JP2673156B2 - ファンブレード - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ブレードスパンの少なくとも一部に於ける
相対空気流速度が超音速であるファンブレード又は圧縮
機ブレードに係る。 従来の技術 回転する圧縮機ブレード又はファンブレードの一部を
越えて流れる空気流の速度が超音速になることは、航空
機の推進システムの設計に携わる当業者にはよく知られ
た現象である。相対流速はエンジンのナセル、即ち入口
を通過する空気の流速、回転するブレードの角速度、ブ
レードの問題にする領域と回転軸線との間の半径方向の
距離の関数である。 従来のブレードの設計者は相対流速が超音速であるこ
とに起因して生じる流れの乱れを認識しており、特に騒
音の発生に関し、リーディングエッジ及びトレーリング
エッジの近傍に於ける衝撃波の発生を低減するブレード
のリーディングエッジ及びトレーリングエッジの形状を
超音速の流れ条件に対応して特定している。かかるブレ
ードの構造の一つが1976年11月２日付にて発行された米
国特許第3,989,406号に記載されている。この米国特許
には、ブレードのうち超音速の相対空気流速度に曝され
る部分のリーディングエッジがブレードのリーディング
エッジに沿う各点に於て郭定されるマッハコーンの後側
へ又軸線方向前方へ傾斜されたロータブレードが記載さ
れている。 ブレードのリーディングエッジのかかる臨界的な傾斜
により、ブレードのリーディングエッジに垂直な空気流
の相対速度成分が１未満のマッハ数を有するようにな
り、従って亜音速の領域になる。上述の米国特許第3,98
9,406号の構造は、リーディングエッジに衝撃波が発生
することを防止し、これにより回転するブレードにより
発生される衝撃波に起因する騒音の発生量を低減せんと
するものである。 また前述の米国特許第3,989,406号には、回転するブ
レードを囲繞するシュラウドの壁に隣接する位置に圧力
波が発生する問題が論じられている。シュラウドの壁の
近傍に発生する圧力波はブレードの先端を越えて流れる
空気流と相互作用し、その結果回転するブレードの先端
近傍に第二の衝撃波を発生することがある。更に前述の
米国特許第3,989,406号には、ブレードの先端の吸入側
面を越えて流れる空気流の自然の流線偏向に沿ってシュ
ラウドの壁の形状を設定することにより、上述の如きシ
ュラウドとブレードの先端との間の相互作用を低減する
方法及び手段が記載されている。 一つの関連するブレードの構造が1977年３月15日付に
て発行された米国特許第4,012,172号に記載されてい
る。この米国特許には、ブレードのリーディングエッジ
がそのハブよりブレードのスパン方向中央部の点まで前
方へ傾斜され、前記点よりブレードの先端までは後方へ
傾斜された騒音を低減するファンブレードの構造が記載
されている。リーディングエッジの傾斜はブレードのう
ち超音速の相対空気流速度に曝される部分に於ては隣接
する上流側のリーディングエッジの点のマッハコーン内
に存在するような形状に設定され、これにより前述の米
国特許第3,989,406号に記載された亜音速の垂直方向の
速度成分が達成されるようになっている。また米国特許
第4,012,172号には、ブレードが回転軸線の周りに運動
することにより発生される半径方向の力が実質的にバラ
ンスされるよう、ブレードの一連の横断セグメントの重
心を取付け点を通る半径線の周りにバランスさせること
によってブレードに発生する内部曲げ応力及び取付け応
力を低減するようブレードの形状を設定する方法が記載
されている。 更に1982年11月７日付にて発行された米国特許第4,35
8,246号にはブレードのリーディングエッジ及びトレー
リングエッジが傾斜されてそれぞれ対応するマッハコー
ンの面の後方に位置するよう超音速プロップファンブレ
ードの形状を設定することが記載されている。かくして
トレーリング波により従来のブレードに於て発生される
最高圧力がそれに起因して発生する騒音と共に低減され
る。 上述の従来の各ブレードの構造は、不適切に設計され
た超音速ファンブレードの場合に生じることがある騒音
の発生を低減することに関するものである。かかる従来
の騒音低減の構造はリーディングエッジ及びトレーリン
グエッジに於ける衝撃波を低減することに関しては有効
であるが、リーディングエッジとトレーリングエッジと
の間に於て超音速ブレードの吸入側面に強い圧縮波の波
面が発生することを解決することはできない。圧縮波の
波面は、局部的な空気流がブレードの表面との関連で相
対的に加速することを終了し、ブレードの最大キャンバ
の点の下流側に存在する部分に隣接する領域に於て減速
し始める際に、ファンブレードの吸入側面を越えて流れ
る空気流が再圧縮されることにより生じる。 空気流の相対速度が低下すると、空気の静圧は空気流
の相対速度が最大の場合に生じる最小値より上昇する。
かかる圧力の上昇により圧力波が形成され、圧力波はブ
レードの吸入側面に沿う互いに隣接する点の圧力波によ
って増強されて静圧の急激な上昇を惹起し、ブレードの
表面に於ける圧力勾配が急激すぎることによりその下流
側の境界層中に於て空気が滑らかに流れ得なくなる。ブ
レードの表面に於けるかかる増強された圧縮波により誘
発される強い圧縮波の波面はブレードの下流側の表面よ
り剥離してその境界層を乱し、その結果流れの再循環や
他の不可逆損失が生じ、これらに起因してブレードの抗
力が増大され、また空気流の方向転換の量、即ち達成さ
れる静圧の上昇量が低減されることによってブレードの
全体としての性能が低下される。 従来の超音速ブレードの構造は、ブレードの最大キャ
ンバ点がブレードのトレーリングエッジ寄りに位置する
よう個々のブレードセグメントの横断面の形状を設定す
ることによって境界層の剥離やそれに起因する性能に対
する有害な影響を遅延させんとするものであり、ブレー
ドの各断面の正確な位置は従来の傾斜されていないブレ
ードの断続的な試験データの相互関連に基いて決定され
る。かくしてブレードの最大キャンバ点の下流側に於け
る空気の再圧縮に起因して生じる境界層の剥離はブレー
ドの吸入側面の極く僅かな部分に対してのみ作用するこ
とができる。 従来の方法は或る程度は有効なものであるが、境界層
の乱れやこれに起因する非効率性や不可逆性を排除する
ことができず、その全体としてマイナスの影響を低減す
るにすぎない。従って当技術分野に於て必要とされてい
るものは、ロータブレードの吸入側面に於ける空気流の
境界層の剥離が生じない程度にまで圧縮波の波面を弱く
し又は排除するブレード構造である。 発明の開示 従って本発明の目的は、空気とブレードの少なくとも
一部との間に於ける相対速度が超音速である回転するフ
ァンのためのブレードを提供することである。 本発明の他の一つの目的は、空気流の再圧縮中に於け
る吸入側面に於ける境界層の剥離を回避する形状のブレ
ードを提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、ブレードの隣接する
セグメントに於て発生される個々の圧縮波の相互作用に
より生じる圧縮波の波面を排除することである。 本発明によれば、軸線方向の静圧の上昇を誘発して推
進力を発生する回転ブレードは、従来の構造の騒音は発
生量が少ないこと及び現代の航空機のオペレータにより
要求される高い運転効率の両方を達成する形状に設定さ
れる。従来のブレードの表面に於て発生しブレードの吸
入側面より下流側の空気の境界層を剥離させる強い圧縮
波の波面を低減若しくは排除するよう、ブレードの個々
のエーロフォイルセグメントの形状を設定することによ
って高い効率が達成される。特に揚力を発生するエーロ
フォイル又は推進用のブレードの用途に於ける境界層の
剥離は不可逆的な（従って非効率的な）ガスの流れを生
じ、またエーロフォイルの抗力を増大する。 本発明によるブレードは、回転するブレードの任意の
一つのセグメントにより発生される圧縮波がブレードの
他のセグメントにより発生される圧縮波によっては増強
されないようブレードの個々のエーロフォイルセグメン
トの最大キャンバ点を配置することにより強い圧縮波の
波面が生じることを回避する。ブレードのスパンに沿う
任意の点に於て発生される圧縮波の交差及び増強を回避
することにより、本発明によるブレードは超音速の相対
速度にて作動する従来のブレードに於て一般に生じる境
界層の剥離を低減若しくは排除する。 より詳細には、本発明によるブレードの個々のエーロ
フォイルセグメントの最大キャンバ点は、各ブレードセ
グメントの静圧の最も低い点のすぐ下流側に於て生じる
圧縮波が隣接する上流側のエーロフォイルセグメントの
等価な点に於て郭定されるマッハコーン内に位置するよ
う、ブレードのリーディングエッジとトレーリングエッ
ジとの間に配置される。かくして各セグメントの再圧縮
する空気流の局部的な影響が、ブレード上の任意の一つ
の点に於て発生される圧縮波が交差し、これによりブレ
ードの他の点に於て発生される圧力波を増強することを
阻止する割合にてブレードの表面に沿って後方へ後退せ
しめられる。 リーディングエッジに於ける衝撃波の発生を回避すべ
く後退角が与えられたリーディングエッジを有する形状
のブレードについては、各エーロフォイルセグメントの
最大キャンバ点により郭定される最大キャンバ線もブレ
ードのスパンのうち空気流の相対速度が超音速になる部
分に於て同様に傾斜される。 ガスタービンエンジンのファンやプロップファンの用
途のための回転するブレードは一般に厚さの点でテーパ
状をなし半径方向外方へ向かうに連れて翼弦寸法が変化
するので、本発明によるブレードに於ては、上述の如く
後退された圧縮波を達成すべくブレードのスパン全体に
亙り各エーロフォイル断面の最大キャンバ点の翼弦方向
の変位量が比例的に変化している。このことは個々のブ
レードセグメントを郭定するために一般に一群のエーロ
フォイルパターンが使用され、ブレードのスパン全体に
亙り相対的な厚さ、翼弦長さ、最大相対キャンバが変化
するが、最大キャンバ点とブレードのリーディングエッ
ジとの間の距離がセグメントの翼弦長さに特徴的にほぼ
正比例する状態を維持する従来のブレードの構造とは大
きく異なっている。かくしてかかる従来のブレードは下
流側のセグメントにより発生される圧縮波と交差する圧
縮波を各セグメントに発生し、その結果圧縮波の波面が
増強され、これによりブレードの表面の吸入側を越えて
流れる空気流が乱され、ブレードの空気力学的効率が低
下される。 以上に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例につい
て詳細に説明する。 実施例 第１図は中心軸線12の周りに回転するファンブレード10
を示す側面図である。ブレード10は傾斜したリーディン
グエッジ14及びトレーリングエッジ16を含み、半径方向
内方のルート端部22と半径方向外方の先端24との間に位
置する複数個のブレードエーロフォイルセグメント18、
20よりなっている。ブレードは環状のシュラウド、即ち
ダクト25内に配置されている。 エーロフォイルセグメント18及び20は、ブレードの性
能及び局部的に空気流が有限要素法等にて解析される場
合の計算上の便宜の目的で形成されたブレード10の任意
の部分を表わしていることに留意されたい。各セグメン
ト、即ち「スライス」の厚さは採用される解析方法の計
算上のベキ次第であり、ベキの大きい方法は多数の薄い
セグメントを受入れることができ、従って全体としての
精度がより一層高くなる。ブレード空気流の正確な数学
的解法は無限小厚さの種々のエーロフォイルセグメント
の間の関係を郭定するが、この種の解法は最も単純なも
の以外のエーロフォイル構造については達成されていな
い。現代の種々の解析方法はルート端部と先端との間の
ブレードスパン全体に亙り半径方向に分配された20〜50
個のセグメントに於ける局部的な空気流条件を計算する
ことができる。有限の厚さを有する互いに隣接する各エ
ーロフォイルセグメントについて説明するが、「セグメ
ント」という言葉は採用される解析方法と両立するブレ
ード全体の計算上の最小の「スライス」を含むものであ
ることに留意されたい。 また第１図はブレード14の傾斜したリーディングエッ
ジに到達する空気の軸線方向の流れ26を示している。リ
ーディングエッジ14の軸線方向及び周方向の傾斜の程度
はリーディングエッジ14と空気流26との間の相対速度に
関連しており、リーディングエッジ14に垂直な相対速度
成分がその点に於ける空気流の条件下に於て音速よりも
小さくなるような程度である。かかる程度は当技術分野
に於て従来よりよく知られており、かかる程度によれ
ば、第１図に示されている如きブレードであって、その
少なくとも一部が対応する空気流に対し超音速流領域に
て作動しているブレードのリーディングエッジに音速衝
撃波が生じることが排除される。 本発明によるブレードのエーロフォイルセグメント20
の断面21を示す第３図を参照することにより解る如く、
断面21はリーディングエッジ14とトレーリングエッジ16
との間に延在する実質的に湾曲した形状を有している。
断面21はエーロフォイルセグメント20の吸入側面、即ち
凸状面30上にてリーディングエッジ14とトレーリングエ
ッジ16との間に位置する最大キャンバ点28を有する湾曲
した、即ちキャンバを有する空間を郭定している。 流体理論に於てよく知られており、また第３図に於て
曲線32により示されている如く、エーロフォイルセグメ
ント20を越える空気流26の静圧は空気流26がセグメント
20に接触することによって方向転換し、空気流が最大キ
ャンバ点28を通過するまで減少し、空気流が最大キャン
バ点28を通過すると、空気流の流速は減少し始め・空気
流は曲線32により示されている如く再度圧縮し始める。
また最小静圧の点34はエーロフォイルセグメント20の表
面30に示された局部的な圧縮波の波面を示している。 超音速の圧縮性流体流の技術分野に於てよく知られて
いる如く、超音速流の領域に於ける摂動の効果は下記の
関係式による流れのマッハ数の関数である「マッハ線」
（又は三次元的な流れについて見ればマッハコーン）に
沿って集中する。 α＝sin^-1（1/M） ここに Ｍは流れのマッハ数に等しく、αはマッハコーンの頂
角の半分に等しい。 かくして第３図の二次元的な表示については、セグメ
ント20のリーディングエッジ14及び最大キャンバ点28の
摂動の効果はそれぞれマッハ線36、38に沿って空気流26
内へ伝達される。超音速流の性質に起因して、流れの摂
動の効果は対応するマッハ線36、38の上流側の空気流26
内に於ては明瞭ではなく、しかも表面の摂動14、28によ
り惹起される乱れはそれぞれマッハ線36、38に沿って集
中する。従ってエーロフォイルセグメント20についての
最大キャンバ点28に於て発生される圧力の増大、即ち圧
縮波は隣接するセグメントに伝播し、主としてマッハ線
又はマッハコーン38に沿って空気流26内へ伝播する。 以上の説明の重要性は第2a図及び第2b図を参照するこ
とにより最も良好に理解される。第2a図は第１図のブレ
ード10のセグメント18及び20を詳細に示している。セグ
メント20の最大キャンバ点28及びセグメント18の同様の
最大キャンバ点40はブレード10の他のセグメントの最大
キャンバ点と共に第2a図に示されている如き最大キャン
バ線42を郭定している。前述の如く、最大キャンバ点28
はセグメント20の吸入側面に於て発生する最小静圧の点
の34及び最大キャンバ点20を越えて流れる空気流26の再
圧縮開始点に関連している。かかる再圧縮の影響はそれ
ぞれ最大キャンバ点28、40についてのマッハ線38、44に
沿ってブレード10に沿うスパン方向に伝播する。 本発明によるブレード10の各セグメント18、20は、セ
グメント18の最大キャンバ点40に於て発生される圧縮波
がマッハ線38、従って下流側のエーロフォイルセグメン
ト20上の点28に於て発生される圧縮波の後方に存在する
よう、空気流26の相対速度及び最大キャンバ点28、40に
於て発生されるマッハ線38、44に対応してキャンバが与
えられている。従って各エーロフォイルセグメント18、
22より発生される圧縮波は隣接する上流側のエーロフォ
イルセグメントの圧縮波のマッハ線の後方に位置するよ
う遅らされ、従って互いに交差して互いに増強すること
はない。 かかる利点は、互いに隣接するエーロフォイルセグメ
ント118及び120を有する従来のブレード110が空気流126
に対し相対的に超音速にて運動する状態を示す第2b図を
参照することにより最も良好に理解される。セグメント
120及び118の対応する最大キャンバ点128及び140は図示
の如く最大キャンバ線142を郭定しており、下流側のエ
ーロフォイルセグメントの最大キャンバ点140が最大キ
ャンバ点128に於て開始するマッハ線138の後方に位置す
るよう配列されてはいない。従って最大キャンバ点128
及び140に於て発生される圧縮波の影響は図示の如くマ
ッハ線138及び144に沿って伝播し、点148に於て交差
し、最大キャンバ線142の後方に増強された波面を形成
する。 互いに隣接するエーロフォイルセグメント118、120よ
りの伝播する圧縮波の交差により最大キャンバ線142の
すぐ下流側に増強された強い圧縮波の波面が形成され、
その結果ブレード110の吸入側面に沿う表面静圧が急激
に増大される。ブレードの表面に近接して生じるかかる
急激な圧力上昇、即ち衝撃波はその下流側の境界層を乱
してそれを剥離させ、これによりブレードの局部的な表
面の空気力学的有効性を低減する。かかる衝撃波及び境
界層の剥離の発生に起因する不可逆性はブレードの表面
全体に亙り本発明によるブレードにより達成される好ま
しい空気流の方向転換、即ち静圧の上昇としてではな
く、不要な熱エネルギとして回転するブレードより空気
流26内へエネルギを伝達する。 本発明によるブレード10の傾斜した最大キャンバ線42
はそれが同様の設計パラメータに従うと、多くの用途に
於てリーディングエッジ14より幾分か均一に隔置された
ものになる。典型的なファンブレードは半径の増大に連
れて翼弦寸法が変化するエーロフォイル断面18、20にて
形成されているので、本発明によるブレード10は最大キ
ャンバ点とリーディングエッジとの間の寸法がセグメン
トの翼弦寸法には一様には比例しないエーロフォイルセ
グメントにて構成されている。このことは各セグメント
の最大キャンバ点の位置がそのセグメントの翼弦寸法に
実質的に比例し、これにより最大キャンバ線142が音速
に応じて傾斜されたリーディングエッジ114より一様に
隔置されないことが確保される複数個の同様のエーロフ
ォイル形状、即ち一群のエーロフォイル形状に基くエー
ロフォイルセグメントにて構成されている従来のブレー
ド構造とは大きく異なっている。 本発明によるブレード10の最大キャンバ点28、40及び
最大キャンバ線42の実際のデザイン及び位置は問題にし
ている特定のセグメントを越えて流れる局部的な空気流
に対応して決定され、またこのことにより最大キャンバ
線42とリーディングエッジ14との間の間隔が実質的に一
様になるが、ブレードのスパンに沿う全ての各セグメン
トに於て発生される圧縮波が交差しないような位置に最
大キャンバ線28及び49が存在する関係が必要とされるこ
とはない。 かかる局部的な空気流は、互いに隣接するエーロフォ
イルセグメントにより発生されるスパン方向、即ち半径
方向の流れを正確に反映しない二次元的なモデル試験デ
ータや断続的な試験データを使用するのではなく、三次
元的な亜音速流解析法を使用することによって決定され
なければならない。かかる三次元的な解析法は、米国特
許第3,989,406号に記載されている如く二次衝撃を生じ
たり、ブレード又はシュラウドの表面より境界層が早期
に剥離する原因となる圧力波の合体が生じることを回避
すべく、ブレードのキャンバの分布がシュラウドの形状
と同時に決定されなれけばならないブレードの先端近傍
に於て特に重要である。 上述の如き互いに隣接するセグメントの間の関係は、
回転するブレードのうち運動するブレードと運動する空
気流との間の相対速度が局部的な空気温度及び流れの条
件下に於て音速よりも高い部分のみに対するものである
ことが理解されよう。 以上に於てはハブより先端まで主として後方へ傾斜さ
れた回転するファンブレードについて本発明を説明した
が、本発明のブレードの構造は前方へ傾斜するブレード
や途中に於て傾斜方向が逆転するブレードにも同様に適
用可能なものであり、またダクト内に配置され又はダク
ト内に配置されていないファン推進システム、遠心イン
ペラのインデューサ、プロップファンブレードにも同様
に適用可能なものである。従って以上の説明は本発明を
説明するためのものであり、本発明はかかる実施例に限
定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の
実施例が可能であることは当業者にとって明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】 第１図は回転軸線の平面内に存在する本発明によるブレ
ードの側面図である。 第2a図は各エーロフォイルセグメントにより発生される
圧縮波の位置を示す本発明によるブレードの拡大部分図
である。 第2b図は各エーロフォイルセグメントにより発生される
圧縮波が交差し増強する従来のブレードを示す拡大部分
図である。 第３図は局部的な空気流線及びエーロフォイルの吸入側
面の静圧分布を示す本発明によるブレードの横断面図で
ある。 10……ファンブレード,12……中心軸線,14……リーディ
ングエッジ,16……トレーリングエッジ,18、20……エー
ロフォイルセグメント,22……ルート端部,24……先端,2
5……シュラウド,26……空気流,28……最大キャンバ点,
30……凸状面,34……最小静圧,36、38……マッハ線,40
……最大キャンバ点,42……最大キャンバ線,44……マッ
ハ線,110……ブレード,114……リーディングエッジ,11
8、120……エーロフォイルセグメント,126……空気流,1
28……最大キャンバ点,138……マッハ線,140……最大キ
ャンバ点,142……最大キャンバ線,144……マッハ線

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．ブレードの一部と軸線方向に流れる空気流との間の
   相対速度が超音速になるに充分な角速度にて中心軸線の
   周りに回転するファンブレードであって、リーディング
   エッジと、トレーリングエッジと、前記リーディングエ
   ッジと前記トレーリングエッジとの間に延在する吸入側
   面とを形成する複数個のブレードエーロフォイルセグメ
   ントを含み、各セグメントは前記吸入側面に最大キャン
   バの点及びこれに対応する最小静圧の点を郭定してお
   り、各セグメントは互いに共働して半径方向内方のルー
   ト端部より半径方向外方の先端まで延在するスパンを有
   するブレードを郭定しており、前記最大キャンバ点は互
   いに共働して該ブレードの吸入側面に沿って、最大キャ
   ンバ線を郭定しているファンブレードにして、前記相対
   速度が超音速になる部分に於ける前記最大キャンバ線は
   前記空気流に垂直な姿勢より次の条件が満足されるよう
   傾斜されており、該条件とは該最大キャンバ線上の任意
   の一点がそれより前記空気流の方向で見て上流側にある
   該最大キャンバ線上の任意の他の一点に於けるマッハコ
   ーン内に存在することであるファンブレード。 ２．ブレードの回転軸線に対し実質的に平行に流れる空
   気流と相互作用して回転するブレードであって、前記空
   気流と前記ブレードの少なくとも一部との間の相対速度
   が超音速であり、前記相対速度が超音速となるブレード
   の部分は複数個の横断面がエーロフォイルをなすセグメ
   ントを含み、各セグメントはリーディングエッジとトレ
   ーリングエッジとを有し且つ前記空気流と相互作用して
   前記リーディングエッジと前記トレーリングエッジとの
   間にて吸入側面に局部的な最小静空気圧の点を生じてお
   り、各エーロフォイルセグメントは前記空気流の方向で
   見て下流側のセグメントのリーディングエッジ上の点が
   隣接する上流側のセグメントのリーディングエッジに於
   けるマッハコーン内に位置し、また下流側のセグメント
   の吸入側面の最小静空気圧の点は隣接する上流側のセグ
   メントの吸入側面の最小静空気圧の点に於けるマッハコ
   ーン内に位置するよう構成されたブレード。