JP5816683B2 - 圧縮機ブレード翼列の上流側で渦を発生させるための渦発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリコプタのターボジェットまたはターボシャフトエンジンなどのターボ機械の圧縮機用のブレード組立体の分野に関する。本発明は、そのようなブレード組立体、特に高圧圧縮機用の整流装置を備える圧縮機にも関する。

ターボジェット用の圧縮機システム（および特に高圧圧縮機）は、エンジンの最も重要な構成要素の１つであることが知られている。ターボジェットの圧縮機は、複数の連続的な圧縮機段からなり、各段は、２つのブレード組立体、すなわちロータおよび整流装置（ステータ）を備える。整流装置は、通常では、同軸である内部シュラウドおよび外部シュラウドに加えて、前記内部シュラウドと外部シュラウドの間に互いに隣接して配置され、かつシュラウドにその端部が連結されたブレードを備える。これは、例えば、仏国特許第２８９６０１９号明細書で開示されている。

圧縮機の作動を確実にするために、各段において整流装置とハブの間には隙間が存在し、整流装置の下方に空洞を形成する。通常、前記空洞内では、漏れ流れが、内部シュラウドの半径方向の内部端部の下方を通って、前記整流装置の下流側から上流側の方向に循環する。前記漏れ流れは、次いで、整流装置の上流側の空気流内に再噴射される。

前記漏れ流れは、主要な流れを妨げ、ストールの発生の一因となる。特に、これは、ブレードの上流側の流れ状態を変化させ、コーナストールの発生を促進し、関連する損失を増大させる。

したがって、損失の２つの主要な原因は、圧縮機のこの領域内に存在する。ステータ下方の再循環によるもの、および、コーナストールによって引き起こされるものである。

加えて、損失を効果的に低減するために、前記現象の両方に対して一緒に対処する必要がある。

ストールを低減するために、圧縮機の固定式または可動式のホイールの上流側で、ハブ上に配置された渦発生装置を使用するシステムが、国際公開第２００８／０４６３８９号に開示される。上流側の内部および／または外部ダクト壁上に設けられた前記渦発生装置は、チャネル壁上に境界層のエネルギーを増大させる伴流渦を発生させる。流れ成分の増大が、壁の近傍で主要流の方向に生成されるが、これは、固定式および可動式のブレードの領域内のストールに対して有益に作用する。

主要な流れに対してだけ作用する、前記文献の国際公開第２００８／０４６３８９号に開示されたシステムは、ストールの２つの上述された問題が関連する場合であっても、前記２つの問題の１つにしか対応しない。したがって、この通常の解決策は、整流装置の領域内で損失を低減するにあたって完全に満足できるものではない。

仏国特許第２８９６０１９号明細書 国際公開第２００８／０４６３８９号

本出願人は、上述された２種類の損失を同時に抑制する、あるいは、解消さえすることを可能にするブレード組立体を提供することを目的とする。

本発明によれば、少なくとも渦を発生させるように形成された、流れに対して作用する複数の個々の装置を備えるターボ機械の圧縮機用のブレード組立体は、前記個々の装置の各々が、主要な流れと再循環する流れに対して同時に作用するように前記組立体の上流側に設けられることを特徴とする。

したがって、本発明によって提案される解決策は、主要な流れと再循環する流れに対して同時に作用し、結果として前述された２つの損失原因に対して同時に対応する、渦を発生させるための装置を提供し、それによってその損失を効果的に低減することを可能にすることにある。

より具体的には、渦は、空気流内の主要な流れと空洞を離れる再循環する流れが本発明による前記装置とぶつかるときに作り出される。前記渦は、主要な流れから境界層までのエネルギーの伝達を可能にする。したがって、境界層は加速される。整流装置の場合の上側表面上における、ステータの足部における低速がコーナの渦に関与するので、前記コーナ渦は低減される。

本発明による解決策の１つの利点およびその変形形態は、圧縮機の軸方向長さにおける衝撃を最大限抑制することである。

特定の実施形態では、渦を発生させる前記個々の装置の少なくとも一部（好ましくはすべて）は、前記循環する流れがその周りを通るシュラウドの上流面内に直接形成された凹みを含む。

本発明の範囲内において、「上流側」および「下流側」の概念は、ブレード組立体および圧縮機内の空気の主要な流れの方向に対して定義され、用語「半径方向」は圧縮機の軸に対するものである。

好ましい実施形態では、渦を発生させるための前記個々の装置はまた、少なくとも前記再循環する流れを誘導するように形成される。この目的のため、前記装置の少なくとも一部は、前記循環する流れがその周りを通るシュラウドの上流面の領域内に配置されたリブを備える。

したがって、前記好ましい実施形態は、前記シュラウド上の空洞の出口に、流体を空洞の出口で誘導すると共に渦を発生させてブレード組立体の（足部またはヘッド部における）ストールを制御することを可能にする装置を提供する。

さらに、前記装置の一部は、好ましくは、２つの連続するブレード間に配置されてよく、この場合、好ましい位置は、上流側方向から見て上側表面上の、ブレード間チャネルに沿ってその距離の三分の一のところに位置し、または、いずれの場合もブレードのすぐ上流側に配置されてよい。

さらに、前記装置は、ブレード組立体の全円周にわたってまたはその一部分だけにわたって設けられてもよい。

第１の好ましい実施形態では、前記ブレード組立体は、ターボ機械の圧縮機用の整流装置に対応しており、前記整流装置は、同軸である外部シュラウドおよび内部シュラウドに加えて、前記外部シュラウドと内部シュラウドの間に互いに隣接して配置されシュラウドにその端部が連結されたブレードを備え、さらに、内部シュラウド上に設けられた、流れに対して作用する複数の個々の装置も備え、前記装置の各々は、内部シュラウドの上流面の領域内において、半径方向の外部側面の近傍に設けられ、それによって主要な流れと、下流面から生じる、内部のシュラウドの半径方向の内部側面の下方を通る流体の流れに対応する、再循環する流れとに対して同時に作用する。

さらに、第２の実施形態では、前記ブレード組立体は、ターボ機械の圧縮機用のロータに対応し、前記ロータは、同軸である内部シュラウドおよび外部シュラウドに加えて、前記内部シュラウドと外部シュラウドの間に互いに隣接して配置されシュラウドにその端部が連結されたブレードを備え、さらに、外部シュラウド上に設けられた、流れに対して作用する複数の個々の装置も備え、前記装置の各々は、外部シュラウドの上流面の領域内に設けられ、それによって主要な流れと、下流面から生じる、外部シュラウドの半径方向の外部側面上を通る流体の流れに対応する再循環する流れとに対して同時に作用する。

どのような実施形態であれ、本発明によって達成できるストールの低減により、圧縮機の効率を向上させ、安定範囲の拡大に寄与することが可能にされる。

さらに、単一タイプの装置により、空洞内の流れを制御し、関連するストールを低減することが可能になる。さらに、前記装置は、整流装置またはロータのプラットフォーム（シュラウド）内に固定、または直接製造され、それによって組み込みまたは製造の問題が抑制される。

加えて、本発明は、上記で述べられたような少なくとも１つのブレード組立体（整流装置、ロータ）を備えるターボ機械の圧縮機および／またはターボ機械、特にそのような圧縮機を備える航空機のターボジェットにも関する。

さらなる特徴および利点は、以下の説明を読み、添付の図を参照することにより明確になるであろう。

圧縮機の整流装置のブレードの概略図である。 図１で示されたようなブレードの領域内に発生するストールを示す図である。 本発明の第１の実施形態による、流れに対して作用する装置を備える、ターボ機械の高圧圧縮機の整流装置の部分的斜視図である。 図３の実施形態によって得られた利点を示す、図２に類似する図である。 本発明の第２の好ましい実施形態による、流れに対して作用する装置を含むターボ機械の高圧圧縮機の整流装置の部分的斜視図である。 図５の実施形態によって得られた利点を示す、図２に類似する図である。 本発明の前記第１の実施形態による、流れに対して作用する装置を備えるターボ機械用の高圧圧縮機の整流装置の変形形態の部分的斜視図である。 本発明が適用され得る、ターボ機械用の高圧圧縮機のロータの概略図である。

図３および図５に部分的に示されるような整流装置２のブレード１が、図１に示されている。前記整流装置２はターボ機械の圧縮機３、特に航空機ターボジェットエンジンの一部を形成する。圧縮機３は、通常では、ロータ２２および整流装置２（ステータ）から各々がなる、複数の連続的な圧縮段を備える。

前記整流装置２は、ブレード１用の支持シュラウドである（半径方向の）外部シュラウド４および（半径方向の）内部シュラウド５を備える。前記２つのシュラウド４および５は同軸であり、複数のブレード１は、これらが固定された前記シュラウド４および５の一方から他方にほぼ半径方向に延び、前記ブレード１は、好ましくは均一に円周方向に離間されている。

本発明の範囲内においては、「上流側」および「下流側」の概念は、整流装置２および圧縮機３内の空気の主要な流れの方向に対して定義され、用語「半径方向」は圧縮機３の軸に対するものである。

流体の主要な流れの方向が、矢印Ｅを用いて示されており、ブレード１（下側表面１Ａおよび上側表面１Ｂ）の足部に存在する流体の局所的循環が、矢印Ｆを用いて薄い線で図１に示されている。ブレード１の足部では、コーナストールの領域６がその上側表面１Ｂ上に存在している。

圧縮機３の作動を確実にするために、各段において整流装置２とハブ７の間には隙間が存在しており、前記隙間は、図２に示されるように、整流装置の下方の空洞として知られている空洞８を作り出している。通常、前記空洞８内では、（矢印Ｇによって示される）漏れ流れが、内部シュラウド５の半径方向の内部側面１１の下方を通って、整流装置２の下流面９Ａから上流面９Ｂまで循環する。前記漏れ流れは次いで、特に矢印Ｈによって示されるように、整流装置２の上流側の空気流内に再噴射される。前記漏れ流れは（矢印Ｅによって示される）主要な流れを妨げ、図２の線１２によって概略的に示される、ストールの発生の一因となる。特に、漏れ流れは、ブレード１の上流側の流れ状態を変化させ、コーナストールの発生を促進し、関連する損失を増大させる。したがって、損失の２つの原因は、圧縮機２の前記領域内に存在する。整流装置８下方の空洞内の再循環によるもの、および、コーナストール６によって引き起こされるものである。

本発明は、前記２つの現象に対して同時に対応して、関連する損失を効果的に低減することを可能にする解決策を提案する。

これを達成するために、整流装置２は、流れに対して作用する複数の個々の装置１４Ａ、１４Ｂを備える。前記装置１４Ａ、１４Ｂの各々は、図３および図５に示されるように、内部シュラウド５の上流面１０の領域内において、半径方向の外部側面１５の近傍の、２つの連続するブレード１の間に設けられ、それにより、図４および図６に示されるように、上流面１０の領域内で、主要な流れＥと、（下流面９Ａから内部シュラウド５の半径方向の内部側面１１の下方の空洞８を通り抜ける流体の流れに対応する）再循環する流れＧとに対して同時に作用する。

前記装置１４Ａ、１４Ｂは、図２の線１２と比較され得る図４および図６内の線１７Ａおよび１７Ｂによって概略的に示されるように、少なくともストールを低減することを可能にする渦１６を発生させるように形成される。渦１６は、主要な流れＥから境界層までのエネルギーの伝達を可能にする。したがって、境界層は加速される。上側表面１Ｂ上のブレード１の足部における低速がコーナ渦に関与するので、前記コーナ渦は低減される。

したがって、渦１６を発生させる装置１４Ａ、１４Ｂは、主要な流れＥおよび再循環する流れＧに対して同時に作用し、上述された２つの損失の原因に対して同時に対応し、それによって損失を効果的に低減する。

図３および図４に示される第１の実施形態では、前記個々の装置１４Ａは、内部シュラウド５の上流面１０内に直接形成され、渦１６を発生させる専用の機能を有する凹みである。

さらに、図５および図６に示される第２の好ましい実施形態では、前記個々の装置１４Ｂは、内部シュラウド５の上流面１０の近傍の、前記半径方向の外部側面１５の近傍に配置されたリブである。

前記リブ１４Ｂは、２つの機能を有する。一方は、第１の実施形態の装置１４Ａの方法で、コーナストールを低減する渦１６を発生させる。他方では、前記リブが、流れを空洞８の出口で誘導し、この流れが主要な流れとより均一に混合され、ストールの生成を少なくする。

どのような実施形態であれ、本発明によって得られるストールの低減により、圧縮機３の効率を向上させ、安定範囲の拡大に寄与することが可能になる。

さらに、単一タイプの装置１４Ａ、１４Ｂにより、整流装置の下方の空洞内の流れを制御し、関連するストールを低減することが可能になる。さらに、前記装置１４Ａ、１４Ｂは、整流装置２のプラットフォーム（内部シュラウド５）内に固定または直接製造され、それによって組み込みまたは製造の問題が抑制される。

本発明の範囲内において、前記装置１４Ａ、１４Ｂは、 図３および図５に示されるように、２つの連続するブレード１間に配置されてよく、この場合、好ましい位置は、上流方向から見て、上側表面上の、ブレード間チャネルに沿ってその距離の三分の一のところに位置し、またはいずれの場合もブレード１のすぐ前方に配置されてよい。

さらに、前記装置１４Ａ、１４Ｂは、整流装置２の円周の全体にわたって、またはその一部分だけにわたって設けられてもよい。

図７に概略的に示される特定の実施形態では、整流装置２は、ブレード１を各々が備える複数の個々の構造体１９によって形成される。前記構造体１９は、互いに隣接して組み立てられて整流装置２を形成する。特定の実施形態では、前記構造体１９の各々には、その縁部２０Ａおよび２０Ｂの各々の領域内で面取り部１９Ａおよび１９Ｂが設けられる。したがって、２つの隣接する構造体１９の面取り部１９Ａおよび１９Ｂは、いずれの場合も、上記で示されたように渦１６を発生させることができる凹み１４Ａを形成する。

さらに、本発明は、図８に概略的に示されるようなターボ機械の圧縮機３のロータ２２にも適用され得る。

そのようなロータ２２の可動式ホイールは、ステータ（または整流装置２）が足部に有することができるように、ヘッド部に、シュラウド２３および再循環する流れＧが循環することができる空洞２４を有することが知られている。

本発明は、この場合、（図８の三角によって概略的に示される）渦を発生させる装置をシュラウド２３の先縁に、整流装置２の内部シュラウド５上と同じようにして設けることによって拡張され得る。整流装置２に関して上記で示された特徴（特に、渦を発生させる装置１４Ａ、１４Ｂの特徴）は、同じようにしてロータ２２上で使用され得る。

この実施形態における目的は、整流装置２と同じものであり、すなわち再循環による損失およびコーナストールによって引き起こされるものを低減することである。

Claims (12)

1. ブレード（１）組立体（２、２２）の上流側に設けられ、少なくとも渦（１６）を発生させるように形成された、流れに対して作用する複数の個々の装置（１４Ａ、１４Ｂ）を備える、ターボ機械の圧縮機（３）用のブレード組立体であって、前記個々の装置（１４Ａ、１４Ｂ）の各々が、再循環する流れ（Ｇ）が、空洞を循環して、その周りを通るシュラウド（５、２３）の上流面（１０）に配置され、再循環する流れ（Ｇ）は、前記個々の装置（１４Ａ、１４Ｂ）が主要な流れ（Ｅ）および再循環する流れ（Ｇ）に対して同時に作用するように主要な流れ（Ｅ）内に再噴射される、ブレード組立体。
2. 前記装置（１４Ａ）の少なくとも一部が、前記再循環する流れ（Ｇ）がその周りを通るシュラウド（５、２３）の前記上流面（１０）内に形成された凹みを含む、請求項１に記載の組立体。
3. 前記装置（１４Ｂ）がまた、少なくとも前記再循環する流れ（Ｇ）を誘導するように形成される、請求項１または２に記載の組立体。
4. 前記装置（１４Ｂ）の少なくとも一部が、前記再循環する流れ（Ｇ）がその周りを通るシュラウド（５、２３）の前記上流面（１０）の領域内に配置されたリブを備える、請求項３に記載の組立体。
5. 前記装置（１４Ａ、１４Ｂ）の少なくとも一部が、２つの連続するブレード（１）間に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の組立体。
6. 前記装置の少なくとも一部が、いずれの場合もブレード（１）のすぐ上流側に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の組立体。
7. ターボ機械の圧縮機（３）用の整流装置（２）に対応し、前記整流装置（２）が、同軸である外部シュラウド（４）および内部シュラウド（５）に加えて、前記外部シュラウドと内部シュラウド（４、５）の間に互いに隣接して配置されシュラウドにその端部が連結されたブレード（１）を備え、さらに、内部シュラウド（５）上に設けられ、流れに対して作用する複数の個々の装置（１４Ａ、１４Ｂ）も備え、前記装置（１４Ａ、１４Ｂ）の各々は、内部シュラウド（５）の上流面（１０）の領域内において、半径方向の外部側面（１５）の近傍に設けられ、それによって主要な流れ（Ｅ）と、下流面（９Ａ）から生じる、内部シュラウド（５）の半径方向の内部側面（１１）の下方を通る流体の流れに対応する再循環する流れ（Ｇ）とに対して同時に作用する、請求項１から６のいずれか一項に記載の組立体。
8. 前記整流装置（２）が、ブレード（１）を各々が備える、共に組み立てられた複数の個々の構造体（１９）から形成されることを特徴とする、請求項７に記載の組立体。
9. 前記個々の構造体（１９）各々には、縁部（２０Ａ、２０Ｂ）の領域内に面取り部（１９Ａ、１９Ｂ）が設けられること、および隣接する面取り部（１９Ａ、１９Ｂ）が、いずれの場合も凹み（１４Ａ）を形成することを特徴とする、請求項８に記載の組立体。
10. ターボ機械の圧縮機（３）用のロータ（２２）に対応して、前記ロータ（２２）が、同軸である内部シュラウドおよび外部シュラウド（２３）に加えて、前記内部シュラウドと外部シュラウドの間に互いに隣接して配置されシュラウドにその端部が連結されたブレード（１）を備え、さらに、外部シュラウド（２３）上に設けられ、流れに対して作用する複数の個々の装置（１４Ａ、１４Ｂ）も備え、前記装置の各々は、外側シュラウド（２３）の上流面の領域内に設けられ、それによって主要な流れ（Ｅ）と、下流面から生じる、外部シュラウド（２３）の半径方向の外部側面上を通る流体の流れに対応する再循環する流れ（Ｇ）とに対して同時に作用する、請求項１から６のいずれか一項に記載の組立体。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のブレード組立体（２、２２）を少なくとも１つ備えることを特徴とする、ターボ機械の圧縮機。
12. 請求項１１に記載の圧縮機（３）を少なくとも１つ備えることを特徴とする、ターボ機械。

Images