JP5032547B2 - 遠心型圧縮機のアキシャルディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、遠心型圧縮機のアキシャルディフューザに関し、特に、ガスタービンエンジンやジェットエンジン等に用いられる遠心型圧縮機のアキシャルディフューザに関する。

ガスタービンエンジンやジェットエンジン等に用いられる遠心型圧縮機には、アキシャルディフューザが取り付けられている。遠心型圧縮機のアキシャルディフューザは、インペラの径方向外方の円周廻りに所定間隔をおいて複数個のアキシャルディフューザ流路を有し、その複数個のアキシャルディフューザ流路の各々において前記インペラからの流体のラジアルフローをインペラの中心軸線と実質的に平行なアキシャルフローに転向しつつ当該ディフューザ流路を流れる流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換するものである（例えば、特許文献１）。

また、遠心型圧縮機に取り付けられるディフューザとして、インペラからの流体をラジアルフローにおいて流速を下げて流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換するラジアルディフューザがある（例えば、特許文献２）。

特表２００３−５１２５６９号公報 特開２００２−９８０９３号公報

アキシャルディフューザの流路を画定するディフューザチューブが直管であれば、遠心力は発生せず、流体の流れに偏流は生じない。しかし、実際のディフューザチューブの形状では、流体の流れ方向をインペラ外径の接線方向から回転軸線方向に変える曲管であるため、遠心力が発生し、ディフューザチューブ内の流体流れに圧力差が生じる。

このことに対して従来のアキシャルディフューザは、流路断面形状が楕円等のディフューザ流路において、遠心力の流路断面長軸方向の平衡を図った形状ではなかった。

その結果、従来のキシャルディフューザでは、最初の曲がり部以降で圧力差が生じ、ディフューザチューブ内の負圧側（インペラの回転上流側）に弱い流れ（境界層の低運動量流れ）が集積し、ディフューザ出口近傍の負圧側において流速が遅くなる。一方、正圧側では逆に流速が速くなり、ディフューザ出口では負圧側と正圧側とで速度差の大きい不均一な流れになる。

更に、負圧側の流れは、曲がり部に生じる遠心力（慣性力）に抗しきれない場合には、流体流れが負圧側壁面から剥離し、渦を生じる。これにより、流体流れの運動エネルギが熱として失われ、同時に渦による流路閉塞のために有効流路面積が減少し、設計狙い通りには速度を減少させることができなくなる。

このため、従来のアキシャルディフューザでは、静圧回復率Ｃｐ＝（ディフューザ出口静圧−ディフューザ入口静圧）／（ディフューザ入口全圧−ディフューザ入口静圧）が悪く、遠心型圧縮機の有効効率を低下させる原因なる。

本発明が解決しようとする課題は、遠心型圧縮機のアキシャルディフューザにおいて、流路負圧側での流体流れの剥離を抑えると共に、ディフューザ出口での速度分布の均一化を図り、高い静圧回復率Ｃｐが得られるようにし、遠心型圧縮機の有効効率の向上を図ることである。

本発明による遠心型圧縮機のアキシャルディフューザは、遠心型圧縮機のインペラの外周に周方向に所定間隔をおいて設けられた複数個のアキシャルディフューザ流路を有し、前記複数個のアキシャルディフュ-ザ流路の各々において前記インペラからの流体のラジアルフローを前記インペラの中心軸線と実質的に平行なアキシャルフローに転向しつつ当該アキシャルディフュ-ザ流路を流れる流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換する遠心型圧縮機のアキシャルディフューザであって、各アキシャルディフューザ流路が、前記インペラの出口部に連通する上流端及び前記インペラの中心軸線と実質的に平行に延出する下流端を有し、かつ前記上流端から前記下流端に向けて漸増する断面積を有し、前記上流端側の相対的に高速な流れを前記流路の横断面に於ける負圧側に向けるように前記アキシャルディフュ-ザ流路の横断面形状を定めたことを特徴としている。

本発明による遠心型圧縮機のアキシャルディフューザは、好ましくは、前記横断面形状が長軸を有し、前記長軸が、前記横断面形状の中心から前記インペラの中心軸線に向かう方向に対して略直交する。或いは、前記横断面形状が互いに直交する長軸及び短軸を有し、かつ前記短軸が、前記インペラの中心軸線を通過する方向を向いている。前記横断面形状が、概ね楕円形或いは長円形をなすものであって良い。

本発明による遠心型圧縮機のアキシャルディフューザは、好ましくは、前記アキシャルディフューザ流路は、各々個別のチューブ部材により構成され、前記ディフューザ上流端は、インペラ外周の接線方向に向けて開口している。

本発明の遠心型圧縮機のアキシャルディフューザによれば、ディフューザ上流端からディフューザ下流端に至る間に、その各部の横断面形状における負圧側及び正圧側の全体に渡って流速を均一化し、最終的には、ディフューザ下流端に於ける流速分布を高度に均一化することができる。そのためには、横断面形状が長軸を有し、長軸が、横断面形状の中心からインペラの中心軸線に向かう方向に対して略直交するものとしたり、或いは、横断面形状が互いに直交する長軸及び短軸を有し、かつ短軸が、インペラの中心軸線を通るインペラ半径線を通過する方向を向いていると良い。このようにして、ディフューザ流路の各部の横断面における負圧側（インペラの回転上流側）と正圧側（インペラの回転下流側）とで、インペラ中心軸線からの離間距離が等しくなる。

このことにより、アキシャルディフューザ流路の各部の横断面における遠心力成分による圧力差が減少し、アキシャルディフューザ流路を流れる圧縮空気の流れに偏りが生じること、つまり、偏分布が生じることが著しく減少し、ディフューザ出口部において、負圧側部分で速度が遅い不均一な速度分布になることが回避される。また、流路各断面における遠心力成分による圧力差の減少により、流路負圧側に生じ易い流体流れの剥離を阻止することができる。

これにより、ディフューザ出口部での速度分布の均一化が図られると同時に流体流れの剥離が抑制され、静圧回復率Ｃｐが上がり、遠心型圧縮機の有効効率が向上する。

本発明による遠心型圧縮機のアキシャルディフューザの一つの実施形態を示す斜視図である。 本発明による遠心型圧縮機のアキシャルディフューザの一つの実施形態のディフューザチューブを示す斜視図である。 本発明による遠心型圧縮機のアキシャルディフューザの一つの実施形態のアキシャルディフューザ流路を示す説明図である。 本実施形態のアキシャルディフューザのディフューザ出口部におけるマッハ数分布を示す等分布図である。 従来のアキシャルディフューザのディフューザ出口部におけるマッハ数分布を示す等分布図である。 本実施形態によるアキシャルディフューザの流路上のいくつかの点における長軸方向に沿ったマッハ数分布特性を示すグラフである。 従来のアキシャルディフューザの流路上のいくつかの点における長軸方向に沿ったマッハ数分布特性を示すグラフである。 アキシャルディフューザを構成するチューブ部材の１つを、流路上に沿ういくつかの点の位置と共に示す斜視図である。 本実施形態及び従来のアキシャルディフューザについて、流路負圧側から中心方向に５％離れた位置に於ける流速の流れ方向に沿う分布を示すグラフである。 本実施形態及び従来のアキシャルディフューザについて、流れ方向に沿う静圧回復率Ｃｐの変化を示すグラフである。

以下に、本発明による遠心型圧縮機のアキシャルディフューザの実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。

これらの図において、符号１０は、遠心型圧縮機の円筒状のアウタハウジングを示している。アウタハウジング１０内にインペラ１１がインペラ中心軸線Ａ廻りに回転可能に設けられている。図１〜図３は、遠心型圧縮機を背面側（圧縮空気出口側）から見た図であり、これらの図で見てインペラ１１は時計廻り方向に回転する。

インペラ１１の径方向外方には円環状のラジアルディフューザ部材１２がインペラ１１と同心配置されている。ラジアルディフューザ部材１２は、アウタハウジング１０に固定装着されており、インペラ１１の円周廻りに所定間隔をおいて複数個のラジアルディフューザ流路１３を形成されている。ラジアルディフューザ流路１３は、各々、インペラ外周の接線方向に直線状に延在しており、インペラ１１の出口端から遠ざかるに従って通路断面積が大きくなっている。

これにより、ラジアルディフューザ部材１２は、各ラジアルディフューザ流路１３において、インペラ１１からの流体（圧縮空気）のラジアルフローにおいて流速を下げ、流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換する。

なお、ラジアルディフューザについて、詳細な説明が必要ならば、特開２００２−９８０９３号公報を参照されたい。本実施形態のラジアルディフューザ部材１２として、特開２００２−９８０９３号公報に示されているラジアルディフューザを用いることができる。

ラジアルディフューザ部材１２の径方向外側には、アキシャルディフューザ３０が設けられている。アキシャルディフューザ３０は、インペラ１１の円周廻りに所定間隔をおいて複数個のディフューザチューブ３１を有する。

ディフューザチューブ３１は、ラジアルディフューザ部材１２のラジアルディフューザ流路１３の個数と同じ個数あり、各々、基端部をラジアルディフューザ部材１２の出口端部に溶接等によって固着されている。ディフューザチューブ３１は、各々、アキシャルディフューザ流路３２を画定している。つまり、複数個のアキシャルディフューザ流路３２は、各々、個別のチューブ部材により構成されている。

アキシャルディフューザ流路３２のディフューザ入口部３２Ａは、インペラ外周の接線方向に向けて開口しており、アキシャルディフューザ流路３２は、各々、ディフューザ入口部３２Ａにおいて対応するラジアルディフューザ流路１３の出口部に滑らかに接続され、ラジアルディフューザ流路１３と連通している。

換言すると、アキシャルディフューザ３０は、インペラ１１の径方向外方の円周廻りに一定の所定間隔をおいて複数個のアキシャルディフューザ流路３２を有する。アキシャルディフューザ流路３２は三次元的に折り曲がった立体形状をしており、この複数個のアキシャルディフューザ流路３２の各々において、インペラ１１からの流体（圧縮空気）のラジアルフローをインペラ１１の中心軸線Ａと実質的に平行なアキシャルフローに転向しつつ当該アキシャルディフューザ流路３２を流れる流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換する。

つまり、ディフューザチューブ３１は曲管により構成されており、ディフューザ入口部３２Ａはインペラ外周（外径）の接線方向に向けて開口しているのに対して、ディフューザ出口部３２Ｂはインペラ１１の中心軸線Ａの方向に向けて開口している。

アキシャルディフューザ流路３２は、図２、図３に、符号ａ、ｂ、ｃ・・・で示されているように、横断面形状が楕円形乃至長円形で、ディフューザ入口部３２Ａよりディフューザ出口部３２Ｂへ向かうに従って流路断面積を漸次増大する流路形状に形成されている。従って、横断面形状は、大きな直径に対応する長軸及び小さな直径に対応する短軸とを有する。そして、ディフューザ入口部３２Ａからディフューザ出口部３２Ｂに至るほぼ全域に亘って、その各部ａ、ｂ、ｃ・・・における楕円形乃至長円形の横断面形状の長軸Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ・・・が、横断面の中心から前記インペラの中心軸線に向かうインペラ半径方向線Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ・・・方向に対して略直交する。インペラ半径方向線は、流路下流側では、インペラ１１の中心軸線Ａに直交する線として与えられるが、流路上流側では、インペラ１１の中心軸線Ａに対して９０度以外の角度をなす。また、本実施例では、長軸及び短軸は、互いに直交することから、アキシャルディフューザ流路３２の各横断面に於いて、短軸Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ・・・は、インペラ１１の中心軸線Ａを通るインペラ半径線Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ・・・に合致する方向を向いている。

長軸及び短軸は、互いに直交するのが望ましいが、互いに９０度以外の角度をなすものであっても良い。特に、横断面形状が楕円或いは長円以外の場合には、長軸は最も長い直径線として規定することができる。

このように、ディフューザ入口部３２Ａからディフューザ出口部３２Ｂに至るアキシャルディフューザ流路３２のほぼ全域に亘って、その各部ａ、ｂ、ｃ・・・における楕円形乃至長円形の横断面形状の長軸Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ・・・が、横断面の中心から前記インペラの中心軸線に向かうインペラ半径方向線Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ・・・方向に対して略直交する、或いはその短軸Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ・・・が、軸線方向から見たときに、インペラ１１の中心軸線Ａを通るインペラ半径線Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ・・・に合致する方向を向いていることにより、ディフューザ流路３２の各部ａ、ｂ、ｃ・・・の横断面における流路負圧側（インペラの回転上流側）Ｍと流路正圧側（インペラの回転下流側）Ｎとで、インペラ中心軸線Ａからの離間距離が等しくなる。

このことにより、アキシャルディフューザ流路３２の各部ａ、ｂ、ｃ・・・の横断面における遠心力成分による圧力差が減少し、アキシャルディフューザ流路３２を流れる圧縮空気の流れに偏りが生じること、つまり、偏分布が生じることが著しく減少する。この結果として、ディフューザ出口部３２Ｂにおいて、負圧側部分で速度が遅い不均一な速度分布になることが回避される。これにより、高い静圧回復率Ｃｐが得られ、遠心型圧縮機の有効効率が向上する。更に、アキシャルディフューザ流路３２の流路各断面における遠心力成分による圧力差の減少により、流路負圧側に生じ易い流体流れの剥離を阻止することができる。

図４は、本実施形態によるアキシャルディフューザのディフューザ出口部におけるマッハ数分布を、図５は、従来のアキシャルディフューザのディフューザ出口部におけるマッハ数分布を各々示している。

図５（従来例）において、網点で示されている領域Ｂは、流速の遅い領域である。この流速低下は、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、アキシャルディフューザ流路の曲がり部においては、流体の流れは、遠心力（慣性力）にため流路正圧側Ｎに偏流し、流路負圧側（インペラの回転上流側）Ｍの流体の流れは遅くなり、更に遠心力に抗しきれなく場合には負圧壁面から流体流れが剥離する現象が生じる。また、流路正圧側Ｎの境界層内の低運動量流れが圧力差によって流路負圧側Ｍに移動することも、偏流発生の原因に考えられる。

これに対し本実施形態は、アキシャルディフューザ流路の断面長軸方向の圧力差の解消を狙っているため、図４に示されているように、流速低下領域Ｂは流路負圧側Ｍに生じていない。本実施形態のものでは、理想的には、流路負圧側Ｍ〜流路正圧側Ｎの全域に亘ってフラットなマッハ数分布特性になる筈であるが、境界層の低運動量の流れが圧力のバランスにより、ディフューザ出口側では、ディフューザ流路の中央部に集まる現象が発生するため、流路負圧側Ｍ〜流路正圧側Ｎの中央部において、やや速度分布が低い特性になっている。

図６は本実施形態によるアキシャルディフューザの流路上のいくつかの点における長軸方向に沿ったマッハ数分布特性を、図７は従来のアキシャルディフューザにおける同様のマッハ数分布特性を各々示している。図８に示すように、上流側から下流側に向けて流路上のいくつかの点を、それぞれ点ｓｔ０、ｓｔ１、ｓｔ２、ｓｔ３、ｓｔ４、ｓｔ５と表し、点ｓｔ５がディフューザ流路の下流端即ち出口端を表すものとする。従来のアキシャルディフューザに於いては、ｓｔ３において負圧側の速度の増加は小さく、点ｓｔ４、ｓｔ５と下流に進むに従い速度は減速し、特に、点ｓｔ５即ち出口端における速度の低下は著しい。その結果、点ｓｔ５に於ける長軸方向に沿ったマッハ数分布の均一性が失われている。それに対して、本実施形態によるアキシャルディフューザでは、点ｓｔ３での負圧側の速度の増加が顕著で正圧側よりも高い速度になり、その後、点ｓｔ４、ｓｔ５と緩やかに減速する。そして、出口端における負圧側の速度が比較的高く維持されることにより、長軸方向に沿ったマッハ数分布はほぼ平坦になり、高度に均一な流れが得られる。

図９は、流路負圧側Ｍから中心方向に５％離れた位置に於ける流速の流れ方向に沿う分布を、本実施形態に於ける場合を実線で、従来技術に於ける場合を破線で示す。図９のグラフに於いて、流れ方向距離は、各設計断面の中心位置を結ぶ子午線（meridional）長さ（Ｌ）をラジアルディフューザ入口位置（図３）の断面の面積を等価円で表したときの直径（Ｄ１）で除した値を、さらに正規化することにより示した。従来技術では、流れ方向ｓｔ３の位置からの減速度合いが大きくその傾向は下流端まで続き、出口における速度の低下が著しい。これに対して本実施形態の場合には、ｓｔ３位置での速度が従来型に比べて大きい特徴があり、さらに、ｓｔ４位置、ｓｔ５位置と流れは速度を落としながら進むが、この減速度合いは比較的小さく出口における速度の低下が大幅に抑えられている。この結果、出口端における負圧側の速度を従来型に比べ高く維持でき、図６に示されるような長軸方向に平坦な速度分布の実現に繋がっている。図１０における流れ方向距離は、図９のものと同様であるが、この場合は正規化されていない。

このようなことにより、本実施形態によれば、従来技術に比較して高い静圧回復率Ｃｐが得られる。図１０は、本実施形態の流れ方向に沿う静圧回復率Ｃｐの変化を、従来技術のものと対比するもので、下流端即ち出口部分に於いて、本実施形態の静圧回復率Ｃｐが、従来技術のものよりもやや大きいことが示されている。

１０ アウタハウジング
１１ インペラ
１２ ラジアルディフューザ部材
１３ ラジアルディフューザ流路
３０ アキシャルディフューザ
３１ ディフューザチューブ
３２ アキシャルディフューザ流路
３２Ａ ディフューザ入口部
３２Ｂ ディフューザ出口部

Claims (3)

1. 遠心型圧縮機のインペラの外周に周方向に所定間隔をおいて設けられた複数個のアキシャルディフューザ流路を有し、前記複数個のアキシャルディフュ-ザ流路の各々において前記インペラからの流体のラジアルフローを前記インペラの中心軸線と実質的に平行なアキシャルフローに転向しつつ当該アキシャルディフュ-ザ流路を流れる流体の運動エネルギを圧力エネルギに変換する遠心型圧縮機のアキシャルディフューザであって、
   各アキシャルディフューザ流路が、前記インペラの出口部に連通する上流端及び前記インペラの中心軸線と実質的に平行に延出する下流端を有し、前記上流端より前記下流端に至るほぼ全域に亘って楕円形或いは長円形の横断面形状をしていて、前記上流端から前記下流端に向けて漸増する断面積を有し、前記上流端側の相対的に高速な流れを前記流路の横断面に於けるインペラの回転上流側に生じる負圧側に向けるように、当該アキシャルディフューザ流路の横断面形状をなす楕円形或いは長円形の長軸及び短軸の前記インペラの中心軸線に対する方向を定められていることを特徴とする遠心型圧縮機のアキシャルディフューザ。
2. 前記ディフューザ上流端は、インペラ外周の接線方向に向けて開口していることを特徴とする請求項１に記載の遠心型圧縮機のアキシャルディフューザ。
3. 前記アキシャルディフューザ流路は、各々個別のチューブ部材により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心型圧縮機のアキシャルディフューザ。

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