(57)【要約】【課題】タービンエーロフォイルをクロッキングし、有意な熱による、および他の性能の利点を提供する。【解決手段】下流エーロフォイルをクロッキングすることによる利点は、上流タービンエーロフォイルにおけるエーロフォイルの後流を歪ませることで、クロッキングされた下流エーロフォイルの半径方向の翼幅の大きさを増大させ、下流エーロフォイルに上流の後流がぶつかることによって改善される。これは、上流エーロフォイルの渦を形成する作用と再度積み重ねる作用を利用して上流の後流を歪ませることで、上流の後流が、ある１つのクロッキングされた下流エーロフォイルの中央の翼幅部分と、隣接するクロッキングされた下流エーロフォイルの２つの外側の翼幅部分にぶつかることによって実現する。【選択図】図１４
2014051982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のエーロフォイルで構成されるタービンをクロッキングする方法において、前記タービンエーロフォイルが、第１の基準フレームにおける少なくとも１つの第１の上流のエーロフォイルの列と、前記第１の基準フレームにあり、前記第１のエーロフォイルの列から下流にある第２のエーロフォイルの列と、第２の基準フレームにあり、前記第１および第２のエーロフォイルの列の中間にある第３のエーロフォイルの列とで構成されており、
前記上流エーロフォイルの列の円周方向の位置に対する前記下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変えることで、前記下流エーロフォイルの列の前記円周方向の位置を変える前と比べて、より多くの前記下流エーロフォイルが前記上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップと、
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませることで、前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前と比べて、より多くの隣接する下流エーロフォイルの前縁が前記上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップとを含む方法。
【請求項２】
上流エーロフォイルの各々の後流を歪ませることで、前記上流エーロフォイルの前記歪んだ後流が、少なくとも２つの隣接する下流エーロフォイルにぶつかる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記上流エーロフォイルの前記歪んだ後流が、ある１つの下流エーロフォイルの中央の翼幅部分と、隣接する下流エーロフォイルの２つの外側の翼幅部分にぶつかる。請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前記ステップが、前記上流エーロフォイルの渦を形成するステップの役割をする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記上流エーロフォイルの渦を形成する前記ステップが、前記上流エーロフォイルの間の半径方向のスロートの配置に対応する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前記ステップが、前記上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップの役割をする、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前記ステップが、隣接する上流エーロフォイルの間に渦を形成するステップ、前記上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップ、または隣接する上流エーロフォイルの間に渦を形成するステップと、前記上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップを組み合わせたものの役割をする、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前記ステップによって、上流エーロフォイルの後流がぶつかる各々の下流エーロフォイルの半径方向の翼幅／高さの割合が、前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前の前記下流エーロフォイルの半径方向の翼幅／高さの割合を超えて増大することになる、請求項１記載の方法。
【請求項９】
クロッキングされた下流エーロフォイルが、前記下流エーロフォイルの半径方向の翼幅／高さに沿って真っ直ぐな場合、前記下流エーロフォイルにぶつかる上流エーロフォイルの後流が真っ直ぐになる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
第１のクロッキングされた下流エーロフォイルにぶつかる上流エーロフォイルの後流が、緩やかな三次元の後流である場合、前記上流エーロフォイルの後流がぶつかる前記第１の下流エーロフォイルの半径方向の翼幅／高さの一部が、前記上流エーロフォイルの後流内に位置せず、前記上流エーロフォイルの後流が、前記上流エーロフォイルの渦を形成するステップまたは積み重ねるステップによって歪められることで、前記上流エーロフォイルの後流が急激な／歪められた後流になり、前記後流が、前記第１の下流エーロフォイルと、前記第１の下流エーロフォイルに隣接する第２のクロッキングされた下流エーロフォイルにぶつかる、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
各々の上流エーロフォイルが、互いに対して積み重ねられる複数の設計部分から形成される、請求項６記載の方法。
【請求項１２】
各々の上流エーロフォイルが、互いに対して円周方向に前記下流エーロフォイルを形成する複数の設計部分を再度積み重ねることによって歪められる、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の設計部分が、外側の半径方向の翼幅設計部分と、８０％の半径方向の翼幅設計部分と、５０％の半径方向の翼幅設計部分と、２０％半径方向の翼幅設計部分と、内側の半径方向の翼幅設計部分とを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記上流および下流のエーロフォイルの列が共に、ステータまたはロータのいずれかであって、前記上流および下流のエーロフォイルの列が共にステータならば、前記中間のエーロフォイルの列はロータであって、前記上流および下流のエーロフォイルの列が共にロータならば、前記中間のエーロフォイルの列はステータである、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記上流および下流のエーロフォイルの列が一緒に、前記中間のエーロフォイルの列と、互いに対して回転する、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
複数のエーロフォイルで構成されるタービンをクロッキングする方法において、前記タービンエーロフォイルが、第１の基準フレームにおける少なくとも第１の上流のエーロフォイルの列と、前記第１の基準フレームにあり、前記第１のエーロフォイルの列から下流にある第２のエーロフォイルの列と、第２の基準フレームにあり、前記第１および第２のエーロフォイルの列の中間にある第３のエーロフォイルの列とで構成されており、
前記上流エーロフォイルの列の円周方向の位置に対する前記下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変えることで、前記下流エーロフォイルの列の前記円周方向の位置を変える前と比べて、より多くの前記下流エーロフォイルが前記上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップと、
前記上流エーロフォイルの各々に関して、前記エーロフォイルの後流を歪ませることで、前記後流が、第１の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁、および前記第１の下流エーロフォイルに隣接する第２の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁にぶつかるステップとを含む方法。
【請求項１７】
前記上流エーロフォイルの前記歪んだ後流が、前記第１の下流エーロフォイルの中央の翼幅部と、前記第２の隣接する下流エーロフォイルの２つの外側の翼幅部分にぶつかる、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前記ステップが、前記上流エーロフォイルと、前記上流エーロフォイルに隣接する他の上流エーロフォイルの間に渦を形成するステップの役割をする、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前記ステップが、前記上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップの役割をする、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
複数のエーロフォイルで構成されるタービンをクロッキングする方法において、前記タービンエーロフォイルが、第１の基準フレームにおける少なくとも１つの第１の上流のエーロフォイルの列と、前記第１の基準フレームにあり、前記第１のエーロフォイルの列から下流にある第２のエーロフォイルの列と、第２の基準フレームにあり、前記第１および第２のエーロフォイルの列の中間にある第３のエーロフォイルの列とで構成されており、
前記上流エーロフォイルの列の円周方向の位置に対する前記下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変えることで、前記下流エーロフォイルの列の前記円周方向の位置を変える前と比べて、より多くの前記下流エーロフォイルが前記上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップと、
前記上流エーロフォイルの各々に関して、前記エーロフォイルの後流を歪ませることで、前記後流が、第１の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁、および前記第１の下流エーロフォイルに隣接する第２の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁にぶつかるステップとを含んでおり、
前記上流エーロフォイルの後流を歪ませる前記ステップが、前記上流エーロフォイルと、前記上流エーロフォイルに隣接する他の上流エーロフォイルの間に渦を形成するステップ、前記上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップ、または前記上流エーロフォイルと他の隣接する上流エーロフォイルの間に渦を形成するステップと、前記上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップを組み合わせたものの役割をする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンに関し、より詳細には歪んだ後流によってタービンをクロッキングする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの性能は、温度勾配および圧力勾配によって影響を受ける可能性がある。温度勾配の１つの主な原因は、タービンの燃焼器を出て行く流れにおける円周方向かつ半径方向に温度が大きく不均一になる点である（すなわち高温ストリークおよび冷却後流）。不均一になることの別の原因は、基準となる同一のフレームの上流エーロフォイルからの後流である。ガスタービンブレードの相対的な円周方向の位置を調節することによって（クロッキングまたは割り出しとして知られる）、タービン段の効率を上げ、燃焼器の高温ストリークや上流エーロフォイルの後流の影響を緩和させることができる。したがってタービンエーロフォイルのクロッキングによって、有意な熱による利点、およびほかの性能の利点を提供することができる。
【０００３】
実際には、ターボ機械のクロッキングは基本的に、同数の基準フレームのエーロフォイルを（すなわち、ロータとロータおよびステータとステータ）位置合わせする手順であり、最も可能性のあるクロッキング設計を得るために、最適なエーロフォイルと後流の形状を考慮する必要は全くない。同数のエーロフォイルに関して、上流ステータから生じる後流に対する下流ステータの相対的な位置によって、タービン効率ならびにエーロフォイル、プラットフォームおよびケーシング温度の有意な変化につながる可能性がある。同じことがその後のロータ段にも適用される。大抵の場合、上流の後流を「真っ直ぐにする」ことで、下流エーロフォイルの翼幅の大部分にわたってより大きな利益が得られる。しかしながら、これによって上流段、特に高圧タービン（ＨＰＴ）の第１の段に関して、航空力学的な設計が極めて貧弱になる可能性がある。歪んだ後流は、典型的なガスタービン設計においてほぼ「所与のもの」であるため、本発明は、１つの上流の後流が、複数の下流エーロフォイルの前縁に確実にぶつかるようにすることによって後流の形状を上手く利用し、後流の成形の利点（すなわち、エーロフォイルガス温度および航空力学的性能）を最適化している。
【０００４】
本発明の技術的および商業的利点は、大きな性能の効果（すなわち０．５ｐｔ段効率）および大きな耐久性の効果（すなわち、エーロフォイルガス温度に関して華氏１００度を超える）である。
【０００５】
同数のステータに関して、上流ステータから生じる後流に対する下流ステータの相対的な位置は、タービン効率および高温ガス路（ＨＧＰ）の表面温度の有意な変化につながる可能性がある。これはその後のロータ段にも適用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８、０８３、４７６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一例の実施形態において、タービンをクロッキングする方法において、タービンエーロフォイルは、第１の基準フレームにおける少なくとも１つの第１の上流のエーロフォイルの列と、第１の基準フレームにあり、第１のエーロフォイルの列から下流にある第２のエーロフォイルの列と、第２の基準フレームにあり、第１および第２のエーロフォイルの列の中間にある第３のエーロフォイルの列とで構成されており、方法は、上流エーロフォイルの列の円周方向の位置に対する下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変えることで、下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変える前と比べて、より多くの下流エーロフォイルが上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップと、上流エーロフォイルの後流を歪ませることで、上流エーロフォイルの後流を歪ませる前と比べて、より多くの隣接する下流エーロフォイルの前縁が上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップとを含む。
【０００８】
本発明の別の一例の実施形態では、タービンをクロッキングする方法において、タービンは、複数のエーロフォイルで構成されており、タービンエーロフォイルは、第１の基準フレームにおける少なくとも１つの第１の上流のエーロフォイルの列と、第１の基準フレームにあり、第１のエーロフォイルの列から下流にある第２のエーロフォイルの列と、第２の基準フレームにあり、第１および第２のエーロフォイルの列の中間にある第３のエーロフォイルの列とで構成されており、各々の下流エーロフォイルは、互いに対して積み重ねられる複数の設計部分から形成されており、方法は、上流エーロフォイルの列の円周方向の位置に対する下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変えることによって、下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変える前と比べて、より多くの下流エーロフォイルが上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップと、上流エーロフォイルの各々に関して、エーロフォイルの後流を歪ませることで、後流が、第１の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁、および第１の下流のエーロフォイルに隣接する第２の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁にぶつかるステップとを含む。
【０００９】
本発明の別の一例の実施形態では、タービンをクロッキングする方法において、タービンは、複数のエーロフォイルで構成されており、タービンエーロフォイルは、第１の基準フレームにおける少なくとも１つの第１の上流のエーロフォイルの列と、第１の基準フレームにあり、第１のエーロフォイルの列から下流にある第２のエーロフォイルの列と、第２の基準フレームにあり、第１および第２のエーロフォイルの列の中間にある第３のエーロフォイルの列とで構成されており、各々の下流エーロフォイルは、互いに対して積み重ねられた複数の設計部分から形成されており、方法は、上流エーロフォイルの列の円周方向の位置に対する下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変えることによって、下流エーロフォイルの列の円周方向の位置を変える前と比べて、より多くの下流エーロフォイルが上流エーロフォイルの後流の範囲内になるステップと、上流エーロフォイルの各々に関して、エーロフォイルの後流を歪ませることで、後流が、第１の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁、および第１の下流エーロフォイルに隣接する第２の下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁にぶつかるステップとを含み、上流エーロフォイルの後流を歪ませるステップが、上流エーロフォイルと、この上流エーロフォイルに隣接する他の上流エーロフォイルとの間に渦を形成するステップ、上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップ、または上流エーロフォイルと他の隣接する上流エーロフォイルの間に渦を形成するステップと、上流エーロフォイルを再度積み重ねるステップを組み合わせたものの役割をしている。
【００１０】
本発明は、タービンの上流段におけるエーロフォイルの後流を歪ませることによってクロッキングを改善させることができることを示している。歪んだエーロフォイルの後流は、下流段まで進み、ここで後流は、複数のエーロフォイルの前縁にぶつかる。上流エーロフォイルの全温度が低く低圧の後流が、１つの下流のエーロフォイルの中央の翼幅、および隣接するエーロフォイルの外側の翼幅にぶつかる。下流段に対するクロッキングの利点を改善させるだけでなく、上流段は、歪んだ後流を生じさせる渦形成作用が進歩することに通常付随するさらなる利点を受けることになる。
【００１１】
ガスタービンは、上流段の性能に有利になるように設計される／渦を形成するように形成されるが、その一方で後流の形状は、円周方向に十分に歪ませることにより、隣接する下流エーロフォイルに確実にぶつかることができる。暫定的な設計は、２Ｄの流管工具によって行なうことができるが、最終的な最適化は、３Ｄの非定常のコンピュータによる流体力学（ＣＦＤ）解析によって行なわれる。より簡単な２Ｄの流管分析を使用することで、上流エーロフォイルの渦を形成する／積み重ね作用のどちらが、所望される形状に近い後流を生み出すのかを迅速に決定することができる。その後非定常のＣＦＤを使用して、より物理的に現実的な環境における後流の形状を評価するが、これは上流の後流に対する中間翼列の変動する作用を適切に含むことによるものである。これらの２つの手法は、さらに繰り返されることで、改善した後流の形状を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】多段式ガスタービンシステムの簡素化された概略図である。
【図２】タービンなどのターボ機械におけるエーロフォイルのクロッキングの２次元（２Ｄ）断面図である。
【図３】下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁付近に上流エーロフォイルの真っ直ぐな二次元（２Ｄ）の後流を有する下流のクロッキングされたタービンエーロフォイルの部分斜視図である。
【図４】下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁付近に上流エーロフォイルの緩やかな三次元（３Ｄ）の後流を有する下流のクロッキングされたタービンエーロフォイルの部分斜視図である。
【図５】下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁付近に上流エーロフォイルの急激な／歪められた三次元（３Ｄ）の後流を有する下流のクロッキングされたタービンエーロフォイルの部分斜視図である。
【図６】上流エーロフォイルの緩やかな三次元（３Ｄ）の後流が、下流のクロッキングされたエーロフォイルにぶつかるように歪められた、複数の下流のクロッキングされたタービンエーロフォイルの部分斜視図である。
【図７】上流エーロフォイルの急激な／歪められた三次元（３Ｄ）の後流が、下流のクロッキングされたエーロフォイルにぶつかるように歪められた、複数の下流のクロッキングされたタービンエーロフォイルの部分斜視図である。
【図８】隣接する上流エーロフォイルの間のスロート面を示す二次元断面図であり、この面は、このような隣接するエーロフォイル間の最小限の距離の面である図である。
【図９】隣接する上流エーロフォイルの間の二次元断面図に関する線形の半径方向のスロート配置を示すグラフである。
【図１０】隣接する上流エーロフォイルの間の二次元断面図に関する非線形の半径方向のスロート配置を示すグラフである。
【図１１】ステータまたはロータブレードなどの、典型的なタービンエーロフォイルの部分斜視図である。
【図１２】再度積み重ねられ再度成形されるエーロフォイルの設計部分を有する、図１１のタービンエーロフォイルの部分斜視図である。
【図１３】包括的翼幅における下流エーロフォイル前縁での全圧対円周方向の位置を描くグラフである（すなわち、運動量による後流）。
【図１４】包括的翼幅における下流エーロフォイル前縁での全温度対円周方向の位置を描くグラフである（すなわち、熱による後流）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、ガスタービンシステム１０の簡素化された概略図である。図１に示されるガスタービンシステム１０は、進入する空気１１を高圧に圧縮する圧縮器１２と、燃料１３を燃やすことで、高圧で高速の高温ガス１７を生成する燃焼器１４と、多段式タービン１６とを含んでおり、このタービンは、タービンブレード（図１には示されていない）を通過する高温ガス１７によって回転するタービンブレードを利用して、燃焼器１４からタービン１６に進入する高圧で高速の高温ガス１７からエネルギーを抽出する。タービン１６が回転する際、タービン１６に接続されたシャフト１８も同様に回転する。図１に示されるタービン１６の実施形態は、２段式タービンであり、第１および第２の段がそれぞれ１６Ａおよび１６Ｂとして指定されている。タービン効率を最大限にするために、高温ガス１７／１７Ａは、それがタービン１６の第１の段１６Ａからタービン１６の第２の段１６Ｂに流れる際に膨張し（およびこれにより圧力が低下する）、高温ガス１７が通過する際タービン１６の様々な段において仕事を生成する。ガスタービンエンジンにおいて、単一のタービン部分は、多くのタービンステータブレードを保持するディスク、または多くのタービンロータブレードを保持する回転ハブのいずれかで構成される。タービンブレードは、燃焼器１４によって生成されタービンブレードを通って流れる高温で高圧のガス１７からエネルギーを抽出する役割を担っている。最終的に、タービン１６の最終段から排ガス１９が外に出て行くが、この最終段は、図１では第２の段１６Ｂとして示されている。
【００１４】
図２は、タービン１６などのターボ機械における「エーロフォイルのクロッキング」の二次元（２Ｄ）断面図２０である。ターボ機械のエーロフォイルのクロッキングは、３つのブレードの列を含む。２つのブレードの列は、同一の基準フレーム内にあり、すなわち２つのブレードの列は共に、ステータまたはロータのいずれかである。２つのブレードの列の一方は上流エーロフォイルである。２つのブレードの列の他方は、下流エーロフォイルである。第３のブレードの列は、２つのブレードの列の中間にあり、他の２つのブレードの列に対して回転する。下流エーロフォイルは、「クロッキングされる」、すなわち、上流エーロフォイルの後流に対して円周方向に位置決めされる。
【００１５】
クロッキングされるエーロフォイルの数は、上流ブレードの列の整数倍である必要があり、例えば通常１：１の比が使用される。しかしながら、例えば２：１などの他の比が使用される場合もあり、その理由は、それらが同様に、上流エーロフォイルに対する下流エーロフォイルのクロッキングに何らかの利点を期待することができるためである。
【００１６】
図２は、一連のタービンロータとステータを示しており、これらは上流ステータ２４、上流ロータ２５、下流のクロッキングされたステータ２６および下流のクロッキングされたロータ２７を含む。上流ロータ２５および下流のクロッキングされたロータ２７はそれぞれ、矢印２１によって示される方向に回転する。上流ステータ２４は、後流２２を生成する。同様に上流ロータ２５は後流２３を生成する。下流エーロフォイル、すなわち下流ステータ２６は、上流ステータ２４に対してクロッキングされる。下流エーロフォイル、すなわちロータ２７は、上流ロータ２５に対してクロッキングされる。
【００１７】
同数のステータに関して、上流ステータから生じる後流に対する下流ステータの相対的位置は、タービン効率および高温ガス路（ＨＧＰ）の表面温度の有意な変化につながる可能性がある。同じことがその後のロータ段にも適用される。最適なクロッキングの利点を得るために、完全に「真っ直ぐな」後流を実現することは難しいことが多い。通常は、上流段の性能が低下する、あるいは最低、設計空間が縮小されることになる。本発明は、上流段における後流を歪ませることによって、クロッキングの利点を上流の後流を「真っ直ぐにする」ことから得られるものと等しくすることができることを示している。適切に歪められた後流（適応された）は、複数の下流エーロフォイルにぶつかることができる。これは、低アスペクト比の段、例えば高圧タービン（ＨＰＴ）の第１の段などに最適な方法であるが、これは個別の研究により、「真っ直ぐになった」後流と比較して歪められた後流にわずかに大きなクロッキングの利点（性能）が見出されたためである。これによって、全体のタービン効率が上がることになるが、これは、上流段は典型的に、上流段からの後流を歪ませることに起因する性能の向上を示しており、下流段は基本的に、クロッキングに起因する同様の、またはより優れた利点を得ることになるためである。下流エーロフォイルに対する熱によるクロッキング作用は、より強靱であるため（すなわちエーロフォイルは、クロッキング位置にさほど左右されない）、付加的な熱による利点もある。
【００１８】
下流において見られる上流エーロフォイルからの後流の形状と、クロッキング後のエーロフォイルの前縁は、多くの形状を採る可能性がある。この後流の形状は、渦を形成する作用（半径方向のスロート配置）、上流の段（ステータまたはロータ）を再度積み重ねる作用および他の要因に左右される。図３は、下流のクロッキングされたタービンエーロフォイル３１の部分斜視図であり、クロッキングされたエーロフォイルの前縁３５付近に上流エーロフォイルの真っ直ぐな二次元（２Ｄ）の後流３２を有する。図４は、下流のクロッキングされたタービンエーロフォイル３１の部分斜視図であり、クロッキングされたエーロフォイルの前縁３５付近に上流エーロフォイルの緩やかな三次元（３Ｄ）の後流３３を有する。図８は、下流のクロッキングされたタービンエーロフォイル３１の部分斜視図であり、クロッキングされたエーロフォイルの前縁３５付近に上流エーロフォイルの急激な／歪められた三次元（３Ｄ）の後流３４を有する。
【００１９】
「直線」のクロッキングされた下流エーロフォイルの場合、上流エーロフォイルの後流を真っ直ぐにすること、すなわち後流をより二次元にすることが恐らく有利である。しかしながら多くのタービン用途の場合、例えばガスタービンの第１の段またはジェットエンジンの高圧タービンなどの場合、上流タービン段をこの種の制約を受けて設計することは不可能である、あるいは全体的にデメリットになる。
【００２０】
図６は、２つの隣接する下流のクロッキングされたタービンエーロフォイル４１および４６の部分斜視図であり、クロッキングされたエーロフォイル４１および４６の前縁４０および４９の付近に上流エーロフォイルの緩やかな三次元の後流４２および４７を有する。緩やかな三次元の後流４２および４７に関して、各々の後流４２および４７の中に位置することができないエーロフォイル４１および４６の半径方向の翼幅の一部分がある。しかしながら、上流エーロフォイルの渦を形成する作用または積み重ねる作用によって、後流４２および４７を歪ませることで、上流エーロフォイルの後流が、例えばクロッキングされた隣接するエーロフォイル４１および４６などの複数の下流のクロッキングされたエーロフォイルにぶつかることになる。
【００２１】
図７は、図６の下流のクロッキングされたタービンエーロフォイル４１および４６の部分斜視図であり、上流エーロフォイルの急激な／歪められた三次元の後流４３および４８が歪められることで、クロッキングされた隣接するエーロフォイルのそれぞれの前縁付近でこのエーロフォイルにぶつかっている。したがって図４Ｂに示されるように、急激な／歪められた後流４８は、下流のクロッキングされたエーロフォイル４１の前縁４０に、地点４５および３９においてぶつかり、下流のクロッキングされたエーロフォイル４６の前縁４９に地点４４においてぶつかることで、エーロフォイル４１の中央の翼幅、および隣接するエーロフォイル４６の内側および外側翼幅部分４５および３９に後流４３がぶつかる。
【００２２】
したがって図７から分かるように、一般にクロッキングされた下流エーロフォイルは、下流エーロフォイルの全体の翼幅にわたって上流エーロフォイルの後流内にはないが、これは、後流とエーロフォイルが三次元の形状であるためである。また図７から分かるように、上流段のエーロフォイルの渦を形成する作用および／または積み重ねる作用によって設計し直すことで、１つの上流エーロフォイルの後流が、複数の下流エーロフォイルにぶつかるようにすることで、ある１つのエーロフォイルの中央の翼幅と、隣接するエーロフォイルの翼幅の外側および内側の部分に上流エーロフォイルの後流がぶつかるようにすることが恐らく有利である。
【００２３】
本発明の目的は、クロッキングされた下流エーロフォイルの半径方向の翼幅／高さの大きさ、すなわち割合（％）を増大させることであり、この下流エーロフォイルは、上流の後流をある１つのエーロフォイルの中央の翼幅部分と、隣接するエーロフォイルの２つの外側の翼幅部分にぶつかるように適応させる（歪ませる）ことによって、上流エーロフォイルの後流を上手く利用することができる。しかしながら、本発明は、特定の後流形状または上流段の設計に向けられるものではないことに留意されたい。
【００２４】
上記で指摘したように、下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁で見られるような上流エーロフォイルからの後流の形状は、上流段のエーロフォイル（すなわち、ステータおよびロータ）の渦を形成する作用（半径方向のスロート配置）および／または再度積み重ねる作用、ならびに他の要因に左右される。上流エーロフォイルの後流は、上流エーロフォイルの後縁から始まり、その地点において後流の形状は、後縁の形状と合致している。上流エーロフォイルに渦を形成することで、このエーロフォイルを出て行く流れ角度または接線方向のスワールの半径方向の配置が決定する。上流エーロフォイルを積み重ねることで、上流エーロフォイルの後縁における流れに作用する体積力が決定する。後流が、上流エーロフォイルの後縁を出て下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁へと進む際に、その形状がどのように変わるかに影響を及ぼすのは、体積力と、流れスワールの半径方向の配置である。２Ｄの流管分析を使用して、下流エーロフォイルの前縁において近似的な後流形状を実現することができる。少なくとも上流、下流、および中間のブレード列を含む非定常の３ＤＣＦＤ解析を行なうことで、中間のブレード列と、３Ｄの２次的な流れ作用の非定常な相互作用によって後流の形状の歪曲を捕らえる。
【００２５】
後流を歪ませる際の第１のステップは、２Ｄの流管分析を使用して、理想化された後流形状を得ることである。所望の歪みが達成されるまで、２Ｄの流管分析の利用を繰り返すことが必要な場合もある。このような反復作業は、上流エーロフォイルの渦を形成する作用／積み重ねる作用の変更を伴う。後流の形状のより現実的な記載は、その後少なくとも３つのブレード列の３Ｄの非定常のＣＦＤ解析を行なうことによって決められる場合もある。
【００２６】
運動量による後流に対する下流エーロフォイルの位置を評価するために、下流エーロフォイルの包括的な半径方向の翼幅の前縁における円周方向の位置に応じた全圧が測定される。これは図１３に示されている。下流エーロフォイルの前縁が、図１３に示される低い全圧のような円周方向の場所にある場合、このとき下流エーロフォイルは、運動量による後流の中にあるとみなすことができる。そうでない場合、この工程全体を、所望の利点が達成されるまで繰り返すことができる。
【００２７】
図１４は、下流エーロフォイルの包括的な半径方向の翼幅の前縁における円周方向の位置（すなわち熱による後流）に応じた全温度を示している。下流エーロフォイルの前縁が、図１３に示される低い全温度のような円周方向の場所にある場合、このとき下流エーロフォイルは、熱による後流の中にあるとみなすことができる。そうでない場合、この工程全体を、所望の利点が達成されるまで繰り返すことができる。
【００２８】
下流エーロフォイルのクロッキングはまた、回転装置またはエンジンのテスト中に測定することもできる。例えば、下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁の上流に測量プローブが配置される場合がある。このプローブが、円周方向に横断することで、種々の翼幅における全温度と全圧を測定し、図１３および１４と同様のロットを生成することができる。
【００２９】
図８は、クロッキングされた隣接する下流エーロフォイル５１および５２の二次元の断面図であり、このような隣接するエーロフォイルの間にあるスロート面５０を示している。図８において、スロートは、スロート面５０を使用して測定される際の隣接するエーロフォイル５１と５２の間の最小限の距離である。
【００３０】
図９は、隣接する上流エーロフォイルの間の二次元断面に関する半径方向のスロート配置を示すグラフである。二次元断面に関して、スロート面の幅は、隣接する上流のエーロフォイル、例えばエーロフォイル５１および５２の半径方向の高さに応じて変化し得る。したがって図９において、スロートは、隣接する上流エーロフォイルの半径方向の高さの線形関数として示されている。これは図３に示されるものなどの２Ｄの後流の典型である。
【００３１】
図１０は、隣接する上流エーロフォイルの間の二次元断面に関する半径方向のスロート配置を示すグラフである。二次元断面に関して、スロート面の幅は、隣接する上流のエーロフォイル、例えばエーロフォイル５１および５２の半径方向の高さおよびこのような上流エーロフォイルの積み重ね作用に応じて変化し得る。したがって図１０において、スロートは、隣接する上流エーロフォイルの半径方向の高さの非線形関数として示されている。これは図４および図５に示されるものなどの２Ｄの後流の典型である。
【００３２】
図１１は、例えばステータまたはロータブレードなどの典型的なタービンエーロフォイル７１Ａの部分斜視図である。図１２は、再度積み重ねられたエーロフォイル７１Ｂの部分斜視図であり、これは、再度積み重ねられた、再度渦が形成され、再成形される設計部分を備えた図１１のタービンエーロフォイル７１Ａである。典型的には、図１１に示されるエーロフォイル７１Ａのようなエーロフォイルは、外側の半径方向の翼幅設計部分７２Ａと、８０％の半径方向の翼幅設計部分７４Ａと、５０％の半径方向の翼幅設計部分７５Ａと、２０％の半径方向翼幅設計部分７６Ａと、内側の半径方向の翼幅設計部分７９Ａとを含む。これは、下流エーロフォイルの前縁において２Ｄの後流を生成するエーロフォイルの典型である。図１２は、半径方向の翼幅設計部分を再度積み重ね、渦を形成し、再成形した後のタービンエーロフォイル７１Ｂを示している。これは、下流エーロフォイルの前縁において歪んだ３Ｄの後流を生成するエーロフォイルの典型である。
【００３３】
本発明を今のところ最も実用的で好ましい実施形態であるとみなされるものに関連して記載してきたが、本発明は開示される実施形態に限定されるものではなく、それどころか添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる種々の変形形態および均等な構成を包含することが意図されていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ガスタービンシステム
１１  進入する空気
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１５  圧縮空気
１６  多段式ガスタービン
１６Ａ  多段式ガスタービンの第１の段
１６Ｂ  多段式ガスタービンの第２の段
１７  高温ガス
１７Ａ  高温ガス
１８  シャフト
１９  排ガス
２０  エーロフォイルのクロッキング
２１  クロッキングされたロータの回転方向を示す矢印
２２  上流ステータの後流
２３  上流ロータの後流
２４  上流ステータ
２５  上流ロータ
２６  下流のクロッキングされたステータ
２７  下流のクロッキングされたロータ
３０  タービンエーロフォイル
３１  下流のクロッキングタービンエーロフォイル
３２  上流エーロフォイルの直線の二次元（２Ｄ）の後流
３３  上流エーロフォイルの緩やかな三次元（３Ｄ）の後流
３４  上流エーロフォイルの急激な／歪められた三次元（３Ｄ）の後流
３５  クロッキングされたエーロフォイルの前縁
３９  急激な／歪められた後流が下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁にぶつかる地点
４０  クロッキングされたエーロフォイルの前縁
４１  緩やかな三次元の後流
４３  急激な／歪められた三次元の後流
４４  急激な／歪められた後流が下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁にぶつかる地点
４５  急激な／歪められた後流が下流のクロッキングされたエーロフォイルの前縁にぶつかる地点
４６  ２つの隣接する下流のクロッキングされたタービンエーロフォイルの一方
４７  緩やかな三次元の後流
４８  急激な／歪められた三次元の後流
４９  クロッキングされたエーロフォイルの前縁
５０  スロート面
５１Ａ  隣接する上流エーロフォイルの間の二次元断面に関する半径方向のスロート配置
５１  ２つのクロッキングされた隣接する下流エーロフォイルの一方の二次元断面
５２  ２つのクロッキングされた隣接する下流エーロフォイルの一方の二次元断面
７１Ａ  典型的なタービンエーロフォイルの部分斜視図
７１Ｂ  再度積み重ねられたエーロフォイルの部分斜視図
７２Ａ  典型的なタービンエーロフォイルの外側の半径方向の設計部分
７４Ａ  典型的なタービンエーロフォイルの８０％の半径方向の翼幅設計部分
７５Ａ  典型的なタービンエーロフォイルの５０％の半径方向の翼幅設計部分
７５Ｂ  再度積み重ねられたエーロフォイルの５０％の半径方向の翼幅設計部分
７６Ａ  典型的なタービンエーロフォイルの２０％の半径方向の翼幅設計部分
７９Ａ  典型的なタービンエーロフォイルの内側の半径方向の設計部分
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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