JP2008025577A - 遠心圧縮機のインペラの下流側面を冷却するシステムを備えるターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械の性能を低下させずに、ターボ機械内の遠心圧縮機のインペラの下流側の空洞を換気することに関係する問題点に対して、簡単で、効果的で、経済的な解決法を提供する。
【解決手段】ディフューザ／ディストリビュータアセンブリを備えるターボ機械であって、ディフューザ／ディストリビュータアセンブリは、その下流側端で、タービンを換気するために空気を噴射し、遠心圧縮機のインペラに対して、圧縮機の出口から取り入れられた換気空気を循環させるための環状空洞の境界を定める手段に接続された、下流側端部分を備え、このターボ機械は、噴射手段から空気を取り入れる手段と、この空気をインペラの下流側面の径方向内側部分へ案内する手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に航空機のターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械において、遠心圧縮機のインペラの下流側面を冷却するためのシステムに関する。

圧縮機の最終段が遠心式であるターボ機械では、ディフューザ／ディストリビュータアセンブリが、遠心段の出口に配置され、環状燃焼チャンバに空気を供給している。

ディフューザは、環状の下流側端部分を備え、下流側端部分は、その下流側端で、燃焼チャンバの下流側に位置するタービンを換気するための回路に空気を噴射する手段に接続されている。ディストリビュータから出る空気流の一部は、内部を通って燃焼チャンバの回りを流れると同時に、チャンバの径方向の内部壁とディフューザの端部分との間を通過して、これら空気噴射手段に供給され、タービンを換気する。

環状空洞が、ディフューザの環状の端部分によって遠心段のインペラの下流側で境界を定められ、遠心段の出口から空気を入れることによって換気されて、インペラの材料の許容最大温度を超える可能性のあるインペラの下流側面の温度上昇を防止しなければならない。空洞内に存在する空気は、インペラによって駆動され、粘性摩擦によって加熱される。

インペラの下流側面の加熱を低減するために、インペラの下流側の空洞をより換気するように、遠心段の出口から取り入れられた空気流を増やすことが提案されてきた。しかし、これによって、ターボ機械内で作用しない空気流が増え、ターボ機械の性能を低下させる。

このため、インペラの下流側面に、環状の加熱保護シールドを取り付けることが提案されてきた。しかし、このシールドをインペラに取り付けるのは複雑で、インペラの重量と回転慣性を増加させる原因となり、それによってターボ機械の性能が低下してしまう。

インペラの温度が、最大許容値（チタンインペラの場合、約５００℃程度）を超えるのを防止するために、インペラの回転速度は制限されなければならず、その結果、空気の圧縮比とターボ機械の性能とが低下する。

本発明の目的は、特に、ターボ機械の性能を低下させずに、ターボ機械内の遠心圧縮機のインペラの下流側の空洞を換気することに関係するこれらの問題点に対して、簡単で、効果的で、経済的な解決法を提供することである。

したがって、本発明は、遠心圧縮機のインペラの出口に配置され、環状燃焼チャンバに空気を供給するディフューザ／ディストリビュータアセンブリと、タービンを換気するために空気を噴射する手段とを備えるターボ機械を提供する。このディフューザ／ディストリビュータアセンブリは、その下流側端で噴射手段に接続され、インペラの下流側面に対して、圧縮機の出口から取り入れられた換気空気を循環させるための環状空洞の境界を定める、環状の下流側端部分を備える。ターボ機械は、噴射手段から、このタービン換気の空気流の一部を引き出す手段と、引き出した空気を、インペラの下流側面のうち径方向内側の一部へ案内する手段とを備える。そのため、環状空洞内の空気の温度を下げるために、この空気流は、内側から外側へ、インペラの下流側面に沿って径方向に流れ、圧縮機の出口から取り入れられた空気と混合する。

タービンを換気するために回路の噴射手段で取り出された換気空気は、インペラの下流側面に案内され、この下流側面を掃引して、インペラの下流側の空洞内で、圧縮機の出口から取り入れられた空気と混合し、それによって、この空洞内の空気の温度を下げる。インペラをこのように冷却することによって、空気圧縮比を従来技術の空気圧縮比よりも高くすることができる。さらに、インペラの下流側面を冷却する空気は、空気を噴射する手段からタービンの換気回路に取り込まれ、これにより、作用空気の流れを低下させないようにし、これによりターボ機械の性能を維持することができる。

本発明の一実施形態においては、取り出し手段は、空気噴射手段と環状の空洞との間の圧縮機シャフト回りに形成された環状通路に通じている。

有利には、取り出し手段は、ラビリンスシールを備え、該ラビリンスシールは、圧縮機のシャフトと噴射手段の出口との間に取り付けられ、かつ環状通路に入る空気流を調整する。環状通路は、出口で、この環状通路から出て、インペラの下流側の空洞に入る空気流を調節するためのラビリンスシールも備えることができる。

本発明の変形実施形態によれば、噴射手段は、ディフューザ／ディストリビュータアセンブリによって空気が供給される入口と、軸方向に反対側の２つの出口とを備える。一方の出口は、タービンの換気回路に通じ、他方の出口は、環状の空洞に通じている。

有利には、インペラの下流側の空洞は、タービンを換気するために、空気噴射手段から取り入れられた空気流と、圧縮機の出口から取り入れられた空気流とを分離および混合する手段を備える。これらの分離および混合手段は、例えば、円筒形の金属シートを備え、この円筒形の金属シートは、空洞の境界を定める下流側壁から上流側に延び、かつインペラの下流側面からある距離で終端する。

本発明は、例示に限定されることなく記載された以下の説明を読み、添付の図面を参照することによって、詳しく理解され、本発明の他の詳細、特徴、および利点が明らかとなろう。

図１は、航空機のターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械の一部を表している。ターボ機械は、上流側から下流側に、ターボ機械内のガス流の方向に、圧縮機遠心段１４と、環状のディフューザ／ディストリビュータアセンブリ１２と、燃焼チャンバ１０とを備える。

圧縮機の遠心段１４は、シャフト２０の一部に接続されたインペラ１８と、上流側の環状フランジ２３を介して、圧縮機１４、ディフューザ１２、および燃焼チャンバ１０の回りに延びる、ターボ機械の外部ケーシング２４に接続されたステータ２２とを備える。

圧縮機の出口２６は、径方向外側に向き、ディフューザ１２の入口と位置を合わせられている。圧縮機１４の出口は、わずかな径方向の隙間分だけディフューザ１２の入口から離れている。ディフューザ１２は、屈曲した環状の形状であり、燃焼チャンバ１０の入口の外側に向かって径方向に開口するディストリビュータ２７に接続されている。

ディフューザ１２は、適切なネジナット形の手段によって、外部ケーシング２４に取り付けられた上流側の環状フランジ２８を備える。圧縮機のステータのフランジ２３は、外部ケーシング２４とディフューザのフランジ２８との間で軸方向に締め付けられている。

ディフューザ１２はまた、環状の端部部分３０を備え、端部部分３０は、ディフューザの入口から下流側で内側へ延び、ネジナット形の手段３４または同様の手段によって、燃焼チャンバ１０の下流側に位置するタービン換気回路（図示せず）内に空気を噴射する手段３６に取り付けられた内部環状フランジ３２の環状端部部分の下流側端で終端している。

ディフューザの端部部分３０は、インペラの下流側の径方向面４０で、圧縮機１４の出口から、上述の径方向の隙間を通って取り入れられた空気によって換気される環状の空洞４１の境界を定めている。

燃焼チャンバ１０は、互いに内側に延びる回転体の内壁４４と回転体の外壁４６とを備える。内壁４４は、その下流側端で、切頭円錐形リング４８の径方向外側端部に接続される。切頭円錐形リング４８の径方向内側端部は、前述の噴射手段３６に取り付けられた内側の環状フランジ５０を備える。チャンバの外壁４６は、その下流側端で、切頭円錐形リング５２の径方向内側端部に接続される。切頭円錐形リング５２は、その径方向外側端部に、外部ケーシング２４に取り付けるための外部環状フランジ５４を備える。

ディストリビュータ２７から出る空気の一部が、チャンバ１０に入り、噴射器（図示せず）により導入される燃料と混合される。次いで、この混合物は燃焼され、タービン内に噴射されてシャフト２０を回転させる。ディストリビュータ２７から発生する空気の別の一部が、チャンバ１０の回りを進み、チャンバの径方向内壁４４とディフューザの端部部分３０との間を通り、噴射手段３６に供給される。

図１に示した例では、噴射手段３６は、略Ｌ字型の断面を有する２つの同軸壁５９、６０を備え、これらの同軸壁は、互いに内側に延び、直角に曲った角度を成すチャネルを画定する。チャネルの入口６１は外側に向き、チャネルの出口６２は、軸方向に向き、かつその下流側端で開き、タービンに空気を供給する。

円筒形の環状通路７５が、噴射手段３６とシャフト２０との間に形成され、噴射手段３６の出口６２からインペラの下流側の空洞４１に延びている。この通路７５は、シャフト２０と噴射手段３６の出口６２との間に取り付けられた第１のラビリンスシール７６と、第１のラビリンスシール７６の上流側で、シャフト２０と、噴射手段３６から上流側で内側に延びる環状の金属シート８４との間に取り付けられた第２のラビリンスシール８３とを備える。

軸方向の空気通路オリフィス８７が、ディフューザの端部部分３０のフランジ３２とリング４８のフランジ５０の上の取付手段３４の間にそれぞれ形成され、噴射手段３６の回転体の壁５９、６０に形成された対応オリフィスと位置を合わせられている。これらのオリフィス８７は、インペラの下流側の空洞４１を環状の排気エンクロージャ８８に接続し、この排気エンクロージャ８８は、噴射手段の下流に位置し、かつリング４８と噴射手段３６の外壁６０とで境界が定められる。

遠心圧縮機１４から出た空気は、外側から内側に、インペラの下流側の空洞４１に流れ込み、インペラの下流側面４０上の粘性摩擦によって温度が上昇する。

本発明によれば、タービンを換気するための空気流の一部は、噴射手段３６の出口から取り入れられて、通路７５内を空洞４１にまで案内され、これによりインペラの下流側面４０を冷却し、空洞４１内の空気温度を下げる。

ラビリンンスシール７６と８３は、通路７５内を流れる空気流９２を画定するために調節される。

ラビリンスシール８３を出た空気は、インペラの下流側面４０に沿って、内側から外側に径方向に流れ、次いで、遠心圧縮機１０の出口から取り入れられた空気と混合される。次いで、この空気混合物は、フランジ３２、５０および噴射手段３６の軸方向のオリフィス８７を通ってエンクロージャ８８内に移動する。

噴射手段３６の出口から取り入れられた空気流９２と、遠心圧縮機の出口から取り入れられた空気流とを分離するために、および空気流９２がインペラの下流側面４０上を通った後に、これらの流れを混合可能にするために、円筒形の金属板９４が、空洞４１内に取り付けられ、噴射手段３６からインペラの下流側面４０の近くまで、軸方向に上流側に延びる。この金属板９４は、噴射手段３６からの空気用のオリフィス８７の環状アレイと、ラビリンスシール８３との間を貫通するように、径方向に配置されている。このシールから出た空気は、金属板９４によってインペラの下流側面４０に案内され、その後、インペラの出口から取り入れられた空気と混合される。

本発明の変形実施形態が、図２で示されている。図２では、図１を参照してすでに説明された構成要素は、１００を追加した同じ参照符号で示されている。

この変形実施形態では、噴射手段１３６は、２つの出口を有し、環状のＴ字型チャネルを備える。環状のＴ字型では、第２の円筒形軸方向の出口部分１９６が、その下流側端で、第１の軸方向出口部分１６２の上流側端と接続されている。この第２の出口１９６は、上流側に開き、円筒形の案内金属板１９４と上流側シール１８３を取り付けるための金属板１８４との間に径方向に位置付けられ、空気通路の断面は、図示された例では、噴射手段１３６の第１の出口１６２の断面とほぼ同一である。

流れ分離手段１９８が、噴射手段１３６の環状チャネル内に設けられ、これにより環状のチャネルに入る空気流１９９を、タービンとインペラ１１８の下流側の空洞とにそれぞれ供給する２つの空気流２００、２０２に分離する。これらの分離手段１９８は、環状リブを備え、この環状リブは、噴射手段３６の内側円筒表面上の突条部として形成され、噴射手段１３６の縦軸に垂直で、噴射手段の入口１６０を通る平面内に延びている。

図示した例では、ディフューザの端部部分１３０は、軸方向の断面がＬ字型であり、上流部分と、略円筒形の下流部分とを備える。上流部分は、略径方向に下流側に、かつ圧縮機のインペラの下流側面１４０から少し離れて延びる。略円筒形の下流部分は、噴射手段１３６に取り付けるための、環状フランジ１３２内の下流側端で終端する。端部部分１３０の円筒形部分は、金属板１９４とほぼ平行に延び、インペラの下流側の空洞１４１の境界を定める。インペラは、インペラ１１８と端部部分１３０の径方向部分との間に形成された、軸方向の寸法が小さい径方向通路２０４を介して圧縮機の出口と連通している。

外側から内側に、径方向の通路２０４内に流れる空気は、下流側の空洞１４１に入り、噴射手段の第２の出口１９６から発生し、下流側から上流側に金属板１９４に沿って流れる空気と混合し、これによりインペラの下流側面を掃引する。

本発明による冷却システムの一実施形態の軸方向断面における概略の部分的片側図である。 本発明の変形実施形態の軸方向断面における概略の部分的片側図である。

符号の説明

１０ 燃焼チャンバ
１２ ディフューザ
１４ 遠心圧縮機
１８、１１８ インペラ
２０ シャフト
２２ ステータ
２３ 環状フランジ
２４ 外部ケーシング
２６ 出口
２７ ディストリビュータ
３０、１３０ 端部部分
３２、５０ 内部環状フランジ
３４ ネジ手段
３６、１３６ 噴射手段
４０ 径方向面
４１、１４１ 空洞
４４ 内壁
４６ 外壁
４８、５２ 切頭円錐形リング
５４ 外部環状フランジ
５９、６０ 同軸壁
６１、６２ 入口
７５ 環状通路
７６、８３ ラビリンスシール
８４ 金属シート
８７ 空気流路オリフィス
８８ 排気エンクロージャ
９２、１９９、２００、２０２ 空気流
９４、１８４、１９４ 金属板
１４０ 下流側面
１６０ 噴射手段の入口
１６２、１９６ 出口
１８３ 上流側シール
１９８ 流れ分離手段
２０４ 通路

Claims (7)

1. 遠心圧縮機のインペラの出口に配置され、かつ環状の燃焼チャンバに空気を供給するディフューザ／ディストリビュータアセンブリと、タービンを換気するために空気を噴射する手段とを備えるターボ機械であって、
   ディフューザ／ディストリビュータアセンブリが、環状の下流側端部分を備え、該環状の下流側端部分が、下流側端で噴射手段に接続され、かつインペラの下流側面で、圧縮機の出口から取り入れられた換気空気を循環するための環状の空洞の境界を定め、
   ターボ機械は、噴射手段から、前記タービンの換気空気流の一部を取り出す取り出し手段と、取り出した空気を、インペラの下流側面の径方向内側部分に案内する案内手段とを備え、空気流は、内側から外側へ、インペラの下流側面に沿って径方向に流れ、圧縮機の出口から取り入れられた空気と混合されて、環状の空洞内の空気の温度を下げる、ターボ機械。
2. 取り出し手段が、空気噴射手段と環状の空洞との間の圧縮機のシャフト回りに形成された環状の通路に通じていることを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械。
3. 取り出し手段が、ラビリンスシールを備え、該ラビリンスシールが、圧縮機のシャフトと噴射手段の出口との間に取り付けられ、かつ環状の通路に入る空気流を調整する、請求項２に記載のターボ機械。
4. 環状の通路が、環状の通路から出て環状の空洞に入る空気流を調整するためのラビリンスシールを出口に備える、請求項２または３に記載のターボ機械。
5. 噴射手段が、ディフューザ／ディストリビュータアセンブリによって空気が供給される入口と、軸方向に反対側の２つの出口とを備え、一方の出口が、タービンを換気するための回路に通じ、他方の出口が、環状の空洞に通じている、請求項１に記載のターボ機械。
6. 環状の空洞が、タービンを換気するために、空気噴射手段から取り入れられた空気流と、圧縮機の出口から取り入れられた空気流とを分離および混合する分離および混合手段を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械。
7. 分離および混合手段が、円筒形の金属板を備え、該円筒形の金属板が、空洞の境界を定める下流側壁から上流側に延び、かつインペラの下流側面からある距離で終端する、請求項６に記載のターボ機械。

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