JPS5990797A - 遠心圧縮機及び圧縮方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

光間の背Ｌ１ 木ブを明はｊ仝心羽（１４中に関し、特に、航空機カス
タービン１ンジンにＪｊい−Ｃ圧縮（幾最終［９としＣ
ＩＩＩいる遠心羽根中に関する。 ガスタービン１ンジンは、極め（小形の航空１幾以外の
あらゆる種類の航空機用の標卑１１Ｅ進諒となっＣいる
。航空１幾用ガスタービンエンジンはプレイトン（１３
ｒａｙｔｏｎ）間リイクルとじて作動し、その仕事出力
は高エネルギー排気または機械的軸回転としＣ現われる
。高１ネルギー排気流を牛するガスタービン１ンジン、
りなわちターボファンまたはターポジｌツ１〜土ンジン
では、圧縮１幾は一般に軸流≧１？である。ｑ１１１流
Ｈ縮機は、燃焼前に流入空気を１−［棉りる′１連の軸
流動Ｗ段からなる。回転軸をの刀スターじン１ンジン、
ずなわら、ターポジ１７）１〜またはターボブ目ツブ土
ンジンでは、軸流・遠心圧縮機のプフが多くの用途に比
較的良く適合づることがわかつＣいる。軸流・遠心圧縮
機は、ガスディツユ−１１と燃焼器のりぐ−Ｌ流に存り
る最柊遠心段の前に、純粋な軸流圧縮機に類似りる１連
の軸流段を有りる３、遠心段は最少の長さＣ・高度の月
二縮をも！こらり。 ＋１１１１流・遠心圧縮）幾にａ３いで用いる遠心羽根
車は軸流段と比べ（牧師の欠点をもつことがねかつＣい
る。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−
近３１丁大された諸ｊ卓心羽根車は軸流段の効率を達成
しえない。この効率上の欠点により、ターポジ［ツ１−
１−ンジンにａ３りる遠心羽根車の用途は限られ、にた
ターボシャツ１−型１ンジンにＪｊける軸流・ｊ仝心心
線縮機効率向上が防げられている。 発明の概１ 本Ｒ明は、入ｊ−１で回転中心線にほぼ平（ｊでありそ
り、　Ｔ出口−で回転中心線にほぼ垂直Ｃ′ある環状流
路が存りる多段遠心圧縮機を包含りる。前記流路の外面
は静止シュラウドによって画定され、その内面は羽根車
回転ハブによつＣ形成される。羽根車はハブに装着され
た少なくとも２列の羽根を具励する。これ１）の羽根列
は相異なる数の羽根を右りることが好ましい。 遠心圧縮（幾の人１−１にｄ３りる第１羽根列または吸
入段Ｃは、各羽根はぞの根元から先端まＣ゛相異るほぼ
最適空気流線に適合づるように形成される。 これにより、羽根列の出に１におりる流れはｔｕｔ　Ｌ
／　Ｃ一定圧力の流れとなる。 吸入羽根列は、毎秒１，２００フイー１〜を超λる温度
修正羽根先端速度と合致づる流体超音速マツハ数州とし
Ｃ設計されうる。 まＩこ、第２羽根列が遷移段として存在し、この羽根列
では複数の羽根が第１羽根列から軸／ｊ向（こ離れ（い
る。第２羽根列の各羽根はまた、・ての１１４元ど先端
においＣ相異なる空気流線に適合りるＪ、うに形成され
、これにより、羽根列の出１」にお（ｊる流れは概しＣ
一定圧力の流れどなる。 好適実施例では、第３段づなわち排出段が羽（１４車の
第２段から離れた位置に存する。！１１３段は羽根車出
口の流れ特性に従って最適にされる。ｔＪｌ　ｌｊ段の
羽根は空気流出［１に８３いて羽根車ハブに対しい。 々ｊ適実施例に、１３い（、各羽根列段は、各羽根が傾
斜（１ｅａｎ）を含む形状を有りるような接散の羽根か
らなり、この形状により羽根の根元と先端にｄ３　ＧＪ
る流体の拡散が実質的に等しくなる。各段に１１３１Ｊ
る羽根列の輔ｌｊ向長さは羽４１！！先端傾斜を最小に
りるのに十分な稈短い。りなわら、羽根の傾斜は各羽根
列に沿うどの場所でも１２°〜１５°未届に制限される
。 好適実施例の一１ｈ性は、羽根車の各流れ区域に３・１
りる最適羽根角度に従っ（流れを最適にりるため（８羽
４１４列をないに１１１１方向にずらしく゛あることＣ
ある。さらに注意りへきことは、回転羽根列の羽根数ま
たは弦節比（ソリディ７−イ）の変化により、圧縮され
つつある流体の拡散率が遠心圧縮１幾全体にわたつ（は
ぼ一定に保たれることｃｄ９る。 好適実施例の他の一特性は、回転羽根列の間に静１羽根
列が存しないことである。さらに、遠心羽根車は、各羽
根列が一緒に同じ速度ぐ回転しぞしＣ羽恨相７１の相夕
・１位置が変わらないＪ、うな一体物である。ただし、
羽根車は別々の部（１を引立ＣたものでもＪ、いことに
注意されたい。 第１図は従来の軸流・遠心圧縮機２０を備えたガスター
ビンコーンジンの中央部分を貫通づるカス流路を承り。 人］」２１からの空気は動翼２４と静６、　　　翼２２
の１連の軸流段を通過する。回転する仝軸流段は？ど気
を前方に駆動し、これによって空気を効ψ良く圧縮りる
。空気が圧縮（幾２０の軸流部を通った後、遠心羽根ｉ
ｎ　２６は空気を外りに駆動しさらに空気を圧縮りる。 その後圧縮空気はデ゛イー）：２−リ゛２８と燃焼域３
３０に流入覆る。遠心羽根車２Ｇでは空気容量は羽根車
自体と羽根車シュラウド２３とにＪ、っ（定められる。 圧縮空気は燃焼域で加熱され、タービンノズル３２と回
転するタービン

【」−夕３　／ｌを通過し、その際高温
高圧ガスによる仕事がなされる。 第２図は第１図の断面図に示した従来の遠心羽根車２Ｇ
の斜視図Ｃある。複数の一体の回転羽根３　Ｂが、遠心
用力場におい゛Ｃ空気を圧縮りるＪζうに設泪されたね
じれ薄機としＣ説明されうるにうに設（〕られＣいる。 また、複数の分流羽根４０がそれらＪ：り大きな連続羽
根３８の一部分の長さの羽根として設りられ、これらの
分流羽根は、空気入１’ｌ　４２から出１１４４までの
羽根車円周の増加に伴う空気流路の１法増加によるカス
流の過度の拡１１ｋを防１トする。最新の羽根車は一般
に一体に１幾械加土されることに注意されたい。 ？と気は軸方白人１−１／１２から遠心羽根車２６に流
入ηる。入［［に入る空気は遠心羽根中の上流の軸流１
．ｔ　ＮＩ？ｉ段にＪ、っ（既にＩｉ：　ｉｆｌされｉ
（イる。従っ’Ｃ１入ｒ］にＪ３りる空気は回転中心線
に平行な方向に流れぞして既に畠１宴に圧縮されＣいる
。羽根車内の空気の内側流路面は羽根車ハブ２７によっ
て形成されている。空気自体は羽根車の羽根３８′にょ
っＣ前方に駆動されＣ圧縮され、これは羽根の根元２９
から先端３１までの羽根全体ににつ（行われる。空気が
遠心羽根車を通流づるにつれ、流れの／ｉ向は回転中心
線に平行な方向から回転中心線に重直な全り向（ご変化
りる。空気は、出［１４４にｊヱづるよＣ゛に、干どし
て回転中心線から外方に向かっ（移動し、ｂは＼ゝ）回
転中心線に沿つ−く流れない。 その点にｄ３１Ｊるフ１１−ツイールトリ゛なわら流れ
の場はｊ９心ノ目−フィールドとし”ｃ　ｒｔ２明され
・）る。 というのは、遠心羽根申出に、＋　４　／Ｉに、１３４
Ｊる空気の主ｊｊ向は接線方向だからＣある。ここに示
した従来型の羽根車には幾つかの制限があり、これらか
羽根車の効率を制限でる。これらについ°Ｃはもつとグ
ラフで後）ホＪるが、第２図も参照されたい。 第で３図は、第１図の圧縮Ｉ幾にｄ３いて従来の羽根車
２６の代わりに設ｃノうる本発明にＪこる遠心羽根車３
６の断面図でｉ１５る。第１図の圧縮機にＪ３　Ｉｊる
ように、空気は圧１ｌｉｉ機人口２１に入りぞしく１連
の軸流動翼段２４ど静翼段２２を通る。しかし、遠心羽
根車３６は後【こ訂述づる３つの新規な流れ区域に分り
られＣいる。空気は回転中の遠心羽根車を通った後、ｊ
′イフコー１ｆ２８と燃焼部３０どタービンノスル３２
どタービン１−夕３／ｌを通る。。 高温高圧カスからタービンによっηエネルギーが取出さ
れ従来の１３Ｅ　ｌｉｄ　ｆ幾にお＋Ｊるよ・うに仕事
がなΔれる。本発明の一利点は、−丁ンジンＮＪ　ｎＱ
　ｉ’ｊｌの追加費用の必要なしに新規羽根車３６を圧
縮機２ｏにＪ３い−（従来の羽根車２０の代わりに用い
うることＣ゛ある。 第４図は本発明にＪ、る第３図の遠心羽根車の斜視図ぐ
ある。この遠心羽根車３６は３つの羽根列４６、／ｌε
３．５０で構成されＣいる。空気は人口４２を通っ−Ｃ
流入しぞして出口４４がら流出リーる。 ２３つの個別の流れ１ス域を設りることにより、遠心流
特性は最適になり、効率の良い流れが得られる。第１１
メ域は【まどんどＱ’＋ｂ力向の特性を有づる吸入段と
げばれる独立の羽根列４６である。第２羽（１４列／Ｉ
　８４Ｊ羽根車ハブ２７の半径が増大りるにつれＣ軸流
特性が漸減し−でして遠心特性が漸増づるような遷移域
または混合流域である。ハブ２７は羽根の根元２９にお
りる羽根車表面ど定義される。 流れ１メ域５０　ｔ、Ｌ、空気流が軸流列におりるＪ、
うに回転中心線に沿うのではなく主として回転中心線か
ら外りに向りられるＪ：うな、主とじで、回転する半径
方向流の１区域である。 本設計の重要性ど利点は、この図から直感的に理解しえ
ないかししれないが、以下の設ｎ１パラメータに基づい
〕Ｊμ２明から理解されよう。遠心羽根車を相異なる羽
根枚数の３つのμ域に分けることにＪ、す、最大限の効
率が得られ、そしＣぞの効率は従来の遠心羽根車におい
Ｃ可能な効率Ｊ、り大幅に高くなる。 圧縮機は空気入［１がら空気用［１まぐに特定の汁力比
を生ずるように設計される。遠心羽根車を用いるタービ
ン土ンジン最終段ぐは、空気流をほば一定の率Ｃ拡散さ
υることが非常に効率的である。 これは、流速の（（（下と空気圧の上４が羽根の人【ｉ
から出Ｌ１までほぼ一定の率で生ずることを意味づる。 もし拡散率が高りぎれば、羽根車は効率の良いポンプ作
用をなさずそし“Ｃ空気流はハブの近くで離れるのぐ、
損失が増加覆る。 第５図は遠心羽根車の流れ容積内の最適空気流パターン
の空気力学的流線を承り。これらの空気流パターンは、
よ＜１！［！解しうるように、周方向に展開されかつ簡
略にされている。この図は３次元流の２次元表示と考え
るべぎものＣある。図示の流線は特定圧力比の羽根車に
対して最適にされているが、以下に述べる最適化の６式
は一般に諸遠心羽根申に適用可能０ある。流線は、羽根
の根元ど先端Ｃはぼ等しい率の拡散を生ずるように、ま
た、一様に増加りる斤力比を生ずるように最適にされて
Ｊ３つ、これらの敗因が効率の良い流れをも１こ　ら′
リ　。 線５２は羽根車の羽根の先端にＪ３りる最適空気流パタ
ーンを承り。羽根の先端は羽根車ハブから最・も遠い羽
根の部分Ｃある。線５／１は羽根の根元に（１３１〕る
最適空気流パターンを承り。羽根車に沿う空気流はこれ
らの１ｌｉｌで表わされ、ぞしＣ流れは羽根車の周囲に
沿っＣ連続Ｃあるから無数の線を引きつる。 従来の羽根車は最高効率の流れの発生に要するＪｕ適流
線に追従しえない。最新の従来型遠心羽根車では、各羽
根は羽根車の前端のガス人口からその１多端のガス出口
まで延在りる側角の金属製ねじれ薄板からなる。羽根３
８（第２図）は少なくと６人Ｌ１にａ３いｌ’　ＩＩＷ
　Ｌ／て半径方向を向い−（いる。というのは、この羽
根はその回軸中心からその先端または最外縁に向かう半
径り同線に従うように作られ−Ｃいるから（・ある。従
来の遠心羽根車ぐは、流路の人［１おＪ、び中央部にＪ
３りる空気の拡散は羽根の先端３１の所より羽根車ハブ
２７の近くの方がずっと高い率になる傾向がある。 拡散は流体速成の減少および流体圧力の増加と定義され
る。ｌ　’−Ｄ）ＡイルによっＣ空気になされる拡散の
量は、空気流速に対りるその速度と、その羽根ターニン
グとに比例りる。羽根ターニングとは、２つの隣合う羽
根によって形成される流路の流れ角度の変化のことであ
る。 ハブにＪ５い−Ｃ生ずる拡散は羽根車の半径方向羽根の
先端に生ずる拡散より多い。なぜなら、回転物体の回転
速度は回転中心からその最外点に向かって増加りるから
である。従っ−（羽根の先端３１は羽根の根元２９より
速度と遠心加速度が高い。 それゆえ、ガスは羽根の先端３１近くで、概しく半径方
向の羽根の根元２９にａ３Ｇ）るより高い速度で流れる
。 カスを流れの場におい−（効率良く圧縮するには、カス
が圧縮機を通るにつれてガスを羽根の根元から先端搏ぐ
比較的一定の率Ｃ圧縮する必要がある。 拡散を一定ぐない率で発生さｌることは効率が良くない
。なぜなら、それは乱流を増しそして圧縮機の有効Ｆｆ
力比を減ら１傾向があるがらぐある。 さらに、ハブ近くの高い拡散率は空気流の停滞と失速を
もたらり。 第５図に承りように、羽根車の根元と先端におりる空気
流の最適空力形状は、もし根元と先端にｄ３い（はぼ等
しい速度の拡散を保とうとりれば、相異なる。最適空力
形状が異なるのは、羽根にょっ−（与えられる１−目フ
ォイル力が異なるがらである。前述のように、羽根先端
の絶対速度は根元の絶対速度より高く、回転中心からの
羽根の半径方向長さにＪ−っで定まる。これは、各回転
中に羽根先端によってえがかれる円の円周が羽根の根元
による円周より大きいからＣ゛ある。この円周の差は羽
根車が遠心形になればなるほど減少づる。空気用［１４
４ぐは円周の差は存在しない。な「なう、羽根全体は回
転中心から同じ半径の所にあるがらぐある。しかし、羽
根の長さのほとんどにわたり、羽根の先端は各回転中根
元より長い距離移動し、従っで、根元より早い速度で移
動覆る。 第６図に実線断面図で示１羽根６１は半径方向の羽根ｅ
ある。先端３１は一定断面におい（根元２９の真」ニに
ある。その結果、空気流を慣゛切る羽根先端速度は根元
速度より実質的に大きい。半径方向羽根【よ、均等な羽
根角度をもら、羽根先端速度が羽根根元速度Ｊ、り高い
結果として均等圧縮流を生じないことは明らかである。 Ｉ　−ＩＪフォイル速度とは無関係に流体になされる仕
事を変えるためには、流体流に対りる羽根角度を変え４
Ｔりればならない。流れにお番〕る羽根角度が変わるに
つれ、流れになされる仕事の舟も変わる。しし羽根の根
元が流体流に対しく、先端がなす仕事より少ない仕事を
なりように１れば、比較的高い先端速度の効果が相殺さ
れそしくハブと羽根先端どにａ３い°Ｃ比較的等しい拡
散率が確立される可能があることが推定されでいる。 羽根の根元と先端に独自の設泪１ｊ＋ｔ　１！じを適用
りることにより、第７図に示１ような羽根が製造される
。この・羽根はねじれ薄板と古えるものＣ′ある。 このような羽根はその根元に対りる先端のねじれによる
多数の独立形状を右りる。ぞの結果１ｑられる羽根は先
端から根元まＣ゛連続的に変化りる諸形状をイｊりる。 このようにし゛（、連続的な羽根形状が保ＩＪれる。こ
の設ｈ１特性の結果、羽根の先端は根元から周方向にあ
る距離だ番）離され、そし°Ｃ傾斜しＣいると言われる
。 従って、ハブ２７と羽根３１との間の拡散差を補ＩＦｔ
りるため、従来の羽根車の羽根はハブから羽根先端；Ｌ
で１傾斜」して回転中心線からの？：′径方向線からず
れるように設Ｓ１される。傾斜（ｌｅａｎ）は、羽根の
先端が、一定軸り向距離におい−（回転中心線から引か
れた半径方向線からずれる量と定義される。これは第６
図の羽根６３によって示される。従来の羽根車は、以下
に述べる理由から、羽根の根元から先端に至るまＣ比較
的良く制御された率の空気拡散をもたら°りために傾斜
を充分に利用づることかできない。 遠心羽根車の羽根の先端と根元にお（）る最適空気流形
状を承り第５図について再び説明りる。羽根車の羽根角
度を先端形状と根元形状の各？ｉＹからの任意の１対の
形状に合わけることにより、理論的に均等４に拡散をも
たら１連続羽根５１が作られ、比較的均等に圧縮された
流れが得られる。同図の最上部にある圧縮１本の入口部
分では根元と先端におりる流線の角度に大きな差がある
。このような流線のずれの結果、羽根５１の入口は、第
８図の斜視図に見られるように、根元に対り−る先端の
非常に大きな傾斜を承り。この傾斜は羽根が空気流に沿
っＣ進むにつれて減少し、そしＣ形状の交差が起こる。 しかし形状の交差後、傾斜は再び増加し・始める。羽根
車の遠心部分における流線形状は非常にＪ、く似た形状
になるが、上流の空気流形状は大ぎむ傾斜を要し、これ
は羽根車出口まで続く。 このＪ、うな羽根は理論的には被制御拡散流路を形成し
うる。しかし、こうしく作られた羽根は製造がほとんど
不可能であり、もし′！Ａ造されたとしても、実用−１
−効率が悪くかつ極めζ゛もろいものになろう。 いか４【る空気力学的に健全な薄い１−ロフオイルにも
要求されるような高度にみがかれ／ｊ連続表面を形成り
るには、精密な機械加工が必要である。 第１２図には、展開したロータハブに装着した１連の高
度に傾斜した羽根５１の一部を示しＣある。 通ｋ”８６　Ｇを機械加Ｉ　’９るには、いかなる種類
の機械工具を用い−Ｃも、隣接羽根を破壊（ることなく
羽根を適切に形成りるようにその工具を羽根の基部に降
ろブことは回動である。羽根の傾斜とハブに沿う羽根の
ねじれとの組合わせにより、羽根の根元の下側を加工づ
ることはでさない。これは比較用の第１１図に承りよう
な半径方向または半径り向に近い羽根６０にはあてはま
らない。これらの羽根の表面を機械７１１１　Ｉ　’ｄ
るために工具を羽根相Ｈ間に降ろ゛りことは比較的容易
ぐある。上記の製造の困難さは羽根の傾斜を約７５°以
下に制限し□てきた。 しかし、製造だ番）が、高度に傾斜した羽根５１（第５
図、第８図）に伴う問題ということではない。最新の圧
ｆｌｉｔ　１ｍで１よ、遠心羽根車は９’　Ｏ’、　’
００Ｑｒｌｌｌｌｌにも達りる速度Ｃ回転しそし゛Ｃ入
口空気を超音速相対速度で受入れる。第６図は羽根小人
１’１における羽根の拡大断面図である。完全に半径方
向の羽根６１が実線で示され、羽根６］の中心は回転中
心線からの半径方向線に従う。また、Ｊｌ　’Ｉ’径方
向の羽根（３３が点線Ｃ示され、前）２１（のよう４１
傾斜を右づる。傾斜羽根６３はそれに作用りる求心加速
度を受【）、次のような力、りなわち、その羽根をまっ
づぐにしく半径方向羽根にしよ−）とりるような力を生
ずる。この力は傾斜回転羽根にかかる主応力である。 求心加速度は傾斜羽根６３の、ハブ近くの根元に高応力
を生ずる。実用上、遠心羽根車に６３　Ｌ）る応力にＪ
、り傾斜は約１２°〜１５°以下に制限される。 説明の１こめに述べると、糸に取付りられ（回される鉛
筆は回転中心線からまつ１ぐ外方に向く姿勢を保とうと
りる。これはまた羽根車の羽根先端にもあてはまること
である。従っＣ６１のような半径方向羽根は根元にほと
んど曲げ応力がかがらり“、張力を受け、まつりぐな外
向き回転位面を保つであろう。しかし、高度に傾斜した
羽根５１の場合、羽根に作用りる力は羽根をまっりぐに
しようとりる傾向をもつ。従っＣ１根元に生ずるヒンジ
点では、羽根は張力とともに曲げ力を受１）る。 従って、傾斜羽根は、同じ速度−ぐ回転りる半径方向羽
根Ｊ：り高い最大応力荷重を受（）る、。 羽ｔｔ４　！５１にＪ５ＧプるＪ、うな大きな羽根傾斜
の別の欠Ｊ１πは、現在製造される最も効率の高い航空
機ガスタービンに用いられるような最新の遷音速圧縮１
幾にａ３いＣのみ存在りるものである。このような圧縮
機では、羽根小人［］に近い空気速度は超音速である。 従っＣ１回転羽根は超音速栴撃波を受りる。このような
超音速衝撃は羽根の傾斜とともに超音速相対速度の流路
の効率的な設ｈ１を大いに複雑にする。従って、現用羽
根車に要りる大きな羽根は効率の良い超音速設計を非常
に困難にする。 前述のように、羽根の速度は回転中心からの半径方向の
距離が増りにつれ−Ｃ増加する１、シかし、遠心用［１
にＡ３４Ｊる流れは完全に異なる。空気流は回転中心線
から遠心的に外方に向りられる。従っＣ−１羽根の先端
ど根元は同速瓜で回転ηる。なぎなら、ぞれらは回転中
心線から同じ半径方向距離の所にあるからである。効率
の良い流れを生ずるためには、遠心出口にお（〕る羽根
はハブに事実上垂直で４「りればならない。従って、羽
根５１に最適な空気流形状と、入口における合理的な傾
斜をイｊ１゛る連続羽根どの結合にＪ、す、効率の悪い
出口５８が形成される。このような出口形成の結果、羽
根小出「ｌを翻１れる流れは大いにゆがんだ乱流となる
。羽根車出口を出る空気は羽根車によ−）で生ずる遠心
性の流れの場を離れそして静止ディフューザに達りる。 出口の空気の乱流をディフューザで効率よく処理゛する
ことは非常に困難である。 次に第５図と第８図について再び説明りる。非半径方向
連続羽根５１が効率的でないことは既に示した。このよ
うな羽根は容累に製造され得ず、仮に製造されたとして
も、曲げ応ノＪの故に可能回転速度についＣ制限される
Ｃあろう。 従って、従来の羽根中は、第９図の従来形の羽根３８に
よって示されるように妥協の産物である。 羽根３８は先端でも根元ｒも最適形状に従わない。 従っＣ１流体の拡散率は、ハブから羽根先端までそして
軸方向に羽根の長さに沿って幾分不均等である。この妥
協は、幾らかの傾斜と適当な遠心用Ｌ」とを有りる適当
な羽根の製造を可能にづる。空気用【コを出る空気の流
れ形状は乱流と２次流とを右覆る。これは不均等な仕事
がなされたことと高い拡散率とによるものである。 従来の遠心羽根車に伴う別の問題は、ハブの半径が人Ｅ
ｌから出口まＣ増加するので羽根が末広に配列されるこ
とである。この末広配列の結果、羽根相互間の空気通路
の幅が増しそしＣ空気の拡散が増す。羽根から有効な作
用を受【ノない空気は減速°りなわち拡散Ｊる傾向をも
ち、この減速の結果圧力が大いに上昇づる。圧縮機のポ
ンプ作用は急速な拡散増加によつ（効率が低下覆る。 従来の羽根車（′は、第２図に示し１〔分流羽根４０の
使用により−Ｆ記の過大拡散を制限する努力がなされで
きた。分流羽根４０は羽根車の人口から出口まで延在り
る従来の連続羽根３８の前部を短縮したものである。分
流羽根は入口の下流から存在し始めそして連続羽根が終
わるガス出口で終わつＣいる。連続羽根相Ｕ間の流路内
の流体に作用りるこのにうな前部短縮羽根は効率の向上
を可能にりや、１しかし、分流羽根は連続羽根に従っ（
／〕向づ（）られる必要があり、そし゛Ｃ連続羽根にＪ
、っＣ形成される流路の中央に最善に配置されるのＣ゛
、設バ１上の妥協がなされ、羽根の効率を制限−４る。 さらに詳述゛りるど、分流羽根が、過大拡散を完全に制
御するようにガス流に完全に適合されることはありえな
い。 従って、従来の羽根の一屈性は、空気がハブの近くで′
あまりにも早く拡散づる傾向をもっことＣある。羽根３
８は完全半径方向羽根を改良したものであるが、それＣ
も、羽根３８は理論的に可能な連続遠心羽根はとには、
均等圧縮流の発生に関し−Ｃ効率的ではない。従来の羽
根は、上）ホの要因による強制的な妥協の産物Ｃある。 従っｃ１従来の連続羽根は１５°未渦の傾斜に限定され
、これはハブにおりる過剰拡散の防止には不十分である
。 第５図の右方に３枚の羽根４６．４８．５０が存覆る。 これらは大いに改良されＩＣ高効率の空気流をもたらし
、最適羽根形状にさらに密接に従う。 これら３種の羽根はりべて、第１０図の斜視図に小りよ
うに、（幾械加十可能でありか′っ機械的に安定ひある
。 本発明の一利点は、単一遠心羽根の代わりに数枚の羽根
を用いることに存りる。これらの羽根は空気流の数部分
に沿う流れ形状組合わけの更新を可能にηる。従っ−Ｃ
１羽根角度を最適な理論的流れ形状に比較的効率Ｊ、く
合わ１ことがＣきる。 第５図に示した流れは無数の流線に分割しうる連続流と
考えうるしのＣある。従っＣ１流れ形状組合わせの更新
によって、羽根角瓜を相異なる流線に最適態様で合わり
ことができる。連続羽根は流れ形状組合わｌの更新をす
ることができない。 なぜなら、連続羽根は本来、羽根車の全流路に対しＣた
だ１紺の流線だＣ）に従うＪ、うになつζいるからであ
る。 多数の羽根列の使用は、単一連続羽根を前）本のような
１５°限界以上に傾斜さけえたと仮定した場合と１；１
ぼ同様に、空気流の制御を増大しつる。 効率ト、同じ空気流特性に従う連続羽根はずつど人きな
傾斜をもつぐあろう。 第１羽根列すなわも吸入段４６は、はとんど軸方向の特
性を右りる傾斜羽根列である１、高い効率を得るために
、圧縮（幾羽根列の設計に一般に用いられる原理加えて
２つの主要設ツ１原理に従っ−Ｃ設計がなされている。 吸入段は第５図に示した最適流線に従うように設計され
、これにより、吸入羽根列は特定圧力比の流れを生ずる
ように、そして羽根の先端と根元にお【）る拡散率の差
を最小にづるように設へ１されＣいる。これは羽根の根
元ど先端にｄ３　ＬＪる相異なる羽根角度形状に従っ（
−なされる。最適流線に従うことにより、羽根車ハブお
よび羽根根元域は羽根先端に対して空気力学的に無荷重
となっＣいる。 もしハブが羽根の先端に対して無荷重でないとづれば、
小さな流れ面積と羽根の根元の遅い絶対速度とにより、
望ましくない圧力上行と空気流停滞にＪ、る効率ｆＬ（
下が生す゛るであろう。羽根の根元と先端にＪ３りる拡
散率は、もし吸入段が最適流線に従っ、０段Ｍされれば
、はぼ等しくなる。しかし、羽根の軸方向長さは短縮さ
れているのぐ、拡散率を等しくりるために用いられた傾
斜は幾何学的ｄ３Ｊ、び空気力学的￥［容限度内に制限
される。 効率をさらに良くＪる一助としＣ１吸入段４６の羽根列
を離れる空気の圧力が均等化される。これは、羽根の後
縁を離れる空気の羽根車ハブからシ、１ラウドまでの空
気圧が比較的不変Ｃあることを意味り−る。 従つ“Ｃ１吸入段は羽根車の人口域に対して最適にされ
−Ｃいる。吸入段の後には短い軸方向間隙４７（第１０
図）が存し、この間隙ぐは、空気流が羽根車によってさ
らに圧縮されることはない。この軸方向間隙は空気流の
混合を可能にし、そして後続の羽根列の形状変化を可能
にＪる。Ｍ移設４８が羽根車流路の中央部分の最適流れ
特性に従っ（設泪されている。 遷移段／１８は、羽根車の比較的軸り向の前部から、排
出段に近い比較的遠心性の１ス域までの流れを扱う。こ
の羽根列４８もまた第５図に示した最適流線に従う。羽
根列は半径方向に傾斜し、羽根の根元から先端まＣ比較
的一定に制御された率の拡散を可能にりる。吸入段の場
合のように、羽根の根元は羽根の先端とは異なる羽根角
度形状に従い、これにより羽根は根元と先端とのＩ！ｊ
１転速度差と、回転効果によっ（生ずる効率低下とを補
１６シうる。羽根死出Ｌ］にＪハブる空気圧力はこの設
置によっＣ比較的一定に保たれる。 末広の羽根角度形状りなわち最適流線の使用の結果、羽
根は傾斜をもつ。吸入段の羽根の場合のＪ：うに、軸７
ｊ向良さはｌｌｎ斜を８′Ｆ容限度内に制限りるように
定められる。前述の基準に従うことにＪ、す、ずっと効
率の良い遷移域が設りられる。連続羽根では、遷移域は
空気の人口４２と出口４４の空気力学的および機械的構
造要件に合うように妥・協約に設番ノられなＬＪればな
らない。 、吸入”Ｌｉ５ｔ車列の場合のように、遷移羽根列４８
に続く短い＠ｈ向周間隙４９存在りる。この軸方向間隙
４９は、排出羽根列５０の形状変化と列間の空気流混合
とを可能にする。 遷移段を離れる定圧空気流は排出段５ｏに入る。 遷移段と同様に、排出段は全体的に羽根車の排出域に対
□し−Ｃ最適にされうる。空気流は排出羽根５０の長さ
のほどんどにわたっＣ遠心流路に従うのＣ１効率的な出
口により空気は羽根車から遠心的に外力に投げ出され静
止ディフューザに入る。これをな１効率的な方法は、羽
根を出口においＣハブに対し−（垂直に配路することに
Ｊ、る。出口におけるこれらの羽根は回転中心線から同
じ半径方向距Ｈの所にあるので、垂直性の欠除の度合は
、混同を防ぐため、傾斜（ｌｅａｎ）ではなく傾ＩＩ（
ｒａｋｅ）と呼ばれる。ここでと／しな傾斜が４１！ｌ
“るがは、羽（１４の出口１位置の上流羽根位置に対す
る関係におい−Ｃ説明される。前述の傾斜制限問題は排
出羽根列ぐはそれほど重要Ｃない゛。なぜなら、求心加
速庶に関し、羽根はその側部に沿って強固に保持されぞ
し−（曲げ荷単に対りる耐久性が比較的高いからＣある
。従つＣ１応力は先行羽根列にＪ３りるより刊出羽根列
にＪ３りるｈｌｆｉ　ｆｆＩ要１！１の少ない因子（゛
ある。 排出羽根５０も、第５図に示づような＠通流れ形状に従
うために幾らかの傾斜をもた１、ＮＪればイ１らない。 先ｆｊりる２つの羽根列の場合のＪ、うに、流体の拡散
は羽根の根元から先端まＣ゛比較的一定に制御された率
に維持される。加えＣ１羽根車を出る際の流体の圧力は
排出域全体にわたー）Ｃ比較的一定である。 従って、多数の羽根を右する羽根車の諸般の前縁ど後縁
にＪ′３りる傾斜は、羽根の全高にわたって同様に制御
された率の拡散を達成りるために設ｎ１された従来の羽
根車の羽根に必要な傾斜Ｊ：りはるかに少なくなるとい
うことが示される。このような改良は、Ｙ１容傾斜を有
づる羽根流れ形状の最適化を可能にする。 これにより、３つの羽根列の各々においＣ効率化の要イ
′１が満たされるので、多段羽根車によって生ずる流れ
は従来の羽根車の流れよりはるかに高い効率レベルにあ
る。連続羽根型羽根車は幾何学的問題と空気力学的問題
のいずれにも多段羽根車と同様に効率の良い仕方で対処
】ることは不可能Ｃ゛ある。 しかし、多段羽根車の使用による別の改良点がある。３
つの別個の羽根列があるので、各羽根列に、１３りる羽
根の数を、流れ面積と、回転速度と、各段に要Ｊる圧力
比とに合うよ−うに変えることがＣきる。別々の羽根列
は最大効率をもたらすように相Ｈに対して周方向に調整
されつる。さらに、すれらは、後続の羽根列の前縁が先
行羽根列の後縁の上流で始まりうるにうに製造されうる
。 各羽根列にＪ３いＣ１流体に作用りる羽根は流れ面積に
合わされ、そこで羽根列はまた、空気が羽根列を通流す
るにつれで制御された率の拡散を生ずるように変えられ
る。羽根の数と形を最適流れ特性に合わせることは効率
向上に大いに役立つ。 前述のように従来の羽根は同程度に高い効率レベルに達
しえない。なぜなら、連続羽根の妥協流路に従うことだ
（）しかできない分流羽根を加えることににす、羽根の
数または弦節比を変えることだ【プしかぐきないからＣ
ある。 さらに注意リベきことは、３つの羽根列がすべて機械加
工しやすいことである。羽根中自体は単一物として、あ
るいは組立−Ｃられる多数の部片とし゛Ｃ製造されうる
。本設計方式の別の利点は、前後の羽根列に相異なる材
料を用いうろことて゛ある。 これらのｖＵｌ’ｌは別々に機械加工可能Ｃあり、また
、使用位置の応力および温度レベルに対して最適な材料
選定を可能にする。本発明の好適実施例（第３図）では
、各羽根列（４６，４８，５０）は別々の部片どし−Ｃ
機械加工される。 要約りると、羽根列間で羽根の数を変えることと、羽根
車の相異なる流れ面積に従って羽根列を最適にりること
により、従来の遠心羽根車の効率の悪さは大幅に改善さ
れうる。、既に示し／ｊ　Ｊ、うに、従来の羽根車に対
りる空気力学的および幾何学的抱束は、前１本のような
多数羽根列をもつ羽根車の使用によつ゛Ｃ克服される。 理論的計算と実験結果によれば、羽根の先端から根元ま
で拡散率を最小にしそして各羽根列間に比較的一定の圧
力を発生させることにより羽根車効率がかなり向」ニす
ることかわかる。遠心羽根車を用いるエンジンにＪ３い
−（必要な圧力比に基づき、遠心形ハソに設、１）る羽
根列の数を変えうる。比較的小形の羽根車の場合、必要
な羽根列は２列だ（）かもしれない。他ｈ、比較的高い
圧力比のポンプ作用をな１人形の羽根車では３列より多
い羽根列が事実上必要となるかもしれない。 前述したのは、遠心羽根車によつ′（達成が可能な空気
力学的効率をかなり高めるような遠心羽根車である。本
発明による遠心羽根車（よ金白様々なガスタービン１ン
ジンにおいＣさらに一般的に用いうるものぐｄ）る。 本発明による型の遠心羽根車は、事実上任意のガスター
ビンにおいて高効率の最終圧縮段としＣ使用され１［Ｉ
、軸方向段とそれらに伴うステータ部分とを除去りるこ
とにより土ンジン全長の短縮が可能Ｃある。これは、カ
スタービン土ンジンに、１３りるかなりの重量低減、従
っＣ１同」−ンジンの重量対推力比のかなりの向上を可
能にし、その結果、効率の向」二と燃１′３１消Ｙ−１
吊の低減をもたらり１゜以−［、本発明の実施例につい
°Ｃ詳述したが、もちろｌｖ、木ブを明の範囲内Ｃ幾多
の改変が可能Ｃある。本発明者が採用した前述の設８１
方法はその用法も適用の産物も従来の諸表れ１方式より
優れていると考えられる。本発明によれば、ガスタービ
ン用と非ガスタービン用の様々な類似の遠心羽根車の設
置１と構成が可能ひある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガスタービンＪンジンの断面図、第２図
は従来の遠心羽根車の斜視図、第３図は本発明を包含り
るｊ成心羽根車の断面図、第４図は本発明を包含する遠
心羽根車の斜視図、第５図は遠心羽根車のガス流の空気
力学的流線を示１図、第６図は羽根車の半径り内羽根を
実線でそして非半径方向羽根を仮想線ぐ示−Ｊ断面図、
第７図はねじれ薄板として設ｉｔ　した圧縮機羽根の平
面図、第８図は羽根車ハブに設置Ｊ　／、：最適流線に
従う１枚の高度に傾斜したハネの斜視図、第９図は羽根
車ハブに設りＩこ１枚の従来の羽根の斜視図、第１０図
は羽根車ハブに設りＩこ本発明による１組の羽根の斜視
図、第１１図は羽根車の複数の半径Ｉｊ向羽根の斜視図
、第１２図は羽根車の複数の高度に傾斜した羽根の斜視
図′Ｃある。 主な符号の説明 ２３・・・羽根車シュラウド、２７・・・羽根車ハブ、
２つ・・・羽根の根元、　　　３１・・・羽根の先端、
３３Ｇ・・・遠心羽根車、　　　４２・・・空気人口、
１４・・・空気出口、　　４６．４８．５０・・・羽根
列。 特許出願人 ビネラル・エレクトリック・カンパニイ代理人　（’　
７６３０　）　　生　沼　徳　二ＦｉｇＪ ７ｇ、１２　　　　　　Ｆｉｆ、Ｉｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　　（ａ）複数の羽根からなる吸入用第１羽根
   列であっ′Ｃ１その出口において概しＣ一定圧力の流れ
   を生ずるために各羽根がその根元と先端とにおいＣ相異
   なる実質的に最適な空気流線に適合しＣいるよう’Ｊ　
   ９！　１羽根列と、（ｂ）複数の羽根からなりそして前
   記第１羽根列から軸方向に隔たる第２羽根列であり−Ｃ
   １その出口にａ３いＣ棚しＣ一定圧力の流れを生ずるた
   めに各羽根がその根元ど先端どにａ３いＣ相異なる実質
   的にＲ適な空気流線に適合し°Ｃいるような第２羽根列
   とを包含りる流体圧縮用遠心圧縮機。 （２）　　　（ａ）入口においで回転中心線にほぼ）ｔ
   １行でありかつ出［１にＪ３いて回転中心線にほぼ垂直
   である環状流路を備え、この流路の外面は静止シュラウ
   ドににつ゛Ｃ形成されそし°Ｃその内面１；龜羽根車の
   回転ハブｔごにつて形成され、（ｂ）前記羽根車は前記
   回転ハブに配設された少なくとも２列の羽根を備え、（
   Ｃ）前記羽根列は相異なる数の羽根を右りる。多段遠心
   圧縮機。 （３）　　　＜、、ａ）複数の羽根がうなり、各羽根が
   、ぞの根元と先端にＪ３い−（流体の拡散をほぼ等しく
   ゛りる傾斜を含む輪郭を有するような吸入段と、（ｂ、
   、）複数の羽根からなり、各羽根が、その根元と先端に
   Ｊ３い（流体の拡散をほぼ等しくする傾斜を含む輪郭を
   イＩＩるような第２段とを包含する流体ｊ１縮用遠心■
   縮１幾。 （４）　　、（ａ＞羽根の先端と根元が作動流体にほぼ
   等しい拡散率を与えるように羽根先端輪郭を羽根根元輪
   郭と異なるようにしたねじれ薄板として形成された吸入
   羽４１４列と、（ｔ））羽根根元輪郭と羽根先端輪郭が
   流体用［１においＣ実質的に同じであるような、主とし
   −Ｃ遠心的な流れを生ずるように形成されＩζ排出羽根
   列とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項または第（
   ２）項記載の多段遠心圧縮１幾。 （５）　各羽根列の軸り向の長さが、羽根先端傾斜を極
   め−Ｃ少なくし、しかも羽根の根元から先端Ｊ、で羽根
   の高さに沿っ−Ｃ均等な流体圧縮を生り゛るためにはぽ
   等しい率の流体拡散をもたらり″ように定められること
   を特徴とする特９１請求の範囲第（１）項、第（２）項
   または第（３）項のいずれか−Ｉｆ１記載の多段遠心圧
   縮１幾。 （６）　前記羽根列を互いに軸り向にずらりことに１−
   り、相次ぐ羽根列が前記羽根車の各流れ区域に最適な羽
   根角バ〔に従って流れを更新しうイ）Ｊ、うにしｌζこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項、第（２＞　
   ＩＥ　：ｌ、たは第（３）項のい一す゛れか一項記載の
   多段遠心圧縮機。 （７）　前記羽根列が羽根列出口においＣ￥窟的に一定
   圧力の空気流を生ずるように形成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第（２）項または第（３）項記載
   の多段遠心圧縮機。 （ε３）　羽（ＩＩ！車の人Ｌ１から出Ｌｌに至るまＣ
   ゛制御れた率の拡散を維持Ｊるために回転羽根列の羽根
   数を変えることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   、第（２）項または第（３）項記載の多段遠心圧縮機。 （９）　遠心羽根中を囲む静止シュラウドを備え、この
   シ」ラウドは前記羽根車と其に圧縮ＩＮ　ｆｆ動流体用
   の環状流れ区域を画威し、この環状流域にａ３いＣ作動
   流体人口の流体流は羽根車回転中心線に本質的に平行で
   ありかつ作動流体出目の流体流は羽根中回転中心線に木
   質的に垂直Ｃ゛あり、また前記遠心羽根車は、少なくと
   も２つの羽根列を具備ｌノｒ（ａ）それが回転羽根列間
   に静止羽根を配設しない一体物としく回転し、（’　ｂ
   　）相次ぐ回転羽根列が面憎りる数の羽根からなり、（
   Ｃ）各羽根列が他のりへての羽根列がら離れＣいるよう
   な多段遠心圧縮機。 （１０）　　　（ａ＞少なくとも３つの羽根列を右りる
   均等に回転可能な羽根イ］きロータであって、（１）各
   羽根列が別個Ｃ不連続な機械形態のものであり、（ＴＩ
   ）各羽根車の羽根の数が、圧縮機全体にわたつ−（°制
   御されｌＣ率の流体拡散を生ずるように周方向の法面積
   と羽根車回転速度とによって決定され、（Ｉ［ｌｌｔ羽
   根列が伯のリペでの羽根列から軸）ｊ向に離れ−Ｃいる
   ような【］−夕と、（ｔ））前記［」−夕を囲む静止シ
   ュラウドであっＣ１（（１）前配置１−夕ど共にｔｔｇ
   縮機作動流体の環状流域を両威し、（ＩＮ前記ロータ・
   と共に作動流体の入口と出口を画成リ−るシュラウドど
   、（Ｃ）流体流が１１−タ回転中心線に木７」的に平行
   であるような流入１］ど、（ｄ）流体流がＬｌ−夕回転
   中心線に本質的に垂直である流出口とからな□る多段超
   音速遠心圧縮機。 （１１）　　　＜ａ）羽根の根元と先端におい−Ｃはぼ
   等しい串の空気流拡散をなずにうな最適な主としＣ軸り
   向の流れを牛り“るためにねじれ□薄板どして形成され
   た吸入羽根列と、（’ｂ）羽根の先端と根元に、１３い
   Ｃはぼ等しい率の空気流拡散をな゛りょうな軸方向と遠
   心方向の混合流を生ずるＪ、うに形成された第２羽根列
   ど、（Ｃ）主どして遠心性の流れを生ずるように形成さ
   れた１ノ１出羽根列とをざらに具備りる特許請求の範囲
   第（１０）　ｌ’ｉ記載の多段遠心圧縮１幾。 （１２）　前記羽根列が所要の羽根先端傾斜を１５°未
   渦に減らりように個別に形成されがっ１幾械的に相隔Ｃ
   られ、しかも各羽根の高さに沿っＣ概しＣ等しい拡散率
   を保つことを特徴とする特許請求の範囲第（１０）項記
   載の多段遠心圧縮機。 （１３）　前記υ１出羽根列の後縁が前記回転中心線に
   平行であり、事実−に傾度をもたずそして羽根車流体出
   口にａ３い（主どして遠心性の流体流を生ずることを特
   徴とする特ｎ請求の範囲第（１ｏ）項記載の多段遠心圧
   縮機。 （１４）　流体が遠心圧縮機を通流りるにつれて制御さ
   れた率の流体流拡散を生ずるように相次ぐ羽根列の羽根
   の増加を設計−４ることを特徴とする１２１訂請求の範
   囲第（１ｏ）項記載の多段遠心圧縮（幾。 （１５）　羽根列の少なくとも２つの流れ区域を有し、
   前記羽根列は互いに周方向にずれてＪ５す、前記流れ区
   域は、主としＣ軸り向の流体流を受入れる吸入域と、主
   として遠心性の流体流を排出する排出域とを含み、また
   各羽根列の羽根数が相異なるＪ：うにした多段超音速遠
   心羽根車。 ＜１６）ＪＨとして毎秒１，２００７−ｒ−１〜を超え
   る温度尚正羽根車羽根先端速度と合致する流体超音速相
   対速度用に設置１され、そしで先端（ごａ＞りる羽根角
   度が根元に（１３りる羽根角度と異なるＪ、うなねじ小
   羽根を有り−る吸入羽根列をさらに含む特ｉ′［ｉｉｉ
   ′ｉ求の範囲第（１）項、第（１０）項または第（１５
   ）　Ｉｎのいずれか一項に記載の羽根車。 （１７）　多数の部片を組立Ｃたちのであるｆｌ　ｉｆ
   ｆ請求の範囲第（１）項、第（２）項または第（１５）
   項のいずれか一項に記載の羽根車。 （１８）３ｇ＜心線縮機において流体流を圧１１１シか
   つ該流体流を軸方向流から遠心流に変える／ｊ法【あつ
   −Ｃ１（ａ）第１羽根列におい−Ｃ流体を最適軸ｙＪ向
   態様でＬｉ−縮りることど、（ｂ）最適な）卓心出１−
   １をｂつ排出羽根列にＪｊいて流体をさらに月潴８する
   ことと、（Ｃ）羽根の根元から先端まＣの羽４１４角度
   の変化により、流体が圧縮域を通流づるにつれＣ流体流
   を羽根の高さに沿つ（°はぼ等しい率（拡散ざＵること
   からなる方法。 （１９）　各羽根朝出ｒ、１にＪｊい−Ｃ流体の流れの
   揚を均等に加圧することを特徴とする特許請求の範囲第
   （１８）項記載の流体流圧縮方法。 （２０）　圧縮）層内の流体拡散率を人１」から出口に
   至るまで減らＪために羽根列毎に弦節比を変えることを
   さらに包含りる特許請求の範囲第（１８）項記載の流体
   流圧縮方法。 （２１）　一体の遠心圧縮機におい（流体流を圧縮しか
   つ該流体流を軸り向流から遠心流に変える方法ＣあっＣ
   １（Ｆ］）吸入羽恨夕１１に、１３０Ｃ流体を般適輔方
   向態様ｉ１”　ＩｆＩＩ？ｉ’Ｊることとくし））中央
   羽根＋１１においＣ流体を遠心流に道移りるようにさら
   に１■縮りることと、（Ｃ）最適遠心羽根列におい（流
   体をさらに圧縮りることを包含りるとどもに、諸羽根列
   の弦節比の変化により、流体が環状圧縮域を通流りるに
   つれ（流体流を比較的低い率Ｃ拡散さＵることを包含す
   る方法。 （２２）　各羽根朝出Ｌ１に、１３いＣ流体をはば一様
   に圧縮りることを特徴とする特Ｗ［請求の範囲第（２１
   ）項記載の流体流圧縮方法。 （２３）　最適羽根角度形状の間欠的更新にＪ：つて羽
   根傾斜を減らりことを特徴とする特許請求の範囲第＜　
   ２　′＋　）　ＩＪＩ記載の流体流圧縮方法。