JP7400314B2 - ファンまたは圧縮機の気流制御装置 - Google Patents

Description

以下の開示は、ジェットエンジンのファンまたは圧縮機を囲むケーシングに組み込まれる気流制御装置に関し、特にケーシングトリートメントにプラズマアクチュエータを組み合わせて動翼の先端に好ましい流れを作り出す気流制御装置に関する。

気体に流れを与え、あるいは流れている気体を制御する目的で、プラズマアクチュエータを利用することが検討されている。プラズマアクチュエータは、気体に電位差を印加して局所的に気体をイオン化するとともに、種々の波形で変動する電場によってイオン化した気体に流れを誘起し、ひいてはアクチュエータ周囲の流れに影響を及ぼそうというものである。

特許文献１，２は、関連する技術を開示している。

特表２０１１－５０８１５９号公報 特開２０１２－１５９０７６号公報

プラズマアクチュエータの特性はなお十分に理解されているわけではない。どのような部位に適用し、あるいはどのように運用すると高い効果を発揮するかは、なお検討され続けている。

圧縮機の動翼のストールマージンを改善するべく、その先端周りの流れを制御することが求められている。本発明者らによる検討によれば、動翼先端のごとく比較的に高速な流れのある部位にプラズマアクチュエータを適用しようとすると、その効果は減じられるようである。

一局面によれば、ジェットエンジンのファンまたは圧縮機の動翼を囲むケーシングに組み込まれる気流制御装置は、動翼の先端の周りであってケーシングの内面に開口する抽気口と、動翼の前縁付近であって内面に開口する注気口と、抽気口と注気口とを連絡する流路と、を備えたケーシングトリートメントと、流路内に露出して抽気口から注気口へ流れを誘起するように向けられたプラズマアクチュエータと、を備える。

好ましくは、プラズマアクチュエータは動翼の軸周りに連続して一周している。また好ましくは、抽気口および注気口はそれぞれ動翼の軸周りに連続して一周している。

圧縮機の効率を損なうことなくその動翼のストールマージンを改善する。

図１は、典型的なターボファンエンジンの模式的な縦断面図である。 図２は、圧縮機の動翼を囲むケーシングに組み込まれた気流制御装置の模式的な断面図である。 図３は、ケーシングにおいて気流制御装置の周囲を部分的に切り出した部分断面斜視図である。 図４は、流路の内面から見たプラズマアクチュエータの模式的な平面図である。 図５は、他の実施形態によるプラズマアクチュエータの模式的な平面図である。 図６は、さらに他の実施形態によるプラズマアクチュエータの模式的な平面図である。 図７は、動翼の前縁付近における速度三角形である。

幾つかの実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。図面は必ずしも正確な縮尺により示されておらず、従って相互の寸法関係は図示されたものに限られないことに特に注意を要する。

本実施形態による気流制御装置は、ターボファンエンジンのごときジェットエンジンのケーシングに適用することができ、特にそのファンあるいは圧縮機の動翼の周囲に適用することができる。以下では圧縮機の動翼の周囲に適用する例を説明するが、圧縮機をファンと読み替えれば特段の変更なしにファン動翼の周囲に適用することができる。

図１を参照するに、ターボファンエンジンは、概してその周囲を囲むエンジンケーシング３と、コアを囲むコアケーシング５と、外気をエンジン内に取り込むファン７と、取り込んだ外気を圧縮する圧縮機９と、を備える。取り込んだ外気は、圧縮機９に流入する気流Ｆａと、バイパス流Ｆｂとに分かれる。気流Ｆａは圧縮機９により圧縮されて専らエンジンの燃焼に利用され、バイパス流Ｆｂはエンジン後方に導かれて推力を生ずる。

図２を参照するに、圧縮機９は、通常、それぞれ軸周りに並べられ、軸方向には交互に配列した動翼１１と静翼１３とを備える。ケーシング５はこれらを同軸に囲んで気流Ｆａの流路を構成し、また通常これに静翼１３が固定される。動翼１１はその内端においてそれぞれハブ１５に結合しており、またハブ１５は、図示はしないがブリスクまたはディスクおよびシャフトを通じてエンジン後部のタービンに結合している。すなわち動翼１１は、これらの構造を介してタービンから燃焼気のエネルギを受け、軸周りに回転する。

動翼１１において径方向に外周の極である先端１１ｔは、ケーシング５の内面５ｆに接しないが、気流の漏れを防ぐべくごく近接している。気流制御装置１は、かかる先端１１ｔに近接するようにケーシング５に組み込まれて利用される。気流制御装置１は、概して、流れの一部を動翼１１より前方に還流するケーシングトリートメント２１と、その流路内に露出して流れを誘起するプラズマアクチュエータ３１と、を備える。

図２に組み合わせて図３を参照するに、ケーシング５はケーシングトリートメント２１の付近において二重管のようになっており、概ねかかる二重管の間に保持された環状の流路がケーシングトリートメント２１である。ケーシングトリートメント２１は、概して、内面５ｆに開口する抽気口２３と、同じく内面５ｆに開口する注気口２５と、抽気口２３と注気口２５とを連絡する流路２７と、よりなる。

抽気口２３と注気口２５の何れかまたは両方は、流路断面積を調整するべく流路２７に比べて適宜に絞られていてもよい。これらに比べて流路２７の断面積が大きければ、流路２７内の流れＦ０が遅くなり、プラズマアクチュエータ３１の効率を改善するに有利である。また流路２７内における圧力損失が小さくなるので、ケーシングトリートメント２１の効率の点でも有利である。一方、抽気口２３を絞ることは抽気流Ｆｐを量的に調節するに有利であり、また注気口２５を絞ることは注気流Ｆｄの速度を増大するに有利である。

抽気口２３と注気口２５の何れかまたは両方は、周方向に連続してケーシング５内を一周していてもよい。あるいはそれぞれ複数の開口が周方向に離散し、例えば等間隔に離れ、また周方向に列を成していてもよい。

構造を維持するべく、複数のピラー５ｐがケーシング５の内側構造と外側構造とを連結していてもよい。ピラー５ｐは図３に示す通り、流路２７をまたぐように径方向に向いていてもよいが、あるいは抽気口２３および注気口２５をまたぐように軸方向に向いていてもよい。ピラー５ｐの形状は特に限定されないが、抵抗を減ずるように断面において流線形を成していてもよい。

図２，３に組み合わせて図７を参照するに、動翼１１は回転Ｒにより、その前縁１１Ｌから後縁１１Ｔに向けて圧力勾配を生じ、流れＦａを加圧して後方へ供給する。かかる圧力勾配を利用して抽気流Ｆｐをケーシングトリートメント２１に取り込むべく、抽気口２３は動翼１１の先端１１ｔの周りに開口する。抽気口２３は図示のごとく動翼１１の前縁１１Ｌより後方であって後縁１１Ｔより前方にすることができるが、あるいは後縁１１Ｔよりも後方であってもよい。注気口２５は動翼１１の前縁１１Ｌよりも前方に開口することができる。注気口２５と抽気口２３との間の圧力差により流路２７内を前方に向かう流れＦ０が自然に生じ、注気口２５から注気流Ｆｄが噴出する。

プラズマアクチュエータ３１は、流れＦ０に加えて抽気口２３から注気口２５へ向かう流れＦ１を誘起する機能を有する。プラズマアクチュエータ３１は、例えば、第１の電極３３と、第２の電極３５と、その間を隔てる誘電体３７と、電極間に高電圧を印加する電源３９と、を備える。少なくとも電極３３，３５と誘電体３７とは一体化したモジュールにすることができ、ケーシング５に設けられた開口にかかるモジュールを嵌め込むことにより、流路２７の壁面を構成することができる。

第１の電極３３は流路２７内に露出し、第２の電極３５との間に印加された電位差により、流れＦ１を誘起する。例えば流路２７の側から見た図４に示される通り、第２の電極３５は第１の電極３３より軸方向に前方であり、以って流れＦ１を後方の抽気口２３から前方の注気口２５へと向かわせる。プラズマアクチュエータ３１は、周方向に連続して軸周りに一周していてもよく、あるいは適宜に複数に分割されていてもよく、さらにそれらは側面において互いに接していてもよい。分割されている場合に、分割された部分毎に電源３９が接続されていてもよく、あるいは一または少数の電源３９のみが接続され、隣接する部分には接した側面から電力が供給されてもよい。さらにあるいは、導体Ｃ３，Ｃ５が隣接する電極３３，３５間を相互に電気的に接続していてもよい。

あるいは図５に例示するごとく、複数のプラズマアクチュエータ３１はそれぞれ軸方向に対して傾いていてもよい。この場合には流れＦ１は周方向に偏向し、以って注気流Ｆｄも偏向することが期待できる。これは後述の通り、速度ベクトルＶ１を傾けることを通じて相対速度ベクトルＷ１を好ましい方向に変え、動翼１１のストールマージンを改善することが期待できる。プラズマアクチュエータ３１はストールマージンを改善する向きに傾けられるが、傾きは固定されていなくてもよく、可変であってもよい。

さらにあるいは図６に例示するごとく、軸方向に複数のプラズマアクチュエータ３１が配列されていてもよい。かかる構成は流れＦ１を強めることができる。この場合に複数のプラズマアクチュエータ３１は共通の誘電体を共有していてもよいし、図示のごとく、それぞれ個別の誘電体３７Ａ，３７Ｂを有し、これらの間をケーシング５の壁が閉塞していてもよい。既に述べた通り、アクチュエータ３１毎に電源３９が接続されていてもよく、あるいは個別の電源３９Ａ，３９Ｂがそれぞれ電極３３Ａ，３５Ａ，３３Ｂ，３５Ｂに接続されていてもよい。

アクチュエータ３１毎に電源３９を接続する場合に、複数のアクチュエータ３１は独立に駆動され制御されてもよい。例えば図６の例において、前方のアクチュエータ３１と後方のアクチュエータ３１は独立に駆動されることができる。一方のアクチュエータ３１のみを常時稼働し、圧縮機９の稼働の状態に応じて他方のアクチュエータ３１を稼働させるような運用が可能である。

いずれの場合においても、動翼１１がストールを起こす兆候を検知する手段を、気流制御装置１は備えることができる。図２，３に戻って参照するに、かかる手段の例は圧力センサ４１である。圧力センサ４１は、例えばケーシング５の内面５ｆ上であって動翼１１の先端１１ｔの近傍に設置することができ、特にその前縁１１Ｌの近傍に設置されていてもよい。また圧力センサに代えて、あるいは加えて、気流の速度、また方向を読み取るセンサを利用することができる。これらのセンサによる情報は、プラズマアクチュエータ３１の制御に利用することができる。

図７を参照して、動翼１１の先端１１ｔ、特に前縁１１Ｌ近傍における気流の速度三角形を説明する。回転Ｒをする動翼１１に対し、その前縁１１Ｌ近傍の気流の絶対速度ベクトルＵ０、軸流速度ベクトルＶ０とすると、動翼１１から見た気流の相対速度ベクトルＷ０は、動翼１１に対してしばしば迎え角を有する。迎え角の増大と共に圧縮機９の効率は上昇するが、動翼１１にかかる抗力もまた増大する。迎え角が一定以上となると効率はむしろ低下し、いわゆるストールが生ずる。

いわゆるストールマージンを大きくするには、動翼の前縁近傍において軸流速度を増大し、以って迎え角を減ずることである。その手段の一例は、動翼が生み出す圧力差を利用したケーシングトリートメントである。ところがこの手段はストールマージンを改善するものの、圧縮機としての効率を減じかねない欠点がある。

本実施形態においては、ケーシングトリートメントにプラズマアクチュエータを組み合わせることにより、図７中の矢印Ｕ１，Ｖ１のごとく前縁１１Ｌ近傍の流速を増大し、あるいは速度ベクトルＵ０を傾け、動翼１１から見た速度ベクトルＷ１の迎え角を改善し、以ってストールマージンを改善する。

本実施形態においては、ケーシングトリートメント内における比較的に遅い流れに対してプラズマアクチュエータを適用することにより、高い効率で流れを誘起することができ、圧縮機としての効率を損なうことなくストールマージンを改善している。ストールを起こす兆候に応じてプラズマアクチュエータを稼働すれば、かかる効果はより顕著である。圧縮機内の比較的に速い流れに対してプラズマアクチュエータを適用することに比べれば、プラズマアクチュエータとしての効率も改善している。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。

動翼のストールマージンが改善された圧縮機が提供される。

１ 気流制御装置
３ エンジンケーシング
５ コアケーシング
５ｆ 内面
５ｐ ピラー
７ ファン
９ 圧縮機
１１ 動翼
１１ｔ 先端
１１Ｌ 前縁
１１Ｔ 後縁
１３ 静翼
１５ ハブ
２１ ケーシングトリートメント
２３ 抽気口
２５ 注気口
２７ 流路
３１ プラズマアクチュエータ
３３，３３Ａ，３３Ｂ 第１の電極
３５，３５Ａ，３５Ｂ 第２の電極
３７，３７Ａ，３７Ｂ 誘電体
３９，３９Ａ，３９Ｂ 電源
４１ センサ
Ｆａ 気流
Ｆｂ バイパス流
Ｆ０ 流れ
Ｆ１ 誘起された流れ
Ｆｐ 抽気流
Ｆｄ 注気流
Ｒ 回転
Ｕ０，Ｕ１ 絶対速度ベクトル
Ｖ０，Ｖ１ 軸流速度ベクトル
Ｗ０，Ｗ１ 相対速度ベクトル

Claims (3)

1. ジェットエンジンのファンまたは圧縮機の動翼を囲むケーシングに組み込まれる気流制御装置であって、
   前記動翼の先端の周りであって前記ケーシングの内面に開口する抽気口と、前記動翼の前縁付近であって前記内面に開口する注気口と、前記抽気口と前記注気口とを連絡する流路と、を備えたケーシングトリートメントと、
   前記流路内に露出して前記抽気口から前記注気口へ流れを誘起するように向けられたプラズマアクチュエータと、
   を備えた気流制御装置。
2. 前記プラズマアクチュエータは前記動翼の軸周りに連続して一周している、請求項１の気流制御装置。
3. 前記抽気口および前記注気口はそれぞれ前記動翼の軸周りに連続して一周している、請求項１または２の気流制御装置。

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