JP6790582B2 - 軸流圧縮機の静翼構造 - Google Patents

Description

本発明は、軸流圧縮機の静翼構造に関する。

ジェットエンジン等の軸流圧縮機では、静翼および動翼が設けられるプラットフォーム（静翼に関してはシュラウド、動翼に関してはディスク等と呼ばれる）の隙間からギャビティに、二次空気が流入し得る。二次空気が発生すると、二次空気とロータの壁部との摩擦によって、発熱が生じ得る。発熱が生じると、エネルギロスの原因となり得る。従来、そのような発熱を抑えるために、種々の構造が検討されている（特許文献１、２、および３参照）。

特開２００６−８３８５８号公報 米国特許第６２３１２８７号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２２７４１４号明細書

上記各特許文献に記載の種々の構造には、発熱の低減という観点において改善の余地がある。本発明は、二次空気とロータとの摩擦によって生じ得る発熱を低減することができる軸流圧縮機の静翼構造を提供する。

本発明の一態様は、アウターケーシングに設けられた複数の静翼と、回転軸線を中心に回転するロータの軸部に取り付けられた複数の動翼と、が回転軸線方向に交互に配列された軸流圧縮機の静翼構造において、静翼の径方向内側には、静翼よりも回転軸線方向の下流側に突出する環状のシュラウドが固定され、シュラウドの内周側にはステータ側シール部が設けられ、ステータ側シール部は、軸部の外周面に設けられたロータ側シール部に対面しており、シュラウドの下流側端面は、ロータの軸部の径方向外側に突出するディスクに対し回転軸線方向に対面すると共にディスクとの間に隙間を形成しており、シュラウドの回転軸線方向の下流側に突出した部分の外周面の下流側端部には、静翼とは別体に形成され、回転軸線方向を基準としてロータの回転方向に傾斜する表面を含む複数の流れ旋回デバイスが周方向に配列されている。

この軸流圧縮機の静翼構造によれば、ステータのシュラウドと、ロータとの間には、キャビティが形成される。このキャビティは、ステータ側シール部とロータ側シール部とが設けられた空間に連通しており、このキャビティに、二次空気が流入する可能性がある。回転軸線方向に交互に配列された動翼と静翼を通ってきた空気（主流）は、シュラウドの外周面に沿って流れ、その後、空気（主流）の一部がキャビティに流入する。シュラウドの外周面の下流側端部に配列された複数の流れ旋回デバイスは、それぞれ、ロータの回転方向に傾斜する表面を含むため、その一部の空気は、その回転方向に旋回させられ、回転方向の成分を増大させることとなる。二次空気とロータとの間の摩擦による発熱は、ロータの回転角速度に対する二次空気の回転角速度の比が大きいほど小さくなるため、回転方向の成分を増大させる流れ旋回デバイスによれば、発熱を低減することができる。

いくつかの態様において、流れ旋回デバイスの表面は、回転方向の下流側に面する正圧面と、回転方向の上流側に面する負圧面と、を含む。この構成によれば、周方向に隣り合う流れ旋回デバイスにおいて、負圧面と正圧面とが対面する。これにより、空気の流れの旋回がより一層生じやすくなる。

いくつかの態様において、流れ旋回デバイスの表面は、表面の傾斜角度が回転軸線方向の下流側に向かうほど大きくなるように湾曲している。この構成によれば、空気の流れの旋回がより一層生じやすくなる。

本発明のいくつかの態様によれば、二次空気とロータとの摩擦によって生じ得る発熱を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る静翼構造が適用された軸流圧縮機を備えるジェットエンジンの断面図である。 図１の静翼と動翼の付近を拡大して示す断面図である。 図３の（ａ）は図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線に沿う断面図、図３の（ｂ）はロータの回転角速度と空気の回転角速度とを比較した図である。 図４の（ａ）は図２中の静翼構造を拡大して示す断面図、図４の（ｂ）は図３の（ａ）中の流れ旋回デバイスを拡大して示す断面図である。 流れ旋回デバイスの斜視図である。 流れ旋回デバイスによる発熱の低減効果を示す図である。 図７の（ａ）は従来の静翼構造を拡大して示す断面図、図７の（ｂ）は従来のロータの回転角速度と空気の回転角速度とを比較した図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、本実施形態の静翼構造２０が圧縮機３に適用されたジェットエンジン１は、ファン２と、圧縮機３と、燃焼器４と、タービン５とを備えている。ファン２は、ジェットエンジン１の内部に外気を取り込むためのものであり、回転軸線Ｌ１を中心に回転駆動される軸部６の外周面に配列された複数の動翼を含んでいる。

圧縮機３は、ファン２によって取り込まれた空気を圧縮する軸流圧縮機である。圧縮機３は、筒状のアウターケーシング１０側に固定されたステータＳと、軸部６側に固定されたロータＲとを備える。ロータＲは、アウターケーシング１０に固定された複数の静翼１２を含む。複数の静翼１２は、周方向および回転軸線Ｌ１方向に配列される。ステータＳは、軸部６の外周面に対して固定された複数の動翼１１を含む。複数の動翼１１は、方向および回転軸線Ｌ１方向に配列される。動翼１１と静翼１２とは、空気の流れ方向（回転軸線Ｌ１方向）に交互に配列されている。圧縮機３は、少なくとも２段の静翼１２を有する多段の軸流圧縮機である。

静翼１２は、アウターケーシング１０に対して、径方向に延びる軸線を中心に回転可能であってもよい。その場合、静翼１２は、角度を調整可能になっており、角度が調整された後に、固定手段によって固定され得る。これにより、主流ＭＳに対する静翼１２の傾斜角度が変更され得る。なお、静翼１２は、アウターケーシング１０に対して完全に固定されていて、角度を調整できなくてもよい。ある段の静翼１２は角度調整可能であって、別の段の静翼１２は角度調整不可能であってもよい。

燃焼器４は、圧縮機３によって圧縮された空気と燃料とを混合して混合気を燃焼するものであり、不図示の燃料供給機構と着火装置とを備えている。

タービン５は、燃焼器４にて空気及び燃料が燃焼されることによって生じた燃焼ガスが有する速度エネルギの一部を回転エネルギに変換するものである。タービン５は、当該回転エネルギによってファン２及び圧縮機３を駆動する。

このような構成を有するジェットエンジン１において、空気は、ファン２によってジェットエンジン１の内部に取り込まれる。そして、圧縮機３に供給された空気は、圧縮機３にて圧縮された後、燃焼器４にて燃料と共に燃焼される。そして、燃焼によって発生した燃焼ガスの速度エネルギの一部は、タービン５にて回転エネルギに変換されてファン２及び圧縮機３の駆動に用いられる。一方、燃焼ガスの残りの速度エネルギは、燃焼ガスがジェットエンジン１の後部から排気される際にジェットエンジン１に推進力を付与するのに用いられる。この結果、ジェットエンジン１が推進する。このような空気及び燃焼ガスの流れをガス流の主流ＭＳとする。なお、本明細書においては、ジェットエンジン１内における主流ＭＳを基準として「上流側」「下流側」の語を用いる。なお、ロータの回転方向を基準として「上流側」「下流側」の語を用いる場合もあるが、その場合は、ロータの回転方向が基準である旨を明記する。また、回転軸線Ｌ１を基準として「外周」「内周」の語を用いる。

図２〜図４を参照して、本実施形態の静翼構造２０について詳細に説明する。図２に示されるように、静翼１２の回転軸線Ｌ１側の内端部には、環状のシュラウド１７固定されている。シュラウド１７の外周面は、静翼１２よりも回転軸線Ｌ１方向において大きい。すなわち、シュラウド１７は、静翼１２よりも、上流側および下流側に突出している。シュラウド１７の内周側には、シールサポート１９およびハニカムシール１８が設けられている。シールサポート１９およびハニカムシール１８は、ステータ側シール部である。

一方、ロータＲは、軸部６の外周面を構成する複数の環状のスペーサ１４と、スペーサ１４の外周側に突出するディスク１３と、ディスク１３の外周側に固定された動翼１１とを含む。ディスク１３は、ブリスクとも呼ばれる。ディスク１３の内周側端部は、隣り合うスペーサ１４，１４によって挟まれており、その内周側端部とスペーサ１４，１４とを貫通するボルト１５によって締結・固定されている。スペーサ１４の外周面には、隣り合うディスク１３，１３間において、ハニカムシール１８に向けて突出するシール歯１６が設けられている。シール歯１６は、ロータ側シール部である。上記のハニカムシール１８は、シール歯１６に対面している。これらの間には、僅かなクリアランスが存在する。

シュラウド１７の外径とディスク１３の外径とは、ほぼ同じである。よって、シュラウド１７の外周面とディスク１３の外周面とは、径方向においてほぼ同じ位置に位置する。シュラウド１７とディスク１３との間には隙間（クリアランス）が形成されており、その隙間は、キャビティＣをなしている。キャビティＣは、シュラウド１７の下流側の空間と、ハニカムシール１８とシール歯１６との間の空間と、シュラウド１７の上流側の空間とを含む。

キャビティＣには、いわゆる二次空気が流れ得る。すなわち、動翼１１と静翼１２を通ってきた空気（主流ＭＳ）は、シュラウド１７の外周面に沿って流れ、その後、空気（主流）の一部がキャビティに流入する（流入流れＦ_ｉｎ参照）。この二次空気は、ハニカムシール１８とシール歯１６との間を通って上流に向けて流れ（戻り流れＦ_ｏｕｔ参照）、静翼１２の上流側に戻る。

静翼構造２０は、この二次空気の向きを変更するための、すなわち流れを旋回させるための機構を有している。静翼構造２０は、シュラウド１７の外周面の下流側端部に形成された湾曲する切欠き面２２と、切欠き面２２から突出する複数の流れ旋回デバイス２１とを備える。

図３の（ａ）および図４の（ａ）に示されるように、複数の流れ旋回デバイス２１は、周方向に配列されている。流れ旋回デバイス２１は、たとえば、等間隔に配列されている。流れ旋回デバイス２１の枚数は、たとえば、静翼１２の枚数より多い。流れ旋回デバイス２１の枚数は、たとえば、静翼１２の枚数の２倍より多い。流れ旋回デバイス２１は、静翼１２の下流側に位置する。言い換えれば、流れ旋回デバイス２１は、静翼１２と動翼１１との間、あるいは、静翼１２とディスク１３との間に配置される。

図４の（ｂ）に示されるように、各流れ旋回デバイス２１は、同じ形状および大きさを有している。各流れ旋回デバイス２１は、回転軸線Ｌ１を基準としてロータＲの回転方向に傾斜する表面である正圧面２１ａと負圧面２１ｂとを含む。正圧面２１ａは、ロータＲの回転方向の下流側に面している。負圧面２１ｂは、ロータＲの回転方向の上流側に面している。正圧面２１ａおよび負圧面２１ｂは、いずれも、回転軸線Ｌ１方向の下流側に向かうほど傾斜角度が大きくなるように、湾曲している。正圧面２１ａは凹面であり、負圧面２１ｂは凸面である。

図４の（ａ）および図５に示されるように、正圧面２１ａと負圧面２１ｂとの間の長さである流れ旋回デバイス２１の厚みは、下流側に向かうほど小さくなっていてもよい。流れ旋回デバイス２１の外周端面２１ｃは、図４の（ａ）に示されるように、一定の高さを有しており、シュラウド１７の外周面（動翼１１が設けられた部分の外周面）と、径方向においてほぼ同じ位置に位置する。流れ旋回デバイス２１の下流側端面２１ｄは、ほとんど幅を持たない直線状であり、シュラウド１７の下流側の側面とほぼ面一になっている。

切欠き面２２は、シュラウド１７の外周面よりも低く（回転軸線Ｌ１側に）落ち込んでおり、湾曲している。これにより、流れ旋回デバイス２１の正圧面２１ａおよび負圧面２１ｂは、いずれも、回転軸線Ｌ１の下流側に向かうほど面積が大きくなっている。なお、切欠き面２２の形状は、必ずしも本実施形態の形状に限られない。切欠き面２２が設けられずに、シュラウド１７の円筒状の外周面から流れ旋回デバイス２１が突出してもよい。流れ旋回デバイス２１の外周端面２１ｃは、シュラウド１７の外周面より内周側に低くなっていてもよい。流れ旋回デバイス２１の外周端面２１ｃは、一定の高さを有さずに、変化する高さを有してもよい。

この圧縮機３の静翼構造２０によれば、回転軸線Ｌ１方向に交互に配列された動翼１１と静翼１２を通ってきた空気（主流）は、シュラウド１７の外周面に沿って流れ、その後、空気（主流）の一部がキャビティＣに流入する。シュラウド１７の外周面の下流側端部に配列された複数の流れ旋回デバイス２１は、それぞれ、ロータＲの回転方向に傾斜する表面２１ａ，２１ｂを含むため、その一部の空気は、その回転方向に旋回させられる。図３（ｂ）に示されるように、空気回転角速度Ｖ_ａは、回転方向成分Ｖ_ａ１を増大させ、軸線方向成分Ｖ_ａ２を減少させることとなる。下記式（１）に示されるように、二次空気とロータＲのディスク１３との間の摩擦による発熱（Ｗｉｎｄａｇｅ）は、ロータＲのロータ回転角速度Ｖ_ｒに対する二次空気の回転方向成分Ｖ_ａ１の比が大きいほど小さくなる。回転方向成分Ｖ_ａ１を増大させる流れ旋回デバイス２１によれば、発熱を低減することができる。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示される従来の静翼構造では、シュラウド１７の外周面に沿って流れた空気は、回転軸線Ｌ１に比較的近い角度で流れ、その結果、回転方向成分Ｖ_ａ１は小さく、軸線方向成分Ｖ_ａ２は大きかった。上記式（１）に示されるように、ロータＲのロータ回転角速度Ｖ_ｒに対して二次空気の回転方向成分Ｖ_ａ１が小さいと、ロータＲの壁部（たとえばディスク１３の側壁部）との摩擦によって、発熱が大きくなる傾向にあった。流れ旋回デバイス２１を備える静翼構造２０によれば、そのような発熱が低減されている。

正圧面２１ａと負圧面２１ｂを含む流れ旋回デバイス２１によれば、周方向に隣り合う流れ旋回デバイス２１，２１において、負圧面２１ｂと正圧面２１ａとが対面する。これにより、空気の流れの旋回がより一層生じやすくなる。

流れ旋回デバイス２１の表面２１ａ，２１ｂが下流側に向かうほど大きくなるように湾曲する構成によれば、空気の流れの旋回がより一層生じやすくなる。

図６は、流れ旋回デバイス２１によってロータ回転角速度Ｖ_ｒに対する二次空気の回転方向成分Ｖ_ａ１の比を大きくした場合の、発熱の低減効果を示す図である。横軸は入口スワール比であり、縦軸は発熱の減少比である。たとえば、入口スワール比が０．２である場合と０．５である場合とにおいて、約２割の発熱の減少が見られることがわかる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。流れ旋回デバイス２１の枚数や形状は、上記実施形態と異なってもよい。流れ旋回デバイス２１は、シュラウド１７の外周面から突出する場合に限られず、シュラウド１７の外周面に形成された、回転軸線Ｌ１方向に対して傾斜するように延びる溝状であってもよい。
また、圧縮機の段ごとに流れ旋回デバイス２１の枚数や形状を変えてもよい。

本発明の静翼構造は、あらゆる軸流圧縮機に適用可能である。ジェットエンジン１のタイプは限定されない。さらには、ガスタービンエンジンに適用されてもよい。

１ ジェットエンジン
２ ファン
３ 圧縮機（軸流圧縮機）
４ 燃焼器
５ タービン
１０ アウターケーシング
１１ 動翼
１２ 静翼
１３ ディスク
１４ スペーサ
１６ シール歯（ロータ側シール部）
１７ シュラウド
１８ ハニカムシール（ステータ側シール部）
２０ 静翼構造
２１ 流れ旋回デバイス
２１ａ 正圧面
２１ｂ 負圧面
２２ 切欠き面
Ｃ キャビティ
Ｌ１ 回転軸線
Ｒ ロータ
Ｓ ステータ
Ｖ_ａ 空気回転角速度
Ｖ_ａ１ 回転方向成分
Ｖ_ａ２ 軸線方向成分
Ｖ_ｒ ロータ回転角速度

Claims (3)

1. アウターケーシングに設けられた複数の静翼と、回転軸線を中心に回転するロータの軸部に取り付けられた複数の動翼と、が回転軸線方向に交互に配列された軸流圧縮機の静翼構造において、
   前記静翼の径方向内側には、前記静翼よりも前記回転軸線方向の下流側に突出する環状のシュラウドが固定され、前記シュラウドの内周側にはステータ側シール部が設けられ、前記ステータ側シール部は、前記軸部の外周面に設けられたロータ側シール部に対面しており、
   前記シュラウドの下流側端面は、前記ロータの前記軸部の径方向外側に突出するディスクに対し前記回転軸線方向に対面すると共に前記ディスクとの間に隙間を形成しており、
   前記シュラウドの前記回転軸線方向の下流側に突出した部分の外周面の下流側端部には、前記静翼とは別体に形成され、前記回転軸線方向を基準として前記ロータの回転方向に傾斜する表面を含む複数の流れ旋回デバイスが周方向に配列されている、軸流圧縮機の静翼構造。
2. 前記流れ旋回デバイスの前記表面は、
   前記回転方向の下流側に面する正圧面と、
   前記回転方向の上流側に面する負圧面と、を含む、請求項１に記載の軸流圧縮機の静翼構造。
3. 前記流れ旋回デバイスの前記表面は、前記表面の傾斜角度が前記回転軸線方向の下流側に向かうほど大きくなるように湾曲している、請求項１または２に記載の軸流圧縮機の静翼構造。

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