JP7143194B2 - 空気供給装置 - Google Patents

Description

本開示は、空気供給装置に関する。

従来、例えばガスタービンの燃焼器等に空気を供給する空気供給装置が知られている（特許文献１参照）。この種の空気供給装置では、インペラの周囲にディフューザ流路が設けられており、ディフューザ流路の出口側には、周方向に沿って並ぶ複数のガイドベーンが設けられている。これらのガイドベーンは、回転軸に沿った方向に対して周方向の一方側に向かって一様に傾斜している。ディフューザ流路を通過した空気は、各ガイドベーンによって一方向に整流された後、燃焼器に供給される。また、従来の空気供給装置において、上述した各ガイドベーンが設けられる流路（以下、「ガイド流路」と称する）に排出流路が接続され、この排出流路の内側に燃焼器が配置される場合がある。この場合、ディフューザ流路からガイド流路に流入した空気は、各ガイドベーンによって整流され、圧縮機の回転方向に沿うように螺旋状に進行する。更に、この空気は、排出流路を通過して燃焼器に供給される。

特開２００８－２５５７５号公報

ガイド流路を進行する空気は、主に、排出流路の前側（すなわち回転方向の逆転側）から排出流路に流入する。一方で、一部の空気は、排出流路の後側（すなわち回転方向の正転側）に回り込み、排出流路の後側から排出流路内に流入する。空気が排出流路の後側に回り込む際、排出流路の後側において空気の剥離が生じ易い。この剥離に起因して、排出流路の後側では空気の流量が減少する傾向がある。このような流量の減少が生じると、排出流路の周方向における流量分布が不均一となるおそれがある。この場合、燃焼器の性能及び排出ガスが悪化する可能性がある。

本開示は、排出流路の周方向における流量分布の均一化を図ることにより、燃焼器の性能の低下を抑制できる空気供給装置を説明する。

本開示の一形態に係る空気供給装置は、空気を遠心方向に送るインペラと、インペラの遠心方向の外方に設けられたディフューザ流路と、ディフューザ流路の外周に沿って配置されると共に、ディフューザ流路に連通されたガイド流路と、ガイド流路に連通され、ガイド流路と交差する方向に延在している排出流路と、ガイド流路内で、ディフューザ流路と排出流路との間に設けられると共に、インペラの回転方向に沿って配置された複数のガイドベーンと、を備え、ガイドベーンは、ディフューザ流路に近い側の前端縁と、ディフューザ流路から遠い側の後端縁とを備え、ガイド流路は、排出流路の中心線を基準にして、回転方向の逆転側の逆転領域と、回転方向の正転側の正転領域とを備え、後端縁の羽根角について、後端縁を通り且つインペラの回転軸線方向に延在する基準線に対して正転側を正とし、逆転側を負として規定した場合に、逆転領域のうち、少なくとも一部の領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は正であり、正転領域のうち、少なくとも一部の領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は負である。

この空気供給装置では、インペラによって遠心方向に送られた空気は、ディフューザ流路を介してガイド流路に流入する。ガイド流路は、排出流路の中心線を基準にして、回転方向の逆転側の逆転領域と、回転方向の正転側の正転領域とを備えている。ガイド流路の逆転領域には、後端縁の羽根角が正である（すなわち、後端縁が回転方向の正転側に傾斜した）ガイドベーンが配置されている。このため、ガイド流路の逆転領域に流入した空気は、ガイドベーンによって回転方向に沿うように整流された後、逆転領域側から排出流路に流入する。一方で、反対側である正転領域には、後端縁の羽根角が負であるガイドベーンが配置されている。その結果、正転領域に流入した空気は、回転方向に対向するようにしてガイド流路を進行しながら、正転領域側の排出流路に案内される。これにより、相対的に流量が減少しやすい正転領域側の排出流路に空気を流れやすくすることができ、正転領域側の排出流路の流量の減少を抑制できる。従って、上述した空気供給装置によれば、逆転領域側の排出流路の流量と正転領域側の排出流路の流量との差を緩和でき、排出流路の周方向における流量分布の均一化を図ることができる。その結果、燃焼器の性能及び排出ガスの悪化を抑制することが可能となる。

また、排出流路は、外管と、外管内に配置された内管との間に形成され、インペラの回転軸線周りの回転角θについて、ガイドベーンのハブ面を含む仮想面と排出流路の中心線との交点である第１交点の回転角θを０°とし、内管の外周面と仮想面との交線上の点であり、逆転側で第１交点に対する回転角θの絶対値が最大となる第２交点の回転角θをα_１°とし、正転側で第１交点に対する回転角θの絶対値が最大となる第３交点の回転角θをα_２°として規定した場合に、逆転領域は、少なくとも回転角θの絶対値がα_１°以上の領域を含み、正転領域は、少なくとも回転角θの絶対値がα_２°以上の領域を含み、逆転領域において、回転角θの絶対値がα_１°以上の領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は正であり、正転領域において、回転角θの絶対値がα_２°以上の領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は負であってもよい。排出流路の側部の近傍に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は、逆転領域側の排出流路の流量と正転領域側の排出流路の流量との差の緩和という機能に関し、相対的に影響が小さいと考えられる。そこで、ガイドベーンの後端縁の羽根角を正又は負とする領域を上述した領域に設定することで、逆転領域側の排出流路の流量と正転領域側の排出流路の流量との差を好適に緩和することが可能となる。

また、インペラの回転軸線周りの回転角θについて、ガイドベーンのハブ面を含む仮想面と排出流路の中心線との交点である第１交点の回転角θを０°として規定した場合に、逆転領域は、少なくとも回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域を含み、正転領域は、少なくとも回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域を含み、逆転領域において、回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は正であり、正転領域において、回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は負であってもよい。このように、ガイドベーンの後端縁の羽根角を正又は負とする領域を排出流路に近い領域に設定することによって、正転領域側の排出流路に空気が一層流れやすくなる。これにより、正転領域側の排出流路の流量の減少をより確実に抑制でき、逆転領域側の排出流路の流量と正転領域側の排出流路の流量との差を一層効果的に緩和することが可能となる。

また、正転領域に配置され且つ後端縁の羽根角が負であるガイドベーンの後端縁の羽根角は、一定であってもよい。この場合、ガイドベーンの製造作業及び組立作業が容易となるので、空気供給装置の製造を容易に行うことが可能となる。

また、正転領域に配置され且つ後端縁の羽根角が負であるガイドベーンの後端縁の羽根角の絶対値は、回転角θの絶対値が大きくなるに従って大きくなってもよい。この場合、各ガイドベーンの後端縁を正転領域側の排出流路に向かせることが可能となり、正転領域に流入した空気は、各ガイドベーンによって正転領域側の排出流路に一層流れやすくなる。よって、上記の構成によれば、正転領域側の排出流路の流量の減少をより確実に抑制でき、逆転領域側の排出流路の流量と正転領域側の排出流路の流量との差を一層効果的に緩和することが可能となる。

本開示の一形態に係る空気供給装置は、インペラと、インペラの遠心方向の外方に設けられたディフューザ流路と、ディフューザ流路の外周に沿って配置されると共に、ディフューザ流路に連通されたガイド流路と、内管と外管との間に形成され、ガイド流路と交差する方向に延在し、ガイド流路に連通された排出流路と、ガイド流路内で、ディフューザ流路と排出流路との間に設けられると共に、ガイド流路の周方向に間隔を空けて配置された複数のガイドベーンと、を備え、ガイドベーンは、ディフューザ流路に近い側の前端縁と、ディフューザ流路から遠い側の後端縁とを備え、ガイド流路は、外管の中心線を基準にして、周方向で区分けされた一方の第１の領域と、反対側である他方の第２の領域とを備え、後端縁の羽根角について、後端縁を通り且つインペラの回転軸線方向に延在する基準線に対して一方側を正とし、他方側を負として規定した場合に、第１の領域のうち、少なくとも一部の領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は正であり、第２の領域のうち、少なくとも一部の領域に配置されたガイドベーンの後端縁の羽根角は負である。

この空気供給装置では、インペラ及びディフューザ流路を通過した空気は、ガイド流路に流入する。ガイド流路は、外管の中心線を基準として、周方向で区分された一方の第１の領域と他方の第２の領域とを備えており、第１の領域には、後端縁の羽根角が正である（すなわち、周方向の一方側に傾斜した）ガイドベーンが配置されている。このため、ガイド流路の第１の領域に流入した空気は、ガイドベーンによって周方向の一方側に向かうように整流された後、第１の領域側から排出流路に流入する。このとき、反対側である第２の領域側の排出流路では、第１の領域側の排出流路に対して相対的に流量が減少しやすい。しかし、上述した空気供給装置では、後端縁の羽根角が負である（すなわち、周方向の他方側に傾斜した）ガイドベーンが第２の領域に配置されている。このため、第２の領域に流入した空気は、周方向の他方側に向かうようにガイド流路を進行しながら、第２の領域側の排出流路に案内される。これにより、相対的に流量が減少しやすい第２の領域側の排出流路に空気を流れやすくすることができ、第２の領域側の排出流路の流量の減少を抑制できる。従って、上述した空気供給装置によれば、第１の領域側の排出流路の流量と第２の領域側の排出流路の流量との差を緩和でき、排出流路の周方向における流量分布の均一化を図ることができる。その結果、燃焼器の性能及び排出ガスの悪化を抑制することが可能となる。

本開示のいくつかの態様によれば、排出流路の周方向における流量分布の均一化を図ることにより、燃焼器の性能の低下を抑制できる。

図１は、一実施形態に係る空気供給装置の概略断面図である。 図２は、図１に示す空気供給装置のガイドベーンの付近を拡大した部分断面斜視図である。 図３は、図２を回転軸線方向から見た部分側断面図である。 図４は、図２に示す空気供給装置のガイドベーンの付近を模式的に示す上面図である。 図５（ａ）は、ガイド流路の逆転領域に配置されたガイドベーンを示す模式図である。図５（ｂ）は、ガイド流路の正転領域に配置されたガイドベーンを示す模式図である。 図６は、ガイドベーンの後端縁の羽根角と無次元翼長さとの関係を示すグラフである。 図７は、第１変形例に係るガイドベーンの付近を模式的に示す上面図である。 図８は、第２変形例に係るガイドベーンの付近を模式的に示す上面図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。以下の説明において、「遠心方向Ｄ」とは、回転軸線Ｌに直交する方向を示しており、特に「外方」とは回転軸線Ｌから離れる方向を意味している。また、「周方向」とは、回転軸線Ｌを中心とする環に沿う方向であって、回転方向Ｒを含む方向を示している。

図１に示される空気供給装置１は、例えばガスタービンに適用されるものである。空気供給装置１は、遠心圧縮機２を備えており、遠心圧縮機２によって圧縮された空気Ａを燃焼器３に供給する。遠心圧縮機２は、例えば多段構造であり、本実施形態では、例えば回転軸５０に設けられた二段のインペラ５Ａ，５Ｂと、インペラ５Ａ，５Ｂを収納すると共に、燃焼器３が設けられたハウジング４とを備えている。

ハウジング４は、主にインペラ５Ａ，５Ｂを収納するアウターケーシング４ａと、アウターケーシング４ａ内に配置され、燃焼器３が設置されると共に、回転軸５０を支持するインナーケーシング４ｂとを備えている。

アウターケーシング４ａには、吸入口Ｐ１から引き込んだ空気Ａをインペラ５Ａに導入する吸入流路１１と、インペラ５Ａの周囲に配置された前段のディフューザ流路１２と、ディフューザ流路１２に接続されたリターン流路１３とが設けられている。また、アウターケーシング４ａには、インペラ５Ｂの周囲に配置された後段のディフューザ流路１５と、ディフューザ流路１５に接続されたガイド流路１６とが設けられている。ガイド流路１６は、ディフューザ流路１５の外周に沿って配置された環状の流路である。

前段のディフューザ流路１２には前段の複数のガイドベーン２０が設置されており、リターン流路１３には、複数のリターンガイドベーン（ＲＧＶ）２１が設置されている。後段のディフューザ流路１５には後段の複数のガイドベーン２２が配置されており、ガイド流路１６には複数のアウトレットガイドベーン（ＯＧＶ）２３が配置されている。なお、各ガイドベーン２２及び各ＯＧＶ２３（ガイドベーンの一例）は、インナーケーシング４ｂに設けられている。

インナーケーシング４ｂには、燃焼器３の外壁となる筒状の内胴部（内管の一例）７ｂと、燃焼器３から排出される燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路１８とが設けられている。一方で、アウターケーシング４ａには、内胴部７ｂを囲み、ガイド流路１６に連通された筒状の外胴部（外管の一例）７ａが設けられている。

内胴部７ｂは、外胴部７ａ内で外胴部７ａに対して間隔を空けて配置されており、更に外胴部７ａに沿うように同一方向に延在している。内胴部７ｂと外胴部７ａとの間には、円管状の排出流路１７が形成されている。排出流路１７は、環状のガイド流路１６の周方向の一部に接続されており、ガイド流路１６と交差する方向に延在している。ガイド流路１６と交差する方向とは、ガイド流路１６を通過する空気Ａの流れ方向に対して交差する方向を意味している。本実施形態では、回転軸線Ｌに平行な方向に対して交差（例えば、傾斜または直交）する方向を意図している。排出流路１７は、内胴部７ｂの上端に設けられた排出口Ｐ２を介して燃焼器３である内胴部７ｂ内に連通しており、燃焼器３に空気Ａを供給する。

排出流路１７の中心線Ｌ１（図２参照）は、回転軸５０に直交する位置（図３において真上の位置）からずれて配置されており、更に、回転軸５０から離れる外方に向けて直線状に延在する。その結果、排出流路１７の中心線Ｌ１の延長線は、回転軸線Ｌとは交差しない位置を通る。排出流路１７の中心線Ｌ１は、外胴部７ａの中心線と一致している。排出流路１７の終端部分には、螺旋流を形成するスワーラ２４が設けられている。

回転軸５０の回転によってインペラ５Ａ，５Ｂが回転する。回転するインペラ５Ａは、吸入流路１１を通じて外部の空気Ａを吸入して圧縮し、遠心方向Ｄの外方である前段のディフューザ流路１２に排出（圧送）する。次に、回転するインペラ５Ｂは、ディフューザ流路１２及びリターン流路１３を通過した空気Ａを吸入して更に圧縮し、遠心方向Ｄの外方である後段のディフューザ流路１５に排出（圧送）する。ディフューザ流路１５を通過した空気Ａは、ガイド流路１６に進入する。

ガイド流路１６に進入した空気Ａは、各ＯＧＶ２３に案内されて流れ方向が整えられる。具体的に説明すると、空気Ａは、ガイド流路１６内を進行した後、いずれ排出流路１７に到達し、排出流路１７内を通過する。排出流路１７を通過する空気Ａは、内胴部７ｂの上端に設けられた排出口Ｐ２を通過し、燃焼器３に供給される。

燃焼器３は、排出口Ｐ２から受け入れた空気Ａに燃料を混ぜ合わせて燃焼する。燃焼器３は、燃焼して得られた高温高圧の燃焼ガスＢを燃焼ガス流路１８を介してタービン（不図示）に供給する。タービンは、燃焼器３から供給された高温高圧の燃焼ガスＢによって回転軸５０を回転させ、その結果、インペラ５Ａ，５Ｂが回転し、遠心圧縮機２での空気Ａの圧縮が行われる。

次に、図２～図６を参照して、各ＯＧＶ２３について具体的に説明する。なお、図２及び図３では、理解の容易のため、アウターケーシング４ａが回転軸線Ｌに直交する縦断面として示されている。また、図４では、外胴部７ａ及び内胴部７ｂが、中心線Ｌ１に直交する断面図として示されている。

図２及び図３に示されるように、各ＯＧＶ２３は、板状を呈しており、インナーケーシング４ｂに設けられるハブ面２５に立設されている。各ＯＧＶ２３は、回転軸線Ｌ方向においてディフューザ流路１５（図１参照）と排出流路１７との間に設けられており、ガイド流路１６の周方向の全域にわたって等間隔に配置されている。

各ＯＧＶ２３が配置されるガイド流路１６は、排出流路１７の中心線Ｌ１を基準にした逆転領域（第１の領域）１６Ａと正転領域（第２の領域）１６Ｂとを備えている。具体的に説明すると、回転軸線Ｌ周りの回転角θについて、ハブ面２５を含む仮想面Ｓと中心線Ｌ１との交点Ｃ１（第１交点）の回転角θを０°とし、回転方向Ｒの正転側を正とし、回転方向Ｒの逆転側を負として規定する。このように回転角θを規定した場合に、例えば、ガイド流路１６において、回転角θが－θｘ°より大きく且つ０°以下の範囲に位置する領域が逆転領域１６Ａであり、回転角θが０°より大きく且つ（３６０°－θｘ°）以下の範囲に位置する領域が正転領域１６Ｂである。つまり、交点Ｃ１を挟んで、回転方向Ｒの逆転側の領域は逆転領域１６Ａであり、周方向で区分けされた一方の領域（第１の領域）に相当し、回転方向Ｒの正転側の領域は正転領域１６Ｂであり、周方向で区分けされた他方の領域（第２の領域）に相当する。なお、θｘ°は０°より大きく且つ３６０°未満の間で任意に設定することができるが、例えば、９０°以上且つ２７０°未満にすることができる。本実施形態では、θｘ°は１８０°であり、逆転領域１６Ａと正転領域１６Ｂとが実質的に対称の領域となる。また、上述した逆転領域１６Ａ及び正転領域１６Ｂの範囲について、「より大きく」を「以上」に置き換えてもよく、「以下」を「より小さい」又は「未満」に置き換えてもよい。

複数のＯＧＶ２３は、逆転領域１６Ａに配置された複数のＯＧＶ２３Ａと、正転領域１６Ｂに配置された複数のＯＧＶ２３Ｂとを備えている。複数のＯＧＶ２３Ａは、後端縁２３ｂの羽根角βについて共通の特徴を備え、複数のＯＧＶ２３Ｂは、後端縁２３ｂの羽根角βについて共通の特徴を備えている。

以下、ＯＧＶ２３Ａ及びＯＧＶ２３Ｂそれぞれの後端縁２３ｂの羽根角βの特徴について、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明する。なお、以降の説明において、ＯＧＶ２３Ａ及びＯＧＶ２３Ｂをまとめて「ＯＧＶ２３」と呼ぶことがある。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、ＯＧＶ２３は、前端縁２３ａと後端縁２３ｂとを備えている。前端縁２３ａは、ＯＧＶ２３のキャンバーラインＣＬ上においてディフューザ流路１５（図１参照）に近い側に位置、つまり、ディフューザ流路１５に最も近い端部である。また、後端縁２３ｂは、キャンバーラインＣＬ上においてディフューザ流路１５に遠い側に位置、つまり、ディフューザ流路１５から最も遠い端部である。キャンバーラインＣＬとは、ＯＧＶ２３の上面（回転方向Ｒの逆転側の面）と下面（回転方向Ｒの正転側の面）との間の中間に位置する仮想の線である。

本実施形態において、後端縁２３ｂの羽根角βは、後端縁２３ｂを通り且つ回転軸線Ｌ方向に延在する基準線Ｌ２と、後端縁２３ｂを通るキャンバーラインＣＬの接線Ｌ３との角度で定義される。そして、基準線Ｌ２を基準にして、後端縁２３ｂの羽根角βの回転方向Ｒの正転側を正、回転方向Ｒの逆転側を負として規定する。また、前端縁２３ａから後端縁２３ｂまでキャンバーラインＣＬに沿って測った長さの全長を、ＯＧＶ２３の翼長さとして規定する。

ＯＧＶ２３Ａ（図５（ａ）参照）は、前端縁２３ａから後端縁２３ｂにかけて、全体として、回転方向Ｒの正転側に傾斜した方向に延在している。具体的には、ＯＧＶ２３Ａは、全体として、前端縁２３ａから後端縁２３ｂに向かうに従って回転方向Ｒの正転側に位置するように傾斜している。従って、ＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂを含む全体において、キャンバーラインＣＬの接線Ｌ３は、基準線Ｌ２に対して回転方向Ｒの正転側に傾斜している。つまり、ＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂを含む全体の羽根角βは正となる。

本実施形態において、複数のＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂの羽根角βは、回転角θの絶対値が大きくなるに従って大きくなる。従って、周方向において排出流路１７に近い位置に配置されるＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂの羽根角βよりも、周方向において排出流路１７から遠い位置に配置されるＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂの羽根角βの方が大きくなる。一方、各ＯＧＶ２３Ａの前端縁２３ａの羽根角βは同一である。また、各ＯＧＶ２３Ａの翼長さは一定である。なお、図４では、表現の便宜上、複数のＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂの羽根角βの変化については示されていない。

ＯＧＶ２３Ｂ（図５（ｂ）参照）は、ＯＧＶ２３Ａの形状とは異なる形状を有する。具体的に説明すると、ＯＧＶ２３Ｂは、前端縁２３ａを含み、羽根角βが正となる前部分２３ｘと、後端縁２３ｂを含み、羽根角βが負となる後部分（傾斜部分）２３ｃとを備えている。つまり、ＯＧＶ２３Ｂの前端縁２３ａから後端縁２３ｂにかけて、前部分２３ｘでは、基準線Ｌ２に対して回転方向Ｒの正転側に傾斜した方向に延在しており、後部分２３ｃでは、基準線Ｌ２に対して回転方向Ｒの逆転側に傾斜した方向に延在している。具体的には、ＯＧＶ２３Ｂの前部分２３ｘは、前端縁２３ａから後部分２３ｃ側の一端に向かうに従って回転方向Ｒの正転側に位置するように傾斜しており、ＯＧＶ２３Ｂの後部分２３ｃは、前部分２３ｘ側の一端から後端縁２３ｂに向かうに従って回転方向Ｒの逆転側に位置するように傾斜している。

本実施形態において、複数のＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βの絶対値は、回転角θが大きくなるに従って大きくなっている（図４参照）。よって、周方向において排出流路１７に近い位置に配置されるＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βの絶対値よりも、周方向において排出流路１７から遠い位置に配置されたＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βの絶対値の方が大きくなる。ＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βは、例えば－９０°より大きく且つ０°より小さい範囲内である。なお、各ＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βは一定であってもよい。各ＯＧＶ２３Ｂの前端縁２３ａの羽根角βは同一である。また、各ＯＧＶ２３Ｂの翼長さは一定である。

続いて、図３及び図６を参照して、ＯＧＶ２３Ａ及びＯＧＶ２３Ｂのそれぞれの後端縁２３ｂの羽根角βの変化について更に説明する。図６の縦軸は、ＯＧＶ２３の羽根角βを示しており、図６の横軸は、ＯＧＶ２３の無次元翼長さを示している。この「無次元翼長さ」は、ＯＧＶ２３の翼長さ（キャンバーラインＣＬの全長）に対する、前端縁２３ａからキャンバーラインＣＬ上の任意の位置までのキャンバーラインＣＬに沿った長さの割合で定義される。従って、キャンバーラインＣＬ上の任意の位置は、前端縁２３ａを基準とする無次元翼長さによって、無次元の０以上且つ１以下の値で表すことができる。よって、無次元翼長さが０のときの羽根角βは、前端縁２３ａの羽根角βを示し、無次元長さが１のときの羽根角βは、後端縁２３ｂの羽根角βを示している。

図６において、グラフＧ１１は、回転角θがθ_１°の位置にあるＯＧＶ２３Ｂを示し、このＯＧＶ２３Ｂの前端縁２３ａから後端縁２３ｂにかけての羽根角βの変化を示している。グラフＧ１２は、回転角θがθ_２°の位置にあるＯＧＶ２３Ｂを示し、このＯＧＶ２３Ｂの前端縁２３ａから後端縁２３ｂにかけての羽根角βの変化を示している。グラフＧ１３は、回転角θが－θ_３°の位置にあるＯＧＶ２３Ａを示し、このＯＧＶ２３Ａの前端縁２３ａから後端縁２３ｂにかけての羽根角βの変化を示している。グラフＧ１４は、回転角θが－θ_４°の位置にあるＯＧＶ２３Ａを示し、このＯＧＶ２３Ａの前端縁２３ａから後端縁２３ｂにかけての羽根角βの変化を示している。グラフＧ１５は、回転角θが－θ_５°の位置にあるＯＧＶ２３Ａを示し、このＯＧＶ２３Ａの前端縁２３ａから後端縁２３ｂにかけての羽根角βの変化を示している。

グラフＧ１１に対応する回転角θ_１°（図３参照）は、α_２°より大きく且つθ_２°より小さい範囲内の回転角θであり、グラフＧ１２に対応する回転角θ_２°は、θ_１°より大きく且つ１８０°以下の範囲内の回転角θである。また、グラフＧ１３に対応する回転角－θ_３°は、－α_１°以上且つ０°以下の範囲内の回転角θであり、グラフＧ１４に対応する回転角－θ_４°は、－θ_５°より大きく且つ－α_１°より小さい範囲内の回転角θであり、グラフＧ１５に対応する回転角－θ_５°は、－１８０°より大きく且つ－θ_４°より小さい範囲内の回転角θである。つまり、グラフＧ１２に係るＯＧＶ２３Ｂの回転角θ（の絶対値）は、グラフＧ１１に係るＯＧＶ２３Ｂの回転角θ（の絶対値）よりも大きい。また、グラフＧ１５に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θは、グラフＧ１４に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θよりも小さく、グラフＧ１４に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θは、グラフＧ１３に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θよりも小さい。なお、ＯＧＶ２３Ａの回転角θは負の値であるため、上記を言い換えると、グラフＧ１５に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θの絶対値は、グラフＧ１４に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θの絶対値よりも大きく、グラフＧ１４に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θの絶対値は、グラフＧ１３に係るＯＧＶ２３Ａの回転角θの絶対値よりも大きくなっている。

図６に示されるように、ＯＧＶ２３Ａ及びＯＧＶ２３Ｂの両方（ＯＧＶ２３）の羽根角βは、ＯＧＶ２３の無次元翼長さが大きくなるにつれて徐々に小さくなっている。すなわち、ＯＧＶ２３の羽根角βの傾向として、前端縁２３ａから後端縁２３ｂに向かうにつれて小さくなっているが、ＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂの羽根角βは、０°より小さくなることはなく、正の状態を保っている（グラフＧ１３、Ｇ１４、及びＧ１５参照）。一方、ＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βは、０°より小さくなっており、負の状態となっている（グラフＧ１１及びＧ１２参照）。また、ＯＧＶ２３Ａは、回転角θの絶対値が大きくなるに従って、後端縁２３ｂの羽根角βの絶対値は大きくなっていることを確認できる（グラフＧ１３、Ｇ１４、及びＧ１５参照）。また、ＯＧＶ２３Ｂは、回転角θの絶対値が大きくなるに従って、後端縁２３ｂの羽根角βの絶対値が大きくなっていることを確認できる（グラフＧ１１及びＧ１２参照）。

上述の通り、複数のＯＧＶ２３Ａは、ガイド流路１６において逆転領域１６Ａに配置されており、複数のＯＧＶ２３Ｂは、正転領域１６Ｂに配置されている。より具体的に説明すると、複数のＯＧＶ２３Ａは回転角θが－１８０°より大きく且つ０°以下の範囲に配置されている。また、複数のＯＧＶ２３Ｂは、ガイド流路１６において、回転角θが０°より大きく且つ１８０°以下の範囲に配置されている。なお、本実施形態において、回転角θが所定の角度「より大きい」又は「より小さい」範囲という場合、当該角度の位置上に配置されるＯＧＶ２３は、その範囲に含まれないものとする。一方、回転角θが所定の角度「以上」又は「以下」の範囲という場合、当該角度の位置上に配置されるＯＧＶ２３は、その範囲に含まれるものとする。そして、本実施形態では、回転角θが０°となる位置、つまり、逆転領域１６Ａと正転領域１６Ｂとの境界には、ＯＧＶ２３Ａが配置された態様が例示されている。

本実施形態では、各ＯＧＶ２３Ａは、逆転領域１６Ａの全域にわたって配置されており、各ＯＧＶ２３Ｂは、正転領域１６Ｂの全域にわたって配置されている。しかしながら、各ＯＧＶ２３Ａは、逆転領域１６Ａの一部領域のみに配置されていてもよく、逆に各ＯＧＶ２３Ｂは正転領域１６Ｂの一部領域のみに配置されていてもよい。例えば、各ＯＧＶ２３Ａは、逆転領域１６Ａにおいて、内胴部７ｂが設けられる範囲を除く回転角θの範囲に配置されてもよい。この場合、逆転領域１６Ａにおいて、内胴部７ｂが設けられる範囲には、ＯＧＶ２３Ｂが配置されていてもよい。逆に、各ＯＧＶ２３Ｂは、正転領域１６Ｂにおいて、内胴部７ｂが設けられる範囲を除く回転角θの範囲に配置されてもよい。この場合、正転領域１６Ｂにおいて、内胴部７ｂが設けられる範囲には、ＯＧＶ２３Ａが配置されていてもよい。内胴部７ｂが設けられる範囲とは、回転角θが－α_１°より大きく且つα_２°より小さい範囲である（図３及び図４参照）。

回転角－α_１°は、内胴部７ｂの外周面と仮想面Ｓとの交線上の点のうち、回転方向Ｒの逆転側で交点Ｃ１に対する回転角θの絶対値が最大となる交点Ｃ２（第２交点）の回転角θである。一方、回転角α_２°は、内胴部７ｂの外周面と仮想面Ｓとの交線上の点のうち、回転方向Ｒの正転側で交点Ｃ１に対する回転角θの絶対値が最大となる交点Ｃ３（第３交点）の回転角θである。この場合、各ＯＧＶ２３Ａは、逆転領域１６Ａにおいて、回転角θが－１８０°より大きく且つ－α_１°以下の範囲に配置され、各ＯＧＶ２３Ｂは、正転領域１６Ｂにおいて、回転角θがα_２°以上且つ１８０°以下の範囲に配置される。

また、ＯＧＶ２３Ａは、逆転領域１６Ａにおいて、回転角θが－９０°以上の範囲に配置されてもよい。例えば、ＯＧＶ２３Ａは、逆転領域１６Ａにおいて、回転角θが－９０°以上且つ０°より小さい範囲に配置されてもよく、回転角θが－９０°以上且つ－α_１°以下の範囲に配置されてもよい。このような場合、逆転領域１６Ａにおいて、回転角θが－９０°より小さい範囲には、ＯＧＶ２３Ｂが配置されていてもよい。逆に、ＯＧＶ２３Ｂは、正転領域１６Ｂにおいて、回転角θが９０°以下の範囲に配置されてもよい。例えば、ＯＧＶ２３Ｂは、正転領域１６Ｂにおいて、回転角θが０°以上且つ９０°以下の範囲に配置されてもよく、回転角θがα_２°以上且つ９０°以下の範囲に配置されてもよい。このような場合、正転領域１６Ｂにおいて、回転角θが９０°よりも大きい範囲には、ＯＧＶ２３Ａが配置されていてもよい。なお、上述した回転角θの範囲について、「以上」を「より大きい」に置き換えてもよく、逆に、「より大きい」を「以上」に置き換えてもよい。同様に、「以下」を「より小さい」に置き換えてもよく、逆に、「より小さい」を「以下」に置き換えてもよい。

次に、本実施形態に係る空気供給装置１によって得られる作用、効果を説明する。例えば、複数のＯＧＶの後端縁の羽根角が同一である空気供給装置を想定する。この空気供給装置において、ガイド流路の逆転領域に流入した空気は、ＯＧＶによって回転方向に沿うように整流された後、逆転領域側から排出流路に流入する。このとき、反対側である正転領域側の排出流路では、逆転領域側の排出流路と比べて相対的に流量が減少しやすい。その理由は、ＯＧＶによって回転方向に沿うように整流された空気が正転領域側の排出流路に回り込む際に、正転領域側の排出流路において空気の剥離が生じ易いからである。

これに対し、本実施形態に係る空気供給装置１では、正転領域１６Ｂに、後端縁２３ｂの羽根角βが負であるＯＧＶ２３Ｂが配置されている。その結果、正転領域１６Ｂに流入した空気Ａは、回転方向Ｒに対向するようにしてガイド流路１６を進行しながら、正転領域１６Ｂ側の排出流路１７に案内される（図２及び図４参照）。これにより、相対的に流量が減少しやすい正転領域１６Ｂ側の排出流路１７に空気Ａを流れやすくすることができ、正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量の減少を抑制できる。従って、空気供給装置１によれば、逆転領域１６Ａ側の排出流路１７の流量と正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量との差を緩和でき、排出流路１７の周方向における流量分布の均一化を図ることができる。その結果、燃焼器３の性能及び排出ガスの悪化を抑制することが可能となる。

また、空気供給装置１では、逆転領域１６Ａにおいて、回転角θの絶対値がα_１°以上の領域に配置されたＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂの羽根角βは正であってもよく、正転領域１６Ｂにおいて、回転角θの絶対値がα_２°以上の領域に配置されたＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βは負であってもよい。排出流路１７の側部の近傍（すなわち、回転角θが－α_１°より大きく且つα_２°より小さい範囲）に配置されたＯＧＶ２３の後端縁２３ｂの羽根角βは、逆転領域１６Ａ側の排出流路１７の流量と正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量との差の緩和という機能に関し、相対的に影響が小さいと考えられる。そこで、ＯＧＶ２３の後端縁２３ｂの羽根角βを正又は負とする領域を上述した領域に設定することで、逆転領域１６Ａ側の排出流路１７の流量と正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量との差を好適に緩和することが可能となる。

また、空気供給装置１では、逆転領域１６Ａにおいて、回転角θの絶対値が９０°以下の領域に配置されたＯＧＶ２３Ａの後端縁２３ｂの羽根角βは正であってもよく、正転領域１６Ｂにおいて、回転角θの絶対値が９０°以下の領域に配置されたＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βは負であってもよい。このように、ＯＧＶ２３の後端縁２３ｂの羽根角βを正又は負とする領域を排出流路１７に近い領域に設定することによって、正転領域１６Ｂ側の排出流路１７に空気Ａが一層流れやすくなる。これにより、正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量の減少をより確実に抑制でき、逆転領域１６Ａ側の排出流路１７の流量と正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量との差を一層効果的に緩和することが可能となる。

また、空気供給装置１では、正転領域１６Ｂに配置され且つ後端縁２３ｂの羽根角βが負であるＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βの絶対値は、回転角θの絶対値が大きくなるに従って大きくなっている。この場合、各ＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂを正転領域１６Ｂ側の排出流路１７に向かせることが可能となり、正転領域１６Ｂに流入した空気Ａは、各ＯＧＶ２３Ｂによって正転領域１６Ｂ側の排出流路１７に一層流れやすくなる。よって、上記の構成によれば、正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量の減少をより確実に抑制でき、逆転領域１６Ａ側の排出流路１７の流量と正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量との差を一層効果的に緩和することが可能となる。

また、空気供給装置１では、正転領域１６Ｂに配置され且つ後端縁２３ｂの羽根角βが負であるＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂの羽根角βは、一定であってもよい。この場合、ＯＧＶ２３Ｂの製造作業及び組立作業が容易となるので、空気供給装置１の製造を容易に行うことが可能となる。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、図７及び図８に示される各種の変形態様を採ってもよい。

図７は、第１変形例に係るＯＧＶ２３Ｃを示している。第１変形例と上記実施形態との相違点は、正転領域１６Ｂに配置されたＯＧＶ２３の形状である。すなわち、上記実施形態では、ＯＧＶ２３Ｂは前部分２３ｘと後部分（傾斜部分）２３ｃとを備えており、後部分２３ｃのみ、羽根角βが負であった。つまり、上記実施形態では、ＯＧＶ２３Ｂの後端縁２３ｂを含む一部分のみ羽根角βが負であったが、本変形例では、ＯＧＶ２３Ｃの全ての部分の羽根角βが負になっている。従って、本変形例では、ＯＧＶ２３Ｃは、全体として、回転方向Ｒの逆転側に傾斜した方向に延在している。具体的には、ＯＧＶ２３Ｃは、全体として、前端縁２３ａから後端縁２３ｂに向かうに従って回転方向Ｒの逆転側に位置するように傾斜している。第１変形例の場合、各ＯＧＶ２３Ｃの形状は、互いに同一となり、ＯＧＶ２３Ｃの後端縁２３ｂの羽根角βは、ＯＧＶ２３Ｃの取付角を調整することによって調整される。このような形態であっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。また、本変形例のように各ＯＧＶ２３Ｃの形状が互いに同一である場合、複数種類の形状を有するＯＧＶ２３Ｃを準備する必要がないので、ＯＧＶ２３Ｃの製造が容易となる。なお、各ＯＧＶ２３Ｃの形状は、互いに異なっていてもよい。

図８は、第２変形例に係るＯＧＶ２３Ｄを示している。第２変形例と上記実施形態との相違点は、正転領域１６Ｂに配置されたＯＧＶ２３の翼長さである。すなわち、上記実施形態では、ＯＧＶ２３Ｂの翼長さは一定であったが、本変形例では、ＯＧＶ２３Ｄの翼長さが回転角θに応じて変化している。具体的には、ＯＧＶ２３Ｄの後部分（傾斜部分）２３ｄの長さが異なり、この後部分２３ｄの長さは、回転角θが大きくなるに従って長くなっている。なお、回転軸線Ｌ方向において排出流路１７と対向する位置に配置されるＯＧＶ２３Ｄの後部分２３ｄの長さの変化は小さくなっている。本変形例によれば、正転領域１６Ｂに流入した空気Ａは、ＯＧＶ２３Ｄの後部分２３ｄによって正転領域１６Ｂ側の排出流路１７に更に案内されやすくなる。従って、正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量の減少をより確実に抑制でき、逆転領域１６Ａ側の排出流路１７の流量と正転領域１６Ｂ側の排出流路１７の流量との差を一層効果的に緩和することが可能となる。なお、ＯＧＶ２３Ｄの後部分２３ｄの長さは、回転角θが大きくなるに従って長くなっていなくてもよく、不規則に変化していてもよい。

本開示は、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、ＯＧＶの形状及び配置態様は、適宜変更可能である。例えば、ＯＧＶは、周方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。また、ＯＧＶは、周方向の全域にわたって配置されていたが、周方向の一部の範囲に配置されていてもよい。

また、排出流路は、円管形状を呈していたが、これに限らず、多角管形状を呈していてもよく、その他の不規則な形状を呈しても良い。また、排出流路の中心線は、回転軸に直交する位置からずれて配置されていたが、回転軸に直交する位置を通るように配置されていてもよい。また、遠心圧縮機は多段構造を有していたが、これに限られず、他の構造を有していてもよい。

１ 空気供給装置
２ 遠心圧縮機
３ 燃焼器
４ ハウジング
５Ａ，５Ｂ インペラ
７ａ 外胴部
７ｂ 内胴部
１１ 吸入流路
１２ ディフューザ流路
１３ リターン流路
１５ ディフューザ流路
１６ ガイド流路
１６Ａ 逆転領域（第１の領域）
１６Ｂ 正転領域（第２の領域）
１７ 排出流路
２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ ＯＧＶ
２３ａ 前端縁
２３ｂ 後端縁
２３ｃ，２３ｄ 後部分
２３ｘ 前部分
２５ ハブ面
５０ 回転軸
Ａ 空気
Ｂ 燃焼ガス
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ 交点
ＣＬ キャンバーライン
Ｄ 遠心方向
Ｌ 回転軸線
Ｌ１ 中心線
Ｌ２ 基準線
Ｌ３ 接線
Ｒ 回転方向
Ｓ 仮想面
β 羽根角

Claims (5)

1. 空気を遠心方向に送るインペラと、
   前記インペラの前記遠心方向の外方に設けられたディフューザ流路と、
   前記ディフューザ流路の外周に沿って配置されると共に、前記ディフューザ流路に連通されたガイド流路と、
   前記ガイド流路に連通され、前記ガイド流路と交差する方向に延在している排出流路と、
   前記ガイド流路内で、前記ディフューザ流路と前記排出流路との間に設けられると共に、前記インペラの回転方向に沿って配置された複数のガイドベーンと、を備え、
   前記ガイドベーンは、前記ディフューザ流路に近い側の前端縁と、前記ディフューザ流路から遠い側の後端縁とを備え、
   前記ガイド流路は、前記排出流路の中心線を基準にして、前記回転方向の逆転側の逆転領域と、前記回転方向の正転側の正転領域とを備え、
   前記後端縁の羽根角について、前記後端縁を通り且つ前記インペラの回転軸線方向に延在する基準線に対して前記正転側を正とし、前記逆転側を負として規定した場合に、
   前記逆転領域のうち、少なくとも一部の領域に配置された前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角は正であり、
   前記正転領域のうち、少なくとも一部の領域に配置された前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角は負である、空気供給装置。
2. 前記排出流路は、外管と、前記外管内に配置された内管との間に形成され、
   前記インペラの回転軸線周りの回転角θについて、前記ガイドベーンのハブ面を含む仮想面と前記排出流路の中心線との交点である第１交点の前記回転角θを０°とし、前記内管の外周面と前記仮想面との交線上の点であり、前記逆転側で前記第１交点に対する前記回転角θの絶対値が最大となる第２交点の前記回転角θをα_１°とし、前記正転側で前記第１交点に対する前記回転角θの絶対値が最大となる第３交点の前記回転角θをα_２°として規定した場合に、
   前記逆転領域は、少なくとも前記回転角θの絶対値がα_１°以上の領域を含み、
   前記正転領域は、少なくとも前記回転角θの絶対値がα_２°以上の領域を含み、
   前記逆転領域において、前記回転角θの絶対値がα_１°以上の領域に配置された前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角は正であり、
   前記正転領域において、前記回転角θの絶対値がα_２°以上の領域に配置された前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角は負である、請求項１記載の空気供給装置。
3. 前記インペラの回転軸線周りの回転角θについて、前記ガイドベーンのハブ面を含む仮想面と前記排出流路の中心線との交点である第１交点の前記回転角θを０°として規定した場合に、
   前記逆転領域は、少なくとも前記回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域を含み、
   前記正転領域は、少なくとも前記回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域を含み、
   前記逆転領域において、前記回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域に配置された前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角は正であり、
   前記正転領域において、前記回転角θの絶対値が０°から９０°までの領域に配置された前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角は負である、請求項１又は２記載の空気供給装置。
4. 前記正転領域に配置され且つ前記後端縁の羽根角が負である前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角は、一定である、請求項１～３のいずれか一項記載の空気供給装置。
5. 前記正転領域に配置され且つ前記後端縁の羽根角が負である前記ガイドベーンの前記後端縁の羽根角の絶対値は、前記回転角θの絶対値が大きくなるに従って大きくなる、請求項２又は３記載の空気供給装置。

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