JP6209218B2 - ターボ機械用排気ハウジングハブ - Google Patents

Description

本発明は、全般的には、ターボ機械の分野に関し、特に、ターボ機械用排気ハウジングに関する。

ターボ機械は、長手方向軸に沿って伸びる主方向を有し、一般的には、ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって、ファン、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼室、高圧タービン、および特に排気ハウジングを含む低圧タービンを備える。排気ハウジングは、ターボ機械を通過する流体（もしくはガス流）の主流路を画定し、軸受支持部によって、ターボ機械のロータとステータとの同心度を維持し、さらに確実にモータの下流側端部をナセルに接続することができる。したがって、排気ハウジングは、非常に高い熱レベルにさらされる主要構造部の１つであり、非常に不安定な負荷が通過する場所である。

この排気ハウジングは、通常は、
‐ターボ機械の軸を中心としたハブ、
‐ハブと同軸の外側フレーム、および
‐ハブと外側フレームとを接続する１組のアームもしくはスリーブ
を含む。

ハブは、通常、（さまざまな形状の）フランジを備え、フランジの内側部分は、ロータをターボ機械の軸に中心合わせするための１つ（もしくはいくつかの）軸受支持部に接続され、外側部分は、取付支柱によって出口コーン（もしくは排気コーン、もしくは「プラグ」）に接続される。さらに、このフランジは、下方部で流路を画定し、アーム部を受容するように設計された開口部を有する金属薄板部品で覆われる。

これらのハブは、通常、変形可能でない、もしくはわずかだけ変形可能な形状（特に、Ｙ字状もしくはＨ字状）であり、このタイプの構造により、ハウジングの残りの部分、例えば、アームの前縁とフランジ（複数可）との交差部分に強い力が加わる。さらに、ターボ機械が動作している時に、排気ハウジングは高温および非常に高い温度過渡勾配を受ける。これは、特に、軸受支持部取付支柱の位置にある下方部とダクトプレートの位置にある上方部との間のハブに言えることである。最後に、ハブは、極限強度に関して、ブレードの損失により生じる力およびモーメントに耐えうるものでなければならない。

したがって、ハブは十分な剛性を有する必要がある。しかし、ハブは、同時に、排気ハウジングの全体の耐用年数を保証することができるように、十分な内部変形（もしくはハブが接線方向アームに結合される場合、ハウジングの軸を中心とした自由回転）に機械的に対応しうるものでなければならない。

ハブの剛性を考えると、強い過渡的温度勾配（平均的および／または局部的温度逸脱）による負荷は外側フレームの方向に、特に、アームの前縁および後縁の方向に変位される。しかし、変形を分散させて、排気ハウジングハブを構成するさまざまな部品に加わる力を制限するために、より可撓性のハブにした場合、ハブは、特に、振動して極限負荷を受けた状態のターボ機械の外側環境の影響を受けやすい。したがって、機械的拘束および振動拘束が変化した場合でも、ターボ機械が受ける機械力および振動力が変化した（温度場、極限負荷などが変更された）場合でも、安定して頑丈な状態を保つことができるように最小限の剛性を維持する必要がある。

したがって、同時に熱膨張を補償することができるハブを提案して、内側流路壁とアームの前縁との交差部分で３６０°にわたって半径方向変形を均一化するが、排気ハウジングの残りの部分の変形を妨げないことで早期崩壊を防ぐことが求められる。

現在提案されている解決策は、全般的には、追加の部品が必要である、つまり追加のコストおよび無視できない質量が加わることが多い、あまりに複雑すぎるために実現するのが難しい、または大きすぎるという理由から、全てのタイプのターボ機械に適用できるものではない。

例えば、ハウジングのさまざまな部品の相対膨張を補償するために、ハブと外側フレームとの間にアームを半径方向ではなく接線方向組み込むことが提案されている。この方法では、排気ハウジング内の温度勾配による部品の相対膨張の際に、ハブは外側フレームに対して回転し、そのことにより外側フレームがアームに強打されることを防ぎ、２つまたは複数の隣接部品間のさまざまな相対変形により外側フレームに穴が空くリスクを防ぐことができる。しかし、特定の排気ハウジングでは、ハブと外側フレームとの間の間隔が非常に狭く、このような接線方向のアームを実現することが制限される。したがって、この解決策は、全てのタイプのターボ機械に対して適用できるものではない。

さらに、ダクトプレートとフランジを２つの異なる部品で製造することにより、動作部品の熱膨張時に相対運動可能にすることで、これらの部品に加わる力およびアームとの交差部分に加わる力を低減することが提案されている。しかし、ダクトプレートとハブを分離することは、フランジやナットのような追加の固定手段を使用しなければならず、このことによりハブのサイズが大きくなり、ひいてはハウジングの総重量およびコストが増加することになる。さらに、この実施形態では、隙間から空気流がかなり漏れる場合がある。したがって、一部の排気ハウジングでは、依然として、フランジとダクトプレートを一体的に、すなわち、一体部品で形成する必要がある。

特開平０９−３２４６９９号公報では、内側流路壁を含み、内側流路壁からベーン、および内側流路壁を内部取付支柱に接続するための湾曲形状接続壁が伸びるターボ機械のハウジングのハブが提案されている。しかし、この特許文献で提案されている湾曲形状は、空気流を妨げて、局部的な空気力学的摂動を引き起こす可能性がある。さらに、接続壁の中央部の凹面は空洞を形成し、非常に有害な温度レベルである寄生的温度勾配を生成する可能性がある。

特開平０９−３２４６９９号公報

本発明の目的は、より多くのターボ機械に適用可能なハブおよびハウジングを提案することにより、ハウジングの耐用年数を改善すると同時に、外部振動負荷（例えば、ブレードの損失により引き起こされる負荷）、すなわち、ハウジングの接合部分（例えば、軸受、出口コーン、および排気ハウジングに隣接する全ての部品）から生じる負荷およびこのタイプのハウジングで動作時に得られる非常に大きな温度勾配に耐えることができるようにすること、および目標とするかさ高性、質量、および可撓性を満たすと同時に、安いコストで実現しやすくすることである。

上述の目的を達成するために、本発明は、軸受支持部に取り付けられるように設計された内側取付フランジ、壁部、環状接続壁、および環状内側流路壁を含み、接続壁は内側流路壁を内側取付フランジに接続するターボ機械の排気ハウジングハブであって、接続壁の半径方向断面は湾曲しており、排気ハウジングハブはさらに接続壁と内側流路壁との間で半径方向に伸びる一連のリブを含む排気ハウジングハブを提案する。

ハブは、排気ハウジング内の非常に大きな温度勾配に耐えることができ、また排気ハウジングが外側フレームの膨張を抑制しすぎないように、一般的には「呼吸する」ことができるほど十分な可撓性を示す。さらに、局部的に最適に補強されたリブにより、ファンブレードの可能性のある損失によりハブの境界に極度の力およびモーメントが生じた場合の負荷に耐えることができる。最後に、このように形成されたハブは、排気ハウジングが受ける動的負荷に耐えられるような寸法であると同時に、質量の仕様を順守し、他の機械的作業もしくは溶接作業の必要なしに一回の鋳造作業で製造することができる。

ハウジングハブの特定の好適であるが非限定的な特徴は、
‐接続壁、内側流路壁、および内側取付フランジは一体的に形成されること、
‐接続壁の半径方向断面の湾曲部には変曲点がないこと、
‐接続壁は、ハウジングの上流側部分に向けて配向された凹面を有すること、
‐接続壁の半径方向断面は、内側流路壁の近くの内側取付フランジと、ハブの下流側部分に向かって半径方向に伸びる略直線状の第１の部分と、湾曲状で、凹面がハブの上流側に向けて配向された第２の部分とを含むこと、
‐接続壁と内側流路壁との接合部に位置する接続壁の上流側端部（ガスの流れ方向に対して）は、内側流路壁に略平行な接平面を有すること、
‐ハブはさらに、内側流路壁と接続壁との交差部分に余肉部を含むこと、
‐ハブはさらに、内側流路壁から伸びて内側流路壁と一体的に形成され、ハウジングと相補的形状のアームの第２の部分に取り付けられるように設計されたアームの第１の部分を含むこと、
‐余肉部は、アームの第１の部分の前縁に沿って伸びること、および
‐ハブはさらに、一連のリブの下流側で内側流路壁から半径方向に伸びる環状リッジを含むこと
である。

第２の態様によれば、本発明はさらに、長手方向軸に沿って伸びる主方向を有し、
‐長手方向軸を中心とした上述のハブ、
‐ハブと同軸の外側フレーム、および
‐内側流路壁を外側フレームに接続する１組のアーム
を含むターボ機械用排気ハウジングを提案する。

第３の態様によれば、本発明は、上記ハウジングを含むターボ機械を提案する。

本発明の他の特徴、目的、利点は、非限定的な例として挙げられた添付図面を参照した後述の詳細な説明からより明らかになるであろう。

本発明のターボ機械の排気ハウジングの一例の部分断面図である。 本発明のハブ２の一実施形態の斜視図である。 図１の排気ハウジング例の部分斜視図である。 図１の詳細図である。

本発明をターボ機械の排気ハウジングへの適用に関して後述する。しかし、本発明は、温度勾配を受け、大きな負荷に耐えることができる必要のある任意の環状ハウジングに適用される限り、以下の内容に限定されない。

本発明のターボ機械の排気ハウジング１は、長手方向軸Ｘに沿って伸びる主方向を有し、
‐排気ハウジング１の軸Ｘを中心としたハブ２、
‐ハブ２と同軸の外側フレーム３、および
‐ハブ２と外側フレーム３とを接続する１組のアーム４
を含む。

ハブ２は、略環状形状であり、内側は内側取付フランジ２４によって軸受支持部５に接続され、下流側では、外側部分は外側取付フランジ２６によって排気出口コーンに接続される。

ハブ２は、外側フレーム３に対向して位置決めされ、内側ガス流路を画定するように設計された環状内側流路壁２０を含み、そこから環状接続壁２２が半径方向内側に伸びる。図１に示されているように、接続壁２２と内側流路壁２０との交差部分は、排気ハウジング１のアーム４の前縁ＢＡと合致し、この領域で半径方向変位を３６０°にわたって均一化し、過負荷の発生を抑えることができるように形成された余肉部を含むことができる。

内側取付フランジ２４は、接続壁２２と一体部品で形成されて、接続壁２２の自由端２３から伸び、外側取付フランジ２６は、内側流路壁２０と一体的に形成されて、内側流路壁２０の自由端２１から伸びる。

接続壁２２の半径方向断面（長手方向軸Ｘに垂直な面内にある）は湾曲しており、竪琴もしくはコンマの形状を有することにより、ハブ２はアーム４および外側フレーム３の膨張に対応できるほど十分な可撓性を有することができるが、内側流路壁２０とアーム４の前縁との交差部分では、温度および機械的観点から、内側流路壁２０の半径方向変形を３６０°にわたって均一化することができるのに十分な剛性を有することができる。接続壁２２の半径方向断面の凹面は、変曲点がなく上流側に向けて配向されることにより、（開閉することで）変形して、ハブ２の温度勾配により引き起こされる排気ハウジング１の外側フレーム３に対する相対膨張を補償することができる。接続壁２２は、実際に、より可撓性な形状を有することで、さまざまな異なる変形の影響を受けて曲げ変形することができる。

例えば、図４に示されているように、接続壁２２の半径方向断面は、内側流路壁２０に取り付けるための内側取付フランジ２４を含み、
‐外側取付フランジ２６に向かって半径方向に伸びる略直線状の第１の部分２２ａであって、２０°〜６０°、好ましくは、およそ４０°の角度αで（排気ハウジング内のガスの流れ方向の）下流側に向かって全体的に傾斜した半径方向断面を有し、この場合、角度αは接続壁の第１の部分２２ａが伸びる軸Ｘａとアーム４の前縁ＢＡの傍を通る排気ハウジングの軸に略垂直な軸Ｙとの間で測定される、第１の部分２２ａと、
‐湾曲形状の第２の部分２２ｂであって、凹面はハブ２の上流側に向けて配向され、例えば、その半径方向断面は、１５ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは１５ｍｍ〜２０ｍｍ、例えば、およそ１８．５ｍｍの半径Ｒ２を有する第２の部分２ｂと、
‐湾曲形状の第３の部分２２ｃであって、凹面はハブの上流側に向けて配向され、上流側端部は接続壁２２と内側流路壁２０との接合部に位置し、この第２の上流側端部では、第３の部分２２ｃは内側流路壁２０に略平行な接線部分を有することで、排気ハウジング内のガス流を乱さない緩やかな接合部を形成し、第３の部分２２ｃと内側流路壁２０は接点を有し、例えば、第３の部分の断面は、５ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜１５ｍｍ、例えば、およそ１２ｍｍの半径Ｒ１を有する第３の部分と
を含むことができる。

第２の部分２２ｂと第３の部分２２ｃが一体になって、接続壁２２の凹部を形成する。

一方の第１の部分２２ａと、他方の第２の部分２２ｂおよび第３の部分２２ｃとは、ほぼ等しい湾曲長を有する。さらに、接続壁２２と内側流路壁２０との交差部分は、接続壁２２の自由端２３のほぼ垂直上方に位置する、すなわち、ハウジング１の軸Ｘを通る同じ半径方向面に位置する。

接続壁２２は、比較的薄くすることができる。例えば、接続壁の厚さは、およそ内側流路壁の厚さである、すなわち、１ｍｍ〜３ｍｍである。

したがって、ハブ２は、さまざまな負荷を受ける時に、開いて曲がる（曲率は停止時より大きい）もしくは伸びて内側取付フランジ２４から内側流路壁２０を分離する接続壁２２の位置で変形することができるので、ハブ２もしくは排気ハウジング１の残りの部分が損傷するのを防ぐことができる。

内側流路壁２０は、接続壁２２と一体的に、すなわち一体部品で形成されることにより、漏れの危険性を排除し、ハブ２のかさ高性および全体的な質量を低減することができる。さらに、ハブ２の全体的な質量を最適化するように、内側流路壁２０は、前縁ＢＡ以外で比較的薄く、前縁ＢＡでは、後述するように、内側流路壁２０は、３６０°にわたって半径方向変形を均一化するように環状余肉部２９を有する。

内側流路壁２０および接続壁２２は、ハブ２用の従来の材料、すなわち、長期にわたって使用する際に、ハブ２が受ける非常に高い温度（およそ６５０℃〜７００℃）に耐えることができると同時に、低サイクルおよび振動疲労に耐えることができ、負荷に対して十分な耐性を有する材料で、鋳造によって製造されるのが好ましい。例えば、壁２０および壁２２は、ニッケルクロム合金製とすることができる。

排気ハウジング１のアーム４は、ハブ２の内側流路壁２０と外側フレーム３との間に伸びる。実現可能性の課題に関しては、アーム４は、アーム４の基部を形成し、内側流路壁２０から半径方向に伸びる第１の部分４２と、壁４本体を形成し、外側フレーム３から半径方向に伸びる第２の部分４４との２つの部分で形成されるのが好ましい。

基部４２は、ハブ２の内側流路壁２０と一体的に形成されるのが好ましく、本体４４は、例えば、鋳造によってフレーム３と一体的に形成することができる。壁の２つの部分４２、４４は、その後、互いに対向して位置決めされて、例えば、溶接面４３に沿った溶接によって接合されることで、ハブ２と外側フレーム３とを接続することができる。

１つの実現形態によれば、足部４２の高さは、アーム４の全高の４分の１以下である。この場合、内側取付フランジ２４および外側取付フランジ２６の一部と、接続壁２２と、内側流路壁２０と、基部４２とから成るハブ２の離型は、溶接面４３が内側流路壁２０からより大きく離間した場合よりも、さらに容易に行うことができる。しかし、溶接面４３を考慮に入れると、アーム４を内側流路壁２０に接続する半径を遮らないように、基部４２の高さは０ではない。

負荷状態、特に、極限負荷状態（ブレードの損失など）での性能もしくは軸受の性能を改善するために、ハブ２の内側流路壁２０はさらにリブ２８を含むことができる。リブ２８は、排気ハウジング１の壁４に対向して、内側流路壁２０と接続壁２２との間に伸びるのが好ましい。このことが、熱的拘束および極限負荷により生じるハブ２の変形に対する耐変形性を改善する。

例えば、ハブ２は、排気ハウジング１のそれぞれのアーム４に対向する２つのリブ２８を含むことができる。

リブ２８は、内側流路壁２０および接続壁２２と一体的に形成される。図２および図３に示されているように、リブはそれぞれ、上部壁および下部壁の延長部に位置決めされる２つの半径方向リッジ２８ａ、２８ｂであって、アーム４の後縁ＢＦと合致するまで内側流路壁２０の下流側端部２１に向かって接続壁２２の軸Ｘに平行に伸びる半径方向リッジ２８ａ、２８ｂを含むことができる。したがって、リブの半径方向リッジ２８ａ、２８ｂは、まず、ガスの流れ方向の上流側から下流側に先細形状で、その後、合流する形となることで、アーム４およびハブ２の軸受支持部によって引き起こされる変化に十分に耐えることができるようになる。

また、リブ２８の高さ（軸Ｘに対する半径方向の高さ）は、接続壁２０の位置の上流側端部と、アーム４の後縁ＢＦに対して直角である下流側端部との間でさらに変化する。この場合、リブ２８の高さは、図２および図３に示されているように、接続壁２２の位置で最大であり、その後、下流側に向かってリッジ２８ａとリッジ２８ｂとが合流するまで減少して、リブ２８の下流側端部まで一定になることで、ハブ２の全体の質量を最適化すると同時に、リブ２８によって負荷状態での性能を変わらずに保証することができる。

さらに、ハブ２は、補剛材２８ｃを含むことで、アーム４の後縁ＢＦの近くの内側流路壁２０の下流側で３６０°にわたって半径方向の変形を均一に分散させ、負荷状態のリブを支えることができる。補剛材２８ｃは、特に、リブ２８の下流側端部で、もしくはアーム４の後縁ＢＦに対して直角に、内側流路壁２０から半径方向に伸びるハブ２と同軸の環状リッジとすることができる。この場合、補剛材２８ｃは、リブ２８のリッジ２８ａ、２８ｂの下流側端部の高さに等しい高さまで伸びる。

最後に、ハブ２はさらに、アーム４の前縁ＢＡに対して直角に、接続縁部２２と内側流路壁２０との交差部分に環状余肉部２９を含むことができる。図１および図３に示されているこの余肉部２９により、実際に、排気ハウジング１が熱的拘束もしくは負荷を受けても、内側流路壁２０の半径方向変形を３６０°にわたって均一化することができる。また、この余肉部２９により、局部的にハブ２を補強して、ファンブレードの可能性のある損失によりハブ２の境界に過度の力およびモーメントが生じた場合の耐負荷性を向上させることができる。

余肉部２９は、好ましくは、局部的であり、内側流路壁２０全体には伸びず、ハブ２の全体の質量を低減するために薄く保たれる。例えば、余肉部は、４ｍｍ〜８ｍｍ、一般的には、およそ５ｍｍの厚さの半径方向断面を有することができる。図示されているように、余肉部２９は、接続壁２２と内側流路壁２０との接合部に位置決めされ、全体的に接続壁２２の第３の部分２２ｃに沿って伸びる。

Claims (12)

1. 軸受支持部（５）に取り付けられる内側取付フランジ（２４）、環状接続壁（２２）、および環状内側流路壁（２０）を含み、接続壁（２２）は内側流路壁（２０）を内側取付フランジ（２４）に接続するターボ機械の排気ハウジング（１）のハブ（２）であって、接続壁（２２）の半径方向断面は湾曲していること、およびハブ（２）はさらに接続壁（２２）と内側流路壁（２０）との間で半径方向に伸びる一連のリブ（２８）を含むことを特徴とするハブ（２）。
2. 接続壁（２２）、内側流路壁（２０）、および内側取付フランジ（２４）が、一体的に形成される、請求項１に記載のハブ（２）。
3. 接続壁（２２）の半径方向断面の湾曲部には変曲点がない、請求項１または請求項２のいずれかに記載のハブ（２）。
4. 接続壁（２２）が、ハウジング（１）の上流側に向けて配向された凹面を有する、請求項１〜請求項３のうちの一項に記載のハブ（２）。
5. 接続壁（２２）の半径方向断面が、内側流路壁（２０）に取り付けるための内側取付フランジ（２４）を含み、
   ‐ハブ（２）の下流側に向かって半径方向に伸びる略直線状の第１の部分（２２ａ）と、
   ‐湾曲形状で、凹面がハブ（２）の上流側に向けて配向された第２の部分（２２ｂ、２２ｃ）と
   を含む、請求項１〜請求項４のうちの一項に記載のハブ（２）。
6. 接続壁（２２）と内側流路壁（２０）との接合部に位置する接続壁（２２）の上流側端部が、内側流路壁（２０）に略平行な接平面を有する、請求項１〜請求項５のうちの一項に記載のハブ（２）。
7. 内側流路壁（２０）と接続壁（２２）との交差部分に余肉部（２９）をさらに含む、請求項１〜請求項６のうちの一項に記載のハブ（２）。
8. ハブ（２）がさらに、内側流路壁（２０）から伸びて内側流路壁と一体的に形成され、ハウジング（１）と相補的形状のアームの第２の部分（４４）に取り付けられるように設計されたアームの第１の部分（４２）を含む、請求項１〜請求項７のうちの一項に記載のハブ（２）。
9. 余肉部（２９）が、アームの第１の部分（４２）の前縁（ＢＡ）に対して直角に伸びる、請求項７および請求項８に記載のハブ（２）。
10. 一連のリブ（２８）の下流側で内側流路壁（２０）から半径方向に伸びる環状リッジ（２８ｃ）をさらに含む、請求項１〜請求項９のうちの一項に記載のハブ（２）。
11. 長手方向軸（Ｘ）に沿って伸びる主方向を有するターボ機械用排気ハウジング（１）であって、
    ‐長手方向軸（Ｘ）を中心とした請求項１〜請求項１０のうちの一項に記載のハブ（２）、
    ‐ハブ（２）と同軸の外側フレーム（３）、および
    ‐内側流路壁（２０）を外側フレーム（３）に接続する１組のアーム（４）
    を含む、排気ハウジング（１）。
12. 請求項１１に記載の排気ハウジング（１）を含むことを特徴とする、ターボ機械。

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