JP2012528979A - Centrifugal impeller for compressor - Google Patents
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Abstract
流体が通過する圧縮機用遠心インペラであって、インペラ(18)が、それぞれ前縁と後縁(24F、25F)とを有するブレード(24、25)を備え、インペラ(18)の回転がインペラの前方部から流体を吸い込み、前記流体がインペラ(18)の外周を通ってインペラ(18)から出るようにし、ブレード(24、25)の後縁部(24F、25F)は、前記ブレードの後縁(24F、25F)を横断する半径方向断面において、インペラの回転方向と反対方向に湾曲しており、流体の流れの向きを半径方向に向けることで偏向させる各端部フィン(26、27)を形成するように、ブレード(24、25)の後縁部の向きはインペラの回転方向に向けられる。 A centrifugal impeller for a compressor through which fluid passes, wherein the impeller (18) includes blades (24, 25) each having a leading edge and a trailing edge (24F, 25F), and the rotation of the impeller (18) is impeller. The fluid is sucked from the front part of the blade so that the fluid passes through the outer periphery of the impeller (18) and exits from the impeller (18), and the rear edges (24F, 25F) of the blades (24, 25) End fins (26, 27) that are curved in a radial cross-section across the edges (24F, 25F) in a direction opposite to the direction of rotation of the impeller and deflected by directing the direction of fluid flow in the radial direction So that the rear edge of the blade (24, 25) is oriented in the direction of rotation of the impeller.
Description
本発明は、流体、特に、ガスが通過可能である遠心インペラに関する。インペラは、特に、ターボ機械の圧縮機用インペラである。インペラは、定置用または航空機用の任意のタイプのターボ機械、特に、ヘリコプタのタービンエンジンに取り付けられ得る。 The present invention relates to a centrifugal impeller through which a fluid, particularly a gas, can pass. The impeller is in particular a turbomachine compressor impeller. The impeller may be mounted on any type of turbomachine, stationary or aircraft, in particular a helicopter turbine engine.
より詳細には、本発明は、回転軸と、断面が小さい前方部と、断面が大きい後方部とを有するタイプの遠心インペラであって、前縁と後縁とを有するブレードを備えるインペラに関する。インペラの回転は、インペラの前方部から流体を吸い込み、インペラを通過する流体の軸方向速度は次第に半径方向速度に変換され、流体はブレードの後縁でインペラの外周を通ってインペラから出る。前記ブレードは、前記ブレードの後縁を横断する半径方向断面において、インペラの回転方向と反対方向に湾曲している。 More particularly, the present invention relates to a centrifugal impeller of a type having a rotating shaft, a front portion having a small cross section, and a rear portion having a large cross section, and comprising an blade having a leading edge and a trailing edge. The impeller rotation draws fluid from the front of the impeller, the axial velocity of the fluid passing through the impeller is gradually converted to radial velocity, and the fluid exits the impeller at the trailing edge of the blade through the outer periphery of the impeller. The blade is curved in a direction opposite to the direction of rotation of the impeller in a radial cross section traversing the trailing edge of the blade.
本出願において、用語「上流側」および「下流側」は、インペラを流れる流体の正常方向に対して定義されている。 In this application, the terms “upstream” and “downstream” are defined relative to the normal direction of fluid flowing through the impeller.
また、インペラの回転軸は、もっと簡単に、「インペラ軸」と呼ばれることが多い。軸方向はインペラ軸の方向に対応し、半径方向は前記インペラ軸に垂直で前記軸に交差する方向である。同様に、軸方向面はインペラの軸を含む面であり、半径方向面は前記軸に垂直な面である。副詞「軸方向に」および「半径方向に」は、それぞれ軸方向および半径方向を指す。 Further, the rotation shaft of the impeller is more simply called an “impeller shaft”. The axial direction corresponds to the direction of the impeller axis, and the radial direction is a direction perpendicular to the impeller axis and intersecting the axis. Similarly, the axial plane is a plane including the impeller axis, and the radial plane is a plane perpendicular to the axis. The adverbs “axially” and “radially” refer to axial and radial directions, respectively.
別の指定がない限り、形容詞「内側の」および「外側の」は半径方向に対して使用されており、要素の内側部分(すなわち、半径方向内側部分)は、当該要素の外側部分(すなわち、半径方向外側部分)よりインペラ軸に近い。 Unless otherwise specified, the adjectives “inner” and “outer” are used in the radial direction, and the inner portion of an element (ie, the radially inner portion) is the outer portion of the element (ie, the outer portion (ie, It is closer to the impeller shaft than the radially outer part.
最後に、別の指定がない限り、形容詞「前方の」および「後方の」は軸方向に対して使用されており、流体はインペラの前方を通って流入する。 Finally, unless otherwise specified, the adjectives “front” and “rear” are used in the axial direction and fluid flows through the front of the impeller.
遠心式または軸流遠心式の航空機ターボ機械(例えば、ヘリコプタのタービンエンジン)の圧縮機は、上述のタイプの遠心インペラ(遠心ホイールまたはロータとも呼ばれる)を有する一段または複数段の圧縮段を含み、ケーシングが外側でインペラのブレードを囲撓し、1つまたは複数のディフューザがインペラから下流側に位置する。ガス(通常は、空気)の流体は、このような圧縮機を通過する。 A compressor of a centrifugal or axial-flow centrifugal aircraft turbomachine (eg, a helicopter turbine engine) includes one or more compression stages having a centrifugal impeller (also referred to as a centrifugal wheel or rotor) of the type described above, A casing surrounds the impeller blades on the outside and one or more diffusers are located downstream from the impeller. A gas (usually air) fluid passes through such a compressor.
インペラ内では、ガスの絶対速度は遠心加速度により速くなり、ガスの圧力はインペラのブレード間に画定されるチャネルの末広がり断面により高くなる。したがって、ガスはブレードの下流側端部、すなわち、ブレードの後縁から非常に速い速度で流出する。 Within the impeller, the absolute velocity of the gas increases with centrifugal acceleration, and the pressure of the gas increases with the divergent cross section of the channel defined between the blades of the impeller. Thus, the gas exits at a very fast rate from the downstream end of the blade, ie the trailing edge of the blade.
圧縮機用遠心インペラの知られている例は、米国特許第3973872号明細書に開示されている。 A known example of a centrifugal impeller for a compressor is disclosed in US Pat. No. 3,973,872.
本発明の目的は、所与の幾何学的寸法および補正流量に対して、上述のタイプのインペラの性能(すなわち、全圧力比および等エントロピー効率)を向上させることである。 An object of the present invention is to improve the performance (ie, total pressure ratio and isentropic efficiency) of an impeller of the type described above for a given geometric dimension and corrected flow rate.
上述の目的は、インペラブレードの後縁を横断する前記半径方向断面において、流体の流れの向きを半径方向に変えることでこの流れを偏向させることができるそれぞれの端部フィンを形成するように、ブレードの後縁部(すなわち、ブレードの後方部分の外側端に位置する部分)の向きがインペラの回転方向に変えられるインペラによって達成される。 The above objective is to form respective end fins in the radial cross section that traverse the trailing edge of the impeller blade so that the flow direction can be deflected by changing the direction of the fluid flow in the radial direction. This is achieved by an impeller in which the orientation of the trailing edge of the blade (ie, the portion located at the outer end of the rear portion of the blade) is changed in the direction of rotation of the impeller.
一般に、このような流体流れを偏向させることにより、インペラの等エントロピー効率を下げずに全圧力比を大きくすることができる。 In general, by deflecting such fluid flow, the total pressure ratio can be increased without reducing the isentropic efficiency of the impeller.
さらに、このような偏向をより十分に制御することで、温度を上昇させずに全圧力比を大きくすることができる。したがって、全圧力比が大きくなると、多かれ少なかれ、インペラの等エントロピー効率を高めることにもなる。 Furthermore, by fully controlling such deflection, the total pressure ratio can be increased without increasing the temperature. Therefore, increasing the total pressure ratio more or less increases the isentropic efficiency of the impeller.
つまり、端部フィンは、インペラの性能を向上させるのに役立つ。 That is, the end fins help to improve the impeller performance.
このような圧縮機用遠心インペラは、いわゆる「主」ブレードと、いわゆる「中間」ブレードとの2つのタイプのブレードを有する場合がある。任意の中間ブレードは、主ブレード間に配置され、軸方向に短いという点で主ブレードとは異なり、該中間ブレードは、短い前方部を有し、中間ブレードの前縁が主ブレードの後縁に対して後退している(すなわち、後方にある)。 Such a centrifugal impeller for a compressor may have two types of blades, a so-called “main” blade and a so-called “intermediate” blade. An optional intermediate blade is different from the main blade in that it is located between the main blades and is short in the axial direction, the intermediate blade has a short front part, the leading edge of the intermediate blade being the trailing edge of the main blade It is retracting (i.e. backward).
一実施形態では、インペラは、主ブレードのみを有し(すなわち、中間ブレードがない)、主ブレードは上述のタイプの端部フィンを有する。 In one embodiment, the impeller has only a main blade (ie, no intermediate blade), and the main blade has an end fin of the type described above.
別の実施形態では、インペラは、主ブレードと中間ブレードとを有する。このような状況で、主ブレードのみが上述のタイプの端部フィンを有するブレードであるか、中間ブレードのみが上述のタイプの端部フィンを有するブレードである、または主ブレードと中間ブレードの両方が上述のタイプの端部フィンを有する。 In another embodiment, the impeller has a main blade and an intermediate blade. In this situation, only the main blade is a blade having end fins of the type described above, or only the intermediate blade is a blade having end fins of the type described above, or both the main blade and the intermediate blade are It has end fins of the type described above.
一実施形態では、インペラのブレードの後縁を横断する前記半径方向断面において、前記端部フィンは、そのすぐ上流側に位置するブレードの部分と155°以上で、180°より真に小さい鈍角を成すために働く。 In one embodiment, in the radial cross section across the trailing edge of the blade of the impeller, the end fin has an obtuse angle greater than 155 ° and less than 180 ° with the portion of the blade located immediately upstream thereof. Work to make.
一実施形態では、インペラの主ブレードが端部フィンを有する場合、端部フィンは、インペラの主ブレードの後縁から、主ブレードの(曲線)外縁に沿って測定した時に、前記外縁の全長の15%未満、特に、前記外縁の全長の2%より長く10%より短い長さにわたって延在する。 In one embodiment, if the impeller main blade has an end fin, the end fin is measured from the trailing edge of the impeller main blade along the (curved) outer edge of the main blade. It extends for less than 15%, in particular over a length of more than 2% and less than 10% of the total length of the outer edge.
一実施形態では、インペラの中間ブレードが端部フィンを有する場合、前記端部フィンは、中間ブレードの後縁から、中間ブレードの外縁に沿って測定した時に、前記外縁の全長の15%未満、特に、前記外縁の全長の2%より長く10%より短い長さにわたって延在する。 In one embodiment, if the impeller intermediate blade has an end fin, the end fin is less than 15% of the total length of the outer edge, as measured along the outer edge of the intermediate blade from the trailing edge of the intermediate blade; In particular, it extends over a length of more than 2% and less than 10% of the total length of the outer edge.
上述した角度値およびフィンの長さの範囲は、個々に、またはそれらを組み合わせて、インペラの性能をさらに向上させることができる。 The range of angle values and fin lengths described above can further improve impeller performance, either individually or in combination.
本発明はさらに、本発明の遠心インペラを含む圧縮機に関する。それは、遠心式の圧縮機、すなわち、遠心インペラが取り付けられた少なくとも一段の圧縮段を有する圧縮機、または軸流遠心式の圧縮機、すなわち、軸流インペラが取り付けられた少なくとも一段の圧縮段および遠心インペラが取り付けられた少なくとも一段の圧縮段を有する圧縮機とすることができる。 The present invention further relates to a compressor including the centrifugal impeller of the present invention. It is a centrifugal compressor, i.e. a compressor having at least one compression stage fitted with a centrifugal impeller, or an axial centrifugal compressor, i.e. at least one compression stage fitted with an axial impeller and A compressor having at least one compression stage to which a centrifugal impeller is attached may be provided.
また、本発明は、ターボ機械、より詳細には、本発明の圧縮機を含むヘリコプタのタービンエンジンに関する。 The present invention also relates to a turbomachine, and more particularly to a helicopter turbine engine including the compressor of the present invention.
本発明および本発明の利点は、限定的でない例として挙げられた本発明の一実施形態の以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解される。添付図面を参照しながら説明する。 The invention and its advantages will be better understood when the following detailed description of one embodiment of the invention, given by way of non-limiting example, is read. This will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に示されている例のヘリコプタタービンエンジン10は、一段の圧縮段を有する遠心タイプの圧縮機16を備える。圧縮機16は、本発明の遠心インペラ18と、インペラ18のブレード24、25の外側を囲撓するケーシング15とを備える。ディフューザ19は、インペラ18から下流側に位置する。
The example
エンジン10は、空気取入口12を有し、空気は前記取入口12を通って圧縮機16に達する。回転軸Aを中心としたインペラ18の回転は、インペラの前方部から空気を吸い込み、インペラ18を通過する流体の軸方向速度は次第に半径方向速度に変換され、流体はインペラ18の外周を通ってインペラ18から出る。空気は、図1の断面図の矢印F1で示されるように、インペラ18の回転軸Aにほぼ平行な方向に向かってインペラ18に入り込み、矢印F2で示されるように、軸Aにほぼ垂直な方向に向かってインペラ18から出る。
The
インペラ18から出た空気は、燃焼室20に達する前に、ディフューザ19を通過する。燃焼室20から出た燃焼ガスは、高圧タービン22および低圧タービン23を駆動する。
Air exiting the
インペラ18は、高圧タービン22によって回転駆動されるシャフト21に取り付けられる。
The
図2を参照すると、インペラ18は、断面が小さい前方部と断面が大きい後方部とを有する。インペラ18は、インペラ18の前面18Aからインペラ18の後方部に位置する半径方向プレート17まで軸方向に延在し、インペラのハブからインペラの外周まで半径方向に延在する複数の主ブレード24を有する。主ブレード24のそれぞれは、インペラ18の前端部に位置する前縁24Aと、半径方向プレート17のすぐ前方のインペラ18の外周に位置する後縁24Fとを有する。
Referring to FIG. 2, the
インペラ18はさらに、主ブレード24間に配置され、軸方向に短いという点で主ブレードとは異なる中間ブレード25を含み、これらのブレード25の前縁25Aは主ブレード24の前縁24Aに対して後退している(すなわち、後方にある)。一方、中間ブレード25の後縁25Fは、軸Aからブレード24の後縁24Fと同じ半径方向間隔離間して位置する。
The
図3は、インペラ18の主ブレード24および中間ブレード25の後方部分を詳細に示した斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing in detail the rear portions of the
インペラ18のブレード24、25の後縁24F、25Fを横断する、例えば、図2の断面IV−IVなどの、半径方向断面(すなわち、軸Aに垂直な面)において、ブレード24、25はインペラの回転方向と反対方向に湾曲しており、インペラ18の回転方向は図3および図4の矢印Rで示される。
In a radial cross-section (ie, a plane perpendicular to axis A), eg, cross-section IV-IV of FIG. 2, that traverses the trailing
この同じ半径方向断面において、後縁部が空気流の向きを半径方向に変えることで空気流を偏向させる端部フィン26、27を形成するように、前記ブレード24、25の後縁部の向きはインペラの回転方向に変えられる。
In this same radial cross-section, the orientation of the trailing edge of the
この半径方向断面において、端部フィン26、27は、前記フィン26、27からすぐ上流側に位置するブレード24、25の部分と、155°以上で、180°より真に小さい鈍角を成すために働く。この角度Tは、図2の半径方向断面IV−IVにおける主ブレード24の断面図の図4に示されている。
In this radial section, the
図示されている例では、主ブレード24および中間ブレード25の両方が端部フィン26、27を有する。図示されていない他の実施形態では、主ブレード24のみ、または中間ブレード25のみが、このような端部フィンを有する。
In the example shown, both the
一実施形態では、端部フィン26が主ブレード24にある場合、前記ブレード24の曲線外縁24Eに沿って測定された各端部フィン26の長さ(曲線の横軸)は、前記外縁24Eの全長の15%未満である。例えば、端部フィンの長さは、外縁24Eの全長の少なくとも2%であり、10%未満である。
In one embodiment, when the
一実施形態では、端部フィン27が中間ブレード25にある場合、前記ブレード25の曲線外縁25Eに沿って測定された各端部フィン27の長さ(曲線の横軸)は、前記外縁25Eの全長の15%未満である。特に、端部フィンの長さは、外縁25Eの全長の少なくとも2%であり、10%未満である。
In one embodiment, when the
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