JP2010007494A - チップタービンファン - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングの熱膨張による影響を低減し、タービン効率を向上することができるチップタービンファンを提供する。
【解決手段】軸部３から流入口２７側へ向かってそれぞれ延びる連結部材８によって、軸部３とケーシング４とを連結する。従って、作動流体Ｆにより高温となっている流入口２７周辺のケーシング４を連結部材８で支持し、当該位置での熱膨張によるケーシング４の変形を抑制する。ケーシング４の変形を抑制することによってタービン動翼列に効率よく作動流体Ｆを作用させると共に、ケーシング４の歪を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン動翼列の回転に伴ってファン動翼列が回転するチップタービンファンに関する。

従来、チップタービンファンとして、例えば特開２００３−２９３７０２号公報に記載されるように、ファン動翼列の径方向外側に設けられたタービン動翼列に対し、作動流体を供給することによってファン動翼列を回転させ、排出ダクトから排出された作動流体をケーシング内で旋回させて繰り返し動翼列に供給するものが知られている。
特開２００３−２９３７０２号公報

しかしながら、このようなチップタービンファンにあっては、供給装置からケーシング内に流入した時点では作動流体が高温であるため、流入口付近でケーシングが熱膨張して変形することによって、タービン動翼列に効率よく作動流体が作用しないという問題があった。また、作動流体は、ケーシング外へ排気される時点では、タービン動翼列に複数回作用することによってエネルギーを消費しているため低温となる。従って、ケーシングの流入口付近と排気口付近では温度差が大きくなってしまい、熱膨張による変形量の差によってケーシングに歪が生じ、タービン効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ケーシングの熱膨張による影響を低減し、タービン効率を向上することができるチップタービンファンを提供することを目的とする。

本発明に係るチップタービンファンは、回転することにより推力を発生するファン動翼列と、ファン動翼列の中心部を回転可能に支持する軸部と、ファン動翼列の外周部を回転可能に支持するケーシングと、ファン動翼列の外周部に設けられると共にケーシング内部に収容され、ケーシング内部で作動流体を供給されることによってファン動翼列を回転させるタービン動翼列と、を備え、ケーシングには、内部に作動流体を流入させる流入口が形成されており、軸部とケーシングは、軸部から流入口側へ向かって延びる第１の連結部材によって互いに連結されていることを特徴とする。

このチップタービンファンでは、軸部から流入口側へ向かって延びる第１の連結部材によって、軸部とケーシングが連結されている。従って、作動流体により高温となっている流入口周辺のケーシングを第１の連結部材で支持することができるため、当該位置での熱膨張によるケーシングの変形を抑制することができる。ケーシングの変形を抑制することによってタービン動翼列に効率よく作動流体を作用させることができると共に、ケーシングの歪を低減することができる。これによって、ケーシングの熱膨張による影響を低減し、タービン効率を向上することができる。

本発明に係るチップタービンファンにおいて、ケーシング内部には、作動流体の通過経路におけるタービン動翼列の上流側に配置され、タービン動翼列に向けて作動流体をガイドするタービン静翼列と、タービン静翼列の外周側の端部に固定されると共に、タービン動翼列の外周側の端部を非接触で取り囲む隔壁と、が設けられ、第１の連結部材は、タービン動翼列の上流側でケーシングに連結されていることが好ましい。ケーシング内部においては、タービン動翼列とタービン静翼列の外周側に、作動流体を旋回させるための隔壁が設けられており、この隔壁はタービン動翼列との間で最適なクリアランスを保った状態で上流側のタービン静翼列に固定されている。ケーシングの上流側が熱膨張によって径方向外側へ広がった場合は、それに伴って隔壁も径方向外側へ広がってしまい、隔壁とタービン動翼列との間のクリアランスが大きくなってしまう。クリアランスが大きくなってしまった場合は、タービン動翼列に作用すべき作動流体がクリアランス側に抜けてしまうため、タービン効率が低下してしまう。従って、第１の連結部材でケーシングの上流側を支持することによって、隔壁のクリアランスが大きくなることを防止し、タービン効率を確保することができる。

本発明に係るチップタービンファンにおいて、ケーシングには、内部の作動流体を排気する排気口が形成されており、軸部とケーシングは、軸部から排気口側へ向かって延びる第２の連結部材によって互いに連結されていることが好ましい。低温側の排気口付近も第２の連結部材で支持することで、ケーシング全体の変形を均一にし、ケーシングの歪を低減することができる。これによって、ケーシングの熱膨張による影響を低減し、タービン効率を向上することができる。

本発明によれば、ケーシングの熱膨張による影響を低減し、タービン効率を向上することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るチップタービンファンの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るチップタービンファンの斜視図であり、図２は、図１に示すII−II線に沿う断面図である。なお、本実施形態においては、チップタービンファン１のファンの吸気側、すなわち図１及び図２における紙面左側を「前側」とし、チップタービンファン１のファンの排気側、すなわち図１及び図２における紙面右側を「後側」として、「前」「後」の語を用いる。

チップタービンファン１は、例えば、推力を得るために航空機などに設けられるものである。このチップタービンファン１には、高温高圧の作動流体Ｆを供給するための作動流体供給装置（不図示）と接続されており、ケーシング内に作動流体Ｆが供給される。

チップタービンファン１は、図１及び図２に示すように、回転することにより推力を発生するファン動翼列２と、ファン動翼列２の中心部を回転可能に支持する軸部３と、ファン動翼列２の外周部を回転可能に支持するケーシング４と、ケーシング４内でファン動翼列２の外周部に設けられるタービン動翼列６と、ファン動翼列２の排気側に設けられるファン静翼列７と、ファン動翼列２の吸気側に設けられる連結部材（第１の連結部材）８、連結部材（第２の連結部材）９とを備えて構成されている。

軸部３は、中心軸線Ａと中心軸線が一致するように前後方向に延在するシャフト２１と、シャフト２１の前端側に設けられたセンターキャップ２２と、シャフト２１の後端側に設けられた支持部材２３とを備えている。この軸部３は、支持部材２３がファン静翼列７に固定されることによって回転不能に支持されている。

ファン動翼列２は、軸部３のシャフト２１の外周面に軸受１３を介して回転可能に取り付けられた円筒状のハブ１４の外周面に、中心軸線Ａ周りに所定の間隔で流線形のファン１６動翼を並設させることによって形成されている。このファン動翼列２は、タービン動翼列６の回転に伴って回転駆動し、吸気側から取り込んだ空気を回転によって加速させて、排気側へ排出することによって前方へ向かう推力を得ることができる。ファン動翼列２の外周側の端部には各動翼を支持するためのリング状のシュラウド１７が固定され、径方向の中途位置にはシュラウド１８が固定されている。

タービン動翼列６は、ファン動翼列２の外周側のシュラウド１７の外周面に、中心軸線Ａ周りに所定の間隔で流線形のタービン動翼２４を並設させることによって形成されている。このタービン動翼列６は、動翼同士の間に形成された隙間を流路６ａとして、作動流体Ｆを通過させることによって、それぞれのタービン動翼２４に作動流体Ｆを作用させることによって回転力を得ることができる（図３参照）。

ケーシング４は、ファン動翼列２の外周部を取り囲むように配置された円筒体であり、その壁面部の内部空間には、タービン動翼列６を収容し、作動流体Ｆを前後方向に繰り返し旋回させることによってタービン動翼列６を回転駆動させる駆動室２６が形成されている。具体的には、ケーシング４は、ファン動翼列２の外周側のシュラウド１７の前側と後側に円筒状の内周壁４ａ，４ｂを配置し、タービン動翼列６の外径より大きな径の円筒状の外周壁４ｃを配置し、前側の内周壁４ａ及び外周壁４ｃの前端を環状の前壁４ｄで封止すると共に、後側の内周壁４ｂ及び外周壁４ｃの後端を環状の後壁４ｅで封止することによって構成されている。なお、内周壁４ａとシュラウド１７との間、及び内周壁４ｂとシュラウド１７との間は、作動流体Ｆの漏れを防止すべく、互い違いに配置されるリブが複数形成されている（図４参照）。

このケーシング４の外周壁４ｃの前端側には、中心軸線Ａに対して互いに対称となる位置に、作動流体Ｆを駆動室２６内に流入させるための流入口２７が一対設けられている。また、後壁４ｅには、中心軸線Ａに対して互いに対象となると共に流入口２７に対してそれぞれ９０°をなす位置に、作動流体Ｆを駆動室２６外へ排出するための排気口２８が一対設けられている（排気口の一方は不図示）。ケーシング４は、作動流体Ｆの流入時と排気時との間の温度差により、排気口２８付近に比して流入口２７付近が高温となる。

ケース４の内周壁４ａには、タービン動翼列６の前側で、中心軸線Ａ周りに所定の間隔で流線形のタービン静翼３１を並設させることによってタービン静翼列３２が形成されている。このタービン静翼列３２は、作動流体Ｆの通過流路におけるタービン動翼列６の上流側に配置される非回転の翼列であり、タービン静翼３１同士の間の隙間を作動流体Ｆの流路３１ａとしている。このタービン静翼列３２は、流路３１ａに作動流体Ｆを通過させることによってタービン動翼列６に向けてその作動流体Ｆをガイドする機能を有している（図３参照）。

タービン静翼列３２の外周側の端部には、タービン静翼列３２とタービン動翼列６を取り囲むような円筒状の隔壁３３が固定されている。この隔壁３３は、ケース４の駆動室２６内で作動流体Ｆが隔壁３３周りに旋回しながら周方向に移動し、タービン動翼列６に繰り返し作用するような通過流路を形成する機能を有している。図４に示すように、隔壁３３とタービン動翼列６との間のクリアランスは微小とされており、これによって、作動流体Ｆは、クリアランス側に漏れることなく、タービン動翼２４同士の間を通過することができる。

図１及び図２に戻り、ファン静翼列７は、ファン動翼列２の後側で軸部３の支持部材２３の外周面に、中心軸線Ａ周りに所定の間隔でファン静翼３４を並設させることによって形成されている。このファン静翼列７は、ファン動翼列２の排気側に配置される非回転の翼列であり、ファン静翼３４同士の間に形成された隙間を流路として、前側から空気を通過させ、整流させた状態で推進方向の後方へ空気をガイドする機能を有している。また、外周側の端部がケーシング４の内周壁４ｂに固定されることによって、軸部３を支持する機能も有している。

連結部材８は、ファン動翼列２の吸気側で、軸部３のセンターキャップ２２とケーシング４とを連結する一対のブレード状の部材であり、各流入口２７付近を支持することによって、ケーシング４の熱膨張による変形を抑制する機能を有している。連結部材８は、センターキャップ２２から各流入口２７側に向かって延びており、それらの外周側の端部が、流入口２７に対応する位置における内周壁４ａ及び前壁４ｄにそれぞれ固定されている。連結部材９は、ファン動翼列２の吸気側で、軸部３のセンターキャップ２２とケーシング４とを連結する一対のブレード状の部材であり、各排気口２８付近を支持することによって、ケーシング４の熱膨張の影響による変形を抑制する機能を有している。連結部材９は、センターキャップ２２から各排気口２８側に向かって延びており、その外周側の端部が、排気口２８に対応する位置における内周壁４ａ及び前壁４ｄにそれぞれ固定されている。

このように構成されたチップタービンファン１は、図１〜３に示すように、作動流体Ｆをそれぞれの流入口２７から流入させ、流入口２７付近のタービン静翼列３２の流路３２ａで作動流体Ｆをタービン動翼列６へ向けてガイドする。ガイドされた作動流体Ｆは、流入口２７付近のタービン動翼列６における流路６ａを通過し、当該部分におけるタービン動翼２４に作用することによって、タービン動翼列６を周方向に回転させ、この回転に伴ってファン動翼列２を回転させる。タービン動翼列６を通過した作動流体Ｆは、下流側で後壁４ｅに案内されて、周方向に移動しながら隔壁３３の周りを旋回し、再び他の位置のタービン静翼列３２及びタービン動翼列６へ供給される。作動流体Ｆは、複数回旋回を繰り返した後、排気口２８から排気される。以上によって、ファン動翼列２が回転し続け、前方に向かう推力を得ることができる。

次に、本実施形態に係るチップタービンファン１の作用・効果について説明する。

まず、吸気側に連結部材８，９を有していない従来のチップタービンファンにあっては、供給装置からケーシング内に流入した時点では作動流体が高温であるため、流入口付近でケーシングが熱膨張して変形していた。ケーシング４が変形することで、それに伴って隔壁も径方向外側へ広がってしまい、隔壁とタービン動翼列との間のクリアランスが大きくなってしまう。このように、クリアランスが大きくなってしまった場合は、タービン動翼列に作用すべき作動流体がクリアランス側に抜けてしまうため、タービン効率が低下してしまう場合があった（例えば、図４の仮想線を参照）。更に、作動流体は、ケーシング外へ排気される時は、タービン動翼列に複数回作用することによってエネルギーを消費しているため低温となる。従って、ケーシングの流入口付近と排気口付近では温度差が大きくなってしまい、熱膨張による変形量の差によってケーシングに歪が生じ、タービン効率が低下してしまう場合があった。

一方、本実施形態に係るチップタービンファン１では、軸部３から流入口２７側へ向かってそれぞれ延びる連結部材８によって、軸部３とケーシング４とが連結されている。従って、作動流体Ｆにより高温となっている流入口２７周辺のケーシング４を連結部材８で支持することができるため、当該位置での熱膨張によるケーシング４の変形を抑制することができる。ケーシング４の変形を抑制することによってタービン動翼列に効率よく作動流体Ｆを作用させることができると共に、ケーシング４の歪を低減することができる。これによって、ケーシング４の熱膨張による影響を低減し、タービン効率を向上することができる。

また、低温側の排気口２８付近のケーシングも連結部材９でそれぞれ支持することで、ケーシング４全体の変形を均一にし、ケーシング４の歪を低減することができる。これによって、ケーシング４の熱膨張による影響を低減し、タービン効率を向上することができる。

また、連結部材８，９でケーシング４の上流側の内周壁４ａ及び前壁４ｄを支持することによって、タービン静翼列３２に固定された隔壁３３とタービン動翼列６との間のクリアランスが大きくなることを防止し、タービン効率を確保することができる。

更に、連結部材８，９は、ファン動翼列２の吸気側に設けられているため、回転中はファン動翼列２に流れ込む空気によって常時冷却される状態となる。これによって、作動流体Ｆによって外周側から熱膨張してしまうことを抑制し、確実にケーシング４を支持することができる。また、当該冷却作用によって流入口２７付近のケーシング４を冷却することもできる。

また、連結部材８，９でケーシングを支持することにより、供給される作動流体Ｆの圧力が変動する場合の変形も抑制できる。更に、軸部３を吸気側と排気側の両端で支持することができるため、突風などによってファン動翼列２に空気力が作用しても、シャフト２１の曲げや振れを抑制しフレッティングを防止することができる。ファン動翼列２に大型の異物が入り込むことも防止できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、本発明においては、流入口２７及び排気口２８を一対設けたが、増加させても良い。

また、排気口側の連結部材９を設けず、流入口２７側の連結部材８のみ設けてもよい。

また、連結部材８，９同士の間に網などを設けることによって、小型の異物の飛込みを防止してもよい。

本発明の実施形態に係るチップタービンファンの斜視図である。 図１に示すII−II線に沿う断面図である。 図２に示すタービン動翼列を径方向から見た図である。 図２に示すタービン動翼列の拡大断面図である。

符号の説明

１…チップタービンファン、２…ファン動翼列、３…軸部、４…ケーシング、６…タービン動翼列、８…連結部材（第１の連結部材）、９…連結部材（第２の連結部材）、２７…流入口、２８…排気口、３２…タービン静翼列、３３…隔壁。

Claims (3)

1. 回転することにより推力を発生するファン動翼列と、
   前記ファン動翼列の中心部を回転可能に支持する軸部と、
   前記ファン動翼列の外周部を回転可能に支持するケーシングと、
   前記ファン動翼列の前記外周部に設けられると共に前記ケーシング内部に収容され、前記ケーシング内部で作動流体を供給されることによって前記ファン動翼列を回転させるタービン動翼列と、を備え、
   前記ケーシングには、内部に前記作動流体を流入させる流入口が形成されており、
   前記軸部と前記ケーシングは、前記軸部から前記流入口側へ向かって延びる第１の連結部材によって互いに連結されていることを特徴とするチップタービンファン。
2. 前記ケーシング内部には、
   前記作動流体の通過経路における前記タービン動翼列の上流側に配置され、前記タービン動翼列に向けて前記作動流体をガイドするタービン静翼列と、
   前記タービン静翼列の外周側の端部に固定されると共に、前記タービン動翼列の外周側の端部を非接触で取り囲む隔壁と、が設けられ、
   前記第１の連結部材は、前記タービン動翼列の前記上流側で前記ケーシングに連結されていることを特徴とする請求項１記載のチップタービンファン。
3. 前記ケーシングには、内部の前記作動流体を排気する排気口が形成されており、
   前記軸部と前記ケーシングは、前記軸部から前記排気口側へ向かって延びる第２の連結部材によって互いに連結されていることを特徴とする請求項１又は２記載のチップタービンファン。

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