JPS5936119B2 - 遠心コンプレツサ用デイフユ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音速遠心コンプレッサのチャネルディフュー
ザ、特に、内周付近で衝撃波を作るディフューザで内周
から次第に離れるに従って広がってゆくディフュージン
グチャネルを有する湾曲チャネルディフューザに関する
。

単一軸ガスタービンエンジンは高速でタービン翼と回転
するため連結されたインペラ翼を用いる。

作動ガスは大気などの低圧源からインペラ翼に入り該翼
から半径方向と接線方向の成分からなる高速で半径方向
外方に排出される。

インペラの周辺のまわりに置かれるディフューザは高速
ガスを受けこのガスの運動エネルギを静圧に変える。

一段のコンプレッサによって与えられる圧力範囲は６：
１乃至１０：１であることが経済性、効率性のうえから
要求される。

ガスタービンエンジンの効率はディフューザを離れるガ
スの温度及び圧力に大きく依存する。

従って、ディフューザの効率における、ガスのより多く
の運動エネルギーを静圧に変え、より少しの運動エネル
ギーを熱に変えることになるような変化はそれが小さな
ものであってもエンジンの運転には重要な効果をもつ。

そのことは、特に、温度低下が、排気からの有用な熱伝
達の増大によって部分的に補償されるようにする熱回復
器（ｈｅａｔｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）を有するエンジ
ンにおいて明らかである。

しかしながら、作動ガスは最善のティフユーザの設計を
著しく難しくする複雑な雌型と超高速をもってインペラ
翼を出る。

もしも、流路の断面が急激に増大するならば、ガスはデ
ィフューザのチヤネル壁から離れ、非常に効率的でない
逆流が上記壁に沿って生じる。

他方、もし断面があまりゆっくりと拡大する場合は、チ
ャネルの壁に沿う摩擦ロスが大きくなる。

ディフューザチャネルがインペラ翼から離れるガスの自
然な渦を予知することができないことから別のロスが生
ずる。

超音速から亜音速への遷移により更に複雑さが加えられ
る。

従って、ディフューザチャネルの設計は非常に複雑で重
要な技術である。

一つのチャネルディフューザ装置が米国時許第３３３７
６２号に記載されている。

この時許においては、各チャネルがその入口に近い部分
でディフューザの内周から接線方向にのびる直線状の中
実軸線を有するようにしたチャネルディフューザが示さ
れている。

チャネルは内周付近で円筒状であり、当該チャネルの軸
線に沿ってその中央付近では円錐形となり外周付近では
円錐のトランペット状になる。

そしてチャネルは内周付近で互いに交差しており、この
内周に隣接する部分では交差する隣接チャネルは通常の
衝撃がチャネル内で起こらないように離されている。

他の周知のディフューザ装置は拡散する亜音速ディフュ
ーザ部分が後に続く収束する超音速ディフューザ部分の
使用を教えている。

従って、衝撃は回避される。

しかしながら、このディフューザ装置は２つのディフュ
ーザ部分間でマツノ・１の遷移が起る場合の速度操作設
計にのみ限定される。

更に、流れはマツ・・１の速度で亜音速デフニージョン
部分に入る。

この高速は境界層において大きな粘性及び乱流ロスを生
ぜしめ、また、ディフューザの効率を制限する６、有効
な圧力回復拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）は約５：１の面
積比に制限され、また、高速ガスは５：１の面積比を越
えた点ではまだかなりの量の運動エネルギを有する。

このエネルギは追加の拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）段階
がなければ回復できない。

本発明による超音速衝撃波コンブレツザデイフユーザは
複数の均一の旋回ディフュージョンチャネルを内包する
環状ディフューザを有する。

このティフュージョンチャネルは回転軸のまわりを回転
する超音速ラジアルフローコンプレッサロータの（イン
ペラー）外周円のまわりに等間隔で位置決めされる。

チャネルはコンプレッサロータの外周円近くの入口端部
において隣接するチャネルと交差しており、また、回転
軸に関して人口端部から半径方向外側に離れた出口端に
向う湾曲軸線に沿ってほぼ半径方向外側にのびている。

このチャネルは上記軸線に直角な平面内で円形断面とな
っており、その直径したがって断面積は、軸線に沿って
チャネル入口端部から離れるに従って増加する拡張率を
もって拡張する。

圧縮衝撃波を避けるようにした他のチャネルディフュー
ザとは異なり、本装置におけるチャネルの入口は超音速
遠心コンプレッサロータの外周にほとんど近隣しており
ガス流がチャネルの入口に近づくときにこのガス流が超
音速であることを確実にしている。

衝撃波を横断して考えれば、Ｍｌ・Ｍｏ＝１という関係
に従って速度が減少し圧力がかなり増大している。

ここでＭｌは衝撃面の入口側のマツバ数（速度）でＭｏ
は衝撃面の出口側のマツバ数である。

衝撃波は非常に短かい距離内でのかなり大きい静圧回復
を与えるので、ディフュージョンチャネルの全長はかな
りに減少でき、従って、境界層ロスが減少される。

境界層ロスにおける一様なより大きな減少は亜音速拡散
がマツバ１よりかなり低い速度で始まることにより生じ
る。

最大の境界層ロスは亜音速ディフューザ内における最高
速の領域において生ずるのだから、亜音速拡散効率の増
大はかなり太きい。

更に、有効圧力回復亜音速拡散は約５：１の面積比に制
限されるものであるが、亜音速拡散は低速で開始される
ので、５：１の面積比を通る拡散後のガス速度は小さく
、ガスの非回収運動エネルギは大きく減少される。

更に、圧力効率と圧力回復率を最大にするため、本発明
におけるディフュージョンチャネルはチャネルの中心軸
線に直角な断面積が円形であり、チャネルの軸線が対数
螺旋によって画定される路に従うようにしてあり、該螺
旋はガスがコンプレッサロータをその最も多い共通操作
速度において放出されるときの角度でロータの外周に交
差するようになっている。

対数螺旋路は１つの円弧によって近似されるが、この路
はコンプレッサロータを離れるガスの接線方向速度成分
により生ずる角運動量の回収を可能とする。

ディフュージョンチャネルの円形断面はディフュージョ
ンチャネルを通るガス流の渦速度エネルギの回収を可能
とする。

以下、本発明を添付図面に示した実施例に基づき詳記す
る。

第１図に示す如く、超音速ラジアルフローコンプレッサ
とともに使用される本発明に係る超音速衝撃波コンプレ
ッサディフューザ１０は、夫々、中央半径方向面１８に
沿って合せられる第１及び第２部材１４及び１６によっ
て形成される環状のディフューザ本体１２を有している
。

本体１２は２つの軸方向にのびる整合孔２０．２２を有
し、該孔には整合ピンが圧入され第１及び第２部材が夫
々正しく整合されるようにする。

ディフューザ本体１２のまわりにはその外周に沿って複
数の軸方向にのびるボルト孔２４が設げられており、該
孔は隣接する一対のディフューザチャネル２８の間を通
るようになっている。

ボルト孔２４は第１及び第２部材を衝合関係に保ち、デ
ィフューザ本体１２をハウジングか又は他の支持体に取
り付は当該ディフューザ１０をコンプレッサロータの周
囲に同心状にして固設する。

第２及び第３図を参照すると、第２図の平面に直角な回
転軸３０のまわりに超音速ラディアルフローコンプレツ
サが中で回転する周縁（外周）が円３２によって示され
ている。

本発明が限定される訳ではないが、図示された、特定の
実施例では、コンプレッサーロータとディフューザ１０
は工業及び農業車輌に適用される単一軸ガスタービンエ
ンジンのためのコンプレッサ部分を形成する。

空間的制限のため、作られるエンジンが出来る丈小さな
ものとできるようにすることが非常に重要である。

図示の実施例においては、外周円３２は１５．２４ｃｒ
ＩＬ（６インチ）の直径を有し、ディフューザ本体１２
の内周３４は１５．３０６ｃＩｒＬ（６，０２６インチ
）で外周２６は３０．５ｍ （１２インチ）の直径を有
する。

内周３４の直径はコンプレッサロータに損傷を与えない
ようにするための内周３４と外周３２との間の適正な間
隙に一致するようにしながら小さく維持する。

チャネルの数は少なくて１６個とすることができ、好ま
しくは少なくとも２０個のチャネル２８がよく、図示の
実施例では２４個のチャネルが示されている。

チャネル４０によって特に示される如く、各チャネル２
８は平面１８内にある中実軸線４２に直角な平面内の断
面で円形となっている。

軸線４２は接線方向の速度成分をもってコンプレッサロ
ータから放出されたガスの角運動量を保持できるよう対
数螺旋状にするのがよい。

しかし、製作を容易にするため、対数螺旋状軸線４２は
中心５０で図示の実施例では長さ３８．１ｃＴＬ（１５
インチ）の半径Ｒを有する円弧で近似される。

中心５０は軸線４２と内周３４との交差点に参照点５２
を選ぶことによって設定されることがよい。

内周３４に対する接線５４が点５２で引かれ、軸線４２
に対する接線５６が点５２で引かれる。

接線５４と交差する接線５６における角度θはほぼ多用
する操作速度においてガスがコンプレッサロータを離れ
る角度にされる。

それから中心点５０は接線５６に直角な点５２を通る半
径５８に沿って位置決めされる。

この図示の位置の半径５８は後述するところの角度αの
基準となる。

図示の実施例において角度θは１５°に等しい。

入口端部６０においてチャネル４０はその両側の隣接す
るチャネル６２，６４と交差する。

もしも、入口端部６０におけるチャネルの拡散角度が小
さいならば、隣接するチャネルの交差軌跡は回軸軸線３
０に平行な一つの平面上にあり楕円円弧を形成する。

各交差軌跡に対する楕円円弧の最大の長径の端はチャネ
ルの入口６０とコンプレッサロータの回転外周円３２
との間の準無翼拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）空間の最大
周囲を画定する円６６上にある。

チャネル２８の入口はチャネル４０によって示す如く、
軸４２に直角でチャネル４０の半径方向内側７２におい
て平面１８内で円６６と交差する平面７０内にあるとみ
なされる。

チャネル２８の直径はその入口端部において、チャネル
２８の数を回転外周３２に関し充分小さく維持され、そ
れにより準無翼拡散空間６８は極めて小さくされる。

このことは超音速ガス流が無翼拡散空間６８内でほとん
ど減速されず、出来る丈高速でチャネル２８０入口に近
接することを保証する。

しかし、効率上コンプレッサロータから放出されるガス
に隣接するチャネル間の鋭いエッチを与える為に無翼拡
散空間が生ずることが要求される。

最大の効率はチャネルの隣接する入口で衝撃波が生ずる
ときに達せられる。

この実施例では、準無翼拡散空間の最大周囲を画定する
円６６の直径はコンプレッサロータの外周を画定する円
３２の直径のほぼ１．０４７倍とする。

これはディフューザ本体１２の内周３４の直径の約１．
０４２倍に相当する。

いずれの場合でも、円６６の直径はコンプレッサロータ
の外周円３２の直径の１．０６倍以下にすることが好ま
しい。

これは内周３４の直径の約１．０５５倍に相等する。

入口平面７０からの軸線４２に沿う距離が回転軸３０か
ら半径方向外方に向って増加するに従い、チャネル４０
の断面積は一定の割合で増加する。

よく知られているように、もしもチャネル４０の拡散角
度が大きすぎ、断面積が軸線４２に沿う弧の長さＬに関
して急激に増大するならば、チャネルの壁に隣接する境
界層において流れの分離が生じ、また、ガスの運動エネ
ルギが静圧でなく熱に変換されてかなりのロスが生じる
。

他方、もしも拡散角度があまり小さすぎ、軸４２に沿う
断面積の増大があまりゆっくりしたものであれば、チャ
ネル４０は必然的に長く、ガスとチャネル壁間の摩擦ロ
スが必要以上に大きくなる。

図示の実施例では、入口平面７０からの距離が増加する
に従い増加する拡張率をもって、軸線４２に直角なチャ
ネルの断面を拡張することにより、ガス速度が減少する
際にガス流の分離を生じさせることなく拡散角度を増加
することを可能にするガス特性を有している。

この実施例では入口の直径が７．２ｉｍ（０，２８２イ
ンチ）で出口平面７４における直径は１６ｖｒｒｔｔ（
０，６３０４インチ）である。

出口平面７４は基準半径５８に関し、角度αがほぼ１７
．０７０３°のところにおかれ、入口平面７０は半径５
８に関して３．１３２００のところに設けられる。

従って出口平面７４と入口平面７０との間の軸線４２の
弧の長さは ＝ ９．２７ｃｍ、（３，６４９インチ）である。

出口平面７４におけるチャネル４０の断面積は入口平面
７０におけるチャネルの断面積の約５倍である。

これは最大面積比に対応している。

入口平面７０から始る軸線４２の弧の長さＬに関するチ
ャネルの直径りの２Ｄ 二次導関数、口は定数に１で１インチ平方当り０．０５
２６インチとするのがよい。

入口平面における零の拡散角度を想定すると、弧長りに
対するＤ チャネル直径の導関数ａＬ −Ｋ １Ｌでこの直径はＤ
ニアに、Ｌ２＋０．２８２ （インチ）となる。

入口平面７００半径方向の内側では、チャネルは円筒状
で拡散はない。

製作を容易にする為、チャネルの拡散は３個の円錐部分
にわけてチャネル４０を形成し、それから隣接する円錐
部分の壁の交差部分において生じる鋭い遷移部分を滑ら
かにすることにより近似される。

一つの実施例では、第１の円錐セグメント７６が角度α
＝３．１３２°における入口平面７００半径方向内側に
あるチャネルに沿う全ての位置で形成される。

この第１の円錐部分７６は拡散のない一定直径（７，２
ｍｍ、）の円筒である特別の場合である。

第２の円錐部分７８は入口平面７０と基準半径５８から
角度α−＝５．６１１２°にある基準面８００間にあり
、入口平面７０付近で衝撃波の生ずる場合の好ましい操
作条件において超音速拡散領域の開始部分を形成する。

第２の円錐部分７８は有効拡散角度が３°で遷移部分を
滑らかにする前の状態の基準面８０において９．０２６
４’ｍｍ（０，３１６インチ）の直径である。

第３の円錐部分８２は平面８０から半径方向外側のチャ
ネルの全ての部分を占める。

第３の円錐部分８２は有効拡散角度６°を有している。

操作時には、ガスは超音速でコンプレッサーロー・夕の
回転外周３２から離れる。

このガスは無翼拡散空間６８を通るときには、はんの少
しだげ減速される。

主要な圧縮衝撃波は平面７００半径方向内側の準無翼拡
散空間６８内か、平面７００半径方向外側のチャネル４
０内における入口平面７０に非常に近い部分で生ずる。

衝撃波の正確な位置は、コンプレッサの操作状態、特に
出口における静圧に基づき変わる。

出口静圧が減少すると、衝撃波はチャネル２８の入口に
対し半径方向外側に動く傾向を有する。

もしも、静圧がきわめて低くなると、第２の衝撃波が形
成され、効率は実質的に下がる。

第２の衝撃波は出口静圧が下がり続けると第２の円錐部
分７８を通して半径方向外側に動く。

好ましい操作条件にあっては、第２の衝撃波は生ぜず、
主要な衝撃波が入口平面７０に非常に近いところで生ず
る。

圧縮衝撃平面の入口側のガスは好ましくは約１．５のマ
ツバ速度を有し、ここで開示されたコンプレッサロータ
とディフューザ１０の特別な場合にあっては、約１．３
５のマツバ速度を有することがわかった。

入口側のマツ； ハ数が約１．７を越えて増大すると、
衝撃波の効率に重大な減少が生じた。

好ましい条件の下では、亜音速拡散（ディフュージョン
）が第２の円錐部分７８と第３の円錐部分８２内で生ず
る。

第１衝撃波の出口側のガス速度はマツバ１よりかなり低
いため、マツバ１に近い速度の亜音速チャネル流れに関
する境界層粘性ロスは避けられ、５：１の最大圧力回収
拡散面積比を通った後のガスの回収されない運動エネル
ギをかなり減少する。

第２円錐部分７８内で第２衝撃波が生じる場合には、亜
音速拡散がその下流で生ずる。

チャネル２８の必要な長さは、非常に短かな圧力衝撃波
を横切って生ずるかなりの速度減少及び圧力増加により
大きく減少され、また、環状のティフユーザ本体１２の
外周円２６の直径は小さな角度θの使用及びチャネルの
円弧曲率により減少された。

これらの条件は回転軸線３０に関しチャネルの中央線に
沿って６．９３６ｍ（２，７１８インチ）の半径方向距
離内におかれたＬ＝９．２６１ｃｍ（３，６４９インチ
）の軸線に沿う有効円弧長を有するチャネルを可能とす
る。

従って、ディフューザ本体１２はより小さくより堅固に
なりそれが使用されるガスタービンエンジンのサイズを
小さくする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音速遠心コンプレッサ用ディフ
ューザの一部切欠斜視図；第２図は第１図のディフュー
ザの一部平面断面図；第３図は第２図の３ｍ３線図であ
る。 １２・・・・・・ディフューザ本体、２８・・・・・・
チャネル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中心軸線のまわりに延びる環状のディフューザ本体
   で、遠心コンプレッサの回転翼の周囲に極めて近接して
   配置される内周と；この内周から半径方向に離された外
   周と；内周と外周との間の一対の側面と；この一対の側
   面の中間で上記内周と外周との間に延びる複数の彎曲し
   たチャネルとを有し、このチャネルの夫々の断面が上記
   内周付近で最小で前記中心軸線に対し半径方向に外方に
   向うに従い増加する拡張率をもって連続的に拡がり上記
   外周部分で最大となっており、且つ、隣接するチャネル
   は上記内周近傍で交わり、その間に遠心コンプレッサの
   回転翼の周りに近接した鋭いエツジを形成し、このエツ
   ジ近傍のチャネル入口で半径方向内側に最大のマツバ数
   を伴う衝撃波を生せしめるようにしてなる環状ディフュ
   ーザ本体を有する遠心コンプレッサ用ディフューザ。