(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（１２）に取り付けたコンプレッサホイール（１６）のベーン（１６ｂ）の先端を所定のクリアランス（α）を介して覆うシュラウド（３２）を備えた遠心式コンプレッサにおいて、
前記シュラウド（３２）の縦断面は、均一な肉厚（ｔｉ）を有して回転軸（１２）の軸方向に延びる上流部分（３２ａ）と、この上流部分（３２ａ）の下流端から肉厚を漸増させつつ回転軸（１２）の半径方向外側に湾曲して延びる下流部分（３２ｂ）とを備えており、
前記上流部分（３２ａ）の軸方向長さと前記下流部分（３２ｂ）の軸方向長さとの比が略３：２に設定され、
前記下流部分（３２ｂ）の肉厚は、該下流部分（３２ｂ）の上流端が前記上流部分（３２ａ）の下流端と同じであり且つ該下流部分（３２ｂ）の上流端の肉厚（ｔｉ）と下流端の肉厚（ｔｏ）との比（ｔｏ／ｔｉ）が１．５の近傍となるように設定されることを特徴とする遠心式コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸に取り付けたコンプレッサホイールのベーンの先端を所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式コンプレッサと、回転軸に取り付けたタービンホイールのベーンの先端を所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式タービンとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転軸に取り付けたコンプレッサホイールで軸方向に吸入した空気を圧縮して半径方向外側に排出する遠心式コンプレッサでは、そのコンプレッサホイールのベーンの先端とシュラウドの内面との間に形成されるクリアランンスを小さく抑えることにより圧縮性能の向上を図ることができる。しかしながら、加工精度の制約や空気の圧縮熱によるシュラウドの熱膨張のために、前記クリアランスを減少させるには限界があった。そこで、コンプレッサホイールの下流端に対向するシュラウドの内壁面に流路断面積を減少させる段部を形成し、この段部でクリアランス内に漏れた空気を塞き止めて圧縮効率の低下を防止するものが、特開平５−１０６５９８号公報により提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のものは、コンプレッサホイールのベーンに挟まれた空間からクリアランス内に空気が漏れるため、漏れた空気にベーンが充分な遠心力を与えることができなくなって圧縮効率の低下が避けられないという問題があった。このように、ベーンの先端とシュラウドの内面との間のクリアランスが熱膨張により変動する問題は、遠心式タービンについても同様に発生する。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、コンプレッサホイールあるいはタービンホイールのベーンの先端とシュラウドの内面との間に形成されるクリアランンスの変動を小さく抑えて性能低下を防止することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸に取り付けたコンプレッサホイールのベーンの先端を所定のクリアランスを介して覆うシュラウドを備えた遠心式コンプレッサにおいて、前記シュラウドの縦断面は、均一な肉厚を有して回転軸の軸方向に延びる上流部分と、この上流部分の下流端から肉厚を漸増させつつ回転軸の半径方向外側に湾曲して延びる下流部分とを備えており、前記上流部分の軸方向長さと前記下流部分の軸方向長さとの比が略３：２に設定され、前記下流部分の肉厚は、該下流部分の上流端が前記上流部分の下流端と同じであり且つ該下流部分の上流端の肉厚と下流端の肉厚との比が１．５の近傍となるように設定されることを特徴とする遠心式コンプレッサが提案される。
【０００６】
上記構成によれば、回転軸の軸方向に延びるシュラウドの上流部分を均一な肉厚とし、この上流部分から半径方向外側に湾曲して延びる下流部分の肉厚を上流側から下流側に向けて漸増させ、上流部分の軸方向長さと下流部分の軸方向長さとの比を略３：２に設定し、下流部分の肉厚を、該下流部分の上流端が上流部分の下流端と同じであり且つ該下流部分の上流端の肉厚と下流端の肉厚との比が１．５の近傍となるように設定したので、前記下流部分の剛性を高めて熱膨張による軸方向の変位を抑制することができる。これにより、遠心式コンプレッサの圧縮性能に大きな影響を及ぼすコンプレッサホイールとシュラウドの下流部分とのクリアランスが変動するのを防止し、シュラウドの熱膨張による性能低下を最小限に抑えることができる。
【０００７】
尚、実施例のアウターシャフト１２は本発明の回転軸に対応する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【０００９】
図１〜図５は本発明の実施例を示すもので、図１はターボファンエンジンの縦断面図、図２は図１の２部拡大図、図３はシュラウドの縦断面図、図４はシュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの中間部の変位との関係を示すグラフ、図５はシュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの半径方向外端部の変位との関係を示すグラフである。
【００１０】
先ず、図１に基づいてターボファンエンジンの全体構造を説明する。ターボファンエンジンはインナーシャフト１１と、インナーシャフト１１の外周に相対回転自在に嵌合するアウターシャフト１２とを備える。インナーシャフト１１の前端には軸流式のファン１３が設けられ、後端には軸流式の第１段低圧タービンホイール１４および第２段低圧タービンホイール１５が設けられる。またインナーシャフト１１よりも短いアウターシャフト１２の前端には遠心式のコンプレッサホイール１６が設けられ、後端には軸流式の高圧タービンホイール１７が設けられる。
【００１１】
エンジンの前部から吸入されてファン１３で圧縮された空気の一部は、エンジンの外周に沿って配置されたバイパス通路１８を通ってエンジンの後部から排出され、また前記空気の残部はバイパス通路１８の半径方向内側に配置された圧縮空気通路１９を経てコンプレッサホイール１６に導かれる。コンプレッサホイール１６で更に圧縮された空気はアニュラ型の燃焼器２０に供給され、そこで燃料噴射ノズル２１から供給された燃料と混合して燃焼する。燃焼器２０において発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路２２の上流端に設けた高圧タービンホイール１７と、燃焼ガス通路２２の中間部に設けた第１段、第２段低圧タービンホイール１４，１５とを経てエンジンの後部から排出される。
【００１２】
図２から明らかなように、軸線Ｌまわりに回転するアウターシャフト１２の前部外周にスプライン結合３１されたコンプレッサホイール１６は、中実のディスク１６ａと、ディスク１６ａの前面に放射状に形成された多数のベーン１６ｂ…とを備える。コンプレッサホイール１６のベーン１６ｂ…の先端にはシュラウド３２が僅かなクリアランスαを介して対向しており、このシュラウド３２の内面とディスク１６ａの前面との間に形成された空間にベーン１６ｂ…が配置される。ベーン１６ｂ…の上流端はケーシング３３によって区画された圧縮空気通路１９に臨んでおり、またベーン１６ｂ…の下流端は燃焼器２０の外壁を構成するケーシング３４および内壁を構成するケーシング３５に接続部に臨んでいる。燃焼器２０の外壁を構成するケーシング３４は、バイパス通路１８の内壁を構成するケーシング３６にボルト３７…で結合される。
【００１３】
図３から明らかなように、シュラウド３２はアウターシャフト１２の軸線Ｌ方向に延びる上流部分３２ａと、この上流部分３２ａの下流端から半径方向外側に湾曲して延びる下流部分３２ｂとを備えており、上流部分３２ａの軸方向長さＡと下流部分３２ｂの軸方向長さＢとの比は約３：２とされる。そして上流部分３２ａは均一な肉厚ｔｉ（例えば、１．２ｍｍ）を有しており、下流部分３２ｂの上流端の肉厚は前記上流部分３２ａと同じであり、そこから下流端に向けて漸増している。下流部分３２ｂの下流端の肉厚ｔｏは上流部分３２ａの肉厚ｔｉの約１．５倍（例えば、１．８ｍｍ）とされる。
【００１４】
再び図２を参照して、コンプレッサホイール１６で圧縮された空気の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換すべく、多数のデフューザベーン３８ａ…を備えたデフューザ３８が燃焼器２０の外壁および内壁を構成するケーシング３４，３５の接続部に挟まれてボルト３９…で締結される。このとき、シュラウド３２の下流部分３２ｂがデフューザ３８およびケーシング３４間に挟まれて前記ボルト３９…で共締めされる。デフューザ３８は複数のフレームチューブ４０…を収納する燃焼器２０の内部に延びており、その下流側にマニホールド４１が一体に形成される。シュラウド３２の上流部分３２ａの外周面は、圧縮空気通路１９を区画するケーシング３３の内周面にシール部材４３を介して当接する。
【００１５】
而して、エンジンの運転に伴ってファン１３が空気を圧縮すると、空気の圧縮熱でシュラウド３２の上流部分３２ａの上流端の温度は約１００℃に、また下流部分３２ｂの下流端の温度は約４００℃に上昇するため、ステンレス製のシュラウド３２の各部は熱膨張により変形する。
【００１６】
図４のグラフは、シュラウド３２の上流部分３２ａの肉厚ｔｉと下流部分３２ｂの下流端の肉厚ｔｏとの厚さ比ｔｏ／ｔｉを変化させたときの、シュラウド３２の中央部Ｐ１（図３参照）の変位を示すものである。ここで変位Δｘはｘ軸方向（エンジンの後方が正）の変位を、変位Δｙはｙ軸方向（エンジンの半径方向外側が正）の変位を、合成変位Δは変位Δｘおよび変位Δｙの合成したものを示している。
【００１７】
同グラフから明らかなように、シュラウド３２の中央部Ｐ１の変位Δｙおよび合成変位Δは、厚さ比ｔｏ／ｔｉが１から２まで変化しても殆ど変化せず、約０．４ｍｍに保持される。それに対し、シュラウド３２の中央部Ｐ１の変位Δｘは厚さ比ｔｏ／ｔｉに応じて大きく変化する。すなわち、厚さ比ｔｏ／ｔｉが１から約１．４までの領域では変位Δｘは負値で−１．４ｍｍから０ｍｍまで増加し、厚さ比ｔｏ／ｔｉが約１．４から２までの領域では変位Δｘは正値で０ｍｍから約０．１ｍｍまで増加している。従って、シュラウド３２の中央部Ｐ１は厚さ比ｔｏ／ｔｉが約１．４のときにｘ軸方向に変位しなくなる。
【００１８】
図５のグラフは、シュラウド３２の上流部分３２ａの肉厚ｔｉと下流部分３２ｂの下流端の肉厚ｔｏとの厚さ比ｔｏ／ｔｉを変化させたときの、シュラウド３２の半径方向外端部Ｐ２（図３参照）のｘ軸方向の変位を示すものである。同グラフから明らかなように、シュラウド３２の半径方向外端部Ｐ２の変位Δｘは、厚さ比ｔｏ／ｔｉが１から約１．７５までの領域では負値であり、約−０．０３ｍｍから０ｍｍまで増加する。そして厚さ比ｔｏ／ｔｉが約１．７５から２までの領域では変位Δｘは正値であり、０ｍｍから約０．００４ｍｍまで増加している。従って、シュラウド３２の半径方向外端部Ｐ２は厚さ比ｔｏ／ｔｉが約１．７５のときにｘ軸方向に変位しなくなる。
【００１９】
シュラウド３２の上記熱膨張特性は、主としてシュラウド３２の下流部分３２ｂの肉厚ｔｏの増加に伴う剛性の増加に起因するものと考えられる。
【００２０】
尚、図４および図５のグラフで、厚さ比ｔｏ／ｔｉが１の場合は、図７に示す従来のシュラウド０１の上流部分０２および下流部分０３の全域に亘って肉厚が均一な場合に対応する。
【００２１】
以上のことから、シュラウド３２の上流部分３２ａの肉厚ｔｉと下流部分３２ｂの下流端の肉厚ｔｏとの厚さ比ｔｏ／ｔｉを１．５の近傍に設定すると、シュラウド３２の中間部Ｐ１から半径方向外端部Ｐ２までの範囲（おおよそシュラウド３２の下流部分３２ｂ）において、シュラウド３２のｘ軸方向の変位Δｘを最小限に抑え、コンプレッサホイール１６による空気の圧縮効率の低下を防止することができる。
【００２２】
すなわち、コンプレッサホイール１６の性能を大きく左右するのは圧縮された空気の圧力が最も高まるシュラウド３２の下流部分３２ｂのクリアランスαであり、この下流部分３２ｂではシュラウド３２の内面とコンプレッサホイール１６のベーン１６ｂ…の先端とがｘ軸の前後方向に対峙していることから、シュラウド３２の下流部分３２ｂのｘ軸方向の変位Δｘがクリアランスαの大きさを直接左右する。そしてシュラウド３２の下流部分３２ｂの内面がコンプレッサホイール１６のベーン１６ｂ…の先端に対してｙ軸方向に変位しても、その下流部分３２ｂのクリアランスαは殆ど変化しない。従って、シュラウド３２の下流部分３２ｂのｘ軸方向の変位Δｘを減少させれば、前記下流部分３２ｂのクリアランスαの変動を減少させてシュラウド３２の熱膨張による性能低下を最小限に抑えることができる。
【００２３】
次に、図６に基づいて本発明の参考例を説明する。
【００２４】
参考例は、回転軸１２′に支持されたタービンホイール１６′を覆うシュラウド３２′に本発明を適用したものである。タービンホイール１６′はタービンディスク１６ａ′およびベーン１６ｂ′…から構成され、ベーン１６ｂ′…の先端にクリアランスαを介して対向するシュラウド３２′は回転軸１２′の軸線Ｌ方向に延びる下流部分３２ａ′と、この下流部分３２ａ′の上流端から半径方向外側に湾曲して延びる上流部分３２ｂ′とを備える。シュラウド３２′の下流部分３２ａ′は均一な肉厚ｔｏ′を有しており、上流部分３２ｂ′の下流端の肉厚は前記下流部分３２ａ′と同じであり、そこから上流端に向けて漸増している。上流部分３２ｂ′の上流端の肉厚ｔｉ′は下流部分３２ａ′の肉厚ｔｏ′の約１．５倍とされる。
【００２５】
而して、ガスタービンエンジンの運転に伴って燃焼ガスがタービンホイール１６′を通過すると、燃焼ガスの熱でタービンホイール１６′を覆うシュラウド３２′が熱膨張する。このとき、第１実施例で説明したコンプレッサホイール１６のシュラウド３２と同様の作用により、肉厚の大きいシュラウド３２′の上流部分３２ｂ′の軸方向の変位が抑制されるため、最も高圧の燃焼ガスが流れるシュラウド３２′の上流部分３２ｂ′におけるクリアランスαの変動を防止し、タービンホイール１６′の動力性能の低下を防止することができる。
【００２６】
以上、本発明の実施例、及び参考例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００２７】
例えば、実施例の遠心式コンプレッサは流体の流入方向および流出方向が９０°を成しているが、本発明は流体の流入方向および流出方向が鈍角を成すいわゆる斜流式のものに対しても適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、回転軸の軸方向に延びるシュラウドの上流部分を均一な肉厚とし、この上流部分から半径方向外側に湾曲して延びる下流部分の肉厚を上流側から下流側に向けて漸増させ、上流部分の軸方向長さと下流部分の軸方向長さとの比を略３：２に設定し、下流部分の肉厚を、該下流部分の上流端が上流部分の下流端と同じであり且つ該下流部分の上流端の肉厚と下流端の肉厚との比が１．５の近傍となるように設定したので、前記下流部分の剛性を高めて熱膨張による軸方向の変位を抑制することができる。これにより、遠心式コンプレッサの圧縮性能に大きな影響を及ぼすコンプレッサホイールとシュラウドの下流部分とのクリアランスが変動するのを防止し、シュラウドの熱膨張による性能低下を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ターボファンエンジンの縦断面図
【図２】  図１の２部拡大図
【図３】  シュラウドの縦断面図
【図４】  シュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの中間部の変位との関係を示すグラフ
【図５】  シュラウドの上流部分および下流部分の厚さ比とシュラウドの半径方向外端部の変位との関係を示すグラフ
【図６】  本発明の第２実施例に係るタービンホイールおよびシュラウドの縦断面図
【図７】  従来のシュラウドの縦断面図
【符号の説明】
１２        アウターシャフト（回転軸）
１６        コンプレッサホイール
１６′      タービンホイール
１６ｂ      ベーン
１６ｂ′    ベーン
３２        シュラウド
３２′      シュラウド
３２ａ      上流部分
３２ａ′    下流部分
３２ｂ      下流部分
３２ｂ′    上流部分
α          クリアランス
【図１】
0004625158.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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