JPS62294704A - タ−ボ機械用ステ−タベ−ン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明はガスタービンエンジン等のクーボ祷繍に使用さ
れるステータベーンの構造に係る。

従来の技術 現代の軸流ターボ機械に於ては、作動流体の環状の流れ
が一つ又はそれ以上の段に導かれ、それらの段に於てタ
ーボ機械の回転する軸と軸線方向に流れる作動流体との
間に於てエネルギが交換される。軸流ガスタービンエン
ジンに於ては、かかるエネルギの交換は両方向に生じ、
エンジンの圧縮機セクションに於ては機械的エネルギが
軸より作動流体へ伝達され、エンジンのタービンセクシ
ョンに於ては逆にエネルギが伝達される。

−り述の如く、かかるエネルギの交換はターボ機械の軸
に固定され半径方向に延在する複数個の回転ブレードを
有するロータと、該ロータのすぐ」１流側に配置され半
径方向に延在する複数個の固定ベーンとを含む一つ又は
それ以上の段に於て生じる。静止ステータベーンは所望
量の運動量が伝達されるよう作動流体の環状の流れを直
接下流側のロータブレードへ最適に専く作用をなす。

当業者には理解され得る如く、ステークベーンはターボ
機械の軸と作動流体との間に於てエネルギの伝達を行わ
ず、ターボ機械の回転要素が作動流体とより一層効果的
に相互作用することを可能にする手段としてのみ機能す
る。更にロータ段へ流入する作動流体の流速プロフィー
ルは、各ブレードのスパン全体に亙り適正な相互作用を
達成するためには最適の流速プロフィールであることが
望ましい。

ガスタービンエンジンのタービンセクションの第一段に
於ける作動流体の軸線方向の速度は、ロータの第一ター
ビン段の入口のすぐ上流側に於ては半径方向に一様では
ないことが試験により解っている。特に作動流体の軸線
方向の速度成分は作動流体の環状の流れの半径方向内方
及び外方の境界に近接した位置に於ては小さい。設計者
は、ベーン段の出口平面に於ける流速プロフィールを最
適化し、これによりエンジンの全体としての効率を改善
すべく、ステータベーン段より流出する作動流体の流れ
の流速分布を調整する試みを従来より行っている。

従来技術に於てかかる流速分布の調整を達成するために
使用されている一つの方法は、互いに隣接するステータ
ベーンの間に形成されるノズル喉の寸法がベーンのスパ
ン方向中央部近傍に於て最小値になるよう、ノズル喉の
寸法を変化させることである。このことは、従来技術に
於ては、ベーンのスパン方向中央部に於て互いに隣接す
るベーンの間の間隔を小さくすべく、ベーンのリーディ
ングエツジ又はトレーリングエツジの近傍に於てベーン
のスパンを湾曲させることにより達成されている。かく
して得られるスパン方向に湾曲したベーンによれば、ベ
ーン段の出口に於ける流速分布を所望の分布にすること
ができるが、かかるベーンを使用するとベーンの有効性
を制限する多数の作動上の不具合が生じる。

従来のスパン方向に湾曲したベーン構造の一つの欠点は
、流体の流れがロータ段の入口へ向けて軸線方向下流側
へ移動する際に於ける最適の流速プロフィールを悪化さ
せる好ましからざるボディフォースが生じ易いというこ
とである。かくしてロータ段の人口に於ける流速プロフ
ィールが最適ではないことにより、ノズル喉の寸法を変
化させることにより達成される利益が低減される。

従来のベーンの他の一つの欠点は、ガスタービンエンジ
ン内の燃焼器セクションのすぐ下流側のベーンであって
、高温環境に耐えるために或る形態の内部冷却を必要と
するベーンに於て生じる。

従来のスパン方向に湾曲したベーンに於ては、少ない流
量の冷却媒体にて高効率の熱伝達を行わせるための内部
冷却ガス衝突構造体を容易に嵌合させることが困難であ
る。

従来のスパン方向に湾曲したベーンの更に他の一つの欠
点は、ノズル喉寸法を変化させるに必要な一様ではない
エーロフオイル断面に起因して表。

面圧力分布が不均一になるということである。不均一な
表面圧力分布によりスパン方向の圧力勾配が発生され、
その圧力勾配によりエンジンの全体としての出力を低下
させる空気力学的損失が生じる。

従って当技術分野に於て必要とされているものは、下流
側のロータ段入口に於て所望の一様な流速プロフィール
を達成し且維持し、しかも従来のスパン方向に湾曲した
ベーン構造に於ける種々の損失や他の欠点を解消するス
テータベーン構造である。

発明の概要 従って本発明の一つの目的は、ガスタービンエンジン等
に使用されるステータベーン構造を提供することである
。

本発明の他の一つの目的は、ベーン段の下流側に於ける
作動流体の流速プロフィールを安定的で最適の流速プロ
フィールにするステータベーン構造を提供することであ
る。

本発明の更に他の一つの目的は、周方向に互いに隣接す
るエーロフオイル体の間に形成されるノズル喉の寸法を
、それがステータベーンの半径方向内端と外端との間の
或る位置に於て最小値となるよう変化させることにより
、下流側に於ける作動流体の流速プロフィールを最適に
するステータベーン構造を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、ベーンのエーロフォイ
ルをスパン方向に湾曲させることなくノズル喉寸法を変
化させることである。

本発明の更に他の一つの目的は、ステータベーンの少な
くとも前方部分の断面形状又は方向を実質的に変化させ
ることなくノズル喉寸法を変化させることである。

本発明によれば、ステータベーン構造には、ベーンのス
パン全体に亙すベーンのスパン方向中央部近傍に於ける
最大値より変化し、スパン方向中央部より半径方向内方
及び外方へ向かうにつれて減少する翼弦寸法が与えられ
る。本発明によるステータベーン構造は、同様に構成さ
れた複数個のベーンが周方向に配列された段に構成され
ると、ベーンの半径方向内端及び外端に近接した位置に
於て作動流体の流量を大きくするよう半径方向に変化す
るノズル喉寸法を達成する。かくして作動流体の流量が
修正されることにより、下流側のロータ段へ流入する作
動流体の軸線方向の流速プロフィールがより一層好まし
い流速プロフィールになる。

特に本発明によるベーンは、ベーンのスパン全体に亙り
所望の翼弦寸法及びノズル喉寸法を達成するよう、ベー
ン断面の下流側部分のみを変化させることにより翼弦寸
法の変化を達成する。

本発明の更に他の一つの特徴は、ベーン断面の吸入側が
ベーンのスパン全体に亙り実質的に同様の形状に維持さ
れており、ベーン断面の圧力側の下流側部分が上流側の
圧力側面をトレーリングエツジに滑らかに接続するよう
形状の修正が行われていることである。

本発明による翼弦寸法が変化するベーンは、ベーンのス
パン全体に亙り実質的に同様の前方部分の断面形状及び
吸入側面の形状を維持している。

かかる首尾一貫性により、ベーンを冷却するための容易
に交換可能な内部熱伝達構造体を使用することができ、
また各ベーンの半径方向に互いに隔置された部分に亙る
不均一な表面圧力分布により惹起こされるベーンの性能
低下を回避することができる。更にベーンの表面が半径
方向に一様な形状をなし、ベーンのスパン方向に直線的
であることにより、従来のスパン方向に湾曲したベーン
に比して、ベーンの表面にスパン方向の圧力勾配が生じ
る虞れ及び互いに隣接するベーンの間に好ましからざる
軸線方向の渦流が発生する虞れが低減される。

以下に添付の図を参照しつつ、Ａ、従来技術及びＢ１本
発明の実施例について詳細に説明する。

Ａ、スパン方向に湾曲したベーン（従来技術）第１図乃
至第３図はベーンスパンに沿う半径方向位置に応じてノ
ズル喉が異なる従来のステータベーン２を示している。

特に第１図はスパン方向に湾曲したリーディングエツジ
１２と実質的に直線状のトレーリングエツジ１４とを有
するエーロフオイル体１０を有する従来のベーン２を示
している。エーロフオイル体１０は半径方向内端に於て
はプラットフォーム１６に固定されている。エーロフオ
イル体の半径方向外端も典型的には明瞭化の目的で図に
は示されていない同様の横断方向Ｉ−罵濱光−Ｊ−２角
ＣＩね一田中セ七で１１ス第１図の斜視図は、従来のベ
ーン２を半径方向内方に見た状態を示す第３図を参照す
ることにより最も良好に理解される。第３図に於て、エ
ーロフオイル体１０は半径方向内端及び半径方向外端に
符号１８にて示された断面を有し、エーロフオイル体の
スパン方向中央又はその近傍に符号２０にて示された断
面を有している。図示の如く、吸入側３６はベーン２の
スパンに沿って周方向に変位され、これにより周方向に
互いに隣接するベーン（図示せず）と共働して大きさが
徐々に変化するノズル喉を郭定している。

かくして第３図に示されている如き従来のベーン２のエ
ーロフオイル体１０は、符号２２及び２４にて示されて
いる如くベーンスパン全体に亙り一定の翼弦長さを郭定
している。エーロフオイル体がスパン方向に湾曲してい
ることにより、ノズル喉が徐々に変化していることに加
えてトレーリングエツジの角度２６及び２８も異なって
いる。

かくして従来のベーンに於てノズル喉が徐々に変化しト
レーリングエツジの角度が異なっていることにより、ベ
ーン段の出口平面に於けるガス流の最適の軸線方向流速
プロフィールが達成されている。しかし前述の如く、こ
の最適の流速プロフィールはベーン段出口とこれに隣接
する下流側のロータ段人口との間に於て急激に悪化する
ことが解っている。

ターボ機械の当業者には理解され得る如く、従来のベー
ン２のエーロフオイル体１０がスパン方向に湾曲してい
ることにより、ベーンのスパンに沿ってエーロフオイル
体の断面１８及び２０の方向及び形状が調整されている
。例えば第３図に示された構成については、エーロフオ
イル体の一様ではない断面１８及び２０は不均一な表面
圧力分布を受け、このことによりベーンの表面に好ま・
しからざるスパン方向の圧力勾配が発生される。かかる
圧力勾配及び湾曲したエーロフオイル体１０により作動
流体に及ぼされる力（ボディフォースという）により、
半径方向内方及び外方の境界層より離れる方向へ流れる
好ましからざる半径方向の流体流３２が発生される。か
かる局部的な半径方向の流れにより、ベーン段より流出
するガスの最適の軸線方向の流速プロフィールが悪化さ
れる。

他の一つの欠点は、スパン方向に湾曲したエーロフオイ
ル体内へ熱伝達用の流体衝突構造体又は他の流れ案内構
造体を挿入し易いか否かに関し第２図及び第３図を参照
することにより理解される。

かかる流体衝突構造体は湾曲したエーロフオイル体の内
部空間（図示せず）内に於けるジャミングや破損を回避
するためには、注意深い成形や挿入を要する。

第１図乃至第３図に示された従来のベーンはリーディン
グエツジ１２の近傍に湾曲したスパンを有しているが、
ノズル喉の寸法及び出口角度を同様にスパン方向に変化
させるべく同様の態様にてトレーリングエツジ１４を湾
曲させることも従来より知られている。但し後者の構成
は第１図乃至第３図の従来技術の場合よりも有効性に乏
しい。

Ｂ、発明を実施するための最良の形態（実施例）第４図
は本発明によるステータベーン４の斜視図である。ベー
ン４は作動流体の環状の流れ（図示せず）を横切ってス
パン方向に延在し、図示の如く半径方向内端（ルート端
部）４０に於てプラットフォーム４２に固定されたエー
ロフオイル体３８を含んでいる。

半径方向外端（先端）４４も作動流体の環状の流れの半
径方向外方の円筒状の境界を形成するアウタプラットフ
ォーム又は他の構造体（図示せず）に固定されている。

エーロフオイル体３８はリーディングエツジ４６及びト
レーリングエツジ４８を有しており、半径方向内端４０
、外端４４、及びベーンのスパン方向中央部５０につい
てそれぞれ代表的に図示された複数個のエーロフォイル
断面を郭定している。

第４図及び第５図より、本発明によるベーン４は、スパ
ン方向に実質的に直線状をなしているが、スパン方向中
央部５０と内端４０及び外端４４との間に於てはエーロ
フオイル体の翼弦寸法が実質的に異なっている。第５図
に明瞭に示されている如く、ベーンのスパン方向中央部
５０に於ける翼（第５図には示されていない）に於ける
翼弦寸法５４よりもかなり大きい。

かくしてエーロフオイル体３８のスパンに沿って翼弦寸
法（例えば５２．５４）が変化していることにより、本
発明に従って構成され周方向に互いに隣接する二つのベ
ーン４と４ａとの間に郭定されるステータベーンのノズ
ル喉寸法が変化している。ベーンの外端４４に郭定され
るノズル喉５６はベーンのスパン方向中央部に郭定され
るノズル喉５８よりも−大きい。更にベーンの外端４４
′のトレーリングエツジに於けるノズル出口角度６０の
大きさは、ベー、ンのスパン方向中央部５０に於ける出
口角度６２の大きさよりも小さい。かくして本発明によ
るベーン構造は、ベーンのスパン方向中央部に於けるノ
ズル喉を低減し且作動流体の流れの環状の境界に近接し
た位置に於ける作動流体の質量流量を増大させることに
より、作動流体の環状の流れの半径方向内方及び外方に
近接した位置に於ける作動流体の軸線方向の速度成分を
増第６ａ図及び第６ｂ図は本発明によるベーン構造の有
効性を裏付ける実験結果及び演算結果のデータを示して
いる。第６ａ図及び第６ｂ図は％スパンを横軸にとって
ガスの軸線方向の流速Ｖｘを示している。これらの図に
於て、０％スパンはベーンの半径方向内端４０に対応し
ており、１００％スパンは半径方向外端４４に対応して
いる。第６ａ図より解る如く、従来のベーン２及び本発
明によるベーン４は対応するステータベーン段のガス出
口平面に於てはそれぞれ互いに同様の軸線方向流速プロ
フィール６４及び６６を生じる。

本発明によるベーンが組込まれたベーン段は、第６ｂ図
に於て実線６６′により示されている如く、そのベーン
より下流側であってそれに隣接するロータブレード段の
入口平面に於ても、この最適の流速プロフィールを維持
する。これに対し、従来のベーン段の流速プロフィール
６４′は、ガスの流れが下流側のロータ段の入口に到達
する段階までに大きく悪化され、これによりその特定の
ロータ段の有効性及びエンジンの全体としての効率が低
下される。

前述の如く、従来の構造に於て流速プロフィールがかく
して悪化することは、従来のスパン方向に湾曲した構造
に固有のボディフォース及びスパン方向の圧力勾配によ
る。本発明によるベーン４により発生される流速プロフ
ィール６６’はかかる悪化を生じず、隣接する下流側の
ロータ段に流入するまで実質的に最適の状態を維持する
。

半径方向内方及び外方の環状領域に於けるかかかる最適
の流速プロフィールは、少なくとも一部にはベーン４の
スパンに沿うエーロフオイル体３８の形状が一定である
ことにより達成される。第５図に於て、ベーン４の上流
側部分６８はベーンのスパンに沿って実質的に変化され
ていないのに対し、下流側゛部分は大きく変化されてい
ることが解る。更にベーンのエーロフオイル体３８の吸
入側面７２も下流側部分７０に於ては形状が変化されて
いないのに対し、圧力側面７４はベーンのスパンに沿う
翼弦寸法の変化を受入れるべくトレーリングエツジ４８
まで滑らかに延在している。

エーロフオイル体３８の上流側部分６８の断面形状及び
吸入側面７２の形状を変化されていない状態に維持する
効果はガス流の当業者に明らかであろう。吸入側面７２
は、ベーンのスパンに沿ってノズル喉を変化させるべく
、吸入側面の形状を犠牲にすることなくベーンと作動流
体との最も効率的な相互作用を達成するよう最適に且一
様に形状が設定されてよい。翼弦長さ５２及び５４の変
化を受入れるに必要なエーロフオイル体の断面の変化は
、エーロフオイル体３８の下流側部分７０の圧力側面７
４を上流側部分６８とトレーリングエツジ４８との間に
於て滑らかに延在させることにより受入れられる。かか
る構造によれば従来の構造に於ける好ましからざるスパ
ン方向の表面圧力勾配及びボディフォースが生じること
が回避される。

本発明によるベーンの直線状スパンのエーロフオイル体
構造の他の一つの利点が第７ａ図に示されており、本発
明によるベーン４は半径方向内端４０と外端４４との間
にスパン方向に延在する内部冷却キャビティ７６を有し
ている。キャビティ７６は第７ａ図に於ては取外された
位置にて図示された冷却流体衝突用チューブの如き内部
熱伝達増大構造体７８を受入れるよう構成されている。

衝突用チューブ７８はその内部へ空気の如き冷却ガス８
０の流れを受入れ、それを複数個の衝突用孔８２を経て
キャビティ７６の内面に対し外方へ導くことにより作動
する。第７ｂ図に示されている如く、衝突用孔８２より
流出する冷却ガスは比較的高速度にてキャビティ７６の
内面に衝突し、これによりベーンの材料と或る与えられ
た冷却ガスの流れとの間に於て高効率の熱伝達を達成す
る。

冷却ガス８０はベーン４の内壁より熱を吸収した後、半
径方向に又は第７ａ図及び第７ｂ図に図示された放出孔
８４を経てベーン４より流出する。

ベーンの内部空気冷却の当業者には理解され得る如く、
高温ターボ機械の環境に於て容易に取外し可能な熱伝達
増大構造体７８を使用することは非常に有益である。直
線状のスパンを有するエーロフオイル体３８の断面を実
質的に一定にすることにより、本発明によるベーンは実
質的に直線状の衝突用チューブ７８等を内部キャビティ
７６内に容易に受入れることができる。かかる直線状の
チューブ７８によれば、チューブを各ベーン４内へ容易
に摺動によって嵌込み、またベーンより容易に取出すこ
とができ、これにより交換、修理、及びクリーニングを
容易に行うことができると共に、かかる軽量で脆弱な構
造体のジャミングや破損の虞れを低減することができる
。

本発明によるベーンに存在する形状やバリエーションを
説明するに際しては、これらの特徴を十分に明瞭に説明
するために第４図及び第５図に於て物理的外観を誇張す
る必要があった。かかるバリエーションの実際の大きさ
は、実際のステータベーンを物理的に観察することによ
って明瞭に解るが、トレーリングエツジの角度の時計廻
り方向の変化Δαを縦軸に取り％スパンを横軸に取って
示す第８図より解る如く、実際には遥かに小さいもので
ある。

ガスタービンエンジンの燃焼器セクションのすぐ下流側
に配置される典型的なステータベーンについては、本発
明によるステータベーンに於て、ベーンのスパン全体に
亙る翼弦寸法の変化に起因するトレーリングエツジの角
度の変化は±２′である。かくしてトレーリングエツジ
の角度の変化が値かであること及びベーン４の両端間の
或る点に於ける最小値より前記或る点から半径方向内方
及び外方へ向かうにつれて増大するようノズル喉寸法が
変化していることにより、作動流体の半径方向の流速分
布が第６ａ図及び第６ｂ図に示された流速プロフィール
を達成するに十分な程修正されている。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のノズル喉寸法が変化するステータベーン
を示す斜視図である。 第２図は従来の一つのベーンを示す正面図である。 第３図は従来のベーンを半径方向内方に見た解図である
。 第４図は本発明によるステータベーンを示す斜視図であ
る。 第５図は本発明による一対のベーンを半径方向内方に見
た解図である。 第６ａ図は本発明によるステータベーンが組込まれた或
る段の出口平面に於ける軸線方向の流速プロフィールを
、従来のステータベーンが組込まれた或る段の出口平面
に於ける流速プロフィールと比較して示すグラフである
。 第６ｂ図は本発明によるステータベーン及び従来のステ
ータベーンについて隣接する下流側のロータ段の入口平
面に於ける軸線方向の流速プロフィールを示すグラフで
ある。 第７ａ図は熱伝達増大構造体が挿入されるよう構成され
た本発明によるベーンの斜視図である。 第７ｂ図は第７ａ図に示されたベーンの平面図である。 第８図は本発明によるベーンについてスパンに対するト
レーリングエツジの角度の変化を示すグラフである。 ２・・・ステータベーン、１０・・・エーロフオイル体
。 １２・・・リーディングエツジ、１４・・・トレーリン
グエツジ、１６・・・プラットフォーム、２６．２８・
・・トレーリングエツジの角度、３２・・・流体の流れ
。 ３４・・・圧力側、３６・・・吸入側、３８・・・エー
ロフオイル体、４０・・・内端、４２・・・プラットフ
ォーム。 ４４・・・外端、４６・・・リーディングエツジ、４８
・・・トレーリングエツジ、５０・・・スパン方向中央
部。 ５２．５４・・・翼弦寸法、５６．５８・・・ノズル喉
。 ６０．６２・・・出口角度、６４．６６・・・流速プロ
フィール、６８・・・上流側部分、７０・・・下流側部
分。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸線方向に流れる作動流体の環状の流れを横切ってスパ
   ン方向に延在するターボ機械用ステータベーンにして、
   前記作動流体の流れ方向を変えるエーロフォイル体を含
   み、該エーロフォイル体は凹状の圧力側面と、凸状の吸
   入側面と、リーディングエッジと、トレーリングエッジ
   とを含み、前記エーロフォイル体の前記リーディングエ
   ッジ及び前記トレーリングエッジはそれらの間にスパン
   方向に変化する翼弦長さを郭定しており、前記翼弦長さ
   は前記ベーンの半径方向に互いに隔置された両端間の或
   る点に於て最大値に到達し、前記点よりスパン方向に変
   位するにつれて減少しているターボ機械用ステータベー
   ン。