JP2012251549A - Inner peripheral surface shape of casing of axial flow compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軸流型コンプレッサのロータの下流側に放射状に配置されたステータのベーンの外周を囲むケーシングの内周面形状に関する。 The present invention relates to the shape of the inner peripheral surface of a casing that surrounds the outer periphery of a vane of a stator that is radially arranged on the downstream side of a rotor of an axial-flow compressor.
ターボファンエンジンのファンステータの外周を囲むファンケーシングの内周面(チップ側の周面)の形状は、シャフトを中心とする概略円筒状に形成されており、その母線(シャフトを通る平面とファンケーシングの内周面とが交差する線)の形状は、多くの場合直線である。またターボファンエンジンのファンステータのステータベーンは、衝撃波損失の低減や騒音の低減を図るために、ハブ側からチップ側に向けて後方にスイープ(後退)している場合がある。 The shape of the inner peripheral surface (chip-side peripheral surface) of the fan casing that surrounds the outer periphery of the fan stator of the turbofan engine is formed in a substantially cylindrical shape centering on the shaft. The shape of the line that intersects the inner peripheral surface of the casing is often a straight line. Further, the stator vanes of the fan stator of the turbofan engine may be swept backward from the hub side toward the tip side in order to reduce shock wave loss and noise.
下記特許文献1には、タービンのインレットガイドベーン(ステータベーン)の外周を囲むファンケーシングの内周面の母線形状が、上流側において径方向内側に向かう外周凸部Cv2,Cv4と、下流側において径方向外側に向かう外周凹部Cc2,Cc4とを備えることで、チップ側からハブ側に向かう径方向内向きの二次流れを抑制して圧力損失を低減するものが記載されている。
In
また下記特許文献2には、ガスタービンエンジンの圧縮機の静翼のの外周を囲むケーシングの内周面の母線形状が径方向外側に向かう窪み18を備えることで、静翼の背面側(負圧面側)の流速を低下させて剥離を抑制し、圧力損失を低減するものが記載されている。
Further, in
ところで、特にハブ側からチップ側に向けて後方にスイープしたファンステータのステータベーンでは、ハブ側のエンドウオールの近傍でステータベーンの正圧面側から負圧面側に向かう周方向の静圧勾配が翼列の後半部で大きくなることや、ステータベーンの負圧面におけるハブ側からチップ側に向かう等静圧ラインが主流に対して斜めになることにより、ステータベーンの表面におけるハブ側からチップ側に向かう低運動量流体の移動が加速されて圧力損失が大きくなるという問題があった。 By the way, especially in the stator vane of the fan stator swept rearward from the hub side toward the tip side, the circumferential static pressure gradient from the pressure surface side to the suction surface side of the stator vane is near the hub side end wall. It becomes larger in the latter half of the row, and the isostatic pressure line from the hub side to the tip side on the negative pressure surface of the stator vane is inclined with respect to the main stream, so that the hub side on the stator vane surface goes to the tip side. There is a problem that the pressure loss increases due to acceleration of the movement of the low momentum fluid.
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、軸流型コンプレッサのステータのベーンのハブ側からチップ側に向かう低運動量流体の移動を抑制して圧力損失を低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to reduce the pressure loss by suppressing the movement of the low momentum fluid from the vane hub side of the stator of the axial flow type compressor toward the tip side.
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、軸流型コンプレッサのロータの後方に放射状に配置されたステータのベーンの外周を囲むケーシングの内周面形状であって、前記ケーシングの母線が、前記ベーンの前縁よりも前方位置から後縁よりも後方位置に亙って径方向外側に窪む凹部領域と、前記凹部領域の前後方向中間位置において径方向内側に膨らむ凸部領域とを備えることを特徴とする軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状が提案される。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided an inner peripheral surface shape of a casing surrounding an outer periphery of a stator vane radially disposed behind a rotor of an axial compressor. A recess region in which the bus bar of the casing is recessed radially outward from a front position to a rear position with respect to the front edge of the vane, and a radially inner side in a front-rear intermediate position of the recess region. An inner peripheral surface shape of a casing of an axial-flow compressor characterized by including a convex region that swells is proposed.
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、前記凹部領域は、前側の第1凹部と、後側の第2凹部と、前記第1凹部の前方に連続する第1凸部と、前記凸部領域を構成する第2凸部と、前記第2凹部の後方に連続する第3凸部とを備えることを特徴とする軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状が提案される。
According to the invention described in
また請求項3に記載された発明によれば、請求項2の構成に加えて、前記第1凸部、前記第1凹部、前記第2凸部、前記第2凹部および前記第3凸部は滑らかに連続することを特徴とする軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状が提案される。
According to the invention described in
また請求項4に記載された発明によれば、請求項1〜請求項3の何れか1項の構成に加えて、前記ベーンは、ハブ側端部に対してチップ側端部が後方に向けてスイープすることを特徴とする軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状が提案される。
According to the invention described in claim 4, in addition to the configuration of any one of
尚、実施の形態のファンロータ15は本発明のロータに対応し、実施の形態のファンステータ16は本発明のステータに対応し、実施の形態のステータベーン23は本発明のベーンに対応し、実施の形態の第2凸部35は本発明の凸部領域に対応する。
The
上記構成によれば、軸流型コンプレッサのロータの後方に配置されたステータのベーンの外周を囲むケーシングの母線が、ベーンの前縁よりも前方位置から後縁よりも後方位置に亙って径方向外側に窪む凹部領域と、凹部領域の前後方向中間位置において径方向内側に膨らむ凸部領域とを備えるので、凸部領域よりも前側の凹部領域によりベーンの表面における径方向の静圧分布を改善し、かつ凸部領域よりも後側の凹部領域によりチップ側の静圧を増加させることで、ハブ側からチップ側に向かう低運動量流体の移動を抑制して圧力損失を低減することができる。 According to the above configuration, the bus bar of the casing surrounding the outer periphery of the vane of the stator disposed behind the rotor of the axial flow compressor has a diameter extending from the front position to the rear position from the rear edge to the rear edge. And a convex region that swells radially inward in the front-rear direction intermediate position of the concave region, so that the static pressure distribution in the radial direction on the surface of the vane by the concave region in front of the convex region And reducing the pressure loss by suppressing the movement of low momentum fluid from the hub side to the tip side by increasing the static pressure on the tip side by the recessed region on the rear side of the protruding region. it can.
また凹部領域は、前側の第1凹部と、後側の第2凹部と、第1凹部の前方に連続する第1凸部と、凸部領域を構成する第2凸部と、第2凹部の後方に連続する第3凸部とを備えて滑らかに連続するので、ケーシングの内周面に沿う気流の流れがスムーズになる。 The concave region includes a front first concave portion, a rear second concave portion, a first convex portion continuous in front of the first concave portion, a second convex portion constituting the convex portion region, and a second concave portion. Since it comprises the 3rd convex part which continues to back and continues smoothly, the flow of the air current along the inner peripheral surface of a casing becomes smooth.
しかもベーンはハブ側端部に対してチップ側端部が後方に向けてスイープするので、衝撃波損失の低減や騒音の低減を図ることができる。ベーンの前記スイープによって低運動量流体がハブ側端部からチップ側端部に移動し易くなるが、本発明のケーシングの内周面形状によって前記低運動量流体の移動が効果的に抑制される。 In addition, since the vane sweeps the tip side end portion toward the rear with respect to the hub side end portion, it is possible to reduce shock wave loss and noise. Although the low-momentum fluid easily moves from the hub-side end portion to the tip-side end portion by the sweep of the vane, the movement of the low-momentum fluid is effectively suppressed by the inner peripheral surface shape of the casing of the present invention.
以下、図1〜図8に基づいて本発明の実施の形態を説明する。尚、本明細書において、気流の流れ方向上流側および下流側をそれぞれ前方および後方と定義し、軸線Lを中心とする径方向内側および径方向外側をそれぞれハブ側およびチップ側と定義する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present specification, the upstream side and the downstream side in the airflow direction are defined as the front and the rear, respectively, and the radially inner side and the radially outer side around the axis L are defined as the hub side and the tip side, respectively.
図1に示すように、航空用のターボファンエンジンEは、軸線Lを中心とする回転体である概略円筒状のアウターケーシング11およびインナーケーシング12を備える。アウターケーシング11およびインナーケーシング12の内部には、軸線L上に位置する低圧シャフト13と、その外周に相対回転自在に嵌合する高圧シャフト14とが同軸に配置される。
As shown in FIG. 1, the turbofan engine E for aviation includes a substantially cylindrical
低圧シャフト13の前端にはファンロータ15が設けられており、ファンロータ15の後方にはファンステータ16が設けられる。アウターケーシング11の前部はファンケーシング17の外側部分17Aを構成しており、ファンロータ15のチップ側はファンケーシング17の外側部分17Aの内周面に臨んでいる。またファンステータ16のチップ側はファンケーシング17の外側部分17Aの内周面に固定されるととももに、ファンステータ16のハブ側はファンケーシング17の内側部分17Bの外周面に固定される。
A
ファンステータ16の後方の低圧シャフト13には低圧コンプレッサ18が設けられ、低圧シャフト13の後端には低圧タービン19が設けられる。また高圧シャフト14の前端には低圧コンプレッサ18の後方に臨む高圧コンプレッサ20が設けられ、高圧シャフト14の後端には低圧タービン19の前方に臨む高圧タービン21が設けられる。そして高圧コンプレッサ20および高圧タービン21の間に複数の燃焼室22が配置される。
A
よって低圧シャフト13と共に回転するファンロータ15によって圧縮された空気はファンステータ16によって整流された後、その一部はアウターケーシング11およびインナーケーシング12の間に形成されたバイパスダクト24を通って後方に排出され、残部はインナーケーシング12の内部に供給され、低圧シャフト13と共に回転する低圧コンプレッサ18および高圧シャフト14と共に回転する高圧コンプレッサ20により圧縮された後、燃焼室22で燃料と混合されて燃焼に供される。燃焼室22から出た燃焼ガスは、高圧タービン21を通過して高圧シャフト14を駆動し、更に低圧タービン19を通過して低圧シャフト13を駆動した後にインナーケーシング12の後端から後方に排出され、バイパスダクト24を通過した空気と合流する。
Therefore, after the air compressed by the
図2は、ファンケーシング17の外側部分17Aおよび内側部分17B間に配置されたファンステータ16のステータベーン23を示すものである。ステータベーン23は、径方向内側のハブ側端部23cがファンケーシング17の内側部分17Bの外周面に接続され、径方向外側のチップ側端部23dがファンケーシング17の外側部分17Aの内周面に接続される。ステータベーン23の前縁23aおよび後縁23bは、ハブ側端部23cに対してチップ側端部23dが後方に偏倚するようにスイープしており、従ってステータベーン23の1/4コードライン23eもハブ側に対してチップ側が後方に偏倚するようにスイープしている。これにより、ステータベーン23の表面を流れる気流の流速のコード方向の成分を減少させることで、臨界マッハ数を増加させて衝撃波の発生を遅らせ、衝撃波損失の低減や騒音の低減を図ることができる。
FIG. 2 shows the
本発明は、ステータベーン23のチップ側端部23dの近傍のファンケーシング17の外側部分17Aの内周面形状に特徴を有するものである。ファンケーシング17は基本的に軸線Lを中心とする回転体である略円筒状の部材であるため、ファンケーシング17の内周面の形状は母線(軸線Lを通る平面との交線)の形状によって表される。
The present invention is characterized by the shape of the inner peripheral surface of the
ステータベーン23のチップ側端部23dが接続されるファンケーシング17の外側部分17Aの内周面の前記母線の形状は、前縁23aよりも前方位置から後縁23bよりも後方位置に亙って、基本的に径方向外側に窪む凹部領域31を備える。凹部領域31は、ステータベーン23のチップ側端部23dの前縁23aよりも僅かに前方から後縁23bよりも僅かに前方の間に位置する第1凹部32と、ステータベーン23の後縁23bよりも後方に位置する第2凹部33と、後縁23bの僅かに前方において第1、第2凹部32,33を接続するように径方向内側に膨らむ第2凸部35と、第1凹部32の前端をファンケーシング17の外側部分17Aの内周面に接続する第1凸部34と、第2凹部33の後端をファンケーシング17の外側部分17Aの内周面に接続する第3凸部36とで構成される。即ち、凹部領域31は、前方から後方に向かって第1凸部34、第1凹部32、第2凸部35、第2凹部33および第3凸部36を滑らかに接続して構成される。第1凸部34、第1凹部32、第2凸部35、第2凹部33および第3凸部36の接続部の位置は、母線の曲率の方向が切り換わる変曲点となる。
The shape of the bus bar on the inner peripheral surface of the
尚、図2における鎖線は、比較例のファンケーシング17の内周面およびインナーケーシング12の外周面の形状を示している。
2 indicate the shapes of the inner peripheral surface of the
図3および図4はステータベーン23の周囲の静圧分布を示すもので、図3は図2の3−3線断面(ステータベーン23のチップ側端部23d)における静圧分布、図4は図3の4Aおよび4B方向矢視に対応するステータベーン23の負圧面(背面)の静圧分布を示している。図3および図4において、色の濃い部分(網掛けが密な部分)ほど高圧であり、色の薄い部分(網掛けが疎な部分)ほど低圧であることを示している。
3 and 4 show the static pressure distribution around the
実施の形態によれば、ステータベーン23のチップ側端部23dが接続されるファンケーシング17の外側部分17Aの内周面に第1、第2凹部32,33が形成されているため、それら第1、第2凹部32,33に沿って流れる気流の流速が低下することで静圧が増加する。
According to the embodiment, the first and
図3〜図5において比較例および実施の形態を参照すると明らかなように、実施の形態はファンケーシング17の第1凹部32の作用により、ステータベーン23の正圧面の静圧が比較例に対して増加していることが分かる(図3参照)。更に、実施の形態はファンケーシング17の第2凹部33の作用により、ステータベーン23の後縁23bよりも後方位置での静圧が比較例に対して増加していることが分かる(図4参照)。
As apparent from the comparison example and the embodiment in FIGS. 3 to 5, in the embodiment, the static pressure on the pressure surface of the
また図4から明らかなように、実施の形態はファンケーシング17の第1凹部32の作用により、ステータベーン23の負圧面に沿う等静圧ラインが比較例よりも起立している。即ち、実施の形態では等静圧ラインが概ね径方向に整列しているのに対し、比較例では等静圧ラインの径方向外側が後方に後退しており、従って等静圧ラインの径方向内側領域(図中下側)が高圧になって等静圧ラインの径方向外側領域(図中上側)が低圧になる静圧分布が形成されてしまい、ステータベーン23のハブ側端部23cからチップ側端部23dに向かう二次流れが誘発されることになる。一方、実施の形態では等静圧ラインが殆ど後退角を持たないため、前記二次流れは殆ど誘発されることはない。
As is clear from FIG. 4, in the embodiment, the isostatic line along the negative pressure surface of the
ところで、ファンステータ16の前方に位置するファンロータ15のロータハブは前方から後方に向かってコーン状に直径が拡大しているため、ファンステータ16のステータベーン23を通過する気流に径方向内側から径方向外側に向かう二次流れが誘発され易くなり、しかもステータベーン23がスイープしている場合には気流がハブ側からチップ側に流れ易くなって二次流れが更に強くなる。このように、ステータベーン23に沿って径方向内側から径方向外側に向かう二次流れが発生すると、図5の比較例に示すように、ステータベーン23のハブ側端部23cにおいて発生した低運動量のウエイク(伴流)が径方向外側に広がり易くなってファンステータ16における圧力損失が増加する問題がある。
By the way, the rotor hub of the
しかしながら、実施の形態によれば、ファンケーシング17の第1凹部32の作用により、ステータベーン23の負圧面に沿う等静圧ラインを起立させてハブ側からチップ側に向かう二次流れを抑制するとともに、ファンケーシング17の第2凹部33の作用により、ステータベーン23のチップ側端部23dの後縁23bよりも後方位置での静圧を増加させてハブ側からチップ側に向かう二次流れを抑制することで、図5の実施の形態に示すように、低運動量のウエイクが広がる領域を最小限に抑えて圧力損失を低減することができる。
However, according to the embodiment, the action of the
図6はステータベーン23の負圧面に沿う気流の流線を示すもので、比較例ではステータベーン23のハブ側端部23cに沿って前縁23aに流入した気流が、後縁23bで径方向外側に大きく偏倚してハブ側のウエイク領域Whが大きくなっているが、実施の形態ではハブ側からチップ側に向かう二次流れが抑制されることでハブ側のウエイク領域Whが縮小していることが分かる。尚、ファンケーシング17の第2凹部33の作用でステータベーン23のチップ側端部23dの後縁23bよりも後方位置での静圧が増加することで、チップ側からハブ側に向かう二次流れが発生するため、実施の形態のチップ側のウエイク領域Wtが比較例よりも若干大きくなっているが、全体的にはウエイク領域を小さくして圧力損失を低減することができる。
FIG. 6 shows streamlines of the airflow along the suction surface of the
図7は質量流量率を変化させたときの全圧力損失の変化を示すグラフであって、図示した範囲の質量流量率において、実施の形態の全圧力損失が比較例の全圧力損失を20%程度下回っていることが分かる。 FIG. 7 is a graph showing changes in the total pressure loss when the mass flow rate is changed, and in the illustrated mass flow rate, the total pressure loss of the embodiment is 20% of the total pressure loss of the comparative example. It can be seen that it is less than.
図8は質量流量率=1.0のときのステータベーン23のスパン方向に沿う全圧力損失の分布を示すグラフであって、チップ側の一部の領域(スパン方向の80%〜90%の領域)で実施の形態はチップ側のウエイク領域Wtが大きくなるために比較例に比べて全圧力損失が増加しているが、他の領域では実施の形態の全圧力損失が比較例の全圧力損失よりも小さくなることが分かる。
FIG. 8 is a graph showing the distribution of the total pressure loss along the span direction of the
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various design changes can be made without departing from the present invention described in the claims. Is possible.
例えば、実施の形態では本発明を航空用のターボファンエンジンEのファンケーシング17に適用しているが、本発明は航空用以外の任意の用途のターボファンエンジンに対して適用することができるだけでなく、任意の用途の軸流型のコンプレッサのケーシングに対しても適用することができる。
For example, in the embodiment, the present invention is applied to the
また実施の形態のステータベーン23はスイープしているが、本発明はスイープしていないステータベーンに対しても適用することができる。
Moreover, although the
15 ファンロータ(ロータ)
16 ファンステータ(ステータ)
17 ケーシング
23 ステータベーン(ベーン)
23a 前縁
23b 後縁
23c ハブ側端部
23d チップ側端部
31 凹部領域
32 第1凹部
33 第2凹部
34 第1凸部
35 第2凸部(凸部領域)
36 第3凸部
15 Fan rotor (rotor)
16 Fan stator (stator)
17
36 3rd convex part
Claims (4)
前記ケーシング(17)の母線が、前記ベーン(23)の前縁(23a)よりも前方位置から後縁(23b)よりも後方位置に亙って径方向外側に窪む凹部領域(31)と、前記凹部領域(31)との前後方向中間位置において径方向内側に膨らむ凸部領域(35)とを備えることを特徴とする軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状。 The inner peripheral surface shape of the casing (17) surrounding the outer periphery of the vane (23) of the stator (16) arranged radially behind the rotor (15) of the axial compressor,
A concave region (31) in which the bus bar of the casing (17) is recessed radially outward from the front position to the rear edge (23b) from the front edge (23a) of the vane (23); An inner peripheral surface shape of the casing of the axial-flow compressor, comprising a convex region (35) that swells radially inward at an intermediate position in the front-rear direction with respect to the concave region (31).
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