JP5354887B2 - ターボ機械用スウェプト型ブレード - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械のファンのブレードなどのターボ機械用のブレードを動かす分野全般に関する。

ターボ機械のファンブレードは、ファンを通過する気体流に対して亜音速度から超音速度を与える可能性のある回転速度を受ける。高流速度は特に、気体の流速を上昇させてターボ機械のスラストを増大させることを可能にするが、それにもかかわらず、高流速度は、大量の騒音を発生させるという欠点を提示する。特に、気体流の超音速度から亜音速度への切り替えに対応する「超音速衝撃波」が、この騒音の主要な部分をもたらす。ファンの近傍の気体流の乱流を含む他の相互作用現象も、騒音（広帯域騒音）の原因となっている。

したがって、エンジン製造者は、スラストを増大させると同時に気体流によって発生された騒音を最小限に抑えることを可能にするファンブレードを設計することを模索している。さらに、このようなブレードを設計する際には、ブレードに関わる空気力学的および機械学的考慮事項などの様々な他の要因を考慮に入れる必要がある。ブレードは、ファンを通過する気体流の流速と圧縮度を最適化すると同時に、ブレードが充分な機械的強度を提示することを保証するように設計する必要がある。特に、高い回転速度では、ブレードが受ける機械的応力は、高度の振動によって、またブレードに掛けられる遠心力によって極めて過酷である。

これまでに多数のファンブレードの形状が提案されている。それらは、空気力学的な性能を高め、ファンによって発生される騒音を軽減することを目的としたブレードセクションを積み重ねる上でのそれら同士の関係と、それらの全体的な曲率と、任意選択によるスウェプト（ｓｗｅｐｔ）形状の存在とを主に特徴としている。それにもかかわらず、これらのブレードのうちのいずれも、ターボ機械を使用する際のあらゆる条件下で、特に全出力時（例えば離陸中と航空機上昇飛行の最後）、また部分出力時（例えば航空機の接近段階中）に、効果的な空気力学的な動作を獲得すると同時に、益々厳しくなりつつある騒音基準を順守することを可能にはしない。

したがって、本発明の主な目的は、ターボ機械のあらゆる動作条件下で充分な空気力学的動作が保証されることを可能にすると同時に、発生される騒音を最小限に抑えるターボ機械ブレードの新しい形状を提案することによって、このような欠点を緩和することである。

この目的は、径方向軸線に沿って積み重ねられた複数のブレードセクションを備えたブレードにおいて、各ブレードセクションが、縦方向軸線に沿って前縁と後縁との間に、また接線方向軸線に沿って圧力側面と吸込み側面との間に延び、ブレードセクションの積み重ねが、径方向軸線に沿って、底部積み重ね、中間部積み重ね、および上部積み重ねに再分割され、底部積み重ねが、ブレード根元部から中間部積み重ねの底部限界まで延び、中間部積み重ねが、底部限界から上部限界へと延び、上部積み重ねが中間部積み重ねの上部限界からブレード先端部まで延在するブレードであって、本発明によって、
底部積み重ねのブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線の、縦方向軸線と径方向軸線によって形成される中央平面への投射が、上記径方向軸線に対して１０°から２５°の範囲にある前縁に向かった第１縦方向傾斜角度を提示し、
中間部積み重ねのブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線の、中央平面への投射が、上記径方向軸線に対して１０°から２５°の範囲にある後縁に向かった第２縦方向傾斜角度を提示し、
上部積み重ねのブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線の、中央平面への投射が、上記径方向軸線に対して２０°から５０°の範囲にある後縁に向かった第３縦方向傾斜角度を提示し、
ブレードセクションの中間部積み重ねの底部限界が、ブレード根元部から測定したブレードセクションの積み重ねの径方向全高の３０％から４０％の範囲にあるブレードによって達成される。

本出願人は、ブレード全高の３０％から４０％の範囲にある高さのベリー（中間積み重ね部の底部限界に対応する）の存在が、上記で定義した前縁の傾斜角度と併せて、特に高出力でのターボ機械の空気力学的な性能を大幅に向上させることを見出した。これは、ある一定の大流量では、このようなブレードが装着されたターボ機械のファンの効率が大きく増大することを意味する。ブレードの音響特性も向上される。さらに本発明のブレードは、機械的バランスと複合材料を使用した製造の可能性とについての基準を満たすものである。

有利な特徴によって、底部積み重ねは、縦方向軸線と径方向軸線によって形成される接平面への投射で、径方向軸線に対して−１０°から１０°の範囲にある第１接線傾斜角度を提示する、底部積み重ねのブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線も有し、中間部積み重ねは、径方向軸線に対して−２０°から０°の範囲にある第２接線傾斜角度を提示する接平面への投射を有する、中間部積み重ねのブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線も有し、上部積み重ねは、径方向軸線に対して−４０°から−２０°の範囲にある第３接線傾斜角度を提示する接平面への投射を有する、上部積み重ねのブレードセクションの重心の中心同士を相互に繋げる線も有する。

好ましくは、上部積み重ねの前縁同士を相互に繋げる線の中央平面への投射は、先端セクションに対して前縁に向かった第４縦方向傾斜角度をさらに提示する。

中間部積み重ねと上部積み重ねは、実質的に同一である径方向高さにわたって延在することができる。

本発明は、上に定義した複数のブレードを有するファンおよびターボ機械も提供する。

本発明の他の特徴および利点は、限定特性を有さない実施形態を示す添付図面を参照した以下の説明から明らかとなる。

図１は、航空ターボ機械のファン２の概略断片図である。ファン２は、ファンの縦方向軸線Ｘ−Ｘを中心としたロータのディスク６（またはハブ）のまわりに規則的に離隔された複数のブレード４から作られる。

各ブレード４は、知られているやり方で特にエアフォイル８、根元部１０、および先端部１２を備える。ブレード根元部１０は、ロータディスク６に取り付けられ、ファンを通過する気体流の流路１６の内側を画定するプラットフォーム１４を介してエアフォイル８に連結される。ロータディスク６は、縦方向軸線Ｘ−Ｘのまわりで矢印１８によって記している方向に回転するように駆動される。ブレード先端部１２は、ファンの静止環状ケーシングの内側面２０に面するように位置付けられ、上記面２０は、流路１６の外側を画定する。

エアフォイル８は、軸線Ｘ−Ｘに対して垂直な径方向軸線Ｚ−Ｚに沿って積み重ねられた複数のブレードセクション２２から作られる。ブレードセクション２２は、縦方向軸線Ｘ−Ｘから径方向の間隔を増やして位置付けられる。そこから作られる積み重ねは、縦方向軸線Ｘ−Ｘに沿って前縁２４と後縁２６の間に、またファンの接線方向軸線Ｙ−Ｙに沿って圧力側面と吸込み側面（これらの面は図示せず）との間に延在する空気力学的表面を形成する。

このようにして定義するファンの縦方向軸線Ｘ−Ｘと、接線方向軸線Ｙ−Ｙと、径方向軸線Ｚ−Ｚとは、右回りの基準用長方形枠を形成することに留意されたい。

図２Ａと図２Ｂで示すように、ブレードセクション２２の積み重ねは、径方向軸線Ｚ−Ｚに沿って底部積み重ね２８、中間部積み重ね３０、および上部積み重ね３２に再分割される。

ブレード根元部１０から始まって、底部積み重ね２８は径方向軸線Ｚ−Ｚに沿って根元部から中間部積み重ね３０の底部限界３４まで延在する。底部積み重ね２８のブレードセクションの前縁２４同士を相互に繋げる線２８ａは、中央平面（図２Ａで示すように、縦方向軸線Ｘ−Ｘと径方向軸線Ｚ−Ｚとによって形成される）への投射で、ブレードの前縁２４に向かった（即ちファンの前方に向かった）第１縦方向傾斜角度αを提示する。

中間部積み重ね３０は、径方向軸線Ｚ−Ｚに沿って底部限界３４と上部限界３６との間に延在する。この積み重ね３０のブレードセクションの前縁２４同士を相互に繋げる線３０ａは、中央平面への投射で、ブレードの後縁２６に向けられた（即ちファンの後部に向けられた）第２縦方向傾斜角度βを提示する。

上部積み重ね３２は、径方向軸線Ｚ−Ｚに沿って中間部積み重ね３０の上部限界３６とブレード先端部１２との間に延在する。中間部積み重ね３０と上部積み重ね３２は、実質的に同一の径方向高さにわたって延在することが好ましい。さらに、この積み重ね３２のブレードセクションの前縁２４同士を相互に繋げる線３２ａは、中央平面への投射で、ブレードの後縁２６に向けられた第３縦方向傾斜角度γを提示する。

この結果、ブレードの全てのセクションの前縁同士を相互に繋げる線２８ａ、３０ａ、３２ａは、中央平面への投射で、中間部積み重ね３０の底部限界３４に位置付けられた「ブレードベリー」と呼ばれる最小限度の縦方向の横座標点を有する外形を提示する。

本発明によると、ブレードベリー（またはブレードセクションの中間部積み重ね３０の底部限界３４）は、ブレードセクションの積み重ねの全高ｈの３０％から４０％の間にあるが、この高さは根元部１０からブレード先端部１２に向けて径方向軸線Ｚ−Ｚに沿って測定される。

定義によれば、高さｈの０％のところに位置付けられたブレードセクションは、前縁２４が気体流の最も内側の流線と交差する半径に対応するもの、また１００％のところに位置付けられたセクションは、気体流の最も外側の流線が０％のところに位置付けられたセクションと同じ縦方向横軸上にある高さｈの点にあるものと考えられる。

さらに本発明では、底部積み重ね２８の前縁同士を相互に繋げる線２８ａの投射の第１縦方向傾斜角度αは、径方向軸線Ｚ−Ｚに対して１０°から２５°の範囲にあり、中間部積み重ね３０の前縁同士を相互に繋げる線３０ａの投射の第２縦方向傾斜角度βは、径方向軸線に対して１０°から２５°の範囲にあり、上部積み重ね３２の前縁を相互に繋げる線３２ａの投射の第３縦方向傾斜角度γは、径方向軸線に対して２０°から５０°の範囲にある。

図２Ｂに示す本発明の有利な特徴によると、底部積み重ね２８は、ブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線２８ｂも有し、これは、接平面（接線軸線Ｙ−Ｙと径方向軸線Ｚ−Ｚによって形成される）への投射で、径方向軸線Ｚ−Ｚに対して−１０°から１０°の範囲にある第１接線傾斜角度δを提示する。

同様に、中間部積み重ね３０は、接平面への投射で、径方向軸線Ｚ−Ｚに対して−２０°から０°の範囲にある第２接線傾斜角度εを提示する、ブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線３０ｂを有することが好ましい。

最後に、上部積み重ね３２は、接平面への投射で、径方向軸線Ｚ−Ｚに対して−４０°から−２０°の範囲にある第３接線傾斜角度ζを提示する、ブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線３２ｂを有することが好ましい。

ブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線２８ｂ、３０ｂ、３２ｂについては、負の接線傾斜角度は、ブレードの回転方向の反対方向の傾斜角度に対応し、正の接線傾斜角度は、ブレードの回転方向に延在することに留意されたい。

ここで定義する本発明のブレードは、このように比較的低く、際立ったベリーを、縦方向と接線方向両方への強く際立った後退スィープ（ｒｅａｒｗａｒｄ ｓｗｅｅｐ）と組み合わせることを特徴とする。

図３に示す本発明の変化形態では、ブレードの先端セクションに少量の前進スィープ（ｆｏｒｗａｒｄ ｒｄｓｗｅｅｐ）を加えて、上述の形状を他の形で提示することが可能である。

この前進スィープは、上部積み重ね３２の前縁同士を相互に繋げる線３２ａの投射が、中央平面で、また先端セクション３８と同じ高さで、前縁２４に向かった第４縦方向傾斜角度θを提示するという事実を提示する。

「先端セクション」という用語はここでは、ブレードセクション２２の積み重ねの全高ｈの８０％から１００％の範囲にあるブレードセクション３８を意味するものとして使用している。

このような縦方向傾斜角度θは、特にブレードの機械的挙動を高める役目をする先端セクション３８の前進スィープに対応する。前進スウェプトされた先端セクションは、ブレードのバランスを取りながら、ブレードセクションの重心同士の差異を制限するという利点を有する。しかし差異がないと、ブレードの空気力学的性能に悪影響を及ぼす。

一例として、この強制された前縁に向かった縦方向傾斜角度θは、５°から２０°の範囲にあることができる。

図４は、本発明のブレードで得られた効率の利得を従来技術のブレードと比較して示している。

この図は、本発明のブレードが装着されたターボ機械のファンの効率を示す曲線１００と、従来技術のブレードが装着されたファンの効率を示す曲線１０２とを描いている。効率は、ファンの特定の流量の関数として表される。

本出願人は、本発明のブレードによって得られた効率が、従来技術のブレードによって得られた効率よりも大幅に大きいことを見出した。特に、本発明のブレードは、特定の高い流量で、ターボ機械のファン効率の大きな上昇を得ることを可能にする。図４の曲線１００と１０２を比較することで、この点が明確に裏付けられる。

本発明のブレードが装着されたターボ機械のファンの断片的縦断面図である。 本発明のブレードの中央平面における図である 本発明のブレードの接平面における図である。 本発明のブレードの変化形態の中央平面における図である。 本発明のブレードによって得られた効率の向上を従来技術のブレードによって得られた効率と比較して描いているグラフである。

符号の説明

２ 航空ターボ機械のファン
４ ブレード
６ ロータディスク
８ エアフォイル
１０ ブレード根元部
１２ ブレード先端部
１６ 気体流の流路
２０ ファンの静止環状ケーシングの内側面
２２ ブレードセクション
２４ ブレードの前縁
２６ ブレードの後縁
２８ 底部積み重ね
２８ａ 底部積み重ねのブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線
２８ｂ 底部積み重ねのブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線
３０ 中間部積み重ね
３０ａ 中間部積み重ねのブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線
３０ｂ 中間部積み重ねのブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線
３２ 上部積み重ね
３２ａ 上部積み重ねのブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線
３２ｂ 上部積み重ねのブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線
３４ 中間部積み重ねの底部限界
３６ 中間部積み重ねの上部限界
３８ 先端セクション

Claims (6)

1. 径方向軸線（Ｚ−Ｚ）に沿って積み重ねられた複数のブレードセクション（２２）を備えたターボ機械のブレード（４）であって、各ブレードセクションが、縦方向軸線（Ｘ−Ｘ）に沿って前縁（２４）と後縁（２６）との間に、また接線方向軸線（Ｙ−Ｙ）に沿って圧力側面と吸込み側面との間に延び、ブレードセクションの積み重ねが、径方向軸線に沿って、底部積み重ね（２８）、中間部積み重ね（３０）、および上部積み重ね（３２）に再分割され、底部積み重ね（２８）が、ブレード根元部（１０）から中間部積み重ねの底部限界（３４）まで延び、中間部積み重ね（３０）が、底部限界（２８）から上部限界（３６）へと延び、上部積み重ね（３２）が中間部積み重ねの上部限界（３６）からブレード先端部（１２）まで延在するブレードにおいて、
   底部積み重ね（２８）のブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線（２８ａ）の、縦方向軸線（Ｘ−Ｘ）と径方向軸線（Ｚ−Ｚ）によって形成される中央平面への投射が、前記径方向軸線に対して１０°から２５°の範囲にある前縁（２４）に向かった第１縦方向傾斜角度（α）を提示し、
   中間部積み重ね（３０）のブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線（３０ａ）の、中央平面への投射が、前記径方向軸線に対して１０°から２５°の範囲にある後縁（２６）に向かった第２縦方向傾斜角度（β）を提示し、
   上部積み重ね（３２）のブレードセクションの前縁同士を相互に繋げる線（３２ａ）の、中央平面への投射が、前記径方向軸線に対して２０°から５０°の範囲にある後縁（２６）に向かった第３縦方向傾斜角度（γ）を提示し、
   ブレードセクションの中間部積み重ね（３０）の底部限界（３４）が、ブレード根元部から測定したブレードセクションの積み重ねの径方向全高（ｈ）の３０％から４０％の範囲（ただし４０％を除く）にあることを特徴とする、ブレード。
2. 底部積み重ね（２８）が、縦方向軸線（Ｙ−Ｙ）と径方向軸線（Ｚ−Ｚ）によって形成される接平面への投射で、ブレードの回転方向への傾斜を正の傾斜角度として、径方向軸線に対して−１０°から１０°の範囲にある第１接線傾斜角度（δ）を提示する、底部積み重ねのブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線（２８ｂ）も有し、
   中間部積み重ね（３０）が、ブレードの回転方向への傾斜を正の傾斜角度として、径方向軸線に対して−２０°から０°の範囲にある第２接線傾斜角度（ε）を提示する接平面への投射を有する、中間部積み重ねのブレードセクションの重心同士を相互に繋げる線（３０ｂ）も有し、
   上部積み重ね（３２）が、ブレードの回転方向への傾斜を正の傾斜角度として、径方向軸線に対して−４０°から−２０°の範囲にある第３接線傾斜角度（ζ）を提示する接平面への投射を有する、上部積み重ねのブレードセクションの重心の中心同士を相互に繋げる線（３２ｂ）も有する、請求項１に記載のブレード。
3. 上部積み重ね（３２）の前縁同士を相互に繋げる線（３２ｂ）の中央平面への投射が、先端セクション（３８）に対して、前縁（２４）に向かった第４縦方向傾斜角度（θ）をさらに提示する、請求項１または２に記載のブレード。
4. 中間部積み重ね（３０）と上部積み重ね（３２）が実質的に同一の径方向高さにわたって延在する、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のブレード（４）を複数備えることを特徴とする、ターボ機械のファン（２）。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載のブレード（４）を複数含むことを特徴とする、ターボ機械。

Images