JP2008025580A - 遠心圧縮機のインペラの下流側空洞の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械内の遠心圧縮機のロータまたはインペラの下流側に形成される空洞の加熱を防止する、簡単で有効かつ経済的な解決方法を提供する。
【解決手段】ターボ機械内の遠心圧縮機のインペラの下流側空洞の冷却システムであって、この圧縮機１０が、下流側の環状フランジを含むディフューザ１２に接続され、環状板７０が、ディフューザのフランジを中心として同軸に取り付けられ、ほぼフランジの軸方向の寸法全体にわたって延びることにより、遠心圧縮機から出る空気６１よりも低温の空気を供給される環状の換気通路７２を画定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にターボジェットエンジン、航空機ターボプロップエンジン等のターボ機械、またはガス発生炉における、遠心圧縮機のインペラの下流側空洞の冷却システムに関する。

ターボ機械内の遠心圧縮機のロータまたはインペラの下流側に形成される空洞は、インペラによりもたらされる熱エネルギーを排出するように換気されなければならない。こうした換気は、一般に、燃焼室に供給する環状ディフューザの入口との接合部で、圧縮機の出口から空気を取り出すことにより行われる。

しかしながら、この換気空気は、圧縮機の出口で取り出されるので、その温度はすでに比較的高温になっている。この温度は、インペラの下流側面での粘性摩擦によりさらに上昇し、その結果、この下流側面は、インペラの材料の最大許容温度に達し、これを超える高温に至ることがあり、インペラを劣化させる危険性を伴う。

インペラの下流側面に環状の熱保護シールドを取り付けることが提案されている。しかし、この熱保護シールドは大型であるため、ターボ機械の質量増加を招き、圧縮機のインペラの回転慣性を増加させて、ターボ機械の性能を低下させる可能性がある。

本発明は、特に、これらの問題に簡単で有効かつ経済的な解決方法を提供することを目的としている。

このため、本発明は、ターボ機械内の遠心圧縮機のインペラの下流側空洞の冷却システムを提案し、遠心圧縮機が、環状フランジを含むディフューザに出口で接続され、環状フランジが、圧縮機のインペラに沿って下流側に延び、かつ圧縮機の出口で空気を取り出すことにより換気されるインペラの下流側の環状空洞を画定し、環状板が、ディフューザの環状フランジを中心として同軸に取り付けられ、遠心圧縮機から出る空気の温度よりも低温の空気を供給される環状通路をフランジと共に画定する。

環状板とディフューザのフランジとの間に形成される通路を循環する低温の空気は、このフランジの冷却および換気を確実にし、それによって、フランジは、圧縮機のインペラとディフューザのフランジとの間の空気のせん断により発生する熱の大部分を吸収することができる。

インペラの下流側の空洞を換気する空気は、比較的低温のままであり、熱保護シールドを必要とせずに、圧縮機のインペラを有効に冷却可能である。インペラの下流側にある空洞の供給、および圧縮機のインペラの換気のために、圧縮機の出口で取り出される空気の流量は、ディフューザおよび燃焼室の供給空気流量を増加させて、ターボ機械の性能を改善するように、少なくすることができる。

例示的な実施形態では、圧縮機の第２の段で取り出された空気を環状通路に供給することにより、圧縮機のインペラの温度を、約５０℃〜６０℃下げられることに留意されたい。

本発明の好適な実施形態では、環状板は、ディフューザのフランジにほぼ平行であり、環状板およびディフューザのフランジは、それぞれ、軸方向の断面がほぼＬ字型の形状を有する。

環状板およびディフューザのフランジは、それらの下流側端で、冷却空気を噴射するため、および／または燃焼室の下流側に配置される構成部品を換気するための手段に固定可能である。

組立を容易にするために、板は、ディフューザの円筒形リムにより支持される、心合わせされた円筒形の縁を上流側端に含むことができる。

板とディフューザのフランジとの間の環状通路は、上流側で、軸流圧縮機の上流側段の空気取り出し手段に接続され、または冷却用熱交換器の出口に接続される。この通路は、ディフューザから出る空気の圧力よりも低い圧力である換気空気の排気管に同じく下流側で接続される。

有利には、環状板は、小さな熱伝導率材料で製造され、または熱伝導率材料の小さい材料からなるクラッドを含む。

本発明は、さらに、上記のような冷却システムを含む、ターボジェットエンジンまたは航空機ターボプロップエンジン等のターボ機械に関する。

本発明は、添付図を参照しながら限定的ではなく例としてなされた以下の説明を読めば、いっそう理解され、本発明の他の細部、特徴、および長所が明らかになるであろう。

唯一の図は、ターボ機械の内部でガスが流れる方向に、上流側から下流側に向かって、遠心圧縮機段１０と、ディフューザ１２と、燃焼室１４とを含む、ターボジェットエンジンまたは航空機ターボプロップエンジン等のターボ機械の一部を示している。

遠心段１０の入口１６は、ターボ機械の軸１８にほぼ平行に上流側に向けられ、その出口２０は、軸１８にほぼ垂直外向きに向けられ、ディフューザ１２の径方向の入口２２と一直線に揃えられる。このディフューザは、９０°に曲げられた環状形であり、環状出口２４を含み、この環状出口２４は、ターボ機械の軸に平行に向けられ、かつ燃焼室１４の入口の径方向外側に通ずる。

ディフューザ１２は、圧縮機１０、ディフューザ１２、および燃焼室１４を外側で囲むターボ機械の外側ケーシング２８により支持される。ディフューザ１２は、ディフューザの入口２２から上流側に延びる円筒形シュラウド３０を含み、このシュラウドは、その上流側端で、外側ケーシング２８のカラー３４にねじナットタイプの適切な手段により固定される環状カラー３２で終端する。

ディフューザ１２は、ほぼＬ字型の断面を有する下流側の環状フランジ２６も含む。環状フランジ２６上流側部分は、ほぼ径方向にあり、ディフューザの入口２２の径方向外側の端に結合される。環状フランジ２６の下流側部分は、ほぼ円筒形であり、その下流側端で、燃焼室１４の下流側に配置される構成部品（特にタービン構成部品）を換気する空気を噴射する手段４０に固定される環状カラー３８で終端する。

ディフューザのフランジ２６の径方向の部分は、遠心圧縮機段のロータまたはインペラ３６の下流側に、このインペラに沿って短い距離のところに延びて、環状の径方向のスペース４２を形成し、この環状の径方向のスペースは、径方向外側の端で、圧縮機段の出口２０と連通し、径方向内側の端で、フランジ２６の円筒形の下流側部分により画定される環状空洞４３と連通する。

燃焼室１４は、互いの内部に延びて、燃焼室の底壁４８に上流側端で結合される、２個の同軸の軸対称壁４４、４６を含む。燃焼室の径方向外側の壁４４は、その下流側端で、外側ケーシング２８に固定され、径方向内側の壁４６は、その下流側端で、テーパ状のフェルール５２に結合され、このフェルールは、その径方向内側の端に、上記の噴射手段４０への固定用の内部環状カラー５４を含む。

噴射手段４０は、互いの内部に取り付けられて、直角に湾曲した環状ダクト５９を相互の間に画定する、ほぼＬ字型の断面の内部軸対称壁５６と外側軸対称壁５８との２個の軸対称壁を含み、この環状ダクトは、その上流側端で径方向外側に通じ、軸方向下流側端で下流側に通じている。環状のダクト５９は、ディフューザ１２から出る空気を供給される。

ディフューザのフランジ２６のカラー３８は、噴射手段４０の内壁５６の径方向上流側面に、噴射手段の入口の上流側で取り付けられ、フェルール５２のカラー５４は、噴射手段４０の外壁５８の径方向下流側面に、噴射手段の入口の下流側で取り付けられる。噴射手段４０の壁５６、５８の対応する穴を介して延びる、ねじナットタイプの固定手段を通すために、穴６０が、カラー３８、５４に形成される。

圧縮段１０から出る空気流量のわずかな部分は、インペラ３６の下流側面６２とディフューザのフランジ２６とにより画定される径方向のスペース４２に入る。この空気（矢印６１）は、フランジの径方向の部分の近くで、インペラ３６の回転により発生する大きなせん断応力を受けるので、熱を発生し、耐熱性が限られているインペラを加熱させる。

従来技術の解決方法は、環状のシールド６４（点線で示す）を、圧縮機のインペラ３６の下流側面に取り付けることにより、インペラを熱から保護し、動作時に高温に達しないようにすることからなる。

本発明によるシステムは、環状板７０によってこのシールドをなくすことができ、環状板７０は、燃焼室１４とディフューザのフランジ２６との間に径方向に取り付けられ、圧縮機１０から出る空気よりも低温の空気を供給される環状通路７２をディフューザのフランジと共に画定する。

図示された例では、板７０の断面がほぼＬ字型であって、フランジ２６の径方向上流側部分から離れて、フランジ２６の径方向上流側部分とほぼ平行に下流側に延びる、径方向上流側部分７４と、フランジ２６の円筒形の下流側部分から離れて、フランジ２６の円筒形の下流側部分とほぼ平行に外側に延びる、ほぼ円筒形の下流側部分７６とを含む。

板の径方向の部分７４は、その径方向外側の端に、上流側に向けられた円筒形リム７８を含み、このリムは、ディフューザの入口２２の径方向内側の端に形成されて下流側に通じる環状溝８０に、下流側から係合される。板７０のリム７８は、環状通路７２に冷却空気を供給する少なくとも一つの径方向の穴８２を含む。この穴８２は、供給管により（点線８４で概略的に示した）、遠心段１０の上流側に配置された軸流圧縮機（図示せず）の上流側段から空気を取り出す手段に結合され、あるいは、冷却液が内部を流れる第２の回路を知られている方法で含む冷却用熱交換器の第１の回路の出口に結合される。

板の円筒壁７６は、その下流側端で噴射手段４０に溶接により固定され、たとえば図示されているように、噴射手段４０の外壁５８の径方向外側の端に固定される。

通路７２内で流れる空気８６は、ディフューザのフランジ２６を換気および冷却することを可能にし、圧縮機のインペラ３６とフランジ２６の径方向の部分との間の空気のせん断により発生する熱の大部分を、ディフューザのフランジが吸収できるようにし、このようにして、ロータの加熱と、圧縮機のインペラの下流側面６２に沿った温度勾配の出現とを制限している。その後、この空気８６は、ターボ機械の他の構成部品を換気するために、環状通路７２の下流側端に接続される少なくとも一つのダクトにより排出される（点線８８で概略的に示した）。

板７０とディフューザのフランジ２６との間の距離を調整することによって、フランジ２６の換気を制御し、従って、フランジとスペース４２および空洞４３内を循環する空気６１との間の熱交換率を制御し、また、フランジと空洞７２内で流れる空気８６との間の熱交換率を制御することができる。通路７２に供給される所定の空気流量に対して、板７０とフランジ２６との距離が短ければ短いほど、通路７２内の空気８６の速度が速くなり、この空気とフランジとの間の熱交換率と、フランジ２６と、インペラ３６およびフランジ２６の間を流れる空気６１との熱交換率とがより大きくなる。

板７０は、ディフューザ１２と噴射手段４０とに密封式に取り付けられるので、板７０と燃焼室１４との間および環状空洞４３内で循環する空気の圧力とは異なる圧力で、通路７２に空気を供給することができる。

環状板７０は、次のようにターボ機械に取り付けられる。

ディフューザ１２を遠心圧縮機１０に取り付けた後で、噴射手段４０と燃焼室１４とをディフューザのフランジ２６に組み立てる前に、板７０を上流側に導き、そのリム７８をディフューザ１２の溝８０に嵌合する。噴射手段４０を、ディフューザのフランジのカラー３８に組み立ててから、噴射手段４０の壁５８の径方向外側の端５８と板７０の下流側端とを、スポット溶接または環状溶接ビードにより溶接する。その後、燃焼室を上流側に移動させて、フェルール５２により噴射手段４０に燃焼室を固定する。

板７０と、場合によっては通路７２の供給管８４および排気管８８は、好適には、熱伝導率の小さい材料で製造され、あるいは熱伝導率の小さい材料のクラッドを含む。

本発明による冷却システムの軸方向断面の概略的な部分半図を示す。

符号の説明

１０ 圧縮機
１２ ディフューザ
１４ 燃焼室
２６ 環状フランジ
３８、５４ クランプ
４０ 噴射手段
４３ 環状空洞
５２ フェルール
６０、８２ 穴
６１ 空気
７０ 環状板
７２ 環状通路
７４ 径方向上流側部分
７６ 下流側部分
８４ 供給管
８８ 排気管

Claims (11)

1. ターボ機械内の遠心圧縮機のインペラの下流側空洞の冷却システムであって、遠心圧縮機が、環状フランジを備えるディフューザに出口で接続され、環状フランジが、圧縮機のインペラに沿って下流側に延び、かつ圧縮機の出口で空気を取り出すことにより換気されるインペラの下流側の環状空洞を画定し、環状板が、ディフューザの環状フランジを中心として同軸に取り付けられ、遠心圧縮機から出る空気の温度よりも低温の空気が供給される環状通路を環状フランジと共に画定する、冷却システム。
2. 環状板が、ディフューザの環状フランジにほぼ平行に延びる、請求項１に記載のシステム。
3. 環状板およびディフューザの環状フランジが、それぞれ、ほぼＬ字型の形状の軸方向断面を有する、請求項１または２に記載のシステム。
4. 環状板およびディフューザの環状フランジが、下流側端で、換気空気の噴射手段に固定される、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 環状板が、上流側端に、ディフューザの円筒形リムにより支持された、心合わせされる円筒形の縁を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 環状通路が、上流側で、軸流圧縮機の上流側段の空気取り出し手段に接続され、あるいは冷却用熱交換器の出口に接続される、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 環状板が、ディフューザの環状フランジに密封式に取り付けられる、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 環状板が、熱伝導率の小さい材料で製造される、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 環状板が、熱伝導率の小さい材料のクラッドを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
10. 環状通路が、下流側で換気空気の排気管に接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の冷却システムを含むターボ機械。

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