JP2011508846A - 圧縮機を動作させる方法 - Google Patents

Abstract

圧縮機の失速を防止するようにブレード列を有する圧縮機を動作させる方法であって、誘電材料によって分離された径方向内側電極及び径方向外側電極を備えたプラズマ発生器を、ブレード先端から径方向外側に離間したケーシング又はシュラウド内に取り付けるステップと、径方向内側電極及び径方向外側電極にＡＣ電位を供給するステップとを含む方法を開示する。方法は、プラズマ発生器をオン／オフして圧縮機の失速マージンを増大させるステップをさらに含むことができる。誘電材料は、ケーシングの径方向内向き表面に形成された溝の中に配置されることができる。方法は、電子制御装置を使用してプラズマ発生器を制御することを含むことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ファン、ブースタ、プラズマアクチュエータを使用する圧縮機などの圧縮システムの安定流範囲の改善に関する。

航空機のターボファンガスタービンエンジンでは、運転時に、ファンモジュール、ブースタモジュール、及び圧縮モジュールで空気を圧縮する。ファンモジュールを通過する空気は、大部分がバイパス流となり、飛行する航空機を前進させるのに必要な推力の大部分を発生させるために使用される。ブースタモジュール及び圧縮モジュールを流れる空気は、燃焼器で燃料と混合され、点火して高温の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスがタービン段を流れ、これらのタービン段で燃焼ガスから、ファン、ブースタ、及び圧縮機のロータを駆動するためのエネルギーを抽出する。ファンモジュール、ブースタモジュール、及び圧縮モジュールは、一連のロータ段及びステータ段を有する。ファン及びブースタのロータは、一般に低圧タービンで駆動され、圧縮機のロータは、高圧タービンで駆動される。ファン及びブースタのロータは、圧縮機のロータと空気力学的に結合されているが、通常は、これらは異なる機械的速度で動作する。

ファンやブースタ、圧縮機などの圧縮システムの設計で重要なのは、離陸から巡航、着陸に至るまでの飛行動作エンベロープ全体にわたって十分な失速マージンを確保しながら空気を圧縮する効率である。しかし、圧縮効率と失速マージンは、通常は逆相関の関係にあり、普通は、効率を上げると、それに応じて失速マージンが小さくなる。失速マージンと効率という相反する要件は、入口ディストーションが深刻であったり補助動力の抽出量が増加したりする作動条件下で運用される高性能ジェットエンジンでは特に厳しくなるが、高水準の失速マージンと高い圧縮効率を両立することは依然として必要である。

圧縮システムの失速は、一般に、圧縮機のロータの先端で流れが破壊されることによって生じる。ガスタービンの高圧圧縮機では、回転しているブレード先端と、ブレード先端を取り囲む静止ケーシングとの間に、先端隙間がある。エンジンの動作中には、正圧面から先端隙間を通って負圧面に向かって、圧縮空気が漏れる。これらの漏れ流によって、ブレードの先端領域に渦が形成されることがある。これらの渦は、圧縮システムのスロットルを絞ると強度及び大きさが増し、閉塞及び損失を引き起こすことがあり、最終的に、圧縮システムの失速及び効率の低下につながる恐れがある。

ＶＯ Ｈ．Ｄ．：「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｉｎ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｐｌａｓｍａ ａｃｔｕａｔｏｒｓ」、ＡＩＡＡ ＦＬＵＩＤ ＡＮＤ ＤＹＮＡＭＩＣＳ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ、ＸＸ、ＸＸ、ｖｏｌ．３７、２００７年６月２５日（２００７−６−２５）、１〜１５ページ、ＸＰ００９１１２６５１、要約書、図７

したがって、圧縮システムにおける失速の開始を遅らせることによってブレード先端の渦による閉塞及び損失を最小限に抑えてエンジンの運用性を向上させる圧縮システムがあることが望ましい。また、回転しているブレードの先端とブレード先端を取り囲むケーシング又はシュラウドとの間の有効隙間を減少させることによって先端漏れ流を減少させるシステムがあることが望ましい。また、エンジンの圧縮システムの安定流範囲及び効率を改善する航空機のガスタービンエンジンを動作させる方法があることが望ましい。

上述の１つ又は複数の必要は、圧縮機ブレードの周方向列と、ブレードの先端から径方向に離間して位置する、ブレードの先端を取り囲む環状ケーシングと、環状ケーシング上に位置する少なくとも１つの環状プラズマ発生器とを備える、圧縮機のプラズマ漏れ流制御システムを提供する例示的な実施形態によって満たすことができる。環状プラズマ発生器は、誘電材料によって分離された内側電極と外側電極とを備える。プラズマ漏れ流制御システムを有するガスタービンエンジンは、ブレード先端漏れ流を変化させることができるように環状プラズマ発生器の動作を制御するエンジン制御システムをさらに備える。

本発明の別の態様では、圧縮段にプラズマ漏れ流制御システムを備えるガスタービンエンジンは、ブレード先端漏れ流を変化させることができるようにプラズマ発生器の動作を制御するエンジン制御システムをさらに備える。

例示的な実施形態では、プラズマ発生器は、セグメント型シュラウドに取り付けられる。別の例示的な実施形態では、プラズマアクチュエータは、環状構造を有する。別の例示的な実施形態では、プラズマアクチュエータシステムは、離散プラズマ発生器を備える。

航空機のガスタービンエンジンは、エンジンの圧縮システムの安定流範囲を改善するプラズマ発生器システムを動作させる方法を用いて動作させることができる。本発明の別の態様では、航空機のガスタービンエンジンは、回転するブレードの先端とブレード先端を取り囲むケーシング又はシュラウドの間の有効隙間を減少させることによって先端漏れ流を減少させる方法を用いて動作させることができる。航空機のガスタービンエンジンは、圧縮機の動作効率を変化させるプラズマ発生器システムを動作させる方法を用いて動作させることもできる。

本発明と見なされる主題については、本明細書の最後に特に示し、明示的に主張する。しかし、本発明は、添付の図面と関連付けて以下の説明を読むことにより、最もよく理解することができる。

圧縮段にプラズマアクチュエータシステムの例示的な実施形態を備えた、ガスタービンエンジンを示す概略断面図である。 図１に示すガスタービンエンジンの圧縮機の一部分を示す拡大断面図である。 図２に示す圧縮機の例示的な動作マップである。 圧縮段のブレード先端渦中に逆流領域が形成される様子を示す図である。 動作線より上の位置で圧縮機のスロットルを絞ったときに、図４ａに示すブレード先端渦中で逆流領域が拡大していく様子を示す図である。 失速中のブレード先端領域の渦中の逆流を示す図である。 圧縮機の先端領域を、プラズマ発生器システムの例示的な実施形態と共に示す概略断面図である。 圧縮機のブレード先端を、プラズマ発生器システムの例示的な実施形態と共に示す概略上面図である。 圧縮機のブレード先端を、プラズマ発生器システムの例示的な実施形態と共に示す概略上面図である。 圧縮機のシュラウドセグメントを、プラズマ発生器の例示的な実施形態と共に示す等角図である。

相異なる図全体を通して同じ参照番号が同じ要素を示している図面を参照する。図１は、本発明の例示的な実施形態を組み込んだ、例示的なターボファンガスタービンエンジン１０を示す図である。ターボファンガスタービンエンジン１０は、エンジン中心線軸８、周囲空気１４を受けるファン１２、ブースタ又は低圧圧縮機（ＬＰＣ）１６、高圧圧縮機（ＨＰＣ）１８、ＨＰＣ１８が加圧した空気を燃料に混合して、高圧タービン（ＨＰＴ）２２を通って下流に流れる燃焼ガス又はガス流を生成する燃焼器２０、及びエンジン１０から燃焼ガスを排出する低圧タービン（ＬＰＴ）２４を備える。ＨＰＴ２２は、ＨＰＣ１８と接合されて、実質的に高圧ロータ２９を形成する。低圧シャフト２８は、ＬＰＴ２４を、ファン１２とブースタ１６とに接合している。第２の、又は低圧シャフト２８は、第１の、又は高圧ロータと同軸に、且つこれより径方向内側に、回転可能に配置される。

コアを流れる空気を加圧するＨＰＣ１８は、長手方向中心線軸８について軸対称である。ＨＰＣは、複数の入口案内翼（ＩＧＶ）３０、及び長手方向中心線軸８の周りに周方向に配列された複数のステータベーン３１を含む。ＨＰＣ１８は、さらに、任意の従来の方法でロータハブ３９から、或いは別個のディスク、一体ブリスク、又は環状ドラム２１の形態をした対応するロータから径方向外側に延びる対応するロータブレード４０を有する複数のロータステージ１９を含む。

各ロータ段１９と協働するのは、周方向に離間した複数のステータベーン３１を含む、対応するステータ段である。ステータベーン及びロータブレードの構成を、図２に示す。ロータブレード４０とステータベーン３１とで、複数の軸方向段で連続的にコア空気流を加圧するための、対応する空気力学的プロフィル又は輪郭を有するエーロフォイルを画定している。各ロータブレード４０は、ブレード翼根部４５、ブレード先端４６、正圧面４３、負圧面４４、前縁４１、及び後縁４２を備える。前段のロータブレード４０は、ロータブレード先端を取り囲む環状ケーシング５０内で回転する。後段のロータブレードは、通常は、ブレード先端４６の周囲に周方向に配列されたシュラウドセグメント５１が形成する環状通路内で回転する。動作時には、空気が減速され、ステータエーロフォイル及びロータエーロフォイルを通って拡散するにつれて、空気の圧力が高くなる。

例示的なガスタービンエンジン１０の例示的な圧縮システム１８の動作マップを、図３に示す。入口補正流量をＸ軸に、圧力比をＹ軸に示す。本明細書で使用する「圧力比」という用語は、圧縮システムの出口における全圧力を、圧縮システムの入口における全圧力で割った比として定義される。例示的な定常状態動作線１１６、過渡的動作線１１４、及び失速線１１２も、等速線１２２、１２４とともに示してある。線１２４は低速線を表し、線１２２は高速線を表す。等速線１２４に示すように、一定の速度で圧縮システムのスロットルを絞ると、入口補正流量が低下する一方で圧力比は増大し、圧縮システムの動作は、失速線１１２に近づく。本明細書で使用する「失速マージン」という用語は、一定の補正流における、失速時の圧力比と任意の動作線が示す圧力比の比から１を引いたもの［（ＰＲ_{ｓｔａｌｌ}／ＰＲ_ｏｌ）−１．０］として定義される。各作動条件には、それぞれ対応する圧縮機効率がある。圧縮機効率は、所与の圧力比を達成するために必要とされる圧縮機の実際の仕事入力に対する理想的な（等エントロピーの）仕事入力の比として従来定義されている。図３の圧縮機マップでは、各作動条件の圧縮機効率は、要素１１８、１２０として示すように、一定効率の等高線としてプロットしてある。この性能マップは、図３では最小の等高線１２０として示すピーク効率領域を有し、圧縮機は、可能な限りこのピーク効率領域内で動作させることが望ましい。以下でさらに説明するように、本発明の例示的な実施形態は、単純に動作線１１６を下げて効率を犠牲にするのではなく、圧縮システムの失速線（図３の要素１１３を参照）を引き上げることによって、圧縮システムの安定動作範囲を改善する手段を提供するものである。図３では、従来の圧縮機の失速線を要素１１２として示し、本発明の例示的な実施形態を用いた失速線を要素１１３として示している。点１２８及び１３２は、従来の圧縮システムのそれぞれ対応する点１２６及び１３０と比較して、本明細書に記載する本発明の例示的な実施形態によって安定動作範囲が増大していることを表している。

圧縮機の失速は、ロータ１９の先端領域５２における流れの破壊によって引き起こされることがわかっている。この先端流破壊は、先端漏れ渦と関連があり、この先端漏れ渦を、図４ａ、図４ｂ、及び図４ｃに、計算流体力学解析に基づく負の軸方向速度を有する領域の等高線プロットとして概略的に示す。先端漏れ渦２００は、主として前縁４１付近のロータブレード先端４６で始まる。この渦２００の領域には、負の軸方向速度を有する流れが存在する。すなわち、この領域の流れは、流れの本体と反対であり、きわめて望ましくない。先端渦２００は、妨げられない限り、図４ｂに示すように、軸方向後方に、且つブレードの負圧面４４から接線方向に、隣接するブレードの正圧面４３まで伝搬する。この流れは、正圧面４３に到達すると、図４ｃに示すようにブレードとブレードの間で先端の閉塞領域に集まる傾向があり、大きな損失を生じる。失速線１１２に向かって圧縮機のスロットルを絞るにつれて、隣接するブレード間の流路内で、閉塞は大きくなっていき、最終的に圧縮機１８を失速させる。失速付近では、ブレード通路の流れ場の構造の挙動、特にブレード先端隙間の渦の軌道の挙動は、軸方向に対して直交しており、先端隙間の渦２００は、図４ｃに示すように、隣り合うブレード４０の前縁４１の間に存在している。渦２００は、図４ｃに示すように、ブレード４０の負圧面４４の前縁４１から始まり、隣接するブレード４０の正圧面の前縁４１に向かって移動する。

本明細書に開示するプラズマアクチュエータを用いた本発明の例示的な実施形態では、この先端漏れ渦２００による閉塞の成長を遅らせる。本発明の例示的な実施形態で適用し、本発明の例示的な実施形態によって動作するプラズマアクチュエータは、先端領域５２中の流体に、より大きな軸方向運動量を与える。以下で述べるように、先端領域で発生したプラズマは、流体の軸方向運動量を強化し、負の流れの領域２００を最小にして、この領域が大きな閉塞領域に成長するのを妨げる。本発明の例示的な実施形態に示すように使用したプラズマアクチュエータは、イオンの流れと、先端渦領域中の流体に作用して、この流体を所望の流体流の方向にブレード通路に通す体積力とを生み出す。本明細書で使用する「プラズマアクチュエータ」という用語及び「プラズマ発生器」という用語は、同じ意味であり、入れ換え可能である。

図２は、図１に断面図を示す航空機のガスタービンエンジンなどのガスタービンエンジン１０の圧縮システムの失速マージンを増大させ、且つ／又は効率を向上させるプラズマアクチュエータシステム１００の例示的な実施形態を示す概略的な断面図である。ガスタービンエンジンのプラズマアクチュエータシステム１００は、回転可能なブレード先端４６を取り囲む、環状ケーシング５０又は環状シュラウドセグメント５１を備える。ケーシング５０又はシュラウドセグメント５１には、ブレード先端４６から径方向外側に離間した環状溝５４又は溝セグメント５６中に、環状プラズマ発生器６０が位置している。図２に示す例示的な実施形態は、前縁４１の先端４６付近でケーシング５０内に位置する前縁プラズマアクチュエータ１０１と、ブレードの先端４６付近のほぼブレードの翼弦中央の位置でケーシング５０内に位置する部分翼弦プラズマアクチュエータ１０２とを備える。

図５は、失速マージンを増大し、且つ／又は圧縮システム１８の効率を向上させるプラズマアクチュエータシステム１００の例示的な実施形態を示す図である。本明細書で使用する「圧縮システム」という用語は、その中を流れる流体の圧力を増大させるために使用される装置を含み、図１に示すガスタービンエンジンで使用される高圧圧縮機１８、ブースタ１６、及びファン１２を含む。図５に示す例示的な実施形態は、環状プラズマ発生器６０が圧縮機のケーシング５０に取り付けられており、誘電材料６３で分離された第１の電極６２及び第２の電極６４を含む。誘電材料６３は、ケーシング５０の径方向内向き表面５３に形成された環状溝５４内に配置される。ガスタービンエンジンの設計によっては、圧縮機１８の複数の段の一部が、ブレード先端を取り囲む環状シュラウドセグメント５１を有することもある。図８は、プラズマアクチュエータをシュラウドセグメント５１内で使用する例示的な実施形態を示す図である。図８に示すように、各シュラウドセグメント５１は、環状溝セグメント５６を含み、その環状溝セグメント５６内に誘電材料６３が配置されている。この誘電材料６３、第１の電極６２、及び第２の電極６４が環状溝セグメント５６内に配置された溝セグメント５６の環状配列が、環状プラズマ発生器６０を構成する。

ＡＣ電源７０を電極に接続して、高圧ＡＣ電位を電極６２、６４に供給する。ＡＣ振幅が十分に大きいときには、最大電位領域で空気がイオン化して、プラズマ６８を形成する。プラズマ６８は、一般に、空気にさらされている第１の電極６２の縁部６５付近で発生し、誘電材料６３で覆われた第２の電極６４が影響を及ぼす領域１０４の上で拡散していく。電場勾配がある状態では、プラズマ６８（イオン化空気）は、プラズマ６８より径方向内側に位置する周囲空気に加わる力を生み出し、仮想的な空気力学的形状を誘発し、これが環状ケーシング５０又はシュラウドセグメント５１の径方向内向き表面５３上の圧力分布を変化させる。電極付近の空気はイオン化が小さいので、通常は、空気の加熱はほとんど、又は全く起こらない。

エンジン動作中に、プラズマアクチュエータシステム１００は、プラズマ発生器６０をオンにして、環状ケーシング５０とブレード先端４６との間に、環状プラズマ６８を形成する。例えば全自動デジタル電子制御（ＦＡＤＥＣ）などの、エンジンのファン速度、圧縮機及びタービンの速度、並びに燃料システムを制御するエンジン制御システム７４とリンクした電子制御装置７２を使用して、プラズマ発生器６０をオン／オフする、或いは必要に応じてその他の方法でプラズマ発生器６０を変調して失速マージンを増大させる、又は圧縮システムの効率を向上させることによって、プラズマ発生器６０を制御することもできる。電子制御装置７２を使用して、電極に接続されて電極に高圧ＡＣ電位を供給するＡＣ電源７０の動作を制御することもできる。

動作中、プラズマアクチュエータシステム１００は、オンになると、プラズマ６８を形成するイオン流と、空気を押して環状ケーシング５０の径方向内向き表面５３上のブレード先端付近の圧力分布を変化させる体積力とを発生させる。プラズマ６８は、上述のように、また図４ａ、図４ｂ、図４ｃに示すように、従来の圧縮システムでは渦２００が形成され易いブレード先端領域５２中の流体に正の軸方向運動量を与える。プラズマ６８に与えられる正の軸方向運動量によって、空気は、所望の正の流れの方向に、隣り合うブレード間の通路を通過し、従来のエンジンの図４ｃに示すタイプの流れの閉塞が回避される。これにより、圧縮段の失速マージンが増大し、それにより圧縮システムの失速マージンも増大する。例えば図５に示すようなプラズマ発生器６０は、失速が起きる可能性の高い圧縮段をいくつか選択し、それらの先端の周りに配置することもできる。或いは、全ての圧縮段の先端の周りにプラズマ発生器を配置し、それらのプラズマ発生器を、エンジン動作中にエンジン制御システム７４又は電子制御装置７２を用いて選択的に活動化してもよい。

プラズマ発生器６０は、ブレードの前縁４１の先端に対する様々な軸方向位置で、軸方向に配置することができる。プラズマ発生器６０は、ブレードの前縁４１より軸方向上流側に配置することができる（例えば図５参照）。また、プラズマ発生器６０は、前縁４１より軸方向下流側に配置してもよい（図６及び図７の符号「Ｓ」参照）。プラズマ発生器は、ブレード先端翼弦の約１０％だけ前縁４１より上流側の軸方向位置から、ブレード先端翼弦の約５０％だけ前縁４１より下流側の軸方向位置までに配置すると効果的である。プラズマ発生器は、例えば図４ａに示すような先端渦２００と関連する低運動量流体に直接作用することができるときに、最も効果的である。図４ａに示すように、渦が成長し始めると考えられるブレード先端翼弦の約１０％のところで、プラズマ６８の流れの影響が出始めるように、プラズマ発生器を配置することが好ましい。前縁４１より翼弦の約１０％後方の位置から約５０％後方の位置までに、複数のプラズマ発生器を配置することが、より好ましい。

本発明のその他の例示的な実施形態では、圧縮機のケーシング５０又はシュラウドセグメント５１内の複数の位置に配置された複数のプラズマアクチュエータ１０１、１０２を備えることができる。複数の位置に複数のプラズマアクチュエータを備えた本発明の例示的な実施形態を、図６及び図７に示す。図６は、前縁４１の付近に位置する環状前縁プラズマアクチュエータ１０１、及びブレード先端４６の翼弦中央付近に位置する環状部分翼弦プラズマアクチュエータ１０２を概略的に示す図である。図６に示す例示的な実施形態では、プラズマアクチュエータ１０１、１０２は、ケーシング５０内に連続的な環状ループ１０３を形成している。第１の電極６２及び第２の電極６４も、連続的なループを形成しており、例えば図４ａ及び図４ｂに示すようなＣＦＤ解析を用いた渦形成の解析に基づいて選択した距離Ａ及びＢだけ軸方向に離間して位置している。ブレード前縁先端位置からの前縁プラズマアクチュエータ１０１の軸方向位置（「Ｓ」）、及びブレード先端位置からの部分翼弦アクチュエータ１０２の軸方向位置（「Ｈ」）も、先端渦形成のＣＦＤ解析に基づいて選択される。本明細書に開示の例示的な実施形態では、前縁プラズマアクチュエータ１０１は、ブレード前縁先端から軸方向にロータブレード先端翼弦の約１０％の位置に配置するのが最もよいことがわかっている（「Ｓ」）。部分翼弦プラズマアクチュエータ１０２は、ブレード前縁先端から軸方向にロータブレード先端翼弦の約２０％から５０％の位置に配置することができる（「Ｈ」）。好ましい実施形態では、「Ｓ」の値は、ロータブレード先端翼弦の約１０％、「Ｈ」の値は、ロータブレード先端翼弦の約５０％である。

図７に示す別の例示的な実施形態では、離散プラズマアクチュエータ１０５、１０６が、ケーシング５０又はシュラウドセグメント５１内に周方向に配列される。特定の圧縮段で必要となる離散アクチュエータ１０５及び１０６の数は、当該圧縮段で使用されるブレードの数によって決まる。１つの例示的な実施形態では、使用する離散アクチュエータ１０５、１０６の数は、圧縮段内のブレードの数と同じであり、プラズマアクチュエータ間の周方向間隔は、ブレードの列ピッチと同じである。プラズマアクチュエータの軸方向の位置及び距離Ｓ、Ｈ、Ａ、及びＢは、連続的なプラズマアクチュエータの場合について上記で述べたように選択される。例えば図７に示すような離散プラズマアクチュエータは、プラズマ６８がエンジンの中心線軸８に対して角度を有するように、配列することもできる。これは、例えば、生成されるプラズマ６８がエンジンの中心線軸８に対して角度を有するように離散プラズマアクチュエータの第２の電極６４を第１の電極６２に対して配置することによって、実現することができる。いくつかの動作状態では、ブレード先端４６付近の流れを、ブレード通路を通る流れの本体とほぼ同じロータに対する方向に向かせるように、プラズマアクチュエータを配向すると有利であることもある。１つの例示的な実施形態では、これは、プラズマ発生器６０の第２の電極６４を、第１の電極６２よりも軸方向下流側に、且つ周方向にずらして配置して、選択した動作状態において２つの電極が平均的なロータに対する流れの方向とほぼ同じ角度で並ぶようにすることにより、実施される。

本明細書に開示する本発明の別の態様及びその例示的な実施形態では、プラズマアクチュエータを使用して、圧縮機１８の圧縮効率を改善することもできる。一般に、圧縮機のロータブレード４０の先端４６の漏れ流に伴って、きわめて高い程度の運動量の損失及びエントロピーの増大があることは、当業者には既知である。このような先端漏れを減少させれば、損失を低減し、圧縮機の効率を改善するのに役立つはずである。さらに、先端漏れ流の方向を修正し、圧縮機中の主流体流とその主流の方向に近い角度で混合させれば、損失を低減させ、圧縮機の効率を改善するのに役立つはずである。圧縮機のケース５０又はシュラウドセグメント５１に取り付けられ、本明細書に開示するように使用されるプラズマアクチュエータは、こうしたブレード先端の漏れ流を減少させ、その方向を向け直すという目的を達成する。先端漏れを低減するために、プラズマ発生器６０は、ブレードの正圧面４３と負圧面４４の静圧の差が最大となる、ブレード先端付近の、翼弦に沿った点に取り付けられる。本明細書に示す例示的な実施形態では、この位置は、ブレード先端から翼弦の約１０％のところである。ブレード先端で静圧の差が最大になる点の位置は、当技術分野では周知のように、ＣＦＤを用いて決定することができる。プラズマアクチュエータは、オンになると、先端漏れ流に対して３通りの影響を与える。第１に、失速マージンを増大させる場合と同様に、プラズマ発生器６０が発生させたプラズマが、先端漏れ流にかかる正の軸方向体積力を誘導し、それにより、損失の大きな閉塞が生じる前に先端漏れ流をロータ先端領域５２から出す。第２に、プラズマ発生器６０は、先端漏れ流の方向を向け直し、より好ましい角度で主流体流と混合させて、損失を低減する。圧縮システムの損失レベルが、混合させる流体流どうしの角度によって決まることは既知である。第３に、プラズマ発生器６０は、先端漏れ流の有効流れ面積を減少させ、それにより、漏れ流量を減少させる。図５、図６、及び図７に示すように、ケーシング５０又はシュラウドセグメント５１上のプラズマアクチュエータ１０１、１０２、１０５、１０６を、圧縮機のロータブレード先端４６の上方で動作させることにより、軸方向並びにロータのケーシング５１及びシュラウドセグメント５１から離れる方向の両方に、先端領域中の空気を押す力が生じる。プラズマ６８がケーシング５１及びシュラウドセグメント５１上の境界層を下向きに先端隙間領域へ押し込む効果によって、ロータブレード４０は、さらに狭い有効先端隙間ＣＬ（図５参照）で動作するようになり、有効漏れ流面積が減少する。これは、先端領域の低運動量流体が逆圧力勾配と反対に作用し、空気が軸方向圧縮機の内部に進むほど静圧が上昇する、軸流圧縮機で特に有用である。従来の圧縮機では、この逆圧力勾配は、先端渦領域の低運動量流体を妨げるように作用し、低運動量流体を反対方向に流れさせるので、損失が大きくなり、効率が低下する。本明細書に開示したように設置して使用するプラズマアクチュエータは、このようなブレード先端における逆圧力勾配の悪影響を減少させるのに役立つ。

本明細書に開示のプラズマアクチュエータシステムは、例えば図３に引き上げた失速線１１３として示すように、失速線を引き上げることによって、エンジンの圧縮システムの失速マージンを増加させるように動作させることができる。エンジン動作中に、プラズマアクチュエータを連続的に動作させることは可能であるが、必ずしも、失速マージンを改善するためにはプラズマアクチュエータを連続的に動作させる必要があるわけではない。通常の動作状態では、ブレード先端渦及び小さな逆流領域２００（図４ａ参照）は、依然としてロータ先端領域５２に存在している。第１に必要なことは、圧縮機が失速を起こす可能性の高い圧縮機の動作点を識別することである。これは、従来の解析及び試験方法で行うことができ、その結果は、例えば図３に示すように、動作マップ上に表すことができる。図３を参照すると、例えば動作線１１６上の通常動作点では、失速線１１２に対する失速マージンは十分であり、プラズマアクチュエータをオンにする必要はない。しかし、例えば等速線１２２に沿って圧縮機のスロットルを絞ると、ブレード翼根部４５からブレード先端４６までのブレード翼幅全体にわたる圧縮段の空気の軸方向速度が低下し、特に先端領域５２において低下する。この軸方向速度の低下と、ロータブレード先端４６における圧力上昇とが相まって、ロータブレード先端における流れが増加し、先端渦が強さを増し、失速が起こる状態を生み出す。圧縮機の動作が、失速線１１２で示す通常は失速付近である状態に近づくと、プラズマアクチュエータがオンになる。制御システム７４及び／又は電子制御装置は、圧縮機が失速する可能性が高い失速線１１２に動作点が近づくよりかなり前に、プラズマアクチュエータシステムをオンにするように設定される。失速線１１２に達するよりかなり前にプラズマアクチュエータを早期にオンにすることは、それにより絶対スロットルマージン能力が増大するので、好ましい。ただし、動作線１１６上にあるときなど、圧縮機が健康的な定常状態で動作しているときには、電力を使ってアクチュエータを動作させる必要はない。

或いは、上述のようにプラズマアクチュエータ１０１、１０２、１０４、１０５を連続モードで動作させる代わりに、プラズマアクチュエータをパルスモードで動作させることもできる。パルスモードでは、プラズマアクチュエータ１０１、１０２、１０５、１０６の一部又は全てを、いくつかの所定の（「パルス」）周波数でパルス状にオン／オフする。一般に、圧縮機の失速につながる先端渦が、流れの中に配置した円柱の渦発生周波数にある程度近いいくつかの固有周波数を有していることは既知である。所与のロータの幾何学的形状で、これらの固有周波数は、解析的に計算する、又は非定常流センサを用いて試験中に測定することができる。これらは、ＦＡＤＥＣ又はその他のエンジン制御システム７４、或いはプラズマアクチュエータの電子制御装置７２の動作ルーチンにプログラムすることができる。その場合には、例えば様々な圧縮段の渦発生周波数又はブレード通過周波数に関係する複数の周波数を選択し、選択したそれらの周波数で、プラズマアクチュエータ１０１、１０２、１０５、１０６を制御システムによって迅速にパルス状にオン／オフすることができる。或いは、プラズマアクチュエータは、渦発生周波数の「倍数」又はブレード通過周波数の「倍数」に対応する周波数で、パルス状にオン／オフすることもできる。本明細書で使用する「倍数」という用語は、任意の数、又は分数でよく、１に等しい値、１超の値、又は１未満の値を有することができる。プラズマアクチュエータのパルス化は、渦周波数と同相で行うことができる。或いは、プラズマアクチュエータのパルス化は、選択した位相角だけ渦周波数から位相をずらして行うこともできる。位相角は、約０度から１８０度まで変化させることができる。約１８０度渦周波数から位相をずらしてプラズマアクチュエータをパルス化して、ブレード先端渦が形成されるときに迅速にこれを破壊することが好ましい。プラズマアクチュエータの位相角及び周波数は、ブレード先端付近に取り付けられたプローブを用いた先端渦信号の測定に基づいて選択することができる。プローブを用いてブレード先端渦信号を測定する方法は、適当なものであればどのような方法を用いてもよく、例えば、Ｋｕｌｉｔｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社製の動圧変換器を使用してもよい。

エンジン動作中に、プラズマブレード先端隙間制御システム９０が、プラズマ発生器６０をオンにして、環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）とブレード先端４６との間にプラズマ６８を形成する。電子制御装置７２を使用して、プラズマ発生器６０及びプラズマ発生器６０のオン／オフを制御することもできる。電子制御装置７２を使用して、電極６２、６４に接続されて電極６２、６４に高圧ＡＣ電位を供給するＡＣ電源７０の動作を制御することもできる。プラズマ６８により、環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）の径方向内向き表面５３付近の空気は、その表面から離れる方向に押される。これにより、環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）とブレード先端４６との間に、環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）とブレード先端４６との間の冷間隙間より小さな有効隙間４８が生じる。冷間隙間とは、エンジンが動作していないときの隙間である。環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）とブレード先端４６との間の実際の、又は動作中の隙間は、エンジン動作中に、熱膨張及び遠心荷重により変化する。プラズマ発生器６０がオンであるとき、環状ケーシングの表面５３とブレード先端４６の間の有効隙間４８（ＣＬ）（図５参照）は、アクチュエータがオフであるときより小さい。

環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）とブレード先端４６との間の冷間隙間は、高温及び遠心荷重のためにブレードディスク及びブレードが膨張する離陸時など、エンジンの高出力動作中に、ブレード先端が環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）をこすらないように設計される。本明細書に示すプラズマアクチュエータシステムの例示的な実施形態は、圧縮機の失速を回避するために失速マージンの増大が必要となって動作線を引き上げたときにエンジンが過渡的状態になっているとき、或いは例えばエンジンによって動力を得ている航空機が巡航状態にあるときのような、隙間４８を制御しなければならない飛行レジームにあるときに、プラズマ発生器６０を起動して環状プラズマ６８を形成するように設計され、そのように動作することができる。船舶用のガスタービンエンジンや場合によっては工業用のガスタービンエンジンなど、その他のタイプのガスタービンエンジンでは、本明細書に示す例示的なプラズマアクチュエータシステムのその他の実施形態を使用することができる。

セグメント型シュラウド５１の設計では、セグメント型シュラウド５１は、圧縮機ブレード４０を取り囲み、圧縮機ブレード４０の径方向外側のブレード先端４６の周囲の流れの漏れを減少させるのに役立つ。プラズマ発生器６０は、ブレード先端４６から径方向外側に離間している。この応用例では、セグメント型シュラウド５１上で、環状プラズマ発生器６０はセグメント化され、セグメント化された環状溝５６と、セグメント化された環状溝５６内に配置されたセグメント化された誘電材料６３とを有する。シュラウドの各セグメントは、環状溝のセグメントと、環状溝のセグメント内に配置された誘電材料のセグメントと、環状溝のセグメント内に配置された誘電材料のセグメントによって分離された第１及び第２の電極とを有する。

ＡＣ（交流）電源７０を使用して、約３〜２０ｋＶ（キロボルト）の範囲内の高圧ＡＣ電位を電極に供給する（ＡＣは「交流」を表す）。ＡＣ振幅が十分に大きいときには、最大電位領域で空気がイオン化して、プラズマ６８を形成する。プラズマ６８は、一般に、第１の電極の縁部で発生し、誘電材料で覆われた第２の電極の裏の領域に拡散していく。電場勾配がある状態では、プラズマ６８（イオン化空気）は、プラズマ６８より径方向内側に位置する周囲空気に加わる力を生み出し、仮想的な空気力学的形状を誘発し、これが環状ケーシング５０（又はシュラウドセグメント５１）の径方向内向き表面５３上の圧力分布を変化させる。電極付近の空気はイオン化が小さいので、空気の加熱はほとんど、又は全く起こらない。

プラズマブレード先端有効隙間制御システム９０は、ブースタ１６、低圧圧縮機（ＬＰＣ）、高圧圧縮機（ＨＰＣ）１８、及び／又はファン１２など、環状ケーシング又はシュラウド及びロータブレード先端を有するエンジンの任意の圧縮部分で使用することができる。

本明細書では、最良の形態も含むいくつかの例を用いて、本発明を開示し、当業者が本発明を作成及び使用することを可能にするものである。本発明の特許範囲は、特許請求の範囲によって規定されるものであり、当業者が思いつくその他の例も含むことができる。そうしたその他の例は、特許請求の範囲の表現と同じ構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の表現と多少の相違はあっても等価である構造要素を含む場合には、特許請求の範囲に含まれるものとする。

４０ ロータブレード
４１ 前縁
４２ 後縁
４６ ブレード先端
５０ ケーシング
６０ 環状プラズマ発生器
６２ 第１の電極
６３ 誘電材料
６４ 第２の電極
６８ プラズマ
７０ ＡＣ電源
７２ 電子制御装置
７４ エンジン制御システム

Claims (20)

1. 圧縮機の失速を防止するようにブレード列を有する圧縮機を動作させる方法であって、
   誘電材料によって分離された径方向内側電極及び径方向外側電極を備えたプラズマ発生器を、前記ブレード先端から径方向外側に離間したケーシング内に取り付けるステップと、
   前記径方向内側電極及び前記径方向外側電極にＡＣ電位を供給するステップとを含む方法。
2. 前記プラズマ発生器をオン／オフして前記圧縮機の失速マージンを増大させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記誘電材料が、前記ケーシングの径方向内向き表面に形成された溝の中に配置されることをさらに含む、請求項１又は２記載の方法。
4. 電子制御装置を使用して前記プラズマ発生器を制御することをさらに含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 環状プラズマ発生器を使用することをさらに含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 複数の離散プラズマ発生器を使用することをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記ケーシングと前記ブレード先端の間に環状プラズマを形成することをさらに含み、前記ケーシングと前記ブレード先端の間の環状プラズマによって生成される有効隙間が、前記ケーシングと前記ブレード先端の間の冷間隙間より小さい、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
8. ＡＣ電位を供給する前記ステップが、前記圧縮機の動作中に連続的に実行される、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記ＡＣ電位を選択した周波数でパルス化することをさらに含む、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記ＡＣ電位を、ブレード列のブレード数の倍数となる周波数でパルス化することをさらに含む、請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記ＡＣ電位を、前記ブレード先端の渦発生周波数の倍数と同相でパルス化することをさらに含む、請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
12. 前記ＡＣ電位を、前記ブレード先端の渦発生周波数の倍数と位相をずらしてパルス化することをさらに含む、請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
13. ブレード列のブレード先端隙間を変化させるように圧縮機を動作させる方法であって、
    誘電材料によって分離された径方向内側電極及び径方向外側電極を備えた環状プラズマ発生器を、前記ブレード先端から径方向外側に離間したケーシング内に取り付けるステップと、
    前記径方向内側電極及び前記径方向外側電極にＡＣ電位を供給するステップとを含む方法。
14. 前記ケーシングと前記ブレード先端の間に環状プラズマを形成することをさらに含み、前記ケーシングと前記ブレード先端の間の環状プラズマによって生成される有効隙間が、前記ケーシングと前記ブレード先端の間の冷間隙間より小さい、請求項１３記載の方法。
15. 前記プラズマ発生器をオン／オフして、前記ケーシングと前記ブレード先端の間の前記有効隙間を変化させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
16. ブレード列のブレード先端有効隙間を変化させるように圧縮機を動作させる方法であって、
    誘電材料によって分離された径方向内側電極及び径方向外側電極を備えた環状プラズマ発生器を、前記ブレード先端から径方向外側に離間したシュラウド内に取り付けるステップと、
    前記径方向内側電極及び前記径方向外側電極にＡＣ電位を供給するステップとを含む方法。
17. 前記シュラウドと前記ブレード先端の間に環状プラズマを形成することをさらに含み、前記シュラウドと前記ブレード先端の間の環状プラズマによって生成される有効隙間が、前記シュラウドと前記ブレード先端の間の冷間隙間より小さい、請求項１６記載の方法。
18. 圧縮機の失速を防止するようにブレード列を有する圧縮機を動作させる方法であって、
    誘電材料によって分離された径方向内側電極及び径方向外側電極を備えたプラズマ発生器を、前記ブレード先端から径方向外側に離間したシュラウド内に取り付けるステップと、
    前記径方向内側電極及び前記径方向外側電極にＡＣ電位を供給するステップとを含む方法。
19. 前記プラズマ発生器をオン／オフして前記圧縮機の失速マージンを増大させるステップをさらに含む、請求項１８記載の方法。
20. 電子制御装置を使用して前記プラズマ発生器を制御することをさらに含む、請求項１８記載の方法。