JP5319958B2 - 遷音速二段遠心圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、航空用ガスタービン、産業用ガスタービン、舶用過給機、自動車用過給機等に用いられる遷音速二段遠心圧縮機に関するものである。
二段遠心圧縮機としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
特開平８−２８４８９２号公報
ところで、二段遠心圧縮機のうち、遷音速域に設計点を有するものを遷音速二段遠心圧縮機というが、このような圧縮機では、亜音速域において上流側に位置する前段インペラでストール（失速）が発生し、遷音速域において下流側に位置する後段インペラでストールが発生し、超音速領域では後段ディフューザでストールが発生してしまうといった問題点があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、亜音速域から超音速域の全ての運転領域にわたって、インペラおよびディフューザ翼のストールおよびサージングを防止することができる遷音速二段遠心圧縮機を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る遷音速二段遠心圧縮機は、二段の蛇行形状に形成された空気流路に上流側から前段中間羽根を有する前段インペラと、前段ディフューザ翼と、前段リターン翼と、後段中間羽根を有する後段インペラと、後段ディフューザ翼とが配設され、前記前段中間羽根の前縁近傍位置に、第１の抽気口が配置され、前記前段リターン翼の後流側であって、かつ、前記後段インペラの上流側に、第２の抽気口が配置されているとともに、前記後段ディフューザ翼のスロート部と対向するディフューザシュラウドに、スロットがそれぞれ設けられている遷音速二段遠心圧縮機であって、亜音速域において前記第１の抽気口から全空気流量の０〜２０％が抽気され、遷音速域において前記第２の抽気口から全空気流量の０〜８％が抽気されるとともに、超音速域においては抽気が一切行われないように構成されている。
本発明に係る遷音速二段遠心圧縮機の運転方法は、二段の蛇行形状に形成された空気流路に上流側から前段中間羽根を有する前段インペラと、前段ディフューザ翼と、前段リターン翼と、後段中間羽根を有する後段インペラと、後段ディフューザ翼とが配設され、前記前段中間羽根の前縁近傍位置に、第１の抽気口が配置され、前記前段リターン翼の後流側であって、かつ、前記後段インペラの上流側に、第２の抽気口が配置されているとともに、前記後段ディフューザ翼のスロート部と対向するディフューザシュラウドに、スロットがそれぞれ設けられている遷音速二段遠心圧縮機の運転方法であって、亜音速域において前記第１の抽気口から全空気流量の０〜２０％を抽気し、遷音速域において前記第２の抽気口から全空気流量の０〜８％を抽気することとし、超音速域においては抽気を一切行わないこととした。
このような遷音速二段遠心圧縮機または遷音速二段遠心圧縮機の運転方法によれば、亜音速域から超音速域の全ての運転領域にわたって、前段インペラ、後段インペラ、前段ディフューザ翼、および後段ディフューザ翼のストールおよびサージングを防止することができて、圧縮機全体の効率を常に高効率に保つことができる。
上記遷音速二段遠心圧縮機において、前記前段インペラの翼端前縁部と対向するインペラシュラウド、および前記後段インペラの翼端前縁部と対向するインペラシュラウドに、溝状のケーシングトリートメントが周方向に沿って形成されているとさらに好適である。
このような遷音速二段遠心圧縮機によれば、インペラの翼端漏れ流れが、ケーシングトリートメント内に吸い上げられ（吸い出され）、ケーシングトリートメント内を通って周方向に吐き出されることとなるので、インペラの翼端漏れ流れの上流側（前縁側）への逆流を抑制することができ、作動範囲を拡大させることができる。
上記遷音速二段遠心圧縮機において、前記スロットの上流側に位置するディフューザシュラウドに、前記スロットから吸い出された作動流体を前記後段ディフューザ翼の前縁に向かって噴き出させる噴出口がそれぞれ設けられているとさらに好適である。
このような遷音速二段遠心圧縮機によれば、ストール域における後段ディフューザ翼１７への流入角がコントロールされることとなるので、後段ディフューザ翼１７のストールおよびサージングを防止することができる。
本発明によれば、亜音速域から超音速域の全ての運転領域にわたって、インペラおよびディフューザ翼のストールおよびサージングを防止することができるという効果を奏する。
以下、本発明に係る遷音速二段遠心圧縮機の一実施形態について、図１から図６を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る遷音速二段遠心圧縮機の断面図、図２から図４はそれぞれインペラの翼端と対向するインペラシュラウドをインペラの回転軸の側から見た展開図、図５（ａ）は後段ディフューザ翼が取り付けられているディフューザシュラウドを流路の中心側から見た平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ−Ｖ矢視断面図、図６は抽気量を説明するためのグラフである。
図１に示すように、本実施形態に係る遷音速二段遠心圧縮機１０は、二段の蛇行形状に形成された空気流路ｆに上流側から前段インペラ１１と、前段中間羽根１２と、前段ディフューザ翼１３と、前段リターン翼１４と、後段インペラ１５と、後段中間羽根１６と、後段ディフューザ翼１７とが配設されたものである。また、前段インペラ１１と前段中間羽根１２との中間位置には第１の抽気口２１が配置され、前段リターン翼１４の後流側であって、かつ、後段インペラ１５の上流側には第２の抽気口２２が配置されており、これら第１の抽気口２１および第２の抽気口２２から作動流体（例えば、空気）の一部が抽気される（吸い出される）ようになっている。
図６に示すように、本実施形態に係る遷音速二段遠心圧縮機１０では、亜音速域において抽気口２１から全空気流量の０〜２０％を抽気し、遷音速域において抽気口２２から全空気流量の０〜８％を抽気することとし、超音速域においては抽気を一切行わないこととした。
前段インペラ１１の翼端前縁部と対向するインペラシュラウド（ケーシングの内周面）３１、および後段インペラ１５の翼端前縁部と対向するインペラシュラウド（ケーシングの内周面）３２には、例えば、図２から図４に示すような溝状のケーシングトリートメント３３が周方向に沿って形成されている。
ケーシングトリートメント３３は、本実施形態に係る遷音速二段遠心圧縮機１０を小流量側で運転した場合に、インペラ１１，１５の前縁部に発生する離脱衝撃波の背後で、翼端漏れ流れと主流とが干渉することによって、インペラ１１，１５の約１０〜１５％コード長の位置に形成されるBlockage（阻害）領域の上流側（例えば、インペラ１１，１５の約５〜１０％コード長）に形成されている。
また、ケーシングトリートメント３３の幅はインペラ１１，１５の約２〜５％コード長に設定され、ケーシングトリートメント３３の深さはチップクリアランス（翼端とインペラシュラウドとの隙間）の約２倍に設定されている。
そして、このようなケーシングトリートメント３３を設けることにより、インペラ１１，１５の翼端漏れ流れが、ケーシングトリートメント３３内に吸い上げられ（吸い出され）、ケーシングトリートメント３３内を通って周方向に吐き出されることとなるので、インペラ１１，１５の翼端漏れ流れの上流側（前縁側）への逆流を抑制することができ、作動範囲を拡大させることができる。
一方、後段ディフューザ翼１７のスロート部と対向するディフューザシュラウド（ケーシングの内周面）４１には、例えば、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すようなスロット４２がそれぞれ設けられており、スロット４２の上流側に位置するディフューザシュラウド４１には、例えば、図５（ｂ）に示すような噴出口４３がそれぞれ設けられている。
スロット４２および噴出穴４３はそれぞれ、ディフューザシュラウド４１を板厚方向に貫通する平面視略矩形状を有する貫通穴であり、すべてのスロット４２および噴出穴４３は、周方向に沿って配置されたマニホールド４４を介して連通している。
また、噴出穴４３は、この噴出穴４３から噴き出される作動流体の向きが、後段ディフューザ翼１７の圧力面側のメタル角よりも法線方向を向くように形成されている。
さらに、スロット４２を介してマニホールド４４内に流入した作動流体は、噴出穴４３を介して後段ディフューザ翼１７の前縁よりも上流側で後段インペラ１５（図１参照）よりも下流側に噴き出され、再び主流に合流しても良い。
そして、このようなスロット４２およびマニホールド４４を設けることにより、後段ディフューザ翼１７のスロート部における圧力分布が、周方向に均一化されることとなるので、後段ディフューザ翼１７のストールおよびサージングを防止することができる。
また、このような噴出穴４３を設けることにより、ストール域における後段ディフューザ翼１７への流入角がコントロールされることとなるので、後段ディフューザ翼１７のストールおよびサージングを防止することができる。
本実施形態に係る遷音速二段遠心圧縮機１０によれば、亜音速域から超音速域の全ての運転領域にわたって、インペラ１１，１５およびディフューザ翼１３，１７のストールおよびサージングを防止することができて、圧縮機全体の効率を常に高効率に保つことができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で適宜必要に応じて変形実施、変更実施、および組合せ実施可能である。
本発明の一実施形態に係る遷音速二段遠心圧縮機の断面図である。 インペラの翼端と対向するインペラシュラウドをインペラの回転軸の側から見た展開図である。 インペラの翼端と対向するインペラシュラウドをインペラの回転軸の側から見た展開図である。 インペラの翼端と対向するインペラシュラウドをインペラの回転軸の側から見た展開図である。 （ａ）は後段ディフューザ翼が取り付けられているディフューザシュラウドを流路の中心側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ矢視断面図である。 抽気量を説明するためのグラフである。
符号の説明
１０ 遷音速二段遠心圧縮機
１１ 前段インペラ
１２ 前段中間羽根
１３ 前段ディフューザ翼
１４ 前段リターン翼
１５ 後段インペラ
１６ 後段中間羽根
１７ 後段ディフューザ翼
２１ 第１の抽気口
２２ 第２の抽気口
３１ インペラシュラウド
３２ インペラシュラウド
３３ ケーシングトリートメント
４１ ディフューザシュラウド
４２ スロット
４３ 噴出口
ｆ 空気流路

Claims (4)

  1. 二段の蛇行形状に形成された空気流路に上流側から前段中間羽根を有する前段インペラと、前段ディフューザ翼と、前段リターン翼と、後段中間羽根を有する後段インペラと、後段ディフューザ翼とが配設され、
    前記前段中間羽根の前縁近傍位置に、第１の抽気口が配置され、前記前段リターン翼の後流側であって、かつ、前記後段インペラの上流側に、第２の抽気口が配置されているとともに、
    前記後段ディフューザ翼のスロート部と対向するディフューザシュラウドに、スロットがそれぞれ設けられている遷音速二段遠心圧縮機であって、
    亜音速域において前記第１の抽気口から全空気流量の０〜２０％が抽気され、遷音速域において前記第２の抽気口から全空気流量の０〜８％が抽気されるとともに、超音速域においては抽気が一切行われないように構成されていることを特徴とする遷音速二段遠心圧縮機。
  2. 前記前段インペラの翼端前縁部と対向するインペラシュラウド、および前記後段インペラの翼端前縁部と対向するインペラシュラウドに、溝状のケーシングトリートメントが周方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遷音速二段遠心圧縮機。
  3. 前記スロットの上流側に位置するディフューザシュラウドに、前記スロットから吸い出された作動流体を前記後段ディフューザ翼の前縁に向かって噴き出させる噴出口がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遷音速二段遠心圧縮機。
  4. 二段の蛇行形状に形成された空気流路に上流側から前段中間羽根を有する前段インペラと、前段ディフューザ翼と、前段リターン翼と、後段中間羽根を有する後段インペラと、後段ディフューザ翼とが配設され、
    前記前段中間羽根の前縁近傍位置に、第１の抽気口が配置され、前記前段リターン翼の後流側であって、かつ、前記後段インペラの上流側に、第２の抽気口が配置されているとともに、
    前記後段ディフューザ翼のスロート部と対向するディフューザシュラウドに、スロットがそれぞれ設けられている遷音速二段遠心圧縮機の運転方法であって、
    亜音速域において前記第１の抽気口から全空気流量の０〜２０％を抽気し、遷音速域において前記第２の抽気口から全空気流量の０〜８％を抽気することとし、超音速域においては抽気を一切行わないこととしたことを特徴とする遷音速二段遠心圧縮機の運転方法。
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