JP2006242130A

JP2006242130A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2006242130A
Application number: JP2005061362A
Authority: JP
Inventors: Satoru Iwase; 識岩瀬; Yoshio Saito; 喜夫齊藤
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】遠心型圧縮機に匹敵する圧力比を実現しながら軽量小型かつ比較的高効率な圧縮機を提供する。
【解決手段】回転体２が第１回転体２１および第２回転体２２で構成され、且つ第１回転体２１の回転軸６に対し直交する後部に第１凹部７が回転軸６に対し対称に形成されると共に第２回転体２２の回転軸６に対し直交する前部に第２凹部８が回転軸６に対し対称に形成され、第１回転体２１および第２回転体２２を接合することにより、回転体２の内部は中空構造になる。また、動翼列１が第１回転体２１に対応する第１動翼列１１および第２回転体２２に対応する第２動翼列１２で構成され、動翼列１１,１２ごとに翼の形状および翼の配置を選択することにより、回転エネルギーが効率良く流体に与える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機、特に軽量小型化かつ高圧力比を実現することができる高効率な圧縮機に関するものである。

ガスタービン等に用いられる圧縮機では、一段当たりの圧力比は高いが圧縮効率は低い遠心型圧縮機と、一段当たりの圧力比は低いが圧縮効率は高い軸流型圧縮機、そしてそれらの中間に位置する斜流型圧縮機がある。遠心型圧縮機の回転体（インペラ）は、気体を回転軸方向から吸入し、圧縮した気体を回転軸と垂直な方向に排出する形式であり、インペラの外周に、インペラから流出する気体の速度を減じるための静翼が必要となるため圧縮機を収容するエンジンの外径が大きくなる欠点がある。他方、軸流型圧縮機では気体を回転軸方向から吸入して吐出する形式であり、一段で得られる圧力比が小さいため、遠心型圧縮機と同じ圧力比を実現しようとすると、多段化する必要が生じる。結果として、軸長が増大し、支持軸受け等の部品がより必要となり構造上の複雑さや重量の増加を招来することとなる。それに対し斜流型圧縮機は、気体を回転軸方向から吸入し、圧縮された気体は回転軸方向に対して斜めに（０°以上９０°未満の成す角度）流出する。圧力比および圧縮効率に関し、斜流型圧縮機は軸流型と遠心型の中間に位置するものの、遠心型と比較されると重量が増える欠点を有している。
また、遠心型圧縮機は、インペラの回転によって流体に速度エネルギーを与えてディフーザによって圧力上昇を生じさせる圧縮機であり、インペラから流出した流体の流路を回転軸方向に曲げてやる必要があるから、大流量の流体を圧縮するのには適さない。対する軸流型圧縮機は、流体が動翼および静翼から成る翼列を通過することにより流体が圧縮され圧力上昇を生じさせる圧縮機であるから、大流量の流体を圧縮することができる。一方、斜流型圧縮機はそれらの中間の流量の流体を圧縮するのに適している。
従来、大流量かつ高圧縮効率が優先される場合には軸流型圧縮機が用いられ、エンジン全長を小型化する必要がある場合、或いはコストを優先する場合には遠心型圧縮機が用いられてきた。また、採用例は少ないが、エンジン全長を程よく小型化しながら高効率が優先される場合は斜流型圧縮機が用いられてきた。他方、斜流型を採用した産業用ガスタービンおよび航空機用ガスタービンならびに斜流圧縮機が公知となっている（例えば特許文献１および特許文２を参照。）。
また、近年、航空機または船舶用の推進装置あるいは発電機の駆動装置以外の汎用性を有した軽量小型かつ高性能のガスタービンエンジンの開発が行われている。そのため、圧縮機に対しても軽量小型かつ高圧縮効率であることが求められている。

特開２００４−１３７９１３号公報特開２００３−２６９３７９号公報

ところで、上述した通り、斜流型圧縮機は、遠心型圧縮機と軸流型圧縮機の中間に位置する特性を有し、エンジン外径およびエンジン全長を短縮することができる利点を有する反面、遠心型圧縮機と比較されると、重量が増える欠点を有し更に圧力比が小さいという欠点を有する。従って、斜流型圧縮機が機械的強度を保持する範囲内で軽量化され、なおかつ一段あたりの圧力比が高くなれば、軸流型圧縮機の代替として、或いは軸流型圧縮機と組み合わせて、軽量小型かつ高性能のガスタービンを成立させることが可能となる。
しかし、従来の斜流型圧縮機を含めた圧縮機では、圧力比および圧縮効率は相反する関係にあるため、圧力比、軽量小型化および圧縮効率を同時に満足させることは困難を極めた。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、軽量小型化かつ高圧力比を実現することができる高効率な圧縮機を提供することである。

前記目的を達成するため第１の発明では、流体に速度ヘッドを与える動翼列と、該速度ヘッドを圧力ヘッドに変換する静翼列と、前記動翼列が外周面に配設されている回転体とを具備する圧縮機であって、前記回転体は少なくとも２つの分割回転体で構成され、前記動翼列は該分割回転体に対応して少なくとも２つの分割回転体で構成されていることを特徴とする。
上記第１の発明の圧縮機では、圧縮機の全重量の大部分を占める回転体が分割回転体で構成されると共に動翼列も分割回転体に対応して複数の分割動翼列で構成されている。これにより、回転体の回転強度に寄与していないマスを好適に削ぐことが可能になり、全体の重量を軽量とすることができるようになる。

第２の発明では、前記分割回転体の回転軸方向に直交する面には凹部が形成されていることとした。
上記第２の発明の圧縮機では、分割回転体の軸方向に直交する面には凹部が形成されているので、回転体の内部が中空構造になる。その結果、回転体が軽量になり、圧縮機の大幅な軽量化を達成することができる。これにより、回転体の重量および慣性モーメントが低減され、それを駆動するタービンからの駆動力を伝達する回転軸の径も小さくなりひいてはエンジン全体の軽量小型化が達成される。

第３の発明では、前記凹部は回転軸対称に形成されていることとした。
上記第３の発明の圧縮機では、分割回転体の質量分布が均一になり、回転が滑らかとなり、回転軸と軸受けとの間の機械的損失が増大することを好適に防止する。その結果、軸受けの寿命を延ばすことができる。

第４の発明では、前記分割動翼列は、翼の形状および翼の配列において他の分割動翼列に対し独立に対応する前記分割回転体の外周面に配設されていることとした。
上記第４の発明の圧縮機では、動翼列も分割回転体に対応して複数の分割動翼列で構成されている。これにより、回転エネルギーがより効率良く流体の運動エネルギーに変換するように分割動翼列ごとに最適な翼の形状および最適な翼の配列を選定することができる。その結果、遠心型圧縮機に匹敵するより高い圧力比と高い圧縮効率が達成され得ることとなる。

第５の発明では、前記分割動翼列および前記分割回転体は、吸入した流体を前記回転軸に対して０°以上略９０°以下の角度で圧送することとした。
上記第５の発明の圧縮機では、分割動翼列および分割回転体は吸入した流体を前記回転軸に対して０°以上略９０°以下の角度で圧送するので、圧縮機の外径および圧縮機の軸長を比較的小型にすることができる。併せて、吸入された流体の損失ヘッドを低減することが可能になるので、圧縮効率が向上する。

本発明の圧縮機によれば、圧縮機の全重量の大部分を占める回転体が分割回転体で構成されると共に動翼列も分割回転体に対応して複数の分割動翼列で構成されている。これにより、回転体の回転強度に寄与していないマスを好適に削ぐことが可能になり、全体の重量を軽量とすることができるようになる。また、分割回転体の軸方向に直交する面には凹部が形成されているので、回転体の内部が中空構造となる。その結果、圧縮機の大幅な軽量化を達成することが可能になる。これにより、回転体の重量および慣性モーメントが低減され、さらに、それを駆動するタービンの駆動力を伝達する回転軸の径も小さくなりひいてはエンジン全体の軽量小型化が達成される。
他方、分割回転体の凹部は回転軸対称に形成されているため分割回転体の質量分布が均一になり、回転が滑らかとなり、回転軸と軸受けとの間の機械的損失が増大することを好適に防止する。その結果、軸受けの寿命を延ばすことができる。
更に、動翼列も分割回転体に対応して複数の分割動翼列で構成されている。これにより、回転エネルギーがより効率良く流体の運動エネルギーに変換するように分割動翼列ごとに最適な翼の形状および最適な翼の配列とすることができるようになる。その結果、遠心型圧縮機に匹敵するより高い圧力比と高い圧縮効率が達成される。そして、動翼列および回転体は吸入した流体を回転軸に対して０°以上略９０°以下の角度で圧送するので、圧縮機の外径および軸長を比較的小型にすることができる。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明を斜流圧縮機に適用した場合の実施例であり、その要部断面図である。
この実施例による斜流圧縮機１００は、流体に速度ヘッドを与える動翼列１と、動翼列１が外周面に取り付けられている回転体２と、流体の速度ヘッドを圧力ヘッドに変換する静翼３と、流体が通過する流路を形成するインナーケーシング４およびアウターケーシング５と、タービン（図示せず）からの軸動力を伝達する回転軸６とを具備して構成されている。なお、この斜流圧縮機１００は主としてガスタービンに用いられ、その下流側には燃焼器が備えられ、斜流圧縮機１００が圧縮した流体は燃料と混合されて燃焼器に供給される。

動翼列１は、分割動翼列としての第１動翼列１１および第２動翼列１２とから成る。第１動翼列１１は回転体２の一の分割回転体である第１分割回転体２１の外周面に例えば等間隔で１４枚の羽根車（ブレード）で構成されている。対する第２動翼列１２は回転体２の他の分割回転体である第２分割回転体２２の外周面に例えば等間隔で３０枚のブレードで構成されている。このように、回転体２を第１分割回転体２１および第２分割回転体２２の二分割とし、それに対応させて動翼列１を第１動翼列１１および第２動翼列１２の２重翼列化することによって、流体の流速を高めるための第１動翼列１１および第２動翼列１２の各ブレードの形状および配列等を各々独立に選定することが可能になり、斜流圧縮機１００は、遠心型圧縮機に匹敵する高い圧力比を達成することができるようになる。

また、回転体２は、第１回転体２１および第２回転体２２に二分割されている。第１回転体２１と第２回転体２２との接合は、例えばスプラインやセレーションを用いたはめあいにより行われる。第１回転体２１は、凹部としての第１凹部７を有する。他方、第２回転体２２は、凹部としての第２凹部８を有する。また、第１凹部７は、第１回転体１１の回転軸６と直交する後部に回転軸６に対して対称に形成されている。これにより、第１回転体１１の質量分布が均一になり、回転が滑らかになり、回転損失を低減することになる。他方、第２凹部８は、第２回転体１２の回転軸６と直交する前部に回転軸６に対して対称に形成されている。これにより、第２回転体１２の質量分布が均一になり、回転が滑らかになり、回転損失を低減することになる。従って、第１凹部７および第２凹部８を形成することによって、回転体２の内部は中空構造となり、圧縮機全体の重量を大幅に軽量化することが可能になる。

なお、第１凹部７および第２凹部８の各容積、各形状および各位置は、構造解析のプログラムを用いて回転体２の所望の回転強度が維持されるように決定される。構造解析のプログラムについては、望ましくは有限要素法による強度解析プログラムの方が良いが、成立しうる強度を精度よく計算することが可能であれば、特に限定されない。これにより、回転体２の回転強度を低下させることなく、全体重量の大部分を占める回転体２の重量を大幅に削減することが可能になる。その結果、圧縮機全体の重量を大幅に軽量化することが可能になる。また、これにより、圧縮機の重量および慣性モーメントが小さくなり、タービンの駆動力を伝達する回転軸の直径も小さくなりひいてはエンジン全体の軽量化が可能になる。

上記斜流圧縮機１００によれば、圧縮機の全重量の大部分を占める回転体２が第１回転体２１および第２回転体２２で構成されているので、回転体２の回転強度に寄与していないマスを好適に削ぐことが可能になる。また、第１回転体２１の回転軸６に直交する後部面には第１凹部７が形成されると共に第２回転体２２の回転軸６に直交する前部面には第２凹部８が形成されているので、第１回転体２１および第２回転体２２を接合することにより、回転体２の内部は中空構造になる。その結果、圧縮機の大幅な軽量化を達成することが可能になる。これにより、回転体２の重量および慣性モーメントが低減されるので、エンジン全体の軽量化が達成される。
他方、第１回転体２１および第２回転体２２の質量分布が均一になり、回転軸６の回転が滑らかとなり、回転軸６と軸受けとの間の回転損失が増大することを好適に防止する。その結果、斜流圧縮機１００を駆動するタービンの駆動力を伝達する回転軸の直径も小さくなりひいてはエンジン全体の軽量化が達成される。
更に、動翼列１は、分割回転体２１,２２に対応し第１動翼列１１および第２動翼列１２で構成されている。これにより、動翼列１１,１２ごとに翼の形状および翼の配列の選定が可能になり、その翼の形状および翼の配列を適切に選定することにより回転エネルギーをより効率良く流体に与えることが可能になる。その結果、遠心型圧縮機に匹敵するより高い圧力比が達成されることが可能になる。そして、動翼列１および回転体２は吸入した流体を回転軸６に対して０°以上９０°未満の角度で圧送するので、斜流圧縮機１００の外径および軸長を比較的小型にすることができる。

なお、上記実施例では、動翼列１および回転体２は二分割されているが、二分割に限らず、回転体２の回転強度が維持される範囲内で、動翼列１および回転体２は３以上の分割動翼列および分割回転体とする構成としても良い。

ところで、エンジンの軽量小型化の観点から、その効果の程は斜流型圧縮機と同等以下と考えられるものの、本発明は遠心型圧縮機または軸流型圧縮機に対しても適用することは可能である。

本発明の斜流圧縮機は、航空機用または船舶用あるいは発電機用のガスタービンエンジンの他、送風機、ポンプまたは冷凍機等の機械エネルギーを流体のエネルギーに変換する流体機械に好適に適用することが可能である。

本発明を斜流圧縮機に適用した場合の実施例であり、その要部断面図である。

符号の説明

１動翼列
１１第１動翼列
１２第２動翼列
２回転体
２１第１回転体
２２第２回転体
３静翼列
４インナーケーシング
５アウターケーシング
６回転軸
７第１凹部
８第２凹部
１００斜流圧縮機

Claims

流体に速度ヘッドを与える動翼列と、該速度ヘッドを圧力ヘッドに変換する静翼列と、前記動翼列が外周面に配設されている回転体とを具備する圧縮機であって、前記回転体は少なくとも２つの分割回転体で構成され、前記動翼列は該分割回転体に対応して少なくとも２つの分割回転体で構成されていることを特徴とする圧縮機。
前記分割回転体の回転軸方向に直交する面には凹部が形成されている請求項１に記載の圧縮機。
前記分割回転体の凹部は回転軸対称に形成されている請求項２に記載の圧縮機。
前記分割動翼列は、翼の形状および翼の配列において他の分割動翼列に対し独立に対応する前記分割回転体の外周面に配設されている請求項１に記載の圧縮機。
前記分割動翼列および前記分割回転体は、吸入した流体を前記回転軸に対して０°以上略９０°以下の角度で圧送する請求項１から４のいずれかに記載の圧縮機。