JP2020518764A - ガスタービン用ブレード付きのダクト型ノズル - Google Patents

Abstract

入口部（１０８）と、収縮部（１０７）と、出口部（１０６）とを備えるガスタービン用ブレード付きのダクト型ノズル（１０１）を提供する。入口部（１０８）は環状通路であり、収縮部（１０７）は複数のブレード（１０５）によって分離される複数の気流の流通路を備え、各気流の流通路は、外周壁面（１１０）と、内周壁面（１１１）と、２つの隣接するブレード（１０５）のうちの１つにおける吸引面及び２つの隣接するブレード（１０５）の他方の１つにおける圧力面で囲まれて形成され、この気流の流通路の入口（１０２）は扇形の断面を呈し、各気流の流通路に対し、気流の流動方向に沿って見ると、この気流の流通路の入口（１０２）から出口（１０３）まで、扇形の断面は徐々に円形の断面へ円滑に遷移する。出口部（１０６）は、各この気流の流通路の出口（１０３）に対応してそれぞれ接続された、直径が軸線に沿って変化しない円形のダクト（１０４）を備える。このブレード付きのダクト型ノズルは、ブレード付きのホール型ノズルに対し、性能を低下させることなくブレードの数を顕著に減少させることができる。

Description

本発明は、航空ガスタービンエンジン用予旋回冷却システムの予旋回ノズルに関する。

航空エンジンの高圧タービンの部品を設計する際に、一般的には、高圧タービンローター冷却空気は圧縮機により抽気され、燃焼室を通過して供給されている。冷却空気が高圧タービンの回転盤に送られてきた時、回転盤が回転するため冷却空気の相対全温度が増大することで、高圧タービンを効果的に冷却することができなくなる。工学設計において、一般的に予旋回ノズルを用いて気流を転回させるようにして、冷却空気の相対全温度を減少させ、冷却空気の消費量を低減させ、よって高圧タービンの冷却効果を向上させてエンジン燃費を低下させる。

既に使用されている国内外のエンジン機種と公開資料において、予旋回ノズルは主に円形ダクト型とブレード型という２種類に設計されている。

直円柱ダクト型予旋回ノズルは、通路の数が少なく、出口気流角度特性がより良く、生産性を向上させるなどの利点で最初に応用されている。しかしながら、航空エンジンのサイクルパラメータの段階的な向上に伴い、直円柱ダクト型であっても、入口管径の拡大によるフレアダクト型（従来技術１）であっても、その低い冷却性能はますます受け入れられなくなっている。

ブレード型はこれまで周知の、気流を転回させる最も理想的な構造であり、研究者により、ブレード型予旋回ノズルを用いると、円形ダクト型よりも良い冷却能力を実現することができると発見された。しかしながら、ブレード型予旋回ノズルは、気流の転回を実現するために、円形ダクト型予旋回ノズルよりも倍に増加した通路数（ブレードの数と等しい）を用いることを必要とする。また、一般的にブレード型予旋回ノズルのブレードの高さが非常に低い（３〜４ｍｍ）ので、そのアスペクト比が小さくなり、ブレード型の予旋回ノズルの冷却能力が制限されており、更に重要なのは、生産や製造の難度を大幅に増やすことである。工業生産において、ブレード型予旋回ノズルは一般的に溶接又は鋳造によって製造され、ブレードの数が多く、ブレードの高さが小さいことで、溶接生産の場合、プロセスが複雑でコストが高く、鋳造生産の場合、歩留まりが低く、そのため、ブレード型の予旋回ノズルは工学的応用において難題となっている。

研究者によってブレード付きのホール型予旋回ノズル（従来技術２）が提案され、ブレードの吸引面と圧力面とを所定の距離分離させてブレードを厚くすることによって、単一流通路のスロート部の幅を減少させる。設計時にスロート部の総面積を不変にするままで、ブレードの高さを向上させることができる。この技術的解決手段はブレード型予旋回ノズルのブレードの高さが小さいという欠点をある程度で克服することができるが、吸引面と圧力面との距離を増大してブレードを厚くする結果、ブレード前縁の厚さが大きすぎ、幾何的に鈍るようになっている。気流は、厚さが大きく、鈍りが高い前縁の近傍において周流する時、更に大きい空力的損失が発生し、特にレイノルズ数Ｒｅ＜４×１０^５の動作状態で動作する時に、性能はフレアダクト型予旋回ノズルの水準まで低下することがあり、性能の安定さはブレード型予旋回ノズルに及ばさない。また、このようなブレード付きのホール型予旋回ノズル（従来技術２）は性能水準を低下させることなくブレードの数を顕著に減少させることができず、このようなブレード付きのホール型予旋回ノズル（従来技術２）を生産に応用する場合においても、ブレード型予旋回ノズルと同様な技術的困難性に直面する。

本発明の目的は、ブレード付きのホール型ノズルに対し、性能を低下させることなくブレードの数を顕著に減少させることができるガスタービン用ブレード付きのダクト型ノズルを提供することである。

本発明に基づくガスタービン用ブレード付きのダクト型ノズルは、気流の流動方向に沿って順に隣接する、環状通路である入口部と、複数のブレードによって分離される複数の気流通路を備える収縮部と、出口部とを備え、各前記気流通路は、外周壁面と、内周壁面と、２つの隣接するブレードのうちの１つにおける吸引面及び前記２つの隣接するブレードの他方の１つにおける圧力面で囲まれて形成され、この気流の流通路の入口は扇形の断面を呈し、気流の流動方向に沿って見ると、各前記気流の流通路に対し、この前記気流の流通路の入口から出口まで、扇形の断面は徐々に円形の断面へ円滑に遷移し、前記２つの隣接するブレードは、前記該ノズルの周方向における気流の転回をガイドするように設置され、前記外周壁面及び前記内周壁面は、該前記ノズルの半径方向における気流の転回をガイドするように設置され、前記出口部は、各該前記気流の流通路の出口に対応してそれぞれ接続された、直径が軸線に沿って変化しない円形のダクトを備える。

一実施例において、前記出口部は螺旋線を軸線とした螺旋管であり、前記螺旋線は前記円形断面の円心を通り、前記螺旋線の前記円形断面の円心における接線は前記円形断面の法線ベクトルと平行である。

一実施例において、前記円形断面の円心と前記円形ダクトの出口との間の、前記円形ダクトの軸線に沿った軸方向距離は、前記円形ダクトの軸方向の長さであり、前記円形断面の直径の０．１〜５倍の間にある。

一実施例において、前記出口部は直線を軸線とした直管であり、前記軸線は前記円形断面の円心を通り、前記円形断面の法線ベクトルと平行である。

一実施例において、前記入口部は環状通路である。

一実施例において、前記円形のダクトは、一本の直線の投射線を軸線とし、前記投射線は前記直線の前記円形のダクトの開始の円形の断面の円心が位置する回転面への投影であり、前記回転面は、前記開始の円形の断面の円心から前記ブレード付きのダクト型ノズルの軸心までの垂線を直径とし、かつ前記ブレード付きのダクト型ノズルと平行な軸方向に延伸する円柱面である。

一実施例において、前記ブレード付きのダクト型ノズルは航空用エンジンの高圧タービンにおける予旋回冷却システムに用いられ、冷気を転回させてから高圧タービンのローターブレード根部に送り込む。

上記のように、ブレード型予旋回ノズルについての工学的設計において、ブレードの距離を増大し、ブレードの数を減少させ、ブレードの高さを向上させることで生産や製造の難度を低減することが望まれている。ブレード型予旋回ノズルは性能を低減させることなくブレードの高さを向上させることができないが、円形ダクト型は寸法が適切で、生産性を向上させるという利点を有し、また、ブレード型はブレードの数を顕著に減少させる時にブレードの型の設計が非常に困難であり、ブレードの性能が深刻に低下する点に対して、円形ダクト型自体は通路の数が少ないという利点を有するものの、性能が悪い。円形ダクト型予旋回ノズルの空気力学的性能が悪くなる主な原因として、入口部において気流の転回が大きすぎ、大きい分離流動が存在するため、フレアダクト型予旋回ノズルであっても、その空気力学的性能の向上が依然として制限されており、ブレード型ほど性能に優れていない。

本発明に基づくブレード付きのダクト型ノズルは通路の数が少なく、生産し製造しやすいなどの利点を有するとともに、ブレード型予旋回ノズルの性能と同様なレベルの予旋回ノズルであり、ブレード付きのホール型ノズルに対し、性能を低下させることなくブレードの数を顕著に減少させることができる。ブレード型を用いて扇形流通路の断面を徐々に円滑に円形ダクト形状に収縮するように制御し、出口まで所定の長さがある円形ダクトを形成し、軸線に沿って円形ダクトの直径が変化せず、それによってブレードと円形ダクトを組み合わせて設計される新型ブレード付きのダクト型予旋回ノズルを実現する。ブレードは低い空力的損失で気流を転回させ、円形ダクトは気流の出口方向を安定させることができ、ブレードと円形ダクトの間は円滑に遷移し、ブレード付きのホール型予旋回ノズルは扇形面から扇形面へ遷移し、流通路は終始に収縮している。ブレード付きのダクト型予旋回ノズルの円形ダクトは円形ダクト型予旋回ノズルに基づいて設計され、ブレードの数を顕著に低下し、ブレード出口の高さ寸法を向上させる。本発明に基づくブレード付きのダクト型予旋回ノズルにおいて、気流転回機能を果たす流通路はブレード型予旋回ノズルに基づいて設計され、流通路の断面はブレードの型に沿って円形ダクト形状に円滑に収縮し、ブレード付きのホール型予旋回ノズル前縁の近傍の厚さが大きすぎ、前縁が鈍るなどの欠点を克服し、レイノルズ数が少し低い動作状態で性能の低下を回避することによって、ブレード付きのダクト型予旋回ノズルの性能水準はブレード型に近く、性能が安定する動作範囲を有する。

本発明に係る上記の、及び他の特徴、性質と利点は、以下の図面と実施例の説明から更に明らかになる。

その出口側が横断面で示される本発明に基づくブレード付きのダクト型ノズルの立体図である。 その入口側が横断面で示される本発明に基づくブレード付きのダクト型ノズルの正面図である。 その出口側が横断面で示される本発明に基づくブレード付きのダクト型ノズルの背面図である。 本発明に基づくブレード付きのダクト型ノズルの側方半断面図である。 本発明に基づくブレード付きのダクト型ノズルの５０％ブレード高さの回転面による分割体の側面図である。 本発明に基づくブレード付きのダクト型ノズルの５０％ブレード高さの回転面による分割体の立体図である。 本発明の別の実施例に基づくブレード付きのダクト型ノズルの５０％ブレード高さの回転面による分割体の立体図である。 本発明の更なる別の実施例に基づくブレード付きのダクト型ノズルの５０％ブレード高さの回転面による分割体の立体図である。

以下、具体的な実施例と図面に合わせて本発明を詳細に説明する。本発明を十分に理解するために、以下の説明において詳細に記載されているが、本発明がここで説明したものと異なる複数の別の態様で実施可能であることは明らかである。当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、実際の応用状況に基づいて展開し、演繹することができるため、具体的な実施例の内容によって本発明の保護範囲を限定すべきではない。

また、全ての図面は例示的なものに過ぎず、実物に比例して描画されるものではなく、これによって本発明の実際に請求する特許請求の範囲を限定すべきではないことに留意されたい。

図１〜図６は本発明の一実施例を示す。図７は本発明の別の実施例を示す。図８は本発明の更なる別の実施例を示す。

図１〜図６に示すように、本発明の一実施例において、ブレード付きのダクト型ノズル１０１は外周側壁１１０、内周側壁１１１、複数のブレード１０５及び複数の円形ダクト１０４を備える。外周側壁１１０と内周側壁１１１はリング形の部材であり、内周側壁は外周側壁１１０の内部に位置し、複数のブレード１０５は外周側壁１１０、内周側壁１１１の間に接続されて固定され、複数の円形ダクト１０４も外周側壁１１０、内周側壁１１１の間に接続されて固定される。ブレード１０５のブレードの型は従来のブレード型予旋回ノズルのブレードに応じて設計することができ、前縁、後縁、圧力面と吸引面、基端と上端を備える。基端は内周側壁１１１の外周面に接続されて固定され、上端は外周側壁１１０の内周面に接続されて固定され、前縁は後述の気流通路の入口に位置し、後縁は気流通路の出口に位置する。

ブレード付きのダクト型ノズル１０１は入口部１０８と、収縮部１０７と、出口部１０６とを備える。ブレード付きのダクト型ノズル１０１は好ましい実体形態として単一の鋳造体であってもよく、入口部１０８と、収縮部１０７と、出口部１０６は該単一の鋳造体の異なる幾何位置についての説明用語であってもよい。入口部１０８と出口部１０６は収縮部１０７によって円滑な遷移を実現し、よって１つの完全で連続的な流通路を形成する。入口部１０８は、外周側壁１１０と内周側壁１１１の間に限定される環状通路であり、ブレード付きのダクト型ノズル１０１を燃焼室内のケーシングの外壁に取り付けるために用いることができる。収縮部１０７は外周側壁１１０、内周側壁１１１及び複数のブレード１０５で囲まれて形成され、２つの隣接するブレード１０５と外周側壁１１０の内壁面、内周側壁１１１の外壁面は共同で１つの気流通路を取り囲み、複数の気流通路はブレード付きのダクト型ノズル１０１の全体の周方向に沿って分布する。後述で１つの気流通路を例として説明し、その説明も他の気流通路に適する。

図２に示すように、気流通路の入口１０２は扇形となり、ここで記載される扇形は外周側壁１１０、内周側壁１１１にそれぞれ限定される円弧状とそれぞれそのうち１つのブレード１０５の吸引面１１２に限定される直線、隣接するブレードの圧力面１１３に限定される直線が交わることで形成された形状であると理解すべきことである。

図４に示すように、気流通路の出口は円形断面１０３である。

図１〜図６に示すように、１つの気流通路に対し、気流の流動方向から見ると、入口１０２から出口１０３までは徐々に収縮する形状であり、外周側壁１１０と内周側壁１１１の間の距離が徐々に小さくなる一方、対向する吸引面１１２と圧力面１１３の間の距離も徐々に小さくなり、空気流通路の断面形状は扇形形状から徐々に円形に収縮する。ブレード１０５はブレード付きのダクト型ノズル１０１の周方向において気流通路を通過する気流を転回させることをガイドするように設置され、外周側壁１１０と内周側壁１１１はブレード付きのダクト型ノズル１０１の半径方向において気流を転回させることをガイドするように設置される。

図５と図６に示すように、それぞれの気流通路に対し、出口部１０６は軸線に沿って直径が変化しない円形ダクト１０４を提供し、円形ダクト１０４は螺旋線１０９を軸線とし、螺旋線１０９が円形断面１０３の円心を通る。螺旋線１０９の円形断面１０３の円心における接線は円形断面１０３の法線ベクトルと平行である。

円形断面１０３の円心と円形ダクト１０４の出口との間の軸方向距離は、円形ダクト１０４の軸方向の長さであり、円形断面１０３の直径の０．１〜５倍の間にある。

収縮部１０７のブレードの数は８〜４０個であってもよく、図に示すような実施例において２６個のブレード１０５である。

前記実施例は、２つの隣接するブレード１０５のブレード型を用いて扇形流通路の断面を徐々に円滑に円形ダクト形状に収縮させるように制御し、ノズルの出口まで所定の長さの円形ダクト１０４を形成し、軸線に沿って円形ダクト１０４の直径が変化せず、よってブレード１０５と円形ダクト１０４を組み合わせて設計される新型ブレード付きのダクト型予旋回ノズルを実現する。ブレード１０５は低い空力的損失で気流を転回させ、円形ダクト１０４は気流の出口方向を安定させることができ、ブレード１０５と円形ダクト１０４の間は円滑に遷移する。

図面に示すようなブレード付きのダクト型予旋回ノズルの円形ダクト１０４は円形ダクト型予旋回ノズルに基づいて設計され、ブレードの数を顕著に低下し、ブレードの高さ寸法を向上させ、単一通路のスロート部の幅を減少させない限りブレードの高さを向上させることができず、性能を低減させることなくブレードの数を顕著に減少させることができないブレード付きのホール型予旋回ノズルに比べて、顕著な利点を有する。前記実施例に基づくブレード付きのダクト型予旋回ノズルは、ブレードの数が少なく、ブレードの高さ寸法がより大きいことで、ブレード型予旋回ノズル及びその変形の欠点を克服し、生産や製造の難度を低減させ、歩留まりを向上させることができる。

引き続き図１〜図６に示すように、本発明に基づくブレード付きのダクト型予旋回ノズルの円形ダクト１０４の前の気流通路はブレード型予旋回ノズルに基づいて設計され、流通路の断面はブレードの型に沿って円形ダクト形状に円滑に収縮し、よってブレード付きのホール型予旋回ノズル前縁の近傍の厚さが大きすぎ、前縁が鈍るなどの問題が発生することがない。ブレード付きのホール型予旋回ノズルの前縁が鈍り、厚さが大きいことでノズルの性能はレイノルズ数が少し低い動作状態で性能が深刻に低下し、ブレード付きのダクト型予旋回ノズルの性能水準はブレード型に近く、性能が安定する動作範囲を有する。

図７は本発明の別の実施例を示し、本実施例において同様な技術内容の説明を選択的に省略する。省略された部分の説明について、前記実施例を参照してよく、本実施例では詳細な説明を省略する。

図７に示すような実施例と前記実施例との相違点は、出口部２０６は軸線に沿って直径が変化しない円形ダクト２０４であり、円形ダクト２０４は直線２０９を軸線とし、直線２０９は円形断面２０３の円心を通り、円形断面２０３の法線ベクトルと平行であることである。

図８は本発明の別の実施例を示し、本実施例において同様な技術内容の説明を選択的に省略する。省略された部分の説明について、前記実施例を参照してよく、本実施例では詳細な説明を省略する。図８に示すように、本実施例と図１〜図６に示すものとの相違点は、出口部３０６は軸線に沿って直径が変化しない円形ダクト３０４であり、円形ダクト３０４は直線３０９の投射線３１０を軸線とすることである。投射線３１０は直線３０９の円形断面３０３の円心が位置する回転面への投影であり、前記回転面は、円形断面３０３の円心からブレード付きのダクト型ノズル１０１の軸心までの垂線を直径とし、かつブレード付きのダクト型ノズル101と平行な軸方向に延伸する円柱面である。

発明者による試験によれば、同じタイプの予旋回ノズルの圧縮比１．６近傍の流量係数範囲の一覧は以下の表１の通りである。

引用文献
［１］ Ａ ＣＦＤ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＴＯＷＡＲＤＳ ＦＬＯＷ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ ＯＦ ＴＨＲＥＥ ＰＲＥ−ＳＷＩＲＬ ＤＥＳＩＧＮＳ Ａｄｒｉｅｎ Ｄｕｌａｃ Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｈｅｓｉｓ Ｒｏｙａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｗｅｄｅｎ
［２］ フレアホール型予旋回ノズル流動および冷却特性、劉高文ら、推進技術２０１３．４ ３４巻第３期
［３］ ブレード付きのホール型予旋回ノズル流動ブレード型の数値研究、劉育心ら、推進技術２０１６．２ ３７巻第２期
［４］ アスペクト比による予旋回ホール流動特性に与える影響の数値研究、劉高文ら、推進技術２０１３．５ ３４巻第５期

本発明は、好ましい実施例によって前述の通り開示されたが、本発明を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、種々の変更や修正をすることができる。そのため、本発明の技術的解決手段の内容から逸脱しない限り、本発明の技術趣旨に基づいて以上の実施例に対して行われたいかなる修正、等価物による変形及び修飾は、全て本発明の請求項に限定される保護範囲には含まれるべきである。

Claims (7)

1. ガスタービン用ブレード付きのダクト型ノズルであって、気流の流動方向に沿って順に隣接する、
   環状通路である入口部と、
   複数のブレードによって分離される複数の気流の流通路を備える収縮部と、
   出口部とを備え、
   各前記気流の流通路は、外周壁面と、内周壁面と、２つの隣接するブレードのうちの１つにおける吸引面及び前記２つの隣接するブレードの他方の１つにおける圧力面で囲まれて形成され、前記気流の流通路の入口は扇形の断面を呈し、気流の流動方向に沿って見ると、各前記気流の流通路に対し、前記気流の流通路の入口から出口まで、扇形の断面は徐々に円形の断面へ円滑に遷移し、前記２つの隣接するブレードは、前記ノズルの周方向における気流の転回をガイドするように設置され、前記外周壁面及び前記内周壁面は、前記ノズルの半径方向における気流の転回をガイドするように設置され、
   前記出口部は、各前記気流の流通路の出口に対応してそれぞれ接続された、直径が軸線に沿って変化しない円形のダクトを備えることを特徴とするガスタービン用ブレード付きのダクト型ノズル。
2. 前記出口部は螺旋線を軸線とした螺旋管であり、前記螺旋線は前記円形の断面の円心を通り、前記螺旋線の前記円形の断面の円心における接線は前記円形の断面の法線ベクトルと平行であることを特徴とする請求項１に記載のブレード付きのダクト型ノズル。
3. 前記円形の断面の円心と前記円形のダクトの出口との間の、前記円形のダクトの軸線に沿った軸方向距離は、前記円形のダクトの軸方向の長さであり、前記円形の断面の直径の０．１〜５倍の間にあることを特徴とする請求項１に記載のブレード付きのダクト型ノズル。
4. 前記出口部は直線を軸線とした直管であり、前記軸線は前記円形の断面の円心を通り、前記円形の断面の法線ベクトルと平行であることを特徴とする請求項１に記載のブレード付きのダクト型ノズル。
5. 前記入口部は環状通路であることを特徴とする請求項１に記載のブレード付きのダクト型ノズル。
6. 前記円形のダクトは、一本の直線の投射線を軸線とし、前記投射線は前記直線の前記円形のダクトの開始の円形の断面の円心が位置する回転面への投影であり、前記回転面は、前記開始の円形の断面の円心から前記ブレード付きのダクト型ノズルの軸心までの垂線を直径とし、かつ前記ブレード付きのダクト型ノズルと平行な軸方向に延伸する円柱面であることを特徴とする請求項１に記載のブレード付きのダクト型ノズル。
7. 航空用エンジンの高圧タービンにおける予旋回冷却システムに用いられ、冷気を転回させてから高圧タービンのローターブレード根部に送り込むことを特徴とする請求項１に記載のブレード付きのダクト型ノズル。

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