JP6022565B2 - 航空機エンジンのためのガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、航空機エンジンのためのガスタービンステータに関する。

航空機エンジンのためのガスタービンの分野においては、可能な限り重量を減らすことによって性能を向上させる必要性の意識が長い間存在している。やがて、このことはステータの構造に帰結し、一方ではステータはブレードにますます応力、すなわち高い流体力学的荷重を受け、他方ではステータはますます厚さプロファイルを小さくし、これによって屈曲およびねじりの両方の剛性が必然的に低くなる。

ステータブレードアレイの剛性の低下は必然的にタービンの構造に帰結し、特定の機能的条件の下で不安定となることが分かった。

この不安定性は、「揺動」として知られた移動状態または振動状態の結果的な誘因を伴った段階の、ブレード間の反復的な空力的相互作用に由来した空力弾性的事象に対する著しい過敏性によるものであることが、実験的に構築可能である。この揺動はブレードに応力を与え、ブレードを構造的に臨界状態に導き、同様にノイズ放出を生じさせる。

これらの問題のために、ステータブレードアレイは局所的に補強されるかまたはより高剛性にされているが、必然的に重量増加の犠牲を伴い、ともかく空力的性能、結果的に効率の観点では妥協した幾何形状／形態を受け入れることになる。

請求項１の前段に対応した特許文献１は、ステータアレイの翼の最適化を教示している。特に、このアレイは互いに異なるものとし得る翼を具備している。しかしながら、特許文献１に提示された解決策は、部品組み立てに関してまったく満足のいくものではなく、なぜならばこれらの部品が非常に多数であり、互いに異なっているためである。言い換えると、個別に異なった幾何形状特性を備えて形成されており、これらの部品は専用の貯蔵および取扱いシステム、ならびに異なった識別コードを必要とする。さらに、組み立て段階において、適宜の指示、および設計によって設定された様々な翼を正確な位置に組み付けるための位置合わせシステムを提供することが望ましい。

さらに、特許文献１においては、周方向に沿った翼の特別なタイプの交互配置は揺動の安定化の観点からは最適化されておらず、そのことはブレードアレイ内における顕著な非対称性を生じる。

欧州特許出願公開第２ ０７５ ４１３号明細書

本発明の目的は、前述の問題が簡素な且つ安価な様式において解決されることが可能な構造的特性を備えたステータを提供することである。

本発明によれば、航空機エンジンのためのガスタービンステータは請求項１において定義されたように形成されている。

本発明は、いくつかの非限定的な実施形態を示した添付図を参照するとともに、ここに記載される。

本発明の原理により形成された複数のブレードセクタが備わったガスタービンステータの概略的且つ実質的な総括的図面である。 図１のブレードセクタの好適な第１実施形態をさらに拡大した斜視図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面を示した図である。 図３に類似した、図２の線ＩＩＩａ−ＩＩＩａに沿った断面を示した図である。 図３に類似した、図２の線ＩＩＩｂ−ＩＩＩｂに沿った断面を示した図である。 図２に類似した、図１におけるステータのブレードセクタの好適な第２実施形態をさらに拡大した斜視図である。 図３に類似した、図４の線Ｖ−Ｖに沿った断面を示した図である。 図２に類似した、図１におけるステータのブレードセクタの好適な第３実施形態をさらに拡大した斜視図である。 図３に類似した、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面を示した図である。

図１において、参照符号１は全体として航空機エンジンのためのガスタービンステージ（図示略）のステータ（部分的に図示）を示している。

ステータ１は複数のステータブレードセクタ２によって形成されたアレイまたはリング１ｂを具備しており、ステータブレードセクタは互いに隣接し且つアレイ１ｂの軸１ａと同軸に配置され、各ステータブレードセクタは内側湾曲部３、外側湾曲部４、および少なくとも２つの中間径方向ブレード５を具備している。中間径方向ブレードは一端において内側湾曲部３に一体に接続され、他端において外側湾曲部４に接続されており、これは湾曲部３および４とともに一体に形成されたモノリシック（monolithic）セクタ２を形成するためである。

湾曲部３および湾曲部４は軸１ａの周りに円弧状に伸びており、前述のように、周方向において隣接したセクタ２の湾曲部３および４に個々に支えられ且つ／または接続されている。総合すると、湾曲部３はこれによって内側環状端壁３ａを形成しており、湾曲部４はこれによって外側環状端壁４ａを形成している（図１）。端壁３ａおよび４ａがそれらの間の環状チャネルを径方向に画定し、環状チャネルがタービン内のガスの流れをガイドし且つブレード５を収容することは明白である。

特に図２および３を参照すると、各セクタ２はブレード５の２つのシリーズ、特に幾何形状的におよび寸法的に互いに異なり、且つ一方が他方とともに交互に配置された３つのブレード５ａおよび３つのブレード５ｂを具備している。それとは異なり、図示されていない変形によれば、各ブレードセクタ２は１つのみのブレード５ａおよび１つのみのブレード５ｂを具備している。

各ブレード５ａおよび５ｂは符号６ａおよびお６ｂとして示された自身の径方向母線を備えている。図２に示された特別な実施例においては、母線６ａおよび６ｂは少なくとも部分的に湾曲しており、互いに異なっている。それとは異なり、図示されていない変形によれば、母線６ａおよび６ｂは直線、または実施例を利用して示された母線とは異なった湾曲となっている。

常に図２、図３、図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、ブレード５ａおよび５ｂは、図示された特別な実施例においては互いに異なっており且つ少なくとも部分的に湾曲しており、それらは符号７ａおよび７ｂとして示された、互いに異なった曲率を有する個別の湾曲した中間セグメント、および個別の湾曲したセグメントの互いに対向した端部に配置され且つ個別の湾曲部３および４から伸びた個別の略直線状の端部セグメント８ａおよび８ｂを備えている。

図３を参照すると、ブレード５ａおよび５ｂは、形状または配列およびサイズの両方において互いに異なった断面領域９ａおよび９ｂを備えている。ブレード５ａは径方向に、すなわち湾曲部３から湾曲部４に向かって略一定のサイズとされたセクション９ａを備え、一方で、ブレード５ｂは、図３、図３Ａおよび図３Ｂに示されたセクションから明確に見られるように、常に径方向において連続した規則で好都合に変化した可変セクション９ｂを備えている。特に、ブレード５ｂは、湾曲部３および４に近接して最大のサイズとなったセクション９ａ（図３）と、径方向の範囲の約半分において最小のサイズとなったセクション９ｂ（図３Ｂ）と、残りのセグメントにおいて中間セクション９ａ（図３Ａ）と、を備えている。さらに図３を参照すると、最大サイズの各セクション９ａは円周線１０（図３）に沿って測定した寸法Ｄ１を有し、この寸法は同一の方向において測定したセクション９ｂの寸法Ｄ２よりもはるかに小さく、特に、寸法Ｄ２の半分以下である。これだけでなく、最大サイズの各セクション９ａは、各セクション９ｂの１つの周内に完全に広がったような形状および外側寸法の周を備えている。さらに、常に図３を参照すると、ブレード５ａは曲率半径Ｒａを有する互いに反対側に位置した端部を備え、この曲率は、図３に明確に見られているように、ブレード５ｂの端部の曲率半径Ｒｂよりもはるかに小さい。

図４および図５はブレードセクタ１３を示しており、このブレードセクタは、母線６ｂが母線６ａよりも大きい曲率を有していること、および最大サイズのセクション９ｂが軸方向において最大サイズのセクション９ａよりも小さい面および広がりを有していることによって、ブレードセクタ２と類似の且つブレードセクタ２とわずかだけ異なっている。

さらに、寸法Ｄ１およびＤ２は、図５に見られているように、概略同程度である。

図６および図７はブレードセクタ１４を示しており、このブレードセクタは、母線６ａおよび６ｂが異なった曲率、特にセクタ１３の母線６ａおよび６ｂの曲率よりも小さいことのみにおいてブレードセクタ１３とは異なっている。

異なったシリーズのブレードを同一のモノリシックブレードセクタに使用すること、特に、幾何形状的におよび寸法的に互いに異なったまたは内側部および外側部に沿って異なった相対位置に配置されたブレードの使用が、任意の機能的条件または負荷状態において空力弾性的に安定しており、同時に極めて軽いことが経験的に観察され得る。

前述の事項は、記載されたステータセクタ２、１２、および１３において、同一のセクタの各ブレードが、正確に異なった母線、セクション、および一般的にはセクタの他のブレードと異なった幾何形状を備えていることによって、および／または他のブレードに対して特定の位置に配置されることによって、弾性変形し、且つ独自の方法および独自の振動数において振動または揺動することに起因しており、その振動または揺動は同一のセクタの構成部分の他のシリーズのブレードの振動または揺動のモードとは異なっている。

特に、設計段階において、同一セクタのブレードの幾何形状および相対レイアウトは、異なったブレード間の空力的相互作用が相互に反復的に打ち消し合い、関連したセクタの安定性を提供する点まで減少されるように決定される。言い換えると、幾何形状および相対レイアウトは各ブレードの臨界振動モードの振動数を「デチューン（detune）」するように、すなわち隣接したブレードに起因した空力的反復を減少させるように決定される。

セクタを単一部品として形成することによって、各１つのセクタは少なくとも１つのブレード５ａと少なくとも１つのブレード５ｂとを具備し、すべてが同一のセクタを製造すること、したがって、組み立て段階においてステータの周に沿って反復された一種のモジュールを製造することが可能である。

さらに、ステータ１の全周に沿って単一のブレード５ａを単一のブレード５ｂと交互に配置することは、アレイ１ｂの非対称性を最小に減少させ、揺動の安定性を最適化する。

前述の事項から、改良および変形が、独立請求項に定義された保護の範囲を逸脱することなく、記載されたステータ１に適用され得ることが明確である。特に、母線６ａおよび６ｂは実施例を利用して記載された方針と異なった方針を有することが可能であり、一方ですべての又は一部のブレードセクタは記載された以外の複数のブレード５を具備し得るが、実施例に示されたように常に偶数であり、これは交互になったブレード５ａおよび５ｂを備え、且つステータ１の周に沿って均等に反復されたセクタを得るためである。

最後に、母線６ａおよび６ｂが直線状である場合、それらは互いに異なった径方向の傾斜を有し得る。

１ ・・・ステータ
１ａ ・・・軸
１ｂ ・・・アレイ
２ ・・・モノリシックセクタ
３ ・・・内側湾曲部
４ ・・・外側湾曲部
５ ・・・中間径方向ブレード
６ａ、６ｂ ・・・母線
９ａ ・・・セクション
９ｂ ・・・可変セクション
１３、１４ ・・・ブレードセクタ

Claims (11)

1. 航空機エンジンのためのガスタービンステータ（１）であって、該ステータは、第１ブレード（５ａ）のシリーズおよび第２ブレード（５ｂ）のシリーズによって形成された複数のブレードを含んだブレードアレイ（１ｂ）を具備し、前記第１ブレード（５ａ）は前記第２ブレード（５ｂ）とは異なった幾何形状を備え、前記第１ブレード（５ａ）および前記第２ブレード（５ｂ）は、個々に第１径方向母線および第２径方向母線を備え、前記第１径方向母線は、少なくとも１つの第１湾曲セグメントおよび略直線状の第１セグメントを具備し、前記第２径方向母線は、少なくとも１つの第２湾曲セグメントおよび略直線状の第２セグメントを具備したステータにおいて、
   ａ） 前記第１ブレードおよび第２ブレードは、前記ステータ（１）の全周に関して単一の前記第１ブレード（５ａ）が単一の前記第２ブレード（５ｂ）と交互になるように配置されており、
   ｂ） 前記ブレードアレイは複数のセクタ（２；１３；１４）によって形成されており、各セクタは、
   ｉ） 内側環状端壁（３ａ）を形成するように、隣接したセクタの内側湾曲部に隣接した内側湾曲部（３）と、
   ｉｉ） 外側環状端壁（４ａ）を形成するように、隣接したセクタの外側湾曲部に隣接した外側湾曲部（４）と、
   ｉｉｉ） 少なくとも１つの前記第１ブレード（５ａ）および少なくとも１つの前記第２ブレード（５ｂ）と、を具備し、
   ｃ） 各前記セクタ（２；１３；１４）は一部品に形成されたボディによって形成されていることを特徴とするステータ（１）。
2. 前記第１径方向母線および第２径方向母線は互いに異なっていることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
3. 前記第１湾曲セグメントおよび第２湾曲セグメントは互いに異なった曲率を有していることを特徴とする請求項２に記載のステータ。
4. 前記第１湾曲セグメントおよび第２湾曲セグメントは中間セグメントであることを特徴とする請求項３に記載のステータ。
5. 前記略直線状の第１セグメントおよび略直線状の第２セグメントは個別の前記湾曲セグメントの互いに対向した端部に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のステータ。
6. 前記直線状の第１セグメントおよび第２セグメントは、前記内側湾曲部（３）と前記外側湾曲部（４）から伸びていることを特徴とする請求項５に記載のステータ。
7. 前記第１ブレードおよび第２ブレードは個々に第１断面領域および第２断面領域を備え、前記第１断面領域および第２断面領域は幾何形状的にまたは寸法的に互いに異なっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のステータ。
8. 前記第１断面領域および第２断面領域は、共通の周方向に沿って測定された個別の寸法を有し、該寸法は互いに異なっていることを特徴とする請求項７に記載のステータ。
9. 少なくとも前記第２ブレードは、径方向において変化したセクションを備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のステータ。
10. 少なくとも前記第２ブレードは、前記内側湾曲部（３）および外側湾曲部（４）に近接した最大セクションを有することを特徴とする請求項９に記載のステータ。
11. 前記各第１セクションの周は、該周が前記各第２セクションの対応した周内に内接し得るようになっていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のステータ。

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