JP2012021476A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】可変静翼を備える回転機械において、可変静翼の回動角度に応じて空力性能が変動することを抑制する。
【解決手段】流路壁５の壁面において、可変静翼３ｂが回動する領域が平坦化領域Ｒとされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械に関するものである。

従来から、ジェットエンジン等の回転機械では、幅広い回転域での安定動作を目的として、可変静翼が設置される場合がある。
このような可変静翼は、高さ方向に流路壁に挟まれて配置されており、高さ方向に向く回動軸を中心として回動可能とされている。

特開２０００−３４５９９７号公報

周知のように、ジェットエンジン等の回転機械は、回転軸を中心とする回転対称に形状設定されている。このため、可変静翼を挟む上述の流路壁も、流体の流れ方向から見た場合には、円形に形状設定されている。
そして、上述の可変静翼は、高さ方向すなわち回転機械の半径方向に向く回動軸を中心として回動されることとなる。

ところが円形に形状設定された流路壁に対して可変静翼が回動すると、可変静翼の回動角度によって、可変翼と流路壁との間に形成される隙間の大きさが変化する。
つまり、可変静翼が回動することによって可変静翼の前縁は、流体の流れ方向から見て左右に移動することとなる。そして、流体の流れ方向から見て前縁が回動軸と重なる位置（中央位置）では、可変静翼のハブと当該ハブ側の流路壁との間の隙間は最小となり、前記が上記中央位置から離れるに従って当該隙間が拡大することとなる。

このように、可変静翼のハブと当該ハブ側の流路壁との隙間が大きくなると、可変静翼と流路壁との間における流体の漏れ量が多くなり、圧力損失が増大する。
つまり、可変静翼を備える従来の回転機械においては、可変静翼の回動角度によって空力性能が変動してしまうという問題を有している。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、可変静翼を備える回転機械において、可変静翼の回動角度に応じて空力性能が変動することを抑制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の手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、チップとハブとが流路壁に対向配置されると共に前記チップと前記ハブとを繋ぐ方向から見て回動可能な可変静翼を備える回転機械であって、前記流路壁の壁面において、前記可変静翼が回動する領域の少なくとも１つが平坦化された平坦化領域とされているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記平坦化領域が、前記可変静翼の前記ハブ側に設けられているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明は、角度の異なる前記平坦化領域同士の接続領域が円弧処理されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、前記流れ方向から見て前記可変静翼が環状に複数配列され、前記流れ方向から見て前記流路壁が環状形状とされているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、前記平坦化領域が、ジェットエンジンの高圧圧縮機に設けられているという構成を採用する。

本発明によれば、流路壁の壁面において可変静翼が回動する領域の少なくとも１つが平坦化された平坦化領域とされている。
このような平坦化領域において可変静翼が回動する場合には、可変静翼の回動角度がどのような角度であっても、可変静翼と平坦化領域との間の隙間は変化しない。このため、本発明によれば、可変静翼の回動角度に応じて可変静翼と平坦化領域を有する流路壁との隙間が変動することがない。
したがって、本発明によれば、可変静翼を備える回転機械において、可変静翼の回動角度に応じて空力性能が変動することを抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるジェットエンジンの要部を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態におけるジェットエンジンが備える可変静翼を含む模式図である。 本発明の一実施形態におけるジェットエンジンと従来のジェットエンジンとを比較する比較図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る回転機械の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、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。

図１（ａ）は、本発明の回転機械の一例であるジェットエンジンＳ１の概略構成を示す要部断面図である。この図に示すように、ジェットエンジンＳ１は、ファン１と、低圧圧縮機２と、高圧圧縮機３とを備えている。
なお、ジェットエンジンＳ１は、図１に示す他に、燃焼器、タービン、噴射ノズル等を備えているが、これらの構成については従来と同様であるため、ここでの説明は省略する。

ファン１は、ケース４内部に空気を取込むための装置である。なお、ケース４の内部は、燃焼室に通じるコア流路４ａと、ケース４の外部に通じるバイパス流路４ｂとに分岐されている。
そして、ファン１は、シャフトに連結されて回転駆動されるファン動翼１ａと、ケース４の内部に設けられたバイパス流路４ｂ内に設置されるファン静翼１ｂとを備えている。

低圧圧縮機２は、コア流路４ａにおいて高圧圧縮機３よりも上流側に配置されており、コア流路４ｂに流れ込んだ空気を圧縮するものである。
この低圧圧縮機２は、シャフトに連結されて回転駆動される動翼２ａと、コア流路４ａに固定される静翼２ｂとを備えている。

高圧圧縮機３は、コア流路４ａにおいて低圧圧縮機２よりも下流側に配置されており、低圧圧縮機２によって圧縮された空気をさらに圧縮して後流側の燃焼器に供給するものである。
この高圧圧縮機３は、シャフトに連結された回転駆動される動翼３ａと、コア流路４ａに回動可能に設置される可変静翼３ｂとを備えている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。この図に示すように、可変静翼３ｂは、ジェットエンジンＳ１の回転軸Ｌを中心として環状に複数配列されており、コア流路４ａを形成する環状のハブ側流路壁５とチップ側流路壁６との間に配置されている。

そして、各可変静翼３ｂは、図２（ａ）の斜視図に示すように、ハブ３ｂ１がハブ側流路壁５に対向配置され、チップ３ｂ２がチップ側流路壁６（図２（ａ）においては不図示）に対向配置され、前縁３ｂ３が空気流れの上流側に向けて配置され、後縁３ｂ４が空気流れの後流側に向けて配置されている。
また、各可変静翼３ｂは、ハブ３ｂ１とチップ３ｂ２とを繋ぐ高さ方向に向く回動軸３ｂ５（スピンドル軸）を中心とし、高さ方向から見て回動可能とされている。

なお、各可変静翼３ｂは、回動軸３ｂ５（スピンドル軸）がコア流路４ａの外部に設けられたアクチュエータリングと接続されている。
このアクチュエータリングは、アクチュエータにより回転軸Ｌを中心に回動可能とされている。このようなアクチュエータリングが回動することによって各可変静翼３ｂの回動軸が回動される。
そして、アクチュエータを制御することによって、アクチュエータリングの回動位置すなわち可変静翼３ｂの回動角度を任意に設定することができる。
このようなアクチュエータリングやアクチュエータによって、各可変静翼３ｂは、隣り合う可変静翼３ｂから最も遠ざかる全開姿勢（図２（ａ）の実線で示す姿勢）と、隣合う可変静翼３ｂと最も近づく全閉姿勢（図２（ｂ）の破線で示す姿勢）との間で回動される。

ここで、本実施形態のジェットエンジンＳ１では、図２（ａ）に示すように、ハブ側流路壁５が、可変静翼３ｂごとに平坦化領域Ｒを有している。つまり、ハブ側流路壁５の壁面のうち、可変静翼３ｂが対向して回動する領域の各々が平坦化領域Ｒとされている。

本実施形態において各平坦化領域Ｒは、図２（ｂ）の平面図に示すように、平面視が矩形に形状設定されており、幅ｄ１が可変静翼３ｂの稼動幅ｄａよりも広く、奥行きｄ２が可変静翼３ｂの翼長ｄｂよりも長く設定されている。また、各平坦化領域Ｒは、ジェットエンジンＳ１の回転軸Ｌを中心とする半径方向に対して少なくとも幅ｄ１方向が直交して配置されている。

なお、本実施形態のジェットエンジンＳ１の高圧圧縮機３は、回転軸Ｌを中心に環状に配列される可変静翼３ｂよって翼列を空気の流れ方向に複数備えている。
そして、高圧圧縮機３において最も上流側に配置された翼列を形成する可変静翼３ｂは、高圧圧縮機３に流れ込む空気の流量を調節するためのインレットガイドベーンとして機能する。

また、１つの翼列を構成する複数の可変静翼３ｂが環状に均等間隔で配列されており、これらの可変静翼３ｂの各々に対して上述の平坦化領域Ｒが設けられている。このため、平坦化領域Ｒも、回転軸Ｌを中心とする円周方向に均等間隔で配列されることとなる。よって、ハブ側流路壁５の外形形状は、空気の流れ方向から見た場合に、周りを囲む可変静翼３ｂの数に応じた正多角形形状となる。

このような構成を有する本実施形態のジェットエンジンＳ１では、ファン１が駆動されることにより外部から空気が取込まれて、コア流路４ａに流れ込む空気が低圧圧縮機２及び高圧圧縮機３により圧縮される。そして、圧縮された空気が燃焼器に供給されて燃料と共に燃焼され、この際の燃焼ガスを噴射ノズルから噴射することによって推力が得られる。
そして、例えばジェットエンジンＳ１の回転数に応じて、高圧圧縮機３の可変静翼３ｂの回動角度が設定される。

ここで、本実施形態のジェットエンジンＳ１においては、ハブ側流路壁５の壁面のうち可変静翼３ｂが回動する領域が平坦化領域Ｒとされている。
このような平坦化領域Ｒにおいて可変静翼３ｂが回動する場合には、可変静翼３ｂの回動角度がどのような角度であっても、可変静翼３ｂと平坦化領域Ｒ（ハブ側流路壁５）との間の隙間は変化しない。このため、本実施形態のジェットエンジンＳ１によれば、可変静翼３ｂの回動角度に応じて可変静翼３ｂとハブ側流路壁５との隙間が変動することがない。
したがって、本実施形態のジェットエンジンＳ１によれば、可変静翼３ｂの回動角度に応じて空力性能が変動することを抑制することが可能となる。

図３（ａ）は、本実施形態のジェットエンジンＳ１と従来のジェットエンジンとを比較するための模式図であり、可変静翼３ｂの前縁３ｂ３とハブ側流路壁とを示す模式的に示す図である。なお、図３において、本実施形態のジェットエンジンＳ１のハブ側流路壁を符号５で指し示すと共に実線で示し、従来のジェットエンジンＳ１のハブ側流路壁を符号５ａで指し示すと共に仮想線（二点差線）で示している。
この図３（ａ）に示すように、本実施形態のジェットエンジンＳ１では、可変静翼３ｂが実線で示す全開姿勢と破線で示す全閉姿勢との間で移動した場合であっても、可変静翼３ｂとハブ側流路壁５との隙間は変化しない。
一方、従来のジェットエンジンでは、ハブ側流路壁が湾曲しているため、可変静翼３ｂが全開姿勢よりも全閉姿勢の場合に、可変静翼３ｂとハブ側流路壁５ａとの隙間が大きくなる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す従来のジェットエンジンにおいて、可変静翼３ｂが全開姿勢（全開時）と全閉姿勢（全閉時）とで圧力損失がどのように変化するかを示したグラフである。この図から分かるように、従来のジェットエンジンでは、全閉時すなわち可変静翼３ｂとハブ側流路壁５ａとの間の隙間が大きい場合に、特にハブ側で圧力損失係数が増大している。
そして、本実施形態のジェットエンジンＳ１では、全閉姿勢において可変静翼３ｂとハブ側流路壁５との間の隙間が増大しないため、可変静翼３ｂが全閉姿勢の場合における圧力損失の増大を抑制し、空力性能の悪化を抑制することができる。

なお、チップ側流路壁が回転軸Ｌを中心とする円形に湾曲している場合には、可変静翼３ｂのチップとチップ側流路壁との間の隙間が、全開姿勢の際に大きくなり、全閉姿勢の際に小さくなることとなる。
このため、チップ側流路壁６に対して可変静翼３ｂが回動する領域ごとに平坦化領域を設けるようにしても良い。
ただし、図３（ｂ）に示すように、ハブ側の圧力損失係数が可変静翼３ｂの全開姿勢と全閉姿勢とで大きく変化するのに対して、チップ側の圧力損失係数はほとんど変化しない。
よって、ハブ側流路壁５のみに平坦化領域Ｒを設けることで、十分に圧力損失の増大を抑制し、空力性能の悪化を抑制することができる。

また、図３（ａ）から分かるように、本実施形態のジェットエンジンＳ１のハブ側流路壁５は、従来のジェットエンジンのハブ側流路壁５ａよりも、コア流路４ａ側に僅かながら飛び出すこととなる。この飛び出した領域によってコア流路４ａ内の流れが乱されないように、例えば、図２（ａ）に示す領域Ｒａ（角度の異なる平坦化領域同士の接続領域）を円弧処理するようにしても良い。
これによって、平坦化領域同士が滑らかに接続されることとなり、コア流路４ａ内における空気の流れが乱れることを抑制することが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明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るものではない。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、本発明の回転機械がジェットエンジンである構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、単体の圧縮機や、単体のタービン、液体ポンプ等の回転機械に適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、可変静翼が高圧圧縮機３に設置される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ファン静翼１ｂや低圧圧縮機３の静翼２ｂを可変静翼とする構成も採用することができる。このような場合には、これらの可変静翼に対して平坦化領域が設置されることとなる。

また、上記実施形態においては、全ての可変静翼３ｂに対してハブ側流路壁５に平坦化領域Ｒが設けられる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、必ずしも全ての可変静翼３ｂに対して平坦化領域Ｒを設けなくても良い。

Ｓ１……ジェットエンジン（回転機械）、３……高圧圧縮機、３ｂ……可変静翼、５……ハブ側流路壁（流路壁）、６……チップ側流路壁（流路壁）、Ｒ……平坦化領域、Ｒａ……領域（角度の異なる平坦化領域同士の接続領域）

Claims (5)

1. チップとハブとが流路壁に対向配置されると共に前記チップと前記ハブとを繋ぐ方向から見て回動可能な可変静翼を備える回転機械であって、
   前記流路壁の壁面において、前記可変静翼が回動する領域の少なくとも１つが平坦化された平坦化領域とされていることを特徴とする回転機械。
2. 前記平坦化領域は、前記可変静翼の前記ハブ側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転機械。
3. 角度の異なる前記平坦化領域同士の接続領域が円弧処理されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転機械。
4. 前記流れ方向から見て前記可変静翼が環状に複数配列され、前記流れ方向から見て前記流路壁が環状形状とされていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の回転機械。
5. 前記平坦化領域は、ジェットエンジンの高圧圧縮機に設けられていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の回転機械。

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