JP2005226558A - ガスタービンエンジンの遠心コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮損失を抑えた上で軸方向寸法をより一層短寸化し得るように構成されたガスタービンエンジンの遠心コンプレッサを提供する。
【解決手段】 軸流コンプレッサの後段に設けられ、インペラ（９）とシュラウド（２０）とで画定された圧縮室に軸方向から吸入した空気を圧縮して径方向外向きに吐出するガスタービンエンジンの遠心コンプレッサ（ＨＣ）において、インペラのベーンの軸方向寸法Ｃｌの半径寸法Ｒに対する比（Ｃｌ／Ｒ）を、０．８９以上とする。これにより、吐出口付近におけるシュラウドの内面からの吸気流の剥離が生じない範囲にインペラの軸方向寸法限度が定められるので、小型で圧縮効率の高いガスタービンエンジン用遠心コンプレッサを実現し得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、インペラとシュラウドとで画定された圧縮室に軸方向から空気を吸入して圧縮し、径方向外向きに吐出する遠心コンプレッサに関し、特にガスタービンエンジンの燃焼室へ高圧の空気を供給するのに適した遠心コンプレッサに関するものである。

ジェットエンジンの燃焼室に供給する空気のコンプレッサとして、ガスタービンで回転駆動されるインペラと、インペラのベーンを微小間隙をおいて覆うシュラウドとからなる遠心コンプレッサが知られている（特許文献１を参照されたい）。

このような遠心コンプレッサにあっては、エンジンの推力増大と小型化とを高次元に両立させるに当たり、インペラの軸方向寸法と径方向寸法との関係が重要なファクタとなる。

と言うのは、エンジンの推力を増大させる上には、吸気の圧縮比をできるだけ高めることが望ましいが、圧縮比を高めるには、インペラの半径寸法に対する軸方向寸法の比を大きくする、つまりインペラの軸方向寸法を相対的に大きくする方が有利である。
特開２００１−３４２９９５号公報

しかるに、インペラの軸方向寸法を大きくすると、必然的にエンジン全体の軸方向寸法が増大するため、エンジンを小型化する要望を満足させることができなくなる。このことは、低圧の軸流コンプレッサの後段に高圧の遠心コンプレッサを配することが一般的なジェットエンジンの場合、エンジンの外周側に吐出口が位置する軸流コンプレッサから、エンジンの内周側に吸入口が位置する遠心コンプレッサへと、空気を円滑に導くための吸入ダクトの軸方向寸法がある程度以上必要なため、エンジンの小型化に一層不利な条件を与えてしまう。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、圧縮損失を抑えた上で軸方向寸法をより一層短寸化し得るように構成されたガスタービンエンジンの遠心コンプレッサを提供することにある。

このような課題を解決するために本発明の請求項１においては、 軸流コンプレッサの後段に設けられ、インペラ（９）とシュラウド（２０）とで画定された圧縮室に軸方向から吸入した空気を圧縮して径方向外向きに吐出するガスタービンエンジンの遠心コンプレッサ（ＨＣ）を、前記インペラのベーンの軸方向寸法Ｃｌの半径寸法Ｒに対する比（Ｃｌ／Ｒ）を、０．８９以上としたことを特徴とするものとした。

このような本発明によれば、吐出口付近におけるシュラウドの内面からの吸気流の剥離が生じない範囲にインペラの軸方向寸法限度が定められるので、小型で圧縮効率の高いガスタービンエンジン用遠心コンプレッサを実現する上に大きな効果を奏することができる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される複軸バイパスジェットエンジンの模式図である。このエンジン１は、互いの間を整流板２で連結されて同軸上に配置されたそれぞれが円筒状をなすアウタケーシング３とインナケーシング４とを有している。また、同心的に組み合わされた中空軸からなり、それぞれが互いに独立した軸受５ｆ・５ｒ・６ｆ・６ｒをもってインナケーシング４の中心部に支持されたアウタシャフト７とインナシャフト８とを有している。

アウタシャフト７には、その前側に高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラ９が、そして後側に逆流燃焼室１０のノズルＮに隣接配置された高圧タービンＨＴのタービンホイール１１が、それぞれ一体的に結合されている。

インナシャフト８には、その前端にフロントファン１２が、フロントファン１２の後方に低圧軸流コンプレッサＬＣの動翼を構成するコンプレッサホイール１３が、そして後端に燃焼ガスの噴射ダクト１４中に低圧タービンＬＴの動翼を置いたタービンホイール１５が、それぞれ一体的に結合されている。

フロントファン１２の中心には、ノーズコーン１６が設けられ、フロントファン１２の後方には、アウタケーシング３の内周面にその外端を結合させた静翼１７が配置されている。

インナケーシング４の前端部内周には、低圧軸流コンプレッサＬＣの静翼１８が配置されている。そしてその後方には、フロントファン１２が吸入し、かつ低圧軸流コンプレッサＬＣが予圧した空気を高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込むための吸入ダクト１９と、これに連続する高圧遠心コンプレッサＨＣのシュラウド２０とが形成されている。また吸入ダクト１９の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の前端側を支持する軸受５ｆ・６ｆの軸受箱２１が結合されている。

フロントファン１２が吸入した空気は、その一部が上記のように低圧軸流コンプレッサＬＣ及び吸入ダクト１９を経て高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込まれる。そしてその残りの比較的低速かつ大量の空気は、アウタケーシング３とインナケーシング４との間に形成されたバイパスダクト２２から後方へ噴射され、低速域での主たる推力となる。

高圧遠心コンプレッサＨＣの外周部には、ディフューザ２３が結合されており、その直後に設けられた逆流燃焼室１０へ高圧の空気を送り込むようになっている。なお、圧縮比は６．０〜８．５の範囲に設定することが好ましい。

逆流燃焼室１０では、その後端面に設けられた燃料噴射ノズル２４から噴射された燃料とディフューザ２３から送り込まれた高圧空気とを混合して燃焼させる。そして後方を向くノズルＮから噴射ダクト１４を経て大気中へ噴射する燃焼ガスにより、高速域での主たる推力を得る。

なお、噴射ダクト１４の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の後端側を支持する軸受５ｒ・６ｒの軸受箱２５が結合されている。

このエンジン１のアウタシャフト７には、図示されていないギア機構を介してスタータモータ２６の出力軸が連結されている。このスタータモータ２６を駆動すると、高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラ９がアウタシャフト７と共に駆動され、高圧空気が逆流燃焼室１０へ送り込まれる。この高圧空気と燃料とを混合して燃焼させると、その燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンＨＴのタービンホイール１１並びに低圧タービンＬＴのタービンホイール１５が駆動される。この高圧タービンホイール１１の回転力で高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラ９が、そして低圧タービンホイール１５の回転力でフロントファン１２及び低圧軸流コンプレッサＬＣのコンプレッサホイール１３が、それぞれ駆動される。そして燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンホイール１１並びに低圧タービンホイール１５が駆動されると、燃料供給量と吸入空気量との自己フィードバック的釣り合いに応じて定まる状態でエンジン１が回転を継続することとなる。

上述した構成のエンジン１においては、エンジン１の外周側から低圧軸流コンプレッサＬＣで吸入された空気は、エンジン１の内周側に吸入口が位置する高圧遠心コンプレッサＨＣに吸入ダクト１９を経て導かれる。この吸入ダクト１９の曲率は、吸気抵抗を低減する上にはできるだけ小さく抑える必要があり、そのため、吸入ダクト１９の軸方向寸法がある程度以上必要である。

また、燃焼効率を高めるには、吸気の圧縮比をできるだけ高めることが望ましいが、圧縮比を高めるには、インペラ９を構成するベーンの軸方向寸法Ｃｌの半径寸法Ｒに対する比（Ｃｌ／Ｒ）を大きくする、つまりインペラ９の軸方向寸法を相対的に大きくする方が有利である。しかしインペラ９の軸方向寸法を相対的に大きくすると、エンジン全体の軸方向寸法を大きくせねばならず、エンジンの小型化が困難となる（図２参照）。

インペラ９の軸方向寸法を相対的に小さくする、つまりＣｌ／Ｒ値を小さくすると、遠心高圧コンプレッサＨＣにおける吸入口から吐出口へ至るシュラウド２０の内面の曲率が大きくなり、特に吐出口付近でシュラウド２０の内面からの吸気流の剥離が発生し、圧縮効率が低下してしまう。

本発明者らは、この問題を鋭意研究の結果、インペラ９を構成するベーンの軸方向寸法Ｃｌの半径寸法Ｒに対する比（Ｃｌ／Ｒ）を０．８９以上とすれば、シュラウド２０の内面からの吸気流の剥離が発生しないことを見出した。このようにして、インペラ９の軸方向寸法を最小に設定して高い圧縮効率と小型化とを高次元に両立し、高推力で小型なガスタービンエンジンを実現した。

本発明が適用されるジェットエンジンの模式的な断面図である。 本発明による高圧遠心コンプレッサ前後の拡大断面図である。

符号の説明

１ エンジン
９ インペラ
２０ シュラウド
ＨＣ 高圧遠心コンプレッサ

Claims (1)

1. 軸流コンプレッサの後段に設けられ、インペラとシュラウドとで画定された圧縮室に軸方向から吸入した空気を圧縮して径方向外向きに吐出するガスタービンエンジンの遠心コンプレッサであって、
   前記インペラのベーンの軸方向寸法Ｃｌの半径寸法Ｒに対する比（Ｃｌ／Ｒ）を、０．８９以上としたことを特徴とするガスタービンエンジンの遠心コンプレッサ。

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