JPH0972222A

JPH0972222A - 軸流圧縮機

Info

Publication number: JPH0972222A
Application number: JP22677095A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Niizeki; 関良樹新; Tadashi Kobayashi; 林正小
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】一つの設計変数によって系統的に設計可能な
高性能な渦形式を有する軸流圧縮機を提供する。【解決手段】静翼４と動翼３とからなる段落を複数段
備えた軸流圧縮機において、入口案内翼５あるいは少な
くとも一つの段落の静翼４を、Ｃ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^m（Ｃ
_t1 は下流の動翼に対する入口周方向速度、ａ，ｂは定
数、ｒは半径、ｍは０＜ｍ＜４の所定数値からなる指
数）で示す動翼入口周方向速度Ｃ_t1をその下流の動翼に
与える翼断面形状、あるいは翼キャンバー、あるいはス
タガ角を有するものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は軸流圧縮機に係り、
特に案内翼、静翼、及び動翼の形状を、流体の圧縮性等
の流体条件を考慮して自由に好適な形状とすることがで
きる軸流圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に軸流圧縮機は、ロータ１とケーシ
ング２とを有し、このロータ１とケーシング２の間に、
図９に示すように、動翼３と静翼４の組み合わせによる
段落を複数段組み合わせて構成されている。

【０００３】空気は矢印１０に示す方向から流入し、最
前部の入口案内翼５と可変取付角静翼６に案内されてロ
ータ１とケーシング２の間の空気通路に流入する。空気
通路は、漸減する通路断面積を有している。この空気通
路中で、静翼４は空気を整流してその下流の動翼３へ案
内し、動翼３は回転してその空気を圧縮して次の段落の
静翼４へわたすことによって、空気を圧縮する。

【０００４】圧縮された空気は、最後段の出口案内翼７
を経てディヒューザ８に流入し、さらにディヒューザ８
から燃焼器９の燃焼部に流入し、燃料と混合されて燃焼
される。

【０００５】図１０は、軸流圧縮機の最初の段落におけ
る各翼の流入・流出速度と流れ角度の、いわゆる速度三
角形を示している。本明細書では、この図１０の記号に
したがって以下に説明する。

【０００６】図１０において、空気は空気流入方向１０
（この方向は、軸流圧縮機の軸方向と平行であるので、
以下軸方向という）に沿って流入し、入口案内翼５によ
って動翼流入速度Ｃ1 に転向されて動翼３の回転通過領
域に流入する。

【０００７】動翼３は、周速度Ｕ1 で方向１１に回転し
ており、従って、動翼流入速度Ｃ₁は、図１０に示すよ
うに、動翼３に対して相対流入速度Ｗ₁で流入する。

【０００８】上記動翼流入速度Ｃ₁の周方向成分を、動
翼に対する動翼入口周方向速度Ｃ_t1という。また、動翼
流入速度Ｃ₁の軸方向に対する角度を、案内翼あるいは
動翼流出角度α₁という。

【０００９】また、相対流入速度Ｗ₁の周方向成分を、
流入側相対周方向速度Ｗ_t1という。さらに、相対流入速
度Ｗ₁の軸方向となす角度を、下流の動翼に対する相対
流入角度β₁という。

【００１０】上記動翼３に注目した場合に、動翼３から
流出する空気の速度は、相対流出速度Ｗ₂で動翼３から
流出する。しかし実際には、動翼３は周方向に速度Ｕ₁
で回転しており、この周速度Ｕ₁の影響によって、空気
は動翼流出速度Ｃ₂でその下流の静翼４へ流出する。

【００１１】上記動翼流出速度Ｃ₂の周方向成分を動翼
出口周方向速度Ｃ_t2といい、動翼の流出速度Ｃ₂が軸方
向となす角度を静翼流出角度α₂という。

【００１２】また、相対流出速度Ｗ₂の周方向成分を流
出側相対周方向速度Ｗ_t2といい、Ｗ₂が軸方向となす角
度を相対流出角度β₂という。

【００１３】静翼４は入口案内翼５とほぼ同様の機能を
有し、空気を整流してその下流の動翼３（図示せず）へ
流出させる。

【００１４】これらの翼列の設計においては、動翼入口
周方向速度Ｃ_t1の半径方向分布により、オイラーヘッド
（動翼の動力が完全に流体に伝達された場合の理論ヘッ
ド）や反動度（動翼の断熱圧縮仕事と段落の断熱圧縮仕
事の比）の半径方向分布が決まる。この動翼入口周方向
速度Ｃ_t1の半径方向分布は、渦形式と呼ばれており、こ
の中で代表的なものとしては、例えば自由渦形式と静翼
流出角一定形式とがある。

【００１５】自由渦形式は、動翼入口周方向速度Ｃ_t1の
半径方向分布がｒを半径として、次式で与えられる形式
である。Ｃ_t1＝Ｃｏｎｓｔ．／ｒ静翼に対しても上記と同様の思想を適用し、動翼の上流
および下流の渦形式として本形式を用いれば、オイラー
ヘッドおよび軸流速度は半径方向位置に関係なく一定と
なり、設計は容易となる。

【００１６】図１１は、上記自由渦形式による軸流圧縮
機の動翼相対流入マッハ数の半径方向分布を、従来の代
表的な渦形式によるものと比較して示したグラフであ
る。

【００１７】図１１から明らかなように、自由渦形式１
２を用いた場合、静翼流出角一定形式１３やExponentia
l 形式１４に比べ、翼の根元と先端の間の流入速度の差
が大きくなることがわかる。しかし、高速の圧縮機にお
いては、動翼または静翼先端の流入速度が増大すること
は性能上好ましくない。また、この自由渦形式では、一
般的に羽根のねじれが大きくなるため、製作が困難とな
る問題もある。このため、自由渦形式はおもに低速のブ
ロワなどに用いられ、高速の軸流圧縮機で採用されるこ
とは少ない。

【００１８】一方、静翼流出角一定形式１３の渦形式は
次式で与えられる。 α₂＝Ｃｏｎｓｔ．この渦形式では、静翼の流出角度が半径方向に一定とな
るため、静翼のねじりが極めて小さくなって二次元的な
形状とすることができる。これは加工が容易であるとい
う利点を有する。さらに図１１の静翼流出角一定形式１
３に示すように、自由渦形式１２に比べて、静翼流出角
一定形式１３は、動翼先端の流入速度は低く抑えられる
ため、比較的良好な性能を得ることができる。このた
め、亜音速までの圧縮機には本形式による設計が広く用
いられている。

【００１９】しかしながら、圧縮機の一層の大容量化を
はかるため空気の吸込み流量を増すと、翼列に対する流
入マッハ数は増加する傾向にある。圧縮性の考慮が必要
となるいわゆる遷音速領域に対しては、圧縮性の影響が
無視できる亜音速領域に対する静翼流出角一定形式１３
の延長では、高性能は望めなくなる。

【００２０】図１２に典型的な亜音速翼型の流入マッハ
数に対する全圧損失係数の変化を示す。図１２から明ら
かなように、この翼型を用いた場合、流入マッハ数が
０．８以下の領域では損失はほぼ一定で小さい値を示す
が、流入マッハ数が０．８を超えると、急激に圧力損失
が増加し、実用に適さないことがわかる。したがって、
遷音速領域に対しては、静翼流出角一定形式１３では性
能上限界がわかる。

【００２１】このような遷音速領域でも高性能が得られ
るために、従来、遷音速領域で高性能を発揮する翼形設
計を行うこと、あるいは前述したExponential 形式１４
のような相対流入マッハ数が低くなる渦形式を使用する
ことが行われている。

【００２２】このうち、翼形設計を行う方法は、遷音速
領域で圧縮性を考慮して高性能を得るのは一般的に容易
ではなかった。

【００２３】これに対して、Exponential 形式１４は、
図１１に示したように、翼先端部分の流入マッハ数が低
くなるので、遷音速領域でも比較的高い性能を得ること
ができた。

【００２４】上記従来の軸流圧縮機に適用されるものと
して良く知られている渦形式を図１３に比較して示す。
（出典：Ｊ．Ｈ．Ｈｏｒｌｏｃｋ「ＡｘｉａｌＦｌ
ｏｗＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ」ＲｏｂｅｒｔＥ．Ｋｒ
ｉｅｇｅｒＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏ．Ｈｕｎｔｉ
ｎｇｔｏｎ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９７３）

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多段落
を有する軸流圧縮機の設計においては、従来の渦形式の
単一の構成にすることだけでは十分な高性能を得ること
ができなかった。

【００２６】つまり、流体の圧縮性の影響は、一般に数
段から２０段程度の段落を有する軸流圧縮機において、
前方側（上流側）の数段落において問題になるにすぎな
い。したがって、このような前方段落の問題のみに着目
した渦形式は、それ以外の段落においては必ずしも最善
の渦形式とはならない。

【００２７】このような観点から、例えば前方の段落で
は前述したExponential 形式の渦形式を採用し、後方の
段落では静翼流出角一定形式の渦形式を採用することが
考えられる。このような場合、Exponential 形式から静
翼流出角一定形式へ直接切り替えることは好ましくない
ため、渦形式の切り替え部分で中間的な渦形式を採用す
る必要があった。

【００２８】しかし、従来、所定の渦形式から他の渦形
式へ移るような中間的な渦形式については、なんら提案
がなかった。

【００２９】このため、多段の軸流圧縮機において、一
つの設計変数によって、翼の渦形式を軸方向に連続的に
変化させ、全体として最適な動翼、静翼、入口案内翼を
有する軸流圧縮機の開発が待たれていた。

【００３０】そこで、本発明の解決しようとする課題
は、一つの設計変数によって系統的に設計可能な高性能
な渦形式を有する軸流圧縮機を提供することにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願請求項１に係る軸流圧縮機は、静翼と動翼とか
らなる段落を複数段備えた軸流圧縮機において、入口案
内翼あるいは少なくとも一つの段落の静翼が、Ｃ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^m ここで、Ｃ_t1 ：下流の動翼に対する入口周方向速度ａ，ｂ：定数ｒ：半径ｍ：０＜ｍ＜４の所定数値からなる指数で示す動翼入口周方向速度Ｃ_t1をその下流の動翼に与え
る翼断面形状、あるいは翼キャンバー、あるいはスタガ
角を有していることを特徴とするものである。

【００３２】本願請求項２に係る軸流圧縮機は、上記請
求項１に係る軸流圧縮機において、Ｃ_t1PCDとＣ_t2PCD
をそれぞれ翼高さの５０％位置の動翼入口周方向速度お
よび動翼出口周方向速度とするとき、前記定数ａ，ｂ
は、ａ＝（Ｃ_t2PCD＋Ｃ_t1PCD）／２、ｂ＝（Ｃ_t2PCD
−Ｃ_t1 _PCD）／２で与えられ、前記ｒは翼高さの５０％
位置の半径で無次元化された半径からなることを特徴と
したものである。

【００３３】本願請求項３に係る軸流圧縮機は、上記請
求項１または２の軸流圧縮機において、所定の複数の段
落が、軸方向に前記指数ｍを変化させた入口案内翼ある
いは静翼を有していることを特徴とするものである。

【００３４】本願請求項４に係る軸流圧縮機は、上記請
求項１ないし３のいずれかの軸流圧縮機において、最前
方の段落から下流の複数の段落にわたって、指数ｍが漸
減する入口案内翼あるいは静翼を有していることを特徴
とするものである。

【００３５】本願請求項５に係る軸流圧縮機は、上記請
求項１ないし３のいずれかの軸流圧縮機において、中間
段落より後方の段落に指数ｍが極大値をとる静翼を有し
ていることを特徴とするものである。

【００３６】本願請求項６に係る軸流圧縮機は、上記請
求項１ないし５のいずれかの軸流圧縮機において、動翼
の相対流入角度をβ₁、周速度をＵ₁、動翼入口周方向
速度Ｃ_t1と半径平衡式とから求められる入口軸方向速度
をＣ_x1とすると、前記動翼に対する相対流入角度β₁の
半径方向分布が、 β₁＝ｔａｎ^-1（（Ｕ₁−Ｃ_t1）／Ｃ_x1）となるように、該動翼の上流の静翼または案内翼の翼断
面形状、あるいは翼キャンバー、あるいはスタガ角を調
整した段落を少なくとも一段有していることを特徴とす
るものである。

【００３７】請求項１に係る発明によれば、指数のｍを
変化させることによって、従来の自由渦形式と静翼流出
角一定形式との中間的な渦形式、あるいは相対流入マッ
ハ数の低い渦形式など種々の渦形式を得ることができ
る。

【００３８】具体的には、本請求項の渦形式は、指数ｍ
をｍ＜０の値とすると、従来の自由渦形式に近いものと
なり、一方、指数ｍを増大させると、従来の静翼流出角
一定形式に近いものとなる。また、指数ｍを適当な値に
することにより、Exponential 形式の渦形式のように相
対流入マッハ数が低い渦形式を得ることもできる。

【００３９】これにより、たとえば、前述したような前
方の段落でExponential 形式の渦形式を採用し、後方の
段落で静翼流出角一定形式の渦形式を採用した軸流圧縮
機において、渦形式が切り替わる部分で、指数ｍを適当
な値とすることにより、連続的に変化する渦形式を実現
することができる。

【００４０】また、単独の段落においても、その段落に
対する流体の条件、動翼の回転速度等に応じて、指数ｍ
を適当に選択することにより、好適な渦形式の静翼を得
ることができる。

【００４１】請求項２に係る発明によれば、定数ａ、ｂ
およびｒを一意に決定することが可能となるため、渦形
式の設計を容易かつ系統的に行うことができる。

【００４２】たとえば通路部平均径における考察の結果
を用いて定数ａ、ｂを決定すれば、無次元化された半径
ｒに対して指数ｍのみをパラメータとして渦形式を与え
ることができる。これにより、指数ｍが既定であれば、
各半径方向位置の動翼入口周方向速度Ｃt1を直ちに計算
することができる。

【００４３】請求項３に係る発明によれば、段落の位置
に応じて指数ｍを適当に選定することによって全体とし
て高性能な段落を有する軸流圧縮機を得ることができ
る。たとえば、指数ｍが前方の段落から、概略連続的に
変化するように設定することによって、それぞれの段落
における流体条件に好適な渦形式を設定することができ
るとともに、段落間の流体力学的な特性に急激な変化が
生じないようにすることができる。

【００４４】請求項４に係る発明によれば、相対流入マ
ッハ数が最も高くなる最上流の段落に対しては、動翼に
対する相対流入マッハ数が可能な限り低くなる渦形式を
採択し、その最上流の段落以降の各段落については徐々
に指数ｍを減らすことによって、渦形式をそれぞれの段
落に対して好適となるように設定することが可能とな
り、軸流圧縮機の性能を高めることができる。

【００４５】請求項５に係る発明によれば、中間段落よ
り後方の段落に指数ｍが極大値をとるように指数ｍの分
布を設定することにより、軸流圧縮機の性能を高めるこ
とができる。これは、指数ｍを大きくするほど、動翼先
端部分のキャンパ角が小さくなり、動翼先端部分の負荷
が減少することによる。

【００４６】つまり、多段の軸流圧縮機においては、圧
縮に伴って流体の密度が増加し、体積流量が減少するの
に伴って空気通路の高さが漸減しているが、後方の段落
ほど動翼先端とケーシングとの間の隙間から、流体の漏
洩による損失の影響が相対的に大きくなる。この流体の
漏洩損失を低減するには、間隙量を小さくすることのほ
か、動翼先端部における負荷を軽減させることが有効で
ある。これに対して、本発明の軸流圧縮機によれば、中
間の段落より後方の段落で指数ｍを大きくしているの
で、この部分の動翼先端部のキャンバーが小さくなり、
したがって、動翼先端部分の負荷が少なくなって流体の
漏洩が少なくなる。

【００４７】なお、上記指数ｍが極大値をとる段落の下
流の段落で、指数ｍの値を減少させているのは、ディヒ
ューザに対して旋回流れが少ない流体を提供するためで
ある。つまり、指数ｍが大きくなると、上述したように
動翼先端からの流体の漏洩が少なくなるが、半径方向に
おける流体の静翼出口流れ角の差は大きくなり、流体に
旋回速度成分を与えてしまう。これでは、ディヒューザ
部において流体の速度エネルギーが圧力に変換する効率
が低下する。このため、本発明による軸流圧縮機では、
最後部の段落付近では指数ｍの値を小さくし、流体に対
する旋回速度の増大を防止している。

【００４８】請求項６に係る発明によれば、理論式によ
る動翼の相対流入角度β₁によって、その上流の静翼ま
たは案内翼の翼断面形状、翼キャンバー、スタガ角等を
規定している。これは、静翼の成形・加工は、一般に動
翼より容易だからである。

【００４９】すなわち、動翼の先端部や基端部では、境
界層等の影響により、軸方向の流速や、動翼に対する流
体流入角度が変化してしまうため、性能を維持しようと
すれば、境界層内部の動翼の翼形状等を変化させなけれ
ばならない。しかし、動翼は一般に流体性能を高めるた
めに、可能な限り薄い構造となっているので、動翼の先
端部分や基端部部を他の部分と異なる形状にするのは困
難である。このため、本発明による軸流圧縮機は、動翼
を境界層等の影響を考慮しない理論式通りの形状とし、
静翼側をこの動翼に対して最も好都合な相対流入角度β
1 を与えるような翼形状等に調整している。これによ
り、加工容易かつ高性能な動・静翼を有する軸流圧縮機
を得ることができる。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て添付の図面を用いて説明する。

【００５１】本発明による動翼・静翼を有する多段の軸
流圧縮機は、図９に示すような構成を有している。この
軸流圧縮機の構成はすでに説明した通りであるので、こ
こでの重複した説明は省略する。

【００５２】この軸流圧縮機の少なくとも一つの段落の
静翼は、下式で示す動翼入口周方向速度Ｃt1をその下流
の動翼に与える翼断面形状、あるいは翼キャンバー、あ
るいはスタガ角を有している。

【００５３】Ｃ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^m ここで、Ｃ_t1 ：下流の動翼に対する入口周方向速度ａ，ｂ：定数ｒ：半径ｍ：０＜ｍ＜４の所定数値からなる指数上記指数ｍを種々の値とすることにより、様々な形状
（渦形式）の静翼または入口案内翼を得ることができ
る。このことは、後にさらに詳細に説明する。

【００５４】今、Ｃ_t1PCD、Ｃ_t2PCDをそれぞれ翼高さ
の５０％位置の動翼入口周方向速度および動翼出口周方
向速度として、定数ａ，ｂを、ａ＝（Ｃ_t2PCD＋Ｃ_t1PCD）／２ｂ＝（Ｃ_t2PCD−Ｃ_t1PCD）／２ｒを翼高さの５０％位置の半径で無次元化した数値とす
ると、定数ａ，ｂおよび半径ｒを一意的に決定すること
ができる。この場合、翼の高さの５０％の位置における
動翼入口・出口の周方向速度を考察することにより、指
数ｍが既定ならば、動翼入口周方向速度Ｃ_t1の半径方向
の分布から、静翼や入口案内翼の半径方向の各位置にお
ける翼断面形状、翼キャンバー、スタガ角等を決定する
ことができる。

【００５５】上記Ｃ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^mから決定される形
状を有する静翼あるいは入口案内翼を上流側に備えた場
合、指数ｍを変化させることによって動翼入口周方向速
度Ｃt1の半径方向分布が変化し、これに伴って、該動翼
に対する動翼入口軸方向速度Ｃ_x1と動翼流出角度α₁も
変化する。上記翼高さ５０％での動翼入口・出口周方向
速度Ｃ_t1PCD，Ｃ_t2PCDから形状を決定する静翼・入口
案内翼の場合、この関係は次のように表される。

【００５６】Ｃ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^m Ｃ_x1＝（Ｃ_x1PCD ²−ｃ−ｄ＋ｅ）^1/2 α₁＝ｔａｎ^-1（Ｃ_t1／Ｃ_x1）但し、ａ＝（Ｃ_t2PCD＋Ｃ_t1PCD）／２ｂ＝（Ｃ_t2PCD−Ｃ_t1PCD）／２ｃ＝２・ａ²・ｌｎ（ｒ）ｄ＝２・（２−ｍ）・ａ・ｂ・（１−ｒ^m）／（ｍ
ｒ^m）ｅ＝（１−ｍ）・ｂ²・（１−ｒ^2m）／（ｍｒ^2m）このような関係から、結果として動翼に対する相対流入
マッハ数の翼高さ方向の分布は、従来例として記入した
静翼流出角度一定形の渦形式を用いた場合に対して、大
きいｍをとるほど翼先端の相対流入マッハ数が減少す
る。このことを図１のグラフに示す。

【００５７】図１において、曲線１３は静翼流出角一定
形式、１５はｍ＝０．５の本発明による渦形式、１６は
ｍ＝１．５の本発明による渦形式の半径方向（翼高さ方
向、あるいは通路高さ方向）各位置に対する動翼相対流
入マッハ数を示している。

【００５８】図１から明らかなように、本発明の渦形式
によれば、実質的に指数ｍのみをパラメータとして、様
々な渦形式を表現することができる。このことは、軸流
圧縮機の動静翼の設計を容易にし、かつ、全体として高
性能の軸流圧縮機を得ることに貢献する。

【００５９】一般的に、単独の段落について言えば、渦
形式は画一的に決定されるべきものではなく、機械全体
の性能が要求を満足するように、流体性能や失速に対す
る余裕、あるいは定格点のみではなく、部分負荷条件に
おける運転特性なども考慮しつつ、使用する翼型の特性
に対して最適なものを選定する必要がある。さらに、軸
流形の圧縮機は通常多段落で構成されているので、単独
の段落に対してのみに着目して最適なものを選定するだ
けでは不十分であり、前後の段落も含めた検討によっ
て、軸流圧縮機全体としての性能や効率を最適化するこ
とが必要となる。従来は、このような様々な設計パラー
タを考慮して、上記制約条件を満足しながら翼形状を最
適化することに多大な労力を費やしていた。

【００６０】これに対して、本発明による渦形式は、実
質的にｍ（０＜ｍ＜４）のみをパラメータとして、上記
制約条件を満足しつつ、好適な渦形式を得ることができ
る。たとえば、ｍをｍ＜０の値とすれば、自由渦形に近
い渦形式が得られ、ｍを０＜ｍの値とすれば、ｍが増大
するにつれて、静翼流出角一定形に極めて近い渦形式と
なる。また、指数ｍを半径方向に連続的に変化させるこ
とにより、動翼の翼端部における流入マッハ数が減少す
るような連続的な渦形式を表現できる。

【００６１】さらに、流体流れの上流側から下流側に向
かって複数の段落の指数ｍを連続的に変化させることに
よって、流体流れに沿って、すなわち軸方向に翼形状を
連続的に変化させることができる。このように、指数ｍ
を前方の段落から概略連続的に変化するように設定する
ことによって、それぞれの段落に好適な渦形式の設定が
可能となるとともに、段落間の流体力学的な特性に急激
な変化が生じないようにすることができる。この結果と
して高性能な軸流圧縮機を得ることができる。

【００６２】ここで、指数ｍは理論上は任意の大きな値
をとることができる。しかしながら、ｍが過大となれ
ば、たとえば、実際の翼の三次元的な形状に無理が生じ
たり、サージに対する余裕、あるいは翼端部以外の性能
が悪化するなどの弊害を発生するので、軸流多段圧縮機
として好適な渦形式が得られる実際的なｍの範囲として
は、０＜ｍ＜４が選定される。

【００６３】一般的に軸流圧縮機においては、上流側の
段落では翼列に対する流入マッハ数が高くなる。流入マ
ッハ数の絶対値が０．８を超えるような翼列では、圧縮
性の影響を十分に考慮した設計が必要となり、その設計
に要する労力は格段に増加する。かかる部分では、衝撃
波の影響による損失の増加が避けられない。このような
条件の翼列に対して最も効果的に高性能を得るために
は、翼列に対する相対流入マッハ数を低くすることであ
る。

【００６４】しかし、圧縮機の翼列設計は、流入マッハ
数のみで決定されるわけではない。性能や幾何学的条
件、あるいは安定性を評価するための多くのパラメータ
を検討したうえで、これらが所定の条件を最もバランス
良く満足するポイントを選定することで翼列の形状が決
定される。これに応じて翼列の設計に多くのパラメータ
がを導入することは、効率的な設計に支障をきたすばか
りでなく、最終的に、各パラメータを満足する翼形状に
到達することが困難となることもある。

【００６５】これに対して、上記本発明の渦形式によれ
ば、実質的にｍのみをパラメータとして、最適な渦形式
を表現できるため、このような問題点を回避して効率よ
い設計によって高性能な圧縮機を実現することができ
る。

【００６６】また、本発明の渦形式によれば、加工容易
な動静翼を得られる利点がある。本発明の渦形式によれ
ば、従来の自由渦形式や静翼流出角一定形式に比べて、
一般に動翼スタガ角が小さくなる。このことを図２ない
し図４に示す。

【００６７】図２は、動翼スタガ角の偏差（通路高さ５
０％のスタガ角を０として、それに対するねじれ角）を
示している。図２，３において、曲線１７はｍ＝２の本
発明による渦形式を示しており、曲線１２と１３はそれ
ぞれ従来の自由渦形式と静翼流出角一定形式を示してい
る。

【００６８】図２より、本発明による渦形式は、従来の
自由渦形式や静翼流出角一定形式に比べて動翼スタガ角
の偏差が少ないこと、すなわち、動翼のねじれが少ない
ことがわかる。このことは、一般に加工が困難な動翼の
成形を容易にすることに寄与する。

【００６９】また、図３に示すように、静翼流出角一定
形式１３の静翼スタガ角偏差は全通路高さにわたってほ
ぼ０の値を有し、本発明による渦形式１７（ｍ＝２）は
自由渦形式１２よりわずかに大きな静翼スタガ角偏差を
有している。このことは、静翼が一般に動翼に比べて加
工が容易なこと、および自由渦形式の静翼スタガ角偏差
に比して大きな偏差を有しているものの、本発明による
渦形式の静翼スタガ角偏差は全体として合理的なねじれ
範囲内にあることから、大きな問題とはならない。した
がって、全体として加工容易な動翼および静翼を得るこ
とができる。

【００７０】図４は、理解を容易にするために、図２と
図３の動静翼のスタガ角の偏差について、本発明による
渦形式と静翼流出角一定形式の渦形式形式を比較して示
したものである。図４(a) は本発明による渦形式の動静
翼、図４(b) は静翼流出角一定形式による渦形式の動静
翼を示しており、それぞれ動静翼の半径方向中心部から
翼基端部に向かって見たところを示している。

【００７１】図４に示すように、本発明による渦形式の
動翼１９のねじれは、静翼流出角一定形式の渦形式によ
る動翼２１のねじれより、明らかに小さい。一方、本発
明による渦形式の静翼２０のねじれは、静翼流出角一定
形式の渦形式による静翼２２とほぼ同程度である。動翼
１９，２１は、流体力学的性能を追求する関係上肉厚が
薄いので、本発明の渦形式の動翼のようにねじれが少な
いことは加工上大変有利である。

【００７２】なお、本発明の渦形式によれば、動翼に対
して相対流入マッハ数の上昇を抑制できるのみならず、
静翼に対しても同様の効果がある。このことを図５に示
す。

【００７３】図５において、曲線１３は静翼流出角一定
形式の渦形式、曲線１５と１６はそれぞれｍ＝０．５と
ｍ＝１．５の本発明による渦形式を示している。図５か
ら明らかなように、本発明による渦形式の静翼相対流入
マッハ数は、一般に静翼流出角一定形式による渦形式よ
り低いことがわかる。

【００７４】次に本発明の第２の実施形態について以下
に説明する。本発明の第２実施形態は、最前方の段落か
ら下流の複数の段落にわたって、指数ｍが漸減する静翼
を有している軸流圧縮機である。図６は、この軸流圧縮
機の段落と指数ｍの関係を示している。

【００７５】図６に示すように、本軸流圧縮機は、第１
段落においては、動翼先端部に対する流入マッハ数を低
減させるため、ｍ＝２と比較的大きなｍ値をとり、以降
ｍを第５段落まで直線的に減少させている。第５段落以
降はｍ＝０、すなわち従来の静翼流出角度一定形として
いる。この部分の静翼を静翼流出角一定形式としている
のは、これによって翼形状を簡単化してコストを低下さ
せるとともに、従来技術の活用を図るためである。

【００７６】このように最前方の段落から下流の向かっ
て指数ｍが減少させているので、上流部分の段落におい
て動翼先端側に対する相対流入マッハ数が減少し、下流
部分の段落に対してはそれぞれ好適に設定することが可
能となり、軸流圧縮機の性能を高めることができる。

【００７７】なお、本実施形態の軸流圧縮機では、第６
段の上流側と下流側ではそれぞれ指数ｍが直線的に変化
しているが、実際にはｍは設計パラメータとしては、ス
テップ的な値が採用されることがほとんどである。この
ため、必ずしも上流の各段落に対して厳密な意味で連続
となるわけではなく、各段落に対して極端な変動のない
ように、指数ｍの値を漸減させていることが本発明の趣
旨に適合していることは明らかである。

【００７８】図７は本発明の第３の実施形態の軸方向各
段落のｍ値を示している。本実施形態による軸流圧縮機
は、１６段落を有する多段軸流圧縮機のうち、特に翼長
さに対する相対的な翼端間隙量が増加し、翼端から漏れ
損失の占める割合が増加する第１１段落から第１４段落
までに対して、指数ｍをｍ＝２と比較的大きな値として
いる。これにより、これらの段落において、翼先端側の
そり角（動翼キャンバー）を小さくとって翼端からの漏
洩損失の低減による性能向上を図っている。

【００７９】一方、第１４段目以降の段落では、翼高さ
方向の流れのねじれを矯正し、第１６段目の下流に設け
られているディフューザに対して旋回流の少ない流れを
与えられるように、ｍを漸減させている。

【００８０】これにより、流体の漏洩が少なく、かつ、
ディヒューザに対して旋回流が少ない流体を供給する全
体として高性能な軸流圧縮機を得ることができる。

【００８１】なお、この場合も、ｍの値の各段落間の変
化は、実際的には必ずしも厳密に連続でなくても、本発
明の趣旨に適合することは明らかである。

【００８２】次に本発明の第４実施形態による軸流圧縮
機について図８を用いて以下に説明する。

【００８３】本発明の第４実施形態による軸流圧縮機
は、動静翼の基端部あるいは先端部に存在する境界層等
に対し、動翼の翼形状を変化させる代わりに、静翼の翼
形状を変化させるものである。

【００８４】軸流圧縮機においては、翼高さ方向の根元
側および先端側の領域では、ケーシング壁面やロータ面
のいわゆるエンドウォール付近で境界層が存在し、ある
いは翼列内部の二次流れの影響を強く受け、主流部分と
流れの様相が大きく異なることが知られている。

【００８５】渦形式はこのような部分では、翼からの流
出角度にはそれ程の影響を受けなくても、流体の速度そ
のものが小さくなっているため、本発明の趣旨を実現で
きない。

【００８６】境界層領域といわゆる主流領域の流体の流
れを比較して図８に示す。図８において、符号１８は軸
流速度の変化を考慮しない静翼の断面形状、符号１９は
軸流速度の変化を考慮した静翼断面形状を示している。
また、軸流速度を考慮しない速度三角形を実線で示し、
軸流速度を考慮した速度三角形を破線で示す。

【００８７】すなわち、図８に示すように、境界層領域
の静翼または案内翼の翼形状を主流部分と同様に決定す
ると、流体の速度、特に軸流速度がＣ_x1からＣ_x1′へと
なり小さくなっているにもかかわらず、動翼の周速Ｕ₁
は一定であるため、このような条件のもとにおける動翼
相対流入角度β₁′はエンドウォールの影響を考慮しな
いで決定されたＣ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^mの関係で得られるβ
₁に比べて大きく異なってしまう。これでは、翼列に対
する流入角度が設計値と大幅に相違し、極端な性能の悪
化や、翼列の失速を招く可能性がある。

【００８８】このような問題を回避するためには、動翼
そのものに上記エンドウォールの影響による相対流入角
度の相違を考慮した形状を適用することが考えられる。
しかし、一般的に圧縮機の動翼は、流体的な性能を高め
るために可能な限り薄い翼が採用されている。しかも、
このような動翼を非常に高い遠心力場のなかで実現する
ために、構造的にかなり限界的な設計がされている。こ
のため、翼の先端や根元を他の部分と極端に異なる断面
形状にすることは実際上困難である。

【００８９】そこで、本実施形態の軸流圧縮機は、軸流
速度が大きく変化する境界層領域の部分については、本
発明の動翼入口周方向速度Ｃ_t1（Ｃ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^m）
と、Ｃ_t1と半径平衡式とから求められる動翼入口軸方向
速度Ｃx1とを用いて、動翼に対する相対流入角度β₁の
半径方向分布が、 β₁＝ｔａｎ^-1（（Ｕ₁−Ｃ_t1）／Ｃ_x1）となるように、上流側の静翼または案内翼からの流出角
度をα₁からα₁′に増加するようにそれらの基本形状
を決定したものである。

【００９０】さらに該静翼の上流側の動翼からの流出角
α₂についても同様の理由により、実際に該静翼に流入
する角度はα₂′のように軸流速度が減少しない場合に
比して大きくなる。結局、本実施形態においては、図８
に示すように、境界層等の領域内では、軸流速度の変化
を考慮しない場合の静翼形状１８に対して軸流速度の変
化を考慮した静翼形状１９のように取付角度が増大する
方向に静翼を取り付けている。

【００９１】これにより、静翼からの流出速度がいわゆ
る主流部分と相違する部分に対しても好適な流入角度を
有する流れを下流の動翼に与えられ、一層性能を高める
ことができる。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による軸流
圧縮機によれば、実質的にｍのみをパラメータとして渦
形式を変化させることが可能であり、他の様々なパラメ
ータとの関係を考慮しながらも容易に好適な渦形式を選
定することができるので、設計が簡潔、容易となる。

【００９３】また、上記指数ｍを変化させることによっ
て自由度の高い渦形式を得ることができる。

【００９４】これにより、系統的な設計が可能であり、
自由度が高い動静翼形状を有する軸流圧縮機を得ること
ができる。

【００９５】さらに、本発明の渦形式によれば、動翼の
ねじりの程度が少なくなり、全体として加工容易な軸流
圧縮機を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による軸流圧縮機の無次
元化された通路高さに対する動翼相対流入マッハ数を示
したグラフ。

【図２】本発明の第１実施形態による軸流圧縮機の通路
高さに対する動翼スタガ角の偏差を示したグラフ。

【図３】本発明の第１実施形態による軸流圧縮機の通路
高さに対する静翼スタガ角の偏差を示したグラフ。

【図４】本発明による渦形式と従来の静翼流出角一定形
式の渦形式の動静翼のねじりを比較して示した図。

【図５】本発明の第１実施形態による軸流圧縮機の無次
元化された通路高さに対する静翼相対流入マッハ数を示
したグラフ。

【図６】本発明の第２実施形態による軸流圧縮機におけ
る段落に対する指数ｍの変化を示したグラフ。

【図７】本発明の第３実施形態による軸流圧縮機におけ
る段落に対する指数ｍの変化を示したグラフ。

【図８】本発明の第４実施形態による軸流圧縮機の静翼
前後の流体の速度三角形を示した図。

【図９】軸流圧縮機の軸方向断面図。

【図１０】軸流圧縮機の流体の速度三角形を示した図。

【図１１】従来の種々の渦形式の無次元化された通路高
さに対する動翼相対流入マッハ数を示したグラフ。

【図１２】翼列流入マッハ数に対する全圧損失係数の変
化を示したグラフ。

【図１３】従来の渦形式の特徴を説明する図。

【符号の説明】

１ロータ２ケーシング３動翼４静翼５入口案内翼６可変取付角静翼７出口案内翼８ディヒューザ９燃焼器１０空気流入方向１２自由渦形式１３静翼流出角一定形式１４ Exponential 形式Ｃ₁ 動翼流入速度Ｃ_t1 動翼入口周方向速度Ｃ₂ 動翼流出速度Ｃ_t2 動翼出口周方向速度Ｃ_t1PCD 動翼入口周方向速度Ｃ_t2PCD 動翼出口周方向速度Ｃ_x1 動翼入口軸方向速度Ｕ₁ 動翼周速度Ｗ₁ 相対流入速度Ｗ_t1 流入側相対周方向速度Ｗ₂ 相対流出速度Ｗ_t2 流出側相対周方向速度 α₁ 動翼流出角度 β₁ 相対流入角度 α₂ 静翼流出角度 β₂ 相対流出角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静翼と動翼とからなる段落を複数段備えた
軸流圧縮機において、入口案内翼あるいは少なくとも一つの段落の静翼が、下
式に示す動翼入口周方向速度Ｃt1をその下流の動翼に与
える翼断面形状、あるいは翼キャンバー、あるいはスタ
ガ角を有していることを特徴とする軸流圧縮機。Ｃ_t1＝ａ−ｂ／ｒ^m ここで、Ｃ_t1 ：下流の動翼に対する入口周方向速度ａ，ｂ：定数ｒ：半径ｍ：０＜ｍ＜４の所定数値からなる指数
【請求項２】Ｃ_t1PCDとＣ_t2PCDをそれぞれ翼高さの５
０％位置の動翼入口周方向速度および動翼出口周方向速
度とするとき、前記定数ａ，ｂは、ａ＝（Ｃ_t2PCD＋Ｃ_t1PCD）／２、
ｂ＝（Ｃ_t2PCD−Ｃ_t1 _PCD）／２で与えられ、前記ｒは
翼高さの５０％位置の半径で無次元化された半径からな
ることを特徴とした請求項１に記載の軸流圧縮機。
【請求項３】所定の複数の段落が、軸方向に前記指数ｍ
を変化させた入口案内翼あるいは静翼を有していること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸流圧縮
機。
【請求項４】最前方の段落から下流の複数の段落にわた
って、指数ｍが漸減する入口案内翼あるいは静翼を有し
ていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
記載の軸流圧縮機。
【請求項５】中間段落より後方の段落に指数ｍが極大値
をとる静翼を有していることを特徴とする請求項１ない
し３のいずれかに記載の記載の軸流圧縮機。
【請求項６】動翼の相対流入角度をβ₁、周速度を
Ｕ₁、動翼入口周方向速度Ｃ_t1と半径平衡式とから求め
られる入口軸方向速度をＣ_x1とすると、前記動翼に対する相対流入角度β₁の半径方向分布が、 β₁＝ｔａｎ^-1（（Ｕ₁−Ｃ_t1）／Ｃ_x1）となるように、該動翼の上流の静翼または案内翼の翼断
面形状、あるいは翼キャンバー、あるいはスタガ角を調
整した段落を少なくとも一段有していることを特徴とす
る請求項１ないし５のいずれかに記載の軸流圧縮機。