JP2011526663A - 間隙を調整するためのシステムを有している軸流式遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

軸流式遠心圧縮機では、軸流式遠心圧縮機のロータは、インペラ（６）を備えており、アキシアル方向間隙（８）が、ロータに至る特別な空気換気によって、２つの平行なアーム（１１，１３）を備えている換気路によって制御される。アーム内の流速は、共に流路（１２，１４）によって制御され、アームのうち一のアーム内の温度が、熱交換器（１５）によって変化する。従って、換気流体が、温度及び流速の両方の観点から制御される。

Description

本発明は、間隙を制御するためのシステムを有している軸流式遠心圧縮機に関する。

軸流式遠心圧縮機は、ロータ及びステータがシリンドリカルな形状であり且つ軸流式遠心圧縮機の軸線を中心として同軸に配置されている第１の従来部品と、ロータの対応する部分、すなわちインペラが軸線に沿ってステータを越えて延在しているようにラジアル方向に拡大されている部品と、を備えている。軸流式遠心圧縮機の利点のうち一の利点は、軸線方向におけるマシンの寸法を小さくすることができること、及び、より小型且つより軽量なマシンを製造可能なことである。

一体化されている軸流式遠心圧縮機及びマシンの出力（yield）は、ロータとステータとの間に存在する間隙に依存しており、気流中のエネルギ損失に関連している。従来、ロータとステータとのラジアル方向における熱膨張の差を生み出すために、これら間隙が、ガスの換気によって意図した温度及び流速に調整されていた。圧縮機のセクションから取り込まれた空気は、該空気の加圧から恩恵を受けるために、及び該空気を導管又はキャビティ内で熱膨張の差を調整すべき地点に向かって循環させるために、一般に利用される。バルブによって、換気流体の流速と換気流体によって付与される、又は逆に取り除かれる熱量とを、マシンの各動作速度で必要とされる間隙に対する補正値に従って調整することができる。

しかしながら、ラジアル方向間隙を調整するためのシステムは、従来型マシンのステータに適用されている。さらに、これら従来型マシンは、軸流式遠心圧縮機にのみ適用されている。

さらに、ロータのための換気装置が存在している。該換気装置では、ステータから発せられる他の空気流が、ロータの中央キャビティに侵入する前にロータを支持しているラジアル方向アームを横断する。これら換気装置の唯一の目的は、ロータの過剰な加熱を防止することである。特に、これら換気装置は、流速の観点から制御されないので、間隙を全く調整することができない。

しかしながら、特許文献１が、圧力をバランスさせることによって、軸流式遠心圧縮機のインペラのアキシアル方向間隙を調整することができることを開示している。また、特許文献２及び特許文献３が、機械式固定手段（ボルトによって締結されたアセンブリのシムやワッシャ）によって、アキシアル方向間隙が調整されることを開示している。さらに、特許文献４は、サーボ制御されたアクチュエータによってロータを当接支持するように制御されたアキシアル方向変位によって、アキシアル方向間隙が調整されることを開示している。

仏国特許第２６９８６６７号明細書 米国特許第４６８７４１２号明細書 独国特許第２１６９５２８号明細書 仏国特許第２７２２８３６号明細書

本発明の目的は、軸流式遠心圧縮機の拡径部分のアキシアル方向間隙と、熱膨張の差によって生じるアキシアル方向間隙とを調整することである。このことは、従来には提案されていないものである。従来の換気装置を利用することによっては良好な結果が得られない。アキシアル方向間隙は、圧縮機の第１の部分のラジアル方向間隙と同時に調整されるからである。このことは、満足いく結果を得るためには受け入れられないことである。

本発明における軸流式遠心圧縮機は、流路によって分離され、且つ、それぞれがアキシアル方向部分及び拡径部分を有している、ロータ及びステータを備えている軸流式遠心圧縮機であって、アキシアル方向部分が、軸線と同軸に配置され、ラジアル方向間隙で離隔しており、拡径部分が、軸線に沿って位置合わせされ、アキシアル方向間隙で離隔している軸流式遠心圧縮機において、軸流式遠心圧縮機が、ステータからロータに至るまで延在し、且つ、アキシアル方向間隙を調整する換気路であって、第１のバルブの開度を調整するための第１のバルブを備えている第１のアームと、熱交換器、及び第２のバルブの開度を調整するための第２のバルブを備えている第２のアームと、を備えている換気路を備えていることを特徴とする軸流式遠心圧縮機である。

当該装置によって、アキシアル方向間隙とラジアル方向間隙とが互いに整合しないことを調整することなく、アキシアル方向間隙を十分に調整することができる。このことの理由については、以下に説明する。

両方のアームが調整可能な流れを有しており、第２のアームが、換気ために引き込まれたガスの温度を変化させることができる。このガスの流速及び温度は共に、十分な換気を実現すると共に間隙を十分に調整するために必要な調整を実施可能である。

本発明の様々な拡張例では、経路のアームが、流路に隣り合っているステータのキャビティ内に、共通する源を有しており、同一のガスを供給される。実際には、第２のアームは第１のアームのバイパスである。ガスが出てくる単一の源を備えている装置が単純化される。軸流式遠心圧縮機が小さくなるので、このことは一層明白である。

優位には、熱交換器が、装置がロータを収縮させるように第２のアームを冷却する。そして、典型的な動作は、始動時及び加速時のより大きな間隙に対応している。調整装置は、巡航速度では停止している。最も大きな頻度で利用され且つ燃料が主に利用される巡航速度で装置を利用することが有利である。著しく節約することができるからである。より大きな間隙が、加速時の速度と始動時の速度との時に受け入れられるが、その時間は短い。一方、間隙が完全になくなることによって、圧縮機が損傷する場合がある。さらに、巡航速度は安定しており、不安定な動作条件の間においてより高精度で間隙を知ることができるように規定されている。

熱交換器は、ステータの外側キャビティを通過する第２のアームのセクションから成る。ステータは、より清浄な空気と接触しており、特に簡便な方法によって熱交換器を実現している。

本発明における好ましいが非限定的である実施例について、添付図面に関連して説明する。

圧縮機及び間隙を調整するための調整装置の概略図である。 調整装置の詳細図である。

軸流式遠心圧縮機は、気流のための流路３によって分離されているロータ１とステータ２とを備えている。ロータ１及びステータ２それぞれが、略円筒状のアキシアル方向部分４又は５と、拡開されている拡径部分６又は７とを有している。ロータ１の拡径部分６はインペラである。これら拡径部分６，７の間には、調整すべきアキシアル方向の間隙８が形成されている。この間隙の値は、一般に静止時に十分の数ミリメートル（例えば０．７ｍｍや０．８ｍｍ）である。

ステータ２は、流路３の周囲にキャビティ９を含んでいる。導管１０は、キャビティのうち一のキャビティ内部に向かって開口しており、導管内の気体成分の流れを吸い込む。その後に、導管は、第１のバルブ１２を備えた第１のアーム１１と、第２のバルブ１４及び熱交換器１５を備えた第２のアーム１３とに分割されている。第１のアーム１１及び第２のアーム１３が共に結合し、第１のアーム及び第２のアーム内の流れが、共通する導管１７を通じてロータ１のキャビティ１６に到達する。しかしながら、このことは必ずしも必要ではない。気流は、キャビティ１６に至るまで独立した状態を保っていても良い。概略的にのみ示す調整システム１８は、様々な観点からこれらパラメータを測定することができる圧力センサ、温度センサや回転速度センサ等によって得られるマシンの速度に従って、第１のバルブ１２及び第２のバルブ１４の開度を調整する。これにより、熱交換器１５を通過するこの気体の割合を変化させることによって、キャビティ１６に供給される気流の速度及び温度に影響を与えることができる。このことによって、結果として、アキシアル方向の間隙８を変化させることができるので、十分の数ミリメートル（上述の値を減算することによって０．５ミリメートルよりも小さな且つ許容可能な最終的な間隙、例えば０．３ミリメートルや０．４ミリメートルが付与される）に低減可能とされる。第１のアーム１１及び第２のアーム１３内の２つの流速を調整することによって、第２のアームから抽出された熱量を十分な範囲で変化させることができることを示している。とりわけ、第１のアーム１１は、（第２のアーム１３を通じて）十分に冷却されなかったマシンの速度が如何なる値であっても、確実に換気させるために利用される。さらに、開始段階においてアキシアル方向の間隙８を大きくするために、且つ、安全に動作させるために、ロータ１に供給される気体を加熱することができる。圧縮機の実際の運転に先立ち、アキシアル方向の間隙と調整システムによって低減可能なアキシアル方向の間隔の値とを決定可能とされ、且つ、検査及び測定に基づく調整システム１８によって調整が実施される。調整システム１８は、動作特性が安定し且つ公知とされる巡航速度と間隙とで動作することが望ましく、これにより完全に動作特性を打ち消すことなく、摩擦によってマシンを磨耗させることなく、又は例えばチタン爆発（titanium fire）によってマシンに深刻な損傷を与えることなく、間隙を低い値に低減させることができる。

装置の関連性を表わすために、幾つかの説明をする。ロータ１は、ステータ２によって、インペラ６の反対側に配置された軸受１９を介して支持されている。軸流式遠心分離装置の構成であるにも関わらず、ロータ１は、径方向よりも軸線Ｘ方向に延在している。従って、流通するガスによる熱膨張に起因する変形が、軸受１９から離隔した位置において、すなわち具体的にはインペラ６において益々大きくなっている。ロータ１のアキシアル方向部分４のアキシアル方向における変位がより小さくなり、許容範囲内に収まる。該変位が静止ベーン２０の段と可動ベーン２１の段との距離を僅かに改善するからである。ロータ１のラジアル方向における膨張がアキシアル方向における膨張よりも無視することができる程度に著しく小さくなり、約百分の数ミリメートル（０．０２ｍｍ又は０．０３ｍｍ）になる。ロータ１のアキシアル方向部分４とステータ２のアキシアル方向部分５とのラジアル方向の間隙を調整するための従来システムは、ステータ２内に設けられており、本発明装置とは独立して調整される場合がある。

従って、上述のように、第１のアーム１１及び第２のアーム１３は、初期段階では独立しており、異なるキャビティに向かって開口している場合があるが、単一の流体源を利用することが望ましい。流体が取り込まれるキャビティ９は、ステータ２の（流路３に設けられている）内殻２２を直接囲んでいるキャビティのうち一のキャビティである場合がある。タップ２３が、圧縮機の所定の区間から流出している圧縮空気を該キャビティに供給する。第２のアーム１３は、外側キャビティ２４内に延在しており、外側キャビティは、キャビティ９とステータ２の外側部分を形成している二次流路２５との間に延在している。外側キャビティ２４の方が清浄であるので、第２のアーム１３を通過する空気が何もせずに清浄され、これにより熱交換器１５が、外側キャビティ２４を通過する第２のアーム１３のこの部分によって形成されている。より著しく清浄するために、第２のアーム１３が二次流路２５を貫通している場合がある。初期設定では、二次流路２５から外側キャビティ２４に通じているスクープ２６のうち一のスクープの近傍で気流を通過させることによって、著しく清浄することができる。さらに下流では、共通する導管１７が、ロータ１を支持しているラジアルアーム２６のうち一のラジアルアームを通過して、該ロータの開端部を通じて該ロータ内に通じている。

１ ロータ
２ ステータ
３ 流路
４ アキシアル方向部分
５ アキシアル方向部分
６ 拡径部分
７ 拡径部分
８ アキシアル方向の間隙
９ キャビティ
１０ 導管
１１ 第１のアーム
１２ 第１のバルブ
１３ 第２のアーム
１４ 第２のバルブ
１５ 熱交換器
１６ キャビティ
１７ 共通する導管
１８ 調整システム
１９ 軸受
２０ 静止ベーン
２１ 可動ベーン
２２ 内殻
２３ タップ
２４ 外側キャビティ
２５ 二次流路
２６ ラジアルアーム

Claims (5)

1. 流路（３）によって分離され且つそれぞれがアキシアル方向部分（４，５）及び拡径部分（６，７）を有している、ロータ（１）及びステータ（２）を備えている軸流式遠心圧縮機であって、
   前記アキシアル方向部分が、軸線（Ｘ）と同軸に配置され、ラジアル方向間隙で離隔しており、
   前記拡径部分が、前記軸線（Ｘ）に沿って位置合わせされ、アキシアル方向間隙（８）で離隔している前記軸流式遠心圧縮機において、
   前記軸流式遠心圧縮機が、前記ステータから前記ロータに至るまで延在し、且つ、前記アキシアル方向間隙を調整する換気路であって、第１のバルブの開度を調整するための前記第１のバルブ（１２）を備えている第１のアーム（１１）と、熱交換器（１５）、及び第２のバルブの開度を調整するための前記第２のバルブ（１４）を備えている第２のアーム（１３）と、を備えている前記換気路を備えていることを特徴とする軸流式遠心圧縮機。
2. 前記第１のアーム及び前記第２のアームが、前記流路（３）に隣り合っている前記ステータのキャビティ（９）内に、共通する源を有していることを特徴とする請求項１に記載の軸流式遠心圧縮機。
3. 前記第２のアーム（１３）が、前記熱交換器（１５）の下流において前記第１のアームよりも清浄であることを特徴とする請求項１に記載の軸流式遠心圧縮機。
4. 前記熱交換器が、前記ステータの外側キャビティ（２４）を貫通している前記第２のアームの部分から成ることを特徴とする請求項３に記載の軸流式遠心圧縮機。
5. 前記第２のバルブが、圧縮機の安定した巡航速度において前記第２のバルブを開口する調整手段（１８）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸流式遠心圧縮機。

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