JP3743415B2 - 軸流圧縮機 - Google Patents
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Description
【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, Axial Flow Compressor, Butterworths Publications Limited
【非特許文献3】
AERODYNAMIC DESIGN OF AXIAL-FLOW COMPRESSORS, NASA SP-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 (3)
- 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。
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