JP6921949B2 - 遠心コンプレッサ用のダイアフラム - Google Patents

Description

本開示の主題は、遠心コンプレッサ用のダイアフラムに関する。

コンプレッサは、機械的エネルギを使用して、圧縮可能な流体、たとえばガスの粒子を加速し、その圧縮可能な流体の圧力を増大させる機械である。コンプレッサは、ガスタービンエンジンの最初の段として動作することを含み、複数の様々な用途で使用されている。様々なタイプのコンプレッサの中には、いわゆる遠心コンプレッサが存在する。この遠心コンプレッサでは、機械的エネルギが、遠心加速度を介して、コンプレッサへのガス入力に作用する。この遠心加速度は、たとえば、ガスが通る遠心インペラを回転させることにより、ガス粒子を加速させる。より一般的には、遠心コンプレッサは、「ターボマシン」または「ターボ回転マシン」として知られている機械装置のクラスの一部である。

遠心コンプレッサは、単一のインペラ、すなわち、単一の段の構成にフィットするか、直列の複数のインペラにフィットすることができる。直列の複数のインペラのケースでは、遠心コンプレッサは、しばしば、複数段のコンプレッサと称される。遠心コンプレッサの段の各々は、通常、加速されるガスのための入口導管と、入力ガスに運動エネルギを提供することができるインペラと、インペラを出るガスの運動エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザとを含んでいる。インペラは、シュラウドで囲むか、シュラウドで囲まないようにすることができる。本開示は、シュラウドで囲まれたインペラに言及する。

コンプレッサは、１つまたは複数のバランスドラムも備えている。バランスドラムは、すなわち、インペラ及び、スラストベアリングによって生成された全体の推力に関し、逆向きでバランスを取る推力を生成する要素である。スラストベアリングは、すなわち、残留する軸方向の推力を相殺する要素である。これら要素の両方は、概して、シャフトに取り付けられている。

より詳細には、遠心コンプレッサの段は、回転構成要素と静的構成要素との両方を備えている。静的構成要素は、異なる圧力レベルのゾーンを分離する。むしろ、可変数の静的ダイアフラムが、インペラ間、入口プレナムと第１のインペラとの間、または、最後のインペラの後に配置され、ケーシングに固定される。ダイアフラムは、それ自体の中で、インペラ間で作動流体を導入するダクトを規定する。したがって、ダイアフラムの形状は、コンプレッサの内側の流体力学に顕著に影響する。

より詳細には、ダイアフラムは、インペラの前面に部分的に面する後面を有している。ダイアフラムはまた、第１のインペラの前にある場合は、別のインペラの後面か入口プレナムに、部分的に面している前面を有する。本開示によれば、用語「ダイアフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）」は、たとえば、内側ケーシングまたは、構造的役割と流路を形成する役割とを合わせるケーシングなどの、ダイアフラムの代わりをすることができる、考えられる構造的構成要素のすべてを示していることに留意されたい。より一般的には、用語ダイアフラムは、インペラ間、第１の段のインペラの前方、または、最後の段のインペラの後方にある、コンプレッサの静的構成要素のいずれかを示している。

最新技術に関係する問題は、インペラシュラウドとダイアフラムとの間の隙間における作動流体の動きである。このエリアでは、流体が、インペラの出口（高圧）から入口（低圧）への流れを生成する。換言すると、インペラシュラウドにわたる作動流体の再循環が生じる。インペラアイ、すなわち、シュラウドの外側の、直径が小さい部分に置かれたシールには、そのような再循環を制限する目的がある。

シールは、特定の回転要素と静的要素との間で、遠心コンプレッサ内への望ましくない漏洩を低減するために使用することができる。たとえば、ラビリンスシールまたはハニカムシールは、たとえば、バランスピストン及びインペラアイ（または、多段遠心コンプレッサのインペラアイの各々）において、内部シールとして使用することができる。概して、ラビリンスシールは、流体が流れるのに困難な通路を提供するために、溝と平らな部分とを使用し、一方、ハニカムシールは、流体の流れを阻むために、６角形の形状のセルを使用する。両方のタイプのシールは、回転表面と静的表面との間にわずかな隙間（または均等の特徴）を可能にする。ターボマシンの誕生以来、様々なシールの設計が実施されてきた。

ダイアフラム／シュラウドの隙間に流れる流体が、インペラの回転ベーンを通ることから、インペラと同じ回転方向を有する、本技術分野で「スワール」と呼ばれる、接線方向の成分を有する速度を有している。

この流れにより、いくつかの望ましくない影響が発生する。具体的には、渦巻き状の流れにより、その入口に向かって、インペラの自然な軸方向の推力を増大させる、シュラウドの外側表面上に放射状の圧力勾配が生成される。このことは、バランスドラムのサイズ、及び、スラストベアリングのサイズの増大に繋がる。これら作用の両方により、コンプレッサの必要とされる吸収される出力が増大する。

また、スワールにより、潜在的に負の値まで、コンプレッサの、ロータの動的な安定性が低下する（対数関数的な減少として測定される）。この極端なケースにおいては、コンプレッサは、作動できない。

スワールは、ときには、「スワールブレーキ」として知られているデバイスによって低減される。これらデバイスは、インペラアイのシールの入口において、スワールを低減する、小さいウイングレットである。

スワールブレーキの効率には、いくらかの制限があり、そのため、問題は低減されるが解消はされない。

上述の最新技術において、本発明者は、新たな、向上された、遠心コンプレッサ用のダイアフラムのバージョンを開発した。このダイアフラムは、例として、いくつかの実施形態を記載することによって説明される。そのような実施形態の多くのさらなる変形形態が、添付の、非限定的な記載によって明らかとなることに留意されたい。

したがって、本発明の第１の実施形態は、遠心コンプレッサ用のダイアフラムに関する。そのようなダイアフラムは、中心軸を有している。

ダイアフラムは、少なくとも部分的にインペラに面するように構成された後面も有している。後面は、少なくとも部分的にディフューザを規定し、さらなるダイアフラムに面する第１の部分を有している。後面は、インペラに面する第２の部分を有している。

ダイアフラムは、入口及び出口を有するダクトを有している。入口及び出口は、第２の部分に位置している。むしろ、入口は、出口における静圧よりも静圧が高いポイントにおいて、後面に位置している。

本発明のさらなる実施形態は、遠心コンプレッサのインペラの周りの渦巻き状の流れの低減方法に関する。本方法には、作動流体の一部分を、第１の位置から、インペラの付近の第２の位置に伝達するステップが含まれる。第１の位置は、第２の位置よりも高い静圧を有している。

さらなる詳細及び特定の実施形態は、添付の図面を参照する。

本発明の第１の実施形態に係る、ダイアフラムの概略側断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る、ダイアフラムの概略側断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る、ダイアフラムの概略側断面図である。 図３のダイアフラムの変形形態の詳細な図である。 本発明の第４の実施形態に係る、ダイアフラムの概略側断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る、ダイアフラムの概略側断面図である。

例示的実施形態の以下の説明は、添付図面を参照する。異なる図における同じ参照符号は、同じであるか同様の要素を示している。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書を通して、「１つの実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の参照は、一実施形態に関して記載した特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。このため、明細書を通しての様々な箇所における「１つの実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態において（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という語句の出現は、必ずしも、同じ実施形態を参照するものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において、任意の適切な方式で組み合わせられる場合がある。

添付図面を参照すると、数字１が、遠心コンプレッサ用のダイアフラムを示している。ダイアフラム−インペラアセンブリは、数字１７で示される。

図１に概略的に示すように、ダイアフラムは、少なくとも部分的にインペラ３に面するように構成された後面２を有している。ダイアフラム１は、中心軸「Ｃ」も有している。

インペラ３は、ハブ３ａ及びシュラウド３ｃを有している。シャフト９は、ハブ３ａに接続されており、流体に伝達されることになる出力を提供する。

インペラ３は、ハブ３ａとシュラウド３ｃとの間に配置された複数のブレード１６も備えている。ベーン３ｂが、ハブ３ａから外向きに展開しており、インペラ３の外周において、入口３ｄから出口３ｅに、作動流体を押し出すために、最適な形状になっている。入口３ｄは、特に、インペラ３の前面エリアに配置されている。本技術分野では、インペラ３のアイ３ｆは、シュラウドの前面部、通常は、最小の直径として規定されている。シュラウド３ｃは、ハブ３ａに対して反対側で、ブレード１６に取り付けられている。ダイアフラム１がインペラ３のシュラウド３ｃに面し、また、ダイアフラム１が、本開示の以下の部分で明らかになるような方法で、シュラウド３ｃと相互作用することに留意されたい。慣習的な種類であるインペラ３は、当業者には既に知られており、さらに詳細には記載しない。

インペラ３は、ハブ３ａとシュラウド３ｃとの間に配置された複数のブレード１６も備えている。

動作の間、作動流体は、ブレード１６間のベーン３ｂに入り、インペラ３の先端において、エネルギが与えられた状態で、出口３ｅから出る。作動流体のほとんどの部分は、ディフューザ４へと流れ続け、このディフューザ４において、運動エネルギの一部が、静圧に変換される。回転するブレード１６によってエネルギが与えられた流体の一部は、後退するように再循環し、インペラ３とダイアフラム１との間の隙間１０を流れる。

より詳細には、ダイアフラム１の後面２は、少なくとも部分的にディフューザ４を規定する第１の部分２ａを有し、最終的に、ベンドまたは、排出スクロール（図示せず）を有している。第１の部分２ａは、さらなるダイアフラム１にも面している場合がある。後面２は、インペラ３、特にシュラウド３ｃに面する第２の部分２ｂも有している。前述の隙間１０は、後面２の第２の部分２ｃと、インペラ３のシュラウド３ｂとの間に規定されている。

ダイアフラム−インペラアセンブリ１７の一部であるシール８は、ダイアフラム１とインペラ３との間の隙間１０に配置されている。具体的には、シール８は、後面２の第２の部分２ｂと、シュラウド３ｃとの間に配置されている。換言すると、後面２の第２の部分２ｂは、シール８によって境界が定められている。

シール８は、概して、インペラ３のアイ３ｆの近くに配置されている。より詳細には、シール表面１２は、アイ３ｆの近くにおいて、インペラ３のシュラウド３ｃ上に規定されている。さらに詳細には、シール表面１２は、概して平滑であるか、ステップ状であるか、歯状であるものとすることができ、ダイアフラム１の中心軸「Ｃ」と実質的に一致する中心軸を有している。シール８は、後面２に取り付けられ、シール表面１２に面している。

そのようなシール８は、回転する、及び／または固定の歯、セルなどを伴う、様々な技術及び形状によって形成することができ、また、インペラ３周りの作動流体の逆流を制限する目的がある。シール８の特に有利である実施形態の１つが、同じ出願人による、ＥＰ２７３７１７９Ａ１の特許出願に概説されている。シール８の存在に関わらず、作動流体のいくらかの逆流が、それでも存在することになる。

図１、図２、図３、図５、及び図６に示すように、ダイアフラム１はダクト５を有している。ダクト５は、処理流体のための入口６及び出口７を有している。出口７は、後面２の第２の部分２ｂに位置している。一方、入口６は、出口７における静圧よりも静圧が高いポイントにおいて、後面２に位置している。したがって、作動流体の一部は、ダクト５の内側に再度方向付けられ、隙間１０に出ることになる。

図１に示す実施形態では、入口６は、後面２の第１の部分２ａに位置することができる。代替的には、図２に示すように、入口６は、後面２の第２の部分２ｂに位置することができる。さらにまた、図６に示すように、入口６は、コンプレッサのスクロール１８にさえ配置することができる。

ダクト５は、入口６から、特に径方向「Ａ」に対して横断する方向に展開する第１の部分５ａを備えている。ダクト５は、出口７から、特に径方向「Ａ」に対して横断する方向に展開する第２の部分５ｂを備えている。さらにまた、中間部分５ｃは、第１の部分５ａと第２の部分５ｂとを接続している。中間部分５ｃは、少なくとも部分的に、径方向「Ａ」に沿って展開している。図５に示すように、ダクト５の複数の枝部が存在し得、ダクト５が、各々がそれぞれの出口７に繋がる複数の第２の部分５ｂを備えていることに留意されたい。

好ましい実施形態では、ダクト５の第２の部分５ｂは、ダクト５の出口７における流れが、出口７に面するインペラ３の表面上の流れの接線方向の速度とは逆向きの、接線方向の速度を有しているように、配置されている。いずれのケースにおいても、接線方向の速度は、同じ直径において、インペラ３の接線方向の速度よりもかなり低いか、逆向きでさえある。換言すると、ダクト５の第２の部分５ｂは、ゼロまたは負でさえあり得る、限定されたスワールを伴って流体が出るような形状及び向きであり、このため、インペラ３によって生成されたものとは回転が逆向きである。有利には、これにより、コンプレッサの、ロータの動的な安定性に対し、重要な正の寄与が提供される。

ダクト５の第２の部分５ｂは、必要とされる接線方向の速度を作動流体に与えるために、インペラ３の中心軸「Ｃ」に対して傾いている場合がある、出口の出る方向「Ｂ」に実質的に沿って展開している。ダクト５は、入口７から出口６に流体を提供することができる任意の形状を有することができる。

有利には、前述のダクト５または、前述のダクト５の第１の部分５ａ及び第２の部分５ｂの少なくとも１つは、シール８に組み込まれている場合がある。

任意選択的には、たとえば図３に示すように、ダイアフラム−インペラアセンブリ１７は、ダイアフラム１とインペラ３との間にさらなるシール１１を備えている。具体的には、さらなるシールは、インペラ３のシュラウド３ｃと、ダイアフラム１の後面２の第２の部分２ｂとの間に配置されている。そのようなさらなるシールは、具体的には、図３に示すように、インペラ３の出口３ｅの近くに配置されている。場合によっては、さらなるシール１１は、図４に示すように、シュラウド３ｃの上端に配置することができる。さらなるシール１１は、好ましくは、シール８の１つと、シュラウド３ｃの最大直径との間に含まれる直径を有している。この場合、シール表面１２に類似したさらなるシール表面１３が、インペラ３のシュラウド３ｂ上に規定されている。

さらなるシール１１が存在する場合、ダクト５の出口７は、シール８と、さらなるシール１１との間に配置されていることに留意されたい。

有利には、さらなるシール１１は、ダクト５の出口７からインペラ３の出口３ｅへの逆流を制限する。結果として、さらなるシール１１を伴わない解決策に関し、圧縮段の全体の効率はより高くなり、隙間１０内の圧力は増大し、それにより、インペラの後方に向かう軸方向の逆の推力を生成する。

この逆の推力は、インペラ３の動作によって正常に生じる推力に対して逆の方向であり、流体の再循環を制限することにより、遠心コンプレッサのバランスドラム（複数可）のシール直径（複数可）を低減することが可能になる。さらにまた、このことにより、スラストベアリングのサイズを低減することが可能になる。これら利点の両方により、コンプレッサの全体の効率が上昇する。

本発明の好ましい実施形態によれば、ダイアフラム１は、複数のダクト５を備えている。これらは、好ましくは、中心軸「Ｃ」に関し、一様な角度で離間している。ダクト５の数は、コンプレッサのサイズ及び種類に応じて変化するが、この数は、通常、２から３０の間に含まれる。

ダクトは、互いに同一ではないものとすることもできる。

本発明の一部は、インペラ３の周りの渦巻き状の流れを低減するための方法に関する実施形態でもある。本方法は、作動流体の一部分を、第１の位置１４から、インペラ３の付近の第２の位置１５に伝達するステップが含まれる。第１の位置１４は、第２の位置１５よりも高い静圧を有するものとする。上で示したように、第１の位置は、ダクト５の入口６の位置によって規定されている。同様に、第２の位置１５は、ダクト５の出口７の位置によって規定されている。

Claims (15)

1. 中心軸（Ｃ）を有するインペラ（３）に少なくとも部分的に面するように構成された後面（２）であって、前記後面（２）が、ディフューザ（４）を少なくとも部分的に規定する第１の部分（２ａ）を有し、前記後面（２）が、前記インペラ（３）に面する第２の部分（２ｂ）を有する、前記後面（２）を有する、遠心コンプレッサ用のダイアフラム（１）であって、前記ダイアフラム（１）が、前記第２の部分（２ｂ）に位置する出口（７）と、前記出口（７）における静圧よりも静圧が高いポイントにおいて、前記後面（２）に位置する入口（６）と、を有するダクト（５）を有し、
   前記ダクト（５）が、前記入口（６）から前方に向かって延びる第１の部分（５ａ）と、前記出口（７）から前方に向かって延びる第２の部分（５ｂ）と、前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）とを結合する中間部分（５ｃ）とを備え、
   前記中間部分（５ｃ）が、少なくとも部分的に径方向（Ａ）に沿って延び、前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）の各々と実質的に角度をなすように結合し、
   前記入口（６）が、前記第２の部分（２ｂ）に位置している、ダイアフラム（１）。
2. 中心軸（Ｃ）を有するインペラ（３）に少なくとも部分的に面するように構成された後面（２）であって、前記後面（２）が、ディフューザ（４）を少なくとも部分的に規定する第１の部分（２ａ）を有し、前記後面（２）が、前記インペラ（３）に面する第２の部分（２ｂ）を有する、前記後面（２）を有する、遠心コンプレッサ用のダイアフラム（１）であって、前記ダイアフラム（１）が、前記第２の部分（２ｂ）に位置する出口（７）と、前記出口（７）における静圧よりも静圧が高いポイントにおいて、前記後面（２）に位置する入口（６）と、を有するダクト（５）を有し、
   前記ダクト（５）が、前記入口（６）から前方に向かって延びる第１の部分（５ａ）と、前記出口（７）から前方に向かって延びる第２の部分（５ｂ）と、前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）とを結合する中間部分（５ｃ）とを備え、
   前記中間部分（５ｃ）が、少なくとも部分的に径方向（Ａ）に沿って延び、前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）の各々と実質的に角度をなすように結合し、
   前記ダクト（５）の前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）が、前記中心軸（Ｃ）と実質的に平行に延びる、ダイアフラム（１）。
3. 中心軸（Ｃ）を有するインペラ（３）に少なくとも部分的に面するように構成された後面（２）であって、前記後面（２）が、ディフューザ（４）を少なくとも部分的に規定する第１の部分（２ａ）を有し、前記後面（２）が、前記インペラ（３）に面する第２の部分（２ｂ）を有する、前記後面（２）を有する、遠心コンプレッサ用のダイアフラム（１）であって、前記ダイアフラム（１）が、前記第２の部分（２ｂ）に位置する出口（７）と、前記出口（７）における静圧よりも静圧が高いポイントにおいて、前記後面（２）に位置する入口（６）と、を有するダクト（５）を有し、
   前記ダクト（５）が、前記入口（６）から前方に向かって延びる第１の部分（５ａ）と、前記出口（７）から前方に向かって延びる第２の部分（５ｂ）と、前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）とを結合する中間部分（５ｃ）とを備え、
   前記中間部分（５ｃ）が、少なくとも部分的に径方向（Ａ）に沿って延び、前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）の各々と実質的に角度をなすように結合し、
   前記ダクト（５）が、それぞれが前記出口（７）に接続される複数の前記第２の部分（５ｂ）を備えている、ダイアフラム（１）。
4. 前記入口（６）が、前記第１の部分（２ａ）に位置している、請求項２又は３に記載のダイアフラム（１）。
5. 前記入口（６）が、前記第２の部分（２ｂ）に位置している、請求項２又は３に記載のダイアフラム（１）。
6. 前記ダクト（５）の前記第１の部分（５ａ）と前記第２の部分（５ｂ）が、前記中心軸（Ｃ）と実質的に平行に延びる、請求項１又は３に記載のダイアフラム（１）。
7. 前記ダクト（５）が、それぞれが前記出口（７）に接続される複数の前記第２の部分（５ｂ）を備えている、請求項１又は２に記載のダイアフラム（１）。
8. 前記ダクト（５）の前記第２の部分（５ｂ）が、前記インペラ（３）の前記中心軸（Ｃ）に対して傾いている、前記出口（７）の出る方向（Ｂ）に実質的に沿って延びる、請求項１又は３に記載のダイアフラム（１）。
9. 前記中心軸（Ｃ）周りに所定間隔で配置された複数の前記ダクト（５）を備えている、請求項１から８のいずれか１項に記載のダイアフラム（１）。
10. 請求項１から９のいずれか１項記載のダイアフラム（１）と、
    入口（３ｄ）及び出口（３ｅ）を有し、少なくとも部分的に前記ダイアフラム（１）に面しているインペラ（３）と、
    前記後面（２）の前記第２の部分（２ｂ）上において前記インペラ（３）の前記入口（３ｄ）の近位に配置されたシール（８）と、を備えた、ダイアフラム−インペラアセンブリ（１７）。
11. 前記ダクト（５）の前記第１の部分（５ａ）及び前記第２の部分（５ｂ）の少なくとも１つが、前記シール（８）に組み込まれている、請求項１０に記載のダイアフラム−インペラアセンブリ（１７）。
12. 前記ダクト（５）が、前記シール（８）に組み込まれている、請求項１０に記載のダイアフラム−インペラアセンブリ（１７）。
13. 前記後面（２）の前記第２の部分（２ｂ）上にさらなるシール（１１）を備え、前記さらなるシール（１１）が、前記インペラ（３）の前記出口（３ｅ）の近くに配置されている、請求項１０から１２のいずれか１項に記載のダイアフラム−インペラアセンブリ（１７）。
14. 前記ダクト（５）の前記出口（７）が、前記シール（８）と前記さらなるシール（１１）との間に配置されている、請求項１３に記載のダイアフラム−インペラアセンブリ（１７）。
15. 請求項１０から１４いずれか１項に記載のダイアフラム−インペラアセンブリ（１７）を複数備えている、遠心コンプレッサ。

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