JPS60145499A - 遠心圧縮機のディフューザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明のディフューザ、更に具体的に云えば、燃焼室
に対する流れの分布を最適にする様な形になっていると
共に、ディフューザの間で一様性が保証される様な形で
、厳密な許容公差に製造することの出来る、遠心圧縮機
のディフューザに関する。

遠心圧縮機は、その中を流れるガスを加速して、その運
動エネルギを強める様に配置された回転羽根車を持って
いる。ディフューザは一般的に羽根車を取囲む静翼のな
い状態に準じた環状空間を特徴とする。ディフューザは
羽根車を出て行くガスの流速を減らして、そのエネルギ
を静圧の増加に４− 変換する様に作用し、こうして加圧ガスを発生する。

従来のディフューザは一般的に円周方向に相隔たる複数
個の通路を持っていて、これらの通路が羽根車を取囲む
環状空間に収斂している。これらの通路は、羽根車を出
て行く流れを拡散させる為に、羽根車の下流側で面積が
拡がっている。ガスタービン機関に使われるこの種の従
来のディフューザでは、ディフューザの通路は最初は円
形断面を持っていて、羽根車を出て行くガスの比較的高
い流速を損失を小さくして受入れる様にすると共に、そ
の後は矩形に近い出口に徐々に変って、損失を最小限に
することが好ましいことが判った。

こういう形式の１つのディフューザが米国特許第４．０
２７．９９７号に記載されている。この米国特許のディ
フューザは、遠心圧縮機の羽根車を取囲む静翼のない状
態に準じた環状入口と流れが連通する複数個の直線通路
で構成されている。

各々の通路がその入口端近くののど部に於る円形断面か
ら、その出口に於ける矩形に近い断面に徐々に変わる。

この矩形断面は向い合う平坦で平行な２つの側面と、向
い合う平坦で弯曲した２つの側面とで構成されており、
これがディフューザの出口に剃刀の刃の様に鋭い後縁を
作る。ディフューザの出口がこの様に矩形に近いことは
、ディフューザの出口と流れが連通ずる環状燃焼室に対
する流れの分布を最適にする。

この米国特許に記載されたディフューザは、ガスタービ
ン機関に対する遠心圧縮機の性能を著しく改善したが、
ディフューザの静翼のない状態に準じた入口が羽根車か
ら直接的に加速ガスを受取る為、比較的大ぎな粘性抗力
を受け、その結果望ましくない圧力損失が起る。

従って、この発明の目的は、遠心圧縮機に対する新規で
改良されたディフューザを提供することである。

この発明の別の目的は、静翼のない状態に準じた入口の
良さを減少して、そこでの粘性抗力の合計を減少するデ
ィフューザを提供することである。

この発明の別の目的は、遠視圧縮機のディフューザとし
て、燃焼室に対する流れの分布を最適にする様な形にな
っていると共に、ディフューザの間で一様性が保証され
る様な形で、厳密な許容公差に容易にＴＭ’１Ｍするこ
との出来る様なディフューザを提供することである。

発明の要約 この発明のディフューザは複数個の通路を持ち、これら
の通路がその半径方向内側の端で交差して、遠心圧縮機
の羽根車からの加速ガスを受取る静翼のない状態に準じ
た環状入口を構成する。各々の通路は、略平行な２つの
線形側壁及び向い合った略弓形の２つの側壁を持つ四辺
形断面を有するのど部を持っており、これが環状入口の
長さを短くし、こうして圧力損失を減少する様に作用す
る。

ディフューザ通路の直線性並びに規則性が、１個の工具
を用いて環状板を放電加工することにより、ディフュー
ザを厳密な許容公差に製造することが出来る様にする。

この為、ディフューザの間の一様性並びにばらつきの無
さが保証される。この発明に特有と考えられる特徴は特
許請求の範囲に記＝７− 載しであるが、この発明のその他の目的及び利点は、以
下図面について詳しく説明する所から明らかになろう。

詳しい説明 第１図には、普通のガスタービン機関（図に示してない
）の燃焼室に空気を送る様に作用する遠心圧縮Ｉａ１０
の部分断面図が示されている。圧縮機１０は、その半径
方向外側に配置されたこの発明の１実施例の環状ディフ
ューザ１４と流れが連通ずる環状羽根車１２を持ってい
る。遠心圧縮機は、回転羽根車１２によって加速された
ガスの比較的大きな運動エネルギを静圧エネルギに変換
するものであることはよく知られている。然し、この発
明のディフューザ１４は従来のディフューザ、特に前に
引用した米国特許第４．０２７．９９７号のディフュー
ザに対して改良されたものである。

普通の羽根車１２は円周方向に相隔たる複数個の羽根１
６を持っており、これらが環状ウェブ１８によって支持
されている。ディツユ−４１１４は環状ディフューザ・
ハウジング２０を持っていて、８− 接線方向に配置された複数個の流れ通路２２がハウジン
グ２０の円周に沿って相隔たっていて、その中を伸びて
いる。通路２２は直線の中心線に沿って配置されている
。通路２２は、１つには、全体的に凸の相隔たる複数個
の静翼２３によって構成され且つ区切られている。隣接
した通路２２が半径方向内側の入口部分２７１で互いに
交差して、ディフューザ」４の静翼のない状態に準じた
環状人口２６を構成する。更に各々の通路２２が入口部
分２４と一体ののど部２８を持っている。こののど部は
流れ通路を限定する第１の四辺形断面３０を持ち、この
断面は略平行な向い合゛う２つの線形側壁３２．３４と
向い合う２つの略弓形の側壁３６．３８　（第２図参照
）を含む。

第１図、第４図及び第５図に示す様に、入口部分２４は
部分的に区切られた通路であって、その下流側の端の頂
点で開放した全体的に円形断面を持ち、これが上流側の
端に於ける全体的に平坦な直線的な側面を持つ部分にテ
ーパがついており、そこでのど部２８と交差する。のど
部２８は、通路２２の内、完全に区切られた最初の流れ
の部分を表わす。環状入口２６を静翼のない状態に準じ
ていると呼ぶのは、静翼２３が主にのど部２８の下流側
の端で終端し、のど部２８から入口部分１４の下流側の
端まで伸びていて且つテーパがついている比較的小さな
舌片又は段部２３ａ　、２３ｂしか持たないからである
。

この発明の重要な特徴は、第５図に示す様に、入口部分
２４に段部２３ａ　、２３ｂを取入れたことである。こ
れらの段部は、側壁３２の一部分によって表わされる平
坦な半径方向外向きの面及び側壁３６．３８の一部分に
よって表わされる弓形の半径方向内向きの面を含む。段
部２３ａ　、２３ｂの平坦な面が、静翼のない状態に準
じた入口２６に於ける空気流を局限するのを助ける壁と
して作用し、その歪みを少なくすると共に、そこでの失
速の慣れを小さくする。

更に具体的に云うと、入口２６に於ける空気流の圧力が
半径方向外向きに増加することが判る。

半径方向外側部分の圧力が一層高いことは、入口２６の
壁に沿って存在する境界層を半径方向内向きに押出す傾
向があり、これは失速につながる慣れがある。従って、
段部２３ａ　、２３ｂの平坦な面は、境界層が羽根車に
向って駆動されるのを防止するのを助け、こうして失速
の慣れを少なくし、失速余裕を大きくすると共に、ディ
フューザ１４の性能を高めることが出来る様にする。

この発明ののど部２８はディフューザ１４の空気力学的
な効率を著しく改善する。具体的に云うと、接線方向に
配置される複数個のディフューザ通路２２の所要量、の
ど部２８の所要流れ面積Ａ及び羽根車の羽根１６（第５
図参照）の半径方向外側の先端の幅２ｂ　（第５図参照
）を決定するのに、例えば機関の性能、圧力比及び流れ
の容積を考慮して圧縮機を設計するのが普通である。の
ど部の流れ面積へが判っていると、のど部２８の特定の
形又は断面が決定される。普通の高性能のディフューザ
では、のど部２８は円形の輪郭であることが望ましい。

然し、この発明では、のど部２８が四辺形断面３０を持
っていて、側壁３２，３１１− ４の間の間隔が同じ面積の円の直径より小さいことによ
り、ディフューザ１４の空気力学的な性能が改善される
ことが判った。

第１図、第４図及び第５図について更に具体的に説明す
ると、通路２２の入口部分２４が図示されていて、長さ
Ｌ＋を持っている。入口部分２４が羽根車１２から比較
的高速及び比較的低圧のガスを受取り、その為に比較的
高い粘性抗力を受けることが判る。この為、入口部分２
４の長さＬｌをいくらかでも短くすれば、比較的高い粘
性抗力を受ける表面積が減少し、従って全体的な粘性抗
力が減少することが判った。

第３図は、のど部２８の第１の四辺形断面３０が入口２
４の長さＬｌを減少するのに有効である様子を更によく
示す線図である。複数個の通路２２の中心線の接線円が
示されており、半径ｒを有する。半径ｒは羽根車１２の
半径に略等しい。更にその断面が重なり合う２つの隣接
して交差する通路が示されている。即ち、第１の四辺形
断面３０と基準の円形断面４０であり、これらは共通の
１２− 接線方向中心線を持ち、何れも断面積はＡに等しい。

円形断面４０を持つ通路が、上側の通路の中心線と接す
る所で、半径ｒに対して垂直に測って距１１１ｔ　Ｌ　
２の所で互いに交差することが判る。これと対照的に、
第１の四辺形断面３０を持つ通路は距離Ｌ１の所で互い
に交差する。こ）で１１はＬ２より実質的に短い。この
為、流れの所定の断面積へに対し、円形断面４０ではな
く、第１の四辺形断面３０を持つのど部２８により、入
口部分２４の長さＬｌが減少し、粘性抗力を減少する。

第１の四辺形断面３０の好ましい寸法は、入口部分２４
の長さＬｌを減少するだけでなく、円形断面の内、流れ
の剥離による損失を減少するのに有効であることが判っ
た部分を保存する様に選択した。

従来、円形断面が好ましいとされて来たのは、所定の断
面積に対し、それが浸水面、即ら抗力を受【プる円周方
向の長さが最も小さいからである。

これと対照的に、同じ面積を持つ純粋の矩形断面は浸水
面、即ち、周長が一層大きく、従って抗力損失が一層大
きくなる。四辺形断面３０は弓形の側壁３６．３８に於
ける円形断面の利点を保ちながらも、上に述べた様に長
さ［１を短くする効果がある。

更に具体的に第２図及び第５図について説明すると、線
形側壁３２．３４は互いに距＠２ｂだり隔たっている。

第１の四辺形断面３０の弓形の側壁３６．３８は半径Ｒ
によって定義される。この半径は次の積分の解によって
決定される。

△＝　２　ｆ：　（ｘ　４＋　Ｒ２ｓｉｎ　−’−Ｌ）
　ｄｘ艮 この積分の解は普通の方法を用いて得られる。この積分
で、Ａはのど部２８の設計流れ面積であり、これは普通
に決定される。Ｘは２つの線形側壁３２．３４の間の第
１の四辺形断面３０の中心から外向きに測った距離であ
り、ｂは側壁３２．３４の間の間隔の半分である。

２つの線形側壁３２．３４の間の距離は２ｂに等しい値
を持つが、これは羽根車の羽根１６の先端の幅に等しい
ことが好ましい。２つの弓形の側壁３６．３８の半径Ｒ
を１−の述べた様に決定すると、第１の四辺形断面３０
が完全に決まる。

第１図及び第４図に示ず様に、羽根車１２によって加速
されたガスを受取る通路２２の最初の完全に囲まれた部
分を表わすのど部２８は、有限の長ざ１−３たり接線方
向に伸びる。のど部２８が疲労にＪ：っで侵食された時
、好ましい第１の四辺形断面３０　ｔＪ＜設計寿命にわ
たって維持される様に、長さＬ３を選ぶ。この為、一般
的に長さ１−３は、のど部２８の第１の四辺形断面３０
の面積Ａと等しい面積を持つ円の直径に等しくすること
が出来る。

再び第１図について説明すると、各々の通路２２がのど
部２８と一体のディフューザ部分４２を含むことが判る
。ディフューザ部分／１２は、下流側の端に第２の四辺
形断面４４を持っている。この第２の四辺形断面は、略
平行な向い合う２つの線形側壁４６．４８と略弓形の向
い合う２つの側壁５０．５２　（第６図参照）を含む。

ディフューザ部分４２の上流側の端は第３の四辺形断面
５４１５− を持ち、のど部２８と一体である。第３の四辺形断面５
４はのど部２８の第１の四辺形断面３０と略同−である
。ディフューザ部分４２は」−流側の端及び下流側の端
の間で緩やかなテーパがついている。

第２図及び第６図に示す様に、ディフューザ部分４２の
第２の四辺形断面４４は第１の四辺形断面３０に対して
９０°をなす向きである。第５図の示す様に、のど部２
８の第１の四辺形断面３０の線形側壁３２．３４は、羽
根車の羽根１６の先端に対して略平行に、且つディフュ
ーザ１４の半径方向軸線に対して略法線方向に配置され
ている。

この発明のディフューザ１４は、厳密な許容公差を保つ
と共に、ディフューザの間での一様性を保つことの出来
る比較的低廉な製造方法に適している。ディフューザ通
路２２の中心線並びに壁が直線的であってよく且つ緩や
かで滑らかな変化をするから、ディフューザ１４は公知
の放電加工（Ｅ［１Ｍ＞方式によって容易に製造をする
ことが出来る。

１６− 具体的に云うと、ディフューザ通路２２と全体的に同様
な通路を製造するのに適した例としてのＦＤＭ電極５６
が第７図に示されており、適当な円柱形、円錐形及び弯
曲部分を持つ様に、最初に旋盤で非常に精密に加工する
ことが出来る。電極５６の内、通路２２の特徴部分を作
る部分は、通路２２の対応する部分に用いた参照数字と
同じ参照数字で表わしである。第１及び第２の四辺形断
面３０．４４を容易に且つ正確に得る為、線形側壁３２
．３４．４４．　／Ｉ６は、比較的滑らかな変化が得ら
れる様に、簡単に且つ正確に加工し、或いはテーパをつ
けた形で削ることが出来る。

この発明の好ましい実施例を説明したが、特許請求の範
囲に記載した範囲内で、この発明に種々の変更を加える
ことが出来ることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のディフューザを含む圧縮機の部分断
面図、第２図は第１図の線２−２で切った断面図、第３
図はこの発明ののど部を持つ通路と円形断面を持つ同じ
面積を有する通路の交差部を比較して示す略図、第４図
は第１図の線４−４で切った断面図、第５図は第１図の
線５−５で切った断面図、第６図は第１図の線６−６で
切った断面図、第７図は第１図に示す様な通路を加工す
るのに適したＥＤＭ電極の１例を示す斜視図である。 主な符号の説明 ２０・・・ハウジング　２２・・・通路２４・・・入口
部分　２６・・・環状入口２８・・・のど部　３２．３
４・・・線形側壁３６．３８・・・弓形の側壁 特許出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代理人　（７６
３０）　生　沼　徳　二１９− −ζζｑ− 珂４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）羽根車を持つ遠心圧縮機のディフューザに於て、環
   状ハウジングと、該ハウジングの円周に沿って相隔たっ
   ていて、該ハウジングの中を通る複数個の通路とを有し
   、隣接した通路がその半径方向内側の入口部分で互いに
   交差して静翼のない状態に準じたディフューザの環状入
   口を構成し、更に各々の通路は前記入口部分と一体のの
   ど部を持ち、該のど部は略平行な向い合う２つの線形側
   壁及び向い合う２つの略弓形の側壁を含む第１の四辺形
   断面を持っているディフューザ。 ２、特許請求の範囲１）に記載したディフューザに於て
   、前記線形側壁がディフューザの半径方向軸線に対して
   略法線方向に配置さ・れているディフューザ。 ３）特許請求の範囲１）に記載したディフューザに於て
   、前記線形側壁が距離２ｂだけ互いに隔たっていて、八
   を前記のど部の面積、Ｘを前記２つの線形側壁の間の中
   心から外向きに測った距離、ｂを前記線形側壁の間の距
   ＠２ｂの半分として、前記のと部の各々の弓形の側壁が
   下記の積分Ａ＝ｌ／、ｂ（ｘ　４＋Ｒ２５ｉｎ　−’　
   ）　ｄｘの解によって決定される半径Ｒによって定めら
   れているディフコ−Ｉｆ。 ４）特許請求の範囲３）に記載したディフューザに於て
   、前記距離すが前記羽根車の羽根の先端幅の半部を表わ
   しているディフューザ。 ５）特許請求の範囲１）に記載したディフューザに於て
   、前記のど部が、該のど部の前記第１の四辺形断面積に
   等しい面積を持つ円の直径に大体等しい長さにわたり、
   接線方向に伸びているディフューザ。 ６）特許請求の範囲１）に記載したディフューザに於て
   、前記複数個の通路が前記のど部と一体のディフューザ
   部分を持っていて、該ディフューザ部分は下流側の端に
   、略平行な向い合う２つの線形側壁及び略弓形の向い合
   う２つの側壁を含む第２の四辺形断面を持っているディ
   フユーｉア。 ７）特許請求の範囲６）に記載したディフューザに於て
   、前記ディフューザ部分が上流側の端に、前記のど部の
   第１の四辺形断面と略同−の第３の四辺形断面を持って
   おり、該ディフューザ部分は前記上流側及び下流側の端
   の間で緩やかなテーパがついているディフューザ。 ８）特許請求の範囲６）に記載したディフューザに於て
   、前記第２の四辺形断面が前記第１の四辺形断面に対し
   て略９０″を成す向きであるディフューザ。 ９）羽根先端の幅２ｂを持つ羽根車を含む遠心圧縮機の
   ディフューザののど部を構成する方法に於て、接線方向
   に配置された複数個のディフューザ通路の各々に対して
   のど部の流れ面積△の大きさを決定し、略平行な向い合
   う２つの線形側壁及び向い合う２つの略弓形の側壁によ
   って構成された四辺形断面を持つのど部の寸法を決定す
   る工程を含み、前記線形側壁は互いに距［２ｂだけ隔た
   っていて、×を前記２つの線形側壁の間の中心から外向
   きに測った距離１として、各々の弓形の側壁が、次の積
   分 Ａ＝２ｆ：＜ｘＪＴＦＸマ＋Ｒ２５ｉｎ　−’　）　ｄ
   ｘの解によって定められる半径Ｒを持つ様にした方法。 １０）各々断面積Ａののど部を持つ接線方向に配置され
   た複数個の通路を持っている様な、羽根車を持つ遠心圧
   縮機のディフューザ“に於て、前記のど部が略平行な向
   い合う２つの線形側壁及び向い合う２つの略弓形の側壁
   によって構成された四辺形断面を持っているディフュー
   ザ。 １１）特許請求の範囲１０）に記載したディフューザに
   於て、前記線形側壁が互いに距離２ｂだけ隔たっていて
   、Ｘを２つの線形側壁の間の中心から外向きに測った距
   離として、各々の弓形の側壁が次の積分 Ａ＝２ｆ：（Ｘｉ−二Ｘ”十Ｒ２５ｉｎ　−’　）　ｄ
   ｘの解ににっで定められる半径Ｒを持っているディフュ
   ーザ。 １２、特許請求の範囲１１）に記載したディフ　３− ユーザに於て、前記距離すが前記羽根車の羽根の先端の
   幅の半分を表わしているディフューザ。 １３）特許請求の範囲１０）に記載したディフューザに
   於て、前記線形側壁がディフューザの半径方向の軸線に
   対して略法線方向に配置されているディフューザ。