(57)【要約】【課題】  本発明は、第２段タービンバケットの内部コア輪郭を提供する。【解決手段】  第２段タービンバケット（２０）は、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った内部コア輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｘ及びＹ値は、インチで表されており、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表したバケットの高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値である。Ｘ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成する距離である。Ｘ、Ｙ及びＺ距離は、拡大又は縮小された内部コア輪郭を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能とすることができる。Ｘ、Ｙ及びＺ距離で与えられた基準内部コア輪郭は、任意の内部コア表面位置に対して垂直な方向に±０．０３９インチのエンベロープ内に在る。【選択図】      図２
2004324650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部（３２）、プラットホーム（３０）、シャンク（３７）及びダブテール（３４）を含むタービンバケット（２０）であって、
該バケットが、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表したバケットの高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、該バケットに沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて前記バケット内部コア輪郭を形成する、
タービンバケット。
【請求項２】
該バケットが、側壁（４８）と該側壁間で延びるリブ（４６）とを有しており、前記リブが、該バケットの前縁及び後縁間で互いに間隔を置いて配置され、前記側壁の内部壁面と共に該バケットの長さに沿った内部冷却通路を形成し、前記滑らかな連続円弧が、前記冷却通路の内部壁面に沿って、また隣接する通路間で前記側壁に沿って延びる、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項３】
前記滑らかな連続円弧が、前記リブと前記側壁の各々との間の接合部を通り抜ける、請求項２記載のタービンバケット。
【請求項４】
前記バケット翼形部が、翼形外部形状を有しており、前記内部コア輪郭セクションが、前記バケット翼形部内にほぼ翼形形状の部分を含み、それらの間の壁厚さだけ小さい状態で前記バケット翼形部の翼形外部形状の輪郭セクションにほぼ整合している、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項５】
タービンの第２段の一部を形成する、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項６】
前記内部コア輪郭が、該内部コア輪郭に沿った任意の内部コア表面位置に対して垂直な方向に±０．０３９インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項７】
翼形部（３２）、プラットホーム（３０）、シャンク（３７）及びダブテール（３４）を含むタービンバケット（２０）であって、
該バケットが、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表したバケットの高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、該バケットに沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて前記バケット内部コア輪郭を形成し、
前記Ｘ、Ｙ及びＺ距離が、拡大又は縮小された内部コア輪郭を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能である、
タービンバケット。
【請求項８】
前記バケット翼形部が、翼形外部形状を有しており、前記内部コア輪郭セクションが、前記バケット翼形部内にほぼ翼形形状の部分を含み、それらの間の壁厚さだけ小さい状態で前記バケット翼形部の翼形外部形状の輪郭セクションにほぼ整合している、請求項７記載のタービンバケット。
【請求項９】
複数のバケット（２０）を有するタービンホイールを含むタービンであって、
前記バケットの各々が、翼形部（３２）、プラットホーム（３０）、シャンク（３７）及びダブテール（３４）を含み、
各バケットが、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表したバケットの高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、前記バケットに沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、
前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて前記バケット内部コア輪郭を形成する、
タービン。
【請求項１０】
前記Ｘ、Ｙ及びＺ距離が、拡大又は縮小された内部コア輪郭を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能である、請求項９記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの段のバケットに関し、具体的には第２段タービンバケットの内部コア輪郭に関する。
【背景技術】
【０００２】
全体的な効率及び翼形部負荷の改善を含む設計目標に適合させるために、ガスタービンの各段の高温ガス流路セクションにおいて多くの要件が満たされなければならない。特に、タービンセクションの第２段のバケットは、その特定の段における作動要件を満たし、かつバケット冷却面積及び壁厚さに対する要件も満たさなければならない。内部冷却要件は、最適化されなければならず、タービンが安全かつ効率的にしかも円滑な状態で作動することを可能にする段の性能要件を満たすような固有の内部コア輪郭を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の好ましい実施形態によると、ガスタービンの性能を向上させる、ガスタービンのバケット、好ましくは第２段バケット用の固有の内部コア輪郭を提供する。第２段バケット翼形部の翼形外部形状は、タービンの様々な段の間の相互作用を改善し、空気力学的効率の向上及び機械的負荷の改善をもたらすことが、分かるであろう。好ましいバケット用の翼形部外部輪郭は、２００２年１２月１７日出願の関連米国特許出願第１０／３２０６５５号に記載されており、その開示内容は、参考文献として組み入れられる。同時に、内部コア形状はまた、構造上の理由から及び適当な壁厚さで内部冷却を最適化するために重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
バケットの内部コア輪郭は、必要な構造要件及び冷却要件を達成し、それによってタービン性能の向上が得られるような、固有の点の軌跡によって定められる。この固有の点の軌跡は、基準内部コア輪郭を定め、以下に示す表ＩのＸ、Ｙ及びＺデカルト座標により特定される。表Ｉに示す座標値に対する３７００個の点は、バケット翼形部のその長さに沿った様々な断面における低温即ち室温のバケットのためのものである。Ｘ、Ｙ及びＺの正の方向は、それぞれ、タービンの排出端部に向かう軸方向、後方に向かって見てエンジンの回転方向における接線方向、及びバケット先端に向かう半径方向外向き方向である。Ｘ及びＹ座標は、距離のディメンション、例えばインチの単位で与えられ、各Ｚ位置において滑らかに結合されて滑らかな連続した内部コア輪郭断面を形成する。Ｚ座標は、０から１までの無次元形式で与えられる。例えばインチで表したバケット高さ寸法に、表Ｉの無次元Ｚ値を乗じることによって、バケットの内部コア輪郭が得られる。Ｘ、Ｙ平面内の各形成されたコア輪郭セクションが、Ｚ方向における隣接する輪郭セクションと滑らかに結合されて完全なバケット内部コア輪郭を形成する。
【０００５】
この好ましい第２段タービンバケットは、内部において側壁間で延びかつ該側壁と一体に形成されたリブを備えた側壁面を含む。リブは、互いに間隔を置いて配置され、バケット側壁の内部壁面と共にバケットの長さに沿った好ましくは形状が蛇行した内部冷却通路を形成する。Ｘ、Ｙ座標間で延びて各距離Ｚにおける各輪郭セクションを形成する滑らかな連続円弧又は直線が、冷却通路の内部壁面に沿って、また隣接する通路間で側壁の各々に沿って延びる。その結果、各内部コア輪郭セクションは、冷却通路の側壁に沿うだけでなく、リブと側壁の各々との間の接合部も通り抜けるエンベロープ部分を有する。これらの内部コア輪郭セクションは、少なくともバケットの翼形部分において形状がほぼ翼形状である。
【０００６】
各バケットは使用中に高温になるので、機械的負荷及び温度の結果として、その内部コア輪郭が変化することになることが分かるであろう。従って、低温即ち室温輪郭は、製造目的のためのＸ、Ｙ、Ｚ座標によって与えられる。製造されたバケット内部コア輪郭は、下表により与えられた基準輪郭とは異なる可能性があるために、基準輪郭に沿った任意の表面位置対して垂直な方向の、該基準輪郭から±０．０３９インチの距離により、このバケット内部コア輪郭の輪郭エンベロープが定まる。この輪郭は、このような差異に強く、バケットの機械的機能、冷却機能及び空気力学的機能を損なうことがない。
【０００７】
バケットは、類似のタービン設計に取り入れるために幾何学的に拡大又は縮小することが可能であることも理解されたい。その場合、下に与えた基準内部コア輪郭のインチで表したＸ及びＹ座標とインチに換算された場合の無次元Ｚ座標とは、同一の定数又は数値の関数とすることができる。即ち、インチで表したＸ、Ｙ及びＺ座標値を、同一の定数又は数値により乗算又は除算して、コア輪郭断面形状を維持しながらバケット内部コア輪郭の拡大又は縮小バージョンを得ることができる。
【０００８】
本発明による好ましい実施形態では、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含むタービンバケットを提供し、該バケットは、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表したバケットの高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、バケットに沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されてバケット内部コア輪郭を形成する。
【０００９】
本発明による別の好ましい実施形態では、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含むタービンバケットを提供し、該バケットは、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表したバケットの高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、バケットに沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されてバケット内部コア輪郭を形成し、Ｘ、Ｙ及びＺ距離は、拡大又は縮小された内部コア輪郭を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能である。
【００１０】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態では、複数のバケットを有するタービンホイールを含むタービンを提供し、バケットの各々は、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含み、各バケットは、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った基準内部コア輪郭を有し、該表Ｉにおいて、Ｚ値は、該Ｚ値にインチで表したバケットの高さを乗じることによってインチで表したＺ距離に換算可能な０から１までの無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧により接続されると、バケットに沿った各距離Ｚにおける内部コア輪郭セクションを形成するインチで表した距離であり、Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されてバケット内部コア輪郭を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで図面、特に図１を参照すると、複数のタービン段を含むガスタービン１２の、全体を符号１０で表した高温ガス流路が示されている。ここには、３つの段が示されている。例えば、第１段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１４及びバケット１６を含む。ノズルは、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、ロータの軸線の周りに固定される。もちろん、第１段バケット１６は、タービンロータ１７に取付けられる。タービン１２の第２段も示されており、該第２段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１８とロータ１７に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２０とを含む。さらに、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２とロータ１７に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２４とを含む第３段も示されている。ノズル及びバケットは、タービン１２の高温ガス流路１０内に位置しており、高温ガス流路１０を通る高温ガスの流れの方向が、矢印２６により示されていることが分かるであろう。
【００１２】
図２を参照すると、バケット、例えば第２段のバケット２０は、ロータ１７の一部分を形成するロータホイール（図示せず）上に取付けられており、プラットホーム３０、シャンク３７及びダブテール３４を含むことが分かるであろう。従って、各バケット２０には、実質的軸方向挿入式又はそれに近いダブテール３４が設けられ、このダブテール３４が、ロータホイール１７上の相補形状の嵌合ダブテール（図示せず）に連結される。しかしながら、軸方向挿入式ダブテールとすることもできる。各バケット２０が、図２〜図３に示すように翼形部３２を有することも分かるであろう。従って、バケット２０の各々は、図４〜図６に示すように翼形部３２の形状がバケット根元３１からバケット先端３３までの任意の断面においてバケット翼形外部輪郭になっている。第２段タービンバケットのこの好ましい実施形態では、６０個のバケット翼形部がある。本発明の一部を構成するものではないが、第２段バケット翼形部３２は、幾つかの空気冷却回路を形成する全体的に蛇行した形状の複数の内部冷却通路３５（図４〜図６）を含む。これらの空気冷却回路は、翼形部３２に沿った出口位置（図示せず）において翼形部３２から高温ガス流路内に冷却空気を排出する。
【００１３】
より具体的には、翼形部３２は、それぞれ凹面形及び凸面形の外部壁面、即ち正圧及び負圧表面４２及び４４（図３）を含み、この正圧及び負圧表面４２及び４４が、内部コア輪郭４０（図４〜図６）との間で、翼形部壁厚さ「ｔ」を形成する。翼形部３２はまた、該翼形部の対向する側壁４８間で延びるか又は該側壁から突出する複数のリブ４６を含む。リブ４６は、それぞれバケットの前縁５２及び後縁５４間で互いに間隔を置いて配置されて、バケット側壁４８の内部壁面部分４９と共に、全体的に蛇行した形状の複数の内部冷却通路３５を形成する。
【００１４】
各第２段バケットの内部コア形状を形成するためには、段の要件、バケット冷却面積及び壁厚さを満たしかつ製造することができる、空間における固有の点の組又は軌跡がある。この独特の点の軌跡は、内部コア輪郭４０を定めるものであり、タービンの回転軸線に対して３７００個の点の組を含む。下記の表Ｉに示すＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系が、その長さに沿った様々な位置における翼形部３２のこの内部コア輪郭４０を定める。Ｘ及びＹ座標における座標値は、表Ｉにはインチで記載されているが、数値が適当に換算される場合、他の寸法単位を用いることもできる。Ｚ値は、表Ｉには０から１までの無次元形式で記載されている。Ｚ値を例えばインチで表したＺ座標値に換算するためには、表に示した無次元Ｚ値に、インチで表したバケットの高さが乗じられる。バケットの高さは、ダブテール３４継手の根元から翼形部の先端キャップ３３まで延びる。デカルト座標系は、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有しており、Ｘ軸は、タービンロータ中心線、即ち回転軸線に平行に位置し、正のＸ座標値は、後部、即ちタービンの排出端部に向う軸方向である。正のＹ座標値は、後方に向かって見たときのロータの回転方向における接線方向に延びており、また正のＺ座標値は、バケット先端に向かう半径方向外向き方向である。
【００１５】
Ｘ、Ｙ平面に対して垂直なＺ方向の選択された位置におけるＸ及びＹ座標値を定めることにより、翼形部の長さに沿った各Ｚ距離における、バケット例えばバケット翼形部分の図４〜図６に破線で示すような内部コア輪郭４０を確定することができる。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で接続することにより、各Ｚ距離における各内部コア輪郭セクション４０が、決定される。距離Ｚ間の様々な内部位置の内部コア輪郭は、隣接する輪郭セクション４０を互いに滑らかに接続してコア輪郭を形成することによって決定される。これらの値は、周囲温度の非作動状態又は非高温状態における内部コア輪郭を表す。
【００１６】
Ｘ、Ｙ座標間で延びて各距離Ｚにおける各輪郭セクション４０を形成する滑らかな連続円弧は、内部壁面部分４９に沿ってまた隣接する通路３５間で側壁４８の各々に沿って延びる。従って、各内部コア輪郭４０は、冷却通路の側壁に沿うだけでなく、リブ４６と側壁４８との間の接合部も通り抜けるエンベロープ部分を有する。バケット２０における内部コア輪郭４０が、図７〜図１０に太線で示されており、翼形部３２、プラットホーム３０及びダブテール３４内に延びている。表ＩのＸ、Ｙ及びＺの座標値は、翼形部３２、プラットホーム３０及びダブテール３４を含むバケットの内部コア輪郭のためのものである。
【００１７】
表Ｉの値は、翼形部の内部コア輪郭を決定するために小数点以下３桁まで作成されかつ示されている。翼形部の実際の内部輪郭には、考慮しなければならない一般的な製造公差と被膜とが存在する。従って、表Ｉに示す輪郭の値は、基準コア輪郭のためのものである。それ故、あらゆる被膜厚さを含む一般的な±製造公差、即ち±値が、下表Ｉに示すＸ及びＹ値に加算されることが分かるであろう。従って、内部コア輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に±０．０３９インチの距離が、この特定のバケット設計及びタービンに対する内部コア輪郭エンベロープ、即ち、基準の低温又は室温での実際の内部コア輪郭上で測定した点とそれと同一温度での下表に示したそれらの点の理想的な位置との間の差異の範囲を定める。この内部コア輪郭は、この差異の範囲に強く、機械的機能及び冷却機能を損なうことがない。
【００１８】
下表Ｉに示した座標値は、バケット２０用の好ましい基準内部コア輪郭エンベロープを提供する。
表Ｉ
【００１９】
【表１−１】
2004324650.tif 000003
【００２０】
【表１−２】
2004324650.tif 000004
【００２１】
【表１−３】
2004324650.tif 000005
【００２２】
【表１−４】
2004324650.tif 000006
【００２３】
【表１−５】
2004324650.tif 000007
【００２４】
【表１−６】
2004324650.tif 000008
【００２５】
【表１−７】
2004324650.tif 000009
【００２６】
【表１−８】
2004324650.tif 000010
【００２７】
【表１−９】
2004324650.tif 000011
【００２８】
【表１−１０】
2004324650.tif 000012
【００２９】
【表１−１１】
2004324650.tif 000013
【００３０】
【表１−１２】
2004324650.tif 000014
【００３１】
【表１−１３】
2004324650.tif 000015
【００３２】
【表１−１４】
2004324650.tif 000016
【００３３】
【表１−１５】
2004324650.tif 000017
【００３４】
【表１−１６】
2004324650.tif 000018
【００３５】
【表１−１７】
2004324650.tif 000019
【００３６】
【表１−１８】
2004324650.tif 000020
【００３７】
【表１−１９】
2004324650.tif 000021
【００３８】
【表１−２０】
2004324650.tif 000022
【００３９】
【表１−２１】
2004324650.tif 000023
【００４０】
【表１−２２】
2004324650.tif 000024
【００４１】
【表１−２３】
2004324650.tif 000025
【００４２】
上記の表に開示したバケット内部コア輪郭は、他の類似のタービン設計において使用するために、幾何学的に拡大又は縮小することができることも理解されたい。その結果、表Ｉに記載した座標値は、コア輪郭形状が変化しない状態に維持されて、率に応じて拡大又は縮小することができる。表Ｉの座標の拡大又は縮小バージョンは、定数により乗算又は除算された、無次元Ｚ座標値がインチに変換された状態の表ＩのＸ、Ｙ及びＺ座標値によって表されることになる。
【００４３】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また特許請求の範囲に示した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなくそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第２段バケット翼形部を示す、ガスタービンの多数の段を通る高温ガス流路の概略図。
【図２】バケットがそのプラットホーム、シャンク及びダブテールと共に示された状態の、本発明の好ましい実施形態によるバケットの斜視図。
【図３】図２のバケット並びにその翼形部及びプラットホームの半径方向内向きに見た図。
【図４】バケットの冷却通路及び代表的内部コア輪郭断面を示す、翼形部の高さに沿った約８５％スパン位置で取った断面図。
【図５】バケットの冷却通路及び代表的内部コア輪郭断面を示す、翼形部の高さに沿ったピッチ（中間スパン）位置で取った断面図。
【図６】バケットの冷却通路及び代表的内部コア輪郭断面を示す、翼形部の高さに沿った約５％スパン位置で取った断面図。
【図７】破線で示したその外部表面と実線で示した内部コア輪郭とを有するバケットの１側の外部側面図。
【図８】破線で示したその外部表面と実線で示した内部コア輪郭とを有するバケットの他側の外部側面図。
【図９】その外部表面を破線で示しかつ内部コア輪郭を実線で示したバケットの１側の斜視図。
【図１０】その外部表面を破線で示しかつ内部コア輪郭を実線で示したバケットの他側の斜視図。
【符号の説明】
【００４５】
２０  第２段タービンバケット
３０  プラットホーム
３１  バケット根元
３２  翼形部
３３  バケット先端
３４  ダブテール
３５  内部冷却通路
３７  シャンク
４０  内部コア輪郭
４６  リブ
４８  バケット側壁
５２  前縁
５４  後縁
ｔ  翼形部壁厚さ
【図１】
2004324650.tif 000026
【図２】
2004324650.tif 000027
【図３】
2004324650.tif 000028
【図４】
2004324650.tif 000029
【図５】
2004324650.tif 000030
【図６】
2004324650.tif 000031
【図７】
2004324650.tif 000032
【図８】
2004324650.tif 000033
【図９】
2004324650.tif 000034
【図１０】
2004324650.tif 000035
【外国語明細書】
2004324650000001.pdf