JP6423084B2 - ガスタービンエンジン用の制御された収束圧縮機流路 - Google Patents

Description

本発明は、一般にタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジンの圧縮機内の圧縮機流路に関する。

通常、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮空気を燃料と混合し混合物に点火するための燃焼器と、電力を発生するためのタービンブレードアッセンブリと備えている。圧縮機流路は一般に、円錐状のセグメントから構成されている。即ち、圧縮機流路は区分的に直線状であって、流路の環状面積が入口から出口へと継続的に減少している。これらの流路は比較的容易に設計され製造されるが、これらの流路は、流路の収束、即ち面積の低減を可能な限り効率的に利用しているものではなく、圧縮機翼列の間のベーンのないギャップ又はブレードのないギャップにおいて、又はその両方において、かなりの収束を無駄にしている。

タービンエンジンの圧縮機内において限定的な流路収束を良好に分布させるように構成された、制御された収束圧縮機流路が開示されている。圧縮機は、周方向に延在する内側境界及び外側境界によって画定された流路を有していてよく、これらの境界は、この流路を通る流体流を良好に分配するように収束率が変化する部分を有している。収束率は、翼の根元部に隣接する面で増大してよく、翼先端の近傍と、翼列の間の軸方向ギャップとにおいて減少してよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ブレードの前縁と後縁との間の圧縮機流路は、内側の圧縮機面の収束が増大することにより、下流へと第１圧縮機ブレードの後縁に向かって収束を増大させてよい。少なくとも１つの実施形態では、圧縮機流路の収束は、ブレード根元部付近で、第１圧縮機ブレードの根元部の最大厚さ点の後方で、下流へと第１圧縮機ブレードの後縁に向かって増大されてよい。第１圧縮機ブレードのすぐ下流の第１圧縮機ベーンの前縁と後縁との間の圧縮機流路は、外側の圧縮機面の収束が増大することにより、下流に向かって収束を増大させてよい。少なくとも１つの実施形態では、圧縮機流路の収束は、ベーン根元部付近で、第１圧縮機ベーンの根元部の最大厚さ点の後方で、下流へと第１圧縮機ベーンの後縁に向かって増大されてよい。

少なくとも１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、ロータアッセンブリとステータアッセンブリとから成る圧縮機を備えていてよい。ロータアッセンブリは、半径方向外側に向かって延在する複数の圧縮機ブレードから成っていてよく、圧縮機ブレードは、周方向に延在する複数の列を成すように整列しており、ロータアッセンブリは回転可能である。ステータアッセンブリは、半径方向内側に向かって延在する複数の圧縮機ベーンから成っていてよく、圧縮機ベーンは、周方向に延在する複数の列を成すように整列している。ステータアッセンブリは、回転可能なロータアッセンブリに対して固定されていてよい。圧縮機ベーンの列は、圧縮機ブレードの列と下流方向に向かって交互に配置されていてよい。

圧縮機の周方向の内側境界面は、内側の圧縮機面によって画定されていてよく、圧縮機の周方向の外側境界面は、外側の圧縮機面によって画定されていてよく、内側及び外側の圧縮機面は圧縮機流路を形成している。圧縮機流路は下流に向かって収束していてよい。第１圧縮機ブレードの前縁と後縁との間の圧縮機流路は、第１圧縮機ブレードの後縁に向かって下流へと収束を増大させてよい。第１圧縮機ブレードの前縁と後縁との間の圧縮機流路は、第１圧縮機ブレードの根元部の最大厚さ点の後方で内側の圧縮機面の収束が増大し、第１圧縮機ブレードの先端の近位の外側の圧縮機面の収束が減少し、第１圧縮機ブレードの下流のベーンのないギャップにおける収束が減少することにより、第１圧縮機ブレードの後縁に向かって下流へと収束を増大させてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ブレードの前縁と後縁との間の、前縁と後縁とに半径方向で整列する内側の圧縮機面は、非直線状であってよい。第１圧縮機ブレードの前縁と後縁との間の、前縁と後縁とに半径方向で整列する内側の圧縮機面は、下流に向かって半径方向外側に湾曲していてよい。

第１圧縮機ブレードの後縁とこの第１圧縮機ブレードのすぐ下流の第１圧縮機ベーンの前縁との間の圧縮機流路は、第１圧縮機ブレードの前縁と後縁との間の収束率よりも収束を減少させてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ブレードの後縁とこの第１圧縮機ブレードのすぐ下流の第１圧縮機ベーンの前縁との間の内側の圧縮機面は、直線状であってよい。第１圧縮機ブレードの後縁とこの第１圧縮機ブレードのすぐ下流の第１圧縮機ベーンの前縁との間の外側の圧縮機面は、直線状であってよい。

第１圧縮機ブレードのすぐ下流の第１圧縮機ベーンの前縁と後縁との間の圧縮機流路は、すぐ上流の収束率に対して下流に向かって収束を増大させてよい。第１圧縮機ベーンの前縁と後縁との間の圧縮機流路は、第１圧縮機ベーンの根元部の最大厚さ点の後方で外側の圧縮機面の収束が増大することにより、下流に向かって収束を増大させてよい。第１圧縮機ベーンの前縁と後縁との間の、前縁と後縁とに半径方向で整列する外側の圧縮機面は、非直線状であってよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ベーンの前縁と後縁との間の、前縁と後縁とに半径方向で整列する外側の圧縮機面は、下流に向かって半径方向内側に湾曲していてよい。第１圧縮機ベーンの後縁とこの第１圧縮機ベーンのすぐ下流の圧縮機ブレードの前縁との間の圧縮機流路は、第１圧縮機ベーンの前縁と後縁との間の収束率より収束を減少させてよい。

翼は根元部で機械的に支持されるので、通常の翼根元部は、翼先端よりも著しく厚くなっている。根元部と先端の厚さの差は、圧縮機の前段に向かって発生する傾向のあるようなアスペクト比の高い翼ほど増大する。厚さが増大すると、最大厚さ点の下流で流れ分離が生じる危険が増加する。このような領域で流路収束を増大させることにより、流れ分離の危険を減じている。

制御された収束圧縮機流路の利点は、翼の根元部に隣接して、特に翼の最大厚さ点のすぐ後方で、流路の収束が増大されていて、ここでの流れ分離が阻止されることにある。圧縮機流路全体にわたって（入口から出口まで）収束を一定に保つために、翼根元付近で増大された収束は、翼先端付近や、翼列間のベーンのない軸方向ギャップ内といった、それほど有効でない領域で収束を減少させることによって相殺される。これにより、圧縮機の限定的な流路面積収束の良好な分布が得られる。圧縮機の典型的な機械的構造では、ベーンの最大厚さはＯＤで生じなければならず、ブレードの最大厚さはＩＤで生じなければならない。この場合、制御された収束流路の適用により、一定の変動パターンが生じる。流路ＩＤに沿って、収束は、ブレード根元部で増大しベーン先端で減少する。流路ＯＤに沿って、収束は、ブレード先端で減少しベーン根元部で増大する。

制御された収束圧縮機流路の別の利点は、流路の収束が、翼根元部の最大厚さの場所の後方で最も生じるように、非直線状に分布されることにある。このような構造により、根元付近のピークマッハ数と翼への拡散負荷が減じられ、これにより損失が減少し効率が上がる。

制御された収束圧縮機流路のさらに別の利点は、流路が、翼先端における直線状の収束から翼根元部における非直線状の収束へと移行することにある。

制御された収束圧縮機流路の別の利点は、ブレード先端にわたる傾斜の減少による収束の減少により、誤差の改善によってクリアランスを改善することができ、これにより急勾配の傾斜におけるよりも確実性が得られ、ロータ軸方向の変位の作用が低減される。

制御された収束圧縮機流路のさらに別の利点は、翼列間のベーンのない軸方向ギャップにおいて、圧縮機内のこの場所では拡散が生じないので、面積収束を減少させるために、流路形状により流路の収束、即ち傾斜を減少させ、これにより、全ての流れ拡散が生じる翼の包絡線内でより大きな収束を適用することができることにある。

これらの実施の形態及びその他の実施の形態を、以下でさらに詳細に説明する。

本明細書に組み込まれ明細書の一部を成す添付の図面は、本発明の実施形態を示しており、詳細な説明と共に、本発明の原理を開示している。

圧縮機を有する、部分的に断面されたガスタービンエンジンの斜視図である。 圧縮機の一部の断面側面図である。

図１及び図２に示すように、ガスタービンエンジン１４の圧縮機１２内における限定的な流路収束を良好に分布させるように構成された制御された収束圧縮機流路１０が開示されている。圧縮機１２は、周方向に延在する内側境界１６及び外側境界１８によって画定された流路１０を有していてよく、これらの境界１６，１８は、この流路を通る流体流を良好に分配するように収束率が変化する部分を有している。収束率は、翼２６の根元部２４に隣接する面２０，２２で増大してよく、翼先端６８の近傍と、翼列３０の間の軸方向ギャップ２８とにおいて減少してよい。少なくとも１つの実施形態では、収束率は、翼２６の根元部２４に隣接する面２０，２２と、根元部２４の最大厚さの場所の後方で増大してよく、翼先端６８の近傍と、翼列３０の間の軸方向ギャップ２８とにおいて減少してよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ブレード４２の前縁４４と後縁４６との間の圧縮機流路１０は、第１圧縮機ブレード４２の根元部２４の最大厚さ点６０の後方で内側の圧縮機面２２の収束が増大することにより、第１圧縮機ブレード４２の後縁４６に向かって下流へと収束を増大させてよい。圧縮機ブレード４２の列３０と、圧縮機ベーン３６の列３０との間のベーンのない軸方向ギャップ２８内の圧縮機流路１０は、すぐ前の上流の圧縮機ブレード４２の列３０と比較して減少した収束を有していてよい。第１圧縮機ブレード４２のすぐ下流の第１圧縮機ベーン３６の前縁３２と後縁３４との間の圧縮機流路は、第１圧縮機ベーン３６の根元部２４の最大厚さ点６２の後方で外側の圧縮機面２０の収束が増大することにより、第１圧縮機ベーン３６の上流の軸方向ギャップ２８に対して、下流に向かって収束を増大させてよい。

少なくとも１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、ロータアッセンブリ４８とステータアッセンブリ５０とから成る１つ以上の圧縮機１２を備えていてよい。ロータアッセンブリ４８は、半径方向外側に向かって延在する複数の圧縮機ブレード４２から成っていてよく、これら圧縮機ブレード４２は、周方向に延在する複数の列３０を成すように整列している。ロータアッセンブリ４８は、タービンエンジン１４の軸線を中心として回転可能であってよい。ステータアッセンブリ５０は、半径方向内側に向かって延在する複数の圧縮機ベーン３６から成っていてよく、これら圧縮機ベーン３６は、周方向に延在する複数の列３０を成すように整列している。ステータアッセンブリ５０は、回転可能なロータアッセンブリ４８に対して固定されていてよい。圧縮機ベーン３６の列３０は、圧縮機ブレード４２の列と下流方向に向かって交互に配置されていてよい。

内側の圧縮機面２２は、圧縮機１２の周方向の内側境界面５４を画定してよく、外側の圧縮機面２０は、圧縮機１２の周方向の外側境界面５６を画定してよい。この場合、内側及び外側の圧縮機面２０，２２が圧縮機流路１０を形成する。圧縮機流路１０は、圧縮機１２の入口５８から出口５９へと下流に向かって収束していてよい。

少なくとも１つの実施形態では、圧縮機流路１０は、圧縮機ブレード４２の列３０を形成する１つ以上の第１圧縮機ブレード４２の半径方向外側、例えばＯＤで、かつこの圧縮機ブレード４２の前縁４４と後縁４６との間で、下流で第１圧縮機ブレード４２の後縁４６に向かって、第１圧縮機ブレード４２のすぐ上流の収束率と比較して、収束を増大させてよい。列３０は、タービンベーンの列に隣接して位置する場合には段としても公知である。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ブレード４２の半径方向外側かつ、この圧縮機ブレード４２の前縁４４と後縁４６との間の圧縮機流路１０は、第１圧縮機ブレード４２の根元部２４の最大厚さ点６０の後方で内側の圧縮機面２２の収束が増大することにより、下流で第１圧縮機ブレード４２の後縁４６に向かって収束を増大させてよい。ＯＤ６４におけるブレード先端６８に近位の制御された収束圧縮機流路１０の収束の傾斜が減少されてよく、収束の傾斜は、ＩＤ６６では翼根元の近位で増大してよく、これにより、翼の最大厚さ点の後方で流路分離が生じるのを阻止するために、根元部近くのブレード４２の最大厚さの場所では、流路の収束は増大する。ブレード先端６８は通常、ブレード根元部よりも薄いので、ブレード列３０内の面積収束は、ブレード先端６８の近位では効果的でない。第１圧縮機ブレード４２の前縁４４と後縁４６との間の、前縁４４と後縁４６とに半径方向で整列する内側の圧縮機面２２は、非直線状であってよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ブレード４２の前縁４４と後縁４６との間の、前縁４４と後縁４６とに半径方向で整列する内側の圧縮機面２２は、下流になるにつれ半径方向内側に向かって湾曲していてよい。

軸方向ギャップ２８における圧縮機流路１０は、第１圧縮機ブレード４２の後縁４６とこの第１圧縮機ブレード４２のすぐ下流の第１圧縮機ベーン３６の前縁３２との間で、これら後縁４６と前縁３２の半径方向外側で、第１圧縮機ブレード４２の前縁４４と後縁４６との間の収束率よりも収束を減少させている。少なくとも１つの実施形態では、圧縮機ブレード４２と圧縮機ベーン３６との間のベーンのない軸方向ギャップ２８における収束率は、内側の圧縮機面２２と外側の圧縮機面２０とにおいて同じであってよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ブレード４２の後縁４６とこの第１圧縮機ブレード４２のすぐ下流の第１圧縮機ベーン３６の前縁３２との間の内側の圧縮機面２２は直線状であってよい。第１圧縮機ブレード４２の後縁４６とこの第１圧縮機ブレード４２のすぐ下流の第１圧縮機ベーン３６の前縁３２との間の外側の圧縮機面２０は直線状であってよい。

第１圧縮機ブレード４２のすぐ下流の第１圧縮機ベーン３６の前縁３２と後縁３４と間の圧縮機流路１０は、下流に向かって収束を増大させてよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ベーン３６の前縁３２と後縁３４との間の圧縮機流路１０は、第１圧縮機ベーン３６の根元部２４の最大厚さ点６２の後方で外側の圧縮機面２０の収束が増大することにより、下流に向かって収束を増大させてよい。第１圧縮機ベーン３６の前縁３２と後縁３４との間の、前縁３２と後縁３４とに半径方向で整列する外側の圧縮機面２０は、非直線状であってよい。少なくとも１つの実施形態では、第１圧縮機ベーン３６の前縁３２と後縁３４との間の、前縁３２と後縁３４とに半径方向で整列する外側の圧縮機面２０は、下流になるにつれ半径方向内側に向かって湾曲していてよく、これにより収束は増大する。圧縮機ベーン３６の後縁３４とこの第１圧縮機ベーン３６のすぐ下流の圧縮機ブレードの前縁４４との間の圧縮機流路１０は、第１圧縮機ベーン３６の前縁３２と後縁３４との間の収束率よりも収束を減少させている。

上記説明は、本発明を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１４）であって、
   ロータアッセンブリ（４８）とステータアッセンブリ（５０）とから成る圧縮機（１２）を備え、
   前記ロータアッセンブリ（４８）は、半径方向外側に向かって延在する複数の圧縮機ブレード（４２）から成り、該圧縮機ブレード（４２）は、周方向に延在する複数の列（３０）を成すように整列しており、前記ロータアッセンブリ（４８）は回転可能であり、
   前記ステータアッセンブリ（５０）は、半径方向内側に向かって延在する複数の圧縮機ベーン（３６）から成り、該圧縮機ベーン（３６）は、周方向に延在する複数の列（３０）を成すように整列しており、前記ステータアッセンブリ（５０）は、回転可能な前記ロータアッセンブリ（４８）に対して固定されており、前記圧縮機ベーン（３６）の前記列（３０）は前記圧縮機ブレード（４２）の前記列（３０）と、下流方向に向かって交互に配置されており、
   前記圧縮機（１２）の周方向の内側境界面（１６）は、内側の圧縮機面（２２）によって画定されていて、前記圧縮機（１２）の周方向の外側境界面（１８）は、外側の圧縮機面（２０）によって画定されており、前記内側及び外側の圧縮機面（２０，２２）は圧縮機流路（１０）を形成しており、
   前記圧縮機流路（１０）は下流に向かって継続的に収束しており、
   第１圧縮機ブレード（４２）の前縁（４４）と後縁（４６）との間の前記圧縮機流路（１０）は、前記第１圧縮機ブレード（４２）の根元部（２４）の近位で前記内側の圧縮機面（２２）の収束が増大することにより、前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記後縁（４６）に向かって下流へと収束を増大させており、
   前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記後縁（４６）と前記第１圧縮機ブレード（４２）のすぐ下流の第１圧縮機ベーン（３６）の前縁（３２）との間の前記圧縮機流路（１０）は、前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の収束率よりも収束を減少させており、
   前記圧縮機流路（１０）は、前記第１圧縮機ブレード（４２）の翼先端近傍において、前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の収束率よりも収束が減少しており、
   前記収束の部分的な増大および部分的な減少が互いに相殺することにより、前記圧縮機流路（１０）全体にわたって、収束は一定に保たれている、
   ガスタービンエンジン（１４）。
2. 前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の前記圧縮機流路（１０）は、前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記根元部（２４）の最大厚さ点（６０）の後方で収束を増大させている、請求項１記載のガスタービンエンジン（１４）。
3. 前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）とに半径方向で整列する前記内側の圧縮機面（２２）は、非直線状である、請求項１記載のガスタービンエンジン（１４）。
4. 前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間の、前記前縁（４４）と前記後縁（４６）とに半径方向で整列する前記内側の圧縮機面（２２）は、下流に向かって半径方向内側に湾曲している、請求項１記載のガスタービンエンジン（１４）。
5. 前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記後縁（４６）と前記第１圧縮機ブレード（４２）のすぐ下流の第１圧縮機ベーン（３６）の前記前縁（３２）との間の前記内側の圧縮機面（２２）は、直線状である、請求項１記載のガスタービンエンジン（１４）。
6. 前記第１圧縮機ブレード（４２）の前記後縁（４６）と前記第１圧縮機ブレード（４２）のすぐ下流の第１圧縮機ベーン（３６）の前記前縁（３２）との間の前記外側の圧縮機面は、直線状である、請求項１記載のガスタービンエンジン（１４）。
7. 前記第１圧縮機ブレード（４２）のすぐ下流の前記第１圧縮機ベーン（３６）の前記前縁（３２）と前記後縁（３４）との間の前記圧縮機流路（１０）は、下流に向かって収束を増大させている、請求項１記載のガスタービンエンジン（１４）。
8. 前記第１圧縮機ベーン（３６）の前記前縁（３２）と前記後縁（３４）との間の前記圧縮機流路（１０）は、前記外側の圧縮機面（２０）の収束が増大することにより、下流に向かって収束を増大させている、請求項７記載のガスタービンエンジン（１４）。
9. 前記第１圧縮機ベーン（３６）の前記前縁（３２）と前記後縁（３４）との間の前記圧縮機流路（１０）は、前記第１圧縮機ベーン（３６）の前記根元部（２４）の最大厚さ点（６２）の後方で収束を増大させている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１４）。
10. 前記内側の圧縮機面（２２）は、前記第１圧縮機ベーン（３６）の前記前縁（３２）と前記後縁（３４）との間で半径方向内側に収束を減少させている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１４）。

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