JP5631538B2 - 境界層を乱す隆起要素の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の分野に関し、特に、ブレード等の空気力学作用を有する表面に沿った流体の流れを改善する手段を得ることを目的とする。

翼又はブレードの効率はその表面を研磨することによって大幅に改善されるが、前縁に粗さを構成することが吸引面上の境界層の剥離に相当な効果をもたらし得ることを、研究が明らかにしている。研磨状態に基づいて、前縁に沿って構成される乱れの生成が、この効率をさらに改善し得ることを、計算が明らかにしている。「サメ肌」効果に関するテストが航空機の翼について実施され、１パーセントオーダーの特定の燃料消費率ＣＳにおける進歩を示している。「サメ肌」は、Ｍｙｌａｒ（登録商標）のタイプの粘着フィルムから生成される。

さらに、空気力学に関するこれらの論点とは別にして、特に前縁の近隣区域における面の下位層の圧縮によって機械的及び熱的性質の両方の大きな応力を作動中に受けるターボ機械ブレード等の部品の疲労に対する耐性を改善するための調査がある。

知られている技術は、この圧縮をレーザ衝撃によって生じさせることにある。この方法は、塗料等のアブレーションコーティング又は接着ストリップが施される表面を被覆すること、及び、散布することによって被覆されている材料をアブレーションするために、上述したようにコーティングされた表面の方向にレーザビーム発射することを備える。処理される材料の圧縮の原因となる衝撃波が発生される。この衝撃波は、アブレーションコーティングを行い、レーザビームに透過的である材料によって限定される。通常、衝撃波は、水カーテンである。レーザは、１０から３０ナノ秒オーダーのパルス幅且つ１ヘルツ未満から数ヘルツの間のショット周波数で、２から１０ＧＷ／ｃｍ^２オーダーの電力密度を伝送することができる必要がある。

レーザ衝撃のインパクトは、円形状、正方形状、矩形状、又は楕円形状を有し、１から２ｍｍ^２未満オーダーの表面面積に及ぶ。知られている処理において、インパクトは、１回であるか、数回にわたって繰り返され、各ポイントで３、４回繰り返されて深度の全範囲を処理し、徐々に予期された応力レベルに到達する。さらに、所与の表面の処理は、インパクトが部分的に重複するように実施され、インパクト間の処理されていない表面が残らないようにする。したがって、間隔をあけたスポット列によるスイープが実行され、表面の全ポイントに到達するように各回で僅かにシフトさせてスイープを数回繰り返すことにより、表面は処理される。従来のショットブラストを組み合わせたこのような技術は、本出願人の名義であるＥＰ１７５２２３４に記載されている。ＥＰ７３１１８４にもまた、レーザ衝撃技術による、ターボ機械ブレード、特にその前縁又は後縁の処理が記載されている。

これらの重複は、インパクトと同レベルの皿状へこみの形成を防止する。皿状へこみの形成とは、皿状へこみの縁の隆起を意味する。特に、衝撃波のインパクトのエネルギは、略ガウス状又は台形状を有する。これは、インパクトの縁の方に向かって材料が押しのけられながら微小空洞を形成させる。微小空洞を縁取るピーク高さは、エネルギパラメータ及びインパクトの表面に依存する。
欧州特許第１７５２２３４号明細書 欧州特許第７３１１８４号明細書

従来技術の教示を受け、本発明の目的は、その空気力学的効率を改善するために、流体が流れる壁の表面上に乱れ隆起要素を生成することである。

本発明によれば、流体が流れる（ｓｗｅｐｔ）ことが可能な壁の表面上に、流体の境界層の乱れを形成する隆起要素を生成する方法であって、上記乱れを起こす隆起要素を構成するピークをインパクトの境界に作り出すようにレーザ衝撃が上記表面に印加されることを特徴としている。

本発明の結果、レーザ衝撃技術の欠陥は、利点に転じる。隆起要素は、粗さという観点では、部品の機械的及び熱的特性を改善させる目的で、表面状態ができる限り乱されないように保持することを含むため、レーザ衝撃によって部品を圧縮する技術において望ましくないものと考えられる。求められる効果に依存して乱流を遅延又は開始させるといった、境界層の挙動の改善を目的として境界層の乱れを形成するために、本発明の方法においては隆起要素の形成が促進される。これらの乱れの構成は、特に、速度／圧力及びレイノルズ数に依存して、例えば境界層が非常に速い流速で剥離するのを防止することによって境界層の挙動を改善する。

本発明の方法は、レーザ衝撃技術の活用を継続して、部品の機械的及び熱的特性を改善することに留意すべきである。

この基本原理に基づいて、アプリケーションは変更される。例えば、条件に応じて、インパクトは、正方形状、矩形状、円形状、又は楕円形状を有し、さらに、各レーザインパクトの形状は、プログラム化することができ、これにより、速度／圧力及びフィルムの状態に応じて、表面及び乱れ形状を生成することができる。

インパクトの連続構成も変更される。インパクトは、例えば、少なくとも一部において互いに隣接してもよい。

異なる高さの乱れ隆起要素を得るために、インパクトに応じて、印加されるエネルギを変更することが可能である。隆起要素間の距離は、例えば数学的法則にしたがうものであってもよい。

本発明の方法は、ターボ機械ブレード、特にガスタービンエンジンのコンプレッサブレードの壁の処理に有利に適用される。

他の特徴及び利点は、添付された図面を参照する以下の実施形態の説明から明らかになるであろう。

図１は、３つの部分図（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）から構成される。図１のグラフ（Ａ）は、インパクトにわたって印加されるｘ軸上におけるエネルギの変動Ｗを示し、ｙ軸は距離ｄを表す。エネルギは均一であり、インパクトＩ_０となる中央区域で最大となることがわかる。エネルギはインパクトから遠ざかると徐々に減少する。インパクト区域Ｉ_０の部分Ｐの断面であってその表面状態を示す（Ｂ）において、材料は、インパクトＩ_０の縁の方に向かって押しのけられ、断面に示される側部隆起要素Ｒ１、Ｒ２を形成する。隆起要素の高さは、衝撃エネルギ及びレーザ衝撃を受ける基材の特性に依存する。

平面図において、インパクトによって変形される区域の形状は、ビームの形状に依存し、この例では、インパクトの形状は矩形である。変形された区域は、４つの低い壁又は隆起要素Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４で縁取られた皿状へこみの形状を有する。

図２は、図１と同様に、グラフ（Ａ）と、インパクト区域に沿った部分Ｐの断面図（Ｂ）とを示している。２つのレーザ衝撃Ｉ’_１、Ｉ’_２の重複効果を示している。２つのインパクトの重複部分における隆起要素Ｒ’_２は、押しつぶされている。この重複は、僅かな粗さと層流とが要求される区域に求められる。

図３は、図１と同様に、グラフ（Ａ）と、部分Ｐの断面図（Ｂ）とを示している。インパクトの重複のために他は全て等しいが、隆起要素Ｒ’’_２、Ｒ’’_３は、衝撃Ｉ’’_１、Ｉ’’_２、Ｉ’’_３が多少部分的に重複しているかどうかに依存して、多少高くてもよい。したがって、隆起要素Ｒ’’_２は、２つのインパクトＩ’’_１、Ｉ’’_２の重複の結果生じ、隆起要素Ｒ’’_３よりも幅広い、すなわち、Ｒ’’_３よりも押しつぶされている。

例えばブレードの外形ＰＲ周辺の流体の流れは、図４に示される。これは、ブレードの吸引面に沿った流れを含む。流体は、高さ方向に均一な速度Ｖで部品に接近する。この速度は、外形の表面に沿って変更される。特に、乱流との境界が破線によって図示されている境界層ＣＬの厚みは、第１の部分（Ｉ）の停止ポイントＡから増加し、境界層は、層流（Ｉ）である。次に、遷移領域（ＩＩ）において、徐々に乱流となる。その後、境界層は、区域（ＩＶ）において剥離する前であって且つこの領域が乱流のスリップストリーム（Ｖ）を形成した後に、吸引面の部分（ＩＩＩ）にかけて乱流となる。

境界層が層流である第１の部分（Ｉ）の範囲は、実際は、外形の粗さの状態に依存する。層流の場合、境界層の厚みは、乱流の場合よりも薄い。（レイノルズ数は、それぞれ、Ｒｅ−０．５とＲｅ−１／６である）。壁では急峻な速度勾配もある。

多くの理論的及び実験的研究によれば、例えば、Ｐ．Ａ．Ｋｒｏｇｓｔａｄ及びＲ．Ａ．Ａｎｔｏｎｉａによる論文「Ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ａ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ」、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｆｌｕｉｄｓ，Ｖｏｌ．２７，１９９９，ｐｐ．４５０−４６０，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ｖｅｒｌａｇは、同一の平均流について、壁の粗さは、壁に非常に近い粘性層にだけではなく、乱流境界層の挙動においても強い作用を有することを明らかにしている。したがって、処理は、層流と乱流との間の遷移領域の位置と粘性率との２つのパラメータを利用することができる。両方とも、ブレードの出力及び境界層の粘着において効果を有する。

換言すれば、本発明の方法によって以下のことが可能となる：
流れを受ける部品の表面上の所望の区域において、流れを乱す隆起要素を生成することにより、層流境界層と乱流境界層との間に遷移領域（ＩＩ）を設けること、
適切な区域に乱流を引き起こす隆起要素を配置することにより、この領域（ＩＩ）の位置を可能な限り制御すること、
以下の選択により、この遷移領域における乱流強度を可能な限り制御すること：
レーザ衝撃（矩形状又はその他の形状のインパクト）に耐える表面の形状の選択、
前縁又は後縁に平行なピーク高さの選択、
ピーク線間の距離の選択。

図５は、ブレード２の翼部分を非常に概略的に示している。このブレードの吸引面において、複数の矩形状のインパクトＩ_ｎが、一方ではブレードの翼弦に沿って並べられており、他方では軸に平行に並べられている。これは、長手方向ピーク線Ｒ_ｌと横方向ピーク線Ｒ_ｔとを形成している。横方向ピーク線Ｒ_ｔは、ブレードの高さ方向におけるレーザインパクトの重複により、例えば長手方向ピーク線Ｒ_ｌよりも低い。この例において、インパクトＩ_ｎは同一であるが、本発明の方法は、任意の変形を許容する。したがって、インパクト区域は、例えば、ブレードの後縁（又は前縁）からブレード上において離れるにしたがって増加する表面面積を有してもよい。

１つのレーザ衝撃インパクトの例を示しており、（Ａ）は、部品との距離にしたがったエネルギレベルを示すグラフであり、（Ｂ）は、断面におけるインパクト後の部品の表面状態を示し、（Ｃ）は、上方から見た部品を示している。 グラフ（Ａ）と、インパクトを受ける部分Ｐの断面図（Ｂ）とを示しており、レーザ衝撃インパクトの連続によって生じる効果を示している。 グラフ（Ａ）と、インパクトを受ける部分Ｐの断面図（Ｂ）とを示しており、インパクトの他の連続によって生じる効果を示している。 翼の外形にわたる流体流れの境界層の展開を示している。 ブレードの外形におけるインパクトの連続の具体例を示している。

符号の説明

２ ブレード
Ａ 停止ポイント
ＣＬ 境界層
ｄ 距離
Ｉ_０、Ｉ’_１、Ｉ’_２、Ｉ’’_１、Ｉ’’_２、Ｉ’’_３、Ｉ_ｎ インパクト
ＰＲ 外形
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ’_１、Ｒ’_２、Ｒ’’_１、Ｒ’’_２、Ｒ’’_３ 隆起要素
Ｒ_ｌ 長手方向ピーク線
Ｒ_ｔ 横方向ピーク線
Ｖ 速度
Ｗ エネルギの変動

Claims (10)

1. 流体が流れることが可能な壁の表面上に境界層の乱れを起こす隆起要素を生成する方法であって、
   壁の表面上における層流境界層と乱流境界層との間の遷移領域の位置を制御するため、乱流を引き起こす隆起要素を配置するのに適切な領域を判定することと、
   前記乱れ隆起要素を構成するピークをレーザ衝撃のインパクト区域の境界に作り出すように、前記表面の前記適切な領域にレーザ衝撃を印加することであって、レーザ衝撃の方法が、
   前記表面をアブレーションコーティングで被覆することと、
   被覆材料を蒸発させおよび衝撃波を発生させることにより被覆材料のアブレーションを生じさせるため、前記表面に向けて高エネルギのパルスレーザビームを照射することと
   を含むことと、
   前記インパクトの形状、ピークの高さおよびレーザ衝撃間の距離のうち少なくとも１つの選択により、前記遷移領域における乱流強度を制御することと
   を含む、方法。
2. 前記インパクトが、正方形状、矩形状、円形状または楕円形状を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ピークの高さを、複数のレーザ衝撃のうち幾つかを互いに重複するように印加することで変化させる、請求項２に記載の方法であって、レーザ衝撃の重複が、インパクト区域の境界に押しつぶされたピークを生じさせ、押しつぶされたピークの高さが、レーザ衝撃の重複に応じ、重複の量が少ないほど減少する、方法。
4. 前記押しつぶされたピークを、僅かな粗さおよび層流が求められる領域に形成する、請求項３に記載の方法。
5. 印加されるエネルギを、異なる高さの乱れ隆起要素が得られるように、インパクト区域に応じて変化させる、請求項１に記載の方法。
6. ターボ機械ブレードの壁に適用される、請求項１に記載の方法。
7. 前記レーザ衝撃のインパクト区域が、矩形状をなして、ブレードの翼弦に沿って並べられるとともに、ブレードの軸に対して平行に並べられ、複数のインパクトが、ブレードの軸に平行な長手方向ピーク線と、ブレードの翼弦に平行な横方向ピーク線とを呈する、請求項６に記載の方法。
8. 横方向ピーク線のピークの高さが、長手方向ピーク線のピークの高さよりも低い、請求項７に記載の方法。
9. レーザ衝撃を、ブレードの吸引面に印加する、請求項８に記載の方法。
10. ガスタービンエンジンのコンプレッサブレードの壁に適用される、請求項７に記載の方法。

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