JP6091517B2 - 特に、一体型ブレード付きディスク用のタービンエンジンブレード - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジン用の一体型ブレード付きディスクの全般的分野に関し、特に、本発明は、該ディスク内に含まれるブレードのプロファイルに関する。

タービンエンジンの一体型ブレード付きディスク（「ブリスク」としても周知である）は、ブレードおよびブレードを支承するディスクが一体部品を形成するように単一の均一な金属ブロックで直接機械加工されたロータのことである。該ディスクは、通常、タービンエンジンの種々の圧縮段、特に、２スプールバイパス型の航空機ターボジェットの高圧圧縮機を形成するのに使用される。

ブリスクブレードの設計は、空気力学的性能および特定の環境での機械的強度の両方に関する要件を満たす必要がある。該ブレードの半径方向のエアフォイルの高さが比較的小さい場合、二次流として周知の高振幅の空気力学的現象が発生する。これらの二次流は、ブレードの空気力学的性能を低下させる一因となる。さらに、空気力学的流れ挙動は、「軸傾斜角（ｐｌｕｎｇｉｎｇ）」タイプの流路、すなわち、ターボジェットの回転軸に向かって傾斜している流路があることにより制御するのが難しい。

Ｌｅｒｏｙ Ｈ．Ｓｍｉｔｈ、Ｈｓｕａｎ Ｙｅｈ著、「Ｓｗｅｅｐ ａｎｄ ｄｉｈｅｄｒａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ａｘｉａｌ−ｆｌｏｗ ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ出版、１９６３年９月、４０１頁

二次流を十分に制御することができるエアフォイルプロファイルを有するブリスクブレードを形成して、ブレードが「軸傾斜角」流路内に位置することに配慮することができるのが望ましい。

本発明は、前縁と後縁との間で軸方向に伸び、根元部と先端部との間で半径方向に伸びるエアフォイルを備えるタービンエンジンブレードであって、本発明によれば、エアフォイルの前縁は、正のスイープ角であって、根元部から、エアフォイルの根元部から先端部まで測定した全半径方向高さの２０％から４０％の高さにあるエアフォイルの第１の半径方向高さまで連続的に増加し、エアフォイルの第１の半径方向高さから先端部まで連続的に減少するスイープ角を有する、タービンエンジンブレードを提供する。

このようなエアフォイルプロファイルにより、特に、中間の高さのゾーンに比べて根元部近くのエアフォイルのゾーンに有利に流体流れを分配することができる。さらに、流量は、流路の上部から吸い込まれる。その結果、流路の高さ全体にわたって流体流れを最適に分配することができ、このことによりブレードの空気力学的効率を高めて、二次流の制御に寄与することができる。

エアフォイルの前縁のスイープ角は、エアフォイルの全半径方向高さの６０％から８０％の高さにあるエアフォイルの第２の半径方向高さから負になるのが好ましい。

さらに、エアフォイルの前縁のスイープ角は、エアフォイルの先端部で−４５°未満であるのが好ましい。

有利な条件によれば、エアフォイルの前縁は、根元部から先端部に徐々に増加する上反角を有する。このエアフォイルの前縁の上反角は、根元部の−２５°から−５°の最小値と先端部の＋５°から＋２５°の最大値との間の角度を取りうる。

さらに、エアフォイルの前縁のこの上反角は、有利には、根元部とエアフォイルの第１の半径方向高さとの間では負になり、エアフォイルの全半径方向高さの４０％から６０％の高さにあるエアフォイルの第３の半径方向高さと先端部との間では正になる。このような上反角が存在することで、許容可能な静的応力のゾーンに関係するエアフォイルの下部に対してインシデンスを保護することができる（前縁は「閉鎖状態」であると考えられる）。

エアフォイルの第３の半径方向高さは、有利には、エアフォイルの全半径方向高さの５０％の高さにある。したがって、翼列によって流体に加えられる力（逆も同様）は、許容可能なエアフォイルの静的応力および均一な空気力学効率の分配を保証するように、最適に配向される。

エアフォイルの第１の半径方向高さは、エアフォイルの全半径方向高さの３０％の高さにあるのが好ましい。

本発明はさらに、上述の複数のブレードを有するタービンエンジン用一体型ブレード付きディスクを提供する。さらに、本発明は、少なくとも１つの該一体型ブレード付きディスクを有するタービンエンジンを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な特徴を有する一実施形態を示した添付図面を参照しながら後述する説明から明らかになるであろう。

本発明のブレードを有する一体型ブレード付きディスクの部分斜視図である。 本発明のブレードのエアフォイルの前縁のスイープ角を示した曲線である。 本発明のブレードのエアフォイルの前縁の上反角を示した曲線である。

本発明は、任意のタービンエンジンブレードに適用できる。

本発明は、特に、図１に示されているディスクのように、ターボジェット内の高圧圧縮機の下流側段のディスク１０のようなタービンエンジン用一体型ブレード付きディスクのブレードに関するが、これに限定されない。該ディスクのブレード２０は、小さい半径方向高さ、例えば、およそ２５ミリメートル（ｍｍ）の高さのエアフォイルを有し、「軸傾斜角」流路、すなわち、ターボジェットの回転軸に向かって傾斜する流路内に位置決めされる。

周知の形では、各ブレード２０は、前縁２４と後縁２６との間で軸方向に（すなわち、ターボジェットの長手方向軸Ｘ−Ｘに沿って）伸び、根元部２８と先端部３０との間で半径方向（すなわち、長手方向軸Ｘ−Ｘに垂直な半径方向軸Ｚ−Ｚに沿って）エアフォイル２２を備える。

本発明によれば、ブレードのエアフォイルの前縁２４は、正のスイープ角であって、根元部２８から、エアフォイルの根元部から先端部まで測定した全半径方向高さの２０％から４０％の高さにあるエアフォイルに沿った第１の半径方向高さｈ_１まで連続的に増加し、エアフォイルの前記第１の半径方向高さｈ_１から先端部３０まで連続的に減少するスイープ角を有する。

定義によれば、エアフォイルの最小半径方向高さは０％であり、エアフォイルの前縁と、圧縮段を通過する空気流の流路の内側を画定するブレード付きディスクとの交点に対応する。同様に、エアフォイルの最大半径方向高さは１００％であり、前縁のラインが半径方向の最も高い点にある時の点に対応する。

さらに、スイープ角は、前縁の接線と相対速度ベクトルに垂直な線との間のブレードの前縁の点で形成される鋭角である。スイープ角が正である時、前縁は後方に湾曲し（後方スイープ）、負のスイープ角は、前縁が前方に湾曲している（前方スイープ）ことを示している。

スイープ角のより正確な定義は、特に、Ｌｅｒｏｙ Ｈ．Ｓｍｉｔｈ、Ｈｓｕａｎ Ｙｅｈ著、「Ｓｗｅｅｐ ａｎｄ ｄｉｈｅｄｒａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ａｘｉａｌ−ｆｌｏｗ ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１９６３年９月、４０１頁にて公開）に示されている。

本発明のブレードのエアフォイルの前縁のスイープ角は、図２の曲線１００で示されている。この曲線１００に示されるように、スイープ角は、根元部（エアフォイル高さ０％に相当する）から、エアフォイルの根元部から先端部まで測定した全半径方向高さの２０％から４０％、好ましくは３０％の高さにあるエアフォイルの第１の半径方向高さｈ_１まで正であり（後方に湾曲）、かつ連続的に増加する。さらに、スイープ角は、このエアフォイルの第１の半径方向高さｈ_１から先端部（エアフォイル高さ１００％に相当する）まで、連続的に減少する。

用語「連続的」は、本明細書では、スイープ角の増加（または、場合によっては減少）が前縁の上述の部分を規定する２つの半径方向高さ間で中断されないという意味で使用される。特に、前縁のこれらの２つの部分は、スイープ角の増加（または、場合によっては、減少）を含まない。

好ましくは、エアフォイルの前縁のスイープ角は、エアフォイルの全半径方向高さの６０％から８０％の高さ（図２に示されている例では、ｈ_２＝６０％）にあるエアフォイル
の第２の半径方向高さｈ_２から負になる。

さらに好ましくは、エアフォイルの前縁のスイープ角は、エアフォイルの先端部で−４５°未満（図２に示されている例では、エアフォイルの先端部に相当する１００％のエアフォイル半径方向高さで約−４９°）である。

このようなエアフォイルの前縁のスイープ角と上述の特定の特徴との関係により、主に、流体の流れを流路の高さ全体にわたって分配することができ、さらに、ブレード先端部の半径方向間隙の開口部（この開口部は、エンジンの老朽化に伴って大きくなる傾向がある）における空気力学的安定性が得られる。

さらに、ブレードは、エアフォイルの前縁の上反角の関係によって規定されるさらなる有利な特徴を有する。

前縁の上反角は、前縁の接線とブレードの回転軸を含む面との間でブレードの前縁の点で形成される角度である。負の上反角は、ブレードの前縁の点における接線がブレードの回転方向に向いていることを意味する。反対に、正の上反角は、ブレードの前縁の点における接線がブレードの回転方向と逆の方向を向いていることを意味する。上反角のより正確な定義は、同様に、Ｌｅｒｏｙ Ｈ．Ｓｍｉｔｈ、Ｈｓｕａｎ Ｙｅｈ著の上述の文献に示されている。

本発明のブレードのエアフォイルの前縁の上反角は、図３の曲線２００で示されている。この曲線２００に示されるように、上反角は、根元部から先端部に向かって徐々に増加する。図３の例では、根元部（エアフォイル半径方向高さ０％に相当する）で−１５°から、先端部（エアフォイル半径方向高さ１００％に相当する）で＋１３°となる。

「連続的に」増加する場合とは異なり、「徐々に」増加する上反角は、場合によっては、エアフォイルの根元部と先端部との間の前縁の特定の部分でいくらか減少する可能性がある。

エアフォイルの前縁の上反角は、根元部の−２５°から−５°の最小値Ｖ_ｍｉｎと、先端部の＋５°から＋２５°の最大値Ｖ_ｍａｘとの間の角度であるのが好ましい。エアフォイルの前縁の上反角は、根元部の−１５°から先端部の＋１５°の範囲にあるのが好ましい。

さらに、エアフォイルの前縁の上反角は、有利には、根元部と、エアフォイルの全半径方向高さの２０％から４０％、好ましくは３０％の高さにあるエアフォイルの第１の半径方向高さｈ_１との間は負の角度である。同様に、エアフォイルの全半径方向高さの４０％から６０％、好ましくは５０％の高さにあるエアフォイルの第３の半径方向高さｈ_３と、エアフォイルの先端部との間は正の角度であるのが好ましい。

Claims (10)

1. 前縁（２４）と後縁（２６）との間で軸方向に伸び、根元部（２８）と先端部（３０）との間で半径方向に伸びるエアフォイル（２２）を備えるタービンエンジンブレード（２０）であって、エアフォイルの前縁は、根元部から、エアフォイルの根元部から先端部まで測定した全半径方向高さの２０％から４０％の高さにあるエアフォイルの第１の半径方向高さ（ｈ_１）まで連続的に増加すると共に、エアフォイルの第１の半径方向高さから先端部に向けて連続的に減少する、正であるスイープ角を有し、エアフォイルの前縁のスイープ角が、エアフォイルの全半径方向高さの６０％から８０％の高さにあるエアフォイルの第２の半径方向高さ（ｈ_２）から負になり、正のスイープ角は、前記前縁が後方に湾曲することを示し、かつ、負のスイープ角は、前記前縁が前方に湾曲することを示すことを特徴とする、ブレード。
2. エアフォイルの前縁のスイープ角が、エアフォイルの先端部で−４５°未満であることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. エアフォイルの前縁が、根元部から先端部まで徐々に増加する上反角を有し、正の上反角は、ブレードの前縁の点における接線がブレードの回転方向と逆の方向を向いていることを示し、かつ、負の上反角は、ブレードの前縁の点における接線がブレードの回転方向に向いていることを示すことを特徴とする、請求項１または２に記載のブレード。
4. エアフォイルの前縁の上反角が、根元部の−２５°から−５°の最小値（Ｖ_ｍｉｎ）と先端部の＋５°から＋２５°の最大値（Ｖ_ｍａｘ）との間の角度であることを特徴とする、請求項３に記載のブレード。
5. エアフォイルの前縁の上反角が、根元部の−１５°から先端部の＋１５°の範囲にあることを特徴とする、請求項４に記載のブレード。
6. エアフォイルの前縁の上反角が、根元部とエアフォイルの第１の半径方向高さとの間は負であり、エアフォイルの全半径方向高さの４０％から６０％の高さにあるエアフォイルの第３の半径方向高さ（ｈ_３）と先端部との間は正であることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載のブレード。
7. エアフォイルの第３の半径方向高さが、エアフォイルの全半径方向高さの５０％の高さにあることを特徴とする、請求項６に記載のブレード。
8. エアフォイルの第１の半径方向高さが、エアフォイルの全半径方向高さの３０％の高さにあることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のブレード。
9. タービンエンジン用一体型ブレード付きディスクであって、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレードを複数有することを特徴とするディスク。
10. 請求項９に記載の少なくとも１つの一体型ブレード付きディスクを含むことを特徴とする、タービンエンジン。

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