JP2012062801A - 軸流圧縮機及びガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】軸流圧縮機１の安定作動を図りつつ、軸流圧縮機１の作動域を高いレベルで低流量側に拡大すること。
【解決手段】いずれかの圧縮機ステータ５における各静翼９Ａは、径方向の軸心周りに揺動可能な第１可変セグメント翼１７と、第１可変セグメント翼１７の下流側に配設されかつ径方向の軸心周りに揺動可能な第２可変セグメント翼１９とに分割されてあって、第１可変セグメント翼１７及び第２可変セグメント翼１９が共通の翼形状を呈する合体状態と、第１可変セグメント翼１７及び第２可変セグメント翼１９が独立した翼形状を呈する分離状態とに切替可能に構成されていること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気等のガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機等に関する。

ジェットエンジン等のガスタービンエンジンに用いられる軸流圧縮機について、簡単に説明する（特許文献１及び特許文献２参照）。

一般的な軸流圧縮機は、筒状の圧縮機ケースをベースとして具備しており、この圧縮機ケースは、軸方向へ延びている。また、圧縮機ケースの内側には、空気等のガスを流通（流入）させるための環状のガス流路が形成されている。

圧縮機ケース内には、複数段の圧縮機ステータが軸方向に沿って設けられている。また、各段の圧縮機ステータは、周方向に等間隔に並んだ複数の静翼を備えており、各静翼は、ガス流路内に位置している。そして、軸流圧縮機の安定作動を図るため、前段側の圧縮機ステータにおける各静翼（各可変静翼）は、径方向の軸心周りに揺動可能（回動可能）になっている。

圧縮機ケース内には、複数段の圧縮機ロータが軸方向に沿って複数段の圧縮機ステータと交互に設けられている。また、各段の圧縮機ロータは、圧縮機ケース内に軸心周りに回転可能に設けられたディスクを備えており、このディスクの外周面は、ガス流路の径方向内側の壁面の一部を構成するものである。更に、各段の圧縮機ロータにおけるディスクの外周面には、複数の動翼が等間隔に並ぶように配設されており、各動翼は、ガス流路内に位置している。

従って、複数段の圧縮機ロータを回転させることにより、複数段の圧縮機ロータと複数段の圧縮機ステータを協働させて、ガス流路内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。

ここで、軸流圧縮機の低回転運転時には、流量が小さく、可変静翼の入口流れ角が大きくなり、それに伴い、各可変静翼を絞る方向（ガス流路を絞る方向）へ揺動させて、可変静翼の入口メタル角を大きくする。一方、軸流圧縮機の高回転運転時には、流量が大きく、可変静翼の入口流れ角が小さくなり、それに伴い、各可変静翼を開く方向（ガス流路を開く方向）へ揺動させて、可変静翼の入口メタル角を小さくする。これにより、軸流圧縮機の低回転運転時及び高回転運転時のいずれの場合も（軸流圧縮機の低回転運転時から高回転運転時にかけて）、可変静翼の入口流れ角と入口メタル角との差であるインシデンスを低減して、ガスの剥離を抑えて、軸流圧縮機の安定作動を図ることができる。

特開２００２−５０９６号公報 特開平７−３１７５０１号公報 特開平１０−２１２９７４号公報

ところで、前述のように、低回転運転時には可変静翼の入口メタル角を大きくすることによってインシデンスを低減できるものの、軸流圧縮機の作動域を高いレベルで低流量側に拡大させるという要請に応じて、各可変静翼を絞る方向に大きく揺動させると、スロート面積を十分に確保することができず、ガスの流通性（吸込み性）を阻害して、軸流圧縮機の作動が不安定になる。つまり、軸流圧縮機の安定作動を図りつつ、軸流圧縮機の作動域を高いレベルで低流量側に拡大することは容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の軸流圧縮機等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機において、前記軸方向へ延びてあって、内側にガスを流通（流入）させるための環状のガス流路が形成された筒状の圧縮機ケースと、前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って設けられ、周方向に等間隔に並んであってかつ前記ガス流路内に位置する複数の静翼を備えた複数段の圧縮機ステータと、前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って複数段の前記圧縮機ステータと交互に設けられ、外周面が前記ガス流路の径方向内側の壁面の一部を構成しかつ軸心周りに回転可能なディスク、及び前記ディスクの外周面に等間隔に並ぶように配設されかつ前記ガス流路内に位置する複数の動翼を備えた複数段の圧縮機ロータと、を具備し、いずれかの前記圧縮機ステータにおける各静翼は、径方向の軸心周りに揺動可能（回動可能）な第１可変セグメント翼と、前記第１可変セグメント翼の下流側に配設されかつ径方向の軸心周りに揺動可能（回動可能）な第２可変セグメント翼とに分割されてあって、前記第１可変セグメント翼及び前記第２可変セグメント翼が共通の翼形状を呈する合体状態と、前記第１可変セグメント翼及び前記第２可変セグメント翼が独立した翼形状を呈する分離状態とに切替可能に構成されていることを要旨とする。

なお、特許請求の範囲及び明細書において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、同様に、「配設され」とは、直接的に配設されたことの他に、別部材を介して間接的に配設されたことを含む意である。更に、記軸流圧縮機は、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンに用いられるものに限られない。

従って、複数段の前記圧縮機ロータを回転させることにより、複数段の前記圧縮機ロータと複数段の前記圧縮機ステータを協働させて、ガス流路内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。

ここで、前記軸流圧縮機の低回転運転時（小流量時）には、各可変静翼を前記合体状態から前記分離状態に切り替える。そして、各可変静翼を前記分離状態に保ちつつ、各第１可変セグメント翼及び各第２可変セグメント翼を絞る方向（前記ガス流路を絞る方向）へ揺動させて、各第１可変セグメント翼及び各第２可変セグメント翼の入口メタル角（各可変静翼の入口メタル角）を大きくする。一方、前記軸流圧縮機の高回転運転時（大流量時）には、各可変静翼を前記分離状態から前記合体状態に切り替える。そして、各可変静翼を前記合体状態に保ちつつ、各第１可変セグメント翼及び各第２可変セグメント翼を開く方向（前記ガス流路を開く方向）へ揺動させて、各可変静翼の入口メタル角を大きくする。これにより、前記軸流圧縮機の低回転運転時及び高回転運転時のいずれの場合も（前記軸流圧縮機の低回転運転時から高回転運転時にかけて）、前記可変静翼の入口流れ角と入口メタル角との差であるインシデンスを低減することができる。

また、各可変静翼が前記第１可変セグメント翼と前記第１可変セグメント翼の下流側に配設された前記第２可変セグメント翼とに分割され、前記第１可変セグメント翼及び前記第２可変セグメント翼が共通の翼形状を呈する前記合体状態と、前記第１可変セグメント翼及び前記第２可変セグメント翼が独立した翼形状を呈する前記分離状態とに切替可能に構成されているため、前記軸流圧縮機の低回転運転時に、各第１可変セグメント翼及び各第２可変セグメント翼を絞り方向へ大きく揺動させても、スロート面積を十分に確保することができる。

本発明の第２の特徴は、ガスタービンエンジンにおいて、第１の特徴からなる軸流圧縮機を具備したことを要旨とする。

第２の特徴の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記軸流圧縮機の低回転運転時及び高回転運転時のいずれの場合も、インシデンスを低減すると共に、前記軸流圧縮機の低回転運転時に、各第１可変セグメント翼及び各第２可変セグメント翼を絞り方向へ大きく揺動させても、スロート面積を十分に確保できるため、前記軸流圧縮機の安定作動を図りつつ、前記軸流圧縮機の作動域を高いレベルで低流量側に拡大することできる。

図１は、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の要部を示す模式的な子午断面図（側断面図）であって、高回転運転時の場合を示している。 図２は、図１における矢視部IIを示す図である。 図３は、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の要部を示す模式的な子午断面図であって、低回転運転時の場合を示している。 図４は、図３における矢視部IVを示す図である。 図５（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機における前段側の圧縮機ステータの模式的な部分展開図（径方向外側から見た図）であって、図５（ａ）は、高回転運転時の場合を示しており、図５（ｂ）は、低回転運転時の場合を示している。

本発明の実施形態について図１から図５（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、図中、「Ｆ」は、前方向（上流方向）、「Ｒ」は、後方向（下流方向）を指している。

図１から図４に示すように、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機１は、ジェットエンジン（ガスタービンエンジンの一例）に用いられ、ガス（本発明の実施形態にあっては、空気）を軸方向（後方向）へ圧縮して搬送するものである。そして、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機１の具体的な構成は、次のようになる。

軸流圧縮機１は、筒状の圧縮機ケース３をベースとして具備しており、この圧縮機ケース３は、軸方向（前後方向）へ延びている。また、圧縮機ケース３の内側には、ガスを流通（流入）させるための環状のガス流路Ｐが形成されている。

圧縮機ケース３内には、複数段（図１中には前段側の２段のみ図示）の圧縮機ステータ５が軸方向に沿って設けられている。また、各圧縮機ステータ５は、圧縮機ケース３内に配設された環状のバンド部材７を備えており、このバンド部材７の外周面は、ガス流路Ｐの径方向内側の流路面Ｐａの一部を構成するものである。更に、バンド部材７の外周面には、複数の静翼９が周方向に等間隔に並ぶように配設されており、各静翼９は、ガス流路Ｐ内に位置している。

圧縮機ケース３内には、複数段（図１には１段のみ図示）の圧縮機ロータ１１が軸方向に沿って複数段の圧縮機ステータ５と交互に設けられており、複数段の圧縮機ロータ１１は、ジェットエンジンのタービン（図示省略）における複数段のタービンロータ（図示省略）に一体的に連結されてある。また、各圧縮機ロータ１１は、圧縮機ケース３内に軸心周りに回転可能に設けられたディスク１３を備えており、このディスク１３の外周面は、ガス流路Ｐの径方向内側の流路面Ｐａ一部を構成するものである。更に、各段の圧縮機ロータ１１におけるディスク１３の外周面には、複数の動翼１５が等間隔に並ぶように配設されており、各動翼１５は、ガス流路Ｐ内に位置している。

続いて、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機１の要部について説明する。

前段側の圧縮機ステータ５における各静翼（各可変静翼）９Ａは、径方向の軸心周りに揺動可能（回動可能）な第１可変セグメント翼１７と、第１可変セグメント翼１７の下流側（後側）に配設されかつ径方向の軸心周りに揺動可能（回動可能）な第２可変セグメント翼１９とに分割されている。ここで、各第１可変セグメント翼１７の径方向外側のスピンドル（翼軸）１７ｅは、圧縮機ケース３のボス穴に回転自在に支持されており、各第１可変セグメント翼１７の径方向内側のスピンドル（翼軸）１７ｉは、バンド部材７の支持穴に回転自在に支持されている。同様に、各第２可変セグメント翼１９の径方向外側のスピンドル（翼軸）１９ｅは、圧縮機ケース３のボス穴に回転自在に支持されており、各第２可変セグメント翼１９の径方向内側のスピンドル１９ｉは、バンド部材７の支持穴に回転自在に支持されている。なお、各第１可変セグメント翼１７の径方向外側のスピンドル１７ｅ及び各第２可変セグメント翼１９の径方向外側のスピンドル１９ｅには、二面取り部が形成されている。

圧縮機ケース３の外側には、前段側の各圧縮機ステータ５における各第１可変セグメント翼（複数の第１可変セグメント翼）１７を揺動させる第１揺動機構２１が配設されている。具体的には、圧縮機ケース３の外側には、第１駆動リング２３が周方向へ移動可能に配設されており、圧縮機ケース３の外側の適宜位置には、第１駆動リング２３を周方向へ移動させる第１シリンダ等の第１アクチュエータ２５（図５（ａ）（ｂ）参照）が設けられている。また、各第１可変セグメント翼１７の径方向外側のスピンドル１７ｅには、第１連結レバー２７の一端部が固定ナット２９等を介して回転不能に連結されており、各第１連結レバー２７の他端部は、第１駆動リング２３の適宜位置にピン３１等を介して揺動可能（回転可能）に連結されている。

同様に、圧縮機ケース３の外側には、前段側の各圧縮機ステータ５における各第２可変セグメント翼（複数の第２可変セグメント翼）１９を揺動させる第２揺動機構３３が配設されている。具体的には、圧縮機ケース３の外側には、第２駆動リング３５が周方向へ移動可能に配設されており、圧縮機ケース３の外側の適宜位置には、第２駆動リング３５を周方向へ移動させる第２シリンダ等の第２アクチュエータ３７（図５（ａ）（ｂ）参照）が設けられている。また、各第２可変セグメント翼１９の径方向外側のスピンドル１９ｅには、第２連結レバー３９の一端部が固定ナット４１等を介して回転不能に連結されており、各第２連結レバー３９の他端部は、第２駆動リング３５の適宜位置にピン４３等を介して揺動可能（回転可能）に連結されている。

そして、各可変静翼９Ａは、各第１可変セグメント翼１７及び各第２可変セグメント翼１９を独立して揺動させることによって、第１可変セグメント翼１７及び第２可変セグメント翼１９が共通の翼形状を呈する合体状態（図５（ａ）参照）と、第１可変セグメント翼１７及び第２可変セグメント翼１９が独立した翼形状を呈する分離状態（図５（ｂ）参照）とに切替可能に構成されている。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ジェットエンジンの燃焼器（図示省略）から燃焼ガスの膨張によってタービンを駆動させて、複数段のタービンロータを回転させることにより、複数段の圧縮機ロータ１１を複数段のタービンロータと一体的に回転させる。これにより、複数段の圧縮機ロータ１１と複数段の圧縮機ステータ５を協働させて、ガス流路Ｐ内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。

軸流圧縮機１の低回転運転時（小流量時）には、各可変静翼９Ａを前記合体状態から前記分離状態に切り替える。そして、各可変静翼９Ａを前記分離状態に保ちつつ、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータによって各第１可変セグメント翼１７及び各第２可変セグメント翼１９を絞る方向（ガス流路Ｐを絞る方向）へ揺動させて、各第１可変セグメント翼１７及び各第２可変セグメント翼１９の入口メタル角（可変静翼９Ａの入口メタル角）を大きくする。一方、軸流圧縮機１の高回転運転時（大流量時）には、各可変静翼９Ａを前記分離状態から前記合体状態に切り替える。そして、各可変静翼９Ａを前記合体状態に保ちつつ、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータによって各第１可変セグメント翼１７及び各第２可変セグメント翼１９を開く方向（ガス流路Ｐを開く方向）へ揺動させて、各可変静翼９Ａの入口メタル角を大きくする。これにより、軸流圧縮機１の低回転運転時及び高回転運転時のいずれの場合も（軸流圧縮機１の低回転運転時から高回転運転時にかけて）、可変静翼９Ａの入口流れ角と入口メタル角との差であるインシデンスを低減することができる。

また、各可変静翼９Ａが第１可変セグメント翼１７と第１可変セグメント翼１７の下流側に配設された第２可変セグメント翼１９とに分割され、第１可変セグメント翼１７及び第２可変セグメント翼１９が共通の翼形状を呈する合体状態と、第１可変セグメント翼１７及び第２可変セグメント翼１９が独立した翼形状を呈する分離状態とに切替可能に構成されているため、軸流圧縮機１の低回転運転時に、各第１可変セグメント翼１７及び各第２可変セグメント翼１９を絞り方向へ大きく揺動させても、スロート面積を十分に確保することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、軸流圧縮機１の低回転運転時及び高回転運転時のいずれの場合も、インシデンスを低減すると共に、軸流圧縮機１の低回転運転時に、各第１可変セグメント翼１７及び各第２可変セグメント翼１９を絞り方向へ大きく揺動させても、スロート面積を十分に確保できるため、軸流圧縮機１の安定作動を図りつつ、軸流圧縮機１の作動域を高いレベルで低流量側に拡大することできる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、ガスタービンエンジンに用いられる軸流圧縮機１をそれ以外の軸流圧縮機に適用する等、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、軸流圧縮機１だけでなく、軸流圧縮機１を具備したガスタービンエンジンにも及ぶものである。

Ｐ ガス流路
Ｐａ ガス流路の流路面
１ 軸流圧縮機
３ 圧縮機ケース
５ 圧縮機ステータ
７ バンド部材
７ 圧縮機ステータ
９ 静翼
９Ａ 可変静翼
１１ 圧縮機ロータ
１３ ディスク
１５ 動翼
１７ 第１可変セグメント翼
１７ｅ 第１可変セグメント翼の径方向外側のスピンドル
１７ｉ 第１可変セグメント翼の径方向内側のスピンドル
１９ 第２可変セグメント翼
１９ｅ 第２可変セグメント翼の径方向外側のスピンドル
１９ｉ 第２可変セグメント翼の径方向内側のスピンドル
２１ 第１揺動機構
２３ 第１駆動リング
２５ 第１アクチュエータ
２７ 第１連結レバー
３３ 第２揺動機構
３５ 第２駆動リング
３７ 第２アクチュエータ
３９ 第２連結レバー

Claims (4)

1. ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機において、
   前記軸方向へ延びてあって、内側にガスを流通させるための環状のガス流路が形成された筒状の圧縮機ケースと、
   前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って設けられ、周方向に等間隔に並んであってかつ前記ガス流路内に位置する複数の静翼を備えた複数段の圧縮機ステータと、
   前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って複数段の前記圧縮機ステータと交互に設けられ、外周面が前記ガス流路の径方向内側の壁面の一部を構成しかつ軸心周りに回転可能なディスク、及び前記ディスクの外周面に等間隔に並ぶように配設されかつ前記ガス流路内に位置する複数の動翼を備えた複数段の圧縮機ロータと、を具備し、
   いずれかの前記圧縮機ステータにおける各静翼は、径方向の軸心周りに揺動可能な第１可変セグメント翼と、前記第１可変セグメント翼の下流側に配設されかつ径方向の軸心周りに揺動可能な第２可変セグメント翼とに分割されてあって、前記第１可変セグメント翼及び前記第２可変セグメント翼が共通の翼形状を呈する合体状態と、前記第１可変セグメント翼及び前記第２可変セグメント翼が独立した翼形状を呈する分離状態とに切替可能に構成されていることを特徴とする軸流圧縮機。
2. 前記いずれかの前記圧縮機ステータにおける各第１可変セグメント翼を揺動させる第１揺動機構と、
   前記いずれかの前記圧縮機ステータにおける各第２可変セグメント翼を揺動させる第２揺動機構と、を具備したことを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機。
3. 前記第１揺動機構は、前記圧縮機ケースの外側に配設されかつ周方向へ移動可能な第１駆動リング、前記第１駆動リングを周方向へ移動させる第１アクチュエータ、及び一端部が前記いずれかの前記圧縮機ステータにおける各第１可変セグメント翼の径方向外側のスピンドルに連結されかつ他端部が前記第１駆動リングに連結された第１連結レバーを備え、
   前記第２揺動機構は、前記圧縮機ケースの外側に配設されかつ周方向へ移動可能な第２駆動リング、前記第２駆動リングを周方向へ移動させる第２アクチュエータ、及び一端部が前記いずれかの前記圧縮機ステータにおける各第２可変セグメント翼の径方向外側のスピンドルに連結されかつ他端部が前記第２駆動リングに連結された第２連結レバーを備えていることを特徴とする請求項２に記載の軸流圧縮機。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の軸流圧縮機を具備したことを特徴とするガスタービンエンジン。

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