JP6483074B2 - 遠心圧縮機を有するタービンエンジンの空気流を適合するための方法およびその実施のためのディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、特にヘリコプタのタービンエンジンまたは補助パワー装置（略してＡＰＵ）の遠心圧縮機を備えるタービンエンジンにおける、流量または機械もしくは電気パワーの可変需要に合わせた空気流量の適合方法に関する。本発明はまた、そのような方法を実施するための可変ピッチブレードを装備したディフューザにも関する。

本発明の範囲は、タービンエンジンにおけるガス圧縮であり、具体的には、タービンエンジンまたはＡＰＵであれ、エンジン性能、特に部分的負荷の下でのその燃料消費率（略してＣｓ）を考慮に入れるように圧縮空気流を適合させることである。

この目的を考慮して、全般的な課題は、圧送マージンの必要性を満たし、タービンエンジンの中間速度における圧縮率の低下ならびにＡＰＵの場合の圧縮空気流量および電気パワーに関する需要変動を未然に防ぐことである。

十分な圧送マージンは、タービンエンジンの運転ラインを低下させることによって得られ得ることが知られている。しかしながら、動力サイクル速度の低下は発生出力の悪化を招き、そこでそのような解決策は、高速を含む最大発生出力の下で圧縮機を作動させることを必要とする。

また、入口誘導翼（略してＩＧＶ）を用いて形成された予回転リングを圧縮機の入口に導入することも知られている。しかし、この場合、圧縮率は、所与の回転速度に対して大きく低減される。

そのような状態では、どのような負荷変動があっても、ほぼ最大の発生出力に留まりながら準一定の圧縮率で圧縮機を試運転し、作動させることが賢明である。

単段圧縮機の分野では、可変ピッチブレード組立体を備えた半径方向ディフューザが存在する。そのようなディフューザは、たとえば、特許文献の米国特許第５２０７５５９号明細書または本出願人の名の下で出願された欧州特許第０５８９７４５号明細書で説明されている。これらのディフューザは、圧縮率またはその発生出力を大きく悪化させることなく、中間定格において圧縮機の流量／圧力比の特性をより少ない流量へと転じることができる。

米国特許第５２０７５５９号明細書 欧州特許第０５８９７４５号明細書

可変ピッチは、対象となる物理的パラメータ（回転速度、圧力、温度）に応じて、制御ユニットと関係付ける適切な制御によって得られる。しかしながら、制御システムが含まなければならないピッチ角度の範囲は、高いパワーの制御ジャックを必要とし、ディフューザの入口および出口の直径の大きな変更を招き、それによって、回転部分（シーブ）と静的部分（半径方向の可変ピッチディフューザ）の間に高い機械的バイアスを発生させる可能性があり、部分的負荷（中間定格）の下での発生出力が低下する。

本発明は、特に、部分的負荷の下で動力サイクルのより良好な発生出力を伴って十分な圧送マージンを提供しながら、Ｃｓを大きく低減するように圧縮機の発生出力を維持することによってそのような欠点を未然に防ぐことを狙いとする。そのように行うために、本発明は、タービンエンジンの遠心圧縮機内の空気流の可変拡散のための最適化された方法を提案する。

より正確には、本発明は、目的として、タービンエンジンの遠心圧縮機内の空気流の可変拡散のための方法であって、等価延長部を備えた固定式ピッチブレードを有する第２の環状ブレードリングに半径方向に隣接される、固定式と同じ数の可変ピッチブレードを備えた第１の環状ブレードリング内に空気の拡散をもたらし、２つのブレードリングのブレードを結合させることによって拡散を半径方向に誘導することであり、第１のブレードリングの各ブレードがブレードの距離を隔てて回転駆動される、方法を有する。「タービンエンジン」という表現は、特に、遠心単段圧縮機または遠心二段圧縮機を備えたヘリコプタのタービンエンジンおよび遠心単段圧縮機または遠心二段圧縮機を装備したＡＰＵを意味する。

これらの状態では、一方では、可変ピッチブレードの半径方向の延長部は、本物のブレードを備える固定式ブレードリングの存在によって大きく低減され、それによって、これらのピッチを変化させる応力、ならびに、固定式ブレードリングと支持フランジの間の隙間したがって上流側／下流側の再循環、を抑制することが可能にされ、それによって圧送ラインの低下および負荷損失を低減する効果を有する。他方では、可変ピッチブレードの回転軸の軸を外した装着は、そのような同じ拡散ブレードに対する半径方向の延長部の変動を大きく低減し、閉じる増加度がより小さくなり、それによって部分的負荷の下での発生出力が好転し、開く減少度もまたより小さくなり、それによってシーブ／ディフューザ相互作用による非定常の空気力学的変動に起因する機械的バイアスが抑制される。

このとき十分な圧送マージンにより、タービンエンジンがどんな圧送状況でも、すなわち大きな加速能力をもたらしながら作動し、ＡＰＵが、タービンエンジンの回転速度およびその圧力変化率をその公称値に近いレベルで維持し、十分な発生出力レベルをもたらしながら、排出弁に頼ることなく大きな負荷変動に立ち向かうことが可能になる。

特定の形態によれば、パワータービンが装備されたタービンエンジンに適用する方法、すなわち上記で規定されたものなどの遠心圧縮機上の可変ピッチの半径方向拡散は、可変ピッチのパワータービン分配器に結合される。パワー生成は、いくつかの構成によって実施され得る：下流側熱交換を有するまたは有さない、軸方向または求心性タイプのフリーパワータービンまたは結合パワータービン。

ディフューザと可変ピッチ分配器の間の結合により、運転ラインを流量の低下に適合させることが可能になり、それによって（より良好な圧力変化率で）動力サイクルの発生出力、したがってヘリコプタのタービンエンジンおよびＡＰＵのＣｓが改善される。

本発明はまた、上記で述べられた方法を実施することができる可変ピッチのタービンエンジンのディフューザ、ならびにそのようなディフューザを装備したタービンエンジンを提供することも狙いとする。ディフューザは、等価延長部の固定式ピッチブレードを備えた第２の環状ブレードリングによって半径方向に隣接される、可変ピッチブレードを備えた第１の環状ブレードリングを備える。さらに、第１のブレードリングの各ブレードは、回転軸に対して中心を外した各ブレードの適正な回転を及ぼすように適合された制御手段によって駆動される。

特定の実施形態によれば、
各可変ピッチブレードは、２つの向かい合うカップの間を、回転軸と一致するカップの共通軸に対して平行に軸を外して延び、
各ブレードは、カップの軸方向位置決めのための調整用座金のための係止ピンが中に挿入される少なくとも１つのオリフィスを有する駆動ロッドに結合され、
ロッドは、円筒状ハウジング内で摺動するように適合されたレバーを動力軸を中心に回転駆動するように適合された制御クラウンの円筒状ハウジング（３８）内に収容されたボール継手受金具を有するレバーと一体化され、
円筒状ハウジングは、それ自体がブレードの所定の回転間隔の関数である、レバーのストロークの関数である深さを有し、
各可変ピッチブレードの前縁は、カップの周囲近くにあり、ブレードから回転軸までの距離は半径の中間より大きいまたは等しく、
上流側ディフューザは、平滑な、すなわち翼を有さないディフューザであり、
シーブと可変ピッチブレードリングとの間に位置するディフューザの入口空気ストリームは、収束し、それによって性能が改善され、
第２のブレードリングの固定式ブレードは、入射変動を吸収するために第１のブレードリングのものより厚い前縁プロファイルを有し、
固定式ピッチブレードは、構造応力の通過を可能にするねじを渡すのに十分な厚さを有し、
固定式ブレードは、前縁と後縁の間に骨格角度の展開法則を有し、それによって固定式ブレードリング内の拡散を制御し、空気力学的効率を最適化することが可能になり、
固定式ブレードは、第１の可動式ブレードリングのブレードに対して、ディフューザの負荷損失を抑制するために第１のブレードリング内のブレードの吸引側で再度伴流を得るような方位にキー調整され、
可変ブレードのピッチ角度は、固定式ディフューザのものになり得る公称のキー調整に対して＋１２°から−５°の間に含まれる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照して以下の説明を読み取ることにより、より明確になるであろう。

本発明によるディフューザの半分の軸方向の部分的断面図である。 制御ロッドに回転式に結合された可変ピッチブレードの斜視図である。 制御ロッドに回転式に結合された可変ピッチブレードの斜視図である。 本発明によるブレードリングが装備されたディフューザの上流側環状フランジの正面全体図である。 可動式ブレードの極限ピッチのディフューザにおける部分概略図である。 可動式ブレードの公称ピッチのディフューザにおける部分概略図である。 可動式ブレードの極限ピッチのディフューザにおける部分概略図である。 可動式ブレードとディフューザの環状フランジとの間の隙間を示す図である。

用語「上流側」および「下流側」は、タービンエンジン内の空気流の方向に関連する。

図１の部分的断面の軸方向の図を参照すれば、ターボ機械、タービンリアクタジェット、タービンプロペラまたはＡＰＵなどのタービンエンジンの遠心圧縮機１０は、動力シャフト１８上に軸Ｙ’Ｙにしたがって回転式に装着された、シーブ１６、すなわち圧縮機の最後の遠心段を半径方向に覆うカバー１４が結合されたケーシング１２を備える。空気流Ｆは、シーブ１６から環状ディフューザ１９に向かって、半径方向の狭窄部によって収束する入口ストリームで循環する。ディフューザ１９は、２つの上流側フランジ２０と下流側フランジ２２の間に画定される。カバー１４は、ケーシングおよび上流側フランジ２０に締め付けられた取付具２３によって維持される。

第１の環状ブレードリングを形成するブレード２４は、ディフューザ１９内に装着される。心出し部２５および２６は、ブレード２４が軸を外して装着されるカップ１７および２７を収容するフランジ２０および２２と向かい合う。カップは、心出し部２５内に挿入された座金９上に、図示される例では０．０３から０．０５ｍｍの適合された隙間を有してフランジ２０および２２内で心出しされる（図５を参照して以下を参照のこと）。

フランジ２２と一体的であり、第１のブレードリングの外側を取り囲む第２の環状ブレードリングを形成するブレード２８は、貫通孔２９ｔ内に収容されたねじ２９によって環状フランジ２０上に装着される。これらのねじはまた、構造応力の通過を可能にする。

可変ブレード２４の制御は、上流側カップ１７を一体的に延ばすロッド３０によって行われる。軸Ｘ’Ｘを有するこれらのロッド３０は、上流側フランジ２０の円筒状ボーリング３２内に装着され、溝３０ｇ内に装着された継手３０ｊによって外見上は隙間を有さずに心出しされる。端部では、各ロッド３０は、駆動レバー３３上に接合された平坦部分３１を有し、駆動レバー３３は、２つのねじ３５によってそのような平坦部分３１上に挟まれる。ロッド３０の端部３１の位置は、適合された隙間公差を有して調整される。ロッド３０はまた、カップ１７および２７の軸方向位置を調整するための座金３０ｕを、ケーシング１２内に形成された係止リング１２ａ内に係止するためにピン３６が中に挿入されるオリフィス３０ｔも有する。この目的のため、ピン３６はロッド３０および係止リング１２ａを一体的にする。

作動においては、レバー３３が制御クラウン３４によって駆動され、制御クラウン３４は、レバー３３のボール継手受金具３７を適合された軸方向の位置公差でボール継手の母線上に接して収容するための円筒状穴３８を形成する。そのようにするために、制御クラウン３４は、針ローラ軸受け３９を有するセクタ上で心出しされる。ロッカーバー（図示されず）によって動力軸Ｙ’Ｙを中心に回転するように置かれた制御クラウン３４は、ボール継手３７によって円筒状ハウジング３８内で摺動するレバー３３を回転駆動する。ハウジング３８の深さは、それ自体ブレード２４の回転間隔の関数である、レバー３３のストロークによって決まる。そのような構造は、ブレード回転が、５０％のセクションが閉じるセクションの場合の＋１２°まで、２０％開くセクションの場合の−５°まで進むことができるように特に適合される。ロッド、したがってブレード２４の位置角度は、これらの定格に対して適切な空気圧縮をもたらすパワー率の関数である。

図２ａおよび図２ｂを参照すれば、可動式ブレード２４は、平行なカップ１７、２７の間に表され、溶接２１によってこれらのカップと一体化しており、それにより、ブレードは向かい合うカップの軸Ｘ’Ｘに平行に延びる。ブレード２４の前縁２４ｃは、カップの外部円周１７ｃおよび２７ｃと同一平面にあり、ブレード２４の厚さは極めて薄く、図示される例では約２ｍｍである。さらに、ブレード２４とロッド３０の軸Ｘ’Ｘの間の距離は、図示される例ではカップの半径の約８０％に等しい。これにより、ブレード２４は、組立体の回転軸と一致するロッドの軸Ｘ’Ｘに対して中心が大きく外される。ロッド３０はまた、円筒状の心出し溝３０ｇおよびカップ１７および２７の軸方向位置決めの調整座金用の係止オリフィス３０ｔも有する。ロッド３０の平坦部分３１は、制御レバーを装着するために使用されるねじ３５用の受け入れ穴３０ａが渡されている。

図３の全体図は、環状ブレードリングＧ１およびＧ２が装備された上流側環状フランジ２０を示しており、これらのリングはそれぞれ、可動式および固定式に装着され、ブレード２４および２８を備えて形成される。

ブレード２８は、ブレード２４のものよりかなり厚い前縁ＢＡにおけるプロファイルを有し、これらはそれぞれ０．５および２．５ｍｍであり、その結果、可動式ブレード２４の回転の際の入射変動に対して良好な挙動を保つ。加えて、前縁ＢＡと後縁ＢＦの間のブレード２８の骨格角度法則は展開的であり、それによって固定式ブレードリングの空気力学的効率を静圧の最大回収によって最適化することが可能になる。

さらに、固定式ブレードリングのブレード２８は、図示される例では７ｍｍの最大厚さを有し、構造応力の通過を可能にしながら、ディフューザのフランジ２０を穴２９ｔ内に収容されたねじで締め付けることを可能にする。

空気流Ｆは、可動式ブレード２４の半径方向延長部から固定式ブレード２８に沿って、かつ可動式または固定式の、同じ性質の２つの隣り合うブレード間を循環する。可動式ブレード２４はそのカップ１７の回転軸Ｘ’Ｘに対して中心が外れているため、そのような可動式ブレード２４によって形成された半径方向の延長部の変動は、心出しされたブレードが実施するはずである延長部の変動に比べて抑制される。この抑制は遠心圧縮機の性能を改善することができ、これにより、圧送ラインの運転ラインをより低い流量の方向にずらすことによってより遠くにし、運転のこのラインをより高い定格で発生出力の最大近くまで増大させることが可能になる。

固定式ブレード２８と向かい合う可動式ブレード２４の半径方向の延長部が、図４ａから図４ｃの概略図で示されており、これらの図上ではまた、ブレードのカップ１７、２７が点線で表されている。図４ｂを参照すると、０°の公称のキー調整は、固定式ブレード２８に対する可動式ブレード２４の調整が、安定した中間定格に適合されるための参照空気流ストリームＦに対応する。

小さい負荷需要では、可動式ブレード２４のキー調整は、１２°まで上昇させることができ、このキー調整は、カラーＳｂにおけるセクションに対応する公称のキー調整に対して５０％閉じられた、ブレード２４と２８の間のカラーＳａの入口における通過セクションに対応する。図４ａは、６°のキー調整に関連付けられた２５％の閉鎖の場合を示しており、カラーセクションはこのときセクションｂの７５％である。高い負荷需要では、キー調整はまた、−５°まで下がり得る。図４ｃは、２．５°の開度の場合を示しており、カラーセクションＳｃはこのとき、１１０％の相対値を有する。

固定式ブレード２８は、第１の可動式ブレードリングＧ１のブレード２４に対して、この第１のブレードリングＧ１のブレードの吸引側Ｅｘ上に再度伴流を得るような方位でキー調整される。

固定ブレード２８の存在によって限定されるブレード２４の半径方向の延長部により、図５に示されるように、ブレード２４のカップ１７および２７とフランジ２０および２２との間の隙間上で制御を保つことが可能になる。したがって、この例では、隙間値は、それぞれ０．０２ｍｍ（Ｊ１またはＪ２に関して）、０．１０（Ｊ３に関して）、および０．２５ｍｍ（Ｊ４に関して）より小さくまたはこれらと等しく維持する。座金９上のブレード２４の隙間（Ｊ１およびＪ２組立体）は、こうして僅かに大きい約０．０３ｍｍに維持する。

本発明は、説明され表示された例に限定されない。たとえば、機械的な、個々にもしくは中心を揃えた調整のみによって、またはデジタル調整を有しもしくは有さない電気もしくは電子の制御のみによって可動式ブレードのキー調整を実行することが可能である。

Claims (7)

1. 可変ピッチのタービンエンジンのディフューザにして、可変ピッチブレード（２４）を備えた第１の環状ブレードリング（Ｇ１）と、第１の環状ブレードリング（Ｇ１）と同じ数の、固定式ピッチブレード（２８）を備えた第２の環状ブレードリング（Ｇ２）とを有し、２つの環状ブレードリング（Ｇ１、Ｇ２）のブレード（２４、２８）を半径方向延長部内で結合させることによって連続的な拡散チャネルを形成する、ディフューザであって、第１の環状ブレードリング（Ｇ１）の各可変ピッチブレード（２４）が、可変ピッチブレード（２４）の適正な回転を及ぼすように適合された駆動ロッド（３０）によって駆動され、可変ピッチブレード（２４）は、回転軸（Ｘ’Ｘ）に対して外れており、駆動ロッド（３０）が、ボール継手受金具を有するレバー（３３）と一体化され、ボール継手受金具は、動力軸（Ｙ’Ｙ）を中心に回転駆動するように適合された制御クラウン（３４）の円筒状ハウジング（３８）に収容されて、円筒状ハウジング（３８）内で摺動し、ディフューザは、上流側フランジ（２０）と下流側フランジ（２２）の間に画定されており、駆動ロッド（３０）は、上流側フランジ（２０）の円筒状ボーリング（３２）内に装着されていることを特徴とする、ディフューザ。
2. 各可変ピッチブレード（２４）が、２つの向かい合うカップ（１７、２７）の間を、回転軸（Ｘ’Ｘ）と一致するカップの共通軸に対して平行にかつ中心を外して延びる、請求項１に記載のディフューザ。
3. 駆動ロッド（３０）が、カップ（１７、２７）の軸方向位置決めのための調整用座金（３０ｕ）のための係止ピン（３６）が中に挿入される少なくとも１つのオリフィス（３０ｔ）を有する、請求項１または２のいずれか一項に記載のディフューザ。
4. 円筒状ハウジング（３８）が、レバー（３３）のストロークに応じた深さを有し、円筒状ハウジング（３８）の深さは、レバー（３３）のストロークによって決まり、レバー（３３）のストロークは、可変ピッチブレード（２４）の回転角度に応じて変化する、請求項３に記載のディフューザ。
5. 各可変ピッチブレード（２４）の前縁（２４ｃ）が、カップ（１７、２７）の周囲（１７ｃ、２７ｃ）の近くにあり、可変ピッチブレード（２４）から回転軸（Ｘ’Ｘ）までの最短距離は、カップ（１７、２７）の半径の８０％に等しい、請求項２から４までのいずれか一項に記載のディフューザ。
6. 第２の環状ブレードリング（Ｇ２）の固定式ブレード（２８）の最大厚さが、第１の環状ブレードリング（Ｇ１）の可変ピッチブレード（２４）の前縁（２４ｃ）の最大厚さよりも厚い、請求項１から５までのいずれか一項に記載のディフューザ。
7. 可変ピッチブレード（２４）のピッチ角度が、＋１２°から−５°の間に含まれ、可変ピッチブレード（２４）は、ピッチ角度が０°の状態を１００％として、＋１２°のピッチ角度で開度５０％のカラーセクション（Ｓａ）を形成する一方、−５°のピッチ角度で開度１２０％のカラーセクション（Ｓｃ）を形成する、請求項１から６までのいずれか一項に記載のディフューザ。

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