JP5301148B2 - ガスタービンエンジンのタービン組立体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンにおけるタービンノズル組立体に関する。

少なくともいくつかの周知のガスタービンエンジンにおいては、上流側の圧縮機及びファンに動力を供給するトルクを生成するために、燃焼ガスは高圧タービン及び低圧タービンを通って流れる。少なくともいくつかの周知の低圧タービン組立体においては、低圧タービンは前方ファン組立体に回転自在に結合される。低圧タービンの静翼は燃焼ガスを回転タービンブレードの列に向かって下流側へ搬送する。ガス流れはタービンブレードの回転を誘起し、その結果、前方ファン組立体が回転する。

タービンを通過する燃焼ガスの流れ場は複雑になる可能性がある。例えば、タービン組立体の羽根、ブレード及び／又は他の構成要素の外面の一部は、コア流れの方向に対して垂直な二次流れを燃焼ガス中に誘発することがある。そのような二次流れは望ましくない圧力損失を引き起こし、エンジン効率を低下させる。流れ場の周囲環境を最適化することにより、圧力損失を減少し、エンジン効率を向上することができる。
米国特許第６，９６９，２３２号公報 米国特許第６，８９５，７５５号公報 米国特許第６，７１９，５２８号公報 米国特許第６，５３８，８８７号公報 米国特許第６，４３１，８２０号公報 米国特許第５，５１３，９５５号公報 米国特許第５，０４４，８７９号公報 米国特許第４，７６８，９２４号公報

１つの面においては、ガスタービンエンジンを組立てる方法が提供される。方法は、タービンエンジンの内部に少なくとも１つの固定子組立体を結合することを含む。少なくとも１つの固定子組立体は、ガスタービンエンジン内部の内側バンドから延出する少なくとも１つの静翼を含む。静翼は根元部分から先端部分まで半径方向外側へ延出する。静翼は、根元部分と先端部分との間に規定された少なくとも２つの傾斜方向転換点を含む。方法は、タービンエンジン内部に少なくとも１つのタービンブレード組立体を結合することを更に含む。タービンブレード組立体は少なくとも１つの動翼を含み、動翼は、動翼と静翼との間に軸方向間隔が規定されるように固定子組立体と流体連通している。傾斜方向転換点のうち１つで規定される軸方向間隔は、根元部分で規定される軸方向間隔より幅広い。

別の面においては、ガスタービンエンジンのタービン組立体が提供される。タービン組立体は少なくとも１つの固定子組立体を含む。固定子組立体は半径方向内側のバンドと、内側バンドから半径方向外側へ延出する少なくとも１つの静翼とを含む。静翼は、内側バンドに隣接する根元部分及び先端部分を有するエーロフォイルを含む。エーロフォイルは、根元部分と先端部分との間に規定された少なくとも１つの傾斜方向転換点を更に含む。タービン組立体は、少なくとも１つの動翼を含む少なくとも１つのタービンブレード組立体を更に含む。タービンブレード組立体は、タービンブレード組立体と固定子組立体との間に軸方向間隔が規定されるように、固定子組立体と流体連通する状態で結合される。少なくとも１つの傾斜方向転換点に隣接して規定される軸方向間隔は、根元部分に隣接して規定される軸方向間隔より幅広い。

別の面においては、多段タービン組立体が提供される。タービン組立体は、第１の固定子組立体の下流側に結合された第１のブレード組立体を含む第１の段を含む。固定子組立体は、エーロフォイルを含む少なくとも１つの静翼を含む。エーロフォイルは根元部分と、先端部分と、根元部分と先端部分との間に規定された傾斜方向転換点及びスイープ方向転換点のうち少なくとも一方とを有する。第１のブレード組立体は少なくとも１つの動翼を含む。タービン組立体は、少なくとも１つの静翼を含む第２の固定子組立体の下流側に結合された第２のブレード組立体を含む第２の段を更に含む。静翼はエーロフォイルを含む。エーロフォイルは根元部分と、先端部分と、根元部分と先端部分との間に規定された傾斜方向転換点及びスイープ方向転換点のうち少なくとも一方とを有する。第２のブレード組立体は少なくとも１つの第２の動翼を含む。第１の段は、第１の段と第２の段との間に軸方向間隔が規定されるように第２の段の上流側に結合される。軸方向間隔は複数の軸方向間隔変化点を含む。

本発明は、エンジン効率を向上できるように、ガスタービンエンジンにおける二次流れの減少を容易にする方法、構成要素及び組立体を提供する。本明細書中で説明される実施形態は静翼、タービン組立体、ガスタービンエンジン及びその製造方法を含むが、本発明がガスタービンエンジン、あるいは本明細書中で説明又は図示される実施形態のうち任意の実施形態と組合わせての使用に限定されないことは当業者には理解されるであろう。

図１は、ガスタービンエンジン１０の一例を概略的に示した図である。エンジン１０はファン組立体１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含む。エンジン１０は高圧タービン１８及び低圧タービン２０を更に含む。ファン組立体１２及び低圧タービン２０は第１の軸２１により結合され、圧縮機１４及び高圧タービン１８は第２の軸２２により結合される。一実施形態においては、ガスタービンエンジン１０はオハイオ州シンシナティのGeneral Electric Aircraft Enginesより市販されているGE90エンジンである。

動作中、空気はファン組立体１２を通って流れ、ファン組立体１２は高圧圧縮機１４に圧縮空気を供給する。高圧に圧縮された空気は燃焼器１６へ送り出される。燃焼器１６からの空気は、排気ノズル２４を経てガスタービンエンジン１０から排出される前に、タービン１８及び２０を駆動するために１つ以上のタービンノズル組立体（図１には図示せず）を通って搬送される。特に、高圧圧縮機１４からの加圧空気は、燃焼器１６において燃料と混合され且つ点火されることにより、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは高圧タービン１８を回転させる。高圧タービン１８の回転により、高圧圧縮機１４が回転される。燃焼ガスは高圧タービン１８から低圧タービン２０へ排出される。コア空気流れは低圧タービン２０から排出され、排気ノズル２４に向かって後方へ搬送される。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示される）で例示されるが、それに限定されないタービンエンジンと共に使用できるタービンノズル組立体５０の一例を示した側面図である。タービンノズル組立体５０に関連して本発明を説明するが、本発明がタービンノズル組立体５０と組合わせての使用に限定されず、固定子組立体などの他の組立体と共に使用されてもよいことは当業者には理解されるであろう。ノズル組立体５０は静翼５２を含む。静翼５２は、加圧側側壁６０及び吸引側側壁６２により形成されたエーロフォイル５３を含む。側壁６０及び６２の間に冷却空洞部（図２には図示せず）が規定されるように、側壁６０及び６２は、前縁部６４及び翼弦方向に前縁部６４から離間して配置された後縁部６６において互いに接合される。エーロフォイル側壁６０及び６２は、外側バンド５４と内側バンド５６との間にそれぞれ半径方向に延出する。本実施形態においては、側壁６０は凹形であり、側壁６２は凸形であるため、静翼５２は反った形状のプロファイルを有する。更に、エーロフォイル５３は先端部分２８２及び根元部分２８４を含む。

外側バンド５４は前縁部面７０、後縁部面７４及びそれらの間に延出する本体７８を含む。内側バンド５６は前縁部面７２、後縁部面７６及びそれらの間に延出する本体８０を含む。本実施形態においては、外側バンドの前縁部面７０及び内側バンドの前縁部面７２が静翼の前縁部６４からそれぞれ上流側に距離ｄをおいた位置にあるように、静翼５２の向きは規定される。

図３は、タービンノズル組立体５０と共に使用できる１対の隣接する静翼５２を示した底面横断面図である。静翼５２の間にスロート領域Ａ_１が規定されるように、静翼５２は内側バンド５６の後縁部面７６に関して角度α_１を成すようにそれぞれ向きを定められる。角度α_１を調整することにより、スロート領域Ａ_１の幅Ｗ_１を増減できる。特に、スロート領域Ａ_１を拡張すると、静翼５２の間で搬送される空気の質量流量を増加でき、スロート領域Ａ_１を縮小すると、静翼５２の間で搬送される空気の質量流量を減少できる。

図４及び図５は、タービンノズル組立体５０と共に使用できる多重傾斜羽根８６の一例を示した図である。特に、図４は、軸方向軸（Ｘ軸）、接線方向又は周囲方向軸（Ｙ軸）及び半径方向軸（Ｚ軸）を含む多重傾斜羽根８６の一実施形態を示した斜視図である。多重傾斜羽根８６は静翼５２に類似しており、エーロフォイル８７及び中心線１００を含む。中心線１００は、側壁６２の面に沿って根元部分２８４から先端部分２８２までほぼ半径方向に延出する。図５は、中心線１００を通り、Ｙ‐Ｚ平面に沿った羽根８６の横断面図である。本実施形態においては、Ｘ軸は流路３０に対してほぼ下流側へ延出し、Ｚ軸は内側バンド５６（図２に示される）からほぼ半径方向内側へ延出し、Ｙ軸はほぼ周囲方向に延出する。

本明細書中で使用される用語「傾斜」は、Ｙ‐Ｚ平面における多重傾斜羽根８６の表面接線１０２と、Ｚ軸とほぼ平行に延出する線１０４との間で規定される半径方向角度θ_Ｌとして定義される。いくつかの実施形態においては、羽根８６の傾斜の量は「傾き」と呼ばれる。図５に示されるように、羽根８６のある一部分が線１０４に関して負の半径方向角度θ_Ｌを有する場合、羽根８６のその部分は前方に傾斜している。羽根８６の一部分が線１０４に関して正の半径方向角度θ_Ｌを有する場合には、羽根８６のその部分は後方へ傾斜している。以下に更に詳細に説明される通り、エーロフォイル８７は複数の傾斜部分を含む。本明細書中で使用される用語「傾斜部分」は、１対の半径方向に隣接する傾斜方向転換点の間、１つの傾斜方向転換点と先端部分２８２との間、又は傾斜方向転換点と根元部分２８４との間に規定される羽根８６の半径方向に延出する部分を表す。本明細書中で使用される用語「傾斜方向転換点」は、傾斜の方向が前方傾斜から後方傾斜へ又は後方傾斜から前方傾斜へ変化する場所としてエーロフォイル８７上で規定される点を表す。

図６は、多重傾斜羽根８６の前縁部６４と関連する傾斜角度値１２２の例を示したグラフ４１１である。特に、前縁部６４と関連する傾斜角度値１２２は、グラフ４１１の縦座標４１２がエーロフォイル８７の翼幅の割合（％）を表し、グラフ４１１の横座標４１６が度（°）単位で測定される前縁部６４の傾斜角度θ_Ｌの量を表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線１０２は従来の静翼と関連する傾斜の量を表す。従って、１．０の浸入ポイントで表される根元部分２８４においては、前縁部６４の傾斜角度値１２２は−８°にほぼ等しい。エーロフォイル８７は根元部分２８４から約０．７５の浸入ポイントまで前方へ傾斜するが、そこで、傾斜は傾斜方向転換点１２４において負の傾斜角度から正の傾斜角度へ変化する。エーロフォイル８７は傾斜方向転換点１２４から約０．５８の浸入ポイントまで後方へ傾斜し、そこで傾斜方向転換点１２６が規定される。エーロフォイル８７は傾斜方向転換点１２６から約0.22の浸入ポイントまで前方へ傾斜し、そこで傾斜方向転換点１２８が規定される。従って、本実施形態においては、羽根８６は前縁部６４で規定された３つの傾斜方向転換点１２４、１２６及び１２８を含む。あるいは、羽根８６は前縁部６４で規定された任意の数の傾斜方向変化点を含んでもよい。

本実施形態においては、羽根８６は、前縁部６４に沿って規定された４つの傾斜部分１３０、１３２、１３４及び１３６（図５に示される）を含む。第１の傾斜部分１３０は根元部分２８４とエーロフォイル８７の傾斜方向転換点１２４との間に規定され、第２の傾斜部分１３２は傾斜方向転換点１２４と傾斜方向転換点１２６との間に規定され、第３の傾斜部分１３４は傾斜方向転換点１２６と傾斜方向転換点１２８との間に規定され、第４の傾斜部分１３６は傾斜方向転換点１２８と先端部分２８２との間に規定される。従って、本実施形態においては、羽根８６は、根元部分２８４とエーロフォイル８７の中間点４００との間に規定された２つの傾斜部分１３０及び１３２を含む。第３の傾斜部分１３４は根元部分２８４と中間点４００との間で始まり、エーロフォイル８７の約４０％にわたり延出する。そのため、羽根８６は、根元部分２８４と中間点４００との間では逆Ｓ字形を有し、先端部分２８２と中間点４００との間ではＣ字形を有する。あるいは、羽根８６は任意の数の傾斜部分を含んでもよく、多様な形状を有してもよい。

本実施形態においては、前述のように傾斜部分１３０、１３２、１３４及び１３６を有する羽根８６は、低圧タービン２０などの低圧タービンの第１の段にある。

図７は、羽根８６の別の実施形態について前縁部６４と関連する傾斜角度値１７２を示したグラフ４３０である。特に、前縁部６４の傾斜角度値１７２は、グラフ４３０の縦座標４３２がエーロフォイル８７の翼幅の割合（％）を表し、グラフ４３０の横座標４３６が前縁部６４の傾斜角度θ_Ｌの量を°単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線１７０は従来の静翼と関連する傾斜の量を表す。従って、半径方向翼幅０％で表される根元部分２８４においては、前縁部６４の傾斜角度値１７２は４°にほぼ等しい。エーロフォイル８７は根元部分２８４から半径方向翼幅約４０％まで後方へ傾斜し、傾斜方向転換点１７４において、傾斜は正の傾斜角度から負の傾斜角度へ変化する。エーロフォイル８７は傾斜方向転換点１７４から半径方向翼幅約９５％まで前方へ傾斜し、そこで傾斜方向転換点１７６が規定される。エーロフォイル８７は傾斜方向転換点１７６から先端部分２８２まで後方へ傾斜する。従って、本実施形態においては、多重湾曲羽根８６は、前縁部６４で規定された２つの傾斜方向転換点１７４及び１７６を含む。あるいは、羽根８６は、前縁部６４で規定された任意の数の傾斜方向変化点を含む。

本実施形態においては、多重湾曲羽根８６の前縁部６４は３つの傾斜部分４０２、４０４及び４０６を含む。第１の傾斜部分４０２は根元部分２８４とエーロフォイル８７の傾斜方向転換点１７４との間に規定され、第２の傾斜部分４０４は傾斜方向転換点１７４と傾斜方向転換点１７６との間に規定され、第３の傾斜部分４０６は傾斜方向変化点１７６と先端部分２８２との間に規定される。従って、本実施形態においては、前縁部６４は、根元部分２８４と中間点４００との間に規定された１つの傾斜部分４０２を含み、第１の傾斜部分４０２はエーロフォイル８７の約４０％にわたり延出する。第２の傾斜部分４０４は根元部分２８４と中間点４００との間で始まり、エーロフォイル８７の約４５％にわたり延出する。そのため、本実施形態においては、前縁部６４はＳ字形を有する。あるいは、前縁部６４は任意の数の傾斜部分を含んでもよく、多様な形状を有してもよい。

図８は、多重湾曲羽根８６の後縁部６６と関連する傾斜角度値１８０の例を示したグラフ４４０である。特に、後縁部６６の傾斜角度値１８０は、グラフ４４０の縦座標４４２がエーロフォイル８７の翼幅の割合（％）を表し、グラフ４４０の横座標４４６が後縁部６６の傾斜角度θ_Ｌの量を°単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線１７８は従来の静翼と関連する傾斜の量を表す。従って、半径方向翼幅０％で表される根元部分２８４においては、後縁部６６の傾斜角度値１８０は−６°にほぼ等しい。エーロフォイル８７は根元部分２８４から半径方向翼幅約１５％まで前方へ傾斜し、傾斜方向転換点１８２において、傾斜は負の傾斜角度から正の傾斜角度へ変化する。エーロフォイル８７は傾斜方向転換点１８２から半径方向翼幅約４０％まで後方へ傾斜し、そこで傾斜方向転換点１８４が規定される。エーロフォイル８７は傾斜方向転換点１８４から半径方向翼幅約８０％まで前方へ傾斜し、そこで傾斜方向転換点１８６が規定される。従って、本実施形態においては、多重湾曲羽根８６は、後縁部６６で規定された３つの傾斜方向転換点１８２、１８４及び１８６を含む。あるいは、羽根８６は任意の数の傾斜方向変化点を含んでもよい。

本実施形態においては、多重湾曲羽根８６は、後縁部６６に沿って規定された４つの傾斜部分４０８、４１０、４１２及び４１４を含む。第１の傾斜部分４０８は根元部分２８４とエーロフォイル８７の傾斜方向転換点１８２との間に規定され、第２の傾斜部分４１０は傾斜方向転換点１８２と傾斜方向転換点１８４との間に規定され、第３の傾斜部分４１２は傾斜方向転換点１８４と傾斜方向転換点１８６との間に規定され、第４の傾斜部分４１４は傾斜方向変化点１８６と先端部分２８２との間に規定される。従って、本実施形態においては、羽根８６は、根元部分２８４と中間点４００との間に規定された２つの傾斜部分４０８及び４１０を含む。第３の傾斜部分４１２は根元部分２８４と中間点４００との間で始まり、後縁部６６の約４５％にわたり延出する。そのため、後縁部６６はＳ字形を有する。あるいは、羽根８６は任意の数の傾斜部分を含んでもよく、多様な形状を有してもよい。

図９は、多重湾曲羽根８６において規定されるスイープ角度の一例を示した図である。本明細書中で使用される用語「スイープ」は、Ｘ‐Ｚ平面における羽根８６に対する表面接線１０８と、Ｚ軸とほぼ平行に延出する公称線１１０との間で規定される半径方向角度θ_Ｓとして定義される。羽根８６の一部分が線１１０に関して負の半径方向角度θ_Ｓを有する場合、羽根８６のその部分は後退スイープを有する。羽根８６の一部分が線１１０に関して正の半径方向角度θ_Ｓを有する場合には、羽根８６のその部分は前進スイープを有する。以下に更に詳細に説明するように、エーロフォイル８７は複数のスイープ部分を含む。本明細書中で使用される用語「スイープ部分」は、１対の半径方向に隣接するスイープ方向転換点の間、スイープ方向転換点と先端部分２８２との間、又はスイープ方向転換点と根元部分２８４との間に規定される羽根８６の半径方向に延出する部分を表す。本明細書中で使用される用語「スイープ方向転換点」は、スイープの方向が前進スイープから後退スイープへ又は後退スイープから前進スイープへ変化するエーロフォイル８７の箇所を表す。

図１０は、多重湾曲羽根８６の前縁部６４と関連するスイープ角度値１９４の例を示したグラフ４５０である。特に、前縁部６４と関連するスイープ角度値１９４は、グラフ４５０の縦座標４５２がエーロフォイル８７の翼幅の割合（％）を表し、グラフ４５０の横座標４５６が前縁部６４のスイープ角度θ_Ｓの量を°単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線１９２は従来の静翼と関連するスイープの量を表す。従って、０％の半径方向スパンで表される根元部分２８４においては、前縁部６４のスイープ角度値１９２は１２°にほぼ等しい。エーロフォイル８７は根元部分２８４から半径方向翼幅約１０％まで前進方向にスイープし、スイープ方向転換点１９６において、スイープは正のスイープ角度から負のスイープ角度に変化する。エーロフォイル８７はスイープ方向転換点１９６から半径方向翼幅約５０％まで後退方向にスイープし、そこでスイープ方向転換点１９８が規定される。エーロフォイル８７はスイープ方向転換点１９８から先端部分２８２まで前進方向にスイープする。従って、本実施形態においては、多重湾曲羽根８６は、前縁部６４に沿って２つのスイープ方向転換点１９６及び１９８を含む。あるいは、羽根８６は任意の数のスイープ方向転換点を含んでもよい。

本実施形態においては、多重湾曲羽根８６は、前縁部６４に沿って３つのスイープ部分３５２、３５４及び３５６を含む。第１のスイープ部分３５２は根元部分２８４とエーロフォイル８７のスイープ方向転換点１９６との間に規定され、第２のスイープ部分３５４はスイープ方向転換点１９６とスイープ方向転換点１９８との間に規定され、第３のスイープ部分３５６はスイープ方向転換点１９８と先端部分２８２との間に規定される。従って、本実施形態においては、羽根８６は、根元部分２８４と中間点４００との間に規定された２つのスイープ部分３５２及び３５４を有する。第３のスイープ部分３５６はほぼ中間点４００から始まり、先端部分２８２までエーロフォイル８７の約５０％にわたり延出する。別の実施形態においては、羽根８６は任意の数のスイープ部分を含む。

図１１は、多重湾曲羽根８６の後縁部６６と関連するスイープ角度値２００の例を示したグラフ４６０である。特に、後縁部６６と関連するスイープ角度値２００は、グラフ４６０の縦座標４６２がエーロフォイル８７の翼幅の割合（％）を表し、グラフ４６０の横座標４６６が後縁部６６のスイープ角度θ_Ｓの量を°単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線１９９は従来の静翼と関連するスイープの量を表す。従って、半径方向翼幅０％で表される根元部分２８４においては、後縁部６６のスイープ角度値２００は１４°にほぼ等しい。エーロフォイル８７は根元部分２８４から半径方向翼幅約１４％まで前進方向にスイープし、スイープ方向転換点２０２において、スイープは正のスイープ角度から負のスイープ角度に変化する。エーロフォイル８７はスイープ方向転換点２０２から半径方向翼幅約５５％まで後退方向にスイープし、そこでスイープ方向転換点２０４が規定される。エーロフォイル８７はスイープ方向転換点２０４から半径方向翼幅約８４％まで前進方向にスイープし、そこでスイープ方向転換点２０６が規定される。エーロフォイル８７はスイープ方向転換点２０６から先端部分２８２まで後退方向にスイープする。従って、本実施形態においては、多重湾曲羽根８６は、後縁部６６に沿って規定された３つのスイープ方向転換点２０２、２０４及び２０６を含む。あるいは、羽根８６は、後縁部６６に沿って任意の数のスイープ方向転換点を含んでもよい。

本実施形態においては、多重湾曲羽根８６は、後縁部６６において規定された４つのスイープ部分３５８、３６０、３６２及び３６４を含む。第１のスイープ部分３５８は根元部分２８４とエーロフォイル８７のスイープ方向転換点２０２との間に規定され、第２のスイープ部分３６０はスイープ方向転換点２０２とスイープ方向転換点２０４との間に規定され、第３のスイープ部分３６２はスイープ方向転換点２０４とスイープ方向転換点２０６との間に規定され、第４のスイープ部分３６４はスイープ方向転換点２０６と先端部分２８２との間に規定される。従って、本実施形態においては、羽根８６は、中間点４００と先端部分２８２との間に規定された２つのスイープ部分３６２及び３６４を含む。あるいは、羽根８６は、後縁部６６に任意の数のスイープ部分を含んでもよい。

図１２は、羽根８６の横断面面積の例を示したグラフ４７０である。本実施形態においては、羽根８６の横断面面積が根元部分２８４から先端部分２８２まで変化するように、羽根８６のプロファイルは根元部分２８４から先端部分２８２まで変化する。特に、図１２において、横断面面積２１０の例示された値は、グラフ４７０の縦座標４７２がエーロフォイル８７の翼幅の割合（％）を表し、グラフ４７０の横座標４７６が特定の翼幅位置におけるエーロフォイル８７の横断面面積を平方インチ単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線２０８は従来の静翼と関連する横断面面積の量を表す。従って、半径方向翼幅１０％で表される根元部２８４の付近の半径方向翼幅位置２１２においては、エーロフォイル８７の横断面面積値は0.097平方インチにほぼ等しい。エーロフォイル８７はその翼幅位置２１２から中間点４００まで収束し、中間点４００においては、横断面積値は0.047平方インチにほぼ等しい。エーロフォイル８７の横断面面積は外側へ延出しながら、約６５％の翼幅位置２１６に至るまで減少し続ける。翼幅位置２１６においては、横断面面積は0.035平方インチにほぼ等しい。翼幅位置２１６から半径方向外側へ、エーロフォイル８７の横断面面積は先端部分２８２まで増加する。先端部分２８２における横断面面積は0.085平方インチにほぼ等しい。従って、本実施形態においては、羽根８６は収束部分２１５（翼幅位置２１２から翼幅位置２１６まで延出する）と、拡張部分２１７（翼幅位置２１６から先端部分２８２まで延出する）とを含む。あるいは、羽根８６は、それぞれ任意の１対の翼幅位置の間で延出する任意の数の収束部分２１５及び拡張部分２１７を含んでもよい。

本実施形態においては、傾斜部分４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２及び４１４、スイープ部分３５２、３５４、３５６、３５８、３６０、３６２及び３６４、並びに収束部分２１５及び拡張部分２１７に関して以上説明した羽根８６は、低圧タービン２０などの低圧タービンの第２の段にある。

スイープ部分３５２、３５４、３５６、３５８、３６０、３６２及び３６４、傾斜部分１３０、１３２、１３４、１３６、４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２及び４１４、並びに半径方向収束部分２１５及び半径方向拡張部分２１７をそれぞれ含む羽根８６のエーロフォイルプロファイルにより、二次空気流れ特性を減少できると共に、二次空気流れの総強度を低減できる。二次空気流れが減少すると、ノズル排出圧力が増加し、タービン効率は向上する。特に、羽根８６のプロファイルは、周囲方向圧力損失を引き起こす二次空気流れを減少するのを助ける。二次空気流れを減少することにより、空気力学的損失が減少し、タービン効率（ＥＦＦＡ）を改善できることがわかっている。

本実施形態においては、羽根８６は、従来の静翼の根元部分より大きい根元部分２８４を含む。根元部分２８４は前縁部分及び加圧側部分を含む。根元部分２８４は、根元部分２８４の付近で発生する任意のＵ字渦を弱め、２つの羽根８６の間で内側バンド５６に沿って発生する通過渦を弱めることができる。特に、前縁部分はＵ字渦の加圧側分岐部分を弱め、それにより、羽根８６の間の通過渦を弱めるのを助ける。加圧側部分は、前縁部分の追加軸方向スイープに加えて、エーロフォイル８７の加圧側６０と吸引側６２との間で形成される圧力勾配を減少する働きをする。この効果によっても、通過渦は減少される。更に、根元部分２８４は羽根８６と関連する周囲方向圧力損失を減少する。

図１３は、低圧タービン組立体２０などのガスタービンエンジン１０と共に使用できるタービン組立体の一例の一部分を概略的に示した側面図である。本実施形態においては、タービン組立体２０は、第１の動翼組立体３４の上流側でエンジン１０に結合された第１の固定子組立体３２と、第２の動翼組立体３８の上流側に結合された第２の固定子組立体３６と、第３の動翼組立体４２の上流側に結合された第３の固定子組立体４０とを含む。第１の固定子組立体３２及び第１の動翼組立体３４は第１の段３３を形成し、第２の固定子組立体３６及び第２の動翼組立体３８は第２の段３７を形成し、第３の固定子組立体４０及び第３の動翼組立体４２は第３の段４１を形成する。本実施形態においては、第１の固定子組立体３２は、少なくとも１つの動翼８５に複数の傾斜部分を含む少なくとも１つの羽根８６を含み、第２の固定子組立体３６は、少なくとも１つの動翼９５に複数の傾斜部分及び複数のスイープ部分を含む少なくとも１つの羽根８６を含む。あるいは、タービン組立体２０は任意の数の固定子組立体３２及び動翼組立体３６を含んでもよい。

本実施形態においては、タービン組立体２０の内部に結合された場合、各静翼８６は、動翼８５、９５などの下流側動翼及び／又は上流側動翼から軸方向距離３０１だけ離間して配置される。軸方向距離３０１は羽根８６とそれぞれ対応するブレードとの間で半径方向に変化し、複数の軸方向間隔で規定される。例えば、本実施形態においては、ブレード８５と羽根８６との間で１１個の軸方向間隔が測定される。根元部軸方向間隔２５０は、羽根８６の根元部、すなわち、半径方向翼幅０％と隣接する動翼８５の根元部との間で測定される。特に、軸方向間隔は場所２５１〜２６０で識別される。本実施形態においては、軸方向間隔は、各羽根８６の根元部からそれぞれ対応するブレードまで測定された１０％の増分で識別される。

図１４は、タービン組立体２０の第１の段３３を形成する羽根８６とブレード８５との間で測定された軸方向間隔値の例を示したグラフ５１０である。特に、羽根８６とブレード８５との間で規定された軸方向間隔値３０４は、グラフ５１０の縦座標５１２が羽根及びブレードのエーロフォイルの半径方向翼幅の割合（％）を表し、グラフ５１０の横座標５１６が特定の半径方向翼幅位置における軸方向間隔をインチ単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線３０２は従来の静翼と関連する軸方向間隔値を表す。従って、半径方向翼幅０％で表される根元部分２８４においては、軸方向間隔値３０４は0.35インチにほぼ等しい。グラフ５１０に示されるように、第１の段３３における軸方向間隔３０４は、羽根及びブレードのエーロフォイルの根元部分２８４から先端部分まで徐々に増加する。

図１５は、第１の段３３と第２の段３７との間、すなわち、ブレード８５とすぐ下流側の羽根８６との間の軸方向間隔値の例を示したグラフ５２０である。特に、ブレード８５と羽根８６との間の軸方向間隔値３１４は、グラフ５２０の縦座標５２２が羽根及びブレードのエーロフォイルの半径方向翼幅の割合（％）を表し、グラフ５２０の横座標５２６が特定の半径方向翼幅位置における軸方向間隔をインチ単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線３１２は従来の静翼と関連する軸方向間隔の量を表す。従って、半径方向翼幅０％で表される根元部分２８４においては、軸方向間隔値３１４は0.44インチにほぼ等しい。軸方向間隔３１４は、根元部分２８４から半径方向翼幅約１０％まで減少する。軸方向間隔３１４は、１０％翼幅位置から半径方向翼幅約５０％まで増加し、そこで、軸方向間隔は中間点からブレード及び羽根の先端部まで再び減少する。従って、本実施形態においては、ブレード８５とすぐ下流側の羽根８６との間の軸方向間隔３１４は、１０％翼幅及び５０％翼幅において規定された２つの軸方向間隔変化点を有する。

図１６は、タービン組立体２０の第２の段３７の内部の羽根８６とブレード９５との間の軸方向間隔値の例を示したグラフ５３０である。特に、羽根８６とブレード９５との間の軸方向間隔値３２４の例は、グラフ５３０の縦座標５３２が羽根及びブレードのエーロフォイルの半径方向翼幅の割合（％）を表し、グラフ５３０の横座標５３６が特定の半径方向翼幅位置における軸方向間隔をインチ単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線３２２は従来の静翼と関連する軸方向間隔の量を表す。従って、半径方向翼幅０％として表される根元部分２８４においては、軸方向間隔値３２４は0.38インチにほぼ等しい。軸方向間隔３２４は根元部分２８４から半径方向翼幅約１５％まで増加する。軸方向間隔３２４は１５％翼幅位置から半径方向翼幅約５０％まで減少する。軸方向間隔３２４は５０％翼幅位置から半径方向翼幅約９０％まで増加する。その後、軸方向間隔３２４は９０％翼幅位置から羽根及びブレードのエーロフォイルの先端部分まで減少する。従って、本実施形態においては、ブレード９５と羽根８６との間の軸方向間隔３２４は、１５％翼幅、５０％翼幅及び９０％翼幅で規定された３つの軸方向間隔変化点を有する。

図１７は、第２の段３７と第３の段４１との間、すなわち、ブレード９５とすぐ下流側の羽根８６との間の軸方向間隔値の例を示したグラフ５４０である。特に、ブレード９５と羽根８６との間の軸方向間隔値３３４は、グラフ５４０の縦座標５４２が羽根及びブレードのエーロフォイルの半径方向翼幅の割合（％）を表し、グラフ５４０の横座標５４６が特定の半径方向翼幅位置における軸方向間隔をインチ単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線３３２は従来の静翼と関連する軸方向間隔の量を表す。従って、半径方向翼幅０％として表される根元部分２８４においては、軸方向間隔値３３４は0.46インチにほぼ等しい。軸方向間隔３３４は根元部分２８４から半径方向翼幅約１５％まで減少する。軸方向間隔３３４は１５％翼幅位置から半径方向翼幅約６０％まで増加する。軸方向間隔３３４は６０％翼幅位置から先端部分２８２まで減少する。従って、本実施形態においては、ブレード９５と羽根８６との間の軸方向間隔３３４は、１５％翼幅及び６０％翼幅で規定された２つの軸方向間隔変化点を有する。

図１８は、第３の段４１の内部の羽根８６とブレード８３との間の軸方向間隔値の例を示したグラフ５５０である。特に、羽根８６とブレード８３との間の軸方向間隔値３４２の例は、グラフ５５０の縦座標５５２が羽根及びブレードのエーロフォイルの半径方向翼幅の割合（％）を表し、グラフ５５０の横座標５５６が特定の半径方向翼幅位置における軸方向間隔をインチ単位で表すようなグラフとして示される。図示の便宜上、実線３４０は従来の静翼と関連する軸方向間隔の量を表す。従って、半径方向翼幅０％として表される根元部分２８４においては、軸方向間隔３４２は0.38インチにほぼ等しい。軸方向間隔３４２は根元部分２８４から半径方向翼幅約３０％まで増加する。軸方向間隔３４２は半径方向翼幅３０％から半径方向翼幅約８５％まで減少する。軸方向間隔３４２は半径方向翼幅８５％から先端部分２８２まで増加する。従って、本実施形態においては、ブレード８３と羽根８６との間の軸方向間隔３４２は、３５％翼幅及び８５％翼幅で規定された２つの軸方向間隔変化点を有する。

タービン組立体２０は二次空気流れを減少し、空気力学的効率を向上できる。特に、先に説明した種々の軸方向間隔を有するように規定された羽根８６を含む固定子組立体５０は、固定子組立体５０と関連する二次空気流れ特性の量及び強さを減少できる。二次空気流れを減少させると、その結果、ノズル排出圧力が高くなり、タービン効率は向上する。特に、タービン組立体２０の構成は、周囲方向圧力損失を引き起こす二次空気流れを減少できる。計算上の流体ダイナミクス及び定量分析に基づいて、羽根８６における多様な軸方向間隔と可変傾斜及び可変スイープとの組合わせは、従来の構造と比較して、総グループタービン効率を改善する。

一実施形態においては、ガスタービンエンジンを組立てる方法が提供される。方法は、タービンエンジンの内部に少なくとも１つの固定子組立体を結合することを含む。少なくとも１つの固定子組立体は、ガスタービンエンジンの内部の内側バンドから延出する少なくとも１つの静翼を含む。静翼は根元部分から先端部分まで半径方向外側へ延出する。静翼は、根元部分と先端部分との間に規定された少なくとも２つの傾斜方向転換点を含む。方法は、タービンエンジンの内部に少なくとも１つのタービンブレード組立体を結合することを更に含む。タービンブレード組立体は少なくとも１つの動翼を含み、動翼は、動翼と静翼との間に軸方向間隔が規定されるように固定子組立体と流体連通している。傾斜方向転換点のうち１つで規定される軸方向間隔は、根元部分で規定される軸方向間隔より幅広い。

本明細書中では、多様なエンジンにおいて利用できるタービン組立体が説明される。各実施形態及び説明される方法においては、タービン組立体は、可変傾斜及び／可変スイープを有する少なくとも１つの静翼を有し、それにより、タービン組立体における圧力を低下させてエンジンの不効率を引き起こす可能性がある二次空気流れを弱めることができる。その結果、タービン組立体から排出される燃焼ガスの総圧力は増加し、それにより、タービン効率を向上できる。従って、本明細書中で説明されるタービン組立体によって、タービンエンジンの性能を費用効率よく且つ高い信頼性をもって向上することができる。

以上、ガスタービンエンジンの静翼及び静翼組立体の実施形態を詳細に説明した。図示される静翼及び静翼組立体は本明細書中で説明された特定の実施形態に限定されず、各静翼及び各静翼組立体の構成要素は、本明細書中で説明される他の構成要素から独立して別個に利用されてもよい。

種々の特定の実施形態に関して本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは当業者には認識されるであろう。

ガスタービンエンジンの一例を概略的に示した図である。 図１に示されるガスタービンエンジンにおいて使用できる周知のタービンノズル組立体の一例を示した側面図である。 図２に示されるノズル組立体と共に使用できる２つの周知の静翼を示した横断面図である。 図１に示されるガスタービンエンジンにおいて使用できる多重傾斜羽根の一例を示した図である。 図４に示される多重傾斜羽根を示した中心線横断面図である。 図４に示される多重傾斜羽根の傾斜角度値の例を示したグラフである。 図４に示される多重湾曲羽根の前縁部の傾斜角度値の例を示したグラフである。 図４に示される多重湾曲羽根の後縁部の傾斜角度値の例を示したグラフである。 図４に示される多重湾曲羽根のスイープ角度の一例を示した側面斜視図である。 図４に示される多重湾曲羽根の前縁部のスイープ角度値の例を示したグラフである。 図４に示される多重湾曲羽根の後縁部のスイープ角度値の例を示したグラフである。 図４に示される多重湾曲羽根の横断面面積値の例を示したグラフである。 図１に示されるガスタービンエンジンと共に使用できるタービン組立体の一例の一部を概略的に示した側面図である。 図１３に示されるタービン組立体の第１の段の内部に規定された軸方向間隙値の例を示したグラフである。 図１３に示されるタービン組立体の第１の段と第２の段との間に規定された軸方向間隙値の例を示したグラフである。 図１３に示されるタービン組立体の第２の段の内部に規定された軸方向間隙値の例を示したグラフである。 図１３に示されるタービン組立体の第２の段と第３の段との間に規定された軸方向間隙値の例を示したグラフである。 図１３に示されるタービン組立体の第３の段の内部に規定された軸方向間隙値の例を示したグラフである。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン、３２…第１の固定子組立体、３３…第１の段、３４…第１の動翼組立体、３６…第２の固定子組立体、３７…第２の段、３８…第２の動翼組立体、４０…第３の固定子組立体、４１…第３の段、４２…第３の動翼組立体、５２…静翼、５３…エーロフォイル、５４…外側バンド、５６…内側バンド、６４…前縁部、６６…後縁部、８５…動翼、８６…多重傾斜羽根、８７…エーロフォイル、９５…ブレード、９６…多重湾曲羽根、１２８、１７４、１７６…傾斜方向転換点、２０２、２０４…スイープ方向転換点、２１５…収束部分、２１７…拡張部分、２８２…先端部分、２８４…根元部分、３１４、３２４、３３４…軸方向間隔値

Claims (7)

1. 半径方向内側のバンド（５６）と、前記内側バンドから半径方向外側へ延出する少なくとも１つの静翼（８６）とを具備する少なくとも１つの固定子組立体（３２）であって、前記静翼が前記内側バンドに隣接する根元部分（２８４）と先端部分（２８２）とを具備するエーロフォイル（５３）を具備し、前記エーロフォイルが前記根元部分（２８４）と前記先端部分（２８２）との間に規定された複数の傾斜方向転換点（１２４、１２６、１２８）を更に具備する固定子組立体（３２）と；
   少なくとも１つの動翼（８５）を具備する少なくとも１つのタービンブレード組立体であって、前記タービンブレード組立体と前記固定子組立体（３２）との間に軸方向間隙（３０４）が規定されるように、前記タービンブレード組立体が前記固定子組立体と流体連通状態で結合され、前記複数の傾斜方向転換点（１２４、１２６、１２８）に隣接して規定される軸方向間隙が、前記根元部分に隣接して規定される軸方向間隔より幅広いタービンブレード組立体と
   を具備し、
   前記軸方向間隙（３０４）は、少なくとも３つの軸方向間隔変化点を含む
   ことを特徴とする、するタービン組立体。
2. 前記静翼（８６）は、前記根元部分（２８４）と前記先端部分（２８２）との間のほぼ中間に規定された中間点（４００）を有し、
   前記複数の傾斜方向転換点のうち少なくとも２つ（１２４、１２６）が前記根元部分と前記中間点との間に規定されている
   請求項１記載のタービン組立体。
3. 前記少なくとも１つの静翼（８６）は、少なくとも１つの収束部分（２１５）及び少なくとも１つの拡張部分（２１７）を更に具備する請求項１記載のタービン組立体。
4. 前記静翼（８６）は、前記少なくとも１つの固定子組立体（３２）を通って流れる空気の層流分離を減少するのを助ける請求項１記載のタービン組立体。
5. 前記少なくとも１つの静翼（８６）は、前記少なくとも１つの固定子組立体の内部で発生されるＵ字渦及び通過渦のうち少なくとも一方を減少するように構成される請求項１記載のタービン組立体。
6. 第１の固定子組立体（３２）の下流側に結合された第１のブレード組立体（３４）を具備する第１の段（３３）であって、前記固定子組立体が、エーロフォイル（５３）を具備する少なくとも１つの静翼（８６）を具備し、前記エーロフォイルが根元部分（２８４）、先端部分（２８２）、並びに前記根元部分と前記先端部分との間に規定された傾斜方向転換点（１２４、１２６、１２８）及びスイープ方向転換点のうち少なくとも一方を具備し、前記第１のブレード組立体（３４）が少なくとも１つの動翼（８５）を具備する第１の段（３３）と；
   少なくとも１つの静翼（８６）を具備する第２の固定子組立体（３６）の下流側に結合された第２のブレード組立体（３８）を具備する第２の段（３７）であって、前記静翼がエーロフォイル（５３）を具備し、前記エーロフォイルが根元部分（２８４）、先端部分（２８２）、並びに前記根元部分と前記先端部分との間に規定された傾斜方向転換点（１２４、１２６、１２８）及びスイープ方向転換点のうち少なくとも一方を具備し、前記第２のブレード組立体（３８）が少なくとも１つの第２の動翼（９５）を具備し、前記第１の段が、前記第１の段と前記第２の段との間に軸方向間隙（３１４）が規定されるように前記第２の段の上流側に結合され、前記軸方向間隙（３１４）が複数の軸方向間隔変化点を含む第２の段（３７）と
   を具備し、
   前記第１の段の前記静翼及び第２の段前の記静翼のうち少なくとも一方は、前記根元部分（２８４）と前記先端部分（２８２）との間に規定された複数の傾斜方向転換点（１２４、１２６、１２８）を更に具備し、
   前記軸方向間隙（３１４）は、少なくとも３つの軸方向間隔変化点を含む
   ことを特徴とする、多段タービン組立体。
7. 前記複数の傾斜方向転換点（１２４、１２６、１２８）を具備する前記第１の段の前記静翼及び第２の段前の記静翼のうちの前記少なくとも一方が、前記根元部分（２８４）と前記先端部分（２８２）との間のほぼ中間に規定された中間点（４００）を有し、
   前記複数の傾斜方向転換点のうち少なくとも２つ（１２４、１２６）が、前記根元部分と前記中間点との間に規定されている
   請求項６記載のタービン組立体。
   

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