(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１枚の羽根（２４）を湾曲した形状の接合部（２７）によってインペラのハブ（２６）に接続して備えており、前記羽根が、羽根の前縁（２８）および後縁（３０）の間に画定される弦（２５）に沿って延びており、接合部（２７）が、弦に沿って連続的に変化する形状を有している圧縮機のインペラ（１８）であって、接合部（２７）が、楕円（Ｅ１、Ｅ２）の一部分（Ｐ、Ｑ）であることを特徴とする、インペラ。
【請求項２】
楕円が、長軸（ａ）および短軸（ｂ）を有しており、接合部（２７）が、前縁（２８）において楕円（Ｅ１）の長軸（ａ）が羽根（２４）の側面（２４ｄ）に実質的に平行である一方で、後縁（３０）において楕円（Ｅ２）の長軸（ａ）が羽根の側面に実質的に垂直であるような形式で、形作られていることを特徴とする、請求項１に記載のインペラ。
【請求項３】
短軸（ｂ）に対する長軸（ａ）の比が、１．１から４の範囲にあることを特徴とする、請求項２に記載のインペラ。
【請求項４】
接合部（２７）が、楕円の軸の長さを連続的に変化させることによって変化させられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラを含む遠心式の圧縮機（１６）。
【請求項６】
請求項５に記載の圧縮機（１６）を含む、ターボ機械（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機のタービンエンジンに取り付けられるガスタービンなど、ガスタービンの分野に関する。さらに詳しくは、本発明は、そのようなガスタービンの圧縮段に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの圧縮段は、通常は、ガスタービンに進入する外気を圧縮するように設計された回転圧縮機を備えている。さまざまな知られている種類の圧縮機において、遠心式の圧縮機と軸流式の圧縮機との間の区別が可能である。軸流式の圧縮機と異なり、遠心式の圧縮機は、気流の流れの方向を変化させる。圧縮機を出るとき、気流は、おおむね圧縮機の回転軸に実質的に直交する方向に流れ、特に気流（すなわち、インペラの後縁における空気の流れ）と圧縮機の回転軸に直交する方向との間に、０°から３０°の範囲の傾きの角度が容認できる。
【０００３】
より正確には、本発明は、少なくとも１枚の羽根を湾曲した形状のフィレットまたは接合部を介してインペラのハブに接続して有している圧縮機のインペラであって、前記羽根が、羽根の前縁と後縁との間に画定される弦に沿って延びており、接合部が、弦に沿って連続的に変化する形状を有しているインペラに関する。
【０００４】
伝統的に、遠心式の圧縮機のインペラに進入する気流は、最初に羽根の前縁に接触し、次いで羽根の弦に沿って流れ、その後に後縁を経由してインペラから離れる。
【０００５】
本発明の意味において、接合部は、羽根とハブとの間の接続を画定している羽根の根元の位置において羽根をハブに接続している幾何学的な線である。接続は、羽根の両側、すなわち圧縮側および吸い込み側に存在している。
【０００６】
動作時、圧縮機のインペラの羽根は、特定の状況下において羽根の損傷（割れの発生、割れの伝播、羽根の一部の欠損）を生じさせかねない高度の機械的応力にさらされる。
【０００７】
湾曲した形状の接合部を使用することで、特定の状況下において、選択される湾曲形状がどのように形成されるかに応じて、特に羽根の根元の領域において、羽根の機械的強度を高くしたり、または低くしたりできるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許第１０１６８８８号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＥＡＳＡ「Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｅｎｇｉｎｅｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
羽根の（弦に沿って画定される）領域に応じて、羽根の機械的な強度を高めること、または羽根の機械的な強度を低くすること、のいずれかが可能である。これは、特にインペラの後縁に当てはまる。インペラの後縁において羽根の機械的強度を低くすることによって、後縁の領域におけるディスクの機械的強度に関して、改善がもたらされる。これは、規則を遵守するために望ましい可能性がある。規則は、羽根がディスク（ハブ）よりも先に破壊されなければならないという破壊順序に関する基準を推奨している。換言すると、羽根がヒューズとして機能する。ハブの遠心力および慣性に鑑み、ハブが破壊されると、羽根の破壊からの破片によって生じる運動エネルギーよりも大きな運動エネルギーを有する破片が生じかねない。インペラの後縁は、この領域において羽根およびハブ（ウェブ）の厚さが同程度の大きさであるかぎりにおいて、この基準が特に懸念するところである。
【００１１】
独国特許第１０１６８８８号明細書が、弦に沿って変化する羽根とハブとの間の接合部を示している。
【００１２】
本発明の目的は、羽根の機械的強度が弦に沿って異なる圧縮機のインペラの一変形例を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、この目的を、接合部が弦に沿って連続的な形式で変化する形状を有しており、接合部が楕円の一部分であることによって達成する。
【００１４】
この形状の変化は、羽根または羽根とディスクとの間のいずれかにおいて弦に沿って得ることが望ましい機械的強度の変化に応じて選択される。
【００１５】
換言すると、接合部を構成する曲線の形状の変化が、弦に沿って連続的であることで、羽根の機械的強度も、弦に沿って連続的に変化している。
【００１６】
有利には、同じ楕円であってもよく、または弦に沿って移動するにつれて変化する長軸および短軸を有する楕円であってもよい。
【００１７】
他の変形例においては、湾曲した接合部が、弦に沿って連続的に変化して前縁と後縁との間で入れ替わる２つの相異なる半径を有する２つの部位によって構成される。
【００１８】
有利には、楕円が、長軸および短軸を有しており、接合部が、前縁において楕円の長軸が羽根の側面に実質的に平行である一方で、後縁においては楕円の長軸が羽根の側面に実質的に垂直であるような形式で、形作られている。
【００１９】
この連続的に変化する楕円の形状は、いくつかの利点を有する。第１の利点は、羽根について同じ厚さが維持される（羽根の接合部領域における応力集中係数Ｋｔが小さくなる）ことによる前縁における羽根の機械的強度の改善である。第２の利点は、前縁における羽根の厚さを同じ機械的強度を保ちつつ小さくでき、したがってインペラの重量を有利に削減できることである。
【００２０】
さらに、前縁における羽根の厚さの減少は、有利には、圧縮機の性能を改善するように働く。
【００２１】
第３の利点は、後縁における接合部が前縁における接合部と同一である構成に比べて、後縁における機械的強度が大幅に減らされた羽根がもたらされる点にある。さらに正確には、ハブのウェブに対する羽根の機械的強度が、後縁において小さくなる。本発明によって、（接合部の楕円の短軸付近）羽根の機械的強度が下げられると同時に、（接合部の楕円の長軸付近）ウェブの機械的強度が高められる。これにより、本発明の圧縮機のインペラは、羽根がインペラのハブのディスクよりも先に壊れることを推奨する上述の規則を満足することができる。
【００２２】
第４の利点は、長軸が羽根の側面に実質的に垂直である後縁における楕円の接合部が、羽根の根元に形成される伴流の大きさを小さくし、圧縮機の性能をさらに向上させる点にある。
【００２３】
好ましくは、長軸の短軸に対する比が、１．１から４の範囲にある。
【００２４】
好ましくは、この比が、実質的に２に等しい。この値において、本発明の発明者は、前縁の所与の厚さにおいて機械的強度が大幅に改善される一方で、後縁における羽根の機械的強度が、施行中の規則（ＥＡＳＡの文献「Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｅｎｇｉｎｅｓ」の段落ＡＭＣ  Ｅ５２０）に適合するように充分に低くなることを確認した。
【００２５】
好ましくは、接合部が、楕円の軸の値を連続的に変化させることによって変化する。
【００２６】
このようにして、前縁から後縁に弦に沿って進むとき、後縁における楕円が９０°回転させた前縁の楕円に相当するように、楕円の短軸が長くなる一方で、楕円の長軸が短くなる。
【００２７】
換言すると、楕円の軸を弦に沿って変化させることで、軸が入れ替わる結果となる。
【００２８】
接合部の楕円は、前縁においては、羽根に沿った長軸およびハブに沿った短軸を有し、後縁においては、ハブに沿った長軸および羽根に沿った短軸を有する。より一般的には、長軸および短軸の値が、前縁と後縁とで異なってもよく、前縁と後縁との間で連続的に変化している。
【００２９】
結果として、羽根の弦に沿って考えたとき、楕円のうちの接合部を構成している部分が、前縁と後縁との間で連続的に変化している。
【００３０】
さらに本発明は、本発明による圧縮機のインペラを備えている遠心式の圧縮機を提供する。
【００３１】
本発明の意味において、用語「遠心式の圧縮機」は、出口のガスの流れの方向が、インペラの回転軸に直交する方向に対して０°から３０°の範囲内にある角度だけ傾けられている圧縮機を意味して使用される。
【００３２】
最後に、本発明は、後縁が本発明によるインペラの回転軸の直交方向に対して傾けられている遠心式または斜流式の圧縮機を備えるターボ機械を提供する。
【００３３】
本発明を限定するものではない例として提示される以下の実施形態の説明を検討することで、本発明がよりよく理解され、本発明の利点がさらに明らかになる。説明においては、添付の図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のインペラを有する遠心式の圧縮機を備えているヘリコプター用タービンエンジンの全体図である。
【図２Ａ】図１の遠心式の圧縮機のインペラの斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａのインペラの軸方向半断面図である。
【図３】図２のインペラの羽根の前縁について、羽根の弦に直交する平面における概略図である。
【図４】図３の羽根の後縁について、羽根の弦に直交する平面における概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明の圧縮機のインペラは、斜流式の圧縮機または遠心式の圧縮機のいずれにおいても使用することが可能である。しかしながら、本明細書においては、本発明を、例として、ヘリコプター用ガスタービンの遠心圧縮機にもとづいて説明する。
【００３６】
図１が、圧縮段１４への供給のための外気導入口１２を備えているヘリコプター（ここには示されていない）のガスタービン１０を示している。具体的には、圧縮段が、インペラ１８と、それ自体は知られている遠心ディフューザ１９とを備えているただ１つの圧縮機１６によって構成されている。
【００３７】
インペラ１８は、タービン２２によって駆動されて回転するシャフト２０に取り付けられている。一般に、インペラ１８は、単一の部品として成形され、通常はチタニウムまたはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）で製作された素材ブロックを機械加工することによって得られる。
【００３８】
図２Ａおよび図２Ｂによりよく見て取ることができるとおり、インペラ１８は、ディスク２６ａからハブ２６に延びる複数の主羽根２４を有している。より正確には、各々の羽根２４が、羽根の根元２４ａと先端２４ｂとの間を延びる羽根本体２４ｃを備えている。
【００３９】
さらに、各々の羽根２４は、前縁２８と後縁３０との間に画定される弦２５に沿って延びている。インペラ１８は、主羽根２４よりも短く、前縁が主羽根２４の前縁よりも後退した位置にある補助羽根２４’をさらに有している。
【００４０】
インペラ１８の各々の羽根２４とハブ２６との間の接続は、羽根の根元２４ａの位置において、曲線を形成している接合部２７によって行われている。この接合部は、羽根本体がハブ２６に合流する羽根の根元の局所形状に相当する。
【００４１】
図３および図４を参照し、本発明による変化する接合部を、以下でさらに詳しく説明する。
【００４２】
図３は、羽根２４のうちの１つの前縁２８について、弦２５に直交する平面において見た概略の断面図である。図は、簡潔さという理由のために、一般的には傾斜している遠心式の圧縮機の羽根を真っ直ぐであるものとして図示しているため、概略図である。さらに、羽根の前縁および後縁の高さ、ならびに羽根またはハブの厚さも、図式的に示されており、写実的ではない。
【００４３】
図に見て取ることができるとおり、圧縮側３２の接合部２７が、湾曲した形状を有しており、さらに詳しくは、一点鎖線で描かれた楕円Ｅ１の第１の部位Ｐの形状を有している。したがって、楕円は図３の面に位置している。
【００４４】
楕円Ｅ１が、接合部２７自体が羽根２４およびハブ２６の両者に対して接線の関係にあるように、ハブ２６および羽根２４の側面２４ｄの両者に接していることを、見て取ることができる。
【００４５】
さらに、楕円Ｅ１は、中心Ｏと、互いに直交する長軸ａおよび短軸ｂとを有している。
【００４６】
本発明によれば、接合部２７が、前縁２８の領域において、楕円Ｅ１の長軸ａが羽根２４の側面２４ｄに実質的に平行であるような形式で、形作られている。
【００４７】
図３において、点Ａが、楕円Ｅ１が羽根２４との接点を表わしており、点Ｂが、楕円Ｅ１がハブ２６との接点を表わしている。
【００４８】
接合部２７のこの形状によれば、弦２５のこの位置における羽根２４の機械的強度が、一定の半径の接合部を使用する従来の構成と比べて、きわめて良好であることが明らかになっている。
【００４９】
羽根２４がハブ２６に対して直角でない場合、楕円Ｅ１の第１の部位Ｐは、依然として接合部２７がハブ２６および羽根２４の側面２４ｄに対して接線の関係にあるように選択される。
【００５０】
図４は、図３の羽根２４の後縁３０について、弦２５に直交する平面において見た概略の断面図である。
【００５１】
この図に見て取ることができるとおり、圧縮側３２（ここでは、好ましくは吸い込み側も）の接合部２７が、曲面の形状を有しており、より正確には、楕円Ｅ２の第２の部位Ｑの形状を有している。したがって、この楕円は図４の面に位置している。楕円Ｅ２が、９０°回転させられた楕円Ｅ１に相当することを、見て取ることができる。
【００５２】
楕円Ｅ２が、接合部２７自体が羽根２４およびハブ２６に対して接線の関係にあるように、ハブ２６および羽根２４の側面２４ｄの両者に接している。
【００５３】
図４において、点Ａが、楕円Ｅ２が羽根２４との接点を表わしており、点Ｂが、楕円Ｅ２がハブ２６との接点を表わしている。
【００５４】
図３と異なり、長軸ａが、羽根２４の側面２４ｄに実質的に垂直である。この形状を有する接合部２７においては、弦２５のこの位置における機械的強度が、羽根２４の前縁２８における強度ほど良好でない。
【００５５】
結果として、前縁（図３）において、点Ａの周囲に位置する領域が優れた機械的強度を有する一方で、点Ｂの周囲に位置する領域の機械的強度は低下する。しかしながら、この機械的強度の低下は、前縁２８においてはハブが厚く、きわめて小さな応力しか加わらないため、まったく問題にならない。
【００５６】
対照的に、後縁３０（図４）においては、点Ａの周囲に位置する領域の機械的強度が低くなる一方で、点Ｂの周囲に位置する領域の機械的強度は高くなる。
【００５７】
このようにして、前縁２８における機械的強度の改善（一定の半径および一様な流れの断面の接合部を有する従来の構成と比べて）、および後縁３０における破壊順序の改善（羽根がディスクよりも先に破壊される）の両方が、有利な形式で得られる。
【００５８】
羽根２４がハブ２６に対して直角でない場合、楕円Ｅ２の第２の部位Ｑは、依然として接合部２７がハブ２６および羽根２４の側面２４ｄに対して接線の関係にあるように選択される。
【００５９】
好ましくは、長軸ａの短軸ｂに対する比は、１．１から４の範囲にあり、具体的には約２である。
【００６０】
したがって、図３および図４が、羽根２４の２つの極端、すなわち、羽根２４の前縁２８および後縁３０における接合部２７の形状を示していることを、理解できる。
【００６１】
これら２つの極端位置の間において、接合部の形状は、大幅に異なる２つの接合部形状の間の滑らかな移行を得るために、楕円の軸ａおよびｂの値に連続的な変化を与えれば連続的に変化する。
【００６２】
この目的のため、接合部２７は、楕円の軸の値を前縁２８および後縁３０の間で連続的に変化させることによって変化させられる。換言すると、弦２５の各点において、接合部２７が楕円の一部分を構成する。その結果として、楕円の軸の値の連続的な変化によって、弦に沿った楕円形の接合部２７の連続的な変化がもたらされる。
【００６３】
いずれにせよ、接合部２７は、羽根２４の側面２４ｄおよびハブ２６の両者に対して接線の関係にあるように形作られ、このことは、弦２５に沿った、圧縮側および吸い込み側の両方のすべての点において当てはまる。
【００６４】
好ましくは、所与の弦において、吸い込み側の接合部の楕円は、圧縮側の接合部の楕円と同一である。
【００６５】
本発明に関する他の利点を、以下に提示する。
【００６６】
第１に、図４に示されているような後縁３０における特定の形状が、腐食が生じる場所である羽根の根元の材料の量を増やすことによって、インペラの耐腐食性能を改善するように有利に機能する。
【００６７】
第２に、前縁２８（図３）における特定の形状は、羽根２４、２４’が生じうるインペラへの異物の進入によりよく耐えることができるよう、応力集中係数を小さくするように機能する。
【００６８】
第３に、インペラの羽根の接合部の形状が、ハブ２６のウェブ２６ｂの軸方向の厚さを小さくするように機能し、ディスク２６ａの寿命およびバーストマージンを改善する。
【図１】
0005384621.tif 000002
【図２Ａ】
0005384621.tif 000003
【図２Ｂ】
0005384621.tif 000004
【図３】
0005384621.tif 000005
【図４】
0005384621.tif 000006