JP2001214893A - 湾曲したバレルエーロフォイル - Google Patents
湾曲したバレルエーロフォイルInfo
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Abstract
高速での高い流れ圧送力又は容量との両方を備え、同時
に失速及びフラッタに対する良好な作動可能マージンを
備える改良されたファン又は圧縮機エーロフォイル。 【解決手段】 エーロフォイルは、翼根元及び翼先端間
の前縁の翼弦バレル、及び、翼先端に空力的前方湾曲を
含む。
Description
ンエンジンに関し、具体的にはガスタービンエンジンの
ファン及び圧縮機に関する。
段軸流圧縮機がその後に連なるファンを備え、それぞれ
の圧縮機は、通常、静翼と協働する円周方向に間隔をお
いて配置された動翼列を備える。動翼は、亜音速から超
音速の空気流れを生じることができる速度で回転し、そ
こから衝撃が付随して発生する。衝撃により、作動中に
圧力損失が生じ、望ましくない騒音が発生する。
89号において、前方湾曲した動翼が作動中の空力損失
を減少させるために開示されているが、空力損失には動
翼の先端の衝撃−境界層空気の相互作用によるものも含
まれる。
フォイル設計には、通常、空力的、機械的、さらに航空
学的な理由による妥協が多く要求される。エンジンは様
々な回転速度で作動し、エーロフォイルをそこを通る空
気流れのポンプ圧送を最大にし、同時に圧力能率も最大
になるように設計する必要がある。エーロフォイルの回
転速度は、その設計、及び、その所望の流れ圧送及び圧
縮効率に影響を及ぼす。
の流量マッハ数はその最高値を示し、さらに、衝撃及び
境界層での相互作用は、最も厳しい状態になる。振動及
び遠心応力が重大な影響をもつ動翼が高速の場合、エー
ロフォイルの機械的制約も、厳しい状態になる。しか
も、流れによるフラッタを含む航空機械的制約にも適応
させる必要がある。
weep)、スタッキング分布、ねじれ、翼弦分布及び
動翼の効率を改善しようとする設計思想を変更する多く
のファン及び圧縮機動翼構成が含まれる。設計の中に
は、最大速度のとき対応する効率を持ちながら良好な動
翼流れ容量あるいは圧送能力を有するものもあれば、巡
航作動中は部分速度効率が向上するが、例えば、最高速
では対応して流れ圧送能力又は容量が低下するようなも
のもある。
の部分速での改善され効率と、高速での高い流れ圧送力
又は容量との両方を備え、同時に失速及びフラッタに対
する良好な作動可能マージンを備える改良されたファン
又は圧縮機エーロフォイルが提供されることが望まれて
いる。
元及び翼先端間の前縁の翼弦バレル、及び翼先端におけ
る空力的前方湾曲を備える。
形態により、そのさらなる目的及び利点と共に、添付図
面に関連してなされた以下の詳細な記述により、さらに
詳しく説明する。
なターボファンガスタービンエンジンのファン10であ
る。ファン10は、軸方向の中心軸線12に対して軸対
称である。
ァン動翼の例示的な形をした円周方向に間隔をおいて配
置されたエーロフォイル14の列を含む。図3に最初に
示すように、エーロフォイル14の各々は、概して凹状
の正圧側面16、及び、半径方向内側の翼根元20から
半径方向外側の翼先端22までの横断又は半径方向断面
に沿ったスパンで長手方向又は半径方向に延びる、円周
方向に相対した概して凸状の負圧側面18を備える。
は、半径方向軸線24に沿って半径方向外方に延び、エ
ーロフォイルの変化する半径方向又は横断断面を軸線2
4に沿って定めることができる。また、各エーロフォイ
ルは軸方向又は翼弦方向に間隔をおいて位置する前縁及
び後縁26、28を含み、それらの間を正圧及び負圧側
面が軸方向に延びる。
の半径方向又は横断断面は、前縁及び後縁間で測定され
たその長さCにより表される翼弦を備える。エーロフォ
イルは、翼根元から翼先端までねじれ、作動中、その上
を流れる空気30と協働する。断面翼弦は、従来と同様
に、翼根元から翼先端まで、ねじり角度Aで変化する。
ルの断面翼弦は、翼根元20から翼先端22に外側に向
かうその外部寄りで翼弦の長さが増大しており、翼根元
の上方のエーロフォイルがバレル状に膨出している。本
発明の好ましい実施形態によれば、翼弦のバレル状の膨
出は、エーロフォイルの前縁26に沿って、前縁におい
て翼根元及び翼先端間に延びる直線から上流又は前方へ
前縁を軸方向に突出するように拡大させて得られる。
弦バレルは、正圧及び負圧側面の軸方向又は側面方向に
突出した、前縁及び後縁26、28間の最大拡大部を有
する。最大バレル膨出は、エーロフォイルのスパンに沿
った適切な半径方向位置にある中間横断断面32で生
じ、記載の例示的な実施形態では、エーロフォイルの中
央スパン又はピッチ断面の直ぐ下方になる。
ら軸方向前方に拡大し、後縁28は対応するように樽状
にバレル状膨出し、翼根元20から軸方向後方に拡大す
るのが好ましい。このように、エーロフォイルのバレル
膨出は、前縁及び後縁26、28の両方に沿って側方に
突出させて行なわれる。
ーロフォイルは、その翼先端22で前方又は負の空力的
湾曲を持ち、また、翼先端22から内部寄りで後方又は
正の空力的湾曲22を持つ。空力的湾曲は、慣用のパラ
メータで、入ってくる空気の方向と軸方向及び円周又は
接線方向の両方におけるエーロフォイル面の方向の関数
である局部的な湾曲角度(sweep angle)に
より表される。湾曲角度については、先に引用した米国
特許第5,167,489号に詳細にのべられており、
引用として本明細書に組み込まれる。空力的湾曲角度
は、例えば、図1に示すように大文字Sで示され、前方
湾曲に対して負の値(−)を、後方湾曲に対して正の値
(+)を持っている。
端22は、翼先端22の前縁及び後縁の両方で前方湾曲
(S-)を持っていることが好ましい。
ル状膨出及び湾曲の両方とも、真っ直ぐな半径方向軸か
ら軸方向あるいは円周方向のどちらか又はその両方に対
応して変化する、対応する非線形の曲線をしたスタッキ
ング軸線に沿って、エーロフォイルの個々の横断断面を
半径方向にスタッキングすることによって、通常の方法
で得ることができる。さらに、エーロフォイルは、翼弦
の長さC、及び図3に示すねじり角度Aを含む横断断面
の各々における翼弦の半径方向の分布により付加的に定
められる。
イルの翼弦をバレル状に膨出させることは、顕著な利点
をもたらす。主な利点は、エーロフォイルの前縁の有効
面積が増加することであり、これにより前縁関連の平均
マッハ数が対応して低くなる。さらに、エーロフォイル
によりもたらされる圧縮プロセスが、前縁をバレル状に
膨出させることなく、エーロフォイルの位置に対してよ
り上流位置で、開始又は始まる。従って、エーロフォイ
ルは、高速又は最大速におけるその送流能力を効果的に
増加できるだけでなく、部分速での効率及び安定性マー
ジンも改善する。
をしたエーロフォイル14では、特に重要である。しか
しながら、同じ利点は、回転しないファン又は圧縮機の
静翼でも得ることができる。図1に示す動翼の実施形態
において、一体のダブテール34が、従来通り支持ロー
タディスク又はハブ36にエーロフォイルを支持し、別
個のプラットホーム38が、隣接するエーロフォイル間
でその対応する翼根元に取付けられ、空気30に対する
半径方向内側の流路境界面を構成する。外側ケーシング
40が、動翼列を取り囲み、空気に対する半径方向外側
の流路境界面を構成する。
の形状について、断面翼弦Cは翼根元20から翼先端2
2までづっと翼弦の長さが増加し、翼先端が最大翼弦長
を持つことが好ましい。そこで、エーロフォイルのバレ
ル膨出は、図3に示すように半径方向の翼弦の分布及び
変化するねじり角度の両方によって得られ、図1に示す
好ましい軸方向突出または側面図をもたらす。
ルの翼先端の前方湾曲は、前縁26と同様に後縁28に
形成されるのが好ましい。エーロフォイル先端の前方湾
曲は、部分速での圧縮効率及びスロットル安定性マージ
ンを維持するうえで望ましい。作動中に、半径方向外方
に拡散する空気がエーロフォイル先端に拡散する前に後
縁から出ていき、翼先端境界層の空気及び翼先端におけ
る衝撃損失を確実に減じるためには、翼先端における後
縁の前方湾曲が最も効果的である。また、エーロフォイ
ル先端での空気流れは、従来の動翼に見られる静圧上昇
よりも、所定の動翼での平均静圧上昇においてさらに低
い静圧上昇となる。
湾曲はまた、流れ安定性を促進するために望ましい。さ
らに、エーロフォイル先端近くの後縁28の前方湾曲
は、翼先端近くの前縁26の前方湾曲より大きいことが
好ましい。
で最大値を示し、中間断面32における最大翼弦バレル
までその値が減少するように、翼先端から翼根元に向か
って減少することが好ましい。後縁28は、作動中に、
許容できる遠心応力などの機械的な制約で許容される限
り、翼根元20へ向ってスパンの下方遠くへ前方湾曲を
持つべきである。図1に示す実施形態では、後縁28
は、最大バレルから半径方向内部寄りで後方湾曲を持
ち、そこから半径方向外部寄りで前方湾曲に移行する。
フォイルの望ましい翼先端の前方湾曲との組合せで行な
われるので、図1に示す前縁26は、前方湾曲が、翼先
端22から翼先端及び中間断面32における最大バレル
の間で後方湾曲に移行する。次いで、前縁の後方湾曲
は、中間断面32における最大バレルの内部寄りで、前
方湾曲に移行する。前縁の内部寄りの前方湾曲は、翼根
元20へと下方まで続く。
ば、前縁26は、翼根元20の外部寄りかつ中間断面3
2における最大バレルの内部寄りで、再び前方湾曲から
後方湾曲に移行する。このように、エーロフォイルの前
縁は、翼弦のバレル状膨出及び翼先端の前方湾曲の両方
を組合せて、部分速及び全速の両方での空力性能を飛躍
的に向上させる。
の前方湾曲されバレル状に膨出させたエーロフォイル1
4は、従来の半径方向にスタッキングされたファン動翼
よりも約1パーセントまで大きい前縁有効面積を持つこ
とを予測した。このことは、同一又はそれより大きいレ
ベルの圧縮効率で送流能力が1パーセント増加すること
に相当する。
ント程度大きい部分速又は巡航での効率も達成できる。
部分速効率の利点の大半は、翼先端損失を減少させる翼
先端の前方湾曲、及び、衝撃力を弱めそれに伴って衝撃
損失を減少させる翼弦のバレル状膨出による動翼の中間
スパンにおける後方湾曲によりもたらされる。
弦のバレル状膨出により有効前面積を増大させると共に
動翼先端で前方湾曲を局部的に使用するファン動翼の変
更形態は、ファン動翼に対して利点があるだけでなく、
送流能力を改善し空力損失を減少させるために遷音速フ
ァン静翼にも同様に適用できる。
れるものについてこれまで説明してきたが、本発明のそ
の他の変更形態が、本明細書の教示から当業者には明白
であり、それ故、本発明の技術思想及び技術的範囲に含
まれる全てのそのような変更形態が添付の特許請求の範
囲に保護されることを望むものである。
許請求の範囲において記載され特定される発明である。
列の軸方向の側面図。
る前方から後方を見た半径方向図。
る平面図。
Claims (20)
- 【請求項1】 翼根元20から翼先端22までの横断面
に沿ったスパンで、および、前縁及び後縁26、28間
の断面翼弦で延びる正圧及び負圧側面16、18を含
み、前記翼弦は、前記翼根元から外方よりにその長さが
増大し、前記翼根元から前記エーロフォイルをバレル状
に膨出させ;また、前記エーロフォイルは前記翼先端に
おいて空力的前方湾曲を、また前記先端部から内側寄り
にいおて空力的後方湾曲を含むことを特徴とするエーロ
フォイル。 - 【請求項2】 前記翼先端の前方湾曲が、前記後縁28
において形成されることを特徴とする請求項1に記載の
エーロフォイル。 - 【請求項3】 前記翼先端の前方湾曲が、前記前縁26
において形成されることを特徴とする請求項2に記載の
エーロフォイル。 - 【請求項4】 前記断面翼弦は前記翼根元20及び前記
翼先端22間でねじり角度が変化し、前記バレルが、前
記側面18、20の軸方向の突出で前記前縁及び後縁2
6、28間の最大拡大部を持つことを特徴とする請求項
3に記載のエーロフォイル。 - 【請求項5】 前記バレルにおける前記前縁26が前記
翼根元20から軸方向前方に拡大し、前記バレルの前記
後縁28が前記翼根元から軸方向後方に拡大することを
特徴とする請求項4に記載のエーロフォイル。 - 【請求項6】 前記翼弦が、前記翼根元20から前記翼
先端22にかけて翼弦長さが増大することを特徴とする
請求項5に記載のエーロフォイル。 - 【請求項7】 前記後縁28における前記前方湾曲が、
前記前縁26における前記前方湾曲よりも大きいことを
特徴とする請求項5に記載のエーロフォイル。 - 【請求項8】 前記後縁28における前記前方湾曲が、
前記翼先端から前記最大バレルにかけて減少することを
特徴とする請求項5に記載のエーロフォイル。 - 【請求項9】 前記後縁28が、前記最大バレルから内
側寄りおいて後方湾曲を含むことを特徴とする請求項8
に記載のエーロフォイル。 - 【請求項10】 前記前縁26における前記前方湾曲
が、前記翼先端22及び前記最大バレル間で後方湾曲に
移行することを特徴とする請求項5に記載のエーロフォ
イル。 - 【請求項11】 前記前縁の後方湾曲が、前記最大バレ
ルから内側寄りにおいて前方湾曲に移行することを特徴
とする請求項10に記載のエーロフォイル。 - 【請求項12】 前記前縁26が、前記翼根元20から
外側寄りかつ前記最大バレルから内側寄りにおいて後方
湾曲を備えることを特徴とする請求項11に記載のエー
ロフォイル。 - 【請求項13】 ファン動翼の形であることを特徴とす
る請求項5に記載のエーロフォイル。 - 【請求項14】 翼根元20及び翼先端22間に前縁翼
弦バレルを、また、前記翼先端に空力的前方湾曲を持つ
ことを特徴とするエーロフォイル14。 - 【請求項15】 前縁及び後縁26、28間に軸方向に
延び、前記翼根元20から前記翼先端22までの前記エ
ーロフォイルの相当する断面において、その間に翼弦を
持つ正圧及び負圧側面16、18をさらに備え、前記翼
弦はその間でねじり角度が変化し、前記バレルは前記側
面の軸方向に突出した最大拡大部を有することを特徴と
する請求項14に記載のエーロフォイル。 - 【請求項16】 前記翼先端の前方湾曲が、前記前縁及
び後縁26、28の両方において形成されることを特徴
とする請求項15に記載のエーロフォイル。 - 【請求項17】 前記バレルの前記前縁26が前記翼根
元20から軸方向前方に拡大し、さらに、前記バレルの
前記後縁28が前記翼根元の軸方向後方に拡大すること
を特徴とする請求項16に記載のエーロフォイル。 - 【請求項18】 前記後縁28における前記前方湾曲
が、前記前縁26における前記前方湾曲より大きいこと
を特徴とする請求項17に記載のエーロフォイル。 - 【請求項19】 前記後縁28における前記前方湾曲が
前記翼先端22から前記翼根元22にかけ減少すること
を特徴とする請求項18に記載のエーロフォイル。 - 【請求項20】 前記前縁26における前記前方湾曲
が、前記翼先端22から後方湾曲に、さらに前記最大バ
レルから内側寄りにおいて前方湾曲に順番に移行するこ
とを特徴とする請求項19に記載のエーロフォイル。
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