JP2015206326A - ガスタービンエンジンの多段圧縮機の抽気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの多段圧縮機の前段圧縮機と後段圧縮機との間にて抽気孔を通じて抽気を実施する場合に、シュラウドの外へ一旦流出した抽気流の逆流を防止すること。【解決手段】 本発明のガスタービンエンジンのための多段圧縮機は、多段圧縮機の後段圧縮機のシュラウドの前端と前段圧縮機のシュラウドの後端との間にてシュラウドの周方向に沿って、前段圧縮機からの空気流の一部が流れる抽気孔が設けられ、抽気実施時の抽気孔に於いて、前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域の開口面積が前段圧縮機の静翼のない領域の下流領域の開口面積よりも小さくされる。また、前段圧縮機の静翼のない領域の下流領域のみ抽気孔が開口され、前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域が閉鎖されていてよい。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの多段圧縮機の抽気構造に係り、より詳細には、抽気構造に於ける抽気口の構造に係る。

航空機の動力源などに利用されるガスタ―ビンエンジンに於いては、圧縮機により圧縮された空気が燃焼器へ導入される。かかる圧縮機としては、種々の態様の多段軸流圧縮機、多段軸流−遠心圧縮機、多段遠心圧縮機が採用されている。多段圧縮機の場合、定格回転域よりも低い回転域に於いては、前段の圧縮機から後段の圧縮機へ送られる空気の圧縮の程度が低減することにより、後段の圧縮機入口の空気密度が低減し、後段の圧縮機がチョーク状態となり、前段の圧縮機の空気流量が制限される。そのため、前段圧縮機に於いては、サージング状態となり得る。この前段圧縮機のサージング状態は、前段圧縮機と後段圧縮機との間に於いて、抽気（即ち、空気流量の一部の漏出）により回避可能である。そこで、従前より、前段圧縮機と後段圧縮機との間に於いて、低回転域での運転時(エンジン始動、加速、減速)に抽気が実行されるように、種々の態様にてスリット又は開口（抽気孔）が設けられている。

例えば、特許文献１に於いては、前段圧縮機と後段圧縮機との間に抽気孔を設けた構成に於いて、前段圧縮機のシュラウドの下流側の縁が放射方向に偏向し、後段圧縮機の上流側の縁との間に抽気孔が形成されるようにして、抽気された空気流の乱流の発生が抑制されるようになった構造が記載されている。また、特許文献２は、抽気孔に絞りを設けて抽気量を調節する構成を記載している。更に、特許文献３−４は、前段圧縮機のシュラウドの下流側の縁と後段圧縮機の上流側の縁との間に周方向に形成された抽気孔を設けた構成に於いて、ガスタービンエンジンの回転域に依る抽気量の必要性に応じて開閉する円環状の弁体が設けられ、抽気孔の縁を成す弁体の壁面と後段圧縮機のシュラウドの上流側の縁の壁面の向きが、圧縮空気流の流れ方向に垂直な方向よりも圧縮空気流の流れ方向へ傾斜し、これにより、弁が開いているときの抽気孔に於ける流量係数を大きくできる構成が開示されている。

特開２００７−１３８８１６ 特開２０１１−２３６８０１ 特開２０１３−９２１２４ 特開２０１３−１４４９３１

ところで、上記の如き、前段圧縮機と後段圧縮機との間に於いて、前段圧縮機から流出した空気流の一部を抽気して、シュラウドの外へ逃がす場合に、シュラウドの外へ一旦流出した空気流（以下、「抽気流」と称する。）の一部がシュラウドの外側で循環して抽気孔を逆流する場合がある（図２（Ａ））。かかる抽気流の逆流が後段圧縮機への主流流路に戻ってしまうと、それが圧損となり、圧縮機性能を低下させる要因となる。この点に関し、かかる抽気流の逆流が発生する原因は、前段圧縮機から流出する圧縮空気流の周方向に於いて圧力分布が発生することに依ると考えられる。より具体的に述べると、前段圧縮機から流出する圧縮空気流に於いては、図２（Ｂ）に模式的に描かれている如く、前段圧縮機のステータの静翼の下流の圧力は、静翼の間の空間の下流の圧力よりも低減する。そうすると、抽気孔に於いて、圧力低い静翼の下流の空間には、それに両側に隣接する静翼の間を通過してシュラウドの外に出た空気流が循環して逆流してくることなり、これにより、後段圧縮機への主流流路の流れに乱れが発生し、これが圧損の要因となっている。従って、抽気孔に於ける逆流を防止するには、圧力低い静翼の下流の空間へシュラウドの外から空気流が流れ込まないように抽気孔の構造を改良する必要がある。

かくして、本発明の一つの目的は、上記の如きガスタービンエンジンの多段圧縮機に於ける抽気構造に於いて、前段圧縮機と後段圧縮機との間にて抽気孔を通じて抽気を実施する場合に、シュラウドの外へ一旦流出した抽気流の逆流を防止するよう改良することである。

本発明によれば、上記の課題は、ガスタービンエンジンのための多段圧縮機であって、多段圧縮機の後段圧縮機のシュラウドの前端と多段圧縮機の前段圧縮機のシュラウドの後端との間にて前段圧縮機のシュラウドの周方向に沿って、前段圧縮機からの空気流の一部が流れる抽気孔が設けられ、抽気実施時の抽気孔に於いて、前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域の開口面積が前段圧縮機の静翼のない領域の下流領域の開口面積よりも小さいことを特徴とする多段圧縮機によって達成される。なお、多段圧縮機は、多段軸流圧縮機、前段が軸流圧縮機であり後段が遠心圧縮機である多段軸流−遠心圧縮機、多段遠心圧縮機のいずれであってもよい。また、前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域の開口面積は、実質的に０、即ち、前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域は閉鎖されていてもよく（つまり、前段圧縮機のシュラウドの後端の壁と後段圧縮機のシュラウドの前端の壁とが、静翼のある領域の下流領域で連続的繋がっていてよい。）、従って、その場合、前段圧縮機の静翼のない領域の下流領域のみに抽気孔が開口されることとなる。

上記の構成によれば、多段圧縮機に於ける前段圧縮機と後段圧縮機との間にて抽気を実施する場合に、前段圧縮機の下流領域に於いて前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域の開口面積を小さくするか、閉鎖することにより、かかる領域に於けるシュラウド内外の空気の流通の制限又は阻止が為される。そうすると、前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域では、シュラウドの外から内への逆流が制限又は阻止されることとなり、後段圧縮機への主流流路の流れの乱れ及び圧損を抑制することが可能となる。即ち、多段圧縮機に於ける前段圧縮機と後段圧縮機との間に於ける抽気は、圧力の高い前段圧縮機の静翼のない領域又は静翼の間の空間領域を通過した空気流に於いて為されることとなる。

かくして、上記の本発明によれば、多段圧縮機に於ける前段圧縮機と後段圧縮機との間に設けられる抽気構造に於いて、前段圧縮機から流出する圧縮空気の圧力の低い領域では、空気の流通が制限され、これにより、抽気流の逆流が後段圧縮機へ流れることを実質的に抑制できるので、カスタービンエンジンの多段圧縮機の圧縮空気流に於ける圧損の低減が図られることとなる。なお、本発明の構成は、上に列記した特許文献に記載されている形式又はその他の形式のカスタービンエンジンの多段圧縮機に於ける抽気孔又は抽気装置に適用されてよい。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、本発明の適用された抽気構造を備えたガスタービンエンジンの多段圧縮機の模式的な断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の構造の抽気孔の近傍の模式的な平面図であり、シュラウドの周方向を平面に展開して示した図（右図の矢印の方向から視た状態を平面に展開した図）である。 図２（Ａ）は、従前の抽気構造を備えたガスタービンエンジンの多段圧縮機の模式的な断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の構造の抽気孔の近傍の模式的な平面図であり、シュラウドの周方向を平面に展開して示した図（右図の矢印の方向から視た状態を平面に展開した図）である。

１…前段圧縮機のシュラウド
１ａ…前段圧縮機のロータ
１ｂ…前段圧縮機のステータ
２…後段圧縮機のシュラウド
２ａ…後段圧縮機のシュラウド前端の斜面
２ｂ…後段圧縮機のインペラ
３…駆動リンク
４…ドライブシャフト
５…環状弁体
５ａ…環状弁体支持幹
６…被駆動リンク
６ａ…被駆動リンクの板ばね状部分
７…固定軸
８…環状弁体支持幹
１０…抽気孔
１２…前段圧縮機のシュラウドの延在部分

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

多段圧縮機の可変抽気弁構造
本発明の適用されるガスタービンエンジンの抽気構造は、その基本構造に於いて、特許文献３、４に記載されている如き環状可変抽気弁構造と同様であってよい。具体的には、まず、図２（Ａ）を参照して、本発明の適用されるガスタービンエンジンに於ける環状可変抽気弁構造は、多段圧縮機の前段圧縮機のシュラウド１と後段圧縮機のシュラウド２との間に設けられる。図示の例の多段圧縮機に於いては、前段圧縮機は、ロータ１ａとステータ１ｂを含む軸流圧縮機であり、後段圧縮機は、インペラ２ｂとディフューザ（図示せず）を含む遠心圧縮機であるが、これに限定されず、本発明が適用される多段圧縮機は、多段軸流圧縮機、多段遠心圧縮機であってもよい。多段圧縮機に於いては、公知の態様にて、前方（左方）から空気が前段圧縮機へ流入し、ここで圧縮された後、後段圧縮機に於いて、空気が更に圧縮されて、燃焼器（図示せず）へ送られる。かかる構成に於いて、前段圧縮機及び後段圧縮機は、基本的には定格回転域にて効率良く空気の圧縮が達成されるよう設計され構成されている。そして、回転が定格回転域を下回ると（低回転域）、前段圧縮機に於いて十分な圧縮が達成されないことから、後段圧縮機の入口で空気の密度の低減が生じ、これにより、後段圧縮機はチョーク状態となり得る。その結果、前段圧縮機は、後段圧縮機のチョーク状態に起因して空気流量が制限されて流れがストールするサージング状態となる。そこで、前段圧縮機のシュラウド１と後段圧縮機のシュラウド２との間に、低回転域に於いて、空気流量の一部を抽気して、前段圧縮機のサージング状態の防止を図るための抽気孔が設けられる。また、多段圧縮機が定格回転域にて運転される際には、抽気は必要ないので、抽気孔が閉鎖されるよう構成される。

上記の抽気孔について、特に、図示の例に於いては、抽気孔の形状がシュラウド内の圧縮空気の流れの方向に傾斜して平面から突出し、且つ、かかる形状を維持しながら、抽気孔の幅が可変となるよう構成され、これにより、より大きな流量係数と定格回転域に於いて圧縮機性能に対する影響が少ない状態での抽気の停止とが図られる。具体的には、図２（Ａ）に示されている如く、後段圧縮機のシュラウド２の前端２ａ（シュラウド斜面−シュラウド抽気孔面）がシュラウドの全周に亘って、外方へ突出し、更に、圧縮空気の流れ方向に傾斜され、抽気孔１０の一方の環状の壁を形成する。また、シュラウド斜面２ａに対向して、抽気弁体５が設けられる。抽気弁体５は、環状であり、シュラウド斜面の傾斜角と同一の角度にて圧縮空気の流れ方向に傾斜した傾斜面（弁体面）を有する。そして、抽気弁体５に於いては、その位置を変位させるための駆動機構が設けられる。具体的には、抽気弁体５に於いて支持幹５ａが設けられ、かかる支持幹５ａには、シュラウドの略前後方向に延在した駆動リンク３の一方の端が回転可能に連結され、駆動リンク３の他方の端は、シュラウドに対して実質的に変位しないドライブシャフト４と回転係合される。抽気弁体５の駆動に於いては、ドライブシャフト４が図示していない回転モータ（例えば、ＤＣブラシレスモータ）等のアクチュエータにより回転されると、駆動リンク３は、ドライブシャフト４周りに揺動し、そうすると、その駆動リンク３の揺動に伴って、抽気弁体５は、シュラウド１上にて螺旋状に回転し、これにより、シュラウドの前後方向に於ける抽気弁体５の位置が変位し、抽気孔１０の開閉が達成されることとなる。

抽気流の逆流について
上記の環状可変抽気弁構造では、抽気孔１０は、シュラウドの実質的に全周に沿って開口されている。かかる構造の場合、抽気が実際に実行される際、図２（Ａ）に模式的に描かれている如く、抽気孔を通過した抽気流の一部が逆流してシュラウドの外部から抽気孔を通過し、再び、シュラウド内の圧縮空気の主流に戻ってしまう現象が発生することがあり、そのような抽気流の逆流が発生すると、後段圧縮機の動翼に於いて圧損を生ずる原因となり、好ましくない。より詳細には、かかる抽気流の逆流が発生する原因は、抽気孔の開口した前段圧縮機と後段圧縮機との間の領域に於ける周方向の空気流の圧力のムラによるものと考えられる。即ち、前段圧縮機の下流領域に於ける空気流の圧力は、図２（Ｂ）に模式的に描かれている如く、前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域の圧力は、静翼の間の空間領域の下流領域、即ち、静翼の存在していない領域の下流領域の圧力よりも相対的に低減することとなる。かかる圧力分布状態で、抽気孔から空気流の一部が流れ出る際、低圧の静翼の存在する領域の下流領域（Ｐ低の領域）は、高圧の静翼の存在していない領域の下流領域（Ｐ高の領域）に挟まれた状態となるため、抽気流が抽気孔から出た後に、シュラウドの外部にて循環して、Ｐ高の領域から流れ出た空気流がＰ低の領域へ流れ込む状態が発生し、これにより、抽気流の逆流が発生してしまうとこととなっている。

抽気孔構造の改良
上記の如き「抽気流の逆流」を防止すべく、本発明に於いては、抽気流のシュラウドの外部に於ける循環流の、前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域に於ける抽気孔の領域へ流入が制限されるように、抽気孔に於いて、前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域の開口面積が静翼の存在していない領域の下流領域の開口面積よりも小さくなるように抽気孔の構造が改良される。具体的には、図１（Ａ）の例示された構成では、前段圧縮機のシュラウド１の後端の壁の、前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域に対応する部分１２が、図１（Ｂ）に模式的に描かれている如く、後段圧縮機のシュラウド２の前端の壁に向かって延在され、前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域に於ける空気の流通が制限される。なお、図示の例では、前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域に対応する部分１２は、後段圧縮機のシュラウド２の前端の壁に接触又は接続されて、同領域が閉鎖されているが、空気の流通を実質的に制限できていればよく、必ずしも抽気孔に於ける前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域が完全閉鎖されていなくもよい。換言すれば、環状の抽気孔１０に於いて、実質的に開口して、空気の流通が許される領域は、静翼の存在していない領域の下流領域１０ｈの領域のみとなる。また、図示の如く、前記圧縮機から出る空気流の向きは、軸方向に対して傾斜しているので、延在部分１２は、その流れ方向に合わせて延在していることが好ましい。更に、延在部分１２は、後段圧縮機のシュラウド２の前縁から延在していてもよい。

上記の如く、前段圧縮機の静翼の存在する領域の下流領域に於ける抽気孔の開口面積が低減されるか、抽気孔が閉鎖されることによれば、実質的に開口している領域は、圧力の高い、前段圧縮機の静翼の存在していない領域の下流領域となるところ、その領域は圧力の高いので、かかる領域からシュラウドの循環流が流入することはなく、従って、抽気流の逆流がシュラウド内へ戻ることが阻止されることとなる。

なお、抽気孔を閉鎖する部分１２のシュラウドの周方向の幅は、一つの静翼から隣接する静翼までの距離（ピッチ）の１／４〜１／２であってよい。

かくして、上記の構成によれば、多段圧縮機に於ける前段圧縮機と後段圧縮機との間に設けられる抽気孔に於いて、抽気流の逆流が防止又は抑制され、カスタービンエンジンの多段圧縮機の圧縮空気流に於ける圧損の低減が図られることとなる。なお、本発明の構成は、図示のカスタービンエンジン以外の形式の多段圧縮機に於ける抽気孔又は抽気装置に適用されてよい。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (2)

1. ガスタービンエンジンのための多段圧縮機であって、前記多段圧縮機の後段圧縮機のシュラウドの前端と前記多段圧縮機の前段圧縮機のシュラウドの後端との間にて前記前段圧縮機のシュラウドの周方向に沿って、前記前段圧縮機からの空気流の一部が流れる抽気孔が設けられ、抽気実施時の前記抽気孔に於いて、前記前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域の開口面積が前記前段圧縮機の静翼のない領域の下流領域の開口面積よりも小さいことを特徴とする多段圧縮機。
2. 請求項１の装置であって、前記前段圧縮機の静翼のない領域の下流領域のみ前記抽気孔が開口され、前記前段圧縮機の静翼のある領域の下流領域が閉鎖されていることを特徴とする多段圧縮機。

Images