JP5442741B2 - 開口付きブレードを有するディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの圧縮段に関し、より詳細には、このような圧縮段、例えば、通常は混流または遠心式圧縮機内に見られるディフューザに関する。

ディフューザの役割は、流体の動圧を静圧の状態に回復するために、圧縮機のインペラからの流れを整流することである。

このために、ディフューザは、通常、その周囲に配置され、２つのホルダリングの間に保持される複数の翼を備える。

ディフューザの翼による偏向は、翼の圧力側または吸引側の流体の剥離を引き起こす可能性があり、この剥離はどんな時も流体の離脱を引き起こし、その後、サージングを引き起こす可能性がある。

サージングの影響は、圧縮機を構成する要素に完全に弊害をもたらすことが知られており、そのために、可能であればいつでもサージングを避けることが求められる。

本発明は上記の欠点を軽減することを目的とするものであり、したがって、本発明は、より詳細には、ガスタービンの混流または遠心式圧縮機用のディフューザで、ディフューザは圧力側および吸引側を有する少なくとも１つの翼と第１のフランクとを備え、前記翼は吸引側および／または圧力側に向かって開口して翼内に形成された少なくとも１つの空洞と連通する複数のオリフィスを備え、前記空洞は翼に対して横断方向に伸びて第１のフランクに向かって開口するようなディフューザに関する。この例では、横断方向とは、第１のフランクと、第１のフランクの反対側の翼の第２のフランクとの間に伸びる方向である。

この例の場合の意図は、吸引側および／または圧力側を流れる流体が翼から剥離してしまうのを防ぐために、流体を徐々に吸い込むというものである。

このようなディフューザの構造は、求められる目的は異なっても、この構造を例証している米国特許第６２１０１０４号明細書からすでに知られている。

この文献は、翼の吸引側に形成された穴によって流体の一部を吸い込んで、その後、その流体をタービンの高温部品を冷却するための冷却流体として利用することを提案している。

米国特許第６２１０１０４号明細書

この装置の欠点は、穴を通って運ばれる流体の吸引が吸引側全体にわたって均一でなく、そのために、流体が依然として剥離する可能性があることである。

本発明の目的は、流体が均一に吸い込まれるようにする遠心または混流圧縮機のディフューザを提案することである。

本発明は、翼の横断方向に沿った空洞の断面は変化し、前記断面が第１のフランクに向かって次第に増大することによって、上記目的を達成する。

すなわち、第１のフランク側で第１のフランクに向かって開口する空洞の断面は、空洞の底部の断面より大きい。空洞の底部は第１のフランクと横断方向反対側にあることは理解できる。

このような空洞の底部から見た空洞の断面の増大は、前記空洞と連通するオリフィスが同じ吸引率を有するように、さらに、単一のオリフィスがその断面全体にわたって均一な吸引率を有するように選択される。

好ましくは、このためには、翼の横断方向に沿って見た場合の空洞の断面は、全吸引断面の増大に比例して増大する。前記全吸引断面は、オリフィスが穴である場合にはオリフィスの断面の合計に等しく、および／または横断方向スロットのような吸引オリフィスが連続した吸引領域を有する場合には全体に等しい。

本発明では、オリフィスは吸引側のみ、圧力側のみ、さらには、吸引側と圧力側との両方に配置される場合がある。

有利には、本発明のディフューザは、吸引側に向かって開口し、翼内に形成され第１のフランクに向かって開口する少なくとも１つの空洞と連通する第１の組のオリフィスを含む。

第１の変形例では、ディフューザは、第１のフランクに向かって開口する単一の空洞を含む。したがって、第１の組の穴の全ては、翼の厚さ内に形成された前記１つの空洞と連通する。

第２の変形例では、ディフューザは、第１のフランクに向かって開口する凹部を形成する複数の空洞を含む。

前記凹部は、同一であるのが好ましく、さらに円錐台形状であるのが好ましい。したがって、前記凹部の断面は、半径が第１のフランクに向かって次第に増大するディスクである。

有利には、ディフューザはさらに、圧力側に向かって開口し、翼内に形成され翼の２つのフランクのうちの１つに向かって開口する少なくとも１つの他の空洞と連通する第２の組のオリフィスを含む。

好ましくは、前記少なくとも１つの他の空洞も、第１のフランクに向かって開口する。

有利には、前記他の空洞の断面は、第１のフランクに向かって次第に増大しながら変化する。

その空洞によって、翼の吸引側での流体の吸引は圧力側と同じように均一になる。

変形例では、ディフューザは、第１のフランクに向かって開口する単一の空洞を含む。

別の変形例では、ディフューザは、第１のフランクに向かって開口する凹部を形成する複数の空洞を備える。この変形例では、各空洞は円錐台形状であるのが好ましい。

さらに、オリフィスは、横断方向の穿孔および／またはスロットであるのが好ましい。

本発明によれば、複数の実施形態が考えられる。すなわち、穿孔およびスロットが関連付けられてもよい、つまり、複数の穿孔が単一の凹部または凹部を有する単一のスロットと連通状態になるようにしてもよい、さらには、オリフィスの全てが翼内に形成された単一の空洞と連通状態になるようにしてもよい。

ディフューザは、放射状ディフューザであるのが好ましいが、これに限らない。

最後に、本発明は、本発明のディフューザを含むターボエンジンを提供する。

非限定的な例として挙げられた２つの実施形態についての以下の説明を読めば、本発明はより十分に理解され、本発明の利点がより明らかになる。以下の説明は、添付図面を参照して行われる。

本発明のディフューザが取り付けられた遠心圧縮機を含むヘリコプタのガスタービンの部分断面図である。 第１の実施形態のディフューザの翼で、吸引側および圧力側に向かって開口する複数のスロットを含み、各スロットが凹部と連通する翼の図である。 図２に示された翼の横断面ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った第１のフランクの図である。 図２に示された翼の横断面ＩＶ−ＩＶに沿った長手方向断面図である。 第２の実施形態のディフューザの翼で、吸引側に向かって開口して空洞と連通する複数のスロットと圧力側に向かって開口して別の空洞と連通する複数のスロットとを含む翼の図である。 図５に示された翼の面ＶＩ−ＶＩに沿った長手方向断面図である。 図５に示された翼の面ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面図で、空洞の断面の変化を示す図である。 空洞の断面の変化の関係の例を示したグラフである。 図１に示されたガスタービンの詳細図で、ディフューザの翼から吸引された流体が排出される様子を示した図である。

本発明のディフューザは、特に、遠心式または混流式の圧縮機と共に使用されるように設計される。「混流圧縮機」とは、圧縮された流体が半径方向に対して０°から７０°の角度で圧縮機インペラから出る圧縮機のことである。

図１は、冷気入口１６から冷気が送り込まれる圧縮機インペラ１４を含む遠心圧縮機１２と、インペラ１４から下流側に配置された本発明の主題であるディフューザ１８との両方を含む、ヘリコプタ（図示せず）のガスタービン１０を示している。

知られているように、圧縮空気は角運動量を有しながらインペラ１４から半径方向に出る。ディフューザ１８の役割は、インペラ１４からの流れＦを整流することである。

このためには、ディフューザ１８は、ディフューザ１８の周囲に配置された複数の翼２０を備える。各翼２０は、知られているように、長手方向Ｌ、横断方向Ｔ、吸引側Ｅ、および圧力側Ｉを有する。

図２から図４を参照して、本発明のディフューザ１８の第１の実施形態を説明する。

翼２０の１つを示す前記図に見られるように、前記翼は、第１のフランク２２と、第１のフランク２２と横断方向反対側にある第２のフランク２４とを有する。

さらに、前記翼２０は、吸引側Ｅに向かって開口する第１の組のオリフィス２６を備える。この例では、第１の組のオリフィス２６は、翼２０の横断方向Ｔに沿って伸びるスロットによって構成され、スロットは同一であるのが好ましい。

第１の組の各スロット２６は、凹部を形成する空洞３０と連通する。隣り合って配置された凹部３０は、翼２０に対して横断方向に伸びると同時に翼２０の第１のフランク２２にのみ向かって開口するように、前記翼の厚さ内に形成される。

図２に見られるように、各凹部３０の横断方向範囲は、関係付けられるスロット２６の長さよりわずかに長い。

本発明によれば、凹部３０の断面は、図８に示されるように変化する関係を適用して、第１のフランクに向かって次第に増大しながら変化する。この場合、各凹部３０は、第１のフランクに向かって開口する円錐台形状である。要するに、各凹部の断面、具体的にはディスクは、凹部３０の基部におけるよりも第１のフランク２２の位置における方が大きいということである。すなわち、凹部の断面は、第２のフランク２４から第１のフランク２２に向かって横断方向に移動する際に増大する。

このことは、図３、図４でよりはっきりと示されている。図４は、凹部３０が開口する方向の翼２０の第１のフランク２２を示すが、図４は、第１のフランク２２から離間した翼２０の長手方向Ｌに伸びる面に沿った断面図である。凹部３０の基部における翼２２の断面Ｓ２は、前記凹部が開口する方向の第１のフランク２２の位置における断面Ｓ１よりも小さいことがわかる。

したがって、この例における変化は線形関数に従う。しかしながら、変化が線形でない他の関数に従うようにすることもできる。

変形例では、スロット２６が、並んで配置されて図２に示されるように横断方向に伸びる穿孔３２に置き換えられてもよい。この変形例では、穿孔３２の全てが凹部３０と連通している。

本発明の有利な態様では、ディフューザ１８はさらに、圧力側Ｉに向かって開口する、スロット２６と同様の第２の組のオリフィス３４を含む。

第１の組のオリフィス３０と同様に、第２の組のオリフィス３４は、第１の組のオリフィス２６と連通する空洞３０とは別個の空洞３６（同様に凹部を形成する）と連通する。

特に、図２に示されるように、凹部３０と凹部３６とは同一であり、２層に配置される。

図内の矢印Ｆで示されるように流体が流れると、凹部３０、３６で吸引が行われ、それにより第１の組のスロット２６および第２の組のスロット３４を介して、吸引側Ｅおよび圧力側Ｉとの表面に吸引作用ａを引き起こす。

前記吸引作用ａは、翼２０の吸引側Ｅおよび圧力側Ｉに流体Ｆの流れを保持する傾向があり、そのことにより、有利には、流体Ｆの剥離が避けられる傾向がある。すなわち、流体Ｆの流れは、吸引側Ｅおよび圧力側Ｉの形状になるように強いられる。

図５、図６を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。

第１の実施形態の要素と同一の要素は、同じ符号に１００を足した符号で示されている。

図５に示されている翼１２０は、第１の実施形態に示されている翼と同じタイプの翼である。

翼１２０は、吸引側Ｅに向かって開口する第１の組のスロット１２６と、圧力側Ｉに向かって開口する第２の組のスロット１３４とを含む。変形例では、スロット１２６、１３４は、図５に示されるような穿孔１３２と置き換えられてもよい。スロットと穿孔とは、求められる効果に応じて代替的に使用されてもよい。

第２の実施形態は、第１の組のスロット１２６は翼１２０内に形成された単一の第１の空洞２００と連通するが、第２の組のスロット１３４は翼１２０内に形成された単一の第２の空洞２１０と連通するという点で第１の実施形態と異なる。

第１の空洞２００は、横断方向範囲がスロット１２６の長さよりわずかに長い横断方向範囲と、スロット１２６が分布する長手方向範囲以上の長手方向範囲を有する。

同様に、第２の空洞２１０は、横断方向範囲がスロット１３４の長さよりわずかに長い横断方向範囲と、スロット１３４が分布する長手方向範囲以上の長手方向範囲を有する。

図６に見られるように、第１の空洞２００および第２の空洞２１０は、長手方向に伸び、それと同時に、互いに重ね合わされる。

空洞２００、２１９は共に、翼１２０の第１のフランク１２２に向かって開口する。

図７は、各空洞２００、２１０の断面Ｓ１、Ｓ２が第１のフランクに向かって次第に増大しながら変化することを示した、横断面ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面図である。空洞２００、２１０は第１のフランク１２２に向かって開口していることがわかる。

この例では、変化は線形関数に従う。

第１の実施形態と同様に、流れＦの剥離を避けるためにスロット１２６、１３４を通して流体Ｆの流れを吸引側Ｅおよび圧力側Ｉの表面に引き付けるように、空洞２００、２１０を介して吸引が行われる。

断面における変化の関係の例は、図８に示されている。グラフは、断面の４つのオリフィス３２または１３２と連通している空洞の断面の変化（＝１）を示している。ｘ軸は翼の横断方向軸を表し、ｙ軸は正規化断面を表す。

最後に、図９は、ガスタービン１０のケーシング内に取り付けられた本発明のディフューザ１８を示す。図は、第１の実施形態の翼を示しているが、上述の説明は、第２の実施形態に完全に置き換え可能である。

第１の組のオリフィス２６に関連付けられる凹部３０は、第１のチャンバ５０に接続され、第２の組のオリフィス３４に関連付けられる凹部３６は、第１のチャンバ５０とは別個の第２のチャンバ５２に接続される。

スロット２６から吸い込まれる流体は、例えば、大気に排出される前に、凹部３０を介して第１のチャンバ５０に流入し、スロット３４から吸い込まれた流体は、大気ＡＴに排出される前に、凹部３６を介して第２のチャンバ５２に流入する。当然、第１のチャンバ５０と第２のチャンバ５２との間の気密性は確保されなければならない。スロット２６によって吸い込まれる流体がスロット３４によって吸い込まれる流体と接触しないようにして排出する他の方法も考えられる。

変形例では、第２の組のオリフィスに関連付けられる凹部が第２のフランク２４に向かって開口し、その後、吸い込まれた空気は、吸引側Ｅから吸い込まれた空気のための第１のフランク２２と、圧力側Ｉから吸い込まれた空気のための第２のフランク２４とによって排気される場合も考えられる。

Claims (12)

1. ガスタービンの混流または遠心圧縮機のディフューザ（１８）にして、ディフューザが、圧力側（Ｉ）と吸引側（Ｅ）と第１のフランク（２２、１２２）とを有する少なくとも１つの翼（２０、１２０）を備え、前記翼が、吸引側（Ｅ）および／または圧力側（Ｉ）に向かって開口して翼内に形成された少なくとも１つの空洞と連通する複数のオリフィス（２６、１２６、３４、１３４、３２、１３２）を備え、前記空洞（３０、３６、２００、２１０）が、翼に対して横断方向に伸びて第１のフランクに向かって開口するようなディフューザであって、空洞（３０、３６、２００、２１０）の断面が翼の横断方向に向かって変化し、前記断面が第１のフランクに向かって次第に増大することを特徴とする、ディフューザ。
2. 吸引側（Ｅ）に向かって開口して翼内に形成された少なくとも１つの空洞（３０、２００）と連通して第１のフランク（２２、１２２）に向かって開口する第１の組のオリフィス（２６、１２６）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のディフューザ。
3. 第１のフランク（１２２）に向かって開口する単一の空洞（２００）を含むことを特徴とする、請求項２に記載のディフューザ。
4. 第１のフランク（２２）に向かって開口する凹部を形成する複数の空洞（３０）を含むことを特徴とする、請求項２に記載のディフューザ。
5. 各凹部（３０）が円錐台形状であることを特徴とする、請求項４に記載のディフューザ。
6. 圧力側（Ｉ）に向かって開口し、翼（２０、１２０）内に設けられ、かつ翼の２つのフランクのうちの一方に向かって開口する少なくとも１つの他の空洞（３６、１２０）と連通する第２の組のオリフィス（３４、１３４）をさらに含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のディフューザ。
7. 前記他の空洞（３６、１２０）の断面が、翼（２２、１２２）の第１の縁部に向かって次第に増大しながら変化することを特徴とする、請求項６に記載のディフューザ。
8. 第２の組のオリフィス（１３４）が、第１のフランク（１２２）に向かって開口する１つの空洞（２１０）と連通することを特徴とする、請求項６または７に記載のディフューザ。
9. 第２の組のオリフィス（３４）が、第１のフランク（２２）に向かって開口する凹部を形成する複数の空洞（３６）と連通することを特徴とする、請求項６または７に記載のディフューザ。
10. 各凹部（３６）が円錐台形状であることを特徴とする、請求項９に記載のディフューザ。
11. オリフィス（２６、１２６、３４、１３４）が、横断方向の穴（３２、１３２）および／またはスロット（２６、１２６、３４、１３４）であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のディフューザ。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のディフューザ（１８）を含む、ターボエンジン（１０）。

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