JP2008025576A - 遠心圧縮機のインペラの下流側空洞の排気 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱された空洞内の空気による従来技術の問題に対する、簡単、効果的、かつ経済的な解決策を提供する。
【解決手段】ターボ機械における遠心圧縮機のインペラの下流側空洞を排気するシステムであって、下流側空洞が、インペラの下流側面とディフューザの環状末端部とによって画定され、圧縮機の出口から空気を取り込むことにより通風され、インペラの下流側面に沿った高温空気の上昇に対抗し、かつ偏向された高温空気が、圧縮機の出口から取り込まれた空気によって駆動されるようにするために、この空洞に取り付けられた少なくとも１台の環状デフレクタを備えるシステムである。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に、航空機ターボジェット又はターボプロップのようなターボ機械における遠心圧縮機のインペラの下流側空洞の排気に関する。

ターボ機械における遠心圧縮機のインペラの下流側に形成された環状空洞は、インペラによって与えられた熱エネルギーを取り去るために通風される必要がある。この通風は、通常は、燃焼室に供給する環状ディフューザの入口の間の接合部で、圧縮機の出口から空気を取り込むことによって行われる。

このディフューザは、実質的にＬ字型の軸方向断面を有する下流側環状末端部を備え、下流側環状末端部の実質的に半径方向の上流側部は、僅かな軸方向クリアランスをもって、インペラの下流側面に沿って延在し、下流側環状末端部の下流側部は、実質的に円筒状である。圧縮機の出口から取り込まれた空気は、インペラとディフューザの末端部の径方向部との間に形成された径方向環状空間において外側から内側へ流れ、次に、インペラの下流側空洞へ移動する。

動作中に、空洞内の空気は、かなりの遠心力を受け、空洞内の空気は、インペラの回転によって内側から外側へ駆動され、インペラの回転は、空洞内に空気循環のゾーンを生じさせ、この空気の一部を、インペラの下流側面に沿って上昇させる。この空気は、インペラの下流側面の粘性摩擦によって加熱され、圧縮機から出てくるタップオフされた空気と混ざり、この空気の温度を上昇させる。対流によって、この空気は、インペラの下流側面を再加熱し、インペラの下流側面が、最大許容値に達しかつ最大許容値を越えることがあり、材料のクリープという結果を招く。

本発明の特定の目的は、この従来技術の問題に対する簡単、効果的、かつ経済的な解決策を提供することである。

したがって、本発明は、ターボ機械における遠心圧縮機のインペラの下流側空洞を通風するシステムを提供し、この下流側空洞が、インペラの下流側径方向面と圧縮機の出口に配置された環状ディフューザの下流側環状末端部とによって画定され、かつ圧縮機の出口から空気を取り込むことにより通風され、タップオフされた空気が、空洞内で下流側へかつ圧縮機の回転軸に向かって循環し、インペラの下流側面に沿った高温空気の戻りに対抗し、かつ偏向させられた高温空気が、圧縮機の出口から取り込まれた空気によって駆動されるようにするために、少なくとも１台の環状デフレクタが、空洞内に取り付けられ、かつインペラの下流側面とディフューザの環状下流側末端部との間に延在する。

本発明による環状デフレクタは、インペラの下流側面に沿った高温空気の上昇を阻止し、圧縮機の出口から取り込まれた空気を加速し、インペラの径方向面に沿って上昇しかつデフレクタによって偏向させられたより高温の空気の剪断を引き起こすために、圧縮機の出口から取り込まれた空気の通路断面を縮小させ、このより高温の空気をディフューザの環状末端部の円筒状部に沿って駆動する。

本発明の別の特徴によれば、デフレクタは、ディフューザの環状下流側末端部の径方向部と円筒状部との間の接合部に径方向に位置している。

この点で、デフレクタは、インペラの下流側面に沿って上昇したより高温の空気の偏向に関して、圧縮機の出口から取り込まれた空気によるこのより高温の空気の剪断および駆動に関して、最も効果的である。

本発明の一実施形態では、デフレクタは、インペラの下流側面に突起部として形成され、実質的に円筒状の形状を有する。好ましくは、このデフレクタは、ディフューザの環状下流側末端部の付近まで軸方向に延在し、インペラに沿って上昇する高温空気の層の厚さ以上の軸方向寸法を有する。

この高温空気は、インペラのデフレクタによって下流側へ偏向させられ、次に、空気によって駆動され、この空気は、圧縮機の出口から取り込まれ、かつデフレクタとディフューザの末端部との間を通過する。

本発明の変形実施形態では、デフレクタは、ディフューザの環状末端部に突起部として形成され、インペラの付近まで軸方向上流側へ延在する。このデフレクタは、好ましくは、ディフューザの末端部の径方向部と円筒状部との間の接合部に形成される。

インペラの下流側面と末端部のデフレクタとの間に圧縮機の出口から流れる空気は、より高温の空気が下流側面に沿って上昇することを阻止する。

別の変形例では、第１のデフレクタが、インペラの下流側面に突起部として形成され、第２のデフレクタが、ディフューザの環状下流側末端部に突起部として形成され、これらのデフレクタが、互いに向かい合って延在し、両者の間に圧縮機の出口から取り込まれた空気用の環状出口通路を画定する。好ましくは、インペラに形成されたデフレクタは、ディフューザの環状末端部に形成されたデフレクタの径方向内側に位置している。

さらに別の変形例では、デフレクタは、インペラの下流側面を覆い、かつインペラと共に回転する環状熱保護シールドに突起部として形成され、このデフレクタは、ディフューザの末端部の付近まで下流側に延在する。このデフレクタは、好ましくは、ディフューザの末端部の径方向部と円筒状部との間の接合部に位置している。

デフレクタは、軸方向断面に正方形、矩形、又は三角形の形状を有し得る。

本発明は、上述のようなインペラの下流側空洞を通風するシステムを備える、航空機ターボジェット又はターボプロップのようなターボ機械にも関する。

非限定的な例として行われた以下の説明を読み、添付図面を参照することによって、本発明はより良く理解され、本発明のその他の細部、特徴、及び利点は明白になる。

図１は、上流側から下流側に向かって、ターボ機械内部のガスの流れの方向に、遠心圧縮機段１０と、ディフューザ１２と、燃焼室１４とを備える、航空機ターボジェット又はターボプロップのようなターボ機械の一部を表している。

圧縮機段１０の入口は、上流側へ向けられ、ターボ機械の軸１６に実質的に平行であり、圧縮機段の出口１８は、径方向外方へ向けられ、ターボ機械の軸１６に実質的に垂直である。

ディフューザ１２は、９０°曲がった環状形状を有し、圧縮機の出口１８と位置合わせされた入口２０と、下流側へ向けられ、かつ燃焼室１４の外側へ径方向に開口する出口２２とを備える。

ディフューザ１２は、圧縮機１０、ディフューザ１２、及び燃焼室１４を外部から取り囲む外部ケーシング２４によって支持される。

ディフューザ１２は、実質的にＬ字型の断面をもつ下流側環状末端部２６を備え、この下流側環状末端部２６は、ディフューザ１２の入口２０から内部へ延在する実質的に径方向の上流側部２８と、ねじナット型の適切な手段によって、通風するため及び／又は燃焼室１４の下流側に位置している構成要素（特に、タービン構成要素）を冷却するための空気を噴射する手段３４に取り付けられた、環状フランジ３２内の下流側端部で終端する実質的に円筒状の下流側部３０とを備える。

末端部の径方向部２８と円筒状部３０との間の接合部２９は、軸方向断面に丸みのある形状を有し、下流側及び外部へ向けられた凹型の環状表面と、上流側及び内部へ向けられた凸型の環状表面とを備える。

末端部２６の径方向部２８は、僅かな軸方向のクリアランスを伴って、下流側へかつ圧縮機のインペラ３６に沿って延在し、この軸方向のクリアランスは、インペラの回転の軸１６の方向に少し増加し、末端部の上記の接合部２９で最大になる。

末端部２６は、インペラ３６の下流側の径方向面７０と共に環状空洞４０を画定し、この環状空洞４０は、インペラ３６と末端部の径方向部２８との間に形成された径方向環状空間３８を介して、圧縮機の出口と連通する。

燃焼室１４は、２つの同軸の回転壁４２、４４を備え、これら回転壁４２、４４は、一方が他方の内部に延在し、かつそれらの上流側端部で燃焼室底壁４６に接続され、これらの壁４２、４４、および４６は、壁の間に、燃料が噴射器によって持ち込まれる環状エンクロージャを画定する。

燃焼室の径方向外壁４４は、その下流側端部で外部ケーシング２４に取り付けられ、燃焼室の径方向内壁４２は、その下流側端部で円錐台状リング５０に接続され、この円錐台状リング５０は、径方向内部端部に、上記の噴射手段３４への取り付け用の内部環状フランジ５２を備える。

これら噴射手段４２は、直角に曲がった環状ダクトを備え、環状ダクトの入口５４は、径方向外方へ開口し、末端部のフランジ３２の下流側、かつリング５０のフランジ５２の上流側に位置し、環状ダクトの出口５６は、下流側へ向けられ、かつリング５０の径方向内側に位置している。

圧縮機段１０から出てくる空気流の大部分は、ディフューザ１２内を通り（矢印５８）、燃焼室１４に供給され（矢印６０）、内部環状ストリーム６２及び外部環状ストリーム６４は、燃焼室１４に広がり（矢印６６）、内部ストリーム６２は、噴射手段３４に供給する。

遠心圧縮機１０から出てくる空気流のほんの一部分（矢印６８）は、インペラの下流側空洞４０を通風し、かつインペラの回転によって駆動される空気の粘性摩擦によって生じる熱の蓄積を防ぐために、圧縮機のインペラ３６とディフューザの末端部２６の径方向部２８との間に形成された径方向空間３８に移動する。

通風空気は、末端部２６のフランジ３２とリング５０のフランジ５２に設けられ、噴射手段３４に設けられた対応するオリフィスと位置合わせされたオリフィスによって、下流側へ運ばれる（矢印７４）。

動作中に、空気循環ゾーン７２が、遠心力およびインペラの回転の影響下で、空洞４０内に作られる。この空気の一部は、内側から外側へインペラ３６に沿って上昇し（矢印７６）、インペラの下流側面７０上の粘性摩擦によって加熱される。この高温空気７６は、圧縮機の出口から取り込まれた空気６８と混ざり、その温度を上昇させ、この空気の混合物は、対流によって、インペラの下流側面の温度を上昇させることがあり、このことはインペラの破損の危険性を表している。

本発明は、少なくとも１台の環状デフレクタによってこの問題への解決策を提供し、この環状デフレクタは、ディフューザの末端部２６とインペラの下流側面７０との間で、インペラの回転軸１６の周りに延在し、かつこの下流側面に沿って上昇する高温空気を下流側へ偏向させることを可能にする。

図２の実施形態では、デフレクタ８０は、インペラ３６の下流側面７０の突起部として形成され、末端部２６の径方向部２８と円筒状部３０との間の接合部２９に径方向に位置している。

デフレクタ８０は、たとえば、軸方向断面が正方形であり、末端部２６の接合部２９から短い距離まで軸方向に延在する形状を有し、末端部と共に、径方向空間３８から空気のための環状出口通路を画定する。

この通路を通って径方向空間３８の外に出る空気は加速され、圧縮機の回転軸の周りを、末端部の円筒状部３０に沿って上流側から下流側へ流れる（矢印８６）。この空気は、より高温の空気を下流側に駆動し、より高温の空気は、インペラの径方向面７０に沿って上昇させられ、デフレクタ８０によって下流側へ偏向され、その後、上記のフランジ３２、５２のオリフィスおよび噴射手段３４のオリフィスを通って運ばれる（矢印８９）。

デフレクタ８０は、図示されているように、インペラ３６と一緒に単一部品に形成されてもよく、又は、インペラの下流側面７０に嵌め込まれ、かつ取り付けられてもよい。デフレクタ８０の軸方向寸法は、インペラの下流側面７０を上昇する高温空気の層の全体を下流側へ偏向させるために、この高温空気の層の厚さ以上である。典型的に、デフレクタ８０の軸方向寸法は、約１ｃｍである。

変形例として、図３に示されているように、デフレクタ９０は、末端部の接合部２９に、ディフューザの末端部２６の突起部として形成され、インペラ３６の付近まで軸方向上流側に延在する。

デフレクタ９０は、軸方向断面にほぼ正方形の形状を有し、インペラの下流側面７０から短い軸方向距離で終端し、下流側面と共に、径方向空間３８からの空気用の環状出口通路を画定する。

圧縮機の出口から取り込まれた空気は、この出口通路内で加速され、インペラの下流側面上でより高温の空気の上昇に対抗する。図３に矢印によって示されているように、このより高温の空気は、インペラとデフレクタ９０との間に形成された通路から外に出る空気によって偏向させられ、フランジ３２、５２のオリフィスと噴射手段３４のオリフィスへ向かって駆動される（矢印９９）。

デフレクタ９０は、ディフューザの末端部２６と共に単一部品に形成されてもよく、又は、そうでなければ、この末端部に嵌め込まれてもよい。

図４に示された変形例では、デフレクタ１００は、環状熱保護シールド１０２によって支持され、この環状熱保護シールド１０２は、インペラ３６に回転に関して固定的に取り付けられ、かつインペラの下流側面７０を覆い、シールドの半径方向外方の端部は、おおよそ末端部の接合部２９に位置している。

シールド１０２は、下流側空洞４０内を流れるより高温の空気が、インペラの下流側面と接触することを防ぐ。

デフレクタ１００は、シールド１０２の径方向外部端部の付近に突起部として形成され、末端部２６の接合部２９の内側で軸方向下流側に、末端部から短い径方向距離で延在する。

このデフレクタ１００は、たとえば、軸方向断面に長方形の形状を有し、末端部２６の接合部２９から短い距離で終端し、末端部と共に、径方向空間３８からの空気用の環状出口通路を画定する。

したがって、この通風システムの動作のため、図２の事例が参照されるべきである。デフレクタ１００は、シールド１０２に嵌め込まれ、かつ取り付けられてもよく、又は、このシールドと一緒に単一部品として形成されてもよい。

図５の変形例では、２台のデフレクタ８０’、９０’が、それぞれインペラ３６およびディフューザの末端部２６によって支持され、図２および図３の実施形態の組合せに対応する径方向空間３８からの空気用の環状出口通路を２、台のデフレクタ８０’、９０’の間に画定する。

インペラ３６によって支持されたデフレクタ８０’は、軸方向断面に三角形の形状を有し、その三角形の頂点は末端部２６の方へ向けられている。

末端部のデフレクタ９０’は、図３のデフレクタ９０と実質的に同一であり、デフレクタ８０’の周りで軸方向に延在する。図２の実施形態の動作と図３の実施形態の動作は組み合わされる。

従来技術による通風システムの軸方向断面の概略的な半分の図である。 本発明による通風システムの軸方向断面の部分概略図である。 図２に対応した、本発明の変形実施形態を表す図である。 図２に対応した、本発明の変形例を表す図である。 図２に対応した、本発明のさらに別の変形例を表す図である。

符号の説明

１０ 遠心圧縮機
１２ ディフューザ
１４ 燃焼室
１６ 軸
１８ 圧縮機の出口
２０ ディフューザの入口
２２ ディフューザの出口
２４ 外部ケーシング
２６ 下流側環状末端部
２８ 径方向上流側部
２９ 接合部
３０ 円筒状下流側部
３２ 環状フランジ
３４ 噴射手段
３６ インペラ
３８ 径方向環状空間
４０ 環状空洞
４２ 径方向内壁
４４ 径方向外壁
４６ 底壁
５０ 円錐台状リング
５２ 内部環状フランジ
５４ 環状ダクトの入口
５６ 環状ダクトの出口
６２ 内部環状ストリーム
６４ 外部環状ストリーム
６８ 空気
７０ 下流側径方向面
７２ 空気循環ゾーン
７６ 高温空気
８０、９０、１００、８０’、９０’ デフレクタ
１０２ 環状熱保護シールド

Claims (13)

1. ターボ機械における遠心圧縮機のインペラの下流側空洞を通風するシステムであって、下流側空洞が、インペラの下流側径方向面と圧縮機の出口に配置された環状ディフューザの下流側環状末端部とによって画定され、圧縮機の出口から空気を取り込むことにより通風され、タップオフされた空気が、空洞内で下流側へかつ圧縮機の回転軸に向かって循環し、
   インペラの下流側面に沿った高温空気の戻りに対抗し、かつ偏向させられた高温空気が、圧縮機の出口から取り込まれた空気によって駆動されるようにするために、少なくとも１台の環状デフレクタが、空洞内に取り付けられ、かつインペラの下流側面とディフューザの環状下流側末端部との間に延在する、システム。
2. デフレクタが、ディフューザの環状下流側末端部の径方向部と円筒状部との間の接合部に径方向に位置する、請求項１記載のシステム。
3. デフレクタが、インペラの下流側面に突起部として形成され、実質的に円筒状の形状を有する、請求項１又は２に記載のシステム。
4. デフレクタが、ディフューザの環状下流側末端部の付近まで軸方向に延在する、請求項３に記載のシステム。
5. デフレクタが、インペラに沿って上昇する高温空気の層の厚さ以上の軸方向寸法を有する、請求項３又は４に記載のシステム。
6. ディフューザの環状末端部に突起部として形成され、かつインペラの付近まで軸方向上流側へ延在するデフレクタを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. デフレクタが、ディフューザの末端部の径方向部と円筒状部との間の接合部に形成される、請求項６に記載のシステム。
8. インペラの下流側面に突起部として形成されたデフレクタと、ディフューザの環状下流側末端部に突起部として形成されたデフレクタとを備え、２つのデフレクタが、互いに向かい合って延在し、２つのデフレクタ両者の間に、圧縮機の出口から取り込まれた空気用の環状出口通路を画定する、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. インペラに形成されたデフレクタが、ディフューザの環状末端部に形成されたデフレクタの径方向内側に位置している、請求項８に記載のシステム。
10. デフレクタが、インペラの下流側面を覆う環状熱保護シールドに突起部として形成され、デフレクタが、ディフューザの末端部の付近まで下流側に延在する、請求項１に記載のシステム。
11. シールドに形成されたデフレクタが、ディフューザの末端部の径方向部と円筒状部との間の接合部まで延在する、請求項１０に記載のシステム。
12. デフレクタが、軸方向断面に正方形、長方形、又は三角形の形状を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のインペラの下流側空洞を通風するシステムを備える、ターボ機械。

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