(57)【要約】【課題】軸流圧縮機の運転範囲において、すべての振動モードにおける共振による振動応力を大幅に低減でき、かつ静翼列全体の性能低下を回避できる軸流圧縮機の静翼列を提供する。【解決手段】周方向に全周にわたって複数の静翼２を配列した軸流圧縮機の静翼列において、該静翼列を構成する静翼間のピッチが周方向に周期的に変化する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に全周にわたって複数の静翼を配列した軸流圧縮機の静翼列において、該静翼列を構成する静翼間のピッチが周方向に周期的に変化する、ことを特徴とする軸流圧縮機の静翼列。
【請求項２】
前記静翼列は、周方向に分割された複数の分割セクターからなり、各分割セクターはピッチが周方向に徐々に変化する複数の静翼からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の軸流圧縮機の静翼列。
【請求項３】
前記分割セクターの翼間ピッチは、等間隔時のピッチに対して中央部又は端部が広く、逆に端部又は中央部が狭く、分割セクター全体で同一である、ことを特徴とする請求項２に記載の軸流圧縮機の静翼列。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸流圧縮機の静翼列に係わり、更に詳しくは静翼の周方向配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空エンジンや産業用ガスタービン等を構成する軸流圧縮機では、動翼の上流側に位置する静翼列により周期的励振力が動翼列に作用する。そのため、静翼の励振周波数と動翼の固有振動数は、図６に示すような関係となり、その両者が交差する共振点では動翼がその固有振動モードで共振し、甚だしい場合には動翼の損傷にいたる場合もある。
【０００３】
上述した動翼共振を抑制する耐振設計手段として、共振点における振幅低減と共振点の回避とが知られている。このうち、共振点における振幅を低減する手段には、例えば、翼厚を増すなどの動翼形状の設計変更があるが、これは空力性能の犠牲を伴い、例えば段効率が大きく低下する問題点がある。
【０００４】
一方、共振点の回避の一手段として、特許文献１が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２００８０８号公報
【０００６】
特許文献１の「圧縮機静翼」は、図７に示すように、静翼の円周方向の配置を、空気流路の上半部と下半部とで異なるピッチ角θ１、θ２にするものであり、これにより、不均一の流れ場を通過する動翼が、一定周波数の励振力を受けないようにするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年の翼形状は非常に複雑なため、通常１〜４次程度の振動モードが存在し、そのすべての振動モードにおいて共振点を軸流圧縮機の運転範囲から外すことは非常に困難である。
【０００８】
例えば、上述した特許文献１の装置では、４０枚の静翼列の半分を疎な配列、半分を密な配列に区切ることで、動翼に働く励振力に含まれる４０（１周の静翼枚数）×Ｎ（動翼回転数）の周期成分を無くして共振を回避している。しかし、この場合、元の共振点周波数（４０×Ｎ）の前後に新たに２つの共振点が発生してしまい、その振幅レベルも大きい問題点がある。また翼間が疎な配列が半周に渡って並ぶため、半周に渡って空力性能が低下し、結果として静翼列全体の性能低下を回避できない問題点がある。
【０００９】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、軸流圧縮機の運転範囲において、すべての振動モードにおける共振による振動応力を大幅に低減でき、かつ静翼列全体の性能低下を回避できる軸流圧縮機の静翼列を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、周方向に全周にわたって複数の静翼を配列した軸流圧縮機の静翼列において、該静翼列を構成する静翼間のピッチが周方向に周期的に変化する、ことを特徴とする軸流圧縮機の静翼列が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、静翼列を構成する静翼間のピッチが周方向に周期的に変化するので、同一ピッチの静翼列はほとんど連続しない。そのため、静翼後流による励振力に含まれる（静翼枚数）×（動翼回転数）の周波数成分を効果的に低減することができ、この周波数成分との共振で発生する動翼の振動応力を大幅に下げることができる。また、同一ピッチの静翼列はほとんど連続せず、周方向に周期的に変化するだけのため失速性能が損なわれず、静翼列全体の性能低下を回避できる。
なお、これらの効果は、静翼列後流の周方向波形をＦＦＴ解析して周波数成分の増減を調べ、非定常段ＣＦＤ（数値流体力学）により動翼に働く空気力を算出し、構造応答計算を行うことにより、解析的に確認された。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記静翼列は、周方向に分割された複数の分割セクターからなり、各分割セクターはピッチが周方向に徐々に変化する複数の静翼からなる。
【００１３】
この構成により、各動翼に作用する静翼後流の速度分布を、ピッチが等間隔である従来例と同程度に維持したまま徐々に変化させることができ、速度の急変による静翼列全体の性能低下を回避できる。
【００１４】
また、前記分割セクターの翼間ピッチは、等間隔時のピッチに対して中央部又は端部が広く、逆に端部又は中央部が狭く、分割セクター全体で同一である、ことが好ましい。
【００１５】
この構成により、同一の分割セクターを複数製作し、これを周方向に組み合わせるだけで、静翼列を構成する静翼間のピッチを周方向に周期的に変化させることができ、生産性を高め、コストダウンが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の静翼列を示す翼配列図であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は本発明を示している。またこの図において、２は静翼、４は動翼、６は翼間に発生するエントロピーの等分布線である。
【００１８】
本発明の静翼列は、周方向に全周にわたって複数の静翼２を配列した軸流圧縮機の静翼列である。また、図１（Ｂ）に示すように、本発明では、静翼列を構成する静翼２の間のピッチＰは、周方向に周期的に変化するように構成されている。この周期的変化は、図の例では、８枚の静翼のピッチＰが従来例に比較して、−１０％，−５％，＋５％，＋１０％，＋１０％，＋５％，−５％，−１０％の順に配置されている。
【００１９】
すなわち、本発明の静翼列は、周方向に分割された複数（例えは４つ）の分割セクター８からなり、各分割セクター８は、ピッチＰが周方向に徐々に変化する複数（この例では８枚）の静翼２からなる。
【００２０】
また、この例において、分割セクター８の翼間ピッチＰは、等間隔時（Ａ）のピッチに対して中央部が１０％広く、逆に端部が１０％狭く、その間が徐々に変化し、分割セクター全体では同一に構成されている。
【００２１】
図１（Ａ）（Ｂ）のエントロピーの等分布線６は、数値流体力学に基づく数値解析により求めたものである。この比較から、従来例と本発明により、エントロピーの等分布線６は、ほとんど相違しないことがわかる。
【００２２】
このことは、段効率を数値解析で求めた結果からも確認された。すなわち、従来例と本発明では約０．１％未満しか段効率は差がなく、実質的に同一の段効率が維持できることがわかった。
【００２３】
図２は、静翼における振動モードを示す図である。この図において、（Ａ）は３次のストライプモード（１−３Ｓモード）であり、（Ｂ）は４次のストライプモード（１−４Ｓモード）を示している。ストライプモードとは、翼コードに垂直方向の振動モードを意味する。
【００２４】
図３は、本発明による振動応力低減効果を示す図である。この図において、横軸は図２に示した２つのストライプモード、縦軸は等間隔での振動応力に対する本発明の振動応力の比率を示している。
【００２５】
この図から、１−３Ｓモードでは約３０％、１−４Ｓモードでは約２７％の振動応力が低減されることがわかった。また、本発明により不等間隔に並べた静翼群の後流の周方向波形をＦＦＴ解析して周波数成分の増減を調べ、非定常段ＣＦＤ（数値流体力学）により動翼に働く空気力を算出し、構造応答計算を行うことにより、上述した以外のすべての振動モードにおいても、振動応力が約３０％低減できることが確認された。
【００２６】
図４は、静翼によるディストーションの説明図であり、一周を１８０ｄｅｇで区切って不等間隔にした場合を示している。
一般的に、静翼の翼間隔が１０％ピッチ広がったところでは、その翼間出口にて約１ｄｅｇ流れが曲がらなくなり（典型的な圧縮機後段静翼の場合）、その分、静圧が数％低下する。これは減速による圧力回復がなされないためである。
【００２７】
また、静翼の翼間隔が１０％ピッチ狭まったところでは、ソリディティ（翼コード／ピッチ比）が増し、エネルギ損失が増大することが知られている。上述した本発明の構成においても、ＣＦＤ結果では、損失係数が約５〜１０％増加する。
従って、静翼の翼間隔に異なる領域がある場合、静翼出口で周方向位置により、静圧が低下する領域と、エネルギ損失の増加する領域が生じる。そのような不均一領域を下流の動翼に対するディストーションと呼ぶ。
【００２８】
図５は、ディストーションによるサージ発生時の出口圧力の低下を示す図である。この図において、ディストーション領域が占める割合は合計９０ｄｅｇで共通であり、それが、４分割、２分割、分割なしの場合と、出口圧力との関係を示している。
周方向に合計９０ｄｅｇのディストーション領域がある場合でも、１つの領域が狭く（例えば２２．５ｄｅｇ）、複数（例えば４個）に分散されている方が、サージ発生時の圧力比の低下が小さいことがこの図からわかる。
言い換えれば、特許文献１のように周方向の半分１８０ｄｅｇに渡って翼間隔を変える手段では、圧縮機のサージマージン低下を招くディストーションが発生する。これに対して、８ピッチ程度で間隔を増減する本発明では、例えば１周４０枚ならは、８／４０×３６０ｄｅｇ／２＝３６ｄｅｇ程度のディストーションに抑えられ、サージマージンへの影響は小さくなる。
【００２９】
上述したように本発明の構成によれば、静翼列を構成する静翼間のピッチが周方向に周期的に変化するので、同一ピッチの静翼列はほとんど連続しない。そのため、静翼後流による励振力に含まれる（静翼枚数）×（動翼回転数）の周波数成分を効果的に低減することができ、この周波数成分との共振で発生する動翼の振動応力を大幅に下げることができる。また、同一ピッチの静翼列はほとんど連続せず、周方向に周期的に変化するだけのため失速性能が損なわれず、静翼列全体の性能低下を回避できることが、解析的に確認された。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、静翼後流による励振力に含まれる（静翼枚数）×（動翼回転数）の周波数成分が減少し、共振時の動翼振動レベルが低減される。また、長い区間に渡って、静翼が疎な配列となることもないため、空力性能への影響も最小限に抑えられる。また、本発明の実施例では、静翼の８翼間を一区切りとして、中央の２翼間を１０％ピッチ広げ、両端を１０％ピッチ狭め、残りの翼間は滑らかに幅が推移するように設定することにより、下流動翼の高次パネルモードでの共振点での振動レベルは約３０％低減することが予測できた。
【００３２】
従って、本発明の軸流圧縮機の静翼列は、軸流圧縮機の運転範囲において、すべての振動モードにおける共振による振動応力を大幅に低減でき、かつ静翼列全体の性能低下を回避できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静翼列を示す翼配列図である。
【図２】静翼における振動モードを示す図である。
【図３】本発明による振動応力低減効果を示す図である。
【図４】静翼によるディストーションの説明図である。
【図５】ディストーションによるサージ発生時の出口圧力の低下を示す図である。
【図６】静翼の励振周波数と動翼の固有振動数の関係図である。
【図７】従来の静翼列の翼配列図である。
【符号の説明】
２  静翼、４  動翼、６  エントロピーの等分布線、
８  分割セクター
【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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【図６】
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【図７】
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