JP2020051307A

JP2020051307A - 軸流圧縮機

Info

Publication number: JP2020051307A
Application number: JP2018180085A
Authority: JP
Inventors: 康二太間; Koji Taima
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: US20200096002A1; JP7041033B2

Abstract

【課題】抽気によって小流入空気域における軸流圧縮機の圧力損失を低減すること。【解決手段】円筒状のケーシング１４と、ケーシング１４内に回転可能に設けられた低圧系回転軸（ロータ）２０と、低圧系回転軸２０の中心軸線Ｘ周りに所定のピッチをもっ低圧系回転軸２０）の外周面２０Ｂに設けられた複数の動翼３９と、低圧系回転軸２０の軸線方向について動翼３９の後側に隣接するようにケーシング１４の内周面１４Ａに設けられた複数の静翼４１とを有する軸流圧縮機３６であって、低圧系回転軸２０の外周面２０Ｂに開口した抽気開口７０を含む抽気通路７２を有し、抽気開口７０は静翼４１の低圧系回転軸２０２０に対向する遊端縁４１Ａの前記軸線方向について遊端縁４１Ａの前端４１Ｂから１／２の位置より前側に位置する。【選択図】図２

Description

本発明は、軸流圧縮機に関し、更に詳細には、航空機用ガスタービンエンジン等に用いられる抽気構造付きの軸流圧縮機に関する。

航空機用のガスタービンエンジンに用いられる軸流圧縮機は、運転時間の多くを占める巡航時等の定格運転時（大出力運転時）の大流入空気量に適合するように設計されている。このため、アイドリング時やタキシング時等の非定格運転時の小流量作動状況下では、流入条件は定格のものと異なり、翼列が安定に作動せず、旋回失速が発生し、圧力効率の低下を招き、全圧損失が大きくなる。

このことに鑑みて、圧縮機の流体通路の一部に抽気孔を設けて圧縮空気の一部を抽気することで旋回失速を抑制することが知られている（例えば、特許文献１）。

特開昭５９−１６８２９６号公報

しかしながら、従来のものは、旋回失速の発生を十分に回避できず、圧縮機の圧力効率の低下を抑制する効果が小さい。

本発明者が鋭意研究したところ、抽気によって軸流圧縮機の圧力効率の低下を抑制する作用は、静翼部のコード位置及びスパン位置に関する抽気孔の位置が関係し、抽気孔を静翼部の特定のコード位置及びスパン位置に設けることにより、軸流圧縮機の圧力損失が良好に低減することを見出した。

本発明が解決しようとする課題は、抽気孔を、軸流圧縮機の圧力損失の低減に関して適切な位置に設け、軸流圧縮機の圧力損失を抽気によって効果的に低減することである。

本発明の一つの実施形態による軸流圧縮機は、円筒状のケーシング（１４）と、前記ケーシング（１４）内に回転可能に設けられたロータ（２０）と、前記ロータ（２０）の中心軸線（Ｘ）周りに所定のピッチをもって前記ロータ（２０）の外周面（２０Ｂ）に設けられた複数の動翼（３９）と、前記ロータ（２０）の軸線方向について前記動翼（３９）の後側に隣接するように、前記ケーシング（１４）の内周面（１４Ａ）に設けられた複数の静翼（４１）とを有する軸流圧縮機（３６）であって、前記ロータ（２０）の外周面（２０Ｂ）に開口した抽気開口（７０）を含む抽気通路（７２）を有し、前記抽気開口（７０）は、前記静翼（４１）の前記ロータ（２０）に対向する遊端縁（４１Ａ）の前記軸線方向について前記遊端縁（４１Ａ）の前端（４１Ｂ）から１／２の位置より前側の位置にて前記遊端縁に向けて開口している。

この構成によれば、抽気によって静翼（４１）の下流方向に発生する剥離が抑制され、旋回失速が発生し難くなり、軸流圧縮機（３６）の圧力損失が効果的に低減する。

上記軸流圧縮機において、好ましくは、前記抽気開口（７０）は、前記静翼（４１）の前記遊端縁（４１Ａ）の前記軸線方向について前記前端（４１Ｂ）から１０％〜２０％の範囲内に位置する。

この構成によれば、抽気によって特に小流入空気量における軸流圧縮機（３６）の圧力損失が顕著に低減する。

上記軸流圧縮機において、好ましくは、前記抽気開口（７０）は前記ロータ（２０）の中心軸線（Ｘ）周りに等ピッチをもって複数設けられている。

この構成によれば、静翼（４１）の前縁近傍に空気の渦が静翼（４１）の下流方向に拡散することの防止がロータ（２０）の中心軸線（Ｘ）周りの全周に亘って一様に行われる。

上記軸流圧縮機において、好ましくは、各抽気通路（７２）は前記抽気開口（７０）から前記ロータ（２０）の外周面に対して所定の角度（θ）をもって後方に傾斜して延出する。

この構成によれば、非定格運転時に渦を含む圧縮空気が各抽気開口７０から抽気通路（７２）に流れ易くなり、非定格運転時における軸流圧縮機（３６）の圧力損失の低減が効果的に行われる。

上記軸流圧縮機において、好ましくは、前記所定の角度（θ）は２０〜４０度の範囲である。

この構成によれば、非定格運転時に渦を含む圧縮空気が各抽気開口（７０）から抽気通路（７２）に流れ易くなり、非定格運転時における軸流圧縮機（３６）の圧力損失の低減が効果的に行われる。

本発明による軸流圧縮機によれば、抽気による軸流圧縮機の圧力損失の低減が効果的に行われる。

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の概要を示す断面図本実施形態の軸流圧縮機の要部を解図的に示す断面図流入空気量−圧力損失係数特性を示すグラフ全圧とスパン長との関係を示すグラフ

以下に、本発明による軸流圧縮機の実施形態を、図１〜図５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（ロータ）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と高圧系回転軸２６とは同心配置で、これらの中心軸線は符号Ｘによって示されている。

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隔置された複数のファンブレード２９を含むフロントファン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形状のバイパスダクト３２と、インナケーシング１４に同心（中心軸線Ｘに同心）に形成された円環状断面形状の空気圧縮用ダクト（環状流体通路）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。

動翼列３８は、低圧系回転軸２０の中心軸線Ｘ周りに所定のピッチをもって低圧系回転軸２０の外周面２０Ｂから径方向外方に延出した片持ち梁による複数の動翼３９（図２参照）を含む。静翼列４０は、低圧系回転軸２０の軸線方向について動翼列３８の後側に隣接するように、低圧系回転軸２０の中心軸線Ｘ周りに所定のピッチをもってインナケーシング１４の内周面１４Ａ（図２参照）から径方向内方に延出した片持ち梁による複数の静翼４１（図２参照）を含む。

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の出口部にはインナケーシング１４に固定されたデフューザ５０が設けられている。

デフューザ５０の下流側にはデフューザ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５２における空気と燃料との混合気の燃焼によって燃焼ガスが発生する。燃焼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、軸流圧縮機３６に設けられる抽気（エアブリード）構造を、図２を参照して説明する。

ロータをなす低圧系回転軸２０には、低圧系回転軸２０の外周面２０Ｂに空気圧縮用ダクト３４（圧縮空気の流路）に向けて開口した円形の抽気開口７０を含む抽気通路７２が低圧系回転軸２０の中心軸線Ｘ周りに等ピッチをもって複数形成されている。

軸流圧縮機３６で発生した圧縮空気の一部は各抽気開口７０から抽気通路７２に流れ、軸流圧縮機３６外に抽気される。

各抽気開口７０は、静翼４１のコード位置（軸線方向と平行な位置）に関し、静翼４１の低圧系回転軸２０に対向する遊端縁４１Ａの軸線方向について遊端縁４１Ａの前端４１Ｂから１／２の位置より前側に位置に、静翼４１の遊端縁４１Ａに向けて開口している。

各抽気開口７０は、好ましくは、静翼４１の遊端縁４１Ａの軸線方向について前端４１Ｂから１０％〜２０％の範囲内に位置する。遊端縁４１Ａの軸線方向のコード長をＬＣとすると、各抽気開口７０は、０．５ＬＣより前側、即ち１／２ＬＣより前側、好ましくは、静翼４１の遊端縁４１Ａの軸線方向について前端４１Ｂから０．１ＬＣ〜０．２ＬＣの範囲内のコード位置に位置する。

図３は抽気開口７０が設けられていない場合及び抽気開口７０が互いに異なるコード位置に設けられている場合の流入空気量と圧力損失係数特性との関係を示すグラフである。

図３において、特性線Ａは抽気開口７０が前端４１Ｂから０．１ＬＣ〜０．２ＬＣの範囲内に位置する場合、特性線Ｂは抽気開口７０が前端４１Ｂから０．４ＬＣ〜０．５ＬＣの範囲内に位置する場合、特性線Ｃは抽気開口７０が前端４１Ｂから０．８ＬＣの範囲内に位置する場合、特性線Ｄは抽気開口７０が設けられていない場合の各々の流入空気量−圧力損失係数特性を示す。

このグラフから、抽気開口７０が、前端４１Ｂから１／２ＬＣより前側、好ましくは、前端４１Ｂから０．１ＬＣ〜０．２ＬＣの範囲内に位置していれば、圧力損失係数特性が小さいこと、つまり、圧力損失が小さいことが分かる。

図４は、抽気開口７０が設けられていない場合及び抽気開口７０が互いに異なるコード位置に設けられている場合のスパン位置と全圧との関係を示すグラフである。このグラフでは、低圧系回転軸２０の外周面２０Ｂの位置（最内端位置）をスパン長０、インナケーシング１４の内周面１４Ａの位置（最外端位置）をスパン長１とする。

このグラフから、抽気開口７０が設けられると、スパン長０側の全圧の低減、つまり、圧力損失の低減が良好になることが分かる。

本実施形態では、抽気開口７０が、前端４１Ｂから１／２ＬＣより前側、好ましくは、前端４１Ｂから０．１ＬＣ〜０．２ＬＣの範囲内のコード位置にあって、スパン長０側から静翼４１の遊端縁４１Ａに向けて開口してことにより、軸流圧縮機３６で発生する渦を含む圧縮空気が各抽気開口７０から抽気通路７２に流れ、軸流圧縮機３６外に効率よく抽気され、静翼４１の下流方向に発生する剥離が抑制される。これにより、本実施形態の軸流圧縮機３６では、圧力損失の低減が効果的に抑制され、高い空気圧縮効率が得られる。

抽気開口７０は低圧系回転軸２０の中心軸線Ｘ周りに等ピッチをもって複数設けられているから、抽気が低圧系回転軸２０の中心軸線Ｘ周りの各位置において行われ、静翼４１の下流方向に発生する剥離を抑制することが低圧系回転軸２０の中心軸線Ｘ周りの全周に亘って一様に行われる。これにより軸流圧縮機３６の圧力損失の低減が効果的に行われる。

各抽気通路７２は、抽気開口７０から後方、つまり軸流圧縮機３６の気流進み側に低圧系回転軸２０の外周面２０Ｂに対して所定の角度θ、好ましくは２０〜４０度の範囲の角度θをもって傾斜して延出している。

このように各抽気通路７２が傾斜していることにより、圧縮空気が各抽気開口７０から抽気通路７２に流れ易くなり、軸流圧縮機３６の圧力損失の低減が効果的に行われる。

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、抽気開口７０は、必ずしも複数設けられている必要はなく、単数であってもよい。抽気開口７０は、円形以外に、楕円、矩形や静翼４１の付根部に沿って延在する長円形等であってもよい。

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
１４Ａ：内周面
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（ロータ）
２０Ａ：先端部
２０Ｂ：外周面
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：ファンブレード
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
３９：動翼
４０：静翼列
４１：静翼
４１Ａ：遊端縁
４１Ｂ：前端
４２：遠心圧縮機
４４：インペラ
４６：静翼列
５０：デフューザ
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：抽気開口
７２：抽気通路

Claims

円筒状のケーシングと、
前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、
前記ロータの中心軸線周りに所定のピッチをもって前記ロータの外周面に設けられた複数の動翼と、
前記ロータの軸線方向について前記動翼の後側に隣接するように、前記ケーシングの内周面に設けられた複数の静翼とを有する軸流圧縮機であって、
前記ロータの外周面に開口した抽気開口を含む抽気通路を有し、
前記抽気開口は、前記静翼の前記ロータに対向する遊端縁の前記軸線方向について前記遊端縁の前端から１／２の位置より前側に位置にて前記遊端縁に向けて開口している軸流圧縮機。
前記抽気開口は、前記静翼の前記遊端縁の前記軸線方向について前記前端から１０％〜２０％の範囲内に位置する請求項１に記載の軸流圧縮機。
前記抽気開口は前記ロータの中心軸線周りに等ピッチをもって複数設けられている請求項１又は２に記載の軸流圧縮機。
各抽気通路は前記抽気開口から前記ロータの外周面に対して所定の角度をもって後方に傾斜して延出する請求項１〜３の何れか一項に記載の軸流圧縮機。
前記所定の角度は２０〜４０度の範囲である請求項４に記載の軸流圧縮機。