JP6758293B2 - 複数の直径プロペラを備えたターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、二重反転オープンロータを有するタイプのターボ機械に関する。

「アンダクテッド」ファンタイプのエンジン（または「プロップファン」または「オープンロータ」タイプのターボプロップ）は、ターボ機械の一タイプであり、ここでは、ファンは、ファンがダクト式である（「ターボファン」タイプの）従来のタービンエンジンとは対照的に、エンジンケーシングの外側に取り付けられる。

特に、図１に示される「二重反転オープンロータ」（Ｃｏｎｔｒａ−Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｏｐｅｎ Ｒｏｔｏｒ）（ＣＲＯＲ）が知られており、これには、相反する方向に回転する２つのプロペラが装備される。これは、その特に高い推進効率のために大きな関心を集めている。

したがって、このタイプのエンジンの目標は、ターボプロップのものと同様の燃料消費量を有しながら、ターボジェットの速度および性能を保持することである。実際に、ファンがダクト式でないという事実により、直径、および推力に使用可能な空気流を増大させることが可能になる。

しかし、ダクトがないと、認証において、問題、特に音響問題を生み出す。実際、オープンロータプロペラによって生成されるノイズは、自由場で伝播する。さらに、このタイプの構造では、ノイズ源が非常に多数存在する。音響認証の点に関して、主要なノイズ源が、上流プロペラのブレードから出て下流プロペラのブレードに当たる渦構造に由来することが知られている。現行の規格では、離陸および着陸進入中である近地上ゾーンにおいて最大のノイズ閾値を課している。これらの規格は、時と共にますます制約を課しており、エンジンがサービス開始日にそれらを達成するように、この厳しさの増大を予想することが重要である。

この相互作用ノイズを低減するための２つの異なる方法が存在する。

−「クリッピング」：下流プロペラは上流プロペラよりも直径が小さいので、後者のプロペラによって発せられた先端の渦は最初のものの上を通り過ぎ、それによってノイズ生成影響を回避する。しかし、このオプションは、十分な推力を確保するために翼弦を長くすることによって下流プロペラのブレードを再設計する必要がある。さらに、クリッピングは、飛行機が迎え角で作動しているときに渦構造の影響を回避することはできない。

−上流プロペラのブレードの幾何学的形状を変更し、それによって上流プロペラによって発せられる渦構造の強度および後流におけるそれらの分布を減少させる。これにより、下流プロペラ上の不安定な負荷変動の振幅をより小さくすることが可能になる。例えば、特許出願の仏国特許出願公開第２９８０８１８号明細書および仏国特許出願公開第２９９９１５１号明細書が挙げられる。しかし、このオプションは複雑であることが判明しており、上流プロペラ上の負荷およびその推力を低減する必要がある。

仏国特許出願公開第２９８０８１８号明細書 仏国特許出願公開第２９９９１５１号明細書

したがって、前述の制限がなく、推進力を失うことなくエンジンの空気音響性能を（大きな迎え角においても）大きく常に改良することができる、簡単で効果的なアンダクテッドプロペラ構造を見出すことが望ましい。

本発明は、第１の態様によれば、１つの上流プロペラおよび１つの下流プロペラを含む少なくとも２つのアンダクテッドプロペラを備えるターボ機械であって、上流プロペラは、複数のブレードを備え、その少なくとも１つの第１のブレードは、少なくとも１つの第２のブレードとは異なる長さを有する、ターボ機械を提案する。

他の有利かつ非限定的な特徴によれば、
・上流プロペラの２つの連続するブレードは異なる長さを有し、
・上流プロペラのブレードは、第１のブレードの少なくとも１つのグループおよび第２のブレードの少なくとも１つのグループを含む、等しい長さのブレードの

グループに分割され
・ブレードの全てのグループは、異なるブレード長さを有し、
・ブレードの全てのグループは、同じ数のブレードを有し、
・ブレードは、上流プロペラの周りに配置され、それにより、ｎ個の連続するブレードの各サブアセンブリは、各グループから１つのブレードを備え、
・上流プロペラは、

ブレードを備え、上流プロペラ上の直径方向に対向する２つのブレードは、同じグループに属し、
・上流プロペラは、

ブレードと、第１のブレードに直径方向に対向して配置された少なくとも１つのカウンターウェイトとを備え、
・ブレードのグループの数ｎは、２または３であり、
・下流プロペラは、第１のブレードの長さを有する複数のブレードを備え、
・前記第２のブレードは、端部が切り取られた第１のブレードであり、
・前記第２のブレードは、第１のブレードよりも０．５％〜５％短く、
・プロペラは、二重反転式であり、
・下流プロペラは、固定されている。

第１の発明の他の特徴および利点は、好ましい実施形態の以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。この説明は添付の図面を参照して行われる。

二重反転オープンロータの一例を示す図である。 知られているターボ機械のアンダクテッド上流プロペラを示す図である。 本発明によるターボ機械の上流プロペラの１つの実施形態を示す図である。 本発明によるターボ機械の上流プロペラの別の実施形態を示す図である。 本発明によるターボ機械の一実施形態で観察される流線の変位を示す図である。

オープンロータ
図１を参照すると、（流体の流れの方向に）１つの上流プロペラ１０および１つの下流プロペラ１１を含む、少なくとも２つのアンダクテッドプロペラ１０、１１を備えるターボ機械１が、提案される。他のプロペラが、第１のプロペラの下流に配置され得ることが理解されよう。

このターボ機械１は、好ましくは「オープンロータ」（ＣＲＯＲ）タイプであり、また、（ケーシング内の）ガスの流れの軸に対して中央にガス発生器４（すなわち、特に燃料の燃焼を行うターボ機械の「コア」）を備え、この例では二重反転式であるプロペラ１０、１１（すなわち上流プロペラ１０が下流プロペラ１１の回転方向とは反対の回転方向を有する）を回転駆動するタービンを備える。ターボ機械は、オープンロータ「押出装置」（プロペラ１０、１１はガス発生器４の下流にあり、ターボ機械１を「押し出す」）であると共に、オープンロータ「引出装置」（プロペラ１０、１１はガス発生器４の上流にあり、ターボ機械１を「引っ張る」）であることができる。

プロペラ１０、１１は必ずしも二重反転式である必要はなく、第２のプロペラ１１は固定子（すなわち固定プロペラ）であってもよく、その場合、ターボ機械１はＵＳＦと呼ばれるタイプのものである（「アンダクテッド単一ファン」）。

いずれの場合も、各プロペラ１０、１１は、中央ケーシングから実質的に半径方向に延びる複数のブレード２を有する。プロペラ１０、１１は、ケーシングの周りに、ターボ機械１のアンダクテッドファンを画定する。

ブレードの構成
知られている方法では、図２ａを参照すると、プロペラ１０、１１のブレード２は同じ長さのものである。換言すれば、全てのブレードの先端からの「半径」（すなわち、プロペラ１０，１１の回転軸までの距離）は、一定である。これ以後本明細書では、ブレードの「長さ」という用語が、便宜的に使用されるが、ブレード２の長さは、その先端における半径、すなわち、ブレード２を支持するプロペラ１０、１１の回転軸（通常は、共通のものであるという理由によりプロペラ１０、１１の回転軸）と、ブレード２の先端との間の距離を意味することが、理解されよう。

本発明のターボ機械は、対照的に、上流プロペラ１０の少なくとも１つの第１のブレード２ａが上流プロペラ１０の少なくとも１つの第２のブレード２ｂ、２ｃと異なる長さを有する（換言すれば、上流プロペラは異なる長さを有する少なくとも２つのブレード２ａ、２ｂ、２ｃを備える）ことで、区別される。慣例により、第１のブレード２ａは、第２のブレード２ｂ、２ｃより長く選択されるが、第２のブレード２ｂ、２ｃにはいくつかの長さが存在することができることが、以下から分かるであろう。

これにより、上流プロペラ１０のブレード２ａ、２ｂ、２ｃによって発せられた渦構造が、異なる半径方向位置で下流プロペラ１１のブレード２に衝突することが可能になる。

実際、発せられた各ブレード先端の渦は、上流プロペラのブレード２ａ、２ｂ、２ｃのブレード先端フェアリング（すなわち先端）を通過する流線に従う。この流線は、プロペラの吸引による流れの収縮によって制約される。

その結果、上流プロペラ１０の第２のブレード２ｂ、２ｃの長さが短くなると、そのブレード先端フェアリングを通る流線は、より長い長さの第１のブレード２ａのものよりも小さい半径を有する。したがって、図３に示されるように、第２のブレード２ｂ、２ｃによって生じる渦は、第１のブレード２ａによって引き起こされるものよりも下側で下流プロペラ１１に衝突する。このようにして、異なるブレード２ａ、２ｂ、２ｃに関連する上流プロペラ１０の渦は、異なる半径方向位置で下流プロペラ１１の同じブレード２に衝突し（一方で、均一のブレード長さを有する上流プロペラ１０の場合、その影響は全て同じ場所であり）、したがって、音響源の位相をずらすことができ、放射された音響レベルの低下を導く。

この構成は、上流プロペラ１０の渦が（完全にまたは部分的に）下流プロペラ１１に衝突する、すなわち下流側１１がクリップされていないか、または十分にクリップされていない場合に適用される。好ましい実施形態では、下流プロペラ１１の全てのブレード２は、同じ長さ、特に上流プロペラ１０の第１のブレード２ａの長さを有する。

好ましくは、第２のブレード２ｂ、２ｃは、単に短縮された第１のブレード２ａである。換言すれば、ブレードの設計は、変更されず、端部のみが切り取られる。

この変更は、プロペラ１０、１１の空気力学的性能を変更しないようにあまり大きくしてはならないが、音響源の位相をずらすほど十分に行われなければならない。有利なことに、前記第２のブレード２ｂ、２ｃ（特に、複数の長さが存在する場合は第２のブレード２ｂ、２ｃの短い方）は、第１のブレード２ａよりも０．５％から５％短い。

非対称的な定常状態の計算により、事実上、上流プロペラ１０の第２のブレード２ｂ、２ｃの半径の（第１のブレード２ａに対する）０．８％（一定のブレードピッチでの）の低減が、巡航高度では、このブレード２ｂ、２ｃ上での０．３％の推力損失および下流プロペラ１１のブレード２上の無視できる損失を引き起こすと決定付けることが可能になっている。したがって、上流プロペラ１０の１つのブレードの効率は、０．０２ポイント低下し、下流プロペラのブレードの効率は０．０５ポイントであり、これは許容される。

離陸に対する同じ計算では、このブレード２ｂ、２ｃ上の推力は１．３％の損失となり、下流プロペラ１１のブレード２の損失は無視できるものである。したがって、上流プロペラ１０のブレードの効率は０．１５％低下し、下流プロペラ１１のブレードの効率は影響を受けない。

推力の損失が大きすぎる場合、（同じプロペラの、下流、上流または両方の）全てのブレードの共通ピッチを選択して推力を回復させることが可能である。

上流プロペラ１０のブレード２ｂ、２ｃの長さのバリエーションの１つのさらなる結果は、ブレード間流れにおける渦の方位角伝搬速度の変化である。実際、第２のブレード２ｂ、２ｃの先端の周囲速度Ｕｉは、半径の低減に比例して低減される（Ｕｉ＝ΩＲｉ、式中、Ωは上流プロペラ１０の回転速度であり、Ｒｉは第２のブレード２ｂ、２ｃの半径である）。この速度の変化は、空間的な位相外れに加えて音響源の時間的な位相外れをもたらす。

したがって、第２のブレード２ｂ、２ｃの先端から逃げる周縁渦の方位角速度も同様に低減される。第１および第２のブレード２ａ、２ｂ、２ｃの間の十分な長さ変化のために、プロペラ１０、１１間の渦の方位角における伝播、したがって下流プロペラ１１との相互作用はもはや軸対称ではない。同様に、この変更により、音響源の時間的な位相外れが生じる。

音源間にさらなる位相外れを導入することに加えて、相互作用の周期性の変化、ひいては可聴スペクトルにおける周波数の変化が結果として生じる。音響エネルギーが保存されていると仮定すると、ノイズレベルは局所的に（周波数において）低減され、線幅（すなわち音響スペクトルにおける周波数ピーク）は、より低い周波数において広がり、またはさらには種々の相互作用線に分割され得る。

ブレードのグループ
有利な実施形態によれば、第１および第２のブレード２ａ、２ｂ、２ｃは、特定の所定のパターンにしたがって編成される。特に、上流プロペラ１０の２つの連続するブレード２ａ、２ｂ、２ｃが異なる長さを有すること、すなわち第１のブレード２ａが第２のブレード２ｂ、２ｃによって分離されることが望ましい。

この目的のために、上流プロペラ１０のブレード２ａ、２ｂ、２ｃは、有利には、第１のブレード２ａの少なくとも１つのグループおよび第２のブレード２ｂ、２ｃの少なくとも１つのグループを含む、等しい長さのブレードの

グループに分割される。ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの全てのグループは、異なるブレード２ａ、２ｂ、２ｃの長さを有する。便宜上、第１のグループが全て最長のブレード（第１のブレード２ａ）を含み、ｎ−１個の他のグループが、減少する長さで分類される第２のブレード２ｂ、２ｃのグループであると考えることができ、第２のグループは、第２のブレードの全ての最長のものを含み、ｎ番目のグループが、第２のブレードの最短のものを含むなどとなる。

ブレード２ａ、２ｂ、２ｃのグループのこの数ｎは、好ましくは２つ（図２ｂの場合）または３つ（図２ｃの場合、この場合、２つの第２のブレードの長さが存在し、ブレード２ｂは、「中間」長さの第２のブレードの１つのグループを形成し、２ｃのブレードは、「短い」長さの第２のブレードの１つのグループを形成する）であるが、これより大きくてもよい。少なくとも３つのグループの場合、各グループに関連するブレードの長さは、公称長さ（第１のブレード２ａの長さ）と（その長さが、有利には、第１のブレード２ａの長さの９８．５％から９９．５％の間である）最短の第２のブレード２ｂ、２ｃの間に規則的に分散されるように選択される。

これらの長さをＬ_ｍｉｎおよびＬ_ｍａｘとすると、例えば、

があり、式中、Ｌ_ｉはｉ番目のグループのブレードの長さである。

ブレード２ａ、２ｂ、２ｃのすべのグループは、（６つのブレード２ａ、２ｂ、２ｃの２つのグループがある図２ｂの場合のように）等しい数のブレード２ａ、２ｂ、２ｃを備えることができ、または（４つの第１のブレード２ａの１グループ、６つの第２のブレード２ｂの１グループ、および２つの第２のブレード２ｃの１グループを含む３つのグループがある図２ｃの場合のように）異なる数のブレードが存在する。これにより、隣接する２つのブレード２ａ、２ｂ、２ｃは、常に１つのグループｊおよび１つのグループｊ＋１、

のものであり、すなわち２つの隣接するブレード間の長さは常に相違があるが、最小の相違であることが可能になり得る。

ブレード２ａ、２ｂ、２ｃのグループの分布は、種々の変形形態の目的となることもでき、好ましくは、

の連続するブレード毎にそれ自体が繰り返されるパターンの形態をとる。

最適なモードでは、ブレード２ａ、２ｂ、２ｃは、上流プロペラ１０の周りに配置され、それにより、ｎ個の連続するブレード２ａ、２ｂ、２ｃの各サブアセンブリ（すなわち、ｎブレードの配列）が、各グループから１つのブレード２ａ、２ｂ、２ｃを備え、換言すれば、上流プロペラ１０は、グループの数ｎに等しい次数を有するパターンに適合する（すなわち、ｎ個のブレード毎にパターンを繰り返す、換言すればｍ＝ｎ）。例えば、ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの配列は、パターン１、２、．．．、ｎ、１、２、．．．、ｎ、１、２、．．．、ｎなどに適合することができる。これは図２ｂの場合であり、ブレードの配列は２ａ、２ｂ、２ａ、２ｂなどとなる。

ｎ＞２の場合、ｎ（最短）とｆ（最長）の番号を付されたブレード間の長さにかなりの不連続性が潜在的に存在することに留意されたい。これが、より複雑なパターン（ただし常に次数ｎのパターンをたどる（例えば、ｎ＝５の場合、１、３、５、４、２）が可能である理由である。

バランシング
好ましくは、上流プロペラ１０は、不均衡を回避するように構成されている。最も簡単な場合、上流プロペラ１０は、

のブレード２ａ、２ｂ、２ｃを備え、ｎはここでもグループの数であり、各々は、偶数（２ｋ）のブレードを含む（そのため、ｎのパリティに関係なく必然的に偶数ブレードが存在する）。

２つの直径方向に対向するブレード２ａ、２ｂ、２ｃは、次に、同じグループに属するように上流プロペラ１０上で選択される（故に、ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの可変長さにもかかわらず不均衡がない）。

これらの２ｋｎブレードが、各グループから１つのブレード２ａ、２ｂ、２ｃを備えるｎ個のブレードの配列で編成されている場合（換言すれば、配列の数が偶数である特定の場合）、配列の数は２ｋであり、２つの直径方向に対向するブレード２ａ、２ｂ、２ｃは、自動的に同じグループに属する（そして、結果としてバランスがとられる）。

図２ｃに適合するプロペラ１０がこの分配原理を守り、それによってカウンターウェイトの使用を避けることができることに留意されたい。

上流プロペラ１０が、

のブレード２ａ、２ｂ、２ｃを備え、式中、ｎはここでもグループの数であり、各々は、奇数（２ｋ＋１）のブレードを備える場合（これは、ｎ個ブレードの２ｋ＋１配列を提供する特定の場合を含む）、好ましい構成は、ｎのパリティに依存するが、第１のブレード２ａに直径方向に対向して配置された少なくとも１つのカウンターウェイトが必要となる。

ｎが偶数である場合、ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの総数は偶数のままであり、これは、各ブレードが、直径方向に対向するブレードを有するが、直径方向に対向する２つのブレード２ａ、２ｂ、２ｃが、常に同じグループに属することを確実にすることが不可能であることを意味する。換言すれば、第１のブレード２ａおよび第２のブレード２ｂ、２ｃを備える少なくとも１対の直径方向に対向するブレードが必然的に存在する。必要であれば後者にカウンターウェイトが装備される。

ｎが奇数である場合、ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの総数は奇数であり、これは直径方向に対向するブレード２ａ、２ｂ、２ｃが存在しないこと、故にカウンターウェイトの使用を意味する。この場合、カウンターウェイトは、直径方向に対向するいくつかのブレードの間に分配される。

別の実施形態では、カウンターウェイトは、ロータ内の他の場所に配置され得る。

Claims (14)

1. 流体の流れの方向に１つの上流プロペラ（１０）と１つの下流プロペラ（１１）とを含む少なくとも２つのアンダクテッドプロペラ（１０、１１）を備えるターボ機械（１）であって、上流プロペラ（１０）は複数のブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）を備え、その少なくとも１つの第１のブレード（２ａ）は、少なくとも１つの第２のブレード（２ｂ、２ｃ）とは異なる先端半径を有する、ターボ機械。
2. 上流プロペラ（１０ａ）の２つの連続するブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）が、異なる先端半径を有する、請求項１に記載のターボ機械。
3. 上流プロペラ（１０）のブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）が、第１のブレード（２ａ）の少なくとも１つのグループと、第２のブレード（２ｂ、２ｃ）の少なくとも１つのグループとを含む、等しい先端半径を有するブレードの
   

   

   グループに分割される、請求項１および２のいずれか一項に記載のターボ機械。
4. ブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）の全てのグループが、異なるブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）先端半径を有する、請求項３に記載のターボ機械。
5. ブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）の全てのグループが、等しい数のブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）を備える、請求項３および４のいずれか一項に記載のターボ機械。
6. ブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）が、上流プロペラ（１０）の周りに配置され、それにより、ｎ個の連続するブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）の各サブアセンブリが、各々のグループから１つのブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）を備える、請求項５に記載のターボ機械。
7. 上流プロペラ（１０）が、
   

   

   ブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）を備え、上流プロペラ（１０）上の２つの直径方向に対向するブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）は、同じグループに属する、請求項３から６のいずれか一項に記載のターボ機械。
8. 上流プロペラ（１０）が、
   

   

   ブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）を備え、ターボ機械（１）は、第１のブレード（２ａ）に直径方向に対向して配置された少なくとも１つのカウンターウェイトを備える、請求項３から６のいずれか一項に記載のターボ機械。
9. ブレード（２ａ、２ｂ、２ｃ）のグループの数ｎが、２または３である、請求項３から８のいずれか一項に記載のターボ機械。
10. 前記第２のブレード（２ｂ、２ｃ）が、端部が切り取られた第１のブレード（２ａ）である、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボ機械。
11. 前記第２のブレード（２ｂ、２ｃ）が、第１のブレード（２ａ）より０．５％から５％短い、請求項１から１０のいずれか一項に記載のターボ機械。
12. 下流プロペラ（１１）が、第１のブレード（２ａ）の先端半径を有する複数のブレード（２）を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のターボ機械。
13. プロペラ（１０、１１）が、二重反転式である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のターボ機械。
14. 下流プロペラ（１１）が、固定されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載のターボ機械。

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