(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）を提供すること。【解決手段】ガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）は、第１の端部および第２の端部を含む少なくとも１つのノズル羽根（５４、５６、５８、６０）を含み、第１の端部は内側側壁（３２、７０）に結合され、第２の端部は外側側壁（３４、７２）に結合され、少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、内側側壁および外側側壁の少なくとも１つの内部に少なくとも１つのノズル羽根に近接して画定され、この少なくとも１つの応力除去ポケットは、ノズル羽根に引き起こされる応力を容易に低減する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部および第２の端部を備え、前記第１の端部が内側側壁（３２、７０）に結合され、前記第２の端部が外側側壁（３４、７２）に結合された、少なくとも１つのノズル羽根（５４、５６、５８、６０）と、
前記内側側壁および前記外側側壁の少なくとも１つの内部に前記少なくとも１つのノズル羽根に近接して画定された少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）とを備え、前記少なくとも１つの応力除去ポケットが、前記ノズル羽根に引き起こされる応力を容易に低減する、ガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのノズル羽根（５４、５６、５８、６０）が、前縁部（９２）および後縁部（９４）をさらに備え、前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、前記後縁部に近接して画定される、請求項１記載のガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、長楕円形および長方形の断面形状の少なくとも１つを備える、請求項１記載のガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、前記ノズル（２６、２８、３０）の耐用年数を容易に延ばす、請求項１記載のガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、電気機械加工処理および従来の機械加工処理の少なくとも１つを使用して形成される、請求項１記載のガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、前記側壁の鋳造中に前記内側側壁（３２、７０）および前記外側側壁（３４、７２）の少なくとも１つの内部に画定される、請求項１記載のガスタービンエンジンノズル（２６、２８、３０）。
【請求項７】
少なくとも１つのタービン段を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、前記少なくとも１つのタービン段が、
複数タービンブレードと、
前記複数のタービンブレードから上流に位置付けられたノズルセット（４０）とを備え、前記ノズルセットが、空気流を下流の前記タービンブレードに流路で送るように構成され、前記ノズルセットが、前記ノズルセットに引き起こされる応力を低減するように構成された少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）を備える、ガスタービンエンジン（１０）。
【請求項８】
前記ノズルセット（４０）が、複数のノズル（４４、４６、４８、５０、５２）を備え、前記複数のノズルのそれぞれが、第１の端部および第２の端部を備える少なくとも１つのノズル羽根（５４、５６、５８、６０）を備え、前記第１の端部が内側側壁（３２、７０）に結合され、前記第２の端部が外側側壁（３４、７２）に結合され、前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、前記内側側壁および前記外側側壁の少なくとも１つの内部に位置付けられる、請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、前記少なくとも１つのノズル羽根（５４、５６、５８、６０）に近接するように位置付けられる、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記複数のノズル（４４、４６、４８、５０、５２）のそれぞれが、前縁部（９２）および後縁部（９４）を備える少なくとも１つのノズル羽根（５４、５６、５８、６０）を備え、前記少なくとも１つの応力除去ポケット（１１０、１２０）が、前記後縁部に近接するように位置付けられる、請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンのノズルの応力を低減する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは一般に、直列流体連通状態の圧縮器、燃焼器、およびタービンを含む。圧縮器は、圧縮空気流を燃焼器に供給し、そこで空気流が燃料と混合されて点火され、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはタービンに流れ、タービンは燃焼ガスからエネルギーを抽出する。
【０００３】
タービンは、１つまたは複数の段を含み、各段は、燃焼ガスを複数のロータブレードに流路で送るための環状タービンノズルセットを有する。タービンノズルセットは、それぞれ根元および先端が半径方向内側の側壁および半径方向外側の側壁に固定的に接合された複数の周方向に間隔をおいて配置されたノズルを含む。それぞれ個々のノズルは、エーロフォイル断面を有し、前縁部と、後縁部と、その間に延びる圧力および吸引側部とを含む。通常、ノズルの耐用年数は、ノズル後縁部の寿命に限定される。これは、少なくとも一部には、後縁部がエンジンの起動および停止中に受ける大きいひずみ範囲が原因である。たとえば、温度変化にさらされると、各ノズルのさまざまな厚さとあいまって、ノズルにひずみが生じ、それによってノズルの耐用年数が短縮されるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５１７４７１５号公報
【特許文献２】米国特許第４１２６４０５号公報
【特許文献３】米国特許第６３９０７７５号公報
【特許文献４】米国特許第６９５１４４７号公報
【特許文献５】米国特許第７２２９２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、ガスタービンエンジンのノズルの応力を低減する方法および装置が提供されることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、ガスタービンエンジンノズルが提供される。このノズルは、第１の端部および第２の端部を含む少なくとも１つのノズル羽根を含む。第１の端部は内側側壁に結合され、第２の端部は外側側壁に結合される。このノズルはまた、内側側壁および外側側壁の少なくとも１つの内部に少なくとも１つのノズル羽根に近接して画定された少なくとも１つの応力除去ポケットを含む。この少なくとも１つの応力除去ポケットは、前記ノズル羽根に引き起こされる応力を容易に低減する。
【０００７】
別の態様では、少なくとも１つのタービン段を含むガスタービンエンジンが提供される。この少なくとも１つのタービン段は、複数のタービンブレードと、それらの複数のタービンブレードから上流に位置付けられたノズルセットとを含む。ノズルセットは、空気流を下流のタービンブレードに流路で送るように構成される。ノズルセットは、そのノズルセットに引き起こされる応力を低減するように構成された少なくとも１つの応力除去ポケットを含む。
【０００８】
さらに別の態様では、ノズルの応力を低減する方法が提供される。この方法は、複数のノズルを提供するステップであって、各ノズルが、内側側壁および外側側壁と、その間に延びる少なくとも１つのノズル羽根とを含むステップを含む。複数のノズルの少なくとも１つは、内側側壁および外側側壁の少なくとも１つの内部に画定された少なくとも１つの応力除去ポケットを含む。この方法はまた、環状ノズルセットが形成されるように複数のノズルを位置付けるステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１段ノズルセットを含む例示のタービンを示す概略断面図である。
【図２】環状ガスタービンエンジンノズルセットの一部を示す斜視図である。
【図３】例示のノズルを示す断面図である。
【図４】図３で示したノズルの一部を示す断面図である。
【図５】図３で示したノズルの一部を示す断面図である。
【図６】ノズルの応力を低減する例示の方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示のタービン１０を示す断面図である。例示の実施形態では、タービン１０は、それぞれバケット２０、２２、および２４、ならびにノズル２６、２８、および３０を含む第１、第２、および第３段ロータホイール１４、１６、および１８を有するロータ１２を含む。各列のバケット２０、２２、および２４、ならびにノズル２６、２８、および３０は、タービン１０の後続の段を画定する。例示の実施形態では、タービン１０は、３段タービンである。別法として、タービン１０は、３よりも多い、または少ない段を含むことができる。一実施形態では、タービン１０は、Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、Ｎｅｗ  ＹｏｒｋのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されたＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ７ＦＡ＋ｅガスタービンである。
【００１１】
第１タービン段内では、バケット２０を含む複数のバケットが、第１段ロータホイール１４の周囲に周方向に間隔をおいて配置される。バケット２０を含む複数のバケットが、ノズル２６を含む上流ノズルセットに対して軸方向に反対側に取り付けられる。上流ノズルセットを形成するノズル２６を含む複数のノズルは、内側側壁３２の周囲に周方向に間隔をおいて配置され、内側側壁３２と外側側壁３４の間で半径方向に延びる。
【００１２】
図２は、環状ガスタービンエンジンノズルセット４０の一部を示す斜視図である。ノズルセット４０は、たとえば（図１で示した）タービン１０など、タービンの長手方向または軸方向の中心線４２の周囲に同軸状に配置される。ノズルセット４０は、たとえばノズル４６、ノズル４８、ノズル５０、およびノズル５２を含む複数の周方向に間隔をおいて配置されたノズル４４を含む。ノズル４６、４８、５０、および５２は、それぞれノズル羽根５４、５６、５８、および６０を含む。ノズル羽根５４、５６、５８、および６０は、半径方向内側および外側の環状側壁７０および７２に結合される。例示の実施形態では、内側環状側壁７０は、複数の側壁部分、たとえば側壁部分７４、７６、および７８を含み、それらが共に結合されて、内側環状側壁７０を形成する。同様に例示の実施形態では、外側環状側壁７２は、複数の側壁部分、たとえば側壁部分８０、８２、および８４を含み、それらが共に結合されて、外側環状側壁７２を形成する。たとえばノズル羽根５４は、内側側壁部分７６および外側側壁部分８２に結合される。
【００１３】
内側側壁７０は、ノズル４６、４８、５０、および５２を（図２で示していない）ガスタービンエンジン燃焼器に出入りするように流路で送られる燃焼ガス８６に直列に位置付けるための軸方向中心線４２に対する内径Ｒを有する。ノズルセット４０は、限定的ではないが、タービンエンジンで使用される第１段ノズルセットを含む任意のタービンノズルセットでもよい。
【００１４】
例示の実施形態では、それぞれ個々のノズル羽根５４、５６、５８、および６０は、内側側壁７０に結合された根元８８および外側側壁７２に結合された先端部９０を含む。各ノズル羽根５４、５６、５８、および６０は、上流方向に面する前縁部９２、および下流方向に面する後縁部９４も含む。各前縁部９２は、対応する後縁部９４よりも周方向に厚さが増すようになされる。吸引または凸側面９６は、圧力または凹側面９８の反対側に配置される。
【００１５】
図３は、たとえば（図２で示した）ノズル４６など、例示のノズルを示す断面図である。図４は、（図３で示した）ノズル４６の（図３で示した）一部１００を示す断面図である。図５は、（図３で示した）ノズル４６の（図３で示した）一部１０２を示す断面図である。次に図３、４、および５を参照すると、例示の実施形態では、ノズル４６は、ノズル羽根５４を含み、ノズル羽根５４は、内側側壁７０と外側側壁７２の間で半径方向に延びる。より具体的には、ノズル羽根５４は、内側側壁部分７６と外側側壁部分８２の間で半径方向に延びる。ノズル羽根５４は、前縁部９２および後縁部９４を含む。燃焼ガス８６が（図１で示したように）タービン１０の上流からノズル羽根５４を通過するように流路で送られる。
【００１６】
例示の実施形態では、ノズル４６は、外側側壁部分８２内の応力除去ポケット１１０、および内側側壁部分７６内に画定された応力除去ポケット１２０を含む。例示の実施形態では、応力除去ポケット１１０および１２０は、それぞれ外側側壁部分８２および内側側壁部分７６内に画定された開口である。例示の実施形態では、外側側壁部分８２を形成する材料を除去して、応力除去ポケット１１０が形成される。たとえば放電加工処理など、電気機械加工を使用して、応力除去ポケット１１０を形成することができる。応力除去ポケット１１０を鋳造工程中に、または従来の機械加工処理を使用して、外側側壁部分８２内に形成することもできる。応力除去ポケット１２０を、応力除去ポケット１１０と実質的に同様の方法で形成することができる。ノズル４６が本明細書に記載したように動作できるようにする任意の工程を使用して、応力除去ポケット１１０および１２０を外側側壁部分８２および内側側壁部分７６内に形成することができる。
【００１７】
例示の実施形態では、応力除去ポケット１１０は、外側側壁部分８２を貫通して延びずに、外側側壁部分８２の第１の縁部１３０から外側側壁部分８２の第２の縁部１３２に向かって延びる開口である。換言すれば、例示の実施形態では、応力除去ポケット１１０は、第１の縁部１３０から第２の縁部１３２まで外側側壁部分８２を貫通して延びない。応力除去ポケット１２０は、実質的に同様に構成される。本明細書には、応力除去ポケット１１０および１２０が第１の縁部１３０と第２の縁部１３２の間で部分的に延びると記載されているが、応力除去ポケット１１０および１２０は、第１の縁部１３０と第２の縁部１３２の間に延びることを含めて、応力除去ポケット１１０および１２０が本明細書に記載のとおりに機能することを可能にする側壁部分７６および８２内の任意の深さに延びることができる。また、応力除去ポケット１１０および１２０が長方形の開口として図に示されているが、応力除去ポケット１１０および１２０は、応力除去ポケット１１０および１２０が本明細書に記載のとおりに機能することを可能にする任意の形状またはサイズを含むことができる。たとえば、応力除去ポケット１１０および１２０の長さ、深さ、および高さを、ノズル４６への他の衝撃を最小限に抑えながら、応力が最大に低減されるように最適化することができる。
【００１８】
例示の実施形態では、応力除去ポケット１１０は、ノズル羽根５４の後縁部９４に近接して外側側壁７２内に画定される。同様に、応力除去ポケット１２０も、ノズル羽根５４の後縁部９４に近接して内側側壁７０内に画定される。より具体的には、応力除去ポケット１１０は、ノズル羽根５４の先端部９０から半径方向外側に画定され、応力除去ポケット１２０は、ノズル羽根５４の根元８８から半径方向内側に画定される。
【００１９】
上記のように、後縁部９４は前縁部９２よりも薄い。前縁部９２と比較して後縁部９４に沿って存在する材料の量が異なることによって、温度変化が生じて、後縁部９４に前縁部９２と異なる影響が与えられる。エンジン起動およびエンジン停止中に生じる温度変化によって、本明細書でひずみとも呼ばれる応力がノズル４６に生じる。このひずみは、圧縮ひずみおよび／または引張ひずみを含むことができる。たとえば、エンジン起動中は、熱い燃焼ガスが、前は室温であったノズル羽根５４を通って流れ、後縁部９４が前縁部９２よりも速く加熱される。この加熱によって、後縁部９４がより大きく膨張するため、前縁部９２と側壁７０および７２との間よりも大きい圧縮が後縁部９４と側壁７０および７２との間に生じる。逆に、エンジン停止中は、後縁部９４が前縁部９２よりも速く冷却される。この冷却によって、後縁部９４がより大きく収縮するため、前縁部９２よりも大きい引張力が後縁部９４に加わる。応力除去ポケット１１０および１２０は、後縁部９４の側壁７０および７２の可撓性を容易に向上させ、それによって、ひずみ全体の圧縮および引張部分の大きさを容易に低減する。
【００２０】
図６は、ノズルの応力を低減する例示の方法２１０を示す流れ図２００である。例示の一実施形態では、流れ図２００は、（図３で示した）ノズル４６への応力を低減する方法２１０である。方法２１０は、複数のノズルを提供するステップ２２０であって、各ノズルが、内側側壁および外側側壁と、その間に延びる少なくとも１つのノズル羽根とを含むステップ２２０を含む。さらに、複数のノズルの少なくとも１つは、内側側壁および外側側壁の少なくとも１つの内部に画定された少なくとも１つの応力除去ポケットを備える。たとえば方法２１０は、たとえば（図３で示した）応力除去ポケット１１０を含む、（図２で示した）ノズル４６、４８、５０、および５２を提供するステップを含むことができる。方法２１０はまた、環状ノズルセットが形成されるように複数のノズルを位置付けるステップ２３０を含む。
【００２１】
いくつかの例では、複数のノズルを提供するステップ２２０はさらに、（図３で示したように）ノズル羽根５４から半径方向外側の外側側壁７２内の応力除去ポケット１１０を提供するステップ２２０を含むことができる。さらに、複数のノズルを提供するステップ２２０は、（図３で示したように）ノズル羽根５４から半径方向内側の内側側壁７０内の応力除去ポケット１２０を提供するステップ２２０を含むことができる。少なくとも１つの応力除去ポケットを有する複数のノズルを提供するステップ２２０は、ノズルの耐用年数を容易に延ばし、ノズル羽根と側壁の界面の応力レベルを容易に低減するものである。
【００２２】
さらに、少なくとも１つの応力除去ポケットを備える複数のノズルを提供するステップ２２０は、電気機械加工処理および従来の機械加工処理の少なくとも１つを使用して少なくとも１つの応力除去ポケットを形成するステップを含むことができる。提供するステップ２２０は、側壁の鋳造中に少なくとも１つの応力除去ポケットを形成するステップを含むこともできる。
【００２３】
本明細書に記載の方法および装置は、ガスタービンエンジンノズルの応力を確実にコスト効率よく容易に低減する。本明細書に記載の方法および装置は、各ノズルの後縁部の側壁の可撓性を容易に向上させることによって、タービン段内の温度変化によって生じる後縁部への応力を低減する。後縁部への応力の低下によって、ノズルの修理が容易に低減され、ノズルを修理する間隔が容易に延長され、その一方で構成要素の機械加工コストは、わずかしか増えない。
【００２４】
ガスタービンエンジンノズルへの応力を低減する方法および装置の例示の実施形態を詳細に上述した。この方法および装置は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、装置の構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載した他の構成要素および／またはステップから独立して個々に使用することができる。
【００２５】
本発明のさまざまな実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面には示されていて、他の図面には示されていないかもしれないが、それは便宜のためにすぎない。本発明の原理に従って、ある図面の任意の特徴を他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することができる。
【００２６】
本明細書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また任意の当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作成および使用することや、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、本発明を実施することを可能にするために、例を使用している。本発明の特許請求可能な範囲は、特許請求の範囲によって画定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そうした他の例は、特許請求の範囲の一字一句と相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の一字一句とわずかに相違するが等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲に包含されることを意図されている。
【符号の説明】
【００２７】
１０  タービン
１２  ロータ
１４  第１段ロータホイール
１６  第２段ロータホイール
１８  第３段ロータホイール
２０  バケット
２２  バケット
２４  バケット
２６  ノズル
２８  ノズル
３０  ノズル
３２  内側側壁
３４  外側側壁
４０  ノズルセット
４２  軸方向中心線
４４  ノズル
４６  ノズル
４８  ノズル
５０  ノズル
５２  ノズル
５４  ノズル羽根
５６  ノズル羽根
５８  ノズル羽根
６０  ノズル羽根
７０  内側側壁
７２  外側側壁
７４  内側側壁部分
７６  内側側壁部分
７８  内側側壁部分
８０  側壁部分
８２  外側側壁部分
８４  外側側壁部分
８６  燃焼ガス
８８  根元
９０  先端部
９２  前縁部
９４  後縁部
９６  凸側面
９８  凹側面
１００  部分
１０２  部分
１１０  応力除去ポケット
１２０  応力除去ポケット
１３０  第１の縁部
１３２  第２の縁部
２００  流れ図
２１０  方法
２２０  複数のノズルを提供するステップであって、各ノズルが、内側側壁および外側側壁と、その間に延びる少なくとも１つのノズル羽根とを備え、複数のノズルの少なくとも１つが、内側側壁および外側側壁の少なくとも１つの内部に画定された少なくとも１つの応力除去ポケットを備えるステップ
２３０  環状ノズルセットが形成されるように複数のノズルを位置付けるステップ
【図１】
2010156331.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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