(57)【要約】【課題】タービンの最終段において、根元反動を増大させて、二次流を制御し、局所ハブスワールを低減すること【解決手段】タービンに配置されたタービンノズルは、タービンノズルの長手方向軸線を横断してタービンノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ長手方向軸線に沿って半径方向でノズルの高さを延びる負圧側面と、負圧側面の反対側に配置され、タービンノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向でノズルの高さを延びる正圧側面と、ノズルの負圧側面上に配置され、半径方向及び軸方向の両方に横断する方向で負圧側面の他の部分に対して突出するバルジと、を含む。【選択図】      図１
2017015080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（１６）に配置されるよう構成されたタービンノズル（３６）であって、
前記タービンノズル（３６）の長手方向軸線（１１２）を横断して前記タービンノズル（３６）の前縁（４４）と後縁（４６）との間に軸方向（２８）に延び且つ前記長手方向軸線（１１２）に沿って半径方向（３２）で前記タービンノズル（３６）の高さ（５４）を延びる負圧側面（５０）と、
前記負圧側面（５０）の反対側に配置され、前記タービンノズル（３６）の前縁（４４）と後縁（４６）との間に軸方向（２８）に延び且つ半径方向（３２）で前記タービンノズル（３６）の高さ（５４）を延びる正圧側面（４８）と、
前記タービンノズル（３６）の負圧側面（５０）上に配置され、前記半径方向（３２）及び軸方向（２８）の両方に横断する方向で前記負圧側面（５０）の他の部分に対して突出するバルジ（５２）と、
を備える、タービンノズル（３６）。
【請求項２】
前記バルジ（５２）は、前記ノズル（３６）の高さ（５４）の第１のパーセンテージにある開始高さにて突出し始め、前記ノズル（３６）の高さ（５４）の第２のパーセンテージにて最大突出部（１０４）に達し、前記ノズル（３６）の高さ（５４）の第３のパーセンテージにある終了高さにて突出が終わる、請求項１に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項３】
前記ノズル（３６）の高さ（５４）の第１のパーセンテージが、前記タービンノズル（３６）の高さの０％〜２０％の間である、請求項２に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項４】
前記バルジ（５２）の最大突出部（１０４）が、前記ノズル（３６）の高さ（５４）の０．５％〜１０．０％の間である、請求項２に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項５】
前記バルジ（５２）の最大突出部（１０４）が、前記ノズル（３６）の高さ（５４）の０．５％〜５．０％の間である、請求項２に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項６】
前記ノズル（３６）の高さ（５４）の第２のパーセンテージが、２０％と４０％の間である、請求項２に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項７】
前記ノズル（３６）の高さ（５４）の第３のパーセンテージが、５０％と６０％の間である、請求項２に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項８】
前記バルジ（５２）が、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の前記負圧側面（５０）の長さの少なくとも半分よりも多く延びる、請求項１に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項９】
前記バルジ（５２）が、前記負圧側面（５０）の長さ全体に沿って延びる、請求項１に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項１０】
前記ノズル（３６）が、前記半径方向（３２）で前記タービン（１６）の回転軸線（２６）から延びる平面（３０）に対して前記正圧側面（４８）への傾斜（１０８）を有する、請求項１に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項１１】
前記正圧側面（４８）への傾斜（１０８）が、０度よりも大きく、５度以下である、請求項１０に記載のタービンノズル（３６）。
【請求項１２】
タービン（１６）と、第１の環状壁（４０）と、第２の環状壁（４２）と、回転軸線（２６）の周りで前記第１及び第２の環状壁（４０，４２）の間に環状に配置された複数のノズル（３６）を含む最終段（２０）と、を備えたシステムであって、
前記複数のノズルの各ノズル（３６）が、
前記第１及び第２の環状壁（４０，４２）間に延びる高さ（５４）と、
前縁（４４）と、
前記前縁（４４）の下流側に配置される後縁（４６）と、
前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間に軸方向（２８）に延び且つ半径方向（３２）で前記ノズル（３６）の高さ（５４）を延びる負圧側面（５０）と、
前記負圧側面（５０）の反対側に配置され、前記ノズル（３６）の前縁（４４）と後縁（４６）との間に軸方向（２８）に延び且つ半径方向（３２）で前記ノズル（３６）の高さ（５４）を延びる正圧側面（４８）と、
前記タービンノズル（３６）の負圧側面（５０）上に配置され、前記回転軸線（２６）から延びる半径方向平面（３０）に横断する方向で突出するバルジ（５２）と、
を含む、システム。
【請求項１３】
前記前縁（４４）及び前記後縁（４６）が、前記半径方向（３２）で前記回転軸線（２６）から延びる半径方向平面（３０）に対して前記正圧側面（４８）に向う傾斜（１０８）を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数のノズルの各ノズル（３６）が、前記半径方向平面（３０）に対して前記正圧側面（４８）へ３度の角度が付けられている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記バルジ（５２）の最大突出部（１０４）が、前記ノズル（３６）の高さ（５４）の０．５％〜５．０％の間である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記バルジ（５２）の最大突出部（１０４）が、前記ノズル（３６）の高さ（５４）の２０％と４０％の間で生じる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
スロート（Ｄ0）分布の無次元表現が、近似的に次式、
ｙ＝−０．０００００００８７７ｘ3＋０．０００１６１ｘ2−０．００２２２ｘ＋０．８１９
であり、ここでｘは対向する環状壁（４０，４２）間のスパン位置、ｙは無次元スロート（Ｄ0）分布である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記複数のノズル（３６）の各ノズル（３６）の最大厚さ（Ｔｍａｘ）の無次元表現が、近似的に次式、
ｙ＝−０．００００００００８０３ｘ4＋０．０００００２２４ｘ3−０．０００２２８ｘ2＋０．０１０４ｘ＋０．８２０
であり、ここでｘは対向する環状壁（４０，４２）間のスパン位置、ｙは、スパン位置での最大厚さ（Ｔｍａｘ）を５０％スパンでの最大厚さ（Ｔｍａｘ）で除算したものである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記複数のノズル（３６）の各ノズル（３６）の最大厚さ（Ｔｍａｘ）を軸方向翼弦（５６）で除算したものの無次元表現が、近似的に次式、
ｙ＝−０．００００００００３１８ｘ4＋０．００００００８７５ｘ3−０．００００８４２ｘ2＋２．３７ｘ０．３２２
であり、ここでｘは対向する環状壁（４０，４２）間のスパン位置、ｙは、スパン位置での最大厚さ（Ｔｍａｘ）を軸方向翼弦（５６）で除算したものであり、前記軸方向翼弦（５６）は、前記軸方向２８において前記複数のノズルの各ノズル（３６）の深さである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２０】
タービン（１６）と、第１の環状壁（４０）と、第２の環状壁（４２）と、回転軸線（２６）の周りで前記第１及び第２の環状壁（４０，４２）の間に環状に配置された複数のノズル（３６）を含む最終段（２０）と、を備えたシステムであって、
前記複数のノズルの各ノズル（３６）が、
前記第１及び第２の環状壁（４０，４２）間に延びる高さ（５４）と、
前縁（４４）と、
前記前縁（４４）の下流側に配置される後縁（４６）と、
前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間に軸方向（２８）に延び且つ半径方向（３２）で前記ノズル（３６）の高さ（５４）を延びる負圧側面（５０）と、
前記負圧側面（５０）の反対側に配置され、前記ノズル（３６）の前縁（４４）と後縁（４６）との間に軸方向（２８）に延び且つ半径方向（３２）で前記ノズル（３６）の高さ（５４）を延びる正圧側面（４８）と、
前記タービンノズル（３６）の負圧側面（５０）上に配置され、前記回転軸線（２６）から延びる半径方向平面（３０）に横断する方向で突出するバルジ（５２）と、
を含み、前記複数のノズルの各ノズル（３６）が、前記正圧側面（４８）に向って前記半径方向平面（３０）に対して角度が付けられる、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械のタービンにおける最終ノズル段に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのようなターボ機械は、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むことができる。圧縮機においてガスが圧縮されて燃料と混合され、次いで、燃焼室に送給され、ここでガス／燃料混合気が燃焼する。次に、高温及び高エネルギー排気流体がタービンに送給され、ここで流体のエネルギーが機械エネルギーに変換される。タービンの最終段において、低根元反作用により、主流方向を横断する二次流が誘起される可能性がある。二次流は、最終段の効率に悪影響を与え、望ましくない局所的ハブスワールをもたらし、ディフューザの性能に悪影響を及ぼす。従って、根元反動を増大させて、二次流を制御し、局所ハブスワールを低減することが有利となる。
【発明の概要】
【０００３】
最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。
【０００４】
第１の実施形態において、タービンに配置されるよう構成されたタービンノズルは、タービンノズルの長手方向軸線を横断してタービンノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ長手方向軸線に沿って半径方向でノズルの高さを延びる負圧側面と、負圧側面の反対側に配置され、タービンノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向でノズルの高さを延びる正圧側面と、ノズルの負圧側面上に配置され、半径方向及び軸方向の両方に横断する方向で負圧側面の他の部分に対して突出するバルジと、を含む。
【０００５】
第２の実施形態において、システムは、第１の環状壁と、第２の環状壁と、回転軸線の周りで環状に配置された複数のノズルを含む最終ノズル段と、を含むタービンを備える。各ノズルは、第１及び第２の環状壁間に延びる高さと、前縁と、前縁の下流側に配置される後縁と、前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向でノズルの高さを延びる負圧側面と、負圧側面の反対側に配置され、ノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向でノズルの高さを延びる正圧側面と、タービンノズルの負圧側面上に配置され、回転軸線から延びる半径方向平面に横断する方向で突出するバルジと、を含む。
【０００６】
第３の実施形態において、システムは、第１の環状壁と、第２の環状壁と、回転軸線の周りで環状に配置された複数のノズルを含む最終段と、を含むタービンを備える。各ノズルは、第１及び第２の環状壁間に延びる高さと、前縁と、前縁の下流側に配置される後縁と、前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向でノズルの高さを延びる負圧側面と、負圧側面の反対側に配置され、ノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向でノズルの高さを延びる正圧側面と、タービンノズルの負圧側面上に配置され、回転軸線から延びる半径方向平面に横断する方向で突出するバルジと、を含み、複数のノズルの各ノズルは、正圧側面に向って半径方向平面に対して角度が付けられる。
【０００７】
本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通じて同じ参照符号が同じ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ことにより、一層よく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の態様による、ターボ機械の１つの実施形態の概略図。
【図２】本開示の態様による、ノズルの１つの実施形態の正面斜視図。
【図３】本開示の態様による、タービンの１つの段における負圧バルジ（膨出部）を有して設計されたノズルの部分アレイの１つの実施形態の正面図。
【図４】本開示の態様による、タービンの１つの段における負圧バルジを有して設計されたノズルの部分アレイの１つの実施形態の後面図。
【図５】本開示の態様による、２つの隣接するノズルの上面図。
【図６】本開示の態様による、タービンの１つの段における隣接するノズルによって定められる無次元スロート分布のグラフ。
【図７】本開示の態様による、最大ノズル厚さの無次元分布を５０％スパンでの最大ノズル厚さで除算したもののグラフ。
【図８】本開示の態様による、最大ノズル厚さの無次元分布を半径方向翼弦で除算したもののグラフ。
【図９】本開示の態様による、負圧側面バルジを有するノズルの断面図。
【図１０】本開示の態様による、半径方向スタック翼形部に対して正圧側面に向って角度が付けられたノズルの概略図。
【図１１】本開示の態様による、半径方向スタック翼形部と比べて３度の正圧側面傾斜を有するノズルの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実施構成の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実施構成毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実施時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【００１０】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１１】
ガスタービンエンジンにおける燃焼の後、排気流体が燃焼器から出てタービンに流入する。低根元反動は、タービンの最終段において強い二次流（すなわち、主流方向を横断する流れ）を誘起し、最終段の効率を低下させる可能性がある。加えて、バケットハブ内又はその周囲の二次流は、望ましくないスワールをもたらし、バケット出口流プロファイルにおいてスワールスパイクとして現れ、ディフューザの性能に悪影響を及ぼす可能性がある。負圧側面上のバルジ（膨出部）、最終段に実装される正圧側面に向けた僅かな傾斜、及びハブ領域付近のスロートの開口を有するノズルを用いて、反動根元を可能にし、すなわち、二次流及び望ましくないスワールを低減することができる。
【００１２】
ここで図面を参照すると、図１は、ターボ機械１０（例えば、ガスタービンエンジン）の１つの実施形態の概略図である。図１に示すターボ機械１０は、圧縮機１２、燃焼器１４及びタービン１６を含むことができる。空気又は他の一部のガスは、圧縮機１２において圧縮されて燃料と混合され、燃焼器１４に送給された後、燃焼する。排気流体はタービン１６に送給され、ここで排気流体からのエネルギーが機械エネルギーに変換される。タービンは、最終段２０を含む、複数の段１８を備える。各段１８は、軸方向に整列したブレード又はバケットの環状アレイを有して回転軸２６の周りで回転する回転シャフトに結合されたロータと、ノズルの環状アレイを有するステータと、を含むことができる。従って、最終段２０は、最終段ステータ２２と最終段ロータ２４とを含むことができる。明確にするために、図１は、軸方向２８、半径方向３２、及び円周方向３４を有する座標系を含む。加えて、半径方向平面３０が図示される。半径方向平面３０は、軸方向;２８（回転軸２６に沿って）に一方向で延び、次いで、半径方向に外向きに延びる。
【００１３】
図２は、ノズル３６の１つの実施形態の正面斜視図（すなわち、ほぼ下流側に見た図）である。最終段２０におけるノズル３６は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間で半径方向３２に延びるように構成される。各ノズル３６は、翼形部型形状を有し、排気流体がタービン１６を通って軸方向２８にほぼ下流側に流れるときに燃焼器１４からの排気流体と空力的に相互作用するよう構成することができる。各ノズル３６は、前縁４４と、該前縁４４の軸方向２８で下流側に配置された後縁４６と、正圧側面４８と、負圧側面５０とを有する。正圧側面４８は、前縁４４と後縁４６との間で軸方向２８に延び、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間で半径方向３２に延びる。負圧側面５０は、前縁４４と後縁４６との間で軸方向２８に延び、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間で正圧側面４８とは反対方向の半径方向３２に延びる。最終段２０におけるノズル３６は、ノズル３６の正圧側面４８が隣接するノズル３６の負圧側面５０に面するように構成される。排気流体がノズル３６間で通路３８に向って且つ通路３８を通って流れると、排気流体は、ノズル３６と空力的に相互作用して、排気流体が軸方向２８に対し角運動量を有して流れるようになる。低い根元反動は、タービンの最終ブレード段２０において強い二次流及び望ましくないスワールを発生させ、ブレード段２０の効率及びディフューザの性能を低下させる可能性がある。負圧側面の下側部分から突出する（及び一部の実施形態では正圧側面４８に向けて僅かに傾斜している）バルジ５２（ハブ領域付近でスロートを開いている）を有するノズル３６（及び一部の実施形態では正圧側面４８に向けて僅かに傾斜している）が実装された最終ノズル段２４は、根元反動を引き起こし、従って、二次流及び望ましくないスワールを低減することができる。
【００１４】
図３及び４は、タービン１６の最終ノズル段２４において負圧側面のバルジ５２を有して設計された、第１及び第２の環状壁４０，４２間で半径方向３２に延びるノズル３６の部分アレイの正面斜視図（すなわち、軸方向２８でほぼ下流側に面している）及び後方斜視図（すなわち、軸方向２８に対してほぼ上流側に面している）をそれぞれ示す。ノズル３６間の通路３８の幅は、幅Ｗ１を有するノズル３６の底部付近で始まる。通路３８の幅Ｗ２は、バルジ５２が最大であるときに最小で、半径方向３２でノズル３６の高さ５４方向で約２０〜４０％であり、通路３８の幅Ｗ３，Ｗ４は、バルジ５２が小さくなったときにノズル３６の頂部に向って大きくなる。
【００１５】
図５は、２つの隣接するノズル３６の上面図である。底部ノズル３６の負圧側面５０が頂部ノズルの正圧側面４８にどのように面しているかに留意されたい。軸方向翼弦５６は、ノズル３６の軸方向の寸法である。段１８の２つの隣接するノズル３６間の通路３８は、２つの隣接するノズル３６間の通路３８の最狭窄領域で測定したスロートＤ0を定める。流体は、通路３８を通って軸方向２８に流れる。ノズル３６の高さに沿ったＤ0のこの配置については、図６に関してより詳細に検討する。所与の高さでの各ノズル３６の最大厚さがＴｍａｘで示される。ノズル３６の高さにわたるＴｍａｘの配置については、図７及び８に関して以下で詳細に検討する。
【００１６】
図６は、最終段２０における隣接するノズル３６によって定められるスロートＤ0の配置が曲線６０として示されたプロット５８である。縦軸６２（Ｘ）は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２でのパーセントスパン、すなわち、半径方向３２のノズル３６の高さ５４に沿ったパーセントスパンを表している。換言すると、０％スパンは第１の環状壁４０を表し、１００％スパンは、第２の環状壁４２を表し、０％と１００％の間の任意の点は、ノズル３６の高さ５４に沿った半径方向３２の環状壁４０，４２間のパーセント距離に相当する。横軸６４（Ｙ）は、所与のパーセントスパンにおける２つの隣接するノズル３６間の最短距離Ｄ0をノズル３６の全体高さにわたる平均Ｄ0（Ｄ0AVG）で除算したものを示している。除算Ｄ0／Ｄ0AVGによりプロット５８が無次元となり、よって曲線６０は、ノズル段２２が異なる用途でスケールが拡大又は縮小されても同じままである。横軸が単にＤ0であるタービンの単一サイズの場合でも、同様のプロットが形成される。所与のパーセントスパンにおけるＤ0／Ｄ0AVG（すなわち、Ｙ）は、以下の式（許容差±５％）を用いて求めることができる。
ｙ＝−０．０００００００８７７ｘ3＋０．０００１６１ｘ2−０．００２２２ｘ＋０．８１９      （式１）
図６から分かるように、第１の環状壁４０すなわち点６６から半径方向３２で移動するときに、バルジ５２は、約８０％の平均Ｄ0でＤ0を維持している。点６８において、バルジ５２の中間付近（例えば、ノズルの高さ５４の上方約３０％）では、バルジ５２は後退し始め、Ｄ0は、第２の環状壁４２すなわち点７０での平均Ｄ0の約１．３倍になる。このスロートＤ0の配置は、最終ブレード段２０において根元反動を引き起こし、これにより最終ブレード段の効率及びディフューザ性能が改善され、タービンの出力の実質的な増大をもたらすことができる。一部の実施形態においては、１．７ＭＷよりも大きい出力の増大をもたらすことができる。
【００１７】
図７は、従来設計７６のノズルと比較した、曲線７４としてＴｍａｘ／５０％スパンＴｍａｘの分布のプロット７２である。縦軸７８（Ｘ）は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２でのパーセントスパン、すなわち、半径方向３２のノズル３６の高さ５４に沿ったパーセントスパンを表している。横軸８０（Ｙ）は、所与のパーセントスパンにおけるノズル３６の最大厚さＴｍａｘを５０％スパンのＴｍａｘで除算したものを表している。除算Ｔｍａｘ／５０％スパンＴｍａｘによりプロット７２が無次元となり、よって曲線７４は、ノズル段２２が異なる用途でスケールが拡大又は縮小されても同じままである。横軸が単にＴｍａｘであるタービンの単一サイズの場合でも、同様のプロットが形成される。所与のパーセントスパンにおけるＴｍａｘ／５０％スパンＴｍａｘは、以下の式（許容差±５％）を用いて求めることができる。
ｙ＝−０．００００００００８０３ｘ4＋０．０００００２２４ｘ3−０．０００２２８ｘ2＋０．０１０４ｘ＋０．８２０      （式２）
図７で分かるように、第１の環状壁４０すなわち点８２から半径方向３２で移動すると、Ｔｍａｘは、５０％スパンでのＴｍａｘの約８３％で始まり、次いで、急激に５０％スパンＴｍａｘに近づく。３５％〜約６０％スパンまでは、Ｔｍａｘは、５０％スパンＴｍａｘと実質的に同じである。点８４又は約６０％スパンでは、Ｔｍａｘは、５０％スパンＴｍａｘから逸れて、ノズル２２が第２の環状壁４２又は点８６に達するまで５０％スパンＴｍａｘよりも大きいままである。
【００１８】
図８は、従来設計９０のノズルと比較した、曲線８８としてのＴｍａｘ／軸方向翼弦の分布のプロット８６である。縦軸９２（Ｘ）は、第１の環状壁４０と第２の環状壁４２との間の半径方向３２でのパーセントスパン、すなわち、半径方向３２のノズル３６の高さ５４に沿ったパーセントスパンを表している。横軸９４（Ｙ）は、所与のパーセントスパンにおけるノズル３６の最大厚さＴｍａｘを軸方向翼弦５６すなわち軸方向２８のノズルの寸法で除算したものを表している。除算Ｔｍａｘ／軸方向翼弦５６によりプロット８６が無次元となり、よって曲線８８は、ノズル段２２が異なる用途でスケールが拡大又は縮小されても同じままである。所与のパーセントスパンにおけるＴｍａｘ／軸方向翼弦は、以下の式（許容差±５％）を用いて求めることができる。
ｙ＝−０．００００００００３１８ｘ4＋０．００００００８７５ｘ3−０．００００８４２ｘ2＋２．３７ｘ０．３２２      （式３）
図８から分かるように、第１の環状壁４０すなわち点９６から半径方向３２で移動すると、Ｔｍａｘは、従来設計よりも小さい値で始まるが、バルジが点９８での従来設計から最大の逸れに達すると、従来設計よりも大きくなる。点９８から第２の環状壁４２（点１００）までは、Ｔｍａｘは、従来設計のＴｍａｘに接近する。この最大厚さＴｍａｘの分布は、最終ブレード段２０における根元反動を引き起こし、これにより最終ブレード段の効率及びディフューザ性能が改善され、タービンの出力の実質的な増大をもたらすことができる。一部の実施形態においては、１．７ＭＷよりも大きい出力の増大をもたらすことができる。
【００１９】
図９は、負圧側面５０のバルジ５２を備えたノズル３６の側方断面図である。図９の破線１０２は、半径方向にスタックされたノズル（すなわち、バルジ５２なしの類似のノズル設計）の負圧側壁１０２を表している距離１０４は、バルジ５２が最大突出となるノズル３６の高さ５４に沿った点において、バルジ５２無しの半径方向スタックノズルの仮想負圧側面１０２からバルジ５２が突出する距離を表している。図９で分かるように、バルジ５２は、ノズル３６の高さの約０〜２０％の位置にて突出を始めることができる。すなわち、バルジ５２を有するノズル３６のプロファイルは、ノズル３６の底部（すなわち、ノズル３６が第１の環状壁４０と接触する場所）からノズル３６の高さ５４の約２０％までの何れかの点にて半径方向スタックノズルの仮想負圧側壁１０２から逸れ始めることができる。例えば、バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の約０％、２％、５％、１５％、又は２０％、もしくはこれらの間の何れかにて突出し始めることができる。他の実施形態において、バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の１％〜１５％の間、又は５％〜１０％の間で突出し始めることができる。バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の約０．５％〜１０％の間の最大突出部１０４（すなわち、半径方向スタックノズルの負圧側壁１０２から最大の偏位）を有することができる。或いは、最大バルジ突出部１０４は、ノズル３６の高さ５４の約０．５％〜５．０％、又は１．０％〜４．０％の間とすることができる。バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の約２０％〜３０％の間（すなわち、第１の環状壁４０から第２の環状壁４２までのスパンの約２０％〜３０％）でその最大突出部１０４に達することができる。例えば、最大バルジ突出部は、ノズル３６の高さ５４の約２０％，２２％，２４％，２６％，２８％，又は３０％、又はこれらの間の何れかで生じることができる。一部の実施形態において、バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の約２０％〜３０％の間、２２％〜２８％の間、又は２３％〜２７％の間でその最大突出部１０４に達することができる。最大突出部１０４に達すると、負圧側面にバルジ５２を有するノズル３６のプロファイルは、半径方向スタックノズルの負圧側壁１０２に収束し始める。バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の約５０％〜６０％の間（すなわち、第１の環状壁４０から第２の環状壁４２までのスパンの約５０％〜６０％の間）の点にて終端することができる（すなわち、負圧側面にバルジ５２を有するノズル３６のプロファイルは、半径方向スタックノズルの負圧側壁１０２に収束する）。他の実施形態において、バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の約５２％〜５８％、５３％〜５７％、又は５４％〜５６％の間の点にて終端することができる。すなわち、バルジ５２は、ノズル３６の高さ５４の約５０％，５２％，５４％，５６％，５８％，又は６０％、又はこれらの間の何れかで終端することができる。一部の実施形態において、バルジ５２は、前縁４４から後縁４６まで軸方向２８で負圧側面５０の全長に沿って延びることができる。他の実施形態において、バルジ５２は、前縁４４と後縁４６の間で負圧側面５０の一部に沿ってのみ延びることができる。負圧側面５０上にバルジ５２を有するノズル３６が実装された最終段ステータ２２は、根元反動を引き起こし、これは、二次流及び望ましくないスワールを低減する一助となる。開示の技法の実装により、最終段及びディフューザ両方の性能が向上し、ターボ機械の出力に大きな利点をもたらすことができる。一部の実施形態において、開示された技法は、約２００ＫＷ又はそれよりも大きな最終ブレード段の性能改善を行うことができ、約１５００ＫＷ又はそれよりも大きなディフューザ性能の改善を行い、全体として約１７００ＫＷ又はそれよりも大きな恩恵をもたらすことができる。しかしながら、開示技法の実装により得られる恩恵は、ターボ機械毎に異なる可能性があることは、理解されたい。
【００２０】
一部の実施形態において、ノズル３６は、半径方向スタック翼形部１０６に比べて、正圧側面４８に対して傾斜又は角度を付けることができる。図１０は、半径方向スタック翼形部１０６に比べて、正圧側面４８に向けて角度が付けられたノズル３６の概略図を示す。すなわち、ノズル３６は、半径方向平面３０から正圧側面４８（すなわち、円周方向３４で）に向けて傾斜角１０８を有することができる。図１０は、縮尺通りではなく、明確にするために一部の実施形態で見られる傾斜１０８よりも大きいか又は小さく示される場合がある点に留意されたい。半径方向スタック翼形部１０６は、半径方向平面３０に沿って半径方向３２に延びる長手方向軸線を有し、タービン１６の回転軸線２６と交差することができる点に留意されたい。対照的に、ノズル３６の長手方向軸線１１２は、半径方向平面３０からノズル３６の正圧側面４８に向けて角度１０８だけ角度を付けることができる。ノズル３６の長手方向軸線１１２は、点１１４にて又は第１の環状壁４０付近で半径方向平面３０と交差することができ、タービン１６の回転軸線２６とは交差しないようにすることができる。
【００２１】
図１１は、半径方向スタック翼形部１０６と比べて、約３度の正圧側面４８の傾斜を有するノズル３６の斜視図を示す。すなわち、ノズル３６は、半径方向平面３０から正圧側面４８に向って（すなわち、円周方向３４で）３度傾斜することができる。傾斜１０８は、０〜５度の間の何れかとすることができる。図１１に示す実施形態において、正圧側面４８の傾斜１０８は３度である。しかしながら、傾斜１０８は、０〜５度の間の正圧側面４８に向けたあらゆる角度の傾斜とすることができる点は理解されたい。正圧側面４８の傾斜１０８を有するノズル３６は、段２４を通過する流体に対して体積力を作用し、流体をハブに向けて半径方向に押し付けるようにする。流体をハブに向けて押し付けることにより、根元反動が増大する。このようにして、負圧側面５０のバルジ５２及び正圧側面４８の傾斜１０８を有するノズル３６は、最終ブレード段２０において根元反動を増大させ、二次流及びスワールの低減、最終ブレード段２０の効率の向上、及びディフューザ性能の改善をもたらす。
【００２２】
開示の実施形態の技術的効果として、タービンに配置されたタービンノズルが、タービンノズルの前縁と後縁の間でタービンノズルの長手方向軸線を横断して軸方向に延び且つ長手方向軸線に沿ってノズルの高さを半径方向で延びる負圧側面と、負圧側面の反対側に配置され、タービンノズルの前縁と後縁の間で軸方向に延び且つノズルの高さを半径方向で延びる正圧側面と、ノズルの負圧側面上に配置され、半径方向及び軸方向の両方に横断する方向で負圧側面の他の部分に対して突出するバルジと、を含むことが挙げられる。バルジは、ノズル高さの約０％〜２０％の間の点で始まり、ノズル高さの約２０％〜４０％の間の点で最大に達して、ノズル高さの約５０％〜６０％の間の点で終端する。バルジは、ノズル高さの約０．５％〜１０．０％の間の最大幅を有することができる。加えて、ノズルは、半径方向スタックノズルと比べたときに正圧側面に向けて傾斜することができる。負圧側面上にバルジを有するノズルが実装された最終ノズル段は、根元反動を引き起こし、これは、二次流及び望ましくないスワールを低減する一助となる。一部の実施形態において、開示された技法は、約２００ＫＷ又はそれよりも大きな最終ブレード段の性能改善を行うことができ、約１５００ＫＷ又はそれよりも大きなディフューザ性能の改善を行い、全体として約１７００ＫＷ又はそれよりも大きな恩恵をもたらすことができる。しかしながら、開示技法の実装により得られる恩恵は、ターボ機械毎に異なる可能性があることは、理解されたい。
【００２３】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、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。
【００２４】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
タービンに配置されるよう構成されたタービンノズルであって、
上記タービンノズルの長手方向軸線を横断して上記タービンノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ上記長手方向軸線に沿って半径方向で上記タービンノズルの高さを延びる負圧側面と、
上記負圧側面の反対側に配置され、上記タービンノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向で上記タービンノズルの高さを延びる正圧側面と、
上記タービンノズルの負圧側面上に配置され、上記半径方向及び軸方向の両方に横断する方向で上記負圧側面の他の部分に対して突出するバルジと、
を備える、タービンノズル。
［実施態様２］
上記バルジは、上記ノズルの高さの第１のパーセンテージにある開始高さにて突出し始め、上記ノズルの高さの第２のパーセンテージにて最大突出部に達し、上記ノズルの高さの第３のパーセンテージにある終了高さにて突出が終わる、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様３］
上記ノズルの高さの第１のパーセンテージが、上記タービンノズルの高さの０％〜２０％の間である、実施態様２に記載のタービンノズル。
［実施態様４］
上記バルジの最大突出部が、上記ノズルの高さの０．５％〜１０．０％の間である、実施態様２に記載のタービンノズル。
［実施態様５］
上記バルジの最大突出部が、上記ノズルの高さの０．５％〜５．０％の間である、実施態様２に記載のタービンノズル。
［実施態様６］
上記ノズルの高さの第２のパーセンテージが、２０％と４０％の間である、実施態様２に記載のタービンノズル。
［実施態様７］
上記ノズルの高さの第３のパーセンテージが、５０％と６０％の間である、実施態様２に記載のタービンノズル。
［実施態様８］
上記バルジが、上記前縁と上記後縁との間の上記負圧側面の長さの少なくとも半分よりも多く延びる、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様９］
上記バルジが、上記負圧側面の長さ全体に沿って延びる、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様１０］
上記ノズルが、上記半径方向で上記タービンの回転軸線から延びる平面に対して上記正圧側面への傾斜を有する、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様１１］
上記正圧側面への傾斜が、０度よりも大きく、５度以下である、実施態様１０に記載のタービンノズル。
［実施態様１２］
第１の環状壁と、第２の環状壁と、回転軸線の周りで上記第１及び第２の環状壁（４０，４２）の間に環状に配置された複数のノズルを含む最終段と、を含むタービンを備えたシステムであって、
上記複数のノズルの各ノズルが、
上記第１及び第２の環状壁間に延びる高さと、
前縁と、
上記前縁の下流側に配置される後縁と、
上記前縁と上記後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向で上記ノズルの高さを延びる負圧側面と、
上記負圧側面の反対側に配置され、上記ノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向で上記ノズルの高さを延びる正圧側面と、
上記タービンノズルの負圧側面上に配置され、上記回転軸線から延びる半径方向平面に横断する方向で突出するバルジと、
を含む、システム。
［実施態様１３］
上記前縁及び上記後縁が、上記半径方向で上記回転軸線から延びる半径方向平面に対して上記正圧側面に向う傾斜を有する、実施態様１２に記載のシステム。
［実施態様１４］
上記複数のノズルの各ノズルが、上記半径方向平面に対して上記正圧側面へ３度の角度が付けられている、実施態様１３に記載のシステム。
［実施態様１５］
上記バルジの最大突出部が、上記ノズルの高さの０．５％〜５．０％の間である、実施態様１２に記載のシステム。
［実施態様１６］
上記バルジの最大突出部が、上記ノズルの高さの２０％と４０％の間で生じる、実施態様１２に記載のシステム。
［実施態様１７］
スロート（Ｄ0）分布の無次元表現が、近似的に次式、
ｙ＝−０．０００００００８７７ｘ3＋０．０００１６１ｘ2−０．００２２２ｘ＋０．８１９
であり、ここでｘは対向する環状壁間のスパン位置、ｙは無次元スロート（Ｄ0）分布である、実施態様１２に記載のシステム。
［実施態様１８］
上記複数のノズルの各ノズルの最大厚さ（Ｔｍａｘ）の無次元表現が、近似的に次式、
ｙ＝−０．００００００００８０３ｘ4＋０．０００００２２４ｘ3−０．０００２２８ｘ2＋０．０１０４ｘ＋０．８２０
であり、ここでｘは対向する環状壁間のスパン位置、ｙは、スパン位置での最大厚さ（Ｔｍａｘ）を５０％スパンでの最大厚さ（Ｔｍａｘ）で除算したものである、実施態様１２に記載のシステム。
［実施態様１９］
上記複数のノズルの各ノズルの最大厚さ（Ｔｍａｘ）を軸方向翼弦で除算したものの無次元表現が、近似的に次式、
ｙ＝−０．００００００００３１８ｘ4＋０．００００００８７５ｘ3−０．００００８４２ｘ2＋２．３７ｘ０．３２２
であり、ここでｘは対向する環状壁間のスパン位置、ｙは、スパン位置での最大厚さ（Ｔｍａｘ）を軸方向翼弦で除算したものであり、上記軸方向翼弦は、上記軸方向２８において上記複数のノズルの各ノズルの深さである、実施態様１２に記載のシステム。
［実施態様２０］
タービンと、第１の環状壁と、第２の環状壁と、回転軸線の周りで上記第１及び第２の環状壁の間に環状に配置された複数のノズルを含む最終段と、を備えたシステムであって、
上記複数のノズルの各ノズルが、
上記第１及び第２の環状壁間に延びる高さと、
前縁と、
上記前縁の下流側に配置される後縁と、
上記前縁と上記後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向で上記ノズルの高さを延びる負圧側面と、
上記負圧側面の反対側に配置され、上記ノズルの前縁と後縁との間に軸方向に延び且つ半径方向で上記ノズルの高さを延びる正圧側面と、
上記タービンノズルの負圧側面上に配置され、上記回転軸線から延びる半径方向平面に横断する方向で突出するバルジと、
を含み、上記複数のノズルの各ノズルが、上記正圧側面に向って上記半径方向平面に対して角度が付けられる、システム。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ターボ機械
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  段
２０  最終段
２２  最終段ステータ（ノズル）
２４  最終段ロータ（ブレード）
２６  回転軸
２８  軸方向
３０  半径方向平面
３２  半径方向
３４  円周方向
３６  ノズル
３８  通路
４０  第１の環状壁
４２  第２の環状壁
４４  前縁
４６  後縁
４８  正圧側面
５０  負圧側面
５２  バルジ
５４  ノズル高さ
５６  軸方向翼弦
５８  プロット
６０  曲線
６２  縦軸
６４  横軸
６６  点
６８  点
７０  点
７２  プロット
７４  曲線（本発明のノズル）
７６  曲線（従来設計）
７８  縦軸
８０  横軸
８２  点
８４  点
８６  プロット
８８  曲線
９０  曲線（従来設計）
９２  縦軸
９４  横軸
９６  点
９８  点
１００  点
１０２  半径方向スタック負圧側壁
１０４  最大バルジ幅
１０６  半径方向スタック翼形部
１０８  傾斜
１１０  半径方向スタック翼形部の長手方向軸線
１１２  ノズルの長手方向軸線
１１４  交差部
【図１】
2017015080.tif 000003
【図２】
2017015080.tif 000004
【図３】
2017015080.tif 000005
【図４】
2017015080.tif 000006
【図５】
2017015080.tif 000007
【図６】
2017015080.tif 000008
【図７】
2017015080.tif 000009
【図８】
2017015080.tif 000010
【図９】
2017015080.tif 000011
【図１０】
2017015080.tif 000012
【図１１】
2017015080.tif 000013
【外国語明細書】
2017015080000001.pdf