JP2017172569A - 軸流圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】前段の動翼の先端側と根元側の衝撃波損失を抑制できる軸流圧縮機を提供する。【解決手段】軸流圧縮機１は、ロータ７と、ロータ７の外周側に設けられた複数の動翼８ａ，８ｂと、ケーシング６と、ケーシング６の内周側に設けられ、複数の動翼８ａ，８ｂの下流側にそれぞれ配置された複数の静翼９ａ，９ｂと、ケーシング６の内周側に設けられ、初段の動翼８ａの上流側に配置された入口案内翼１０と、を有する。入口案内翼１０は、設定位置Ｐ３として、翼高さ方向の根元位置Ｐ１と先端位置Ｐ２の間の位置が設定され、設定位置Ｐ３から根元位置Ｐ１に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ設定位置Ｐ３から先端位置Ｐ２に向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、ガスタービン用又は産業用の軸流圧縮機に関する。

ガスタービンの高出力化と高効率化のために、軸流圧縮機の大流量化と高圧力比化が要求される。軸流圧縮機の大流量化と高圧力比化に伴い、圧縮機の上流側に配置された前段の動翼（遷音速翼）に流入する流体の相対流入速度（相対流入マッハ数）が増加する。そのため、動翼の表面に衝撃波が発生し、これに起因した損失が増大する可能性がある。

そこで、特許文献１に記載の従来技術では、圧縮機の上流側に配置された入口案内翼又は前段の静翼は、翼高さ方向の中間位置から根元位置に（言い換えれば、ケーシング側に）向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ翼高さ方向の中間位置から先端位置に（言い換えれば、ロータ側に）向かうにつれてスタッガ角が漸減するように構成されている。すなわち、翼高さ方向の中間位置から根元位置に向かうにつれて流出角が漸増し、かつ翼高さ方向の中間位置から先端位置に向かうにつれて流出角が漸減するように構成されている。

これにより、翼高さ方向の位置にかかわらずスタッガ角（及び流出角）が一定である場合と比べ、翼根元側のスタッガ角（及び流出角）を大きくする。したがって、入口案内翼の下流側又は前段の静翼の下流側に配置された前段の動翼に対し、翼先端側の相対流入角を小さくするとともに、翼先端側の相対流入マッハ数を小さくすることが可能である。したがって、前段の動翼の先端側の衝撃波損失を低減することが可能である。

特開平９−７２２２２号公報（図３等参照）

しかしながら、上記従来技術には次のような改善の余地があった。すなわち、上記従来技術の入口案内翼又は前段の静翼においては、翼高さ方向の位置にかかわらずスタッガ角（及び流出角）が一定である場合と比べ、翼先端側のスタッガ角（及び流出角）を小さくする。そのため、入口案内翼の下流側又は前段の静翼の下流側に配置された前段の動翼に対し、翼根元側の相対流入角を大きくするとともに、翼根元側の相対流入マッハ数を大きくする。

ここで、上述した軸流圧縮機の大流量化と高圧力比化に伴い、前段の動翼の高さが高くなれば、動翼の根元側に作用する引張り応力を考慮して、根元側の翼厚みを大きくしなければならない場合がある。また、動翼の翼根元での局所的な応力を低減するためにフィレットを設けることから、翼根元の厚みが大きくなる場合もある。そのため、動翼の根元側の相対流入マッハ数が大きくなると、翼根元側の流れがチョークして、翼根元側の衝撃波損失が増加することが懸念される。さらに、動翼の根元側の流れがチョークすれば、翼高さ方向の流量配分が変化して、翼先端側の相対流入マッハ数が大きくなり、翼先端側の衝撃波損失が増加することも懸念される。

本発明の目的は、前段の動翼の先端側と根元側の衝撃波損失を抑制できる軸流圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、ロータと、前記ロータの外周側に設けられた複数の動翼と、ケーシングと、前記ケーシングの内周側に設けられ、前記複数の動翼の下流側にそれぞれ配置された複数の静翼と、前記ケーシングの内周側に設けられ、初段の動翼の上流側に配置された複数の入口案内翼と、を有する軸流圧縮機において、前記入口案内翼又は前段の静翼は、少なくとも１つの設定位置として、翼高さ方向の根元位置と先端位置の間の位置が設定され、前記設定位置から前記根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ前記設定位置から前記先端位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成される。

本発明によれば、前段の動翼の先端側と根元側の衝撃波損失を抑制できる。

本発明の第１の実施形態におけるガスタービンの構成を表す概略図である。 本発明の第１の実施形態における軸流圧縮機の上流側部分の構造を表す軸方向断面図である。 本発明の第１の実施形態における入口案内翼の構造を表す斜視図である。 第１の比較例における入口案内翼の構造を表す斜視図である。 本発明の第１の実施形態並びに第１及び第２の比較例における入口案内翼のスタッガ角の分布を表す図である。 本発明の第１の実施形態並びに第１の比較例における入口案内翼の出口軸方向速度の分布を表す図である。 図２中断面矢視VIIによる断面図であって、本発明の第１の実施形態における空気の流れを説明するための図である。 本発明の第１の比較例における空気の流れを説明するための図である。 本発明の第１の実施形態並びに第１及び第２の比較例における初段動翼の相対流入マッハ数の分布を表す図である。 本発明の第１の実施形態並びに第２の比較例における初段動翼の根元側のマッハ数の分布を表す図である。 ピークマッハ数と全圧損失係数の関係を表す図である。 本発明の一変形例並びに第１及び第２の比較例における入口案内翼のスタッガ角の分布を表す図である。 本発明の第２の実施形態並びに第１及び第２の比較例における入口案内翼のスタッガ角の分布を表す図である。

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態におけるガスタービンの構成を表す概略図である。図２は、本実施形態における軸流圧縮機の上流側部分の構造を表す軸方向断面図である。

ガスタービンは、空気を圧縮する軸流圧縮機１と、この圧縮機１で生成された圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器２と、この燃焼器２で生成された高温の燃焼ガスによって回転駆動するタービン３と、このタービン３の回転動力によって駆動する発電機４とを備えている。なお、圧縮機１、タービン３、及び発電機４は、回転軸５を介し互いに接続されている。また、燃焼ガスは、タービン３を回転させた後、排気ガスとして系外へ放出されるようになっている。

軸流圧縮機１は、ケーシング６と、ケーシング６内に回転可能に設けられたロータ７とを有しており、ケーシング６の内周面とロータ７の外周面の間にて略円筒状の主流流路（作動流体流路）が形成されている。

軸流圧縮機１は、ロータ７の外周側に設けられた複数の動翼８ａ，８ｂと、ケーシング６の内周側に設けられた複数の静翼９ａ，９ｂとを有している。複数の動翼８ａは、ロータ７の周方向に配列されて第１段の動翼８ａを構成している。複数の静翼９ａは、ケーシング６の周方向に配列されて第１段の静翼９ａを構成しており、第１段の動翼８ａの下流側（図２中右側）に配置されている。複数の動翼８ｂは、ロータ７の周方向に配列されて第２段の動翼８ｂを構成しており、第１段の静翼９ａの下流側に配置されている。複数の静翼９ｂは、ケーシング６の周方向に配列されて第２段の静翼９ｂを構成しており、第２段の動翼８ｂの下流側に配置されている。

そして、作動流体である空気は、図２中白抜き矢印で示すように流れており、各段の動翼で増速されて運動エネルギーが付与され、各段の静翼で減速されて運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される（すなわち、昇圧される）。なお、図２では、二段の動翼８ａ，８ｂと二段の静翼９ａ，９ｂを示しているが、軸流圧縮機１は、三段以上の動翼と三段以上の静翼を有している。

軸流圧縮機１は、ケーシング６の内周側に設けられた複数の入口案内翼１０を有している。複数の入口案内翼１０は、ケーシング６の周方向に配列されており、第１段の動翼８ａの上流側（図２中左側）に配置されている。

軸流圧縮機１は、複数の入口案内翼１０の回転角度を変更する可変機構１９ａと、第１段の静翼９ａの回転角度を変更する可変機構１９ｂとを有している。そして、例えばガスタービンの起動時に、可変機構１９ａが入口案内翼１０の回転角度を変更して圧縮機１の吸気流量を少なくし、可変機構１９ｂが静翼９ａの回転角度を変更して旋回失速を抑制するようになっている。

次に、本実施形態の入口案内翼１０の構造を、第１及び第２の比較例の入口案内翼と比較しながら説明する。なお、本実施形態並びに第１及び第２の比較例における入口案内翼の流量条件は同じとする（詳細は後述）。

図３は、本実施形態における入口案内翼の構造を表す斜視図であり、図４は、第１の比較例における入口案内翼の構造を表す斜視図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本実施形態並びに第１及び第２の比較例における入口案内翼のスタッガ角の分布を表す図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）の直交座標系の縦軸は入口案内翼の高さ方向の位置、横軸はスタッガ角である。図６は、本実施形態並びに第１の比較例における入口案内翼の流出速度軸方向成分の分布を表す図である。図６の縦軸は入口案内翼の高さ方向の位置、横軸は流出速度軸方向成分である。

第１の比較例の入口案内翼５０は、図５（ａ）中基準線５２（一点鎖線）で示すように、翼高さ方向の根元位置Ｐ１から先端位置Ｐ２にかけてスタッガ角が一定であるように構成されている。具体的には、図５（ａ）及び図４で示すように、根元位置Ｐ１と先端位置Ｐ２との中間位置Ｐ０での翼断面５１ａのスタッガ角、根元位置Ｐ１での翼断面５１ｂのスタッガ角、及び先端位置Ｐ２での翼断面５１ｃのスタッガ角はθ０である。なお、スタッガ角とは、翼断面の翼弦方向と圧縮機１の軸方向との間の角度である。

第２の比較例の入口案内翼は、図５（ａ）中比較線６２（二点鎖線）で示すように、翼高さ方向の中間位置Ｐ０から根元位置Ｐ１に（言い換えれば、ケーシング側に）向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ翼高さ方向の中間位置Ｐ０から先端位置Ｐ２に（言い換えれば、ロータ側に）向かうにつれてスタッガ角が漸減するように構成されている。具体的には、図５（ａ）で示すように、中間位置Ｐ０での翼断面のスタッガ角はθ０、根元位置Ｐ１での翼断面のスタッガ角はθ１（但し、θ１＞θ０）、先端位置Ｐ２での翼断面のスタッガ角はθ２（但し、θ２＜θ０）である。

本実施形態の入口案内翼１０では、１つだけの設定位置Ｐ３として、翼高さ方向の根元位置Ｐ１と先端位置Ｐ２の間の位置が設定されている。この設定位置Ｐ３は、好ましくは、中間位置Ｐ０より翼先端側であるが、中間位置Ｐ０としてもよいし、若しくは中間位置Ｐ０より翼根元側としてもよい。そして、本実施形態の入口案内翼１０は、図５（ａ）中特性線１２（実線）で示すように、翼高さ方向の設定位置Ｐ３から根元位置Ｐ１に（言い換えれば、ケーシング側に）向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ翼高さ方向の設定位置Ｐ３から先端位置Ｐ２に（言い換えれば、ロータ側に）向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成されている。具体的には、図５（ａ）及び図３で示すように、設定位置Ｐ３での翼断面１１ａのスタッガ角はθ３（但し、θ３＜θ０）、根元位置Ｐ１での翼断面１１ｂのスタッガ角はθ１（但し、θ１＞θ０）、先端位置Ｐ２での翼断面１１ｃのスタッガ角はθ４（但し、θ４＞θ０）である。

なお、図５（ｂ）で示すように、本実施形態の入口案内翼１０のスタッガ角の分布を示す特性線１２は、第１の比較例の入口案内翼５０のスタッガ角（言い換えれば、仮想のスタッガ角）の分布を示す基準線５２に対して、交点Ｅ１と、この交点Ｅ１より翼先端側に位置する交点Ｅ２とで交差している。そして、本実施形態の入口案内翼１０の設計流量と第１の比較例の入口案内翼５０の設計流量を同じにするため、交点Ｅ１から交点Ｅ２にかけて特性線１２及び基準線５２で囲まれた第１の領域の面積Ｆ１は、根元位置Ｐ１から交点Ｅ１にかけて特性線１２及び基準線５２で囲まれた第２の領域の面積Ｆ２と、交点Ｅ２から先端位置Ｐ２にかけて特性線１２及び基準線５２で囲まれた第３の領域の面積Ｆ３との総和としている。また、本実施形態では、初段動翼８ａの根元側の相対流入マッハ数が先端側の相対流入マッハ数より小さいことを考慮して、第３の領域の面積Ｆ３が第２の領域の面積Ｆ２より小さくなっている。

入口案内翼の設計流量について詳しく説明する。図６中一点鎖線５３で示す、第１の比較例の入口案内翼５０の流出速度軸方向成分の分布は、上述したスタッガ角の分布に対応する。すなわち、翼高さ方向の根元位置Ｐ１から先端位置Ｐ２にかけて流出速度軸方向成分が一定である。図６中実線１３で示す、本実施形態の入口案内翼１０の流出速度軸方向成分の分布は、上述したスタッガ角の分布に対応する。すなわち、翼高さ方向の設定位置Ｐ３から根元位置Ｐ１に（言い換えれば、ケーシング側に）向かうにつれて流出速度軸方向成分が漸減し、且つ翼高さ方向の設定位置Ｐ３から先端位置Ｐ２に（言い換えれば、ロータ側に）向かうにつれて流出速度軸方向成分が漸減する。

本実施形態の入口案内翼１０の流出速度軸方向成分の分布を示す実線１３は、第１の比較例の入口案内翼５０の出口軸流速度の分布を示す一点鎖線５３に対して、交点Ｇ１と、この交点Ｇ１より翼先端側に位置する交点Ｇ２とで交差している。交点Ｅ１と交点Ｇ１の翼高さ方向の位置はほぼ同じ、交点Ｅ２と交点Ｇ２の翼高さ方向の位置はほぼ同じである。そして、交点Ｇ１から交点Ｇ２にかけて実線１３及び一点鎖線５３で囲まれた領域の面積Ｈ１は、流量増加分に相当し、上述した第１の領域の面積Ｆ１に比例している。根元位置Ｐ１から交点Ｇ１にかけて実線１３及び一点鎖線５３で囲まれた領域の面積Ｈ２は、流量減少分に相当し、上述した第２の領域の面積Ｆ２に比例している。交点Ｇ２から先端位置Ｐ２にかけて実線１３及び一点鎖線５３で囲まれた領域の面積Ｈ３は、流量減少分に相当し、上述した第３の領域の面積Ｆ３に比例している。したがって、面積Ｈ１が面積Ｈ２と面積Ｈ３の総和となり、本実施形態の入口案内翼１０の設計流量と第１の比較例の入口案内翼５０の設計流量は同じになる。

なお、上述した入口案内翼の流出速度軸方向成分の分布は、入口案内翼の流入速度軸方向成分の分布が一様である場合を想定している。すなわち、入口案内翼の流入側に側壁境界層が発達していない理想的な流れを想定している。しかし、入口案内翼の流入側に側壁境界層が発達している場合は、翼高さ方向の根元側及び先端側における流入速度軸方向成分が小さくなり、翼高さ方向の中間部における流入速度軸方向成分が大きくなる。その影響を受ければ、上述した面積Ｈ２及び面積Ｈ３が増加し、それらの増加分より大きな増加分で面積Ｈ１が増加する。そのため、面積Ｈ２と面積Ｈ３の総和が面積Ｈ１となるように、上述した面積Ｆ２と面積Ｆ３の総和を面積Ｆ１より大きくしてもよい。

次に、本実施形態の入口案内翼１０の作用効果を、上述した第１及び第２の比較例の入口案内翼と比較しながら、ガスタービンの定格出力運転時を想定して説明する。

図７は、図２中断面矢視VIIによる断面図であって、本実施形態における空気の流れを説明するための図である。図８は、図７に対応しており、第１の比較例における空気の流れを説明するための図である。図９は、本実施形態並びに第１及び第２の比較例における初段動翼の相対流入マッハ数の分布を表す図である。図９の縦軸は初段動翼の高さ方向の位置、横軸は相対流入マッハ数である。図９中の一点鎖線５４は、第１の比較例における初段動翼の相対流入マッハ数の分布を示し、図９中の二点鎖線６４は、第２の比較例における初段動翼の相対流入マッハ数の分布を示し、図９中の実線１４は、本実施形態における初段動翼の相対流入マッハ数の分布を示している。

第１の比較例では、図８で示すように、空気が入口案内翼５０の前縁側から、絶対速度ベクトルＢで流入する。そして、空気が入口案内翼５０を通過する際に転向されて、絶対速度ベクトルＣ０となり、入口案内翼５０の後縁側から流出する。圧縮機１の軸方向に対する絶対速度ベクトルＣ０の角度が入口案内翼５０の流出角α０であり、この入口案内翼５０の流出角α０は、入口案内翼５０のスタッガ角θ０に比例する。絶対速度ベクトルＣ０の軸方向成分が上述した入口案内翼５０の流出速度軸方向成分である。

そして、初段動翼５８ａが周方向速度ベクトルＵで移動しているため、初段動翼５８ａの前縁側から、空気が相対速度ベクトルＷ０で流入する。圧縮機１の軸方向に対する相対速度ベクトルＷ０の角度が初段動翼５８ａの相対流入角β０である。相対速度ベクトルＷ０の大きさが初段動翼５８ａの相対流入速度であり、この相対流入速度を音速との比で表したものが相対流入マッハ数である。

第１の比較例の入口案内翼１０においては、上述したように翼高さ方向の根元位置Ｐ１から先端位置Ｐ２にかけてスタッガ角が一定である。すなわち、根元位置Ｐ１から先端位置Ｐ２にかけて流出角が一定である。そして、初段動翼５８ａの周方向速度ベクトルが根元位置から先端位置に（言い換えれば、ケーシング側に）向かうにつれて増加していることから、初段動翼５８ａの先端側の相対流入角が大きくなるとともに、初段動翼５８ａの先端側の相対流入マッハ数が大きくなる（図９中の一点鎖線５４参照）。

本実施形態では、図７で示すように、空気が入口案内翼１０の前縁側から、絶対速度ベクトルＢで流入する。そして、空気が入口案内翼１０の間を通過する際に転向されて、絶対速度ベクトルＣとなり、入口案内翼１０の後縁側から流出する。圧縮機１の軸方向に対する絶対速度ベクトルＣの角度が入口案内翼１０の流出角αであり、この入口案内翼１０の流出角αは、入口案内翼１０のスタッガ角θに比例する。絶対速度ベクトルＣの軸方向成分が上述した入口案内翼１０の流出速度軸方向成分である。

そして、初段動翼８ａが周方向速度ベクトルＵで移動しているため、空気が初段動翼８ａの前縁側から、相対速度ベクトルＷで流入する。圧縮機１の軸方向に対する相対速度ベクトルＷの角度が初段動翼８ａの相対流入角βである。相対速度ベクトルＷの大きさが初段動翼８ａの相対流入速度であり、この相対流入速度を音速との比で表したものが相対流入マッハ数である。

本実施形態の入口案内翼１０においては、上述したように翼高さ方向の設定位置Ｐ３から根元位置Ｐ１に向かうにつれてスタッガ角が漸増するので、第１の比較例の入口案内翼５０と比べ、翼根元側のスタッガ角を大きくする。すなち、翼根元側の流出角を大きくする。これにより、初段動翼８ａの先端側の相対流入角を小さくするとともに、初段動翼８ａの先端側の相対流入マッハ数を小さくすることができる（図９中実線１４参照）。したがって、初段動翼８ａの先端側の衝撃波損失を低減することができる。

第２の比較例の入口案内翼においては、上述したように翼高さ方向の中間位置Ｐ０から根元位置Ｐ１に向かうにつれてスタッガ角が漸増するので、本実施形態と同様、翼根元側のスタッガ角を大きくする。すなち、翼根元側の流出角を大きくする。これにより、初段動翼の先端側の相対流入角を小さくするとともに、初段動翼の先端側の相対流入マッハ数を小さくすることが可能である（図９中二点鎖線６４参照）。

しかしながら、第２の比較例の入口案内翼においては、上述したように翼高さ方向の中間位置Ｐ０から先端位置Ｐ２に向かうにつれてスタッガ角が漸減するので、翼先端側のスタッガ角を小さくする。すなち、翼先端側の流出角を小さくする。これにより、初段動翼の根元側の相対流入角を大きくするとともに、初段動翼の先端側の相対流入マッハ数を大きくする（図９中二点鎖線６４参照）。

これに対し、本実施形態の入口案内翼１０においては、上述したように翼高さ方向の設定位置Ｐ３から先端位置Ｐ２に向かうにつれてスタッガ角が漸増するので、第２の比較例の入口案内翼と比べ、翼先端側のスタッガ角を大きくする（特に、本実施形態では、第１の比較例の入口案内翼５０と比べても、翼先端側のスタッガ角を大きくする）。これにより、初段動翼８ａの根元側の相対流入角を小さくするとともに、初段動翼８ａの根元側の相対流入マッハ数を小さくすることができる（図９中実線１４参照）。したがって、初段動翼８ａの根元側の流れのチョークを抑制して、翼根元側の衝撃波損失を低減することができる。

また、本実施形態では、初段動翼８ａの根元側の相対流入角を小さくすることにより、翼根元側のピークマッハ数を抑えることができ、翼根元側の衝撃波損失を低減することができる。図１０及び図１１を用いて詳述する。

図１０は、本実施形態並びに第２の比較例における初段動翼の根元側のマッハ数の分布を表す図である。図１０の横軸は初段動翼の翼根元断面における翼弦方向の位置、縦軸は負圧面側のマッハ数である。図１１は、ピークマッハ数と全圧損失係数の関係を表す図である。

図１０中二点鎖線６５で示す、第２の比較例における初段動翼の根元側のマッハ数の分布では、翼弦方向の中間位置より前縁側でマッハ数がピーク値（ピークマッハ数）となり、ピーク値が大きい。ピークマッハ数が限界マッハ数（例えば１．２〜１．３）を超過すると、図１１で示すように全圧損失係数が増大して、衝撃波損失が増大する。

一方、図１０中実線１５で示す、本実施形態における初段動翼８ａの根元側のマッハ数の分布では、翼根元側の相対流入角を小さくすることにより、ピークマッハ数の位置を後縁側に移動させるとともに、ピークマッハ数を抑えることができる。したがって、衝撃波損失を低減することができる。

また、本実施形態では、初段動翼８ａの翼根元位置でのスタッガ角も小さくなるので、上述の図７で示すように、初段動翼８ａのダブテイル１７（取付部）を、翼高さ方向から見て矩形形状にすることができる。これにより、初段動翼８ａの加工性や取付性を向上させることができる。また、上述の図８で示すように、第１の比較例における初段動翼５８ａのダブテイル５７では、翼厚みが最大となる位置で翼負圧面側の余裕幅が小さく、フィレットを設けた場合に、フィレットが途中で切断されて段差が発生する可能性がある。そして、フィレットの段差が発生した場合は、空気の流れが乱され、損失が増加する。本実施形態では、ダブテイル１７の翼負圧面側の余裕幅を大きくして、フィレットの段差を抑制することも可能である。

なお、第１の実施形態の入口案内翼１０においては、図５（ａ）で示すように、１つだけの設定位置Ｐ３が設定され、設定位置Ｐ３から根元位置Ｐ１に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ設定位置Ｐ３から先端位置Ｐ２に向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。本発明の一変形例を、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を用いて説明する。なお、本変形例において、第１の実施形態と同等の部分は説明を省略する。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、本変形例並びに上述した第１及び第２の比較例における入口案内翼のスタッガ角の分布を表す図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）の直交座標系の縦軸は入口案内翼の高さ方向の位置、横軸はスタッガ角である。

本変形例の入口案内翼では、第１の設定位置Ｐ４として、翼高さ方向の根元位置Ｐ１と先端位置Ｐ２の間の位置が設定され、第２の設定位置Ｐ５として、設定位置Ｐ４より翼先端側の位置が設定されている。好ましくは、設定位置Ｐ４は、中間位置Ｐ０より翼根元側、設定位置Ｐ５は、中間位置Ｐ０より翼先端側であるが、これに限られない。そして、本変形例の入口案内翼は、図１２（ａ）中特性線２２（実線）で示すように、翼高さ方向の設定位置Ｐ４から根元位置Ｐ１に（言い換えれば、ケーシング側に）向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ翼高さ方向の設定位置Ｐ４から設定位置Ｐ５にかけてスタッガ角が一定で、翼高さ方向の設定位置Ｐ５から先端位置Ｐ２に（言い換えれば、ロータ側に）向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成されている。具体的には、図１２（ａ）で示すように、設定位置Ｐ４での翼断面のスタッガ角及び設定値Ｐ５での翼断面のスタッガ角はθ５（但し、θ５＜θ０）、根元位置Ｐ１での翼断面のスタッガ角はθ６（但し、θ１＞θ６＞θ０）、先端位置Ｐ２での翼断面のスタッガ角はθ６である。

なお、図１２（ｂ）で示すように、本実施形態の入口案内翼のスタッガ角の分布を示す特性線２２は、第１の比較例の入口案内翼５０のスタッガ角（言い換えれば、仮想のスタッガ角）の分布を示す基準線５２に対して、交点Ｅ３と、この交点Ｅ３より翼先端側に位置する交点Ｅ４とで交差している。そして、本実施形態の入口案内翼の設計流量と第１の比較例の入口案内翼５０の設計流量を同じにするため、交点Ｅ３から交点Ｅ４にかけて特性線２２及び基準線５２で囲まれた第１の領域の面積Ｆ４は、根元位置Ｐ１から交点Ｅ３にかけて特性線２２及び基準線５２で囲まれた第２の領域の面積Ｆ５と、交点Ｅ４から先端位置Ｐ２にかけて特性線２２及び基準線５２で囲まれた第３の領域の面積Ｆ６との総和としている。また、本実施形態では、初段動翼の根元側の相対流入マッハ数が先端側の相対流入マッハ数より小さいことを考慮して、第３の領域の面積Ｆ６が第２の領域の面積Ｆ５より小さくなっている。

このような本変形例の入口案内翼においては、翼高さ方向の設定位置Ｐ４から根元位置Ｐ１に向かうにつれてスタッガ角が漸増するので、第１の比較例の入口案内翼５０と比べ、翼根元側のスタッガ角を大きくする。すなち、翼根元側の流出角を大きくする。これにより、初段動翼の先端側の相対流入角を小さくするとともに、初段動翼の先端側の相対流入マッハ数を小さくすることができる。したがって、初段動翼の先端側の衝撃波損失を低減することができる。

また、翼高さ方向の設定位置Ｐ５から先端位置Ｐ２に向かうにつれてスタッガ角が漸増するので、第２の比較例の入口案内翼と比べ、翼先端側のスタッガ角を大きくする（特に、本実施形態では、第１の比較例の入口案内翼５０と比べても、翼先端側のスタッガ角を大きくする）。これにより、初段動翼の根元側の相対流入角を小さくするとともに、初段動翼の根元側の相対流入マッハ数を小さくすることができる。したがって、初段動翼の根元側の流れのチョークを抑制して、翼根元側の衝撃波損失を低減することができる。

本発明の第２の実施形態を、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）を用いて説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は説明を省略する。

図１３は、本実施形態並びに上述した第１及び第２の比較例における入口案内翼のスタッガ角の分布を表す図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）の直交座標系の縦軸は入口案内翼の高さ方向の位置、横軸はスタッガ角である。

本実施形態の入口案内翼では、１つだけの設定位置Ｐ６として、翼高さ方向の先端位置Ｐ１と根元位置Ｐ２との中間位置Ｐ０より根元側にある位置が設定されている。そして、本実施形態の入口案内翼は、図１３（ａ）中特性線３２（実線）で示すように、翼高さ方向の設定位置Ｐ６から根元位置Ｐ１に（言い換えれば、ケーシング側に）向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ翼高さ方向の設定位置Ｐ６から先端位置Ｐ２にかけてスタッガ角が一定であるように構成されている。具体的には、図１３（ａ）で示すように、設定位置Ｐ６での翼断面のスタッガ角及び先端位置Ｐ２での翼断面のスタッガ角はθ７（但し、θ７＜θ０）、根元位置Ｐ１での翼断面のスタッガ角はθ８（但し、θ８＞θ１＞θ０）である。

なお、図１３（ｂ）で示すように、本実施形態の入口案内翼のスタッガ角の分布を示す特性線３２は、第１の比較例の入口案内翼５０のスタッガ角（言い換えれば、仮想のスタッガ角）の分布を示す基準線５２に対して、交点Ｅ５で交差している。そして、本実施形態の入口案内翼の設計流量と第１の比較例の入口案内翼５０の設計流量を同じにするため、交点Ｅ５から根元位置Ｐ１にかけて特性線３２及び基準線５２で囲まれた第１の領域の面積Ｆ７は、交点Ｅ５から先端位置Ｐ２にかけて特性線３２及び基準線５２で囲まれた第２の領域の面積Ｆ８と同じにしている。

このような本変形例の入口案内翼においては、翼高さ方向の設定位置Ｐ６から根元位置Ｐ１に向かうにつれてスタッガ角が漸増するので、第１の比較例の入口案内翼５０と比べ、翼根元側のスタッガ角を大きくする。すなち、翼根元側の流出角を大きくする。これにより、初段動翼の先端側の相対流入角を小さくするとともに、初段動翼の先端側の相対流入マッハ数を小さくすることができる。したがって、初段動翼の先端側の衝撃波損失を低減することができる。

また、設定位置Ｐ６が中間位置Ｐ０より翼根元側であって、設定位置Ｐ６から先端位置Ｐ２にかけてスタッガ角が一定であるので、第２の比較例の入口案内翼と比べ、翼先端側のスタッガ角を大きくする。これにより、初段動翼の根元側の相対流入角を小さくするとともに、初段動翼の根元側の相対流入マッハ数を小さくすることができる。したがって、初段動翼の根元側の流れのチョークを抑制して、翼根元側の衝撃波損失を低減することができる。

なお、第１〜第３の実施形態においては、圧縮機１の上流側に配置された入口案内翼に本発明の特徴の翼形を適用した場合を例にとって説明したが、これに限られず、圧縮機１の上流側に配置された前段の静翼（すなわち、少なくとも第１段の静翼）に本発明の特徴の翼形を適用してもよい。

詳しく説明すると、前段の静翼は、第１の実施形態の入口案内翼１０と同様、１つだけの設定位置として、翼高さ方向の先端位置と根元位置の間の位置が設定され、設定位置から根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ設定位置から先端位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成されてもよい。

また、前段の静翼は、一変形例の入口案内翼と同様、第１の設定位置として、翼高さ方向の根元位置と先端位置の間の位置が設定され、第２の設定位置として、第１の設定位置より翼先端側の位置が設定され、第１の設定位置から根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ第１の設定位置から第２の設定位置にかけてスタッガ角が一定で、第２の設定位置から先端位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成されてもよい。

また、前段の静翼は、第２の実施形態の入口案内翼と同様、１つだけの設定位置として、翼高さ方向の先端位置と根元位置との中間位置より根元側の位置が設定され、設定位置から根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ設定位置から先端位置にかけてスタッガ角が一定であるように構成されてもよい。

これらの変形例においては、前段の静翼の下流側に配置された前段の動翼（すなわち、少なくとも第２段の動翼）の先端側と根元側の衝撃波損失を抑制できる。

なお、以上においては、本発明の適用対象として、ガスタービン用の軸流圧縮機を例にとって説明したが、これに限られず、産業用の軸流圧縮機に適用してもよいことは言うまでもない。

１ 軸流圧縮機
６ ケーシング
７ ロータ
８ａ，８ｂ 動翼
９ａ，９ｂ 静翼
１０ 入口案内翼

Claims (11)

1. ロータと、前記ロータの外周側に設けられた複数の動翼と、ケーシングと、前記ケーシングの内周側に設けられ、前記複数の動翼の下流側にそれぞれ配置された複数の静翼と、前記ケーシングの内周側に設けられ、初段の動翼の上流側に配置された複数の入口案内翼と、を有する軸流圧縮機において、
   前記入口案内翼又は前段の静翼は、
   少なくとも１つの設定位置として、翼高さ方向の根元位置と先端位置の間の位置が設定され、
   前記設定位置から前記根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ前記設定位置から前記先端位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成されたことを特徴とする軸流圧縮機。
2. 請求項１記載の軸流圧縮機において、
   前記設定位置は、１つだけ設定されたことを特徴とする軸流圧縮機。
3. 請求項２記載の軸流圧縮機において、
   前記設定位置は、前記根元位置と前記先端位置との中間位置より翼先端側であることを特徴とする軸流圧縮機。
4. 請求項１記載の軸流圧縮機において、
   前記入口案内翼又は前記前段の静翼は、
   第１の設定位置として、前記根元位置と前記先端位置の間の位置が設定され、
   第２の設定位置として、前記第１の設定位置より翼先端側の位置が設定され、
   前記第１の設定位置から前記根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ前記第１の設定位置から前記第２の設定位置にかけてスタッガ角が一定で、前記第２の設定位置から前記先端位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増するように構成されたことを特徴とする軸流圧縮機。
5. 請求項４記載の軸流圧縮機において、
   前記第１の設定位置は、前記根元位置と前記先端位置との中間位置より翼根元側であり、
   前記第２の設定位置は、前記中間位置より翼先端側であることを特徴とする軸流圧縮機。
6. 請求項１記載の軸流圧縮機において、
   前記入口案内翼又は前記前段の静翼の流量条件が同じであって、前記根元位置から前記先端位置にかけて仮想のスタッガ角が一定である場合を想定したときに、
   前記設定位置でのスタッガ角は、前記仮想のスタッガ角より小さく、
   前記根元位置でのスタッガ角及び前記先端位置でのスタッガ角は、前記仮想のスタッガ角より大きいことを特徴とする軸流圧縮機。
7. 請求項６記載の軸流圧縮機において、
   翼高さ方向の位置及びスタッガ角を二軸とした直交座標系で、前記設定位置から前記根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し且つ前記設定位置から前記先端位置に向かうにつれて漸増するスタッガ角の分布を示す特性線と、前記仮想のスタッガ角の分布を示す基準線とを描画したときに、
   前記特性線が前記基準線に対して、第１の交点と、前記第１の交点より翼先端側に位置する第２の交点とで交差し、
   前記第１の交点から前記第２の交点にかけて前記特性線及び前記基準線で囲まれた第１の領域の面積が、前記根元位置から前記第１の交点にかけて前記特性線及び前記基準線で囲まれた第２の領域の面積と、前記第２の交点から前記先端位置にかけて前記特性線及び前記基準線で囲まれた第３の領域の面積との総和となることを特徴とする軸流圧縮機。
8. 請求項７記載の軸流圧縮機において、
   前記第３の領域の面積が前記第２の領域の面積より小さいことを特徴とする軸流圧縮機。
9. ロータと、前記ロータの外周側に設けられた複数の動翼と、ケーシングと、前記ケーシングの内周側に設けられ、前記複数の動翼の下流側にそれぞれ配置された複数の静翼と、前記ケーシングに設けられ、初段の動翼の上流側に配置された複数の入口案内翼と、を有する軸流圧縮機において、
   前記入口案内翼又は前段の静翼は、
   １つだけの設定位置として、翼高さ方向の先端位置と根元位置との中間位置より根元側にある位置が設定され、
   前記設定位置から前記根元位置に向かうにつれてスタッガ角が漸増し、且つ前記設定位置から前記先端位置にかけてスタッガ角が一定であるように構成されたことを特徴とする軸流圧縮機。
10. 請求項９記載の軸流圧縮機において、
    前記入口案内翼又は前記前段の静翼の流量条件が同じであって前記先端位置から前記根元位置にかけて仮想のスタッガ角が一定である場合を想定したときに、
    前記設定位置でのスタッガ角及び前記先端位置でのスタッガ角は、前記仮想のスタッガ角より小さく、
    前記根元位置でのスタッガ角は、前記仮想のスタッガ角より大きいことを特徴とする軸流圧縮機。
11. 請求項１０記載の軸流圧縮機において、
    翼高さ方向の位置及びスタッガ角を二軸とした直交座標系で、前記設定位置から前記根元位置に向かうにつれて漸増し且つ前記設定位置から前記先端位置にかけて一定であるスタッガ角の分布を示す特性線と、前記仮想のスタッガ角の分布を示す基準線とを描画したときに、
    前記特性線が前記基準線に対して、１つの交点で交差し、
    前記交点から前記根元位置にかけて前記特性線及び前記基準線で囲まれた第１の領域の面積が、前記交点から前記先端位置にかけて前記特性線及び前記基準線で囲まれた第２の領域の面積と同じであることを特徴とする軸流圧縮機。

Images