JP2016514791A - ベーンを有するラジアルまたは混流圧縮機ディフューザ - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスの流れに対向して配置される前縁（１１）と、前縁（１１）と反対側にある後縁（１２）と、前縁（１１）を後縁（１２）に接続する側部上面壁（１３）および側部下面壁（１４）とを含む、エンジン（１）のラジアルまたは混流圧縮機（２）用のディフューザ（５）のベーン（１０）であって、輪郭が、前縁（１１）と後縁（１２）との間に少なくとも２つの変曲点（Ｉ１、Ｉ２）を有する曲線（１５）を含む、ベーン（１０）に関する。また、本発明は、対応するラジアルディフューザ（２）に関する。

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに、より詳細にはガスタービンのラジアルまたは混流圧縮機の拡散段に、ならびに結合される圧縮機に関する。

圧縮機は、ブレード付きまたはブレードのない１つまたは複数の回転ディスク（ロータまたはホイール）と、固定ベーン（ストレートナ段）を持つ１つまたは複数のホイールとを含む。

ラジアル（または遠心）圧縮機は、圧縮機の中心軸に対して垂直なガスの流れを実現することができる少なくとも１つのラジアル圧縮機段を有する。これは、半径方向力の影響を受けて、半径方向に加速され、圧縮され、送り出される空気を軸方向に吸い込む半径方向ブレードを持つ少なくとも１つのホイールを含む。この場合、この空気は、ホイールを出るガスを減速することによってその速度の一部を静圧に変換するディフューザ（固定ベーン）で整流される。動作は、ターボ機械の動作のために許容できるサージマージンを維持するように圧縮機の満足のいく水準の安定性を依然として維持しながら最小の全圧力損失で行わなければならない。

次に、ガスは、燃焼室の方へ案内される。

混流（または軸方向−半径方向）圧縮機は、流体が半径方向のゼロでない角度を形成する圧縮機のホイールを出るように、前記中心軸に対して斜めの少なくとも１つの圧縮段を有する。

ラジアル圧縮機のディフューザは、その間でガスが中心から周縁の方へ半径方向または斜めに流れる２つのフランジでできているホイールから成る。ベーンは、ホイール全体に沿ってフランジの間に分配される。これらのベーンは、これらのベーンの前縁と後縁との間にフローカスケードを形成する。

しかしながら、ディフューザのベーンによってホイールを出る空気流の偏向により、ベーンの内弧面または外孤面に流体の分離が生じる場合があり、その分離により、これが無視できない場合は流体の、および結果としてポンピングの失速もたらされる場合もある。このポンピング現象は、圧縮機を構成する要素に有害であることが知られており、したがって、人は、できる限りこれを回避しようと努める。

通常、ディフューザのベーンは、円弧状の内弧面壁および外孤面壁から成り、準線形直角を含む。この種のベーンの実施例が、図１に示されている。しかしながら、これらのベーンは、拡散能力に関して限界を有する。実際、これらのベーンによる拡散の増加は、圧縮機の等方性の効率の低下、および不安定性の増加を生じる。

請求項１のプリアンブルに従うベーンを含むラジアル圧縮機用のディフューザが、文献国際公開第２０１２／０１９６５０号パンフレットに提案された。特に、この文献は、その輪郭が変曲点を有する関数によって定義されるキャンバー線を有するベーンを説明している。このような理由で、キャンバー線は、「Ｓ」形状を有し、前縁の領域に低負荷を持つ、ベーンの輪郭に沿って負荷を分散することができ、これは、ベーンの変曲点まで徐々に増加し、そこで最大量になる。しかしながら、この種の「Ｓ」輪郭を示すこの種のベーンを使用すると、ディフューザスロート部において（すなわち、流体入口断面において）、断面を制限することが必要である。これは、フローレート／レート特性をより低流量の方へ移す効果を有し、ディフューザの空力チョーク流れを減少させる。

また、形状が「Ｓ」と同様な輪郭曲線を持つベーンが、文献特開２０１１−２５２４２４号公報に説明されている。特に、この文献のベーンは、曲率線と円周方向輪郭曲線との間に形成される角度が上昇するように構成され、次に低下し、次いで、ベーンの前縁と後縁との間で再び上昇する。ここに、ディフューザのスロート部の断面は、その結果制限されなければならず、これは、ディフューザの安定性を減少させる効果を有する。

国際公開第２０１２／０１９６５０号 特開２０１１−２５２４２４号公報

本発明の１つの目的は、先行技術のラジアルおよび混流圧縮機のディフューザの性能およびサージマージンを改善することである。

特に、本発明は、圧縮機の断熱効率低下を制限すること、および流れの安定性を依然として維持しながら圧縮機のホイールによって供給される流れを減速し整流する能力を改善することができるラジアルまたは混流圧縮機用のディフューザを提案する目的を有する。

本発明は、ガス流に対向して配置される前縁と、前縁と反対側に配置される後縁と、前縁を後縁に接続する外孤面側壁および内弧面側壁とを含む、ラジアルまたは混流圧縮機用のディフューザ用のベーンを提案する。ベーンの輪郭は、前縁と後縁との間に少なくとも２つの変曲点を有するキャンバー線を含む。そのうえ、内弧面壁の曲線および外孤面壁の曲線は、内弧面壁が、前縁と後縁との間に、凹部によって分離される少なくとも２つの凸部を含み、外孤面壁が、前縁と後縁との間に、凸部によって分離される少なくとも２つの凹部を含むようにキャンバー線の曲線に実質的に従い、輪郭は、前縁と後縁との間に延在する翼弦線を画定し、内弧面壁の凸部および外孤面壁の凹部は、前記翼弦線の同じ側に少なくとも部分的に延在する。

また、本発明は、上に説明したような少なくとも１つのベーンを含むディフューザ、ならびにこの種のディフューザを含むラジアルまたは混流圧縮機、およびこの種の混流圧縮機を含むエンジンを提案する。

本発明の他の特徴、目的、および利点は、以下の、および非限定的な実施例として与えられる添付の図面に関して、詳細な説明を読むとより明らかになるであろう。

先行技術に従うベーン輪郭の実施例を示す図である。 本発明に従うディフューザのベーン輪郭の実施例を示す図である。 翼弦線およびベーン中心線を示す、図２のベーンの詳細図である。 本発明に従うディフューザを含むことができるエンジンの実施例を示す図である。

本発明によるラジアルディフューザは、特に、ラジアルまたは混流圧縮機２で使用されるように設計される。

図４は、ラジアル圧縮機２を備えるエンジン１の一部断面図である。ガス流Ｆは、最初に空気入口チャネルに吸い込まれ、次いで、ラジアル圧縮機２のホイール３のブレード３ａとそのケーシングとの間で圧縮される。圧縮機２は、軸Ｘを中心に軸対称性を有する。次いで、圧縮ガス流Ｆが、ホイール３から半径方向に抜け出る。もし圧縮機２が混流タイプから成っていれば、ガス流は、軸Ｘの半径方向に対してゼロでない角度で傾斜して抜け出るであろう。

圧縮空気は、依然として角運動量を有しながらホイール３を半径方向に出て行き、ディフューザ５の中に進む。ディフューザの役割は、圧縮機２から生じるガスの運動エネルギーの一部をガスの速度を減速することによって静圧に変換すること、およびホイール３を出て行く流れを整流することである。このために、これは、その周囲に沿って配置される複数のベーン１０を含み、このベーン１０は、前方フランジ５ａと後方フランジ５ｂとの間に延在する。ベーン１０の各々は、知られている態様で、ガスの流れに対向して配置される前縁１１と、前縁１１と反対側の後縁１２と、前縁１１を後縁１２に接続する内弧面側壁１３および外孤面側壁１４とを有する。

前方フランジ５ａおよび後方フランジ５ｂは、平面であってもよい。変形として、フランジ５ａ、５ｂのうちの少なくとも１つは、それらの間に画定される空間において、２つのベーン１０の間に交互する湾曲を持つ少なくとも１つの領域を含むことができ、その結果、空気流は、適応する先端部および根元部経線を含むことができる。この種の交互する湾曲を有する前方フランジ５ａおよび／または後方フランジ５ｂについてさらに詳しくは出願人による文献仏国特許第２９７６６３３号明細書が参照され得る。

さらにもう１つの変形によれば、フランジ５ａ、５ｂは、適応軸対称形状を有することができる。

そのうえ、前方フランジ５ａおよび後方フランジ５ｂは、ディフューザ５において吸い込みおよび吹き出しを可能にするように適応することができる。

ディフューザ５のベーン１０のうちの少なくとも１つ、好ましくはベーン１０すべてが、上流から下流までガス流方向を含める、すなわち、その形状が上流流れに適応するように構成される、収集領域と呼ばれる第１の領域と、その形状が、ディフューザ５を出るより大きな静圧を得て、下流部分、通常、アキシャルディフューザ５の供給を容易にするように、収集領域から生じる流れをより強く整流するように構成される、拡散領域と呼ばれる第２の領域とである。

ベーン１０は、そのキャンバー線１５がその前縁１１とその後縁１２との間に少なくとも２つの変曲点Ｉ１、Ｉ２を、すなわち、凹所に少なくとも２つの変化を有する輪郭を含む。

以後、用語「変曲点」は、そこで曲線がその接線と交差する曲線の点を意味するように理解される。そのうえ、ベーン１０の輪郭は、ベーン１０の断面、すなわちベーン１０の外孤面１３および内弧面１４に対して概ね垂直な平面においてベーン１０の断面を意味するように理解される。最後に、輪郭の「キャンバー線１５」は、ベーン１０の外孤面１３および内弧面１４から等距離の点すべてを含む想像線に対応するが、「翼弦１６」は、その端部として前縁１１および後縁１２を有するセグメントに対応する。

変曲点Ｉ１、Ｉ２は共に、第１の変曲点Ｉ１の上流に延在するベーン１０の一部を含む収集領域と、変曲点Ｉ２の下流に延在するベーン１０の一部を含む拡散領域とを画定する。

ディフューザ５の安定性、およびディフューザ５の出力口での静圧を最適化するように、変曲点Ｉ１、Ｉ２は、翼弦１６の１０％と９０％との間に、好ましくは３０％と７０％との間に配置されることが好ましい。たとえば、変曲点の一番目Ｉ１は、翼弦１６の３５％と５５％との間に配置されることができるが、第２の変曲点Ｉ２は、コード１６の５５％と６５％との間に配置される。変曲点Ｉ１、Ｉ２は、特に、翼弦１６の中心に対して対称に配置され得る。

変形として、ベーン１０の輪郭は、追加の変曲点Ｉ１、Ｉ２を含むことができる。

したがって、キャンバー線１５は、前縁１１と後縁１２との間に少なくとも第１の凹所、第１の凹所と異なる第２の凹所、次いで第３の凹所を連続して有する。変曲点Ｉ１、Ｉ２が翼弦１６の中心に対して対称である場合は、この場合、第２の凹所は、ベーン１０の中心に置かれる。

一実施形態によれば、内弧面壁１４および外孤面壁１３は、キャンバー線１５の曲線に実質的に従い、したがって、同数の変曲点Ｉ１、Ｉ２を有する。

図２および図３に示される実施形態においては、内弧面壁１４および外孤面壁１３は、このように２つの変曲点Ｉ１、Ｉ２を含む。内弧面壁１４は、前縁１１と第１の変曲点との間に凸部１４ａを、次いで２つの変曲点Ｉ１と変曲点Ｉ２との間に凹部１４ｂ、次いで、第２の変曲点と後縁１２との間に凸部１４ｃを含む。一方、外孤面壁１３は、前縁１１と第１の変曲点との間に凹部１３ａを、次いで２つの変曲点Ｉ１と変曲点Ｉ２との間に凸部１３ｂ、次いで、第２の変曲点と後縁１２との間に凹部１３ｃを含む。

そのうえ、キャンバー線１５は、内弧面壁１４と翼弦１６との間に延在する。換言すれば、前縁１１と後縁１２との間のすべての点において、キャンバー線１５および内弧面壁１４は、翼弦１６から遠くに延在する。加えて、外孤面壁１３の凹領域は、翼弦１６を横切り、したがって、前記翼弦１６とキャンバー線１５の同じ側に少なくとも一部が見出される。

キャンバー線１５の２つの変曲点Ｉ１、Ｉ２によって可能にされるこの構成により、前縁１１および後縁１２は、従来のディフューザ５で普通に遭遇したようなガス流に関して同じ全体的な方向に方向付けられ、それにより、スロート部の断面、すなわち２つの隣接するベーン１０の間の流体入口断面を保つことができる。このように、ディフューザ５の安定性は、流れの拡散を改善しながら依然として維持される。

（前縁１１でのキャンバー線１５の接線と翼弦１６との間の角度に対応する）迎え角αは、従来のベーン１０の迎え角αと実質的に同一であってもよい。たとえば、迎え角αは、およそ０°とおよそ４５°との間に含まれ得る。このように、それらの収集領域において従来のディフューザ５のベーン１０に形状を実質的に保持することができ、それにより、流れの安定性を保つことができる。そのうえ、第２の変曲点Ｉ２の存在により、それによって収集領域の形状を変更することなく、ディフューザ５の効率を増加させるようにそれらの拡散領域においてベーン１０の形状を変更することができる。実際、収集領域の形状とは無関係に、目下、後縁１２でのキャンバー線１５と翼弦１６との間の角度を増加させることができ、それにより、ガス流をより強く整流し、それによってディフューザ５の出力口における一定の温度上昇での静圧および全圧力比を増加させ、したがって、サージマージンひいては圧縮機２の安定性を依然として維持しながらディフューザ５の等方性の効率を改善することができる。

前述の通り、ベーン１０の輪郭のキャンバー線１５は、少なくとも２つの変曲点Ｉ１、Ｉ２を含む。変曲点Ｉ１、Ｉ２の数は、流れに関して前縁１１のおよび後縁１２の全体的な方向付けを維持し、したがってスロート部の断面を保つように偶数であり得ることが好ましい。そのうえ、１つの実施形態によれば、前縁１１と後縁１２との間のすべての点において、キャンバー線１５および内弧面壁１４が翼弦１６から遠くに延在し、外孤面壁１３の凹領域が翼弦１６を横切るように、対応するキャンバー線１５は、ここに内弧面壁１４と翼弦１６との間で延在する。

Claims (8)

1. ガス流に対向して配置される前縁（１１）と、前縁（１１）と反対側の後縁（１２）と、前縁（１１）を後縁（１２）に接続する外孤面側壁（１３）および内弧面側壁（１４）とを含む、エンジン（１）のラジアルまたは混流圧縮機（２）用のディフューザ（５）のベーン（１０）にして、
   前縁（１１）と後縁（１２）との間に少なくとも２つの変曲点（Ｉ１、Ｉ２）を持つキャンバー線（１５）を有する輪郭を含む、ベーン（１０）であって、
   内弧面壁（１４）の曲線および外孤面壁（１３）の曲線は、
   内弧面壁（１４）が、前縁（１１）と後縁（１２）との間に、凹部（１４ｂ）によって分離される少なくとも２つの凸部（１４ａ、１４ｃ）を含み、
   外孤面壁（１３）が、前縁（１１）と後縁（１２）との間に、凸部（１３ｂ）によって分離される少なくとも２つの凹部（１３ａ、１３ｃ）を含む
   ようにキャンバー線（１５）の曲線に実質的に従い、
   輪郭が、前縁（１１）と後縁（１２）との間に延在する翼弦（１６）を画定し、内弧面壁（１４）の凸部（１４ａ、１４ｃ）および外孤面壁（１３）の凹部（１３ａ、１３ｃ）が、前記翼弦（１６）の同じ側に少なくとも部分的に延在することを特徴とする、ベーン（１０）。
2. 輪郭が、前縁（１１）と後縁（１２）との間に延在する翼弦（１６）を画定し、前縁（１１）と後縁（１２）との間のすべての点で、前記翼弦（１６）が、キャンバー線（１５）から遠くに配置される、請求項１に記載のベーン（１０）。
3. 輪郭が、前縁（１１）と後縁（１２）との間に延在する翼弦（１６）を画定し、変曲点（Ｉ１、Ｉ２）が、前記翼弦（１６）の１０％と９０％との間に配置される、請求項１または２のいずれか一項に記載のベーン（１０）。
4. 前記変曲点の一番目（Ｉ１）が、翼弦（１６）の３５％と５５％との間に配置され、前記変曲点の二番目（Ｉ２）が、前記翼弦（１６）の５５％と６５％との間に配置される、請求項３に記載のベーン（１０）。
5. およそ０°とおよそ４５°との間に含まれる迎え角（α）を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のベーン（１０）。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の少なくとも１つのベーン（１０）を含む、エンジン（１）のラジアルまたは混流圧縮機のディフューザ（５）。
7. 請求項６に記載のディフューザ（５）を含む、エンジン（１）のラジアルまたは混流圧縮機（２）。
8. 請求項７に記載のラジアルまたは混流圧縮機（２）を含む、エンジン（１）。

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