(57)【要約】【課題】ディフューザ静翼による作動流体のエネルギ損失を抑えて、圧縮性能の向上を図ることのできる斜流圧縮機、並びに産業用ガスタービンおよび航空機用ガスタービンを提供すること。【解決手段】回転駆動されて作動流体に動圧を与える斜流インペラ１と、斜流インペラ１から送出された作動流体の流路Ｒにおける斜流区間Ｒａに配置され、斜流インペラ１から送出された作動流体の動圧を静圧に変換するディフューザ静翼１０とを備えた斜流圧縮機において、ディフューザ静翼１０の前端縁１０ａと斜流インペラ１の回転軸との間の距離が一定となるようにした。【選択図】　　　図１
2004137913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動されて作動流体に動圧を与える斜流インペラと、前記斜流インペラから送出された作動流体の流路における斜流区間に配置され、前記斜流インペラから送出された作動流体の動圧を静圧に変換するディフューザ静翼とを備えた斜流圧縮機において、
前記ディフューザ静翼の前端縁と前記斜流インペラの回転軸との間の距離が一定となるようにしたことを特徴とする斜流圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の斜流圧縮機を備えたことを特徴とする産業用ガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載の斜流圧縮機を備えたことを特徴とする航空機用ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、斜流圧縮機、並びに産業用ガスタービンおよび航空機用ガスタービンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、斜流形の構造を有する圧縮機であって、斜流圧縮機と呼ばれるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図４は、従来の斜流圧縮機における要部を示す断面側面図である。図４に示した斜流圧縮機は、斜流インペラ１、インナーシュラウド２、アウターシュラウド３、ディフューザ静翼４および補助ディフューザ静翼５を備えている。
【０００３】
斜流インペラ１は、回転軸Ｘ回りに回転して作動流体に動圧を与え、該動圧を与えた作動流体を回転軸Ｘに対して斜めに送出するものであり、ディスク部１ａとインペラ翼型部１ｂとを備えている。ディスク部１ａは、その外周に回転軸Ｘに対する回転曲面を有しており、その回転曲面上、前方から後方に向かって次第に径外方向に拡がるように形成してある。インペラ翼型部１ｂは、ディスク部１ａの外周面に突設してあり、その前端縁から作動流体を吸引し、その後端縁から該吸引した作動流体を送出する。このインペラ翼型部１ｂは、その後端縁における作動流体の全圧が一様になるように設計される。
【０００４】
インナーシュラウド２およびアウターシュラウド３は、斜流インペラ１から送出された作動流体の進路となる流路Ｒを画成するものである。具体的には、インナーシュラウド２の外周面およびアウターシュラウド３の内周面が、回転軸Ｘに対する回転曲面をそれぞれ有しており、これら回転曲面の相互間に間隙を設けて、流路Ｒを画成している。この流路Ｒは、回転軸Ｘを中心軸とする一周に亘って、斜流インペラ１が作動流体を送出する方向、つまり回転軸Ｘに対して斜めに延在する斜流区間Ｒａを有しており、さらに斜流区間Ｒａの後方域に回転軸Ｘに対して平行に延在する軸流区間Ｒｂを有する。
【０００５】
ディフューザ静翼４は、流路Ｒにおける斜流区間Ｒａに配置され、斜流インペラ１から送出された作動流体の動圧を静圧に変換するもので、回転軸Ｘを中心軸とする周方向に複数配設されて環状翼列を構成する。このディフューザ静翼４としては、作動流体の通り抜け方向が回転軸Ｘに対して傾斜することから、斜流ベーンが適用される。
【０００６】
補助ディフューザ静翼５は、流路Ｒにおける軸流区間Ｒｂに配置され、ディフューザ静翼４によって変換しきれなかった作動流体の動圧を静圧に変換するもので、回転軸Ｘを中心軸とする周方向に複数配設されて環状翼列を構成する。この補助ディフューザ静翼５としては、作動流体の通り抜け方向が回転軸Ｘに対して平行となることから、軸流ベーンが適用される。
【０００７】
上述した構成の斜流圧縮機にあっては、斜流インペラ１を回転駆動させると、図４中の二点鎖線で例示するように、作動流体がインペラ翼型部１ｂの前端縁から吸引され、ディスク部１ａの回転曲面に沿って次第に径外方向に拡がりながら進行し、インペラ翼型部１ｂの後端縁から流路Ｒに送出される。この間、作動流体は、回転中の斜流インペラ１によってエネルギを与えられるので、その全圧が上昇することになる。従って、斜流インペラ１の出口における作動流体は、その流速が大きなものとなり、回転軸Ｘ回りに大きな旋回速度を有することになる。斜流インペラ１から送出された作動流体は、ディフューザ静翼４に案内されながら、流路Ｒ内を進行する。この間、ディフューザ静翼４は、作動流体が回転軸Ｘ回りに旋回しようとするのを抑止して、その作動流体の旋回速度を減じる。こうして、ディフューザ静翼４によって作動流体の旋回速度が減少することにより、その作動流体の動圧が静圧、つまり圧縮作用に必要な有効圧力に変換されることになり、その結果、圧縮機としての圧縮作用を奏するようになる。なお、図４に示した斜流圧縮機では、補助ディフューザ静翼５によっても、ディフューザ静翼４と同様にして、作動流体の動圧が静圧に変換されて有効圧力が得られる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２４８５９３号公報（第２−３項、第２、６図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように構成した斜流圧縮機における圧縮性能の向上を図るためには、斜流インペラ１から送出された作動流体をディフューザ静翼４によっていかに効率良く減速させて、その作動流体の動圧を静圧に変換するかが重要である。
【００１０】
この斜流圧縮機にあっては、斜流インペラ１の出口における作動流体の全圧が一様になるように、インペラ翼型部１ｂが設計されているので、斜流インペラ１から送出された作動流体が回転軸Ｘから半径方向に沿って圧力平衡状態、すなわち動圧と静圧との総和である全圧が一様な状態となる。一方、ディフューザ静翼４は、その前端縁４ａがインナーシュラウド２の外周面およびアウターシュラウド３の内周面に垂直となるように配置されている。これらにより、ディフューザ静翼４の前端縁４ａ付近においてインナーシュラウド２側の部分とアウターシュラウド３側の部分とでは、流入した作動流体の静圧が互いに異なるとともに、その作動流体の動圧も互いに異なるようになる。こうして作動流体の動圧が互いに異なると、ディフューザ静翼４の翼高さ方向、つまりインナーシュラウド２の外周面から垂直にアウターシュラウド３の内周面に向かう方向に作動流体の流速が大きく歪むことになる。
【００１１】
従って、ディフューザ静翼４は、作動流体を案内する際に、その作動流体に歪んだ流速分布を生じさせて、ディフューザ静翼４の翼高さ方向の流れ、つまり有効圧力に変換されない流れを発生させるので、作動流体のエネルギ損失を招来することになる。
【００１２】
本発明は、上記実情に鑑みて、ディフューザ静翼による作動流体のエネルギ損失を抑えて、圧縮性能の向上を図ることのできる斜流圧縮機、並びに産業用ガスタービンおよび航空機用ガスタービンを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る斜流圧縮機は、回転駆動されて作動流体に動圧を与える斜流インペラと、前記斜流インペラから送出された作動流体の流路における斜流区間に配置され、前記斜流インペラから送出された作動流体の動圧を静圧に変換するディフューザ静翼とを備えた斜流圧縮機において、前記ディフューザ静翼の前端縁と前記斜流インペラの回転軸との間の距離が一定となるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
この請求項１の発明によれば、ディフューザ静翼の前端縁と斜流インペラの回転軸との間の距離が一定となるようにしたので、前記ディフューザ静翼に案内される作動流体が前記ディフューザ静翼の翼高さ方向に歪んだ流速分布を生じる事態を防止することが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る産業用ガスタービンは、請求項１に記載の斜流圧縮機を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この請求項２の発明によれば、斜流圧縮機のディフューザ静翼に案内される作動流体が前記ディフューザ静翼の翼高さ方向に歪んだ流速分布を生じる事態を防止することが可能な産業用ガスタービンが得られる。
【００１７】
また、本発明の請求項３に係る航空機用ガスタービンは、請求項１に記載の斜流圧縮機を備えたことを特徴とする。
【００１８】
この請求項３の発明によれば、斜流圧縮機のディフューザ静翼に案内される作動流体が前記ディフューザ静翼の翼高さ方向に歪んだ流速分布を生じる事態を防止することが可能な航空機用ガスタービンが得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る斜流圧縮機の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態である斜流圧縮機における要部を示す断面側面図である。図１に示した斜流圧縮機は、斜流インペラ１、インナーシュラウド２、アウターシュラウド３、補助ディフューザ静翼５およびディフューザ静翼１０を備えている。この斜流圧縮機は、例えば、産業用ガスタービンや航空機用ガスタービンに適用されるものである。
【００２１】
本発明は、従来、ディフューザ静翼によって作動流体を案内する際に、その作動流体に歪んだ流速分布を生じさせてしまい、作動流体のエネルギ損失に繋がっていたことに着目したものである。すなわち、本実施の形態である斜流圧縮機では、ディフューザ静翼によって作動流体を案内する際に、その作動流体に一様な流速分布を生じさせて、作動流体のエネルギ損失の低減を図るようにしている。なお、本実施の形態である斜流圧縮機は、ディフューザ静翼１０以外の構成に関しては、図４に示した従来の斜流圧縮機のものと同様であるため、同一符号を付してそれらの詳細な説明を省略する。
【００２２】
ディフューザ静翼１０は、流路Ｒにおける斜流区間Ｒａに配置され、斜流インペラ１から送出された作動流体の動圧を静圧に変換するもので、回転軸Ｘを中心軸とする周方向に複数配設されて環状翼列を構成する。このディフューザ静翼１０としては、作動流体の通り抜け方向が回転軸Ｘに対して傾斜することから、斜流ベーンが適用される。
【００２３】
このディフューザ静翼１０は、その前端縁１０ａが回転軸Ｘに対して平行となるように、インナーシュラウド２の外周面とアウターシュラウド３の内周面とに斜めに取り付けてある。すなわち、このディフューザ静翼１０は、その前端縁１０ａと回転軸Ｘとの間の距離が一定となるようにしてある。
【００２４】
上述した構成の斜流圧縮機にあっては、斜流インペラ１を回転駆動させると、図１中の二点鎖線で例示するように、作動流体がインペラ翼型部１ｂの前端縁から吸引され、ディスク部１ａの回転曲面に沿って次第に径外方向に拡がりながら進行し、インペラ翼型部１ｂの後端縁から流路Ｒに送出される。この間、作動流体は、回転中の斜流インペラ１によってエネルギを与えられるので、その全圧が上昇することになる。従って、斜流インペラ１の出口における作動流体は、その流速が大きなものとなり、回転軸Ｘ回りに大きな旋回速度を有することになる。斜流インペラ１から送出された作動流体は、ディフューザ静翼１０に案内されながら、流路Ｒ内を進行する。ここで、本実施の形態では、ディフューザ静翼１０の前端縁１０ａと回転軸Ｘとの間の距離が一定となるようにしてある。一方、斜流インペラ１の出口における作動流体の全圧が一様になるように、斜流インペラ１のインペラ翼型部１ｂが設計されているので、斜流インペラ１から送出された作動流体が回転軸Ｘから半径方向に沿って圧力平衡を取る。これらにより、ディフューザ静翼１０の前端縁１０ａ付近においてインナーシュラウド２側の部分とアウターシュラウド３側の部分とでは、作動流体の静圧が等しくなるとともに、作動流体の動圧も等しくなるようになる。
【００２５】
従って、本実施の形態である斜流圧縮機によれば、ディフューザ静翼１０の入口における流速分布を一様にすることが可能になるので、ディフューザ静翼１０に流入した作動流体の翼高さ方向の流れを抑制することができる。このため、ディフューザ静翼１０による作動流体のエネルギ損失を低減することができるようになるので、斜流圧縮機全体として効率良く作動流体の静圧を上昇させて、圧縮性能の向上を図ることが可能になる。
【００２６】
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、特許請求の範囲に基づいて当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものを含む。例えば、上述した実施形態では、斜流インペラ１の後端縁がアウターシュラウド３の内周面に垂直になっているが、回転軸Ｘに対して平行であっても良く、あるいは傾斜していても良い。また、上述した実施形態における補助ディフューザ静翼５およびディフューザ静翼１０は、その翼断面形状が特に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。またさらに、上述した実施形態では、ディフューザ静翼１０の後端縁が回転軸Ｘに対して平行となっているが、垂直あるいは傾斜していても良く、さらにはインナーシュラウド２の外周面に垂直であっても構わない。
【００２７】
一方、上述したように構成した斜流圧縮機を産業用ガスタービンや航空機用ガスタービンに適用すれば、ガスタービンのエネルギ効率の向上を図ることが可能になる。また、上述したように構成した斜流圧縮機を航空機用ガスタービンに適用すれば、従来において圧縮機の圧縮性能を重視して遠心圧縮機を適用していたものよりもディフューザ静翼の外径を抑えることができるので、ガスタービン自体の小径化を図ることが可能になる。このため、ガスタービンの前面投影面積を小さくすることが可能になるので、空気抵抗が軽減されることになり、その結果、航空機の性能向上を図ることが可能になる。
【００２８】
図２は、図１に示した斜流圧縮機を適用した産業用ガスタービンを例示するものである。図２の産業用ガスタービンは、斜流圧縮機１００、空気取入口１１０、燃焼器１２０、タービン１３０および排気フレーム１４０を備えている。
【００２９】
空気取入口１１０から吸気された空気は、斜流圧縮機１００によって所定の圧力まで圧縮され燃焼器１２０に入った後に、燃焼器１２０内で燃料の反応熱によって加熱されて高温の燃焼ガスとなり、タービン１３０に導入される。タービン１３０に導入された空気は、タービン１３０を回転させて軸出力を発生し、排気フレーム１４０によって区画された空間を通じて外部に排気される。このように構成した産業用ガスタービンは、例えば、発電機を運転させるために上述した軸出力を利用する発電装置を構成することができる。
【００３０】
一方、図３は、図１に示した斜流圧縮機を適用した航空機用ガスタービンを例示するものである。図３の航空機用ガスタービンは、斜流圧縮機１００、空気取入口１１１、燃焼器１２１、タービン１３１および排気ノズル１４１を備えている。
【００３１】
空気取入口１１１から流入された空気は、斜流圧縮機１００によって所定の圧力まで圧縮され燃焼器１２１に入った後に、燃焼器１２１内で燃料の反応熱によって加熱されて高温の燃焼ガスとなり、タービン１３１に導入される。タービン１３１に導入された空気は、タービン１３１で斜流圧縮機１００を駆動するのに必要な仕事を発生して排気ノズル１４１に入り、残りのエネルギを全て運動エネルギに変えて高速の排気噴流となって排出される。このように構成した航空機用ガスタービンは、上述した運動エネルギを推力として利用することにより、航空機用エンジンとしての機能を奏するようになる。
【００３２】
なお、本実施の形態におけるディフューザ静翼を斜流ポンプ、斜流ブロアおよび斜流送風機に適用すれば、上述した産業用ガスタービンおよび航空機用ガスタービンと同様に、エネルギ効率向上の効果が望める。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る斜流圧縮機によれば、ディフューザ静翼の前端縁と斜流インペラの回転軸との距離が一定となるようにしたので、前記ディフューザ静翼に案内される作動流体が前記ディフューザ静翼の翼高さ方向に歪んだ流速分布を生じる事態を防止することが可能になる。従って、前記ディフューザ静翼に流入した作動流体の翼高さ方向の流れが抑制されて、前記ディフューザ静翼による作動流体のエネルギ損失が低減されるようになるので、圧縮性能の向上を図ることのできる斜流圧縮機を提供することが可能になる。
【００３４】
また、本発明の請求項２に係る産業用ガスタービンによれば、斜流圧縮機のディフューザ静翼に案内される作動流体が前記ディフューザ静翼の翼高さ方向に歪んだ流速分布を生じる事態を防止することが可能な産業用ガスタービンが得られるので、ガスタービンのエネルギ効率の向上を図ることが可能になる。
【００３５】
また、本発明の請求項３に係る航空機用ガスタービンによれば、斜流圧縮機のディフューザ静翼に案内される作動流体が前記ディフューザ静翼の翼高さ方向に歪んだ流速分布を生じる事態を防止することが可能な航空機用ガスタービンが得られるので、ガスタービンのエネルギ効率の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である斜流圧縮機の断面側面図である。
【図２】図１に示した斜流圧縮機を備える産業用ガスタービンの断面側面図である。
【図３】図１に示した斜流圧縮機を備える航空機用ガスタービンの断面側面図である。
【図４】従来の斜流圧縮機の断面側面図である。
【符号の説明】
１　　　　斜流インペラ
１ａ　　　ディスク部
１ｂ　　　インペラ翼型部
２　　　　インナーシュラウド
３　　　　アウターシュラウド
４　　　　ディフューザ静翼
４ａ　　　前端縁
５　　　　補助ディフューザ静翼
１０　　　ディフューザ静翼
１０ａ　　前端縁
１００　　斜流圧縮機
１１０，１１１　　　空気取入口
１２０，１２１　　　燃焼器
１３０，１３１　　　タービン
１４０　　排気フレーム
１４１　　排気ノズル
Ｒ　　　　流路
Ｒａ　　　斜流区間
Ｒｂ　　　軸流区間
Ｘ　　　　回転軸
【図１】
2004137913.tif 000003
【図２】
2004137913.tif 000004
【図３】
2004137913.tif 000005
【図４】
2004137913.tif 000006