JP4625158B2 - 遠心式コンプレッサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸に取り付けたコンプレッサホイールのベーンの先端を所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式コンプレッサと、回転軸に取り付けたタービンホイールのベーンの先端を所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式タービンとに関する。
【0002】
【従来の技術】
回転軸に取り付けたコンプレッサホイールで軸方向に吸入した空気を圧縮して半径方向外側に排出する遠心式コンプレッサでは、そのコンプレッサホイールのベーンの先端とシュラウドの内面との間に形成されるクリアランンスを小さく抑えることにより圧縮性能の向上を図ることができる。しかしながら、加工精度の制約や空気の圧縮熱によるシュラウドの熱膨張のために、前記クリアランスを減少させるには限界があった。そこで、コンプレッサホイールの下流端に対向するシュラウドの内壁面に流路断面積を減少させる段部を形成し、この段部でクリアランス内に漏れた空気を塞き止めて圧縮効率の低下を防止するものが、特開平5−106598号公報により提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のものは、コンプレッサホイールのベーンに挟まれた空間からクリアランス内に空気が漏れるため、漏れた空気にベーンが充分な遠心力を与えることができなくなって圧縮効率の低下が避けられないという問題があった。このように、ベーンの先端とシュラウドの内面との間のクリアランスが熱膨張により変動する問題は、遠心式タービンについても同様に発生する。
【0004】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、コンプレッサホイールあるいはタービンホイールのベーンの先端とシュラウドの内面との間に形成されるクリアランンスの変動を小さく抑えて性能低下を防止することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、回転軸に取り付けたコンプレッサホイールのベーンの先端を所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式コンプレッサにおいて、前記シュラウドの縦断面は、均一な肉厚を有して回転軸の軸方向に延びる上流部分と、この上流部分の下流端から肉厚を漸増させつつ回転軸の半径方向外側に湾曲して延びる下流部分とを備えており、前記上流部分の軸方向長さと前記下流部分の軸方向長さとの比が略3:2に設定され、前記下流部分の肉厚は、該下流部分の上流端が前記上流部分の下流端と同じであり且つ該下流部分の上流端の肉厚と下流端の肉厚との比が1.5の近傍となるように設定されることを特徴とする遠心式コンプレッサが提案される。
【0006】
上記構成によれば、回転軸の軸方向に延びるシュラウドの上流部分を均一な肉厚とし、この上流部分から半径方向外側に湾曲して延びる下流部分の肉厚を上流側から下流側に向けて漸増させ、上流部分の軸方向長さと下流部分の軸方向長さとの比を略3:2に設定し、下流部分の肉厚を、該下流部分の上流端が上流部分の下流端と同じであり且つ該下流部分の上流端の肉厚と下流端の肉厚との比が1.5の近傍となるように設定したので、前記下流部分の剛性を高めて熱膨張による軸方向の変位を抑制することができる。これにより、遠心式コンプレッサの圧縮性能に大きな影響を及ぼすコンプレッサホイールとシュラウドの下流部分とのクリアランスが変動するのを防止し、シュラウドの熱膨張による性能低下を最小限に抑えることができる。
【0007】
尚、実施例のアウターシャフト12は本発明の回転軸に対応する。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【0009】
図1〜図5は本発明の実施例を示すもので、図1はターボファンエンジンの縦断面図、図2は図1の2部拡大図、図3はシュラウドの縦断面図、図4はシュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの中間部の変位との関係を示すグラフ、図5はシュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの半径方向外端部の変位との関係を示すグラフである。
【0010】
先ず、図1に基づいてターボファンエンジンの全体構造を説明する。ターボファンエンジンはインナーシャフト11と、インナーシャフト11の外周に相対回転自在に嵌合するアウターシャフト12とを備える。インナーシャフト11の前端には軸流式のファン13が設けられ、後端には軸流式の第1段低圧タービンホイール14および第2段低圧タービンホイール15が設けられる。またインナーシャフト11よりも短いアウターシャフト12の前端には遠心式のコンプレッサホイール16が設けられ、後端には軸流式の高圧タービンホイール17が設けられる。
【0011】
エンジンの前部から吸入されてファン13で圧縮された空気の一部は、エンジンの外周に沿って配置されたバイパス通路18を通ってエンジンの後部から排出され、また前記空気の残部はバイパス通路18の半径方向内側に配置された圧縮空気通路19を経てコンプレッサホイール16に導かれる。コンプレッサホイール16で更に圧縮された空気はアニュラ型の燃焼器20に供給され、そこで燃料噴射ノズル21から供給された燃料と混合して燃焼する。燃焼器20において発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路22の上流端に設けた高圧タービンホイール17と、燃焼ガス通路22の中間部に設けた第1段、第2段低圧タービンホイール14,15とを経てエンジンの後部から排出される。
【0012】
図2から明らかなように、軸線Lまわりに回転するアウターシャフト12の前部外周にスプライン結合31されたコンプレッサホイール16は、中実のディスク16aと、ディスク16aの前面に放射状に形成された多数のベーン16b…とを備える。コンプレッサホイール16のベーン16b…の先端にはシュラウド32が僅かなクリアランスαを介して対向しており、このシュラウド32の内面とディスク16aの前面との間に形成された空間にベーン16b…が配置される。ベーン16b…の上流端はケーシング33によって区画された圧縮空気通路19に臨んでおり、またベーン16b…の下流端は燃焼器20の外壁を構成するケーシング34および内壁を構成するケーシング35に接続部に臨んでいる。燃焼器20の外壁を構成するケーシング34は、バイパス通路18の内壁を構成するケーシング36にボルト37…で結合される。
【0013】
図3から明らかなように、シュラウド32はアウターシャフト12の軸線L方向に延びる上流部分32aと、この上流部分32aの下流端から半径方向外側に湾曲して延びる下流部分32bとを備えており、上流部分32aの軸方向長さAと下流部分32bの軸方向長さBとの比は約3:2とされる。そして上流部分32aは均一な肉厚ti(例えば、1.2mm)を有しており、下流部分32bの上流端の肉厚は前記上流部分32aと同じであり、そこから下流端に向けて漸増している。下流部分32bの下流端の肉厚toは上流部分32aの肉厚tiの約1.5倍(例えば、1.8mm)とされる。
【0014】
再び図2を参照して、コンプレッサホイール16で圧縮された空気の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換すべく、多数のデフューザベーン38a…を備えたデフューザ38が燃焼器20の外壁および内壁を構成するケーシング34,35の接続部に挟まれてボルト39…で締結される。このとき、シュラウド32の下流部分32bがデフューザ38およびケーシング34間に挟まれて前記ボルト39…で共締めされる。デフューザ38は複数のフレームチューブ40…を収納する燃焼器20の内部に延びており、その下流側にマニホールド41が一体に形成される。シュラウド32の上流部分32aの外周面は、圧縮空気通路19を区画するケーシング33の内周面にシール部材43を介して当接する。
【0015】
而して、エンジンの運転に伴ってファン13が空気を圧縮すると、空気の圧縮熱でシュラウド32の上流部分32aの上流端の温度は約100℃に、また下流部分32bの下流端の温度は約400℃に上昇するため、ステンレス製のシュラウド32の各部は熱膨張により変形する。
【0016】
図4のグラフは、シュラウド32の上流部分32aの肉厚tiと下流部分32bの下流端の肉厚toとの厚さ比to/tiを変化させたときの、シュラウド32の中央部P1(図3参照)の変位を示すものである。ここで変位Δxはx軸方向(エンジンの後方が正)の変位を、変位Δyはy軸方向(エンジンの半径方向外側が正)の変位を、合成変位Δは変位Δxおよび変位Δyの合成したものを示している。
【0017】
同グラフから明らかなように、シュラウド32の中央部P1の変位Δyおよび合成変位Δは、厚さ比to/tiが1から2まで変化しても殆ど変化せず、約0.4mmに保持される。それに対し、シュラウド32の中央部P1の変位Δxは厚さ比to/tiに応じて大きく変化する。すなわち、厚さ比to/tiが1から約1.4までの領域では変位Δxは負値で−1.4mmから0mmまで増加し、厚さ比to/tiが約1.4から2までの領域では変位Δxは正値で0mmから約0.1mmまで増加している。従って、シュラウド32の中央部P1は厚さ比to/tiが約1.4のときにx軸方向に変位しなくなる。
【0018】
図5のグラフは、シュラウド32の上流部分32aの肉厚tiと下流部分32bの下流端の肉厚toとの厚さ比to/tiを変化させたときの、シュラウド32の半径方向外端部P2(図3参照)のx軸方向の変位を示すものである。同グラフから明らかなように、シュラウド32の半径方向外端部P2の変位Δxは、厚さ比to/tiが1から約1.75までの領域では負値であり、約−0.03mmから0mmまで増加する。そして厚さ比to/tiが約1.75から2までの領域では変位Δxは正値であり、0mmから約0.004mmまで増加している。従って、シュラウド32の半径方向外端部P2は厚さ比to/tiが約1.75のときにx軸方向に変位しなくなる。
【0019】
シュラウド32の上記熱膨張特性は、主としてシュラウド32の下流部分32bの肉厚toの増加に伴う剛性の増加に起因するものと考えられる。
【0020】
尚、図4および図5のグラフで、厚さ比to/tiが1の場合は、図7に示す従来のシュラウド01の上流部分02および下流部分03の全域に亘って肉厚が均一な場合に対応する。
【0021】
以上のことから、シュラウド32の上流部分32aの肉厚tiと下流部分32bの下流端の肉厚toとの厚さ比to/tiを1.5の近傍に設定すると、シュラウド32の中間部P1から半径方向外端部P2までの範囲(おおよそシュラウド32の下流部分32b)において、シュラウド32のx軸方向の変位Δxを最小限に抑え、コンプレッサホイール16による空気の圧縮効率の低下を防止することができる。
【0022】
すなわち、コンプレッサホイール16の性能を大きく左右するのは圧縮された空気の圧力が最も高まるシュラウド32の下流部分32bのクリアランスαであり、この下流部分32bではシュラウド32の内面とコンプレッサホイール16のベーン16b…の先端とがx軸の前後方向に対峙していることから、シュラウド32の下流部分32bのx軸方向の変位Δxがクリアランスαの大きさを直接左右する。そしてシュラウド32の下流部分32bの内面がコンプレッサホイール16のベーン16b…の先端に対してy軸方向に変位しても、その下流部分32bのクリアランスαは殆ど変化しない。従って、シュラウド32の下流部分32bのx軸方向の変位Δxを減少させれば、前記下流部分32bのクリアランスαの変動を減少させてシュラウド32の熱膨張による性能低下を最小限に抑えることができる。
【0023】
次に、図6に基づいて本発明の参考例を説明する。
【0024】
参考例は、回転軸12′に支持されたタービンホイール16′を覆うシュラウド32′に本発明を適用したものである。タービンホイール16′はタービンディスク16a′およびベーン16b′…から構成され、ベーン16b′…の先端にクリアランスαを介して対向するシュラウド32′は回転軸12′の軸線L方向に延びる下流部分32a′と、この下流部分32a′の上流端から半径方向外側に湾曲して延びる上流部分32b′とを備える。シュラウド32′の下流部分32a′は均一な肉厚to′を有しており、上流部分32b′の下流端の肉厚は前記下流部分32a′と同じであり、そこから上流端に向けて漸増している。上流部分32b′の上流端の肉厚ti′は下流部分32a′の肉厚to′の約1.5倍とされる。
【0025】
而して、ガスタービンエンジンの運転に伴って燃焼ガスがタービンホイール16′を通過すると、燃焼ガスの熱でタービンホイール16′を覆うシュラウド32′が熱膨張する。このとき、第1実施例で説明したコンプレッサホイール16のシュラウド32と同様の作用により、肉厚の大きいシュラウド32′の上流部分32b′の軸方向の変位が抑制されるため、最も高圧の燃焼ガスが流れるシュラウド32′の上流部分32b′におけるクリアランスαの変動を防止し、タービンホイール16′の動力性能の低下を防止することができる。
【0026】
以上、本発明の実施例、及び参考例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【0027】
例えば、実施例の遠心式コンプレッサは流体の流入方向および流出方向が90°を成しているが、本発明は流体の流入方向および流出方向が鈍角を成すいわゆる斜流式のものに対しても適用することができる。
【0028】
【発明の効果】
以上のように請求項1に記載された発明によれば、回転軸の軸方向に延びるシュラウドの上流部分を均一な肉厚とし、この上流部分から半径方向外側に湾曲して延びる下流部分の肉厚を上流側から下流側に向けて漸増させ、上流部分の軸方向長さと下流部分の軸方向長さとの比を略3:2に設定し、下流部分の肉厚を、該下流部分の上流端が上流部分の下流端と同じであり且つ該下流部分の上流端の肉厚と下流端の肉厚との比が1.5の近傍となるように設定したので、前記下流部分の剛性を高めて熱膨張による軸方向の変位を抑制することができる。これにより、遠心式コンプレッサの圧縮性能に大きな影響を及ぼすコンプレッサホイールとシュラウドの下流部分とのクリアランスが変動するのを防止し、シュラウドの熱膨張による性能低下を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ターボファンエンジンの縦断面図
【図2】 図1の2部拡大図
【図3】 シュラウドの縦断面図
【図4】 シュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの中間部の変位との関係を示すグラフ
【図5】 シュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの半径方向外端部の変位との関係を示すグラフ
【図6】 本発明の第2実施例に係るタービンホイールおよびシュラウドの縦断面図
【図7】 従来のシュラウドの縦断面図
【符号の説明】
12 アウターシャフト(回転軸)
16 コンプレッサホイール
16′ タービンホイール
16b ベーン
16b′ ベーン
32 シュラウド
32′ シュラウド
32a 上流部分
32a′ 下流部分
32b 下流部分
32b′ 上流部分
α クリアランス
Claims (1)
- 回転軸(12)に取り付けたコンプレッサホイール(16)のベーン(16b)の先端を所定のクリアランス(α)を介して覆うシュラウド(32)を備えた遠心式コンプレッサにおいて、
前記シュラウド(32)の縦断面は、均一な肉厚(ti)を有して回転軸(12)の軸方向に延びる上流部分(32a)と、この上流部分(32a)の下流端から肉厚を漸増させつつ回転軸(12)の半径方向外側に湾曲して延びる下流部分(32b)とを備えており、
前記上流部分(32a)の軸方向長さと前記下流部分(32b)の軸方向長さとの比が略3:2に設定され、
前記下流部分(32b)の肉厚は、該下流部分(32b)の上流端が前記上流部分(32a)の下流端と同じであり且つ該下流部分(32b)の上流端の肉厚(ti)と下流端の肉厚(to)との比(to/ti)が1.5の近傍となるように設定されることを特徴とする遠心式コンプレッサ。
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