JP5484443B2 - ターボ機械の圧縮機からの空気を抽気する装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空機用のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械の圧縮機のロータの向心抽気手段に関する。

圧縮機のロータのブレードホイールは、ディスクの間を同軸に延びる実質的に円筒形または円錐台形の回転面を形成する管状の壁によって互いに接続される。ディスクを互いに接続するこの壁を、第１のディスクと一体に形成することができ、または軸方向の端部のうちの一方において第１のディスクの側面に例えばろう付けもしくは溶接によって配置および固定することができ、反対側の軸方向の端部に、例えばナット−ボルト式の手段によって第２のディスクへと固定される環状のフランジを含むことができる。

ロータに、圧縮機の下流段およびターボ機械のタービンリムの通気および／または冷却ならびにターボ機械の浄化のためのシステムへの供給のために、向心流の抽気手段を取り付けることが知られている。

従来技術においては、これらの抽出手段が、圧縮機のディスクを互いに接続している壁を貫いて形成された通路を備えており、そのような通路が、壁の内側かつ２つのロータディスクの間に形成される環状チャンバへと開いている。

圧縮機の流れ部分へと流入する空気の一部が、ロータの壁の貫通路によって抽気され、環状チャンバへと通過し、環状チャンバにおいてロータのディスクに沿って中心に向かって流れ、次いでターボ機械の内部かつ軸方向の円筒形シースの外側を上流から下流へと流れ、タービンへと達する。しかしながら、ロータディスクの間の環状チャンバにおいて、乱流およびヘッドロスがかなり大きく、結果として空気が圧縮機の下流段から抽気されることとなり、ターボ機械の燃費の増加につながる。

さらに、抽出空気が、ディスクに比べて高い回転速度ゆえに加熱される。空気巻き込み係数Ｋｅ（ターボ機械に流入する抽出空気の接線速度をターボ機械の圧縮機のロータの回転速度で除算した比に等しい）が１よりも大きい場合、タービンの構成部品の適切な冷却を保証するために、抽出空気の流量を増やす必要がある。しかしながら、特定の領域において、特にディスク間のチャンバおよび円筒形シースの近傍において、係数Ｋｅが、従来技術においては２．５にもなり得る。

この欠点を軽減するために、ディスク間のチャンバに半径方向の管の環状列を取り付けることが提案されており、そのような管は、適切な手段によってシースの周囲でディスクへと固定されている（欧州特許出願公開第１２６２６３０号明細書を参照）。接続壁の貫通路を通って抽気された空気が、ディスクと同じ速度で回転する半径方向の管を通過するように強いられる。これらの管を出る空気は、ディスクの速度と同等の速度（Ｋｅ＝１）で円筒形シースの位置へと達し、したがってヘッドロスの抑制および抽出空気の温度上昇の抑制を可能にする。

欧州特許出願公開第１２６２６３０号明細書

環状チャンバへの入り口におけるヘッドロスは、依然として大きいままである。さらに、半径方向の管を固定するための手段が、動作時の管の振動を抑える必要があるため複雑であり、結果としてコストが比較的高くなり、重量が増加する。

本発明の特定の目的は、従来技術のこれらの問題に対する技術的解決策であって、より単純、より効果的、かつより安価な技術的解決策を提供することにある。

この目的のため、本発明は、ターボ機械の圧縮機のロータであって、共通の軸上に位置してブレードを保持している少なくとも２つのディスクを、ディスクの軸に同軸な回転面を形成しているおおむね管状の壁によって互いに接続して備えるとともに、壁を貫いて管状の壁の内側かつ２つのディスクの間に形成されたチャンバへと開いている空気通路を備えている向心抽気手段をさらに備えているロータを提供し、そのようなロータは、空気案内壁が、チャンバの内部に取り付けられており、空気案内壁が、管状の壁から半径方向に少しだけ離れて管状の壁に沿って延び、前記壁と協働して通路を出る空気の流れを軸方向に流すための環状の通路を画定しているおおむね管状の部分を備えており、このおおむね管状の部分が、ロータのディスクのうちの１つまで延びていることを特徴とする。

このようにして、本発明によれば、管状の壁を貫く通路から出る空気が、前記壁に沿ってロータの一方のディスクへと案内され、もはやディスクの間のチャンバの中央の空間に達することがあり得ない。これにより、貫通路から出る空気のジェットが散り散りになることがなく、ヘッドロスを生じさせかねない乱流の形成が防止される。次いで、管状の壁に沿って案内された空気は、当然ながらディスクに沿って回転軸に向かって流れ、ディスク上に空気の速度が基本的に半径方向である層を形成する。これらの層は、大気および海洋において生じる現象の一部を形成し、それらはエクマン層として知られる。

案内壁とディスクを互いに接続している管状の壁との間の半径方向の距離は、特に上述の通路を通って抽気される空気の流量に応じて決定される。乱流または渦を生じさせることなく、かつ前記抽出空気の流れを妨げることなく、抽出空気を可能な限り良好に案内するような方法で妥協を成立させる必要がある。流体力学に関するデジタル計算を、この半径方向の距離を決定するために使用することができる。例えば、半径方向の距離は、数ミリメートル程度であり、または数センチメートルにもなる。

一実施形態においては、抽出空気の流れにおけるヘッドロスの低減が、従来技術と比べて５０％にもなり得る。このヘッドロスの低減ゆえに、圧縮機のさらに上流側の段から空気を抽気することによって、ターボ機械の燃費の低減および抽出空気の温度の低下を可能にすることを、想定することが可能になる。

壁を貫く空気通路を、ロータの回転軸に対して傾けることができる。例えば、これらの空気通路が、上流から下流へと進むときに内側または外側に向かって傾けられ、空気通路を出る流体に軸方向の成分を与えて、管状の壁に沿った流体の流れを促進する。これらの空気通路を、ロータの２つのディスクの間に取り付けられたノズルと協働するためのラビリンスシールの下流において、管状の壁の下流端部分に形成することができる。

本発明の別の特徴によれば、案内壁が、環状チャンバの内部において一方のディスクに当接して取り付けられて固定される。

この案内壁を、組み付けをより容易にするために部分に分けることができ、例えば、この案内壁が、軽金属材料または複合材料で製作される。既存の環境へと組み込むことができるように設計することが可能であり、例えば一端に、管状の壁を一方のディスクへと固定するための管状のフランジに組み付けられる管状の組み付けフランジを含むことができる。

本発明の案内壁は、従来技術において使用される半径方向の管よりも安価であり、装着がより容易である。また、よりコンパクトかつより単純でもあり、このことが、特に本発明の抽気手段の重量の削減および寿命の向上につながる。

案内壁と管状の壁との間に画定される空気の流れのための軸方向の環状の流路は、実質的に一定の断面であってもよい。案内壁の円筒形部分を、一端において、一方のディスクからわずかに離れて位置しつつこの一方のディスクに実質的に平行に回転軸に向かって延びている実質的に半径方向のステップへと接続することができ、このステップが、前記ディスクと協働して上述シースへと向かう空気の流れのための半径方向の環状の流路を画定する。このステップは、好ましくはチャンバの半径方向の寸法の一部分についてのみ延びている。したがって、案内壁は、断面が実質的にＬ字形である。

案内壁と管状の壁との間の半径方向の距離および半径方向のステップとディスクとの間の軸方向の距離は、特に、ディスク間のチャンバにおける空気の乱流および渦を防止するように決定される。この方法でチャンバ内の空気の流れを制御することによって、ヘッドロスを大幅に少なくすることができる。

好ましくは、案内壁の円筒形部分が、動作時の前記案内壁の振動および曲げを抑えるために、管状の壁に当接するスタッドを含む。

半径方向のステップおよび案内壁が、半径方向の通路において空気の流れを案内し、さらには／または偏向させるためのフィンを保持することができる。フィンが、空気の速度がディスクの速度に近くなる（Ｋｅ＝１）ように、空気をディスクに沿って巻き込むことができる。フィンを、動作時に空気の流れに吸引効果を生じさせるように斜めにすることができる。フィンは、好ましくは一方のディスクへと押し付けられている。

有利には、案内壁の半径方向のステップとは反対側の端部が、管状の壁へと押し付けられ、貫通通路を出る空気が他方のディスクに沿って流れることがないようにしている。

さらに、本発明は、上述のような圧縮機のロータを含むことを特徴とする航空機用ターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械を提供する。

添付の図面を参照しつつ、本発明を限定するものではない例として提示される以下の説明を検討することで、本発明がよりよく理解され、本発明の他の詳細、特徴、および利点がさらに明らかになる。

特に圧縮機、燃焼室、およびタービンを備えているターボ機械の軸方向の部分半断面図である。 本発明の向心抽気手段が取り付けられた圧縮機のロータを示している図１よりも大きな縮尺での軸方向の部分半断面図である。 図２の抽気手段の円筒形の案内壁の概略の斜視図である。 図２に対応する図であり、本発明の抽気手段の一変形例の実施形態を示している。 図４の線Ａ−Ａにおける断面図である。

最初に、従来技術の向心抽気手段１２が取り付けられたターボ機械１０の一部分を示している図１を参照する。

ターボ機械が、特に圧縮機、燃焼室、およびタービンを備えている。圧縮機１４、１６は、一部分が図示されており、複数の軸圧縮段１４を有する上流側モジュールと、遠心圧縮段１６を有する下流側モジュールとを備えている。圧縮機の各々の軸圧縮段１４が、外周にブレード２２を保持しているディスク１８、２０によって形成されたロータホイールと、ホイールの下流に位置しており、固定のノズル翼の環状列により形成されているノズル２４とを備えている。

ロータディスク１８および２０は、両者に共通の軸へと取り付けられ、さらに遠心段１６のインペラ２６へと取り付けられており、インペラ２６自体は、燃焼室の円筒形のインナケーシング２８を介してタービンのロータホイールへと固定されている。タービンホイールは、外周にブレード３２を保持しているリム３０によって形成されている。

圧縮機ロータのディスク１８、２０は、ロータの回転軸の周囲を延びる実質的に円筒形または円錐台形の回転面を形成している管状の壁３４、３６、および３８によって、互いに接続されかつインペラ２６へと接続されている。

図１には、圧縮機ロータの２つのディスク１８、２０だけが示されている。下流側のディスク２０が、上流側のディスク１８への固定のための実質的に円筒形の上流側の壁３６と、インペラ２６を取り付けるための実質的に円錐台形の下流側の壁３８とを有しつつ、一部品として形成されている。円筒形の壁３６の上流側の端部が、ディスク１８の下流側のラジアル面に押し付けられ、ナット−ボルト式の手段４２によって前記ディスクへと固定される環状のフランジ４０を保持している。壁３６、３８を同様によくディスク２０に当接させて、例えば溶接またはろう付けによってディスク２０へと固定してもよい。

上流側のディスク１８自体は、もう１つの円筒形の壁３４によって、さらに上流に位置するディスク（図示せず）へと固定される。この壁３４は、図示されていないディスクから下流へと延び、下流側の端部にディスク１８への固定のための環状のフランジ４４を有している。このフランジ４４が、ディスク１８の上流側のラジアル面に押し付けられ、上述の手段４２によって前記ディスクへと固定される。

知られている方法で、圧縮機のロータの壁３４、３６、および３８は、ラビリンス式のシールを形成すべくノズル２４によって保持されたアブレイダル材料からなる要素と擦れ合って協働する環状の外側ワイパ４６を保持している。

向心抽気手段は、ターボ機械の圧縮機の隣り合う２つの段のロータディスクの間に取り付けられる。図示の例では、手段１２が、ディスク１８および２０の間に設けられ、ディスク２０の壁３６を貫いて形成された半径方向の通路４８を含んでおり、通路４８が、ディスク１８および２０ならびにこれらのディスクを互いに接続している壁３６によって画定された環状チャンバ５０へと開いている。さらに、抽気手段１２は、チャンバ５０に配置されて適切な手段によってディスク１８および２０へと固定された半径方向の管５１の環状列を備えている。

圧縮機の流れ部分へと流入する空気の一部が、半径方向に外側から内側へと壁３６の通路４８を通過し、環状チャンバ５０へと進入する。その後に、この空気は、チャンバ５０を出るために半径方向の管５１を通過するように強いられる。管を出る空気が、圧縮機のディスク１８、２０、管５１、およびインペラ２６、ならびにタービンの環状のリム３０の内側を同軸に延びている円筒形シース５２の周囲を軸方向に下流へと流れる。空気は、軸方向にタービンまで流れ、この空気を、タービンの構成部品の冷却および／または通気のためのシステムへともたらすことができる。

しかしながら、半径方向の管５１は、上述した欠点を有し、壁３６を貫く通路４８を出て環状チャンバ５０の内部に至る空気の流れのヘッドロスを少なくすることができない。

本発明は、空気の流れを圧縮機のロータのディスクのうちの壁３６を貫く通路の上流または下流のいずれかに位置する１つへと案内するための手段によって、これらの問題を少なくとも部分的に改善することを可能にする。

本発明は、抽出空気の流れにおけるヘッドロスを大きく減らすことを可能にするとともに、ターボ機械の燃費を抑えるために、圧縮機においてさらに上流からの空気の抽気を想定することができるようにする。

図２に示した例において、図１に関して上述した構成要素は、同じ番号に１００を加えて指し示されている。ここでは、抽気手段が、ディスク１１８（図１のディスク１８に相当する）の上流で、ディスク１１８と圧縮機の上流段のディスク１１７との間に配置されている。

本発明の空気流案内手段は、ディスク１１７および１１８を互いに接続する壁１３４に沿ってチャンバ１５０に取り付けられて固定される実質的にＬ字形の断面の壁１５４を備えており、この壁１５４が、図３に斜視図にて示されている。

案内壁１５４は、金属薄板で製作され、３６０°にわたって連続的に延びている。変形例においては、チャンバ１５０への取り付けをより容易にするために、部分に分けられることができる。

案内壁１５４は、実質的に円筒形の中央部１５６を有しており、この中央部１５６が、その軸方向の寸法の大部分について、壁１３４から半径方向に少しだけ離れて壁１３４に平行に延びている。この円筒形の壁部分１５６が、壁１３４の円筒形の内表面と協働し、抽出空気の流れを軸方向に流すための円筒形の環状の通路１５８を画定しており、この通路が、実質的に一定の断面である。図示の例では、抽出空気の流れが、通路１５８に沿って下流から上流へと軸方向に流れる（矢印１５９）。

抽気通路１４８が、壁１３４の下流端部分において、ワイパ１４６の下流に形成されており、環状の通路１５８の下流端部分へと開いている。これらの通路１４８は、外方向へと進むときにロータの回転軸に対して上流から下流へと傾いている。したがって、これらの通路１４８を通過する空気が、通路１５８に沿った下流から上流への軸方向の流れを促進するように、軸方向に上流へと向けられる。

案内壁の円筒形部分１５６は、その上流側の端部において、より大径の円筒形部分１６１によって、下流のディスク１１８への固定のための環状のフランジ１６０へと接続されている。このフランジ１６０が、壁１３４のフランジ１４４の上流側の面に押し付けられ、次いでフランジ１４４が、ファスナ手段１４２を使用してフランジ１６０とディスク１１８との間に軸方向に締め付けられる。案内壁１５４の下流の円筒形部分１６１は、壁１３４を貫く通路１４８の下流において、前記壁１３４の円筒形の内表面に半径方向に当接し、これらの通路１４８を出る空気がディスク１１８に沿って流れることがないようにしている。

さらに、案内壁１５４の円筒形部分１５６は、その上流側の端部において、円筒形部分から実質的に半径方向に内側へと延びる環状のリム１６２に接続されている。前記リム１６２は、ディスク１１７から軸方向に少しだけ離れてディスク１１７に平行に延びており、抽出空気の流れを中心に向かって流す（矢印１６５）ための半径方向の通路１６４を生み出している。抽出空気の流れは、動作時に当然ながらエクマン層を形成することによってシース１５２へと最後までディスク１１７に沿って流れる（矢印１６６）ため、リム１６２は、ディスク１１７の半径方向外寄りの一部分についてのみ半径方向に延びている。シース１５２は、図１シースの軸方向の寸法よりも大きい軸方向の寸法を有しており、ディスク１１７および１１８の内側を軸方向に延びている。

図示の例では、支持形成手段が、案内壁１５４の円筒形部分１５６の外表面に当接するように取り付けられ、案内壁１５４の円筒形部分１５６の外表面に固定されている。これらの支持手段は、ロータの回転軸を中心にして規則的に分布したスタッド１６６を備えている。これらのスタッド１６６の半径方向外側の端部が、動作時の案内壁１５４の振動および曲げ変形を抑えるために、壁１３４の円筒形の内面に押し付けられている。

図４および図５において、図２に関して上述した構成要素には、同じ参照番号が１００を加えたうえで与えられている。ここでは、案内壁２５４が、前記壁のリム２６２の上流側の環状の面に当接して固定された追加のフィン２６８を含む。

これらのフィン２６８は、ロータの回転軸を中心にして規則的に分布しており、上流側の端部をディスク１１７に軸方向に当接させている。

図５に見て取ることができるとおり、これらのフィンは、半径方向の通路２６４へと流れる空気の向きを変えて、前記空気の速度をディスク２１７の速度を超えない（Ｋｅ＝１）ように下げるために、傾けられている。フィンの傾きの角度は、空気について吸引現象を生じさせる一方で、空気が向心的に流れるような角度である。

さらに別の変形例（図示せず）においては、抽気通路１４８、２４８が、壁１３４、２３４の上流端部分を貫いて形成され、抽出空気が、通路の下流に位置するディスク１１８、２１８に達するまで、円筒形の壁１５４、２５４によって上流から下流へと軸方向に案内される。したがって、案内壁１５４、２５４は、その固定用のフランジ１６０、２６０が下流側ではなくて上流側に位置するようにして、ディスク間のチャンバ１５０、２５０に取り付けられ、壁１３４、２３４を貫く通路１４８、２４８を、内方向へと進むときに上流から下流へと延ばすことができる。

抽出空気の温度は、５００Ｋ程度であり、抽出空気の流量は、毎秒１００グラム（ｇ／ｓ）程度である。

Claims (15)

1. ブレードを担持する共通の軸上の少なくとも２つのディスク（１１７、１１８）であって、前記共通の軸に同軸な回転面を形成する略管状の壁（１３４）を介して互いに接続されたディスクと、
   前記略環状の壁を貫いて、当該略管状の壁の半径方向内側かつ前記２つのディスクの間に形成されたチャンバ（１５０）へと開いている空気通路（１４８）を備える向心抽気手段と、
   を含んで構成され、
   前記向心抽気手段が、前記チャンバの内部に設けられた空気案内壁（１５４）であって、前記略管状の壁と協働して、前記空気通路を離れる空気を軸方向に流すための環状の通路（１５８）を画定するように、前記略管状の壁（１３４）に沿って、当該略管状の壁から半径方向に少しだけ離れた位置を延伸する実質的に円筒形の部分（１５６）を備える空気案内壁を有し、
   前記略管状の壁（１３４）が、ロータのディスクのうちの１つまで延びている、ターボ機械の圧縮機のロータ。
2. 前記略管状の壁を貫く空気通路（１４８）が、ロータの軸に対して傾けられていることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
3. 空気通路（１４８）が、ロータの２つのディスク（１１７、１１８）の間に取り付けられたノズルと協働するためのラビリンスシール（１４６）の下流において、前記略管状の壁（１３４）の下流端部分を貫いて形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のロータ。
4. 空気案内壁（１５４）が、チャンバ（１５０）の内部において、ディスク（１１７、１１８）のうちの１つに突き当てられて固定されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ。
5. 空気案内壁（１５４）が、部分に分けられていることを特徴とする、請求項４に記載のロータ。
6. 空気案内壁（１５４）が、前記略管状の壁（１３４）の環状のフランジ（１４４）への固定およびディスク（１１７、１１８）のうちの１つへの固定のための環状のフランジ（１６０）を、一端に有していることを特徴とする、請求項４または５に記載のロータ。
7. 空気の軸方向流れのための環状の通路（１５８）が、実質的に一定の断面であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のロータ。
8. 空気案内壁の円筒形部分（１５６）が、動作時の空気案内壁（１５４）の振動および曲げを抑えるために前記略管状の壁（１３４）に当接するスタッド（１６６）を保持していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のロータ。
9. 空気案内壁（１５４）が、ディスクのうちの一方（１１７）に沿って前記共通の軸へとチャンバ（１５０）の半径方向の寸法の一部分について延びている半径方向のリム（１６２）を、一端に含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のロータ。
10. 半径方向のリム（２６２）が、空気の流れの偏向および／または減速のためのフィン（２６６）を保持しており、該フィンが、ディスク（２１７）に押し付けられていることを特徴とする、請求項９に記載のロータ。
11. フィン（２６６）が、動作時に空気の流れに吸引効果を生じさせるように傾けられていることを特徴とする、請求項１０に記載のロータ。
12. 空気案内壁（１５４）の半径方向のリム（１６２）とは反対側の端部が、前記略管状の壁（１３４）へと押し付けられ、当該略管状の壁を貫く空気通路（１４８）を離れる空気が他方のディスク（１１８）に沿って流れるのを妨げることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載のロータ。
13. 空気案内壁（１５４）が、軽金属材料または複合材料で作られていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のロータ。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の圧縮機のロータを含んで構成されるターボ機械。
15. 前記少なくとも２つのディスクが第１および第２のディスクを含み、
    圧縮機のロータにおける前記共通の軸に沿う空気の流れ方向に関し、前記第２のディスクが前記第１のディスクの下流側に位置し、空気の軸方向流れのための環状の通路を、空気が下流から上流に循環する、請求項１に記載のロータ。

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