JP2009264276A

JP2009264276A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2009264276A
Application number: JP2008115706A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Okabe; 能幸岡部; Sumio Uchida; 澄生内田; Ryosuke Mito; 良介三戸; Ryuma Nogami; 龍馬野上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】構造の簡素化を図ることができて、製造費の低減化を図ることができる高効率の圧縮機を提供すること。
【解決手段】複数枚のブレード１３と、これら複数枚のブレード１３の根元部Ｒに配置される本体１４とを備えたインペラ１１と、前記インペラ１１を回転軸１７回りに回転可能に収容するとともに、作動流体を前記インペラ１１に導く吸込流路１５が形成されたケーシング１２とを備えた圧縮機１０であって、前記インペラ１１のインデューサ部と対向する入口側に吸出穴１９を有し、出口側に噴出穴２０を有するとともに、前記インデューサ部を通過する作動流体の一部を前記吸込流路１５の上流側に戻すブリード通路１８が前記ケーシング１２に形成されており、前記噴出穴２０から噴き出される噴き出し流の半径方向成分の速度が、主流の半径方向成分の速度と同じになるように、前記噴出穴２０が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空用ガスタービン、産業用ガスタービン、舶用過給機、自動車用過給機等に用いられる斜流圧縮機または遠心圧縮機に関するものである。

航空用ガスタービンに用いられる圧縮機としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

特許第３０６８２２７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された圧縮機では、インペラのインデューサ部から吸い出された作動流体が、ストラットに形成されたスリットを介して吸込流路の上流側に戻されるようになっている。また、上記特許文献１に開示された圧縮機では、インデューサブリードの流量を調整する流量制御バルブおよびバネが設けられている。そのため、上記特許文献１に開示された圧縮機では、構造が複雑になり、製造費の高騰化が懸念される。
そこで、ストラットの下流側近傍に位置するケーシングに、ケーシングの板厚方向に貫通する穴またはスリットを形成し、インペラのインデューサ部から吸い出された作動流体を、この穴またはスリットを介して吸込流路の上流側に戻すことが考えられる。しかし、ストラットの下流側近傍に位置するケーシングに穴またはスリットを単に形成しただけでは、上記特許文献１に開示された圧縮機よりも効率が低下してしまうおそれがある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、構造の簡素化を図ることができて、製造費の低減化を図ることができる高効率の圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る圧縮機は、複数枚のブレードと、これら複数枚のブレードの根元部に配置される本体とを備えたインペラと、前記インペラを回転軸回りに回転可能に収容するとともに、作動流体を前記インペラに導く吸込流路が形成されたケーシングとを備えた圧縮機であって、前記インペラのインデューサ部と対向する入口側に吸出穴を有し、出口側に噴出穴を有するとともに、前記インデューサ部を通過する作動流体の一部を前記吸込流路の上流側に戻すブリード通路が前記ケーシングに形成されており、前記噴出穴から噴き出される噴き出し流の半径方向成分の速度が、主流の半径方向成分の速度と同じになるように、前記噴出穴が形成されている。

本発明に係る圧縮機によれば、吸出穴を介して吸い出された作動流体が、吸込流路を形成するケーシングに形成された噴出穴を介して噴き出されることとなるので、構造の簡略化を図ることができて、製造費の低減化を図ることができる。
また、噴出穴から噴き出される噴き出し流の半径方向成分の速度が、主流の半径方向成分の速度と同じになるように、噴出穴が形成されているので、ミキシングロスを最小限にすることができて、吸出された作動流体を噴出穴を介して噴き出す場合に生じる効率低下を小さく抑えることができる。

上記圧縮機において、前記噴出穴の内部に、前記インペラ内に再び流入する作動流体に最適な予旋回を与える予旋回付与手段が設けられているとさらに好適である。

このような圧縮機によれば、予旋回付与手段により、インペラ内に再び流入する作動流体に最適な予旋回（インペラの回転方向と同方向の順旋回）が与えられ、作動流体がインペラ内へより円滑に流入することとなるので、ブレードの翼端に発生する衝撃波を緩和させることができ、効率をさらに向上させることができるとともに、作動範囲をさらに拡大させることができる。

上記圧縮機において、前記ブリード通路の内部に、複数枚の冷却フィンが設けられているとさらに好適である。

このような圧縮機によれば、ブリード通路の内部を通過する作動流体の熱が、冷却フィンおよびケーシングを介して外部に放散され、ブリード通路の内部を通過する作動流体の温度が、低下させられることとなるので、インペラ内に流入する作動流体の温度を低下させることができて、効率をさらに向上させることができる。

本発明に係る航空用ガスタービンは、高効率の圧縮機を具備しているので、高出力化を図ることができる。

本発明によれば、構造の簡素化を図ることができて、製造費の低減化を図ることができるとともに、高効率化を図ることができるという効果を奏する。

以下、本発明に係る圧縮機の第１実施形態について、図１および図２を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る圧縮機の要部断面図、図２は本実施形態に係る圧縮機の作用効果を説明するための図である。

本実施形態に係る圧縮機１０は、航空用ガスタービン、産業用ガスタービン、舶用過給機、自動車用過給機等に用いられる（遷音速の）斜流圧縮機（または遠心圧縮機）であって、図１に示すように、インペラ（羽根車）１１と、ディフューザ（図示せず）と、これらインペラ１１およびディフューザを収容するケーシング１２とを備えている。
インペラ１１は、複数枚のブレード１３と、これらブレード１３の根元部Ｒに配置されるハブ（本体）１４とを備えている。また、このインペラ１１は、ブレード１３とハブ１４とが１ピース化されたもの（一体構造となったもの）、すなわち、一つの塊となった材料（例えば、ＳＵＳ）を、図示しない加工バイトで削り出す機械加工によって作製されたもの、あるいは別体として用意されブレード１３とハブ１４とが溶接接合されることによって作製されたものである。

ディフューザは、インペラ１１の下流側に設けられるとともに、対向する壁面（図示せず）間に複数枚のベーン（図示せず）を有するものであり、インペラ１１を通過した作動流体（例えば、空気）の有する運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するものである。
なお、図１中の符号１５、１６、１７、およびＣはそれぞれ、吸込流路、吸込流路内に設けられた断面視翼形状を有するストラット、インペラ１１が取り付けられた（固定された）回転軸、および回転軸１７の回転軸線を示しており、図１中の白抜き矢印は作動流体の主流の向きを示している。

さて、図１に示すように、本実施形態に係る圧縮機１０のケーシング１２には、インペラ１１のインデューサ（inducer）部（インペラ流路上流部）を通過する作動流体の一部を吸込流路１５の上流側（より詳しくは、ストラット１６の下流側近傍に位置する吸込流路１５）に戻すブリード通路１８が形成されている（設けられている）。
ブリード通路１８は、入口側（インペラ１１のインデューサ部と対向する側）にスリット状の吸出穴１９を有し、出口側（ストラット１６の下流側近傍に位置する吸込流路１５と対向する側）にスリット状の噴出穴２０を有するとともに、周方向および軸方向に沿って環状に形成されたチャンバである。

吸出穴１９は、周方向および半径方向（軸方向と直交する方向）に沿って形成された環状のスリットであり、その入口端は、インデューサ部を形成するブレード１３の翼端と対向するケーシング１２の内周面に形成されている。
吸出穴１９の面積Ａは、ブリード通路１８を有していない圧縮機を用いてCFD計算を実施し、流れ場を可視化して、強い低速域が発生している場所を（例えば、前縁から何％コード長の位置にあるかで）特定する。そして、強い低速域が発生している場所の周方向の平均全温Ｔ_０および平均全圧Ｐ_０をCFD計算の結果から読み取り、吸い出し量Ｇを決定する。なお、本実施形態に係る圧縮機１０がヘリコプタ用ガスタービンに適用される場合には、CFD計算を実施する際の圧縮機は巡航時の回転数で運転され、また、吸い出し量Ｇは、CFD計算の結果と、ヘリコプタ用ガスタービン全体のサイクル計算の結果とを突き合わせた後、決定される。
吸い出し量Ｇを決定したら、吸い出し量Ｇを求める計算式［数１］に、平均全温Ｔ_０、平均全圧Ｐ_０、気体定数Ｒ（物性値）、および比熱比γ（物性値）を代入し、吸出穴１９の面積Ａを決定する。

噴出穴２０は、周方向に沿って形成された環状のスリットであり、その出口端は、ストラット１６の下流側近傍に位置する吸込流路１５に開口している。また、噴出穴２０は、この噴出穴２０から噴き出される噴き出し流の半径方向成分が、主流の半径方向成分と同じになり、かつ、噴出角度（軸方向と噴出穴２０の中心軸線とのなす角度）が４５度になるように形成されている。
噴出角度が４５度に設定されている理由は、噴出角度を変えてCFDによるパラメトリックスタディを行った結果、図２に示すように、噴出角度が４５度よりも小さくなって、噴き出し流の半径方向成分の速度（図２中の「半径方向速度」）が、主流の半径方向成分の速度（図２中の「主流の半径方向速度」）よりも大きくなっても、圧縮機１０の効率ηは向上しないことがわかったからである。
したがって、ミキシングロスによる効率低下を最小限に抑えることができ、かつ、噴出穴２０を容易に加工することができる点を考慮すると、噴出角度を４５度に設定することが好ましい。
また、噴出穴２０の面積は、噴き出し流の半径方向成分の速度が、主流の半径方向成分の速度と略同じになるように形成されている。

本実施形態に係る圧縮機１０によれば、ストラット１６の下流側近傍に位置するケーシング１２に噴出穴２０が形成されており、スリットを備えたストラットを設ける必要がなくなるので、構造の簡略化を図ることができて、製造費の低減化を図ることができる。
また、吸出穴１９を介して吸い出される吸い出し量は、ブリード通路１８を有していない圧縮機を用いてCFD計算を実施し、流れ場を可視化して、強い低速域が発生している場所を特定し、強い低速域が発生している場所の周方向の平均全温Ｔ_０および平均全圧Ｐ_０をCFD計算の結果から読み取ることにより決定され、吸い出し量を調整する流量制御バルブおよびバネを設ける必要がなくなるので、構造の簡略化をさらに図ることができて、製造費の低減化をさらに図ることができる。

さらに、本実施形態に係る圧縮機１０によれば、噴出穴２０は、この噴出穴２０から噴き出される噴き出し流の半径方向成分の向きが、主流の半径方向成分の向きと同じになり、かつ、噴出角度が４５度になるように形成されているので、ミキシングロスを最小限にすることができて、効率を向上させることができる。
さらにまた、ブリード通路１８を介して、インペラ１１のインデューサ部に発生する低速域（衝撃波により急激に減速された流れと、ブレード１３の翼端から漏れ出す流れとが干渉する領域）に存する作動流体が吸い出されて、低速域が減少することとなるので、効率を向上させることができるとともに、作動範囲を拡大させることができる。

本発明に係る圧縮機の第２実施形態を図３に基づいて説明する。図３は本実施形態に係る圧縮機の噴出穴を、周方向に沿ってその中心軸線を含む平面で切った断面図であって、半径方向外側から半径方向内側を見た図である。
本実施形態に係る圧縮機２５は、噴出穴２０の内部に、周方向に沿って配列された複数枚の小翼（予旋回付与手段）２６が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図３に示すように、これら小翼２６は、インペラ１１内に再び流入する作動流体に最適な予旋回（インペラ１１の回転方向と同方向の順旋回）を与えるものであり、各小翼２６の断面は翼形状を有している。
なお、図３中の白抜き矢印は吸出穴１９（図１参照）を介して吸い出された作動流体の流れ方向を示している。

本実施形態に係る圧縮機２５によれば、小翼２６により、インペラ１１内に再び流入する作動流体に最適な予旋回（インペラ１１の回転方向と同方向の順旋回）が与えられ、作動流体がインペラ１１内へより円滑に流入することとなるので、ブレード１３の翼端に発生する衝撃波を緩和させることができ、効率をさらに向上させることができるとともに、作動範囲をさらに拡大させることができる。

本発明に係る圧縮機の第３実施形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施形態に係る圧縮機の要部断面図である。
本実施形態に係る圧縮機３０は、半径方向外側に位置するブリード通路１８の壁面に、複数枚の冷却フィン３１が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図４に示すように、冷却フィン３１は、半径方向外側に位置するブリード通路１８の壁面に対して垂直方向に延びる、例えば、平面視矩形状を有する板状のフィンであり、その根元部はブリード通路１８の壁面と接合されている。

本実施形態に係る圧縮機３０によれば、ブリード通路１８の内部を通過する作動流体の熱が、冷却フィン３１およびケーシング１２を介して外部に放散され、ブリード通路１８の内部を通過する作動流体の温度が、低下させられることとなるので、インペラ１１内に流入する作動流体の温度を低下させることができて、効率をさらに向上させることができる。
なお、ブリード通路１８の内部を通過する作動流体が常温まで冷却された場合には、圧縮機の効率が数％上昇することがわかっている。

以上、図１から図４および［数１］を用いて本発明の第１実施形態から第３実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で適宜必要に応じて変形実施、変更実施、および組合せ実施可能である。
例えば、上述した実施形態では、噴出穴２０として周方向に沿って形成された環状のスリットを採用したが、噴出穴２０の代わりに、例えば、図５（ａ）から図５（ｄ）に示すような、周方向に沿って間隔をあけて形成された複数個（例えば、８個）の噴出穴４０を採用することもできる。

また、上述した実施形態では、吸出穴１９として周方向に沿って形成された環状のスリットを採用したが、吸出穴１９の代わりに、周方向に沿って間隔をあけて形成された複数個（例えば、８個）の吸出穴を採用することもできる。
なお、この場合の吸出穴は、例えば、図５（ａ）から図５（ｄ）に示すような平面視形状を有することとなる。

さらに、上述した実施形態では、ストラット１６の下流側に位置して吸込流路１５の直線部を形成するケーシング１２に噴出穴２０が設けられていたが、この噴出穴２０は、図６に示すように、吸込流路１５の直線部の下流側に位置する曲線部を形成するケーシング１２に設けるようにすることもできる。
なお、この場合の噴射角度は、噴出穴２０の中心軸線上に位置する一点を接点として、主流の流れ方向に沿って、曲線部を形成するケーシング１２の壁面に対して引かれた接線と、噴出穴２０の中心軸線とのなす角度で定義される。

本発明の第１実施形態に係る圧縮機の要部断面図である。本発明に係る圧縮機の作用効果を説明するための図である。本発明の第２実施形態に係る圧縮機の噴出穴を、周方向に沿ってその中心軸線を含む平面で切った断面図であって、半径方向外側から半径方向内側を見た図である。本発明の第３実施形態に係る圧縮機の要部断面図である。本発明の他の実施形態に係る圧縮機の噴出穴を、軸方向に沿って見た正面図である。本発明の別の実施形態に係る圧縮機の要部断面図である。

符号の説明

１０圧縮機
１１インペラ
１２ケーシング
１３ブレード
１４ハブ（本体）
１５吸込流路
１７回転軸
１８ブリード通路
１９吸出穴
２０噴出穴
２５圧縮機
２６小翼（予旋回付与手段）
３０圧縮機
３１冷却フィン
４０噴出穴
Ｒ根元部

Claims

複数枚のブレードと、これら複数枚のブレードの根元部に配置される本体とを備えたインペラと、
前記インペラを回転軸回りに回転可能に収容するとともに、作動流体を前記インペラに導く吸込流路が形成されたケーシングとを備えた圧縮機であって、
前記インペラのインデューサ部と対向する入口側に吸出穴を有し、出口側に噴出穴を有するとともに、前記インデューサ部を通過する作動流体の一部を前記吸込流路の上流側に戻すブリード通路が前記ケーシングに形成されており、
前記噴出穴から噴き出される噴き出し流の半径方向成分の速度が、主流の半径方向成分の速度と同じになるように、前記噴出穴が形成されていることを特徴とする圧縮機。
前記噴出穴の内部に、前記インペラ内に再び流入する作動流体に最適な予旋回を与える予旋回付与手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記ブリード通路の内部に、複数枚の冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機を備えてなることを特徴とする航空用ガスタービン。