(57)【要約】  エアロフォイル本体と、エアロフォイル本体を負圧面から正圧面まで貫通する穴とを有するターボ機械用ロータブレードを提供する。この穴は、レーシングワイヤを受け入れるのに適している。ブレードは、負圧面又は正圧面からの突出部をさらに有する。この突出部は、穴の下流側から下流方向に延在し、及び／又は穴の上流側から上流方向に延在し、それにより、穴に隣接するエアロフォイル本体を局所的に肉厚化するように負圧面又は正圧面を乱す。ブレードの径方向外側の方向における突出部の最大径方向範囲は、穴の外側と径方向に接しており、ブレードの径方向内側の方向における突出部の最大径方向範囲は、穴の内側と径方向に接している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロフォイル本体と、該エアロフォイル本体を負圧面からその正圧面まで貫通する、レーシングワイヤを受容するのに適した穴とを有するターボ機械ロータブレードであって、
該負圧面又は該正圧面からの突出部が該穴の下流側から下流方向に延在し及び／又は該穴の上流側から上流方向に延在し、該突出部は、該穴に隣接する該エアロフォイル本体を局所的に厚くするように該負圧面又は該正圧面を乱し、該ブレードの径方向外向きの該突出部の最大径方向範囲は、該穴の外側に径方向に隣接しており、該ブレードの径方向内向きの該突出部の最大径方向範囲は、該穴の内側と径方向に隣接している、ターボ機械ロータブレード。
【請求項２】
前記突出部は、前記穴から前記下流方向に延在し、前記突出部によって生じる肉厚部は、前記穴から下流方向に離れるにつれて減少する、請求項１に記載のブレード。
【請求項３】
前記突出部は、前記穴から前記上流方向に延在し、前記突出部によって生じる前記肉厚部は、前記穴から上流方向に離れるにつれて減少する、請求項１又は２に記載のブレード。
【請求項４】
前記ブレードの径方向における前記突出部の幅は、前記穴から下流側に離れるにつれて減少する、請求項１〜３のいずれかに記載のブレード。
【請求項５】
前記突出部は、ブレードの径方向に測定したときに前記穴の直径の４倍未満の距離だけ、穴の下流側から下流方向に延在する、請求項１〜４のいずれかに記載のブレード。
【請求項６】
前記突出部は、ブレードの径方向に測定したときに前記穴の直径の４倍未満の距離だけ前記穴の上流側から上流方向に延在する、請求項１〜５のいずれかに記載のブレード。
【請求項７】
隣接する乱されていないエアロフォイル表面よりも上の突出部の最大高さが前記ブレードの径方向で測定したときに前記穴の直径の半分未満である、請求項１〜６のいずれかに記載のブレード。
【請求項８】
前記ブレードが負圧面からの突出部と正圧面からの突出部とを有する、請求項１〜７のいずれかに記載のブレード。
【請求項９】
前記ブレードがタービンロータブレード又は圧縮機ロータブレードである、請求項１〜８のいずれかに記載のブレード。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載のブレードの列を有し、かつ、前記ブレードの前記穴に受容されたレーシングワイヤをさらに有するロータ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のロータを有するターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ターボ機械ロータブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
高パルス化ガス流で動作するタービンは、その耐久性を確保するために追加のダンピング／剛性を必要とすることがある。この追加のダンピング／剛性は、タービンブレード内の穴にレーシングワイヤを挿入してそれらを互いに結びつけ、動作中にそれらを支持することによって得ることができる。
【０００３】
しかしながら、作動中に、レーシングワイヤはブレードに応力を生じさせる慣性負荷を加える。これらの応力が過大になるのを防ぐために、各ブレードの穴の周りにボスを追加することができる。
【０００４】
ボスは、ワイヤの慣性負荷によってブレードに生じる応力を低減する、ブレードのエアロフォイルの局所的な肉厚部分である。例えば、図１は、レーシングワイヤ３がブレードのエアロフォイル本体７の穴５に挿入された、隣接する産業用ターボチャージャタービンブレード１を示す。ボス９が各穴を囲み、かつ、ワイヤを支持する。
【０００５】
ボスはブレード内の応力を低減させるものの、エアロフォイル本体にわたるガス流の流れを乱すため、ブレードの効率を低下させる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
一般的に、本発明は空気力学的性能が改善されたロータブレードを提供する。
【０００７】
したがって、第１の態様では、本発明は、エアロフォイル本体と、該エアロフォイル本体を負圧面からその正圧面まで貫通する、レーシングワイヤを受容するのに適した穴とを有するターボ機械ロータブレードであって、
該負圧面又は該正圧面からの突出部が該穴の下流側から下流方向に延在し及び／又は該穴の上流側から上流方向に延在し、該突出部は、該穴に隣接する該エアロフォイル本体を局所的に厚くするように該負圧面又は該正圧面を乱し、該ブレードの径方向外向きの該突出部の最大径方向範囲は、該穴の外側に径方向に隣接しており、該ブレードの径方向内向きの該突出部の最大径方向範囲は、該穴の内側と径方向に隣接しているターボ機械ロータブレードを提供する。
【０００８】
従来のブレードのボスによるガス流の最大破壊は、典型的には、穴の内側及び外側の局所的な肉厚部分によって生じる。これに対し、穴の下流の肉厚部分は、ワイヤの空気力学的ウェーク内に位置するため、ボスの残りの部分よりもエアロフォイルの空気力学に及ぼす悪影響が少ない。同様に、穴の上流の肉厚部分は、空気力学的ウェーク内にはないが、ワイヤに近づく流れの流線がワイヤ上で滞留する又はその周囲で逸れる場所にあるため、これも有害な空気力学的影響が小さい。さらに、空気速度が高いブレードの吸引側での肉厚化は、ブレードの圧力側での肉厚化よりも有害な影響を及ぼしやすい。
【０００９】
レーシングワイヤによるブレードの慣性負荷は、ブレードの応力を穴の上流側及び下流側の位置で増加させることが分かっている。しかし、突出部を穴の下流側及び／又は上流側に含めることによって、このような応力を低減することができ、ブレードを穴の内側又は外側で肉厚化する必要がなくなる。
【００１０】
したがって、本発明のブレードでは、突出部の最大径方向範囲は、穴の外側及び内側を越えない、すなわち、外側及び内側を越えてエアロフォイル本体が局所的に肉厚化されない。有利には、ブレードのエアロフォイル部分にわたって流れるガス流の破壊が低減でき、それによってブレードの効率が改善できる。
【００１１】
第２の態様では、本発明は、第１の態様に係るブレードの列を有し、かつ、ブレードの穴に受容されたレーシングワイヤをさらに有するロータを提供する。
【００１２】
本発明の別の態様は、第２の態様のロータを有するターボチャージャを提供する。
【００１３】
本発明の別の態様は、第２の態様のロータを有するガスタービンエンジン、第２の態様のロータを有する蒸気タービン、及び第２の態様のロータを有する水タービンをそれぞれ提供する。
【００１４】
ここで、本発明の任意の特徴を説明する。これらは単独で又は本発明の任意の態様との任意の組み合わせで適用可能である。
【００１５】
突出部は、穴から下流方向にのみ延在することができる、すなわち穴の上流側から上流方向には延在することができない。したがって、負圧面及び正圧面は、穴の上流側に隣接するエアロフォイル表面を乱すことがない、すなわち上流側においてエアロフォイル本体の局所的な肉厚部分がない。一般に、ガス流のさらに大きな破壊量（ただし依然として小さい）は、穴の下流にある局所的な肉厚部分よりも、孔の上流にある局所的な肉厚部分によって生じる。
【００１６】
穴から下流方向に延在する突出部について、この突出部によって生じる肉厚部分は、穴から下流方向に離れるにつれて減少することができる。同様に、穴から上流方向に延在する突出部について、この突出部によって生じる肉厚部分は、穴からの上流方向に離れるにつれて減少することができる。
【００１７】
ブレードの径方向における突出部の幅は、穴から下流方向に離れるにつれて減少することができる。
【００１８】
突出部は、ブレードの径方向に測定したときに穴の直径の４倍未満の距離だけ、穴の下流側から下流方向に延在することができる。好ましくは、突出部は、ブレードの径方向に測定したときに穴の直径の２倍未満の距離だけ延在することができる。しかしながら、突出部は、ブレードの径方向に測定したときに穴の直径の４分の１を超える距離にわたって延在することができる。好ましくは、突出部は、ブレードの径方向に測定したときに穴の直径の２分の１を超える距離にわたって延在することができる。
【００１９】
同様に、突出部は、ブレードの径方向に測定したときに穴の直径の４倍未満（好ましくは２倍未満）の距離だけ及び／又はブレードの径方向に測定したときに穴の直径の１／４（好ましくは１／２）を超える距離にわたって、穴の上流側から上流方向に延在することができる。
【００２０】
隣接する乱されていないエアロフォイル表面よりも上の突出部の最大高さは、ブレードの径方向で測定したときに穴の直径の半分未満とすることができる。好ましくは、最大高さは、ブレードの径方向で測定したときに穴の直径の１／４未満とすることができる。しかし、最大高さは、ブレードの径方向で測定したときに穴の直径の１／１６を超えることができる。好ましくは、最大高さは、ブレードの径方向で測定したときに穴の直径の１／８を超えることができる。
【００２１】
ブレードは、負圧面からの突出部と、正圧面からの突出部とを有することができる。
【００２２】
ブレードは、タービンロータブレード又は圧縮機ロータブレードとすることができる。
【００２３】
本発明の実施形態を、添付の図面を参照して例示として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、レーシングワイヤを有する隣接するタービンブレードを示す。
【図２】図２は、（ａ）圧力側から見たブレードの列及び（ｂ）吸引側から見たブレードの１つの拡大図を概略的に示す。
【図３】図３は、図２のブレードの穴での典型的なレーシングワイヤ慣性負荷の有限要素モデル化による（ａ）圧力側及び（ｂ）吸引側算出歪み輪郭を示す。
【図４】図４は、突出部のない従来のブレードの穴での同様のレーシングワイヤ慣性負荷の有限要素モデル化による（ａ）圧力側及び（ｂ）吸引側算出歪み輪郭を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
詳細な説明及びさらなる任意的特徴
図２は、（ａ）圧力側から見た軸流ターボチャージャタービンロータ用ブレードの列、及び（ｂ）吸引側から見たブレードの１つの拡大図を概略的に示す。各ブレード１１は、正圧面１５と負圧面１７とを備えるエアロフォイル本体１３を有する。負圧面から正圧面までエアロフォイル本体１３を穴１９が貫通し、それによって、この穴にレーシングワイヤを通してブレードを隣接するブレードに連結することができる。
【００２６】
ブレード１１は、正圧面１５からの突出部２１と、負圧面１７からの別の同様の突出部２１とを有する。これらの突出部は、エアロフォイル本体の局部的な肉厚部分であり、穴の下流側から下流方向に延在している。有利には、これらの局部的な肉厚部分は、ブレードと穴１９を通して挿入されたワイヤとの接触面積を増加させ、ワイヤの慣性負荷によってブレードに生じる応力を減少させる。ここには示されていないが、別の選択肢は、ブレードの圧力側又は吸引側のいずれかからの単一の突出部を有することである。
【００２７】
各突出部２１は、ブレードの径方向で測定したときに穴１９の直径の４倍未満の距離、より好ましくは該直径の２倍未満の距離だけ下流に延在する。しかしながら、各突出部は、該直径の４分の１を超える、好ましくは該直径の２分の１を超える距離にわたって延在する。
【００２８】
ブレード１１の径方向における各突出部２１の幅と、各表面１５、１７よりも上の各突出部の高さとの両方は、穴１９から下流側に離れるにつれて減少する。隣接する乱されていないエアロフォイル表面の上にある各突出部の最大高さは、ブレードの径方向で測定されたときに穴の直径の半分未満（好ましくは直径の１／４未満）であるが、該直径の１６／１を超える（好ましくは１／８を超える）。
【００２９】
穴１９に隣接する正圧面１５及び負圧面１７は、上流側、内側及び外側方向に乱されていないエアロフォイル表面を有する、すなわち、穴の上流側から上流方向には、穴の内側から径方向内側に向かって又は穴の外側から径方向外側に向かって肉厚部分はない。したがって、有利には、突出部２１は、使用時に穴１９を通して挿入されたレーシングワイヤのウェーク内に着座するため、エアロフォイル表面１５、１７を横切って流れるガス流の破壊を低減する。このようにして、ブレード１１の空気力学的性能を改善することができる。
【００３０】
図３は、図２のブレードの穴での典型的なレーシングワイヤ慣性負荷の有限要素モデリングによる（ａ）圧力側及び（ｂ）吸引側の算出歪み輪郭を示し、また、比較のために、図４は、突出部のない従来のブレードの穴での同様のレーシングワイヤ慣性負荷の有限要素モデルによる（ａ）圧力側及び（ｂ）吸引側算出歪み輪郭を示す。凸部を有しないブレードと比較すると、突出部２１は、穴の下流側で、ブレードが受ける歪みパターンを有効に変更し、かつ、最大歪みを低減することができる。さらに、突出部は、穴の下流側の最大歪み点を吸引側の位置から穴内の損傷の少ない位置まで変位させることができる。これらの効果は両方とも、ブレードの疲労寿命を延ばすことができる。
【００３１】
本発明を上記例示実施形態に関連して説明してきたが、この開示が与えられときに、当業者であれば多くの均等な修正及び変形が明らかであろう。例えば、図面には示されていないが、ブレードの疲労寿命をさらに増大させるために、各突出部は、穴の上流側から上流方向に同様の態様で延在していてもよい。穴の上流では突出部はレーシングワイヤのウェーク内にはないが、この位置でワイヤに近づく流れの流線はワイヤ上で停滞し又はその周囲でそれる。実際、それほど好ましくはないが、各突出部は、下流方向の代わりに上流方向に延在してもよい。さらに、本発明は、タービン用途に限定されず、他の用途に使用してもよい。例えば、ブレードは、ガスタービンエンジンの低圧軸流圧縮機に使用することができる。さらに、本発明は、軸流装置に限定されず、他の装置で使用することもできる。例えば、本発明に係るロータブレードは、ターボチャージャ内の水タービン又は半径流タービンなどの径方向又は混合流れ装置に使用することができる。したがって、上記本発明の代表的な実施形態は例示的なものであって限定的なものではないとみなされる。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対する様々な変更をなすことができる。
【符号の説明】
【００３２】
１１  ブレード
１５  正圧面
１７  負圧面
１９  穴
２１  突出部
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【国際調査報告】
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