JPH10306731A - ガスタービンエンジン流路用ステータアセンブリー及び流路形成方法 - Google Patents

ガスタービンエンジン流路用ステータアセンブリー及び流路形成方法

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JPH10306731A
JPH10306731A JP9288135A JP28813597A JPH10306731A JP H10306731 A JPH10306731 A JP H10306731A JP 9288135 A JP9288135 A JP 9288135A JP 28813597 A JP28813597 A JP 28813597A JP H10306731 A JPH10306731 A JP H10306731A
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channel
flow path
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JP9288135A
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Donald B Hanson
ビー．ハンソン ドナルド
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United Technologies Corp
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Publication date
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
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    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ガスタービンエンジン流路用ステータアッセ
ンブリーを提供する。 【解決手段】 作動媒体ガス用環状流路を有するガスタ
ービンエンジンは、ロータブレード３２のアレーと、該
ロータブレードの下流に配設されたステータベーン４８
のアレーと、作動媒体の流路の外側部２０％内で径方
向、かつ周方向へと延びる環状のチャンネルを有し、こ
の環状のチャンネルは、ロータブレードの先端領域から
伴乱流の主要部を捉えるために、ブレードとベーンとの
間の位置から後方へ延び、トーンノイズ及び広帯域ノイ
ズの少なくとも一方を吸収するための、音響処理がなさ
れる１対の周方向へ延びる壁４０，５２によって仕切ら
れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願は、１９９６年１０月２
１日に提出された米国仮特許願第６０／０２８，９０７
号の利益を主張するものである。本願は、また、「ガス
タービンエンジンの流路用ステータアセンブリー」を発
明の名称としドナルド・ビー・ハンソン(Donald B.Hans
on)によって同日に提出され、共にユナイテッド・テク
ノロジー・コーポレーションに譲渡された米国特許願第
０８／７８０，０７２号に関する内容も含んでいる。
【０００２】本発明は、一般に、作動媒体流路と、ロー
タブレードのアレーを含むロータアセンブリーと、ステ
ータベーンのアレーを含むステータアセンブリーを有す
るガスタービンエンジンに関し、特に、作動媒体流路内
において、作動媒体流路内のノイズを減少させるため
に、ロータブレードのアレーとステータベーンのアレー
の間の位置から軸方向に延びる環状チャンネルを有する
形式のステータアセンブリーに関する。
【０００３】
【従来の技術】航空用ガスタービンエンジンのようなガ
スタービンエンジンは、ファン部、圧縮機部、燃焼器部
及びタービン部を含む。作動媒体ガス用の環状流路はエ
ンジンの各部を軸方向に貫通して延びている。エンジン
は、ロータブレードのアレーを含むロータアセンブリー
と、ステータベーンのアレーを含むステータアセンブリ
ーと、を有する。ファン部内のロータアセンブリーは、
回転軸を有し、接近して来る流れに対して傾斜したロー
タアセンブリーのアレーを含む。ブレードはまた、エン
ジンの回転軸を中心として回転可能となっている。ステ
ータベーンのアレーは、ロータのアレーの下流に設置さ
れる流れを受けて、その方向を変えるようになってい
る。ステータアセンブリーは、流路に対して周方向へ延
びて作動媒体ガス用の流路を仕切る外壁と内壁とを含
む。
【０００４】作動媒体ガスが流路に沿って流されると、
これらのガスはファン及び圧縮機部の内部で圧縮され、
ガスの温度と圧力を上昇させる。高温の圧縮ガスは圧縮
部内で燃料によって燃焼され、ガスにエネルギーを加え
る。これらのガスはタービン部を通って膨張し、ファン
部及び圧縮部の内部のガスを加圧するために有用な仕事
とガスタービンエンジンを推進する推力を発生させる。
【０００５】ロータアセンブリーは、タービン部からフ
ァン部へ仕事を伝達するためにエンジンを貫通して延び
ている。ファン部内のブレードが回転軸を中心として回
転すると、ブレードがガスに仕事をなし、このガスの圧
力を増加させる。これらのガスの流れがエンジンを通過
し、ブレードをガスが通過すると、これに伴って、音響
エネルギー、すなわちノイズが発生する。加えて、ステ
ータ部品と、他のロータ部品とが、ガスと作用し合って
音響的振動とノイズを発生させる。
【０００６】ノイズは、航空機及び航空機エンジンの製
造者にとっては憂慮の原因になっている。これらの製造
者は、特に、過度の水準のノイズが、乗客、航空機の搭
乗員及び空港近くの住民に与える悪影響に関心を払って
いる。地域的及び時間的に、航空機の使用に際するノイ
ズの制限が課せられているので、航空機のエンジンが静
粛であることが必要であったし、今後も続いて必要であ
る。
【０００７】ジェットエンジンのノイズの主な原因は、
ジェットノイズ、すなわち排気ノイズと、コアノイズ
と、ファンノイズと、である。ジェットノイズは高速の
排気流が周囲の空気と混合することから生じる。これら
の２つの異なった速度の流れが混合すると、かなりの量
の乱流が生じ、ノイズが生じることになる。ターボファ
ンエンジンを用いると、２つの排気流が生じるから、外
部ノイズを生じさせる２つの原因があることとなる。一
方の原因は、ファン排気流が周囲の空気と混合して乱流
発生させることにより生じる。他の原因は、コア排気流
がファン排気流及び周囲の空気と乱流混合することによ
って生じる。
【０００８】コアノイズは、圧縮機ノイズ、燃焼器ノイ
ズ及びタービンノイズから成る。圧縮機ノイズとタービ
ンノイズは、流体が圧縮されたり、タービンを駆動する
のに使用される場合に、不安定なブレード力及び流体ス
トレスによって生じる。燃焼ノイズは、燃焼室内で燃料
が燃焼することによって乱流が生じるためである。
【０００９】ファンノイズは、それほど大きくなくて
も、高バイパス比ターボファンエンジンではノイズの主
原因の１つである。機構が全く別個になっていること
が、不連続なトーンノイズと、広帯域ノイズと、に分類
されるファンノイズの原因になっている。不連続なトー
ンノイズはロータブレードの伴流による特定周波数のノ
イズであり、バックグランドのノイズを超えて聞くこと
が出来る明瞭な信号又は音響を有している。ロータブレ
ードからの伴流は、ステータベーンに沿って通過し、ベ
ーン表面に圧力の変動を生じさせる。静止ベーン又は回
転ブレードの翼面上の圧力が変動すると、これによって
ノイズを発生させる力が生じる。このノイズのエンジン
からの伝搬の仕方は、エンジンのベーン数及びブレード
数、作動媒体ガスの流路を仕切る壁の幾何学的形状、ガ
ス速度、並びに、ロータ速度に関連する。
【００１０】広帯域ノイズの周波数は、エンジンがガス
に仕事をなし、これらのガスにエンジンを通過させて推
力を発生させる際に生じるノイズのように、不連続の周
波数ではなく、周波数の全領域にわたって分布している
ものである。広帯域ノイズは、主として、作動媒体ガス
がロータブレード及びステータベーンの各表面を横切っ
て通過する際に生じる乱流に起因したノイズである。広
帯域ノイズはロータブレードの先端部でより大きくな
る。
【００１１】このノイズを生じさせ、かつファンの基本
的な空力的操作に影響する機構が相互に依存しているの
で、ファンノイズを抑制することは、困難である。ノイ
ズレベルを減少させるために、航空機用ターボファンエ
ンジン及びターボジェットエンジンの設計には多くのこ
とが行われてきた。従来技術としては、エンジンノイズ
を抑制するために、特に、タービンエンジンに後から取
り付けられる場合や、はじめから取り付けられる、多く
の構造体の例を挙げることができる。典型的には、ノイ
ズ抑制構造は、エンジンのノーズカウル、ノーズドーム
及びファン流路部品に適用される音減衰ライナより成
る。典型的な構成においては、流路内で発生したノイズ
を抑制するために、音吸収材でターボジェットエンジン
又はターボファンエンジンの入口ダクトと、ノズルと、を
ライニングする。しかし、トーンノイズ及び広帯域ノイ
ズのレベルを許容可能にするために、十分なノイズ抑制
構造体を追加する必要があり、かなりの空力的損失が発
生する。
【００１２】ノイズレベルを減少させる１つの方法が、
本発明の発明者であるドナルド・ビー・ハンソン(Donal
d B. Hanson)に付与され、本願の譲受人に譲渡された
「回転機械用音抑制手段」を発明の名称とする米国特許
第３，８２０，６２８号で論じられている。このハンソ
ンの特許において、空気流に接触する流れ分割装置と、
入口案内ベーンと、ファンブレーディングと、といった
構造体によってファン流路内で発生したノイズを減少さ
せるためニ、ファン内で仕切層制御部が用いられてい
る。この構造体は、入口案内ベーンであれ、出口案内ベ
ーンであれ、流れ分割装置であれ、この構造体に隣接す
るファン流路内の仕切層の複数の層は、構造体内に形成
された開口部に連通する。各構造体は、音抑制手段又は
音抑制材を含む設計になっている。仕切層を除き、これ
に付随して生じる伴流を減少させるように、作動媒体ガ
スは、吸い込みポンプによって音抑制手段を通過して流
され、境界層を無くすことによって付随的に生じる伴流
を低減させるようになっている。
【００１３】この上記の技術にも係らず、出願人の譲受
人の指示の下に作業する科学者及び技術者はガスタービ
ンエンジン内の与えらえた空力的損失におけるノイズレ
ベルを減少させることを追い求めている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、圧縮部内の
ロータブレードの先端頂領域から出される流れの推力へ
の寄与度が、等量の流れにおいて比較した場合、ロータ
ブレードの他の位置からの寄与度よりも少なく、流路の
外側部２０％内で音響的処置をすることによって、この
ような流れによるノイズレベルを、所定の空力的損失と
しつつ、流路の他の位置において音響的処置を行うより
も、より大幅に減少させるガスタービンエンジン用ステ
ータアセンブリー及び作動媒体ガス用流路形成法を提供
することにある
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、作動媒
体ガス用環状流路を有するガスタービンエンジンは、ロ
ータブレードのアレーと、該ロータブレードの下流に配
設されたステータベーンのアレーと、作動媒体の流路の
外側部２０％内で径方向、かつ周方向へと延びる環状の
チャンネルを有し、この環状のチャンネルは、ロータブ
レードの先端領域から伴流乱流の主要部を捉えるため
に、ブレードとベーンの間の位置から後方へ延び、トー
ンノイズ及び広帯域ノイズの少なくとも一方を吸収する
ための、音響処理がなされる１対の周方向へ延びる壁に
よって仕切られている。
【００１６】本発明の１つの特別な実施例によれば、環
状のチャンネルの内壁は、ステータベーンによって支持
され、軸方向へ延びて流路を分割しており、チャンネル
の規格化高さＨｎ（ステータベーンの径方向スパンによ
ってチャンネルの径方向高さを割ることによって規格化
されたもの）よりも少なくとも１５倍大きな規格化長さ
Ｌｎ（ステータベーンの軸方向翼弦長によって壁の軸方
向長さを割ることによって規格化されたもの）を有し、
流れに直角な全径方向高さＨｃに対する流れに平行なチ
ャンネルの全軸方向長さＬｃの比は、３よりも大きくさ
れている。
【００１７】本発明の主たる特徴は、回転軸を中心とし
て配設されたロータブレードアレーにあり、各ロータブ
レードは、軸方向に平行に沿って翼弦長ｂｒを有するこ
とである。他の特徴は、ロータブレードから下流にある
ステータベーンアレーにあり、各ステータベーンは、軸
方向に計った翼弦長ｂｒと、前縁で計った径方向スパン
Ｓと、を有することである。別の特徴は、ロータブレー
ドのアレーとステータベーンのアレーを貫通して延びた
作動媒体用環状流路(環状チャネルと言う。)にある。こ
の環状チャンネルは、ロータブレードとステータベーン
との間の位置から後方へ延び、作動媒体流路の外側部２
０％内で径方向及び周方向へ延びている。この環状チャ
ンネルの入口は、ロータブレードから軸方向下流側へ離
間していて、ロータブレードと環状チャンネルの入口の
前縁との間の距離は、ロータブレードの翼弦長の４倍
（４ｂｒ）よりも小さくされている。環状チャンネル
は、外側ダクト壁及びステータベーンによって支持さ
れ、この外側ダクト壁から径方向内側に離間された壁に
よって仕切られている。この環状チャンネルは、回転軸
に平行な軸方向長さＬｃと、回転軸に直角な方向である
径方向高さＨｃと、を有する。１つの詳細な実施例にお
いて、環状チャンネルは、３よりも大きな径方向高さに
対する軸方向長さの比（Ｌ／Ｈｃ）を有する。この際少
なくとも１つの壁に音響処置がなされる。１つの詳細な
実施形態においては、内壁の規格化長さＬｎ（内壁の長
さＬｗ＝Ｌｃで、Ｌｎ＝Ｌｃ／ｂｖ）は、環状チャンネ
ルの規格化高さＨn（Ｈｎ＝Ｈｃ/Ｓ）よりも少なくとも
１５倍大きくされている。
【００１８】本発明の主たる利点は、ガスタービン内の
トーンノイズ及び広帯域ノイズのレベルが、環状チャン
ネル内のロータブレードのアレーの先端領域からの伴流
乱流を捕捉することで決まることと、チャンネル内のノ
イズのレベルを減少させるためにチャンバ内に構造体を
設けることである。他の利点は、トーンノイズ及び広帯
域ノイズを所定のレベルにした場合のエンジンの空力的
効率にあり、これはロータブレードの先端領域の乱流を
処理すること、及びこのような流れが抵抗損失を生じさ
せ、推力に与える影響を処理するように、伴流乱流を扱
うことから得られることにある。１実施例においては、
空力的効率は、環状チャンバの内壁内の音減衰構造体を
取り外すことでさらに増加されている。
【００１９】本発明の前記及び他の目的、特徴並びに利
点は、本発明を実施するための最善の実施例に関する次
の詳細な記載に照らし、本発明の実施例を説明する添付
の図面から明らかになるであろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１は、回転軸を有する軸流ター
ボファン型のガスタービンパワープラント８を示す。パ
ワープラントは、エンジン１０と、ナセル１２と、を含
む。エンジンは、ファン部１４と、圧縮機部１６と、燃
焼器部１８と、タービン部２０と、から成る。作動媒体
ガス用の主流路２２は、これらの部分を後方へ貫通して
延びている。作動媒体ガス用副流路２４は主流路の外側
にある。
【００２１】ナセル１２はエンジンを囲んでおり、航空
機の翼のような支持構造体にエンジンを支持し、位置決
めをするようになっている。エンジン１０とナセル１２
は、作動媒体流路を仕切るために、回転軸Ａr を中心と
して、周方向に延びるステータアセンブリー２６を含
む。ここで用いられる「エンジン」という用語は、エン
ジンと副流路を境界付けるエンジンと一体のナセル部分
を含む。ロータアセンブリー２８は回転軸Ａr を中心と
して設置される。ロータアセンブリーは、複数のロータ
ディスク３０及び複数のロータブレード３２を含む。各
ロータブレードは、ディスクから外側へ作動媒体流路２
２，２４を横切ってステータアセンブリーに隣接するま
で延びている。
【００２２】図２は、図１に示された軸流ガスタービン
エンジン１０のステータアセンブリーの側面図である。
ステータアセンブリー２６は、エンジンの回転軸を中心
として周方向に延びる外壁４０を含む。外壁は、作動媒
体ガス用の環状流路の外側境界となっている。内壁４４
は、この外壁から径方向内側に離間されている。内壁
は、回転軸を中心として周方向に延び、作動媒体ガス用
の流路の内側境界となっている。図示の通り、作動媒体
ガス用の環状流路２４は入口においてステータアセンブ
リーの方へ計って高さＨDを有する。
【００２３】ロータアセンブリーの各ロータブレード３
２は根本部領域３４と、中間スパン領域３６と、先端領
域３８と、を有する。先端領域３８は、外壁に接近して
いる。ロータブレードは、中間スパン位置において軸方
向かつ径方向へ計った翼弦長ｂｒを有する。ステータベ
ーン４８のアレーは、ロータブレードのアレーから軸方
向下流に離間している。各ステータベーンは、環状流路
２４を横切って、外壁から内壁へ径方向内側へと延びて
いる。ステータベーンは、中間スパン位置において軸方
向かつ半径方向へ計った翼弦長ｂｒを有している。ステ
ータベーンは前縁において計った径方向スパンＳを有し
ている。
【００２４】中間壁５２は、軸方向に延びて流路を分断
している。この中間壁は、間に環状チャンネル５６を形
成しつつ、外壁４０から半径方向内側へと離間してい
る。
【００２５】図３は、図２に示されたガスタービンエン
ジン１０の部分の拡大図であり、環状流路のステータア
センブリー部品に対する関係を詳細に示す。環状チャン
ネル５６は、外側が外壁４０で、内側が中間壁５２で仕
切られている。また、この中間壁５２は、ステータベー
ン４８の少なくとも１枚に一体に取り付けられている。
中間壁は、軸方向長さＬｗと、軸方向長さＬｗをステー
タの軸方向翼弦長ｂｖで割った値（Ｌｎ＝Ｌｗ／ｂｖ）
である規格化長さＬｎと、を有する。規格化長さＬｎの
比は、環状チャンネル５６に高さがあるために、環状チ
ャンネル５６の標準化高さＨｎの１５倍以上の大きさで
ある。
【００２６】環状チャンネル５６は、ブレード３２とベ
ーン４８の間にある第１の位置Ａ1から軸方向へ延び、
作動媒体流路２４の外側部２０％以内の径方向におい
て、周方向へ延びている。環状チャンネルは、チャンネ
ルの径方向高さをステータベーンの半径方向のスパンで
割った値である規格化高さＨｎ（Ｈｎ＝Ｈｃ／Ｓ）を有
する。チャンネルは、ロータブレードから軸方向へ離間
した前縁を持つ入口を有し、ロータブレードと前記第１
の位置における環状チャンネルへの入口の前縁との間の
距離は、ロータブレードの翼弦長の４倍（４ｂｒ）より
少なくなるようになっている。環状チャンネルは、軸方
向へ計った軸方向長さＬｃを有する。図示の実施例にお
いて、この距離は流れに対して実質的に平行に計った距
離と同じである。チャンネルは半径方向に計った作動媒
体流路ＨDの高さの２０％以下（Ｈｃ≦０．２０ＨD）の
径方向高さを有する。図示の実施例においては、この距
離は流れに実施的に直角に計った距離と同じである。こ
のチャンネルのアスペクト比はチャンネルの軸方向長さ
Ｌｃに対するチャンネルの軸方向高さＨｃの比に等し
い。このアスペクト比は３より大きく（Ｌｃ／Ｈｃ＞
３）されている。
【００２７】環状チャンネル５６を仕切っている壁の少
なくとも１つには、音透過構造体６０が内設されてい
る。図示の実施例においては、環状チャンネルを仕切っ
ている両壁４０，５２に音透過構造体が内設されてい
る。
【００２８】図４は、図２に示されたエンジンとは異な
る実施例について、図２の線４−４に沿った図に対応し
た断面図を示す。この実施形態において、多数枚のステ
ータベーン４８は、環状流路２４を横切って中間壁５２
から内壁４４へと、径方向内側へ延びている。ステータ
ベーンのアレーはロータブレード３２から下流へ軸方向
に離間している。各ステータベーンは軸方向に計った翼
弦長ｂｖと、前縁に沿って計った径方向スパンＳと、を
有する。ステータベーンの少なくとも１つは、中間壁に
係合するようになっている。
【００２９】ストラット６２のアレーが環状流路２４を
横切って、中間壁５２から外壁４０まで径方向外側へ延
びている。ストラットのアレーはロータブレード３２の
アレーの軸方向下流にある。中間壁は、環状チャンネル
を横切って延びる少なくとも１つのストラットによって
外側に取り付けられ、かつ支持されている。中間壁は環
状流路に横切って径方向に延びる少なくとも１つのステ
ータベーン４８に取り付けられ、内側から支持されてい
る。ストラットの数は中間壁を支持しているベーンの数
よりも少ない。ストラットの一例としては、ステータベ
ーンと同様の空力的形状を有するものを挙げることがで
きる。
【００３０】ガスタービンエンジンの運転中、作動媒体
ガスは、ファン部１４と圧縮機部１６内で圧縮される。
ガスは燃焼器１８内で燃料で燃焼されて、ガスにエネル
ギーを加える。高温高圧のガスは、タービン部２０を通
って膨張し、推力と有用な仕事を生じる。ガスを膨張す
ることによって得られた仕事は、ファン部まで延びるロ
ータアセンブリー２８のようなエンジン内のロータアセ
ンブリーを、回転軸Ａr を中心として回転させる。
【００３１】ガスは、作動媒体流路に沿って高速でロー
タアセンブリー２８に流入する。ロータアセンブリーが
高速で回転すると、ロータブレード３２が回転軸を中心
として高速で回転し、主流路２２及び副流路２４内の作
動媒体ガスを圧縮する。ガスを高速で通過させるロータ
ブレードは音響エネルギー、すなわちノイズを発生す
る。
【００３２】各ロータブレード３２がガスを通過させる
と、ブレードは、その背後に、通常伴流乱流と言われる
乱流ガスの伴流、すなわちトラック（track)を生じさせ
る。ステータベーン４８に沿って流れるロータブレード
３２からの、この伴流乱流は、ベーンの表面に圧力変動
を生じさせる。ステータベーンの表面上で変動している
空力的動圧は、さらにノイズを発生させることになる。
これに加えて、ロータブレードが外壁の境界層４０と相
互作用することによって、先端領域３８は、ロータブレ
ードの先端に隣接する２次的流れパターンを有する。こ
の相互作用が、先端領域３８で伴流乱流内にさらに乱れ
を生じさせることになる。
【００３３】図６は、ホットワイヤプローブ（hot wire
probe）からのオシロスコープの軌跡を示し、伴流乱流
の特性が、時間及びステータ４８の入口のスパンを横切
る径方向位置と共に劇的に変化することを表わす。振幅
及び時間の変化はこの流れの乱流によるものである。特
に、図６は、図示の３種の流れの条件下でのロータブレ
ードの根本部３４、中間スパン領域３６及び先端領域３
８での流れを示している。
【００３４】中間スパン領域３６では、乱流の伴流が分
離されて、すなわち区別されていることが判る。この領
域では周期的なパターンが見られる。根本部領域３４に
おいては、伴流は、ほぼ合流されており、激しい乱流を
形成しているが、周期的なパターンは認めることができ
る。図６に示されているように、先端領域３８では、伴
流乱流は、最も安定した乱流となっている。先端領域３
８では、各ブレードの伴流は乱流でほとんど見分けがつ
かない。また、ロータブレード３２の先端領域内では周
期的なパターンを認めることができない。
【００３５】ステータベーン４８でノイズが発生する際
の、この流れの役割を理解するために、伴流乱流の特性
を研究した。伴流乱流は、不規則成分（random compone
nt）と定常成分（steady component）の２つの成分から
成る。定常成分は、軸方向の先端領域の伴流速度のプロ
ファイルＶｐの概略拡大図である。図５に示されてい
る。この速度プロファイルにおいて、速度損失Ｖｄは、
ロータブレード３２の先端領域３８に対応し、速度が減
少する局部的領域に限定されている。これらの速度損失
は、定常成分になっている。この定常成分については、
また、一般に、調和伴流成分（harmonic wake componen
t） として引用する。
【００３６】伴流乱流の不規則成分は、図３に示された
乱流運動エネルギーによって表わされる。図３に示され
るように、乱流運動エネルギーは、ステータ４８の入口
のスパンを横切って劇的に変化する。乱流運動エネルギ
ーは、ロータブレード３２の中間スパン領域３６より
も、ロータブレード３２の根本部領域３４及び先端部３
８における方が非常に大きくなる。ロータブレードの根
本部に生じた乱流運動エネルギーは、低圧圧縮機内に吸
収されることによって減衰される。不規則成分は、ま
た、広帯域伴流成分として引用される。
【００３７】伴流乱流の２成分である、調和伴流成分
（定常成分）及び広帯域伴流成分（不規則成分）は、ノ
イズスペクトラムの成分に関連付けることができる。調
和伴流成分は、調和ノイズ又はトーンノイズを生じさ
せ、広帯域伴流成分は広帯域ノイズを生じさせる。
【００３８】作動媒体流路２４の最外部２０％内に形成
された環状チャンネル５６の内壁５２及び外壁４０は、
ロータブレード３２の先端領域３８から出される伴流乱
流のかなりの部分を捕捉する。この捕捉された乱流は、
チャンネルを通過し、そこで音吸収構造体と強制的に相
互作用させられる。乱流ガスがステータアセンブリー２
６の表面に当たると、チャンネルを通過するガスからの
音響エネルギーが音透過構造体によって吸収される。チ
ャンネルに高さがあるために、環状チャンネルの規格化
高さに対する規格化長さのアスペクト比が大きくなっ
て、音波と吸収構造体６０と相互作用が増大し、作動媒
体流路の最外部内においてのみ、流れを捕捉する。
【００３９】乱流は、また、ステータベーン４８や、そ
れと隣接する構造体と相互作用する時に、抵抗損失及び
ノイズを生じる。その乱流の性質によって、動圧が静圧
（推力）に変換されると、最外部内の流れが流れの残り
に部分に比較して、高い空力的損失を生じる。従って、
この先端部の流れは、同量の、これ以外の部分の流れよ
りも推力に寄与しない。また、その乱流の性質によっ
て、最外部の流れは、ファンノイズに大きな影響を及ぼ
す。従って、推力の減少は避けがたいものの、この外部
領域内での過度のノイズエネルギーがを空力的に効率的
に処理されることになる。この様にして推力の減少を最
小限としつつ、構造体６０により流れの音減衰を向上さ
せることになる。従って、音減衰後、先端部における伴
流乱流がエンジンから排出される時は、従来ほどには推
力は減少しないことになる。
【００４０】かくして、ノイズが通常のファン流路内に
入り込んで行く前に、このノイズを減少させるために、
伴流の多くの乱流部分が音吸収構造体６０で処理され
る。このことは、音透過構造体を内設し、かつ環状のチ
ャンネル５６を仕切る壁の内の少なくとも１によって達
成される。理解されるように、本発明の別の構造のもの
は、高さが作動媒体流路の高さＨDの２０％より小さく
したチャンネルを用いることもできる。このような構造
では、高さＨDの２０％内（高さＨDの２０％以下であ
る）の他の構造よりもノイズの減衰が少ないが、この小
さなチャンネルを通過する流れの量が減少するために、
空力的抵抗が少なくなる。
【００４１】図４に示された詳細な実施例では、作動媒
体流路２４の最外部内の複数の径方向翼面６２の数が減
らされている。従って、伴流乱流が衝突するこれらの径
方向翼面の数が少なくなるのでノイズの発生が減少す
る。このことはまた、動圧を流路の最外部内に形成され
たチャンネル５６内の静圧へと変換しないので静圧をあ
まり回復させず、推力が減少することになる。しかし、
最外部の流れは、推力にわずかしか貢献しないので、こ
のように最外部内の径方向の翼面の数を減少させ、この
最外部内に発生するノイズエネルギを減少させることが
効率的となる。
【００４２】要約すると、流れの最外部は、その乱流が
伴流領域の内側を流れるものよりも推力に大きな寄与を
しないから、最外部２０％内の音響エネルギーを発散さ
せる処置は、スパンに沿った他の場所で処理する場合の
ようにはエンジンの推力に悪影響を与えない。これとは
別に、推力を減少させる環状チャンネル５６内では、乱
流と相互に作用する前縁の数が減少されている。しか
し、伴流乱流は、ストラット６２の多くの面に衝突する
ことが無くされているので、音響エネルギーの発生が少
なくされている。
【００４３】本発明はその詳細な実施形態に関して示さ
れかつ説明されているが、当業者によれば、形態上の及
び詳細の種々の変更は請求された発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなしになされ得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンとナセルとを含む軸流タ
ーボファン型ガスタービンパワープラントの斜視図で、
ナセルとエンジンの部分は破断されており、作動媒体ガ
ス用副流路の一部、ステータブレードのアレー及びステ
ータベーンのアレーを示す図である。
【図２】明確化のため、一部を破断して示す、図１に示
されたガスタービンパワープラントの側面図である。
【図３】図２に示されたガスタービンパワープラントの
部分の拡大図であり、スパンに関する位置の関数として
流れの乱流動力学的エネルギの変化を図的に示す図であ
る。
【図４】図２の線４−４に沿って取られた図に対応する
図２に示されたガスタービンプランとの断面図である。
【図５】軸方向の先端領域の伴流速度プロファイルを図
的に示す拡大図である。
【図６】ホットワイヤプローブからのオシロスコープの
軌跡のグラフで、乱流がステータ入口のスパンを横切る
時に端領域において最も強くなるように劇的に変動する
ことを示す図である。
【符号の説明】
８…ガスタービンパワープラント １０…エンジン １２…ナセル １４…ファン部 １６…圧縮機部 １８…燃焼器部 ２０…タービン部 ２２…主流路 ２４…副流路 ２６…スタータアセンブリー ２８…ロータアセンブリー ３２…ロータブレード ３４…根本部領域 ３６…中間スパン領域 ３８…先端領域 ４０…外壁 ４４…内壁 ４８…ステータベーン ５２…中間壁 ５６…環状のチャンネル ６０…音吸収構造体 ６２…ストラット ６２…翼面 Ａr… 回転軸

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転軸Ａr と、この回転軸を中心として
    配設された作動媒体ガス用流路と、該回転軸を中心とし
    て周方向へ延び、かつ該作動媒体ガス用流路の外側境界
    をなす外壁と、軸方向に位置決めされたロータブレード
    のアレーであって、各ロータブレードが前記外壁近傍に
    位置する先端領域を有し前記流路を横切って径方向外側
    へ延びるものと、該ロータブレードのアレーから軸方向
    下流に離間したステータベーンのアレーであって、各ス
    テータベーンが前記流路を横切って半径方向内側へ延び
    るものと、軸方向に延びて前記流路を第１の部分と第２
    の部分を備えた環状チャンネルに分割し、第１の壁から
    径方向内側に離間され、かつ前記ステータベーンに一体
    に取りつけられている第２の壁と、前記第１の壁が外側
    境界をなし、かつ第２の壁が内側境界をなし、さらに該
    第１の壁及び該第２の壁の間に前記環状チャンネルが形
    成されて成るガスタービン用ステータアセンブリーにお
    いて、 前記第１のチャンネルは前記ブレードと前記ベーンの間
    の軸方向位置から軸方向に延び、かつ、前記作動媒体の
    前記流路の外側部２０％内を径方向、かつ周方向へ延び
    る構成とし、 前記環状チャンネルを形成する前記第１の壁及び第２の
    壁の少なくとも一方に音透過構造体を内設し、 前記第１の壁及び第２の壁は、乱流ガスが該第１の壁及
    び該第２の壁の表面に衝突する場合に、前記環状チャン
    ネルを通過するガスから音響エネルギを吸収するため
    に、前記ロータブレードの前記先端領域から前記流路の
    外側部内へ流入する乱流を捕捉する構成にされているこ
    とを特徴とするガスタービン用ステータアセンブリー。
  2. 【請求項２】 各ステータベーンはさらに前縁と、後縁
    と、軸方向へ計った翼弦長ｂｖ及び該前縁で計った径方
    向スパンＳと、を有し、前記環状チャンネルは軸方向長
    さＬｃ、径方向高さＨｃ、前記第２壁の長さを前記ステ
    ータベーンの軸方向翼弦で割った値に等しい規格化長さ
    Ｌn（Ｌｎ ＝Ｌｗ ／ｂｖ）、及び前記環状チャンネル
    の径方向高さを前記ステータベーンの径方向スパンで割
    った規格化高さＨｎ（Ｈｎ ＝Ｈｃ ／Ｓ）を有するガス
    タービンエンジン用ステータアセンブリーにおいて、 前記環状チャンネルの前記標準化長さの比は、該環状チ
    ャンネルが音波の音吸収構造体との相互作用を増大させ
    るために、該環状チャンネルの標準化高さの少なくとも
    １５倍であることを特徴とする請求項１に記載のガスタ
    ービンエンジン用ステータアセンブリー。
  3. 【請求項３】 前記ステータアセンブリーは、前記第１
    の壁から径方向内側に離間され前記回転軸を中心として
    周方向に延び、かつ前記作動媒体ガスの内側境界をなす
    内壁を有し、各ロータブレードは、さらに、前縁と、後
    縁と、軸方向へ計った翼弦長さｂｒと、を有するガスタ
    ービンエンジン用ステータアセンブリーにおいて、 前記環状チャンネルの入口が、前記ロータブレードと該
    環状チャンネルへの該入口との間の距離が前記ロータブ
    レードの翼弦の４倍よりも小さくなるように、前記ロー
    タブレードの前記後縁から軸方向へ離間されており、前
    記ステータベーンは前記内壁から前記第１の壁へ延び、
    かつ、それに一体に取り付けられることを特徴とする請
    求項２に記載のガスタービンエンジン用ステータアセン
    ブリー。
  4. 【請求項４】 前記環状チャンネルの軸方向長さＬｃ
    と、この環状チャンネルの径方向の高さＨc との比は、
    比は３よりも大きい（Ｌｃ／Ｈｃ＞３）ことを特徴とす
    る請求項２に記載のガスタービンエンジン用ステータア
    センブリー。
  5. 【請求項５】 前記環状チャンネルの軸方向長さＬｃ
    と、このチャンネルの径方向の高さＨｃとの比は、比は
    ３よりも大きい（Ｌｃ／Ｈｃ＞３）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用ステータアセン
    ブリー。
  6. 【請求項６】 前記ステータベーンは、前記内壁から前
    記第２の壁まで径方向に延びており、より少ない数のス
    トラットが該第２の壁から該第１の壁まで径方向外側に
    延びており、前記ロータブレードの前記先端領域から出
    る音エネルギーが前記環状チャンネル内のより少ない数
    の径方向延在面に加えられるようになっていることを特
    徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン用ステ
    ータアセンブリー。
  7. 【請求項７】 前記ガスタービンエンジンは、このガス
    タービンエンジンに一体に取り付けられ、前記作動媒体
    の流路を境界付けて前記第１の壁の少なくとも一部を形
    成するナセル構造体部分を含み、前記環状チャンネルの
    外側壁と、内側壁には、さらに音吸収構造体が内設され
    ていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン
    エンジン用ステータアセンブリー。
  8. 【請求項８】 回転軸Ａr と、該回転軸を中心として配
    設され高さＨDを持つ作動媒体ガス用環状流路と、を有
    し、該エンジンの該回転軸を中心として周方向に延びて
    該流路を仕切るガスタービン用ステータアセンブリーで
    あって、 前記回転軸を中心として周方向に延び、作動媒体ガス用
    前記環状流路の外側境界をなす外壁と、 この外壁から径方向内側に離間し、前記回転軸を中心と
    して周方向へ延び、かつ、前記作動媒体ガスの内側境界
    をなす内壁と、 ロータブレードがそれぞれ前記外壁の近傍に位置するよ
    うに前記環状流路を横切って半径方向外側へ延びている
    先端領域と、軸方向へ計った翼弦長ｂr と、を有するロ
    ータブレードのアレーと、 ステータベーンの少なくとも１個は中間壁の一体に設け
    られ、各ステータベーンは前記環状流路を横切って前記
    内壁まで径方向内側に延び、前記軸方向に計った翼弦長
    ｂｖと、前記前縁で計った半径方向スパンＳと、を有す
    る前記ロータブレードのアレーから軸方向下流に離間さ
    れた第１の数のステータベーンのアレーと、 ストラットがそれぞれ前記環状流路を横切って径方向内
    側へ延び、かつ、中間壁に係合するようにされた前記ロ
    ータブレードのアレーから軸方向下流に離間された第２
    の数のストラットのアレーと、 前記外壁から径方向に離間し、該外壁との間に環状チャ
    ンネルを形成する周方向へ延びる中間壁と、を有し、こ
    の中間壁は、前記環状流路を横切って径方向へ延び、少
    なくとも１つのステータベーンに一体に取り付けられて
    いるとともに、これによって内側で支持されており、さ
    らに該環状チャンネルを横切って延びる複数のストラッ
    トが外側に取り付けられ、さらに長さＬｗと前記中間壁
    の長さをステータベーンの軸方向翼弦で割った値に等し
    い規格化長さＬｎ（Ｌｎ＝ Ｌｗ／ｂｖ）を有してお
    り、 前記環状チャンネルは、前記外壁によって外側で仕切ら
    れ、前記中間壁によって内側で仕切られて、前記ブレー
    ドと前記ベーンの間の位置から軸方向へ延び、前記作動
    媒体の前記流路の外側部２０％内で径方向及び周方向に
    延びていて、さらに、 前記ロータの後縁から軸方向に離間し前記ロータブレー
    ドとの間の距離がロータブレードの翼弦長の４倍（４ｂ
    ｒ）よりも小さくされた前記環状チャンネルへの入口
    と、 前記中間壁の軸方向の長さＬw に等しい軸方向長さＬｃ
    （Ｌｃ＝Ｌｗ）と、 前記作動媒体の前記流路の高さＨDの０．２０倍以下の
    前記チャンネルの半径方向高さ（Ｈc ≦０．２０ＨD）
    と、 該チャンネルの径方向高さを前記ステータベーンの径方
    向スパンで割った値に等しい前記チャンネルの標準化高
    さ（Ｈｎ＝Ｈｃ／Ｓ）と、 前記チャンネルの軸方向長さの該チャンネルの軸方向高
    さに対する比の３倍を超える値（Ｌｃ／Ｈｃ＞３）と、
    を有しており、 前記環状チャンネルの前記内壁と、前記外壁とは、前記
    ロータブレードの前記先端領域から前記流路の外部内に
    送入される乱流を捕捉し、前記ストラットの前記第２の
    数を前記ベーンの前記第１の数より少なくすることで、
    流れが衝突する径方向延在面の数を少なくしていること
    を特徴とするガスタービンエンジン用ステータアセンブ
    リー。
  9. 【請求項９】 回転軸Ａr と、この回転軸を中心として
    配設され高さＨDを持つ作動媒体ガス用環状流路と、を
    有し、該エンジンの該回転軸を中心として周方向に延び
    て該流路を仕切るガスタービン用ステータアセンブリー
    であって、 前記回転軸を中心として周方向に延び、作動媒体ガス用
    前記環状流路の外側境界をなす外壁と、 この外壁から径方向内側に離間し、前記回転軸を中心と
    して周方向へ延び、かつ、前記作動媒体ガスの内側境界
    をなす内壁と、 ロータブレードがそれぞれ前記外壁の近傍に位置するよ
    うに前記環状流路を横切って半径方向外側へ延びている
    先端領域と、軸方向へ計った翼弦長ｂｒと、を有するロ
    ータブレードのアレーと、 ステータベーンは、それぞれ前記環状流路を横切って前
    記内壁まで径方向内側に延び、前記軸方向に計った翼弦
    長ｂｖと前記前縁で計った半径方向スパンＳとを有する
    前記ロータブレードのアレーから軸方向下流に離間され
    たステータベーンのアレーと、 前記流路を分割するため軸方向に延び、前記外壁から径
    方向内側に離間して該外壁との間に環状チャンネルを形
    成し、前記ステータベーンに一体に取り付けられた中間
    壁で、長さＬｗと、該中間壁の長さをステータベーンの
    軸方向の翼弦長で割った値（Ｌｎ＝Ｌｗ／ｂｖ）に等し
    い規格化長さＬｎとを有するものから成り、 前記環状チャンネルは、前記外壁によって外側で仕切ら
    れ、かつ前記中間壁によって内側で仕切られた前記ブレ
    ードと前記ベーンの間の位置から軸方向に延び、前記作
    動媒体の前記流路の外側部２０％内に半径方向及び周方
    向へ延びていて、さらに、 前記ロータの後縁から軸方向に離間し前記ロータブレー
    ドとの間の距離がロータブレードの翼弦長の４倍（４ｂ
    ｒ）よりも少ない、前記環状チャンネルへの入口と、 前記中間壁の軸方向長さＬｗに等しい軸方向の長さＬｃ
    （Ｌｃ＝Ｌｗ)と、 前記作動媒体の前記流路の高さＨDの０．２０倍よりも
    小さい前記チャンネルの半径方向の高さＨｃ（Ｈｃ＜
    ０．２０ＨD）と、 該チャンネルの径方向高さを前記ステータベーン径方向
    スパンで割った値に等しい前記チャンネルの規格化高さ
    Ｈｎ（Ｈｎ＝Ｈｃ／Ｓ）と、 前記チャンネルの軸方向長さの該チャンネルの軸方向高
    さに対する比の３倍を超える値（Ｌｃ／Ｈｃ＞３）とを
    有しており、 前記環状チャンネルの前記内壁と、前記外壁とは、前記
    ロータブレードの前記先端領域から前記流路の外側部内
    に送入される乱流を捕捉し、前記環状チャンネルを仕切
    る前記外壁及び前記内壁の少なくとも一方には、乱流ガ
    スが該外壁と、該中間壁と、ステータベーンの表面と、
    に衝突した場合に、前記チャンネルを通過するガスから
    音響エネルギを吸収するため、音透過構造体が内部に設
    けられており、前記規格化長さＬｎ の比は、該チャン
    ネルの高さを音波と音吸収構造体との相互作用を増大さ
    せるようにするために、該チャンネルの標準化高さＨn
    の少なくとも１５倍とされていることを特徴とするガス
    タービンエンジン用ステータアセンブリー。
  10. 【請求項１０】 前記チャンネルの軸方向高さＨｃは、
    前記作動媒体の前記流路の高さＨＤの０．２倍に等しい
    （Ｈc＝０．２ＨD）ことを特徴とする請求項９に記載の
    ガスタービンエンジン用ステータアセンブリー。
  11. 【請求項１１】 回転軸Ａr と、この回転軸を中心とし
    て周方向へ延び、該流路を外側から仕切る外壁と、を有
    するガスタービンエンジンの作動媒体ガス用流路を形成
    する方法において、 ロータブレードのアレーを、各ロータブレードが先端領
    域を有し該流路を横切って延びるようにガスタービンエ
    ンジン内に設ける工程と、 ステータベーンのアレーを、各ステータベーンが前記流
    路を通過するように前記ロータブレードのアレーの軸方
    向下流に設ける工程と、 中間壁と、前記外壁とが、これらの間の前記作動媒体の
    流路の径方向の外側部２０％内に環状チャンバを形成す
    るように、該中間壁を前記外壁から径方向内側に設ける
    工程と、 前記外壁及び前記中間壁の少なくとも一部に、前記環状
    チャンネルに隣接して、前記ロータブレードの前記先端
    領域から出される音響エネルギーを捕捉するための音低
    減構造体を設ける工程と、から構成される作動媒体ガス
    用流路形成法。
  12. 【請求項１２】 前記中間壁を前記外壁から径方向内側
    に設ける工程は、該中間壁を前記ステータベーンに一体
    に取り付ける工程を含み、前記音吸収構造体を前記環状
    チャンネルに隣接して設ける工程は、該環状チャンネル
    に隣接する該音吸収構造体を、前記ロータブレードの前
    記先端領域から出される音エネルギを捕捉するために、
    前記外壁及び前記中間壁の少なくとも一部に一体に取り
    付ける工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の
    作動媒体ガス用流路形成法。
  13. 【請求項１３】 前記ステータベーンのアレーを前記ガ
    スタービンエンジン内に設ける工程は、各ステータベー
    ンに、さらに、前縁、後縁、軸方向へ計った翼弦長ｂ
    ｖ、該前縁で計った半径方向スパンＳを形成する工程を
    含み、前記中間壁を、該中間壁及び前記外壁が前記チャ
    ンネルを形成するように前記外壁径方向内側に設ける工
    程は、さらに、該チャンネルに、軸方向長さＬｃ、径方
    向高さＨｃ、該チャンネルの軸方向長さをステータベー
    ンの軸方向翼弦で割った値に等しい規格化化長さＬｎ
    （Ｌｎ＝Ｌｃ／ｂｖ）、及び、該チャンネルの径方向高
    さをステータベーンの半径方向スパンで割った値に等し
    い前記チャンネルの規格化高さＨｎ（Ｈｎ＝Ｈｃ／Ｓ）
    を形成する工程を含み、該チャンネルの高さが音波と音
    吸収機構との相互作用を増大させるように、前記チャン
    ネルの標準化長さの比を該チャンネルの標準化高さの少
    なくとも１５倍にしたことを特徴とする請求項１１に記
    載の作動媒体ガス用流路形成法。
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