JP2001065365A - タービンエンジン及び空気再循環方法 - Google Patents

タービンエンジン及び空気再循環方法

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JP2001065365A
JP2001065365A JP2000135292A JP2000135292A JP2001065365A JP 2001065365 A JP2001065365 A JP 2001065365A JP 2000135292 A JP2000135292 A JP 2000135292A JP 2000135292 A JP2000135292 A JP 2000135292A JP 2001065365 A JP2001065365 A JP 2001065365A
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compressor
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Ambrose Andreas Hauser
アンブローズ・アンドレアス・ハウサー
Peter Nicholas Szucs
ピーター・ニコラス・スクス
Jorge Francisco Seda
ジョージ・フランシスコ・セダ
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General Electric Co
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    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービンエンジンのブースタに対する失速保
護を行う。 【解決手段】 タービンエンジン（１０）のブースタ
（４０）内に、ブースタの流路（５０）の空気流の一部
分を該ブースタの高圧部分（７２）から低圧部分（７
０）へ再循環させる通路（５２）を設ける。ブースタの
流路（５０）から該通路（５２）へ高圧空気流を差向け
ることにより、高圧空気流は、通路を通る間、再びブー
スタ４０の流路５０に入るまでエネルギを失い、圧力が
低下する。空気流を高圧圧縮機（１１６）に定常的に吐
出することが出来るまで、空気流が通路を再循環する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は全体的にタービン
エンジン、更に具体的に言えば、圧縮機に於ける失速(s
tall) を防止する装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】典型的には、タービンエンジンは、流れ
に対して直列に低圧圧縮機又はブースタ及び高圧圧縮機
を持つコア・エンジンより前のファンを含んでいる。低
圧圧縮機及び高圧圧縮機の何れも入口部分及び吐出部分
を持っている。
【０００３】エンジンの動力を減少する際、高圧圧縮機
の入口部分は、高圧圧縮機の入口部分を通る空気流とブ
ースタの吐出部分を通る空気流との間の流量の差による
空気流の閉塞を発生することがある。空気流の閉塞はブ
ースタ内に背圧を発生し、その為にブースタの動作線が
失速限界に一層近付くように移動する。ブースタの動作
線が失速限界に一層近付くように移動すると、ブースタ
に引き続いて流れる空気が少なくなるので、タービンエ
ンジンの動作範囲が制限される。
【０００４】ブースタが失速した場合、ブースタの入口
並びに／又は吐出部分に、大きなどんという音及び炎又
は煙が発生されることがある。ブースタの失速状態によ
り、過度の疲労、性能の劣化及びエンジンの信頼性及び
耐久力の低下が生ずる。ブースタの失速を埋め合わせる
為に、ブースタを大きめの構成にすることが典型的であ
るが、これは部品がより多くなることにつながり、その
為にブースタ並びにその結果としてのエンジンが一層重
くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】現存のエンジンでは、
ブースタの失速が、複雑な可変抽気ドア又は弁を使うこ
とによって軽減される。こういうドア又は弁が非定常的
な空気流状態の間に開き、ブースタの空気流の一部分が
高圧圧縮機を側路することが出来るようにする。しか
し、ドア及び弁の複雑さの為に、抽気ドアが故障したり
誤動作することがある。
【０００６】その為、可変抽気ドアの余分な複雑さを伴
わないで、効率のよいブースタの失速保護を施すことが
望ましい。更に、ブースタ失速保護の信頼性を改善する
ことが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明では、ステータ
・ケーシング、ロータ・シュラウド及びステータ並びに
ロータハブ処理部を含むブースタにより、ブースタ失速
限界能力を拡げ、可変抽気又は側路ドアの必要をなく
す。更に具体的に言うと、一実施例では、ブースタが、
ブースタの相対的に高圧の部分からブースタの相対的に
低圧の部分まで伸びる通路を含んでいる。この通路は、
ブースタの相対的に高圧の部分からブースタの相対的に
低圧の部分までの空気流通路に沿って伸びる角度を付け
た溝孔(slot)を含む。
【０００８】動作の際、空気流がブースタの相対的に高
圧の部分から通路に入る。空気流がブースタの相対的に
高圧の部分からブースタの相対的に低圧の部分へと通路
を通り、この通路を通過する際に、エネルギを消費して
圧力が下がる。その後空気流がブースタの相対的に低圧
の部分で通路から出て、空気流通路へ戻る。
【０００９】空気流がブースタの相対的に高圧の部分か
らブースタの相対的に低圧の部分へ再循環することによ
り、ブースタの失速のない動作領域が拡がり、エンジン
の動力を減少する際にブースタが失速限界に達する惧れ
が低くなる。背圧が小さくなるにつれて、再循環も少な
くなり、ブースタはより正常に近い動作に復帰する。側
路ドア又は弁を除くことにより、通路がエンジン及びブ
ースタの失速保護の信頼性が高まる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は中心軸線２０の周りに対称
的なタービンエンジン１０の断面図である。エンジン１
０が、流れに対して直列に連通するように、前側ファン
３０、多段低圧圧縮機すなわちブースタ４０、高圧空気
を燃焼器１２０に供給する多段高圧圧縮機１１６、高圧
タービン１３０及び低圧タービン１４０を含む。
【００１１】エンジン１０の運転の際、空気がファン３
０から下流側に多段ブースタ４０へ流れる。ブースタが
空気を圧縮し、この空気が引き続いて下流側に高圧圧縮
機１１６の中を流れ、そこで空気が高度に加圧される。
高度に加圧された圧縮空気の一部分が燃焼器１２０に差
向けられ、燃料と混合され、点火されて高温燃焼ガスを
発生し、それが更に下流側に流れて、高圧タービン１３
０と低圧タービン１４０とによって利用されて、夫々高
圧圧縮機１１６と前側ファン３０及びブースタ４０とを
駆動する。
【００１２】図２は図１に示したエンジンの一部分を示
す。図２に示すように、ブースタ４０は複数個の固定ベ
ーン４２及び複数個の回転羽根４４を含み、これらがス
テータ・ケーシング４６及び複数個のロータ・シュラウ
ド４８によって取囲まれている。第１の通路又は流路５
０がブースタ４０の中を通り、固定ベーン４２、回転羽
根４４、ステータ・ケーシング４６及びロータ・シュラ
ウド４８によって形成され画定されている。
【００１３】ブースタ４０内の第２の通路又は流路５２
が、前側の回転羽根５４に隣接したロータ・シュラウド
４８の中を通る。第２の通路５２は流路５０と流れが連
通している。ブースタ４０は第１の壁５６、ステータ・
ケーシング４６、前縁６０及び後縁６２を含み、これら
が第２の通路５２を形成する。第２の壁６６及びステー
タ・ケーシング４６が、タービンエンジン１０（図１に
示す）の中心軸線２０の周りに略３６０°に互って伸び
ている。第１の壁５６が前縁６０及び後縁６２に接続さ
れるが、これらはステータ・ケーシング４６にも接続さ
れている。
【００１４】前側の回転羽根５４は前縁６４及び後縁６
６をも含んでいる。複数個の開口６８がステータ・ケー
シング４６を通抜け、第２の通路５２と流れが連通して
いる。ステータ・ケーシング４６の開口６８は、前縁６
０から、回転羽根５４の内、前縁６４及び後縁６６の間
にある一部分６９まで拡がっている。更にブースタ４０
の第１の通路５０は、入口部分すなわち相対的に低圧の
部分７０と、吐出部分すなわち相対的に高圧の部分７２
を含む。
【００１５】動作について説明すると、空気流がブース
タ４０の中を流路５０に沿って下流側へ移動し、圧力及
び温度が上昇する。燃焼器１２０（図１に示す）に対す
る燃料及び高圧空気流が減少すると、ファン３０（図１
に示す）、ブースタ４０及び高圧圧縮機１１６（図１に
示す）が減速する。慣性が一層小さく、圧力比が一層高
い為、高圧圧縮機１１６は、ファン３０及びブースタ４
０よりも一層早く減速する。高圧圧縮機１１６が一層早
く減速することにより、空気流の閉塞が発生し、この結
果、吐出部分７２の背圧が増加し、ブースタ４０の動作
線が失速限界線に向かって移動する。
【００１６】背圧の増加により、高圧空気流の一部分
が、ブースタ４０の相対的に高圧の部分で、再循環し
て、通路５０を出て、開口６８を通り、通路５２に入
る。再循環空気流は、ブースタ４０の相対的に低圧の部
分で、再び流路５０に入る、即ち、ブースタの失速限界
線を拡げる。高圧空気流の一部分をブースタ４０の上昇
した動作線を超えて再循環することにより、空気流がブ
ースタ４０の相対的に高圧の部分からブースタ４０の相
対的に低圧の部分へ自由に流れることが出来る。再循環
の量は、ブースタの背圧の大きさに応じて変化する。例
えば、ブースタの背圧の増加により、再循環空気流が増
加し、ブースタの背圧の減少により、再循環の空気流が
減少する。
【００１７】図３は図２に示す開口６８の斜視図を示
す。図３に示すように、ステータ・ケーシング４６の開
口４８は、前縁６０から部分６９まで拡がる複数個の角
度を付けた溝孔７４を含む。
【００１８】動作について説明すると、高圧空気流が回
転羽根の前縁６４と部分６９の間にある角度を付けた溝
孔７４に入る。高圧空気流は通路５２（図２に示す）を
通り、この空気流は前縁６０のところで角度を付けた溝
孔７４を通って通路５２を出ていく。その後、空気流は
流路５０を下流側へ流れて、圧力が増加する。
【００１９】図４は、複数個の円周方向の溝(groove)７
６を含むブースタ４０の一部分を示す。円周方向の溝７
６は、ロータ・シュラウド４８の前縁６０から後縁６２
までに拡がっている。ブースタ４０が第１の壁５６を含
み、円周方向の溝孔７６が開口６８から第１の壁５６ま
で伸びている。
【００２０】動作について説明すると、高圧空気流が流
れの方向を逆転して、ブースタ４０内を上流側へ流れる
とき、伴流流体の一部分が、開口６８のところで回転羽
根の前縁６４及び後縁６６の間の下流側の円周方向の溝
７６に入る。その後、伴流流体がブースタ４０内を上流
側へ進み、隣りの溝７６に入る。伴流流体の上流側への
進行は、高圧空気流が再び下流側へ流れるまで、又は伴
流流体が溝７６を上流側に通越して、ブースタの失速が
起こるまで続く。溝７６はブースタ４０の失速線を拡
げ、ブースタ４０の動作範囲を拡大する。
【００２１】図５は、ハブ・ステータータ・ケーシング
８２及び複数個のハブ・ロータ・シュラウド８４によっ
て取り囲まれた、複数個のハブ固定ベーン７８及び複数
個のハブ回転羽根８０を含むブースタ７７を示してい
る。
【００２２】第１の通路又は流路８６がブースタ７７の
中を通り、ハブ固定ベーン７８、ハブ回転羽根８０、ハ
ブ・ステータータ・ケーシング８２及びハブ・ロータ・
シュラウド８４によって形成され又は定められている。
更にブースタ７７が第２の通路８８及びロータ軸９１に
接続された後側ハブ回転羽根９０を含む。ロータ軸９１
が、３６０°に互って伸びる第１の壁９２及び第２の壁
９４を含む。第２の通路８８は流路８６と流れが連通し
ていて、第１の壁９２及び第２の壁９４によって区切ら
れている。
【００２３】更にロータ軸９１が前縁９６及び後縁９８
を含む。第１の壁９２が前縁９６及び後縁９８に接続さ
れ、これらの縁が第２の壁９４に接続されている。第１
の壁９２、第２の壁９４、前縁９６及び後縁９８が第２
の通路８８を形成する。ブースタ７７のハブの中に配置
された後側ハブ回転羽根９０が前縁１００及び後縁１０
２を有する。第２の壁９４は、第２の通路８８と流れが
連通する複数個の開口１０４及び後側ハブ回転羽根９０
に隣接してハブ固定ベーン７８内にある開口１０６を有
する。
【００２４】１実施例では、第２の壁９４、並びに後側
ハブ回転羽根９０に隣接してハブ回転羽根９０にある開
口１０４及び１０６は、複数個の丸孔（図に示していな
い）で構成される。ブースタ７７は、相対的に低圧の区
域にある入口１１２及び相対的に高圧の区域にある吐出
部１１４を有する。
【００２５】図５に示す実施例のブースタ７７は、ハブ
領域に空気力学的な安定性の制約を持つブースタに安定
性を保つ。ブースタ７７の動作線の状態が上昇したと
き、第２の通路８８を通っての再循環が増加することに
より、ハブ回転羽根８０の後縁１０２に於けるハブ領域
の圧力を、安定性限界レベルに達しないように抑える。
このように増加した再循環が、動作線が上昇した状態で
も、ブースタ７７を安定な、即ち失速のない動作状態に
保つ。
【００２６】再循環通路はタービンエンジンの現存の構
造内に形成され、ブースタにかかるコストはごく少な
く、複雑さも増えない。ブースタに再循環通路を含めた
ことが、ブースタの失速に対する保護になり、膠着した
り或いは作用が不良となることがある可変抽気弁又はド
アと比較するとき、動作の信頼性を改善する。
【００２７】この発明を好ましい実施例について説明し
たが、当業者であれば、この発明の範囲内で、その要素
に種々の変更を加え、或いは均等物に置換えることが出
来ることが理解されよう。更に、この発明の本質的な範
囲を逸脱することなく、この発明の教示するところに併
せて、特定の場合又は材料に合わせて色々な変更を加え
ることが出来る。従って、この発明はこの発明を実施す
る為に考えられた最善の態様として開示された特定の実
施例に制限されるものではなく、この発明は特許請求の
範囲内に属する全ての実施例を含むことを承知された
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】低圧圧縮機を含むタービンエンジンの断面図。
【図２】図１に示した低圧圧縮機に再循環通路を含めた
場合の拡大軸断面図。
【図３】図２に示した再循環通路の一部分の拡大斜視
図。
【図４】図１の低圧圧縮機に複数個の円周方向の溝を設
けた場合を示す拡大軸断面図。
【図５】図１に示す低圧圧縮機に別の再循環通路を設け
た場合の拡大軸断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター・ニコラス・スクス アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、アデナ・ヒルズ・コート、 7262番 (72)発明者 ジョージ・フランシスコ・セダ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ロドニー・コート、7422番

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気流を加圧する少なくとも１台の圧縮
    機（４０）であって、該圧縮機が、完全にその中を通抜
    ける第１の通路（５０）と、複数個のステータ（４２）
    及びロータ（４４）と、前記ステータ（４２）及びロー
    タ（４４）を取囲むステータ・ケーシング（４６）と、
    中心軸線（２０）を取巻くロータ・シュラウド（４８）
    とを含んでいる少なくとも１台の圧縮機（４０）と、 前記圧縮機（４０）内に形成されていて、前記空気流の
    一部分を前記圧縮機（４０）の高圧部分（７２）から前
    記圧縮機（４０）の低圧部分（７０）へ循環させる第２
    の通路（５２）と、を備えているタービンエンジン。
  2. 【請求項２】 前記圧縮機（４０）が、更に、前記第２
    の通路（５２）と境界を接する第１の壁（５６）及び第
    ２の壁（５８）と、該第１の壁（５６）及び該第２の壁
    （５８）を接続する前縁（６４）及び後縁（６６）と、
    前記第１の通路（５０）と流れが連通する燃焼器（１２
    ０）と、該燃焼器（１２０）と流れが連通する少なくと
    も１台のタービン（１３０）とを有する請求項１記載の
    タービンエンジン。
  3. 【請求項３】 前記第２の壁（５８）が、前記通路（５
    ２）と流れが連通する複数個の開口（６８）を有する請
    求項２記載のタービンエンジン。
  4. 【請求項４】 前記第２の壁（５８）が、前記前縁（６
    ０）から前記後縁（６２）まで伸びる複数個の円周方向
    の溝（７６）を有する請求項２記載のタービンエンジ
    ン。
  5. 【請求項５】 前記複数個の開口（６８）が、前記前縁
    （６０）から前記後縁（６２）まで伸びる複数個の角度
    を付けた溝孔（７４）で構成される請求項３記載のター
    ビンエンジン。
  6. 【請求項６】 前記複数個の開口が、第１の開口（１０
    ８）及び第２の開口（１１０）を含む請求項３記載のタ
    ービンエンジン。
  7. 【請求項７】 前記第１の壁（５６）及び前記第２の壁
    （５８）が前記ロータ・シュラウド（４８）の一部分を
    構成し、前記前縁（６４）及び前記後縁（６６）が前記
    ロータ・シュラウド（４８）の一部分を構成している請
    求項４記載のタービンエンジン。
  8. 【請求項８】 前記第１の壁（５６）及び前記第２の壁
    （５８）が前記ステータ・ケーシング（４６）の一部分
    を構成し、前記前縁（６４）及び前記後縁（６６）が前
    記ステータ・ケーシング（４６）の一部分を構成してい
    る請求項４記載のタービンエンジン。
  9. 【請求項９】 前記第１の壁（５６）及び前記第２の壁
    （５８）が前記ロータ・シュラウド（４８）の一部分を
    構成し、前記前縁（６４）及び前記後縁（６６）が前記
    ロータ・シュラウド（４８）の一部分を構成している請
    求項５記載のタービンエンジン。
  10. 【請求項１０】 前記第１の壁（５６）及び前記第２の
    壁（５８）が前記ステータ・ケーシング（４６）の一部
    分を構成し、前記前縁（６４）及び前記後縁（６６）が
    前記ステータ・ケーシング（４６）の一部分を構成して
    いる請求項５記載のタービンエンジン。
  11. 【請求項１１】 前記第１の壁（９２）及び前記第２の
    壁（９４）が前記ロータ（８０）の一部分を構成し、前
    記前縁（９６）及び前記後縁（９８）が前記ロータ（８
    ０）の一部分を構成している請求項６記載のタービンエ
    ンジン。
  12. 【請求項１２】 前記第１の壁（９２）及び前記第２の
    壁（９４）が前記ステータ（７８）の一部分を構成し、
    前記前縁（９６）及び前記後縁（９８）が前記ステータ
    （７８）の一部分を構成している請求項６記載のタービ
    ンエンジン。
  13. 【請求項１３】 ステータ・ケーシング（４６）によっ
    て取囲まれた複数個のステータ（４２）及び複数個のロ
    ータ（４４）を含むと共にロータ・シュラウド（４８）
    を含む少なくとも１台の圧縮機（４０）を有するタービ
    ンエンジン（１０）に於て空気流を再循環させる方法で
    あって、 タービンエンジン（１０）を運転して、前記圧縮機（４
    ０）に空気流を差向ける工程と、 前記圧縮機（４０）内の空気流の圧力を高める工程と、 加圧された空気流の一部分を圧縮機（４０）の高圧部分
    （７２）から圧縮機（４０）の低圧部分（７０）へ通路
    （５２）を介して差向ける工程と、を含んでいる前記方
    法。
  14. 【請求項１４】 前記差向ける工程が、加圧された空気
    流の一部分をロータ・シュラウド（４８）に差向ける工
    程を含む請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記差向ける工程が、加圧された空気
    流の一部分をステータ・ケーシング（４６）に差向ける
    工程を含む請求項１３記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記差向ける工程が、加圧された空気
    流の一部分をロータ（８０）に差向ける工程を含む請求
    項１３記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記差向ける工程が、加圧された空気
    流の一部分をステータ（７８）に差向ける工程を含む請
    求項１３記載の方法。
  18. 【請求項１８】 高圧区域（７２）及び低圧区域（７
    ０）を含んでいて、圧縮機（４０）に空気流を差向ける
    第１の流路（５０）と、該第１の流路（５０）内に配置
    された複数個のステータ（４２）及び複数個のロータ
    （４４）と、前記ステータ（４２）及びロータ（４４）
    及び中心軸線（２０）を取巻くステータ・ケーシング
    （４６）及びロータ・シュラウド（４８）と、第２の流
    路を持つ通路（５２）とを有する圧縮機であって、 前記通路（５２）は当該圧縮機（４０）の一部分を通る
    ように形成されていて、前記通路（５２）は前記第１の
    流路（５０）の前記高圧区域（７２）及び低圧区域（７
    ０）と流れが連通し、前記通路（５２）は第１の壁（５
    ６）及び第２の壁（５８）によって区切られており、前
    記第１の壁（５６）及び前記第２の壁（５８）が前縁
    （６０）及び後縁（６２）によって接続されていること
    を特徴とする圧縮機。
  19. 【請求項１９】 前記第２の壁（５８）が、前記高圧区
    域（７２）及び前記低圧区域（７０）と流れが連通する
    複数個の開口（６８）を有する請求項１８記載の圧縮
    機。
  20. 【請求項２０】 前記第２の壁（５８）が、前記高圧区
    域（７２）から前記低圧区域（７０）へ伸びる複数個の
    円周方向の溝（７６）を含む請求項１８記載の圧縮機。
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