JP2014515451A - 遠心圧縮機の羽根車 - Google Patents

Abstract

本発明は、遠心圧縮機の分野に関し、より具体的には遠心圧縮機３の羽根車２０１であって、羽根車はウェブ２０２と、ウェブ２０２の前面２０３でウェブ２０２に固定されているブレード２０５とを有する、羽根車２０１に関する。後縁２０７とブレード付根２１５との間の交点は、羽根車２０１の中間径Ｄ_ｉにおけるブレード付根２１５よりも、ウェブ２０２の厚みの少なくとも半分だけ前に出ており、後縁２０７とブレード先端２１６との間の交点もまた、羽根車２０１の中間径Ｄ_ｉにおけるブレード先端２１６よりも前に出ている。

Description

本発明は、遠心圧縮機の分野に関する。

本発明はより具体的には、ウェブと、各々が前縁および後縁を有してウェブの前面でウェブに固定されているブレードとを有する遠心圧縮機羽根車に関する。本発明はまた、このような羽根車を含む遠心圧縮機、およびこのような遠心圧縮機を含むタービンエンジンにも関する。この文脈において、「タービンエンジン」という用語は、たとえば直流もしくはバイパスのターボジェット、ターボプロップ、ターボシャフトエンジン、および／またはターボ圧縮機などの機械を指定する。

以下の記述において、「上流」および「下流」という用語は、圧縮機を通る流体の通常の流れ方向に対して定義される。「前」、「後」、「軸方向」、「半径方向」という用語は、羽根車の回転軸に対して定義される。

遠心圧縮機は通常、静止部分と、「羽根車」と称されて圧縮機の回転ブレードを担持する回転部分とを有する。動作中、羽根車は通常高速で回転する。したがって、これは遠心応力を受ける。

遠心圧縮機羽根車の形状は、圧縮機を通る流体の流れによって決定される。通常、このような遠心圧縮機において、流体は実質的に軸方向、すなわち羽根車の回転軸と平行な方向で、圧縮機に侵入する。羽根車の回転軸にほぼ直角な方向で流体が羽根車を出るように、流路および回転ブレードは、流体を半径方向外向きに向ける。したがって、ブレードは、実質的に半径方向の前縁と、実質的に軸方向であって羽根車の回転軸から半径方向に離れて位置し、前縁の後方で軸方向に位置する後縁とを有する。

ウェブは回転ブレードをまとめて固定し、これらを圧縮機のシャフトに固定する。この目的のため、各ブレードは、ウェブに固定されており、ウェブの前面上に位置している。ウェブはまた、羽根車を通る流体流路の付根面を画定するのにも役立つ。ウェブはこのように通常は軸対称であり、軸方向で外に向かって漸進的に湾曲する。この形状を有するウェブおよびブレードのため、遠心加速度は羽根車上に曲げモーメントを発生させ、羽根車の周辺部を前方に曲げようとする。この曲げモーメントは、羽根車の周辺部から、ウェブと圧縮機のシャフトとの間の接続に向かって連続的に増加し、これは、圧縮機が中間速度で動作しているときに大量のクリアランスを維持する必要を招き、これにより機械の性能に不利益をもたらす。このモーメントに耐えるために、一般に、ウェブ、および回転シャフトに羽根車を締結する手段を補強することが、提案されてきた。とは言うものの、空気流路の付近に加えられる重さもまた羽根車の体積の増加を必要とするので、圧縮機の羽根車の回転部分をこのように補強することは、非常に著しい重量の不都合を招く。

この欠点を克服するために、米国特許第４０６０３３７号明細書は、羽根車ウェブの大部分を除去し、基部および周辺部のみでブレードを接続することを提案している。とは言うものの、この圧縮機は、各ブレードの圧力側から吸引側への流れの結果として、羽根車の空気力学的性能の著しい低下を被る。

英国特許第２４７２６２１Ａ号明細書では、羽根車上の物質の存在をその機能的領域のみに限定するために、軸方向にオフセットした２つのリムを介して羽根車を回転シャフトに接続することが、提案されている。米国特許出願公開第２０１０／００９８５４６Ａ１号明細書は、羽根車の周辺部重量が限定され、最適に位置決めされ、それにより圧縮機が最適化され得るように、羽根車のウェブをその周辺部において中空にすることを提案している。とは言うものの、これら２つの方法で得られる重量減少は、最終的な一体部品の形成における困難を被る。

独国特許第９０６９７５号明細書は、ウェブが羽根車の中間径よりもその周辺部において軸方向でより前方にある羽根車を提案している。とは言うものの、このウェブもまた、重量の制限が主な優先事項である場合に、既存の圧縮機または航空エンジンに適合させるのが困難な、軸方向の羽根車の周辺部の変形を制限するために、補強ディスクがブレード先端に締結されることを必要とする。米国特許出願公開２００７／００７７１４７Ａ１号明細書および英国特許第５５３７４７号明細書は、周辺部で前進させられたウェブを備えるその他の羽根車を示しているが、しかしそうは言ってもこれらは高速での羽根車の軸方向変形の問題を解決するために提案されたものではない。

米国特許第４０６０３３７号明細書 英国特許第２４７２６２１号明細書 米国特許出願公開第２０１０／００９８５４６号明細書 独国特許発明第９０６９７５号明細書 米国特許出願公開第２００７／００７７１４７号明細書 英国特許第５５３７４７号明細書

本発明は、これらの欠点を解決しようと試みるものである。

第１の態様において、後縁とブレード付根との間の交点は、羽根車の中間径におけるブレード付根よりも前方にある。具体的には、これはウェブの厚みの少なくとも半分だけ、前に出ていてもよい。加えて、後縁とブレード先端との間の交点もまた、羽根車の中間径におけるブレード先端よりも前方にある。このようにして、羽根車の周辺部における曲げモーメントは反転され、その最大絶対値は小さくされ、これにより、良好な空気力学的効率を維持しながら、軸方向の羽根車の変形を制限する。

第２の態様において、羽根車の周辺部で、前面は、実質的に半径方向に配向されている。これは、羽根車からの出口で流体の流れをまっすぐにし、こうして羽根車より下流で従来の放射状ディフューザを使用できるようにする。

第３の態様において、羽根車は、ウェブの裏面に接続されており、回転シャフトへの締結に適したリムも含む。具体的には、リムは放射状締め具ディスクを含んでもよい。これは、有効かつ比較的軽量な方式で、羽根車が圧縮機の回転シャフトに締結されることを可能にする。

第４の態様において、遠心圧縮機はまた、ウェブと協働してブレードの前縁と後縁との間に流体流路を画定するように、ブレードを被覆するカバーも有する。このため遠心圧縮機の空気力学的損失は、各ブレードの圧力側から吸引側にあふれる流体を制限することによって、このように著しく低減されることが可能である。具体的には、その場合カバーは、羽根車のブレードの前縁に対するよりも羽根車のブレードの後縁に近い、少なくとも１つの締結点を含んでもよい。高速での羽根車の半径方向周辺部の軸方向運動は、ウェブの前面によって形成される曲線の軸方向の非１対１対応によって限定されることが可能なので、カバーの軸方向締結は羽根車の周辺部により近い位置にあってもよく、こうして中間速度で羽根車の周辺部における羽根車のカバーとブレードとの間のクリアランスを制限できるようにし、これにより空気力学的効率を向上させる。あるいは、閉鎖された羽根車を形成するように、カバーはブレードに固定されてもよい。

非限定例として示される以下の実施形態の詳細な説明を読むと、本発明がより良く理解され、その利点はより明確になるだろう。説明は、以下の添付図面を参照している。

遠心圧縮機を含むタービンエンジンの模式的長手方向断面図である。 従来技術による遠心圧縮機向け羽根車の長手方向断面図である。 本発明の第１の実施形態における遠心圧縮機の長手方向断面図である。 本発明の第２の実施形態における遠心圧縮機用羽根車の長手方向断面図である。

タービンエンジン、より具体的にはターボシャフトエンジン１が、一例として図１に模式的に示されている。作動流体の流れ方向において、ターボシャフトエンジン１は、軸流圧縮機２と、遠心圧縮機３と、燃焼室４と、第１の軸流タービン５と、第２の軸流タービン６とを含む。加えて、ターボシャフトエンジン１は、第１の回転シャフト７と、第１の回転シャフト７と同軸の第２の回転シャフト８とを有する。

第２の回転シャフト８は、燃焼室４より下流の第１の軸流タービン５を通る作動流体の膨張が、燃焼室４より上流の圧縮機２および３を駆動するのに役立つように、軸流圧縮機２および遠心圧縮機３を第１の軸流タービン５に接続する。第１の回転シャフト７は、第１の軸流タービン５より下流の第２の軸流タービン６内の作動流体のその後の膨張が、出力出口９を駆動するのに役立つような方式で、第２の軸流タービン６をエンジンの下流および／または上流に位置する出力出口９に接続する。

このため、軸流圧縮機および遠心圧縮機２および３における作動流体の連続圧縮、続いて燃焼室４における作動流体の加熱、および第２の軸流タービン６におけるその膨張は、燃焼室４内の燃焼によって得られたわずかな熱エネルギーを、出力出口９を介して抽出される機械的仕事に変換するのに役立つ。図示されるタービンエンジンにおいて、駆動流体は空気であり、そこに燃料が加えられて燃焼室４内で燃焼されるが、この燃料はたとえば炭化水素であってもよい。

動作中、回転シャフト７および８は、毎分約５０００回転（ｒｐｍ）から６０，０００ｒｐｍの速度で回転する。したがって、圧縮機２および３ならびにタービン５および６の回転部分は、高レベルの遠心力に曝される。図２を参照すると、これらの遠心力が、当業者にとって既知の従来型遠心圧縮機の羽根車１０１に対してどのように作用するかがわかる。羽根車１０１は、前面１０３および裏面１０４を呈する実質的に軸対称のウェブ１０２を有する。ブレード１０５は、ブレード付根１１５を介してウェブ１０２の前面１０３上に締結されている。各ブレード１０５はまた、ブレード付根１１５から離れたブレード先端１１６、実質的に半径方向に配向された前縁１０６、および実質的に軸方向に配向されて、前縁１０６の半径方向外側および軸方向後方に位置する、後縁１０７も呈する。このため動作中、作動流体は羽根車１０１の前部１０８内に吸引され、内側をウェブ１０２によって、および外側をブレード先端１１６の近くに位置する、遠心圧縮機の非回転カバー１１０によって画定された流体流路に続く、羽根車１０１の周辺部１０９に向かって、ブレード１０５によって向けられる。

その裏面上で、ウェブ１０２は、回転シャフトへの締結のためのディスクを有するリム１１１に固定されている。こうしてリム１１１およびディスクは、羽根車１０１から回転シャフトに半径方向の力を伝達するための平面Ａを画定する。羽根車１０１の高回転速度のため、羽根車１０１にかかる遠心力は、これら半径方向の力の大部分を表している。とは言うものの、遠心力Ｆ_ｃは、回転角速度ωに羽根車１０１の回転軸Ｘからの距離を掛けたものに比例するので、式ω^２ｒを適用すると、羽根車１０１の周辺部１０９にかかる遠心力が圧倒的である。このため、図示されるような従来型羽根車１０１では、羽根車１０１の周辺部１０９に作用する遠心力Ｆ_ｃは、羽根車１０１の周辺部１０９を前方に傾斜させようとする曲げモーメントを、羽根車１０１内に発生させる。この曲げモーメントＭ_Ｆは、羽根車１０１の周辺部１０９からウェブ１０２とリム１１１との間の接合部に向かって、連続的に増加する。羽根車１０１の曲げを制限するために、ウェブ１０２、リム１１１、およびディスクは補強される必要があり、これによって羽根車１０１の総重量の著しい増加を招くことになる。加えて、羽根車１０１の周辺部１０９における前進運動に適応するために、通常は、最高速度未満で動作しながらブレード先端１０５ｂとカバー１１０との間で羽根車１０１の周辺部に大量のクリアランスｄ_ｐを設ける必要があり、これが高レベルの空気力学的損失を招くか、あるいは圧縮機の速度を増加させながらカバー１１０を前方に移動させるために、カバー１１０用のかなり複雑な締め具構造を設ける必要さえあるかも知れない。

図３は、本発明の第１の実施形態における羽根車２０１を備える遠心圧縮機３を示す。この羽根車２０１も同様に、前面２０３および裏面２０４を備える実質的に軸対称のウェブ２０２を有する。図２に示される羽根車のように、ブレード２０５はブレード付根２１５を介してウェブ２０２の前面２０３上に締結されており、各ブレードはやはり、ブレード付根２１５から離れたブレード先端２１６、実質的に半径方向に配向された前縁２０６、および実質的に軸方向に配向されて、前縁２０６の半径方向外側および軸方向後方に位置する、後縁２０７も呈する。羽根車２０１の周辺部の周りにおいて、圧縮機３は案内翼２１３を備える従来型の放射状ディフューザ２１２を有する。このため動作中、作動流体は羽根車２０１の前部２０８を通じて内部に吸引され、放射状ディフューザ２１２に到達するために、内側をウェブ２０２によって、および外側を非回転カバー２１０によって画定された流体流路に続く羽根車２１０の周辺部２０９に向かって、ブレード２０５によって向けられる。

その裏面上で、ウェブ２０２は、回転シャフトへの締結のためのディスクを有するリム２１１に固定されている。とは言うものの、この羽根車２０１において、ウェブ２０２は、ウェブ２０２の外周区間が中間径Ｄ_ｉから前方に傾斜するように湾曲しており、これによって凹状の前面２０３を呈する。その結果、羽根車２０１の周辺部２０９において、この前面２０３は中間径Ｄ_ｉに対して距離Ｌを通じて前方に移動させられる。この距離Ｌは相当な量であり、具体的にこれは羽根車２０１の周辺部２０９におけるウェブ２０２の厚みｄの半分よりも大きい。結果的に、前方に向いている外周区間２０２ｃ上で、遠心力Ｆ_ｃは、前方ではなく反対の方向、すなわち後方に向かって外周区間２０２ｃを曲げようとする曲げモーメントＭ_Ｆを発生させる。曲げモーメントＭ_Ｆの大きさは、周辺部２０９から中間径Ｄ_ｉに向かって増加し、そこで極大値に到達する。その後これは、多分曲げモーメントＭ_Ｆの方向を反転させる程度まで、減少する。このため、曲げモーメントＭ_Ｆは周辺部２０９からリム２１１とのウェブ２０２の接合部まで連続的に増加することはないので、これは従来技術による羽根車１０１よりも著しく小さいレベルに到達し、これによってより軽量なリム２１１および締め具ディスクを使用できるようにする。加えて、羽根車２０１の周辺部２０９の軸方向運動が小さくなるので、羽根車２０１の周辺部におけるブレード２０５の先端とカバー２１０との間のクリアランスｄ_ｐもまた小さくなり、カバー２１０は、カバー２１０の前部および前縁２０６に対するよりも、カバー２１０の後部およびひいては後縁２０７の方に近くの締結点２１４に、比較的堅牢な方法で締結されてもよい。

付加的な利点は、羽根車２０１のより小さい軸方向サイズ、具体的には羽根車２０１の前部における作動流体の入口と、羽根車２０１の周辺部２０９におけるその出口との間のより短い軸方向距離にある。具体的には、図１に示されるターボシャフトエンジン１などのタービンエンジンにおいて、これは、圧縮機の下流要素を相当程度まで前方に移動できるようにし、すなわち図示される実施形態において、燃焼室４ならびに第１および第２の軸流タービン５および６などの高温部分が前方に移動させられることが可能であり、これによりタービンエンジンの全体的な軸方向サイズを縮小することができる。

図３に示される実施形態において、ウェブ２０２の外周区間２０２ｃの外縁は、ウェブ２０２の前面２０３を半径方向に向け直すように湾曲しており、これにより、図示されるような従来型放射状ディフューザ２１２を使用できるように、流体流路が半径方向に戻ることを保証する。とは言うものの、図４に示されるような一代替実施形態において、図４には各同等要素に図３と同じ参照番号が付されているが、流体流路は半径方向には戻されず、これにより、羽根車よりも下流のディフューザが相応に改造される必要があったとしても、羽根車の製造を容易にする。

図３および図４に示されるタイプの羽根車２０１を備える遠心圧縮機は、他の使用の中でもとりわけ、図１に示されるターボシャフトエンジン１などのタービンエンジンにおいて使用されてもよいが、しかし直流またはバイパスのターボジェット、ターボプロップ、ターボシャフトエンジン、および／またはターボ圧縮機においても使用されてよい。そのより軽量さのため、たとえば、空気より重くても軽くても、パイロットがいてもいなくても、たとえば固定翼および／または回転シャフト航空機の前進など、航空用途において特に有利である。とは言うものの、たとえばホバークラフトを含む地上および／または水上輸送用車両の推進、発電、ポンプ場、および／またはその他の産業用途など、当業者にとって既知のその他の非航空用途もまた考えられる。このような遠心圧縮機は、圧縮システムの段のみを、あるいは軸流式、遠心式、または軸流遠心混合式の段を伴う、すなわち少なくとも１つの遠心段および軸流または混合の段を有する、多段圧縮システムの１つ以上の段を構成してもよい。

本発明は特定の実施形態を参照して記載されているものの、請求項によって規定される本発明の全体的な範囲を超えることなくこれらの実施形態に対して様々な修正および変更がなされてもよいことは、明らかである。具体的には、図示される様々な実施形態の個々の特徴が、追加実施形態に組み込まれてもよい。結果的に、記載および図面は、限定的な意味よりもむしろ説明的であると見なされるべきである。

Claims (9)

1. 羽根車はウェブ（２０２）と、各々がブレード付根（２１５）、ブレード先端（２１６）、前縁（２０６）、および後縁（２０７）を有してウェブ（２０２）の前面（２０３）でウェブ（２０２）に固定されているブレード（２０５）とを含む、遠心圧縮機（３）のための羽根車（２０１）であって、羽根車（２０１）は、後縁（２０７）とブレード付根（２１５）との間の交点が、羽根車（２０１）の中間径（Ｄ_ｉ）におけるブレード付根（２１５）よりも、ウェブ（２０２）厚みの少なくとも半分だけ前に出ており、後縁（２０７）とブレード先端（２１６）との間の交点もまた、羽根車（２０１）の中間径（Ｄ_ｉ）におけるブレード先端（２１６）よりも前に出ていることを特徴とする、遠心圧縮機（３）のための羽根車（２０１）。
2. 羽根車（２０１）の周辺部（２０９）におけるブレード付根（２１５）が、実質的に半径方向に配向されている、請求項１に記載の、遠心圧縮機（３）のための羽根車（２０１）。
3. ウェブ（２０２）の裏面（２０４）に接続され、回転シャフトへの締結に適したリム（２１１）をさらに含む、請求項１または２に記載の、遠心圧縮機（３）のための羽根車（２０１）。
4. リム（２１１）が放射状締め具ディスクを含む、請求項３に記載の、遠心圧縮機（３）のための羽根車（２０１）。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の羽根車（２０１）を含む遠心圧縮機（３）。
6. ウェブ（２０２）と協働して、ブレード（２０５）の前縁（２０６）と後縁（２０７）との間に流体流路を画定するようにブレード（２０５）を被覆するカバー（２１０）をさらに含む、請求項５に記載の遠心圧縮機（３）。
7. カバー（２１０）が、羽根車（２１０）のブレード（２０５）の前縁（２０６）よりも羽根車（２０１）のブレード（２０５）の後縁に近い、少なくとも１つの締結点（２１４）を含む、請求項６に記載の遠心圧縮機（３）。
8. カバーがブレード（２０５）に固定されている、請求項６に記載の遠心圧縮機（３）。
9. 請求項５から８のいずれか一項に記載の遠心圧縮機（３）を含むタービンエンジン。

Images