JP2009144714A - ターボ機械のコンプレッサから空気を抽出する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧コンプレッサから空気を抽出するための能力を同一に保持しながら、ターボ機械の軸のまわりの静圧のばらつきを制限する。
【解決手段】高圧コンプレッサなどのターボ機械のコンプレッサであって、コンプレッサの外側ケーシングの中に通じた吸込み端部を、ロータホイールとコンプレッサのステータ段と同じ高さに有したダクトを備えた空気抽出手段を含み、空気の抽出をコンプレッサの軸のまわりで３６０°にわたって均一にするように、円環形状のスクリーンシートが、ケーシングの内側に半径方向に、ダクトの吸込み端部の一部分に面するように取り付けられている、コンプレッサ。
【選択図】図３

Description

本発明は、空気抽出システムが取り付けられたターボ機械のコンプレッサに関し、またこのタイプのコンプレッサが取り付けられた航空機ターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械にも関する。

バイパスターボ機械は、圧縮段および燃焼段に供給する一次空気流と、ターボジェットを迂回し、ターボジェットの出口で一次空気流と再結合する二次空気流とに分割する上流の空気吸込み口を有する。

機内の加圧、除氷、あるいはターボジェットのタービンに通気してそれを冷却することを含む様々な目的で、コンプレッサを通過する空気の僅かな部分が抽出されている。

空気は一般的に高圧コンプレッサから抽出されている。この高圧コンプレッサは、圧縮段を補強する外側ケーシングと、高圧コンプレッサの内側の一次空気流の流通路の外側を画定し、環状セグメントの構成によって形成された壁とを有する。環状セグメントの一部は静翼を担持し、その他の部分は前者セグメントと交互に配置され、ロータホイールの半径方向外側端部に延在する。

外側ケーシングは、吸込みダクトを取り付けて有したオリフィスを含む。このダクトはノズル段の環状セグメントとロータホイールの環状セグメントとの間にできた環状空間の中に通じている。

動作中、高圧コンプレッサの一次空気通路に沿って流れている空気の僅な部分が、セグメント間の空間から抽出され、外側ケーシングの中に通じた吸込みダクトを介して、加圧下空気を必要とする機器に搬送される。

それにも関わらず、空気は、吸込みダクトの端部と一致して最大限に抽出されてしまい、これによって、その場所での静圧の低下が起こる。したがって、ターボ機械の軸のまわりのセグメント間の空間内で静圧の大きな不均一が観察され、これによってターボ機械の性能が低下する。こうした不均一は、空気抽出の必要が高まるほど拡大する。

エンジンの故障などのある種の危機的な状況では、動作中のままであるエンジンは抽出された空気を全て配送する能力がなければならない。例えば、通常動作では、抽出された空気の最大量は、コンプレッサを通る平均流量の約８％であり、エンジンの故障が発生した場合には、他のエンジンが最高でその平均流量の１６％を配送する能力があることが必要となる。これは、静圧がコンプレッサの軸のまわりで極めて不均一である場合には不可能となる可能性がある。

外側ケーシングのまわりの吸込みダクトの数を増やすことは、加圧下の空気を配送するための配管を複雑化させ、ターボ機械の重量を増加させることになるため、想定されることが可能でない解決方法である。

本発明の特定の目的は、高圧コンプレッサから空気を抽出する能力を同一に保持しながら、ターボ機械の軸のまわりにおける静圧のばらつきを制限することである。

この目的のために、本発明は、高圧コンプレッサなどのターボ機械のコンプレッサにして、コンプレッサの外側ケーシンングの中に通じた吸込み端部を、ロータホイールとコンプレッサの一段と同じ高さに有したダクトを備えた空気抽出手段を含んだコンプレッサであって、空気の抽出をコンプレッサの軸のまわりで３６０°にわたって均一にするように、円環形状のスクリーンシートが、ケーシングの内側で半径方向に、ダクトの吸込み端部の一部分に面するように取り付けられていることを特徴とするコンプレッサを提供する。

吸込みダクトの端部を一部分が部分的に覆うこのようなスクリーンシートの使用は、この場所から抽出される空気の量を制限する働きをし、これによってこの場所での静圧の大きな低下を回避する。これを行うために、吸込みダクトの端部から角度的にさらに離れた空気流路の部分から抽出される空気の量が増加される。したがってシートは、コンプレッサの空気流路からの空気の抽出を３６０°にわたって拡げる働きをし、これによって静圧の角度的な不均一を制限し、ターボ機械の性能を向上させる。

本発明の他の特徴によると、スクリーンシートは、その上流端部に、ケーシングのフランジに対して半径方向に支承するための支承手段を含み、シートの下流端部は、ロータホイールの下流に取り付けられたステータ段の環状フランジにネジによって締結されている。

したがってスクリーンシートは既存の機械部品に取り付けられるので、スクリーンシートを高圧コンプレッサの環境内に組み込むことは、それに対する構造的修正を必要としない。

有利には、支承手段は上流に延在する円筒形状のリムを備える。

スクリーンシートは好ましくは３６０°未満にわたって延在し、その円周端部のそれぞれで円筒状リムを含む。したがって、スクリーンシートは、専らその円周端部でケーシングのフランジに押し当てることが可能であり、空気流は、フランジとシートの上流端部との間を流れることが可能である。シートの円周方向の範囲を制限することは、従来技術のコンプレッサの軸のまわりの平均静圧と同様の平均静圧を保持する働きをし、これによって、空気を抽出するための他の供給源に頼る必要を回避する。他の供給源に頼ることは、燃料消費を増大させることになる。

本発明の一実施形態では、スクリーンシートは約２３４°にわたって延在し、その円筒状端部リムは角度的に数十度にわたって延在する。

スクリーンシートの下流端部は、締結ネジを通すための、小直径の穴と交互に配設された大直径の穴を含んでもよい。

したがって、スクリーンシートは、小直径の穴に挿入されたネジによってのみ、下流の静翼段の環状フランジに締結されフランジにクランプされている。大直径の穴は専ら、下流のステータ段のフランジを次の下流のステータ段のフランジに締結するためのネジのヘッドを通す働きをする。スクリーンシートは、コンプレッサ段に機械的強度をもたらすことに寄与しないため、スクリーンシートが多数の締結ネジによって下流のステータ段のフランジに締結される必要はない。

スクリーンシートは、スクリーンシートの上流端部を介してケーシングのフランジに押し当てるように、弾性プレストレスによって取り付けられてよい。

ロータホイールの上流に位置付けられたステータ段は、空気を通すための穴を含んだシュラウドを介してケーシングフランジに締結され、スクリーンシートの中央部分と同じ高さに位置付けられた穴は完全に閉鎖されているのに対し、スクリーンシートの端部分に面して位置付けられた穴は５０％だけ閉鎖されている。

シュラウド内の穴を完全または部分的に閉鎖することは、ターボ機械の軸のまわりによりうまく分配するように空気を抽出する働きをする。

スクリーンシートはまた、スクリーンシートの内側で半径方向に位置付けられたコンプレッサの部品の状態を検証するのに使用する内視鏡を通すための少なくとも１つのオリフィスも含む。

本発明はまた、上述のタイプのコンプレッサで使用する円環形状のスクリーンシートであって、そのセクションがＬ字形状であることと、スクリーンシートが、締結ネジを通すための穴を含んだ放射状壁に一方端部で接続された円筒壁を備え、その他方端部は円錐台形壁に接続されていることとを特徴とする、スクリーンシートも提供する。

他の特徴によると、スクリーンシートの円錐台形壁は、その円周端部から外向きに延在する放射状リムを含む。

本発明はまた、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械であって、上述のタイプのコンプレッサを含むことを特徴とするターボ機械も提供する。

非限定的な実施例として、添付図面を参照して行った以下の説明を読めば、本発明はよりよく理解されることが可能であり、本発明の他の詳細、利点および特徴が明らかになる。

従来技術の空気抽出装置を含んだターボ機械の高圧コンプレッサの一部分の軸方向断面図である。 ターボ機械の軸のまわりの角度位置の関数としての静圧のばらつきを示したグラフである。 本発明のスクリーンシートを含んだターボ機械の高圧コンプレッサの一部分の軸方向断面図である。 外側ケーシング内に形成された空気吸込み穴と一致するように取り付けられたスクリーンシートの一部分の平面図である。 外側ケーシングに取り付けられ、本発明のスクリーンシート内のオリフィス内に挿入された内視鏡の斜視図である。 本発明のスクリーンシートの斜視図である。 外側ケーシング内の空気抽出穴と本発明のスクリーンシートとを示す、斜視部分断面図である。 スクリーンシートの締結ネジのステータ段の環状フランジ内への取付けを示した拡大図である。

最初に図１を参照する。図１は、低圧コンプレッサの下流で燃焼室の上流に取り付けられた軸１２の高圧コンプレッサ１０の下流部分を示している。高圧コンプレッサ１０は、外側ケーシング１４と壁１６とを備える。壁１６内では、ステータ段２４、２６、２８と交互に配設された複数のロータホイール１８、２０、２２が回転する。壁１６は一連の環状セグメントを備え、それらの一部３０、３２、３４は静翼２４、２６、２８の半径方向外側端部を担持し、前述のセグメントと交互に配置された、環状セグメントの他の部分３６、３８、４０は、回転シャフト２７によって担持されたロータホイール１８、２０、２２の半径方向外側端部に面している。環状セグメント同士は、環状フランジ４２、４４、４６、４８によって相互接続され、それらは全体として外側ケーシング１４に接続されている。

空気抽出は、上流のステータ段２４のセグメント３０の下流端部とロータホイール１８に面して配置されたセグメント３６の上流端部との間に軸方向に間隔をあけることによって、ノズル段２４と下流のロータホイール１８との間で実現される。上流のノズル段２４のセグメント３０は、上流に延在して半径方向外側端部でケーシング１４の内側フランジ５４に締結されたシュラウド５２によって、外側ケーシング１４に接続されている。シュラウド５２は、その円周のまわりに分配された多数の空気通過穴５６を含む。コンプレッサ１０内の空気抽出手段は、外側ケーシング１４のオリフィス６０上に取り付けられた吸込み端部を有したダクト５８を含む。このオリフィス６０は、セグメント間の空間６１に面して位置付けられるようなやり方で、外側ケーシング１４に軸方向に位置決めされている。この直径は、上流のステータ段２４の締結シュラウド５２の両側に開くようなものである。

動作中、ターボ機械の中に進入する空気流は、２つの部分に分割され、そのうちの一方は、高圧コンプレッサ１０を通過する一次空気流に相当する。それに沿って移動する空気の僅かな部分がセグメント間の空間６１を介して逃げ、穴５６を通って上流のシュラウド５２の両側を移動して、加圧下の空気がそれを必要とする機器に取られることを可能にするダクト５８の中に吸い込まれるようになる。

図２は、上述の空気抽出装置について、セグメント間の空間６１と同じ高さで測定された静圧のばらつきを、コンプレッサ１０の軸１２のまわりの角度位置の関数として示した曲線Ａを描いている。横座標上のゼロは垂直方向を表し、コンプレッサに対して後ろから見て時計回りに角度が拡大してゆき、吸込みダクト５８の穴６０の中心が１１４°に合わせられている。

このグラフでは、吸込みダクト５８の位置に対応した約１１４°の角度位置で、約２．４５任意単位（ａ．ｕ．）の最少静圧が起こることが分かる。吸込みダクト５８から離れるほど静圧は上昇し、到達される最高静圧は２．９ａ．ｕ．程度である。

このグラフは、空気はほとんどが吸込み穴６０の直ぐ近傍かつそれと一致したところから抽出され、これによって高圧コンプレッサ１０の軸１２のまわりで静圧の大きなばらつきが生じることを示している。

本発明は、空気抽出を高圧コンプレッサ１０の軸１２のまわりで３６０°にわたって均一にするように、ダクト５８の吸込み端部の一部分に面したスクリーンを形成するように、円環形状のシート６２を外側ケーシング１４の内側に取り付けることによって、この問題が解決されることを、また上述の問題も解決されることを可能にする（図３および図４）。

スクリーンシート６２は３６０°未満にわたって延在し、Ｌ字形状の横断面を呈示している。スクリーンシートは、放射状壁６６に下流端部で接続された円筒壁６４を備え、その上流端部は、上流で広がる断面の円錐台形壁６８に接続されている。

円錐台形壁６８の上流端部は、上流のステータ段２４のシュラウド５２の締結フランジ５４上に半径方向に支承するための支承手段を有する（図３および図５）。これらの手段は、上流に延在する円筒形状のリム７０を備える。リム７０は、シート６２の円周端部のそれぞれに形成され、リム７０は角度的に数十度にわたって延在する。

放射状壁６６は、環状セグメント３６および３８の環状締結フランジ４２および４４に締結されている。放射状壁６６は、大直径の穴７４と交互に配置された小直径の穴７２を含む。小直径の穴７２は、締結ネジが通過されることを、またネジのヘッドが放射状壁６６に対してクランプされることを可能にする。大直径穴７４の直径は、同じそれらのネジのヘッドが通過することを可能にする程、充分に大きい。これらの穴７４は、放射状壁６６をクランプされるのには使用されない。

スクリーンシート６２の中央部分内に位置付けられた、上流のノズル段２４の締結シュラウド５２内の穴５６は、完全に覆われているが、スクリーンシート６２の端部分７０に面して位置付けられた穴５６は５０％しか覆われていない。

ターボ機械が動作中であるとき（図８）、圧縮空気通路内を流れる空気の僅かな部分がセグメント間の空間６１を通って逃げる。

吸込みダクトと一致して、コンプレッサ１０から抽出された空気は、上流のステータ段２４の締結フランジ５４の半径方向内側端部とスクリーンシート６２の円錐台形壁６８の上流端部との間を流れる（矢印Ｆ１）。フランジ５４とシート６２の上流端部との間の小さな空間、ならびにシート６２の中央部分内の上流シュラウド５２を通る穴５６の完全な閉鎖は、ダクト５８と一致して抽出される空気の量を制限する働きをし、これによってこの場所における静圧の低下を回避する（図２の曲線Ｂ）。

矢印Ｆ２は、コンプレッサ１０から到来し、シート６２の円周端部７０に接近して位置付けられた上流のステータ段２４のシュラウド５２内の覆われていない穴５６または部分的に覆われた穴５６を通過する空気流を表している。

シート６２の円周端部７０を超えると、高圧コンプレッサ１０から抽出された空気は、シート６２と外側ケーシング１４との間を移動して、その後ダクト５８の中に吸い込まれるようになる（矢印Ｆ３）。

したがって、空気が高圧コンプレッサ１０から抽出されるやり方は、コンプレッサ１０の軸１２のまわりで３６０°にわたって均一に分配される。図２の曲線Ｂによって示したように、静圧は、角度位置の関数として平均値周辺であまりばらつかず、これによってコンプレッサ１０の軸１２のまわりの静圧の不均一性を大幅に軽減することを可能にする。

さらに、スクリーンシート６２を用いた平均静圧もこれを用いない平均静圧も実質的に同様、即ち約２．７５ａ．ｕ．であることから、このシートを使用してもダクトの空気を抽出する容量を低下させることはない。

スクリーンシート６２は、その上流端部で弾性プレストレスによって外側ケーシングのフランジに押し当てるように取り付けられてよく、これによってシートのフランジに対する連続的な接触を保証する。動作中、ダクト５８の中に吸い込まれた空気は、シートの上流端部をケーシング１４のフランジ５４に対してより強く圧迫する働きをする。

コンプレッサケーシングは通常、コンプレッサの内側を調査する内視鏡７５を通すための１つまたは複数のオリフィスを含む。この目的のために、図５および図６で示したように、シート６２は、そのような内視鏡を通す少なくとも１つのオリフィス７６を含むことができる。

スクリーンシートはおおよそ、最小で１８０°にわたって、最大で約２７０°にわたって延在する。

本発明の実際の実施形態では、スクリーンシートは２３４°にわったって延在し、０°から３６°の間に延在する円筒状リム７０を有し、その他方のリムは１８０°から２３４°の間に延在する。シートの軸方向寸法は、３６．３ミリメートル（ｍｍ）であり、その円周端部とその他３０ｍｍである。シートの厚みは約１ｍｍである。

シート６２は、その中間部分で、またその上流端部で、上流に突き出た、軸方向寸法が円周端部７０の円筒状リムよりも小さいリムを含んでもよい。このリムの機能は、シートを強化し、そのようにしてシートの固有モードの振動の周波数を上昇させて、ターボ機械の動作中、空気流がシートを通り過ぎて流れる際にシートが振動を受けるときに、スクリーンシートの共鳴という現象を回避するようにすることである。例として、このリムの軸方向寸法は２ｍｍであってよい。

本発明のスクリーンシート６２を外側ケーシング１４と壁１６の間に組み込むことは、コンプレッサ１０に対する構造的な修正を必要としない。このことは、フランジ５４に対してこのシートが一端部で押し当てるようになり、フランジ５４が、上流シュラウド５２を締結するために使用され、セグメント３６および３８を締結するためのフランジ４２および４４に締結されることによる。したがってこのシート６２は、製造中またはメンテナンス作業中に任意のターボ機械に取り付けられることが可能である。

図８は、締結ネジ７８が、どのようにしてスクリーンシート６２の穴７２に取り付けられているかを示している。円筒壁６２の上流端部に円錐台形壁６８が存在することによって、ネジ７８が容易にフランジ４２の穴に挿入されることが可能になる。

１０ 高圧コンプレッサ
１２ 軸
１４ 外側ケーシング
１６ 壁
１８、２０、２２ ロータホイール
２４、２６、２８ ステータ段
２７ 回転シャフト
３０、３２、３４、３６、３８、４０ 環状セグメント
４２、４４、４６ ４８ 環状フランジ
５２ シュラウド
５４ 内側フランジ
５６ 穴
５８ 吸込みダクト
６０、７６ オリフィス
６１ セグメント間の空間
６２ スクリーンシート
６４ 円筒壁
６６ 放射状壁
６８ 円錐台形壁
７０ 円筒形状のリム
７２ 小直径の穴
７４ 大直径の穴
７５ 内視鏡
７８ 締結ネジ

Claims (14)

1. 高圧コンプレッサなどのターボ機械のコンプレッサにして、コンプレッサの外側ケーシンングの中に通じた吸込み端部を、ロータホイールとコンプレッサのステータ段と同じ高さに有したダクトを備えた空気抽出手段を含んだコンプレッサであって、空気の抽出をコンプレッサの軸のまわりで３６０°にわたって均一にするように、円環形状のスクリーンシートが、ケーシングの内側で半径方向に、ダクトの吸込み端部の一部分に面するように取り付けられていることを特徴とする、コンプレッサ。
2. スクリーンシートが、その上流端部に、ケーシングのフランジに対して半径方向に支承するための支承手段を含み、シートの下流端部が、ロータホイールの下流に取り付けられたステータ段の環状フランジに、ネジによって締結されていることを特徴とする、請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 支承手段が、上流に延在する円筒形状のリムを備えることを特徴とする、請求項２に記載のコンプレッサ。
4. スクリーンシートが３６０°未満にわたって延在し、その円周端部のそれぞれに円筒状リムを含むことを特徴とする、請求項３に記載のコンプレッサ。
5. スクリーンシートが約２３４°にわたって延在し、その円筒状端部リムが角度的に数十度にわたって延在することを特徴とする、請求項３に記載のコンプレッサ。
6. スクリーンシートの下流端部が、締結ネジを通すための、小直径の穴と交互に配設された大直径の穴を含むことを特徴とする、請求項２に記載のコンプレッサ。
7. スクリーンシートが、ケーシングのフランジに押し当てるように、弾性プレストレスによって取り付けられていることを特徴とする、請求項２に記載のコンプレッサ。
8. ロータホイールの上流に位置付けられたステータ段が、空気通過用穴を含んだシュラウドによってケーシングのフランジに締結され、スクリーンシートの中央部分と同じ高さに位置付けられた穴は完全に覆われていることを特徴とする、請求項２に記載のコンプレッサ。
9. スクリーンシートの端部分に面して位置付けられたシュラウド内の空気通過用穴は５０％だけ閉鎖されていることを特徴とする、請求項８に記載のコンプレッサ。
10. スクリーンシートが内視鏡を通すための少なくとも１つのオリフィスを含むことを特徴とする、請求項１に記載のコンプレッサ。
11. 請求項１に記載のコンプレッサで使用する円環形状のスクリーンシートであって、その断面がＬ字形状であることを特徴とするスクリーンシート。
12. 締結ネジを通すための穴を有した放射状壁に一方端部で接続された円筒壁を備え、他方端部が円錐台形壁に接続されていることを特徴とする、請求項１１に記載のスクリーンシート。
13. 円錐台形壁が、その円周端部で外向きに面した放射状リムを含むことを特徴とする、請求項１２に記載のスクリーンシート。
14. 請求項１に記載のコンプレッサを含むことを特徴とする、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械。

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