JP2018530696A - ターボマシンのための粒子捕集装置、および、そのような装置を有するターボマシン - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボマシンのための粒子捕集装置（２）であって、前記粒子が、ターボマシン内を流れる空気流、特に、前記ターボマシンの燃焼チャンバ（１３）のバイパス領域（１７）を流れる空気流に含まれる、粒子捕集装置に関する。本装置は、少なくとも２つの粒子ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）と、前記ディフレクタによってそらされた粒子を収集および貯蔵するための部材（５）と、前記捕集装置（２）をターボマシンの一部に取り付けるための手段（６）と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、特に航空機またはヘリコプタに備えられた、ターボマシンの分野に位置している。

本発明は、より詳細には、ターボマシンのための粒子捕集装置に関し、これら粒子は、具体的には、前記ターボマシン内を循環する空気流に含まれる、砂または粉塵の粒である。この捕集装置は、より詳細には、ターボマシンの燃焼チャンバのバイパスエリアに配置されるように設計されている。

本発明は、そのような捕集装置が備えられたターボマシンにも関する。

添付の図１の概略に見ることができるように、ターボマシン１は概して、上流から下流に、ガスの流れ方向において、空気取入口１１、１つまたは複数のコンプレッサ段１２（たとえば、前記図における単一のコンプレッサ段）、環状燃焼チャンバ１３、たとえば１つの高圧タービン１４と１つの低圧タービン１５との、１つまたは複数のタービン段、および、最後にガス排気ノズル１６を備えている。

以下の説明、特許請求の範囲、および図面において、「前方」との用語（参照符号ＡＶ）および「後方」との用語（参照符号ＡＲ）は、航空機またはヘリコプタのターボマシンの配置を参照する際に使用される。

空気は、空気取入口１１において吸引され、コンプレッサ１２内で圧縮され、次いで、前記燃焼チャンバ１３のバイパスエリア１７に向けられる。

ターボマシンの作動中は、燃焼チャンバ１３の壁１３１は、非常に高い温度にさらされる。このため、これら壁の冷却は、概して、複数の穿孔、すなわち、前記燃焼チャンバの壁１３１に設けられた非常に小さい直径の、非常に多くの穴を通しての、コンプレッサ１２を出る空気の循環によって行われる。

参照符号１３０が付された、これら穴の内のいくつかのみが、図１に示されている。

燃焼チャンバ１３を出る、空気と高温の燃焼ガスとが、次いで、タービン１４、１５および排気ノズル１６に送られる。

ここで、前記ターボマシンが備えられたマシンが、たとえば砂漠など、粉塵が多いか、砂が多い雰囲気の中での飛行を行う場合、砂および粉塵の粒などの、立ちこめている粒子Ｐが、空気取入口１１において吸い込まれることに留意する。

これら粒子Ｐは、こうして、バイパスエリア１７に達し、燃焼チャンバ１３の壁１３１に設けられた穴１３０を塞ぐことになる。

ここで、これら穴１３０が塞がれた場合、空気はもはや、燃焼チャンバ１３内で循環することができず、燃焼チャンバ１３の壁１３１の冷却はもはや行われず、炎に接触して、燃焼チャンバが急速に劣化する。

ターボマシンによって吸い込まれる粒子Ｐを保持することを可能にする既知の装置は、空気取入口１１に位置する、空気取入口の遮蔽物である。この遮蔽物は、異物の一部を、これら異物がターボマシン内に入る前に保持することを可能にする。

しかしながら、遮蔽物のメッシュよりも小さいサイズの粒子Ｐは、吸い込まれる。

実際、空気取入口において、細かいメッシュのフィルタを設置するのは現実的ではなく、この理由は、細かいメッシュのフィルタの設置により、ヘッドロスがかなり大きくなり、エンジンの性能を低下させることになるためである。

米国特許第３３７１４７１号明細書の文献から、ガスタービンのエンジンの空気取入口に配置するように設計された粒子捕集装置が既知である。そのような装置は、入ってくる空気流が当たる一連の曲がったそらせ板を備えている。これらそらせ板によって保持される粒子は、環状のダスト回収装置内に集められる。

しかしながら、そのような装置はコンパクトではなく、ターボマシンの燃焼チャンバのバイパスエリアに設置されるようには設計されていない。

さらに、そらせ板には、空気流の循環を減速させ、かなりのヘッドロスを生じる作用がある。

米国特許第３３７１４７１号明細書

したがって、本発明は、従来技術の上述した欠点を解消し、燃焼チャンバの壁に設けられた穴を粒子が塞ぎ得る前に、粒子、または、粒子の少なくとも大部分を保持することを可能にする、粒子捕集装置を供給する目的を有している。

本発明の別の目的は、ターボマシンの動作性能を変化させない、具体的には、内部の空気の循環を変化させないような、捕集装置を提案することである。

本発明の別の目的は、コンパクトな捕集装置を提案することである。

最後に、有利には、そのような捕集装置は、やはり、トラップされた粒子の一時的貯蔵をも可能にしなければならず、その後に、ターボマシンのメンテナンス作業の間に、それら粒子が除去され、それにより、これら粒子が捕集装置内に蓄積することを避けるようになっている。

このため、本発明は、ターボマシンの粒子捕集装置であって、これら粒子が、ターボマシン内を循環する空気流、特に、前記ターボマシンの燃焼チャンバのバイパスエリアを循環する空気流に含まれる、具体的には、砂または粉塵の粒である、粒子捕集装置に関する。

本発明に従って、本装置は、
少なくとも２つの粒子ディフレクタと、
前記ディフレクタによってそらされた粒子を収集および貯蔵するための要素と、
前記捕集装置をターボマシンの一部分に取り付けるための手段と、を備え、
前記ディフレクタが、環状の形状を有するとともに、少なくとも１つの支持フレームに取り付けられており、それにより、互いに対して、または互いから、同軸で、かつ径方向に整列され、径方向に離間するようになっており、前記ディフレクタが、各ディフレクタの回転軸に対して同じ向きに傾いており、それにより、前記粒子収集貯蔵要素に向くようになっている。

本発明のこれら特徴のおかげで、ディフレクタ（複数の場合もある）に当たる粒子はすべて、粒子収集貯蔵要素に向けて戻され、燃焼チャンバの壁に設けられた穴を塞ぐことはない。

この装置は、非常にコンパクトであるという利点をさらに有している。

単独で、または組み合わせて取られる、本発明の他の有利かつ非限定的な特徴によれば、
前記支持フレームが、ディフレクタの回転軸に垂直または実質的に垂直な平面内で延びるリングであり、隣接するディフレクタの対のディフレクタが、前記環状支持フレームの外側円形縁部と内側円形縁部とに沿ってそれぞれ取り付けられており、この支持フレームが、空気流を通すための開口で穴が開いており、
ディフレクタの内側面が、前記回転軸に対する傾斜角度であって、装置のさらに径方向内側に配置されたディフレクタの内側面の、この同じ回転軸に対する傾斜角度より大である、傾斜角度を有し、
隣接するディフレクタの対の、もっとも外側のディフレクタの内径が、さらに内側に位置するディフレクタの外径以下であり、
装置が３つのディフレクタを備え、
前記ディフレクタの少なくとも１つが、直線的な断面を有し、
前記ディフレクタの少なくとも１つが、曲がった断面を有し、この曲がりの凹部が、粒子収集貯蔵要素に向いており、
収集貯蔵要素が、ディフレクタの回転軸と同軸の中実リングを備え、このリングが、この軸に対して垂直または実質的に垂直な平面に延びており、このリングが、中実の外側環状縁部、および、中実の内側環状縁部により、前記ディフレクタの方向に続いており、前記収集貯蔵要素が、ディフレクタに面して配置されており、
前記取付け手段が、ディフレクタの回転軸と同軸であるとともに、この回転軸に垂直である、平坦な環状フランジを備え、この環状フランジが、前記回転軸と同軸な長手軸で、シリンダにより、粒子収集貯蔵要素の方向に続いており、前記シリンダが、空気流を通すためのいくつかの開口で穴が開いており、前記環状フランジが、取付け部材を通すためのいくつかの開口で穴が開いている。

最後に、本発明は、ターボマシンであって、燃焼チャンバ、および、前記燃焼チャンバの壁と、前記ターボマシンの外側ケーシングとの間に設けられたバイパスエリアを備え、このターボマシンには、上述の粒子捕集装置が備えられており、装置が、前述のバイパスエリアの内側に配置されている、ターボマシンにも関する。

本発明の他の特徴および利点は、ここで、添付図面を参照して行われることになる、説明から明らかとなるであろう。添付図面は、表示の目的で、限定することなく、本発明の可能性のある実施形態を示している。

ターボマシンの例示的実施形態の長手方向の断面を示す概略図である。 本発明に従う捕集装置をさらに示した、図１の細部Ａの図である。 異なる観察角度で取られた、本発明に従う捕集装置の実施形態の部分的な斜視図である。 異なる観察角度で取られた、本発明に従う捕集装置の実施形態の部分的な斜視図である。 異なる観察角度で取られた、本発明に従う捕集装置の実施形態の部分的な斜視図である。

本発明に従う粒子捕集装置は、全体として参照符号２を有している。

図２に見ることができるように、この装置２は、燃焼チャンバ１３のバイパスエリア１７に位置するように設計されている。より正確には、燃焼チャンバ１３の壁１３１の外側かつ、ターボマシンの外側ケーシング１８の内側に位置するように設計されている。

しかしながら、装置２の正確な位置は、このバイパスエリア１７内を循環する空気流に含まれる粒子の軌道に基づき、計算によって判定されることになる。この計算は、壁１３１と、燃焼チャンバ１３の後方端部に面して位置する、外側ケーシング１８の壁１８０の部分との、それぞれの形状をも考慮する。

捕集装置は、こうして、粒子が燃焼チャンバの壁の穴１３０に達する前に、この捕集装置により、最大量の粒子を集めることが可能になる位置に有利に配置されることになる。

この捕集装置２の特定の実施形態を、ここで、図２から図５を参照して説明する。

この捕集装置２は、好ましくは、前方ＡＶか後方ＡＲに向かって、少なくとも２つのディフレクタ３、粒子収集貯蔵要素５、および、前記貯蔵装置をターボマシンの一部分に取り付けるための手段６を備えている。

これら要素はすべて、熱に対して耐性があり、好ましくは、粒子の摩耗に対する耐性も有している材料、たとえば、金属または複合材料で構成されている。

これら様々な要素を、ここで、より詳細に説明する。

本装置は、少なくとも２つのディフレクタ３、たとえば、図に示すように、３つのディフレクタを備えている。４つ以上のディフレクタを有することも可能である。

各ディフレクタは、回転軸Ｘ、Ｘ’を有するリング形状である。異なるディフレクタ３が、支持フレーム４に取り付けられ、それにより、軸Ｘ−Ｘ’と同軸かつ、径方向に互いに離間しているようになっている。

説明され、図３に示される例では、これらディフレクタは、「外側」ディフレクタ３ａ、「中間」ディフレクタ３ｂ、および「内側」ディフレクタ３ｃと呼ばれ、外側ディフレクタが、最大の直径を有するディフレクタであり、このため、もっとも外側に位置している。各ディフレクタは、幅が小である、中実のブレードの形状を有する要素によって構成されている。このブレードは、リングの形態で、ブレード自体が閉じている。

これらディフレクタ３ａ、３ｂ、３ｃはすべて、ディフレクタの共通の回転軸Ｘ−Ｘ’に対して同じ向きに傾斜するように、すなわち、外側前方から、回転軸Ｘ−Ｘ’および後方ＡＲに向かって傾斜するように、フレーム４にさらに取り付けられている。換言すると、ディフレクタは、円錐台状のリングの形状を有している。しかしながら、ディフレクタの傾斜角度は、好ましくは、異なっている。これらディフレクタは、要素５に向けられている。

最後に、ディフレクタ３、３ａ、３ｂ、３ｃは、径方向に整列するとともに、軸Ｘ−Ｘ’に沿ってずれないように、フレーム４に取り付けられ、それにより、燃焼チャンバの壁１３０と、ケーシングの壁１８０との間の空間を過度に占めず、また、この位置で循環する空気流の流れを抑制しないようになっている。

「径方向に整列する（ｒａｄｉａｌｌｙ ａｌｉｇｎｅｄ）」により、ディフレクタ３ａ、３ｂ、３ｃがすべて、各ディフレクタのそれぞれの回転軸Ｘ−Ｘ’に対して垂直な、Ｐと称される同じ平面と交差することが意味される。各ディフレクタのこれら回転軸は、一致している。

外側ディフレクタ３ａの内側面３０ａ（すなわち、軸Ｘ−Ｘ’に向けられた面）は、回転軸Ｘ−Ｘ’とともに角度αを形成し、中間ディフレクタ３ｂの内側面３０ｂは、軸Ｘ−Ｘ’とともに角度βを形成し、最後に、内側ディフレクタ３ｃの内側面３０ｃは、軸Ｘ−Ｘ’とともに角度γを形成している。図２に観察できるように、角度αは角度βより大である。角度β自体は、角度γより大である。

好ましくは、角度αは、６５度から７５度の間に含まれ、より好ましくは、７０度に等しい。角度βは、４５度から５５度の間に含まれ、より好ましくは、５０度に等しい。角度γは、２５度から３５度の間に含まれ、より好ましくは、３０度に等しい。

好ましくは、図２に見ることができるように、ディフレクタ３ａ、３ｂ、および３ｃは、直線的な断面を有している。しかしながら、この断面は、曲がっていてもよく、曲がりの凹面は、粒子収集貯蔵要素５に向かって傾いている。

図２、図４、および図５によりよく示されているように、フレーム４は、２つの隣接するディフレクタ間の交差部材の役割を果たす。フレーム４は、回転軸Ｘ−Ｘ’に対して垂直、または実質的に垂直な平面、たとえば、平面Ｐ内で延びる、リングの形状を有している。フレーム４は、開口４０で穴が開いており、空気流の通過を可能にしている。これら開口４０は、有利には、均等な間隔で分布しており、好ましくは、フレーム４の表面の大部分を構成している。これら開口は、フレームの軽量化も可能にする。

捕集装置２が３つ以上のディフレクタ、たとえば、図のように３つのディフレクタを含む場合、捕集装置２は、隣接するディフレクタの各々の壁間に、フレーム４を備えている（図５を参照）。隣接するディフレクタの対の各ディフレクタは、環状フレーム４の外側円形縁部と内側円形縁部とに沿ってそれぞれ固定されている。

有利には、ディフレクタ３、３ａ、３ｂ、３ｃは、溶接によってフレーム４に取り付けられている。

図２および図４によりよく示されるように、好ましくは、粒子収集貯蔵要素５は、ディフレクタ３ａから３ｃの回転軸Ｘ−Ｘ’と同軸の中実リング５０を備えている。リング５０は、この軸に対して垂直または実質的に垂直に延びている。

好ましくは、ディフレクタ３、３ａ、３ｂ、３ｃのすべてに関し、単一の収集要素５が存在する。

このリング５０は、中実の外側環状縁部５１、および、中実の内側環状縁部５２により、前方ＡＶに続いている。

好ましくは、内側環状縁部５２は、もっとも内側のディフレクタ３ｃの後方縁部に連続して位置している。より好ましくは、これら２つの要素は、同じ単一部品のみを形成する。

したがって、この要素５は、ディフレクタ３、３ａ、３ｂ、３ｃに面して向けられた溝の概略的形状を有している。

最後に、図２から図４にもっとも見ることができるように、好ましくは、取付け手段６は、ディフレクタの回転軸Ｘ−Ｘ’と同軸かつ、この軸Ｘ−Ｘ’に対して垂直な、平坦な環状フランジ６０を備えている。この環状フランジは、長手軸Ｘ−Ｘ’でシリンダ６１により、前方に連続している。

フランジ６０には、いくつかの開口６２で穴が開けられている。開口６２は、たとえばネジなどの、取付け部材７が通ることを可能にしている。これらネジは、フランジを、ターボマシンの一部分に取り付けることを可能にしている。

シリンダ６１は、複数の開口６３で穴が開いている。開口６３は、ターボマシンの内側を循環する空気流の通過を可能にしている。フレーム４に関して説明したことと同様に、これら開口６３は、シリンダ６１の表面の大部分に表れており、それにより、空気の流れを遅らせるか抑制しないようになっている。このことは、装置全体の質量の低減にも寄与する。

シリンダ６１は、粒子貯蔵要素５に繋がっている。好ましくは、シリンダ６１は、要素５のリング５０の内側端部に溶接されている。

装置の動作を、次に示す。

粒子Ｐが含まれる、コンプレッサ１２から出る空気は、前方ＡＶから後方ＡＲに、燃焼チャンバ１３の外側壁１３１とケーシング１８との間で、バイパスエリア１７の内側を通り抜ける（図２の矢印Ｆ）。

粒子を含むこの空気流は、壁１８０に当たり、それにより、この壁１８０で粒子が跳ね返り（バウンド）、次いで、この壁１８０に向いた、ディフレクタ３ａ、３ｂ、および３ｃの外側面３１ａ、３１ｂ、３１ｃに当たるようになっている。粒子の動きは遅くなり、これら粒子は、粒子が要素５で集まり、収集されるまで、ディフレクタに沿って内側に（軸Ｘ−Ｘ’に向かって）スライドする。この要素５の壁が中実であることから、要素５からは、粒子は出ることができない。

しかしながら、開口４０により、捕集装置２の、空気流の循環に対する影響を制限することができ、したがって、ヘッドロスが制限される。換言すると、粒子は要素５によって保持されるが、空気流は、燃焼チャンバ１３の外側壁１３１の周りを循環し続けることが可能であり、それにより、穴１３０内に通り抜け、これら壁の冷却の機能を提供するようになっている。

最後に、有利には、外側ディフレクタ３ａの内側の半径Ｒ１（すなわち、外側ディフレクタ３ａのより小さい半径）は、隣接した中間ディフレクタ３ｂの外側半径Ｒ２（すなわち、中間ディフレクタ３ｂのより大である半径）以下であることに留意されたい。同じことが、隣接するディフレクタの各対に関して言える。

このため、粒子がケーシング１８の壁１８０で跳ね返り、軸Ｘ−Ｘ’に平行な方向に、前方に向かって戻る場合、外側ディフレクタ３ａによってトラップされることは避けられない。

粒子の軌道の計算は、燃焼チャンバのバイパスエリア１７の範囲を定める壁の形状に応じて、各ターボマシンに関して行わなければならず、それにより、粒子トラップ２が、ターボマシンによって吸い込まれ、燃焼チャンバのバイパス内に入る粒子の実質上の総数を保持するために、粒子トラップ２を最適に配置するようになっている。

さらに、角度α、β、およびγの値は、やはり、壁１８０の形状に応じて調整され、前述した値とは異なっている場合がある。

ターボマシンのメンテナンス作業の間、要素５内にトラップされた粒子は、こうして、粒子の蓄積を避けるために除去することができる。

Claims (10)

1. ターボマシンのための粒子捕集装置（２）であって、これら粒子が、ターボマシン内を循環する空気流、特に、前記ターボマシンの燃焼チャンバのバイパスエリアを循環する空気流に含まれる、具体的には、砂または粉塵の粒である、粒子捕集装置であって、
   少なくとも２つの粒子ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）と、
   前記ディフレクタによってそらされた粒子を収集および貯蔵するための要素（５）と、
   前記捕集装置（２）をターボマシンの一部分に取り付けるための手段（６）と、を備え、
   前記ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）が、環状の形状を有するとともに、少なくとも１つの支持フレーム（４）に取り付けられており、それにより、互いに対して、または互いから、同軸で、径方向に整列され、かつ径方向に離間するようになっており、前記ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）が、各ディフレクタの回転軸（Ｘ−Ｘ’）に対して同じ向きに傾いており、それにより、前記粒子収集貯蔵要素（５）に向くようになっていることを特徴とする、粒子捕集装置。
2. 前記支持フレーム（４）が、ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）の回転軸（Ｘ−Ｘ’）に垂直または実質的に垂直な平面内で延びるリングであることと、隣接するディフレクタの対のディフレクタが、前記環状支持フレーム（４）の外側円形縁部と内側円形縁部とに沿ってそれぞれ取り付けられていることと、この支持フレーム（４）が、空気流を通すための開口（４０）で穴が開いていることと、を特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ディフレクタ（３ａ、３ｂ）の内側面が、前記回転軸（Ｘ−Ｘ’）に対する傾斜角度（α、β）であって、装置のさらに径方向内側に配置されたディフレクタ（３ｂ、３ｃ）の内側面の、この同じ回転軸（Ｘ−Ｘ’）に対する傾斜角度（β、γ）より大である、傾斜角度（α、β）を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 隣接するディフレクタの対の、もっとも外側のディフレクタの内径（Ｒ１）が、さらに内側に位置するディフレクタの外径（Ｒ２）以下であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. ３つのディフレクタ（３ａ、３ｂ、３ｃ）を備えることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）の少なくとも１つが、直線的な断面を有することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）の少なくとも１つが、曲がった断面を有し、この曲がりの凹部が、粒子収集貯蔵要素（５）に向いていることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
8. 収集貯蔵要素（５）が、ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）の回転軸（Ｘ−Ｘ’）と同軸の中実リング（５０）を備え、このリングが、この軸に対して垂直または実質的に垂直な平面に延びており、このリング（５０）が、中実の外側環状縁部（５１）、および、中実の内側環状縁部（５２）により、前記ディフレクタの方向に続いており、前記収集貯蔵要素（５）が、ディフレクタに面して配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記取付け手段（６）が、ディフレクタ（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）の回転軸（Ｘ−Ｘ’）と同軸であるとともに、この回転軸に垂直である、平坦な環状フランジ（６０）を備え、この環状フランジが、前記回転軸（Ｘ−Ｘ’）と同軸な長手軸で、シリンダ（６１）により、粒子収集貯蔵要素（５）の方向に続いていることと、前記シリンダ（６１）が、空気流を通すためのいくつかの開口（６３）で穴が開いていることと、前記環状フランジ（６０）が、取付け部材（７）を通すためのいくつかの開口（６２）で穴が開いていることと、を特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の装置。
10. ターボマシン（１）にして、燃焼チャンバ（１３）、および、前記燃焼チャンバ（１３）の壁（１３１）と、前記ターボマシンの外側ケーシング（１８）との間に設けられたバイパスエリア（１７）を備えたターボマシンであって、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の粒子捕集装置（２）が備えられていることと、この装置（２）が、前記バイパスエリア（１７）の内側に配置されていることと、を特徴とする、ターボマシン。

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