(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機であって、
前記軸方向へ延びてあって、内側に環状のガス流路が形成された筒状の圧縮機ケースと、
前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って設けられ、周方向に等間隔に配設されかつ前記ガス流路内に位置する複数の静翼を備えた複数段の圧縮機ステータと、
前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って複数段の前記圧縮機ステータと交互に設けられ、外周面が前記ガス流路の径方向内側の流路面の一部を構成しかつ軸心周りに回転可能なディスク、及び前記ディスクの外周面に等間隔に設けられかつ前記ガス流路内に位置する複数の動翼を備えた複数段の圧縮機ロータと、を具備し、
いずれかの前記圧縮機ロータの出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成され、
子午断面において、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面が下流方向に向かって凸状の第１曲線から凹状の第２曲線に遷移し、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面の上流端が上流側の前記圧縮機ステータの内側壁面の延長線よりも径方向内側又はこの延長線に位置し、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面の下流端が下流側の前記圧縮機ステータの内側壁面の延長線よりも径方向外側又はこの延長線上に位置していることを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項２】
前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける各動翼の先端の径方向位置が前縁から後縁にかけて同じであることを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機。
【請求項３】
前記第１曲線から前記第２曲線に遷移する変曲点は、前記動翼の最大翼厚位置から上流方向に向かってコード長の２．８％だけ離れた点と、前記動翼の最大翼厚位置から下流方向に向かってコード長の５．０％だけ離れた点との間に存在することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軸流圧縮機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の軸流圧縮機を具備したことを特徴とするガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばガスタービンエンジンの構成機器として用いられ、ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な軸流圧縮機は、筒状の圧縮機ケースをベースとして具備しており、この圧縮機ケースは、軸方向へ延びている。また、圧縮機ケースの内側には、環状のガス流路が形成されている。
【０００３】
圧縮機ケース内には、複数段の圧縮機ステータが軸方向に沿って設けられている。また、各段の圧縮機ステータは、周方向に等間隔に配設された複数の静翼を備えており、各静翼は、ガス流路内に位置している。
【０００４】
圧縮機ケース内には、複数段の圧縮機ロータが軸方向に沿って複数段の圧縮機ステータと交互に設けられている。また、各段の圧縮機ロータは、圧縮機ケース内に軸心周りに回転可能に設けられたディスクを備えており、このディスクの外周面は、ガス流路の径方向内側の流路面の一部を構成するものである。更に、各段の圧縮機ロータにおけるディスクの外周面には、複数の動翼が等間隔に設けられており、各動翼は、ガス流路内に位置している。
【０００５】
従って、複数段の圧縮機ロータを回転させることにより、複数段の圧縮機ロータと複数段の圧縮機ステータを協働させて、ガス流路内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。
【０００６】
一方、従来から、軸流圧縮機の作動域を拡大するための種々の開発がなされており、本願の出願人も作動域を拡大した軸流圧縮機について出願し既に特許を取得している（特許文献１参照）。この先行技術に係る軸流圧縮機は、前述の一般的な軸流圧縮機の構成に加えて、いずれかの圧縮機ロータの出口側断面積（出口断面積）が入口側断面積（入口断面積）よりも大きくなるように構成されている。これにより、いずれかの圧縮機ロータにおいてガスの軸方向流速（軸方向の流速）が減速され、動翼の速度三角形を考慮すると、動翼の反りを大きくしなくても、動翼の仕事を十分に確保することができる。換言すれば、動翼の仕事を十分に確保しつつ、動翼の反りを小さくして、動翼の正圧面と負圧面との圧力差を低減することにより、動翼の正圧面側から負圧面側へのクリアランスフローを低減して、ストール点を低くすることができ、低流量でもストールが起こらなくなって、軸流圧縮機の作動域を低流量側に拡大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３７４３４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、近年、ジェットエンジンの分野においては、軸流圧縮機の作動域を拡大するための要請がより強くなっており、作動域を更に拡大することができる軸流圧縮機の開発が急務になってきている。
【０００９】
そこで、本発明は、前述の先行技術に係る軸流圧縮機に改良を加えて、作動域を更に拡大することができる、新規な構成の軸流圧縮機等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、いずれかの圧縮機ロータの出口側断面積（出口断面積）が入口側断面積（入口断面積）よりも大きくなるように構成するという条件の下で、子午断面（側断面）において、いずれかの圧縮機ロータにおけるディスクの外周面を下流方向に向かって凸状の第１曲線から凹状の第２曲線に遷移させた場合（図３（ａ）に示す新規な圧縮機ロータの場合））に、ディスクの外周面が傾斜直線である場合（図３（ｂ）に示す比較用の圧縮機ロータの場合））に比較して、図４に示すように、動翼の前縁側における正圧面と負圧面との圧力差をより小さくできる（図４において一点鎖線で囲んだ部分）という、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。なお、図３（ａ）に示す新規な圧縮機ロータの場合には、子午断面において、いずれかの圧縮機ロータのディスクの外周面の上流端が上流側の圧縮機ステータの内側壁面（径方向内側の壁面）の延長線よりも径方向内側又はこの延長線上に位置し、いずれかの圧縮機ロータのディスクの外周面の下流端が下流側の圧縮機ステータの内側壁面の延長線よりも径方向外側又はこの延長線上に位置している。
【００１１】
ここで、図３（ａ）は、新規な知見に関する特徴を有した新規な圧縮機ロータを示す模式的な子午断面図、図３（ｂ）は、新規な圧縮機ロータの比較用の圧縮機ロータを示す模式的な子午断面図、図４は、新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の前縁からの距離と動翼の９７％スパンにおける静圧上昇係数（正圧面側及び負圧面側の静圧上昇係数）との関係を示す図であって、この関係は、３次元定常粘性ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析により求めたものである。また、図３（ａ）に示す新規な圧縮機ロータにおいては、各動翼の先端の径方向位置（径方向の位置）が前縁から後縁にかけて同じになっている。
【００１２】
本発明の第１の特徴は、ガスを軸方向へ圧縮して搬送する軸流圧縮機であって、前記軸方向へ延びてあって、内側に環状のガス流路が形成された筒状の圧縮機ケースと、前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って設けられ、周方向等間隔に配設されかつ前記ガス流路内に位置する複数の静翼を備えた複数段の圧縮機ステータと、前記圧縮機ケース内に前記軸方向に沿って複数段の前記圧縮機ステータと交互に設けられ、外周面が前記ガス流路の径方向内側の流路面の一部を構成しかつ軸心周りに回転可能なディスク、及び前記ディスクの外周面に等間隔に設けられかつ前記ガス流路内に位置する複数の動翼を備えた複数段の圧縮機ロータと、を具備し、いずれかの前記圧縮機ロータの出口側断面積（出口断面積）が入口側断面積（入口断面積）よりも大きくなるように構成され、子午断面（側断面）において、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面が下流方向に向かって凸状の第１曲線から凹状の第２曲線に遷移し、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面の上流端が上流側の前記圧縮機ステータの内側壁面の延長線よりも径方向内側又はこの延長線（上流側の前記圧縮機ステータの内側壁面の延長線）上に位置し、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面の下流端が下流側の前記圧縮機ステータの内側壁面の延長線よりも径方向外側又はこの延長線（下流側の前記圧縮機ステータの内側壁面の延長線）上に位置していることを要旨とする。
【００１３】
なお、前記軸流圧縮機は、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンの構成機器として用いられる圧縮機に限られるものでない。
【００１４】
第１の特徴によると、複数段の前記圧縮機ロータを回転させることにより、複数段の前記圧縮機ロータと複数段の前記圧縮機ステータを協働させて、前記ガス流路内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。
【００１５】
そして、前記いずれかの前記圧縮機ロータの出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成され、子午断面において、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面が下流方向に向かって凸状の第１曲線から凹状の第２曲線に遷移しているため、前述の新規な知見を適用すると、前記いずれかの前記圧縮機ロータにおける前記ディスクの外周面が傾斜直線である場合に比較して、前記軸流圧縮機のストールに大きな影響を与える、前記動翼の前縁側における正圧面と負圧面との圧力差をより小さくできる。
【００１６】
本発明の第２の特徴は、ガスタービンエンジンにおいて、第１の特徴からなる軸流圧縮機を具備したことを要旨とする。
【００１７】
第２の特徴の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、前記動翼の前縁側における正圧面と負圧面との圧力差をより小さくできるため、前記動翼の正圧面側から負圧面側へのクリアランスフローを低減して、前記軸流圧縮機のストールを抑えつつ、前記軸流圧縮機の作動域を低流量側に更に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る軸流圧縮機の要部を示す模式的な子午断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る軸流圧縮機におけるいずれかの圧縮機ロータの一部を径方向外側から見た模式的な図である。
【図３】図３（ａ）は、新規な知見に関する特徴を有した新規な圧縮機ロータを示す模式的な子午断面図（側断面図）、図３（ｂ）は、新規な圧縮機ロータの比較用の圧縮機ロータを示す模式的な子午断面図である。
【図４】新規な圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の前縁からの距離と動翼の９７％スパンにおける静圧上昇係数（正圧面側及び負圧面側の静圧上昇係数）との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ（新規な圧縮機ロータ）及び比較用の圧縮機ロータについて、流量係数と静圧上昇係数の関係を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ及び比較用の圧縮機ロータについて、動翼の最大翼厚位置から変曲点までの距離とストール点での流量係数との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について図１から図６を参照して説明する。なお、図中、「Ｆ」は、前方向（上流方向）、「Ｒ」は、後方向（下流方向）を指している。
【００２１】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機１は、ジェットエンジン（ガスタービンエンジンの一例）の構成機器である圧縮機として用いられ、ガス（本発明の実施形態にあっては、空気）を軸方向（後方向）へ圧縮して搬送するものである。そして、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機１の具体的な構成は、次のようになる。
【００２２】
軸流圧縮機１は、筒状の圧縮機ケース３をベースとして具備しており、この圧縮機ケース３は、軸方向（前後方向）へ延びている。また、圧縮機ケース３の内側には、環状のガス流路５が形成されている。
【００２３】
圧縮機ケース３内には、複数段（図１中には２段のみ図示）の圧縮機ステータ７が軸方向に沿って設けられている。また、各段の圧縮機ステータ７は、周方向に等間隔に配設された（並んだ）複数の静翼９を備えており、各静翼９は、ガス流路５内に位置している。
【００２４】
圧縮機ケース３内には、複数段（図１には１段のみ図示）の圧縮機ロータ１１が軸方向に沿って複数段の圧縮機ステータ７と交互に設けられており、複数段の圧縮機ロータ１１は、ジェットエンジンの構成機器であるタービン（図示省略）における複数段のタービンロータ（図示省略）に一体的に連結してある。また、各段の圧縮機ロータ１１は、圧縮機ケース３内に軸心周りに回転可能に設けられたディスク１３を備えており、このディスク１３の外周面は、ガス流路５の径方向内側の流路面５ｓの一部を構成するものである。更に、各段の圧縮機ロータ１１におけるディスク１３の外周面には、複数の動翼１５が等間隔に設けられており、各動翼１５は、ガス流路５内に位置している。
【００２５】
続いて、本発明の実施形態の要部について説明する。
【００２６】
いずれかの圧縮機ロータ１１（図示された圧縮機ロータ１１のことであって、以下、単に圧縮機ロータ１１という）の出口側断面積（出口断面積）は、入口側断面積（入口断面積）よりも大きくなるように構成されている。また、圧縮機ロータ１１における各動翼１５の先端１５ｔの径方向位置（径方向の位置）は、前縁１５ａから後縁１５ｂにかけて同じになっている。なお、圧縮機ロータ１１における各動翼１５の先端１５ｔの径方向位置が前縁１５ａから後縁１５ｂにかけて変化しても構わない。
【００２７】
子午断面において、圧縮機ロータ１１におけるディスク１３の外周面は、下流方向に向かって凸状の第１曲線Ｒ１から凹状の第２曲線Ｒ２に遷移している。また、圧縮機ロータ１１のディスク１３の外周面の上流端（前端）は、上流側の圧縮機ステータ７の内側壁面の延長線よりも径方向内側に位置してあって、圧縮機ロータ１１におけるディスク１３の外周面の下流端（後端）は、下流側の圧縮機ステータ７の内側壁面の延長線よりも径方向外側に位置している。なお、圧縮機ロータ１１のディスク１３の外周面の上流端、下流端は、それぞれ、上流側の圧縮機ステータ７の内側壁面の延長線上、下流側の圧縮機ステータ７の内側壁面の延長線上に位置していることが望ましい。
【００２８】
そして、第１曲面Ｒ１から第２曲面Ｒ２に遷移する変曲点ＩＰは、動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから上流方向に向かってコード長の２．８％（−２．８％コード）だけ離れた点と、動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから下流方向に向かってコード長の５．０％（５．０％コード）だけ離れた点との間に存在している。動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから上流方向に向かってコード長の２．８％だけ離れた点としたのは、図６に示すように、変曲点ＩＰが動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから上流方向に向かってコード長の２．８％を越えて離れると、ストール点での流量係数がストール余裕より高くなることが判明したからである。一方、変曲点ＩＰを動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから下流方向に向かってコード長の５％だけ離れた点としたのは、変曲点ＩＰが動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから下流方向に向かってコード長の５％を越えて離れると、動翼１５の後縁１５ｂ付近でのガスの軸方向流速が急減速されて、ガスの流れの剥離が生じて、軸流圧縮機１の圧力比（圧縮機ロータ１１の圧力比）が低下することが懸念されるからである。なお、コード長とは、動翼１５の前縁１５ａと後縁１５ｂを結ぶ直線の長さのことをいう。
【００２９】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３０】
ジェットエンジンにおける燃焼器（図示省略）から燃焼ガスの膨張によってタービンを駆動させて、複数段のタービンロータを回転させることにより、複数段の圧縮機ロータ１１を複数段のタービンロータと一体的に回転させる。これにより、複数段の圧縮機ロータ１１と複数段の圧縮機ステータ７を協働させて、ガス流路５内に取り入れたガスを軸方向へ圧縮して搬送することができる。
【００３１】
そして、圧縮機ロータ１１の出口側断面積が入口側断面積よりも大きくなるように構成され、子午断面において、圧縮機ロータ１１におけるディスク１３の外周面が下流方向に向かって凸状の第１曲線Ｒ１から凹状の第２曲線Ｒ２に遷移しているため、前述の新規な知見を適用すると、図４において一点鎖線で囲んだ部分に示すように、圧縮機ロータ１１におけるディスク１３の外周面が傾斜直線である場合（図３（ｂ）参照）に比較して、軸流圧縮機１のストールに大きな影響を与える、動翼１５の前縁１５ａ側における正圧面１５ｐと負圧面１５ｎとの圧力差をより小さくできる。このとき、動翼１５の前縁１５ａから離れた部分において正圧面１５ｐと負圧面１５ｎとの圧力差が広がっているが、図４において一点鎖線で囲んだ動翼１５の前縁１５ａ付近において正圧面１５ｐと負圧面１５ｎとの圧力差が小さくなる効果の方が大きい。
【００３２】
従って、本発明の実施形態によれば、動翼１５の前縁１５ａ側における正圧面１５ｐと負圧面１５ｎとの圧力差をより小さくできるため、動翼１５の正圧面１５ｐ側から負圧面１５ｎ側へのクリアランスフローを低減して、図５に示すように、軸流圧縮機１のストールを抑えつつ、軸流圧縮機１の作動域を低流量側に更に拡大することができることが判明した。特に、変曲点ＩＰが動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから上流方向に向かってコード長の２．８％だけ離れた点と、動翼１５の最大翼厚位置から下流方向に向かってコード長の５．０％だけ離れた点との間に存在しているため、軸流圧縮機１の圧力比の低下を抑えつつ、軸流圧縮機１のストールを十分に抑えることができる。
【００３３】
ここで、前述のように、図６は、本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ（換言すれば、図３（ａ）に示す新規な圧縮機ロータ）１１及び比較用の圧縮機ロータ（図３（ｂ）に示す比較用の圧縮機ロータ）について、動翼１５の最大翼厚位置ＴＰから変曲点ＩＰまでの距離とストール点での流量係数との関係を説明する図であって、この関係は、３次元定常粘性ＣＦＤ解析により求めたものである。また、図５中の実施例１は、本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ１１において、動翼１５と圧縮機ケース３の間のクリアランスを設計クリアランスとして想定した場合の解析結果であって、図５中の実施例２は、本発明の実施形態に係る圧縮機ロータ１１において、動翼１５と圧縮機ケース３の間のクリアランスを設計クリアランスの２倍のクリアランスとして想定した場合の解析結果である。図５中の比較例１は、比較用の圧縮機ロータにおいて、動翼と圧縮機ケースの間のクリアランスを設計クリアランスとして想定した場合の解析結果であって、図５中の比較例２は、比較用の圧縮機ロータにおいて、動翼と圧縮機ケースの間のクリアランスを設計クリアランスの２倍のクリアランスとして想定した場合の解析結果である。このとき、ストール点がいずれの場合も低流量側に移動しており、作動域が低流量側に拡大していることがわかる。
【００３４】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、ガスタービンエンジンの構成機器として用いられる軸流圧縮機１をそれ以外の軸流圧縮機に適用する等、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、軸流圧縮機１だけでなく、軸流圧縮機１を具備したガスタービンエンジンにも及ぶものである。
【符号の説明】
【００３５】
Ｒ１      第１曲面
Ｒ２      第２曲面
ＩＰ      変曲点
ＴＰ      最大翼厚位置
１        軸流圧縮機
３        圧縮機ケース
５        ガス流路
５ｓ      壁面
７        圧縮機ステータ
９        静翼
１１        圧縮機ロータ
１３        ディスク
１５        動翼
１５ｐ      正圧面
１５ｎ      負圧面
１５ａ      前縁
１５ｂ      後縁
１５ｔ      先端
【図１】
0005428962.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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