JP2010249070A

JP2010249070A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2010249070A
Application number: JP2009100946A
Authority: JP
Inventors: Isao Saito; 勲斉藤; Ryosuke Mito; 良介三戸; Mitsuru Kondo; 充近藤; Tomohiro Imae; 智裕今榮
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】インペラとケーシングとのチップクリアランスを、特別な機構を設けることなく一定に維持し、かつ、軽量化を図ること。
【解決手段】ディスク２２の背面（大径側の軸方向端面）２３に、周方向に沿って凹所２４が設けられており、この凹所２４を、当該インペラ２０を常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラ２０に遠心力のみを加えたときに、当該インペラ２０の吐出側の端部２７が、回転軸線Ｃの軸方向下流側に倒れる第１の変形量と、ディスク２２の背面２３の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラ２０に熱のみを加えたときに、当該インペラ２０の吐出側の端部２７が、回転軸線Ｃの軸方向上流側に倒れる第２の変形量とが略等しくなるように形成させた。
【選択図】図２

Description

本発明は、航空用ガスタービン、産業用ガスタービン、舶用過給機、自動車用過給機等に用いられる遠心圧縮機のインペラに関するものである。

航空用ガスタービンに用いられる遠心圧縮機のインペラとしては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

特開２００８−１４４７５８号公報

図６に示すように、上記特許文献１に開示された遠心圧縮機のインペラ５０は、ディスク（本体）５２と、ディスク５２の周囲に放射状に配置される複数枚のブレード５１とを備えている。また、ディスク５２は、回転軸８（図１参照）に取り付けられており、インペラ５０は、回転軸８とともに同一方向に回転するようになっている。
なお、図６中の符号Ｃは、回転軸の回転軸線である。

常温・静止状態（無負荷状態）において図６に示す形態を呈するインペラ５０は、常温にて定格回転数で回転させて遠心力のみを加えると、図７中に二点鎖線で示すように、インペラ５０の吐出側の端部５５が、回転軸８（図１参照）の軸方向と直交する方向、すなわち、半径方向外側に伸びて変形する。
また、常温・静止状態（無負荷状態）において図６に示す形態を呈するインペラ５０は、ディスク５２の背面（大径側の軸方向端面）５３の側に、定格運転中に燃焼器３（図１参照）が発する熱量と同等の熱量を発する熱源５４を置いて熱のみを加えると、その輻射熱により、図８中に一点鎖線で示すように、インペラ５０の吐出側の端部５５が、回転軸８の軸方向上流側に倒れて変形する。

そして、ガスタービン運転中、インペラ５０には、図７中に二点鎖線で示す遠心力による変形と、図８中に一点鎖線で示す熱による変形とが生じ、結果的に、両者の変形を足し合わせた変形となるので、インペラ５０の吐出側の端部５５は、回転軸８の軸方向上流側に倒れて変形することになり、インペラ５０とケーシング７とが接触するという安全上の問題が起こり得る。
よって、遠心圧縮機の設計段階では、インペラ５０とケーシング７とが運転中に接触しないように、安全を見越して必要以上の過大なチップクリアランスを設けることとなり、圧縮機性能の低下を招いてしまう。

そこで、上記特許文献１に開示された発明では、インペラ５０の吐出側の端部５５が、回転軸８の軸方向上流側に倒れても、インペラ５０が有するブレード５１の外径側先端５６とインペラ５０を収容するケーシング７の内壁面１４（図１参照）との隙間、すなわち、チップクリアランスを極小（ゼロ運転クリアランス）に維持する機構が設けられている。
しかしながら、このような機構の増設は、構造の複雑化や部品点数の増加、コストアップという問題の他にガスタービンの重量を増大させるため、極限の軽量化が求められる航空用ガスタービンには不向きである。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、インペラとケーシングとのチップクリアランスを、特別な機構を設けることなく略一定に維持することができるので、インペラとケーシングとの接触を防ぐことができ、かつ、軽量化を図ることができる圧縮機のインペラを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る圧縮機のインペラは、ディスクと、前記ディスクの周囲に配置された複数枚のブレードとを備える圧縮機のインペラであって、前記ディスクの大径側の軸方向端面に、周方向に沿った凹所が設けられており、この凹所は、当該インペラを常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラに遠心力のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向下流側に倒れる第１の変形量と、前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラに熱のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、前記回転軸線の軸方向上流側に倒れる第２の変形量とが等しくなるか、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前の前記ブレードの先端と前記インペラを収容するケーシングの内壁面との隙間の範囲内に収まるように形成されている。

また、本発明に係る圧縮機のインペラの製造方法は、ディスクと、前記ディスクの周囲に配置された複数枚のブレードとを備える圧縮機のインペラの製造方法であって、前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラに熱のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向上流側に倒れる変形量を把握し、当該インペラを常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラに遠心力のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、前記回転軸線の軸方向下流側に倒れて、熱のみによる前記変形量を相殺するような前記ディスクの大径側の軸方向端面の削り込み部を把握して、前記ディスクの大径側の軸方向端面に、前記削り込み部に対応する凹所を周方向に沿って削り込み加工して、圧縮機のインペラを製造する。

さらに、本発明に係る圧縮機のインペラの設計方法は、ディスクと、前記ディスクの周囲に配置された複数枚のブレードとを備える圧縮機のインペラの設計方法であって、当該インペラを常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラに遠心力のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向下流側に倒れる第１の変形量と、前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラに熱のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、前記回転軸線の軸方向上流側に倒れる第２の変形量とが等しくなるか、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前の前記ブレードの先端と前記インペラを収容するケーシングの内壁面との隙間の範囲内に収まるように、前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に設ける周方向に沿った凹所の形状を計算して決定する。

本発明に係る圧縮機のインペラ、圧縮機のインペラの製造方法、圧縮機のインペラの設計方法によれば、ディスクの大径側の軸方向端面（背面）に周方向に沿った凹所を設けるだけで、当該インペラを常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラに遠心力のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向下流側に倒れる第１の変形量と、ディスクの大径側の軸方向端面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラに熱のみを加えたときに、その輻射熱により当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向上流側に倒れる第２の変形量とが等しくなるか、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前のブレードの先端とインペラを収容するケーシングの内壁面との隙間の範囲内に収まる。
すなわち、ガスタービン等の熱源（燃焼器など）を有する回転機械に適用される圧縮機に用いられた場合でも、当該インペラが有するブレードの外径側先端と、このインペラを収容するケーシングの内壁との隙間、すなわち、チップクリアランスが組立時から運転時にかけて略一定に維持されることとなる。
これにより、インペラとケーシングとのチップクリアランスを、特別な機構を設けることなく略一定に維持することができるのでインペラとケーシングとの接触を防ぐことができ、かつ、軽量化を図ることができる。

本発明に係る圧縮機は、インペラとケーシングとのチップクリアランスを、特別な機構を設けることなく略一定に維持することができるのでインペラとケーシングとの接触を防ぐことができ、かつ、軽量化を図ることができるインペラを具備している。

本発明に係る圧縮機によれば、圧縮性能の低下を防止することができ、圧縮性能を高効率に維持することができて、圧縮機全体の軽量化を図ることができる。

本発明に係る航空用ガスタービンは、圧縮性能の低下を防止することができ、圧縮性能を高効率に維持することができて、圧縮機全体の軽量化を図ることができる圧縮機を具備している。

本発明に係る航空用ガスタービンによれば、推進性能の低下を防止することができ、推進性能を高効率に維持することができて、航空用ガスタービン全体の軽量化を図ることができる。

本発明に係る圧縮機のインペラによれば、インペラとケーシングとのチップクリアランスを、特別な機構を設けることなく略一定に維持することができるのでインペラとケーシングとの接触を防ぐことができ、かつ、性能を維持しつつ軽量化を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る圧縮機のインペラを具備したガスタービン(ターボシャフトエンジン)を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る圧縮機のインペラを示す図であって、常温・静止状態（無負荷状態）の図である。図２と同様の図であって、凹所を設けたことによる重心位置の移動を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る圧縮機のインペラを示す図であって、常温にて定格回転数で回転させて、遠心力のみを加えたときの状態を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る圧縮機のインペラを示す図であって、ディスクの背面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、熱のみを加えたときの状態を説明するための図である。従来の圧縮機のインペラを示す図であって、常温・静止状態（無負荷状態）の図である。従来の圧縮機のインペラを示す図であって、常温にて定格回転数で回転させて、遠心力のみを加えたときの状態を説明するための図である。従来の圧縮機のインペラを示す図であって、ディスクの背面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、熱のみを加えたときの状態を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態に係る圧縮機のインペラについて、図１から図５を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る圧縮機のインペラを具備したガスタービン(ターボシャフトエンジン)を示す断面図、図２は本実施形態に係る圧縮機のインペラを示す図であって、常温・静止状態（無負荷状態）の図、図３は図２と同様の図であって、凹所を設けたことによる重心位置の移動を説明するための図、図４は本実施形態に係る圧縮機のインペラを示す図であって、常温にて定格回転数で回転させて、遠心力のみを加えたときの状態を説明するための図、図５は本実施形態に係る圧縮機のインペラを示す図であって、ディスクの背面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、熱のみを加えたときの状態を説明するための図である。

本実施形態に係る圧縮機のインペラ（以下、「インペラ」という。）２０は、航空用ガスタービン（例えば、ターボシャフトエンジン）、産業用ガスタービン、舶用過給機、自動車用過給機等に搭載される遠心圧縮機（または斜流圧縮機）に適用されるものである。
図１に示すように、ターボシャフトエンジン１は、遠心圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４とを備えている。

遠心圧縮機２は、インペラ（羽根車）２０と、ディフューザー６と、これらインペラ２０およびディフューザー６を収容するケーシング７とを備えている。
インペラ２０は、ディスク（本体）２２と、このディスク２２の周囲に放射状に配置された複数枚のブレード２１とを備えている。また、ディスク２２は、回転軸８に取り付けられており、インペラ２０は、回転軸８とともに同一方向に回転するようになっている。
このように、回転軸線Ｃまわりにインペラ２０が回転することによって、ディスク２２の小径側に位置するブレード２１の前縁側から軸方向下流側に向かって、周方向に複数枚配置されたブレード２１間に形成された流路内に流れ込んだ流体が、圧縮されつつ流れの方向を変えて半径方向外側に向かってディスク２２の大径側に位置するブレード２１の後縁側から流出する。
そして、インペラ２０により圧縮された空気（流体）は、ディフューザー６を通って、主圧力室９に導かれ、燃焼器３内に入り、燃焼器３内に別途供給された燃料と混合されて燃焼させられた後、高温の燃焼ガスとなってタービンノズル１０、タービン４の動翼１１へ導かれる。
なお、タービン４の動翼１１は、ディスク１３を介して回転軸８に取り付けられており、回転軸８およびインペラとともに同一方向に回転するようになっている。
また、図１中の符号Ｃは、回転軸８の回転軸線である。

図２に示すように、ディスク２２の背面（大径側の軸方向端面）２３には、周方向に沿って凹所（窪み）２４が設けられている。この凹所２４は、背面２３の内周側に設けられ、例えば、回転軸線Ｃと、ディスク２２の外周端（大径側の径方向側面）２５とを結ぶ半径を、内周側と外周側とに８対２で二分する点（位置）よりも内周側に設けられている。
このような凹所２４を設けることにより、図３に示すように、インペラ２０の輪郭を示す形状の重心位置がディスク２２の正面（小径側の軸方向端面）２６の方へ、すなわち、●（黒丸）からそれよりも軸方向上流側の○（白丸）へ移動することになる。
よって、凹所２４は、図４中に実線で示す常温にて無負荷状態のインペラ２０を回転軸８（図１参照）まわりに定格回転数で回転させて、インペラ２０に遠心力のみを加えたときに、インペラ２０の吐出側の端部２７が、図４中に一点鎖線で示すように、回転軸８（図１参照）の軸方向下流側に倒れるように形成されている。
なお、図３中の●（黒丸）は、凹所２４を備えていない二点鎖線で示されるインペラ５０の輪郭を示した形状Ａの重心位置、○（白丸）は凹所２４を備えた実線で示され本発明に係るインペラ５０の輪郭を示した形状Ｂの重心位置である。

一方、凹所２４は、図５中に一点鎖線で示すように、ディスク２２の背面（大径側の軸方向端面）２３の側に、定格運転中に燃焼器３（図１参照）が発する熱量と同等の熱量を発する熱源２８を置いて、実線で示す無負荷状態のインペラ２０に熱のみを加えたときに、その輻射熱によりインペラ２０の吐出側の端部２７が、回転軸８（図１参照）の軸方向上流側に倒れるように形成されている。
すなわち、凹所２４は、図４中に一点鎖線で示す遠心力のみによる第１の変形量と図５中に一点鎖線で示す熱のみによる第２の変形量とを足し合わせたときに、図１から図５にて実線で示された変形前の常温・静止状態（無負荷状態）の形態になるよう、あるいはできるだけ近づくように、かつ、インペラ２０とケーシング７とが接触しない範囲で変形前のチップクリアランスよりも変形後のチップクリアランスの方が小さくなるように形成されている。
言い換えれば、凹所２４は、図４中に一点鎖線で示す遠心力のみによる第１の変形量と図５中に一点鎖線で示す熱のみによる第２の変形量とが相殺されるように、すなわち、図４中に一点鎖線で示す遠心力のみによる第１の変形量と図５中に一点鎖線で示す熱のみによる第２の変形量とが等しくなるように、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前のブレード２１の先端とインペラ２０を収容するケーシング７の内壁面１４との隙間の範囲内に収まるように形成されている。

ディスク２２の背面２３の削り込み量（肉の盗み量）、すなわち、凹所２４の形状は、以下の手順で決定される。
まず、図８中に実線で示すように、凹所２４を備えていないインペラ５０のディスク５２の背面（大径側の軸方向端面）５３の側に、定格運転中に燃焼器３（図１参照）が発する熱量と同等の熱量を発する熱源５４を置いて、インペラ５０に熱のみを加えたときに、その輻射熱によりインペラ５０の吐出側の端部５５が、一点鎖線で示すように回転軸８（図１参照）の軸方向上流側に倒れる量（第２の変形量）を試験または計算等により把握する。
つぎに、常温にてインペラ２０を定格回転数で回転させて、インペラ２０に遠心力のみを加えたときに、（図４を用いて説明したように）インペラ２０の吐出側の端部２７が、回転軸８（図１参照）の軸方向下流側に倒れて、熱のみによる第２の変形量を相殺するようなディスク２２の背面２３の削り込み部を計算等により把握し、ディスク２２の背面２３にその削り込み部に対応する凹所２４を周方向に沿って削り込み加工する。この削り込み部とは、ディスク２２の背面２３を削り込む量や形状、位置等を含む。
つづいて、常温にてインペラ２０を定格回転数で回転させて、インペラ２０に遠心力のみを加えたときに、インペラ２０の吐出側の端部が、回転軸８（図１参照）の軸方向下流側に倒れて、熱のみによる第２の変形量を相殺できているか否かを試験または計算等により確認し、相殺できていれば削り込み加工を終了し、できていなければ、図４中に一点鎖線で示す遠心力のみによる第１の変形量と図５中に一点鎖線で示す熱のみによる第２の変形量とが等しくなるか、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前のブレード２１の先端とインペラ２０を収容するケーシング７の内壁面１４との隙間の範囲内に収まるようになるまで上記の手順を繰り返し行って、ディスク２２の背面２３を周方向に沿って削り込み加工する。

本実施形態に係る圧縮機のインペラ２０によれば、ディスク２２の背面２３に周方向に沿った凹所２４を設けるだけで、当該インペラ２０を常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラ２０に遠心力のみを加えたときに、当該インペラ２０の吐出側の端部２７が、回転軸線Ｃの軸方向下流側に倒れる第１の変形量と、ディスク２２の背面２３の側に、定格運転中に燃焼器３（図１参照）が発する熱量と同等の熱量を発する熱源２８を置いて、当該インペラ２０に熱のみを加えたときに、その輻射熱により当該インペラ２０の吐出側の端部２７が、回転軸線Ｃの軸方向上流側に倒れる第２の変形量とが等しくなるか、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前のブレード２１の先端とインペラ２０を収容するケーシング７の内壁面１４との隙間の範囲内に収まる。
すなわち、ターボシャフトエンジン１に適用される遠心圧縮機２に用いられた場合でも、当該インペラ２０と、このインペラ２０を収容するケーシング７とのチップクリアランスが略一定に維持されることとなり、運転中にインペラ２０とケーシング７とが接触することも防ぐことができる。よって、安全を見越した必要以上に過大なチップクリアランスを設定することによる性能低下を回避することができる。
また、これにより、インペラ２０とケーシング７とのチップクリアランスを、特別な機構を設けることなく略一定に維持することができ、かつ、軽量化を図ることができる。

本実施形態に係るインペラ２０を具備した遠心圧縮機２によれば、圧縮性能の低下を防止することができ、圧縮性能を高効率に維持することができて、圧縮機全体の軽量化を図ることができる。

本実施形態に係るインペラ２０を具備したターボシャフトエンジン１によれば、推進性能の低下を防止することができ、推進性能を高効率に維持することができて、航空用ガスタービン全体の軽量化を図ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更・変形が可能である。
例えば、本発明は新規設計または新規製造のみに適用され得るものではなく、既存のインペラに対して凹所を追加工する補修や改造に適用することも可能である。
また、本発明は航空用ガスタービンのみに適用され得るものではなく、産業用ガスタービン、舶用過給機、自動車用過給機等にも適用可能である。

１ターボシャフトエンジン（ガスタービン）
２遠心圧縮機（圧縮機）
３燃焼器
２０インペラ
２１ブレード
２２ディスク
２３背面（大径側の軸方向端面）
２４凹所
２５外周端（大径側の径方向側面）
５０インペラ
５１ブレード
５２ディスク
５３背面（大径側の軸方向端面）
Ｃ回転軸線

Claims

ディスクと、前記ディスクの周囲に配置された複数枚のブレードとを備える圧縮機のインペラであって、
前記ディスクの大径側の軸方向端面に、周方向に沿った凹所が設けられており、
前記凹所は、当該インペラを常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラに遠心力のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向下流側に倒れる第１の変形量と、
前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラに熱のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、前記回転軸線の軸方向上流側に倒れる第２の変形量とが等しくなるか、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前の前記ブレードの先端と前記インペラを収容するケーシングの内壁面との隙間の範囲内に収まるように形成されていることを特徴とする圧縮機のインペラ。
請求項１に記載の圧縮機のインペラを具備してなることを特徴とする圧縮機。
請求項２に記載の圧縮機を具備してなることを特徴とする航空用ガスタービン。
ディスクと、前記ディスクの周囲に配置された複数枚のブレードとを備える圧縮機のインペラの製造方法であって、
前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラに熱のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向上流側に倒れる変形量を把握し、
当該インペラを常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラに遠心力のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、前記回転軸線の軸方向下流側に倒れて、熱のみによる前記変形量を相殺するような前記ディスクの大径側の軸方向端面の削り込み部を把握して、前記ディスクの大径側の軸方向端面に、前記削り込み部に対応する凹所を周方向に沿って削り込み加工することを特徴とする圧縮機のインペラの製造方法。
ディスクと、前記ディスクの周囲に配置された複数枚のブレードとを備える圧縮機のインペラの設計方法であって、
当該インペラを常温にて定格回転数で回転させて、当該インペラに遠心力のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、回転軸線の軸方向下流側に倒れる第１の変形量と、
前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に、定格運転中に燃焼器が発する熱量と同等の熱量を発する熱源を置いて、当該インペラに熱のみを加えたときに、当該インペラの吐出側の端部が、前記回転軸線の軸方向上流側に倒れる第２の変形量とが等しくなるか、あるいは、第１の変形量と第２の変形量との差が、変形前の前記ブレードの先端と前記インペラを収容するケーシングの内壁面との隙間の範囲内に収まるように、
前記ディスクの大径側の軸方向端面の側に設ける周方向に沿った凹所の形状を計算して決定することを特徴とする圧縮機のインペラの設計方法。