JP3743415B2

JP3743415B2 - 軸流圧縮機

Info

Publication number: JP3743415B2
Application number: JP2002290682A
Authority: JP
Inventors: 武室岡; 秀和児玉; 政彦山本; 健一篠原; 晃高橋
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: JP2004124833A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、チップクリアランス損失を低減しストールを抑制できる軸流圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５はターボジェットエンジンの模式的構成図であり、空気取入口１、圧縮機２、燃焼器３、ガスタービン４、アフターバーナ５、ジェットノズル６、等を備えている。かかるターボジェットエンジンでは、空気を空気取入口１から導入し、圧縮機２でこの空気を圧縮し、燃焼器３内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、発生した燃焼ガスでガスタービン４を駆動し、このガスタービン４で圧縮機２を駆動し、アフターバーナ５でタービンを出た排ガスにより燃料を再度燃焼させ、高温の燃焼排ガスをジェットノズル６で膨張させて後方に噴出し、推力を発生するようになっている。この基本構成は、ターボジェットエンジン以外のジェットエンジンでも概ね同様である。
【０００３】
上述したジェットエンジンやその他のガスタービン、或いは圧縮機単体において、圧縮機を構成する動翼の先端（チップ）とケーシング内面との隙間を一般にチップクリアランスと呼ぶ。チップクリアランスは、圧縮機の圧縮効率を高める上で、常に小さい程好ましいが、実際の運転においては、（１）動翼の遠心力による伸び、（２）動翼の熱膨張、（３）ケーシングの熱膨張、等の影響を受けるため、運転状態により種々に変動する。
【０００４】
図６は、起動時のチップクリアランスの変化を模式的に示す図である。圧縮機の停止状態では、動翼、動翼が取り付けられたローター、ケーシング等がすべて常温（例えば２０〜３０℃）であり、チップクリアランスは最大（ポイントＡ）となっている。圧縮機を起動し、動翼が回転を始めると、遠心力により動翼が伸びチップクリアランスが小さくなる（Ｂ）。次いで空気の断熱圧縮により圧縮空気が温度上昇し、これにより熱容量の小さい動翼が先ず熱膨張してチップクリアランスが最小（Ｃ）まで小さくなる。次いで、熱容量が大きいケーシング及びローターが熱膨張し、チップクリアランスが徐々に増大し、定常状態ではほぼ一定の設計範囲（Ｄ）となる。
【０００５】
上述したチップクリアランスを最適状態に保つために、例えば、［特許文献１］が既に出願されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０６−３１７１８４号公報
【０００７】
［特許文献１］の「チップクリアランス制御装置」は、図７に示すように、ケーシング１３に取り付けた温度検出器１４ａと、一端が圧縮機部１６に接続され且つ他端が大気圧開放され、また中間部が温度検出器１４ａの近傍に位置するようにケーシング１３に取り付けられた冷却管１５ａと、該冷却管１５ａに設けた流量調整弁１７ａと、ケーシング１３の内側部に対する動翼１２の先端部のチップクリアランスＣとケーシング１３の温度検出器１４ａが取り付けられている部分の温度との関係を熱変形データ信号１９としてメモリする熱変形データ記憶器１８と、温度検出器１４ａより出力される温度検出信号２１ａと熱変形データ信号１９とに基づき流量調整弁１７ａに対して流量調整信号２２を出力する熱変形制御器２０とを備えたものであり、冷却管１５ａに圧縮機部１６から空気を流通させて、ケーシング１３を局所的に冷却するようになっている。
【０００８】
なお、翼列を通る流れに関しては、例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に開示されている。
【０００９】
【非特許文献１】
谷田好通、長島利夫、ガスタービンエンジン、朝倉書店ｐ．４１
【非特許文献２】
Ｈｏｒｌｏｃｋ，ＡｘｉａｌＦｌｏｗＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈｓＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓＬｉｍｉｔｅｄ
【非特許文献３】
ＡＥＲＯＤＹＮＡＭＩＣＤＥＳＩＧＮＯＦＡＸＩＡＬ-ＦＬＯＷＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲＳ，ＮＡＳＡＳＰ-３６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示したように、チップクリアランスは起動時から定常状態までに種々に変化する。そのため、［特許文献１］の「チップクリアランス制御装置」は、チップクリアランスが大きい場合しか有効でなかった。
そのため、ポイントＣにおいて、動翼の先端（チップ）がケーシング内面と接触しないように、最小チップクリアランスが設定されている。従って、従来の圧縮機において、チップクリアランスを常に最小に保持することは事実上不可能である。
【００１１】
上述したように、チップクリアランスは、圧縮機の運転状態（回転速度、圧縮比、外気温度、等）により変動し、運転状態によっては、チップクリアランスが過大となって圧縮効率が低下するばかりでなく、動翼のチップ端と外側通路の間のチップクリアランス部で動翼の正圧面から負圧面に流れ（チップクリアランス流れと呼ぶ）が生じる。このチップクリアランス流れは、翼を高負荷化した際に安定作動を阻むストールを引き起こす要因であり、圧縮機の作動限界であるサージング現象の主要因である。
【００１２】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、翼を高負荷化した場合でも、動翼の正圧面から負圧面に流れるチップクリアランス流れを低減することができ、これによりストールの発生とサージング現象を抑制することができる軸流圧縮機を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、軸方向速度を減速させ、正圧面と負圧面の圧力差を低減するように入口断面積よりも出口断面積が大きく形成されている動翼列（１０）を備える、ことを特徴とする軸流圧縮機が提供される。
【００１４】
上記本発明の構成によれば、動翼列（１０）の入口断面積よりも出口断面積が大きく形成され、それに対して適切な通路長を持っているので、この動翼列内において流れの軸方向速度が減速される。
従って、動翼の速度三角形を考えると、翼で流れを大きく曲げなくても、軸方向速度を減速させることでも動翼の仕事を得られることがわかる。同じ圧力比を得る場合、通路を広げると、翼で流れを曲げる量は少なくてすむため、翼の正圧面と負圧面の圧力差が小さくなり、チップクリアランス流れを減少させることができ、チップクリアランス流れの減少により、高圧力比で広い安定作動範囲をもつ動翼を得ることができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記動翼列（１０）の下流側に静翼列（１１）を備え、該静翼列（１１）の出口断面積は、前記動翼列の入口断面積よりも小さく構成されている。
この構成により、静翼列（１１）における流れは減速の小さい流れとなり、剥離のおそれが少なく、スムースに減速し圧力を調整することができる。
【００１６】
また、前記動翼列（１０）は、流入部における動翼相対速度の向きと流出部における動翼相対速度の向きとの差が小さくなるように、動翼での流れの転向角が１５度以下に設定されている。
この構成により、動翼列（１０）の反りが小さいので、翼の正圧面と負圧面の圧力差が小さくなり、チップクリアランス流れを減少させることができ、従来翼よりも高圧力比で広い安定作動範囲を持つ動翼を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１８】
図２は、従来の軸流圧縮機の模式図である。この図において、（Ａ）は、子午線形状、（Ｂ）は動翼列の側面図、（Ｃ）は動翼列の平面図である。
図２（Ａ）に示すように、従来の軸流圧縮機では、上流側から静翼列７、動翼列８、静翼列９の順で通常、流路断面積が順次小さくなる。また、図２（Ｃ）に示すように、動翼列８を構成する各動翼は、大きな反りを有し、翼を曲げることで正圧を上昇するようになっている。
このような、従来の動翼列８の場合、動翼の正圧面と負圧面の圧力差が大きくなるため、チップクリアランス流れが大きくなり、ストールやサージング現象が発生する要因となる。
【００１９】
図１は、本発明の軸流圧縮機の模式図である。この図において、（Ａ）は、子午線形状、（Ｂ）は動翼列の側面図、（Ｃ）は動翼列の平面図である。
図１（Ａ）に示すように、本発明の軸流圧縮機は、従来と異なる子午線形状の動翼列１０と静翼列１１を備える。
本発明の動翼列１０は、図１（Ｂ）に示すように、入口断面積よりも出口断面積が大きく形成され、適切な通路長さを持って流れの軸方向速度を減速させ、正圧面と負圧面の圧力差を低減するように構成されている。
また、動翼列１０の下流側に位置する静翼列１１は、その出口断面積が、動翼列１０の入口断面積よりも小さく構成されている。
更に、本発明の例では、動翼列１０は、流入部における動翼相対速度の向きと流出部における動翼相対速度の向きとがほぼ一致するように、反りが０に設定されている。
【００２０】
なお、本発明はこの構成に限定されず、動翼列１０は、流入部における動翼相対速度の向きと流出部における動翼相対速度の向きとの差が小さくなるように、動翼での流れの転向角が１５度以下に設定するのがよい。ここで、「流れの転向角」とは動翼入口と動翼出口の相対流れベクトルのなす角度を意味する。
【００２１】
図３は、速度三角形の本発明（Ａ）と従来（Ｂ）の具体例である。
この例において、本発明（Ａ）と従来例（Ｂ）の両方とも、動翼回転速度Ｕは３６２．６ｍ／ｓ、入口側の周方向速度ｕ１は４２．５ｍ／ｓ、出口側の周方向速度ｕ２は１８８．７ｍ／ｓ、動翼仕事はＵ（ｕ２- ｕ１）＝３６２．６×（１８８．７-４２．５）＝５３０１２Ｊである。従って、下流側の流体は同一のエネルギーを保有しているといえる。
【００２２】
図３（Ｂ）の従来例では、動翼列８の後の流路面積を小さく調整することで、軸方向成分は上流側と下流側で同一の２００ｍ／ｓになっている。従って、この例では出口絶対速度が約２７３ｍ／ｓになっており、その運動エネルギーを下流側の静翼列で圧力上昇に変換するようになっている。
また従来の軸流圧縮機では、図３（Ｂ）の速度三角形を実現するために動翼列８を構成する各動翼が大きな反りを有している。この反りにより、流入部における動翼相対速度の向き（軸線に対して５８度）と流出部における動翼相対速度の向き（軸線に対して４１度）とが大きく相違する。
この結果、従来の動翼列８の場合、動翼の正圧面と負圧面の圧力差が大きくなるため、チップクリアランス流れが大きくなる。
【００２３】
図３（Ａ）の本発明では、動翼列１０の入口断面積よりも出口断面積が大きく形成され、軸方向成分は上流側で２００ｍ／ｓ、下流側で１０９ｍ／ｓとほぼ半分になっている。従って、この例では上流側に比べ下流側の静圧が高くなるととともに、絶対速度も約２１８ｍ／ｓに上がっている。
また本発明では、図３（Ａ）の速度三角形を実現するために動翼の反りは不要であり、流入部における動翼相対速度の向きと流出部における動翼相対速度の向きとがほぼ一致するように、反りが０に設定されている。
さらに下流側の静翼列１１ではその出口断面積が、動翼列１０の入口断面積よりも小さく構成されているので、流れは減速の小さい流れとなり、剥離のおそれが少なく、スムースに減速し圧力を調整するようになっている。
【００２４】
図４は、動翼面の圧力分布の解析結果である。この図において、×印は従来の動翼面の圧力分布であり、○印は本発明の動翼面の圧力分布である。また図中Ａは従来の最大圧力差、Ｂは本発明の最大圧力差である。
この図から、従来の動翼面では、負圧面の圧力低下が大きく、最大圧力差Ａが大きくなることがわかる。これに対して、本発明の動翼面では、負圧面の圧力低下が小さく、最大圧力差Ｂが従来に比べて半分以下まで小さくなることがわかる。
【００２５】
上述したように、本発明の構成によれば、動翼列１０の入口断面積よりも出口断面積が大きく形成されているので、この動翼列内において流れの軸方向速度が減速される。
従って、動翼の速度三角形を考えると、翼で流れを大きく曲げなくても、軸方向速度を減速させることで同一の動翼仕事を得られる。同じ圧力比を得る場合、通路を広げると、翼で流れを曲げる量は少なくてすむため、翼の正圧面と負圧面の圧力差が小さくなり、チップクリアランス流れを減少させることができ、チップクリアランス流れの減少により、高圧力比で広い安定作動範囲をもつ動翼を得ることができる。
【００２６】
また、静翼列１１の出口断面積が、動翼列の入口断面積よりも小さい構成により、静翼列１１における流れが減速の小さい流れとなり、剥離のおそれが少なく、スムースに減速し圧力を調整することができる。
【００２７】
さらに、動翼列１０の反りを小さく設定する構成により、翼の正圧面と負圧面の圧力差が小さくなり、チップクリアランス流れを減少させることができ、従来翼よりも高圧力比で広い安定作動範囲を持つ動翼を得ることができる。
【００２８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の軸流圧縮機は、翼を高負荷化した場合でも、動翼の正圧面から負圧面に流れるチップクリアランス流れを低減することができ、これによりストールの発生とサージング現象を抑制することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸流圧縮機の模式図である。
【図２】従来の軸流圧縮機の模式図である。
【図３】速度三角形の本発明と従来の具体例である。
【図４】動翼面の圧力分布の解析結果である。
【図５】ターボジェットエンジンの模式的構成図である。
【図６】従来のチップクリアランスの変動を示す模式図である。
【図７】従来のチップクリアランス制御装置の模式図である。
【符号の説明】
１空気取入口、２圧縮機、３燃焼器、４ガスタービン、
５アフターバーナ、６ジェットノズル、
７静翼列、８動翼列、９静翼列、
１０動翼列、１１静翼列、
１２動翼、１３ケーシング、１４ａ温度検出器、
１５ａ冷却管、１６圧縮機部、１７ａ流量調整弁、
１８熱変形データ記憶器、１９熱変形データ信号、
２０熱変形制御器、２１ａ温度検出信号、
２２流量調整信号

Claims

軸方向速度を減速させ、正圧面と負圧面の圧力差を低減するように入口断面積よりも出口断面積が大きく形成されている動翼列（１０）を備える、ことを特徴とする軸流圧縮機。
前記動翼列（１０）の下流側に静翼列（１１）を備え、該静翼列（１１）の出口断面積は、前記動翼列の入口断面積よりも小さく構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機。
前記動翼列（１０）は、流入部における動翼相対速度の向きと流出部における動翼相対速度の向きとの差が小さくなるように、動翼での流れの転向角が１５度以下に設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機。