JP6254756B2 - 流れ溝を備えるガスタービンノズル - Google Patents

Description

本出願および得られる特許は、概して、ガスタービンエンジンのためのタービンノズルに関し、より詳細には、半径方向への流れの移行（ｆｌｏｗ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）および乱流を制限するために吸込み側または別の場所に配置される流れ溝（ｆｌｏｗ ｇｒｏｏｖｅ）を備えるタービンノズルに関する。

ガスタービンでは、設計目標を達成するために、ガスタービンの各ステージにおいて多くのシステム要求条件に適合しなければならない。これらの設計目標には、限定しないが、全体効率を向上させること、および、エーロフォイルの負荷能力を全体的に向上させるが含まれる。したがって、タービンノズルエーロフォイルプロファイルは、特定のステージに対する熱的運転必要条件および機械的運転必要条件を達成しなければならない。例えば、ラストステージノズルは外径付近に高損失領域を有する場合がある。これらの損失は、内側の吸込み側に沿って径方向に流れが移行することに関係する場合がある。このような径方向への流れの移行は混合損失と併せて、翼列の効率を低下させる可能性がある。したがって、径方向への流れの移行を低減してそれに伴い全体の圧力損失を低減することにより、全体の性能および効率が向上する。

米国特許出願公開第２００６／００６０７２２号公報

したがって、特にラストステージのノズルにおけるタービンノズルのデザインを改善することが所望される。このようなタービンノズルのデザインを改善することにより、径方向への流れの移行およびそれに付随するエーロフォイル周りの損失に対応することができ、および／または、それらは排除することができる。このように径方向への流れの移行を低減したりすることにより、全体の性能および効率が改善される。また、本明細書では、全体のコストおよびメンテナンスに関する問題を考察してそれらに対処する。

本出願および得られる特許はタービンノズルの一実施例を提供する。本明細書で説明されるタービンノズルは、リーディングエッジおよびトレーリングエッジを備えるエーロフォイルと、リーディングエッジからトレーリングエッジまで延在する流れ溝とを含むことができる。

本出願および得られる特許はタービンの一実施例をさらに提供する。本明細書で説明されるタービンは複数のステージを含むことができ、これらのステージの各々が複数のノズルおよび複数のバケットを含む。バケットの各々は、リーディングエッジと、トレーリングエッジと、それらの間を延在する流れ溝とを備えるエーロフォイルを含むことができる。

本出願および得られる特許は、タービンノズルエーロフォイルの一実施例をさらに提供する。本明細書で説明されるタービンノズルエーロフォイルは、リーディングエッジと、トレーリングエッジと、圧力側と、吸込み側と、吸込み側に沿ってリーディングエッジからトレーリングエッジまで延在する流れ溝とを含むことができる。別の構成も使用され得る。

本出願および得られる特許のこれらのおよび別の特徴および改善が、当業者が複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を検討することにより、明らかとなる。

圧縮機、燃焼器およびタービンを示している、ガスタービンエンジンを示す概略図である。 本明細書で説明され得るような複数のノズルおよび複数のバケットを備えるタービンの一部分を示す概略図である。 図２のタービンで使用され得るノズルの一実施例を示す側面断面図である。 中に流れ溝が配置された図３のノズルを示す側面図である。 図３のノズルのリーディングエッジを示す図である。 図３のノズルのトレーリングエッジを示す図である。

次に、複数の図面を通して同様の要素には同様の参照符号が付される図面を参照すると、図１が、本明細書で使用され得るガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５が空気２０の流入流れを圧縮する。圧縮機１５が空気２０の圧縮された流れを燃焼器２５に送る。燃焼器２５が、空気２０の圧縮された流れを燃料３０の加圧された流れと混合してそれらの混合物を点火し、燃焼ガス３５の流れを作る。単一の燃焼器２５のみが示されるが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れがタービン４０に送られる。燃焼ガス３５の流れがタービン４０を駆動させ、機械仕事が得られる。タービン４０で得られる機械仕事がシャフト４５を介して圧縮機１５を駆動させ、さらには、発電機などの外部負荷５０を駆動させる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプの合成ガス、および／または、別のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋから提供される多数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってよく、これらには限定しないが、７シリーズまたは９シリーズの重荷重ガスタービンエンジンなどが含まれる。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有することができ、別のタイプの構成要素を使用することもできる。本明細書では別のタイプのガスタービンエンジンも使用され得る。本明細書では、多重ガスタービンエンジン（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ）、別のタイプのタービン、および、別のタイプの動力発生設備が共に使用され得る。

図２は、本明細書で使用され得るタービン１００の一部分の一実施例を示す。タービン１００は複数のステージを含むことができる。この実施例では、タービン１００は、複数の第１ステージノズル１２０と複数の第１ステージバケット１３０とを備える第１のステージ１１０と、複数の第２ステージノズル１５０と複数の第２ステージバケット１６０とを備える第２のステージ１４０と、複数のラストステージノズル１８０と複数のラストステージバケット１９０とを備えるラストステージ１７０と、を含むことができる。本明細書では、任意の数のバケット１３０、１６０、１９０と、任意の数のノズル１２０、１５０、１８０とを備える、任意の数のステージが使用され得る。

バケット１３０、１６０、１９０は、ロータ２００と共に回転するようにロータ２００上に円周方向アレイとして配置され得る。同様に、ノズル１２０、１５０、１８０は、固定されて、ケーシング２１０などの上に円周方向アレイとして装着され得る。これらを通過する高温ガス経路２１５が、燃焼器２５からの燃焼ガス３５の流れを用いてバケット１３０、１６０、１９０を駆動させるために、タービン１００内で延在する。本明細書では別の構成要素および別の構成も使用され得る。

図３〜６は、本明細書で説明され得るノズル２２０の一実施例を示す。ノズル２２０はラストステージノズル１８０のうちの１つであってよく、および／または、タービン１００内の任意の別のノズルであってもよい。ノズル２２０はエーロフォイル２３０を含むことができる。一般的に、エーロフォイル２３０はリーディングエッジ２４０からトレーリングエッジ２５０までＸ軸に沿って延在してよい。エーロフォイル２３０は圧力側２６０から吸込み側２７０までＹ軸に沿って延在してよい。同様に、エーロフォイル２３０はプラットフォーム２８０から先端部２９０までＺ軸に沿って延在してよい。ノズル２２０の全体の構成は多様であってよい。本明細書では別の構成要素および別の構成も使用され得る。

ノズル２２０は、エーロフォイル２３０の周りに配置される流れ溝３００を有することができる。流れ溝３００はエーロフォイル２３０の先端部２９０付近に配置されてよく、すなわち、流れ溝３００はプラットフォーム２８０より先端部２９０に接近するように配置されてよい。流れ溝３００は、吸込み側２７０に沿って、リーディングエッジ２４０からトレーリングエッジ２５０まで内側に延在してよい。流れ溝３００はリーディングエッジ２４０およびトレーリングエッジ２５０に滑らかに結合されてよい。流れ溝３００は吸込み側２７０に沿って概略線形方向３２０に延在してよいが、本明細書では別の方向も使用され得る。流れ溝３００は概略Ｖ形またはＵ形の構成３１０を有してよいが、本明細書では別の構成も使用され得る。具体的には、流れ溝３００は、任意のサイズ、形状および構成を有してよい。

本明細書では２つ以上の流れ溝３００が使用され得る。吸込み側３７０に関連させて流れ溝３００を考察してきたが、１つの流れ溝３００が圧力側２６０にも配置されてよく、および／または、複数の流れ溝３００が、吸込み側２７０および圧力側２６０の両方に沿うように配置されもよい。したがって、本明細書では、流れ溝３００の個数、位置決めおよび構成は多様であってよい。本明細書では、別の構成要素および別の構成も使用され得る。

ノズル２２０の周りに流れ溝３００を使用することにより、燃焼ガス３５の流れが軸方向に誘導され、径方向への流れの移行が低減される。軸方向への流れの移行の程度を低減することにより、それに付随させて全体の圧力損失を低減することができ、それにより翼列全体の効率および性能が向上する。このように、流れ溝３００は、流れを所望の方向に運ぶことから、流れが移行するのを防止するための物理的なバリアとして機能する。また、流れ溝３００を使用することは、その周りの乱流を低減するのに効果的である場合がある。

上記が、単に、本出願および得られる特許の特定の実施形態のみに関連することは明白である。本明細書では、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の一般的な精神および範囲から逸脱することなく、当業者により多くの変更および修正がなされ得る。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気の流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料の流れ
３５ 燃焼ガスの流れ
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
１００ タービン
１１０ 第１のステージ
１２０ 第１ステージノズル
１３０ 第１ステージバケット
１４０ 第２のステージ
１５０ 第２ステージノズル
１６０ 第２ステージバケット
１７０ ラストステージ
１８０ ラストステージノズル
１９０ ラストステージバケット
２００ ロータ
２１０ ケーシング
２１５ 高温ガス経路
２２０ ノズル
２３０ エーロフォイル
２４０ リーディングエッジ
２５０ トレーリングエッジ
２６０ 圧力側
２７０ 吸込み側
２８０ プラットフォーム
２９０ 先端部
３００ 流れ溝
３１０ Ｖ形
３２０ 線形方向

Claims (9)

1. タービンノズルであって、
   基部からロータ軸に沿って傾斜した先端部まで延び、リーディングエッジおよびトレーリングエッジを備えるエーロフォイルと、
   流れ溝であって、該流れ溝が前記エーロフォイルの負圧面から計測される深さを有するように、前記流れ溝が前記エーロフォイルの負圧面から内側に延び、前記流れ溝が前記エーロフォイルの前記先端部と平行になり、前記エーロフォイルの前記負圧面のみに沿って前記リーディングエッジから前記トレーリングエッジまで延在する前記流れ溝と、
   を含み、
   前記流れ溝は、前記リーディングエッジまたは前記トレーリングエッジにおける前記流れ溝の第１の深さが、前記エーロフォイルの前記負圧面に沿った前記流れ溝の第２の深さよりも短くなるように、前記負圧面で前記リーディングエッジおよび前記トレーリングエッジに滑らかに結合され、
   前記エーロフォイルは、正圧面に流れ溝を含まない、
   タービンノズル。
2. 前記流れ溝が前記先端部に隣接して配置される、請求項１に記載のタービンノズル。
3. 前記流れ溝が実質的にＶ形を含む、請求項１または２に記載のタービンノズル。
4. 前記流れ溝が実質的に線形方向に延在する、請求項１乃至３のいずれかに記載のタービンノズル。
5. 前記タービンノズルがラストステージノズルを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のタービンノズル。
6. 複数の流れ溝をさらに含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のタービンノズル。
7. 前記流れ溝が、前記エーロフォイルに沿った高温燃焼ガスの流れ内での流れの移行を低減するような形状である、請求項１乃至６のいずれかに記載のタービンノズル。
8. タービンであって、
   複数のノズルと、
   複数のバケットであって、前記複数のバケットがエーロフォイルを含み、
   前記エーロフォイルが、基部からロータ軸に沿って傾斜した先端部まで延び、
   前記エーロフォイルが、
   リーディングエッジと、
   トレーリングエッジと、
   負圧面と、
   前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間を前記負圧面のみに沿って延在する流れ溝と、
   を含む、
   複数のバケットと、
   を含み、
   前記流れ溝は、前記エーロフォイルの負圧面から計測される深さを有するように、前記流れ溝が前記エーロフォイルの負圧面から内側に延び、
   前記流れ溝が前記エーロフォイルの前記先端部と平行であり、
   前記流れ溝は、前記リーディングエッジまたは前記トレーリングエッジにおける前記流れ溝の第１の深さが、前記エーロフォイルの前記負圧面に沿った前記流れ溝の第２の深さよりも短くなるように、前記負圧面で前記リーディングエッジおよび前記トレーリングエッジに滑らかに結合され、
   前記エーロフォイルは、正圧面の流れ溝を含まない、
   タービン。
9. タービンノズルエーロフォイルであって、
   基部からロータ軸に沿って傾斜した先端部まで延び、リーディングエッジおよびトレーリングエッジを備えるエーロフォイルと、
   リーディングエッジと、
   トレーリングエッジと、
   圧力側と、
   吸込み側と、
   前記吸込み側のみに沿って前記リーディングエッジから前記トレーリングエッジまで延在する流れ溝と、
   を含み、
   前記流れ溝は、前記エーロフォイルの負圧面から計測される深さを有するように、前記流れ溝が前記エーロフォイルの負圧面から内側に延び、
   前記流れ溝が前記エーロフォイルの前記先端部と平行であり、
   前記流れ溝は、前記リーディングエッジまたは前記トレーリングエッジにおける前記流れ溝の第１の深さが、前記エーロフォイルの前記負圧面に沿った前記流れ溝の第２の深さよりも短くなるように、前記負圧面で前記リーディングエッジおよび前記トレーリングエッジに滑らかに結合され、
   前記エーロフォイルは、圧力側に流れ溝を含まない、
   タービンノズルエーロフォイル。