JP7399154B2 - 改善された第２段タービンノズル - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
[0001]本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２０１８年８月２１日に出願した米国非仮特許出願第１６／１０７，４１６号の優先権を主張するものである。
[0002]本開示は、概して、ガスタービンエンジンで使用されるためのタービン翼に関し、より詳細には、第２段タービン翼のための表面プロファイルに関する。

[0003]ガスタービンエンジンは、通常、軸方向シャフトを介して多段タービンに結合される多段圧縮機を備える。空気が圧縮機を通ってガスタービンエンジンに入り、圧縮機では、空気が圧縮機の後続の段を通過するときに空気の温度および圧力が増大する。次いで、圧縮空気が１つまたは複数の燃焼器まで誘導され、燃焼器で、圧縮空気が燃料源と混合されて燃焼混合物を作る。この混合物が燃焼器内で点火されて高温燃焼ガスの流れを作る。これらのガスがタービンまで誘導され、それによりタービンを回転させ、それにより圧縮機を駆動する。ガスタービンエンジンのこの出力は、タービンからの排気を介する機械的推進力であってもよいか、または軸方向シャフトの回転からの軸動力であってもよく、この場合、軸方向シャフトが発電機を駆動して電気を発生させることができる。

[0004]圧縮機およびタービンの各々が、圧縮空気の流れまたは高温燃焼ガスの流れの中まで延在するエーロフォイルを有する複数の回転ブレードおよび固定翼を備える。各ブレードまたは翼が、圧縮機およびタービンを通過する流れに対して必要な仕事を提供するために満たさなければならない特定のセットの設計基準を有する。しかし、タービンにおいて特に一般的であるように動作環境が本質的に過酷であることを理由として、エーロフォイルの性能を最適化することが有益である。

[0005]本発明は、ガスタービンエンジンで使用されるための改善されたエーロフォイル（ａｉｒｆｏｉｌ）構成を有する、タービンノズルとも称されるタービン翼を開示する。より具体的には、タービンノズルが、大型フレームのガスタービンエンジンで使用されるための第２段タービンノズルを備える。

[0006]本発明の実施形態で、タービンノズルが、エーロフォイルの任意の表面に対して垂直な方向において、約－０．０６７インチ（０．１７ｃｍ）から約＋０．１０１インチ（０．２５７ｃｍ）のエンベロープの範囲内の１つの形状を有するエーロフォイルを備える。エーロフォイルが、表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に実質的に従う公称の非被覆プロファイル（ｕｎｃｏａｔｅｄ ｐｒｏｆｉｌｅ）を有し、Ｚの値は０から１までの無次元値であり、このＺの値にインチ単位のエーロフォイルの高さを積算し、この積算された値をタービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能である。ＸおよびＹはインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各Ｚの値でのエーロフォイルプロファイル断面を画定する。Ｚの値でのこれらのプロファイル断面が互いに滑らかに接合され、完全なエーロフォイル形状を形成する。エーロフォイルがその根本のところある内径プラットフォームおよびその先端部のところにある外径プラットフォームに固定される。

[0007]本発明の代替的実施形態で、エーロフォイルを備えるタービンノズルが提供される。エーロフォイルが、表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に実質的に従う公称の非被覆プロファイルを有する１つの形状を有する。Ｚの値は０から１までの無次元値であり、このＺの値にインチ単位のエーロフォイルの高さを積算し、この積算された値をタービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能である。ＸおよびＹはインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各距離Ｚでのエーロフォイルプロファイル断面を画定する。Ｚ距離でのこれらのプロファイル断面が互いに滑らかに接合され、完全なエーロフォイル形状を形成する。

[0008]別の実施形態で、第２段タービンノズルの組立体が提供され、ここでは、各第２段タービンノズルが、エーロフォイルの任意の表面に対して垂直な方向において、約－０．０６７インチ（０．１７ｃｍ）から約＋０．１０１インチ（０．２５７ｃｍ）のエンベロープの範囲内の１つの形状を有するエーロフォイルを備える。エーロフォイルが、表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に実質的に従う公称の非被覆プロファイルを有する。Ｚの値は０から１までの無次元値であり、このＺの値にインチ単位のエーロフォイルの高さを積算し、この積算された値をタービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能である。ＸおよびＹはインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各距離Ｚでのエーロフォイルプロファイル断面を画定する。Ｚ距離でのプロファイル断面が互いに滑らかに接合されて完全なエーロフォイル形状を形成する。

[0009]以下の記述および特許請求の範囲から本発明のこれらのおよび他の特徴が最良に理解され得る。

[0010]添付図面を参照して本発明を以下でより詳細に説明する。

[0011]本発明の実施形態によるタービンノズルを示す斜視図である。 [0012]図１のタービンノズルのための表１－１～表１－３９のデカルト座標によって形成される一連のエーロフォイル断面を示す斜視図である。

[0013]本発明は、発電のために使用されるガスタービンなどの、ガスタービンエンジンで使用されることを意図されるものである。したがって、本発明は、製造業者に関係なく、多様なタービン動作環境で使用され得る。

[0014]当業者には容易に認識されるように、ガスタービンエンジンが、エンジンの中心線または軸方向の中心線軸を中心として円周方向に配置される。エンジンが、圧縮機、燃焼セクション、およびタービンを有し、タービンがエンジンシャフトを介して圧縮機に結合される。当技術分野でよく知られているように、圧縮機内で圧縮される空気が燃料と混合されて燃焼セクション内で燃焼してタービン内で膨張する。圧縮機内で圧縮される空気およびタービン内で膨張する燃料混合物は「高温ガスストリームフロー」と称され得る。タービンが、流体の膨張に反応して回転してそれにより圧縮機を駆動するロータを有する。タービンが、翼またはノズルとしばしば称される、交互の列の回転タービンブレードおよび静止エーロフォイルを備える。

[0015]本発明の実施形態によるタービンノズルが図１および２に示される。最初に図１を参照すると、タービンノズル１０の斜視図が示されている。タービンノズル１０が、エーロフォイル１２の任意の表面に対して垂直な方向において、約－０．０６７インチ（０．１７ｃｍ）から約＋０．１０１インチ（０．２５７ｃｍ）のエンベロープの範囲内の１つの形状を有する１つまたは複数のエーロフォイル１２を備える。このエンベロープは、鋳造プロセスおよび機械加工プロセスの結果として生じ得る多様な製造公差の説明となっている。エーロフォイル１２が、下記の表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に実質的に従う公称の非被覆プロファイルを有する。Ｚの値は０から１までの無次元値であり、このＺの値にインチ単位のエーロフォイルの高さを掛け、その積をタービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能である。エーロフォイルの高さは多様であってよいが、一実施形態では、エーロフォイル１２が約１０．５インチ（２６．７ｃｍ）延在してもよい。根本の半径はノズル構成に応じて多様であってよいが、一実施形態では、約４７．６インチ（１２１ｃｍ）である。Ｘ値およびＹ値はインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各Ｚの値でのエーロフォイル断面３０を画定する。複数のエーロフォイル断面３０が図２に描かれている。エーロフォイル１２は、各Ｚの値でのエーロフォイル断面３０を形成してこれらのエーロフォイル断面３０を滑らかに一体に接合することにより、形成される。

[0016]第２段タービンの一部を形成するタービンノズル１０がエーロフォイルの根本１６のところでエーロフォイル１２に固定される内径プラットフォーム１４と、エーロフォイル１２の先端部２０のところでエーロフォイル１２に固定される外径プラットフォーム１８とをさらに備える。

[0017]Ｚの値が、内径プラットフォーム１４の軸方向長さの中央の距離から測定される。本発明のエーロフォイルは多様なサイズのタービンエンジンに合わせて変倍され得るが、本発明の１つの特定の実施形態の場合のエーロフォイル１２の代表的な高さは約１０．５インチ（２６．７ｃｍ）である。

[0018]ガスタービンエンジンの設計効率を向上させて全体の設計コストを低減するために、製造業者は、しばしば、可能である場合に類似の部品または変倍した部品を使用することを試みる。本発明では、拡大または縮小したノズルエーロフォイルを提供するためにＸ距離およびＹ距離が等しい定数の関数として変倍可能である。

[0019]図１および２に示されて表１－１～表１－３９においてその詳細を示されるエーロフォイル１２は非被覆であるが、可能であることとして、またしばしば高い可能性で、エンジンの動作温度を理由として、上昇する動作温度によるエロージョンからエーロフォイル１２を保護するためにエーロフォイル１２の外部表面を熱バリアコーティングで被覆することが必要となる可能性がある。エーロフォイル１２に加えられ得る１つのこのようなコーティングには、最大０．０１２インチ（０．０３０５ｃｍ）の厚さで加えられる金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層、および、金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層の上に約０．０２２インチ（０．０５５９ｃｍ）で加えられる熱バリアコーティングが含まれる。このような許容されるコーティングは、内径プラットフォーム１４と外径プラットフォーム１８との間のエーロフォイル１２のすべての表面に加えられる。本発明の実施形態では、金属ＭＣｒＡｌＹ熱バリアコーティングが約０．０３４インチ（０．０８６４ｃｍ）の厚さである場合、熱バリアコーティングの厚さおよび製造公差を原因とするエーロフォイルのばらつきを考慮して、エーロフォイルの公称のプロファイルから約－０．０６７インチ（０．１７ｃｍ）から＋０．１０１インチ（０．２５７ｃｍ）までで延在する、エーロフォイルプロファイルのためのエンベロープが得られる。

[0020]詳細には描かれないが、図１のタービンノズルは、通常、その有効動作温度を下げるために冷却される。この冷却を実現するために多様な冷却流体が使用され得る。しかし、１つの一般的な冷却流体はエンジン圧縮機からの圧縮空気である。供給分の（ａ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ）冷却空気がタービンノズルの内部キャビティを通るように誘導されてノズルの外側表面に沿うようにまたはタービンノズルの後縁２２に隣接するように排出される。

[0021]本発明の代替的実施形態では、エーロフォイル１２を有するタービンノズル１０が提供され、ここでは、エーロフォイル１２が、表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に実質的に従う公称の非被覆プロファイルを有する１つの形状を有する。Ｚの値は０から１までの無次元値であり、このＺの値にインチ単位のエーロフォイルの高さを掛け、その積をタービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能である。Ｘ値およびＹ値はインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、図２に示されるように、各距離Ｚでのエーロフォイルプロファイル断面３０を画定する。Ｚ距離でのプロファイル断面３０が互いに滑らかに接合され、完全なエーロフォイル形状を形成する。

[0022]エーロフォイルのプロファイルを決定するための表１－１～表１－３９の値は小数点第３位まで求められて示される。表１－１～表１－３９のこれらの値は公称の非被覆のエーロフォイルである。しかし、エーロフォイルのプロファイルを表１－１～表１－３９の値から変化させ得るような一般的な製造公差、ならびにコーティングも存在する。したがって、本発明の代替的実施形態では、上で開示したようなタービンノズル１０が提供され、ここでは、鋳造したノズルのエーロフォイル形状が任意の表面ロケーションに対して垂直な方向において－０．０６７インチ（０．１７ｃｍ）から＋０．１０１インチ（０．２５７ｃｍ）の範囲内のエンベロープ内に位置する。つまり、タービンノズル１０のエーロフォイルの鋳造プロセスおよび機械加工プロセスにおいて起こる変化などの多様な製造の問題を理由として、エーロフォイル形状の正確なロケーションは公称値から約－０．０６７インチ（０．１７ｃｍ）から約＋０．１０１インチ（０．２５７ｃｍ）で変化し得る。しかし、このようなエーロフォイルプロファイルの変化でも、本発明の範囲内にある第２段タービンノズルの所望の性能の範囲に完全に入るエーロフォイルが得られる。

[0023]また、本発明は多様なタービン用途で使用され得る。つまり、エーロフォイル１２は、多様なガスタービンエンジンでの使用のためにそのプロファイルを変倍可能とするように、設計される。エーロフォイル１２を変倍するために、Ｘ値およびＹ値に１．０より大きくてもよいか、または小さくてもよい第１の定数が掛けられ、Ｚの値に第２の定数が掛けられる。通常、Ｘ値およびＹ値には等しい定数が掛けられるが、Ｚの値には第１の定数とは異なっていてもよい第２の定数が掛けられる。

[0024]エーロフォイル１２を変倍することに加えて、本発明の代替的実施形態においてエーロフォイルの向きも変化し得る。より具体的には、エーロフォイルの向きが、各エーロフォイル断面から径方向外側に延在する軸またはＺの値に沿う軸を基準として回転することができる。この軸はエーロフォイル１２の積み重ね方向の軸（ｓｔａｃｋｉｎｇ ａｘｉｓ）であってもよい。当業者であれば理解するように、エーロフォイル１２の向きを回転させることにより、ノズルに対しての空気力学的負荷を再構成することが可能となり、それによりタービンノズル１０による空気流れの方向を変化させることができ、さらにはノズルに対しての機械的応力を変化させることができる。

[0025]本発明の別の実施形態で、第２段タービンノズルの組立体が提供される。１つの輪の中で互いに隣接して配置される複数のノズルが、エーロフォイルの任意の表面に対して垂直な方向において約－０．０６７インチ（０．１７ｃｍ）から＋０．１０１インチ（０．２５７ｃｍ）のエンベロープの範囲内の１つの形状を有するエーロフォイルを有する。エーロフォイルが、表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に実質的に従う公称の非被覆プロファイルを有し、Ｚの値は０から１までの無次元値であり、このＺの値にインチ単位のエーロフォイルの高さを掛け、その積をタービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能である。Ｘ値およびＹ値はインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各距離Ｚでのエーロフォイルプロファイル断面を画定する。次いで、Ｚ距離でのプロファイル断面が互いに滑らかに接合され、完全なエーロフォイル形状を形成する。

[0026]本発明のタービンノズル１０が、多くの固有の特徴を有するように設計されたエーロフォイル１２を有する。より具体的には、タービンノズル１０が、空気力学的負荷を最適化することおよび濡れ面積（ｗｅｔｔｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ）を低減することを目的として短縮された翼弦を有するエーロフォイルを有し、それにより必要となる冷却量が低減される。エーロフォイルがまた、エーロフォイルの吸込側の非被覆部分の拡散速度を制御することによりハブの衝撃損を最小にするように最適化されている。エーロフォイルの総圧力損失が、従来のデザインを基準として、エーロフォイルに対しての負荷を大幅に増大させながら、約０．３９％低減される。

[0027]下記の表１－１～表１－３９に与えられる座標値が本明細書で開示されるエーロフォイルのための公称のプロファイルのエンベロープを提供する。

[0028]本発明の好適な実施形態を開示してきたが、当業者であれば、いくつかの変形例が本発明の範囲にあることを認識するであろう。したがって、本発明の真の範囲および内容を決定するためには以下の特許請求の範囲を精読しなければならない。本発明の範囲から逸脱することなく本発明には多くの可能性のある実施形態が作られ得ることから、本明細書に記載されるかまたは添付図面に示されるすべての事項は例示であると解釈され、限定的な意味であると解釈されない、ことを理解されたい。

[0029]上記から、本発明が、明白であってその構造に固有のものである他の利点と併せて、本明細書において上に記載されるすべての成果および目的を達成するように良好に適合されるものである、ことが見てとれよう。

[0030]特定の特徴および部分的な組み合わせ（ｓｕｂｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）が有用なものであり、これらが他の特徴および部分的な組み合わせを参照することなく採用されていてもよい、ことが理解されよう。これは特許請求の範囲によって企図され、特許請求の範囲内にある。

１０ タービンノズル
１２ エーロフォイル
１４ 内径プラットフォーム
１６ エーロフォイルの根本
１８ 外径プラットフォーム
２０ エーロフォイルの先端部
２２ 後縁
３０ エーロフォイル断面

Claims (20)

1. エーロフォイルを備えるタービンノズルにおいて、前記エーロフォイルが、前記エーロフォイルの任意の表面に対して垂直な方向において、－０．０６７インチから＋０．１０１インチのエンベロープの範囲内の１つの形状を有し、前記エーロフォイルが、表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に従う公称の非被覆プロファイルを有する、タービンノズルであって、前記Ｚの値は０から１までの無次元値であり、前記Ｚの値にインチ単位の前記エーロフォイルの高さを掛け算し、この掛け算された値を前記タービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能であり、ＸおよびＹがインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各Ｚの値でのエーロフォイルプロファイル断面を画定し、前記Ｚの値での前記エーロフォイルプロファイル断面が互いに滑らかに接合され、完全なエーロフォイル形状を形成する、タービンノズル。
2. ガスタービンエンジンの第２段タービンの一部を形成する、請求項１に記載のタービンノズル。
3. 前記エーロフォイルの根本のところで前記エーロフォイルに固定される内径プラットフォームおよび前記エーロフォイルの先端部のところで前記エーロフォイルに固定される外径プラットフォームをさらに備える、請求項１に記載のタービンノズル。
4. 前記Ｚの値が、前記内径プラットフォームの軸方向長さの中央の距離から測定される、請求項３に記載のタービンノズル。
5. 前記タービンノズルが、前記内径プラットフォームから測定して１０．５インチのエーロフォイル高さを有する、請求項４に記載のタービンノズル。
6. 前記エーロフォイルに加えられるコーティングをさらに備える、請求項１に記載のタービンノズル。
7. 前記コーティングが、最大０．０１２インチの厚さで加えられる金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層、および、前記金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層の上に最大０．０２２インチの厚さで加えられる熱バリアコーティングを含む、請求項６に記載のタービンノズル。
8. ＸおよびＹが、拡大または縮小したノズルエーロフォイルを提供するために等しい定数の関数として変倍可能である距離を含む、請求項１に記載のタービンノズル。
9. 表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に従う公称の非被覆プロファイルを有する１つの形状を有するエーロフォイルを備えるタービンノズルであって、前記Ｚの値は０から１までの無次元値であり、前記Ｚの値にインチ単位の前記エーロフォイルの高さを掛け算し、この掛け算された値を前記タービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能であり、ＸおよびＹがインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各距離Ｚでのエーロフォイルプロファイル断面を画定し、前記Ｚ距離での前記エーロフォイルプロファイル断面が互いに滑らかに接合され、完全なエーロフォイル形状を形成する、タービンノズル。
10. ガスタービンエンジンの第２段の一部を形成する、請求項９に記載のタービンノズル。
11. 前記エーロフォイルの根本のところで前記エーロフォイルに固定される内径プラットフォームおよび前記エーロフォイルの先端部のところで前記エーロフォイルに固定される外径プラットフォームをさらに備える、請求項９に記載のタービンノズル。
12. 前記Ｚの値が、前記内径プラットフォームの軸方向長さの中央の距離から測定される、請求項１１に記載のタービンノズル。
13. 前記タービンノズルが、前記内径プラットフォームから測定して１０．５インチのエーロフォイル高さを有する、請求項１２に記載のタービンノズル。
14. 前記エーロフォイルに加えられるコーティングをさらに備える、請求項９に記載のタービンノズル。
15. 前記コーティングが、最大０．０１２インチの厚さで加えられる金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層、および、前記金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層の上に最大０．０２２インチの厚さで加えられる熱バリアコーティングを含む、請求項１４に記載のタービンノズル。
16. 第２段タービンノズルの組立体において、前記第２段タービンノズルは複数であり、各第２段タービンノズルが、エーロフォイルの任意の表面に対して垂直な方向において、－０．０６７インチから＋０．１０１インチのエンベロープの範囲内の１つの形状を有するエーロフォイルを備え、各エーロフォイルが、表１－１～表１－３９に記載されるＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値に従う公称の非被覆プロファイルを有する、第２段タービンノズルの組立体であって、前記Ｚの値は０から１までの無次元値であり、前記Ｚの値にインチ単位のそれぞれの前記エーロフォイルの高さを掛け算し、この掛け算された値を前記第２段タービンノズルの根本の半径に加えることによってインチ単位のＺ距離へと変換可能であり、ＸおよびＹがインチ単位の距離であり、滑らかに連なる円弧によって接続される場合、各距離Ｚでのエーロフォイルプロファイル断面を画定し、前記Ｚ距離での前記エーロフォイルプロファイル断面が互いに滑らかに接合され、完全なエーロフォイル形状を形成する、第２段タービンノズルの組立体。
17. それぞれの前記エーロフォイルの根本のところで各エーロフォイルに固定される内径プラットフォームおよびそれぞれの前記エーロフォイルの先端部に固定される外径プラットフォームをさらに備える、請求項１６に記載の第２段タービンノズルの組立体。
18. 各第２段タービンノズルが、それぞれの前記内径プラットフォームから測定して１０．５インチのエーロフォイル高さを有する、請求項１７に記載の第２段タービンノズルの組立体。
19. 各エーロフォイルに加えられるコーティングをさらに備え、前記コーティングが、最大０．０１２インチの厚さで加えられる金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層、および、前記金属ＭＣｒＡｌＹの被膜層の上に最大０．０２２インチの厚さで加えられる熱バリアコーティングを含む、請求項１８に記載の第２段タービンノズルの組立体。
20. ＸおよびＹが、拡大または縮小したノズルエーロフォイルを提供するために等しい定数の関数として変倍可能である距離を含む、請求項１６に記載の第２段タービンノズルの組立体。

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