JP5451102B2 - ターボ機械用のディフューザノズルのアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、航空機のターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械内の環状燃焼室に空気を供給するディフューザノズルのアセンブリに関する。

ターボ機械は、燃焼室の入り口に通じている下流端部を有する高圧コンプレッサを備える。ターボ機械の軸方向の寸法を縮小することが望ましい、ある種の構成では、最終圧縮段は、燃焼室の入り口に通じた環状ノズルに連結された放射状環状ディフューザによって取り囲まれている出口を有する遠心段である。ノズルは、燃焼室のまわりで下流に延在するケーシングによって外側で取り囲まれた複数の翼を担持する、回転面を形成する半径方向内方壁を備える。

常温時には、ノズルの翼の半径方向外方端部と外部ケーシングとの間に隙間がもたらされる。動作時には、ノズルはケーシングよりも大きな程度に半径方向に膨張し、翼の半径方向外方端部は外部ケーシングと接触する。ノズルの翼の頂部における隙間は、ノズルの翼の半径方向外方端部が、動作中にケーシングを過度に圧迫することを避けるよう充分に小さな力でケーシングに対して押圧することを保証するような方法で画定されている。これは、ケーシングが、高圧圧縮機の下流の燃焼室内の燃料燃焼によって大きな圧力変化に既に曝されていることによる。

それにもかかわらず、翼の頂部における常温時の隙間は、例えば最も長く持続する段階であることから巡航段階などの、特定の１つの飛行段階に対してしか画定されることが可能でない。他の飛行段階では、ノズルの翼の半径方向外方端部はケーシングと接触せず、これによって翼の頂部とケーシングとの間に空気を流れさせ、したがって燃焼室に向かう空気の流れを乱してしまうか、そうでなければ翼の頂部がケーシングに対して過剰な圧力を及ぼしてしまうかのいずれかである。さらに、翼の端部がケーシングに対して押圧されていないとき、ノズルは振動に曝される。

本発明の特定の目的は、これらの問題に対する簡単、効果的、かつ低コストである解決策を提供することである。

この目的のために、本発明は、ターボ機械内の遠心圧縮機の出口に取り付けられたディフューザノズルのアセンブリにして、ディフューザは、２つの環状板、即ち翼によって一緒に接合された上流板と下流板を備え、上流環状板は、外部ケーシングに対して支承された半径方向外方端部を有し、ノズルは、回転面を形成しかつ外部ケーシングによって取り囲まれた半径方向内方壁によって担持された複数の翼を備える、アセンブリであって、ノズルの翼の半径方向外方端部と外部ケーシングとの間に弾性変形可能な手段が配置され、上記手段は、外部ケーシングと翼の半径方向外方端部との間を空気が通過するのを防止することを特徴とする、アセンブリを提供する。

これらの弾性変形可能な手段は、翼の半径方向外方端部と外部ケーシングとの間で恒久的な接触が保証されることを可能にし、そのようにしてノズルの振動の一部を吸収および緩衝することを可能にする。これらの手段はまた、飛行の全ての段階で、ノズルの翼の半径方向外方端部とケーシングとの間の密閉も保証する。したがって、燃焼室に至る空気の流れは、ケーシングとノズルの翼の半径方向外方端部との間の寄生流によって乱されず、このようにしてターボ機械の性能を向上させる。

上流環状板の半径方向外方端部が外部ケーシングに対して支承されるようにすることは、ディフューザが外部ケーシング内で中心に配置されることを可能にする。

本発明の一実施形態では、翼の半径方向外方端部に対して支承された、外部ケーシングから離隔された部分とケーシングに対して支承された少なくとも一方の端部とを有する環状金属シートを、弾性変形可能な手段が備える。

本発明の他の特徴によると、環状金属シートの一方の端部は外部ケーシングに固定され、その他方の端部は外部ケーシングに対して滑動可能に支承されている。

したがって、動作中、ケーシングとノズルとの間の膨張差によって、翼の半径方向外方端部が、外部ケーシングから離隔された金属シートの部分に対して支承されるようになり、その結果、環状金属シートの一方の端部がケーシングに固定されていることから、これによって金属シートの他方の端部が外部ケーシングに対して滑動するようになる。

有利には、ケーシングに対して滑動可能に支承される金属シートの端部は、ディフューザの上流環状板の半径方向外方端部内に形成された環状溝内で案内される。環状溝は、上流環状板の半径方向外方の円筒状端部リムと外部ケーシングとの間に形成されることができる。

金属シートは、ケーシングおよび／またはノズルの熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有する材料で製作され、それによって、接触し合った様々な部品間で同様の機械的挙動を保証することが好ましい。

金属シートは１ミリメートル（ｍｍ）から１．５ｍｍの範囲にある厚みを有することができ、金属シートは溶接、ろう付け、またはリベット締めによって外部ケーシングに固定されることができる。

金属シートは、金属シートと翼との間の接触の密閉度を向上させるために、例えばエラストマなどの密閉コーティングを含むことができる。金属シートはまた、翼の半径方向外方端部が金属シートに対して擦れることによる摩耗に耐えるコーティングを含むこともできる。

常温時に、金属シートは弾性予応力をともなって外部ケーシングとノズルの翼の半径方向外方端部との間に取り付けられることができ、そのようにして動作中に、全ての飛行段階で、金属シートが外部ケーシングに対して、ノズルの翼の半径方向外方端部に対して弾性的に連続的に押し付けられることを保証する。

本発明は、上述のタイプのディフューザノズルのアセンブリで使用する弾性変形可能な環状金属シートであって、その形状は一般的に円錐台形で張り出した端部を備えることを特徴とするシートも提供する。

金属シートは、３６０°を占める単一部材として製作されることができる。

本発明はまた、ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械であって、上述のディフューザノズルのアセンブリを含むことを特徴とする、ターボ機械も提供する。

非限定的な実施例として添付図面を参照して行われる以下の説明を読めば、本発明がよりよく理解されることが可能になり、本発明の他の詳細、利点、および特徴が明らかになる。

従来技術のディフューザノズルのアセンブリの概略片側軸方向断面図である。 本発明のディフューザノズルのアセンブリの概略斜視図である。

図１に示されているディフューザノズルのアセンブリ１０は、ターボ機械の環状燃焼室に空気を供給する手段の一部を形成し、環状ノズル１４に連結された出口を有する放射状環状ディフューザ１２を備える。アセンブリは、ターボ機械の圧縮機の最終遠心段１６の出口に取り付けるためのものである。ディフューザ１２の入り口１８は、遠心段１６の出口と半径方向に位置合わせされ、ノズル１４の出口は、当業者によく知られている方法で、環状燃焼室２０に空気を供給する。

ディフューザ１２は上流環状板２２と下流環状板２４を備え、それらの板は平行であり、圧縮機の回転軸のまわりで環状に延在し、板同士が翼２６によって相互連結されている。上流環状板２２と下流環状板２４は、ターボ機械の静止部分に固定された、それぞれ上流環状壁２８と下流環状壁３０とによって定位置に保持されている。

ノズル１４は、下流に先細りになった断面の円錐台形状部分３２を備え、外側で外部ケーシング３６によって取り囲まれた複数の実質的に放射状の翼３４を担持している。

ディフューザノズルのアセンブリが取り付けられる際、外側ケーシング３６が常温時に予応力を受けることを回避するために、翼３４の半径方向外方端部とケーシング３６との間に隙間が設けられる。

動作中、ノズル１４の膨張はケーシング３６の膨張よりも大きく、したがってノズル１４の翼３４の半径方向外方端部が外部ケーシング３６と接触し、これによって翼３４の頂部とケーシング３６との間を空気が流れるのを防止し、ノズル１４の振動も制限する。

それにも関わらず、上述の理由によって、隙間は、全飛行時間ではなく特定の飛行段階に対してしか最適化されることが可能でなく、これによってターボ機械の性能を制限してしまう。

本発明は、翼３４の半径方向外方端部と外部ケーシング３６との間の隙間が、ノズルの翼３４の端部と外部ケーシング３６との間に配置される弾性変形可能な手段を使用することによってなくされることを可能にし、上記手段はケーシング３６と翼３４の頂部との間を空気が通過することを防止し、ノズル１４の振動も制限する。

これらの手段は、ノズル１４の内方壁３２と実質的に平行な回転面４０を形成した環状金属シート３８を備える。円錐台形状の、下流に先細りとなる断面の壁４０は、外部ケーシング３６から半径方向に離隔され、その中央部分は、ノズル１４の翼３４の半径方向外方端部と接触している。円錐台形壁４０の下流端部４２は実質的に円筒状であり、ケーシング３６に固定され、壁の上流端部は、円環状溝４６内に滑動可能に係合された実質的に円筒状のリム４４を有する。

ノズル１４の内方壁３２の下流端部４８は、ノズル１４の翼３４の下流に延在し、環状金属シート３８の下流の円筒壁４２に面して配置されている。

上流環状板２２の半径方向外方端部は下流に湾曲され、外部ケーシングに対して半径方向に支承され、これによってディフューザが外部ケーシング内で中心に配置されることを可能にする。この端部は、外部ケーシング３６が半径方向に接触する、極厚の環状部分５０を含む。環状溝４６は外部ケーシング３６と湾曲部分の下流端部の円筒リム５２との間に形成され、極厚の部分５０が溝４６の底部を形成している。

ターボ機械の動作時には、ノズル１４の膨張によって、翼３４の半径方向外方端部が金属シート３８に対して押圧し、金属シート３８は変形して外部ケーシング３６に接近する。金属シートはその下流端部で固定されていることから、これによって金属シートの上流端部が環状溝４６内で滑動する。

したがって、翼３４の半径方向外方端部は常に環状シート３８と接触し、そのようにしてターボ機械の動作全体を通して、第１にノズル１４の振動を吸収および制限し、第２にディフューザ１２から到来する空気がケーシング３６とノズル１４の翼３４の半径方向外方端部との間を流れるのを回避する。金属シート３８の変形は、外部ケーシング３６とノズル１４との間の膨張差の全てを収容する働きをし、これによってノズル１４の翼３４が外部ケーシング３６に応力を及ぼすことを回避する。

ノズル１４が膨張する結果、ならびに環状金属シート３８自体が膨張する結果、環状金属シート３８の上流端部が軸方向に移動するのを可能にするのに充分な軸方向深さを、環状溝４６は有する必要がある。

有利には、金属シート３８は、動作中に、金属シートがノズル１４とケーシング３６と同様の形式で挙動することを保証するように、外部ケーシング３６および／またはノズル１４の膨張係数と同様の熱膨張係数を有する材料で製作されている。

有利には、金属シート３８は、常温時に外部ケーシング３６とノズル１４の翼３４の半径方向外方端部との間に、弾性予応力をともなって取り付けられることが可能であり、これによって、動作中、金属シート３８が外部ケーシング３６に対して、かつノズル１４の翼３４の半径方向外方端部に対して弾性的に連続的に押しやられることを保証する。

金属シート３８は、３６０°を占める単一部材として製作されることができ、金属シート３８が翼３４の両端部に対して支承される場所での密閉性を向上させるように、その内側表面上にエラストマなどの密閉用コーティングを有することができる。金属シートは、ノズル１４の翼３４の半径方向外方端部における摩耗に耐えるコーティングを含むこともできる。

金属シート３８の厚みは約１ｍｍから１．５ｍｍの範囲内にある。

金属シート３８の円筒壁４２の下流端部は、溶接、ろう付け、またはリベット締めによって外部ケーシング３６に固定されることができる。

図面に示していない本発明の他の実施形態では、金属シート３８はその上流端部で外部ケーシング３６に固定されながら、その下流端部で環状溝内で自由に滑動することができる。

１２ ディフューザ
１４ 環状ノズル
１６ 遠心段
１８ ディフューザ１２の入り口
２０ 環状燃焼室
２２ 上流環状板
２４ 下流環状板
２６、３４ 翼
２８ 上流環状壁
３０ 下流環状壁
３２ 環状ノズル１４の内方壁
３６ 外部ケーシング
３８ 環状金属シート
４０ 回転面
４２ 円筒壁
４４ 円筒状リム
４６ 環状溝
４８ 内方壁３２の下流端部
５０ 極厚の部分
５２ 円筒リム

Claims (15)

1. ターボ機械内の遠心圧縮機の出口に取り付けられたディフューザノズルのアセンブリにして、ディフューザが、２つの環状板、即ち翼によって一緒に接合された上流環状板と下流環状板を備え、上流環状板が、外部ケーシングに対して支承された半径方向外方端部を有し、ノズルが、回転面を形成しかつ外部ケーシングによって取り囲まれた半径方向内方壁によって担持された複数の翼を備える、アセンブリであって、ノズルの翼の半径方向外方端部と外部ケーシングとの間に弾性変形可能な手段が配置され、前記手段が、外部ケーシングと翼の半径方向外方端部との間を空気が通過するのを防止することを特徴とする、アセンブリ。
2. 翼の半径方向外方端部に対して支承された、外部ケーシングから離隔された部分と、ケーシングに対して支承された少なくとも一方の端部とを有する環状金属シートを、弾性変形可能な手段が備えることを特徴とする、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 環状金属シートの一方の端部が外部ケーシングに固定され、その他方の端部が外部ケーシングに対して滑動可能に支承されていることを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 環状金属シートの他方の端部が、ディフューザの上流環状板の半径方向外方端部内の環状溝内を案内されることを特徴とする、請求項３に記載のアセンブリ。
5. 環状溝が、上流環状板の半径方向外方端部の円筒リムと外部ケーシングとの間に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 環状金属シートが約１ｍｍから１．５ｍｍの厚みを有することを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
7. 環状金属シートが、ケーシングとノズルの膨張係数と同様の熱膨張係数を有する材料で製作されていることを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
8. 環状金属シートが溶接、ろう付け、またはリベット締めによって外部ケーシングに固定されていることを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
9. 環状金属シートが、密閉コーティングを含むことを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
10. 環状金属シートの密閉コーティングが、エラストマであることを特徴とする、請求項９に記載のアセンブリ。
11. 環状金属シートが、摩耗に耐えるコーティングを含むことを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
12. 環状金属シートが、弾性予応力をともなって外部ケーシングとノズルの翼の半径方向外方端部との間に取り付けられていることを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
13. 請求項２に記載のディフューザノズルのアセンブリで使用する弾性変形可能な環状金属シートであって、形状が円錐台形で張り出した端部を備えることを特徴とする、環状金属シート。
14. ３６０°を占める単一部材として製作されていることを特徴とする、請求項１３に記載の環状金属シート。
15. 請求項１に記載のディフューザノズルのアセンブリを含むことを特徴とする、ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械。

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