(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（１０）であって、
ａ．ローター（１２）と、
ｂ．前記ローター（１２）の少なくとも一部分を円周方向に取り囲むケーシング（１４）であって、前記ローター（１２）及び前記ケーシング（１４）が、タービン（１０）を通るガス経路（１６）を少なくとも部分的に画定する、ケーシング（１４）と、
ｃ．前記ローター（１２）の周りに円周方向に配置された最終段の動翼（４０）と
を含み、
前記最終段の動翼（４０）がそれぞれ、該動翼の半径方向長さに沿って形成された下流へスイープした部分（４２）であって、前記ローター（１２）の外面（５０）から最終段の動翼（４０）の半径方向長さの少なくとも２５％の位置から湾曲し始める下流へスイープした部分（４２）を含み、
前記動翼の半径方向長さは、該動翼の前縁から該動翼の後縁まで該動翼の翼弦に沿って連続的に増加する、
タービン（１０）。
【請求項２】
前記最終段の動翼（４０）の前記下流へスイープした部分（４２）は、前記ローター（１２）の外面（５０）から前記最終段の動翼（４０）の半径方向長さの５０％の位置から湾曲し始める、請求項１記載のタービン（１０）。
【請求項３】
前記最終段の動翼（４０）の各動翼は、ハブ重心（６６）よりも軸方向下流に重心（６４）を有する、請求項１又は請求項２記載のタービン（１０）。
【請求項４】
前記最終段の動翼（４０）の各動翼は、前記前縁から、動翼の軸方向長さに沿って少なくとも６０％だけ軸方向下流に重心を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項５】
先端（５４）での前縁（５６）が、従来の重心積層型動翼の先端部前縁から少なくとも５％だけ軸方向下流にある、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項６】
先端（５４）での前縁（５６）が、従来の重心積層型動翼の先端部前縁から少なくとも１０％だけ軸方向下流にある、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項７】
タービン（１０）での衝撃損失を低減するための方法であって、
ａ．ローター（１２）の周りに円周方向に配置された最終段の動翼を除去するステップと、
ｂ．前記最終段の動翼を、前記ローター（１２）から半径方向外側に下流へスイープした部分（４２）を有する動翼（４０）であって、前記ローター（１２）の外面（５０）から該動翼（４０）の半径方向長さの少なくとも２５％の位置から湾曲し始める下流へスイープした部分（４２）を有する動翼（４０）で置き換えるステップと
を含み、
前記動翼（４０）の半径方向長さは、該動翼の前縁から該動翼の後縁まで該動翼の翼弦に沿って連続的に増加する、
方法。
【請求項８】
前記最終段の動翼を置き換えるステップが、前記最終段の動翼を、前記ローター（１２）から半径方向外側に下流へスイープした部分（４２）を有する動翼（４０）であって、前記ローター（１２）の外面（５０）から該動翼（４０）の半径方向長さの５０％の位置から湾曲し始める下流へスイープした部分（４２）を有する動翼（４０）で置き換えることを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記最終段の動翼を置き換えるステップが、前記最終段の動翼を、軸方向長さ（５２）及び重心（６４）を有する動翼（４０）で置き換えることを含み、前記重心（６４）は、ハブ重心（６６）から軸方向下流にある、請求項７又は請求項８記載の方法。
【請求項１０】
先端（５４）での前縁が、従来の重心積層型動翼の先端部前縁から少なくとも５％だけ軸方向下流にある、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、タービンおよびタービンでの衝撃損失を低減するための方法を含む。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、いろいろな航空、工業、および発電用途で広く使用されて仕事をする。各タービンは一般に、周辺に取り付けられた静翼および軸方向に取り付けられた動翼の交互段を含む。静翼は、タービンを取り囲むケーシングなどの固定構成要素に取り付けられることもあり、一方動翼は、タービンの軸方向中心線に沿って位置するローターに取りけられることもある。静翼および動翼はそれぞれ、凹状正圧面、凸状負圧面、ならびに前縁および後縁を備えるエーロフォイル形状を有する。加えて、従来の動翼は、各部分の重心が軸方向にかつ／または接線方向にエーロフォイルハブ重心と一致するように機械的に積み重ねられる。蒸気、燃焼ガス、または空気などの圧縮作動流体は、タービンを通るガス経路に沿って流れる。静翼は、圧縮作動流体を加速させ、動翼の後段に向かわせて、動翼に運動を与え、このようにしてローターを回転させ、仕事をする。
【０００３】
様々な条件が、タービンの最大出力に影響を及ぼすこともある。例えば、より冷たい周囲温度は一般に、タービンを横断する圧縮作動流体の差圧を増加させる。タービンを横断する圧縮作動流体の差圧が増加すると、動翼の負圧面の上方での圧縮作動流体の速度は、増加して、動翼の後縁にかなりの衝撃波および対応する衝撃損失を生じさせる。十分な差圧のとき、動翼の後縁での衝撃波および対応する衝撃損失は、動翼が圧縮作動流体から抽出される仕事量を増加させるのを妨げることもある。十分な差圧のとき、衝撃波は、後縁に対して接線方向となり、制限荷重として周知の条件を生じさせる。強い衝撃は、１つのエーロフォイルの後縁から隣接エーロフォイルの後縁へとすぐに進む。最大接線力に達すると、結果として生じる衝撃損失は、動翼が圧縮作動流体から抽出される仕事量を増加させるのを妨げることもある。もし圧力比が、制限荷重を越えて増加するならば、損失の劇的な増加が、生じる。結果として、タービンの最大出力は、より冷たい周囲温度によって制限されることもある。
【０００４】
様々なシステムおよび方法が、動翼を横断する衝撃損失を低減するために開発されてきた。例えば、エーロフォイルの幾何学的形状およびガス経路のサイズは、動翼を横断する圧縮作動流体の速度、およびそれ故に衝撃損失に直接影響を及ぼす。しかしながら、エーロフォイルの幾何学的形状は、衝撃損失をある程度低減できるだけである。加えて、ガス経路のサイズは、一般に他の設計限界によって制約され、一般にタービンの製造後に確定される。従って、タービンおよびタービンでの衝撃損失を低減するための方法の改善は、特に流量およびそれ故にマッハ数の増加が存在するところの性能向上に有用となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３３８６０９号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様および利点は、次に来る説明で以下に述べられ、または説明から明らかなこともあり、または本発明の実施を通じて学ばれることもある。
【０００７】
本発明の一実施形態は、ローターと、ローターの少なくとも一部分を円周方向に取り囲むケーシングとを含むタービンである。ローターおよびケーシングは、タービンを通るガス経路を少なくとも部分的に画定する。最終段の動翼は、ローターの周りに円周方向に配置され、ローターから半径方向外側に下流へスイープした部分を含む。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、ローターと、ローターの周りに円周方向に配置された第１の段の動翼と、第１の段の動翼から下流の段の静翼とを含むタービンである。最終段の動翼は、その段の静翼から下流にあり、ローターから半径方向外側に下流へスイープした部分を含む。
【０００９】
本発明はまた、タービンでの衝撃損失を低減するための方法を含んでもよい。本方法は、ローターの周りに円周方向に配置された最終段の動翼を除去するステップと、最終段の動翼をローターから半径方向外側に下流へスイープした部分を有する動翼で置き換えるステップとを含む。
【００１０】
当業者は、本明細書を概観することで、そのような実施形態の特徴および態様、ならびにその他をより良く理解することになる。
【００１１】
当業者にとってそのベストモードを含む、本発明の完全で、実施可能な開示は、添付の図の参照を含み、本明細書の残りでより詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態による例となるタービンの簡易側断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による例となるタービンの簡易側断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による例となるタービンの簡易側断面図である。
【図４】様々な軸方向位置での動翼の負圧面上の等エントロピーマッハ数の例となるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
それの１つまたは複数の例を添付の図面で例示する、本発明の現在の実施形態について今から詳細に言及することになる。詳細な説明は、数字および文字表示を使用して図面での特徴に言及する。図面および説明での類似のまたは同様の表示は、本発明の類似のまたは同様の部分に言及するために使用された。本明細書で使用するように、用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、１つの構成要素を別のものから区別するために交換可能に使用されてもよく、個別構成要素の位置または重要性を表すことを意図していない。加えて、用語「上流の」および「下流の」は、流体経路での構成要素の相対的位置のことである。例えば、もし流体が、構成要素Ａから構成要素Ｂに流れるならば、構成要素Ａは、構成要素Ｂから上流である。逆に、もし構成要素Ｂが、構成要素Ａから流体の流れを受け取るならば、構成要素Ｂは、構成要素Ａから下流にある。
【００１４】
各例は、本発明の説明のために提供され、本発明の制限のためではない。実際、変更および変形が、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく本発明で行われてもよいことは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示するまたは述べる特徴は、なおさらなる実施形態をもたらすために別の実施形態に使用されてもよい。それ故に、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内に入るような変更形態および変形形態を包含することを意図している。
【００１５】
本発明の様々な実施形態は、タービンおよびタービンでの衝撃損失を低減するための方法を含む。タービンは一般に、ケーシングに取り付けられた静翼およびローターの周りに円周方向に配置された動翼の交互段を含む。静翼、動翼、ケーシング、およびローターは一般に、タービンを通るガス経路を画定する。最終段の動翼は、タービン出口環帯面積を効果的に増加させる下流へスイープした部分を含む。結果として、下流へスイープした部分は、タービンでの衝撃強さおよび対応する衝撃損失を低減することができる。本発明の例となる実施形態は、一般に例示目的のためにガスタービンに組み込まれるタービンとの関連で述べられることになるが、当業者は、本発明の実施形態が、特許請求の範囲で具体的に列挙されない限り任意のタービンに適用できることを容易に理解することになる。
【００１６】
図１〜３は、本発明の様々な実施形態による例となるタービン１０の簡易側断面図を提供する。図１〜３で示すように、タービン１０は一般に、少なくとも部分的にガス経路１６を画定するローター１２およびケーシング１４を含む。ローター１２は、一般にタービン１０の軸方向中心線１８と整列し、発電機、圧縮機、または仕事を生み出すための別の機械に接続されてもよい。ローター１２は、一致して回転するようにボルト２４によって一緒に接続されるローターホイール２０およびロータースペーサー２２の交互部分を含んでもよい。ケーシング１４は、ガス経路１６を通って流れる圧縮作動流体２６を含有するためにローター１２の少なくとも一部分を円周方向に取り囲む。圧縮作動流体２６は、例えば燃焼ガス、圧縮空気、飽和蒸気、不飽和蒸気、またはそれらの組合せを含んでもよい。
【００１７】
図１〜３で示すように、タービン１０はさらに、ローターとケーシングとの間で半径方向に延びる動翼３０および静翼３２の交互段を含む。動翼３０は、ローター１２の周りに円周方向に配置され、様々な手段を使用してローターホイール２０に接続されてもよい。対照的に、静翼３２は、ロータースペーサー２２に対向してケーシング１４の内側周りの周辺に配置されてもよい。動翼３０および静翼３２は一般に、当技術分野で周知のように、凹状正圧面、凸状負圧面、ならびに前縁および後縁を備えるエーロフォイル形状を有する。圧縮作動流体２６は、図１〜３で示すように、タービン１０を通るガス経路１６に沿って左から右へ流れる。圧縮作動流体２６が、第１の段の動翼３０の上方を通過すると、圧縮作動流体は、膨張して、動翼３０、ローターホイール２０、ロータースペーサー２２、ボルト２４、およびローター１２を回転させる。圧縮作動流体２６は次いで、次の段の静翼３２を横断して流れ、それは、圧縮作動流体２６を加速させ、次の段の動翼３０へ向きを変えさせ、その過程は、次に来る段について繰り返す。図１〜３で示す例となる実施形態では、タービン１０は、動翼３０の３つの段の間に静翼３２の２つの段を有するが、しかしながら、当業者は、動翼３０および静翼３２の段数が、特許請求の範囲で具体的に列挙されない限り本発明の制限でないことを容易に理解することになる。
【００１８】
図１〜３で示すように、タービン１０は、ローター１２から半径方向外側に下流へスイープした部分４２を有する最終段の動翼４０を含む。本明細書で使用するように、用語「最終の」は、タービン１０の内側ですべての他の段の動翼３０から下流にある段の動翼４０のことである。結果として、タービン１０は、多段の動翼３０を有してもよいが、しかしながら、タービン１０は、タービン１０の内側ですべての他の段の動翼３０から下流にある単一の最終段の動翼４０を有することができるだけである。加えて、本明細書で使用するように、用語「下流へスイープした」は、動翼４０がローター１２から半径方向外側に延びるにつれてガス経路１６の下流方向へ動翼４０が徐々に湾曲するまたは階段状に変化することである。下流へスイープした部分４２の位置および大きさは、様々な測定基準ならびにタービン１０の特定の設計必要性に従って変化してもよく、本発明の実施形態は、特許請求の範囲で具体的に列挙されない限り下流へスイープした部分４２の特定の位置および／または大きさに限定されない。
【００１９】
最終段の動翼４０は、ローター１２から半径方向外側の任意の点で下流へスイープし始めてもよい。例えば、図１で示す特定の実施形態では、下流へスイープした部分４２は、動翼４０の半径方向長さに沿った約９０％から始まる。対照的に、図２および３で示す実施形態では、下流へスイープした部分４２はそれぞれ、動翼４０の半径方向長さに沿った約５０％および２５％から始まる。下流へスイープした部分４２は、ガス経路１６の有効タービン出口環帯面積を実質的に増加させるので、下流へスイープした部分４２をローター１２のより近くで始めると、ガス経路１６の有効環帯面積のより大きな実質的増加をもたらす。計算流体力学モデルは、ガス経路１６のより大きな有効環帯面積が、下流へスイープした部分４２を横断する圧縮作動流体２６のより低いマッハ数をもたらし、動翼４０を横断する衝撃波および衝撃損失の対応する減少を生み出すことを示す。
【００２０】
下流へスイープした部分４２での下流へスイープする量は、本発明の範囲を持つ様々な実施形態に特有のなお別の変数である。例えば、図１〜３で示す実施形態では、ローター１２は、外面５０を有してもよく、最終段での各動翼４０は、軸方向長さ５２、半径方向先端５４、およびローター１２の外面５０から半径方向先端５４まで半径方向に延びる前縁５６を有してもよい。下流へスイープした部分４２の開始点および曲率は、下流へスイープした部分４２での下流へスイープする量を決定する。例えば、下流へスイープした部分４２が動翼４０の半径方向長さに沿った約９０％から始まるところの図１で示す実施形態では、半径方向先端５４での前縁５６は、従来の重心積層型動翼（以下で定義する。）の先端部前縁から約５％だけ軸方向下流にあってもよい。比較すると、図２および３で示す下流へスイープした部分４２は、ローターの外面５０のより近くから始まる。結果として、半径方向先端５４での前縁５６は、図２および３で示すように、従来の重心積層型動翼の先端部前縁から約１０％、１５％、またはそれ以上だけ軸方向下流にあってもよい。
【００２１】
下流へスイープした部分４２の下流へスイープする位置、長さ、および／または量はまた、動翼４０についての重心の位置に影響を与えることもある。例えば、図１で最もよくわかるように、最終段の動翼４０から上流の動翼３０は従来、各動翼３０についての重心６０がハブまたはエーロフォイルの最低部分の重心６２と一致するように、半径方向に整列している（本明細書では、このような動翼を「重心積層型動翼」という。）。対照的に、最終段の動翼４０の下流へスイープした部分４２は、図１で示すように、動翼４０についての重心６４を軸方向ハブ重心点６６から下流にシフトさせる。下流へスイープした部分４２がローター１２のより近くから始まり、従ってより長いところの図２および３では、動翼４０についての重心６４は、動翼４０の軸方向長さ５２に沿った６０％、７０％、またはより遠い点から下流にあってもよい。
【００２２】
計算流体力学モデルは、図１〜３で示す実施形態での下流へスイープした部分４２が、ガス経路１６を通って流れる圧縮作動流体２６に１つまたは複数の影響を及ぼすことができることを示す。例えば、図４は、図１で示す最終段の動翼４０と比較して、最終段での従来の動翼３０の軸方向長さ５２を横断する圧縮作動流体２６の例となるマッハ数プロファイルを提供する。図示するように、従来の動翼３０についてのマッハプロファイル７０は、動翼３０の後縁とほぼ同じ場所で最大マッハ７２を示す。後縁でのこの最大マッハ７２は、後縁にほぼ垂直である衝撃波および対応する衝撃損失をもたらす。対照的に、図１で示す下流へスイープした部分４２を持つ動翼４０についてのマッハプロファイル８０は、動翼４０の後縁からさらに上流で低下した最大マッハ８２を示す。低下した最大マッハ８２は、従来の動翼３０と比較して、より小さい衝撃波および対応してより小さい衝撃損失をもたらす。加えて、動翼４０の後縁から離れる最大マッハ８２のシフトは、後縁に対して斜めの衝撃波をもたらし、関連する衝撃損失をさらに低減する。
【００２３】
図１〜３に関して示し、述べる様々な実施形態は、タービン１０での衝撃損失を低減するために、新しいタービン１０設計に組み込まれてもよくまたは計画停電もしくは計画外停電中に既存のタービン１０設計に組み込まれてもよい。例えば、既存のタービン１０設計については、最終段での従来の動翼３０は、除去され、図１〜３で示すような下流へスイープした部分４２を有する動翼４０で置き換えられてもよい。下流へスイープする位置、長さ、および量は、タービン１０を変更するための特定の位置および予想される環境条件に従って具体的に仕立てられてもよい。結果として、既存のタービン１０は、タービン１０を通る圧縮作動流体２６のより高い速度を受け入れるように適切に改良されてもよい。
【００２４】
この書面による明細は、例を使用してベストモードを含む本発明を開示し、また当業者ならだれでも、任意のシステムを作りかつ使用し、任意の組み込まれた方法を行うことを含み、本発明を実施することを可能にもする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者には思い当たる他の例を含んでもよい。そのような他の例は、もしそれらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を含むならば、またはもしそれらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的に異ならない等価構造要素を含むならば、特許請求の範囲の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００２５】
１０  タービン
１２  ローター
１４  ケーシング
１６  ガス経路
１８  軸方向中心線
２０  ローターホイール
２２  ロータースペーサー
２４  ボルト
２６  圧縮作動流体
３０  動翼
３２  静翼
４０  最終段の動翼
４２  下流へスイープした部分
５０  ローターの外面
５２  軸方向長さ
５４  半径方向先端
５６  前縁
６０  上流の動翼の重心
６２  ハブの重心
６４  最終段の動翼の重心
６６  最終段のハブの重心点
７０  マッハプロファイル
７２  最大マッハ
８０  マッハプロファイル
８２  最大マッハ
【図１】
0006302172.tif 000002
【図２】
0006302172.tif 000003
【図３】
0006302172.tif 000004
【図４】
0006302172.tif 000005