JP5667039B2 - 圧縮機及びこれに用いる可変静翼 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機及びこれに用いる可変静翼に関する。

ガスタービン等に用いられる圧縮機は、初段静翼に相当する入口案内翼（Inlet Guide Vane, IGV）を介して吸い込んだ空気を断熱圧縮するが、入口案内翼の中には、例えば吸気の流入条件によって角度を変更させられるもの（以下「可変静翼」）がある（特許文献１等参照）。

特願平１１−９１３１０号公報

可変静翼は、その軸部が静止体であるケーシングに挿入されてケーシングに取り付けられる。ケーシングに挿入される軸部は作動流体（圧縮空気）の流路内に配置される翼部と一体構造であり、軸部と翼部の接続部分に構造不連続が生じ易く応力が集中する。特許文献１では軸部と翼部の間に円盤状のプラットフォーム部を介在させることで応力集中の低減を図っている。しかしながら、円盤状のプラットフォームを介在させる場合、周方向に隣接する可変静翼の間隔が円盤の直径で制限され、可変静翼の周方向のピッチはプラットフォーム部の直径以上にせざるを得ない。すなわち、応力集中を十分に抑えるにはプラットフォームの直径は大きい方が好ましい反面、プラットフォームの直径が大きくなると可変静翼のピッチの制限が大きくなる。そのため、当該構造では可変静翼の配置を密にすることが難しかった。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、軸部と翼部との接続部分の応力集中を低減しつつ隣接翼との間隔の制約を抑えることができる可変静翼及びこれを用いた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、本発明は、圧縮機のケーシングに挿入される軸部と、上記圧縮機のガス流路に臨む翼部と、上記軸部及び上記翼部の間に介在し、上記翼部の翼根部側の端面の全体を覆い、上記端面のコード長方向に採った寸法が、上記端面の肉厚方向に採った寸法よりも長いプラットフォーム部とを備え、
最大に回転させた状態で前記ケーシングにおける前記プラットフォーム部との対向面と接触するように、前記プラットフォーム部の前記ケーシングとの対向面が、前記端面のコード長方向から見て前記ロータの径方向外側に凸の曲面で形成されている可変静翼を提供する。

本発明によれば、可変静翼の軸部と翼部との接続部分の応力集中を低減しつつ可変静翼の周方向ピッチの制約を抑えることができる。

本発明の圧縮機の適用対象の一例であるガスタービンの断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の斜視図である。 一般的な可変静翼の側面図である。 一般的な可変静翼の斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼のプラットフォーム部近傍部分を圧縮機の軸方向から見た図である。 本発明の第３の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。 本発明の第８の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼の側面図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の圧縮機の適用対象の一例であるガスタービンの断面図である。

ガスタービンは、大きく分けて、圧縮機１、燃焼器２及びタービン３を備えており、大気から吸い込んだ空気を圧縮機１で作動流体として断熱圧縮し、圧縮機１からの圧縮空気を燃焼器２で燃料と混合し燃焼することで高温高圧の燃焼ガスをタービン３に供給して、燃焼ガスの膨張によりタービン３の回転動力を得る。

圧縮機１は、動翼５の翼列を複数段有するロータ２５と、このロータ２５を包囲するケーシング６と、このケーシング６の内側に取り付けた複数段の静翼４の翼列とを備えている。圧縮機１の静翼４の翼列は動翼５の翼列と軸方向に交互に配置され、本実施の形態の場合、圧縮機１の初段静翼は可変静翼４ａであり、作動流体（吸気）に対する迎え角を変更することができる構造である。

図２は本発明の第１の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ａの側面図、図３は可変静翼４ａの斜視図である。

これらの図に示すように、可変静翼４ａは、一体形成されており、ケーシング６に設けられた筒状の穴１８に挿入される棒状の軸部（ロッド）８と、ガス流路１９に臨む翼部７と、軸部８及び翼部７の間に介在する板状のプラットフォーム部９と、翼部７の先端側（ロータ２５側）に接続した棒状の軸部８’とを備えている。

軸部８は、翼部７の根部側（ケーシング６側）に接続しており、ケーシング６を貫通して他の可変静翼４ａの軸部とともにリンク機構（図示せず）を介して可変静翼駆動装置２０に接続している。翼部７の先端側の軸部８’はケーシング６の入口流路の内周壁２１（図１参照）に挿入されている。

プラットフォーム部９は軸部８と翼部７の接続部であり、軸部８と翼部７はプラットフォーム部９を介して接続している。このプラットフォーム部９は、翼部７の翼根部側（ケーシング６側）の端面Ｓの全体を覆う大きさを有しており、端面Ｓのコード長方向に採った寸法（長軸）ａは端面Ｓのコード長以上、端面Ｓの肉厚方向に採った寸法（短軸）ｂは端面Ｓの肉厚以上である。寸法ａ，ｂは要求されるガスタービン性能により定まる。また、寸法ｂは、端面Ｓにおける肉厚寸法の最大値（腹側面の点から背側面の点に最小距離で引ける線分の最大値）である。また、端面Ｓのコード長方向に採った寸法ａは、端面Ｓの肉厚方向に採った寸法ｂよりも長く形成されている。寸法ａと端面Ｓのコード長との寸法差、寸法ｂと端面Ｓの肉厚との寸法差は必ずしも限定されないが、あまり大きく必要はなく、プラットフォーム部９の翼部７との対向面の外形線が端面Ｓの外形線に外接する程度、又はそれよりも若干大きい程度とすることが好ましい。

また、プラットフォーム部９は、ロータ２５の径方向と直交する方向（例えばコード長方向の一方側）から見て矩形状に形成されていて、その厚みは端面Ｓにおける肉厚寸法以上とすることが好ましい。特に本実施の形態において、プラットフォーム部９の端面Ｓのコード長方向を向いた２つの面２３、及び端面Ｓの肉厚方向を向いた２つ面２４は全て平面で形成されていて、ロータ２５の径方向外側から見てプラットフォーム部９は矩形状に形成されている。

ケーシング６の内壁部には凹部２２が設けられており、プラットフォーム部９は、この凹部２２内に収容されていて凹部２２内で軸部８を中心に回動するようになっている。凹部２２の形状は特に限定されないが、プラットフォーム部９の回動動作を許容するようにプラットフォーム部９の回動軌跡に干渉しない形状をしている。

上記構成により、可変静翼４ａは可変静翼駆動装置２０により駆動されると、軸部８を中心にして回動し、作動流体（吸気）に対する翼部７の迎え角が変わる。このとき、同一段落を構成する複数の可変静翼４ａはリンク機構を介して連結されており、全ての可変静翼４ａが同じように一斉に同じように動作する。

ここで、図４は一般的な可変静翼の側面図、図５は斜視図である。可変静翼４ａと同様の部分には可変静翼４ａと同様の符号を付して説明を省略する。

これらの図に示した可変静翼においては、円盤状のプラットフォーム部１００を介して軸部８と翼部７とが接続している。プラットフォーム部１００は翼部７の端面Ｓの全面をカバーしておらず、端面Ｓの後縁側は広く露出している。そのため、端面Ｓとプラットフォーム部１００の段差部は端面Ｓからプラットフォーム部１００が立ち上がる段差になっていて、この構造不連続部に応力が集中し易い。このようにプラットフォーム部１００を円盤状とした構成の場合、端面Ｓの構造不連続部をなくすために仮に翼部７の端面Ｓをプラットフォーム部１００で覆うことを考えると、プラットフォーム部１００の半径が大きくなり、隣接翼との間隔を詰めることが物理的に難しくなる。

それに対し、本実施の形態によれば、プラットフォーム部９が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて端面Ｓに構造不連続部が生じず、軸部８と翼部７との接続部分の応力集中を低減することができる。加えて、プラットフォーム部９は翼部７の肉厚方向の寸法ｂがコード長方向の寸法ａに対して小さく形成されているので、隣接翼との間隔の制約を抑えることができる。よって、隣接翼間の間隔を詰めることができ、翼枚数の設計の自由度を高めることができる。

また、プラットフォーム部９は主に平面で構成された直方体状であるため、製作が容易であることもメリットである。

図６は本発明の第２の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ｂの側面図、図７はプラットフォーム部１１ａ近傍部分を圧縮機１の軸方向から見た図である。既述した部分と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る可変静翼４ｂが第１の実施の形態に係る可変静翼４ａと相違する点は、第１の実施の形態の可変静翼４ａのプラットフォーム部９のケーシング６との対向面（図３中における上面）が平面であったのに対し、本実施の形態の可変静翼４ｂのプラットフォーム部１１のケーシング６に対向する面１１ａ（図６中における上面）が、翼部７のコード長方向から見てロータ２５の径方向外側に凸の曲面で形成されている点である。特に、プラットフォーム部１１の面１１ａは、可変静翼４ｂを最大に回転させた状態（最小開度の状態）でそのケーシング６との対向面（凹部２２の底面２２ａ）と線接触又は面接触する曲面状に形成されている点である。プラットフォーム１１の面１１ａは、ケーシング６側の２２ａとコード長方向の全長で接触することが好ましい。

その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、プラットフォーム部１１が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて、本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、ケーシング６は一般に円筒状であってガス流路１９の外周を構成するケーシング内周面６ａは円筒面の一部を構成する。プラットフォーム部１１と対向する凹部２２の底面２２ａをケーシング内周面６ａと同心状の円筒面の一部で構成する場合、第１の実施の形態のようにプラットフォーム部９のケーシング６との対向面を平面で構成したとすると凹部２２の底面２２ａとプラットフォーム部９との間に常に一定の間隙が介在することになる。

それに対し、本実施の形態では、可変静翼４ｂを最小開度にした際にプラットフォーム部１１の面１１ａが凹部２２の円筒状の底面２２ａに接触するため、面１１ａ，２２ａの間の間隙がシールされ、面１１ａ，２２ａの間の間隙を介する流体の漏洩を抑制することができる。また、最小開度で面１１ａ，２２ａが接触するので可変静翼４ｂの閉動作のストッパの役割を兼ねることもできる。

図８は本発明の第３の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ｃの側面図である。既述した部分と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る可変静翼４ｂが第１の実施の形態に係る可変静翼４ａと相違する点は、第１の実施の形態の可変静翼４ａのプラットフォーム部９の翼部７のコード長方向を向いた２つの面２３が平面であったのに対し、本実施の形態の可変静翼４ｃのプラットフォーム部１２の対応する２つの面２３ｃが、コード長方向の外側に向かって凸の曲面で形成されている点である。

面２３ｃの曲率は特に限定されないが、例えば端面Ｓにおいて軸部８の中心から面２３ｃの中央の点までの距離を半径として軸部８の中心を中心とする円の曲率か、それよりも大きな曲率とすることが好ましい。この場合、ケーシング６の凹部２２における面２３ｃとの対向面を面２３ｃの回動軌跡に沿うような曲面形状で形成することが好ましい。なお、肉厚方向を向いた２つの面２４は第１の実施の形態のプラットフォーム部９と同じく平面で形成されている。

その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、プラットフォーム部１２が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて、本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本実施の形態の場合、面２３ｃを曲面で形成していることで、面２３ｃと凹部２２の側壁面との間のシール性能の向上が期待される。

図９は本発明の第４の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ｄの側面図である。既述した部分と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る可変静翼４ｄが第１の実施の形態に係る可変静翼４ａと相違する点は、第１の実施の形態の可変静翼４ａのプラットフォーム部９がロータ２５の径方向外側から見て矩形状であったのに対し、本実施の形態の可変静翼４ｄのプラットフォーム部１３がロータ２５の径方向外側から見て楕円状に形成されている点である。プラットフォーム部１３のケーシング６との対向面を縁取る楕円は、長辺を端面Ｓのコード長方向に、短辺を端面Ｓの肉厚方向にとったものである楕円の長径（長軸の長さ）は上記寸法ａ、短径（短軸の長さ）は上記寸法ｂである。

その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、プラットフォーム部１３が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて、本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、第１−第３の実施の形態ではプラットフォーム部９，１１，１２を矩形状に形成していたため例えばプラットフォーム部１３の角部が端面Ｓからはみ出していたが、本実施の形態においては、プラットフォーム部１３の端面Ｓとの対向面の角を取った分、当該面と翼部７の端面Ｓとの面積差が小さくなり、プラットフォーム部１３をさらに小型化することができる。これにより、可変静翼４ｄの材料を少量化することができ軽量化を図ることができる。

図１０は本発明の第５の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ｅの側面図である。既述した部分と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る可変静翼４ｅが第１の実施の形態に係る可変静翼４ａと相違する点は、第１の実施の形態の可変静翼４ａのプラットフォーム部９が翼部７のコード長方向から見て矩形状に形成されていたのに対し、本実施の形態におけるプラットフォーム部１４は側面２４ｅ（翼部７の肉厚方向に臨んだ面）が翼部７と段差なく接続している点である。すなわち、本実施の形態におけるプラットフォーム部１４の側面１４ｂは、翼部７の根部の側面からロータ２５の径方向外側に滑らかに段差なく連続し、プラットフォーム部１４のケーシング６に対向する面１４ａまで翼部７の肉厚方向に広がるように形成されている。プラットフォーム部１４の面１４ａは第１の実施の形態のプラットフォーム部９と同様に矩形状に形成されており、プラットフォーム部１４のコード長方向を向いた２つの面２３ｅはそれぞれ翼部７の前縁及び後縁から段差なく滑らかに連続させた平面で構成されている。

その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、プラットフォーム部１４が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて、本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

加えて、第１−第４の実施の形態ではプラットフォーム部９，１１−１３を翼部７の端面Ｓの全面を覆う板状に形成していたためプラットフォーム部側の翼部７の近傍部に応力集中が生じる可能性があったが、本実施の形態においては、プラットフォーム部１４を翼部７の翼面に滑らかに接続させることで翼部７及びプラットフォーム部１４のいずれにも構造不連続部が存在せず、応力集中のさらなる抑制が期待できる。翼構造の剛性を向上させることもできる。また、プラットフォーム部１４におけるロータ２５の径方向中心側の角部がない分、材料を少量化することができ、可変静翼４ｅの軽量化にも寄与する。

図１１は本発明の第６の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ｆの側面図である。既述した部分と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る可変静翼４ｆが第５の実施の形態に係る可変静翼４ｅと相違する点は、第２の実施の形態と同様にプラットフォーム部１５のケーシング６に対向する面１５ａ（図１１中における上面）が、翼部７のコード長方向から見てロータ２５の径方向外側に凸の曲面で形成されている点である。すなわち、本実施の形態は第２の実施の形態と第５の実施の形態を組み合わせた実施の形態である。

その他の構成は第２又は第５の実施の形態と同様であり、プラットフォーム部１５が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるとともに、第２及び第５の実施の形態の特有の効果も併せて得られる。

図１２は本発明の第７の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ｇの側面図である。既述した部分と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る可変静翼４ｇが第５の実施の形態に係る可変静翼４ｅと相違する点は、第３の実施の形態と同様に可変静翼４ｇのプラットフォーム部１６のコード長方向を向いた２つの面２３ｇが、コード長方向の外側に向かって凸の曲面で形成されている点である。すなわち、本実施の形態は第３の実施の形態と第５の実施の形態を組み合わせた実施の形態であり、ロータ２５の径方向の外側から見て、プラットフォーム部１６のコード長方向両側の外形線がコード長方向の外側に凸の曲線に形成されている。

その他の構成は第３又は第５の実施の形態と同様であり、プラットフォーム部１６が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるとともに、第３及び第５の実施の形態の特有の効果も併せて得られる。

図１３は本発明の第８の実施の形態に係る圧縮機に備えられた可変静翼４ｈの側面図である。既述した部分と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る可変静翼４ｈが第５の実施の形態に係る可変静翼４ｅと相違する点は、第４の実施の形態と同様にプラットフォーム部１７がロータ２５の径方向外側から見て楕円状に形成されている点である。すなわち、本実施の形態は第４の実施の形態と第５の実施の形態を組み合わせた実施の形態である。

その他の構成は第４又は第５の実施の形態と同様であり、プラットフォーム部１７が翼部７の端面Ｓの全面を覆っていて、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるとともに、第４及び第５の実施の形態の特有の効果も併せて得られる。

なお、第２及び第６の実施の形態は他の実施の形態と組み合わせることができ、他の実施の形態と組み合わせた場合においてもその特有の効果を発揮することができる。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 静翼
４ａ 可変静翼
５ 動翼
６ ケーシング
６ａ ケーシング内周面
７ 翼部
８，８’ 軸部
９，１１ プラットフォーム部
１１ａ プラットフォーム部のケーシングとの対向面
１２−１４ プラットフォーム部
１４ａ プラットフォーム部のケーシングとの対向面
１５ プラットフォーム部
１５ａ プラットフォーム部のケーシングとの対向面
１６，１７ プラットフォーム部
１８ 穴
１９ ガス流路
２０ 変静翼駆動装置
２２ 凹部
２２ａ 凹部の底面
２３，２３ｃ，ｅ，ｇ プラットフォーム部のコード長方向を向いた面
２４，２４ｅ プラットフォーム部の肉厚方向を向いた面
２５ ロータ
ａ 端面のコード長方向に採った寸法
ｂ 端面の肉厚方向に採った寸法
Ｓ 端面

Claims (6)

1. 複数段の動翼翼列を有するロータと、
   このロータを包囲するケーシングと、
   このケーシングの内側に取り付けた複数段の静翼翼列とを備え、
   初段の前記静翼翼列の静翼が、
   前記ケーシングに挿入される軸部と、
   ガス流路に臨む翼部と、
   前記軸部及び前記翼部の間に介在し、前記翼部の翼根部側の端面の全体を覆い、前記端面のコード長方向に採った寸法が、前記端面の肉厚方向に採った寸法よりも長いプラットフォーム部と
   を備えた可変静翼であって、
   前記可変静翼を最大に回転させた状態で前記ケーシングにおける前記プラットフォーム部との対向面と接触するように、前記プラットフォーム部の前記ケーシングとの対向面が、前記端面のコード長方向から見て前記ロータの径方向外側に凸の曲面で形成されていることを特徴とする圧縮機。
2. 請求項１の圧縮機において、前記プラットフォーム部は、前記端面のコード長方向を向いた２面、及び前記端面の肉厚方向を向いた２面が全て平面で形成されていて、前記ロータの径方向外側から見て矩形状であることを特徴とする圧縮機。
3. 請求項１の圧縮機において、前記プラットフォーム部は、前記端面のコード長方向を向いた２面が当該コード長方向の外側に向かって凸の曲面、前記端面の肉厚方向を向いた２面が平面で形成されていることを特徴とする圧縮機。
4. 請求項１の圧縮機において、前記プラットフォーム部が、前記ロータの径方向外側から見て、長辺が前記端面のコード長方向に、短辺が前記端面の肉厚方向に延びる楕円状に形成されていることを特徴とする圧縮機。
5. 請求項１−４のいずれかの圧縮機において、前記プラットフォーム部の側面が前記翼部と段差なく接続していることを特徴とする圧縮機。
6. 圧縮機のケーシングに挿入される軸部と、
   前記圧縮機のガス流路に臨む翼部と、
   前記軸部及び前記翼部の間に介在し、前記翼部の翼根部側の端面の全体を覆い、前記端面のコード長方向に採った寸法が、前記端面の肉厚方向に採った寸法よりも長いプラットフォーム部と
   を備え、
   最大に回転させた状態で前記ケーシングにおける前記プラットフォーム部との対向面と接触するように、前記プラットフォーム部の前記ケーシングとの対向面が、前記端面のコード長方向から見て前記ロータの径方向外側に凸の曲面で形成されていることを特徴とする可変静翼。

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