JP4148872B2 - ケーシング、コンプレッサ、タービンおよびそのようなケーシングを含む燃焼タービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、一連の固定羽根を支持するケーシングに関し、固定羽根の間に、長手方向軸を中心にして回転可能な一連の可動羽根が配置され、上記可動羽根の半径方向の外端部は、ケーシング、特に航空ターボジェットエンジンに使用されるケーシングの内部面に近接する。

本発明はまた、コンプレッサ、特に軸方向型のコンプレッサ、特別に、低圧で作動し上述のようなケーシングを含むコンプレッサを製造することに関する。

この種類のコンプレッサは、特にターボジェットエンジンに使用され、１つずつ積み重ねられる別個のディスクの連続か、または、様々なステージを構成する一連の羽根を支持するように設計された単一のドラムか、のいずれかを具備するロータによって構成される。

従来、ロータは、隣接するステージの対の間にステータステージの羽根が受け入れられるように空間を形成するため、機械加工によって作られる窪みまたは保持溝を含み、羽根はケーシングを呈する静止部分に固定される。

ケーシングは、ターボマシンを通って流れる空気が沿う流れの線（ｆｉｌａｍｅｎｔ ｏｆ ｆｌｏｗ）から半径方向の外側に境界のセグメントを形成する。

従来のやり方で、可動羽根は、規則的に分配され羽根の数に等しいハウジングを介してドラムに個別に留められ、ハウジングの形状は、羽根の根本部分と形状上補完的であって互いに結合し合うように決定され、それによって、たとえば鳩尾型の締結によって羽根が半径方向に保持されることを確実にする。各羽根の根本部分をそのハウジングに対して、特に軸方向に、並進保持するために、各羽根は通常、ボール、ピン、ステープル、フランジ、スペーサ等を含むシステムによって個別に保持される。

ターボジェットエンジンが作動している間に、特に今日の民生用エンジンでは、熱気によって到達する温度および圧力を仮定すると、万一のサージングの場合には調整機能を提供することが必要である。

サージングは、エンジン内で生じる現象であり、回避されるべきものである。その理由は、これが、気圧または気流速度における突然の変動をもたらし、羽根に対してかなりのレベルの機械応力を加え、そのため、羽根が弱化するか又は壊れさえすることがあるからである。この現象は、特に羽根の先端において、羽根の先端とケーシングとの間に存在する空気の境界層内で発生し、減少した圧力の局所的ポケットを生じさせ、いわゆる「キャビテーション」現象を生じさせる。

現在、サージングを調整する機能はブリード弁またはアンローダ弁によって提供され、これは、この境界層が吸引されるのを可能にし、それによって、エンジン定格を低下させ、一方、エンジン内に、特に高圧で作動するコンプレッサを備えたエンジン内に、貫入する可能性のある水および／または氷を排出するようにも作用する。それにもかかわらず、そのようなブリード弁またはアンローダ弁は、比較的高価であり脆弱であり、しかも、電力供給および徹底的なメンテナンスを必要とする。

このため、ケーシングに孔を開けて、制御され得る状態で漏れを実現するという提案がなされた。しかし、その解決法は、エネルギ効率の点からは好ましいものではない。それは、この解決方法は、上記の流れの線の外側部分と直接に連通するような空気の流れを形成するからである。

フランス標準ＰＲ Ｌ １９−０００

本発明の目的は、ブリード弁またはアンローダ弁の使用を回避するか最小限にすることを可能にしながら、それにもかかわらず、過剰なエネルギ損失を回避するケーシングを提供することである。

本発明の目的は、したがって、現在のサージングの許容度を増加することによって、エンジンの効率を減少することなく、サージング現象の局所的な減少を可能とすることである。

この目的のために、本発明によれば、ケーシングは、主要要素と、一連の可動羽根の１つに少なくとも面し、管状気泡（またはハニカム）を有する気泡状材料製のプレートと、このプレートの面のうち羽根とは反対側の面に配置されて上記気泡は羽根に向かって開口するカバーと、を備えるアセンブリと、具備する。上記のカバーには、プレートの気泡へと開口する穴が設けられ、それによって連続気泡が形成され、また、上記カバーはプレートの他の気泡を閉鎖し、それによって独立気泡を形成し、さらに、上記プレートと上記主要要素の内部面との間にキャビティが形成される。

このように、ハニカムプレート（すなわち重量が軽く且つ強い構造物）に連続気泡があるため、サージング現象を避けるように、空気を境界層から上記のキャビティ内に排気できることが理解される。そのような配列は、ハニカムプレートの適合性及び装着の容易性のため実施することも容易である。

この解決法は更なる利点をも提供する。すなわち、上記プレートと上記主要要素の内部面との間にキャビティがあるため、羽根のステージ側且つ／またはそれから下流にある境界層から取られた上記圧縮された空気の再循環を確立させることができ、したがって、第１に漏れ速度を調整しつつ、第２に羽根のステージから上流の圧力を増加することを可能にする。

全体として、本発明のこの配列は、上述の空気が再循環するため、エンジン定格を低下することなく、サージング現象を導きがちである境界層での吸引を可能にし、それによって、その定格が最適動作線に近いシステムの安定性を改良することが可能である。

好ましくは、上記アセンブリは、上記カバーと上記主要要素の内部面との間に位置するようにオリフィスによって貫通された金属のシートを更に具備し、上記キャビティは上記シートと上記主要要素の内部面との間に形成され、上記オリフィスの少なくともいくつかは連続気泡に整列するように位置する。

この貫通された金属のシートは、境界層から取られ且つ更に上流に再注入される空気の流れを方向づけるのに寄与する。これは、キャビティ内の乱気流を制限し、したがって騒音性能を改良するようにも作用する。

好ましくは、上記気泡のすべては同一の主要方向に配向され、これは、上記長手方向軸に垂直であるか、または、流体および特に空気の流れ方向と反対の方向から測定されたときに、上記長手方向に対して鋭角を形成するかのいずれかである。

そのような角度は、圧縮された空気が取られ逆流方向に配向された気泡状構造物によって再循環される状態を修正し、したがって制御することに資する。

好適である別の配置において、上記連続気泡の少なくともいくつかは上流に位置し、他方は上記一連の可動羽根から下流に位置する。これは、その挙動が改良されるべきホイール（一連の可動羽根）から下流に位置する境界層の再循環を保証する。この配置は、検討されるべき一連の可動羽根および／または他の一連の可動羽根を延在させるセグメントにも連続気泡を配置するように組み合わされてもよい。

好適な実施形態において、上記プレートの独立気泡の少なくともいくつかは、磨耗材料で満たされる。この解決法は、プレートに「研磨可能」な特性を加える。このようにして、本発明のケーシングの上記アセンブリは、羽根の先端によって「研磨可能」な機能を奏するようにも作用し、すなわち、除去されるかまたは腐食されるのに適切な磨耗材料を使用することに対応し、すなわち、これは、羽根の先端に対する摩擦によって磨耗される。

好ましくは、上記磨耗材料は、樹脂、シリコーン、シリコーン樹脂によって形成されるグループに属する物質の１つを含む。

上述した配置に組み合わせることができる別の配置において、上記磨耗材料は、中空ビーズ、特にガラスビーズを含む。

本発明は、コンプレッサ特に軸方向コンプレッサも提供し、特に、そのステータとして上記に規定されたようなケーシングを有する低圧コンプレッサを提供する。

本発明は、燃焼ターボシャフトエンジンも提供し、特に、上記に特定された種類のコンプレッサを含むターボジェットエンジンを提供する。

最後に、本発明は、上記に特定された種類のケーシングを含むタービンも提供する。

本発明の他の利点および特徴は、例として為される下記の説明を読み添付の図面を参照すれば明らかである。

可動部分（斜線部）を備えた軸方向ターボジェットエンジン１００を示す図１からわかるように、ターボジェットエンジンの主要部材は、上流端から下流端へ、ファン１０２、コンプレッサ１０４、燃焼室１０６、シャフト１１０が取り付けられたタービン１０８、及び排気ダクト１１２、を具備する。

図２は、図１の一部を拡大した縮尺で示す。

より正確には、図２は、図１に示されるものと同一の種類のターボジェットエンジンの前部部分１０の半体を通る断面であり、この半体は、対称の軸を形成する長手方向軸１２の一方の側に位置し、その軸を中心にして様々な要素が回転し、特に、ターボジェットエンジンの様々な可動要素が回転する。

より正確には、長手方向軸１２のまわりに軸方向に配置されそのようなターボジェットエンジンの従来の構造物を形成する様々な要素の中で、図２は、低圧で作動するコンプレッサ１０４及びファン１０２を示す。

ファン１０２は、半径方向に延在し環状ディスク２０に装着される一連の羽根１８を具備し、これらの羽根１８の１枚のみが図２に示される。当然のことながら、ディスク２０および羽根１８は、ターボジェットエンジンの長手方向軸１２を中心に回転するように装着される。

図２において、空気ストリームの流れ方向は、下流部分（図１の右側）の上流方向（図１の左側）を規定する。

明瞭化のため、そのようなターボジェットエンジンの他の従来の要素は省略されており、特に、コンプレッサ１０４から下流に位置する要素および長手方向軸１２から半径方向に遠く離れて位置する要素は省略されていることを理解すべきである。

コンプレッサ１０４は、回転方向に可動であり且つファン１０２のディスク２０に固定されたディスクまたはドラム２４に装着される複数の一連の羽根２２を具備する。

図２に、３つの一連の羽根２２と、その間でケーシング２８対して装着された５つの一連の固定羽根２６とが示されている。

本発明によるこのケーシング２８の構造は、図３から５を参照して以下により詳細に説明される。

一般に、空気の流れの方向は矢印３０で示され、一方、矢印３２はコンプレッサ１０４の羽根２２の回転の方向を示す。

ケーシング２８は、ケーシング２８の荷重負担構造物であって外部から空気の流れのセクション（流れの線）を分離する主要要素３４を具備する。この主要要素３４はしたがって、従来の先行技術のケーシングの形態に本質的に対応する。

主要要素３４は、処理されるべき一連の羽根２２の各々に面して配置される環状溝３６を有する。

図３からわかるように、長手方向軸１２の方向におけるこれらの環状溝３６の長さは、上記長手方向軸１２に沿った羽根２２の長さよりもわずかに長い（図３は、図２の長手方向軸１２に対して平行である軸１２’を示す）。

環状溝３６は、管状気泡（互いに積み重ねられる膨張シートから作られたハニカム）を有する気泡材料製のプレート３８と、このプレート３８の面のうち羽根２２から遠い側の面に配置されるスキンを形成するカバー４０と、プレート３８のカバー４０と環状溝３６の底部との間に配置された金属シート４２と、を具備するアセンブリのためのハウジングとしての役割を有する。

カバー４０は、プレート３８の気泡のいくつかに一致して配置され連続気泡３８ａを構成する穴４０ａを有する。しかし、プレート３８の気泡のすべてが穴４０ａによりプレート３８の底端で開口しているわけではなく、そのため、独立気泡３８ｂも同様に残る。

独立気泡３８ｂは、羽根２２から遠い側の端部でカバー４０によって閉鎖されるが、羽根２２に向って面する端部は開口している。

有利なことに、独立気泡３８ｂは磨耗材料４４に対して整列されており、したがって、プレート３８が研磨可能要素として作用することを可能にし、すなわち、場所によっては、羽根２２の自由端によって磨り減るかまたは除去される要素である（図５参照）。

図４にも見ることができるように、金属シート４２は、カバー４０の穴４０ａに一致して位置するオリフィス４２ａによって貫通される。それにもかかわらず、オリフィス４２ａの位置、分布および頻度は、貫通された金属シート２２が騒音または音響性能を改良するのに寄与するように、修正されることができる。

図４に見ることができるように、上述の配列により、溝３６の底部と金属シート４２との間にデッドキャビティ４６が形成されることとなり、このキャビティは、以下に詳細に記載されるように、空気再循環機能を果たす。

プレート３８はこのようにして気泡３８ａ、３８ｂの列３８ｃを有し、これらの列３８ｃの１つが図４の断面に見える。これらの気泡の列３８ｃは、長手方向軸１２に平行である軸１２’と角度αを形成するように配向される。

有利なことに鋭角であるこの角度αは、０度から９０度の範囲であってよく、好ましくは１５度から４５度の範囲であり、好ましくは実質的に３０度に等しい。この角度αは、セクション設定角度、すなわち、長手方向軸１２（ターボジェットエンジンの回転の軸）と、羽根の先端に位置してその前縁（ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ）および後縁（ｔａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ）を通る直線との間に形成される角度に近くなるように選択される。

プレート３８の気泡３８ａ、３８ｂは、また、長手方向軸１２に直交し且つコンプレッサ１０４の半径方向または横方向の平面に平行な垂直軸１３に対して角度βで傾斜する。

この角度βは、−９０度から＋９０度の範囲であってよく（円周方向溝用）、羽根の先端における速度ベクトルに依存する。

図３に見ることができるように、気泡３８ａ、３８ｂは断面が六角形であるが、当然のことながら他の形状を使用することができることを理解すべきであり、矩形、柔構造、多重波、補強六角形、円筒形、正弦波形、方形、十字形、ずれた六角形、および、強化方形を含む（特に、航空および宇宙の分野で使用するための管状気泡を有する気泡状材料の全体的考察に関するフランス標準ＰＲ Ｌ １９−０００の７頁を参照）。

従来のやり方で、ハニカムプレート３８を作るのに使用されるシートは、アルミニウム合金、チタン合金、鋼または他の金属から、または、実際に非金属複合材料から、作られる。

アルミニウム合金、又は「ノーメックス」（Ｎｏｍｅｘ）（登録商標）、すなわち、ポリ（メタフェニレンイソフタルアミド）により構成された温度安定アラミド織物繊維から作られたプレート３８を使用することが好適である。

気泡３８ａ、３８ｂの長さｌは、所望の結果が得られるように修正されてもよい。デッドキャビティ４６は、連続気泡３８ａによって構成されるチャネルを経由して空気入口および出口に対応して空気が再循環するのを可能にすることを理解すべきである。

特に、図５に見ることができるように、羽根２２の回転中に、羽根２２の自由先端がプレート３８の様々な気泡上を走査し、それによって、連続気泡３８ａを各羽根２２の位置に依存して異なる圧力状態に晒す。このようにして、図５において、羽根２２の面２２ａはその低圧側に対応し、一方、面２２ｂはより高い圧力を受ける側部に対応し、矢印３２は羽根２２の回転の方向を示している。

たとえば、図３に示される連続気泡３８ａ_１および羽根２２_１を考慮すると、当初位置に対応する位置において、連続気泡３８ａ_１は羽根２２_１の高圧側２２ｂに位置する。しかし、羽根が矢印３２の方向に回転して進むと、連続気泡３８ａ_１は続いて、羽根２２_１のその後の位置に対応する面２２ａの低圧側の圧力を受け、羽根２２_１が当初位置にあるときには羽根３８ａ_１も同様である。

このようにして、図５に示されるように、当初は羽根２２の高圧側２２ｂに対応する圧力を受けた連続気泡３８ａ_２は、羽根が上記気泡３８ａ_２を通り過ぎるときに羽根２２の低圧を受ける面２２ａのそばで、ある種の空気ジェットを生成するが（矢印４８）、これは高圧を受ける羽根２２の面２２ｂの近くの空気の流れ（矢印５０）が前もって入るためである。

同一の現象が連続気泡３８ａ_１にも発生し、図５に示される当初位置では、この連続気泡３８ａ_１が高圧を受ける羽根の面２２ｂのそばに位置するため、空気が生成される（矢印５０）。

修正することができる他のパラメータの中で、気泡３８ａ、３８ｂの断面の平均寸法ｄ（図５参照）は、羽根２２の厚さｅに実質的に等しいことが好ましい。

プレート３８の気泡の長さｌは、寸法ｄ以上であるが好ましく、上記寸法ｄの２倍から１０倍の範囲であることが好ましい。

このようにして、上述のように空気の再循環のため（矢印５０および４８）、各羽根２２の自由先端とプレート３８との間に位置する境界層に含まれる空気の一部を抜き出すことによって、サージング現象が防止されることが理解される。

このようにして、羽根の先端での空気の漏れは失われずに再注入され、そのため、効率の損失はなく、制御された漏れがサージング状態を調整するのに資すると言えることが理解される。

「研磨可能」特性に関して、磨耗材料４４が多数の異なる材料によって構成されてもよく、その中で、好適な材料は、樹脂、シリコーン、シリコーン樹脂によって形成されるグループに属し、有利なことには中空ビーズ、特にガラスビーズを加えたものである。

「ミネソタＥｃ３５２４」（Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｅｃ ３５２４）として公知の樹脂等のガラスビーズで満たされた樹脂を使用することができる。中空ガラスビーズで満たされたシリコーン樹脂として、特に、「ＲＴＶ１４７／１４８」として公知の樹脂が挙げられる。

図３において、気泡３８ａ、３８ｂの各列３８ｃについては、３つの気泡ごとに１つの連続気泡３８ａがあるが、他の分布を使用することもできる。

同様に、図３において、７つの気泡の列３８ｃごとに連続気泡３８ａと独立気泡３８ｂとの間のずれが示されるが、他の分布を使用することもできる。

下記のパラメータは、ケーシング２８によって実行される処理を最適化するために利用可能である。すなわち、プレート３８の気泡３８ａ、３８ｂの密度；気泡の伸張した形状（それらの断面の形状）；流れセクションに対して形成される角度（角度βに関連して）；連続気泡３８ａの数の独立気泡３８ｂの数に対する割合；連続気泡および独立気泡の位置および配向；連続気泡３８ａの断面サイズおよび独立気泡３８ｂに対する連続気泡３８ａのために選択された位置；ハニカムプレート３８の厚さ；等である。

溝３６内にアセンブリ３８、４０、４２を位置決めすることは、１以上の一連の羽根２２、隣接する一連の羽根または一定の一連の羽根、のみに拡張することができることも観察されるべきである。

全体長さに対して溝３６を呈する主要要素３８のための準備を整えることもでき、そのため、コンプレッサ１０４全体およびその中に含まれる一連の羽根２２のすべてが、単一のアセンブリ３８、４０、４２によって処理され、空気が各グリッド内を再循環するのを可能にする。

最後に、その「研磨可能」特性に加えて、アセンブリ３８、４０、４２は基本的に、コンプレッサ１０４内の空気境界層の圧力状態を安定するように作用することが、これまでの記載から理解される。

一般に、管状気泡（またはハニカム）を有する気泡状材料製のプレートを使用することは、使用することができるすべての可能な種類の材料、および、気泡として可能な形状（傾斜および断面形状）およびサイズ（長さおよび断面サイズ）を仮定すると、容易であり適合可能である。

ターボジェットエンジンの概略長手方向断面図である。 ターボジェットエンジンの前部部分の半体部分断面図であり、ファンおよび本発明のケーシングが適合した低圧コンプレッサを示す。 断面で示される羽根の自由端を備えた本発明のケーシングのセグメントの平面図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶの断面図である。 拡大縮尺であり、羽根の自由端および本発明のケーシングの隣接する部分を示す。

符号の説明

１０ 前部部分
１２、１２’ 長手方向軸
１３ 垂直軸
１８、２２、２２_１ 羽根
２０ 環状ディスク
２２ａ、２２ｂ 面
２３、３０、３２、４８、５０ 矢印
２４ ディスク
２６ 固定羽根
２８ ケーシング
３４ 主要要素
３６ 環状溝
３８ プレート
３８ａ、３８ａ_１、３８ａ_２ 連続気泡
３８ｂ 独立気泡
３８ｃ 気泡の列
４０ カバー
４０ａ 穴
４２ 金属シート
４２ａ オリフィス
４４ 磨耗材料
４６ デッドキャビティ
１００ ターボジェットエンジン
１０２ ファン
１０４ コンプレッサ
１０６ 燃焼室
１０８ タービン
１１０ シャフト
１１２ 排気ダクト
α、β 角度

Claims (11)

1. 長手方向軸（１２）を中心として回転可能な一連の可動羽根（２２）が間に配置される一連の固定羽根（１８；２６）を支持し、前記可動羽根（２２）の半径方向の外側端部が内部面に近接するケーシング（２８）であって、前記ケーシング（２８）が、主要要素（３４）と、前記一連の可動羽根（２２）の少なくとも１つに面するアセンブリとを備え、該アセンブリは、管状気泡（またはハニカム）を有する気泡状材料製のプレート（３８）と、前記可動羽根（２２）とは反対の方向を向いた前記プレート（３８）の面に配置されそのため前記気泡（３８ａ、３８ｂ）を前記可動羽根（２２）に向かって開口させるカバー（４０）とを具備し、前記カバー（４０）には前記プレートの気泡へと開口する穴（４０ａ）が設けられて連続気泡（３８ａ）が形成され、前記カバーは前記プレートの他の気泡を閉鎖して独立気泡（３８ｂ）を形成し、前記プレート（３８）と前記主要要素（３４）の内部面との間にはキャビティ（４６）が形成されることを特徴とする、ケーシング（２８）。
2. 前記アセンブリは、前記カバー（４０）と前記主要要素（３４）の前記内部面との間に位置しオリフィス（４２ａ）によって貫通された金属のシート（４２）を更に具備し、前記キャビティ（４６）は前記シート（４２）と前記主要要素（３４）の前記内部面との間に形成され、前記オリフィス（４２ａ）の少なくとも１つが前記連続気泡（３８ａ）に一致して位置することを特徴とする、請求項１に記載のケーシング（２８）。
3. 前記気泡（３８ａ、３８ｂ）は、前記長手方向軸（１２）と前記可動羽根（２２）の先端に位置して該可動羽根の前縁および後縁を通る直線との間に形成される角度に近くなるように選択された角度（α）に沿った主要方向に配向されることを特徴とする、請求項１または２に記載のケーシング（２８）。
4. 前記角度（α）は、０度から９０度の範囲にあり、好ましくは１５度から４５度の範囲にあり、好ましくは実質的に３０度に等しいことを特徴とする、請求項３に記載のケーシング（２８）。
5. 前記連続気泡（３８ａ）の少なくとも１つが上流に位置し、他方は前記一連の可動羽根から下流に位置することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のケーシング（２８）。
6. 前記プレートの前記独立気泡（３８ｂ）の少なくとも１つが、磨耗材料（４４）で満たされることを特徴とする、請求項１または２に記載のケーシング（２８）。
7. 前記磨耗材料（４４）は、樹脂、シリコーンおよびシリコーン樹脂によって形成されるグループから選択された材料を含むことを特徴とする、請求項６に記載のケーシング（２８）。
8. 前記磨耗材料（４４）は、中空ビーズ、特にガラスビーズを含むことを特徴とする、請求項６に記載のケーシング（２８）。
9. 軸方向コンプレッサ（１０４）、特に低圧コンプレッサであって、そのステータとして請求項１から８のいずれか一項に記載のケーシング（２８）を含む、コンプレッサ。
10. 燃焼ターボシャフトエンジンまたはターボジェットエンジンであって、請求項９に記載のコンプレッサ（１０４）を含む、エンジン。
11. 請求項１から８のいずれか一項に記載のケーシング（２８）を含む、ターボジェットタービン（１０８）。

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