(57)【要約】第２段ノズル（１２）は、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った翼形部輪郭を含むベーン（１４）を有し、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、前記翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させてＺ座標値に対して定められる。Ｘ、Ｙ及びＺ値は、拡大又は縮小されたノズル用の翼形部セクションを得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小されることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチ（２．５４mm）の範囲内にあるエンベロープの翼形部の形状をしたノズルベーン（１４）を有するタービンノズル（１２）であって、
前記翼形部が、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有し、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、前記翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させて該Ｚ座標値に対して定められ、
Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成するようになっている、
ことを特徴とするタービンノズル。
【請求項２】
タービンの第２段の一部を形成することを特徴とする、請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項３】
翼形部の形状をしたノズルベーン（１４）を有するタービンノズル（１２）であって、
前記翼形部が、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有し、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、前記翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させて該Ｚ座標値に対して定められ、
Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成し、
前記Ｘ、Ｙ及びＺ値が、拡大又は縮小されたノズル翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小されるようになっている、
ことを特徴とするタービンノズル。
【請求項４】
タービンの第２段の一部を形成することを特徴とする、請求項３に記載のタービンノズル。
【請求項５】
複数のベーン（１４）を有するタービンノズル（１２）を含むタービンであって、
前記ベーンの各々が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチ（２．５４mm）の範囲内にあるエンベロープの翼形部の形状をしており、前記翼形部が、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有し、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、前記翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させて該Ｚ座標値に対して定められ、
Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成するようになっている、
ことを特徴とするタービン。
【請求項６】
前記タービンノズルが、該タービンの第２段を含むことを特徴とする、請求項５に記載のタービン。
【請求項７】
前記タービンノズルが、６０個のベーン（１４）を有していることを特徴とする、請求項５に記載のタービン。
【請求項８】
複数のベーン（１４）を有するタービンノズル（１２）を含むタービンであって、
前記ベーンの各々が、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有する翼形部の形状をしており、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、前記翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させて該Ｚ座標値に対して定められ、
Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成し、
前記Ｘ、Ｙ及びＺ値が、拡大又は縮小されたノズル翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小されるようになっている、
ことを特徴とするタービン。
【請求項９】
前記タービンノズルが、該タービンの第２段を含むことを特徴とする、請求項８に記載のタービン。
【請求項１０】
前記タービンノズルが、６０個のベーンを有していることを特徴とする、請求項８に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン段用のタービンノズルに関し、具体的には、第２段タービンノズルの翼形部輪郭に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、最新式のガスタービンは、燃焼温度が高くなる傾向があり、様々なタービン部品の冷却を改善する努力がなされている。本出願人の特定のガスタービン設計においては、空気冷却を使用する高出力タービンを目下開発中である。タービンバケット及びノズルの設計及び構造には、空気力学的効率と同時に空気力学的及び機械的な負荷を最適化させることが要求されることが分かるであろう。
【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、タービン段、好ましくは第２段用の固有のタービンノズル翼形部輪郭が提供され、この翼形部輪郭は、負荷要件において必要な効率を達成し、それによって改良されたタービン性能が得られるような、固有の点の軌跡によって定められる。以下に示す表１のＸ、Ｙ及びＺ座標によって与えられる基準輪郭は、この固有の点の軌跡を定めていることを理解されたい。表１においてインチ単位で与えられた座標は、ノズルベーンの各断面に対する低温すなわち室温輪郭のためのものである。各々の定められた断面は、隣接する断面と滑らかに結合されて、完全な翼形部形状を形成する。ノズルは使用中に高温になるので、応力及び温度の結果として、ノズルベーンの輪郭が変化することになることも分かるであろう。従って、低温すなわち室温輪郭は、製造目的のためにＸ、Ｙ及びＺ座標によって与えられる。製造されたノズル翼形部輪郭は、以下の表に示した基準翼形部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でありまた任意の皮膜を含む、該基準輪郭から±０．１００インチ（２．５４mm）の距離により、この設計のための輪郭エンベロープが形成される。この設計は、このようなばらつきに対して強く、機械的及び空気力学的機能を損なうこともない。
【０００４】
翼形部は、他の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、下に与えられた基準翼形部輪郭のＸ、Ｙ及びＺ座標は、同一の定数又は数値の関数となる。すなわち、表に示した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、翼形部断面形状を維持しながらノズル翼形部輪郭の拡大又は縮小バージョンを得ることができる。
【特許文献１】
米国特許６，４５０，７７０公報
【特許文献２】
米国特許６，４６１，１０９公報
【特許文献３】
米国特許６，４６１，１１０公報
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による好ましい実施形態においては、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチ（２．５４mm）の範囲内にあるエンベロープの翼形部の形状をしたノズルベーンを有するタービンノズルが提供され、該翼形部は、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有し、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させてＺ座標に対して定められ、Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成するようになっている。
【０００６】
本発明による別の好ましい実施形態においては、翼形部の形状をしたノズルベーンを有するタービンノズルが提供され、該翼形部は、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有し、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、前記翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させてＺ座標値に対して定められ、Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成し、Ｘ、Ｙ及びＺ値が、拡大又は縮小されたノズル翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小されるようになっている。
【０００７】
本発明による更に別の好ましい実施形態においては、複数のベーンを有するタービンノズルを含むタービンが提供され、該ベーンの各々が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチ（２．５４mm）の範囲内にあるエンベロープの翼形部の形状をしており、該翼形部が、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有し、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させて該Ｚ座標値に対して定められ、Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成するようになっている。
【０００８】
本発明による更に別の好ましい実施形態においては、複数のベーンを有するタービンノズルを含むタービンが提供され、該ベーンの各々が、表１にインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に従った被覆されていない基準輪郭を有する翼形部の形状をしており、その場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させてＺ座標値に対して定められ、Ｚ距離における輪郭が、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成し、Ｘ、Ｙ及びＺ値が、拡大又は縮小されたノズル翼形部を得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小されるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図１を参照すると、ここには全体を符号１０で示すタービンの一部分が示されており、該タービンは、全体を符号１２で示す第２段ノズルを有する。ノズル１２は、互いに円周方向に間隔を置いて配置された翼形部形状又は輪郭を有する複数のベーン１４を含む。図示したタービン１０は、３つの段、すなわち、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズルベーン１８と回転可能なタービンホイール２２の周りに円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２０とを有する第１段１６と、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズルベーン１４と第２段ホイール２６上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２段ノズル１２と、ノズルベーン３０と第３段ホイール３４上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３２とを支持する第３段２８とを備える。ノズルベーン及びバケットは、ガスがタービンを通って矢印３６の方向へ流れる、該タービン内の高温ガス通路内に位置していることが分かるであろう。図示するように、第２段１２のノズルベーン１４は、それぞれ内側及び外側バンド３８及び４０間に配置され、該内側及び外側バンドによってノズルには、ロータ軸線の周りの環状空間が形成される。
【００１０】
図２を参照すると、ノズルベーン１４は、前縁４２と後縁４４とを有し、またノズルベーンセグメントは、該ノズルベーンセグメントをタービンの非回転ケーシングに固定するためのフック４６、４８を有する。ノズルベーンは、該ベーンを通して冷却媒体を流すための、該ベーンを貫通した様々な通路を有することが分かるであろう。この特定タービンの第２段ノズルの図示した好ましい実施形態においては、該第２段を形成する６０個のノズルベーンがある。
【００１１】
更に図２を参照すると、ここには第２段用のノズルベーン１４が示されており、この第２段用のノズルベーンは、Ｘ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系によって定められた翼形部輪郭を有する。座標値は、以下の表１においてインチ単位で記載されている。デカルト座標系は、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有し、この場合、Ｘ、Ｙ及びＺ値は、翼形部の半径方向最内側の空気力学的セクションから始まりかつ次にそのセクションに相対させてＺ座標に対して定められる。Ｚ方向の選ばれた位置におけるＸ及びＹ座標値を定めることによって、翼形部１４の輪郭を確定することができる。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続した円弧で接続することにより、各距離Ｚにおける各輪郭断面が決定される。距離Ｚ間の様々な表面位置における表面輪郭が、互いに滑らかに接続されて翼形部を形成する。下表１に示した表の値は、インチ単位で記載されており、周囲温度、非作動又は非高温状態における翼形部輪郭を表しており、また被覆されていない翼形部のためのものである。符号規則により、デカルト座標系で一般的に使用されるように、Ｚ値に対して正の値が割当てられ、またＸ及びＹ座標値に対しては正及び負の値が割当てられる。
【００１２】
表１の値は、翼形部の輪郭を決定するために小数点以下４桁まで作成されかつ示されている。数値が小数点以下４桁まで示されていない場合には、右側に０を加えて数値を小数点以下４桁まで完成させる。更に、翼形部の実際の輪郭には、考慮しなければならない一般的な製造公差と皮膜とが存在する。従って表１に示した輪郭の値は、基準翼形部のためのものである。それ故、一般的な製造公差つまりプラス又はマイナス値と皮膜厚さとが下表１に示したＸ及びＹ値に加算されることが分かるであろう。従って、翼形部輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチ（２．５４mm）の距離が、この特定のノズルベーン設計及びタービンに対する翼形部輪郭エンベロープを形成する。好ましい実施形態においては、下表１に示したノズルベーンの輪郭は、タービンの第２段用のものである。そのような輪郭を有する６０個のノズルベーンが、ロータ軸線の周りに互いに等しい間隔を置いて配置されて、第２段を構成する。
【００１３】
下表１にインチ単位で示した座標値は、好ましい基準輪郭エンベロープを提供する。
【００１４】
【表１−１】
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【００１５】
【表１−２】
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【００１６】
【表１−３】
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【００１７】
【表１−４】
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【００１８】
【表１−５】
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【００１９】
【表１−６】
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【００２０】
【表１−７】
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【００２１】
【表１−８】
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【００２２】
【表１−９】
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【００２３】
【表１−１０】
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【００２４】
【表１−１１】
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【００２５】
【表１−１２】
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【００２６】
【表１−１３】
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【００２７】
【表１−１４】
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【００２８】
上記の表に開示した翼形部は、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１に記載した座標値は、翼形部断面形状が変化しない状態に維持されるように、率に応じて拡大又は縮小することができる。表１の座標の拡大又は縮小バージョンは、同一の定数又は数値により乗算又は除算されたＸ、Ｙ及びＺ座標値によって表されることになる。
【００２９】
図３及び図４には、半径方向最外側輪郭５２が示され、また翼形部の長手方向に沿ったその他の様々な輪郭断面が図４に示されている。また、図６には様々な輪郭が示されており、輪郭が互いに重ね合わされている。
【００３０】
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、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び等価な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の翼形部又はベーン輪郭を採用した第２段ノズルを有するタービンの概略図。
【図２】第２段ノズルのノズルベーンの斜視図。
【図３】図２に示すノズルベーンの端面図。
【図４】図２と同様なノズルベーンの斜視図。
【図５】ベーンの長手方向に沿った様々な翼形部輪郭を示す、図４のノズルベーンの斜視図。
【図６】ベーンに沿った様々なＺ座標位置における輪郭断面を示す、図３と同様な図。
【符号の説明】
【００３２】
１０  タービン
１２  第２段ノズル
１４  第２段ベーン
１６  第１段ノズル
１８  第１段ベーン
２０  第１段バケット
２２  第１段ホイール
２４  第２段バケット
２６  第２段ホイール
２８  第３段ノズル
３０  第３段ベーン
３２  第３段バケット
３４  第３段ホイール
３８  内側バンド
４０  外側バンド
４６、４８  フック
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004534921.tif 000066
2004534921.tif 000067
2004534921.tif 000068
2004534921.tif 000069
2004534921.tif 000070
2004534921.tif 000071
2004534921.tif 000072