JP2014517217A - ガスタービン圧縮段を拡散する方法およびこれを実施する拡散段 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、最適形状化されたプレートを使用することによって空気の流れを生み出すことである。したがって、流れの方向および接線方向の非軸対称の形状が提案される。
１つの実施形態によれば、半径方向または斜流型のガスタービンエンジン圧縮機の拡散段は、流体が中央から周囲に向かって遠心式にまたは傾斜式に２つのプレート（９）間を流れる２つのプレート（９）によって形成されたインペラを備える。翼列のブレード（６０）が、流体の流れを中央の前記ブレード（６０）の前縁（６ａ）と周囲の後縁の間に導くためにプレート（９）間に分散される。プレート（９）の少なくとも１つは、交互のへこみ（９１）および隆起（９２）の湾曲部を備えた少なくとも１つのゾーン（Ｚ１、Ｚ２）を備える内部面（９ｉ）を、２つの隣接するブレード（６０）間に、２つの略垂直な方向、すなわちブレード（６０）に沿った流れの方向（Ｆ）およびブレード間接線方向の少なくとも１つの方向に有する。

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮段内で空気の流れを拡散する方法、ならびに前記方法を実施することができる拡散段に関する。

本発明の分野は、関連する段の拡散組立体内における遠心型および斜流型の圧縮機のパフォーマンスレベルおよび圧送マージンを改良することに関する。この拡散組立体の目的は、段を構成する遠心性インペラの出力部において得られた流体の運動エネルギーを静圧に変換することである。作動は、タービンエンジンの作動に許容可能な圧送マージンを維持するために圧縮機内の安定性を満足のいくレベルで維持しながら総圧力の損失を最小限に抑えて行われなければならない。

遠心型圧縮機は、少なくとも１つの半径方向圧縮段、すなわち圧縮機の中央軸に対して垂直な空気の流れを生み出すことができる圧縮段を有する。斜流型圧縮機は、前記中央軸に対して傾斜された少なくとも１つの圧縮段を有する。

圧縮段の拡散組立体は、流体が中央から周囲に向かって遠心式にまたは傾斜式に２つのプレート間を流れる２つのプレートによって形成されたインペラから構成される。ブレードは、プレート間の、インペラ周りに分配される。これらのブレードは、中央のこれらのブレードの前縁と外側の後縁の間に流れ翼列を形成する。

半径方向および斜流型の拡散組立体のプレートは、従来平坦であり、有利にはブレード間の流体の流れ断面は先細にされる。流れ断面の先細化は、拡散部の首部の流れ断面によって、および翼列の前縁と後縁の間の減速速度によって規定される。

他の構造は、流れ断面のさらなる制御を提供し、したがって翼列内の拡散を最適化するために、先細にされたストリームに接続された軸対称のプレートを提供する。

これらの解決策は、１次元における制御、すなわち流れ断面の変動の制御を可能にするだけである。２つのブレード間の流体の流れの接線方向の不均一性の制御にはならない。しかし、この制御は流れを調整し最適化することを可能にする。

本発明の目的は、そのような流れを、これらのプレートが流れによって「ストリーム化された」最大表面積を示すように最適形状化されたプレートを使用することによって生み出すことである。したがって、流れの方向および接線方向の非軸対称の形状が提案される。

より詳細には、本発明は、流体が中央から周囲に向かって遠心式にまたは傾斜式に２つのプレート間を流れる２つのプレートによって形成されたインペラから構成された拡散組立体を備えるガスタービンエンジンの圧縮段内で、空気の流れを拡散する方法に関する。翼列のブレードは、プレート間の、インペラの周りに分散されることによって流体の流れを中央のこれらのブレードの前縁と周囲の後縁の間に導く。この方法では、プレートの少なくとも１つは、少なくとも１つの交互の凹面および凸面の湾曲部を、２つの略垂直な方向、すなわちブレードに沿った流れの方向およびブレード間接線方向の少なくとも１つの方向に有する。

これらの状態において、流体のストリームの三次元形状は、このストリーム内のその流れを再分散させ均一化することを可能にし、負荷損失を生成する二次流はかなり低減される。遷音速ブレード組立体内の衝撃の位置は変更され、その強度は低減される。さらには、圧縮段に続く燃焼室の入力部における空気力学的ロッキングもかなり低減される。

本発明は、さらに、この方法を実施することができる半径方向または斜流型のガスタービンエンジンの拡散段に関する。そのような段は、流体が中央から周囲に向かって遠心式にまたは傾斜式に２つのプレート間を流れる２つのプレートによって形成されたインペラを備える。翼列のブレードは、プレート間のインペラ周りに分散されることによって中央のこれらのブレードの前縁と周囲の後縁の間に流体の流れを導く。プレートの少なくとも１つは、交互のへこみおよび隆起の湾曲部を備えた少なくとも１つのゾーンを備える内部面を、２つの隣接するブレード間に、２つの略垂直な方向、すなわちブレードに沿った流れの方向およびブレード間接線方向の少なくとも１つの方向に有する。

有利な特徴によれば、拡散段は、交互のへこみおよび隆起のゾーンをブレード間に、特にブレードの弦線の略８０％まで（好ましくは略５０％まで）、前縁の上流側から開始してブレードの前縁のところ、および／または後縁の下流に続く後縁のところで有する。これらの交互のへこみおよび隆起のゾーンは、２つの遠心型（半径方向）および斜流型拡散プレートの一方および／または他方に、特にプレートの中央対称面に対して対称にして、または段の２つのプレートが含まれる場合は平行にして適用され得る。

本発明のさらなる情報、特徴、および利点は、付属の図を参照して以下の非限定的な説明を読み取ることにより明らかになろう。

空気拡散部を備えるガスタービンエンジンの部分断面図である。 ブレードが１つのプレートを備える、拡散段の斜視図である。 ブレードが２つのプレートを備える、拡散段の斜視図である。 湾曲部を備えた２つのゾーンがブレードに沿って交互になる、ブレードに沿った空気流の方向のプレートのプロファイルの概略図である。 湾曲部を備えた２つのゾーンがブレードの下流に続く後縁のところである、ブレードに沿った空気流の方向のプレートのプロファイルの概略図である。 湾曲部を備えた２つのゾーンがブレードの上流側から前縁のところにある、ブレードに沿った空気流の方向のプレートのプロファイルの概略図である。 プレートが交互の湾曲部を備えた２つのゾーンを有する、ブレード間接線方向の概略部分図である。 プレートが交互の湾曲部を備えたゾーンを有する、前縁における概略のブレード間の斜視図である。 平坦プレートおよび交互の湾曲部を備えたゾーンを有するプレートを備えた、２つのブレードの後縁における概略斜視図である。

用語「下流側」および「上流側」は、空気の流れに関する位置に関する。図の全てにおいて、同一の参照番号は、これらの参照番号に対応する要素が定義される本文内の説明に関する。

図１に係るヘリコプタガスタービンエンジン１の部分的な概略断面図を参照すれば、空気流Ｆは、最初、外気取り込みスリーブ２内に吸引され、次いで、遠心圧縮機５のインペラ４の羽根３とケーシング１０の間で圧縮される。タービンは、軸Ｘ’Ｘを中心に軸対称を有する。

この場合、圧縮機５は遠心性のものであり、圧縮された流れＦは、次いでインペラ４から半径方向に出る。圧縮機が斜流型の場合、流れは、軸Ｘ’Ｘに対して垂直な半径方向に対して０°から９０°の間の角度で傾斜されて出る。

流れＦは、次いで圧縮機４の出力部に配設された拡散部またはインペラ６を通り抜けて整流され、燃焼室８の取り込みチャネル７に向かって経路付けされる。

この整流を実施するために、インペラ６は、この場合は半径方向にインペラ４の周囲において２つのプレート９間に配置され、したがって軸Ｘ’Ｘを中心に回転する、複数の湾曲ブレード６０から構成される。

図２ｂは、２枚のプレート９に堅固に接続されたブレード６０を備えた拡散部６の斜視図をより詳細に示している。明確にするためにプレートが省略されている図２ａでは、各々のブレード６０は、公知の方法で、上側面として称される面６ｅと、下側面として称される面６ｉとを有する。図示される例では、これらの面は、先細にされた前縁６ａおよび丸められた後縁６ｆによって空気流の方向に接続される。上側および下側の面に対して横断方向に、各々のブレード６０は、プレート９に堅固に接続された平坦側面６ｐを有する。

従来、図２ａおよび２ｂのプレート９は平坦である。本発明によれば、これらのプレート９の少なくとも１つは、これらの間に画定された空間Ｅ内に、交互の湾曲部を備えた少なくとも１つのゾーンを２つのブレード６０間に有する。

図３ａを参照すれば、そのようなプレート９は、ブレード６０に沿った空気流Ｆの方向に、ブレードの前縁６ａの取り込み部から燃焼室に向かう出口チャネル７までのプロファイルとして示されている。交互の湾曲部を備えた２つのゾーンＺ１およびＺ２が、プレート９内にブレード６０に沿って生み出される。これらのゾーンの各々は、流れＦ側に、およびプレート９の平坦面部分９ｐに関連して、へこみ部分９１および隆起部分９２を有する。ゾーンＺ１およびＺ２は、図示される非限定的な例では、ブレード６０の弦線６ｃの長さの約８０％にわたって全体的に延びる。

図においては、プレート９は、提示を簡易化するために小さい厚さを有しているが、実際にはこれは、一定の厚さを有しており、交互の湾曲部を備えたゾーンは、空気流Ｆが流れるプレートの内部面９ｉ上に形成される。プレート９の外部面９ｅは、平坦なままであることができ、またはこの例では内部面９ｉのへこみおよび隆起の形状に対して逆にされる交互の湾曲部の隆起およびへこみの形状に適合させることができる。第１の例では、プレートは可変の厚さを有し、第２の例では、これは一定の厚さを有する。特に、プレートの形状は、交互の湾曲部を備えたゾーンを生み出すために使用される方法：フライス削り、レーザ、放電加工、成形、打ち抜き加工などによって依存され得る。

図３ｂおよび図３ｃでは、交互の湾曲部を備えた２つのゾーンＺ１およびＺ２は、チャネル７の取り込み部内のブレードの下流側までのブレード６０の後縁６ｆのところ、および／またはブレード６０の上流側取り込み部から前縁６ａのところにそれぞれ形成される。

図４は、ブレード間「接線方向」６ｔ、すなわち２つのブレード６０間の拡散段の部分概略図を示している。矢印Ｆは空気の流れの方向を示す。プレート９の内部面９ｉは、主に２つのブレード６０の下側６ｉと上側６ｅの面の間を延びる、交互の湾曲部を備えた２つのゾーンＺ１およびＺ２を有する。

前縁６ａのところの図５のブレード間の斜視図は、交互の湾曲部を備えたゾーンＺ１を２つのブレード６０間に備えたプレート９をより詳細に示している。ゾーンは、ブレード６０の下側面６ｉ上のへこんだ湾曲部分９１と、他方のブレード６０の上側面６ｅ上の隆起湾曲部分９２とを示している。湾曲部がこうして交互になることにより、各々のブレード６０の下側面と上側面の間の圧力を等しくすることが可能になる。前縁６ａ間の、首部６ｓにあるセクションは保持される。

後縁６ｆにおける、空気流Ｆの均一化が、図６の斜視図で示されている。２つのブレード６０間の（図の斜線によって表される）平坦プレート９０により、空気力学的ロッキングが、非常に少ない移動量を有するゾーンＺ０内に作り出される。従来技術のこの形状では、主要空気流（矢印Ｆ）は、高いマッハ数を有する。これとは対照的に、本発明による交互の湾曲部を備えたプレート９では、空気力学的ロッキングゾーンは省かれ、空気の流れＦは、より低いマッハ数を有して、設けられた流れ断面の全てを占有しながら均一化される。

本発明は、説明され示された実施形態に限定されない。したがって、図示される例では、湾曲部は流体Ｆの流れの方向に交互にされるが、接線方向６ｔにも交互にされる。他の変形形態では、交互の湾曲部を備えたゾーンは、へこみまたは隆起であれ同じタイプの湾曲部を備えた表面領域の部分が、互いに近付くことができるように並置され得る。

Claims (9)

1. 流体が中央から周囲に向かって遠心式にまたは傾斜式に２つのプレート（９）間を流れる２つのプレート（９）によって形成されたインペラ（６）から構成された拡散組立体を備える、ガスタービンエンジン（１）の圧縮段（５）内で空気の流れ（Ｆ）を拡散する方法にして、翼列のブレード（６０）が、前記プレート（９）間の、前記インペラ（６）の周りに分散されることによって流体の流れを中央の前記ブレード（６）の前縁（６ａ）と周囲の後縁（６ｆ）の間に導く、方法であって、前記プレート（９）の少なくとも１つが、少なくとも１つの交互の凹面（９１）および凸面（９２）の湾曲部を、前記ブレード（６０）に沿った流れの方向（Ｆ）に有することを特徴とする、方法。
2. 前記プレート（９）の少なくとも１つがまた、少なくとも１つの交互の凹面（９１）および凸面（９２）を、前記ブレード（６０）に沿った流れの方向（Ｆ）に対して略垂直であるブレード間接線方向（６ｔ）に有する、請求項１に記載の空気の流れ（Ｆ）を拡散する方法。
3. 流体が中央から周囲に向かって遠心式にまたは傾斜式に２つのプレート（９）間を流れる２つのプレート（９）によって形成されたインペラ（６）を備える、請求項１に記載の方法を実施することができる半径方向または斜流型のガスタービンエンジン圧縮機の拡散段にして、翼列のブレード（６０）が、前記プレート（９）間の、前記インペラ（６）の周りに分散されることによって流体の流れを中央の前記ブレード（６０）の前縁（６ａ）と周囲の後縁（６ｆ）の間に導く、拡散段であって、前記プレート（９）の少なくとも１つが、交互のへこみ（９１）および隆起（９２）の湾曲部を備えた少なくとも１つのゾーン（Ｚ１、Ｚ２）を備える内部面（９ｉ）を、２つの隣接するブレード（６０）間に有することを特徴とする、拡散段。
4. 前記プレート（９）の少なくとも１つが、交互のへこみ（９１）および隆起（９２）の湾曲部を備えた少なくとも１つのゾーン（Ｚ１、Ｚ２）をさらに備える内部面（９ｉ）を、２つの隣接するブレード（６０）間にブレード間接線方向（６ｔ）に有する、請求項３に記載の半径方向または斜流型のガスタービンエンジン圧縮機の拡散段。
5. 交互のへこみ（９１）および隆起（９２）のゾーン（Ｚ１、Ｚ２）を前記ブレード間に、特にブレード（６０）の弦線（６ｃ）の略８０％まで、好ましくは略５０％まで有することを特徴とする、請求項３または４に記載の拡散段。
6. へこみおよび隆起のゾーン（Ｚ１、Ｚ２）を、前記前縁（６ａ）の上流側から開始して前記ブレード（６０）の前記前縁（６ａ）のところに有することを特徴とする、請求項４から５のいずれか一項に記載の前記ブレードの前縁にある拡散段。
7. へこみおよび隆起のゾーン（Ｚ１、Ｚ２）を、後縁（６ｆ）の下流側まで続く前記ブレード（６０）の前記後縁（６ａ）のところに有することを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載の前記ブレードの前縁にある拡散段。
8. 前記交互のへこみおよび隆起のゾーン（Ｚ１、Ｚ２）が、遠心型および斜流型の拡散用の前記２つのプレート（９）の一方および／または他方に適用される、請求項４から７のいずれか一項に記載の前記ブレードの前縁にある拡散段。
9. 前記交互のゾーン（Ｚ１、Ｚ２）が、前記プレート（９）の中央対称面に対して対称にして、または平行にして前記プレート（９）に適用される、請求項８に記載の拡散段。

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