JP4889123B2 - ターボ機械用可動ブレード - Google Patents

Description

本発明はターボ機械用可動ブレードに関する。それはあらゆる種類のターボ機械、ターボジェット、ターボプロップ、地上ガスタービンに用いることができる。

さらに詳細には、本発明は頂部プラットフォームのない可動ブレードに関する。ブレードはその頂端部にプラットフォームを有さないとき頂部プラットフォームがないと言われる。

図１から図３は、ターボジェット中のタービン（または圧縮機）のロータディスク上に載せられた、頂部プラットフォームのない従来型の可動ブレードを示す。

その従来技術のブレード８はエアロフォイルが上に載る固定根元部１０を含み、エアロフォイルは端部面１４と圧力側および吸引側面１６および１８を有し、固定根元部１０および上記端部面１４はそれぞれブレードの主方向Ａに沿って間隔を置くブレードの底部および頂端部に配置され、ブレード１２はその圧力側の頂縁部にその端部面１４の部分２４とその圧力側面１６の頂部部分２２との間に画定される突起縁部２０を有し、これらの部分２２と２４は互いの間に平均縁部角度Ｂを形成する。平均縁部角度は、部分２２と２４との間の縁部に沿う様々な点で測定した縁部角度の平均をとって求められ、各角度は対象点の縁部の接線に直角の面で測定される。図２において、簡略化のため部分２２と２４との間の縁部角度は、図２の面で測定して、平均縁部角度Ｂに等しいと仮定している。

ターボジェットは回転軸Ｒを有するロータディスク２６を有し、ブレード８はディスク２６の円周に分配され、それらはディスクから放射状に延びる。各ブレード８の主方向Ａは軸Ｒに対して放射状の方向に一致する。ブレード８は筐体リング２８で外部を取り囲まれ、間隙Ｉ（図２参照）が各ブレードの端部面１４と上記リング２８との間に残る。

本明細書においてターボジェットを通過する空気の流れＦの流れ方向に関して上流と下流が画定される。参照Ｆ１およびＦ２は、図３の断面ＩＩＩ−ＩＩＩなどの主要方向Ａに直角な面、および図２の断面ＩＩ−ＩＩなどの主要方向Ａに平行な面内の流れＦのそれぞれの成分を示す。

乱流Ｃのゾーンが突起縁部２０から下流の流れＦに生成する（図２参照）。したがって、空隙Ｉを通過するためには、流れＦは縁部２０および乱流Ｃのゾーンを迂回しなければならない。この現象を説明するとき、流れＦは縁部でブレードから「分離する」と言われる。

分離が大きいほど間隙Ｉ中の流れＦの有効流れ断面が小さく、それによって間隙を通過する流れＦの画分が低減するので、それらの流れＦの間隙Ｉ中の分離をできる限り大きくすることが一般に望ましい。間隙Ｉを通過するこの流れＦはターボジェットの効率に寄与しない。分離を大きくすることによって、ターボジェットの効率は向上し、したがってその燃料消費は増加する。

分離を大きくするためには、図１から図３、およびＦＲ０５／０４８１１およびＵＳ６６７２８２９に記載された従来技術のブレードの例に示すように、平均縁部角度Ｂを厳密に９０°未満を選択することが知られている。
仏国特許第０５／０４８１１号明細書 米国特許第６６７２８２９号明細書

縁部での流れの分離をさらに大きくすることを探求する。

この目的を達成するために、本発明は頂部プラットフォームのないターボ機械可動ブレードを提供し、ブレードはエアロフォイルが上に載る固定根元部を含み、エアロフォイルは端部面および圧力側と吸引側面を有し、固定根元部および上記端部面はそれぞれブレードの主軸に沿って間隔を置くブレードの底部および頂端部に配置され、エアロフォイルはその圧力側の頂縁部に突起縁部を有し、突起縁部はその端部面の部分とその圧力側面の頂部部分との間に画定され、これらの部分は、ターボ機械を通過する流体の流れが上記縁部での分離を大きくするように、互いの間に厳密に９０°未満の平均縁部角度を形成し、ブレードは、圧力側面の頂部部分に波形が付けられ、ブレードの主軸に直角なあらゆる断面中、連続的に交互する凹湾曲と凸湾曲によって形成される輪郭に従うことを特徴とする。

本明細書において、湾曲は、その隆起部分がブレードの吸引側面に向かって延びるとき、凹であるとみなされる。逆に、湾曲は、その隆起部分がブレードの吸引側面から離れて延びるとき、凸であるとみなされる。

したがって、上記圧力側面は、上記凸湾曲によって画定されるブレードの主要方向に重なった隆起ゾーンと、上記凹湾曲によって画定されるブレードの主要方向に重なった後退ゾーンとを有する。

したがって、上記輪郭は、上記断面中の流体流れの成分に対して交互に緩やかに傾斜し急峻に傾斜する（通常のターボ機械の運転条件の下で）交互区画を有し、ブレードの圧力側壁の上記頂部部分は流れに対して緩やかに傾斜し急峻に傾斜するゾーンを有し、これらのゾーンは、ブレードの主要方向に重なった上記緩やかな傾斜と急峻な傾斜の区画によって画定される。

上記緩やかな傾斜のゾーンは流れを急峻な傾斜ゾーンに向かって案内する。したがって、流れの主要部分は上記縁部を通過する前に急峻な傾斜ゾーンを経由して通過する。しかし、上記急峻な傾斜ゾーンを経由して通過する流れについては、通り過ぎた縁部の角度（流れによって「見られる」角度）は、上記頂部部分が平滑である（すなわち、波形がない）場合よりも小さい。流れが通過する縁部角度のサイズが小さくなると分離は増加するので、平滑な部分よりも上記波形の頂部部分で良好な分離が得られる。したがって、これは間隙Ｉを通る流れの損失を低減する。

上記緩やかな傾斜の区画は、それらが上記成分と０°に近い角度を形成するように、断面中の流れの成分（通常のターボ機械の運転条件下で）に沿って配向されるのが有利である。このようにして、流れは上記縁部を通過する前に緩やかな傾斜のゾーンを経由して通過せず（それはそれらを「見ない」）、専ら急峻な傾斜ゾーンを経由して通過する。

上記急峻な傾斜の区画は、これらの成分に対してそれらが９０°に近い角度を形成するように、断面中の流れの成分（通常のターボ機械の運転条件下で）に対して横断方向に配向されるのが有利である。流れが通り過ぎる縁部角度が最小であり、したがって、間隙中の流れの分離が最大であるのはこの配向である。言い換えれば、急峻な傾斜のゾーンが上記断面中の流体流れの成分に面するとき分離は最大である。

本発明およびその利点は以下の詳細な説明を読み取ることによってより良好に理解することができるであろう。説明は付属図面を参照する。

図１から図３は上述の通りである。

図４から図６を参照すれば、本発明のブレード１０８の第１実施形態の説明が続く。このブレード１０８と図１から図３のブレードとの間で類似の要素は同じ参照符号に１００を加えて識別される。

ブレード１０８はその圧力側壁１１６の頂部部分１２２のブレードとは異なる。

ブレード１０８はエアロフォイル１１２が上に載る固定根元部１１０を有し、エアロフォイルは端部面１１４と圧力側および吸引側の面１１６および１１８を有する。固定根元部１１０および端部面１１４は底端部とブレードの主要方向Ａに沿って頂端部１０８との間にそれぞれ配置される。エアロフォイル１１２は、その圧力側の頂縁部に、端部面１１４の一部１２４と圧力側面１１６の頂部部分１２２との間に画定される突起縁部１２０を有する。部分１２２と１２４はそれらの間に厳密に９０°未満の平均縁部角度Ｂを形成する。

本発明によれば、圧力側面の頂部部分１２２は、ブレードの主要方向Ａに直角な任意の断面、特に断面ＶＩ−ＶＩにおいて、凹と凸が連続的に交互する湾曲１２９、１３１によって形成される輪郭１３０に従うように波形にされる。したがって、この輪郭１３０は、対象とする断面、ここでは面ＶＩ−ＶＩ中で、流れＦの成分Ｆ１に対してそれぞれ交互に緩やかに傾斜し急峻に傾斜する区画１３０ａおよび１３０ｂを有する。

緩やかに傾斜する区画１３０ｂは、全体的に断面ＶＩ−ＶＩ中の流れの成分Ｆ１に沿って配向され、急峻に傾斜する区画１３０ａはこの面中の流れの成分Ｆ１に対して全体的に横断方向に配向される。このようにして、流れＦは専ら間隙Ｉを通過する前に急峻に傾斜する区画１３０ａに沿って通過する。急峻に傾斜する区画１３０ａは流れＦ（さらに詳細には流れの成分Ｆ１）に面しているので、縁部１２０での流れＦの分離は、図１から図３の実施例で得られる分離に比べて向上する。

図４から図６の実施例において、ブレード１０８はその頂端部に、端部壁１３４、圧力側リム１３６、および吸引側リム１３８によって画定される開口空洞１３２を含む。上記突起縁部１２０は圧力側リム１３６上に上記リムの端部面（端部面１１４の上記部分１２４に相当する）と上記リムの圧力側面（圧力側面１１６の上記頂部部分１２２の形成部分）との間に形成される。

本実施形態において、ブレードは内部冷却通路１４２および上記冷却通路１４２に連絡する少なくとも１つの冷却チャネル１４０を含むことを観察すべきである。

チャネル１４０は、圧力側面の頂部部分１２２の隆起波形ゾーンに位置合わせされて、すなわち、輪郭１３０の凸湾曲１３１に位置合わせされて端部面の上記部分１２４で開口するのが有利である（図６参照）。より多くの材料が存在するのはこれらの隆起ゾーンであり、したがって、チャネル１４０を形成する（例えばドリル穴あけによって）のが容易である。

図７を参照して、本発明のブレード２０８の第２実施形態の説明が続く。このブレード２０８と図４から図６のブレード間の類似要素は同じ参照符号に１００を加えて識別される。

図７のブレード２０８は図４から図６のそれとは圧力側面２１６の波形にされた頂部部分２２２が異なる。この頂部部分２２２はブレードの前縁から遠く離れて始まる。

これは少量の流れだけがブレードの前縁に近いゾーンＪ中の間隙Ｉを通過する事実を考慮に入れている。図７を参照すれば、流れの約２０％がゾーンＪ中の間隙Ｉを通過し、流れの残りの８０％はゾーンＫ中の間隙Ｉを通過することが推定される。したがって、本発明による波形の存在は（すなわち、輪郭２３０に沿って連続的に交互する凹湾曲２２９および凸湾曲２３１）はゾーンＫで最も多く用いられる。ゾーンＪは前縁から始まるブレードの圧力側面の約１／４を含み、ゾーンＫは残りの３／４を含む。

図８を参照して、本発明のブレード３０８の説明が続く。このブレード３０８と図４から図６のブレード間の類似要素は同じ参照符号に２００を加えて識別される。

図８の実施形態はブレード３０８の頂端部に開口空洞がなく、したがって、圧力側リムも吸引側リムもない点で図４から図６の実施形態とは異なる。

図９を参照して、本発明のブレード４０８の第４実施形態の説明が続く。このブレード４０８と図４から図６のブレード間の類似要素は同じ参照符号に３００を加えて識別される。

図９の実施形態はブレード４０８の圧力側リム４３６が圧力側面の残りに対して後退する点で図４から図６の実施形態とは異なる。圧力側面４１６の頂部部分４２２は圧力側リム４３６の圧力側面に相当する。

したがって、最初の３つの実施形態において、圧力側面１１６、２１６、３１６の頂部部分１２２、２２２、３２２はブレードの圧力側面の残りに対してオーバーハングするが、この第４実施形態において、圧力側面４１６の頂部部分４２２はブレードの圧力側面の残りに対して後退する。

頂部部分４２２はブレードの端部面の部分４２４と協働して厳密に９０°未満の平均縁部角度Ｂを形成する。

さらに、この第４実施形態において、圧力側リム４３６はその長さ全体にわたって波形にされ、圧力側に向かって傾斜する（したがって、リム４３６の吸引側壁４２３さえ波形にされる）ことを観察すべきである。圧力側リム４３６はその長さ全体、すなわち、ブレードの前縁から後縁にわたって波形にすることができ、またはその長さの一部だけが波形にされる。

図５の実施形態と同様に、図９のブレードの実施形態は内部冷却通路４４０および上記通路に連絡する冷却チャネル４４２を有する。対照的に、冷却チャネル４４０はブレードの端部面の部分４２４に開口しないが、上記リムの波形の後退ゾーン中の圧力側リム４３６の基部に、すなわち、輪郭４３０の凹湾曲４２９に位置合わせされて開口する。この位置に冷却チャネル４４０を作るのは容易である。さらに、チャネル４４０によって送達される冷却空気は間隙Ｉに達する前に、圧力側壁の頂部部分４２２に沿って上昇する（従ってこの壁を冷却する働きをする）。

図１１を参照して、本発明のブレード５０８の第５実施形態の説明が続く。このブレード５０８と図４から図６のブレード間の類似要素は同じ参照符号に４００を加えて識別される。

図１１の実施形態のブレード５０８は、ブレードの吸引側リム５３８が波形にされ、圧力側リム５３６と同様に圧力側に向かって傾斜する点で図９から図１０の実施形態とは異なる。したがって、他の突起縁部５５０は端部面５５４と吸引側リム５３８の圧力側面５５６との間に画定される。それらの間に、これらの部分は、縁部５５０の上でターボ機械を通過する流体の流れＦの分離を大きくするために、厳密に９０°未満の平均縁部角度Ｇを形成する。吸引側リム５３８の圧力側面５５６は波形にされ、それは、上記輪郭が上記断面中の流れＦの成分Ｆ１に対して緩やかに傾斜し急峻に傾斜する区画を交互に有するように、ブレードの主要軸Ａに直角な任意の断面中で連続的に交互する凹湾曲と凸湾曲によって形成される輪郭に従う。

上記実施形態において、ブレードはターボジェットのタービンロータの部分を形成するものとして説明される。いずれにしろ、間隙Ｉを経由して通過する流れＦに伴う効率損失は他の種類のターボ機械にも見出されるので、本発明は他の種類のターボ機械に使用できることは明らかである。

従来技術型のブレードを設けたターボジェットの一部を示す斜視図である。 ブレードの縁部の点Ｄの接線に直角な面ＩＩ−ＩＩ上の図１のブレードを示す断面図である。 ブレードの圧力側の頂部部分で交差し、点Ｄを含むブレードの主要方向Ａに直角な面ＩＩＩ−ＩＩＩ上の図１のブレードの断面を示す図である。 本発明のブレードの第１実施形態を設けたターボジェットの一部の斜視図である。 ブレードの縁部の点Ｄの接線に直角な面Ｖ−Ｖ上の図４のブレードを示す断面図である。 ブレードの圧力側面の波形を付けた頂部部分で交差し、点Ｄを含むブレードの主要方向Ａに直角な面ＶＩ−ＶＩ上の図４のブレードの断面を示す図である。 図６のそれに類似した、本発明のブレードの第２実施形態を示す断面図である。 図５のそれに類似した、本発明のブレードの第３実施形態を示す断面図である。 図５のそれに類似した、本発明の第４ブレードを示す面ＩＸ−ＩＸ上の断面図である。 図６のそれに類似した、図９のブレードを示す面Ｘ−Ｘ上の断面図である。 図５のそれに類似した、本発明のブレードの第５実施形態を示す断面図である。

符号の説明

８、１２、１８、１０８、２０８、３０８、４０８、５０８ ブレード
１０、１１０ 固定根元部
１４、１１４、４２４、５５４ 端部面
１６、１１６、２１６、３１６、４１６、５５６ 圧力側面
１８、１１８ 吸引側面
２０、１２０、５５０ 突起縁部
２２、１２２、３２２、４２２ 頂部部分
２６ 回転ディスク
２８ 筐体リング
１１２ エアロフォイル
１２９、４２９ 凹湾曲
１３０、１３１、２３０、４３０ 輪郭
１３０ａ 緩やかに傾斜する区画
１３０ｂ 急峻に傾斜する区画
１３１、２３１ 凸湾曲
１３２ 開口空洞
１３４ 端部壁
１３６、４３６ 圧力側リム
１３８、５３８ 吸引側リム
１４０、４４２ 冷却チャネル
１４２、４４０ 内部冷却通路
２２２ 波形にされた頂部部分
２２９ 連続的な凹湾曲
４２３ 吸引側壁
Ａ 主方向
Ｂ 平均縁部角度
Ｃ 乱流
Ｆ 流れ
Ｇ 平均縁部角度
Ｉ 間隙
Ｒ 回転軸

Claims (9)

1. 頂部プラットフォームのないターボ機械可動ブレードであって、ブレードはエアロフォイル（１１２）が上に載る固定根元部（１１０）を含み、エアロフォイルは端部面（１１４）および圧力側面と吸引側面（１１６と１１８）を有し、固定根元部および前記端部面はそれぞれブレードの主軸（Ａ）に沿って間隔を置くブレードの底部および頂端部に配置され、エアロフォイルはその圧力側面の頂部部分に突起縁部（１２０）を有し、突起縁部はその端部面の部分（１２４）と圧力側面の頂部部分（１２２）との間に画定され、これらの部分は互いの間に厳密に９０°未満の平均縁部角度（Ｂ）を形成してターボ機械を通過する流体の流れ（Ｆ）が前記縁部で分離するのを促進し、ブレードは圧力側面の頂部部分（１２２）に波形が付けられ、ブレードの主要軸に直角な任意の断面で連続的に交互する凹湾曲（１２９）と凸湾曲（１３１）によって形成される輪郭（１３０）に従うことを特徴とする、ターボ機械可動ブレード。
2. 圧力側面の前記頂部部分（１２２）がブレードの圧力側面の残りに対して隆起する、請求項１に記載のターボ機械ブレード。
3. 頂端部に端部壁（１３４）と、圧力側リム（１３６）と、吸引側リム（１３８）とによって画定される開口空洞（１３２）を有し、前記突起縁部（１２０）が端部面と圧力側リムの波形を付けられた圧力側面との間の圧力側リム上に形成される、請求項１または２に記載のターボ機械ブレード。
4. 内部冷却通路（１４２）および前記内部冷却通路に連絡する少なくとも１つの冷却チャネル（１４０）を含み、チャネルが、圧力側面の頂部部分（１２２）の波形中の隆起ゾーンに位置合わせされて、前記端部面の部分（１２４）に開口する、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボ機械ブレード。
5. 圧力側リム（４３６）が波形にされ、圧力側に向かって傾斜する、請求項３に記載のターボ機械ブレード。
6. 内部冷却通路（４４２）および前記内部冷却通路に連絡する少なくとも１つの冷却チャネル（４４０）を含み、前記チャネルが、前記リムの波形の後退ゾーンに位置合わせされて圧力側リム（４３６）の基部に開口する、請求項５に記載のターボ機械ブレード。
7. 他の突起縁部（５５０）が端部面と吸引側リム（５３８）の圧力側面との間に画定され、これらの部分はそれらの間に厳密に９０°未満の平均縁部角度（Ｇ）を形成してターボ機械を通過する流体の流れ（Ｆ）が前記他の縁部で分離するのを促進し、吸引側リム（５３８）の圧力側面は、波形が付けられ、ブレードの主要軸に直角な任意の断面で連続的に交互する凹湾曲と凸湾曲によって形成される輪郭に従う、請求項３に記載のターボ機械ブレード。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のブレードを含む、タービン。
9. 請求項８に記載のタービンを含む、ターボ機械。

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