JP2011528081A - 低ギャップ損失を有する軸流ターボ機械 - Google Patents

Abstract

軸流ターボエンジン（１）は、各々がフロントエッジ（８）を備えたブレードから形成されたブレード配列と、径方向外側ブレード先端（１５）と、環状内側（１４）を備えてブレード配列を収容した環状収容部（１３）と、を具備し、環状収容部（１３）はレード先端（１５）に直接隣接するように配列され、ブレード先端（１５）の収容端部と環状内側（１４）との間に径方向ギャップ（１６）を設けている。ブレード（３）はブレード先端のフロントエッジ（８）の領域に径方向突起を備え、環状収容部（１３）は環状内側に環状の径方向凹部を備え、それはブレード先端（１５）の収容端部から径方向に距離（１６）を置いて配列され、軸流ターボエンジンの主要流れの方向において、径方向ギャップ（１６）に面した側の径方向突起の線は、径方向凹部の線と合致している。

Description

本発明は低先端クリアランス損失を有する軸流ターボ機械に関する。

軸流ターボ機械はケーシングと、ケーシングによって収容されたロータと、を備えている。ロータはハブ輪郭を備え、それはケーシングの内側輪郭とともに軸流ターボ機械の流れの通路を形成している。ロータは複数のロータステージを備え、ステージはロータブレード翼列によって各々のケーシング内に形成されている。ロータブレード配列は複数のロータブレードを備え、それらの端部の１つは各々のケーシング内でロータハブ側において締め付けられ、他端は径方向外側を指している。ブレード先端はケーシングの内側に面しており、そこに直接的に隣接して配列され、ロータブレードのこの他端において形成されている。各ブレード先端とケーシング内側との間の距離は径方向ギャップとして形成されており、そのギャップは、一方ではブレード先端が軸流ターボ機械の作動の際にケーシングに対して摩耗せず、他方では軸流ターボ機械の作動に際に発生する径方向ギャップを通じたリーク流れが可能な限り低くなるような寸法とされている。軸流ターボ機械が高効率であるので、径方向ギャップを通じたリーク流れは可能な限り低くすることが望まれる。

軸流ターボ機械が航空エンジンに組み込まれた場合、可能な限り重量を軽くするために、ケーシングはフィリグリー構造（filigree construction）である。他方で、ロータは、軸流ターボ機械の作動の間の圧縮応力および熱応力に対抗するために、強固に構成される。ロータブレードはロータと比較すると柔軟に構成されており、ロータに組み付けられている。

軸流ターボ機械の作動の際、ケーシングの内側とロータブレードとは高温のガスと接触しており、ケーシングはケーシング内側において広範囲にわたって高温のガスと接触している。ケーシングはロータよりもフィルグリーデザイン（filigree design）であるために、ロータはケーシングよりもゆっくりと温度上昇する。これは、軸流ターボ機械の始動および停止に関して、ロータとケーシングとが異なった熱膨張率を有することに帰結し、軸流ターボ機械の起動および停止の際に、ロータブレードのブレード先端とケーシングの内側との間の径方向ギャップの高さが変化する。この場合、径方向ギャップは起動時に大きく、停止時に小さくなる。起動時および停止時にロータブレードのブレード先端がケーシングに対して突き当たらず、且つ損傷しないために、径方向ギャップは、軸流ターボ機械の起動時および停止時にブレード先端が、あったとしても、ケーシングにめったに接触しないような寸法となる最小高さにおいて設けられている。これは、ブレード先端において相応して寸法決定された径方向ギャップが設けられる結果となる。他方では、特に軸流ターボ機械の起動の際に、径方向ギャップは出力密度の減少に十分な大きさにのみ形成され、リーク流れによってもたらされる軸流ターボ機械の効率は受容可能な限度内に維持される。

最新のロータブレードは非常に高い空力効率を備え、結果的にロータブレードの高い圧力負荷を達成している。この高い圧力負荷がもたらされることによって、径方向ギャップを通じたリーク流れは特に多くなり、リーク流れの結果として、ロータブレードの全効率は深刻に低下する。特に、ロータブレードの全高が小さく且つ径方向ギャップが大きい場合、ロータブレードの全損失の約５０％がリーク流れに起因している。リーク流れの減少はロータブレードの全効率の向上をもたらす。

例えば「アクティブクリアランス制御」装置を利用してリーク流れを減少することが公知である。「アクティブクリアランス制御」装置を備えることで、ケーシングは始動の際に冷却され、停止の際に加熱され、ケーシングの熱膨張率はロータブレードの熱膨張率に合わせられる。さらに、リーク流れを減少するために、ナイフのブレードのようなブレード先端を形成したブレード先端の特殊な輪郭は、特許文献１から公知である。

さらなるブレード先端はロータブレードのスパンの方向に合わせて形成されており、それは特許文献２から公知である。ブレード先端とそれに対向して配置された通路壁とは、互いに対応するように輪郭形成されており、通路壁は取り囲むような凹部を備え、ブレード先端はその凹部に合致した径方向伸長部を備えている。この手段の結果、凹部の領域内におけるガス速度の急速な減少が達成され、その結果、衝撃波の強度が弱められる。

さらなるブレード先端の輪郭および通路壁の輪郭は、特許文献３に寄せ集められている。

米国特許第４，７３８，５８６号明細書 欧州特許出願公開第６７５２９０号明細書 仏国特許発明第９９６９６７号明細書

本発明の目的は、高い空力効率を備えた軸流ターボ機械を創造することである。本発明のさらなる目的は、そのためのロータブレードを提供することである。

本発明による軸流ターボ機械は、請求項１の特長によるロータブレード翼列を備えている。この場合、ロータブレード翼列のロータブレードは請求項９の特徴にしたがって形成されている。

本発明による軸流ターボ機械のロータブレードの輪郭は、観衆的なタイプとすることが可能である。ロータブレードの径方向突起は、軸流ターボ機械の主要貫通流の方向において、環状内側の径方向凹部に平行に延在しており、径方向ギャップは均一な且つ波形状の順行を備えている。環状内側とブレード翼先端と（それに対応する径方向ギャップと）は二重波形に形成され、各々のケーシング内に少なくとも４つの湾曲セクションを具備している。湾曲セクションは変曲点によって区切られており、変曲点において隣接した湾曲セクションの曲率は異なったサインを備えている。結果的に、軸流ターボ機械の作動の間の径方向ギャップを通じて発生するリーク流れは、加速と減速とが交互に行われる。

加速および減速の結果、貫通流の速度とリーク流れの方向とは変化し、リーク流れの主要流れと混合の間に形成されるギャップ渦は、起因過程においておよび伝播過程において防止される。結果的に、ロータブレード翼列を通じた流れが一様且つ低損失であることの効果は有利に達成され、結果的にロータブレード翼列の効率、これによって軸流ターボ機械の効率が高くなる。

一定サイズのギャップは、主要流れの方向に沿った均一で突然変化しない順行を備え、ブレード先端領域における流れは低損失である。

主要流れへのリーク流れの影響が減少することが引き起こされるため、加えてロータの仕事の変換が高く、ロータブレードの下流に位置したステータブレードの偶発的な流れは改善される。結果的に、ステータブレードの不均衡な偶発的流れは減少され、および／またはステータブレードは単純な形状を備えることが可能となる。

リーク流れの質量流とロータブレード翼列の全効率に与える不都合なその影響とは、有利に減少される。結果的に、改善されたロータブレード翼列の空力が、追加の構造的な手段を設ける必要なく得られる。

この場合、軸流ターボ機械の主要流れ方向に沿った、ブレード先端の輪郭からの径方向凹部の径方向の距離は一定である。

さらに、第１湾曲セクションが環状内側の領域内に配置され、その環状内側の領域が、リーディングエッジから見てブレード翼先端のプロファイル翼弦の前半分の領域に向かい合っていることが好適である。さらに、第１径方向凹部の最大部が、リーディングエッジから見てプロファイル翼弦の１０％〜３０％の領域、もしくは好適に２０％の位置に配置されていることが好適である。

したがって、径方向突起と径方向凹部とは、慣習的に輪郭形成されたロータブレードのブレード先端の最大圧力負荷となる領域において、有利に配置されており、径方向ギャップを通じたリーク流れは減少される。

湾曲セクションが、軸流ターボ機械の主要貫通流の方向において、径方向ギャップの順行が本質的にエッジ無しおよび段差無しの規則において形成されていることは好適である。この場合、環状内側とブレード翼先端との双方において４つよりも多くの湾曲セクションが形成されて設けられることが可能であり、それは径方向ギャップを通じたリーク流れを減少するためである。

第１湾曲セクションの上流、第４湾曲セクションの下流および／またはそこと結合された湾曲セクションの下流において、環状内側またはブレード翼先端に追加のセクションが形成されて設けられ、その順行は軸流ターボ機械の主要流れ方向において直線的であることが好適である。

代替的に、単一の追加のセクション、または複数の追加のセクションは軸流ターボ機械の主要貫通流の方向において円錐形であることが好適である。

結果的に、径方向凹部または径方向突起から、下流のロータブレードのトレールエッジ（trailing edge）への緩やかな遷移が達成され、ブレード先端領域における流れは低損失となる。

軸流ターボ機械の主要流れ方向において且つリーディングエッジから見て、第１変曲点はブレードの翼弦長さの５％〜１５％において、好適に１０％の位置において配置されており、且つ／または径方向凹部のベースはロータブレードの翼弦長さの１５％〜２５％において、好適に２０％の位置において配置されている。

原理上は、ブレード翼先端の輪郭とそれに対向した環状内側の輪郭とは一致する部分において一定であり、双方の輪郭は同一に描写されるべきである。したがって、軸流ターボ機械にあてはまる生じた利点は、対応してロータブレードにも当てはまる。

軸流ターボ機械は好適に航空エンジン内、プロセスコンプレッサ内、ファン内、ブロア内、上記圧縮タービン内、水車内、および／またはポンプ内の固定式ガスタービンのコンプレッサである。

軸流ターボ機械は以下の文章により説明されている。それは本発明による軸流コンプレッサの好適な実施形態に基づき、添付図を参照して行われている。

本発明による軸流コンプレッサの第１実施形態におけるケーシングセクションの側面を示した図である。 図１の実施形態におけるロータブレードの斜視図である。 本発明による軸流コンプレッサの第１実施形態におけるケーシングの側面を示した図である。

図１〜３に図示されたように、軸流コンプレッサ１はロータブレード翼列を備えたロータ２を具備し、ロータブレード翼列は複数のロータブレード３から形成されている。軸流コンプレッサ１は、図１〜３に見られるように、左から右への貫通流にさらされている。

さらに、軸流コンプレッサ１はロータブレード３の上流の第１ステータ４、およびロータブレード３の下流の第２ステータ５を備えている。第１ステータ４は複数の第１ステータブレード６から形成されており、第２ステータ５は複数の第２ステータブレード７から形成されている。

ロータブレード３は上流に面した端部にリードエッジ（leading edge）８を備え、および下流に面した端部にトレイルエッジ（trailing edge）９を備えている。リードエッジ８とトレイルエッジ９との間の一側はロータブレード３の圧力側１０であり、リードエッジ８とトレイルエッジ９との間の他側はロータブレード３の吸引側１１である。標準弦長の１００％となる直線プロファイル翼弦は、リードエッジ８からトレイルエッジ９まで延在している。始点はプロファイル翼弦の長さの０％に相当し、リードエッジにあり、終点はプロファイル翼弦の長さの１００％に相当し、トレイルエッジにある。

ロータブレード３は環状壁１３によって径方向外側を囲まれており、環状壁１３はロータブレード３に面した環状内側１４を備えている。ロータブレード３は径方向内側長手端部において締め付けられており、径方向外側長手端部において自立しており、ブレード先端１５はその自立端部において形成されている。ギャップ１６が環状内側１４とブレード先端１５との間に設けられている。

ブレード先端１５には、環状内側１４に面した側において、径方向突起１８が設けられており、その最大径はブレード３のプロファイル翼弦の長さの翼弦の２０％の位置にある。ブレード先端１５に対向した環状内側１４の領域においてブレード先端１５の順行に追従して、径方向凹部１７が環状内側１４の環状壁１３に形成されている。図１と３とに見られているように、凹部は右から左へと径方向突起１８に平行に延在している。径方向凹部１７は、径方向突起１８の最大径の範囲のレベルの径方向外側に配置されたベース１２を備えている。

径方向凹部１７は環状壁１３内において取り囲む態様で形成されている。結果として、ロータ２が回転軸２８の周りに回転したとき、各ロータブレード３は、径方向凹部１７内に係合した径方向突起１８とともに回転するとこが可能である。

軸流コンプレッサ１の主要流れ方向において見られるように、径方向凹部１７およびそれと類似した径方向突起１８は、第１実施形態によれば、４つの湾曲セクション１９、２１、２３、２５から形成されている。各々のケーシング内の湾曲セクション１９、２１、２３、２５は、曲率を有しており、湾曲のサインは湾曲セクションから湾曲セクションへと変化している。湾曲セクション１９、２１、２３、２５は直列に配列されており、第１湾曲セクション１９は第２湾曲セクション２１から第１変曲点２０によって区切られている。さらに、第２湾曲セクション２２は第３湾曲セクション２３から第２変曲点２２によって分離されている。第３湾曲セクション２３は第４湾曲セクション２５から第３変曲点２４によって区切られている。湾曲セクション１９、２１、２３、２５およびそれらの間にある変曲点２０、２２、２４の直列配列の結果として、ブレード先端１５と環状内側１４との間のギャップ１６は波形の形状となっている。

図２において、慣例的なブレード先端の径方向の限界はライン２７によって図示されており、径方向長さの拡張が径方向突起の割り当てによって著しく引き起こされていた。

図３において、第１実施形態による軸流コンプレッサ１の回転軸２８に関連した、環状内側１４の順行が示されている。第１湾曲セクション１９の上流および／または第４湾曲セクション２５の下流において、環状内側１４の順行は少なくともブレード翼先端１５に対向した領域にあり、円錐状とされ、したがって直線状であり、それは通路収縮を維持するためである。

当然ながら、環状内側１４の順行およびそれに対応したブレード翼先端１５は、４つの湾曲セクションのみを備えたものでなく、より多くの湾曲セクションを備えることが可能である。

１ ・・・軸流コンプレッサ、 ２ ・・・ロータ、 ３ ・・・ロータブレード、 ４ ・・・第１ステータ、 ５ ・・・第２ステータ、 ６ ・・・第１ステータブレード、 ７ ・・・第２ステータブレード、 ８ ・・・リードエッジ、 ９ ・・・トレイルエッジ、 １０ ・・・圧力側、 １１ ・・・吸引側、 １３ ・・・環状壁、 １５ ・・・ブレード先端、 １６ ・・・ギャップ、 １７ ・・・径方向凹部、 １８ ・・・径方向突起、 １９、２１、２３、２５ ・・・湾曲セクション、 ２０ ・・・第１変曲点、 ２２ ・・・第２変曲点、 ２４ ・・・第３変曲点、

Claims (11)

1. 複数のロータブレード（３）から形成され、各々の該ロータブレードがリードエッジ（８）と、径方向外側の自立したブレード先端（１５）と、を備えたロータブレード翼列と、
   環状内側（１４）を備え、前記ロータブレード翼列を取り囲んだ環状壁（１３）と、を備え、
   該環状壁（１３）は前記ブレード先端（１５）に直接的に隣接し、前記ブレード先端（１５）と前記環状内側（１４）との間にギャップ１６を形成した軸流ターボ機械（１）であって、
   前記環状内側（１４）の軸流セクションの内側は前記ブレード先端（１５）に対向して配置され、前記環状壁（１３）は前記環状内側（１４）上において、第１および第２湾曲セクション（１９、２１）を伴った、少なくとも１つの取り囲むような第１径方向凹部（１７）を備え、前記湾曲領域は前記軸流ターボ機械（１）の主要貫通流の流れ方向に沿って、前記環状内側（１４）に対応した前記ブレード先端（１５）の輪郭から径方向に一定の距離だけ離間して配列された軸流ターボ機械（１）において、
   前記軸流ターボ機械（１）の前記主要貫通流の方向において、前記環状内側（１４）の順行は、少なくとも
   ・前記第２湾曲セクション（２１）に隣接した１つの第３湾曲セクション（２３）と、
   ・該第３湾曲セクション（２３）に隣接した１つの第４湾曲（２５）セクションと、を備え、
   ・前記第１湾曲セクション（１９）は前記第２湾曲セクション（２１）から第１変曲点（２０）によって区切られ、
   ・前記第２湾曲セクション（２１）は前記第３湾曲セクション（２３）から第２変曲点（２２）によって区切られ、
   ・前記第３湾曲セクション（２３）は前記第４湾曲セクション（２５）から第３変曲点（２４）によって区切られ、
   隣り合った前記湾曲セクション（１９、２１、２３、２５）は異なった湾曲のサインを備えていることを特徴とする軸流ターボ機械（１）。
2. 前記第１湾曲セクション（１９）は前記環状内側（１４）の領域に配置され、前記環状内側（１４）は、前記リードエッジ（８）から見て、前記ブレード翼先端（１５）のプロファイル翼弦の前半分の領域に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流ターボ機械（１）。
3. 前記第１径方向凹部（１７）の最大部は、前記リードエッジ（８）から見て、前記プロファイル翼弦の１０％〜３０％において対向して配置された領域、または特に２０％において対向して配置された位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流ターボ機械（１）。
4. 前記湾曲セクション（１９、２１、２３、２５）は、前記軸流ターボ機械（１）の主要貫通流の流れ方向に沿って、前記径方向ギャップ（１６）の順行は本質的にエッジ無し且つ段差無しの規則において延在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械（１）。
5. 前記軸流ターボ機械（１）の主要貫通流の流れ方向において、前記環状内側（１４）の順行は、前記第４湾曲セクション（２５）に隣接した追加の湾曲セクションを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械（１）。
6. 前記第１湾曲セクション（１９）の上流、前記第４湾曲セクション（２５）の下流、および／または前記第４湾曲セクション（２５）に隣接した追加の湾曲セクションの下流において、追加のセクションが前記環状内側（１４）に形成され、前記順行は前記軸流ターボ機械（１）の主要流れの方向において直線であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械（１）。
7. 前記追加のセクションは円錐形状であることを特徴とする請求項６のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械（１）。
8. 前記軸流ターボ機械（１）の主要貫通流の流れ方向、および前記ロータブレード（３）の前記リーディングエッジ（８）の反対側に位置した点から見て、前記第１変曲点（２０）は前記ロータブレード（３）の翼弦長の５％〜１５％、特に１０％の位置に配置され、前記径方向凹部のベースは前記ロータブレード（３）の翼弦長の１５％〜２５％、特に２０％の位置に配置されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械（１）。
9. リーディングエッジ（８）と、径方向外側の自立したブレード先端（１５）と、を備え、
   該ブレード先端（１５）において、第１湾曲セクション（１９）と第２湾曲セクション（２１）とを備えた少なくとも１つの第１径方向突起（１８）を備えた軸流ターボ機械のためのロータブレード（３）において、
   該ロータブレード（３）のプロファイル翼弦に沿って、前記ブレード先端（１５）は、少なくとも
   ・前記第２湾曲セクション（２１）に隣接した１つの第３湾曲セクション（２３）と、
   ・該第３湾曲セクション（２３）に隣接した１つの第４湾曲セクション（２５）と、を備え、
   ・前記第１湾曲セクション（１９）は前記第２湾曲セクション（２１）から第１変曲点（２０）によって区切られ、
   ・前記第２湾曲セクション（２１）は前記第３湾曲セクション（２３）から第２変曲点（２２）によって区切られ、
   ・前記第３湾曲セクション（２３）は前記第４湾曲セクション（２５）から第３変曲点（２４）によって区切られ、
   隣り合った前記湾曲セクション（１９、２１、２３、２５）は異なった湾曲のサインを備えていることを特徴とするロータブレード（３）。
10. 前記第１径方向突起（１８）は、前記翼弦長の前半分の領域に対向して配置されていることを特徴とする請求項９に記載のロータブレード（３）。
11. 前記第１径方向突起（１８）の最大部は、前記リードエッジ（８）から見て、前記プロファイル翼弦の１０％〜３０％、特に２０％において配置されていることを特徴とする請求項９または１０に記載のロータブレード（３）。

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