JP6026537B2

JP6026537B2 - 軸流流体機械のための、古い翼の代替部品としての代替翼をプロファイルするための方法

Info

Publication number: JP6026537B2
Application number: JP2014528921A
Authority: JP
Inventors: クリスティアン・コルネリウス; トルステン・マティアス
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: RU2014113852A; BR112014005116B8; US9771803B2; TW201321595A; MX341606B; WO2013034402A1; EP2723988A1; KR20140067023A; US20140212282A1; BR112014005116B1; HUE029762T2; BR112014005116A2; EP2723988B1; MX2014002748A; TWI600824B; RU2629110C2; CA2848153A1; JP2014526631A; KR101940353B1; CN103781995B

Description

本発明は、軸流流体機械のための、古い翼の代替部品としての代替翼をプロファイルするための方法に関し、代替翼は、ガスタービン用のロータ翼あるいはステータ翼である。

ガスタービン、特に非定置式ガスタービンは、従来、駆動期間がおよそ３０年である。この期間の間、これまでに、特にガスタービンの熱効率を改善するための技術革新が、市場に出されるまでになった。望ましいのは、すでに設置されているガスタービンに、少なくとも部分的にこれらの技術革新が装備され、それによって、当該ガスタービンで対応する効率向上を達成することである。すでに設置されているガスタービンに技術革新を組み入れるために、従来は、修正された部材を準備しており、この部材は、技術革新されており、ガスタービン内のその対応する古い部材と交換される。アップグレードの出費とそのためのコストをできる限り少なく抑えるために、ガスタービン内のできる限り少ない数の部材を交換することが、追求に値する。

発電所で使用するための定置式ガスタービンは従来、軸流式の構造で設計されている。ガスタービンの圧縮機は通常、貫流方向で軸方向に連続して設けられた複数の段を備え、各段は、ロータに配設され動翼リングを形成する動翼と、静翼リングを形成する静翼と、を含む。動翼は、ロータとともに、固定の静翼に対して回転し、特に動翼と静翼の流体力学上の効率は、段の流体力学上の効率を決定する。翼のプロファイル時に数値流れ解法を使用することによって、ここ数年は、段効率の相当の改善が達成され得た。それによって望ましいのは、特にガスタービンの圧縮機のために、現行の翼列が取り外され、現代的な観点に従って設計された翼列と交換されることである。ロータは、ガスタービンに残され、それによって、翼固定装置の翼列とロータとの間の機械的インターフェースは、変更されないままになる。

しかしながら、新しい翼列のプロファイルによって、翼板の重心の変化がもたらされると、翼固定装置の機械的負担が変化する。通常は、これによって、翼固定装置に不都合な負荷がかかることになり、それによって新しい翼列のプロファイルは、翼固定装置の最大許容負荷値に合わせられるべきである。通常は、これによって、新しい翼列のプロファイル時に制限がもたらされ、それによって、原則的に到達可能な効率向上が、実行不可能になる。

特に圧縮機ロータ翼にとって明らかとなったのは、プロファイル時に、流路の下半分における後方スイープの導入が、圧縮機ロータ翼の空気力学上の性能を高めるということである。しかし、それに伴って、翼重心と翼後縁とは、下流にある静翼列の方向へ対応して移動する。この重心移動に引き起こされて、翼溝内部における翼固定装置の負荷に対する直近の有効である対称性が悪化するので、圧縮機ロータ翼のプロファイル時には、後方スイープの程度が大きく限定されている。それでも、圧縮機ロータ翼に後方スイープを備えるために、新しい翼列の軸断面の通し線の偏向は、古い翼列の軸断面の通し線と比較されて、なお許容の領域内に制限された。それによって到達されたのは、ガスタービン駆動時の翼元と周溝との負荷が、許容できなくもない大きさになるということであった。しかし、それによって、根本的なポテンシャルと効率改善が利用されないままである。

新しい翼列の翼根の弦長を短くすることで、対策をとれるかもしれない。しかし、この処置は、新しい翼列の空気力学上の負荷能力と強度と構造力学上の整合性とに関して不利になるであろう。

特許文献１には、静翼を追加装備するための方法であって、現存する静翼を新しい静翼に交換する方法が記述されている。
特許文献２には、正弦曲線状のスイープを有する圧縮機翼が開示されている。スイープが正弦曲線状であることによって、移行スイープがもたらされる。それによって、効率向上と防音とに関する要求を満たすことになる。

米国特許出願公開第２００３／０１２６４５号明細書国際公開第２００９／１０３５２８号

本発明の課題は、軸流流体機械のための、古い翼の代替部品としての代替翼をプロファイルするための方法と、ガスタービン用のロータ翼及びステータ翼と、当該ロータ翼および／あるいは当該ステータ翼を有するガスタービンと、を提供することであり、当該ガスタービンは、熱力学効率が高い。

本課題は、請求項１及び請求項８から請求項１１の特徴によって解決される。そのための好ましい形態は、さらなる請求項に記載されている。

軸流流体機械のための、古い翼の代替部品としての代替翼をプロファイルするための本発明に係る方法は、
ハブあるいはハウジングに片側で嵌合されている古い翼の流路のハブ輪郭幾何学形状及びハウジング輪郭幾何学形状と、古い翼の翼板の重心の軸方向位置および／あるいは最大限利用可能な軸方向構造空間と、を検出するステップと、
代替翼の翼板の幾何学形状を設計するステップであって、代替翼の翼板の、嵌合側の断面が、古い翼の翼板の、嵌合側の断面とほぼ同じ場所にあり、代替翼の翼板が、段効率の最適化を目的として、前縁で嵌合部に向かって上流に傾き、それによって翼板が後方スイープを有するステップと、
代替翼の翼板の嵌合近傍領域を定義するステップであって、この嵌合近傍領域では、段効率に対する後方スイープのポジティブな影響が少ないと評価される、ステップと、
代替翼の翼板の重心の軸方向位置が、古い翼の翼板の重心の軸方向位置とほぼ一致するまで、および／あるいは古い翼の最大限利用可能な軸方向構造空間を利用して、代替翼の力学上の整合性が達成されるまで、領域の外側に設けられた、代替翼の翼板部分を、上流に向かって軸方向に移動させるステップと、を備え、
前縁がが、代替翼の翼板における嵌合側の断面から代替翼の移動された翼板部分まで、領域の嵌合部に向かって下流に傾き、それによって、翼板がこの領域において移行スイープを有する。

好ましくは、軸流流体機械は、ガスタービンの圧縮機および／あるいはタービンである。ガスタービン用の本発明に係るロータ翼は、本発明に係る方法で設計されている代替翼である。さらに、本発明に係るステータ翼は、本発明に係る方法で設計されている代替翼である。本発明に係るガスタービンは、当該ロータ翼および／あるいは当該ステータ翼を備える。

本発明に係る圧縮機翼は、前縁を有する翼板を備えており、翼板は、段効率の最適化を目的として、前縁で翼板の嵌合部に向かって上流に傾けられ、それによって、翼板が後方スイープを有し、翼板の嵌合近傍領域が定義されており、この嵌合近傍領域では、段効率に対する後方スイープのポジティブな影響が少ないと評価されており、翼板の領域において、前縁が嵌合部に向かって下流に傾けられ、それによって、翼板がこの領域において移行スイープを有する。

代替翼の翼板のうち嵌合近傍領域であって、段効率に対する後方スイープのポジティブな影響が少ないと評価される嵌合近傍領域は、好ましくは、ハブ境界層の半径方向範囲あるいは嵌合側の二次流の半径方向範囲に相当する。好ましくは、当該領域は、代替翼の翼高さの５％から１５％である。

代替翼の翼根の弦長は、好適には、古い翼の翼根の弦長にほぼ相当する。さらに、本方法は、好ましくは、代替翼の翼板の幾何学形状を設計するステップであって、翼板は、段効率の最適化を目的として、前縁で、嵌合部に半径方向で背向する側に向かって上流に傾き、それによって翼板が後方スイープの外側に前方スイープを有する、ステップを備える。その上、好ましいのは、代替翼の前縁の後方スイープが、半径方向で嵌合側の流路の半分だけに延伸するということである。

移行スイープは、本発明に従えば、前方スイープとして形成されている。このスイープによって、代替翼の翼板の重心は、流れ方向で前方に移動し、それによって、代替翼の翼板の重心は、古い翼の翼板の重心の位置を占め、および／あるいは古い翼の最大限利用可能な軸方向構造空間を利用して、代替翼の力学上の整合性が達成されている。ガスタービン内では、古い翼は、代替翼と交換されている。その際、古い翼は、たとえばガスタービンのロータから取り外され、代替翼は、古い翼の箇所に取り付けられる。従来は、古い翼もしくは代替翼は、形状接続的にガスタービンのロータに嵌合されている。代替翼の重心が古い翼の重心とほぼ同じ軸方向位置にあることによって、および／あるいは古い翼の最大限利用可能な軸方向構造空間を利用して代替翼の力学上の整合性が達成されていることによって、代替翼の形状接続的固定の負担は、古い翼の形状接続的固定の負荷とほぼ同じである。これは、特に、高い段効率を達成するための代替翼のプロファイル時に後方スイープがあることによって、代替翼を有するガスタービンの駆動時の翼固定装置の機械的負荷が古い翼での駆動と比べてほぼ同じくらい大きいので、有利である。

移行スイープは、嵌合近くにありかつ段効率に対する後方スイープのポジティブな影響をわずかにしか阻害しない領域に、局所的に限定されている。それによって、移行スイープの空気力学上の影響が小さくなり、他方、標準的に後方スイープを備える翼の構造力学上の欠点が減少する。移行スイープは、好ましくは、代替翼の翼高さの５％から１５％の領域に限定されている。それによって、代替翼の翼高さの５％から１５％の外側の流速のより大きい領域において、後方スイープの利点を利用できる。その上、本発明に係るロータ翼では、ロータ翼が従来通りに後方スイープを備えているが移行スイープを備えていない場合よりも、下流にある従来のステータ翼との距離が大きくなる。それによって、本発明に係るロータ翼の回転によって引き起こされる空気力学上の力による励振は、わずかである。

以下において、ガスタービンのための、古い翼の代替翼としての、本発明に係る方法でプロファイルされたロータ翼の好ましい実施形態が、添付の概略図に基づいて説明される。図に示されるのは以下である。

ロータ翼の周方向の上面図である。図１のロータ翼の斜視図である。

図１及び図２から明らかなように、ロータ翼である代替翼１は、翼板２と、翼元（図示されず）でガスタービンのロータと形状接続的に嵌合可能な翼根３と、を備える。このために、翼根３には、翼元プロファイルを備える翼元が形成されている。これと対になるものとして、対応するプロファイルを有する溝は、ロータに形成されており、翼元は、溝に挿入可能である。

翼根３の半径方向に背向する端部において、代替翼１は、翼端４を備える。翼端４は、代替翼１が取り付けられた状態で、ハウジングの内側に直接隣り合って設けられており、それによって、ハウジングの内側と翼端４との間には、半径方向の間隙が形成されている。設計状態（設計動作時点）において、翼端４は、駆動条件によって、ガスタービン内に代替翼１を取り付けかつ駆動するために予め設定されているハウジング輪郭線６と一致する。これと同様に、ハブ輪郭線５があらかじめ設定されており、当該ハブ輪郭線５によって、設計状態において翼板２は、ハブと画定されている。代替翼１は、ハブに嵌合されている。翼板２は、前縁７と後縁８とを備える。図１において翼板２は、複数の軸方向断面９によって表わされている。各軸方向断面９は重心を有しており、軸方向断面の重心は、重心線１０で数珠繋ぎになっている。

代替翼１は、古い翼１１のために設けられている。古い翼１１は、前縁１２と後縁１３とを備える。古い翼１１は、従来通りプロファイルされており、古い翼１１の前縁１２と後縁１３とは、直線で形成されている。古い翼１１のプロファイルと違って、代替翼１は、現代的な観点に従ってプロファイルされている。これに沿って、代替翼１の前縁７は、下部流路領域に後方スイープ１４を備えている。加えて代替翼１の前縁７は、上部流路領域に前方スイープが装備されている。

代替翼１の翼板２のプロファイル時に、以下の手順を採用する。まず、古い翼１１のハブ輪郭線５とハウジング輪郭線６との幾何学形状が検出されなくてはならない。さらに、古い翼１１の翼板の重心の軸方向位置および／あるいは古い翼１１の最大限可能なエンベロープが検出されなくてはならない。次に、代替翼１の翼板２の幾何学形状が設計されなくてはならず、代替翼１の翼板２のハブ断面は、古い翼１１の翼板のハブ断面とほぼ同じ場所に設けられなくてはならず、および／あるいは古い翼１１の最大限可能なエンベロープを利用して、代替翼１の力学上の整合性が達成されている。これは、代替翼１がガスタービン内で古い翼１１の箇所に取り付けられなくてはならず、古い翼１１用と同じ翼固定装置が、代替翼１に用いられなくてはならないので、必要なことである。さらに、代替翼１の翼板２は、段効率の最適化を考慮して、前縁７でハブに向かって上流に傾いていなくてはならず、それによって、代替翼１の翼板２は、後方スープ１４を手に入れる。そして、代替翼１の翼板２の重心の軸方向位置は、検出されなくてはならない。

さらに、代替翼１の翼板２の嵌合近傍領域は、当該領域２１において、段効率に対する後方スイープ１４のポジティブな影響が少ないと評価されるという条件で定義されなくてはならない。このために、好ましくは、代替翼１の嵌合側のハブ境界層の半径方向範囲は、見積もられなくてはならず、この半径方向範囲は、領域２１に相当する。この代わりに、好ましくは、代替翼１のハブ側の二次流の半径方向範囲は、採用され得る。さらに、この代わりに、領域２１は、代替翼１の翼高さの５％から１５％と定義され得る。

代替翼１の翼板２の幾何学形状の設計の結果として、代替翼１の翼板２のための前縁線１５と後縁線１６とがもたらされる。前縁線１５は、ハブ側に後方スイープ１４を備える。次のステップとして、領域２１の外側に設けられた、代替翼１の翼板部分は、上流に向かって軸方向に移動されなくてはならず、その結果、それによって新たに手に入った代替翼１の翼板２の重心の軸方向位置は、古い翼１１の翼板の重心の軸方向位置とほぼ一致するに至る。代替翼１の翼板２のハブ断面は、元々固定されていた位置に残され、古い翼のハブ断面と一致するので、特に、代替翼１の翼板２の前縁７に前縁変位１７がもたらされ、代替翼１の翼板２の後縁８に後縁変位１８がもたらされる。代替翼１の翼板２のハブ断面から、領域２１の外側に設けられた、代替翼１の翼板部分へ移行するために、領域２１において、前縁は、ハブに向かって下流に傾いていなくてはならず、これは、前縁７が代替翼１の翼板２における嵌合側の断面５から代替翼１の変位後の翼板部分までこの領域２１の嵌合部に向かって下流に傾くことを意味し、それによって、代替翼１の前縁７の領域２１には、移行スイープ１９が生じる。移行スイープ１９は、前方スイープであり、移行スイープ１９は領域２１内にあるので、段効率をわずかな程度にしか阻害しない。

前縁変位１７、後縁変位１８もしくは移行スイープ１９の存在によって引き起こされて、代替翼１の翼板２のハブ断面に下流への重心移動２０が起こるので、代替翼１の翼板２の重心は、古い翼１１の翼板の重心とほぼ一致する。翼板の幾何学形状を設計する際に、さらに、ほぼ古い翼１１の翼根の弦長の、代替翼１の翼根３の弦長が選ばれている。

１代替翼、２翼板、３翼根、４翼端、５ハブ輪郭線、６ハウジング輪郭線、７前縁、８後縁、９軸方向断面、１０重心線、１１古い翼、１２古い翼の前縁、１３古い翼の後縁、１４後方スイープ、１５前縁線、１６後縁線、１７前縁変位、１８後縁変位、１９移行スイープ、２０重心移動、２１領域（嵌合近傍領域のうち前縁側の部分）

Claims

軸流流体機械のための、古い翼（１１）の代替部品としての代替翼（１）をプロファイルするための方法において、
‐前記古い翼（１１）の流路のハブ輪郭線（５）及びハウジング輪郭線（６）と、ハブあるいはハウジングに片側で嵌合されている前記古い翼（１１）の翼板の重心の軸方向位置および／あるいは前記古い翼（１１）の最大限利用可能なエンベロープと、を検出するステップと、
‐前記代替翼（１）の翼板（２）の幾何学形状を設計するステップであって、前記代替翼（１）の前記翼板（２）の、嵌合側の断面（５，６）が、前記古い翼（１１）の翼板の嵌合側の断面（５，６）とほぼ同じ場所にあり、前記代替翼（１）の前記翼板（２）が、段効率の最適化を目的として、前縁（７）で嵌合部に向かって上流に傾き、それによって前記翼板（２）が後方スイープ（１４）を有する、ステップと、
‐段効率に対する前記後方スイープ（１４）のポジティブな影響が少ないと評価されるように、前記代替翼（１）の前記翼板（２）の嵌合近傍領域を定義するステップと、
‐前記代替翼（１）の前記翼板（２）の重心の軸方向位置が、前記古い翼（１１）の翼板の重心の軸方向位置とほぼ一致するまで、および／あるいは前記古い翼（１１）の最大限利用可能なエンベロープを利用して、前記代替翼（１）の力学上の整合性が達成されるまで、前記領域の外側に設けられた、前記代替翼（１）の翼板部分を、上流に向かって軸方向に変位させるステップと、
を備え、
前記前縁（７）が、前記代替翼（１）の前記翼板（２）における嵌合側の前記断面（５）から前記代替翼（１）の変位後の翼板部分まで、前記領域の嵌合部に向けて下流に傾き、それによって、前記翼板（２）がこの領域において移行スイープ（１９）を有すること特徴とする方法。
‐前記軸流流体機械の設計動作時点におけるハブ境界層の半径方向範囲を決定するステップと、
‐前記領域を、前記ハブ境界層の前記半径方向範囲として確定するステップと、
を有する、請求項１に記載の方法。
‐前記軸流流体機械の設計動作時点におけるハブ側二次流の半径方向範囲を決定するステップと、
‐前記領域を、前記ハブ側二次流の前記半径方向範囲として確定するステップと、
を有する、請求項１に記載の方法。
前記領域は、前記代替翼（１）の半径方向の長さの５％から１５％である、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
前記代替翼（１）の翼根（３）の弦長は、前記古い翼（１１）の翼根の弦長にほぼ相当する、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
前記代替翼（１）の前記翼板（２）の幾何学形状を設計するステップを有し、
前記翼板（２）は、段効率の最適化を目的として、前縁（７）で、嵌合部に半径方向で背向する側に向かって上流に傾き、それによって前記翼板（２）が前記後方スイープ（１４）の半径方向外側に前方スイープ（１５）を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
前記代替翼（１）の前記前縁（７）の前記後方スイープ（１４）が、半径方向で嵌合側の流路の半分だけに延伸する、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
前記代替翼（１）が、ロータ翼である、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
前記代替翼（１）が、ステータ翼である、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
前記代替翼（１）が、ガスタービン用のロータ翼またはステータ翼である、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
前縁（７）を備える翼板（２）を有する圧縮機翼であって、
前記翼板（２）は、段効率の最適化を目的として、前記前縁（７）で前記翼板（２）の嵌合部に向かって上流に傾いており、それによって前記翼板（２）が後方スイープ（１４）を有し、
前記翼板（２）の嵌合近傍領域が定義されており、前記嵌合近傍領域が、前記翼板（２）の半径方向の長さの５％から１５％であり、前記翼板（２）の前記領域において、前記前縁（７）が嵌合部に向かって下流に傾いており、それによって、前記翼板（２）がこの領域において移行スイープ（１９）を有する圧縮機翼。