軸流圧縮機

軸流圧縮機は、ガスを連続的に加圧できるガス圧縮機です。回転する翼型圧縮機で、ガスまたは作動流体は主に回転軸と平行、つまり軸方向に流れます。これは、流体の流れに圧縮機を通る「放射状成分」が含まれる遠心圧縮機、軸遠心圧縮機、混流圧縮機などの他の回転圧縮機とは異なります。

流体のエネルギーレベルは、流体にトルクを与えるローターブレードの作用により、コンプレッサーを通過するにつれて増加します。固定ブレードは流体を減速し、流れの円周方向の成分を圧力に変換します。コンプレッサーは通常、電気モーター、蒸気タービン、またはガスタービンによって駆動されます。^[1]

軸流コンプレッサは、圧縮ガスの連続流を生成し、特にサイズと断面積に関して、高効率と大きな質量流量という利点があります。ただし、大きな圧力上昇を実現するために数列の翼が必要なため、他の設計（遠心コンプレッサなど）に比べて複雑で高価になります。

軸流圧縮機は、ジェットエンジン、高速船舶エンジン、小規模発電所などの大型ガスタービンの設計に不可欠です。また、大容量空気分離プラント、高炉空気、流動接触分解空気、プロパン脱水素などの産業用途にも使用されています。飛行エンベロープ中の高性能、高信頼性、柔軟な操作性により、航空宇宙ロケットエンジン、燃料ポンプ、その他の重要な大容量アプリケーションにも使用されています。 ^[2]

軸流圧縮機は、回転部品と固定部品で構成されています。シャフトが中央ドラムを駆動し、ドラムは固定管状ケーシング内のベアリングで保持されます。ドラムとケーシングの間には翼列があり、各列はドラムまたはケーシングに交互に接続されています。回転翼列と次の固定翼列のペアはステージと呼ばれます。回転翼はブレードまたはローターとも呼ばれ、軸方向と円周方向の両方で流体を加速します。固定翼はベーンまたはステーターとも呼ばれ、拡散によって増加した運動エネルギーを静圧に変換し、流体の流れの方向を変更して次のステージのローターブレードに備えます。^[3]ロータードラムとケーシング間の断面積は、流体が圧縮されるときに 最適なマッハ数の軸速度を維持するために流れ方向に減少します。

流体は軸方向に出入りするため、エネルギー方程式の遠心力の要素は関係ありません。ここでは、圧縮は完全に通路の拡散作用に基づいています。ステータの拡散作用により、流体の絶対的な運動ヘッドが圧力上昇に変換されます。エネルギー方程式の相対的な運動ヘッドは、ローターの回転によってのみ存在する項です。ローターは流体の相対的な運動ヘッドを減らし、それを流体の絶対的な運動ヘッドに追加します。つまり、ローターが流体粒子に与える影響により、粒子の速度 (絶対) が増加し、それによって流体とローターの相対速度が減少します。つまり、ローターは流体の絶対速度を増加させ、ステータはこれを圧力上昇に変換します。ローター通路を拡散機能付きで設計すると、通常の機能に加えて圧力上昇を生み出すことができます。これにより、ステータとローターを合わせたステージあたりの圧力上昇が大きくなります。これがターボ機械の反応原理です。ある段の圧力上昇の 50% がローターセクションで得られる場合、50% 反応があると言われます。^{[引用が必要]}

単一ステージによって生じる圧力の上昇は、ローターと流体の相対速度、および翼の回転および拡散能力によって制限されます。市販のコンプレッサーの一般的なステージは、設計条件で 15% ～ 60% (圧力比 1.15 ～ 1.6) の圧力上昇を生じ、ポリトロープ効率は 90 ～ 95% の範囲になります。異なる圧力比を実現するために、軸流コンプレッサーは異なるステージ数と回転速度で設計されます。経験則として、特定のコンプレッサーの各ステージの温度上昇 (デルタ T) は同じであると想定できます。したがって、入口では、各ステージの温度 (Tstage) はコンプレッサーを通じて徐々に上昇し、比率 (デルタ T)/(Tstage) エントリは減少する必要があり、ユニット全体のステージ圧力比が徐々に低下することを意味します。したがって、後段では第 1 ステージよりも大幅に低い圧力比が発生します。流体とローターの相対速度が超音速であれば、より高い段圧力比も可能ですが、これは効率と操作性を犠牲にして達成されます。段圧力比が 2 を超えるこのようなコンプレッサーは、軍用ジェット機など、コンプレッサーのサイズ、重量、または複雑さを最小限に抑えることが重要な場合にのみ使用されます。

翼型プロファイルは、特定の速度と旋回に合わせて最適化され、調整されています。コンプレッサーは、異なるフロー、速度、または圧力比の他の条件で動作させることができますが、これにより効率が低下したり、フローが部分的または完全に途絶えたりする可能性があります (それぞれ、コンプレッサー失速および圧力サージと呼ばれます)。したがって、ステージ数と全体の圧力比の実際的な制限は、設計条件から外れて動作する必要がある場合に、さまざまなステージの相互作用によって決まります。これらの「設計外」条件は、コンプレッサーに柔軟性を持たせることで、ある程度緩和できます。これは通常、調整可能なステーターを使用するか、ステージ間のメイン フローから流体を抜き取るバルブ (ステージ間ブリード) を使用することで実現されます。現代のジェット エンジンでは、さまざまな速度で動作する一連のコンプレッサーを使用して、あらゆる飛行条件に十分な柔軟性を備えながら、燃焼用に約 40:1 の圧力比で空気を供給しています。

運動量モーメントの法則は、一時的に制御体積を占めている流体に作用する外力のモーメントの合計が、制御体積を通る角運動量フラックスの正味の変化に等しいことを述べています。

旋回流体は半径、接線速度 で制御体積に入り、半径、接線速度 で制御体積から出ていきます。 ${\displaystyle r_{1}\,}$${\displaystyle V_{w1}\,}$${\displaystyle r_{2}\,}$${\displaystyle V_{w2}\,}$

${\displaystyle V_{1}\,}$および はそれぞれ入口と出口における絶対速度です。${\displaystyle V_{2}\,}$

${\displaystyle V_{f1}\,}$および はそれぞれ入口と出口における軸流速度です。${\displaystyle V_{f2}\,}$

${\displaystyle V_{w1}\,}$および はそれぞれ入口と出口での旋回速度です。${\displaystyle V_{w2}\,}$

${\displaystyle V_{r1}\,}$および はそれぞれ入口と出口におけるブレードの相対速度です。${\displaystyle V_{r2}\,}$

${\displaystyle U\,}$ブレードの線速度です。

${\displaystyle \alpha}$はガイドベーン角度、はブレード角度です。${\displaystyle \beta}$

運動量の変化率 F は次の式で表されます。

${\displaystyle F={\dot {m}}\left(V_{w2}-V_{w1}\right)={\dot {m}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$（速度三角形より）

理想的な動翼によって消費される電力 P は次の式で与えられます。

${\displaystyle P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$

動翼内の流体のエンタルピーの変化:

${\displaystyle P={\dot {m}}\left(h_{02}-h_{01}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,}$

したがって、

${\displaystyle P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,}$

つまり、

${\displaystyle \delta (T_{0})_{\text{isentropic}}={\frac {U}{c_{p}}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$

ローターブレードの等エントロピー圧縮、

${\displaystyle p_{2}-p_{1}=p_{1}\left(\left[{\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right]^{\​​frac {\gamma }{\gamma -1}}-1\right)\,}$

したがって、

${\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{実際}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{段階}}\delta (T_{0})_{\text{等エントロピー}}}{T_{01}}}\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}$

これは

${\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{実際}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{段階}}U}{T_{01}c_{p}}}\left[V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right]\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}$

反動度、ローターブレードの入口と出口の圧力差を反動圧力と呼びます。圧力エネルギーの変化は反動度によって計算されます。

${\displaystyle {\begin{aligned}R&={\frac {h_{2}-h_{1}}{h_{02}-h_{01}}}\\P&={\dot {m}}c_{p}\left(T_{2}+{\frac {V_{2}^{2}}{2c_{p}}}-\left[T_{1}+{\frac {V_{1}^{2}}{2c_{p}}}\right]\right)\\P&={\dot {m}}\left(h_{2}-h_{1}+\left[{\frac {V_{2}^{2}}{2}}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}\right]\right)\\h_{2}-h_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2}}\\T_{2}-T_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2c_{p}}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2c_{p}}}\end{aligned}}}$

したがって、

${\displaystyle R={\frac {V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}}{V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}+V_{1} ^{2}-V_{2}^{2}}}\,}$

Greitzer ^[4]は、ヘルムホルツ共振器タイプの圧縮システム モデルを使用して、定常動作条件に小さな摂動が重なった後の圧縮システムの過渡応答を予測しました。彼は、圧縮機の不安定性のどのモード (回転失速またはサージ) が発生するかを予測する無次元パラメーターを発見しました。このパラメーターは、ローター速度、システムのヘルムホルツ共振器周波数、および圧縮機ダクトの「有効長さ」を使用しました。このパラメーターには、圧力比と流量の勾配が負から正に変わる回転失速またはサージのいずれかを予測する臨界値がありました。

軸流コンプレッサの性能は、補正コンプレッサ速度のさまざまな値で補正質量流量に対して圧力比と効率をプロットすることによって、特性とも呼ばれる コンプレッサ マップ上に表示されます。

軸流圧縮機は、特に設計点付近では、通常、解析処理が容易であり、リグで最初に動作させる前に、その性能を適切に推定することができます。圧縮機マップは、地上アイドル状態から、民間エンジンの場合は上昇の頂点で、軍用戦闘エンジンの場合は寒い日の離陸時に発生する可能性のある最高補正ローター速度までの、圧縮機の完全な動作範囲、つまり設計外を示します。^[5]通常の地上および飛行中の風車の始動動作を分析するために必要なサブアイドル性能領域は示されていません。

単一圧縮機段の性能は、段負荷係数（ ）を流量係数（ ） の関数としてプロットすることによって示される。${\displaystyle \psi \,}$${\displaystyle \phi \,}$

図に示すように、流量に対する段圧力比は、損失のない段よりも低くなります。損失は、ブレード摩擦、流れの分離、不安定な流れ、およびベーンとブレードの間隔によって発生します。

コンプレッサーの性能は設計によって決まりますが、実際にはコンプレッサーの動作点が設計点から外れ、設計外動作と呼ばれる状態になることがあります。

式(1)と式(2)より

${\displaystyle \psi =1-\phi (\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,}$

の値は、失速するまで広範囲の動作点で変化しません。また、ローターとステーターでの空気角度のわずかな変化により、ディフューザーブレード角度は変化します。 ${\displaystyle (\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,}$${\displaystyle \alpha _{1}=\alpha _{3}\,}$${\displaystyle \alpha _{3}\,}$

${\displaystyle J=\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{3})\,}$一定である

設計値を（'）で表す

設計外操作の場合（式3より）：

${\displaystyle {\begin{aligned}\psi &=1-J(\phi )\,\\\psi &=1-\phi \left({\frac {1-\psi '}{\phi '}}\right)\,\end{aligned}}}$

J の値が正の場合、曲線の傾きは負になり、逆もまた同様です。

圧力-流量のグラフにおいて、不安定領域と安定領域の2つの領域を分ける線はサージラインと呼ばれます。この線は、異なる回転数でのサージポイントを結合することによって形成されます。軸流圧縮機において、定常通過流が完全に崩壊することによる不安定な流れは、サージングと呼ばれます。^[1]この現象は圧縮機の性能に影響を与えるため、望ましくありません。

サージングに関する以下の説明は、リグ上でコンプレッサを一定速度で稼働させ、バルブを閉じることで出口面積を徐々に減らすことを指します。何が起こるか、つまりサージ ラインを越えるかは、コンプレッサが同じ速度で稼働しながら、より高い出口圧力まで空気を送り込もうとすることで発生します。コンプレッサがテスト リグ上ではなく、完全なガス タービン エンジンの一部として稼働している場合、燃料の過度のステップ ジャンプによって特定の速度で瞬間的に高い吐出圧力が発生することがあります。これにより、コンプレッサが新しい燃料の流れに合わせて速度を上げ、サージングが止まるまで、瞬間的に詰まりが発生します。

ある rpm N での初期動作点 D ( ) を想定します。バルブを部分的に閉じることにより、特性曲線に沿って同じ rpm で流量を減少させると、パイプ内の圧力が上昇しますが、これはコンプレッサーの入力圧力の増加によって処理されます。ポイント P (サージ ポイント) まで圧力がさらに上昇すると、コンプレッサーの圧力が上昇します。rpm を一定に保ちながらさらに左に移動すると、パイプ内の圧力は上昇しますが、コンプレッサーの圧力は低下し、コンプレッサーへの逆流が発生します。この逆流により、この不均等な圧力状態は長時間維持できないため、パイプ内の圧力が低下します。バルブ位置は低流量のポイント G に設定されていますが、コンプレッサーは通常の安定動作ポイント E に従って動作するため、パス EFPGE がたどられて流れが途絶え、コンプレッサーの圧力がポイント H( ) までさらに低下します。パイプ内のこの圧力の上昇と下降は、サージ サイクルとも呼ばれるサイクル EFPGHE に従ってパイプとコンプレッサーで繰り返し発生します。 ${\displaystyle {\dot {m}},P_{D}\,}$${\displaystyle P_{H}\,}$

この現象は機械全体に振動を引き起こし、機械の故障につながる可能性があります。そのため、サージポイントから曲線の左側の部分は不安定領域と呼ばれ、機械に損傷を与える可能性があります。したがって、推奨される動作範囲はサージラインの右側です。

失速はコンプレッサの性能に影響を与える重要な現象です。多段コンプレッサの回転失速を解析し、上流の全圧と下流の静圧が一定であっても、移動基準フレームで安定した流れの歪みが発生する条件を見つけます。コンプレッサでは、圧力上昇ヒステリシスが想定されます。^[6]これは、コンプレッサの翼型ブレードで空気の流れが分離する状況です。ブレードプロファイルに依存するこの現象は、圧縮の低下とエンジン出力の低下につながります。

ポジティブ・ストーリング

流れの分離はブレードの吸引側で発生します。

ネガティブ・ストール

流れの分離はブレードの圧力側で発生します。

流れの分離はブレードの圧力側で発生する可能性が最も低いため、負の失速は正の失速に比べて無視できます。

多段コンプレッサでは、高圧段では軸方向の速度が非常に小さくなります。設計点からのわずかな偏差で失速値が減少し、ハブとチップ領域の近くで失速が発生します。この領域のサイズは、流量が減少するにつれて大きくなります。この領域は、非常に低い流量で大きくなり、ブレードの高さ全体に影響を及ぼします。失速が大きいと吐出圧力が大幅に低下し、流れの逆流につながる可能性があります。損失が大きくなると、ステージ効率が低下します。

ローターブレード内の空気の流れが不均一になると、コンプレッサーを混乱させることなく、コンプレッサー内の局所的な空気の流れが乱れる可能性があります。コンプレッサーは正常に動作し続けますが、圧縮率は低下します。したがって、回転失速によりコンプレッサーの効率が低下します。

たとえば、ブレードが右方向に動いているローターの場合、いくつかのブレードが高入射角で流れを受けると、このブレードは確実に停止します。これにより、左側のブレードとそれ自体の間の通路に障害物が作成されます。したがって、左側のブレードは高入射角で流れを受け取り、右側のブレードは低入射角で流れを受け取ります。左側のブレードはより失速し、右側のブレードはより失速しなくなります。右側に向かうにつれて失速は減少しますが、左側に向かうにつれて失速は増加します。回転失速の動きは、選択した基準フレームに応じて観察できます。

• これによりコンプレッサーの効率が低下します
• 失速区画を通過することによりブレードに強制振動が発生します。
• これらの強制振動はブレードの固有振動数と一致し、共振を引き起こし、ブレードの故障につながる可能性があります。

エネルギー交換の観点から見ると、軸流圧縮機は逆タービンである。例えば、蒸気タービンの設計者チャールズ・アルジャーノン・パーソンズは、流体の静圧によって仕事を生み出すタービン（すなわち反動タービン）は、その動作を逆にして空気圧縮機として機能させることができることを認識し、それをターボ圧縮機またはポンプと呼んだ。彼の特許の1つ^[7]に記載されているローターとステーターのブレードには、キャンバーがほとんどないかまったくなかったが、場合によってはブレードの設計はプロペラ理論に基づいていた。^[8]蒸気タービンで駆動される機械は、高炉に空気を供給するなどの産業目的で使用された。パーソンズは1901年に鉛精錬所で使用するための最初の商用軸流圧縮機を供給した。^[9]パーソンズの機械は効率が低く、後にブレードの失速が原因であることが判明し、すぐにより効率的な遠心圧縮機に置き換えられた。ブラウン・ボベリ社は、空気力学研究から生まれたブレードを備えたガスタービン駆動の「逆タービン」コンプレッサーを製造した。このコンプレッサーは、毎分40,000立方フィートの大流量を45psiまでの圧力でポンプする際、遠心式よりも効率的であった^[9]

初期の軸流式圧縮機は効率が悪かったため、1920 年代初頭の多くの論文では実用的な軸流式ターボジェット エンジンは製造不可能であると主張していました。しかし、1926 年にAA グリフィスが独創的な論文を発表し、性能が悪かったのは既存の圧縮機が平らなブレードを使用していて、本質的に「失速飛行」していたためだと指摘して状況が変わりました。グリフィスは、平らなブレードの代わりに翼型を使用すると効率が向上し、実用的なジェット エンジンが実現可能になることを示しました。グリフィスは、そのようなエンジンの基本図で論文を締めくくりました。この図には、プロペラを駆動する 2 番目のタービンが含まれていました。

グリフィスは金属疲労と応力測定に関する初期の研究でよく知られていたが、彼の論文が直接のきっかけとなって研究が始まったことはほとんどなかったようだ。唯一の明らかな取り組みは、グリフィスの王立航空機研究所での同僚であるヘイン・コンスタントが製作した試験台用コンプレッサーだった。その他の初期のジェット機開発、特にフランク・ホイットルとハンス・フォン・オハインの取り組みは、スーパーチャージャーで広く使用されていた、より堅牢でよく理解されている遠心コンプレッサーをベースにしていた。グリフィスは1929年にホイットルの研究を見て数学的な誤りを指摘し、エンジンの正面サイズを考えると高速航空機には役に立たないと主張してそれを却下した。

軸流エンジンに関する本格的な取り組みは 1930 年代後半に始まり、いくつかの取り組みはほぼ同時期に開始されました。イギリスでは、ヘイン・コンスタントが1937 年に蒸気タービン会社メトロポリタン・ビッカース(メトロヴィック) と契約を結び、1938 年にグリフィスの設計に基づくターボプロップの開発を開始しました。1940 年、ホイットルの遠心流設計が成功した後、彼らの取り組みは純粋なジェット機であるメトロヴィック F.2として再設計されました。ドイツでは、フォン・オハイン社が実用可能な遠心エンジンを数台製造しており、そのうちのいくつかは世界初のジェット機（He 178）など飛行したが、開発はユンカース社（Jumo 004）とBMW社（BMW 003）に移り、両社は世界初のジェット戦闘機（メッサーシュミット Me 262）とジェット爆撃機（アラド Ar 234）に軸流設計を採用した。米国では、ロッキード社とゼネラル・エレクトリック社の両社が1941年に軸流エンジンの開発契約を獲得し、前者は純粋なジェット、後者はターボプロップであった。ノースロップ社もターボプロップの開発プロジェクトを開始し、最終的に1943年に米海軍が契約した。ウェスティングハウス社も1942年にこの競争に参入し、同社のプロジェクトは米国の取り組みの中で唯一の成功となり、後にJ30となった。

グリフィスが 1929 年に最初に指摘したように、遠心式コンプレッサーの正面サイズが大きいため、幅の狭い軸流式よりも抗力が大きくなります。さらに、軸流式設計では、ステージを追加してエンジンをわずかに長くするだけで、圧縮比を向上させることができます。遠心式設計では、コンプレッサー自体の直径を大きくする必要があり、薄くて空気力学的な航空機の胴体に適切に収めるのがはるかに困難でした (ただし、すでに広く使用されていた星型エンジンのプロファイルと似ています)。一方、遠心式設計ははるかに複雑ではなく (これが、飛行例の競争で遠心式が「勝った」主な理由です)、サイズと流線型がそれほど重要でない場所で役割を果たしています。

ジェット エンジンの用途では、コンプレッサーはさまざまな動作条件に直面します。離陸時の地上では、入口圧力は高く、入口速度はゼロで、コンプレッサーは電力が供給されるとさまざまな速度で回転します。飛行中は入口圧力が低下しますが、入口速度は (航空機の前進により) 上昇してこの圧力の一部を回復し、コンプレッサーは長時間にわたって単一速度で動作する傾向があります。

このように広範囲の動作条件に対応する「完璧な」コンプレッサーは存在しません。初期のジェット エンジンで使用されていたような固定ジオメトリ コンプレッサーの設計圧力比は、約 4 または 5:1 に制限されています。あらゆる熱エンジンと同様に、燃料効率は圧縮比と大きく関係しているため、このような比を超えてコンプレッサー ステージを改善する必要性が非常に高くなっています。

さらに、吸入条件が突然変化するとコンプレッサーが失速する可能性があり、これは初期のエンジンによく見られる問題です。場合によっては、エンジンの前部付近で失速が発生すると、その時点以降のすべてのステージで空気の圧縮が停止します。この状況では、コンプレッサーを作動させるために必要なエネルギーが突然低下し、エンジン後部に残っている熱い空気によってタービンがエンジン全体を劇的に加速します^[要出典]。この状態はサージングと呼ばれ、初期のエンジンでは大きな問題であり、タービンまたはコンプレッサーが破損したり、ブレードが脱落したりすることがよくありました。

これらすべての理由から、現代​​のジェットエンジンの軸流圧縮機は、以前の設計のものよりもかなり複雑になっています。

すべてのコンプレッサーには回転速度と圧力の相関関係があり、圧縮率が高いほど回転速度も速くなります。初期のエンジンは単純化を目指して設計され、単一の大型コンプレッサーを単一速度で回転させて使用していました。後の設計では第 2 のタービンが追加され、コンプレッサーが低圧セクションと高圧セクションに分割され、高圧セクションの回転速度が速くなりました。ブリストル オリンパスで初めて採用されたこの2 スプール設計により、効率が向上しました。第 3 のスプールを追加することでさらに効率を高めることができますが、実際には複雑さが増すためメンテナンス コストが増加し、経済的メリットが打ち消されてしまいます。とはいえ、現在使用されている 3 スプール エンジンはいくつかあり、最も有名なのはおそらくロールスロイス RB211で、さまざまな民間航空機で使用されています。

航空機の速度や高度が変化すると、コンプレッサーの入口の空気圧は変化します。これらの変化する条件に合わせてコンプレッサーを「調整」するために、1950 年代に始まった設計では、最終段階で過剰な空気を圧縮しないように、コンプレッサーの中央から空気を「抜き出す」ようになりました。これはエンジンの始動にも使用され、できるだけ空気を抜き出すことで、多くの空気を圧縮せずにエンジンを回転させることができます。ブリード システムは、タービンステージに空気を流してタービン ブレードを冷却したり、航空機内の空調システムに加圧空気を供給したりするために、すでに一般的に使用されていました。

より先進的な設計である可変ステータでは、エンジンの動力軸ではなく、軸を中心に個別に回転できるブレードが使用されました。^[11]始動時には、ブレードは「閉じた」状態まで回転して圧縮を減らし、その後、外部条件に応じて気流内に戻されます。ゼネラルエレクトリック J79 は可変ステータ設計の最初の主要な例であり、今日ではほとんどの軍用エンジンの一般的な機能となっています。

可変ステータを徐々に閉じると、圧縮機の速度が低下するにつれて、動作特性 (またはマップ) 上のサージ (または失速) ラインの傾斜が小さくなり、設置されたユニットのサージ マージンが向上します。ゼネラル エレクトリック エアクラフト エンジンズは、最初の 5 段に可変ステータを組み込むことで、 23:1 の設計圧力比で動作可能な 10 段軸流圧縮機を開発しました。

流体に対するブレードの相対運動により、流体がローターを通過するときに、流体に速度または圧力またはその両方が加わります。流体の速度はローターを通じて増加し、ステーターは運動エネルギーを圧力エネルギーに変換します。ほとんどの実用的な設計では、ローター内でもいくらかの拡散が起こります。

流体の速度の増加は主に接線方向（渦）で起こり、ステータはこの角運動量を除去します。

圧力上昇により、よどみ点温度が上昇します。特定の形状では、温度上昇はローター列の接線マッハ数の 2 乗に依存します。現在のターボファンエンジンにはマッハ 1.7 以上で動作するファンが搭載されており、ブレード損失による損傷や騒音を低減するために、強力な封じ込め構造と騒音抑制構造が必要です。

マップはコンプレッサーの性能を示し、最適な動作条件を決定できるようにします。マップは、横軸に沿って質量流量を、通常は設計質量流量のパーセンテージまたは実際の単位で示します。圧力上昇は、入口と出口のよどみ圧力の比率として縦軸に示されます。

サージ ラインまたは失速ラインは、左側でコンプレッサーの性能が急速に低下する境界を識別し、特定の質量流量で達成できる最大圧力比を識別します。効率の等高線と、特定の回転速度での動作の性能ラインが描画されます。

動作効率は、失速ラインの近くで最も高くなります。下流圧力が最大値を超えて上昇すると、コンプレッサーが失速して不安定になります。

通常、下流のプレナムを考慮すると、不安定性はシステムの ヘルムホルツ周波数で発生します。

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