(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンエンジンの空力要素を提供する。【解決手段】タービンエンジンの空力要素は、タービンエンジンを貫通して画定された通路１４を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁２１および後縁２２と、前縁２１から後縁２２まで対向して延在する吸引側２３および圧力側２４と、吸引側２３の前縁２１に近接する少なくとも第１および第２の輪郭フィーチャ３２，３３とを含む。第１および第２の輪郭フィーチャ３２，３３は、空力要素のスパン方向寸法に沿って実質的に整列する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンの空力要素であって、
前記タービンエンジンを貫通して画定された通路を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁および後縁と、
前記前縁から前記後縁まで対向して延在する吸引側および圧力側と、
前記吸引側の前記前縁に近接する少なくとも第１および第２の輪郭フィーチャとを備え、
前記第１および第２の輪郭フィーチャは、前記空力要素のスパン方向寸法に沿って実質的に整列するタービンエンジンの空力要素。
【請求項２】
前記第１および第２の輪郭フィーチャのそれぞれは、突出部または窪みの一方を備える請求項１記載のタービンエンジンの空力要素。
【請求項３】
前記第１および第２の輪郭フィーチャのそれぞれは、涙滴形状を備える請求項１記載のタービンエンジンの空力要素。
【請求項４】
各涙滴状輪郭フィーチャは、球状前端および狭細化テール端を備える請求項３記載のタービンエンジンの空力要素。
【請求項５】
前記球状前端は凸形状を有し、前記狭細化テール端は凹形状を有する請求項４記載のタービンエンジンの空力要素。
【請求項６】
前記第１および第２の輪郭フィーチャのそれぞれは、実質的に同じ形状を有する請求項１記載のタービンエンジンの空力要素。
【請求項７】
貫通して通路が画定されるタービンエンジンであって、
前記通路を横断するように配設された空力要素であって、前記通路を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁および後縁、ならびに、前記前縁から前記後縁まで対向して延在する吸引側および圧力側を含む、空力要素と、
前記前縁に近接し、かつ、前記吸引側で互いに近接する少なくとも第１および第２の輪郭フィーチャとを備え、
前記第１および第２の輪郭フィーチャは、前記空力要素のスパン方向寸法に沿って実質的に整列して、前記吸引側に沿う主流方向に対して実質的に垂直に配向された逆回転渦流生成を促進するタービンエンジン。
【請求項８】
前記第１および第２の輪郭フィーチャのそれぞれは、突出部または窪みの一方を備える請求項７記載のタービンエンジン。
【請求項９】
前記第１および第２の輪郭フィーチャのそれぞれは、涙滴形状を備える請求項７記載のタービンエンジン。
【請求項１０】
各涙滴状輪郭フィーチャは、球状前端および狭細化テール端を備える請求項９記載のタービンエンジン。
【請求項１１】
前記球状前端は凸形状を有し、前記狭細化テール端は凹形状を有する請求項１０記載のタービンエンジン。
【請求項１２】
前記第１および第２の輪郭フィーチャのそれぞれは、実質的に同じ形状を有する請求項７記載のタービンエンジン。
【請求項１３】
貫通して通路が画定されるタービンエンジンであって、
前記通路を横断するように配設された空力要素であって、前記通路を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁および後縁、ならびに、前記前縁から前記後縁まで対向して延在する吸引側および圧力側を含む、空力要素と、
前記前縁に近接し、かつ、前記吸引側で互いに近接して配列された輪郭フィーチャとを備え、
前記輪郭フィーチャのそれぞれは、前記空力要素のスパン方向寸法に沿って隣接する輪郭フィーチャに実質的に整列して、前記吸引側に沿う主流方向に対して実質的に垂直に配向された逆回転渦流生成を促進するタービンエンジン。
【請求項１４】
前記輪郭フィーチャのそれぞれは、突出部を備える請求項１３記載のタービンエンジン。
【請求項１５】
前記輪郭フィーチャのそれぞれは、涙滴形状を備える請求項１３記載のタービンエンジン。
【請求項１６】
前記涙滴状輪郭フィーチャのそれぞれは、球状前端および狭細化テール端を備える請求項１５記載のタービンエンジン。
【請求項１７】
前記球状前端は凸形状を有し、前記狭細化テール端は凹形状を有する請求項１６記載のタービンエンジン。
【請求項１８】
前記輪郭フィーチャのそれぞれは、窪みを備える請求項１５記載のタービンエンジン。
【請求項１９】
前記輪郭フィーチャのそれぞれは、前記輪郭フィーチャの別の輪郭フィーチャと実質的に同じ形状を有する請求項１５記載のタービンエンジン。
【請求項２０】
前記輪郭フィーチャのそれぞれの形状またはサイズは、前記空力要素のスパンに沿って常に変動する請求項１５記載のタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、境界層はがれの遅れ（ｄｅｌａｙｅｄ  ｆｌｏｗ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）をもたらすように構成された空力要素を有するタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンなどの典型的なターボ機械は、圧縮機、燃焼器、タービン、およびディフューザを含む。圧縮機は流入空気を圧縮し、燃焼器は、圧縮された流入空気を燃料と共に燃焼させる。この燃焼の高エネルギー生成物は、タービンに向かって送られ、タービンで、高エネルギー生成物が発電運転において膨張される。ディフューザは、タービンから下流に配設され、燃焼生成物が大気に排出される前に、燃焼生成物の残りのエネルギーを減少させるのに役立つ。
【０００３】
一般に、ディフューザは、外壁と、環状通路を画定するために外壁内に配設された中央本体と、環状通路を横断する１つまたは複数のベーンとを含む。ベースラインターボ機械運転中、ディフューザを通して流れる燃焼生成物の速度は、十分に高く、１つまたは複数のベーンの表面からの境界層はがれは示されない。しかし、ガスタービンエンジンスタートアップまたはターンダウンシーケンスなどの部分負荷運転において、燃焼生成物速度が減少するか、または、高迎角条件が有効になり、境界層はがれが起こる傾向がある。この境界層はがれは、ディフューザの性能の低下をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００１８０２１号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様によれば、タービンエンジンの空力要素が提供され、タービンエンジンの空力要素は、タービンエンジンを貫通して画定された通路を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁および後縁と、前縁から後縁まで対向して延在する吸引側および圧力側と、吸引側の前縁に近接する少なくとも第１および第２の輪郭フィーチャとを含む。第１および第２の輪郭フィーチャは、空力要素のスパン方向寸法に沿って実質的に整列する。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、貫通して通路が画定されるタービンエンジンが提供され、タービンエンジンは、通路を横断するように配設された空力要素であって、通路を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁および後縁、ならびに、前縁から後縁まで対向して延在する吸引側および圧力側を含む、空力要素と、前縁に近接し、かつ、吸引側で互いに近接する少なくとも第１および第２の輪郭フィーチャとを含む。第１および第２の輪郭フィーチャは、空力要素のスパン方向寸法に沿って実質的に整列して、吸引側に沿う主流方向に対して実質的に垂直に配向された逆回転渦流生成を促進する。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、貫通して通路が画定されるタービンエンジンが提供され、タービンエンジンは、通路を横断するように配設された空力要素であって、通路を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁および後縁、ならびに、前縁から後縁まで対向して延在する吸引側および圧力側を含む、空力要素と、前縁に近接し、かつ、吸引側で互いに近接して配列された輪郭フィーチャとを含む。輪郭フィーチャのそれぞれは、空力要素のスパン方向寸法に沿って隣接する輪郭フィーチャに実質的に整列して、吸引側に沿う主流方向に対して実質的に垂直に配向された逆回転渦流生成を促進する。
【０００８】
これらのまた他の利点および特徴は、図面に関連して考えられる以下の説明からより明らかになるであろう。
【０００９】
本発明とみなされる主題は、本明細書の終りの特許請求の範囲において特に指摘され明確に請求される。本発明の先のまた他の特徴および利点は、添付図面に関連して考えられる以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】空力要素を含むタービンエンジンの一部分の側面図である。
【図２】ベースライン運転中の図１の空力要素の径方向図である。
【図３】部分負荷運転中の図１の空力要素の径方向図である。
【図４】図１の空力要素の吸引側の拡大図である。
【図５】さらなる実施形態による図１の空力要素の径方向図である。
【図６】代替の実施形態による図１の空力要素の径方向図である。
【図７】さらなる実施形態による空力要素を含むタービンエンジンのディフューザの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明は、図面を参照して、例として、利点および特徴と共に本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
本発明の態様によれば、ターボ機械の１つまたは複数の部分における境界層はがれの遅れは、たとえばエーロフォイルまたはベーンの低圧表面（すなわち、吸引側）に沿う逆回転渦流の生成によって実現される。境界層はがれの遅れは、ターボ機械のターンダウン運転に伴う比較的高い迎角条件中に特に有用である。境界層はがれの遅れは、エーロフォイルまたはベーンの低圧表面に対する、バンプ、突出部、または窪みなどの輪郭の付加によって容易にされ、その輪郭は、接線方向逆回転渦流構造が、作動流体のターボ機械を通る主流方向に対して垂直に画定されたラインに沿って形成することを促進する。
【００１３】
図１〜図４を参照して、ガスタービンエンジンなどのターボ機械１０の１つまたは複数の部分が設けられる。例として、ターボ機械１０の部分は、ディフューザセクション１１（図７参照）とすることができ、ディフューザセクション１１は、タービンセクションから下流に配設されて、燃焼生成物が大気に排出される前に、タービンセクションを出る燃焼生成物の残りのエネルギーを減少させる。ディフューザセクション１１は、ディフューザケーシングなどの環状外壁１２、および、中央本体の外側表面として設けることができる環状内壁１３を含む。環状内壁１３は、環状外壁１２内に配設されて、燃焼生成物などの作動流体が、そこを通って送られることができる環状通路１４を画定する（図７参照）。
【００１４】
ディフューザセクション１１は、ディフューザベーンなどの空力要素２０をさらに含み、空力要素２０は、環状通路１４を横断するように配設され、それにより、作動流体と空力に相互作用する。空力要素２０は、通路１４を通る作動流体の流れの所定の方向に対して画定された前縁２１および前縁２１から、空力要素２０の対向する翼弦端に画定された後縁２２を含む。空力要素２０は、空力要素２０の対向する側に配設され、かつ、前縁２１から後縁２２までそれぞれ延在する吸引側２３および圧力側２４をさらに含む。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、個々の輪郭フィーチャ３１を含む輪郭フィーチャのアレイ３０は、空力要素２０の前縁２１に近接する翼弦場所で吸引側２３に設けられる。それぞれの個々の輪郭フィーチャ３１は、別の（すなわち、隣接する）個々の輪郭フィーチャ３１に比較的接近して配設される。輪郭フィーチャのアレイ３０は、少なくとも第１の輪郭フィーチャ３２および第２の輪郭フィーチャ３３、また場合によっては、さらなる輪郭フィーチャ３４を含む。明確かつ簡潔にするために、以下の記述は、上述した輪郭フィーチャを含む複数の輪郭フィーチャ３５を単に述べる。
【００１６】
複数の輪郭フィーチャ３５のそれぞれの１つの輪郭フィーチャは、空力要素２０のスパン方向寸法ＤＳに沿って複数の輪郭フィーチャ３５の隣接する１つの輪郭フィーチャに実質的に整列する。この整列、および、以下で述べることになる複数の輪郭フィーチャ３５の形状は、主流方向５０（図４参照）でターボ機械１０を通る実質的に真っすぐな経路に沿って進む作動流体のベース流に対して、吸引側２３に沿って接線方向逆回転渦流４０（図４参照）の生成を促進する。複数の輪郭フィーチャ３５の形状により、逆回転渦流４０は、作動流体の主流方向５０に関して実質的に垂直に配向することができる。そのため、逆回転渦流４０は、結合して、吸引側２３に沿う同伴されかつエネルギー付加された流れ６０の増大ジェットを生成する。同伴されかつエネルギー付加された流れ６０（図４参照）は、吸引側２３に沿う境界層の安定性を維持し、それにより、高迎角流入状態中に存在するような、ある用途において吸引側２３からの境界層はがれを遅らせるかまたは防止する。
【００１７】
図４に示すように、逆回転渦流４０は、同伴されかつエネルギー付加された流れ６０の各増大ジェットの両側に画定される。種々のまた離散的な軸方向位置において、逆回転渦流４０は、流れ渦の対として提供される。それぞれの個々の流れ渦内で、作動流体は、楕円パターンで、対応する輪郭フィーチャ３５の中心線に向かい、次に、中心線から離れるように流れる。流れ渦の対は、後方の軸方向に伝播するかまたは離散的な軸方向位置で固定することができる。
【００１８】
図２および図３を参照して、単一の空力要素２０および作動流体２００の流れが、図例によりベースラインまたは設計点条件を反映すると仮定して示される。図示するように、作動流体２００の流れは、前縁２１に対して比較的低い迎角を有し、したがって、作動流体２００の流れは、比較的安定した境界層２０１によって、空力要素２０の周りに流れる。たとえばターボ機械１０のターンダウン運転に関連する部分負荷条件中に、作動流体２００の流れは、図３に示すように比較的高い迎角を有する傾向があることになる。通常、これは、境界層２０１を不安定化し、境界層はがれをもたらす傾向があることになるが、吸引側２３が複数の輪郭フィーチャ３５を備えるため、境界層２０１は、比較的安定のままである。複数の輪郭フィーチャ３５の存在は、図２に示す場合に、空力要素２０の周りの作動流体２００の流れに実質的に影響を及ぼさない。
【００１９】
複数の輪郭フィーチャ３５のそれぞれの１つの輪郭フィーチャは、前縁２１に近接する翼弦場所で空力要素２０の吸引側２３に配設される突出部７０を含むことができる。図４に示すように、また、実施形態によれば、複数の輪郭フィーチャ３５のそれぞれの１つの輪郭フィーチャは、球状の凸状前端７１０および狭細化された凹状テール端７１１を有する、実質的に同じ涙滴形状７１を有することができる。これらの場合について、複数の輪郭フィーチャ３５のそれぞれの１つの輪郭フィーチャが、複数の輪郭フィーチャ３５の別の１つの輪郭フィーチャと実質的に同じ形状を有する場合、涙滴形状７１は、近づく流れ７２に、突出部７０の表面を覆って広がらせ、それにより、隣接する突出部７０の間で収束流７３の対を生成する。隣接する突出部７０は互いに十分に近いため、収束流７３の対は、互いにまた周囲の流れと相互作用して、逆回転渦流４０を生成し、逆回転渦流４０は、吸引側２３に沿って伝播し、それにより、吸引側２３に沿って同伴されかつエネルギー付加された流れ６０の増大ジェットを生成する。
【００２０】
図１〜４は、複数の輪郭フィーチャ３５のそれぞれの１つの輪郭フィーチャが同じ形状を有する実施形態に関連するが、これは単に例示的であること、および、他の実施形態が存在することが理解されるべきである。たとえば、図５を参照して、複数の輪郭フィーチャ３５の個々の輪郭フィーチャ３１は、空力要素２０のスパン方向寸法ＤＳに沿って常に変動する形状またはサイズを有することができる。これは、図５において、空力要素２０の常に増加する各スパン方向場所で独自のサイズを有する個々の輪郭フィーチャ３１を識別する、それぞれの点線、破線、または実線で示される。
【００２１】
図６を参照して、また、代替の実施形態によって、複数の輪郭フィーチャ３５のそれぞれの１つの輪郭フィーチャは、吸引側２３で画定された窪み８０として形成することができる。これらの代替の実施形態の場合、図５を参照して先に述べた変形が、ここでも同様に当てはまることが理解されるべきである。すなわち、窪み８０の形状およびサイズは、空力要素２０のスパン方向寸法ＤＳに沿って一様であるかまたは常に変動することができる。
【００２２】
図７を参照して、ターボ機械１０の部分がディフューザセクション１１として設けられる特定の場合が示される。先に述べたように、ディフューザセクション１１は、タービンセクションから下流に配設されて、燃焼生成物が大気に排出される前に、タービンセクションを出る燃焼生成物の残りのエネルギーを減少させる。ディフューザセクション１１は、ディフューザケーシングなどの環状外壁１２、および、中央本体１３０の外側表面として設けられる環状内壁１３を含む。環状内壁１３は、環状外壁１２内に配設されて、燃焼生成物などの作動流体が、そこを通って送られることができる環状通路１４を画定する。
【００２３】
ディフューザセクション１１は、環状通路１４を横断するマンウェイ１５、および、上述したディフューザベーンとして設けることができるか、または、中央本体端部コンポーネント１３１として中央本体１３０の軸方向端部に設けることができる空力要素２０をさらに含むことができる。図７に示すように、中央本体１３０は、実質的に一様な直径を有し、一方、環状外壁１２は、ディフューザセクション１１の軸方向寸法ＤＡに沿って増加する直径を有する。この構成は、環状通路１４の面積が軸方向寸法ＤＡに沿って増加することをもたらし、それが、作動流体のエネルギー減少をもたらす。中央本体１３０の構成と対照的に、中央本体端部コンポーネント１３１は、軸方向寸法ＤＡに沿って減少する直径を有し、それにより、中央本体端部コンポーネント１３１から前方に画定された中央本体１３０の軸方向長さに沿う環状通路１４の面積の比較的ゆっくりとした増加と比較して、環状通路１４の面積は、中央本体端部コンポーネント１３１の軸方向長さに沿って比較的速いレートで増加する。
【００２４】
角度急変部９０は、中央本体１３０と中央本体端部コンポーネント１３１との間の取付け場所で画定されるが、中央本体１３０および中央本体端部コンポーネント１３１は一体的に結合することができることが理解されるべきである。角度急変部９０は、環状通路１４が、軸方向寸法ＤＡに沿って比較的速いレートで面積を増加させる軸方向場所を画定する。
【００２５】
中央本体１３０および中央本体端部コンポーネント１３１の外側表面として設けられる環状内壁１３は、端壁輪郭フィーチャのアレイ１００を含む。端壁輪郭フィーチャのアレイ１００は、個々の端壁輪郭フィーチャ１０１を含み、角度急変部９０に近接して画定された軸方向場所に配設される。すなわち、端壁輪郭フィーチャのアレイ１００は、角度急変部９０の直前または直後に配設することができる。端壁輪郭フィーチャのアレイ１００は、上述した輪郭フィーチャのアレイ３０と実質的に同様に構成することができ、したがって、同じことのさらなる説明が省略される。
【００２６】
本発明が、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明されたが、本発明が、こうして開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本発明を修正して、これまで述べられていないが本発明の趣旨および範囲に対応する任意の数の変形形態、代替形態、置換形態、または同等の構成を組み込むことができる。さらに、本発明の種々の実施形態が述べられたが、本発明の態様は述べた実施形態の一部のみを含むことができることが理解されるべきである。したがって、本発明は、先の説明に限定されると見なされるのではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ターボ機械
１１  ディフューザセクション
１２  環状外壁
１３  環状内壁
１３０  中央本体
１３１  中央本体端部コンポーネント
１４  環状通路
１５  マンウェイ
２０  空力要素
２００  作動流体
２０１  境界層
２１  前縁
２２  後縁
２３  吸引側
２４  圧力側
３０  輪郭フィーチャのアレイ
３１  個々の輪郭フィーチャ
３２  第１の輪郭フィーチャ
３３  第２の輪郭フィーチャ
３４  さらなる輪郭フィーチャ
３５  複数の輪郭フィーチャ
４０  渦流
５０  主流方向
６０  同伴されかつエネルギー付加された流れ
７０  突出部
７１  涙滴形状
７１０  前端
７１１  テール端
７２  近づく流れ
７３  収束流
８０  窪み
９０  角度急変部
１００  端壁輪郭フィーチャのアレイ
１０１  個々の端壁輪郭フィーチャ
【図１】
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【図２】
2013256940.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2013256940.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013256940.tif 000009