ステータベーン列を備えた遠心圧縮機組立体

【課題】ガスタービンエンジン用の圧縮機組立体
【解決手段】回転可能インペラ２８を備え、該回転可能インペラが、入口と出口との間で延びる凹面状に湾曲した内側流路表面４４を半径方向外周部にて定める環状ハブ３０と、内側流路表面から前端付近に半径方向外向きに延びる翼形部形状のインデューサーブレード５０の環状アレイと、内側流路表面から外向きに延びるエクスデューサブレード６０の環状アレイと、を含み、圧縮機組立体が更に、インペラの周りを囲み且つ凸面状に湾曲した外側流路表面７２を含み、該外側流路表面及び内側流路表面が協働してブレード及びステータベーンを通過する一次流路を定める非回転シュラウド組立体と、外側流路表面からインデューサーブレードとエクスデューサブレードとの間のスペースに半径方向内向きに延びる、翼形部形状のステータベーンの環状アレイと、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンのタービンに関し、より詳細にはガスタービンエンジン圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、ガスタービンエンジンで使用される公知のタイプの圧縮機である。遠心圧縮機は、流動ガスに運動エネルギーを与える回転インペラを含み、インペラ出口において高い旋回レベル（すなわち、接線速度）を有する。固定ディフューザがインペラの周りを囲み、ディフューザの後にデスワーラシステムが続く。全体的に、ディフューザ及びデスワーラシステムは、インペラから受け取った高い運動エネルギーをより有用な静圧形態に転換し、空気流を子午面で外向きの半径方向からほぼ軸方向に９０度又はそれ以上転回させ、高い接線速度成分を小さな値（通常は５度未満）にまで低減する役割を果たす。
【０００３】
圧縮機の圧力比（「ＰＲ」）は、出口での圧力と入口での圧力の比である。ＰＲを大きくすることにより、エンジンの熱力学的効率が高くなり、燃料消費率（「ＳＦＣ」）が低下する。ＰＲの増大は、先端速度の増大と相関関係があり、先端速度はまた、インペラ回転速度とインペラ先端半径と相関関係がある。最新技術の高い圧力比及び高効率設計は、多くの場合、最大許容先端速度の機械的限界又はその近傍におけるものであり、従って、速度の増大によって達成し得るこれ以上のＰＲの増大には限界がある。圧力比のより一層の増大は、遠心段の半径をより大きくすることにより得ることができるが、より大きな半径の段は、エンジン重量及びコスト目標に望ましくない悪影響を与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，７９８，７７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、より低いインペラ先端速度にて高い圧力比、高効率、及び十分な失速マージンを有する遠心インペラに対する要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この必要性は、別個のエクスデューサブレードとインデューサーブレードとを有するインペラを備え、これらの間に固定ステータベーンの列が配置された遠心圧縮機段を提供する本発明によって対処される。
【０００７】
本発明の１つの態様によれば、ガスタービンエンジン用の圧縮機組立体が提供される。圧縮機組立体は、前端と後端を備えた回転可能インペラを備え、該回転可能インペラが、入口と出口との間で延びるほぼ凹面状に湾曲した断面の内側流路表面を半径方向外周部にて定める環状ハブと、内側流路表面から前端付近に半径方向外向きに延びる翼形部形状のインデューサーブレードの環状アレイと、内側流路表面から外向きに延び且つインデューサーブレードの環状アレイから軸方向に間隔を置いて配置されたエクスデューサブレードの環状アレイと、を含み、圧縮機組立体が更に、インペラの周りを囲み且つ凸面状に湾曲した外側流路表面を含み、該外側流路表面及び内側流路表面が協働してブレード及びステータベーンを通過する一次流路を定める非回転シュラウド組立体と、外側流路表面からインデューサーブレードとエクスデューサブレードとの間のスペースに半径方向内向きに延びる、翼形部形状のステータベーンの環状アレイと、を備える。
【０００８】
本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に従って構成されたガスタービンエンジンの概略断面図。
【図２】図１のエンジンの圧縮機の一部の断面図。
【図３】図２の一部の拡大図。
【図４】図２に示すインペラの斜視図。
【図５】代替の流路表面構成を示すインペラの断面図。
【図６】インペラの単一のエクスデューサブレードの簡易斜視図。
【図７】図６のエクスデューサブレードの簡易立面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、長手方向中心軸「Ａ」を有し、順次的流れシーケンスで、圧縮機１２、燃焼器１４、及びガス発生器タービン１６を含む、ガスタービンエンジン１０を概略的に示している。本明細書で使用される用語「軸方向」及び「長手方向」は共に、軸Ａに平行な方向を指す。圧縮機１２は、加圧空気を供給し、該加圧空気は、主として燃焼器１４に流れて燃焼し、また部分的に燃焼器１４の周りに流れ、ここで該加圧空気を用いて燃焼器ライナ及び更に下流のタービン機械の両方を冷却する。燃料は、燃焼器１４の前方端部内に導入され、従来通りの方式で空気と混合される。結果として得られる燃料−空気混合気は、燃焼器１４内に流れ、該燃焼器１４において、燃料−空気混合気が点火されて高温の燃焼ガスを発生するようになる。高温燃焼ガスは、ガス発生器タービン１６に吐出され、ガス発生器タービン１６において、高温燃焼ガスが膨張してエネルギーが抽出されるようになる。ガス発生器タービン１６は、外側シャフト１８を通して圧縮機１２を駆動する。図示の実施例では、エンジン１０は、ターボシャフトエンジンであり、作業タービン（出力タービンとも呼ばれる）２０は、ガス発生器タービン１６の下流に配置され且つ出力シャフト２２に結合され、出力シャフト２２は、機械的負荷に接続することができる。しかしながら、本明細書に記載した原理は、あらゆる斜流圧縮機にも同様に適用可能である。
【００１１】
図２〜４は、圧縮機１２の一部を示し、具体的にはアニュラ型燃焼器１４のドーム２６から直ぐ上流側に配置された遠心段２４を示している。従来設計の１つ又はそれ以上の圧縮機段（軸流、遠心、又は斜流）は、遠心段２４の上流側に配置することができる点は理解されるであろう。
【００１２】
遠心段２４は、外側シャフト１８と共に回転するよう装着されたインペラ２８を含む。インペラ２８は、軸方向前端３２及び後端３４を有するハブ３０と、軸方向に貫通する中心ボア３６とを含む。図示の実施例において、ハブ３０は、一体として回転するように共に固定された前方セクション４０及び後方セクション４２から構成されるが、これら前方セクション４０及び後方セクション４２は、一体化された組立体の一部であってもよい。ハブ３０の外側部分は、ほぼ凹面状に湾曲した内側流路表面４４を定める。内側流路表面４４は、前端３２に向かってほぼ長手方向に延び、後端３４付近ではほぼ半径方向に延びる。インペラ２８は、入口４６と、下流側出口４８とを含む。
【００１３】
インデューサーブレード５０の環状アレイは、内側流路表面４４から入口４６付近まで半径方向外向きに延びる。インデューサーブレード５０の各々は、翼形部形状（図４で最もよく分かる）であり、根元５２、先端５４、前縁５６及び後縁５８をそれぞれ有する。相対する正圧側面及び負圧側面は、前縁５６及び後縁５８間に延びる。インデューサーブレード５０は、これらの寸法、断面形状、向き、間隔、及び他のパラメータ（全体的に従来の実施構成による）の観点で、インペラ２８が回転するときにインデューサーブレード５０を通過して流れる空気に増分的な圧力増大をもたらすように構成されている。
【００１４】
エクスデューサブレード６０の環状アレイは、内側流路表面４４から半径方向外向きに延びる。エクスデューサブレード６０は、インデューサーブレード５０から軸方向に間隔を置いて配置され、側面図において内側流路表面４４の湾曲をほぼ辿る。エクスデューサブレード６０の各々は、根元６２、先端６４、前縁６６、及び後縁６８をそれぞれ有する。エクスデューサブレード６０は、これらの寸法、断面形状、向き、間隔、及び他のパラメータの観点で、インペラ２８が回転するときにエクスデューサブレード６０を通過して流れる空気に増分的な圧力増大をもたらすように構成されている。
【００１５】
環状シュラウド組立体７０はインペラ２８の周りを囲む。シュラウド組立体７０は、インデューサーブレード５０及びエクスデューサブレード６０の先端を密接に囲むほぼ凸面状に湾曲した外側流路表面７２を定める。内側及び外側流路表面４４及び７２は全体として、遠心段２４を通過する一次流路「Ｆ」を定める。
【００１６】
図２及び３に示すように、内側流路表面４４は、その長さ全体に沿って凹面状に湾曲している。任意選択の代替形態として、内側流路表面４４は、インペラ２８を通る凸面状に湾曲した中細部分を有する流路を定めるよう構成することができる。図５は、入口４６’及び出口４８’を備えたインペラ２８’、インデューサーブレード５０’、及び前縁６６’を備えたエクスデューサブレード６０’を示す。インペラ２８’は、この代替方式で構成された内側流路表面４４’を含む。内側流路表面４４’は、第１の部分７４と、該第１の部分７４から下流側に連続的に延びる第２の部分７６とを含む。第１の部分７４及び第２の部分７６は、共通の境界部に独立して曝されるように設計され、例えば、第１の部分７４の出口は、第２の部分７６の入口である。第１の部分７４は、ファン技術の知識によって設計され、第２の部分７６は、遠心圧縮機技術の知識によって設計される。この実施形態において、共通の境界部がインデュー前縁の位置をほぼ定め、全体的に最適化された流路の開始ポイントが定められるようにする。例示的な実施形態において、第１の部分７４は、インデューサーブレード５０’の前縁５６’からインペラ入口４６’に向けて上流側に延び、第２の部分７６は、インデューサーブレード５０’の後縁５８’からインペラ出口４８’に向けて延びている。第１の部分７４は、インデューサーブレード５０’の後縁５８’付近で半径方向外向きに突出し凸面状に湾曲した頂点７８を含む。
【００１７】
流路Ｆの断面積は、インペラ２８の長手方向の長さに沿って変化している。具体的には、流路Ｆは、入口４６’において内側流路表面４４と外側流路表面７２との間に定められる第１の断面積８０を有する。流路Ｆは、頂点７８において内側流路表面４４と外側流路表面７２との間に定められる第２の断面積８２を有する。流路Ｆは、第２の部分７６と外側流路表面７２との間で頂点７８から下流側に定められる第３の断面積８４を有する。第２の断面積８２は、第１の断面積８０よりも小さいが、第３の断面積８４と等しいか又はこれよりも僅かに大きい。最後に、インペラ出口４８’は、該出口４８’において内側流路表面４４と外側流路表面７２との間に定められる第４の断面積８６を有する。この断面積８６は、断面積８０、８２、及び８４よりも小さい。
【００１８】
必要な圧力比をもたらすインペラ作動入力は、ホイール線形金属速度と接線方向の空気又は流体旋回との積であることは知られている。ホイール線形金属速度は、半径に回転速度を乗算したものである。この関係は、局所的だけでなく包括的に当てはまる（すなわち、入口から出口まで平均的に）。より大きな空気又は流体旋回は、より大きなブレード曲率の結果である。外側流路表面７２の半径は、内側流路表面４４の半径よりも実質的に大きい。これは、入口４６’付近において特に顕著である。従って、内側流路表面付近のブレード表面曲率（キャンバ）を大きくすることにより前縁においてインデューサーブレード５０のスパンにわたって作動入力をバランス調整することは、従来技術の実施構成において一般的である。しかしながら、曲率の増大は、流れを持続することができない高い逆圧力勾配（すなわち、拡散）をもたらし、局所的又は包括的に存在し得る流れ剥離を引き起こす可能性がある。流れ剥離が包括的である場合には、広い範囲に及び、出口にまで延びる可能性がある。流れ剥離は、効率及び失速マージン（すなわち、高速度での安全作動流れ範囲）の両方を低下させることが分かっている。頂点７８を含む内側流路表面４４（「ファン型」流路と呼ばれる）は、本質的に頂点７８の位置における平均インデューサー金属速度を増大させ、その結果、ブレード曲率が小さくなり、全体的に凹面状の低いハブを備えた構成よりも効率的でより大きな圧力比のインデューサーブレード５０をもたらすことができるようになる。
【００１９】
図２及び３に戻ると、ステータベーン８８の環状アレイは、外側流路表面７２から半径方向内向きに延びている。ステータベーン８８は、インデューサーブレード５０とエクスデューサブレード６０との間の半径方向スペース内に突出する。ステータベーン８８の各々は、翼形部形状であり、根元９０、先端９２、前縁９４及び後縁９６をそれぞれ有する。相対する正圧側面及び負圧側面は、前縁９４及び後縁９６間に延びる。ステータベーン８８は、これらの寸法、断面形状、向き、間隔、及び他のパラメータ（全体的に従来の実施構成による）の観点で、ステータベーン８８を通過して流れる空気を転回させ、インデューサーブレード５０から出る空気の旋回（すなわち、接線速度成分）を低減するよう構成される。任意選択的に、内側流路表面４４は、ステータベーン８８の先端９２を密接に囲み、漏洩を阻止するよう構成されたシュラウドセクション９８を組み込むことができる。シュラウドセクション９８は、アブレイダブル材料又は他の同様の構造を包含することができる。
【００２０】
インデューサーブレード５０とエクスデューサブレード６０との間にステータベーン８８を組み込むことにより、エクスデューサブレード６０への流れ旋回が低減され、これによりエクスデューサブレード６０が必要とする作動入力の量が増大する。これは、同じ圧力比において従来のインペラよりも低い先端速度（及び従って、小さなインペラ直径）を可能にする。エクスデューサブレードの入口旋回が低減されると、これらの相対入口流れ角度（すなわち、長手方向と入口流れ方向との間の角度）が増大する。
【００２１】
この結果として、エクスデューサブレード６０の前縁６４付近の許容可能ブレード角β及び各エクスデューサブレード６０が占めるラップ角が大きくなる。これにより、本質的には、最適拡散で利用可能なインデューサーブレード５０及びエクスデューサブレード６０を合わせた物理的長さが増大する。結果として、圧力比が、ステータベーン８８無しで達成されるはずの圧力比を上回って効率的に増大する。
【００２２】
図６及び７は、単一のエクスデューサブレード６０を概略的に示している。図６に示すように、ブレード角βは、ブレードの翼型中心線に対する接線と長手方向との角度として定義される。図７に示すように、２つの半径方向の線は、中心を起点としてエクスデューサブレード６０の前縁６６及び後縁６８を通る。２つの半径方向の線間の角度は、「Ｗ」で表記された「ラップ角」である。ラップ角Ｗは、外側流路表面７２上のエクスデューサブレード６０の「占有領域」の範囲を示している。本発明のエクスデューサブレード６０は、インペラ２８の同じ全体軸方向長さ及び外径に対して、従来技術の設計と比べて有意に大きなラップ角Ｗを有する。
【００２３】
図２及び３に戻ると、固定ディフューザ１００がインペラ出口４８に流れ連通して配置され、インペラ２８のチャンバから出る空気流がディフューザ１００を通って送られるようになる。ディフューザ１００は、インペラ２８から半径方向外向きに延び、入口１０２及び出口１０４を含む。デスワーラ１０６は、ディフューザ１００と流れ連通して配置され、ディフューザ出口１０４から延びる。デスワーラ１０６は、環状内側壁１０８と環状外側壁１１０とを含み、これらは、ディフューザ１００から出る流れが半径方向からほぼ軸方向に転回する弓状流路の内側及び外側境界を形成する。図示の実施例では、空気は９０度よりも大きく転回して通過し、半径方向内向きの速度成分を有する。デスワーラ１０６は、デスワーラベーン１１２の環状アレイを包含し、これらは、ディフューザ１００から出る空気から旋回（すなわち、接線流れ成分）を除去するような角度にされる。
【００２４】
分析によれば、上述した本発明の概念は、他の場合に必要となるものと比べて先端速度、重量、及びコストをより低下させた、高圧力比且つ高比速度の遠心圧縮機段の構築を可能にすることになる。
【００２５】
以上、ガスタービンエンジンにおける遠心圧縮機装置について説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２６】
１４アニュラ型燃焼器
１８外側シャフト
２４遠心段
２６ドーム
２８インペラ
３０ハブ
３２前端
３４後端
３６中心ボア
４０前方セクション
４２後方セクション
４４内側流路表面
４８下流側出口
５０インデューサーブレード
５２根元
５４先端
５６前縁
５８後縁
６０エクスデューサブレード
６２根元
６４先端
６６前縁
６８後縁
７０環状シュラウド組立体
７２外側流路表面
１００ディフューザ
１０２入口
１０４出口
１０６デスワーラ
１０８環状内側壁
１１０環状外側壁
１１２デスワーラベーン

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用の圧縮機組立体であって、
前端と後端を備えた回転可能インペラ（２８、２８’）を備え、該回転可能インペラ（２８、２８’）が、
入口と出口との間で延びるほぼ凹面状に湾曲した断面の内側流路表面（４４、４４’）を半径方向外周部にて定める環状ハブ（３０）と、
前記内側流路表面（４４、４４’）から前記前端付近に半径方向外向きに延びる翼形部形状のインデューサーブレード（５０、５０’）の環状アレイと、
前記内側流路表面（４４、４４’）から外向きに延び且つ前記インデューサーブレード（５０、５０’）の環状アレイから軸方向に間隔を置いて配置されたエクスデューサブレード（６０、６０’）の環状アレイと、
を含み、前記圧縮機組立体が更に、
前記インペラ（２８、２８’）の周りを囲み且つ凸面状に湾曲した外側流路表面（７２）を含み、該外側流路表面（７２）及び前記内側流路表面（４４、４４’）が協働して前記ブレード及びステータベーンを通過する一次流路を定める非回転シュラウド組立体と、
前記外側流路表面（７２）から前記インデューサーブレードと前記エクスデューサブレード（６０’）との間のスペースに半径方向内向きに延びる、翼形部形状のステータベーンの環状アレイと、
を備える、組立体。
【請求項２】
前記一次流路が可変の断面積を含み、第１の断面積が、前記入口において前記外側流路表面（７２）と前記内側流路表面（４４、４４’）との間に定められ、第２の断面積が前記出口にて定められ、前記第１の断面積が前記第２の断面積よりも大きい、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記内側流路表面（４４、４４’）が、前記入口と前記出口との間に配置された、凸面状に湾曲した中細の流れ表面を含む、請求項１に記載の組立体。
【請求項４】
前記内側流路表面（４４、４４’）が、前記凸面状に湾曲した中細の流れ表面内に定められる頂点（７８）を更に含む、請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
前記インデューサーブレード（５０、５０’）の各々の後縁が、前記頂点（７８）と軸方向に整列している、請求項４に記載の組立体。
【請求項６】
前記内側流路表面（４４、４４’）が、前記ステータベーンの先端を密接に囲むシュラウドセクションを含む、請求項１に記載の組立体。
【請求項７】
前記シュラウドセクションが保持するアブレイダブル材料を更に含む、請求項６に記載の組立体。
【請求項８】
前記インペラ（２８、２８’）の出口の下流側に配置されたディフューザ（１００）を更に備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項９】
前記ディフューザ（１００）の下流側に配置されたベーンの環状アレイを含むデスワーラ（１０６）を更に備える、請求項８に記載の組立体。
【請求項１０】
少なくとも請求項１に記載の組立体を含む圧縮機と、
前記圧縮機の下流側に配置された燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に配置され且つ第１のシャフトにより前記圧縮機に結合されるガス発生器タービンと、
を備えたガスタービンエンジン。
【請求項１１】
外側流路表面（７２）を更に備える、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記燃焼器の下流側に配置され且つ機械的負荷に接続されるように適合された第２のシャフトに結合された作業タービンを更に備える、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記インペラ（２８、２８’）の出口の下流側に配置されたディフューザ（１００）を更に備える、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記ディフューザ（１００）の下流側に配置されたベーンの環状アレイを含むデスワーラ（１０６）を更に備える、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記一次流路が可変の断面積を含み、第１の断面積が、前記入口において前記外側流路表面（７２）と前記内側流路表面（４４、４４’）との間に定められ、第２の断面積が前記外側流路表面出口にて定められ、前記第１の断面積が前記第２の断面積よりも大きい、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記内側流路表面（４４、４４’）が、前記入口と前記出口との間に配置された、凸面状に湾曲した中細の流れ表面を含む、請求項１５に記載のガスタービンエンジン。

【図１】