JP5507828B2 - 非対称流れ抽出システム - Google Patents

Description

本発明は、総括的に、流体流れ抽出システムに関し、より具体的には、圧縮システムからの流体の非対称抽気流れ抽出のためのシステム及び装置に関する。本明細書で用いる用語「流体」とは気体及び液体を含む。

ガスタービンエンジンにおいて、空気は動作中に圧縮モジュール内で加圧される。圧縮モジュールを通って送られる空気は、燃焼器内で燃料と混合されて点火され、高温燃焼ガスを発生して、タービン段を通って流れ、該タービン段がファン及び圧縮機ロータに動力を送るためにエネルギーを抽出してエンジン推力を発生し、飛行中の航空機を推進させ、或いは発電機などの負荷に動力を供給する。

圧縮機は、ロータ組立体及びステータ組立体を含む。ロータ組立体は、ディスクから半径方向外側に延びる複数のロータブレードを含む。より具体的には、各ロータブレードは、ディスクに隣接するプラットフォームと先端との間を半径方向外側に延びる。ロータ組立体を通るガス流路は、ロータブレードプラットフォームによって半径方向内側に境界付けられ、複数のシュラウドによって半径方向外側に境界付けられる。

ステータ組立体は、圧縮機に入る加圧ガスをロータブレードに配向するノズルを形成する複数のステータベーンを含む。ステータベーンは、根元プラットフォームと外側バンドとの間に半径方向に延びる。ステータ組立体は、圧縮機ケーシング内に取り付けられる。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジン内では、高圧空気の一部が、タービン冷却、加圧軸受サンプ、パージ用空気、又は航空機環境制御など他の用途のために圧縮機から抽出又は抽気される。空気は、圧縮機の特定部分又は段の上に配置される抽気スロットを用いて圧縮機から抜き取られる。抽出された空気は次に、エンジンの外周周辺に配置された抽気口を介して空気を必要とする様々な場所に供給される。

様々な抽気口から要求される空気の質量流量は、抽出される空気の用途に応じて大きく変わる。例えば、航空機環境制御システム（ＥＣＳ）は、例えばドメスティックポートを通るタービンブレード冷却システムよりもＥＣＳポートを通る極めて大量の空気流（最大で４倍）を要求する。複数のシステムに空気を供給する複数の抽気口が存在する。例えば、本明細書に示す例示的なガスタービンエンジンにおいて、１つの大型ＥＣＳ抽気口及び４つの小型のドメスティック抽気口がある。

様々なシステムに空気を供給する抽気口は、異なる大きさとすることができ、エンジンの周辺に非周期的に配置することができる。ドメスティックポートとＥＣＳポートとの間の空気流量の差異は、ポートの円周方向の非周期的な配置と連動して、圧縮機流路内のその抽出点における抽気流量の円周方向変動を引き起こす。圧縮機流路の抽気スロット入口における抽気質量流量は、円周方向で可能な限り均一であることが望ましい。流量の不均一性を低減するために、従来の設計において、加圧空気は、抽気キャビティから圧縮機の外側に配置されるプレナム内に流れる。外部抽気口は、加圧空気をエンジン、航空機又は他の用途の他の場所に供給するためにプレナム上に配置される。抽気口をエンジン外側に配置された外部プレナム上に配置する従来の方法は、エンジン重量を増加させ、設計が複雑になる。
米国特許第６，５５０，２５４号公報 米国特許第３，６３２，２２３号公報 米国特許第７，０９４，０２０号公報 米国特許第６，４４２，９４１号公報 米国特許第６，５４５，２３４号公報

従って、エンジンの外側に配置される外部プレナムを使用せずに、抽気スロットにおける円周方向の流量変動を低減するのを促進する非対称流れ抽出システムを有することが望ましい。

上記の必要性は、流路、該流路内の抽気スロット、流路から抽出された流体の少なくとも一部を受けるための抽気キャビティ、及び抽気スロット及び抽気キャビティに流れ連通した抽気通路とを備えた非対称流れ抽出のためのシステムを供給する例示的な実施形態によって満たすことができ、ここで抽気通路は、抽気通路断面の幅が該抽気通路の流体流れの方向に対し垂直な方向で変化するような形状を有する少なくとも１つのディフレクタを有する。別の実施形態において、ディフレクタは、空力表面を有し、該空力表面とこれから離れて配置された表面との間の流路が非軸対称の断面形状を有するような形状を有する。別の実施形態において、抽気通路は、円周方向に配列された複数のディフレクタの組立体を含む。

本発明と見なされる対象は、本明細書の最終部分に具体的に指摘され明確に請求項に記載される。しかしながら本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

種々の図全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、長手方向軸１１を有するガスタービンエンジン組立体１０の断面図を示す。ガスタービンエンジン組立体１０は、コアガスタービンエンジン１２を含み、これは、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６と、高圧タービン１８とを含む。図１に示す例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、コアガスタービンエンジン１２から軸方向下流側に結合された低圧タービン２０と、コアガスタービンエンジン１２から軸方向上流側に結合されたファン組立体２２とを含む。ファン組立体２２は、ロータディスク２６から半径方向外側に延びる一連のファンブレード２４を含む。図１に示す例示的な実施形態において、エンジン１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン組立体１０は、オハイオ州シンシナティ所在のゼネラルエレクトリック社から入手可能なターボファンガスタービンエンジンである。コアガスタービンエンジン１２、ファン組立体２２、及び低圧タービン２０は、第１のロータシャフト３１によって共に結合され、圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第２のロータシャフト３２によって共に結合される。

動作中、空気はファン組立体ブレード２４を通って流れ、加圧空気が高圧圧縮機１４に供給される。ファン組立体２２から吐出された空気が圧縮機１４に送られ、ここで空気流は更に加圧されて燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの燃焼生成物を利用して、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１を介してファン組立体２２を駆動する。エンジン１０は、設計動作条件と設計外動作条件との間の範囲の動作条件で動作可能である。

図２は、環状開口部及び抽気流路１００の形態で流路１７内に抽気スロット２１９を含む非対称流れ抽出システム３００の例示的な実施形態を備えた高圧圧縮機１４の一部の軸方向断面図である。圧縮機１４は、複数の段５０を含み、ここで各段５０は、円周方向に間隔を置いたロータブレード５２の列とステータベーン組立体５６の列とを含む。ステータベーン組立体５６は、円周方向に間隔を置いたステータベーン７４の列を含む。ロータブレード５２は通常、ロータディスク２６によって支持され、ロータシャフト３２に結合される。圧縮機１４は、ステータベーン組立体５６を支持するケーシング６２によって囲まれる。図２に示す例示的な設計において、流路１７からの加圧空気の一部は、抽気スロット２１９を通って抽気通路１００に入り、更に抽気キャビティ２００に入る。

図２は、円周方向に配列された複数のディフレクタ１５１、１５２、１５３、１５４を含むディフレクタ組立体１５０の例示的な実施形態を有する抽気流路１００の例示的な実施形態を示す。図２に示す例示的な実施形態において、ケーシング６２は、圧縮機１４を通って延びる圧縮機流路１７の一部を形成する。ケーシング６２は、ケーシング６２の軸方向上流側及び下流側に延びるレール６４を有する。連続した圧縮機流路を生成するために、レール６４は、隣接するステータ本体５８に定められたスロット６６に結合される。例示的な実施形態において、圧縮機ステータ本体５８は、対流及び空力的抽気損失の低減を促進するシールド組立体５００を含む。

図３は、図２に示す例示的な非対称流れ抽出システムの拡大図を示す。例示的な非対称流れ抽出システム３００は、圧縮機流路１７を含み、これを通って加圧空気が全体的に符号１５で示す方向に流れる。該流路を通って流れる空気の一部を抽出するために、抽気スロット２１９が流路内に配置される。抽気スロット２１９は、ほぼ環状形状であるが、例えば、流路表面の周りに円周方向に配置される成形孔など他の構成を用いることもできる。抽気通路１００は、抽気スロット２１９と圧縮機ケーシング６２の外側に配置された抽気キャビティ２００との間に構成される。抽気スロット２１９に入る空気は、抽気通路１００を通って抽気キャビティ２００内に配向される。抽気通路流れ領域は、抽出に伴う圧力損失の一部を回復するために、空気が抽気スロットから抽気キャビティ内に流れるときに空気流が拡散されるように設計される。

例えば、図３及び図４に符号２０５、２０６、２０７、２０８及び２０９で示す抽気口は、抽気キャビティ２００と流れ連通して配置される。図４の例示的な実施形態に示すように、抽気口２０５、２０６、２０７、２０８及び２０９は、圧縮機の外側の周りに非対称に配置することができる。これらの抽気口は、タービン構成要素を冷却するなどのためにエンジン１０の様々な部品に、又は航空機環境制御システム（ＥＣＳ）に空気を供給する。これらの抽気口の大きさ及びこれらの抽気口の各々を通る空気流量は、互いに異なることができる。例えば、ＥＣＳ抽気口２０５の流量は、冷却空気の抽気口２０６を通るよりも４倍大きくすることができる。

図４、図５、及び図６に示す例示的な実施形態において、ディフレクタ幾何形状及び抽気流路１００は、抽気口入口２１９及び流路５０にて２０５、２０６、２０７、２０８及び２０９などの非対称に配置された抽気口を通る不均一な流量の機械的又は空力的作用が低減されるように構成される。これは、例えば、流路幅をＥＣＳ抽気口２０５（図４参照）の付近など大流量の抽出領域では狭く、冷却抽気口２０８（図４参照）付近など小流量の抽出領域では広くするように、流路１００の流れ断面幅を円周方向で変えることによって達成される。

円周方向における流路１００の流れ断面幅の変化は、図４、図５及び図６において符号１５０で示すような、ディフレクタ組立体を用いて達成される。図４に示す例示的な実施形態において、ディフレクタ組立体１５０は、円周方向に配列される４つのセクタ１６１、１６２、１６３及び１６４を含む。これらセクタの各々は、図４の符号１５１、１５２、１５３及び１５４など、本明細書で弓形ディフレクタと呼ばれる湾曲又はアーチ型形状を有するディフレクタを含む。図４に示す例示的な実施形態において、ディフレクタ１５１は、流路１００の幅「Ｇ」（図５参照）が一定であるように成形され、ディフレクタ１５３は、流路の幅「Ｈ」（図６参照）もまた一定であるように成形される。図４に示す例示的な実施形態において、狭い幅「Ｇ」（図５参照）を作るディフレクタ１５１は、ＥＣＳ抽気口２０５のように大流量需要の抽気口が配置される抽気キャビティ２００の領域に隣接する円周方向領域に配置される。同様に、図４に示す例示的な実施形態において、広い幅「Ｈ」（図６参照）を作るディフレクタ１５３は、抽気口２０８のような小流量需要の抽気口が配置される抽気キャビティ２００の領域に隣接する円周方向領域に配置される。移行ディフレクタ１５２及び１５４は、ディフレクタ１５１と１５３との間で円周方向に配置される。移行ディフレクタ１５２及び１５４は、流路１００の幅が、セクタ１６１の小さな幅（「Ｇ」）からセクタ１６３の大きな幅（「Ｈ」）に、並びにこの大きな幅からセクタ１６４の小さな幅に円周方向で円滑に変化するような形状にされる。

図７は、ディフレクタ組立体１５０の一部を示す抽気流路１００の斜視図である。抽気通路１００を形成するための例示的なディフレクタ１５１が示されている。ディフレクタは、前方端部１７１、後方端部１７２、及び前方端部１７１と後方端部１７２との間の空力表面１７５を有し、該空力表面は、空力表面１７５と離間して配置された表面５０５との間の抽気通路１００が非軸対称の断面形状を有するように成形される。ディフレクタは、ケーシングの対応するスロット１７３、１７４内に嵌合する前方端部１７１及び後方端部１７２によって所定位置に保持される。或いは、ディフレクタは、従来の締結具又は適切な手段を用いて所定位置に保持することができる。

非対称流れ抽出システム（図４参照）の例示的な実施形態において、セクタ角度「Ａ」は１８０度であり、セクタ角度「Ｂ」は４５度、セクタ角度「Ｃ」は９０度、セクタ角度「Ｄ」は４５度である。幅「Ｇ」は０．１５インチ、幅「Ｈ」は０．２５インチである。ディフレクタ１５１、１５２、１５３及び１５４は、およそ０．０３０厚みであり、インコネル７１８から製造される。この実施形態において、第４段圧縮機位置における抽気口からの抽気スロット圧力回復は、およそ１％増加する。抽気スロットでの円周方向の流量変動はおよそ３０％であり、これは外部プレナムを用いた従来システムと一致する。

本発明の別の実施形態において、ディフレクタは、一体成形で製造することができ、セクタ１６１、１６２、１６３及び１６４の各々について上述された変化を組み込むようにディフレクタの空力形状を設計することによって、上述のような流路幅における円周方向の変動が達成されるようになる。本発明の更に別の実施形態において、上述のような円周方向における流路幅の変化は、本明細書の教義を用いたシールド組立体５００の空力形状を設計することによって達成される。

本明細書において本発明の好ましい例示的な実施形態と考えられるものを説明してきたが、本発明の他の修正形態が本明細書の教義から当業者には明らかになるものとし、従って、本発明の真の技術思想及び範囲内にあるこうした全ての修正形態が添付の請求項において保護されることが望ましい。

例示的なガスタービンエンジン組立体の断面図。 非対称流れ抽出システムの例示的な実施形態における高圧圧縮機の一部の軸方向断面図。 非対称流れ抽出システムの例示的な実施形態の拡大図。 非対称流れ抽出システムの例示的な実施形態の軸方向図（後方から前方を見た）。 図４の断面Ａ−Ａにおける抽気流路の断面図。 図４の断面Ｂ−Ｂにおける抽気流路の断面図。 ディフレクタ組立体の一部を示す抽気流路の斜視図。

符号の説明

６４ レール
６６ スロット
１００ 抽気流路
１５０ ディフレクタ組立体
１５１，１５２，１５３，１５４ ディフレクタ
１７１ 前方端部
１７２ 後方端部
１７３ スロット
１７４ スロット
２１９ 抽気スロット
５００ シールド組立体５００
５０５ 表面

Claims (6)

1. 流路（１７）であって該流路（１７）を通して流体を流すための流路（１７）と、
   前記流路から流体の一部を抽出するための前記流路内の抽気スロット（２１９）と、
   前記流路から抽出された流体の少なくとも一部を受けるための抽気キャビティ（２００）と、
   前記抽気スロット（２１９）及び前記抽気キャビティ（２００）に流れ連通する抽気通路（１００）と、
   を備え、
   前記抽気通路（１００）は、前記抽気通路断面の幅が該抽気通路の流体流れの方向に対し垂直な方向で円周方向に変化するような形状を有する少なくとも１つのディフレクタ（１５１）を有し、
   前記抽気キャビティ（２００）は、円周方向に非対称に配置された複数の抽気口（２０５−２０９）と流れ連通し、該複数の抽気口（２０５−２０９）が前記抽気キャビティ（２００）からの流体を流す、
   非対称流れ抽出のためのシステム（３００）。
2. 前記少なくとも１つのディフレクタが複数であり、前記抽気通路（１００）が前記複数のディフレクタに対応して円周方向に複数の流れセクタ（１６１、１６２、１６３、１６４）を含む、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数の流れセクタ（１６１、１６２、１６３、１６４）が、円周方向に配列された複数のディフレクタ（１５１、１５２、１５３、１５４）によって形成される、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つのディフレクタ（１５１）が、前記抽気スロット（２１９）における円周方向の流量の変動が低減されるような空力形状を有する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム（３００）。
5. 前記抽気通路（１００）が、第１の幅（１８１）を有する第１の流れセクタ（１６１）と、第２の幅（１８３）を有する第２の流れセクタ（１６３）と、前記第１の流れセクタ（１６１）及び前記第２の流れセクタ（１６３）間で円周方向に配置される少なくとも１つの移行流れセクタ（１６２）とを含む、
   請求項１に記載のシステム（３００）。
6. 抽気通路（１００）を形成するための前記少なくとも１つのディフレクタは４つであり、
   前記４つのディフレクタは、それぞれ、第１の空力表面を備える第１のセクタ（１６１）と、第２の空力表面を備える第２のセクタ（１６３）と、第３の空力表面を備える第３のセクタ（１６２）と、第４の空力表面を備える第４のセクタ（１６４）と、に配置され、
   前記第１の空力表面が、該第１の空力表面とこれから離れて配置された表面との間の流路が円周方向で変化しない断面形状（Ｇ）を有するような形状を有し、
   前記第２の空力表面（１７５）が、該空力表面（１７５）とこれから離れて配置された表面（５０５）との間の流路が円周方向で変化しない断面形状（Ｈ）を有するような形状を有し、
   前記第３の空力表面が、該第３の空力表面とこれから離れて配置された表面との間の流路が円周方向で第１のセクタ（１６１）の前記断面形状（Ｇ）から前記第２のセクタ（１６３）の断面形状（Ｈ）まで変化し、
   前記第４の空力表面が、該第４の空力表面とこれから離れて配置された表面との間の流路が円周方向で第２のセクタ（１６３）の前記断面形状（Ｈ）から前記第１のセクタ（１６１）の断面形状（Ｇ）まで変化する
   ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（３００）。
   

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