JPH06505779A - コンプレッサカバー部の空気放出路 - 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】 コンプレッサカバ一部の空気放出路 産業上の利用分野 この発明は、コンプレッサとして使用される回転装置、より詳しくは、空気が軸 方向から流入し、径方向から流出するロータリーコンプレッサに関するものであ る。

従来の技術 ］ンプレッサ・インペラの失速特性とそのインペラで圧縮された空気を受けるデ ィフューザとによって、遠心コンプレッサの流れ範囲と操作できる範囲を超える 範囲とがほぼ明確に指示されるものである。失速特性は、操作中に達するマツハ 数の外に、ブレードの外形によって本来支配されるものである。

種々の遠心コンプレッサとしては、羽根付きまたは羽根無しのいずれのディフュ ーザ機構も利用できるけれども、高マツハ数の最高効率が要求されるところでは 、羽根付きディフューザ機構の使用が殆ど強制的である。そして、このことが、 インペラとディフューザとはピークの効率の流れ状態で適合していなければなら ないということを意味している。

このような場合に、羽根付きディフューザは、その中に生じる全マツハ数がコン プレッサ・インデューサのそれより一般的に高いという点で流れを支配する要素 となる頷向があり、空気が軸方向から流入し、径方向から流出する遠心コンプレ ッサにおいては、コンプレッサのカバ一部に対しハブから延びるブレード半径を 超えるマツハ数の大きな変化で操作している。更に、ディフューザは、このよう な場合または一層大きな失速感をもたらす不均一な入口状態において、インペラ から拡散された流れを受けなければならない。大きな流れ範囲を得るためには、 インペラとディフューザとが、コンプレッサのサージが最終的に起こされる流れ に対し、「明確な発生範囲（ｐｏｓｉｔｉｖｅ　１ｎｃｉｄｅｎｃｅ）　Ｊすな わち失速範囲内で操作ができなければならない。コンプレッサのサージは、イン ペラの安定的な圧力割合が減少する流れによって減少する全体のコンプレッサ特 性の不安定な部分（積極的な傾斜部）における操作から生じるものである。かく して、コンプレッサの操作範囲を拡大する効果的な方法の一つはインペラの充分 な安定性を提供することであり、それによって、下流のディフューザは、流れ特 性に対するディフューザの安定圧力の回復力が正の傾斜を表すとしても、その明 確な有効範囲で充分に操作することができる。インペラの安定性は、ブレードの 先端のバックスイープが流れ特性に対する負の傾斜の静的圧力の上昇を提供する ので、通常、ブレードの先端のバックスィーブの使用によって提供される。しか しながら、先端のパックスイー７の増大はインペラ・ブレードおよび／またはハ ブに現れる応力を増加するものである。

今日、進歩した航空機は、航空機の２次的な動力装置のために、電気的、液圧的 および空圧的な動力としての補助的な動力装置（ＡＰＵ−ｓ）を必要としている 。一般的に言って、ＡＰＵ−ｓはガスタービン装置であり、高度の信頼性を有し なければならない、更に、コンパクトなことも、また要求される。ＡＰＵ−ｓは 、特別に高速で、一段階遠心コンプレッサ、逆転流れの環状燃焼室、そして、一 段階の径方向または軸方向から流入のタービンを有する、単一軸で一定速度のガ スタービンに基礎を置いている。軸出力は発電機および／またはポンプを駆動す るために利用され、システムから抜き取られるコンプレッサの放出空気は、燃焼 に先立って空気圧力を提供するために利用される。高度の放出空気出力に対して 、その最高流れ点の近く、すなわち、「チョーク」状態と呼ばれる近辺で操作す るように、コンプレッサを設計する必要がある。一定速度と一定のタービン入口 温度におけるチョーク点からの軸出力の増加量の抜き取りは、コンプレッサ操作 点を漸増的に低い流れに移し、結局、コンプレッサのサージラインを侵犯するこ ととなって制限されている。

この発明は、前述の問題を一つまたはそれ以上克服することを目指している。

発明の要約 新規な、改良されたロータリー　コンプツサを提供することか、この発明の主要 な目的である。さらに、詳しくは、今までに知られているものより広い範囲で有 効的に操作することができて、かつ従来の装置の信頼性をまだ残しており、した がってＡＰＵの部分としての使用に理想的に適合するようなコンプレッサを提供 することがこの発明の目的である。

この発明の模範的な具体例は、軸心の周りに回転するためにロータ・ハブを支承 する手段に沿うロータ　ハブを含む構造によって前述の目的を達成する。多数の ブレードは、軸方向からの流入と径方向への流出のコンプレッサ・ロータを区画 するために、径方向内側の第１位置から軸方向でこの第１位置と間隔を置いた径 方向外側の第２位置まで湾曲してそれぞれが延び、ロータ・ハブ上に配置されて いる。各ブレードは、周辺の自由端縁と、スロートを有するインデューサ部分と 、そしてこのインデューサ部分の下流のインペラ部分を有している。ロータの周 囲には環状のカバ一部が配設され、両端部とブレードの周辺端縁から非常に少し の間隔を置いた内側表面とを有している。カバ一部は、第１位置に最も近接する 端部に入口開口を有し、他方の端部であって第２位置に最も近接して対向する出 口開口を有している。一連の放出通路は、カバ一部に設けられ、内側表面から延 び、内側表面の径方向外側に配置されている通路を経て内側開口に流体連絡して いる。各通路は、カバ一部の内側表面からほぼ第２位置方向に向かい、回転の軸 心を横断し、インデューサ部分を横切る平面またはその軸方向下流の内側表面に 現れる。

好適な具体例において、各通路は、ロータの回転の方向を目指して内側表面から 軸方向外方へさらに延びている。非常に好適な具体例において、平面がインデュ ーサのスロートと交差している。

この発明は、カバ一部が内側表面と対向する外側表面を有し、各通路が内側表面 の径方向外側にある通路によって内側表面から外側表面まで延びている。

非常に好ましい具体例において、バッフルが、流体を通路から入口の方へ戻すた めに、外側表面に近接して通路の周りに配置されている。好ましくは、バッフル には渦流解除羽根が設けられ、そのために、戻される流体は基本的に渦がなく入 口に至るものである。

゛この発明は、第１位置におけるブレードの外径が第２位置におけるブレードの 外径に対して１．０よりは小さいが少なくとも約０．６であることを重視してい る。

この発明は、また、上述された回転装置を含み、さらに、出口に近接するディフ ューザと、ロータに結合したタービン・ホイールと、その場所で駆動するととも にホットガスを燃焼室に向かわせるためのノズルと、そして、ディフューザから 圧縮された空気を受け取り、燃料と空気の燃焼を支え、燃焼ガスを発生させるよ うにそれを燃焼室に供給するために、ディフューザとノズルとの間に配設された 燃焼室とを含んでいる。

この発明の非常に好適な具体例にあっては、約１００あるいはそれ以上の特別の 速度でロータを駆動するため。

に、タービン・ホイールが適用される。なお、特別の速度とは次式で与えられる 。

ロータＲＰＭ　１れ （Ｈａｄ）０．７５ ここで、流れ量は立方フィート７秒で表され、Ｈａｄは断熱ヘッドである。

他の目的と利益は、添付の図面とともになされる次の説明から明らかになるであ ろう。

図面の簡単な説明 第１図はこの発明による空気ブリージング・タービンの部分断面図、第２図はこ の発明で使用されるロータ（ハブ）の周面の部分波大国、第３図はタービンのコ ンプレッサ部分の部分端面図、そして、第４図はコンプレッサの種々の操作特性 における流れに対する圧力のプロット線図である。

実施例 この発明によって作られた遠心コンプレッサの模範的な具体例が、空気ブリージ ング・タービン・エンジンのコンプレッサ段階として図に示されている。しかし ながら、遠心コンプレッサが他の状況においても同様に有用であることおよび特 許請求の範囲で特定される以外は空気ブリージング・タービンの一部としての利 用に制限しようとしていないことを認識されなければならない。

第１図を参照するに、この発明は、軸心１４の周りを回転するためにベアリング １２によって支承されている軸１０を含んでいる。一般的な符号１８によって示 されている遠心コンプレッサ部分と、一般的な符号２０で示され、タービン・ホ イール部分に結合されているタービン・ホイール部分とを含むハブ１６は、軸１ ０に装着されるかまたは軸１０と一体である。

一連のコンプレッサ・ブレード２２は、ハブ１６上の第１位置２４から第２位置 ２６まで湾曲して延びている。

位置２４および２６は軸方向に間隔を置き、位置２６は位置２４の径方向外側に ある。

この分野の専門家は、位置２６におけるブレード２２の端部２８を、圧縮された 空気を出口２つを通して従来構造の羽根付きディフューザ３０へ放出する先端と することを実現するであろう６位置２４において、ブレード２２の端部３２人口 部分３４に向き合っている。それぞれのブレードは、また、カバ一部３８に近接 して、湾曲した径方向外表面の自由端縁３６を有している。カバ一部３８は、順 に、ブレード２２の表面３６に近接する内側表面４０とその反対側の外側表面４ ４を有している。

ディフューザ３０に連続して、圧縮空気を径方向の外壁５６と内壁５８をそれぞ れ有する環状燃焼室５４のほぼ周りに広がる空間に送る、渦流解消体すなわちデ ィフューザ５０がある。燃焼室５４からの出口６０はタービン・ホイール部分２ ０の周りに配置された環状ノズル６２に延びている。タービン・ホイール部分は 、従来の構造の多数のタービンの羽根すなわちブレード６４とそれに接近した後 部カバ一体６６とを含んでいる。

前部カバ一体６８は、また、いくらか略図的に符号７０で示されるように、ター ビン・ホイール部分２０からロータ１６のコンプレッサ部分１８を密閉する、シ ールに沿って配設されている。この点について、「モノロータ」と呼ばれるもの がいくらか略図的に第１図に表されているが、このようにする必要のない場合が あることに注意しなければならない、実際、タービン・ホイール２０は、コンプ レッサ部分１８と同じ回転の軸心にあることさえ必要でない。

第１図に見られるように、点線７２はそれぞれのブレード２２のインデューサ部 分７４とインペラ部分７６の区画を示している。第２図に見られるように、もし 望まれるならば、ブレード２２は中実ブレード２２と分割ブレード２２−とを交 互に設けることができる。その代わりに、全部中実のブレード２２とすることが でき乙。

第２図には、また、インデューサ・スロートの立置の決定が示されている。中実 ブレード２２の一つの始端のリーディング・エツジ３２に始まり、このような端 から近接する次の中実ブレードまでの最短距離が決定され、第２図には両頭矢印 ８０によって示されている。線８２によって示される平面は、回転の軸心１４を 横断し、端部３２に平行で、矢印８０がこのような中実ブレードを横断する所の 点を通って延び、スロート・ラインを定めている。

ブレード２２．２２−と羽根付きディフューザ３０を含む他のコンプレッサ要素 とは、特別高速装置を提供するために、既知の技術を用いて設計されている。特 に、この発明による特別高速装置は特別の速度が少なくとも約１００であるもの である。

特別速度は次のように定義される。

ロー　ＲＰＭ （Ｈａｄ）０．７５ ここで、流れ量は立方フィート７秒で表され、Ｈａｄは断熱ヘッド（等エントロ ピー・ヘッド）である。

さらに、この発明は、点２４で特定される第１位置における中心線すなわち回転 の軸心１４からブレード端縁３６までの距離と点２６によって特定される第２位 置における回転の軸心１４から半径までの距離の比が１．０より小さく、かつ少 なくとも０．６に近くすることを意図している。全体のマツハ数は１以上を予定 している。

この発明によれば、圧縮曲線の下で効率的な繰作の面積を拡張するためには、複 数の通路８８がカバ一部３８に配置される。第３図に最もよく示されているよう に、通路８８はカバ一部の内側表面４０に開口９０を、カバ一部の外側表面４４ に開口９２を有している。第１図に見られるように、通路８０は下流方向におい て径方向に傾斜している。すなわち、それらはカバ一部３８の内側表面４０から 点２６によって特定される第２位置の方向に延びている。第３図に見られるよう に、それらは、また、矢印９６によって示されているように、ロータの回転方向 に傾斜している。この傾斜角は、ロータの回転方向において内側表面４０から外 側表面に向かうものである。

環状バッフル９８またはその類似物がその外側表面４４と間隔を置いた状態でカ バ一部３８に装着されている。

矢印１００によって示されるように、通路８８を通って外側表面４４とバッフル ９８との間の空間に入るガスは装置の入口３４に再循環させられる。

非常に好適な具体例においては、渦流解除羽根９つがバッフル９８から外側表面 ４４の方へ延びている１羽根９９は再循環ガスが入口３４に達する前にそのガス の渦流を本質的に除去するものである。

第４図は、この発明によって作られた通路８８が利ｌされたときに達成されるこ とのできる操作範囲を示している。サージ・ライン１０４が通路８８を有しない 装置の操作を示すのに対し、他のサージ・ライン１０６は通路８８を有し、それ によって再循環が行われている操作を示している。

この発明によれば、露出された外形がカバ一部３８の表面４０に付与されるべき ホットガスの再循環によって引き起こされるコアンダ効果（Ｃｏａｎｄａ　Ｅｆ ｆｅｃｔ）をもたらすといわれているコアンダ効果を使用することが望ましいと 思われる。操作を効果的にするためには、通路８８の内側開口９０は当然にブレ ード２２のインデューサ部分７４を横断する平面８２またはその下流に配置され 、事実、スロート・ラインに配置されている。穴の傾斜角度は、さらに、通路８ ８を通る放出空気の流れに対する抵抗を少なくし、そのために、通路８８の断面 積を小さくしても目的とする放出割合を得ることができる０通路８８の内側端す なわち開口９０の特別の配置は失速問題を最小とするものである。失速問題にお いてもたらされる低速流れが、ブレード２２のリーディング・エツジ、すなわち 平面８２によって指示されるスロート・ラインを通る端部３２の最大の問題であ り、もしも、流れが充分に低速になるなら場合には、失速がもたらされるだろう 、上述の方法で通路８８を配置することによって、そこを通る放出空気は、失速 が起こるに違いない点に対する流れの低速化をもたらす流れの抵抗が最小とされ 、それによって失速問題を最小とするであろう。

前述したところから、この発明により作られた遠心コンプレッサは、従来の遠心 コンプレッサの受けていた多くの融通性の問題を除去し、タービンが一定速度で 回転するけれども、放出流れと軸出力の変化が要求されるＡＰＵ−ｓの条件に理 想的に適合している。

ｆ’ｌｃ、／ Ｆ’／Ｇ、２ 国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロータ・ハブと、 軸心周りの回転のためにロータ・ハブを支承する手段と、 軸方向から流入し径方向へ流出する、前記ロータ・ハブを有するコンプレッサ・ ロータを区画するために、径方向内側の第１位置から軸方向へ間隔を置いた径方 向外側の第２位置まで湾曲してそれぞれ延びるロータ・ハブ上の多数のブレード であって、周辺に自由端縁を有し、スロート部を有するインデューサ部分とそし てこのインデューサ部分の下流にインペラ部分を有する各ブレードと、 前記ロータの周りにあって、両端部と前記周辺の自由端縁から非常に僅かな間隔 を置いた内側表面とを有する環状カバー部であって、前記第１位置の最も近くの 端部において入口開口を有し、その第２位置の最も近くに対向する出口開口を有 する環状カバー部と、そして前記内側表面から延び、その内側表面の径方向外方 への通路を経て前記入口開口と流体連絡する前記カバー部における一連の放出通 路であって、前記内側表面からほぼ前記第２位置の方向に向かい、前記内側表面 の、前記軸心を横断し、前記インデューサ部分を横切る平面またはその下流に現 れる放出通路との組み合わせからなる回転装置。
2. （２）前記放出通路が前記ロータの回転方向に向かって前記内側表面からさらに 外方に延びているところの請求項（１）記載の回転装置。
3. （３）前記平面が前記スロート部と交差するところの請求項（１）記載の回転装 置。
4. （４）前記カバー部が前記内側通路と反対側の外側表面を有して、前記放出通路 が前記内側表面から外側表面にまで延び、前記通路が前記外側表面の径方向外方 にあるところの請求項（１）記載の回転装置。
5. （５）前記放出通路から前記入口の方へ流体を戻すために、前記外表面に近接す る、前記放出通路の周りのバッフルをさらに含むところの請求項（４）記載の回 転装置。
6. （６）前記放出通路と前記カバー部の入口開口との間に配置された渦流解除羽根 を含むところの請求項（１）記載の回転装置。
7. （７）ロータ・ハブと、 軸心周りの回転のためにロータ・ハブを支承する手段と、 軸方向から流入し径方向へ流出する、前記ロータ・ハブを有するコンプレッサ・ ロータを区画するために、径方向内側の第１位置から軸方向へ間隔を置いた径方 向外側の第２位置まで湾曲してそれぞれ延びるロータ・ハブ上の多数のブレード であって、周辺に自由端縁を有し、スロート部を有するインデューサ部分とそし てこのインデューサ部分の下流にインペラ部分を有する各ブレードと、 前記ロークの周りにあって、両端部と前記周辺の自由端縁から非常に僅かな間隔 を置いた内側表面とを有する環状カバー部であって、前記第１位置の最も近くの 端部において入口開口を有し、その第２位置の最も近くに対向する出口南口を有 する環状カバー部と、そして前記内側表面から延び、その内側表面の径方向外方 への通路を経て前記入口開口と流体連絡する前記カバー部における一連の放出通 路であって、前記内側表面からほぼ前記第２位置の方向に向かい、前記内側表面 の、前記軸心を横断し、前記インデューサ部分のスロート部を横切る平面または その下流に現れ、かつ前記ロータの回転方向に向かって前記内側表面から外方へ さらに延びる放出通路との組み合わせからなる回転装置。
8. （８）ロータ・ハブと、 軸心周りの回転のためにローク・ハブを支承する手段と、 軸方向から流入し径方向へ流出する、前記ロータ・ハブを有するコンプレッサ・ ロータを区画するために、径方向内側の第１位置から軸方向へ間隔を置いた径方 向外側の第２位置まで湾曲してそれぞれ延びるロータ・ハブ上の多数のブレード であって、周辺に自由端縁を有し、スロート部を有するインデューサ部分とそし てこのインデューサ部分の下流にインペラ部分を有する各ブレードと、 前記ロータの周りにあって、両端部と前記周辺の自由端縁から非常に僅かな間隔 を置いた内側表面とを有する環状カバー部であって、前記第１位置の最も近くの 端部において入口開口を有し、その第２位置の最も近くに対向する出口用口を有 する環状カバー部と、そして前記内側表面から延び、その内側表面の径方向外方 への通路を経て前記入口開口と流体連絡する前記カバー部における一連の放出通 路であって、前記内側表面からほぼ前記第２位置の方向に向かい、前記内側表面 の、前記軸心を横断し、前記インデューサ部分を横切る平面またはその下流に現 れ、かつ前記ロータの回転方向に向かって前記内側表面から外方へさらに延びる 放出通路との組み合わせからなる回転装置。
9. （９）前記平面が前記スロート部と交差するところの請求項（８）記載の回転装 置。
10. （１０）ロータ・ハブと、 軸心周りの回転のためにロータ・ハブを支承する手段と、 軸方向から流入し径方向へ流出する、前記ロータ・ハブを有するコンプレッサ・ ロータを区画するために、径方向内側の第１位置から軸方向へ間隔を置いた径方 向外側の第２位置まで湾曲してそれぞれ延びるローク・ハブ上の多数のブレード であって、周辺に自由端縁を有し、スロート部を有するインデューサ部分とそし てこのインデューサ部分の下流にインペラ部分を有する各ブレードと、 前記ロータの周りにあって、両端部と、外側表面と前記周辺の端縁から非常に僅 かな間隔を置いた内側表面とを有する環状カバー部であって、前記第１位置の最 も近くの端部において入口開口を有し、その第２位置の最も近くに対向する出口 開口を有する環状カバー部と、前記内側表面から前記外側表面に延びる前記カバ ー部における一連の放出通路であって、前記内側表面からほぼ前記第２位置の方 向に向かい、前記内側表面の、前記軸心を横断し、前記インデューサ部分のスロ ート部を横切る平面またはその下流に現れ、かつ前記ロータの回転方向に向かっ て前記内側表面から前記外側表面の方へさらに延びる放出通路と、そして 流体をそこから前記入口開口の方向へ差し向けるための、前記外面表面の周りで 前記放出通路を取り囲んでいる環状バッフルおよび前記バッフルと前記外側表面 との間の渦流解除羽根とを組み合わせてなる回転装置。
11. （１１）前記出口に近接するディフユーザと、前記ロータに結合されたタービン ・ホイールと、それを駆動するように燃焼用ホット・ガスをそこへ向けるための 、タービン・ホイールの周りのノズルと、燃焼用ガスを発生させ、燃焼室内での 燃料の燃焼を支持するために、前記ディフユーザから圧縮された空気を受け取り 、それを前記燃焼室に供給するための、前記ディフユーザと前記ノズルとの間に 設けられた燃焼室とをさらに含む、請求項（９）記載の回転装置を含む空気ブリ ージング・タービン。
12. （１２）約１００あるいはそれ以上の特別の速度で前記ロータを駆動するために 、前記タービン・ホイールが適用されるところの請求項（１０）記載の空気ブリ ージング・タービン・なお、特別の速度は次式で与えられる。 ロータＲＰＭ流れ量 （Ｈａｄ）０．７５ ここで、流れ量は立方フィート／秒で表され、Ｈａｄは断熱ヘッドである。
13. （１３）前記第２位置におけるブレードの外径に対する前記第１位置におけるブ レードの外径の比が少なくとも約０．６で１．０より小さいものであるところの 請求項（１０）記載の回転装置。