JP6786721B2 - 圧縮機ブレードの表面パターニング - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機ブレード上の表面パターニングに関する。

軸流圧縮機のブレードは、ブレード数を減少させて全体的な部品重量を低減する必要性に迫られて高負荷に耐えるように設計されており、従って特に設計外の動作条件において流れ剥離を生じやすい。ブレードの負荷をさらに高めると、吸引ピーク後に強い逆圧力勾配が生じやすくなって、多くの場合はその後に失速してしまうため、流れを制御する必要性が生じる。さらに、低レイノルズ数で作動する圧縮機では、一般にブレードの負圧面における層流境界層剥離が増加して性能低下を引き起こす。

これまでは、境界層剥離を制御するために、軸流圧縮機における剥離の影響を低減又は克服するための受動的方法と能動的方法の両方が検討されてきた。これまで検討されてきた能動的方法のいくつかの例としては、安定したパルス状の空気ジェットを使用して負圧面上の剥離を制御するもの、音響励起を使用するもの、又はプラズマアクチュエータを使用するものが挙げられる。既知の受動的流量制御装置の例には、ベーン及びプラウ式渦流生成器（ｖａｎｅ ａｎｄ ｐｌｏｗ ｖｏｒｔｅｘ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）、衝撃波と乱流境界層との相互作用を制御する空洞の使用、及び境界層厚さを低減する低プロファイル渦流生成器がある。

受動装置は、そのタイプにもよるが、剥離の開始前に境界層遷移を引き起こすことによって完全に剥離を避けることができ、或いは剥離した剪断層の遷移を未然に防ぐ流動不安定性を導入することによって気泡サイズを減少させることができる。

受動制御法は、その単純さ及びコスト効率に起因して、相変わらず好ましい方法である。しかしながら、受動装置の大きな欠点は、高レイノルズ数において高い翼型損失（ｐｒｏｆｉｌｅ ｌｏｓｓｅｓ）を引き起こしてしまう点である。

本発明の第１の態様は、前縁及び後縁と、前縁と後縁との間の表面パターンとを有する圧縮機ブレードであって、表面パターンが、複数のＶ字形リブレットで形成された少なくとも１組のヘリンボーンリブレット（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ ｒｉｂｌｅｔｓ）を含み、Ｖ字形リブレットが、２００〜４００μｍの距離だけ離れて位置し、５０〜１２０μｍの高さを有する、圧縮機ブレードを提供する。

この結果、圧縮機ブレードが、特に低レイノルズ数において境界層剥離の影響を受けにくくなり、圧縮機ブレードを含む高負荷の圧縮機翼列（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｃａｓｃａｄｅ）における総圧力損失を低下させることができる。

少なくとも１組のヘリンボーンリブレットは、ヘリンボーンリブレットの組の上流端がブレードの境界層剥離泡内に位置するように配置することができる。

少なくとも１組のヘリンボーンリブレットは、ヘリンボーンリブレットの組の上流端が、前縁から、ブレードの総翼弦長の２４％〜４６％の位置に位置するように配置することができ、ヘリンボーンリブレットの組の上流端が、前縁から、ブレードの総翼弦長の３７％の位置に位置するように配置することができる。

少なくとも１組のヘリンボーンリブレットの下流端は、ブレードの後縁に位置することができる。或いは、少なくとも１組のヘリンボーンリブレットの下流端は、後縁から、ブレードの総翼弦長の５％〜２０％の位置に位置することができ、後縁から、ブレードの総翼弦長の１０％の位置に位置することができる。

Ｖ字形リブレットの各々によって形成される角度は４０°〜８０°とすることができ、６０°とすることができる。

Ｖ字形リブレットは、３００μｍの距離だけ離れて位置することができ、８０μｍの高さを有することができる。

圧縮機ブレードは、ディフューザブレード及びインペラブレードの一方とすることができる。

表面パターンは、レーザーを用いてブレードの表面上にエッチングすることができる。

表面パターンは、ブレードの表面に接着された接着ストリップ内に提供することができる。

本発明の第２の態様は、複数のＶ字形リブレットで形成された少なくとも１組のヘリンボーンリブレットを含む表面パターンが刻み込まれた接着ストリップであって、Ｖ字形リブレットが、２００〜４００μｍの距離だけ離れて位置し、５０〜１２０μｍの高さを有する、接着ストリップを提供する。

接着ストリップは、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）で形成することができ、或いは金属箔で形成することができる。

表面パターンは、レーザーエッチングによって形成することができる。

本発明の第３の態様は、圧縮機ブレードに表面パターンを適用する方法であって、最初に接着ストリップ内に表面パターンを形成し、次に接着ストリップを圧縮機ブレードに接着するステップを含む方法を提供する。

以下、本発明をさらに容易に理解できるように、以下の添付図面を参照しながら本発明の実施形態を一例として説明する。

圧縮機ブレード翼列試験装置の概略的表現である。 翼列の一部の概略的表現を示す図である。 圧縮機ブレードを示す図である。 表面パターンを有する図３の圧縮機ブレードを示す図である。 １組のヘリンボーンリブレットを示す図である。 ２つのリブレットの断面図である。 複数組のヘリンボーンリブレットが形成された接着ストリップを示す図である。 複数組のヘリンボーンリブレットが形成された接着ストリップを示す図である。

以下で説明するように、また図に示すように、高負荷を受けた圧縮機翼列の総圧力損失を低減する上で新規のヘリンボーンリブレットパターンが効果的であることが分かった。

本明細書では、対応する記号を省略表現として用いて以下の用語を参照する。
α 入射角
β ブレード角
ｐ ピッチ長
ｃ 翼弦長
ｃ’ 局所的座標系における軸方向翼弦長
Ｒｅ レイノルズ数
ξ₁ ピッチ対翼弦比
ξ₂ アスペクト比
Ｓ_p スパン長
ＬＥ 前縁
ＴＥ 後縁
ＬＳＬ 層流剥離線
ＲＬ 再付着線
ｓ リブレット溝の幅
ｈ リブレット溝の深さ
θ リブレットの発散角
ｌ_r リブレットストリップの長さ
ｂ_r リブレットストリップの幅

図１に、試験装置１の概略的表現を示す。乱流格子（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｇｒｉｄ）２の上流には、モータ駆動式遠心ファンの形の空気流発生器（図示せず）が設けられる。乱流格子２は、ブレード５に作用する空気流の流量特性を調整できるように、調整可能な乱流レベルを可能にする。乱流格子２の下流は、流れが加速する縮小部分３である。縮小部分３の下流には翼列４を示しており、これらの翼列４は、翼列４への容易なアクセス、翼列４の取り外し及び交換を可能にする尾板（ｔａｉｌｂｏａｒｄ）６に取り付けられる。試験装置１は、翼列４を横切って、約３×１０⁵の最大レイノルズ数に対応する１２０ｍ／ｓの最大流速をもたらすように意図される。本出願において検討する翼列は、５×１０⁴〜２×１０⁵の範囲の比較的低いレイノルズ数で動作できるように意図される。この範囲のレイノルズ数は、典型的にはターボチャージャ又は高速圧縮機などのターボ機械に見られるタイプの高速圧縮機にとっては低いと考えられる。例えば、ターボチャージャは、典型的には約５×１０⁵〜１×１０⁶のレイノルズ数で作動する。

図２に、図１に示す翼列４の一部の概略的表現を示す。この翼列は、１３枚のブレード５で形成されて、試験装置内に１２本の通路を形成する。しかしながら、図２には３枚のブレード５しか示していない。ブレード５は、ミッドスパンにおける２次元流れを確実にする３１ｍｍの翼弦長（ｃ）と、５１．２ｍｍの高さ（スパン、Ｓ_p）とを特徴とする高負荷形状を有する。最大厚さは、前縁（ＬＥ）８から３４％の翼弦長における２．５ｍｍである。ブレード５の転向角（ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇｌｅ）は６０．３°である。試験装置１における翼列４のブレード５は、−１０度＜α＜＋１０度の範囲内の入射角変動を可能にするために、流入する流れ方向に対して回転することができる。表１に、翼型の主な幾何学的パラメータを要約する。
表１

図３に、圧縮機ブレード２０を示す。この圧縮機ブレード２０は、圧縮機のディフューザで使用されるタイプのものとすることも、或いは、例えば軸方向インペラ上のインペラブレードとすることもできる。図１の試験装置におけるブレード５は圧縮機ブレード２０に類似し、試験装置１は、圧縮機のブレードの最適な幾何学的パラメータを発見するための実験を行うように意図される。従って、ブレード２０は、例えば高速軸流圧縮機で使用できるブレード形状の特徴を示す。ブレード２０は、ブレードの上流側における前縁（ＬＥ）２２と、ブレードの下流側における後縁（ＴＥ）２４とを有する。ＬＥ２２とＴＥ２４との間の距離は翼弦長として知られており、寸法ｃとして示す。

図４に、表面パターン修飾部（ｓｕｒｆａｃｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を含む図３のブレード２０を示す。この表面パターン修飾部は、複数組のヘリンボーンリブレット３０の形を取る。図４のブレード２０は、ブレード２０の上側凸面上に７組のヘリンボーンリブレット３０を有する。図５に、１組のヘリンボーンリブレットを示す。図６には、２つの隣接するリブレット上端（ｒｉｂｌｅｔ ｐｅａｋ）の拡大断面図を示す。

本発明者らが行った実験では、ブレード２０などの圧縮機ブレード上で、ブレード表面上の流れの層流境界層が、翼弦長のうちのＬＥから約２４％（２４％ｃ）である層流剥離線ＬＳＬにおいて剥離し、約４６％の翼弦長（４６％ｃ）における再付着線ＲＬにおいて再付着することが判明した。従って、ブレード２０上の境界層剥離を低減するために、ヘリンボーンリブレットの組を、リブレットの開始位置、すなわちリブレットの上流端が剥離泡内に位置するようにブレード表面上に配置する。図４のリブレットは、ＬＥ２２から３７％の地点で開始する。ヘリンボーンリブレット、すなわち下流側は、後縁（ＴＥ）２４に近接して終端し、図４のブレード２０では、リブレットがＬＥ２４から９０％ｃ（すなわちＴＥ２４から１０％ｃ）の地点で終端する。リブレットは、ＴＥ２４において終端することもできるが、ＴＥ２４に近接して、ＴＥ２４からわずかな距離を置いて終端した方が有益であることが分かった。

ヘリンボーンリブレットを含むブレード２０を翼列内に配置して、図１に示すような試験装置において使用すると、ヘリンボーンリブレットを含まないブレードを有する翼列を使用した時よりも、翼列に従う圧力分布がはるかに均一であることが判明した。また、ヘリンボーンリブレットを含むブレードを使用した時には、平均総圧力損失係数も２２．４％減少した。さらに、翼列に従う速度ベクトルの分布も均一になり、平均流れ転向角（ａｖｅｒａｇｅ ｆｌｏｗ ｔｕｒｎｉｎｇ ａｎｇｌｅ）も１０度増加した。従って、ヘリンボーンリブレットの使用によって大きな空気力学的改善がもたらされる。

リブレットの組の長さｌ_rは、ブレード２０の総翼弦長ｃに依存する。通常、ｌ_rは、総翼弦長ｃの約６６％〜４４％である。３１ｍｍの翼弦長ｃを有するブレードでは、ｌ_rが約１３ｍｍ〜２０ｍｍであり、好ましくは１６ｍｍ〜１８ｍｍである。同じサイズのブレードでは、リブレットの組の幅ｂ_rが約４〜１０ｍｍであり、好ましい実施形態では６ｍｍである。リブレット３０の組は、複数の交互するＶ字形リブレット４０と溝４２とで形成される。リブレット４０及び溝４２から成るＶ字形の２つアーム間の角度θは６０°であり、各アームは、各リブレット３０の組の中心を通る中心線から３０°の角度で延びる。図４、図５及び図６に示すような好ましい実施形態では、リブレット４０が２００〜４００μｍの、好ましくは３００μｍの距離ｓだけ離れて位置し、各リブレットが５０〜１２０μｍの、好ましくは８０μｍの高さｈを有する。しかしながら、ｓ及びｈの値は、ブレードの仕様及び要件、並びに圧縮機の作動パラメータに従って変化することができると理解されるであろう。

リブレット３０の組は、ブレード表面上で間に間隙が存在しないように互いに隣接して位置することができる。しかしながら、２つの隣接するリブレット３０の組間に０．２ｍｍ〜１ｍｍの間隙が存在すると有益であることが分かった。特に好ましい実施形態では、隣接するリブレット３０の組間に０．５ｍｍの間隙が存在する。

従って、３１．０ｍｍの翼弦長ｃを有するブレード上の特に好ましい実施形態について、図４、図５及び図６で参照した寸法を以下の表２に示す。
表２

各ヘリンボーンリブレット３０の組は、レーザーを用いてブレード表面内に直接溝をエングレービングする（刻み込む）ことによって形成することができる。レーザーエッチング／エングレービングは、柔軟性が高く、容易かつ正確な制御を行うことができるので、好ましいリブレット形成方法である。

しかしながら、ブレード表面上に直接レーザーエッチング／エングレービングを行うことは、特にブレードが大型部品の一部を成す場合、例えばディフューザ又はインペラ内のブレードである場合には困難になり得る。ブレード上の正しい位置に所望のパターンを達成するようにレーザーに角度を付けることも困難又は不可能になり得る。例えば、レーザーレンズは、垂直方向に動けないことがあり、すなわちレーザーの加工点（ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｐｏｔ）は、製造工程中に水平面でしか動くことができない。ブレードの曲面上でのレーザーエングレービングが可能な正確な３Ｄ制御装置が必要になるが、このような制御装置のコストは極めて高価になり得る。

別の方法は、ヘリンボーンリブレット３０の組を、ブレード表面の所望の位置に接着できる図７Ａ及び図７Ｂに示すような接着ストリップとして接着テープ上に製造することである。接着テープ内のリブレットは、やはりレーザーを使用して形成することができるが、テープの平面性に起因して、ブレード表面上に直接レーザーを使用するよりも製造工程がはるかに容易になる。必要な数のリブレット３０の組を一片の接着テープ上に単一の接着ストリップとして形成した後に、これをブレード表面上に一体部品として接着することができる。或いは、個別に取り外し可能なリブレット３０の組を接着テープの個々の接着ストリップとして形成することもできる。その後、各リブレットの組をストリップから取り、必要に応じてブレード表面上に配置することができる。図７Ａには、空間効率を高めるために重なり構成で配置された８組のヘリンボーンリブレットを含む接着テープ５０のストリップを示し、図７Ｂには、１列になった４組のヘリンボーンリブレット３０を有するさらに狭い接着テープ５２のストリップを示す。

接着テープは、例えば（ガムテープ（ｐａｒｃｅｌ ｔａｐｅ）としても知られている）梱包テープ又は電気絶縁テープと同様のポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）で形成することができる。別の実施形態では、接着テープを薄い金属箔で形成することもできる。接着金属箔を用いて形成されたヘリンボーンリブレットは、リブレットが完全な形状を留める限り、境界層剥離を低減するための最良の結果をもたらすことが判明した。しかしながら、箔はしわになりやすく、箔内に形成されたリブレットは、最大の注意を払って取り扱わなければ、ブレード表面への適用中にいびつな形になることがある。これによってリブレットの有効性が低下してしまうこともある。一方で、接着ＰＶＣテープは、境界層剥離を低減する上で箔と同じ高水準の結果は得られないものの、依然として効果が高い反面、箔が抱える同じしわの問題に見舞われることがなく、従って典型的な製造工程のためのさらに良好なオプションを提供することができる。

以上、特定の実施形態について説明したが、特許請求の範囲に定める本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正を行うことができると理解されるであろう。

Claims (13)

1. 前縁及び後縁と、前記前縁と前記後縁との間の表面パターンとを有する圧縮機ブレードであって、前記表面パターンは、複数のＶ字形リブレットで形成された少なくとも１組のヘリンボーンリブレットを含み、前記Ｖ字形リブレットは、２００〜４００μｍの距離だけ離れて位置し、５０〜１２０μｍの高さを有し、
   前記少なくとも１組のヘリンボーンリブレットは、前記ヘリンボーンリブレットの組の上流端が前記ブレードの境界層剥離泡内に位置するように配置されるとともに、前記ヘリンボーンリブレットの組の上流端が、前記前縁から、前記ブレードの総翼弦長の２４％〜４６％の位置に位置するように配置される、
   ことを特徴とする圧縮機ブレード。
2. 前記少なくとも１組のヘリンボーンリブレットは、前記ヘリンボーンリブレットの組の前記上流端が、前記前縁から、前記ブレードの前記総翼弦長の３７％の位置に位置するように配置される、
   請求項１に記載の圧縮機ブレード。
3. 前記少なくとも１組のヘリンボーンリブレットの下流端は、前記ブレードの前記後縁に位置する、
   請求項１または２に記載の圧縮機ブレード。
4. 前記少なくとも１組のヘリンボーンリブレットの下流端は、前記後縁から、前記ブレードの総翼弦長の５％〜２０％の位置に位置する、
   請求項１または２に記載の圧縮機ブレード。
5. 前記少なくとも１組のヘリンボーンリブレットの前記下流端は、前記後縁から、前記ブレードの総翼弦長の１０％の位置に位置する、
   請求項４に記載の圧縮機ブレード。
6. 前記Ｖ字形リブレットの各々によって形成される角度は４０°〜８０°である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の圧縮機ブレード。
7. 前記Ｖ字形リブレットの各々によって形成される前記角度は６０°である、
   請求項６に記載の圧縮機ブレード。
8. 前記Ｖ字形リブレットは、３００μｍの距離だけ離れて位置する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の圧縮機ブレード。
9. 前記Ｖ字形リブレットは、８０μｍの高さを有する、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の圧縮機ブレード。
10. 前記圧縮機ブレードは、ディフューザブレード及びインペラブレードの一方である、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の圧縮機ブレード。
11. 前記表面パターンは、レーザーを用いて前記ブレードの表面上にエッチングされる、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧縮機ブレード。
12. 前記表面パターンは、前記ブレードの表面に接着された接着ストリップ内に提供される、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の圧縮機ブレード。
13. 圧縮機ブレードに表面パターンを適用する方法であって、最初に接着ストリップ内に前記表面パターンを形成し、次に前記接着ストリップを前記圧縮機ブレードに接着するステップを含み、
    前記少なくとも１組のヘリンボーンリブレットは、前記ヘリンボーンリブレットの組の上流端が前記ブレードの境界層剥離泡内に位置するように配置されるとともに、前記ヘリンボーンリブレットの組の上流端が、前記前縁から、前記ブレードの総翼弦長の２４％〜４６％の位置に位置するように配置される、
    ことを特徴とする方法。