JP2011518983A - 向心流空気収集手段を含むターボ機械の圧縮機ロータ - Google Patents

Abstract

本発明は、タービンエンジンの圧縮機のロータに関する。ロータは、ブレードを担持し、ほぼ円筒状回転壁（１３６）によって互いに接続される少なくとも２つの同軸ディスク（１１８、１２０）と、壁を通って伸びる空気通路（１４８）と壁内の通路を出る空気流を調整する半径方向ベーン（１６０）とを含む向心流空気収集手段とを含む。前記ベーンは、ディスクの１つによって担持され、壁内の通路と半径方向にほぼ位置合わせされる。

Description

本発明は、飛行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の圧縮機ロータ内の向心流抽気手段に関する。

圧縮機ロータのブレードホイールは、ディスク間で同軸上に伸びるほぼ円筒状またはほぼ円錐台状の回転面を形成する壁によって互いに接続される。ディスクを互いに接続するこの壁は、第１のディスクと一体的に形成されてもよいし、第１のディスクの側面の軸方向端部の一方に配置されて固定されてもよい。反対側の軸方向端部は、ナットボルト式手段によって第２のディスクに固定された環状フランジを含むことができる。

ターボ機械の圧縮機の下流段およびタービンリムを通気および／または冷却するために、またターボ機械を浄化するために、ロータにシステムに供給する向心流抽気手段を取り付けることは知られている。

先行技術では、これらの抽気手段は、圧縮機ディスクを互いに接続する壁を通って形成される通路と、２つのロータディスクの間の壁内部に形成される環状チャンバへの開口部とを備える。

圧縮機の流れ部分を流れる空気の一部は、ディスクを互いに接続する壁内の貫通路を介して抽気され、環状チャンバに入り、ここでロータのディスクに沿って中心に向かって流れ、その後、ターボ機械内および軸方向円筒状シースの外側を上流側から下流側に流れて、タービンに達する。しかしながら、ロータディスク間の環状チャンバの中心における乱流やヘッドロスがかなりあるために、圧縮機の下流段から空気が抽気されてしまい、ひいてはターボ機械の燃料消費率を増大させることになる。

また、抽気空気は、ディスクに比べて回転速度が速いために加熱される。空気巻き込み係数Ｋｅ（圧縮機を流れる抽気空気の接線速度をターボ機械の圧縮機のロータの回転速度で除した比に等しい）が１より大きい場合、確実にタービンの部品を適切に冷却できるように、抽気空気の流量を増加させる必要がある。しかしながら、特定の領域では、特に、ディスク間のチャンバおよび円筒状シースの近くでは、係数Ｋｅは先行技術の２．５と同じくらい高くなる場合がある。

このような欠点を克服するために、チャンバを画定するディスクの対向面に配置されたほぼ半径方向フィンによって、ディスク間チャンバの空気の速度を低減することがすでに提案されている。それでも、このようなフィンによってチャンバの中央領域のヘッドロスを低減することができない。

本発明の特定の目的は、先行技術のこれらの問題に対する、より単純で、より効果的で、より費用のかからない解決策を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、共通軸上にあり、ほぼ円筒状回転面を形成する同軸壁により互いに接続された少なくとも２つのブレード担持ディスクと、壁を貫通し、壁内部およびディスク間に形成される環状チャンバへと開口する空気通路とディスクの１つによって担持されるほぼ半径方向フィンとの両方を備える向心流抽気手段を備えるターボ機械の圧縮機ロータであって、フィンはディスクから軸方向に離間され、壁を貫通する通路とほぼ半径方向に位置合わせされ、前記フィンは軸方向端部の一方でのみディスクに固定される支持手段に接続されることを特徴とする圧縮機ロータを提供する。

本発明によれば、フィンは、ディスクを相互接続する壁を貫通する通路を出るとすぐに、抽気空気流を偏向させる。フィンはチャンバの中央領域に伸びて、空気を中心に向かって流れさせることでこの領域の渦や乱流を抑える働きをする。したがって、本発明によって、貫通路を出る空気ジェットの分裂を防ぎ、ヘッドロスを生じさせる乱流の形成を防ぐことができる。このヘッドロスを低減するために、さらに上流側にある圧縮機の段から抽気することが予測でき、それによりターボ機械の燃料消費を低減することができ、さらに抽気空気の温度を低下することができる。フィンは、圧縮機ロータの回転速度と同じ速度で回転し、さらにロータの速度に対する抽気空気の速度の増大を制限する（Ｋｅ＝１）。ディスクの半径方向面に達する空気は、前記ディスク上に、大気または海洋現象としても発生し、エクマン層として知られている種類の層を形成することによって、自然と回転軸に向かってディスクに沿って流れる。

さらに、本発明の特徴によれば、フィンはディスクの一方に固定される支持手段にその軸方向端部の一方を介して接続され、フィンの各々はその軸方向端部の一方を自由にする。

空気通路は、２つのロータディスク間に取り付けられたノズルと協働するラビリンスシールから下流側に回転面を形成する壁を通って形成されることができる。フィンは、チャンバを画定する下流側ディスクによって担持されることができる。

好ましくは、偏向フィンは、ロータの軸を中心として一定間隔で分布し、ロータの軸に対して傾斜している。

これらのフィンは、平面板とすることができる。変形例では、フィンは、各々が半径方向外側の前縁と半径方向内側の後縁とを有するエアフォイルである。

フィンは、上述したディスクに互いに独立して接続される。この場合、各フィンは、ディスクに固定されるほぼ半径方向に配向された支持要素と一体的に形成されてもよい。変形例では、フィンはほぼ半径方向環状要素に取り付けられて固定され、環状要素は、例えば、ナットボルト式手段によってディスクの環状フランジに固定され、これにより、フィンの取り外しが可能になる。

このように、フィンは最大で１つの環状要素によって担持されるので、フィンは２つの環状要素間に位置しない。このことが、フィン間を流れる空気の「閉じ込め」を防ぐ働きをして、フィンの近くの空気の流れに影響を与えることができる。フィンを１つの環状要素に固定することにより、フィンの能動部分を垂直に（フィンの幅方向に）増大させることができるが、フィン間を通らない空気流の一部はフィン間を通る空気流の一部との粘性摩擦により巻き込まれる。

フィンの半径方向外側端部は、空気通路を含む壁から所定の半径方向間隔だけ離間されるのが好ましい。フィンは、回転軸に向かってディスクの半径方向寸法の一部のみに伸びることができる。

フィンは、回転面を形成する壁を通る空気通路の直径に近い可能性のある幅または軸方向寸法を有する。この寸法は、ディスク間の軸方向距離の半分未満、例えば、前記ディスク間の軸方向距離の３０％未満であるのが好ましい。

したがって、フィンの幅を狭くすることによって、部品を組み立てるのに要する時間が低減され、さらにフィンのコストや重量も低減することができる。

本発明のフィンの幅が比較的狭くても、それが好ましい通路であれば、抽気空気のほとんどはフィンに向かって自然と流れる。これは、ヘッドロスが最も小さく、空気流が進むには最も簡単な通路である。

フィンから一定距離に位置する上流側ディスクでは、フィンの効果は小さくなり、向心空気流の速度が遅くなり、または流れに影響を及ぼす乱流さえ考えられるが、ロータの回転によって生成される動的効果が上述のエクマン層を形成し、エクマン層が空気を中心に向かって流れるように促す。したがって、これらの層では、半径方向速度は同様に高くなり、この速度が向心流を助長する。

本発明はさらに、飛行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、上述したような圧縮機ロータを含むことを特徴とするターボ機械を提供する。

非限定的な例として添付図面を参照した以下の詳細な説明を読めば、本発明はより十分に理解され、本発明の他の詳細、特徴、利点はより明らかになる。

特に、圧縮機と燃焼チャンバとタービンとを備えるターボ機械の軸方向部分半断面図である。 本発明の向心流抽気手段が取り付けられた圧縮機ロータを示す、図１の拡大軸方向部分半断面図である。 図２の線Ａ−Ａにおける断面図である。 本発明の抽気手段の変形例の斜視図である。 圧縮機ロータのディスク間のチャンバの所定の半径における空気の半径方向速度の変化を前記チャンバの幅または軸方向寸法の関数として示したグラフである。

最初に、図１を参照する。図１は、先行技術の向心流抽気手段４４、４８が取り付けられたターボ機械１０の一部を示す図である。

ターボ機械は、特に、圧縮機と燃焼チャンバとタービンとを備える。圧縮機１４、１６は、部分的に示されており、複数の軸方向圧縮段１４を有する上流側モジュールと、遠心圧縮段１６を備える下流側モジュールとを備える。圧縮機の各軸方向段１４は、外周でブレード２２を担持するディスク１８、２０によって形成されロータホイールと、ホイールから下流側に位置し、固定ノズルベーンの環状列によって形成されるノズル２４とを備える。

ロータディスク１８、２０は、これらディスクに共通の軸で、かつ燃焼チャンバの内側円筒状ケーシング２８によってタービンのロータホイールに固定されている遠心圧縮段１６のインペラ２６に共通の軸に取り付けられる。タービンホイールは、外周でブレード３２を担持するリム３０によって形成される。

圧縮機ロータのディスク１８、２０は、ほぼ円筒状またはほぼ円錐台状の回転面を形成し、ロータの回転軸を中心として伸びる壁３６、３８によって、互いにかつインペラ２６に接続される。

図１は、圧縮機ロータの２つのディスク１８、２０のみを示している。下流側ディスク２０は、上流側ディスク１８に固定するためのほぼ円筒状上流側壁３６、そして同時にインペラ２６に固定するためのほぼ円錐台状の下流側壁３８を有する一体部品として形成される。壁２６の上流側端部は、ディスク１８の下流側の半径方向面に押圧され、かつナットボルト式手段によって前記ディスク１８に固定される環状フランジ４０を担持し、下流側端部３８は、ナットボルト式手段によってインペラ２６に固定される環状フランジ４２を担持する。

知られている方法では、圧縮機ロータの壁３６、３８は、ラビリンスシール部を形成するために、ノズル２４によって担持されるアブレイダブル材料製の要素に擦りつけることによって協働する外側環状ワイパ４６を担持する。

向心流抽気手段は、ターボ機械の圧縮機の２つの連続した段のロータディスク間に取り付けられる。図示された例では、これらの手段はディスク１８と２０との間に設けられ、ディスク３０の壁３６を通って形成され、ディスク１８、２０とこれらのディスクを互いに接続する壁３６とによって画定される環状チャンバ５０へと開口する半径方向通路４８を備える。抽気手段はさらに、チャンバ５０内でほぼ半径方向に伸び、ディスク１８、２０と一体的に形成される２つの環状列のフィン４４を備える。フィン４４は、これらのディスクの対向する側面に形成され、ディスクの半径方向寸法の大部分に伸びる。

圧縮機の流れ部分を流れる空気の一部は、壁３６の通路４８を通って外側から内側に向かって半径方向に流れ、環状チャンバ５０に入り込む。この空気の一部は、ディスク１８、２０の対向面まで進み、自然とディスクに沿って回転軸に向かって流れる（破線５４）。空気の残りは、大量の渦や乱流が存在する領域のチャンバの中央に達する（破線５６）。チャンバ５０を出る空気は、その後、圧縮機のディスク１８、２０とインペラ２６およびタービンのリム３０の内側で同軸上に伸びる円筒状シース５２の周囲で上流側から下流側に軸方向に案内される。空気は、タービンまで軸方向に流れ、タービンの部品を冷却および／または通気するためにシステムに供給する役割を果たすことができる（破線５８）。

ディスク１８、２０に沿って中心に向かって自然に流れる空気は、圧縮機ロータとほぼ同じ速度で回転するフィンによって制限される（Ｋｅ＝１）。それでも、これらのフィンは、ヘッドロスが高いチャンバ５０の中央領域の空気を案内または減速するように働かない。

本発明は、ロータのディスク１８、２０から軸方向にオフセットされ、これらのディスクを互いに接続する壁内の空気通路４８と半径方向に位置合わせされた偏向フィンによって、少なくとも部分的にこれらの問題を改善する。

本発明によって、かなり抽気空気流のヘッドロスを低減することができ、またターボ機械の燃料消費を抑えるように、圧縮機に沿ってさらに上流側から空気を抽気することを想定することができる。

図２、図３に示された例では、図１に関して上述した要素は同じ番号に１００を足して示されている。

ここでは、偏向フィン１６０は、下流側ディスク１２０の環状フランジにナットボルト式手段などによって固定されている環状要素１６２によって担持される平面板によって形成される。環状要素１６２は、図示された例では、ほぼ半径方向の壁によって形成される。

フィン１６０は、ロータの軸を中心として一定間隔で分布し、その各々は前記軸を通る半径に対してわずかに傾斜しており（図３）、動作時に空気流を内側に吸い込む効果を生み出すことができる。フィン１６０は、環状要素１６２の面、図示された例では、上流側面に取り付けられ、例えば、ろう付けまたは溶接によって固定される。

フィン１６０は、フィンを担持するディスク１２０の壁の半径方向寸法のほんの一部に伸びる。フィン１６０の半径方向内側および半径方向外側端部は、環状壁１６２の内周縁部および外周縁部から半径方向距離にある。また、フィン１６０は、ディスクを互いに接続する壁１３６から所定の半径方向距離だけ離間されている。

環状要素１６２は、セクタ化されてもよいし、または３６０°にわたって連続していてもよい。この要素は、壁１３６内の通路１４８を出る空気流の相補的案内手段を形成する。

要素１６２は、上述のナットボルト式手段を通すために、その内周縁部近くの環状列のオリフィス１６６を有する。

要素１６２の内周は、ディスク１２０の上流側に配置されるディスク１２０の環状フランジ１６４に押圧される。フランジ１６４は、軸方向タブによってディスクに接続される。タブは、ディスクと要素１６２との間で、空気がディスク１２０に沿ってタブ間を中心に向かって流れるように互いに離間される。

要素１６２とディスク１２０との間の軸方向距離１６８は、図２に見られるように、フィン１６０が空気出口通路１４８とほぼ半径方向に位置合わせされるように決定される。

動作時に、通路１４８を出る空気の一部は、フィン１６０によって吸い込まれ、フィン１６０は、圧縮機ロータと同じ速度で回転し、前記空気が開口部を出るとすぐに抽気空気を偏向させ、前記空気の速度がロータの速度を越えないように（Ｋｅ＝１）、前記空気の速度を低減する働きをする。したがって、本発明により、乱流がチャンバ１５０の中央で形成されるのを防ぎ、ひいては、抽気空気流のヘッドロスを抑えることができる。抽気空気のその他の部分は、自然とディスク１１８、１２０に沿って、ロータの軸に向かって流れ、エクマン層を形成する。

図４の変形例では、フィン２６０は、各々が抽気空気の流れに対して前縁および後縁を有するエアフォイルによって形成される。前縁は半径方向外側にあり、後縁は半径方向内側にある。

フィン２６０は、ロータの軸を中心として一定間隔で離間されており、前記軸に対してわずかに傾斜している場合があり、上述の吸い込み効果を生み出す。

フィン２６０は、支持部材２６２によってディスク２２０に互いに独立して接続される。図示された例では、これらの部材２６２は、ロータの軸を中心として半径方向に伸び、フィン２６０とディスク２２０との間に介在する小さなほぼ長方形板によって形成される。各々の部材２６２は、フィン２６０の半径方向寸法の約半分まで伸びる。これらの部材２６２によって、空気がディスク２２０に沿ってフィン２６０の互いの間を中心に向かって流れるようになる。フィン２６０は、チャンバ２５０のほぼ中央に配置されるように、また壁２３６内に空気通路２４８と半径方向にほぼ位置合わせされるようにディスク２２０から軸方向距離にあり、壁２３６から半径方向距離にある。

図示されていない別の変形例では、空気抽気通路１４８、２４８は、壁１３６、２３６の上流側端部、例えば、前記壁のワイパから上流側で形成される。さらに別の変形例では、偏向フィン１６０、２６０は、上流側ディスク１１８、２１８によって担持される。

抽気空気の温度は、約５００°Ｋであり、抽気空気の流量は、約１００ｇ／秒である。

図５は、所与の半径のディスク間チャンバ１５０、２５０の幅に沿った空気の半径方向速度のプロファイルを示す図である。図の左から右に向かって、上流側ディスク１１８、２１８を流れる空気の速度（領域１）、次に、より小さい半径方向速度の部分（領域２）、次に、フィン１６０、２６０間を流れる空気との粘性摩擦により漸進的に中心に向かう空気の巻き込み（領域３）、最後に、フィン間を通る空気の最も大きい半径方向速度（領域４）におけるエクマン層の影響が見られる。

Claims (13)

1. 共通軸上にあり、ほぼ円筒状回転面を形成する同軸壁（１３６）によって互いに接続された少なくとも２つのブレード担持ディスク（１１８、１２０）と、壁を貫通して壁内部およびディスク間に形成される環状チャンバ（１５０）へと開口する空気通路（１４８）とディスクの一方によって担持されるほぼ半径方向フィン（１６０）との両方を備える向心流抽気手段とを備えるターボ機械の圧縮機ロータであって、フィンがディスクから軸方向に離間され、壁を通る通路とほぼ半径方向に位置合わせされ、前記フィンが軸方向端部の一方のみでディスクに固定される支持手段に接続されることを特徴とする、ロータ。
2. フィン（１６０）が、ロータの軸を中心として一定間隔で分布することを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
3. 各フィン（１６０）が、ロータの軸を通る半径に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１または２に記載のロータ。
4. フィン（１６０）が平面板であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ。
5. フィン（２６０）は、各々が半径方向外側前縁と半径方向内側後縁とを有するエアフォイルであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ。
6. フィン（２６０）が、互いに独立してディスク（２２０）に接続されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のロータ。
7. 各フィン（２６０）が、ほぼ半径方向に配向された要素（２６２）によってディスク（２２０）に固定されることを特徴とする、請求項６に記載のロータ。
8. フィン（１６０）が、ディスク（１２０）の環状フランジ（１６４）に、例えば、ナットボルト式手段によって固定されるほぼ半径方向環状要素（１６２）に取り付けられて固定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のロータ。
9. フィン（１６０）の半径方向外側端部が、空気通路（１４８）を含む壁（１３６）から所定の距離だけ半径方向に離間されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のロータ。
10. フィン（１６０）が、フィンを支持するディスク（１２０）の半径方向寸法のほんの一部に伸びることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のロータ。
11. 空気通路（１４８）が、ロータの２つのディスク（１１８、１２０）の間に取り付けられるノズルと協働するラビリンスシール（１４６）から下流側の壁（１３６）を通って形成され、フィンがチャンバを画定する下流側ディスク（１２０）によって担持されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のロータ。
12. フィン（１６０）が、ディスク（１１８、１２０）間の軸方向距離の半分未満の軸方向寸法を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のロータ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のロータを含むことを特徴とする、飛行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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