JP2013194738A - 可変長圧縮機ロータポンプベーン - Google Patents

Abstract

【課題】過剰な圧力低下を排除する所望の流れ面積をもたらす圧縮機ロータリング構成を提供すること。
【解決手段】圧縮機ロータは、１次流路におけるディスクの半径方向外側表面上にブレードのアレイを支持するディスクを装着するロータ本体を含む。ディスクの半径方向内側部分は、ディスクの実質的に中心部分において２次流路に流れる冷却空気を半径方向外向き方向から軸方向に移動させるよう適合された、半径方向に延びるベーンの環状アレイで形成される。半径方向に延びるベーンの一部は、相対的に長い半径方向長さを有し、半径方向に延びるベーンの一部が、相対的に短い半径方向長さを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧縮機ロータポンプベーンに関する。

圧縮機及びタービンロータ設計は、高（又はより大きな）半径位置から低（又はより小さな）半径位置に空気を移動させる必要があることが多い。例えば、圧縮機の種々の段を通る主流路の加圧空気の一部は、ロータに沿って軸方向に向けられた通路に半径方向内向きに配向される。この２次流路は、軸方向に整列したタービンセクションの種々の段においてバケットに冷却空気を供給する。高半径から低半径への空気の移動は、空気が自由渦を形成し過剰圧力を損失するのを防ぐためロータ特徴要素を使用することが必要となる。よくある問題として、ポンプベーンの半径が小さくなるにつれ、流れ及びスワール防止特徴要素が利用できるスペースが制限されることが挙げられる。

半径方向に流入する回路に理想的なインペラは、空気が移送される軸方向ホイールボアと同じ半径まで下向きに延びる必要がある。インペラ底部とボア半径との間の任意の距離は、ホイールの速度を超える空気の接線方向速度を生じることになる。これにより所望よりも高い圧力損失を生じることなる。加えて、高い接線方向の速度は、流動場の不安定正をもたらす。通常、流れ面積は、２つのホイールとインペラの厚みとの間の軸方向スペースによって制限される。

従って、過剰な圧力低下を排除する所望の流れ面積をもたらす圧縮機ロータリング構成に対する必要性が依然としてある。

米国特許第５，１４３，５１２号明細書

例示的で非限定的な実施形態によれば、本発明は、１次流路におけるディスクの半径方向外側表面上にブレードのアレイを支持するディスクを装着するロータ本体と、ディスクの実質的に中心部分において２次流路に流れる冷却空気を半径方向外向き方向から軸方向に移動させるよう適合された、半径方向に延びるベーンの環状アレイで形成されるディスクの半径方向内側部分と、を備え、半径方向に延びるベーンの一部が相対的に長い半径方向長さを有し、半径方向に延びるベーンの一部が相対的に短い半径方向長さを有する、圧縮機ロータを提供する。

別の態様によれば、１次流路におけるディスクの半径方向外側表面上にブレードのアレイを支持するディスクを装着するロータ本体と、ディスクの実質的に中心部分において２次流路に流れる冷却空気を半径方向外向き方向から軸方向に移動させるよう適合された、半径方向に延びるベーンの環状アレイで形成されるディスクの半径方向内側部分と、を備え、半径方向に延びるベーンの一部が相対的に長い半径方向長さを有し、半径方向に延びるベーンの一部が相対的に短い半径方向長さを有し、ベーンの全てが半径方向で凹面状に湾曲しており、相対的に長い半径方向長さのベーンと相対的に短い半径方向長さのベーンがディスクの周りで交互に配置される、圧縮機ロータが提供される。

更に別の態様によれば、実質的に軸方向に向けられた１次流路から圧縮機ロータを囲むか又は隣接した軸方向通路に延びる圧縮機の２次流路の冷却流を制御する方法であって、
軸方向通路の周りに環状に配列され且つ軸方向通路に向けて半径方向に延びたポンプベーンを、該ポンプベーンの一部が相対的に長い半径方向長さを有し且つ該ポンプベーンの一部が相対的に短い半径方向長さを有するようにして圧縮機ロータに設けるステップと、ポンプベーンによって占められる流れ面積に半径方向に空気を送給し、これにより冷却空気が半径方向から実質的に軸方向に転回するようにするステップと、を含む、方法が提供される。

ここで、以下に示された図面に関して本発明をより詳細に説明する。

本発明の例示的で非限定的な実施形態による、圧縮機ロータポンプベーンを含む、圧縮機ベーンから半径方向内向きに軸方向通路への２次流を示す簡易概略図。 図１に示す、圧縮機ロータポンプベーンの簡易端面図。 例示的で非限定的な実施形態による、ポンプベーンを組み込んだ圧縮機ロータディスクの端面図。 図３に示す圧縮機ロータディスクの部分斜視図。 例示的で非限定的な実施形態による、ポンプベーンを組み込んだ圧縮機ロータディスクの別の部分斜視図。

図１を参照すると、一連のロータディスク１２、１４、１６、その他を含み、該ロータディスク各々がブレード又はバケット１８、２０、２２、その他それぞれの列を支持している圧縮機１０が、簡略形態で部分的に図示されている。ブレード又はバケットの半径方向内向きのスペース内には、２次流路Ｐ２に沿って半径方向内向きの１次流路Ｐ１から抽出された空気を、ロータ２８に平行に延びるか又はこれを囲む軸方向通路２６（単一ラインで示される）に供給する冷却空気管体２４が配列され、通路２６は、冷却空気を軸方向下流側タービンエンジンにおけるホイールスペースに供給する。管体２４は通常、ベーン間の中心に配置される。

ここで対象のロータポンプベーン３０（１つが図示されている）は、ディスク１４の面から延び、管体２４から流出する冷却空気を通路２６内に移動させる。上記で既に述べたように、この構成は、空気が通路２８に近づくと、空気が自由渦を形成して、過剰圧力の低下を招く可能性がある。

図２は、それぞれのディスク（ディスク１２）の半径方向内側端部にあるロータポンプベーン３２が、空気を軸方向通路３８に案内する半径方向に向いたベーンの環状アレイの状態で相対的に長いベーン３４が相対的に短いベーン３６と交互するような形状及び配列にされた、本発明の１つの例示的で非限定的な実施形態を概略形態で示している。他のベーンに比べて相対的に短い半径方向長さを有するベーンを一定の割合含めることにより、渦形成を最小限にする十分な流れ面積が確保され、接線方向の速度をより良好に制御することができ、過剰な圧力低下が阻止される。この実施例では、ベーンは直線状であり、相対的に短いベーン３６の半径方向長さは、相対的に長いベーン３４の半径方向長さの約３／４〜１／２（ＲＬｌ対ＲＬｓ比が約１．５〜２．１）とすることができる。１つの実施例において、半径方向に長いベーン３４は長さが約１０インチであり、半径方向に短いベーン３６は、長さが約７インチとすることができる。しかしながら、絶対及び相対長さは、特定の圧縮機設計に伴って変わることができる点は理解される。

図３、４、及び５は、別の例示的で非限定的な実施形態を示している。この代替の配列では、端面４２を有する圧縮機ロータディスク４０は、冷却空気を軸方向通路４８に配向する軸方向に突出するベーン４４で形成される。図３はまた、ポンプベーン４４に冷却空気を送給する複数の半径方向に延びる空気供給管体４６を示し、該ポンプベーン４４は、冷却空気を内部の軸方向通路４８に移動させる。

上記で説明した実施形態と同様に、相対的に長いベーン５０は、相対的に短いベーン５２と交互に配置され、この実施形態では、ベーンの全ては円周方向に湾曲している。ＲＬｌ対ＲＬｓの比は、この実施形態では２：１よりも小さいが、この場合も同様に、この比は、用途に応じて変わることができる。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１０ 圧縮機
１２，１４，１６ ロータディスク
１８，２０，２２ ブレード又はバケット
２４ 冷却空気管体
２６ 通路
２８ ロータ
３０，３２ ポンプベーン
３４ 相対的に長いベーン
３６ 相対的に短いベーン
３８，４８ 軸方向通路
４０ 圧縮機ロータディスク
４２ 端面
４４ ベーン
４６ 空気供給管体
４８ 軸方向通路
５０ 相対的に長いベーン
５２ 相対的に短いベーン

Claims (20)

1. 圧縮機ロータであって、
   １次流路におけるディスクの半径方向外側表面上にブレードのアレイを支持するディスクを装着するロータ本体と、
   前記ディスクの実質的に中心部分において２次流路に流れる冷却空気を半径方向外向き方向から軸方向に移動させるよう適合された、半径方向に延びるベーンの環状アレイで形成される前記ディスクの半径方向内側部分と、
   を備え、前記半径方向に延びるベーンの一部が相対的に長い半径方向長さを有し、前記半径方向に延びるベーンの一部が相対的に短い半径方向長さを有する、圧縮機ロータ。
2. 前記半径方向に延びるベーンの全てが実質的に均一な厚みを有する、請求項１に記載の圧縮機ロータ。
3. 前記半径方向に延びるベーンの全てが実質的に直線状である、請求項１に記載の圧縮機ロータ。
4. 前記相対的に長い半径方向長さのベーンと前記相対的に短い半径方向長さのベーンが前記ディスクの周りで交互に配置される、請求項１に記載の圧縮機ロータ。
5. 前記２次流路の軸方向が、前記ロータ本体に沿って延びる通路により定められる、請求項１に記載の圧縮機ロータ。
6. 前記相対的に長い半径方向長さのベーンが、前記通路に近接した位置まで半径方向内向きに延びる、請求項５に記載の圧縮機ロータ。
7. 前記ベーンの全てが半径方向で凹面状に湾曲している、請求項６に記載の圧縮機ロータ。
8. 前記相対的に長い半径方向長さのベーンの半径方向長さと、前記相対的に短い半径方向長さのベーンの半径方向長さとの比が、約２：１である、請求項１に記載の圧縮機ロータ。
9. 前記２次流路における空気を複数の半径方向に向けられた管体が前記ベーンに供給し、前記複数の半径方向に向けられた管体の各々が、前記半径方向に延びるベーンの環状アレイの隣接するベーンのペア間で中心に配列される、請求項４に記載の圧縮機ロータ。
10. 圧縮機ロータであって、
    １次流路におけるディスクの半径方向外側表面上にブレードのアレイを支持するディスクを装着するロータ本体と、
    前記ディスクの実質的に中心部分において２次流路に流れる冷却空気を半径方向外向き方向から軸方向に移動させるよう適合された、半径方向に延びるベーンの環状アレイで形成される前記ディスクの半径方向内側部分と、
    を備え、前記半径方向に延びるベーンの一部が相対的に長い半径方向長さを有し、前記半径方向に延びるベーンの一部が相対的に短い半径方向長さを有し、
    前記ベーンの全てが半径方向で凹面状に湾曲しており、前記相対的に長い半径方向長さのベーンと前記相対的に短い半径方向長さのベーンが前記ディスクの周りで交互に配置される、圧縮機ロータ。
11. 前記２次流路の軸方向が、前記ロータ本体に沿って延びる通路により定められる、請求項１０に記載の圧縮機ロータ。
12. 前記相対的に長い半径方向長さのベーンが、前記通路に近接した位置まで半径方向内向きに延びる、請求項１１に記載の圧縮機ロータ。
13. 前記相対的に長い半径方向長さのベーンの半径方向長さと、前記相対的に短い半径方向長さのベーンの半径方向長さとの比が、約２：１である、請求項１０に記載の圧縮機ロータ。
14. 前記２次流路における空気を複数の半径方向に向けられた管体が前記ベーンに供給し、前記複数の半径方向に向けられた管体の各々が、前記半径方向に延びるベーンの環状アレイのペア間で中心に配列される、請求項１０に記載の圧縮機ロータ。
15. 実質的に軸方向に向けられた１次流路から圧縮機ロータを囲むか又は隣接した軸方向通路に延びる圧縮機の２次流路の冷却流を制御する方法であって、
    前記軸方向通路の周りに環状に配列され且つ前記軸方向通路に向けて半径方向に延びたポンプベーンを、該ポンプベーンの一部が相対的に長い半径方向長さを有し且つ該ポンプベーンの一部が相対的に短い半径方向長さを有するようにして圧縮機ロータに設けるステップと、
    前記ポンプベーンによって占められる流れ面積に半径方向に空気を送給し、これにより前記冷却空気が半径方向から実質的に軸方向に転回するようにするステップと、
    を含む、方法。
16. 前記ポンプベーンの全てが実質的に直線状である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記相対的に長い半径方向長さのポンプベーンと前記相対的に短い半径方向長さのポンプベーンが前記ディスクの周りで交互に配置される、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ポンプベーンの全てが半径方向で凹面状に湾曲している、請求項１５に記載の方法。
19. 前記相対的に長い半径方向長さのポンプベーンの半径方向長さと、前記相対的に短い半径方向長さのポンプベーンの半径方向長さとの比が、約２：１である、請求項１５に記載の方法。
20. 前記２次流路における空気を複数の半径方向に向けられた管体が前記ベーンに供給し、前記複数の半径方向に向けられた管体の各々が、前記ポンプベーンの環状アレイのペア間で中心に配列される、請求項１５に記載の方法。