JP6170513B2 - ターボ機械ブリスク用の改良型ケーシングおよび前記ケーシングを備えるターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、航空エンジンの推進力を提供するターボ機械の分野に関する。

より具体的には、そのようなターボ機械のブリスク用のケーシングに関する。

民間輸送航空機の推進力は、矛盾する場合のある２つの条件を尊重しなければならない：
第一に、航行時に良好な空気力学的性能を提供すること、
および離陸および着陸段階においてますます厳しい音響認可基準を尊重することである。

この後者の条件は、離陸および着陸時に航空機によって生じる騒音を低減するための解決策を見出すことを伴う。航空機のターボ機械によって生じる全騒音の主要要素は、ターボ機械のファンの中で発生する渦の存在に起因する。これらの渦は、ファンケーシングとファンのブレードの半径方向外側末端との間の遊びに起因し、これらの渦はこの点において気流を乱す。

結果として、ターボ機械であって、そのケーシングおよびファンが、特に離陸および着陸段階の間に、航行時の空気力学的性能のいかなる低下も伴わずに、ファンによって生じる騒音を抑制するように設計された、ブリスクを含むターボ機械を開発することを目的とする。

この点に関して、可動ブレードに対向して位置するその内表面が、流れの乱流、ひいてはこの乱流から生じる騒音を減少させるように修正されたケーシングが、開発されてきた。

ファンのブレードとケーシングとの騒音相互作用を低減しようとする、ケーシングの表面の改質は、たとえばフランス特許第ＦＲ２９２９３４９号明細書、およびフランス特許第ＦＲ２９４０３７４号明細書において提案されてきた。

フランス特許第ＦＲ２９４０３７４号明細書は、ブレードに対向して配置された空洞を包含する、ブリスクケーシングを提案する。ブレードに対する空洞の寸法決めおよび配置は、特にこの文献において、空気力学的性能の改善および騒音の減少を提供するようになっている。

フランス特許第ＦＲ２９２９３４９号明細書は、その内表面に複数の周方向溝（ケーシングの軸を中心とする回転対称溝）を含むブリスクケーシングを提案する。また、これらの溝の断面の表面積は、ケーシングの上流に位置する第１の溝から、さらに比較的下流に位置する最後の溝に向かって、減少する。

米国特許第２０１１／０３１１３５４号公報において、ケーシング内に作製された空洞は、複数のスロットを接続する。

欧州特許第０７５４８６４号明細書において、ターボ機械の中の流れに対抗する流れを発生させるために、複数のスロットを接続する空洞内に高圧流体が注入される。したがって結果的に得られるスロットおよび空洞は、乱流を減少させるためにターボ機械内の気流を抜き取らない。

内表面内の溝の配置によるケーシングの前記内表面の改質は、すでに有用であると証明されている。しかし、これらの溝における数値的な流れシミュレーション調査により、これらは互いに対して独立することによって、結果的に得られる空気力学的利得に対してすべて同じように貢献するわけではないことがわかった。

具体的には、ケーシングから下流に最も離れて位置する溝は、上流に位置するものと比較して低い空気力学的利得しか可能にしない。

たとえば、４つの連続する溝を含むケーシングに関する空気力学的利得が、３つの連続する溝のみを含むケーシング上で得られる利得と実質的に等しいことは、明らかである。

したがって、ファンの音響性能を向上し、下流に位置するスロットの空気力学的利得への貢献を増加させるために、ケーシングの表面改質またはケーシング処理によって、空気力学的利得をさらに改善する必要がある。

仏国特許発明第２９２９３４９号明細書 仏国特許発明第２９４０３７４号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０３１１３５４号明細書 欧州特許第０７５４８６４号明細書

本発明の目的は、従来技術と比較して改善された空気力学的性能を有するブリスクケーシングを提案することによって、上記の問題を是正することである。

この目標のため、本発明の目的は、摩耗性材料の内部被膜と、前記被膜内に配置された複数の周方向スロットとを含む、ターボ機械のブリスク用ケーシングであり、前記ケーシングは摩耗性材料の被膜内に形成された周方向空洞も含み、前記スロットは前記空洞で終端し、前記空洞とケーシングの内表面との間に延在する。

有利なことに、しかし随意に、本発明は、以下の特徴のうちの少なくとも１つを含むこともできる：
−摩耗性材料の被膜が２０から２５ｍｍの厚みを有するので、空洞はこの厚さ内で５から１０ｍｍの高さを有する。
−空洞は、前記ケーシング上の最上流に位置するスロットに対して上流にオフセットすることによって、摩耗性材料の被膜の中まで延在し、スロットの数は４から８の間である。
−摩耗性材料の被膜の厚み内で、各スロットは１０から１５ｍｍの高さを有する。
−各スロットは２から６ｍｍの幅を有する。
−２つの連続するスロット間の間隔は０．５から３ｍｍの間である。
−スロットの各々は、平面内に延在して７０°から１１０°の角度を形成する。

本発明の別の目的は、ブリスクおよび特許請求項のいずれか一項に記載のブリスクケーシングを含む、ターボ機械である。

有利なことに、しかし随意に、本発明によるターボ機械は、以下の特徴のうちの少なくとも１つを含むこともできる：
−ケーシングの空洞は、２から１０ｍｍの距離だけブレードの前縁に対して上流にオフセットすることによって、ホイールのブレードの半径方向外側末端の反対側に位置する。
−ケーシング内の最上流に位置するスロットは、１．５から３．５ｍｍの距離だけブレードの前縁に対して上流にずれている。

本発明の他の特徴、目的、および利点は、純粋に説明的であって非限定的な、および以下の添付図面と関連して考察されるべき、以下の説明から明らかになるだろう。

本発明による可動ブリスクおよびケーシングを含むターボ機械の軸方向断面図である。 ターボ機械ケーシング内に形成された空洞内の流線を示す図である。

図１は、ターボ機械１のブリスク２０のケーシング１０を示す。ケーシング１０の内側に位置するブリスク２０は、ターボ機械のファンである。ブリスク２０は、ファンの回転の軸Ｘ−Ｘを中心に回転するように装着された複数のブレード２１を含む。

各ブレード２１は、前縁２２、後縁２３、およびケーシングの内表面１５に対向する半径方向外側末端２４を有する。したがって末端２４は、固定されたケーシング１０の内表面の近傍において高速で運動せざるを得ず、この点において乱気流を引き起こすが、前記乱気流は不快な音の原因である。

ターボ機械１内の気流の全体的な方向は、ファン２０の回転軸Ｘ−Ｘと実質的に平行な矢印Ｆによって示されており、各ブレードの前縁から後縁に向かって移動する。以下、上流および下流は、ケーシングの要素を配置するのに使用され、気流の方向に対してと解釈される。

ブリスク２０の周りで固定的に装着されたケーシング１０は、ブリスク２０の回転軸Ｘ−Ｘと連結するケーシング軸を中心とする回転の一部品である。回転軸Ｘ−Ｘは、下記においてケーシングの軸とも称される。

ケーシング１０は摩耗性材料で作られた内部被膜１１を含み、被膜の表面はケーシング１０の内表面１５を画定する。この被膜は回転軸Ｘ−Ｘに対して半径方向に測定された、２０から２５ｍｍの厚みｈ_１を有する。

摩耗性材料の被膜１１の内部かつブレード２１の半径方向外側末端２４の反対側には、複数のスロット１２がある。これらのスロット１２は周方向であり、つまりこれらはケーシングの軸Ｘ−Ｘに対して直交する平面Ｐにおいて円形断面を、およびこの平面内においてケーシングの外周を有する。

摩耗性材料の被膜１１内には、スロット１２がケーシング１０の空洞１３と内表面１５との間に延在するように、スロット１２の周りで円形の周方向空洞１３もある。この空洞１３もまた、ブレード２１の半径方向外側末端２４に対向する。

また、スロット１２は空洞１３内で終端しており、気流Ｆの一部がいくつかのスロットを通り空洞１３の内部を貫通し、そこから出て他のスロット内に入ることを可能にする。有利なことに、すべてのスロット１２が空洞１３内で終端する。

スロット１２間の間隔１４は、摩耗性材料の被膜１１と同じ材料１１から形成される。間隔１４は、アセンブリが確実に結びつくようにするため、トリガーガード（図示せず）によって互いに前記被膜１１に結合することができる。

図２は、空洞１３の高さにおける気流の流線を示す。これらの流線は、ブレード２１とケーシング１０との間の遊びに関連付けられた渦、ならびに流れの境界層を抜き取る、気流に対してケーシング内の上流に位置するスロットの役割を明らかにするが、これら２つの要素は空気力学的観点から有害である。

流線はまた、気流に対してケーシング１０の下流に位置するスロットが、ファン２０内の流れの中で気流をあまり乱さずに再循環させるのに役立つことも示している。

このように空洞１３は、ファンの流れへの流れ再注入という、特定の役割を最も遠い下流のスロットに与えることによって、各スロットの空気力学的利得を増加させる。この空気力学的利得は、乱流によって発生した騒音の減少を伴う。

再び図１を参照すると、スロット１２および空洞１３のパラメータは、空気力学的利得の最適化に適合されている。

空洞１３は、摩耗性材料の被膜１１の厚み内に、軸Ｘ−Ｘに対して半径方向に測定された高さｈ_２を有する。

摩耗性材料で作られた被膜１１の厚み内に、スロット１２自体は、軸Ｘ−Ｘに対して半径方向に測定された高さｈ_３を有する。

スロットおよび空洞が摩耗性材料の被膜１１内に配置されるように、その累積高さｈ_２＋ｈ_３は、前記被膜の厚みｈ_１よりも小さくなくてはならない。２０から２５ｍｍの厚みの被膜とするため、スロットおよび空洞の累積高さは１５から２０ｍｍ以下でなくてはならない。

好ましくは、空洞１３の高さｈ_２は５から１０ｍｍの間である。大容積の空洞は、渦の大規模な抜き取りを可能にするが、しかしファン２０内の流れの再循環を低下させる。結果的に、空洞の容積についての妥協が見出されなければならず、したがってその高さについても同様である。有利なことに、この妥協は６ｍｍ程度の高さｈ_２について達成される。

また、スロット１２の高さｈ_３は好ましくは１０から１５ｍｍの間であり、好ましくは１２ｍｍ程度である。

また、図１より明らかなように、空洞１３は、ケーシング１０内の最上流に位置する第１のスロット１２に対して上流にずれている。実際、この場合はこのスロットの流線が空洞内で急に分岐してこの空洞内に無秩序な循環を生じることになるので、空洞１３は最も上流のスロット１２と同一平面であってはならず、空洞の上流端はこのスロット１２のすぐ下にあってはならない。

好ましくは、空洞１３は、第１のスロット１２の上流端に対して、２から５ｍｍのずれを有する。

空洞１３はまた、ケーシング１０内の最も下流に位置するスロットである最後のスロット１２に対して、ずれｄ’を有することも可能である。

スロット１２の数については、これは有利なことに４から８の間、より有利には６に等しい。

実際、スロットの数が多いと（一般的には５つ以上）、渦の抜き取りの規模を増加させることができ、その場合気流内で抜き取られる流れをファン２０内により良く再注入することが可能となる。しかしながら、８つより多い数のスロットは、該流れをファン内に再注入する間に過大圧力現象を引き起こし、これが空気力学的性能を低下させる。

したがって、４から８の間、および有利には６に等しいスロットの数は、これら２つの現象間の最適な妥協点に相当する。

再び図１を参照すると、両方向矢印Ｉはスロット１２の幅を示す。幅Ｉは有利なことにすべてのスロット１２について同じであり、２から６ｍｍの間である。たとえば、この幅Ｉは３．５ｍｍに等しい。

図１はまた、間隔１４の幅、すなわち２つの連続するスロット間の間隔を、両方向矢印εで示す。この間隔は、好ましくはすべての間隔１４について一定であり、０．５ｍｍから３ｍｍの間である。有利なことに、間隔は１．５ｍｍに等しくてもよい。

また、スロット１２は好ましくは、しかし限定的ではないが、ケーシングの軸に対して７０°から１１０°の角度を形成する平面内に延在する。有利なことに、スロットは前記軸に対して直交する平面内に延在する。図１は、ケーシングの軸に対して直交する平面Ｐ、および平面Ｐと軸との間に形成された角度ａを示す。

高さｈ_３、幅Ｉ、連続する２つのスロット間の間隔ε、およびスロットの角度αである、スロットに対するパラメータは、ファンの気流内の渦の良好な抜き取り、および空洞１３内の流体の良好な循環を保証するように選択される。

スロット１２とブリスク２０のブレード２１との相対位置については、ケーシング１０内の最も上流のスロット１２は、好ましくは１．５から３．５ｍｍの距離ηだけブレードの前縁２２に対して上流にずれており、この距離は、軸Ｘ−Ｘの方向でスロットの中央と、ブレード２１の前縁２２との間で測定される。このずれは、ブレード２１の末端２４によって発生した渦のより良い抜き取りを可能にする。

最後に、空洞１３は第１のスロット１２に対して上流にずれているので、したがってこれはブレード２１の前縁２２に対して上流にずれている。図１に示される、軸Ｘ−Ｘの方向での空洞の上流端とブレード２１の前縁２２との間のずれＤは、好ましくは２から１０ｍｍであり、有利なことには６ｍｍに等しい。

再循環空洞とも称される、空洞１３の存在は、ケーシングの内表面付近での気流の乱流強度を減少させることによって、空気力学および音響レベルにおける改善をもたらす。

ケーシングとブレードとの間の遊びおよび相互作用に起因する騒音は低減され、ケーシングの上流および下流の両方で、この騒音を低減するための各スロットの貢献度は増加している。

Claims (9)

1. ブリスク（２０）と、ブリスク（２０）用のケーシング（１０）とを備え、前記ケーシング（１０）は、摩耗性材料で作られた内部被膜（１１）および前記摩耗性材料の被膜（１１）内に配置された複数の周方向スロット（１２）を含み、摩耗性材料の被膜（１１）内に形成された周方向空洞（１３）をさらに含み、周方向空洞（１３）の中でスロット（１２）は終端し、前記スロット（１２）は前記空洞（１３）内で終端して、ケーシングの内表面の近傍における気流の一部が気流に関するケーシング内の上流に位置するスロット（１２）を通って空洞（１３）内に貫通し、気流に関するケーシング内の下流に位置するスロットから外へ出るように、ケーシング（１０）の前記空洞（１３）と内表面（１５）との間に延在することを特徴とし、さらに、空洞（１３）は、前記ケーシング（１０）上の最も上流に位置するスロット（１２）に対して上流にずれていることによって摩耗性材料の被膜（１１）の中まで延在し、且つ、前記ケーシング（１０）の最も上流に位置する前記スロット（１２）は、ブレード（２１）の前縁（２２）に対して上流にずれていることを特徴とする、ターボ機械（１）。
2. 摩耗性材料の被膜（１１）が２０から２５ｍｍの厚み（ｈ_１）を有し、空洞（１３）はこの厚み（ｈ_１）内に５から１０ｍｍの高さ（ｈ_２）を有する、請求項１に記載のターボ機械（１）。
3. スロット（１２）の数が４から８の間である、請求項１に記載のターボ機械（１）。
4. 各スロット（１２）が、摩耗性材料の被膜（１１）の厚み（ｈ_１）内に、１０から１５ｍｍの高さ（ｈ_３）を有する、請求項１に記載のターボ機械（１）。
5. 各スロット（１２）が２から６ｍｍの幅（Ｉ）を有する、請求項１に記載のターボ機械（１）。
6. ２つの連続するスロット（１２）の間の空間（ε）が０．５から３ｍｍの間である、請求項１に記載のターボ機械（１）。
7. スロット（１２）が各々、ケーシング（１０）の軸（Ｘ−Ｘ）と７０から１１０°の間の角度（α）を形成する平面内に延在する、請求項１に記載のターボ機械（１）。
8. ケーシング（１０）の空洞（１３）が、２から１０ｍｍの距離（Ｄ）だけブレード（２１）の前縁（２２）に対して上流にずれていることによってブリスク（２０）のブレード（２１）の半径方向外側末端（２４）の反対側に位置する、請求項１に記載のターボ機械（１）。
9. ケーシング（１０）内の最も上流に位置するスロット（１２）が、１．５から３．５ｍｍの距離（η）だけブレード（２１）の前縁（２２）に対して上流にずれている、請求項１に記載のターボ機械（１）。

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