JP6921804B2 - ターボ機械ロータブレード - Google Patents

Description

本発明はターボ機械ブレードまたは羽根の分野に関し、具体的にはターボ機械ロータブレードの分野に関する。

用語「ターボ機械」はこの状況において、たとえば圧縮機、ポンプ、タービン、または実際にこれらのうちの少なくとも２つの組合せなど、流体流と少なくとも１セットのブレードとの間でエネルギーが伝達されるいずれかの機械を指定するために使用される。以下の説明において、用語「上流」および「下流」は、ターボ機械を通る流体の通常の流れ方向に対して定義される。

このようなターボ機械は複数の段を備えてもよく、各段は通常２セットのブレードおよび羽根、具体的には１セットの可動ブレードと１セットの案内羽根とを備える。各セットのブレードまたは羽根は、互いに対して横方向にずれた複数のブレードまたは羽根を備える。通常、このようなブレードまたは羽根は中心軸Ａの周りに放射状に配置される。こうして、このようなセットは、それが１セットの可動ブレードのときにはロータを、１セットの案内羽根のときにはステータを形成する。中心軸Ａに対する各ブレードまたは羽根の近位端は通常その根元と称され、その一方で遠位端は通常その先端と称される。根元と先端との間の距離は「高さ」と称される。その根元と先端との間で、ブレードまたは羽根は、放射軸Ｚに対して略直角な多数の空気力学的プロファイルで構成されている。用語「略直角」はこの状況において、各プロファイルの平面が放射軸Ｚに対して９０°に近い、たとえば６０°から１２０°の範囲の角度を呈することを意味するために使用される。

ブレードの幾何学的形状は、ブレードの空気力学的挙動を最適化するための主要な設計努力の主題であり、これにより、圧縮機、ファン、またはタービンなど、ブレードが一部を形成するロータアセンブリの効率を向上させる。このため空気力学エンジニアは、空気力学的視点から最適化された積層空気力学的プロファイルの関係を提案する。

それでもなお、このような積層関係は、機械的視点から必ずしも最適化されず、許容可能ですらない。たとえば、ブレードの大部分がブレードの残部に対して張り出している、空気力学的視点から特に有効な積層関係が提案されてきた。するとこのような大きく張り出した質量は、ロータの回転から生じる遠心力の影響を非常に受けやすく、翼の高い部分の著しい屈曲をもたらし、これにより、「レッドライン」飛行点、すなわち緊急飛行点において高すぎる静的応力で翼の中央に大きな機械的応力をもたらす。このような状況下で、このようなブレードはほんのわずかな動的マージンしか有しておらず、衝撃またはロータアセンブリのサージングの場合、これらは疲労にあまり耐えられない。

反対に、機械的視点から最適化されたその他の積層関係も機械エンジニアから提案されてきたが、空気力学的性能が不十分なためこれらは受け入れられていない。

したがって、良好な空気力学的特性および良好な機械的特性の両方の恩恵を受けるブレードの真の需要が存在する。

本明細書は、ブレード高さによって分離されたブレード根元およびブレード先端と、これらとともに負の接線勾配を呈する少なくとも１つの中間セグメントと、中間セグメントとブレードヘッドとの間に位置して正の接線勾配を呈する遠位セグメントと、を備え、このとき遠位セグメントは前記ブレード高さの最大３０％にわたって延在する、ターボ機械ロータブレードに関する。

このような構成は、張り出したブレードの質量を大きく減少させ、こうしてブレードの高い部分の屈曲を低減し、同時に静的応力のレベルを低下させ、その一方で良好な空気力学的特性を維持することを可能にする。

さらに、このようにして得られた機械的強度の改善は、ブレードの構造を軽量化し、特にその厚さを低減することが可能であり、これによりその空気力学的特性を向上させる。

また、この積層関係は軸方向のブレードの幾何学的形状に関する設計自由度を残しており、これにより、特定の要件に応じてその空気力学的および／または機械的特性を最適化するためにこの方向でブレードを自由に最適化できるようにする。

特定の実施形態において、前記遠位セグメントは前記ブレード先端に直接隣接している。

特定の実施形態において、前記遠位セグメントは前記中間セグメントに直接隣接している。

特定の実施形態において、前記中間セグメントと前記遠位セグメントとの間の接合部は、ブレード根元からブレードの高さの７５％から８０％の範囲にあるレベルに位置している。

特定の実施形態において、前記遠位セグメントは、ブレード高さの最大２５％にわたって延在する。これは張り出し質量をさらに減少させる。

特定の実施形態において、前記遠位セグメントは、ブレード高さの少なくとも５％にわたって延在する。

特定の実施形態において、前記遠位セグメントは、ブレード高さの少なくとも１５％にわたって延在する。

特定の実施形態において、ブレードの各接線方向断面の重心を通る線の径方向平面上への投影は、Γ字型である。したがってブレードに沿ったその位置に応じたブレードの各断面の重心の、ｙＧとして知られる接線座標をプロットした曲線は、ブレードの低い部分にさらなる硬度を付与する、略直線的隆起セグメントと、わずかな重さだけを張り出させたほぼ水平セグメントと、を呈する。さらに、ブレードの中間セグメントと遠位セグメントとの間の界面における突出した曲率は、ブレードの高い部分と低い部分との間の力経路を遮断するのに役立ち、これにより、ブレードの高い部分の屈曲の結果としてブレードの低い部分に発生する応力の大きさを減少させるのに役立つ。

特定の実施形態において、ブレードの各接線方向断面の重心を通る線の径方向平面上への投影は、ブレードの中間セグメントにおいて、略直線セグメントを有する。言い換えると、位置に応じた接線座標ｙＧをプロットした曲線は、このセグメントにおいて略ゼロとなる二次導関数を有する。これはブレードの中間セグメント内により高い硬度をもたらし、こうしてその機械的強度を補強する。

特定の実施形態において、前記略直線セグメントは、ブレード高さの少なくとも３０％にわたって、好ましくはブレード高さの少なくとも４０％にわたって、より好ましくはブレード高さの少なくとも５０％にわたって、延在する。

特定の実施形態において、前記略直線セグメントは、ブレード根元からブレード高さの少なくとも５０％、好ましくは５５％、好ましくは６０％、より好ましくは６５％に位置するレベルまで延在する。

特定の実施形態において、前記略直線セグメントは、ブレード根元からブレード高さの最大３０％、好ましくは最大２０％に位置するレベルから延在する。

特定の実施形態において、第一にブレード先端に、第二に中間セグメントと遠位セグメントとの間の界面に位置するブレード断面の重心の接線座標間の差は、第一にブレード根元に、第二に中間セグメントと遠位セグメントとの間の界面に位置するブレード断面の重心の接線座標間の差の１５０％超、好ましくは１８０％超である。このようなブレードは、ブレード先端での掃引量が大きく、具体的には静的応力に関して、良好な航空および機械的特性の恩恵を受ける。

別の実施形態において、第一にブレード先端に、第二に中間セグメントと遠位セグメントとの間の界面に位置するブレード断面の重心の接線座標間の差は、第一にブレード根元に、第二に中間セグメントと遠位セグメントとの間の界面に位置するブレード断面の重心の接線座標間の差の１００％から１５０％の範囲、好ましくは１１０％から１４０％の範囲にある。このようなブレードは、上記の状況よりも突出していないブレード先端における掃引を呈し、これによりターボ機械モジュールへの組み込みを容易にし、その一方で良好な航空および機械的特性を維持する。具体的には、これにより、ロータのブレードの、および上流に位置するステータの羽根の、先端の間の距離を広げることができる。

特定の実施形態において、ブレードの厚さはすべての点においてブレード高さの８％未満、好ましくは６％未満である。この薄い厚さは、ブレードに良好な空気力学的特性を提供する。

特定の実施形態において、遠位セグメントの厚さはブレード高さの５％未満、好ましくは３％未満である。

本明細書は、上記実施形態のいずれかによる複数のブレードを有する一体型ブレードディスクも提供する。このような一体型ブレードディスクは、堅牢性および簡素性の利点を呈する。それでもなお本明細書のブレードは代わりに、たとえばブレード根元の下にモミの木型の締結具部材を有して、個別に締結されたブレードであってもよい。

本明細書は、上記実施形態のいずれかによる複数のブレードを有するロータも提供する。

本明細書は、上記実施形態のいずれかによるディスクまたはロータを有するターボ機械も提供する。

上述の特徴および利点その他は、提案されるブレードの実施形態の以下の詳細な説明を読めば明らかになる。詳細な説明は、添付図面を参照している。

非限定例として示される一実施形態の以下の詳細な説明を読めば、本発明がよく理解されることが可能であり、その利点がより明らかになる。説明は、以下の添付図面を参照する。

ターボ機械の縦断面図である。 ターボ機械ロータの斜視図である。 図２Ａのロータの詳細な斜視図である。 図２Ｂに示される平面ＩＩＣ−ＩＩＣでの、図２Ａのロータのブレードのうちの１つの断面図である。 前方掃引されたロータブレードを示す図である。 後方掃引されたロータブレードを示す図である。 負の接線勾配を呈するロータブレードを示す図である。 正の接線勾配を呈するロータブレードを示す図である。 本発明の例示的ブレードを示す図である。 本発明の第一のブレードの接線勾配の、根元と先端との間の変化を示すグラフである。 本発明の第二のブレードの接線勾配の、根元と先端との間の変化を示すグラフである。 基準の従来技術ブレードの接線勾配の、根元と先端との間の変化を示すグラフである。 第一の例のブレードの静的応力レベルを示す図である。 第一の例のブレードの静的応力レベルを示す図である。 第二の例のブレードの静的応力レベルを示す図である。 第二の例のブレードの静的応力レベルを示す図である。 従来技術のブレードの静的応力レベルを示す図である。 従来技術のブレードの静的応力レベルを示す図である。

図１は、ターボ機械の、より具体的にはバイパス軸流式ターボジェット１の、説明例を示す。図示されるターボジェット１は、ファン２、低圧圧縮機３、高圧圧縮機４、燃焼室５、高圧タービン６、および低圧タービン７を有する。ファン２および低圧圧縮機３は、第一動力伝達シャフト９によって高圧タービン７に接続されており、その一方で高圧圧縮機４および高圧タービン６は第二動力伝達シャフト１０によって互いに接続されている。運転中、高圧および低圧圧縮機３および４によって圧縮された空気の流れは燃焼室５内の燃焼に供給され、燃焼ガスの膨張が高圧および低圧タービン６および７を駆動する。こうしてタービン６および７は、シャフト９および１０によってファン２ならびに圧縮機３および４を駆動する。ファン２によって推進される空気、ならびにタービン６および７の下流の推進ノズル（図示せず）を介してターボジェット１を離れる燃焼ガスは、一緒に、ターボジェット１に、そしてターボジェットを介して飛行機（図示せず）などの乗り物に、反動推力を加える。

ターボジェット１の各圧縮機３および４ならびに各タービン６および７は複数の段を備え、各段は、羽根またはステータの固定セットおよびブレードまたはロータの回転セットで構成されている。軸流式圧縮機ロータ１１は、図２Ａに図示されている。ロータ１１は、ロータ１１の回転軸Ａの周りに放射状に配置された複数のブレード１２を有しており、この軸はターボジェット１を通る作動流体の流れの全体的な方向と略平行である。ブレード１２は単一部品としてロータ１１に組み込まれてもよく、これにより一体型ブレードディスクを形成するか、さもなければこれらは個別に作られて、モミの木締結具など先端技術において周知の締結具手段によってロータに接合されてもよい。

図２Ｂにより詳細に示されるように、各ブレード１２は３つの直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有する三次元基準座標系を呈する。軸Ｘはロータ１１の回転軸Ａと平行であり、軸Ｙは回転軸Ａの周りのブレード１２の回転方向Ｒに正接しており、軸Ｚは回転軸Ａと交差する方向の放射軸である。各ブレード１２は、放射軸Ｚの方向にブレード高さｈによって離間したブレード根元１３およびブレード先端１４を備える。ブレード根元１３とブレード先端１４との間において、ブレード１２は放射軸Ｚに対して直角な平面内に多数の空気力学的プロファイル１５を有して、上流方向の前縁１６、下流方向の後縁１７、負圧側１８、および圧力側１９を形成する。圧縮機またはファンロータにおいて、通常運転中の回転方向Ｒは、各ブレード１２がその圧力側１９に向かって動くようになっている。

ブレード１２のこのようなプロファイル１５の１つが、図２Ｃに示されている。各プロファイル１５は、前縁１６と後縁１７との間の翼弦Ｃと、プロファイル１５の幾何中心として定義される重心ＣＧと、を呈する。ターボ機械ブレードまたは羽根の分野において、放射軸Ｚに対する連続プロファイル１５の重心ＣＧを通る線の勾配は、ブレードまたは羽根１２の掃引および接線勾配を定義するために使用される。このため、先端１４に向かって進行すると、図３Ａに示されるようにこの線２０がＸＺ平面内で上流方向に傾斜角−ｉで傾斜しているとき、ブレード１２は前方掃引を呈する。反対に、図３Ｂに示されるようにこの線２０が同じ平面内で下流方向に傾斜角ｉで傾斜しているとき、ブレード１２は後方掃引を呈する。同じように、接線勾配は、ＹＺ平面内で放射軸Ｚに対する線２０の傾斜角によって定義される。このため、先端１４に向かって進行すると、線２０が負圧側１８に向かって（したがってロータの回転方向Ｒの反対方向に）傾斜しているとき、図３Ｃに示されるように、ブレード１２は負である接線傾斜角−ｊで傾斜する。反対に、傾斜角が圧力側１９に（したがってロータの回転方向Ｒに）向いているとき、図３Ｄに示されるように、ブレード１２は正である接線傾斜角ｊで傾斜する。掃引および接線勾配は別として、ターボ機械ブレードまたは羽根は一般的に複雑な形状を呈し、仰角、反り、厚さ、および翼弦Ｃもまた軸Ｚに沿って異なりうるプロファイル１５を有する。

図４は、この不都合を前方掃引ブレードまたは羽根のために緩和できるようにする、本発明の第一の実施形態のブレードまたは羽根１１２を示す。このブレード１１２もまたブレード根元１１３、ブレード先端１１４、前縁１１７、後縁１１６、圧力側１１８、および負圧側１１９を有し、やはりブレード根元１１３とブレード先端１１４との間でブレード高さｈにわたって多数の空気力学的プロファイル１１５で構成されている。

図５はこのブレード１１２のｙＧ関係、すなわち重心ＣＧの接線座標ｙＧが放射軸Ｚに沿ってどのように変化するかを示す。図５において、ｙＧ横軸は、ミリメートル単位で徐々に変化する。この曲線の傾斜角、すなわちｙＧの一次導関数は、ブレードの接線勾配に対応する。このため、曲線が左に行くと、すなわちｙＧが負になると、ブレードの対応する部分は負の接線勾配を有し、曲線が右に行くと、すなわちｙＧが正になると、ブレードの対応する部分は正の接線勾配を有する。この曲線の曲率、すなわちｙＧの二次導関数は、接線方向のブレードの曲率に対応する。

この図において、このブレード１１２は、ブレード高さｈの約７５％に対応する寸法まで、ブレード高さｈの約７０％を占有する負の接線勾配を有する中間セグメント１１２ａを呈することがわかる。ブレード１１２はまた、中間セグメント１１２ａとブレード先端１１４との間に延在し、こうしてブレード高さｈの約２５％を占有する、正の接線勾配を有する遠位セグメント１１２ｂも呈する。

中間セグメント１１２ａは、ほぼブレード高さｈの１５％および７０％に対応する寸法の間に延在する、略直線セグメント１２２ａを有することも、わかる。遠位セグメント１１２ｂもまた、ほぼブレード高さｈの９０％に対応する寸法からブレード先端１１４まで延在する、略直線セグメント１２２ｂを有する。このためｙＧの曲線はΓ字型である。するとブレードの曲率は、主にブレード高さｈの７０％および９０％に対応する寸法の間の、ブレードの制限領域１２２ｃに集中する。このためｙＧの曲線はブレード高さｈの２０％未満において９０°超を通って曲がり、これによりブレード１１２の中間セグメント１１２ａおよび遠位セグメント１１２ｂに対して作用する力を切り離すのに貢献する。

遠位セグメント１１２ｂは、正ｙＧの側から力強く延在し、ブレード先端において約４ｍｍ、すなわち中間セグメント１１２ａと遠位セグメント１１２ｂとの間の界面における負ｙＧの側に到達した座標と絶対値で実質的に同じ程度に到達することもまた、わかる。

図８Ａおよび図８Ｂは、機械的応力を計算するためのソフトウェアの画面キャプチャである。これらは、第一の例のブレードの負圧側および圧力側のそれぞれの静的応力レベルを示す。比較のため、図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８に示されるような積層関係ｙＧがＳ字型となる基準の従来技術ブレードの負圧側および圧力側のそれぞれの静的応力レベルを示す。

このように、第一の例のブレードの負圧側での最大応力レベルは４０１メガパスカル（ＭＰａ）であり、その一方でこの最大レベルは基準ブレードで５４２ＭＰａであって、すなわち２６％の減少であることがわかる。圧力側において、最大応力レベルは、基準ブレードの４５７ＭＰａと比較して第一の例のブレードでは３６８ＭＰａであって、すなわち１９％の減少である。

図６は、第二の例のブレードのｙＧ関係を示す。この図において、第二のブレードは、その遠位セグメント２１２ｂが第一の例ほどは延在しない点を除いて略同じΓ字形状を呈することがわかり、ブレード先端において約１．５ｍｍ、すなわち中間セグメント２１２ａと遠位セグメント２１２ｂとの間の界面において負のｙＧを有して到達した座標の絶対値における、約３０％に到達する。

それにもかかわらず、ブレード高さｈの約７５％に対応する寸法まで、ブレード高さｈの約７０％を占有する負の接線勾配の中間セグメント２１２ａと、中間セグメント２１２ａとブレード先端との間に延在する正の接線勾配を有し、こうしてブレード高さｈの約２５％を占有する遠位セグメント２１２ｂと、の存在がわかる。

中間セグメント２１２ａもまた、ほぼブレード高さｈの１５％および７０％に対応する寸法の間に延在する、略直線セグメント２２２ａを有する。遠位セグメント２１２ｂもまた、ほぼブレード先端１１４までのブレード高さｈの９０％に対応する寸法から延在する略直線セグメント２２２ｂを有する。するとブレードの曲率は、主にブレード高さｈの７０％および９０％に対応する寸法の間の、ブレードの制限領域２２２ｃに集中する。このためｙＧの曲線はブレードの高さｈの２０％未満において９０°超を通って曲がり、これによりブレードの中間セグメント１１２ａおよび遠位セグメント１１２ｂに対して作用する力を切り離すのに貢献する。

図９Ａおよび図９Ｂは、再び機械的応力を計算するためのソフトウェアの画面キャプチャである。これらは、第二の例のブレードの負圧側および圧力側のそれぞれの静的応力レベルを示す。

このように、第二の例のブレードの負圧側での最大応力レベルは４０１ＭＰａであり、その一方でこの最大レベルは基準ブレードで５４２ＭＰａであって、すなわち２６％の減少であることがわかる。圧力側において、最大応力レベルは、基準ブレードの４５７ＭＰａと比較して第一の例のブレードでは３３１ＭＰａであって、すなわち２８％の減少である。

本明細書に記載された実施形態は非限定的説明によって示されており、本明細書に鑑みて、当業者は本発明の範囲内にありながら、これらの実施形態を容易に修正すること、または別の実施形態を容易に想起することができる。

さらに、これらの実施形態の様々な特徴は単独で使用されてもよく、あるいはこれらは互いに組み合わせられてもよい。組み合わせられるとき、これらの特徴は上記のまたは別のやり方で組み合わせられてもよく、本発明は本明細書に記載される特定の組合せに限定されるものではない。具体的には、別途指定されない限りにおいて、いずれか１つの実施形態を参照して記載されたいずれの特徴も、その他いずれの実施形態に同じように適用されてよい。

Claims (13)

1. ブレード高さ（ｈ）によって分離されたブレード根元（１１３）およびブレード先端（１１４）と、負の接線勾配を呈する少なくとも１つの中間セグメント（１１２ａ）と、中間セグメント（１１２ａ）とブレード先端（１１４）との間に位置して正の接線勾配を呈する遠位セグメント（１１２ｂ）と、を備えるターボ機械ロータブレードであって、
   遠位セグメント（１１２ｂ）は前記ブレード高さ（ｈ）の最大３０％にわたって延在し、
   ブレード（１１０）の各接線方向断面（１１５）の重心を通る線の径方向平面上への投影は、ブレードの中間セグメント（１１２ａ）に、ブレード高さ（ｈ）の少なくとも４０％にわたって延在する略直線セグメント（１２２ａ）を有する、
   ターボ機械ロータブレード。
2. 前記遠位セグメント（１１２ｂ）が前記ブレード先端（１１４）に直接隣接しており、
   前記遠位セグメント（１１２ｂ）は前記中間セグメント（１１２ａ）に直接隣接している、
   請求項１に記載のターボ機械ロータブレード。
3. 前記遠位セグメント（１１２ｂ）が、ブレード高さ（ｈ）の最大２５％にわたって延在する、請求項１または２に記載のターボ機械ロータブレード。
4. 前記遠位セグメント（１１２ｂ）が、ブレード高さ（ｈ）の少なくとも５％にわたって延在する、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボ機械ロータブレード。
5. 前記略直線セグメント（１２２ａ）が、ブレード根元（１１３）からブレード高さ（ｈ）の少なくとも５０％に位置するレベルまで延在する、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械ロータブレード。
6. 前記略直線セグメント（１２２ａ）が、ブレード根元（１１３）からブレード高さ（ｈ）の最大３０％に位置するレベルから延在する、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械ロータブレード。
7. ブレード（１１０）の各接線方向断面（１１５）の重心を通る線の径方向平面上への投影が、ブレードの遠位セグメント（１１２ｂ）において、第二のセグメント（１２２ｂ）を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のターボ機械ロータブレード。
8. ブレード（１１０）の各接線方向断面（１１５）の重心を通る線の径方向平面上への投影が、ブレード高さ（ｈ）の２０％未満において９０°超を通って曲がる、請求項７に記載のターボ機械ロータブレード。
9. 第一にブレード先端に位置するブレード断面の重心の接線座標（ｙＧ）と、第二に中間セグメント（２１２ａ）と遠位セグメント（２１２ｂ）との間の界面に位置するブレード断面の重心の接線座標（ｙＧ）と、の間の差が、第一にブレード根元に位置するブレード断面の重心の接線座標（ｙＧ）と、第二に中間セグメント（２１２ａ）と遠位セグメント（２１２ｂ）との間の界面に位置するブレード断面の重心の接線座標（ｙＧ）と、の間の差の、１００％から１５０％の範囲内にある、請求項１から８のいずれか一項に記載のターボ機械ロータブレード。
10. ブレード（１１２）の厚さがすべての点においてブレード高さ（ｈ）の８％未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボ機械ロータブレード。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の複数のターボ機械ロータブレード（１１２）を備える一体型ブレードディスク。
12. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の複数のターボ機械ロータブレード（１１２）を有するロータ。
13. 請求項１１に記載の一体型ブレードディスクまたは請求項１２に記載のロータを含む、ターボ機械。

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