JP2015509162A - ターボジェットファンブレード - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボジェットファンブレードに関する。ブレードの前縁は、その根元からその先端に向かって測定されるブレードの全半径方向高さの６０％から９０％の範囲にある半径方向高さに位置しているブレードの一部に＋２８?よりも大きいかまたはそれに等しい掃引角度を有し、前縁掃引角度は、ブレードの半径方向高さの２０％から９０％の範囲にあるブレードの部分に位置している最小掃引角度の半径方向高さ（Ｈｍｉｎ）において測定される最小掃引角度と、最小掃引角度の前記半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さ（Ｈｍｉｎ＋１０）において測定される掃引角度との間で１０?未満の差（δ１）を有す。

Description

本発明は、ターボジェットファン用のブレードの一般的分野に関する。本発明は、より詳細にはそれらの形状に関する。

ターボジェットファンブレードの製造は、さまざまな学際的な基準を満足する必要がある。ファンブレードは、その効率およびその推力（特に、高速におけるその流量容量）を最適化し、同時に特にブレードが受ける機械的応力が最も厳しい高速回転において良好な機械的強度を有することを保証するように設計される。また、ファンブレードの設計は、現行の規格に記載されているさまざまな動作ポイントで規定される騒音目標に従わなければならない。

非常に多くのファンブレード形状が提案されている。これらは、通常、ブレードの空気力学的性能を改善するために、およびファンによって発生される騒音を低減するためにそれらの輪郭の前縁のスタッキング関係によって、および前縁の掃引角度の変化によって特徴付けられる。例示として、刊行物欧州特許第１４５２７４１号明細書について言及を行うことができ、これは、ターボジェットファンまたは圧縮機のための特定の掃引されたブレード形状を説明している。

欧州特許第１４５２７４１号明細書

本発明の目的は、特に比流量の観点から、ならびにまた機械的および音響的に、現時点での技術水準と比べてかなりの空気力学的改善を達成するファンブレード形状を提案することである。

本発明によれば、この目的は、根元、先端、前縁、および後縁を有するターボジェットファンブレードであって、前縁が、その根元からその先端に向かって測定されるブレードの全半径方向高さの６０％から９０％の範囲にある半径方向高さに位置しているブレードの一部に＋２８°よりも大きいかまたはそれに等しい掃引角度を有し、前縁掃引角度が、ブレードの半径方向高さの２０％から９０％の範囲にあるブレードの部分に位置している最小掃引角度の半径方向高さにおいて測定される最小掃引角度と、最小掃引角度の前記半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さにおいて測定される掃引角度との間で１０°未満の差を有す、ターボジェットファンブレードによって達成される。

前縁の後退角についての少なくとも＋２８°の値により、ブレードは、エンジンについて十分な操作性のある、２１０キログラム／秒／平方メートル（ｋｇ／ｓ／ｍ^２）よりも大きい最大比流量を実現し、すなわち、可変デバイス（調整可能なピッチ、ノズル、・・・）に頼ることなく輪郭の迎え角の増加を制限できるようになる。ブレードの全半径方向高さの６０％よりも大きいその位置は、ブレードが受ける応力および音響的制約に適合する必要性によって強いられている。公称動作（ハブ通路の下のブレード領域の寿命、ブレードとディスクの間の長期間持続する接触境界面）において、およびまた過酷な状態（多数の鳥の吸い込みに耐える能力、高レベルの振動）の下で応力を低減するのに望まれる機械的平衡と、さらに翼弦長が先端で過度に低減されていないようにする操作性の制約とが、ブレードの高さにわたって、およびさらに応力が主に配置される底部５０％にわたって起こり得る重心の振動振幅に制限を加える。

ブレードの全半径方向高さの９０％未満の半径方向高さにおいて前縁のこの後退角を配置することは、ブレードの空気力学的安定性を確保するように下方部分に対して先端部（すなわち、ファンを取り囲むケーシングに接近した部分）で過度の後退角を有することを回避する働きをする。

そのうえ、ブレードの半径方向高さの２０％から９０％の範囲にあるブレードの部分に位置している最小掃引角度の半径方向高さと、最小掃引角度の半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さにおいて測定される掃引角度との間の前縁掃引角度差についての１０°という制限は、全推力より小さい動作ポイントについてその後流の乱れの伝播を著しく低減することによってブレードの音響信号を改善する働きをする。したがって、２次流の（流量、効率、および騒音の形をとる）性能だけが考慮される（ここで、２次流は、通常、ブレードの半径方向高さの２０％から１００％の範囲内にある）。

これは、改善された空気力学的性能を有し、同時に機械的および音響的観点からロバストなままであるブレードをもたらす。

前縁は、０％から５０％の範囲に位置しているブレードの低い部分に負のスイープ角（すなわち、前進角）を有すことができる。このような状況下では、前縁掃引角度差は、掃引が後退角に移行する前縁の点に対応し、かつ最小掃引角度の高さの真上に位置している後退角切換半径方向高さと、後退角切換半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さにおいて測定される掃引角度との間で１０°未満であることが好ましい。

有利な規定によれば、最小長手方向横座標点の上に位置しているブレード断面の重心の最大長手方向横座標値と、最小長手方向横座標点に対応するブレード断面の重心の長手方向横座標値との間の差は、その根元で測定されるブレードの軸方向翼弦長の２０％よりも小さいかまたはそれに等しい。このような規定の利点は、特にブレードの根元でのエーロフォイルの曲げモーメントを制限するようにブレードのモーメントを制限すること、およびこれを平衡させることである。

また、本発明は、上記で規定したように、複数のブレードを含むターボジェットファンおよびターボジェットを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、いかなる限定的な特徴も有さない実施形態を有す添付の図面を参照して行われる次の説明から明らかになる。

本発明のブレードを有するターボジェットファンの長手方向断面の部分図である。 掃引角度の定義の仕方を示すダイヤグラムである。 本発明によるブレードの前縁の掃引角度の輪郭を示す図である。 本発明によるブレードの断面の重心を通る線の子午面への投影図である。

本発明は、図１に示されるブレードなどの、任意のターボジェットファンブレードに適用される。この図は、ターボジェットの長手方向軸線Ｘ−Ｘを中心として互いから規則正しく間隔を置いて配置される本発明の複数のブレード４を有するターボジェットファン２の一部を示し、軸線Ｘ−Ｘは、ファンを通過する空気流の方向に方向付けられる。

各ブレード４は、矢印Ｆの方向にターボジェットの長手方向軸線Ｘ−Ｘを中心として回転駆動されるディスク（またはハブ）８に根元６で固締される。また、各ブレードは、プラットフォーム１０を有し、このプラットフォーム１０は、ファンを通過する低温空気１２の流れための流路の内側を画定する内側壁の一部を形成する。ファンを取り囲むケーシングの壁１４は、同じ流路の外側を画定する外側壁を形成する。

下記の説明においては、各ブレード４について、半径方向軸線Ｚ−Ｚは、長手方向軸線Ｘ−Ｘに直角であり、かつブレードが低温空気流の流路の内側壁と交差する断面の重心を通過するように規定される。接線方向軸線Ｙ−Ｙ（図に示されていない）は、軸線Ｘ−Ｘおよび軸線Ｚ−Ｚと共に右回りの直交座標系を形成する。

図１に示されるように、各ブレード４は、ブレードが半径方向軸線Ｚ−Ｚに直角な平面と交差する場合に規定され、かつ重心線Ｃ_ｇに沿って積み重なる重心を有する複数のブレード断面１６を有する。

また、各ブレード４は、根元１８と先端２０との間で半径方向に画定され、前縁２２と後縁２４との間で長手方向に画定される。また、ブレードは、運転中の間、ファンを通過する低温空気流１２を圧縮するために、その根元１８から先端２０に至るまで捻じられる。

下記の説明においては、０％に等しいブレードの最小半径方向高さは、低温空気流の流路の内側に画定される内側壁とのブレードの前縁の交点に対応するとして規定され、１００％に等しいブレードの最大半径方向高さは、前縁線が軸線から半径方向に最も遠くにある場合の点に対応するとして規定される。

本発明によれば、ブレードの前縁は、その根元からその先端に向かって測定されるブレードの全半径方向高さの６０％から９０％の範囲にある半径方向高さに位置しているブレードの一部に＋２８°よりも大きいかまたはそれに等しい掃引角度を有す。

図２に示されるように、掃引角度は、前縁における接線Ｔと相対速度ベクトルＶ_ｒ→に直角な線Ｗとの間のブレード４の前縁２２上の一点に形成される角度αを意味し、この線Ｗは、接線Ｔおよび相対速度ベクトルＶ_ｒ→の両方を含む平面Ｐ内にある。この角度は、平面Ｐ内で測定される。（半径が増加する方向に向けられた接線）ベクトルＴ→と（半径が増加する方向に向けられた）ベクトルＷ→との間に形成される角度αが（図２に有されるように）正である場合には、前縁は後退角を有すると言われる。逆に、角度αが負である場合には、前縁は前進角を有すると言われる。

この定義は、（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９６３−第４０１頁に公表されている）「Ｓｗｅｅｐ ａｎｄ ｄｉｈｅｄｒａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ａｘｉａｌ−ｆｌｏｗ ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎａｒｙ」という表題のＬｅｒｏｙ Ｈ．ＳｍｉｔｈおよびＨｓｕａｎ Ｙｅｈによる刊行物でより正確に与えられたものに従っており、それと同一である。本出願において与えられる値のすべては、その刊行物に詳細に示される式に従って計算されている。

図３に有される線２６は、いかに本発明によるブレードの前縁の掃引角度がブレードに沿って半径方向高さに応じて変化するかの一例を与えている。

この実施形態においては、ブレードの前縁は、７０％から８０％の範囲の半径方向高さについて＋３０°に近い値を持った後退角を有する（すなわち、これは正の掃引角度を有する）。

さらに、本発明においては、前縁の掃引角度の差δ１は、掃引角度の最小に対応し、かつブレードの半径方向高さの２０％と９０％の間に延在するブレードの部分に位置している最小掃引角度の半径方向高さＨ_ｍｉｎにおける掃引角度と、最小掃引角度の半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さＨ_{ｍｉｎ＋１０}において測定される掃引角度との間で（絶対値で）１０°未満である。

用語「半径方向高さＨ_ｍｉｎ最小掃引角度」は、本明細書において、掃引角度の値が最も小さいブレードの前縁の半径方向高さを意味するように使用される。図３の実施形態においては、最小掃引角度のこの半径方向高さＨ_ｍｉｎは、ブレードの全半径方向高さの約４０％に位置している（その点における−３°の掃引角度は、２０％と９０％との間に延在するブレードの全体部分にわたって最小掃引角度である）。

さらに、図３の実施形態においては、掃引角度の差δ１は、絶対値でおよそ５°である（Ｈ_ｍｉｎでの掃引角度：−３°、Ｈ_{ｍｉｎ＋１０}での掃引角度：＋２°）。

また、ブレードの前縁は、０％から５０％の範囲にあるブレードの低い部分に前進角（すなわち、負のスイープ角）を有すことができる。したがって、図３の実施形態においては、前縁の掃引角度は、１５％から４５％の範囲にある半径方向高さについて負である。より正確には、掃引角度は、最初のうちはブレードの最小半径方向高さ（０％）と約１５％の半径方向高さとの間で正であり、次いで４５％の半径方向高さまで負になり、かつその点から再び正になる。

このような状況下では、掃引が後退角に移行する前縁の点に対応し、かつ最小掃引角度の高さＨ_ｍｉｎの真上に位置している後退角切換半径方向高さＨ−と、後退角切換半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さＨ＋において測定される掃引角度との間の前縁の掃引角度差δ２は、（絶対値で）１０°未満である。

用語「後退角切換半径方向高さＨ−」は、本明細書において、掃引角度が負の値から正の値に移行するブレードの前縁の半径方向高さを意味するように使用される。図３の実施形態においては、この後退角切換半径方向高さＨ−は、ブレードの全半径方向高さの約４５％に位置している。

さらに、図３の実施形態においては、掃引角度の差δ２は、およそ７°の絶対値を有する（Ｈ−での掃引角度値：０°、Ｈ−上方の１０％において測定される半径方向高さＨ＋での掃引角度値：＋７°）。

図４は、本発明によるブレードの断面の重心線の子午面への投影図を示している。この線は、ブレードの断面のそれぞれの重心の長手方向横座標値を一緒に結合している。

図４に示される本発明の有利な配置構成においては、最小長手方向横座標点の上方に位置しているブレード断面の重心Ｘ_ｇ ^＋の最大長手方向横座標値と、最小長手方向横座標点に対応するブレード断面の重心Ｘ_ｇ ⁻の長手方向横座標値との間の、空気流の方向に方向付けられる駆動軸線Ｘ−Ｘに沿った差δＸ_ｇは、ブレードと通路の内側壁との間の交差によって規定されるその根元部で測定されるブレードの軸方向翼弦長の２０％よりも（絶対値で）小さいか、またはそれに等しい。

ブレードの「翼弦長」は、前縁の点を後縁の点に一緒に結合する直線を意味するように使用される。駆動軸線Ｘ−Ｘに沿ったこの翼弦長の軸方向の投影が、軸方向翼弦長である。

その根元で測定されるブレードの軸方向翼弦長の値は、エンジンのサイズに依存する。例示として、これは、約３００ミリメートル（ｍｍ）であることもある。このような状況下では、差は、たとえば約４５ｍｍである場合があり、これは、その根元で測定されるブレードの軸方向翼弦長の２０％よりもはるかに小さい。

Claims (5)

1. 根元（６）、先端（２０）、前縁（２２）、および後縁（２４）を有するターボジェットファンブレード（４）であって、
   前縁が、その根元からその先端（２０）に向かって測定されるブレードの全半径方向高さの６０％から９０％の範囲にある半径方向高さに位置しているブレードの一部に＋２８°よりも大きいかまたはそれに等しい掃引角度を有し、
   前縁掃引角度が、ブレードの半径方向高さの２０％から９０％の範囲にあるブレードの部分に位置している最小掃引角度の半径方向高さ（Ｈ_ｍｉｎ）において測定される最小掃引角度と、最小掃引角度の前記半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さ（Ｈ_{ｍｉｎ＋１０}）において測定される掃引角度との間で１０°未満の差（δ１）を有すことを特徴とする、ブレード。
2. 前縁が、０％から５０％の範囲に位置しているブレードの低い部分に負のスイープ角を有し、前縁掃引角度差（δ２）は、掃引が後退角に移行する前縁の点に対応し、かつ最小掃引角度の高さの真上に位置している後退角切換半径方向高さ（Ｈ−）と、後退角切換半径方向高さよりも１０％大きい半径方向高さ（Ｈ＋）において測定される掃引角度との間で１０°未満であることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 最小長手方向横座標点の上に位置しているブレード断面の重心の最大長手方向横座標値と、最小長手方向横座標点に対応するブレード断面の重心の長手方向横座標値との間の差が、その根元で測定されるブレードの軸方向翼弦長の２０％よりも小さいかまたはそれに等しいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のブレード。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の複数のブレード（４）を含むことを特徴とする、ターボジェットファン（２）。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載の複数のブレードを含むことを特徴とする、ターボジェット。

Images