JP2011137434A - 軸流圧縮機及び軸流圧縮機の振動応力測定方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】試験機のみに、ひずみゲージを取り付けて振動応力を測定すると、試験機での想定と異なる振動応力が発生する場合に信頼性が低下する。また、軸流圧縮機の翼部にひずみゲージを取り付けた場合、ひずみゲージの脱落，破損による測定の信頼性低下を無視できない。
【解決手段】上記の課題を解決するため、本発明の軸流圧縮機は、ロータ１と、ロータ１を支持する軸受２と、ロータ１に保持された動翼３と、ケーシング４と、ケーシング４に保持された静翼５とを有し、静翼５は、ガスパスに位置する翼部２１と、翼部２１と一体に形成され、ケーシング２５に設けられた穴に設置されるロッド部２２と、ロッド部２２と一体に形成された板状部である薄板部２３とを備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、軸流圧縮機及び軸流圧縮機の振動応力測定方法に関する。

軸流圧縮機における、静翼の翼部に流体加振力によって発生する振動応力の発生メカニズムが特開２００１−３２９８５６号公報に開示されている。この振動応力によって翼部にはダメージが蓄積し、ダメージが疲労破損限界を超過すると、クラック発生や破損を引き起こす可能性がある。このため翼部に発生する振動応力を把握することでダメージの蓄積量を把握して、静翼の交換時期を適切に判断し、クラック発生や破損を未然に防ぐことが重要である。

特開２００１−３２９８５６号公報

試験機のみに、ひずみゲージを取り付けて振動応力を測定すると、試験機での想定と異なる振動応力が発生する場合に信頼性が低下する。また、軸流圧縮機の翼部にひずみゲージを取り付けた場合、ひずみゲージの脱落，破損による測定の信頼性低下を無視できない。

上記の課題を解決するため、本発明の軸流圧縮機は、ロータと、前記ロータを支持する軸受と、前記ロータに保持された動翼と、ケーシングと、前記ケーシングに保持された静翼とを有する軸流圧縮機において、前記静翼は、ガスパスに位置する翼部と、前記翼部と一体に形成され、前記ケーシングとの接続部に位置するロッド部と、前記ロッド部と一体に形成された板状部または前記ロッド部に接続された板状部を有する部材とを備えたことを特徴とする。

翼部にひずみゲージを取り付けた場合の、ひずみゲージの脱落，破損による測定の信頼性低下を抑えた軸流圧縮機を提供できる。

軸流圧縮機の全体構成。 ガスタービンに適用される軸流圧縮機の軸構成。 第１実施例の軸流圧縮機の上流側ガスパス部分の拡大図。 第１実施例における静翼。 第２実施例の軸流圧縮機の上流側ガスパス部分の拡大図。 第２実施例における静翼。 第３実施例の軸流圧縮機の上流側ガスパス部分の拡大図。 第３の実施例における可変静翼部分の斜視図。

静翼の翼部へのクラック発生や破損を防止するために、解析や経験より翼部に発生する振動応力を事前に予測して、疲労寿命を推定することが行われている。更に、事前に翼部ひずみゲージを取り付けた試験を実施して、発生する振動応力を把握する事もある。この場合、事前の試験に使用した軸流圧縮機以外では、翼部にひずみゲージを取り付けない。

しかしこれらの方法では、ひずみゲージを取り付けていない軸流圧縮機の翼部に想定と異なる振動応力が発生してもそれを知る術が無く、静翼の翼部へのクラック発生や破損の可能性がある。特に、軸流圧縮機の運用を変える場合には、この可能性が大きい。

これらの問題を解決するため、翼部にひずみゲージを取り付け、翼部に発生する振動応力を常に測定する方法が考えられる。しかし、ひずみゲージをガスパス内部に位置する翼部に取り付けると、ひずみゲージには常にガスパス内部の作動流体による流体力が作用する。この場合、その流体力によるひずみゲージ脱落・破損のリスクが高く、測定の信頼性に欠ける。またひずみゲージが脱落・破損した際、翼部がケーシング内部に位置するため、ひずみゲージを再取り付けするためにはケーシングを分解する必要が生じる。ケーシングの分解には多大なコストと期間を必要とするため、本方式は経済的に不利である。更に、ひずみゲージを翼部に取り付けることによって、ひずみゲージの厚みによってガスパス中の作動流体の流れが阻害され、軸流圧縮機の効率も低下する。

以下、軸流圧縮機のガスパス内に位置する静翼の翼部に流体加振力によって発生する振動応力を測定するための好適な構造について、実施例を用いて説明する。各実施例の軸流圧縮機では、翼部に発生する振動応力を測定することによって、翼部のダメージの蓄積量を把握し、翼部の破損を抑制することも可能である。

図１は本発明に関わる軸流圧縮機の全体構成を表す図である。本図においては軸流圧縮機は回転中心軸より上側のみを図示しており、下側は省略している。

軸流圧縮機は、ロータ１，ロータを支持する軸受２，ロータに固定保持される複数段の動翼３，ケーシング４，ケーシングに固定保持される複数段の静翼５から構成され、ロータ１，動翼３が回転中心軸６の周りに回転することによって作動流体が矢印７の方向に流れ、圧縮される。動翼３，静翼５が位置し、作動流体が流れるケーシング４の内周側の空間をガスパスと呼ぶ。ケーシング４の外側とは、ケーシング４を境として、ガスパスとは逆側の空間を意味する。

部分負荷運転や部分回転数運転など、様々な運転状態で作動流体の流れを最適に制御して効率を高めるため、静翼の作動流体に対する角度を調整する機能を有する軸流圧縮機の静翼を、可変静翼と呼ぶ。

軸流圧縮機は、高圧流体を必要とする分野や、ガスタービンにおける作動流体の圧縮過程に使用される。ガスタービンに使用される場合、図２の軸構成に示すように、下流側にタービン部９を有し、軸流圧縮機部８とタービン部９はロータ１０を介して直結されていることが多い。軸流圧縮機は外部動力によって回転中心軸６回りに回転し、ガスタービンにおける軸流圧縮機８は、タービン部９に駆動されることで回転中心軸１１回りに回転して動作する。

静翼５には作動流体による流体加振力によって振動応力が発生している。振動応力の発生メカニズムは特開２００１−３２９８５６号公報にも詳しく開示されている。この振動応力によって静翼にはダメージが蓄積し、ダメージが疲労破損限界を超過すると、クラック発生や翼の破損を引き起こす。このため静翼に発生する振動応力を把握して、ダメージの蓄積量を把握して静翼の交換時期を適切に判断し、クラック発生や破損を未然に防ぐことが重要となる。

〔第１の実施例〕
図３に第１実施例の軸流圧縮機の上流側ガスパス部分の拡大図を示す。図３では複数段ある静翼・動翼の１段のみを示している。図３には、静翼の翼部２１，円柱状構造であるロッド部２２，静翼の薄板部２３，動翼２４，ケーシング２５，ロータ２６，静止部材２７，ガスパス中の作動流体の流れ方向２８，静翼固定具２９が示されている。さらにひずみゲージ３０が、薄板部２３に取り付けられている。静翼の翼部２１とロッド部２２，薄板部２３は一体構造となっている。

図４は図３における静翼の図であり、翼部２１，ロッド部２２，薄板部２３の範囲を示している。

ケーシング２５には、ロッド部２２を通すための穴がガスパスからケーシング外部まで連通しており、その穴を通してロッド部２２はケーシング２５の外部空間に露出している。静翼をケーシング２５に保持するため、ロッド部２２は、静翼支持具２９によってケーシング２５に支持されている。

薄板部２３はケーシング外部空間に位置しており、静止部材２７に固定されている。

翼部２１はガスパス中に位置しており、運転中は常に作動流体２８による流体加振力が作用している。翼部２１に発生した加振力はロッド部２２を通して薄板部２３まで伝達され、薄板部２３に振動応力を発生させる。翼部２１に発生した加振力は、ロッド部２２，薄板部２３を介してケーシング外部空間に伝達されるまでの間に、減衰効果によって減衰し、外部では小さくなる。

本実施例の薄板部２３にはひずみゲージ３０が取り付け可能である。ひずみゲージが取り付けられると、その部位における振動応力を測定できる。

本実施例の静翼では薄板部２３が板状構造となっているため、ひずみゲージが容易に取り付けられる。この板構造部の厚さが、静翼の翼部２１の最大厚みの２倍以下であれば、振動応力は測定できる。本実施例では薄板部２３の厚さが静翼の翼部２１の最大厚みと同程度であれば、ひずみゲージを静翼の翼部２１に直接設置したものから多少減衰した程度の振動応力を測定できるため、十分な測定精度を確保できるものと考えられる。

薄板部２３を薄くするほど、小さな加振力でも薄板部２３には大きな振動応力が発生させることができる。振動応力が大きければ、ひずみゲージ３０で精度良く振動応力を測定することができる。そのため望ましくは、薄板部２３の厚さは静翼の翼部２１の最大厚みの半分以下とするのがよい。

以上説明した通り、本実施例の軸流圧縮機は、ロータ１と、ロータ１を支持する軸受２と、ロータ１に保持された動翼３と、ケーシング４と、ケーシング４に保持された静翼５とを有し、静翼５は、ガスパスに位置する翼部２１と、翼部２１と一体に形成され、ケーシング２５との接続部に位置するロッド部２２と、ロッド部２２と一体に形成された板状部である薄板部２３とを備えている。

このような軸流圧縮機では、ケーシングの外側に位置する薄板部２３にひずみゲージを容易に取り付けられるため、ひずみゲージ３０の振動応力より静翼の翼部２１に発生する振動応力を推定することで、ダメージの蓄積量を把握して静翼の交換時期を適切に判断しクラック発生や破損を未然に防ぐことができる。また想定外の振動応力が翼部２１に発生した場合、それをひずみゲージ３０による振動応力によって検知して、機器停止などの措置をとり、翼部２１の破損を防止することができる。

また本実施例の軸流圧縮機では、ひずみゲージ３０をガスパス中に存在させる必要がないため、ガスパス内部の作動流体による流体力がひずみゲージ３０に作用せず、ひずみゲージ脱落・破損のリスクが低下する。

更に、ひずみゲージ３０によるガスパス中の作動流体の流れの阻害も無く、効率低下も抑制される。

更に、ひずみゲージ３０を取り付ける場所がケーシング外部空間であるため、ひずみゲージを再貼り付けする際、ケーシングを分解する必要が無いため、ケーシング分解コストと期間を節約できる。

〔第２の実施例〕
図５に、本発明における第２の実施例の軸流圧縮機を示す。

図５に示すように、本実施例の軸流圧縮機は、静翼の翼部４１，円柱状構造であるロッド部４２，動翼２４，ケーシング２５，ロータ２６，薄板レバー４３，静止部材４７，静翼支持具４９を有している。ガスパス中の作動流体の流れ方向は、流れ方向２８で示す。ひずみゲージ５０は、薄板レバー４３に取り付け可能である。静翼の翼部４１とロッド部４２は一体構造となっている。

図６は図５に示した静翼の図であり、翼部４１，ロッド４２の範囲を示している。

ケーシング２５には、ロッド部４２を通すための穴がガスパスからケーシング外部まで連通しており、その穴を通してロッド部４２はケーシング２５の外部空間に露出している。ロッド４２部は、静翼をケーシング２５に保持するため、静翼支持具４９によってケーシング２５に支持されている。

ロッド部４２は、薄板レバー４３を介して静止部材４７に結合されている。

薄板レバー４３が板状の部材であるため、ひずみゲージ５０が容易に取り付けられる。ひずみゲージを取り付ければ、その部位における振動応力を測定できる。薄板レバー４３は、その厚みが翼部４１の最大厚みの２倍以下であれば、振動応力は測定できる。本実施例では薄板レバー４３の厚さが静翼の翼部４１の最大厚みと同程度であれば、ひずみゲージを静翼の翼部４１に直接設置したものから多少減衰した程度の振動応力を測定できるため、十分な測定精度を確保できるものと考えられる。

薄板レバー４３を薄くするほど、小さな加振力でも薄板レバー４３には大きな振動応力を発生させることができる。振動応力が大きければ、ひずみゲージ５０で精度良く振動応力を測定することができる。そのため望ましくは、薄板レバー４３の厚さは静翼の翼部４１の最大厚みの半分以下とするのがよい。

本実施例によると、第１の実施例における効果と同様の効果を得ることができる。第１の実施例の、ロッド部２２と一体に形成された板状部である薄板部２３に相当する構成として、ロッド部４２に接続された板状部を有する部材である薄板レバー４３を備えているからである。加えて、静翼自体に第１の実施例のような薄板部２３が存在しないため、翼部４１の翼形加工が容易となり製造コストを低減できる。

一方で、第１の実施例の軸流圧縮機では、薄板部２３が翼部２１と一体に形成されているため、第２の実施例の軸流圧縮機に比べ、接続部での減衰がない分、振動応力への感度の高い測定が可能である。

〔第３の実施例〕
図７に本発明における第３の実施例である軸流圧縮機を示す。

本実施例である軸流圧縮機は、部分負荷運転や部分回転数運転など、様々な運転状態で作動流体の流れを最適に制御して効率を高めるため、静翼の作動流体に対する角度を調整する機能を有している。このような機能を有する本実施例の静翼を可変静翼と呼ぶ。

図７に示すように、本実施例の軸流圧縮機は、可変静翼の翼部６１，可変静翼のロッド部６２，動翼２４，ケーシング２５，ロータ２６，薄板レバー６３，角度調整リング６７，可変静翼支持具６９，７１を有している。ガスパス中の作動流体の流れ方向は、流れ方向２８で示す。薄板レバー６３が板状の形状であるため、ひずみゲージ７０を薄板レバー６３に容易に取り付けることができる。可変静翼の翼部６１と可変静翼のロッド部６２は一体構造となっている。

ケーシング２５には、ロッド部６２を通すための穴がガスパスからケーシング外部まで連通しており、その穴を通してロッド部６２はケーシング２５の外部空間に露出している。ロッド部６２は、可変静翼をケーシング２５に保持するため、静翼支持具６９，７１によってケーシング２５に回転可能に保持されている。可変静翼はそのロッド部６２が、薄板レバー６３を介して角度調整リング６７に接続されている。薄板レバー６３にひずみゲージ７０を取り付ければ、その部位における振動応力を測定できる。薄板レバー６３は、その厚みが翼部６１の最大厚みの２倍以下であれば、振動応力は測定できる。本実施例では薄板レバー６３の厚さが可変静翼の翼部６１の最大厚みと同程度であれば、ひずみゲージを可変静翼の翼部６１に直接設置したものから多少減衰した程度の振動応力を測定できるため、十分な測定精度を確保できるものと考えられる。

薄板レバー６３を薄くするほど、小さな加振力でも薄板レバー６３には大きな振動応力が発生させることができる。振動応力が大きければ、ひずみゲージ７０で精度良く振動応力を測定することができる。そのため望ましくは、薄板レバー６３の厚さは可変静翼の翼部６１の最大厚みの半分以下とするのがよい。

図８を用いて可変静翼の動作原理について説明する。図８は、本実施例の可変静翼部分の斜視図である。通常、可変静翼は周方向に１０枚以上存在するが、本図では３枚分を図示している。また、図７におけるケーシング２５，動翼２４，ロータ２６は省略している。

角度調整リング６７は、外部動力によって矢印７２の方向に動作可能である。この変位が薄板レバー６３によってロッド部６２に伝達され、静翼はロッド部６２の周りに矢印７３の方向に回転し、ロッド部６２と一体構造である翼部６１も回転する。この回転角度を調整することによって、作動流体の流れを制御できる。通常、可変静翼は、前側１段又は複数段に適用される。

本実施例の軸流圧縮機では、可変静翼の角度調整の動作伝達に薄板レバー６３を使用しており、そこにひずみゲージ７０を取り付けてその部位の振動応力を測定できる。このような構造を採用することにより、可変静翼の角度調整機能と、静翼の翼部６１に発生する振動応力の推定を同時に実現し、軸流圧縮機の効率向上と可変静翼のクラック発生や破損を未然に防ぐ機能を両立している。

また、本実施例の軸流圧縮機では、可変静翼の角度を調整することによって作動流体２８による流体加振力の大きさも変化する。この変化に応じて、翼部６１に発生する振動応力も変化する。ひずみゲージ７０で振動応力を測定すれば、翼部６１に発生する振動応力を正確に推定することができ、ダメージの蓄積量を正確に把握することができる。

可変静翼の角度を大きく変化させた場合、翼部６１に過大な振動応力が発生する可能性がある。本実施例の軸流圧縮機では、過大な振動応力を検知した場合、可変静翼の角度を変化させて振動応力を低減させたり、運転を停止するなどの措置をとったりすることで、翼部６１の破損を防止することができる。

以上説明した各実施例の軸流圧縮機によると、振動応力による翼部へのダメージの蓄積量を把握でき、翼部に過大な振動応力してもそれを検知することができるため、翼部へのクラック発生や破損を防止し、余寿命を適切に把握することができる。また、ケーシング外側にひずみゲージを貼り付けるため、ガスパス内部の作動流体による流体力がひずみゲージに作用せず、ひずみゲージ脱落・破損のリスクが低下し測定の信頼性が向上する。更にひずみゲージによるガスパス中の作動流体の流れの阻害も無く、効率低下も抑制される。また、ひずみゲージを貼り付ける場所をケーシング外側とすることによって、ひずみゲージを再貼り付けする際、ケーシングを分解する必要が無く、ケーシング分解コスト，期間を節約できる。

高圧流体を必要とする産業分野向けに高圧流体を供給する軸流圧縮機、あるいはガスタービンの作動流体圧縮過程に使用する軸流圧縮機などに適用可能である。

５ 静翼
７ 作動ガスの流れ方向
２１，４１，６１ 翼部
２２，４２，６２ ロッド部
２３ 薄板部
２７，４７ 静止部材
３０，５０，７０ ひずみゲージ
４３，６３ 薄板レバー
６７ 角度調整リング

Claims (7)

1. ロータと、前記ロータを支持する軸受と、前記ロータに保持された動翼と、ケーシングと、前記ケーシングに保持された静翼とを有する軸流圧縮機において、
   前記静翼は、
   ガスパスに位置する翼部と、
   前記翼部と一体に形成され、前記ケーシングとの接続部に位置するロッド部と、
   前記ロッド部と一体に形成された板状部または前記ロッド部に接続された板状部を有する部材とを備えたことを特徴とする軸流圧縮機。
2. 請求項１に記載の軸流圧縮機において、
   前記板状部の厚さが前記翼部の最大厚みの２倍以下であることを特徴とする軸流圧縮機。
3. 請求項２に記載の軸流圧縮機において、
   前記板状部の厚さが前記翼部の最大厚みの半分以下であることを特徴とする軸流圧縮機。
4. 請求項１−３に記載の軸流圧縮機において、
   前記ロッド部に接続された板状部を有する部材とは、
   前記ロッド部と、前記ケーシングの外側に位置する静止部材とを接続する薄板レバーであることを特徴とする軸流圧縮機。
5. 請求項４に記載の軸流圧縮機において、
   前記静翼は可変静翼であり、
   前記静止部材は、前記可変静翼の角度を調節する角度調整リングであることを特徴とする軸流圧縮機。
6. 請求項１−５の何れかに記載の軸流圧縮機において、
   前記板状部にひずみゲージを設けたことを特徴とする軸流圧縮機。
7. ロータと、
   前記ロータを支持する軸受と、
   前記ロータに保持された動翼と、
   ケーシングと、
   前記ケーシングに保持され、ガスパス位置する翼部と、前記ケーシングとの接続部に位置するロッド部とを有する静翼と、
   を備えた軸流圧縮機の振動応力測定方法において、
   前記ロッド部の前記ケーシングの外側に板状部又は板状部材を配置し、
   前記板状部または板状部材にひずみゲージを取り付け、
   前記ひずみゲージが取り付けられた部位の振動応力を測定する
   ことを特徴とする軸流圧縮機の振動応力測定方法。

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