(57)【要約】【課題】本発明は羽根の新規の最適化空気力学的輪郭に関する。【解決手段】本発明は、新規のタイプの案内羽根の環状体セクタであって、羽根の形状と幾何形状の局部的構成との最適化がなされて、羽根をその外側シュラウドに繋げるロウ付け接合部の応力のレベルが縮小されるのを可能にし、なおかつ羽根に課せられた空気力学的および機械的要件を満たす、案内羽根の環状体セクタを提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気力学的輪郭および重ね付け軸を有するターボ機械の案内羽根であって、ターボ機械は回転軸を有し、案内羽根は、重ね付け軸に対して直交して作られる複数の半径方向断面からなり、各半径方向断面は、表１に規定するとおりの直交座標Ｘ、Ｙ、およびＺによる点から構成され、Ｚ座標は問題になっている半径方向断面とターボ機械の回転軸との間の距離に対応し、ＸおよびＹ座標は、ここで問題になっている断面を備える平面内の、この断面を形成する点の座標に対応し、Ｘ軸は、ターボ機械の回転軸と平行であり、Ｘの値はターボ機械の気体流の方向に増大してゆき、Ｘ軸の始点はＺ軸との交差点に位置付けられ、Ｙ軸は、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）基準フレームがそのまま直交フレームとなるようなものである、案内羽根。
【請求項２】
各半径方向断面が、図５に示すそのＸおよびＹの直交座標による重心を有する、請求項１に記載の案内羽根。
【請求項３】
各半径方向断面が前縁部と後縁部とを有し、直接角度の値は、前縁部を後縁部に接合する直線によって形成され、Ｙ軸は図７に示す曲線に従う、請求項１および２のいずれかに記載の案内羽根。
【請求項４】
各半径方向断面について、断面を作り上げている点のＸおよびＹ座標が、表１に規定する値に対して±０．１０ｍｍの範囲内にある、請求項１から３のいずれか一項に記載の案内羽根。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の内側シュラウド、外側シュラウド、および少なくとも１つの羽根を備える、案内羽根の環状体セクタ。
【請求項６】
案内羽根の環状体セクタからなる環状体と、可動ブレードを装着した回転輪とを備える圧縮段階であって、案内羽根の環状体セクタからなる環は、請求項５に記載の少なくとも１つの案内羽根の環状体セクタを備える、圧縮段階。
【請求項７】
請求項６に記載の少なくとも１つの圧縮段階を備える、圧縮機。
【請求項８】
請求項７に記載の少なくとも１つの圧縮機を備える、ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械、特にターボジェットエンジンの分野に関し、また、圧縮機内に配置される案内羽根に関する。
【０００２】
本発明は、より正確には、羽根に課せられた空気力学的および機械的要件を満たすように最適化された新規の羽根の空気力学的輪郭に関する。
【背景技術】
【０００３】
以下本明細書では、用語の「上流」または「下流」は、気体流の方向を基準として、構造要素の相互に対する軸方向位置を指すものとする。同様に、用語の「内側」もしくは「半径方向内側」と、「外側」もしくは「半径方向外側」とは、ターボ機械の回転軸を基準として、構造要素の相互に対する半径方向位置を指すものとする。
【０００４】
ターボ機械は、加圧空気を燃焼室に配送する１つまたは複数の圧縮機を備え、燃焼室ではその空気が燃料と混合され、着火されて高温の燃焼ガスを生成する。この気体は、燃焼室の下流端部に向かって流れて、１つまたは複数のタービンの中に入るが、タービンはそのようにして受け取ったエネルギーを転換して（複数の）圧縮機を回転させ、そのようにして例えば航空機を駆動するなどのために必要な仕事を遂行する。
【０００５】
圧縮機、例えば高圧圧縮機は、１つまたは複数の圧縮段階からなり、それぞれの段階が、可動ブレードを装着した回転輪が後に続くステータ羽根の環状体を備えている。案内羽根の環状体とも呼ばれるこのステータ羽根の環状体は、角度を持った複数の案内羽根からなる環状体セクタのアセンブリから構成することができ、その一例を図１に示すが、各セクタ１は複数の固定羽根２を有し、固定羽根２はそれらの内側端から内側シュラウド３に、それらの外側端から外側シュラウド４に接合されている。案内羽根の環状体セクタの役割は、エンジンの上流からの気体流を方向付けることであり、回転輪の上流のこの流れは、適した角度でこの環状体セクタにぶつかる。
【０００６】
固定羽根２は、それぞれ加圧面８と負圧面９と呼ばれる２つの側壁によって画定され、前縁部と後縁部を備えた空気力学的輪郭を形成している。前縁部６またはＬＥは、加圧面と負圧面との間の上流接合部によって形成されている。後縁部７またはＴＥは、加圧面と負圧面との間の下流接合部によって形成されている。この空気力学的輪郭は、それによって、案内羽根が、ターボ機械の上流から流れ込んでくる空気流を所望の形に方向付けることが可能になるため、極めて重要である。この輪郭は、計算処理によって、図面でＥによって示す羽根の重ね付け軸に沿って、ターボ機械の回転軸に対して異なる高さに作られた半径方向断面の形態で画定される。こうした様々な半径方向断面によって形成された羽根は、内側シュラウドと外側シュラウドとの間で一体化される。次いでロウ付けによって羽根とシュラウドを組み合わせることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特定の空気力学的輪郭に関しては、ＴＥの曲率半径は、例えば１０分の１ミリメートル程度などと極めて小さく、そのことによって、エンジンの動作中に、加圧面側でＴＥに向かって、羽根と外側シュラウドとの間に形成されたロウ付け接合部における静的応力が増大する。このようにして、許容不可能な応力レベルに到達する場合があり、それがロウ付け接合部に現れる亀裂の原因となる。羽根が、羽根に課せられた空気力学的および機械的要件を満たすように、ロウ付け接合部の応力レベルを縮小することを可能にする、羽根の空気力学的および機械的特性に有害な影響を及ぼさない新規の空気力学的輪郭を見出すことが必要である。
【０００８】
本発明は、案内羽根の新規の最適化空気力学的輪郭を提供することによってこの問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
空気力学的計算と機械的計算との間を行き来して行うシミュレーションおよび反復によって獲得されたこの新規の輪郭は、案内羽根の環状体セクタの機械的完全性を保証し、空気流を方向付けることに関連する空気力学的要件を満たすことを可能にする。さらに、この新規のタイプの案内羽根アセンブリは、案内羽根アセンブリを取り囲む構成要素同士のインターフェースに全く衝撃を与えずに、旧式の案内羽根と完全に交換することが可能である。
【００１０】
より詳しくは、本発明はターボ機械の案内羽根において、空気力学的輪郭および重ね付け軸Ｅを有し、ターボ機械は回転軸Ｒを有し、案内羽根は重ね付け軸Ｅに対して直交して作られる複数の半径方向断面からなり、各半径方向断面は、表１に規定するとおりの直交座標Ｘ、Ｙ、およびＺによる点から構成され、Ｚ座標はここで問題になっている半径方向断面とターボ機械の回転軸Ｒとの間の距離に対応し、ＸおよびＹ座標は、ここで問題になっている断面を備える平面内の、この断面を形成する点の座標に対応し、Ｘ軸は、ターボ機械の回転軸Ｒと平行であり、Ｘの値はターボ機械の気体流の方向に増大してゆき、Ｘ軸の始点はＺ軸との交差点に位置付けられ、Ｙ軸は、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）基準座標系が直交座標系となるようなものであることが注目に値する案内羽根に関する。
【００１１】
本発明の一実施形態によると、各半径方向断面は、図５に示すそのＸおよびＹの直交座標による重心を有する。
【００１２】
各半径方向断面は前縁部と後縁部とを有し、直接角度の値は、前縁部を後縁部に接合させる直線によって形成され、Ｙ軸は図７に示す曲線をたどることが好ましい。
【００１３】
本発明はさらに、内側シュラウドと、外側シュラウドと、少なくとも１つのそのような羽根とを備える案内羽根の環状体セクタに関する。本発明はまた、少なくとも１つのそのような案内羽根の環状体セクタが設けられた圧縮段階、圧縮機およびターボ機械にも関する。
【００１４】
一例としてここに掲げる、限定することを意味しない、好ましい実施形態についての以下の記述を踏まえ、添付図面を参照すれば、本発明がより充分に理解され、本発明の他の利点がよりはっきりと明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、既に述べたが、上流から見た、複数の案内羽根２を備える案内羽根の環状体セクタ１を示す。
【００１６】
図２は、低圧圧縮機１０１、高圧圧縮機１０２、低圧タービン１０４、高圧タービン１０５、および燃焼室１０６を備えるターボ機械１００、例えば航空機ターボジェットエンジンの全体図を横断面で示す。
【００１７】
図３は、ターボ機械の回転軸Ｒを含む平面による横断面で見た、本発明による案内羽根の環状体セクタを示す。
【００１８】
案内羽根２は、半径方向外側部１０と半径方向内側部２ａとから作られている。羽根の先端とも呼ばれる半径方向外側部１０は、接合部２ｂと中間部２ｃとから作られている。
【００１９】
案内羽根２は、その半径方向外側部１０を介して、より正確にはその接合部２ｂによって外側シュラウド４に半径方向に組み込まれている。本明細書で図示している実施例では、半径方向外側部１０は円筒体であり、その直線母線は案内羽根２の重ね付け軸Ｅと平行である。表面２０２は、案内羽根の半径方向内側部２ａと半径方向外側部１０との境界に相当する。
【００２０】
案内羽根２と外側シュラウド４はロウ付けによって組み立てられ、ロウ付け接合部は、外側シュラウド４と案内羽根の接合部２ｂとの間で作り出される。後縁部７の曲率半径が、例えば０．２ｍｍなどのように極めて小さい場合、圧力側のロウ付け接合部に局部的な過大応力がＴＥに向かって出現し、亀裂の原因となる場合がある。この起こり得る過大応力が位置付けられる区域は、２０によって確認される区域に該当する。この区域では、ロウ付け接合部および羽根の機械的強度の要件を満たすように、特別な構成のブレード形状が作り出されている。
【００２１】
図４は、本発明による案内羽根２の区域２０の加圧面側の詳細図を示す。
【００２２】
羽根２の半径方向内側部２ａが有する、加圧面８を負圧面９に接合するＴＥの曲率半径７ａは、内側シュラウド３から切削面２０２まで事実上一定である。
【００２３】
これを越えると、ＴＥの曲率半径７ｃは変化する。この曲率半径は、曲率半径７ａと同じ値から、曲率半径７ａの値の３倍と等しい場合もある値まで増大し、その値は最大限の値であり、それを超えると過大応力のレベルおよび位置に対する影響はもはや意味を成さなくなる。
【００２４】
さらに、ＴＥの曲率半径が増大すると羽根の厚みも増大する。この増大は、羽根の全弦長にわたって起こることもあるが、一般的には羽根の下流部の厚みだけが増大する。弦長は、所与の半径方向断面について、羽根の前縁部を後縁部に接合する線の長さである。厚みが増加する部分が、最大で、ここで問題となっている半径方向断面の弦長の３分の１であることが好ましい。この半径方向断面の厚みの増大は漸進的であって、形状の凹凸または隆起が、加圧面全体にわたる空気流を妨害しないようになる。
【００２５】
最後に接合部２ｂでは、ＴＥの半径曲率は、中間部２ｃの曲率半径と同一である。
【００２６】
本発明に対応する羽根の形状を画定し、上述の様々な要件、即ち空気流方向付けの品質と機械的完全さとの要件を満たすには、ただ一組の最適な幾何学的軌跡しか存在しない。この一組の幾何学的軌跡は、空気力学的計算と機械的計算との間を行き来して行う反復によって決定され、これが内側シュラウド３と外側シュラウド４との間の羽根２の全体形状を画定する。
【００２７】
この一組の幾何学的軌跡は、ターボ機械の回転軸Ｒに対して様々な高さでとられた、羽根２の重ね付け軸Ｅに直交する半径方向断面の形態で表される。各半径方向断面それ自体は、その重心Ｇと一組の９９の点とによって画定される。各半径方向断面の重心および各点は、直交基準座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で与えられるそれらのＸ座標とＹ座標によって確認される。様々な半径方向断面のそれぞれに対して、重心の直交座標を図５に示し、それらの点の直交座標を表１の下に示す。Ｘ、Ｙ、およびＺ座標の値をミリメートルで示す。
【００２８】
基準座標系のＺ軸は羽根２の重ね付け軸Ｅに対応し、Ｚ座標の値は、回転軸Ｒから離れると増大してゆき、その始点は、回転軸Ｒとの交差点に位置付けられる。Ｘ軸は回転軸Ｒと平行であり、Ｘの値はターボ機械の下流端に向かって増大してゆき、その始点は、Ｚ軸、即ち重ね付け軸Ｅとの交差点に位置付けられる。Ｙ軸の方向および位置は、基準座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が直交基準系であるという事実から必然的に得られ、Ｙ軸の始点は重ね付け軸Ｅとの交差点に位置付けられる。
【００２９】
図５は、羽根２を画定するＺの各値について、対応する半径方向断面の重心の座標ＸＧとＹＧを示すグラフである。このグラフは２つの曲線、つまり重心の座標ＸＧの値に対応する左の曲線と、座標ＹＧの値に対応する右の曲線とを備える。
【表１】
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【００３０】
羽根２の他の重要な幾何形状的特徴はその設定角度である。図６に示すように、設定角度αは、所与の半径方向断面について、即ち所与のＺの値について、Ｙ軸と羽根の弦Ｃによって形成される直接角度に対応する。図７のグラフは、羽根２の一組のＺ構成値に対して、設定角度αの変化を示す。この設定角度は、ターボ機械の上流から来る空気の流れが羽根２にぶつかる角度を画定し、したがって空気流れの方向付けの品質に直接の影響を及ぼす。
【００３１】
所与の半径方向断面の一組の点の座標から始めて、この断面は、これらの点同士を、一緒にリンクされた弧によって滑らかで連続的な形に接合することによって、その用語の数学的な意味の範囲内で再構築することができる。各半径方向断面が再構築された後は、羽根２を同じやり方で、様々な断面を滑らかで連続的な形で一緒に接合することによって得ることができる。このように得られた輪郭は、周囲温度および圧力の条件下にあり、力を受けない羽根に相当する。さらにこの再構築された輪郭は、可能性のある塗膜の存在を考慮に入れていない。この輪郭は、全体寸法が公称寸法である羽根２に相当する。したがって製造上の許容誤差、即ち±０．１０ｍｍを考慮に入れる必要があり、これは、表１に示すＸおよびＹ座標に加えられ、またはそこから差し引かれる。これらの許容誤差を考慮に入れることによって、再構築された輪郭を取り囲む、一方が外側、他方が内側の２つの包絡線を画定することができる。これらの２つの包絡線は、羽根２の実際に測定された構成点と公称輪郭の点との間の可能な変化範囲を提示している。羽根２の測定輪郭がこれらの２つの包絡線内にある限り、羽根の機械的および空気力学的特徴に対する、幾何輪郭の変化による悪影響は起こらない。
【００３２】
表１に規定する公称空気力学的輪郭は、本発明の好ましい実施形態に相当する。本実施形態では、全体高さ６７ｍｍを有する羽根が、高さＺ＝３５０．２３ｍｍとＺ＝４１７．５７ｍｍとの間に延在する。設定角度αは４８．６°から６１．１°の間である。半径方向内側部２ａの後縁部の曲率半径は０．２ｍｍ前後であって、接合部２ｂで０．５ｍｍに達する。区域２０では、加圧面側のＴＥに向かう羽根の厚みは、羽根の弦Ｃの３分の１にわたって、２．３ｍｍ分、即ち高さの約３．４％分増大される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】上流から見た、従来技術による案内羽根の環状体セクタの斜視図である。
【図２】ターボ機械、より詳しくは航空機ターボジェットエンジンの概略断面図である。
【図３】本発明による、ターボ機械の回転軸Ｒを含む平面の案内羽根の環状体セクタの断面図である。
【図４】加圧面から見た、本発明による案内羽根アセンブリの詳細図である。
【図５】本発明による羽根の様々な半径方向構成断面の重心の座標ＸＧとＹＧを表す二次元のグラフである。
【図６】（Ｘ、Ｙ、Ｚ）基準座標系に配置された、本発明による羽根のＡ−Ａ軸に沿った半径方向断面の上面図である。
【図７】羽根の様々な半径方向構成断面についての、本発明による羽根の角度の設定値を表す二次元のグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  環状体セクタ
２  案内羽根
２ａ  半径方向内側部
２ｂ  接合部
２ｃ  中間部
３  内側シュラウド
４  外側シュラウド
６  前縁部
７  後縁部
７ａ、７ｃ  曲率半径
８  加圧面
９  負圧面
１０  半径方向外側部
２０  過大応力が位置付けられる区域
１００  ターボ機械
１０１  低圧圧縮機
１０２  高圧圧縮機
１０４  低圧タービン
１０５  高圧タービン
１０６  燃焼室
２０２  切削面
【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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【外国語明細書】
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