JP2010242562A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気の圧縮効率を確保しつつ、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスを最適に維持することができる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】遠心圧縮機１においては、ディスク５の後面側に、インペラ３の撓み量を調整するための電磁石９が設けられている。これにより、インペラ３の回転に伴いインペラ３がシュラウド２側に撓んだ場合には、電磁石３によりインペラ３の外縁部３ａをシュラウド２とは反対側に引き付けることで、インペラ３の撓み量を調整することができる。このように、インペラ３の撓みが生じた部分の撓みを補正することで、インペラ３の空気出口部分のインペラ翼６とシュラウド２との間のクリアランスＤのみを調整することが可能となる。従って、空気の圧縮効率を維持しつつ、インペラ３の空気出口部分とシュラウド２との間のクリアランスＤを最適に維持することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

従来の遠心圧縮機として、シュラウド内に回転可能にインペラが配設されたものが知られている。このような遠心圧縮機においては、一般的に、インペラの回転数の増加に伴い、インペラの外縁部がシュラウド側に撓んでしまうため、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスが小さくなる。そのため、インペラとシュラウドとの間には、インペラの最大回転時に、インペラとシュラウドとの接触を防止し得る程度のクリアランスを必要とする。

そこで、インペラの最大回転時に合わせてインペラとシュラウドとの間のクリアランスを事前にシム等によって設定すると、インペラの低回転時においては、最適なクリアランスよりも大きくなってしまう。そのため、空気の圧縮効率が低下してしまうといった問題が生じる。

この種の問題点に関し、例えば特許文献１に記載のものでは、羽根車を磁性体によって形成すると共に、羽根車を収容するケーシング内側面に磁力発生装置を設け、この磁力発生装置から発生される磁力によって羽根車を軸方向に変位させている。これにより、羽根車とケーシング内壁との間の軸方向隙間（クリアランス）を調整している。

特開２００６−２０７５４５号公報

上記従来の方法では、羽根車全体が磁力によって軸方向に変位されるため、遠心圧縮に適用した場合にあっては、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスを調整するのに有効である。しかしながら、上述のように、高速回転時にはインペラがシュラウド側に撓んでいるため、インペラの空気出口部以外の部分とシュラウドとの間隔が大きくなり、依然として空気の圧縮効率が低下してしまうといった問題が生じる。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、空気の圧縮効率を確保しつつ、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスを最適に維持することができる遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る遠心圧縮機は、シュラウド内に回転可能にインペラが配設された遠心圧縮機であって、インペラは、回転軸に固定されるディスクと、ディスクの前面に設けられた複数の羽とを有し、ディスクの後面側には、ディスクと非接触でインペラの撓み量を調整するための調整手段が設けられていることを特徴とする。

この遠心圧縮機では、ディスクの後面側に、インペラの撓み量を調整するための調整手段が設けられている。これにより、インペラの回転に伴いインペラがシュラウド側に撓んだ場合には、調整手段により例えばインペラの外縁部に撓み方向とは逆方向の力を作用させることで、インペラの撓みを補正することができる。このように、インペラの撓みが生じた部分の撓み量を調整することで、インペラの空気出口部分（羽）とシュラウドとの間のクリアランスのみを調整し、その他の部分のクリアランスは定常に保つことができる。また、調整手段がディスクと非接触なので、調整手段がインペラの回転の抵抗となることを抑制できる。従って、空気の圧縮効率を確保しつつ、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスを最適に維持することができる。

また、調整手段は、ディスクの外縁部に対応する位置に設けられていることが好ましい。この構成によれば、最も効果的且つ確実にインペラの撓み量を調整することができる。

また、ディスクは、磁性を有し、調整手段は、電磁石の作用によりインペラの撓み量を調整することが好ましい。この構成によれば、電磁石の磁力によってディスクに力を作用させることでインペラの撓み量を調整するので、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスを容易に且つ簡易な構成で可変的に調整することができる。

また、調整手段は、インペラの回転数に応じて電磁石の磁力を調整することが好ましい。この構成によれば、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスをインペラの回転数に関係なく調整することができる。

本発明によれば、空気の圧縮効率を確保しつつ、インペラの空気出口部とシュラウドとの間のクリアランスを最適に維持することができる。

本発明に係る遠心圧縮機の一実施形態の要部を示す概略断面図である。 電磁石をディスクの背面側から見た図である。 図２に示す電磁石の変形例を示す図である。 変形例に係るインペラの要部を拡大して示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る遠心圧縮機の一実施形態の要部を示す概略断面図である。図１に示されるように、遠心圧縮機１は、シュラウド２と、このシュラウド２内に配設され、高速の空気の流れを作るインペラ３とを備えている。この遠心圧縮機１は、例えばガスタービンエンジンに適用されるものである。

インペラ３は、回転軸４に一体に固定されたディスク５を有し、このディスク５の前面側（図示左側）には、シュラウド２内に吸入された主流空気の流路を形成するインペラ翼（複数の羽）６が周方向に等間隔に設けられている。このインペラ３は、例えば鉄等といった磁性体材料によって形成されている。インペラ３は、高速回転しながら、空気を径方向中心から吸い込んで径方向外側に送り出す。また、シュラウド２とインペラ３の空気出口部（インペラ翼６）との間には、所定量のクリアランスＤが設けられている。なお、回転軸４は、軸受（ベアリング）７に支持されて回転可能に配設されている。

インペラ３の外周側には、インペラ３で作られた高速空気を減速することで、高速空気の速度エネルギーを圧力に変換するディフューザ８が配置されている。ディフューザ８から吐出された空気は、例えばガスタービンエンジンの燃焼器へと流れ込む。

ここで、ディスク５の後面側には、電磁石９が設けられている。この電磁石９は、インペラ３の撓み量を調整するための調整手段（調整機構）である。具体的には、図１及び図２を参照しながら説明する。図２は、電磁石９をディスク５の後面側から見た図である。図１及び図２に示されるように、電磁石９は、ディスク５の後面側に配設されたバックプレート１０（ディスク５のリア面に対向する部材）において、インペラ３の背面空間Ｓの上方で且つディフューザ８の下側、すなわちインペラ３（ディスク５）の外縁部３ａに対応する位置に設けられている。図２に示すように、電磁石９は、断面円形状、若しくは電磁石として最適な断面形状とされ、インペラ３の外縁部３ａに沿って周方向に複数個（ｎ個）設けられている。

上記の電磁石９は、制御装置（図示しない）によって電流／電圧等が制御されることにより磁力が可変的に調整される。具体的には、制御装置は、インペラ３の撓み量を所定の方法で計測した結果をアクティブ制御、若しくは、事前に計測しておいたインペラ３の撓み量に対するマップ制御等により電流／電圧を制御し、電磁石９の磁力をインペラ３の回転数に応じて調整する。従って、電磁石９は、インペラ３の撓み量をインペラ３の回転数に応じて可変的に調整可能となる。

このような遠心圧縮機１において、インペラ３が高速回転すると、インペラ３に空気が吸い込まれ、その空気がディフューザ８の空気流路を通って出口部（図示しない）から吐出される。このとき、インペラ３の外縁部３ａは、このインペラ３の回転数の増大に応じてシュラウド２側（図１の右側から左側）に撓む。このインペラ３の外縁部３ａの撓みにより、インペラ３の空気出口部とシュラウド２とのクリアランスＤが小さくなり、インペラ翼６とシュラウド２とが接触してしまうおそれがある。

そのため、従来の遠心圧縮機では、インペラの撓み量を予測し、この予測した値に応じてシュラウドを変位させ、インペラ翼とシュラウドとの接触を回避しているものある。しかしながら、この従来の方法では、インペラの空気出口部とシュラウドとのクリアランスを適切に保つには有効であるが、インペラのシュラウドライン（出口部以外の部分）がシュラウドの内面曲線と合わなくなり、インペラとシュラウドとの間に隙間が生じてしまう。また、ディスクの厚みを大きくすることにより、高速回転時のインペラの撓みを防止しているものもあるが、インペラの重量増加により空気の圧縮効率が低下するといった問題がある。

これに対し本実施形態では、ディスク５の後面側に、インペラ３の撓み量を調整するための電磁石９が設けられている。これにより、インペラ３の回転に伴いインペラ３がシュラウド２側に撓んだ場合には、電磁石３によりインペラ３の外縁部３ａをシュラウド２とは反対側に引き付けることで、インペラ３の撓み量を調整（撓みを補正）することができる。このように、インペラ３の撓みが生じた部分の撓みを補正することで、インペラ３の空気出口部のインペラ翼６とシュラウド２との間のクリアランスＤのみを調整することが可能となる。従って、インペラ３の空気出口部分とシュラウド２との間のクリアランスＤを最適に維持することができる。

また、電磁石９がディスク５と非接触で配設されているので、インペラ３が高回転であっても、電磁石９が回転の抵抗になることを抑制できるため、インペラ３による空気の圧縮効率を低下させることなくインペラ３の空気出口部とシュラウド２との間のクリアランスを調整することができる。

また、インペラ３の空気出口部分とシュラウド２との間のクリアランスＤのみを調整するので、インペラ３のシュラウドライン（出口部以外の部分）がシュラウド２の内面曲線と合わなくなる等といった不具合は生じない。従って、空気の圧縮効率の確保、ひいては遠心圧縮機１の性能を維持することができる。

また、電磁石９によってインペラ３の撓み量を調整することにより、インペラ３の位置を初期位置に固定できるため、インペラ３が静止した状態での初期クリアランスのみを最適なクリアランスＤとして設定すればよい。従って、不確定要素である高回転時のインペラ３の撓み量の予測値を考慮しなくとも、精度よく最適なクリアランスＤを維持することができる。

また、上記従来の方法のように、ディスク３の厚みを大きくしてインペラ３の撓み量を小さくさせる必要がないので、重量増加を回避することができ、空気の圧縮効率を好適に維持することができる。

また、電磁石９は、インペラ３の外縁部３ａに対応する位置に設けられている。例えば、インペラ３の半径をｒ、電磁石９による力をＦとすると、電磁石９がインペラ３に与えるモーメントＭは、Ｍ＝Ｆ×ｒとなる。このとき、Ｆが一定である場合には、ｒが最大のときにモーメントＭが最大となる。従って、インペラ３の外縁部３ａに対応する位置に電磁石９を配置することにより、最も効果的にインペラ３の撓み量を調整することができる。

ここで、遠心圧縮１においては、インペラ３によって圧縮された空気がディフューザ８に流れ込む際、一部の空気がインペラ３の背面とバックプレート１０との隙間を通り背面空間Ｓに流入することがある。これにより、この流入した空気がインペラ３を押圧し、回転軸方向（図１の右側から左側）にスラスト力が発生することがある。このとき、回転軸４を支持する軸受７に負荷が加わることがある。これに対し、本実施形態では、電磁石９によってインペラ３をシュラウド２とは反対側に引き付けているので、スラスト力を低減し、軸受７に加わる負荷を軽減することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、図２に示すように、電磁石９をインペラ３の外縁部３ａに沿って複数個配設しているが、図３に示すように、例えばリング状の電磁石９ａがインペラ３の外縁部３ａに沿って配設されてもよい。

また、上記実施形態では、インペラ３が磁性体材料によって形成されているが、インペラ３は必ずしも磁性体材料によって形成されなくてもよく、例えば図４（ａ）に示すように、非磁性体のインペラ３の外縁部３ａにリング状の磁性体１１を配設してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、板状の磁性体１２をディスク５の背面部分に溶射してもよい。要は、インペラ３が電磁石９の磁力によって作用を受ける構成であればよい。

また、図４（ａ），（ｂ）に示す磁性体１１，１２において、この磁性体１１，１２が磁極を有する構成としてもよい。具体的には、例えば図４（ａ）に示す磁性体１１の図示右側をＮ極、図示左側をＳ極とする。同様に、図４（ｂ）に示す磁性体１２の図示右側をＮ極、図示左側をＳ極とする。この場合には、電磁石９の磁極を変更することにより、インペラ３に引き付ける力又は押す力を作用させることができる。もちろん、図１に示すインペラ３が磁極を有する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、遠心分離機１をガスタービンエンジンに適用しているが、この遠心分離機１は、種々のものに適用することができる。

１…遠心圧縮機、２…シュラウド、３…インペラ、４…回転軸、５…ディスク、６…インペラ翼（複数の羽）、９…電磁石（調整手段）、Ｄ…クリアランス。

Claims (4)

1. シュラウド内に回転可能にインペラが配設された遠心圧縮機であって、
   前記インペラは、回転軸に固定されるディスクと、当該ディスクの前面に設けられた複数の羽とを有し、
   前記ディスクの後面側には、当該ディスクと非接触で前記インペラの撓み量を調整するための調整手段が設けられていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記調整手段は、前記ディスクの外縁部に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
3. 前記ディスクは、磁性を有し、
   前記調整手段は、電磁石の作用により前記インペラの撓み量を調整することを特徴とする請求項１又は２記載の遠心圧縮機。
4. 前記調整手段は、前記インペラの回転数に応じて前記電磁石の磁力を調整することを特徴とする請求項３記載の遠心圧縮機。

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