JP5714962B2 - 軸流式圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットエンジンなどの軸流式圧縮機に関し、特には、吸入空気が吸入される環状流路に設けられる動翼列または静翼列の翼部に関する。

従来の軸流式圧縮機として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。この軸流式圧縮機は、ロータの回転方向に複数の翼部が離間して整列配置された複数の動翼列を備えており、この動翼列を回転させることによって、環状流路内に外気が吸入される。また、これら各動翼列の間には、複数の翼部が環状流路の周方向に離間して整列配置された静翼列が設けられている。そして、環状流路は上流側から下流側に向かって徐々に狭くなるように構成されており、環状流路に吸入された吸入空気は、静翼列および動翼列を交互に通過する過程で、減速と昇圧とを繰り返しながら徐々に圧縮されることとなる。

上記のように、吸入空気が環状流路の上流側から下流側へと導かれる過程では、動翼列や静翼列を構成する翼部に吸入空気が接触する。このとき、吸入空気は翼部に沿って環状流路の下流側へと導かれるが、空気中に含まれる水分が慣性によって翼部の表面に付着して凍り付いてしまうことがある。このようにして翼部の表面に付着した凍氷は、装置の稼働中に翼部の表面から剥がれて装置の内部に入り込んでしまい、その結果、当該凍氷が各部品に衝突して装置が損傷するおそれがある。

そこで、特許文献２に示される軸流式圧縮機においては、翼部を加温する電気コイルを設けるとともに、この電気コイルを通電して生じる熱によって翼部への着氷を防ぐようにしている。

特開２００８−１９０３３５号公報 特開２００４−１２４９４７号公報

しかしながら、上記のように、翼部を加温するための装置を設けることとなれば、製造工程やメンテナンス作業が煩雑になってしまい、製造コストや部品コスト、さらにはメンテナンスコストが上昇してしまう。また、こうした着氷防止の装置は、エンジンの出力によって稼働することを前提とするため、その分、エンジン出力が低下してしまう。

本発明は、簡易な構成により、低コストでありながらも、エンジンの出力低下をもたらすことなく着氷を低減することができる軸流式圧縮機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の軸流式圧縮機は、ロータの回転方向に複数の翼部が離間して整列配置され、ロータの回転によって外気を環状流路の上流側から下流側へと吸入する動翼列と、動翼列よりも環状流路の上流側もしくは下流側に設けられ、環状流路の周方向に離間して整列配置された複数の翼部を有する静翼列と、を備え、動翼列および静翼列の翼部は、環状流路の上流側に前端部を位置させるとともに、環状流路の下流側に後端部を位置させる圧力面を有し、環状流路の周方向に隣り合う翼部の対向空間に、対向空間の上流側に設けられた動翼列または静翼列から流入した吸入空気は、圧力面に接触して当該対向空間から当該吸入空気の流入方向と異なる方向に流出する軸流式圧縮機であって、対向空間を形成する翼部の一部もしくは全部は、対向空間への吸入空気の流入方向の投光による圧力面の投影面積が、流入方向に直交する方向における対向空間の断面積の２０％以内となる関係を有することを特徴とする。

本発明によれば、低コストでありながらも、エンジンの出力が低下することなく翼部に生じる着氷を低減することができる。

ジェットエンジンの概略断面図である。 圧縮機の部分概略図である。 動翼列を部分的に示す模式図である。 図３におけるＩＶ線矢視図であり、（ａ）は本実施形態における動翼列の翼部の寸法関係を示す図であり、（ｂ）は従来の動翼列の翼部の寸法関係を示す図である。 本実施形態における動翼列の翼部、および、従来の動翼列の翼部における着氷量の試験データを示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、ジェットエンジンの概略断面図である。この図に示すように、ジェットエンジン１は、ケーシング２内に吸入された吸入空気を圧縮する圧縮機３と、この圧縮機３によって圧縮された圧縮空気を燃焼する燃焼室４と、この燃焼室４の燃焼工程で生じる排気ジェットの噴出力を回転エネルギーに変換するタービン５と、を備えている。このタービン５によって変換された回転エネルギーは、シャフト６を介して圧縮機３のロータ７に伝達され、このロータ７の回転によって圧縮機３が作動することとなる。

この圧縮機３は、ケーシング２とロータ７との間隔に形成される環状流路１０を備えている。ケーシング２とロータ７との対向間隔は、空気が吸入される環状流路１０の上流側から、燃焼室４に接続される下流側に向けて徐々に小さくなるように形成されており、したがって、環状流路１０は上流側から下流側に向けて徐々に狭くなる構成となっている。これにより、圧縮機３に吸入された吸入空気は、環状流路１０の上流側から下流側に導かれるにつれて徐々に昇圧することとなる。

図２は、圧縮機３の部分概略図である。この図に示すように、圧縮機３の環状流路１０は、ケーシング２の内壁面２ａと、ロータ７の周面７ａとによって環状に区画形成されており、その上流側から下流側に向かって、複数の静翼列２０と複数の動翼列３０とが交互に配置されている。

各静翼列２０は、ケーシング２の内壁面２ａから環状流路１０に突出する複数の翼部２１（図２においては１枚のみ表示）を備えており、これら複数の翼部２１が環状流路１０の周方向に対して等間隔に配列されている。

また、各動翼列３０は、ロータ７の周面７ａから環状流路１０に突出する複数の翼部３１（図２においては１枚のみ表示）を備えており、これら複数の翼部３１が環状流路１０の周方向（ロータ７の回転方向）に対して等間隔に配列されている。そして、各翼部２１は、ロータ７と一体回転することによって、吸入空気を環状流路１０の上流側から下流側に導くことができる形状となっている。

図３は、上記の動翼列３０を部分的に示す模式図である。この図に示すように、動翼列３０を構成する各翼部３１は、弧状に湾曲するとともに、互いに表裏関係を有する圧力面３１ａおよび負圧面３１ｂを備えている。そして、各翼部３１は、圧力面３１ａおよび負圧面３１ｂを環状流路１０の周方向（図中ａ方向）に臨ませるとともに、前端部ＬＥを環状流路１０の上流側に位置させ、翼部３１の後端部ＴＥを環状流路１０の下流側に位置させている。

また、環状流路１０の周方向（図中ａ方向）、すなわち、ロータ７の回転方向に隣接する翼部３１間には一定の間隔が設けられている。そして、圧力面３１ａが臨む方向にロータ７を回転させると、環状流路１０の上流側から下流側に吸入される吸入空気が、隣接する翼部３１間に設けられた対向空間ｘを通過する。このとき、吸入空気は、当該動翼列３０よりも環状流路１０の上流に位置する静翼列２０の翼部２１の角度に応じて、所定の方向から対向空間ｘに流入する。そして、対向空間ｘに流入した吸入空気は、圧力面３１ａに沿って流通することとなるが、上記したとおり、圧力面３１ａが弧状に湾曲していることから、対向空間ｘにおける吸入空気の流入方向と流出方向とは異なるものとなる。

図４は、図３におけるＩＶ線矢視図であり、図４（ａ）は、本実施形態の動翼列３０における翼部３１の寸法関係を示し、図４（ｂ）は、従来の動翼列における翼部の寸法関係を示している。いま、隣接する翼部３１間に形成される対向空間ｘに対して、吸入空気が流入方向ｙ１から流入するとともに、流出方向ｙ２に流出する場合に、この流入方向ｙ１に沿った仮想線のうち、翼部３１の前端部ＬＥを通過する仮想線をＬ１とし、翼部３１の後端部ＴＥを通過する仮想線をＬ２とする。

このとき、図４（ａ）に示す本実施形態の動翼列３０は、１つの翼部３１に描かれる仮想線Ｌ１とＬ２との距離Ａが、隣接する翼部３１の前端部ＬＥを通過する仮想線Ｌ１間の距離Ｂの１９／１００となっている。つまり、吸入空気の流入方向ｙ１に直交する方向（図中ｚ方向）における対向空間ｘの断面積（以下、単に「対向空間の断面積」という）を１００とすると、対向空間ｘに対して流入方向ｙ１に沿って投光した場合の圧力面３１ａの投影面積（以下、単に「圧力面の投影面積」という）は１９となる関係を維持している。

これに対して、図４（ｂ）に示す従来の動翼列１００は、翼部１０１が次の寸法関係を維持している。すなわち、隣接する翼部１０１間に形成される対向空間１０１ｘに対して、吸入空気が流入方向ｙ３に沿って流入するとともに流出方向ｙ４に沿って流出したとする。この場合に、この流入方向ｙ３に沿った仮想線のうち、翼部１０１の前端部ＬＥを通過する仮想線をＬ３とし、翼部１０１の後端部ＴＥを通過する仮想線をＬ４とする。

このとき、図４（ｂ）に示す従来の動翼列１００は、１つの翼部１０１に描かれる仮想線Ｌ３とＬ４との距離Ｃが、隣接する翼部１０１の前端部ＬＥを通過する仮想線Ｌ３間の距離Ｄの３６／１００となっている。つまり、吸入空気の流入方向ｙ３に直交する方向（図中ｚ方向）における対向空間１０１ｘの断面積を１００とすると、対向空間１０１ｘに対して流入方向ｙ３に沿って投光した場合の圧力面１０１ａの投影面積は３６となる関係を維持している。

図５は、本実施形態における動翼列３０の翼部３１、および、上記従来の動翼列１００の翼部１０１における着氷量の試験データを示す図である。この図に示すように、本実施形態の翼部３１は、従来の翼部１０１に比べて、圧力面３１ａへの着氷量が約１２％低減されている。これは、対向空間の断面積に対する圧力面の投影面積の比率（以下、単に「投影面積比」という）が、従来よりも小さくなったことによるものと推察される。そして、図５中（ａ）点に示すように、温度や吸入空気中に含まれる水分量等の各条件を変更して試験を行った結果、上記の投影面積比が０．２以内になった場合に、着氷量の低減効果が向上するという試験結果が得られている。

このように、本実施形態によれば、隣接する翼部３１の対向空間ｘへの吸入空気の流入方向ｙ１の投光による圧力面３１ａの投影面積が、流入方向ｙ１に直交するｚ方向における対向空間ｘの断面積の２０％以内となる関係を維持することにより、圧力面３１ａへの着氷量を低減することができる。

したがって、圧力面３１ａに付着した凍氷が圧縮機３の稼働中に剥がれて装置内に入り込んでしまい、静翼列２０や動翼列３０を構成する各種の部品等を損傷させるおそれを低減することができる。しかも、着氷量を低減するために、加温装置などの特段の装置を設ける必要もないため、エンジンの出力が低下することもなく、コストが上昇することもない。

なお、上記実施形態においては、動翼列３０を構成する翼部３１について説明したが、上記の着氷量低減構造は、静翼列２０を構成する翼部２１にも適用可能である。また、上記の着氷量低減構造は、圧縮機３における静翼列２０および動翼列３０の全てに適用してもよいし、一部の静翼列２０または動翼列３０にのみ適用してもよい。

さらには、上記の着氷量低減構造を適用する静翼列２０または動翼列３０において、当該静翼列２０または動翼列３０を構成する複数の翼部２１、３１のうちの一部のみを上記の着氷量低減構造としても構わない。

また、上記実施形態においては、翼部３１の圧力面３１ａが弧状に湾曲している場合について説明したが、静翼列２０を構成する翼部２１の圧力面や、動翼列３０を構成する翼部３１の圧力面３１ａは、それぞれ平坦面であってもよいし、所定の角度で屈曲する形状であってもよい。いずれにしても、吸入空気の流入方向に対して圧力面が所定の角度で臨む関係を有していればよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ジェットエンジンなどの軸流式圧縮機に関し、特には、吸入空気が吸入される環状流路に設けられる動翼列または静翼列に利用することができる。

１ ジェットエンジン
３ 圧縮機
７ ロータ
７ａ 周面
１０ 環状流路
２０ 静翼列
２１ 翼部
３０ 動翼列
３１ 翼部
３１ａ 圧力面
３１ｂ 負圧面
ｘ 対向空間
ＬＥ 前端部
ＴＥ 後端部

Claims (1)

1. ロータの回転方向に複数の翼部が離間して整列配置され、前記ロータの回転によって外気を環状流路の上流側から下流側へと吸入する動翼列と、
   前記動翼列よりも前記環状流路の上流側もしくは下流側に設けられ、前記環状流路の周方向に離間して整列配置された複数の翼部を有する静翼列と、を備え、
   前記動翼列および前記静翼列の翼部は、前記環状流路の上流側に前端部を位置させるとともに、前記環状流路の下流側に後端部を位置させる圧力面を有し、
   前記環状流路の周方向に隣り合う翼部の対向空間に、該対向空間の上流側に設けられた前記動翼列または前記静翼列から流入した吸入空気は、前記圧力面に接触して当該対向空間から当該吸入空気の流入方向と異なる方向に流出する軸流式圧縮機であって、
   前記対向空間を形成する翼部の一部もしくは全部は、該対向空間への吸入空気の流入方向の投光による圧力面の投影面積が、前記流入方向に直交する方向における前記対向空間の断面積の２０％以内となる関係を有することを特徴とする軸流式圧縮機。

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