JP5818908B2 - 軸流圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載された軸流圧縮機、すなわち、ハウジング内に回転可能に配置されていて複数の動翼段を有するロータと、前記ハウジング内において前記ロータの動翼最終段の出口側に定置に配置された複数段の静翼カスケードとを備え、該静翼カスケードは、軸方向に配置された複数の静翼列を軸方向におけるオーバラップなしに有する、軸流圧縮機に関する。

従来の技術
軸流圧縮機は一般的に公知である。軸流圧縮機は、軸方向において貫流されるハウジングの内部に配置されたロータを備えたターボ機械であって、ロータは、規則的に複数の動翼段を有し、つまり、圧縮機作業のために周方向において互いに隣接して配置された動翼を備えた、ロータ側の動翼列を有する。軸方向において隣接した動翼列の間には、それぞれハウジング側の定置の静翼列が設けられており、これによって圧縮すべき流体を、軸方向において後続の動翼段への途中において、そのために最適な流れ方向に変向させることができる。ロータの動翼最終段の後ろにも、定置の静翼装置又は静翼カスケードが設けられており、これによって、ロータによって生ぜしめられた流体の渦流を、実質的に軸方向の流れに変えることができる。そしてこれにより、軸方向における高い流速度を得ることができ、その結果、これに付随して生じる流動媒体の運動エネルギを、位置エネルギ（圧力）に変えることができる。

いわゆるスーパ静翼を備えた単段の静翼カスケードの他に、多段の静翼カスケードが公知であり、このような多段の静翼カスケードでは、それぞれハウジングの周方向において隣接した複数の静翼から成る複数の静翼列が、軸方向において相前後して（軸方向におけるオーバラップなしに）配置されている。

このような配置形態の利点としては、静翼が比較的簡単に製造可能な形状を有することができ、かつその空気力学特性に関して容易に最適化させることができる、ということが挙げられる。

発明の開示
本発明について述べると、本発明は、動翼最終段の後ろにおける複数段の静翼カスケードを、空気力学的に最適化された形状で形成しても、通常、準最適の結果しか得られず、特に、流動媒体において騒音の大きな圧力振動が発生する、という認識に基づいている。

ゆえに本発明の課題は、最適な多段の静翼カスケードを備えた軸流圧縮機を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた軸流圧縮機において、静翼カスケードのすべての静翼が、ハウジング周方向においてそれぞれ隣接した静翼から、等しい円弧寸法の間隔をおいて位置しており、それぞれ軸方向において後続の静翼段は、先行する静翼段に対して周方向においてずらされて配置されていて、先行する静翼段の静翼から発生する渦流が、それぞれ、後続の静翼段の互いに隣接した静翼の間を貫流するようになっている。

本発明は、軸方向において相前後して配置された静翼段では、可能な限り渦流のない流れを、下流側に位置する静翼において保証する、という一般的な思想に基づく。

流れ方向において下流に続く静翼において、渦流のない所望の流れを得るために、本発明によって、多段式の静翼カスケードの従来の構造形態が残される。従来は、静翼段が相前後して配置されている場合、周方向において互いに隣接した静翼の間に、異なった間隔が設けられており、つまり長手方向において後続の静翼段の静翼の間には、流れ方向においてそれぞれ先行する静翼段の静翼の間におけるよりも、周方向において大きな円弧間隔が設けられている。このように構成されていると、先行する静翼段の静翼の渦流を、常に再現可能に、後続の静翼段の静翼の上流縁から遠ざけておくことが、原理的に不可能である。

このことは本発明では、容易に可能である。なぜならば本発明では、先行する静翼段の静翼の間、及び後続の静翼段の静翼の間には、周方向において同じ円弧間隔が存在しているからである。その結果本発明では、後続の静翼段の静翼において比較的渦流のない流れを生ぜしめるために、後続の静翼段が先行する静翼段に対して単に所定の円弧寸法だけずらされて配置されるだけでよい。

本発明の好適な態様では、渦流は、後続の静翼段の隣接した一方の静翼の凸面状に湾曲した側から、隣接した他方の静翼の凹面状に湾曲した側からよりも、小さな間隔を有する。

このように構成されていると、渦流は、凸面状に湾曲した静翼側の周面を比較的速く流れることができ、これによって渦流は効果的に「平滑化」される。

前記両方の間隔は、つまり渦流と凸面状に湾曲した側との間の間隔と、渦流と凹面状に湾曲した側との間隔とは、その値に関して、例えば１：２〜１：１であるように設定されていると、好適であることが判明している。

構造的に好適な本発明の別の態様では、軸流圧縮機のハウジングは、基本的に公知のように、周方向において互いに接続する複数のシェル部分から成っていて、静翼カスケードの、周方向において互いに隣接した静翼の間に、該隣接した静翼の周方向間隔を決定する各１つの内壁セグメントが配置されている。そしてこの場合、ハウジングの互いに隣接したシェル部分の間における分割平面に、分割された内壁セグメントが設けられていて、セグメント部分の間における該内壁セグメントの分割平面が、ハウジングのシェル部分の間における分割平面と合致していると、好適である。そしてさらに、静翼カスケードの相前後して配置された静翼段のセグメント部分が、静翼の、該静翼段の間における周方向におけるずれに相応して、寸法設定されていると、シェル部分の分割平面とセグメント部分の分割平面とが合致している場合、静翼カスケードの静翼は、何らの処置なしに、本発明に相応して配置されている。

次に図面を参照しながら本発明の特に好適な実施の形態を説明する。

図示及び説明された特徴の組合せのみならず、図示又は説明された個別の特徴の、基本的には任意の組合せも、本発明の保護の対象である。

いわゆるスーパ静翼から成る、出口側の静翼カスケードを備えた、汎用の軸流圧縮機を示す軸方向断面図である。 ロータの出口側に２段の静翼カスケードを備えた軸流圧縮機の軸方向断面図である。 汎用の２段式の静翼カスケードを部分的に示す図であって、圧縮機ハウジングの内壁を展開した状態ですべての翼の配置形態を示す図である。 本発明による静翼カスケードを、図３に相当する図によって示す図である。 出口側の静翼カスケードの領域における圧縮機ハウジングの内壁部分を展開して示す図である。

本発明の実施の形態の説明
図１には、汎用の軸流圧縮機が示されている。この軸流圧縮機は、公知のように、ロータ軸線２に対してほぼ回転対称の内壁３を備えたハウジング１を有する。このハウジング１はロータ４を取り囲み、このロータ４は軸方向において、圧縮される流動媒体のための入口５と、通常、燃焼器に通じる出口５′との間に配置されている。

ロータ４には、公知のように、ロータ固定の動翼６が配置され、つまり動翼６は、ロータ４の周方向に延びる動翼列もしくは動翼段にそれぞれ配置されている。軸方向において互いに隣接した動翼段の間には、それぞれハウジング固定の静翼７が配置され、つまり静翼７は、ハウジング内壁３の周方向に延びる静翼列もしくは静翼段にそれぞれ配置されている。

軸方向においてロータ４の動翼最終段の後ろには、単段の静翼装置又は静翼カスケード８が設けられており、この静翼カスケード８は、いわゆるスーパ静翼（Super-Leitschaufeln）９から成っている。これらのスーパ静翼９は、明瞭に湾曲した成形形状を有し、流動媒体の、ロータ１の出口側における強い渦流を排除し、かつ流動媒体のほぼ軸方向の流れを生ぜしめるように、配置されている。

図２に示した軸流圧縮機は、図１に示した軸流圧縮機に対して主として次の点だけが、すなわち、静翼カスケード８が２段に「普通の」静翼１０，１１を備えて構成されていて、これらの静翼１０，１１は、比較的僅かしか湾曲していない成形形状を有する点だけが異なる。

図２に示された軸流圧縮機の構造形式は、基本的に公知であり、かつ本発明においても設けられる。

図３及び図４は、従来の構造と本発明との相違を示す。図３には、２段式の汎用の静翼カスケードの静翼１０，１１の相対位置が示されている。図３から特に明らかなように、前側の静翼段の、流れ方向において前側の静翼１０の上流縁（Anstroemkante）は、周方向において間隔Ｕ_１を有し、これに対して後続の静翼段の静翼１１は周方向において、それとは異なった間隔Ｕ_２を有する。これによって必然的に、前側の静翼１０によって生ぜしめられた渦流（Wirbelfahne）１３は、少なくとも部分的に、後続の静翼段の静翼１１の上流縁に直に衝突することになる。そしてこれによって、静翼カスケードの効率、ひいては軸流圧縮機の効率は損なわれる。

これに対して本発明では、図４に示すように、間隔Ｕ_１とＵ_２とは同じ値を有し、その結果、後続の静翼段の静翼１１の、周方向における相応なずれによって、渦流１３がそれぞれ周方向において互いに隣接した静翼１１の間を通って行くことを、保証することができる。静翼１０，１１の配置形式は好ましくは、渦流１３が、図面で見てそれぞれ下側の静翼１１の凸面状に湾曲した側に、比較的大きく接近して通過するように、形成されている。この場合間隔Ｕ′_２とＵ′′_２とは、Ｕ′_２：Ｕ′′_２＝１：２であるような値を有する。

このように構成されていると、その結果、渦流１３は、凸面状の静翼側の周囲を比較的速く流れることができるようになる。

軸流圧縮機の組立て時に、静翼１０によって形成された静翼段と静翼１１によって形成された静翼段との間の、周方向における所望のずれを得るために、好ましくは、図５に示すような構造が設けられている。

基本的に公知のように、圧縮機ハウジングは、例えば分割平面１４において互いに結合されている複数のシェル部分から成っている。これらのシェル部分の内側面に、静翼１０，１１は汎用の形式で取り付けられ、この場合例えば静翼１０，１１の基部１５，１６は、該基部に一体成形されたアンカで、周方向において、各シェル部分の内側面に形成された通路内に挿入される。周方向において互いに隣接した基部１５；１６の間には、各１つの内壁セグメント１７；１８が配置されており、この内壁セグメント１７；１８は、静翼１０，１１の上流縁の間において、図４に示した、等しい値を有する円弧寸法Ｕ_１，Ｕ_２が存在するように、寸法設定されている。分割平面１４の領域には、セグメント部分１７′，１７′′；１８′，１８′′を備えたそれぞれ分割された壁セグメントが設けられており、この場合各セグメント部分１７′，１７′′；１８′，１８′′は、その分割平面がハウジングシェル部分の分割平面１４と合致するように位置決めされる。このように構成されていると、セグメント部分１７′，１８′及び１７′′，１８′′が相応に寸法設定されている場合、静翼１０，１１の間の、周方向における所望のずれが保証される。

図１〜図５には、最後の動翼段のロータ側の動翼６のうちの１つ又は複数が、概略的に示されており、この場合Ｒはロータ４の回転方向を示す。

１ ハウジング
２ ロータ軸線
３ 内壁
４ ロータ
５ 入口
５′ 出口
６ 動翼
７ 静翼
８ 静翼カスケード
９ スーパ静翼
１０ 静翼
１１ 静翼
１３ 渦流
１４ 分割平面
１５ 基部
１６ 基部
１７ 壁セグメント
１７′ セグメント部分
１７′′ セグメント部分
１８ 壁セグメント
１８′ セグメント部分
１８′′ セグメント部分
Ｒ 回転方向
Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ′_２，Ｕ′′_２ 間隔

Claims (3)

1. ハウジング（１）内に回転可能に配置されていて複数の動翼段を有するロータ（６）と、前記ハウジング（１）内において前記ロータ（６）の動翼最終段の出口側に定置に配置された複数段の静翼カスケード（８）とを備え、該静翼カスケード（８）は、軸方向に配置された複数の静翼列を軸方向におけるオーバラップなしに有する、軸流圧縮機であって、
   静翼カスケード（８）のすべての静翼（１０，１１）が、ハウジング周方向においてそれぞれ隣接した静翼から、等しい円弧寸法の間隔をおいて位置しており、それぞれ軸方向において後続の静翼段は、先行する静翼段に対して周方向においてずらされて配置されていて、前記先行する静翼段の前記静翼（１０）から発生する渦流（１３）が、それぞれ、前記後続の静翼段の互いに隣接した前記静翼（１１）の間を貫流するようになっており、
   前記渦流（１３）と、互いに隣接した静翼のうちの一方の静翼（１１）の凸面状に湾曲した側との間の間隔が、前記渦流（１３）と、他方の静翼（１１）の凹面状に湾曲した側との間の間隔よりも小さいことを特徴とする軸流圧縮機。
2. 前記両方の間隔（Ｕ′２，Ｕ′′２）は、その値に関して、約１：１＞Ｕ′２：Ｕ′′２＞１：２であるように設定されている、請求項１記載の軸流圧縮機。
3. 前記ハウジング（１）は、周方向において互いに接続する複数のシェル部分から成っていて、前記静翼カスケード（８）の、周方向において互いに隣接した静翼（１０，１１）の間に、該静翼（１０，１１）の間隔を周方向において決定する各１つの内壁セグメント（１７，１８）が配置されており、前記ハウジング（１）の互いに隣接したシェル部分の間における分割平面（１４）に、分割された内壁セグメント（１７′，１７′′；１８′，１８′′）が設けられていて、セグメント部分の間における該内壁セグメント（１７′，１７′′；１８′，１８′′）の分割平面が、ハウジング（１）のシェル部分の間における前記分割平面（１４）と合致しており、軸方向において相前後して配置された前記静翼段（１０，１１）の前記セグメント部分（１７′，１７′′；１８′，１８′′）は、前記両静翼段（１０，１１）が周方向において所定のずれを有するように、寸法設定されている、請求項１又は２記載の軸流圧縮機。

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