JP2007064221A - 静翼輪郭の最適化 - Google Patents

Abstract

【課題】それぞれの特定の段ごとに、熱的および機械的動作要件を満たした、圧縮機内に配置される静翼エーロフォイルを提供すること。
【解決手段】表１に記載の、Ｘ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値にほぼ従った、被覆されていない輪郭を有する静翼（４０）用のエーロフォイル（６０）が提供される。この輪郭は、小数点以下第３位までのみ示され、表中、Ｚはエーロフォイルがその上に取り付けられるプラットフォーム（６２）からの距離であり、ＸおよびＹは、プラットフォームからの各距離Ｚにおける輪郭を画定する座標である。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、ガスタービン用の静翼に関し、より詳細には、第９段圧縮機静翼用の、新規で改良された輪郭に関する。

タービンエンジンの設計、製造、および使用では、タービン性能を最適化するために、より高い温度と、より高い動作圧力を用いて動作させる傾向が強まってきている。また、既存のタービンエーロフォイルおよび静翼が、それらの寿命に達した場合、エーロフォイルは交換することが望ましく、それと同時に、エーロフォイルを再設計することによってガスタービンの性能を高めて、動作温度および動作圧力の増大に対処することが望ましい。

従来型のエーロフォイルに比べて、性能の改善、動作温度の低下、クリープマージンの増大、および寿命の延長を実現するための、ガスタービン用のエーロフォイル輪郭が提案されてきている。例えば、タービンブレードのエーロフォイル輪郭の改良について記載した米国特許第５９８０２０９号を参照されたい。先端材料と新しい蒸気冷却システムによって、ガスタービンは、今や、少なくともいくつかの周知のタービンエンジンで可能であるよりも遙かに高い動作温度、機械的負荷、および圧力で動作し、対処することが可能となっている。
米国特許第５９８０２０９号

その結果、総合効率およびエーロフォイル負荷の改善を含めた設計目標を満たすために、多くのシステム要件が、タービンエンジンで使用される各圧縮機の各段ごとに満たされなければならない。特に、圧縮機内に配置される静翼のエーロフォイルは、それぞれの特定の段ごとに、熱的および機械的動作要件を満たさなければならない。

一態様では、静翼用のエーロフォイルが提供される。このエーロフォイルは、表Ｉに記載の、小数点以下第４位までのみ示されたＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値にほぼ従った、被覆されていない輪郭を有し、表中、Ｚは、エーロフォイルがその上に取り付けられるプラットフォームからの距離であり、ＸおよびＹは、プラットフォームからの各距離Ｚにおける輪郭を画定する座標である。

別の態様では、少なくとも１つの静翼の列を含む圧縮機が提供される。静翼はそれぞれ、基部と、そこから延びるエーロフォイルとを含む。これらのエーロフォイルの少なくとも１つは、エーロフォイル形状を有する。このエーロフォイル形状は、表Ｉに記載の、小数点以下第３位までのみ示されたＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、表中、Ｚは、エーロフォイルがその上に取り付けられるプラットフォームからの距離であり、ＸおよびＹは、プラットフォームからの各距離Ｚにおける輪郭を画定する座標である。

さらに他の態様では、静翼アセンブリが提供される。この静翼アセンブリは、基部と、基部から延びるエーロフォイルとを含む少なくとも１つの静翼を含む。このエーロフォイルは、表Ｉに記載の、小数点以下第３位までのみ示されたＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値にほぼ従った、被覆されていない輪郭を有し、表中、Ｚは、エーロフォイルがその上に取り付けられるプラットフォームからの距離であり、ＸおよびＹは、基部からの各距離Ｚにおける輪郭を画定する座標である。この輪郭は、所定の定数ｎによって拡大縮小可能であり（scalable）、所定の製造公差で製造可能である。

図１は、発電機１６に結合された、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンシステム１０は、単一のモノリシックロータまたはシャフト１８に配置された圧縮機１２、タービン１４、および発電機１６を含む。代替実施形態では、シャフト１８は、複数のシャフトセグメントに分割され、各シャフトセグメントは、隣接するシャフトセグメントに結合されてシャフト１８を形成する。圧縮機１２は、燃焼器２０に圧縮空気を供給し、この空気は、そこに供給される燃料２２と混合される。一実施形態では、エンジン１０は、サウスカロライナ・グリーンビルのゼネラル・エレクトリック・カンパニイから市販されている６Ｃガスタービンエンジンである。

動作に際しては、空気が圧縮機１２中を流れ、圧縮された空気が燃焼器２０に供給される。燃焼器２０からの燃焼ガス２８が、タービン１４を駆動（propel）する。タービン１４が、シャフト１８、圧縮機１２、および発電機１６を長手軸３０の周りで回転させる。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用できる例示的な静翼４０の拡大斜視図である。より具体的には、この例示的な実施形態では、静翼４０は、圧縮機１２（図１に示す）などの圧縮機内に結合される。図３は、１対の静翼４０の正面図であり、ガスタービンエンジン（図１に示す）などのロータアセンブリ内に組み入れられたときの、隣接する静翼４０との相対的な周方向の向きを示す。この例示的な実施形態では、静翼４０が、圧縮機１２（図１に示す）などの圧縮機の第９段の一部分を形成する。当業者には理解されるように、本明細書に記載の静翼は、当技術分野で周知の他の回転部材の応用例で用いても有利であろう。したがって、本明細書における説明は単に例示の目的で記載するにすぎず、本発明の適用を、特定の静翼、圧縮機、またはタービンに限定するものではない。

以下で説明するように、本発明のエーロフォイル輪郭は、圧縮機１２内の他の段との所望の相互作用を得、圧縮機１２の空気力学的効率を向上させ、かつ、圧縮機が動作する間、各静翼の空気力学的負荷および機械的負荷を最適化するのに、圧縮機１２の第９段において最適であると考えられる。

ロータアセンブリ内に組み入れる際、各静翼４０は、シャフト１８（図１に示す）などのロータシャフトの周りを円周方向に延びるエンジンケーシング（図示せず）に結合させる。当技術分野で周知のように、完全に組み立てると、静翼４０の円周方向の各列は、ロータブレード（図示せず）の隣接する列同士の間に軸方向に位置することになる。より具体的には、静翼４０は、エンジン性能を高める一助となるように、ロータアセンブリ中に流体を流すように向けてある。例示の実施形態では、円周方向に隣接する静翼４０は互いに同一であり、それぞれ、ロータアセンブリ内に画定された流路を半径方向に横切って延びている。さらに、各静翼４０は、基部またはプラットフォーム６２から半径方向に外方に延び、且つ、例示の実施形態では、その基部またはプラットフォーム６２と一体に形成されたエーロフォイル６０を含む。

各エーロフォイル６０は、第１の側壁７０および第２の側壁７２を含む。第１の側壁７０は、凸面であり、エーロフォイル６０の負圧側を画定し、第２の側壁７２は、凹面であり、エーロフォイル６０の正圧側を画定している。側壁７０と７２とは、エーロフォイル６０の、前縁７４と、軸方向に間隔を置いた後縁７６とで互いに接合されている。より具体的には、エーロフォイルの後縁７６は、エーロフォイルの前縁７４から翼弦方向下流に間隔を置いて配置されている。第１の側壁７０と第２の側壁７２とは、それぞれ、基部６２に隣接して配置された翼根部７８からエーロフォイル先端８０まで、翼幅を長手方向すなわち半径方向に外方に延びている。

基部６２によって、静翼４０をケーシングに固定しやすくなっている。例示の実施形態では、基部６２は、「正方形の形をした（square-faced）」基部として周知であり、円周方向に間隔を置いて配置され、上流面９２と下流面９４とによって互いに連結された１対の側部９０および９１を含む。例示の実施形態では、側部９０と９１とは同一であり、互いにほぼ平行である。さらに、例示の実施形態では、上流面９２と下流面９４とは、互いにほぼ平行である。

一体に形成された１対のハンガー１００および１０２が、それぞれの対応する面９２および９４から延びている。ハンガー１００および１０２は、当技術分野で周知のように、ケーシングと係合して、静翼４０をロータアセンブリ内に固定する一助となっている。例示の実施形態では、各ハンガー１００および１０２は、基部６２の半径方向外側表面１０４に隣接する、それぞれの対応する面９２および９４から外方に延びている。

例示の実施形態では、エーロフォイル６０は、固溶化熱処理および析出硬化熱処理によって強化された一方向凝固合金から、それぞれの基部６２と一体に鋳造（cast）されている。この一方向凝固によって、横方向の粒界が回避され、それによってクリープ寿命を増大させるという利点がもたらされる。

ソースコード、モデル、および設計慣例の発展によって、圧縮機１２の第９段の要件の特有の要求を満たす、空間内の１４５６点の軌跡が、適用可能な動作パラメータのもとで、ブレードの空気力学的負荷および機械的負荷を考慮して、反復プロセス（iterative process）を用いて求められた。これらの点の軌跡は、圧縮機内の他の段との所望の相互作用、圧縮機の空気力学的効率、ならびに圧縮機が動作する間の静翼の最適な空気力学的負荷および機械的負荷を実現すると考えられている。さらに、これらの点の軌跡は、静翼を製造するための、製造可能なエーロフォイル輪郭をもたらし、圧縮機が効率良く、安全且つ円滑に動作することを可能にする。

図２を参照すると、表Ｉ以下に記載のＸ、Ｙ、およびＺ値のデカルト座標系が示されている。このデカルト座標系は、直交関係にあるＸ、Ｙ、およびＺ軸を有し、Ｚ軸または基準点（datum）は、プラットフォーム６２にほぼ垂直に存在し、エーロフォイルをほぼ半径方向に延びる。Ｙ軸は、機械の中心線、すなわち回転軸に平行に存在する。半径方向、すなわち、Ｚ方向に選択された位置でＸおよびＹの座標値を画定することによって、エーロフォイル６０の輪郭を確定することができる。Ｘ値およびＹ値を滑らかな連続した弧で結ぶと、半径方向距離Ｚそれぞれにおける各輪郭の断面が定まる。半径方向の距離Ｚ間の様々な表面位置での表面輪郭は、隣接する輪郭同士を互いに結ぶことによって確定することができる。

各半径方向位置すなわちエーロフォイルの高さＺにおけるエーロフォイル断面の輪郭を求めるためのＸおよびＹ座標は、以下の表Ｉに示され、表中、Ｚは、プラットフォーム６２の上側表面では０に等しい無次元値（non-dimensionalized value）であり、エーロフォイル先端部分８０では１．５９３に等しい。表の、Ｘ、Ｙ、およびＺ座標の値は、インチで示され、かつ、被覆されていないエーロフォイルの、室温での非動作条件すなわち非高温条件における実際のエーロフォイル輪郭を表し、被覆については以下で説明する。さらに、デカルト座標系において一般に使用されるように、符号規約によって、値Ｚに正の値、座標ＸおよびＹには正および負の値が割り当てられる。

表Ｉの値は、コンピュータによって生成され、小数点以下第３位まで示してある。但し、製造上の制約を考慮すると、エーロフォイルを形成するのに有用な実際の値は、エーロフォイルの輪郭を決定するには小数点以下第３位までだけで妥当であると考えられる。さらに、エーロフォイルの輪郭には、一般的な製造公差があり、これを考慮に入れなければならない。したがって、表Ｉに示す、輪郭を得るための値は、基準的なエーロフォイルのものである。したがって、一般的なプラスまたはマイナスの製造公差が、これらのＸ、Ｙ、およびＺ値に適用可能であり、また、それらの値にほぼ従った輪郭を有するエーロフォイルは、かかる公差を含むことが理解されよう。例えば、約±４．０６４ミリメートル（０．１６０インチ）の製造公差は、このエーロフォイルの設計制限の範囲内である。したがって、エーロフォイルの機械的および空気力学的機能は、製造上の不完全性および公差によって損なわれることはなく、こうした公差は、異なる実施形態では、上記の値より多くても、少なくてもよい。当業者には理解されるように、製造公差は、表１に記載の理想的なエーロフォイル輪郭点に対して、製造されるエーロフォイルの所望の平均偏差および標準偏差を得るように求めることができる。

さらに、先に述べたように、エーロフォイルはまた、エーロフォイルの製造後、表Ｉの値に従い、かつ上で説明した公差の範囲内で、腐食および酸化に対する保護のために被覆することもできる。例示的な実施形態では、１つの耐食被覆または複数の耐食被覆が、全体が約２．５４ミリメートル（０．１００インチ）の平均厚さで設けられる。したがって、表Ｉに記載のＸおよびＹ値の製造公差に加えて、それらの値に、被覆厚さを考慮に入れた厚さがさらに加わることになる。本発明の代替実施形態では、より厚い、またはより薄い被覆厚さも使用できることが企図される。

前述のエーロフォイルを含めて、第９段の静翼アセンブリが、動作中に昇温するにつれて、タービンブレードに加えられる応力および温度によって、エーロフォイル形状に何らかの変形が必然的に生じ、したがって、エンジンの動作時に、表１に記載のＸ、Ｙ、およびＺ座標に何らかの変化またはずれが生じることになる。動作中のエーロフォイル座標の変化を計測することは不可能であるが、表１に記載の点の軌跡に使用時の変形を加えると、圧縮機を効率良く、安全かつ円滑に動作させることが可能となることが判明している。

表１に記載のエーロフォイル輪郭は、他の同様の機械設計に導入するために、幾何学的に拡大または縮小することができる。したがって、ＸおよびＹ座標値をそれぞれ所定の定数ｎで乗算または除算することによって、表１に記載のエーロフォイル輪郭の拡大縮小版が得られることが企図される。表１は、ｎを１に等しいとした拡大縮小輪郭と考えることができ、ｎを、１よりも大きい、および１よりも小さい値にそれぞれ調節することによって、より大きく、またはより小さく寸法設定されたエーロフォイルが得られることが理解されよう。

上述の静翼は、ロータアセンブリの性能を最適化するのに、費用効果および信頼性の高い方法を提供する。より具体的には、各静翼エーロフォイルは、圧縮機内の他の段との所望の相互作用、圧縮機の空気力学的効率、ならびに圧縮機動作中の静翼の最適な空気力学的負荷および機械的負荷を実現する一助となるエーロフォイル形状を有する。その結果、再画定されたエーロフォイルの幾何形状は、静翼アセンブリの耐用寿命を延長し、圧縮機の作動効率を費用効果および信頼性の高い方式で向上させる一助となる。

静翼および静翼アセンブリの例示的な実施形態については、上記で詳細に説明してある。静翼は、本明細書に記載の特定の実施形態に限られるものではなく、各静翼の構成部品は、本明細書に記載の他の構成部品とは独立して個別に使用することができる。例えば、各静翼の陥凹部分はまた、他の静翼中にも画定され得、または他のロータアセンブリと共に、組み合わせて使用することもでき、本明細書に記載の静翼４０を用いた実施にのみ限定されるものではない。そうではなく、本発明は、多数の他の翼構成およびロータ構成と共に使用することができる。

本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲および精神に含まれる変形形態でも実施できることが当業者には理解されよう。

本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲および精神に含まれる変形形態でも実施できることが当業者には理解されよう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図である。 図１に示すガスタービンエンジンで使用できる例示的な静翼の拡大斜視図である。 図２に示す１対の静翼の正面図であり、図１に示すガスタービンエンジンなどのエンジン内に組み入れられたときに配置されるときの、隣接する静翼との相対的な周方向の向きを示す。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ タービン
１６ 発電機
１８ モノリシックロータまたはシャフト
２０ 燃焼器
２２ 燃料
２８ 燃焼ガス
３０ 長手軸
４０ 静翼
６０ エーロフォイル
６２ 基部またはプラットフォーム
７０ 第１の側壁
７２ 第２の側壁
７４ エーロフォイル前縁
７６ エーロフォイル後縁
７８ 翼根部
８０ エーロフォイル先端
９０ 側部
９１ 側部
９２ 上流面
９４ 下流面
１００ ハンガー
１０２ ハンガー
１０４ 半径方向外側表面

Claims (10)

1. 表Ｉに記載の、小数点以下第４位までのみ示されたＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値にほぼ従った、被覆されていない輪郭を有する静翼（４０）用のエーロフォイル（６０）であって、前記表中、Ｚは前記エーロフォイルがその上に取り付けられるプラットフォーム（６２）からの距離であり、ＸおよびＹは、前記プラットフォームからの各距離Ｚにおける前記輪郭を画定する座標である、エーロフォイル（６０）。
2. 前記エーロフォイルが、圧縮機（１２）の第９段を含む、請求項１記載のエーロフォイル（６０）。
3. 前記エーロフォイル輪郭が、どのエーロフォイル表面位置にも垂直な方向に＋／−４．０６４ミリメートル以内のエンベロープ内に存在する、請求項１記載のエーロフォイル（６０）。
4. 前記エーロフォイル輪郭が、前記エーロフォイルの空気力学的効率を最適化する一助となる、請求項１記載のエーロフォイル（６０）。
5. 前記エーロフォイルが、前記プラットフォームから一体に延びる基部（６２）と共に、鋳造法によって形成される、請求項１記載のエーロフォイル（６０）。
6. 少なくとも１つの静翼（４０）の列を含む圧縮機（１２）であって、前記静翼がそれぞれ、基部（６２）と、そこから延びるエーロフォイル（６０）とを含み、前記エーロフォイルの少なくとも１つが、エーロフォイル形状を有し、前記エーロフォイル形状が、表Ｉに記載の、小数点以下第３位までのみ示されたＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値にほぼ従った基準輪郭を有し、前記表中、Ｚは、前記基部の、前記エーロフォイルがそこから延びる上側表面からの距離であり、ＸおよびＹは、前記基部からの各距離Ｚにおける輪郭を画定する座標である、圧縮機（１２）。
7. 前記エーロフォイル形状がそれぞれ、Ｚ距離における輪郭断面を互いに滑らかに繋いで完全なエーロフォイル形状を成すことによって画定される、請求項６記載の圧縮機（１２）。
8. 前記少なくとも１つのエーロフォイル（６０）が、前記少なくとも１つのエーロフォイル上に延びる被覆をさらに含み、前記被覆が、約２．５４ミリメートル以下の厚さを有する、請求項６記載の圧縮機（１２）。
9. 前記少なくとも１つの静翼（４０）の列が、前記圧縮機の第９段を含む、請求項６記載の圧縮機（１２）。
10. 基部（６２）と、前記基部から延びるエーロフォイル（６０）とを含む、少なくとも１つの静翼（４０）を含む静翼アセンブリであって、前記エーロフォイルが、表Ｉに記載の、小数点以下第３位までのみ示されたＸ、Ｙ、およびＺのデカルト座標値にほぼ従った、被覆されていない輪郭を含み、前記表中、Ｚは、前記エーロフォイルがそこから延びる上側表面からの距離であり、ＸおよびＹは、前記基部からの各距離Ｚにおける輪郭を画定する座標であり、前記輪郭は、所定の定数ｎによって拡大縮小可能であり、且つ、所定の製造公差で製造可能である、静翼アセンブリ。

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