JP2016125481A - 非軸対称ハブ流路及びスプリッタブレードを組み込んだ軸流圧縮機ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】十分なストールレンジ並びに空力と構造的性能との許容可能な釣り合いを有して作動可能な圧縮機ロータを提供すること。
【解決手段】圧縮機装置はロータを含み、該ロータが、中心軸線の周りに回転するように装着され、外周が非軸対称な表面プロファイルを有する流路面を定めるディスクと、流路面から半径方向外向きに延び、各々が根元、先端、前縁、及び後縁を有する翼形軸流圧縮機ブレードのアレイと、圧縮機ブレードと交互し、各々が根元、先端、前縁、及び後縁を有する翼形スプリッタブレードのアレイと、を備え、スプリッタブレードの根元における翼弦寸法及びスプリッタブレードのスパン寸法のうちの少なくとも１つが、圧縮機ブレードの対応する寸法よりも小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的に、ターボ機械の圧縮機に関し、より詳細には、このような圧縮機のロータブレード段に関する。

ガスタービンエンジンは、直列流れ連通して、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。タービンは、圧縮機に機械的に結合され、これら３つの構成要素がターボ機械コアを定める。コアは、高温の加圧燃焼ガスを発生してエンジンを作動させると共に、推進力のような有効な仕事又は機械的仕事を行うよう公知の方式で動作可能である。圧縮機の１つの一般的なタイプは、軸流翼形部の列を有する圧縮機ブレードと呼ばれるディスクを各々が含む複数のロータを備えた軸流圧縮機である。

熱力学的サイクル効率上の理由で、一般的には、実施可能な最も高い圧力比（すなわち、入口圧力と出口圧力の比）を有する圧縮機を組み込むことが望ましい。また、最も少ない数の圧縮機段を含むことが望ましい。しかしながら、所与の圧縮機段を通過する実施可能な最大圧力比及び質量流量に対して相互に関連する空力的な限界があることは周知である。

ディスク内の機械的応力を低減するために、非軸対称の「扇形（スカラップ）」表面プロファイルを有するディスクを構成することは知られている。この特徴部の空力的に不利な副次的作用は、流れ区域を通過するロータブレード列が増加し、空力的荷重レベルが増大して、空気流分離が促進されることである。

従って、十分なストールレンジ並びに空力と構造的性能との許容可能な釣り合いを有して作動可能な圧縮機ロータに対する要求が依然としてある。

米国特許第８，５２９，２１０号明細書

本発明の１つの態様によれば、軸流ロータを有する圧縮機装置であって、該軸流ロータが、中心軸線の周りに回転するように装着され、外周が非軸対称な表面プロファイルを有する流路面を定めるディスクと、流路面から半径方向外向きに延び、各々が根元、先端、前縁、及び後縁を有する翼形軸流圧縮機ブレードのアレイと、圧縮機ブレードと交互し、各々が根元、先端、前縁、及び後縁を有する翼形スプリッタブレードのアレイと、を備え、スプリッタブレードの根元における翼弦寸法及びスプリッタブレードのスパン寸法のうちの少なくとも１つが、圧縮機ブレードの対応する寸法よりも小さい。

本発明の別の態様によれば、流路面が、隣接する圧縮機ブレード間に凹状スカラップを含む。

本発明の別の態様によれば、スカラップが、圧縮機ブレードの根元に隣接して最小半径方向深さを有し、隣接する圧縮機ブレード間のほぼ中間の位置にて最大半径方向深さを有する。

本発明の別の態様によれば、各スプリッタブレードが、２つの隣接する圧縮機ブレード間のほぼ中間に配置される。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードは、該スプリッタブレードの後縁がディスクに対して圧縮機ブレードの後縁とほぼ同じ軸方向位置にあるように位置付けられる。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードのスパン寸法が、圧縮機ブレードのスパン寸法の５０％以下である。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードのスパン寸法が、圧縮機ブレードのスパン寸法の３０％以下である。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードの根元における翼弦寸法が、圧縮機ブレードの根元における翼弦寸法の５０％以下である。

本発明の１つの態様によれば、複数の軸流段を備えた圧縮機装置であって、複数の軸流段のうちの少なくとも１つの選択された段が、中心軸線の周りに回転するように装着され、外周が非軸対称な表面プロファイルを有する流路面を定めるディスクと、流路面から半径方向外向きに延び、各々が根元、先端、前縁、及び後縁を有する翼形軸流圧縮機ブレードのアレイと、圧縮機ブレードと交互し、各々が根元、先端、前縁、及び後縁を有する翼形スプリッタブレードのアレイと、を含み、スプリッタブレードの根元における翼弦寸法及びスプリッタブレードのスパン寸法のうちの少なくとも１つが、圧縮機ブレードの対応する寸法よりも小さい。

本発明の別の態様によれば、流路面が、隣接する圧縮機ブレード間に凹状スカラップを含む。

本発明の別の態様によれば、スカラップが、圧縮機ブレードの根元に隣接して最小半径方向深さを有し、隣接する圧縮機ブレード間のほぼ中間の位置にて最大半径方向深さを有する。

本発明の別の態様によれば、各スプリッタブレードが、２つの隣接する圧縮機ブレード間のほぼ中間に配置される。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードは、該スプリッタブレードの後縁がディスクに対して圧縮機ブレードの後縁とほぼ同じ軸方向位置にあるように位置付けられる。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードのスパン寸法が、圧縮機ブレードのスパン寸法の５０％以下である。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードのスパン寸法が、圧縮機ブレードのスパン寸法の３０％以下である。

本発明の別の態様によれば、スプリッタブレードの根元における翼弦寸法が、圧縮機ブレードの根元における翼弦寸法の５０％以下である。

本発明の別の態様によれば、選択された段が、圧縮機の後方半部分内に配置される。

本発明の別の態様によれば、選択された段が、圧縮機の最後尾の段である。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することで最もよく理解することができる。

本発明の１つの態様に従って構成された圧縮機ロータを組み込んだガスタービンエンジンの概略断面図。 圧縮機装置のロータの一部の斜視図。 圧縮機装置のロータの一部の上面図。 圧縮機装置のロータの一部の後方立面図。 図４の線５−５に沿った側面図。 図４の線６−６に沿った側面図。

種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、全体的に符号１０で示されたガスタービンエンジンを示す。エンジン１０は、長手方向中心軸線１１を有し、軸方向流れの順序で、ファン１２、低圧圧縮機又は「ブースタ」１４、高圧圧縮機（「ＨＰＣ」）１６、燃焼器１８、高圧タービン（「ＨＰＴ」）２０、及び低圧タービン（「ＬＰＴ」）２２を含む。全体として、ＨＰＣ１６、燃焼器１８及びＨＰＴ２０は、エンジン１０のコア２４を定める。ＨＰＴ２０及びＨＰＣ１６は、外側シャフト２６によって相互に接続される。全体として、ファン１２、ブースタ１４及びＬＰＴ２２は、エンジン１０の低圧システムを定める。ファン１２、ブースタ１４及びＬＰＴ２２は、内側シャフト２８により相互に接続される。

作動時には、ＨＰＣ１６からの加圧空気が燃焼器１８において燃料と混合されて燃焼し、燃焼ガスを発生する。ＨＰＴ２０によってこれらのガスから幾らかの仕事が取り出され、外側シャフト２６を介して圧縮機１６を駆動する。燃焼ガスの残りの部分は、コア２４からＬＰＴ２２に排出される。ＬＰＴ２２は、燃焼ガスから仕事を取り出し、内側シャフト２８を介してファン１２及びブースタ１４を駆動する。ファン１２は、空気の加圧ファン流を発生するよう動作する。ファン流の第１の部分（「コア流」）は、ブースタ１４及びコア２４に流入し、ファン流の第２の部分（「バイパス流」）は、コア２４を囲むバイパスダクト３０を通って排出される。例示の実施例は、高バイパスターボファンエンジンであるが、本発明の原理は、低バイパスターボファン、ターボジェット、及びターボシャフトなどの他のタイプのエンジンにも同様に適用可能である。

本明細書で使用される場合、用語「軸方向」及び「長手方向」の両方は、中心軸線１１に平行な方向を指し、「半径方向」は軸方向に垂直な方向をさし、また、「接線方向」又は「円周方向」は、軸方向及び半径方向に対して相互に垂直な方向を指す点に留意されたい。本明細書で使用される場合、用語「前方」又は「前部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に上流側にある位置を指し、用語「後方」又は「後部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に下流側にある位置を指す。この流れの方向は、図１の矢印「Ｆ」で示される。これらの方向に関する用語は、説明の際に便宜上使用されるに過ぎず、記載される構造体の特定の向きは必須ではない。

ＨＰＣ１６は、軸方向流体流、すなわち、中心軸線１１に略平行な流体流用に構成される。これは、遠心圧縮機又は斜流圧縮機とは大きく異なる。ＨＰＣ１６は、複数の段を含み、その各々が、回転ディスク３４に装着された翼形部又はブレード３２（総称的に）の列を有するロータと、固定翼形部又はベーン３６の列とを含む。ベーン３６は、ブレード３２の下流側列に流入する前にブレード３２の上流側列から出る空気流を転回させる役割を果たす。

図２〜６は、本発明の原理に従って構成され、ＨＰＣ１６に含めるのに好適なロータ３８の一部を示している。一例として、ロータ３８は、ＨＰＣ１６の後方半部分の段の１又はそれ以上に、詳細には最終又は最後尾の段に組み込むことができる。

ロータ３８は、ウェブ４２及びリム４４を有するディスク４０を含む。完成したディスク４０は、中心軸線１１の周りに回転するよう装着される環状構造であることは理解されるであろう。リム４４は、前方端部４６と後方端部４８とを有する。前方端部４６と後方端部４８との間に、環状の流路面５０が延びる。

軸流圧縮機ブレード５２の列は、流路面２５から延びる。各圧縮機ブレードは、流路面５０にある根元５４から先端５６まで延び、前縁６２及び後縁６４において凸状の負圧側面６０に接合される凹状の正圧側面５８を含む。図５で最もよく分かるように、各圧縮機ブレード５２は、根元５４から先端５６までの半径方向距離として定義されるスパン（又はスパン寸法）「Ｓ１」と、前縁６２及び後縁６４を接続する仮想直線の長さとして定義される翼弦（又は翼弦寸法）「Ｃ１」とを有する。圧縮機ブレード５２の特定の設計に応じて、翼弦Ｃ１は、スパンＳ１に沿った種々の位置で異なる場合がある。本発明において、関連する基準寸法は、根元５４における翼弦Ｃ１である。

図４で分かるように、流路面５０は回転体ではない。むしろ、流路面５０は、非軸対称な表面プロファイルを有する。非軸対称な表面プロファイルの一例として、圧縮機ブレード５２の隣接する各ペア間に凹状湾曲部又は「スカラップ」６６を備えて輪郭形成することができる。比較の目的で、図４の破線は、圧縮機ブレード５２の根元５４を通る半径を有する仮想円筒面を示している。流路面の曲率は、圧縮機ブレード５２の根元５４において最大半径（すなわち、スカラップ６６の最小半径方向深さ）を有し、隣接する圧縮機ブレード５２間のほぼ中間の位置にて最小半径（すなわち、スカラップ６６の最大半径方向深さ「ｄ」）を有することが分かる。

定常又は過渡運転時には、このスカラップ（扇状）構成は、流路面５０に沿ったリム４４上の翼形部ハブ交点での機械的及び熱的フープ応力集中の大きさを低減するのに有効である。これは、ディスク４０の許容可能な構成要素の長寿命を達成するという目標に寄与する。流路５０のスカラップ（扇状）化の空力的に不利な副次的作用は、隣接する圧縮機ブレード５２間のロータ通過流れ区域が増大することである。このロータ通過流れ区域の増大は、空力的荷重レベルを増大させ、その結果、圧縮機ブレード５２の負圧側面６０上で、根元５４付近の内寄り部分にて、及び後方位置（例えば、前縁６２から翼弦Ｃ１のおよそ７５％）にて望ましくない流れ分離を引き起こす傾向となる。

流路面５０からスプリッタブレード１５２のアレイが延びる。１つのスプリッタブレード１５２が、圧縮機ブレード５２の各ペア間に配置される。円周方向において、スプリッタブレード１５２は、２つの隣接する圧縮機ブレード５２間で中間に位置するか、又は円周方向に偏位され、或いは、スカラップ６６の最深部ｄと円周方向に整列することができる。換言すると、圧縮機ブレード５２とスプリッタブレード１５２は、流路面５０の周辺で交互に配置されている。各スプリッタブレード１５２は、流路面５０における根元１５４から先端１５６まで延び、前縁１６２及び後縁１６４において凸状の負圧側面１６０に接合される凹状の正圧側面１５８を含む。図６で最もよく分かるように、各スプリッタブレード１５２は、根元１５４から先端１５６までの半径方向距離として定義されるスパン（又はスパン寸法）「Ｓ２」と、前縁１６２及び後縁１６４を接続する仮想直線の長さとして定義される翼弦（又は翼弦寸法）「Ｃ２」とを有する。スプリッタブレード１５２の特定の設計に応じて、翼弦Ｃ２は、スパンＳ２に沿った種々の位置で異なる場合がある。本発明において、関連する基準寸法は、根元１５４における翼弦Ｃ２である。

スプリッタブレード１５２は、ロータ３８のハブソリディティを局所的に高め、これにより圧縮機ブレード５２からの上述した流れ分離を阻止するよう機能する。同様の効果は、圧縮機ブレード１５２の数を単純に増大し、従って、ブレード間の間隔を縮小することによって得られる。しかしながら、これは、空力的表面面積の摩擦損失を増大させ、空力的効率の低下及び根元重量の増大として現れる望ましくない副次的作用がある。従って、スプリッタブレード１５２の寸法及び位置は、表面積を最小にしながら、流れ分離を阻止するよう選択することができる。スプリッタブレード１５２は、これらの後縁１６４がリム４４に対して圧縮機ブレード５２の後縁とほぼ同じ軸方向位置にあるように位置付けられる。このことは図３で分かる。スプリッタブレード１５２のスパンＳ２及び／又は翼弦Ｃ２は、圧縮機ブレード５２の対応するスパンＳ１及び翼弦Ｃ１を１として、その数分の１とすることができる。これらは、「部分スパン」及び／又は「部分翼弦」スプリッタブレードと呼ぶことができる。例えば、スパンＳ２は、スパンＳ１に等しいか、又はそれよりも小さいとすることができる。好ましくは、摩擦損失を低減するために、スパンＳ２は、スパンＳ１の約５０％以下である。より好ましくは、最小摩擦損失とするために、スパンＳ２はスパンＳ１の約３０％以下である。別の実施例として、翼弦Ｃ２は、翼弦Ｃ１と等しいか又はそれ未満とすることができる。より好ましくは、最小摩擦損失とするために、翼弦Ｃ２は、翼弦Ｃ１の約５０％以下である。

ディスク４０、圧縮機ブレード５２、及びスプリッタブレード１５２は、作動時の予測される応力及び環境条件に耐え得るあらゆる材料から構成することができる。公知の好適な合金の非限定的な実施例は、鉄、ニッケル、及びチタン合金を含む。図２〜６において、ディスク４０、圧縮機ブレード５２、及びスプリッタブレード１５２は、全体的に一体的な単体構造又はモノリシックとして描かれている。このタイプの構造体は、「ブレード付きディスク」又は「ブリスク」と呼ぶことができる。本発明の原理は、別個の構成要素（図示せず）から構成されるロータにも同様に適用可能である。

スプリッタブレードを備えた本明細書で記載されるロータ装置は、ロータハブのソリディティレベルを局所的に増大させ、ハブの空力的加重レベルを局所的に低減し、非軸対称に輪郭形成されたハブ流路面の存在下で流れ分離しようとするロータ翼形部ハブの傾向を抑制する。部分スパン及び／又は部分翼弦スプリッタブレードの使用は、公称値から変化していないロータの中間及び上側セクションのソリディティレベルを保持し、従って中間及び上側翼形部セクションの性能を維持するのに有効である。

以上、圧縮機ロータ装置について説明してきた。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、そのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。

本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される各特徴は、明示的に別途規定のない限り、同じ、等価の又は同様の目的を提供する代替の特徴で置き換えることができる。従って、明示的に別途規定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。

本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。
本発明は、本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。

Ｆ 流れ方向
Ｃ１ 翼弦
Ｓ１ スパン
ｄ 深さ
Ｓ２ スパン
Ｃ２ 翼弦
１０ エンジン
１１ 軸線
１２ ファン
１４ ブースタ
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器
２０ 高圧タービン
２２ 低圧タービン
２４ コア
２６ 外側シャフト
２８ 内側シャフト
３０ バイパスダクト
３２ ブレード
３４ 回転ディスク
３６ ベーン
３８ ロータ
４０ ディスク
４２ ウェブ
４４ リム
４６ 前方端部
４８ 後方端部
５０ 流路面
５２ 圧縮機ブレード
５４ 根元
５６ 先端
５８ 正圧側面
６０ 負圧側面
６２ 前縁
６４ 後縁
６６ スカラップ
１５２ スプリッタブレード
１５４ 根元
１５６ 先端
１５８ 正圧側面
１６０ 負圧側面
１６２ 前縁
１６４ 後縁

Claims (20)

1. 軸流ロータ（３８）を有する圧縮機装置であって、該軸流ロータが、
   中心軸線（１１）の周りに回転するように装着され、外周が非軸対称な表面プロファイルを有する流路面（２５，５０）を定めるディスク（３４）と、
   前記流路面から半径方向外向きに延び、各々が根元（５４）、先端（５６）、前縁（６２）、及び後縁（６４）を有する翼形軸流圧縮機ブレード（５２）のアレイと、
   前記圧縮機ブレードと交互し、各々が根元（１５４）、先端（１５６）、前縁（１６２）、及び後縁（１６４）を有する翼形スプリッタブレード（１５２）のアレイと、
   を備え、前記スプリッタブレードの根元における翼弦寸法及び前記スプリッタブレードのスパン寸法のうちの少なくとも１つが、前記圧縮機ブレードの対応する寸法よりも小さい、圧縮機装置。
2. 前記流路面が、隣接する圧縮機ブレード間に凹状スカラップを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記スカラップが、前記圧縮機ブレードの根元に隣接して最小半径方向深さを有し、隣接する前記圧縮機ブレード間のほぼ中間の位置にて最大半径方向深さを有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記各スプリッタブレードが、２つの隣接する前記圧縮機ブレード間のほぼ中間に配置される、請求項１に記載の装置。
5. 前記スプリッタブレードは、該スプリッタブレードの後縁が前記ディスクに対して前記圧縮機ブレードの後縁とほぼ同じ軸方向位置にあるように位置付けられる、請求項１に記載の装置。
6. 前記スプリッタブレードのスパン寸法が、前記圧縮機ブレードのスパン寸法の５０％以下である、請求項１に記載の装置。
7. 前記スプリッタブレードのスパン寸法が、前記圧縮機ブレードのスパン寸法の３０％以下である、請求項１に記載の装置。
8. 前記スプリッタブレードの根元における翼弦寸法が、前記圧縮機ブレードの根元における翼弦寸法の５０％以下である、請求項７に記載の装置。
9. 前記スプリッタブレードの根元における翼弦寸法が、前記圧縮機ブレードの根元における翼弦寸法の５０％以下である、請求項１に記載の装置。
10. 複数の軸流段を備えた圧縮機装置であって、前記複数の軸流段のうちの少なくとも１つの選択された段が、
    中心軸線（１１）の周りに回転するように装着され、外周が非軸対称な表面プロファイルを有する流路面（２５，５０）を定めるディスク（３４）と、
    前記流路面から半径方向外向きに延び、各々が根元（５４）、先端（５６）、前縁（６２）、及び後縁（６４）を有する翼形軸流圧縮機ブレード（５２）のアレイと、
    前記圧縮機ブレードと交互し、各々が根元（１５４）、先端（１５６）、前縁（１６２）、及び後縁（１６４）を有する翼形スプリッタブレード（１５２）のアレイと、
    を含み、前記スプリッタブレードの根元における翼弦寸法及び前記スプリッタブレードのスパン寸法のうちの少なくとも１つが、前記圧縮機ブレードの対応する寸法よりも小さい、圧縮機装置。
11. 前記流路面が、隣接する前記圧縮機ブレード間に凹状スカラップを含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記スカラップが、前記圧縮機ブレードの根元に隣接して最小半径方向深さを有し、隣接する前記圧縮機ブレード間のほぼ中間の位置にて最大半径方向深さを有する、請求項１０に記載の装置。
13. 前記各スプリッタブレードが、２つの隣接する前記圧縮機ブレード間のほぼ中間に配置される、請求項１０に記載の装置。
14. 前記スプリッタブレードは、該スプリッタブレードの後縁が前記ディスクに対して前記圧縮機ブレードの後縁とほぼ同じ軸方向位置にあるように位置付けられる、請求項１０に記載の装置。
15. 前記スプリッタブレードのスパン寸法が、前記圧縮機ブレードのスパン寸法の５０％以下である、請求項１０に記載の装置。
16. 前記スプリッタブレードのスパン寸法が、前記圧縮機ブレードのスパン寸法の３０％以下である、請求項１０に記載の装置。
17. 前記スプリッタブレードの根元における翼弦寸法が、前記圧縮機ブレードの根元における翼弦寸法の５０％以下である、請求項１６に記載の装置。
18. 前記スプリッタブレードの根元における翼弦寸法が、前記圧縮機ブレードの根元における翼弦寸法の５０％以下である、請求項１０に記載の装置。
19. 前記選択された段が、前記圧縮機の後方半部分内に配置される、請求項１０に記載の装置。
20. 前記選択された段が、前記圧縮機の最後尾の段である、請求項１０に記載の装置。