JP2008202598A - トリートメントを有するターボ機械ケーシング、圧縮機およびそのようなケーシングを含むターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術のケーシングトリートメントの欠点を未然に防ぐと同時に、パワーの過度の損失を回避するケーシングを提供すること。
【解決手段】本発明は、長手軸を中心とした回転において移動可能な一連の可動ブレード（２０）が間に配置される一連の固定翼を支持するケーシング（１０）に関し、上記可動ブレード（２０）の半径方向の外側端部がケーシング（１０）の内面に近い。特徴的な態様において、ケーシングは、一連の可動ブレード（２０）の１つに面する少なくとも１つの環にわたって、ブレードに面し、閉じた輪郭の溝の形態で表面で緩和される外乱（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を含む少なくとも１つのケーシングトリートメント領域（１２）と、を含む。本発明は、ターボ機械の圧縮機における回転剥離を制御することに適用可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、長手軸を中心とした回転において移動可能な一連の可動ブレードが間に配置される一連の固定翼を支持するケーシングに関し、上記可動ブレードの半径方向の外側端部がケーシングの内面に近い。本発明は、特に航空用ターボジェットに用いるためのケーシングに関する。

本発明はまた、特に軸型の圧縮機、さらに詳細には、低圧で作動する圧縮機であるが、高圧でも動作する圧縮機であり、上述のケーシングを含む圧縮機を構成することに関する。

本発明はまた、そのようなケーシングまたはそのような圧縮機を含むターボ機械、特にターボジェットに関する。

このタイプの圧縮機は、特にターボジェットに用いられるように、次々に積み重ねられる個別のディスクの連続あるいは種々の段の一連のブレードを収容する単独のドラムのいずれかを含むロータによって構成される。

従来、ロータは、２つの隣接する段の間で間隙を形成するために機械加工によって構成されるスロットを含み、間隙はケーシングを提供する静止部分に固定されるステータ段の翼を収容する。

ケーシングは、空気がターボ機械を通過するフロー部分の半径方向の一番外側領域のセグメントを形成する。

可動ブレードの場合には規則的に分散され、ブレードの数に等しい数で提供されるハウジングによってドラムに個別に固定されることが普通であり、各ハウジングは相補形状のブレード根元部と協働するように設計される形状であり、それによって各ブレードが例えばダブテール型の締結具によって半径方向に固定されることを保証する。通常、ブレード根元部は、並進移動、特にそれぞれのハウジングに対する軸方向の並進移動に対して各ブレードに関して個別の手段によって、例えば、ボール、ピン、ステープル、プレート、スペーサなどを利用するシステムによって、保持される。

ターボジェット（詳細には、現代の民間航空エンジン）が動作中である間、熱気によって達する温度および圧力を考えると、ポンピングの場合には調整機能を設けることが必要である。

ポンピングは、空気圧および空気流量における急激な揺動を引き起こし、それによって、ブレードの弱体化または場合によってブレードの破損を生じる恐れがある高レベルの機械的応力にブレードを曝すことになるため、エンジン内で回避することが望ましい現象であることを想起すべきである。この現象は、ブレードの外側端部における圧力の揺動によって引き起こされる可能性があり、ブレードの先端の境界層と、ケーシングにおける境界層との間の相互作用が著しい。

同様に、回転剥離は、回転状態の一定の絞り（動作点）および速度が組み合わせられたときに生じる現象である。特に、プロファイルがいわゆる「ポジティブ」インシデンスに入っており、１つのブレードで局所的に生じる剥離を引き起こし、剥離が次に回転中に１つのブレードから別のブレードに伝搬する非定常の現象を生じる場合には、この現象が誘発される。

この現象は、特に以下の損傷を受ける：
ブレードがポンピングをもたらすことになる一般化された剥離によって汚染され、
ブレードの空力弾性励起を伴う危険性がある。

現在、ポンピングを調整するこの機能は、境界層を吸収することが可能となる放出弁または処理される可動ブレードホイールに面する環の全体的な環状面を覆うケーシングトリートメントをはじめとする種々のタイプの解決策によって実現される。

このケーシングトリートメント解決策は、種々の異なる実施形態を生じている。特に、ＥＰ０６８８４００では、傾斜リブの環状格子によって画定されるスロットを介して流路と連通する環状キャビティに関する提案がなされている。ＵＳ６５１４０３９では、技術は類似であり、さらにレーザ衝撃ピーニングなどの材料処理が、格子を形成するための中間部品を形成するバーの上に施され、上記処理が疲労による故障に対する耐性がうまく機能している。
欧州特許出願公開第０６８８４００号明細書 米国特許第６５１４０３９号明細書

本発明の目的は、従来技術のケーシングトリートメントの欠点を未然に防ぐと同時に、パワーの過度の損失を回避するケーシングを提供することである。

したがって、本発明は、本発明のポンピング限度を増大することによって、ポンピング現象を局所的に削減するが、エンジン効率を削減しなくて済むことを可能にすることを狙っている。

この目的のために、本発明によれば、ケーシングは、一連の可動ブレードの１つに面する少なくとも１つの環において、ブレードに面し、閉じた輪郭を画定する少なくとも１つの溝（凹部または畝）を含む少なくとも１つのケーシングトリートメント領域を含む。

ケーシングは、異なるタイプの領域、すなわち、いわゆる「平滑な」（すなわち特定のケーシングトリートメントを含まない）領域と、ケーシングトリートメントされる領域と、を有する。ケーシングトリートメントされるこれらの領域の数および上記領域によって占められる角度範囲は、当該機械に左右され、場合によっては、３６０°を占める領域まで減少し得る。これらの領域のそれぞれは、可動ブレードのピッチの１．５から２．５倍に相当する角度セクタに位置することが好都合である可能性がある。

このように、ブレードピッチの１．５から２．５倍に制限される角度セクタにわたってそれぞれが局所化される１つまたは複数のケーシングトリートメント領域の存在のために、ポンピング現象を回避するために、トリートメント領域と位置合わせしたブレードとケーシングとの間に位置する間隙における境界層から空気を局所的に排気することが可能である。

この解決策は、組織化されるようになっている剥離の任意の傾向を壊し、それによって剥離の消失を生じることに寄与する幾何構造を構築することを可能にする。

全体的に、本発明の構成のために、上述の空気が再循環されることから、エンジンの効率を劣化することなく、ポンピング現象を発生し得る境界層から局所的に吸収することが可能であり、それによって、エンジンの動作におけるその影響を最小限に抑えることによって、システムの安定性を改善することを可能にする。

有利な配置において、上記トリートメント領域は、軸方向における可動ブレードの長さの２／３から９／１０を表す距離にわたって軸方向に延在する。

開放区域と中実区域との比は、２程度である。

上記ケーシングトリートメント領域に関して、ケーシングの内壁に直接的に形成されるように準備され得る。

あるいは、上記ケーシングトリートメント領域は、ケーシングに適合されるプレートに形成される。そのような状況下で、上記プレートに関して、アブレイダブル材料から完全にまたはその表面に構成されるように準備され得る。

第２の実施形態において、ケーシングは、トリートメント領域の背後であって、この領域から半径方向の外側に形成されるキャビティをさらに含む。このキャビティは、トリートメント領域に一致する（キャビティの長さ方向における）軸範囲および／または（ブレードの幅方向における）横範囲、あるいは一方向および／または両方においてより小さい範囲、あるいは一方向および／または両方においてより大きい範囲を提供する。

そのような状況下で、ケーシングに関して、所与の環状部分に複数のトリートメント領域を提供し、各トリートメント領域の上記キャビティに関して、別のトリートメント領域の上記キャビティと連通状態であるように準備され得る。これは、空気がトリートメント領域の間を流れるように促進する。

また、以下の配置のいずれか一方を実現することも可能である：
上記キャビティの深さは、トリートメント領域の深さの１から３倍の範囲にあり、
軸方向における上記キャビティの範囲は、軸方向におけるトリートメント領域の範囲より１０％から２０％の範囲にある。

本発明の他の利点および特徴は、一例として添付図面を参照して以下の説明を読めば明らかとなる。

図１を参照すると、図面シートの高さ方向に相当する周縁範囲と、図面シートの幅方向に相当する軸範囲と、からなる角度セクタを占めるケーシング１０の一部を見てとることができる。さらに正確に言えば、図１は、可動ブレードのホイール（図１には図示せず）に面するその半径方向の内面を見たケーシング１０のこの部分を示している。

しかし、図１において、３つのブレード２０の位置は、３つの斜線によって示され、これらの線のうちの２つの線の間の間隔Ｐは、１つのブレードピッチと以下で呼ばれるものに相当している。

図１において分かるように、示されるケーシング部分の内面は、閉じた輪郭であり、かつ楕円形状の溝１２を含み、例えば、上記溝はケーシングに直接的に機械加工される。

本発明の本質的な特徴によれば、溝１２は、ケーシングの局所的なトリートメント領域を形成し、トリートメントは、ケーシング１０の環状周縁部全体にわたって延在しているわけではないことは理解され得る。

さらに正確に言えば、上記溝１２に関して、ブレードピッチＰの１．５から２．５倍に制限される角度セクタを占めるケーシングトリートメント領域を構成するように準備される。

ケーシングトリートメントに関するこの角度によって制限された形状は、ケーシングトリートメントのこのタイプが通常遭遇する空間配置とは全く異なる空間配置に相当する。

図２を参照すると、ブレード２０の長手方向断面に面して、ブレード２０と、溝１２を含むケーシングトリートメント領域との間の間隙３０は、溝１２によって形成される空洞に相当する２つの位置における半径方向の拡張部分を提供することをさらに正確に見てとることができる。この構造は、導入部で述べた回転剥離現象の局所的な外乱を与えるために機能する。

ケーシング１０は、その周縁部全体にわたって、規則的に離隔される複数の（例えば、２つ、３つ以上）類似の溝１２を提供してもよいことは理解されよう。

表示のように、溝１２は、ピッチの５％から２５％の範囲にある幅を提供し、ブレード間に形成されるチャネルの長さの６０％から９０％の範囲にある距離にわたって軸方向（楕円形状の長径）に延在し、ブレード間に形成されるチャネルの幅の１０％から９０％の範囲にある距離にわたって横方向（楕円形状の短径）に延在する楕円形状を画定するようにしてもよい。

閉じた輪郭および楕円形状からなるそのような溝１２の獲得は、ケーシング１０の半径方向の内面を単に機械加工することによって容易に実現され得ることは理解されよう。

あるいは（図示していないオプションにおいて）、閉じた輪郭および楕円形状からなるこの溝１２は、ケーシング１０に適合されるプレートに形成されてもよく、プレートはアブレイダブル材料から構成されてもよい。

一般に、溝（または凹部）の形状、その深さおよびそれを覆う面積は、ブレードがその作業を行う方式に左右される最適化の結果である。数センチメートルから数十センチメートルにわたって局所化されるこの態様においてケーシングを処理する目的は、境界層のエネルギ分散を変更することと、剥離に曝されるブレードの危険性があって領域の境界層にエネルギを戻すことと、また、剥離が確立されるようになり、隣接するブレードに伝搬するのを防止する分散装置として作用させることである。

溝は、前縁の前で始まり、後縁の後で終わってもよいことと、同心の溝を用いたトリートメントを用いることまたはその間に対称平面を有するように２つの隣接するトリートメントを実現することによって一連の鏡像をなす溝を有することが必要である可能性があることは観察されるべきである。

図３を参照すると、同一の参照符号に関連して、図１および図２を参照して上述した要素を見てとることができる。図１および図２に示される第１の実施形態の第２の変形例において、溝１２’は、閉じた輪郭を引き続き提供するが、もはや楕円ではなく、代わりに不規則な幾何形状を形成し、この実施例では８辺を有するように相互接続された一連の直線的なセグメントに相当する。

この不規則な八角形を用いる代わりに、８より少数であるか、または多数である辺の数を示す他の幾何形状を用いることも可能であり、または実際には、略湾曲しているが、楕円形状とは異なる閉じた輪郭を形成することも可能であり、または実際に任意の他の卵に類似の形または卵形も可能であることは、容易に理解されよう。

図において、溝は、ブレード間のピッチの一部にわたって画定されるが、このピッチ部分は、３６０°まで延在することもあり得る。

以下では、第２の実施形態のケーシングの変形例を示す図５から図８を参照されたい。

図５および図６に示されるように、第２の実施形態の第１の変形例において、図１に示される形状と類似の閉じた輪郭かつ楕円形状の溝１２を有することに加えて、ケーシングの周縁部全体にわたってケーシングのトリートメント領域に面して延在する環状形状の後部キャビティ１４も含むケーシング１０を見てとることができる。溝１２は、キャビティ１４に通じ、したがって、異なる角度セクタで示されてもよい種々のトリートメント領域の間の連通を提供する。

図７および図８において、第２の実施形態の第２の変形例を見てとることができ、この第２の変形例において、図３および図４に示されるような第１の実施形態の第２の変形例と同様に、トリートメント領域に面して環状後部キャビティ１４が設けられる。すなわち、閉じた輪郭および不規則な八角形形状の溝１２’がキャビティ１４に通じている。

第２の実施形態の変形例のそれぞれにおいて、キャビティ１４は、（閉じた輪郭の溝１２または１２’の）トリートメント領域の深さの１から３倍に相当する深さと、トリートメント領域の幅より大きいことが好ましく、特に、１０％から２０％大きい軸方向における幅（詳細には、トリートメント領域の幅は、閉じた輪郭の溝１２または１２’によって占められる軸距離に相当する）と、を示すことが好ましい。

キャビティ１４は、機械加工によって得られてもよい。

さらに、図６および図８に示されるようなこの後部キャビティがケーシング１０の後面に通じているように見えるかどうかを観察すべきであり、これらの図がケーシング１０の壁の部分図を示し、壁はまた、環状キャビティ１４の位置において規則的な態様で空気を流すことが可能であるように、キャビティ１４を閉鎖する相補環状部品（図示せず）を含むことを理解すべきである。トリートメント領域の中心部品は、上記相補環状部品に固定される。

好ましい配置において、トリートメント領域は、軸方向において可動ブレード２０の長さの少なくとも２／３を表す距離にわたって、軸方向に延在する。

別の好ましい配置において、キャビティ１４の深さは、トリートメント領域の深さの１から４倍の範囲にある。

本発明の第１の実施形態の第１の変形例から構成されるケーシングにおいて可動ブレードの先端に面する内面を示す投影部分線図である。 ブレードの端部部分と共に、ＩＩ−ＩＩ方向から見た図１のケーシングの側部断面部分線図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例を示す図１に類似の図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例を示す図２に類似の図である。 本発明の第２の実施形態の第１の変形例を構成するケーシングの可動ブレード端部に面する内面の投影部分断面線図である。 ＶＩ−ＶＩ方向から見た図５のケーシングの側部断面部分線図である。 本発明の第２の実施形態の第２の変形例を示す図５に類似の図である。 本発明の第２の実施形態の第２の変形例を示す図６に類似の図である。

符号の説明

１０ ケーシング
１２、１２’ 溝
１４ キャビティ
２０ 可動ブレード
３０ 間隙
Ｐ ブレードピッチ

Claims (15)

1. 長手軸を中心とした回転において移動可能である一連の可動ブレード（２０）が間に位置する一連の固定翼を支持するケーシング（１０）であって、前記可動ブレード（２０）の半径方向の外側端部が、ケーシング（１０）の内面に近く、少なくとも一連の可動ブレード（２０）の１つに面して位置する環において、ブレードに面し、閉じた輪郭を画定する少なくとも１つの溝（１２、１２’）を含む少なくとも１つのケーシングトリートメント領域（１２、１２’）を含むことを特徴とする、ケーシング。
2. 前記領域が、可動ブレードのピッチの１．５から２．５倍に相当する角度セクタにわたって局所化されることを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
3. 前記トリートメント領域が、軸方向において可動ブレード（２０）の長さの少なくとも２／３を表す距離にわたって軸方向に延在することを特徴とする、請求項１または２に記載のケーシング。
4. 前記トリートメント領域が、閉じた輪郭が略湾曲している溝を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のケーシング。
5. 前記トリートメント領域が、楕円の溝を備えることを特徴とする、請求項４に記載のケーシング。
6. 前記トリートメント領域が、不規則な幾何形状を形成するために相互接続される直線的なセグメントのステップによって画定される溝を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のケーシング。
7. 前記幾何形状が、８つの辺を有することを特徴とする、請求項６に記載のケーシング。
8. 前記ケーシングトリートメント領域が、ケーシング（１０）に適合するプレートに形成されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のケーシング。
9. 前記プレートが、アブレイダブル材料から構成されることを特徴とする、請求項８に記載のケーシング。
10. トリートメント領域の背後であって、トリートメント領域の半径方向の外側に形成されるキャビティ（１４）をさらに含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のケーシング。
11. 複数のトリートメント領域を含むことと、各トリートメント領域の前記キャビティ（１４）は、別のトリートメント領域の前記キャビティ（１４）と連通していることと、を特徴とする、請求項１０に記載のケーシング。
12. 前記キャビティ（１４）の深さが、トリートメント領域の深さの１から４倍の範囲にあることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のケーシング。
13. 前記キャビティ（１４）の軸方向の範囲が、トリートメント領域の軸方向の範囲より１０％から２０％の範囲にあることを特徴とする、請求項１０、１１または１２に記載のケーシング。
14. ステータとして、請求項１から１３のいずれか一項に記載のケーシング（２８）を備える、軸流圧縮機。
15. 請求項１４に記載の圧縮機を含む特にターボジェットである、ターボ機械。

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