JP5145007B2 - ファンプラットフォームのフィン - Google Patents

Description

本発明は、一次流および二次流を有するバイパスターボ機械のためのファンプラットフォームであって、周囲を一次流が流れるノーズの表面の一部を画定するとともに、プラットフォームから半径方向外側へと延在するブレードを保持しているプラットフォームに関する。

ターボ機械においては、入り来る空気が２つの流れへと分割され、すなわちより中央の領域を流れる一次流と、一次流の周囲を囲む二次流とに分割される。一次流の半径方向外側の境界、すなわち一次流と二次流とが接する領域は、実質的にターボ機械の主軸に平行な軸の円筒を形成する。一次流の中央の領域は、ターボ機械のノーズに接触するに至ると、向きを変えてターボ機械のノーズの壁に従いつつ流れるが、このノーズは円錐形であって、ノーズの壁が徐々にターボ機械の主軸に平行になる周状の通路の入り口まで、空気の流れの方向に末広がりである。ノーズの円錐形の壁のうち、一次流の流れの方向に関して上記通路の上流の部分は、ファンプラットフォームと称されてブレードを保持すべく機能するプラットフォームによって構成されている。これらのブレードが、一次流の空気を圧縮して、軸回転運動を付与するように機能する。ファンのブレードの間を円錐に沿って上記通路の入り口まで進むことで、一次流は、向きを変えつつ円錐の壁と二次空気流との間で半径方向に圧縮され、その内側の境界が、ターボ機械の主軸から離れるように移動する。この機構が、圧縮され、かつ初期の平均半径（主軸からの平均距離）よりも大きな平均半径にてターボ機械の主軸に対して回転しているがゆえにより大きなエネルギーをもたらす空気を、上記通路の入り口において得るべく機能する。

一次流および二次流は、ターボ機械のノーズを囲んでいる周状の通路への入り口において分離し、一次流が上記通路へと進入する一方で、二次流は、上記通路の外側を画定している環状の壁の半径方向外側の表面に沿って流れる。上記通路には、半径方向に延びて一次流のさらなる圧縮を可能にするブレードが位置している。上記通路へと進入する一次流の空気を、この空気に対して上記通路の低圧圧縮機によって行われる圧縮の仕事を容易にするために、可能な限り強く圧縮しておくことが望ましい。ファンブレードによる一次流の空気の圧縮の効率は、ブレードの数が多くなるほど向上する。しかしながら、そのようなブレードは高価である。ブレードの数を少なくすることが有利であると考えられる。さらに、ブレードの数を少なくすることで、プラットフォームの重量、したがってプラットフォームの慣性が小さくなる。しかしながら、ブレードの少ないファンプラットフォームにおいては、ブレード間を通過する空気の圧縮がより困難になる。これは、下流の圧縮機によって実行される仕事を、より達成困難にしてしまう。

本発明は、これらの欠点を是正しようとし、あるいは少なくとも軽減しようとするものである。

本発明の目的は、ターボ機械のためのファンプラットフォームであって、プラットフォームによって保持される所与の数のブレードにおいて、一次流の空気を可能な限り効率的に圧縮できるようにするプラットフォームを提供することにある。

この目的は、プラットフォームが、隣り合う２つのブレードの間に、２つのブレードの間の空間へと突き出す少なくとも１つのリブを含み、このリブが、一次流の空気の圧縮に関与するように設計されるとともに、ブレードの間に画定される空間において、この空間のうちの一次流の流れの方向の最も下流の４０％以内に延びることで、達成される。

一次流が流れる空間へと突き出しているこれらのリブによって、ブレードの間を通過する一次流の空気が、リブなしの構成において考えられるよりも強く圧縮される。さらに、それぞれのリブが、リブのプラットフォームとの交わりの位置において、それぞれのブレードの前縁（すなわち、ブレードにおいて一次流の流れの方向における最も上流側の端部）から発現する渦の大きさを減衰させるべく機能する。これらの渦は、ブレードの性能を低下させるがために望ましくない乱流の領域である。このように、本発明のプラットフォームは、より多数のブレードを保持しているプラットフォームと実質的に同じように効率的であるが、リブがブレードの一部を置き換えつつ、ブレードよりも安価に製作され、より材料が少ないため、全体としてより安価かつより軽量である。

有利には、上記少なくとも１つのリブが、ブレードの間に画定される空間において、一次流の流れの方向の最も下流の３０％以内に延びている。

このリブの位置は、ブレードの前縁から発現してブレード間の空気の流れを乱す乱流の領域を生じさせる渦の大きさを、衰えさせるように機能する。

あくまで本発明を例示に限定されることなく提示される実施の形態についての以下の詳細な説明を検討することによって、本発明をよく理解することができ、本発明の利点がより明らかになるであろう。説明においては、添付の図面を参照する。

図１は、主軸Ａのバイパスターボ機械の前部を示している。軸Ｘを中心として対称であるため、ターボ機械の上半分のみが図示されている。以下の説明において、用語「前」は、部品においてターボ機械を通過する空気の流れに関して上流に位置する部分を指して使用され、用語「後」は、部品において上記空気の流れのさらに下流に位置する部分を指して使用される。

ターボ機械の前部は、先端を前方、すなわち図１の左方へと向けてなるノーズ１０を有する。ノーズは、実質的に円錐の形状にしたがって右方へと広がることによって始まり、その後にノーズの壁が徐々に軸Ａに平行になり、実質的に軸Ａの円筒を形成する。ノーズ１０は、対称の軸Ａを自身の軸として有する実質的に円筒形の外側ケーシング１７によって囲まれている。外側ケーシング１７の半径方向内側の表面１８およびノーズ１０の表面１２が、それらの間に空気の流れが流れる環状の領域を画定している。ターボ機械が、右方から左方へと前進し、したがって空気の流れは、外側ケーシング１７とノーズ１０との間を左方から右方へと矢印Ｆの方向に流れる。

外側ケーシング１７の前端に対して後退、すなわち後方へと向かった位置に、実質的に対称の軸Ａを中心とした円筒の形態である環状の壁２０が存在している。この環状の壁２０がノーズ１０と協働して、環状の通路５を画定している。環状の壁２０が、空気の流れを、通路５に進入する一次流１と一次流１の周囲を囲む二次流２とに分割している。したがって、一次流が、ノーズ１０および二次流によって画定され、次にノーズ１０および環状の壁２０によって画定される一方で、二次流は、一次流および外側ケーシング１７の半径方向内側の表面１８によって画定され、次に環状の壁２０および外側ケーシング１７の半径方向内側の表面１８によって画定される。したがって、環状の壁２０の直前の一次流１および二次流２の分離の領域は、実質的に軸Ａを対称の軸として有する円筒３の形状である。

したがって、ターボ機械を通って進むとき、二次流２は一定の断面であり、円筒３と外側ケーシング１７の半径方向内側の表面１８とによって画定される環状の体積を占める。対照的に、ノーズ１０の形状が円錐形である点に鑑み、一次空気流１が通過して流れる環状の領域の断面は、この領域が外側については円筒３によって画定され、内側については空気流の流れの方向において徐々に軸Ａから離れるように移動しているノーズ１０の表面１２によって画定されるため、空気が（図１の左方から右方へと）ターボ機械を通過して進むにつれて減少する。このようにして、通路５へと進入する空気が圧縮される。

さらに、通路５の直前においてノーズ１０の表面１２の外周部分は、ブレード３０を保持するファンプラットフォーム４０によって構成されている。これらのブレード３０は、規則的な間隔でプラットフォーム４０の外周を巡って分布しており、一次流１の空気を圧縮して軸回転運動を付与するように機能する。

図２および図３に示されているように、ブレード３０は、それぞれのブレード３０が、前側においては前縁３４で出会い、後ろ側においては後縁３５で出会う凹面３２および凸面３３を呈するよう、自身の幅（ブレードの幅とは、実質的にターボ機械の主軸Ａの方向のブレードの寸法である）に沿って湾曲している。ブレード３０の凹面３２が、プラットフォーム４０の回転方向を向き、この回転方向が、図２および図３において左方から右方への矢印Ｒによって示されている。したがって、矢印Ｒは、軸Ａに対して実質的に直角である。ブレード３０の凸面３３は、隣のブレード３０の凹面３２に面して位置している。隣り合う２つのブレード３０によって、空間３８が画定されている。一次流が、空間３８においてブレード３０の前縁３４から後縁３５に向かって矢印Ｆの方向に流れ、ここを通過するときに圧縮される。

プラットフォーム４０は、隣接する２つのブレード３０から実質的に等距離にある線に沿って延びるリブ５０を含む。リブ５０は、前方に向かって位置する前縁５４と後方に向かって位置する後縁５５とを有する。リブ５０は、プラットフォーム４０から半径方向外側へと延びるフィンの形態であり、すなわちプラットフォーム４０に実質的に直交している。リブ５０は、直線的であってよく、あるいはブレード３０と同様の様相で同じ方向に湾曲してもよい。リブ５０の高さは、ブレード３０よりも小さく、実際にははるかに小さい。リブ５０を、プラットフォーム４０と一緒に鍛造することができる。あるいは、リブ５０をプラットフォーム４０に機械加工してもよい。

図３に示されているように、リブ５０の先端５６、すなわちリブにおいてプラットフォーム４０から最も遠い点が、前縁５４がプラットフォーム４０に交わる位置よりもむしろ後縁５５がプラットフォーム４０に交わる位置に近く位置するよう、前縁５４がプラットフォーム４０と成す角度が、後縁５５がプラットフォーム４０と成す角度よりも小さい。例えば、先端５６が、それ自体が直線状である後縁５５に一致してもよい。例として、先端５６が、後縁５５がプラットフォーム４０に交わる場所の半径方向上方に位置するよう、後縁５５がプラットフォーム４０に直交して半径方向に延びてもよい。あるいは、図４に示されているように、リブ５０が丸みのある後縁５５を有してもよい。

図２および図３において、リブ５０は、空間３８の最も後方の領域に位置しており、すなわちブレード３０の前縁３４よりもむしろブレード３０の後縁３５に近く位置している。したがって、リブ５０は、空間３８においてブレード３０の前縁３４から発達する渦６０の大きさの減衰により効果的である。例えば、リブ５０は、空間３８の６０％が前縁５４がプラットフォーム４０に交わる位置の前側に位置し、空間３８の４０％が前縁５４がプラットフォーム４０に交わる位置の後方に位置するようなやり方で配置される。例として、リブ５０は、空間３８の７０％が前縁５４がプラットフォーム４０に交わる位置の前側に位置し、空間３８の３０％が前縁５４がプラットフォーム４０に交わる位置の後方に位置するようなやり方で配置される。

リブ５０を、軸Ａに対して半径方向であり、かつプラットフォーム４０に対して直角である平面内に、完全に位置させることができる。また、リブ５０の半径方向外側の端部５１０が、図５Ａに矢印Ｒで表わされているプラットフォーム４０の回転方向に、すなわち左方から右方へと傾けられてもよい。これにより、半径方向外側の端部５１０が、図５Ａに示した様相で、プラットフォーム４０に直交するリブの半径方向内側の部分と或る角度を形成する。さらには、リブ５０が、その半径方向に沿って、互いに対してプラットフォーム４０の回転方向に傾いている複数の連続的な部位を含んでもよい。

また、図５Ｂに示されているように、リブ５０が、その半径方向の延伸の全体にわたって、矢印Ｒによって表わされているプラットフォーム４０の回転方向に湾曲してもよい。そのような状況においては、リブ５０のプラットフォーム４０に交わる部位が、プラットフォームに対して直角であってよく、あるいはプラットフォーム４０に対してプラットフォームの回転方向とは反対の方向に傾けられてもよい。

本出願は、上述の実施の形態に限定されない。すなわち、隣接するブレード３０からなる各組の間に、複数のリブ５０が存在してもよい。例えば、プラットフォーム４０が、図６に示されているように隣接するブレード３０の組の間に２つのリブを有してもよい。

バイパスターボ機械の前部の長手断面であり、一次流および二次流の配置を示す。 本発明のプラットフォームの斜視図であり、隣り合う２つのブレードが示されている。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩの断面である。 リブが丸みのある後縁を含む場合の本発明のプラットフォームを示す。 リブが真っ直ぐでない場合の本発明のプラットフォームを示す。 リブが真っ直ぐでない場合の本発明のプラットフォームを示す。 隣接する２つのブレードの間の空間が２つのリブを有する場合の本発明のプラットフォームを示す。

符号の説明

１ 一次流
２ 二次流
３ 円筒
５ 環状の通路
１０ ノーズ
１２ （ノーズの）表面
１７ 外側ケーシング
１８ （外側ケーシングの）半径方向内側の表面
２０ 環状の壁
３０ ブレード
３２ （ブレードの）凹面
３３ （ブレードの）凸面
３４ （ブレードの）前縁
３５ （ブレードの）後縁
４０ プラットフォーム（ファンプラットフォーム）
５０ リブ
５４ （リブの）前縁
５５ （リブの）後縁
５６ （リブの）先端
５１０ （リブの）半径方向外側の端部
Ａ 主軸
Ｆ 空気の流れの方向
Ｒ プラットフォームの回転方向

Claims (9)

1. 一次流（１）および二次流（２）を有するバイパスターボ機械のファンプラットフォーム（４０）であって、周囲を一次流が流れるノーズの表面の一部を画定するとともに、前記プラットフォームから半径方向外側へと延在するブレード（３０）を保持しているプラットフォームにおいて、
   隣り合う２つのブレード（３０）の間に、２つのブレード（３０）の間の空間（３８）へと突き出す少なくとも１つのリブ（５０）を含み、
   前記少なくとも１つのリブ（５０）が、一次流（１）の空気の圧縮に関与するように設計されるとともに、ブレード（３０）の間に画定される空間（３８）において、空間（３８）のうちの一次流（１）の流れの方向の最も下流の４０％以内に延びており、
   前記少なくとも１つのリブ（５０）の半径方向外側の端部（５１０）が、前記プラットフォーム（４０）の回転方向に傾けられていることを特徴とする、ファンプラットフォーム（４０）。
2. 一次流（１）および二次流（２）を有するバイパスターボ機械のファンプラットフォーム（４０）であって、周囲を一次流が流れるノーズの表面の一部を画定するとともに、前記プラットフォームから半径方向外側へと延在するブレード（３０）を保持しているプラットフォームにおいて、
   隣り合う２つのブレード（３０）の間に、２つのブレード（３０）の間の空間（３８）へと突き出す少なくとも１つのリブ（５０）を含み、
   前記少なくとも１つのリブ（５０）が、一次流（１）の空気の圧縮に関与するように設計されるとともに、ブレード（３０）の間に画定される空間（３８）において、空間（３８）のうちの一次流（１）の流れの方向の最も下流の４０％以内に延びており、
   前記少なくとも１つのリブ（５０）が、半径方向の延伸の全体にわたって、前記プラットフォーム（４０）の回転方向に湾曲していることを特徴とする、ファンプラットフォーム（４０）。
3. 前記少なくとも１つのリブ（５０）が、ブレード（３０）の間に画定される空間（３８）において、一次流（１）の流れの方向の最も下流の３０％以内に延びていることを特徴とする、請求項１または２に記載のファンプラットフォーム（４０）。
4. 前記少なくとも１つのリブ（５０）が、プラットフォーム（４０）と一緒に鍛造されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のファンプラットフォーム（４０）。
5. 前記少なくとも１つのリブ（５０）が、プラットフォーム（４０）に機械加工されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のファンプラットフォーム（４０）。
6. 前記少なくとも１つのリブ（５０）の先端（５６）と前記リブの前縁（５４）が前記プラットフォーム（４０）に交わる位置との間の距離が、前記先端（５６）と前記リブの後縁（５５）が前記プラットフォーム（４０）に交わる位置との間の距離よりも大であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のファンプラットフォーム（４０）。
7. 隣り合う２つのブレード（３０）の間に２つのリブ（５０）を有することを特徴とする、請求項１および３から６のいずれか一項に記載のファンプラットフォーム（４０）。
8. ブレードを請求項１から７のいずれか一項に記載のプラットフォームへと取り付けて備える、ターボ機械のファン。
9. 請求項８に記載のファンが設けられる、ターボ機械。

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