JPH09105310A - ガスタービンエンジン用流れ配向制御要素及び軸流圧縮機 - Google Patents
ガスタービンエンジン用流れ配向制御要素及び軸流圧縮機Info
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- JPH09105310A JPH09105310A JP8139809A JP13980996A JPH09105310A JP H09105310 A JPH09105310 A JP H09105310A JP 8139809 A JP8139809 A JP 8139809A JP 13980996 A JP13980996 A JP 13980996A JP H09105310 A JPH09105310 A JP H09105310A
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Abstract
供する。 【解決手段】 タービンエンジン用の圧縮機のベーン等
の流れ配向制御要素は、可変の翼弦長を有しており、圧
縮機の効率を低下させることなく圧縮機のサージマージ
ンを改善する。上記ベーンは、翼前縁80と、翼後縁8
2と、根本84と先端部88とを有する翼型領域70を
有している。上記翼型の翼弦長は、根本の第一の値か
ら、上記根本と上記先端部との翼幅中間位置110での
第二の値まで増加しており、上記翼型が上記圧縮機に取
り付けられた場合には、上記翼後縁位置は、上記圧縮機
の排出部に近くなるように配設されるとともに、上記し
た根本から上記翼幅方向外側に向かって翼弦長が増加す
るようにして配設される。上記翼弦長は、上記翼幅中間
位置からは、上記先端に向かって一定の翼弦長とされて
いる。
Description
ジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの圧
縮機やタービン領域に使用されるステータベーンやブレ
ード等、流れ制御要素に関するものである。
縮機又は遠心圧縮機を使用して燃焼に好適な圧力及び温
度にまで空気を圧縮している。上記圧縮機は、上記圧縮
機入り口の低圧領域から上記圧縮機吐出部での高圧領域
にまで空気を導くようになっている。空気は本来、高圧
領域から低圧領域へと流れて行くため、上記圧縮プロセ
スには大きなエネルギを消費することになり、上記圧縮
機をできるだけ高効率として上記エネルギ消費を低減さ
せることが好ましい。
流の方向は、圧力が減少する方向へ流れるという空気の
自然な流れとは逆であることから、圧縮機は、サージと
いった空力学的不安定性の影響を受けやすい。圧縮機サ
ージは、上記圧縮機に対して突然、かつ、好ましくない
空気の逆流等といった破壊的な現象を生じさせる。幸運
な場合には、サージは、エンジンの出力を瞬間的に失わ
せてしまうだけで、その後、上記圧縮機を通して正常な
空気流が流されるようになるとともに、通常のエンジン
運転が再開されることになる。より重大な場合には、上
記圧縮機を通る正常な空気流が良好に再現されず、エン
ジン出力を維持しておけなくなることになる。さらに
は、サージにより、エンジン部品が破損してしまうこと
にもなる。
する必要があることは明らかなことである。サージを回
避するべく、圧縮機の設計者は、これまで上記圧縮機の
サージマージンを増加させるための検討を行ってきた。
より詳細には後述するが、サージマージンは、上記圧縮
機のサージに対する抵抗性を示す尺度となるものであ
る。当業界では良く知られているように、圧縮機のサー
ジマージンを増加させると、圧縮機効率が低下し、か
つ、エンジンの定常状態を持続させるための燃料消費が
増大してしまう不都合があった。
響を与えずに圧縮機サージマージンを改善するための方
法が望まれていた。
ンエンジン用のブレード又はベーンは、空気流速度を、
上記翼型の翼幅方向にわたって再分散させるような特殊
な形状とされている。特に、上記翼型は、上記翼型根本
で最小の値を持ち、上記根本と上記翼型先端部の翼幅中
間位置に向かって増大するような翼弦長を有しているこ
とを特徴とする。また上記した翼幅の中間位置と上記先
端部との間では、上記翼弦長は実質的に一定とされてい
る。
は、上記翼型幅の25%から75%に設けられているこ
とが好ましい。又、別の実施例では、上記翼型根本の翼
弦長の上記翼幅中間位置での翼弦長に対する比は、0.
7から0.9の範囲であることが好適である。
ための軸流圧縮機における、少なくともいくつかの固定
段におけるステータベーンとして用いる場合に特に効果
的である。
での効率を低下させずに上記圧縮機のサージマージンを
増加させることができることにある。
の効果及び特徴については、添付する図面と実施例とを
もってより詳細に説明する。
用圧縮機のサージマージンの低下は、少なくともその一
部が上記圧縮機流路において翼幅の中間部分より径方向
外側での軸方向速度(特に流路の外壁付近)が減少して
しまうことに起因しており、上記軸方向速度を径方向に
再配分すれば、上記圧縮機作動ラインの定格水準におい
て、ほとんどあるいは全く効率を低下させずに上記サー
ジマージンを著しく改善することができるという認識の
下になされたものである。
を示す。このガスタービンエンジン10は、非回転のス
テータベーン12,12aと、回転ブレード14等の列
となった流れ配向要素、すなわち段が交互に配列されて
いる。ただし、上記流れ配向要素には、図面を明確に示
すため、その一部だけに符号を付けている。上記ブレー
ド及びベーンの内側端にあるプラットフォーム16と1
8は、圧縮機の流路22の内側壁20を画成している。
圧縮機ケースアッセンブリ24と上記いくつかのベーン
の外側プラットフォーム25は、上記圧縮機流路の外側
壁を画成している。上記内側壁と上記外側壁は、長手方
向の中心軸27を中心として周囲を取り囲んでおり、圧
縮機の環状流路を画成している。上記複数のブレードの
翼型部分28は、上記内側壁から径方向外側、かつ、上
記外側壁の寸前まで延びていて、それぞれのブレード先
端部30と上記外側壁との間には、わずかなギャップ2
9が画成されている。上記内側壁の径方向内側におい
て、それぞれのブレードがロータ31に取り付けられて
いる。エンジンの運転中、上記ロータと、このロータに
取り付けられたブレードとは、上記軸を中心として回転
する。上記ステータベーンの翼型部分32は、上記圧縮
機流路を横切って、上記内側壁から上記外側壁まで延び
ている。この複数のベーン32は、エンジン運転中には
軸27を中心として回転しない。しかしながら、ベーン
段のうちの少なくとも一段は、トラニオン34に支持さ
れており、この様にして支持された各ベーンは、径方向
の軸35を中心として回動可能になっている。上記回動
可能なベーン12を可変ベーンと呼ぶ。上記各可変ベー
ンは、連結アーム36によって、ユニゾンリング38へ
と連結されており、このユニゾンリング38は、上記圧
縮機を取り囲むように延びている。図示していないが、
複数のアクチュエータが、上記ユニゾンリングを周方向
に移動させて、上記可変ベーンを回動させるようになっ
ている。符号12aで示されるベーンは、回動可能とさ
れておらず、これらを固定ベーンと呼ぶ。
50は、上記圧縮機入り口52に吸引される。この空気
は、圧縮されて、上記複数のブレードと複数のベーンと
が協働することで軸方向後方に向かって流されて行く。
高温、高圧の空気は、圧縮機吐出口54から排出され
る。上記圧縮機は、上記空気をその圧力が増加する方向
へと強制的に流すため、上記圧縮機には、前述したよう
なサージという問題が生じる。
圧縮機線図によって説明できる。上記線図は、上記圧縮
機を横切る圧力比、すなわち、上記圧縮機吐出口圧に対
する上記圧縮機入り口圧の比を、上記圧縮機を流れる流
量比の関数として示したものである。作動ライン60
は、上記圧縮機の定常状態での運転状態を示している。
サージライン62は、上記エンジンがサージ状態となる
状態あるいはそれ以上の状態にある運転状態を示す。サ
ージマージンは、圧縮機のサージに対する抵抗性を表す
指標となるものであり、このサージマージンは、所定の
空気流量において、上記作動ラインと上記サージライン
との間の垂直方向の距離(矢印64)で示されている。
サージマージンは、通常上記圧縮機の作動ラインにおけ
る圧力比をパーセントで示して表すことができる。エン
ジンの寿命中には、エンジンの劣化により、連続的、か
つ、自然にエンジンのサージマージンが低下する。すな
わち上記サージラインが、低下(サージライン62に比
べて低下したサージラインを62aで示している)した
り、上記作動ラインが上昇したりする(作動ライン60
に対して劣化した運転ラインが60aによって示されて
いる)。また、急速にエンジン出力を変化させたり、エ
ンジンを横風の下で運転する等、ある種の過渡的な事態
によって一時的ではあるが、顕著なサージマージンの減
少が生じることも知られている。このような過渡的な現
象により、作動ラインが、上記正常な作動ラインを著し
く超えたような過渡的運転条件を発生させてしまうこと
になる。設計者は、上記したような不可避的にサージマ
ージンが減少しても、常にサージマージンに余裕を持た
せておくことが要求される。定常状態でのサージマージ
ンを改善すると、上記圧縮機作動ラインの定格水準にお
いて、上記圧縮機とエンジン効率とを低下させてしまう
といった不都合をもたらしてしまうことが知られてい
た。これとは逆に、効率を向上させると上記サージマー
ジンが減少してしまうことになっていた。
準において、上記圧縮機効率を全く、あるいはほとんど
低下させずに上記圧縮機のサージマージンを改善すると
いった、特殊かつ通常では得られないような所望の効果
を発揮するものである。実験的な検討では、サージマー
ジンは、著しく改善でき、かつ、効率もわずかながら改
善されることが見いだされた。
テータベーンを示す。図3には、本発明のステータベー
ンを示す。上記ベーンは、翼型部分70と、一体となっ
た内側と外側の各プラットフォーム72、74とを有し
ている。上記内側プラットフォームのフック76は、上
記ベーンにエアシールを取り付けるために備えられてい
る。上記エアシールは、本発明には関連がないので図示
してはいない。上記外側プラットフォームの足78は、
上記ケースアッセンブリ(図1参照)に上記ベーンを取
り付けるための手段となっている。
に翼前縁80と、翼後縁82と、上記翼型と上記内側プ
ラットフォームとの連結部となっている根本84と、上
記翼型と上記外側プラットフォームとの連結部となって
いる先端部88とを有している。図4には、仮想的な翼
弦線90が、上記翼前縁80から上記翼後縁82にまで
延ばされている。この翼弦線の長さを、翼型の翼弦長と
する。上記翼型は、曲面すなわち、キャンバが付けられ
ており、その一方の面は、正圧面100と呼ばれ、この
正圧面100は、凹面形状を有している。反対側の面
は、負圧面102と呼ばれており、この負圧面102
は、凸面となっている。平均キャンバライン104は、
上記正圧面と上記負圧面との中間点を、上記平均キャン
バラインが垂直となるようにこの中間点を連結したライ
ンである。翼型曲面は、そのキャンバ106によって定
量化されるが、その際のキャンバとは、上記翼弦線から
上記平均キャンバラインまでの最大離間幅106として
定義される。キャンバは、多くの場合、翼弦長に対する
パーセントとして表示される。上記翼型幅108は、上
記根本から上記先端部までの上記翼型に沿った長さを示
す。
化している。上記翼弦長は、根本での第一の値から、上
記根本と上記先端部の翼幅中間位置110で、前記第一
の値より大きな第二の値にまで増加して行くようになっ
ており、これにより上記翼型が圧縮機に取り付けられた
状態において、上記根本から翼幅方向に距離が増加する
につれて、上記翼後縁が、より上記圧縮機の排出部に近
接するようになっている。上記根本と翼幅の中間位置と
の間の上記翼型部分を、翼型の狭窄翼弦長部分又は、可
変翼弦長部分と呼ぶ。上記翼弦長は、上記翼幅中間位置
から上記先端まではほぼ一定とされている。上記翼型の
翼前縁は、エンジンに取り付けられた状態では、図1及
び図3の側面立面図に示されているように、一般には径
方向に向くように沿っている。しかしながら、本発明で
は、正面立面図として見た場合に、翼前縁が周方向に傾
けられているような翼型を使用することもできる。この
ような翼型の一例は、ワインゴールド(Weingold)らに付
与され、本願と同一の譲受人に係わる米国特許第5、0
88、892号に開示のものを挙げることができる。
ジマージンの改善は、少なくともその一部は、図6と図
7とに示されるように、上記圧縮機の流路を通る上記空
気流の軸方向速度を径方向に再分散させることによるも
のである。
部での翼型幅間の位置をパーセントで表したものに対し
て、軸方向速度を解析的に見積もった値を示したもので
ある。上記圧縮機は、11段の回転ブレードと、12段
の非回転のステータベーン段とを有してなり、かつ、非
回転のステータベーン段の中の4段のベーンは、可変ベ
ーンとされていて、残りの8段は、固定ステータベーン
となっている。図には、定格作動ラインと、上記定格作
動ラインを11%上回った作動ラインの双方を図示して
ある。上記の図によれば、従来の翼型では、軸方向速度
が、およそ上記翼型根本で最大となり、かつ、上記先端
部に向かって減少していることが示されている。翼型幅
が増加することによる上記軸方向速度の減少は、特に作
動ラインが上昇した場合に顕著になっている。なお、上
図においては、軸方向速度としてフィート/sec(フ
ィートは約0.3048m)を用いている。
ちの最初の連続した7段を本発明のベーンとした圧縮機
について、その軸方向に流れる速度について同様のこと
を行った場合の結果を示したものである。作動ラインを
通常の13%と26%まで上昇させたものの他、定格の
作動ラインについても見積もりを行った(作動ラインを
11%まで上昇させた場合のラインは、図6と直接比較
して補間した速度を用いた)。図によると、可変翼弦長
を有する翼型は、径方向に上記軸方向の空気流速を再分
散させて、その軸方向速度を、上記した従来法の翼型で
得られる速度に比べて、上記翼型根本部でより低速と
し、かつ、上記先端部、すなわち、流路の外壁近傍でよ
り高速としている。
は、各回転ブレードと前記流路外壁との間の上記クリア
ランスギャップ29(図1)の効果を考慮すると理解す
ることができる。すなわち各ブレードの正圧面に接した
空気は、上記ギャップを通して上記ブレードの負圧面に
漏れ出て、先端リーク渦(tip leakage vortex)を形成す
る。この先端リーク渦は、上記外壁近傍の空気流を部分
的に阻害する。上記した阻害は、上記作動ラインが上昇
するにつれてますます激しくなる。一方で上記ステータ
先端から離脱する軸方向空気流速が低い場合には、従来
のステータベーンの様に上記先端リーク渦に起因する阻
害作用を改善できず、かつ、上記ブレード先端部で空力
学的失速が生じる結果になる。上記先端部での失速は、
直ちに圧縮機のサージへと進行する。対照的に、本発明
のステータベーンを使用すると、上記ブレード先端での
軸方向速度が高められることになり、かつ、上記先端ク
リアランス渦、すなわち、上記先端リーク渦を改善する
ことができるようになる。
翼型による上記流れ速度の再分散について、上記ベーン
によって加えられる流れ方向の変化から説明することが
できる。上記ベーンの一定翼弦長部分(図5)は、上記
流れをその流入方向d1、軸方向に対する角度a1か
ら、脱出方向d2、軸方向に対する角度a2へと曲げ
る。上記狭窄翼弦長部分(図4)は、上記流れを、方向
d1から方向d3へと軸方向に対する角度a3まで曲げ
る。上記狭窄翼弦長部分(図4)では、一定翼弦長部分
よりも曲率がより小さい、すなわちより小さなキャンバ
106を有しているので、上記翼型の根本付近の方向d
3は、d2よりも軸方向に対して大きくずれている。当
然、翼幅方向への位置については、上記根本部から離れ
るにつれて、方向d3は、軸方向により近づいてきて、
位置110において方向d2とd3とは同一となってい
る。上記した可変(狭窄)翼弦長部分は、上記した一定
翼弦長部分のように上記流れをを前記軸方向に向けて偏
向させないので、上記軸方向速度は、上記一定翼弦長部
分では増大することになり、上記圧縮機を流れる空気の
体積流量比が改善されることになる。
ージンと圧縮機効率との相関関係を示したものである。
斜線を付けたバンド112は、サージマージンを改善す
る際に、通常予測される効率低下を示したものである。
データポイント114、116、118は、可変翼型を
用いた場合と用いなかった場合の圧縮機の試験結果を示
したものである。実験の便宜上、上記複数の圧縮機は、
タービンエンジンに取り付けずに単体で試験を行った。
データポイント114は、従来の翼型を有する圧縮機、
すなわち、図6で示すような速度分布を有する圧縮機の
効率とサージマージンとを示している。ポイント118
は、本発明の固定翼型を7段有する圧縮機、すなわち、
速度プロファイルが図7で示される圧縮機の効率と、サ
ージマージンとを示したものである。ポイント116
は、8段のうちの連続した初めの4段の固定ステータベ
ーン段のステータベーンが、本発明のステータで構成さ
れている同様の圧縮機のデータを示したものである。最
後にデータポイント119は、データポイント118に
示した圧縮機をタービンエンジンに搭載して、その特性
を発揮させることによって単体で試験した結果が信頼で
きることを確認したものである。
タベーンは、バンド112で示されているような予測結
果とは逆に、サージマージンを改善するばかりではな
く、正常運転ライン付近において効率を低減させないこ
とが示されている。翼型における狭窄翼弦長部分での翼
弦長は、圧縮機効率の低下が上記圧縮機の定格の作動ラ
インの付近で検出できる程度に発生しないように減少さ
れている。定格の作動ラインよりも著しく高い作動ライ
ンでは、ある程度の効率低下は発生する。しかしながら
この低下は、上記した作動ラインが、通常では2つの安
定した運転条件が急速に変化すると言ったような場合に
一過的に生じるものであることから、特に問題となる訳
ではない。上記した上昇した作動ライン水準において、
短時間でも時間間隔をとるように運転すれば、通常に運
転している、又は定格作動ライン付近にある上記圧縮機
の定常状態特性には大きく影響を与えることはない。
行ってきたが、本発明によって製造した圧縮機ブレード
も同様の有効な効果を有することが期待できる。図9
は、本発明による圧縮機ブレードを示したものである。
上記ブレードは、翼型領域120と、一体となった内側
プラットフォーム122とを有している。取り付け手段
124は、上記内側プラットフォームの径方向内側に取
り付けられており、これは、上記ブレードをロータに取
り付けるために備えられているものである。上記翼型領
域は、翼前縁126と、翼後縁128と、上記翼型と上
記内側プラットフォームとの連結部にある根本130
と、上記翼型の最外端にある先端部132とを有してい
る。図3のステータと同様に、上記翼型の翼弦長は、本
発明により改善されている。また、上記翼弦長は、およ
そ、根本部分の第一の値から、上記根本と上記先端部と
の翼幅中間位置134の第二の値にまで増加している。
上記翼弦長は、上記翼幅中間位置から上記先端部にかけ
て、ほぼ一定とされている。
置では、いずれも良好な結果を与えるものと考えられる
が、本発明によって構成されたステータベーンの解析
的、かつ実験的な評価によれば、上記翼幅中間位置11
0は、上記翼型幅の25%から75%の翼幅中間位置に
あることが好ましいことが示された。本発明を実施する
際の最良の実施例は、上記翼型幅の50%の翼幅位置と
することによって得ることができる。図8のデータポイ
ント114、116、118、119に示されているよ
うに、可変された翼弦長を有する固定ベーン段の数が増
加すれば、上記サージマージンも増大している。
圧縮機サージを頻繁に生じさせるような圧縮段は、試験
や解析によって同定することができる。上記したような
場合、可変翼弦長を有する流れ配向要素の段の最初の1
つ以上の段を、上記した同定された段の上記圧縮機上流
側、すなわち入り口側に配設することが最も効果的であ
る。この様に配置することで、軸方向速度の径方向にお
ける再分散が長期間にわたって、軸方向にわたって、良
好に、安定的に行うことが確実となる。
に、翼弦長の第一の値(根本部での値)の翼弦長の第二
の値(翼幅中間位置での値)に対する比は、0.7から
0.9の範囲、すなわち、上記根本の翼弦長は、最大翼
弦長の70%から90%であることが好適であることが
わかった。また、本発明の実施するために最良の値は、
0.8であった。
縮機を例にとって説明を加えてきたが、本発明は、遠心
圧縮機といったいかなる用途にも使用できるブレード付
き圧縮機に対して利用することができる。さらには、本
発明は、本発明によってサージマージンを増大させるこ
とが必須ではない、通常では十分なサージマージンで運
転されているタービンにおいても当然ながら利用できる
ものである。
ンための軸流圧縮機における、少なくともいくつかの固
定段におけるステータベーンとして用いる場合に特に効
果的である。また、本発明の第一の効果は、圧縮機の定
常状態での効率を低下させずに上記圧縮機のサージマー
ジンを増加させることができることにある。
配向要素を取り付けたタービンエンジン用の軸流圧縮機
の断面を、簡略化して示した側面立面図である。
動ラインと、サージ限界とを示した圧縮機特性線図の概
略図を示した図である。
の側面立面図である。
断面図であり、上記ステータベーンの翼弦長が一定であ
る部分の代表的な断面を示した図である。
断面図であり、上記ステータベーンの翼弦長が変化して
いる部分の代表的な断面を示した図である。
度の径方向分布を示した図であり、定格作動ライン上で
の運転と上昇した作動ラインでの運転の双方の場合が示
されている。
圧縮機内での軸流速度の径方向分布を示した図であり、
正常作動ライン上での運転と上昇した作動ラインでの運
転の双方の場合が示されている。
予測される圧縮機効率の低下を示したグラフであり、本
発明によりサージマージンを改善しても効率が維持でき
ることを示した図である。
図を示した図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 翼前縁と、翼後縁と、根本と先端とを備
えたキャンバした翼型部分を有するガスタービンエンジ
ン用の流れ配向制御要素において、前記翼型部分の翼弦
長は、根本近傍の第一の値から前記根本と前記先端との
間の翼幅中間位置での第二の値まで増加されており、さ
らに、前記翼弦長は、前記翼幅中間位置から前記先端部
分までは一定とされていることを特徴とする流れ配向制
御要素。 - 【請求項2】 前記翼幅中間位置は、翼型幅の5%から
95%、より好ましくは25%から75%の範囲に設け
られていることを特徴とする請求項1に記載の流れ配向
制御要素。 - 【請求項3】 前記翼幅中間位置は、前記翼型幅の略5
0%位置に設けられていることを特徴とする請求項1に
記載の流れ配向制御要素。 - 【請求項4】 前記第一の値の前記第二の値に対する比
は、0.7から0.9であることを特徴とする請求項1
に記載の流れ配向要素。 - 【請求項5】 前記第一の値の前記第二の値に対する比
は、略0.8であることを特徴とする請求項1に記載の
流れ配向要素。 - 【請求項6】 前記流れ配向要素は、ステータベーンで
あることを特徴とする請求項1に記載の流れ配向要素。 - 【請求項7】 ガスタービンエンジン用の軸流圧縮機に
おいて、前記圧縮機は、少なくとも1つの非回転のステ
ータベーン段と、少なくとも1つのブレード段とを有し
ており、前記ブレード段は、長軸を中心として回転可能
とされ、少なくとも一つのステータベーン段のステータ
ベーンは、可変ステータベーンであり、その残りのステ
ータベーン段は、固定ステータベーン段であって、少な
くとも一つの固定ステータベーン段の固定ステータベー
ンの前記翼型部分の翼弦長は、前記根本近傍の第一の値
から前記根本と前記先端との間の翼幅中間位置での第二
の値まで増加されており、さらに前記翼幅中間位置から
前記先端部分までは一定とされていることを特徴とする
ガスタービン用軸流圧縮機。
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