JP4012507B2 - 複流圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジン圧縮機に関し、より具体的には、補助の用途のために圧縮機チップから空気を回収することに関する。さらに具体的には、補助動力装置のパッシブ冷却用に回収された空気供給源の使用に関する。

ガスタービンエンジン動力装置は、現在運行している、大半の航空機に使用されている。多くの大型民間航空機には、通常は小型ガスタービンエンジンである、補助動力装置（ＡＰＵ）が、航空機後尾に通常、取り付けられる。このＡＰＵは、航空機が地上に駐機しているときに、航空機の環境制御システム用の、電力と加圧空気の供給を行い、また、航空機の主エンジンを始動するためにも使用される。ＡＰＵは、外部冷却を必要とし、かつ、空冷式のオイル熱交換器により通常冷却されるオイルにより、潤滑がなされる。

上述の冷却空気を供給するために使用されるシステムは、ほとんどの場合、アクティブ冷却システムであり、このアクティブ冷却システムは、空気が、オイルクーラを通過し、補助動力装置の構成部品を横断するように、空気送出ファンを備える。ＡＰＵにより、これらのファンは、比較的に複雑な、シャフトとギアのアセンブリを介して、高速運転する。この機械的な複雑さと高速なファン運転速度とにより、上記冷却システムの故障頻度は増大し、最終的には、ＡＰＵの停止につながる。このため、アクティブファン冷却システムは、補助動力装置の信頼性を大幅に下げ、かなりのコストと重量を付加してしまう。様々なパッシブ冷却システムが存在しているものの、それらの多くは、航空機外部からの空気の導入を必要とし、その他の用途のために圧縮空気を供給することができない。

圧縮機空気流を分離するための、様々なシステムが知られている。例えば、１９９４年１０月２５日に発行された、Ｍｉｌｌｅｒによる米国特許第５，３５７，７４２号は、主コアエンジン室を冷却するための、ターボジェット層流ナセルシステムから排気された冷却空気の計量について、開示している。入口からコアエンジン圧縮機に抽気される空気により、ターボ圧縮機のポンプが、駆動して、上記層流ナセルシステムから冷却空気を吸入し、エンジンを取り囲むマニホールドに該冷却空気を送り出す。このシステムは、加圧冷却空気の供給に、別個のポンプを必要とする欠点を有する。

遠心式圧縮機の出口から流出する空気流を分離することも、知られている。１９５３年１月２日に発行された、Ｄｏｌｚａによる米国特許第２，６９６，０７４号においては、２段式インペラと環状ディフューザとを備えた、エンジンとトルクコンバータの、冷却システムが開示されている。空気は、主空気流から、その進路を変え、いずれかのインペラの段に流入する。インペラの１段もしくは２段ともが、動作し得る。それぞれ、トルクコンバータ冷却用と、エンジン冷却用と、するために、２つの別個のディフューザインレットノズルが、インペラの各段から空気を収容し、２つのディフューザチャンバーに該空気を供給する。インペラに流入するインレット空気流は、該インレットから分離して、選択的に、１段もしくは両段のインペラ段インレットに向けられる。

補助動力装置専用のパッシブ冷却手法は、数多く存在する。２０００年７月２５日に発行されたＨｏａｇらによる米国特許第６，０９２，３６０号は、航空機後部に配置された開口部を介してエンジン室内に冷却空気が吸入される、ＡＰＵパッシブ冷却システムを開示している。エンジン排気ダクトの前方に設けられた排出装置は、オイルクーラを通過していくように室内空気を吸入し、上記後方の開口部から大気を吸入することになる。

従って、アクティブ冷却システムの必要としない、補助動力装置のオイル冷却と室内加圧を行う手法が存在するものの、冷却その他の用途のための圧縮空気の供給を可能とする、ＡＰＵ内蔵のパッシブ冷却システムが要求されている。冷却空気供給源として圧縮機を使用した幾つかの例が今までに報告されているが、航空機外部から冷却空気の付加的な吸入を必要としない、冷却システム用のエンジンコア圧縮機を、取り入れた例はない。

本発明の１つの目的は、発電装置以外の装置に使用するために、ガスタービンエンジンの圧縮機から冷却空気を供給することである。

本発明のもう１つの目的は、航空機の補助動力装置の、冷却と室内加圧との要求を満足することである。

従って、本発明に基づいて、下記のような構成のガスタービンエンジン圧縮機が提供される。このガスタービン圧縮機は、ハブと該ハブから半径方向に延在したロータブレードとを備えかつ中心軸回りに回転するよう構成された、ロータと、該中心軸と同軸上に位置しかつ外部壁を定義する、環状圧縮機ケーシングと、該圧縮機ケーシング内にありかつ該中心軸と同軸上に位置しかつ該ロータから下流に向かって延びた、環状シュラウドと、該環状シュラウド内に区画された、第１の環状ダクトと、を備える。上記ロータブレードは、少なくとも部分的に上記外部壁に極めて近接するチップを備えるとともに、該チップの近くに位置する端部を備える。上記外部壁は、上記ロータの上流に向かって延びており、外側の空気供給源と上記ロータとの間において、実質的に妨げられないよう流体の連通を可能とする。上記環状シュラウドと上記外部壁とは、第２の環状ダクトを区画する。上記第１の環状ダクトは、上記ロータと上記圧縮機アウトレットとの間において、コア流体の連通を可能とし、上記第２の環状ダクトは、少なくとも、上記ブレードの上記端部から、補助の用途のための空気を供給するように構成されている。また、上記翼幅分割シュラウドは、上記ロータブレードの前縁から下流に向かって延びて、代替される前に上記ロータから下流に向かって延びていた上記環状シュラウドの上流端部であった上記環状シュラウドの一部を代替する。

図１は、本発明の圧縮機部分１０を備えた、補助動力装置ガスタービンエンジン８を示す。図２ａに示すように、この圧縮機部分１０は、ロータ１２と、ステータ１４と、半径方向流出インペラ２７とを通常含む、主要な部品を備える。図示のために、図２ａと図３ａは、１つの軸流式の段と、１つの遠心式の段と、を備えた圧縮機を示す。しかしながら、本発明の概念は、例えば、１つの段からなるものや、複数の、軸流式の段と遠心式の段とを組み合わせたものといったように、多くの形態の圧縮機に適用可能である。

ロータアセンブリ１２は、エンジン中心軸について軸方向に回転し、通常、吸入空気の速度を増大させる。このロータ１２は、主として、セントラルロータハブ１７と、チップ２５を有する、半径方向に延在した複数のロータブレード１６と、を備える。ステータ１４は、ロータブレード１６から流出する空気流の進路を変え、かつ、空気の静圧を増大させる、軸方向に延在した複数のステータベーン１１を備える。エンジンコアに導く主圧縮空気ダクトとして、ガス経路２２が示されている。

ロータ１２は、一体のユニット、つまり、上記セントラルロータハブ１７と上記一体のロータブレード１６とを含んだ「一体型ブレード付きロータ」であってもよい。しかしながら、従来は、個々のブレード１６が、技術的によく知られた「もみの木」形の取付け方法によって、セントラルハブ１７に取り付けられており、シュラウド付きの、もしくは、シュラウド無しの、チップを備え得る。圧縮機の行程中は、ガス流経路の流れ方向の断面積は、減少する。これにより、圧縮が進むほど、空気の容積が減少する。遠心式圧縮機の段は、複数のブレード２９と一体型ハブ３１とを通常備え、かつ、多くの場合チタニウムからなる、１つの鍛造品であるインペラ２７と、ディフューザ４５と、を含む。ブレード２９は、軸方向の空気をインペラの外周方向に案内し、インペラの高速回転によってその速度を増大させる。続いて、ディフューザ４５は、空気流を整流して、高速度、高運動エネルギの空気流から、低速度、低圧力エネルギの空気流に変換する。軸流式圧縮機と遠心式圧縮機とを使用することは、技術的に知られている。

本発明において、分流環状シュラウドは、圧縮機出口におけるガス経路を分岐し、発電用以外の目的、例えば、ＡＰＵオイル冷却用や室内加圧用の目的、として使用できる圧縮冷却空気のための、もう１つの外部に偏向されたガス経路を提供する。

図２ａに示す本発明の第１の態様においては、ロータブレード１６は、半径方向に一定の長さでないため、上流チップ２５と、各ブレード１６の後縁に対し上流側の、切り欠き上流部２４と、を備えることになる。分流環状シュラウド３３は、環状の圧縮機ケーシングの外部壁２６と、圧縮機の構成要素の内部ハブと、の間に、半径方向に設けられており、かつ、ロータブレード１６の後縁２０からその前縁１８に向かって軸方向に上流に向かって延びている。このロータブレードの上流チップ２５は、圧縮機ケーシングの外部壁２６に極めて近接した位置を通過する。下流チップ２４ａは、より小さな回転半径を描き、分流環状シュラウド３３に極めて近接した位置を通過する。これにより、ブレード端部１９を通過した、ガス経路２３に示される空気流は、分岐３２により、環状シュラウド３３と圧縮機ケーシング外部壁２６とによって区画された、第２の環状ダクト３４を通過するように、案内される。このガス経路２３を辿る空気流は、続いて、ステータベーン１１の端部２１のそばを軸方向に流れ、その後、補助の用途のために、エンジン圧縮機の外側に送り出される。コア空気用の第１の環状ダクト３６は、ロータブレード１６と、圧縮機出口における遠心式圧縮機ディフューザ４５と、の間を、流体的に連通する。この第１の環状コア空気ダクト３６は、第２の環状補助空気ダクト３４と同軸上に位置し、本発明に基づいていない一般的なガスタービン圧縮機の場合と実質的に変わることのない、エンジンコアガス経路２２を提供する。

図３ａに示す、本発明のもう１つの態様の圧縮機の部分１１０において、ロータ１１２のロータブレード１１６は、エンジンコアダクト１３６と、補助空気供給ダクト１３４と、との間にある空気流を、分流する翼幅分割シュラウド３０を備える。この翼幅分割シュラウド３０は、ブレード１１６の遠位端部１１９付近に半径方向に設けられ、該ブレード１１６の後縁１２０の直ぐ下流から始まる、分流環状シュラウド１３３に整列する。これにより、図１ａの態様に示すような、ロータブレードの端部チップ１９に切り欠きが不要となる。ロータブレード１１６のチップ１２５も、やはり、圧縮機ケーシングの外部壁１２６に極めて近接した位置を通過する。一般的に使用される圧縮機ロータブレードチップの外周付近に帯状物を構成する、シュラウド付きブレード、を備えた、ロータの従来的な利点は、ブレードの振動抑制である。シュラウドの重量が付加されても、より薄型のブレード形状によって相殺することができ、この形状は、該シュラウドによって半径方向に支持されることにより実現でき、もしこの支持がなければ振動制限を理由に実現不可能なものとある。図３ｂは、シュラウド付きブレード１１６のより薄型の形状１２８を示し、図２ｂは、それと比較して、シュラウドなしのブレード１６のより厚型の形状２８を示す。シュラウドは、また、空気流の特性を向上し、圧縮機ロータの効率を向上し、ブレードチップ周りの空気流の漏出を低減する。本発明の該態様における翼幅分割シュラウド３０を備えたロータブレード１１６は、補助冷却用の空気流が、独立して、ガス経路１２３を辿り、環状補助空気供給ダクト１３４を通過することを可能としつつ、ガス経路１２２を辿り、環状コア空気ダクト１３６を通過する、加圧エンジンコア空気、のための、シュラウド付き圧縮機ロータの従来的な利点を保持している。図３ａに示すような、翼幅分割シュラウド付きブレード軸流ロータを用いて、分流することによる別の利点は、エンジンコア用に供給される空気と、補助冷却用に供給される空気と、に対し、圧縮量を別々に分けて設計できる点にある。

本発明の１つの用途として、補助動力装置の、軸流式段もしくは遠心式段、の圧縮機のチップから分かれた空気を、空冷によるオイル冷却や室内加圧のために用いることが、提案される。従って、本発明は、エンジンの付属品として動く、別個のファンを備える必要がなく、かつ、エンジン内で自己充足した、パッシブ冷却システムを提供する。これは、製品の信頼性の改善とともに、コストと重量の大幅な節約を意味する。圧縮機により送り出された補助空気は、均一に回収され、その他の複数の用途に使用され得る。

上述した本発明の態様は、具体例として挙げられただけである。従って、本発明の特許請求の範囲は、添付された請求項の記載に基づいて定められる。

本発明の圧縮機を備えたガスタービンエンジンの軸方向断面の概略図。 本発明の第１の態様の軸流式圧縮機の軸方向断面図。 図２ａの２ｂ−２ｂ線で破断した、ロータブレードの断面図。 翼幅分割シュラウド付きロータを備えた、本発明の第２の態様の軸流式圧縮機の軸方向断面図。 図３ａの３ｂ−３ｂ線で破断した、ロータブレードの断面図。 １段式の遠心式圧縮機のブレードに設けられた環状流分離シュラウドを示した、本発明のもう１つの態様の圧縮機の軸方向拡大断面図。 図４ａの４ｂ−４ｂ線で破断した、ブレード断面図。

Claims (14)

1. ハブ（１７）と、該ハブ（１７）から半径方向に延びたロータブレード（１６；１１６）と、を備え、かつ、中心軸回りに回転するように構成された、ロータ（１２；１１２）と、
   上記中心軸と同軸上に位置し、かつ、外部壁（２６；１２６）を定義する、環状圧縮機ケーシングと、
   上記圧縮機ケーシング内にあり、かつ、上記中心軸と同軸上に位置するとともに、上記ロータ（１２；１１２）から下流に向かって延びた、環状シュラウド（３３；１３３）と、
   上記環状シュラウド（３３；１３３）内に区画された、第１の環状ダクト（３６；１３６）と、
   上記ロータの下流に、半径方向流出インペラ（２７）と、
   を備え、かつ、
   上記ロータブレード（１６；１１６）は、少なくとも部分的に上記外部壁（２６；１２６）に極めて近接するチップ（２５；１２５）と、該チップ（２５；１２５）の近くに位置する端部と、を備え、
   上記外部壁（２６；１２６）は、上記ロータ（１２；１１２）の上流に向かって延び、外部空気供給源と該ロータ（１２；１１２）との間において、実質的に妨げられないように流体の連通を可能とし、
   上記環状シュラウド（３３；１３３）と上記外部壁（２６；１２６）とは、第２の環状ダクト（３４；１３４）を区画し、
   上記第１のダクト（３６；１３６）は、上記ロータ（１２；１１２）と圧縮機出口との間において、コア流体の連通を可能とし、
   上記第２のダクト（３４；１３４）は、補助の用途のために、少なくとも上記ブレード（１６；１１６）の上記端部から、空気を供給するように構成されており、
   ステータ（１１）が、上記インペラ（２７）と上記ロータ（１２；１１２）との間に配置されている、
   ことを特徴とするガスタービンエンジン圧縮機（１０；１１０）。
2. 上記ロータブレード（１６）の各々が、前縁と後縁とを備えるとともに、上記端部内に切り欠き部（２４）を含み、かつ、上記環状シュラウド（３３）が、該ロータブレード（１６）の該切り欠き部（２４）内の上流に向かって延びる、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
3. 上記ロータブレード（１６）の各々が、上記シュラウド上流に位置する上記チップに向かって延びた、残りの端部を備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
4. 上記切り欠き部（２４）を区画する上記端部の、軸方向のエッジ（２４ａ）が、上記環状シュラウド（３３）に極めて近接した位置を通過することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
5. 上記ロータブレード（１１６）は、上記中心軸と同軸上に位置し、かつ、上記環状シュラウド（１３３）に整列した、翼幅分割シュラウド（３０）を構成するように、各ブレードの両側から延在する、少なくとも１つのフランジを備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
6. 上記翼幅分割シュラウド（３０）が、シュラウドなしのブレードより薄型のブレードエーロフォイルの形状を可能とすることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
7. 上記翼幅分割シュラウド（３０）が、上記ロータブレード（１１６）の前縁から下流に向かって延びて、代替される前に上記ロータから下流に向かって延びていた上記環状シュラウドの上流端部であった上記環状シュラウド（１３３）の一部を代替することを特徴とする請求項５または６に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
8. 上記ガスタービンエンジン（１０；１１０）が、補助動力装置であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガスタービンエンジン圧縮機。
9. 補助の用途には、上記補助動力装置のパッシブオイル冷却システム用の冷却空気を供給すること、が含まれることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
10. 補助の用途には、室内加圧用の冷却空気を供給すること、が含まれることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン圧縮機。
11. 上記第１のダクト（３６；１３６）の断面積が、流れ方向に減少することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のガスタービンエンジン圧縮機。
12. 上記圧縮機が、複数のロータと複数のステータとを備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載のガスタービンエンジン圧縮機。
13. 上記インペラ（２７；１２７）が、上記中心軸と同軸上に位置し、かつ、第１の環状ダクト（３６；１３６）と第２の環状ダクト（３４；１３４）とに分割する上記環状シュラウド（３３；１３３）に整列する、翼幅分割シュラウドを、構成するように、各ブレードの両側から延びた少なくとも１つのフランジをそれぞれ含んだ、複数のブレード（２９）を備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載のガスタービンエンジン圧縮機。
14. 上記インペラ（２９；１２９）は、上記第１の環状ダクト（３６；１３６）から空気の供給を受けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のガスタービンエンジン圧縮機。

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