JPH04284136A - エネルギ効率の良い圧縮機空気ブリード構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスタービンエンジ
ン用の簡単なブリード抽出スロットに関し、特に、ブリ
ード空気の速度および圧力の損失を最小に抑えながらコ
ア空気を効率よくブリード空気に変換する、特別な構造
のブリード抽出スロットに関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機ガスタービンエンジンでは、多く
の場合、その圧縮機に、高圧空気を圧縮機のある段から
、たとえば第５段から抽出または分流する構造を設け、
こうして冷却目的に用いたり、機体補機、エンジン補機
またはエンジンまたは航空機除氷装置の作動に用いる高
圧空気を得るようにするのが望ましい。他の場合には、
圧縮機の吐出し空気からさらに高圧の空気を抽出する構
造を設けて、下流のタービン要素を冷却するための加圧
空気を得るのが望ましい。中間段ブリードおよび圧縮機
吐出し口ブリードを行う流路機構はいずれも、圧縮機内
の正常な空気流れパターンに干渉する。さらに、ケーシ
ングまたはブリード構造により、このようなエンジンの
組立が複雑になる。

【０００３】圧縮機から空気を抽出する軸線方向位置ま
たは段は、その空気を使用しようとする特定の装置を駆
動するのに必要な圧力によって決まる。ほとんどの場合
、可能な限り最高のソース圧力を得て、高い送り圧力を
確保するのが望ましい。この理由から、従来の装置では
、圧縮機の後段から空気を抽出しており、特にこれらの
装置を設けたエンジンは、低圧タービンの冷却およびタ
ービンの熱的クリアランス制御の目的で、圧縮機の第５
段から高圧空気を抽出する設計となっている。しかし、
圧縮機のできるだけ前段から空気を抽出すると、一般に
、抽出された空気に投ぜられた仕事量が減るので、圧縮
機効率が上昇する。したがって、圧縮機の最前かつ最低
圧の段から可能な最高の装置供給圧力を得るのが望まし
い。こうして得られる冷却空気の温度は低く、したがっ
てより効果的である。

【０００４】ブリード開口またはポートの例が、Ｂｒｏ
ｃｋｅｔｔの米国特許第４，７１１，０８４号に見られ
、この特許はイジェクタ支援圧縮機に関し、その図２に
縁を丸めたブリード穴１７を開示している。Ｅｌｔｉｓ
の米国特許第３，１０８，７６７号は、空気ブリード手
段を有するバイパスガスタービンエンジンに関し、その
図３に一連の切り込み穴を介して圧縮機に取り付けられ
たダクト１９を開示している。Ｐｏｌｌｅｒｔ等の米国
特許第３，８９８，７９９号は、タービンジェットエン
ジンにおいて圧縮機空気を抽出する装置に関し、その図
２に矢印Ｋで圧縮機オリフィスが開示されている。Ｊｏ
ｈｎｓｔｏｎ等の米国特許第３，７７７，４８９号は、
同心空気ブリード構造を有する燃焼器ケーシングを開示
し、このケーシングには一連の円すいアーム６２、６４
，６６がディフューザの低速区域に配置され、空気ブリ
ード構造が約１８０°のターンをなす。Ａｎｄｅｒｓの
米国特許第４，３４４，２８２号は、圧縮機ブリードシ
ステムに関し、ロッキングストラップ１２で一連のブリ
ードポートを封止している。Ｐｅｔｅｒｓｏｎ等の米国
特許第４，８２７，７１３号は、回転機械用のステータ
弁アセンブリに関し、圧縮機ブリードシステム２８に通
路３０を設けている。これらの特許に開示された構造は
いずれも、抽出した空気の圧力か速度が著しく減少し、
したがってディフューザ空気のエネルギーレベルが低下
する。これらの特許は、拡散空気のエネルギーおよび圧
力レベルを維持しながら、なるべく前の圧縮機段から空
気を抽出することができ、しかも以前にもっと後段から
抽出されていた空気と均等な圧力およびエネルギーレベ
ルを与える、圧力効率のよいディフューザスロットを教
示していない。

【０００５】

【発明の概要】したがって、最小のエネルギー損失にて
圧縮機吐出し空気を効率よく抽出することができ、抽出
した空気を外部システムに、ほとんど圧力損なしに、で
きるだけ高い圧力で送り出すことができる、ブリード空
気構造を提供するのが望ましい。

【０００６】簡潔に説明すると、上述した目的や類似の
関連した目的を達成するこの発明は、軸流多段圧縮機、
燃焼器およびタービンを含むガスタービンエンジンに適
用される。この発明の高圧圧縮機ブリード空気抽出スロ
ット構造は、燃焼器の後方部分、好ましくは中間段部分
近くに配置されたブリード空気部分を有する圧縮機外側
バンドから構成される。拡散スロットは、燃焼器外側ケ
ーシングに配置でき、バンド基線から約１０〜２０°の
角度に折り曲げた外側バンドの連接（ａｒｔｉｃｕｌａ
ｔｅｄ　）または打ち抜き部分から構成される。こうし
てブリード弁の拡散係数を改良する。好適な実施例では
、折り曲げ角度が１５°で、出口速度Ｖ２が基線速度Ｖ
１より遅く、出口圧力Ｐ２が基線圧力Ｐ１より大きい。

【０００７】この発明の要旨は特許請求の範囲に記載し
た通りであるが、この発明を一層完全に理解できるよう
に、以下に図面を参照しながらこの発明を詳しく説明す
る。

【０００８】

【具体的な構成】図面中、同一符号は同じ要素を示す。 最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０が
、ファンロータ１２およびコアエンジンロータ１４を含
むものとして断面にて示されている。ファンロータ１２
には、多数のファンブレード１６がディスク２０に装着
され、回転可能になっている。ファンロータ１２は、フ
ァンディスク２０を周知の態様で駆動する低圧またはフ
ァンタービン２２も含む。コアエンジンロータ１４は、
圧縮機２４と、この圧縮機２４を駆動する高圧またはハ
イパワータービン２６とを含む。コアエンジンには燃焼
装置２８も含まれる。

【０００９】運転時には、空気は、ファンロータ１２お
よびコアエンジンロータ１４を包囲し、エンジンの外部
ケーシングをなす適当なカウリング３２により画定され
た入口３０を通って、ガスタービン１０に入る。入口３
０から入った空気はファンブレード１６の回転により圧
縮され、その後、２つの流れ、すなわちバイパス通路３
５に流れるバイパス流れ３４と、コア通路３７に流れる
コアエンジン流れ３６とに分割される。

【００１０】コアエンジン流路３７に入った加圧空気は
圧縮機２４によりさらに加圧され、その後、燃焼装置２
８内で高エネルギー燃料と混合され、点火される。この
高エネルギーガス流はつぎに、高圧タービン２６に流れ
て圧縮機２４を駆動し、その後、低圧タービン２２に流
れてファンロータ１２およびディスク２０を駆動する。 バイパス通路３５に流れる加圧空気は、適当なミキサ（
図示せず）によりコアエンジン排気系流れと混合される
か、コアエンジン排気を取り囲む比較的低速の低圧流れ
として外気に排出される。いずれの場合にも、コアエン
ジン流れ３６の排気とファンバイパス流れ３４の排気が
、ターボファンエンジン１０が推進する航空機に推進力
を与える。

【００１１】なお、ここでの説明は航空機ガスタービン
エンジンに限られているが、この発明は、船舶または工
業用に用いられるようなあらゆるガスタービンエンジン
・パワープラントに適用できる。したがって、図１に示
したエンジンの説明は、この発明を適用できる形式のエ
ンジンの例示にすぎない。

【００１２】図１および図３Ａに示すように、拡散ポー
トまたは穴４０は、エンジンカウリングまたはケーシン
グ３２の外側バンド４４に並べて設けたオリフィス４２
からなる。圧縮機ケーシング構造３２には、圧縮機２４
の内部から内側段空気を抽出するために、ロータブレー
ド３８の中間段の１つのすぐ上流に環状オリフィス４２
を設ける。

【００１３】つぎに図２および図３Ｂに移ると、圧縮機
２４の拡大断面図に、この発明による拡散スロットおよ
び空気ブリード構造の細部が示されている。図示のよう
に、圧縮機２４は、多数のロータブレード３８を保持す
る複数のロータ段４０を有するロータ１４を含む。圧縮
機２４はさらにケーシング構造３２を含み、ケーシング
構造３２は、圧縮機流路の外側境界を画定し、ロータブ
レード３８の各段間の個々のステータ段に多数の整列さ
れたステータベーン４６を装着するための取付け部を含
む。

【００１４】図３Ｂおよび図３Ｃに示した好適な実施例
においては、外側バンド４４に、外側バンド４４の基線
（ベースライン）６０から測って１０〜２０°、好まし
くは１５°の角度で折り曲げた打ち抜き連接部分（ａｒ
ｔｉｃｕｌａｔｅｄ　ｐｏｒｔｉｏｎ　）６４により構
成されるディフューザスロット６２が設けられている。

【００１５】図３Ａと図３Ｂを一緒に参照すると、図３
Ａに従来の環状第５段オリフィス４２が示され、一方図
３Ｂにこの発明による折り曲げ第４段ディフューザスロ
ット６２が示されている。具体的には、図３Ａに示すよ
うに、環状オリフィス４２が誘起するうず巻き空気流５
０は、オリフィス４２の開口を著しく制限し、オリフィ
スと関連した排出係数Ｃｄを減少させる。さらに、環状
オリフィス４２では、出て行く空気がその速度を約９０
°変えなければならず、それに伴ってエネルギー減少が
生じる。

【００１６】他方、図３Ｂに示すこの発明による拡散ス
ロット６２は連接部分６４を含み、この連接部分６４が
圧縮機ベーンの側方キャビティ５４の体積を広げ、この
ためキャビティ５４がディフューザ空気を直ちに捕捉し
、捕捉された空気の速度およびエネルギーレベルを最小
限しか変えない。側方キャビティ５４の体積は、ケーシ
ング基線６０と連接部分６４との間の体積とみなされる
。図示のように、このスロット６２がつくり出すうずパ
ターンはスロットの表面４４および６４のごく近くに生
じ、したがって、空気流路に最小限の妨害をなすだけで
ある。したがって、スロット６２と関連した圧力降下は
最小で、このスロットと関連した排出係数Ｃｄは最大に
なり、ディフューザを通過する空気のエネルギーレベル
が維持される。このスロットによるエネルギー変換は効
率がよいので、以前に得られるのより高圧の空気が得ら
れる。したがって、スロット６２は、圧縮機のより前段
または低圧段に適用でき、しかも以前にそれより後段か
ら取り出された圧力に等しい圧力の空気を供給できる。 この発明のブリードスロット６２は、ガス流の動圧の一
部をマニホールド静圧に変換し、マニホールド静圧上昇
として回収する手段を構成する。連接部分６４の傾斜陥
没面はディフューザとして働き、空気が外側バンド開口
を通過する際に、空気を減速し、これにより不可逆的な
エネルギー損失を減らす。

【００１７】排出係数Ｃｄは、限定部を通る実際の質量
流れ対理想的な質量流れの比として定義され、式Ｃｄ＝
Ｍ１　／Ｍ２　により表わすことができる。この発明は
、同じ断面積を有する標準オリフィス４２と比較して拡
散スロット６２では高いＣｄが達成されることを示す試
験データに基づいている。具体的には、代表的な９段圧
縮機で、従来のオリフィス４２を第５段に適用した場合
、温度１２０７°Ｒ（ランキン）で１３２ｐｓｉａ（１
６／ｉｎ２　）の排出圧力が得られた。これに対して、
この発明のスロットを同じ圧縮機の第４段に適用した場
合、温度１０８９°Ｒで１１８ｐｓｉａの排出圧力が得
られ、エンジン効率が向上した。

【００１８】したがって、この発明のディフューザ抽気
スロット６２では、ガス流路速度圧力の一部を使用でき
るマニホールド静圧として回収できる。この一層高く加
圧された流れは、ブリード抽出点を圧縮機内で少なくと
も１段前に置き換えることを可能にし、効率およびエン
ジン性能の全体的向上を表わし、そしてこのことは燃料
消費率の低下に反映される。その上、圧縮機のより前の
段で空気を抽出することは、タービン冷却装置にその分
低温の空気源を提供することになる。

【００１９】この発明をその好適な実施例について図示
し、詳しく説明したが、当業者であれば、この発明の要
旨から逸脱しない範囲内で、その形態および細部に種々
の変更を加えられることが分かるはずである。つまり、
ディフューザスロットの寸法と位置を、ブリードスロッ
トが達成するシステムの圧力降下および流れ条件を反映
するように変更することができる。さらに、オリフィス
の形状を、開口の両側での圧力勾配を最小にして高圧流
れを保証するように、変形することができる。したがっ
て、この発明のブリードディフューザ・スロット構造は
、前述したような多数のガスタービンエンジンに適合す
るように、改造することができる。

【００２０】この発明がここに図示し説明した特定の実
施例に限定されないことが、当業者にはすぐに理解でき
るはずである。ここに図示し説明したもの以外の異なる
実施例や改造例ならびに多くの変形、変更および均等な
配置が明らかであり、また以上の説明および図面から示
唆されていると考えるのが妥当である。この発明をその
好適な実施例に関して説明したが、開示内容はこの発明
の具体化と例示にすぎず、この発明を実施可能な程度の
開示をなすために与えたにすぎない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のブリード弁を有するターボファンエンジ
ンの概略断面図である。

【図２】この発明によるブリード弁を有するターボファ
ンエンジンの概略断面図である。

【図３】ブリード弁の拡大図で、図３Ａは図１のブリー
ド弁、図３Ｂは図２のブリード弁で、それぞれに関連し
た理論的空気流を示し、図３Ｃは図３Ｂの３Ｃ−３Ｃ方
向に見た平面図である。

【符号の説明】

１０　　ガスタービンエンジン ４４　　外側バンド ５４　　側方キャビティ ６０　　基線 ６２　　ディフューザスロット ６４　　陥没連接部分

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外側バンドを有する圧縮機ケーシングの後
   方部分に用いる圧縮機空気ブリード構造において、外側
   バンドにディフューザスロットが配置され、このスロッ
   トはバンド基線から約１０〜２０°の角度で傾斜した外
   側バンドの連接部分から構成され、これによりスロット
   の拡散係数を向上させた圧縮機空気ブリード構造。
2. 【請求項２】前記外側バンドの連接部分が１５°の角度
   で傾斜している請求項１に記載の圧縮機空気ブリード構
   造。
3. 【請求項３】コア流れ速度Ｖ１と圧力Ｐ１およびディフ
   ューザ排出速度Ｖ２と圧力Ｐ２が、 Ｖ２　　＜　　Ｖ１ Ｐ２　　＞　　Ｐ１ の関係にある請求項１に記載の圧縮機空気ブリード構造
   。
4. 【請求項４】ディフューザスロットの排出係数が同じ面
   積の標準オリフィスの排出係数より大きい請求項１に記
   載の圧縮機空気ブリード構造。
5. 【請求項５】圧縮機の第４段に隣接して配置された請求
   項１に記載の圧縮機空気ブリード構造。