JP7272935B2 - 回転機械用の振動抑制装置及び回転機械 - Google Patents

回転機械用の振動抑制装置及び回転機械 Download PDF

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Description

本開示は、回転機械用の振動抑制装置及び回転機械に関する。
例えばガスタービンや蒸気タービンのような回転機械は、動翼を有するロータを備えている。動翼の振動は疲労破壊をもたらす可能性がある。そのため、動翼が振動した場合、その振動を減衰することが望まれる。動翼の振動を減衰する技術として摩擦ダンパが知られている。摩擦ダンパは、部材の摩擦を利用して動翼の振動を減衰する。摩擦ダンパとして、例えば周方向で互いに隣接する動翼のプラットホーム部同士の隙間に、回転軸方向に沿って延在するダンパピンを設けたものが知られている。この摩擦ダンパでは、プラットホーム部とダンパピンとの接触面に発生する摩擦力によって動翼の振動を減衰する(例えば特許文献1参照)。
特開2015―175356号公報
しかし、特許文献1に記載の摩擦ダンパでは、ダンパピンが径方向外側に向かって押し付けられる力(遠心力)が強くなると、プラットホーム部とダンパピンとの接触面に発生する摩擦力が過剰となり、ダンパピンが接触面で滑らないスティック状態となるおそれがある。ダンパピンがスティック状態となってしまうと、上記摩擦力による動翼の振動減衰効果が低下してしまう。
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態は、回転機械用の振動抑制装置における振動減衰効果の低下を抑制することを目的とする。
(1)本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械用の振動抑制装置は、
回転機械のロータの振動抑制装置であって、
前記ロータの空所内に移動可能に設けられ、磁石を含むダンパピンと、
前記空所の周囲にて前記ロータに設けられる磁力発生部と、
を備え、
前記磁力発生部は、前記空所のうち前記ロータの径方向外側に位置する前記ダンパピンのスティック領域から前記ダンパピンを遠ざける方向の磁力を前記磁石に対して作用させるように構成されている。
(2)本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
ロータと、
上記(1)の構成の回転機械用の振動抑制装置と、
を備える。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、回転機械用の振動抑制装置における振動減衰効果の低下を抑制できる。
ガスタービンの概略構成図である。 動翼が取り付けられたロータディスクの一部を模式的に示した図である。 幾つかの実施形態に係る動翼の構成を示す概略構成図である。 動翼に形成された凹部の近傍の模式的な斜視図である。 図2における凹部の近傍を拡大した模式的な図である。 幾つかの実施形態に係るダンパピンの模式的な斜視図である。 図5に示した天井側磁力発生部の模式的な斜視図である。 振動抑制装置を備えた動翼の振動特性の一例を示す図である。 他の実施形態に係る振動抑制装置を備えた圧縮機における凹部の近傍を拡大した模式的な図である。 さらに他の実施形態に係る振動抑制装置を備えた圧縮機における凹部の近傍を拡大した模式的な図である。 図10に示した天井側磁力発生部の模式的な斜視図である。 さらに他の実施形態に係る振動抑制装置を備えた圧縮機における凹部の近傍を拡大した模式的な図である。 スティック領域について説明するための模式的な図である。
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
(ガスタービン1の全体構成について)
最初に、幾つかの実施形態に係る回転機械用の振動抑制装置が用いられる回転機械の構成について、図1を参照して説明する。図1は、該回転機械を備えた装置の一例としてのガスタービン1の概略構成図である。なお、幾つかの実施形態に係る回転機械用の振動抑制装置が用いられる回転機械は、圧縮機でもよいし、タービンでもよい。
図1に示すように、一実施形態に係るガスタービン1は、圧縮空気を生成するための圧縮機2と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器4と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン6と、を備える。発電用のガスタービン1の場合、タービン6には不図示の発電機が連結され、タービン6の回転エネルギーによって発電が行われるように構成されている。
図1に示すガスタービン1では、圧縮機2は、中心軸AXを中心に回転可能なロータ30と、ロータ30の周囲に配置されるステータ5とを備えている。なお、図1に示すガスタービン1では、圧縮機2は、後述する回転機械用の振動抑制装置100を備えている。
ステータ5は、圧縮機車室(ケーシング)10と、圧縮機車室10側に固定された複数の圧縮機静翼16とを有する。
ロータ30は、中心軸AXを中心に回転可能なロータシャフト8と、ロータシャフト8に固定された複数のロータディスク31と、複数のロータディスク31のそれぞれに取り付けられた複数の圧縮機動翼18とを有する。
ロータシャフト8は、圧縮機車室10及び後述するタービン車室22を共に貫通するように設けられている。
圧縮機動翼18は、複数のロータディスク31のそれぞれの外周部において中心軸AXの周方向に複数配置される。また、ロータディスク31は、中心軸AXと平行な方向に間隔を空けて複数段配置される。したがって、圧縮機動翼18は、中心軸AXと平行な方向に間隔を空けて複数段配置される。
圧縮機静翼16は、中心軸AXの周方向に複数配置される。また、圧縮機静翼16は、中心軸AXと平行な方向に間隔を空けて複数段配置される。圧縮機静翼16は、中心軸AXと平行な方向に関して圧縮機動翼18の間に配置されるように複数段配置される。
また、図1に示すガスタービン1では、圧縮機2は、圧縮機車室10の入口側に設けられ、空気を取り込むための空気取入口12と、空気取入口12側に設けられた入口案内翼14とを備えている。なお、圧縮機2は、不図示の抽気室等の他の構成要素を備えていてもよい。このような圧縮機2において、空気取入口12から取り込まれた空気は、複数の圧縮機静翼16及び複数の圧縮機動翼18を通過して圧縮されることで圧縮空気が生成される。そして、圧縮空気は圧縮機2から下流側の燃焼器4に送られる。
図1に示すガスタービン1では、燃焼器4は、ケーシング(燃焼器車室)20内に配置される。図1に示すように、燃焼器4は、ケーシング20内にロータシャフト8を中心として環状に複数配置されていてもよい。燃焼器4には燃料と圧縮機2で生成された圧縮空気とが供給され、燃料を燃焼させることによって、タービン6の作動流体である高温高圧の燃焼ガスを発生させる。そして、燃焼ガスは燃焼器4から後段のタービン6に送られる。
図1に示すガスタービン1では、タービン6は、中心軸AXを中心に回転可能なロータ33と、ロータ33の周囲に配置されるステータ7とを備えている。
ステータ7は、タービン車室(ケーシング)22と、タービン車室22側に固定された複数のタービン静翼26とを有する。
ロータ33は、上述したロータシャフト8と、ロータシャフト8に固定された複数のロータディスク35と、複数のロータディスク35のそれぞれに取り付けられた複数のタービン動翼24とを有する。
タービン動翼24は、複数のロータディスク35のそれぞれの外周部において中心軸AXの周方向に複数配置される。また、ロータディスク35は、中心軸AXと平行な方向に間隔を空けて複数段配置される。したがって、タービン動翼24は、中心軸AXと平行な方向に間隔を空けて複数段配置される。
タービン静翼26は、中心軸AXの周方向に複数配置される。また、タービン静翼26は、中心軸AXと平行な方向に間隔を空けて複数段配置される。タービン静翼26は、中心軸AXと平行な方向に関してタービン動翼24の間に配置されるように複数段配置される。
なお、タービン6では、ロータシャフト8は、軸方向(図1における左右方向)に延在し、燃焼ガスは、燃焼器4側から排気車室28側(図1における左側から右側)に向かって流れる。したがって、図1では、図示左側が軸方向上流側であり、図示右側が軸方向下流側である。また、以下の説明では、単に軸方向と記載した場合、中心軸AXと平行な方向を表し、単に径方向と記載した場合、中心軸AXを中心とする径方向を表すものとする。以下の説明では、ロータの周方向、又は単に周方向と記載した場合、中心軸AXを中心とする周方向を表すものとする。
タービン動翼24は、タービン静翼26とともにタービン車室22内を流れる高温高圧の燃焼ガスから回転駆動力を発生させるように構成される。この回転駆動力がロータシャフト8に伝達されることで、ロータシャフト8に連結された不図示の発電機が駆動される。
タービン車室22の軸方向下流側には、排気車室28を介して排気室29が連結されている。タービン6を駆動した後の燃焼ガスは、排気車室28及び排気室29を通って外部へ排出される。
(振動抑制装置100)
幾つかの実施形態に係る回転機械用の振動抑制装置100は、例えば圧縮機動翼18に取り付けられる。なお、幾つかの実施形態に係る回転機械用の振動抑制装置100は、例えばタービン動翼24に取り付けられていてもよい。以下の説明では、幾つかの実施形態に係る回転機械用の振動抑制装置100が圧縮機動翼18に取り付けられているものとして説明する。また、以下の説明では、圧縮機動翼18のことを単に動翼18とも呼ぶ。
幾つかの実施形態では、後述するように、振動抑制装置100は、ロータ30の空所130内に移動可能に設けられ、磁石41を含むダンパピン40と、空所130の周囲にてロータ30に設けられる磁力発生部150とを備えている。
(動翼18)
図2は、動翼18が取り付けられたロータディスク31の一部を模式的に示した図である。なお、図2では、動翼18及びロータディスク31を径方向に沿った断面を表している。
図2に示すように、幾つかの実施形態に係る各々の動翼18は、ロータディスク31の外周面から径方向外側に向かって延在する。より具体的には、各々の動翼18は、ロータディスク31の外周面に設けられた溝311に各々の動翼18の翼根部181が嵌合されることでロータディスク31に取り付けられる。
図3は、幾つかの実施形態に係る動翼18の構成を示す概略構成図である。
図3に示すように、動翼18は、翼根部181と、プラットフォーム183と、翼型部185とを含む。
翼根部181は、上述したように、例えば図2に示すロータディスク31の溝311に篏合される。なお、翼根部181は、翼厚さ方向に突出する複数のリブ部181aを有していてもよい。
プラットフォーム183は、翼根部181と一体的に構成されている。幾つかの実施形態では、プラットフォーム183において、動翼18をロータディスク31に取り付けたときに周方向を向く2つの側面111、121のうちの一方の側面111には、凹部113が形成されている。
上記構成のプラットフォーム183には、翼型部185が立設される。
図4は、動翼18に形成された凹部113の近傍の模式的な斜視図である。図5は、図2における凹部113の近傍を拡大した模式的な図である。以下、主に図2、図4及び図5を参照して、幾つかの実施形態に係る振動抑制装置100について説明する。
(ダンパピン40)
幾つかの実施形態では、振動抑制装置100は、ロータ30の空所130内に移動可能に設けられ、磁石41を含むダンパピン40を備えている。
図2及び図5に示すように、周方向で隣り合う動翼18の間に、動翼18に接触するようにダンパピン40が設けられる。ダンパピン40は、円柱状(ピン状)の部材である。ダンパピン40は、ロータ30が回転しているときに、動翼18の振動を減衰するダンパピンとして機能する。
図6は、幾つかの実施形態に係るダンパピン40の模式的な斜視図である。幾つかの実施形態に係るダンパピン40は、磁石41を含む。幾つかの実施形態に係るダンパピン40に含まれる磁石41は、円柱形状を有する永久磁石であり、円柱の軸方向に沿った一方側がS極41Sであり、他方側がN極41Nである。
以下の説明においては、便宜上、中心軸AXの周方向に配置される複数の動翼18のうち、周方向で隣り合う2つの動翼18について説明する。一方の動翼18を適宜、第1動翼18A、と称し、中心軸AXの周方向に関して第1動翼18Aの隣に配置される動翼18を適宜、第2動翼18B、と称する。本実施形態において、第1動翼18Aと第2動翼18Bとは、実質的に同一の構造である。
ダンパピン40は、第1動翼18Aのプラットフォーム183と、第2動翼18Bのプラットフォーム183との間に配置される。第1動翼18Aのプラットフォーム183の一方の側面111は、第2動翼18Bのプラットフォーム183の他方の側面121と対向する。第1動翼18Aのプラットフォーム183と第2動翼18Bのプラットフォーム183とは接触せず、間隙を介して対向する。以下の説明において、第1動翼18Aのプラットフォーム183を適宜、第1プラットフォーム183A、と称し、第2動翼18Bのプラットフォーム183を適宜、第2プラットフォーム183B、と称する。
図5に示すように、ダンパピン40は、第1動翼18A(第1プラットフォーム183A)と第2動翼18B(第2プラットフォーム183B)との間に形成された空所130に移動可能に配置される。空所130は、第1プラットフォーム183Aに設けられた凹部113の内面115と、第2プラットフォーム183Bに設けられた側面121とによって囲まれた空間である。
空所130は、第1プラットフォーム183Aに設けられた凹部113の内面115及び第2プラットフォーム183Bに設けられた側面121によって規定される。内面115及び側面121は、空所130に面する。ダンパピン40は、内面115及び側面121の少なくとも一部と接触可能である。
内面115は、第2プラットフォーム183Bの側面121と実質的に平行な垂直面115Vと、垂直面115Vに対して傾斜する斜面115Sとを含む。側面121と垂直面115Vとは間隙を介して対向する。側面121及び垂直面115Vは、中心軸AXの径方向に沿うように配置される。斜面115Sは、径方向外側に向かうにつれて第2プラットフォーム183Bの側面121との距離が小さくなるように形成されている。
第1プラットフォーム183Aの斜面115Sは、空所130の径方向外側の境界を形成する天井壁117に形成されている。
また、第2プラットフォーム183Bの側面121は、空所130の周方向の境界を形成する側壁123に形成されている。
幾つかの実施形態では、振動抑制装置100は、空所130の周囲にてロータ30に設けられる磁力発生部150を備えている。
図5に示した実施形態では、磁力発生部150は、空所130の径方向外側の境界を形成する天井壁117に設けられた天井側磁力発生部151を含む。
図7は、図5に示した天井側磁力発生部151の模式的な斜視図である。図7に示した天井側磁力発生部151は、例えば柱形状を有する永久磁石であり、柱の軸方向に沿った一方側がS極151Sであり、他方側がN極151Nである。図7に示した天井側磁力発生部151は、例えば矩形柱形状を有するが、円柱形状を有していてもよく、三角柱形状を有していてもよく、五角以上の多角柱形状を有していてもよい。
幾つかの実施形態では、磁力発生部150は、空所130のうちロータ30の径方向外側に位置するダンパピン40の後述するスティック領域135からダンパピン40を遠ざける方向の磁力をダンパピン40の磁石41に対して作用させるように構成されている。
具体的には、図5に示したダンパピン40及び天井側磁力発生部151は、例えば図4に示すように、径方向に沿ってダンパピン40の磁石41のS極41Sと天井側磁力発生部151のS極151Sとが対向し、ダンパピン40の磁石41のN極41Nと天井側磁力発生部151のN極151Nとが対向するように配置されている。そのため、図5に示した天井側磁力発生部151は、径方向内側に向かって天井側磁力発生部151からダンパピン40を遠ざける方向の磁力をダンパピン40の磁石41に対して作用させる。
したがって、図5に示した天井側磁力発生部151は、主として径方向内側に向う反発力をダンパピン40の磁石41に対して発生させる。
ダンパピン40は、空所130内に移動可能に設けられる。ロータ30が回転すると、ダンパピン40に遠心力CFが作用する。遠心力CFにより、ダンパピン40は、径方向外側に移動する。
ダンパピン40に作用する遠心力CFが天井側磁力発生部151とダンパピン40の磁石41との反発力RFの径方向成分RFrよりも小さい場合、図5の実線で示すように、ダンパピン40は、第1プラットフォーム183Aの斜面115Sから離間する。
天井側磁力発生部151とダンパピン40の磁石41との反発力RFは、天井側磁力発生部151とダンパピン40との距離の二乗に反比例する。したがって、ダンパピン40に作用する遠心力CFが大きくなるにつれて、ダンパピン40と第1プラットフォーム183Aの斜面115Sとの距離は小さくなる。
なお、天井側磁力発生部151とダンパピン40の磁石41との反発力RFは、第2プラットフォーム183Bの側面121に向かう周方向成分RFcを有している。そのため、ダンパピン40は、周方向成分RFcによって第2プラットフォーム183Bの側面121に押圧される。
ダンパピン40に作用する遠心力CFが天井側磁力発生部151とダンパピン40の磁石41との反発力RFの径方向成分RFr以上になると、図5の破線で示すように、ダンパピン40は、第1プラットフォーム183Aの斜面115Sと接触する。
ダンパピン40に作用する遠心力CFが天井側磁力発生部151とダンパピン40の磁石41との反発力RFの径方向成分RFr以上であれば、ダンパピン40は、遠心力CFから反発力RFの径方向成分RFrを減じた大きさの力で径方向外側に向かって斜面115Sに押し付けられる。なお、斜面115Sは、径方向外側に向かうにつれて側面121に近づくように傾斜しているので、ダンパピン40に作用する遠心力CFが天井側磁力発生部151とダンパピン40の磁石41との反発力RFの径方向成分RFr以上であれば、ダンパピン40は、斜面115S及び側面121に接触する位置に移動する。この位置は、空所130内におけるダンパピン40の位置として、最も径方向外側の位置である。
したがって、図5において破線で示すように、ダンパピン40は、斜面115S及び側面121の両方に接触して、径方向外側への移動を規制される。
ロータ30が回転すると、例えば空気と動翼18との接触により、動翼18に励振力が作用し、動翼18が振動する可能性がある。ダンパピン40と凹部113の内面115及び側面121の少なくとも一部とが接触した状態で相対移動(摩擦)することにより、動翼18の振動が減衰する。
ダンパピン40に作用する遠心力CFがさらに大きくなると、ダンパピン40は、図5で破線で示した位置において径方向外側への移動を規制された状態でさらに大きな力で斜面115Sに押し付けられることとなる。そのため、遠心力CFを励振力EFで除した値が過剰に大きくなると、ダンパピン40と斜面115Sや側面121との摩擦力が過剰となって、ダンパピン40が接触面で滑らないスティック状態となるおそれがある。ダンパピン40がスティック状態となってしまうと、ダンパピン40と斜面115Sや側面121との摩擦力による動翼の振動減衰効果が低下してしまう。
なお、ダンパピン40は、図5で破線で示した位置、すなわち斜面115S及び側面121に接触する位置においてスティック状態となるおそれがある。以下の説明では、ダンパピン40が斜面115S及び側面121に接触する位置においてダンパピン40が占める領域のことをスティック領域135とも呼ぶ。
図5に示した振動抑制装置100によれば、スティック領域135からダンパピン40を遠ざける方向の磁力がダンパピン40の磁石41に作用するので、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できる。
より具体的には、図5に示した振動抑制装置100では、天井側磁力発生部151は、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr)を有する反発力RFを磁石41に対して発生させるように構成されている。すなわち、図5に示した振動抑制装置100では、天井側磁力発生部151は、ダンパピン40に作用する遠心力CFを減ずる反発力RFをダンパピン40の磁石41に対して発生させる。これにより、遠心力CFによってダンパピン40を斜面115Sに押し付ける力を減ずることができるので、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できる。
また、図5に示した振動抑制装置100では、天井側磁力発生部151は、第2プラットフォーム183Bの側面121に向かう周方向成分RFcを有するように反発力RFをダンパピン40の磁石41に対して発生させる。そのため、ダンパピン40は、周方向成分RFcによって第2プラットフォーム183Bの側面121に押圧される。
従来、径方向に延在する側面121に向かってダンパピン40が押圧される押圧力は比較的小さかったが、周方向成分RFcによって該押圧力を増やすことができる。これにより、ダンパピン40と側面121との摩擦力を増やすことができるので、振動減衰効果を向上できる。
(スティック領域135について)
以下、スティック領域135について、さらに詳しく説明する。
図13は、スティック領域135について説明するための模式的な図であり、凹部113の近傍を拡大した図である。説明の便宜上、図13では、磁力発生部150の記載を省略している。
幾つかの実施形態では、スティック領域135は、少なくとも、下記(a)及び(b)の条件をそれぞれ満たすダンパピン40の外周面40a上の第1点P1および第2点P2において、ダンパピン40の外周面40aが空所130を画定する1以上の壁面(例えば斜面115S及び側面121)と接するようにダンパピン40を空所130内において配置したときにダンパピン40が占める領域である。
(a)第1点P1は、ダンパピン40の外周面40aのうちダンパピン40の中心Cよりも径方向外側の半円弧AR1上に位置する点である。
(b)第2点P2は、第1点P1と中心Cを結んだ直線Lによって外周面40aを2分割して得られる2個の半円弧のうち、外周面40a上で最も径方向外側に位置する基準点Prを含む半円弧AR2上に位置する点である。
幾つかの実施形態では、ダンパピン40は、径方向外側へ向かう遠心力CFを受けても第1点P1及び第2点P2で接する1以上の壁面によって径方向外側への移動が規制されるとともに、該遠心力CFによって第1点P1及び第2点P2で壁面を押圧する。
しかし、幾つかの実施形態では、上述した又は後述する振動抑制装置100を備えているので、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できる。
図8は、図5に示した振動抑制装置100を備える圧縮機2における動翼18の振動特性の一例を示す図である。図8において、図5に示した振動抑制装置100を備える圧縮機2における動翼18の振動特性は、実線で示す。比較例として、振動抑制装置100を備えない動翼18の振動特性を破線で示す。図8において、横軸は、ダンパピン40に作用する遠心力CFを動翼18に作用する励振力EFで除した値(CF/EF)である。図8において、遠心力CFが大きくなるほどCF/EFが大きくなる。
図8において、縦軸は、ダンパピン40の摩擦による減衰率を対数で示す。
図8に示すように、CF/EFが大きくなるにつれて、ダンパピン40と斜面115Sや側面121との摩擦力が増加するので、減衰率が増加する。そして、CF/EFがある値の時に減衰率が最大値をとるが、さらにCF/EFが大きくなると、ダンパピン40と斜面115Sや側面121との摩擦力がさらに増加することによってダンパピン40が斜面115Sや側面121に対して相対移動し難くなるので、減衰率が減少する。さらにCF/EFが大きくなると、ダンパピン40が接触面で滑らないスティック状態となってしまう。
図5に示した振動抑制装置100では、ダンパピン40に作用する遠心力CFが反発力RFで減ぜられることで、図8に示すように、減衰率のグラフを全体的にCF/EFが大きくなる方向(図示右方)にシフトすることができる。
図9は、他の実施形態に係る振動抑制装置100を備えた圧縮機2における凹部113の近傍を拡大した模式的な図である。なお、以下の説明では、図5に示した実施形態に係る構成と同じ構成には、同じ符号を付して詳細な説明については省略し、主に、図5に示した実施形態に係る構成との相違点について説明する。
図9に示す実施形態では、天井側磁力発生部151は、スティック領域135(図5参照)から周方向に遠ざかるにつれて径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr)が大きくなる反発力RFを磁石41に対して発生させるように構成されている。
例えば、図9に示す実施形態では、天井側磁力発生部151は、周方向に沿って複数の磁石153を含む。複数の磁石153のそれぞれの磁力は、異なっている。複数の磁石153のそれぞれの磁力は、周方向に沿って第2動翼18Bから第1動翼18Aに向かう方向に進むにつれて強くなる。このように、磁力の異なる複数の磁石153を上述のように配置することで、スティック領域135(図5参照)から周方向に遠ざかるにつれて径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr)が大きくなる反発力RFを磁石41に対して発生させることができる。なお、1つの磁石によってスティック領域135から周方向に遠ざかるにつれて径方向成分RFrが大きくなる反発力RFを磁石41に対して発生させるようにしてもよい。
スティック領域135から周方向に遠ざかるにつれて径方向成分RFrが大きくなる反発力RFを磁石41に対して発生させることで、周方向成分RFcを効果的に増やすことができる。すなわち、図9に示す実施形態では、スティック領域135から周方向に遠ざかるにつれて径方向成分RFrが大きくなる反発力RFを磁石41に対して発生させるように天井側磁力発生部151が磁界を形成する。これにより、該磁界から磁石41が受ける反発力RFのうち周方向成分RFcは、スティック領域135に近づく方向、すなわち第1動翼18Aから第2動翼18Bに向かう方向を向く。
そのため、磁石41は、周方向に沿って第1動翼18Aから第2動翼18Bに向かう方向に向かう反発力(周方向成分RFc)を受ける。磁石41が該反発力を受けて移動する先に空所130の周方向の境界を形成する壁部が存在する場合、ダンパピン40は、該反発力によって該壁部に向かって押圧されることとなる。図9に示す実施形態では、磁石41が該反発力を受けて移動する先に空所130の周方向の境界を形成する壁部である側壁123が存在する。そのため、図9に示す実施形態によれば、側面121上でダンパピン40が摺動すると摩擦力が得られるので、該摩擦力によって振動減衰効果が得られる。
図10は、さらに他の実施形態に係る振動抑制装置100を備えた圧縮機2における凹部113の近傍を拡大した模式的な図である。なお、以下の説明では、図5又は図9に示した実施形態に係る構成と同じ構成には、同じ符号を付して詳細な説明については省略し、主に、図5又は図9に示した実施形態に係る構成との相違点について説明する。
図10に示す実施形態では、天井側磁力発生部151は、第1天井側磁力発生部1511と、第2天井側磁力発生部1512とを含む。第1天井側磁力発生部1511は、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr)を有する反発力RFを磁石41に対して発生させる。第2天井側磁力発生部1512は、第1天井側磁力発生1511部よりもスティック領域135から周方向に沿って離れた位置に設けられ、第2天井側磁力発生部1512に向かう成分を有する吸引力AFを磁石41に対して発生させる。
図11は、図10に示した天井側磁力発生部151の模式的な斜視図である。図11に示した天井側磁力発生部151は、例えば柱形状を有する永久磁石である。図11に示した天井側磁力発生部151は、例えば矩形柱形状を有するが、円柱形状を有していてもよく、三角柱形状を有していてもよく、五角以上の多角柱形状を有していてもよい。
図11に示した天井側磁力発生部151では、第1天井側磁力発生部1511は、S極1511SとN極1511Nとを有する。図11に示した天井側磁力発生部151では、第2天井側磁力発生部1512は、S極1512SとN極1512Nとを有する。図11に示した天井側磁力発生部151は、例えば矩形柱形状を有する第1天井側磁力発生部1511と、例えば矩形柱形状を有する第2天井側磁力発生部1512とが、柱形状の側面同士を対向させた形状を有する。図11に示した天井側磁力発生部151は、第1天井側磁力発生部1511のS極1511Sと、第2天井側磁力発生部1512のN極1512Nとを対向させ、第1天井側磁力発生部1511のN極1511Nと、第2天井側磁力発生部1512のS極1512Sとを対向させた形状を有する。
図11に示した天井側磁力発生部151は、図10に示すように、径方向に沿って第1天井側磁力発生部1511のS極1511Sとダンパピン40の磁石41のS極41Sとが対向可能となるように配置されている。図11に示した天井側磁力発生部151は、図10に示すように、径方向に沿って第2天井側磁力発生部1512のN極1512Nとダンパピン40の磁石41のS極41Sとが対向可能となるように配置されている。
なお、図11に示した天井側磁力発生部151は、図10には表れていないが、径方向に沿って第1天井側磁力発生部1511のN極1511Nとダンパピン40の磁石41のN極41Nとが対向可能となるように配置されている。図11に示した天井側磁力発生部151は、図10には表れていないが、径方向に沿って第2天井側磁力発生部1512のS極1512Sとダンパピン40の磁石41のN極41Nとが対向可能となるように配置されている。
図10に示した振動抑制装置100では、ダンパピン40は、破線で示すようにロータ30の回転による遠心力CFでスティック領域135(図5参照)に移動しようとしたときに、破線の矢印で示したように第1天井側磁力発生部1511よって磁石41が径方向内側へ向かう反発力RF1を受けるとともに、第2天井側磁力発生部1512よって磁石41が磁石41よりも径方向外側に位置する第2天井側磁力発生部1512へ向かう吸引力AF1を受ける。この時、磁石41の位置によっては、反発力RF1と吸引力AF1との合力に周方向に沿って第2プラットフォーム183Bの側面121から離れる方向を向いた周方向成分Fc1を含むことがある。
この周方向成分Fc1によって、又は、ロータ30の振動によって周方向に沿って第1天井側磁力発生部1511から離れた位置へダンパピン40が移動して第2天井側磁力発生部1512に近づくと、磁石41に対する第1天井側磁力発生部1511による反発力RF1が弱まり、第2天井側磁力発生部1512による吸引力AF1が強まる。その結果、ダンパピン40は、第2天井側磁力発生部1512の近傍で斜面115Sに接触するとともに、さらに第2天井側磁力発生部1512に近づくように周方向に沿って斜面115S上を摺動する。
また、ダンパピン40は、実線で示すように第2天井側磁力発生部1512に近づくと、磁石41に対する第2天井側磁力発生部1512による吸引力AF2と、第1天井側磁力発生部1511による反発力RF2との合力には、周方向に沿って第2プラットフォーム183Bの側面121から離れる方向を向いた周方向成分Fc2が含まれるようになる。そのため、図10に示した振動抑制装置100によれば、第2天井側磁力発生部1512が設けられていない場合と比べて斜面115S上でダンパピン40が摺動する距離を増やすことができ、斜面115S上での摺動による摩擦力によって振動減衰効果が得られる。
図12は、さらに他の実施形態に係る振動抑制装置100を備えた圧縮機2における凹部113の近傍を拡大した模式的な図である。なお、以下の説明では、図5、図9又は図10に示した実施形態に係る構成と同じ構成には、同じ符号を付して詳細な説明については省略し、主に、図5、図9又は図10に示した実施形態に係る構成との相違点について説明する。
図12に示した実施形態では、磁力発生部150は、空所130の周方向の境界を形成する側壁123に設けられた側壁側磁力発生部155を含む。
図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155は、例えば図7に示した天井側磁力発生部151と同様の構成を有していてもよい。すなわち、側壁側磁力発生部155は、例えば柱形状を有する永久磁石であり、柱の軸方向に沿った一方側がS極155Sであり、他方側がN極155Nである。図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155は、例えば矩形柱形状を有するが、円柱形状を有していてもよく、三角柱形状を有していてもよく、五角以上の多角柱形状を有していてもよい。
図12に示した実施形態では、ダンパピン40及び側壁側磁力発生部155は、周方向に沿ってダンパピン40の磁石41のS極41Sと側壁側磁力発生部155のS極155Sとが対向するように配置されている。図12に示した実施形態では、ダンパピン40及び側壁側磁力発生部155は、図12には表れていないがダンパピン40の磁石41のN極41Nと側壁側磁力発生部155のN極155Nとが対向するように配置されている。
図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155は、径方向内側に向かって側壁側磁力発生部155からダンパピン40を遠ざける方向の磁力をダンパピン40の磁石41に対して作用させる。
より具体的には、図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155は、径方向内側に向う成分(径方向成分RFr3)と、周方向に沿って第2プラットフォーム183Bの側面121から離れる方向を向いた周方向成分RFc3とが含まれる反発力RF3をダンパピン40の磁石41に対して発生させる。
すなわち、図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155は、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr3)と、周方向に沿ってスティック領域135から遠ざかる方向に向かう成分(周方向成分RFc3)とを有する反発力RF3を磁石41に対して発生させるように構成されている。
図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155は、スティック領域135の近傍に配置される。図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155は、スティック領域135に位置するダンパピン40の磁石41に対して径方向内側に向う成分(径方向成分RFr3)を含む反発力RF3を発生させるために、側壁123における、斜面115Sと側面111との境界の近傍に配置するとよい。
図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155が発生する磁力によってスティック領域135からダンパピン40を遠ざけることができる。これにより、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下をさらに抑制できる。
また、図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155による反発力RF3のうち、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr3)によって、スティック領域135からダンパピン40を遠ざけることができる。これにより、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できる。
また、図12に示した実施形態では、側壁側磁力発生部155による反発力RF3のうち、周方向に沿ってスティック領域135から遠ざかる方向に向かう成分(周方向成分RFc3)によって、ダンパピン40が斜面115S上を摺動し易くなる。そのため、図12に示した実施形態では、斜面115S上でダンパピン40が摺動する距離を増やすことができ、斜面115S上での摺動による摩擦力によって振動減衰効果が得られる。
なお、図12に示した側壁側磁力発生部155は、図5、図9又は図10に示した何れかの天井側磁力発生部151とともに配置してもよく、単独で配置してもよい。
なお、側壁側磁力発生部155は、側壁123における、少なくともスティック領域135よりも径方向内側に配置されていて、径方向内側に向かう成分を有する吸引力を磁石41に対して発生させるように構成されていてもよい。このような側壁側磁力発生部155であっても、スティック領域135からダンパピン40を遠ざける方向の磁力を磁石41に対して作用させることができる。また、このような側壁側磁力発生部155は、図5、図9又は図10に示した何れかの天井側磁力発生部151とともに配置してもよく、単独で配置してもよい。
本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、磁力発生部150には永久磁石が用いられているが、電磁石であってもよい。
上述した幾つかの実施形態では、凹部113は、2つの側面111、121のうちの一方の側面111にだけ設けられているが、他方の側面121にだけ設けてもよく、2つの側面111、121の双方に設けてもよい。
2つの側面111、121の双方に凹部113を設けた場合、第1プラットフォーム183Aにおける凹部113と、第2プラットフォーム183Bにおける凹部113とによって空所130が形成されるとよい。そして、この空所130にダンパピン40を配置するとよい。天井側磁力発生部151は、第1プラットフォーム183Aにおける天井壁117と、第2プラットフォーム183Bにおける天井壁117の双方に設けるとよい。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
(1)本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械用の振動抑制装置100は、回転機械のロータの振動抑制装置であって、ロータ30の空所130内に移動可能に設けられ、磁石41を含むダンパピン40と、空所130の周囲にてロータ30に設けられる磁力発生部150と、を備える。磁力発生部150は、空所130のうちロータ30の径方向外側に位置するダンパピン40のスティック領域135からダンパピン40を遠ざける方向の磁力を磁石41に対して作用させるように構成されている。
上記(1)の構成によれば、スティック領域135からダンパピン40を遠ざける方向の磁力が磁石41に作用するので、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、磁力発生部150は、空所130の径方向外側の境界を形成する天井壁117に設けられた天井側磁力発生部151を含む。
ダンパピン40は、ロータ30の回転による遠心力CFで径方向外側に移動する。したがって、上記(2)の構成によれば、天井側磁力発生部151が空所130の径方向外側に配置されるので、ダンパピン40が含む磁石41に対して天井側磁力発生部151が発生する磁力を効果的に作用させることができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(2)の構成において、天井側磁力発生部151は、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr)を有する反発力RFを磁石41に対して発生させるように構成されている。
上記(3)の構成によれば、反発力RFによってスティック領域135からダンパピン40を遠ざけることができる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(3)の構成において、天井側磁力発生部151は、スティック領域135からロータ30の周方向に遠ざかるにつれて径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr)が大きくなる反発力RFを磁石41に対して発生させるように構成されている。
上記(4)の構成によれば、上述したような反発力RFを磁石41に対して発生させるように天井側磁力発生部151が磁界を形成するので、該磁界から磁石41が受ける反発力RFのうち周方向成分RFcは、スティック領域135に近づく方向を向く。そのため、磁石41は、周方向に沿ってスティック領域135に近づく方向、すなわち第1動翼18Aから第2動翼18Bに向かう方向に向かう反発力(周方向成分RFc)を受ける。磁石41が該反発力を受けて移動する先に空所130の周方向の境界を形成する壁部(例えば側壁123)が存在する場合、ダンパピン40は、該反発力によって該壁部に向かって押圧されることとなる。そのため、上記(4)の構成によれば、該壁部上(側面121上)でダンパピン40が摺動すると摩擦力が得られるので、該摩擦力によって振動減衰効果が得られる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(2)の構成において、天井側磁力発生部151は、第1天井側磁力発生部1511と、第2天井側磁力発生部1512とを含む。第1天井側磁力発生部1511は、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr)を有する反発力RFを磁石41に対して発生させる。第2天井側磁力発生部1512は、第1天井側磁力発生部1511よりもスティック領域135からロータ30の周方向に沿って離れた位置に設けられ、第2天井側磁力発生部1512に向かう成分を有する吸引力AFを磁石41に対して発生させる。
上記(5)の構成によれば、ダンパピン40は、ロータ30の回転による遠心力CFでスティック領域135に移動しようとしたときに、第1天井側磁力発生部1511よって磁石41が径方向内側へ向かう反発力を受ける。このとき、ロータ30の振動によって周方向に沿って第1天井側磁力発生部1511から離れた位置へダンパピン40が移動して第2天井側磁力発生部1512に近づくと、磁石41に対する第1天井側磁力発生部1511による反発力RFが弱まり、第2天井側磁力発生部1512による吸引力AFが強まる。その結果、ダンパピン40は、第2天井側磁力発生部1512の近傍で天井壁117に接触するとともに、さらに第2天井側磁力発生部1512に近づくように周方向に沿って天井壁117の壁面(斜面115S)上を摺動する。そのため、上記(5)の構成によれば、第2天井側磁力発生部1512が設けられていない場合と比べて斜面115S上でダンパピン40が摺動する距離を増やすことができ、斜面115S上での摺動による摩擦力によって振動減衰効果が得られる。
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れかの構成において、磁力発生部150は、空所130の周方向の境界を形成する側壁123に設けられた側壁側磁力発生部155を含む。
上記(6)の構成によれば、側壁側磁力発生部155が発生する磁力によってスティック領域135からダンパピン40を遠ざけることができる。これにより、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下をさらに抑制できる。
(7)幾つかの実施形態では、上記(6)の構成において、側壁側磁力発生部155は、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr3)と、ロータ30の周方向に沿ってスティック領域135から遠ざかる方向に向かう成分(周方向成分RFc3)とを有する反発力RF3を磁石41に対して発生させるように構成されている。
上記(7)の構成によれば、側壁側磁力発生部155による反発力RF3のうち、径方向内側に向かう成分(径方向成分RFr3)によって、スティック領域135からダンパピン40を遠ざけることができる。これにより、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できる。
また、上記(7)の構成によれば、側壁側磁力発生部155による反発力RF3のうち、ロータ30の周方向に沿ってスティック領域135から遠ざかる方向に向かう成分(周方向成分RFc3)によって、ダンパピン40が天井壁117の壁面(斜面115S)上を摺動し易くなる。そのため、上記(7)の構成によれば、斜面115S上でダンパピン40が摺動する距離を増やすことができ、斜面115S上での摺動による摩擦力によって振動減衰効果が得られる。
(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(7)の何れかの構成において、スティック領域135は、少なくとも、下記(a)及び(b)の条件をそれぞれ満たすダンパピン40の外周面40a上の第1点P1および第2点P2において、ダンパピン40の外周面40aが空所130を画定する1以上の壁面(例えば斜面115S及び側面121)と接するようにダンパピン40を空所130内において配置したときにダンパピン40が占める領域である。
(a)第1点P1は、ダンパピン40の外周面40aのうちダンパピン40の中心Cよりもロータ30の径方向外側の半円弧AR1上に位置する点である。
(b)第2点P2は、第1点P1と中心Cを結んだ直線Lによって外周面40aを2分割して得られる2個の半円弧のうち、外周面40a上でロータ30の最も径方向外側に位置する基準点Prを含む半円弧AR2上に位置する点である。
上記(8)の構成によれば、ダンパピン40は、径方向外側へ向かう遠心力CFを受けても第1点P1及び第2点P2で接する1以上の壁面によって径方向外側への移動が規制されるとともに、該遠心力CFによって第1点P1及び第2点P2で壁面を押圧する。
しかし、上記(8)の構成によれば、上記(1)の構成を備えているので、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できる。
(9)本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械(圧縮機2)は、ロータ30と、上記(1)乃至(8)の何れかの回転機械用の振動抑制装置100と、を備える。
上記(9)の構成によれば、ダンパピン40がスティック状態となり難くなり、振動減衰効果の低下を抑制できるので、回転機械(圧縮機2)の振動を抑制できる。
1 ガスタービン
2 圧縮機
6 タービン
8 ロータシャフト
18 圧縮機動翼(動翼)
30 ロータ
31 ロータディスク
40 ダンパピン
41 磁石
100 振動抑制装置
111、112 側面
113 凹部
115S 斜面
117 天井壁
130 空所
135 スティック領域
150 磁力発生部
151 天井側磁力発生部
153 磁石
155 側壁側磁力発生部
1511 第1天井側磁力発生部
1512 第2天井側磁力発生部

Claims (9)

  1. 回転機械のロータの振動抑制装置であって、
    前記ロータの空所内に移動可能に設けられ、磁石を含むダンパピンと、
    前記空所の周囲にて前記ロータに設けられる磁力発生部と、
    を備え、
    前記磁力発生部は、前記空所のうち前記ロータの径方向外側に位置する前記ダンパピンのスティック領域から前記ダンパピンを遠ざける方向の磁力を前記磁石に対して作用させるように構成された
    回転機械用の振動抑制装置。
  2. 前記磁力発生部は、前記空所の径方向外側の境界を形成する天井壁に設けられた天井側磁力発生部を含む
    請求項1に記載の回転機械用の振動抑制装置。
  3. 前記天井側磁力発生部は、径方向内側に向かう成分を有する反発力を前記磁石に対して発生させるように構成されている
    請求項2に記載の回転機械用の振動抑制装置。
  4. 前記天井側磁力発生部は、前記スティック領域から前記ロータの周方向に遠ざかるにつれて前記径方向内側に向かう成分が大きくなる反発力を前記磁石に対して発生させるように構成されている
    請求項3に記載の回転機械用の振動抑制装置。
  5. 前記天井側磁力発生部は、
    径方向内側に向かう成分を有する反発力を前記磁石に対して発生させる第1天井側磁力発生部と、
    前記第1天井側磁力発生部よりも前記スティック領域から前記ロータの周方向に沿って離れた位置に設けられた第2天井側磁力発生部と、
    を含み、
    前記第2天井側磁力発生部は、前記第2天井側磁力発生部に向かう成分を有する吸引力を前記磁石に対して発生させる
    請求項2に記載の回転機械用の振動抑制装置。
  6. 前記磁力発生部は、前記空所の周方向の境界を形成する側壁に設けられた側壁側磁力発生部を含む
    請求項1乃至5の何れか一項に記載の回転機械用の振動抑制装置。
  7. 前記側壁側磁力発生部は、径方向内側に向かう成分と、前記ロータの周方向に沿って前記スティック領域から遠ざかる方向に向かう成分とを有する反発力を前記磁石に対して発生させるように構成されている
    請求項6に記載の回転機械用の振動抑制装置。
  8. 前記スティック領域は、少なくとも、下記(a)及び(b)の条件をそれぞれ満たす前記ダンパピンの外周面上の第1点および第2点において、前記ダンパピンの前記外周面が前記空所を画定する1以上の壁面と接するように前記ダンパピンを前記空所内において配置したときに前記ダンパピンが占める領域である
    請求項1乃至7の何れか一項に記載の回転機械用の振動抑制装置。
    (a)前記第1点は、前記ダンパピンの外周面のうち該ダンパピンの中心よりも前記ロータの前記径方向外側の半円弧上に位置する点である。
    (b)前記第2点は、前記第1点と前記中心を結んだ直線によって前記外周面を2分割して得られる2個の半円弧のうち、前記外周面上で前記ロータの最も前記径方向外側に位置する基準点を含む半円弧上に位置する点である。
  9. ロータと、
    請求項1乃至8の何れか一項に記載の回転機械用の振動抑制装置と、
    を備える
    回転機械。
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