JP2011515622A - ターボ機械の可動のブレード付きホイールのためのケーシング - Google Patents

Abstract

ターボ機械の可動のブレード付きホイール（１００）のためのケーシング（１０）が、実質的に一定の断面を有する複数の周状のスロット（１１、１２、１３）を備えており、これら周状のスロット（１１、１２、１３）の断面の面積（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が、上流から下流への方向において、最初のスロット（１１）から最後のスロット（１３）へと減少している。ケーシングをこのように加工した結果として、可動のブレード付きホイールの効率が最適化され、サージマージンが改善される。

Description

本発明は、ターボ機械のロータホイール、特にコンプレッサホイールの分野に関する。ターボ機械においては、ステータホイールに組み合わせられたロータホイールが、通過する流体を圧縮する機能を有するコンプレッサ段を形成する。例えばコンプレッサにおけるロータホイールのカスケード（すなわち、１つ以上のロータホイールの並び）の設計および最適化は、２つの目的の考慮を必要とする。

第１の目的は、良好な圧縮効率を有することである。圧縮効率は、ロータホイールのカスケードの上流から下流へと等エントロピ圧縮によって流体に理想的に付与されると考えられるエネルギーを、実際に流体へと付与されたエネルギーで除算した比として定義することができる（本明細書において、上流および下流は、ロータホイールのカスケードを通過する流体の正常な流れの方向を基準に画定される）。

第２の目的は、充分な「サージマージン」を保証することである。サージは、流れに低周波の振動を生じさせるコンプレッサにおいて生じる流体の不安定の現象であり、流量、供給、圧力、および温度の条件がターボ機械の通常の動作範囲から外れる場合に生じる。この不安定現象は、通常は、大量のエネルギーを発生させるため、ターボ機械に高水準の応力が（静的および動的に）加わることになる。したがって、ロータホイールのカスケードを開発する際の常なる目的が、そのようなロータホイールのカスケードを一部分として構成されるコンプレッサまたはターボ機械が、充分かつサージ現象の回避を可能にする「サージマージン」を有するように、ロータホイールのカスケードの正常な動作範囲を可能な限り広げることにあることを、容易に理解できる。

知られている方法においては、第２の目的を最適化し、特にサージマージンを最適にするように、ロータホイールの具体的な構成が行われている。

ロータホイールまたはブレード付きロータホイールにおいては、動作時の静止のケーシングと可動のブレードとの間の半径方向のすき間が、すき間流と称される二次流を生じさせる。この流れは、ロータホイールの効率に大きな損失を引き起こし、多くの場合にコンプレッサの安定性の喪失（サージ現象）を引き起こす可能性がある。したがって、上述の第２の目的を満足し、ロータホイールのカスケードのサージマージンを最大にするために、ロータホイールのブレードの端部に面するケーシングの内壁を処理することが知られている。

英国特許出願公開第２４０８５４６号明細書

例として、ケーシングの処理を、ケーシングの内壁に一式の溝を形成することで構成することができる。これらの溝によって、ロータホイールのサージマージンが改善される。したがって、英国特許出願公開第２４０８５４６号明細書が、ターボ機械のケーシングの処理の例を提示している。しかしながら、この特許に開示されているケーシングの処理は、溝の配置がきわめて独特である。すなわち、溝が周状でなく、周方向に互いに間隔を空けて位置しているスロットであり、半径方向に対する傾きの角度が異なっている。結果として、ケーシングの製造が比較的複雑になり、したがってケーシングが高価になるにもかかわらず、ケーシングがサージマージンの増加と圧縮効率の最適化とを同時に可能にすることを、保証していない。

実務において、大部分のケーシングの処理は、コンプレッサのサージマージンの最適化だけを意図しており、多くの場合にマイナスである圧縮効率への影響を考慮していない。

本発明の目的は、軸を中心とする実質的に円筒形の内壁を有しており、円筒形の壁が、複数の周状の溝を有しており、各々の溝の断面が、軸断面において実質的に一定であるターボ機械のロータホイールのためのケーシングであって、サージマージンの改善と該当のターボ機械のロータホイールの効率の最適化とを同時に果たすように最適化されたケーシングを画定することにある。

この目的は、ケーシングにおいて、周状の溝（１１、１２、１３）の断面積（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を、上流から下流へと、最初の溝（１１）から最後の溝（１３）へと進むにつれて減少させることによって、達成される。

用語「上流端」は、上記において、ケーシングの上流側に位置するように設計されたケーシングの端部を指すために使用されている。

用語「周状の溝」は、実質的にロータホイールの軸に垂直な平面内に配置された溝を意味して使用されている。したがって、周状の溝は、典型的には、ロータホイールの軸に垂直な平面内に位置する円形の溝である。これらの溝は、必ずしも連続的である必要はなく、必ずしもケーシングを巡って全周を占める必要はない。しかしながら、特にロータホイールのカスケードのサージマージンの改善において充分な効果を有することを保証するためには、ケーシングの全周の大部分を占めることが必要である。

周状の溝の各々が軸断面において実質的に一定な断面であるということは、断面の評価のためにどの軸断面を選択しても、溝の断面が実質的に同じであることを意味する。

本発明の利点は、以下の２つの観察からもたらされる。第１に、サージマージンの改善に貢献するのが、基本的にはロータホイールの上流側の最初の溝であり、この改善への残りの溝の貢献は、最初の溝からの距離に応じて小さくなる。第２に、各々の溝が、ロータホイールのカスケードの圧縮効率に対して、一般的には負の影響を有する。

したがって、ロータホイールの効率の最適化とサージマージンの改善とを同時に果たすために、本発明は、最初の溝（すなわち、より下流に位置する他の溝よりも上流に位置する溝のグループ）の断面の面積を、後続の溝に比べて大きくする。

一般に、上流端に位置する最初の溝が、他のいずれの溝の断面積よりも大きい断面積を有する。しかしながら、本発明は、ケーシングが上流から下流へと、同じ面積を有する断面の２つの溝を有し、続いてより小さい面積を有する断面の２つの溝を有するなどの、実施形態も包含する。本発明においては、前記周状の溝の断面の面積が、上流から下流へと進むにつれて最初の溝から最後の溝へと減少する限りにおいて、どのような溝の断面積の変化も考えることができる。この減少は、例えば溝の断面積が上流から下流へと線形に減少するときのように、規則的であってもよい。他の実施形態においては、溝の断面積の減少が同様に、段階的に生じてもよい。

該当の溝が、ロータホイールの上流および下流のケーシングの形状の係わらず、実質的にロータホイールのブレードに位置合わせされて位置する溝であることに、留意すべきである。

一実施形態においては、各々の溝が、実質的にケーシングの軸に垂直な平面内を延びている。

一実施形態においては、前記周状の溝のうちの最初の溝の深さが、より下流に位置する後続の溝の深さよりも大きい。

一実施形態においては、前記周状の溝の深さが、上流から下流へと減少している。

有利には、前記周状の溝の深さの減少が、線形である。

一実施形態においては、前記周状の溝のうちの最初の溝の幅が、より下流に位置する後続の溝の幅よりも大きい。

一実施形態においては、前記周状の溝の幅が、ケーシングの軸に沿って上流から下流へと減少している。

上述のさまざまな実施形態が、本発明に従って、ロータホイールのカスケードを設計するときに考慮する必要がある他の制約条件に応じて最適化することができる種々のパラメータに作用することによって、ロータホイールの効率の最適化およびサージマージンの改善を同時に可能にする。

一実施形態においては、ケーシングが、隣り同士の溝の間の実質的に円筒形の接続面を呈しており、接続面の直径が、溝の上流および下流でそれぞれ測定されるケーシングの内径の平均値に実質的に等しい。

この構成によれば、ブレードの端部とケーシングとの間のすき間の流れが、直径が規則的に変化する空間（溝は無視する）において生じ、したがって望ましくない乱流が少なくなる。

本発明の第２の目的は、大きなサージマージンを有する高効率のターボ機械を画定することにある。

この目的は、ターボ機械がロータホイールと上述のようなケーシングとを有することで達成される。その結果、ターボ機械の性能が最適にされ、ターボ機械が、最適化された効率および改善されたサージマージンの利益を享受する。

あくまでも本発明を限定するものではない例として提示される以下の実施形態についての詳細な説明を検討することで、本発明をよりよく理解することができ、本発明の利点がさらに明瞭になる。説明においては、添付の図面を参照する。

本発明のケーシングを含むターボ機械のロータホイールの斜視図である。 図１に示したロータホイールの軸断面であり、本発明のケーシングの処理を示している。

図１を参照し、ロータホイールの本発明のケーシングを、以下で説明する。

図１は、ロータホイール１００を示している。このロータホイール１００は、主として、固定のケーシング１０によって構成されるステータの内側で軸Ｆを中心にして回転運動を行うことができるロータディスク３０およびブレード２０を備えている。ロータホイールにおいて、ディスク３０は、ブレード２０を保持して回転運動させる機能を有するリング状の部品である。ブレードは、一般に、その根元において、ハンマーヘッドまたはクリスマスツリーの形状の固定具によってロータディスクへと取り付けられる。このようにして、各々のブレードが、根元と、流れが通過する断面の内側部分を構成する台座２２と、翼２３とによって構成される。あるいは、ブレードを、ロータディスクと同じ材料のブロックから作り出すことも可能であり、その場合、ディスクは、一体物のブレード付きディスクと称される。流れは、実質的にロータホイールの軸Ｆに沿って、種々のブレードの翼２３の間に位置するブレード間通路を通過する。半径方向においては、流れが、ブレードの台座２２とロータホイールのケーシング１０の内面との間を通過する。各々のブレードが、実質的に半径方向に延びる翼２３を有している。ブレードの根元が、翼２３を外へと延ばしつつ、ロータホイールの中心に向かって位置している。したがって、ロータホイールの回転時に、翼２３の端部は、静止のケーシング１０の近傍を高速で移動することになる。ロータホイールが効率的に動作するためには、ブレードの端部とケーシングの内壁１５との間のすき間（Ｂ１、Ｂ２）を良好に制御することが重要である。このすき間が小さいことが不可欠である。すき間を、図２を参照して詳しく説明する。

図２は、ケーシング１０の該当部分に面するブレード２０の端部を示している断面図である。ブレード２０がケーシング１０に対して回転できるように、ブレードとケーシングとの間にすき間が残されている。したがって、このすき間は、図示の例では、ブレードの上流側における値Ｂ１と、下流側における値Ｂ２とを有することができる。断面図は、半径方向または実質的に半径方向に延びる３つの溝１１、１２、１３の断面を示している。これら３つの溝は、ブレード２０の先端に位置合わせされて位置しており、前記先端からわずかに上流または下流へと広がってもよい。溝１１、１２、および１３が、このロータホイールを一部分として構成されるターボ機械のサージマージンを向上させつつ、ロータホイールが良好な効率を有することを可能にするという目的のために、ケーシングへと加えられる処理を構成する。この目的を達成するために、本発明による溝の構成では、溝１１、１２、および１３が、上流から下流へと進むにつれて減少するそれぞれの面積Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３の断面を有する。溝１１、１２、および１３は、半径方向の円形溝であり、各々が、ケーシングの軸Ｆに垂直な平面内でケーシングを巡る完全な１回転を形成している。面積Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３は、線形に減少している。このように上流から下流への溝の面積が減少していること、および最初の溝が後続の溝に対して支配的であることは、溝の幅を変えること、および溝の深さを変えることの両方によって得られている。

したがって、最初の溝が、ケーシングの軸Ｆに沿って測定される最大の幅Ｄ１および半径方向に測定される最大の深さＥ１を有している。同様に、溝の深さは、３つの溝１１、１２、および１３の間で上流から下流へと線形に減少し、したがって線形に減少するそれぞれの深さＥ１、Ｅ２、およびＥ３を有する。同様に、３つの溝のケーシングの軸Ｆに沿って測定されるそれぞれの幅Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３も、上流から下流へと線形に減少している。

ブレード２０の先端とケーシング１０の壁との間で生じる乱流を最小限にするために、ブレードの端部とケーシング１０の内壁１５との間のすき間は、ロータホイールに沿って上流から下流へと連続的に変化している。

ブレードの先端において、これらのすき間は、上流から下流へと、ケーシングの内壁１５に対する第１のすき間Ｂ１、溝１１および１２の間の接続面１６に対するすき間Ｃ１、溝１２および１３の間の接続面１７に対するすき間Ｃ２、および最後にケーシングの内壁１５に対するすき間Ｂ２を含んでいる（すき間の概念は、溝１１、１２、および１３の位置では画定されていない）。

流れが、ブレードの半径方向外側の端部の近傍において、乱流をあまり生じさせずに規則的な形でロータホイールを通過できるよう、すき間Ｂ１、Ｃ１、Ｃ２、およびＢ２は、類似した値である。したがって、溝の間の接続面１６および１７が、実質的に円筒形であり、ブレード２０の上流で測定される上流側直径Ａ１とブレード２０の下流で測定される下流側直径Ａ２との間の平均の直径に実質的に等しい直径であることも、見て取ることができる。

図２に示されている溝１１、１２、および１３は、半径方向に延びており、すなわち各々の溝が、実質的にケーシングの軸に対して垂直な平面内に位置している。変形例においては、溝が同様によく斜めであってもよく、すなわち溝が必ずしもケーシングの内壁１５に垂直に形成される必要がなく、ロータホイールに対して上流または下流のいずれかに斜めに延びてもよい。

さらに、実務においては、溝の深さＥ１が、典型的には、平均のすき間の半分から平均のすき間の３０倍までの範囲にあり、ここで平均のすき間は、ブレード２０の先端とケーシング１０の内壁１５との間で測定される。さらには、溝の深さ、面積、および／または幅は、典型的には、ケーシングの処理の上流側の端部に位置する最初の溝からケーシングの処理の最後の溝へと進むにつれて、２から５によって割り算される。

最後に、図２に示した実施形態は、規則的な面積の減少を呈する断面の３つの溝を有している。多数の他の実施形態も使用可能である。特に、断面の面積を規則的に減少させる代わりに、上流の第１のグループの溝がすべて、同じ断面積を有し、そのような断面積が、より下流に位置する他のグループの共通の断面積よりも大きくてもよい。

Claims (10)

1. ターボ機械のロータホイール（１００）のケーシング（１０）であって、該ケーシングの軸を中心とする実質的に円筒形の内壁（１５）を有しており、円筒形の壁が、複数の周状の溝（１１、１２、１３）を有しており、各々の溝の断面が、軸断面において実質的に一定であり、周状の溝（１１、１２、１３）の断面積（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が、上流から下流へと、最初の溝（１１）から最後の溝（１３）へと進むにつれて減少していることを特徴とする、ケーシング。
2. 上流から下流への溝の断面積（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の減少が、線形である、請求項１に記載のケーシング。
3. 前記周状の溝のうちの最初の溝の深さ（Ｅ１）が、より下流に位置する後続の溝（１２、１３）の深さ（Ｅ２、Ｅ３）よりも大きい、請求項１または２に記載のケーシング。
4. 前記周状の溝の深さ（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）が、上流から下流へと減少している、請求項１から３のいずれか一項に記載のケーシング。
5. 前記周状の溝の深さの減少が、線形である、請求項４に記載のケーシング。
6. 前記周状の溝のうちの最初の溝（１１）の幅（Ｄ１）が、より下流に位置する後続の溝の幅（Ｄ２、Ｄ３）よりも大きい、請求項１から５のいずれか一項に記載のケーシング。
7. 前記周状の溝の幅（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）が、上流から下流へと減少している、請求項１から６のいずれか一項に記載のケーシング。
8. 隣り同士の溝の間の実質的に円筒形の接続面（１６、１７）を呈しており、接続面の直径が、溝の上流および下流でそれぞれ測定されるケーシング（１０）の内径（Ｂ１、Ｂ２）の平均値に実質的に等しい、請求項１から７のいずれか一項に記載のケーシング。
9. 溝（１１、１２、１３）の各々が、実質的にケーシングの軸（Ｆ）に垂直な平面内を延びている、請求項１から８のいずれか一項に記載のケーシング。
10. ロータホイール（１００）と、請求項１から９のいずれか一項に記載のケーシングとを含む、ターボ機械。

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