JP6877985B2 - ターボ機械およびそのためのタービンノズル - Google Patents

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 (10)

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、
   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、ターボ機械（１０）。
2. 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１に記載のターボ機械（１０）。
3. 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１または２に記載のターボ機械（１０）。
4. 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及び／または、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１乃至３のいずれかに記載のターボ機械（１０）。
5. 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し、
   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１２２％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、ノズル（３６）。
6. 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に規定される値の＋／−１０％の許容差の範囲内にある、請求項５に記載のノズル（３６）。
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）。
8. 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５乃至７のいずれかに記載のノズル（３６）。
9. 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５乃至８のいずれかに記載のノズル（３６）。
10. 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及び／または、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５乃至９のいずれかに記載のノズル（３６）。

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