端壁輪郭形成の翼形部及び選択的クロッキングを有するタービン組立体
【課題】端壁輪郭形成の翼形部及び選択的クロッキングを有するタービン組立体を提供すること。
【解決手段】タービン装置は、凹状正圧側面と、凸状負圧側面と、前縁及び後縁とを各々有する第１のベーンのアレイを含む第１のノズルと、ロータディスクにより保持される複数のブレードを有し、第１のノズルから下流側にあるロータと、凹状正圧側面と、凸状負圧側面と、前縁及び後縁とを各々有する第２のベーンのアレイを含む、ロータから下流側に配置された第２のノズルと、を備え、第１及び第２のノズルの第１及び第２のベーンが、互いに対して円周方向にクロッキングされ、予め定められた作動条件において、第１のベーンから吐出される伴流が第２のベーンの前縁と円周方向で整列されるようになり、第１のベーンのスタッキング軸が非線形である。第１のベーンの内側バンドが、非軸対称形状で輪郭形成される。
【解決手段】タービン装置は、凹状正圧側面と、凸状負圧側面と、前縁及び後縁とを各々有する第１のベーンのアレイを含む第１のノズルと、ロータディスクにより保持される複数のブレードを有し、第１のノズルから下流側にあるロータと、凹状正圧側面と、凸状負圧側面と、前縁及び後縁とを各々有する第２のベーンのアレイを含む、ロータから下流側に配置された第２のノズルと、を備え、第１及び第２のノズルの第１及び第２のベーンが、互いに対して円周方向にクロッキングされ、予め定められた作動条件において、第１のベーンから吐出される伴流が第２のベーンの前縁と円周方向で整列されるようになり、第１のベーンのスタッキング軸が非線形である。第１のベーンの内側バンドが、非軸対称形状で輪郭形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
米国政府は、陸軍により授与された契約書番号Ｗ９１１Ｗ６−０７−２−０００２に基づき本発明において一定の権利を有する場合がある。
【０００２】
本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、このようなエンジン内のタービン翼形部の構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機において加圧され、次いで燃料と混合されて、燃焼器内で燃焼して燃焼ガスを生成する。燃焼器の下流側の１つ又はそれ以上のタービンは、燃焼ガスからエネルギーを抽出し、圧縮機、並びにファン、プロペラ、又は他の機械的負荷を駆動する。各タービンは、各々がタービンブレード又はバケットのアレイを保持するディスクを含む１つ又はそれ以上のロータを備える。環状バンドの形態で半径方向外側及び内側端壁を有するステータベーンのアレイを備える固定ノズルは、各ロータの上流側に配置され、ロータへの燃焼ガスの流れを最適に配向するよう機能する。総称して、各ノズル及び下流側ロータは、タービンの「段」と呼ばれる。
【０００４】
ベーン及びブレード翼形部の複雑な三次元（３Ｄ）構成は、作動効率を最大にするよう適合され、翼形部に沿った半径方向スパンで変化し、並びに前縁と後縁との間の翼形部の翼弦に沿って軸方向に変化する。これに応じて、翼形部表面にわたって且つ対応する流れ通路において燃焼ガスの速度及び圧力分布もまた変化する。
【０００５】
燃焼ガス流路における望ましくない圧力損失は、タービン全体の効率の望ましくない低下に対応する。タービン圧力損失のよく見られる１つの原因は、燃焼ガスがその移動において翼形部前縁の周りで分割されるときに生成される馬蹄渦の形成である。全圧力勾配は、翼形部の前縁及び端壁の接合部での境界層流において生じる。翼形部前縁でのこの圧力勾配は、端壁付近の各翼形部の両側部上で下流側に進む逆回転の馬蹄渦のペアを形成する。馬蹄渦の移動は、交差通路渦を発生する。馬蹄渦及び通路渦は、全圧力損失及び対応するタービン効率の低下をもたらす。これらの渦流はまた乱流を生成し、望ましくない端壁加熱を増大させる。
【０００６】
端壁輪郭形成設計においてタービン翼形部の端壁（例えば、プラットフォーム又はシュラウド）に３Ｄ輪郭形成を利用すると、馬蹄渦及び通路渦の強度並びに関連する圧力損失が低減され、これによりタービン効率が改善されることは知られている。
【０００７】
更に、回転ブレードのセットがベーンの２つの列の間に位置付けられる場合に、上流側ベーン後縁からの伴流（ウェイク（wake）又は後流とも呼ばれる）を下流側ベーンの前縁に衝突させるように、タービンベーンの上流側の列をタービンベーンの下流側の列に対して方向を合わせること、すなわち「クロッキング」することは知られている。この構想は、伴流をベーンの境界層内に保持し、これにより望ましくない圧力損失を最小限にするために、下流側ベーン前縁に衝突する伴流の運動量をより小さくしようとするものである。
【０００８】
伴流は、下流側ノズルベーン前縁に到達する前に回転ブレード列によってチョップされるので、伴流の位置は、ブレードの回転速度の関数としてシフトされる。一定の回転ＲＰＭでは、接線速度がブレードの根元から先端まで変化する。そのため、伴流位置は、ハブから先端まで不均一にシフトされる。
【０００９】
従って、渦作用を最小限にすると共に、下流側ノズルに対するノズル伴流を良好に位置合わせすることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，４８６，０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の必要性は、３Ｄ輪郭形成された端壁及びノズルベーンの２つの列間の選択的クロッキングを備えたノズル及びブレードを有するタービン組立体を提供する、本発明によって対処される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１つの態様によれば、タービン装置は、環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第１のベーンのアレイを有する第１のノズルを備え、第１のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、第１のベーンが、１つには内側バンドにより境界付けられる複数の第１の流路を間に定めるように配列され、内側バンドの表面が非軸対称形状で輪郭形成されており、本タービン装置が更に、回転可能ディスクにより保持される複数のブレードを含み、該ブレードの各々が根元、先端、凹状正圧側面、及び横方向に対向する凸状負圧側面を有し、該正圧及び負圧側面が対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びている、第１のノズルから下流側に配置されたロータと、環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第２のベーンのアレイを有する、ロータから下流側に配置された第２のノズルと、を備え、第２のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、第２のベーンが複数の第２の流路を間に定めるように配列される。第１及び第２のノズルの第１及び第２のベーンは、互いに対して円周方向にクロッキングされ、予め定められた作動条件において、第１のベーンから吐出される伴流が第２のベーンの前縁と円周方向で並ぶようになり、第１のベーンのスタッキング軸が非線形である。
【００１３】
本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１つの態様に従って構成されたタービン組立体を組み込んだガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１に示すエンジンの低圧タービンの概略図。
【図３】図１に示すエンジンのタービンノズルの斜視図。
【図４】図３に示すタービンノズルの一部の拡大図。
【図５】図３に示すタービンノズルの一部の断面図。
【図６】図５の線６−６から見た図。
【図７】図５の線７−７から見た図。
【図８】図１に示すタービン組立体の複数のタービンブレードの斜視図。
【図９】図８に示すタービンブレードの一部の断面図。
【図１０】図９の線１０−１０から見た図。
【図１１】図９の線１１−１１から見た図。
【図１２】図１のエンジンの低圧タービンのタービンベーン及びブレードの列の概略図。
【図１３】図１３Ａは根元でのタービンベーンの概略断面図であり、図１３Ｂはスパン中間位置におけるタービンベーンの概略図であり、図１３Ｃは先端においけるタービンベーンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
各図を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、ファン１２、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、高圧タービン（「ＨＰＴ」）１８、及び低圧タービン２０を有し、これら全てが長手方向中心軸線「Ａ」に沿って直列の軸流関係で配列された例示的なガスタービンエンジン１０の要素を概略的に示している。高圧圧縮機１４、燃焼器１６、及び高圧タービン１８は、総称して「コア」と呼ばれる。高圧圧縮機１４は、燃焼器１６に入る加圧空気を提供し、該燃焼器にて燃料が導入されて燃焼し、高温燃焼ガスを発生する。この高温燃焼ガスは高圧タービン１８に吐出され、ここで膨張させてこれからエネルギーを抽出する。高圧タービン１８は、外側シャフト２２を通じて圧縮機１０を駆動する。高圧タービン１８から流出する加圧空気は、低圧タービン（「ＬＰ」）２０に吐出され、ここで更に膨張させてエネルギーを抽出する。低圧タービン２０は、内側シャフト２４を通じてファン１２を駆動する。ファン１２は加圧空気の流れを生成し、その一部が高圧圧縮機１４の入口を過給し、その大部分が、「コア」をバイパスしてエンジン１０によってもたらされるスラストの大部分を提供する。
【００１６】
図示のエンジン１０は、高バイパスターボファンエンジンであるが、本明細書で説明される原理は、ターボプロップ、ターボジェット、及びターボシャフトエンジン、並びに他の移動体又は定置用途で使用されるタービンエンジンにも同様に適用することができる。更に、実施例としてＬＰＴが使用されるが、本発明の原理は、限定ではないがＨＰＴ及び中圧タービン（「ＩＰＴ」）を含む、内側及び外側シュラウド又はプラットフォームを有するあらゆるタービンに適用できる点は理解される。更に、本明細書で説明される原理はまた、蒸気タービンなどの空気以外の作動流体を用いるタービンにも適用することができる。
【００１７】
図２を参照すると、ＬＰＴ２０は、第１の段Ｓ１、第２の段Ｓ２、及び第３の段Ｓ３をそれぞれ含む。各段は、固定タービンベーンの環状アレイを備えたノズル２６と、タービンブレード２８の環状アレイを保持する回転ディスクを備えた下流側ロータとを含む。ロータは全て共回転し、内側シャフト２４に結合される。参照のため、第１の段Ｓ１、第２の段Ｓ２、及び第３の段Ｓ３のノズル（又はベーン列）は、Ｎ１、Ｎ２、及びＮ３で表記され、それぞれのロータ（又はブレード列）はＢ１、Ｂ２、及びＢ３で表記される。
【００１８】
図３及び４は、タービンノズル２６のうちの１つを示しており、全部で３つの段Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３のノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３の全体の設計を一般的に表している。ノズル２６は、単体構造又は組み立て構造のものとすることができ、環状内側バンド３２と環状外側バンド３４との間に配置された複数のタービンベーン３０を含む。各ベーン３０は、根元３６、前縁４０、後縁４２、及び凸状負圧側面４６に対向する凹状正圧側面４４を含む翼形部である。内側バンド３２及び外側バンド３４は、タービンノズル２６を通るガス流の内側及び外側半径方向境界をそれぞれ定める。内側バンド３２は、高温ガス流路に面する「高温側部」４８と、高温ガス流路から外方に面する「低温側部」とを有し、従来の取り付け構造を含む。同様に、外側バンド３４は、低温側部と高温側部とを有し、従来の取り付け構造を含む。
【００１９】
作動時には、翼形部前縁におけるガス圧力勾配は、内側バンド３２付近の各翼形部の両側部上で下流側に進む逆回転の馬蹄渦のペアの形成を引き起こす。図４は、これらの渦が進む方向を概略的に示しており、ここでは正圧側面及び負圧側面の渦がそれぞれＰＳ及びＳＳで表記されている。
【００２０】
この特定の実施例において、第２の段ノズルＮ２では、内側バンド３２の高温側部４８、すなわち具体的には各ベーン３０間の内側バンドの一部は、従来の軸対称又は円形の円周方向プロファイルに対して高さ方向で選択的に輪郭形成され、作動中に燃焼ガスが内側バンド３２にわたって下流方向に流れると、該燃焼ガスがベーン３０の前縁の周りで燃焼ガスが分割されるときに生成される渦流の悪影響を低減するようにする。内側バンドの輪郭は、各ベーン２８の正圧側面４４に隣接する幅広のピーク５０から幅狭の陥凹トラフ５２まで半径高さ方向で輪郭形成される。この輪郭形成は、一般に「３Ｄ輪郭形成」と呼ばれる。
【００２１】
３Ｄ輪郭形成を図５〜７を参照して説明する。典型的な従来の内側バンドは一般に、長手方向断面で見たときに（図６を参照）翼形部の上面に類似した凸状湾曲形状の表面プロファイルを有する。このプロファイルは、エンジン１０の長手方向軸線Ａを中心とした対称的な回転表面である。このプロファイルは、ベースライン基準とみなされ、図５〜７の各々において、ベースラインの従来の表面プロファイルが点線「Ｂ」で示され、３Ｄ輪郭形成された表面プロファイルは実線で示されている。同じ高さ又は半径方向寸法を有する点は、図において等高線で相互接続される。図４で分かるように、ベーン３０の各々は、前縁４０から後縁４２まで測定した翼弦長「Ｃ」を有し、この寸法に平行な方向が「翼弦方向」を表す。内側バンド３２の前方縁部又は後方縁部に平行な方向は接線方向と呼ばれ、図５において「Ｔ」で表記された矢印により示される。本明細書で説明される場合、用語「正の高さ」、「ピーク」、及び同様の用語は、半径方向外寄りに位置付けられ、又は長手方向軸線Ａから測定して局所ベースラインＢよりも大きい半径を有する表面特徴を意味し、用語「トラフ」、「負の高さ」及び同様の用語は、半径方向内寄りに位置付けられ、又は長手方向軸線Ａから測定して局所ベースラインＢよりも小さい半径を有する表面特徴を意味する。
【００２２】
図５及び７において最もよく分かるように、トラフ５２は、ベーン３０の各ペア間の内側バンド３２の高温側部４８に存在し、ほぼ前縁４０から後縁４２まで延びる。トラフ５２の最深部は、隣接ベーン３０の負圧側面４６に実質的に平行な線に沿って延び、図５に示される線７−７と一致する。図示の特定の実施形態において、トラフ５２の最深部は、高温側部４８の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ３０％から４０％、或いは、全体の高さの差が約１０ユニットである場合に約３から４ユニットだけベースラインプロファイルＢよりも低い。接線方向において、第１のベーン３０の負圧側面４６から測定すると、トラフ５２の最深部を表す線は、隣接するベーン３０の正圧側面４４に対する距離の約１０％から約３０％、好ましくは２０％に位置付けられる。翼弦方向では、トラフ５２の最深部は、ベーン３０の最大セクション厚みの位置付近にある（一般に、「高Ｃ」位置と呼ばれる）。
【００２３】
図５及び６で最もよく分かるように、ピーク５０は、隣接するベーン３０の正圧側面４４に実質的に平行な線に沿って延びる。リッジ５４は、ピーク５０の最も高い部分から延び、隣接するベーン３０の正圧側面４４から離れてほぼ接線方向に延びる。ピーク５０の半径方向高さは、このリッジ５４から離れて前縁４０及び後縁４２の両方に向かって傾斜する。ピーク５０は、前縁４０の背後でベースライン高度Ｂからより大きな最大高度まで高さ方向で増大し、前縁４０から翼弦長さの最初の１／３にわたって大きな勾配を有し、一方、ピーク５０は、実質的に低勾配又は傾斜で後縁４２から翼弦長さの残りの２／３にわたり同じ大きさで後縁４２から高さ方向に増大する。
【００２４】
図示の特定の実施例において、ピーク５０の最も高い部分は、高温側部４８の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ６０％から７０％、或いは、全体の高さの差が約１０ユニットである場合に約６から７ユニットだけベースラインプロファイルＢよりも高い。翼弦方向において、ピーク５０の最も高い部分は、翼弦中間位置と隣接ベーン３０の前縁４０との間に位置付けられる。
【００２５】
ベーン３０の後縁４２の後方にある内側バンド３２の高温側部４８上にはあまり大きなリッジ、フィレット又は他の同様の構造物が存在しないのが好ましい。換言すると、根元３６におけるベーン３０の後縁４２と内側バンド３２との間には明瞭に定められた交差部が存在するはずである。機械的強度のため、この場所で一部のタイプのフィレットを含めることが必要となる可能性がある。空力的な目的で、存在するあらゆるフィレットは最小にされるべきである。
【００２６】
ピーク５０がその最大高さ近傍で局所的に離隔されているのに対して、トラフ５２は、実質的に長手方向又は軸方向長さ全体にわたってほぼ均一で浅い深さを有する。全体として、隆起したピーク５０と陥凹のトラフ５２は、空気力学的に滑らかなチュート又は湾曲フルートを提供し、これは、１つのベーン３０の凹状正圧側面４４と隣接ベーン３０の凸状負圧側面３６との間の流路の弓形輪郭に続き、これらを通る燃焼ガスを滑らかに送るようにする。詳細には、協働するピーク５０及びトラフ５２は、燃焼ガスの流入角と一致し、燃焼ガスを滑らかに傾斜又は転回させて、馬蹄渦及び通路渦流の悪影響を軽減する。
【００２７】
図８は、タービンブレード２８の構造を示している（３つの同じブレード２８の群が作動時の組み付けられた状態で示されている）。これらは、一般に、全部で３つの段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の列Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のブレードの全体設計を表している。ブレード２８は、ダブテール５６、内側プラットフォーム５８、翼形部６０、及び外側プラットフォーム６２を含む単体構成部品である。翼形部６０は、根元６４、先端６６、前縁６８、後縁７０、及び凸状負圧側面７４に対向する凹状正圧側面７２を含む。内側及び外側プラットフォーム５８、６２は、翼形部６０を通過するガス流の内側及び外側半径方向境界をそれぞれ定める。内側プラットフォーム５８は、高温ガス流路に面する「高温側部」７６と、高温ガス流路から外方に面する「低温側部」７８とを有する。
【００２８】
作動時には、タービンブレード２８は、ベーン３０において馬蹄渦及び通路渦の生成を引き起こす傾向のある同じ流れ条件に曝される。これに応じて、図９〜１１に示すように、第２のブレード列Ｂ２のブレード２８において、内側プラットフォーム５８の高温側部７６は、タービンノズル２６とほぼ同じ方式で高さ方向に選択的に３Ｄ輪郭形成される。詳細には、内側プラットフォーム輪郭は非軸対称であり、各ブレード２８の正圧側面７２に隣接する幅広のピーク８０が幅狭の陥凹トラフ８２に移行する。組み立てロータの２つの隣接する翼形部６０間の通路の空力的「端壁」を定める完成形状は、ブレード２８の横並びの内側プラットフォーム５８の一部によって協働して定められる点は理解されるであろう。
【００２９】
ベースライン基準は「Ｂ」で示される。３Ｄ輪郭形成された表面プロファイルは実線で図示される。同じ高さ及び半径方向寸法を有する点は、図において等高線で相互接続される。翼形部６０の各々は、前縁６８から後縁７０まで測定した翼弦長「Ｃ」を有する。接線方向は「Ｔ」で表記された矢印により示される。
【００３０】
トラフ８２は、翼形部６０の各ペア間の内側プラットフォーム５８の高温側部７６に存在し、ほぼ前縁６８から後縁７０まで延びる。トラフ８２の最深部は、翼形部６０の負圧側面７４に実質的に平行な線に沿って延び、図９に示される線１１−１１と一致する。図示の特定の実施例において、トラフ８２の最深部は、高温側部７６の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ２０％、或いは、全体の高さの差が約８．５ユニットである場合に約２ユニットだけベースラインプロファイルＢ’よりも低い。接線方向において、翼形部６０の負圧側面７４から測定すると、トラフ８２の最深部を表す線は、隣接する翼形部６０の正圧側面７２に対する距離の約１０％に位置付けられる。翼弦方向では、トラフ８２の最深部は、翼形部６０の最大セクション厚みの位置付近にある。
【００３１】
ピーク８０は、隣接する翼形部６０の正圧側面７２に実質的に平行な線に沿って延びる。リッジ８１は、ピーク８０の最も高い部分から延び、隣接する翼形部６０の正圧側面７２から離れてほぼ接線方向に延びる。ピーク８０の半径方向高さは、このリッジ８１から離れて前縁６８及び後縁７０の両方に向かって傾斜する。ピーク８０は、前縁６８の背後でベースライン高度Ｂ’から最大高度まで高さ方向で増大し、前縁６８から翼弦長さの最初の１／３にわたって大きな勾配を有し、一方、ピーク８０は、実質的に低勾配又は傾斜で後縁７０から翼弦長さの残りの２／３にわたり同じ大きさで後縁７０から高さ方向に増大する。
【００３２】
図示の特定の実施例において、ピーク８０の最も高い部分は、高温側部７６の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ８０％、或いは、全体の高さの差が約８．５ユニットである場合に約７ユニットだけベースラインプロファイルＢ’よりも高い。翼弦方向において、ピーク８０の最も高い部分は、翼弦中間位置と隣接翼形部６０の前縁６８との間に位置付けられる。
【００３３】
後縁リッジ８４は、翼形部６０の後方の内側プラットフォーム５８の高温側部７６に存在する。該後縁リッジ８４は、翼形部６０の翼弦線の実質的に延長となる線に沿って、翼形部６０の後縁７０から後方に延びる。後縁リッジ８４の半径方向高さは、この線から離れて前縁６８及び後縁７０の両方に向かって傾斜する。図示の特定の実施例において、後縁リッジ８４の最も高い部分は、高温側部７６の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ６０％、或いは、全体の高さの差が約８．５ユニットである場合に約５ユニットだけベースラインプロファイルＢ’よりも高い。後縁リッジ８４の最も高い部分は、その根元６４にて翼形部６０の後縁７０に直ぐ隣接して位置付けられる。
【００３４】
上述の特定の数値は単に例証に過ぎず、特定の応用において最適な性能をもたらすために変わる可能性がある点に留意されたい。例えば、上述の半径方向高さは、±２０％だけ優に変わる可能性があり、接線位置は±１５％変わる可能性がある。
【００３５】
上述の３Ｄ輪郭形成構成のコンピュータ解析によって、エンジン作動中の第２の段のノズルＮ２の内側バンド及び第２の段のブレードＢ２の内側プラットフォーム近傍の空力的圧力損失が有意に低減されることが予測される。改善された圧力分布は、内側端壁構造からベーン３０及び翼形部６０の下側スパンのかなりの部分にわたって延びて、翼形部負圧側面４６及び７４に向かう馬蹄渦をもたらす渦流強度及び交差通路圧力勾配を低減する。３Ｄ輪郭形成された高温側部４８及び７６はまた、ベーン３０及び翼形部６０それぞれのスパン中間に向かう渦移動を低減すると共に、全圧力損失を低減する。これらの利点は、ＬＰＴ２０及びエンジン１０の性能及び効率を向上させる。
【００３６】
ＬＰＴ２０は更に、その翼形部の選択的クロッキングによる恩恵を受ける。ガスタービン分野で使用される用語「クロッキング」は、一般に、タービン翼形部の環状アレイの角度方向を指し、より具体的には、翼形部の２つ又はそれ以上の列の相対的角度方向を指す。図１２は、ノズル列Ｎ１、Ｎ２、及びＮ３、並びにブレード列Ｂ１、Ｂ２、及びＢ３を概略的に示している。「Ｗ」で表記された矢印は、ノズル列Ｎ２のベーン３０からの後縁伴流を示し、下流側に進むときにブレード列Ｂ２により転回された後、ノズル列Ｎ３に衝突する。伴流Ｗは、ノズルＮ２が存在することによって引き起こされる流れの外乱を表している。本発明の原理は、実施例としてノズル列Ｎ２及びＮ３を用いて説明するが、間にある回転ブレード列と上流側／下流側の関係で配列されたタービンノズルの何れのペアにも適用可能である点を理解されたい。
【００３７】
翼形部（ベーン３０又はブレード２８）の個々の列は、各列の翼形部間のピッチで表される等しい間隔で各列において互いに円周方向に離間して配置される。円周方向ピッチは、翼形部の前縁から後縁まで同じである。ノズル列Ｎ２と下流側ノズル列Ｎ３との間の円周方向クロッキングは、列Ｎ３における下流側ベーンの前縁に対する列Ｎ２におけるベーン３０の後縁からの円周方向距離「Ｓ」で表される。このクロッキング又は間隔Ｓは、下流側翼形部ピッチのパーセンテージで表すことができる。この用語を用いると、ゼロパーセント及び１００％は、対応する後縁及び前縁間に円周方向の間隔がないことを表し、５０％間隔は、列Ｎ２のベーン３０の後縁が列Ｎ３のベーンの前縁間の円周方向の中間に整列されることを表している。
【００３８】
作動時には、伴流Ｗは、回転ブレード列Ｂ２によりチョップされた後、下流側ノズルＮ３におけるベーン３０の前縁に到達し、従って、ブレード回転速度に応じて伴流Ｗの円周方向位置をシフトさせ、すなわち、速度が速くなる程より大きな程度のシフトを生じることになる。
【００３９】
伴流Ｗは下流側ベーン３０の前縁４０に直接衝突させ、すなわち換言すると、伴流Ｗの横方向範囲の中間を前縁４０と位置合わせさせるのが好ましい。本発明の実施例において、第２の段のノズルＮ２は、第３の段のノズルＮ３に対して選択的に方向を合わせ、又は「クロッキング」され、伴流Ｗへの第２の段のブレード列Ｂ２の作用を考慮して、第２の段のノズルＮ２のベーン３０から流出する後縁伴流Ｗを送って、第３の段のノズルＮ３のベーン３０の前縁４０に衝突させるようにする。固定基準に対する各ノズルＮ２又はＮ３の絶対角度方向は重要ではなく、すなわち、何れかのノズルがベースライン方向に対して「クロッキング」され、本明細書で説明される効果を達成できる点に留意されたい。
【００４０】
この特定の実施例において、伴流Ｗの最良の整列及び最良の空力効率は、ノズルＮ２の角度位置がノズルＮ３に対して後方から前方を見たときに幾分時計回りにシフトされるときであることが明らかになった。図１２では、破線はノズルＮ２におけるベーン３０のベースライン位置を示し、実線は「クロッキング」位置を示している。
【００４１】
従来の実施では、ベーン３０の連続する断面スライス又は「ステーション」の図心を通る線は、「スタック軸」と呼ばれ、エンジンの長手方向軸線Ａから半径方向外向きに延びる線である。ブレード２８の一定の回転ＲＰＭ（角速度）では、回転速度（接線方向速度）は、ブレード根元６４の最小値から先端６６における最大値まで変化する。従って、伴流位置は、ブレード２８により根元から先端まで不均一にシフトされる。この異なる作用を補償するため、ノズルＮ２のベーン３０の「スタック軸」は、線形ではなく曲線状である。具体的には、翼形部断面は、根元３６から先端３８までより大きな程度に漸次的にシフト又はクロッキングされる。図１３Ａ、１３Ｂ、及び１３Ｃは、それぞれ根元３６、スパン中間、及び先端３８におけるクロッキングした翼形部断面の位置を破線で示している。各翼形部断面の正確な位置は、解析手法又は実験的手法（リグ試験など）によって決定することができる。例えば、伴流Ｗの位置は、流れの可視化（実験的又は仮想的）により決定され、次いで、ノズルＮ２の各翼形部断面の円周方向位置は、伴流Ｗの中心が下流側ノズルＮ３のベーン３０の前縁４０に直接衝突するまで操作される。
【００４２】
上述のように、３Ｄ端壁輪郭形成により、第２の段ノズルＮ２及び第２の段ブレードＢ３における通路渦の強度が低減される。更に、３Ｄ端壁輪郭形成により、他の場合には、馬蹄渦及び通路渦に起因して提示され、結果として、特にベーン３０及び翼形部６０の根元３６及び６４付近で明確に定められる伴流Ｗをもたらすことになる「スミアリング」作用が低減される。これは、上述の選択的半径方向スタッキングの効果を相乗的に改善し、その結果、根元から先端までの下流側前縁との上流側伴流Ｗの良好な整列をもたらし、より低い運動量の流体を境界層内に保持し、空気力学的効率がより良好になる。
【００４３】
この構成のタービンリグ試験データ及び数値流体力学（「ＣＦＤ」）解析は、端壁輪郭形成、非線形ノズル半径方向スタッキング、及び適正クロッキングの組み合わせがタービン効率の大幅な改善を達成できることを示している。
【００４４】
以上、翼形部の端壁輪郭形成、非線形ノズル半径方向スタッキング、及び選択的クロッキングを備えたタービン組立体について記載した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明の好ましい実施形態の上記の説明並びに本発明を実施するのに最良の形態が限定ではなく単に例証の目的で提供され、本発明は請求項によって定義される。
【符号の説明】
【００４５】
３２：内側バンド
３４：外側バンド
３６：根元
３８：先端
４０：前縁
４２：後縁
４４：正圧側面
４６：負圧側面
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
米国政府は、陸軍により授与された契約書番号Ｗ９１１Ｗ６−０７−２−０００２に基づき本発明において一定の権利を有する場合がある。
【０００２】
本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、このようなエンジン内のタービン翼形部の構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機において加圧され、次いで燃料と混合されて、燃焼器内で燃焼して燃焼ガスを生成する。燃焼器の下流側の１つ又はそれ以上のタービンは、燃焼ガスからエネルギーを抽出し、圧縮機、並びにファン、プロペラ、又は他の機械的負荷を駆動する。各タービンは、各々がタービンブレード又はバケットのアレイを保持するディスクを含む１つ又はそれ以上のロータを備える。環状バンドの形態で半径方向外側及び内側端壁を有するステータベーンのアレイを備える固定ノズルは、各ロータの上流側に配置され、ロータへの燃焼ガスの流れを最適に配向するよう機能する。総称して、各ノズル及び下流側ロータは、タービンの「段」と呼ばれる。
【０００４】
ベーン及びブレード翼形部の複雑な三次元（３Ｄ）構成は、作動効率を最大にするよう適合され、翼形部に沿った半径方向スパンで変化し、並びに前縁と後縁との間の翼形部の翼弦に沿って軸方向に変化する。これに応じて、翼形部表面にわたって且つ対応する流れ通路において燃焼ガスの速度及び圧力分布もまた変化する。
【０００５】
燃焼ガス流路における望ましくない圧力損失は、タービン全体の効率の望ましくない低下に対応する。タービン圧力損失のよく見られる１つの原因は、燃焼ガスがその移動において翼形部前縁の周りで分割されるときに生成される馬蹄渦の形成である。全圧力勾配は、翼形部の前縁及び端壁の接合部での境界層流において生じる。翼形部前縁でのこの圧力勾配は、端壁付近の各翼形部の両側部上で下流側に進む逆回転の馬蹄渦のペアを形成する。馬蹄渦の移動は、交差通路渦を発生する。馬蹄渦及び通路渦は、全圧力損失及び対応するタービン効率の低下をもたらす。これらの渦流はまた乱流を生成し、望ましくない端壁加熱を増大させる。
【０００６】
端壁輪郭形成設計においてタービン翼形部の端壁（例えば、プラットフォーム又はシュラウド）に３Ｄ輪郭形成を利用すると、馬蹄渦及び通路渦の強度並びに関連する圧力損失が低減され、これによりタービン効率が改善されることは知られている。
【０００７】
更に、回転ブレードのセットがベーンの２つの列の間に位置付けられる場合に、上流側ベーン後縁からの伴流（ウェイク（wake）又は後流とも呼ばれる）を下流側ベーンの前縁に衝突させるように、タービンベーンの上流側の列をタービンベーンの下流側の列に対して方向を合わせること、すなわち「クロッキング」することは知られている。この構想は、伴流をベーンの境界層内に保持し、これにより望ましくない圧力損失を最小限にするために、下流側ベーン前縁に衝突する伴流の運動量をより小さくしようとするものである。
【０００８】
伴流は、下流側ノズルベーン前縁に到達する前に回転ブレード列によってチョップされるので、伴流の位置は、ブレードの回転速度の関数としてシフトされる。一定の回転ＲＰＭでは、接線速度がブレードの根元から先端まで変化する。そのため、伴流位置は、ハブから先端まで不均一にシフトされる。
【０００９】
従って、渦作用を最小限にすると共に、下流側ノズルに対するノズル伴流を良好に位置合わせすることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，４８６，０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の必要性は、３Ｄ輪郭形成された端壁及びノズルベーンの２つの列間の選択的クロッキングを備えたノズル及びブレードを有するタービン組立体を提供する、本発明によって対処される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１つの態様によれば、タービン装置は、環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第１のベーンのアレイを有する第１のノズルを備え、第１のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、第１のベーンが、１つには内側バンドにより境界付けられる複数の第１の流路を間に定めるように配列され、内側バンドの表面が非軸対称形状で輪郭形成されており、本タービン装置が更に、回転可能ディスクにより保持される複数のブレードを含み、該ブレードの各々が根元、先端、凹状正圧側面、及び横方向に対向する凸状負圧側面を有し、該正圧及び負圧側面が対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びている、第１のノズルから下流側に配置されたロータと、環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第２のベーンのアレイを有する、ロータから下流側に配置された第２のノズルと、を備え、第２のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、第２のベーンが複数の第２の流路を間に定めるように配列される。第１及び第２のノズルの第１及び第２のベーンは、互いに対して円周方向にクロッキングされ、予め定められた作動条件において、第１のベーンから吐出される伴流が第２のベーンの前縁と円周方向で並ぶようになり、第１のベーンのスタッキング軸が非線形である。
【００１３】
本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１つの態様に従って構成されたタービン組立体を組み込んだガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１に示すエンジンの低圧タービンの概略図。
【図３】図１に示すエンジンのタービンノズルの斜視図。
【図４】図３に示すタービンノズルの一部の拡大図。
【図５】図３に示すタービンノズルの一部の断面図。
【図６】図５の線６−６から見た図。
【図７】図５の線７−７から見た図。
【図８】図１に示すタービン組立体の複数のタービンブレードの斜視図。
【図９】図８に示すタービンブレードの一部の断面図。
【図１０】図９の線１０−１０から見た図。
【図１１】図９の線１１−１１から見た図。
【図１２】図１のエンジンの低圧タービンのタービンベーン及びブレードの列の概略図。
【図１３】図１３Ａは根元でのタービンベーンの概略断面図であり、図１３Ｂはスパン中間位置におけるタービンベーンの概略図であり、図１３Ｃは先端においけるタービンベーンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
各図を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、ファン１２、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、高圧タービン（「ＨＰＴ」）１８、及び低圧タービン２０を有し、これら全てが長手方向中心軸線「Ａ」に沿って直列の軸流関係で配列された例示的なガスタービンエンジン１０の要素を概略的に示している。高圧圧縮機１４、燃焼器１６、及び高圧タービン１８は、総称して「コア」と呼ばれる。高圧圧縮機１４は、燃焼器１６に入る加圧空気を提供し、該燃焼器にて燃料が導入されて燃焼し、高温燃焼ガスを発生する。この高温燃焼ガスは高圧タービン１８に吐出され、ここで膨張させてこれからエネルギーを抽出する。高圧タービン１８は、外側シャフト２２を通じて圧縮機１０を駆動する。高圧タービン１８から流出する加圧空気は、低圧タービン（「ＬＰ」）２０に吐出され、ここで更に膨張させてエネルギーを抽出する。低圧タービン２０は、内側シャフト２４を通じてファン１２を駆動する。ファン１２は加圧空気の流れを生成し、その一部が高圧圧縮機１４の入口を過給し、その大部分が、「コア」をバイパスしてエンジン１０によってもたらされるスラストの大部分を提供する。
【００１６】
図示のエンジン１０は、高バイパスターボファンエンジンであるが、本明細書で説明される原理は、ターボプロップ、ターボジェット、及びターボシャフトエンジン、並びに他の移動体又は定置用途で使用されるタービンエンジンにも同様に適用することができる。更に、実施例としてＬＰＴが使用されるが、本発明の原理は、限定ではないがＨＰＴ及び中圧タービン（「ＩＰＴ」）を含む、内側及び外側シュラウド又はプラットフォームを有するあらゆるタービンに適用できる点は理解される。更に、本明細書で説明される原理はまた、蒸気タービンなどの空気以外の作動流体を用いるタービンにも適用することができる。
【００１７】
図２を参照すると、ＬＰＴ２０は、第１の段Ｓ１、第２の段Ｓ２、及び第３の段Ｓ３をそれぞれ含む。各段は、固定タービンベーンの環状アレイを備えたノズル２６と、タービンブレード２８の環状アレイを保持する回転ディスクを備えた下流側ロータとを含む。ロータは全て共回転し、内側シャフト２４に結合される。参照のため、第１の段Ｓ１、第２の段Ｓ２、及び第３の段Ｓ３のノズル（又はベーン列）は、Ｎ１、Ｎ２、及びＮ３で表記され、それぞれのロータ（又はブレード列）はＢ１、Ｂ２、及びＢ３で表記される。
【００１８】
図３及び４は、タービンノズル２６のうちの１つを示しており、全部で３つの段Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３のノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３の全体の設計を一般的に表している。ノズル２６は、単体構造又は組み立て構造のものとすることができ、環状内側バンド３２と環状外側バンド３４との間に配置された複数のタービンベーン３０を含む。各ベーン３０は、根元３６、前縁４０、後縁４２、及び凸状負圧側面４６に対向する凹状正圧側面４４を含む翼形部である。内側バンド３２及び外側バンド３４は、タービンノズル２６を通るガス流の内側及び外側半径方向境界をそれぞれ定める。内側バンド３２は、高温ガス流路に面する「高温側部」４８と、高温ガス流路から外方に面する「低温側部」とを有し、従来の取り付け構造を含む。同様に、外側バンド３４は、低温側部と高温側部とを有し、従来の取り付け構造を含む。
【００１９】
作動時には、翼形部前縁におけるガス圧力勾配は、内側バンド３２付近の各翼形部の両側部上で下流側に進む逆回転の馬蹄渦のペアの形成を引き起こす。図４は、これらの渦が進む方向を概略的に示しており、ここでは正圧側面及び負圧側面の渦がそれぞれＰＳ及びＳＳで表記されている。
【００２０】
この特定の実施例において、第２の段ノズルＮ２では、内側バンド３２の高温側部４８、すなわち具体的には各ベーン３０間の内側バンドの一部は、従来の軸対称又は円形の円周方向プロファイルに対して高さ方向で選択的に輪郭形成され、作動中に燃焼ガスが内側バンド３２にわたって下流方向に流れると、該燃焼ガスがベーン３０の前縁の周りで燃焼ガスが分割されるときに生成される渦流の悪影響を低減するようにする。内側バンドの輪郭は、各ベーン２８の正圧側面４４に隣接する幅広のピーク５０から幅狭の陥凹トラフ５２まで半径高さ方向で輪郭形成される。この輪郭形成は、一般に「３Ｄ輪郭形成」と呼ばれる。
【００２１】
３Ｄ輪郭形成を図５〜７を参照して説明する。典型的な従来の内側バンドは一般に、長手方向断面で見たときに（図６を参照）翼形部の上面に類似した凸状湾曲形状の表面プロファイルを有する。このプロファイルは、エンジン１０の長手方向軸線Ａを中心とした対称的な回転表面である。このプロファイルは、ベースライン基準とみなされ、図５〜７の各々において、ベースラインの従来の表面プロファイルが点線「Ｂ」で示され、３Ｄ輪郭形成された表面プロファイルは実線で示されている。同じ高さ又は半径方向寸法を有する点は、図において等高線で相互接続される。図４で分かるように、ベーン３０の各々は、前縁４０から後縁４２まで測定した翼弦長「Ｃ」を有し、この寸法に平行な方向が「翼弦方向」を表す。内側バンド３２の前方縁部又は後方縁部に平行な方向は接線方向と呼ばれ、図５において「Ｔ」で表記された矢印により示される。本明細書で説明される場合、用語「正の高さ」、「ピーク」、及び同様の用語は、半径方向外寄りに位置付けられ、又は長手方向軸線Ａから測定して局所ベースラインＢよりも大きい半径を有する表面特徴を意味し、用語「トラフ」、「負の高さ」及び同様の用語は、半径方向内寄りに位置付けられ、又は長手方向軸線Ａから測定して局所ベースラインＢよりも小さい半径を有する表面特徴を意味する。
【００２２】
図５及び７において最もよく分かるように、トラフ５２は、ベーン３０の各ペア間の内側バンド３２の高温側部４８に存在し、ほぼ前縁４０から後縁４２まで延びる。トラフ５２の最深部は、隣接ベーン３０の負圧側面４６に実質的に平行な線に沿って延び、図５に示される線７−７と一致する。図示の特定の実施形態において、トラフ５２の最深部は、高温側部４８の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ３０％から４０％、或いは、全体の高さの差が約１０ユニットである場合に約３から４ユニットだけベースラインプロファイルＢよりも低い。接線方向において、第１のベーン３０の負圧側面４６から測定すると、トラフ５２の最深部を表す線は、隣接するベーン３０の正圧側面４４に対する距離の約１０％から約３０％、好ましくは２０％に位置付けられる。翼弦方向では、トラフ５２の最深部は、ベーン３０の最大セクション厚みの位置付近にある（一般に、「高Ｃ」位置と呼ばれる）。
【００２３】
図５及び６で最もよく分かるように、ピーク５０は、隣接するベーン３０の正圧側面４４に実質的に平行な線に沿って延びる。リッジ５４は、ピーク５０の最も高い部分から延び、隣接するベーン３０の正圧側面４４から離れてほぼ接線方向に延びる。ピーク５０の半径方向高さは、このリッジ５４から離れて前縁４０及び後縁４２の両方に向かって傾斜する。ピーク５０は、前縁４０の背後でベースライン高度Ｂからより大きな最大高度まで高さ方向で増大し、前縁４０から翼弦長さの最初の１／３にわたって大きな勾配を有し、一方、ピーク５０は、実質的に低勾配又は傾斜で後縁４２から翼弦長さの残りの２／３にわたり同じ大きさで後縁４２から高さ方向に増大する。
【００２４】
図示の特定の実施例において、ピーク５０の最も高い部分は、高温側部４８の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ６０％から７０％、或いは、全体の高さの差が約１０ユニットである場合に約６から７ユニットだけベースラインプロファイルＢよりも高い。翼弦方向において、ピーク５０の最も高い部分は、翼弦中間位置と隣接ベーン３０の前縁４０との間に位置付けられる。
【００２５】
ベーン３０の後縁４２の後方にある内側バンド３２の高温側部４８上にはあまり大きなリッジ、フィレット又は他の同様の構造物が存在しないのが好ましい。換言すると、根元３６におけるベーン３０の後縁４２と内側バンド３２との間には明瞭に定められた交差部が存在するはずである。機械的強度のため、この場所で一部のタイプのフィレットを含めることが必要となる可能性がある。空力的な目的で、存在するあらゆるフィレットは最小にされるべきである。
【００２６】
ピーク５０がその最大高さ近傍で局所的に離隔されているのに対して、トラフ５２は、実質的に長手方向又は軸方向長さ全体にわたってほぼ均一で浅い深さを有する。全体として、隆起したピーク５０と陥凹のトラフ５２は、空気力学的に滑らかなチュート又は湾曲フルートを提供し、これは、１つのベーン３０の凹状正圧側面４４と隣接ベーン３０の凸状負圧側面３６との間の流路の弓形輪郭に続き、これらを通る燃焼ガスを滑らかに送るようにする。詳細には、協働するピーク５０及びトラフ５２は、燃焼ガスの流入角と一致し、燃焼ガスを滑らかに傾斜又は転回させて、馬蹄渦及び通路渦流の悪影響を軽減する。
【００２７】
図８は、タービンブレード２８の構造を示している（３つの同じブレード２８の群が作動時の組み付けられた状態で示されている）。これらは、一般に、全部で３つの段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の列Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のブレードの全体設計を表している。ブレード２８は、ダブテール５６、内側プラットフォーム５８、翼形部６０、及び外側プラットフォーム６２を含む単体構成部品である。翼形部６０は、根元６４、先端６６、前縁６８、後縁７０、及び凸状負圧側面７４に対向する凹状正圧側面７２を含む。内側及び外側プラットフォーム５８、６２は、翼形部６０を通過するガス流の内側及び外側半径方向境界をそれぞれ定める。内側プラットフォーム５８は、高温ガス流路に面する「高温側部」７６と、高温ガス流路から外方に面する「低温側部」７８とを有する。
【００２８】
作動時には、タービンブレード２８は、ベーン３０において馬蹄渦及び通路渦の生成を引き起こす傾向のある同じ流れ条件に曝される。これに応じて、図９〜１１に示すように、第２のブレード列Ｂ２のブレード２８において、内側プラットフォーム５８の高温側部７６は、タービンノズル２６とほぼ同じ方式で高さ方向に選択的に３Ｄ輪郭形成される。詳細には、内側プラットフォーム輪郭は非軸対称であり、各ブレード２８の正圧側面７２に隣接する幅広のピーク８０が幅狭の陥凹トラフ８２に移行する。組み立てロータの２つの隣接する翼形部６０間の通路の空力的「端壁」を定める完成形状は、ブレード２８の横並びの内側プラットフォーム５８の一部によって協働して定められる点は理解されるであろう。
【００２９】
ベースライン基準は「Ｂ」で示される。３Ｄ輪郭形成された表面プロファイルは実線で図示される。同じ高さ及び半径方向寸法を有する点は、図において等高線で相互接続される。翼形部６０の各々は、前縁６８から後縁７０まで測定した翼弦長「Ｃ」を有する。接線方向は「Ｔ」で表記された矢印により示される。
【００３０】
トラフ８２は、翼形部６０の各ペア間の内側プラットフォーム５８の高温側部７６に存在し、ほぼ前縁６８から後縁７０まで延びる。トラフ８２の最深部は、翼形部６０の負圧側面７４に実質的に平行な線に沿って延び、図９に示される線１１−１１と一致する。図示の特定の実施例において、トラフ８２の最深部は、高温側部７６の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ２０％、或いは、全体の高さの差が約８．５ユニットである場合に約２ユニットだけベースラインプロファイルＢ’よりも低い。接線方向において、翼形部６０の負圧側面７４から測定すると、トラフ８２の最深部を表す線は、隣接する翼形部６０の正圧側面７２に対する距離の約１０％に位置付けられる。翼弦方向では、トラフ８２の最深部は、翼形部６０の最大セクション厚みの位置付近にある。
【００３１】
ピーク８０は、隣接する翼形部６０の正圧側面７２に実質的に平行な線に沿って延びる。リッジ８１は、ピーク８０の最も高い部分から延び、隣接する翼形部６０の正圧側面７２から離れてほぼ接線方向に延びる。ピーク８０の半径方向高さは、このリッジ８１から離れて前縁６８及び後縁７０の両方に向かって傾斜する。ピーク８０は、前縁６８の背後でベースライン高度Ｂ’から最大高度まで高さ方向で増大し、前縁６８から翼弦長さの最初の１／３にわたって大きな勾配を有し、一方、ピーク８０は、実質的に低勾配又は傾斜で後縁７０から翼弦長さの残りの２／３にわたり同じ大きさで後縁７０から高さ方向に増大する。
【００３２】
図示の特定の実施例において、ピーク８０の最も高い部分は、高温側部７６の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ８０％、或いは、全体の高さの差が約８．５ユニットである場合に約７ユニットだけベースラインプロファイルＢ’よりも高い。翼弦方向において、ピーク８０の最も高い部分は、翼弦中間位置と隣接翼形部６０の前縁６８との間に位置付けられる。
【００３３】
後縁リッジ８４は、翼形部６０の後方の内側プラットフォーム５８の高温側部７６に存在する。該後縁リッジ８４は、翼形部６０の翼弦線の実質的に延長となる線に沿って、翼形部６０の後縁７０から後方に延びる。後縁リッジ８４の半径方向高さは、この線から離れて前縁６８及び後縁７０の両方に向かって傾斜する。図示の特定の実施例において、後縁リッジ８４の最も高い部分は、高温側部７６の最低位置と最高位置との間の半径方向高さの全体の差のおよそ６０％、或いは、全体の高さの差が約８．５ユニットである場合に約５ユニットだけベースラインプロファイルＢ’よりも高い。後縁リッジ８４の最も高い部分は、その根元６４にて翼形部６０の後縁７０に直ぐ隣接して位置付けられる。
【００３４】
上述の特定の数値は単に例証に過ぎず、特定の応用において最適な性能をもたらすために変わる可能性がある点に留意されたい。例えば、上述の半径方向高さは、±２０％だけ優に変わる可能性があり、接線位置は±１５％変わる可能性がある。
【００３５】
上述の３Ｄ輪郭形成構成のコンピュータ解析によって、エンジン作動中の第２の段のノズルＮ２の内側バンド及び第２の段のブレードＢ２の内側プラットフォーム近傍の空力的圧力損失が有意に低減されることが予測される。改善された圧力分布は、内側端壁構造からベーン３０及び翼形部６０の下側スパンのかなりの部分にわたって延びて、翼形部負圧側面４６及び７４に向かう馬蹄渦をもたらす渦流強度及び交差通路圧力勾配を低減する。３Ｄ輪郭形成された高温側部４８及び７６はまた、ベーン３０及び翼形部６０それぞれのスパン中間に向かう渦移動を低減すると共に、全圧力損失を低減する。これらの利点は、ＬＰＴ２０及びエンジン１０の性能及び効率を向上させる。
【００３６】
ＬＰＴ２０は更に、その翼形部の選択的クロッキングによる恩恵を受ける。ガスタービン分野で使用される用語「クロッキング」は、一般に、タービン翼形部の環状アレイの角度方向を指し、より具体的には、翼形部の２つ又はそれ以上の列の相対的角度方向を指す。図１２は、ノズル列Ｎ１、Ｎ２、及びＮ３、並びにブレード列Ｂ１、Ｂ２、及びＢ３を概略的に示している。「Ｗ」で表記された矢印は、ノズル列Ｎ２のベーン３０からの後縁伴流を示し、下流側に進むときにブレード列Ｂ２により転回された後、ノズル列Ｎ３に衝突する。伴流Ｗは、ノズルＮ２が存在することによって引き起こされる流れの外乱を表している。本発明の原理は、実施例としてノズル列Ｎ２及びＮ３を用いて説明するが、間にある回転ブレード列と上流側／下流側の関係で配列されたタービンノズルの何れのペアにも適用可能である点を理解されたい。
【００３７】
翼形部（ベーン３０又はブレード２８）の個々の列は、各列の翼形部間のピッチで表される等しい間隔で各列において互いに円周方向に離間して配置される。円周方向ピッチは、翼形部の前縁から後縁まで同じである。ノズル列Ｎ２と下流側ノズル列Ｎ３との間の円周方向クロッキングは、列Ｎ３における下流側ベーンの前縁に対する列Ｎ２におけるベーン３０の後縁からの円周方向距離「Ｓ」で表される。このクロッキング又は間隔Ｓは、下流側翼形部ピッチのパーセンテージで表すことができる。この用語を用いると、ゼロパーセント及び１００％は、対応する後縁及び前縁間に円周方向の間隔がないことを表し、５０％間隔は、列Ｎ２のベーン３０の後縁が列Ｎ３のベーンの前縁間の円周方向の中間に整列されることを表している。
【００３８】
作動時には、伴流Ｗは、回転ブレード列Ｂ２によりチョップされた後、下流側ノズルＮ３におけるベーン３０の前縁に到達し、従って、ブレード回転速度に応じて伴流Ｗの円周方向位置をシフトさせ、すなわち、速度が速くなる程より大きな程度のシフトを生じることになる。
【００３９】
伴流Ｗは下流側ベーン３０の前縁４０に直接衝突させ、すなわち換言すると、伴流Ｗの横方向範囲の中間を前縁４０と位置合わせさせるのが好ましい。本発明の実施例において、第２の段のノズルＮ２は、第３の段のノズルＮ３に対して選択的に方向を合わせ、又は「クロッキング」され、伴流Ｗへの第２の段のブレード列Ｂ２の作用を考慮して、第２の段のノズルＮ２のベーン３０から流出する後縁伴流Ｗを送って、第３の段のノズルＮ３のベーン３０の前縁４０に衝突させるようにする。固定基準に対する各ノズルＮ２又はＮ３の絶対角度方向は重要ではなく、すなわち、何れかのノズルがベースライン方向に対して「クロッキング」され、本明細書で説明される効果を達成できる点に留意されたい。
【００４０】
この特定の実施例において、伴流Ｗの最良の整列及び最良の空力効率は、ノズルＮ２の角度位置がノズルＮ３に対して後方から前方を見たときに幾分時計回りにシフトされるときであることが明らかになった。図１２では、破線はノズルＮ２におけるベーン３０のベースライン位置を示し、実線は「クロッキング」位置を示している。
【００４１】
従来の実施では、ベーン３０の連続する断面スライス又は「ステーション」の図心を通る線は、「スタック軸」と呼ばれ、エンジンの長手方向軸線Ａから半径方向外向きに延びる線である。ブレード２８の一定の回転ＲＰＭ（角速度）では、回転速度（接線方向速度）は、ブレード根元６４の最小値から先端６６における最大値まで変化する。従って、伴流位置は、ブレード２８により根元から先端まで不均一にシフトされる。この異なる作用を補償するため、ノズルＮ２のベーン３０の「スタック軸」は、線形ではなく曲線状である。具体的には、翼形部断面は、根元３６から先端３８までより大きな程度に漸次的にシフト又はクロッキングされる。図１３Ａ、１３Ｂ、及び１３Ｃは、それぞれ根元３６、スパン中間、及び先端３８におけるクロッキングした翼形部断面の位置を破線で示している。各翼形部断面の正確な位置は、解析手法又は実験的手法（リグ試験など）によって決定することができる。例えば、伴流Ｗの位置は、流れの可視化（実験的又は仮想的）により決定され、次いで、ノズルＮ２の各翼形部断面の円周方向位置は、伴流Ｗの中心が下流側ノズルＮ３のベーン３０の前縁４０に直接衝突するまで操作される。
【００４２】
上述のように、３Ｄ端壁輪郭形成により、第２の段ノズルＮ２及び第２の段ブレードＢ３における通路渦の強度が低減される。更に、３Ｄ端壁輪郭形成により、他の場合には、馬蹄渦及び通路渦に起因して提示され、結果として、特にベーン３０及び翼形部６０の根元３６及び６４付近で明確に定められる伴流Ｗをもたらすことになる「スミアリング」作用が低減される。これは、上述の選択的半径方向スタッキングの効果を相乗的に改善し、その結果、根元から先端までの下流側前縁との上流側伴流Ｗの良好な整列をもたらし、より低い運動量の流体を境界層内に保持し、空気力学的効率がより良好になる。
【００４３】
この構成のタービンリグ試験データ及び数値流体力学（「ＣＦＤ」）解析は、端壁輪郭形成、非線形ノズル半径方向スタッキング、及び適正クロッキングの組み合わせがタービン効率の大幅な改善を達成できることを示している。
【００４４】
以上、翼形部の端壁輪郭形成、非線形ノズル半径方向スタッキング、及び選択的クロッキングを備えたタービン組立体について記載した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明の好ましい実施形態の上記の説明並びに本発明を実施するのに最良の形態が限定ではなく単に例証の目的で提供され、本発明は請求項によって定義される。
【符号の説明】
【００４５】
３２：内側バンド
３４：外側バンド
３６：根元
３８：先端
４０：前縁
４２：後縁
４４：正圧側面
４６：負圧側面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン装置において、
環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第１のベーンのアレイを有する第１のノズルを備え、
前記第１のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、前記第１のベーンが、１つには内側バンドにより境界付けられる複数の第１の流路を間に定めるように配列され、前記内側バンドの表面が非軸対称形状で輪郭形成されており、
前記タービン装置が更に、
回転可能ディスクにより保持される複数のブレードを含み、該ブレードの各々が根元、先端、凹状正圧側面、及び横方向に対向する凸状負圧側面を有し、該正圧及び負圧側面が対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びている、前記第１のノズルから下流側に配置されたロータと、
環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第２のベーンのアレイを有する、前記ロータから下流側に配置された第２のノズルと、
を備え、
前記第２のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、前記第２のベーンが複数の第２の流路を間に定めるように配列され、
前記第１及び第２のノズルの第１及び第２のベーンが、互いに対して円周方向にクロッキングされ、予め定められた作動条件において、前記第１のベーンから吐出される伴流が前記第２のベーンの前縁と円周方向で整列されるようになり、
前記第１のベーンのスタッキング軸が非線形である、
タービン装置。
【請求項２】
前記第１のノズル及び前記第２のノズルが等しい数のベーンを含む、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項３】
前記第１のベーンのスタッキング軸に沿って離間した複数の断面ステーションが各々、予め定められた作動条件において、前記第１のベーンから吐出される伴流が前記第２のベーンに沿って離間した対応する断面スレ-ションの前縁と円周方向で整列されるように位置付けられる、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項４】
前記タービンブレードの各々が、前記翼形部の先端に配置された外側プラットフォームと、前記翼形部の根元に配置された内側プラットフォームとを含み、前記内側プラットフォームが、前記翼形部に面し、非軸対称形状に輪郭形成された高温側部を有する、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項５】
前記内側プラットフォームの高温側部の各々が、前縁に隣接する翼形部のうちの１つの正圧側面に隣接した比較的高い半径方向高さのピークを含む非軸対称形状に輪郭形成され、比較的低い半径方向高さのトラフが、前縁の後方の翼形部の負圧側面に平行で且つ離間し、前記翼形部に隣接して配置され、前記ピーク及びトラフが、前記内側プラットフォームに軸方向に沿って延びる弓形チャンネルを協働して定める、
請求項４に記載のタービン装置。
【請求項６】
前記ピークは、隣接する翼形部の負圧側面に沿って前記トラフに接合するため第１の翼形部の各前縁の周りで高さが減少し、前記トラフが、前記隣接する翼形部の負圧側面に沿って後縁にまで延びる、
請求項５に記載のタービン装置。
【請求項７】
各内側プラットフォームの高温側部が、前記翼形部の後縁の後方に延びる比較的高い半径方向高さの後縁リッジを含む、
請求項５に記載のタービン装置。
【請求項８】
前記ピークが、前記前縁と翼弦中間位置との間の各翼形部の正圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方で高さが減少し、前記トラフが、前記翼形部の最大厚み付近の前記負圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方の深さが減少する、
請求項５に記載のタービン装置。
【請求項９】
前記第１の通路の各々における内側バンドの表面が、前縁に隣接する第１のベーンのうちの１つの正圧側面に隣接した比較的高い半径方向高さのピークと、前縁の後方の第１の隣接ベーンの負圧側面に平行で且つ離間して配置された比較的低い半径方向高さのトラフとを含む非軸対称形状で輪郭形成され、
前記ピーク及びトラフが、隣接する第１のベーン間の内側バンドに沿って軸方向に延びる弓形チャンネルを協働して定める、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項１０】
各第１の通路に配置された前記ピークが、前記隣接する第１のベーンの負圧側面に沿って前記トラフに接合するために前記第１のベーンのうちの１つの各前縁の周りで高さが減少し、前記トラフが、前記隣接する第１のベーンの負圧側面に沿って後縁にまで延びる、
請求項９に記載のタービン装置。
【請求項１１】
前記ピークが、前記前縁と翼弦中間位置との間の各第１のベーンの正圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方で高さが減少し、前記トラフが、前記翼形部の最大厚み付近の前記負圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方の深さが減少する、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項１２】
上流側又は下流側に位置付けられる少なくとも１つの追加の段を更に備え、
前記追加段が、
環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置されたベーンのアレイを含み、該ベーンの各々が凹状正圧側面と対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを有し、前記ベーンが複数の流路を間に定めるように配列された追加ノズルと、
回転可能ディスクにより保持される複数のブレードを有する、前記追加ノズルから下流側に配置された追加ロータと、
を含み、
前記各ブレードが、根元、先端、凹状正圧側面、及び横方向に対向する凸状負圧側面を有し、該正圧及び負圧側面が対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びている翼形部を含む、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項１】
タービン装置において、
環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第１のベーンのアレイを有する第１のノズルを備え、
前記第１のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、前記第１のベーンが、１つには内側バンドにより境界付けられる複数の第１の流路を間に定めるように配列され、前記内側バンドの表面が非軸対称形状で輪郭形成されており、
前記タービン装置が更に、
回転可能ディスクにより保持される複数のブレードを含み、該ブレードの各々が根元、先端、凹状正圧側面、及び横方向に対向する凸状負圧側面を有し、該正圧及び負圧側面が対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びている、前記第１のノズルから下流側に配置されたロータと、
環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置された第２のベーンのアレイを有する、前記ロータから下流側に配置された第２のノズルと、
を備え、
前記第２のベーンの各々が、凹状正圧側面と、対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを含み、前記第２のベーンが複数の第２の流路を間に定めるように配列され、
前記第１及び第２のノズルの第１及び第２のベーンが、互いに対して円周方向にクロッキングされ、予め定められた作動条件において、前記第１のベーンから吐出される伴流が前記第２のベーンの前縁と円周方向で整列されるようになり、
前記第１のベーンのスタッキング軸が非線形である、
タービン装置。
【請求項２】
前記第１のノズル及び前記第２のノズルが等しい数のベーンを含む、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項３】
前記第１のベーンのスタッキング軸に沿って離間した複数の断面ステーションが各々、予め定められた作動条件において、前記第１のベーンから吐出される伴流が前記第２のベーンに沿って離間した対応する断面スレ-ションの前縁と円周方向で整列されるように位置付けられる、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項４】
前記タービンブレードの各々が、前記翼形部の先端に配置された外側プラットフォームと、前記翼形部の根元に配置された内側プラットフォームとを含み、前記内側プラットフォームが、前記翼形部に面し、非軸対称形状に輪郭形成された高温側部を有する、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項５】
前記内側プラットフォームの高温側部の各々が、前縁に隣接する翼形部のうちの１つの正圧側面に隣接した比較的高い半径方向高さのピークを含む非軸対称形状に輪郭形成され、比較的低い半径方向高さのトラフが、前縁の後方の翼形部の負圧側面に平行で且つ離間し、前記翼形部に隣接して配置され、前記ピーク及びトラフが、前記内側プラットフォームに軸方向に沿って延びる弓形チャンネルを協働して定める、
請求項４に記載のタービン装置。
【請求項６】
前記ピークは、隣接する翼形部の負圧側面に沿って前記トラフに接合するため第１の翼形部の各前縁の周りで高さが減少し、前記トラフが、前記隣接する翼形部の負圧側面に沿って後縁にまで延びる、
請求項５に記載のタービン装置。
【請求項７】
各内側プラットフォームの高温側部が、前記翼形部の後縁の後方に延びる比較的高い半径方向高さの後縁リッジを含む、
請求項５に記載のタービン装置。
【請求項８】
前記ピークが、前記前縁と翼弦中間位置との間の各翼形部の正圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方で高さが減少し、前記トラフが、前記翼形部の最大厚み付近の前記負圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方の深さが減少する、
請求項５に記載のタービン装置。
【請求項９】
前記第１の通路の各々における内側バンドの表面が、前縁に隣接する第１のベーンのうちの１つの正圧側面に隣接した比較的高い半径方向高さのピークと、前縁の後方の第１の隣接ベーンの負圧側面に平行で且つ離間して配置された比較的低い半径方向高さのトラフとを含む非軸対称形状で輪郭形成され、
前記ピーク及びトラフが、隣接する第１のベーン間の内側バンドに沿って軸方向に延びる弓形チャンネルを協働して定める、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項１０】
各第１の通路に配置された前記ピークが、前記隣接する第１のベーンの負圧側面に沿って前記トラフに接合するために前記第１のベーンのうちの１つの各前縁の周りで高さが減少し、前記トラフが、前記隣接する第１のベーンの負圧側面に沿って後縁にまで延びる、
請求項９に記載のタービン装置。
【請求項１１】
前記ピークが、前記前縁と翼弦中間位置との間の各第１のベーンの正圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方で高さが減少し、前記トラフが、前記翼形部の最大厚み付近の前記負圧側面に中心があり、そこから前方、後方、及び側方の深さが減少する、
請求項１に記載のタービン装置。
【請求項１２】
上流側又は下流側に位置付けられる少なくとも１つの追加の段を更に備え、
前記追加段が、
環状内側バンドと環状外側バンドとの間に配置されたベーンのアレイを含み、該ベーンの各々が凹状正圧側面と対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びる横方向に対向する凸状負圧側面とを有し、前記ベーンが複数の流路を間に定めるように配列された追加ノズルと、
回転可能ディスクにより保持される複数のブレードを有する、前記追加ノズルから下流側に配置された追加ロータと、
を含み、
前記各ブレードが、根元、先端、凹状正圧側面、及び横方向に対向する凸状負圧側面を有し、該正圧及び負圧側面が対向する前縁及び後縁間で翼弦方向に延びている翼形部を含む、
請求項１に記載のタービン装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−５２５２４（Ｐ２０１２−５２５２４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１３１４（Ｐ２０１１−１４１３１４）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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