JP3779360B2 - ターボ機械の入口段用の超音速分配器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ機械、特に超音速タービンの分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
様々な静止型タービン分配器は、タービン駆動用ガスをタービンのロータ翼へ案内するためのものとして既に公知である。
【０００３】
仏国特許文献Ａ−２５６０２８７には、ロケットエンジンのターボポンプ用のタービン分配器の実施形態が開示されている。この固定された環状のステータノズル、即ち『分配器』は、離間して設けられた所定数のフィンを有し、このフィンは、所望によりガス流を分配し、そしてそのガス流を翼素へ向けて導くのに適切な形状を有する。この仏国特許文献Ａ−２５６０２８７に記載の装置では、各フィンは熱応力低減のため中空のコアを有し、射出成形されるセラミックや射出成形、鋳造または機械加工される耐火性金属から作製される。各フィンは角（つの）形の外側および内側プレートを有し、その外側および内側プレートにフィンボディが取り付けられている。更にフィン用の浮遊支持装置は、流体流の方向に対し各フィン自身が調節されるように設計されている。しかしながら、この構成は製造が複雑で、またこの形状はフィンにおける応力を増大する。
【０００４】
また翼素型の超音速分配器は、ターボポンプタービンの第一段用、特にロケットエンジンの燃料部の燃料を送り出すものとして公知であり、これらは、高圧低速流を、タービンの第一動輪へ供給するための大きな接線方向成分を備えた高速の超音速流へ変換する働きをする一体物として作製される。
【０００５】
低速ガスが流れるタービンの入口ボリュートにより与えられた一つの分配器では、分配器の翼素は、中実部材から機械加工され且つ各円筒流の中央子午面に対し接線方向の平面においてリング状に規則的に配設された一連の二次元超音速ノズルを構成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の翼素型の超音速分配器の例を図８〜図１１に示した。図８には従来の超音速分配器１０の出口平面の形状を示した。断面部分は、出口平面に近い翼素３の端部３１を示しており、この翼素３は拡大部分３１２および３１３によりハブ１および外側ケーシング２の両方に取り付けられている。
【０００７】
図９は超音速分配器１０に対し接線方向の平面である図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った拡大断面図である。図９には、偏向部分４３を有する一つの二次元ノズル４の通過通路の形状を示した。
【０００８】
図１０は図８の超音速分配器１０の部分斜視図であり、図１１は後縁付近の領域で図１０に示した部分を通る部分である。図１１において、翼素３は中央部分３１１を有し、この中央部分３１１は、矢印３１４および３１５で示した機械的な応力が集中する突然の厚み変化を引き起こす部分３１２および３１３を介してハブ１および外側ケーシング２へ取り付けられている。
【０００９】
図８〜図１１で示した種類の超音速分配器には幾つかの欠点がある。特に出口流が接線方向であり、その旋回運動が、動輪の上流で得られるのが望まれる半径平衡に当てはまらない。また接線方向の流れは動輪の外側ケーシングに当たり、動輪の入口で剥離を引き起こす可能性のある衝撃波を生成する。超音速に係わるボトミング(bottoming) およびステッピング(stepping)効果は、超音速分配器の出口での上記現象に重ねられる。
【００１０】
上記の種類の接線方向の翼素型の超音速分配器は、個々のノズルの側壁と動輪のケーシングとの間に段差がある三次元の厚い後縁を有する。従って大きな歪みが、径方向および方位角方向の両方の流れに存在する。特に、大きな品質悪化が、外側ケーシングに近い方位方向での平均の全圧力で観察され、この低下は、外側ケーシングにおける剥離の存在を露呈する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は従来の翼素型の超音速分配器の欠点を克服し、特に超音速度が出口で超音速分配器から確実に得られるようにすることであり、こうして第一タービンロータに対する入口における半径平衡に必要な条件が満たされ、組の翼素の全高にわたる速度プロファイルが良好なものとなる。
【００１２】
これら目的はターボ機械の入口段用の超音速分配器により達成され、この分配器は、外側ケーシングと、ハブと、リング状に周方向へ配設され且つハブへ取り付けられた一組の翼素とを具備し、高圧低速流を低圧超音速流へ変換する超音速流体路を翼素間に形成し、翼素は流体供給円環部内に周方向へ等間隔で配置され、また翼素は、所定径に対応した線上の断面において、即ち翼素−翼素平面において、二次元半ノズル形の輪郭を画成し、その輪郭は、上流側の直線部分と、流れをマッハ数１へ加速し且つ当該径の関数として変化する断面を有するスロートを画成する凸部分と、回転軸線に対し垂直に面とりされた後縁の均一流領域で終端する下流側の湾曲部分とを有する。
【００１３】
各翼素の凸部分の位置と下流側の湾曲部分の長さとは、超音速分配器を横断する方向の所望の圧力比の関数で決定される。
【００１４】
径方向における翼素の輪郭は、その輪郭が当該径／流の中間径の比に実質的に等しい値と幾何学的な同等性を維持しつつ重ねられて構成される。
【００１５】
各径に対する超音速分配器の出口角度は、各翼素を、その最も内側とその最も外側との間でねじることにより調節される。
【００１６】
鋭い後縁は、各翼素の全高にわたり維持される。ノズルスロートの断面と出口断面との比は、半径平衡の関係を満たすよう所望の圧力比の関数として各径に対して選択される。
【００１７】
また各翼素の後縁は、隣り合う翼素間のピッチの４％〜８％であることが有利である。
また翼素は、面とりされた後縁および前縁を除いて、径で変わり且つ角（かど）がない外形を有するのが有利である。
また翼素は別体として作製されてハブに取り付けられる。
一つの可能な特徴的な実施形態では、翼素はクリスマスツリー形の部分によりハブおよび外側ケーシングに固定される。
【００１８】
本発明の超音速分配器は粉末冶金技術を使用して作製される。
更に、本発明の超音速分配器では、翼素はマッハ１．２〜マッハ２．５の範囲の出口超音速流を形成するのに適している。
更に、本発明の分配器は特にターボポンプタービンに適している。
【００１９】
応用する際には、翼素の出口勾配は、分配器の軸線に対し６５°〜８０°の範囲であるのが有利である。
【００２０】
全ての場合において、本発明の超音速分配器の形状により、半径平衡を満足する出口超音速度を得ることが可能であり、また第一ロータの入口流が完全に供給されることを確実にすることが可能となる。
【００２１】
流は自然に旋回運動するので、超音速流と外側ケーシングとの間の相互作用に関連した損失が排除される。
【００２２】
更に、本発明の超音速分配器によって、これらが後縁の厚さにだけ起因するので、上記ボトミング(bottoming) 効果は減少される。
【００２３】
また本発明の超音速分配器の翼素のより大きな構造的均一さは、応力集中を手助けする突然の厚み変化を排除する限りにおいては、最も有利である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して特徴的な実施形態を説明し、本発明の他の特徴および利点を明らかにする。
【００２５】
図１はハブ１０１と外側ケーシング１０２との間に配設された一組の翼素１０３を具備する本発明の超音速分配器１１０の全体図である。翼素１０３は流体供給円環部を占めるリング状に周方向へ規則的に配置されている。
【００２６】
図２〜図５には、前縁１３２および後縁１３１を有する翼素１０３の間に形成された流体路１０４が示されている。所定径における断面、例えば最も内側の断面（図２参照）、中間の断面（図３参照）および最も外側の断面（図４参照）では、翼素１０３は二次元半ノズル形状を形成する。
【００２７】
図２〜図４の翼素−翼素平面における各翼素１０３の外形は、上流側の直線部分１３４と、流れをマッハ１へ加速するスロート１４２を画成する凸部分１３３と、回転軸線に対し垂直に面とりされた鋭い後縁１３１の流れが一様な均一流領域で終端する下流側の湾曲部分１３５とを有する。
【００２８】
各翼素１０３は、半ノズルを画成する壁１３６と凸部分のない壁１３７とを有する。隣接する二つの翼素１０３の間には、初めに凸部分のない壁１３７により画成され、次いで半ノズルを形成する壁１３６によって画成される流体路１０４が形成され、従って翼素１０３はその出口において約マッハ１．２〜マッハ２．５の範囲のマッハ数の超音速流を生成する。スロート１４２においてマッハ数１の流れは、フローチャネル、即ち流体路１０４の出口に到達するまで、下流へゆくに従い次第に加速される。ノズルのスロート１４２を画成する凸部分１３３の位置と翼素１０３の下流側の湾曲部分１３５の長さとは、超音速分配器を横断する方向における所望の圧力比の関数で決められる。
【００２９】
本発明の超音速分配器１１０の翼素１０３の輪郭の特徴は、特に鋭い前縁１３２と、同様に鋭い後縁１３１とが存在するということである。従って後縁１３１の厚さｅは、隣接する翼素１０３間のピッチｐの約４％〜８％の範囲にある（図３参照）。ピッチｐの約６％の後縁の厚さｅは、概して損失レベルを抑制し、流れの質を向上するのに満足な厚さである。
【００３０】
翼素１０３の高さＨの径方向における翼素１０３の輪郭は、その輪郭が当該径／流の中間径Ｒの比に実質的に等しい値と幾何学的な同等性を維持しつつ重ねられて構成される。
【００３１】
各径に対する超音速分配器からの出口角度は、最も内側のハブ１０１と最も外側の外側ケーシング１０２との間で翼素１０３をねじることにより調節される。これは、動輪の出口におけるマッハ三角形が径方向で変化することを確実にするように働く。
【００３２】
全ての場合で、翼素１０３の変化する輪郭は、面とりされた前縁および後縁を除いて、翼素に角（かど）のある部分が存在しないという利点もある。
【００３３】
翼素１０３を別体として作製してハブ１０１へ取り付けてもよい。例として図７に示したように、クリスマスツリー形状の端部分１３８および１３９により翼素１０３をハブ１０１および外側ケーシング１０２に固定してもよい。また粉末冶金技術を使用して本発明の翼素型の超音速分配器を作製してもよい。更に、翼素１０３の出口勾配は所望の利用形態により様々にできる。
【００３４】
ターボポンプタービンへ応用する場合には、超音速分配器の軸線に対する翼素１０３の勾配は約６５°〜８０°である。
【００３５】
ターボポンプタービンへ応用する際の本発明の翼素型の超音速分配器の特別な実施形態においては、
流の中間径Ｒ ＝１２０ｍｍ
翼素の高さＨ ＝１１．９ｍｍ
翼弦長Ｃ ＝１５．４ｍｍ
後縁の厚さｅ ＝翼素ピッチｐの６．６％
軸線に対する翼素の勾配＝出口において７４°
流体路数 ＝３１
拡張比 ＝６．５
という特徴がある。
【００３６】
図７は上記の実施形態に関し、最も内側の径（ベクトルＡ、Ａ’）、中間径（ベクトルＢ、Ｂ’）および最も外側の径（ベクトルＣ、Ｃ’）におけるタービンロータから上流の速度三角形を示す。ベクトルＡ、ＢおよびＣは、翼素１０３の最も内側の径、中間径、および最も外側の径において、７４°の絶対勾配βａにおけるマッハ数（つまりそれぞれ１．８６、１．７４および１．６３）に換算した出口速度の大きさを示す。これら速度の大きさは、半径平衡に適するよう翼素の高さを変える。
【００３７】
ベクトルＡ’、Ｂ’およびＣ’は、分配器の翼素１０３の最も内側の径、中間径、および最も外側の径において、７０．７°、７０．３°および６９．９°のそれぞれ相対角度βｒにおけるマッハ数（つまりそれぞれ１．５５、１．４２および１．３１）に換算したロータに対する入口における相対速度の大きさを示す。
【００３８】
これら速度の大きさにより、超音速分配器の出口での満足な半径平衡が得られ、適切な速度平衡が第一ロータの翼素の全高にわたりなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音速分配器の正面図である。
【図２】本発明の超音速分配器の翼素の輪郭のうち図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った翼素の最も内側の断面に対応した輪郭を示した断面図である。
【図３】本発明の超音速分配器の翼素の輪郭のうち図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った翼素の中間の断面に対応した輪郭を示した断面図である。
【図４】本発明の超音速分配器の翼素の輪郭のうち図１の線ＩＶ−ＩＶに沿った翼素の最も外側の断面に対応した輪郭を示した断面図である。
【図５】本発明の超音速分配器の翼素の全体形状の一例を示した部分断片図である。
【図６】翼素がどの様にハブおよび外側ケーシングに固定されているかを示した特徴的な例の出口平面に対し平行な平面の断面図である。
【図７】超音速分配器の最も内側、中間、および最も外側における本発明の超音速分配器の出口における速度三角形を示す図である。
【図８】一体物として作製された従来の超音速分配器の断面正面図である。
【図９】図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った拡大断面図である。
【図１０】図８の公知の超音速分配器の部分断片図である。
【図１１】出口平面に近い図８および図１０の超音速分配器の翼素を通る断面図である。
【符号の説明】
１０１…ハブ
１０２…外側ケーシング
１０３…翼素
１０４…流体路
１３１…後縁
１３２…前縁
１３３…凸部分
１３４…上流側の直線部分
１３５…下流側の湾曲部分
１４２…スロート

Claims (12)

1. ターボ機械の入口段用の超音速分配器であって、外側ケーシング（１０２）と、ハブ（１０１）と、これら外側ケーシングとハブとの間に形成された流体供給円環部内に周方向へ等間隔で配置された一組の翼素（１０３）とを具備し、隣接する翼素間に高圧低速流を低圧超音速流へ変換する超音速流体路（１０４）が形成されている超音速分配器において、前記ハブの中心軸線を中心とした円筒断面で上記超音速流体路を見た場合に、上記超音速流体路が、上流側の直線部分（１３４）と、流れをマッハ１へ加速し且つ断面が前記ハブの中心軸線からの径の関数で変化するノズルスロート（１４２）を画成する凸部分（１３３）と、直径方向に測ったときの各翼素の全高に亘って延び且つ前記ハブの中心軸線に対して垂直に面とりされた後縁（１３１）において均一流領域として終端する下流側の湾曲部分（１３５）とによって画成される二次元半ノズル形の輪郭を有し、各径におけるノズルスロート（１４２）の断面と出口断面との間の比を、旋回出口流に対応する半径平衡に適合する所望の圧力比の関数でもって選択し、出口速度のマッハ数が半径平衡に適するように翼素の高さに応じて変化して翼素の最も内側の部分（１０１）から翼素の最も外側の部分（１０２）に向かって小さくなるようにしたことを特徴とする超音速分配器。
2. 各翼素（１０３）の凸部分（１３３）の位置と前記下流側の湾曲部分（１３５）の長さとが当該超音速分配器を横断する方向の所望の圧力比の関数で決定されることを特徴とする請求項１に記載の超音速分配器。
3. 各翼素（１０３）の輪郭が前記ハブの中心軸線から前記流体供給円環部の最も外側までの径と最も内側までの径との中間の径（Ｒ）に対する各径の比に実質的に等しい値と幾何学的に同等性を維持した輪郭を径方向に重ねて構成された輪郭であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音速分配器。
4. 各径における当該超音速分配器の出口角度（β）が各翼素（１０３）をその最も内側とその最も外側との間でねじることによって調節されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の超音速分配器。
5. 径方向に測ったときの後縁（１３１）の長さが隣り合う翼素（１０３）間のピッチの４％から８％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の超音速分配器。
6. 各翼素（１０３）が角がないように径に応じて変化する外形を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の超音速分配器。
7. 前記翼素（１０３）がそれぞれ別体で作製されて前記ハブ（１０１）に取り付けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の超音速分配器。
8. 前記翼素（１０３）がクリスマスツリー形の部分によりハブ（１０１）と外側ケーシング（１０２）とに固定されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の超音速分配器。
9. 粉末冶金技術を用いて作製されていることを特徴とする請求項７または８に記載の超音速分配器。
10. 前記翼素（１０３）がマッハ１．２からマッハ２．５の範囲の出口超音速流を形成するのに適していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の超音速分配器。
11. ターボポンプタービンに適していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の超音速分配器。
12. 各翼素の出口勾配が前記ハブの中央軸線に対して６５°から８０°の範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の超音速分配器。

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