JP2009228424A

JP2009228424A - 軸流回転機械

Info

Publication number: JP2009228424A
Application number: JP2008059835A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tomii; 正幸富井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】流動損失の低減やコストの低減を図り、かつ、多段化された動翼を相互に反対方向に回転させること。
【解決手段】回転軸線周りに回転するロータ５と、ロータ５とともに回転する正転動翼Ａと、回転軸線周りに正転動翼Ａとは反対に回転する反転動翼Ｂと、を備え、正転動翼Ａと反転動翼Ｂが回転軸線の延在方向に交互に複数段設けられた軸流回転機械１であって、反転動翼Ｂは、回転軸線周りに回転するとともにロータ５を囲繞するように配置された反転ディスクｂに固定され、反転ディスクｂの内周面とロータ５の外周面との間には、遊星歯車７が設けられている軸流回転機械１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸流回転機械に関するものである。

従来、軸流回転機械として、動翼を相互に反転して駆動することにより、静翼を不要とする動翼反転機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の反転軸流ファンは、電動機軸と共に第１動翼車を回転させると同時に、この電動機軸によって大傘歯車を回転させ、大傘歯車とかみ合っている小傘歯車を一定の増速比で増速させて回転させるようになっている。そして、小傘歯車が、この増速比の逆数に等しい減速比で減速させて中空回転軸の大傘歯車へ回転を伝えることにより、第２動翼車を第１動翼車とは等速で逆方向へ回転させるようになっている。
特開平４−１６６６９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の反転軸流ファンの機構では、１つの電動機軸によって第１動翼車および第２動翼車からなる単段の動翼を反転させることはできるが、多段化された動翼を相互に反対方向に回転させることができないという不都合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、流動損失の低減やコストの低減を図り、かつ、多段化された動翼を相互に反対方向に回転させることができる軸流回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、回転軸線周りに回転する回転軸体と、該回転軸体とともに回転する正転動翼と、前記回転軸線周りに前記正転動翼とは反対に回転する反転動翼と、を備え、前記正転動翼と前記反転動翼が前記回転軸線の延在方向に交互に複数段設けられた軸流回転機械において、前記反転動翼は、前記回転軸線周りに回転するとともに前記回転軸体を囲繞するように配置された外輪体に固定され、前記外輪体の内周面と前記回転軸体の外周面との間には、転動体が設けられている軸流回転機械を提供する。

本発明によれば、外輪体と回転軸体との間に設けられた転動体により、外輪体が回転軸体とは反対方向に回転可能に支持される。この外輪体が、回転軸体の回転軸線と同一の軸線を有して各正転動翼間に配置されることにより、複数段の正転動翼および反転動翼を相互に反対方向に回転させることが可能になる。また、反転動翼に代えて静翼が用いられる公知の軸流回転機械に比べて、例えば、タービンの場合には１段当たり大きな出力を発生させることができ、また、圧縮機の場合には１段当たり大きな圧縮比を得ることができる。

したがって、段数、すなわち、１組の正転動翼および反転動翼の組み合わせの数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。また、回転軸体の軸長を短くすることができ、軸振動を低減させることができる。さらに、静翼を不要とすることで、抵抗や摩擦による流動損失を低減することができる。
なお、「転動体」としては、例えば、歯車が挙げられる。また、「外輪体」としては、例えば、外輪歯車が挙げられる。さらに、これらが山歯歯車だとなおよい。

上記発明においては、前記転動体は、前記回転軸体の外周面上を転動する第１転動体と、該第１転動体と同一軸線周りに回転し前記外輪体の内周面上を転動するとともに前記第１転動体と異なる径を有する第２転動体とを備えていることとしてもよい。

このように構成することで、第１転動体の径と第２転動体の径との比によって、回転軸体の回転数と外輪体の回転数との関係が決定されるので、例えば、第１転動体の径と第２転動体の径の比を調整して増減速の割合を変えることにより、回転軸体の回転数と外輪体の回転数、すなわち、正転動翼の回転数と反転動翼の回転数を等しくすることができる。したがって、例えば、単体の転動体を用いた場合に比べて、第１転動体および第２転動体の径を小さくする必要がなく、第１転動体および第２転動体に作用する負荷を低減することができる。

また、例えば、複数の正転動翼を備える回転軸体の回転による慣性力を打ち消すために、第１転動体の径と第２転動体の径の比を調整して増減速の割合を変えることにより、反転動翼の回転数を正転動翼の回転数よりも大きくすることができる。
なお、転動体として歯車を用いた場合には、第１転動体の歯数と第２転動体の歯数の比を調整することにより、正転動翼と反転動翼の回転数比を変えることができる。

本発明は、回転軸線周りに回転する回転軸体と、該回転軸体とともに回転する正転動翼と、前記回転軸線周りに前記正転動翼とは反対に回転する反転動翼と、を備え、前記正転動翼と前記反転動翼が前記回転軸線の延在方向に交互に複数段設けられた軸流回転機械において、前記正転動翼は、前記回転軸体とともに回転しかつ該回転軸体から半径方向に突出する正転ディスクの外周に固定され、前記反転動翼は、前記回転軸線周りに回転するとともに前記回転軸体を囲繞するように配置された外輪体に固定され、前記外輪体の側周面と前記正転ディスクの側周面との間には、転動体が設けられている軸流回転機械を提供する。

本発明によれば、転動体が回転軸体の回転軸線に直交する軸線周りに回転させられる。したがって、転動体の径や、転動体の公定半径（回転軸体の回転軸線から転動体の軸線までの距離）に関係なく、正転動翼の回転数と反転動翼の回転数とを一致させることができる。

本発明は、回転軸線周りに回転する正転動翼と、前記回転軸線周りに前記正転動翼とは反対に回転する反転動翼と、を備え、前記正転動翼と前記反転動翼が前記回転軸線の延在方向に交互に複数段設けられた軸流回転機械において、前記正転動翼は、前記回転軸線周りに回転する正転外輪体の外周に固定され、前記反転動翼は、前記回転軸線周りに回転する反転外輪体の外周に固定され、前記正転外輪体の内周には、該内周にて転動する正転転動体が設けられ、前記反転外輪体の内周には、該内周にて転動する反転転動体が設けられ、前記正転転動体と前記反転転動体とが反対方向に回転する軸流回転機械を提供する。

本発明によれば、正転外輪体および反転外輪体が、それぞれ内周面を転動する正転転動体および反転転動体によって相互に反対方向に回転可能に支持される。これらの正転外輪体および反転外輪体が回転軸線と同一の軸線を有して交互に複数配置されることにより、複数段の正転動翼および反転動翼を相互に反対方向に回転させることが可能になる。

また、例えば、流路に平行な回転軸により、正転転動体および反転転動体を回転可能に支持することができる。したがって、流路を横切って配置されるような支持脚を用いて正転転動体および反転転動体を支持する場合に比べて、流動損失や下流側の正転動翼および反転動翼に対する励振力を低減することができる。

本発明によれば、流動損失の低減やコストの低減を図り、かつ、多段化された動翼を相互に反対方向に回転させることができるという効果を奏する。

［第１の実施形態］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る軸流回転機械について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る軸流回転機械１は、例えば、圧縮機として用いられるものであり、図１および図２に示すように、ケーシング３と、ケーシング３内に配置され、回転軸線周りに回転するロータ（回転軸体）５とを備えている。

ロータ５には、半径方向外方に延びる正転ディスクａが回転軸線の延在方向に所定の間隔をあけて複数設けられている。正転ディスクａの外縁部には、周方向に等間隔に正転動翼Ａが固定されており、正転動翼Ａがロータ５とともに回転するようになっている。

ロータ５の各正転ディスクａ間には、それぞれロータ５を囲繞するように円環形状の反転ディスク（外輪体）ｂが配置されている。反転ディスクｂの外縁部には、周方向に等間隔に反転動翼Ｂが固定されており、反転動翼Ｂが反転ディスクｂとともに回転するようになっている。この反転ディスクｂは、正転ディスクａの外径寸法と略同じ外径寸法を有している。したがって、正転動翼Ａと反転動翼Ｂとがロータ５の回転軸線の延在方向に交互に複数配置され，１組の正転動翼Ａおよび反転動翼Ｂが多段化された構成とされている。

ロータ５の外周面と反転ディスクｂの内周面とが対向する面には、それぞれ周方向に沿って山歯状の歯車加工が施されている。また、ロータ５と反転ディスクｂとの間の円環状空間には、ロータ５の回転軸線と平行の軸線を有する３つの遊星歯車（転動体）７が所定の間隔をあけて設けられている。

これら遊星歯車７は、例えば、図３に示すように、山歯歯車であり、ロータ５の外周面および反転ディスクｂの内周面とそれぞれ噛み合うように配置されている。また、ケーシング３から延びる支持脚９により、各組の遊星歯車７の１つが所定の位置で自転可能に支持されている。

このように構成された本実施形態に係る軸流回転機械１の作用について説明する。
ロータ５を回転軸線周りに回転させると、正転動翼Ａがロータ５とともに回転軸線周りに回転するとともに、各遊星歯車７がロータ５の回転方向と反対方向に回転させられる。そして、ロータ５と全ての反転ディスクｂとの間で各遊星歯車７が転動させられることにより、これらの反転ディスクｂがロータ５の回転方向に対して反対方向に回転させられる。

これにより、反転動翼Ｂが反転ディスクｂとともに回転させられるので、多段化された正転動翼Ａおよび反転動翼Ｂを回転軸線周りに相互に反対方向に回転させることができる。したがって、反転動翼Ｂに代えて静翼を用いられる公知の圧縮機に比べて、１段当たり大きな圧縮比を得ることができる。

この場合に、支持脚９により、遊星歯車７が公転しないように支持されているので、ロータ５と反転ディスクｂ、すなわち、正転動翼Ａと反転動翼Ｂとをそれぞれ確実に反対方向に回転させることができる。また、反転ディスクｂおよび遊星歯車７が噛み合う面を山歯状にしたことにより、反転ディスクｂに作用するスラスト力を歯車によって受けることができる。したがって、スラスト軸受等を用いる必要がないので、構造を簡素化することができ部品点数を低減することができる。

以上、本実施形態に係る軸流回転機械１によれば、ロータ５と反転ディスクｂとの間を転動する遊星歯車７により、多段化された構成の正転動翼Ａおよび反転動翼Ｂを相互に反対方向に回転させることができ、１段当たり大きな圧縮比を得ることができる。

したがって、１組の正転動翼Ａおよび反転動翼Ｂの組み合わせの段数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。また、ロータ５の軸長を短くすることができ、軸振動を低減させることができる。さらに、静翼を不要とすることで、抵抗や摩擦による流動損失を低減することができる。

なお、本実施形態においては、各組ごとに遊星歯車７を３つ設けることとしたが、ロータ５と反転ディスクｂとを相互に反対方向に回転させることができればよく、遊星歯車７の数はこれに限定されるものではない。また、本実施形態においては、各組ごとに遊星歯車７の１つを支持脚９によって支持することとしたが、遊星歯車７がロータ５の回転につられて公転するのを防ぐことができればよく、例えば、ロータ５および反転ディスクｂと遊星歯車７との噛み合わせを調整することにより遊星歯車７の公転を防ぐこととしてもよいし、あるいは、２つまたは全ての遊星歯車７をそれぞれ支持脚９によって支持することとしてもよい。

また、本実施形態は以下に示すように変形することができる。
第１の変形例としては、例えば、図４に示すように、軸流回転機械１０１が、ロータ５の外周面上を転動する第１の歯車（第１転動体）１０７と、第１の歯車１０７より径寸法が大きく、反転ディスクｂの内周面上を転動する第２の歯車（第２転動体）１０８とを備えていることとしてもよい。この場合、ケーシング３からロータ５に向かって延びる支持脚９により、第１の歯車１０７および第２の歯車１０８を同一軸線周りに回転可能に支持することとすればよい。

このようにすることで、第１の歯車１０７の歯数と第２の歯車１０８の歯数との比により、ロータ５の回転数と反転ディスクｂの回転数との関係が決定される。したがって、第１の歯車１０７の歯数と第２の歯車１０８の歯数の比を調整して増減速の割合を変えることにより、ロータ５の回転数と反転ディスクｂの回転数、すなわち、正転動翼Ａの回転数と反転動翼Ｂの回転数を等しくすることができる。

例えば、単体の歯車を用いた場合、歯車を小さく、かつ、歯車の公転半径（ロータ５の回転軸線から歯車の軸線までの距離）を大きくすることにより、ロータ５と反転ディスクｂとがほぼ同じ回転数で回転するが、歯車の径が小さくなることで歯車に作用する負荷が大きくなる。これに対し、第１の歯車１０７および第２の歯車１０８を用いて増減速の割合を変えることにより、正転動翼Ａの回転数と反転動翼Ｂの回転数を等しくしつつ、第１の歯車１０７および第２の歯車１０８に作用する負荷を低減することができる。

また、円環形状の反転ディスクｂに対して、複数の正転ディスクａおよび正転動翼Ａを備えるロータ５の回転による慣性力は大きい。したがって、第１の歯車１０７の歯数と第２の歯車１０８の歯数の比を調整して増減速の割合を変えることにより、反転動翼Ｂの回転数を正転動翼Ａの回転数よりも多くし、ロータ５の回転による慣性力を打ち消すことができる。

また、第２の変形例に係る軸流回転機械２０１としては、例えば、図５に示すように、ロータ２０５に所定の間隔をあけて配置された正転ディスクａａの側周面と、各正転ディスクａａ間にロータ２０５を囲繞するように配置された円環形状の反転ディスクｂｂの側周面との間に、ロータ５の回転軸線に直交する軸線周りに回転する小歯車２０７が設けられていることとしてもよい。この場合、正転ディスクａａの側周面およびこれに対向する反転ディスクｂｂの側周面にそれぞれ周方向に沿って歯車加工を設けることとし、また、ケーシング３からロータ２０５に向かって延びる支持脚９により、小歯車２０７を所定の位置で自転可能に支持することとすればよい。

このようにすることで、小歯車２０７により、正転ディスクａａと反転ディスクｂｂとが反対方向に回転させられる。したがって、多段化された正転動翼Ａおよび反転動翼Ｂを回転軸線周りに相互に反対方向に回転させることができ、かつ、小歯車２０７の歯数や、小歯車２０７の公転距離に関係なく、正転動翼Ａの回転数と反転動翼Ｂの回転数とを一致させることができる。
なお、本変形例においては、小歯車２０７を例示して説明したが、これに代えて、上記第１の変形例の第１の歯車１０７および第２の歯車１０８を用いることとしてもよい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る軸流回転機械３０１について、図面を用いて説明する。
本実施形態に係る軸流回転機械３０１は、図６および図７に示すように、互いに平行に配置された３つの正転回転軸体３０５および３つの反転回転軸体３０６と、正転回転軸体３０５とともに回転する正転歯車（正転転動体）３０７、および、反転回転軸体３０６とともに回転する反転歯車（反転転動体）３０８とを備え、正転ディスク（正転外輪体）ａ´が反転ディスク（反転外輪体）ｂと略同一寸法を有する円環状部材である点で第１の実施形態と異なる。以下、正転回転軸体３０５および反転回転軸体３０６を合わせて「回転軸体３０５，３０６」という。また、第１の実施形態に係る軸流回転機械１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

正転回転軸体３０５と反転回転軸体３０６とは、周方向に交互に等間隔で配置されている。これら正転回転軸体３０５および反転回転軸体３０６は、延在方向の一箇所でギヤボックス（図示略）により噛み合わされており、回転力が集約されるようになっている。

正転ディスクａ´および反転ディスクｂは、全ての回転軸体３０５，３０６を囲繞するように複数設けられ、正転ディスクａ´と反転ディスクｂとが回転軸体３０５，３０６の軸方向に等間隔で交互に配置されている。

正転歯車３０７は、各正転回転軸体３０５の正転ディスクａ´の内周面に対応する位置にそれぞれ配置され、正転ディスクａ´の内周面と噛み合うように設けられている。また、反転歯車３０８は、各反転回転軸体３０６の反転ディスクｂの内周面に対応する位置にそれぞれ配置され、反転ディスクｂの内周面と噛み合うように設けられている。

このように構成された本実施形態に係る軸流回転機械３０１の作用について説明する。
正転回転軸体３０５を回転軸線周りに回転させると、各正転歯車３０７が各正転回転軸体３０５とともに回転して正転ディスクａ´の内周面を転動することにより、各正転ディスクａ´が正転回転軸体３０５と同一方向に回転させられる。一方、反転回転軸体３０６を回転軸線周りに正転回転軸体３０５とは反対方向に回転させると、各反転歯車３０８が各反転回転軸体３０６とともに回転して反転ディスクｂの内周面を転動することにより、各反転ディスクｂが反転回転軸体３０６と同一方向に回転させられる。

この場合に、ギヤボックスにおいて、正転回転軸体３０５と反転回転軸体３０６とを相互に反対方向かつ同回転数で回転することにより、正転ディスクａ´と反転ディスクｂとが相互に反対方向かつ同回転数で回転させられる。したがって、正転動翼Ａと反転動翼Ｂとを相互に反対方向に同回転数で回転させることができる。

以上、本実施形態に係る軸流回転機械３０１によれば、正転ディスクａ´の内周面を転動する正転歯車３０７および反転ディスクｂの内周面を転動する反転歯車３０８により、多段化された構成の正転動翼Ａおよび反転動翼Ｂを相互に反対方向かつ同回転数で回転させることができる。

また、正転歯車３０７および反転歯車３０８を回転可能に支持する正転回転軸体３０５および反転回転軸体３０６が流路に平行に配置されるので、流動損失を防ぐことができる。また、流路を横切って配置されるような支持脚が不要となるので、流体の乱れを防ぎ、下流側の正転動翼Ａおよび反転動翼Ｂに対する励振力を低減することができる。

なお、本実施形態においては、正転歯車３０７および反転歯車３０８を各組ごとにそれぞれ３つずつ設けることとしたが、正転ディスクａ´および反転ディスクｂを相互に反対方向に回転させることができればよく、正転歯車３０７および反転歯車３０８の数はこれに限定されるものではない。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記各実施形態においては、軸流回転機械１，１０１，３０１が圧縮機として用いられることとして説明したが、これに代えて、ガスタービンや送風機に用いることとしてもよい。また、上記各実施形態においては、遊星歯車７、第１の歯車１０７、第２の歯車１０８、小歯車２０７、正転歯車３０７および反転歯車３０８を例示して説明したが、これらに代えて、例えば、円筒形状や球体の転動体を用いることとしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る軸流回転機械の概略を示す縦断面図である。図１の軸流回転機械を軸方から見た横断面図である。図１の軸流回転機械の回転軸体と遊星歯車とが噛み合う様子を示した斜視図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る軸流回転機械を示した縦断面図である。本発明の第１の実施形態の別の変形例に係る軸流回転機械を示した縦断面図である。本発明の第２の実施形態に係る軸流回転機械の概略を示す縦断面図である。図６の軸流回転機械を軸方から見た横断面図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１軸流回転機械
５ロータ（回転軸体）
７遊星歯車（転動体）
１０７第１の歯車（第１転動体）
１０８第２の歯車（第２転動体）
２０７小歯車（転動体）
３０７正転歯車（正転転動体）
３０８反転歯車（反転転動体）
Ａ正転動翼
Ｂ反転動翼
ａａ正転ディスク
ａ´ 正転ディスク（正転外輪体）
ｂ，ｂｂ反転ディスク（外輪体，反転外輪体）

Claims

回転軸線周りに回転する回転軸体と、該回転軸体とともに回転する正転動翼と、前記回転軸線周りに前記正転動翼とは反対に回転する反転動翼と、を備え、
前記正転動翼と前記反転動翼が前記回転軸線の延在方向に交互に複数段設けられた軸流回転機械において、
前記反転動翼は、前記回転軸線周りに回転するとともに前記回転軸体を囲繞するように配置された外輪体に固定され、
前記外輪体の内周面と前記回転軸体の外周面との間には、転動体が設けられている軸流回転機械。
前記転動体は、前記回転軸体の外周面上を転動する第１転動体と、該第１転動体と同一軸線周りに回転し前記外輪体の内周面上を転動するとともに前記第１転動体と異なる径を有する第２転動体とを備えている請求項１に記載の軸流回転機械。
回転軸線周りに回転する回転軸体と、該回転軸体とともに回転する正転動翼と、前記回転軸線周りに前記正転動翼とは反対に回転する反転動翼と、を備え、
前記正転動翼と前記反転動翼が前記回転軸線の延在方向に交互に複数段設けられた軸流回転機械において、
前記正転動翼は、前記回転軸体とともに回転しかつ該回転軸体から半径方向に突出する正転ディスクの外周に固定され、
前記反転動翼は、前記回転軸線周りに回転するとともに前記回転軸体を囲繞するように配置された外輪体に固定され、
前記外輪体の側周面と前記正転ディスクの側周面との間には、転動体が設けられている軸流回転機械。
回転軸線周りに回転する正転動翼と、前記回転軸線周りに前記正転動翼とは反対に回転する反転動翼と、を備え、
前記正転動翼と前記反転動翼が前記回転軸線の延在方向に交互に複数段設けられた軸流回転機械において、
前記正転動翼は、前記回転軸線周りに回転する正転外輪体の外周に固定され、
前記反転動翼は、前記回転軸線周りに回転する反転外輪体の外周に固定され、
前記正転外輪体の内周には、該内周にて転動する正転転動体が設けられ、
前記反転外輪体の内周には、該内周にて転動する反転転動体が設けられ、
前記正転転動体と前記反転転動体とが反対方向に回転する軸流回転機械。