(57)【要約】【課題】本発明は、軸流圧縮機用の可変案内翼に関する。【解決手段】従って、１つの態様では、本可変案内翼は、第１の半径方向外側ベーンセクションと、第２の半径方向内側ベーンセクションとを含み、第１及び第２のベーンセクションは、ベーンの長手方向半径方向軸線の周りで互いに対して角度調整可能である。【選択図】      図３
2008303877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流圧縮機用の可変案内翼（１０）であって、
第１の半径方向外側ベーンセクション（１４）と、
第２の半径方向内側ベーンセクション（１２）と、を含み、
前記第１及び第２のベーンセクションが、該ベーンの長手方向半径方向軸線（１６）の周りで互いに対して角度調整可能である、
可変案内翼。
【請求項２】
前記第１及び第２のベーンセクション（１４、１２）が、前記長手方向軸線に対して略垂直な水平分割線に沿って接合する、請求項１記載の可変案内翼。
【請求項３】
前記水平分割線が、該ベーンの半径方向長さ寸法に沿って略中間に設置される、請求項２記載の可変案内翼。
【請求項４】
前記第１及び第２のベーンセクション（１４、１２）が、前記半径方向軸線上に位置したそれぞれのシャフト（３０、２８）に固定され、
前記シャフトの各々が、独立して回転可能である、
請求項１記載の可変案内翼。
【請求項５】
前記シャフト（３０、２８）の各々が、該シャフトのそれぞれの端部に固定されかつそれぞれの同期リングギア（４２、３４）と係合可能であるギア（４０、３２）を有する、請求項４記載の可変案内翼。
【請求項６】
前記第１及び第２のベーンセクション（１４、１２）が、前記長手方向軸線上に位置した共通シャフト（２８）上に取付けられ、
前記ベーンセクションの一方（１２）が、前記シャフトに固定され、
前記ベーンセクションの他方（１４）が、前記シャフトに対して回転可能である、
請求項１記載の可変案内翼。
【請求項７】
前記第１及び第２のベーンセクション（１１４、１１２）が、該案内翼のそれぞれの対向する端部においてギア（１２８、１２０）に各々固定されたそれぞれのシャフト（１２６、１１８）に取付けられる、請求項１記載の可変案内翼。
【請求項８】
前記それぞれの同期ギア（４２、３４）が各々、油圧アクチュエータ（４６、５８）によって回転可能である、請求項５記載の可変案内翼。
【請求項９】
軸流圧縮機用の可変案内翼（１１０）であって、
第１の半径方向外側ベーンセクション（１１４）と、
第２の半径方向内側ベーンセクション（１１２）と、を含み、
前記第１及び第２のベーンセクションが、該ベーンの長手方向半径方向軸線（１２４）の周りで互いに対して角度調整可能であり、
前記第１及び第２のベーンセクションが、前記半径方向軸線上に位置しかつその各々が独立して回転可能であるそれぞれのシャフト（１２６、１１８）に固定される、
可変案内翼。
【請求項１０】
前記第１及び第２のベーンセクションが、前記長手方向軸線に対して略垂直な水平分割線に沿って接合する、請求項９記載の可変案内翼。
【請求項１１】
前記水平分割線が、該ベーンの半径方向長さ寸法に沿って略中間に設置される、請求項９記載の可変案内翼。
【請求項１２】
前記第１及び第２のベーンセクションが、前記半径方向軸線上に位置したそれぞれのシャフトに固定され、
前記シャフトの各々が、独立して回転可能である、
請求項９記載の可変案内翼。
【請求項１３】
軸流タービン圧縮機入口案内翼（１０）に関連する旋回失速空気力学的励起を排除する方法であって、
（ａ）そのような入口案内翼の列における各可変案内翼（１０）を分割して半径方向内側セクション（１２）及び半径方向外側セクション（１４）を形成するステップと、
（ｂ）前記案内翼を横切る空気流の方向に対して前記半径方向内側セクション及び半径方向外側セクションの相対角度位置を調整するステップと、を含む、
方法。
【請求項１４】
前記半径方向内側及び半径方向外側セクションが、別個のリングギアによって調整される、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
計算流体力学予測に基づいて各セクションの半径方向長さを選択するステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
始動及び作動停止時に前記半径方向内側及び半径方向外側セクションを角度的にオフセットさせるステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
通常全負荷運転時に前記半径方向内側及び半径方向外側セクション間の角度オフセット量を実質的にゼロに減少させるステップを含む、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン機械に関し、より具体的には、タービン圧縮機可変案内翼構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電軸流ガスタービンは、一定の回転速度及び出力で最適に運転されるように設計される。加えて、軸流ガスタービン圧縮機は、可変段ジオメトリに限りがあり、また空気抽出に限りがある。これら要因により、始動及び作動停止運転時に旋回失速現象などの重大な設計外空気力学的条件が生じる。
【０００３】
旋回失速は、ホイール又はロータ速度の約半分で回転する局所的失速セルとして現れる。それらセルは、ロータ及びステータブレードの両方にコヒーレント非定常空気力学的負荷を与える。ロータが速度を変えると、失速セル数が変化し、それによって異なる次数の励振又は節直径が設定される。旋回失速空気力学的負荷によるロータ及びステータへの振動応答は、通常のブレード損傷及び早期故障に対する感度を高めることになるおそれがある。
【０００４】
最近の調査では、オフスピード運転（始動及び作動停止のような）時に、入口案内翼（ＩＧＶ）と呼ばれる可変ジオメトリ（可変形態）ベーン（ＶＳＶ）の単一段を備えた定速多段軸流圧縮機は、外径（ＯＤ）流路ゾーンはより安定しているが、内径（ＩＤ）流路において剥離流を示すことが明らかになった。この部分速度ＩＤ位置失速作用は、通常の定速多段軸流圧縮機の計算流体力学（ＣＦＤ）解析で予測される。
【０００５】
伝統的に、ワンピース型可変ＩＧＶ段は、圧縮機流をＩＤからＯＤまで一様に調整する。従って、ＩＤゾーンに対する流れ制御を流路の残り部分から分離することは不可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の例示的だが非限定的な実施形態によると、ＩＧＶは、特に旋回失速が発生するＩＤ流路を調整するように分割されかつ独立して制御可能である。この個々のＩＧＶのスパン方向分割は、軸流圧縮機ロータ及びステータブレードへの空気力学的励振を排除し、従ってまた特に始動及び作動停止運転時に旋回失速を排除することによって、軸流圧縮機ロータ及びステータブレードの耐久性を向上させる。別の言い方をすると、圧縮機流調整のスパン方向分離は、ＩＤ及びＯＤ流路ゾーン内において圧縮機流を別個に調整することによって、軸流圧縮機旋回失速空気力学的挙動がコヒーレント非定常負荷を形成するのを防止する方法を提供する。これは、ＩＤ失速強度を低下させ、圧縮機翼形部に作用するコヒーレント非定常振動力を形成する旋回失速を発生させる能力を弱める。通常運転条件下では、ＩＤ及びＯＤ流路ゾーンは、内側及び外側ベーンセクションを調整することによって融合させて、単一翼形部輪郭、すなわちセクション間に異なる角度がない状態の翼形部輪郭を確立することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、１つの態様では、本発明は、軸流圧縮機用の可変案内翼に関し、本可変案内翼は、第１の半径方向外側ベーンセクションと、第２の半径方向内側ベーンセクションとを含み、第１及び第２のベーンセクションは、ベーンの長手方向半径方向軸線の周りで互いに対して角度調整可能である。
【０００８】
別の態様では、本発明は、軸流圧縮機用の可変案内翼に関し、本可変案内翼は、第１の半径方向外側ベーンセクションと、第２の半径方向内側ベーンセクションとを含み、第１及び第２のベーンセクションは、該ベーンの長手方向半径方向軸線の周りで互いに対して角度調整可能であり、また第１及び第２のベーンセクションは、半径方向軸線上に位置しかつその各々が独立して回転可能であるそれぞれのシャフトに固定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図１〜図３を参照すると、タービン圧縮機ステータＩＧＶ１０は、スパン方向に２つのセクション、すなわち半径方向内側セクション１２と半径方向外側セクション１４とに分割され、各セクションは、共通半径方向軸線１６の周りで枢動可能である。
【００１０】
スパン方向分割の半径方向図は、図３に最もよく見られる。この観点からすると、それぞれＩＧＶ  ＩＤ及びＯＤセクション１２、１４は、流れ矢印１８によって表した流入軸方向流に対して異なる角度で配置されることが分かるであろう。図３はまた、ＩＧＶセクション１２、１４を通って延びかつその両方に対して共通になった半径方向配向回転軸線１６を示している。図１の図示した実施例では、ＯＤ  ＩＧＶセクション１４は、前縁２０及び後縁２２を有し、一方、ＩＤ  ＩＧＶセクション１２は、前縁２４及び後縁２６を有する。
【００１１】
再び図１及び図２を参照すると、同心シャフト２８、３０を使用して、ＩＧＶセクション１２、１４を軸線１６の周りで互いに対して回転させる。より具体的には、シャフト２８の半径方向外側端部は、ＩＤ  ＩＧＶセクションの第１のギア３２に固定される。シャフト２８は、ＯＤ  ＩＧＶセクション１４を貫通して延び（かつＯＤ  ＩＧＶセクション１４に対して回転可能であり）、かつＩＤ  ＩＧＶセクション１２に固定される。ギア３２は、第１の同期ギア３４（図２）によって係合されており、第１の同期ギア３４の回転は、ＩＤ  ＩＧＶセクション１２をスタブ又はその他の適当な軸受３６上において軸線１６の周りで枢動させる。
【００１２】
同時に、ＯＤ  ＩＧＶセクション１４には、シャフト２８が貫通したブッシュ３８が設けられ、シャフト３０は、シャフト２８上に嵌め込まれ、かつＯＤ  ＩＧＶ１４と第２のギア４０との間で延びる。ギア４０は、第２の同期リングギア４２（図２）と係合される。同期リングギア３４、４２の独立した回転は、ＩＧＶセクション１２、１４の差動回転を生じさせて、図３に示すようにＩＧＶ  ＩＤ及びＯＤセクションが、角度的にオフセットした状態になる。
【００１３】
図４は、１つの例示的だが非限定的な方式を示し、この方式では、第１及び第２の同期リングギア３２、３４は回転することができ、同時にこれらリングは、その軸線を符号４４で示すロータシャフト（図示せず）を囲む複数のＩＧＶ１０と係合することができる。この実施例では、シリンダ４８及びピストン５０を有する第１の線形アクチュエータ４６が、ピストン５０の遠位端部５２が第２のリング３４に枢動可能に取付けられ、またシリンダ４８の基部５４が、固定支持体５６（例えば、圧縮機ケーシングなど）に枢動可能に取付けられるように構成することができる。ピストン５０の伸長（又は、収縮）により、同期リングギア３４の回転運動及び各ＩＧＶ１０のＩＧＶ  ＩＤセクション１２の運動が生じる。同様に、シリンダ６０及びピストン６２を有する第２のアクチュエータ５８が、第１のリング３２に枢動可能に取付けられ、またシリンダ６０の基部６４が、ケーシング５６に枢動可能に取付けられる。線形アクチュエータの作動は、例えばコンピュータプログラム又はその他の適当な制御手段によって、ＩＤ及びＯＤベーンセクション１２、１４の所望の運動を達成するように調整することができる。始動及び作動停止運転下では、例えばＩＧＶのＩＤ及びＯＤセクションは、図３に示すようにオフセットされることになる。タービンが通常の全負荷条件下で運転しているとき、ＩＤ及びＯＤ  ＩＧＶセクション１２、１４は、オフセット量を排除する、すなわちＩＤ及びＯＤ  ＩＧＶセクション間の角度差を実質的にゼロに減少させるように調整される。
【００１４】
あらゆる適当な機械式、空気圧式又は油圧式アクチュエータを使用してＩＧＶ  ＩＤ及びＯＤセクションを回転させることができることが、分かるであろう。
【００１５】
ＩＤ及びＯＤ  ＩＧＶスパン方向長さ（すなわち、半径方向長さ）は、ＣＦＤ予測又は測定データのいずれかに基づいて可変にすることができることを理解されたい。ブレードスパンについての唯一の要件は、ＩＤ及びＯＤ半径方向ブレード長さが一緒になった合計が、流路全体にわたって延びることである。
【００１６】
図５は、別の例示的かつ非限定的な実施形態を示し、この実施形態では、ＩＧＶ１１０の各ＩＧＶセクションは、その独自の同期リングによって作動される。より具体的には、ＩＧＶ１１０は、その接合部に僅かな半径方向ギャップ５８を備えた状態でＩＤ  ＩＧＶセクション１１２及びＯＤ  ＩＧＶセクション１１４を含にように分割される。ＩＤ  ＩＧＶセクション１１２には、ギア６２に固定されたシャフト６０が設けられる。ギア６２は、第１の同期リングギア６４によって係合され、第１の同期リングギア６４の回転により、ＩＤ  ＩＧＶセクション１１２が半径方向回転軸線１１６の周りで回転するようになる。
【００１７】
同様に、ＯＤ  ＩＧＶセクション１１４には、シャフト６６が設けられ、このシャフト６６に対して第２の同期リングギア７０によって係合された第２のギア６８が固定される。
【００１８】
図４に示したものと同様な別個の線形アクチュエータを用いることによって、同期リングギア６４及び７０を独立して回転させて、流入空気流ベクトルに対して所望の角度でＩＤ  ＩＧＶ及びＯＤ  ＩＧＶセクションを固定することができることを理解されたい。
【００１９】
一般的用途では、ＩＤ及びＯＤ翼形部セクションは、ＩＤ−ＯＤ接合部位置において同じ構成を有する必要はない。加えて、接合部セクションは、図に示すようにエンジン中心線に平行である必要はないが、略確定セクションを有することができる。
【００２０】
上記のようにＩＧＶをＩＤ及びＯＤセクションに分割することは、数多くの利点及び効果を有する。例えば、このスパン方向分割ＩＧＶの発明は、空気力学的励振を排除することによって軸流圧縮機ロータ及びステータブレードの耐久性を向上させる。圧縮機流調整をスパン方向に分離することにより、コヒーレント非定常負荷の形成を防止することによって、軸流圧縮機旋回失速空気力学的挙動を低下させる方法が得られる。また、スパン方向分割ＩＧＶにより、ＩＤ及びＯＤ流路ゾーンにおける圧縮機流を別個に調整する方法が得られる。この方法は、ＩＤ失速ゾーンを縮小し、圧縮機翼形部に作用するコヒーレント非定常振動力を形成する旋回失速を発生させる能力を弱める。
【００２１】
圧縮機流の別個のスパン方向調整の別の利点は、出力低下性能の改善である。定速軸流圧縮機では、圧縮機流量を減少させることによって出力低下が得られる。この流量の減少は、ＩＧＶの閉鎖によって行われる。スパン方向分割ＩＧＶを最適に調整することにより、出力低下性能及び低下規模が向上する。
【００２２】
現在最も実用的かつ好ましいＩＧＶ実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々なＶＳＶの変更形態及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の例示的だが非限定的な実施形態による分割ＩＧＶの概略側面図。
【図２】図１に示すＩＧＶの概略正面図。
【図３】図１及び図２に示すＩＧＶの概略平面図。
【図４】圧縮機ステータのＩＧＶを調整するためのアクチュエータ機構の概略正面図。
【図５】図１と同様であるが、分割ＩＧＶのための別の駆動装置の実施形態を示す概略図。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ステータＩＧＶ
１２  内側セクション
１４  外側セクション
１６  半径方向軸線
１８  流れ矢印
２２、２６  後縁
２０、２４  前縁
２８、３０  シャフト
３２  第１のギア
３４  第１の同期ギア
３６  軸受
３８  ブッシュ
４０  第２のギア
４２  第２の同期リングギア
４４  軸線
４６  第１の線形アクチュエータ
４８  シリンダ
５０  ピストン
５２  遠位端部
５４  基部
５６  固定支持体
５８  第２のアクチュエータ
６０  シリンダ
６２  ピストン
６４  基部
１１０  ＩＧＶ
１１２  ＩＤ  ＩＧＶセクション
１１４  ＯＤ  ＩＧＶセクション
１１６  半径方向ギャップ
１１８  シャフト
１２０  ギア
１２２  第１の同期リングギア
１２４  軸線
１２６  シャフト
１２８  第２のギア
１３０  第２の同期リングギア
【図１】
2008303877.tif 000003
【図２】
2008303877.tif 000004
【図３】
2008303877.tif 000005
【図４】
2008303877.tif 000006
【図５】
2008303877.tif 000007