(57)【要約】【課題】部分負荷領域を含む広範囲な運転領域に渡って動翼の効率およびサージ特性を改善することができるように改良された軸流圧縮機を提供する。【解決手段】外周面に複数の動翼が設けられた回転ハブと、前記動翼の翼端を対向させる外周ケーシングとを有する軸流圧縮機において、外周ケーシングにおける動翼の翼端との対向面の一部に、少なくとも流体の流入速度に応じてその断面形状が設定された凹面部（動翼の前縁から３０％軸コードの間に設定した始点と、５０％軸コードから８０％軸コードの間に設定した終点との間を滑らかに結んだ湾曲面からなる）を形成する。これにより、衝撃波の上流に圧縮波が発生するので、衝撃波に流入するマッハ数を低減でき、それによって衝撃波が緩和され、衝撃波損失が低減されると共に、低運動量域の発達が抑えられる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に複数の動翼が設けられた回転ハブと、前記動翼の翼端を対向させる外周ケーシングとを有する軸流圧縮機であって、
前記外周ケーシングにおける前記動翼の翼端との対向面の一部に、少なくとも流体の流入速度に応じてその断面形状が設定された凹面部を有することを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項２】
前記凹面部は、前記動翼の前縁（０％軸コード）から３０％軸コードの間に設定した始点と、５０％軸コードから８０％軸コードの間に設定した終点との間を滑らかに結んだ湾曲面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】
前記凹面部の始点と終点との食い違い角度が、プラントル・マイヤ関数で与えられる角度の±５度の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の軸流圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンなどに用いられる軸流圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
遷音速軸流圧縮機（米国特許第５，１３７，４１９号公報などを参照されたい）における動翼は、外周ケーシングの内周面にその翼端を適宜な間隙をおいて対向させた状態で高速回転し、その翼端付近は、壁面境界層および翼面境界層の発達、衝撃波の発生、翼端漏れ流れの発生、及びこれらの互いの干渉により、極めて複雑な流れ場となっている。特に、動翼の翼端と外周ケーシングの内周面との隙間に発生する漏れ流れと互いに隣合う動翼同士間に発生する衝撃波との干渉により、動翼の後半部に対応する部分には低運動量域が形成されるが（図５参照）、この低運動量域の発達は、動翼の翼端付近の効率を著しく低下させると共に、動翼のサージ特性を悪化させる要因にもなっている。さらに、動翼からの低運動量域の流出は、動翼下流に壁面境界層を発達させ、動翼の下流に設けられた静翼の流動特性をも悪化させることとなっている。
【０００３】
このような不都合に対処するための技術として、動翼の負圧面側に凹面を形成し、凹面で流れを転向させることによって衝撃波の上流に圧縮波を発生させ（プラントル・マイヤ流れ）、衝撃波に流入するマッハ数を低下させて衝撃波損失の低減を図るようにしたものが知られている。これによれば、翼負荷が最も大きくなる衝撃波の上流側領域での漏れ流れも抑制されるので、漏れ流れ損失をも低減することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、この従来の技術によると、ある特定の運転領域ではその効果が得られるものの、設計点を外れた運転領域では、圧縮波が狙い通りに発生しないために十分な損失の低減効果が得られない、といった欠点がある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、部分負荷領域を含む広範囲な運転領域に渡って動翼の効率およびサージ特性を改善することができるように改良された軸流圧縮機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１は、外周面に複数の動翼が設けられた回転ハブと、前記動翼の翼端を対向させる外周ケーシングとを有する軸流圧縮機において、外周ケーシングにおける動翼の翼端との対向面の一部に、少なくとも流体の流入速度に応じてその断面形状が設定された凹面部を形成するものとした。特に、前記凹面部を、動翼の前縁（０％軸コード）から３０％軸コードの間に設定した始点と、５０％軸コードから８０％軸コードの間に設定した終点との間を滑らかに結んだ湾曲面からなるものとし（請求項２）、凹面部の始点と終点との食い違い角度を、プラントル・マイヤ関数で与えられる角度の±５度の範囲内にする（請求項２）と良い。
【０００７】
このようにすれば、衝撃波の上流に圧縮波が発生するので、衝撃波に流入するマッハ数を低減でき、それによって衝撃波が緩和され、衝撃波損失が低減される。特に、動翼負圧面に凹面を形成した場合における部分負荷領域での流入角度変化による性能低下に対し、凹面を備えたケーシング通路によると、部分負荷領域での凹面通路に対する流入角度の変化がないので性能が著しく低下せずに済む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【０００９】
図１は、動翼の翼端との相対マッハ数が１．５である遷音速軸流圧縮機における外周ケーシングと動翼との関係を示す概念図である。図１において、動翼１の翼端と外周ケーシング２の内周面とは、適宜な間隙をおいて互いに対向している。そして外周ケーシング２の内周面は、動翼１の前縁より上流側の円筒内周面２ａと動翼１の後縁より下流側の円筒内周面２ｂとの間が、断面形状が概ねＳ字形をなす曲面で滑らかに結ばれている。この曲面は、動翼の軸方向全長寸法Ａを１００％軸コードとした時に、前縁（０％軸コード）から２０％軸コード位置（Ｃ寸法）に置いた始点と、前縁から７２％軸コード位置（Ｂ寸法）に置いた終点との間を、単一円弧で結んだ内向きに凹となる面２ｃと、動翼１の後縁より下流側の円筒内周面２ｂに終点より下流側を結んだ内向きに凸となる面２ｄとからなっている。なお、始点より上流側の円筒内周面２ａと終点を通る接線との間の食い違い角度αは、１２度とされている。
【００１０】
さて、衝撃波の上流で圧縮波を発生させ、衝撃波に流入するマッハ数を低減するためには、動翼１の負圧面に衝撃波が付着する位置（一般には約７０％軸コード）まで外周ケーシング２の内周面に凹面を形成する必要がある。よって凹面２ｃの始点は、少なくとも衝撃波と翼端漏れ流れとが干渉して低運動量域が形成され始める位置、つまり動翼１の前縁から３０％軸コード位置より上流側であることが望ましい（図５参照）。
【００１１】
他方、終点位置は、あまりに下流であると（Ｂ寸法が長い）、終点と下流側の円筒内周面２ｂとの間を結ぶ下流側通路が短くなるため、凸面２ｄの曲率を大きくせざるを得なくなる。これは加減速による剥離を引き起こす原因になるので、凹面２ｃの終点は、動翼１の前縁から５０％〜８０％軸コード位置にあることが望ましい。
【００１２】
また、始点と終点との食い違い角度αは、プラントル・マイヤ関数で与えられる角度を基本とするが、図２（κ＝１．４の場合）に示す通り、その角度が過小であると衝撃波に流入するマッハ数を低減できず、また過大であると上述の通り終点より下流側の凸面２ｄの曲率が過大になって加減速による剥離を引き起こす。よってプラントル・マイヤ関数で与えられる基本角度の±５度の範囲（破線で挟まれる範囲）にあることが望ましい。
【００１３】
なお、プラントル・マイヤ関数で与えられる基本角度νは、下式で与えられる。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
上記のようにして定められた凹面２ｃを有する外周ケーシング２を採用することにより、図３に示す通り、本発明を適用しないケーシングに比して、約７０％軸コード位置までの負圧面側の翼間速度が顕著に低減されていることが分かる。つまり、本発明の凹面形状により、衝撃波に流入するマッハ数を低減できるので、衝撃波が緩和され、衝撃波損失が低減される。また、翼負荷が最大となる衝撃波の上流側領域での翼負荷を低減できると共に、動翼の翼端からの漏れ流れを抑制できるので、漏れ流れ損失を低減できる。しかも衝撃波と漏れ流れとの互いの干渉に起因した低運動量域の発達や壁面境界層の発達が抑えられる。
【００１６】
そして流体通路を凹面形状とすることにより、凹面通路への流入角度が部分負荷領域で変化しないので、部分負荷領域での性能が著しく低下せずに済む上、部分負荷領域で流入マッハ数が低下した場合、凹面の食い違い角度αが流入マッハ数に対して最適角度から外れるが、凹面通路の絞り効果によって壁面境界層の発達が抑えられるので、効率低下には繋がらずに済み、部分負荷領域でも設計点と同等の動翼効率が得られる（図４参照）。しかも部分負荷領域で問題となるサージ特性に関しても改善できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、部分負荷領域を含むより広範囲な運転領域に渡って動翼効率を向上し、且つサージ特性を改善する上に多大な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】遷音速軸流圧縮機における外周ケーシングと動翼との関係を示す概念図
【図２】食い違い角度と動翼翼端の相対流入マッハ数との関係を示すグラフ
【図３】動翼の翼端付近の翼間速度分布を示すグラフ
【図４】動翼効率のグラフ
【図５】動翼の翼端付近の流れの様子を示す概念図
【符号の説明】
１　動翼
２　外周ケーシング
２ｃ　凹面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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