JP2014513778A - ガスタービンディフューザ吹き込み法および対応するディフューザ - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービン圧縮機ディフューザの境界層における空気の分離に、効果的に対抗しようとするものである。これを行うために、本発明は、吸入／注入結合による、より高圧の空気を用いる境界層の再活性化を提供する。
一実施形態によれば、本発明を実施することが可能な、遠心または混流式の圧縮機のディフューザは、規則的に分布している複数の円周ブレード（６０）を包囲する２つの端板と、ブレード（６０）の下面（６ｉ）または上面（６ｅ）に設けられた少なくとも１つの横断上流通路（６３、６４）を含む。注入／引き出し結合は、ディフューザ（６）の上流側の前縁域（６ａ）にある少なくとも１つの点（６４）からの空気の注入（Ｆ１）に基づく、ディフューザの空気通路（Ｖ）内のストリーム（Ｆｉ）の再循環によって、達成される。そして空気の吹き込みは、後縁の領域（６ｆ）における空気ストリーム（Ｆｉ）の引き出しによって、各ブレード（６０）の横側面に沿って形成された、少なくとも１つの溝（６２、６５）内で発生する。

Description

本発明は、ガスタービンの圧縮段ディフューザ、具体的には遠心または混流式の圧縮機内に空気を吹き込む方法に関する。混流圧縮機は、空気ストリームが半径方向に対して０から９０°の角度を形成するように、羽根車出口に構築された圧縮機であると理解されてもよい。本発明はまた、このようなプロセスを実施するのに適した圧縮機ディフューザにも関する。

本発明の分野は、圧縮機の動作、およびその性能、特にサージマージンの改善の分野である。性能は特に、圧縮機の羽根車から来る気流の影響を受けやすい。ディフューザは、空気動圧から静圧への変換を最適化するためにこの流れを調整する機能を有する。

一般的に、ディフューザは、２つの端板の間に形成された空間内の傾斜したブレードで構成される。ブレードによって生じるずれは、ブレードの下面または上面に、気流分離を生じる可能性がある。このような分離は空気ストリームの剥離を、そして現象が増加するとサージングも、引き起こす可能性がある。

したがって、圧縮機の部品の破壊さえ引き起こしかねない、サージングの非常に有害な結果を回避するために、十分なサージマージンを維持することが必要である。

これまでは、気流を安定化させてサージングを回避しようと試みるために、たとえば米国特許第６６９９００８号明細書に記載される方法にしたがって、羽根車の出口で空気の一部を迂回させて、これをディフューザの端板の領域に再注入することによって、空気の一部がディフューザブレードの上流の空気通路内に取り込まれることが可能であった。しかし、ディフューザ内への空気の再導入が圧縮機の安定性を改善できたとしても、羽根車の出口での空気の迂回は安定性の新たな問題を生じる可能性があるので、このシステムは最適ではない。また、羽根車の出口の空気は再注入部位よりも低い静圧レベルなので、さらなる損失を発生せずに再導入を実現することは困難である。

米国特許第６２１０１０４号明細書に記載されるように、これを冷却流体として使用するためにブレードの上面に空洞を設けることも、知られている。本出願人名義の仏国特許第２９３７３８５号明細書は、吸入オリフィスと出口オリフィスとの間の空洞の断面の漸次的増加による、この問題の改善を記載している。すると流体の吸入は、ブレード上で均質化される。しかしながら、この収集された空気を外部に排出する必要があると判明するかも知れず、これはサイクルの全体的バランスにとって有害である。

その他の解決法は、羽根の前縁付近に形成されたオリフィスから来て、前縁の上流の空気通路内に軸対称に再配向される、空気の再循環を提供する。欧州特許第２１６９２３７号明細書は、上記の米国特許第６２１０１０４号明細書および仏国特許第２９３７３８５号明細書と同様に、ブレード上の空気の吸入を伴う分離を低減するために、このような配置を実施する。ディフューザのブレードの上流で発生する再導入は、ディフューザの前縁における発生率にのみ影響する。

米国特許第６２１０１０４号明細書 仏国特許発明第２９３７３８５号明細書 欧州特許第２１６９２３７号明細書

本発明は、境界空気層を能動的に安定化することによって、この層の分離により効果的に対抗しようとするものである。これを行うために、本発明は、吹き込み／吸引結合による、より高圧の空気を用いる境界層の再活性化を提供する。

より正確には、本発明は、ガスタービンの圧縮機の圧縮段ディフューザ内に空気を吹き込む方法に関する。このようなディフューザは、複数の円周ブレードを包囲する２つの端板を含む。ブレードに沿った気流は、ディフューザの前縁から後縁に向かって発生する。この方法において、ディフューザの上流の空気通路内への空気の注入の結合は、下流に位置する後縁よりも上流で、前縁における吸気を介した下流空気通路から生じる空気の引き出しを伴って、実行される。注入空気の吹き込みは、この吸気を通じて上流から下流に向かって空気通路内に発生する。注入は、注入空気がブレードおよび／または端板に沿って空気通路内に吹き込むように、配向される。するとこの空気の引き出しは、引き出された空気の圧力が、引き出しの領域に流入する空気の圧力よりも著しく高くなるように、後縁における空気通路内への吸引によって、発生する。このため、気流の層流境界層から乱流層への移行が、そのエネルギーレベルの増加によって、開始および／または強化される。

注入は、注入面の法線に対して０°からおよそ±９０°に配向されてもよい。空気は、気流の方向で可能な限り注入面の接線方向に、有利に注入される。このため、気流の層流境界層から乱流層への移行は、そのエネルギーレベルの増加によって開始および／または強化される。

したがって、このような吹き込みは、層状であるときにこれを乱流にすることによって境界層を「安定化」させることが可能であり、したがって乱流境界層は層流境界層よりも本質的に安定しているので、分離を遅延させることが可能である。境界層が乱流であるときには、このエネルギー供給は分離の出現を遅延させる。加えて、気流の分離がすでに開始していたとしても、エネルギーの供給は同様に境界層の再付着を可能にすることができる。

本発明による再活性化の現象は、空気の噴流が凸面壁の付近に位置しているときに出現する「コアンダ」効果によって、強化されることが可能である。この効果は、流体の壁に向かう引力を生じる。この「コアンダ」効果は、引き出しの領域における空気の排出の速度および角度に応じて、最大化されることが可能である。

有利な実施形態によれば、本発明による方法は、段のその後の格子またはその後の段、あるいは、特にブレードの後縁の付近の、関連するディフューザ、いずれかのディフューザ下流で空気の引き出しを提供する。

空気がディフューザから引き出された場合、より具体的な実施形態によれば、
−空気の引き出しはブレードの下面および／または上面で実行されることが可能であり、吹き込みはブレードの下面および／または上面で実行されることが可能であり、
−引き出しはディフューザのハブおよび／または筐体の端板上で実行されることが可能であり、吹き込みは端板上で実行されることが可能であり、
−引き出しはブレード上で実行されることが可能であり、吹き込みは端板上で実行されることが可能、またはその逆が可能であり（引き出しが端板上で吹き込みがブレード上）、
−コアンダ効果を最大化するために、その注入中の空気の排出の速度はマッハ０．７から１の間で選択され、排出の角度はブレードおよび／または端板の注入面の法線に対して６０°から９０°の間で選択される。

本発明はまた、このような方法を実行するのに適したディフューザにも関する。遠心または混流式の圧縮機のこのようなディフューザは、複数の円周ブレードを包囲する２つの端板を含む。ガスタービンの圧縮方向で、ディフューザの上流側の前縁域内に位置する、空気通路内への空気の注入のための少なくとも１つの点において、ブレードの下面および／または上面に、および／または端板に、少なくとも１つの上流横断通路が生成される。この通路は、ディフューザ内の、および／またはディフューザの外側の端板に沿った再循環によって、空気通路内の注入／引き出し結合を形成することができる。ディフューザの下流側の後縁域の少なくとも１つの点における空気の引き出しはブレードの側面に沿って形成された少なくとも１つの溝の中、および／または端板の内側面内の吸引によって、実行される。

いくつかの好適な実施形態によれば、
−注入は、ブレードの下面および／または上面に生成され、ブレードの溝内におよび／または端板の内側面内に向かって開放している、少なくとも１つの横断上流通路によって実行され、
−横断下流および上流通路は、空洞および／またはスロットによって形成され、
−通路は、実質的に０から±９０°の間の角度、好ましくは上流通路では９０°に近く、下流通路では０°に近い角度で、これが開放している面の法線に対して傾斜している中心軸を有し、
−通路は、上面および／または下面で、溝ごとに１つの上流通路および１つの下流通路を備える、各溝の実質的に全長にわたって位置することができ、
−溝は、一定の幅を有するか、または各ブレードの曲線横座標の関数として線形的に発達し、
−溝は後縁内に開放し、したがって後縁は、吸引を促進するために湾曲リムを有し、
−溝は、実質的に各ブレードの長さの１から１００％にわたって延在し、
−各ブレードに沿って連続的にまたは平行に設けられた２つの溝がある。

本発明のその他の詳細、特徴、および利点は、それぞれ以下の添付図面を参照して、非限定的な以下の説明を読むことで、より明確になるだろう。

空気ディフューザを含むガスタービンの、模式的部分断面図である。 ２つの端板を備えるブレードを備えるディフューザの斜視図である。 １つの端板を備えるブレードを備えるディフューザの斜視図である。 分離されたブレードの斜視図である。 ブレード上の空気の引き出しおよび吹き込みを伴う、本発明によるディフューザの第一の例の模式的長手方向断面図である。 ブレード上の空気の引き出しおよび吹き込みを伴う、本発明によるディフューザの第一の例の模式的上面図である。 本発明によるブレード上の空気の引き出しおよび吹き込みを伴う、ディフューザの第二の例の模式的長手方向断面図である。 本発明によるブレード上の空気の引き出しおよび吹き込みを伴う、ディフューザの第二の例の模式的上面図である。 略図５ａから５ｃ、５ｊおよび５ｋによる、第一および第二の例のブレードの変形例の上面図である。 略図５ｄから５ｆ、および５ｇから５ｉによる、第一および第二の例のブレードの変形例の上面図である。 端板の引き出しおよび吹き込みを伴うディフューザの例の、端板の模式的正面図である。 端板の引き出しおよび吹き込みを伴うディフューザの例の、端板の模式的拡大図である。

「下流」および「上流」という用語は、空気ストリームの流れに対する位置を限定する。全ての図面において、同一の参照符号は、これらの参照符号に対応する要素が定義されている記述におけるくだりを参照する。

図１によるヘリコプターのガスタービン１の模式的部分断面図を参照すると、空気ストリームＦは、まず外気吸入ダクト２内に引き込まれ、その後遠心式圧縮機５の羽根車４の羽根３とカバー９との間で圧縮される。タービンは、軸Ｘ’Ｘを中心として軸対称である。

圧縮機５はここでは遠心式であり、圧縮ストリームＦはその後、羽根車４から軸方向に出てくる。圧縮機が混流式であるときは、流れは軸Ｘ’Ｘに垂直な、半径方向に対して０°から９０°の角度で傾斜して出てくる。

ストリームＦはその後、調整されて燃焼室８の流入チャネル７に向けられるために、圧縮機４の出口に形成されたディフューザ６を通過する。

この調整を行うために、ディフューザ６は、−この場合は半径方向に−羽根車４の周辺上の２つの端板の間に形成され、したがって軸Ｘ’Ｘを中心に回転する、複数の湾曲ブレード６０で構成されている。

図２ａは、２つの端板６１に接合されたブレード６０を備えるディフューザ６の、より正確な斜視図を示す。さらなる明確さのために１つの端板が省略されている図２ｂにおいて、各ブレード６０は周知のやり方で、上面６ｅと称される面と、下面６ｉと称される面とを有する。図２ｃのブレード６０上により正確に図示されるように、これらの上面および下面６ｅおよび６ｉは、長手方向に、およびブレードの平均表面Ｆｍと実質的に平行に、延在する。図示される例において、これらの面は、空気ストリームの流れ方向に、先細の前縁６ａおよび丸みを帯びた後縁６ｆによって接続されている。上面および下面に対して横方向に、各ブレード６０は、端板６１に接合された平坦な側面６ｐを有する。

ブレードは、その側面６ｐに間の厚みの増進を呈するが、これは以下に記載されるように溝をそこに形成するのに十分である。この厚みは、平均表面Ｆｍに沿ってブレード６０の平均曲線横座標Ｓｍの２０％から１００％にわたって、数ミリメートルに到達することができる。

図３ａおよび図３ｂの助けを借りて、ブレード上の空気の引き出しおよび吹き込みを伴うディフューザの第一の実施形態が、以下に記載される。

ここで長手方向溝６２が、図３ａの長手方向断面図および図３ｂの上面図に現れている。この溝は、前縁６ａに向かって開放することなく、後縁６ｆに向かって開放している。この溝は、下面および上面６ｉおよび６ｅと実質的に平行に、側面６ｐと平行な基部６６を伴って、長手方向壁６５を形成するように、各ブレード６０の側面６ｐの金属合金材料を機械加工することによって、生成される。

また、ブレード６０には、円筒形の吹き込み空洞６４のブレード６０バイアの間で空気通路Ｖ内に向かって開放している一連のオリフィス６３が設けられている。図３ｂによって示されるように、オリフィス６３を介してこのように吹き込まれる空気ストリームＦ１は、下面６ｉに向かって開放している。その他の実施形態によれば、ストリームＦ１はさらに、または代わりに、上面６ｅに向かって開放してもよい。例において、オリフィス６３は、前縁６ａおよび後縁６ｆと平行に位置合わせされている。

空気を吹き込むためのこれらの空洞６４は、ブレードの平均曲線横座標Ｓｍに対して、たとえば３０°など、０から９０°の角度だけ、下流に傾斜している。ストリームＦ１は、オリフィス６３を通じて出現し、空気通路Ｖ内に向かって下流に吹く。このためこれらのストリームおよび隣接ブレードから来る別のストリームの一部は、ストリームＦｉの形態で（図示される例において後縁６ｆの領域にある）後縁６ｆ領域の溝６２に向かって空気通路Ｖから引き込まれる。

そしてストリームＦｉは、圧力が低い方の上流側にあるブレード６０の溝６２内へ、吸引によって注入される。後縁６ｆおよび前縁６ａ領域の間の溝を介した空気ストリームの再循環は、吸入／吹き込み結合を生じる。そして入ってくる空気ストリームの再活性化は、これらのストリームを安定化すること、および分離を防止するか、または分離がすでに開始していても場合によりこれらを再結合することを、可能にする。後縁上の、または後縁に近い領域内の吸入も同様に、まだ分離する可能性のある領域を軽減−実際には排除−することを可能にする。

あるいは、空洞は上面６ｅ上に開放してもよく、および／またはこれらの空洞は、側面６ｐ上に形成された１つ以上のスロットに置き換えられることが可能である。溝はまた、溝の中央基部６６を維持しながら、２つの両側面６ｐ上に機械加工されることも可能である。

図４ａおよび図４ｂを参照すると、ブレード上の空気の引き出しおよび吹き込みを伴うディフューザの第二の例が、図３ａおよび図３ｂと同一の図面によって示されている。図４ａおよび図４ｂは図３ａおよび図３ｂの参照符号を使用しており、これらの符号は、図３ａおよび図３ｂをそれぞれ参照して先のくだりですでに定義された、同じ要素を指す。

ディフューザの本例と第一の例との違いは、後縁６ｆの領域の溝６２内に空気ストリームＦｉを引き込む手段に関する。第二の例によれば、ストリームＦｉは、後縁６ｆの下面６ｉに生成されて溝６２の中に向かって開放している空洞７４を通じて、再注入される。吸入空洞は、図示される例において実質的に横方向である。あるいは、これらは構成に応じてブレード６０の曲線横座標Ｓｍの法線に対して±９０°に近い角度だけ、傾斜してもよい。これらはまた、吹き込み空洞６４のようにスロットに置き換えられてもよい。

これら第一および第二の例のその他の変形例は、図５−１の略図５ａから５ｃ、５ｊおよび５ｋに示されている。これらの略図は、上方から見たブレード６２を示している。

略図５ａから略図５ｃは、それぞれ一定の幅「ｅ」の、後縁６ｆに向かって開放している（溝６２ａ、略図５ａ）、またはブレード６０の平均曲線横座標Ｓｍの関数として線形に可変の幅「ｅ」の（溝６２ｂおよび６２ｃ、略図５ｂおよび５ｃ）、溝６２ａから６２ｃのブレード６０に関する。溝は、後縁６ｆ上の貫通溝（溝６２ａおよび６２ｃ、略図５ａおよび５ｃ）または盲溝（溝６２ｂ、略図５ｂ）であってもよい。溝が貫通溝であるとき、後縁６ｆは、吸気を最適化するために成形されたリム６７を有する。

また、吸入空洞７４および注入空洞６４は、同じ面、すなわち下面６ｉ（略図５ｄおよび５ｅ）または上面６ｅ（略図５ｆおよび５ｇ）に向かって開放することができる。これらはまた、異なる面に向かって、すなわち吸入空洞７４は上面６ｅおよび再注入空洞６４は下面６ｉに（略図５ｈ）、あるいは吸入空洞７４は下面６ｉおよび再注入空洞６４は上面６ｅに（略図５ｉ）、開放することもできる。略図５ｄから略図５ｉは、幅が線形的に増加する盲溝６２ｂを示す。

さらに、空洞またはスロットは、ブレードの曲線横座標の法線に対して±９０°になりがちな角度で、溝の長さ上のいずれかの点に位置して開放してもよい。

溝は一般的に、ブレード６０の全長にわたって、あるいは全長の０％に近い最小長さにわたって、延在することができる。

また、たとえば略図５ｊおよび略図５ｋに示されるように、たとえば２つの溝など、まったく同じ側面６ｐ上に複数の溝が機械加工されることが可能である。略図５ｊでは、溝６ｊおよび６ｊ’が、ブレード６０に沿って互いに続いている。略図５ｋでは、溝６ｋおよび６ｋ’が、ブレード６０に沿って実質的に平行である。

また、図６ａは、本発明によるディフューザ６０の第三の例の正面図を示す。この例において、やはりディフューザ６の後縁６ｆの領域内で実行される空気の引き出し（矢印Ｆ２）は、端板６１内に半径方向に生成された開口部７０を通じての吸引によって、発生する。空気ストリームＦ３は、ディフューザ６と実質的に平行に、ケーシング筐体７１内で上流に再配向され、この筐体７１およびディフューザ６は、共通壁として端板６１を有する。吹き込みは、ディフューザ６の前縁６ａの領域に形成された孔７２を通じての、端板６１の内側面６１ｉに沿ったストリームＦ４の再注入によって、達成される。

孔７２は、図６ｂの拡大略図を参照するとより正確にわかるように、端板６１に対して傾斜している。空気ストリームＦ４の拡散はこのように、ディフューザ６の内側に位置する端板６１の面６１ｉの上で、再注入される。すると、ほとんど運動を伴わない空気流の領域の再活性化は、ディフューザの前縁で好まれる。

本発明は、説明および図示された例に限定されるものではない。したがって、空洞およびスロットは、必ずしも円筒形または部分的に円筒形とは限らず、角柱形、長円形など、様々な断面であってもよい。また、空気の引き出しおよび再注入が端板を通じて行われるとき、ケーシング内、またはディフューザのハブ内に、移行筐体が形成されることも可能である。

Claims (11)

1. ガスタービン（１）の圧縮機（５）の圧縮段ディフューザ（６）内に空気を吹き込む方法であって、このディフューザ（６）は複数の円周ブレード（６０）を包囲する２つの端板（６１）を有し、ブレード（６０）に沿った空気流（Ｆ）は、ディフューザ（６）の前縁（６１ａ）から後縁（６ｆ）に向かって発生し、方法は、引き出された空気（Ｆｉ、Ｆ４）の圧力が引き出しの領域内を流れる空気（Ｆ）の圧力よりも著しく高くなるように、ディフューザ（６）の上流の空気通路（Ｖ）内への空気の注入（Ｆ１）と、下流空気通路（Ｖ）から生じる空気の引き出し（Ｆｉ、Ｆ４）との結合が、注入空気がブレード（６０）および／または端板（６１）に沿った空気通路（Ｖ）内に吹き込むように注入が配向されている、上流から下流への空気通路（Ｖ）内の注入空気（Ｆ１）の吹き込みによって、あるいは後縁（６ｆ）における空気通路（Ｖ）内への吸引および各ブレード（６０）内への注入、そして吸引／吹き込み結合を生じるためのブレード（６０）の前縁（６ａ）内の吸気（６４）への再循環によるこの空気（Ｆｉ、Ｆ４）の引き出しによって、下流に位置する後縁（６ｂ）よりも上流の前縁（６ａ）における吸気（６４）を介して実行されることを特徴とする、方法。
2. 空気が、圧縮機（５）の段のその後の格子またはその後の段、あるいは、特にブレード（６０）の後縁の付近の、関連するディフューザ（６）、いずれかのディフューザ下流で引き出される、請求項１に記載の吹き込み方法。
3. 空気の引き出しがブレード（６０）の下面（６ｉ）および／または上面（６ｅ）で実行され、吹き込みはブレード（６０）上で実行される、請求項１に記載の吹き込み方法。
4. 引き出しがディフューザのハブおよび／またはケーシング端板（６１）上で実行され、吹き込みは端板（６１）上で実行される、請求項１に記載の吹き込み方法。
5. 引き出しがブレード（６０）上で実行され、吹き込みは端板（６１）上で実行される、請求項１に記載の吹き込み方法。
6. 引き出しが端板上で実行され、吹き込みはブレード上で実行される。請求項１に記載の吹き込み方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の吹き込み方法を実行することが可能な、遠心または混流式の圧縮機のディフューザであって、２つの端板（６１）は複数の円周ブレード（６０）を包囲し、少なくとも１つの上流横断通路（６４）は、空気通路（Ｖ）内への空気の注入のための少なくとも１つの点（６４、７０）において、ブレード（６０）の下面（６ｉ）および／または上面（６ｅ）に、および／または端板（６１）に生成され、ガスタービン（１）の圧縮方向においてディフューザ（６）の上流側の前縁域（６ａ）に位置し、ディフューザ（６）内におよび／またはディフューザの外側の端板（６１）に沿って再循環によって空気通路（Ｖ）内の注入／引き出し結合を形成することができ、ディフューザ（６）の下流側の後縁域（６ｆ）の少なくとも１つの点における空気の引き出し（Ｆｉ、７４、７２）は、ブレード（６０）の側面（６ｐ）に沿って、および／または端板（６１）の内側面（６１ｉ）上に形成された少なくとも１つの溝（６２；６２ａから６２ｃ；６ｊ，６ｊ’；６ｋ，６ｋ’）における吸引によって実行されることを特徴とする、ディフューザ。
8. 注入が、ブレード（６０）の下面（６ｉ）および／または上面（６ｅ）内にあって、ブレード（６０）の溝（６２；６２ａから６２ｃ；６ｊ，６ｊ’；６ｋ，６ｋ’）内に向かって、および／または端板（６１）の内側面（６１ｉ）内に向かって開放している、少なくとも１つの横断上流通路（６４、７０）によって実行される、請求項７に記載の圧縮機のディフューザ。
9. 横断下流および上流通路が、空洞（６４、７４）および／またはスロットによって形成される、請求項７または請求項８に記載の圧縮機のディフューザ。
10. 通路（６４、７４）が、実質的に０から±９０°の間の角度、好ましくは上流通路（６４）については流れ方向の９０°に近く、下流通路（７４）については０°に近い角度で、その上に開放している面の法線に対して傾斜している中心軸を有する、請求項９に記載の圧縮機のディフューザ。
11. 通路（６４、７４）が、溝ごとに１つの上流通路（７４）および１つの下流通路（６４）を備えて、上面（６ｅ）および／または下面（６ｉ）において、実質的に各溝（６２；６２ａから６２ｃ；６ｊ，６ｊ’；６ｋ，６ｋ’）の全長にわたって位置することが可能な、請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の圧縮機のディフューザ。

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