JP2006505730A - ターボコンプレッサ用再循環構造 - Google Patents

Abstract

環状チャンバを有するターボチャージャ用の再循環構造であるが、その環状チャンバは、羽根輪の羽根自由端部の領域で、その大部分を羽根輪より上流に配置され、主流ダクトに隣接し、複数の案内要素を有し、それらの案内要素は、環状チャンバ内で、その周囲にわたって分布して配置され、再循環の流れに有利な方法で配置され、形作られ、環状チャンバの前方領域および／または後方領域に凹部を有する。
主流ダクトの輪郭に隣接する環状チャンバの側面は、その軸方向長さおよびその周囲全体にわたって開口しており、案内要素の自由端部は、主流ダクトの輪郭上に、またはそれに近接して存在する。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによるターボコンプレッサ用再循環構造と、航空機用エンジンおよび静止ガス・タービンとに関する。

ターボコンプレッサ用再循環構造が最近知られているが、当該技術分野において、通常「ケーシング・トリートメント（ケーシング加工）」と呼ばれる。その主な働きは、コンプレッサの空気力学的な安定作動領域を拡大することであり、いわゆるサージ限界を、より高いコンプレッサ圧力へ、つまりより高いコンプレッサ負荷へと移行させる。局所的空気流の分離、最終的にコンプレッサのサージングの原因となる障害は、ケーシング側では、コンプレッサの１つまたは複数の段の回転翼羽根の端部で、またハブ側では、径方向内側の案内羽根の端部で発生するが、それは、こうした領域で、空気力学的負荷が最大になる
からである。羽根先端同士の間の羽根回転数で循環する、エネルギーの減少した「空気粒子」が、主流へと再循環し、それによって、そのエネルギーが増大すると、羽根端部領域の流れが、再び安定化する。流れの乱れ（擾乱）は、一般的に、段の周囲全体に均一に発生することはないので、実質的に軸方向の再循環に加えて、流れを周囲方向に平衡させることも可能であるはずである。公知のケーシング・トリートメントの主な欠点は、サージ限界を上昇させるものの、同時にコンプレッサの効率を縮小してしまうということである。

特許文献１は、一般的なタイプのケーシング・トリートメントを有する軸流送風機を保護するものである。この特許は、案内要素（９）が中に取り付けられた環状チャンバ（８）を開示している。回転翼羽根の終端以降の下流域で、周囲方向に開いた領域があるが、そこには案内要素は延在しない。このタイプのケーシング・トリートメントは、閉じた輪（７）によって特徴づけられるが、これは、主流ダクトの輪郭と概ねぴったりと重なり、再循環構造の後方の入口域を、前方の出口域から隔てて、平坦な閉じた表面域を形成する。

特許文献２は、極めて類似したケーシング・トリートメントを開示しているが、そこでは、環状チャンバ（７）の前方域および後方域に、周囲方向に開いた領域が設けられる。径方向内側の輪６を、ここでも注目する。

特許文献３は、より最近のケーシング・トリートメントを開示している。これは、環状チャンバ（１８、２８）および案内要素（２４）の流体機構を改良するものである。この文献でも、再循環用の流入と流出が、羽根に対して閉じた平らな表面をもたらす中実の輪によって、隔てられる。羽根領域内のこのような輪は、一般的に、それらが羽根先端と接触する場合に備えて、皮膜または追加コーティングが施されなければならない。

軸方向の溝、または軸方向に傾斜した溝を備えた、他のケーシング・トリートメントが、例えば特許文献４に開示されている。そうした種類の溝は、相互連結をしないと、周囲方向の流れを平衡に保つのが不可能であるので、本明細書ではそれらは検討しない。

独国特許発明第３３２２２９５号明細書 独国特許発明第３５３９６０４号明細書 米国特許第５２８２７１８号明細書 米国特許第５１３７４１９号明細書

従来技術による解決法の欠点に鑑みて、本発明の目的は、コンプレッサの効率が顕著に低下することなく、サージ限界を明確に増大すること、したがって、安定作動領域の確実な拡大を可能にする、ターボコンプレッサ用再循環構造を提供することである。

この目的は、請求項１の前文の一般的な特徴に加え、該請求項の固有の特徴によって達成される。

本発明の本質は、案内要素を備えた環状チャンバが、主流ダクトに対向して、またその軸方向長さおよびその周囲にわたって、完全に開口しているという事実にある。皮膜コーティング等を施した環状要素は必要ない。前掲の特許文献が示すところは、当業者達は、可能な限り、流れに対して有利で、損失のない、主流ダクトの輪郭への延長を作り出すために、可能な限り広い軸方向領域にわたって、再循環構造を、平坦で、実質的にギャップのない、主流ダクトに対して閉じたものにするように、即ちいわゆる環状間隙にするように、これまで努力をしてきたということである。本発明は、それとは対照的に、ギャップ、亀裂表面等につながり、結果的に不利で、不適切であるように思えるものであるが、実験により、本発明による再循環構造が、サージ限界を高めるということに関しても、また効率の点でも、公知の解決法よりも優れていることが判明している。このことに対する空気力学的説明としては、周方向への、遊離型案内要素、および遊離型の流路連結を備えた、開いた環状チャンバ内において、再循環の流れを、自由で、強制せずに起こすことの方が、主流ダクトの輪郭に、可能な限り平坦な延長を設けることよりも重要であるということである。閉じた輪が必要なければ、案内要素は、皮膜または追加のコーティングを必要とせず、全体の径方向空間および重量の節約が、構造力学に関して有利であるという、さらなる利点が生じる。

主請求項による再循環構造の好ましい発展形態は、従属請求項で特徴づけられる。

本発明を、実物大ではないが概略図面を参照して、さらに以下に説明する。

図１による再循環構造１は、ターボコンプレッサのケーシング５に組み込まれるもので、「ケーシング・トリートメント」と称される。羽根の設けられた主流ダクト９の流れの方向を、左側に矢印によって示す。即ち、流れは左から右に流れるということである。ここに示された領域内において、流れはまず案内羽根輪１３に当たり、次いで回転翼羽根輪２０に当たり、最後に案内羽根輪１４に再度当たる。主流ダクト９の径方向外側の輪郭１１は、ケーシング５の内側輪郭に一致するが、これを明確に示すために、図１では破点線を左と右に延在して示している。静止再循環構造１は、回転翼羽根輪２０と相互作用し、該構造の大部分は、その軸方向前方、即ち羽根輪２０より上流に位置する。環状チャンバ２９は、複数の案内要素３７と共に再循環構造１を形成するが、主流ダクト９の径方向外側に、それに隣接して位置し、ダクト９に対して開口を有している。案内要素３７の自由端部４１は、主流ダクト９の輪郭１１上、または輪郭１１付近にあり、即ち、それら自由端部は、ケーシングの内側輪郭に少なくとも概ねぴったりと重なる。案内要素３７は、ニッケル系合金などの金属、アルミニウムなどの軽金属、熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチックなどのプラスチック材料、あるいはエラストマーから構成することができる。環状チャンバ２９の前方壁３３と後方壁３４は、径方向内側の端部３５、３６から前向きに傾斜しており、これが、再循環の流れ（小さな矢印によって示す）を促進することとなる。

前方壁の傾斜角度を、αによって示すが、これは、後方壁３４の角度と同一、またはそれとは異なるものとすることができる。前方壁３３と、案内要素３７と、後方壁３４との間には、凹部４５、４６が形成されるため、主たる軸方向の再循環に加えて、環状チャンバの内側で、流れが周方向に進行することができる。（符号）２５は、流れの乱れ（擾乱）が最もよく発生する領域内の、回転翼羽根輪２０の羽根自由端部を示すものである。

図１に対し、図２は、回転ハブ８内に組み込まれた再循環構造２を示す。回転翼羽根輪２１と、径方向内側に羽根自由端部２６を備えた案内羽根輪１５と、回転翼羽根輪２２とを、主流ダクト１０の左から右方向へと見ることができる。再循環構造のこのような新たな構成は、極めて論理的に「ハブ・トリートメント」と名付けることができる。再循環構造２は、環状チャンバ３０および案内要素３８を含み、前方凹部と後方凹部４７、４８を備えるが、主流ダクトの下流に位置する案内羽根輪１５と相互作用する。この場合では、回転するのはハブ・トリートメントであり、案内羽根輪１５は静止しているので、回転翼の速度は、完全に差動速度として作用する。動作原理は、ケーシング・トリートメントのものと基本的には異ならない。ケーシング・トリートメントとハブ・トリートメントを、１つのターボコンプレッサで組み合わせることもでき、多段で使用することができる。主流ダクトの径方向内側の輪郭１２は、本明細書では、ハブ８の外側輪郭と一致する。

図３は、図１の詳細部の断面を示す。案内要素３７は、半径に対して角度βを傾斜して、それによって回転翼羽根輪２０の羽根自由端部２５が、大きな損失なく、環状チャンバ２９への再循環の流れを促進するようになる；回転方向（矢印参照）に注目されたい。傾斜角度βは、それに対応する湾曲した案内要素によって、径方向内側から外側に向けて「０」値へと減少させることができる。

案内要素を半径方向に配置すること、即ちβ＝０°は可能であるが、その場合はおそらく流れに対して有利ではなくなる。

図３に対して図４は、回転方向（矢印）に対する回転翼羽根輪２０の羽根のプロフィールを示しており、さらに案内要素３７の流れを促進する輪郭および湾曲がよく分かる。当業者ならば、環状チャンバ２９の上流端部３５領域内の再循環の流出が、本発明では、回転翼羽根輪２０に対抗する渦流を伴って発生するように意図されていることを理解することになろう。（符号）３６は、環状チャンバの下流端部を示す。案内要素３７は、それらの最も簡単な構成形態として、平らな「板」または湾曲した「板」から構成してもよいことに留意されたい。

図５による再循環構造３は、ケーシング６内に組み込まれた環状チャンバ３１を有するケーシング・トリートメントである。ここでは案内要素３９が環状チャンバ３１の前方壁まで延在し、凹部４９が後部域に、回転翼羽根輪２３の羽根自由端部２７の直近に設けられる。案内要素３９の自由端部４３は、羽根自由端部２７の回転領域内へは延在しない。（符号）１６および１７は、案内羽根輪を示す。

図６において、環状チャンバ３２および案内要素４０を備える再循環構造４も、同様にケーシング・トリートメントであり、ケーシング７に組み込まれ、回転翼羽根輪２４と相互作用する。図５とは対照的に、案内翼要素４０は、ここでは環状チャンバ３２の後方壁に延在する。凹部５０は、ここでは前方域に設けられる。案内要素４０の自由端部４４は、羽根自由端部２８の回転領域内に延在するので、羽根との接触を確実に防止するために、後部域で、外向きに径方向に偏位（後退）される。自由端は、当然その全体に亘って適宜に偏位させることもできる。

再循環構造の全ての発展形態で、案内要素３７〜４０の自由端部４１〜４４は、案内要素が柔軟な軽金属またはプラスチック材料から作られる場合、径方向外向きに偏位する必要はない。なぜなら、羽根自由端部２５〜２８との接触が、羽根を損傷することなく可能となるからである。

軸流コンプレッサの、ケーシング側再循環構造領域の、部分縦断面図である。 図１に対する、ハブ側再循環構造領域の、部分縦断面図である。 図１による再循環構造の部分断面図である。 図１および３による再循環構造の、径方向内側から見た部分図である。 図１の再循環構造に対し一部変更された、ケーシング側再循環構造領域の、部分縦断面図である。 図１および図５の再循環構造に対し更に一部変更された、ケーシング側再循環構造領域の、部分縦断面図である。

Claims (13)

1. ターボチャージャ用再循環構造であって、
   羽根輪の羽根自由端部の領域にコンプレッサの軸と同軸に配置された環状チャンバを有し、前記環状チャンバの軸中心は前記羽根自由端部の軸中心上流に位置づけられ、
   前記環状チャンバは、環状間隙を主流ダクトの輪郭に径方向に隣接してなると共に複数の案内要素を有し、
   前記案内要素は、その周囲全体に亘って配設された環状チャンバ内に配置され、さらに、環状チャンバの軸方向後方領域における再循環流れの流入に対して有利な方法で、かつ、環状チャンバの軸方向前方領域における再循環流れの流出が下流の羽根輪に対して所定の方向に所定の渦を伴って生じるような方法で、配置および形成され、
   前記環状チャンバの前方および／または後方領域において、案内要素は、周方向の流路のための凹部を有する再循環構造において、
   主流ダクト（９，１０）の輪郭（１１，１２）に隣接してなる環状チャンバ（２９〜３２）は、その軸方向長さに亘り主流ダクト（９，１０）に対して開口し、すなわち、再循環流れの流入から流出に至るまで、その全周に亘り、案内要素（３７〜４０）の自由端部（４１から４４）が存在し、または主流ダクト（９，１０）の輪郭（１１，１２）に近接してなることを特徴とする再循環構造。
2. １つまたは複数の回転翼羽根輪（２０、２３、２４）の領域で、１つまたは複数の点でケーシングに取り付けられ、即ち静止し、および／または、１つまたは複数の案内羽根輪（１５）の領域で、１つまたは複数の点でハブに取り付けられ、即ち回転することを特徴とする、請求項１に記載の再循環構造。
3. 軸流タイプ、混流タイプ、または半径流タイプの、単段式または多段式ターボチャージャに配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の再循環構造。
4. 主流ダクト（９）の輪郭（１１）上の端部（３５、３６）から、環状チャンバ（２９）の軸方向前方壁（３３）および軸方向後方壁（３４）が、同一または異なった角度αで、上流方向、即ち斜め前方に傾斜することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の再循環構造。
5. 環状チャンバの軸方向前方壁および軸方向後方壁の、半径方向からの傾斜角度αが、３０°から６０°の範囲の値を有することを特徴とする、請求項４に記載の再循環構造。
6. 案内要素（３７〜４０）が、板状の、一定した厚みを備えた、平らなまたは湾曲した構成であり、または、所定のプロフィールの断面を有する、３次元の曲線を有した、変化する厚みを備えた、羽根状の構成であることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の再循環構造。
7. 案内要素（３７〜４０）が、（軸方向から見て）周方向で径方向に対して傾斜し、または周方向に湾曲し、傾斜した場合または湾曲した場合の角度βは、環状チャンバ（２９〜３２）内への再循環流れの流入を容易に、即ち促進するように選択されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の再循環構造。
8. 再循環構造（１〜４）の内部において、案内要素（３７〜４０）の総体積に対する総流量体積の選択比率が、可能な限り大きく、即ち、案内要素（３７〜４０）が、可能な限り薄壁であり、または細くプロフィーリングされていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の再循環構造。
9. 羽根の自由端部の領域内に案内要素が軸方向に延びており、案内要素（４０）の自由端部（４４）が、少なくとも羽根自由端部（２８）の領域で、半径方向に充分後退して設定され、それによって、ターボチャージャの通常作動時に、羽根自由端部（２８）と案内要素（４０）の間で接触が起こらないようになることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の再循環構造。
10. 案内要素（３７〜４０）が、スチール、ニッケル系合金、またはコバルト系合金などの金属、アルミニウムなどの軽金属、あるいは熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、またはエラストマーなどのプラスチック材料から構成されることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の再循環構造。
11. 案内要素（３７〜４０）の自由端部（４１〜４４）が、軽量金属またはプラスチック材料から成る場合、羽根自由端部（２５〜２８）の領域内に延在し、接触が可能であることを特徴とする、請求項１０に記載の再循環構造。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の再循環構造を、少なくとも１つ有するターボチャージャを備える航空機用エンジン。
13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の再循環構造を、少なくとも１つ有するターボチャージャを備える静止ガス・タービン。
    

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