JP2011513626A - ブレード間バルブを含む三次元プラットフォームを備えるブレード - Google Patents

Abstract

ターボ機械のブレードディスク用ブレードは、エアロフォイルと、エアロフォイルの一端でエアロフォイルの長手方向に対して全体的に垂直な方向に延在するプラットフォームとを含み、ブレードは、その他の同一のブレードと共に、リング中心軸の周囲にリングを形成することができ、隣接するブレードのプラットフォームは、あるエアロフォイルの内輪（５６’）を隣のエアロフォイル（５０）の外輪（５８）に接続するエアロフォイル間面を形成するような方法で、隣につながっている。このブレードにおいて、エアロフォイル間面は、エアロフォイルの上流半分で、外輪（５８）よりも内輪（５６’）の方に近い位置にある突起（３２）と、この突起と内輪との間に位置する陥没経路（３４）とを含む。

Description

本発明は、圧力面、吸引面、後縁、および前縁を備えて形成されたエアロフォイルと、エアロフォイルの長手方向に対して全体として直交する方向にエアロフォイルと、エアロフォイルの末端の１つ延在するプラットフォームとを含むターボ機械羽根車用のブレードに関し、ブレードは、リング中心軸の周囲にリングを形成し、それに沿って上流および下流領域を画定するために、複数の実質的に同一なブレードと共に配置されるようになされ、エアロフォイルはリングの中で実質的に放射状に配置され、隣接するブレードプラットフォームは、エアロフォイルの圧力面を隣のエアロフォイルの吸引面につなぐエアロフォイル間面を形成するように、対になって結合する。

このようなブレードを共通軸の周りに接続することにより、その軸がリングの中心軸となる、羽根車を構成することができる。この羽根車は移動可能であり、したがって噴流からエネルギーを受け、または羽根車を通過する噴流にエネルギーを伝達する。これは固定されていてもよく、その場合には、その機能は噴流を方向付けることである。

ブレードは、このように異なる部品であってもよく、または、たとえば分配機部分もしくは多ブレードディスクを形成するように、その他のブレードと一体化していてもよい。

通常、ターボ機械はいくつかのブレード段を含み、ターボ機械を通る流体経路に沿って連続的に配置された、一連の固定または可動羽根車を形成する（特にバイパスエンジンの場合、複数の経路がある場合がある）。ターボ機械の効率は、各羽根車の能力、したがって特にそこに属する各ブレードの能力に直接関係し、効果的に噴流と相互作用し、すなわち不必要にエネルギーを浪費することはない。具体的にはターボジェットまたはターボプロップなどの航空機用ターボ機械において、噴流速度は重要、具体的には超音速であろうことは、留意すべきである：そのような噴流中に配置されたブレードにとって、ブレードの周囲の噴流の流れ品質を最適化することは、不可欠である。

ブレードにおいて、エアロフォイルの形状は、当然ながらその中にエアロフォイルが位置している噴流を効率よく案内するように、または加熱によってエネルギーを浪費することなく最大エネルギーを受け取るかまたは噴流に伝達するために、最適化されていなければならない。

しかしながら、エアロフォイルの形状が重要であるとはいうものの、エアロフォイル側のプラットフォームの表面の形状もまた、ブレードを通る噴流の流れ品質において必要不可欠な役割を果たしていることが分かっている。したがって、羽根車のプラットフォームが影響する場合がある現象は、そこでの合計損失の３０％を占める可能性がある。

簡素性のため、以下において、プラットフォーム面は、この面のそれが位置している側で繰り返すことなく、エアロフォイル側のプラットフォームの面を指定する。

前段に示されるような、ブレードの周囲の噴流の経路は、図１および図２に示されている。

図１は、図２に示される羽根車１００の一部である、３つの同じブレード１０を示す。各ブレード１０は、その他の同じブレード１０と共に組み立てられて羽根車１００を形成するように設計されている。この羽根車は、基本的に、ロータディスク２０に取り付けられたブレード１０で構成されている。この羽根車１００において、ブレード１０は、ホィールの軸Ａの周囲に周期的に実装される。全体として、流体噴流は、羽根車の上流側から下流側へ軸Ａに沿って流れる。

各ブレード１０は、エアロフォイル５０、プラットフォーム６０、ならびにブレードをロータディスクに固定するための、図示されるロータブレード専用ケース内の根元部６６を含む。プラットフォーム６０は、全体としてエアロフォイル５０の長手方向に対して直交する方向に延在し、エアロフォイル側にプラットフォーム面６２を含む。ブレード１０が相互に対して組み立てられると、１つのエアロフォイルの圧力面５６から隣り合うエアロフォイルの吸引面５８まで延在する、実質的に連続する面、いわゆる「エアロフォイル間」面７０を形成するように、それらのプラットフォームは対になって接続される。このように、エアロフォイル間面は、それぞれのエアロフォイル５０の間に位置する２つの隣接するブレード１０、１０’のプラットフォーム面６２の隣接部をグループ化する。プラットフォーム面６２は、（実質的に先細放射状のフィレット接続である）接続面１８によって、エアロフォイル５０の外面に接続される。

また、図１から図３に示される例において、プラットフォーム６０の表面６２は回転面であること、すなわちその領域は実質的に羽根車の軸Ａの周囲の回転面の一部であることも、留意すべきである。本明細書において、軸の周囲の回転面は、前記軸の周囲で曲線を回転することによって生じる面を示す。このような形状は、ターボ機械羽根車のブレードプラットフォーム面には一般的である。

流れの中で、噴流がエアロフォイル５０の前縁に到達すると、２つに分離して、一部はエアロフォイル５０の圧力面５６側を越えていき、一部は吸引面５８側を越えていく。図３は、どのようにして圧力場がエアロフォイルの間に延在する「エアロフォイル間経路」３０に確立させられるかを模式的に示す。

図３は、羽根車内に隣り合って実装された２つのブレード１０および１０’のエアロフォイルのそれぞれの軸に対して垂直な断面図である。より具体的には、図３は、第一エアロフォイルの吸引面５８と第二エアロフォイルの圧力面５６’との間のエアロフォイル間面７０の付近で通常見られることのできる圧力場をおおまかに示す。

図３は、比較的高圧に対応する等圧曲線４０、および比較的低圧に対応する等圧曲線４２を含み、これらの圧力は、ターボ機械の動作中に噴流中で観察される。吸引面の付近よりも圧力面の付近でより大きい圧力のため、２つのエアロフォイルの圧力面と吸引面との間に、急峻な圧力勾配Ｊが生じる。この圧力勾配Ｊの影響下で、「エアロフォイル間」経路３０への横断流が、エアロフォイルの根元部（および頭部）で生成され、このようにして偏向された粒子は、エアロフォイル５０の吸引面に向かって押しやられる。これによって、「エアロフォイル間」経路３０内で、流れの主要方向に向けられていない、強力な二次流が形成され、具体的には吸引面の付近に、渦を発生させることになる。

その結果エアロフォイル間面付近に発生するエネルギーの不必要な消散を制限しようと試みるため、米国特許第７２２０１００号明細書は、主にエアロフォイルの圧力面に直接隣接する位置にある凸状斜面と、エアロフォイルの吸引面に直接隣接する位置にある凹状領域とを含むエアロフォイル間面の形状を提案し、これらの領域はそれぞれ、エアロフォイル弦のほぼ中間点に位置している。この開発にもかかわらず、２つのエアロフォイルの間の空間にはまだ多数のエネルギー消散渦が存在し、したがって、この空間に形成される浮遊渦をさらに減少させるブレード形状の需要がある。

米国特許第６２８３７１３号明細書は、一方ではブレードの吸引面に隣接する凸状領域と、ブレードの圧力面に隣接する凹状領域とを含み、これら２つの領域が、ブレード弦の長さの大部分にわたって延在しているためにかなりの寸法を有する、エアロフォイル間面の別の形状を提案している。代替例によれば、ブレードは、後縁に突起および陥没を含み、それぞれ吸引面および圧力面の側に位置している。しかしながら、これらのエアロフォイル間面の構成は、この表面付近の不必要なエネルギー消散の問題を効率的に解決させるものではない。

米国特許第７２２０１００号明細書 米国特許第６２８３７１３号明細書

本発明の第一の目的は、噴流がブレードと相互作用している間の不必要なエネルギーの消散を最小化し、比較的製造しやすくすることによって低い生産コストを有する、前段に示されるようなブレードを提供することである。

この目的は、ブレードにおいて、エアロフォイルの上流半分の、エアロフォイル間面が、吸引面よりも圧力面に近い位置にある突起、およびこれと圧力面との間に位置する陥没経路を含むことで達成される。

本発明の主な利点は、先に示されたプラットフォーム面の特殊な形状が、エアロフォイルの間のこの面に近い、エアロフォイルの間の浮遊流の著しい減少を可能にするということによる。さらに、面の大部分が回転面となり得るので、この面はまだ非常に加工しやすい。

突起の存在に起因して、通常はより大きい圧力を有する、主に圧力面に隣接する領域で、噴流の圧力が減少するにつれて、噴流の速度が上昇することになる。有利には、その結果、高圧領域が減少し、これが、エアロフォイル間経路中の圧力勾配の減少および望ましくないエネルギー消散渦の減少をもたらす。

この突起と圧力面との間の陥没を維持する目的は、正確には高圧領域の、上述の高圧減少効果を中心に置くことである。圧力面に対するのではなくそこから離れた、突起のこのような中心化のため、突起の効果（有害な高圧領域の減衰）は、最大となる。

さらに、実質的に圧力面に沿って位置する、陥没経路は、この領域でわずかな相対的圧力上昇を発生させ、それによって隣接するエアロフォイルの吸引面の近傍とは反対側に位置する、低圧領域からの高圧領域の分離に貢献する。

この文書において、使用される様々な実施例は、半径方向に、エアロフォイルに対して外側ではなく内側に位置するプラットフォームを有するブレードを示す。この点において、本発明は同様に、エアロフォイルの頭に、すなわちリングの中心に対して半径方向逆側に位置するプラットフォームを含むブレード、およびリングに対して内側の、エアロフォイルの根元部に位置するプラットフォームを含むブレードを対象とすることに留意すべきである。エアロフォイルの頭部および根元部に、これらのプラットフォームの両方を含むブレードもまた可能であり、少なくとも１つのプラットフォームは、本発明によるエアロフォイル間面が形成されるように配置される。

その一方で、本発明は、ターボ機械、特に航空機用ターボ機械に統合されることが可能ないかなるブレードも対象とする。本発明のブレードは、特に低圧タービンの、タービン段で特に有用であることがわかる。

ブレードのプラットフォームの有利な設計は、リング中心軸Ａに垂直なプロファイルに対して定義される。この実施形態において、エアロフォイル間面は、リングの中心軸に直交する平面に位置し、軸方向でエアロフォイルの上流半分に位置するプロファイルを有し、前記エアロフォイルは連続的に、エアロフォイルの圧力面から開始して、突起につながる陥没を含む。

実際、本発明の効果は、突起につながる陥没形状が、軸Ａと直交するエアロフォイル間面の断面に現れるときに特に大きくなる。

第一に、上記および以下の「軸方向」とは、リングの軸Ａに沿った軸方向位置を指すことに留意すべきである。

また、エアロフォイルに対して軸方向に画定された位置もまた同等に、ブレードのプラットフォームに近いエアロフォイルの断面の、軸Ａに沿った延長線に対して、画定することができる。実際、エアロフォイルがリング内で放射状に配置されると、軸Ａに沿った延長線、または断面の延長面は、実質的に同一である。

エアロフォイルの断面は、たとえば、図１に示される面（Ｐ）での、図３ではプロファイル７２および７２’で示される、断面であってもよい。この断面は、（プラットフォーム面に近い）エアロフォイルの最高上流点の線４６からエアロフォイルの最低下流点に対応する線４８まで軸方向に延在している。

一実施形態によれば、エアロフォイル間面は、リングの中心軸に対する回転形状を有し、突起に隣接するエアロフォイルの吸引面側に位置する、回転部分を含む。

先行する実施形態の開発によれば、突起は、放射状下降面によって前記回転部分につながっている。言い換えると、突起と回転部分との間の面は、中間的な折り目、陥没、または突起を有することなく、単調に下降している。

一実施形態によれば、ブレードにおいて、陥没経路は、リングの中心軸に対する回転形状を有する部分を含む。

一実施形態において、エアロフォイル間面は、リングの中心軸に対する回転形状を有し、軸方向でエアロフォイルの下流半分を通って延在する部分を含む。

上記に示された３つの補完可能性のある実施形態は、陥没経路に対応するエアロフォイル間面の一部に、または突起と隣接するエアロフォイルの吸引面との間に位置するエアロフォイル間面の一部に、さもなければエアロフォイル間面の（軸方向）下流半分にある場合に、相当な大きさの回転部分を維持することによって、ブレードの製造コストを最小限に抑えることを可能にする。

したがって、回転面に対応する製造工具の部品は特に作りやすく、それによってブレードの製造コストにおいて同程度の削減をもたらす。

最後に、本発明のブレードにおいて、突起は、エアロフォイル間面の上流または下流に連続または延在することができる。

本発明の第二の目的は、高性能ターボ機械分配機部分、およびこれまで通り妥当なその製造コストを提案することである。この目的は、ターボ機械分配機部分が先に定義されたもののようなブレードを少なくとも１つ含むことで達成される。

本発明の第三の目的は、高性能羽根車、およびこれまで通り妥当なその製造コストを提案することである。この目的は、羽根車が先に定義されたもののようなブレードを複数含むことで達成される。

本発明の第四の目的は、高性能ターボ機械、およびこれまで通り妥当なその製造コストを提案することである。この目的は、ターボ機械が先に定義されたもののような羽根車を少なくとも１つ含むことで達成される。

例示によって示される、以下の非限定的な実施形態の詳細な説明を読むことによって、本発明はよりよく理解され、その利点はより明確になる。説明は、以下の添付図面を参照してなされる。

羽根車に実装された状態の相対的な位置に配置された３枚の知られているブレードの斜視図である。 図１のブレードを含む羽根車の斜視図である。 両方のブレードを分離する空間の圧力場を示す、図１に示される空気力学的なブレードの２つのエアロフォイルの軸に対して垂直な断面図である。 図３の断面と類似しているが、本発明によるブレードの一部である両方のエアロフォイルを備える、断面図である。 輪郭線によってエアロフォイル間面の形状を示す、本発明による２つの空気力学的なブレードの断面図である。 本発明による２つの空気力学的なブレードの間のエアロフォイル間経路の、リング中心軸に対して実質的に垂直な断面図である。

簡潔さのため、同一、またはわずかに異なる形態で、いくつかの図面に１つの要素が現れる場合、それらの図面において同じ番号が付され、要素は初出時にのみ説明されることは、留意すべきである。

ここで図４を参照して、本発明によるブレードによってエアロフォイル間経路の圧力場に生じる効果を説明する。

本発明は、エアロフォイル間面に近い浮遊乱流現象を最小限に抑え、それによってブレードおよびひいては羽根車の効率を上昇させる、プラットフォーム面形状を定義する。図３と図４を比較することで、本発明のブレードの特殊な形状の取得を可能にするエアロフォイル間経路３０の中の圧力場における、本発明の相対的な効果を示す。

図３では、それぞれ高圧および低圧の領域４０、４２は、相互に比較的近いが、図４では、これらは互いにより離れていることがわかる。その結果、圧力勾配が実質的に減少し、同様に粒子が圧力面から吸引面に移動し、それによって浮遊渦を発生させる傾向も、減少する。

ここで図５および図６を参照して、本発明によるブレードの配置を説明する。

図５は、エアロフォイルの半径方向図における、すなわちこれら２つのエアロフォイルの長手軸方向に実質的に見た、それぞれ２つのエアロフォイル５０および５０’の断面７２および７２’を示す。断面７２（同一の断面７２’と同様に）は、断面がエアロフォイルとプラットフォームとの間の接続面１８を示すことなくエアロフォイルの下部を示すのに十分なプラットフォームからの距離で、流動側で、ブレードのプラットフォームの付近に確立されたエアロフォイル５０の断面である。

断面７２および７２’は、それぞれ断面の最上流点および最下流点に対応する、線４６および４８の間に軸方向に延在し、このように、それぞれ軸Ａに沿って線４６から線４８までの０％から１００％まで通り、断面に沿ってスケールを定義する。

図６は、２つの本発明のブレードの間のエアロフォイル間面７０を通るプロファイル８０を示す。プロファイル８０は、リングの中心軸Ａと直交する平面に記録された断面プロファイルである。このプロファイルは、軸方向でエアロフォイルの断面の上流半分に位置する。

図６は、輪郭線によって、図６に関連して先に示された２つの輪郭７２と７２’との間のエアロフォイル間面７０の形状を示す。

エアロフォイル間面７０は、圧力面５６’から距離を置きながらまだその付近に位置しており、それに沿って続いて圧力面に沿って進む噴流を容易にする陥没経路３４によってそこから分離される、突起３２を含む。突起３２は、軸方向で主にエアロフォイル５０の断面７２の上流半分に位置する。

より正確には、突起は軸方向でエアロフォイル（５０）の上流側の０から５０％の間、好ましくは０から２５％の間に位置する頂点（３２）を有する。

突起３２は、回転面３８の一部に続く斜面３６（または放射状下降面）によって、輪郭８０に続く、吸引面につながっている。

さらに、軸方向でエアロフォイルの下流半分に位置しているエアロフォイル間面の部分は、リングの中心軸Ａに対する回転面３９によって形成される。

Claims (12)

1. ターボ機械羽根車（１００）用のブレード（１０）であって、
   圧力面（５６）、吸引面（５８）、後縁（５４）、および前縁（５２）を備えて形成されたエアロフォイル（５０）と、
   エアロフォイルの長手方向に対して全体として直交する方向に、エアロフォイルの末端の１つに延在するプラットフォーム（６０）とを含み、
   ブレード（１０）が、複数の実質的に同一なブレードと共に配置されて、リング中心軸（Ａ）の周囲にリングを形成し、それに沿って上流および下流領域を画定するようになされ、エアロフォイルを有するリングがその中に実質的に放射状に配置され、隣接するブレードプラットフォーム（６０）が、エアロフォイル（５０）の圧力面（５６’）を隣接するエアロフォイルの吸引面（５８）につなぐエアロフォイル間面（７０）を形成するように、対になって接続され、
   前記ブレードは、エアロフォイル間面（７０）が、エアロフォイルの上流半分に、吸引面（５８）よりも圧力面（５６’）の方に近い位置にある突起（３２）と、これと圧力面との間に位置する陥没経路（３４）とを含むことを特徴とする、ブレード。
2. エアロフォイル間面が、リングの中心軸に対して垂直な平面に位置し、軸方向でエアロフォイルの上流半分に位置するプロファイルを有し、前記プロファイルが、エアロフォイルの圧力面から開始して、前記突起に続く陥没を連続的に含むことを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 前記陥没経路（３４）が、リング中心軸（Ａ）に対する回転形状を有する部分を含む、請求項１または２に記載のブレード。
4. エアロフォイル間面（７０）が、リングの中心軸（Ａ）に対する回転形状を有し、突起（３２）に隣接するエアロフォイル（５０）の吸引面（５８）側に位置する回転部（３８）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード。
5. 前記突起（３２）が、放射状下降面（３６）によって前記回転部（３８）につながっている、請求項４に記載のブレード。
6. 突起（３２）が、軸方向でエアロフォイル（８０）の上流側の０から５０％の間に位置する頂点を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のブレード。
7. 突起（３２）が、軸方向でエアロフォイル（５０）の上流側の０から２５％の間に位置する頂点を有する、請求項６に記載のブレード。
8. エアロフォイル間面（７０）が、リング中心軸に対する回転形状を有し、エアロフォイル（５０）の下流半分にわたって軸方向に延在する部分を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のブレード。
9. 突起がエアロフォイル間（７０）面の上流または下流に続く、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のブレードを少なくとも１つ含む、ターボ機械分配機部分。
11. 請求項１から９のいずれか一項に記載のブレードを複数含む、羽根車。
12. 請求項１１に記載の羽根車を少なくとも１つ含む、ターボ機械。

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