JP2018128018A - ガスタービン用プレスワーラ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスタービン用プレスワーラ装置を開示する。【解決手段】ガスタービン用プレスワーラ装置は、プレスワーラハウジングの円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数のメインベーンと、離隔しているメインベーンの間に位置するサブベーンとを含み、メインベーンは、流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第１コード長と、ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、リーディングエッジとトレーリングエッジとの間に形成される第１アキシャルコードと、第１コード長と第１アキシャルコードとの間に形成される第１スタッガーアングルと、トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向とトレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に生成される第１ターニングアングルとを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、プレスワーラ（ｐｒｅ‐ｓｗｉｒｌｅｒ）装置に関し、より詳細には、ガスタービンのプレスワーラハウジングの円周方向に沿って配置されたメインベーンの間にサブベーンが備えられ、冷却空気の安定した移動を図ることができるガスタービン用プレスワーラ装置に関する。
通常、ガスタービンは、燃料が燃焼室の内部で燃焼されることで高温の燃焼ガスが発生する。前記ガスは、タービン部分で交互に配置された固定ステータベーン列及びタービンロータブレード列に沿って流れながら高温高圧で膨張し、このような膨張によるエネルギーによって利用可能な動力が発生する。
最初のステータベーン列及びブレード列のガス流れの温度は、一般に、１０００℃以上の高温状態が維持される。ブレード及びベーンは、高温のガス流れによって損傷しやすいため、エンジンの内部の上流側で圧縮された後、タービン部材に流れる冷却空気によって冷却される。
このように作動されるガスタービンにおいて重要な問題は、ロータブレードの内側に冷却空気を分散させるために、ステイター内部が固定された空隙からロータアセンブリーに冷却空気を移送することである。かかる目的を達成するために、従来は、オンボードインジェクション（Ｏｎ ｂｏａｒｄ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）が用いられている。
特に、圧縮機から放出された圧縮後の空気は、オンボードインジェクションを経由した後、円周方向に流路の流れが生成される。
前記圧縮空気は、前記オンボードインジェクションを経由しながら旋回成分が加えられ、回転するタービンアセンブリーに接線方向の冷却空気の流れが放出される。冷却空気の量及び方向によって、冷却空気の冷却容量の有効率及びエンジンの総合性能における効果が左右される。
空気の量が少なすぎるとタービンブレードの過熱が起こるが、余分の空気を供給すると燃焼効率が悪くなるため、適量の冷却空気を供給することが重要である。参照に、前記オンボードインジェクションは、ブレードに供給される冷却空気の回転方向成分を変化させるため、スワーラともよばれる。
添付の図１を参照して、ガスタービンに備えられた従来のスワーラについて説明する。
添付の図１を参照すると、従来のスワーラは、プレスワーラハウジング１０の外側に多数のベーン２が一定間隔で備えられている。前記ベーン２は、流線形のエアフォイルの形態で形成されており、冷却空気が前記ベーン２を経由しながら移動方向が案内される。
このように用いられるスワーラでは、タービンにおいて求められる流量および圧力、並びに温度を安定して満たすことができないという問題が引き起こされていた。この場合、前記スワーラの構造を変更したり、タービンに供給される冷却空気の安全性のためにベーン２の構造を変更しなければならないという問題が引き起こされる。
米国特許登録ＵＳ９，０２７，３５０（登録日：２０１５年５月１２日）
本発明の実施形態は、ガスタービンのプレスワーラを介して移動する冷却空気の回転方向速度成分であるスワール（ｓｗｉｒｌ）を増加させることで、ブレードに供給される流体の相対的温度を安定化させることを目的とする。
本発明の一側面によるガスタービン用プレスワーラ装置は、ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジングの円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数のメインベーンと、前記離隔しているメインベーンの間に位置し、前記メインベーンより小さいサイズを有するサブベーンと、を含み、前記メインベーンは、流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第１コード長と、前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成される第１アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、前記第１コード長と前記第１アキシャルコードとの間に形成される第１スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に形成される第１ターニングアングルと、からなる。
前記メインベーンは、前記プレスワーラハウジングの正面視において、タンジェンシャル方向に傾斜して配置されることを特徴とする。
前記メインベーンの間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーン位置はＬ／２の位置よりも上側に位置する。
前記メインベーンの間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーンは３Ｌ／５の位置に位置する。
前記メインベーンは、前記プレスワーラハウジングの正面視において、タンジェンシャル方向に傾斜して配置されることを特徴とする。
前記メインベーンの間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーンはＬ／２の位置よりも上側に位置する。
前記メインベーンの間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーンは３Ｌ／５の位置に位置する。
前記メインベーンの前記リーディングエッジからトレーリングエッジまでを連結する第１コード長をＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置に位置することを特徴とする。
前記メインベーンの前記リーディングエッジからトレーリングエッジまでを連結する第１コード長をＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置以後に位置することを特徴とする。
前記メインベーンの最大厚さをＴｍとしたときに、前記サブベーンは２Ｔｍ／５の厚さで形成されることを特徴とする。
前記サブベーンは、前記メインベーンの間に少なくとも１つ以上備えられることを特徴とする。
前記サブベーンのトレーリングエッジは、前記メインベーンのトレーリングエッジが形成された位置以内に位置することを特徴とする。
前記メインベーンの互いに離隔しているスパン（ｓｐａｎ）は、最大７０ｍｍ以内であることを特徴とする。
前記メインベーンの第１スタッガーアングルは、５０度以上６０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持されることを特徴とする。
本発明の他の実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置は、ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジングの円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数のメインベーンと、前記離隔しているメインベーンの間に位置し、前記メインベーンより小さいサイズを有するサブベーンと、を含み、前記サブベーンは、流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第２コード長と、前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成される第２アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、前記第２コード長と前記第１アキシャルコードとの間に形成される第２スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に生成される第２ターニングアングルと、からなる。
前記サブベーンの第２スタッガーアングルは、６０度以上７０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。
本発明のさらに他の実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置は、ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジングの円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数の第１メインベーンと、前記離隔している第１メインベーンの間に位置し、前記第１メインベーンより小さいサイズを有する第１サブベーンと、前記離隔している第１メインベーンの間に位置する第２メインベーンと、前記第２メインベーンと隣合って位置し、前記第２メインベーンより小さいサイズを有する第２サブベーンと、を含み、前記第１メインベーンは、流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第１コード長と、前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成される第１アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、前記第１コード長と前記第１アキシャルコードとの間に形成される第１スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に生成される第１ターニングアングルと、からなり、前記第２サブベーンは、流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第２コード長と、前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成される第２アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、前記第２コード長と前記第１アキシャルコードとの間に形成される第２スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に生成される第２ターニングアングルと、からなる。
前記第２コード長を１としたときに、前記第１コード長が、前記第２コード長に比べて１．５〜１．５６倍以上長く延びる。
前記第２アキシャルコードの長さが、前記第１アキシャルコードの長さに比べて半分の長さで延びる。
前記第１、２ターニングアングルは同一の角度に維持される。
前記第２サブベーンの第２スタッガーアングルは、６０度以上７０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。
本発明の実施形態によると、ガスタービンのプレスワーラを介して移動する冷却空気の回転方向速度成分であるスワール値を増加させることで、ブレードに供給される冷却空気のスワーリング（ｓｗｉｒｌｉｎｇ）を変化させ、メインベーンとサブベーンを経由する冷却空気の流動抵抗を減少させることにより、安定した移動流れを維持することができる。
本発明の実施形態によると、プレスワーラを経由する冷却空気の二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、不要な渦流の発生が最小化されることができる。
従来のスワーラを示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置を示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるメインベーンとサブベーンを示した図である。 本発明の一実施形態によるメインベーンを示した図である。 本発明の一実施形態によるメインベーンを示した図である。 本発明の一実施形態によるサブベーンを示した図である。 本発明の一実施形態によるサブベーンの位置による回転方向速度比（ｓｗｉｒｌｅｒ ｒａｔｉｏ）を示したグラフである。 本発明の一実施形態によるサブベーンの位置による総圧力損失グラフを示した図である。 本発明のさらに他の実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置を示した斜視図である 本発明の一実施形態による第１、２メインベーンと第１、２サブベーンを示した図である。 本発明の一実施形態による第２サブベーンを示した図である。
本発明の一実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置について図面を参照して説明する。添付の図２は本発明の一実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置を示した斜視図であり、図３は本発明の一実施形態によるメインベーンとサブベーンを示した図であり、図４および図５は本発明の一実施形態によるメインベーンを示した図である。
添付の図２から図５を参照すると、本実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置は、デュアルベーンタイプで構成される。例えば、ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジング１０の円周方向に沿って一定間隔で互いに離隔している多数のメインベーン１００と、前記離隔しているメインベーン１００の間に位置し、前記メインベーン１００より小さいサイズを有するサブベーン２００と、を含む。
前記メインベーン１００は、一例として、エアフォイル（ａｉｒ ｆｏｉｌ）の形態で形成されており、全体的な形態が流線形に湾曲したベーンボディ１０１の先端部（図面を基準として左側）に形成されたリーディングエッジ１０２から後端部（図面を基準として右側下端）に形成されたトレーリングエッジ１０３までを最短長さで連結する第１コード長Ａが形成される。
そして、前記メインベーン１００は、前記ベーンボディ１０１の上面で外側に湾曲した吸入面１０４と、前記ベーンボディ１０１の下面で内側に湾曲した圧力面１０５と、前記リーディングエッジ１０２と前記トレーリングエッジ１０３との間に形成される第１アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）Ｂと、前記第１コード長Ａと前記第１アキシャルコードＢとの間に形成される第１スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）Ｄと、前記トレーリングエッジ１０３を経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジ１０３から引いた仮想の垂直線との間に生成される第１ターニングアングルＥと、を含む。ここで、メインベーン１００は太い線で示しており、仮想の垂直線は薄い線で示している。
前記ベーンボディ１０１は、冷却空気が接触されるリーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３に向かって図面に示された形態で延びており、吸入面１０４と圧力面１０５が図面に示された形態で湾曲して延びて形成される。
前記第１コード長Ａは、前記リーディングエッジ１０２から前記トレーリングエッジ１０３に向かって実線で示された長さを意味する。
また、前記第１アキシャルコードＢは、図面を基準として、前記リーディングエッジ１０２から仮想の第１垂直線を下側に延びて引き、前記トレーリングエッジ１０３から仮想の水平線を前記第１垂直線に向かって延びて引く時に生成される長さを意味する。
前記第１アキシャルコードＢの長さが増加する場合、前記トレーリングエッジ１０３の位置が現在の位置から水平方向に右側に移動することとなり、上述の吸入面１０４と圧力面１０５の形態が、前記移動されたトレーリングエッジ１０３によって変更され得る。
本実施形態は、図面に示された形態が最適の実施形態であり、前記第１アキシャルコードＢの長さによって冷却空気の移動方向が変更されるため、多数のメインベーン１００と後述のサブベーン２００を考慮して、図面に示された形態で延びることが好ましい。
前記メインベーン１００の第１スタッガーアングルＤは、５０度以上６０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。一例として、前記第１スタッガーアングルＤは５８度の角度で傾斜し、前記第１ターニングアングルＥは８０度以上の角度で傾斜することができる。
メインベーン１００は、プレスワーラハウジング１０の円周方向に沿って多数個が一定間隔で配置されており、前記メインベーン１００は互いに離隔しているスパンＣが維持される。
前記スパンＣは、互いに離隔しているメインベーン１００を基準として、リーディングエッジの間で離隔している第１スパンＣ１と、吸入面１０４の間で離隔している第２スパンＣ２と、トレーリングエッジ１０３の間で離隔している第３スパンＣ３と、がそれぞれ維持される。
前記スパンＣは、冷却空気が移動する通路の役割を担うものであって、本実施形態では、サブベーン２００との位置及び間隔を考慮して、図面に示されたスパンが維持される。
本実施形態によるメインベーン１００が互いに離隔しているスパン（ｓｐａｎ）は、最大７０ｍｍ以内に維持され、冷却空気の回転方向にスワール値が増加し、二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化されて、安定した冷却空気の移動流れが維持される。
メインベーン１００の第１スタッガーアングルＤは、５０度以上６０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。一例として、前記第１スタッガーアングルＤは５８度の角度で傾斜し、前記第１ターニングアングルＥは８０度以上の角度で傾斜することができる。
メインベーン１００の間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーン２００はＬ／２の位置よりも上側に位置する。前記位置は、冷却空気の移動による仮想のシミュレーションを実施した際に、前記メインベーン１００が位置する入口における圧力損失を最小化し、不要な冷却空気の二次流れ損失（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｌｏｗ ｌｏｓｓ）を最小化することができる位置である。参照に、前記離隔距離Ｌは、離隔しているメインベーン１００のトレーリングエッジを基準として測定された長さに該当する。
添付の図３に示されたメインベーン１００を基準として、互いに向かい合う間に位置するサブベーンは、総４つの位置に配置されることができる。第１の位置は、図７に示されたＰ１位置に位置したサブベーンを示したものであり、第２の位置は、Ｐ２位置に位置したサブベーンを示したものであり、第３の位置は、Ｐ３位置に位置したサブベーンを示したものであり、第４の位置は、Ｐ４位置に位置したサブベーンを示したものである。
参照に、本実施形態によるサブベーン２００の最適位置は、実線で示されたＰ２位置に該当する。また、前記Ｐ２位置を除いた残りの位置にサブベーンが位置してもよいことを明らかにしておく。
また、前記サブベーン２００の最適位置としてＰ２位置が最も好ましいが、Ｐ３位置に位置してもよく、前記Ｐ２とＰ３位置にそれぞれ位置してもよい。
サブベーン２００がメインベーン１００の間に位置する場合、冷却空気の移動流れを防ぐ流体の移動流れを減少させることができ、前記冷却空気がメインベーン１００を経由してサブベーン２００に移動する間に、二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、安定した冷却空気の移動流れが維持される。
本実施形態において、上述の作用効果を維持するために、メインベーン１００の間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーン２００はＰ２位置を基準として３Ｌ／５の位置に位置する。前記位置は、上述のＬ／２の位置とともに、サブベーン２００の最適の位置に該当する。
前記位置は、Ｐ４に位置したサブベーンを基準として、図面を基準として上側に位置したＰ３位置に向かって、前記Ｌ／２に該当する長さの５％に相当する長さだけ移動された位置であって、前記Ｐ２位置は、前記Ｐ４に位置したサブベーンを基準として１０％上側に位置する。
本実施形態において、前記リーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３までを連結する第１コード長ＡをＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置に位置する。
前記位置は、サブベーン２００がメインベーン１００の間に位置する場合に、最適の位置に該当する。すなわち、互いに離隔しているメインベーン１００の間に位置したサブベーン２００が、冷却空気の移動流れを安定して案内し、且つ二次流れ損失による問題点を最小化することができる位置に該当する。
本実施形態において、リーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３までを連結する第１コード長をＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置以後に位置することができる。
前記位置は、上述のＣＬ／２の位置とともに、サブベーン２００が離隔しているメインベーン１００の間に位置する際に、最適の位置に該当する。すなわち、前記サブベーン２００が冷却空気の移動流れを安定して案内し、且つ二次流れ損失による問題点を最小化することができる位置に該当する。
サブベーン２００は、メインベーン１００の最大の厚さより薄い厚さを有する。一例として、前記メインベーン１００の最大厚さをＴｍとしたときに、前記サブベーン２００は２Ｔｍ／５の厚さで形成される。前記サブベーン２００の厚さはメインベーン１００の厚さによって変動され得るが、上述の割合が、冷却空気の移動流れを考慮した最適の厚さに該当する。
本実施形態によるサブベーン２００は、前記メインベーン１００の間に少なくとも１個以上備えられる。最も好ましくは１個が上述の位置に備えられる。但し、場合によっては、複数個が配置されてもよい。
前記サブベーン２００のトレーリングエッジ２０３は、前記メインベーン１００のトレーリングエッジ１０３が形成された位置以内に位置することが好ましい。
前記サブベーン２００は、メインベーン１００の離隔している空間に流入された冷却空気の移動を安定して誘導するために備えられるものであるため、前記サブベーン２００のトレーリングエッジ２０３が、前記メインベーン１００のトレーリングエッジ１０３が位置した箇所を超えて位置するよりは、その以内に位置することが、冷却空気の安全性を維持することができる点で好ましい。
冷却空気は、メインベーン１００の吸入面１０４と圧力面１０５に沿って移動した後、トレーリングエッジ１０３の位置で分離されながら進行方向に移動されるが、前記トレーリングエッジ１０３の位置でサブベーン２００のトレーリングエッジ２０３が冷却空気の移動流れを妨害しないように、上述の位置に位置する。
メインベーン１００は、前記プレスワーラハウジング１０の正面視においてタンジェンシャル方向に傾斜して配置されることができ、この場合、冷却空気がメインベーン１００に沿って移動する時における移動安全性が向上するとともに、不要な渦流の発生が最小化されることができる。
添付の図６を参照すると、本発明の他の実施形態によるサブベーン２００は、ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジング１０の円周方向に沿って一定間隔で互いに離隔している多数のメインベーン１００の間に位置する。
そして、流線形に湾曲したベーンボディ２０１の先端部に形成されたリーディングエッジ２０２から後端部に形成されたトレーリングエッジ２０３までを最短長さで連結する第２コード長ａと、前記ベーンボディ２０１の上面で外側に湾曲した吸入面２０４と、前記ベーンボディ２０１の下面で内側に湾曲した圧力面２０５と、が形成される。
また、前記サブベーン２００は、前記リーディングエッジ２０２と前記トレーリングエッジ２０３との間に形成される第２アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）ｂと、前記第２コード長ａと前記第２アキシャルコードｂとの間に形成される第２スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）ｄと、前記トレーリングエッジ２０３を経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジ２０３から引いた仮想の垂直線との間に生成される第２ターニングアングルｅと、を含む。
前記ベーンボディ２０１は、冷却空気が接触されるリーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３に向かって図面に示された形態で延びており、吸入面２０４と圧力面２０５が図面に示された形態で湾曲して延びて形成される。
前記第２コード長ａは、前記リーディングエッジ２０２から前記トレーリングエッジ２０３に向かって実線で示された長さを意味する。
また、前記第２アキシャルコードｂは、図面を基準として、前記リーディングエッジ２０２から仮想の第１垂直線を下側に延びて引き、前記トレーリングエッジ２０３から仮想の水平線を前記第１垂直線に向かって延びて引く時に生成される長さを意味する。
前記第２アキシャルコードｂの長さが増加する場合、前記トレーリングエッジ２０３の位置が現在の位置から水平方向に右側に移動することとなり、上述の吸入面２０４と圧力面２０５の形態が、前記移動されたトレーリングエッジ２０３によって変更され得る。
実施形態は、図面に示された形態が最適の実施形態であり、前記第２アキシャルコードｂの長さによって冷却空気の移動方向が変更されるため、図面に示された形態で延びることが好ましい。
前記サブベーン２００の第２スタッガーアングルｄは、６０度以上７０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。前記角度は、メインベーン１００とサブベーン２００との配置関係を考慮して、上述の範囲内に該当する何れか１つの角度に維持される。
この場合、冷却空気がサブベーン２００を経由して移動される間に、二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、安定した冷却空気の移動流れが維持される。
添付の図７は、本発明によるサブベーンの位置による回転方向速度比（ｓｗｉｒｌｅｒ ｒａｔｉｏ）を示したグラフであり、図８はサブベーンの位置による総圧力損失グラフを示した図である。参照に、図３に示されたメインベーンを基準として、互いに向かい合う間に位置するサブベーンは、総４つの位置に配置されることができる。第１の位置はＰ１位置に位置したサブベーンを示したものであり、第２の位置はＰ２位置に位置したサブベーンを示したものであり、第３の位置はＰ３位置に位置したサブベーンを示したものであり、第４の位置はＰ４位置に位置したサブベーンを示したものである。
添付の図７および図８を参照すると、本実施形態によるサブベーン２００は、図３に示されたようにＰ１〜Ｐ４の位置の何れか１つまたは２つの箇所に位置することができる。
このように総４つの位置に配置されたサブベーン２００において、回転方向速度比を互いに比較すると、Ｐ２に位置したサブベーン２００が最も優れていることが分かる。また、Ｐ１とＰ３に位置したサブベーンが、二番目に優れた回転方向速度比を示す。参照に、流量係数（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）は図面に示されたとおりである。
添付の図８を参照すると、本実施形態によるサブベーン２００は、Ｐ１〜Ｐ４の位置によって、総圧力損失が図示されたように発生する。 前記Ｐ１〜Ｐ４の位置によって変化はあるが、サブベーン２００が備えられていない場合に比べて、前記サブベーン２００が備えられた場合に総圧力損失が減少することが分かる。
本発明のさらに他の実施形態によるガスタービン用プレスワーラ装置について図面を参照して説明する。
添付の図９から図１１を参照すると、本実施形態は上述の実施形態と異なって、第１メインベーン１００と第１サブベーン２００がプレスワーラハウジング１０の円周方向に配置されており、前記離隔している第１メインベーン１００と第１サブベーン２００が一対を成して配置され、それに隣合って第２メインベーン１００と第２サブベーン２００ａが一対を成して配置される。そして、上述のような配置関係が、プレスワーラハウジング１０の円周方向に交互に繰り返されるように配置される。
このように配置される場合、冷却空気の移動による誘導安定性が向上し、損失が減少されることができるため、二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、安定した冷却空気の移動流れが維持される。
そのために、本実施形態による第１メインベーン１００は、一例としてエアフォイル（ａｉｒ ｆｏｉｌ）の形態で形成されており、全体的な形態が流線形に湾曲したベーンボディ１０１（図４参照）の先端部（図面を基準として左側）に形成されたリーディングエッジ１０２から後端部（図面を基準として右側下端）に形成されたトレーリングエッジ１０３までを最短長さで連結する第１コード長Ａが形成される。
そして、前記第１メインベーン１００は、前記ベーンボディ１０１の上面で外側に湾曲した吸入面１０４と、前記ベーンボディ１０１の下面で内側に湾曲した圧力面１０５と、前記リーディングエッジ１０２と前記トレーリングエッジ１０３との間に形成される第１アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）Ｂと、前記第１コード長Ａと前記第１アキシャルコードＢとの間に形成される第１スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）Ｄと、前記トレーリングエッジ１０３を経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジ１０３から引いた仮想の垂直線との間に生成される第１ターニングアングルＥと、を含む。ここで、第１メインベーン１００は太い線で示し、仮想の垂直線は薄い線で示している。
前記ベーンボディ１０１は、冷却空気が接触されるリーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３に向かって図面に示された形態で延びており、吸入面１０４と圧力面１０５が図面に示された形態で湾曲して延びて形成される。
前記第１コード長Ａは、前記リーディングエッジ１０２から前記トレーリングエッジ１０３に向かって実線で示された長さを意味する。
また、前記第１アキシャルコードＢは、図面を基準として、前記リーディングエッジ１０２から仮想の第１垂直線を延びて引き、前記トレーリングエッジ１０３から仮想の水平線を前記第１垂直線に向かって延びて引く時に生成される長さを意味する。
前記第１アキシャルコードＢの長さが増加する場合、前記トレーリングエッジ１０３の位置が現在の位置から水平方向に右側に移動することとなり、上述の吸入面１０４と圧力面１０５の形態が、前記移動されたトレーリングエッジ１０３によって変更され得る。
本実施形態は、図面に示された形態が最適の実施形態であり、前記第１アキシャルコードＢの長さによって冷却空気の移動方向が変更されるため、多数の第１メインベーン１００と後述の第１サブベーン２００を考慮して、図面に示された形態で延びることが好ましい。
前記第１メインベーン１００の第１スタッガーアングルＤは、５０度以上６０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。一例として、前記第１スタッガーアングルＤは５８度の角度で傾斜し、前記第１ターニングアングルＥは８０度以上の角度で傾斜することができる。
第１メインベーン１００の第１スタッガーアングルＤは、５０度以上６０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。一例として、前記第１スタッガーアングルＤは５８度の角度で傾斜し、前記第１ターニングアングルＥは８０度以上の角度で傾斜することができる。
第１メインベーン１００の間の離隔距離をＬとしたときに、前記第１サブベーン２００はＬ／２の位置よりも上側に位置する。前記位置は、冷却空気の移動による仮想のシミュレーションを実施した際に、前記第１メインベーン１００が位置する入口における圧力損失を最小化し、不要な冷却空気の二次流れ損失（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｌｏｗ ｌｏｓｓ）を最小化することができる位置である。参照に、前記離隔距離Ｌは、離隔している第１メインベーン１００のトレーリングエッジを基準として測定された長さに該当する。
第１メインベーン１００の第１スタッガーアングルＤは、５０度以上６０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。一例として、前記第１スタッガーアングルＤは５８度の角度で傾斜し、前記第１ターニングアングルＥは８０度以上の角度で傾斜することができる。
第１メインベーン１００の間の離隔距離をＬとしたときに、前記第１サブベーン２００はＬ／２の位置よりも上側に位置する。前記位置は、冷却空気の移動による仮想のシミュレーションを実施した際に、前記第１メインベーン１００が位置する入口における圧力損失を最小化し、不要な冷却空気の二次流れ損失（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｌｏｗ ｌｏｓｓ）を最小化することができる位置である。参照に、前記離隔距離Ｌは、離隔している第１メインベーン１００のトレーリングエッジを基準として測定された長さに該当する。
本実施形態による第１サブベーン２００の最適の位置は、実線で示された位置に該当し、前記位置を除いた残りの位置に位置してもよいことを明らかにしておく。
第１サブベーン２００が第１メインベーン１００の間に位置する場合、冷却空気の移動流れを防ぐ流体の移動流れを減少させることができ、前記冷却空気が第１メインベーン１００を経由して第１サブベーン２００に移動する間に、二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、安定した冷却空気の移動流れが維持される。
本実施形態において、前記リーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３までを連結する第１コード長ＡをＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置に位置する。
前記位置は、第１サブベーン２００が第１メインベーン１００の間に位置する場合に、最適の位置に該当する。すなわち、互いに離隔している第１メインベーン１００の間に位置した第１サブベーン２００が、冷却空気の移動流れを安定して案内し、且つ二次流れ損失による問題点を最小化することができる位置に該当する。
本実施形態において、リーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３までを連結する第１コード長をＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置以後に位置することができる。
前記位置は、上述のＣＬ／２の位置とともに、第１サブベーン２００が離隔している第１メインベーン１００の間に位置する際に、最適の位置に該当する。すなわち、前記第１サブベーン２００が冷却空気の移動流れを安定して案内し、且つ二次流れ損失による問題点を最小化することができる位置に該当する。
第１サブベーン２００は、第１メインベーン１００の最大の厚さより薄い厚さを有する。一例として、前記第１メインベーン１００の最大厚さをＴｍとしたときに、前記第１サブベーン２００は２Ｔｍ／５の厚さで形成される。前記第１サブベーン２００の厚さは第１メインベーン１００の厚さによって変動され得るが、上述の割合が、冷却空気の移動流れを考慮した最適の厚さに該当する。
本実施形態による第１サブベーン２００は、前記第１メインベーン１００の間に少なくとも１個以上備えられる。最も好ましくは１個が上述の位置に備えられる。但し、場合によっては、複数個が配置されてもよい。
前記第１サブベーン２００のトレーリングエッジ２０３は、前記第１メインベーン１００のトレーリングエッジ１０３が形成された位置以内に位置することが好ましい。
前記第１サブベーン２００は、第１メインベーン１００の離隔している空間に流入された冷却空気の移動を安定して誘導するために備えられるものであるため、前記第１サブベーン２００のトレーリングエッジ２０３が、前記第１メインベーン１００のトレーリングエッジ１０３が位置した箇所を超えて位置するよりは、その以内に位置することが、冷却空気の安全性を維持することができる点で好ましい。
冷却空気は、第１メインベーン１００の吸入面１０４と圧力面１０５に沿って移動した後、トレーリングエッジ１０３の位置で分離されながら進行方向に移動されるが、前記トレーリングエッジ１０３の位置で第１サブベーン２００のトレーリングエッジ２０３が冷却空気の移動流れを妨害しないように、上述の位置に位置する。
第１メインベーン１００は、前記プレスワーラハウジング１０の正面視においてタンジェンシャル方向に傾斜して配置されることができ、この場合、冷却空気が第１メインベーン１００に沿って移動する時における移動安全性が向上するとともに、不要な渦流の発生が最小化されることができる。
添付の図９から図１１を参照すると、本実施形態による第２サブベーン２００ａは、ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジング１０の円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数の第２メインベーン１００と隣合って位置しており、前記第２メインベーン１００より小さいサイズを有する。前記第２メインベーン１００は第１メインベーン１００と同様に構成されるため、その詳細な説明は省略する。
そして、流線形に湾曲したベーンボディ２０１の先端部に形成されたリーディングエッジ２０２から後端部に形成されたトレーリングエッジ２０３までを最短長さで連結する第２コード長ａと、前記ベーンボディ２０１の上面で外側に湾曲した吸入面２０４と、前記ベーンボディ２０１の下面で内側に湾曲した圧力面２０５と、が形成される。
また、前記第２サブベーン２００ａは、前記リーディングエッジ２０２と前記トレーリングエッジ２０３との間に形成される第２アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）ｂと、前記第２コード長ａと前記第２アキシャルコードｂとの間に形成される第２スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）ｄと、前記トレーリングエッジ２０３を経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジ２０３から引いた仮想の垂直線との間に生成される第２ターニングアングルｅと、を含む。
前記ベーンボディ２０１は、冷却空気が接触されるリーディングエッジ１０２からトレーリングエッジ１０３に向かって図面に示された形態で延びており、吸入面２０４と圧力面２０５が図面に示された形態で湾曲して延びて形成される。
前記第２コード長ａは、前記リーディングエッジ２０２から前記トレーリングエッジ２０３に向かって実線で示された長さを意味する。
また、前記第２アキシャルコードｂは、図面を基準として、前記リーディングエッジ２０２から仮想の第１垂直線を下側に延びて引き、前記トレーリングエッジ２０３から仮想の水平線を前記第１垂直線に向かって延びて引いた時に生成される長さを意味する。
前記第２アキシャルコードｂの長さが増加する場合、前記トレーリングエッジ２０３の位置が現在の位置から水平方向に右側に移動することとなり、上述の吸入面２０４と圧力面２０５の形態が、前記移動されたトレーリングエッジ２０３によって変更され得る。
本実施形態は、図面に示された形態が最適の実施形態であり、前記第２アキシャルコードｂの長さによって冷却空気の移動方向が変更されるため、図面に示された形態で延びることが好ましい。
前記第２サブベーン２００ａの第２コード長ａを１としたときに、前記メインベーン１００の第１コード長Ａは、前記第２コード長ａに比べて１．５〜１．５６倍以上長く延びる。メインベーン１００のサイズと第２サブベーン２００ａのサイズをそれぞれ考慮した上で、二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、安定した冷却空気の移動流れが維持されるように、上記のような割合が維持される。
前記第２サブベーン２００ａの第２アキシャルコードｂは、前記メインベーン１００の第１アキシャルコードＢに比べて、半分の長さで延びる。前記第２アキシャルコードｂは、第２サブベーン２００ａのサイズに比例して小さくなるが、実施形態では、前記メインベーン１００の第１アキシャルコードＢを基準として１／２の長さで延びている。
この場合、冷却空気の移動によって発生し得る二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、安定した冷却空気の移動流れが維持されるため、上記のような割合が維持される。
前記第２サブベーン２００ａの第２スタッガーアングルｄは、６０度以上７０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される。メインベーン１００と第２サブベーン２００ａとの配置関係を考慮して、上述の範囲内に該当する何れか１つの角度に維持される。
この場合、冷却空気が第２サブベーン２００ａを経由して移動される間に、二次流れ損失に起因する不要な流動流れが最小化され、安定した冷却空気の移動流れが維持される。
本実施形態によるメインベーン１００と第２サブベーン２００ａは、第１、２ターニングアングルＥ、ｅが同一の角度に維持される。前記第１、２ターニングアングルＥ、ｅは、冷却空気がメインベーン１００と第２サブベーン２００ａを経由した後に移動する方向を決定するが、前記メインベーン１００と第２サブベーン２００ａが同一の角度に維持される場合、前記冷却空気の移動方向が一致する。
冷却空気はメインベーン１００と第２サブベーン２００ａの表面に沿って移動するが、前記１、２ターニングアングルＥ、ｅの角度が同一の角度である場合、冷却空気の二次損失または渦流の発生による損失が最小化され、安定した移動流れが誘導される。
１０ プレスワーラハウジング
１００ メインベーン、第１メインベーン、第２メインベーン
１０１ ベーンボディ
１０２ リーディングエッジ
１０３ トレーリングエッジ
１０４ 吸入面
１０５ 圧力面
Ａ、ａ 第１コード長、第２コード長
Ｂ、ｂ 第１アキシャルコード、第２アキシャルコード
Ｃ スパン
Ｄ、ｄ 第１スタッガーアングル、第２スタッガーアングル
Ｅ、ｅ 第１ターニングアングル、第２ターニングアングル
２００ 第１サブベーン
２００ａ 第２サブベーン
２０１ ベーンボディ
２０２ リーディングエッジ
２０３ トレーリングエッジ

Claims (18)

  1. ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジングの円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数のメインベーンと、
    前記離隔しているメインベーンの間に位置し、前記メインベーンより小さいサイズを有するサブベーンと、を含むガスタービン用プレスワーラ装置であって、
    前記メインベーンは、
    流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第１コード長と、
    前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、
    前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、
    前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成される第１アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、
    前記第１コード長と前記第１アキシャルコードとの間に形成される第１スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、
    前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に形成される第１ターニングアングルと、からなる、ガスタービン用プレスワーラ装置。
  2. 前記メインベーンは、前記プレスワーラハウジングの正面視において、タンジェンシャル方向に傾斜して配置される、請求項１に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  3. 前記メインベーンの間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーンはＬ／２の位置よりも上側に位置する、請求項１または２に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  4. 前記メインベーンの間の離隔距離をＬとしたときに、前記サブベーンは３Ｌ／５の位置に位置する、請求項１または２に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  5. 前記メインベーンは、前記リーディングエッジからトレーリングエッジまでを連結する第１コード長をＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置に位置する、請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  6. 前記メインベーンは、前記リーディングエッジからトレーリングエッジまでを連結する第１コード長をＣＬとしたときに、前記サブベーンはＣＬ／２の位置以後に位置する、請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  7. 前記メインベーンの最大厚さをＴｍとしたときに、前記サブベーンは２Ｔｍ／５の厚さで形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  8. 前記サブベーンは、前記メインベーンの間に少なくとも１つ以上備えられる、請求項１から７のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  9. 前記サブベーンのトレーリングエッジは、前記メインベーンのトレーリングエッジが形成された位置以内に位置する、請求項１から８のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  10. 前記メインベーンの互いに離隔しているスパン（ｓｐａｎ）は、最大７０ｍｍ以内である、請求項１から９のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  11. 前記メインベーンの第１スタッガーアングルは、５０度以上６０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  12. ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジングの円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数のメインベーンと、
    前記離隔しているメインベーンの間に位置し、前記メインベーンより小さいサイズを有するサブベーンと、を含むガスタービン用プレスワーラ装置であって、
    前記サブベーンは、
    流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第２コード長と、
    前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、
    前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、
    前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成された第２アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、
    前記第２コード長と前記第２アキシャルコードとの間に形成された第２スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、
    前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に生成される第２ターニングアングルと、からなる、ガスタービン用プレスワーラ装置。
  13. 前記サブベーンの第２スタッガーアングルは、６０度以上７０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される、請求項１２に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  14. ガスタービンの圧縮機に備えられたプレスワーラハウジングの円周方向に沿って一定間隔で離隔している多数の第１メインベーンと、
    前記離隔している第１メインベーンの間に位置し、前記第１メインベーンより小さいサイズを有する第１サブベーンと、
    前記離隔している第１メインベーンの間に位置する第２メインベーンと、
    前記第２メインベーンと隣合って位置し、前記第２メインベーンより小さいサイズを有する第２サブベーンと、を含むガスタービン用プレスワーラ装置であって、
    前記第１メインベーンは、流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第１コード長と、前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成される第１アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、前記第１コード長と前記第１アキシャルコードとの間に形成される第１スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に生成される第１ターニングアングルと、からなり、
    前記第２サブベーンは、流線形に湾曲したベーンボディの先端部に形成されたリーディングエッジから後端部に形成されたトレーリングエッジまでを最短長さで連結する第２コード長と、前記ベーンボディの上面で外側に湾曲した吸入面と、前記ベーンボディの下面で内側に湾曲した圧力面と、前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの間に形成された第２アキシャルコード（ａｘｉａｌ ｃｈｏｒｄ）と、前記第２コード長と前記第２アキシャルコードとの間に形成された第２スタッガーアングル（ｓｔａｇｇｅｒ ａｎｇｌｅ）と、前記トレーリングエッジを経由した冷却空気が移動する移動方向と前記トレーリングエッジから引いた仮想の垂直線との間に生成される第２ターニングアングルと、からなる、ガスタービン用プレスワーラ装置。
  15. 前記第２コード長を１としたときに、前記第１コード長が、前記第２コード長に比べて１．５〜１．５６倍以上長く延びる、請求項１４に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  16. 前記第２アキシャルコードの長さが、前記第１アキシャルコードの長さに比べて半分の長さで延びる、請求項１４または１５に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  17. 前記第１、２ターニングアングルは同一の角度に維持される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
  18. 前記第２サブベーンの第２スタッガーアングルは、６０度以上７０度以内の角度のうち何れか１つの角度に維持される、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のガスタービン用プレスワーラ装置。
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