JP5507340B2 - ターボ機械圧縮機ホイール部材 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械圧縮機ホイール部材に関する。

従来型のターボ機械では、圧縮機から空気を抽出して、例えばタービンブレード及びノズルのようなより高温の構成要素を冷却する。空気は一般的に、圧縮機の入口に可能な限り近接した箇所から抽出して、依然として供給源とシンク圧力との間で十分な逆流マージンを維持した状態にする。抽出の軸方向位置が後方に移動するにつれて、ターボ機械効率が低下する。つまり、抽出が一層後方になればなるほど、より多くの仕事量が抽出空気内に持込まれる。この仕事量は利用されないので、ターボ機械の全体効率が低下する。

一部のケースでは、ステータケーシングを通して半径方向外向きによりもロータの中心線に向けて半径方向内向きに空気を抽出することが望ましい。半径方向内向きに空気を抽出する場合には、空気は、ロータの慣性ベルト部分を通過しなければならない。慣性ベルトは、ロータの断面積であり、この断面積は、重力及び内部軸方向応力によるサグを支持する能力に影響を与える。抽出空気流量を増加させるためには、抽出箇所の寸法は、拡大しなければならない。抽出箇所の寸法を拡大することは、ロータの周辺部から付加的に材料を除去することを必要とする。この材料喪失により慣性ベルトが減少し、このことが次に、重力サグ及び応力を増大させる。その目的のために、ロータの構造的完全性を損なわずに抽出することができる空気の量には、限界があることになる。流れ面積を増大させる１つの方法は、孔の１つのアレイではなく軸方向に間隔を置いて配置した孔の２つ又はそれ以上のアレイを有することである。しかしながら、この構成は、ロータ及びステータの両方の製造コストを増大させる。

米国特許第７０１７３４９号明細書

本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、少なくとも１つのホイール部材を有するロータ組立体を含む。少なくとも１つのホイール部材は、中間部分を通って第２の部分まで延びる第１の部分を含む。中間部分は、第１のホイールスペース及び第２のホイールスペースを部分的に形成する。少なくとも１つのホイール部材はさらに、第２の部分に配置されたロータ慣性ベルト部材を含む。ロータ慣性ベルト部材は、抽出空気空洞を含む。抽出空気空洞は、入口と、入口に流体連結された入口セクション及び第１のホイールスペース内に至る出口セクションを各々が備えた第１の複数の抽出空気通路と、入口に流体連結された入口部分及び第２のホイールスペース内に至る出口部分を各々が備えた第２の複数の抽出空気通路とを含む。

本発明の別の態様によると、ターボ機械から空気を抽出する方法は、ロータ慣性ベルト部材内に形成された抽出空気空洞内に空気流を導くステップと、空気流の第１の部分をロータ慣性ベルト部材内に形成された第１の複数の抽出空気通路を通して流すステップとを含む。第１の複数の抽出空気通路は、抽出空気空洞と第１のホイールスペースとの間で延びている。本方法はさらに、空気流の第２の部分をロータ慣性ベルト部材内に形成された第２の複数の抽出空気通路を通して流すステップを含む。第２の複数の抽出空気通路は、抽出空気空洞と第２のホイールスペースとの間で延びている。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

例示的な実施形態による複数の圧縮機ホイール部材を備えたターボ機械の部分断面図。 図１の複数の圧縮機ホイール部材の１つの下方左側斜視図。 図２の圧縮機ホイール部材の部分断面図。 別の例示的な実施形態により構成された圧縮機ホイール部材の部分断面図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成したターボ機械は、その全体を参照符号２で示している。ターボ機械２は、圧縮機４と燃焼器組立体５とを有し、燃焼器組立体５は、噴射ノズル組立体ハウジング８とタービン１０につながった燃焼チャンバ９とを備えた少なくとも１つの燃焼器６を有する。ターボ機械２はまた、空気流路２１に沿って配置された、その１つを参照符号２０で示した複数のロータ又はホイール部材を備えたロータ組立体１２を含む。この図示した例示的な実施形態では、ホイール部材２０は、少なくとも１つの軸方向ボルト２２によって連結される。当然ながら、ホイール部材２０はまた、溶接法又はその他の構成要素結合法によっても連結することができることを理解されたい。ホイール部材は、圧縮機４の様々な段（別個には参照符号を付さず）を形成する。

作動時に、空気は、圧縮機４を通って流れ、加圧されかつ燃焼器に流れる。同時に、燃焼器６に燃料を流して加圧空気と混合して、可燃混合気を形成する。可燃混合気は、燃焼チャンバ９に送られかつ点火されて燃焼ガスを形成する。燃焼ガスは次に、タービン１０に送られる。燃焼ガスからの熱エネルギーが、ロータ組立体に対して使用する機械的回転エネルギーに変換される。上記の説明は、完全を期すためにかつホイール部材２０の具体的な構造及び作動に関する例示的な実施形態の一層明瞭な理解を可能にするために提示したものである。

図２〜図３で最も良く分かるように、ホイール部材２０は、中間部分２５を通って第２の部分２４まで延びる第１の部分２３を含む。第１の部分２３は、ホイール部材２０の圧縮機／タービンシャフトとの間の接合部を構成したハブ（別個には参照符号を付さず）を形成する。中間部分２５は、第１のホイールスペース２６及び第２のホイールスペース２７の一部を形成する。より具体的には、圧縮機４は、複数のホイール部材２０の隣り合うホイール部材間に配置された複数のホイールスペース領域を含む。加えて、ホイール部材２０は、中間部分２５内に設けられた通路２８を含む。通路２８は、第１のホイールスペース２６を第２のホイールスペース２７と流体連結する。

ホイール部材２０はまた、第２の部分２４に配置されたロータ慣性ベルト部材３０を含むものとして示している。ロータ慣性ベルト部材３０は、中央セクション３４を通って第２の直径セクション３３まで延びる第１の直径セクション３２を含む。ロータ慣性ベルト部材３０はさらに、中央セクション３４内に配置された抽出空気空洞３８を含む。加えて、ロータ慣性ベルト部材３０は、抽出空気空洞３８の両側に配置された第１のグルーブ／チャネル４１及び第２のグルーブ／チャネル４２を含む。各グルーブ／チャネル４１、４２は、圧縮機ブレード（別個には参照符号を付さず）を受けるように構成される。

図３で最も良く分かるように、抽出空気空洞３８は、ロータ慣性ベルト部材３０の中央横平面５５に沿って配置された入口５４を含む。入口５４は、抽出空気空洞３８及びホイールスペース２６間で延びる第１の複数の抽出空気通路５７と、抽出空気空洞３８及びホイールスペース２７間で延びる第２の複数の抽出空気通路５８とつながっている。第１の複数の抽出空気通路５７の各々は、導管セクション６６を通って出口セクション６４まで延びる入口セクション６３を含む。導管セクション６６は、中央横平面５５に対して第１の角度αで配置される。同様に、第２の複数の抽出空気通路５８の各々は、導管部分７３を通って出口部分７１まで延びる入口部分７０を含む。導管部分７３は、中央横平面５５に対して第２の角度βで配置される。この図示した例示的な実施形態では、第１の角度α及び第２の角度βは、ほぼ等しい。

この構成では、抽出空気空洞３８内に流れる抽出空気は、入口５４を通って第１及び第２の複数の抽出空気通路５７及び５８に流れる。空気流は、各入口セクション６３及び入口部分７０内に分岐し、各導管セクション６６及び各導管部分７３を通ってそれぞれ第１及び第２のホイールスペース２６及び２７に向かって流れる。第１及び第２の複数の抽出空気通路を空気流路２１から離れるように配置すること並びにロータ慣性ベルトを半径方向内向きに移動させることによって、ホイール部材２０の寸法の対応する増大を必要とせずに全抽出空気量を増大させることができる。加えて、通路２８の存在により、隣り合うホイールスペース間で抽出空気が自由に流れることができる。このようにして、この例示的な実施形態では、抽出面積を増大させるシステムが得られ、このシステムによると、圧縮機４から半径方向内向きに流れる抽出空気ボリュームの増加が可能になる。さらに、この抽出空気ボリュームの増加は、ホイール部材２０の構造的完全性を犠牲にして成り立つものではない。いずれにしても、面積の増大は、高いマッハ数に関連する圧縮機４内での効率損失を低下させ、かつより低い供給源圧力及び／又はより少ない流量を使用することを可能にする。

次に、別の例示的な実施形態により構成したホイール部材９０を説明するのに、図４を参照する。図示するように、ホイール部材９０は、中間部分９４を通って第２の部分９３まで延びる第１の部分（図示せず）を含む。上記したのと同様に、中間部分９４には、通路（図示せず）を設けることができる。上記したのとこれもまた同様に、中間部分９４は、第１のホイールスペース９６及び第２のホイールスペース９７の少なくとも一部を形成する。ホイール部材９０はさらに、中央セクション１０８を通って第２の直径セクション１０７まで延びる第１の直径セクション１０６を有するロータ慣性ベルト部材１０４含む。ロータ慣性ベルト部材１０４は、中央セクション１０８内に形成された抽出空気空洞１１８を含む。この図示した例示的な実施形態では、抽出空気空洞１１８は、ロータ慣性ベルト部材１０４の中央横平面１１９からオフセットしている。これもまた図示するように、ロータ慣性ベルト部材１０４は、第１のグルーブ／チャネル１２１及び第２のグルーブ／チャネル１２２を含む。第１及び第２のグルーブ／チャネルは、圧縮機ブレード（別個には参照符号を付さず）のための取付け箇所を形成する。

さらにこの図示した例示的な実施形態によると、抽出空気空洞１１８は、中央セクション１０８の中央横平面１１９からオフセットした入口１２８を含む。入口１２８は、抽出空気空洞１１８及び第１のホイールスペース９６間で延びる第１の複数の抽出空気通路１３５と、抽出空気空洞１１８及び第２のホイールスペース９７間で延びる第２の複数の抽出空気通路１３６とつながっている。図示するように、第１の複数の抽出空気通路１３５の各々は、導管セクション１４２を通って出口セクション１４０まで延びる入口セクション１３９を含む。導管セクション１４２は、中央横平面１１９に対して第１の角度Δで延びる。同様に、第２の複数の抽出空気通路１３６の各々は、中央軸線１１９に対して第２の角度πで配置された導管部分１４９を通って出口部分１４７まで延びる入口部分１４６を含む。図示するように、第１の角度Δは、第２の角度πよりも小さくて、第１の複数の抽出空気通路１３５は第２の複数の抽出空気通路１３６に対して非対称になる。

抽出空気空洞１１８、入口１２８並びに抽出空気通路１３５及び１３６により形成された非対称性により、ホイール部材９０から半径方向内向きの抽出流の自由な渦流発生が可能になり、それによって圧力損失を低減する。加えて、第１及び第２の複数の抽出空気通路を設けることによって、第１及び第２のホイールスペース９６及び９７内への抽出空気流量が増加する。最終的に、抽出空気通路の特有の位置及び配向により、中間部分９４からの材料の除去を減少させ、それによって重力サグ及び関連する応力に対する影響を低下させるように、ホイール部材９０を構成することが可能になる。

この点において、本発明は、圧縮機ホイール部材の全体寸法及び耐久性に悪影響を与えずに、圧縮機内での抽出空気流量を増大させるシステムを提供することを理解されたい。加えて、抽出空気通路間に非対称性を構成することによって、圧縮機４のホイールスペース領域内における圧力損失を減少させ、それによって全体圧縮機効率を高める。加えて、これらの実施形態は、１つのタイプのターボ機械への実施に限定されるものではなく、広範囲なターボ機械モデルにおいて使用することができることを理解されたい。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
４ 圧縮機
５ 燃焼器組立体
６ 燃焼器
８ 噴射ノズル組立体ハウジング
１０ タービン
１２ ロータ組立体
２０ ホイール部材
２１ 流路
２２ 軸方向ボルト
２３ 第１の部分
２４ 第２の部分
２５ 中間部分
２６ 第１のホイールスペース
２７ 第２のホイールスペース
２８ 軸方向開口部／通路
３０ ロータ慣性ベルト部材
３２ 第１の直径セクション
３３ 第２の直径セクション
３４ 中央セクション
３８ 抽出空気空洞
４１ 第１のグルーブ／チャネル
４２ 第２のグルーブ／チャネル
５４ 入口
５７ 第１の複数の抽出空気通路
５８ 第２の複数の抽出空気通路
６３ 入口セクション
６４ 出口セクション
６６ 導管セクション
６７ 第１の角度α
７０ 入口部分
７１ 出口部分
７３ 導管部分
７４ 第２の角度β
９０ 第１の部分
９３ 第２の部分
９４ 中間部分
９７ 第２のホイールスペース
１０４ ロータ慣性ベルト部材
１０６ 第１のホイールスペース
１０７ 第２のホイールスペース
１０８ 中央セクション
１１８ 抽出空気空洞
１１９ 中央軸線
１２１ 第１のグルーブ／チャネル
１２２ 第２のグルーブ／チャネル
１２８ 入口（オフセット）
１３５ 第１の複数の抽出空気通路
１３６ 第２の複数の抽出空気通路
１３９ 入口セクション
１４０ 出口セクション
１４２ 導管セクション
１４３ 第１の角度Δ
１４６ 入口部分
１４７ 出口部分
１４９ 導管部分
１５０ 第２の角度π

Claims (9)

1. ターボ機械（２）であって、当該ターボ機械が、
   少なくとも１つのホイール部材（２０）を備えたロータ組立体（１２）を
   備えており、前記少なくとも１つのホイール部材（２０）が、
   第１のホイールスペース（２６）及び第２のホイールスペース（２７）を部分的に形成した中間部分（２５）を通って第２の部分（２４）まで延びる第１の部分（２３）と、
   該少なくとも１つのホイール部材（２０）の第２の部分（２４）に配置されたロータ慣性ベルト部材（３０）と
   を有していて、前記ロータ慣性ベルト部材（３０）が抽出空気空洞（３８）を含んでいて、前記抽出空気空洞（３８）が、入口（５４）と、前記入口（５４）に流体連結された入口セクション（６３）及び前記第１のホイールスペース（２６）内に至る出口セクション（６４）を各々が備えた第１の複数の抽出空気通路（５７）と、前記入口（５４）に流体連結された入口部分（７０）及び前記第２のホイールスペース（２７）内に至る出口部分（７１）を各々が備えた第２の複数の抽出空気通路（５８）とを含んでおり、前記第１のホイールスペース（２６）が前記第２のホイールスペース（２７）と区別される、ターボ機械（２）。
2. 前記ロータ慣性ベルト部材（３０）が、中央横平面（５５）を有する中央セクション（３４）を通って第２の直径セクション（３３）まで延びる第１の直径セクション（３２）を含み、前記入口（５４）が、前記中央セクション（３４）内に形成される、請求項１記載のターボ機械（２）。
3. 前記抽出空気空洞（３８）が、前記ロータ慣性ベルト部材の中央横平面（５５）に沿って配置される、請求項２記載のターボ機械（２）。
4. 前記抽出空気空洞（３８）が、前記ロータ慣性ベルト部材の中央横平面（５５）からオフセットしている、請求項２記載のターボ機械（２）。
5. 前記第１の複数の抽出空気通路（５７）が、前記第２の複数の抽出空気通路（５８）に対して非対称に配置される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のターボ機械（２）。
6. 前記第１の複数の抽出空気通路（５７）が、第１の角度で配置され、また前記第２の複数の抽出空気通路（５８）が、第２の角度で配置される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のターボ機械（２）。
7. 前記第１の角度が、前記第２の角度とは異なる、請求項６記載のターボ機械（２）。
8. 前記第１の角度が、前記第２の角度と同一である、請求項６記載のターボ機械（２）。
9. 前記少なくとも１つのホイール部材（２０）の中間部分（２５）内に形成された通路（２８）をさらに含み、前記通路（２８）が、前記第１のホイールスペース（２６）を前記第２のホイールスペース（２７）と流体連結する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のターボ機械（２）。
   

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