JP2008106775A - タービンノズル用の翼形部形状 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンノズル用の翼形部形状を提供する。
【解決手段】第１段ノズルは、表１に記載したＸ（５６０）、Ｙ（５７０）及びＺ（５８０）のデカルト座標（５５０）値に実質的に従った翼形部セクション（５００）を有する。Ｘ及びＹ値は、インチで表わしており、またＺ値は、タービン半径と一致したノズルスタッキング軸線に沿ってインチで表わしている。Ｘ及びＹ距離は、ノズル用の拡大又は縮小した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することができる。Ｘ、Ｙ及びＺ距離によって与えられた基準翼形部は、±０．１６０インチのエンベロープの範囲内に位置する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ガスタービン用のタービンノズルに関し、具体的には、第１段タービンノズル翼形部輪郭に関する。

ガスタービンでは、設計目標に適合させるために、ガスタービンの流路セクションの各段において多くのシステム要件が満たされなければならない。これらの設計目標には、それに限定されないが、効率及び翼形部負荷性能の全体的向上が含まれる。例えば、また本発明を決して限定するものではないが、タービンのノズルは、その特定の段についての熱的及び機械的作動要件を達成しなければならない。

翼形部の点は、米国特許第５，９８０，２０９号においてＢａｒｒｙ他によって実証されているように特許されてきた。Ｂａｒｒｙ他は、０．５２インチの間隔の各セクションについて１００〜１５０点／セクションで、スタッガ角度対半径、スロート角度対半径及びキャンバ対半径を特定している。輪郭を示す点の数は、セクションの曲率の変化率によって決まる。すなわち、より大きな曲率をもつ領域の場合には、その領域の輪郭を示すためにより多くの点が使用される。
米国特許第５，９８０，２０９号公報

本発明の１つの態様によると、任意の翼形部の表面位置に対して垂直な方向に±０．１６０インチの範囲内にあるエンベロープとしての翼形部形状を有するタービンノズルを提供し、翼形部は、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基準輪郭を有する。Ｘ及びＹは、各距離Ｚにおける翼形部輪郭を形成するインチで表わした距離であり、Ｚ距離における輪郭は、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。

本発明の別の態様によると、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膜のない基準翼形部輪郭を有するタービンノズルを提供する。Ｘ及びＹは、各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を形成するインチで表わした距離である。Ｚ距離における輪郭は、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。Ｘ及びＹ距離は、拡大又は縮小し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可能である。

本発明のさらに別の態様では、複数のノズルを有するノズル装置を備えたタービンを提供する。各ノズルは、翼形部を含み、翼形部は、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被膜のない基準翼形部輪郭を有する翼形部を含む。Ｘ及びＹは、滑らかな連続円弧によって接続されるとインチで表わした各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表わした距離である。Ｚ距離における輪郭セクションは、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。

本発明の実施形態は、タービンのノズルが達成しなければならないその特定の段におけるそれぞれの熱的及び機械的作動要件を満足させるようなノズル用の翼形部を形成することを含む多くの利点を有する。

本発明の１つの態様によると、ガスタービンのタービン段、好ましくは第１段用のノズルの固有の翼形部輪郭を提供する。ノズル翼形部輪郭は、必要な効率を達成するような固有の点の軌跡によって形成され、それによりタービン性能の向上が得られる。これらの固有の点の軌跡は、基準翼形部輪郭を形成しかつ表１のＸ、Ｙ及びＺデカルト座標によって特定される。表１に示した座標値の１３８７個の点は、その長さに沿ったノズル翼形部の様々な平面断面（クロスセクション）における低温（すなわち、常温）輪郭のためのものである。Ｘ及びＹ座標は、距離寸法、例えばインチの単位で示されかつ各Ｚ位置において滑らかに接続されて滑らかな連続翼形部クロスセクションを形成する。Ｚ座標は、タービン回転軸線からの半径と一致したノズルスタッキング軸線に沿ってインチの長さ寸法で示される。各確定クロスセクションは次に、隣接するクロスセクションと滑らかに結合されて完全な翼形部形状を形成する。

各ノズル翼形部は使用中に高温になるので、その輪郭が応力及び温度の結果として変化することになることが分かるであろう。従って、製造の目的で、Ｘ、Ｙ及びＺ座標によって低温又は常温輪郭を示している。製造されたノズル翼形部輪郭は、下記の表によって示した基準翼形部輪郭とは異なる可能性があるので、基準輪郭に沿った任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向における該基準輪郭からプラス又はマイナス（±）０．１６０インチの距離により、このノズル翼形部の輪郭エンベロープが定められる。このエンベロープは、あらゆる可能性がある翼形部表面被覆プロセスを含む。この設計は、この変動に対して安定しており、機械的及び空気力学的機能を損なうことがない。

翼形部は、類似のタービン設計に導入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分かるであろう。その結果、以下に示した基準翼形部輪郭のインチで表わしたＸ、Ｙ及びＺ座標は、同一の定数又は数値の関数となる。つまり、インチで表わしたＸ及びＹ並びに任意選択的にＺ座標値は、翼形部セクション形状を保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ために、
同一の定数又は数値によって乗算又は除算することができる。

図１は、ノズル及びノズル翼形部を用いた第１段タービンノズル装置を有する例示的なタービンを概略的に示す。タービン１００は、第１段１１０、第２段１２０及び第３段１３０を含む。各段は、様々な段のロータのそれぞれのバケット１４５と組合せたノズル装置１４０を含む。第３段タービンを示しているが、タービンは、段、ノズル装置及びバケットの多くの異なる構成及び数になることが分かるであろう。

ノズルは、図示しない手段によって周囲のハードウェア上に適切に取付けられる。翼形部１５０及び側壁１６０は、まとめてノズルと呼ばれる。翼形部は、それぞれ負圧及び正圧側面と前縁及び後縁とを備えた３次元形状を含む輪郭を有する。

第１段は、単一の翼形部ノズル装置及びロータ組立体を含み、その場合にノズル１４０は、バケット１４５の上流に位置する。複数のノズルが、第１段ノズル装置の周りに互いに円周方向に間隔を置いて配置され、この実施例では第１段ノズル装置上には４８個のノズルが取付けられていることが分かるであろう。

次に図２、図３及び図４を参照すると、本発明の１つの態様により構成した、内側及び外側側壁間に取付けられた翼形部を含む第１段タービンノズルを示している。フィレットは、点の確定には含まれていない。

図２は、本発明の１つの態様による、翼形部２１０、内側側壁２６０及び外側側壁２７０を備えた例示的な第１段タービンノズルの正面図を示す。翼形部２１０の前縁２４０及び後縁２５０も示している。

図３は、本発明の態様による、翼形部２１０、内側側壁２６０及び外側側壁２７０を備えた例示的な第１段タービンノズル２００の負圧側面図を示す。翼形部２１０の負圧側面２２０、前縁２４０及び後縁２５０も示している。

図４は、本発明の態様による、翼形部２１０と内側側壁２６０及び外側側壁２７０とを備えた第１段タービンノズル２００の正圧側面斜視図を示す。翼形部２１０の正圧側面２３０、前縁２４０及び後縁２５０も示している。

図５は、座標系配向に対する点座標を含む翼形部の典型的セクションを示す。正圧側面５１０、負圧側面５２０、前縁５３０及び後縁５４０を含む翼形部の典型的セクション５００を示している。図５はまた、表１から取ったセクション用の座標点の典型的分布を示している。前縁５３０及び後縁５４０において見られるように、曲率の変化率がより大きい領域をより多くの点の集中度が表わすように、各点が定められる。これにより、翼形部形状の真の製作目的及び臨界値が取得される。

表１に示したＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系５５０は、ノズル翼形部の輪郭を形成する。表１にはＸ、Ｙ及びＺ座標の座標値をインチで記載しているが、他の寸法単位も使用することができる。デカルト座標系は、直交関係のＸ、Ｙ及びＺ軸を有し、Ｚ軸は、Ｘ及びＹ値を含む平面に対して直角に該平面に対して垂直に延びる。Ｚ距離は、タービン中心線におけるゼロ（０）で始まる。Ｙ軸は、タービンロータ中心線すなわち回転軸線に対して平行に位置する。デカルト座標系５５０におけるＸ、Ｙ及びＺ軸は、図５においてＸＣ５６０、ＹＣ５７０及びＺＣ５８０として表わしている。

Ｘ、Ｙ平面に対して垂直なＺ方向の選択位置においてＸ及びＹ座標値を定めることによって、翼形部の輪郭を確定することができる。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で接続することによって、各距離Ｚにおける各輪郭セクションが決定される。距離Ｚ間の様々な表面位置の表面輪郭は、隣接するクロスセクションを互いに滑らかに結合することによって決定されて翼形部表面を形成する。これらの値は、周囲温度状態、非作動状態又は非高温状態における翼形部輪郭を表し、また被膜のない翼形部に対するものである。記号規則は、デカルト座標系において一般的に用いられるように、Ｚ値には正の値を割り当て、またＸ及びＹ座標には負の値を割り当てる。

表１の値は、翼形部の輪郭を決定するために作成しかつ示している。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被膜とが存在する。従って、表１に示した輪郭の値は、基準翼形部に対するものである。従って、あらゆる被膜厚さを含む±の一般的製造公差すなわち±値は、下記の表１に示したＸ及びＹ値に加えられることが分かるであろう。従って、翼形部輪郭に沿って任意の表面位置に対して垂直な方向に±０．１６０インチの距離により、この特定のノズル翼形部設計及びタービンにおける翼形部輪郭エンベロープが定まる。

下記の表１に示した座標値は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによる７ＦＢ統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）ガスタービンの第１段ノズルを最適化するＸＹＺ座標に関する好ましい基準輪郭エンベロープ情報を与える。

表１に開示した翼形部は、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を理解されたい。その結果、表１に記載した座標値は、翼形部セクション形状が変化しない状態のままになるように、率に応じて拡大又は縮小することができる。表１の座標の拡大縮小バージョンは、同一の定数又は数値によって乗算又は除算したＸ、Ｙ及び任意選択的にＺ座標値（Ｚ値をインチに変換した後の）によって表わされることになる。

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、本発明が開示した実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。それどころか、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属する様々な変更及び均等な構成を保護することを意図している。

ノズル及びノズル翼形部を用いた第１段タービンノズル装置を有するタービンを概略的に示す図。 本発明の好ましい実施形態による、翼形部及び側壁を備えた第１段タービンノズルの正面図。 本発明の好ましい実施形態による、翼形部及び側壁を備えた第１段タービンノズルの負圧側面図。 本発明の好ましい実施形態による、翼形部及び側壁を備えた第１段タービンノズルの正圧側面斜視図。 座標系配向に対する点座標を含む翼形部の典型的セクションを示す図。

符号の説明

１００ タービン
１１０ 第１段
１２０ 第２段
１３０ 第３段
１４０ ノズル装置
１４５ バケット
１５０ 翼形部
１６０ 側壁
２００ 第１段タービンノズル
２１０ 翼形部
２２０ 負圧側面
２３０ 正圧側面
２４０ 前縁
２５０ 後縁
２６０ 内側側壁
２７０ 外側側壁
５００ 典型的翼形部セクション
５１０ 正圧側面
５２０ 負圧側面
５３０ 前縁
５４０ 後縁
５５０デカルト座標系
５６０ Ｘ座標
５７０ Ｙ座標
５８０ Ｚ座標

Claims (10)

1. 任意の翼形部（２１０）の表面位置に対して垂直な方向に±０．１６０インチの範囲内にあるエンベロープとしての翼形部（２１０）の形状を有し、
   前記翼形部（２１０）が、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基準輪郭を有し、前記表１において、Ｘ及びＹは各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を形成するインチで表わした距離であり、
   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、
   タービン（１００）のためのタービンノズル（１４０）。
2. 該タービンノズル（１４０）が、タービン（１００）の第１段ノズル（２００）を含む、請求項１記載のタービンノズル（１４０）。
3. 前記Ｚ値が、タービンの軸線からの半径に沿った該ノズルの中心線と前記タービンを通る流路の根元半径との交点から測定される、請求項１記載のタービンノズル（１４０）。
4. 表１に記載したＸ（５６０）、Ｙ（５７０）及びＺ（５８０）のデカルト座標（５５０）値に実質的に従った被膜のない基準翼形部輪郭を有し、前記表１において、Ｚ（５８０）は、タービン回転軸線からの半径及び前記タービン軸線からのインチで表わしたＺ距離と一致した、ノズルスタッキング軸線に沿った無次元値であり、またＸ及びＹは各距離Ｚにおける前記翼形部輪郭を形成するインチで表わした距離であり、
   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、
   タービンノズル（１４０）。
5. 前記Ｘ及びＹ距離が、拡大又は縮小し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可能である、請求項４記載のタービンノズル（１４０）。
6. タービン（１００）の第１段ノズルを含む、請求項５記載のタービンノズル（１４０）。
7. 前記Ｚ距離が、拡大又は縮小し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可能である、請求項４記載のタービンノズル（１４０）。
8. 複数のノズルを有するノズル装置を含み、
   各ノズルが翼形部（２１０）を含み、
   前記翼形部が、表１に記載したＸ（５６０）、Ｙ（５７０）及びＺ（５８０）のデカルト座標（５５０）値に実質的に従った被膜のない基準翼形部輪郭を有し、前記表１において、Ｘ及びＹは、滑らかな連続円弧によって接続されるとインチで表わした各距離Ｚにおける翼形部輪郭セクションを形成するインチで表わした距離であり、
   前記Ｚ距離における輪郭セクションが、互いに滑らかに結合されて完全な翼形部の形状を形成する、
   タービン（１００）。
9. 前記翼形部（２００）形状が、任意の翼形部表面位置に対して垂直な方向に±０．１６０インチの範囲内にあるエンベロープとして位置する、請求項８記載のタービン（１００）。
10. 前記ノズル装置が、該タービンの第１段ノズル（２００）を含む、請求項９記載のタービン（１００）。

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