JP6385951B2 - ターボ機械用プロペラブレード - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジン用プロペラブレードに関し、さらに、複数の該ブレードを含むアンダクテッドプロペラおよび該プロペラを有するタービンエンジンに関する。

このタイプのタービンエンジンは、共通の軸上で二重反転するように取り付けられた２つの外側プロペラ、つまり、上流側プロペラと下流側プロペラとを含み、これらのプロペラは、タービンエンジンのタービンによって回転駆動され、タービンエンジンのナセルのほぼ半径方向外側に伸びる。

２つのアンダクテッド二重反転プロペラを有するこのタイプのタービンエンジンは、現在のバイパスターボジェットに比べて燃料消費量を減らす非常に大きな可能性を有する。しかし、共通軸上の高速二重反転アンダクテッドプロペラを有する上記装置には、音響放射特性が比較的高いという欠点がある。

音響放射をもたらす主な要因の１つは、二重反転プロペラ間の相互作用、特に、第１のプロペラからのブレード先端渦の衝撃が推進用流体の流れ方向に流されて下流側に位置する第２のプロペラのブレードにぶつかることにある。

上述の欠点を克服するために、第１のプロペラのブレードによって生成された渦が下流側に位置する第２のプロペラのブレード先端の半径方向外側を通過するように、第２のプロペラの半径方向サイズを小さくするということが提案されている。上記解決策は、推進効率の低下をもたらし、望ましくない。

仏国特許出願公開第２９３５３４９号明細書に提案されている別の解決策では、空気流が第１のプロペラのブレードに噴射され、ブレード先端から出ていくことによって、第１のプロペラによって生成された渦を弱めることができる。欧州特許第２２８７０７２号明細書に記載されているさらに別の解決策では、ブレード先端から出た空気は第２の渦を生成し、第２の渦は第１の渦と共回転し、摩擦によって第１の渦を不安定にするのに適している。

本出願人による仏国特許出願１１／５３３１５号明細書では、前縁の半径方向に対する傾斜角がブレードの上部の極大点を通るように傾斜角を変化させるということが提案されている。ブレードの前縁のこの特定の形状は、ブレード先端の渦と同じ方向に回転する第２の渦を生成するのに役立つ。第２の渦は、下流側方向および半径方向外側に向かってブレードの吸引側面全体に伝わり、その後、ブレード先端で形成された渦と相互作用する。２つの渦間の摩擦は、これらの渦のエネルギーを消散させ不安定にすることで音響反射を低減する働きをするが、この摩擦は、離陸時にはプロペラの回転速度が速いために、特に大きくなる。

しかし、第２の渦は連続して生成され、全ての飛行段階で、特に、巡航速度で、２つの二重反転プロペラの空気力学的推進性能を低下させる。

最後に、本出願人の国際公開第２０１２／０８０６６９号パンフレットでは、タービンブレード先端と外側ケーシングとに間に形成される渦を減らすために、タービンブレードの吸引側面にくぼみを形成するということが開示されている。

仏国特許出願公開第２９３５３４９号明細書 欧州特許第２２８７０７２号明細書 国際公開第２０１２／０８０６６９号

本発明の目的は、全動作範囲にわたってプロペラブレードの推進効率を向上させると同時に、渦の形成による騒音公害を抑えることである。

上記目的を達成するために、本発明は、プロペラに取り付けるためのブレードにして、ブレード根元部からブレード先端までの高さ方向を半径方向に伸び、前縁および後縁と共に、圧力側面と吸引側面とを有するブレードであって、前縁に沿って、ブレードが取り付けられるプロペラの半径方向に対応するブレードの半径方向と前縁の接線との間の角度は、ブレードの高さの６０％〜８０％の範囲に位置する極大点ｚ_ｍａｘを通ること、およびブレードの吸引側面は、ブレードの半径方向に反転した湾曲を形成するように、前縁から後縁に向かって軸方向に伸びて極大点ｚ_ｍａｘとブレード先端との間のブレードの高さに位置する凹面のくぼみを含むことを特徴とするブレードを提供する。

ブレードの高さの６０％〜８０％の範囲の前縁の傾斜角は、ブレード先端で生成される第１の渦に加えて第２の渦を形成する働きをする。この第２の渦は、通常、第１の渦に対して共回転し、ブレードの吸引側面で発生して、ブレードの吸引側面の凹状くぼみ内に案内される。ブレード内に凹状くぼみを組み込むことにより、航空機の低速移動速度で、例えば、約マッハ０．２の速さの離陸時に、ブレードから下流側に向かって第２の渦を案内することができる。先行技術とは異なり、第２の渦はブレードから下流側で第１の渦と相互作用し、そのことによって、第１の渦と第２の渦との相互作用が改善され、ひいては地上近くで放出される騒音公害を低減することができる。

巡航速度では、例えば、約マッハ０．７の速さでは、ブレードの吸引側面の空気流線はほぼ平行になる。これは、第２の渦が吸引側面で全く生成されないということを意味する。すなわち、プロペラの推進効率は巡航速度で向上するということである。

したがって、本発明により、ブレードの高速回転時に騒音公害を低減することができるという利点と、巡航速度で十分な推進効率を達成することができるという利点とを組み合わせることができる。

有利には、上述の極大点は、ブレード高さの約７０％の位置にある。

本発明の好適な実施形態では、くぼみは、ブレードの高さに沿って測定した場合に、ブレードの高さの１５％〜２０％の範囲の幅を有する。

くぼみの底部は、有利には、ブレードの高さの７５％〜９０％の範囲にある。

本発明の別の特徴によれば、くぼみは、接線方向に測定した場合に、前縁から後縁に向かって増大する深さを有し、そのことにより第２の渦が第１の渦に向かってより適切に案内され、ブレードから下流側における２つの渦の相互作用を改善することができる。

本発明はさらに、上述のタイプの複数のブレードであって、プロペラの軸を中心として一定間隔で配置された複数のブレードを有するタービンエンジン用アンダクテッドプロペラを提供する。

本発明はさらに、上述のタイプの少なくとも１つのアンダクテッドプロペラを有する航空機ターボジェットまたはターボプロップのようなタービンエンジンを提供する。

非限定的な例として添付図面を参照しながら詳述されている以下の説明を読めば、本発明の他の利点および特徴が明らかになる。

アンダクテッドプロペラを有するタービンエンジンの軸方向断面図である。 ブレードの圧力側面に向かう方向に沿って見た本発明のブレードの斜視図である。 前縁から見た本発明のブレードの斜視図である。 後縁から見た本発明のブレードの斜視図である。 ブレード先端近くの本発明のブレードの一部の半径方向断面図である。 ２つの渦の形成と２つの渦が相互作用する様子を示した図である。 本発明のブレードによって生成された２つの渦間の相互作用を上流側から下流側に向かって見た図である。 巡航段階におけるブレードの吸引側面の空気流線を示した図である。 巡航条件下で動作している時に、ブレードのコードに対して、ブレードの前縁で測定した場合の空気の入射角が、ブレードの高さに沿って変化する様子を示したグラフである。 離陸に対応する条件下で動作している時に、ブレードのコードに対して、ブレードの前縁で測定した場合の空気の入射角が、ブレードの高さに沿って変化する様子を示したグラフである。 巡航条件下で揚抗比がブレードの高さに沿って変化する様子を示したグラフである。

最初に、図１を参照する。図１は、アンダクテッドプロペラ（オープンロータまたはアンダクテッドファンとしても周知である）を有するタービンエンジン１０であって、エンジンを通してガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって、圧縮機１２、環状燃焼室１４、高圧タービン１６、および二重反転する、すなわち、タービンエンジンの長手方向軸Ｘを中心として２つの相反する方向に回転する２つの低圧タービン１８、２０を備えたエンジン１０を示している。

これらの下流側タービン１８、２０それぞれは、タービンエンジンのナセル２６から半径方向外側に突出する外側プロペラ２２または２４を回転駆動し、ナセル２６は、ほぼ円筒状であり、圧縮機１２、燃焼室１４、およびタービン１６、１８、２０の周囲で軸Ｘに沿って伸びる。

タービンエンジンに入り込む空気流２８は、圧縮され、その後、燃料と混合され、燃焼室１４で燃焼され、燃焼ガスは、その後、タービンを通過して、プロペラ２２、２４を回転駆動し、該プロペラがタービンエンジンによって生成される推力の大部分を発生させる。タービンを出た燃焼ガスは、推力を増大させるためにノズル３２から排出される（矢印３０）。

プロペラ２２、２４は、共通軸上で前後に並んで配置され、プロペラ２２、２４のそれぞれは、タービンエンジンの軸Ｘを中心として一定間隔で配置された複数のブレードを備える。これらのブレードは、ほぼ半径方向に伸び、有利には、可変ピッチのブレードである、すなわち、タービンエンジンの動作条件に応じて角度位置を最適化するために、それ自体の軸を中心として回転することができる。

図１に示されている形態では、タービンエンジンは、いわゆる「推進式」の形態である。あるいは、いわゆる「牽引式」の形態（図示せず）では、プロペラ２２、２４は、ナセルから上流側に位置する。

図２Ａは、ブレード先端３６とブレード根元部３８との間でＺ方向に沿って半径方向に伸び、前縁４０と後縁４２との間で長手方向に伸び、圧力側面４４と吸引側面５８との間で接線方向に伸びた（図２では、圧力側面のみが見えている）本発明のブレード２４を示した図である。Ｚ方向は、ブレードの半径方向であり、ブレードが取り付けられるプロペラの回転軸Ｘに直角方向に相当する。

図２Ａに示されているように、半径方向４６と前縁４０の接線４８との間の角度αは、ブレードの高さの約６０％〜８０％の位置にある極大点を通り、そのことにより、ブレード先端３６で生成された第１の渦５２と相互作用するのに適した第２の渦５０を生成することができる。第１の渦および第２の渦５０、５２は、図３および図４に示されている。第２の渦５０は、ブレード３４の吸引側面５８を流れ（図３）、第１の渦５２と同じ方向に回転する。２つの渦５０、５２の相互摩擦は、これらの渦のエネルギーを消散して不安定にし、そのことにより音響放射を低減することができる。

本発明の特定の実施形態では、角度αの極大点は、ブレードの高さの約７５％の位置にある。

本発明によれば、ブレード３４の吸引側面５８はさらに、前縁４０から後縁４２に向かって軸方向に伸びて極大点ｚ_ｍａｘとブレード先端３６との間のブレード３４の高さに位置する凹状くぼみ５４を有する（図２Ａ）。吸引側面５８のこの凹状くぼみ５４は、ブレード３４の圧力側面４４の凸状突出部５６に面して形成される。さらに、くぼみ５４および突出部５６は、同じような輪郭を有する。したがって、図２Ｄに示されているように、吸引側面５８がブレード先端に向かって半径方向に伸びる方向に、第１の湾曲と、それに続く逆向きの第２の湾曲とを有することによりくぼみ５４を画定している場合、圧力側面４４は、同様に、第１の湾曲と、それに続く逆向きの第２の湾曲とを有することにより突出部５６を画定する。このようにして、ブレード３４の全体の外観は、極大点ｚ_ｍａｘとブレード先端３６との間のブレードの高さにおいて局所的な半径方向反転湾曲を有する。

ブレード３４の高さ方向に測定した場合のくぼみ５４の幅は、ほぼ一定であり、ブレード３４の高さのおよそ１５％〜２０％である。

くぼみ５４の底部は、ブレード３４の高さの約７５％〜９０％の範囲に位置する。

したがって、本発明のブレード３４は、高さｚ_ｍａｘの変わり目で発生した第２の渦をブレード３４の吸引側面の凹状くぼみ５４内に適切に誘導することができる。

ブレードに凹状くぼみ５４を組み込むことにより、低速時に、例えば、約マッハ０．２の速さの離陸時に、第２の渦５０をブレードから下流側に案内することができ、そこで第２の渦５０がブレード先端３６からの第１の渦５２と相互作用することで、先行技術に比べて、地上近くで発せられる騒音公害を低減することができる（図３）。この場合、第１の渦と第２の渦との相互作用は、前縁と後縁との間で軸方向に発生する。

巡航速度では、例えば、約マッハ０．７の速さでは、ブレード３４の吸引側面の空気流線６２はほぼ平行になる。これは、第２の渦がブレード３４の吸引側面で全く生成されないということを意味する。その結果、プロペラの推進効率が向上する（図５）。

図６は、ブレードのコードに対する空気の入射角βが、巡航条件下で動作している時にブレードの高さに沿って変化する様子を示したグラフである。この角度は、ブレード３４の全高ｈに沿って測定される。図７は、図８と同様の曲線であるが、離陸に対応した速度で動作している時の曲線を示している。図８および図９では、高さは、ブレードの全高に対して正規化されている。

図６では、巡航速度では、凹状くぼみの位置に対応するブレードの高さの７５％〜９０％において、入射角は、凹状くぼみのないブレードの場合の破線６４で示されている入射角に比べて小さくなることがわかる。このようにくぼみ領域において入射角が小さくなることは、くぼみのないブレードに比べて、ブレード３４のこの部分における推進効率が向上することを示している。

図７では、離陸速度では、全くくぼみのないブレードの場合の破線６６で示されている入射角に比べて、くぼみ領域の入射角が小さくなることがわかる。

図８は、揚抗比（横座標に沿って描かれている）は、巡航速度では、正規化されたブレード高さ（縦座標に示されている）に沿って変化する様子を示している。ブレードの揚抗比は、揚力がブレードの特定の高さにおける空気力学的抗力で割られた比のことである。したがって、この比Ｆにより、ブレード高さに応じたブレードの局所推進力に関する情報が得られる。この図８では、ブレード３４の吸引側面のくぼみに対応するブレード領域における揚抗比のピーク６８が示されており、この領域では、ブレード３４の推力が向上するということ実証している。

Claims (8)

1. プロペラのブレード（３４）にして、ブレード根元部（３８）からブレード先端（３６）までの高さの方向を半径方向に伸び、前縁（４０）および後縁（４２）と共に、圧力側面と吸引側面とを有するブレード（３４）であって、前縁（４０）に沿って、ブレードが取り付けられるプロペラの半径方向に対応するブレードの半径方向と前縁の接線との間の角度（α）は、ブレード（３４）の前記高さの６０％〜８０％の範囲に位置する極大点ｚ_ｍａｘを通ること、およびブレード（３４）の吸引側面は、ブレード（３４）の半径方向に反転した湾曲を形成するように、前縁（４０）から後縁に向かって軸方向に伸びて、ブレード（３４）の前記高さに関して極大点ｚ_ｍａｘとブレード先端（３４）との間に位置する凹面のくぼみ（５４）を含むことを特徴とする、ブレード（３４）。
2. 極大点が、ブレード（３４）の前記高さの約７５％に位置することを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. くぼみ（５４）が、ブレード（３４）の前記高さに沿って測定した場合に、ほぼ一定の幅を有することを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載のブレード。
4. くぼみ（５４）が、ブレードの前記高さに沿って測定した場合に、ブレード（３４）の前記高さの１５％〜２０％の範囲の幅を有することを特徴とする、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載のブレード。
5. くぼみ（５４）の底部が、ブレード（３４）の前記高さの７５％〜９０％に位置することを特徴とする、請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載のブレード。
6. くぼみ（５４）が、接線方向に測定した場合に、前縁（４０）から後縁（４２）に向かって増大する深さを有することを特徴とする、請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載のブレード。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載の複数のブレード（３４）を備えることを特徴とする、タービンエンジン用アンダクテッドプロペラ。
8. 航空機ターボジェットまたはターボプロップのようなタービンエンジンであって、請求項７に記載の少なくとも１つのアンダクテッドプロペラを含むことを特徴とするタービンエンジン。

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