JP2001342995A - 遠心式コンプレッサおよび遠心式タービン - Google Patents
遠心式コンプレッサおよび遠心式タービンInfo
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Abstract
ラウドの内面との間に形成されるクリアランンスを小さ
く抑えて遠心式コンプレッサの圧縮効率の低下を防止す
る。 【解決手段】 ターボファンエンジンの遠心式コンプレ
ッサは、アウターシャフト12に取り付けたコンプレッ
サホイール16のベーン16aの先端を所定のクリアラ
ンスαを介して覆うシュラウド32を備える。シュラウ
ド32の縦断面は、軸方向に延びる上流部分32aと、
この上流部分32aの下流端から半径方向外側に湾曲し
て延びる下流部分32bとを備えており、下流部分32
bの肉厚は上流側から下流側に向けて漸増している。こ
れにより、圧縮性能に大きな影響を及ぼすシュラウド3
2の下流部分32bのクリアランスαが変動するのを防
止し、シュラウド32の熱膨張による性能低下を最小限
に抑えることができる。
Description
たコンプレッサホイールのベーンの先端を所定のクリア
ランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式コンプレ
ッサと、回転軸に取り付けたタービンホイールのベーン
の先端を所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを
備えた遠心式タービンとに関する。
ルで軸方向に吸入した空気を圧縮して半径方向外側に排
出する遠心式コンプレッサでは、そのコンプレッサホイ
ールのベーンの先端とシュラウドの内面との間に形成さ
れるクリアランンスを小さく抑えることにより圧縮性能
の向上を図ることができる。しかしながら、加工精度の
制約や空気の圧縮熱によるシュラウドの熱膨張のため
に、前記クリアランスを減少させるには限界があった。
そこで、コンプレッサホイールの下流端に対向するシュ
ラウドの内壁面に流路断面積を減少させる段部を形成
し、この段部でクリアランス内に漏れた空気を塞き止め
て圧縮効率の低下を防止するものが、特開平5−106
598号公報により提案されている。
のものは、コンプレッサホイールのベーンに挟まれた空
間からクリアランス内に空気が漏れるため、漏れた空気
にベーンが充分な遠心力を与えることができなくなって
圧縮効率の低下が避けられないという問題があった。こ
のように、ベーンの先端とシュラウドの内面との間のク
リアランスが熱膨張により変動する問題は、遠心式ター
ビンについても同様に発生する。
で、コンプレッサホイールあるいはタービンホイールの
ベーンの先端とシュラウドの内面との間に形成されるク
リアランンスの変動を小さく抑えて性能低下を防止する
ことを目的とする。
に、請求項1に記載された発明によれば、回転軸に取り
付けたコンプレッサホイールのベーンの先端を所定のク
リアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式コン
プレッサにおいて、前記シュラウドの縦断面は、回転軸
の軸方向に延びる上流部分と、この上流部分の下流端か
ら回転軸の半径方向外側に湾曲して延びる下流部分とを
備えており、前記下流部分の肉厚を上流側から下流側に
向けて増加させたことを特徴とする遠心式コンプレッサ
が提案される。
から半径方向外側に湾曲して延びる下流部分の肉厚を上
流側から下流側に向けて増加させたので、前記下流部分
の剛性を高めて熱膨張による軸方向の変位を抑制するこ
とができる。これにより、遠心式コンプレッサの圧縮性
能に大きな影響を及ぼすコンプレッサホイールとシュラ
ウドの下流部分とのクリアランスが変動するのを防止
し、シュラウドの熱膨張による性能低下を最小限に抑え
ることができる。
明の回転軸に対応する。
回転軸に取り付けたタービンホイールのベーンの先端を
所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠
心式タービンにおいて、前記シュラウドの縦断面は、回
転軸の軸方向に延びる下流部分と、この下流部分の上流
端から回転軸の半径方向外側に湾曲して延びる上流部分
とを備えており、前記上流部分の肉厚を下流側から上流
側に向けて増加させたことを特徴とする遠心式タービン
が提案される。
から半径方向外側に湾曲して延びる上流部分の肉厚を下
流側から上流側に向けて増加させたので、前記上流部分
の剛性を高めて熱膨張による軸方向の変位を抑制するこ
とができる。これにより、遠心式タービンの動力性能に
大きな影響を及ぼすタービンホイールとシュラウドの上
流部分とのクリアランスが変動するのを防止し、シュラ
ウドの熱膨張による性能低下を最小限に抑えることがで
きる。
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
ので、図1はターボファンエンジンの縦断面図、図2は
図1の2部拡大図、図3はシュラウドの縦断面図、図4
はシュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュ
ラウドの中間部の変位との関係を示すグラフ、図5はシ
ュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウ
ドの半径方向外端部の変位との関係を示すグラフであ
る。
ンの全体構造を説明する。ターボファンエンジンはイン
ナーシャフト11と、インナーシャフト11の外周に相
対回転自在に嵌合するアウターシャフト12とを備え
る。インナーシャフト11の前端には軸流式のファン1
3が設けられ、後端には軸流式の第1段低圧タービンホ
イール14および第2段低圧タービンホイール15が設
けられる。またインナーシャフト11よりも短いアウタ
ーシャフト12の前端には遠心式のコンプレッサホイー
ル16が設けられ、後端には軸流式の高圧タービンホイ
ール17が設けられる。
で圧縮された空気の一部は、エンジンの外周に沿って配
置されたバイパス通路18を通ってエンジンの後部から
排出され、また前記空気の残部はバイパス通路18の半
径方向内側に配置された圧縮空気通路19を経てコンプ
レッサホイール16に導かれる。コンプレッサホイール
16で更に圧縮された空気はアニュラ型の燃焼器20に
供給され、そこで燃料噴射ノズル21から供給された燃
料と混合して燃焼する。燃焼器20において発生した燃
焼ガスは、燃焼ガス通路22の上流端に設けた高圧ター
ビンホイール17と、燃焼ガス通路22の中間部に設け
た第1段、第2段低圧タービンホイール14,15とを
経てエンジンの後部から排出される。
回転するアウターシャフト12の前部外周にスプライン
結合31されたコンプレッサホイール16は、中実のデ
ィスク16aと、ディスク16aの前面に放射状に形成
された多数のベーン16b…とを備える。コンプレッサ
ホイール16のベーン16b…の先端にはシュラウド3
2が僅かなクリアランスαを介して対向しており、この
シュラウド32の内面とディスク16aの前面との間に
形成された空間にベーン16b…が配置される。ベーン
16b…の上流端はケーシング33によって区画された
圧縮空気通路19に臨んでおり、またベーン16b…の
下流端は燃焼器20の外壁を構成するケーシング34お
よび内壁を構成するケーシング35に接続部に臨んでい
る。燃焼器20の外壁を構成するケーシング34は、バ
イパス通路18の内壁を構成するケーシング36にボル
ト37…で結合される。
はアウターシャフト12の軸線L方向に延びる上流部分
32aと、この上流部分32aの下流端から半径方向外
側に湾曲して延びる下流部分32bとを備えており、上
流部分32aの軸方向長さAと下流部分32bの軸方向
長さBとの比は約3:2とされる。そして上流部分32
aは均一な肉厚ti(例えば、1.2mm)を有してお
り、下流部分32bの上流端の肉厚は前記上流部分32
aと同じであり、そこから下流端に向けて漸増してい
る。下流部分32bの下流端の肉厚toは上流部分32
aの肉厚tiの約1.5倍(例えば、1.8mm)とさ
れる。
ル16で圧縮された空気の運動エネルギーを圧力エネル
ギーに変換すべく、多数のデフューザベーン38a…を
備えたデフューザ38が燃焼器20の外壁および内壁を
構成するケーシング34,35の接続部に挟まれてボル
ト39…で締結される。このとき、シュラウド32の下
流部分32bがデフューザ38およびケーシング34間
に挟まれて前記ボルト39…で共締めされる。デフュー
ザ38は複数のフレームチューブ40…を収納する燃焼
器20の内部に延びており、その下流側にマニホールド
41が一体に形成される。シュラウド32の上流部分3
2aの外周面は、圧縮空気通路19を区画するケーシン
グ33の内周面にシール部材43を介して当接する。
3が空気を圧縮すると、空気の圧縮熱でシュラウド32
の上流部分32aの上流端の温度は約100℃に、また
下流部分32bの下流端の温度は約400℃に上昇する
ため、ステンレス製のシュラウド32の各部は熱膨張に
より変形する。
分32aの肉厚tiと下流部分32bの下流端の肉厚t
oとの厚さ比to/tiを変化させたときの、シュラウ
ド32の中央部P1(図3参照)の変位を示すものであ
る。ここで変位Δxはx軸方向(エンジンの後方が正)
の変位を、変位Δyはy軸方向(エンジンの半径方向外
側が正)の変位を、合成変位Δは変位Δxおよび変位Δ
yの合成したものを示している。
32の中央部P1の変位Δyおよび合成変位Δは、厚さ
比to/tiが1から2まで変化しても殆ど変化せず、
約0.4mmに保持される。それに対し、シュラウド3
2の中央部P1の変位Δxは厚さ比to/tiに応じて
大きく変化する。すなわち、厚さ比to/tiが1から
約1.4までの領域では変位Δxは負値で−1.4mm
から0mmまで増加し、厚さ比to/tiが約1.4か
ら2までの領域では変位Δxは正値で0mmから約0.
1mmまで増加している。従って、シュラウド32の中
央部P1は厚さ比to/tiが約1.4のときにx軸方
向に変位しなくなる。
分32aの肉厚tiと下流部分32bの下流端の肉厚t
oとの厚さ比to/tiを変化させたときの、シュラウ
ド32の半径方向外端部P2(図3参照)のx軸方向の
変位を示すものである。同グラフから明らかなように、
シュラウド32の半径方向外端部P2の変位Δxは、厚
さ比to/tiが1から約1.75までの領域では負値
であり、約−0.03mmから0mmまで増加する。そ
して厚さ比to/tiが約1.75から2までの領域で
は変位Δxは正値であり、0mmから約0.004mm
まで増加している。従って、シュラウド32の半径方向
外端部P2は厚さ比to/tiが約1.75のときにx
軸方向に変位しなくなる。
してシュラウド32の下流部分32bの肉厚toの増加
に伴う剛性の増加に起因するものと考えられる。
o/tiが1の場合は、図7に示す従来のシュラウド0
1の上流部分02および下流部分03の全域に亘って肉
厚が均一な場合に対応する。
分32aの肉厚tiと下流部分32bの下流端の肉厚t
oとの厚さ比to/tiを1.5の近傍に設定すると、
シュラウド32の中間部P1から半径方向外端部P2ま
での範囲(おおよそシュラウド32の下流部分32b)
において、シュラウド32のx軸方向の変位Δxを最小
限に抑え、コンプレッサホイール16による空気の圧縮
効率の低下を防止することができる。
能を大きく左右するのは圧縮された空気の圧力が最も高
まるシュラウド32の下流部分32bのクリアランスα
であり、この下流部分32bではシュラウド32の内面
とコンプレッサホイール16のベーン16b…の先端と
がx軸の前後方向に対峙していることから、シュラウド
32の下流部分32bのx軸方向の変位Δxがクリアラ
ンスαの大きさを直接左右する。そしてシュラウド32
の下流部分32bの内面がコンプレッサホイール16の
ベーン16b…の先端に対してy軸方向に変位しても、
その下流部分32bのクリアランスαは殆ど変化しな
い。従って、シュラウド32の下流部分32bのx軸方
向の変位Δxを減少させれば、前記下流部分32bのク
リアランスαの変動を減少させてシュラウド32の熱膨
張による性能低下を最小限に抑えることができる。
を説明する。
タービンホイール16′を覆うシュラウド32′に本発
明を適用したものである。タービンホイール16′はタ
ービンディスク16a′およびベーン16b′…から構
成され、ベーン16b′…の先端にクリアランスαを介
して対向するシュラウド32′は回転軸12′の軸線L
方向に延びる下流部分32a′と、この下流部分32
a′の上流端から半径方向外側に湾曲して延びる上流部
分32b′とを備える。シュラウド32′の下流部分3
2a′は均一な肉厚to′を有しており、上流部分32
b′の下流端の肉厚は前記下流部分32a′と同じであ
り、そこから上流端に向けて漸増している。上流部分3
2b′の上流端の肉厚ti′は下流部分32a′の肉厚
to′の約1.5倍とされる。
って燃焼ガスがタービンホイール16′を通過すると、
燃焼ガスの熱でタービンホイール16′を覆うシュラウ
ド32′が熱膨張する。このとき、第1実施例で説明し
たコンプレッサホイール16のシュラウド32と同様の
作用により、肉厚の大きいシュラウド32′の上流部分
32b′の軸方向の変位が抑制されるため、最も高圧の
燃焼ガスが流れるシュラウド32′の上流部分32b′
におけるクリアランスαの変動を防止し、タービンホイ
ール16′の動力性能の低下を防止することができる。
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。
上流部分32aの肉厚tiを一定にし、下流部分32b
の肉厚toを上流側から下流側に漸増させているが、上
流部分32aおよび下流部分32bの全域に亘って肉厚
を漸増させても良く、また肉厚を多少の段差をもって増
加させても良い。同様に、第2実施例ではシュラウド3
2′の下流部分32a′の肉厚to′を一定にし、上流
部分32b′の肉厚ti′を下流側から上流側に漸増さ
せているが、下流部分32a′および上流部分32b′
の全域に亘って肉厚を漸増させても良く、また肉厚を多
少の段差をもって増加させても良い。
部分32bの肉厚toの最大値を上流部分32aの肉厚
tiの1.5倍に設定しているが、その倍率は1.5に
限定されるものではない。同様に、第2実施例ではシュ
ラウド32′の上流部分32b′の肉厚ti′の最大値
を下流部分32a′の肉厚to′の1.5倍に設定して
いるが、その倍率は1.5に限定されるものではない。
心式タービンは流体の流入方向および流出方向が90°
を成しているが、本発明は流体の流入方向および流出方
向が鈍角を成すいわゆる斜流式のものに対しても適用す
ることができる。
によれば、シュラウドの上流部分から半径方向外側に湾
曲して延びる下流部分の肉厚を上流側から下流側に向け
て増加させたので、前記下流部分の剛性を高めて熱膨張
による軸方向の変位を抑制することができる。これによ
り、遠心式コンプレッサの圧縮性能に大きな影響を及ぼ
すコンプレッサホイールとシュラウドの下流部分とのク
リアランスが変動するのを防止し、シュラウドの熱膨張
による性能低下を最小限に抑えることができる。
シュラウドの下流部分から半径方向外側に湾曲して延び
る上流部分の肉厚を下流側から上流側に向けて増加させ
たので、前記上流部分の剛性を高めて熱膨張による軸方
向の変位を抑制することができる。これにより、遠心式
タービンの動力性能に大きな影響を及ぼすタービンホイ
ールとシュラウドの上流部分とのクリアランスが変動す
るのを防止し、シュラウドの熱膨張による性能低下を最
小限に抑えることができる。
とシュラウドの中間部の変位との関係を示すグラフ
とシュラウドの半径方向外端部の変位との関係を示すグ
ラフ
よびシュラウドの縦断面図
Claims (2)
- 【請求項1】 回転軸(12)に取り付けたコンプレッ
サホイール(16)のベーン(16b)の先端を所定の
クリアランス(α)を介して覆うシュラウド(32)を
備えた遠心式コンプレッサにおいて、 前記シュラウド(32)の縦断面は、回転軸(12)の
軸方向に延びる上流部分(32a)と、この上流部分
(32a)の下流端から回転軸(12)の半径方向外側
に湾曲して延びる下流部分(32b)とを備えており、
前記下流部分(32b)の肉厚を上流側から下流側に向
けて増加させたことを特徴とする遠心式コンプレッサ。 - 【請求項2】 回転軸(12′)に取り付けたタービン
ホイール(16′)のベーン(16b′)の先端を所定
のクリアランス(α)を介して覆うシュラウド(3
2′)を備えた遠心式タービンにおいて、 前記シュラウド(32′)の縦断面は、回転軸(1
2′)の軸方向に延びる下流部分(32a′)と、この
下流部分(32a′)の上流端から回転軸(12′)の
半径方向外側に湾曲して延びる上流部分(32b′)と
を備えており、前記上流部分(32b′)の肉厚を下流
側から上流側に向けて増加させたことを特徴とする遠心
式タービン。
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