「含む」、「備える」、「有する」などの用語は、別途明示しない限り、同義語であることを意図している。

本発明の例示的な実施形態は、例えば熱機械タービンにおけるバケット先端損失を低減するためのシステム及び方法を提供する。そのような例示的な実施形態では、例えばシュラウドなしバケット構成において、先端越え及び先端渦損失を低減する。バケット先端近傍の横列流入流は、該先端近傍領域における局所的減少角度又は逆方向の湾曲による低先端越え流量係数と負圧側下方スタッキング構成による体積力との組合せにより、内側寄りに配向し直される。

図１は、本発明の例示的な実施形態に係る翼形部１００の例示的な斜視図を示す図である。翼形部１００は、例えばシュラウドなしタービンバケットの一部である。翼形部１００は、各々根元表面１０６から先端表面１０８まで延在し前縁１１０及び後縁１１２でつながる正圧面１０２及び負圧面１０４を含む。正圧面１０２は、略凹面形を有し、また負圧面１０４は、略凸面形を有する。翼形部１００は、根元表面１０６から先端表面１０８までスパン方向に漸増するスタッガ角（例えば図４にさらに示すように）と、負圧面１０４が先端表面１０８に近づきかつ先端表面１０８が前縁１１０に近づくにつれて負荷の増す（例えば、前半負荷型（front-loaded））負圧面１０４とを有する。翼形部１００は、前縁１１０が先端表面１０８に近づくにつれて負圧面１０４の方向に合成傾斜を有する（例えば図３にさらに示すように）。さらに、正圧面１０２及び負圧面１０４は各々、それらの先端表面１０８との交差位置において該正圧面１０２に向かう方向に反転した湾曲を有しているか或いは局所的に減少した湾曲を有している。

翼形部１００は、以下の例示的な実施形態によるような様々な付加的特性を有することができる。翼形部１００は、翼弦方向負荷スタックセクション分布（chord-wise loaded, stacked distribution of sections）を含むことができる（例えば図４にさらに示すように）。根元部（図示せず）は、根元表面１０６で翼形部１００とつながり、例えばシュラウドなしバケットを形成することができる。さらに、この根元部は、ガス又は蒸気タービンのような熱機械タービン（図示せず）のロータ（又はその他の部品）に連結することができる。

図２は、本発明の例示的な実施形態に係る翼形部２００の別の例示的な斜視図を示す図である。同じ参照符号で示すように、翼形部２００は、上記の翼形部１００と略同じである。翼形部２００はさらに、負圧面１０４が先端表面１０８に近づきかつ先端表面１０８が後縁１１２に近づくにつれて負荷の増す（例えば、後半負荷型（aft-loaded））負圧面２１０を含む。翼形部２００はさらに、後縁１１２が先端表面１０８に近づくにつれて負圧面１０４の方向に合成傾斜を含む。翼形部２００はさらに、本発明の例示的な実施形態による上記の変形形態の１以上を含むことができる。

図３は、本発明の例示的な実施形態に係る図１の翼形部１００の例示的な傾斜プロフィール３００を示す線図である。この例示的な傾斜プロフィール３００は、例示的な後縁傾斜分布３０２及び前縁傾斜分布３０４を含む。翼形部２００における例示的な傾斜プロフィール（図示せず）は、後縁傾斜分布と上記の前縁傾斜分布３０４と同じである前縁傾斜分布との両方を含むことになる。正圧面及び負圧面は、それらの先端表面との交差位置において正圧面に向かう方向にフレアを有している。

図４は、本発明の例示的な実施形態に係る図１の翼形部１００の例示的な細部４００を示す概略図である。この図示した例示的な細部４００は、上記の前縁、後縁及び漸増するスタッガ角を含む。また、翼弦方向負荷スタックセクション分布も示している。図２の翼形部２００についての例示的な細部（図示せず）は、図４に示すそれらの細部４００と同じ特徴形状を含むことになる。

本発明の例示的な実施形態はまた、バケット先端損失を低減する方法又はプロセス（図示せず）を含み、本方法又はプロセスは、図１及び図２について上記したような翼形部１００，２００（例示的な変形形態を含む）を準備するステップを含む。幾つかの実施形態では、そのような例示的な方法又はプロセスは、コンピュータプログラム製品を実行することを含むことができる。

従って、本発明の例示的な実施形態の技術的結果は、例えば熱機械タービンにおいてバケット先端損失を低減するためのシステム及び方法である。そのような例示的な実施形態では、例えばシュラウドなしバケット構成において、先端越え及び先端渦損失が低減される。バケット先端近傍の横列流入流は、該先端近傍領域における局所的減少角度又は逆方向の湾曲による低先端越え流量係数と負圧側下方スタッキング構成による体積力との組合せにより、内側寄りに配向し直される。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１００ 翼形部
１０２ 正圧面
１０４ 負圧面
１０６ 根元表面
１０８ 先端表面
１１０ 前縁
１１２ 後縁
２００ 翼形部
２１０ 負圧面
３００ 傾斜プロフィール
３０２ 後縁傾斜分布
３０４ 前縁傾斜分布
４００ 細部

Claims (7)

1. シュラウドなしタービンバケットの翼形部（１００，２００）を含むバケット先端損失を低減するためのシステムであって、
   翼形部（１００，２００）が、各々根元表面（１０６）から先端表面（１０８）まで延在し前縁（１１０）及び後縁（１１２）でつながる正圧面（１０２）及び負圧面（１０４，２１０）を含んでおり、正圧面（１０２）が略凹面形を有し、負圧面（１０４，２１０）が略凸面形を有し、
   翼形部（１００，２００）が、根元表面（１０６）から先端表面（１０８）までスパン方向に漸増するスタッガ角と、負圧面（１０４，２１０）が先端表面（１０８）に近づきかつ先端表面（１０８）が前縁（１１０）に近づくにつれて負荷の増す負圧面（１０４，２１０）とを有し、
   翼形部（１００，２００）は、前縁（１１０）が先端表面（１０８）に近づくにつれて負圧面（１０４，２１０）の方向に合成傾斜を有し、
   正圧面（１０２）及び負圧面（１０４，２１０）が各々、それらの先端表面（１０８）との交差位置において該正圧面（１０２）に向かう方向に反転した湾曲を有しているか或いは局所的に減少した湾曲を有している、システム。
2. 前縁（１１０）の前縁傾斜分布（３０４）が、根元表面（１０６）から先端表面（１０８）まで、翼形部（１００，２００）の半径方向平面の負圧面側に位置している、請求項１記載のシステム。
3. 翼形部（１００，２００）が、翼弦方向負荷スタックセクション分布を含む、請求項１又は請求項２記載のシステム。
4. 根元表面（１０６）で翼形部（１００，２００）とつながる根元部をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシステム。
5. 根元部が、タービンのローターに連結される、請求項４記載のシステム。
6. 翼形部（１００，２００）が、負圧面（１０４，２１０）が先端表面（１０８）に近づきかつ先端表面（１０８）が後縁（１１２）に近づくにつれて負荷の増す負圧面（１０４，２１０）をさらに有し、また翼形部（１００，２００）が、後縁（１１２）が先端表面（１０８）に近づくにつれて負圧面（１０４，２１０）の方向に合成傾斜をさらに有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシステム。
7. 正圧面（１０２）及び負圧面（１０４，２１０）が、それらの先端表面（１０８）との交差位置において該正圧面（１０２）に向かう方向にフレアを有する、請求項６記載のシステム。

Images