(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機用のステータベーンであって、
翼形部根元と、該翼形部根元からスパン距離に位置する翼形部先端と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる前縁と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる後縁と、前記前縁及び前記後縁間に延びる翼形部正圧側面及び負圧側面と、を備え、
前記ステータベーンが更に、
前記翼形部根元と前記翼形部前縁上の第１の高さ位置との間にある内側スパン領域（「Ｓ１」）と、
前記第１の高さ位置と、前記第１の高さ位置から半径方向外向きに位置する前記翼形部前縁上の第２の高さ位置との間にある中央スパン領域（「Ｓ２」）と、
前記第２の高さ位置と前記翼形部先端との間にある外側スパン領域（「Ｓ３」）と、
を備え、
前記翼形部は、前記先端に向かってスパン方向で前記外側スパン領域において増大し且つ前記外側スパン領域において１．４よりも大きい正規化キャンバを有するような正規化キャンバプロファイルを有し、
前記前縁が、前記内側スパン領域及び前記外側スパン領域の両方において増大する上反角度を有するようなスパン方向の上反角プロファイルを有する前縁を更に備える、ステータベーン。
【請求項２】
圧縮機用のステータベーンであって、
翼形部根元と、該翼形部根元からスパン距離に位置する翼形部先端と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる前縁と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる後縁と、前記前縁及び前記後縁間に延びる翼形部正圧側面及び負圧側面と、を備え、
前記ステータベーンが更に、
前記翼形部根元と前記翼形部前縁上の第１の高さ位置との間にある内側スパン領域（「Ｓ１」）と、
前記第１の高さ位置と、前記第１の高さ位置から半径方向外向きに位置する前記翼形部前縁上の第２の高さ位置との間にある中央スパン領域（「Ｓ２」）と、
前記第２の高さ位置と前記翼形部先端との間にある外側スパン領域（「Ｓ３」）と、
を備え、
前記翼形部は、前記先端に向かってスパン方向で前記外側スパン領域において増大し且つ前記外側スパン領域において１．４よりも大きい正規化キャンバを有するような正規化キャンバプロファイルを有し、
前記根元から前記内側スパン領域において増大する上反角度及び減少する正規化キャンバを有し、前記先端に向けて前記外側スパン領域において増大する上反角度及び増大する正規化キャンバを有する前縁を更に備える、ステータベーン。
【請求項３】
前記内側スパン領域における前記正規化キャンバが１．４よりも大きい、請求項１又は２に記載のステータベーン。
【請求項４】
前記第１の高さ位置が、前記根元から約１０％のスパンに配置される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステータベーン。
【請求項５】
前記第２の高さ位置が、前記根元から約８０％のスパンに配置される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステータベーン。
【請求項６】
前記前縁が、中央スパン領域において約−２０度〜約＋２５度の間の上反角度を有するような上反角プロファイルを含む前縁を更に備える、請求項１又は２に記載のステータベーン。
【請求項７】
前記第１の高さ位置が、前記根元から約１０％のスパンに配置され、前記第２の高さ位置が、前記根元から約９０％のスパンに配置される、請求項６に記載のステータベーン。
【請求項８】
前記前縁が、前記根元において負の上反角度を有し、前記翼形部先端において正の上反角度を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のステータベーン。
【請求項９】
前記外側スパン領域における前記正規化キャンバが１．４よりも大きく、前記内側スパン領域における前記正規化キャンバが、１．４よりも大きく、前記第１の高さ位置が前記根元から１０％スパンに配置され、前記第２の高さ位置が前記根元から８０％スパンに配置される、請求項１又は２に記載のステータベーン。
【請求項１０】
前記前縁が、前記中央スパン領域において約−２０度〜約＋２５度の間の上反角を有する、請求項９に記載のステータベーン。
【請求項１１】
ガスタービンエンジン用の圧縮機であって、
長手方向中心軸線の周りに円周方向に離間して配置された複数のステータベーンを有し、該ステータベーンが各々、翼形部根元と、該翼形部根元からスパン距離に位置する翼形部先端と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる前縁と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる後縁と、前記前縁及び前記後縁間に延びる翼形部正圧側面及び負圧側面とを有する翼形部を含む、ステータ段と、
前記翼形部根元と前記翼形部前縁上の第１の高さ位置との間にある内側スパン領域（「Ｓ１」）と、
前記第１の高さ位置と、前記第１の高さ位置から半径方向外向きに位置する前記翼形部前縁上の第２の高さ位置との間にある中央スパン領域（「Ｓ２」）と、
前記第２の高さ位置と前記翼形部先端との間にある外側スパン領域（「Ｓ３」）と、
を備え、
前記ステータベーンの少なくとも１つが、前記先端に向かってスパン方向で前記外側スパン領域において増大し且つ前記外側スパン領域において１．４よりも大きい正規化キャンバを有するような正規化キャンバプロファイルを有し、
前記前縁が、前記内側スパン領域及び前記外側スパン領域の両方において増大する上反角度を有するようなスパン方向の上反角プロファイルを有する前縁を更に備える、圧縮機。
【請求項１２】
ガスタービンエンジン用の圧縮機であって、
長手方向中心軸線の周りに円周方向に離間して配置された複数のステータベーンを有し、該ステータベーンが各々、翼形部根元と、該翼形部根元からスパン距離に位置する翼形部先端と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる前縁と、前記翼形部根元から前記翼形部先端に延びる後縁と、前記前縁及び前記後縁間に延びる翼形部正圧側面及び負圧側面とを有する翼形部を含む、ステータ段と、
前記翼形部根元と前記翼形部前縁上の第１の高さ位置との間にある内側スパン領域（「Ｓ１」）と、
前記第１の高さ位置と、前記第１の高さ位置から半径方向外向きに位置する前記翼形部前縁上の第２の高さ位置との間にある中央スパン領域（「Ｓ２」）と、
前記第２の高さ位置と前記翼形部先端との間にある外側スパン領域（「Ｓ３」）と、
を備え、
前記ステータベーンの少なくとも１つが、前記先端に向かってスパン方向で前記外側スパン領域において増大し且つ前記外側スパン領域において１．４よりも大きい正規化キャンバを有するような正規化キャンバプロファイルを有し、
前記根元から前記内側スパン領域において増大する上反角度及び減少する正規化キャンバを有し、前記先端に向けて前記外側スパン領域において増大する上反角度及び増大する正規化キャンバを有する前縁を更に備える、圧縮機。
【請求項１３】
前記外側スパン領域における前記正規化キャンバが１．４よりも大きく、前記内側スパン領域における前記正規化キャンバが、１．４よりも大きく、前記第１の高さ位置が前記根元から１０％スパンに配置され、前記第２の高さ位置が前記根元から８０％スパンに配置される、請求項１１又は１２に記載の圧縮機。
【請求項１４】
前記前縁が、前記中央スパン領域において約−２０度〜約＋２５度の間の上反角を有する、請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ジェット推進エンジンに関し、より具体的にはジェット推進エンジンにおいて使用される圧縮機ステータベーン翼形部に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいて、空気が圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービン段を通って排出され、該タービン段が燃焼ガスからエネルギーを抽出して圧縮機を駆動し、例示的なターボファン航空機エンジン用途においてブースタ（低圧圧縮機）及びファンを駆動する際に使用するための出力を生成する。
【０００３】
多段軸流圧縮機は、協働するステータベーン及びロータブレードの列を含み、これらの列は、各段で空気を加圧するようにそのサイズが縮小している。圧縮機ベーン及びブレードは対応する翼形部を有し、該翼形部は通常、圧縮機の性能を最大にするためにこれらのサイズが段毎に縮小するにつれて構成が変化する。圧縮機性能には、例えば、加圧効率、流量性能及び失速マージンが含まれ、これらは全て、ベーン及びブレードの翼形部の空力構成、並びにステータベーン上の外側及び内側境界によって影響を受ける。
【０００４】
より具体的には、空気がステータベーン及びロータブレードを通して加圧されているときの該空気の流れすなわち圧力分布は、圧縮機の周りでは円周方向に、ベーン及びブレード翼形部のスパンに沿って半径方向に、また翼形部の円周方向に対向する正圧側面及び負圧側面に沿って軸方向に変化する複雑な三次元流れ場である。各段を通って加圧される空気の実際の流れは、外側及び内側流路が軸方向に移動する空気流と実質的に相互作用をもたらすので、ブレード及びベーンの半径方向スパンにわたって均一ではない。ステータベーンは、流れを効率的に拡散し、適正な速度で下流側ロータに供給する必要がある。ベーン及び流路表面上の境界層が一体となる端壁領域における流れは複雑である。良好なステータ設計は、圧縮機の作動範囲を制限することになる流れ剥離を生じることなく、ロータの要件に適合しなければならない。
【０００５】
空気を加圧するよう設計された軸流及び斜流圧縮機ブレードは通常、固定ケーシング内で回転し、機械を通過する流れの全体の圧力及び温度を引き上げる役割を果たす１つ又は複数のロータを有する。圧縮機ロータブレードは、翼形部の本体上で隆起部を保持し、該隆起部は、翼形部の正圧面上でより高い静圧として、翼形部の負圧面上でより低い静圧としてそれ自体が顕在化する。一般に、圧縮機ロータの先端と半径方向に隣接するケーシング流路との間には小さなギャップが存在する。翼形部の正圧側面と負圧側面間の圧力差により、圧縮機ロータの先端ギャップを通る流れがもたらされる。この先端流は、巻き上げられて渦流になることができ、該渦流は、円周方向に隣接するブレードの正圧側面上に集まる傾向があり、圧縮機先端領域における高レベルの損失及び閉塞を生じる。この閉塞は、圧縮機ロータ先端にわたって散在するので、圧力上昇をもたらす圧縮機能力が低下し、場合によっては失速を生じる可能性がある。この問題は、表面摩擦及び２次流の累積的作用によって生じる端壁付近（ステータベーン上の外側及び内側流路境界のような）の弱い流れによって悪化する。端壁付近の弱い流れによって、上述の渦流が下流側に対流せずにロータ先端領域に留まる恐れがある。
【０００６】
当該技術分野において、従来の設計では、上述の損失機構に起因して、端壁領域（ステータベーン上の外側及び内側流路境界のような）において圧力及び速度プロファイルが幾分弱くなることが一般に認められている。ステータベーンは、スパン方向で全体的に湾曲しており、端壁付近においてキャンバが僅かに増大しているが、従来では最小値の１．４倍を超えるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２１３３５７３Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、端壁領域における流れを強化するよう設計されたロータによりステータ作動を改善して、圧縮機の端壁付近での弱い流れを低減できる特別な特徴要素を備えた圧縮機ステータベーンを有することが望ましいことになる。端壁流の速度及び圧力を強化して、ロータにおける先端閉塞の低減を可能にし、これによりスロットルマージンを増大させることができる翼形部を含む圧縮機ロータブレードを有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の１つ又は複数の必要性は、翼形部根元と、翼形部先端と、前縁と、後縁と、前縁及び後縁間に延びる翼形部正圧側面及び負圧側面とを有する圧縮機用のステータベーンを提供し、ステータベーンが内側スパン領域及び外側スパン領域を有し、該ステータベーンは、先端に向かってスパン方向で外側スパン領域において増大し且つ外側スパン領域において１．４よりも大きい正規化キャンバプロファイルを有する、本明細書で開示される例示的な実施形態によって対処することができる。別の実施形態において、内側スパン領域における正規化キャンバは、１．４よりも大きい。別の実施形態において、ステータベーンは、前縁が中央スパン領域において約−２０度〜約＋２５度の間の上反角度を有するような上反角プロファイルを含む前縁を備える。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。しかしながら、本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の１つの態様に従って構成された多段軸流圧縮機における圧縮機ステータベーンの列の部分側断面図。
【図２】図１に例示した圧縮機ステータの一部の部分断面等角図。
【図３】図１及び２に例示したステータベーンの例示的な１つの根元、中央スパン、及び先端で切った、翼形部セクションの平面図。
【図４】図１に例示した圧縮機ステータベーンの翼形部部分の等角図。
【図５】例示的な実施形態において図１に例示したステータベーンの翼形部の半径方向スパンにわたる翼形部正規化キャンバをプロットしたグラフ。
【図６】例示的な実施形態において図１に例示したステータベーンの翼形部の半径方向スパンにわたる翼形部前縁の上反角度を度単位でプロットしたグラフ。
【図７】圧縮機の例示的な実施形態において図１に例示したブレードの翼形部の半径方向スパンにわたるロータ入口相対速度をプロットしたグラフ。
【図８】本発明の例示的な実施形態による圧縮機ロータ翼形部の列を有する多段圧縮機の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
種々の図面を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明の１つの態様に従って構成された多段軸流圧縮機における圧縮機ステータベーンの列の部分側断面図の一部の概略断面図である。図８は、本明細書において以下で説明されるような、本発明の例示的な実施形態による翼形部１０を含む圧縮機ステータベーン２０４の列を有する多段圧縮機１００の概略断面図である。
【００１３】
図８において部分的に例示され図示されているのは、ガスタービンエンジンにおける多段軸流圧縮機１００の圧縮機ロータ１０６に好適に取り付けられる圧縮機ブレード１０４を備えた圧縮機ロータ段１０２の列である。圧縮機１００は、対応する圧縮機ロータブレード（Ｒ１、Ｒ２、その他として図示）と協働する複数段のステータベーン（Ｓ１、Ｓ２、その他として図示）を有し、これらは、運転中に空気４が加圧されるにつれて下流側方向（軸方向）にサイズが縮小している。ロータ１０６は、エンジンの軸方向中心軸線１０１の周りで軸対称であり、環状外側ケーシング１８内でブレード１０４の全部の列を支持する。圧縮機ロータブレード１０４の先端１２と半径方向に隣接するケーシング１８との間には小さなギャップ１９が存在する。ロータ１０６は更に、ブレードを支持する１つ又はそれ以上のディスク１０９を含む。
【００１４】
例示的な圧縮機１００（図８）は、半径方向内向きに延びたステータ翼形部１０（或いは本明細書ではベーンと呼ばれる）の列を支持する環状外側ケーシング１８を含む固定圧縮機ステータ２０４を備える。ベーン１０は、具体的には、高圧タービン（図示せず）によって駆動される支持ロータから半径方向外向きに延びた協働する圧縮機ロータブレード１０４を通って下流側に空気流４を配向する空力的プロファイルで構成されている。
【００１５】
図１及び２を両方とも参照すると、例示的な圧縮機ステータ２０４は、互いから円周方向に離間して配置され、且つ空気流４の半径方向外側流路３４を定める内面を有する外側ケーシング１８から半径方向内向きに延びた複数のステータベーン１０を含み、該半径方向内側流路は、ベーンに直接的に取り付けられた一体型内側プラットフォーム１７（図１及び２を参照）又はシュラウド（図示せず）によって、或いは、下方に配置されるロータシール（図示せず）の一部によって何れかの従来的手法で定められる。
【００１６】
ステータベーン１０は、互いに同一であり、各ベーン１０は、正圧側面又は第１の側面５、６と、円周方向に対向する負圧側面又は第２の側面６とを含み、これらは、前縁２０及び後縁３０間を軸方向に延び、且つ半径方向内側根元１１と半径方向外側先端１２との間でベーンのスパンに沿って半径方向に延びている。根元１１は、内側流路にて定められ、先端１２は、外側流路にて定められる。ベーン先端１２は、一体鋳造により、又はケーシングを貫通する相補的アパーチャ内部にろう付けされた延長部によってベーン全体を支持するよう外側ケーシングに好適に固定接合される。
【００１７】
図１及び２に最初に図示されるように、各ベーンはまた、ベーン１０の中央スパンにて根元と先端の間に半径方向に配置されるピッチセクション４０を含み、各ベーンは、根元から先端までベーンの半径方向セクションの各々の空力プロファイル又は輪郭によって定められる（例えば、図３の要素２０１、２０２、２０３を参照）。例示的なベーン１０の３つのセクションの平面図が図３により詳細に示され、根元２０１、ピッチセクション２０２、及び先端２０３の相対的幾何形状が例示される。本発明の例示的な実施形態では、根元及び先端セクション２０１、２０３におけるキャンバ角は、以下で更に説明するように、ピッチセクション２０２よりも遙かに大きい。
【００１８】
本発明の例示的な実施形態において、ベーン１０の空力プロファイルは、所望の圧縮機段に対して決定付けられ、正圧側面５及び負圧側面６間で厚みが増大し、相対的に先鋭な後縁３０まで厚みが減少する比較的先鋭な前縁２０を含む。ベーンの各半径方向セクションは、前縁から後縁に延びる直線状の翼弦２２０（「Ｈ」、図３を参照）を有し、該翼弦は、下流側の圧縮器ブレードに送給するのに必要な空気流４を転回するため、エンジンの軸方向中心軸１０１に対して好適な角度方向を有する。各翼弦の特定の角度方向は通常、軸方向中心軸１０１に対するツイスト角又は食違い角として知られ、特定の空力要件の決定付けに応じて根元１１から先端１２まで変化する。
【００１９】
各圧縮機ステータベーン（翼形部）１０は、内側プラットフォーム１７（又は他の好適な内側流路構造）の外面と外側ケーシング１８の内面との間で半径方向軸線Ｚ（この方向は本明細書では「スパン」と呼ばれ、図１を参照のこと）に沿って延びる。翼形部１０は、好適な既知の支持構造（例えば、要素１７及び１８）と一体的に形成することができ、或いは、従来の手法で取り外し可能に接合することができる。
【００２０】
圧縮機ステータベーン１０が図１及び２の好ましい実施形態において例示されており、円周方向又は横方向に対向する正圧側面５及び負圧側面６を含む。翼形部正圧側面５は、Ｙ軸（図１を参照）で示される円周方向に対して負圧側面６よりも先行する。軸方向軸Ｘは、圧縮機（及びエンジン）中心軸１０１と平行であり、空気４が圧縮機１００の複数段（図８を参照）を通って加圧を受けたときに該空気のほぼ下流側方向を示す。
【００２１】
正圧側面５及び負圧側面６の対応する面は、軸方向又は翼弦方向に対向する前縁２０及び後縁３０にて共に接合され、プラットフォームとの接合部にある半径方向内側根元１１から、図１に示す根元１１からスパン距離に配置される半径方向外側先端１２までスパン方向（図１のＺ軸）で延びている。図８に示すように、ロータ翼形部ブレード１０４は、周囲ケーシングの内面に近接して配置され、これらの間に半径方向クリアランス又はギャップ１９を定める。
【００２２】
本発明の１つの態様において、以下で詳細に説明するように、翼形部１０は、該翼形部１０に対する特定のキャンバ分布及び前縁２０に対する特定の上反角特徴要素を備えた幾つかの幾何形状を有し、翼形部先端１２付近の結果として得られる幾何形状は、端壁流（すなわち、内側プラットフォーム１７及び外側ケーシング１８付近の流れ）の速度及び圧力を増大させ、後続の圧縮機ロータにおける先端閉塞の低減を可能にし、これによるスロットルマージンを増大させる役割を果たす。本明細書で示される種々の実施形態におけるステータベーン１０の特定の特徴要素は、相対的に弱い空気流を路前記他ブレード先端領域から出て先端付近で半径方向内向きに引き寄せるのを助ける。次いで、この弱い流れは、翼形部先端領域に滞留して非効率性及び失速の可能性を引き起こすのではなく、空気流４の主本体と混合する。本明細書で記載される翼形部の特定の特徴要素により、失速マージンの改善及び圧縮機１００のスロットルレンジの拡張が可能となる。
【００２３】
本明細書において以下で詳細に記載される特定の翼形部特徴要素の一部は、本発明の利点をもたらす。例えば、先端１２における大きなキャンバは、先端領域における空気のロータ入口速度の増強に寄与する。更に、先端領域における空力スイープ（例えば、図１に「Ｃ」で示すような）を追加的に用いて、先端領域における境界層の望ましくない滞留の生成を低減することができる。
【００２４】
本明細書で使用される用語「上反角」（又は代替として、「上反角度」）及び「スイープ」は、翼形部の設計において使用される従来用語である（例えば、Ｌｅｒｏｙ  Ｈ．  Ｓｍｉｔｈ，  ＪＲ．他による「Ｓｗｅｅｐ  ａｎｄ  Ｄｉｈｅｄｒａｌ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  Ａｘｉａｌ−Ｆｌｏｗ  Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ」、Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＡＳＭＥ，  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，  １９６３を参照）。本明細書で使用される上反角度は、例示の目的で図４において角度「Ａ」２１１（前縁２０に対する）及び「Ｂ」２１２として示されている。角度Ａ及びＢは、例証として翼形部１０の前縁先端１２に示されているが、翼形部上の他の場所に存在してもよい。空力スイープは、局所的スイープ角で表される従来のパラメータであり、流入空気の方向と、軸方向及び円周方向又は接線方向両方の翼形部表面の向きとの関数である。スイープ角は、米国特許第５，１６７，４８９号において詳細に定義されており、引用により本明細書に組み込まれる。本明細書で使用される符号規定では、空力スイープ角は、前方スイープにおいて負（−）の値として表され、後方スイープにおいて正（＋）の値として表される。
【００２５】
図１〜４は、本発明の１つの実施形態による圧縮機ステータベーン１０を示している。圧縮機ステータベーン１０は、翼形部根元１１と、該翼形部根元１１からスパン距離に位置する翼形部先端１２と、翼形部根元１１から翼形部先端１２に延びる前縁２０と、翼形部根元１１から翼形部先端１２に延びる後縁３０と、前縁２０及び後縁３０間に延びる翼形部正圧側面５及び負圧側面６と、を含む翼形部１０を有する。図１に示すように、翼形部１０の前縁２０は、翼形部根元１１と前縁上の第１の高さ位置４１との間に第１の内側スパン領域１３（「Ｓ１」として示される）と、第１の高さ位置４１と該第１の高さ位置から半径方向（スパン方向）外向きに位置する翼形部前縁２０上の第２の高さ位置４２との間の中央スパン領域２３（「Ｓ２」として示される）と、第２の高さ位置４２と翼形部先端１２との間の外側スパン領域１４（「Ｓ３」として示される）とを有する。スパン（或いはスパン高さと呼ばれる）は、スパン方向で翼形部１０の根元１１から先端１２まで延びる。スパン方向は、図１において「Ｚ」として示される方向である。例示的な実施形態において、第１の高さ位置４１は、約１０％スパンに位置し、第２の高さ位置４２は、約８０％スパンに位置する。
【００２６】
本発明の１つの態様において、ステータベーン１０は、正規化キャンバが先端１２に向かうスパン方向で外側スパン領域１４において増大し、外側スパン１４領域において１．４よりも大きいような正規化キャンバプロファイル１３０（例えば、図５を参照）を有する。この関連において、本明細書で使用される翼形部又はブレードの「キャンバ」（或いは、「キャンバ角」）は、当該技術分野で知られている従来の意味である。すなわち、翼形部キャンバ（或いは、「キャンバ角」）は、翼形部の前縁と後縁との間の金属アングルの差違である。本明細書で使用されるように、スパン方向位置における用語「正規化キャンバ」は、最小キャンバで除算した、当該特定位置でのキャンバである。正規化に使用される最小キャンバは、必須ではないが、図１において要素４０として示されるような中央スパン位置で生じることができる。本発明の例示的な１つの実施形態による、例示的な正規化キャンバプロファイル（すなわち、スパン方向の分布）が図５に示される。本発明の好ましい実施形態において、第２の高さ位置４２は、根元から約８０％のスパンに位置し、翼形部先端における正規化キャンバは、１．４よりも大きい。図５を参照されたい。本発明の別の態様において、内側スパン領域におけるステータベーン１０の正規化キャンバは、根元からスパン方向で内側スパン領域において減少している。好ましい実施形態において、第１の高さ位置４１は、根元から約１０％のスパンに位置し、内側スパン領域における正規化キャンバは、少なくとも１．４である。別の実施形態において、ステータベーン１０の第２の高さ位置４２は、根元から約８０％のスパンに位置し、翼形部における正規化キャンバは、先端１２に向けて増大している。
【００２７】
本発明の別の態様において、ステータベーン１０は更に、前縁が先端１２に向けてスパン方向で外側スパン領域において増大する上反角度を有するような上反角プロファイル（例えば、図６の要素１４１を参照）を有する前縁２０を備えることができる。好ましい実施形態において、ステータベーン１０の前縁２０は、例えば、図６に示すように、中央スパン領域２３において約−２０度〜約＋２５度の間の上反角度を有する。図６は、例えば、図１に示すステータベーン１０の本発明の１つの実施形態による例示的な翼形部前縁２０の上反角プロファイルを示している。好ましい実施形態において、翼形部先端１２における前縁の上反角度は、＋２５度未満である。この関連において、正の上反角は、ステータベーン１０の正圧側面５における先端においてスパン方向の凸面形状を有することになる。好ましい実施形態において、外側スパン領域１４は、スパンの約９０％から翼形部先端１２に延びる。図６を参照されたい。別の例示的な実施形態において、ステータベーン１０は、前縁が根元から内側スパン領域で増大する上反角度を有し、且つ先端１２に向けて外側スパン領域で増大する上反角度を有するようなスパン方向の上反角プロファイル（図６を参照）を有する前縁２０を含む。図６に示す上反角プロファイルを有するステータベーン１０の例示的な実施形態において、翼形部は、根元から内側スパン領域１３で増大する上反角度及び減少する正規化キャンバを有し、先端に向けて外側スパン領域１４で増大する上反角度及び増大する正規化キャンバを有する前縁２０を含む。別の例示的な実施形態において、前縁２０は、根元１１において負の上反角度を有し、翼形部先端１２において正の上反角度を有する。
【００２８】
図８は、本発明の１つの態様によるガスタービンエンジン用の圧縮機１００を示す。圧縮機１００は、１つ又はそれ以上のロータ段を含む。図８は、複数のステータ段２０４を有する圧縮機１００を示し、各ステータ段が長手方向中心軸線１０１の周りに円周方向に離間して配置された複数のステータベーン１０を有し、各ステータベーン１０が本明細書において上記で説明したような翼形部特徴要素を備えている。ステータベーン１０は、上述のように、内側スパン領域１３（「Ｓ１」）、中央スパン領域２３（「Ｓ２」）、及び外側スパン領域１４（「Ｓ３」）を有する。１つの実施形態において、圧縮機１００において、ステータベーン１０の少なくとも１つは、正規化キャンバが先端１２に向かってスパン方向で外側スパン領域１４において増大し、外側スパン１４の領域において１．４よりも大きいような正規化キャンバプロファイル１４１を有する。他の種々の実施形態において、圧縮機１００は、上記で詳細に説明したキャンバ及び上反角特徴要素を有する翼形部を含むステータ段２０４を備えることができる。圧縮機１００の別の例示的な実施形態において、外側スパン領域１４における正規化キャンバは、１．４よりも大きく、内側スパン領域１３における正規化キャンバもまた、１．４よりも大きく、ここで第１の高さ位置４１は、根元１１から１０％スパンの位置にあり、第２の高さ位置４２は、根元１１から８０％スパンの位置にある。更に、別の例示的な実施形態において、圧縮機１００は、中央スパン領域２３において約−２０度〜約＋２５度の間の上反角を有する翼形部前縁２０を有することができる。
【００２９】
本明細書において上記で説明した本発明の種々の実施形態によるステータベーン１０は、圧縮機１００の端壁領域において流れを強化したキャンバ分布プロファイル（例えば、図６の要素１４１を参照）を有する。本明細書において記載されたステータベーン１０の特定の特徴要素は、圧縮機１００の臨界端壁領域における圧力及び軸方向速度レベルを増大させる。これにより、圧縮機１００において円周方向に隣接するブレード１０４間のロータ通路から下流側に出る弱い流れの対流が増大することに起因して、ロータ先端付近に集まる弱い流れの量が低減される。所与のスロットル設定に対してロータ先端通路における弱い流れの滞留が削減されるので、機械の失速マージンが大きくなる。本発明の別の態様において、図８は、ガスタービンエンジン用の圧縮機１００を示している。圧縮機１００は、長手方向中心軸線１０１の周りに円周方向に離間して配置されたステータベーン１０を有するステータ段２０４を含む。ステータ段（図８においてＳ１、Ｓ２として示される）の少なくとも１つは、本明細書において上記で説明されたような本発明の種々の実施形態による特徴要素を有するステータベーン１０を含む。従来の圧縮器と比較するために、Ｖｉｓｃｏｕｓ  ３−Ｄ  ＣＦＤ分析のような既知の方法を用いた。この分析では、設計ポイント効率で損失がなく、５％を超えるスロットルマージンの改善が予測される。正規化キャンバ分布（例えば、図５を参照）及び前縁上反角分布（例えば、図６を参照）のようなステータベーン１０の幾何形状特徴要素は、圧力及び速度の半径方向分布を改善した。本発明の１つの態様において、中央スパン付近では、１．０である正規化キャンバ分布が使用され、該正規化キャンバ分布は、ステータベーンの根元及び先端に近づくにつれて増大している。本発明により、根元１１及び先端１２付近で比較的高い正規化キャンバレベル（例えば、１．４よりも大きい）の使用が可能となった。更に、中央スパン領域（図６）において約−２０度〜約＋２５度の間で前縁上反角を境界付け、端壁において強い流れに更に寄与する半径方向スタック分布をもたらすようにすることが有利である。
【００３０】
本明細書において上述された本発明の種々の実施形態による、ステータベーン翼形部１０の特定の幾何形状特徴要素は、圧縮機１００において翼形部の先端領域にて有利なロータ入口速度プロファイルをもたらす。これは図７に示される。図７に示すロータ入口速度分布から分かるように、上述の本発明の実施形態は、従来設計と比べて圧縮機１００の先端付近でロータ入口速度を増大させる。図７を参照されたい。本発明の改善された圧力及び速度分布は、ロータ翼形部先端領域付近での閉塞及び損失の低減をもたらし、これにより圧縮機１００のスロットルレンジが拡張される。
【００３１】
本明細書で記載される本発明の種々の実施形態は、ステータに対する大きな端壁キャンバと制限された上反角分布を兼ね備え、これにより拡散損失を最小限にしながら、下流側ロータに対する動的圧力の増大がもたらされる。この効果は、圧縮機の臨界端壁領域における全圧及び軸方向速度両方のレベルの増大を持続することができることである。これにより、ロータ先端領域において強化した流れでロータが作動することができ、その結果、圧縮機の失速マージンが増大する。この結果、ロータ先端効率の向上がステータ損失のあらゆる増大を相殺するので、段効率に対する悪影響がなくなる。
【００３２】
本明細書で記載されるように、本発明の実施形態を特徴付ける特定の幾何形状の特徴要素の一部は、端壁におけるキャンバ（前縁及び後縁金属アングル間の差違）と、ベーン前縁における上反角（ベーン及び流れ面法線間の角度）（図５及び６を参照）とが挙げられる。現行のベーンに対して正規化ベースを比較すると、請求項に記載したキャンバレベルは、端壁付近で遙かに大きくなる（図５を参照）。本発明の種々の実施形態は、中央スパン付近で１．０の最小値を有し、スパンの内側１０％及び外側２０％を過ぎると１．４を超過する平均値まで増大する正規化キャンバを利用している。対照的に、従来のベーンは、端壁付近で１．４を超えることができない正規化キャンバ値を示す。図５を参照されたい。また、前縁上反角をスパンのほとんどにわたって約−２０度〜約＋２５度の間の範囲に制限することが有利である。前縁（「Ａ」）において大きなキャンバと上反角の制限とが組み合わされると、後縁での結果として得られる上反角は、従来の値よりも小さくなる。しかしながら、本発明の実施形態は、後縁の上反角（「Ｂ」）に限定されるものではない。図４を参照されたい。これらの幾何形状特徴要素は、端壁において空力荷重の低減をもたらす。ベーンキャンバの増大により、ロータ先端領域に入る端壁速度が上昇し（図７を参照）、必要とされる拡散を低下させることによりロータに恩恵をもたらす。好ましいベーン上反角は、端壁での表面摩擦の増大にかかわらず、ベーン拡散損失を低く保持する。
【００３３】
既知の方法を用いた分析では、本明細書で記載される本発明の実施形態において設計ポイント効率で損失がなく、５％を超えるスロットルマージンの改善を示した。従来のベーンを有する従来の圧縮機において、圧縮機が失速に向けてスロットル制御されると、正圧面上のロータ先端付近で閉塞が滞留し、ロータ通路にわたって接線方向に伝播する。通路幅全体が遮断されると、従来のベーンを有する従来の圧縮機の圧力増大をもたらす容量が減少し、失速が生じる可能性がある。
【００３４】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
４  空気流
５  正圧側面
６  負圧側面
１０  ステータベーン
１１  ベーン根元
１２  ベーン先端
１３  第１の内側スパン領域（「Ｓ１」）
１４  第１の外側スパン領域（「Ｓ３」）
１７  内側プラットフォーム
２０  前縁
２３  中央スパン領域（「Ｓ２」）
３０  後縁
４１  第１の高さ位置
４２  第２の高さ位置
１３０  正規化キャンバプロファイル
２０４  圧縮機ステータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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