JP2005256786A - 回転機械、及び、回転機械の連成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】面圧分布を均一化すること。
【解決手段】シュラウド列は、第１シュラウド（３）と、回転数上昇過程で捻れ変形により第１シュラウド（３）に連成して接合する第２シュラウド（４）とから形成されている。第１シュラウド（３）は第２シュラウド（４）に連成して接合する第１連成面（６）を有し、第２シュラウド（４）は第１シュラウド（３）に連成して接合する第２連成面（７）を有している。第１連成面（６）と第２連成面（７）は互いに自己整合的に最小結合エネルギーで求芯し合う。両連成面（６，７）は、同一芯点を共通に有する幾何学的な面として構成される。球面どうしは共通の中心点を共有する。２つのシュラウドは、自己整合的に連成して設計的に規定される単一の相対的位置関係を安定的に保持し合うので、部品のバラツキに係わらずに、規定される安定点で接合し合う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転機械、及び、回転機械の連成方法に関し、特に、回転機械、及び、回転機械の連成方法に関する。

ガスタービン、蒸気タービン、ブロアのような軸流回転機械には、全周無限翼特性の良好化が求められる。１円周上に等角度間隔で配列される動翼は、内周側の翼根と外周側のシュラウドとの間に挟まれて強固に支持されて配列される。回転数が規定回転数まで上昇する過程で、円周方向に離散している複数のシュラウド部分が捻れ変形により円周方向に一体化して輪環状のシュラウドに形成される。このような一体化は、翼端のシール性能と無限翼特性を実現し、共振点数の減少のような振動特性改善を実現することができる。

固有振動数を有する回転翼は、キャンベル線図で求められる複数の共振点で共振する。共振は、動翼に過大な負荷・応力を発生させる。共振点の数を減少させる技術は、後掲特許文献１で知られている。共振回避が困難である二次モードを消滅させることにより無限翼特性をより現実的に実現する技術は、後掲特許文献２で知られている。連結連成状態を運転中と非運転中とで良好に維持する技術は、後掲特許文献３で知られている。

複雑な回転翼の製作と組立には、部品の製作誤差と組立誤差とが生じることを同時に回避することは極めて困難である。回避し難いこのような誤差は、隣り合うシュラウド部分の接合領域の面圧分布の均一化を困難にする。回転機械の出荷の前に、振動特性の検証が実施される。その実施に先だって、振動特性は振動解析による予測が行われる。面圧分布が均一化されていない場合には、共振点回転数のような振動特性を予測することが困難である。予測が適正でなければ、回転数特性改善の補正的修正が不適正になり、その試験により満足な無限翼特性を得ることができず、破損を招く恐れさえある。

公知技術の既述の利益を保持し、更に、面圧分布を均一化することが求められる。

特開２００２−４８０２号 特許第２８９５１５７号 特開平９−７９００１号

本発明の課題は、面圧分布を均一化する技術を確立する回転機械、及び、回転機械の連成方法を提供することにある。

本発明による回転機械は、回転体と、回転体の周囲に配列されるシュラウド列と、シュラウド列と回転体（図示されず）との間に配列されシュラウド列と回転体とで支持される動翼列とから構成されている。シュラウド列は、第１シュラウド（３）と、回転数上昇過程で捻れ変形により第１シュラウド（３）に連成して接合する第２シュラウド（４）とから形成されている。第１シュラウド（３）は第２シュラウド（４）に連成して接合する第１連成面（６）を有し、第２シュラウド（４）は第１シュラウド（３）に連成して接合する第２連成面（７又は１６）を有している。第１連成面（６）と第２連成面（７）は互いに自己整合的に最小結合エネルギーで求芯し合う。第２連成面１６は、第２連成面（７）の局所的面として形成され、特に、局所的な球面が適正である。

両連成面（６，７）は、同一芯点を共通に有する幾何学的な面として構成される。球面どうしは、共通の中心点を共有するように接合し合うことができる。物理的な表現では、互いに外力を受け反作用的に接合し合う２つの物体は、最小の結合（位置）エネルギーの相対的位置で安定的に結合し合う。回転方向に隣り合う２つのシュラウド列要素は、回転数上昇過程で、自己整合的に連成して設計的に規定される単一の相対的位置関係を安定的に保持し合うので、部品のバラツキに係わらずに、規定される安定点で接合し合う。

第１連成面（６）は第２連成面（７）に対して自己整合的に求芯し合う第１曲面に形成され、第２連成面（７）は第１連成面（６）に対して自己整合的に求芯し合う第２曲面に形成されている。第１曲面と第２曲面は互いに直接に互いに求芯的に接合し合うことが可能である。特に、第１曲面と第２曲面とは凹凸接合関係を有する。第１曲面と第２曲面として、概球面、概楕円面、概放物面、概円筒面が幾何学的適正を有する曲面として例示される。概球面は共通の中心点を有し、概円筒面は共通の中心線を有し、概楕円面は共通の共焦点を有し、概放物面は共通の芯を有する。

第１連成面（６）と第２連成面（７）との間に求芯体（８）を介設することにより、自己整合的な求芯作用を両シュラウド（３，４）に付与することができる。求芯体（８）は、第１連成面（６）と第２連成面（７）に自己整合的に求し合う曲面に形成されている。この場合には、求芯体（８）はシュラウド列の材料より硬度が低い材料で形成されていることが特に重要である。柔軟体は、求芯作用を補助的に支援する。硬度が低い材料としては、柔軟性の他にシール作用に優れているワイトメタル又は樹脂が好適に選択される。

第１連成面（６）は既述の曲面に代えられて概平面に形成され、且つ、第２連成面（７）は既述の曲面に代えられて概平面に形成されることが可能である。この場合には、第１シュラウド（３）の第２シュラウド（４）に対向する対向部位に弾性的に変形容易である変形部位（１４）が形成され、且つ、第２シュラウドの第１シュラウドに対向する対向部位に弾性的に変形容易である変形部位（１５）が形成されている。変形部位と概平面の組合せは、幾何学的作用と物理的作用とにより、概平面を求芯性がある曲面に等価的にする。

求芯体（８）は、第２連成面（７）の特定部位（１６）で枢着（ピボット支持）されて支持され、且つ、第１連成面に面接合する介在体として構成され得る。求芯体（８）は、第２連成面に対して位置決めされ、且つ、第１連成面に面接合する介在体として構成され得る。この場合には、求芯体は柔軟に且つ弾性的に変形する。求芯体はゴム弾性を有する。ゴムとしては、熱可塑性樹脂のような多様なエンジニアリング樹脂、特に、合成エラストマーが好適に選択される。

本発明による回転機械の連成方法は、回転体に動翼列を結合すること、シュラウド列要素を製造すること、動翼列にシュラウド列を結合すること、回転体を回転させること、シュラウド列を回転数上昇過程で連成して無限翼を形成することとから構成されている。シュラウド列要素を製造することは、隣り合って連成するシュラウド列要素が互いに自己整合的に最小結合エネルギーで結合する連成面を隣り合うシュラウド列要素に付与する。

本発明による回転機械、及び、回転機械の連成方法は、面圧分布を均一化する技術を確立することができる。特には、連成し合う隣どうしのシュラウドが互いに安定し合う規定される単一関係位置で接合し、面圧分布が設計通りに確実に均一化される。

本発明による回転機械の実現態は、図に対応して、詳細に記述される。回転翼が規定回転数に到達する前には、シュラウドは多数のシュラウド部分に分離されている。図１は、そのように分離されているシュラウド部分のうち隣り合う２つのシュラウド部分を示している。１円周上に等角度間隔で配列される多数の動翼のうち隣り合う２つの第１動翼１と第２動翼２は、図示されない翼根（単一の回転体）に強固に取り付けられている。第１動翼１の内周側と外周側は、翼根と第１シュラウド部分３の半径方向の間で、その翼根と第１シュラウド部分３とに装着され固定されている。第２動翼２の内周側と外周側は、翼根と第２シュラウド部分４の半径方向の間で、その翼根と第２シュラウド部分４とに装着され固定されている。

第１シュラウド部分３の第２シュラウド部分４に円周方向に対向する第１接合予定面と第２シュラウド部分４の第１シュラウド部分３に円周方向に対向する第２接合予定面とは、それぞれに、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７とに形成されている。回転翼の回転数が規定回転数以上になれば、第１調芯嵌合面６は第２調芯嵌合面７に対して凹凸嵌合する。第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７は、ともに、球面（部分球面）、円筒面、楕円面のような求芯特性が優れる面に形成されている。球面は、その上の任意の点の法線が球面の中心を通り、求芯（求心）性能が特に優れている。球面は３次元的に求心性能が優れ、楕円面は余裕的に且つ３次元的に求心性能が優れ、円筒面は２次元的に求心性能が優れている。第１調芯嵌合面６が凹面であれば第２調芯嵌合面７は凸面に形成され、第１調芯嵌合面６が凹面であれば第２調芯嵌合面７は凹面に形成される。

回転数が規定回転数に上昇すれば、第１動翼１又は第１シュラウド部分３に生じる捻れ変形（ツイストバック）５により第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７は互いに面接合して一体化する。回転数が規定回転数に上昇する過程で捻れが一定でなく、第１動翼１、第２動翼２、第１シュラウド部分３、第２シュラウド部分４とその他の図示されない組立部品にバラツキがあり、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７の初期接合点は一定ではないが、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７がその初期接合点で接触した後には、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７の相互の反作用面圧は第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７の調心（調芯）作用により一定の相対的円周方向位置と相対的半径方向位置に自律的に（自己整合的に）落ち着くことになる（接合・結合エネルギーが最小化される位置に落ち着く。）。調芯作用がなければ、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７との間の反作用力は、規定される調芯位置からますます外れる位置に向かって互いにずれて運動することになる。そのような結合位置は、設計により決定的に規定されることができる。

図２は、本発明による回転機械の他の実現態を示している。本実現態では、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７とは、ともに凹面に形成されている。本実現態では、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７との間に、調芯促進体８が追加されている。調芯促進体８は、図３に示されるように、第１調芯嵌合面６に接合する第１間接的調芯接合面９と第２調芯嵌合面７に接合する第２間接的調芯接合面１１とを有している。第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７が球面であれば、第１間接的調芯接合面９と第２間接的調芯接合面１１は概球面に形成される。第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７が楕円面であれば、第１間接的調芯接合面９と第２間接的調芯接合面１１は略楕円面に形成されて、調芯促進体８は概楕円体に形成される。調芯促進体８は、第１シュラウド部分３の材料に比較して、柔らかい材料で形成されることが好ましい。第１シュラウド部分３と第２シュラウド部分４とが捻れ変形を受けて第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７が互いに接近する際に、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７の間に挟まれる調芯促進体８は、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７の曲面形状に自律的に適合してより柔軟に変形し、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７と第１間接的調芯接合面９と第２間接的調芯接合面１１は、最小結合エネルギーの位置に調芯的に結合し合う。

図４は、調芯促進体８の変形例を示している。本変形例では、第１調芯嵌合面６に接合する第１間接的調芯接合面９と第２調芯嵌合面７に接合する第２間接的調芯接合面１１とは、ともに凹状の円筒面に形成され、調芯促進体８は第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７の間でローラー（転輪）の機能を発揮する。調芯促進体８は、両側に円形状の鍔１３を形成することが好ましい。第１シュラウド部分３の端部と第２シュラウド部分４の端部とはともに両側の鍔１３の間に嵌まり込み、調芯促進体８の位置が安定する。

図３と図４に示される調芯促進体８は、適正な硬度の硬質ゴム、適正な硬度の各種エンジニアプラスチックにより形成され、その柔軟性が適正に設計される。第１シュラウド部分３と第２シュラウド部分４は高速回転時に結合し連成的に一体化し、共振点数が減少する。接合面の法線方向の変形（共振モード）の際に、調芯促進体８は面圧を分散的に均一化して減衰効果を発揮し、共振時の共振振幅を減少させる。磨耗する調芯促進体８は、交換自在に取り換えられ、メンテナンスの点で有利である。

図５は、本発明による回転機械の更に他の実現態を示している。本実現態では、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７はともに平面又は小曲率の曲面（概平面）に形成され、且つ、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７が調芯作用を持つように、第１シュラウド部分３には第２調芯嵌合面７の近傍に第１変形力吸収部位１４が形成され、第２シュラウド部分４には第１調芯嵌合面６の近傍に第２変形力吸収部位１５が形成される。第１変形力吸収部位１４と第２変形力吸収部位１５は、ともにスリット状の切り割り溝のような弾性的変形吸収（形状）構造として形成されている。第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７の平面どうしの接合は、摩擦力が大きい場合にその摩擦力が楔効果的に最小エネルギー結合位置に落ち着くことを困難にするが、摩擦力である反作用力による変形力は第１変形力吸収部位１４と第２変形力吸収部位１５に吸収されてその楔効果を減退させて、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７が最小エネルギー結合位置に落ち着くことを促進する。平面と変形部位の組合せは、図１と図２に示される実現態の調芯作用の等価である調芯作用を持つことができる。本実現態では、接合面積が広く、フレッティング防止効果と摩擦減衰効果を保存したままで、振動特性のバラツキを少なくすることができる。

図６は、本発明による回転機械の更に他の実現態を示している。本実現態では、図２の調芯促進体８に替えられて、柔軟性でなく剛性を持つ調芯促進体８が用いられている。本実現態の調芯促進体８は、図７に示されるように、第１調芯嵌合面６又は第２調芯嵌合面７のいずれかに形成されるピボット作用点領域（ピボット作用凹面）１６に嵌まり込んで支点化する支点部位１７を有している。第２調芯嵌合面７は大きい鈍角で交叉する２面を有し、その２面の交叉点又は交叉線領域で、第２シュラウド部分４の側にピボット作用点１６が形成されている。調芯促進体８の第２調芯嵌合面７に対向する面は大きい鈍角で交叉する２面を有し、その２面の交叉点又は交叉線領域で、ピボット作用点領域１６に嵌まり込む均衡部位１７が調芯促進体８に形成されている。第１シュラウド部分３と第２シュラウド部分４が変形する際に、支点部位１７は自然にピボット作用点領域１６に嵌まり込んでその位置（位置エネルギーが最小である位置）で落ち着く。ピボット作用点領域１６に自然に一旦嵌まり込む支点部位１７は、その後でピボット作用点領域１６から抜け出すことはない。ピボット作用点領域１６は、第１シュラウド部分３の側に形成され得る。

図８は、本発明による回転機械の更に他の実現態を示している。本実現態は、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７のうちのいずれかが概平面に形成されている点で図６の実現態に同じであり、柔軟性を持つ調芯促進体８が用いられる点で、図３の実現態に同じである。本実現態では、調芯促進体８は位置決めされて第２調芯嵌合面７に嵌まり込んでいる。第２調芯嵌合面７には、複数箇所（図では２箇所）で嵌まり込みの位置決め凹面が形成され、その位置決め凹面に嵌まり込む複数箇所の凸部１８が調芯促進体８に形成されている。接合反力が作用する作用点は、硬質ゴムの調芯促進体８のみによる支点に限られ、接合面の摩擦減衰効果と硬質ゴムの粘弾性減衰の効果が奏されている。

図９は、本発明による回転機械の更に他の実現態を示している。本実現態は、第１調芯嵌合面６と第２調芯嵌合面７のうちのいずれかが概平面に形成されている点と、柔軟性を持つ調芯促進体８が用いられる点で、図８の実現態に同じである。本実現態では、調芯促進体８は位置決めされて第２調芯嵌合面７に嵌まり込んでいる。調芯促進体８の材料として、柔軟性がある金属が用いられている。柔軟性がある金属として、摩擦摺動面を形成する機械部品材料として周知であるホワイトメタルが選択されることが好ましい。運転開始の初期過程で調芯促進体８に塑性変形が生じ、接合面の面圧が均一化し、その均一性は更に回転数が増大する後期過程で保持される。

図１は、本発明による回転機械の実現態を示す展開平面図である。 図２は、本発明による回転機械の他の実現態を示す展開平面図である。 図３は、図２の一部の拡大図である。 図４は、図２の部分を示す斜軸投影図である。 図５は、本発明による回転機械の更に他の実現態を示す展開平面図である。 図６は、図５の一部の拡大図である。 図７は、図６の一部の拡大図である。 図８は、本発明による回転機械の更に他の実現態を示す展開平面図である。 図９は、本発明による回転機械の更に他の実現態を示す展開平面図である。

符号の説明

３…第１シュラウド
４…第２シュラウド
６…第１連成面
７…第２連成面
８…求芯体
１５…変形部位
１６…第２連成面（特定部位）

Claims (13)

1. 回転体と、
   前記回転体の周囲に配列されるシュラウド列と、
   前記シュラウド列と前記回転体との間に配列され前記シュラウド列と前記回転体とで支持される動翼列とを具え、
   前記シュラウド列は、
   第１シュラウドと、
   回転数上昇過程で捻れ変形により前記第１シュラウドに連成して接合する第２シュラウドとを備え、
   前記第１シュラウドは前記第２シュラウドに連成して接合する第１連成面を有し、前記第２シュラウドは前記第１シュラウドに連成して接合する第２連成面を有し、
   前記第１連成面と前記第２連成面は互いに自己整合的に最小結合エネルギーで求芯し合う
   回転機械。
2. 前記第１連成面は前記第２連成面に対して自己整合的に求芯し合う第１曲面に形成され、前記第２連成面は前記第１連成面に対して自己整合的に求芯し合う第２曲面に形成されている
   回転機械。
3. 前記第１曲面と前記第２曲面は互いに直接に接合し合う
   請求項２の回転機械。
4. 前記第１曲面と前記第２曲面とは凹凸接合関係を有する
   請求項３の回転機械。
5. 前記第１曲面と前記第２曲面は、ともに、概球面、概楕円面、概放物面、概円筒面を要素とする集合から選択される１曲面として形成される
   請求項２〜４から選択される１請求項の回転機械。
6. 前記第１連成面と前記第２連成面との間に介設される求芯体を更に具え、
   前記求芯体は、前記第１連成面と前記第２連成面に自己整合的に求し合う曲面に形成されている
   請求項１の回転機械。
7. 前記求芯体は前記シュラウド列の材料より硬度が低い材料で形成されている
   請求項６の回転機械。
8. 前記硬度が低い材料としてホワイトメタル又は樹脂が選択される
   請求項７の回転機械。
9. 前記第１連成面は概平面に形成され、且つ、前記第２連成面は概平面に形成され、
   前記第１シュラウドの前記第２シュラウドに対向する対向部位に弾性的に変形容易である変形部位が形成され、且つ、前記第２シュラウドの前記第１シュラウドに対向する対向部位に弾性的に変形容易である変形部位が形成されている
   請求項１の回転機械。
10. 前記第１連成面と前記第２連成面との間に介設される求芯体を更に具え、
    前記求芯体は、前記第２連成面の特定部位で枢着されて支持され、且つ、前記第１連成面に面接合する
    請求項１の回転機械。
11. 前記第１連成面と前記第２連成面との間に介設される求芯体を更に具え、
    前記求芯体は、前記第２連成面に対して位置決めされ、且つ、前記第１連成面に面接合し、
    前記求芯体は柔軟に且つ弾性的に変形する
    請求項１の回転機械。
12. 前記求芯体はゴム弾性を有する
    請求項１１の回転機械。
13. 回転体に動翼列を結合すること、
    シュラウド列要素を製造すること、
    前記動翼列にシュラウド列を結合すること、
    前記回転体を回転させること、
    前記シュラウド列を回転数上昇過程で連成して無限翼を形成することとを具え、
    前記シュラウド列要素を製造することは、隣り合って連成する前記シュラウド列要素が互いに自己整合的に最小結合エネルギーで結合する連成面を隣り合う前記シュラウド列要素に付与することを備える
    回転機械の連成方法。

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