(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦材で形成された内面を有するケーシングであって、該ケーシングは作動媒体ガスの流路の周囲に周方向に延びて流路を規定するとともに、ロータブレードの外側に周方向に延び、間に空隙Ｇを残してロータブレードから放射方向に離間され、ケーシングは各ブレードの放射方向外側に溝領域を有しており、該溝領域は、
複数の溝を有し、各溝は、該ケーシングの内部の周囲に周方向に延び、前記溝のうちの少なくとも１つは内面から計測したときに軸方向幅Ｗ及び放射方向深さＤ有しており、軸方向幅Ｗに対する放射方向深さＤの比が１以上（D/W≧１）であり、各溝は、隣接する溝とランドを画成して離間されており、
前記溝内に複数のダムが配置され、ダムの数は、少なくともブレードの数Ｎの3/4（0.75N）であり、ランドから軸方向に延びて溝を周方向に分断しており、
溝及びダムは、通過するファンブレードと空力的に相互作用して、分断されていない周方向溝のみの効率と同じ効率で、圧縮部のサージマージンを増加させるようにしたことを特徴とする回転軸Ａと、作動媒体ガスの環状流路を含む圧縮部と、流路を横断して放射方向に延び、先端部を有するロータブレードの配列を含むロータ組立体を有する軸流回転機械のステータ構造体。
【請求項２】
ダムの数は、ブレードの数Ｎの3/4（0.75N）からブレードの数Ｎの１（1/2）（1.5N）の範囲に入る数に等しい請求項１に記載のステータ構造体。
【請求項３】
ダムは、隣接したダムから、Ｎによって分割された内面の周に等しいピッチ距離Ｐだけ周方向に離間されている請求項１に記載のステータ構造体。
【請求項４】
ダムは、隣接したダムから、Ｎによって分割された内面の周に等しいピッチ距離Ｐだけ周方向に離間されている請求項２に記載のステータ構造体。
【請求項５】
ダムの数は、ブレードの数Ｎに等しい請求項３に記載のステータ構造体。
【請求項６】
溝は、軸方向幅Ｗに対する放射方向深さＤに比が２である請求項４に記載のステータ構造体。
【請求項７】
溝は、軸方向幅Ｗに対する放射方向深さＤに比が２である請求項３に記載のステータ構造体。
【請求項８】
ダムの数は、ブレードの数Ｎに等しい請求項７に記載のステータ構造体。
【請求項９】
ランドの軸方向幅は、溝の軸方向幅Ｗの1/2である請求項８に記載のステータ構造体。
【請求項１０】
溝の少なくとも５つは、複数のダムを有している請求項１に記載のステータ構造体。
【請求項１１】
溝の少なくとも二つは、複数のダムを有しており、一つの溝のダムは、他の溝に対して周方向にずらされている請求項１に記載のステータ構造体。
【請求項１２】
ケーシングは、ロータブレードに対向するケーシング中に凹部を有しており、溝領域は、ケーシング中に配置される請求項１に記載のステータ構造体。
【請求項１３】
ロータブレードの先端部は、軸線方向の先端部の長さＬの60％に延び、ブレードの前縁及び後縁からそれぞれ長さＬの20％の距離離間された中間の弦領域を有しており、溝領域は、各ブレードの中間の弦領域の放射方向外側に位置する請求項１に記載のステータ構造体。
【請求項１４】
摩擦材で形成された内面を有するケーシングであって、該ケーシングは作動媒体ガスの流路の周囲に周方向に延びて流路を規定するとともに、ロータブレードの外側に周方向に延び、間に空隙Ｇを残してロータブレードから放射方向に離間され、該ケーシングは各ブレードの放射方向外側に溝領域を有しており、該溝領域は、
複数の溝を有し、各溝は、ケーシングの内部の周囲に周方向に延び、前記溝のうちの少なくとも一つは内面から計測したときに軸方向幅Ｗ及び放射方向深さＤ有しており、軸方向幅Ｗに対する放射方向深さＤの比が２以上（D/W≧２）であり、各溝は、隣接する溝とランドを残して離間されており、
前記溝内に複数のダムが配置され、ブレードの数Ｎに等しい数のダムであり、ランドから軸方向に延びて溝をその全深さにおいて周方向に分断しており、各ダムがＮで分割された内面の周に等しいピッチ距離Ｐで隣接したダムから離間されており、
溝及びダムは、通過するファンブレードと空力的に相互作用して、分断されていない周方向溝のみの効率と同じ効率で、圧縮部のサージマージンを増加させるようにしたことを特徴とする回転軸Ａと、作動媒体ガスの環状流路を含む圧縮部と、流路を横断して放射方向に延び、軸線方向の先端部の長さＬの60％に延び、ブレードの前縁及び後縁からそれぞれ長さＬの20％の距離離間された中間の弦領域を有する先端部を有するロータブレードの配列を含むロータ組立体を有する軸流回転機械のステータ構造体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、軸流回転機械に関するもので、特にガスタービンエンジンの圧縮ステージの周りに周方向に延びるケーシングに関するものである。
背景技術
航空機の動力用ガスタービンエンジン等の軸流回転機械は、複数の圧縮ステージを持つ圧縮部を有している。作動媒体ガスがエンジンに吸入されると、ガスは圧縮されてその温度及び圧力が上昇する。ガスは、燃料とともに燃焼され、膨張してタービンを通過し、有用な力及び作用を発生する。作動力は、タービン部からロータ組立体を介して圧縮部に送られる。圧縮部内のロータ組立体は、流入するガスに作用して、これを圧縮する。
圧縮部の一例は、高バイパス比ターボファンエンジンのファン部である。ファン部は、６乃至８フィートの直径を持つことができる。複数のファンブレードが、ロータ組立体から作動媒体ガスの流路を横断して放射方向外向きに延びている。ファンブレードは、毎分2500回転を越える速度で、回転軸を中心に回転する。回転しているファンブレードによってガスが後方に向かって押されて、ガスがエンジンのファン部に流入すると、作動媒体ガスが圧縮される。
各ファンブレードは、先端部を有している。先端部は、回転しない隣接したケーシングに覆われている。先端部と隣接したケーシングの間に設けられた空隙は、ケーシングに対するブレードの一時的な外向きの移動を許容する。この領域は、一般に端部壁領域と呼ばれる。一時的な移動は、操作負荷及びブレードに作用する回転力に応答したブレードの通常の膨張に応じて生じる。
端部壁領域は、圧縮ステージの他の部分とは異なる空力条件にさらされる。端部壁領域において、ロータブレードの先端部と隣接する壁の間の空力的相互作用により境界層効果やドラッグ効果が生じる。これらの効果は流れを後方に向けることをより一層困難とする。この結果、ファンブレードの翼幅中央領域におけるよりも端部壁領域によってわずかに圧力が上昇する。また、ブレードの先端部を横断する圧力勾配に応じて、ブレードの軸線方向に延びる両側部間の端部壁領域に漏れが生じる。この結果、圧縮ステージのサージマージンと空力効率に対して悪影響を与える。
十分なサージマージンを保持するために、ファンブレードの外側の外壁の輪郭を変化させるための多くの方法が提案されている。重要な問題はこうした輪郭が、圧縮ステージの空力的効率に影響を与えることにある。
こうした方法の一例は、ロバートジュニアに付与されたガスタービンエンジンの圧縮ステージのためのブレード先端部シュラウドに関する米国特許第4,239,452号に示されており、本願譲受人に係わるものである。このロバートの特許において、ブレードの放射方向外側のケーシングが、凹部を有している。不連続部が、凹部に設けられる。この不連続部は、ブレードの先端部と壁の間に空力的な相互作用を生起する。ロバート特許の図６に示されるように、不連続部は、不連続部との空力的相互作用に起因する空力効率の低下を伴って、サージマージンを増加させる。
ロバート特許の一実施例においては、例えば、凹部には、周方向に延びる溝（図３）が設けられている。溝を設けた構造は、空力効率の低下を伴いながら、平坦な壁に比べてサージマージンを増加させる（図６、曲線Ｃ）。他方、壁に、数の軸線方向に延びる傾斜室（図２）を設けたりまたは周方向に延びる溝と軸方向に延びる傾斜室の双方の組み合わせ（図４）を設けることもできる。図４の構造は、平坦な壁に比べて空力効率の低下が最小であり、サージマージンの増加が最大であることを示している。
軸方向傾斜室は、ロータブレードが、それらからポンプに伝達される作用力の一部を使用し、軸方向傾斜室内の作動媒体ガスを再度ポンピングするので、効率を低下させる。ポンピングは、瞬間的背圧に応答して端部壁領域に得られる圧力のレベルを増加させる。従って、ポンピングは、軸方向に延びる室がサージマージンを増加させるメカニズムである。
図６より理解されるように、周方向に溝を設けた構造は、平坦な壁に比べて、緩やかなサージマージンの増加と、緩やかな空力効率の現象を有している。従って、より小さなサージマージンが必要な場合には、周方向に延びる溝により、ロバート特許に示された他の構造のいくつかよりも少ない空力効率の低下で、これを達成することができる。
上記の技術にかかわらず、出願人の譲受人の管理の下で働く科学者や技術者は、平坦な壁構造に比べてサージマージンを増加させる一方、こうした構造が空力効率に対して持つ望ましくない効果を減少させることができる他のケーシングの構造を追求している。
発明の開示
本発明は、周方向の溝を、隣接するファンブレードの数に関連した厳密に規制した数のダムによって分断することによって空力効果に対して無視できる程度の影響でサージマージンを改良しうることの認識に基づくものである。
本発明によれば、軸流回転機械の圧縮部のためのステータ構造は、ロータブレード配列の周囲に周方向に延びるケーシングを有しており、このケーシングは、少なくとも一つ、ほとんどの実施例においては複数の周方向に延び、ブレードの放射方向外側で、ブレードに軸方向に整列された溝を有しており、各溝は、複数の、周方向に離間した、溝の連続性を分断し、高速の流れを溝から境界層に向けるダムを有している。
本発明の一実施例によれば、周方向に離間したダムの数は、ロータブレードの配列のブレードの数の関数とされており周方向に離間した溝は、ロータブレードの中間弦領域の放射方向外側にのみ配置され、溝及び境界層に対するダムの効果を増加させ、空力効率に対する影響を減少させる。
本発明の主要な特徴は、圧縮部におけるロータブレード配列の放射方向外側のケーシングである。このケーシングは、それぞれ複数の周方向に延びる溝を有しており、各溝は、複数のダムにより周方向に分断されている。一つの実施例において、ダムは周方向に離間され、溝の軸方向幅の２倍の深さを持つ溝内に延びている。隣接する溝間に延びるランドは、溝の軸方向幅の半分の幅である、ダムの数は、ロータブレードの数の3/4からロータブレードの数の１（1/2）の間の範囲である。ダムの周方向の長さは、ほぼ幅に等しい。
一つの特定の実施例によれば、各溝内のダムの数はブレードの数に等しく、ダムは溝の周囲に等間隔に離間されている。他の実施例においては、溝は、ブレードの中間弧領域に延びる溝領域に配置され、溝領域とブレードの外側のケーシングの隣接する面同一の放射方向高さである。ケーシングの隣接する面は、ケーシングの内面に対して引っ込んでいるかもしくはケーシングの内面と同一の放射方向高さとなっていても良い。
本発明の主要な利点は、エンジンの圧縮部のロータブレード配列の放射方向外側に、複数の周方向に分断された溝を配置することによるサージマージンの増加である。本発明の他の利点は、ファンブレードの先端がケーシングの他の部分と同一の放射方向高さにあるか、ケーシングの面に対して引っ込んでいるかによる周方向に分断された溝の使用の結果による所定の空力効率の減少下におけるサージマージンの改善すべく増加させることができることにある。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付図面に示された以下の発明を実施するための最適な態様に下ついてより一層明かとなろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、ファンブレードの先端部を包囲するケーシングを示すターボファンガスタービンエンジンの斜視図である。
図２は、周方向に離間したダムにより分断された周方向溝の関係を示す、図１に示すファンケーシングの一部の（外方向に見た）展開図である。
図３は、図２に示す図と対応する展開図である。
図４は、溝を周方向に互い違いに配置した図２に示す構造の別実施例である。
図５は、図２の３−３線に沿った側面図である。
図６は、ロータブレードの配列中のブレードの数Ｎの関数として表現される周方向の溝中の周方向に離間したダムの数に対する、図３に示す構造に関するサージマージンと空力効率のポイントの変化を示すグラフである。
発明を実施するための最適な態様
図１は、商業的航空機を駆動するために用いられるタイプのターボファンガスタービンエンジン10の斜視図である。エンジンは、コア部12及びファン部14を含んでいる。複数の被覆されていないファンブレード16は、ロータ18から放射方向外向きに延びている。ロータは、回転軸Ａの周囲に配置されている。
各ファンブレードは、先端部24を持つエーロフォイル22を有している。先端部は、回転シュラウドを有していないが、一部の翼幅にわたったのシュラウドを持つことができる。ファンブレードは、ロータ組立体中の取付スロットに係合するためのファンブレードに適合するプラットフォーム26を有している。ファンブレードの長さは、２フィートを越えることができ、図示の特定の実施例においては、プラットフォームから測定した場合、約27インチである。ファンブレードの先端の外径は、回転軸Ａから測定して約94インチである。
ファン（圧縮）部14は、コア部を通て延びる作動媒体ガスの一次流路28を含んでいる。作動媒体ガスの二次流路32は、一次流路の外側のファン部を通して延びる。二次及びバイパス流路は、環状形状である。ファンケーシング34は、流路を中心に周方向に延び最外部で流路を区画している。ケーシングは、ロータブレードの周囲に周方向に延びる摩擦材で形成された内面36を有している。内面は、間に空隙Ｇだけロータブレードから放射方向に離間している。本実施例における空隙は、約9/1000（0.090）インチである。
図２は、ケーシング34の非展開図であり、図３はケーシング34の内面36に向かって外向きに見た展開図である。複数の溝38は、ケーシングの内部を中心に周方向に延びている。複数のダム42は、各溝内に配置されている。各ダムは、溝を横断して軸方向に延び、溝内において放射方向に延びて溝を周方向に分断している。各ダムは、ピッチ距離Ｐだけ隣接するダムから離間している。ピッチ距離Ｐは、一つのダムの点から隣接するダムの対応する点までの距離である。ピッチ距離Ｐは、複数のダムの数によって内面の周を除算したものに等しい。ダムの数は、例えば、ロータブレード配列のブレードの数Ｎに等しい。図６より明らかなように、ダムの数には最適な設計上の範囲がある。（設計上の範囲は、ロータブレードの数の関数である。）
それぞれ隣接するファンブレード16に連関された二つのロータブレードの先端部24は図２において完全に、かつ図３において二点鎖線に示されている。ロータブレードは、ファンブレードの移動方向を示す矢印Ｖによって示された動作状態の下に、上向きに（図２）かつ右から左に（図３）に掃引する。各ファンブレードは、前縁44と後縁46を有している。ブレードの一つの側の吸引側側壁48は、前縁から後縁に延びている。ブレードの他側の加圧側側壁52は、前縁から後縁に延びている。ファンブレードは、回転軸と平行に測定した軸方向長さＬを有している。ファンブレードは、ブレードの軸方向長さＬの最初の20％に延びる前端領域54と、ファンブレードは、ブレードの軸方向長さＬの最後の20％に延びる後端領域56とを有している。ファンブレードは、前端領域と後端領域の間に延びる中央の弦領域58を有している。ケーシングは、ブレードの中間の弦領域の放射方向外側に位置する周方向に延びる溝領域62を有しており、溝が設けられている。
図４は、図３に示すケーシングの別実施例を示す、図３に示した図と対応する図を示している。別実施例において、周方向の溝38は、隣接するダムに対して周囲方向に互い違いに配置されたダム42により分断されている。
図５は、外側ケーシング36と図１、図２及び図３に示すブレードの先端部24と、の拡大、簡略化された断面図である。ファンブレードの先端部の外側のケーシングの内面36は、隣接する構造として、同一の放射方向位置に位置する。理解されるように、操作力に応答して、ファンブレード16は、内面（摩擦シール）36を摩擦して、二点鎖線で示された内面に関連して凹部64を切り欠く。二点鎖線で示すように、先端部が、内面（摩擦シール）に切り込んだ後、ファンブレードの先端部の外側の面36は、隣接する構造の内面とは異なる放射方向位置に位置する。別実施例の構造において、凹部は、例えば、上記に説明したアメリカ特許第4,239,452号に示されているように、外側ケーシングに意図的に形成することもできる。
図５は、複数の溝38を示している。図２、図３及び図５に示されているように、各溝38は、軸方向幅Ｗ、ロータブレードの外側のケーシングの内面から測定した放射方向深さＤを有している。放射方向深さＤに対する軸方向幅Ｗは、１以上である。図示の実施例において、放射方向の深さＤと軸方向の幅Ｗの比は、２（D/W＝２）である。各溝は、ランド66を残して、隣接した溝から軸線方向幅Ｗの1/2の距離離間している。上記に説明したように、各溝の複数のダム42には、ランドから軸方向に延びて溝の全深さを周方向に分断する。ダムの周方向の長さLcは、溝38の軸方向幅Ｗに等しい。図４に示すように、溝の３倍の幅Ｗまで延びるダムにより何らの好ましくない効果が生じないことが経験的に示される。ダムを溝の全深さまで延ばさないことも可能であるが、これは実施例の性能に非常に大きく依存して決まるものとなる。
図６は、ダム（不連続）42の数とピッチＰとの関数としての分断された溝構造38に関する空力効率（曲線Ｅ）の変化及びサージマージン（曲線Ｓ）の関係を示している。ダムの数は、ファンブレードの配列中にファンブレードの数Ｎの関数として表現される。変化は、各溝の周方向の連続性を分断するダムを持たない基本構造と比較して測定されたものである。図６に示す関係は、経験的データの分析に基づくものである。
図６に示すように、ダム42の追加によって、空力効率を極僅か低下させるかもしくは低下させずに、サージマージンを増加させることができる。例えば、ファンロータブレードの数の3/4に等しいダムの数を有する実施例において、サージマージンは、空力効率の明かな低下なしに、約４ポイント増加する。ダムの数が増加するに従って、ロータブレードの数の約1.5倍に等しくなるまでは、空力効率が僅かに減少する。この点を超えると、サージマージンは測定可能な程には増加せず、空力効率は継続的に減少する。従って、ダムの数に関する最適な設計範囲は、ロータブレードの数の3/4から1.5倍に等しいものと信じられる。この範囲のダム間にピッチＰ（間隙）は、ロータブレードの数Ｎで分割された内面の円周の約2/3からロータブレードの数Ｎで分割された内面の円周の１（1/3）倍まで増加する。
図１に示すガスタービンエンジンの動作中、作動媒体ガスは、二次流路32内に引き込まれ、ファンブレード16によって圧縮される。回転軸Ａを中心にファンブレードが高速回転すると、各ロータブレードの先端部24と内側ケース36の間の端部壁領域68においてリーク効果が生じる。これらのリーク効果は、一部は、加圧側から吸引側への先端部を通して方向Ｐ−Ｓへと流れることによるものである。周方向の溝は、この漏れを接線方向または周方向（前縁と後縁を結ぶ線に直交する方向Ｐ−Ｓでない向きの）に導く。これは、下流側方向にファンによって流される流れの方向に対して逆向きに作用する漏れの流れの流速の成分を減少させる。これは、実施例のサージマージンを増加させ、図６に示すように圧縮ステージにおける空力効率には小さな影響しか与えない。
端部壁領域における空力的相互作用は、良く理解されていないが、以下は経験的結果を説明する作業仮説である。エンジン運転中は、回転するブレードは隣接するガスにエネルギーを与える。端部壁領域68においては、境界層が生じる。境界層は、ドラッグ効果のために隣接するファンブレードの回転速度に対して大幅に低い速度となる。溝36内において、しかしながら、作動媒体ガスの速度は、非常に高くなる。従って、高速の作動媒体ガスが、ファンブレード14の配列を周方向に横断して、相対的に低速のガスの境界層の外側に位置することになる。
境界層内の低速のガスは、境界層が壁36から剥離する可能性があるため、大幅な損失を生起する可能性がある。周方向に延びる溝38内の高速ガスは、ダムにより内向きに流れて、低エネルギーの境界層に流入する。これらの高エネルギガスは、境界層を活性化し、境界層の剥離を防止する。これは、付随的に、境界層の剥離関連した損失を防止し、サージマージンを改善するために周方向の溝が形成された場合にも、空力効率が一定に保たれる結果となる。従って、最適な設計範囲内においてファンブレードの数に等しい数のダムが設けられていた場合、周方向に離間されたダムを付加することにより、空力効率の低下を起こすことなくサージマージンを拡大することが可能となる。
例えば、溝内の高速の流速は、発生される速度に関して分断されない溝の十分な長さを与えるダムのピッチＰによって形成することができる。実施例においてダムの数が多すぎると、高速の流れは決して生じない。実施例においてダムの数が少なすぎると、高速の流れは発生するが境界層に所望の頻度で射出されない。
本発明は、詳細な実施例に関して説明したが、当業者において、請求の範囲に記載した発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、種々の変更、省略及び追加が可能であることが理解されるであろう。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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