(57)【要約】【課題】タービン羽根のエーロフォイル輪郭を提供すること。【解決手段】第２段ノズル（１２）は、表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従うエーロフォイル輪郭を含む羽根（１４）を有し、表中、Ｘ、ＹおよびＺの値は、エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標値に対してその部分を決める。Ｘ、ＹおよびＺの値は、拡大または縮小されたノズルのエーロフォイル部分をもたらすように同じ定数または数の関数として増減されてよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意のエーロフォイルの表面位置に対して直角な方向に±０．１００インチ以内のエンベロープ内にあるエーロフォイルの形のノズル羽根（１４）を有するタービンノズル（１２）において、前記エーロフォイルが、表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称輪郭を有し、表中、前記Ｘ、ＹおよびＺの値は、前記エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標の値に対して該部分を決め、Ｚ距離にある各前記輪郭が、完全なエーロフォイルの形を形成するように互いに滑らかに接合されるタービンノズル（１２）。
【請求項２】
タービン（１０）の第２段の一部を形成する、請求項１記載のタービンノズル。
【請求項３】
表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称エーロフォイル輪郭を有するエーロフォイルの形のノズル羽根（１４）を有するタービンノズル（１２）であって、表中、前記Ｘ、ＹおよびＺの値は、前記エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標の値に対して該部分を決め、Ｚ距離にある各前記輪郭が、完全なエーロフォイルの輪郭を形成するように互いに滑らかに接合され、前記Ｘ、ＹおよびＺの値が、拡大または縮小された羽根のエーロフォイルをもたらすように同じ定数または数の関数として増減されるタービンノズル（１２）。
【請求項４】
タービン（１０）の第２段の一部を形成する、請求項３記載のタービンノズル。
【請求項５】
複数の羽根（１４）を有するタービンノズル（１２）を備えるタービン（１０）において、前記羽根のそれぞれが、任意の羽根のエーロフォイルの表面位置に対して直角な方向に±０．１００インチ以内のエンベロープ内にあるエーロフォイルの形であり、前記エーロフォイルが、表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称輪郭を有し、表中、前記Ｘ、ＹおよびＺの値は、前記エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標の値に対して該部分を決め、Ｚ距離にある各前記輪郭が、完全なエーロフォイルの形状を形成するように互いに滑らかに接合されるタービン（１０）。
【請求項６】
前記タービンノズル（１２）が前記タービン（１０）の第２段を構成する、請求項５記載のタービン。
【請求項７】
前記タービンノズルの段が４８個の羽根を有する、請求項５記載のタービン。
【請求項８】
複数の羽根（１４）を有するタービンノズル（１２）を備えるタービン（１０）において、前記羽根のそれぞれが、表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称エーロフォイル輪郭を有するエーロフォイルの形であり、表中、前記Ｘ、ＹおよびＺの値は、前記エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標の値に対して該部分を決め、Ｚ距離にある各前記輪郭が、完全なエーロフォイルを形成するように互いに滑らかに接合され、前記Ｘ、ＹおよびＺの値が、拡大または縮小された羽根のエーロフォイルをもたらすように同じ定数または数の関数として増減されるタービン（１０）。
【請求項９】
前記タービンノズル（１２）が前記タービン（１０）の第２段を構成する、請求項８記載のタービン。
【請求項１０】
前記タービンノズルの段が４８個の羽根を有する、請求項８記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン段のタービンノズルに関し、詳細には、第２段タービン羽根のエーロフォイル輪郭に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、先進のガスタービンの傾向として、点火温度が高いこと、様々なタービン構成要素の冷却を改善する努力を払っていることがある。譲受人の特定のガスタービン設計においては、空冷を使用する高出力タービンの開発が行われている。タービンのバケットおよびノズルの設計および構築には、空気力学的および機械的な負荷のほかに、最適な空気力学的効率が必要であることが理解されるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許６，５０３，０５４号広報
【特許文献２】米国特許６，８３２，８９７号広報
【特許文献３】米国特許６，８６６，４７７号広報
【特許文献４】米国特許６，８８７，０４１号広報
【特許文献５】米国特許６，９１０，８６８号広報
【特許文献６】米国特許７，００１，１４７号広報
【特許文献７】米国特許７，３２９，０９２号広報
【特許文献８】米国特許７，３２９，０９３号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、高い空気力学的効率を有するタービン羽根のエーロフォイル輪郭を提供することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態によれば、タービンノズルは、任意のエーロフォイルの表面位置に対して直角な方向に±０．１００インチ以内のエンベロープ内にあるエーロフォイルの形のノズル羽根を有する。エーロフォイルは、以下の表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称輪郭を有し、表中、Ｘ、ＹおよびＺの値は、エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標に対してその部分を決め、Ｚ距離にある各輪郭が、完全なエーロフォイルの形を形成するように互いに滑らかに接合される。
【０００６】
本発明の別の実施形態によれば、タービンノズルは、表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称エーロフォイル輪郭を有するエーロフォイルの形のノズル羽根を有し、表中、Ｘ、ＹおよびＺの値は、エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標の値に対してその部分を決める。Ｚ距離にある各輪郭が、完全なエーロフォイルの輪郭を形成するように互いに滑らかに接合される。Ｘ、ＹおよびＺの値は、拡大または縮小された羽根のエーロフォイルをもたらすように同じ定数または数の関数として増減される。
【０００７】
本発明のさらに別の実施形態によれば、タービンは、複数の羽根を有するタービンノズルを備え、前記羽根のそれぞれは、任意の羽根のエーロフォイルの表面位置に対して直角な方向に±０．１００インチ以内のエンベロープ内にあるエーロフォイルの形である。エーロフォイルは、表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称輪郭を有し、表中、Ｘ、ＹおよびＺの値は、エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標の値に対してその部分を決める。Ｚ距離にある各輪郭が、完全なエーロフォイルの形を形成するように互いに滑らかに接合される。
【０００８】
本発明のさらなる実施形態によれば、タービンは複数の羽根を有するタービンノズルを備え、前記羽根のそれぞれは、表Ｉにインチで示されるＸ、ＹおよびＺのデカルト座標値に実質的に従う未コーティングの公称エーロフォイル輪郭を有するエーロフォイルの形であり、表中、Ｘ、ＹおよびＺの値は、エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分に始まり、それによって各Ｚ座標の値に対してその部分を決める。Ｚ距離にある各輪郭が、完全なエーロフォイルを形成するように互いに滑らかに接合される。Ｘ、ＹおよびＺの値は、拡大または縮小された羽根のエーロフォイルをもたらすように同じ定数または数の関数として増減される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のエーロフォイルまたは羽根の輪郭を用いた第２段ノズルを有するタービンの概略図である。
【図２】図１のノズル羽根の斜視図である。
【図３】図２に示すノズル羽根の端面図である。
【図４】図１と同様のノズル羽根の斜視図である。
【図５】羽根の長さに沿った様々なエーロフォイル輪郭を示す図４のノズル羽根の斜視図である。
【図６】羽根に沿った様々なＺ座標位置における輪郭断面を示す図３と同様の図である。
【図７】羽根に沿った様々なＺ座標位置における輪郭断面を示す図３と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで図１を参照すると、第２段ノズル１２を有するタービン１０の一部分が示される。ノズル１２は、周囲に互いに間隔を置いて配置されたエーロフォイルの形または輪郭を有する複数の羽根１４を含む。タービン１０は３つの段を含むことができ、第１段１６は、周囲に間隔を置いて配置された複数のノズル羽根１８と、回転可能なホイール２２を中心に周囲に間隔を置いて配置されたバケット２０とを有し、第２段ノズル１２は、周囲に間隔を置いて配置された複数のノズル羽根１４と、第２段ホイール２６上に取り付けられた周囲に間隔を置いて配置された複数のバケット２４とを備え、第３段２８は、ノズル羽根３０と、第３段ホイール３４上に取り付けられた周囲に間隔を置いて配置された複数のバケット３２とを備えている。
【００１１】
ノズル羽根およびバケットは、タービンの高温ガスの経路の中にあり、ガスは、矢印３６の方向にタービンの中を流れる。図示のように、第２段１２のノズル羽根１４は、内側バンド３８と外側バンド４０との間にそれぞれ配設され、それによって、ノズルは回転子の軸を中心とした環形を形成する。
【００１２】
図２を参照すると、ノズル羽根１４は、ノズル羽根部分をタービンの回転不能なケーシングに固定するかぎ４６および４８を備えた前縁４２および後縁４４をそれぞれ有する。理解されるように、ノズル羽根は、羽根に冷却媒体を流すための様々な通路を有する。この特定のタービンの第２段ノズルの実施形態では、４８個のノズル羽根が第２段を形成している。
【００１３】
再び図２を参照すると、第２段のノズル羽根１４は、Ｘ、ＹおよびＺの値についてデカルト座標系によって規定されるエーロフォイルの輪郭を有する。座標の値は、表Ｉにインチで示されている。デカルト座標系は、直交関係にあるＸ、ＹおよびＺの軸を有し、Ｘ、ＹおよびＺの値は、エーロフォイルの空気力学的に径方向最も内側の部分５０に始まり、それによってこのＺ座標に対してその部分を決める。Ｚ方向の選択された位置においてＸ座標およびＹ座標の値を規定することによって、エーロフォイル１４の輪郭を決めることができる。滑らかな連続した弧を用いてＸおよびＹの値を連結することによって、各距離Ｚにおけるそれぞれの輪郭部分が確定する。距離Ｚの間の様々な表面位置における表面の輪郭が互いに滑らかに連結されてエーロフォイルを形成する。以下の表Ｉに与えられる表の値は、インチで示され、常温、非作動、または非加熱の状態のエーロフォイルの輪郭を表しており、未コーティングのエーロフォイルのものである。符号の慣例として、デカルト座標系で典型的に使用するように、Ｚ値には正の値を、Ｘ座標およびＹ座標の値には正および負の値を割り当てる。
【００１４】
エーロフォイルの輪郭を決定するように、表Ｉの値が生成され、小数点以下４位まで示されている。値が小数点以下４位未満までしか達成されない場合では、小数点以下４位の値を完成させるために右側にゼロが加えられている。さらに、エーロフォイルの実際の輪郭においては考慮しなければならない、典型的な製造公差ならびにコーティングが存在する。したがって、表Ｉに与えられる輪郭の値は、公称エーロフォイルのものである。したがって、典型的な製造公差、すなわちプラスまたはマイナスの値、およびコーティングの厚さが、以下の表Ｉに与えられるＸおよびＹの値に加算されることが理解されるであろう。こうして、エーロフォイルの輪郭に沿った任意の表面位置に対して直角の方向に±０．１００インチの距離が、この特定のノズル羽根の設計およびタービンのためのエーロフォイルの輪郭のエンベロープを規定する。一実施形態では、以下の表Ｉに与えられるノズル羽根の輪郭は、タービンの第２段のためのものである。このような輪郭を有する４８個のノズル羽根が、回転子の軸を中心に互いに等しく間隔を置いて配置され、それによって第２段を構成する。
【００１５】
以下の表Ｉにインチで与えられる座標の値が、好ましい公称輪郭のエンベロープを与える。
【００１６】
【表１】
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また、上記の表に開示されるエーロフォイルは、他の同様のタービン設計に使用するように幾何学形状を拡大または縮小してもよいことが理解されるであろう。結果として、表Ｉに示される座標の値は、エーロフォイルの断面形状が変化しないように、増減されてよい。表Ｉの座標の増減版は、Ｘ、ＹおよびＺ座標の値に同じ定数もしくは数を掛けるか、またはＸ、ＹおよびＺ座標の値を同じ定数もしくは数で割ることによって表される。
【００１７】
図３および図４には、径方向最も外側の輪郭５２が、エーロフォイルの長さに沿った図４に示す様々な他の輪郭部分とともに示されている。また、図６および図７には、様々な輪郭が、輪郭を互いに重ねた状態で示されている。
【００１８】
たとえば第２段などタービン段のためのタービン羽根のエーロフォイルの輪郭は、負荷の必要条件における必要な効率を達成し、それによって改善されたタービン性能が得られるように、独特な点の軌跡によって規定され得る。表ＩのＸ、Ｙ、Ｚの座標によって与えられる公称輪郭が、この独特な点の軌跡を規定することが理解されるであろう。表Ｉにインチで与えられる座標は、ノズル羽根の各断面の低温、すなわち室温の輪郭のためのものである。それぞれの規定された断面は、隣接する断面と滑らかに接合され、完全なエーロフォイルの形を形成する。使用中にノズルが加熱するにつれて、ノズル羽根の輪郭は、応力および温度の結果として変化することがやはり理解されるであろう。したがって、製造の目的のために、低温または室温の輪郭がＸ、ＹおよびＺの座標によって与えられる。製造された羽根のエーロフォイルの輪郭は、以下の表に与えられる公称エーロフォイル輪郭とは異なることがあるので、公称輪郭に沿った任意の表面位置に直角な方向に公称輪郭から±０．１００インチであり、任意のコーティングを含む距離が、この設計の輪郭のエンベロープを規定する。この設計は、この変化には影響を受けにくく、機械的および空気力学的な機能を損なうことはない。
【００１９】
エーロフォイルは、空気流に運動エネルギーを与え、したがって、タービンを介する所望の流れをもたらす。エーロフォイルは流体の流れの向きを変え、（それぞれのエーロフォイルの基準系における）流体の流速を加速し、流体の流れの静圧を低下させる。本発明によって具現化される、外周面を含むエーロフォイルの形状構成は（周囲のエーロフォイルとの相互作用とともに）、本発明の他の望ましい態様の中で特に、段の効率化、空気力学の改善、段から段への流れの移行、熱応力の低減、段から段へと効果的に空気流を通すための段の相互関係の改善、機械的応力の低減をもたらす。典型的には、バケット／ノズルエーロフォイルなどであるが、これに限定されない複数列のエーロフォイルの段が、所望の排出圧力対入口圧力の比を達成するように積み重ねられる。エーロフォイルは、「基部」、「ベース部」または「あり継ぎ」（図１を参照）としてしばしば知られる適切な取付け用の構成によってホイールまたはケースに固定可能である。
【００２０】
本発明によって具現化される、本発明の望ましい態様の流体力学をもたらすエーロフォイルの形状構成および周囲のエーロフォイルとの任意の相互作用は、様々な手段によって決定可能である。前／上流のエーロフォイルからの流体の流れが、本発明によって具現化されるエーロフォイルと交差し、本発明のエーロフォイルの形状構成によって、本発明によって具現化されるエーロフォイルの上方および周囲の流れが改善される。特に、本発明によって具現化されるエーロフォイルからの流体力学が改善される。前／上流のエーロフォイルから滑らかに移行する流体の流れ、隣接する／下流のエーロフォイルまで滑らかに移行する流体の流れが存在する。さらに、本発明によって具現化されるエーロフォイルからの流れは、本発明によって具現化される隣接する／下流のエーロフォイルまで進む。したがって、本発明によって具現化されるエーロフォイルの形状構成が、本発明によって具現化されるエーロフォイルを備えるユニット内における流体の乱流の防止を助ける。
【００２１】
たとえば、ただし本発明を限定するものではなく、（流体の流れの相互作用のあるまたはない）エーロフォイルの構成は、伝達関数、アルゴリズムでは、計算流体力学（ＣＦＤ）、従来の流体力学分析学、オイラーおよびナビエのストークス方程式によって、製造、すなわちエーロフォイルの手動の位置決め、（たとえば風洞内での）流れ試験、および修正、ｉｎ−ｓｉｔｕ試験によって、模型製作、すなわちエーロフォイル、機械、装置または製造工程を設計または開発するための科学的原理の適用、エーロフォイルの流れ試験および修正、これらの組み合わせによって、ならびにその他の設計上の工程および実施によって、決定可能である。これらの決定方法は、単なる例であり、本発明をいかようにも限定することを意図するものではない。
【００２２】
上記のように、本発明によって具現化される、外周面を含むエーロフォイルの構成は（周囲のエーロフォイルとの相互作用とともに）、同様の用途を有する他のエーロフォイルと比較して、本発明の他の望ましい態様の中でも特に、段の空気流の効率化、空気力学の改善、段から段への滑らかな流れ、熱応力の低減、段から段へと効果的に空気流を通すための段の相互関係の改善、および機械的応力の低減をもたらす。たとえば、本発明を限定するものではないが、このエーロフォイルは従来の個別のエーロフォイルと比較して効率の向上をもたらした。さらに、本発明を限定するものではないが、従来のまたは（本明細書の改善と同様の）改善をなされた他のエーロフォイルと関連して、本発明によって具現化されるエーロフォイルは、従来の個別のエーロフォイルのセットと比較して効率の向上をもたらす。この向上した効率は、上述の利点に加えて、少ない必要燃料での出力をもたらし、したがって、エネルギーを生成するための排出物が本質的に少なくなる。当然ながら、他の同様の利点は、本発明の範囲内にある。
【００２３】
本発明は、現在のところ最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明されてきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲の内に含まれる様々な修正例および均等構成例に及ぶように意図されることが理解されたい。
【符号の説明】
【００２４】
１０  タービン
１２  タービンノズル
１４  ノズル羽根
１６  第１段
１８  ノズル羽根
２０  バケット
２２  ホイール
２４  バケット
２６  第２段ホイール
２８  第３段
３０  ノズル羽根
３２  バケット
３４  第３段ホイール
３６  矢印
３８  内側バンド
４０  外側バンド
４２  前縁
４４  後縁
４６  かぎ
４８  かぎ
５０  空気力学的に径方向最も内側の部分
５２  径方向最も外側の輪郭
【図１】
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【図２】
2010156330.tif 000029
【図３】
2010156330.tif 000030
【図４】
2010156330.tif 000031
【図５】
2010156330.tif 000032
【図６】
2010156330.tif 000033
【図７】
2010156330.tif 000034