(57)【要約】第１段バケット（１０）は、表１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翼形部輪郭を有し、該表１において、Ｚが、タービン中心線からの半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定める座標である。Ｘ、Ｙ及びＺ値は、拡大又は縮小されたバケット用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バケット翼形部（１０）を有するタービンバケット（１７）であって、
前記翼形部（１０）が、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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被覆されていない基準輪郭を有し、前記表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定める座標であり、
前記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バケット（１７）。
【請求項２】
被覆されていない基準翼形部輪郭を有するタービンバケット（１７）であって、
前記基準翼形部輪郭が、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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ており、前記表１において、Ｚが、タービン中心線からの半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定める座標であり、
前記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バケット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バケット（１７）。
【請求項３】
複数のバケット（１７）を有するタービンホイール（４４）を含むタービンであって、
前記バケットの各々が、任意のバケット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（１０）を有し、
前記翼形部が、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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被覆されていない基準輪郭を有し、前記表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定める座標であり、
前記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４】
複数のバケット（１７）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、被覆されていない基準翼形部輪郭を有し、
前記基準翼形部輪郭が、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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ており、前記表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を定める座標であり、
前記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バケットを得るために、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。
【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バケットに関し、具体的には、第１段タービンバケット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、６０％複合サイクル効率を満たすために蒸気及び空気冷却の組合せ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、特にタービンの第１段ケットの設計及び構造では、空気力学的効率と同時に空気力学的及び機械的なバケット負荷を最適化することが要求されることが分かるであろう。更に、高圧タービン段間の相互作用も、１つの要素である。
【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、タービン段、好ましくは第１段用の固有のタービンバケット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ことができる。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において与えられた座標は、バケットの幾つかの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。バケットは使用中に高温になるので、応力及び温度の結果として、そ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、Ｚ座標によって与えられる。製造されたバケット翼形部輪郭は、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処理を含む、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。
【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バケット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、任意のバケット表面位置に対して垂直な方向に±２．５４mm（０．１００インチ）の範囲内にあるエンベロープのバケット翼形部を有するタービンバケットが提供され、該バケット翼形部は、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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被覆されていない基準輪郭を有し、該表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該Ｚ値は、半径方向最内側の空気力学的セクションにおけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける輪郭を定める座標であり、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バケット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、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１００インチの範囲内にあるエンベロープのバケット翼形部形状を有するタービンバケットが提供され、該翼形部は、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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被覆されていない基準輪郭を有し、該表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定める座標であり、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。
【０００７】
本発明による更に別の好ましい実施形態においては、被覆されていない基準翼形部輪郭を有するタービンバケットが提供され、該基準翼形部輪郭は、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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ており、該表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定める座標であり、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バケット形状を形成し、Ｘ、Ｙ及びＺ値が、拡大又は縮小されたバケット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。
【０００８】
本発明による更に別の好ましい実施形態においては、複数のバケットを有するタービンホイールを含むタービンが提供され、該バケットの各々は、任意のバケット翼形部表面位置に対して垂直な方向に±２．５４mm（０．１００インチ）の範囲内にあるエンベロープの翼形部形状を有し、該翼形部は、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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被覆されていない基準輪郭を有し、該表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定める座標であり、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、
本発明による更に別の好ましい実施形態においては、複数のバケットを有するタービンホイールを含むタービンが提供され、該バケットの各々は、被覆されていない基準翼形部輪郭を有し、該基準翼形部輪郭は、小数点以下３桁までにのみ意味のある表１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ており、該表１において、Ｚが、タービン中心線から放射方向の半径に対して垂直でありかつＸ及びＹ値を含む平面からの垂直方向距離であり、該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におけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まり、またＸ及びＹが、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を定める座標であり、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バケットを得るために、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】
ここで図面の図、特に図１及び図２を参照すると、本発明に従って製作されたタービンブレードが示されており、シャンク１４によって支持されたプラットフォーム１２上に取付けられた翼形部１０を含む。シャンク１４の半径方向内端部は、ブレードをタービンホイール（図示せず）に結合するためのダブテール１６を支持する。翼形部１０、プラットフォーム１２、及びダブテール１６は、まとめて、全体を符号１７で示すバケットと呼ばれる。翼形部１０は、それぞれ正圧及び負圧側面１８及び２０を備えた複合曲面を有する。従来と同様に、ダブテール１６は、タービンホイールのダブテール開口部内に係合しており、複数のバケット、好ましくは６０個のバケットがホイール及びロータ軸線の周りに互いに周方向に間隔を置いて配置されることが分かるであろう。更に、ホイールスペース・シール２２、すなわちエンジェルウイングが、シャンク１４の軸方向前面及び後面上に形成される。バケットは、翼形部１０を含む該バケットの内部に冷却、好ましくは蒸気冷却通路が設けられた状態で、一体鋳造されるのが好ましい。
【００１０】
更に図２を参照すると、ここには、以下の表１に記載したＸ、Ｙ及びＺ値のためのデカルト座標系が示されている。デカルト座標系は、Ｚ軸が、タービンロータの中心線から放射方向の半径に対して垂直な平面に垂直な方向に、つまりＸ及びＹ値を含む平面に対して垂直に延びている、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有する。Ｚ距離は、半径方向最内側の空気力学的セクションにおけるＸ、Ｙ平面内のゼロから始まる。Ｘ軸は、タービンロータの中心線つまり回転軸線に平行に位置している。Ｘ、Ｙ平面に垂直な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１０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座標に対しては正及び負の値が割当てられる。
【００１１】
表１の値は、インチ単位で小数点以下４桁まで作成されかつ示されているが、製造上の制約の観点では、翼形部を形成するのに有用な実際の値は、翼形部の輪郭を決定するための小数点以下３桁までが有効であると思われる。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±２．５４mm（０．１００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翼形部輪郭エンベロープを形成する。
【００１２】
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。
【００１３】
【表１−１】
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【００１４】
【表１−２】
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【００１５】
【表１−３】
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【００１６】
【表１−４】
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【００１７】
【表１−５】
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【００１８】
【表１−６】
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【００１９】
【表１−７】
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【００２０】
【表１−８】
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【００２１】
【表１−９】
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【００２２】
【表１−１０】
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【００２３】
【表１−１１】
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【００２４】
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。
【００２５】
次ぎに図８を参照すると、本発明により定められた翼形部を有するタービンバケットを使用することができるタービンが示されている。図示したタービンにおいて、符号４０で示すタービンロータは、バケットが取付けられるロータホイール４２を含み、これらバケットが、ステータベーンと組み合わさって種々のロータ段を形成する。具体的には、第１段４６は、第１段ロータホイール４４を含み、本発明の翼形部１０を有するバケット１７が、第１段ステータベーン４８と対向した状態でこの第１段ロータホイール４４上に取付けられる。複数の翼形部が、第１段ホイール４４の周りに周方向に互いに間隔を置いて配置され、このケースの場合には、６０個のバケットが第１段ホイール４４上に配置される。
【００２６】
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】
【００２７】
【図１】本発明に従って製作された、翼形部、シャンク及びダブテールを含むタービンバケットの側面図。
【図２】図１に示すタービンバケットの斜視図。
【図３】半径方向内向きに見た拡大端面図。
【図４】バケットの斜視図。
【図５】バケットの軸方向図。
【図６】図５に示すバケットの拡大図。
【図７】バケットの翼形部輪郭の概略図。
【図８】本発明のバケットを使用する第１段タービンホイールを有するタービンの概略図。
【符号の説明】
【００２８】
１０  翼形部
１２  プラットフォーム
１４  シャンク
１６  ダブテール
１７  バケット
２２  エンジェルウイング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004534920.tif 000076
2004534920.tif 000077
2004534920.tif 000078
2004534920.tif 000079
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