JPH05340385A - 圧縮機の旋回失速防止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ケーシング内に入口案内翼７，回転する動翼
８，静翼９，出口案内翼１０とを備えて圧縮機流路を形
成する圧縮機において、圧縮機の流路内に取り付けられ
た旋回失速センサ１と、旋回失速センサからの信号を判
断してアクチュエータ５を作動させる制御回路２〜４
と、翼列上流に備えられアクチュエータによって作動し
流れの状態を変化させる整流翼手段６から構成される。 【効果】圧縮機の旋回失速に対して非定常な流れ場を直
接的に改善することによって安定作動域を拡大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮機の旋回失速防止
装置に係り、特に、昇速時や降速時に発生する旋回失速
の防止を図る圧縮機の旋回失速防止装置に関する。

【従来の技術】ケーシング内に複数の静翼列と静翼列間
に配列されて回転する動翼列とを備えて圧縮機流路を形
成している高圧力比の軸流圧縮機では、図６に示すよう
に、翼列からの流れの剥離に伴ってセルと呼ばれる部分
失速した領域が、圧縮機の約半分の速度で回転する、い
わゆる、旋回失速を起こす場合がある。図５の圧縮機の
圧力ー流量特性線図に示すように、圧縮機の設計回転数
以下の運転曲線（実線）上の部分回転数で旋回失速が発
生する。本旋回失速は多段圧縮機に特有のもので、後段
側の翼列でのチョークによって前段側の翼列で流量が少
なくなるために生じるものである。通常、本旋回失速は
失速の程度が小さく、翼や軸に対する励振力も小さいた
めに問題にならないが、長時間の運転によって翼表面が
汚れると性能が低下し、失速の程度が大きい旋回失速が
生じる場合がある。ガスタービンで用いられる圧縮機で
このような大きな旋回失速が発生すると、タービンへの
流量が減少し仕事ができなくなるために、ガスタービン
の回転数が上昇できなくなる。また、旋回失速によって
翼や軸が大きな励振力を受け、破損をする可能性があ
る。一方、昇速時や降速時の旋回失速のほかに、圧力比
が高いサージ限界（一点鎖線）付近で発生する旋回失速
がある。通常はサージ限界に対してマージンを持って運
転を行うが、長時間の運転によって翼表面が汚れるとマ
ージンが減少したり、補機や制御装置等のトラブルによ
り圧力が上昇し発生する可能性がある。本旋回失速は圧
力が高く加振力が大きく、セル数が一つであることが多
いため、軸に対してもアンバランスになる。このため、
翼だけではなく軸にも多大な振動を励起し、場合によっ
ては、それらの破損につながる危険性が高い。以上に述
べた理由により、圧縮機の旋回失速の防止方法、およ
び、防止装置の確立は重要な課題である。従来の旋回失
速の防止装置には、特開昭53−77308号，特開平1−2116
96号公報、文献ＡＳＭＥ Paper ９１−ＧＴ−８８など
がある。特開昭53−77308号公報は旋回失速をセンサで
検出し、可変静翼による流量の制御、あるいは駆動装置
の回転数の制御により、圧縮機を安定運転域に復帰させ
るものである。特開平1− 211696号公報は圧力比が高
い領域で旋回失速に先行してサージングが発生すること
に着目し、圧縮機流路内に取付けられた圧力センサ，翼
振動センサなどのサージセンサによってサージングによ
る急激な圧力上昇を検出し、制御回路を通して放風弁を
動作して旋回失速を未然に防ぐものである。文献ＡＳＭ
Ｅ Paper ９１−ＧＴ−８８は旋回失速を周方向移動波
動としてとらえ、翼列上流に配置された熱線風速計によ
り前記波動を検出し、それを打ち消すようにＤＣモータ
駆動の入口案内翼の取付角度を変化させるものである。
一方、旋回失速と並んで圧縮機の不安定挙動であるサー
ジングの防止装置には、例えば、特開昭57−129297号，
特開昭57−157100号，特開昭58−220997号,特開昭62−4
8999号,特開昭62−258193号，特開昭62−147096号，特
開平1−211696号，特開平2−119698号，特開平2−12329
9号公報などがある。これらは基本的には、圧縮機内部
の流体の圧力，流量，温度、あるいは回転数などを検出
し、その検出信号に基づいてサージングを判別し、アク
チュエータ等を用いて放風弁や案内翼を制御し、それに
よって流量や圧力に関する運転点を非定常不安定域から
定常安定域に戻すことによってサージングを防止するも
のである。

【発明が解決しようとする課題】特開昭53−77308号，
特開平1−211696号公報に記載された従来の旋回失速防
止装置や前述のサージング防止装置は、放風弁や入口案
内翼を開閉したり、回転数を変化させて運転点を非定常
不安定域から定常安定域に戻すことによって旋回失速や
サージングを間接的に回避するものであり、非定常な流
れ場を直接的に改善するものではない。従って、圧縮機
の安定作動域そのものが増加しないという点で、本質的
な防止装置とは言えない。一方、文献ＡＳＭＥ Paper
９１−ＧＴ−８８は非定常な流れ場を直接的に改善する
という点で、従来の旋回失速防止装置の欠点を補うもの
であるが、翼列への定常流れの方向を規定するための入
口案内翼を非定常的に動かすために、制御のメカニズム
が複雑になり入口案内翼の本来の機能が損なわれる可能
性があり、コストや信頼性の面で実用性が小さいと言え
る。本発明の目的は、圧縮機の旋回失速に対して非定常
な流れ場を直接的に改善することによって安定作動域を
拡大させ、信頼性の高い圧縮機の旋回失速防止装置を提
供することにある。

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の圧縮機の旋回失速防止装置は、ケーシング
内に、入口案内翼，静翼，回転する動翼，出口案内翼と
を備えて圧縮機流路を形成する圧縮機において、前記圧
縮機の流路内に取り付けられた旋回失速センサと、前記
旋回失速センサからの信号を判断してアクチュエータを
作動せしめる制御回路と、翼列上流に設けられ前記アク
チュエータによって作動し流れの状態を変化せしめる整
流翼手段とで構成した。

【作用】旋回失速は翼列からの流れの剥離に伴ってセル
と呼ばれる部分失速した領域が、圧縮機回転数の約半分
の速度で回転するものである。部分失速した領域では、
非失速の領域に比べて円周方向速度が大きいか、あるい
は軸流速度が小さく、また、圧力が高い。すなわち、流
速や圧力が円周方向に不均一な分布を有する状態にな
る。このような不均一分布は翼列上流から翼列入口にか
けて徐々に成長する。従って、失速領域を検出し、翼列
上流から翼列入口の間で失速領域に対応した流れ場に対
して、円周方向速度が大きい領域の減速，軸流速度が小
さい領域の増速，圧力の高い領域の減圧などの流れの改
善を強制的に行い、これを失速領域の円周方向への伝播
に追従しながら非定常的に行えば翼列での旋回失速を防
止できる。具体的には、圧力センサ，軸振動センサ，騒
音計などの旋回失速センサによって失速領域を検出す
る。また、アクチュエータによって整流翼の取付角度を
動作し、それによって円周方向速度の増速や軸流速度の
増速などの流れの改善を行う。制御回路は失速領域と整
流領域間の流れの時間遅れや円周方向のセンサとアクチ
ュエータの取付位相差などの補正、及びアクチュエータ
への駆動信号の出力を行うものである。この方法によれ
ば旋回失速は防止でき、圧縮機の運転作動域が拡大でき
る。

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図４を
参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係わる
圧縮機の旋回失速防止装置の系統図、図２は、図１の旋
回失速センサ及び整流翼の円周方向の取付位置の一例を
示す説明図である。図３及び図４は図１の動作の説明図
であり、図３は旋回失速時の円周方向の流速ベクトル分
布を平面上に展開したものであり、図４は全部の整流翼
の方向を平面断面図として展開して示したものである。
図１において、圧縮機１は、ケーシング１１の中に、入
口案内翼７，回転する動翼８，静翼９，出口案内翼１０
とを備えて圧縮機流路を形成する軸流圧縮機である。な
お、ガスタービンの場合は、圧縮機で生成された圧縮空
気が燃焼機やタービンへの空気源となるように構成され
ている。入口案内翼６の上流には整流翼６が、整流翼６
の上流には旋回失速センサとして熱線風速計１がケーシ
ング１１の中に具備されている。熱線風速計１及び整流
翼６は、図２に示すように、円周方向の複数箇所に具備
される。図２には一例として四つの熱線風速計と四つの
整流翼を用いた場合を示しているが、それ以外の数の熱
線風速計や整流翼を用いてもよい。整流翼６は、アクチ
ュエータであるモータ５によって取付角度が可変となる
ような構造になっている。熱線風速計１によって軸流方
向速度と円周方向速度を検出する。本実施例では、制御
回路はアンプ２，演算装置３，サーボアンプ４から構成
されている。アンプ２では、熱線風速計１からの信号を
増幅し、校正した後に演算回路３に出力する。演算回路
３では、アンプ２からの信号に基づいて、図３に示すよ
うな流速の方向角度θを算出し、図４に示すように、θ
の時刻歴信号の位相を１８０°反転した時刻歴信号を出
力する。サーボアンプ４では、演算回路３からの信号を
増幅し、モータ５に出力する。なお、熱線風速計と整流
翼は円周方向の位置が同じものを対応させるのが望まし
いが、位置がずれている場合、ずれ分を演算回路３で補
正する必要がある。翼列で旋回失速が発生している場
合、翼列上流から翼列入口の間では失速領域に対応した
領域において円周方向速度が増加、または、軸流速度が
減少し、結果として流速ベクトルが軸流方向となす角度
θが大きくなる。角度θが大きい領域では、その位置に
対応した整流翼の取付角度を小さくなるようにすれば、
流速ベクトルの向きが強制的に転向され、翼列での失速
領域が減少する。これを失速領域の円周方向への伝播に
追従しながら非定常的に行えば翼列での旋回失速を防止
できる。本実施例によれば、圧縮機の旋回失速に対して
非定常な流れ場を直接的に改善することによって安定作
動域を拡大させることができる。また、整流翼を用いる
ことにより、入口案内翼を非定常的に動かす必要がなく
なる。

【発明の効果】本発明によれば、圧縮機の旋回失速に対
して非定常な流れ場を直接的に改善することによって安
定作動域を拡大させる圧縮機の旋回失速防止装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる圧縮機の旋回失速防
止装置の系統図。

【図２】図１の旋回失速センサ及び整流翼の円周方向の
取付位置の一例を示す説明図。

【図３】図１の動作の説明図。

【図４】図１の動作の説明図。

【図５】圧縮機の圧力ー流量の特性図。

【図６】旋回失速の説明図。

【符号の説明】

１…熱線風速計、２…アンプ、３…演算装置、４…サー
ボアンプ、５…モータ、６…整流翼、７…入口案内翼、
８…動翼、９…静翼、１０…出口案内翼、１１…ケーシ
ング、１２…軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 泰弘 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 笹田 哲男 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシング内に、入口案内翼，回転する動
   翼列，静翼，出口案内翼とを備えて圧縮機流路を形成す
   る圧縮機において、前記圧縮機の流路内に取り付けられ
   た旋回失速センサと、前記旋回失速センサからの信号を
   判断してアクチュエータを作動させる制御回路と、前記
   アクチュエータによって作動し流れの状態を変化させる
   整流翼手段を翼列上流に備えていることを特徴とする圧
   縮機の旋回失速防止装置。