JP7025444B2

JP7025444B2 - 強化アキシャルディフューザー

Info

Publication number: JP7025444B2
Application number: JP2019554958A
Authority: JP
Inventors: コンビエ，フロラン; ベルアル，ジャン－クロード; フレシェ，ポリーヌ・アンヌ; ギノワゾー，エリク・ジャン－ポール; ローラン，セドリック・ルイ・ジョゼフ
Original assignee: サフラン・エアクラフト・エンジンズ
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: CN110582649B; EP3607211A1; CA3059196A1; JP2020513089A; WO2018185445A1; US11009038B2; EP3607211B1; CN110582649A; FR3065023B1; FR3065023A1; US20200072239A1

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンの遠心式または混合流圧縮機の軸方向拡散段に関する。

圧縮機は、ベーン付きまたはベーン無しの１つ以上の回転ディスク（ローターまたはインペラー）と、固定ベーン（ステーターベーン段）を備えた１つ以上のホイールとを備える。

ラジアル（または遠心式）圧縮機は、少なくとも１つの遠心式圧縮段を有する。すなわち、圧縮機の中心軸に対して垂直なガスの流れを生成することができる。それは、半径方向の力の影響下で加速され、圧縮され、半径方向に排出される空気を軸方向に吸い込むラジアルベーンを備えた少なくとも１つのインペラーを備える。そして、この空気は、インペラーの出口でガスを減速させることによって速度の一部を静圧に変換するディフューザー（固定ベーンアセンブリ）においてまっすぐになる。

その後、ガスは、燃焼室に導かれる。

混合流（または螺旋形－遠心式）圧縮機は、流体が半径方向に非ゼロの角度で圧縮機のインペラーから出ていくように、中心軸に対して傾斜した少なくとも１つの圧縮段を有する。

遠心式圧縮機のディフューザーは、その間でガスが半径方向に流れるか、または中心から周辺に向かって傾斜して流れる２つのフランジから形成されたホイールから構成される。一般に、ディフューザーは、圧縮機内のガスの流れの方向の上流から下流まで、半径方向部分と軸方向部分５とを備える。フィン１０’は、ディフューザーの半径方向部分および軸方向部分において、ホイールに沿って全てのフランジ間に分布している。これらのフィン１０’は、その前縁と後縁との間に流れカスケードを形成する。

ディフューザーの軸方向部分５は、一般に、外側シュラウド、内側シュラウドおよびフィンの３つのアセンブリのはんだ付けによって形成される。外側シュラウドおよび内側シュラウドは、ディフューザーのフランジの下流（および軸方向）部分を形成する。

しかしながら、運転中、多数のサイクルの後、フィン１０’の後縁に円周方向の亀裂７が形成される可能性があることが観察されている。そして、これらの亀裂７は、フィン１０’とシュラウド２０’の１つ（図１の内側シュラウド）との間に延在するはんだ半径８から始まり、その後、フィンおよびシュラウド２０’内で円周方向に伝播する。これらの亀裂７は、ディフューザーによって受ける高い振動応力のために現れ、局所的な過負荷を引き起こす非常に小さなはんだ半径８によって増幅される。しかしながら、はんだ半径８の形状は、手動操作（はんだペースト９の堆積）に依存する限り、工業的に制御するのが困難であり、したがって、生産に大きなばらつきがある。

はんだ半径８とは、熱の影響下で毛管現象によりペースト９が流れた後、フィン１０’とシュラウド２０’に形成されたスリットとの間に堆積したはんだペースト９により形成されるフィレットを意味する。そのようなはんだ半径８は、例えば図１に示されている。

したがって、本発明の目的は、遠心式または混合流圧縮機の軸方向ディフューザーが損傷するリスクを制限するための、特にディフューザーを振動応力およびはんだ半径の値の分散に対してより耐性があるようにするための解決策を提案することである。

この目的のために、本発明は、内側シュラウドと、外側シュラウドと、内側シュラウドと外側シュラウドとの間のディフューザーの回転軸に対して半径方向に延在する一連のフィンとを備える遠心式または混合流圧縮機のディフューザーを提案する。各フィンは、前縁と、前縁の反対側の後縁と、ディフューザーの軸に対する半径方向に沿って、フィンにおける内側シュラウドと外側シュラウドとの間でフィンの最小寸法に対応する高さとを有する。

各フィンの後縁は、フィンの前縁と後縁との間の距離がフィンのほぼ中間の高さで、内側シュラウドにおいてフィンの前縁と後縁との間の距離よりも５％から１５％短くなるように湾曲している。

上述したディフューザーのいくつかの好ましいが非限定的な特徴は、以下の通りである。

－フィンの中央高さにおけるフィンの前縁と後縁との間の距離は、内側シュラウドにおけるフィンの前縁と後縁との間の距離よりも１０％から１５％短く、
－後縁は、内側シュラウドと外側シュラウドの近くにおいて、フィンの中央高さの曲率半径よりも小さい曲率半径を有し、
－内側シュラウドおよび外側シュラウドの近くの後縁の曲率半径は、フィンの中央高さの後縁の曲率半径より少なくとも２倍小さく、
－後縁は、外側シュラウドの近傍に壁を形成し、且つフィンの高さの最大１０％に等しい略一定の高さを有する第１の部分、湾曲した第２の部分、および第１の部分と略同一の壁を形成する第３の部分を含む可変断面を有し、
－内側シュラウドおよび外側シュラウドは、それぞれ、フィンに面して延在する内面と、内面と反対側の外面と、上流縁および下流縁とを有し、上流および下流は、ディフューザー内のガスの流れの方向によって規定され、外側シュラウドおよび内側シュラウドの外面は、それぞれ、各フィンに追加の厚さを有し、前記追加の厚さは、前記外面において少なくとも関連するシュラウドの下流縁とフィンの後縁の突起との間で延在しており、
－内側シュラウドおよび／または外側シュラウドの追加の厚さは、フィンを収容する関連するスリットの両側にさらに延在しており、
－追加の厚さは、内側シュラウドおよび／または外側シュラウドの関連するスリットの長さの最大で３分の１に亘って延在しており、前記長さは、内側シュラウドにおけるフィンの前縁と後縁との間の距離に実質的に対応し、
－追加の厚さは、関連するシュラウドのスリットから２ｍｍ程度の距離まで延びており、および／または
－追加の厚さ（２８，３８）は、Ｖ字またはＹ字形状を有する。

本発明はまた、そのようなディフューザーを備える遠心式または混合流圧縮機ならびにこの遠心式または混合流圧縮機を備えるモータを提案する。

本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、非限定的な例として与えられた添付の図面に関連してより明らかになるであろう。

図１は、はんだ半径で開始されてフィン内を伝播する亀裂の例が見られる、従来のディストリビュータの内側シュラウドのスリットにおける、根元においてはんだ付けによって固定されたフィンの後縁の部分断面図を示している。図２は、従来技術に係る軸方向ディフューザーのフィンおよび関連するシュラウドが破線で表されている、本発明に係る軸方向ディフューザーのフィンおよび関連するシュラウドの実施形態の一例の部分断面図を示している。図３は、図２の実施形態の例のより詳細な側面図である。図４ａは、本発明にかかる追加の厚さの実施形態の例が見られる、軸方向ディフューザーの外側シュラウドの斜視図である。図４ｂは、本発明にかかる追加の厚さの実施形態の例が見られる、軸方向ディフューザーの内側シュラウドの斜視図である。図５は、その高さが一定または変化する壁の実施形態のいくつかの例が表されている軸方向ディフューザーの（外側または内側）シュラウドの部分概略断面図である。

本発明に係る軸方向ディフューザー５は、特に、遠心式または混合流タイプの圧縮機で使用されることを意図している。

遠心式圧縮機の場合、ガス流は、最初に吸気スリーブに吸い込まれ、次に遠心式圧縮機のインペラーのブレードとそのケーシングの間で圧縮される。圧縮機は、軸に関して軸対称である。そして、圧縮されたガス流は、インペラーから半径方向に出ていく。圧縮機が混合流圧縮機である場合、ガス流は、軸に対して半径方向に対して非ゼロの角度で傾斜して出ていく。

圧縮空気は、動的モーメントを有しながら半径方向にインペラーを出ていき、圧縮機のディフューザー５へ流入する。ディフューザー５の役割は、ガスの速度を減速させることで圧縮機からのガスの運動エネルギーの一部を静圧に変換し、インペラーから得られる流れをまっすぐにすることである。それは、この目的のために、特に、軸方向部分と、その周囲に沿って配置され、内側シュラウド２０と外側シュラウド３０との間に延在する複数のフィン１０とを備える。

各フィン１０は、公知の方法で、ディフューザー５内のガス流に面して配置された前縁１１と、前縁１１に対向する後縁１２と、内側シュラウド２０のスリット２１にはんだ付けにより固定された根元１３ａと、外側シュラウド３０のスリット３１にはんだ付けにより固定されたヘッド１３ｂとを有し、高さｈは、フィン１０における内側シュラウド２０と外側シュラウド３０との間のディフューザーの軸に対して半径方向に沿ったフィン１０の最小寸法に対応する。一般に、高さｈは、フィン１０の前縁１１の高さに対応する。

亀裂形成のリスクを減らすために、各フィン１０の後縁１２は、フィン１０の中央高さｈ／２におけるフィン１０の前縁１１と後縁１２の間の距離ｄ_１が内側シュラウド２０におけるフィン１０の前縁１１と後縁１２との間の距離ｄ_２よりも５％から１５％短くなるように湾曲している（後者の距離ｄ_２は、しばしば「弦」と呼ばれる）。

したがって、後縁１２は、三日月形または半月形に湾曲した形状を有する。この湾曲した形状は、例えば、従来のディフューザー５のフィン１０の機械加工による材料の除去によって、またはフィン１０の製造中の鋳造によって直接達成することができる。

好ましくは、フィン１０の中央高さｈ／２におけるフィン１０の前縁１１と後縁１２との間の距離ｄ_１は、弦よりも１０％から１５％短い。

したがって、この形状は、力の経路を変更し且つ後縁１２を強く軟化させることにより、フィン１０の後縁１２ではんだ半径８を排出することを可能にする。出願人は、強い振動応力のために損傷する可能性のある臨界領域がはんだ半径８に残っているが、後縁１２の特定の形状（その高さｈの少なくとも一部に亘る曲線）が、フィン１０がより厚く且つはんだ半径８がより大きな領域において、上流に向かうこの臨界領域をシフトすることを可能とすることを見出した。これはまた、ディフューザー５の静的および動的負荷を一般に減らすこともできる。

フィン１０の中央高さｈ／２におけるフィン１０の長さ（すなわち、前縁１１と後縁１２との間の距離ｄ_１）の変更の影響は、空気力学的に許容可能であること、すなわち、フィン１０は、圧縮機のインペラーの出口で流れを十分にまっすぐにし、且つガスの速度を遅くすることができるままであることに留意されたい。

一実施形態では、フィン１０の後縁１２は、フィン１０の中央高さｈ／２よりも内側シュラウド２０および外側シュラウド３０の近傍でより小さい曲率半径Ｒ１を有する。例えば、内側シュラウド２０および外側シュラウド３０の近傍の曲率半径Ｒ１は、フィン１０の中央高さｈ／２における曲率半径Ｒ２よりも少なくとも２倍小さく、例えば４倍小さい。

したがって、これは、はんだ半径８を十分に排出しながら、前縁１１と後縁１２との間のフィン１０の中央高さｈ／２において最小距離（したがって、フィン１０への空力的衝撃）を維持することができる。実際に、後縁１２の湾曲部分の曲率半径がフィン１０の全高ｈに亘って一定である場合、前縁１１と後縁１２との間の中央高さｈ／２の距離ｄ_１は、曲率半径がフィン１０の高さｈの少なくとも一部よりも大きい場合よりも必然的に短くなることが理解される。

例えば、１０ミリメートル程度の高さｈと約３０ミリメートルの弦ｄ_２とを有するフィン１０の場合、後縁１２の湾曲部分の曲率半径Ｒ１は、内側シュラウド２０および外側シュラウド３０の近傍において１．５ｍｍ程度とすることができ、そして、距離ｄ_１がこのフィン１０の弦ｄ_２よりも３．８ｍｍ短くなるように、最大で６ｍｍ程度の曲率半径Ｒ２まで増加する。したがって、フィン１０の中央高さｈ／２では、本発明に係るディフューザー５のフィン１０の後縁１２は、従来のフィン１０’の後縁１２’から約３．８ｍｍまで延びている（したがって、湾曲部分がなく、図２および図３において破線で表されている）。

一実施形態では、後縁１２の湾曲部分の小さな曲率半径Ｒ１と大きな曲率半径Ｒ２との間の遷移は緩やかである。

図２および図３からわかるように、後縁１２は、フィン１０の高さｈの一部のみに亘って湾曲していてもよい。例えば、後縁１２は、外側シュラウド３０の近傍に壁１４を形成し且つ略一定の高さＨを有する第１の部分と、湾曲部分に対応する第２の部分と、第１の部分と略同一の内側シュラウド２０の近傍に壁１４を形成する第３の部分とを含む可変断面を有することができる。

壁１４の高さＨは、後縁１２の下流端と第２の部分（湾曲部分）の始まりとの間で略一定である。例えば、壁１４の高さＨは、約１．５ｍｍの軸方向長さに亘って略一定とすることができる。

あるいは（図５を参照）、壁１４の高さＨは変化している。例えば、図５に示すように、高さＨは、後縁１２の下流端で０．６ｍｍから第２の部分の始めで約１．０ｍｍの間に含まれることができる（参照符号１４ａによって示される曲線を参照）。

各壁１４の高さＨは、せいぜいフィン１０の高さｈの１０％に等しい。したがって、上記与えられた例では、各壁１４の高さＨは、１ミリメートル未満、例えば０．６ｍｍ程度である。

したがって、後縁１２は、フィン１０の高さｈのかなりの部分に亘って、ここではその高さｈの少なくとも９０％に亘って湾曲したままである。

したがって、この実施形態では、後縁１２の湾曲部分は、内側シュラウド２０および外側シュラウド３０からではなく壁１４から始まる。

後縁１２に壁１４を形成することにより、後縁１２までのフィン１０とフィン１０に沿ったシュラウド２０，３０との間の連続的なはんだフィレットを得ることが可能になる。実際に、機械的強度または空力に有害となる可能性のある不連続性はない。壁１４は、さらに、ディフューザー５の製造、特に、はんだ付け前のフィン１０とシュラウド２０，３０との組み立てを容易にする。実際に、壁１４は、後縁１２がフィン１０の全高ｈに亘って湾曲し、且つ壁１４がない場合よりも大きいスリット２１，３１におけるフィン１０の半径方向のくさび許容差を可能にする。実際に、最大公差での半径方向の位置決めの場合であっても、壁１４は、流路に対して後退することはなく（常に流路に開く）、したがって、流路に不連続性を生じさせない（負オフセット）。

内側シュラウド２０および外側シュラウド３０は、それぞれ、フィン１０に面して延在する内面２２，３２と、内面２２，３２の反対側の外面２４，３４とを有する。したがって、内側シュラウド２０および外側シュラウド３０の内面２２，３２は、互いに向かい合っており、ディフューザー５内のガス流の流路を共に区切っている。

内側シュラウド２０および外側シュラウド３０は、それぞれ上流縁２５，３５および下流縁２６，３６をさらに備え、上流および下流は、ディフューザー５内のガスの流れの方向によって規定される。

必要に応じて、はんだ半径８での静的および動的負荷をさらに減らし、ディフューザー５の固有モードの周波数配置を改善するために、内側シュラウド２０および外側シュラウド３０の外面２４，３４は、それぞれ、各フィン１０において追加の厚さ２８，３８を有することができる。そして、この追加の厚さ２８，３８は、少なくとも、前記外面２４，３４上のフィン１０の後縁１２の突起と、関連するシュラウド２０，３０の下流縁２６，３６との間に延在する。必要に応じて、追加の厚さ２８，３８は、後縁１２の突起を超えて延びてもよい。

追加の厚さ２８，３８は、関連するシュラウド２０，３０の下流縁２６，３６まで延びることができ、その場合、前記追加の厚さ２８，３８は、シュラウド２０，３０の機械加工に通常使用される取付フランジにおいて部分的に達成することができる。あるいは、追加の厚さ２８，３８は、それを含まずに取付フランジの近傍で停止してもよい。

追加の厚さ２８，３８は、流路から外れているため、ディフューザー５内のガスの流れを妨げない。

一実施形態では、追加の厚さ２８，３８は、フィン１０を収容するスリット２１，３１の両側に延在するようにさらに延長することができる。例えば、追加の厚さ２８，３８は、各スリット２１，３１に沿って、フィン１０の弦ｄ_２の最大３分の１に等しい距離ｄ_３に亘って延在していてもよい。

追加の厚さ２８，３８は、０．５から２ｍｍの間、すなわち、シュラウド２０，３０の初期厚さの１０％から１００％の間で構成される厚さ（ディフューザー５の回転軸に対する半径方向に沿った寸法に対応する）を有してもよい。

ディフューザー５の動的および静的負荷を軽減しながら、フィン１０をスリット２１，３１に固定するためのはんだペースト９の堆積を可能にするために、追加の厚さ２８，３８は、各スリット２１，３１縁から２ミリメートル程度の距離まで延在する。

追加の厚さ２８，３８は、例えば、Ｖ字またはＹ字形状を有してもよい。

追加の厚さ２８，３８の例は、例えば、添付の図４ａおよび図４ｂに示されている。

添付の図４ａからわかるように、外側シュラウド３０の追加の厚さ３８は、Ｖ字形の溝の形態を有してもよい。これらの溝は、特に、Ｖ字形の下流隆起部を形成するために、一方では下流縁３６から外側シュラウド３０を機械加工することにより、Ｖ字形の上流隆起部を形成するために、次に他方では上流縁３５から外側シュラウドを機械加工することにより作製されることができる。

内側シュラウド２０は、外側シュラウド３０のものと同一の形状および寸法の追加の厚さ２８を有することができる。しかしながら、実行可能性および、特に上流縁２５へのアクセスの理由から、上流の材料を残す可能性を有しながら下流縁のみを形成することができる（図４ｂを参照）。

Claims

内側シュラウド（２０）と、外側シュラウド（３０）と、内側シュラウド（２０）と外側シュラウド（３０）との間においてディフューザー（５）の回転軸に対して半径方向に延在する一連のフィン（１０）とを備え、
各フィン（１０）が、前縁（１１）と、前縁（１１）の反対側の後縁（１２）とを有し、高さ（ｈ）が、フィン（１０）における内側シュラウド（２０）と外側シュラウド（３０）との間において、ディフューザー（５）の軸に関して、半径方向に沿ったフィン（１０）の最小寸法に対応する、遠心式または混合流圧縮機のディフューザー（５）であって、
－フィン（１０）の略中央高さ（ｈ／２）におけるフィン（１０）の前縁（１１）と後縁（１２）との間の距離（ｄ_１）が、内側シュラウド（２０）におけるフィン（１０）の前縁（１１）と後縁（１２）との間の距離（ｄ_２）よりも５％から１５％短くなるように、各フィン（１０）の後縁（１２）が湾曲しており、
－後縁（１２）が、外側シュラウド（２０）の近傍に壁（１４）を形成し、且つフィン（１０）の高さ（ｈ）の最大１０％に等しい高さ（Ｈ）を有する第１の部分と、湾曲した第２の部分と、第１の部分と略同一の壁（１４）を形成する第３の部分とを含む可変断面を有する、
ことを特徴とするディフューザー（５）。
フィン（１０）の中央高さ（ｈ／２）におけるフィン（１０）の前縁（１１）と後縁（１２）との間の距離（ｄ_１）が、内側シュラウド（２０）におけるフィン（１０）の前縁（１１）と後縁（１２）との間の距離（ｄ_２）よりも１０％から１５％短い、請求項１に記載のディフューザー（５）。
後縁（１２）が、フィン（１０）の中央高さ（ｈ／２）における曲率半径（Ｒ２）よりも、内側シュラウド（２０）および外側シュラウド（３０）の近傍においてより小さい曲率半径（Ｒ１）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ー（５）。
内側シュラウド（２０）および外側シュラウド（３０）の近傍における後縁（１２）の曲率半径（Ｒ１）が、フィン（１０）の中央高さ（ｈ／２）における後縁（１２）の曲率半径（Ｒ２）よりも少なくとも２倍小さい、請求項３に記載のディフューザー（５）。
第１の部分における壁（１４）の高さ（Ｈ）が略一定である、請求項１から４のいずれか一項に記載のディフューザー（５）。
第１の部分における壁（１４）の高さ（Ｈ）が変化している、請求項１から４のいずれか一項に記載のディフューザー（５）。
壁の高さ（Ｈ）が、フィン（１０）の後縁（１２）の下流端における０．６ｍｍと、第２の部分の始まりにおける約１．０ｍｍとの間に含まれる、請求項６に記載のディフューザー（５）。
内側シュラウド（２０）および外側シュラウド（３０）が、それぞれ、
－フィン（１０）に面して延在する内面（２２，３２）と、
－内面（２２，３２）の反対側の外面（２４，３４）と、
－上流縁（２５，３５）および下流縁（２６，３６）と、を有し、上流および下流が、ディフューザー（５）内のガスの流れの方向によって定義され、
外側シュラウド（３０）および内側シュラウド（２０）の外面（２４，３４）が、それぞれ、各フィン（１０）において追加の厚さ（２８，３８）を有し、前記追加の厚さ（２８，３８）が、前記外面（２４，３４）において、少なくとも関連するシュラウド（２０，３０）の下流縁（２６，３６）と、フィン（１０）の後縁（１２）の突起との間で延在している、請求項１から７のいずれか一項に記載のディフューザー（５）。
内側シュラウド（２０）および／または外側シュラウド（３０）の追加の厚さ（２８，３８）が、フィン（１０）を収容する関連するスリット（２１，３１）の両側にさらに延在する、請求項８に記載のディフューザー（５）。
追加の厚さ（２８，３８）が、内側シュラウド（２０）および／または外側シュラウド（３０）の関連するスリット（２１，３１）の長さの最大３分の１にわたって延在しており、前記長さが、内側シュラウド（２０）におけるフィン（１０）の前縁（１１）と後縁（１２）との間の距離（ｄ_２）に実質的に対応する、請求項８に記載のディフューザー（５）。
追加の厚さ（２８，３８）が、関連するシュラウド（２０，３０）のスロット（２１，３１）から２ｍｍ程度の距離まで延びる、請求項９または１０のいずれか一項に記載のディフューザー（５）。
追加の厚さ（２８，３８）がＶ字またはＹ字形状を有する、請求項８から１１のいずれか一項に記載のディフューザー（５）。