JP2004068771A - 軸流圧縮機の静翼 - Google Patents
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- F05D2260/00—Function
- F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
Abstract
【課題】低損失化並びに低騒音化を実現可能なように改良された軸流圧縮機の静翼を提供する。
【解決手段】同一軸線上にて動翼と隣接配置される軸流圧縮機の静翼の前縁における頂角（負圧面と正圧面との間の角度）を、翼根部から翼端部にかけて漸増させるものとする。これにより、非定常的な流れが原因で生ずる静翼の損失を低減すると共に、騒音を低減することができる。
【選択図】 図４
【解決手段】同一軸線上にて動翼と隣接配置される軸流圧縮機の静翼の前縁における頂角（負圧面と正圧面との間の角度）を、翼根部から翼端部にかけて漸増させるものとする。これにより、非定常的な流れが原因で生ずる静翼の損失を低減すると共に、騒音を低減することができる。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸流圧縮機の静翼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転ハブの外周面に径方向に突設された多数の動翼と、動翼の径方向外端と適宜な間隙をおいてその内周面を対向させた外周ケーシングと、軸方向について回転ハブと隣接配置された内周ケーシングの外周面と外周ケーシングの内周面との間を動翼の下流側にて径方向に接続する多数の静翼とを有する軸流圧縮機が知られている（特開平１１−２００８０８号公報など参照）。
【０００３】
この軸流圧縮機においては、動翼の回転エネルギが流体の運動エネルギに変えられて流体が加速され、動翼の下流側に設けられた静翼で流れの向きが転向されることで減速して流体の静圧が高められる。従って軸流圧縮機の効率を高めるためには、低損失で流れの向きを転向させることが静翼に求められる。
【０００４】
他方、流体を加速するための動翼は、外周ケーシングの内周面にその径方向外端を適宜な間隙をおいて対向させた状態で高速回転し、その径方向外端付近には、壁面境界層の発達、衝撃波の発生、翼端漏れ流れの発生、及びこれらの互いの干渉により、極めて複雑な流れ場が形成されている。特に、動翼の翼端と外周ケーシングの内周面との隙間に発生する漏れ流れと互いに隣合う動翼同士間に発生する衝撃波との干渉により、動翼の後半部には、周方向に広がった低運動量域が形成される（図１０参照）。また動翼の出口には、翼面境界層の発達や剥離などにより、概ね翼面に沿う周方向幅の狭い動翼後流が形成される（図１１参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
而して、これらの低運動量域や動翼後流が周期的に流入するので、静翼列内の流れは非定常性が強くなっている。よって軸流圧縮機の効率を向上するための静翼形状は、動翼出口の定常的な流れだけでなく非定常的な流れも考慮しなければならない。また、このような静翼列内の非定常的な流れは、騒音発生の原因にもなり得る。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、低損失化並びに低騒音化を実現可能なように改良された軸流圧縮機の静翼を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、同一軸線上にて動翼と隣接配置される軸流圧縮機の静翼であって、当該静翼の前縁における負圧面と正圧面との頂角を、翼根部から翼端部にかけて漸増させることを特徴とする軸流圧縮機の静翼を提供するものとした。なお、本出願の明細書においては、静翼の前縁から翼弦長の５％位置での負圧面と正圧面とのなす角度で頂角を定義するものとする。
【０００８】
特に、翼端部の頂角を、翼根部の頂角の１．５倍から２．５倍の範囲に設定し、頂角の径方向についての分布を、無次元頂角θ´（頂角／翼根頂角）＝０．５Ｈ２＋１からθ´＝１．５Ｈ＋１の範囲とする（但しＨは、翼根を０、翼端を１とする翼根からの翼高比である）と良い。
【０００９】
このようにすれば、非定常的な流れが原因で生ずる静翼の損失を低減すると共に、騒音を低減することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明が適用される軸流圧縮機の動翼１と静翼２との関係を示している。軸流圧縮機においては、低運動量域や動翼後流（図１０、１１参照）は、動翼１から見た相対速度が低く、静翼２に流入する流入角度は大きい。つまり、流入角度が比較的大きい動翼後流や低運動量域の流れ（破線の矢印）と、流入角度が比較的小さい主流の流れ（実線の矢印）とが周期的に静翼２に流入することにより、静翼列内の流れは非定常性が強くなる。この非定常流れを緩和するためには、動翼出口の流れによる静翼入射角（流入角度と翼入口角度との差）の周期的な変化に対する耐力を高める必要がある。
【００１２】
この入射角の変化に対する耐力は、静翼前縁の負圧面と正圧面との間の頂角θを大きくすることによって増大し得るが、頂角θを大きくすると負圧面の翼面曲率が大きくなるので、流れの加減速によって翼面からの剥離が増大してしまう。逆にこの頂角θを小さくすると、低運動量域や動翼後流が流入した際に負圧面での入射角のずれが生じ、負圧面前縁付近での急激な加減速によって剥離が増大してしまう。
【００１３】
他方、動翼出口の流れは、上述の通り、動翼１の径方向外端付近では低運動量域が周方向に広がっているが、その他の径方向中間部付近から翼根付近にかけては周方向に幅の狭い動翼後流が流出している。これらの内、動翼後流は、主流との剪断流れによって静翼入口に達するまでに急速に混合してしまうが（図２参照）、低運動量域は、主流との混合が遅く（図３参照）、静翼の非定常流れを強くする要因となる。
【００１４】
上述の事情を考慮して本発明では、静翼前縁の頂角θの径方向分布を、低運動量域が周方向に広がる非定常流れの強い翼端付近は比較的大きな角度に設定し、動翼後流と主流とが急速に混合する翼根付近では比較的小さな角度に設定するものとした。
【００１５】
具体的には、静翼２の前縁から翼弦長の５％位置での負圧面と正圧面との間の頂角θにおいて、翼端部の最小値を翼根部の１．５倍とし、この場合の径方向分布を、無次元頂角θ´（頂角／翼根頂角）＝０．５Ｈ２＋１で表されるものとした。また、翼端部の最大値を翼根部の２．５倍とし、この場合の径方向分布を無次元頂角θ´（頂角／翼根頂角）＝１．５Ｈ＋１で表されるものとした。なお、この式でのＨは、翼根：０、翼端：１とした時の径方向位置の割合である。
【００１６】
頂角θの径方向分布を翼根部比（頂角／翼根頂角）で無次元化したθ´グラフを図４に示す。
【００１７】
本発明の一実施例として、動翼１の径方向外端の相対流入マッハ数が１．５、ケーシング内周面との隙間が翼高（径方向寸法）の０．５％である遷音速軸流圧縮機における動翼１の下流に設けられる静翼２に適用したものについての頂角θの径方向分布を図５に、それを無次元化したθ´グラフを図６に示す。
【００１８】
このように、翼端側へ行くに連れて静翼前縁の頂角を漸増することにより、頂角が一定の従来のものに比し、周期的な入射角変化に対する耐力が向上し、特に翼端部における低運動量域が流入した時の負圧面前縁付近における急激な加減速、剥離が抑えられ、非定常流れが緩和される（図７参照）。また、これにより、特に径方向外端付近での静翼前縁のばたつきが減少するので、動翼との干渉騒音の低減をも企図し得る。
【００１９】
そして翼根側の頂角を小さくすることにより、翼負圧面曲率を低減でき、翼面での加減速、それによる剥離を抑制することができる（図８参照）。
【００２０】
以上のようにして静翼２の翼間流れが改善されることにより、特に径方向外端付近の損失は約４０％低減され、翼根付近の損失は約１５％低減された。静翼全体として見ると、平均約１３％の損失低減効果が得られた（図９参照）。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、静翼前縁の翼端側の頂角を比較的大きくすることにより、周期的な入射角変化に対する耐力が向上し、低運動量域が流入した時の翼負圧面前縁付近における急激な加減速、剥離が抑えられ、非定常流れを緩和する上に大きな効果が得られる。また翼根付近の頂角を比較的小さくすることにより、翼面曲率が低減され、翼面での加減速、それによる剥離を抑制する上に大きな効果が得られる。これらによる静翼の翼間流れの改善により、主に翼端付近および翼根付近の静翼損失が低減され、翼端付近の非定常流れが緩和されることによって動翼との干渉騒音も低減する効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動翼と静翼との間の流れの関係を示す説明図
【図２】径方向中間部から翼根部にかけての動翼１ピッチ分の速度分布線図
【図３】翼端部の動翼１ピッチ分の速度分布線図
【図４】頂角の翼根比と静翼の径方向位置との関係線図
【図５】一実施例の頂角と静翼の径方向位置との関係線図
【図６】一実施例の頂角の翼根比と静翼の径方向位置との関係線図
【図７】静翼の翼端付近の翼間速度分布線図
【図８】静翼の翼根付近の翼間速度分布線図
【図９】一実施例の静翼の径方向位置と損失係数線図
【図１０】動翼の翼端付近の流れの概念図
【図１１】動翼出口の流れの分布図
【符号の説明】
１ 動翼
２ 静翼
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸流圧縮機の静翼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転ハブの外周面に径方向に突設された多数の動翼と、動翼の径方向外端と適宜な間隙をおいてその内周面を対向させた外周ケーシングと、軸方向について回転ハブと隣接配置された内周ケーシングの外周面と外周ケーシングの内周面との間を動翼の下流側にて径方向に接続する多数の静翼とを有する軸流圧縮機が知られている（特開平１１−２００８０８号公報など参照）。
【０００３】
この軸流圧縮機においては、動翼の回転エネルギが流体の運動エネルギに変えられて流体が加速され、動翼の下流側に設けられた静翼で流れの向きが転向されることで減速して流体の静圧が高められる。従って軸流圧縮機の効率を高めるためには、低損失で流れの向きを転向させることが静翼に求められる。
【０００４】
他方、流体を加速するための動翼は、外周ケーシングの内周面にその径方向外端を適宜な間隙をおいて対向させた状態で高速回転し、その径方向外端付近には、壁面境界層の発達、衝撃波の発生、翼端漏れ流れの発生、及びこれらの互いの干渉により、極めて複雑な流れ場が形成されている。特に、動翼の翼端と外周ケーシングの内周面との隙間に発生する漏れ流れと互いに隣合う動翼同士間に発生する衝撃波との干渉により、動翼の後半部には、周方向に広がった低運動量域が形成される（図１０参照）。また動翼の出口には、翼面境界層の発達や剥離などにより、概ね翼面に沿う周方向幅の狭い動翼後流が形成される（図１１参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
而して、これらの低運動量域や動翼後流が周期的に流入するので、静翼列内の流れは非定常性が強くなっている。よって軸流圧縮機の効率を向上するための静翼形状は、動翼出口の定常的な流れだけでなく非定常的な流れも考慮しなければならない。また、このような静翼列内の非定常的な流れは、騒音発生の原因にもなり得る。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、低損失化並びに低騒音化を実現可能なように改良された軸流圧縮機の静翼を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、同一軸線上にて動翼と隣接配置される軸流圧縮機の静翼であって、当該静翼の前縁における負圧面と正圧面との頂角を、翼根部から翼端部にかけて漸増させることを特徴とする軸流圧縮機の静翼を提供するものとした。なお、本出願の明細書においては、静翼の前縁から翼弦長の５％位置での負圧面と正圧面とのなす角度で頂角を定義するものとする。
【０００８】
特に、翼端部の頂角を、翼根部の頂角の１．５倍から２．５倍の範囲に設定し、頂角の径方向についての分布を、無次元頂角θ´（頂角／翼根頂角）＝０．５Ｈ２＋１からθ´＝１．５Ｈ＋１の範囲とする（但しＨは、翼根を０、翼端を１とする翼根からの翼高比である）と良い。
【０００９】
このようにすれば、非定常的な流れが原因で生ずる静翼の損失を低減すると共に、騒音を低減することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明が適用される軸流圧縮機の動翼１と静翼２との関係を示している。軸流圧縮機においては、低運動量域や動翼後流（図１０、１１参照）は、動翼１から見た相対速度が低く、静翼２に流入する流入角度は大きい。つまり、流入角度が比較的大きい動翼後流や低運動量域の流れ（破線の矢印）と、流入角度が比較的小さい主流の流れ（実線の矢印）とが周期的に静翼２に流入することにより、静翼列内の流れは非定常性が強くなる。この非定常流れを緩和するためには、動翼出口の流れによる静翼入射角（流入角度と翼入口角度との差）の周期的な変化に対する耐力を高める必要がある。
【００１２】
この入射角の変化に対する耐力は、静翼前縁の負圧面と正圧面との間の頂角θを大きくすることによって増大し得るが、頂角θを大きくすると負圧面の翼面曲率が大きくなるので、流れの加減速によって翼面からの剥離が増大してしまう。逆にこの頂角θを小さくすると、低運動量域や動翼後流が流入した際に負圧面での入射角のずれが生じ、負圧面前縁付近での急激な加減速によって剥離が増大してしまう。
【００１３】
他方、動翼出口の流れは、上述の通り、動翼１の径方向外端付近では低運動量域が周方向に広がっているが、その他の径方向中間部付近から翼根付近にかけては周方向に幅の狭い動翼後流が流出している。これらの内、動翼後流は、主流との剪断流れによって静翼入口に達するまでに急速に混合してしまうが（図２参照）、低運動量域は、主流との混合が遅く（図３参照）、静翼の非定常流れを強くする要因となる。
【００１４】
上述の事情を考慮して本発明では、静翼前縁の頂角θの径方向分布を、低運動量域が周方向に広がる非定常流れの強い翼端付近は比較的大きな角度に設定し、動翼後流と主流とが急速に混合する翼根付近では比較的小さな角度に設定するものとした。
【００１５】
具体的には、静翼２の前縁から翼弦長の５％位置での負圧面と正圧面との間の頂角θにおいて、翼端部の最小値を翼根部の１．５倍とし、この場合の径方向分布を、無次元頂角θ´（頂角／翼根頂角）＝０．５Ｈ２＋１で表されるものとした。また、翼端部の最大値を翼根部の２．５倍とし、この場合の径方向分布を無次元頂角θ´（頂角／翼根頂角）＝１．５Ｈ＋１で表されるものとした。なお、この式でのＨは、翼根：０、翼端：１とした時の径方向位置の割合である。
【００１６】
頂角θの径方向分布を翼根部比（頂角／翼根頂角）で無次元化したθ´グラフを図４に示す。
【００１７】
本発明の一実施例として、動翼１の径方向外端の相対流入マッハ数が１．５、ケーシング内周面との隙間が翼高（径方向寸法）の０．５％である遷音速軸流圧縮機における動翼１の下流に設けられる静翼２に適用したものについての頂角θの径方向分布を図５に、それを無次元化したθ´グラフを図６に示す。
【００１８】
このように、翼端側へ行くに連れて静翼前縁の頂角を漸増することにより、頂角が一定の従来のものに比し、周期的な入射角変化に対する耐力が向上し、特に翼端部における低運動量域が流入した時の負圧面前縁付近における急激な加減速、剥離が抑えられ、非定常流れが緩和される（図７参照）。また、これにより、特に径方向外端付近での静翼前縁のばたつきが減少するので、動翼との干渉騒音の低減をも企図し得る。
【００１９】
そして翼根側の頂角を小さくすることにより、翼負圧面曲率を低減でき、翼面での加減速、それによる剥離を抑制することができる（図８参照）。
【００２０】
以上のようにして静翼２の翼間流れが改善されることにより、特に径方向外端付近の損失は約４０％低減され、翼根付近の損失は約１５％低減された。静翼全体として見ると、平均約１３％の損失低減効果が得られた（図９参照）。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、静翼前縁の翼端側の頂角を比較的大きくすることにより、周期的な入射角変化に対する耐力が向上し、低運動量域が流入した時の翼負圧面前縁付近における急激な加減速、剥離が抑えられ、非定常流れを緩和する上に大きな効果が得られる。また翼根付近の頂角を比較的小さくすることにより、翼面曲率が低減され、翼面での加減速、それによる剥離を抑制する上に大きな効果が得られる。これらによる静翼の翼間流れの改善により、主に翼端付近および翼根付近の静翼損失が低減され、翼端付近の非定常流れが緩和されることによって動翼との干渉騒音も低減する効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動翼と静翼との間の流れの関係を示す説明図
【図２】径方向中間部から翼根部にかけての動翼１ピッチ分の速度分布線図
【図３】翼端部の動翼１ピッチ分の速度分布線図
【図４】頂角の翼根比と静翼の径方向位置との関係線図
【図５】一実施例の頂角と静翼の径方向位置との関係線図
【図６】一実施例の頂角の翼根比と静翼の径方向位置との関係線図
【図７】静翼の翼端付近の翼間速度分布線図
【図８】静翼の翼根付近の翼間速度分布線図
【図９】一実施例の静翼の径方向位置と損失係数線図
【図１０】動翼の翼端付近の流れの概念図
【図１１】動翼出口の流れの分布図
【符号の説明】
１ 動翼
２ 静翼
Claims (3)
- 同一軸線上にて動翼と隣接配置される軸流圧縮機の静翼であって、
当該静翼の前縁における頂角（負圧面と正圧面との間の角度）を、翼根部から翼端部にかけて漸増させることを特徴とする軸流圧縮機の静翼。 - 翼端部の頂角を、翼根部の頂角の１．５倍から２．５倍の範囲に設定することを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機の静翼。
- 頂角の径方向についての分布を、無次元頂角θ´（頂角／翼根頂角）＝０．５Ｈ２＋１からθ´＝１．５Ｈ＋１の範囲とする（但しＨは、翼根を０、翼端を１とする翼根からの翼高比である）ことを特徴とする請求項２に記載の軸流圧縮機の静翼。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002232379A JP3927887B2 (ja) | 2002-08-09 | 2002-08-09 | 軸流圧縮機の静翼 |
| US10/636,622 US6986639B2 (en) | 2002-08-09 | 2003-08-08 | Stator blade for an axial flow compressor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002232379A JP3927887B2 (ja) | 2002-08-09 | 2002-08-09 | 軸流圧縮機の静翼 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004068771A true JP2004068771A (ja) | 2004-03-04 |
| JP3927887B2 JP3927887B2 (ja) | 2007-06-13 |
Family
ID=32017804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002232379A Expired - Fee Related JP3927887B2 (ja) | 2002-08-09 | 2002-08-09 | 軸流圧縮機の静翼 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6986639B2 (ja) |
| JP (1) | JP3927887B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
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|---|---|---|---|---|
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| US9435221B2 (en) | 2013-08-09 | 2016-09-06 | General Electric Company | Turbomachine airfoil positioning |
| US10502220B2 (en) | 2016-07-22 | 2019-12-10 | Solar Turbines Incorporated | Method for improving turbine compressor performance |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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