JP2004520517A - 軸流圧縮機 - Google Patents

Abstract

各々周囲方向に整列した案内羽根（１５）を備えた一つ以上の軸方向に離間したステータ部分（１４）と、各々周囲に整列したロータブレード（１５；Ａ，Ｂ）備えた一つ以上のロータ部分（１２、１６）とを有し、二つの連続したロータブレード（Ａ、Ｂ）間に流路が形成され、ステータ部分とロータ部分との間には、第２ロータブレード（Ｂ）の前縁の上流ある一定の距離に位置した流路の最狭横断面領域（ａ_２）から第２ロータブレード（Ｂ）の前縁の近くに位置した比較的広い横断面領域（ａ_３）までのびる拡散領域（Ｃ）を各流路に形成するように発散形態の軸方向ギャップ（２２、２３、２４）が設けられ、各流路が比較的広い横断面領域（ａ_３）からロータブレード（Ａ、Ｂ）の後縁までのびる実質的に非増大横断面積の転移領域（Ｄ）を備えている軸流圧縮機。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの軸方向部分が周囲方向に整列した流れ方向案内羽根を備えているステータと、少なくとも一つの軸方向部分が周囲に整列したロータブレードとを有し、案内羽根とロータブレードとの間及び内周壁と外周壁との間に複数の平行な流路が形成され、また連続したロータブレード間には複数のロータ流れ通路が形成され、これらののロータ流れ通路をとおって流路がのびている軸流圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記型の従来技術の圧縮機においては、各圧縮機段を横切って増大した圧力比及び（又は）増大した効率をいかにして得るかという問題がある。これらの目的に対して限界及び臨界であるファクターは、圧縮機を通る空気の流れの平均速度である。増大した空気の流れの速度によって各圧縮機段を横切っての比較的高い圧力比及び（又は）増大した効率が得られることは周知の事実である。しかし、従来技術の圧縮機においては、超音速では避けのが難しくしかも圧力比及び圧縮機効率にとって良くない衝撃波が空気の流れ中に生じるため、流速は音速より十分低く、すなわちマッハ数１．０以下、通常約０．７に保たれる。マッハ数１．０以下、通常約０．７に保つことによって、マッハ数１．０には到達せず、衝撃波が生じないことが保証される。
【０００３】
マッハ数において０．７〜１．０のこのように大きな“安全“マージンを使用する理由は、従来技術の圧縮機では空気の流速が通常ステータまたはロータ部分の流路の下流端部で局所的に増大するためである。このように速度の増大する理由は、二枚の案内羽根間又は二枚の駆動ブレード間の流路から離れていく際に、空気の流れ方向が変化するために空気の流れが接線方向に縮流することにある。このように流速が増大すると、空気の流速はマッハ数約１．０に達し、空気の流れ中に望ましくない衝撃波が発生する。圧縮機内のあらゆる位置において音速に達しないようにするために、空気の流速は“安全な”マッハ数０．７以下に保たれる。
【０００４】
マッハ数１．０を越える速度で運転し、衝撃波のマイナスの影響を避けるように特殊な構成にされた遷音圧縮機がある。しかし、この形式の圧縮機は、また本発明に従ってステータ及びロータの流路における空気の流れ損失が低いという利点が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の主目的は、亜音速の空気流速で運転し、マッハ数が１．０のレベルに到達する危険なしにステータ及びロータ部分を通る平均空気流速を相当に増大できるようにして空気の流れ通路を改善した上記型の圧縮機を提供することにある。
【０００６】
本発明の別の目的及び利点は明細書及び特許請求の範囲から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【０００８】
図１には、ロータに関する流路を示し、この流路は二つの連続したロータブレードＡ、Ｂ間の通路を通ってのびている。ロータブレードＡ、Ｂ間の通路に入る前に、媒体の流れはロータブレードの運動方向ωに対向した方向に角度Δα_１だけ偏向され、角度Δα_１は元の流路角度α_１と新しい流路角度α’_１との差である。流れのこの偏向により流路の横への縮流が生じ、周知の方法（例えば、Eckert/Schnell 著“Axial-und Radialkompressoren”第２版、第２６９頁、又は“Dubbel Taschenbuch fuer den Mashinenbau”１９７４年第３３４頁参照）で理論的に計算できる曲率に追従する。この曲率は半径Ｒの円線に近い形状である。
【０００９】
第２のロータブレードＢの前縁の上流のある一定の距離に又は第１のロータブレードＡの前縁の僅か下流における部分ａ_２に到達すると、流路は拡散領域Ｃを通り、この拡散領域Ｃは、ほぼ第２のロータブレードＢの前縁における部分ａ_３まで流れ方向にのびている。従って、拡散領域Ｃは入口部分ａ_２と出口部分ａ_３を備え、入口部分ａ_２の横断面積は出口部分ａ_３の横断面積より小さい。拡散領域Ｃは、入口部分ａ_２はまたａ_１、ａ_４で間の全流路の最狭断面部分である。
【００１０】
拡散領域Ｃの下流において、流路は転移領域Ｄを通ってのび、この転移領域Ｄの横断面積は部分ａ_３はから出口部分ａ_４までの全経路にわたって実質的に増大しないか又は僅かに減少している。ロータブレードＡ、Ｂ間の下流へ増大する距離を補償するために、ロータブレードの半径方向の長さすなわち内周壁２８と外周壁２９との間の半径方向距離は転移領域Ｄを通して横断面積を実質的に一定に保つように減少されなければならない。図２参照。ある場合には、転移領域Ｄを通る流れを僅かに加速させるのが有利である。
【００１１】
拡散領域Ｃの上流においては、非増加流速を発生するように最初の部分ａ_１から拡散領域入口部分ａ_２まで流路の横断面積は実質的に一定である。図２に示すように、これは、それぞれロータ及びステータの内周及び（又は）外周壁２８、２９に発散面Ｆ、Ｇを形成することによって行われる。これらの発散面Ｆ、Ｇは上述のように、流路の側部縮流を補償し、そして流速のマッハ数を低く抑えしかも媒体流に衝撃波の生じるのを阻止するように機能している。
【００１２】
各流路の拡散領域Ｃを、二つの連続したロータブレードＡ、Ｂ間の流れ偏向転移領域Ｄの上流に設けることによって、流速及び従ってロータブレードＡ、Ｂ間の流路偏向中の流れ損失は減少される。このことは、圧縮機の効率が改善されることを意味している。
【００１３】
圧縮機の良好な効率を保証するために、流速は各ロータブレードの半径方向全長にわたって等しく高くあるべきである。これは、最初の圧縮機段に案内羽根形態を使用して、各案内羽根１０がその底部端と頂部端とで流れ偏向角が異なるようにすることによって行われる。図４参照。それにより、最初の圧縮機段において各ロータブレードにおける全ての半径方向位置で流速を等しくするための最適な流れ方向が得られる。
【００１４】
図３及び図４には、図１に例示した流路特性を備える本発明の好ましい実施の形態を示す。
【００１５】
図３には、ハウジング１１に堅固に装着された案内羽根１０を含む圧縮機の最初の段の入口ノズルを断面図で示す。ノズル１０の下流には、ロータブレード１３を備えたロータ部分１２が設けられ、それに続いてハウジング１１に固定された案内羽根１５を備えたステータ部分１４及びロータブレード１７を備えた別のロータ部分１６が設けられている。ロータ流路２０は二つの隣接したロータブレード１３、１７間にのび、またステータ流路２１は二つの隣接した案内羽根１５間に形成されている。流路２０、２１はまた内周面２８及び外周面２９によって画定される。
【００１６】
ステータ部分とロータ部分との間には環状空気流れ通路２２、２３、２４を形成する軸方向ギャップが設けられている。
【００１７】
圧縮機を通る空気流れ通路の主特徴は、入口ノズル端から出口端へ向かって連続して集束している。図３に例示したように、空気通路の横断面積は段階状に減少し、一方、ステータ部分１４とロータ部分１２との間に位置した流れ通路２２、２３、２４においては、流れ通路の半径方向長さは増大している。
【００１８】
本発明の特徴は、ステータ部分とロータ部分との間に環状空気流れ通路２２、２３、２４を形成する軸方向ギャップを設けたことにある。これらの軸方向にのびしかも半径方向に発散する通路２２、２３、２４を導入する理由は、流れ損失を低減しかつ圧縮機の効率を高めるために、速度低減拡散領域を設けることにある。
【００１９】
図４に例示したように、二つのロータブレード１３、１７間のロータ流路２０に近づく空気の流れは集束形態である。というのは、入ってくる空気の流れとロータブレード１３、１７の方向との間の方向の違いに関連して、空気の流れが方向を変えることになるからである。図４に例示したように、入ってくる空気の流路の方向は半径方向平面に対してある角度を成し、β_１で示されている。この角度は、β’_１で表されるロータブレード１３、１７の角度より大きい。このように流れ方向が変化するために、空気の流路は接線方向の縮流を受け、流速を増大させる。これは符号ｂ_１、ｂ_２で示され、ここでｂ_２は、入ってくる空気の流れ断面ｂ_１より狭い流路横断面を示している。空気流の加速は、流路内の摩擦損失を増大させることになるので不利益である。
【００２０】
この望ましくない空気流の加速は、流れ通路において利用できる横断面積を増大することによって、すなわち中間の半径方向に発散する通路２２、２３、２４を導入することによって避けられる。これら通路の半径方向長さを少なくとも１０％増大することによって、圧縮機の効率の改善が得られる。圧縮機の効率を実質的に増大するためには、流れ通路２２、２３、２４の半径方向長さ（拡がり）は少なくとも２０％増大すべきである。図示例では、これら通路の半径方向長さは入口端におけるｈ_１から出口端におけるｈ_２に増大している。
【００２１】
圧縮機を通る空気の流路の好適な形状を得るためには、中間通路２２、２３、２４の半径方向長さの増大はある一定の通路長さにわたって行われなければならない。従って通路２２、２３、２４の軸方向長さはそれぞれロータブレード及び案内羽根の長さを３０％越えなければならない。ブレード及び羽根の半径方向長さに関連して、通路の長さはそれぞれブレード及び羽根の長さの５０％以上であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ロータブレード通路を通る流路の幾何学的配列を示す。
【図２】図１のロータブレード通路の側面図である。
【図３】本発明による圧縮機の部分縦断面図である。
【図４】図１に示す圧縮機のロータブレード及びステータ案内羽根の展開図である。

Claims (10)

1. 少なくとも一つの軸方向部分が周囲方向に整列した流れ方向案内羽根（１３、１７）を備えているステータと、
   少なくとも一つの軸方向部分が周囲に整列したロータブレード（１５；Ａ，Ｂ）、内周壁（２８）及び外周壁（２９）を備えているロータと、
   を有し、
   ロータの回転方向（ω）において、それぞれ二つの連続したロータブレード（Ａ、Ｂ）間及び内周壁（２８）と外周壁（２９）との間に流路が形成される
   軸流圧縮機において、
   各流路が、
   ロータの回転方向（ω）において第２ロータブレード（Ｂ）の前縁の上流ある一定の距離に位置した第１横断面（ａ_２）における最狭横断面領域と、
   流れ方向に連続して増大する横断面積をもちかつ上記第１横断面（ａ_２）から上記第２ロータブレード（Ｂ）の前縁の近くに位置した第２横断面（ａ_３）までのびる拡散領域（Ｃ）と、
   上記第２横断面（ａ_３）から上記第２ロータブレード（Ｂ）の後縁までのびしかも全長を通して流れ方向に横断面積の実質的に増大しない転移領域（Ｄ）と、
   を備えていることを特徴とする軸流圧縮機。
2. 第１、第２ロータブレード（Ａ、Ｂ）間の横断距離が上記転移領域（Ｄ）を通して増大し、一方、流路の横断面積が上記転移領域（Ｄ）を通して増大しないように、上記内周壁（２８）と上記外周壁（２９）との間の半径方向距離が減少する請求項１に記載の軸流圧縮機。
3. 上記拡散領域（Ｃ）を通る流れがほぼ層流である請求項１又は２に記載の軸流圧縮機。
4. 上記拡散領域（Ｃ）の上流の各流路がほぼ一定の横断面積をもつ請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流圧縮機。
5. 少なくとも一つの周囲方向列を成す流れ方向案内羽根（１３、１７）を備えているステータと、少なくとも一つの周囲方向列を成すロータブレード（１５；Ａ、Ｂ）を備えているロータとを有し、上記案内羽根（１３、１７）と上記ロータブレード（１５；Ａ、Ｂ）との間に多数の平行流路が形成され、また上記連続したロータブレード（Ａ、Ｂ）間に、上記流路ののびるロータ流れ通路が形成されている軸流圧縮機において、
   各流路が、上記連続したロータブレード（Ａ、Ｂ）の第１のロータブレード（Ａ）の前縁近くの位置から第２のロータブレード（Ｂ）の前縁近くの位置まで上記ロータの回転方向（ω）にのび、上記拡散領域（Ｃ）の下流の上記ロータ流れ通路の各々の横断面積がその全長にわたってほぼ増大しないことを特徴とする軸流圧縮機。
6. 上記流路及び上記ロータの流れ通路が、外周壁（２９）及び内周壁（２８）によって部分的に画定されている請求項５に記載の軸流圧縮機。
7. 上記ロータの流れ通路の各々が、第１のロータブレード（Ａ）及び回転方向（ω）において上記第１のロータブレード（Ａ）に続く第２のロータブレード（Ｂ）によって画定され、上記拡散領域（Ｄ）が、上記第１のロータブレード（Ａ）の前縁に近い位置から上記第２のロータブレード（Ｂ）の前縁に近い位置まで流れ方向にのび、また上記流路の各々が上記拡散領域（Ｃ）の上流端において最狭横断面（ａ_２）をもつ請求項５又は６に記載の軸流圧縮機。
8. 上記案内羽根（１３、１７）が二つ以上の軸方向に離間したステータ部分に配列され、上記ロータブレード（１５）が二つ以上の軸方向に離間したロータ部分に配列され、
   上記ロータ部分及び上記ステータ部分がそれらの間に軸方向ギャップ（２２、２３、２４）をもって配列され、
   上記軸方向ギャップ（２２、２３、２４）の軸方向幅が、前の案内羽根（１３、１７）又はロータブレード（１５）の翼弦長の少なくとも３０％であり、また
   上記軸方向ギャップ（２２、２３、２４）が軸線方向において半径方向に拡がった形状の流れ通路領域を形成している
   請求項1に記載の軸流圧縮機。
9. 上記流れ通路領域が、上流端における半径方向長さ（ｈ_１）より少なくとも１０％長い下流端における半径方向長さ（ｈ_２）をもつ請求項８に記載の軸流圧縮機。
10. 上記流れ通路領域の軸方向幅が、前の案内羽根（１３、１７）又はロータブレード（１５）の翼弦長の少なくとも５０％である請求項８に記載の軸流圧縮機。