JPS5999099A - 圧縮機を通る質量流量制御方法及びデフユ−ザ−装置 - 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】 本発明は回転圧縮機を出る高速ガスを比較的低速に変換
し、そこで運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する
のに使用する高面積比、入口形状可変デフユーザー装置
及び圧縮機を通る質量流量を制御する方法に関するもの
である。

回転圧縮機の技術においては、動力発生ガスタービンエ
ンジンのように続いての使用のための圧縮装置から出る
比較的高速のガスを減速するために最も利用されること
が知られている。

高速ガスの運動エネルギーをガスの圧力増大へ変換する
ために、亜音速拡散過程を経て変換を達成するためデフ
ユーザーが圧縮機の下流に一般に使用される。ベーン型
デフユーザーと、拡散スクロールとパイプ型又は導路（
ｃｈａｎｎｅｌ　）型デフユーザーが、所定の運動エネ
ルギー変換を達成するため回転圧縮機と共に普通に使用
される２つの基本形式の装置である。

パイプ型圧縮機デフユーザーはベーン型デフユーザーに
対して、ガスタービンエンジンのような成る種の使用に
おける圧縮機及び関連構成部分のための優れた構造部材
を形成することができると云う利点を有する。更に回転
圧縮機の軸線のまわりに複数の斯かるパイプ型デフユー
ザーを別個に間隔をおいて配置する結果として、斯かる
デフユーザーはガス及び油のための色々な導管がシステ
ム内の外の所で使用するために通されることができるよ
うな内部導路を間隔をおいて配置するのを許容する。前
記デフユーザーのどれも約４：１〜５：１以上の面積化
に効果的に分散出来ない。

ｔｌ？”＋されたガスタービンエンジンに関して、圧縮
機から出る高速ガスの最大圧力回復を得るために能率の
高いデフユーザーを有することが特に重要である。高圧
力比を有する遠心圧縮機では、典型的な４：１面積比デ
フユーザーの存在で運動エネルギーは等エントロピー効
率での２〜３％の点を示しそして更に分散が望ましい。

本発明はパイプ型デフユーザーが使用されるが更にデフ
ユーザーが、さもなくば損失する運動エネルギーのかな
りの部分を回復する装置及び方法に関するものである。

本発明は又全ガスタービンエンジン流量を制御して変え
る為の装置及び方法を提供し、もう１つには復熱ガスタ
ービンエンジンの部分負荷で高熱効率を維持するために
重要なことを特徴としている。

本発明によると、例示し広くここに説明するように、回
転圧縮機に関して使用する本発明のデフユーザー装置は
流れ方向で横断流れ面積を円滑に増大する第１ステージ
と、圧縮機から比較的高速でガスを受は入れる為の入口
及び出口を有する第１デフユーザーステージと、軸方向
入口と半径方向出口を有しデフユーザーを通過するガス
流に沿って第１ステージの下流に配置されるプレート型
ラジアルデフユーザーステージと、第１ステージ出口か
らプレートステージ入口へガス流を通すため、円錐ステ
ージを出るガス速度プロフィールの空間変化を低減する
ため、そして低減した速度変化から運動エネルギーを回
１Ｍするためプレートデフユーザーステージに第１デフ
ユーザーステージを作動連結する移行手段とを含む。

好ましくは、連結手ステージはほぼ一定の横断面積と有
効液圧直径の約２．５〜４．５倍の長さを有するパイプ
部材を含み、パイプ部材は又第１ステージの軸線をプレ
ートデフユーザーステージの入口と共軸状に整列する。

デフユーザー装置が更に圧縮機を通る質量流量を制御す
るために第１ステージ入口流れ面積を調節して変える面
積変え手段を含むのが好ましく、面積変え手段は軸方向
に変わる横断面積を有する軸対称輪郭の面を有するスパ
イク部材と前記第１ステージの入口流れ面積を円錐デフ
ユーザー全面積の約８０％〜１００％に変えるため、前
記円錐ステージへの入口のガス流れに対向して形成した
前記輪郭面を示すため第１ステージ軸線に沿って前記ス
パイク部材を摺動位置決めする位置決め手段を含む。

プレートデフユーザーステージがプレートステージ入口
軸線に対して直角に向けられ入口軸線と一列に配置した
穴を有する衝突壁を含み、前記位置決め手段がスパイク
に固定的に取付けられ移行ステージとプレートステージ
入口と穴とを通して延びる棒部材を含み、更に棒部材を
衝撃壁の外側に係合する調節手段を含み、更にデフユー
ザー装置はベアリングと衝突壁により棒部材を少なくと
も一部で摺動支持するシール手段を含む。

更に本発明に関し、例示しここに広く記載するように流
れ方向に滑らかに増大する横断面積を有し、圧縮機から
の比較的高速ガスを受は入れるために配置された入口と
、比較的低速度高圧ガスを吐出する出口とを有する少な
くとも一つの接近して連結されたデフユーザーをもつ回
転圧縮機を通る質量流量を制御する方法は、入口付近の
パイプデフユーザーの軸方向に変わる横断面積を有する
空気力学的に形作られた本体を配置するサブステップを
含み、所定の圧縮機質量流量を得るためデフユーザー人
口の横断流れ面積を滑らかに変えるステップと、そして
所定の有効入口横断流れ面積を形成するため人口に対し
本体の軸方向位置を調節するステップとを含む。

本発明の図に示す一実施例を詳細に説明する。

第１図に本発明のデフユーザーを使用する例を示すガス
タービンエンジン装置１８の略図を示し、以下に詳細に
説明する。ガスタービンエンジン装置１８は入ロダクト
エ２と、第１図に１６で示す本発明のパイプ又はチャン
ネル型デフユーザー装置に作動連結される出口とを有す
る回転圧縮機１０を含む。圧縮［１０はアキシャル又は
ラジアル又はアキシャル・ラジアル混合型とすることが
でき、図の例は本発明が使用されることができる回転圧
縮機の形式に限定されるものではない。すなわちデフユ
ーザー１６は理解を容易にするために圧縮機１０から分
離して略図的に示されているが、通常の知識を有する者
はデフユーザー１６が圧縮機１０のハウジングの一部と
して作られることができ、このことはデフユーザー１６
が圧縮機ハウジングの骨組みに一体に形成されることが
でき全構造の強度と剛性を付加することができるので好
ましいということが理解できる。

一般にデフユーザー１６の機能は圧縮機１０を出る高速
ガスの運動エネルギーを例えば以下に説明するガスター
ビンエンジン装置１８の別の成分によって使用される比
較的高い静圧の低速ガスに変換することである。第１図
に略図で示すように高圧低速ガスはデフユーザー１６か
らダク）２０を経て燃料源２４からの燃料と混合され燃
焼される燃焼室２２へ流れる。熱い燃焼ガスは次いでダ
クト２８を経てタービン２６へ導かれ膨張してよく知ら
れているように機械的仕事をなす。産業原動所のような
高い効率を必要とする利用のためには熱価（ｈｅａｔ　
ｖａｌｕｅ）はタービン排気３０がら復熱され（第１図
の破線で示すような）熱交換器３２による如くダクト２
０の圧縮ガスに伝達されることができる。斯かる復熱ガ
スタービンエンジンの高効率の利点は又当業者により理
解される。

本発明によると、デフユーザー１６は圧縮機１０からの
高速ガスを受は入れるためダクト１４により圧縮機１０
と作動連結された滑らかに増大する横断流れ面積を有す
る第１ステージを含む。ここに示すよ、うにデフユーザ
ー１６は軸線３６のまわりに対称である円錐形ハウジン
３４とダクト１４を経て圧縮機１０からのガスを受は入
れるために使用される円形大口３８とを有する。長方形
、楕円形等の非円形横断面の他の部分形状は、勿論円錐
形の代わりに使用されることができ、本発明の範囲内で
考えられることができる。一般にダクト１４は、デフユ
ーザー１６が圧縮機１０に空気動力学的に密接に連結さ
れるように、入口３８が圧縮機１００図示されないベー
ンチップに非常に近いように、形作られている。

デフユーザー機能にとっては円錐形ステージの横断流れ
面積が流れの方向に連続的に増大することが重要であり
、本発明は入口３８から円錐部の端部４０へ横断面積が
連続的に増大する円錐ハウジング３４を意図する。好ま
しくば端部４０の直ｉイは入口３８の直径の２〜４倍で
ある。当業者は円錐ハウジング３４の流れ面積の変化率
が逆の圧力勾配によりハウジング３４の内壁での境界層
分離を避けるため成る値以下に保たれなければならない
ことは知っている。斯かる分離はもし生ずるのが許され
ると、全デフユーザー性能を非常に低下する可能性があ
る。

更に本発明により円錐部に導入されるガス速度プロフィ
ールの空間的変化を除去するための第１ステージの出口
に移行デフユーザーステージが形成される。円錐デフユ
ーザーを通る流れの速度プロフィールは中心の方が高く
スキューされ低速度は円錐壁の方ヘスキューすることが
当業者に知られている。このことが第１図のプロフィー
ル４２で略図的に示されている。或望まれない環境の下
で円錐壁付近の速度は零に近づくことができ、壁に近い
境界層は逆流の始まりを示す負となり、境界層のＩＬソ
フトフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ　）及び分離を多分導く。境
界層をコントロールするために、そして以下に説明する
最終プレート型デフユーザーステージ５０を最も効果的
に使用するために、移行ステージは流れ横断面にわたっ
てほぼ均一に速度プロフィールを形成すべきである。

ここに例示するように移行デフユーザーステージは円錐
ステージ出口４０と移行ステージの端部４６との間の基
本的に一定の横断流れ面積を有する直線パイプ部４４を
含む。パイプ部４４はその軸線を円錐ステージ軸線３６
と対称共軸状に整えられる。パイプ部４４は高速芯部（
中心流）と（プロフィール４８により略図的に示される
）移行ステージ端部４６で比較的平なプロフィルが現れ
るように低速型流と混合できるように十分な長さとすべ
きである。好ましくは、パイプ４４の直径の約２．５〜
４．５倍の長さのパイプ部４４が使用されるべきであり
、パイプ４４の直径は円錐ステージから移行ステージへ
滑らかに移行するように円錐ステージの端部４０の直径
に等しくするべきである。

或圧力回復がガス速度プロフィールでの変化の結果とし
てのみ、即ち移行ステージに横断流れ面積の変化のない
移行デフユーザーステージで達成されることができるこ
とを実現するのが重要である。本発明によりデフユーザ
ー１６の残りと共に使用され、移行デフユーザーステー
ジは円錐デフユーザーステージの後で残る理論的に回復
可能な運動エネルギーの５０〜６０％が回復する結果と
なることが信じられている。円錐ステージの典型的４：
１面積比膨張のため有効な運動エネルギーは圧縮機効率
２〜３％の点を示す。

更に本発明によりプレート型デフユーザーステージは移
行デフユーザーステージを離れるガスを更に分散する。

ここに例示するようにプレートデフユーザーステージは
環状フランジ５０と軸流入口５２とを含み、衝突壁５６
と共に環状半径方向出口５４を形成する。壁５６は移行
ステージ出口４６での主に軸方向の流れ方向からプレー
トデフユーザーステージ出口５４を通る主に半径方向流
へ衝突ガス流れを曲げる作用をする。第１図に示す実施
例において、プレートデフユーザーステージ出口５４を
離れるガス流は、前に説明したように、集められ、ダク
ト２０により燃焼室２２へ通される（ｃｈａｎｎｅｌ　
）。

プレートデフユーザーステージ出口５４での横断面流れ
面積のプレートデフユーザー人口での流れ面積に対する
比は、好ましくは、約２．５：１〜３．５：Ｉの範囲で
あり、デフユーザー１６のための全高ロ対入ロ面積比は
（即ちプレートデフユーザーステージ出ロ５４０面積対
円錐デフユーザーステージ入口３８の面積）は約８．５
　：　’１から１５：１が圧縮機１０の有効空間と安定
性に依存して達成可能であるべきである。

更に本発明により圧縮機とガスタービンエンジンの残り
を通るガス質量流れ量をコントロールするためにデフユ
ーザーの全高ロ対入ロ面積比を調節的に変えるための面
梼変え手段が設けられる。

正常な操作ではデフユーザーは接近して連続されたデフ
ユーザーを用いる高圧比回転圧縮機のための質量流れ制
御部であることが当業者によりよく理解されている。斯
かるデフユーザーでは入口（のど）範囲は正常にチョー
クされしたがってのど部面積の変化がガスダイナミック
スを考慮してよく理解されるように質量流量に同じ変化
を形成する。チョークされないデフユーザー流のために
、質量流量の変化の結果は当業者が理解し評価するよう
に優位を占める。

ここに例示するように圧縮機質量流量制御の装置及び方
法は円錐デフユーザーステージ３４のガス流のために有
利に横断面積を円滑に変える手段を使用し、一方移行デ
フユーザーステージ４４及び出口５４を含むプレートデ
フユーザーステージ５の横断流れ面積を維持することと
は基本的に一定である。第１図に示すように面積比変え
手段は入口３８付近の円錐ステージ３４の部分の軸３６
に沿って動かすために位置決めされたスパイク部材６０
を含む。スパイク部材６０はデフユーザー１６の長さを
伸ばし穴５８を通してプレートデフユーザーステージ壁
５６を貫通する棒部材６２に連結されている。適当なシ
ール及び支持組体６４ば少なくとも部分的に圧縮ガスの
漏れなしに棒、６２の往復軸方向運動を許容するために
穴５８に形成され、そして斯くして壁５６は棒６２とス
パイクを支持する作用をする。棒６２のための付加的ベ
アリング支持がカラー６６と第１図に示すスベーザー支
持６８　（３個の内２個の均一に間隔をあけた支持が示
される）のように形成されることができる。

スパイク６０は圧縮機１０から受は入れる高速ガスに向
けるための空気力学的に形作られた面部７０を含む。又
スパイク６０の後部（符号を付さず）は滑らかにテーパ
ーをつけられるべきでありそこでは突然の膨張を妨げる
ためそして結果として生ずるその部分での流れ分離損失
を妨げるため棒６２に固定的に連結される。

又第１図の実施例に示される面積比変更手段にプレート
デフユーザーステージ壁５６の外側で棒６２に作動連結
される図示されるピボ・ノド組体７２を含むスパイク６
０の軸方向位置を調節するための手段が含まれる。又レ
バー機構が示され、機械的、液圧的、電気的化の作動機
構が調節的に棒６２とスパイク６０を位置決めするため
に使用されることが明らかである。

第１図からスパイク６０の位置が全体として円錐ステー
ジ３４の中にある破線位置から円錐ステージ入口３８の
方へ（第１図の左方へ）動かされるとき、円錐ステージ
３４の入口３８を通る流れに有効的横断面積は減少し、
前に説明したように質量流量が対応して減少することに
なる。円錐デフユーザーステージ３４のスパイク６０と
棒６２のような中心体の使用が流れ断面積の有効液圧直
径り、が減少するために付加的な摩擦損失を加えるが、
相殺する利益はデフユーザー１６の全長が低減すること
であり、それは与えられた出ロ対入ロ面積比としてＤＨ
と逆比例して変わる。

色々の変形が本発明の精神的範囲から離れることなく本
発明のデフユーザー装置で行われることができることは
当業者にとって明らかなことである。

【図面の簡単な説明】

一１ｔ−ＩＩはガスタービンエンジンに使用されるのを
示す本発明の改善されたデフユーザー装置の略図である
。 １０・・・圧縮機　　　１６・・・デフユーザー３４・
・・円錐形ハウジング ３８・・・入口　　　　４０・・・端部４２・・・速度
プロフィール ４４・・・パイプ部　　４６・・・端部５０・・・環状
フランジ ５４・・・出口　　　　５６・・・衝突壁５８・・・穴
　　　　　６０・・・スパイク部材６２・・・棒　　　
　　６４・・・シール組体６６・・・カラー　　　６８
・・・支柱代理人　弁理士　桑　原　英　明

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　流れ方向に滑らかに変化する横断面積を有し
   、圧縮機からの比較的高速ガスを受は入れるために配置
   された入口と、比較的低速度高圧ガスを吐出する出口と
   を有する少なくとも一つの接近して連結されたパイプデ
   フユーザーをもつ回転圧縮機を通る質量流量を制御する
   方法において、入口付近のデフユーザーの円錐部分に軸
   方向に変わる横断面積を有する空気力学的に形作られた
   本体を配置するサブステップを含み、所定の圧縮機質量
   流量を得るためデフユーザー人口の横断流れ面積を調節
   して変えるステップと、そして所定の有効入口横断流れ
   面積を形成するため入口に対し本体の軸方向位置を調節
   するステップとを含むことを特徴とする方法。 （２）　　（ａｌ　　圧縮機から比較的高速度でガスを
   受は入れるための入口と、又出口とを有し、流れ方向に
   滑らかに流れ横断面積が増大する第１ステージと、 中）　軸方向入口と半径方向出口を有し、デフユーザー
   を通るガス流路に沿って前記第１ステージの下流に位置
   するプレート型ラジアルデフユーザーステージと、 （Ｃ１前記第１ステージ出口から前記プレートステージ
   入口へのガス流を通すために前記第１デフユーザーステ
   ージを前記プレートデフユーザーステージに作動的に連
   結し、前記第１ステージを出るガス速度プロフィールの
   空間的変化を減少し、前記減少した速度変化からの運動
   エネルギーを回復する移行手段とを含む、 回転圧縮機と関連して使用するデフユーザー装置。 （３）前記移行手段が基本的に一定な横断面積を有する
   パイプ部材を含むことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載のデフユーザー装置。 （４）前記パイプ部材が前記第１ステージの軸線を前記
   プレートデフユーザーステージの入口と共軸状になるよ
   うに整列することを特徴とする特許請求の範囲第３項に
   記載のデフユーザー装置。 （５）前記パイプ部材の長さが有効液圧直径の約２．５
   乃至４．５であることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項に記載のデフユーザー装置。 （６）　　（２１）　　圧縮機から比較的高速度でガス
   を受は入れるための入口と、又出口とを有し、流れ方向
   に滑らかに流れ横断面積が増大する第１ステージと、 （ｂ）　　軸方向入口と半径方向出口を有し、デフユー
   ザーを通るガス流路に沿って前記第１ステージの下流に
   位置するプレート型ラジアルデフユーザーステージと、 （Ｃ１前記第１ステージ出口から前記プレートステージ
   入口へのガス流を通すために前記第１デフユーザーステ
   ージを前記プレートデフユーザーステージに作動的に連
   結し、前記第１ステージを出るガス速度プロフィールの
   空間的変化を減少し、前記減少した速度変化からの運動
   エネルギーを回復する移行手段と、 （ｄｌ　　前記圧縮機を通る質量流量を制御するため前
   記第１ステージ入口の流れ面積を調節して変える面積変
   え手ステージとを含み、 前記面積変え手段が （ａｌ　　軸方向に変わる横断面積を有する軸蛤称輪郭
   の面を持つスパイク部材と、 （ｂｌ　　前記第１ステージの入口流れ面積を変えるた
   め、前記第１ステージへの入口のガス流れに対向する前
   記輪郭面を示すため第１ステージ軸線に沿って前記スパ
   イク部材を摺動位置決めする位置決め手段とを包含する
   デフユーザー装置。 （７）前記輪郭面が前記第１ステージ軸線に沿っての前
   記スパイク部材の動きにより入口流れ面積を滑らかに変
   化させるように空力学的に形成されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第６項に記載のデフユーザー装置。 （８）前記プレートデフユーザーステージが前記プレー
   トステージ入口軸線に対し直角に向けられ、該入口軸線
   と一列に並んだ穴を有する衝突壁を含み、前記位置決め
   手段が（ｉ）前記スパイクに固定的に取付られ前記移行
   手段と、前記プレートステージ入口と、前記穴とを通っ
   て延びる棒部材と、（ｉｉ　）前記衝突壁の外側で前記
   棒部材に係合する調節手段とを包含することと、デフユ
   ーザー装置がベアリングと前記衝突壁によって前記棒部
   材を少なくとも部分的に摺動可能に支持するシーリング
   部材とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第６項に
   記載のデフユーザー装置。 （９）前記入口面積が円錐デフユーザー全面稍の約８０
   ％〜１００％に調節して変えられることを特徴とする特
   許請求の範囲第６項に記載のデフユーザー装置。 ＱＱＩ　　前記プレートデフユーザーステージが約２゜
   ５：１乃至３．５：１の出ロ対入ロ面積比をもつことを
   特徴とする特許請求の範囲第２項から第６項のいずれか
   一つに記載のデフユーザー装置。 （１１）前記パイプ部材の直径が前記第１ステージ入口
   直径の約２乃至４倍の直径であることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項から第６項のいずれか一つに記載のデ
   フユーザー装置。 （１２）圧縮機からのガスを受は入れる入口及び出口を
   有し、流れ方向に横断面積が滑らかに増大するパイプデ
   フユーザ一部分を有し、パイプ型又はチャンネル型であ
   り、静圧力を増大するために回転圧縮機を出る高速ガス
   を分散するためのデフユーザー装置において、 （ａ）　　軸方向入口と半径方向出口を有しパイプデフ
   ユーザ一部分で分散されたガスを更に分散するためパイ
   プデフユーザ一部分の下流に配置されたプレート型デフ
   ユーザ一部分と、 山）前記パイプデフユーザ一部分を前記プレートデフユ
   ーザ一部分に作動的に連結する移行手段と、 （Ｃ）前記圧縮機を通るガス質量流量を制御するためパ
   イプデフユーザ一部分入口面積を調節して変える面積変
   え手段と、を有することを特徴とするデフユーザー装置
   。 （１３）前記移行手段が前記プレートデフユーザ一部分
   に入る前に前記パイプデフユーザ一部分を出る空気の速
   度プロフィールの空間的変化を減少するために付加的デ
   フユーザ一手段を含み、前記付加的デフユーザ一手段が
   空間的に変わる速度プロフィールから少なくとも有利な
   運動エネルギーを回復することを特徴とする特許請求の
   範囲第１２項に記載のデフユーザー装置。 （１４）前記プレー１−デフユーザ一部分が軸方向の入
   口をもち、前記付加的デフユーザ一手段が基本的に一定
   の横断流れ面積を有するパイプ部材を含み、前記パイプ
   部材と前記プレート出入口とパイプデフユーザ一部分出
   口の流れ面積が本質的に等しく、前記パイプ部材の軸線
   と前記プレートデフユーザー人口と円錐デフユーザ一部
   分が基本的に共軸状であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１３項に記載のデフユーザー装置。 （１５）前記入口面積比が有効プレートデフユーザー出
   ロ対円錐デフユーザー人口面積比が約８０％〜１００％
   を形成するように調節可能であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１２項に記載のデフユーザー装置。