JP2012180749A - 回転機械の抽気構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の回転翼を有するロータと、前記ロータの周囲に設けられ、作動流体の主流の流路を前記ロータと共に画定するステータ2と、ステータ2の仕切壁21aを介在させて前記流路に隣接して設けられ、仕切壁21aに形成された抽気連通部を介して、前記主流から抽気された前記作動流体が導入される抽気部3と、を有する回転機械C1の抽気構造であって、前記抽気連通部は、仕切壁21aを貫通する抽気孔41が前記ロータの円周方向に複数配列されてなる抽気孔列31(31A,31B)を、少なくとも二つ有することを特徴とする。
【選択図】図2
Description
すなわち、本発明に係る回転機械の抽気構造は、複数の回転翼を有するロータと、前記ロータの周囲に設けられ、作動流体の主流の流路を前記ロータと共に画定するステータと、前記ステータの仕切壁を介在させて前記流路に隣接して設けられ、前記仕切壁に形成された抽気連通部を介して、前記主流から抽気された前記作動流体が導入される抽気部と、を有する回転機械の抽気構造であって、前記抽気連通部は、前記仕切壁を貫通する抽気孔が前記ロータの円周方向に複数配列されてなる抽気孔列を、少なくとも二つ有することを特徴とする。
このようにすれば、抽気連通部が抽気孔列を少なくとも二つ有しているので、抽気孔列を一つ設けた構成に比べて、抽気部へ抽気される作動流体の総量が同一である場合において、抽気孔一つ当たりの作動流体の流量が小さくなる。これにより、最大抽気条件において作動流体が音速を超えない抽気孔の最小孔断面積を小さくすることができ、他の抽気条件においてサイクル効率が向上するように抽気孔の孔断面積を小さく設定したとしても、最小孔断面積を下回り難くなる。従って、最大抽気条件においてチョークの発生を抑制すると共に、かつ、他の抽気条件においてサイクル効率の向上を図ることができる。
このようにすれば、互いに隣接する二つの抽気孔列の相互の抽気孔を千鳥配置にすることにより、相互の抽気孔を近接させることが可能となる。これにより、互いに隣接する二つの抽気孔列のそれぞれの位置における主流の静圧がほぼ同程度となり、これら二つの抽気孔列の各抽気孔において、抽気部と主流との静圧の差を同程度とすることができる。従って、二つの抽気孔列の各抽気孔において、要求される静圧回復量が過大になることを抑制するので、圧力損失の発生を抑制することができる。
このようにすれば、拡径部を備えるので、流路の主流から抽気した作動流体の動圧を静圧に変換することができる。これにより、作動流体の動圧が失われることを抑制するので、抽気部の圧力を高圧に維持することができる。従って、同一流量を抽気する条件であっても圧縮機からの抽気位置を上流に移動させ、低い圧力の流体を抽気することができるため、回転機械のサイクル効率を更に向上させることができる。
このようにすれば、主流上流側の抽気孔列における抽気孔の面積比を、主流下流側の抽気孔列における抽気孔の面積比よりも大きく設定しているので、要求される静圧回復量に応じて、主流上流側の抽気孔列の抽気孔で作動流体の動圧を十分に静圧に回復させることができる。これにより、抽気孔において発生する圧力損失を小さく抑え、抽気部を高圧に維持することができる。
「第一実施形態」
図1は、本発明の第一実施形態に係る遠心式圧縮機(回転機械)C1の要部を拡大した子午断面図である。この遠心式圧縮機C1は、航空機用のものであって高圧の空気(作動流体)Aを生成して燃焼器(不図示)に供給する。
図1に示すように、遠心式圧縮機C1は、ロータ1と、ロータ1の周囲に設けられたステータ2とを有している。
ロータシャフト11は、ロータシャフト11の中心軸P周りに回転自在に、不図示の軸受Sに支持されている。なお、以下の説明においては、中心軸Pの延在方向を「主軸方向」と、ロータシャフト11の周方向を「円周方向」、ロータシャフト11の半径方向を「主半径方向」という。
ハブ13は、主軸方向の一方側から他方側に進むに従って、延在方向が次第に主軸方向から主半径方向に変化する案内面13aを有している。このハブ13は、ロータシャフト11に同軸状に取り付けられている。
回転翼14は、案内面13aの法線方向に向けて案内面13aから延出しており、円周方向に間隔を空けて複数設けられている。回転翼14は、図1に示すように、子午断面において、その先端(チップ)14aの延在方向を主軸方向から主半径方向の外周側に変化させる。
ケーシング21は、中心軸P周りに延びてロータ1の周囲を囲っている。ケーシング21は、図1に示すように、主軸方向の一方側から中心軸Pに沿って円筒状に延びる上流円筒部21pと、上流円筒部21pに続いて形成され、回転翼14の先端に沿うように拡径して端部を主半径方向の外周側に向けるシュラウド(仕切壁)21aと、シュラウド21aに続いて形成され、主半径方向において外周側に向けて延びた後に屈曲し、再び中心軸Pに沿って軸方向他方側に向けて円筒状に延びる下流円筒部21qとを有している。
抽気室3は、シュラウド21aと、このシュラウド21aに接続されてシュラウド21aと共に閉断面を形成する隔壁21bとで画定されており、円周方向において円環状に延びている。換言すれば、この抽気室3は、シュラウド21aを介在させて流路25aに隣接している。
図2及び図3に示すように、二つの抽気孔列31は、互いに沿って並設されており、それぞれが、複数の抽気孔41が円周方向に配列されることで構成されている。
また、本実施形態においては、抽気孔41の孔断面積(孔径)を、航空機の巡航状態における抽気条件(抽気量…主流から抽気室3へ抽気される空気Aの総量)に合わせて、遠心式圧縮機C1の効率が向上する大きさに設定され、また、航空機の運転状態において最大となる抽気条件(抽気量)で、抽気孔41にチョークが生じない孔断面積(抽気した空気Aが音速を超えない孔断面積)に設定されている。
まず、図1に示すように、空気Aの主流は、主軸方向の一方側から流路25aに流入し、流路25aを流れる過程において、回転翼14によって動圧及び静圧が高められる。そして、流路25aから流路25bに流出した主流は、流路25bを流れる過程において動圧が静圧に変換される。
この際、各抽気孔41においては、空気Aの流量Qが増加して流量Q=Q2(Q2>Q1)、流速V=V2(V2>V1)となる。各抽気孔41を流れる空気Aは、チョークを発生させないで抽気室3に安定して導入される。
各抽気孔41から抽気室3に向けて流出した空気Aは、配管3aを介して軸受SやタービンTに供給される。
ここで、抽気室3の静圧は空気Aの主流の流れ方向に沿ってほぼ同程度になっているので、抽気孔列31Aの抽気孔41は、抽気孔列31Bの抽気孔41に比べて、空気Aの静圧を大きく回復させることが要求される。しかしながら、抽気孔列31Aの抽気孔41において要求静圧回復量を満足させないと、抽気孔41の空気Aの流れに剥離が生じて圧力損失が生じてしまう。
そして、抽気孔列31Aと抽気孔列31Bとが離間するほど主流の静圧の差分が大きくなるから、抽気孔列31Bに対して抽気孔列31Aの要求静圧回復量が大きくなり、圧力損失が生じ易くなる。
続いて、本発明の第二実施形態について説明する。
図4は本発明の第二実施形態に係る遠心式圧縮機(回転機械)C2の要部断面図であり、図5は遠心式圧縮機C2の要部拡大断面図である。なお、以下の説明及び以下の説明で用いる図面において、上述した実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
この拡径部53は、スロート部51bから開口部51cに向かうに従って漸次拡径している。
この拡径部53は、その長手方向の寸法を、スロート部51b(定径部52)の孔径の二倍以上に設定するのが望ましい。また、抽気孔51の中心軸Jに沿った断面の、抽気孔51の内周面の断面輪郭において、定径部52の延在方向に対して拡径部53の延在方向が形成する拡がり角θを2〜6°に設定するのが望ましい。
続いて、本発明の第三実施形態について説明する。
図6は本発明の第三実施形態に係る遠心式圧縮機(回転機械)C3の要部断面図である。なお、以下の説明及び以下の説明で用いる図面において、上述した実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
すなわち、抽気孔列31A及び抽気孔列31Bの、それぞれに要求される要求静圧回復量に対応させて、抽気孔61Bに比べて抽気孔61Aの面積比を大きくしている。つまり、相対的に要求静圧回復量が大きくなる抽気孔61Aにおいて、局所的な剥離や逆流が生じることを防ぐために、抽気孔61Bに比べて抽気孔61Aの静圧回復量を大きくしている。
まず、構造側の要求(板厚部21c等の寸法)から、拡径部63の面積比(面積拡大率)の上限を決める。
次に、拡径部63の面積比の上限から拡径部63の静圧回復係数Cpを求める。ここで、Cp=(抽気孔61の出口(開口部61c)における静圧−抽気孔61の入口(開口部61a)の静圧)/抽気孔61の入口の動圧、である。
次に、抽気孔列31A及び抽気孔列31Bのうち、孔面積を拡大させ易い(シュラウド21aの板厚を確保し易い)一方の抽気孔61の静圧回復係数Cpを、求めた静圧回復係数Cpとする。
次に、抽気孔列31A及び抽気孔列31Bのそれぞれの位置の主流の圧力を、実験や解析によって取得する。
次に、抽気孔列31A及び抽気孔列31Bのうち、他方の抽気孔61の静圧回復係数Cpを、抽気室3の圧力が等しくなるように定める。
最後に、抽気孔列31Aの抽気孔61Aと抽気孔列31Bの抽気孔61Bとのそれぞれの静圧回復係数Cpから、ディフューザマップ(ディフューザの形状と静圧回復の関係を示したマップ)を参考にして、それぞれの面積比を求める。
図9に示すように、比較対象C3´においては、抽気孔列31A´の抽気孔61A´が比較的に小さい面積比で形成されており、要求される静圧回復力を満たすことができない。このため、抽気孔61A´内において圧力損失が生じて、抽気室3´から流路25a´に向けて空気Aが逆流してしまっている。
なお、図10に示すように、抽気孔列31B´の抽気孔61B´においては、圧力損失を生じさせることなく、流路25a´から抽気室3´に向けて空気Aが流れている。
なお、図8に示すように、抽気孔列31Bの抽気孔61Bにおいても圧力損失を生じさせることなく、流路25aから抽気室3に向けて空気Aが流れる。
図11に示すように、遠心式圧縮機C3と比較対象C3´とが互いに同一の抽気量であったとしても、抽気孔列31Aの抽気孔61Aで十分に静圧を回復させる遠心式圧縮機C3の方が、ほぼ全ての抽気量において、比較対象C3´に比べて抽気室圧力が高くなっている。
例えば、上述した実施形態においては、抽気孔41,51,61の各断面形状を真円状に形成したが、他の形状(例えば、楕円状や多角形状)に形成してもよい。なお、多角形状に形成する場合には、角部をR状に形成するのが望ましい。
また、上述した実施形態においては、シュラウド21aを鋳造によって形成したが、他の製造方法で形成してもよい。また、上述した実施形態においては、各抽気孔41を放電加工で形成したが、他の加工方法(例えば機械加工)によって形成してもよい。
2…ステータ
3…抽気室(抽気部)
3a…配管
11…ロータシャフト
12…インペラ
13…ハブ
13a…案内面
14…回転翼
21…ケーシング
21a…シュラウド(仕切壁)
25(25a,25b)…流路
31(31A,31B)…抽気孔列(抽気連通部)
41,51…抽気孔
51b,61b…スロート部(作動流体入口)
51c,61c…開口部(作動流体出口)
53…拡径部
61(61A,61B)…抽気孔
63…拡径部
A…空気(作動流体)
C1,C2,C3…遠心式圧縮機(回転機械)
Claims (4)
- 複数の回転翼を有するロータと、
前記ロータの周囲に設けられ、作動流体の主流の流路を前記ロータと共に画定するステータと、
前記ステータの仕切壁を介在させて前記流路に隣接して設けられ、前記仕切壁に形成された抽気連通部を介して、前記主流から抽気された前記作動流体が導入される抽気部と、を有する回転機械の抽気構造であって、
前記抽気連通部は、前記仕切壁を貫通する抽気孔が前記ロータの円周方向に複数配列されてなる抽気孔列を、少なくとも二つ有することを特徴とする回転機械の抽気構造。 - 前記複数の抽気孔列のうちの互いに隣接する二つの前記抽気孔列は、一方における前記抽気孔が他方における前記抽気孔に対してずらされて、千鳥状に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の回転機械の抽気構造。
- 前記抽気孔は、前記流路側から前記抽気部側に向かうに従って漸次拡径する拡径部を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の回転機械の抽気構造。
- 前記主流は、前記主流の流れ方向に圧力勾配を有し、
前記拡径部の作動流体入口の孔断面積に対する前記拡径部の作動流体出口の孔断面積の比を面積比と定義した際に、
前記主流の下流側における前記抽気孔列の抽気孔に比べて、前記主流の上流側における前記抽気孔列の抽気孔の方が、前記面積比が大きく設定されていることを特徴とする請求項3に記載の回転機械の抽気構造。
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