(57)【要約】タービンステージ(100)は、流路のエンドウォール(40)を形成する第１及び第２のプラットフォーム(12a,12b)から延びる第１及び第２の翼(10a,10b)を含む。エンドウォール(40)は、タービンステージ軸線について軸対称の公称表面(60)を有する。エンドウォール(40)は、前記軸線に対して非軸対称である少なくとも１つの輪郭領域(42,46)を含む。輪郭領域(42,46)は、プラットフォーム分離線(30)を横切って第１のプラットフォーム(12a)から第２のプラットフォーム(12b)まで延在する。エンドウォール(40)の標高最大差ΔＥＷは、エンドウォール(40)上の翼(10a,10b)の軸方向翼弦長Ｌの少なくとも３％である。プラットフォーム(12a,12b)のつがい面(26,28)における標高最大差ΔＭＦは、１５〜６０％ΔＥＷの範囲にある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のプラットフォーム（１２ａ）から延伸する第１の翼（１０ａ）と、該第１の翼（１０ａ）から円周方向に離間して第２のプラットフォーム（１２ｂ）から延伸する第２の翼（１０ｂ）とを備えたタービンステージ（１００）であって、
前記第１の翼（１０ａ）と前記第２の翼（１０ｂ）との間に作動媒体の流路（５０）が画定され、該流路（５０）のエンドウォール（４０）を前記第１及び第２のプラットフォーム（１２ａ，１２ｂ）が画定し、
前記第１及び第２のプラットフォーム（１２ａ，１２ｂ）が、プラットフォーム分離線（３０）に沿って対面するつがい面（２６，２８）をそれぞれ備え、
前記エンドウォール（４０）が、当該タービンステージ（１００）の軸線について軸対称である公称表面（６０）を有し、該エンドウォール（４０）は、前記軸線に対して非軸対称である少なくとも１つの輪郭領域（４２，４６）を更に備えており、該少なくとも１つの輪郭領域（４２，４６）は、前記プラットフォーム分離線（３０）を横切って前記第１のプラットフォーム（１２ａ）から前記第２のプラットフォーム（１２ｂ）まで延在し、
前記エンドウォール（４０）の標高最大差ΔＥＷが、該エンドウォール（４０）上の前記第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）の軸方向翼弦長Ｌの少なくとも３％であり、
前記つがい面（２６，２８）のいずれかにおける標高最大差ΔＭＦが、１５〜６０％ΔＥＷの範囲内にある、タービンステージ（１００）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの輪郭領域（４２，４６）が隆起（４２）を含み、
前記エンドウォール（４０）の標高最大差ΔＥＷが、前記公称表面（６０）を基準にした前記隆起（４２）の最高点（４４）の高さｈで定義される、請求項１に記載のタービンステージ（１００）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの輪郭領域（４２，４６）が陥没（４６）を含み、
前記エンドウォール（４０）の標高最大差ΔＥＷが、前記公称表面（６０）を基準にした前記陥没（４６）の最下点（４８）の深さｄで定義される、請求項１に記載のタービンステージ（１００）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの輪郭領域（４２，４６）が、隆起（４２）を含む第１の輪郭領域と陥没（４６）を含む第２の輪郭領域とを含み、
前記エンドウォール（４０）の標高最大差ΔＥＷが、前記公称表面（６０）を基準にした前記隆起（４２）の最高点（４４）と前記陥没（４６）の最下点（４８）との間の標高差で定義される、請求項１に記載のタービンステージ（１００）。
【請求項５】
前記エンドウォール（４０）の標高最大差ΔＥＷは、前記エンドウォール（４０）上の前記第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）の軸方向翼弦長Ｌの少なくとも５％である、請求項４に記載のタービンステージ（１００）。
【請求項６】
前記つがい面（２６，２８）のいずれかにおける標高最大差ΔＭＦは、３０〜４５％ΔＥＷの範囲内にある、請求項１〜５のいずれか１項に記載のタービンステージ（１００）。
【請求項７】
前記第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）が回転動翼列に属し、
前記エンドウォール（４０）は、該第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）のハブ側に位置する内側エンドウォールである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のタービンステージ（１００）。
【請求項８】
前記第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）が静翼列に属し、
前記エンドウォール（４０）は、該第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）のハブ側に位置する内側エンドウォールである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のタービンステージ（１００）。
【請求項９】
前記第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）が静翼列に属し、
前記エンドウォール（４０）は、該第１及び第２の翼（１０ａ，１０ｂ）の先端側に位置する外側エンドウォールである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のタービンステージ（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、より詳細には、非軸対称輪郭付きのエンドウォールをもつタービン静翼及びタービン回転動翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンなどのターボ機械では、コンプレッサセクションで空気を圧縮した後、燃料と混合して燃焼器セクションで燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる。高温燃焼ガスを含んだ作動媒体がエンジンのタービンセクション内で膨張し、そこでエネルギーが取り出されて、コンプレッサセクションに動力を供給すると共に、発電機を回して電気を生成するなどの有用な作用を生み出す。作動媒体は、タービンセクション内の一連のタービンステージ（段）を通る。タービンステージには、例えば、一列の静翼と、これに続く一列の回転動翼とが含まれ、その動翼が高温燃焼ガスからエネルギーを取り出して出力を提供する。
【０００３】
回転動翼のそれぞれは、通常、スロット、プラットフォーム、及び翼のうちの１つにおいて嵌合するように構成された取り付け具を含む。動翼がハブ内に据え付けられた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。翼は、その翼端がタービンリングセグメントなどの静止部品に近接するようにして、流路を横切って延びる。該リングセグメントは、動翼アレイに外接して、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有する場合もある。半径方向内側プラットフォーム及び（存在する場合の）半径方向外側プラットフォームは、流路のエンドウォールを画定する。
【０００４】
静翼のそれぞれは、通常、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って延びる。静翼の半径方向内側及び外側のプラットフォームは、流路のエンドウォールも画定する。
【０００５】
エンジン作動中、作動媒体流体の連続流がタービン流路を流れる。エンドウォール近傍において、流体の流れは馬蹄形渦として知られる渦流構造に支配される。この渦は、流体が翼に近づくにつれてエンドウォールから離れるエンドウォール境界層の結果として形成される。離れる流体が馬蹄形渦に再編成される。この渦に関連して効率に高い損失が現れる。該損失を「二次」又は「エンドウォール」損失と呼ぶ。
【０００６】
その二次損失に対処するために、動翼及び静翼のエンドウォールに非軸対称輪郭表面を形成することが知られている。輪郭付きエンドウォール表面は、隣り合うプラットフォームのつがい面で特に、機械的な課題を提起し得る。
【発明の概要】
【０００７】
端的に言えば、本発明の態様は、エンドウォールの輪郭改善に関連し、性能上の利益を達成する一方で製造の実現可能性を達成する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、タービンステージが提供される。このタービンステージは、第１のプラットフォームから延伸する第１の翼と、該第１の翼から円周方向に離間して第２のプラットフォームから延伸する第２の翼とを備える。作動媒体の流路は、第１の翼と第２の翼との間に画定され、第１及び第２のプラットフォームが、該流路のエンドウォールを画定する。第１及び第２のプラットフォームは、プラットフォーム分離線に沿って接合されるつがい面をそれぞれが備える。エンドウォールは、タービンステージの軸線を中心として軸対称の公称表面をもつ。エンドウォールは、前記軸線について非軸対称である少なくとも１つの輪郭領域をさらに有する。この少なくとも１つの輪郭領域は、プラットフォーム分離線を横切って第１のプラットフォームから第２のプラットフォームまで延在する。エンドウォールの標高最大差ΔＥＷは、エンドウォール上の翼の軸方向翼弦長Ｌの少なくとも３％である。つがい面のいずれかにおける標高最大差ΔＭＦは、１５〜６０％ΔＥＷの範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、図面を参照することによりさらに詳細に開示される。図面には特定の構成を示しているが、本発明の範囲を制限するものではない。
【図１】本発明の実施形態に係る輪郭付きエンドウォールの表面形状を示す図。
【図２】軸方向に沿って投影した、図１中の断面線Ｐ−Ｐ、断面線Ｑ−Ｑ、及び断面線Ｒ−Ｒに従う標高の変化を示す誇張（正確な縮尺ではない）概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に開示する好ましい実施形態の詳細な説明においては、本願の一部をなす添付図面を参照し、該図面中に、本発明を実施した特定の実施形態を、限定の目的ではなく、例示の目的で、示す。当然ながら、他の実施形態も利用可能であり、本発明の技術思想及び範囲から逸脱することなく変更を加えることができる。
【００１１】
当説明及び図面において、方向軸Ａ、方向軸Ｒ、方向軸Ｃは、それぞれ、ガスタービンエンジンの軸方向、半径方向、円周方向を示す。
【００１２】
当説明及び特許請求の範囲において、数値範囲は、記載された境界値を含むと理解される。例えば、「ＸとＹとの間（Ｘ〜Ｙ）」という場合、Ｘ及びＹの両値を含むものと理解される。
【００１３】
図１を参照すると、本発明の実施形態に係るタービンステージ１００の一部が図示されている。タービンステージ１００は、互いに円周方向に離間して配置された翼１０のアレイを含む。図１では、円周方向に隣り合った２つの翼１０、すなわち、第１の翼１０ａと第２の翼１０ｂとが描写されている。翼１０ａ，１０ｂはそれぞれ、概略凹状の正圧面１４と概略凸状の負圧面１６とを備え、これらは前縁１８と後縁２０との間に延伸している。第１及び第２の翼１０ａ，１０ｂはそれぞれ、第１及び第２のプラットフォーム１２ａ，１２ｂから半径方向Ｒに延伸する。作動媒体の流路５０は、第１の翼１０ａと第２の翼１０ｂとの間に画定される。第１及び第２のプラットフォーム１２ａ，１２ｂは、流路５０の半径方向境界を画定するエンドウォール４０を形成する。エンドウォール４０は、第１及び第２の翼１０ａ，１０ｂのハブ側又は内径（内側エンドウォールと呼ぶ）、又は、第１及び第２の翼１０ａ，１０ｂの先端側又は外径（外側エンドウォールと呼ぶ）のどちらにも位置し得る。翼１０は、タービンの静翼列又はタービンの回転動翼列のどちらにも属し得る。
【００１４】
第１及び第２のプラットフォーム１２ａ，１２ｂのそれぞれは、上流エッジ２２と、軸方向反対側の下流エッジ２４とを備える。第１及び第２のプラットフォーム１２ａ，１２ｂは、さらに、上流エッジ２２から下流エッジ２４まで延伸した、円周方向で対面する第１及び第２のつがい面２６，２８をそれぞれが備える。第１のプラットフォーム１２ａの第１のつがい面２６と第２のプラットフォーム１２ｂの第２のつがい面２８とが位置合わせされて互いに接合される。両つがい面２６，２８の境界がプラットフォーム分離線３０を画定する。エンドウォール４０は、複数のプラットフォーム１２の円周方向縦列によって形成される環状構造である。エンドウォール４０は、当タービンステージの軸線を中心として軸対称の公称表面６０を有する。一実施形態において、エンドウォール４０の公称表面６０は、円筒表面を画定する。別の実施形態では、エンドウォール４０の公称表面６０は、円錐表面（円錐の一部を形成）を画定する。
【００１５】
馬蹄形渦の発生による二次損失に対処するために、エンドウォール４０は、タービン軸を中心として非軸対称である１つ以上の輪郭領域を備える。この輪郭領域は、例えば、隣り合う第１の翼１０ａと第２の翼１０ｂとの間の流路５０内のエンドウォール４０における隆起（丘）４２か、陥没（谷）４６を含む。
【００１６】
隆起４２は、公称表面６０を基準にして、流路５０内へ出るエンドウォール４０の標高を指す。本欄の文脈において、隆起４２は、正の標高を有すると言える。隆起４２は、正の最大標高の地点を規定する最高点４４を含む。隆起４２は、最高点４４から公称表面６０（標高ゼロ）へ合流するまでの間に、公称表面６０に向かって傾斜する。したがって、隆起（丘）４２は、最高点４４を取り囲む（最高点４４を含んで）正の標高の連続した区域を含むと理解される。隆起４２は、例えば、凸面を含んでもよい。図１では、隆起４２が、エンドウォール４０の軸対称の公称表面６０から、共通の標高の正の等高線で示されている。
【００１７】
陥没４６は、公称表面６０を基準にして、流路５０から遠ざかるエンドウォール４０の標高を指す。本欄の文脈において、陥没４６は、負の標高を有すると言える。陥没４６は、負の最大標高の地点を規定する最下点４８を含む。陥没４６は、最下点４８から公称表面６０（標高ゼロ）へ合流するまでの間に、公称表面６０に向かって傾斜する。したがって、陥没（谷）４６は、最下点４８を取り囲む（最下点４８を含んで）負の標高の連続した区域を含むと理解される。陥没４６は、例えば、凹面を含んでもよい。図１では、陥没４６が、エンドウォール４０の軸対称の公称表面６０から、共通の標高の負の等高線で示されている。
【００１８】
性能上の利点を増大させるために、隆起４２や陥没４６を含んだ輪郭領域は、エンドウォール４０の広域にわたって形成し得る。この場合、隆起４２や陥没４６のそれぞれは、第１のプラットフォーム１２ａに位置する第１の部分と、第２のプラットフォーム１２ｂに位置する第２の部分とから形成され得る。したがって、隆起４２、陥没４６は、全体として、プラットフォーム分離線３０を横切って第１のプラットフォーム１２ａから第２のプラットフォーム１２ｂまで延在する。この場合、つがい面２６，２８の各々は、上流エッジ２２と下流エッジ２４との間の軸方向Ａにおいて波形輪郭（連続的に変化する標高）を有する。
【００１９】
本願の発明者は、タービンステージ１００の空力効率が、部分的に、輪郭付きエンドウォール４０における標高の最大差に応じることを確認した。本願の発明者は、波形のつがい面は、理論的な性能上の利益がある反面、実際には実施することが難しい面も考えられるため、つがい面２６，２８に現れる標高差が機械的な課題及び熱伝達の課題をもたらす可能性があることをさらに確認した。例えば、波形のつがい面は、つがい面封止の波形設計を必要とすると考えられるが、このことが、複雑性を増大させ、漏れを増大させることにもつながる。波形のつがい面を実装するための別の課題は、（回転動翼用の）ダンパーピンを斜めに又は小さい半径で取り付けなければならない場合があることで、このことが、プラットフォームをより厚くし、結果として、部品の質量を増加させることにつながる。
【００２０】
本発明の一側面により、空力効率に対し最小の対価で上述の技術的課題の１つ以上を解決する機械的及び熱的設計を達成可能な効果をもつ輪郭付きエンドウォールの形状が提供される。一実施形態によれば、これは、ａ）エンドウォール４０の標高最大差ΔＥＷが、エンドウォール４０上の翼１０ａ，１０ｂの軸方向翼弦長Ｌの少なくとも３％であり、ｂ）つがい面２６，２８のいずれかにおける標高最大差ΔＭＦが、１５〜６０％ΔＥＷの範囲内にあるように、エンドウォール４０を設計することによって、達成される。軸方向翼弦長Ｌは、エンドウォール４０上における前縁１８と後縁２０との間の軸方向Ａにおける距離として定義できる。特徴ａ）は、顕著な空力性能の利益が達成できることを確実する。特徴ｂ）は、つがい面の変化を制約してうねりを制限することで作業し易い設計を達成する一方で、それでも効率に対し最小の対価で性能利益を維持する十分に高い効果をもつことを確実にする。
【００２１】
第１の実施形態において、エンドウォール４０は、図１に示すように、隆起４２（陥没４６ではない）を含む輪郭領域を１つ含んでいる。上流エッジ２２から下流エッジ２４までの隆起４２を含む断面線Ｐ−Ｐに沿った標高の変化を図２に示す。この第１の実施形態によると、エンドウォール４０の標高最大差ΔＥＷ１は、公称表面６０を基準にした隆起４２の最高点４４の標高（高さ）ｈに等しい。最高点４４の標高（高さ）ｈは、公称表面６０に対して垂直に測定される。
【００２２】
第２の実施形態において、エンドウォール４０は、図１に示すように、陥没４６（隆起４２ではない）を含む輪郭領域を１つ含んでいる。上流エッジ２２から下流エッジ２４までの陥没４６を含む断面線Ｑ−Ｑに沿った標高の変化を図２に示す。この第２の実施形態によると、エンドウォール４０の標高最大差ΔＥＷ２は、公称表面６０を基準にした陥没４６の最下点４８の標高（深さ）ｄに等しい。陥没４６の標高（深さ）ｄは、最高点４４の高さｈとは逆の方向に公称表面６０に対して垂直に測定される。
【００２３】
第３の実施形態において、エンドウォール４０は、図１に示すように、隆起４２を含む第１の輪郭領域と、陥没４６を含む第２の輪郭領域との、複数の輪郭領域を含んでいる。この場合、エンドウォール４０の標高最大差ΔＥＷは、公称表面６０を基準にした隆起４２の最高点４４と陥没４６の最下点４８との間の標高差に等しい。図２から分かるように、第３の実施形態によると、標高差ΔＥＷ３は、最高点４４の高さｈと最下点４８の深さｄとの和に等しい。概して、少なくとも１つの隆起４２及び少なくとも１つの陥没４６を含む輪郭付きエンドウォール４０を有する実施形態では、エンドウォール４０の標高最大差ΔＥＷは、具体的に、軸方向翼弦長Ｌの少なくとも５％であり、非常に高い空力効率を達成することができる。
【００２４】
上述したように、本発明の実施形態は、機械的実現可能性を保ちつつ、輪郭付きエンドウォールに関する空力性能の利益を最大化する方法を提供する。これは、つがい面における標高最大差を、エンドウォールの標高最大差に応じて（その関数として）制約することによって、達成される。つがい面を含む断面線Ｒ−Ｒにおける上流エッジ２２から下流エッジ２４までの標高の変化を図２に示す。つがい面２６，２８における標高最大差ΔＭＦは、公称面６０を基準にしたつがい面２６，２８における最高点７２と最下点７２との間の標高差として定義される。一実施形態によれば、つがい面２６，２８のいずれかにおける標高最大差ΔＭＦは、１５〜６０％ΔＥＷの範囲内にある。実施形態によっては、つがい面２６，２８のいずれかにおける標高最大差ΔＭＦは、３０〜４５％ΔＥＷの範囲内である。当該制約は、例えば、スプライン関数、又はとりわけサイン関数を利用するコンピュータ化したモデルに組み込むことで、エンドウォール４０の三次元形状を生成することができる。
【００２５】
特定の実施形態に関し詳細に説明してきたが、当業者であれば、開示内容の教示全体に照らして、説明した詳細に対する様々な変更及び代替を発展させ得ることを理解できる。すなわち、開示した特定の例は、単なる例示であって、本発明の範囲を限定するものではなく、特許請求の範囲に係る全内容及びあらゆるその等価態様が加えられるものである。
【図１】
2021525327.tif 000003
【図２】
2021525327.tif 000004
【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】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2021525327.tif 000005
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2021525327.tif 000006
【国際調査報告】
2021525327.tif 000007
2021525327.tif 000008
2021525327.tif 000009