JP2011094616A - タービン翼形部−側壁の一体化 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン翼形部−側壁を一体化したバケットを提供する。
【解決手段】本バケット（７００）は、作動流体（７５０、７５５）の入口流れ角度の半径方向変化を考慮して、内側側壁（７０１）及び外側側壁（７０３）に隣接して流れの境界層を生じるようにした翼形部（７７０）を含む。側壁（７０１、７０３）の領域（７０７、７０８）内における翼形部（７７０）の局所的面取りは、翼形部及びフィレット（７０５、７０６）に側壁領域での作動流体の入口流れ角度の半径方向分布に効果的に適応する形状を与える。
【選択図】 図７

Description

本発明は、総括的にタービンブレード及びブレードを植設したタービンに関する。主として本発明は蒸気及びガスタービンに関連するが、その他のタービン及び圧縮機にも適用できる。「タービン」という用語は、翼形ブレードを有するこの種の機械を含むように使用している。より具体的には、本発明は、タービン翼形部を側壁と接合してブレードの空力性能を向上させることに関する。

タービン効率は、特に効率のわずかな向上であっても非常に大きなコスト削減をもたらすことができる大型設備で極めて重要である。ブレード設計はタービンの性能全体に関して重要な構成要素であるので、ブレード設計の研究に多大な資金が継続的に費やされている。

ガスタービンエンジンでは、空気を圧縮機で加圧し、燃焼器で燃料と混合して高温燃焼ガスを発生する。タービン段は、燃焼ガスからエネルギーを抽出して、圧縮機に動力を供給するとともに、ターボファン航空機エンジン用途では上流ファンに動力を供給し或いは船舶及び産業用途では外部ドライブシャフトに動力を供給する。蒸気タービンでは、蒸気を利用して、タービン段に動力を供給する
タービンは、ロータブレードと対応タービンノズルの１以上の段落を含むことができる。各タービンノズルは、ベーンを支持する弧形バンドの形態の半径方向外側及び内側側壁を有するステータベーンの列を含む。対応して、タービンロータブレードは、半径方向内側側壁つまりプラットフォームと一体に接合した翼形部を含み、内側側壁つまりプラットフォームは次いで対応ダブテールで支持され、ダブテールによって各ブレードが、支持ロータディスクの周縁に形成されたダブテールスロットに取付けられる。環状シュラウドが、各タービン段のロータ翼形部の半径方向外側先端を囲んでいる。ステータベーン及びロータブレードは、前縁と後縁の間で軸方向翼弦方向に延在する略凹状の正圧面と略凸状の負圧面を含む翼形部を有する。隣接ベーン及び隣接ブレードは、半径方向内側及び外側側壁で画成される流路をそれらの間に形成する。

運転時に、作動流体は、ステータベーンとロータブレードの間に画成される流路を通って軸方向下流方向に流れる。ベーン及びブレードの空力的輪郭並びにそれらの間の流路は、燃焼ガスからのエネルギー抽出を最大にして、ブレードが植設されたロータを回転させるように正確に構成される。

ベーン及びブレード翼形部の複雑な３次元（３Ｄ）構成は、運転効率を最大にするように調整され、かつ翼形部に沿って半径方向翼長（スパン）方向に並びに翼形部の前縁と後縁の間で翼弦に沿った軸方向に変化している。従って、翼形部表面上での及び流路内での作動流体の速度及び圧力分布も変化する。

従って、作動流体流路内における望ましくない圧力損失は、タービン効率全体の望ましくない低下に対応する。例えば、作動流体は、ベーンとブレードの間の流路内でベーン及びブレードの列に流入し、かつそれぞれの翼形部の前縁で必然的に分割される。

流入作動流体のよどみ点の位置は、各翼形部の前縁に沿って延在し、境界層が、各翼形部の正圧面及び負圧面だけでなく、各半径方向外側及び内側側壁に沿って形成され、これらはまとまって、各流路の４つの側面の境界となる。境界層内では、作動流体の局所的速度は、ゼロから側壁及び翼形部表面に沿って境界層が終了する作動流体内における無制限の速度まで変化する。

米国特許第７３７１０４６号明細書

ノズル及び回転ブレード用の翼形部の主翼長部は、上記の複雑な３Ｄ構成を使用し、その結果効率を高めているが、側壁に隣接する翼形部の領域は、局所的空力的条件に殆ど適応しておらず、主翼長部に比べて大幅に大きい損失を招く。従って、翼形部性能を一層高めるように側壁に隣接する翼形部の領域を構成する必要性が存在する。

本発明は、入口流れ角度の半径方向変化を考慮して、内側及び外側側壁に隣接して流れの境界層を生じるようにしたタービンバケット又はノズル翼形部の設計に関する。

本発明の第１の態様では、タービン段を提供する。本タービン段は、側壁と一体に接合しかつ側方に間隔を置いて配置されてそれらの間に作動流体を流すそれぞれの流路を画成する翼形部の列を含む。翼形部の各々は、凹状正圧面及び側方に対向する凸状負圧面を含む。翼形部は、前縁と後縁の間で翼弦方向に延在する。翼形部の各々は、弧形フィレットで側壁と融合する。側壁に近接する翼形部の領域及び関連する弧形フィレットは、上記領域近傍での作動流体の入口流れ角度の半径方向変化に従って最適化された表面を形成する。

本発明の第２の態様では、タービンケーシング、ロータ、ステータ及び翼形部の列を含むタービンを提供する。各翼形部は、各側壁と一体に接合しかつ側方に間隔を置いて配置されてそれらの間に作動流体を流すそれぞれの流路を形成する。各翼形部は、前縁と後縁の間で翼弦方向に延在する凹状正圧面並びに側方に対向する凸状負圧面を含むことができる。各翼形部は、弧形フィレットで側壁と融合する。側壁及び関連する弧形フィレットに近接する翼形部の領域は、該領域近傍での作動流体の入口流れ角度の半径方向変化に従って翼形部性能を最適化する表面を形成する。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるであろう。

ノズル及びバケットで形成された一連のタービン段の簡略側面図。 関連する速度三角形を含む、タービン段のノズル及びバケット間の作動流体流れの上面図。 タービン段で取った段角度出口流れ角度分布のテストデータを示す図。 フィレットを備えていない従来技術の翼形部を示す図。 従来技術で使用されるような、ノズル上の固定半径の同心フィレットを示す図。 タービンブレードの壁近傍流れに合わせた本発明のフィレットの実施形態を示す図。 翼形部から側壁までの連続形状変化を含む本発明の翼形部の実施形態を示す図。

本発明の以下の実施形態は、側壁に近接するタービンノズル及びブレードの翼形部領域の空力性能の向上を含む多くの利点を有し、タービン性能の改善をもたらす。

側壁粘性流れ作用により、ブレード列入口流れ角度は、作動流体通路内径から半径方向外側に又は外径から半径方向内側に見られる入口流れ角度とは大幅に異なるものとなる。そのことにより、流れは同様に、一般的に壁境界層挙動を考慮せずに選択された設計流れ角度から逸脱する。流れ角度における逸脱は、エネルギー損失と関連しかつタービン性能を低下させる。本発明は、ガス又は蒸気通路の側壁近傍のタービン固定又は可動翼形部の設計を修正して、壁に直ぐ隣接する入口流れ角度の変化に対して翼形部ジオメトリを最適化する。この修正により、予測流れ角度に適合するような可変最適入口角度を備えた壁近傍翼形部セクションが得られる。翼形部セクションには、壁−翼形部交差部でフィレット半径が一体化されるが、翼形部セクションは、フィレットを越えて半径方向に延在することができる。得られた翼形部一体形側壁構成要素は、独特の外観を有する。

図１は、ノズル及びバケットで形成された一連のタービン段５の簡略側面図を示している。作動流体６は、第１段１０のノズル４１及びバケット４２を通って、第２段２０のノズル５１及びバケット５２を通って、かつ第３段３０のノズル６１及びバケット６２を通って軸方向に流れる。所定のタービン又は圧縮機の段数は、その寸法及び用途に応じて変ることを理解されたい。

図２は、１つのタービン段のノズル及びバケット間の作動流体流れの上面図を、選択半径方向位置における関連する速度三角形を含む状態で示している。作動流体１０１は、固定ノズル１０２を通って流れ、かつ回転ブレード１１０の方向に速度Ｖ₁１０５で導かれる。ブレード１１０は、絶対速度Ｗ１１１で回転している。速度三角形１２０は、ベクトル値Ｖ₂１２５を示しており、回転ブレード１１０に対する入口蒸気の速度をＶ₁１０５−Ｗ１１１として示している。Ｖ₂１２５は、ブレード１１０との関連で示している。

翼形部設計では、タービンブレードのプロフィールは、部分的にブレードに対する作動流体の入口角度に基づいて段性能を最適化するように実行される。ブレードに対する流体流れの入口角度は比較的一定であるが、作動流体の入口角度の大幅な変化は、側壁に近接するブレードの領域内で生じることが判明した。

図３は、タービン段で取った段角度出口流れ角度分布３００のテストデータを示している。縦座標は、段ノズル出口に沿った測定の半径方向位置をパーセントで示している。横座標は、軸方向に対する測定流れ角度を角（°）で示している。ノズルの下流に位置する次のタービン段の回転ブレードは、軸方向に対して約２０度の段入口角度と見なす。しかしながら、上部側壁における流れ角度３１０及び下部側壁における流れ角度３２０は、軸方向に対して約５０度である。さらに、流れ角度は、ハブ近傍の半径方向位置の底部５％で約３５度変化し、流れ角度は、先端近傍の半径方向位置の上端部５％で約３０度変化する。約５％〜約９５％の半径方向位置の間では、流れ角度は、約１０度〜約２０度の間しか変化しない。従って、後続ノズルの最適化されていない入口流れ角度に関連する流れ損失は、入口流れ逸脱を補正するように側壁に近接する領域を修正しない限り、フィレット及び壁近傍領域に集中する。

図４は、入口作動流体流れ４１０を受けるが、流体流れの入口角度逸脱を考慮したフィレット又は特別な成形物を上部及び下部側壁（図示せず）の領域内に含まない従来技術の翼形部４００を示している。

図５は、同心フィレットを含む従来技術の翼形部１１０を示している。図２の要素の符号付けは、図５の符号付けにおいて維持される。Ｈａｌｌｅｒ他のような従来技術（米国特許第５９０６４７４号）は、フィレットに最適化された半径を与えることによって端部壁領域内の翼形部性能を改善しようとしている。Ｈａｌｌｅｒ特許では、翼形部及びその端部壁は、一体形に形成されかつ機械加工されて、ブレード表面と隣接するブレード間のスロート寸法の割合として固定された半径を備えた端部壁との間に最適化されたフィレット１５０を構成する。しかしながら、Ｈａｌｌｅｒ特許のフィレットはフィレットがない端部壁領域にわたって改善するが、それらフィレットは、上記の壁近傍入口流れ方向損失を低下させるようなフィレット形状の最適化には対処していない。

図６は、タービンブレードの壁近傍流れに合わせた本発明のフィレットの実施形態を示している。タービンブレード６００は、翼形部自体６１０から側壁６４０の水準まで下降する壁近傍高さにおけるブレード翼形部及びフィレットの図示した軸方向−接線方向プロフィール６１０、６２０、６３０及び６４０を含む。翼形部から側壁までの高さ範囲にわたるフィレットのプロフィールは、壁近傍流れに対して最適化される。プロフィール６２０は、第１の半径方向高さにおける壁近傍入口流れ６２５に対して最適化される。プロフィール６３０は、第２の半径方向高さにおける壁近傍入口流れ６３５に対して最適化される。プロフィール６４０は、側壁における壁近傍入口流れ６４５に対して最適化される。しかしながら、コンピュータ数値制御機械加工により、翼形部及びフィレットの側壁との壁近傍接合部を、入口流れ角度を半径方向高さの関数として認識して連続成形することが可能になる。融合した翼形部及びフィレットは前縁６５０の周りで最適に成形されるが、融合したプロフィールは、翼形部の負圧面及び正圧面の一方又は両方に沿って連続していてもよいことが分かるであろう。端部領域内で最適に成形した翼形部及びフィレットは、負圧面６６０及び正圧面６７０に沿って単一半径フィレットにテーパさせることができる。

異なる壁近傍半径方向距離におけるプロフィールの成形は、一般的に、前縁６５０の領域における翼形部効率にとって最も重要である。従って、機械加工の時間及び費用のためには、半径方向距離依存プロフィールを翼形部の下流側セクション６６０、６７０の単一最適半径フィレット６５５、６５６に滑らかに移行させることが望ましいといえる。

図７は、翼形部からプラットフォーム７０２の側壁７０１及びシュラウド７０４の側壁７０３までの連続形状変化を含む本発明のブレード７００の実施形態を示しており、この実施形態では、形状変化は、作動流体の入口流れ角度に対する翼形部性能を高めるように最適化されている。ここで、翼形部端部領域７０７、７０８の形状は、翼形部７００を側壁に接合するフィレット７０５、７０６の形状と一体化される。本発明の成形は、先端７１５に近接する約１０％の翼形部の半径方向領域７１０及びハブプラットフォーム７０２における側壁７０１に近接する半径方向領域７２０で選択的に実行されるが、より小さい半径方向領域又はより大きい半径方向領域も、そのように成形することができる。翼形部７００の上部半径方向領域７１０は、この上部領域における入口流れ角度７５０の半径方向分布に合わせて最適に成形することができる。下部半径方向領域７２０は、下部領域における入口流れ角度７５５の半径方向分布に合わせて最適に成形することができる。さらに、この成形は、翼形部の前縁７４０及び後縁７４５の翼弦長さ７６０に沿って最大で約半分まで前縁７４０の領域内に選択的に適用することができることを示している。

上記の本発明は、入口流れ角度の半径方向変化を考慮して内側及び外側側壁に隣接して流れの境界層を生じるようにしたタービンバケット又はノズル翼形部の設計を含む。それには、連続した翼形部最適入口角度半径方向分布を与えるという第１の目的で、上記の領域内で翼形部セクションを局所的面取りすることが必要である。これを実現するための従来技術のプロセスは、側壁に隣接する入口流れ角度の大きな逸脱を無視しており、この既に大きな損失の領域内で一層高いエネルギー損失の発生可能性を招いている。

本発明は、タービン段における作動流体に関して説明してきたが、しかしながら、本発明は、蒸気タービン及びガスタービン翼形部に同様に適用可能であり、圧縮機翼形部及びタービン翼形部も並びにノズル翼形部及び回転ブレード翼形部の両方も含むことを理解されたい。本明細書には、様々な実施形態を説明しているが、それらにおける様々な要素の組合せ、変更又は改良を行うことができかつそれらも本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。

５ タービン段
６ 作動流体
１０ 第１段
４１ 第１段ノズル
４２ 第１段バケット
５１ 第２段ノズル
５２ 第２段バケット
６１ 第３段ノズル
６２ 第３段バケット
１０１ 作動流体
１０２ 固定ノズル
１０５ 速度 ｖ１
１１０ 回転ブレード
１１１ 絶対速度 Ｗ１１１
１２０ 速度三角形
１２５ ベクトル ｖ２
３１０ 上部側壁における流れ角度
３２０ 下部側壁における流れ角度
４００ 従来技術の翼形部
５１０ 入口作動流体
６００ タービンブレード
６１０〜６４０ 軸方向−接線方向プロフィール
６２５ 第１の半径方向高さにおける壁近傍入口流れ
６３５ 第２の半径方向高さにおける壁近傍入口流れ
６４５ 側壁における壁近傍入口流れ
６５０ 前縁
６５５ 単一半径フィレット
６５６ 単一半径フィレット
６６０ 負圧面
６７０ 正圧面
７００ ブレード
７０１ 内側側壁
７０２ プラットフォーム
７０３ 外側側壁
７０４ シュラウド
７０５ フィレット
７０６ フィレット
７１０ 半径方向領域
７１５ 先端
７２０ 下部半径方向領域
７４０ 前縁
７４５ 後縁
７５０ 上部領域における入口流れ角度
７５５ 下部領域における入口流れ角度
７６０ 翼弦長さ
７７０ 翼形部

Claims (10)

1. 側壁（７０１、７０３）と一体に接合して、凹状正圧面（６７０）と側方に対向する凸状負圧面（６６０）とを含んでいて、前縁（７４０）と後縁（７４５）の間で翼弦方向に延在して、ある入口流れ角度の作動流体（７５０、７５５）を受ける翼形部（７７０）であって、外翼形部（７７０）が、前縁（７４０）の周りで各々の側壁（７０１、７０３）に近接する弧形フィレット（７０５、７０６）の領域（７１０、７２０）で側壁（７０１、７０３）と融合して上記領域（７１０、７２０）近傍での作動流体（７５０、７５５）の入口流れ角度の半径方向変化に適した表面を形成する、ブレード（７００）。
2. 各々の側壁（７０３、７０１）に近接する翼形部の領域（７１０、７２０）が、各々の側壁から５％翼形長の半径方向位置を含む、請求項１記載のブレード（７００）。
3. 各々の側壁に近接する翼形部の領域（７１０、７２０）が、側壁から１０％翼形長を含む、請求項１記載のブレード（７００）。
4. 融合が、負圧面（６６０）及び正圧面（６７０）の少なくとも一方での翼形部の前縁（７４０）を含む、請求項１記載のブレード（７００）。
5. 融合が、翼形部（７７０）の前縁（７４０）から翼形部（７７０）の負圧面（６６０）及び正圧面（６７０）の少なくとも一方における約５０％の翼弦長さ（７６０）まで設けられる、請求項４記載のブレード（７００）。
6. 翼形部（７７０）が固定ステータノズルを含む、請求項１記載のブレード（７００）。
7. 翼形部（７７０）が回転ブレードを含む、請求項１記載のブレード（７００）。
8. ガスタービン用のブレードを含む、請求項１記載のブレード（７００）。
9. 蒸気タービン用のブレードを含む、請求項１記載のブレード（７００）。
10. 圧縮機用のブレードを含む、請求項１記載のブレード（７００）。

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