JP4924984B2 - 軸流圧縮機の翼列 - Google Patents

Description

本発明は、動翼列と静翼列を軸方向に交互に配列した軸流圧縮機の翼列に関する。

ガスタービンやジェットエンジンにおいて、外部から取り入れた空気を圧縮する圧縮機には、動翼列と静翼列を軸方向に配列した軸流圧縮機が用いられる。

軸流圧縮機おいて、静翼列を構成する静翼の半径方向内径側（ハブ側）では、高流量、高圧力の条件では流入マッハ数が高くなるため最小有効流路断面部（スロートエリア）でチョーキングが生じやすく圧力損失が増大する。また、チョーキングが生じるとそれ以上流量を増やすことができない。

軸流圧縮機において、動翼列を構成する動翼の半径方向内径側（ハブ側）で、高圧力を達成するための手段としてコード長増があげられるが、摩擦損失も増えるのでそのコード長増の効果が薄れる。半径方向外径側（チップ側）では相対流入マッハ数が高いためスロートエリア前で加速し圧力損失が増大する。また、チョーキングが生じやすくなるため流量を増やすことができなくなる。

そこで、これらの問題点を解決する手段として、特許文献１が既に提案されている。

特許文献１の軸流圧縮機の翼列構造は、圧縮機の高流量化と高効率化を目的とし、図６に示すように、環状に配置された内側流路壁６２と外側流路壁６１との間に、その周方向に沿って所定間隔を隔て複数の翼６３を配列してなる軸流圧縮機６５の翼列構造において、上記内側流路壁６２に、翼６３の列間の流路断面積が最小となるスロート部６４に位置させて流路断面積を広げる凹部６５を形成すると共に、該凹部６５の後流側に位置させて翼背側根元部６７を流れる流体の減速を抑制させる滑らかな凸部６８を形成したものである。

また、軸流圧縮機とは相違する遠心圧縮機の分野において、特許文献２，３が提案されている。

特許文献２には、図７に示すように、ハブ７１と、ハブに設けられた複数のメインブレード７２と、ハブに設けられた複数のスプリッタブレード７３とを有するインペラが開示されている。このインペラでは、各スプリッタブレード７３は、隣接するメインブレード７２の間に設けられている。

特許文献３には、図８に示すように、回転軸に適合するハブ８１を有する回転ディスク８２と、回転ディスクの表面に設けられた複数のフルブレード８３と、回転ディスクの表面に設けられた複数のプレッタブレード８４とを備えたインペラが開示されている。このインペラでは、フルブレード８３とプレッタブレード８４は、回転ディスクの回転方向に交互に配置されている。

特開平６−２５７５９７号公報、「軸流圧縮機の翼列構造」 米国特許第５，００２，４６１号明細書 米国特許第５，６３９，２１７号明細書

上述したように、軸流圧縮機では動翼列、静翼列ともに高流入マッハ数時の圧力損失が増大する問題と、翼列内のスロート部でチョーキングが生じ、流入空気流量が制限される問題点がある。上述した特許文献１では局所的な効果はあるが３次元的な効果は小さいことが予想される。
また、特にファンの場合では、動翼の羽根枚数より静翼の羽根枚数の方を多くし、騒音的に有利なカットオフ条件が成り立つように構成する。しかし、上述のように、マッハ数が速い流れを取り扱うためには翼間エリアを広げなければならない。広げる手段としては静翼の羽根枚数を減らすことが考えられるが、そうすると動翼と静翼の枚数が近くなり、騒音が大きくなる問題が生じる。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は３次元的に積極的に翼形状を調整することで高流入マッハ数時の圧力損失低減と、空気流量を従来よりも増大することができる軸流圧縮機の翼列を提供することを目的とする。

本発明によれば、動翼列と静翼列を軸方向に交互に配列した軸流圧縮機の翼列であって、
静翼列が、動翼列の回転軸を中心とする周方向に間隔を隔てて位置する複数のメイン静翼と、
該メイン静翼の間に周方向に間隔を隔てて位置する複数のサブ静翼とからなり、
メイン静翼はサブ静翼と同一形状の基本翼部と、それより上流側に延びた前方翼部とからなり、
メイン静翼の基本翼部とサブ静翼は、軸方向同一位置に位置してその間に基本静翼列を構成し、
メイン静翼の前方翼部は、少なくとも半径方向内端近傍において、基本静翼列より周方向間隔の大きい前方翼列を構成する、ことを特徴とする軸流圧縮機の翼列が提供される。

また本発明によれば、動翼列と静翼列を軸方向に交互に配列した軸流圧縮機の翼列であって、
動翼列が、その回転軸を中心とする周方向に間隔を隔てて位置する複数のメイン動翼と、
該メイン動翼の間に周方向に間隔を隔てて位置する複数のサブ動翼とからなり、
メイン動翼はサブ動翼と同一形状の基本翼部と、それより上流側に延びた前方翼部とからなり、
メイン動翼の基本翼部とサブ動翼は、軸方向同一位置に位置してその間に基本動翼列を構成し、
メイン動翼の前方翼部は、少なくとも半径方向内端近傍において、基本動翼列より周方向間隔の大きい前方動翼列を構成する、ことを特徴とする軸流圧縮機の翼列が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記メイン動翼の前縁が、半径方向中間部から外端においてサブ動翼の前縁より下流側に位置する。

上記本発明の構成によれば、静翼列がメイン静翼の基本翼部とサブ静翼で構成される基本静翼列と、メイン静翼の前方翼部のみで構成される前方静翼列とからなり、前方静翼列は、少なくとも半径方向内端近傍において基本静翼列より周方向間隔が大きい（ほぼ２倍）ので、静翼列のハブ側に高マッハ数流体が流入してくる場合において、前方翼列の間隔で決まるハブ側でのスロートエリアの拡大が図れ、広作動域化、高効率化が期待できる。

また、半径方向内端近傍以外のミッドスパン近傍からチップ側において、メイン静翼の基本翼部は、サブ静翼と同一形状なので、メイン静翼の基本翼部とサブ静翼で構成される基本静翼列は、従来の静翼列と同一であり、動翼枚数と静翼枚数比は変わらず、動静翼の干渉騒音に有利なカットオフ条件が維持できる。
さらに、サブ静翼のハブ側が短い分、全体として軽量化が図れる。

また、上記本発明の構成によれば、動翼列が、メイン動翼の基本翼部とサブ動翼で構成される基本動翼列と、メイン動翼の前方翼部のみで構成される前方動翼列とからなり、前方動翼列は基本動翼列より翼数が少ない（半分）ため、翼部の流体摩擦損失を低減し、効率的に圧力上昇が得られる。

また、前方動翼列は、半径方向内端近傍において基本動翼列より周方向間隔が大きい（ほぼ２倍）ので、前方翼列の間隔で決まるハブ側でのスロートエリアの拡大が図れ、広作動域化、高効率化が期待できる。

また、前記メイン動翼の前縁が、半径方向中間部から外端においてサブ動翼の前縁より下流側に位置する構成により、チップ側では、サブ動翼の前縁部において周方向間隔が大きい（ほぼ２倍）ので、チップ側でのスロートエリアを広く取れ、高比流量時において、圧力損失低減が期待できる。
さらに、サブ動翼のハブ側が短い分、全体として軽量化が図れる。

従って、静翼列、動翼列のいずれの場合でも、圧縮機の圧力損失を低減することができ、かつ圧縮特性を維持したままで空気流量を従来よりも増大することができる

なお、上述した本発明の効果は、ＣＦＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）解析により確認されている。

以下本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する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は本発明の翼列を静翼列に適用した例である。この図において、（Ａ）は第１実施形態図、（Ｂ）は第２実施形態図、（Ｃ）はＡ−Ａ断面図、（Ｄ）はＢ−Ｂ断面図である。

図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態による静翼列１０の模式的側面図である。この図において、本発明による静翼列１０は、複数のメイン静翼１２と複数のサブ静翼１４とからなり、この図でメイン静翼１２の裏側にサブ静翼１４が位置している。
複数のメイン静翼１２は、動翼列（図示せず）の回転軸Ｚ−Ｚを中心として、周方向に間隔を隔てて位置する。また、複数のサブ静翼１４は、メイン静翼１２の間に周方向に間隔を隔てて位置する。従って、メイン静翼１２とサブ静翼１４の枚数は同一である。

また、メイン静翼１２はサブ静翼１４と同一形状の基本翼部１２ａと、それより上流側に延びた前方翼部１２ｂとからなる。従って、メイン静翼の基本翼部１２ａとサブ静翼１４は前方翼部１２ｂの有無を除いて同一である。

また、メイン静翼１２の基本翼部１２ａとサブ静翼１４は、軸方向同一位置に位置してその間に基本静翼列を構成する。この基本静翼列において、基本翼部１２ａとサブ静翼１４の周方向間隔は同一であるのが好ましいが、流れの状態に応じ調整は可能である。

また、メイン静翼１２の前方翼部１２ｂは、少なくとも半径方向内端近傍（ハブ側）において、基本静翼列１２ａより周方向間隔の大きい前方静翼列を構成する。この前方静翼列の周方向間隔は、基本静翼列のほぼ２倍となる。

図１（Ｂ）は、本発明の第２実施形態による静翼列１０の模式的側面図である。
この例では、メイン静翼１２の前縁１２ｃは、半径方向中間部から外端においても静翼１４の前縁１４ｃよりも上流側に位置する。
その他の構成は、第２実施形態と同様である。

上述した構成によれば、図１（Ｃ）に示すように、前方翼部１２ｂで構成される前方静翼列は、少なくとも半径方向内端近傍（ハブ側）においてメイン静翼１２の基本翼部１２ａとサブ静翼１４で構成される基本静翼列より周方向間隔を大きくできる（ほぼ２倍）。従って、静翼列のハブ側に高マッハ数流体１が流入してくる場合において、前方翼列１２ｂの間隔で決まるハブ側でのスロートエリア２の拡大が図れ、広作動域化、高効率化が期待できる。

また、図１（Ｄ）に示すように、半径方向内端近傍以外のミッドスパン近傍からチップ側において、メイン静翼の基本翼部１２ａは、サブ静翼１４と同一形状なので、メイン静翼１２の基本翼部１２ａとサブ静翼１４で構成される基本静翼列は、従来の静翼列と同一であり、動翼枚数と静翼枚数比は変わらず、動静翼の干渉騒音に有利なカットオフ条件が維持できる。
さらに、サブ静翼１４のハブ側が短い分、全体として軽量化が図れる。

図２は、本発明の第１、第２実施形態における性能予測図である。この図において、横軸は、静翼入射角、縦軸は圧力損失係数、図中の破線は従来の静翼列、実線は本発明の静翼列である。

この図に示すように、圧力損失係数は、設計点に対し、流量が増加しても減少しても、静翼入射角は、最適点から外れるため、大幅に増加する。しかし、本発明の静翼列では、前方静翼列は基本動翼列より翼数が少ない（半分）ため、翼部の流体摩擦損失を低減し、静翼入射角が変動する場合でも、広い領域で圧力損失係数を低減し、効率的に圧力上昇が得られる。

図３は、従来例と本発明の翼面の流線の比較図である。この図において、左の「ベース形態」が従来例、右の「考案形態」が本発明の流線を示す。
この図は、翼に対して右側から左側に流体が流れる状態における負圧面近傍の流線を示しており、円形で囲んだ下流側（図の右側）で色が濃い領域（マッハ数が低い領域）が大きいほど速度が遅い低エネルギ領域が大きく、ロスの領域が拡大していることを示している。この図から右図の方がロス領域が低減されていることが分かる。

図４は本発明の翼列を動翼列に適用した第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は動翼列２０の模式的側面図、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。

図４（Ａ）において、本発明による動翼列２０は、複数のメイン動翼２２と複数のサブ動翼２４とからなり、この図でメイン動翼２２の裏側にサブ動翼２４が位置している。
複数のメイン動翼２２は、動翼列の回転軸Ｚ−Ｚを中心として、周方向に間隔を隔てて位置する。また、複数のサブ動翼２４は、メイン動翼２２の間に周方向に間隔を隔てて位置する。従って、メイン動翼２２とサブ動翼２４の枚数は同一である。

また、メイン動翼２２はサブ動翼２４と同一形状の基本翼部２２ａと、それより上流側に延びた前方翼部２２ｂとからなる。従って、メイン動翼の基本翼部２２ａとサブ動翼２４は前方翼部２２ｂの有無を除いて同一である。

また、メイン動翼２２の基本翼部２２ａとサブ動翼２４は、軸方向同一位置に位置してその間に基本動翼列を構成する。この基本動翼列において、基本翼部２２ａとサブ動翼２４の周方向間隔は同一であるのが好ましい。

また、メイン動翼２２の前方翼部２２ｂは、少なくとも半径方向内端近傍（ハブ側）において、基本動翼列２２ａより周方向間隔の大きい前方動翼列を構成する。この前方動翼列の周方向間隔は、基本静翼列のほぼ２倍となる。

図５は本発明の翼列を動翼列に適用した第４実施形態図である。この図において、（Ａ）は動翼列２０の模式的側面図、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
この例では、メイン動翼２２の前縁２２ｃが、半径方向中間部から外端においてサブ動翼２４の前縁２４ｃより下流側に位置する。
その他の構成は、第３実施形態と同様である。

上述した構成によれば、動翼列２０が、メイン動翼２２の基本翼部２２ａとサブ動翼２４で構成される基本動翼列と、メイン動翼２２の前方翼部２２ｂのみで構成される前方動翼列とからなり、前方動翼列は基本動翼列より翼数が少ない（半分）ため、翼部の流体摩擦損失を低減し、効率的に圧力上昇が得られる。

また、前方動翼列は、半径方向内端近傍において基本動翼列より周方向間隔が大きい（ほぼ２倍）ので、前方翼列の間隔で決まるハブ側でのスロートエリアの拡大が図れ、広作動域化、高効率化が期待できる。

また、メイン動翼２２の前縁２２ｃが、半径方向中間部から外端においてサブ動翼２４の前縁２４ｃより下流側に位置する構成（第４実施形態）により、チップ側では、サブ動翼２４の前縁部において周方向間隔が大きい（ほぼ２倍）ので、チップ側でのスロートエリアを広く取れ、高比流量時において、ロス低減が期待できる。
さらに、サブ動翼のハブ側が短い分、全体として軽量化が図れる。

従って、本発明によれば、静翼列１０、動翼列２０のいずれの場合でも、圧縮機の圧力損失を低減することができ、かつ圧縮特性を維持したままで空気流量を従来よりも増大することができる

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による軸流圧縮機の翼列の第１、第２実施形態図である。 第１、第２実施形態における性能予測図である。 第１、第２実施形態におけるＣＦＤ解析結果である。 本発明による軸流圧縮機の翼列の第３実施形態図である。 本発明による軸流圧縮機の翼列の第４実施形態図である。 特許文献２の軸流圧縮機の翼列構造の模式図である。 特許文献３の模式図である。 特許文献４の模式図である。

符号の説明

１ 高マッハ数流体、２ スロートエリア、
１０ 静翼列、１２ メイン静翼、１２ａ 基本翼部、
１２ｂ 前方翼部、１２ｃ 前縁、１４ サブ静翼、１４ｃ 前縁、
２０ 動翼列、２２ メイン動翼、２２ａ 基本翼部、
２２ｂ 前方翼部、２２ｃ 前縁、２４ サブ動翼、２４ｃ 前縁

Claims (3)

1. 動翼列と静翼列を軸方向に交互に配列した軸流圧縮機の翼列であって、
   静翼列が、動翼列の回転軸を中心とする周方向に間隔を隔てて位置する複数のメイン静翼と、
   該メイン静翼の間に周方向に間隔を隔てて位置する複数のサブ静翼とからなり、
   メイン静翼はサブ静翼と同一形状の基本翼部と、それより上流側に延びた前方翼部とからなり、
   メイン静翼の基本翼部とサブ静翼は、軸方向同一位置に位置してその間に基本静翼列を構成し、
   メイン静翼の前方翼部は、少なくとも半径方向内端近傍において、基本静翼列より周方向間隔の大きい前方静翼列を構成する、ことを特徴とする軸流圧縮機の翼列。
2. 動翼列と静翼列を軸方向に交互に配列した軸流圧縮機の翼列であって、
   動翼列が、その回転軸を中心とする周方向に間隔を隔てて位置する複数のメイン動翼と、
   該メイン動翼の間に周方向に間隔を隔てて位置する複数のサブ動翼とからなり、
   メイン動翼はサブ動翼と同一形状の基本翼部と、それより上流側に延びた前方翼部とからなり、
   メイン動翼の基本翼部とサブ動翼は、軸方向同一位置に位置してその間に基本動翼列を構成し、
   メイン動翼の前方翼部は、少なくとも半径方向内端近傍において、基本動翼列より周方向間隔の大きい前方動翼列を構成する、ことを特徴とする軸流圧縮機の翼列。
3. 前記メイン動翼の前縁が、半径方向中間部から外端においてサブ動翼の前縁より下流側に位置する、ことを特徴とする請求項２に記載の軸流圧縮機の翼列。

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