JP2007278187A

JP2007278187A - 軸流流体装置及び翼

Info

Publication number: JP2007278187A
Application number: JP2006106158A
Authority: JP
Inventors: Naoki Tsuchiya; 直木土屋
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-25
Also published as: EP2006488A4; US8133008B2; WO2007116621A1; EP2006488A2; US20090220332A1; EP2006488A9

Abstract

【課題】機構を複雑化することなく確実に騒音及び振動を低減する。
【解決手段】複数の翼が軸回りに配列された翼列を、軸方向に複数備える軸流流体装置であって、上記複数の翼列のうち上流側に設置される翼列を構成する翼３１の少なくとも一つには、該翼３１に起因する下流側の速度欠陥領域Ｘに流体Ｙを噴出するための流体流路１０が正圧面３５から負圧面３４に導通され形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸方向に流体が流れる軸流流体装置及び流体中に晒される翼に関するものである。

軸方向に流体が流れる軸流流体装置のなかには、動翼列と静翼列とが軸方向に配列されているものがあり、例えば、ジェットエンジン、圧縮機、タービン等が挙げられる。
動翼列は複数の動翼によって構成されており、静翼列は複数の静翼によって構成されている。そして、このような軸流流体装置においては、動翼列を回転することによって、動翼の下流側に、周囲に対して流れの遅い速度欠陥領域が生じることが知られている。この速度欠陥領域における流れは、一般的に後流（伴流またはｗａｋｅとも呼ばれる）と呼ばれており、動翼の直後においては幅が狭くかつ速度欠陥が強く、動翼から離れるにしたがって幅が広がりかつ速度欠陥が弱くなる。

動翼列の下流側に静翼列が設置されている軸流流体装置では、動翼に起因する後流が静翼と干渉することによって騒音や振動が生じる。この騒音や振動は、後流が強いすなわち速度欠陥が大きい場合に大きくなり、後流が弱いすなわち速度欠陥が小さい場合に小さくなることが知られている。
そこで、例えば、特許文献１には、後流が動翼から離れるにしたがって弱まることを利用して、動翼列と静翼列との間隔を広げることによって、騒音や振動を低減させる発明が記載されている。
また、特許文献２及び非特許文献１〜３には、外部から導入した空気を速度欠陥領域に噴出することによって後流を弱め、これによって騒音や振動を低減させる発明及び技術が記載されている。
特開２００３−２２７３０２号公報米国特許第６００４０９５号明細書「Fan Flow Control for Noise Reduction Part1: Advanced Trailing Edge Blowing Concepts」：AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics)2005-3025: Christopher Halasz etc. 「Fan Flow Control for Noise Reduction Part2: Investigation of Wake-Filling Techniques」：AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics)2005-3026: Matthew D. Langford etc. 「Fan Flow Control for Noise Reduction Part3: Rig Testing of Optimal Design」：AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics)2005-3027: Matthew D. Langford etc.

しかしながら、特許文献１のように、動翼列と静翼列との間隔を広げた場合には、軸流流体装置の軸長が長くなり、その軸長に見合ったケーシング等が必要となるため装置の重量が増加したり装置が大型化してしまう。また、装置の重量増加や大型化が許されない場合には、特許文献１に記載の発明を用いることができない。
一方、特許文献２に記載された発明及び非特許文献１〜３に記載された技術によれば、外部の空気を装置の内部に取り込む機構を別途設置する必要があり、機構が複雑化してしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、機構を複雑化することなく確実に騒音及び振動を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の軸流流体装置は、複数の翼が軸回りに配列された翼列を、軸方向に複数備える軸流流体装置であって、上記複数の翼列のうち上流側に設置される翼列を構成する翼の少なくとも一つには、該翼に起因する下流側の速度欠陥領域に流体を噴出するための流体流路が正圧面から負圧面あるいは後縁に導通され形成されていることを特徴とする。
このような特徴を有する本発明によれば、上流側の翼列を介して下流に流れる流体の一部が流体流路を介して速度欠陥領域に噴出される。このような本発明では、正圧面側と負圧面側との差圧を利用して流体流路に流体が導入され、この導入された流体が速度欠陥領域に噴出される。

また、本発明の軸流流体装置においては、上記流体流路が、上記翼の正圧面に露出して形成される流体導入口と、上記翼の負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、上記流体導入口と上記流体噴出口とを接続する通路部とによって構成されているという構成を採用することができる。

また、本発明の軸流流体装置においては、上記翼が中空である場合に、上記流体流路が、上記翼の正圧面に露出して形成される流体導入口と、上記翼の負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、上記翼の内部とによって構成されているという構成を採用することができる。

また、本発明の軸流流体装置においては、上記流体導入口が相対的に上記翼の前縁寄りに形成され、上記流体噴出口が相対的に上記翼の後縁寄りに形成されているという構成を採用することができる。

次に、本発明の翼は、流体中に晒される翼であって、該翼に起因する下流側の速度欠陥領域に流体を噴出するための流体流路が正圧面から負圧面あるいは後縁に導通され形成されていることを特徴とする。
このような特徴を有する本発明によれば、翼の上流側から下流側に流れる流体の一部が流体流路を介して速度欠陥領域に噴出される。このような本発明では、正圧面側と負圧面側との差圧を利用して流体流路に流体が導入され、この導入された流体が速度欠陥領域に噴出される。

また、本発明の翼においては、上記流体流路が、正圧面に露出して形成される流体導入口と、負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、上記流体導入口と上記流体噴出口とを接続する通路部とによって構成されているという構成を採用することができる。

また、本発明の翼においては、内部が中空である場合に、上記流体流路が、正圧面に露出して形成される流体導入口と、負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、上記内部とによって構成されているという構成を採用することができる。

また、本発明の翼においては、上記流体導入口が相対的に上記翼の前縁寄りに形成され、上記流体噴出口が相対的に上記翼の後縁寄りに形成されているという構成を採用することができる。

本発明によれば、翼の上流側から下流側に流れる流体の一部が流体流路を介して速度欠陥領域に噴出される。このため、後流を弱めることができ騒音及び振動を低減させることが可能となる。
また、正圧面側と負圧面側との差圧を利用して流体流路に流体が導入され、この導入された流体が速度欠陥領域に噴出される。このため、外部の空気を装置の内部に取り込む必要がなく、簡単な機構で流体を速度欠陥領域に噴出することができる。
したがって、本発明によれば、機構を複雑化することなく確実に騒音及び振動を低減することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る軸流流体装置の一実施形態について説明する。なお、以下の実施形態においては、本発明の軸流流体装置の一例としてジェットエンジンを挙げて説明する。また、以下の図面では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本実施形態のジェットエンジン１の概略構成を模式的に示した断面図であり、図１がジェットエンジン１を軸方向Ｌに沿って切断した断面図であり、図２が図１のＡ−Ａ線断面図（軸方向Ｌに直交する面における断面図）である。
これらの図に示すように、本実施形態のジェットエンジン１は、ケーシング２、動翼列３（翼列）、静翼列４（翼列）、燃焼室５、タービン翼列６及びシャフト７を備えている。

ケーシング２は、ジェットエンジン１の外形を形作るとともに、その内部に動翼列３、静翼列４、燃焼室５、タービン翼列６及びシャフト７を収納している。このケーシング２の軸方向Ｌの両側端部は開口されており、一方の端部側の開口がジェットエンジン１内に外気を取り込むための吸気口２１とされ、他方の端部側の開口がジェットエンジン１から燃焼ガスＺを噴射する噴射口２２とされている。また、ケーシング２の内部には、軸方向Ｌに沿って、吸気口２１と噴射口２２とを接続する流路２３が形成されている。

動翼列３は、図２に示すように、軸回りに配列された複数の動翼３１（翼）によって構成されている。各動翼３１は、ケーシング２の内部に形成された流路２３に、負圧面を吸気口２１側に向けるとともに正圧面を噴射口２２側に向けて設置されており、軸方向Ｌに延在して設置されるシャフト７に対して固定されている。
図３は、動翼３１の断面を模式的に示した図である。この図に示すように、動翼３１は、前縁３２が吸気口２１側に位置され、後縁３３が噴射口２２側に位置されることによって、負圧面３４と正圧面３５とが軸方向Ｌに傾斜された状態で設置されている。

そして、図３に示すように、本実施形態の動翼３１には、動翼３１が流体中に晒された場合に動翼３１の下流側に形成される後流Ｘ（速度欠陥領域）に、空気Ｙを噴出する流体流路１０が形成されている。この流体流路１０は、動翼３１の正圧面３５に露出して形成される開口１１（流体導入口）と、動翼３１の負圧面３４に形成される開口１２（流体噴出口）と、開口１１及び開口１２とを接続する通路部１３とによって構成されている。すなわち、流体流路１０は、動翼３１の正圧面３５から負圧面３４に導通され形成されている。
本実施形態のジェットエンジン１においては、このような流体流路１０が、各動翼３１に対して複数形成されている。

流体流路１０の開口１１は、図４に示すように、動翼３１の前縁３２寄りに形成されている。また、流体流路１０の開口１２は、図５に示すように動翼３１の後縁３３寄りに形成されている。そして、通路部１３は、開口１１と開口１２とを略直線的に接続するように、動翼３１の内部に形成されている。
なお、開口１２と通路部１３との形状は、噴出される空気Ｙが後流Ｘに向くように形状設定されている。
また、本実施形態のジェットエンジン１では、図４に示すように複数の開口１１が、正圧面３５において動翼３１の幅方向に一列に配列されており、図５に示すように複数の開口１２が負圧面３４において動翼３１の幅方向に一列に配列されている。

図１に戻り、静翼列４は、動翼列３の下流側に設置されており、動翼列３から所定距離離間して設置されている。静翼列４は、軸回りに配列された複数の静翼４１によって構成されている。各静翼４１は、ケーシング２の内部に形成された流路２３に設置されており、動翼列３側から供給される空気Ｙを整流するとともに下流側から空気Ｙが逆流しないような角度で、ケーシング２に対して固定されている。

燃焼室５は、静翼列４の下流側に設置されており、ケーシング２の流路２３が一部広くされることによって形成されている。この燃焼室５には、外部から燃料が供給可能とされるとともに不図示の着火装置が設置されている。このような燃焼室５では、静翼列４側供給される空気Ｙが燃料と混合された後に燃焼される。そして、燃焼室５からは、燃焼によって発生した燃焼ガスＺが流路２３に排出される。

タービン翼列６は、燃焼室５の下流側に設置されており、軸回りに配列された複数のタービン翼６１によって構成されている。各タービン翼６１は、ケーシング２の内部に形成された流路２３に設置されており、燃焼室５側から供給される燃焼ガスＺを受けることによってシャフト７に所定の一方向の回転動力を与えるような角度で、シャフト７に対して固定されている。

シャフト７は、上述のように、軸方向Ｌに延在して設置されるとともに、各動翼３１及び各タービン翼６１が固定されている。このシャフト７は、不図示の軸受を介してケーシング２に対して固定されている。

このように構成された本実施形態のジェットエンジン１では、まず、シャフト７が回転されることによってシャフト７に固定された動翼３１が軸回りに回転される。これによって、外気（空気Ｙ）が吸気口２１からジェットエンジン１内に取り込まれる。これによって、ケーシング２の流路２３に軸方向Ｌに沿う空気Ｙの流れが形成される。

ジェットエンジン１内に取り込まれた空気Ｙは、動翼３１及び静翼４１を介することによって圧縮され、その後燃焼室５に供給される。燃焼室５に供給された空気Ｙは、燃焼室５において燃料と混合され燃焼される。この結果、燃焼ガスＺが生成される。そして、ジェットエンジン１は、燃焼ガスＺが噴射口２２から噴射されることによって、推力を得る。
なお、燃焼ガスＺは、燃焼室５から噴射口２２に到るまでにタービン翼６１を介する。タービン翼６１は、燃焼ガスＺを受けることによって、シャフト７に一方向に回転動力を与える。この結果、シャフト７が回転されるため、シャフト７に固定された動翼３１を回転させ続けることが可能となる。

このようなジェットエンジン１においては、上述のように、動翼３１が回転されることによって空気Ｙの流れが形成される。つまり、相対的には、動翼３１が空気Ｙの流れの中に晒された状態となる。このため、図３に示すように、動翼３１の下流側には、後縁３３から動翼３１の延在方向に向かう後流Ｘが形成される。
ここで、本実施形態のジェットエンジン１では、複数の翼列（動翼列３及び静翼列４）のうち上流側の翼列（動翼列３）を構成する動翼３１に、後流Ｘに空気Ｙを噴出するための流体流路１０が形成されている。後流Ｘは、周囲の流れに対して速度欠陥が大きな領域、すなわち、速度の遅い領域である。このため、後流Ｘに流体流路１０から空気Ｙが噴出されることで速度欠陥が緩和されて速度が速まり、これによって後流Ｘが弱まる。背景技術においても説明したが、後流Ｘが静翼４１と干渉することによって生じる騒音や振動は、後流が強い場合に大きくなり、後流が弱い場合に小さくなる。このため、本実施形態のジェットエンジン１のように、後流Ｘを弱めることによって、騒音や振動を低減させることが可能となる。
また、本実施形態のジェットエンジン１では、流体流路１０が、動翼３１の正圧面３５から負圧面３４に導通され形成されている。このため、正圧面３５側と負圧面３４側との差圧を利用して流体流路１０に空気Ｙを導入することができ、この導入した空気Ｙが後流Ｘに噴出される。よって、流路２３の外部の空気を装置の内部に取り込む必要がなく、また、ポンプ等の強制流動手段を設置する必要もない。つまり、本実施形態のジェットエンジン１では、簡単な機構で空気Ｙを後流Ｘに噴出することができる。
したがって、本実施形態のジェットエンジン１によれば、機構を複雑化することなく確実に騒音及び振動を低減することが可能となる。

また、本実施形態のジェットエンジン１では、動翼３１の正圧面３５に露出して形成される開口１１（空気Ｙを通路部１３に導入するための開口）が前縁３２寄りに形成され、動翼３１の負圧面３４に露出して形成される開口１２（通路部１３から空気Ｙを噴出するための開口）が後縁３３寄りに形成されている。このため、図３に示すように、開口１１と開口１２とを接続する通路部１３を、後流Ｘに向く略直線状に形成することができる。このため、流体流路１０を介して噴出される空気Ｙを通路部１３が延在する方向、すなわち後流Ｘに向く方向に自然に噴出することが可能となる。

なお、本実施形態のジェットエンジン１では、図４に示すように複数の開口１１が、正圧面３５において動翼３１の幅方向に一列に配列されており、図５に示すように複数の開口１２が負圧面３４において動翼３１の幅方向に一列に配列されている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、図６及び図７に示すように、開口１１及び開口１２が二列に配列されていても良い。
また、図８及び図９に示すように、複数の開口１１，１２の替わりに、動翼３１の幅方向に延在する矩形の開口１４，１５を各々一つ形成しても良い。なお、この場合には、通路部１３も、開口１４と開口１５とを接続する一つのみ形成される。

また、本実施形態では、開口１２（通路部１３から空気Ｙを噴出するための開口）が動翼３１の負圧面３４に露出して形成される構成について説明した。しかしながら、開口１２は、必ずしも動翼３１の負圧面３４に露出して形成される必要はなく、図１０に示すように、開口１２が動翼３１の後縁３３に露出して形成されていても良い。このような場合であっても、空気Ｙを後流Ｘに噴出することが可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符合を付し、その説明を省略あるいは簡略化する場合がある。

本実施形態のジェットエンジンでは、上記実施形態のジェットエンジン１が備えた動翼３１の替わりに、中空の動翼８１がシャフト７に対して固定されている。
図１１は、本実施形態のジェットエンジンが備える動翼８１の断面を模式的に示した図である。この図に示すように、動翼８１は、内部８２が中空とされている。そして、動翼８１の正圧面８４に露出して形成される開口１１と、動翼８１の負圧面８３に露出して形成される開口１２と、動翼８１の内部８２によって、流体流路１０が構成されている。

このような内部８２が中空の動翼８１を用いることによって、上記実施形態において示した通路部１３を別途形成する必要がなくなり、低コストで流体流路１０を形成することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る軸流流体装置及び翼の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本発明の軸流流体装置の一例としてジェットエンジンを挙げて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機やタービン等の軸流流体装置に本発明を適用することもできる。

本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンの概略構成を示す断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンが備える動翼の断面を模式的に示した図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンが備える動翼を正圧面側から見た平面図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンが備える動翼を負圧面側から見た平面図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンの変形例を示す図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンの変形例を示す図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンの変形例を示す図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンの変形例を示す図である。本発明の第１実施形態におけるジェットエンジンの変形例を示す図である。本発明の第２実施形態におけるジェットエンジンが備える動翼の断面を模式的に示した図である。

符号の説明

１……ジェットエンジン（軸流流体装置）、３……動翼列（翼列）、３１，８１……動翼、３２……前縁、３３……後縁、３４，８３……負圧面、３５，８４……正圧面、４……静翼列、４１……静翼、１０……流体流路、１１，１４……開口（流体導入口）、１２，１５……流体噴出口、１３……通路部、Ｌ……軸方向、Ｘ……後流（速度欠陥領域）、Ｙ……空気（流体）

Claims

複数の翼が軸回りに配列された翼列を、軸方向に複数備える軸流流体装置であって、
前記複数の翼列のうち上流側に設置される翼列を構成する翼の少なくとも一つには、該翼に起因する下流側の速度欠陥領域に流体を噴出するための流体流路が正圧面から負圧面あるいは後縁に導通され形成されている
ことを特徴とする軸流流体装置。
前記流体流路は、前記翼の正圧面に露出して形成される流体導入口と、前記翼の負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、前記流体導入口と前記流体噴出口とを接続する通路部とによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流流体装置。
前記翼が中空である場合に、前記流体流路は、前記翼の正圧面に吐出して形成される流体導入口と、前記翼の負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、前記翼の内部とによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流流体装置。
前記流体導入口が相対的に前記翼の前縁寄りに形成され、前記流体噴出口が相対的に前記翼の後縁寄りに形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の軸流流体装置。
流体中に晒される翼であって、
該翼に起因する下流側の速度欠陥領域に流体を噴出するための流体流路が正圧面から負圧面あるいは後縁に導通され形成されている
ことを特徴とする翼。
前記流体流路は、正圧面に露出して形成される流体導入口と、負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、前記流体導入口と前記流体噴出口とを接続する通路部とによって構成されていることを特徴とする請求項５記載の翼。
内部が中空である場合に、前記流体流路は、正圧面に露出して形成される流体導入口と、負圧面あるいは後縁に形成される流体噴出口と、前記内部とによって構成されていることを特徴とする請求項５記載の翼。
前記流体導入口が相対的に前記翼の前縁寄りに形成され、前記流体噴出口が相対的に前記翼の後縁寄りに形成されていることを特徴とする請求項６または７記載の翼。