JP5120552B2 - 軸流圧縮機のケーシングトリートメント - Google Patents

Description

本発明は、遷音速動翼を有する軸流圧縮機のケーシングトリートメントに関する。

軸流圧縮機の動翼とこれを囲むケーシングとの間には、チップクリアランスと呼ばれる隙間があり、この隙間を通って動翼の正圧面から負圧面へ主流とは異なる流れが生じる。この流れは、クリアランスフローと呼ばれる。

また、動翼間における主流の流れの一部が音速に達する動翼（遷音速動翼と呼ぶ）では、動翼間流路に衝撃波が発生する。

このような遷音速動翼を持つ軸流圧縮機において、流量を絞って、作動線に沿って圧力比を上げていくと、動翼とケーシングとの間のクリアランスフローが翼間流路中央部で衝撃波と干渉し、大きなロス領域（エントロピの高い領域）を形成する。
このロス領域が拡大すると、それ以上圧力比は上昇できなくなり、断熱効率はかえって低下する。このような、圧力比の上限点をストール点と呼ぶ。

特に、正圧面と負圧面の圧力差が大きく、この圧力差で発生するクリアランスフローが大きい翼（高負荷翼と呼ぶ）では、設計点からストール点までのストール余裕が低負荷翼に比べて低い問題点がある。
そこで、高負荷翼のこの問題を改善する手段として、種々のケーシングトリートメント（ＣＴ）が提案されている（例えば特許文献１〜３）。

特許文献１〜３のケーシングトリートメントの模式図を図６〜図８にそれぞれ示す。

米国特許第６２３１３０１号公報、「ＣＡＳＩＮＧ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＦＯＲ Ａ ＦＬＵＩＤ ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ」 米国特許第５７０７２０６号公報、「ＴＵＲＢＯＭＡＣＨＩＮＥ」 米国特許第５６０７２８４号公報、「ＢＡＦＦＬＥＤ ＰＡＳＳＡＧＥ ＣＡＳＩＮＧ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＦＯＲ ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ ＢＬＡＤＥＳ」

N.A. Cumpsty, Compressor aerodynamics, pp. 402-403, Longman, 1989

図９は、非特許文献１による従来のケーシングトリートメントの例を示す図である。
また、図１０は、非特許文献１による従来のケーシングトリートメントによるストール余裕改善量と効率との関係図である。

図６〜図９から明らかなように、従来のケーシングトリートメントでは、多数の深い溝をケーシングに設けるため、ケーシングトリートメントがない場合と比較して、ケーシング厚が厚くなり過ぎ、ケーシング重量が大幅に増加する問題点があった。
また、従来のケーシングトリートメントは、形状が複雑であり、加工コストが高い問題点があった。

さらに、図１０から明らかなように、従来のケーシングトリートメントでは、ストール余裕は改善できても、これに伴い効率が低下する問題点があった。
そのため、従来から提案されているケーシングトリートメントは実用性が低く、ほとんど採用されていなかった。

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、従来のケーシングトリートメントと比較して、ケーシング厚を薄くすることができ、ケーシングトリートメントのない場合と比較してケーシング重量の増加を少なく抑えることができ、形状が簡単で加工コストが低く、かつストール余裕の改善と効率の改善を両立させることができる軸流圧縮機のケーシングトリートメントを提供することにある。

本発明によれば、軸心を中心に回転し周方向に間隔を隔てて配置された複数の動翼を有する動翼列と、該動翼列の外側をほぼ一定の隙間を隔てて囲む内面を有するケーシングとを備えた軸流圧縮機のケーシングトリートメントであって、
該ケーシングトリートメントは、ケーシング内面に設けられ周方向全周に延び、深さが幅より浅い単一のスリットであり、
該スリットは、設計点における動翼間に発生する衝撃波と交叉する位置に設けられており、
前記スリットは、深さＤ、幅Ｌの矩形スリットであり、
該矩形スリットの下流端は、設計点における翼間流路中央部にて衝撃波位置に位置する、ことを特徴とする軸流圧縮機のケーシングトリートメントが提供される。

前記衝撃波位置は、翼間流路の幾何学的スロート部の中点、又は第１内接円の中心である。

上述した本発明の構成によれば、ケーシングトリートメントが、ケーシング内面に設けられ周方向全周に延び、深さが幅より浅い単一のスリットであるので、従来のケーシングトリートメントと比較して、ケーシング厚を薄くすることができ、ケーシングトリートメントのない場合と比較してケーシング重量の増加を少なく抑えることができ、形状が簡単で加工コストを低く抑えることができる。

また、このスリットは、設計点における動翼間に発生する衝撃波と交叉する位置に設けられているので、クリアランスフローの一部がスリットに吸い込まれ、流路中央部で衝撃波と干渉する流れが低減するために、ロス生成が弱められ、流れ場が改善し、特に、設計点から絞り側での圧力比、効率が改善し、ストール余裕も伸びることが後述する解析により確認された。

以下、本発明の好ましい実施例を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、重複した説明は省略する。

図１は、従来の遷音速動翼における流れの解析結果を示す図である。
図１（Ａ）は、軸流圧縮機の模式図である。この図において、軸流圧縮機は、軸心を中心に回転し周方向に間隔を隔てて配置された複数の動翼１を有する動翼列と、この動翼列の外側をほぼ一定の隙間を隔てて囲む内面を有するケーシング２とを備える。なおこの図で７は、主流の流れを示す。
本発明で対象とする動翼１は、遷音速動翼であり、動翼間における主流の流れの一部が音速に達し、動翼間流路に衝撃波が発生する。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。この図において、流れの解析結果のうち、衝撃波、ロス領域、クリアランスフローを模式的に示している。なお、６は動翼１の回転方向である。
この断面図は、９５％スパンであり、相対マッハ数を解析した結果、所定の設計点において、図に示す位置に衝撃波（垂直衝撃波）３が発生する。また、この状態における動翼間流路のエントロピー分布を解析した結果、図に示す位置に強いロス領域４が発生する。さらに、同一条件において、図に示す位置に強いクリアランスフロー５が発生することが確認された。

図２は、本発明によるケーシングトリートメントの構成図である。
図２は、本発明によるケーシングトリートメントを有する軸流圧縮機の模式図であり、（Ａ）は全体構成、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部拡大図である。この図において、動翼１は、上述した遷音速動翼であり、動翼間における主流の流れの一部が音速に達し、動翼間流路に衝撃波が発生する。
本発明によるケーシングトリートメント１０は、ケーシング内面に設けられ周方向全周に延び、深さが幅より浅い単一のスリットである。このスリット１０は、深さＤ、幅Ｌの矩形スリットであり、設計点における動翼間に発生する衝撃波と交叉する位置に設けられている。

図３は、本発明の遷音速動翼における流れの解析結果を示す図である。この図において、（Ａ）はスリット１０の位置、（Ｂ）はその解析結果を示す。
図３（Ａ）において、本発明による矩形スリット１０の下流端１０ｂは、設計点における翼間流路中央部にて衝撃波３の位置に位置する。この衝撃波３の位置は、翼間流路の幾何学的スロート部１１の中点、すなわち、第１内接円１２の中心である。
ここで、「第１内接円」とは、動翼間流路に内接する円のうち、直径が最小のものをいう。

図３（Ｂ）は、図１（Ｂ）と同一条件における本発明におけるロス領域４とクリアランスフロー５を模式的に示している。なおこの例では、スリット１０の幅Ｌを、軸コード長の７％とし、スリット１０のアスペクト比Ｌ／Ｄは３に設定した。
この解析結果から、ロス領域４は図１（Ｂ）と比較して弱められており、クリアランスフロー５の一部がスリット１０に吸い込まれ、流路中央部で衝撃波と干渉する流れが低減することが確認された。

図４は、本発明と従来例における圧力比と断熱効率の比較図であり、（Ａ）は流量と圧縮比の関係、（Ｂ）は流量と断熱効率の関係を示す。
図４（Ａ）において、本発明と従来例の両方の軸流圧縮機において、流量を絞って、作動線に沿って圧力比を上げていくと、クリアランスフローが翼間流路中央部で衝撃波と干渉し、ロス領域を形成し、それ以上圧力比は上昇できないストール点に達する。
また、この図から、本発明のストール点は、従来例のストール点よりも高くなっており、設計点に対するストール余裕量が大幅に改善されていることがわかる。

図４（Ｂ）において、本発明と従来例の両方の軸流圧縮機において、流量を絞っていくと、設計点より少ない流量領域において、断熱効率が大幅に低下する。
また、この図から、本発明の断熱効率は、従来例の断熱効率よりも常に高くなっており、ストール余裕の改善と効率の改善を両立させることができることがわかる。

図５は、本発明におけるスリット幅とアスペクト比の影響を示す図であり、（Ａ）はスリット幅／軸コード長とストールマージンの関係、（Ｂ）はアスペクト比とストールマージンの関係を示している。
図５（Ａ）において、スリットのない場合（スリット幅／軸コード長＝０）と比較して、スリット幅／軸コード長が７％のときにストールマージンが極大となり、１４％ではスリットのない場合よりわずかに高い値にとどまっている。
この図から、スリット１０の幅Ｌは、軸コード長の１％以上、１４％以下であるのが好ましく、特に、６％以上、８％以下であるのが更に好ましいといえる。

また、図５（Ｂ）において、アスペクト比Ｌ／Ｄが、３のときにストールマージンが極大となり、０．５〜２ではこれより若干低く、６ではさらに低くなっている。
この図から、アスペクト比Ｌ／Ｄは、１以上、６以下であるのが好ましく、特に、２以上、４以下である更に好ましいといえる。

上述した本発明の構成によれば、ケーシングトリートメント１０が、ケーシング内面に設けられ周方向全周に延び、深さが幅より浅い単一のスリット（例えば、アスペクト比Ｌ／Ｄが３のとき、深さＤは幅Ｌの１／３）であるので、従来のケーシングトリートメントと比較して、ケーシング厚を薄くすることができ、ケーシングトリートメントのない場合と比較してケーシング重量の増加を少なく抑えることができ、形状が簡単で加工コストを低く抑えることができる。

また、このスリット１０は、設計点における動翼間に発生する衝撃波と交叉する位置（例えば、下流端１０ｂが、設計点における翼間流路中央部にて衝撃波位置）に設けられているので、クリアランスフロー５の一部がスリット１０に吸い込まれ、流路中央部で衝撃波３と干渉する流れが低減するために、ロス生成４が弱められ、流れ場が改善し、特に、設計点から絞り側での圧力比、効率が改善し、ストール余裕も伸びることが解析により確認された。

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。

従来の遷音速動翼における流れの解析結果を示す図である。 本発明によるケーシングトリートメントの構成図である。 本発明の遷音速動翼における流れの解析結果を示す図である。 本発明と従来例における圧力比と断熱効率の比較図である。 本発明におけるスリット幅とアスペクト比の影響を示す図である。 特許文献１のケーシングトリートメントの模式図である。 特許文献２のケーシングトリートメントの模式図である。 特許文献３のケーシングトリートメントの模式図である。 従来のケーシングトリートメントの例を示す図である。 従来のケーシングトリートメントによるストール余裕改善量と効率との関係図である。

符号の説明

１ 動翼（遷音速動翼）、２ ケーシング、
３ 衝撃波（垂直衝撃波）、４ ロス領域、
５ クリアランスフロー、６ 動翼の回転方向、７ 主流、
１０ ケーシングトリートメント（スリット）、
１０ｂ 下流端、１１ 幾何学的スロート部、
１２ 第１内接円

Claims (2)

1. 軸心を中心に回転し周方向に間隔を隔てて配置された複数の動翼を有する動翼列と、該動翼列の外側をほぼ一定の隙間を隔てて囲む内面を有するケーシングとを備えた軸流圧縮機のケーシングトリートメントであって、
   該ケーシングトリートメントは、ケーシング内面に設けられ周方向全周に延び、深さが幅より浅い単一のスリットであり、
   該スリットは、設計点における動翼間に発生する衝撃波と交叉する位置に設けられており、
   前記スリットは、深さＤ、幅Ｌの矩形スリットであり、
   該矩形スリットの下流端は、設計点における翼間流路中央部にて衝撃波位置に位置する、ことを特徴とする軸流圧縮機のケーシングトリートメント。
2. 前記衝撃波位置は、翼間流路の幾何学的スロート部の中点、又は第１内接円の中心である、ことを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機のケーシングトリートメント。
   

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