JP4836097B2 - 軸流圧縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、傾斜流路に配置される翼を介して流体を送り出す軸流圧縮装置に関する。

軸流圧縮装置を用いるものとしては、例えば特許文献１に示されるような「多段圧縮機」が知られている。
特許文献１の「多段圧縮機」は、各段が高い効率を有しかつ小型軽量で大流量の多段圧縮機を目的とし、図８に示すように、回転駆動される単一のシャフト５２に同軸に取付けられた複数のインペラ５４、５６と、シャフトを回転可能に支持しかつ複数のインペラを囲むケーシング５８とを備えた多段圧縮機である。この多段圧縮機が備える複数のインペラのうち、少なくとも第１段のインペラ５４は、子午面流れが回転軸に対して傾斜して流出する傾斜インペラとされている。また、ケーシング５８は、斜流インペラの回転により遠心圧縮された気体を隣接するインペラの半径方向内方に導く流路５８ａを有するものである。
特開平９−４９４９８号公報

ところで、特許文献１に示される多段圧縮機の応用形態としては、ファンエンジンが知られている。図９は、高バイパス比ファンエンジンの模式図であり、外気を取り入れるファン６１、取り入れた空気をバイパスされるバイパス流路６２、空気の一部を圧縮して高圧圧縮機に供給する低圧圧縮機６３、空気を更に圧縮して図示しない燃焼器に供給する高圧圧縮機６４、等を備える。低圧圧縮機６３と高圧圧縮機６４は共に軸流圧縮機であり、回転軸１の回転駆動によって動翼を回転させることにより空気を圧縮する。

軸流圧縮機の動翼および静翼は、一般的には回転軸に対して平行に延在する流路に配置される。
一方で、図９に例示するように、低圧圧縮機などでは、回転軸に近づく流路、すなわち傾斜流路に動翼および静翼が配置される場合がある。

一般的な軸流圧縮機の動翼および静翼は回転軸に対して遠心力の作用する方向、すなわち回転軸に直交する方向に重心軸が設定されている。しかし、そのような形態では、傾斜流路、特に流れ方向において回転軸に接近する傾斜流路に配置される動翼及び静翼のハブ側において、流れの剥離が起こりやすい。また、軸流ファン（図９に示す高バイパス比ファンエンジンにおけるファン６１）の動翼においても、軸流圧縮機と同様に流れの剥離が起こりやすい。このように、軸流圧縮機や軸流ファンに代表される軸流圧縮装置においては、翼のハブ側にて流れの剥離が起こりやすく、効率の低下やストールマージン低下を引き起こす問題点があった。

また、空力性能向上のために翼形状を調整して、翼列内で発生する２次流れや、流れの剥離を制御する場合もあるが、傾斜流路、特に流れ方向において回転軸に接近する傾斜流路に位置する翼については、流れの剥離がおきやすく、翼形状の調整だけでは空力性能を満足するのが困難なことが多い。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。そして、本発明の目的は、傾斜流路に配置される翼における流れの剥離を抑制し空力性能の低下を抑制することができる軸流圧縮機装置を提供することにある。

本発明は、軸に沿って流れる流体を、該流体の流路に配置される翼を介して送り出す軸流圧縮装置であって、上記軸に対して離間あるいは接近する方向に傾斜して延在する上記流体の流路である傾斜流路と、該傾斜流路に配置され、重心軸が上記軸に直交する方向よりも上記傾斜流路の軸側の壁面に対する垂直方向側に傾斜されている上記翼とを有することを特徴とする。

また、本発明においては、上記傾斜流路に配置される上記翼の上記重心軸は、上記傾斜流路の軸側の壁面の垂直方向に対して−１０°〜＋１０°の範囲で傾斜されているという構成を採用する。

また、本発明においては、上記傾斜流路に配置される上記翼の上記重心軸は、上記傾斜流路の上記軸側の壁面に対して垂直であるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記傾斜流路が上記軸に接近する方向に傾斜され、上記傾斜流路の上記軸側の壁面の軸に対する傾斜角度が１０°以上６０°未満に設定されているという構成を採用する。

また、本発明においては、流体に働く渦度ベクトルと流速ベクトルに起因する力が翼中心部に向けて斜め方向となるように上記翼の翼根部が傾いているという構成を採用する。

上記本発明の構成によれば、傾斜流路に配置される翼の重心軸が流れの軸に直交する方向よりも上記傾斜流路の軸側の壁面に対する垂直方向に傾斜されていることにより、傾斜流路の軸側の流れが適正化され剥離の発生を抑えることが可能となる。従って、効率の向上、ストールマージンの向上を図ることができる。
特に、傾斜角度が大きく、流れ方向において軸に接近する傾斜流路に位置する翼（例えば上述した高バイパス比ファンエンジンの動翼及び静翼）に適用することにより大きな効果が得られ、軸流圧縮装置の高ストールマージン化および高効率化が可能となり、ジェットエンジンの作動範囲を拡大でき、また、ジェットエンジンの流れの効率を改善することにより、燃料消費率改善ができるという、２つの大きな効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、軸流圧縮装置の模式図であり、（Ａ）は既存技術（従来の軸流圧縮装置）、（Ｂ）は本実施形態の軸流圧縮装置を示している。

図１（Ｂ）に示すように、本実施形態の軸流圧縮装置（例えば軸流圧縮機および軸流ファン）は、回転軸１（軸）に接近するように、流体の流れ方向に延在する傾斜流路１１内に空気を圧縮して送り出すための翼列１２を有する。この翼列１２は、回転軸１によって回転されるディスクに固定されており、ディスクの回転に伴って回転駆動される。そして、この翼列１２を構成する動翼１３（翼）の重心軸１４が、回転軸１に直交する方向よりもハブ側通路面１１ａ（傾斜流路の回転軸側の壁面）に対する垂直方向に傾斜されている。なお、重心軸１４は、少なくともハブ側通路面１１ａの垂直方向に対して−１０°〜＋１０°の範囲で傾斜され、より好ましくは、ハブ側通路面１１ａに対して垂直とされている。
また、図１において符号１６は、動翼１３の下流側に位置する静翼である。そして、静翼１６も、動翼１３と同様に、重心軸１４が、回転軸１に直交する方向よりもハブ側通路面１１ａ（傾斜流路の軸側の壁面）に対する垂直方向側に傾斜されている。
なお、動翼及び静翼の重心軸とは、動翼及び静翼を回転軸と平行な方向に切断した切断面における重心を連続することによって得られる線分で示される軸である。

一方、図１（Ａ）に示すように、既存技術においては、動翼及び静翼の重心軸が回転軸と直交する方向に設定されており、この結果、流れの剥離が生じている。

図２は、軸流圧縮装置の作用説明図であり、（Ａ）は既存技術（従来の軸流圧縮装置）における翼（動翼あるいは静翼）を示し、（Ｂ）は本実施形態の軸流圧縮装置における（動翼１３あるいは静翼１６）を示している。

図２（Ａ）に示すように、また上述のように、既存技術では、傾斜流路に翼を配置する場合、動翼および静翼は、回転軸に対して遠心力の作用する方向、すなわち回転軸に直交する方向に重心軸が設定されていた。
その結果、図３に示す理由により、翼後端の背側に剥離しやすい領域が現れ、空力性能の低下を起こしていた。
つまり、図３（Ａ）に示すように、翼周りの流れは、翼の背側の流速が速く、翼の腹側の流速が遅いため背側、腹側で速度差が生じ、翼周りに渦度が発生する。既存技術では、速度差の渦度成分表示を、渦度ベクトルωで表示すると、図３（Ｂ）に示すように、ハブ側通路面に対して重心軸が角度θに設定された翼周りには、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示すように、２次流れ成分ωｓｉｎθが発生する。この２次流れ成分ωｓｉｎθにより、３次元翼後端の背側に剥離しやすい領域が現れる。

これに対して、本実施形態の軸流圧縮装置では、図２（Ｂ）に示すように、動翼１３または静翼１６の重心軸１４が、回転軸１に直交する方向よりもハブ側通路面１１ａに対する垂直方向側に傾斜され、ハブ側通路面１１ａに対し垂直またはほぼ垂直（−１０度から＋１０度の範囲）となるように設定されている。このため、図３（Ｂ）に示す角度θがなくなる、もしくは小さくなり、図３（Ｃ）に示す２次流れ成分ωｓｉｎθをなくす、もしくは小さくすることができ、動翼１３または静翼１６後端の背側の剥離を抑制し、空力性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態の軸流圧縮装置では、さらに図４（Ｂ）に示すような３次元翼形状を付加することで、さらなる空力性能の向上が可能である。
つまり、図４（Ａ）に示すように、渦度ベクトルωと流速ベクトルｕがある場合、流体には、渦度ベクトルωと流速ベクトルｕに起因する力Vortex Force：ｆ＝ｕ×ω（ベクトル積）が働く。
そして、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に示すように翼の翼根部を傾け、翼面背側のVortex Force：ｆの向きを翼中心部に向けて斜め方向にすることで、図４（Ｄ）に示すように翼端の流れを中心寄りに集め、翼端の流量を減少させることで流れの剥離を抑制する効果がある。

以下、本実施形態の軸流圧縮装置の具体例について説明する。
図５は、上述した本実施形態の軸流圧縮装置を高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機に適用した具体例を説明するための模式図であり、（Ａ）が既存技術（従来の高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機）を示し、（Ｂ）が本実施形態の軸流圧縮装置を適用した高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機を示す。
なお、図６は、動翼形状を説明するための図であり、（Ａ）が既存技術（従来の高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機）の動翼を示し、（Ｂ）が本実施形態の軸流圧縮装置を適用した高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機の動翼を示す。なお、図６において、（ａ）が翼斜視図であり、（ｂ）が翼積重図である。

そして、図５（Ａ）に示すように、既存技術の高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機の動翼が、その重心軸が鉛直方向とされているのに対して、図５（Ｂ）に示すように、本実施形態の軸流圧縮装置を低圧圧縮機に適用した高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機の動翼１３は、その重心軸１４が、ハブ側通路面１１ａに対して垂直に設定されている。

図７は、図６の動翼の等マッハ数線図であり、（Ａ）は既存技術における動翼の等マッハ数線図、（Ｂ）は本実施形態の軸流圧縮装置を適用した高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機における動翼の等マッハ数線図を示している。なお、この解析は、解析回転数を設計回転数に一致させ、かつ入口圧力と温度が標準大気状態とし、コンピュータを用いて求めた解析結果である。この図において、各翼面の曲線は動翼の側面の等マッハ数線図、すなわち同一速度の等高線を示している。
図７（Ａ）から、既存技術の高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機の動翼では、ハブ側の後縁付近に等高線が乱れた箇所があり、この部分で剥離が発生していることがわかる。
これに対して、図７（Ｂ）から、本実施形態の軸流圧縮装置を適用した高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機の動翼では、ハブ側の後縁付近の等高線も乱れが少なく、剥離がないことがわかる。

なお、上述した解析例では、ハブ側通路面１１ａが回転軸に対して約３０°傾斜されているものとした。しかしながら、ハブ側通路面１１ａが回転軸に対して１０°以上６０°未満の範囲で傾斜している場合であっても、同様に流れの剥離を抑止できることが分かっている。
また、動翼に限定されず静翼においても、重心軸を鉛直方向からハブ側通路面１１ａの垂直方向側に傾斜させることによって同様の効果が得られる。

以上のような本実施形態の軸流圧縮装置（高バイパス比ファンエンジンの低圧圧縮機）によれば、傾斜流路１１に配置される翼（動翼１３あるいは静翼１６）の重心軸１４が、ハブ側通路面１１ａに対して略垂直に設定されている（すなわち、ハブ側通路面１１ａに対する垂直方向に重心軸１４が傾斜されている）ため、翼近傍の通路側の流れが適正化され剥離の発生を抑えることが可能となる。これは上記解析から明らかである。

したがって、本実施形態の軸流圧縮装置においては、流れの剥離を抑止することによって、効率の向上、ストールマージンの向上を図ることができ、特に、流れ方向に進むに連れて回転軸に近づく傾斜流路１１を備える軸流圧縮装置において、高ストールマージン化および高効率化が可能となり、ジェットエンジンの作動範囲を拡大でき、また、ジェットエンジンの流れの効率を改善することにより、燃料消費率改善ができる

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更することは勿論である。例えば、上述の実施形態では、軸流圧縮機について説明したが、軸流ファンにも同様に本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態の軸流圧縮装置の模式図である。 本発明の一実施形態の軸流圧縮装置の作用説明図である。 本発明の一実施形態の軸流圧縮装置の理論的考察の説明図である。 本発明の一実施形態の軸流圧縮装置に付加できる３次元翼形状の理論的考察の説明図である。 本発明の一実施形態の軸流圧縮装置の具体例を示す模式図である。 本発明の一実施形態の軸流圧縮装置の具体例における動翼の翼形状図である。 図６の動翼の等マッハ数線図である。 従来の軸流圧縮装置を用いた多段圧縮機の模式図である。 従来の軸流圧縮装置を用いた高バイパス比ファンエンジンの模式図である。

符号の説明

１……回転軸、１１……傾斜流路、１１ａ……ハブ側通路面（傾斜流路の軸側の壁面）、１２……翼列、１３……動翼（翼）、１４……重心軸、１６……静翼（翼）

Claims (1)

1. 軸に沿って流れる流体を、該流体の流路に配置される翼を介して送り出す軸流圧縮装置であって、
   前記軸に対して離間あるいは接近する方向に傾斜して延在する前記流体の流路である傾斜流路と、
   該傾斜流路に配置され、重心軸が前記軸に直交する方向よりも前記傾斜流路の軸側の壁面に対する垂直方向側に傾斜されている前記翼と
   を有し、
   前記傾斜流路に配置される前記翼の前記重心軸は、前記傾斜流路の軸側の壁面の垂直方向に対して−１０°〜＋１０°の範囲で傾斜され、
   前記傾斜流路が前記軸に接近する方向に傾斜され、前記傾斜流路の前記軸側の壁面の軸に対する傾斜角度が１０°以上６０°未満に設定され、
   流体に働く渦度ベクトルと流速ベクトルに起因する力が翼中心部に向けて斜め方向となるように前記翼の翼根部が傾いている
   ことを特徴とする軸流圧縮装置。

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