(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースとコンプレッサブレードとを有するコンプレッサ部を備えたガスタービンエンジンにおいて、
前記ブレードの回転につれて受容したブレードの高圧側の空気を該ブレードを横切る空気流の方向でブレードの低圧側に噴射する複数のセルを有してなる挿入部材が、前記ケースとブレード先端との間に設けられており、
前記各々のセルは、前記ブレードの翼弦に沿ってブレードの先端に向かってそれぞれ延びており、かつブレードの回転方向の接線に対して吸入空気流の方向成分を含む第１の角度を有するとともに前記ケースに垂直な線に対して３０°より大きい第２の角度を有するセル軸を有することを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記挿入部材は、それぞれ前記複数のセルを有する複数のハニカムシートの層を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記複数のセルは、実質的に前記ブレードの厚さ寸法と等しい径寸法及び該径寸法よりも小さくない深さ寸法を備えた多角形であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記セルの深さ寸法は、その径寸法よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
ケースに対して相対回転するブレード先端の空気流を改善する方法であって、前記ブレードが前記ケースに対して相対回転するにつれて受容したブレードの高圧側の空気を該ブレードを横切る空気流の方向でブレードの低圧側に噴射する複数のセルを有してなる挿入部材を、前記ケースとブレード先端との間に挿入する工程を含み、
前記各々のセルは、前記ブレードの翼弦に沿ってブレードの先端に向かってそれぞれ延びており、かつブレードの回転方向の接線に対して吸入空気流の方向成分を含む第１の角度を有するとともに前記ケースに垂直な線に対して３０°より大きい第２の角度を有するセル軸を有することを特徴とするブレード先端の空気流改善方法。
【請求項６】
ケースと、該ケースに対して相対回転するブレードとを備えてなるケースとブレードとの結合体において、
前記ブレードがケースに対して相対回転するにつれて受容したブレード先端の高圧側の空気を該ブレード先端を横切る空気流の方向でブレードの低圧側に噴射する複数のセルを有してなる挿入部材が、前記ケースとブレード先端との間に設けられており、
前記各々のセルは、前記ブレードの翼弦に沿ってブレードの先端に向かってそれぞれ延びており、かつブレードの回転方向の接線に対して吸入空気流の方向成分を含む第１の角度を有するとともに前記ケースに垂直な線に対して３０°より大きい第２の角度を有するセル軸を有することを特徴とするケースとブレードとの結合体。
【請求項７】
前記各々のセルは、前記ブレードの厚さ寸法と実質的に等しい径寸法及び少なくとも該径寸法に等しい深さ寸法を有することを特徴とする請求項６に記載のケースとブレードとの結合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンに関し、より詳しくは、ガスタービンエンジンのコンプレッサストール特性の改善技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは、ケース（エンドウォール）にブレード先端が可及的に近接するようにして、多数のコンプレッサブレード（動翼）を回転板に取り付けている。そして、前方から吸引された空気は、静翼（ステータベーン）と動翼とが交互に並んだステージを通過（各翼間の空気通路を通過）する間に圧縮されて、燃焼室に流入し、この燃焼ガスによってタービンを回転させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、ブレード先端とケース間との隙間及びブレード先端の「シールかじり」という不都合な効果を最小化すべく、異なるシール技術が用いられている。コンプレッサブレード先端とケースとの間の隙間が増大すると、主としてブレードの圧力側（高圧側）の面と吸込み側（低圧側）の面との間で生じる漏れのために、ストールマージンが著しく減少することになる。その圧力面から吸込み面への漏れは、全体的な流れの点で、ブレード間の空気通路を通過する空気の運動量（momentum）を低下させると共に、ブレードによる昇圧性能ひいてはコンプレッサのストールマージンを低下させる。上述の漏れのために、ブレードの根元から先端にわたる圧力分布は、ブレード先端に向かうほど全圧力が低下することを示すであろう。前記隙間の増大に起因するコンプレッサのストールマージンの損失は、おそらくは、流れの分離（剥離）による流れの阻害が生じる可能性を秘めたブレードの吸込み側面の境界層とケースとの間の相互作用によってもたらされる。
【０００４】
本発明の目的は、ブレード先端とケースとの間の隙間の影響の最小化及びブレード先端近傍の流量特性の改善によって、ストールマージンを向上できるようにしたガスタービンエンジン及びブレード先端の空気流改善方法及びケースとブレードとの結合体を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、ブレード（またはステータベーン）の回転による高圧の空気を一時的に受容して、ブレード通過後に該ブレードの低圧側に向けて高圧空気流を噴射する複数のセルからなる挿入部材を、ブレードとケースとの間に設けることにより、ブレード先端とケースとの間の漏れを低減することとした。即ち、本発明に係るガスタービンエンジンの採用する構成は、ケースとコンプレッサブレードとを有するコンプレッサ部を備えたガスタービンエンジンにおいて、前記ブレードの回転につれて受容したブレードの高圧側の空気を該ブレードを横切る空気流の方向でブレードの低圧側に噴射する第１の手段を有してなる挿入部材を、前記ケースとブレード先端との間に設けたことを特徴としている。
【０００６】
請求項２に係る発明では、前記第１の手段は、流れ方向の下流側を指向するように接線方向に対し第１の角度を有するともに、前記ケースに垂直な線に対して３０°より大きい第２の角度をなすように傾斜された複数のセルからなることを特徴としている。
【０００７】
請求項３に係る発明では、前記第１の手段は、前記ブレードの回転方向の接線方向に対し第１の角度を有するともに、前記ケースに垂直な線に対して３０°より大きい第２の角度を有してブレード先端へ向かって延びた複数のセルからなることを特徴としている。
【０００８】
請求項４に係る発明では、請求項２の発明において、前記挿入部材は、それぞれ前記複数のセルを有する複数のハニカムシートの層を有することを特徴としている。
【０００９】
請求項５に係る発明では、請求項３の発明において、前記挿入部材は、前記複数のセルを有する複数のハニカムシートの層を有することを特徴としている。
【００１０】
請求項６に係る発明では、請求項５の発明において、前記複数のセルは、実質的に前記ブレードの厚さ寸法と等しい径寸法及び該径寸法よりも小さくない深さ寸法を備えた多角形であることを特徴としている。
【００１１】
請求項７に係る発明では、請求項４の発明において、前記複数のセルは、実質的に前記ブレードの厚さ寸法と等しい径寸法及び該径寸法よりも小さくない深さ寸法を備えた多角形であることを特徴としている。
【００１２】
請求項８に係る発明では、請求項６の発明において、  前記セルの深さ寸法は、その径寸法よりも大きいことを特徴としている。
【００１３】
請求項９に係る発明では、請求項７の発明において、  前記セルの深さ寸法は、その径寸法よりも大きいことを特徴としている。
【００１４】
請求項１０に係るブレード先端の空気流を改善する方法が採用する構成は、ケースに対して相対回転するブレード先端の空気流を改善する方法であって、前記ブレードが前記ケースに対して相対回転するにつれて受容したブレードの高圧側の空気を該ブレードを横切る空気流の方向でブレードの低圧側に噴射する第１の手段を有してなる挿入部材を、前記ケースとブレード先端との間に挿入する工程を設けたことを特徴としている。
【００１５】
請求項１１に係る発明では、前記挿入部材は、前記ブレードの翼弦に沿ってブレードの先端をそれぞれ指向すると共に、ブレードの回転方向の接線方向から１０°よりも大きい角度でそれぞれ指向する複数のセルからなることを特徴としている。
【００１６】
請求項１２に係る発明では、前記挿入部材は、セル軸が前記ブレードの翼弦に沿う成分を有するような第１の角度と前記ケースに垂直なブレードから３０°よりも大きい第２の角度とで傾斜した複数のセルから構成したことを特徴としている。
【００１７】
請求項１３に係るケースとブレードとの結合体が採用する構成は、ケースと、該ケースに対して相対回転するブレードとを備えてなるケースとブレードとの結合体において、前記ブレードがケースに対して相対回転するにつれて受容したブレード先端の高圧側の空気を該ブレード先端を横切る空気流の方向でブレードの低圧側に噴射する第１の手段を有してなる挿入部材を、前記ケースとブレード先端との間に設けたことを特徴としている。
【００１８】
請求項１４に係るケースとブレードとの結合体が採用する構成は、ケースと、該ケースに対して相対回転するブレードとを備えてなるケースとブレードとの結合体において、前記ブレードの相対回転方向に対し複合角度を有し、前記ブレードがケースに対して相対回転するにつれて前記ブレードの高圧側及び低圧側の圧力にさらされる複数のセルからなる挿入部材を、前記ケースとブレード先端との間に設けたことを特徴としている。
【００１９】
請求項１５に係る発明では、前記ブレードの翼弦に沿ってブレード先端を指向すると共に、前記ブレードの相対回転方向の接線から１０°よりも大きい角度を有し、かつ前記ブレードの厚さ寸法と実質的に等しい径寸法及び少なくとも該径寸法に等しい深さ寸法を有する複数のセルから前記挿入部材を構成したことを特徴としている。
【００２０】
本発明によれば、流れの運動量の強化と壁流（ケース近傍の流れ：エンドウォールフロー）の効率的な混合との点でブレード先端の流れを強める（energizes）特有の空気力学的構造がブレード先端とケースとの間に形成される。
【００２１】
本発明によれば、複合角度（コンパウンドアングル）で傾けられた有底のハニカムセルからなる挿入部材（シュラウドインサート）をコンプレッサブレードの外周側でケースに設けることができる。前記複合角度を構成する第１の角度はブレードの回転方向の接線に関し、また、第２の角度はブレードの通常の半径方向（高さ方向）の角度に関する。ブレードの圧力側の面が前進すると、ハニカムセルにはブレードの圧力側の空気が充填され、ブレードが各セルを通過すると、該各セルは、内部に充填された空気を一時的な高速のジェット流としてブレードの吸込み側の面に向けて噴射し、これにより、ケース近傍の流れが強められる。
【００２２】
ハニカムセルの複合角度は、二つの主な目的を達成すべく、選択される。セルは、ブレードの回転によって生じる動圧を受容するために、その開口部がブレードの圧力側の面に向けられる。これにより、有効なジェット流の噴射に効果的な空気を充填したセルを得ることができ、圧力比を誘起することができる。また、セルの配設方向はブレードの翼弦に沿っており、その結果、ジェット流の噴射方向は、空気流の流動方向において重要な成分を有し、空気流の運動量を高める。このような所定の複合角度をもってセルから噴射された高速のジェット流は、主流を乱すことなく、最も外側のケースの壁流（安定衝撃領域：the stability impacting region）の効率的な混合を生じさせ、損失率を最小化する。流れにおけるジェット流の成分は、流れの運動量を向上させ、その状態はブレード先端領域における全圧力の増大によって証明される。
【００２３】
本発明によれば、ハニカムセルの大きさは、セルからの空気の放出時定数がブレードの通過周期の分数（fraction）となるように選択される。セルの径（セル軸に垂直な寸法）は、ほぼブレードの厚さ寸法と等しく、セルの深さ（セル軸に沿った寸法）は、ブレードの厚さ寸法の１倍から７倍の範囲に設定される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図８に基づいて説明する。
【００２５】
図１には、ケース１６を備え、複数のコンプレッサブレード１０がそれぞれ設けられたコンプレッサディスク１４が示されている。これらのブレード１０及びディスク１４は、図８に示す通常のガスタービンエンジンにおけるコンプレッサ部の一部分をなすものである。ステータベーン（静翼）１８は、ブレード１０の上流側で吸入空気流２０に対面するようにして設けられている。環状シート２２は、図２の拡大図にも示すハニカムセル２８の層からなるリング状挿入部材２４を収容するために、ケース１６の内面側に形成されている。ここで、図中に示す矢示ＲＴは、ブレード１０の回転方向を示し、コンプレッサに吸い込まれる空気は、吸入空気流２０として示すように、コンプレッサの軸方向に流入する。図１には、図５に示すハニカムセル２８の層Ｌからなるリング状の挿入部材２４が示されているが、これらの各ハニカムセル２８は、第１の角度θ及び第２の角度φという複合角度で傾けられて形成されている点に注意すべきである。第１の角度θは、図２中に矢印ＲＴで示す如く、ブレード１０の回転方向の接線からセル軸３０までの角度として定義される。第２の角度φは、図３にも示す如く、ブレード１０の垂直軸（半径方向）２９からセル軸３０までの角度として定義される。図３に示す如く、セル軸３０は、セル２８の開口部が矢示ＲＴで示すブレード１０の進行方向に向くように、傾斜して設定されている。また、これらセル２８は、図２に示す如く、ブレード１０の翼弦方向に沿って配設されている。これらの特徴的構成については以下に述べる。
【００２６】
ブレード１０が各セル２８上を掃くようにして通過すると、これら各セル２８は、ブレード１０の位置に応じて異なる圧力状態にさらされる。例えば、図２中に示すブレード１０、セル２８のうち、ある時刻ｔ0におけるブレード３８と、このブレード３８の進行方向前方に位置するセル３６及び後方に位置するセル４０とについて検討する。セル３６は、時刻ｔ0ではブレード３８の圧力側（高圧側）に位置しているが、ブレード３８が矢示ＲＴ方向に移動すると、時刻ｔ+1後には図中に示すセル４０の如く、短時間のうちに低圧にさらされる。図３に示す如く、ブレード回転速度のうち、図２中の３−３線に沿った方向の成分である矢示Ｒtcを参照すれば、より明確になるであろう。
【００２７】
図７に示す如く、他方のセル４０は、時刻ｔ0の初期状態では、セル３６のように、ブレード３８の圧力側に位置して加圧されているが、時刻ｔ+1後には、ブレード３８がセル４０の上を通過して低圧状態におかれるため、該ブレード３８の低圧側（吸込み側）に向けてジェット空気流４１を噴射する。このようにセル２８がブレードつまり“エアフォイル面もしくは揚力面”に向けられていることに加えて、各セル２８は、ブレード１０の厚さ寸法をｄとした場合、セル２８の短径寸法が少なくともｄと等しくなり、セル２８の深さ寸法Ｌ1が好ましくはｄの４倍の値となっている。これらの各比率は、セル２８の充填および噴射に関する時定数を制御するために重要である。（複合角度によって）ブレード通過方向に沿った速度成分を有する短時間のジェット流は、ブレード１０の先端側で勢いのある流れを生成して、効率的な混合を生じさせ、これにより、ケース１６側の領域で流れの剥離が防止される。
【００２８】
前記第１の角度θ及び第２の角度φの値は、コンプレッサの設計仕様によって定まるものであるが、セル２８に正しく充填され、かつブレード１０の低圧側に向けて正しくジェット流を噴射できるようにすること、が重要である。前記各角度の一例を挙げると、第１の角度θは３４°、第２の角度φは６０°である。
【００２９】
本発明によれば、ケース１６近傍の流れ領域（endwall flow field）を効果的に強めることにより、効率の損失を最小にし、コンプレッサのストールマージンを向上することができる。また実験によれば、セル２８が傾斜していることにより、挿入部材２４を良好な摩耗性シール（abradable seal）とすることができる。これは、研磨用チップを備えたブレード（従来技術である）が挿入部材２４に接触したときに、ブレードを摩耗させることなく、傾斜したセル２８が容易に削り取られるためである。
【００３０】
なお、本発明による流れの強化の効果は、タービンブレードの回転によってセルが加圧されるという重要な違いはあるが、同様のハニカムセルからなる挿入部材をタービンブレードの外周側に設けることにより、ガスタービンエンジンのタービン部にも適用することができる。上述のコンプレッサの実施例では、セルは、最初ブレードの圧力側の高圧にさらされ、次にブレードの吸込み側の低圧にさらされる。タービン部に適用した場合、セルは最初低圧にさらされ、セル内の圧力が低下し、タービンブレードが通過すると、この低圧のセル内に排気流が流れ込む。これにより、タービンブレード先端とケースとの間の漏洩は減少し、タービン効率が向上する。
【００３１】
また、揚力面先端とケース１６との間の揚力特性を改善することもできる。例えば、コンプレッサのステータ部に適用する場合は、ブレードを取り付ける回転ドラムに、セルからなる挿入部材をステータベーン１８の先端側を向くようにして取り付けることができる。従って、この場合は、ブレードを取り付ける回転ドラムが「ケース」となり、ステータベーンが「ブレード」となる。
【００３２】
なお、当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、上述した実施例を部分的あるいは全体的に変形して、本発明の利益を得ることができるであろう。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、静止または回転しているケースの近傍の流れ領域を強めることにより、圧縮効率の損失を最小としつつ、ストールマージンを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図８中のガスタービンエンジンを１−１線で見た部分拡大断面図である。
【図２】ケースの内周面側を部分的に示す説明図である。
【図３】図２中の３−３線に沿った断面図である。
【図４】図２中の４−４線に沿った断面図である。
【図５】セルからなる２個の層の分解斜視図である。
【図６】いくつかのセルを拡大して示す斜視図である。
【図７】ブレードの先端及びセルの状態を拡大して示す説明図である。
【図８】本発明が適用されるガスタービンエンジンの全体を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…コンプレッサブレード（ブレード）
１４…回転ディスク
１６…ケース（エンドウォール）
２０…吸入空気流
２４…挿入部材
２８…セル
３０…セル軸
Ｌ…セルの層
ＲＴ…コンプレッサブレードの回転方向
θ…第１の角度
φ…第２の角度
【図１】
0003894970.tif 000002
【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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