JP5686809B2 - 空気注入器を有するタービンエンジン圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジン圧縮機の一般的な分野に関する。特に、本発明は、ポンピング現象を抑えるために空気再循環が行われる高圧タービンエンジン圧縮機に関する。

タービンエンジン圧縮機は、複数の連続圧縮段を備え、各々の圧縮段は、固定羽根の列（またはグリッド）とそれに続く可動羽根の列とから成る。環状ハウジングは、羽根列を取り囲んで、圧縮機を通過する空気流の流出ジェットの外側に画定する。

このような圧縮機は、ポンピング現象を引き起こしやすい。ポンピングとは、空気圧および空気流量の急激な振動で表わされ、この振動により圧縮機の羽根がかなりの機械的応力を受けて、羽根の脆化さらには損傷につながる恐れがあるので、タービンエンジン内では最小限に抑えることが求められる現象である。この現象は、羽根先端部と圧縮機のハウジングとの間にある空気層を制限する時に、特に、羽根先端部で発生し、局所的に、低い圧力ポケットで表わされる。

この現象を最小限に抑えるための知られている解決策の１つは、圧縮機内で空気再循環を行うことである。そのためには、一般に、空気は圧縮機の流出ジェットから圧縮段の可動羽根の先端部に対して直角に（またはすぐ下流側で）取り込まれる。この取り込まれた空気は、導管を通過して、その後、流出ジェットのより上流側で、例えば、上流側の圧縮機の別の段の可動羽根の先端部に向かって再注入される。例えば、米国特許出願公開第２００５／０２２６７１７号明細書および米国特許第５，４７４，４１７号明細書を参照すると、このような空気再循環の例示的な実施形態が記載されている。

流出ジェットから取り込まれた空気の再循環は、通常、羽根を取り囲むハウジングに空気注入器取り付けのために設けられた凹部に取り付けられる空気注入器を使用して達成される。

米国特許出願公開第２００５／０２２６７１７号明細書 米国特許第５，４７４，４１７号明細書

これらの空気注入器を圧縮機のハウジングの定位置で維持するには、問題がある。圧入嵌め合いによる空気注入器の取り付けの主な欠点は、ハウジングを損傷させずにこれらの注入器を分解することが不可能であるという点である。ネジ手段を使用して注入器を維持する場合は、ハウジングに自己制動手段を挿入するのに利用できる占有スペースを考慮せずに、必要なネジのサイズや数（空気注入器１つにつき１〜２個のネジ）に関しての問題がある。

したがって、本発明の主な目的は、確実に定位置で空気注入器を維持することができると同時に、空気注入器を分解できるようにした圧縮機を提案することで上述の欠点を克服することである。

上述の目的は、
圧縮機の長手方向軸を中心とした注入器の支持部を形成し、圧縮機を通過するガス流の流出ジェットの外側に画定する第１のハウジングと、
圧縮機の長手方向軸を中心とし、第１のハウジングと共に環状空間を形成して第１のハウジングの周囲に位置決めされた第２のハウジングと、
各々が一致する形状の凹部に取り付けられる複数の空気注入器であって、凹部は第１のハウジングから上流側の長手方向一端に形成され互いに一定間隔で離間し、各空気注入器が、
一方の側が圧縮機を通過するガス流の流出ジェットに向かって、他方の側がハウジング間に形成された環状空間に向かって半径方向に開口している少なくとも１つの内部空気注入チャネルと、
上流側長手方向端部に、第１のハウジングの対応する凹部の上流側リムを半径方向に押圧する内表面と第２のハウジングの内表面を半径方向に押圧する外表面とを有する上流側リムとを有する空気注入器と、
空気注入器を凹部または第１のハウジングの定位置で維持するためにハウジング間の空気注入器の上流側リムを締め付ける手段と
を備えるタービンエンジン圧縮機によって達成される。

本発明は、空気注入器全体が両方のハウジング間における注入器の単純な機械的締め付けによって、それぞれの凹部の定位置で維持されるという利点がある。アセンブリが圧入嵌め合いでなければ、ハウジングを損傷せずに、空気注入器を交換することが可能になる。その結果、メンテナンスが簡略化される。

有利には、第１のハウジングは、凹部間に形成されたボスを備え、ボスの外表面は、一方では第１のハウジングの外表面に対して突出し、他方では空気注入器の上流側リムの外表面よりも後退しており、締め付け手段は、第２のハウジングを半径方向に貫通して第１のハウジングのボスの１つにねじ込まれる少なくとも１つの取り付けネジを備える。

各空気注入器はさらに、下流側長手方向一端に、第１のハウジングの対応する凹部の下流側リムを半径方向に押圧する内表面を有する下流側リムを備えてもよい。この場合、有利には、各空気注入器はさらに、上流側リムを下流側リムに接続するサイドリムを備え、これらのサイドリムはそれぞれ、第１のハウジングの対応する凹部のサイドリムを半径方向に押圧する内表面を有する。これらのサイドリムが存在することで、どんな形であれ内部空気注入チャネルで画定された経路以外の経路を通って注入用空気が寄生的に取り込まれるのを避けることができる。

また、本発明の目的は上述の圧縮機を備えるタービンエンジンであり、この圧縮機はタービンエンジンの高圧圧縮機としてもよい。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な本発明の例示的な実施形態を示した添付図面を参照した以下の説明から明らかになる。

本発明のタービンエンジンの高圧圧縮機を概略的に周囲と共に示した長手方向断面図である。 本発明の圧縮機の部分分解斜視図である。 図２の組み立てられた圧縮機のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 図２の組み立てられた圧縮機のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 本発明の別の実施形態の圧縮機の部分分解斜視図である。

図１は、長手方向軸１２を有するタービンエンジン１０の部分図である。上流側から下流側に向かって（タービンエンジンを通過するガス流の流れ方向に）、タービンエンジンは、ファン１４と、低圧圧縮機１６と、高圧圧縮機１８と、燃焼室２０と、タービン（図示せず）とを備える。

各圧縮機は、特に、高圧圧縮機１８は、複数の圧縮段を含み、各圧縮段は、固定羽根２２の列（またはグリッド）とそれに続く可動羽根２４の列とから成る。これらの羽根２２、２４の列は、圧縮機を通過する空気流の流出ジェット２６内に位置決めされ、このジェットは外側で環状カバー２８によって半径方向に画定される。

高圧圧縮機１８内のポンピング現象を最小限に抑えるために、ジェット２６から圧縮機を通過する空気の一部を取り込んでさらに上流側でジェットに再注入する措置が行われる。

このためには、圧縮機の羽根２２、２４の列を取り囲むカバー２８は、（圧縮機の段の可動羽根の先端部に対して直角に、または可動羽根の先端部からすぐ下流側で）ジェット２６へと開口し、長手方向軸１２を中心としてカバーを取り囲む環状拡散導管３２へと開口する１つまたは複数のアパーチャ３０を含む。

拡散導管３２は、１つまたは複数の管３４を介して、同じく長手方向軸１２を中心とした環状サンプリング導管３６に接続される。拡散導管３２は、複数の空気注入器３８（図２から図５に関して以下で説明する）を介して、上流側のジェット２６へと開口する、例えば、圧縮機の別の段の可動羽根の先端部に向かって開口する。

図２から図４に示されているように、圧縮機の羽根列を取り囲むカバー２８は、注入器の支持部を形成する第１のハウジング２８ａと、第１のハウジングの周囲に位置する第２のハウジング２８ｂとから成る。第１のハウジング２８ａは、分割されている、すなわち、端から端まで配置された複数の環状ハウジングセグメントから成る。

これらのハウジング２８ａ、２８ｂは共に、タービンエンジンの長手方向軸１２を中心として、両方のハウジング間に拡散導管３２へと開口する環状空間４０を設けるために半径方向に互いに離間する。

第１のハウジング２８ａは、その上流側端部に（圧縮機を通過するガス流の流れ方向に対して）、一定間隔で互いに離間した複数の凹部４２を含み、各凹部４２は上流側リム４４と下流側リム４６とを有する。空気注入器３８は、これらの凹部に取り付けられる。

各空気注入器３８は、一方の側が圧縮機を通過するガス流の流出ジェット２６に向かって、他方の側がハウジング２８ａ、２８ｂ間に形成された環状空間４０に向かって半径方向に開口する空気を注入するための少なくとも１つの内部チャネル４８を備える。したがって、この空気注入チャネルは、拡散導管３２を通って空気が供給される。

さらに、各空気注入器３８は、その下流側長手方向端部に、下流側リム（またはスポイラ）５０を備え、その内表面５０ａは、第１のハウジングの対応する凹部の下流側リム４６を押圧する。

各空気注入器３８はさらに、その上流側長手方向端部に、上流側リム（またはスポイラ）５２を備え、その内表面５２ａは、第１のハウジングの対応する凹部の上流側リム４４を半径方向に押圧し、その外表面５２ｂは、第２のハウジング２８ｂの内表面を半径方向に押圧する。

これらのリム５０、５２により、特に、注入器３８を第１のハウジング２８ａに半径方向に位置決めすることができ、内部空気注入チャネル４８によって形成される経路以外の経路を通って空気が寄生的に通過するのが遮られる。

本発明によれば、空気注入器３８は、それぞれの上流側リム５２を締め付ける手段によって、第１のハウジング２８ａのそれぞれの凹部４２の定位置で維持される。

このためには、図２に示されるように、第１のハウジング２８ａは、上流側端部の空気注入器の凹部４２間に形成されたボス５４を備える。これらのボスの外表面は、一方では第１のハウジングの外表面に対して半径方向に突出し、他方では空気注入器の上流側リム５２の外表面５２ｂよりも半径方向に後退している。

すなわち、空気注入器の上流側リム５２の外表面５２ｂは、空気注入器がそれらの凹部に取り付けられた状態では、第１のハウジングのボス５４に対して半径方向に突出している（この段差は、図３の寸法ｈで示されている）。さらに、これらのボスのうちの少なくとも１つは、ねじ穴５６を有する。

図４に示されているように、第２のハウジング２８ｂを半径方向に貫通する固定ネジ５８がこの穴５６にねじ込まれる。このネジにより、第２のハウジング２８ｂが第１のハウジング２８ａに取り付けられる。また、このネジにより、ハウジング２８ａ、２８ｂが第１のハウジングの凹部４２に取り付けられた各空気注入器３８の上流側リム５２に半径方向の締め付け力を加えることができる。実際に、空気注入器３８の上流側リム５２はボス５４に対して半径方向に突出しているので、固定ネジ５８を硬く締めることにより、第２のハウジング２８ｂの内表面と第１のハウジング２８ａの凹部の上流側リム４４との間の空気注入器の上流側リムに締め付け力を生じさせることになることは容易に理解できる。したがって、圧縮機の空気注入器３８全体がハウジング２８ａ、２８ｂの間の定位置で保持される。

固定ネジ５８の数は変えてもよく、好ましくは、固定ネジは圧縮機の全周にわたって一定間隔で配置されることに留意されたい。さらに、追加の固定ネジ５８’が第２のハウジング２８ｂの下流側端部にねじ込まれてもよい（図４参照）。

図５に関して、本発明の圧縮機の別の実施形態を説明する。

前述の実施形態に比べて、図５に部分的示されている圧縮機１０’の空気注入器３８’は、下流側リム５０を注入器の上流側リム５２に接続するサイドリム（またはスポイラ）６０を含むのが特徴である。これらのサイドリムはそれぞれ、第１のハウジング２８ａの対応する凹部４２’のサイドリム６２を半径方向に押圧する内表面を有する。

上流側リム５２および下流側リム５０に加えてこれらのサイドリムが存在することで、どんな形であれ空気注入器３８’の内部空気注入チャネル４８によって画定された経路以外の経路を通って注入用空気が寄生的に取り込まれるのを避けることができる。

Claims (7)

1. 圧縮機の長手方向軸（１２）を中心とした注入器の支持部を形成し、圧縮機を通過するガス流の流出ジェット（２６）の外側に画定する第１のハウジング（２８ａ）と、
   圧縮機の長手方向軸を中心とし、第１のハウジングと共に環状空間（４０）を形成して第１のハウジングの周囲に位置決めされた第２のハウジング（２８ｂ）と、
   各々が一致する形状の凹部（４２、４２’）に取り付けられる複数の空気注入器（３８、３８’）であって、凹部が第１のハウジングから上流側の長手方向一端に形成され互いに一定間隔で離間し、各空気注入器が、
   一方の側が圧縮機を通過するガス流の流出ジェットに向かって、他方の側がハウジング間に形成された環状空間に向かって半径方向に開口している少なくとも１つの内部空気注入チャネル（４８）と、
   上流側長手方向端部に、第１のハウジングの対応する凹部の上流側リム（４４）を半径方向に押圧する内表面（５２ａ）と第２のハウジングの内表面を半径方向に押圧する外表面（５２ｂ）とを有する上流側リム（５２）とを有する空気注入器と、
   空気注入器を第１のハウジングの凹部の定位置で維持するためにハウジング間の空気注入器の上流側リムを締め付ける手段と
   を備えるタービンエンジン圧縮機（１０、１０’）。
2. 第１のハウジング（２８ａ）が、凹部（４２、４２’）間に形成されたボス（５４）を備え、ボスの外表面が、一方では第１のハウジングの外表面に対して突出し、他方では空気注入器（３８、３８’）の上流側リム（５２）の外表面（５２ｂ）よりも後退しており、締め付け手段が、第２のハウジング（２８ｂ）を半径方向に貫通して第１のハウジングのボスの１つにねじ込まれる少なくとも１つの固定ネジ（５８）を備える、請求項１に記載の圧縮機。
3. 各空気注入器（３８、３８’）がさらに、下流側長手方向一端に、第１のハウジングの対応する凹部（４２、４２’）の下流側リム（４６）を半径方向に押圧する内表面（５０ａ）を有する下流側リム（５０）を備える、請求項１および２のいずれか一項に記載の圧縮機。
4. 各空気注入器（３８’）がさらに、上流側リム（５２）を下流側リム（５０）に接続するサイドリム（６０）を備え、これらのサイドリムがそれぞれ、第１のハウジングの対応する凹部（４２’）のサイドリム（６２）を半径方向に押圧する内表面を有する、請求項３に記載の圧縮機。
5. 圧縮機の長手方向軸（１２）を中心として第２のハウジング（２８ｂ）の周囲に位置決めされる環状拡散導管（３２）をさらに含み、ハウジング間に形成された環状空間（４０）が環状拡散導管へと開口する、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮機。
6. 高圧圧縮機を形成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧縮機。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の圧縮機（１０、１０’）を少なくとも１つ備える、タービンエンジン。

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