(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（Ｘ）を有するロータ（１８）を備える遠心または混流圧縮機（１６ｂ）用の２次空気システム（１２）にして、前記圧縮機（１６ｂ）が酸化剤ガスを圧縮するように構成される２次空気システム（１２）であって、２次空気システム（１２）が、ロータ（１８）に配置される酸化剤ガス抽気システム（４０）と、外表面（３０）を有する圧縮機（１６ｂ）と、少なくとも圧縮ガスを燃焼するように構成される燃焼室（２２）と、既燃ガスと接触している少なくとも１つの高温部品（２６）と、高温部品の温度を低下させるために抽気ガスを高温部品（２６）に導くためのチャネリングシステム（４４）とを含み、チャネリングシステム（４４）が、ロータ（１８）の内側の少なくとも１つのキャビティ（４６）、およびロータ（１８）に作られる複数のオリフィス（４８）を含み、各オリフィス（４８）が、外表面（３０）から延在しかつ前記キャビティ（４６）の中に通じるオリフィス軸線（Ｙ）を有し、ロータ（１８）が、複数の主ブレード（３２ａ）および複数の中間ブレード（３２ｂ）を有し、各主ブレード（３２ａ）には、主前縁（３８ａ）が設けられ、各中間ブレード（３２ｂ）には、中間前縁（３８ｂ）が設けられ、オリフィス（４８）のうちの少なくとも１つの少なくとも一部が、主前縁（３８ａ）と中間前縁（３８ｂ）との間において回転軸（Ｘ）に関して軸方向に配置されることを特徴とする、２次空気システム（１２）。
【請求項２】
少なくとも１つのタービン（２４）を含むタイプのガスタービン（１０）の圧縮機（１６ｂ）の場合に、チャネリングシステム（４４）により、抽気ガスがタービン（２４）に送出され得るようになることを特徴とする、請求項１に記載の２次空気システム（１２）。
【請求項３】
ロータ（１８）が、ハブ（２８）を含み、オリフィス（４８）のうちの少なくとも１つが、ハブ（２８）に形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の２次空気システム（１２）。
【請求項４】
主または中間タイプの各ブレード（３２ａ、３２ｂ）が、対抗する負圧側面（３６）および正圧側面（３４）を備え、オリフィス（４８）のうちの少なくとも１つの少なくとも一部が、隣接する主ブレード（３２ａ）の正圧側面（３４）よりも主ブレード（３２ａ）の負圧側面（３６）近くに回転軸（Ｘ）に対して半径方向に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の２次空気システム（１２）。
【請求項５】
各オリフィス（４８）を通して流れる前記空気の流れが、外表面（３０）に対して接線方向でありかつ回転軸（Ｘ）と同一平面にある直線（Ｄ１）と、オリフィスの軸線（Ｙ）との間に形成される配向角度であるように、第１の所定値を各オリフィス（４８）に対して規定される第１の傾斜角度（α）に設定することによって、および／または外表面（３０）に対して接線方向でありかつ回転軸（Ｘ）に対して直角である直線（Ｄ２）と、オリフィスの軸線（Ｙ）との間に形成される配向角度であるように、第２の所定値を各オリフィス（４８）に対して規定される第２の傾斜角度（β）に設定することによって予め定められることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の２次空気システム（１２）。
【請求項６】
圧縮機（１６ｂ）が請求項１から５のいずれか一項に記載の２次空気システム（１２）を含むことを特徴とする、圧縮機（１６ｂ）のロータ（１８）。
【請求項７】
請求項６に記載のロータを含むことを特徴とする、圧縮機（１６ｂ）。
【請求項８】
請求項７に記載の圧縮機（１６ｂ）を含むことを特徴とする、ガスタービン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心または混流圧縮機用の２次空気システム、および特に航空機ガスタービンの遠心または混流圧縮機用の２次空気システムの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の方法では、ガスタービンは、酸化剤ガス、通常は空気を吸い込み、酸化剤ガスを圧縮する圧縮システムの入口に酸化剤ガスを運ぶように設計される空気入口から構成されている。圧縮システムは、混合または遠心タイプのうちの少なくとも１つの圧縮機から構成され、各遠心タイプの圧縮機は、伝動シャフトに取り付けられる少なくとも１つのロータ、および少なくとも１つのステータを含む。圧縮システムによって圧縮される酸化剤ガスは、燃料と混合され、燃焼室内で燃焼される。伝動シャフトに取り付けられる少なくとも１つのタービンは、燃焼室で燃焼されるガスの運動エネルギーのほんの一部分を、少なくとも圧縮機を駆動する働きをする機械エネルギーに変換する。既燃ガスは、高温部品、たとえばタービンと熱を交換し、その結果、既燃ガスは、高温部品の温度上昇を制限するために冷却するのに適している。
【０００３】
少なくとも１つの遠心または混流圧縮機を含むタイプのガスタービンでは、前記遠心または混流圧縮機のステータから酸化剤ガスを抽気するように構成される２次空気システムを使って、この冷却を実現することが知られている。抽気は、通常、流体の流れに対して接線方向に配置される複数の抽気オリフィスによって行われる。
【０００４】
それにもかかわらず、酸化剤ガスは、少なくとも部分的に前記抽気オリフィスを詰まらせるように働く汚染粒子を含む場合がある。この目詰まり現象は、２次空気システムによって抽気されるガスの量の著しい減少をもたらし、その結果として、高温部品の温度の上昇を招き、それにより、高温部品の寿命および／または機械的強度の低下を生じさせる。
【０００５】
さらに、遠心または混流圧縮機の全体的な効率は、圧縮機のロータに沿った酸化剤ガスの流れの攪乱によって、たとえば、剥離されるようになるロータと接触している酸化剤ガスの境界層によって低下され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の第１の目的は、酸化剤ガスの汚染に対して頑健な２次空気システムを提供することである。
【０００７】
本発明の第２の目的は、遠心または混流圧縮機内の空気の流れを改善することができる２次空気システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の２つの技術的問題のうちの少なくとも１つを解決するために、本発明の２次空気システムは、酸化剤ガスを圧縮するように構成される遠心または混流圧縮機に組み込まれるように設計され、前記遠心または混流圧縮機は、回転軸を有するロータを含んでいる。
【０００９】
本発明の２次空気システムは、圧縮機のロータに配置される酸化剤ガス抽気システムを備えることが有利である。これにより、酸化剤ガスに含まれることもある汚染粒子に遠心力を作用させることができるようになり、それによって、前記汚染粒子による抽気システムの目詰まりの進行を防止し、または少なくとも制限する。
【００１０】
さらに、本発明の２次空気システムは、ロータに沿った酸化剤ガスの流れを改善することによって、圧縮機の空気力学を改善する。
【００１１】
好ましい実施形態では、２次空気システムは、少なくとも圧縮ガスを燃焼するように構成される燃焼室を含み、かつ高温の既燃ガスと接触する少なくとも１つの高温部品を有するタイプのガスタービンの圧縮機に組み込まれるように設計される。この変形では、２次空気システムはまた、高温部品の温度を低下させるために、高温部品のうちの少なくとも１つに抽気ガスを導くためのチャネリングシステムも含んでいる。
【００１２】
好ましい実施形態では、２次空気システムは、外表面を有する圧縮機に組み込まれるように設計される。この実施形態では、チャネリングシステムは、ロータ内側に少なくとも１つのキャビティを含み、一方で抽気システムは、ロータに作られる少なくとも１つのオリフィスを含む。各オリフィスは、外表面から延在し、少なくとも１つのキャビティに通じ、オリフィス軸線を有する。
【００１３】
また、本発明の２次空気システムは、以下の有利な特徴のうちの少なくとも１つを含むこともでき、
２次空気システムは、少なくとも１つのタービンを含むタイプのガスタービンの圧縮機に組み込まれるように設計され、
チャネリングシステムは、抽気ガスをタービンに送出する働きをし、
ロータは、ハブを有し、オリフィスのうちの少なくとも１つは、ハブに作られ、
２次空気システムは、複数の主ブレードおよび／または複数の中間ブレードを備えるロータを有する圧縮機に取り付けられるように設計され、
各主ブレードには、主前縁が設けられ、
各中間ブレードには、中間前縁が設けられ、
少なくとも１つのオリフィスの少なくとも一部は、主前縁と中間前縁との間に回転軸に関して軸方向に配置され、
少なくとも１つのオリフィスの少なくとも一部は、回転軸に対して軸方向に、および中間前縁の後の酸化剤ガスの流れ方向に配置され、
少なくとも１つのオリフィスの少なくとも一部は、主ブレードの前縁の前に回転軸に対して軸方向に配置され、
主または中間タイプの各ブレードは、負圧側面を含み、
少なくとも１つのオリフィスの少なくとも一部は、負圧側面のうちの１つの付近に回転軸に対して半径方向に配置される。
【００１４】
本発明の第３の目的は、酸化剤ガスの汚染に対して頑健な圧縮機ロータを提供することである。
【００１５】
このために、本発明の圧縮機ロータは、上で規定した通りの２次空気システムを含む。
【００１６】
本発明の第４の目的は、酸化剤ガスの汚染に対して頑健な圧縮機を提供することである。
【００１７】
このために、本発明の圧縮機は、上で規定した通りのロータを含む。
【００１８】
本発明の第５の目的は、酸化剤ガスの汚染に対して頑健なガスタービンを提供することである。
【００１９】
本発明の第６の目的は、圧縮機の回転速度に応じて抽気ガス流量を最適化する可能性を提供することである。
【００２０】
このために、本発明のガスタービンは、上で規定した通りの少なくとも１つの圧縮機を含む。
【００２１】
本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例として述べられる本発明のいくつかの実施形態についての以下の説明を読むことで、より一層明らかになる。
【００２２】
説明には、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の２次空気システムが取り付けられる圧縮機を有するガスタービンの垂直面の部分断面図である。
【図２】図１の平面の断面による、本発明の２次空気システムが取り付けられる圧縮機のロータの部分図である。
【図３】図２に規定される切断面ＩＩＩ−ＩＩＩに関する図２のロータの部分図である。
【図４】図１の平面の断面で示される、本発明の変形における２次空気システムが取り付けられる圧縮機のロータの部分図である。
【図５】図４に規定される切断面Ｖ−Ｖに関する図４のロータの部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明の２次空気システム１２が取り付けられるガスタービン１０を示している。ガスタービン１０は、たとえば、ヘリコプタなどの航空機に取り付けられるために設計されることが好ましい。
【００２５】
ガスタービン１０の一般的な機能は、それ自体知られており、本説明では詳細に記述されない。
【００２６】
示された実施形態では、ガスタービン１０は、酸化剤ガス、通常は空気（特に以下の本明細書においては、これは吸気ガスである）を受け入れるための入口１４を有する。
【００２７】
吸気ガスは、浮遊物中に粒子状の汚染物質、たとえば粉塵、花粉、または水蒸気を含む、または含む場合がある。
【００２８】
吸気ガスは、その後、少なくとも１つの圧縮段で圧縮される。この実施形態では、ガスタービン１０は、吸気ガスが第１の遠心圧縮機１６ａに流入し、かつ第１の遠心圧縮機１６ａによって圧縮されたガスが第２の遠心圧縮機１６ｂに流入するように、連続して配置される第１の遠心圧縮機１６ａおよび第２の遠心圧縮機１６ｂを有する。
【００２９】
従来の方法では、各遠心圧縮機１６ａ、１６ｂは、回転軸（Ｘ）の周りに回転動作でき、かつガスを加速するように構成されるロータ１８と、ガスの運動エネルギーの少なくとも一部分をガスの圧力の増加に変換するように構成されるステータ２０とを備える。
【００３０】
示された実施形態では、本発明の２次空気システム１２は、第２の遠心圧縮機１６ｂ、すなわち下流側圧縮機に取り付けられる。
【００３１】
以下の本明細書で「圧縮ガス」と呼ばれる少なくとも１つの圧縮機１６ａ、１６ｂによって圧縮されるガスは、その後、燃料と混合され次いで燃焼が行われる燃焼室２２に運ばれる。
【００３２】
次いで、以下の本明細書で「既燃ガス」と呼ばれる燃焼室２２からの既燃ガスは、既燃ガスの運動エネルギーの少なくとも一部分を、圧縮機１６ａ、１６ｂを少なくとも駆動する働きをする機械エネルギーに変換するように構成される少なくとも１つのタービン２４に運ばれる。
【００３３】
既燃ガスと接触している部品は、「高温」部品２６を構成する。既燃ガスは、前記高温部品２６と熱を交換する。
【００３４】
特定の高温部品は、それらの温度の上昇を制限するために、たとえばそれらの損傷を制限するために、冷却する必要がある。各タービン２４は、損傷を回避するために温度上昇を制限する必要がある高温部品２６の例を構成する。また、この抽気は、エンジンの特定の軸受を加圧するために使用され得る。
【００３５】
異なる実施形態では、本発明の２次空気システム１２は、必要な変更を加えながらも同様の方法で、第１の遠心圧縮機１６ａに取り付けられる。
【００３６】
一般に、ガスタービン１０が複数の遠心圧縮機を有する場合、本発明の２次空気システム１２は、前記遠心圧縮機のそれぞれに、および／または２つ以上の圧縮機に同等の方法で取り付けられ得る。
【００３７】
さらに、２次空気システム１２は、いかなるタイプの遠心圧縮機にも、および／または少なくとも１つの遠心圧縮機を含むいかなるタイプのガスタービンにも取り付けられ得る。たとえば、２次空気システム１２は、混流段または遠心段である最終圧縮段が設けられる多段圧縮機を備えるタイプのガスタービン１０に取り付けられ得る。
【００３８】
図２および図３は、本発明の２次空気システム１２が取り付けられる第２の遠心圧縮機１６ｂのロータ１８の詳細図である。
【００３９】
従来の方法では、ロータ１８は、中間タイプのブレード３２ｂと交互する複数の主タイプのブレード３２ａが延在する外表面３０によって少なくとも一部分が画定されるハブ２８を備えている。
【００４０】
酸化剤ガスは、回転軸（Ｘ）に関して軸方向にロータ１８の中に貫入し、次いで外表面３０に沿ってステータ２０に向かって流れる。酸化剤ガスの速度は、遠心加速度の結果としてその流れの端から端まで増加する。酸化剤ガスは、ロータ１８の上流端部からその下流端部に向かって方向付けられる流れ方向Ｄに流れる。
【００４１】
従来、各ブレード３２ａ、３２ｂは、ロータ１８の外表面３０から突出する対向する正圧側３４および負圧側３６を有する。負圧側面３６は、主ブレード３２ａについては主前縁３８ａによって、および中間ブレード３２ｂについては中間前縁３８ｂによって正圧側面３４に接続される。
【００４２】
本発明では、２次空気システム１２は、ロータ１８から酸化剤ガスを抽気する。このために、２次空気システム１２は、ロータ１８に酸化剤ガス抽気システム４０を備えている。抽気システム４０によって抽気されるガスは、以下の本明細書において「抽気ガス」と呼ばれる。
【００４３】
第２の圧縮機１６ｂのブレード３２ａ、３２ｂに沿った酸化剤ガスの流れは、複数の流体の流線に沿って生じる（図示せず）。外表面３０、ブレード３２ａ、３２ｂの正圧側面３４、または負圧側面３６と実質的に接触している流体の流線は、境界層４２を画定する。境界層４２には、当業者によく知られており、かつ酸化剤ガスの流れの中に乱流を生じさせ、その結果として遠心圧縮機の効率の損失を生じさせる剥離というデリケートな問題がある。
【００４４】
境界層４２から酸化剤ガスを抽気することは、有利なことに境界層４２の剥離にまつわるいかなる危険をも最小限度にする働きをし、それによって、第２の遠心圧縮機１６ｂの全体的な効率を増大させ、ロータ１８のブレード３２ａ、３２ｂに沿った酸化剤ガスの流れを改善する。
【００４５】
好ましい実施形態では、２次空気システム１２は、高温部品の温度を調整するために少なくとも１つの高温部品２６に、および好ましくは少なくとも１つのタービン２４に抽気ガスを運ぶ。このために、２次空気システム１２は、抽気ガス４４を導くためのチャネリングシステムを含んでいる。チャネリングシステム４４によって導かれるガスは、以下の本明細書では「導入ガス」と呼ばれる。
【００４６】
ロータ１８から酸化剤ガスを抽気することによって、酸化剤ガスに含まれることもある汚染粒子に遠心力を作用させることができ、それによって、酸化剤ガスを清浄にする。これにより、抽気システム４０を詰まらせることが回避され、それによって、抽気される酸化剤ガスの量が経時的に減少することが回避される。
【００４７】
示された実施形態では、チャネリングシステム４４は、ロータ１８内部のキャビティ４６を含み、抽気システム４０は、ロータ１８のハブ２８に作られる複数の角度配分されたオリフィス４８を含む。
【００４８】
示されていない本発明の変形では、チャネリングシステムは、随意に互いに連結され得る複数のキャビティを含むことができる。このような環境下で、各キャビティは、あるキャビティから別のキャビティまで異なる位置を有する１つまたは複数のオリフィスを含むことができる。
【００４９】
各オリフィス４８は、ロータ１８の外表面３０に配置される上面５０から延在し、軸方向チムニー４６に入る。各オリフィスは、オリフィス軸線（Ｙ）に沿って実質的に延在する。さらに、各オリフィス４８は、形状が実質的に円筒形であることが好ましいが、必ずしもそうとは限らず、各オリフィスは、一定であり、または実際には変化する断面を有し得ることが規定されている。
【００５０】
示された実施形態では、各オリフィス４８の少なくとも一部は、主前縁３８ａと中間前縁３８ｂとの間に回転軸（Ｘ）に対して軸方向に配置される。より詳細には、各オリフィス４８の上面５０が、主前縁３８ａと中間前縁３８ｂとの間に回転軸（Ｘ）に対して軸方向に配置される。
【００５１】
異なる実施形態では、各オリフィス４８の少なくとも一部は、回転軸（Ｘ）に対して軸方向に、および中間前縁３８ｂの後の流れ方向Ｄに配置される。
【００５２】
また、オリフィス４８は、ロータの上流端部と主前縁３８ａとの間に配置されることもできる。
【００５３】
また、各オリフィス４８の少なくとも一部は、負圧側面３６近くに回転軸（Ｘ）に対して半径方向に配置される。より詳細には、各オリフィス４８の上面５０は、隣接する主ブレード３２ａの正圧側面３４よりも主ブレード３２ａの負圧側面３６近くに回転軸（Ｘ）に対して半径方向に配置される。
【００５４】
図４に示されるように、第１の傾斜角度αは、外表面３０に対して接線方向でありかつ回転軸（Ｘ）と同一平面にある直線（Ｄ１）とオリフィスの軸線（Ｙ）との間に形成される配向角度であるように、各オリフィスについて規定される。
【００５５】
図５に示されるように、第２の傾斜角度βは、外表面３０に対して接線方向でありかつ回転軸（Ｘ）に対して直角である直線（Ｄ２）とオリフィスの軸線（Ｙ）との間に形成される配向角度であるように、各オリフィスについて規定される。
【００５６】
オリフィス４８の第１の角度αおよび／または第２の角度βが０°から９０°までの範囲にある場合、オリフィス４８は、２次空気システム１２によって抽気される空気の量の損失に対して耐汚染性を改善する。逆に、オリフィス４８の第１の角度αおよび／または第２の角度βが９０°から１８０°までの範囲にある場合、オリフィス４８は、汚染に対する頑健性を損なうことに対して２次空気システム１２によって抽気される空気の量を増加させる。
【００５７】
したがって、２次空気システム１２を構成する各オリフィス４８の第１の角度αおよび／または第２の角度βに作用することによって、抽気される酸化剤ガスの量と２次空気システム１２の汚染に対する頑健性との間の妥協点を変更または調整することができる。さらに、前記２次空気システム１２を構成する各オリフィス４８の第１の角度αおよび／または第２の角度βに作用することによって、圧縮機の所与の回転速度について抽気される酸化剤ガスの量を調整することができる。
【００５８】
その結果として、各オリフィス４８を通して流れる空気の流量は、第１の傾斜角度αを第１の所定値に設定することによって、および／または第２の傾斜角度βを第２の所定値に設定することによって予め定められ得る。したがって、圧縮機の所与の回転速度について、第１の角度αの値および／または第２の角度βの値は、オリフィス４８を通して流れる空気の流量を所定値に調整できるようにするパラメータであることが理解され得る。
【００５９】
もちろん、オリフィス４８の上で記述した実施形態は、限定的な性質のものではない。たとえば、ハブ２８の他にロータ１８の部分にオリフィスを作ることができる。また、軸方向の位置決め、および／または方位位置、および／または半径方向位置、および／または第１の角度α、および／または第２の角度βを変更しているオリフィス４８を提供することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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