JP4265656B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、航空機のエンジン等に適用される高圧力比遠心圧縮機であって、羽根付きディフューザを有するものに関する。

遠心圧縮機のディフューザは、遠心羽根車の出口の高速、高運動エネルギを有する空気を損失なく減速し圧力回復を図る装置である。形態としては、羽根無しディフューザと羽根付きディフューザがあり、両者は一長一短の性格を有する。

すなわち、羽根無しディフューザは、作動域は広いが効率が低く、出口の圧力が低くなるため、それを高めるためにはディフューザの直径を大きくしなければならないという特性がある。これは、空気流が、ディフューザ内を対数螺旋を描きながら流出するため、流路が長くなって摩擦によるエネルギ損失が多いことと、入口と出口の面積比を多くするために半径比を大きくとる必要があることによる。

一方、羽根付きディフューザは、効率が高く羽根無しディフューザと同一圧力比を得る場合には直径（サイズ）も小さくできるが、作動域が狭いという特性がある。羽根付きディフューザの作動域が狭いという特性は、高圧力比圧縮機においてより顕著になる。

これは、羽根付きディフューザにおいては、低流量域において、遠心羽根車の出口からの空気流の流れ角と、ディフューザ羽根との角度がずれた場合、羽根の存在に起因して空気の剥離が発生し、流れが不安定になる（サージが発生する）ことによる。また一方で、ディフューザの隣り合う羽根の間にスロートが形成され、その部分の流速が音速に達した場合には、圧力をそれ以上増やしても流量が増えない（チョークが発生する）ことによる。

そうすると、羽根付きディフューザにおける特に低流量域においては、システムに少しの外乱が入っただけで空気流が不安定になり、遠心圧縮機の安定な運転が困難となる場合があった。また、急加速した場合のように、空気の流量が低流量側に急激に変化したときにも当該空気流が不安定となる場合があった。

これに対し、対向する２つのディフューザ壁の少なくとも一方から出没自在な可動羽根を設け、この可動羽根を空気流の流量に応じて、ディフューザ壁内に格納された位置から他方のディフューザ壁に当接する位置まで制御するようにし、羽根付きディフューザと羽根無しディフューザの両方の長所を兼ね備えさせた技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、羽根付きディフューザのスロート部に出没可能に突起を設け、通常の運転時には当該突起は引込ませておき、サージングを起こすような低流量域では突出させるようにしてサージングを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、上記の技術においてはいずれも可動部を有するため構造が複雑となり、装置のコスト、サイズまたは重量の低減の妨げになるおそれがあった。
特開２０００−２０５１８６号公報 特開平９−１００７９９号公報

本発明の目的とするところは、簡単な構成で、羽根付きディフューザを備えた高圧力比遠心圧縮機の作動域の拡大を可能とする技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明においては、羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比を最適化する。そして、これにより、羽根付きディフューザの隣り合う羽根の間の領域において、羽根の存在に起因して流入空気に剥離渦が生じ得る領域よりも、流入空気に前記剥離渦が生じない領域が大きくなるようにすることを最大の特徴とする。

より詳しくは、羽根付きディフューザを有する高圧力比遠心圧縮機であって、
前記羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比は、
低流量域において前記羽根付きディフューザに空気が流入した際に、空気の流れ角と前記羽根の角度との間にずれが生じ、前記羽根の近傍で空気流の剥離による剥離渦が生じても、
隣り合う前記羽根間の領域において、前記空気の流れ角の方向へ向かう空気の流れと前記羽根との間の領域であり前記剥離渦が生じるおそれのある空気渦発生領域の面積より、前記空気渦発生領域以外の領域である空気安定流れ領域の面積の方が広くなるように設定されたことを特徴とする。

ここで、弦節比は、羽根付きディフューザの羽根の翼弦長を羽根のピッチで除した値である。すなわち、本発明においては羽根付きディフューザのピッチを充分に広く設定する。そして、低流量域において、羽根車の出口からの空気の流れ角とディフューザ羽根の角度との間にずれが生じ、前記羽根の近傍で空気流の剥離による渦（剥離渦）が生じても、隣り合う羽根の間の、空気が安定して流れることが可能な流路面積を広く確保できるようにし、全体の空気流れに剥離渦が及ぼす影響が小さくなるようにした。

これにより、サージの発生を抑制することができ、遠心圧縮機の低流量側の作動域を広げることができる。

また、本発明においては、前記羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比は、隣り合う前記羽根間にスロートが形成されないように設定されてもよい。

ここで、上述のサージとともに、羽根付きディフューザの作動域を制限しているのが、流入空気の流量が多くなった場合に発生するディフューザチョークである。すなわち、羽根付きディフューザにおいて流入空気の流速が増加し、流路面積が最小の部分で音速に達すると、流量がそれ以上増加しなくなる。この現象により、羽根付きディフューザにおける高流量側の作動域が制限されている。

そこで、本発明においては、羽根付きディフューザの隣り合う羽根の間において流路が最小になるような部分が形成されないようにした。そうすると、流入する空気の流速が速くなり音速に達してもディフューザチョークが発生しづらくなる。よって、羽根付きディフューザの高流量側の作動域が制限されづらくなる。

具体的には、例えば、前記羽根付きディフューザにおける羽根の角度及び弦節比は、該羽根の内周端から外周側に該羽根に垂直に延ばした直線が、隣り合う前記羽根と交わらないように設定されてもよい。そうすれば、より確実にスロートの形成を抑制することができ、ディフューザチョークの発生を抑制することができる。

その他、羽根の形状を、隣り合う羽根の間の流路幅が略一様になるように定めてもよい。

また、本発明においては、前記羽根付きディフューザにおける弦節比は、サージマージンが０．１以上になるように設定してもよい。

ここで、サージマージンが大きいほど、遠心圧縮機の運転中においてサージが発生しづらいことを意味している。そして、サージマージンが０．１以上であれば、羽根付きディフューザの低流量側の作動域は充分に広いと言える。また、羽根付きディフューザにおける弦節比とサージマージンとの間には高い相関関係があり、弦節比が小さくなるほどサージマージンが大きくなるという関係にある。

従って、羽根付きディフューザにおいて、弦節比を、サージマージンが０．１以上となるように設定すれば、羽根付きディフューザの低流量側の作動域をより確実に確保することができる。

また、本発明においては、前記羽根付きディフューザにおける弦節比は、１．５以下に設定してもよい。

次に、羽根付きディフューザの弦節比とサージマージンとの関係について考える。ここで、羽根付きディフューザの弦節比が約２以上の領域においては、該弦節比が変化してもサージマージンは殆ど変化しない。それに対し、羽根付きディフューザの弦節比が約２より小さい領域においては、羽根付きディフューザの弦節比が小さくなるとサージマージンが顕著に大きくなるという傾向がある。

従って、本発明においては、その中でも弦節比が１．５以下の領域を用いることとした。これにより、充分に大きなサージマージンを確保可能となるとともに、弦節比を適宜設定することにより、サージマージンの調整が行い易くなる。

また、本発明は、前記羽根付きディフューザへの空気の流入速度が音速に達するような遠心圧縮機に適用するとよい。このような状態で使用する羽根付きディフューザについては、スロート部でディフューザチョークが発生し易く、高流量側の作動域が狭くなり易い。従って、このような遠心圧縮機に本発明を適用することで、本発明の効果をより顕著にすることができる。

また、本発明においては、前記羽根付きディフューザは抽気エンジンに用いられるようにしてもよい。抽気エンジンにおいては、エンジンの出力の変化自体（つまり抽気量の変化自体）が羽根付きディフューザに流入する空気流量に直結しているので、サージマージンが確保されていないと、エンジンの出力コントロールが困難になるおそれがある。すなわち、抽気エンジンについては特に充分なサージマージンを確保する必要性が高いと言える。従って、抽気エンジンに本発明を適用することで、より顕著な効果を得ることができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明にあっては、簡単な構成で、羽根付きディフューザを備えた高圧力比遠心圧縮機の作動域を拡大することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は本発明にかかる高圧力比遠心圧縮機、特にディフューザ周辺部を示す。ここでの遠心圧縮機１は例えば航空機用の抽気エンジンに適用され、空気の圧縮に用いられる。遠心圧縮機１は、ケーシング２内の中心側に設けられ空気を軸方向から流入して半径方向外側に流出する回転可能なインペラ３と、インペラ３の半径方向外側に設けられ、インペラ３から流出した空気を減速し昇圧させ半径方向外側のスクロール２ａに送るディフューザ４とを備えている。インペラ３は圧縮機の中心と同軸に配置され、図示しないタービンによりタービン軸３ａを介して回転駆動される。ディフューザ４は、相対向する一対のディフューザ壁５、６により、所定の流路幅をもって圧縮機中心と同軸な環状通路として形成される。また、ディフューザ４内には、ディフューザ４内に流入する空気を効率よく減速し圧力回復を図るための羽根７が設けられている。

図２は、ディフューザ４内に設けられた羽根７の状態について示す図である。図２に示すように、羽根７はディフューザ４のディフューザ壁６に、インペラ３の周方向に対してθだけ傾斜され、周方向に等間隔で複数設けられている。ここで、羽根７の長さを翼弦長、隣り合う羽根７の間隔をピッチという。そして、翼弦長をピッチで除した値を弦節比という。インペラ３が回転すると、空気はインペラ３に吸い込まれエネルギが与えられた後、インペラ３から吐き出される。インペラ３から吐出された空気は、ディフューザ４に入り減速されて圧力回復がなされる。

上記のような遠心圧縮機１においては、インペラ３から吐き出される空気の流量が小さくなり、空気のディフューザ４への流入角が小さくなると、図３に示すように空気の流入角と羽根７の入口角とのずれが生じ、羽根７の先端から空気の剥離渦が生じる場合がある。隣り合う羽根７で形成される空気の流路において、この剥離渦が生じる領域（以下、剥離渦発生領域という。）８の占める割合が大きくなると、非常に不安定な流れ場となり、振動などの異常現象を引き起こし、サージの原因となる場合があった。

サージが発生すると、遠心圧縮機１の運転の継続が困難になるため、ディフューザ４への空気流量が少なくなる方向へは、遠心圧縮機１の作動が制限されていた。この遠心圧縮機１の作動の制限について図４を用いて詳しく説明する。

例えば、遠心圧縮機１が図４（ａ）に示すような作動線上を運転している場合に、サージ線までの余裕が少ないと、小さな外乱が入っただけで、サージ線を越えてしまい遠心圧縮機１の運転が不安定になる場合がある。また、図４（ｂ）に示すように、遠心圧縮機１の回転数を急増させて急加速する場合には、一旦作動点が低流量側に動くため、サージ線を越えてしまう場合もあった。この場合には遠心圧縮機１の急加速が出来ない状態となるので、この遠心圧縮機１は急加速の必要性の比較的高い航空機用としては使用が困難となる。また、図４（ｃ）には、遠心圧縮機１が抽気エンジンに適用された場合を示すが、この場合には、エンジンの出力を下げることがそのままディフューザに流入する空気流量を下げることになるので、サージ線までの余裕が少ないと、エンジン出力のコントロールが困難になる場合があった。

そこで、本実施例においては、ディフューザ４における羽根７の弦節比を、少なくとも、隣り合う羽根７で形成される空気の流路のうち、剥離渦発生量域８以外の領域である安定流れ領域９が、剥離渦発生領域８よりも広くなるように設定することとした。そうすることにより、遠心圧縮機１における空気流量が少なくなって剥離渦が発生したとしても、流れの乱れていない安定流れ領域９の面積を充分に確保できるため、遠心圧縮機１全体としてのサージの発生を抑制することができる。図５には、この場合の剥離渦発生領域と安定流れ領域との関係について示す。

なお、遠心圧縮機１における空気流量と剥離渦発生領域８、安定流れ領域９の面積との
関係については実験的またはシュミレーション的手法によって求めてもよい。また、簡単には、遠心圧縮機１における空気流量と、ディフューザ４への空気の流入角度との関係を予め求めておき、図５に示す幾何学的な関係より、剥離渦発生領域８、安定流れ領域９の面積を求めてもよい。

また、安定流れ領域９が、剥離渦発生領域８よりも広くなると、サージマージンが増加することから、各弦節比に対するサージマージンの値を取得することで、安定流れ領域９が、剥離渦発生領域８よりも広くなったことを推定してもよい。以下にサージマージンの値から、安定流れ領域９が、剥離渦発生領域８よりも広くなったと推定して、弦節比を設定する場合について説明する。

図６には、本実施例における弦節比とサージマージンとの関係の例及び、サージマージンの定義についての図を示す。

先ず、図６（ａ）には、サージマージンの定義を説明するための図を示す。実線で示すのはサージが発生する可能性がある範囲との境界線としてのサージ線、破線で示すのは遠心圧縮機１の定格で定められる作動線である。遠心圧縮機１の回転数を一定とした場合に、定格より定まる空気流量（作動線と回転数一定曲線の交点における空気流量）Ｇ_０と、同じの回転数においてサージが発生する際の空気流量（サージ線と回転数一定曲線の交点における空気流量）Ｇsurgeとから、サージマージンは以下のように算出される。

サージマージン＝１−Ｇsurge／Ｇ_０・・・・（１）

図６（ｂ）は、弦節比とサージマージンとの関係のグラフである。ここで、弦節比が２以下の範囲であれば、弦節比を小さくすることで、サージマージンを効率的に大きくできることが分かる。すなわち、弦節比が約２以下であれば、安定流れ領域９が、剥離渦発生領域８よりも広くなったと推定してもよい。本実施例においては、弦節比を１．５とすることとした。そうすると、サージマージンを約０．１以上とすることができ、充分に大きなマージンを確保することができる。

以上、説明したように、本実施例においては、ディフューザ４における羽根７のピッチを大きくし、少なくとも剥離渦発生領域より安定流れ領域が広くなるようにした。これにより、遠心圧縮機１における空気流量が少なくなっても、サージの発生を抑制でき、安定した運転を継続することが可能となる。

また、本実施例においては、弦節比の減少に伴うサージマージンの増加が急峻になったことをもって、剥離渦発生領域より安定流れ領域が広くなったことを推定した。そして、サージマージンが弦節比の減少に伴って急激に増加するようになる、境界における弦節比よりも小さい弦節比を選択することとした。これにより、より簡単な方法で、より確実に、剥離渦発生領域より安定流れ領域を広くすることができる弦節比を取得することができる。

なお、本実施例における剥離渦発生領域は空気渦発生領域に相当する。また、安定流れ領域は空気安定流れ領域に相当する。

次に、本発明の実施例２について説明する。実施例１においては、羽根付きディフューザの弦節比を大きくすることで、サージマージンを増加させ、遠心圧縮機１の空気流量が少なくなる側の作動域を広くする例について説明した。本実施例においては、遠心圧縮機１の空気流量が多くなる側の作動域を広くする例について説明する。なお、本実施例にお
ける遠心圧縮機１の概略構成は、図１に示したものと同等である。

ここで、遠心圧縮機１の作動域を空気流量が多くなる側で制限する要因として、スロートの存在がある。このスロートは、隣り合う羽根７の間の流路において流路面積が最も小さくなる箇所であって、この箇所において流入空気の流速が音速に達すると、それ以上流量が増加しなくなってしまう。このスロートの位置の例について図７（ａ）に示す。

そこで、本実施例においては、羽根付きディフューザにおいて図７（ｂ）に示すように、各羽根７の内周側の先端から当該羽根７に対して垂直外周方向に伸ばした直線が、隣り合う羽根７と交差しないように、弦節比を定めることとした。そうすれば、羽根７の間の流路にスロートが形成されることを抑制でき、遠心圧縮機１における空気流量が多くなる側の作動域を広くすることができる。

なお、本実施例においては、実施例１で示したように、剥離渦発生領域８より安定流れ領域９が広くなり、且つ、各羽根７の内周側の先端から当該羽根７に垂直外周方向に伸ばした直線が、隣り合う羽根７と交差しないように、弦節比を設定することとしてもよい。そうすることにより、遠心圧縮機１における空気流量が少なくなる側の作動域及び、空気流量が多くなる側の作動域の両方を広げることができ、従来に比較して大幅に大きな作動域を確保することができる。図８には、空気流量が少なくなる側及び多くなる側の両側に対して広げた場合の、遠心圧縮機１の作動域の例について示す。

なお、上記においては、羽根付きディフューザの各羽根の内周側の先端から当該羽根に対して垂直外周方向に伸ばした直線が、隣り合う羽根と交差しないように弦節比を定め、羽根の間の流路にスロートが形成されることを抑制した。しかし、羽根の間の流路にスロートが形成されないようにするのはこの方法に限られない。羽根の幅を、例えば隣り合う羽根の間の流路幅が略一定になるように決定してもよい。また、隣り合う羽根の間の流路幅が緩やかに減少または増加するように決定してもよい。

本発明の実施例における遠心圧縮機の特にディフューザ周辺部の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１における羽根付きディフューザの概略構成を示す図である。 本発明の実施例１における剥離渦発生領域について説明するための図である。 本発明の実施例１におけるサージ線と、遠心圧縮機の作動の制限について説明するための図である。 本発明の実施例１における剥離渦発生領域と安定流れ領域との関係について説明するための図である。 サージマージンの定義及び、弦節比とサージマージンとの関係を示す図である。 本発明の実施例２におけるスロート及び、スロートが形成されないための弦節比について説明するための図である。 本発明の実施例２における遠心圧縮機の作動域の拡大を示す図である。

符号の説明

１・・・遠心圧縮機
２・・・ケーシング
２ａ・・・スクロール
３・・・インペラ
３ａ・・・タービン軸
４・・・ディフューザ
５・・・ディフューザ壁
６・・・ディフューザ壁
７・・・羽根
８・・・剥離渦発生領域
９・・・安定流れ領域

Claims (7)

1. 羽根付きディフューザを有する高圧力比遠心圧縮機であって、
   前記羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比は、
   低流量域において前記羽根付きディフューザに空気が流入した際に、空気の流れ角と前記羽根の角度との間にずれが生じ、前記羽根の近傍で空気流の剥離による剥離渦が生じても、
   隣り合う前記羽根間の領域において、前記空気の流れ角の方向へ向かう空気の流れと前記羽根との間の領域であり前記剥離渦が生じるおそれのある空気渦発生領域の面積より、前記空気渦発生領域以外の領域である空気安定流れ領域の面積の方が広くなるように設定されたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比は、隣り合う前記羽根間にスロートが形成されないように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比は、該羽根の内周端から外周側に該羽根に垂直に延ばした直線が、隣り合う前記羽根と交わらないように設定されたことを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比は、サージマージンが０．１以上になるように設定されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の遠心圧縮機。
5. 前記羽根付きディフューザにおける羽根の弦節比は、１．５以下に設定されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の遠心圧縮機。
6. 前記羽根付きディフューザへの空気の流入速度が音速に達することを特徴とする請求項２または３に記載の遠心圧縮機。
7. 前記羽根付きディフューザは抽気エンジンに用いられることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の遠心圧縮機。

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