JP2019163727A

JP2019163727A - 遠心圧縮機のパイプディフューザ

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Publication number: JP2019163727A
Application number: JP2018052428A
Authority: JP
Inventors: 俊一郎玉田; Shunichiro Tamada
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP7011502B2; US10794395B2; US20190293087A1

Abstract

【課題】通路閉塞率を低下し、パイプディフューザの高性能化を図ること。【解決手段】パイプディフューザ５０のディフューザ流路７０が、インペラ４４の外周に対向するディフューザ入口７２を含む入口通路部分７４と、インペラ４４の軸線方向に向けて開口し、インペラ４４の略円周方向に長い長円断面形状のディフューザ出口７６を含む出口通路部分７８と、漸増する流路断面積をもって入口通路部分７４と出口通路部分７８とを接続する湾曲通路部分８０とを有し、ディフューザ出口７６及びその近傍のインペラ４４の径方向内方側に、ディフューザ流路７０に向けて膨出した膨出部８２を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機のパイプディフューザに関し、更に詳細には、ガスタービンエンジン等に用いられるパイプディフューザに関する。

ガスタービンエンジン等に用いられる遠心型圧縮機のディフューザとして、遠心型圧縮機のインペラの周方向外方に、インペラの周方向に所定間隔をおいて設けられた複数のパイプディフューザにより構成されたものが知られている（例えば、特許文献１〜３）。

各パイプディフューザは、インペラの外周に対向する入口部と、インペラの軸線方向に向けて開口した出口部と、インペラからの作動流体（空気）のラジアルフローをインペラの中心軸線と実質的に平行なアキシャルフローに転向すべく湾曲し、且つインペラからの作動流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換すべく入口部から出口部に向かうに従って流路断面積が漸増し、全長に亘ってインペラの略円周方向に長い単純な長円による断面形状のディフューザ流路とを画定する。

特表２００３−５１２５６９号公報特開２００９−４１５６１号公報特開２０１０−７６７６号公報

パイプディフューザの性能を向上させるには、ディフューザ流路の入口部と出口部との開口比（開口面積比）を大きくする必要があるが、従来のパイプディフューザでは開口比の増大に対して通路閉塞率（Ｂｌｏｃｋａｇｅ）が著しく増大し、出口部の開口面積を大きくしても実質的な開口比を稼ぐことができない。この現象は、作動流体の流速がディフューザ流路の湾曲部分の外周側で速く、内周側で遅く、この流速差が湾曲部分から出口部に向かうに従って増大し、出口部の内周側に、通路閉塞率を大きくする原因になり、開口比の増大に寄与しない低流速領域が存在するからであると考えられる。

本発明が解決しようとする課題は、上述の考察に鑑みた対処によって通路閉塞率を低下し、パイプディフューザの性能を向上させることである。

本発明の一つの実施形態による遠心型圧縮機のパイプディフューザは、遠心型圧縮（４２）のインペラ（４４）の周方向外方に周方向に所定間隔をおいて設けられ、前記インペラ（４４）からの作動流体のラジアルフローを前記インペラ（４４）の中心軸線と実質的に平行なアキシャルフローに転向するディフューザ流路（７０）を画定する遠心型圧縮機のパイプディフューザ（５０）であって、前記ディフューザ流路（７０）は、前記インペラ（４４）の外周に対向するディフューザ入口（７２）を含む入口通路部分（７４）と、前記インペラ（４４）の軸線方向に向けて開口し、前記インペラ（４４）の略円周方向に長い長円断面形状のディフューザ出口（７６）を含む出口通路部分（７８）と、漸増する流路断面積をもって前記入口通路部分（７４）と前記出口通路部分（７８）とを接続する湾曲通路部分（８０）とを有し、前記ディフューザ出口（７６）及びその近傍の前記インペラ（４４）の径方向内方側に、前記ディフューザ流路（７０）に向けて膨出した膨出部（８２）を含む。

この構成によれば、膨出部（８２）によってディフューザ流路（７０）における作動流体の低流速領域が低減し、これに応じて通路閉塞率が低下し、パイプディフューザ（５０）の性能が向上する。

上記パイプディフューザにおいて、好ましくは、前記膨出部（８２）は前記ディフューザ出口（７６）の長円断面形状の長軸方向の中央部を含む。

この構成によれば、膨出部（８２）による作動流体の低流速領域の低減が効果的に行われる。

上記パイプディフューザにおいて、好ましくは、前記膨出部（８２）は、前記湾曲通路部分（８０）の開始点から前記ディフューザ出口（７６）に亘って設けられ、前記湾曲通路部分（８０）から前記ディフューザ出口（７６）に向かうに従って膨出容積を漸増する。

上記パイプディフューザにおいて、好ましくは、前記膨出部（８２）の前記ディフューザ出口（７６）における、当該ディフューザ出口（７６）の長円断面形状の長軸方向と同方向の長さが、前記ディフューザ出口（７６）の長円断面形状の長軸方向の長さの１／２〜７／１０である。

上記パイプディフューザにおいて、好ましくは、前記膨出部（８２）の前記ディフューザ出口（７６）における、当該ディフューザ出口（７６）の長円断面形状の短軸方向と同方向の長さが、前記ディフューザ出口（７６）の長円断面形状の短軸方向の長さの１／２〜４／５である。

本発明によるパイプディフューザによれば、膨出部が設けられたことにより通路閉塞率が低下し、パイプディフューザの性能が向上する。

本発明によるパイプディフューザが用いられる航空機用のガスタービンエンジンの概要を示す断面図本実施形態のパイプディフューザを示す全体図本実施形態のパイプディフューザを示す斜視図本実施形態のパイプディフューザの作動流体の流速分布を示す斜視図（Ａ）は本実施形態のパイプディフューザの出口部における作動流体の流速分布を示す説明図、（Ｂ）は従来のパイプディフューザの出口部における作動流体の流速分布を示す説明図。パイプディフューザの開口比−通路閉塞率特性を示すグラフ

以下に、本発明による軸流圧縮機の実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

先ず、本実施形態の軸流圧縮機が用いられる航空機用のガスタービンエンジン（ターボファンエンジン）の概要を、図１を参照して説明する。

ガスタービンエンジン１０は、互いに同心に配置された略円筒状のアウタケーシング１２およびインナケーシング１４を有する。インナケーシング１４は内部に前部第１ベアリング１６および後部第１ベアリング１８によって低圧系回転軸２０を回転自在に支持している。低圧系回転軸２０は外周に前部第２ベアリング２２および後部第２ベアリング２４によって中空軸による高圧系回転軸２６を回転自在に支持している。

低圧系回転軸２０はインナケーシング１４より前方に突出した略円錐形状の先端部２０Ａを含む。先端部２０Ａの外周には周方向に複数のフロントファン２８が設けられている。フロントファン２８の下流側にはアウタケーシング１２に接合された外端およびインナケーシング１４に接合された外端を含む複数のステータベーン３０が周方向に所定の間隔をおいて設けられている。ステータベーン３０の下流側には、アウタケーシング１２とインナケーシング１４との間に形成された円環状断面のバイパスダクト３２と、インナケーシング１４に同心に形成された円環状断面の空気圧縮用ダクト３４とが並列に設けられている。

空気圧縮用ダクト３４の入口部には軸流圧縮機３６が設けられている。軸流圧縮機３６は、低圧系回転軸２０の外周に設けられた前後２列の動翼列３８と、インナケーシング１４に設けられた前後２列の静翼列４０とを軸線方向に互いに隣接して交互に有する。

空気圧縮用ダクト３４の出口部には遠心圧縮機４２が設けられている。遠心圧縮機４２は高圧系回転軸２６の外周に設けられたインペラ４４を有する。空気圧縮用ダクト３４の出口部にはインペラ４４の上流側に位置する静翼列４６が設けられている。

遠心圧縮機４２の出口側には、インペラ４４の周方向外方に周方向に所定間隔をおいて設けられた複数のパイプディフューザ５０が設けられている。

パイプディフューザ５０の下流側にはパイプディフューザ５０から圧縮空気を供給される逆流燃焼室５２を画定する燃焼室部材５４が設けられている。インナケーシング１４には逆流燃焼室５２に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズル５６が設けられている。逆流燃焼室５２は燃料と空気との混合気の燃焼によって高圧の燃焼ガスを生成する。逆流燃焼室５２の出口部にはノズルガイドベーン列５８が設けられている。

逆流燃焼室５２の下流側には逆流燃焼室５２にて生成された燃焼ガスを噴付けられる高圧タービン６０および低圧タービン６２が設けられている。高圧タービン６０は高圧系回転軸２６の外周に固定された高圧タービンホイール６４を含む。低圧タービン６２は、高圧タービン６０の下流側にあり、インナケーシング１４に固定された複数のノズルガイドベーン列６６と、低圧系回転軸２０の外周に設けられた複数の低圧タービンホイール６８とを軸線方向に交互に有する。

ガスタービンエンジン１０の始動に際しては、スタータモータ（不図示）によって高圧系回転軸２６を回転駆動することが行われる。高圧系回転軸２６が回転駆動されると、遠心圧縮機４２によって圧縮された空気が逆流燃焼室５２に供給され、逆流燃焼室２９における空気と燃料との混合気の燃焼によって燃料ガスが発生する。燃料ガスは高圧タービンホイール６４および低圧タービンホイール６８に噴付けられ、これらタービンホイール６４、６８を回転させる。

これにより、低圧系回転軸２０および高圧系回転軸２６が回転し、フロントファン１９が回転すると共に軸流圧縮機３６および遠心圧縮機４２が運転され、圧縮空気が逆流燃焼室５２に供給される。これにより、ガスタービンエンジン１０はスタータモータの停止後も運転を継続する。

ガスタービンエンジン１０の運転中に、フロントファン２８が吸い込んだ空気の一部は、バイパスダクト３２を通過して後方に噴出し、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。フロントファン２８が吸い込んだ空気の残部は、逆流燃焼室５２に供給されて燃料との混合気として燃焼し、燃焼ガスは低圧系回転軸２０および高圧系回転軸２６の回転駆動に寄与した後に後方に噴出し、推力を発生する。

次に、図２〜図４を参照してパイプディフューザ５０の詳細を説明する。

パイプディフューザ５０は、インペラ４４からの作動流体のラジアルフローをインペラ４４の中心軸線（軸線方向）と実質的に平行なアキシャルフローに転向するディフューザ流路７０を画定する。ディフューザ流路７０は、インペラ４４の外周に対向し、インペラ４４の略円周方向に長い長円の断面形状のディフューザ入口７２を含む入口通路部分７４と、インペラ４４の軸線方向に向けて開口し、インペラ４４の略円周方向に長い長円の断面形状のディフューザ出口７６を含む出口通路部分７８と、漸増する流路断面積をもって入口通路部分７４と出口通路部分７８とを接続する長円の断面形状の湾曲通路部分８０とを有する。ここで云う断面形状は、ディフューザ流路７０の延在軸線に直交する断面の形状であり、いわゆる通路断面形状である。

各パイプディフューザ５０は、湾曲通路部分８０の開始部からディフューザ出口７６に亘る、インペラ４４の径方向内方側においてディフューザ流路７０に膨出した膨出部８２を含む。膨出部８２は、三角山形（富士山状）の横断面形状を有し、湾曲通路部分８０からディフューザ出口７６に向かうに従って横断面が漸増、つまり膨出容積を漸増する。膨出部８２はディフューザ出口７６の長円断面形状の長軸方向の中央部を含む。

パイプディフューザ５０は、膨出部８２が設けられていない場合に比して膨出部８２が設けられたことによってディフューザ流路７０の流路断面積が減少した分を補うべく太くなっており、膨出部８２が設けられていない場合に比してディフューザ流路７０の流路断面積の減少がない。これにより、パイプディフューザ５０の所要の開口比が確保される。

尚、膨出部８２は、パイプディフューザ５０の外側から見れば、ディフューザ流路７０に向けて窪んだ窪み部と云える。

図３は符号ａ〜ｎによってディフューザ流路７０の各部位における通路断面形状を示している。図３により、膨出部８２が湾曲通路部分８０の開始部からディフューザ出口７６に亘る、インペラ４４の径方向内方側に形成され、膨出部８２の膨出容積が湾曲通路部分８０からディフューザ出口７６に向かうに従って漸増していることが分かる。

図４はディフューザ流路７０の各部位の通路断面における作動流体の流速分布を示している。図４において、白抜き部分が最大流速領域を示しており、網点表示の密度が高くなるほど、流速が低い領域を示している。そして、図４において、黒塗り部分が最低流速領域を示している。最低流速領域は、通路閉塞率を大きくすることに大きく寄与するものであり、ディフューザ流路７０のインペラ４４の径方向内方側に、またディフューザ出口７６の長円断面形状の長軸方向の中央部に多く生じ、湾曲通路部分８０からディフューザ出口７６に向かうほど大きくなる。膨出部８２は最低流速領域の低減のために、最低流速領域に対応する部分に設けられている。

図５（Ａ）は膨出部８２が設けられた本実施形態によるパイプディフューザ５０のディフューザ出口７６の作動流体の流速分布を、図５（Ｂ）は膨出部８２が設けられていない従来のパイプディフューザのディフューザ出口の作動流体の流速分布を示されている。

膨出部８２が最低流速領域の部分に設けられていることにより、最低流速領域が減少し、膨出部８２が設けられていない場合に比してパイプディフューザ５０の通路閉塞率が低下する。これにより、パイプディフューザ５０のディフューザ性能が向上し、ガスタービンエンジン１０の高性能化が図られる。

膨出部８２は最低流速領域になるディフューザ出口７６の長円断面形状の長軸方向の中央部を含んでいるから、膨出部８２による作動流体の低流速領域の低減が効果的に行われ、膨出部８２の設置によるパイプディフューザ５０の大型化が最小限に止められる。

膨出部８２の寸法は作動流体の流速分布に応じて定められればよい。通路閉塞率を効果的に低下するためには、図３に示されているように、膨出部８２のディフューザ出口７６における、ディフューザ出口７６の長円断面形状の長軸方向（長手方向）と同方向の長さ（幅寸法）Ｗ２が、ディフューザ出口７６の長円断面形状の長軸方向の長さＷ１の１／２〜７／１０であればよい。また、膨出部８２のディフューザ出口７６における、ディフューザ出口７６の長円断面形状の短軸方向（同断面で見て長軸方向に直交する方向）と同方向の長さ（高さ）Ｈ２が、ディフューザ出口７６の長円断面形状の短軸方向の長さＨ１の１／２〜４／５であればよく、特に１／２〜２／５がより好ましい。

これらのことにより、膨出部８２による作動流体の低流速領域の低減が効果的に行われ、膨出部８２の設置によるパイプディフューザ５０の大型化が最小限に止められる。

図６において、実線は膨出部８２が設けられた本実施形態によるパイプディフューザ５０の開口率に対する通路閉塞率の特性を、破線は膨出部８２が設けられていない従来のパイプディフューザの開口率に対する通路閉塞率の特性を各々示している。

図６から分かるように、本実施形態のパイプディフューザ５０でも開口率の増大に応じて通路閉塞率が増大するが、本実施形態のパイプディフューザ５０では同一の開口率における通路閉塞率が従来のパイプディフューザに比して小さく、しかも本実施形態のパイプディフューザ５０における開口比の増大に対する通路閉塞率の増大率が従来のパイプディフューザに比して小さい。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、膨出部８２の横断面形状は三角山形に限られることなく、円弧状山形或いはディフューザ出口７６における作動流体の流速分布に対応した不定形等であってもよい。ディフューザ入口７２の通路形状は長円に限られることなく、真円や楕円等であってもよい。膨出部８２は、必ずしも湾曲通路部分８０からディフューザ出口７６に亘って設けられる必要はなく、ディフューザ流路７０の通路形状や開口率等により決まる低流速域の発生領域に応じて設けられればよく、少なくともディフューザ出口７６及びその近傍の、インペラ４４の径方向内方側に設けられていればよい。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０：ガスタービンエンジン
１２：アウタケーシング
１４：インナケーシング
１６：前部第１ベアリング
１８：後部第１ベアリング
１９：フロントファン
２０：低圧系回転軸
２０Ａ：先端部
２２：前部第２ベアリング
２４：後部第２ベアリング
２６：高圧系回転軸
２８：フロントファン
２９：逆流燃焼室
３０：ステータベーン
３２：バイパスダクト
３４：空気圧縮用ダクト
３６：軸流圧縮機
３８：動翼列
４０：静翼列
４２：遠心圧縮機
４４：インペラ
４６：静翼列
５０：パイプディフューザ
５２：逆流燃焼室
５４：燃焼室部材
５６：燃料噴射ノズル
５８：ノズルガイドベーン列
６０：高圧タービン
６２：低圧タービン
６４：高圧タービンホイール
６６：ノズルガイドベーン列
６８：低圧タービンホイール
７０：ディフューザ流路
７２：ディフューザ入口
７４：入口通路部分
７６：ディフューザ出口
７８：出口通路部分
８０：湾曲通路部分
８２：膨出部

Claims

遠心型圧縮機のインペラの周方向外方に周方向に所定間隔をおいて設けられ、前記インペラからの作動流体のラジアルフローを前記インペラの中心軸線と実質的に平行なアキシャルフローに転向するディフューザ流路を画定する遠心型圧縮機のパイプディフューザであって、
前記ディフューザ流路は、
前記インペラの外周に対向するディフューザ入口を含む入口通路部分と、
前記インペラの軸線方向に向けて開口し、前記インペラの略円周方向に長い長円断面形状のディフューザ出口を含む出口通路部分と、
漸増する流路断面積をもって前記入口通路部分と前記出口通路部分とを接続する湾曲通路部分とを有し、
前記ディフューザ出口及びその近傍の前記インペラの径方向内方側に、前記ディフューザ流路に向けて膨出した膨出部を含む遠心型圧縮機のパイプディフューザ。
前記膨出部は前記ディフューザ出口の長円断面形状の長軸方向の中央部を含む請求項１に記載の遠心型圧縮機のパイプディフューザ。
前記膨出部は、前記湾曲通路部分の開始点から前記ディフューザ出口に亘って設けられ、前記湾曲通路部分から前記ディフューザ出口に向かうに従って膨出容積を漸増する請求項１又は２に記載の遠心型圧縮機のパイプディフューザ。
前記膨出部の前記ディフューザ出口における、当該ディフューザ出口の長円断面形状の長軸方向と同方向の長さが、前記ディフューザ出口の長円断面形状の長軸方向の長さの１／２〜７／１０である請求項１から３の何れか一項に記載の遠心型圧縮機のパイプディフューザ。
前記膨出部の前記ディフューザ出口における、当該ディフューザ出口の長円断面形状の短軸方向と同方向の長さが、前記ディフューザ出口の長円断面形状の短軸方向の長さの１／２〜４／５である請求項１から４の何れか一項に記載の遠心型圧縮機のパイプディフューザ。