JP6416906B2 - タービンエンジンガイドベーン - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンガイドベーンと、タービンエンジンガイドベーンの環状組に関し、更にそのようなガイドベーンの組を含んだタービンエンジンに関する。

飛行機を推進するためのバイパスタービンエンジン１を、その主要軸線Ａを含む垂直面断面の形で図１に示す。タービンエンジンは、空気流動方向上流側から下流側にかけて、ファン１２、低圧コンプレッサ１４、高圧コンプレッサ１６、燃焼室１８、高圧タービン２０、低圧タービン２２、及び排気コーン２４を含んだ外ケーシング１０を有する。

外ケーシング１０の内側には、コンプレッサ１４、１６周り、燃焼室１８周り、及びタービン２０、２２周りに内ケーシング２８が配置される。環状組３０の出口ガイドベーンはケーシング２８、１０間にあってファン１２よりも下流側に延び、具体的にはコンプレッサ１４、１６の領域に配置される。

運転時、内ケーシング２８は、ファン１２によって加速された空気流れを、両コンプレッサ１４、１６に送られる第１ストリームＦｐと、ケーシング２８、１０間を流れることで出口ガイドベーン組３０を通過した後エンジンから射出されることでその推進力の一部分を供給する第２ストリームＦｓとに分割する。

出口ガイドベーン（ＯＧＶｓ）は内ケーシング２８によって携えられたリング１２周りの環状空間に配置された複数のベーンからなる。ガイドベーンはファンを通りぬけた空気流れを真っ直ぐにする作用がある。

出口ガイドベーンの効率をより高めるためには、それらが良好な空力性能を持つ必要があり、特にベーンが形成する環を通過する際の損失を抑える必要がある。

更に、空気流れの影響下でガイドベーンには高レベルの応力がかかることで、特に、ベーンの“ねじり”や“曲げ”の現象を招くことにもなる。ベーンねじりはそれ自身の積層軸線周りの変形を引き起こす。ベーン曲げはファンの回転、ひいてはリング３２に接線方向となる接線軸周りの変形を起こす。

これらねじり曲げ現象はねじり曲げ結合（ＴＢＣ）パラメータにより分析される。ベーンの１地点におけるＴＢＣパラメータは、その地点でのねじりの大きさと曲げ大きさの間の比である。出口ガイドベーンのＴＢＣパラメータは運転中に浮遊する傾向を見せる。それはタービンエンジンの操作性の観点、及びその空力的挙動の観点から許容範囲なものでなければならない。

このため、空力性能における効率を増加することは、タービンエンジンの寸法を計算する段階で決定されるように、ＴＢＣパラメータ目標値に対してＴＢＣパラメータを悪化しないことを確実にする必要がある。

本発明の目的は、ベーンを通過する空気流れの良好な分布を促進すると共に、高められた空力性能を以て、従来のベーンと比べてねじりや曲げに関するベーン挙動の悪化を回避することを可能にするようなガイドベーンを提案することにある。

その目的のため、本発明は、タービンエンジンの１組のガイドベーンのためのガイドベーンであって、前記ガイドベーンはベーンの高さ方向となる半径方向軸Ｚに沿って基部と先端部との間で積層された複数のベーン部分を有し、各ベーン部分は、
・先縁と後縁との間の長手方向軸Ｘ、及び圧力側面と吸引側面との間の接線方向軸Ｙに沿って延び、
・前記先縁から前記後縁へと延びるベーン部分の長さによって定められる翼弦を有し、
・前記翼弦に沿って変化する、前記圧力側面と前記吸引側面との間の距離によって定められる厚さを有し、
ベーンの全高さをＨｔとした場合、前記長手方向軸Ｘ、前記接線方向軸Ｙ、Ｚに沿った各座標ｘ、ｙ、ｚによって表わされるベーンの各点に対し、ｘ／Ｈｔ及びｚ／Ｈｔそれぞれの商によって無次元の座標値ｘ’、ｙ’が定められ、その全高さＨｔ位置におけるベーンの前記先縁に対し座標ｘ’＝０の原点が定められ、この原点からベーンの後縁に向け前記座標ｘ’は増加するものと定義した前記ガイドベーンにおいて、
ｚ’＝０の位置からｚ’＝０．５の位置まで延びるベーンの底部分にわたって、前記先縁のｘ’座標はマイナスの値を示し、ベーンの最大厚さ部分は、前記翼弦の少なくとも５０％だけ先縁からオフセットされた位置にあることを特徴とするガイドベーンを提供するものである。

すなわち、ガイドベーンの底部分にわたってガイドベーンの先縁は前方に突出しており、言い換えれば、その底部分にわたってガイドベーンの先縁は、ベーンの半径方向外方端（ここでベーンの全高さが測定される）における先縁の位置よりも上流側へと延びている。以下に説明するが、これによりベーンの高さにわたり空気流れ分布が良好となる。それと同時に、底部分にわたり、様々なベーン部分の最大厚さ域が、先縁より離れる方向にオフセットされ、これによりベーンのねじり現象、特に曲げ現象を抑制することができる。

その他の変形態様において、前記ガイドベーンは以下に掲げる各特徴の１つ、又はそれ以上を有するが、それらの特徴は、
・座標ｚ’＝０の部分に対し、座標ｘ’は−０．１５以下であること、
・ｚ’＝０からｚ’＝０．３までのベーン部分にわたり、座標ｘ’は−０．１以下であること、
・座標ｘ’の値は、増加するｚ’ 座標値に伴い、ベーンの前記底部分にわたって連続して増加すること、
・座標ｚ’＝０の部分に対し、ベーンの最大厚さ部分は、前記翼弦の少なくとも６０％だけ先縁からオフセットされた位置にあること、
・ｚ’＝０からｚ’＝０．１５までの範囲で延びるベーン部分にかけて、ベーンの最大厚さ部分は、前記翼弦の少なくとも６０％だけ先縁からオフセットされた位置にあること、及び、
・前記ガイドベーンには、その基部に近似して、前記翼弦に対する前記最大厚さ部分の位置が実質上一定のままである第１の部分と、前記第１の部分を越えガイドベーンの前記先端部まで延び、前記最大厚さ部分の位置が前記先縁に向かって進行する第２の部分とが存在すること、からなる。

本発明は、非限定例と称して示された実施形態の以下の詳細な記述を読むことで良く理解することでき、またその長所もより明らかになる。説明は以下の添付図面を参照する。

上述したように、タービンエンジンの縦断面を示した線図である。 エンジンの出口ガイドベーン（ＯＧＶｓ）の断片的線図である。 ガイドベーンの各部分がどのように積層されるかを示した単一出口ガイドベーンの図である。 ガイドベーンの各部分の１つを示したガイドベーン部分図である。 ガイドベーンの先縁の位置がその高さ方向に沿ってどのように変化するかを示した曲線である。 ガイドベーンの様々な部分における翼弦に沿った厚さ分布を示すものであって、本発明のガイドベーン（実線）と別のガイドベーン（点線）の双方を示した図である。 本発明のガイドベーンにおいて、翼弦に対する最大厚さ部分の位置がガイドベーン高さ方向に沿って如何様に変化するかを示した図である。 ガイドベーンを通過する空気の圧力損失がガイドベーン高さ方向に沿って如何様に変化するかを示すものであって、本発明のガイドベーン（実線）と別のガイドベーン（点線）の双方を示した図である。 ガイドベーンに沿う高さを関数として、ＴＢＣパラメータがＴＢＣパラメータ目標値からどのように変化するかを、無次元座標ｚ’のｚ’１値とｚ’２値の間にある全高さ部分に対して示すものであって、本発明のガイドベーン（実線）と別の２ガイドベーン（点線）の両方を示した図である。

図２は、図１に図式的に示されたタービンエンジンの出口ガイドベーンからなる環状組３０の一部分を示している。この組は複数のベーン３４によって構成されており、それらは各々の基部３４Ａとリング３２を介してケーシング２８に固定されると共に、各々の先端部３４Ｂを介してケーシング１０（本図では図示されず）に固定されている。基部と先端部は夫々、ベーンの半径方向内方端と半径方向外方端にあたるものであって、それらの間にベーンの空気力学的外形（翼）が延びる。

図２にはＸ、Ｙ、Ｚの直交基準座標系が示されており、ここでＸ軸はタービンの回転軸でもあるタービンエンジンの主要軸線Ａに平行な長手軸であり、Ｙ軸は接線軸であり、Ｚ軸は半径方向軸であって、ベーンの高さ方向を規定するものである。

各ベーンにはＸ軸に沿って隔置された先縁ＢＡと後縁ＢＦとがあり、また吸引側面ＦＥと圧力側面ＦＩとがある。

図３から分かるように、各ベーン３４は基部３４Ａから先端部３４ＢへとＺ軸に沿って積層された複数のベーン部分３５から作られている。

図４の部分は、これら部分の内、定数Ｚにおける平面での１部分を構成するものである。この部分では、ベーンの翼弦Ｃを見ることができ、それは先縁ＢＡと後縁ＢＦとの間に延びる直線区分である。慣例により、この区分に沿う道程は先縁から後縁に向かって進む方向にある。図４では、ベーンの厚さＥは部分の中間部分にマーキングされている。慣例により、この厚さＥは、その骨格Ｓの点Ｐによって定められたベーン部分位置（ここでは骨格は圧力側面ＦＩと吸引側面ＦＥの間の中心線となる）に置かれた圧力側面ＦＩと吸引側面ＦＥとの間の骨格に垂直な距離である。すなわち、厚さＥは先縁ＢＡから距離Ｄ分だけオフセットされた位置で測定される。最大厚さの位置は翼弦Ｃの長さパーセンテージで定義され、従って１００×Ｄ／Ｃの形で定義される。

図２〜図４は、ガイドベーン及びベーン組の全体構造の理解を容易にするために提供されていることを理解されたい。これらの図は必ずしも本発明に特有な寸法基準であって、特に先縁の位置と最大厚さの位置に関連する寸法基準を示しているとは限らない。

図５に示された実線曲線は、先縁の軌跡、すなわちベーン先縁のＸ位置がその高さ方向（Ｚ軸方向）に沿ってどのよう変化するかを示した曲線である。この曲線は、ｘ／Ｈｔで与えられるＸ軸に沿ったｘ’座標、すなわちベーン全高さＨｔに対し無次元的に表現した場合の、Ｘ軸に沿った先縁ＢＡを考慮した点のｘ座標と、ｚ／Ｈｔで与えられる座標ｚ’、すなわち高さＨｔに対し無次元的に表現した場合の、ｚ軸に沿った先縁を考慮した点のｚ座標とでプロットされている。ｚ＝０又はｚ’＝０の原点座標はベーン基部、すなわちリング３２の外周高さ位置に定められる。全高さＨｔはベーン基部から先端部までの距離である。ｘ’＝０の原点座標はｚ’＝１の地点、すなわち最大高さ地点における先縁のｘ’座標として定められる。ｘ’座標は図２のＸ軸に沿い、後縁に向かう形で増加する。

その底部域を通じてベーンは前方に突出していることがわかる。具体的に言えば、ベーンの高さの下半分にわたって座標ｘ’は依然としてマイナスのままであり、以下、ベーン基部３４Ａから全高さＨｔの５０％（ｚ’＝０．５）までの部分を“底部分”と呼ぶことにする。図示した例ではｚ’＝０．５で座標ｘ’は約−０．０７の値である。

ｚ’＝０の場合ｘ’は−０．１５以下であり、更に詳しくは約−０．１７５であることも分かる。さらに、ｚ’＝０からｚ’＝０．３までの範囲の底部分の全部にわたり、座標ｘ’は−０．１以下のままである。

図示された例では、座標ｘ’は基部から連続して増加し、ベーンの高さの約２／３辺りで０の値を通過し、全高さの約８０〜９０％で正の最大値に到達し、そこからは最大高さの１００％の値０に向かって減少している。

点線曲線で示した変形例では、この最終段階での減少を除外することができ、この場合、座標ｘ’は基部から連続して増加し、最大高さの１００％で０、又は実質的に０の値に到達する。

図５の曲線は特に、全高さの５０％までは前方に突出するという特徴がある。本願の発明者らは、このように前方に突出するガイドベーンの場合、その空力的損失は、真っすぐな状態での積層体、すなわち先縁の座標ｘ’が全高さを通じて実質上一定となるような積層体を有する従来ベーンに比べて抑えられることを見出した。

これは、空力的損失の変化（横座標軸）を座標ｚ’（縦座標軸）の関数としてプロットした図８において特に見ることができる。この変化は、ｚ’＝０．５までのベーン底部分を対象とし、最初にそのような前方に突出したベーン（実線）の場合と、２番目に真っ直ぐな積層体を有するベーン（点線）の場合とで夫々示されている。そこでは特に、大幅な改善が全高さの約８％（ｚ’＝０）から始まり、その改善は底部分全体にわたって平均で１％〜２％のオーダとなることが分かる。

そのような前方突出部分を有するベーンの挙動を最適化する上で、本願の発明者らは最大厚さ位置をベーン底部分の後縁に向けて後退させることが有効であることを見出した。このことはねじりや曲げにおけるベーン挙動を強化する。各部分における最大厚さ位置は翼弦長さのパーセンテージで決定される。

これに関し、図６は最大厚さ位置が高さの関数として変化する様子を示している。同じ前方突出量を有するも、最大厚さ位置の異なる本発明ベーン（実線）と従来ベーン（点線）とで、図６はベーン厚さが変化させた５つの曲線を示しており、夫々は、ｚ’＝０、ｚ’＝０．２５、ｚ’＝０．５、ｚ’＝０．７５、ｚ’＝１の各部分に対応している。

他のベーンとの比較において本発明のベーンは、全高さの５０％までは、最大厚さは後縁にむけてオフセットされていることが分かる（先縁が翼弦の０％、後縁が翼弦の１００％に対応する）。

図７は、ｚ’＝０の場合、最大厚さ位置は翼弦の６０％を超える値となっており、より正確には翼弦の約６２％であることを示している。この最大厚さ位置に関しては実質上、ｚ’＝０．１５までは翼弦の６０％を超える値のままであり、実際にはｚ’＝０．２までは６０％以上の値を保持している。ｚ’＝０からｚ’＝０．１５、実際にはｚ’＝０．２まで進んだこの区分にわたり、最大厚さ位置が実質上、一定であり、例えば翼弦の約５％のバラツキ内に収まる形である。より具体的に言えば、最大厚さ位置はｚ’＝０．１５までは翼弦の６０〜６５％の間に収まる。

この第１区分を超えて延び、ベーンの先端部に向かって進む第２の区分にわたり、最大厚さ位置は、ベーンの高さの増加に伴い、その先端部に向けて進み続けるにしたがって先縁に向かって進行する。この第２区分では、最大厚さ位置は、増加するｚ’に伴って漸次、先縁に向かって進行し、具体的にはベーン先端部（ｚ’＝１）において翼弦の約４０〜４５％の位置に達する。

図９では、ＴＢＣパラメータ目標値からのずれが横座標軸にそってプロットされる一方、ｚ’座標は縦座標軸にそってプロットされている。目標とするＴＢＣパラメータは横座標軸の原点（値０％）にあたる。また、高さを関数として、目標ＴＢＣパラメータからのＴＢＣパラメータのずれのバラツキは、ベーンの代表的区分に対してはｚ’座標軸上の値ｚ’１とｚ’２の間で与えられる。

通常の点線は、真っすぐな積層体を有する従来ベーンにおいて観察されたＴＢＣパラメータの、ＴＢＣパラメータ目標値からのずれのバラツキを示している。このずれは検討された全部分にわたってマイナスであるため容認可能である。

一点鎖線は、先に定義したように前方に突出したベーンではあるものの、最大厚さ位置を変更することのないベーン、すなわち先縁とベーンの各部分当たりの最大厚さ位置との距離については上述したベーンのそれと同じ距離を保ちながら前方に突出した状態のベーンのＴＢＣパラメータのずれを示している。これについては、値ｚ’１と値ｚ”１の間においてずれは正となり、ＴＢＣパラメータが低下するためそのずれは容認することができないことがわかる。

実線曲線は、本発明ベーンにおけるＴＢＣパラメータのずれを示したものであり、ここではベーンは、その底部分にわたり（ｚ’＝０．５まで）その先縁が前方に突出しているだけでなく、最大厚さ位置は翼弦の少なくとも５０％だけ先縁からオフセットされた状態にある。このベーンの場合、ＴＢＣパラメータのずれは、検討される部分にわたってマイナスのままであるため、再度容認可能であることが明らかである。

ベーン基部と、具体的にはｚ’１とｚ’２の中間値に対応する値ｚ’ｒとの間に位置する値に対しては、観察されたＴＢＣパラメータとＴＢＣパラメータ目標値との間の改善に相当する改善ｇが認められる。状況によってはこの改善はＴＢＣずれの約１０％となるかもしれない。

図９は、ＴＢＣ基準の順守が重要と判断される、ベーンの高さの代表的部分に関するものである。基準値ｚ’ｒは実質的に、内方ケーシング２８に固定されるベーン基部と外方ケーシング１０に固定されるようなベーン先端部とから最も遠いベーンの高さ１／２に相当している。ｚ’１からｚ’２までの代表的部分は、例えばベーンの高さの１０％〜４０％をカバーするものでも良い。

更に、本願の発明者らは、そのＴＢＣずれが図９の実線で示されるようなベーンは、その空力的損失が、図８の実線で示したものと同じバラツキをもつことを観察した。すなわち、ベーンの底部分にわたり翼弦の少なくとも５０％（０〜０．５範囲内にあるｚ’）に向けた最大厚さ位置のセットバック（逆行）と、先縁を前方に突出させること（ｘ’座標軸で０以下）を組み合わせることにより、改善された空力的性能を持つと共にＴＢＣ基準が順守されたベーンが提供される。

Claims (9)

1. タービンエンジン（１）の１組（３０）のガイドベーンのためのガイドベーン（３４）であって、前記ガイドベーンはベーンの高さ方向となる半径方向軸Ｚに沿って基部（３４Ａ）と先端部（３４Ｂ）との間で積層された複数のベーン部分を有し、各ベーン部分は、
   ・先縁（ＢＡ）と後縁（ＢＦ）との間の長手方向軸Ｘ、及び圧力側面（ＦＩ）と吸引側面（ＦＥ）との間の接線方向軸Ｙに沿って延び、
   ・前記先縁（ＢＡ）から前記後縁（ＢＦ）へと延びるベーン部分の長さによって定められる翼弦（Ｃ）を有し、
   ・前記翼弦（Ｃ）に沿って変化する、前記圧力側面（ＦＩ）と前記吸引側面（ＦＥ）との間の距離によって定められる厚さ（Ｅ）を有し、
   ベーンの全高さをＨｔとした場合、前記長手方向軸Ｘ、前記接線方向軸Ｙ、前記半径方向軸Ｚに沿った各座標ｘ、座標ｙ、座標ｚによって表わされるベーンの各点に対し、ｘ／Ｈｔ及びｚ／Ｈｔそれぞれの商によって無次元の座標値ｘ’、ｚ’が定められ、その全高さＨｔ位置におけるベーンの前記先縁（ＢＡ）に対し座標ｘ’＝０の原点が定められ、この原点からベーンの後縁（ＢＦ）に向け前記座標ｘ’は増加するものと定義した前記ガイドベーンにおいて、
   ｚ’＝０の位置からｚ’＝０．５の位置まで延びるベーンの底部分にわたって、前記先縁（ＢＡ）のｘ’座標はマイナスの値を示し、ベーンの最大厚さ部分は、前記翼弦（Ｃ）の少なくとも５０％だけ先縁（ＢＡ）からオフセットされた位置にあることを特徴とするガイドベーン（３４）。
2. 座標ｚ’＝０の部分に対し、座標ｘ’は−０．１５以下であることを特徴とする請求項１に記載のガイドベーン。
3. ｚ’＝０からｚ’＝０．３までのベーン部分にわたり、座標ｘ’は−０．１以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガイドベーン。
4. 座標ｘ’の値は、増加するｚ’ 座標値に伴い、ベーンの前記底部分にわたって連続して増加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガイドベーン。
5. 座標ｚ’＝０の部分に対し、ベーンの最大厚さ部分は、前記翼弦（Ｃ）の少なくとも６０％だけ先縁（ＢＡ）からオフセットされた位置にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガイドベーン。
6. ｚ’＝０からｚ’＝０．１５までの範囲で延びるベーン部分にかけて、ベーンの最大厚さ部分は、前記翼弦（Ｃ）の少なくとも６０％だけ先縁（ＢＡ）からオフセットされた位置にあることを特徴とする請求項５に記載のガイドベーン。
7. 前記ガイドベーン（３４）には、その基部（３４）に近似して、前記翼弦（Ｃ）に対する前記最大厚さ部分の位置が実質上一定のままである第１の部分と、前記第１の部分を越えガイドベーンの前記先端部（３４Ｂ）まで延び、前記最大厚さ部分の位置が前記先縁（ＢＡ）に向かって進行する第２の部分とが存在す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ガイドベーン。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のベーンを複数有する、タービンエンジンのための出口ガイドベーンの環状組。
9. 請求項８に記載のガイドベーンの環状組を少なくとも１組含むタービンエンジン。

Images