JP2012251549A - 軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 軸流型コンプレッサのロータの下流側に配置されたステータ１６のベーン２３の外周を囲むケーシング１７の母線が、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、凹部領域３１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とを備えるので、凸部領域３５よりも前側の第１凹部３２によりベーン２３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３５よりも後側の第２凹部３３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。
【選択図】 図２

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。

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。

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。

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。

特開２００８−２７４９２６号公報 特開平７−２４７９９６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ターボファンエンジンの全体構造を示す模式図。 図１の２部拡大図。 図２の３−３線断面図。 図３の４Ａおよび４Ｂ方向矢視図。 ステータベーンのウエイクの状態を示す図。 ステータベーンの負圧面に沿う流線を示す図。 質量流量の変化に伴う全圧力損失の変化を示すグラフ。 ステータベーンのスパン方向に沿う全圧力損失の分布を示すグラフ。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 軸流型コンプレッサのロータ（１５）の後方に放射状に配置されたステータ（１６）のベーン（２３）の外周を囲むケーシング（１７）の内周面形状であって、
   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。
2. 前記凹部領域（３１）は、前側の第１凹部（３２）と、後側の第２凹部（３３）と、前記第１凹部（３２）の前方に連続する第１凸部（３４）と、前記凸部領域（３５）を構成する第２凸部（３５）と、前記第２凹部（３３）の後方に連続する第３凸部（３６）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状。
3. 前記第１凸部（３４）、前記第１凹部（３２）、前記第２凸部（３５）、前記第２凹部（３３）および前記第３凸部（３６）は滑らかに連続することを特徴とする、請求項２に記載の軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状。
4. 前記ベーン（２３）は、ハブ側端部（２３ｃ）に対してチップ側端部（２３ｄ）が後方に向けてスイープすることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の軸流型コンプレッサのケーシングの内周面形状。

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