JP5475018B2 - 圧縮機ホイール用侵食インジケータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、これに限定されないが、航空機タービンエンジンなどのターボ機械の圧縮段の分野に関し、特に、本発明は、このような圧縮段を構成する要素の摩耗問題に関する。

より詳細には、本発明は、圧縮段の構成要素の１つ、すなわち、遠心圧縮機ホイールに関し、遠心圧縮機ホイールは、ハブと、ハブから半径方向に伸びるウェブと、ウェブによって担持される複数のブレードとを備える。

以下では、「軸方向（の）」および「半径方向（の）」という形容詞は、圧縮機ホイールの回転軸に対するものとする。

このような遠心圧縮機ホイールは、他の分野でも知られているが、半径方向ディフューザと協働して、圧縮段から半径方向に出る前に圧縮段に軸方向に入る空気を圧縮する。

知られている形では、ブレードの各々は、前縁から後縁に伸び、圧力側と吸引側とを有する。

圧縮段が動作時に、特に、ヘリコプタガスタービンなどの航空機タービンエンジンに取り付けられる場合に（ただし、これに限定されない）、圧縮機ホイールは、特に、砂などの粒子が圧縮段に吸い込まれるために侵食される傾向がある。

数時間の運転後、通常は侵食形状が、特に圧力側のブレードの前縁に凹み状に、後縁に向かって伸びる根元部に溝状に存在することがわかる。すなわち、ホイールのこれらの位置に溝があるのは、ホイールが侵食された結果である。

前縁の凹みは、圧縮機の性能劣化および空気力学的安定性低下を引き起こし、さらにブレードの機械的強度の低下を引き起こす恐れがある。また、溝は、インペラディスクの機械的強度を低下させる。前縁の侵食は、従来の手段（エンジンの空気取入口の中を調べるカメラ）で容易に見つけられるが、前縁の侵食は溝状の侵食ほど大きくない場合がある。したがって、さらに溝状の侵食がないかを検査する必要があり、圧縮機ホイールが溝によって過度に侵食されるとホイールを交換する必要がある。

一般に、侵食形状は非常に細かく、あまり目に見えないので、現れた侵食量が許容可能であるか否かを迅速に判断することが難しい。

本発明の目的は、溝状の侵食を迅速にかつ簡単に検査可能な遠心圧縮機ホイールを提供することである。

本発明は、ウェブがホイールの侵食インジケータを含むことで、上述の目的を達成する。

侵食インジケータは、完全に侵食された時の圧縮機ホイールの侵食レベルが、ホイールの交換が必要なレベルとなるように選択される。

侵食インジケータは、整備士が圧縮機ホイールの摩耗状態を容易にかつ迅速に検査できるように、明確に視認できるものであることも理解できる。

本発明によれば、侵食インジケータは、圧縮機ホイールのウェブに溝が形成されるように徐々に侵食される。インジケータは、侵食がウェブの軸方向の厚さ、ひいては侵食インジケータの軸方向の厚さを減少させるように配置されるのが好ましい。

好ましくは、侵食インジケータは、容易に溝の形成を検査することができるようにウェブの外側周縁部に配置され、さらに、このように位置決められた侵食インジケータは圧縮機ホイールを通る空気流を妨げないようになる。

特に有利な実施形態では、摩耗インジケータは、ウェブの周縁部から半径方向に突出した少なくとも１つのリブを備え、リブは、リブの平坦部とブレードが延びるウェブの表面との間に段を形成するように、ウェブの軸方向の厚さ未満である軸方向の厚さを有する。

すなわち、「半径方向範囲」とういう用語が圧縮機ホイールの回転軸から測定される半径方向距離を指すのに使用される場合、リブは関連するブレードの半径方向範囲よりわずかに長い半径方向範囲を有する。

すなわち、リブはウェブの周縁部に、半径方向に特に厚い部分を構成する。

ホイールが侵食される時に、ブレード根元部に形成される溝がブレードの特に後縁の厚さを軸方向に擦り減らす傾向がある。その結果、段はその軸方向範囲の方向に徐々に侵食される。この場合、「軸方向範囲」という用語は、リブの平坦部とブレードを担持するウェブの内面との間の距離を指すものとする。また、この軸方向範囲は、ウェブの周縁部で測定される軸方向の厚さとリブの軸方向の厚さとの差に相当する。

その後、溝が形成されたことで段全体が侵食されてしまい、溝がリブの平坦部で形成され始める。

本発明者は、リブ侵食の始まりが、特に、リブの平坦部で見られることで、有利には、侵食インジケータの侵食の終わりを特定するのが容易になることに気付いた。

したがって、整備工は、特に便利なことに、侵食の跡がリブに見られるとすぐに圧縮機ホイールを交換する必要があることを知ることになる。

この目的ために、有利には、段の軸方向範囲が較正される。

段は、０．５ｍｍから１．５ｍｍの軸方向範囲を有するのが好ましい。

また、リブの半径方向範囲は、０．５ｍｍから３ｍｍであるのが好ましい。

本発明によれば、摩耗インジケータは、１つまたは複数のリブで構成される。しかしながら、ウェブの周縁部の周囲全体に沿って伸びる１つのリブを選択することが好ましい。

さらに、従来は、圧縮機ホイールに侵食があるかを検査するには、圧縮機ホイールが完全に取り外されなければならなかった。このような取り外しは、一般に、ターボ機械の分解検査または修理の際に行われており、通常、長時間を要し、費用がかかる上に、航空機を地上で待機させておかなければならない。

本発明はさらに、本発明の圧縮機ホイールと併せて、侵食インジケータの摩耗を検査するために圧縮段の中に内視鏡を挿入できる入口を備えたケーシングを含む、ターボ機械圧縮段を提供する。

したがって、本発明により、整備工が摩耗インジケータにカメラを向けることでホイールの摩耗を検査できれば、侵食を検査するのに圧縮機ホイールを取り外す必要がなくなる。次に、整備工は、圧縮機ホイールを回転させることで、ホイールのブレードの各々の根元部に形成された溝によって生じた侵食を容易に検査することができる。

カメラは、内視鏡であるのが好ましい。

本発明はさらに、本発明の圧縮段を含むターボ機械を提供する。ターボ機械は、ヘリコプタまたは任意の他の航空機用のタービンエンジンであるのが好ましい。

最後に、本発明は、本発明のターボ機械用遠心圧縮機ホイールの侵食を判断する方法を提供する。この方法では、前記ホイールの侵食インジケータの摩耗を検査するために内視鏡が圧縮段の中に挿入される。

上記方法では、内視鏡はケーシング（好ましくは、膨出部）に設けられた開口部を通って挿入され、その後、ウェブの周縁部ひいては侵食インジケータを観察することができるところまでディフューザを貫通する。

したがって、本発明の方法により、ターボ機械の全体のメンテナンスの時のみならず、まさに就航中に直接、侵食範囲を追跡することができる。

非限定的な例として挙げられた一実施形態の以下の説明を読めば、本発明はより良く理解され、本発明の利点がより明らかになるであろう。以下の説明は、添付図面を参照して行う。

ウェブの周縁部の周囲に沿って伸びるリブで構成された摩耗インジケータを示す、本発明の圧縮機ホイールの斜視図である。 図１のホイールの下流側端部を示す、圧縮段の部分断面図である。 図１のホイールの侵食インジケータと、圧縮段のディフューザケーシングの一部とを示す、図２の詳細部分図である。 前記ホイールが侵食されていない状態の図１のホイールにおける、ブレードの後縁の部分図である。 前記ホイールがわずかに侵食されており、侵食インジケータが部分的に擦り減った状態の図１のホイールにおける、ブレードの後縁の部分図である。 前記ホイールがかなり侵食されており、侵食インジケータが完全に擦り減った状態の図１のホイールにおける、ブレードの後縁の部分図である。 図１の圧縮機ホイールを含むヘリコプタのガスタービンの断面図である。

図１は、通常、ヘリコプタのガスタービンに見られる種類の圧縮機ホイール１０の斜視図である。当然、本発明は、圧縮機ホイールを含む他のタイプのタービンエンジンにも適用できる。

知られている形では、圧縮機ホイール１０は、軸Ａを中心としてホイール１０を回転駆動するために駆動シャフト（図示せず）と協働するハブ１２を備える。以下の説明において、「半径方向（の）」および「軸方向（の）」という形容詞は、軸Ａに対して使用されている。圧縮機ホイール１０は、図７に見られる圧縮段１３のディフューザ１１に面するケーシングに取り付けるためのものである。

圧縮機ホイール１０はさらに、図２でより明確に示されており、ハブ１２から半径方向に伸びるウェブ１４を含む。

さらに、圧縮機ホイール１０は複数のブレード１６を担持しており、ブレード１６の各々が前縁１６ａと後縁１６ｂとの間に伸びている。また、これらのブレード１６がハブ１２とウェブ１４とによって担持されていることは周知である。図２および図３に見られるように、この例では、ブレード１６の後縁１６ｂがウェブ１４の周縁部２２と同一平面になる。

本発明によれば、圧縮機ホイール１０のウェブ１４は侵食インジケータ１８を含み、この例では、侵食インジケータ１８は、リブ２０（好ましくは１つのリブであるが必ずしもというわけではない）を備え、前記リブ２０は、ブレード１６の各々の後縁１６ｂの位置でリブ１４の周縁部２２から半径方向に突出している。

図２および図３を参照して、本発明の摩耗インジケータ１８についてさらに詳しく説明する。

これらの図に見られるように、リブ２０は、リブ２０の平坦部２０ａとブレード１６が延びるウェブ１４の表面Ｓとの間に段Ｍを形成するように、ウェブの軸方向の厚さＥＶ未満である軸方向の厚さＥＮを有する。すなわち、この段Ｍは、圧縮機ホイール１０を通る空気の流れ方向Ｆに下る段差を構成する。したがって、リブ２０は、ブレード１６が突出する表面Ｓから離れた周縁部の軸方向端部に位置する。

さらに、リブ２０は、リブ２０の端部と圧縮段１３のディフューザ１１との間に半径方向の隙間を設けるように、好ましくは０．５ｍｍから３ｍｍの半径方向範囲ＨＮを有する。

この段２０は、以下に説明する目的のために、好ましくは０．５ｍｍから１．５ｍｍの軸方向範囲ＨＭを有する。

図４から図６を参照して、侵食インジケータの動作方法を説明する。

これらの図は、後縁１６ｂに近いブレード１６の圧力側を示している。

ホイールが侵食されていない場合、例えば、新しいホイールで適用される場合、図４に示されるように、ウェブ１４にはブレード根元部の侵食形状が全く見られない。

数百時間の運転後、空気流によって運ばれた粒子は、図５に示されるように、圧力面Ｉの傍のブレード根元部における溝３０の出現で示される侵食を引き起こす。

溝３０の深さは次第に増し、ウェブ１４の軸方向の厚さＥＶを擦り減らす傾向がある。

図５では、後縁１６ｂにおける溝３０の深さは段Ｍの軸方向範囲ＨＭより浅いことがわかる。すなわち、この状態では、段Ｍは完全に侵食されておらず、リブ２０はまだ損なわれていない。

侵食がリブ２０に到達していない限り、圧縮機ホイール１０の摩耗はまだ許容可能であると見なされるのが好ましい。

図６に示されるように侵食がより進行した状態では、溝３０がリブ２０を損傷させて、（圧力側Ｉのブレード１６の根元部の）段Ｍがなくなっていることがわかる。

すなわち、溝３０の深さは段Ｍの軸方向範囲ＨＭより深い。この段階では、侵食インジケータ１８は完全に侵食されており、それは圧縮機ホイール１０が交換される必要があるということを意味している。

本発明によれば、有利には、侵食インジケータ１８の摩耗は、図７に示されるように、圧縮段１３のケーシング１５の入口４２を通って、具体的には、膨出部を通って挿入されるカメラを使用して、好ましくは、内視鏡４０を使用して検査される。

内視鏡４０は、通常は圧縮段に見られる半径方向ディフューザ４４を通って挿入される。

図２からわかるように、内視鏡４０は、ホイール１０を完全に分解しなくても侵食インジケータ１８の摩耗状態を観察し検査することができる。

実際に、本発明者は、侵食インジケータ１８の完全摩耗まで示すように、リブ２０の侵食の始まりを内視鏡によって容易に見つけることができることに気付いた。リブの侵食に関連して段Ｍがなくなっているのが容易にわかる。

要するに、侵食インジケータ１８の内視鏡検査の際に、２つの状況が生じる可能性がある。つまり、段Ｍがまだ存在し、リブ２０に侵食跡が全く見られないので、圧縮機ホイール１０の使用が継続される状況、あるいは、段Ｍがなくなって、リブ２０に侵食跡が見られる状況で、この場合はホイールが交換される必要がある。

Claims (7)

1. ハブ（１２）と、ハブから半径方向に伸びるウェブ（１４）と、ホイールによって担持される複数のブレード（１６）とを備える遠心圧縮機ホイール（１０）であって、ウェブが、ホイール（１０）の侵食インジケータ（１８）を含むことと、侵食インジケータ（１８）が、ブレード（１６）の１つの後縁（１６ｂ）の位置でウェブの周縁（２２）から半径方向に突出する少なくとも１つのリブ（２０）を備えることと、リブ（２０）が、リブの平坦部（２０ａ）とブレードが延びるウェブ（１４）の表面（Ｓ）との間に段（Ｍ）を形成するようにウェブ（１４）の軸方向の厚さ（ＥＶ）未満の厚さである軸方向の厚さ（ＥＮ）を有することとを特徴とする、遠心圧縮機ホイール。
2. 段（Ｍ）が、０．５ｍｍから１．５ｍｍの軸方向範囲（ＨＭ）を有することを特徴とする、請求項１に記載の遠心圧縮機ホイール。
3. リブ（２０）の半径方向範囲（ＥＮ）が、０．５ｍｍから３ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の遠心圧縮機ホイール。
4. リブ（２０）が、ウェブ（１４）の周囲に沿って伸びることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機ホイール。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮機ホイール（１０）と併せて、侵食インジケータの摩耗を検査するために圧縮段の中に内視鏡（４０）を挿入できる入口（４２）を備えたケーシング（１５）を含む、ターボ機械圧縮段（１３）。
6. 請求項５に記載の圧縮段（１３）を含む、ターボ機械。
7. 請求項５に記載の圧縮段の遠心圧縮ホイールの侵食を判断する方法であって、前記ホイールの侵食インジケータ（１８）の摩耗を検査するために、内視鏡（４０）が圧縮段（１３）の中に挿入されることを特徴とする、方法。

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