JP7017446B2 - 軸流圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、軸流圧縮機に関し、更に詳細には、軸流圧縮機の静翼列に関する。

ガスタービン等に用いられる軸流圧縮機として、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸の中心軸線周りに所定のピッチをもって前記回転軸に設けられた複数の動翼を含む動翼列と、前記中心軸線方向について前記動翼列の前側又は後側に隣接するように前記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静翼を含む静翼列とを有するものが知られている（例えば、特許文献１、２）。

特開平１１－２００８０８号公報 特開２００７－１００７００号公報

従来の軸流圧縮機は、各動翼及び各静翼の双方が、回転軸の中心軸線から放射状に伸びる径方向線上に配置されているため、動翼列が中心軸線周りの回転しているときに、動翼と静翼とが、軸線方向で見て、同時にスパン方向全体がオーバラップし、その後に同時にスパン方向全体にオーバラップしなくなることを繰り返す。このため、従来の軸流圧縮機では、径方向に亘って同時の圧力変動が生じ、この圧力変動によって各動翼及び各静翼が、動翼、静翼によく見られる最低次の振動モードやスパン方向に同位相の振動モードで加振され、振動により動翼列及び静翼列の耐久性が低下する虞がある。

従来の軸流圧縮機では、各動翼及び各静翼の双方が、回転軸の中心軸線から放射状に伸びる径方向線上に配置されているため、動翼列と静翼列とにおいて、各静翼の下流側に速度損失を生じるウェイク領域が発生し、各静翼の上流側に圧力場であるポテンシャル領域が発生するため、圧力分布が周方向で変化し、静翼間の空気（作動流体）の流れが不均一な状態になる。このような不均一な状態の空気の流れが生じた静翼列の下流側或いは上流側を動翼列が回転移動することにより、各動翼には不均一な圧力状態の空気の流れによって発生する所謂翼列干渉による流体加振力がスパン方向全体に同時に作用することになり、このことによって、動翼列及び静翼列の耐久性が低下する虞がある。

本発明が解決しようとする課題は、軸流圧縮機において、動翼列の回転時に各動翼及び各静翼に生じる振動を低減し、動翼列及び静翼列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軸流圧縮機は、ケーシング（１４）と、前記ケーシング（１４）内に回転可能に設けられた回転軸（２０）と、前記回転軸（２０）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動翼（７０）を含む動翼列（３８）と、前記中心軸線方向について前記動翼列（３８）の前側又は後側に隣接するように、前記中心軸線周りに所定のピッチをもって前記ケーシング（１４）内に設けられた複数の静翼（７２）を含む静翼列（４０）とを有し、各動翼（７０）は前記中心軸線から放射状に伸びる径方向線（Ｒ）上に配置され、各静翼（７２）は前記径方向線（Ｒ）に対して周方向に傾斜した傾斜線（Ｉ）上に配置されている。

この構成によれば、動翼列（３８）の回転において、各動翼（７０）と各静翼（７２）とが軸線方向で見てオーバラップする部分は、翼のスパン方向に位相差（時間差）ができる。これにより、各動翼（７０）及び各静翼（７２）に生じるスパン方向に同位相のモードの振動が低減し、動翼列（３８）及び静翼列（４０）の耐久性が向上する。尚、径方向線（Ｒ）に対する傾斜線（Ｉ）の傾斜は、動翼列（３８）の回転方向進み側及び回転方向遅れ側の何れであってもよい。

上記軸流圧縮機おいて、好ましくは、各静翼（７２）は内端に対する外端の周方向の変位量が前記静翼（７２）の前記ピッチの１／２以上に相等する傾斜に対応する。

この構成によれば、翼列部における圧力変動の振動運動に対する仕事がハブ部（翼根部）とチップ部（翼端部）とで相殺する位相関係となり、スパン方向に同位相の振動モードにおいて振動低減ができ、動翼列（３８）及び静翼列（４０）の耐久性が向上する。各静翼（７２）の内端に対する外端の周方向の変位量が大きいほど、つまり傾斜が大きいほど、１つの静翼（７２）或いは１つの動翼（７０）のスパン方向に見て、より局所化した位相差が付けられ、各動翼（７０）及び各静翼（７２）に生じる低次の振動モードの振動低減が効果的に行われる。

上記軸流圧縮機おいて、より好ましくは、各静翼（７２）は内端に対する外端の周方向の変位量が前記静翼（７２）の１ピッチに相等する傾斜に対応する。

この構成によれば、動翼列（３８）が回転している状態において、翼のスパン方向に１／４分割した領域ごとに圧力変動の振動運動に対する仕事が変化する。これにより、静翼（７２）のスパン方向に同位相の振動モードの振動低減が効果的に行われ、動翼列（３８）及び静翼列（４０）の耐久性が向上する。

上記軸流圧縮機おいて、好ましくは、複数の前記静翼列（４０）と複数の前記動翼列（３８）とが軸線方向に交互に設けられている。

この構成によれば、多段の軸流圧縮機においても、翼列部における圧力変動についてスパン方向に時間差が作られ、各動翼列（３８）及び各静翼列（４０）の耐久性が向上する。

本発明による軸流圧縮機によれば、動翼列の回転時に各動翼及び各静翼に生じる振動が低減し、動翼列及び静翼列の耐久性が向上する。

本実施形態の軸流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 本実施形態の軸流圧縮機の動翼列を部分的に示す正面図 本実施形態の軸流圧縮機の静翼列を部分的に示す正面図 本実施形態の軸流圧縮機の動翼列及び静翼列を部分的に示す展開図 本実施形態の軸流圧縮機の静翼の傾斜を解図的に示す正面図 本実施形態及び従来例の圧力特性を示すグラフ 他の実施形態の圧力特性を示すグラフ

以下に、本発明による軸流圧縮機の実施形態を、図１～図４を参照して説明する。

先ず、本実施形態の軸流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の出口部には遠心圧縮機４２が設けられている。遠心圧縮機４２は高圧系回転軸２６の外周に設けられたインペラ４４を有する。空気圧縮用ダクト３４の出口部にはインペラ４４の上流側に位置する静翼列４６が設けられている。遠心圧縮機４２の出口部にはインナケーシング１４に固定されたデフューザ５０が設けられている。

デフューザ５０の下流側にはデフューザ５０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～図４を参照して軸流圧縮機３６の詳細を説明する。

各動翼列３８は、図２及び図４に示されているように、低圧系回転軸２０の中心軸線周りに所定のピッチ角θｒをもって設けられた翼断面形状（図４参照）の複数の動翼７０を含む。各動翼７０は、内端７０Ａを低圧系回転軸２０に固定された片持ち梁で、全体が低圧系回転軸２０の中心軸線（回転中心Ｃ）から放射状に伸びる径方向線Ｒ上に配置されている。

各静翼列４０は、図３及び図４に示されているように、低圧系回転軸２０の中心軸線周りに所定のピッチ角θｓをもって設けられた翼断面形状（図４参照）の複数の静翼７２を含む。各静翼７２は、内端７２Ａ及び外端７２Ｂをインナケーシング１４に固定された両持ち梁で、全体が径方向線Ｒに対して周方向に傾斜した傾斜線Ｉ上に配置されている。

各静翼７２の周方向の傾斜は、内端７２Ａに対する外端７２Ｂの周方向の変位量が静翼７２の１ピッチに対応する傾斜である。内端７２Ａに対する外端７２Ｂの周方向の変位量が静翼７２の１ピッチに対応する傾斜とは、内端７２Ａに対する外端７２Ｂの周方向（回転方向進み側）の角度変位量Ｄｓが、図５に示されているように、隣り合う静翼７２の内端７２Ａ間の角度θｓに等しくなる傾斜である。この傾斜を１／１傾斜と呼ぶ。

尚、図５において、符号Ｐ（圧力）は、動翼及び静翼の双方が回転中心から放射状に伸びる径方向線上に配置されている場合（従来例）の動翼列の回転に伴う翼列部分の圧力変化をイメージしている。圧力Ｐは動翼列の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。

これにより、各静翼７２は各動翼７０に対して周方向に傾斜し、動翼列３８が中心軸線周りに回転して干渉励振し合う状態において、スパン方向に対して時間差のある圧力変動となる。これにより、軸流圧縮機３６において、圧力変動が全スパン同時に生じることなく、各動翼７０及び各静翼７２においてスパン方向に同位相の翼振動モードの振動が低減し、振動による動翼列３８及び静翼列４０の耐久性が向上する。

次に、動翼列３８の回転に伴い動翼７０及び静翼７２に作用する圧力の状態を、図６を参照して説明する。図６（Ａ）は動翼７０ｘ及び静翼７２ｘの双方が回転中心から放射状に伸びる径方向線上に配置されている従来例（傾斜なし）の圧力状態を、図６（Ｂ）は動翼７０が回転中心から放射状に伸びる径方向線上に配置され、静翼７２が径方向線Ｒに対して周方向に１／１傾斜した傾斜線Ｉ上に配置されている本実施形態の圧力状態を各々示している。

図６（Ａ）において、１／１は、動翼７０ｘと静翼７２ｘとが軸線方向で見て重なり合う回転位相を、１／４、１／２、３／４は各々動翼７０ｘと静翼７２ｘとの１ピッチ単位の回転位相差を示す。図６（Ｂ）において、１／１は、動翼７０の内端７０Ａと静翼７２の内端７２Ａとが軸線方向で見て重なり合う回転位相を、１／４、１／２、３／４は各々、動翼７０の内端７０Ａと静翼７２の内端７２Ａとの１ピッチ単位の回転位相差を示す。

図６（Ａ）及び（Ｂ）において、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、動翼列３８の回転と伴う動翼７０或いは７０ｘ及び静翼７２或いは７２ｘを内端から外端までをスパン方向に４等分した各領域ａ、ｂ、ｃ、ｄに作用する作動流体圧を示している。

従来例では、各領域ａ、ｂ、ｃ、ｄに作用する作動流体圧Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、各回転位相において互いに同時であり、回転位相が１／２から１／１に至る区間では、図６（Ａ）で見て右側から動翼７０ｘ及び静翼７２ｘの全体に作動流体圧（－Ｐ）が作用し、回転位相が３／４である時に最大になる。回転位相が１／１から１／２に至る区間では、図６（Ａ）で見て左側から動翼７０ｘ及び静翼７２ｘの全体に作動流体圧（＋Ｐ）が作用し、回転位相が１／４である時に最大になる。

これにより、従来例では、動翼列の１ピッチの回転毎の翼列部の圧力変動がスパン方向に対して同位相で、動翼７０ｘ及び静翼７２ｘのスパン方向に同位相モードの振動が大きくなる。

これに対し、本実施形態では、静翼７２が動翼７０に対して周方向に傾斜していることにより、各領域ａ、ｂ、ｃ、ｄに作用する作動流体圧Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、各回転位相において互いに時間差が生まれる。

本実施形態では、回転位相が１／４である時には、動翼７０及び静翼７２の領域ａには作動流体圧（＋Ｐ）が作用すると共に動翼７０及び静翼７２の領域ｃには作動流体圧（－Ｐ）が作用し、動翼７０及び静翼７２の領域ｂ及び領域ｄでは作用する作動流体圧が零である。回転位相が１／２である時には、動翼７０及び静翼７２の領域ｂには作動流体圧（＋Ｐ）が作用すると共に動翼７０及び静翼７２の領域ｄには作動流体圧（－Ｐ）が作用し、動翼７０及び静翼７２の領域ａ及び領域ｃでは作動流体圧が零である。回転位相が３／４である時には、動翼７０及び静翼７２の領域ｃには作動流体圧（＋Ｐ）が作用すると共に動翼７０及び静翼７２の領域ａには作動流体圧（－Ｐ）が作用し、動翼７０及び静翼７２の領域ｂ及び領域ｄでは作動流体圧が零である。回転位相が１／１である時には、動翼７０及び静翼７２の領域ｄには作動流体圧（＋Ｐ）が作用すると共に動翼７０及び静翼７２の領域ｂには作動流体圧（－Ｐ）が作用し、動翼７０及び静翼７２の領域ａ及び領域ｃでは作動流体圧が零である。

これにより、本実施形態では、動翼列３８の１ピッチの回転毎の翼列部の圧力変動が、従来例に比してスパン方向に時間差ができ、同位相とならない。このことにより、動翼７０及び静翼７２のスパン方向に同位相の振動モードの振動が低減する。

尚、各静翼７２の径方向線Ｒに対する周方向の傾斜は、１／１傾斜に限られることはなく、図５に示されているように、各静翼７２は内端７２Ａに対する外端７２Ｂの周方向の変位量が静翼７２のピッチの１／２以上に対応する傾斜であってもよい。各静翼７２の径方向線Ｒに対する周方向の傾斜は、図５に－１／２以下によって示されているように、回転方向遅れ側であってもよい。

各静翼７２が径方向線Ｒに対して周方向の傾斜が大きいほど、換言すると、各静翼７２の内端に対する外端の周方向の変位量が大きいほど、つまり傾斜が大きいほど、軸線方向で見て隣り合う静翼同士がオーバラップする部分を含む状態の時間が長くなる。このことにより、各静翼７２が径方向線Ｒに対して周方向の傾斜が大きいほど、翼列部における圧力変動において、スパン方向の時間差が大きくなり、より局所的な位相差が付けられるため、スパン方向に同相と云った低次の単調な振動モードの振動低減が効果的に行われる。

図７は、各静翼７２の径方向線Ｒに対する周方向の傾斜が２／１傾斜である場合の圧力変動を示している。２／１傾斜である場合は、図７に示されているように、図６（Ｂ）に示されている１／１傾斜である場合に比して、スパン方向の位相差が局所化する。

何れにおいても、各静翼７２が径方向線Ｒに対して周方向に傾斜していることにより、各動翼７０と各静翼７２とが軸線方向で見てオーバラップする部分を含む状態の時間が長くなり、翼列部における圧力変動についてスパン方向に時間差を付けられる。

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、前後の動翼列３８のピッチ角θｒが互いに異なっていても、前後の静翼列４０のピッチ角θｓが互いに異なっていてもよい。また、前後の動翼列３８の回転位相が互いに異なっていても、前後の静翼列４０の回転位相が互いに異なっていてもよい。また、動翼７０と静翼７２との枚数が同一で、動翼７０のピッチ角θｒと静翼７２のピッチ角θｓとが同一であっても、動翼７０と静翼７２との枚数が異なり、動翼７０のピッチ角θｒと静翼７２のピッチ角θｓとが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
４４ ：インペラ
４６ ：静翼列
５０ ：デフューザ
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 ：動翼
７２ ：静翼

Claims (2)

1. 軸流圧縮機であって、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に設けられた回転軸と、
   前記回転軸の中心軸線周りに所定のピッチをもって前記回転軸に設けられた複数の動翼を含む動翼列と、
   前記中心軸線方向について前記動翼列の前側又は後側に隣接するように、前記中心軸線周りに所定のピッチをもって前記ケーシング内に設けられた複数の静翼を含む静翼列とを有し、
   各動翼は前記中心軸線から放射状に伸びる径方向線上に配置され、
   各静翼は前記径方向線に対して周方向に傾斜した傾斜線上に配置されており、
   各静翼は内端に対する外端の周方向の変位量が前記静翼の２ピッチに対応する軸流圧縮機。
2. 複数の前記静翼列と複数の前記動翼列とが軸線方向に交互に設けられている請求項１に記載の軸流圧縮機。

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