JP2006226285A - ターボジェットにおける高圧圧縮機のロータホイールの先端からの空気の取り出し - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の装置と比較して、効率およびポンピングの作動安全限界がかなり改善され得る、ターボ機械圧縮機を提供する。
【解決手段】ターボ機械圧縮機は、複数の動翼１６と、これらの動翼からターボ機械１２の長手方向中心軸に対して軸方向に離間している複数の静翼１８と、前記複数の動翼を囲む固定ケーシング１４とを少なくとも備え、前記固定ケーシングは、抽気孔２４を含み、抽気孔２４は、動翼の翼弦長の５％から５０％の範囲に集められ、前記動翼の翼弦長の３０％以下の直径であり、各抽気孔は、長手方向中心軸に対して二つの角度で傾斜している。有利には、各抽気孔は、長手方向中心軸に対する角度φが、３０°から９０°の範囲内にある傾斜の第１の軸と、第１の軸に垂直であると共に、長手方向中心軸に対する角度θが、３０°から９０°の範囲内にある傾斜の第２の軸とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボ機械の特定の分野に関し、さらに詳細には、そのようなターボ機械の高圧軸流圧縮機における空気流通路からの抽気装置に関する。

ターボプロップ用のターボジェットの高圧軸流圧縮機（以下「ターボ機械」という）において、圧縮機の動翼の先端と空気流通路の内壁を形成するケーシングとの間に存在する隙間が、ターボ機械の駆動効率を低下させることが知られている。加えて、この隙間は、いわゆる「ポンピング」現象が現われる程度まで、圧縮機の作動をかなり修正且つ低下させることがある。その問題の一つの解決策は、軸流圧縮機でのポンピングを回避するために、空気流システムの特定の装置に関連してケーシングを形成する特定の方法を記載した、仏国特許出願公開第２５６４５３３号明細書に見られる。それにもかかわらず、その装置は実装が比較的複雑で困難である。
仏国特許出願公開第２５６４５３３号明細書

本発明の目的は、従来技術の装置と比較して、効率、および「ポンピングマージン」ともいわれる、ポンピングに関する作動安全限界がかなり改善され得る、ターボ機械圧縮機を提供することにある。

これらの目的は、複数の動翼と、これらの動翼からターボ機械の長手方向中心軸に対して軸方向に離間している複数の静翼と、前記複数の動翼を囲む固定ケーシングとを備えるターボ機械圧縮機によって達成され、前記固定ケーシングは、複数の抽気孔を含み、該抽気孔は、動翼の翼弦長の５％から５０％の範囲に集められ、かつ前記動翼の翼弦長の３０％以下の直径であり、前記抽気孔の各々は、前記長手方向中心軸に対して二つの角度で傾斜していることを特徴とする。

従って、動翼の先端から空気を取り去るこの構成によれば、ポンピングマージンが増大し、効率がかなり向上する。

好ましくは、ターボ機械を通る全空気流量と抽気流量との比が、０．１％から５％の範囲内にある。

有利な実施形態では、前記固定ケーシングは、さらに傾斜舌状部を含み、傾斜舌状部は、前記複数の動翼に位置合わせされて各抽気孔の両側に配置され、前記角度φに向けられる。

有利には、前記抽気孔の各々は、長手方向中心軸に対する角度φが、３０°から９０°の範囲内にある傾斜の第１の軸と、第１の軸に垂直であると共に、長手方向中心軸に対する角度θが、３０°から９０°の範囲内にある傾斜の第２の軸とを有する。

目的とする実施形態では、前記抽気孔は、千鳥状に配置されているか、または軸対称スロットによって形成されることができる。これらの抽気孔は、非円形であってもよい。

本発明の特徴や利点は、限定されない表示により且つ添付図面を参照してなされる以下の説明から、さらに明らかとなる。

図１は、高圧軸流圧縮機１０の概略断面図であり、高圧軸流圧縮機１０は、ターボ機械の長手方向中心軸（駆動軸１２）のまわりに配置され、その外側が長手方向中心軸のまわりに回転面を形成するケーシング１４によって画定される。圧縮機は、（軸方向に）連続する複数の圧縮段を備える。各段は、全周囲に分配され、駆動軸を中心として回転することができる複数の動翼、すなわち「ロータ」ブレード１６と、複数の静翼、すなわち「ステータ」ベーン１８とを備える。各動翼の外側先端２０と圧縮機を囲む固定ケーシング１４との間には隙間ｅがある。その隙間は、激しい乱流の部位であり得る。この激しい乱流は、これらの種々の段の間の流れの形態を悪化させて、圧縮機の性能を低下させ、極端な場合は、圧縮比の即時降下や、圧縮機の上流側端から存在する圧縮機を通過する空気の流れの反転によって構成される、「ポンピング」または「分離」として知られる現象をもたらすことがある。

本発明において、ポンピングに対する作動安全マージンは、動翼の先端、すなわち、それらの前縁２２のほぼ近傍に設けられた抽気装置を追加することにより増加する。

抽気装置は、好ましくは円筒形であると共に、固定ケーシング１４を貫通して形成された複数の孔２４を備える。これらの孔は、動翼の翼弦長の５％から５０％の範囲に集められると共に、直径が動翼の翼弦長の３０％以下である。ここで、動翼の翼弦は、先端を動翼の後縁に接続する直線分である。抽気孔の数は、圧縮機を通過する全空気流量に対する抽気流量の応じて決定される。本発明者らによって実行された種々の測定によって決定されたように、典型的には０．１％から５％の範囲内での流量の抽気空気は、装置が効率的に作動することを保証する。

これらの抽気孔は、二つの角度で傾斜し、これらの二つの角度は、動翼間面上に突出すると共に、駆動軸に対する角度φが３０°から９０°の範囲内にある第１の軸（図２参照）、および子午面（第１の面に垂直）上に突出すると共に、駆動軸に対する角度θが３０°から９０°の範囲内にある第２の軸によって画定される。最適角度φおよびθは、特に、所望の空力的負荷（すなわち、次の関係によって与えられるような、ロータによって供給される空気圧縮仕事、
Ψ＝ΔＨ／Ｖ^２
ここで、ΔＨは、ロータを通過するときのエンタルピの増分であり、Ｖは、圧縮機の回転速度である）の関数として選択される。

もちろん、この抽気孔の円筒形態およびこの単一列の直線状配置は、限定されるものではない。

図３は、２列の抽気孔の配置例を示す。これらの孔は、動翼の翼弦長の５％から５０％の上述の制限内において千鳥状に配置されている。図４では、これらの抽気孔は、断面において非円形、例えば、正方形または楕円である。

軸対称のスロットの形態の抽気孔を有することを想定することもできる。本発明のこれらの実施形態では、従来、動翼の凹面と凸面との間に存在する圧力差により、動翼の先端２０の先の隙間ｅを通過する空気は、かえって、抽気孔２４を介して部分的に吸い出される。単一の動翼の二つの面間の干渉流れにおけるこの減少は、直ちに、圧縮機の安定性および性能を増加する効果を有する。加えて、抽気空気は、場合によっては、保護金属シートのシステム（図示せず）を介して取り出され、駆動、または他の目的、例えば航空電子機器のために、ターボ機械の既存の抽気収集器によって取り出された空気と合流される。

従って、この抽気装置によって得られた改善は、特に重要であり、図５に示される動翼の効率および圧縮機の作動範囲をかなり増大させる。図５は、従来技術の圧縮機（曲線３０）と、本発明の装置を備える圧縮機（曲線３２）とについての圧縮機の効率の関数として、圧縮比の変化をプロットしている。図６は、従来技術の圧縮機（曲線４０）と、本発明の装置を装着している圧縮機（曲線４２）とについての圧縮機の入口流量の関数として圧縮比の変化を示している。

装置の有効性は、図７および図８に示すように、直接抽気孔に空気を向けることによって、さらに改善することができる。図７および図８では、各抽気孔２４の両側において、複数の動翼と位置合わせして固定ケーシング上に設けられた追加の傾斜舌状部５０が示されている。これらの舌状部は、ケーシングに直接的に機械加工されることができるか、またはケーシング上に取り付けられることができる。また、それら舌状部は、駆動軸１２に対して抽気孔と同じ角度φで方向付けられる。

他の構成と同じように、この構成は、図９に示すように、動翼と位置合わせされた後退部（「トレンチ」５２という）を有するケーシング１４に設置されることができるか、または図１０および図１１に示すように、動翼と位置合わせされた溝５４を有する（ケーシング処理という）ことができることが観察される。図１０では、溝が、抽気孔２４のまわりに分配されているのが分かり、図１１では、抽気孔は、溝の底部に開口している。

もちろん、上記したことは、本質的に高圧軸流圧縮機に関するものであるが、本発明の装置は、高圧圧縮機の一つ以上の遷音速段や低圧圧縮機にも適用することができる。同様に、本発明は、図１に示す動翼取り付けおよび駆動構造に限定されることはなく、ピンまたはハンマー動翼取り付け手段を使用する構造を用いることを予想することもできる。

それぞれ二つの静翼段の間にある複数の動翼段を備える、本発明による圧縮機の概略部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る図１のケーシングの平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る図１のケーシングの平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る図１のケーシングの平面図である。 従来技術の圧縮機と本発明の圧縮機についての効率の関数として圧縮比の変化をプロットしたグラフである。 従来技術の圧縮機と本発明の圧縮機についての入口流量の関数として圧縮比の変化をプロットしたグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る図１のケーシングの内側の図である。 図７の面ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面図である。 ケーシングの第１の変形実施形態に対する図７の断面図と同様の図である。 ケーシングの他の変形実施形態についての図９と同様の図である。 ケーシングの他の変形実施形態についての図９と同様の図である

符号の説明

１０ 高圧軸流圧縮機
１２ 駆動軸
１４ ケーシング
１６ 動翼
１８ 静翼
２０ 外側先端
２２ 前縁
２４ 抽気孔
５０ 傾斜舌状部
５２ トレンチ
５４ 溝

Claims (9)

1. 複数の動翼（１６）と、該動翼からターボ機械（１２）の長手方向中心軸に対して軸方向に離間している複数の静翼（１８）と、前記複数の動翼を囲む固定ケーシング（１４）とを少なくとも備える、ターボ機械圧縮機であって、前記固定ケーシングが、複数の抽気孔（２４）を含み、該抽気孔（２４）が、動翼の翼弦長の５％から５０％の範囲に集められ、かつ前記動翼の翼弦長の３０％以下の直径であり、前記抽気孔の各々は、前記長手方向中心軸に対して二つの角度で傾斜していることを特徴とする、ターボ機械圧縮機。
2. 前記抽気孔の各々は、長手方向中心軸に対する角度φが、３０°から９０°の範囲内にある傾斜の第１の軸と、第１の軸に垂直であると共に、長手方向中心軸に対する角度θが、３０°から９０°の範囲内にある傾斜の第２の軸とを有することを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械圧縮機。
3. ターボ機械を通る全空気流量と抽気流量との比が、０．１％から５％の範囲内であることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボ機械圧縮機。
4. 前記固定ケーシングが、傾斜舌状部（５０）をさらに含み、該傾斜舌状部（５０）が、前記複数の動翼に位置合わせされて各抽気孔の両側に配置され、かつ前記角度φに向けられることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボ機械圧縮機。
5. 前記固定ケーシングが、各抽気孔のまわりに配置された溝（５４）をさらに含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械圧縮機。
6. 前記抽気孔が、千鳥状に配置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械圧縮機。
7. 前記抽気孔が、非円形であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械圧縮機。
8. 前記抽気孔が、軸対称スロットで形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械圧縮機。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の高圧軸流圧縮機を含む、ターボ機械。

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