JPH06330896A - 圧縮機の可変入口案内翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮機の可変案内翼において、信頼性の高い
可動ベーンの設定角度検出装置を提供する。 【構成】 圧縮機１の羽根車２に吸気を導入する入口流
路３に環状に並んで配設される複数の可動ベーン４と、
各可動ベーン４を回転させるレバー６およびリング９
と、可動ベーン４の上流側に配置される固定ベーン７を
備える圧縮機の可変入口案内翼において、前記可動ベー
ン４と固定ベーン７の翼表面にそれぞれ開口する第一、
第二静圧孔２１，２２を形成し、第一、第二静圧孔２
１，２２に生じる静圧Ｐｖ，Ｐｆを検出する手段と、こ
れら検出値から可動ベーン４の設定角度θを演算する制
御装置３０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮機の可変入口案内
翼の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば自動車用ガスタービンエンジン
は、広い運転領域をもっており、アイドル状態から発進
加速性を確保するために、アイドル回転数をできるだけ
高くしたいという要求がある。この対策として、圧縮機
の羽根車に流入する吸気に対して羽根車の回転方向に予
旋回を与える可変入口案内翼を設け、圧縮機の駆動馬力
を小さく抑えながら、アイドル回転数を高く保ち、燃費
の改善と加速性の向上を両立させられることが知られて
いる（参考資料…「ＮＡＳＡ ＣＲ−１８０８９
１」）。

【０００３】従来のガスタービンエンジンとして、図１
３に示すようなものがある。

【０００４】回転軸１１には圧縮機１の羽根車２が連結
されるとともに、圧縮機駆動用タービン１５が連結され
ている。圧縮機１で圧縮された吸気が燃焼器に送られ、
燃焼器において燃料を燃焼させ、燃焼器から排出される
燃焼ガスによりタービン１５と図示しない出力タービン
がそれぞれ回転駆動される。

【０００５】羽根車２が回転すると、入口流路３から流
入する吸気は各翼１４の間の流路に吸い込まれ、半径方
向に向きを変えながら遠心力により圧縮されると同時
に、羽根車２の外周端から拡がるディフューザ１３を介
して相対速度が減少することによって圧力回復がなされ
る。

【０００６】圧縮機１の可変入口案内翼は、図１４に示
すように、圧縮機１の羽根車２に導入する入口流路３に
複数の固定ベーン７と可動ベーン（静翼）４が放射状に
配設される。

【０００７】各可動ベーン４は固定ベーン７の後端から
下流側に延び、運転条件に応じて図８に２点鎖線で示す
ように固定ベーン７に対して曲折することにより、図１
３に矢印で示すように各固定ベーン７および可動ベーン
４を通過する吸気に対して予旋回を与えるようになって
いる。

【０００８】各可動ベーン４を同期して回転させる機構
として、各可動ベーン４の回転軸５にはレバー６が連結
され、各レバー６の先端部はピン８を介してリング９に
連結される。

【０００９】各可動ベーン４の角度は運転状態に応じて
調節され、アイドル時に各可動ベーン３４は図１４に２
点鎖線で示すように傾けられ、各可動ベーン４を通過す
る吸気に対して羽根車２の回転方向に予旋回を与えるよ
うになっている。

【００１０】各可動ベーン４の設定角度を検出する手段
として、一つの回転軸５の回転位置を機械的に検出して
電気信号を出力するポジションメータ１２が設けられ、
図示しない制御装置はポジションメータ１２の検出信号
を入力して各可動ベーン４を目標設定角度に回転させる
ように制御する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来構造にあっては、ポジションメータ１２は回転
軸５の回転角度を機械的に検出する構造のため、断線等
による故障が生じる可能性が考えられる。

【００１２】また、各可動ベーン４の設定角度を検出す
る手段として、入口流路３の流路内側と外側の静圧を測
定し、その差が吸気の旋回成分に応じて変化するため、
可動ベーンの設定角度を演算することが考えられる。

【００１３】しかしながら、入口流路３の流路内側に開
口する静圧孔を形成する場合、羽根車２の回転軸１１と
干渉し、構造の複雑化を招く等の問題点がある。

【００１４】本発明は上記の問題点に着目し、信頼性の
高い可動ベーンの設定角度検出装置を提供することを目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
圧縮機の羽根車に吸気を導入する入口流路に環状に並ん
で配設される複数の可動ベーンと、各可動ベーンを回転
させる機構と、可動ベーンの上流側に配置される固定ベ
ーンを備える圧縮機の可変入口案内翼において、前記可
動ベーンと固定ベーンの翼表面にそれぞれ開口する第
一、第二静圧孔を形成し、第一、第二静圧孔に生じる静
圧Ｐｖ，Ｐｆを検出する手段と、これらの検出値から可
動ベーンの設定角度θを演算する手段とを備える。

【００１６】請求項２記載の発明は、圧縮機の羽根車に
吸気を導入する入口流路に環状に並んで配設される複数
の可動ベーンと、各可動ベーンを回転させる機構とを備
える圧縮機の可変入口案内翼において、前記可動ベーン
の翼表面に開口する静圧孔を形成し、静圧孔に生じる静
圧Ｐｖを検出する手段と、前記圧縮機の吸気重量Ｇを検
出する手段と、これらの検出値から可動ベーンの設定角
度θを演算する手段とを備える。

【００１７】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明の構成に加えて、可動ベーンの腹側の翼表面
に開口する第一静圧孔と、背側の翼表面に開口する第三
静圧孔をそれぞれ形成し、第一、第三静圧孔に生じる静
圧Ｐｖ，Ｐｓを検出する手段を備える。

【００１８】

【作用】請求項１記載の発明において、固定ベーンに開
口する第二静圧孔に生じる静圧Ｐｆは圧縮機の吸気重量
に応じて変化し、可動ベーンに開口する第一静圧孔に生
じる静圧Ｐｖは圧縮機の吸気重量と可動ベーンの設定角
度θに応じて変化するため、静圧比Ｐｖ／Ｐｆに応じて
各可動ベーンの設定角度θを検索することができる。

【００１９】請求項２記載の発明において、可動ベーン
に開口する第一静圧孔に生じる静圧Ｐｖは圧縮機の吸気
重量Ｇと可動ベーンの設定角度θに応じて変化するた
め、圧縮機の吸気重量Ｇを検出することにより、静圧比
Ｐｖ／Ｇに応じて各可動ベーンの設定角度θを検索する
ことができる。

【００２０】請求項３記載の発明においては、第一、第
三静圧孔とに生じる静圧Ｐｖ，Ｐｓの差ΔＰは、第一静
圧孔に生じる静圧Ｐｖと同様に可動ベーンの設定角度θ
に対応して変化するが、第一静圧孔に生じる静圧Ｐｖよ
り大きな値となるため、可動ベーンの設定角度θの検出
精度を高められる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明をガスタービンエンジンの圧縮
機に適用した実施例を添付図面に基づいて説明する。な
お、図１３との対応部分には同一符号を付して示すこと
にする。

【００２２】図１、図２に示すように、圧縮機１の可変
入口案内翼として、圧縮機１の入口流路３には複数の固
定ベーン１６と可動ベーン４が羽根車２の回転中心につ
いて放射状に配置される。各可動ベーン４は固定ベーン
１６の後端から下流側に延び、運転条件に応じて固定ベ
ーン１６に対して曲折することにより、図中矢印で示す
ように、各固定ベーン１６および可動ベーン４を通過す
る吸気に対して予旋回を与える。

【００２３】可動ベーン４の回転軸５はハウジング１０
にブッシュ１３を介して回転自在に支持される。各可動
ベーン４を同期して回転させる機構として、各可動ベー
ン４の回転軸５にはレバー６が連結され、各レバー６の
先端部はピン８を介してリング９に連結される。

【００２４】図３にも示すように、一つの可動ベーン４
の翼表面に開口する第一静圧孔２１が形成されるととも
に、その上流側に設けられる固定ベーン７の翼表面に開
口する第二静圧孔２２が形成される。

【００２５】図２に示すように、各可動ベーン４の設定
角度が最大になっている状態で隣り合う固定ベーン７お
よび可動ベーン４に挟まれる流路を翼間領域とし、この
翼間領域により下流側の流路を翼間外領域とすると、第
一静圧孔２１は翼間領域に臨んで開口する。

【００２６】固定ベーン７および可動ベーン４の翼断面
はその中心線に対して対称的に形成される。第一静圧孔
２１は可動ベーン４の前縁部に近い最大翼厚をとる部位
に開口する。このような構成により、第一静圧孔２１は
可動ベーン４に沿って流れる吸気の流速が最大となる部
位に開口することになる。

【００２７】第一、第二静圧孔２１，２２は固定ベーン
７または可動ベーン４の両翼端部までの距離が均等とな
る中央部に配置され、入口流路３の流路壁部から離れて
開口している。

【００２８】第一静圧孔２１に生じる静圧Ｐｖを検出す
る手段として、圧力センサ３１が設けられる。可動ベー
ン４と回転軸５は一体形成され、第一静圧孔２１は可動
ベーン４および回転軸５に渡って形成された通孔１４を
介して圧力センサ３１に連通する。圧力センサ３１は第
一静圧孔２１に生じる静圧Ｐｖに応じた信号を出力す
る。

【００２９】第二静圧孔２２に生じる静圧Ｐｆを検出す
る手段として、圧力センサ３２が設けられる。第二静圧
孔２２は固定ベーン７およびハウジング１３に渡って形
成された通孔１５を介して圧力センサ３２に連通する。
圧力センサ３１は第二静圧孔２２に生じる静圧Ｐｆに応
じた信号を出力する。

【００３０】可動ベーン４の設定角度を演算する手段と
して、制御装置３０が設けられる。制御装置３０は各圧
力センサ３１，３２の検出信号を入力し、第一、第二静
圧孔２１，２２に生じる静圧比Ｐｖ／Ｐｆに応じて図５
に示すテーブルに基づき各可動ベーン４の設定角度θを
検索し、各可動ベーン４を運転条件に応じた目標設定角
度に回転させるように、図示しないアクチュエータを介
してリング９を回転させる制御を行う。

【００３１】なお、一つの可動ベーン４の設定角度を回
転軸５の回転角度として機械的に検出するポジションメ
ータを設け、制御装置３０はポジションメータによって
検出された可動ベーン４の設定角度θｐと、各圧力セン
サ３１，３２の検出信号に応じて算出された可動ベーン
４の設定角度θとの差｜θｐ−θ｜が所定値を越えて大
きい場合にポジションメータに故障が生じたものと判断
して警告灯等を点灯してもよい。

【００３２】次に、作用について説明する。

【００３３】図６に示す平行な翼列に対して流体の入射
角度αをαｎｓ，αｖ，αｐｓ（αｎｓ＜αｖ＜αｐ
ｓ）と変化させた場合、翼表面の速度（静圧）分布は図
７に示すように表される(「流体機械」森北出版発行、
第７０貢参照)。

【００３４】図８は、可変入口案内翼の各固定ベーン７
および可動ベーン４から構成される円型翼列において、
可動ベーン４の設定角度θを変化させた場合に、流体の
流入速度Ｖｉに対する第一静圧孔２１により検出される
翼面上の流速Ｖの比Ｖ／Ｖｉ（図４参照）を、図７の特
性に対応して表したものである。

【００３５】固定ベーン７および可動ベーン４の間に画
成される流路面積は下流側にかけて小さくなり、これを
通過する吸気の流速Ｖは次第に上昇し、可動ベーン４の
翼表面から吸気の流れが剥離することが抑えられる。可
動ベーン４の前縁部に近い第一静圧孔２１で検出される
流速Ｖは最大となり、可動ベーン４の設定角度θを６０
°にした場合に流入速度Ｖｉの３倍を越える可能性があ
る。

【００３６】流入速度Ｖｉをガスータビンの定格流量で
ある４０ｍ／ｓ、可動ベーン４の設定角度θを６０°、
流速Ｖが流入速度Ｖｉの２．５倍、吸気の比重量が１．
２Ｋｇ／ｍ³である場合、重力加速度を９．８ｍ／ｓ²と
すると、第一静圧孔２１に生じる静圧Ｐｖは次式で表さ
れる。

【００３７】Ｐｖ＝（４０×２．５）²／２×１．２／
９．８＝６１２ｍｍＡｇ ガスータビンのアイドル時の流入速度Ｖｉが定格時の半
分としても、第一静圧孔２１に生じる静圧Ｐｖは１５０
ｍｍＡｇとなり、圧力センサ３１による検出精度を十分
に確保することができる。

【００３８】第一静圧孔２１が隣り合う固定ベーン７お
よび可動ベーン４に挟まれる翼間領域に開口しているこ
とにより、第一静圧孔２１が開口する部分で翼表面から
吸気が剥離することを抑えられる。なお、可動ベーン４
の第一静圧孔２１が開口する部分で翼表面に剥離が生じ
た場合、検出される静圧Ｐｖが流速Ｖに対応しなくな
る。

【００３９】固定ベーン７の翼表面に開口した第二静圧
孔２２によって検出される静圧Ｐｆは、可動ベーン４の
設定角度によって変化せず流入速度Ｖｉに比例する。一
方、第一静圧孔２１によって検出される静圧Ｐｖは前述
したように流速Ｖに比例するため、静圧比Ｐｖ／Ｐｆは
流速比Ｖ／Ｖｉと等しい。

【００４０】流速比Ｖ／Ｖｉは図８に示すように可動ベ
ーン４の設定角度θに応じて変化するため、可動ベーン
４の設定角度θを静圧比Ｐｖ／Ｐｆから図５に示すマッ
プに基づいて検索することができる。

【００４１】次に、図９に示した他の実施例は、一つの
可動ベーン４の腹側の翼表面に開口する第一静圧孔２１
が形成されるとともに、背側の翼表面に開口する第三静
圧孔２３が形成されるものである。なお、図１との対応
部分には同一符号を付して示すことにする。

【００４２】第一、第三静圧孔２１，２３がそれぞれ形
成された可動ベーン４の上流側に設けられる固定ベーン
７の翼表面に開口する第二静圧孔２２が形成される。

【００４３】第三静圧孔２３に生じる静圧Ｐｓを検出す
る手段として、圧力センサ３３が設けられる。図１０に
も示すように、第三静圧孔２３は可動ベーン４および回
転軸５に渡って形成された通孔１６を介して圧力センサ
３３に連通する。圧力センサ３３は第三静圧孔２３に生
じる静圧Ｐｓに応じた信号を出力する。

【００４４】制御装置３０は各圧力センサ３１，３２，
３３の検出信号を入力し、第一、第三静圧孔２１と２３
に生じる静圧の差ΔＰ＝Ｐｖ−Ｐｓを演算し、この演算
値ΔＰと第二静圧孔２２に生じる静圧Ｐｆとの比ΔＰ／
Ｐｆに応じて図示しない所定のテーブルに基づき各可動
ベーン４の設定角度θを検索し、各可動ベーン４を運転
条件に応じた目標設定角度に回転させるように、図示し
ないアクチュエータを介してリング９を回転させる制御
を行う。

【００４５】次に、作用について説明する。

【００４６】この場合、第一、第三静圧孔２１と２３に
生じる静圧の差ΔＰは、第一静圧孔２１に生じる静圧Ｐ
ｖと同様に可動ベーン４の設定角度θに対応して変化す
るが、第一静圧孔２１に生じる静圧Ｐｖより大きな値と
なるため、設定角度θの検出精度を高められ、圧縮機１
に吸入される吸気の重量流量が小さいアイドル時にも十
分な検出精度を確保することができる。

【００４７】次に、図１１に示した他の実施例は、一つ
の可動ベーン４の腹側の翼表面に開口する第一静圧孔２
１が形成されるとともに、前記各実施例に設けられてい
た固定ベーン７の翼表面に開口する第二静圧孔を廃止し
て、圧縮機１に吸入される吸気の重量流量Ｇを検出する
流量センサ３４が設けられるものである。なお、図１と
の対応部分には同一符号を付して示すことにする。

【００４８】制御装置３０は圧力センサ３１と流量セン
サ３４の各検出信号を入力し、前記図１に示した実施例
における固定ベーン７の翼表面に開口する第二静圧孔２
２に生じる静圧Ｐｆを演算し、静圧比Ｐｖ／Ｐｆに応じ
て図５に示すテーブルに基づき各可動ベーン４の設定角
度θを検索し、各可動ベーン４を運転条件に応じた目標
設定角度に回転させるとともに、ポジションメータによ
って検出された可動ベーン４の設定角度θｐと、算出さ
れた可動ベーン４の設定角度θとの差｜θｐ−θ｜が所
定値を越えて大きい場合にポジションメータに故障が生
じたものと判断して警告灯等を点灯させる。

【００４９】次に、作用について説明する。

【００５０】流入速度Ｖｉは入口流路３の断面積Ａ、吸
気の比重量をγとすると次式で表される。

【００５１】Ｖｉ＝Ｇ／（Ａ×γ） 前記図１に示した実施例において固定ベーン７の翼表面
に開口する第二静圧孔２２に生じる静圧Ｐｆは次式で表
される。

【００５２】Ｐｆ＝γ／（２×ｇ）×Ｖｉ² このようにして吸気の重量流量Ｇから静圧Ｐｆを算出
し、静圧比Ｐｖ／Ｐｆに応じて図５に示すテーブルに基
づき各可動ベーン４の設定角度θを検索することができ
る。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
は、圧縮機の羽根車に吸気を導入する入口流路に環状に
並んで配設される複数の可動ベーンと、各可動ベーンを
回転させる機構と、可動ベーンの上流側に配置される固
定ベーンを備える圧縮機の可変入口案内翼において、前
記可動ベーンと固定ベーンの翼表面にそれぞれ開口する
第一、第二静圧孔を形成し、第一、第二静圧孔に生じる
静圧Ｐｖ，Ｐｆをそれぞれ検出する手段と、これら検出
値から可動ベーンの設定角度θを演算する手段とを備え
たため、可動ベーンの設定角度θを機械的に検出する従
来のポジションメータ等に比べて、故障する可能性が少
ない検出装置を提供することができる。

【００５４】請求項２記載の発明は、圧縮機の羽根車に
吸気を導入する入口流路に環状に並んで配設される複数
の可動ベーンと、各可動ベーンを回転させる機構とを備
える圧縮機の可変入口案内翼において、前記可動ベーン
の翼表面に開口する静圧孔を形成し、静圧孔に生じる静
圧Ｐｖを検出する手段と、前記圧縮機の吸気重量Ｇを検
出する手段と、これらの検出値から可動ベーンの設定角
度θを演算する手段とを備えたため、従来のポジション
メータ等に比べて、信頼性の高い検出装置を提供するこ
とができる。

【００５５】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明の構成に加えて、可動ベーンの腹側の翼表面
に開口する第一静圧孔と、背側の翼表面に開口する第三
静圧孔をそれぞれ形成し、第一、第三静圧孔に生じる静
圧Ｐｖ，Ｐｓを検出する手段を備えたため、圧縮機の吸
気重量が少ないアイドル時にも可動ベーンの設定角度θ
の検出精度を十分に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す圧縮機の縦断面図。

【図２】同じく可変案内翼の横断面図。

【図３】同じく図１のＹ−Ｙ線に沿う可変案内翼の横断
面図

【図４】同じく各可動ベーンの作動状態を示す可変案内
翼の横断面図。

【図５】同じく静圧比Ｐｖ／Ｐｆに対する可動ベーンの
設定角度θの検索テーブル。

【図６】平行な翼列を示す断面図。

【図７】平行な翼列における翼表面の速度分布図。

【図８】本発明の実施例における翼表面の速度分布図。

【図９】他の実施例を示す圧縮機の縦断面図。

【図１０】同じく図９のＹ−Ｙ線に沿う可変案内翼の横
断面図。

【図１１】さらに他の実施例を示す圧縮機の縦断面図。

【図１２】同じく図１１のＹ−Ｙ線に沿う可変案内翼の
横断面図。

【図１３】従来例を示す圧縮機の縦断面図。

【図１４】同じく可変案内翼の横断面図。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 羽根車 ３ 入口流路 ４ 可動ベーン ７ 固定ベーン ２１ 第一静圧孔 ２２ 第二静圧孔 ２３ 第三静圧孔 ３０ 制御装置（演算手段） ３１ 圧力センサ（圧力検出手段） ３２ 圧力センサ（圧力検出手段） ３３ 圧力センサ（圧力検出手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機の羽根車に吸気を導入する入口流
   路に環状に並んで配設される複数の可動ベーンと、各可
   動ベーンを回転させる機構と、可動ベーンの上流側に配
   置される固定ベーンを備える圧縮機の可変入口案内翼に
   おいて、前記可動ベーンと固定ベーンの翼表面にそれぞ
   れ開口する第一、第二静圧孔を形成し、第一、第二静圧
   孔に生じる静圧を検出する手段と、これらの検出値から
   可動ベーンの設定角度を演算する手段とを備えたことを
   特徴とする圧縮機の可変入口案内翼。
2. 【請求項２】 圧縮機の羽根車に吸気を導入する入口流
   路に環状に並んで配設される複数の可動ベーンと、各可
   動ベーンを回転させる機構とを備える圧縮機の可変入口
   案内翼において、前記可動ベーンの翼表面に開口する静
   圧孔を形成し、静圧孔に生じる静圧を検出する手段と、
   前記圧縮機の吸気重量を検出する手段と、これらの検出
   値から可動ベーンの設定角度を演算する手段とを備えた
   ことを特徴とする圧縮機の可変入口案内翼。
3. 【請求項３】 可動ベーンの腹側の翼表面に開口する第
   一静圧孔と、背側の翼表面に開口する第三静圧孔をそれ
   ぞれ形成し、第一、第三静圧孔に生じる静圧を検出する
   手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の
   圧縮機の可変入口案内翼。