JP6952630B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は遠心圧縮機に関する。

ガスタービン等に用いられる遠心圧縮機として、所定のピッチをもって設けられた複数のロータブレードを含むインペラと、前記インペラに対向して設けられ、前記インペラと協働して前記軸線方向に向けて開口した円環状のインペラ入口部及び径方向外方に向けて開口した円環状のインペラ出口部を画定するシュラウドと、前記インペラの径方向外方に配置され、径方向内方に向けて開口し、前記インペラ出口部に対向する円環状のディフューザ入口部を有するディフューザと、前記ディフューザ入口部に周方向に所定のピッチをもって設けられた複数のステータベーンと有するクローズドインペラ方式の遠心圧縮機が知られている（例えば、特許文献１、２）。

遠心圧縮機に用いられる翼付ディフューザとして、ディフューザ入口部にディフューザの翼（ステータベーン）と等ピッチで複数の小孔が設けられ、複数の小孔が環状通路によって互いに連通している翼付ディフューザが知られている（例えば、特許文献３）。

特開２００１−３０４１８６号公報 特開２００１−３４２９９５号公報 特開平１０−３７８９９号公報

遠心圧縮機では、インペラ出口部に、各ロータブレードの回転方向進み側の圧力面側で圧力が高く、各ロータブレードの回転方向遅れ側の負圧面側で圧力が低くなる圧力分布が発生する。インペラ出口部からの作動流体はその圧力分布をもってディフューザ入口部に向かうから、ディフューザ入口部付近にもインペラ出口部と同様の圧力分布が発生する。

インペラのロータブレードとディフューザのステータベーンとはインペラの回転によって相対回転運動をしており、インペラ出口部からの作動流体は常にステータベーンの前縁部材を通過するため、インペラ出口部の圧力分布はステータベーンの前縁部に生じている圧力分布の影響を受けてインペラ出口部に繰り返しの大きい圧力変動が発生する。この圧力変動によってロータブレードが加振され、振動によってロータブレードの耐久性が低下する虞がある。

上述の翼付ディフューザは、ディフューザ入口部において複数の小孔及び環状通路によってインペラの回転方向に圧力伝播が行われることを期待してインペラ出口部及びディフューザ入口部における圧力変動の低減を試みたものであるが、隣り合うステータベーン周りの圧力分布は概ね同一であることから、各小孔の配置がステータベーンと等ピッチであると、隣り合う小孔間で圧力伝播が有効に行われず、インペラ出口部及びディフューザ入口部における圧力変動の効果的な低減を期待できない。このため、圧力変動によるロータブレードの振動を低減できず、ロータブレードの耐久性の向上を図ることが難しい。

本発明が解決しようとする課題は、遠心圧縮機において、インペラ出口部及びディフューザ入口部の圧力変動を低減し、ロータブレードの耐久性の向上を図ることである。

本発明の一つの実施形態による遠心圧縮機は、所定のピッチをもって設けられた複数のロータブレード（７４）を含むインペラ（７０）と、前記インペラ（７０）に対向して設けられ、前記インペラ（７０）と協働して軸線方向に向けて開口した円環状のインペラ入口部（４２Ａ）及び径方向外方に向けて開口した円環状のインペラ出口部（４２Ｂ）を画定するシュラウド（７２）と、前記インペラ（７０）の径方向外方に配置され、径方向内方に向けて開口し、前記インペラ出口部（４２Ｂ）に対向する円環状のディフューザ入口部（７６Ａ）を有するディフューザ（７６）と、前記ディフューザ入口部（７６Ａ）に周方向に所定のピッチをもって設けられた複数のステータベーン（７８）とを具備し、前記シュラウド（７２）は、前記インペラ出口部（４２Ｂ）に隣接する部位に前記インペラ（７０）に向けて開口した複数の開口（８０）と、各開口（８０）を互いに連通する連通路（８２）とを含み、前記開口（８０）は、周方向に前記ステータベーン（７８）と同ピッチで設けられた複数の開口（８０Ａ）からなる第１の開口群（Ａ）と、前記第１の開口群（Ａ）の隣り合う開口（８０Ａ）間に配置された複数の開口（８０Ｂ）からなる第２の開口群（Ｂ）とを含む。

この構成によれば、インペラ（７０）の回転に伴うインペラ出口部（４２Ｂ）の圧力変動によって第１の開口群（Ａ）と開口（８０Ａ）と第２の開口群（Ｂ）と開口（８０Ｂ）に作用する作動流体に差があるインペラ（７０）の回転位相の区間が多くなり、これに伴い、多くの回転位相において隣り合う開口（８０Ａ）と（８０Ｂ）との間で圧力の伝播が行われ、両開口（８０Ａ）と（８０Ｂ）との間の圧力差が低下する。これにより、インペラ出口部（４２Ｂ）及びディフューザ入口部（７８Ａ）の圧力変動が低減し、流体加振によるロータブレード７４の振動が低減し、ロータブレード７４の耐久性が向上する。

上記遠心圧縮機において、好ましくは、前記第１の開口群（Ａ）の各開口（８０Ａ）及び前記第２の開口群（Ｂ）の各開口（８０Ｂ）は前記インペラ（７０）と同心の一つの同心円上に設けられている。

この構成によれば、開口（８０Ａ）及び（８０Ｂ）に作用する作動流体の圧力が径方向で見て同一部位における圧力変動のものになり、開口（８０Ａ）と（８０Ｂ）との間の圧力伝播によってロータブレード（７４）の振動モードに対して径方向に同一の距離の位置における圧力授受により圧力変動の低減が行われ、ロータブレード（７４）の振動の低減が効果的に行われる。

上記遠心圧縮機において、好ましくは、前記第２の開口群（Ｂ）の各開口（８０Ｂ）は前記第１の開口群（Ａ）の隣り合う開口（８０Ａ）間の１／２の位置を基準として前記インペラ（７０）の回転方向進み側及び回転方向遅れ側に各々前記ステータベーン（７８）の前記ピッチの１／４ピッチに相当する回転角だけ変位した回転角範囲に設けられている。

この構成によれば、インペラ出口部（４２Ｂ）及びディフューザ入口部（７８Ａ）の圧力変動を低減するための開口（８０Ａ）と（８０Ｂ）との間の圧力伝播による圧力変動の低減によってロータブレード（７４）の振動低減が良好に行われる。

上記遠心圧縮機において、好ましくは、前記第２の開口群（Ｂ）の各開口（８０Ｂ）は前記第１の開口群（Ａ）の隣り合う開口（８０Ａ）間の１／２の位置に設けられている。

この構成によれば、インペラ出口部（４２Ｂ）及びディフューザ入口部（７８Ａ）の圧力変動を低減するための開口（８０Ａ）と（８０Ｂ）との間の圧力伝播による圧力変動の低減によってロータブレード（７４）の振動低減が良好に行われる。

上記遠心圧縮機において、好ましくは、前記連通路（８２）は、前記インペラ（７０）と同心の円環状通路であり、前記第１の開口群（Ａ）及び前記第２の開口群（Ｂ）の全ての前記開口（８０Ａ、８０Ｂ）を互いに連通する。

この構成によれば、簡単な連通路（８２）の構成によって第１の開口群（Ａ）及び第２の開口群（Ｂ）の全ての開口（８０Ａ、８０Ｂ）を互いに連通することができる。

本発明による圧縮機によれば、インペラ出口部の圧力変動が低減し、ロータブレードの振動が低減し、ロータブレードの耐久性が向上する。

本実施形態の遠心圧縮機が用いられる航空機用のガスタービンエンジンの概要を示す断面図 本実施形態の遠心圧縮機の拡大断面図 本実施形態の遠心圧縮機の拡大正面図 本実施形態の遠心圧縮機の圧力特性を示す図

以下に、本発明による遠心圧縮機の実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。

先ず、本実施形態の遠心圧縮機が用いられる航空機用のガスタービンエンジン（ターボファンエンジン）の概要を、図１を参照して説明する。

ガスタービンエンジン１０は、互いに同心に配置された略円筒状のアウタケーシング１２およびインナケーシング１４を有する。インナケーシング１４は内部に前部第１ベアリング１６および後部第１ベアリング１８によって低圧系回転軸２０を回転自在に支持している。低圧系回転軸２０は外周に前部第２ベアリング２２および後部第２ベアリング２４によって中空軸による高圧系回転軸２６を回転自在に支持している。

低圧系回転軸２０はインナケーシング１４より前方に突出した略円錐形状の先端部２０Ａを含む。先端部２０Ａの外周には周方向に複数のフロントファン２８が設けられている。フロントファン２８の下流側にはアウタケーシング１２に接合された外端およびインナケーシング１４に接合された外端を含む複数のステータベーン３０が周方向に所定の間隔をおいて設けられている。ステータベーン３０の下流側には、アウタケーシング１２とインナケーシング１４との間に形成された円環状断面のバイパスダクト３２と、インナケーシング１４に同心に形成された円環状断面の空気圧縮用ダクト３４とが並列に設けられている。

空気圧縮用ダクト３４の入口部には軸流圧縮機３６が設けられている。軸流圧縮機３６は、低圧系回転軸２０の外周に設けられた前後２列の動翼列３８と、インナケーシング１４に設けられた前後２列の静翼列４０とを軸線方向に互いに隣接して交互に有する。

空気圧縮用ダクト３４の出口部には静翼列４６及び遠心圧縮機４２が設けられている。

遠心圧縮機４２の下流側には遠心圧縮機４２から圧縮空気を供給される逆流燃焼室５２を画定する燃焼室部材５４が設けられている。インナケーシング１４には逆流燃焼室５２に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズル５６が設けられている。逆流燃焼室５２は燃料と空気との混合気の燃焼によって高圧の燃焼ガスを生成する。逆流燃焼室５２の出口部にはノズルガイドベーン列５８が設けられている。

逆流燃焼室５２の下流側には逆流燃焼室５２にて生成された燃焼ガスを噴付けられる高圧タービン６０および低圧タービン６２が設けられている。高圧タービン６０は高圧系回転軸２６の外周に固定された高圧タービンホイール６４を含む。低圧タービン６２は、高圧タービン６０の下流側にあり、インナケーシング１４に固定された複数のノズルガイドベーン列６６と、低圧系回転軸２０の外周に設けられた複数の低圧タービンホイール６８とを軸線方向に交互に有する。

ガスタービンエンジン１０の始動に際しては、スタータモータ（不図示）によって高圧系回転軸２６を回転駆動することが行われる。高圧系回転軸２６が回転駆動されると、遠心圧縮機４２によって圧縮された空気が逆流燃焼室５２に供給され、逆流燃焼室２９における空気と燃料との混合気の燃焼によって燃料ガスが発生する。燃料ガスは高圧タービンホイール６４および低圧タービンホイール６８に噴付けられ、これらタービンホイール６４、６８を回転させる。

これにより、低圧系回転軸２０および高圧系回転軸２６が回転し、フロントファン１９が回転すると共に軸流圧縮機３６および遠心圧縮機４２が運転され、圧縮空気が逆流燃焼室５２に供給される。これにより、ガスタービンエンジン１０はスタータモータの停止後も運転を継続する。

ガスタービンエンジン１０の運転中に、フロントファン２８が吸い込んだ空気の一部は、バイパスダクト３２を通過して後方に噴出し、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。フロントファン２８が吸い込んだ空気の残部は、逆流燃焼室５２に供給されて燃料との混合気として燃焼し、燃焼ガスは低圧系回転軸２０および高圧系回転軸２６の回転駆動に寄与した後に後方に噴出し、推力を発生する。

次に、図２及び図３を参照して遠心圧縮機４２の詳細を説明する。

遠心圧縮機４２は、高圧系回転軸２６に設けられたインペラ７０と、インナケーシング１４の一部によって構成されたシュラウド７２とを有するクローズドインペラ方式のものである。インペラ７０は、高圧系回転軸２６の中心軸線周りに所定のピッチをもって設けられた複数のロータブレード７４を含む。シュラウド７２は、インペラ７０の前側、換言するとロータブレード７４に対向して設けられ、インペラ７０と協働して軸線方向前側に向けて開口した円環状のインペラ入口部４２Ａ及び径方向外方に向けて開口した円環状のインペラ出口部４２Ｂを画定する。

インペラ７０の径方向外方にはディフューザ７６が固定配置されている。ディフューザ７６は、径方向内方に向けて開口し、インペラ出口部４２Ｂに対向する円環状のディフューザ入口部７６Ａ及び軸線方向後側に向けて開口したディフューザ出口部７６Ｂを有する。ディフューザ入口部７６Ａには周方向に所定のピッチをもって複数のステータベーン７８が設けられている。ステータベーン７８のピッチはロータブレード７４のピッチと同一であってよい。

シュラウド７２にはインペラ出口部４２Ｂに隣接する部位にインペラ７０に向けて開口した複数の開口８０が形成されている。開口８０は、図３に示されているように、周方向にステータベーン７８と同ピッチで設けられた複数の開口８０Ａからなる第１の開口群Ａと、第１の開口群Ａの隣り合う開口８０Ａ間に配置された複数の開口８０Ｂからなる第２の開口群Ｂとを含む。

第１の開口群Ａの各開口８０Ａと第２の開口群Ｂの各開口８０Ｂとはインペラ７０と同心の一つの同心円上に設けられている。各開口８０Ａは周方向で見てステータベーン７８に整合する位置にある。各開口８０Ｂは隣り合う開口８０Ａ間の１／２の位置に設けられている。これにより、各開口８０Ｂは周方向で見て隣り合うステータベーン７８間の１／２の位置にある。第２の開口群Ｂの各開口８０Ｂは第１の開口群Ａの開口８０Ａと各開口８０Ｂとを総括した開口８０のピッチはステータベーン７８のピッチの１／２のピッチになる。

シュラウド７２にはインペラ７０と同心の円環状通路による連通路８２が形成されている。連通路８２は第１の開口群Ａ及び第２の開口群Ｂの全ての開口８０Ａ、８０Ｂを互いに連通する。

インペラ７０の回転に伴うインペラ出口部４２Ｂ及びディフューザ入口部７６Ａの作動流体の圧力は、図４（Ａ）、（Ｂ）に符号Ｐ（波形）によって示されているように、ロータブレード７４の１ピッチ相当の回転毎に１サイクルのサインカーブをもって変化するイメージである。

図４（Ａ）に示されているように、各ロータブレード７４が各開口８０Ａに整合する回転位相（１／１ピッチの回転位相）にインペラ７０がある時には、開口８０Ａ及び８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐは、全ての開口８０Ａ及び８０Ｂにおいてゼロであり、隣り合う開口８０Ａと８０Ｂとの間で圧力の伝搬が行われない。

この回転位相からインペラ７０の回転が進むと、開口８０Ａに作用する作動流体の圧力Ｐが正圧側に上昇する一方、開口８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐが負圧側に降下し、図４（Ｂ）に示されている１／４ピッチの回転位相で、開口８０Ａに作用する作動流体の圧力Ｐが正圧最大＋Ｐｍａｘに、開口８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐが負圧最大−Ｐｍａｘになる。

これより更にインペラ７０の回転が進むと、開口８０Ａに作用する作動流体の圧力Ｐが負圧側に降下する一方、開口８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐが正圧側に上昇し、３／４ピッチの回転位相で、開口８０Ａに作用する作動流体の圧力Ｐが負圧最大−Ｐｍａｘに、開口８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐが正圧最大＋Ｐｍａｘになる。

これより更にインペラ７０の回転が進むと、開口８０Ａに作用する作動流体の圧力Ｐは正圧側に上昇すると共に開口８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐが負圧側に降下し、１／１ピッチの回転位相で再び開口８０Ａ及び８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐがゼロになる。

上述のように、インペラ７０の回転に伴って開口８０Ａ及び８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐが変化し、開口８０Ａ及び８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐに差があるインペラ７０の回転位相においては隣り合う開口８０Ａと８０Ｂとの間で圧力の伝播が行われ、両開口８０Ａと８０Ｂとの間の圧力差が低下する。

これにより、インペラ出口部４２Ｂ、ディフューザ入口部７８Ａ及びそれらの近傍の圧力変動が低減し、流体加振によるロータブレード７４及びステータベーン７８の振動が低減し、ロータブレード７４及びステータベーン７８の耐久性が向上する。

第１の開口群Ａの各開口８０Ａ及び前記第２の開口群Ｂの各開口８０Ｂはインペラ７０と同心の一つの同心円上に設けられているので、開口８０Ａ及び８０Ｂに作用する作動流体の圧力Ｐが径方向で見て同一部位における圧力変動のものになり、開口８０Ａと８０Ｂとの間の圧力伝播によってロータブレード７４の振動モードに対して径方向に同一の距離の位置における圧力授受が行われる。このことにより、圧力変動の低減が効果的に行われ、ロータブレード７４及びステータベーン７８の振動の低減が効果的に行われ、ロータブレード７４及びステータベーン７８の耐久性が向上する。

連通路８２は、インペラ７０と同心の円環状通路であることにより、簡単な構成によって第１の開口群Ａ及び第２の開口群Ｂの全ての開口８０Ａ、８０Ｂを互いに連通することができる。

この構成によれば、簡単な連通路（８２）の構成によって第１の開口群（Ａ）及び第２の開口群（Ｂ）の全ての開口（８０Ａ、８０Ｂ）を互いに連通することができる。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、第２の開口群Ｂの各開口８０Ｂの位置は、第１の開口群Ａの隣り合う開口８０Ａ間の１／２の位置に限られることはなく、第２の開口群Ｂの各開口８０Ｂは第１の開口群Ａの隣り合う開口８０Ａ間の１／２の位置を基準としてインペラ７０の回転方向進み側及び回転方向遅れ側に各々ステータベーン７８のピッチの１／４ピッチに相当する回転角だけ変位した回転角範囲等、隣り合う開口８０Ａと開口８０Ｂとの間で、インペラ出口部４２Ｂ及びディフューザ入口部７６Ａの圧力変動の低減に有効な圧力差が生じるべき位置であればよい。また、ステータベーン７８のピッチとロータブレード７４のピッチとは互いに異なっていてもよい。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ ：ガスタービンエンジン
１２ ：アウタケーシング
１４ ：インナケーシング
１６ ：前部第１ベアリング
１８ ：後部第１ベアリング
１９ ：フロントファン
２０ ：低圧系回転軸
２０Ａ ：先端部
２２ ：前部第２ベアリング
２４ ：後部第２ベアリング
２６ ：高圧系回転軸
２８ ：フロントファン
２９ ：逆流燃焼室
３０ ：ステータベーン
３２ ：バイパスダクト
３４ ：空気圧縮用ダクト
３６ ：軸流圧縮機
３８ ：動翼列
４０ ：静翼列
４２ ：遠心圧縮機
４２Ａ ：インペラ入口部
４２Ｂ ：インペラ出口部
４６ ：静翼列
５２ ：逆流燃焼室
５４ ：燃焼室部材
５６ ：燃料噴射ノズル
５８ ：ノズルガイドベーン列
６０ ：高圧タービン
６２ ：低圧タービン
６４ ：高圧タービンホイール
６６ ：ノズルガイドベーン列
６８ ：低圧タービンホイール
７０ ：インペラ
７２ ：シュラウド
７４ ：ロータブレード
７６ ：ディフューザ
７６Ａ ：ディフューザ入口部
７６Ｂ ：ディフューザ出口部
７８ ：ステータベーン
８０ ：開口
８０Ａ ：開口
８０Ｂ ：開口
８２ ：連通路
Ａ ：第１の開口群
Ｂ ：第２の開口群

Claims (5)

1. 遠心圧縮機であって、
   所定のピッチをもって設けられた複数のロータブレードを含むインペラと、
   前記インペラに対向して設けられ、前記インペラと協働して軸線方向に向けて開口した円環状のインペラ入口部及び径方向外方に向けて開口した円環状のインペラ出口部を画定するシュラウドと、
   前記インペラの径方向外方に配置され、径方向内方に向けて開口し、前記インペラ出口部に対向する円環状のディフューザ入口部を有するディフューザと、
   前記ディフューザ入口部に周方向に所定のピッチをもって設けられた複数のステータベーンとを具備し、
   前記シュラウドは、前記インペラ出口部に隣接する部位に前記インペラに向けて開口した複数の開口と、各開口を互いに連通する連通路とを含み、
   前記開口は、周方向に前記ステータベーンと同ピッチで設けられた複数の開口からなる第１の開口群と、前記第１の開口群の隣り合う開口間に配置された複数の開口からなる第２の開口群とを含む遠心圧縮機。
2. 前記第１の開口群の各開口及び前記第２の開口群の各開口は前記インペラと同心の一つの同心円上に設けられている請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記第２の開口群の各開口は前記第１の開口群の隣り合う開口間の１／２の位置を基準として前記インペラの回転方向進み側及び回転方向遅れ側に各々前記ステータベーンの前記ピッチの１／４ピッチに相当する回転角だけ変位した回転角範囲に設けられている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記第２の開口群の各開口は前記第１の開口群の隣り合う開口間の１／２の位置に設けられている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
5. 前記連通路は、前記インペラと同心の円環状通路であり、前記第１の開口群及び前記第２の開口群の全ての前記開口を互いに連通する請求項１から４の何れか一項に記載の遠心圧縮機。

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