JP2010275973A

JP2010275973A - 回転機械

Info

Publication number: JP2010275973A
Application number: JP2009131300A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tomii; 正幸富井; Hiroki Chiba; 啓気千葉
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】運転範囲内における動翼の振動応答を低減できる回転機械を提供すること。
【解決手段】この回転機械１は、ロータ５を回転させて動力を発生する回転機械である。この回転機械１では、ロータ５の回転数に応じて共振が発生する領域を共振回転数領域と呼ぶときに、この共振回転数領域にてロータ５の回転数を増減させる回転数増減手段７が設けられている。例えば、この回転数増減手段７が空気量制御あるいは燃料量制御によりロータ５の回転数を制御している。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転機械に関し、さらに詳しくは、運転範囲内における動翼の振動応答を低減できる回転機械に関する。

一般に可変速の回転機械の動翼では、運転範囲内にてノズルウェークなどの励振力により共振が発生する。かかる共振を回避するために、例えば、動翼の形状を変更する等のチューニングが行われている。

しかしながら、広い運転範囲（使用回転数範囲）を有する回転機械では、すべての共振モードに対するチューニングが困難であるため、運転範囲内における共振の回避が困難な場合がある。このため、共振応答が大きい場合には、共振回転数付近にてロータの回転数の保持を禁止するなどの運転制限（保持禁止領域）が設けられている。

なお、回転数を制御できる従来の回転機械として、特許文献１に記載される技術が知られている。

特許第３１９１６０１号公報

この発明は、運転範囲内における動翼の振動応答を低減できる回転機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる回転機械は、ロータを回転させて動力を発生する回転機械であって、前記ロータの回転数に応じて共振が発生する領域を共振回転数領域と呼ぶときに、前記共振回転数領域にて前記ロータの回転数を増減させる回転数増減手段を備えることを特徴とする。

この回転機械では、共振回転数領域にて回転数増減手段がロータの回転数を増減させることにより、励振周波数が変動して共振回転数での保持が回避される。これにより、振動応答が低減される利点がある。

また、この発明にかかる回転機械は、前記ロータの回転数を一定の目標値に保持する保持指令があり且つ前記目標値が前記共振回転数領域にあるときに、前記回転数増減手段が前記ロータの回転数を増減させる。

保持運転の目標値が共振回転数領域にあるときには、共振が発生し易い。したがって、このときに回転数増減手段がロータの回転数を増減させることにより、動翼の振動応答が効果的に低減される利点がある。

また、この発明にかかる回転機械は、前記増減の増減幅が前記ロータの回転数ωと固有振動数ωｎとの比ω／ωｎにおいて０．９５≦ω／ωｎ≦１．０５の関係を有する。

この回転機械では、増減の増減幅と振動数比ω／ωｎとの関係が適正化されるので、動翼の振動応答が効果的に低減される利点がある。

また、この発明にかかる回転機械は、前記回転数増減手段が空気量制御あるいは燃料量制御により前記ロータの回転数を制御する。

この回転機械では、既存の構成（例えば、回転数センサ、空気量調整バルブ、燃料量調整バルブなど）を用いて回転数増減手段を構成できる利点がある。

また、この発明にかかる回転機械は、前記回転数増減手段が前記ロータに連結されたねじり加振器により構成される。

この回転機械では、ねじり加振器による機械的構成により、確実にロータの回転数を制御できる利点がある。

また、この発明にかかる回転機械は、前記ロータの出力側に前記増減による前記ロータのねじり振動を減衰させる振動減衰手段が設けられる。

この回転機械では、回転数増減手段がロータの回転数を増減させたときに、この増減による前記ロータのねじり振動が振動減衰手段にて減衰されて出力される。これにより、ロータの回転数の増減による出力側への影響が低減される利点がある。

この発明にかかる回転機械では、共振回転数領域にて回転数増減手段がロータの回転数を増減させることにより、励振周波数が変動して共振回転数での保持が回避される。これにより、振動応答が低減される利点がある。

図１は、この発明の実施の形態にかかる回転機械を示す構成図である。図２は、図１に記載した回転機械の作用を示す説明図である。図３は、図１に記載した回転機械の作用を示す説明図である。図４は、図１に記載した回転機械の作用を示す説明図である。図５は、図１に記載した回転機械の変形例１を示す構成図である。図６は、図１に記載した回転機械の変形例２を示す構成図である。図７は、図１に記載した回転機械の変形例２を示す構成図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［回転機械］
この回転機械１は、ロータを回転させて動力を発生する回転機械に適用され、特に、運転時にてロータの回転数を変速させて使用される回転機械（可変速の回転機械）に適用される。かかる可変速の回転機械には、例えば、航空機用エンジン、ヘリコプター用エンジン、機械駆動用タービンなどがある。

例えば、この実施の形態にかかる回転機械１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４と、ロータ５とを有する（図１参照）。圧縮機２は、空気取込口から取り込まれた空気を圧縮して圧縮空気を生成する。燃焼器３は、この圧縮空気に燃料を噴射して高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。タービン４は、この燃焼ガスの熱エネルギーをロータ５の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ５に連結された負荷（例えば、発電機や推進装置など）に伝達される。

［回転数増減手段］
一般に、回転機械では、ロータの回転数に応じて動翼の共振が発生する。この共振が発生する運転領域（共振点を含む運転領域）を共振回転数領域と呼ぶ。ただし、共振が発生する回転数は、回転機械の運転条件や経年劣化などにより変化する。そこで、この実施の形態では、共振が発生すると推定される運転領域を共振回転数領域（推定共振回転数領域）として用いる。なお、共振点は、ロータの回転数と振動数との関係図（キャンベル線図）にて、動翼の固有振動数と励振ハーモニックとの交点として取得される（図４参照）。したがって、この共振点を含む回転数領域が共振回転数領域（推定共振回転数領域）となる。

ここで、可変速の回転機械では、運転時にて変速制御が行われてロータの回転数が変化する。このため、回転機械の運転範囲内に共振回転数領域（共振点）が存在し得る。この共振回転数領域にてロータの回転数を保持する運転（保持運転）が行われると、共振が発生し、過大な振動応答が発生するおそれがある。

そこで、この回転機械１では、かかる動翼の振動応答を低減するために、回転数増減手段７が設けられる（図１参照）。この回転数増減手段７は、共振回転数領域（推定共振回転数領域）にてロータ５の回転数を増減（変動）させる手段である。

例えば、この実施の形態では、回転数増減手段７が、制御部７１と、回転数センサ７２と、空気量調整バルブ７３と、燃料量調整バルブ７４とにより構成されている（図１参照）。制御部７１は、例えば、ＥＣＵ（electronic control unit）により構成される。回転数センサ７２は、ロータ５の回転数を検出するセンサであり、例えば、エンコーダにより構成される。空気量調整バルブ７３は、圧縮機２への空気の供給量を調整するバルブである。燃料量調整バルブ７４は、燃焼器３への燃料の供給量を調整するバルブである。この回転数増減手段７では、制御部７１が回転数センサ７２の出力値に基づいて空気量調整バルブ７３あるいは燃料量調整バルブ７４の開度を制御する。これにより、ロータ５の回転数が制御されて、後述する保持運転および準保持運転が行われる。

この回転機械１では、例えば、定速運転時にて、ロータ５の回転数を一定の目標値に保持する保持指令が行われると、この回転数の目標値が共振回転数領域内にあるか否かの判断が行われる。そして、回転数の目標値が共振回転数領域内にない場合には、ロータ５の回転数を一定の目標値に保持する運転（保持運転）が行われる（図２参照）。

一方、ロータ５の回転数の目標値が共振回転数領域内にある場合には、ロータ５の回転数を一定の目標値を基準として所定の増減幅にて増減させる運転（準保持運転）が行われる。すると、回転数の増減により励振周波数が変動するので、共振回転数での保持が回避される。これにより、振動応答が低減される。

なお、上記の準保持運転は、ロータ５の回転数が共振回転数領域をゆっくり通過するとき（ロータ５の回転数の変化率が所定値よりも小さいとき）に行われても良い（図示省略）。例えば、ロータ５の回転数をゆっくりと上昇あるいは下降させる運転時にて、ロータ５の回転数が共振回転数領域を通過するときに、回転数増減手段７がロータ５の回転数を所定の増減幅にて増減させる。これにより、過大な振動応答が効果的に低減される。

また、ロータ５の回転数の増減とは、ロータ５の回転数の時間変化における増減をいうものとする（図２参照）。例えば、この実施の形態では、共振回転数領域内にて保持運転が行われるときに、ロータ５の回転数が時間変化に伴ってジグザグ状あるいは波状に増減（変動）する。また、このとき、回転数の増減幅および周期が一定に設定されている。

また、ロータ５の回転数の増減の増減幅は、ロータ５の回転数ωと固有振動数ωｎとの比ω／ωｎにおいて０．９５≦ω／ωｎ≦１．０５の関係を有することが好ましく、０．９８５≦ω／ωｎ≦１．０１５の関係を有することがより好ましい（図３参照）。

また、ロータ５の回転数の増減の周波数は、一般に高いほど共振成長率が小さくなるため好ましい。ただし、増減の周波数を高くするには、大きなエネルギーが必要となるため、これらを考慮しつつ増減の周波数が適宜設定されることが好ましい。

また、共振回転数領域内にて保持運転が行われない場合、例えば、共振回転数領域外にて保持運転が行われる場合、変速運転時にて単に共振回転数領域を通過する場合などには、ロータ５の回転数の増減が禁止されて、通常運転が行われる（図２参照）。ただし、保持運転が行われない場合であっても、ロータ５の回転数が共振回転数領域内に所定時間以上滞在する場合には、共振が発生するおそれが強い。したがって、かかる場合には、保持運転が行われる場合と同様に、ロータ５の回転数を増減させる制御が行われることが好ましい。これにより、共振回転数領域内における過大な振動応答が効果的に低減される。

［効果］
以上説明したように、この回転機械１では、共振回転数領域にてロータ５の回転数を増減させる回転数増減手段７を備える（図１および図２参照）。かかる構成では、共振回転数領域にて回転数増減手段７がロータ５の回転数を増減させることにより、励振周波数が変動して共振回転数での保持が回避される。これにより、振動応答が低減される利点がある。特に、共振回転数領域にて保持運転（準保持運転）を行い得るので、製品の信頼性が向上する利点があり、また、製品の設計裕度が拡大される利点がある。

また、この回転機械１では、ロータ５の回転数を所定の目標値に保持する保持運転が行われると共に目標値が共振回転数領域にあるときに、回転数増減手段７がロータ５の回転数を増減させる。保持運転の目標値が共振回転数領域にあるときには、共振が発生し易い。したがって、このときに回転数増減手段７がロータ５の回転数を増減させることにより、過大な振動応答が効果的に低減される利点がある。

また、この回転機械１では、増減の増減幅がロータ５の回転数ωと固有振動数ωｎとの比ω／ωｎにおいて０．９５≦ω／ωｎ≦１．０５の関係に設定される。かかる構成では、増減の増減幅と振動数比ω／ωｎとの関係が適正化されるので、振動応答が十分に低減される。これにより、共振の発生が効果的に抑制される利点がある。

［変形例１］
なお、この回転機械１では、回転数増減手段７が空気量制御あるいは燃料量制御によりロータ５の回転数を制御する（図１参照）。例えば、この実施の形態にかかる回転機械１では、回転数増減手段７の制御部７１が回転数センサ７２の出力値に基づき空気量調整バルブ７３および燃料量調整バルブ７４の開度を制御することにより、ロータ５の回転数が制御される。かかる構成では、既存の構成（回転数センサ７２、空気量調整バルブ７３および燃料量調整バルブ７４）を用いて回転数増減手段７を構成できる利点がある。

しかし、これに限らず、回転数増減手段７がロータ５に連結されたねじり加振器７５により構成されても良い（図５参照）。かかる構成では、ねじり加振器７５による機械的構成により、確実にロータ５の回転数を制御できる利点がある。特に、かかる構成は、燃料制御によりロータ５の回転数を制御する構成（図１参照）と比較して、ロータ５の慣性が大きいときにもロータ５の回転数を確実に制御できる点で好ましい。

例えば、この実施の形態の変形例１では、油圧制御式あるいは電磁制御式のねじり加振器７５がロータ５に連結される（図５参照）。そして、共振回転数領域内にて保持運転が行われるときに、制御部７１が回転数センサ７２の出力値に基づいてねじり加振器７５を駆動制御する。これにより、ロータ５の回転数が制御されて、回転数の増減が形成される（図２参照）。

［変形例２］
また、この回転機械１では、ロータ５の出力側にロータ５の回転数の増減によるロータ５のねじり振動を減衰させる振動減衰手段８が設けられることが好ましい（図６参照）。かかる構成では、回転数増減手段７がロータ５の回転数を増減させたときに、この増減によるロータ５のねじり振動が振動減衰手段８にて減衰されて出力される。これにより、ロータ５の回転数の増減による出力側への影響が低減される利点がある。なお、振動減衰手段８は、例えば、ダンパ継手、流体継手などにより構成され得る。

例えば、この変形例２の回転機械１では、タービン４のロータ５と負荷６の入力軸との連結部に振動減衰手段８が設置される（図６参照）。この振動減衰手段８は、ダンパ継手から成り、ロータ５の回転数の増減を減衰して負荷６の入力軸６１に伝達する。これにより、ロータ５の回転数の増減による出力側への影響が低減される。

また、上記の構成では、さらに、振動減衰手段８を補助する手段として、ロータ５の出力側にフライホイール９が設置されても良い（図７参照）。例えば、図７に示す構成では、負荷６の入力軸６１にフライホイールが取り付けられる。これにより、入力軸６１の慣性が増加して、ロータ５の回転数の増減が効果的に減衰される。

以上のように、この発明にかかる回転機械は、運転範囲内における動翼の振動応答を低減できる点で有用である。

１回転機械
２圧縮機
３燃焼器
４タービン
５ロータ
６負荷
６１入力軸
７回転数増減手段
７１制御部
７２回転数センサ
７３空気量調整バルブ
７４燃料量調整バルブ
７５ねじり加振器
８振動減衰手段
９フライホイール

Claims

ロータを回転させて動力を発生する回転機械であって、
前記ロータの回転数に応じて共振が発生する領域を共振回転数領域と呼ぶときに、
前記共振回転数領域にて前記ロータの回転数を増減させる回転数増減手段を備えることを特徴とする回転機械。
前記ロータの回転数を一定の目標値に保持する保持指令があり且つ前記目標値が前記共振回転数領域にあるときに、前記回転数増減手段が前記ロータの回転数を増減させる請求項１に記載の回転機械。
前記増減の増減幅が前記ロータの回転数ωと固有増減数ωｎとの比ω／ωｎにおいて０．９５≦ω／ωｎ≦１．０５の関係を有する請求項１または２に記載の回転機械。
前記回転数増減手段が空気量制御あるいは燃料量制御により前記ロータの回転数を制御する請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転機械。
前記回転数増減手段が前記ロータに連結されたねじり加振器により構成される請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転機械。
前記ロータの出力側に前記増減による前記ロータのねじり振動を減衰させる振動減衰手段が設けられる請求項１〜５のいずれか一つに記載の回転機械。