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JP2003522890A - 軸流ターボ機械のためのエーロフォイル - Google Patents

軸流ターボ機械のためのエーロフォイル

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Publication number
JP2003522890A
JP2003522890A JP2001559978A JP2001559978A JP2003522890A JP 2003522890 A JP2003522890 A JP 2003522890A JP 2001559978 A JP2001559978 A JP 2001559978A JP 2001559978 A JP2001559978 A JP 2001559978A JP 2003522890 A JP2003522890 A JP 2003522890A
Authority
JP
Japan
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airfoil
turbine
platform
tip
height
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001559978A
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English (en)
Inventor
ロバート ハラー，ブライアン
Original Assignee
オールストム パワー エヌ．ヴイ．
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オールストム パワー エヌ．ヴイ． filed Critical オールストム パワー エヌ．ヴイ．
Publication of JP2003522890A publication Critical patent/JP2003522890A/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/02—Formulas of curves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S416/05—Variable camber or chord length

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

(57)【要約】 軸流ガスタービンに使用するためのタービン用ステータベーン（４１）。このベーンは、エーロフォイルから成り、エーロフォイルの圧力面は、タービンの半径方向に、かつ、ベーン間の動作流体の流れ方向に対して横断方向に延在する平面（４８）内でプラットホーム（４５）と先端（４６）の間に凸面状をなしている。エーロフォイルの後行縁（４３）は、プラットホームから先端まで直線であり、エーロフォイルの圧力面の凸面状湾曲と、吸引面の凹面状湾曲は、各エーロフォイルセクションを直線の後行縁を中心として回転変位させることによって形成されたものである。ただし、エーロフォイルの軸方向の幅（Ｗ）は、エーロフォイルの半径方向の実質的に全高に亙って実質的に一定であり、中間高さ部分のエーロフォイルセクションの翼弦線は、プラットホーム及び先端のエーロフォイルセクションの翼弦線より短い。このように中間高さ部分の翼弦線を短くしたことにより、ベーンの性能を不当に損なうことなく、空力的プロフィール損失を少なくする。また、タービンロータブレードは、ステータベーンと対をなして段を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の属する技術分野 本発明は、ガスタービンエンジンのような軸流ターボ機械のタービンのステー
タベーン（静止羽根、静翼）又はロータブレード（回転羽根、動翼）として使用
するための改良されたエーロフォイル形状に関する。発明の背景
【０００２】 ターボ機械は、動作流体にエネルギーを付与するか、あるいは、動作流体から
エネルギーを抽出するために用いられる。従って、ターボ機械は、圧縮機及び、
又はタービンを備えている。例えば、ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機セ
クションと、燃焼セクションと、タービンセクションの３つの主要セクションか
ら成る。大気からの空気が圧縮機内へ吸引されて圧縮される。次いで、空気は、
燃焼セクションへ通されて燃料を添加され、その空燃混合ガスが着火されて高圧
ホットガスの形の付勢動作流体（動作ガス）が創生される。動作流体は、燃焼セ
クションからタービンセクションへ通されてそのエネルギーがタービンブレード
によって抽出され、タービン軸を介して圧縮機を回転させ、更に追加の仕事をす
るのに用いられる。最終的に、この動作ガスは、温度及び圧力が大きく低下した
状態で、排気ダクトシステムを通して大気へ排出される。
【０００３】 本発明では、タービンの動作流体のエネルギーを軸回転エネルギーに変換する
ために用いられる手段は、軸流ロータブレードとステータベーンを構成するエー
ロフォイルの系である。ロータブレード及びステータベーンは、動作流体を捕捉
するように多数の軸方向に順次に並んだ環状列として配置される。各ロータブレ
ードは、その根元部分を介してタービンロータのディスク又はドラムに取り付け
られる。ディスク又はドラムは、タービンの回転軸線を画定する長手中心軸線を
有するロータ軸に取り付けられている。ステータベーンは、例えば外接タービン
ケーシング又は内側静止ドラムに固定され、ロータブレードの各列とそれに先行
するステータベーンの列とが対をなすようにステータベーンとロータブレードの
列とが交互に配列される。そのような各対の列を総称してタービン段又は単に段
と称する。タービンは、少くとも１つの段から成る。
【０００４】 ロータブレード列の機能は動作流体からエネルギーを抽出してタービンロータ
のディスク又はドラムに、従って軸に伝達することであるのに対して、ステータ
ベーンの機能は、動作流体の流れを平滑化し、ロータブレードがロータを回転さ
せるのに効率的なエネルギー伝達を受けることができるように最適な出口角度で
ロータブレードに差し向けることである。ブレードとベーンの両方共にそれぞれ
の機能を優れた効率で果たすことが、段（ブレードとベーンの対）の効率を決定
する上で決定的に重要である。
【０００５】 ガスタービンエンジンの分野では、タービンのベーンとブレードのエーロフォ
イルとは、それぞれに特有のタイプのプロフィール（断面形状）を有しており、
タービンサイズに基づき大きさは異なるが、外観的には互いに強い類似性を有し
ている。しかしながら、よく見ると、異なる構造及びタイプのエンジン間におい
てだけでなく、同じエンジンのタービン段の間でもエーロフォイルの断面形状に
は無視できない相異が存在することが分かる。しかも、そのような相異は、ター
ビンの効率に大きな影響を及ぼすことがある。又、タービン段の設計の他の側面
においても相異があり、それらの相異も、単独で、あるいは、断面形状の相異と
相俟って影響を及ぼす。そのような設計特徴の小さな相異は、当業者にとって些
細な、あるいは重要でないことのようにみえるかもしれないが、実際にはタービ
ン段の性能に重大な影響を有することがある。
【０００６】 従って、ベーン及びブレードの幾何学的形状、及びそれらの相対位置関係並び
に動作流体に対する位置関係が、タービン効率に、従って、ターボ機械全体の効
率に影響を及ぼす。現在知られている最新技術のガスタービンエンジンでは、タ
ービン段の効率は、９０％前後であり、そのような高い効率レベルにおいては、
その効率を１％の何分の１かでも改善することは非常に困難であるとみられてい
る。にもかかわらず、本発明は、タービン段の効率の有意な量の改善を企図する
ものである。
【０００７】 １つには、本発明は、本発明者等によるいわゆる「流れ制御」原理に関する従
前の教示を採り入れ、それを改善する。「流れ制御」原理の詳細については、特
に蒸気タービンに向けられた「タービンブレード」と題する本出願人の英国特許
ＧＢ２２９５８６０Ｂを参照されたい。同様な原理を開示しているその他の特許
としては、米国特許第５，３２６，２２１号（蒸気タービン用）や、米国特許第
４，７４１，６６７号（ガスタービン用）がある。
【０００８】 用語の定義 ここで用いる「ベーン」という用語は、ターボ機械においてロータブレードに
先行する（ロータブレードの前に位置する）ステータブレードのことを意味し、
燃焼器からホットガスをタービンのロータブレードの第１段へ差し向ける働きを
するガスタービンエンジンのいわゆる「ノズルガイドベーン」を含む固定ブレー
ドのことをいう。又、「ブレード」という用語は、「ステータ」又は「ロータ」
という修飾語無しで用いられた場合、「ロータブレード」を意味するものとする
。
【０００９】 軸流ブレード及びベーンのエーロフォイル部分の半径方向最内端は、「プラッ
トホーム部分」又は単に「プラットホーム」と称され（ただし、ガスタービンの
ロータブレードの半径方向最内端は、通常、「根元」と称される）、エーロフォ
イル部分の半径方向最外端は、（ブレード及びベーンは半径方向外側のシュラウ
ドで覆われている場合があるが）先端部分又は単に先端と称される。
【００１０】 エーロフォイル部分の「圧力」面（圧力を受ける面）は、凹面状側面であり、
「吸引」面は、凸面状側面である。
【００１１】 「プリズム」型エーロフォイルとは、各々タービン軸線からの半径線に直交す
るとみなされるブレード又はベーンの各観念上のエーロフォイルセクション（断
面）が、エーロフォイルのプラットホーム部分から先端部分まで同じ形状を有し
、捩られておらず、即ち、プラットホーム部分から先端部分まで同じセッティン
グ角を有し、それらのセクションの先行縁及び後行縁が集合して半径方向に直線
を形成するように整列して上下に「積重」された形に設計されたエーロフォイル
のことである。
【００１２】 エーロフォイルの出口角度（α）とは、動作流体がベーン又はブレード列から
出ていくときの、ろおたの円周方向に対する角度のことであり、以下の関係式か
ら導かれる。 α＝sin−１（Ｔ／Ｐ） ここで、Ｔは、スロート寸法であり、Ｐはピッチ寸法である。 スロート寸法は、１つのエーロフォイルの後行縁から同じ列内の隣接するエー
ロフォイルの吸引面に直角に引いた最短直線として定義され、ピッチ寸法は、エ
ーロフォイルのプラットホーム部分から特定の半径方向の距離のところで測定さ
れた、１つのエーロフォイルの後行縁から同じ列内の隣接するエーロフォイルの
後行縁までの円周方向の距離として定義される。
【００１３】 セッティング角（β）とは、エーロフォイルの任意の高さ又はスパンのところ
の任意のセクションが、それ自体の平面内で所定のゼロ基準点から回転変位され
ている（捩られている）角度である。基準点は、例えば、プリズム型エーロフォ
イルを用いている既知のタービンの既知のプリズム型エーロフォイルと同じ「ス
タガー角」（食い違い角）（タービン軸線に対する向き）を有する部位とするこ
とができる。
【００１４】 「翼弦線」とは、ある１つのエーロフォイルセクションの先行縁及び後行縁の
半径に接する最短接線のことである。「翼弦長」とは、翼弦線に対して直角をな
し、翼弦線が先行縁と後行縁にそれぞれ接する２つの点を通る２つの線の間の距
離のことである。
【００１５】 エーロフォイルの「軸方向の幅」とは、エーロフォイルの先行縁と後行縁の間
の軸方向の距離、即ち、タービンの回転軸線に沿って測定した先行縁と後行縁の
間の距離のことである。
【００１６】発明の概要 本発明の第１側面においては、タービン動作流体のための環状流路を有する軸
流タービン内に配列されるベーンの環状配列体の１つとして用いるためのタービ
ンのステータベーンであって、前記環状流路内に跨るように配置され、半径方向
内方のプラットホーム部分と、半径方向外方の先端部分と、軸方向でみて前方に
位置する先行縁と、軸方向でみて後方に位置する後行縁とを有するエーロフォイ
ルから成り、該エーロフォイルは、前記環状流路の半径方向に、かつ、軸方向に
対して横断方向に延在する平面内で前記プラットホーム部分と先端部分の間に凸
面状の圧力面と凹面状の吸引面を有しており、該エーロフォイルの後行縁は、プ
ラットホーム部分から先端部分まで直線で、前記環状流路の半径方向に向けられ
ており、該エーロフォイルの圧力面の凸面状湾曲と、吸引面の凹面状湾曲は、各
エーロフォイルセクションを前記直線の後行縁を中心として回転変位させること
によって形成されたものであり、該エーロフォイルの軸方向の幅は、エーロフォ
イルの半径方向の実質的に全高に亙って実質的に一定であり、中間高さ部分のエ
ーロフォイルセクションの翼弦線は、プラットホーム部分及び先端部分のエーロ
フォイルセクションの翼弦線より短いことを特徴とするステータベーンが提供さ
れる。
【００１７】 ガスタービンエンジンの分野では、第１側面の本発明は、タービンの第１段、
即ち高圧段のノズルガイドベーンのエーロフォイルに適用することができ、又、
後続の段のステータベーンにも適用することができる。中間高さ部分のエーロフ
ォイルセクションの翼弦線は、プラットホーム部分及び先端部分のエーロフォイ
ルセクションの翼弦線より短いので、このエーロフォイルは、その先行縁上でみ
ていわゆる「複合傾き」の外観を呈する。即ち、エーロフォイルは、半径方向の
両端において同じ円周方向にねじ曲げられている。
【００１８】 本発明の第２側面においては、エーロフォイルをガスタービンへの入口のとこ
ろのノズルガイドベーンとして用いる場合、エーロフォイルは、それらの後行縁
が先行縁より実質的に長くなるように後行縁をガス流通路の末広部分に位置させ
るようにタービンの軸方向長手に対して位置づけすることが好ましい。
【００１９】 ノズルガイドベーンのエーロフォイルの場合、エーロフォイルのプラットホー
ムの出口角度と先端部分の出口角度とは、実質的に同じ値とすることが好ましく
、例えば、約１０°以下、好ましくは８°〜１０°の範囲とする。エーロフォイ
ルの中間高さのところの出口角度は、１３°〜１６°の範囲とすることができ、
好ましくは約１４°とする。
【００２０】 エーロフォイルは、そのプラットホーム部分から先端部分までほぼ一定のエー
ロフォイル型断面とするのが好都合である。
【００２１】 本発明の更に別の側面においては、上述したステータベーンの列と、それらの
ベーンと流体の流れ方向に所定の順序で配列されたロータブレードの列とから成
るタービン段であって、該各ブレードは、半径方向内方のプラットホーム部分と
、半径方向外方の先端部分と、軸方向でみて前方に位置する先行縁と、軸方向で
みて後方に位置する後行縁とを有するエーロフォイルから成り、該各ブレードの
エーロフォイルは、前記環状流路の半径方向に、かつ、軸方向に対して横断方向
に延在する平面内で前記プラットホーム部分と先端部分の間に凸面状の圧力面と
凹面状の吸引面を有しており、該エーロフォイルの圧力面の凸面状湾曲と、吸引
面の凹面状湾曲は、各エーロフォイルセクションを該エーロフォイルの貫通半径
線を中心として回転変位させることによって形成されたものであり、該各エーロ
フォイルのプラットホーム部分及び先端部分近傍の出口角度は、中間高さ部分の
出口角度より小さいことを特徴とするタービン段が提供される。
【００２２】 空気力学的観点からみれば、各ブレードのエーロフォイルは、半径方向の直線
状後行縁を有し、エーロフォイルの凸面状湾曲と凹面状湾曲は各エーロフォイル
セクションを該直線状後行縁を中心として回転変位させることによって形成され
たものであることが理想的であるが、この理想は、ブレードの力学的設計要件と
の兼ね合いによって調整することができる。
【００２３】 根元（プラットホーム）固定具及びプラットホーム部分の動的付加を軽減する
ために、ブレードのエーロフォイルの翼弦長がプラットホーム部分において最長
であり、先端部分において最短となるように半径方向の高さに亘って漸次減小さ
せ、かつ、先行縁が軸方向後方への傾きを有するように、エーロフォイルをその
プラットホーム部分から先端部分にまでテーパさせることができる。
【００２４】 本発明の更に他の側面においては、上述したエーロフォイルを有するノズルガ
イドベーンの列と、それらのベーンと流体の流れ方向に所定の順序で配列された
ロータブレードの列とから成るタービン段であって、該各ブレードのエーロフォ
イルのプラットホーム部分及び先端部分の出口角度が、１４°〜１７°の範囲で
あり、好ましくは約１６°であることを特徴とするタービン段が提供される。ブ
レードエーロフォイルの中間高さ部分の出口角度は、１８°〜２１°の範囲とす
ることができ、好ましくは約１９°とする。
【００２５】 本発明は、エーロフォイルがシュラウド付きであれ、シュラウド無しであれ、
即ち、エーロフォイルが、隣接するエーロフォイル間の通路の外壁を構成する構
造部材に結合されていても、あるいは、そのような部材に結合されておらず、半
径方向外端、即ち先端部分が自由にされていても、適用することができる。
【００２６】 本発明の上記目的及び利点及びその他の特徴は、添付図を参照して以下に記述
する本発明の実施形態の説明から一層明らかになろう。
【００２７】好ましい実施形態の説明 以下に添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。 図１は、上記英国特許ＧＢ２２９５８６０Ｂから抜粋されたものであり、同特
許に開示された発明の原理に従って付形された蒸気タービンのステータブレード
即ちベーンのエーロフォイルを示す。表面の格子パターンは、コンピュータによ
って作成されたものであり、エーロフォイルの湾曲形状を強調するためのもので
ある。このエーロフォイルは、従来周知のエーロフォイルと同様に真直ぐな（直
線状）後行縁２５を有しているが、エーロフォイルの残部、特に、先行縁２４は
、真直ぐではなく、エーロフォイルの圧力面２６が、タービンの半径方向に、か
つ、隣接するエーロフォイル間の蒸気流れ方向に対して横断方向に延在する平面
内でプラットホーム部分３５と先端部分３７の間で凸面状となるような態様に、
湾曲している。そのような平面の１つが符号３１で示されている。この平面にお
ける圧力面２６の凸面状湾曲は、先行縁２４の凸面状湾曲と一致している。
【００２８】 詳述すれば、プリズム型エーロフォイルと対比すると、このエーロフォイルの
個々のエーロフォイルセクション３３は、それ自身の平面内において後行縁２５
を中心として半径方向の高さの中間部分では正（＋）の角度であるセッティング
角の分だけ、プラットホーム部分及び先端部分では負（−）の角度であるセッテ
ィング角の分だけ回転されて（曲げられて、又は捩られて）いるものとみること
ができる。ここで、「正」とは、圧力面２６の方に向かっての回転であり、「負
」とは、吸引面２７の方に向かっての回転である。
【００２９】 図１のエーロフォイルでは、セッティング角は、プラットホーム部分及び先端
部分における約−２．５°から４８．５°の基準スタガー角を有する半径方向の
高さの中点のところにおける＋２．５°にまで５°変化している。
【００３０】 各エーロフォイルセクションを後行縁２５以外の他の軸線、例えば先行縁２４
を通る半径線又は他の中間軸線を中心として捩った（回転させた）る形状とする
ことも、ある程度許容することができる場合もある。しかしながら、エーロフォ
イルを捩る軸線として後行縁を選択することには、幾つかの利点がある。第１の
利点は、固定ベーン（ステータベーン）とその下流のロータブレードとの間の重
要な空間間隙を一定に維持することである。この間隙は、回転するブレードにか
かる非定常的な動的空気力（空気力学的な力）に重要な影響を及ぼすとともに、
半径方向内方及び外方のタービン通路壁（「端壁」と称される）上の境界層の成
長を介して段の効率にも影響を及ぼす。第２に、湾曲を主として先行縁に創生す
ることによって、「複合傾き」効果が、二次流が創生されるエーロフォイルの先
行縁領域に導入される。これらの副流は、隣接する固定ブレード間の端壁の近傍
に主流と平行に生じる渦流である。図１の複合湾曲エーロフォイルにおいては、
圧力面は、エーロフォイルの全高の内方（図でみて下方）半分では半径方向内向
きとなり、エーロフォイルの全高の外方（図でみて上方）半分では半径方向外向
きとなる。流れに及ぼされる体積力は、端壁に作用するより高い静圧力によって
相殺される。その結果として、端壁の近傍では流れの速度が抑えられ、従って摩
擦損失が減少される。
【００３１】 図２及び３は、図１の原理と同様の原理に基づいて設計されたエーロフォイル
１から成る従来技術のガスタービンベーンを示す。破線２は、タービンの軸方向
の中心線（中心軸線）を示し、７及び８は、タービンの動作流体通路を画定する
半径方向内の壁と半径方向外方の壁である。４はベーンの中間高さ部分における
先行縁であり、５はプラットホーム部分、６は先端部分である。矢印Ｄは、動作
流体の総体的流れ方向を示し、基準線Ｌが軸線２に対して画定する角度が、この
プリズム型エーロフォイルの基準スタガー角を表す。図１の場合と同様に、この
ベーンの各エーロフォイルセクションは、直線状の半径方向に向けられた後行縁
３を中心として積重され、先行縁のプラットホーム部分及び先端部分では閉鎖位
置に向けて回転され、即ち、捩られている。即ち、先行縁のプラットホーム部分
及び先端部分では、セッティング角が、基準線Ｌに対して最大マイナス（負）値
−βであり、スロート寸法Ｔ（図７参照）は、最小である。図を分かりやすくす
るために、図２は、プラットホーム部分及び先端部分の捩りを誇張して示してい
るが、エーロフォイルの中間高さのところにおいてセッティング角は最大プラス
（正）値＋βとされている。従って、ベーンの中間高さ部分の先行縁４は、プラ
ットホーム部分５及び先端部分６の先行縁よりＸだけ軸方向前方に位置している
。このことは、たとえすべてのエーロフォイルセクションの翼弦線が同じ長さで
あっても、エーロフォイルの軸方向の幅Ｗ（即ち、先行縁４と後行縁３との間の
軸方向距離）は、エーロフォイルの半径方向の高さに方向にＸだけ変化している
ことを意味する。
【００３２】 図４、５及び８を参照して説明すると、図４及び５は、図２及び３と同様の図
であるが、流れ制御原理の修正原理に基づく本発明に従って形成されたベーンエ
ーロフォイル４１の図である。図８は、エーロフォイル４１の後行縁４３側から
みた透視図である。図８のエーロフォイル４１には、図１の場合と同様に、コン
ピュータで作成された格子パターン被せられている。コンピュータ作成格子の座
標は、Ｘ、Ｙ、Ｚで表示されており、Ｘは軸方向であり、Ｚは半径方向である。
図１の場合と同様に、エーロフォイル４１の後行縁４３は、半径方向に向けられ
ていて直線状であり、圧力面４７は、タービンの半径方向に、かつ、軸方向中心
線２に対して横断方向に延在する平面４８においてプラットホーム４５と先端４
６の間で凸面状である。この形状は、各エーロフォイルセクション４９を半径方
向の後行縁４３を中心として回転変位させることによって得られる。しかしなが
ら、本発明のエーロフォイルにおいては、図４及び５にみられるように、中間高
さ部分における先行縁４４は、軸線２によって画定される軸方向でみてプラット
ホーム部分及び先端部分より前方に位置しているのではなく、それらと実質的に
真直ぐに整列している。後行縁４３は真直ぐであるから、このベーンエーロフォ
イルの軸方向の幅Ｗは、エーロフォイルの実質的に全高に亘って実質的に一定で
あり、中間高さ部分のエーロフォイルセクションの翼弦線は、プラットホーム部
分及び先端部分のエーロフォイルセクションの翼弦線より短い。中間高さ部分に
おける翼弦線をこのように短くすることは、ベーンの性能を不当に損なうことな
く、空気力学的プロファイル損失を減少させるという有利な効果を提供する。な
ぜなら、「ぬれ面積」、従って摩擦損失が減少されるからである。
【００３３】 図６は、タービンへの入口の第１段のベーンエーロフォイル６１に適用するこ
とができる本発明の更に別の実施形態を示す。図４、５及び８の場合と同様に、
このエーロフォイルの圧力面は、プラットホーム６５と先端６６の間で凸面状で
あり、中間高さ部分における先行縁６４は、軸方向でみてプラットホーム部分及
び先端部分と実質的に真直ぐに整列して織り、半径方向に向けられている後行縁
６３は、直線状である。ただし、このエーロフォイル６１は、その後行縁６３が
ガス流（動作流体）通路の末広部分に位置されて後行縁６３を先行縁６４より実
質的に長くするように、タービンの軸方向の長手に対して位置づけすることが有
利であることが判明している。この構成はタービンの第２段以降の段に関しては
通常の構成であるが、第１段に関しては必ずしも通常の構成ではない。通常は、
図５に示されるように、第１段のベーンエーロフォイルは、後行縁より長いか、
あるいは、実質的に同じ長さの先行縁を有している。
【００３４】 当業者には明らかなように、ベーンの各エーロフォイルセクションをプラット
ホーム部分及び先端部分における出口角度が中間高さ部分の出口角度より小さく
なるように図〜６及び８を参照して説明したような態様に積重すると、後続のロ
ータブレード列への流れ流入角の問題を生じるので、ロータブレードのエーロフ
ォイルにも同様な流れ制御原理を適用する必要がある。 図９は、図８と同様の透視図であるが、図８のベーンエーロフォイルに軸方向
に近接してその直ぐ下流に配置される高圧タービンロータブレードのエーロフォ
イル９０の透視図である。即ち、このエーロフォイル９０は、エーロフォイル４
１と協同して、ガスタービンの第１段を構成する。エーロフォイル９０は、エー
ロフォイル４１の場合と同様に、半径方向に向けられた真直ぐな後行縁９１を有
する。圧力面９２は、やはりタービンの半径方向に、かつ、タービンの回転軸線
に対して横断方向に延在する平面９５においてプラットホーム部分９３と先端部
分９４の間で凸面状であり、吸引面９６は、凹面状である。先の実施形態の場合
と同様に、圧力面及び吸引面の凸面及び凹面形状は、各エーロフォイルセクショ
ン９７を半径方向の後行縁９１を中心として回転変位させることによって得られ
る。更に、圧力面９２が凸面形状であり、吸引面９６が凹面形状であることによ
り、エーロフォイル９０は、全体として、その先端部分とプラットホーム部分の
両方において「スロート閉鎖」位置に向かって捩られており、やはりプラットホ
ーム部分及び先端部分における出口角度が中間高さ部分の出口角度より小さくな
っている。
【００３５】 これらの類似点はあるが、ロータブレードのエーロフォイル９０は、ノズルガ
イドベーンのエーロフォイル４１とは若干異なる外観を有しており、特に、エー
ロフォイル９０の先行縁９８は、エーロフォイル４１の先行縁４４とは異なる外
観を有している。即ち、ブレードエーロフォイル９０は、ベーンエーロフォイル
４１とは異なり、プラットホームから先端に向かってテーパしている。換言すれ
ば、エーロフォイル９０の軸方向の幅は、プラットホーム部分９３における最大
値から先端部分９４における最小値にまでエーロフォイルの半径方向の高さに沿
って漸次減小している。ブレードエーロフォイルのこのような半径方向のテーパ
形状は、エーロフォイルの半径方向外方部分の質量を小さくすることによって、
ガスタービンの運転中プラットホーム部分とブレードの根元固定具に作用する遠
心力起因応力を小さくすることを企図したものである。このエーロフォイルは半
径方向に向けられた真直ぐな後行縁９１を有しているので、プラットホーム部分
から半径方向に遠ざかるにつれて軸方向の幅が減小しているということは、先行
縁９８が、図９に示されるように、軸方向後方への傾きを有することを意味する
。
【００３６】 ブレードの回転作動中に発生する偏心曲げ応力を小さくするために、必要なら
ば、別法として、ブレードエーロフォイルの半径方向凸面状圧力面及び半径方向
凹面状吸引面を、各エーロフォイルセクションを後行縁を通る半径方向の線以外
の半径方向の線を中心として、例えば、観念上のプリズム型エーロフォイルの質
量中心を中心として回転変位させることによって得ることもできる。
【００３７】 ベーンエーロフォイルセッティング角、従って、出口角について説明すると、
図７は、出口角度αを説明するために２つの隣接するベーンエーロフォイルの対
応する基本的セクション（断面）を示す説明図である。Ｔはスロート寸法であり
、Ｐはブレードピッチである。通常、ベーンエーロフォイルは、その先端部分に
おける出口角度をプラットホーム部分における出口角度より大きくするような軸
方向に対するセッティング角をもって設計される。しかしながら、本発明におい
ては、ベーンエーロフォイルの先端部分の出口角度とプラットホーム部分の出口
角度を実質的に同じ値にすることが有利であることが判明した。又、驚くべきこ
とに、先端部分及びプラットホーム部分の出口角度を従来周知のガスタービンに
おいて推奨されていた値より低い、約１０°を越えない値、好ましくは８°〜１
０°の範囲とするのが有利である。又、本発明によれば、エーロフォイルの中間
高さのところの出口角度は、１３°〜１６°の範囲とし、好ましくは約１４°と
する。これは、ガスタービンエンジンにおける従来周知の「流れ制御」式設計に
おいて予期される値より小さい値である。エーロフォイルの半径方向高さ方向に
沿っての出口角度αのこの改変は、図８の透視図からは明確に見て取ることはで
きないが、図４を参照することによって容易に理解することができる。
【００３８】 先に述べたように、ベーン列とブレード列とはタービン段を構成する対として
協同するので、特に、ベーンエーロフォイルの出口角度とブレードエーロフォイ
ルの出口角度とは、最良の効率を得るように整合させなければならない。本発明
によるタービン段におけるブレードエーロフォイルに好適な出口角度は、下記の
通りである。 ブレードエーロフォイルのプラットホーム及び先端の出口角度αは、 １４°〜１７°の範囲、好ましくはほぼ１６°である。 ブレードエーロフォイルの中間高さ部分の出口角度αは、 １８°〜２１°の範囲、好ましくはほぼ１９°である。
【００３９】 流れ制御型ベーン及びブレードのエーロフォイルのプロフィール（断面形状）
を決定するための設計プロセスにおいては、第１にベーンエーロフォイルを考え
、第２にブレードエーロフォイルを考え、最後に、段全体の最善の性能を得るよ
うに、ベーンエーロフォイルとブレードエーロフォイルを整合する対として合わ
せ考える。ベーンエーロフォイル及びブレードエーロフォイルは、通常、物理的
に又は機械的に画定された設計ガイドラインからの入力に基づく反復過程と、直
観経験を通して、妥当なエーロフォイル強度、振動特性、内部冷却通路の形成等
の要件を満たすこととの兼ね合いを考慮して設計される。本発明においては、エ
ーロフォイルの中間高さにおける翼弦長を短くすることが、エーロフォイルのプ
ロフィールの細部に影響する更なる複雑化要因である。実用においては、各ガス
タービンメーカーは、それぞれ独自の設計ルールを有しており、エーロフォイル
のプロフィールについてもそのルール内で決定する。本発明の１つの特徴は、プ
ラットホームから先端までのエーロフォイルセクションプロフィール（断面形状
）の特に効率的なセットが、以下に記載する表１、２及び３（それぞれベーンエ
ーロフォイルのプラットホーム部分、中間高さ部分及び先端部分に関する）及び
表４、５及び６（それぞれブレードエーロフォイルのプラットホーム部分、中間
高さ部分及び先端部分に関する）に規定されているように、Ｘ−Ｙ座標を、Ｘ座
標とＹ座標の一定の寸法変化限度内で順守することによって得られることである
。これらの表に示された寸法変化の限度は、翼弦長の±５％である。例えば、翼
弦長が３０ｍｍであるとすると、ＸとＹの寸法の許容変化量は、±１．５ｍｍ（
３０ｍｍの±５％）である。
【００４０】 表１〜６に示されたものからより大きい又は小さいベーン及びブレードを製造
した場合でも同様な性能得るようにするには、表１〜６のＸ−Ｙ座標に所定の数
値、即ち、縮尺係数を乗ずればよい。当業者には明らかなように、ベーン及びブ
レードの寸法を単純に比例関係で増減させても、例えばエンジンパワーを同様に
単純に比例関係で増減させることにはならない（エンジンパワーの増減は、ベー
ン及びブレードの寸法の増減の自乗に比例する）が、表１〜６に示されたエーロ
フォイルセクションのプロフィール形状及び角度は、適正な縮尺係数を用いれば
、どんなサイズのガスタービンにも適用することができる。ただし、本発明は、
表１〜６に示されたエーロフォイルセクションのプロフィール形状及び角度に限
定されるものではない。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
【表３】
【００４４】
【表４】
【００４５】
【表５】
【００４６】
【表６】
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、「流れ制御」原理を用いた従来技術のエーロフォイル形状のコンピュ
ータ作成透視図である。
【図２】 図２は、従来技術のガスタービンベーンのエーロフォイルの先端からプラット
ホーム端に向かってみた概略図である。
【図３】 図３は、図２のベーンエーロフォイルがタービン通路内の所定位置に配置され
たところを示す軸方向の側面図である。
【図４】 図４は、図２と同様の図であるが、本発明に従って付形されたベーンエーロフ
ォイルの図である。
【図５】 図５は、図４のベーンエーロフォイルの軸方向の側面図である。
【図６】 図６は、図５と同様の図であるが、本発明の別の実施形態を示す図である。
【図７】 図７は、本発明の一側面に関連して重要である出口角度の概念を説明するため
に２つの隣接するエーロフォイルの対応する基本的セクションを示す説明図であ
る。
【図８】 図８は、本発明に従って付形されたガスタービン用ノズルガイドベーンのエー
ロフォイルのコンピュータ作成透視図である。
【図９】 図９は、本発明に従って付形されたガスタービン用ロータブレードのエーロフ
ォイルのコンピュータ作成透視図である。
【符号の説明】
１ エーロフォイル ２ 軸方向中心線、軸線 ３ 後行縁 ４ 先行縁 ５ プラットホーム部分、プラットホーム ６ 先端部分、先端 ２４ 先行縁 ２５ 後行縁 ２６ 圧力面 ２７ 吸引面 ３３ エーロフォイルセクション ３５ プラットホーム部分、プラットホーム ３７ 先端部分、先端 ４１ ベーンエーロフォイル、 ４３ 後行縁 ４４ 先行縁 ４５ プラットホーム部分、プラットホーム ４６ 先端部分、先端 ４７ 圧力面 ４８ 平面 ４９ 各エーロフォイルセクション ６１ ベーンエーロフォイル ６３ 後行縁 ６４ 先行縁 ６５ プラットホーム部分、プラットホーム ６６ 先端部分、先端 ９０ ブレードエーロフォイル ９１ 後行縁 ９２ 圧力面 ９３ プラットホーム部分、プラットホーム ９４ 先端部分、先端 ９６ 吸引面 ９７ エーロフォイルセクション ９８ 先行縁 Ｌ 基準線 Ｔ スロート寸法 Ｗ 幅 α 出口角度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ハラー，ブライアン ロバート イギリス エルエヌ８ ５エルキュウ リ ンカーンシアー，マーケット ラサン，パ ーントーン，ジ オールド レクトリー （番地なし) Ｆターム(参考） 3G002 BA03 BA05 BB01 GA07 GB05

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 タービン動作流体のための環状流路を有する軸流タービン内
    に配列されるベーンの環状配列体に用いるためのタービンのステータベーン（４
    １）であって、前記環状流路内に跨るように配置され、半径方向内方のプラット
    ホーム部分（４５）と、半径方向外方の先端部分（４６）と、軸方向でみて前方
    に位置する先行縁（４４）と、軸方向でみて後方に位置する後行縁（４３）とを
    有するエーロフォイルから成り、該エーロフォイルは、前記環状流路の半径方向
    に、かつ、軸方向に対して横断方向に延在する平面（４８）内で前記プラットホ
    ーム部分（４５）と先端部分（４６）の間に凸面状の圧力面（４７）と凹面状の
    吸引面（４２）を有しており、該エーロフォイルの後行縁（４３）は、プラット
    ホーム部分から先端部分まで直線で、前記環状流路の半径方向に向けられており
    、該エーロフォイルの圧力面の凸面状湾曲と、吸引面の凹面状湾曲は、各エーロ
    フォイルセクションを前記直線の後行縁を中心として回転変位させることによっ
    て形成されたものであり、該エーロフォイルの軸方向の幅（Ｗ）は、エーロフォ
    イルの半径方向の実質的に全高に亙って実質的に一定であり、中間高さ部分のエ
    ーロフォイルセクションの翼弦線は、プラットホーム部分及び先端部分のエーロ
    フォイルセクションの翼弦線より短いことを特徴とするステータベーン。
  2. 【請求項２】 該ステータベーンは、ノズルガイドベーンエーロフォイルか
    ら成ることを特徴とする請求項１に記載のステータベーン。
  3. 【請求項３】 前記エーロフォイルのプラットホーム部分の出口角度と先端
    部分の出口角度は、実質的に同じ大きさであることを特徴とする請求項１又は２
    に記載のステータベーン。
  4. 【請求項４】 前記エーロフォイルのプラットホーム部分の出口角度と先端
    部分の出口角度は、約１０°より大きくないことを特徴とする請求項１〜３のい
    ずれか１項に記載のステータベーン。
  5. 【請求項５】 前記エーロフォイルのプラットホーム部分の出口角度と先端
    部分の出口角度は、８°〜１０°の範囲であることを特徴とする請求項４に記載
    のステータベーン。
  6. 【請求項６】 前記エーロフォイルの中間高さ部分の出口角度は、１３°〜
    １６°の範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のステ
    ータベーン。
  7. 【請求項７】 前記エーロフォイルの中間高さ部分の出口角度は、約１４°
    であることを特徴とする請求項６に記載のステータベーン。
  8. 【請求項８】 前記エーロフォイルは、そのプラットホーム部分から先端部
    分までほぼ一定のエーロフォイル型断面を有することを特徴とする請求項１〜７
    のいずれか１項に記載のステータベーン。
  9. 【請求項９】 請求項２に記載のノズルガイドベーンを含むタービンであっ
    て、該ノズルガイドベーンのエーロフォイルは、それらの後行縁が先行縁より実
    質的に長くなるように後行縁をガス流通路の末広部分に位置させるように該ター
    ビンの軸方向長手に対して位置づけされていることを特徴とするタービン。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜８のいずれか１項に記載のステータベーンの列
    と、それらのベーンと流体の流れ方向に所定の順序に配列されたロータブレード
    の列とから成るタービン段であって、該各ブレードは、半径方向内方のプラット
    ホーム部分（９３）と、半径方向外方の先端部分（９４）と、軸方向でみて前方
    に位置する先行縁（９８）と、軸方向でみて後方に位置する後行縁（９１）とを
    有するエーロフォイルから成り、該各ブレードのエーロフォイルは、前記環状流
    路の半径方向に、かつ、軸方向に対して横断方向に延在する平面（９５）内で前
    記プラットホーム部分（９３）と先端部分（９４）の間に凸面状の圧力面（９２
    ）と凹面状の吸引面（９６）を有しており、該エーロフォイルの圧力面の凸面状
    湾曲と、吸引面の凹面状湾曲は、各エーロフォイルセクションを該エーロフォイ
    ルの貫通半径線を中心として回転変位させることによって形成されたものであり
    、該各エーロフォイルのプラットホーム部分及び先端部分近傍の出口角度は、中
    間高さ部分の出口角度より小さいことを特徴とするタービン段。
  11. 【請求項１１】 前記各ブレードのエーロフォイルは、半径方向の直線状後
    行縁を有し、該エーロフォイルの凸面状湾曲と凹面状湾曲は、各エーロフォイル
    セクションを該直線状後行縁を中心として回転変位させることによって形成され
    たものであることを特徴とする請求項１０に記載のタービン段。
  12. 【請求項１２】 前記各ブレードのエーロフォイルは、その翼弦長が、最長
    のプラットホーム部分から最短の先端部分まで半径方向の高さに亘って漸次減小
    し、かつ、前記先行縁が軸方向後方への傾きを有するように、該プラットホーム
    部分から先端部分にまでテーパしていることを特徴とする請求項１０又は１１に
    記載のタービン段。
  13. 【請求項１３】 請求項１〜８のいずれか１項に記載のステータベーンの列
    と、それらのベーンと流体の流れ方向に所定の順序に配列されたロータブレード
    の列とから成るタービン段であって、該各ブレードのエーロフォイルのプラット
    ホーム部分及び先端部分の出口角度は、１４°〜１７°の範囲であることを特徴
    とするタービン段。
  14. 【請求項１４】 前記各ブレードのエーロフォイルのプラットホーム部分及
    び先端部分の出口角度は、約１６°であることを特徴とする請求項１３に記載の
    タービン段。
  15. 【請求項１５】 前記各ブレードのエーロフォイルの中間高さ部分の出口角
    度は、１８°〜２１°の範囲であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載
    のタービン段。
  16. 【請求項１６】 前記各ブレードのエーロフォイルの中間高さ部分の出口角
    度は、約１９°であることを特徴とする請求項１５に記載のタービン段。
  17. 【請求項１７】 ガスタービンエンジンのためのステータベーンであって、
    Ｘ−Ｙ座標で表されたプラットホーム部分、中間高さ部分及び先端部分のエーロ
    フォイルセクションのプロフィールが、Ｘ座標とＹ座標の許容寸法変化限度を±
    ５％として、それぞれ表１、表２及び表３に示された通りであることを特徴とす
    るステータベーン。
  18. 【請求項１８】 ガスタービンエンジンのためのロータブレードであって、
    Ｘ−Ｙ座標で表されたプラットホーム部分、中間高さ部分及び先端部分のエーロ
    フォイルセクションのプロフィールが、Ｘ座標とＹ座標の許容寸法変化限度を±
    ５％として、それぞれ表４、表５及び表６に示された通りであることを特徴とす
    るロータブレード。
  19. 【請求項１９】 請求項１〜８のいずれか１項に記載のベーンの列と、それ
    らのベーンと流体の流れ方向に所定の順序に配列されたブレードの列とから成る
    タービン段であって、該各ブレードのＸ−Ｙ座標で表されたプラットホーム部分
    、中間高さ部分及び先端部分のエーロフォイルセクションのプロフィールが、Ｘ
    座標とＹ座標の許容寸法変化限度を±５％として、それぞれ表４、表５及び表６
    に示された通りであることを特徴とするタービン段。
  20. 【請求項２０】 請求項１７に記載のベーンの列と、それらのベーンと流体
    の流れ方向に所定の順序に配列されたブレードの列とから成るタービン段であっ
    て、該各ブレードのＸ−Ｙ座標で表されたプラットホーム部分、中間高さ部分及
    び先端部分のエーロフォイルセクションのプロフィールが、Ｘ座標とＹ座標の許
    容寸法変化限度を±５％として、それぞれ表４、表５及び表６に示された通りで
    あることを特徴とするタービン段。
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