説明

ターボ機械内での騒音低減およびその関連方法

【課題】ターボ機械内での主要な騒音源の1つが動作中の上流側のブレードと下流側のブレードのウェーク間の相互作用である
【解決手段】装置が、第1のブレードセットと、第1のブレードセットに対して下流側に配置される第2のブレードセットとを含む。第1のブレードセットは第1のブレードサブセットを含み、第1のブレードサブセット内の各ブレードが1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータを有する。第2のブレードセットは第2のブレードサブセットを含み、第2のブレードサブセット内の各ブレードが、1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータとは異なる1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータを有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は一般にターボ機械に関し、より詳細には、動作中の騒音を低減させるための、ターボ機械内のブレードの配置構成に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスタービンエンジン製造業者は、騒音を効果的に低減させる新しい手法を開発するという課題に直面している。一般的な騒音源の1つには、ガスタービンエンジン内のターボ機器によって発生される騒音が含まれる。ターボ機器の騒音は、圧縮機(ファンを含む)およびタービン内に通常見られるような隣接する複数のブレードセットが相対的に動くことによって生じる。例えば、圧縮機は複数のブレードステージを含み、各ステージは回転可能ブレード列および可能性として静止ブレード列を含む。ターボ機械内での主要な騒音源の1つが動作中の上流側のブレードと下流側のブレードのウェーク間の相互作用であることが長期にわたって認識されている。このウェークの相互作用により、上流側のブレード通過周波数およびその高調波の騒音が発生し、さらには広範囲のスペクトルの周波数に及ぶ広帯域の騒音が発生する。
【0003】
ウェーク相互作用騒音(wake interaction noise)を低減させるのに一般的に使用される方法の1つは、隣接するブレードセットの軸方向の間隔を増大させることである。この修正は、下流側のブレードセットに到達する前にウェークを消散させるための空間を設け、それにより騒音を低減させる。しかし、ターボ機械内でのブレードの間隔が増大するとターボ機械の軸方向の長さも増大し、それにより、重量が増し、空力性能が低下し、ならびに/または、設置条件および空間条件が発生する。
【発明の概要】
【0004】
したがって、ウェーク相互作用騒音を低減させる改善された手段が所望される。
【0005】
本発明の例示の一実施形態によると、装置が、第1のブレードセットと、第1のブレードセットに対して下流側に配置される第2のブレードセットとを含む。第1のブレードセットは第1のブレードサブセットを含み、第1のブレードサブセット内の各ブレードは1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータを有する。第1のブレードセットは第2のブレードサブセットを含み、第2のブレードサブセット内の各ブレードは1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータとは異なる1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータを有する。
【0006】
本発明の別の例示の実施形態によると、方法が、第1のブレードセットに対して下流側に配置される第2のブレードセットに対して相対的に第1のブレードセットを回転させることを含む。第1のブレードセットは第1のブレードサブセットおよび第2のブレードサブセットを含む。第1のブレードサブセット内の各ブレードは1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータを有する。第2のブレードサブセット内の各ブレードは1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータとは異なる1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータを有する。この方法は、第2のブレードセットを用いて、第1のブレードサブセットによって発生される第1のウェークに衝撃を与えることをさらに含む。この方法はまた、第2のブレードセットを用いて、第2のブレードサブセットによって発生される第2のウェークに衝撃を与えることを含み、その結果、感知されるウェークエクサイテーション(wake excitation)のスペクトル成分および第2のブレードセットによって発生される音響信号が変化する。
【0007】
本発明の別の例示の実施形態によると、方法が、1つのブレードセットに対して上流側に配置される別のブレードセットに対して相対的に1つのブレードセットを回転させることを含む。この別のブレードセットは第1のブレードサブセットおよび第2のブレードサブセットを含む。第1のブレードサブセット内の各ブレードは1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータを有する。第2のブレードサブセット内の各ブレードは、1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータとは異なる1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータを有する。この方法は、1つのブレードセットを用いて、第1のブレードサブセットによって発生される第1のウェークに衝撃を与えることをさらに含む。この方法はまた、1つのブレードセットを用いて、第2のブレードサブセットによって発生される第2のウェークに衝撃を与えることを含み、その結果、感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分および1つのブレードセットによって発生される音響信号が変化する。
【0008】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および、利点は、複数の図面を通して同様の参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の例示の実施形態による例示のブレード構成を有する例えばガスタービンエンジンといったようなターボ機械を示す概略図である。
【図2】本発明の例示の実施形態による、ターボ機械内の第1のブレードセットおよび第2のブレードセットの二次元断面を示す概略上面図である。
【図3】本発明の例示の実施形態による、ターボ機械内の第1のブレードセットおよび第2のブレードセットの二次元断面を示す概略上面図である。
【図4】本発明の例示の実施形態による、ターボ機械内の第1のブレードセットおよび第2のブレードセットの二次元断面を示す概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
後で詳細に考察するように、本発明の実施形態は、ターボ機械などの装置内でのウェーク相互作用騒音を低減させるためのシステムおよび方法を含む。本明細書で使用されるシステムおよび方法は、非定常圧力を発生させるブレード−ウェーク相互作用が起こるような種々のタイプの用途に適用可能である。また、本明細書で使用される「非定常圧力」という用語は、「航空力学的負荷(aeromechanical loading)」とも称される、空気の非定常圧力、および、音響効果、さらには、ブレード表面の非定常圧力を意味する。このようなターボ機械の用途の非限定的な例には、圧縮機、ターボジェット、ターボファン、ターボシャフト、ターボ推進エンジン(turbo propulsion engine)、航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン、風力タービン、または、水タービン/水力タービンが含まれる。本発明の実施形態は、システムによって発せられる音響エネルギーを再分布することおよび低下させることの両方を行う自由度を設計者に与えることから、有益である。
【0011】
図1は、中心線軸12を有する例示のガスタービンエンジン組立体10の一部分の概略図である。この例示の実施形態では、エンジン組立体10は、ファン組立体13と、昇圧圧縮機14と、ガスタービンエンジン16と、ファン組立体13および昇圧圧縮機14に結合される低圧タービン28とを含む。ファン組立体13は、ファンロータディスク15から実質的に径方向外側に延在する複数のロータファンブレード11、さらには、ファンブレード11の下流側に配置される複数の静翼21を含む。ガスタービンエンジン16は、高圧圧縮機22、燃焼器24および高圧タービン18を含む。昇圧圧縮機14は、第1の駆動シャフト31に結合される圧縮機ロータディスク20から実質的に径方向外側に延在する複数のロータブレード40を含む。圧縮機22は第2の駆動シャフト29を介して高圧タービン18に結合される。エンジン組立体10はまた、吸気側26、エンジン排気側30およびファン排気側33を含む。
【0012】
動作中、吸気側26を通ってエンジン10に入る空気がファン組立体13によって圧縮される。ファン組立体13から出る空気流れが分割されて、この空気流れの一部分35が昇圧圧縮機14内に運ばれ、空気流れの残りの一部分36が昇圧圧縮機14およびタービンエンジン16を迂回してファン排気側33を通ってエンジン10から出る。バイパス空気流れ部分36が静翼21を通過して流れてその静翼21と相互作用して静翼表面上に非定常圧力を発生させ、さらには音響波として放射される周りの空気流れ内に非定常圧力を発生させる。複数のロータブレード40が圧縮空気流れ部分35を圧縮してガスタービンエンジン16に向かうように送り出す。この空気流れ部分35が高圧圧縮機22によってさらに圧縮され、燃焼器24まで送り出される。燃焼器24からの空気流れ部分35が回転タービン18および28を駆動させ、エンジン排気側30を通ってエンジン10から出る。
【0013】
一実施形態では、圧縮機またはタービンステージは軸方向に沿って配置されてよい。別の実施形態では、圧縮機またはタービンステージは径方向に沿って配置される。さらに別の実施形態では、圧縮機またはタービンステージは径方向および軸方向の両方に沿って配置されてよい。本明細書ではガスタービンエンジン組立体が開示されるが、例示のシステムおよび方法が、非定常圧力を発生させるようなブレード−ウェーク相互作用が起こる種々のタイプの用途に適用可能であることに留意されたい。
【0014】
図2は、例えば図1のターボ機械システム10内の、ファン11内に位置する例示の第1のブレードセット42および第2のブレードセット44の概略図である。示されるように、第2のブレードセット44は第1のブレードセット42の下流側に配置される。他の実施形態では、第1のブレードセット42および第2のブレードセット44は、ブースタ14、圧縮機22またはタービン18、28の中に位置してもよい。
【0015】
一実施形態では、第1のブレードセット42は回転可能ブレードを含み、第2のブレードセット44は静止ブレードを含む。別の実施形態では、第1のブレードセット42は静止ブレードを含み、第2のブレードセット44は回転可能ブレードを含む。さらに別の実施形態では、第1のブレードセット42および第2のブレードセット44の両方が回転可能ブレードおよび逆回転ブレードを含む。示される実施形態では、第1のブレードセット42は第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48を含む。他の実施形態では第1のブレードセット42が3つ以上のブレードサブセットを含んでもよいことに留意されたい。第2のブレードサブセット48は円周方向50および軸方向52に沿って第1のブレードサブセット46に対してオフセットされて配置される。
【0016】
示される実施形態では、第1のブレードサブセット46内の各ブレードは複数の第1の幾何学的パラメータを有する。複数の第1の幾何学的パラメータには、第1のブレードサブセット46内の各ブレードの、反り54、スタガ(stagger)56、翼弦58、ブレード厚さ60、および、後縁の反り角(trailing edge camber angle)62(図3に示される)が含まれる。第2のブレードサブセット48内の各ブレードは第1の幾何学的パラメータとは異なる対応する複数の第2の幾何学的パラメータを有する。複数の第2の幾何学的パラメータには、第1のブレードサブセット46内の各ブレードの、反り64、スタガ66、翼弦68、ブレード厚さ70、および、後縁の反り角72(図3に示される)が含まれる。本明細書では、第1および第2の幾何学的パラメータが第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48のスイープ(sweep)および上反角をさらに含むことができることに留意されたい。
【0017】
第1および第2の幾何学的パラメータは用途に応じて変化してよい。一実施形態では、第2のブレードサブセット48の翼弦68は第1のブレードサブセット46の翼弦58に対して異なっていてよい。別の実施形態では、第2のブレードサブセット48の、スタガ66と称される軸方向に対する「傾斜角」は、第1のブレードサブセット46のスタガ56に対して異なっていてよい。さらに別の実施形態では、第2のブレードサブセット48の、反り64と称される「ブレードの曲率」は、第1のブレードサブセット46の反り54に対して異なっていてよい。さらに別の例示の実施形態では、第2のブレードサブセット48のブレード厚さ70は第1のブレードサブセット46のブレード厚さ60に対して異なっていてよい。さらに別の例示の実施形態では、第2のブレードサブセット48の後縁の反り角72(図3に示される)は第1のブレードサブセット46の後縁の反り角62に対して異なっていてよい。
【0018】
上で考察したように、ターボ機械内での非定常圧力の主要な発生源のうちの1つは、互いに相対的に動く第1のブレードセット42のウェークと第2のブレードセット44のウェーク間の相互作用である。適切に理解されているであろうが、ウェークは、ブレードの空気抵抗によって示されるエーロフォイルの後ろの低運動量領域として定義される。
【0019】
図2の示される実施形態では、第1のブレードセット42が第2のブレードセット44に対して相対的に回転すると、第1のブレードサブセット46が第1のウェーク74を発生させ、この第1のウェーク74は第2のブレードセット44によって衝撃を与えられる。加えて、第2のブレードサブセット48が第2のウェーク76を発生させ、この第2のウェーク76は第2のブレードセット44によって衝撃を与えられる。しかし、第2のブレードサブセット48が円周方向50および軸方向52に沿って第1のブレードサブセット46に対してオフセットされて配置される場合、第2のブレードセット44とのウェーク相互作用は、非一様に分布される異なる短い時間に起こる。言い換えると、第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48は、以下で説明するように第2のブレードセット44によって感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分およびこれらの相互作用によって発生する音響波が全体の騒音を低減させるように変化するように、適宜間隔を空けられる。本明細書では、示される実施形態では、第2のブレードセット44によって感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分およびこれらの相互作用によって発生する音響波が、第1のブレードセット42全体が同じ幾何学的パラメータを有する場合の、第2のブレードセット44によって感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分およびこれらの相互作用によって発生する音響波のシナリオと比べて異なることに留意されたい。別の実施形態では、第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48は、第2のブレードセット44上の非定常の表面圧力負荷を低減させるように、適宜間隔を空けられ得る。加えて、第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48の対応する幾何学的パラメータが異なることにより、全体の騒音を低減させるように第2のブレードセット44によって感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分も変化する。また、本明細書では、第2のブレードセット44からの音響信号が第1のブレードセット42からのすべてのウェークの結果であることに留意されたい。一部の実施形態では、第2のブレードセット44は第1のブレードセット42に対して反対に回転する。
【0020】
図3はターボ機械システム10内の例示の第1のブレードセット42および第2のブレードセット44の概略図である。第2のブレードセット44は第1のブレードセット42の下流側に配置される。示される例示の実施形態では、第2のブレードサブセット48の後縁の反り角72が第1のブレードサブセット46の後縁の反り角62に対して異なっていてよい。
【0021】
本明細書では、第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48の後縁の反り角が異なることが空気流れ流出角度78、80がわずかに異なることの一因となり、その結果、下流側のブレード列の前縁へのウェーク到着時間が非一様に分布されるようになり、相互作用によって発生する音響波がより不一致に放射されて全体の騒音が低減することに留意されたい。
【0022】
図4は、図2の実施形態と同様の例示の第1のブレードセット42および第2のブレードセット44の概略図である。示されるように、第2のブレードセット44は第1のブレードセット42の下流側に配置される。示される実施形態では、第1のブレードセット42は静止ブレードを含み、第2のブレードセット44は回転可能ブレードを含む。
【0023】
第2のブレードセット44が第1のブレードセット42に対して相対的に回転すると、第1のブレードサブセット46が第1のウェーク90を発生させ、この第1のウェーク90は第2のブレードセット44によって衝撃を与えられる。加えて、第2のブレードサブセット48が第2のウェーク91を発生させ、この第2のウェーク91は第2のブレードセット44によって衝撃を与えられる。しかし、第2のブレードサブセット48が円周方向50および軸方向52に沿って第1のブレードサブセット46に対してオフセットされて配置される場合、第2のブレードセット44とのウェーク相互作用は非一様に分布される異なる短い時間に起こる。言い換えると、第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48は、第2のブレードセット44によって感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分およびこれらの相互作用によって発生する音響信号92が全体の騒音を低減させるように変化するように、適宜間隔を空けられる。加えて、第1のブレードサブセット46および第2のブレードサブセット48の対応する幾何学的パラメータが異なることにより、全体の騒音を低減させるように第2のブレードセット44によって感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分も変化する。
【0024】
したがって、ターボ機器内の非定常圧力を低下させるための本明細書で考察される種々の実施形態は、互いに対して動くブレードセットの間でのウェークの相互作用によって発生する空力騒音および/または航空力学的負荷を低減させるための好都合で効率的な手段を提供する。この技術は、上流側のブレードセット内のブレードの間隔を非一様にし、その結果、非定常のブレード負荷を低減させ、さらに、騒音信号の低減、および/またはピーク騒音信号を低減させるような形で重なり合う騒音場をもたらす。言い換えると、上流側のブレード列から発生するウェークの間隔を非一様になるように変化させてそれにより下流側のブレード列によって感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分を再分布することにより、騒音を低減させることが実現され得る。これには、下流側のエーロフォイル上の非定常負荷のスペクトル成分が低減/再分布されてそれによりエーロフォイルの構造的反応が低下するおよび/または発生する騒音が低減するという効果がある。また、幾何学的パラメータが異なることも全体の騒音が低減することの一因となる。
【0025】
さらに、異なる実施形態からの種々の特徴に互換性があることは当業者であれば認識するであろう。例えば、第1のブレードセットは、一実施形態に関連して説明される第3のブレードサブセットを含むことができ、第3のブレードサブセットは、別の実施形態に関連して説明される第1のブレードサブセットおよび第2のブレードサブセットに対して幾何学的に異なる、反り、スタガ、翼弦、ブレード厚さおよび後縁の反り角、のうちの少なくとも1つを含んでよい。同様に、説明される種々の特徴さらには各特徴に対する他の既知の均等物は、本開示の原理に従って追加のシステムおよび技術を構築するために当業者によって混合および適合され得る。
【0026】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを図示および説明してきたが、当業者には多くの修正形態および変更形態が思い付くであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が本発明の真の精神内にあるそのようなすべての修正形態および変更形態を包含することを意図されることを理解されたい。
【符号の説明】
【0027】
10 ガスタービンエンジン組立体
11 ロータファンブレード
12 中心線軸
13 ファン組立体
14 昇圧圧縮機
15 ファンロータディスク
16 ガスタービンエンジン
18 高圧タービン
20 圧縮機ロータディスク
21 静翼
22 高圧圧縮機
24 燃焼器
26 吸気側
28 低圧タービン
29 第2の駆動シャフト
30 エンジン排気側
31 第1の駆動シャフト
33 ファン排気側
35 圧縮空気流れ部分
36 バイパス空気流れ部分
40 ロータブレード
42 第1のブレードセット
44 第2のブレードセット
46 第1のブレードサブセット
48 第2のブレードサブセット
50 円周方向
52 軸方向
54、64 反り
56、66 スタガ
58、68 翼弦
60、70 ブレード厚さ
62、72 後縁の反り角
74、90 第1のウェーク
76、91 第2のウェーク
78、80 空気流れ流出角度
92 音響信号

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1のブレードセットであって
第1のブレードサブセットであって、前記第1のブレードサブセット内の各ブレードが1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータを有する、第1のブレードサブセット、および
第2のブレードサブセットであって、前記第2のブレードサブセット内の各ブレードが前記1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータとは異なる1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータを有する、第2のブレードサブセット
を含む、第1のブレードセットと、
前記第1のブレードセットに対して下流側に配置される第2のブレードセットと
を備える装置。
【請求項2】
前記第2のブレードサブセットが円周方向および軸方向に沿って前記第1のブレードサブセットに対してオフセットされて配置される、請求項1記載の装置。
【請求項3】
前記第1のブレードセットが複数の回転可能ブレードを含み、前記第2のブレードセットが複数の静止ブレードを含む、請求項1記載の装置。
【請求項4】
前記第1のブレードセットが複数の静止ブレードを含み、前記第2のブレードセットが複数の回転可能ブレードを含む、請求項1記載の装置。
【請求項5】
前記第1のブレードセットが前記第2のブレードセットに対して反対に回転可能である、請求項1記載の装置。
【請求項6】
前記1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータが、反り、スタガ、翼弦、ブレード厚さ、後縁の反り角、ブレードスイープ、および、ブレード上反角、のうちの少なくとも1つを含む、請求項1記載の装置。
【請求項7】
前記1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータが、反り、スタガ、翼弦、ブレード厚さ、後縁の反り角、ブレードスイープ、および、ブレード上反角、のうちの少なくとも1つを含む、請求項1記載の装置。
【請求項8】
前記装置がターボ機械を含む、請求項1記載の装置。
【請求項9】
第1のブレードセットを、前記第1のブレードセットに対して下流側に配置される第2のブレードセットに対して相対的に回転させるステップであって、前記第1のブレードセットが第1のブレードサブセットおよび第2のブレードサブセットを有し、また、前記第1のブレードサブセット内の各ブレードが1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータを有し、また、前記第2のブレードサブセット内の各ブレードが前記1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータとは異なる1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータを有する、ステップと、
前記第2のブレードセットを用いて、前記第1のブレードサブセットによって発生される第1のウェークに衝撃を与えるステップと、
前記第2のブレードセットを用いて、前記第2のブレードサブセットによって発生される第2のウェークに衝撃を与えるステップであって、その結果、感知されるウェークエクサイテーションスペクトル成分および前記第2のブレードセットによって発生される音響信号が変化する、ステップと
を含む方法。
【請求項10】
前記1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータが、反り、スタガ、翼弦、ブレード厚さ、後縁の反り角、ブレードスイープ、および、ブレード上反角、のうちの少なくとも1つを含む、請求項9記載の方法。
【請求項11】
前記1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータが、反り、スタガ、翼弦、ブレード厚さ、後縁の反り角、ブレードスイープ、および、ブレード上反角、のうちの少なくとも1つを含む、請求項9記載の方法。
【請求項12】
前記第1のブレードセットに対して相対的に前記第2のブレードセットを反対に回転させるステップをさらに含む、請求項9記載の方法。
【請求項13】
1つのブレードセットを、前記1つのブレードセットに対して上流側に配置される別のブレードセットに対して相対的に回転させるステップであって、前記別のブレードセットが第1のブレードサブセットおよび第2のブレードサブセットを有し、また、前記第1のブレードサブセット内の各ブレードが1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータを有し、また、前記第2のブレードサブセット内の各ブレードが前記1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータとは異なる1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータを有する、ステップと、
前記1つのブレードセットを用いて、前記第1のブレードサブセットによって発生される第1のウェークに衝撃を与えるステップと、
前記1つのブレードセットを用いて、前記第2のブレードサブセットによって発生される第2のウェークに衝撃を与えるステップであって、その結果、感知されるウェークエクサイテーションのスペクトル成分および前記1つのブレードセットによって発生される音響信号が変化する、ステップと
を含む方法。
【請求項14】
前記1つまたは複数の第1の幾何学的パラメータが、前記第1のブレードサブセット内の各ブレードの、反り、スタガ、翼弦、ブレード厚さ、後縁の反り角、ブレードスイープ、および、ブレード上反角、のうちの少なくとも1つを含む、請求項13記載の方法。
【請求項15】
前記1つまたは複数の第2の幾何学的パラメータが、前記第2のブレードサブセット内の各ブレードの、反り、スタガ、翼弦、ブレード厚さ、後縁の反り角、ブレードスイープ、および、ブレード上反角、のうちの少なくとも1つを含む、請求項13記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−72432(P2013−72432A)
【公開日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2012−206426(P2012−206426)
【出願日】平成24年9月20日(2012.9.20)
【出願人】(390041542)ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Fターム(参考)】