(57)【要約】【課題】  大きな半径距離及び高いホイール速度において許容できる応力レベルで動作できる、軸流−遠心圧縮機を提供すること。【解決手段】  圧縮機装置（１０）、中心軸線（Ａ）の周りで回転するように取り付けられ、複数のインペラブレード（６６）を保持し、前方端（４０）及び後方端（４２）を有し、ディスク（４４）及び片持ちになった環状インペラアーム（４８）を含む遠心インペラ（３８）と、  前記インペラ（３８）に軸方向で隣接して配置された支持ディスク構造体（７４）と、を備える、前記支持ディスク構造体は、前記インペラアームにラベット継手（８４）によって結合される。【選択図】      図１
2016121676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線（Ａ）の周りで回転するように取り付けられ、複数のインペラブレード（６６）を保持し、前方端（４０）及び後方端（４２）を有し、ディスク（４４）及び片持ちになった環状インペラアーム（４８）を含む遠心インペラ（３８）と、
前記インペラ（３８）に軸方向で隣接して配置された支持ディスク構造体（７４）と、
を備える圧縮機装置（１０）であって、
前記支持ディスク構造体は、前記インペラアームにラベット継手（８４）によって結合される装置。
【請求項２】
前記ラベット継手は、前記インペラアームの半径方向外向きの動きを阻止するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ラベット継手は、前記インペラの前記前方端から軸方向にオフセットするように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
軸流圧縮機が前記支持ディスク構造体の上流に配置され、該軸流圧縮機は、前記支持ディスク構造体に機械的に結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記支持ディスク構造体は、前記インペラアームに形成されたラベットに係合して前記ラベット継手を形成するようになった片持ち式環状後方アームを備えたディスクを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記後方アームは、近位端及び遠位端を有し、半径方向厚さが低減されたネック部が前記近位端と前記遠位端との間に設けられる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記後方アームは、締まりばめによって前記ラベットに嵌合される、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記インペラアームは、集合的に前記ラベットを定める軸方向脚部及び半径方向脚部を備えた環状フックを含む、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記インペラアームは、環状フックを超えて軸方向前方に延びる、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記支持ディスク構造体は、半断面で略Ｔ形であり、半径方向内側端に設けられたハブと、半径方向外側端に設けられた前方アーム及び後方アームとを備えたディスクを有する、環状ボルテックススポイラである、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ターボ機械圧縮機に関し、より具体的には、当該圧縮機の遠心段に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、直列流体連通する圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。タービンは、機械的に圧縮機に結合され、これらの３つの構成要素は、ターボ機械コアを定める。コアは、公知の方法で作動可能であり、エンジンを作動させる高温高圧燃焼ガス流を発生すると同時に、推進力又は機械仕事をもたらすといった有効仕事を行うようになっている。
【０００３】
圧縮機の１つの公知の構成は、「軸流−遠心」圧縮機であり、これは下流遠心流部分に吐出する上流軸流部分を含む。いくつかの設計において、遠心流部分の入口において比較的大きな半径距離を有することが望ましい。しかしながら、リング半径の２乗に対応する速度に起因する応力によって、比較的小さな半径距離の増大が、遠心インペラの軸流部分への取付け部の近くでのフープ応力の著しい増大につながる場合がある。従って、遠心インペラは、半径距離及びホイール速度の組み合わせに起因して、自らの速度が引き起こした負荷を自己支持できないということになる。ＣＵＲＶＩＣ面継手及びボルト接合を含む２つの圧縮機部分の間の従来の結合方法は、この大きな半径距離及び高いホイール速度において許容できる応力レベルで動作することができない。
【０００４】
従って、大きな半径距離及び高いホイール速度において許容できる応力レベルで動作できる、軸流−遠心圧縮機に対するニーズが依然としてある。
【発明の概要】
【０００５】
１つの実施形態によれば、圧縮機は、軸流部分及び遠心部分を含む。ディスク構造体は、遠心部分を支持するために設けられ、ラベット継手によって遠心部分に結合される。
【０００６】
本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することで最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態により構成された圧縮機装置を組み込んだガスタービンエンジンの断面概略図。
【図２】図１の圧縮機装置の一部の拡大断面図。
【図３】図２の一部の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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及び２は、本発明の態様に従って構成された例示的な圧縮機１０を示す。図示の実施例において、圧縮機１０は、ガスタービンエンジン１２に組み込まれており、ガスタービンエンジン１２は、中心長手方向軸線「Ａ」を備え、一連の流れ順序で圧縮機１０、燃焼器１４、及びガス発生器タービン１６（燃焼器１４及び圧縮機１６は概略的に示す）を含む。本明細書で用いる場合、用語「軸方向」及び「長手方向」の両方は、軸線Ａに平行な方向を指し、一方で、用語「半径方向」は、軸方向に直交する方向を指し、用語「接線方向」又は「円周方向」は、相互に軸方向及び半径方向に直交する方向を指す。本明細書で用いる場合、用語「前方」又は「前部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に上流側にある位置を指し、用語「後方」又は「後部」は、構成要素を通過する又は構成要素の周囲を通る空気流の相対的に下流側にある位置を指す。この流れ方向は、図１では矢印「Ｆ」で示される。これらの方向に関する用語は、説明の際に便宜上使用されるに過ぎず、記載される構造体の特定の向きは必須ではない。
【０００９】
圧縮機１０は加圧空気を供給し、この加圧空気は、主として燃焼器１４に流入して燃焼を助けると共に、一部は燃焼器１４を迂回して燃焼器ライナ及びさらに下流のターボ機械を冷却するために利用される。燃料は、燃焼器１４の前方端に噴射され、従来通り空気と混合する。結果として得られた燃料−空気混合気は、燃焼器１４に流入して点火されて高温燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、ガス発生器タービン１６に排出され、ここで膨張してエネルギが抽出される。ガス発生器タービン１６は、軸１８を介して圧縮機１０を駆動する。図示の実施例において、エンジン１２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、機械的負荷に連結することができる出力軸２２に結合する。しかしながら、本明細書に記載の原理は、任意の軸流−遠心圧縮機にも同様に適用できる。例えば、これは外部原動機で駆動される圧縮機に適用することができる。
【００１０】
圧縮機１０は、軸流部分２４及び遠心部分２６を含む。この２つの部分２４及び２６は、タイロッド２８（タイロッド２８の一部のみが示されている）を用いて公知の方法で、軸線Ａに平行な相当な力で一緒にクランプされる。環状ケーシング３０は、圧縮機１０全体を取り囲む。断面で示すように、ケーシング３０の後方部分は外側スカート３２を含み、この外側スカート３２は、ケーシング３０の残部から半径方向外向きに末広になっており「Ｙ」形を成す。圧縮機１０の軸流部分２４は、軸方向流体流のために構成される。これは複数の段を含み、各段は、回転翼形部又はブレード３４の列、及び固定翼形部又はベーン３６の列を含む。ベーン３６は、上流のブレード３４の列から流出した空気流の方向を、下流のブレード３４の列に流入する前に変えるように機能する。
【００１１】
圧縮機１０の遠心部分２６は、遠心又は混成式の軸方向−遠心流体流のために構成される。これは、軸１８と一緒に回転するように取り付けられ、軸方向前方端４０及び後方端４２を有する。インペラ３８は、半径方向内側端に設けられたハブ４６を備えた環状インペラディスク４４を含む。環状インペラアーム４８は、インペラディスク４４から軸方向前方に延在する。インペラアーム４８は、インペラディスク４４から片持ちになっており、すなわち、近位端５０だけがインペラディスク４４に取り付けられ、インペラアーム４８の残部は支持されておらず、インペラアーム４８とインペラディスク４４の内側部分との間に支持構造体がない開放ギャップ５２が存在する。
【００１２】
インペラアーム４８は、半径方向内面５６から延在し、前方端４０から短い距離だけ軸方向後方にあるフック５４を含む。フック５４は半断面でＬ形であり、半径方向脚部５８及び軸方向脚部６０を有し、ラベット６２を形成する。
【００１３】
集合的に、インペラアーム４８及びインペラディスク４４は、概して凹曲面の内側流路表面６４を定める。内側流路表面６４は、前方端４０に向かって概して長手方向に延在すると共に後方端４２の近くで概して半径方向に延在する。翼形形状のインペラブレード６６の環状アレイは、内側流路表面６４から半径方向外向きに延びる。インペラブレード６６は、寸法、断面形状、方向、間隔、及び他のパラメータ（従来例に従う）に関して、インペラ３８が回転する際にそこを流れる空気の漸次的速度増加をもたらすように構成される。スプリッタブレード６８の環状アレイは、インペラ３８の周囲の周りでインペラブレード６６と互い違いになる。スプリッタブレード６８は、インペラブレード６６と形状が似ているが、軸方向長さが短い。
【００１４】
環状シュラウド組立体７０は、インペラ３８を取り囲む。シュラウド組立体７０は、インペラ６６及びスプリッタブレード６８の先端部に隣接してこれを取り囲む、概して凸曲面の外側流路表面７２を定める。内側流路表面６４及び外側流路表面７２は、全体として遠心部分２６を通る主流路を定める。シュラウド組立体７０の前方端は、ケーシング３０に隣接する。
【００１５】
支持ディスク構造体は、軸流部分２４と遠心部分２６との間に配置される。特定の実施例において、支持ディスク構造体は、ボルテックススポイラ７４の形態である。これは半径方向内側端にハブ７８を備えると共に半径方向外側端に前方アーム８０及び後方アーム８２を備えた環状ディスク７６を有する半断面で略Ｔ形の環状構造体である。ボルテックススポイラ７４の半径方向外側端は、前述の内側流路表面６４に続く流路表面８４を定める。半径方向に整列したチャンネル８６は、ボルテックススポイラ７４を貫通して延び、流路表面８４と連通する。チャネルの狙いは、エンジン１２の内部で二次空気として使用する（翼形部冷却、サンプ加圧等）空気流を流路から抽出することである。
【００１６】
以下、図３を参照してボルテックススポイラ７４とインペラアーム４８との間の接続を説明する。後方アーム８２は、ボルテックススポイラ７４のディスク７６から軸方向後方に延びる。後方アーム８２は、ディスク７６から片持ちになっており、すなわち、近位端８８だけがディスク７６に取り付けられ、後方アーム８２の残部は支持されておらず、後方アーム８２とディスク７６の内側部分との間に支持構造体がない開放ギャップ９０が存在する。後方アーム８２の遠位端９２はラベット６２に収容され、インペラアーム４８の一部は、軸方向で後方アーム８２とオーバーラップする。その結果、インペラ３８の前方端４０の軸方向後方において小さな距離「Ｄ」での２つの構成要素の間の有効な機械的結合がもたらされる。この結合は、一般に「ラベット継手」８３と呼ばれ、インペラ３８の前方端４０から「軸方向にオフセット」するものとして特徴付けることができる。
【００１７】
後方アーム８２の遠位端９２は、遠位端９４及び内面９６を含む。この継手は、静的集合状態（ｓｔａｔｉｃ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）において、内面９６とフック５４の軸方向脚部６０との間に僅かな半径方向の干渉があり、遠位端９４がフック５４の半径方向脚部５８に接触するような大きさである。後方アーム８２の半径方向外面とインペラアーム４８との間には小さな間隙がある。遠位端９４とフック５４との間の接合部には相当な軸圧縮応力が存在するので、ラベット継手８３に大きな摩擦荷重がもたらされ、これによってインペラ３８とボルテックススポイラ７４（結果的に軸流部分２４）との間のトルク伝達が可能になる。
【００１８】
後方アーム８２の形状及び寸法は、適度な大きさの剛性をもたらすように調整される。図示の実施例において、後方アーム８２は、後方アーム８２の残部に比べて小さな半径方向厚さを有するネック部９７を含む。これにより後方アーム８２の剛性が低下する。
【００１９】
作動時、インペラ３８は高速回転し、インペラアーム４８は著しいフープ応力を受ける。半径距離及びホイール速度の特定の組み合わせに起因して、インペラ３８は、自らの速度が引き起こした負荷を自己支持できない。適切な支持がない場合、インペラブレード６６の許容できない応力集中につながることになる。しかしながら、ラベット継手接続は、可撓性の、調整された支持又は拘束をもたらすボルテックススポイラ７４を半径方向でインペラアーム４８に係合する。従って、さもなければインペラアーム４８が伝達するフープ応力の一部は、ボルテックススポイラ７４のボアに伝達される。
【００２０】
本明細書に記載のラベット継手接続は、非常に大きなインペラ入口半径によって、ロータの相当な軸方向長を取り除くことができる圧縮機構成を可能にする。このことは、著しいエンジンレベルの軽量化につながる。従来のＣＵＲＶＩＣ面継手及びボルト接合を含む結合方法は、この大きな半径距離及び高いホイール速度において許容できる応力レベルで動作することができない。
【００２１】
前記は、隣接するディスクにラベット継手によって支持されたインペラアームを備えた圧縮機を説明している。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、及び／又はそのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。
【００２２】
本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される各特徴は、明示的に別途規定のない限り、同じ、等価の又は同様の目的を提供する代替の特徴で置き換えることができる。従って、明示的に別途規定のない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。
【００２３】
本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。本発明は、本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。
【符号の説明】
【００２４】
Ａ  軸線
Ｆ  流れ方向
Ｄ  距離
１０  圧縮機
１２  ガスタービンエンジン
１４  燃焼器
１６  ガス発生器タービン
１８  軸
２０  出力タービン
２２  軸
２４  軸流部分
２６  遠心部分
２８  タイロッド
３０  ケーシング
３２  外側スカート
３４  ブレード
３６  ベーン
３８  インペラ
４０  前方端
４２  後方端
４４  インペラディスク
４６  ハブ
４８  インペラアーム
５０  近位端
５２  開放ギャップ
５４  フック
５６  半径方向内面
５８  半径方向脚部
６０  軸方向脚部
６２  ラベット
６４  内側流路表面
６６  インペラブレード
６８  スプリッタブレード
７０  シュラウド組立体
７２  外側流路表面
７４  ボルテックススポイラ
７６  ディスク
７８  ハブ
８０  前方アーム
８２  後方アーム
８３  ラベット継手
８４  流路表面
８６  チャンネル
８８  近位端
９０  開放ギャップ
９２  遠位端
９４  遠位端
９６  内面
９７  ネック部
【図１】
2016121676.tif 000003
【図２】
2016121676.tif 000004
【図３】
2016121676.tif 000005
【外国語明細書】
2016121676000001.pdf