(57)【要約】【課題】二次損失を最小限にし翼形部のアスペクト比の作用を補正するよう、空気力学的表面が端壁に接合される領域における翼形部の幾何形状を修正すること。【解決手段】本発明は、第１の端壁、第２の端壁、スタッキング軸、アスペクト比、半径方向スパン率、接線方向オフセット、及び角度を含み、アスペクト比及び半径方向スパン率並びに角度の間の関係が定義された空力的に効率のよいタービン翼形部である。【選択図】      図１
2016130514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン翼形部（２００）であって、
凹状面（２０５）、凸状面（２１０）、前縁（２１５）、後縁（２２０）、第１の端壁（２２５）、及び第２の端壁（２３０）を備え、
第１の端壁と第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長（２３５）が定められ、有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での前縁と後縁との間の距離により軸方向幅（２４０）が定められ、有効長を軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、
タービン翼形部が更に、
第１の端壁と第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸（２５０）の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面（２４５）を備え、各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、
タービン翼形部が更に、
第１の横断面（２６５）と第２の横断面（２７０）との間の距離すなわち有効長の一定割合として定義され、第２の横断面が第１の端壁又は第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される半径方向スパン率Ｚ”と、
第１の横断面と第２の横断面との間の距離として定義される接線方向オフセットＹ’（２７５）と、
正接がＹ’をＺ’で除算した値に等しい角度α（２８０）と、
を備え、
ＡＲが約３以上で、Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及びαが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、ＡＲが約２以上且つ約３未満で、Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及びαが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、ＡＲが約１以上且つ約２未満で、Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及びαが約１０度より大きく且つ約４８度未満である、タービン翼形部（２００）。
【請求項２】
ＡＲが約５．０、Ｚ”が約５％、及びαが約１９度であるか、又はＡＲが約４．３、Ｚ”が約６％、及びαが約１９度であるか、又はＡＲが約３．０、Ｚ”が約１０％、及びαが約１９度であるか、又はＡＲが約１．７、Ｚ”が約２１％、及びαが約２８度である、請求項１に記載の翼形部（２００）。
【請求項３】
翼形部が回転翼形部として構成され、接線方向オフセットＹ’（２７５）の方向が凹状面（２０５）から離れて凸状面（２１０）に向かっている、請求項１に記載の翼形部（２００）。
【請求項４】
翼形部が回転翼形部として構成され、第２の横断面が第２の端壁（２３
０）と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される、請求項１に記載の翼形部（２００）。
【請求項５】
翼形部が固定翼形部として構成され、接線方向オフセットＹ’（２７５）の方向が凹状面（２０５）から離れて凸状面（２１０）に向かっている、請求項１に記載の翼形部（２００）。
【請求項６】
回転軸（１３５）と、外側境界（１１５）及び内側境界（１３０）により定められる１以上の環状蒸気通路（１００）とを備えた蒸気タービン（１０）であって、
複数の翼形部（２００）が、外側境界と内側境界との間で回転軸の周りに接線方向に配列され且つ外側境界又は内側境界から半径方向に延び、
翼形部（２００）が各々、凹状面（２０５）、凸状面（２１０）、前縁（２１５）、後縁（２２０）、第１の端壁（２２５）、及び第２の端壁（２３０）を備え、
第１の端壁と第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長（２３５）が定められ、有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での前縁と後縁との間の距離により軸方向幅（２４０）が定められ、有効長を軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、
タービン翼形部が更に、
第１の端壁と第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸（２５０）の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面（２４５）を備え、各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、
タービン翼形部が更に、
第１の横断面（２６５）と第２の横断面（２７０）との間の距離すなわち有効長の一定割合として定義され、第２の横断面が第１の端壁又は第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される半径方向スパン率Ｚ”と、
第１の横断面と第２の横断面との間の距離として定義される接線方向オフセットＹ’（２７５）と、
正接がＹ’をＺ’で除算した値に等しい角度α（２８０）と、
を備え、
ＡＲが約３以上で、Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及びαが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、ＡＲが約２以上且つ約３未満で、Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及びαが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、ＡＲが約１以上且つ約２未満で、Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及びαが約１０度より大きく且つ約４８度未満である、蒸気タービン（１０）。
【請求項７】
ＡＲが約５．０、Ｚ”が約５％、及びαが約１９度であるか、又はＡＲが約４．３、Ｚ”が約６％、及びαが約１９度であるか、又はＡＲが約３．０、Ｚ”が約１０％、及びαが約１９度であるか、又はＡＲが約１．７、Ｚ”が約２１％、及びαが約２８度である、請求項６に記載の蒸気タービン（１０）。
【請求項８】
翼形部（２００）が各々回転翼形部を構成し、接線方向オフセットＹ’（２７５）の方向が凹状面（２０５）から離れて凸状面（２１０）に向かっている、請求項６に記載の蒸気タービン（１０）。
【請求項９】
翼形部（２００）が各々回転翼形部を構成し、第２の横断面が第２の端壁（２３０）と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される、請求項６に記載の蒸気タービン（１０）。
【請求項１０】
翼形部（２００）が各々固定翼形部を構成し、接線方向オフセットＹ’（２７５）の方向が凹状面（２０５）から離れて凸状面（２１０）に向かっている、請求項６に記載の蒸気タービン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ターボ機械に関し、より詳細には、第１の端壁、第２の端壁、スタッキング（積層）軸、アスペクト比、半径方向スパン率、接線方向オフセット、及び角度を含み、アスペクト比及び半径方向スパン率並びに角度の間の関係が定義された空力的に効率のよいタービン翼形部に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンにおいて、乾燥加圧蒸気のような作動流体は、１以上の膨張セクションを通過し、該膨張セクションは、蒸気からの熱エネルギー及び運動エネルギーを回転シャフト又は他の要素に作用する機械的トルクに転換し、これにより発電機などの外部負荷を駆動するのに使用される出力を発生する。本明細書で使用される場合、用語「蒸気タービン」は、定置又は移動用ターボ機械を含むことができ、１以上のシャフトの回転を引き起こす何らかの好適な機構を有することができる。
【０００３】
軸流再熱蒸気タービンにおいて、最初に、蒸気は、高圧セクションを通過し、ここで蒸気の膨張及び冷却によりエネルギーが取り出される。次いで、蒸気は、蒸気の温度を上昇させる再熱器に送られる。次に、再熱蒸気は、中圧セクションを通過し、ここで更なる膨張及び冷却により追加のエネルギーが取り出される。次いで、蒸気は低圧セクションに送られ、ここで残りのエネルギーの大部分が取り出された後、蒸気が凝縮されて水に変わる。
【０００４】
高圧、中圧、及び低圧膨張セクションは、蒸気から仕事を取り出す複数の固定及び回転翼形部を含む。翼形部の空気力学的表面は、回転軸にほぼ垂直な方向に向けられ、翼形部に構造的支持を与え且つ回転軸に略平行な方向に向けられた表面を有する環状端壁、プラットフォーム、シュラウド又は他の何れかの手段（以下では総称して「端壁」と呼ぶ）によって所定位置に保持される。
【０００５】
翼形部の空気力学的表面が端壁に接合される領域は、通常、境界層流及び交差通路圧力勾配によって引き起こされる流れの乱流及び方向ずれによって特徴付けられる。この流れ特性は、二次損失としても知られる、空気力学的効率の大幅な損失を生じる可能性がある。二次損失の程度はまた、アスペクト比としても知られる、翼形部の長さと幅の関係に関連している。
【０００６】
従って、二次損失を最小限にし翼形部のアスペクト比の作用を補正するよう、空気力学的表面が端壁に接合される領域における翼形部の幾何形状を修正することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，３５４，７９８号明細書
【発明の概要】
【０００８】
以下で本開示の実施形態を要約する。これらの実施形態は、請求項に記載される発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の実施可能な形態の概要を提供することのみを意図している。
【０００９】
本発明の第１の実施形態によれば、凹状面、凸状面、前縁、後縁、第１の端壁、及び第２の端壁を備え、第１の端壁と第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長が定められ、有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での前縁と後縁との間の距離により軸方向幅が定められ、有効長を軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、タービン翼形部が更に、第１の端壁と第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面を備え、各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、タービン翼形部が更に、第１の横断面と第２の横断面との間に配置された有効長の一定割合として定義され、第２の横断面が第１の端壁又は第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される第１の距離Ｚ”と、スタッキング軸及び第１の横断面間の交点と、スタッキング軸及び第２の横断面間の交点との間で実質的に接線方向に配置される距離として定義される第２の距離Ｙ’と、正接が第２の距離Ｙ’を第１の距離Ｚ’で除算した値に等しい角度αと、を備え、ＡＲが約３以上で、Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及びαが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、ＡＲが約２以上且つ約３未満で、Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及びαが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、ＡＲが約１以上且つ約２未満で、Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及びαが約１０度より大きく且つ約４８度未満である。
【００１０】
本発明の第２の実施形態によれば、回転軸と、外側境界及び内側境界により定められる１以上の環状蒸気通路とを備えた蒸気タービンであって、複数の翼形部が、上記外側境界と上記内側境界との間で上記回転軸の周りに接線方向に配列され且つ上記外側境界又は上記内側境界から半径方向に延び、上記翼形部が各々、凹状面、凸状面、前縁、後縁、第１の端壁、及び第２の端壁を備え、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長が定められ、上記有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での上記前縁と上記後縁との間の距離により軸方向幅が定められ、上記有効長を上記軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、上記タービン翼形部が更に、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面を備え、上記各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、上記タービン翼形部が更に、第１の横断面と第２の横断面との間に配置された上記有効長の一定割合として定義され、上記第２の横断面が上記第１の端壁又は上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される第１の距離Ｚ”と、上記スタッキング軸及び上記第１の横断面間の交点と、上記スタッキング軸及び上記第２の横断面間の交点との間で実質的に接線方向に配置される距離として定義される第２の距離Ｙ’と、正接が上記第２の距離Ｙ’を上記第１の距離Ｚ’で除算した値に等しい角度αと、を備え、上記ＡＲが約３以上で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、上記ＡＲが約２以上且つ約３未満で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、上記ＡＲが約１以上且つ約２未満で、上記Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及び上記αが約１０度より大きく且つ約４８度未満である。
【００１１】
本発明の第３の実施形態によれば、１以上の蒸気発生源、１以上の膨張セクション、及び１以上の凝縮セクションを備えた蒸気タービンシステムであって、上記１以上の膨張セクションが、回転軸と、外側境界及び内側境界により定められる１以上の環状蒸気通路とを備え、複数の翼形部が、上記外側境界と上記内側境界との間で上記回転軸の周りに接線方向に配列され且つ上記外側境界又は上記内側境界から半径方向に延び、上記翼形部が各々、凹状面、凸状面、前縁、後縁、第１の端壁、及び第２の端壁を備え、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長が定められ、上記有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での上記前縁と上記後縁との間の距離により軸方向幅が定められ、上記有効長を上記軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、上記タービン翼形部が更に、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面を備え、上記各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、上記タービン翼形部が更に、第１の横断面と第２の横断面との間に配置された上記有効長の一定割合として定義され、上記第２の横断面が上記第１の端壁又は上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される第１の距離Ｚ”と、上記スタッキング軸及び上記第１の横断面間の交点と、上記スタッキング軸及び上記第２の横断面間の交点との間で実質的に接線方向に配置される距離として定義される第２の距離Ｙ’と、正接が上記第２の距離Ｙ’を上記第１の距離Ｚ’で除算した値に等しい角度αと、を備え、上記ＡＲが約３以上で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、上記ＡＲが約２以上且つ約３未満で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、上記ＡＲが約１以上且つ約２未満で、上記Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及び上記αが約１０度より大きく且つ約４８度未満である。
【００１２】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、別途規定のない限り、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態が動作することができる蒸気タービン発電システムの図。
【図２】本発明の実施形態が動作することができる図１の環状蒸気通路の実施形態の図。
【図３】本発明の実施形態が動作することができる、略軸方向−半径方向（Ｘ−Ｚ）平面で見た例示的な蒸気タービンの翼形部の図。
【図４】本発明の態様に従って等角図で投影された蒸気タービンの回転翼形部の例示的な実施形態の図。
【図５】本発明の態様に従って等角図で投影された蒸気タービンの固定翼形部の例示的な実施形態の図。
【図６】図４の線６−６にほぼ沿って接線方向−半径方向（Ｙ−Ｚ）平面で見た回転翼形部のスタッキング軸の態様の図。
【図７】図５の線７−７にほぼ沿って接線方向−半径方向（Ｙ−Ｚ）平面で見た固定翼形部のスタッキング軸の態様の図。
【図８】本発明の態様による図６及び図７のスタッキング軸の末端部分の図。
【図９】本発明の態様による翼形部のアスペクト比ＡＲと半径方向スパン率Ｚ”との間の関係のグラフ。
【図１０】本発明の態様によるアスペクト比ＡＲと角度α間の関係のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下で本発明の具体的な実施形態について説明する。本明細書は、添付図面を参照しながら読むことで、あらゆる装置又はシステムを製作及び利用すること、並びにあらゆる組み込み方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にする十分な詳細な内容を提供する。しかしながら、これらの実施形態の簡潔な説明を提供する目的で、実際の実施構成の全ての特徴が本明細書に記載されているとは限らず、本発明の実施形態は、組み合わせて利用されるか又は代替の形態で具現化することができ、本明細書で記載される実施形態にのみ限定されると解釈すべきではない。従って、本発明の範囲は、請求項によってのみ指示及び限定され、当業者が想定可能な他の実施形態を含むことができる。
【００１５】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものであり、例示の実施形態を限定するものではない。本明細書で使用する場合に、前に数詞のない要素又はステップの表現は、そうではないことを明確に述べていない限り複数のそのような要素又はステップの存在を排除するものではないと理解されたい。更に、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載された特徴要素を同様に組み込んだ追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。
【００１６】
同様に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」、「備えている」及び／又は「含む」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではない。本明細書で使用される用語「及び／又は」とは、関連する記載品目の１つ以上の何れか及び全ての組み合わせを含む。
【００１７】
本明細書では便宜上特定の専門用語を用いる場合があるが、これは、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。例えば、「上側」、「下側」、「左側」、「右側」、「前側」、「後側」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流側」、「下流側」、「前方」、「後方」などの用語は、種々の図面に例示された特定の構成を単に説明しているに過ぎない。同様に、用語「第１」、「第２」、「一次」、「二次」及び同様のものは、別途限定することなく使用される場合、ある要素を別の要素と区別するためにのみ使用され、記載される要素を限定するものではない。
【００１８】
次に、別途規定のない限り種々の図面全体にわたって同様の参照符号が同様の部品を示す各図を参照すると、図１は、本発明の実施形態が動作することができる蒸気タービン発電システム１０を示している。蒸気タービンシステム１０は、乾燥加圧蒸気を生成するボイラー１２又は他の発生源を含み、該乾燥加圧蒸気は、１以上のパイプ１４を通じて高圧（ＨＰ）タービン膨張セクション１６に提供されて、ここで１以上の環状蒸気通路１００内での膨張及び冷却により蒸気からエネルギーが取り出される。冷却され部分的に減圧された蒸気は、１以上のパイプ１８を通じて、定圧で蒸気の温度を上昇させる再熱器２０に提供される。再熱蒸気は、１以上のパイプ２２を通じて、追加のエネルギーが蒸気から取り出される１以上の環状蒸気通路１００を含む中圧（ＩＰ）タービン膨張セクション２４に提供される。冷却され部分的に減圧された蒸気は、１以上のパイプ３０を通じて凝縮セクション３２に提供され、凝縮セクション３２は蒸気を凝縮して水にし、これが１以上のパイプ３４を通じてボイラーに戻される。
【００１９】
環状蒸気通路１００は、１以上の段を含み、該段は、蒸気から取り出された熱エネルギー及び運動エネルギーをほぼ回転軸（以下では「軸方向」と呼ばれる）に沿って向けられた１以上の回転シャフト３６に作用する機械的トルクに転換し、ここで各段は、回転軸の周りに接線方向に配列された複数の固定及び回転翼形部を含む。発電機などの外部負荷３８はシャフト３６に接続され、これにより機械的トルクを電力に転換する。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態が動作することができる図１の環状蒸気通路の実施形態を示している。高温の加圧蒸気は、矢印１０２により示される略軸方向で蒸気通路１００に流入する。蒸気通路１００は、１以上の固定ブレード列１０５を含み、該ブレード列は、蒸気通路の外側境界を定める環状ケーシング１１５又は他の固定要素から回転軸に略垂直の方向（以下では「半径方向」と呼ばれる）に延びる複数の円周方向に隣接した固定翼形部１１０を含む。蒸気通路１００はまた、１以上の回転ブレード列１２０を含み、該回転ブレード列は、回転シャフト３６に接続され且つ蒸気通路の内側境界を定めるディスク又は他の回転要素１３０から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に隣接した回転翼形部１２５を含む。
【００２１】
固定ブレード列１０５は、回転ブレード列１２０と共に段を形成し、翼形部（１１０，１２５）が円周方向（以下では「接線方向」と呼ばれる）に配列され且つ環状ケーシング１１５と回転要素１３０との間で略半径方向に配置されており、ここで連続する段が軸方向に配列されて、蒸気通路内で蒸気圧力、速度、及び温度の所望の変化を得ることができる。図２に更に例示されるように、従って、蒸気通路１００及びその関連する要素の向きは、軸方向Ｘ、接線方向Ｙ、及び半径方向Ｚを含む３つの直交軸により記述することができ、ここで例示の図は、軸方向−半径方向（Ｘ−Ｚ）平面での投影図である。
【００２２】
図３は、本発明の実施形態が動作することができる、略軸方向−半径方向（Ｘ−Ｚ）平面で見た例示的な蒸気タービンの翼形部２００を示している。翼形部２００は、固定又は回転翼形部の何れかとすることができ、凹状面２０５、凸状面２１０、前縁２１５、後縁２２０、第１の端壁２２５、及び第２の端壁２３０を含み、第１及び第２の端壁と後縁が交差する点から測定した場合、実質的に半径方向Ｚでの第１の端壁と第２の端壁との間の距離が有効長２３５を定め、該有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向Ｘでの前縁と後縁との間の距離が軸方向幅２４０を定め、有効長を軸方向幅で除算したものがアスペクト比ＡＲを定める。翼形部２００は、既知の合金鋼又は他の好適な材料から、また、機械加工、鋳造、鍛造、プレス加工、何らかの既知の方法により形成され、蒸気タービンの作動に必要な特性及び寸法を提供することができる。
【００２３】
図３は更に、回転軸１３５と翼形部特徴要素との間の空間関係を示している。内径（Ｒ−ＩＤ）１３６は、線Ａで示されるように、回転軸１３５と第１の端壁２２５から軸方向Ｘに延びる円筒部との間の半径方向Ｚの距離として定義され、ピッチ半径（Ｒ−Ｐｉｔｃｈ）１３７は、線Ｂで示されるように、回転軸１３５と軸方向幅２４０から軸方向Ｘに延びる円筒部との間の半径方向Ｚの距離として定義され、外径（Ｒ−ＯＤ）１３８は、線Ｃで示されるように、回転軸１３５と第２の端壁２３０から軸方向Ｘに延びる円筒部との間の半径方向Ｚの距離として定義される。従って、有効長２３５は、代替として、（Ｒ−ＯＤ）−（Ｒ−ＩＤ）として定義することもでき、半径比ＲＲは、（Ｒ−ＯＤ）／（Ｒ−ＩＤ）として定義することができる。
【００２４】
図４は、本発明の態様に従って等角図で投影された蒸気タービンの回転翼形部の例示的な実施形態を示している。蒸気の流れ方向は、矢印１０２で示され、回転方向は、矢印１０４で示される。翼形部２００は、第１の端壁２２５と第２の端壁２３０との間で実質的に半径方向Ｚに配置されるスタッキング軸２５０の周りで軸方向−接線方向（Ｘ−Ｙ）平面で配置された複数の半径方向スタック（積層）断面２４５を含み、各断面は、凹状面２０５、凸状面２１０、前縁２１５、及び後縁２２０の一部を含む。スタッキング軸は、線Ｄで示されるように、少なくともその一部分が第２の端壁の近傍で接線方向Ｙにオフセットしている。スタッキング軸は、単純曲線で結ばれた２つの実質的な直線として例示されているが、請求項の意図及び範囲内で全体的に曲線を描いていてもよく、或いは単純又は複合曲率を有する追加の線を含むことができることを理解されたい。
【００２５】
図５は、本発明の態様に従って等角図で投影された蒸気タービンの固定翼形部の例示的な実施形態を示している。蒸気の流れ方向は、矢印１０２で示され、回転方向は矢印１４０で示される。翼形部２００は、第１の端壁２２５と第２の端壁２３０との間で実質的に半径方向Ｚに配置されるスタッキング軸２５０の周りで軸方向−接線方向（Ｘ−Ｙ）平面で配置された複数の半径方向積層断面２４５を含み、各断面は、凹状面２０５、凸状面２１０、前縁２１５、及び後縁２２０の一部を含む。スタッキング軸は、線Ｄで示されるように、少なくともその一部分が、第１の端壁、第２の端壁、又は両方の端壁の近傍で接線方向Ｙにオフセットしている。スタッキング軸は、単純曲線で結ばれた３つの実質的な直線として例示されているが、請求項の意図及び範囲内で全体的に曲線を描いていてもよく、或いは単純又は複合曲率を有する追加の線を含むことができることを理解されたい。
【００２６】
図６は、図４の線６−６にほぼ沿って接線方向−半径方向（Ｙ−Ｚ）平面で見た回転翼形部のスタッキング軸の態様を例示している。第１の端壁２２５及び第２の端壁２３０は、接線方向Ｙでスタッキング軸２５０から円周方向に延び、これにより回転軸１３５からそれぞれ半径方向距離１３６及び１３８に位置する環体を形成しており、ここで回転方向は矢印１４０で示される。線Ｄで示される接線方向オフセット（接線方向の傾きとしても知られる）の方向は、凹状面２０５から離れ凸状面２１０に向かっている。
【００２７】
図７は、図５の線７−７にほぼ沿って接線方向−半径方向（Ｙ−Ｚ）平面で見た固定翼形部のスタッキング軸の態様を例示している。第１の端壁２２５及び第２の端壁２３０は、接線方向Ｙでスタッキング軸２５０から円周方向に延び、これにより回転軸１３５からそれぞれ半径方向距離１３６及び１３８に位置する環体を形成しており、ここで回転方向は矢印１４０で示される。線Ｄで示される接線方向オフセット（接線方向の傾きとしても知られる）の方向は、凹状面２０５から離れ凸状面２１０に向かっている。
【００２８】
図８は、本発明の態様による図６及び図７のスタッキング軸の末端部分を示している。スタッキング軸２５０は、第１の横断面２６５と第２の横断面２７０との間の実質的に半径方向Ｚの距離として定義される半径方向オフセット（Ｚ’）２６０を含み、第２の横断面は、回転翼形部の実施形態では第２の端壁２３０（図６）と、或いは固定翼形部の実施形態では第１の端壁２２５か又は第２の端壁２３０（図７）と軸方向−接線方向（Ｘ−Ｙ）平面で同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置することができる。半径方向オフセット２６０はまた、第１及び第２の横断面間の実質的に半径方向Ｚの距離として、すなわち有効長の一定割合として定義される半径方向スパン率（Ｚ”）により記述することができる。翼形部２００はまた、スタッキング軸及び第１の横断面間の交点と、スタッキング軸及び第２の横断面間の交点との間で実質的に接線方向に配置される距離として定義される接線方向オフセット（Ｙ’）２７５を含む。翼形部２００はまた、角度（α）２８０を含み、αの正接はＹ’／Ｚ’に等しい。
【００２９】
図９は、本発明の態様による翼形部のアスペクト比ＡＲと半径方向スパン率Ｚ”の間の関係のグラフを示している。同様に、図１０は、本発明の態様によるアスペクト比ＡＲと角度α間の関係のグラフを示している。図９及び図１０は、公称上の関係と、Ｚ”及びαそれぞれに対する上限許容値及び下限許容値を含む。図９及び図１０は、公称上の関係と、Ｚ”及びαそれぞれに対する上限許容値及び下限許容値を含み、蒸気タービンの翼形部に対して最大の空力的利点をもたらすために解析により示されている。
【００３０】
本発明の１つの実施形態によれば、例示的な翼形部は、約１１ｃｍの有効長、約２．２ｃｍの軸方向幅、約３７ｃｍの内径Ｒ−ＩＤ、及び約４８ｃｍの外径Ｒ−ＯＤを含み、約５．０のアスペクト比ＡＲ及び約１．３の半径比ＲＲが得られる。翼形部はまた、約０．６ｃｍの半径方向オフセットＺ’及び約０．２ｃｍの接線方向オフセットＹ’を含み、約５％の半径方向スパン率Ｚ”及び約１９度の角度αが得られる。
【００３１】
本発明の別の実施形態によれば、例示的な翼形部は、約８．８ｃｍの有効長、約２．０ｃｍの軸方向幅、約３７ｃｍの内径Ｒ−ＩＤ、及び約４６ｃｍの外径Ｒ−ＯＤを含み、約４．３のアスペクト比ＡＲ及び約１．２の半径比ＲＲが得られる。翼形部はまた、約０．５ｃｍの半径方向オフセットＺ’及び約０．２ｃｍの接線方向オフセットＹ’を含み、約６％の半径方向スパン率Ｚ”及び約１９度の角度αが得られる。
【００３２】
本発明の別の実施形態によれば、例示的な翼形部は、約６．１ｃｍの有効長、約２．０ｃｍの軸方向幅、約３７ｃｍの内径Ｒ−ＩＤ、及び約４３ｃｍの外径Ｒ−ＯＤを含み、約３．０のアスペクト比ＡＲ及び約１．２の半径比ＲＲが得られる。翼形部はまた、約０．６ｃｍの半径方向オフセットＺ’及び約０．２ｃｍの接線方向オフセットＹ’を含み、約１０％の半径方向スパン率Ｚ”及び約１９度の角度αが得られる。
【００３３】
本発明の別の実施形態によれば、例示的な翼形部は、約３．２ｃｍの有効長、約１．９ｃｍの軸方向幅、約３３ｃｍの内径Ｒ−ＩＤ、及び約３６ｃｍの外径Ｒ−ＯＤを含み、約１．７のアスペクト比ＡＲ及び約１．１の半径比ＲＲが得られる。翼形部はまた、約０．７ｃｍの半径方向オフセットＺ’及び約０．４ｃｍの接線方向オフセットＹ’を含み、約２１％の半径方向スパン率Ｚ”及び約２８度の角度αが得られる。
【００３４】
上述のように、本発明は、第１の端壁、第２の端壁、スタッキング軸、アスペクト比、半径方向スパン率、接線方向オフセット、及び角度を含み、アスペクト比及び半径方向スパン率並びに角度の間の関係が定義された空力的に効率のよいタービン翼形部が企図される。本明細書で定義される場合、用語「端壁」は、翼形部に構造的支持を与え且つ回転軸に略平行な方向に向けられた表面を有するプラットフォーム、シュラウド又は他の何れかの手段などの何れかの要素を指すことができる。また、このように記載され本明細書で例示された実施形態は、高出力の軸流再熱タービン発電システムに特有のものであるが、図示の実施形態は、請求項の意図及び範囲内にある他の好適な機構及び用途と置き換えることができることを理解すべきである点に留意されたい。
【００３５】
最良の形態を含む本明細書では特定の実施形態を図示し且つ説明したが、図示した特定の実施形態は、請求項の意図及び範囲内にある本明細書で開示された実施形態に対するあらゆる追加、削除及び修正と置き換えることができることを当業者には理解されるであろう。同様に、本発明の技術的思想又は範囲から逸脱しない本発明の他の実施形態を想起することができる。このような他の実施形態は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。同様に、図示した本システムの構成要素は、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、本明細書で記載される他の構成要素とは独立して別々に利用することができる。例えば、本明細書で記載される構成部品及び組立体は、請求項の意図及び範囲内にあるあらゆる好適なタイプの蒸気タービン、ガスタービン、又は他のターボ機械で利用することができる。
【００３６】
最後に、代表的な実施形態を以下に示す。
［実施形態１］
タービン翼形部であって、凹状面、凸状面、前縁、後縁、第１の端壁、及び第２の端壁を備え、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長が定められ、上記有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での上記前縁と上記後縁との間の距離により軸方向幅が定められ、上記有効長を上記軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、上記タービン翼形部が更に、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面を備え、上記各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、上記タービン翼形部が更に、第１の横断面と第２の横断面との間に配置された上記有効長の一定割合として定義され、上記第２の横断面が上記第１の端壁又は上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される第１の距離Ｚ”と、上記スタッキング軸及び上記第１の横断面間の交点と、上記スタッキング軸及び上記第２の横断面間の交点との間で実質的に接線方向に配置される距離として定義される第２の距離Ｙ’と、正接が上記第２の距離Ｙ’を上記第１の距離Ｚ’で除算した値に等しい角度αと、を備え、上記ＡＲが約３以上で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、上記ＡＲが約２以上且つ約３未満で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、上記ＡＲが約１以上且つ約２未満で、上記Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及び上記αが約１０度より大きく且つ約４８度未満である、タービン翼形部。
［実施形態２］
上記ＡＲが約５．０、上記Ｚ”が約５％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約４．３、上記Ｚ”が約６％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約３．０、上記Ｚ”が約１０％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約１．７、上記Ｚ”が約２１％、及び上記αが約２８度である、実施形態１に記載の翼形部。
［実施形態３］
上記翼形部が回転翼形部として構成され、上記第２の距離Ｙ’の方向が上記凹状面から離れて上記凸状面に向かっている、実施形態１に記載の翼形部。
［実施形態４］
上記翼形部が回転翼形部として構成され、上記第２の横断面が上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される、実施形態１に記載の翼形部。
［実施形態５］
上記翼形部が固定翼形部として構成され、上記第２の距離Ｙ’の方向が上記凹状面から離れて上記凸状面に向かっている、実施形態１に記載の翼形部。
［実施形態６］
回転軸と、外側境界及び内側境界により定められる１以上の環状蒸気通路とを備えた蒸気タービンであって、複数の翼形部が、上記外側境界と上記内側境界との間で上記回転軸の周りに接線方向に配列され且つ上記外側境界又は上記内側境界から半径方向に延び、上記翼形部が各々、凹状面、凸状面、前縁、後縁、第１の端壁、及び第２の端壁を備え、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長が定められ、上記有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での上記前縁と上記後縁との間の距離により軸方向幅が定められ、上記有効長を上記軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、上記タービン翼形部が更に、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面を備え、上記各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、上記タービン翼形部が更に、第１の横断面と第２の横断面との間に配置された上記有効長の一定割合として定義され、上記第２の横断面が上記第１の端壁又は上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される第１の距離Ｚ”と、上記スタッキング軸及び上記第１の横断面間の交点と、上記スタッキング軸及び上記第２の横断面間の交点との間で実質的に接線方向に配置される距離として定義される第２の距離Ｙ’と、正接が上記第２の距離Ｙ’を上記第１の距離Ｚ’で除算した値に等しい角度αと、を備え、上記ＡＲが約３以上で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、上記ＡＲが約２以上且つ約３未満で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、上記ＡＲが約１以上且つ約２未満で、上記Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及び上記αが約１０度より大きく且つ約４８度未満である、蒸気タービン。
［実施形態７］
上記ＡＲが約５．０、上記Ｚ”が約５％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約４．３、上記Ｚ”が約６％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約３．０、上記Ｚ”が約１０％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約１．７、上記Ｚ”が約２１％、及び上記αが約２８度である、実施形態６に記載の蒸気タービン。
［実施形態８］
上記翼形部が各々回転翼形部を構成し、上記第２の距離Ｙ’の方向が上記凹状面から離れて上記凸状面に向かっている、実施形態６に記載の蒸気タービン。
［実施形態９］
上記翼形部が各々回転翼形部を構成し、上記第２の横断面が上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される、実施形態６に記載の蒸気タービン。
［実施形態１０］
上記翼形部が各々固定翼形部を構成し、上記第２の距離Ｙ’の方向が上記凹状面から離れて上記凸状面に向かっている、実施形態６に記載の蒸気タービン。
［実施形態１１］
１以上の蒸気発生源、１以上の膨張セクション、及び１以上の凝縮セクションを備えた蒸気タービンシステムであって、上記１以上の膨張セクションが、回転軸と、外側境界及び内側境界により定められる１以上の環状蒸気通路とを備え、複数の翼形部が、上記外側境界と上記内側境界との間で上記回転軸の周りに接線方向に配列され且つ上記外側境界又は上記内側境界から半径方向に延び、上記翼形部が各々、凹状面、凸状面、前縁、後縁、第１の端壁、及び第２の端壁を備え、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間の実質的に半径方向の距離によって有効長が定められ、上記有効長の約５０％の半径方向距離における実質的に軸方向での上記前縁と上記後縁との間の距離により軸方向幅が定められ、上記有効長を上記軸方向幅で除算したものがアスペクト比（ＡＲ）を定め、上記タービン翼形部が更に、上記第１の端壁と上記第２の端壁との間で実質的に半径方向に配置されるスタッキング軸の周りで軸方向−接線方向平面で配置された複数の半径方向積層断面を備え、上記各断面が、凹状面、凸状面、前縁、及び後縁の一部を含み、上記タービン翼形部が更に、第１の横断面と第２の横断面との間に配置された上記有効長の一定割合として定義され、上記第２の横断面が上記第１の端壁又は上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される第１の距離Ｚ”と、上記スタッキング軸及び上記第１の横断面間の交点と、上記スタッキング軸及び上記第２の横断面間の交点との間で実質的に接線方向に配置される距離として定義される第２の距離Ｙ’と、正接が上記第２の距離Ｙ’を上記第１の距離Ｚ’で除算した値に等しい角度αと、を備え、上記ＡＲが約３以上で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２０％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３５度未満であるか、又は、上記ＡＲが約２以上且つ約３未満で、上記Ｚ”が約３％より大きく且つ約２７％未満、及び上記αが約８度より大きく且つ約３８度未満であるか、又は、上記ＡＲが約１以上且つ約２未満で、上記Ｚ”が約５％より大きく且つ約４５％未満、及び上記αが約１０度より大きく且つ約４８度未満である、蒸気タービンシステム。
［実施形態１２］
上記ＡＲが約５．０、上記Ｚ”が約５％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約４．３、上記Ｚ”が約６％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約３．０、上記Ｚ”が約１０％、及び上記αが約１９度であるか、又は上記ＡＲが約１．７、上記Ｚ”が約２１％、及び上記αが約２８度である、実施形態１１に記載の蒸気タービンシステム。
［実施形態１３］
上記翼形部が各々回転翼形部を構成し、上記第２の距離Ｙ’の方向が上記凹状面から離れて上記凸状面に向かっている、実施形態１１に記載の蒸気タービンシステム。
［実施形態１４］
上記翼形部が各々回転翼形部を構成し、上記第２の横断面が上記第２の端壁と同一平面上にあり且つ実質的に同じ半径方向スパンに配置される、実施形態１１に記載の蒸気タービンシステム。
［実施形態１５］
上記翼形部が各々固定翼形部を構成し、上記第２の距離Ｙ’の方向が上記凹状面から離れて上記凸状面に向かっている、実施形態１１に記載の蒸気タービンシステム。
【符号の説明】
【００３７】
１０  蒸気タービンシステム
１２  ボイラー、蒸気発生源
１４  パイプ
１６  高圧（ＨＰ）タービン膨張セクション
１８  パイプ
２０  再熱器
２２  パイプ
２４  中圧（ＩＰ）タービン膨張セクション
２６  パイプ
２８  低圧（ＬＰ）タービン膨張セクション
３０  パイプ
３２  凝縮セクション
３４  パイプ
３６  回転シャフト
１００  環状蒸気通路
１０２  流れ方向を示す矢印
１０５  固定ブレード列
１１０  固定翼形部
１１５  環状ケーシング、外側境界
１２０  回転ブレード列
１２５  回転翼形部
１３０  ディスク、回転要素、内側境界
１３５  回転軸
１３６  長さＲ−ＩＤ
１３７  長さＲ−ピッチ
１３８  長さＲ−ＯＤ
１４０  回転方向を示す矢印
２００  翼形部
２０５  凹状面
２１０  凸状面
２１５  前縁
２２０  後縁
２２５  第１の端壁
２３０  第２の端壁
２３５  有効長
２４０  軸方向幅
２４５  断面
２５０  スタッキング軸
２６０  半径方向オフセットＺ’、半径方向スパン率Ｚ”
２６５  第１の横断面
２７０  第２の横断面
２７５  接線方向オフセットＹ’
２８０  角度α
【図１】
2016130514.tif 000003
【図２】
2016130514.tif 000004
【図３】
2016130514.tif 000005
【図４】
2016130514.tif 000006
【図５】
2016130514.tif 000007
【図６】
2016130514.tif 000008
【図７】
2016130514.tif 000009
【図８】
2016130514.tif 000010
【図９】
2016130514.tif 000011
【図１０】
2016130514.tif 000012
【外国語明細書】
2016130514000001.pdf