JP2006090303A - 流体流路を設計する設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失と流れ分布の変形を縮小する部品の設計方法を提供する。
【解決手段】部品ジオメトリと流れ制御とを組合せたパラメータ解析を用いたガスタービンエンジン部品を設計する設計方法が開示されている。この設計方法は、ダクト壁形状のジオメトリをパラメータ定義するステップ２０と、ダクト壁内の１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義するステップ４０と、ダクトにおける複数の性能パラメータもしくはメトリクス（例えば、流れ特性）を測定しかつ上記測定結果をパラメータの所望値もしくは目標値と比較するステップ６０と、ダクトの少なくとも一部に対する最適なダクトジオメトリと流れ制御を選択するステップ８０であって、選択の過程でパレート分析によって複数の性能メトリクスを評価することを含むステップ８０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は、ガスタービンエンジン部品の分野におけるパラメトリクス設計の手法に関する。より具体的には、本発明は、中間タービン遷移ダクト、サーペンタインダクト、インレット、もしくはディフューザの設計における流れ制御とダクト形状とを結合するパラメトリクス手法の使用に向けられており、この設計により圧力損失と流れ分布の変形とが抑制される。

本明細書に開示された幾つかの内容は、同一の出願人が所有する以下の米国特許出願や米国特許の内容に関連する。すなわち、“ＣＡＤシステムにおいてパラメトリクスモデルを生成する方法”という名称で１９９８年１２月１６日に出願され、既に放棄された米国特許出願第０９／２１２，９２３号、“スプラインカップリング設計のための方法とそのシステム”という名称で２００３年７月１日に発行された米国特許第６，５８７，７４１号、“タービンブレード外側エアシールを設計する方法”という名称で２００２年５月２１日に発行された米国特許第６，３９３，３３１号、“低圧タービンシャフトを設計する方法とそのシステム”という名称で２０００年２月２３日に出願された米国特許出願第０９／５１１，５４９号、および“フレームとケースとを設計する方法とそのシステム”という名称で２０００年６月３０日に出願された米国特許出願第０９／６０８，６２０号である。上記全ての特許出願および特許は参照として引用される。

ジェットエンジンの主要な進歩の１つに、タービン部品用の高温材料と冷却技術の開発が挙げられる。この技術は、従前の設計に比して、より小さなコア（すなわち、圧縮機、燃焼室、および縮小した流れと直径を有したタービンアセンブリ）を使用して、より高速かつより効率的な速度で部品を回転させ、より高い圧力比で運転させることを可能にする。より小さなコアは低スプールタービン部品と高スプールタービン部品との間の半径方向のオフセット量を増大する必要性を強調する。一般的なディフューザ（すなわち、空気取入れ口）の設計手法は、高性能ディフューザ（例えば、より大きな半径方向オフセット量、もしくはインレットリングと遷移ダクトの後部フレーム部との間の半径方向の実質的な変位、を有した遷移ダクト）を実現するために、損失を最小にしかつ流れ分布の変形を抑制すべく、より長い軸方向長さが要求される。これらの軸方向長さを大幅に長くすると、半径方向オフセット量が長い遷移ダクトにおける重量やコストの利益が抑制されてしまう。

遷移ダクトのように、インレット部品やノズル部品は、エンジン機能にとって必須の部品であって、多岐に亘る制約を満足させなければならない。軍用機の場合には、断面積を縮小するために推進システムは埋設される。このような用途に対するインレットやノズルは、圧力損失を最小にするために著しく長くなってしまう。加えて、インレットを長くすると、エンジンのストール（失速）を起こす原因となる圧力変形を低減することが要求されることになる。インレットやノズルの長さは望ましくない重量の増大をもたらし、幾つかの無人の構造の場合には、乗物の全体寸法にとって制約要因となってしまう。

従って、より短くかつ性能が向上した（すなわち、圧力損失が低下しかつ流れ分布の変形が縮小した）、中間タービン形状の遷移ダクト、サーペンタインダクト、インレット、ディフューザ、および同種のダクト部品を設計する手法が必要とされている。

本発明はガスタービンエンジンのダクト部品を設計する設計方法に関し、この設計方法は、１）ダクト壁形状のジオメトリをパラメータ定義するステップと、２）ダクト壁における１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義するステップと、３）ダクトの複数の性能パラメータもしくはメトリクス（metrics）（例えば、流れ特性）を測定しかつこの測定結果をパラメータの所望値もしくは目標値と比較するステップと、４）最適なダクトジオメトリと上記ダクトの少なくとも一部に対する流れ制御を選択するステップであって、選択の過程でパレート分析によって複数の性能メトリクスを評価することを含むステップと、を含む。

ダクト壁形状のジオメトリをパラメータ定義する上記ステップのより具体的な形態は、ダクト壁の、ミーンラインと対象の流れの面積分布とを定義することを含む。

さらに、ダクト壁における１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義する上記ステップは、好ましくは、剪断応力と、表面摩擦と、摩擦速度と、剥離と、からなる群から選択される壁付近での流れ特性を監視することを含む。さらに、上記ステップの最良の形態は、少なくとも１つの場合の流れ制御もしくはアクチュエータにおいて上記ダクト壁の位置を特定し、次いで上記アクチュエータを含むようにパラメトリクスなダクトジオメトリを再設計することを含む。

さらに、少なくとも１つの好適な形態において、複数の性能メトリクスは、全体の圧力損失係数と、圧力回復係数と、ダクト質量流量と、出口マッハ数と、全体の流れ制御権限（flow control authority）と、からなるパラメータ群から測定され、解析される。

また、少なくとも１つの好適な形態において、ダクトの複数の性能メトリクスを測定しかつこの測定結果をパラメータの所望値もしくは目標値と比較する上記ステップは、上記ダクト内の流れ分布を目標の分布と比較することを含む。上記比較は、上記分布を空間モード形状に分解することを含む
本発明は、中間タービン遷移ダクト、サーペンタインダクト、インレット、およびディフューザ等の用途のためのダクト設計に対し新規な手法を付与する。しかしながら、当業者であれば、上記部品以外の類似のガスタービンエンジンダクト部品への適用を認識するであろう。ダクト形状の本設計は、高性能ダクトの設計を可能とするパラメータ化した流れ制御を、長さの縮小、オフセット量の増大、および／もしくは流れ特性の改善（流れの変形の抑制）に組合せたものである。本発明の方法は、如何なるダクトやディフューザのような流れ装置に一般に適用でき、亜音速流に対して最適であり、パッシブやアクティブの流れ制御スキーム、定常や非定常の流れ制御スキームのいずれであっても使用することが可能である。

本発明の方法の個々のステップの幾つかはそれ自体新規ではない。実際には、流れ特性を改善するために、空力設計用のパラメトリクスなジオメトリや流れ制御が広範に用いられている。しかしながら、ダクトの空力設計を流れ制御の設計と組み合わせた点は新規であり、有意義な利点を与える。

本発明の全プロセスは、ダクト壁形状のジオメトリをパラメータ定義するステップ２０と、ダクト壁内の１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義しかつこのアクチュエータの位置を局所流れ特性に関連させるステップ４０と、ダクトにおける複数の特性パラメータやメトリクス（metrics）（例えば、流れ特性）を測定しかつ上記測定結果を所望つまり目標のパラメータと比較するステップ６０と、最適なダクトジオメトリとダクトの少なくとも一部に対する流れ制御を選択するステップ８０と、を含む。請求項に係る発明の各ステップは、本発明の種々の好適な態様を反映するように、以下に示す実施例において説明されている。

Ａ．ダクトジオメトリのパラメータ定義
ダクトジオメトリのパラメータ定義ステップ２０は、中間タービン遷移ダクトの設計に適用された第１の好適な態様を反映するように図１の（ａ）〜（ｄ）に示されている。ダクトジオメトリのパラメータ定義の上記好適な態様においては、ダクトジオメトリが、ミーンラインつまり中心線２２と面積分布２４とによってパラメータ定義される。この設計の主目的は流れを操作することであるため、この実施例の面積分布は、局所のミーンラインつまり中心線に対し垂直な面積として定義される。正常に動作する（分離していない）ダクトにおいてはバルク（大半）の流れがミーンラインつまり中心線に対しほぼ平行であるため、この面積は局所流れに対し垂直な面積を代表するものである。パラメータ化した、ミーンラインと面積分布とを結合させると、壁形状の定義２６がなされる。本発明の別の態様（図示せず）においては、ダクトジオメトリのさらなる改善（refinement）が要求される用途に対して壁形状の局所的なパラメータ定義が追加され得る。

Ｂ．流れ制御のパラメータ定義
流れ制御パラメータ定義ステップ４０は、好ましくは、幾つかのサブステップを含む。つまり、定常もしくは非定常の吸込みや吹出し等の流れ制御が反復プロセスに置かれる。まず、流れ制御が何もないダクト内の流れが計算上の手法もしくは実験的な手法４２を用いて適宜、評価される。このプロセスは、壁付近の流れ特性、例えば、剪断応力、表面摩擦、摩擦速度、もしくは剥離の有無（図２の（ａ）を参照）、を監視するサブステップ４４を含む。加えて、このプロセスは、対象領域（例えば、ダクト出口部分や流れ操作した直ぐ後の部分）における局所流れ分布とダクト損失と特徴づける流れ特性メトリクスを評価するサブステップ４６を含む。上記の流れ特性と流れメトリクスは、公知であって当業者に理解されている、数値計算上の技術もしくは実験的な技術を用いて評価される。これらの技術の具体的な例は、例えば、２００３年２月のタスク番号２０に応答して、契約ＮＡＳ３−９８００５の下でＮＡＳＡのＧｌｅｎ研究センタのために用意された、“流量制御を用いたタービン遷移ダクトの流れパラメトリクス設計”（Ｆｌｏｒｅａ，Ｒ．、Ｂｅｒｔｕｃｃｉｏｌｉ，Ｌ、Ｌｉｎ，Ｒ．、Ｔｉｌｌｍａｎ，Ｇ．、およびＷａｇｎｅｒ，Ｊ．著）に開示され、参照としてその全てが組み込まれる。

次に、これらのサブステップの結果は流れ制御を追加すべき位置を特定するサブステップ４８において用いられる。例えば、境界層を再活性化し下流での剥離を抑制もしくは消失させるように、吹出しスロットを境界層剥離の第１発生点の若干上流に追加することができる。一旦、新規の制御位置が特定されると、次のサブステップ５０がアクチュエータ（図１の（ｄ）を参照）を含むようにパラメトリクスなダクトジオメトリを再設計し、上述した複数のサブステップを用いて改良されたダクト性能が再評価される。このプロセスは、流れ制御の複数追加する必要があれば、反復可能である。流れ制御位置のマルチステップでの解析の際に選択された遷移ダクトジオメトリのダクト上流壁に沿った摩擦速度の分布が、図２の（ｂ）の実施例によって示されている。この実施例の結果により、第１のスロットの適用により流れの剥離が遅れ、第２のスロットの適用によりこれが除去されることが確立される。流れ制御の位置に加えて、それぞれの流れ制御位置で流れ制御権限（flow control authority）がパラメータ化されるように、流れの種類（吸込み、吹出し、定常、非定常、アクティブ、パッシブ）をパラメータ化することができる。

Ｃ．ダクト性能評価
ダクトにおける複数の性能パラメータやメトリクス（例えば、流れ特性）を測定しかつこの測定結果をパラメータの所望値もしくは目標値と比較するステップ６０は、流れ制御アクチュエータの位置を決定するために用いられるプロセスであって、最終の組の流れ制御アクチュエータを備えたダクトに対して流れ特性メトリクスとダクト性能メトリクスが評価されるプロセスと類似している。使用される具体的なメトリクスは、具体的な用途の必要に応じて異なる。ダクト性能メトリクスは、全体的な圧力損失係数、圧力回復係数、ダクト質量流量、出口マッハ数、および全体的な流れ制御権限を含むが、これに限定されるわけではない。上記メトリクスの具体的な選択は問題となる具体的な部品や用途に依存し、当業者であれば理解するであろう。

全体的な観点からダクトの挙動を特徴付ける性能メトリクスを測定するサブステップ６２に加えて、本発明の好適な態様は、関連した流れ特性、例えば対象となるダクト部分における全圧やマッハ数、のプロファイルを調査することによって、流れの質（flow quality）を評価するサブステップ６４をさらに含む。現在まで検討された用途において、上記部分はダクトの拡散部分内の部分やダクト出口部分である。流れの質が評価される位置や調査される具体的な流れ特性は用途の詳細に依存する。例えば、中間タービン遷移ダクトにおいては、ダクト出口における、一定の全圧分布と線形的なマッハ数分布とを有することが望ましい。流れ制御の付いた、パラメトリクスなダクトの出口における流れの“質（quality）”は、実現した分布を目標の分布と比較するサブステップ６６を介して評価される。この比較は、上記分布を空間モード形状に分解するサブステップ６８によって定量的に実行される。上記分布に示される種々のモードの振幅は現在のダクト設計が本願出願人の流れの質の目標にどの程度良く適合するか判断するために用いられる。

Ｄ．最適なダクトジオメトリと流れ制御との選択
最適なダクトジオメトリと流れ制御を選択するステップ８０は、従来の設計上の経験の域を超えるジオメトリを含む可能性がある。従って、広範な設計空間を調査することが望ましい。必要以上の計算もしくは実験による費用なしにこれを達成するためには、実験計画法が使用される。この手法により、広範で多次元の設計空間を、最小限であるけれども十分な数のケース（事例）を用いて調査することが可能となる。各ケースにおいては、ジオメトリと流れ制御の計画が上述のようにパラメトリクスに生成され、解析される。各メトリクスの関連した重要性は明らかではないが、通常、種々の性能メトリクスが検討上問題となる。

各性能メトリクスの関連した重みづけの選択に依存することなく最適なケースを特定するために、パレート分析手法が使用される。このパレート分析手法は、全てのメトリクスに付与される重みの合計が常に１となるように、各性能メトリクスに対し０から１の範囲の重みを付与するサブステップ８２を含む。次に、各組の重みに対し当業者にとって公知であるパレート分析分類（部品の種類や部品の設計目標に依存する）を用いることにより、一群のパラメトリックなケースから最適な解が特定される。この分析は、個々の最適なケースだけではなく種々の性能メトリクスに対する設計感度を与える。

必要に応じて、もしくは、設計空間の最初の調査が比較的粗い場合には、最適なダクトジオメトリや流れ制御を選択するステップは、別の態様において、より小さな設計空間（すなわち、上記解析された空間の一部）を調査するサブステップ８４をさらに含んでもよく、このより小さい設計空間は対象領域として特定され、上述した方法と同様な方法を用いて開始される。上記のような階層的な手法により、具体的な最適な設計を与える詳細なジオメトリの改善とともに、大きな設計空間の調査つまり有望な設計手法の特定が可能になる。

本発明の詳細な態様との関連において本発明を示し、説明してきたが、当業者であれば、本発明の広範な形態から逸脱することなく、本発明の態様および詳細に対して種々の変更を行うことが可能であろう。例えば、本発明を航空学上の装置以外の設計に本発明を適用したり、本発明を特定のソフトウェアやＣＡＤシステムを用いて実行したりすることも可能であろう。

図１の（ａ）〜（ｄ）は、中間タービン遷移ダクトための壁形状のパラメータ定義の一例を示す。このパラメータ定義は、ミーンラインつまり中心線を定義するステップ（ａ）と、面積分布を定義するステップ（ａ），（ｃ）と、流れ制御インジェクタもしくはアクチュエータの追加に基づきダクト壁の形状を変更するステップ（ｄ）と、を含む。 図２の（ａ）および（ｂ）は、本発明の流れパラメータ定義ステップの一例を示す。このステップは、（ｂ）に示すようなダクト壁上の局所摩擦速度に対する流れ制御スロットの数や位置の変更の影響の解析に基づいて、（ａ）の遷移ダクト壁上に示すような流れ制御つまりインジェクタの位置をパラメータ定義することを含む。

Claims (9)

1. ダクト、ディフューザ、もしくはインレット等の形状を備えた流体流路を設計する設計方法であって、上記流路は１つもしくは複数の壁を有しかつ１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータを備え、かつ、上記設計方法は、
   ａ）上記ダクト壁形状のジオメトリをパラメータ定義するステップと、
   ｂ）上記ダクト壁における１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義するステップと、
   ｃ）上記ダクトの複数の性能メトリクスを測定しかつこの測定結果をパラメータの所望値もしくは目標値と比較するステップと、
   ｄ）最適なダクトジオメトリと上記ダクトの少なくとも一部に対する流れ制御を選択するステップであって、選択の過程でパレート分析によって複数の性能メトリクスを評価することを含むステップと、
   を含み、かつ、
   上記選択されたダクト設計は性能特性の向上を実現することを特徴とする設計方法。
2. 上記ダクト壁形状のジオメトリをパラメータ定義する上記ステップは、上記ダクト壁の、ミーンラインと対象の流れの面積分布とを定義することを含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。
3. 上記ダクト壁における１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義する上記ステップは、剪断応力と、表面摩擦と、摩擦速度と、剥離と、からなる群から選択される上記壁付近での流れ特性を監視することを含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。
4. 上記ダクト壁における１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義する上記ステップは、上記ダクト壁における少なくとも１つの流れ制御の位置を特定することを含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。
5. 上記ダクト壁における１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義する上記ステップは、上記アクチュエータを含むようにパラメトリクスなダクトジオメトリを再設計することを含むことを特徴とする請求項４に記載に記載の設計方法。
6. 上記ダクトにおける複数の性能メトリクスを評価するステップは、全体の圧力損失係数と、圧力回復係数と、ダクト質量流量と、出口マッハ数と、全体の流れ制御権限と、からなる群からパラメータを測定することを含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。
7. 上記ダクトの複数の性能メトリクスを測定しかつこの測定結果をパラメータの所望値もしくは目標値と比較する上記ステップは、上記ダクト内の流れ分布を目標の分布と比較することを含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。
8. 上記ダクト内の流れ分布を目標の分布と比較することは、上記分布を空間モード形状に分解することを含むことを特徴とする請求項７に記載の設計方法。
9. ダクト、ディフューザ、もしくはインレット等の形状を備えた流体流路を設計する設計方法であって、上記流路は１つもしくは複数の壁を有しかつ１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータを備え、かつ、上記設計方法は、
   ａ）上記ダクト壁形状のジオメトリをパラメータ定義するステップと、
   ｂ）上記ダクト壁における１つもしくは複数の流れ制御アクチュエータをパラメータ定義するステップと、
   を含み、かつ、
   上記選択されたダクト設計は性能特性の向上を実現することを特徴とする設計方法。

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