(57)【要約】タービン段（１００）は、作動媒体を送り込むするためにその間に流路（５０）を画定するために円周方向に離間された翼形列（１０）を備える。翼形列（１０）は、そのハブ側に位置する内側端壁（２０）から半径方向外側に延びている。内側端壁（２０）は、流路（５０）が上流側（６０）から下流側（７０）に末広がりになるように、エンジン軸（４０）に対して角度（α１）で傾斜している。内側端壁（２０）は、エンジン軸（４０）を中心として非軸対称であり、円周方向に隣接する第１（１０a）翼形と第２（１０b）翼形との間に位置する中間流路隆起部（２２）を有する。中間流路隆起部（２２）は、２０〜６０％ＣＡＸＩＤの間の位置及び３０〜７０％ピッチＩＤの間の位置に先端を有する。
2021526606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ側に位置する内側端壁（２０）から半径方向外向きに延伸し、円周方向に離間して配置されて作動媒体を通す流路（５０）をその間に画定する翼形列（１０）を備えたタービン段（１００）であって、
軸方向位置０％ＣＡＸＩＤが、当該タービン段（１００）の軸方向において前記内側端壁（２０）上の前記翼形列（１０）の前縁位置として定義され、そして、軸方向位置１００％ＣＡＸＩＤが、上流側（６０）から下流側（７０）への当該タービン段（１００）の軸方向において前記内側端壁（２０）上の前記翼形列（１０）の後縁位置として定義され、
０％ピッチＩＤが、任意の軸方向位置で、第１の翼形（１０a）の圧力側面（１２）における前記内側端壁（２０）上の第１の位置として定義され、そして、１００％ピッチＩＤが、当該タービン段（１００）の周方向（Ｃ）の前記第１の翼形（１０a）の前記圧力側面（１２）の前記第１の位置に面する、周方向に隣接する第２の翼形（１０ｂ）の負圧側面（１４）の前記内側端壁（２０）上の第２の位置として定義され、
前記内側端壁（２０）は、前記流路（５０）が前記上流側（６０）から前記下流側（７０）へ末広がりになるように、エンジン軸（４０）に対して角度α１で傾斜しており、
前記内側端壁（２０）は、前記エンジン軸（４０）を中心として非軸対称であり、前記第１の翼形（１０a）と前記第２の翼形（１０b）との間に位置する中間流路隆起（２２）を有し、該中間流路隆起（２２）は、２０〜６０％ＣＡＸＩＤの間の位置及び３０〜７０％ピッチＩＤの間の位置に先端（２４）を有する、タービン段（１００）。
【請求項２】
前記中間流路隆起（２２）の前記先端（２４）は、３０〜５０％ＣＡＸＩＤの間の位置に位置する、請求項１に記載のタービン段（１００）。
【請求項３】
前記中間流路隆起（２２）の前記先端（２４）は、４０〜６０％ピッチＩＤの間の位置に位置する、請求１又は２に記載のタービン段（１００）。
【請求項４】
前記中間流路隆起（２２）の前記先端（２４）は、３０〜５０％ＣＡＸＩＤの間の位置に位置する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項５】
前記中間流路隆起（２２）の前記先端（２４）は、前記内側端壁（２０）の公称表面（２６）に対して垂直に測定された、軸方向翼弦長（ＬＩＤ）の３〜８％の範囲の高さ（Ｈ）を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項６】
前記中間流路隆起（２２）は、前記第２の翼形（１０Ｂ）の負圧側面（１４）から離間している、請求項１〜５のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項７】
前記内側端壁（２０）は、前記上流側（６０）から前記下流側（７０）への方向において前記エンジン軸（４０）に向かって傾斜しており、前記エンジン軸（４０）に対する前記内側端壁（２０）の前記傾斜の角度α１が５〜２５度の範囲にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項８】
前記翼形列（１０）の先端側に位置する外側端壁（３０）がさらに設けられており、
軸方向位置０％ＣＡＸＯＤが、当該タービン段（１００）の軸方向の前記外側端壁（３０）上の前記翼形列（１０）の前縁位置として定義され、そして、軸方向位置１００％ＣＡＸＯＤが、前記上流側（６０）から前記下流側（７０）への当該タービン段（１００）の軸方向において前記外側端壁（３０）上の前記翼形列（１０）の後縁位置として定義され、
０％ピッチＯＤが、任意の軸方向位置で、第１の翼形（１０a）の圧力側面（１２）における前記外側端壁（３０）上の第１の位置として定義され、そして、１００％ピッチＯＤが、当該タービン段（１００）の周方向（Ｃ）の前記第１の翼形（１０a）の前記圧力側面（１２）の前記第１の位置に面する、第２の翼形（１０ｂ）の負圧側面（１４）の前記外側端壁（３０）上の第２の位置として定義され、
前記外側端壁（３０）は、前記流路（５０）が前記上流側（６０）から前記下流側（７０）へ末広がりになるように、前記エンジン軸（４０）に対して角度α２で傾斜しており、
前記外側端壁（３０）は、前記エンジン軸（４０）を中心に非軸対称であり、前記第１の翼形（１０a）と前記第２の翼形（１０b）との間に位置する中間流路窪み（３２）を備え、該中間流路窪み（３２）は、２０〜６０％ＣＡＸＩＤの間の位置及び３０〜７０％ピッチＩＤの間の位置に下点（３４）を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項９】
前記中間流路窪み（３２）は、前記第１の翼形（１０a）の前記圧力側面（１２）から離間している、請求項８に記載のタービン段（１００）。
【請求項１０】
前記エンジン軸（４０）に対する前記内側端壁（２０）の前記傾斜の角度α１は、前記エンジン軸（４０）に対する前記外側端壁（３０）の前記傾斜の角度α２よりも浅い、請求項８又は９に記載のタービン段（１００）。
【請求項１１】
前記外側端壁（３０）は、前記上流側（６０）から前記下流側（７０）に向かう方向に前記エンジン軸（４０）から傾斜しており、前記エンジン軸（４０）に対する前記外側端壁（３０）の前記傾斜の角度α２は、１０〜４５度の範囲内にある、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項１２】
前記翼形列（１０）は、一列のタービン静翼の一部である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項１３】
前記翼形列（１０）は、一列のタービン動翼列の一部である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンに使用される翼形列に関する。本明細書に開示された特定の実施形態は、二次流れ損失を低減するための非軸対称端壁を有する翼形列に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのようなターボ機械では、空気はコンプレッサ部で加圧された後、燃料と混合されて燃焼器部で燃焼され、高温の燃焼ガスを発生させる。高温燃焼ガスを含む作動媒体は、エンジンのタービン部分内で膨張され、そこでエネルギが取り出されて、コンプレッサ部分に動力を供給し、発電機を回して電気を発生するなどの有用な仕事を行う。作動媒体は、タービン部内の一連のタービン段を通って移動する。タービン段は、一列の静翼、続いて一列の動翼を備えることができ、翼は、出力を供給するために高温燃焼ガスからエネルギを取り出す。
【０００３】
各動翼は、通常は、スロット、プラットフォーム、及び翼形のうちの１つに嵌合する取り付け具を備える。翼がハブ内に設置されると、プラットフォームは互いに協働して、環状の作動媒体流路の半径方向内側境界を部分的に規定する。翼形は、翼端がタービン部のような静止部品に近接するように、流路を横切って延びている。リング部は、翼列に外接して、流路の半径方向外側境界を部分的に画定する。あるいは、翼は、流路の半径方向外側境界を部分的に画定する半径方向外側プラットフォーム又はシュラウドを有してもよい。半径方向内側プラットフォーム及び半径方向外側プラットフォーム（存在する場合）は、流路端壁を規定する。
【０００４】
各静翼は、通常は、半径方向内側及び外側の流路境界を部分的に画定する半径方向内側及び外側のプラットフォームを有する。翼形は、内部プラットフォームから外部プラットフォームへの流路を横切る。翼の半径方向内側及び外側のプラットフォームは、流路端壁も画定する。
【０００５】
エンジン運転中、作動媒体流体の流れがタービン流路を流れる。端壁近傍では、流体流は馬蹄渦として知られる渦流れ構造が多数を占める。渦は、流体が翼形に近づくにつれて端壁から分離する端壁境界層の結果として形成される。分離した流体は馬蹄渦に再構成される。渦に関連した効率の高い損失が存在する。損失は、「二次」又は「端壁」損失と呼ばれる。
【０００６】
二次損失に対処するために、翼形及び翼端壁に非軸対称輪郭面を設けることが知られている。現在、端壁の輪郭形成面は、主に円筒形の端壁上で調査されている。
【発明の開示】
【０００７】
簡単に言えば、本発明の態様は、円錐形端壁のための非軸対称端壁輪郭形成に関する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、タービン段を提供する。タービン段は、作動媒体を送り込むためにそれらの間にある流路を画定するため円周方向に離間され、そのハブ側に位置する内側端壁から半径方向外側に延びる翼形列であって、軸方向位置０％ＣＡＸＩＤは、タービン段の軸方向の内側端壁上の翼形列の前縁位置として定義され、軸方向位置１００％ＣＡＸＩＤは、上流側から下流側へのタービン段の軸方向の内側端壁上の翼形列の後縁位置として定義され、０％ピッチＩＤは、任意の軸方向位置で、第１の翼形の圧力側面における内側端壁上の第１の位置として定義され、１００％ピッチＩＤは、タービン段の周方向の第１の翼形の圧力側面の第１の位置に面する、周方向に隣接する第２の翼形の負圧側面の内側端壁上の第２の位置として定義される。
内側端壁は、流路が上流側から下流側に向かって発散するように、エンジン軸に対して斜めに傾斜している。内側端壁は、エンジン軸を中心として非軸対称であり、第１の翼形と第２の翼形との間に位置する中間流路隆起部を備える。中間流路隆起部は、２０〜６０％ＣＡＸＩＤの間の位置及び３０〜７０％ピッチＩＤの間の位置に先端を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。図は特定の構成を示しており、本発明の範囲を制限するものではない。
【図１】円筒形の端壁を有するタービン段の一部分の概略縦断側面図である。
【図２】円錐形の端壁を有するタービン段の一部分の誇張した概略縦断側面図であり、本発明の態様を適用することができる。
【図３】本発明の一実施形態による輪郭形成された円錐形の内側端壁の微細構造を示す図である。
【図４】本発明のさらなる実施形態による輪郭形成された円錐形の外側端壁のトポグラフィを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、好適な実施形態の詳細説明においては、本書の一部を構成する添付図面を参照し、この中で、本発明を実施し得る具体的な実施形態を限定的ではなく、例示的に示す。他の実施形態を用いてもよく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく変更を行うことができる。
【００１１】
明細書及び図面において、方向軸Ａ、Ｒ及びＣは、それぞれ、ガスタービンエンジンの軸方向、半径方向及び円周方向を示す。明細書及び特許請求の範囲において、請求の範囲は、記載された境界値を含む。例えば、「Ｘ−Ｙ間」という語句は、Ｘ及びＹの値を含む。
【００１２】
図１は、一列の翼形を備える既知の種類のタービン段１００の一部を概略的に示す。図に示すように、翼形列は、内側端壁２０を画定するハブ側に位置する円周方向プラットフォーム列と、外側端壁３０を画定する先端側に位置する円周方向プラットフォーム列との間に延在する翼形列１０を備える。内端壁２０及び外端壁３０は、それぞれ、円周方向に隣接する翼形１０間の作動媒体の内直径境界及び流路５０の外直径境界を規定する。図１に示す構成では、両端壁２０、３０は円筒状の公称表面を有し、これらの公称表面はエンジン軸４０と平行である。
【００１３】
エンジン運転中、作動媒体流体が流路５０を流れる。端壁近傍では、流体流は馬蹄形渦として知られる渦流構造が多数を占める。渦は、流体が翼形１０に近づくにつれて端壁から分離する端壁境界層の結果として形成され、空力効率の損失をもたらす。図１では、このような渦流８０の一例が内側端壁２０に概略的に示されており、渦流構造も通常は外側端壁３０に形成されている。渦から生じる損失は、例えば、翼形１０の圧力側面に隣接する丘状部つまり隆起を含む非軸対称輪郭を端壁に設けることによって対処することができる。
【００１４】
図２は、円錐形の端壁２０、３０を有する翼形列を備えるタービン段１００の一部を概略的に示す。ここで、本発明の態様を実施することができる。図１の例と同様に、翼形列１０は、内側端壁２０を画定するハブ側に位置する円周方向プラットフォーム列と、外側端壁３０を画定する先端側に位置する円周方向プラットフォーム列との間に延在する。内端壁２０及び外端壁３０は、それぞれ、円周方向に隣接する翼形１０間の作動媒体の内直径境界及び流路５０の外直径境界を規定する。しかしながら、図示の実施形態では、両端壁２０、３０（又は少なくとも内側端壁２０）は、エンジン軸４０に対して傾斜している。内端壁２０及び外端壁３０のエンジン軸４０に対する傾斜角は、それぞれα１及びα２として示されている。特に、図示するように、本実施形態では、内端壁２０は、作動媒体の流れに対して上流側６０から下流側７０に向かう方向にエンジン軸４０に向かって傾斜している。外端壁３０は、上流側６０から下流側７０に向かう方向にエンジン軸４０から離れるように傾斜している。その結果、端壁２０及び３０は、隣接する翼形１０間の流路５０が上流側６０と下流側７０との間で末広がりになるように円錐形である、すなわち円錐形の一部を形成するそれぞれの軸対称の公称側面２６、３６を有する。角度α１は、例えば、５〜２５度の範囲内に存在してもよく、一方、角度α２は、例えば、１０〜４５度の範囲内にあってもよい。図示の実施形態では、内端壁２０の傾斜角α１は、外端壁３０の傾斜角α２よりも浅い。
【００１５】
本発明者らは、図２の例のような円錐形の末広がりの端壁形状では、流路渦は、端壁を素早く持ち上げ、円筒形の端壁を有するものよりも、より高い翼長幅（すなわち、端壁からより大きい距離）になる。従って、より高い二次損失をもたらす傾向があることを認識した。この効果は、図２に模式的に示されており、ここで、渦８０は、図１に示す円筒状の内側端壁２０に形成された対応する渦８０よりも高い翼幅になる円錐状の内側端壁２０に形成されるように示されている。図面には示していないが、対応する効果が円錐状の外側端壁３０において観察されることもある。
【００１６】
本発明者らは、円錐形の末広がりの端壁に適用可能な少なくとも上述の技術的問題に対処する改良された非軸対称端壁形状を考案した。
【００１７】
図２を引き続き参照しながら、図３を参照して本発明の実施形態を示す。図に示すように、タービン段１００は、内側端壁２０から半径方向外側に延びる翼形列１０を備える。翼形列１０の各々は、凹状の圧力側面１２と、前縁１６と後縁１８との間に延びる横方向に反対側の凸状の対流吸引側面１４とによって形成される。流通過５０は、第１の翼形１０aと周囲に隣接する第２の翼形１０aの間に定義される。
【００１８】
図３を参照すると、軸方向位置０％ＣＡＸＩＤは、軸方向Ａに沿った内側端壁２０上の翼形１０の前縁位置と定義することができ、軸方向位置１００％ＣＡＸＩＤは、軸方向Ａにおける内側端壁２０上の翼形１０の後縁位置と定義することができ、任意の所与の軸方向位置において、円周方向位置０％ピッチＩＤは、第１の翼形１０aの圧力側面１２における内側端壁２０上の第１の位置と定義することができる。周方向位置１００％ピッチＩＤは、周方向Ｃに第１の翼形１０aの圧力側面１２で第１の位置に正反対の周方向反対側の第２の翼形１０bの負圧側面１４における内端壁２０上の第２の位置と定義することができる。
【００１９】
図示の実施形態では、内端壁２０は非軸対称であり、隣接する翼形１０aと１０bとの間に位置する中間流路隆起部２２を備えている。中間流路隆起部は、公称の端壁面に関連して流路内に延びる突出部つまり丘状部であると理解することができる。中間流路隆起部は、凸面として形成してもよい。図３では、中間流路隆起部２２は、内側端壁２０の軸対称の公称表面２６から共通の仰角の正の等値線で示されている。中間流路隆起部２２は、内側端壁２０の公称表面２６から通常測定される最大高さＨ（図２参照）の点を規定する先端２４を有する。図示の実施形態によれば、先端２４は、隣接する翼形１０aと１０bとの間の流路５０の中心又はその近傍に位置している。特に、先端２４は、２０〜６０％のＣＡＸＩＤの間の位置、及び３０〜７０％のピッチＩＤの間の位置に位置することができる。
【００２０】
さらなる改良において、中間流路隆起部２２の先端２４は、特に、３０〜５０％のＣＡＸＩＤの間の位置に位置してもよい。一実施形態では、先端２４は、特に、４０〜６０％ピッチＩＤの間の位置に位置してもよい。中間流路隆起部２２の先端２４は、内側端壁２０の公称表面２６に対して垂直に測定された、軸方向翼弦長ＬＩＤの３〜８％の範囲の高さＨを有していてもよい。中間流路隆起部２４は、好ましくは、第２の翼形１０bの負圧側面１４から離間していてもよい。すなわち、先端２４から、中間流路隆起部２４は、負圧側面１４に向かう方向に公称表面２６に向かって傾斜していてもよく、負圧側面１４から離れたところで公称表面２６と合流する。図示の実施形態では、中間流路隆起部２２は、負圧側面１４よりも圧力側面１２に近い。いくつかの実施形態では、中間流路隆起部２２は、第１の翼形１０aの圧力側面１２からさらに離間してもよい。すなわち、先端２４から、中間流路隆起部２４は、圧力側面１２に向かう方向に公称表面２６に向かって傾斜していてもよく、圧力側面１２から離れたところで公称表面２６と合流する。
【００２１】
本発明者らは、隣接する翼形１０間の流路５０の中心又はその近傍に大きな丘状部つまり隆起部２２を有する円錐形の内側端壁２０が（翼形に隣接又は近接しているのとは対照的に）、環状に減速する流路内の流れの加速を増大させることを見出した。図２を参照すると、増加した流れの加速及び減少した静圧は、流路渦８０’の形成を減少させ、流路渦８０’をより低い翼出口幅（すなわち、端壁２０により近い）に引き下げ、同時に、流路５０を横切る横方向の圧力勾配を減少させる。
【００２２】
上述の実施形態は、タービン静翼に関するが、本発明の態様は、特に円錐形ハブ側内側端壁を有する翼形列に適用可能なタービン動翼であってもよい。
【００２３】
図２及び図４に示すように、本発明者らは、さらなる改良において、円錐状の外側端壁３０の場合には、隣接する翼形１０間の流路５０の中心又はその近傍の外側端壁３０に窪み３２を設けることによって、流路流の流れを加速し、流路渦を弱めるという対応する効果が達成され得ると判断した。
【００２４】
図４を参照すると、軸方向位置０％ＣＡＸＯＤは、軸方向Ａに沿った外側端壁３０上の翼形１０の前縁位置として定義することができ、外側端壁３０上の軸方向翼弦長は、ＬＯＤとして指定される。軸方向位置１００％ＣＡＸＯＤは、軸方向Ａにおける外側端壁３０上の翼形１０の後縁位置として定義することができ、任意の所定の軸方向位置において、円周方向位置０％ピッチＯＤは、第１の翼形１０aの圧力側面１２における外側端壁３０上の第１の位置として定義することができる。周方向位置１００％ピッチＯＤは、周方向Ｃにおいて第１の翼形１０aの圧力側面１２で第１の位置に直接対向する、周方向に対向する第２の翼形１０bの吸引側面１４における外側端壁３０上の第２の位置として定義することができる。
【００２５】
図示の実施形態では、外側端壁３０は非軸対称であり、隣接する翼形１０Ａと１０Ｂとの間に位置する中間流路窪み３２を備えている。窪みは、公称の末端壁面に関連して流路を離れて延びる溝である。凹面として窪みを形成してもよい。図４では、窪み３２は、外側端壁３０の軸対称の公称表面３６から共通の仰角の負の等値線で示されている。中間流路窪み３２は、外側端壁３０の公称表面３６から通常測定される最大深さＤ（図２参照）の点を規定する下点３４を有する。図示の実施形態によれば、下点３４は、隣接する翼形１０aと１０bとの間の流路５０の中心又はその近傍に位置している。特に、下点３４は、２０〜６０％のＣＡＸＯＤの間の位置、及び３０〜７０％のピッチＯＤの間の位置に位置することができる。好ましくは、中間流路窪み３２は、第１の翼形１０aの圧力側面１２から離間していてもよい。すなわち、下点３４から、中間流路窪み３２は、圧力側面１２に向かう方向に公称表面３６に向かって傾斜していてもよく、圧力側面１２から離れたところで公称表面３６と合流する。図示の実施形態では、窪み３２は、圧力側面１２よりも負圧側面１４に近い。
【００２６】
特定の実施形態が詳細に説明してきたが、当業者で列あれば、開示の全教示を鑑み、それらの詳細に対する様々な変更及び代替が可能であることを理解するであろう。従って、開示された特定の構成は、単に例示的であって、本発明の範囲に限定するものではなく、特許請求の範囲の全範囲、及びそれらの任意の均等物が可能であることを意味する。
【図１】
2021526606.tif 000003
【図２】
2021526606.tif 000004
【図３】
2021526606.tif 000005
【図４】
2021526606.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和3年3月29日(2021.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ側に位置する内側端壁（２０）から半径方向外向きに延伸し、円周方向に離間して配置されて作動媒体を通す流路（５０）をその間に画定する翼型列（１０）を備えたタービン段（１００）であって、
上流側（６０）から下流側（７０）への当該タービン段（１００）の軸方向において、０％の軸方向位置ＣａｘＩＤが、前記内側端壁（２０）上の前記翼型列（１０）の前縁位置として定義され、そして、１００％の軸方向位置ＣａｘＩＤが、前記内側端壁（２０）上の前記翼型列（１０）の後縁位置として定義され、
前記軸方向における任意の位置で、０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤが、第１の翼型（１０ａ）の圧力側面（１２）における前記内側端壁（２０）上の第１の位置として定義され、そして、１００％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤが、当該タービン段（１００）の周方向において前記第１の翼型（１０ａ）に隣接する第２の翼型（１０ｂ）の負圧側面（１４）の前記内側端壁（２０）上の第２の位置として定義され、該第２の位置は、前記周方向において前記第１の翼型（１０ａ）の前記圧力側面（１２）の前記第１の位置と向かい合っており、
前記内側端壁（２０）は、前記流路（５０）が前記上流側（６０）から前記下流側（７０）へ末広がりになるように、エンジン軸（４０）に対して角度α１で傾斜しており、
前記内側端壁（２０）は、前記エンジン軸（４０）について非軸対称であって、前記第１の翼型（１０ａ）と前記第２の翼型（１０ｂ）との間に位置する中間流路隆起（２２）を有し、該中間流路隆起（２２）は、２０％〜６０％の軸方向位置ＣａｘＩＤ及び３０％〜７０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤに頂部（２４）を有する、タービン段（１００）。
【請求項２】
前記中間流路隆起（２２）の前記頂部（２４）が３０％〜５０％の軸方向位置ＣａｘＩＤに位置する、請求項１に記載のタービン段（１００）。
【請求項３】
前記中間流路隆起（２２）の前記頂部（２４）が４０％〜６０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤに位置する、請求１又は２に記載のタービン段（１００）。
【請求項４】
前記中間流路隆起（２２）の前記頂部（２４）は、前記内側端壁（２０）の公称表面（２６）に対し垂直に測定して、軸方向翼弦長（ＬＩＤ）の３％〜８％の高さ（ｈ）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項５】
前記中間流路隆起（２２）は、前記第２の翼型（１０ｂ）の負圧側面（１４）から離間している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項６】
前記内側端壁（２０）は、前記上流側（６０）から前記下流側（７０）への方向において前記エンジン軸（４０）に向かって傾斜しており、前記エンジン軸（４０）に対する前記内側端壁（２０）の傾斜の前記角度α１が５度〜２５度の範囲にある、請求項１〜５のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項７】
前記翼型列（１０）の先端側に位置する外側端壁（３０）がさらに設けられており、
前記上流側（６０）から前記下流側（７０）への当該タービン段（１００）の軸方向において、０％の軸方向位置ＣａｘＯＤが、前記外側端壁（３０）上の前記翼型列（１０）の前縁位置として定義され、そして、１００％の軸方向位置ＣａｘＯＤが、前記外側端壁（３０）上の前記翼型列（１０）の後縁位置として定義され、
前記軸方向における任意の位置で、０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＯＤが、第１の翼型（１０ａ）の圧力側面（１２）における前記外側端壁（３０）上の第１の位置として定義され、そして、１００％の周方向位置ＰｉｔｃｈＯＤが、当該タービン段（１００）の周方向において前記第１の翼型（１０ａ）に隣接する第２の翼型（１０ｂ）の負圧側面（１４）の前記外側端壁（３０）上の第２の位置として定義され、該第２の位置は、前記周方向において前記第１の翼型（１０ａ）の前記圧力側面（１２）の前記第１の位置と向かい合っており、
前記外側端壁（３０）は、前記流路（５０）が前記上流側（６０）から前記下流側（７０）へ末広がりになるように、前記エンジン軸（４０）に対して角度α２で傾斜しており、
前記外側端壁（３０）は、前記エンジン軸（４０）について非軸対称であって、前記第１の翼型（１０ａ）と前記第２の翼型（１０ｂ）との間に位置する中間流路窪み（３２）を備え、該中間流路窪み（３２）は、２０％〜６０％の軸方向位置ＣａｘＯＤ及び３０％〜７０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＯＤに底部（３４）を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項８】
前記中間流路窪み（３２）は、前記第１の翼型（１０ａ）の前記圧力側面（１２）から離間している、請求項７に記載のタービン段（１００）。
【請求項９】
前記エンジン軸（４０）に対する前記内側端壁（２０）の傾斜の前記角度α１は、前記エンジン軸（４０）に対する前記外側端壁（３０）の傾斜の前記角度α２よりも浅い、請求項７又は８に記載のタービン段（１００）。
【請求項１０】
前記外側端壁（３０）は、前記上流側（６０）から前記下流側（７０）への方向において前記エンジン軸（４０）から離れる方へ傾斜しており、前記エンジン軸（４０）に対する前記外側端壁（３０）の傾斜の前記角度α２は、１０度〜４５度の範囲内にある、請求項７〜９のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【請求項１１】
前記翼型列（１０）は、一列のタービン静翼の一部である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のタービン段（１００）。
【手続補正書】
【提出日】令和3年3月29日(2021.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンに使用される翼型列に関する。本明細書に開示された特定の実施形態は、二次流れ損失を低減するための非軸対称端壁を有する翼型列に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのようなターボ機械では、空気はコンプレッサ部で加圧された後、燃料と混合されて燃焼器部で燃焼し、高温の燃焼ガスを発生させる。高温燃焼ガスを含む作動媒体は、エンジンのタービン部内で膨張し、そこでエネルギが取り出されて、コンプレッサ部に動力を供給し、発電機を回して電気を発生するなどの有用な仕事を行う。作動媒体は、タービン部内の一連のタービン段を通り抜ける。タービン段は、静翼列と、これに続く動翼列を備えることができ、動翼が、高温燃焼ガスからエネルギを取り出して出力を提供する。
【０００３】
各動翼は、通常は、スロットの１つに嵌合する取り付け具と、プラットフォーム、及び翼型を備える。動翼がハブ内に設置されると、プラットフォームは互いに協働して、環状の作動媒体流路の半径方向内側境界を部分的に画定する。翼型は、翼端がタービン環状部分などの静止部品に近接するように、流路を横切って延びている。その環状部分は、動翼列に外接して、流路の半径方向外側境界を部分的に画定する。あるいは、動翼が、流路の半径方向外側境界を部分的に画定する半径方向外側プラットフォーム又はシュラウドを備えていてもよい。半径方向内側プラットフォーム及び半径方向外側プラットフォーム（存在する場合）は、流路端壁を画定する。
【０００４】
各静翼は、通常は、半径方向内側及び外側の流路境界を部分的に画定する半径方向内側及び外側のプラットフォームを有する。翼型は、内側プラットフォームから外側プラットフォームへ流路を横切る。静翼の半径方向内側及び外側のプラットフォームは、流路端壁も画定する。
【０００５】
エンジン運転中、作動媒体流体の連続流がタービン流路を流れる。端壁近傍では、流体流は馬蹄渦として知られる渦流れ構造が大半を占める。渦は、流体が翼型に近づくにつれて端壁から分離する端壁境界層の結果として形成される。分離した流体は馬蹄渦に再構成される。渦に関連して効率の高損失が存在する。損失は、「二次」又は「端壁」損失と呼ばれる。
【０００６】
二次損失に対処するために、翼型及び翼端壁に非軸対称輪郭面を設けることが知られている。現在、端壁の輪郭形成面は、主に円筒形の端壁上で研究されている。
【発明の開示】
【０００７】
簡単に言えば、本発明の態様は、円錐形端壁のための非軸対称端壁輪郭形成に関する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、タービン段が提供される。このタービン段は、円周方向に離間して設けられた翼型列を有し、その間に作動媒体を送り込む流路が画定される。翼型列は、そのハブ側に位置する内側端壁から半径方向外側に延びる。上流側から下流側へのタービン段の軸方向において、０％の軸方向位置ＣａｘＩＤが、内側端壁上の翼型列の前縁位置として定義され、１００％の軸方向位置ＣａｘＩＤが、内側端壁上の翼型列の後縁位置として定義される。軸方向における任意の位置で、０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤが、第１の翼型の圧力側面における内側端壁上の第１の位置として定義され、１００％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤが、タービン段の周方向において第１の翼型に隣接する第２の翼型の負圧側面の内側端壁上の第２の位置として定義され、該第２の位置は、周方向において第１の翼型の圧力側面の第１の位置に向かい合う。内側端壁は、流路が上流側から下流側に向かって末広がりになるように、エンジン軸に対して傾斜している。内側端壁は、エンジン軸について非軸対称であり、第１の翼型と第２の翼型との間に位置する中間流路隆起を備える。中間流路隆起は、２０％〜６０％の軸方向位置ＣａｘＩＤ及び３０％〜７０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤに頂部を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。図は特定の構成を示しており、本発明の範囲を制限するものではない。
【図１】円筒形の端壁を有するタービン段の一部分の概略縦断側面図である。
【図２】円錐形の端壁を有するタービン段の一部分の誇張した概略縦断側面図であり、本発明の態様を適用することができる。
【図３】本発明の一実施形態による輪郭形成された円錐形の内側端壁の微細構造を示す図である。
【図４】本発明のさらなる実施形態による輪郭形成された円錐形の外側端壁のトポグラフィを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、好適な実施形態の詳細説明においては、本書の一部を構成する添付図面を参照し、この中で、本発明を実施し得る具体的な実施形態を限定的ではなく、例示的に示す。他の実施形態を用いてもよく、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく変更を行うことができる。
【００１１】
明細書及び図面において、方向軸Ａ、Ｒ及びＣは、それぞれ、ガスタービンエンジンの軸方向、半径方向及び円周方向を示す。明細書及び特許請求の範囲において、範囲は、そこに記載された境界値を含む。例えば、「Ｘ〜Ｙ」又は「ＸとＹの間」という場合は、Ｘ及びＹの値を含む。
【００１２】
図１は、翼型列を備える既知の種類のタービン段１００の一部を概略的に示す。図に示すように、静翼列は、内側端壁２０を画定するハブ側に位置する円周方向プラットフォーム列と、外側端壁３０を画定する先端側に位置する円周方向プラットフォーム列との間に延在する翼型列１０を備える。内側端壁２０及び外側端壁３０は、それぞれ、円周方向に隣り合う翼型１０の間の流路５０について作動媒体の内側直径境界及び外側直径境界を画定する。図１に示す構成では、両端壁２０、３０は円筒状の公称表面を有し、これらの公称表面はエンジン軸４０と平行である。
【００１３】
エンジン運転中、作動媒体流体が流路５０を流れる。端壁近傍では、流体の連続流は馬蹄形渦として知られる渦流構造が多数を占める。渦は、流体が翼型１０に近づくにつれて端壁から分離する端壁境界層の結果として形成され、空力効率の損失をもたらす。図１では、このような渦流８０の一例が内側端壁２０に概略的に示されており、通常は外側端壁３０にも渦流構造が形成される。渦から生じる損失は、例えば、翼型１０の圧力側面に隣接する丘状部つまり隆起を含む非軸対称輪郭を端壁に設けることによって対処することができる。
【００１４】
図２は、円錐形の端壁２０、３０を有する翼型列を備えるタービン段１００の一部を概略的に示す。ここで、本発明の態様を実施することができる。図１の例と同様に、翼型列１０は、内側端壁２０を画定するハブ側に位置する円周方向プラットフォーム列と、外側端壁３０を画定する先端側に位置する円周方向プラットフォーム列との間に延在する。内側端壁２０及び外側端壁３０は、それぞれ、円周方向に隣り合った翼型１０の間の作動媒体の流路５０の内側直径境界及び外側直径境界を画定する。ただし、図示の実施形態では、両端壁２０、３０（又は少なくとも内側端壁２０）は、エンジン軸４０に対して傾斜している。内側端壁２０及び外側端壁３０のエンジン軸４０に対する傾斜角は、それぞれα１及びα２として示されている。特に、図示するように、本実施形態では、内側端壁２０は、上流側６０から下流側７０に向かう方向において、作動媒体の流れに対してエンジン軸４０に向かって傾斜している。外側端壁３０は、上流側６０から下流側７０に向かう方向においてエンジン軸４０から離れるように傾斜している。その結果、両端壁２０及び３０は、隣り合った翼型１０の間の流路５０が上流側６０から下流側７０へ向かって末広がりになるように円錐形である、すなわち、円錐形の一部を形成するそれぞれ軸対称の公称側面２６、３６を有する。角度α１は、例えば、５度〜２５度の範囲とすることができ、一方、角度α２は、例えば、１０度〜４５度の範囲とすることができる。図示の実施形態では、内側端壁２０の傾斜の角度α１は、外側端壁３０の傾斜の角度α２よりも浅い。
【００１５】
本発明の発明者は、図２の例のような円錐形の末広がりの端壁形状では、流路渦は、端壁から素早く離れ、円筒形の端壁を有するものに比べてより高く（すなわち、端壁からの距離がより大きく）なり、従って、より高い二次損失をもたらす傾向があることを認識した。この作用が、図２に模式的に示されており、図２における渦８０は、図１に示す円筒状の内側端壁２０に形成される同種の渦８０に比べて、より高い翼幅位置に形成されている。図面には示していないが、同様の作用が円錐状の外側端壁３０においても観察され得る。
【００１６】
本発明の発明者は、円錐形の末広がりの端壁に適用可能であって、少なくとも上述の技術的問題に対処できる、改良された非軸対称端壁形状を創案した。
【００１７】
図２を引き続き参照しながら、図３を参照して本発明の実施形態を示す。図に示すように、タービン段１００は、内側端壁２０から半径方向外側に延びる翼型列１０を備える。翼型列１０の各々の翼型は、前縁１６と後縁１８との間に延びる、凹状の圧力側面１２と、これとは横方向に反対側の凸状の負圧側面１４とによって形成される。流路５０は、第１の翼型１０ａと、これに周方向に隣接する第２の翼型１０ａとの間に画定される。
【００１８】
図３を参照すると、０％の軸方向位置ＣａｘＩＤは、軸方向Ａにおける内側端壁２０上の翼型１０の前縁位置と定義することができ、１００％の軸方向位置ＣａｘＩＤは、軸方向Ａにおける内側端壁２０上の翼型１０の後縁位置と定義することができる。また、軸方向Ａにおける任意の位置において、０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤは、第１の翼型１０ａの圧力側面１２における内側端壁２０上の第１の位置と定義することができ、１００％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤは、周方向で対向する第２の翼型１０ｂの負圧側面１４における内端壁２０上の第２の位置と定義することができ、この第２の位置は、周方向Ｃにおいて第１の翼型１０ａの圧力側面１２の第１の位置に向かい合う。
【００１９】
図示の実施形態では、内側端壁２０は非軸対称であり、互いに隣接する翼型１０ａと翼型１０ｂとの間に位置する中間流路隆起２２を備えている。中間流路隆起２２は、公称の端壁面に対して流路内に延出する突出部つまり丘状部であると理解することができる。中間流路隆起２２は、凸面として形成してもよい。図３では、中間流路隆起２２は、内側端壁２０の軸対称の公称表面２６から同じ標高の正の等高線で示されている。中間流路隆起２２は、内側端壁２０の公称表面２６から標準的に測定される最大高さｈ（図２参照）の位置を画定する頂部２４を有する。図示の実施形態によれば、頂部２４は、隣り合った翼型１０ａと翼型１０ｂとの間の流路５０の中心又はその近傍に位置している。具体的には例えば、頂部２４は、２０％〜６０％の軸方向位置ＣａｘＩＤ、及び３０％〜７０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤに位置させる。
【００２０】
さらなる改良例において、中間流路隆起２２の頂部２４は、特に、３０％〜５０％の軸方向位置ＣａｘＩＤに位置する。一実施形態では、頂部２４は、特に、４０％〜６０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＩＤに位置する。中間流路隆起２２の頂部２４は、内側端壁２０の公称表面２６に対し垂直に測定して、軸方向翼弦長ＬＩＤの３％〜８％の範囲の高さｈとすることができる。中間流路隆起２４は、好ましくは、第２の翼型１０ｂの負圧側面１４から離間させる。すなわち、中間流路隆起２４は、頂部２４から負圧側面１４へ向かう方向に公称表面２６に向かって傾斜し、負圧側面１４から離れたところで公称表面２６と合流するようにしてよい。図示の実施形態では、中間流路隆起２２は、負圧側面１４よりも圧力側面１２に近い。いくつかの実施形態では、中間流路隆起２２は、第１の翼型１０ａの圧力側面１２からも離間していてよい。すなわち、中間流路隆起２４は、頂部２４から圧力側面１２へ向かう方向に公称表面２６に向かって傾斜し、圧力側面１２から離れたところで公称表面２６と合流するようにしてよい。
【００２１】
本発明の発明者は、隣り合った翼型１０の間の流路５０の中心又はその近傍に大きな丘状部つまり隆起２２を有する円錐形の内側端壁２０が、（翼型に隣接する又は近い場合とは対照的に）、そうでなければ環状に減速する流路において流れの加速を増大させることを見出した。図２を参照すると、増加した流れの加速及び減少した静圧は、流路渦８０’の形成を減少させ、流路渦８０’をより低い翼幅位置（すなわち、端壁２０により近い）に引き下げ、同時に、流路５０を横切る横方向の圧力勾配を減少させる。
【００２２】
上述の実施形態は、タービン静翼に関するが、本発明の態様は、タービン動翼、特に円錐形のハブ側内側端壁を有する翼型列にも適用可能である。
【００２３】
図２及び図４に示すように、本発明の発明者は、さらなる改良において、円錐状の外側端壁３０の場合には、隣り合った翼型１０の間の流路５０の中心又はその近傍の外側端壁３０に窪み３２を設けることによって、流路の流れを加速し、流路渦を弱めるという相応の効果が達成され得ることを見出した。
【００２４】
図４を参照すると、０％の軸方向位置ＣａｘＯＤは、軸方向Ａにおける外側端壁３０上の翼型１０の前縁位置として定義することができ、外側端壁３０上の軸方向翼弦長は、ＬＯＤとして指定される。１００％の軸方向位置ＣａｘＯＤは、軸方向Ａにおける外側端壁３０上の翼型１０の後縁位置として定義することができる。軸方向Ａにおける任意の位置において、０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＯＤは、第１の翼型１０ａの圧力側面１２における外側端壁３０上の第１の位置として定義することができる。１００％の周方向位置ＰｉｔｃｈＯＤは、周方向で対向する第２の翼型１０ｂの負圧側面１４における外側端壁３０上の第２の位置として定義することができ、この第２の位置は、周方向Ｃにおいて第１の翼型１０ａの圧力側面１２で第１の位置に向かい合う。
【００２５】
図示の実施形態では、外側端壁３０は非軸対称であり、互いに隣接する翼型１０ａと翼型１０ｂとの間に位置する中間流路窪み３２を備えている。中間流路窪み３２は、公称の端壁面に対して流路から外へ突出する谷である。凹面として窪みを形成してもよい。図４では、窪み３２は、外側端壁３０の軸対称の公称表面３６から同じ標高の負の等高線で示されている。中間流路窪み３２は、外側端壁３０の公称表面３６から標準的に測定される最大深さｄ（図２参照）の位置を画定する底部３４を有する。図示の実施形態によれば、底部３４は、隣り合った翼型１０ａと翼型１０ｂとの間の流路５０の中心又はその近傍に位置している。具体的には例えば、底部３４は、２０％〜６０％の軸方向位置ＣａｘＯＤ、及び３０％〜７０％の周方向位置ＰｉｔｃｈＯＤに位置させる。好ましくは、中間流路窪み３２は、第１の翼型１０ａの圧力側面１２から離間していてもよい。すなわち、中間流路窪み３２は、底部３４から圧力側面１２へ向かう方向に公称表面３６に向かって傾斜し、圧力側面１２から離れたところで公称表面３６と合流するようにしてよい。図示の実施形態では、窪み３２は、圧力側面１２よりも負圧側面１４に近い。
【００２６】
特定の実施形態を詳細に説明してきたが、当業者であれば、開示の全教示を鑑み、それらの詳細に対する様々な変更及び代替が可能であることを理解するであろう。従って、開示された特定の構成は、単に例示を意味し、発明の範囲を限定するものではなく、発明の範囲は、特許請求の範囲に係る全範囲及びそのいずれか及び全ての等価のものにより与えられるべきである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2021526606.tif 000007
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2021526606.tif 000008
【国際調査報告】
2021526606.tif 000009
2021526606.tif 000010
2021526606.tif 000011