JP2013529740A - 最適化された効率性を備えた圧縮機およびタービンエンジン - Google Patents

Abstract

ガスが進む通路に対する空気力学的基準表面を画定する内壁を有し、半径方向ブレード（１８）を有するロータホイール（１４）が中に装着された、ケーシング（１２）を備える、タービンエンジン圧縮機（１０）。円周方向のトレンチがケーシング内壁内に形成される。その形状は、ほぼ円錐形である上流側表面、中間表面、および下流側表面それぞれの３つの表面によって上流側から下流側に画定される。上流側表面は、ブレードの前縁から上流側に延びる。中間表面は、前記空気力学的基準表面に対してほぼ平行である。下流側表面は、少なくともブレードの後縁まで下流側に延びる。中間表面と下流側表面の間の合流部は、その前縁から始まるブレード（１８）の軸方向長さの３０％から８０％の範囲内、好ましくは５０％から６５％の範囲内に位置している。

Description

本発明は、タービンエンジン用の軸流圧縮機に関する。

そのような圧縮機は、一般に、ロータホイールが中に回転可能に装着されたケーシングを備え、ホイールは、先端部、前縁、および後縁を各々が有する半径方向ブレードの組を有する。一般に、ブレードは、それらの先端部が、ケーシングの内壁のできるだけ近くを進むように配置される。

そうではあるが、ブレード先端部とケーシングの内壁の間に隙間を残すことが必要である。したがって、ホイールがケーシングに対して回転するとき、空気（より一般的には流体）は、その圧力側からその吸引側へと、ブレードとケーシングの間の隙間を通って流れる。この流れは、非常に乱れている。したがって、この流れは、圧縮機の効率性の損失を引き起こす「隙間」渦と称される渦を発生させ、この影響は、隙間渦とケーシング壁上に存在する境界層との間の相互作用が増大するにつれて増大する。

隙間渦の大きさを低減するために、ケーシングの内壁内に、ブレード先端部とほぼ位置を合わせてトレンチを設けることが知られている。このトレンチは、ケーシングの壁内に形成された軸方向に対称な溝である。トレンチは、空気力学的基準表面から、すなわち、ケーシングの内壁がトレンチを有さなかった場合に有していたであろうものであり、ガスを進めるための通路の一般的形状に対応する形状から後退される。

１９１２年４月３０日出願の英国特許第１０１７９号明細書は、そのようなトレンチを含む圧縮機の例を与えている。この特許に開示された圧縮機では、トレンチは、３つのほぼ円錐形の表面、すなわち上流側から下流側へと順に延びる上流側表面、中間表面、および下流側表面によって実質的に形成される。中間表面は、空気力学的基準表面にほぼ平行である。下流側表面は、ブレードの後縁からすぐ下流側で空気力学的基準表面と合流する。

そのようなトレンチの利点は、空気力学的基準表面に対して平行に延びるその中間表面により、比較的限定された隙間渦を発生させることが可能になることである。ブレードとケーシングの中間表面との間を進むガスは、空気力学的基準表面内ではなく、トレンチの底部に向かってオフセットされ、したがって空気力学的基準表面によって画定された通常のガスが進む通路から半径方向に離れた位置において進む。このオフセットのため、圧力側から吸引側へと中間表面を通り過ぎる流体の量は、比較的少なく、ほとんど隙間渦の一因とはならない。

そうではあるが、トレンチの上流側および下流側の端部では、流体は、極めて乱れた形で進み、隙間渦の重大な一因となる。

そのため、圧縮機内のトレンチは、圧縮機の効率性を改善することを可能にするが、これはほんの少しであり、さらには、圧送マージンに関しては全く改善をもたらさず、場合によってはこれを低下させるという結果にさえなる。

ケーシングが特殊な配置構成を有する圧縮機の他の例が、欧州特許第２１８０１９５号明細書に開示されている。

英国特許第１０１７９号明細書 欧州特許第２１８０１９５号明細書

本発明の目的は、軸流タービンエンジンの圧縮機であって、
ガスが進む通路を画定する空気力学的基準表面を画定する一般的形状の内壁を有するケーシングと、
前記通路内でケーシングに対して回転するように装着されたロータホイールであって、
先端部、前縁、および後縁を各々が有する複数の半径方向のブレードを担持する、ホイールと、
ケーシングの内壁内に形成された円周方向のトレンチであって、
前記トレンチの形状が、３つのほぼ円錐形の表面、すなわち上流側から下流側に順に続く上流側表面、中間表面、および下流側表面によって実質的に画定され、
中間表面が、前記空気力学的基準表面に対してほぼ平行であり、
下流側表面が、少なくともブレードの後縁まで下流側に延びる、トレンチとを備え、
隙間渦による効率性の損失は低減されるが、圧送マージンは、従来知られている圧縮機と少なくとも同じほど良好である、圧縮機を提案することである。

空気力学的基準表面は、物理的に具体化されず、トレンチがケーシングの壁内に形成されなかった場合にケーシングが有していたであろう形状を有する。

上述された目的は、圧縮機内では、上流側表面がブレードの前縁から上流側に延び、中間表面と下流側表面の間の合流部が、前縁から始まるブレードの軸方向長さの３０％から８０％の範囲内、好ましくは５０％から６５％の範囲内に位置するということによって達成される。

したがって、本発明は、ケーシングおよびブレード先端部の形状の結合配置構成にあり、これによって隙間流を空気力学的基準表面内ではなく、ケーシング壁内に形成されたトレンチ内に生じさせることを可能にする。

トレンチは、３つの傾斜を有する新規の形状を有する。これら３つの傾斜は、各々がそれ自体の特有の機能を有する３つの表面を含む。

中間表面は、ブレードの各々の圧力側と吸引側の間に大きな圧力差を維持する役割を果たす表面である。中間表面はブレードの最長部分を画定するため、中間表面が空気力学的基準表面の外側にオフセットされる場合、圧力側から吸引側に進むストリームを限定するために最適に置かれるのはこの表面であり、圧力側から吸引側に移行するために流体によって辿られる通路は、中間表面と位置合わせするところで、または言い換えれば、ストリーム上に課された半径方向の迂回路が最大であるところで最も長くなる。これが、中間表面が大きいほど、圧力側から吸引側に進む流体のストリームがより小さくなり、したがってエッジ効果を無視して、ロータホイールの効率性がより大きくなる理由である。

この理由付けにしたがって、中間表面のサイズをできるだけ増大させることが望ましくなり得る。これは、数多くの従来の実施形態で行われている。そうではあるが、そのような手法は、上述された効率性の改善が、エッジ効果、すなわち、トレンチの鋭敏な上流側および下流側のエッジ部による渦の発生の増大の結果低減されるため、最適ではない。

本発明では、上流側表面および下流側表面はまた、トレンチの入口およびトレンチの出口における渦の形成を最小限に抑えるという機能も有し、これらは、その渦を最小限に抑える機能を実行するようにして成形される。

この目的のため、上流側表面は、ブレードの前縁の上流側にその全体が位置する。このため、中間表面は、できるだけ上流側まで、すなわちブレードの前縁まで延びることが可能になる。

そうではあるが、ブレードの後縁で発生した渦の大きさを低減するために、トレンチの下流側部分に対して同じような方法で進めることはできず、下流側方向のトレンチの広がりを限定することが好ましい。したがって、本発明は、ブレードの弦に対して３０％から８０％の範囲内で中間表面を中断し、浅い傾斜付きの下流側表面を配置して、トレンチの中間表面をケーシングの主要表面になだらかに再合流する（すなわち空気力学的基準表面になだらかに再合流する）ことを可能にすることにある、最適化された解決策を規定する。

これらの対策により、本発明の圧縮機は、従来の圧縮機より良好な効率性を有する。従来技術の圧縮機と比較して、本発明の圧縮機は、効率性および圧送マージンに関してより良好な結果をもたらす。特に、ブレードの軸方向長さの３０％から８０％の範囲内で形成された中間表面と下流側表面の間の傾斜の変化が、隙間流れと主要流の間のより良好な相互作用を達成する。下流側表面は、渦をあまり発生させない浅い傾斜を有する。

有利には、上流側表面は、ブレードの前縁から上流側にオフセットされているため、浅い傾斜を有する下流側表面を設けることによって、中間表面のサイズが過大に低減されることはない。本発明により、中間表面は、かなりの大きさ（ブレードの実際の長さの３０％から８０％）であるサイズにわたって維持され、それによって圧縮機の効率性に関して極めて効果的になることを可能にする。

加えて、そして有利には、トレンチおよびブレード内に本発明によって提供される配置構成は、ケーシングまたはブレードの製作時、特別な難しさを呈しない。

用語「３つの表面によって本質的に画定される前記トレンチの形状」は、連結フィレットタイプの小さい連結部または合流表面が、たいてい、上流側表面を中間表面に、および中間表面を下流側表面に互いに連結させるために設けられるということに関連付けられる。そのような合流表面はまた、上流側表面とトレンチから上流側の空気力学的基準表面との間、および下流側表面とトレンチから下流側の空気力学的基準表面との間に全体的に設けられる。

一実施形態では、上流側表面は、２つの円周方向に連続するブレードの先端部間のブレード間ピッチの５％から２５％の範囲内、好ましくは７％から２０％の範囲内でブレードの前縁から上流側に延びる。

上流側表面の上流側方向の比較的大きい広がり（ブレード間ピッチの５％を上回る）は、真っすぐであり、すなわち段の形態である上流側表面より好ましい。上流側表面が小さく、ブレードの前縁の近傍で階段状の段を形成する場合、流動する流体が段に衝突したとき、これが渦を形成し、この渦は、伝播し、その後隙間渦と混合し、このため効率性の大きな損失を招く。

一実施形態では、下流側表面は、２つの円周方向に連続するブレードの先端部間のブレード間ピッチの５％から２５％の範囲内、好ましくは７％から２０％の範囲内でブレードの後縁から下流側に延びる。

下流側表面の下流側方向の比較的大きい広がり（ブレード間ピッチの５％を上回る）は、真っすぐであり、すなわち段の形態である下流側表面より好ましい。下流側表面が小さく、ブレードの後縁の近傍で階段状の段を形成する場合、流体は、トレンチによってそのように形成されたコーナ内で停滞し、ブレードが通り過ぎた結果熱くなり、それによって、段によって直接生み出された渦によって発生した損失に加えて隙間ゾーン内に損失を生み出す。

一実施形態では、長手方向断面では、下流側表面は、空気力学的基準表面と共に、１５°を下回る、好ましくは５°を下回る角度を形成する。

一実施形態では、長手方向断面では、上流側表面は、空気力学的基準表面と共に、９０°を下回る、好ましくは３０°を下回る角度を形成する。

上記の実施形態のいずれにおいても、比較的小さい角度で浅い傾斜である上流側および／または下流側表面を形成するということは、渦の発生を最小限に抑え、したがってトレンチの上流側および下流側端部における効率性の損失を最小限に抑える役割を果たす。

一実施形態では、ブレードは、トレンチの内側に突き出ることなく、空気力学的基準表面の内側またはそこまで延びる。ロータホイールが通り過ぎるときに生じる流れに対する外乱を最小限に抑えることが望ましく、また、流路がブレード間の空気力学的基準表面内にできる限り多く含まれたままであることも望ましい。したがって、ブレードがケーシング内に延びる、すなわち空気力学的基準表面を超えて突出することは望ましくないと考えられる。そうではあるが、より長く、かつトレンチの内側に突き出るブレードを備えた実施形態もまた企図され得る。

一実施形態では、ブレードの先端部とトレンチの間には、ほぼ一定の半径方向隙間が延びる。この隙間は、平滑である、すなわちトレンチを含まない通路に対してブレード先端部とケーシングの間にたいてい設けられる隙間と等しくなり得る。

本発明の第２の目的は、少なくとも１つの圧縮機を含むタービンエンジンであって、圧縮機内の隙間渦による効率性の損失が低減されるが、圧送マージンは、従来知られている圧縮機を含むエンジンと少なくとも同じほど良好である、タービンエンジンを提案することである。

この目的は、圧縮機が上記で規定された圧縮機であるということによって達成される。

本発明は、非限定的な例として示される実施形態の以下の詳細な説明を読み取ることにより、より良好に理解され得、その利点は一層明らかになる。説明は、添付の図を参照する。

圧縮機の一部分の概略図である。 隙間渦を示す概略斜視図である。 ブレードを含む平面上の圧縮機部分の概略の軸方向断面図である。 従来技術のトレンチを備えた圧縮機における圧力場を示す比較図である。 本発明のトレンチを備えた圧縮機における圧力場を示す比較図である。

図１は、タービンエンジン１０の軸流圧縮機を示している。圧縮機は、ロータホイール１４が中に装着されたケーシング１２を有する。ロータホイール１４自体はロータディスク１６を備え、これに対して半径方向ブレード１８が、軸方向に対称的な形で知られている方法で締め付けられる。ロータホイールは、ケーシング１２の内側で回転軸を中心に回転することができるように配置される。

ケーシング１２は、ガスが通り抜けることができる通路を画定する空気力学的基準表面２２（図３）を画定する一般的形状の内壁２０を有する。この空気力学的基準表面は、ほぼ円錐形の一般的形状の、本発明の例では円筒形である回転面である。

隙間渦を低減するための、本発明における圧縮機１０のブレード１８および内壁２０の配置構成が、図３を参照して説明される。

図３に示されるように、各ブレード１８は、前縁２６と、後縁２８と、距離Ｌにわたってブレードの上流側端部からその下流側端部まで軸方向に延びる、半径方向に外側の先端部２４とを有する。当然ながら、少しの隙間Ｂが、ブレード１８の先端部２４とケーシング１２の内壁２０との間に設けられる（この隙間は、一定の状況では、エンジンの作動の初期時間の間に発生する摩擦の結果変更されることがある）。

さらに、図２に示されるように、ブレードの端部は、対で、ブレード間方向と称される円周方向に距離Ｄだけ互いから離間される。

隙間渦を低減するために、円周方向のトレンチ３２がケーシング１２の内壁２０内に形成される。このトレンチは、３つのほぼ円錐形表面、すなわち上流側表面３２Ａ、中間表面３２Ｂ、および下流側表面３２Ｃから構成される。これら３つの表面は、上流側から下流側（図３では左から右）にかけて順に延びる。

（図示されるような）最も一般的な状況では、上流側から下流側にかけて、上流側表面は、直径が増大するものであり、中間表面はほぼ一定の直径のものであり、下流側表面は、直径が低減するものである。

ブレード１８の先端部２４は、ほぼ一定であるトレンチに対して隙間Ｂを維持するように配置される。

この目的のために、上流側端部では、ブレードの先端部２４は、空気力学的基準表面２２と局所的に一致する、中間表面３２Ｂに面する上流側部分２４Ｂを有する。ブレードの先端部２４が下流側表面３２Ｃ（より正確には下流側表面の上流側部分）に面するさらに下流側では、ブレードの先端部２４は、下流側部分２４Ｃを有する。図示される実施形態では、下流側部分２４Ｃは、ブレードの先端部２４とトレンチ３２の間に一定の隙間を維持するように（上流側部分２４Ｂと同様に）形成される。したがって、ブレードの部分２４Ｃは、上流側部分２４Ｂと比べて少しだけ減少する、または半径方向に短くされる。

上流側表面３２Ａは、ブレード間ピッチの約１０％である距離ＤＡにわたってブレードの前縁から上流側に延びる。空気力学的基準表面２２に対して軸方向断面における上流側表面３２Ａによって形成される角度α１は、約１５°である。

中間表面３２Ｂは、空気力学的基準表面２２に対してほぼ平行である表面である（この表面に対して「オフセットされる」ということができる）。換言すれば、またより正確には、図３のものなどの軸方向（または経線）断面では、表面２４Ｂの断面によって辿られる曲線は、空気力学的基準表面２２の断面によって辿られる曲線に対して平行である。

中間表面３２Ｂは、ブレード１８の前縁から、ブレード１８の前縁２６から距離Ｌの５０％のところに位置する平面Ｐまで延びる。

下流側表面３２Ｃは、中間表面３２Ｂから少なくとも後縁２８まで下流側に延び、好ましくはこれを越えて後縁２８から下流側の距離ＤＣまで延びる。図３に示される例では、下流側表面３２Ｃは、ブレード間ピッチＤの約１０％に等しい距離ＤＣにわたって延びる。したがって、空気力学的基準表面２２に対して軸方向断面における下流側表面３２Ｃによって形成される角度α２は、約１°である。

隙間渦の現象を低減することに対する本発明の寄与が、図４および図５を参照して以下で詳細に説明される。

ロータホイール１４が軸Ａを中心にケーシング１２に対して回転しているとき、ブレード１８の先端部２４は、ケーシング１２の内壁２０を高速で通り過ぎる。

この回転の影響下では、各ブレード１８の圧力側と吸引側の間に圧力差が確立される。その結果、流体（空気）の小さいストリームが、ブレード先端部とトレンチの底部の間の隙間Ｂを通り抜ける。このストリームが、隙間渦と称される強力な渦を発生させる。

図４および図５は、ナヴィエストークス方程式を解くことに基づいて実施された３次元（３Ｄ）デジタルシミュレーションによって得られた比較結果を示している。

図４は、知られている形状のトレンチを有する圧縮機内の流れをシミュレートした結果を、図５は、本発明の圧縮機内の結果を示している。

圧縮機の軸Ａの全体方向Ａ２が、図４および図５で示されている。流体が圧縮機を通り抜ける全体方向もまた、矢印によって示されている。

図４に部分的に示される圧縮機は、上流側表面１３２Ａ、中間表面１３２Ｂ、および下流側表面１３２Ｃから構成されたトレンチ１３２を有する。上流側表面および下流側表面１３２Ａおよび１３２Ｃは、通路を通る流体の流れを横切って配置されたはっきりした階段状の段を形成する。

図４および図５で明らかになる他の参照番号は、これらの図４および図５の両方で同じである。

これらの図の各々では、３つのブレード１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃの先端部が見られ得る。

加えて、これらの図４および図５の各々は、平行な部分断面Ｃ１〜Ｃ９の組を有する。これらの断面Ｃ１〜Ｃ９の各々は、平面内の流れを図式的に示している。さまざまな断面の平面は平行であり、ロータホイール１４の回転軸の方向Ａ２に、またブレード１８Ａ〜１８Ｃのほぼ半径方向に延びる。

各断面Ｃ１〜Ｃ９は、流体の流れにおける等圧線を示している。これらの線は、特に、流れ内で生じる渦を明らかにしている。

図４および図５の左手部分は、ブレード（１８Ａ、１８Ｂ）の前縁（２６Ａ、２６Ｂ）の近傍での本発明の第１の効果を示すことによって始められる。図４は、上流側表面からすぐ下流側に形成された渦４０の存在を示している。本発明（図５）では、この渦４０は、実際に解消されている。

したがって、トレンチ３２の形状が、トレンチの上流側表面において渦の形成を低減する役割を果たすことが見られ得る。従来の圧縮機内の上流側端部で生じる渦４０は、実際に本発明の圧縮機内では全く形成されず、主要な隙間渦を成長させないことが見られ得る。

この後、図は、前縁によって形成された主要渦４２の存在を示している。この渦は、ブレード先端部においてトレンチに加えられた改変にはほとんど影響されないと考えられる。

最後に、これらの図は、より具体的には、ブレードの下流側部分上方のトレンチの形状に関連付けられた渦４４を示している。ここでも、特に断面Ｃ８およびＣ９、また断面Ｃ３およびＣ４では、本発明は、ブレード近傍において渦４４の大幅な低減に至っていることが見られ得る。

下流側表面の近傍で発生した渦は、従来の圧縮機より本発明の圧縮機の方が小さいことが見られ得る。

結果として、これらの図は、本発明によって説明された圧縮機の形状が、作動ラインに沿った効率性の増大をもたらし、圧送マージンを改善することを示している。ロータ損失は、ブレードの高さの７５％を起点に低減される。

Claims (8)

1. 軸流タービンエンジンの圧縮機（１０）にして、
   ガスが進む通路を画定する空気力学的基準表面（２２）を画定する一般的形状の内壁（２０）を有するケーシング（１２）と、
   前記通路内でケーシングに対して回転するように装着されたロータホイール（１４）であって、
   先端部（２４）、前縁（２６）、および後縁（２８）を各々が有する複数の半径方向のブレード（１８）を担持する、ホイールと、
   ケーシングの内壁内に形成された円周方向のトレンチ（３２）であって、
   前記トレンチの形状が、３つのほぼ円錐形の表面（３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ）、すなわち上流側から下流側に順に続く上流側表面（３２Ａ）、中間表面（３２Ｂ）、および下流側表面（３２Ｃ）によって実質的に画定され、
   中間表面が、前記空気力学的基準表面に対してほぼ平行であり、
   下流側表面が、少なくともブレードの後縁（２８）まで下流側に延びる、トレンチと
   を備える圧縮機であって、
   上流側表面（３２Ａ）が、ブレードの前縁から上流側に延び、
   中間表面と下流側表面の間の合流部が、前縁（２６）から始まるブレード（１８）の軸方向長さ（Ｌ）の３０％から８０％の範囲内、好ましくは５０％から６５％の範囲内に位置することを特徴とする、圧縮機（１０）。
2. 上流側表面（３２Ａ）が、２つの円周方向に連続するブレードの先端部間のブレード間ピッチ（Ｄ）の５％から２５％の範囲内、好ましくは７％から２０％の範囲内でブレードの前縁（２６）から上流側に延びる、請求項１に記載の圧縮機。
3. 下流側表面（３２Ｂ）が、２つの円周方向に連続するブレードの先端部間のブレード間ピッチ（Ｄ）の５％から２５％の範囲内、好ましくは７％から２０％の範囲内でブレードの後縁（２８）から下流側に延びる、請求項１または請求項２に記載の圧縮機。
4. 長手方向断面において、下流側表面（３２Ｃ）が、前記空気力学的基準表面（２２）と共に、１５°を下回る、好ましくは５°を下回る角度（α２）を形成する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 長手方向断面において、上流側表面（３２Ａ）が、前記空気力学的基準表面（２２）と共に、９０°を下回る、好ましくは３０°を下回る角度（α１）を形成する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の圧縮機。
6. ブレード（１８）が、トレンチ（３２）の内側に突き出ることなく、空気力学的基準表面（２２）の内側またはそこまで延びる、請求項１から５までのいずれか一項に記載の圧縮機。
7. ほぼ一定の半径方向隙間が、ブレード（１８）の先端部とトレンチ（３２）の間を延びる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の圧縮機。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の圧縮機を少なくとも１つ含む、ターボエンジン。

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