JP6929050B2 - ターボ機械及びターボ機械用タービンブレード - Google Patents

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。

国際公開第０３／００６７９８号

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。

本発明の態様に係るターボ機械の図である。 本発明の態様に係るブレードの斜視図である。 本発明の態様に係る２枚の隣接するブレードの上面図である。 本発明の態様に係るスロート分布のプロットである。 本発明の態様に係る最大厚さ分布のプロットである。 本発明の態様に係る軸方向翼弦長で除算した最大厚さ分布のプロットである。 本発明の態様に係る翼長中央（ミッドスパン）での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。

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。

図５は、ブレードの翼形部３７の厚さによって規定される厚さ分布Ｔｍａｘ／Ｔｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎのプロットである。縦軸は、第１の環状壁４０と翼形部３７の径方向３２の対向端部との間の％翼長位置を表す。横軸は、ＴｍａｘをＴｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎで除算した値を示す。Ｔｍａｘは、所与の翼長位置での翼形部の最大厚さ、Ｔｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎは翼長中央（例えば、約５０％〜約５５％翼長位置）での翼形部の最大厚さである。ＴｍａｘをＴｍａｘ＿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、曲線は同じままとなる。表２を参照すると、５５％の翼長中央値でＴｍａｘ／Ｔｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎ値は１になるが、これはこの翼長位置でＴｍａｘがＴｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎに等しくなるためである。

図６は、様々な翼長位置に沿って翼形部の厚さ（Ｔｍａｘ）を翼形部の軸方向翼弦長で除算した値のプロットである。縦軸は、第１の環状壁４０と翼形部３７の径方向３２の対向端部との間の％翼長位置を表す。横軸は、軸方向翼弦長の値で除算したＴｍａｘを表す。翼形部の厚さを軸方向翼弦長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、曲線は同じままとなる。図５及び図６に示すＴｍａｘ分布を有するブレードの設計は、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調整するのに役立てることができる。したがって、図５及び図６に示すＴｍａｘ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、様々な翼長位置でのＴｍａｘ／軸方向翼弦長の値を示す。

図７は、様々な翼長位置に沿って翼形部の軸方向翼弦長を翼長中央での軸方向翼弦長の値で除算したもののプロットである。縦軸は、第１の環状壁４０と翼形部３７の径方向３２の対向端部との間の％翼長位置を表す。横軸は、軸方向翼弦長を翼長中央での軸方向翼弦長で除算した値を表す。表４を参照すると、５５％の翼長中央値で軸方向翼弦長／軸方向翼弦長＿ＭｉｄＳｐａｎの値は１になるが、これはこの翼長で、軸方向翼弦長が、翼長中央位置での軸方向翼弦長に等しくなるためである。軸方向翼弦長を、翼長中央での軸方向翼弦長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、曲線は同じままとなる。表４は、様々な翼長位置に沿って翼形部の軸方向翼弦長を翼長中央での軸方向翼弦長の値で除算した値を示す。

図７に示す軸方向翼弦長分布を有するブレードの設計は、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調整するのに役立てることができる。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、特定の翼長位置付近で厚さを増加させたブレード３６は、４５０Ｈｚの共振周波数を有する場合がある。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、構造的破壊を招くおそれがある。したがって、図７に示す軸方向翼弦長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、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

Claims (14)

1. 翼形部（３７）を有し、ターボ機械（１０）で使用されるように構成されたブレード（３６）であって、前記翼形部（３７）が、
   隣接するブレード（３６）間の経路の最も狭い領域で測定されるスロート分布であって、その領域で隣接するブレード（３６）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スロート分布を有しており、
   前記翼形部（３７）が前記スロート分布を規定し、前記スロート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）が直線的な後縁プロファイルを有し、
   前記ブレード（３６）の後縁（４６）によって規定される前記スロート分布が、約０％翼長位置での約８７％のスロート／スロート＿ｍｉｄ−ｓｐａｎ値から約９０％翼長位置での約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、及び約１００％翼長位置で約８１％のスロート／スロート＿ｍｉｄ−ｓｐａｎ値となり、
   ０％翼長位置が前記翼形部（３７）の径方向内側部分にあり、１００％翼長位置が前記翼形部（３７）の径方向外側部分にあり、かつ約５５％翼長位置でのスロート／スロート＿ｍｉｄ−ｓｐａｎ値が１００％である、ブレード（３６）。
2. 前記後縁（４６）が、軸方向（２８）及び周方向（３４）にオフセットしたプロファイルを有する、請求項１に記載のブレード（３６）。
3. 前記後縁（４６）が、軸方向上流に約１．８度オフセットし、かつ周方向（３４）に約１．４度オフセットしている、請求項２に記載のブレード（３６）。
4. 前記スロート分布が、±１０％の許容範囲内の表１に示す値によって規定される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のブレード（３６）。
5. 前記翼形部（３７）が、表２に示す値によって規定される厚さ分布（Ｔｍａｘ／Ｔｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎ）を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のブレード（３６）。
6. 前記翼形部（３７）が、表３に示す値に従って規定される、軸方向翼弦長（５６）で除算した無次元の厚さ分布、及び／又は表４に示す値に従って規定される、翼長中央での軸方向翼弦長（５６）で除算した無次元の軸方向翼弦長分布を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のブレード（３６）。
7. 翼形部（３７）を備える製品であって、前記翼形部（３７）が、
   隣接する翼形部（３７）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、
   前記翼形部（３７）がスロート分布を規定し、前記スロート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）が直線的な後縁プロファイルを有し、該後縁プロファイルが、軸方向上流に約１．８度及び周方向（３４）に約１．４度、オフセットしており、
   前記スロート分布が、±１０％の許容範囲内の表１に示す値によって規定され、前記翼形部（３７）が、表２に示す値によって規定される厚さ分布（Ｔｍａｘ／Ｔｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎ）を有する、製品。
8. 前記翼形部（３７）が、表３に示す値に従って規定される、軸方向翼弦長（５６）で除算した無次元の厚さ分布、及び／又は表４に示す値に従って規定される、翼長中央での軸方向翼弦長（５６）で除算した無次元の軸方向翼弦長分布を有する、請求項７に記載の製品。
9. 複数のブレード（３６）を備えるターボ機械（１０）であって、各々のブレードが翼形部（３７）を備えており、当該ターボ機械（１０）が、
   経路を画定する対向する壁であって、前記経路が、その内部に流体の流れを受けて、前記経路を通して前記流体の流れを流すことができ、スロート分布が、隣接するブレード（３６）間の経路の最も狭い領域で測定され、その領域で隣接するブレード（３６）が対向する壁間の経路を横断して延在して前記流体の流れと空気力学的に相互作用する、対向する壁と、
   前記スロート分布を規定する前記翼形部（３７）であって、前記スロート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）が直線的な後縁プロファイルを有する前記翼形部（３７）と
   を備えており、
   前記ブレード（３６）の後縁（４６）によって規定される前記スロート分布が、約０％翼長位置での約８７％のスロート／スロート＿ｍｉｄ−ｓｐａｎ値から約９０％翼長位置での約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、及び約１００％翼長位置で約８１％のスロート／スロート＿ｍｉｄ−ｓｐａｎ値となり、
   ０％翼長位置が前記翼形部（３７）の径方向内側部分にあり、１００％翼長位置が前記翼形部（３７）の径方向外側部分にあり、かつ約５５％翼長位置でのスロート／スロート＿ｍｉｄ−ｓｐａｎ値が１００％である、ターボ機械（１０）。
10. 前記後縁（４６）が、軸方向（２８）及び周方向（３４）にオフセットしたプロファイルを有する、請求項９に記載のターボ機械（１０）。
11. 前記後縁（４６）が、軸方向上流に約１．８度オフセットし、かつ周方向（３４）に約１．４度オフセットしている、請求項１０に記載のターボ機械（１０）。
12. 前記スロート分布が、±１０％の許容範囲内の表１に示す値によって規定される、請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
13. 前記翼形部（３７）が、表２に示す値によって規定される厚さ分布（Ｔｍａｘ／Ｔｍａｘ＿Ｍｉｄｓｐａｎ）を有する、請求項９乃至請求項１２のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。
14. 前記翼形部（３７）が、表３に示す値によって規定される、軸方向翼弦長（５６）で除算した無次元の厚さ分布、及び／又は表４に示す値によって規定される、翼長中央での軸方向翼弦長（５６）で除算した無次元の軸方向翼弦長分布を有する、請求項９乃至請求項１３のいずれか１項に記載のターボ機械（１０）。

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