JP2017527733A - 可変式出力ガイドベーンを備えた軸流−遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

軸流圧縮機を含む上流側部分（２４）と、遠心流圧縮機を含む下流側部分（２６）と、上流部分と下流側部分との間に配置された可変スタッガ角の出口ガイドベーン（６４）と、を備える圧縮機装置。下流側部分は、集合的に環状プラナム（６２）を定める主部分及び外側スカート（３０）を備えるケーシング（２８）で囲まれ、出口ガイドベーンは、前記ケーシングの主部分に取り付けられ、アクチュエータ（８４）は、前記外側スカートの外側に取り付けられ、リンケージは、前記プレナムを貫通して前記アクチュエータを前記出口ガイドベーンに相互接続することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、ターボ機械圧縮機に関し、より具体的には、当該圧縮機の可変ステータ要素に関する。

ガスタービンエンジンは、流れ連通関係で、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含み、これらは集合的にターボ機械コアを構成する。コアは、エンジン構成要素と連動して従来方法で作動可能であり、推進力又は機械的仕事の生成などの有効仕事を行うようになっている。圧縮機の１つの公知の構成は、「軸流−遠心」圧縮機であり、ダクトを介して下流側の遠心流部分に吐出する上流側の軸流部分を含む。

高圧力比及び高効率に対するサイクル要求により、軸流−遠心圧縮機の下流側端部のディフューザスロート流れ面積は、比較的小さい場合が多い。その結果、部分速度状態において、圧縮機の遠心流部分の最大流量は、軸流圧縮機の最小安定流量未満である（すなわち、軸流圧縮機は自身のストール線を越える）。従来のデザインにおいて、圧縮機の安定性は、軸流圧縮機部分と遠心圧縮機部分の間の所定の位置から過流量を抽出又は「ブリード」することで、又は質量流量を絞るための可変有効角を伴う入口ガイドベーンを使用することで得られる。この両方法は、性能面で悪影響をもたらし、その有効性が限定的である。

仏国特許公開２４３３１０６号明細書

従って、様々な流量で高い効率で作動可能な軸流−遠心圧縮機に対するニーズがある。

このニーズは、上流側軸流部分及び下流側遠心流部分を有する圧縮機によって対処される。可変式ガイドベーンは、軸流部分と遠心流部分との間に配置される。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することで最もよく理解することができる。

圧縮機装置を含むガスタービンエンジンの片側概略図。 図１の圧縮機装置の一部の後方立面図。 図１の圧縮機装置の一部の拡大された片側断面図。 第１の位置での出口ガイドベーンのセットの概略平面図。 第２の位置での出口ガイドベーンのセットの概略平面図。 別の圧縮機装置の一部の片側断面図。

図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、例示的な圧縮機１０を示す。図示の実施例において、圧縮機１０は、中心長さ方向軸線「Ａ」を有するガスタービンエンジン１２に組み込まれており、ガスタービンエンジン１２は、連続的流れ順に、圧縮機１０、燃焼器１４、及びガス発生器タービン１６を含む（燃焼器１４及び圧縮機１６は概略的に示されている）。本明細書で用いる場合、用語「軸方向」及び「長手方向」の両方は、軸線Ａに平行な方向を指し、一方で、用語「半径方向」は、軸方向に直交する方向を指し、用語「接線方向」又は「円周方向」は、相互に軸方向及び半径方向に直交する方向を指す。本明細書で用いる場合、用語「前方」又は「前部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に上流側にある位置を指し、用語「後方」又は「後部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に下流側にある位置を指す。この流れ方向は、図１では矢印「Ｆ」で示される。これらの方向に関する用語は、説明の際に便宜上使用されるに過ぎず、記載される構造体の特定の向きは必須ではない。

圧縮機１０は加圧空気を供給し、この加圧空気は、主として燃焼器１４に流入して燃焼を助けると共に、一部は燃焼器１４を迂回して燃焼器ライナ及びさらに下流のターボ機械を冷却するために利用される。燃料は、燃焼器１４の前方端に噴射され、従来通り空気と混合する。結果として得られた燃料−空気混合気は、燃焼器１４に流入して点火されて高温燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、ガス発生器タービン１６に排出され、ここで膨張してエネルギが抽出される。ガス発生器タービン１６は、シャフト１８を介して圧縮機１０を駆動する。図示の実施例において、エンジン１２はターボシャフトエンジンであり、作業タービン（出力タービンとも呼ばれる）２０は、ガス発生器タービン１６の下流側に配置され、機械的負荷に連結することができる出力シャフト２２に結合する。しかしながら、本明細書に記載の原理は、任意の軸流−遠心圧縮機にも同様に適用できる。例えば、これは外部原動機で駆動される圧縮機に適用することができる。

圧縮機１０は、上流側部分２４及び下流側部分２６を含む。環状ケーシング２８は、圧縮機１０全体を囲む。断面図に示すように、ケーシング２８の後方部分は、外側スカート３０を含み、この外側スカート３０は、ケーシング２８の残部から半径方向外向きに末広になっており「Ｙ」形を成す。圧縮機１０の上流側部分２４は、軸方向流体流のために構成され、軸流部分又は単に軸方向部分と呼ぶこともできる。これは複数の段を含み、各段は、回転翼形部又はブレード３２の列、及び固定翼形部又はベーン３４の列を含む。ベーン３４は、上流側のブレード３２の列から流出した空気流の方向を、下流側のブレード３２の列に流入する前に変えるように機能する。

随意的に、１又は２以上のベーンの列は（１列、図１では３４■で示される）、可変式
ステータベーン又は単純に「ＶＳＶ」とすることができる。これらの段のベーン３４■は
、これらの入射角（スタッガ角とも呼ばれる）が作動時に変更できるように構成される（つまり、これらのステータベーン３４■は、点線で示す軸の周りを枢動できる）。ＶＳＶ
は、公知の方法で上流側部分２４を通る流れを絞ることができ、ブリード弁などの他の機構で生じる損失がない状態で、高質量流量及び低質量流量の両方において効率良く作動することができる。各ＶＳＶ段のベーン３４■は、ケーシング２８を貫通して半径方向外向
きに延びる、対応するトラニオン３６を有する。アクチュエータアーム３８は、各トラニオン３６の遠位端に取り付けられる。個別の段のアクチュエータアーム３８の全ては、ユニゾンリング４０によって連結される。ユニゾンリング４０がエンジンの長手方向軸Ａの周りで回転すると、このリング４０に結合した全てのアクチュエータアーム３８が一致して動き、結果的に全てのトラニオン３６がこれに取り付けられたステータベーン３４■と
共に一致して旋回する、ユニゾンリング４０を旋回させる何らかの公知のタイプのアクチュエータは、ＶＳＶ３４■を作動させるために使用することができる。例えば、液圧又は
電気式リニアアクチュエータは、この目的で使用することができる。例示的な実施例において、アクチュエータ４２は概略的に示されており、ユニゾンリング４０に結合されている。アクチュエータ４２は、図１に概略的に示すコントローラ４４に作動的に接続する。これは、制御信号をアクチュエータ４２に送信すること及び／又は加圧流体又は電力などのエネルギ源の流れを制御することができるデバイスである。コントローラ４４は、油圧機械式ユニット、電力管理ユニット（ＰＭＵ）又は全自動デジタルエンジン制御（ＦＡＤＥＣ）などの公知のエンジン制御デバイスの一部とすることができる。

圧縮機１０の下流側部分２６は、遠心又は混成式の軸方向−遠心流体流のために構成され、遠心流部分又は単に遠心部分と呼ぶこともできる。

下流側部分２６は、インペラ４６を含み、インペラは、シャフト１８と一緒に回転するように取り付けられ、軸方向前方端４８及び後方端５０を有する。インペラ４６は、略凹形に湾曲した内側流路表面５２を定める。内側流路表面５２は、前方端４８に向かって略長手方向に延びかつ後方端５０の近くで略半径方向に延びる。翼形形状のインペラブレード５４の環状アレイは、内側流路表面４２から半径方向外向きに延びる。インペラブレード５４は、寸法、断面形状、方向、間隔、及び他のパラメータ（従来例に従う）に関して、インペラ４６が回転する際にそこを流れる空気の漸次的速度増加をもたらすように構成される。スプリッタブレード５６の環状アレイは、インペラ４６の周囲の周りでインペラブレード５４と互い違いになる。スプリッタブレード５６は、インペラブレード５４と形状が似ているが、軸方向長さが短い。

環状シュラウド組立体５８は、インペラ４６を囲む。シュラウド組立体５８は、インペラ５４及びスプリッタブレード５６の先端部に隣接してこれを囲む、略凹形に湾曲した外側流路表面６０を定める。内側流路表面５２及び外側流路表面６０は一緒になって下流側部分２６を通る主流路を定める。シュラウド組立体５８の前方端は、ケーシング２８に隣接し、ケーシング２８、その外側スカート３０、及びシュラウド組立体５８は、集合的に環状プラナム６２の境界を定める。

翼形形状出口ガイドベーン（ＯＧＶ）６４の列は、上流側部分２４と下流側部分２６との間に配置される。ＯＧＶ６４は、スタッガ角が作動時に変更できるように構成される（つまり、ＯＧＶ６４は、点線で示す軸の周りを枢動できる）。可変式ＯＧＶ６４は、以下に詳細に説明するように、上流側部分２４から下流側部２６に入る流れのスワール（すなわち、接線速度）を変更することができる。各ＯＧＶ６４は、ケーシング２８を貫通して半径方向外向きにプレナム６２へ延びる対応するトラニオン６６を有する。アクチュエータアーム６８は、各トラニオン６６の遠位端に取り付けられる。ＯＧＶ６４の全てのアクチュエータアーム６８は、プレナム６２の内側に配置されたユニゾンリング７０によって連結される。

図２及び３に明示するように、ベルクランク７２は、ＯＧＶ６４とほぼ同じ軸方向位置で外側スカート３０に取り付けられる。ベルクランク７２は、外側スカート３０のブッシュ７６内で回転するように取り付けられたバレル７４と、プレナム６２内に配置された内側アーム７８と、外側スカート３０の外側に配置された外側アーム８０とを含む。内側アーム７８及び外側アーム８０はバレル７４と一致して回転する。内側アーム７８の遠位端は、略接線方向に延びるリンク８２によってユニゾンリング７０に結合する。

アクチュエータ８４（図１参照）は、外側スカート３０の外側に配置され、外側アーム８０の遠位端に結合する。ベルクランク７２を回転させるに有効な何らかの公知のタイプのアクチュエータを使用して、ＯＧＶ６４を作動させることができる。例えば、液圧又は電気式リニアアクチュエータをこの目的で使用することができる。アクチュエータ８４は、図１に概略的に示すコントローラ４４に作動的に接続される。従って、結合されたアクチュエータ８４の直線運動によってベルクランク７２が枢動し、結果的にユニゾンリング７０が回転する。ユニゾンリング７０がエンジンの長手方向軸Ａの周りで回転すると、ユニゾンリング７０に結合した全てのアクチュエータアーム６８が一致して動き、結果的に全てのトラニオン６６がこれに取り付けられたＯＧＶ６４と同時に旋回する。リンク８２及びベルクランク７２は一緒になって、アクチュエータ８４及びユニゾンリング７０を相互接続するように作動可能な機械的リンケージを構成する。これにより、アクチュエータをプレナム６２の高温かつ比較的混雑した領域に配置することなく、ＯＧＶ６４を作動させることができる。他の機能的に等価な機械的リンケージ及び／又はアクチュエータ構成をこの目的のために代用することができる。

例えば、図６には別の構成が示されており、ＯＧＶ６４は、プレナム６２を横切って延びかつ外側スカート３０■の別バージョンを貫通する延長トラニオン６６■に結合する。
アクチュエータアーム６８■は、各ラニオン６６■の遠位端に取り付けられ、外側スカー
ト３０■の外側に配置されたユニゾンリング７０■及びアクチュエータ８４■に結合する
ことができる（図１のユニゾンリング４０及びアクチュエータ４２の配置に類似する）。

作動時、コントローラ４４を使用して、各エンジン運転状態に関するＯＧＶ６４、随意的にＶＳＶ３４の適切なスタッガ角を決定することができる。例えば、これは、各運転状態に関する所望のスタッガ角が記入された内蔵電子マップ又はテーブルによって実行することができる。エンジンの運転条件又は状態は、オペレータの制御入力、エンジン速度、もしくはエンジン１２の中の種々の場所での流体温度又は圧力などの１又は２以上のパラメータで定めることができ、これらのパラメータの全ては、公知のタイプのセンサデバイスを用いて求めることができる。この決定に基づいて、次に、ＯＧＶ６４及び随意的にＶＳＶ３４は、アクチュエータ４２及び８４を用いて所望のスタッガ角に駆動される、図４は、第１の相対的に開いたスタッガ角βのＯＧＶ６４を示し、そこを通る流れの第１の相対的に低い接線速度「Ｖ１」又はスワールがもたらされる。図５は、第２の相対的に閉じたスタッガ角βのＯＧＶ６４を示し、そこを通る流れの第２の相対的に高い接線速度「Ｖ２」又はスワールがもたらされる。

圧縮機１０は、低質量流量及び圧力比の低回転速度、並びに高質量流量及び圧力比の高回転速度の両方で作動することができる。一般的原理によれば、上流側部分２４及び下流側部分２６の質量流量は、高出力状態（巡航出力）では本質的に良く一致する。しかしながら、部分出力状態では、圧縮機１０の下流側部分２６を通る最大流量は、上流側部分２４の安定作動に必要な流量を下回る。本明細書に記載の原理によれば、このような部分出力状態では、ＯＧＶ６４は「開く」ことになり、ＯＧＶは図５に示す位置から図４に示す位置に動く。これにより、下流側部分２６に入る流れのスワールが低くなる。これは、下流側部分２６の圧力比及び流量を増大させる効果がある。これらの流量は良好に一致して軸方向作動線が下がる。

随意的に、ＯＧＶ６４の操作に加えて、ＶＳＶ３４は、部分出力レベルで閉じて、上流側部分２４の流量及び圧力比を低減して下流側部分２６での流量と良好に位置させることができる。随意的に、ＯＧＶ６４の操作に加えて空気を上流側部分２４からブリードすることができる。

本明細書に記載の装置は、従来技術に対して複数の利点を有する。下流側遠心圧縮機に入るスワールを低減できる能力により、遠心圧縮機の圧力比及び流量を増大させて軸流圧縮機の作動線を下げることができる。これは一定の作動性でのより低いブリード抽出又は、現在のブリードレベルでの改善された作動性マージンにつながる。ブリードレベルを下げることは、小型構造体及び軽量化を可能にするという本質的な利点を有する。加えて、可変式ＯＧＶは、圧縮機の軸流部分と遠心部分との間の相対的な負荷を変えることで作動線に沿って効率を最適にするために用いることができる。

前記は、可変式出力ガイドベーンを備えた圧縮機を説明する。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、及び／又はそのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。

本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される各特徴は、明示的に別途規定のない限り、同じ、等価の又は同様の目的を提供する代替の特徴で置き換えることができる。従って、明示的に別途規定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。

本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。本発明は、本明細書（何れかの添付の潜在的新規ポイント、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。

２４ 上流側部分
２６ 下流側部分
２８ ケーシング
３０ 外側スカート
６４ 出口ガイドベーン
６２ 環状プラナム
６６ トラニオン
６６’ トラニオン
６８ アクチュエータアーム
６８’ アクチュエータアーム
７０ ユニゾンリング
７０’ ユニゾンリング
７２ ベルクランク
７８ 内側アーム
８０ 外側アーム
８２ リンク
８４ アクチュエータ
８４’ アクチュエータ

Claims (15)

1. 軸流圧縮機を含む上流側部分（２４）と、
   遠心流圧縮機を含む下流側部分（２６）と、
   前記上流部分と前記下流側部分との間に配置された可変スタッガ角の出口ガイドベーン（６４）と、
   を備える圧縮機装置（１０）。
2. 前記下流側部分は、集合的に環状プラナム（６２）を定める主部分及び外側スカート（３０）を備えるケーシング（２８）で囲まれ、
   前記出口ガイドベーンは、前記ケーシングの主部分に取り付けられ、
   アクチュエータ（８４）は、前記外側スカートの外側に取り付けられ、
   リンケージは、前記プレナムを貫通して前記アクチュエータを前記出口ガイドベーンに相互接続する、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記出口ガイドベーンは、トラニオン（６６）及びアクチュエータアーム（６８）を含み、前記アクチュエータアームの全ては前記プレナム内に配置されたユニゾンリング（７０）によって結合され、
   前記リンケージは、前記外側スカートに取り付けられ、前記外側スカートの外側で前記アクチュエータに結合する外側アーム（８０）と前記プレナムの内部で前記ユニゾンリングに結合する内側アーム（７８）とを備えたベルクランク（７２）を含む、請求項２に記載の装置。
4. 接線方向に整列したリンク（８２）は、前記プレナムの内部で前記ベルクランクの内側アームと前記ユニゾンリングとを結合する、請求項３に記載の装置。
5. 前記下流側部分は、環状プラナム（６２）を定める主部分と外側スカート（３０）を備えるケーシング（２８）で囲まれ、
   前記出口ガイドベーンは、前記ケーシングの前記主部分に取り付けられ、
   前記出口ガイドベーンの各々は、前記プレナム及び前記外側スカートを貫通するトラニオン（６６’）を含み、アクチュエータアーム（６８’）は、前記外側スカートの外側で前記トラニオンに取り付けられる、請求項１に記載の装置。
6. 前記アクチュエータアームの各々は、前記外側スカートの外側に配置されたユニゾンリング（７０’）によって結合され、
   前記ユニゾンリングは、アクチュエータ（８４’）に結合される、請求項５に記載の装置。
7. 前記上流側部分は、少なくとも１つの可変式ステータベーン（３４'）の列を含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記上流側部分は複数の段を備え、前記段の各々は、回転翼形ブレードの列及び固定翼形部の列を含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記下流側部分は、回転するように取り付けられたインペラ（４６）を備え、前記インペラは、外向きに延びる翼形形状インペラブレード（５４）の環状アレイを備えた内側流路表面（５２）を有する、請求項１に記載の装置。
10. 請求項１の圧縮機装置と、
    前記圧縮機装置の下流側に配置された燃焼器（１４）と、
    前記燃焼器の下流側に配置された第１のタービン（１６）と、
    前記第１のタービンと前記圧縮機装置とを相互接続するシャフト（１８）と、
    を備えるガスタービンエンジン装置。
11. 前記第１のタービンの下流側に配置された第２のタービン（２０）をさらに備える、請求項１０に記載の装置。
12. 軸流圧縮機を有する上流側部分（２４）と遠心流圧縮機を有する下流側部分（２６）とを含む圧縮機装置（１０）を作動させる方法であって、前記方法は、前記上流側部分と前記下流側部分との間に配置された出口ガイドベーン（６４）の列のスタッガ角を選択的に変更するステップを含み、前記上流側部分から前記下流側部分に流れる質量流量をバランス調整するようになっている、方法。
13. 前記出口ガイドベーンは、前記圧縮機装置の相対的に低い回転速度において相対的に低い接線速度の流れを与え、かつ前記圧縮機装置の相対的に高い回転速度において相対的に高い接線速度の流れを与えるように配置される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記上流側部分に配置された少なくとも１つの可変式ステータベーン（３４’）の列でのスタッガ角を選択的に変更するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記可変式ステータベーンは、前記圧縮機装置の相対的に低い回転速度において相対的に低い流体流量を可能にし、かつ前記圧縮機装置の相対的に高い回転速度において相対的に高い流体流量を可能にするように配置される、請求項１２に記載の方法。