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【発明の名称】 タービンエンジン及び空気再循環方法
【発明者】 【氏名】アンブローズ・アンドレアス・ハウサー

【氏名】ピーター・ニコラス・スクス

【氏名】ジョージ・フランシスコ・セダ

【要約】 【課題】タービンエンジンのブースタに対する失速保護を行う。

【解決手段】タービンエンジン(10)のブースタ(40)内に、ブースタの流路(50)の空気流の一部分を該ブースタの高圧部分(72)から低圧部分(70)へ再循環させる通路(52)を設ける。ブースタの流路(50)から該通路(52)へ高圧空気流を差向けることにより、高圧空気流は、通路を通る間、再びブースタ40の流路50に入るまでエネルギを失い、圧力が低下する。空気流を高圧圧縮機(116)に定常的に吐出することが出来るまで、空気流が通路を再循環する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 空気流を加圧する少なくとも1台の圧縮機(40)であって、該圧縮機が、完全にその中を通抜ける第1の通路(50)と、複数個のステータ(42)及びロータ(44)と、前記ステータ(42)及びロータ(44)を取囲むステータ・ケーシング(46)と、中心軸線(20)を取巻くロータ・シュラウド(48)とを含んでいる少なくとも1台の圧縮機(40)と、前記圧縮機(40)内に形成されていて、前記空気流の一部分を前記圧縮機(40)の高圧部分(72)から前記圧縮機(40)の低圧部分(70)へ循環させる第2の通路(52)と、を備えているタービンエンジン。
【請求項2】 前記圧縮機(40)が、更に、前記第2の通路(52)と境界を接する第1の壁(56)及び第2の壁(58)と、該第1の壁(56)及び該第2の壁(58)を接続する前縁(64)及び後縁(66)と、前記第1の通路(50)と流れが連通する燃焼器(120)と、該燃焼器(120)と流れが連通する少なくとも1台のタービン(130)とを有する請求項1記載のタービンエンジン。
【請求項3】 前記第2の壁(58)が、前記通路(52)と流れが連通する複数個の開口(68)を有する請求項2記載のタービンエンジン。
【請求項4】 前記第2の壁(58)が、前記前縁(60)から前記後縁(62)まで伸びる複数個の円周方向の溝(76)を有する請求項2記載のタービンエンジン。
【請求項5】 前記複数個の開口(68)が、前記前縁(60)から前記後縁(62)まで伸びる複数個の角度を付けた溝孔(74)で構成される請求項3記載のタービンエンジン。
【請求項6】 前記複数個の開口が、第1の開口(108)及び第2の開口(110)を含む請求項3記載のタービンエンジン。
【請求項7】 前記第1の壁(56)及び前記第2の壁(58)が前記ロータ・シュラウド(48)の一部分を構成し、前記前縁(64)及び前記後縁(66)が前記ロータ・シュラウド(48)の一部分を構成している請求項4記載のタービンエンジン。
【請求項8】 前記第1の壁(56)及び前記第2の壁(58)が前記ステータ・ケーシング(46)の一部分を構成し、前記前縁(64)及び前記後縁(66)が前記ステータ・ケーシング(46)の一部分を構成している請求項4記載のタービンエンジン。
【請求項9】 前記第1の壁(56)及び前記第2の壁(58)が前記ロータ・シュラウド(48)の一部分を構成し、前記前縁(64)及び前記後縁(66)が前記ロータ・シュラウド(48)の一部分を構成している請求項5記載のタービンエンジン。
【請求項10】 前記第1の壁(56)及び前記第2の壁(58)が前記ステータ・ケーシング(46)の一部分を構成し、前記前縁(64)及び前記後縁(66)が前記ステータ・ケーシング(46)の一部分を構成している請求項5記載のタービンエンジン。
【請求項11】 前記第1の壁(92)及び前記第2の壁(94)が前記ロータ(80)の一部分を構成し、前記前縁(96)及び前記後縁(98)が前記ロータ(80)の一部分を構成している請求項6記載のタービンエンジン。
【請求項12】 前記第1の壁(92)及び前記第2の壁(94)が前記ステータ(78)の一部分を構成し、前記前縁(96)及び前記後縁(98)が前記ステータ(78)の一部分を構成している請求項6記載のタービンエンジン。
【請求項13】 ステータ・ケーシング(46)によって取囲まれた複数個のステータ(42)及び複数個のロータ(44)を含むと共にロータ・シュラウド(48)を含む少なくとも1台の圧縮機(40)を有するタービンエンジン(10)に於て空気流を再循環させる方法であって、タービンエンジン(10)を運転して、前記圧縮機(40)に空気流を差向ける工程と、前記圧縮機(40)内の空気流の圧力を高める工程と、加圧された空気流の一部分を圧縮機(40)の高圧部分(72)から圧縮機(40)の低圧部分(70)へ通路(52)を介して差向ける工程と、を含んでいる前記方法。
【請求項14】 前記差向ける工程が、加圧された空気流の一部分をロータ・シュラウド(48)に差向ける工程を含む請求項13記載の方法。
【請求項15】 前記差向ける工程が、加圧された空気流の一部分をステータ・ケーシング(46)に差向ける工程を含む請求項13記載の方法。
【請求項16】 前記差向ける工程が、加圧された空気流の一部分をロータ(80)に差向ける工程を含む請求項13記載の方法。
【請求項17】 前記差向ける工程が、加圧された空気流の一部分をステータ(78)に差向ける工程を含む請求項13記載の方法。
【請求項18】 高圧区域(72)及び低圧区域(70)を含んでいて、圧縮機(40)に空気流を差向ける第1の流路(50)と、該第1の流路(50)内に配置された複数個のステータ(42)及び複数個のロータ(44)と、前記ステータ(42)及びロータ(44)及び中心軸線(20)を取巻くステータ・ケーシング(46)及びロータ・シュラウド(48)と、第2の流路を持つ通路(52)とを有する圧縮機であって、前記通路(52)は当該圧縮機(40)の一部分を通るように形成されていて、前記通路(52)は前記第1の流路(50)の前記高圧区域(72)及び低圧区域(70)と流れが連通し、前記通路(52)は第1の壁(56)及び第2の壁(58)によって区切られており、前記第1の壁(56)及び前記第2の壁(58)が前縁(60)及び後縁(62)によって接続されていることを特徴とする圧縮機。
【請求項19】 前記第2の壁(58)が、前記高圧区域(72)及び前記低圧区域(70)と流れが連通する複数個の開口(68)を有する請求項18記載の圧縮機。
【請求項20】 前記第2の壁(58)が、前記高圧区域(72)から前記低圧区域(70)へ伸びる複数個の円周方向の溝(76)を含む請求項18記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は全体的にタービンエンジン、更に具体的に言えば、圧縮機に於ける失速(stall) を防止する装置と方法に関する。
【0002】
【従来の技術】典型的には、タービンエンジンは、流れに対して直列に低圧圧縮機又はブースタ及び高圧圧縮機を持つコア・エンジンより前のファンを含んでいる。低圧圧縮機及び高圧圧縮機の何れも入口部分及び吐出部分を持っている。
【0003】エンジンの動力を減少する際、高圧圧縮機の入口部分は、高圧圧縮機の入口部分を通る空気流とブースタの吐出部分を通る空気流との間の流量の差による空気流の閉塞を発生することがある。空気流の閉塞はブースタ内に背圧を発生し、その為にブースタの動作線が失速限界に一層近付くように移動する。ブースタの動作線が失速限界に一層近付くように移動すると、ブースタに引き続いて流れる空気が少なくなるので、タービンエンジンの動作範囲が制限される。
【0004】ブースタが失速した場合、ブースタの入口並びに/又は吐出部分に、大きなどんという音及び炎又は煙が発生されることがある。ブースタの失速状態により、過度の疲労、性能の劣化及びエンジンの信頼性及び耐久力の低下が生ずる。ブースタの失速を埋め合わせる為に、ブースタを大きめの構成にすることが典型的であるが、これは部品がより多くなることにつながり、その為にブースタ並びにその結果としてのエンジンが一層重くなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】現存のエンジンでは、ブースタの失速が、複雑な可変抽気ドア又は弁を使うことによって軽減される。こういうドア又は弁が非定常的な空気流状態の間に開き、ブースタの空気流の一部分が高圧圧縮機を側路することが出来るようにする。しかし、ドア及び弁の複雑さの為に、抽気ドアが故障したり誤動作することがある。
【0006】その為、可変抽気ドアの余分な複雑さを伴わないで、効率のよいブースタの失速保護を施すことが望ましい。更に、ブースタ失速保護の信頼性を改善することが望ましい。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明では、ステータ・ケーシング、ロータ・シュラウド及びステータ並びにロータハブ処理部を含むブースタにより、ブースタ失速限界能力を拡げ、可変抽気又は側路ドアの必要をなくす。更に具体的に言うと、一実施例では、ブースタが、ブースタの相対的に高圧の部分からブースタの相対的に低圧の部分まで伸びる通路を含んでいる。この通路は、ブースタの相対的に高圧の部分からブースタの相対的に低圧の部分までの空気流通路に沿って伸びる角度を付けた溝孔(slot)を含む。
【0008】動作の際、空気流がブースタの相対的に高圧の部分から通路に入る。空気流がブースタの相対的に高圧の部分からブースタの相対的に低圧の部分へと通路を通り、この通路を通過する際に、エネルギを消費して圧力が下がる。その後空気流がブースタの相対的に低圧の部分で通路から出て、空気流通路へ戻る。
【0009】空気流がブースタの相対的に高圧の部分からブースタの相対的に低圧の部分へ再循環することにより、ブースタの失速のない動作領域が拡がり、エンジンの動力を減少する際にブースタが失速限界に達する惧れが低くなる。背圧が小さくなるにつれて、再循環も少なくなり、ブースタはより正常に近い動作に復帰する。側路ドア又は弁を除くことにより、通路がエンジン及びブースタの失速保護の信頼性が高まる。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は中心軸線20の周りに対称的なタービンエンジン10の断面図である。エンジン10が、流れに対して直列に連通するように、前側ファン30、多段低圧圧縮機すなわちブースタ40、高圧空気を燃焼器120に供給する多段高圧圧縮機116、高圧タービン130及び低圧タービン140を含む。
【0011】エンジン10の運転の際、空気がファン30から下流側に多段ブースタ40へ流れる。ブースタが空気を圧縮し、この空気が引き続いて下流側に高圧圧縮機116の中を流れ、そこで空気が高度に加圧される。高度に加圧された圧縮空気の一部分が燃焼器120に差向けられ、燃料と混合され、点火されて高温燃焼ガスを発生し、それが更に下流側に流れて、高圧タービン130と低圧タービン140とによって利用されて、夫々高圧圧縮機116と前側ファン30及びブースタ40とを駆動する。
【0012】図2は図1に示したエンジンの一部分を示す。図2に示すように、ブースタ40は複数個の固定ベーン42及び複数個の回転羽根44を含み、これらがステータ・ケーシング46及び複数個のロータ・シュラウド48によって取囲まれている。第1の通路又は流路50がブースタ40の中を通り、固定ベーン42、回転羽根44、ステータ・ケーシング46及びロータ・シュラウド48によって形成され画定されている。
【0013】ブースタ40内の第2の通路又は流路52が、前側の回転羽根54に隣接したロータ・シュラウド48の中を通る。第2の通路52は流路50と流れが連通している。ブースタ40は第1の壁56、ステータ・ケーシング46、前縁60及び後縁62を含み、これらが第2の通路52を形成する。第2の壁66及びステータ・ケーシング46が、タービンエンジン10(図1に示す)の中心軸線20の周りに略360°に互って伸びている。第1の壁56が前縁60及び後縁62に接続されるが、これらはステータ・ケーシング46にも接続されている。
【0014】前側の回転羽根54は前縁64及び後縁66をも含んでいる。複数個の開口68がステータ・ケーシング46を通抜け、第2の通路52と流れが連通している。ステータ・ケーシング46の開口68は、前縁60から、回転羽根54の内、前縁64及び後縁66の間にある一部分69まで拡がっている。更にブースタ40の第1の通路50は、入口部分すなわち相対的に低圧の部分70と、吐出部分すなわち相対的に高圧の部分72を含む。
【0015】動作について説明すると、空気流がブースタ40の中を流路50に沿って下流側へ移動し、圧力及び温度が上昇する。燃焼器120(図1に示す)に対する燃料及び高圧空気流が減少すると、ファン30(図1に示す)、ブースタ40及び高圧圧縮機116(図1に示す)が減速する。慣性が一層小さく、圧力比が一層高い為、高圧圧縮機116は、ファン30及びブースタ40よりも一層早く減速する。高圧圧縮機116が一層早く減速することにより、空気流の閉塞が発生し、この結果、吐出部分72の背圧が増加し、ブースタ40の動作線が失速限界線に向かって移動する。
【0016】背圧の増加により、高圧空気流の一部分が、ブースタ40の相対的に高圧の部分で、再循環して、通路50を出て、開口68を通り、通路52に入る。再循環空気流は、ブースタ40の相対的に低圧の部分で、再び流路50に入る、即ち、ブースタの失速限界線を拡げる。高圧空気流の一部分をブースタ40の上昇した動作線を超えて再循環することにより、空気流がブースタ40の相対的に高圧の部分からブースタ40の相対的に低圧の部分へ自由に流れることが出来る。再循環の量は、ブースタの背圧の大きさに応じて変化する。例えば、ブースタの背圧の増加により、再循環空気流が増加し、ブースタの背圧の減少により、再循環の空気流が減少する。
【0017】図3は図2に示す開口68の斜視図を示す。図3に示すように、ステータ・ケーシング46の開口48は、前縁60から部分69まで拡がる複数個の角度を付けた溝孔74を含む。
【0018】動作について説明すると、高圧空気流が回転羽根の前縁64と部分69の間にある角度を付けた溝孔74に入る。高圧空気流は通路52(図2に示す)を通り、この空気流は前縁60のところで角度を付けた溝孔74を通って通路52を出ていく。その後、空気流は流路50を下流側へ流れて、圧力が増加する。
【0019】図4は、複数個の円周方向の溝(groove)76を含むブースタ40の一部分を示す。円周方向の溝76は、ロータ・シュラウド48の前縁60から後縁62までに拡がっている。ブースタ40が第1の壁56を含み、円周方向の溝孔76が開口68から第1の壁56まで伸びている。
【0020】動作について説明すると、高圧空気流が流れの方向を逆転して、ブースタ40内を上流側へ流れるとき、伴流流体の一部分が、開口68のところで回転羽根の前縁64及び後縁66の間の下流側の円周方向の溝76に入る。その後、伴流流体がブースタ40内を上流側へ進み、隣りの溝76に入る。伴流流体の上流側への進行は、高圧空気流が再び下流側へ流れるまで、又は伴流流体が溝76を上流側に通越して、ブースタの失速が起こるまで続く。溝76はブースタ40の失速線を拡げ、ブースタ40の動作範囲を拡大する。
【0021】図5は、ハブ・ステータータ・ケーシング82及び複数個のハブ・ロータ・シュラウド84によって取り囲まれた、複数個のハブ固定ベーン78及び複数個のハブ回転羽根80を含むブースタ77を示している。
【0022】第1の通路又は流路86がブースタ77の中を通り、ハブ固定ベーン78、ハブ回転羽根80、ハブ・ステータータ・ケーシング82及びハブ・ロータ・シュラウド84によって形成され又は定められている。更にブースタ77が第2の通路88及びロータ軸91に接続された後側ハブ回転羽根90を含む。ロータ軸91が、360°に互って伸びる第1の壁92及び第2の壁94を含む。第2の通路88は流路86と流れが連通していて、第1の壁92及び第2の壁94によって区切られている。
【0023】更にロータ軸91が前縁96及び後縁98を含む。第1の壁92が前縁96及び後縁98に接続され、これらの縁が第2の壁94に接続されている。第1の壁92、第2の壁94、前縁96及び後縁98が第2の通路88を形成する。ブースタ77のハブの中に配置された後側ハブ回転羽根90が前縁100及び後縁102を有する。第2の壁94は、第2の通路88と流れが連通する複数個の開口104及び後側ハブ回転羽根90に隣接してハブ固定ベーン78内にある開口106を有する。
【0024】1実施例では、第2の壁94、並びに後側ハブ回転羽根90に隣接してハブ回転羽根90にある開口104及び106は、複数個の丸孔(図に示していない)で構成される。ブースタ77は、相対的に低圧の区域にある入口112及び相対的に高圧の区域にある吐出部114を有する。
【0025】図5に示す実施例のブースタ77は、ハブ領域に空気力学的な安定性の制約を持つブースタに安定性を保つ。ブースタ77の動作線の状態が上昇したとき、第2の通路88を通っての再循環が増加することにより、ハブ回転羽根80の後縁102に於けるハブ領域の圧力を、安定性限界レベルに達しないように抑える。このように増加した再循環が、動作線が上昇した状態でも、ブースタ77を安定な、即ち失速のない動作状態に保つ。
【0026】再循環通路はタービンエンジンの現存の構造内に形成され、ブースタにかかるコストはごく少なく、複雑さも増えない。ブースタに再循環通路を含めたことが、ブースタの失速に対する保護になり、膠着したり或いは作用が不良となることがある可変抽気弁又はドアと比較するとき、動作の信頼性を改善する。
【0027】この発明を好ましい実施例について説明したが、当業者であれば、この発明の範囲内で、その要素に種々の変更を加え、或いは均等物に置換えることが出来ることが理解されよう。更に、この発明の本質的な範囲を逸脱することなく、この発明の教示するところに併せて、特定の場合又は材料に合わせて色々な変更を加えることが出来る。従って、この発明はこの発明を実施する為に考えられた最善の態様として開示された特定の実施例に制限されるものではなく、この発明は特許請求の範囲内に属する全ての実施例を含むことを承知されたい。
【出願人】 【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】GENERAL ELECTRIC COMPANY
【出願日】 平成12年5月9日(2000.5.9)
【代理人】 【識別番号】100093908
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 研一
【公開番号】 特開2001−65365(P2001−65365A)
【公開日】 平成13年3月13日(2001.3.13)
【出願番号】 特願2000−135292(P2000−135292)