JP5474358B2 - スペーサストリップを有する２枚翼型ブレード - Google Patents

Description

本発明は、前縁及び後縁を有するブレードに関する。

以下の記述において、用語「前縁」及び「後縁」は、ブレードに沿った空気の通常の流れ方向に関連して定義される。

ターボ機械において、空気は、ターボ機械の主軸Ｐに沿って軸方向に配設された複数のブレード段によって圧縮され、各段は、上記主軸Ｐまわりの外周周囲に配設された一連のブレードを備える。そのような段は、ブレード付きホイールとして知られている。主軸Ｐが中心とされた外周プラットフォームから、ブレードは、環状ケーシングに向かって略半径方向に外側に延在している。ブレードの高さは、ブレードの半径の寸法、すなわち、実質的にケーシングの半径とプラットフォームの半径との差異である。

ブレード付きホイールの一部を示している図１において示されるように、ブレード付きホイールの各ブレード１は、プラットフォーム８０の半径方向外側表面（壁）８１とケーシング９０の半径方向内側表面（壁）９１との間に延在している。ブレード１が１枚の翼によって構成されていることから、それは、１枚翼型ブレードと称される。ブレード１の半径方向内側端部８は、プラットフォーム８０に固定されている。ブレード１の半径方向外側端部９は、固定翼を構成する場合にはケーシング９０に固定されており、そうでなければロータブレードを構成する場合には自由端である。このように、ブレード付きホイールは、プラットフォーム８０の上記壁８１とケーシング９０の上記壁９１との間に位置しているブレード１を有し、ブレードは、固定翼１又はロータブレード１であり得る。

各ブレード１は、前縁２及び後縁３を有し、これらの２つの縁を相互に接続する軸Ａ（ブレードの軸）は、ターボ機械の主軸Ｐに略平行である。前縁２と後縁３とを相互に接続する面の一方が凸状（凸面４）であり、且つ、前縁と後縁とを相互に接続する他方の面が凹状（凹面５）であるように、各ブレード１は、軸Ａに対して湾曲されている。

ブレード付きホイール上のブレードの枚数は、ブレード付きホイールについての軽量性を得ることと、（高速で回転するブレード付きホイールに起因する熱応力及び機械的応力を受けるときの）ブレードについての高い機械的強度を得ることと、ブレードの空気力学的効率を最大化することと、その結果としてブレード付きホイールの空気力学的効率を最大化することとの間の妥協として決定されている。現在のところ、ブレードの幾何形状は、そのようなブレードを支持するブレード付きホイールの空気力学的性能において、いかなる著しい改善の達成も可能としない。

本発明は、ブレードの機械的強度の妥協なしで、より良好な空気力学的効率を提供するブレードを提供することを目的とする。

この目的は、ブレードが、ブレードの前縁と後縁との間に延在している内面及び外面を有する第１の翼と、ブレードの前縁と後縁との間に延在している内面及び外面を有する第２の翼と、第１の翼の内面と第２の翼の内面とを相互に接続する少なくとも１つのスペーサストリップとを備え、第１の翼の上記内面が略全領域にわたって第２の翼の上記内面に面するように、第１の翼及び第２の翼が隣り合って配列されており、少なくとも１つのストリップが後縁まで延在している、ということによって達成される。

これらの配置を用いて、本発明のブレードは、１枚の翼によって構成されたブレードよりも高い機械的強度を有する。この増加された機械的強度は、ブレードを構成する各翼の平均厚みが低減されるのを可能とする。この厚みの低減は、翼の周囲を通過する空気の自然な流れが阻害されにくくなることから、ブレードの空気力学的効率の改善をもたらす。さらに、特にストリップがブレードの後縁の範囲まで延在していることから、ストリップは２枚の翼間の空気を案内し、案内された空気自体が、ブレードの後縁において２枚の翼の外壁に沿って流れる空気を案内するのに寄与する。これは、後縁における流れの乱れを最小化する。したがって、ブレードの空気力学的効率は、さらに改善される。

有利には、ブレードは、最低３つのストリップを有する。

このより多いストリップ数は、ブレードをより強固にするとともに、第１の翼と第２の翼との間の空間における空気流に対するより良好な案内をもたらすのに役立つ。

本発明はまた、一連の本発明のブレードをその外周周囲に含むブレード付きホイールを提供する。

本発明のブレードの幾何形状によって可能とされるような（１枚翼型ブレードと比較された）本発明の各ブレードの空気力学的効率の改善は、従来のブレード付きホイール上の１枚翼型ブレード間の間隔と比較して、ブレード付きホイールのプラットフォームの外周周囲にブレードがより広い間隔をあけて配置されるのを可能とする。概して、本発明の個々のブレードが１枚翼型ブレードよりも重い可能性があるという事実にもかかわらず、本発明のブレード付きホイールは、それでもなお、１枚翼型ブレードが取り付けられたブレード付きホイールの重量以下の重量を有することができ、より高い効率をもたらすことができる。

非限定的な例によって与えられた以下の実施形態の詳細な記述を読むことにより、本発明は、十分に理解されることができ、その利点は、よりよく現れる。記述は、添付図面を参照する。

従来のブレードの斜視図である。 本発明のブレードの斜視図である。 図２のブレードの面ＩＩＩ−ＩＩＩ上の横断面図である。 図３のブレードの面ＩＶ−ＩＶ上の縦断面図である。 図３のブレードの他の実施形態の縦断面図である。

図２は、プラットフォーム８０上に取り付けられた本発明のブレード１００を示している。ブレード１００は、第１の翼１０と、第２の翼２０とを備える。これら翼のそれぞれは、１枚翼型ブレードと同様であり、したがって、凸面と、凹面と、前縁と、後縁とを有する。これら２枚の翼は、第１の翼１０の凹面１５が略全領域にわたって第２の翼２０の凸面２４に面するように、隣り合って配列されている。その結果、第１のブレード１０と第２のブレード２０との間に空間４０が画定されている。したがって、凹面１５は、第１の翼１０の内面１５と称され、凸面２４は、第２の翼２０の内面２４と称される。第１の翼１０の凸面１４及び第２の翼２０の凹面２５は、ブレード１００の外面を構成する。したがって、凸面１４は、第１の翼１０の外面１４と称され、凹面２５は、第２の翼２０の外面２５と称される。したがって、ブレード１００は、２枚翼型ブレードと称される。

第１の翼１０の内面１５及び第２の翼２０の内面２４は、空間４０内に配設された１つより多いスペーサストリップ３０によって相互に接続されている。各ストリップは、前縁３２と、後縁３３と、それらの間に半径方向内面３８（すなわち、プラットフォーム８０の方を向いている）及び半径方向外面３９（すなわち、ケーシング９０の方を向いている）を有する中央部分とを有する。

各ストリップ３０は、２つの内面を相互に接続する連続的な接続要素であり、接続要素は、ブレード１００の機械的強度及び凝集性に寄与する補強材と、第１の翼１０と第２の翼２０との間の空気流を案内する半径方向内面３８及び半径方向外面３９に沿ったガイドとの双方を形成している。各ストリップ３０の内部は、中空であっても中空でなくてもよい。

ストリップ３０は、実質的に、第１の翼１０の前縁１２及び第２の翼２０の前縁２２から第１の翼１０の後縁１３及び第２の翼２０の前縁２３まで延在している。したがって、ブレード１００の前縁１０２は、第１の翼１０の前縁１２及び第２の翼２０の前縁２２によって構成される。ブレード１００の後縁１０３は、第１の翼１０の後縁１３及び第２の翼２０の後縁２３によって構成される。前縁１０２から後縁１０３に向かう方向に沿って、ストリップ３０は、前縁１０２及び後縁１０３に対して略垂直に向けられている。

ブレード１００は、２枚の翼を備えることから、１枚翼型ブレードよりも高い機械的強度を有する。この増加された強度は、ブレード１００を構成する各翼の平均厚みが低減されるのを可能とする。すなわち、第１及び第２の翼１０、２０は、それぞれ、１枚翼型ブレードが作り出すものよりも薄い厚みを有する。ブレード１００の総重量は、１枚翼型ブレード１の重量と略等しい可能性がありさえもする。さらに、上述したように、ブレード１００は、ストリップ３０のために、１枚翼型ブレードよりも良好な空気力学的効率を有する。本発明のブレード１００を有するブレード付きホイールにおいて、この空気力学的効率の改善は、従来のブレード付きホイールにおける１枚翼型ブレード間の間隔と比較して、ブレード付きホイールのプラットフォーム８０の外周周囲にブレード１００が互いにさらに広い間隔をあけて配置されるのを可能とする。要約すれば、本発明のブレード付きホイールは、したがって、１枚翼型ブレードが取り付けられたブレード付きホイールの重量以下の重量のものとすることができる。これは、本発明のブレード付きホイールが取り付けられたターボ機械の重量の低減をもたらし、その結果、その燃費の低減をもたらす。

さらに、本発明のブレード１００は、ブレード１００が１枚翼型ブレードよりも大きな熱交換面積を有することから、１枚翼型ブレードよりも高温に耐える高い能力を有する。

ブレード１００は、複数のストリップ３０を有してもよい。例えば、ブレードは、ブレード１００の高さの０％から３０％の範囲に位置している第１のストリップ３０_Ａと、ブレード１００の高さの７０％から１００％の範囲に位置している最後のストリップ３０_Ｎと、ブレード１００の高さの実質的に中間に位置しているストリップとである最低３つのストリップを有してもよい。０％の高さは、ブレードの半径方向内側端部に一致しており、１００％の高さは、ブレード１００の半径方向外側端部に一致している。必要に応じて、さらなるストリップが上のストリップとの間に一定の間隔をあけて位置する。

プラットフォーム８０の半径方向外側表面８１によって流れに発生される乱れを低減することにおいてより効果的であるために、第１のストリップ３０_Ａがプラットフォーム８０から離れすぎない（具体的にはブレード１００の高さの３０％未満である）ことは重要である。同様に、ケーシング９０の半径方向内側表面９１によって流れに発生される乱れを低減することにおいてより効果的であるために、最後のストリップ３０_Ｎがケーシング９０から離れすぎない（具体的にはブレード１００の高さの少なくとも７０％である）ことは重要である。

ブレード１００は、３つよりも多い数、例えば、その全高にわたって分散配置された４つ、５つ、６つ、７つ、又は、それ以上のストリップを有してもよい。図２から図５は、５つのストリップ３０を有するブレード１００を示している。第１の翼１０と第２の翼２０との間を十分な空気流が通過するのを可能とするように、また、ブレード１００の重量を最小化するように、それでもなお、ストリップ数は多すぎないのが好ましい。したがって、２つの隣接するストリップ３０間の半径方向の距離は、第１の翼１０の内面１５と第２の翼２０の内面２４との間の距離Ｄよりも長いのが好ましい。

第１の翼１０の内面１５と第２の翼２０の内面２４との間の距離Ｄは、第１又は第２の翼の最大厚みの３倍以下である。例えば、距離Ｄは、上記最大厚みと同じ桁であり得る。

第１の翼１０と第２の翼２０との間の距離Ｄは、１５ミリメートル（ｍｍ）未満であるのが好ましい。例えば、距離Ｄは、２ｍｍから５ｍｍの範囲であり得る。この距離Ｄは、前縁３２と後縁３３との間においてストリップ３０に沿って変化してもよく、その場合、距離Ｄは、２枚の翼間の平均距離である。

有利には、ブレード１００を有するブレード付きホイールにおいて、ストリップ３０は、それぞれ、上記ストリップ３０に沿った空気流における乱れ／旋流が最小化されるような外形を有する。例えば、第１の翼１０と第２の翼２０との間の空間４０における空気流に対する擾乱を最小化するように、ストリップ３０が存在していない場合にこの空気流が後に続く流線に、ストリップ３０は実質的に沿って延在している。

特に、第１のストリップ３０_Ａ、すなわち、プラットフォーム８０の壁（半径方向外側表面８１）に最も近いストリップの外形及び配置、及び、最後のストリップ３０_Ｎ、すなわち、ケーシング９０の壁（半径方向内側表面９１）に最も近いストリップの外形及び配置は、特に重要である。

翼間の流線は、特に、ブレードの半径方向内側端部及び半径方向外側端部において、それぞれ、プラットフォーム８０の壁８１及びケーシング９０の壁９１によって定義される。すなわち、これらの壁に近い流線は、上記壁に略平行である。したがって、図４及び図５において示されるように、第１のストリップ３０_Ａは、プラットフォーム８０の壁８１に略平行であり、最後のストリップ３０_Ｎは、ケーシング９０の壁９１に略平行である。

例えば、ストリップ３０の少なくとも１つは、直線状である。

一例として、ストリップ３０の少なくとも１つは、上記ブレードの高さ方向に延在する少なくとも１つの面（すなわち、ターボ機械の主軸Ｐを含む半径方向の面）において湾曲を有する。

ストリップ３０が存在していない場合に生じ得るようにストリップ３０が空間４０における空気流に続かないことも可能であり、それどころか、これらのストリップが空気をブレード１００の根元部に向かって強制的に流すのを可能とする。一般に、分岐が２枚のブレード間の空気流において生じる（すなわち、２枚の隣接するブレード間を通る空気流は、ブレードに沿って流れるのに従ってブレード根元部から先端に向かって上昇する傾向がある）ことが知られており、これは、望ましくないことが知られている。空間４０における空気流をブレード１００の根元部に向かって強制的に流すことにより、２枚の隣接するブレード１００の間の空気流は、影響を及ぼされ、その結果、この空気流における分岐を低減するのに寄与する。

図２及び図４において、ストリップ３０は、それぞれ、前縁３２と後縁３３との間において一定の厚み（ストリップ３０の厚みは、それが属するブレード１００の高さ方向における寸法である）を有するとして示されている。その結果、ストリップ３０の前縁３２及び後縁３３は、略長方形である。あるいは、前縁３２が鋭い縁を形成するように、ストリップ３０の厚みは、その中央から前縁３２に向かって減少していってもよい。さらに、代わりに、後縁３３が鋭い縁を形成するように、ストリップ３０の厚みは、その中央から後縁３３に向かって減少していってもよい。結果として、第１の翼１０と第２の翼２０との間の空間４０における空気流に対する擾乱は、一定の厚みのストリップによって発生される擾乱と比較して減少する。

図５において示されるように、ストリップ３０の厚みの低減は、漸進的であってもよく、又は、厚みは、ストリップ３０に沿って略一定であってもよく、端部（前縁３２及び／又は後縁３３）の近傍においてのみ減少してもよい。

ブレード又は翼の内面／外面の外形は、上記面の表面形状として定義される。例えば、第１の翼の内面１５及び第２の翼の内面２４の外形は同一であり、第１の翼の外面１４及び第２の翼の外面２５の外形は同一である。それにもかかわらず、１枚翼型ブレードと比較した本発明のブレード１００の異なる形状は、ブレード１００の空気力学的特性に対する改良をもたらす。有利には、第１の翼１０と第２の翼２０との間の空間４０及びブレード１００の周囲における空気流が最適化されるように、第１の翼１０の外面１４、第１の翼１０の内面１５、第２の翼２０の内面２４、及び、第２の翼２０の外面２５は、全て、異なる外形を有する。さらに、第１の翼１０の外面１４の外形は、１枚翼型ブレードの凸面４の外形と異なり、第２の翼２０の外面２５の外形は、従来の１枚翼型ブレードの凹面５の外形と異なる。特に、第１の翼１０の内面及び外面の外形並びに第２の翼２０の内面及び外面の外形は、それぞれ、それらの間のいずれのストリップ３０も接続することなく互いに近接して配置された種類の第１の翼の内面及び外面の外形並びに第２の翼の内面及び外面の外形と異なる。

ストリップ３０は、図５において示されるように、ブレード１００の前縁１０２から後縁１０３まで延在している。あるいは、ストリップ３０は、図４において示されるように、前縁１０２から一定の距離にあって後縁１０３の範囲まで延在してもよい。したがって、ストリップ３０の前縁３２は、ブレード１００の前縁１０２から距離ｄだけ後退した位置において始まる。一例として、この距離ｄは、前縁１０２と後縁１０３との間の距離の１０％未満である。

ストリップ３０を含む平面又は表面は、ストリップ３０によって連結された翼の内面１５、２４に対して略垂直である。あるいは、ストリップ３０は、ストリップの前縁３２を後縁３３に連結する中央の曲面に関してねじられてもよい。そのようなねじれは、第１の翼１０と第２の翼２０との間の空間４０における空気流に対する擾乱を最小化するように、ストリップ３０が存在していない場合にこの空気流が後に続く流線にストリップ３０が実質的に続くのを保証するのに役立つ。

ブレードは、鋼鉄、ニッケルもしくはコバルト系超合金、チタン合金、アルミニウム合金、又は、例えば、炭素繊維、ケブラー繊維、ガラス繊維、もしくは金属繊維等の繊維によって補強された、ポリマー、セラミック、もしくは金属母材等の母材を有する複合材料等、様々な材料から作られ得る。

本発明のブレード１００は、ブレード１００を構成する材料に応じて、様々な方法を使用して作られ得る。

上の記述において、ブレード１００は、２枚の翼を有する。代わりに、ブレード１００は、２枚よりも多い翼を有することもあり得る。例えば、ブレード１００はまた、第１の翼１０と第２の翼２０との間に位置する第３の翼を有することもできる。第３の翼は、ブレード１００の前縁１０２と後縁１０３との間に延在している第１及び第２の面を有する。第１の面は、少なくとも１つのスペーサストリップ３０によって第１の翼１０の内面１５に接続されており、第２の面はまた、少なくとも上記スペーサストリップ３０によって第２の翼２０の内面２４に接続されている。

したがって、ブレード１００は、３枚の翼を有し、第３の翼は、第１の翼１０と第２の翼２０との間に位置している。これらの３枚の翼は、第１の翼１０の凹面１５が略全領域にわたって第３の翼の凸面（第１の面）に面し、且つ、第２の翼２０の凸面２４が略全領域にわたって第３の翼の凹面に面するように、隣り合って配列されている。第１の翼１０を第２の翼２０に接続するストリップ３０は、第３の翼を貫通する（又は、ブレードが作られる方法に応じて、上記第３の翼と交差する箇所で上記第３の翼の一部となる）。各ストリップ３０が、第１の翼１０と第３の翼とを相互に接続する第１の部分と、この第１の部分と並んで第３の翼を第２の翼２０に接続する第２の部分の、２つの部分から作られることが考慮されてもよい。

この３枚翼型ブレード１００は、翼間及び上記ブレードの外部に沿った空気流がより良好に案内されることから、２枚翼型ブレード１００よりも空気力学的により効率的である。その結果、さらに間隔をあけてブレードを配置することにより、ブレード付きホイール上のブレード１００の総数を低減するのを可能とし、その結果、１枚翼型ブレードから作られたブレード付きホイールよりも軽量化したブレード付きホイールが得られる。

本発明は、本発明の少なくとも１枚のブレード１００を含むターボ機械に適用される。

本発明は、非冷低圧タービン用のロータブレード又は固定翼について上に記述されている。本発明はまた、非冷高圧タービン用のロータブレード又は固定翼にも適用される。

１０ 第１の翼
１２、２２、３２、１０２ 前縁
１３、２３、３３、１０３ 後縁
１４、２４ 凸面
１５、２５ 凹面
２０ 第２の翼
３０、３０_Ａ、３０_Ｎ ストリップ
３８ 半径方向内面
３９ 半径方向外面
４０ 空間
８０ プラットフォーム
８１ 半径方向外側表面
９０ ケーシング
９１ 半径方向内側表面
１００ ブレード
ｄ、Ｄ 距離

Claims (14)

1. 前縁（１０２）及び後縁（１０３）を有するターボ機械のブレード（１００）であって、
   前記前縁（１０２）と前記後縁（１０３）との間に延在している内面（１５）及び外面（１４）を有する第１の翼（１０）と、前記前縁（１０２）と前記後縁（１０３）との間に延在している内面（２４）及び外面（２５）を有する第２の翼（２０）と、第１の翼（１０）の前記内面（１５）と第２の翼（２０）の前記内面（２４）とを相互に接続する少なくとも１つのスペーサストリップ（３０）とを備え、前記第１の翼（１０）及び前記第２の翼（２０）が、第１の翼（１０）の前記内面（１５）が略全領域にわたって第２の翼（２０）の前記内面（２４）に面するように、隣り合って配列されており、前記少なくとも１つのストリップ（３０）が、前記後縁（１０３）まで延在しており、前記ブレードの後縁（１０３）が、前記第１の翼（１０）の後縁（１３）及び前記第２の翼（２０）の後縁（２３）によって構成され、前記第１の翼（１０）の後縁（１３）が、前記第２の翼（２０）の後縁（２３）と整列かつ並置されていることを特徴とする、ブレード（１００）。
2. 少なくとも３つのストリップ（３０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のブレード（１００）。
3. ブレード（１００）の高さの０％から３０％の範囲に位置している第１のストリップ（３０_Ａ）と、ブレード（１００）の高さの７０％から１００％の範囲に位置している最後のストリップ（３０_Ｎ）と、ブレード（１００）の高さの実質的に中間に位置しているストリップ（３０）とを含み、０％の高さが、ブレード（１００）の半径方向内側端部に一致しており、１００％の高さが、ブレード（１００）の半径方向外側端部に一致していることを特徴とする、請求項２に記載のブレード（１００）。
4. 前記少なくとも１つのストリップ（３０）の前縁（３２）が鋭い縁を形成するように、前記少なくとも１つのストリップ（３０）の厚みが、その中央から前記前縁（３２）に向かって減少し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ブレード（１００）。
5. 前記少なくとも１つのストリップ（３０）の後縁（３３）が鋭い縁を形成するように、前記少なくとも１つのストリップ（３０）の厚みが、その中央から前記後縁（３３）に向かって減少してい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ブレード（１００）。
6. 第１の翼（１０）の前記外面（１４）、第１の翼（１０）の前記内面（１５）、第２の翼（２０）の前記内面（２４）、及び、第２の翼（２０）の前記外面（２５）が、全て異なる外形を有す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ブレード（１００）。
7. 第１の翼（１０）の前記内面（１５）と第２の翼（２０）の前記内面（２４）との間の距離（Ｄ）が、前記第１又は第２の翼（１０、２０）の最大厚みの３倍以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のブレード（１００）。
8. 距離（Ｄ）が、１５ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項７に記載のブレード（１００）。
9. 前記ストリップ（３０）の少なくとも１つが、直線状であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード（１００）。
10. 前記ストリップ（３０）の少なくとも１つが、前記ブレードの高さ方向に延在する少なくとも１つの面において湾曲を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のブレード（１００）。
11. 前記第１の翼（１０）と前記第２の翼（２０）との間に第３の翼をさらに備え、前記第３の翼が、ブレード（１００）の前記前縁（１０２）と前記後縁（１０３）との間に延在している第１の面及び第２の面を有し、前記第１の面が、前記少なくとも１つのストリップ（３０）によって第１の翼（１０）の前記内面（１５）に接続されており、前記第２の面が、前記少なくとも１つのストリップ（３０）によって第２の翼（２０）の内面（２４）に接続されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のブレード（１００）。
12. 一連の、請求項１から１１のいずれか一項に記載のブレード（１００）を外周上に含む、ブレード付きホイール。
13. 第１の翼（１０）と第２の翼（２０）との間の空間（４０）における空気流に対する擾乱を最小化するように、前記ストリップ（３０）が存在していない場合に前記空気流が後に続く流線に、前記ストリップ（３０）が実質的に続いていることを特徴とする、請求項１２に記載のブレード付きホイール。
14. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つのブレード（１００）を含む、ターボ機械。

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