JP5736650B2 - Axial compressor and gas turbine engine - Google Patents

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Description

本発明は、例えばガスタービンエンジンの構成機器として用いられ、ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機に関する。   The present invention relates to an axial flow compressor that is used as, for example, a component of a gas turbine engine and compresses and conveys gas in an axial direction.

一般的な軸流圧縮機は、筒状の圧縮機ケースをベースとして具備しており、この圧縮機ケースは、軸方向へ延びている。また、圧縮機ケースの内側には、環状のガス流路が形成されている。   A general axial compressor includes a cylindrical compressor case as a base, and the compressor case extends in the axial direction. An annular gas flow path is formed inside the compressor case.

圧縮機ケース内には、複数段の圧縮機ステータが軸方向に沿って設けられている。また、各段の圧縮機ステータは、周方向に等間隔に配設された複数の静翼を備えており、各静翼は、ガス流路内に位置している。   In the compressor case, a plurality of stages of compressor stators are provided along the axial direction. The compressor stator at each stage includes a plurality of stationary blades arranged at equal intervals in the circumferential direction, and each stationary blade is located in the gas flow path.

圧縮機ケース内には、複数段の圧縮機ロータが軸方向に沿って複数段の圧縮機ステータと交互に設けられている。また、各段の圧縮機ロータは、圧縮機ケース内に軸心周りに回転可能に設けられたディスクを備えており、このディスクの外周面は、ガス流路の径方向内側の壁面の一部を構成するものである。更に、各段の圧縮機ロータにおけるディスクの外周面には、複数の動翼が等間隔に設けられており、各動翼は、ガス流路内に位置している。   In the compressor case, a plurality of stages of compressor rotors are provided alternately with the plurality of stages of compressor stators along the axial direction. The compressor rotor at each stage includes a disk provided in the compressor case so as to be rotatable about the axis, and the outer peripheral surface of the disk is a part of the wall surface on the radially inner side of the gas flow path. It constitutes. Further, a plurality of blades are provided at equal intervals on the outer peripheral surface of the disk in the compressor rotor of each stage, and each blade is located in the gas flow path.

従って、複数段の圧縮機ロータを回転させることにより、複数段の圧縮機ロータと複数段の圧縮機ステータを協働させて、ガス流路内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。   Therefore, by rotating the multi-stage compressor rotor, the multi-stage compressor rotor and the multi-stage compressor stator cooperate with each other, and the gas taken into the gas flow path is compressed and conveyed in the axial direction. be able to.

一方、従来から、軸流圧縮機の作動域を拡大するための種々の開発がなされており、本願の出願人も作動域を拡大した軸流圧縮機について出願し既に特許を取得している(特許文献1参照)。この先行技術に係る軸流圧縮機は、前述の一般的な軸流圧縮機の構成に加えて、いずれかの圧縮機ロータの出口側断面積(出口断面積)が入口側断面積(入口断面積)よりも大きくなるように構成されている。これにより、いずれかの圧縮機ロータにおいてガスの軸方向流速(軸方向の流速)が減速され、動翼の速度三角形を考慮すると、動翼の反りを大きくしなくても、動翼の仕事を十分に確保することができる。換言すれば、動翼の仕事を十分に確保しつつ、動翼の反りを小さくして、動翼の正圧面と負圧面との圧力差を低減できる。よって、動翼の正圧面側から負圧面側へのクリアランスフローを低減して、軸流圧縮機のストールを抑えつつ、軸流圧縮機の作動域を低流量側に拡大することができる。   On the other hand, various developments have been made to expand the operating range of an axial compressor, and the applicant of the present application has applied for an axial compressor with an expanded operating range and has already obtained a patent ( Patent Document 1). In the axial compressor according to this prior art, in addition to the configuration of the general axial compressor described above, the outlet side cross-sectional area (outlet cross-sectional area) of any compressor rotor is the inlet side cross-sectional area (inlet cross-section). It is configured to be larger than (area). As a result, the axial flow velocity (axial flow velocity) of the gas is reduced in any compressor rotor, and considering the velocity triangle of the moving blade, the work of the moving blade can be performed without increasing the warpage of the moving blade. It can be secured sufficiently. In other words, it is possible to reduce the pressure difference between the pressure surface and the suction surface of the moving blade by sufficiently reducing the warping of the moving blade while sufficiently securing the work of the moving blade. Therefore, it is possible to reduce the clearance flow from the pressure surface side to the suction surface side of the moving blade, thereby suppressing the stall of the axial flow compressor and expanding the operating range of the axial flow compressor to the low flow rate side.

特許第3743415号公報Japanese Patent No. 3743415

ところで、近年、ジェットエンジンの分野においては、軸流圧縮機の作動域の拡大だけでなく、軸流圧縮機の高圧力比化及び高効率化の要請が強くなっており、作動域を拡大した上で、高圧力比及び高効率化を図ることができる軸流圧縮機の開発が急務になってきている。   By the way, in recent years, in the field of jet engines, not only expansion of the operating range of axial compressors, but also the demand for higher pressure ratio and higher efficiency of axial compressors has become stronger, expanding the operating range. Above, development of the axial flow compressor which can aim at a high pressure ratio and high efficiency has become urgent.

そこで、本発明は、前述の先行技術に係る軸流圧縮機に改良を加えて、作動域を更に拡大することができる、新規な構成の軸流圧縮機等を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an axial flow compressor having a novel configuration capable of further expanding the operating range by improving the axial flow compressor according to the above-described prior art.

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、いずれかの圧縮機ロータの出口側断面積(出口断面積)が入口側断面積(入口断面積)よりも大きくなるように構成するという条件の下で、各動翼の前縁及び後縁のハブ側部分をハブ側からチップ側(先端側)へ向けて後退するようにスイープさせた場合(図3(a)に示す新規な圧縮機ロータの場合)に、各動翼の前縁及び後縁のハブ側部分をスイープさせない場合(図3(b)に示す比較用の圧縮機ロータの場合)に比較して、図4(a)(b)(c)に示すように、ハブ付近におけるガスの減速を抑えて、ガスの減速状態を動翼の全スパンに亘って一様な減速状態に近づけることができると共に、図5(a)(b)に示すように、動翼の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を小さくすることができるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。 As a result of repeating trial and error in order to solve the above-mentioned problems, the inventor of the present invention has determined that the outlet side sectional area (outlet sectional area) of any compressor rotor is larger than the inlet side sectional area (inlet sectional area). And the hub side portions of the leading and trailing edges of each blade are swept so as to retreat from the hub side toward the tip side (tip side) (see FIG. 3). In the case of the new compressor rotor shown in (a), when the hub side portions of the leading and trailing edges of each blade are not swept (in the case of the comparative compressor rotor shown in FIG. 3B) In comparison, as shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the deceleration of the gas in the vicinity of the hub is suppressed, and the deceleration state of the gas is brought close to the uniform deceleration state over the entire span of the moving blade. As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), near the exit of the moving blade That it is possible to reduce the large area of the energy loss, it is possible to obtain novel findings, the present invention has been completed.

ここで、図3(a)は、新規な知見に関する特徴を有した新規な圧縮機ロータを示す模式的な側断面図、図3(b)は、新規な圧縮機ロータの比較用の圧縮機ロータを示す模式的な側断面図、図4(a)は、新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の前縁付近の流量係数と動翼のスパン比との関係を示す図、図4(b)は、新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の50%コードの流量係数と動翼のスパン比との関係を示す図、図4(c)は、新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の後縁付近の流量係数と動翼のスパン比との関係を示す図、図5(a)は、新規な圧縮機ロータについて、動翼の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を示す模式的な後視図、図5(b)は、比較用の圧縮機ロータについて、動翼の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を示す後視図であって、これらの関係は、3次元定常粘性CFD(Computational Fluid Dynamics)解析により求めたものである。また、図3(a)に示す新規な圧縮機ロータにおいては、各動翼の先端の径方向位置(径方向の位置)が前縁から後縁にかけて同じになっており、動翼の後縁のハブ側部分がハブ側からチップ側(先端側)へ向けて後退するようにスイープしてあって、動翼の前縁のハブ側部分のスイープ角は、動翼の後縁のハブ側部分のスイープ角と同じである。   Here, FIG. 3A is a schematic side sectional view showing a new compressor rotor having characteristics relating to new knowledge, and FIG. 3B is a compressor for comparison with the new compressor rotor. 4A is a schematic side sectional view showing the rotor, and FIG. 4A shows the relationship between the flow coefficient near the leading edge of the moving blade and the span ratio of the moving blade for a new compressor rotor and a comparative compressor rotor. FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the flow coefficient of the 50% code of the moving blade and the span ratio of the moving blade for the new compressor rotor and the comparative compressor rotor, and FIG. ) Shows the relationship between the flow coefficient near the trailing edge of the moving blade and the span ratio of the moving blade for the new compressor rotor and the comparative compressor rotor, and FIG. 5A shows the new compressor rotor. FIG. 5 (a schematic rear view showing a large energy loss region in the vicinity of the rotor blade exit for the rotor, ) Is a rear view showing a region of large energy loss in the vicinity of the rotor blade outlet for the compressor rotor for comparison, and these relations were obtained by three-dimensional steady viscosity CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis. Is. Further, in the new compressor rotor shown in FIG. 3A, the radial position (the radial position) of the tip of each blade is the same from the leading edge to the trailing edge, and the trailing edge of the blade The hub side part of the blade is swept back from the hub side toward the tip side (tip side), and the sweep angle of the hub side part of the leading edge of the moving blade is the hub side part of the trailing edge of the moving blade Is the same as the sweep angle.

本発明の第1の特徴は、ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機において、前記軸方向へ延びており、内側に環状のガス流路が形成された筒状の圧縮機ケースと、前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って設けられ、周方向に等間隔に配設されかつ前記ガス流路内に位置する複数の静翼を備えた複数段の圧縮機ステータと、前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って複数段の前記圧縮機ステータと交互に設けられ、外周面が前記ガス流路の径方向内側の壁面の一部を構成しかつ軸心周りに回転可能なディスク、及び前記ディスクの外周面に等間隔に設けられかつ前記ガス流路内に位置する複数の動翼を備えた複数段の圧縮機ロータと、を具備し、いずれかの前記圧縮機ロータの出口側断面積(出口断面積)が入口側断面積(入口断面積)よりも大きくなるように構成され、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける各動翼の前縁及び後縁は、ハブ側からチップ側へ向けて後退するようにスイープ(湾曲)しているハブ側部分(基端側部分)と、前記ハブ側部分に連続しかつ前記ハブ側部分よりも先端側のすべての部分であってかつ主流方向に垂直になっているチップ側部分とをそれぞれ有することを要旨とする。

According to a first aspect of the present invention, there is provided an axial compressor that compresses and conveys gas in an axial direction, and that extends in the axial direction and has a cylindrical compressor case having an annular gas flow path formed therein. And a plurality of compressor stators provided in the compressor case along the axial direction, provided with a plurality of stationary blades disposed at equal intervals in the circumferential direction and located in the gas flow path, The compressor case is provided alternately with the compressor stator of a plurality of stages along the axial direction in the compressor case, and the outer peripheral surface constitutes a part of the radially inner wall surface of the gas flow path and rotates around the axis. And a plurality of compressor rotors provided with a plurality of moving blades provided at equal intervals on the outer peripheral surface of the disk and positioned in the gas flow path, Rotor outlet side cross section (outlet cross section) is inlet side cross section (inlet cross section) The front side and the rear end of each rotor blade in any one of the compressor rotors are swept (curved) so as to recede from the hub side toward the tip side. A portion (base end side portion) and a tip side portion that is continuous with the hub side portion and is all the tip side of the hub side portion and is perpendicular to the main flow direction. The gist.

なお、前記軸流圧縮機は、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンの構成機器として用いられる圧縮機に限られるものでない。   In addition, the said axial flow compressor is not restricted to the compressor used as a component apparatus of gas turbine engines, such as a jet engine.

第1の特徴によると、複数段の前記圧縮機ロータを回転させることにより、複数段の前記圧縮機ロータと複数段の前記圧縮機ステータを協働させて、前記ガス流路内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。   According to the first feature, the gas introduced into the gas flow path by rotating the plurality of stages of the compressor rotors so that the plurality of stages of the compressor rotors and the plurality of stages of the compressor stators cooperate with each other. Can be transported compressed in the axial direction.

また、前記いずれかの前記圧縮機ロータの出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成されているため、前記動翼の仕事を十分に確保しつつ、前記動翼の反りを小さくして、前記動翼の正圧面と負圧面との圧力差を低減できる。   In addition, since the outlet side cross-sectional area of any one of the compressor rotors is configured to be larger than the inlet side cross-sectional area, the warp of the moving blade can be prevented while sufficiently ensuring the work of the moving blade. By reducing the pressure, the pressure difference between the pressure surface and the suction surface of the moving blade can be reduced.

そして、前記いずれかの前記圧縮機ロータの出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成され、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける各動翼の前縁及び後縁のハブ側部分がハブ側からチップ側へ向けて後退するようにスイープしているため、前述の新規な知見を適用すると、各動翼の前縁及び後縁のハブ側部分をスイープさせない場合(図3(b)に示す比較用の圧縮機ロータの場合)に比較して、ハブ付近におけるガスの減速を抑えて、ガスの減速状態を前記動翼の全スパンに亘って一様な減速状態に近づけることができると共に、前記動翼の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を小さくすることができる。 And the outlet side cross-sectional area of any one of the compressor rotors is configured to be larger than the inlet-side cross-sectional area, and the hub side of the leading edge and the trailing edge of each rotor blade in any of the compressor rotors Since the part is swept so as to be retracted from the hub side toward the tip side, when the above-described novel knowledge is applied, the hub side part of the leading edge and the trailing edge of each blade is not swept (FIG. 3 ( Compared to the case of the comparative compressor rotor shown in b), the gas deceleration near the hub is suppressed to bring the gas deceleration state closer to the uniform deceleration state over the entire span of the blade. In addition, the region where the energy loss is large in the vicinity of the outlet of the moving blade can be reduced.

本発明の第2の特徴は、ガスタービンエンジンにおいて、第1の特徴からなる軸流圧縮機を具備したことを要旨とする。   The gist of the second feature of the present invention is that the gas turbine engine includes the axial flow compressor having the first feature.

第2の特徴の特徴によると、第1の特徴による作用と同様の作用を奏する。   According to the feature of the second feature, the same effect as that of the first feature is achieved.

本発明によれば、前記動翼の反りを小さくして、前記動翼の正圧面と負圧面との圧力差を低減することができるため、前記動翼の正圧面側から負圧面側へのクリアランスフローを低減して、前記軸流圧縮機のストールを抑えつつ、前記軸流圧縮機の作動域を低流量側に拡大することができる。   According to the present invention, since the warpage of the moving blade can be reduced and the pressure difference between the pressure surface and the suction surface of the moving blade can be reduced, the pressure surface side of the moving blade from the pressure surface side to the suction surface side can be reduced. The operating range of the axial flow compressor can be expanded to the low flow rate side while reducing the clearance flow and suppressing the stall of the axial flow compressor.

また、ガスの減速状態を前記動翼の全スパンに亘って一様な減速状態に近づけることができるため、前記動翼の全スパンに亘ってガスの静圧を十分に上昇させて、前記圧縮機ロータの圧力比、換言すれば、前記軸流圧縮機の圧力比を高めることができる。   Further, since the gas deceleration state can be brought close to a uniform deceleration state over the entire span of the moving blade, the static pressure of the gas is sufficiently increased over the entire span of the moving blade, and the compression is performed. The pressure ratio of the machine rotor, in other words, the pressure ratio of the axial compressor can be increased.

更に、前記動翼の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を小さくすることができるため、前記圧縮機ロータの効率、換言すれば、前記軸流圧縮機の効率(圧縮機効率)を高めることができる。   Furthermore, since the region of large energy loss in the vicinity of the outlet of the moving blade can be reduced, the efficiency of the compressor rotor, in other words, the efficiency of the axial compressor (compressor efficiency) can be increased. .

よって、前記軸流圧縮機の作動域を拡大した上で、前記軸流圧縮機の高圧力比及び高効率化を図ることができる。   Therefore, it is possible to achieve a high pressure ratio and high efficiency of the axial flow compressor while expanding the operating range of the axial flow compressor.

本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の要部を示す模式的な側断面図である。It is a typical sectional side view which shows the principal part of the axial flow compressor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る軸流圧縮機における圧縮機ロータの一部を径方向外側から見た模式的な図である。It is the typical figure which looked at a part of compressor rotor in the axial flow compressor concerning the embodiment of the present invention from the diameter direction outside. 図3(a)は、新規な知見に関する特徴を有した新規な圧縮機ロータを示す模式的な側断面図、図3(b)は、新規な圧縮機ロータの比較用の圧縮機ロータを示す模式的な側断面図である。FIG. 3A is a schematic side sectional view showing a new compressor rotor having characteristics relating to new knowledge, and FIG. 3B shows a compressor rotor for comparison with the new compressor rotor. It is a typical sectional side view. 図4(a)は、新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の前縁付近の流量係数と動翼のスパン比との関係を示す図、図4(b)は、新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の50%コードの流量係数と動翼のスパン比との関係を示す図、図4(c)は、新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の後縁付近の流量係数と動翼のスパン比との関係を示す図である。FIG. 4A is a diagram showing the relationship between the flow coefficient near the leading edge of the moving blade and the span ratio of the moving blade for the new compressor rotor and the comparative compressor rotor, and FIG. FIG. 4 (c) shows the relationship between the flow rate coefficient of the 50% code of the moving blade and the span ratio of the moving blade for the new compressor rotor and the comparative compressor rotor. FIG. It is a figure which shows the relationship between the flow coefficient near the trailing edge of a moving blade, and the span ratio of a moving blade about the compressor rotor for high pressure. 図5(a)は、新規な圧縮機ロータについて、動翼の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を示す模式的な後視図、図5(b)は、比較用の圧縮機ロータについて、動翼の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を示す後視図である。FIG. 5 (a) is a schematic rear view showing a large energy loss region in the vicinity of the rotor blade outlet for a new compressor rotor, and FIG. It is a rear view which shows the area | region where the energy loss is large near the exit of the wing. 本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ(新規な圧縮機ロータ)及び比較用の圧縮機ロータについて、流量係数と圧力比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a flow coefficient and a pressure ratio about the compressor rotor (new compressor rotor) which concerns on embodiment of this invention, and the compressor rotor for a comparison. 本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、流量係数と効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a flow coefficient and efficiency about the compressor rotor which concerns on embodiment of this invention, and the compressor rotor for a comparison. 本発明の実施形態に係る圧縮機ロータについて、動翼のスイープ角と効率改善係数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the sweep angle of a moving blade, and an efficiency improvement coefficient about the compressor rotor which concerns on embodiment of this invention.

本発明の実施形態について図1から図6を参照して説明する。なお、図中、「F」は、前方向(上流方向)、「R」は、後方向(下流方向)を指している。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the figure, “F” indicates the forward direction (upstream direction), and “R” indicates the backward direction (downstream direction).

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機1は、ジェットエンジン(ガスタービンエンジンの一例)の構成機器である圧縮機として用いられ、ガス(本発明の実施形態にあっては、空気)を軸方向(後方向)へ圧縮して搬送するものである。そして、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機1の具体的な構成は、次のようになる。   As shown in FIGS. 1 and 2, an axial flow compressor 1 according to an embodiment of the present invention is used as a compressor that is a component device of a jet engine (an example of a gas turbine engine), and gas (implementation of the present invention). In the form, air is compressed in the axial direction (rearward direction) and conveyed. And the specific structure of the axial flow compressor 1 which concerns on embodiment of this invention is as follows.

軸流圧縮機1は、筒状の圧縮機ケース3をベースとして具備しており、この圧縮機ケース3は、軸方向(前後方向)へ延びている。また、圧縮機ケース3の内側には、環状のガス流路5が形成されている。   The axial flow compressor 1 includes a cylindrical compressor case 3 as a base, and the compressor case 3 extends in the axial direction (front-rear direction). An annular gas flow path 5 is formed inside the compressor case 3.

圧縮機ケース3内には、複数段(図1中には2段のみ図示)の圧縮機ステータ7が軸方向に沿って設けられている。また、各段の圧縮機ステータ7は、周方向に等間隔に配設された(並んだ)複数の静翼9を備えており、各静翼9は、ガス流路5内に位置している。   In the compressor case 3, a plurality of stages (only two stages are shown in FIG. 1) of compressor stators 7 are provided along the axial direction. The compressor stator 7 at each stage includes a plurality of stationary blades 9 arranged (aligned) at equal intervals in the circumferential direction, and each stationary blade 9 is located in the gas flow path 5. Yes.

圧縮機ケース3内には、複数段(図1には1段のみ図示)の圧縮機ロータ11が軸方向に沿って複数段の圧縮機ステータ7と交互に設けられており、複数段の圧縮機ロータ11は、ジェットエンジンの構成機器であるタービン(図示省略)における複数段のタービンロータ(図示省略)に一体的に連結してある。また、各段の圧縮機ロータ11は、圧縮機ケース3内に軸心周りに回転可能に設けられたディスク13を備えており、このディスク13の外周面は、ガス流路5の径方向内側の壁面5sの一部を構成するものである。更に、各段の圧縮機ロータ11におけるディスク13の外周面には、複数の動翼15が等間隔に設けられており、各動翼15は、ガス流路5内に位置している。   In the compressor case 3, a plurality of stages of compressor rotors 11 (only one stage is shown in FIG. 1) are provided alternately with the plurality of stages of compressor stators 7 along the axial direction. The machine rotor 11 is integrally connected to a plurality of stages of turbine rotors (not shown) in a turbine (not shown) which is a component device of the jet engine. The compressor rotor 11 at each stage includes a disk 13 provided in the compressor case 3 so as to be rotatable around an axis, and the outer peripheral surface of the disk 13 is radially inward of the gas flow path 5. Part of the wall surface 5s. Further, a plurality of moving blades 15 are provided at equal intervals on the outer peripheral surface of the disk 13 in each stage of the compressor rotor 11, and each moving blade 15 is located in the gas flow path 5.

続いて、本発明の実施形態の要部について説明する。   Then, the principal part of embodiment of this invention is demonstrated.

いずれかの圧縮機ロータ11(図示された圧縮機ロータ11のことであって、以下、単に圧縮機ロータ11という)の出口側断面積(出口断面積)は、入口側断面積(入口断面積)よりも大きくなるように構成されている。また、圧縮機ロータ11における各動翼15の先端15tの径方向位置(径方向の位置)は、前縁15aから後縁15bにかけて同じになっている。なお、圧縮機ロータ11における各動翼15の先端15tの径方向位置が前縁15aから後縁15bにかけて変化しても構わない。   The outlet side cross-sectional area (outlet cross-sectional area) of any of the compressor rotors 11 (referred to as the compressor rotor 11 shown in the drawing and hereinafter simply referred to as the compressor rotor 11) is the inlet-side cross-sectional area (inlet cross-sectional area). ) Is configured to be larger than. The radial position (the radial position) of the tip 15t of each rotor blade 15 in the compressor rotor 11 is the same from the front edge 15a to the rear edge 15b. The radial position of the tip 15t of each rotor blade 15 in the compressor rotor 11 may change from the front edge 15a to the rear edge 15b.

圧縮機ロータ11における各動翼15の前縁15aは、ハブ側からチップ側(先端側)へ向けて後退するように(換言すれば、下流側に移動するように)スイープ(湾曲)したハブ側部分(基端側部分)15ahと、このハブ側部分15ahに連続しかつ主流方向に垂直なチップ側部分(先端側部分)15atとを有している。なお、ハブ側部分15ahは、直線形状で構成されているが、円弧形状等の曲線形状で構成されてもよく、ディスク13の外周面にフィレットアールで接続されてもよい。また、チップ側部分15atの全部がハブ側部分15ahに連続しかつ主流方向に垂直な垂直部分になっているが、チップ側部分15atの一部が垂直部分になって、チップ側部分15atの他の部分が後退するようにスイープしても構わない。   The front edge 15a of each rotor blade 15 in the compressor rotor 11 is swept (curved) so as to recede from the hub side toward the tip side (tip side) (in other words, to move downstream). It has a side portion (base end side portion) 15ah and a tip side portion (tip side portion) 15at which is continuous to the hub side portion 15ah and perpendicular to the main flow direction. The hub side portion 15ah is formed in a linear shape, but may be formed in a curved shape such as an arc shape or may be connected to the outer peripheral surface of the disk 13 with a fillet radius. Further, the entire chip side portion 15at is continuous to the hub side portion 15ah and is a vertical portion perpendicular to the main flow direction. However, a part of the chip side portion 15at is a vertical portion, and other than the chip side portion 15at. You may sweep so that the part of retreats.

そして、動翼15の前縁15aのスイープ角(湾曲角)αは、4〜38度になっていることが望ましい。動翼15の前縁15aのスイープ角αを4度以上にしたのは、動翼15の前縁15aのスイープ角αが4度未満であると、図8に示すように、圧縮機ロータ11の効率改善係数を10%以上向上させることができないことが判明したからである。一方、動翼15の前縁15aのスイープ角αが38度以下としたのは、動翼15の前縁15aのスイープ角αを38度越えても、図8に示すように、それ以上圧縮機ロータ11の効率改善係数が向上しないことが判明し、動翼15のハブ側の応力集中が大きくなるだけであるからである。   The sweep angle (curvature angle) α of the leading edge 15a of the moving blade 15 is preferably 4 to 38 degrees. The reason why the sweep angle α of the leading edge 15a of the moving blade 15 is set to 4 degrees or more is that when the sweep angle α of the leading edge 15a of the moving blade 15 is less than 4 degrees, as shown in FIG. This is because it has been found that the efficiency improvement coefficient cannot be increased by 10% or more. On the other hand, the sweep angle α of the leading edge 15a of the moving blade 15 is set to 38 degrees or less even if the sweep angle α of the leading edge 15a of the moving blade 15 exceeds 38 degrees, as shown in FIG. This is because it has been found that the efficiency improvement coefficient of the machine rotor 11 does not improve, and the stress concentration on the hub side of the rotor blade 15 only increases.

ここで、前述のように、図8は、本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ11について、動翼15の前縁15aのスイープ角αと効率改善係数との関係を示す図であって、この関係は、3次元定常粘性CFD解析により求めたものである。   Here, as described above, FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the sweep angle α of the leading edge 15a of the moving blade 15 and the efficiency improvement coefficient for the compressor rotor 11 according to the embodiment of the present invention, This relationship is obtained by three-dimensional steady viscosity CFD analysis.

圧縮機ロータ11における各動翼15の後縁15bのハブ側部分15bhは、ハブ側からチップ側(先端側)へ向けて後退するようにスイープしてあって、動翼15の後縁15bのスイープ角βは、動翼15の前縁15aのスイープ角αと同じになっている。なお、圧縮機ロータ11における各動翼15の後縁15bのチップ側部分15btも後退するようにスイープしたり、動翼15の後縁15bのスイープ角βを動翼15の前縁15aのスイープ角αと異なるようにしたりしても構わない。また、圧縮機ロータ11におけるディスクの外周面13の子午面形状(側断面形状)が下流方向に向けて凸状の第1曲線から凹状の第2曲線に遷移するようになっても構わない。   The hub side portion 15bh of the trailing edge 15b of each rotor blade 15 in the compressor rotor 11 is swept so as to retreat from the hub side toward the tip side (tip side). The sweep angle β is the same as the sweep angle α of the leading edge 15 a of the rotor blade 15. In the compressor rotor 11, the tip side portion 15 bt of the trailing edge 15 b of each rotor blade 15 is also swept back, or the sweep angle β of the trailing edge 15 b of the rotor blade 15 is swept by the leading edge 15 a of the rotor blade 15. It may be different from the angle α. Further, the meridional surface shape (side cross-sectional shape) of the outer peripheral surface 13 of the disk in the compressor rotor 11 may transition from a convex first curve to a concave second curve in the downstream direction.

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。   Then, the effect | action and effect of embodiment of this invention are demonstrated.

ジェットエンジンにおける燃焼器(図示省略)から燃焼ガスの膨張によってタービンを駆動させて、複数段のタービンロータを回転させることにより、複数段の圧縮機ロータ11を複数段のタービンロータと一体的に回転させる。これにより、複数段の圧縮機ロータ11と複数段の圧縮機ステータ7を協働させて、ガス流路5内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。   A turbine is driven by the expansion of combustion gas from a combustor (not shown) in a jet engine to rotate a multi-stage turbine rotor, whereby a multi-stage compressor rotor 11 is rotated integrally with the multi-stage turbine rotor. Let Thereby, the multistage compressor rotor 11 and the multistage compressor stator 7 can cooperate with each other, and the gas taken into the gas flow path 5 can be compressed and conveyed in the axial direction.

また、圧縮機ロータ11出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成されているため、動翼15の仕事を十分に確保しつつ、動翼15の反りを小さくして、動翼15の正圧面15pと負圧面15nとの圧力差を低減できる。   In addition, since the compressor rotor 11 outlet side cross-sectional area is configured to be larger than the inlet side cross-sectional area, the warp of the rotor blade 15 can be reduced while ensuring sufficient work of the rotor blade 15, The pressure difference between the pressure surface 15p and the suction surface 15n of the blade 15 can be reduced.

そして、圧縮機ロータ11の出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成され、圧縮機ロータ11における各動翼15の前縁15aのハブ側部分15ah及び後縁15bのハブ側部分15bhがハブ側からチップ側へ向けて後退するようにスイープしているため、前述の新規な知見を適用すると、図5(b)の各動翼15の前縁15aのハブ側部分15ah及び後縁15bのハブ側部分15bhをスイープさせない場合(図3(b)に示す比較用の圧縮機ロータの場合)に比較して、図5(a)に示すように、ハブ付近におけるガスの減速を抑えて、ガスの減速状態を動翼15の全スパンに亘って一様な減速状態に近づけることができると共に、動翼15の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を小さくすることができる。 The compressor rotor 11 is configured such that the outlet side cross-sectional area is larger than the inlet side cross-sectional area, and the hub side portion 15ah of the leading edge 15a of each rotor blade 15 and the hub side of the trailing edge 15b in the compressor rotor 11 are configured. since the portion 15bh is swept so as to retract toward the hub side to the tip side, applying novel finding described above, the hub portion 15ah and the front edge 15a of each blade 15 shown in FIG. 5 (b) Compared with the case where the hub side portion 15bh of the trailing edge 15b is not swept (in the case of the comparative compressor rotor shown in FIG. 3B), as shown in FIG. , The gas deceleration state can be brought close to a uniform deceleration state over the entire span of the rotor blade 15, and a large energy loss region in the vicinity of the outlet of the rotor blade 15 can be reduced. .

従って、本発明の実施形態によれば、動翼15の反りを小さくして、動翼15の正圧面15pと負圧面15nとの圧力差を低減することができるため、動翼15の正圧面15p側から負圧面15n側へのクリアランスフローを低減して、軸流圧縮機1のストールを抑えつつ、軸流圧縮機1の作動域を低流量側に拡大することができる。   Therefore, according to the embodiment of the present invention, the warp of the moving blade 15 can be reduced, and the pressure difference between the pressure surface 15p and the suction surface 15n of the moving blade 15 can be reduced. The clearance flow from the 15p side to the suction surface 15n side can be reduced, and the operating area of the axial compressor 1 can be expanded to the low flow rate side while the stall of the axial compressor 1 is suppressed.

また、ガスの減速状態を動翼15の全スパンに亘って一様な減速状態に近づけることができるため、動翼15の全スパンに亘ってガスの静圧を十分に上昇させて、図6に示すように、圧縮機ロータ11の圧力比、換言すれば、軸流圧縮機1の圧力比を高めることが判明した。   Further, since the deceleration state of the gas can be brought close to a uniform deceleration state over the entire span of the rotor blade 15, the static pressure of the gas is sufficiently increased over the entire span of the rotor blade 15, and FIG. As shown in FIG. 4, it has been found that the pressure ratio of the compressor rotor 11, in other words, the pressure ratio of the axial compressor 1 is increased.

更に、動翼15の出口付近におけるエネルギー損失の大きな領域を小さくすることができるため、図7に示すように、圧縮機ロータ11の効率、換言すれば、軸流圧縮機1の効率(圧縮機効率)を高めることができることが判明した。特に、動翼15の前縁15aのスイープ角αが4〜38度になっているため、圧縮機ロータ11の効率を十分に高めることができる。   Furthermore, since the region where the energy loss is large in the vicinity of the outlet of the moving blade 15 can be reduced, the efficiency of the compressor rotor 11, in other words, the efficiency of the axial compressor 1 (compressor) as shown in FIG. It has been found that efficiency) can be increased. In particular, since the sweep angle α of the leading edge 15a of the moving blade 15 is 4 to 38 degrees, the efficiency of the compressor rotor 11 can be sufficiently increased.

よって、本発明の実施形態によれば、軸流圧縮機1の作動域を拡大した上で、軸流圧縮機1の高圧力比及び高効率化を図ることができる。   Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to achieve a high pressure ratio and high efficiency of the axial compressor 1 while expanding the operating range of the axial compressor 1.

ここで、前述のように、図6は、本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ(図3(a)に示す新規な圧縮機ロータ)11及び比較用の圧縮機ロータ(図3に示す比較用の圧縮機ロータ)について、流量係数と圧力比との関係を示す図、図7は、本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、流量係数と効率との関係を示す図であって、これらの関係は、3次元定常粘性CFD解析により求めたものである。また、図6及び図7中の実施例は、本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ11についての解析結果であって、図6及び図7中の比較例は、比較用の圧縮機ロータについての解析結果である。   Here, as described above, FIG. 6 shows the compressor rotor (the new compressor rotor shown in FIG. 3A) 11 and the comparative compressor rotor (the comparison shown in FIG. 3) according to the embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a flow coefficient and a pressure ratio for a compressor rotor for use in the present invention, and FIG. These relationships are obtained by three-dimensional steady viscosity CFD analysis. The examples in FIGS. 6 and 7 are analysis results for the compressor rotor 11 according to the embodiment of the present invention, and the comparative examples in FIGS. 6 and 7 are for the compressor rotor for comparison. This is the analysis result.

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、ガスタービンエンジンの構成機器として用いられる軸流圧縮機1をそれ以外の軸流圧縮機に適用する等、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、軸流圧縮機1だけでなく、軸流圧縮機1を具備したガスタービンエンジンにも及ぶものである。   The present invention is not limited to the description of the above-described embodiment, but can be applied in various modes, such as applying the axial flow compressor 1 used as a component device of a gas turbine engine to other axial flow compressors. It can be implemented. The scope of rights encompassed by the present invention extends not only to the axial flow compressor 1 but also to a gas turbine engine equipped with the axial flow compressor 1.

α 動翼の前縁のスイープ角
β 動翼の後縁のスイープ角
1 軸流圧縮機
3 圧縮機ケース
5 ガス流路
5s 壁面
7 圧縮機ステータ
9 静翼
11 圧縮機ロータ
13 ディスク
15 動翼
15p 正圧面
15n 負圧面
15a 前縁
15ah 前縁のハブ側部分
15at 前縁のチップ側部分
15b 後縁
15bh 後縁のハブ側部分
15bt 後縁のチップ側部分
15t 先端
α Sweep angle of leading edge of rotor blade β Sweep angle of trailing edge of rotor blade 1 Axial compressor 3 Compressor case 5 Gas flow path 5s Wall surface 7 Compressor stator 9 Stator blade 11 Compressor rotor 13 Disc 15 Rotating blade 15p Positive pressure surface 15n Negative pressure surface 15a Front edge 15ah Front edge hub side portion 15at Front edge tip side portion 15b Rear edge 15bh Rear edge hub side portion 15bt Rear edge tip side portion 15t Tip

Claims (5)

ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機において、
前記軸方向へ延びており、内側に環状のガス流路が形成された筒状の圧縮機ケースと、
前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って設けられ、周方向に等間隔に配設されかつ前記ガス流路内に位置する複数の静翼を備えた複数段の圧縮機ステータと、
前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って複数段の前記圧縮機ステータと交互に設けられ、外周面が前記ガス流路の径方向内側の壁面の一部を構成しかつ軸心周りに回転可能なディスク、及び前記ディスクの外周面に等間隔に設けられかつ前記ガス流路内に位置する複数の動翼を備えた複数段の圧縮機ロータと、を具備し、
いずれかの前記圧縮機ロータの出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成され、
前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける各動翼の前縁及び後縁は、ハブ側からチップ側へ向けて後退するようにスイープしているハブ側部分と、前記ハブ側部分に連続しかつ前記ハブ側部分よりも先端側のすべての部分であってかつ主流方向に垂直になっているチップ側部分とをそれぞれ有することを特徴とする軸流圧縮機。
In an axial compressor that compresses and transports gas in the axial direction,
A cylindrical compressor case that extends in the axial direction and has an annular gas passage formed inside;
A plurality of compressor stators provided in the compressor case along the axial direction and provided with a plurality of stationary blades disposed at equal intervals in the circumferential direction and located in the gas flow path;
The compressor case is provided alternately with the compressor stator of a plurality of stages along the axial direction in the compressor case, and the outer peripheral surface constitutes a part of the radially inner wall surface of the gas flow path and rotates around the axis. And a plurality of compressor rotors provided with a plurality of rotor blades provided at equal intervals on the outer peripheral surface of the disk and positioned in the gas flow path,
The outlet side cross-sectional area of any of the compressor rotors is configured to be larger than the inlet side cross-sectional area,
A leading edge and a trailing edge of each rotor blade in any one of the compressor rotors are continuous with the hub side portion sweeping so as to recede from the hub side toward the tip side, and the hub side portion and An axial flow compressor comprising: a tip side portion that is all of the tip side of the hub side portion and is perpendicular to the main flow direction.
前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける各動翼の先端の径方向位置が前縁から後縁にかけて同じになっていることを特徴とする請求項1に記載の軸流圧縮機。   2. The axial flow compressor according to claim 1, wherein a radial position of a tip of each rotor blade in any one of the compressor rotors is the same from a leading edge to a trailing edge. 前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記動翼の前縁のスイープ角は、4〜38度になっていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の軸流圧縮機。   The axial flow compressor according to claim 1 or 2, wherein a sweep angle of a leading edge of the moving blade in any one of the compressor rotors is 4 to 38 degrees. 前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記動翼の後縁のスイープ角は、前記動翼の前縁のスイープ角と同じになっていることを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の軸流圧縮機。   The sweep angle of the trailing edge of the moving blade in any one of the compressor rotors is the same as the sweep angle of the leading edge of the moving blade. An axial flow compressor given in any 1 paragraph. 請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の軸流圧縮機を具備したことを特徴とするガスタービンエンジン。 Gas turbine engine characterized by comprising the axial compressor according to any one of claims 1 to 4.
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