JP2009299528A - ターボ機械 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００３−１３７４８号公報 特開２００１−２１４７０５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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。

Claims (8)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

Images