JP5228311B2

JP5228311B2 - 圧縮機静翼

Info

Publication number: JP5228311B2
Application number: JP2006302551A
Authority: JP
Inventors: 信也後藤; 武室岡
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: EP3346136A1; EP2083175A1; EP3346136B1; CA2669061A1; US8459939B2; US20100143105A1; JP2008115839A; EP2083175B1; WO2008056454A1; CA2669061C; EP2083175A4

Description

本発明は、圧縮機翼に係り、さらに詳しくは圧縮機静翼に関する。

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、動翼列と静翼列を交互に組み合わせた多段軸流式圧縮機が用いられる。

多段軸流式圧縮機おいて、静翼列を構成する静翼の半径方向末端部（ハブ側）、あるいは動翼列を構成する動翼の半径方向先端部（チップ側）には、それぞれの対向面との間に隙間（クリアランス）があり、このクリアランスを流れる漏れ流れ（クリアランスフロー）は、圧縮機の性能低下の一因となる。

そこで、この漏れ流れ（クリアランスフロー）またはその影響を低減する手段として、特許文献１，２が既に提案されている。

特許文献１のシュラウド一体型動翼は、ガスパスの漏れ流れを防止することを目的とする。
図５に示すように、シュラウド一体型動翼６０は、シュラウド５３が動翼５２のチップの前縁６１から後縁６２にかけて設けられており、シールフィン先端６３の半径とシュラウド後縁６４端の半径とがほぼ同一である。分割環６５は、内周面６６の半径がシールフィン先端６３の半径およびシュラウド後縁端６４の半径に対して若干大きい。この結果、シュラウド５３の外側面５６と分割環６５の内周面６６との間であって、シールフィン５７よりも下流側に存在するキャビティ断面積６９を減少させることができる。このために、ガスパス５５からスロート付近の空所を抜けた漏れ流れ６７は、分割環６５の内周面６６により、その流れが遮断される。このように、ウイングレットタイプのシュラウド５３を使用しても、ガスパス５５の漏れ流れ６７を防止するものである。

特許文献２のシュラウドセグメントは、航空機エンジンの部品点数の増加を抑えて、航空機エンジンの構成の簡略化及び航空機エンジンの軽量化を図ることを目的とする。
図６に示すように、バックプレート７０の裏面に、タービンブレード７１のチップフィン７２，７３との接触を許容するハニカムセル７４，７５が一体的に設けられ、バックプレート７０の後端部に、ハニカムセル７４，７５とチップフィン７２，７３との間からリークした燃焼ガスのジェットＪが衝突可能なジェットシールド７６が一体に形成されたものである。

特開２００２−３７１８０２号公報、「ガスタービンにおけるシュラウド一体型動翼と分割環」特開２００５−３０３１６号公報、「シュラウドセグメント」

図３は、従来構造における静翼ハブ側での流れ場を示している。この図において、（Ａ）（Ｂ）は両持ち支持静翼、（Ｃ）（Ｄ）はハブクリアランス付き静翼、（Ｅ）はスピンドル付き静翼の場合である。

図３（Ａ）は、両持ち支持静翼の側面図である。この図において、両持ち支持静翼１Ａは、半径方向外端（チップ側）がケーシング等の静止体内面に固定され、半径方向内端（ハブ側）はハブシュラウド２Ａに固定されている。また、ハブシュラウド２Ａと内側回転体３の間には、ラビリンス４が設けられ、その間をシールしている。

図３（Ｂ）は、両持ち支持静翼の翼列を示す平面図である。この場合、静翼１Ａのチップ側およびハブ側には、クリアランスフローが発生しないため、各静翼１Ａの負圧面コーナー部に低エネルギー流体５が蓄積する。ここで低エネルギー流体とは、速度が遅く、渦や剥離が発生している流体を意味する。かかる低エネルギー流体５の存在により、静翼負圧面における流れが乱れ、静翼性能が低下する。

図３（Ｃ）は、ハブクリアランス付き静翼の側面図である。この図において、ハブクリアランス付き静翼１Ｂは、半径方向外端（チップ側）がケーシング等の静止体内面に固定され、半径方向内端（ハブ側）は、内側回転体３から隙間を隔てて位置する。すなわちハブクリアランス付き静翼１Ｂでは、回転体３との間にハブ側隙間（ハブクリアランス６Ａ）が存在する。

図３（Ｄ）は、ハブクリアランス付き静翼の翼列を示す平面図である。この場合、静翼１Ｂのハブ側に、ハブクリアランス６Ａを流れるクリアランスフロー７が発生する。このクリアランスフロー７は、静翼１Ｂの圧力面から負圧面に流れるため、図３（Ｂ）のように負圧面コーナー部に蓄積した低エネルギー流体５はクリアランスフロー７によって、隣接する翼の圧力面側に移動する。その結果、低エネルギー流体５が各静翼１Ｂの圧力面側に蓄積する。この低エネルギー流体５の存在により、静翼圧力面における流れが乱れ、静翼性能が低下する。

図３（Ｅ）は、スピンドル付き静翼の側面図である。この図において、スピンドル付き静翼１Ｃは、半径方向外端（チップ側）がケーシング等の静止体内面に固定され、半径方向内端（ハブ側）は、スピンドル機構１５を介して静止部に固定されている。このスピンドル付き静翼１Ｃでは、静止部との間にハブ側隙間（ハブクリアランス６Ｂ）が存在するが、対向面が静止しているため、クリアランスフローはほとんど発生しない。
このため、スピンドル付き静翼の翼列を示す平面図は図３（Ｂ）と同様となり、各静翼の負圧面コーナー部に低エネルギー流体５が蓄積する。かかる低エネルギー流体５の存在により、静翼負圧面における流れが乱れ、静翼性能が低下する。

上述した問題は、圧縮機動翼でも発生する。
図４は、従来構造における動翼チップ側での流れ場を示している。この図において、（Ａ）（Ｂ）はシュラウド付き動翼、（Ｃ）（Ｄ）はクリアランス付き動翼の場合である。
図４（Ａ）は、シュラウド付き動翼の側面図である。この図において、シュラウド付き動翼８Ａは、半径方向内端（ハブ側）が内側の回転体３に固定され、半径方向外端（チップ側）はチップシュラウド２Ｂに固定されている。また、チップシュラウド２Ｂと外側静止体の間には、ラビリンス４が設けられ、その間をシールしている。

図４（Ｂ）は、シュラウド付き動翼の翼列を示す平面図である。この場合、動翼８Ａのチップ側およびハブ側には、クリアランスフローが発生しないため、各動翼８Ａの負圧面コーナー部に低エネルギー流体５が蓄積する。かかる低エネルギー流体の存在により、動翼負圧面における流れが乱れ、動翼性能が低下する。

図４（Ｃ）は、クリアランス付き動翼の側面図である。この図において、クリアランス付き動翼８Ｂは、半径方向内端（ハブ側）が内側の回転体３に固定され、半径方向外端（チップ側）は、外側の静止体から隙間を隔てて位置する。すなわちクリアランス付き動翼８Ｂでは、外側の静止体との間にチップ側隙間（チップクリアランス６Ｂ）が存在する。

図４（Ｄ）は、クリアランス付き動翼の翼列を示す平面図である。この場合、動翼８Ｂのチップ側に、チップクリアランス６Ｂを流れるクリアランスフロー７が発生する。このクリアランスフロー７は、動翼８Ｂの圧力面から負圧面に流れるため、図４（Ｂ）のように負圧面コーナー部に蓄積した低エネルギー流体５はクリアランスフロー７によって、隣接する翼の圧力面側に移動する。その結果、低エネルギー流体５が各動翼８Ｂの圧力面側に蓄積する。この低エネルギー流体５の存在により、動翼圧力面における流れが乱れ、動翼８Ｂ性能が低下する。

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、翼列間に発生する低エネルギー流体の影響を低減し、翼列性能の低下を防止することができる圧縮機静翼を提供することを目的とする。

本発明によれば、半径方向外端が固定され半径方向内端が回転体外面に対向して位置する圧縮機静翼であって、
半径方向内端の上流側に対向する固定部分に可変翼用のスピンドル機構が設けられ、該スピンドル機構は、半径方向内端の上流側とこれに対向する固定部分との間を気密にシールし、
圧縮機静翼の半径方向内端の下流側残部は回転体外面との間にハブクリアランスを有する、ことを特徴とする圧縮機静翼が提供される。

前記ハブクリアランスに位置する回転体外面は、翼の圧力面側から負圧面側に回転する。

上記本発明の圧縮機静翼によれば、半径方向内端（ハブ側）の上流側と回転体外面との間はシール機構により気密にシールされているので、クリアランスフローは発生しないが、シール機構の下流側残部は回転体外面との間にハブクリアランスを有するので、クリアランスフローが発生する。
この後縁（トレイリングエッジ：Ｔ／Ｅ）近傍でのクリアランスフローにより、負圧面のコーナー部に蓄積する低エネルギー流体を周方向に吹き飛ばし、この領域での剥離を抑制することができる。

従って、（１）ハブ側に蓄積する低エネルギー流体を低減でき高効率化が期待でき、（２）Ｔ／Ｅ下流にスリットを有する形態に比べて、上流との静圧差が小さいため、漏れ流れに起因するロスが低減できる。

なお、上述した本発明の効果は、ＣＦＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ）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は本発明の圧縮機静翼の構成図であり、（Ａ）は第１実施形態、（Ｂ）は第２実施形態、（Ｃ）は共通する作用効果を示している。

図１（Ａ）（Ｂ）において、本発明の圧縮機静翼１０は、半径方向外端が固定され、半径方向内端が回転体３の外面に近接して位置する圧縮機静翼である。

本発明の圧縮機静翼１０は、半径方向内端の上流側と回転体３の外面との間を気密にシールするシール機構１２を有し、シール機構１２の下流側残部は回転体３の外面との間にハブクリアランス１４を有する。

シール機構１２でシールされる上流側の範囲は、前縁（リーディングエッジ：Ｌ／Ｅ）から最大翼厚部までであり、ハブクリアランス１４は最大翼厚部から後縁（トレイリングエッジ：Ｔ／Ｅ）までであるのが好ましい。
また、ハブクリアランス１４の回転体外面からの隙間は、一定であるのがよい。
しかし、本発明はこの構成に限定されず、ＣＦＤ解析により効果が確認できる範囲で、ハブクリアランス１４を後縁近傍のみにしてもよく、隙間を変化させてもよい。

図１（Ａ）において、シール機構１２は、この例では、回転体３の外面を一定の間隔を隔てて囲む中空円筒形のハブシュラウド１３ａと、ハブシュラウド１３ａと回転体３の外面の間を気密にシールするシール部材１３ｂ（例えばラビリンスシール）とからなる。

図１（Ｂ）において、シール機構１２は、この例では、可変翼用のスピンドル機構１５である。スピンドル機構１５は、周知の構造のものを用いることができる。

図１（Ｃ）において、一点鎖線１１は、シール機構１２とハブクリアランス１４の境界を示している。この図において、一点鎖線１１の左側領域１１ａはハブ壁面静止部であり、右側領域１１ｂはハブ壁面回転部である。
ハブ壁面回転部１１ｂでは、ハブクリアランス１４に位置する回転体３の外面は、翼の圧力面側から負圧面側に（この図で下から上に）回転する。

図１（Ｃ）に模式的に示すように、上述した本発明の圧縮機静翼１０によれば、半径方向内端の上流側と回転体外面との間はシール機構１２により気密にシールされているので、クリアランスフローは発生しないが、シール機構１２の下流側残部は回転体３の外面との間にハブクリアランス１４を有するので、後縁近傍でクリアランスフロー１７が発生する。
この後縁（トレイリングエッジ：Ｔ／Ｅ）近傍でのクリアランスフロー１７により、負圧面のコーナー部に蓄積する低エネルギー流体５を周方向に吹き飛ばし、この領域での剥離を抑制することができる。

図２は、関連発明の圧縮機動翼の構成図であり、（Ａ）は第１実施形態、（Ｂ）は第２実施形態、（Ｃ）は共通する作用効果を示している。

図２（Ａ）（Ｂ）において、関連発明の圧縮機動翼２０は、半径方向内端が回転体３の外面に固定され、半径方向外端が静止体内面に近接して位置する圧縮機動翼である。
関連発明の圧縮機動翼２０は、半径方向外端の上流側と静止体内面との間を気密にシールするシール機構２２を有し、シール機構２２の下流側残部は静止体内面との間にチップクリアランス２４を有する。

シール機構２２でシールされる上流側の範囲は、前縁（リーディングエッジ：Ｌ／Ｅ）から最大翼厚部までであり、チップクリアランス２４は最大翼厚部から後縁（トレイリングエッジ：Ｔ／Ｅ）までであるのが好ましい。
また、チップクリアランス２４の静止体内面からの隙間は、一定であるのがよい。
しかし、関連発明はこの構成に限定されず、ＣＦＤ解析により効果が確認できる範囲で、チップクリアランス２４を後縁近傍のみにしてもよく、隙間を変化させてもよい。

図２（Ａ）（Ｂ）において、シール機構２２は、静止体９の内面に設けられた中空円筒形の凹溝であるシュラウドキャビティ９ａと、シュラウドキャビティ９ａ内に静止体内面から一定の間隔を隔てて位置する中空円筒形のチップシュラウド２３とからなる。

図２（Ａ）において、チップシュラウド２３とシュラウドキャビティ９ａとの間にシール部材２３ｂ（例えばラビリンスシール）を有する。

図２（Ｃ）において、一点鎖線２１は、シール機構２２とチップクリアランス２４の境界を示している。この図において、一点鎖線２１の左側領域２１ａはクリアランスフローのない上流側であり、右側領域２１ｂはクリアランスフローのある下流側である。圧縮機動翼２０は、翼の負圧面側から圧力面側に回転する。

上述した関連発明の圧縮機動翼２０によれば、半径方向外端の上流側と静止体内面との間は、シール機構２２により気密にシールされているので、クリアランスフローは発生しないが、シール機構２２の下流側残部は静止体内面との間にチップクリアランス２４を有するので、後縁近傍でクリアランスフロー２７が発生する。
この後縁（トレイリングエッジ：Ｔ／Ｅ）近傍でのクリアランスフロー２７により、負圧面のコーナー部に蓄積する低エネルギー流体を周方向に吹き飛ばし、この領域での剥離を抑制することができる。

従って、（１）前縁（リーディングエッジ：Ｌ／Ｅ）近傍より流入するクリアランスフロー及びコーナー部での剥離を抑制するため、チップ側への低エネルギー流体５の蓄積を低減し、高効率化が期待でき、（２）シュラウドキャビティ内にチップ側の低エネルギー流体５が抽気されるため、サージマージンの拡大が期待できる。

なお、上述した関連発明の効果は、ＣＦＤ解析により確認されている。

また、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。

本発明の圧縮機静翼の構成図である。関連発明の圧縮機動翼の構成図である。従来構造における静翼ハブ側での流れ場を示す図である。従来構造における動翼チップ側での流れ場を示す図である。特許文献１のシュラウド一体型動翼の模式図である。特許文献２の「シュラウドセグメント」の模式図である。

符号の説明

１Ａ両持ち支持静翼、１Ｂハブクリアランス付き静翼、
１Ｃスピンドル付き静翼、
２Ａハブシュラウド、２Ｂチップシュラウド、
３回転体、４ラビリンス、５低エネルギー流体、
６Ａハブクリアランス、６Ｂチップクリアランス、
７クリアランスフロー、８Ａシュラウド付き動翼、
８Ｂクリアランス付き動翼、９静止体、９ａシュラウドキャビティ、
１０圧縮機静翼、１１境界、１１ａハブ壁面静止部、
１１ｂハブ壁面回転部、１２シール機構、
１３ａハブシュラウド、１３ｂシール部材、
１４ハブクリアランス、１５スピンドル機構、
１７クリアランスフロー、
２０圧縮機動翼、２１境界、２１ａ上流側、２１ｂ下流側、
２２シール機構、２３チップシュラウド、
２４チップクリアランス、２７クリアランスフロー

Claims

半径方向外端が固定され半径方向内端が回転体外面に対向して位置する圧縮機静翼であって、
半径方向内端の上流側に対向する固定部分に可変翼用のスピンドル機構が設けられ、該スピンドル機構は、半径方向内端の上流側とこれに対向する固定部分との間を気密にシールし、
圧縮機静翼の半径方向内端の下流側残部は回転体外面との間にハブクリアランスを有する、ことを特徴とする圧縮機静翼。
前記ハブクリアランスに位置する回転体外面は、翼の圧力面側から負圧面側に回転する、ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機静翼。