JP2009299528A - Turbomachine - Google Patents

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Kazuyuki Yamaguchi
和幸 山口
Yohei Magara
洋平 真柄
Toyomi Yoshida
豊美 吉田
Yukishi Takagi
亨之 高木
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Abstract

【課題】ターボ機械での定格負荷運転時の流体性能の低下を防止すると共に、部分回転速度運転時での静翼の後流に起因する動翼への振動応力を低減する。
【解決手段】ターボ機械は、複数の径方向に伸びた動翼をその外周に有するロータと、前記ロータを、その内部に回転自由に保持すると共に、流体を当該ロータの動翼に導くための流路を形成するケーシングと、前記ケーシングに形成された前記流路内において、その円周方向に分布して複数配置され、かつ、部分回転速度運転時にはその取付角が変更可能な可変静翼を供えており、前記可変静翼は、前記ケーシングの円周方向において一様に分布しており、かつ、部分回転速度運転時における取付角の変更量が円周方向に非一様である。
【選択図】図2
[PROBLEMS] To prevent a decrease in fluid performance during rated load operation in a turbo machine and to reduce vibration stress on a moving blade caused by a wake of a stationary blade during partial rotation speed operation.
A turbomachine has a rotor having a plurality of radially extending rotor blades on its outer periphery, and the rotor is rotatably held in the rotor and fluid is guided to the rotor blades of the rotor. A casing that forms a flow path, and a variable stationary blade that is distributed in the circumferential direction in the flow path formed in the casing and that can change its mounting angle during partial rotation speed operation. The variable stator vanes are uniformly distributed in the circumferential direction of the casing, and the amount of change in the mounting angle during the partial rotation speed operation is non-uniform in the circumferential direction.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、例えば、圧縮機やタービンなどにおいて利用されるターボ機械に係り、特に、部分回転速度運転時における可変静翼後流の変動流体力による動翼の共振破壊防止に好適な構造のターボ機械に関する。   The present invention relates to a turbo machine used in, for example, a compressor or a turbine, and more particularly, a turbo having a structure suitable for preventing resonance destruction of a moving blade due to fluctuating fluid force of a variable stationary blade wake during partial rotation speed operation. Related to machinery.

一般に、ターボ機械は、回転する動翼を有するロータと、当該ロータを回転自由に保持し、もって、その間に流体の流路を形成する、所謂、ケーシング7とにより構成されている。また、例えば、圧縮機における静圧回復やタービンにおける流れの加速などを目的として、ケーシングの流路内において、その円周方向に一定間隔で静翼が配置される構造が採用されることがある。更に、部分回転速度運転時や部分負荷運転時においては、ターボ機械の出力特性や流路特性などが不平衡となるため、ターボ機械の出力特性を調整することを目的として、その運転時に、上記静翼の取付角度を変更とした、所謂、可変静翼を採用するものも既に知られている。   In general, a turbomachine is composed of a rotor having rotating rotor blades and a so-called casing 7 that holds the rotor freely and forms a fluid flow path therebetween. In addition, for example, a structure in which stationary blades are arranged at regular intervals in the circumferential direction in the flow path of the casing may be employed for the purpose of static pressure recovery in the compressor or acceleration of the flow in the turbine. . Furthermore, during partial rotation speed operation and partial load operation, the output characteristics and flow path characteristics of the turbomachine are unbalanced. An apparatus using a so-called variable stator blade in which the mounting angle of the stator blade is changed is already known.

なお、かかる可変静翼の構造としては、例えば、以下の特許文献1、特に、その図4に開示されており、この従来の可変静翼の構造では、駆動リングを回転させることにより、取付角変更アームを介して駆動リングに結合された当該可変静翼の取付角を変更することが可能となっている。   The structure of such a variable stator blade is disclosed, for example, in Patent Document 1 below, particularly FIG. 4, and in this conventional variable stator blade structure, a mounting angle is obtained by rotating a drive ring. It is possible to change the mounting angle of the variable stator blade coupled to the drive ring via the change arm.

ところで、一般に、静翼の下流側では、当該静翼が存在する部分と存在しない部分とでは、その流れの特性が異なり、そして、上流側に当該静翼が存在する部分の流れを「後流」と呼ぶ。この静翼の下流側に配置された回転する動翼は、「後流」を繰り返し通過することから、当該動翼の回転周波数と静翼枚数との積で表される周波数の流体加振力によって加振される。そして、この加振周波数と動翼の固有振動数が一致した場合、所謂、共振により動翼に過大な変動応力が発生し、そのため、動翼が疲労破壊してしまう可能性がある。従来では、かかる動翼の疲労破壊を防止するために、定格回転速度における加振周波数と動翼の固有振動数を離調させる、所謂、共振回避設計が行われている。しかしながら、当該加振周波数はロータの回転速度に比例して変化するため、部分回転速度運転時における共振を全て回避することは困難である。   By the way, in general, on the downstream side of the stationary blade, the flow characteristics are different between the portion where the stationary blade is present and the portion where the stationary blade is not present. " Since the rotating moving blade disposed downstream of the stationary blade repeatedly passes through the “wake”, a fluid exciting force having a frequency represented by the product of the rotational frequency of the moving blade and the number of stationary blades. Is excited by. When the excitation frequency and the natural frequency of the moving blade coincide with each other, excessive fluctuation stress is generated in the moving blade due to so-called resonance, so that the moving blade may be fatigued. Conventionally, so-called resonance avoidance design has been performed in which the vibration frequency at the rated rotational speed and the natural frequency of the moving blade are detuned in order to prevent fatigue failure of the moving blade. However, since the excitation frequency changes in proportion to the rotational speed of the rotor, it is difficult to avoid all resonances during partial rotational speed operation.

そこで、かかる共振時には、一定周期の流体加振力を受けることによって振動応力が増大してしまうことから、静翼の円周方向ピッチを非一様(不均一)とすることにより流体加振力の周期を分散させ、もって、動翼の共振応力低減する構造が、以下の特許文献2の図3に開示されている。   Therefore, at the time of such resonance, vibration stress increases by receiving a fluid excitation force of a fixed period, so the fluid excitation force can be increased by making the circumferential pitch of the stationary blades non-uniform (non-uniform). FIG. 3 of Patent Document 2 below discloses a structure that reduces the resonance stress of the rotor blade by dispersing the period of the above.

特開2003−13748号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-13748 特開2001−214705号公報JP 2001-214705 A

しかしながら、上記の従来技術によれば、例えば、円周方向に一定間隔で静翼を配置すると、上述したように、部分回転速度運転時における静翼の「後流」による流体加振力との共振により、動翼に過大な振動応力が発生する可能性がある。これに対し、上述したように、静翼の円周方向ピッチを非一様(不均一)にすることによれば、共振時の動翼振動応力を低減することはできるが、しかしながら、定格負荷運転時の流体性能が低下する可能性がある。   However, according to the above-described prior art, for example, when the stationary blades are arranged at regular intervals in the circumferential direction, as described above, the fluid excitation force due to the “wake” of the stationary blades during partial rotational speed operation. Due to the resonance, excessive vibration stress may be generated in the rotor blade. On the other hand, as described above, by making the circumferential pitch of the stationary blades non-uniform (non-uniform), it is possible to reduce the blade vibration stress at the time of resonance. Fluid performance during operation may be reduced.

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部分回転速度運転時の可変静翼後流に起因する流体加振力との共振による動翼の振動応力を低減する共に、定格負荷運転時の流体性能低下をも防止すること可能な構造を備えてターボ機械を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and the purpose thereof is a moving blade by resonance with a fluid excitation force caused by a variable stationary blade wake at the time of partial rotation speed operation. It is another object of the present invention to provide a turbomachine having a structure capable of reducing the vibration stress and preventing a decrease in fluid performance during rated load operation.

上記の目的を達成するため、本発明では、まず、複数の径方向に伸びた動翼をその外周に有するロータと、前記ロータを、その内部に回転自由に保持すると共に、流体を当該ロータの動翼に導くための流路を形成するケーシングと、前記ケーシングに形成された前記流路内において、その円周方向に分布して複数配置され、かつ、部分回転速度運転時にはその取付角が変更可能な可変静翼を有するターボ機械において、前記可変静翼は、前記ケーシングの円周方向において一様に分布しており、かつ、部分回転速度運転時における取付角の変更量が円周方向に非一様であるターボ機械が提供される。   In order to achieve the above-described object, in the present invention, first, a rotor having a plurality of radially extending moving blades on its outer periphery, the rotor is rotatably held therein, and a fluid is supplied to the rotor. A casing that forms a flow path for guiding the moving blades, and a plurality of distributions are arranged in the circumferential direction in the flow path formed in the casing, and the mounting angle is changed during partial rotation speed operation. In a turbomachine having a variable vane capable of being distributed, the variable vane is uniformly distributed in the circumferential direction of the casing, and the amount of change in the mounting angle during partial rotational speed operation is circumferential. A turbomachine that is non-uniform is provided.

また、本発明によれば、前記に記載したターボ機械において、前記可変静翼の取付角の変更量が、複数の隣接する可変静翼を対として、それぞれ、異なっていることが好ましく、更には、前記可変静翼の取付角の変更量が、2枚の隣接する可変静翼を対として、それぞれ、異なっていることが好ましい。また、本発明では、前記可変静翼の取付角の変更量が、正弦波状に変化していることが、又は、ランダムに変化していることが好ましい。   Further, according to the present invention, in the turbo machine described above, it is preferable that the amount of change in the mounting angle of the variable stationary blade is different for each pair of adjacent variable stationary blades, It is preferable that the amount of change in the mounting angle of the variable vane is different for each pair of two adjacent variable vanes. Moreover, in this invention, it is preferable that the change amount of the attachment angle of the said variable stator blade is changing to the shape of a sine wave, or changing at random.

加えて、本発明では、前記に記載したターボ機械において、前記可変静翼は、更に、当該可変静翼に固定したピニオンギアと、当該ピニオンギアとかみ合いながら円周方向に揺動することにより前記可変静翼の取付角を制御する複数の駆動ラックとを有しており、もって、前記複数の駆動ラックは、それぞれ、異なる前記可変静翼の取付角を制御することが好ましく、又は、前記可変静翼は、更に、当該可変静翼に固定した前記ピニオンギアと、当該ピニオンギアとかみ合いながら円周方向に揺動することにより前記可変静翼の取付角を制御する駆動ラックとを有しており、もって、当該駆動ラックはそれぞれ異なる前記可変静翼の取付角を制御することが好ましい。更には、前記に記載したターボ機械において、前記可変静翼は、更に、当該可変静翼に固定した取付角制御アームと、当該取付角制御アームを円周方向に拘束し、かつ、円周方向に揺動することにより前記可変静翼の取付角を制御する駆動リングを有しており、さらに、前記取付角制御アームにおける前記可変静翼側固定点と前記駆動リング側拘束点との間の距離が円周方向の各静翼に対して非一様であることが好ましい。   In addition, according to the present invention, in the turbo machine described above, the variable stationary blade further includes a pinion gear fixed to the variable stationary blade and a rocking motion in a circumferential direction while meshing with the pinion gear. A plurality of drive racks for controlling the mounting angles of the variable stator blades, and each of the plurality of drive racks preferably controls a different mounting angle of the variable stator blades. The stationary blade further includes the pinion gear fixed to the variable stationary blade, and a drive rack that controls the mounting angle of the variable stationary blade by swinging in the circumferential direction while meshing with the pinion gear. Therefore, it is preferable that the drive racks control the mounting angles of the variable stator blades different from each other. Further, in the turbo machine described above, the variable stator blade further includes an attachment angle control arm fixed to the variable stator blade, a restraint of the attachment angle control arm in the circumferential direction, and a circumferential direction. And a drive ring that controls the mounting angle of the variable stator blades by swinging in the direction, and further, a distance between the variable stator blade side fixed point and the drive ring side restraint point in the mounting angle control arm Is preferably non-uniform for each stationary vane in the circumferential direction.

以上に述べた本発明によれば、ターボ機械において、可変静翼の取付角の変更量が円周方向に非一様であることにより、可変静翼の取付角変更時(部分回転速度運転時)において、可変静翼の取付角が非一様となり、下流側の動翼部において静翼後流の円周方向ピッチが非一様となるため、動翼に作用する流体加振力の周期を分散することから、動翼の共振応力を低減することができる。他方、定格負荷運転時には、可変静翼の取付角を一様な状態に戻すことができるため、可変静翼の取付角が非一様になることによる定格負荷運転時の流体性能低下を防止することができる。   According to the present invention described above, in the turbomachine, the change amount of the mounting angle of the variable stator blade is non-uniform in the circumferential direction, so that the mounting angle of the variable stator blade is changed (at the time of partial rotation speed operation). ), The mounting angle of the variable stator blades is non-uniform, and the circumferential pitch of the stator vane wake flow is non-uniform in the downstream blade section, so the period of fluid excitation force acting on the rotor blades Is distributed, the resonance stress of the rotor blade can be reduced. On the other hand, during rated load operation, the mounting angle of the variable stator blades can be returned to a uniform state, thus preventing fluid performance degradation during rated load operation due to non-uniform mounting angles of the variable stator blades. be able to.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例1及び2として、添付の図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described as first and second embodiments with reference to the accompanying drawings.

まず、本発明の実施例1になるターボ機械1の内部構造を、その縦断面により、添付の図1に示す。   First, the internal structure of the turbomachine 1 according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG.

図にも示すように、本実施例1のターボ機械1は、その途中に径方向に伸びた動翼3を複数有する棒状のロータ4と、当該ロータ4をその両端に設けた軸受5を介して内部に回転自由に保持し、かつ、その一部、特に、その外周(前記ロータ4の動翼3の部分)に流体(図中の矢印を参照)を流すための円筒状の流路6を形成したケーシング7とから構成されている。そして、当該ケーシング7の流路6の内においては、上記ロータ4の動翼3の上流において、複数の可変静翼8が円周方向に一様(均等、一定間隔)に分布して配置されており、かつ、各可変静翼8は、その運転時において、その取付角を自由に変更することが出来るようになっている。   As shown in the drawing, the turbo machine 1 of the first embodiment is provided with a rod-like rotor 4 having a plurality of moving blades 3 extending in the radial direction in the middle thereof, and bearings 5 provided with the rotor 4 at both ends. And a cylindrical flow path 6 for allowing a fluid (see an arrow in the figure) to flow in a part thereof, in particular, the outer periphery thereof (part of the rotor blade 3 of the rotor 4). And a casing 7 having a shape. In the flow path 6 of the casing 7, a plurality of variable stationary blades 8 are uniformly distributed (equal and constant intervals) in the circumferential direction upstream of the rotor blade 3 of the rotor 4. In addition, each variable stator blade 8 can be freely changed in its mounting angle during operation.

即ち、各可変静翼8の一端から伸びた取付ロッド9が設けられており、当該取付ロッド9を介して、ケーシング7に対して揺動自由に取り付けられている。なお、図中における符号10a、11、12、13は、以下にもその詳細を述べるが、上記可変静翼8の取付角を制御するための機構である、可変静翼取付角制御機構を構成する要素を示している。   That is, an attachment rod 9 extending from one end of each variable vane 8 is provided, and is attached to the casing 7 through the attachment rod 9 so as to be freely swingable. Reference numerals 10a, 11, 12, and 13 in the figure are described in detail below, but constitute a variable stator blade mounting angle control mechanism that is a mechanism for controlling the mounting angle of the variable stator blade 8. The elements to be shown are shown.

続いて、上記図1にその全体構成を示した本実施例1になるターボ機械1における上記可変静翼取付角制御機構2の外観を、添付の図2に示す。なお、この図2は、上記ターボ機械1の外周面において、特に、上記可変静翼8が取り付けられた近傍の一部を、湾曲面から平面に展開して示した図である。   Subsequently, the external appearance of the variable stator blade mounting angle control mechanism 2 in the turbomachine 1 according to the first embodiment whose entire configuration is shown in FIG. 1 is shown in FIG. FIG. 2 is a diagram in which a part of the outer peripheral surface of the turbo machine 1 in particular in the vicinity where the variable stationary blade 8 is attached is developed from a curved surface to a plane.

この図2にも示すように、各可変静翼8の一端から伸びた取付ロッド9の先端には、取付角制御アーム10aの一端が固定され、更に、当該取付角制御アーム10aの他端には、結合ピン11が固定されている。そして、当該結合ピン11を、上記ターボ機械1の外周面に沿って移動可能に設けられた(図の矢印を参照)駆動リング12に形成された結合スリット13内に挿入することにより、当該ピン11と駆動リング12とが、円周方向に、一体となって揺動可能になっている。   As shown in FIG. 2, one end of the mounting angle control arm 10a is fixed to the tip of the mounting rod 9 extending from one end of each variable stator blade 8, and further, the other end of the mounting angle control arm 10a is fixed to the other end. The coupling pin 11 is fixed. Then, the coupling pin 11 is inserted into a coupling slit 13 formed in a drive ring 12 provided so as to be movable along the outer peripheral surface of the turbo machine 1 (see the arrow in the figure), thereby the pin 11 and the drive ring 12 can swing together in the circumferential direction.

即ち、上述した可変静翼取付角制御機構2の構成によれば、駆動リング12を円周方向に移動させることにより(図の矢印を参照)、結合ピン11の上記取付ロッド9に対する位置(角度)を変更し、もって、結合ピン11がその一端に固定された可変静翼8の取付角が変化するようになっている(図中の破線を参照)。   That is, according to the configuration of the variable stator blade mounting angle control mechanism 2 described above, the position (angle) of the coupling pin 11 with respect to the mounting rod 9 is determined by moving the drive ring 12 in the circumferential direction (see the arrow in the figure). ) To change the mounting angle of the variable vane 8 with the coupling pin 11 fixed to one end thereof (see the broken line in the figure).

なお、この図2に示した例では、可変静翼8の一枚おきに長い取付角制御アーム10aと短い取付角制御アーム10bとが用いられている。これによれば、取付角制御アーム10a、10bの可変静翼8側における固定点(即ち、取付ロッド9の位置)と、その駆動リング12側における拘束点(即ち、結合ピン11の位置であり、駆動リング12に形成された結合スリット13内の位置)との間の距離が非一様(不均一:但し、この場合には、隣接する可変静翼の一対毎に、一枚おきに異なる)となり、駆動リング12を円周方向に移動(揺動)させたときの可変静翼8の取付角の変更量は、長い取付角制御アーム10aを用いた可変静翼8では小さく、他方、短い取付角制御アーム10bを用いた可変静翼8では大きくなる。即ち、この図では、駆動リング12を移動(揺動)させたとき、可変静翼8の取付角が可変静翼8の一枚おきに異なるものとなることがわかる。   In the example shown in FIG. 2, a long mounting angle control arm 10 a and a short mounting angle control arm 10 b are used for every other variable stationary blade 8. According to this, the fixing point (that is, the position of the mounting rod 9) on the variable stationary blade 8 side of the mounting angle control arms 10a and 10b and the restraint point (that is, the position of the coupling pin 11) on the drive ring 12 side thereof. , The distance to the position in the coupling slit 13 formed in the drive ring 12 is non-uniform (non-uniform: however, in this case, every other pair of adjacent variable stator blades is different. The change amount of the mounting angle of the variable stationary blade 8 when the drive ring 12 is moved (swinged) in the circumferential direction is small in the variable stationary blade 8 using the long mounting angle control arm 10a, The variable stationary blade 8 using the short mounting angle control arm 10b becomes large. That is, in this figure, it can be seen that when the drive ring 12 is moved (swinged), the mounting angle of the variable stationary blade 8 is different for every other variable stationary blade 8.

更に、添付の図3には、上記ターボ機械1における可変静翼取付角制御機構2の他の例を示す。この例では、可変静翼8の一枚おきに、それぞれ、その長さが異なる(即ち、ランダムな)取付角制御アーム10a、10b…が用いられている。即ち、これによれば、駆動リング12を円周方向に移動(揺動)させたときの可変静翼8の取付角の変更量を、それぞれ、一枚毎に異なるようにすることが出来る。又は、ここでは図示しないが、上述した取付角制御アーム10a、10b…の長さを、例えば、正弦波状など、所望のパターンにより設定することも可能である。なお、その場合には、駆動リング12を円周方向に移動(揺動)させたときの可変静翼8の取付角の変更量を、正弦波状など、所望のパターンにすることが可能となる。   Further, FIG. 3 attached herewith shows another example of the variable stator blade mounting angle control mechanism 2 in the turbo machine 1. In this example, every other stationary vane 8 has a different (that is, random) mounting angle control arm 10a, 10b,... That is, according to this, the amount of change in the mounting angle of the variable stationary blade 8 when the drive ring 12 is moved (oscillated) in the circumferential direction can be made different for each sheet. Alternatively, although not shown here, the lengths of the above-described mounting angle control arms 10a, 10b,... Can be set in a desired pattern such as a sine wave. In this case, the change amount of the mounting angle of the variable stationary blade 8 when the drive ring 12 is moved (swinged) in the circumferential direction can be set to a desired pattern such as a sine wave. .

以上にその詳細を説明した可変静翼取付角制御機構2を備えたターボ機械1では、その部分回転速度運転時や部分負荷運転時においては、駆動リング12を円周方向に移動(揺動)させ、もって、上記ロータ4の動翼3の上流に位置する可変静翼8の取付角を変更するが、その際、上述した可変静翼取付角制御機構2によれば、ケーシング7の流路6の内において配置された複数の可変静翼8は、その円周方向に一様(均等)に分布しているが、しかしながら、当該可変静翼8の取付角の変更量が円周方向に非一様(不均一)であることから、その下流側に位置するロータ4の動翼3においては、当該静翼8により生じる「後流」の円周方向ピッチが非一様(不均一)となるため、当該動翼3に作用する流体加振力の周期を分散することができ、もって、動翼の共振応力を低減することが可能となる。   In the turbomachine 1 having the variable stator blade mounting angle control mechanism 2 described in detail above, the drive ring 12 is moved (oscillated) in the circumferential direction during the partial rotation speed operation and partial load operation. Thus, the mounting angle of the variable stator blade 8 located upstream of the rotor blade 3 of the rotor 4 is changed. At this time, according to the variable stator blade mounting angle control mechanism 2 described above, the flow path of the casing 7 is changed. The plurality of variable stator blades 8 arranged in 6 are uniformly (equally) distributed in the circumferential direction, however, the amount of change in the mounting angle of the variable stator blade 8 is in the circumferential direction. Since it is non-uniform (non-uniform), the circumferential pitch of the “wake” generated by the stationary blade 8 is non-uniform (non-uniform) in the rotor blade 3 of the rotor 4 located downstream thereof. Therefore, it is possible to disperse the period of the fluid exciting force acting on the moving blade 3 , Have, it becomes possible to reduce the blade resonance stress.

他方、定格負荷運転時においては、ケーシング7の流路6の内においてその円周方向に一様(均等)に分布して配置された複数の可変静翼8を、その取付角が一様な状態に戻すことができることから、当該静翼8による流体性能の低下を防止することが出来る。即ち、部分回転速度運転時の可変静翼後流に起因する流体加振力との共振による動翼の振動応力を低減する共に、定格負荷運転時の流体性能低下をも防止することが可能となる。   On the other hand, during the rated load operation, a plurality of variable stationary blades 8 arranged uniformly (equally) in the circumferential direction in the flow path 6 of the casing 7 have a uniform mounting angle. Since it can return to a state, the fall of the fluid performance by the said stationary blade 8 can be prevented. That is, it is possible to reduce the vibration stress of the moving blade due to resonance with the fluid excitation force caused by the variable stator blade wake at the time of partial rotation speed operation, and to prevent the fluid performance from being deteriorated at the rated load operation Become.

ここで、添付の図4のグラフは、上述した可変静翼取付角制御機構2を備えたターボ機械1における、特に、部分回転速度運転時や部分負荷運転時における効果を確認するため、取付角制御アーム10a、10b…の長さを、「ランダム(図3を参照)」、「正弦波」、「静翼1枚おき(図2を参照)」に設定した場合における、上流側可変静翼8を通過して動翼3に作用する周波数成分の圧力振幅「翼通過周波数成分の圧力振幅」(但し、ピッチ(静翼8の単位変化量)が一様の場合を基準とする)の変化(縦軸)を示している。なお、横軸には、上記駆動リング12を円周方向に移動(揺動)させたときの可変静翼8の取付角の変更量「取付角変更量」が示されている。   Here, the attached graph of FIG. 4 shows the mounting angle in order to confirm the effect of the turbomachine 1 equipped with the variable stator blade mounting angle control mechanism 2 described above, particularly during partial rotation speed operation and partial load operation. The upstream variable stator blades when the lengths of the control arms 10a, 10b,... Are set to "Random (see FIG. 3)", "Sine wave", "Every other stator blade (see FIG. 2)" Change in pressure amplitude “pressure amplitude of blade passing frequency component” (provided that the pitch (unit variation of the stationary blade 8) is uniform) of the frequency component acting on the rotor blade 3 through 8 (Vertical axis) is shown. The horizontal axis indicates the amount of change in the mounting angle of the variable stator vane 8 when the drive ring 12 is moved (swinged) in the circumferential direction (mounting angle change amount).

図4のグラフからも明らかなように、ピッチ誤差(静翼8の単位変化のパターン)を円周方向に「ランダム(図3を参照)」に分布させた結果、「正弦波状」に分布させた結果、及び、「静翼1枚おき(図2を参照)」に変化させた結果を示している。いずれのピッチ誤差分布においても、その「取付角変更量」(最大ピッチ誤差)を大きくすると、流体加振力を低減できることがわかる。また、特に、互いに隣接する一対の静翼8において「静翼一枚おき」にそのピッチ誤差を変化させるパターンによる流体加振力低減効果が、最も高いことがわかる。   As is apparent from the graph of FIG. 4, the pitch error (pattern of unit change of the stationary blade 8) is distributed “randomly (see FIG. 3)” in the circumferential direction. And the result of changing every other vane (see FIG. 2). In any pitch error distribution, it can be seen that the fluid excitation force can be reduced by increasing the “mounting angle change amount” (maximum pitch error). In particular, it can be seen that the effect of reducing the fluid excitation force by the pattern of changing the pitch error of every other stationary blade in a pair of stationary blades 8 adjacent to each other is the highest.

以上のように、本実施例1になるターボ機械1によれば、可変静翼に固定した取付角制御アームと駆動リングとを用いて可変静翼の取付角を制御し、かつ、取付角制御アームにおける可変静翼側固定点と駆動リング側拘束点との間の距離を円周方向の各可変静翼に対して非一様(不均一)となるようにしたことにより、各可変静翼の取付角の変更量を任意に設定できることから、上述した効果が、より確実に得られることとなる。   As described above, according to the turbo machine 1 according to the first embodiment, the mounting angle of the variable stator blade is controlled using the mounting angle control arm and the drive ring fixed to the variable stator blade, and the mounting angle control is performed. By making the distance between the fixed stationary blade side fixed point on the arm and the restraining point on the drive ring side non-uniform (non-uniform) for each variable stationary blade in the circumferential direction, Since the change amount of the attachment angle can be arbitrarily set, the above-described effect can be obtained more reliably.

次に、添付の図5には、本発明のターボ機械1の他の例である、実施例2をその断面により示す。本実施例2では、可変静翼8の取付ロッド9には、上述した取付角制御アーム10a、10b…に代えて、ピニオンギア14を固定し、更に、当該ピニオンギア14と対向する面にギアを形成し、かつ、当該ピニオンギア14とかみ合いながら円周方向に揺動(移動)することにより、上記可変静翼8の各々の取付角を制御するための複数(本例では、2本)の駆動ラック15a、15bが設けられている。   Next, FIG. 5 attached herewith shows a second embodiment, which is another example of the turbomachine 1 of the present invention, in section. In the second embodiment, a pinion gear 14 is fixed to the mounting rod 9 of the variable stationary blade 8 in place of the mounting angle control arms 10a, 10b... And swinging (moving) in the circumferential direction while meshing with the pinion gear 14, thereby controlling a plurality of mounting angles (two in this example) of the variable stationary blades 8. Drive racks 15a and 15b are provided.

そして、図の上部に示すピニオンギア14aは、内周側の駆動ラック15aと、そして、下部に示すピニオンギア14bは、外周側の駆動ラック15bと、それぞれ、かみ合っている。かかる構成によれば、2本の駆動ラック15の揺動(移動)量が異なるように制御することにより、各可変静翼8(但し、隣接する一対の静翼)の取付角の変更量を、上記2本の駆動ラック15毎に異なるよう制御することが出来る。駆動ラック15の揺動制御方法としては、各駆動ラック15に対し、独立のアクチュエータを取り付けることにより、個別に制御しても良く、あるいは、例えば、ここでは図示しないリンク機構などを用いることにより、個々の駆動ラック15の揺動量を変更しても良い。   The pinion gear 14a shown in the upper part of the drawing meshes with the inner peripheral drive rack 15a, and the pinion gear 14b shown in the lower part engages with the outer peripheral drive rack 15b. According to such a configuration, the amount of change in the mounting angle of each variable stator blade 8 (however, a pair of adjacent stator blades) is controlled by controlling the two drive racks 15 to swing (moving) differently. The two drive racks 15 can be controlled differently. As a method for controlling the swing of the drive rack 15, each drive rack 15 may be individually controlled by attaching an independent actuator, or, for example, by using a link mechanism not shown here, The swing amount of each drive rack 15 may be changed.

また、図示のように、上述したピニオンギア14a、14bと複数(本例では、2本)の駆動ラック15a、15bを、上記ケーシング7の軸方向(図の横方向)に複数設けることによれば、径方向に複数伸びた動翼3を複数段有するロータ4に対しても、各段の動翼3に対して、その取付角の変更量が非一様(不均一)な静翼8を、比較的容易に、設けることが出来る。また、上述した駆動ラック15a、15bを2本に限らず、更に多くの駆動ラックを設けることによれば、隣接する一対の静翼の取付角だけに限られず、より多くの数の動翼3の取付角の変更量を、個別に制御することが可能となることは、当業者であれば明らかであろう。   Further, as shown in the figure, the above-described pinion gears 14a, 14b and a plurality (two in this example) of drive racks 15a, 15b are provided in the axial direction of the casing 7 (lateral direction in the figure). For example, even for a rotor 4 having a plurality of stages of moving blades 3 extending in the radial direction, the amount of change in the mounting angle is non-uniform (non-uniform) with respect to the moving blades 3 of each stage. Can be provided relatively easily. Further, the number of drive racks 15a and 15b described above is not limited to two, and by providing more drive racks, the number of blades 3 is not limited to the mounting angle of a pair of adjacent stationary blades. It will be apparent to those skilled in the art that the amount of change in the mounting angle can be individually controlled.

このように、本発明の実施例2になるターボ機械1では、可変静翼8に固定されたピニオンギアピニオンギア14a、14bと、これらにかみ合う複数の駆動ラック15a、15bが、それぞれ、異なる可変静翼8(但し、隣接する一対の静翼)の取付角を制御し、もって、取付角の変更量を駆動ラック毎に異ならせることによれば、上記の実施例1と同様に、可変静翼8の取付角を非一様に制御できるため、上記と同様の効果が得られる。   As described above, in the turbo machine 1 according to the second embodiment of the present invention, the pinion gear pinion gears 14a and 14b fixed to the variable stationary blade 8 and the plurality of drive racks 15a and 15b engaged with the pinion gears are different from each other. By controlling the mounting angle of the stationary blade 8 (however, a pair of adjacent stationary blades) and changing the amount of change in the mounting angle for each drive rack, the variable static Since the mounting angle of the blade 8 can be controlled non-uniformly, the same effect as described above can be obtained.

更に、添付の図6には、本発明のターボ機械1の他の例である、実施例3の断面を示す。図からも明らかなように、本実施例3においては、最上流側(図の左側)の可変静翼8では、1本の駆動リング12中には、2本の駆動ラック15c、15dが設けられており、それ故、駆動リング12の回転に伴うこれら2本のラック15c、15dの揺動角は、同一となっている。なお、より具体的には、図の可変静翼8において、その上方の可変静翼8には、そのピッチ円直径の大きいピニオンギア14cが、他方、その下部の可変静翼8には、そのピッチ円直径の小さいピニオンギア14dが、それぞれ、固定されている。そのため、上記駆動リング12の回転に伴う駆動ラック15c、15dの揺動時において、複数の可変静翼8の取付角の変化量が異なることとなる。なお、この実施例3では、駆動リング12が1本であることから、駆動ラック15の揺動制御機構が単純化できるという効果がある。また、上記のように、複数の駆動ラックの揺動角を共通とし、ピニオンギアのピッチ円直径をかみ合う駆動ラック毎に変更したことにより、簡易な構造で上記と同様の効果が得られる。   Further, FIG. 6 attached herewith shows a cross section of Embodiment 3, which is another example of the turbomachine 1 of the present invention. As apparent from the figure, in the third embodiment, in the variable stator blade 8 on the most upstream side (left side in the figure), two drive racks 15 c and 15 d are provided in one drive ring 12. Therefore, the swing angles of the two racks 15c and 15d accompanying the rotation of the drive ring 12 are the same. More specifically, in the variable stator blade 8 in the figure, the upper variable stator blade 8 has a pinion gear 14c having a large pitch circle diameter, while the lower variable stator blade 8 has Each of the pinion gears 14d having a small pitch circle diameter is fixed. Therefore, when the drive racks 15c and 15d are swung along with the rotation of the drive ring 12, the amount of change in the mounting angle of the plurality of variable vanes 8 is different. In the third embodiment, since there is one drive ring 12, there is an effect that the swing control mechanism of the drive rack 15 can be simplified. In addition, as described above, the same swinging angle of the plurality of drive racks is used, and the pitch circle diameter of the pinion gear is changed for each of the drive racks engaged with each other, so that the same effect as described above can be obtained with a simple structure.

なお、以上には、本発明を実施するための最良の形態として、上記の実施例1〜3について述べたが、本発明では、これらに限定されることなく、例えば、動翼3と静翼8との組で表される段の数は、上記図1のように1段であっても、又は、上記図5や図6に示すように、複数段であっても良い。   In the above description, the first to third embodiments have been described as the best mode for carrying out the present invention. However, the present invention is not limited to these examples. The number of stages represented by a set of 8 may be one stage as shown in FIG. 1 or a plurality of stages as shown in FIGS.

また、上記の図5に示すように、可変静翼8の全てに、本発明の構造を適用しても良く、又は、上記の図5にも示すように、動翼の共振が特に問題となる一部の段の可変静翼8のみに、本発明の構造を適用して良い。なお、一部の段の可変静翼8に本発明の構造を適用する場合は、当該適用する段の位置は任意である。また、上述した取付角の変更量の分布パターンは、上記図2にも示すように、隣接する一対の静翼8の1本おきとしても良く、又は、上記図3にも示すように、その他の任意の分布パターンとしても良い。加えて、上記の図5では2本の駆動リングを、また、上記の図6では2種類のピニオンギアを用いたが、これらは3又はそれ以上の種類のピニオンギアを用いても良い。   Further, as shown in FIG. 5 above, the structure of the present invention may be applied to all of the variable stationary blades 8, or the resonance of the moving blades is particularly problematic as shown in FIG. The structure of the present invention may be applied only to some of the stages of the variable stationary blade 8. Note that when the structure of the present invention is applied to some stages of the variable stationary blade 8, the position of the stage to be applied is arbitrary. Moreover, the distribution pattern of the change amount of the mounting angle described above may be every other pair of adjacent stationary blades 8 as shown in FIG. 2 or other as shown in FIG. An arbitrary distribution pattern may be used. In addition, although two drive rings are used in FIG. 5 and two types of pinion gears are used in FIG. 6, three or more types of pinion gears may be used.

本発明の実施例1になるターボ機械の内部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the turbomachine which becomes Example 1 of this invention. 上記ターボ機械における可変静翼取付角制御機構の要部を示す平面図である。It is a top view which shows the principal part of the variable stationary blade attachment angle control mechanism in the said turbomachine. 上記ターボ機械における変形例になる可変静翼取付角制御機構の要部を示す平面図である。It is a top view which shows the principal part of the variable stationary blade attachment angle control mechanism used as the modification in the said turbomachine. 上記ターボ機械における部分回転速度運転時又は部分負荷運転時における効果を確認するためのグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph for confirming the effect at the time of the partial rotational speed driving | operation or the partial load driving | operation in the said turbomachine. 本発明の実施例2になるターボ機械の内部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the turbomachine which becomes Example 2 of this invention. 本発明の実施例2になるターボ機械の内部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the turbomachine which becomes Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…ターボ機械、2…可変静翼取付角制御機構、3…動翼、4…ロータ、5…軸受、6…流路、7…ケーシング7、8…可変静翼、9…取付ロッド、10a、10b…取付角制御アーム、11…結合ピン、12…駆動リング、13…結合スリット、14a、15b…ピニオンギア、15a、15b…駆動ラック。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Turbo machine, 2 ... Variable stator blade attachment angle control mechanism, 3 ... Moving blade, 4 ... Rotor, 5 ... Bearing, 6 ... Flow path, 7 ... Casing 7, 8 ... Variable stator blade, 9 ... Mounting rod, 10a DESCRIPTION OF SYMBOLS 10b ... Mounting angle control arm, 11 ... Coupling pin, 12 ... Drive ring, 13 ... Coupling slit, 14a, 15b ... Pinion gear, 15a, 15b ... Drive rack.

Claims (8)

複数の径方向に伸びた動翼をその外周に有するロータと、
前記ロータを、その内部に回転自由に保持すると共に、流体を当該ロータの動翼に導くための流路を形成するケーシングと、
前記ケーシングに形成された前記流路内において、その円周方向に分布して複数配置され、かつ、部分回転速度運転時にはその取付角が変更可能な可変静翼を有するターボ機械において、
前記可変静翼は、前記ケーシングの円周方向において一様に分布しており、かつ、部分回転速度運転時における取付角の変更量が円周方向に非一様であることを特徴とするターボ機械。
A rotor having a plurality of radially extending blades on its outer periphery;
A casing that rotatably holds the rotor therein and that forms a flow path for guiding fluid to the rotor blades of the rotor;
In the turbo machine having a variable stationary blade that is arranged in the circumferential direction in the flow path formed in the casing and is variable in its mounting angle during partial rotation speed operation.
The variable stationary blades are uniformly distributed in a circumferential direction of the casing, and a change amount of a mounting angle at the time of partial rotational speed operation is nonuniform in the circumferential direction. machine.
前記請求項1に記載したターボ機械において、前記可変静翼の取付角の変更量が、複数の隣接する可変静翼を対として、それぞれ、異なっていることを特徴とするターボ機械。   2. The turbo machine according to claim 1, wherein a change amount of the mounting angle of the variable stationary blade is different for each pair of adjacent variable stationary blades. 前記請求項2に記載したターボ機械において、前記可変静翼の取付角の変更量が、2枚の隣接する可変静翼を対として、それぞれ、異なっていることを特徴とするターボ機械。   3. The turbo machine according to claim 2, wherein a change amount of the mounting angle of the variable stator blade is different for each pair of two adjacent variable stator blades. 前記請求項1に記載したターボ機械において、前記可変静翼の取付角の変更量が、正弦波状に変化していることを特徴とするターボ機械。   2. The turbo machine according to claim 1, wherein a change amount of the mounting angle of the variable stator blade is changed in a sine wave shape. 前記請求項1に記載したターボ機械において、前記可変静翼の取付角の変更量が、ランダムに変化していることを特徴とするターボ機械。   2. The turbo machine according to claim 1, wherein a change amount of the mounting angle of the variable stator blade is randomly changed. 前記請求項2に記載したターボ機械において、前記可変静翼は、更に、当該可変静翼に固定したピニオンギアと、当該ピニオンギアとかみ合いながら円周方向に揺動することにより前記可変静翼の取付角を制御する複数の駆動ラックとを有しており、もって、前記複数の駆動ラックは、それぞれ、異なる前記可変静翼の取付角を制御することを特徴とするターボ機械。   In the turbomachine according to claim 2, the variable stator blade further includes a pinion gear fixed to the variable stator blade and a circumferential swing while meshing with the pinion gear. A turbomachine comprising: a plurality of drive racks for controlling mounting angles, wherein each of the plurality of drive racks controls a different mounting angle of the variable stationary blades. 前記請求項2に記載したターボ機械において、前記可変静翼は、更に、当該可変静翼に固定した前記ピニオンギアと、当該ピニオンギアとかみ合いながら円周方向に揺動することにより前記可変静翼の取付角を制御する駆動ラックとを有しており、もって、当該駆動ラックはそれぞれ異なる前記可変静翼の取付角を制御することを特徴とするターボ機械。   3. The turbo machine according to claim 2, wherein the variable stationary blade further includes the pinion gear fixed to the variable stationary blade, and the variable stationary blade swings in a circumferential direction while meshing with the pinion gear. And a drive rack that controls the mounting angle of the variable stator blades, each of which has a drive rack that controls the mounting angle. 前記請求項1に記載したターボ機械において、前記可変静翼は、更に、当該可変静翼に固定した取付角制御アームと、当該取付角制御アームを円周方向に拘束し、かつ、円周方向に揺動することにより前記可変静翼の取付角を制御する駆動リングを有しており、さらに、前記取付角制御アームにおける前記可変静翼側固定点と前記駆動リング側拘束点との間の距離が円周方向の各静翼に対して非一様であることを特徴とするターボ機械。   2. The turbo machine according to claim 1, wherein the variable stator blade further includes an attachment angle control arm fixed to the variable stator blade, a restraint of the attachment angle control arm in a circumferential direction, and a circumferential direction. And a drive ring that controls the mounting angle of the variable stator blades by swinging in the direction, and further, a distance between the variable stator blade side fixed point and the drive ring side restraint point in the mounting angle control arm A turbomachine characterized in that is non-uniform for each circumferential vane.
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