JPH04314931A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンエンジンに
関するもので、特に、ファンのケースへ処理を施すこと
で、衝撃効率の低下を生じずにストールマージンを向上
させる手段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一定のエンジン作動状態においては、す
べての型の軸流型ファン、圧縮機に特徴的なサージやス
トールが生じ、もし無人で運転されればエンジン性能だ
けでなくエンジンそのものにとって非常に有害であるこ
とは公知のとおりである。従って、ガスタービンエンジ
ンの開発及び発展段階を通じ、その初期設計からあらゆ
る進化の過程において、本技術分野の関係者はエンジン
の安全動作とその性能とのバランスが確実に最適となる
ように、回転機器のサージ特性に対しては特に注意を払
っている。

【０００３】ストールが生じる位置により一定の補正空
気重量流量のための羽根作動圧力比が制限され、また高
圧比がエンジン性能を向上させるので、ストール線と性
能とを妥協させることによってエンジン作動線が規定さ
れる。したがって、一定のエンジン動作のため高圧比ま
でストール線が上昇できることが常に望ましい。たとえ
ば、ストール線を上昇させればエンジン作動線の間のス
トールマージンを増加させることができるか、あるいは
ストールマージンを変えずに作動線を上昇させることが
できる。これによって明らかにエンジン性能が向上され
る。または、成分効率あるいは低成分重量、構造の複雑
さを改善するため、ロータ速度を抑え、羽根計数を低く
し、ロータ弦長を短くするか、さもなければ可変形状を
除去することで、ストールマージンを利用することがで
きる。

【０００４】非常に多くの要素によってストールが生じ
るため、ストール線がエンジン設計地点と合致しないこ
とがしばしばあることは経験的に知られている。このよ
うな場合、通常、エンジン仕様に合致させ、必要なスト
ールマージンを満足するようにエンジン本体が変更され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これによってエンジン
性能が低下することも珍しいことではない。いうまでも
なく、ストールマージンの向上に伴う他の利点があるわ
けではない。

【０００６】このため、ストールマージンを向上させ、
同時にそれに対応するエンジン性能の向上を得られるこ
とが理想的である。もちろん、エンジン性能を低下させ
ずにストールマージンを向上できればそれでも良い。

【０００７】公知であり、また本発明の目的から理解さ
れるように、羽根あるいは羽根部分がストールしたため
に完全な目詰まりあるいはファン及び／または圧縮機を
介する空気の逆流が誘発された場合にはいつでも、回転
停止が生じる。翼上の気流分離によって圧縮機あるいは
回転がストールし、続いて空気流の装置全体の故障とな
り、すなわちサージする。

【０００８】したがって、ストールが生じ、羽根全体も
しくはほぼ全体がストールすれば、いつでもサージが続
いて生じるといえる。重要なのは、初期サージの処理手
段を設けるかあるいはストールがあらわれると作動しな
いようエンジンを設計することでサージは補正できると
いうことである。たとえば、作動変数により確実にエン
ジンが常に一定のストール線未満で作動するようエンジ
ンを設計するよりも、エンジン出力を抑制するだけで初
期ストールは簡単に補正できる。また、サージが多くの
異なる形態であらわれ、ひとつあるいは複数の羽根の異
なる部分で生じることは本技術分野において公知である
。もっとも限定的なストール特性はしばしば羽根先端で
生じるものであり、これは本質的に本発明が扱う種類の
ストールである。さらに詳しくは、本発明では、初期ス
トールの発現を避けるようにストール線を向上させるこ
とを目的とする。ケースに処理を施しても回転停止がサ
ージ状態に退化させるほどの影響を与えないことは理解
されるものの、本発明により圧縮機ストールが避けられ
る。

【０００９】ケース処理は、場合によってシュラウド、
チップシールあるいは外気シールと呼ばれ、ストール線
を向上させるためのものであり、従来技術において例示
されている。たとえば、１９８０年１２月１６日付、エ
フ．ロバーツ，ジュニア（Ｆ．Ｒｏｂｅｒｔｓ，Ｊｒ．
）に付与され、出願人が所有する米国特許第４，２３９
，４５２号において、羽根先端シュラウド内の軸方向に
延びる歪み溝と周方向に延びる溝によりストール特性を
向上させることが開示されている。

【００１０】１９７１年５月２５日付、エイ．ミコラジ
ャクザック（Ａ．Ｍｉｋｏｌａｊｃｚａｋ）に付与され
、出願人が所有する米国特許第３，５８０，６９２号に
おいては、ストール特性を向上させるためのハニカム構
造型ケース処理が示されている。

【００１１】本技術分野において公知である他のケース
処理としては、たとえば、流体工学ジャーナル（１９８
７年５月、第１０９号）において報告された米国機械技
師協会論文「軸方向フローファンの不安定特性の空気分
離装置による改善」（ワイ．ミジャケ（Ｙ．Ｍｉｊａｋ
ｅ）、ティー．イノラ（Ｔ．Ｉｎｏｌａ）、ティー．カ
トー（Ｔ．Ｋａｔｏ）共同執筆）、また英国の機械工学
学校、クランフィールド技術学会からの論文「凹み羽根
によるケース処理の軸方向フロー圧縮機への応用」（１
９８８年２月、エイ．アール．アジマン（Ａ．Ｒ．Ａｚ
ｉｍａｎ）、アール．エル．エルダー（Ｒ．Ｌ．Ｅｌｄ
ｅｒ）、エイ．ビィー．マケンジー（Ａ．Ｂ．Ｍｃｋｅ
ｎｚｉｅ）共同執筆）において開示されている。これら
の論文の内容は、エス．ケイ．イバノフ（Ｓ．Ｋ．Ｉｖ
ａｎｏｖ）の初期の論文である１９６５年６月１５日付
で付与された米国特許第３，１８９，２６０号に部分的
に基づいている。

【００１２】上述のアジマン等の論文が低速だが航空宇
宙の応用において遭遇する空力的負荷を伴って作動する
空気分離器の特性を調べているのに対して、上述のイバ
ンフ特許及びミヤスキー（Ｍｉｙｓｋｉ）等の論文は、
いずれも比較的低速で空力的負荷が低く作動する産業フ
ァン用空気分離器の特性を調べている。

【００１３】上述の二つの論文ならびにイバノフ特許で
開示されている内容は、主として、ケース内に形成され
る著しく大型の凹所でのストール後の動作において回転
停止したセルを集め、空気流の方向を変え、さらにロー
タの上流にある主圧縮機の空気流内へ集められた空気を
再還流させる機構に関する。

【００１４】明らかに、回転停止は、ロータの回転速度
のおよそ半分の速度でロータのまわりですりこぎ運動し
、ロータの上流へ軸方向に長く延びるストールした空気
や乱気のセルがかたまりとなったものであるため、これ
らの情報を得た当業者にとって、ストール線を向上させ
るためには回転停止をなくすのに十分なくらい大きな凹
所を設ければよいことは自明である。さらに、回転停止
はロータの上流の著しい距離にまで及び、回転停止は停
止した空気セルの巨大なかたまりを集めたものであるた
め、その回転停止をなくすには巨大な凹所が必要となる
ことがわかる。エンジン入口あるいは圧縮機の前の大き
なケース凹所を設けることは不可能であるため、上述の
内容は産業用ファン及び圧縮機に特にあてはまるものの
航空機についてはあてはまらない。従来技術も本願もス
トール線を向上させる手段を開示しているものの、ある
意味で上述の論文は本願と相違している。

【００１５】本発明の目的は、改善されたケース処理に
よってガスタービンエンジンのファンのストールマージ
ンを向上させることである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、主空気
流通路外で絶対フレームにおいてほとんど高い渦流成分
を有する低いロータに対する相対空気流を分離し、渦流
成分を排除するかあるいは逆転させて高速で空気流を空
気通路へ再び送りこむために改善されたケース処理を提
供することである。噴射された空気流は、噴射地点で角
度をもったロータ羽根先端で方向づけられ、ケースの胴
体近くで自由な空気流に対する妨害は最小限となる。

【００１７】さらに本発明の特徴は、ファンロータのケ
ースに隣接する低にロータに対する相対空気流を除去す
ることであり、この空気流の分岐点の上流の主空気流の
中へ還流することである。この分岐点より導入される流
量はファンの主空気流の８％以下である。

【００１８】本発明の上述したあるいはその他の特徴、
利点は以下の説明及び添付図面によりさらに明らかとな
る。

【００１９】

【実施例】上述したように、本発明は上記米国特許第４
，２３９，４５２号において開示された軸方向に歪んだ
スロットに対する改善点を構成する。以下に開示する実
施例は、ファンジェットエンジンのファンを包囲するシ
ュラウドに関するものである。さらにこの概念によって
開示された同様の要領がファンを支持するハブにも適用
可能である。さらに本発明が実用化されるのは、本発明
が利用されるエンジンを圧迫する特定の環境に限られる
。従って、本発明を効果的にするために適合された通路
は、通常、エンジン内にすでに存在する機器あるいはエ
ンジンのために計画されている機器の中に合体されてい
る。

【００２０】本発明の概念は図１及び図２を参照するの
が最も理解しやすい。図１に示されるように、通常、符
号１０として図示されるファンロータは軸１２へ取り付
けられ、エンジンの前端へ装着され、エンジンケース１
４で包囲される。

【００２１】ファンロータは、ハブ１６及び半径方向に
延び、ケース１４の内部直径面にきわめて接近している
複数の軸流ファン羽根１８（１枚のみ図示）から構成さ
れる。ケース１４は、羽根１８の先端用の外気シールと
して作用する摩擦ストリップを形成するために適当な材
料で製造されたシュラウド２０を有してもよい。

【００２２】ファンから放出された気流は分割機１９に
よって分割され、その一部はエンジンケース２１へ流れ
込み、残りの部分はファンダクト２２を介して流れる。 適当なエンジンを詳細に知るには、出願人であるユナイ
テッド　　テクノロジーズ　　コーポレイションのプラ
ット＆ホイットニ−部門により製造されているＰＷ４０
００、ＪＴ９Ｄ、Ｆ１００シリーズを参照すれば良い。

【００２３】最初に述べたように、本願はストールマー
ジンを向上させるために行うファンケース処理に関する
ものであり、通常これは符号２６として示されるもので
ある。さらに詳細な形状は図２において示されており、
ここではケース処理２６にきわめて接近している羽根１
８の先端部分の断面が示されている。太矢印Ａは空気流
がファンへ流れ込む方向を示す。摩擦ストリップ内に個
別に通路が設けられており、それによって低いロータに
対する相対空気流のみを得、渦流成分を効率良く除去す
るかあるいは場合によって逆流させ、空気流を加速させ
ることができる。さらにその空気流をファンの空気流へ
噴射地点でファンロータ羽根の平均先端角度とぴったり
沿うほぼ軸方向に還流させることが出来、ケースの胴体
に近い自由な空気流に対する妨害を最小限に抑えられる
。非常に重要なことであるが、これらの通路の曲折は可
能な限り効率良く空気を再循環させるように設計されて
おり、さらにこれにより空気をファン羽根ストリームへ
確実に再導入することができる。上述のように、先端に
隣接するファン空気は通路３４を介して羽根１８の前縁
３２の下流地点で除去され、通路３６を介して通路３４
の上流地点で再導入される。噴射地点はロータ前縁の上
流で良い。複数の回転羽根３８（１枚のみ図示）は通路
３４と通路３６の中間に周方向に装着されている。通路
３４内に形成された前方直面壁は慎重に角度をつけて設
けられているため、やがては成分を停止させるケース付
近の弱い軸流が選択的に再循環される。さらに、強い軸
流がガス通路に残ろうと再循環されないのに対して、弱
い軸流は高速でファン気流へ逆噴射される。これにより
成分効率に有害となりうる２回以上の空気再循環が避け
られる。本発明が利用される特定の例により特定の通路
形状及び直径が最初に規定されるが、重要なのは、ファ
ンの空気流から除去される空気流量がファンへ流れる全
流量の８％を超えないということである。

【００２４】図３及び図４に開示された実施例は、既成
のケースを変更するのが望ましい場所で改装を施した一
体的なケース処理を例示したものである。この設計にし
たがって形成されたユニットは、既存のケースの内面に
形成された凹所へ簡単に挿入できる。図示されるように
、それぞれの通路はリング状部材５０の中に設けられて
おり、それぞれ周方向に距離を置いた矩形で示される通
路５６，５８は一対の傾斜５２，５４を有する。図３は
羽根端部に面したリング状部材５０の内面図である。 通路５６の第一の傾斜５２はファン羽根の前縁の空気流
下流及び通路５８の第二の傾斜５４とに連通するよう配
置される。リング状部材５０の背面あるいは外部直径は
、図４に示されるように、それぞれ空気流を集め、その
空気流を主空気流に還流するために通路５６，５８に隣
接する環状空間６０，６２を形成する。複数の羽根６６
は通路５６，５８の傾斜５２と５４との間に周方向にそ
れぞれ配置され、誘導された空気の渦流成分を排除する
かあるいは逆流させるように適当に配置される。通路５
６及び５８及び羽根６６同士の距離６８は誘導された空
気をメインファン気流内へ送り返す前に加速させるよう
寸法が規定される。通路５６及び５８の傾斜と羽根の軸
方向範囲に対する特定位置との距離は、本発明が採用さ
れる特定の応用例においてあらかじめ規定されている。 ファン性能にマイナス効果を与えずに適当なストールマ
ージンを獲得するためにこれらの変数を選択することは
自明である。噴射ポート５８は、ロータ前縁の上流から
下流までのどの地点に位置しても良く、吸入ポートは前
縁の下流に位置しなくてはならない。

【００２５】本発明によるケース処理の効果を、なめら
かな壁面及び軸方向に歪んだ溝と比較するために、商業
用輸送ファンジェットエンジンの航空機装置をシミュレ
ートすることにより試験を実施したところ、次のような
結果となった。

【００２６】図３及び図４に開示される本発明によるケ
ースでは、なめらかな壁面ケースと比較してストールマ
ージンが２１％改善され、軸方向に歪んだ溝と比較する
と１０％の改善が見られた。さらに、本発明を利用した
ケース処理効率は、軸方向に歪んだ溝の効率より１％高
く、なめらかな壁面での効率と同等であった。

【００２７】本発明の詳細な実施例に関して図示し説明
してきたが、当業者により、本発明の形式及び詳細にお
いて、クレームされた本発明の思想及び範囲を逸脱せず
に、さまざまな変更が可能であることが理解されるもの
とする。

【００２８】

【発明の効果】上記のように本発明によれば、主空気流
通路外で絶対フレームにおいてほとんど高い渦流成分を
有する低いロータ対する相対空気流を分離し、渦流成分
を排除するかあるいは逆転させて高速で空気流をを空気
通路へ再び送りこむために改善されたケース処理を提供
することが出来る。これにより、噴射された空気流は、
噴射地点で角度をもったロータ羽根先端で方向づけられ
、ケースの胴体近くで自由な空気流に対する妨害は最小
限となる。さらに本発明によれば、ファンロータのケー
スに隣接する低にロータに対する相対空気流を除去する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ファンジェットエンジン型航空機のファンケー
スへ本発明を応用した場合を示す部分的概要図である。

【図２】フローパターンを示すため概略的に図１のケー
ス処理を示す拡大図である。

【図３】本発明によるケース処理の実施例を示す斜視図
である。

【図４】図３の構造の上面を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０　　ファンロータ １４　　ケース １６　　ハブ １８　　羽根 ２０　　シュラウド ２１　　エンジンケース ２２　　ファンダクト ２６　　ケース処理 ３２　　前縁 ３４　　通路 ３６　　通路 ５６　　通路 ５８　　通路 ６６　　羽根

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ファンロータと前記ファンロータを包
   囲して主空気流を形成する包囲手段を有し、前記包囲手
   段内の通路がロータに対して低圧流を主空気流から前記
   通路内へ導入するための前記ファンロータのファン羽根
   の前縁の下流に配置された入口通路と、前記導入された
   低圧流を前記主空気流へ前記入口通路の流速よりも高速
   で寒流させるために、前記入口通路の上流地点に配置さ
   れた出口とを有し、前記通路内の反渦流羽根は低圧流の
   渦流を矯正するか逆流させるために、前記通路内の低圧
   流は前記主空気流内の全流量の８％以下であり、前記入
   口通路は選択的に主空気流から低軸方向速度と高絶対接
   線方向速度とを有するロータに対して低圧流を除去する
   ために主空気流に関して方向づけられており、高い軸方
   向の流速と強いロータに対する相対空気流が前記通路に
   おいて再循環しないようにしたことを特徴とするガスタ
   ービンエンジン。
2. 【請求項２】　　包囲手段がファン羽根の先端を包囲す
   る外部シュラウドを有し、前記通路が前記外部シュラウ
   ド内に形成され、前記入口通路及び前記出口通路が前記
   ファン羽根の後縁と前縁との中間に配置されることを特
   徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 【請求項３】　　主空気流内に前記低圧流を噴射するた
   め、前記出口通路が前記主空気流内の流れの方向に設け
   られることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン
   エンジン。
4. 【請求項４】　　前記入口通路及び前記出口通路が前記
   通路の端部に環状開口部を有することを特徴とする請求
   項３に記載のガスタービンエンジン。