JP2017529482A - ターボ機械のタービンブレードのスキーラ先端 - Google Patents

Abstract

本発明は、その先端にスキーラ（２）を備え、さらに吸着面（１１）、圧力面（１２）、前縁（１３）、および後縁（１４）を備える、ターボ機械のタービンブレード（１）に関し、先端の前記スキーラ（２）は、少なくとも１つの内部リブ（３）を備え、前記リブ（３）は、前記スキーラ（２）の吸着面（１１）側の周縁（２ａ）の取り付け点（３１）から、前記スキーラ（２）の圧力面（１２）側の周縁（２ａ）の取り付け点（３２）に延び、さらに吸着面（１１）から延びる漏洩流（１６）の負荷を吸収するための部分と、負荷吸収部を屈曲させて延伸し、そして圧力面（１２）に向かって漏洩流（１６）を誘導するデフレクタを形成する部分と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、タービンエンジンのタービンブレードに関する。

本発明は、ターボジェットの燃焼室の出口の高圧タービンの場合に特に有利に適用される。

従来、タービンエンジンのタービンのブレードおよび前記ローターが回転するリングの内周面の間に、前記ローターの回転を可能にするために、ブレード先端にクリアランスが設けられる。ローターの運動、およびブレードの下面および上面の間の圧力差のために、それぞれのブレードの先端およびリングの内周面の間のクリアランスに漏洩流が生じる。この漏洩流および漏洩流が上面に発生させる渦は、非常に多数の空気力学的および空気熱学的な問題の原因となり、タービンエンジンの性能に直接影響を及ぼす。

ブレードの先端およびリングの内周面の間のクリアランスは一般に、この漏洩流を低減するように調整される。それにも関わらず、このクリアランスを低減することは、ブレードとリングの内周面が接触するリスクを高め、ブレードの寿命を大きく制限し、さらにブレードの先端の温度の上昇をも招いて、これもブレードの寿命に影響を及ぼす。

この欠点を補償するために、ブレードとリングの接触面を制限することが可能なバスタブをブレードの先端に設けることが従来から知られている。これらのバスタブは一般に、閉じた輪郭を定めるために、ブレードの先端で上面および下面に沿って、前縁から後縁に延びる周縁によって画定される。

特に、ブレードの空気力学的および空気熱学な性能を最適化することができるように意図されたバスタブを有する構成が提案されている。特に、例えばいくつかの空洞を設け、またはブレードの先端で漏洩流を誘導するためのデフレクタを一体化するバスタブの構成を提案する、出願人からなされた欧州特許出願公開第１７４８１５３号明細書および国際公開第２００９／１１５７２８号パンフレットが知られている。

しかしながら、従来技術で知られている解決策は、特に新世代ターボジェットに要求される性能に対しては不十分であることが、これまでに証明されている。

欧州特許出願公開第１７４８１５３号明細書 国際公開第２００９／１１５７２８号

本発明の一般的な目的の１つは、タービンブレードの空気力学的／空気熱学的な性能を向上させることにある。

特に、本発明はタービンの効率を上げることのできるバスタブ構造をブレードの先端に設けることを提案する。

なお、ターボジェットの場合、タービンの効率を上げることはターボジェットの効率および具体的な燃料消費率に直接影響する。そのため、提案する解決策はターボジェットの高圧タービンのブレードの場合に有利に適用される。

特に、１つの態様によれば、本発明は、その先端にバスタブを備え、さらに上面、下面、前縁、および後縁を備える、タービンエンジンのタービンブレードで構成され、前記バスタブは少なくとも１つの内部リブを備え、前記リブは、前記バスタブの上面側の周縁の取り付け点から前記バスタブの下面側の周縁の取り付け点まで延び、さらに、上面から延びる漏洩流に対する力吸収部と、力吸収部を屈曲させて延伸し、そして下面に向かって漏洩流を誘導するデフレクタを形成する部分と、を含むことを特徴とする。

別の態様によれば、前縁に直接対向するリブの力吸収部の領域は、前縁の接線と平行である。

補足的な様態によれば、取り付け点における上面に対する法線に対してリブがなす角度は、−２０°と２０°の間、好ましくは−１８°と３°の間で構成される。

付加的な態様によれば、バスタブの上面側の周縁に沿った取り付け点の曲線上の横座標は、１０％と２６％の間、好ましくは１３％と２１％の間で構成される。

別の態様によれば、バスタブの下面側の周縁に沿った取り付け点の曲線上の横座標は、１８％と６６％の間、好ましくは２６％と４９％の間で構成される。

基本的な態様によれば、取り付け点において下面に対する法線に対してリブがなす角は、０°と５０°の間、好ましくは１９°と４３°の間で構成される。

付加的な態様によれば、リブがブレードのキャンバー線と交わる点の曲線上の横座標は、１３％と４３％の間、好ましくは２１％と３５％の間で構成される。

別の態様によれば、キャンバー線およびリブの屈曲点の間の間隔は、−０．８ｍｍと１．２ｍｍの間、好ましくは−０．５ｍｍと１．２ｍｍの間で構成される。

本発明の他の特徴、目的、および利点は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を参照すれば、非限定的な例によって、明らかになるであろう。

本発明の第１の実施形態によるバスタブが構築された、インペラのブレードの先端の斜視図である。 図１の本発明の第１の実施形態と同様の図であるが、溝の異なる部分を強調している。 図１および図２の本発明の第１の実施形態と同様の図であるが、下面および上面でのリブの方向を強調している。 図１から図３の本発明の第１の実施形態と同様の図であるが、リブと上面との接続点の位置を強調している。 図１から図４の本発明の第１の実施形態と同様の図であるが、リブと下面との接続点の位置を強調している。 本発明の第１の実施形態によるブレードを上から見た図である。 図６と同様の図であるが、リブの屈曲点とブレードのキャンバー線との間の間隔を強調している。 図６および図７と同様の図であるが、リブの屈曲点でのリブの方向を強調している。

図１および以下の説明は、ターボジェットの高圧タービンのブレード１に関する。ターボジェットにおいては、タービンは、複数のブレード１が周方向に搭載されるディスクを有する。このディスクおよびブレードは、燃焼室の下流に位置するリングの中に設置される。タービンブレードおよびリングは、リングとブレードとの間のクリアランスを制限するように寸法決めされる。

そのようなブレード１は空気力学的な輪郭を有し、また凸状の上面１１および凹状の下面１２を有し、その両者は、一方で前縁１３を形成する丸みを帯びた上流側縁、および他方で後縁１４の間に延びる。

ブレード１はその先端において、リングの内周面と対向するために、周縁２ａによって画定されるバスタブ２を有し、その周縁２ａは上面１１および下面１２に沿って、前縁１３から後縁１４に延びて前記バスタブの底部２ｂを縁取る。

前記バスタブ２の内部は、周縁２ａと同じ高さのリブ３によって２つの空洞４および５に分割される。

図２に示すように、このリブ３は、上面１１沿って延びる周縁２ａの部分上の取り付け点３１、および下面１２に沿って延びる周縁２ａの部分上の点３２の間に延びる。リブ３は、
上面１１から延び、前縁１３を通じて空洞４内に達する漏洩流１６に対して障害物を形成する部分３ａと、
部分３ａを屈曲させて延伸し、漏洩流の下面側への退去を誘導するデフレクタとして作用する部分３ｂと、
を有する。

そのようなリブ３は、リブ３を押圧する漏洩流１６の負荷力の一部を回収することができ、またバスタブ２全体を高温の空気が突き抜けるのを阻むことによりブレード１の先端およびリングの温度を低減させることを可能とし、ブレード１の寿命を延ばすことに貢献する。

特に、負荷力の回収を最大にするために、前縁１３に直接対向するリブ３の部分３ａの領域（前縁１３に最も近い部分３ａの領域）は、前記前縁１３を通じて流入する漏洩流１６の方向に垂直になるように、前縁１３の接線と平行である。

部分３ａはこうして、回収する力を最大化する。

取り付け点３１でのリブ３の方向も最適化される。特に、取り付け点３１での上面１１に対する垂線に対してリブ３がなす角度（図３において、接線Ｔ３１、および点３１での上面１１の接線Ｔ１１と垂直な法線ＮＴ１１がなす角度α）は、有利には−２０°と２０°の間、より有利には−１８°と３°の間、さらに有利には−１６°と−１４°の間で構成される（角度αの符号は、法線ＮＴ１１から接線Ｔ３１に向かう三角法に従う向きで決められる）。

取り付け点３１の上面１１上の位置は、リブ３を越える高温の空気の通過を妨害または制限しつつ、漏洩流の力の吸収を最適化するように妥協して決められる。実際、取り付け点３１が前縁１３に近いほど、漏洩流の一部がリブ３を越えて空洞５に流入するリスクが大きくなり、力の吸収の効率が最適にはならないことが分かる。

それ故に、取り付け点３１の上面の線に沿う曲線上の位置（図４において、前縁１３（Ｘ＝０％）および後縁１４（Ｘ＝１００％）の間に定められる曲線上の横座標Ｘ）は、好ましくは１０％と２６％の間、より好ましくは１３％と２１％の間、さらに好ましくは１５％と１７％の間で構成される。

また、前縁１３に対向し漏洩流の流量がリブ３に衝突する部分３ａの領域を過ぎると、リブ３はデフレクタとして作用する部分３ｂによって屈曲されて、延びる。漏洩流を誘導するように作用するこの部分３ｂは、前記漏洩流が下面１２に沿う主流と可能な限り平行に、下面１２から出ていくように方向付けられている。

この目的のために、取り付け点３２は、後縁１４側にずらされて、下面１２に沿って配置される。取り付け点３２の下面の線に沿う曲線上の位置（図５において、前縁１３（Ｘ＝０％）および後縁１４（Ｘ＝１００％）の間に定められる横座標Ｘ）は、好ましくは１８％と６６％の間、有利には２６％と４９％の間、さらに有利には３２％と３６％の間で構成される。

なおここで、取り付け点３２が後縁１４に近いほど、空洞内に存在する漏洩流は、下面に沿う主流とより平行に出ていくように誘導されるので、ブレードの効率に対して好ましい。一方、高温の空気が空洞４の中により長く滞在することになるので、ブレードの寿命の観点からは好ましくない。点３２の曲線上の横座標の値に対する上記の範囲であれば、ブレード１の空気力学的な性質および空気熱学的な性質を良好に妥協させることができる。

リブ３が屈曲点を有しているため、一方では、力吸収部３ａは前縁１３からある距離で離間し、負荷力を最大限に回収し得る方向となることが可能となり、さらに一方では、デフレクタとして作用する部分３ｂは下面１２の壁からある距離で離間し、ブレード１の空気力学的および空気熱学的性質を最適化できる方向となることが可能となる。リブ３を屈曲させることにより、単一のリブにおいて、他のパラメータには不利になって、ブレード１の１つのパラメータのみを最適化する内部リブの異なる可能な形状の間の妥協を提供する形状を得ることが可能になる。

取り付け点３２におけるリブ３の向きはまた、鋳造（ロストワックス鋳造）によるブレードの製造の際に、特に金型からバスタブ２を取り外しできるように最適化されうる。そのために、リブ３はその取り付け点において、部分３ａの延長上にデフレクタを形成する部分３ｂに対して屈曲している部分３ｃを有する。下面１２に対する垂線に対してこの部分３ｃがなす角度（図３において、接線Ｔ３２、および点３２での下面１３の接線Ｔ１２と垂直な法線ＮＴ１２の間の角度β）は、有利には０°と５０°の間、好ましくは１９°と４３°の間、より好ましくは３５°と４０°の間で構成される（角度βの符号は、法線ＮＴ１２から接線Ｔ３２に向かう三角法に従う向きで決められる）。

リブ３の形状を最適化する際には、リブ３がブレード１のキャンバー線に対して延びる手段も考慮することができる。

特に、図６に示すように、リブ３がブレード１のキャンバー線Ｓと交差する点３３の位置（図６において、前縁１３（Ｘ＝０％）と縁１４（Ｘ＝１００％））との間に定められるキャンバー線Ｓに沿う横座標Ｘ）は、好ましくは１３％と４３％の間、好ましくは２１％と３５％の間、より好ましくは２５％から２９％の間で好ましく構成される。

キャンバー線Ｓは、下面１２と上面１１から等距離にある点のセットからなる線である。

さらに、キャンバー線Ｓとリブ３の屈曲点３４との間の間隔は、−０．８ｍｍと１．２ｍｍの間、好ましくは−０．５ｍｍと１．２ｍｍの間、さらに好ましくは１．１ｍｍと１．２ｍｍの間（屈曲点３４がキャンバー線Ｓと下面１２との間にある場合の距離は正の符号、その他は負の符号）で構成されるように最適化される（図７）。

部分３ｂの向きもまた最適化される。屈曲点３４でのリブ３の接線Ｔ３４（図８）と、接線Ｔ３４とキャンバー線Ｓとの交点でのキャンバー線Ｓの接線ＴＳとによって形成される角度θは、この目的のために、−２０°と２０°の間、好ましくは−１５．４°と＋５．１°の間、より好ましくは−１０．８度と−９．７度の間で構成される（角度θの符号は、接線Ｔ３４から接線ＴＳに向かう三角法に従う向きで定義される）。

さらに、空洞４、５内の高温の空気の排出を容易にするために、開口部６、７を下面１２側の周縁２ａに設けることもできる。空洞４の開口部６は、例えば、リブ３の極近傍に、空洞５の開口部７は、後縁１４の極近傍に位置する。

Claims (10)

1. その先端にバスタブ（２）を備え、さらに上面（１１）、下面（１２）、前縁（１３）、および後縁（１４）を備える、タービンエンジンのタービンブレード（１）であって、前記バスタブ（２）は少なくとも１つの内部リブ（３）を備え、前記リブ（３）は、前記バスタブ（２）の上面（１１）側の周縁（２ａ）の取り付け点（３１）から、前記バスタブ（２）の下面（１２）側の周縁（２ａ）の取り付け点（３２）まで延び、さらに、上面（１１）から延びる漏洩流に対する力吸収部（３ａ）と、力吸収部（３ａ）を屈曲させて延伸し、そして下面（１２）に向かって漏洩流（１６）を誘導するデフレクタを形成する部分（３ｂ）と、を含むことを特徴とするタービンブレード（１）。
2. 前縁（１３）に直接対向するリブ（３）の力吸収部（３ａ）の領域が、前縁（１３）の接線と平行であることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 取り付け点（３１）での上面（１１）に対する法線（ＮＴ１１）に対してリブ（３）がなす角度（α）が、−２０°および２０°の間、好ましくは−１８°と３°の間で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
4. バスタブ（２）の上面（１１）側の周縁（２ａ）に沿った取り付け点（３１）の曲線上の横座標が、１０％と２６％の間、好ましくは１３％と２１％の間で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
5. バスタブ（２）の下面（１２）側の周縁（２ａ）に沿った取り付け点（３２）の曲線上の横座標が、１８％と６６％の間、好ましくは２６％と４９％の間で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
6. 取り付け点（３２）での下面（１２）に対する垂線（ＮＴ１２）に対してリブ（３）がなす角度（β）が、０°と５０°の間、好ましくは１９°と４３°の間で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
7. リブ（３）がブレード（１）のキャンバー線（Ｓ）と交差する点（３３）の曲線上の横座標が、１３％と４３％の間、好ましくは２１％と３５％の間で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
8. キャンバー線（Ｓ）およびリブ（３）の屈曲点（３４）の間の間隔が、−０．８ｍｍと１．２ｍｍの間、好ましくは−０．５ｍｍと１．２ｍｍの間で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード（１）を有することを特徴とする、タービンディスク。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード（１）を有することを特徴とする、ターボジェットの高圧タービン。

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