JP2014517205A - ターボ機械要素 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ターボ機械の分野に関し、特に、横方向に互いからずらされた複数の翼(105、205、304、404、405)を備えた翼セット(103、203、302、402、403)と、各々の翼の少なくとも1つの端部の上流側の、横方向および軸方向の両方に相互にずらされた複数の渦発生装置(115、215、315、415a、415b、415c)を備えるグループとを備えるターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)に関する。

Description

本発明は、ターボ機械の分野に関し、詳細には、横方向に互いからずらされた複数の翼を備えた翼セットと、前記横方向に対して垂直である軸方向に前記セットの上流側に配置された渦発生装置とを備えるターボ機械要素に関する。
「ターボ機械」という用語は、本明細書では、エネルギーが流体の流れと少なくとも1つの翼セットとの間に伝えられ得る、たとえば圧縮機、ポンプ、タービン、または実際にはこれらの少なくとも2つの組み合わせなどの任意の機械を指定するために使用される。そのようなターボ機械は複数の段を有することができ、各々の段は通常、2つの翼セット、すなわち可動式ブレードセットおよび固定式ガイド羽根セットを有する。各々の翼セットは、横方向に互いからずらされた複数の翼を備える。通常、翼は、中央軸の周りに半径方向に配置される。したがって、1つのそのような翼セットは、可動式ブレードセットを備えるときはロータを形成し、またはこれは、ガイド羽根セットを備えるときはステータを形成する。そのようなステータでは、各々の羽根は通常、近位端部または羽根根元部によって内側シュラウド、および外側端部または羽根先端部によって外側シュラウドに接続される。内側および外側のシュラウドは通常、たとえば仏国特許出願公開第2896019号明細書の下で公開された仏国特許出願において示されるようにほぼ同軸のものである。
各々の翼は、作動中に作用流体の流れにさらされる吸引側面、圧力側面、前縁、および後縁を備えたプロファイル形状を有する。以下の説明では、「上流側」および「下流側」という用語は、作用流体の通常の流れ方向に対して定義される。特定の作動状態の下では、特に高圧圧縮機において、この流れは吸引側面から分離されることがある。より詳細には、翼根元部において、3次元の分離が起こり、「コーナー渦」を形成し得る。このコーナー渦は、吸引側面と翼の基部を形成する内側シュラウドとの間に形成されたコーナー内に小さい運動エネルギーを有する粒子が堆積することによって生成される。これは、特に圧縮機内の効率性の大幅な損失を引き起こす。
そのようなコーナー渦を低減するために、国際特許出願の国際公開第2008/046389A1号において、翼セットの上流側に渦発生装置を置く提案がなされている。作動中、これらの装置によって生成された渦は、翼のコーナー渦を形成する局所的分離を防止するために、エネルギーを吸引側面に隣接する境界層の流れへと運ぶ。
そうではあるが、そのような渦発生装置を用いることは特定の問題を招く。第1に、渦発生装置は、空気力学的損失を最小限に抑えるために作用流体の流れに対する抵抗をできるだけ小さくすることが好ましい。第2に、装置は、好ましくは、これが生成した渦を吸引側面に向けるような方法で流体の流れを局所的に方向転換させなければならない。通常、これは、渦発生装置がそれ自体、その後縁に大きい入射角を有しながらも、その前縁には、流体の全体的な流れ方向に対して小さい迎角を有する翼のプロファイル形状を有さなければならないことを意味している。そうではあるが、通常は小型サイズである渦発生翼装置を組み込むターボ機械要素を製作することは困難であり費用がかかる。
仏国特許出願公開第2896019号明細書 国際公開第2008/046389号
本発明は、横方向に互いからずらされた複数の翼を備えた翼セットと、低い空気力学的損失を有しかつ製作をより容易にしながら翼の吸引側面における局所的分離を効果的に低減するために前記横方向に対して垂直な軸方向に前記翼セットの上流側に配置された渦発生装置とを有するターボ機械要素を提案することによって、これらの欠点を解決しようとするものである。
少なくとも1つの実施形態における第1の態様では、この目的は、ターボ機械要素が、複数の渦発生装置のグループを各々の翼の1つの端部の上流側に備え、各々のグループ内の渦発生装置は、横方向および軸方向の両方に相互にずらされるということによって達成される。特に、少なくとも3つの渦発生装置の各々のグループは、少なくとも3つのそのような装置を備えることができる。各々の翼の上流側の、グループ内のさまざまな渦発生装置間の軸方向および接線方向のずれは、たとえ個々の装置が、これが有する抵抗を最小限に抑えるために流体の流れに対してたとえば5度から15度の範囲にある小さい迎角で配向され、これを製造するのをより容易にするために簡単な形状のものであっても、装置によって生成された渦を翼の吸引側面に向かって方向転換させる働きをする。
第2の態様では、渦発生装置の少なくとも一部は、少なくとも1つのフィンを備える。特に、フィンは、ほぼ真っすぐな弦を有することができる。そのようなフィンは、製作が特に容易である渦発生装置を形成することができる。そうではあるが、渦発生装置の他のタイプもまた、フィンの代替策として、またはこれとの組み合わせで考慮に入れられ得る。たとえば、渦発生装置の少なくとも一部は、翼の端部用の支持体内に形成された少なくとも1つの切欠部を含むことができる。
第3の態様では、各々のグループ内の渦発生装置は、ほぼ平行である配向を有し、それによって空気力学的損失を抑えながら渦発生装置の製作をさらに簡易化する。
第4の態様では、ターボ機械要素翼セットの翼は、中央軸の周りに半径方向に配置される。したがって、ターボ機械は、可動式翼セットが中央軸を中心に回転するように適合される。そうではあるが、たとえば線形に移動する翼を有する、他の形態のターボ機械が原理的に可能である。半径方向セットでは、各々の翼は、「根元部」と称される近位端部と、「先端部」と称される遠位端部とを有する。そのような状態の下では、複数の渦発生装置のグループが、各々の根元部の上流側に置かれてもよい。コーナー渦は根元部においてより形成されやすいため、渦発生装置はこの場所ではより有用である。そうではあるが、この構成の代替策としてまたはこれに加えて、複数の渦発生装置のグループはまた、翼先端部の上流側に置かれてもよい。コーナー渦は翼先端部においては形成されにくいが、渦発生装置はまた、場合によってはこの場所におけるそのような現象を食い止めるのに有用になり得る。
第5の態様では、ターボ機械要素の翼のセットは、出口ガイド羽根セットである。圧縮機、特に高圧圧縮機では、コーナー渦は、出口ガイド羽根セットにおいてより形成されやすい。そうではあるが、そのような出口ガイド羽根セットの代替策として、またはこれに加えて、ターボ機械要素はまた、可動式翼セット、特にロータブレードのセットを備えることもでき、このときそのような渦発生装置は、その場所内のコーナー渦の形成を食い止めるために可動式ブレードセットの上流側に配置されている。
渦発生装置は、たとえばその形状を、鋳造によって翼セットを作製するための型内に組み込むことによって翼セットと一体的に形成されてもよく、および/またはこれらは、これらをそのバルク部分内に機械加工することによって翼セットと一体的に形成されてもよい。そうではあるが、代替策として、これらは別個に製造され、翼の前部に締め付けられてもよい。いずれの場合も、渦発生装置の高さは、特に、そのすぐ下流側の翼の高さの約2%から8%になり得る。
本明細書はまた、本発明の少なくとも1つのターボ機械要素を有するターボ機械にも関する。そのようなターボ機械は、圧縮機、ポンプ、タービン、または実際にはこれらの少なくとも2つの組み合わせ、たとえばターボジェット、ターボシャフトエンジン、ターボプロップ、ターボポンプおよび/またはターボ圧縮機になり得る。特に、ターボ機械では、前記ターボ機械要素は、圧縮機要素になり得る。そうではあるが、ターボ機械要素は、代替的にポンプ要素またはタービン要素になることができる。
本発明は、非限定的な例として与えられた5つの実施形態の以下の詳細な説明を読み取ることにより、良好に理解され、その利点はより良好に明確になることができる。説明では添付図面を参照する。
従来技術の圧縮機の概略長手方向断面図である。 コーナー渦にさらされた、図1の圧縮機の羽根の概略斜視図である。 第1の実施形態における圧縮機要素のセグメントの概略斜視図である。 湾曲平面IV−IV上の断面における図3のセグメントの概略展開図である。 線V−V上の断面における図3および図4のセグメントの概略長手方向図である。 第2の実施形態における圧縮機要素の概略長手方向断面図である。 第3の実施形態における圧縮機要素の概略長手方向断面図である。 第4の実施形態におけるタービンステータおよび第5の実施形態におけるタービンロータから構成されたタービン段の概略長手方向断面図である。
図1は、バイパスターボジェット、より詳細にはその高圧圧縮機の段1を示している。この典型的な従来技術の圧縮機段1は、2つの主要部分、すなわち「ロータ」ブレードの回転可動式翼セット2と、「ステータ」ガイド羽根の固定式翼セット3とを備える。ロータ2およびステータ3の両方内には、ブレード4および羽根5が、中央軸Xの周りに半径方向に配置される。したがって、ロータ2の各々のブレード4は、回転ハブ6に固定されたブレード「根元部」として知られている近位端部4aと、圧縮機1のケーシングの固定式外側シュラウド7に隣接するブレード「先端部」と称される遠位端部4bとを有する。同様に、ステータ3の各々の羽根5は、固定式内側シュラウド8に固定された、これもまた羽根「根元部」と称される近位端部5aと、外側シュラウド7に固定された、これもまた羽根「先端部」と称される遠位端部5bとを有する。
作動中、中央軸Xの周りのロータ2のブレード4の回転は、通常はガスまたは空気などのガス混合物である作用流体を、中央軸Xに対して軸方向に平行におよび軸方向に対して垂直な横方向に円周状に駆動する。ロータ2の下流側では、ステータ3の羽根5は、作用流体の流れを軸方向に沿って真っすぐにし、そのようにする際、作用流体の動圧の大部分を静圧に変換する。
そのような圧縮機段1に関する特定の問題が、図2に示されている。ステータ3の羽根5の吸引側面5cの羽根根元部5bにおいては、吸引側面5cおよび内側シュラウド8上の境界層の合流が、「コーナー渦」と称される分離9を引き起こし得る低エネルギーゾーンを生み出す。このコーナー渦9は、圧縮機1の空気力学的パフォーマンスに明確な負の影響を与える。ステータ3内では、これは、内側シュラウド8の下方でステータ3に対して下流側から上流側に逆流する作用流体によってさらに悪化する可能性があり、それによってロータ2のハブ6と内側シュラウド8との間に漏出流を発生させ、この漏出流は、ステータ3の羽根5のすぐ上流側の駆動流体の流れを妨げる。そうではあるが、コーナー渦はまた、ロータ2のブレード4上にも形成されることがあり、ロータ2およびステータ3の両方において、これらは、翼の根元部および先端部の両方において形成され得る。
図3は、圧縮機要素100が、中央軸Xの周りに半径方向に配置され、横方向、すなわち円周方向に互いからずらされた複数の羽根105を有するステータの形態のガイド羽根セット103を備える第1の実施形態を示している。この圧縮機要素100は、ロータの下流側の作用流体の流れを、これが中央軸Xに対してほぼ平行であり横方向に対して垂直である軸方向に流れるように真っすぐにするために、中央軸Xを中心に回転するロータ(図示せず)のすぐ下流側に位置するように設計される。従来技術のように、このガイド羽根セット103では、各々の羽根105は、内側シュラウド108に固定された羽根根元部105aと、外側シュラウド107に固定された羽根先端部105bとを有する。
吸引側面105cと内側シュラウド108との間の羽根根元部105aにおけるコーナー渦の形成を少なくとも部分的に防止するために、この第1の実施形態における圧縮機要素100はまた、3つの渦発生装置105のグループを各々の羽根根元部105aの上流側に含み、これらの装置は、内側シュラウド108に固定された真っすぐなフィンの形態である。これらのフィン115は比較的形状が簡単であるので、内側シュラウド108と一体的であっても、当業者に知られている製作方法を用いてこれらを製作することに伴う問題は特に存在しない。特に、これらは、内側シュラウド108およびガイド羽根セット103の残りの部分と一体的に形成されてもよく、またこれらは、任意選択で鋳造後の仕上げ工程にかけられてもよく、またはこれらは、別々に製作され、その後従来の手段を用いて内側シュラウド108上に締め付けられてもよい。あるいは、これらを内側シュラウド108のバルク部分内に機械加工することも可能である。通常、その高さは、羽根105の約2%から8%の範囲内にあることができる。特に図4および図5に見られ得るように、これらのフィン115は、互いにほぼ平行であり、ステータ103の上流側の作用流体の流れ方向Eに対してたとえば5度から15度の範囲内にあることができる迎角αを有し、それによって流れに対する過剰な抵抗を有することなく、各々のフィン115の下流側に渦を発生させる。これらはまた、横方向に対する角度βも有する。これらの間では、隣接するフィン115の各々の対は、軸方向のずれdおよび横方向のずれdを有する。したがって、フィン115の位置合わせは、横方向に対する角度γ=arctan(d/d)を有し、この角度は、図示される実施形態における角度βよりかなり大きい。各々のグループ内のフィン115の軸方向および横方向のずれは、フィン115の各々によって生成された渦を、相互作用によって羽根105の吸引側面105cに向かって向け、それによってコーナー渦を引き起こし得る局所的分離を防止するのにより効果的になる。各々のフィン115によって作り出された渦は、すぐ下流側にあるフィン115の渦によって強化され、それによってまた、強化された渦の方向をその弦の軸の方向に向かってわずかに変更する。図示される実施形態では、軸方向のずれdおよび横方向のずれdの両方は、各々のグループ内の第1と第2のフィン115の間、および第2と第3のフィン115の間で同じであるが、羽根セットの下流側の渦発生装置のさまざまな列間に異なるずれを有することを企図することも可能である。
この第1の実施形態では、渦発生装置は、羽根根元部に形成されるコーナー渦を防止する目的のために内側シュラウド上に配置されるが、この配置の代替策として、またはこれに加えて、羽根先端部において形成されるコーナー渦を防止するために、類似の装置を外側シュラウド上に置くことも可能である。したがって、図6に示される第2の実施形態では、圧縮機要素200も同様に、中央軸Xの周りに半径方向に配置され、横方向、すなわち円周方向に互いからずらされた複数の羽根205を有するステータの形態のガイド羽根セット203を備える。この圧縮機要素200も同様に、ロータの下流側の作用流体の流れを、中央軸Xに対してほぼ平行であり横方向に対して垂直である軸方向に向かって真っすぐにする目的で、中央軸Xを中心に回転する(図示せず)ロータのすぐ下流側に位置するためのものである。このガイド羽根セット203では、第1の実施形態と同様に、各々の羽根205は、内側シュラウド208に固定された羽根根元部205aと、外側シュラウド207に固定された羽根先端部205bとを有する。しかしながら、この第2の実施形態では、3つの渦発生装置215のグループは、各々の羽根先端部205aの上流側に置かれる。これらのフィン215の形状、配置、および作動は、その他の点では第1の実施形態におけるフィンのものとほぼ同様であり、流体の流れに対してたとえば5度から15度の範囲にある相対的に小さい迎角と、羽根205の高さの約2%から8%の範囲内にある高さと、隣接するフィンの各々の対間の軸方向および横方向のずれとを有する。この実施形態では、フィン215は、特に、外側シュラウド207およびガイド羽根セット203の残りの部分と一体的に形成されてもよく、これらは、場合によっては鋳造所を離れる際に仕上げ工程にかけられてもよく、またはこれらは、別個に製作され、その後従来の手段によって外側シュラウド207に締め付けられてもよい。そうではあるが、代替策として、これらはまた、外側シュラウド207のバルク部分内に機械加工され得る。
渦発生装置のこれらの第1および第2の実施形態は、ガイド羽根セット内に形成されるコーナー渦を防止するために、ガイド羽根セットのすぐ上流側に配置されるが、これらの他の配置の代替策として、またはこれに加えて、類似の装置を可動式ブレードセットの上流側に置くことも可能である。したがって、図7に示される第3の実施形態では、圧縮機要素300は、中央軸Xの周りに半径方向に配置され、横方向、すなわち円周方向に互いからずらされた複数のブレード304を有するロータの形態の可動式ブレードセット302を備える。圧縮機要素300は、作用流体を駆動するために中央軸Xを中心に回転するように設計され、このときその流体の流れは、固定式ステータ(図示せず)を構成するガイド羽根セットを用いることによって、中央軸Xに対してほぼ平行であり横方向に対して垂直である軸方向に向かって真っすぐにされる。この回転式ブレードセット302では、各々のブレード304は、ハブ306に固定されたブレード根元部304aと、ブレード先端部304bとを有し、それと共に3つの渦発生装置315のグループが、ロータ302内のコーナー渦の形成を少なくとも部分的に防止するために各々のブレード根元部304aの上流側に置かれている。これらのフィン315の形状、配置、および作動は、その他の点では上記で説明された実施形態におけるフィンのものとほぼ同様であり、流体の流れに対してたとえば5度から15度の範囲内にある相対的に小さい迎角と、ブレード305の高さの約2%から8%の高さと、隣接するフィンの各々の対間の軸方向および横方向のずれとを有する。通常、これらはハブ306のバルク部分内に機械加工されてもよい。そうではあるが、これらは、代替的にはハブ306およびロータ302の残りの部分と一体的に形成され得、任意選択でこれらは、鋳造所を離れる際に仕上げ工程に掛けられ得、またはこれらは、別々に製作されその後従来の手段によってハブ306上に締め付けられ得る。
上記で説明された実施形態では、渦発生装置は、圧縮機要素上に配置されるが、同じ原理を他のターボ機械要素、たとえばポンプ要素またはタービン要素などに適用することも可能である。したがって図8では、ステータの形態の固定式ガイド羽根セット403を備えた第1のタービン要素400aと、そこから下流側の、ロータの形態の可動式ブレードセット402を備えた第2のタービン要素400bとを有するタービン段401が見られ得る。ガイド羽根セット403は、中央軸Xの周りに半径方向に配置され、横方向、すなわち円周方向に互いからずらされた複数の羽根405を有する。このガイド羽根セット403では、第1の実施形態のように、各々の羽根405は、内側シュラウド408に固定された羽根根元部405aと、外側シュラウド407に固定された羽根先端部405bとを有する。吸引側面405cと内側シュラウド408との間の羽根根元部405aにおける、さらに吸引側面405cと外側シュラウド407との間のブレード先端部405bにおけるコーナー渦の形成を少なくとも部分的に防止するために、第4の実施形態におけるこの第1のタービン要素400もまた、各々の羽根根元部405aの上流側に、内側シュラウド408に固定された真っすぐなフィンの形態の3つの渦発生装置415aのグループと、各々の羽根先端部405bの上流側に、外側シュラウド407に固定された真っすぐなフィンの形態の3つの渦発生装置415bのグループとを含む。フィン415aおよび415bのこれら2つのグループの形状、配置、および作動は、その他の点では第1および第2の実施形態のフィンとほぼ同様であり、流体の流れに対してたとえば5度から15度の範囲内の相対的に小さい迎角と、羽根405の高さの約2%から8%の高さと、隣接するフィンの各々の対間の軸方向および横方向のずれとを有する。これらは同様に、同じ製造方法を用いて製作され得る。
ガイド羽根セット403の下流側に置かれた第2のタービン要素400bは、中央軸Xの周りに半径方向に配置され、横方向に互いからずらされた複数のブレード404を備えたロータの形態の可動式ブレードセット402を備える。この第2のタービン要素400bは、流体の流れからの駆動の下で中央軸Xを中心に回転するためのものである。可動式ブレードセット402では、各々のブレード404は、ハブ406に固定されたブレード根元部404aと、ブレード先端部404bとを有し、3つの渦発生装置415bのグループが、ロータ402内のコーナー渦の形成を少なくとも部分的に防止するために各々のブレード根元部404aの上流側に置かれる。これらのフィン415cの形状、配置、および作動は、その他の点では上記で説明された実施形態のフィンとほぼ同様であり、流体の流れに対してたとえば5度から15度の範囲内の相対的に小さい迎角と、ブレード404の高さの約2%から8%の高さと、隣接するフィンの各々の対間の軸方向および横方向のずれとを有する。フィンは同様に、同じ製造方法を用いて製作され得る。
本発明は、特有の実施形態を参照して上記で説明されたが、さまざまな改変および変更が、特許請求の範囲によって定義された本発明の一般的範囲を超えることなくこれらの実施形態で実施され得ることが明確である。特に、示されたさまざまな実施形態の個々の特性は、追加の実施形態において組み合わせられてもよい。加えて、示された渦発生装置は矩形のフィンの形態であるが、当業者は、他の形状、たとえば状況に応じて、三角形である、またはシュラウド内および/またはハブ内の切欠部であるフィンを用いることを考えることができる。その結果、明細書および図は、制限的ではなく例示的であると考えられなければならない。

Claims (10)

  1. 横方向に互いからずらされた複数の翼(105、205、304、404、405)を備えた翼セット(103、203、302、402、403)と、
    前記横方向に対して垂直な軸方向に前記セット(103、203、302、402、403)の上流側に配置された渦発生装置(115、215、315、415a、415b、415c)とを備えるターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)であって、
    ターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)が、複数の渦発生装置(115、215、315、415a、415b、415c)のグループを各々の翼の少なくとも1つの端部の上流側に有し、各々のグループの渦発生装置(115、215、315、415a、415b、415c)が、横方向および軸方向の両方に相互にずらされることを特徴とする、ターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)。
  2. 渦発生装置の各々のグループが、少なくとも3つのそのような装置(115、215、315、415a、415b、415c)を有する、請求項1に記載のターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)。
  3. 渦発生装置(115、215、315、415a、415b、415c)の少なくとも一部が、少なくとも1つのフィンを備える、請求項1または2に記載のターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)。
  4. フィンが、ほぼ真っすぐである弦を有する、請求項3に記載のターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)。
  5. 各々のグループ内の渦発生装置(115、215、315、415a、415b、415c)がほぼ平行である、請求項1から4までのいずれか一項に記載のターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)。
  6. 各々のセット(103、203、302、402、403)の翼(105、205、304、404、405)が、中央軸(X)の周りに半径方向に配置され、各々の翼(105、205、304、404、405)が、その根元部と称される近位端部(105a、205a、304a、404a、405a)と、その先端部と称される遠位端部(105b、205b、304b、404b、405b)とを有する、請求項1から5までのいずれか一項に記載のターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)。
  7. 複数の渦発生装置(115、315、415a、415c)を備えるグループが、各々の前記根元部(105a、304a、404a、405a)の上流側に置かれる、請求項6に記載のターボ機械要素(100、300、400a、400b)。
  8. 前記翼セット(103、203)が、流れを真っすぐにする出口ガイド羽根セットである、請求項1から7までのいずれか一項に記載のターボ機械要素(100、200)。
  9. 請求項1から8までのいずれか一項に記載の少なくとも1つのターボ機械要素(100、200、300、400a、400b)を含むターボ機械。
  10. 前記ターボ機械要素(100、200、300)が圧縮機要素である、請求項9に記載のターボ機械。
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