流体機械における翼振動減衰用磁気装置

专利摘要:
翼振動の有効な減衰を可能にする流体機械を提供する。本発明は、流体機械における翼振動を減衰させるための装置に関する。この装置は磁石（５）および複数の誘導板（３）からなり、翼（１）の望ましくない振動を渦電流の発生によって減衰させる。誘導板（３）が回転軸（２３）に対して平行に向けられていて、磁石（５）によって生じさせられる磁界（Ｂ）が周方向において均一に形成されている。
公开号:JP2011506840A
申请号:JP2010538535
申请日:2008-11-25
公开日:2011-03-03
发明作者:ヘルマン リヒター、クリストフ
申请人:シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトＳｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ；
IPC主号:F01D5-16

专利说明:

[0001] 本発明は、回転軸を中心に回転可能に配置されかつ翼軸に沿って方向づけられたタービン翼と、タービン翼の周りに配置されたケーシングと、タービン翼先端部内に配置された誘導板と、ケーシング内に配置された磁石とを含む流体機械、特に蒸気タービンに関する。]
背景技術

[0002] 流体機械なる総称のもとに、水力タービン、蒸気タービン、ガスタービン、風力機械、渦巻ポンプ、ターボコンプレッサならびにプロペラが包含される。これらの全ての機械に共通することは、これらの機械が他の機械を駆動するために流体からエネルギーを摂取する目的か、または逆に流体の圧力を高めるために流体にエネルギーを供給する目的で用いられている点にある。]
[0003] 流体機械において、エネルギー変換は間接的に行なわれ、流動媒体の運動エネルギーを仲介とする方法を取る。例えばタービンにおいては、流動媒体が固定の静翼を通して流れ、流動媒体の圧力を犠牲にして流動媒体の速度、したがって運動エネルギーを高める。静翼の形状によって翼車の周方向の速度成分が生じる。流体もしくは流動媒体は、動翼によって構成された通路を貫流する際に、速度の大きさおよび方向を変化させられることによって、回転子に運動エネルギーを放出する。その際に生じる力によって翼車が駆動される。]
[0004] 流体機械における回転翼は、できるだけ広範な運転条件に対して共振が生じないように設計されている。例えば容積流量変化によって運転条件が変化する際に翼に振動が励起される。このことが、振動共振が過大な機械的応力をもたらす場合に、翼の故障を招くことがある。この振動を減衰させるために種々の装置が開発された。例えば、翼を互いに結合することによって振動を減衰させることは公知である。]
[0005] 隣接するタービン翼を磁気力によって結合するために翼先端部内に永久磁石が埋め込まれている流体機械は公知である（例えば、特許文献１参照）。]
[0006] タービン翼と、タービン翼の周りに配置されているケーシングとを備え、ケーシング内にリングからなる磁石がケーシングの内周面に配置されている流体機械は公知である（例えば、特許文献２参照）。これらのタービン翼は先端部に導電材料を有し、それによってこれらのタービン翼の運動時に磁石により振動を低減することができる。]
[0007] 振動を低減しようとする他のタービン翼装置も公知である（例えば、特許文献３参照）。]
[0008] 翼の振動は、翼および回転子つめの材料疲労をもたらすことから望ましくない。改善された対数減衰率における各パーミル値は追求するに値する。カバープレート翼は、例えば０．５％の対数減衰率の総合減衰を持つ。この大きさを２倍にすると共振振幅がほぼ半分になり、このことは或るモードを僅かに調整すればよいことを意味する。それによって、許容回転数範囲を広げることもできる。]
[0009] 振動を減衰させるために使用可能なこれらの措置は、比較的大きな構造空間を必要とするという欠点を持つ。このような構造空間は、もちろん一般には与えられない。さらに別の制限要因は、流体機械において発生する高い遠心力である。]
[0010] 例えば特許文献１乃至３における如き磁気力によって行なわれる振動減衰方法は、渦電流によって発生させられる力が、主運動におけるタービン翼先端の動きと、障害となる振動運動におけるタービン翼先端の動きとを区別しないという欠点を持つ。換言するならば、回転方向すなわち周方向の翼運動が、渦電流をもたらす磁気力によって影響を及ぼされ、このことは望ましくない。周方向ではなくて、例えば軸方向に起こる振動運動が、渦電流をもたらす磁気力によって減衰させられるべきである。]
[0011] 翼の振動を減衰させる装置を持ち、この装置が主方向すなわち周方向の翼運動に影響を及ぼさないことが望ましい。]
先行技術

[0012] 独国特許出願公開第１９９３７１４６号明細書
欧州特許第０７２７５６４号明細書
欧州特許出願公開第１５９６０３７号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0013] したがって、本発明の課題は、翼振動の有効な減衰を可能にする流体機械を提供することにある。]
課題を解決するための手段

[0014] この課題は、回転軸を中心に回転可能に配置されかつ翼軸に沿って方向づけられたタービン翼と、タービン翼の周りに配置されたケーシングと、タービン翼先端部内に配置された複数の誘導板と、ケーシング内に配置された磁石とを含む流体機械、特に蒸気タービンにおいて、前記複数の誘導板が、前記回転軸と半径方向とによって形成される平面内に、該平面と同一方向に配設されることによって解決される。]
[0015] 本発明の主たる特徴は、複数のいわゆる誘導板が翼先端部内に配置されていることにある。このような誘導板は適切な材料からなる。この材料は導電材料であり、したがって渦電流を生じさせるのに適している。これらの誘導板は回転軸と半径方向とによって形成される平面に、該平面と同一方向に配設されている。この平面はもちろん静止していなく、すなわちこの面は回転軸を中心に回転する。誘導板は、減衰に最適に、すなわち回転軸に対して平行にかつ半径方向に対して平行に向けられている。半径方向は運転中に時間的に変化するので、すなわち回転周波数にて回転軸を中心に回転するので、誘導板は常に対向するケーシングに対して垂直に向けられている。ケーシング内に配置されている磁石は、磁界が誘導板の方向に作用するように向けられている。この磁界を通る誘導板の運動が誘導板内に渦電流を生じさせ、この渦電流が逆磁界の発生をもたらす。これは、レンツの法則にしたがって外部磁界に反抗して形成され、このことが結局は減衰を生じさせる反力をもたらす。]
[0016] 他の有利な発展形態は従属請求項に記載されている。]
[0017] 磁石のＮ磁極およびＳ磁極が円軌道上にあって、この円軌道が回転軸を中心に回転対称であるとよい。流体機械は一般に高度の対称性を有するので、印加される磁界は、存在する対称性に合うように向きを定めることが必要である。円軌道沿いに向けられていない磁界は望ましくない副作用をもたらす。例えば、所望の翼運動を制動することがある。]
[0018] 磁界は、永久磁石によってまたは電気的に発生可能である。電気的に発生させられる磁界は、誘導板に対して直交する磁界を有する軸対称コイルによって得られる。]
[0019] 円軌道は、ケーシングの内周面に沿っていることが好ましい。この措置によって磁界が更に均一化され、もしくは対称的に形成される。この対称的に形成された磁界は、望ましくない翼振動の的確な減衰をもたらす。]
[0020] 磁石は、馬蹄形もしくはＵ字形に構成されているとよい。磁石の磁界は、磁石の幾何学的形状に強く依存する。したがって、棒磁石の磁界は馬蹄形磁石の磁界とは異なる。棒磁石の磁界は馬蹄形もしくはＵ字形磁石の磁界に比べて不均一である。ケーシングにおける馬蹄形もしくはＵ字形磁石の配置（ケーシングの脚部が円軌道上に配置されている）は、比較的均一な磁界をもたらし、この磁界を通過して誘導板が移動させられる。]
[0021] 他の有利な発展形態では複数の磁石が使用され、これらの磁石が第１の磁石環列を構成すべく周方向に見て相前後して配置されている。渦電流は、誘導板の運動が外部磁界に対して垂直である場合にのみ発生する。外部磁界に対して平行な誘導板運動は、渦電流をもたらさず、したがって翼振動の減衰をもたらさない。単一磁石は、当然のことながら、誘導板の運動方向に対して平行な成分のほかに垂直な成分も有するかなり大きな漏れ磁界を持つ。これは、この単一磁石の単一磁界を通過して移動する誘導板がその磁界の平行成分を一時的に突き抜けることを意味する。この有利な発展形態におけるように、複数の磁石が周方向に相前後して配置される場合には、個々の磁石によって生じさせられる個々の磁界が周方向に形成される１つの共通な磁界に整えられる。この共通な磁界は１つのほぼ均一な周方向の磁界をもたらし、その磁力線は周囲に沿ってほぼ円形に形成されている。したがって、誘導板の周方向の運動は磁界に対して平行に向いているので、渦電流は発生しない。したがって、この方向における誘導板の運動は、磁界によって引き起こされる障害となる力をもたらさない。そして、この磁力線を横切る成分を有する運動だけが抑制される。このような運動は、例えば軸方向の振動である。この振動形態は磁界に対して垂直な成分を有するので、この振動は外部磁界によって制動される。]
[0022] 他の有利な発展形態においては、ｎ（ｎは正の整数）個の磁石が周方向に設けられていて、磁石がｕ／ｎ（ｕは内周面の周囲長さ）なる等間隔で相前後して配置されている。これは、磁石個数が周囲長さに適合化されることをもたらす。これらの磁石は互いに等距離の間隔で円周上に配置されるのが有利である。それによって磁界の均一性もしくは対称性が高まる。磁石の等距離でない配置は磁界に不均一性をもたらすであろう。これは、誘導板内に、誘導板の主方向運動時に発生する障害となる渦電流をもたらす。]
[0023] 他の有利な発展形態においては、周方向に配置された複数の磁石を含む第２の磁石環列が設けられていて、第２の磁石環列が軸方向において第１の磁石環列の前方に配置されている。第２の磁石環列内にｎ個の磁石が設けられていて、これらの磁石がｕ／ｎなる等間隔で相前後して配置されているとよい。これは、内部ケーシング内の磁界を翼先端に沿ってほぼ均一化するための更に別の措置である。それによって、主方向における運動は影響を及ぼされず、これに対して障害となる振動によって引き起こされる運動は減衰させられる。]
[0024] 他の有利な発展形態においては、第２の磁石環列の磁石が第１の磁石環列の磁石に対してずらされて配置されている。これは流体機械のケーシング内における周方向に沿った磁界の均一化をもたらす。それによって主方向における誘導板の運動は影響を及ぼされないのに対して、主方向に対する横方向の誘導板の運動は減衰させられる。]
[0025] 本発明は、とりわけ、振動を減衰させるために摩擦部分を必要としない利点を有する。公知の方法の場合には、個々の翼の間に少なくとも１つの接続部が形成され、このことが必然的に接続部において消耗を招く摩擦をもたらす。]
[0026] 本発明の他の利点は、本発明がチタン翼の場合に適用可能であることにある。更に、本発明による装置は非常に有効であり、高い減衰値を達成することができる。]
図面の簡単な説明

[0027] 図１は１つの磁石の配置とともに１つの翼先端部を示す斜視図である。
図２は磁界とともに１つの誘導板を拡大して示す斜視図である。
図３は１つの誘導板を有するカバー帯の斜視図である。
図４は複数の誘導板を有する図３のカバープレートの側面図である。
図５は誘導板を有するカバープレートを上から見た平面図である。
図６は複数の翼の側面図である。
図７は磁石配列の概略図である。
図８は１つの磁石の概略図である。
図９は１つの磁石の磁界を示す図である。
図１０は１つの磁石によるずらされて配置された磁界を示す図である。
図１１は互いにずらされて配置されかつ周方向に分布させられた複数の磁石による磁界を示す図である。] 図１ 図１０ 図１１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８
実施例

[0028] 本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。その際、概略的に示されている図面を参照して本発明を更に説明する。同じ参照符号を有する構成要素は同じ作用を有する。]
[0029] 図１は翼１を示す。この翼１はタービン翼またはコンプレッサ翼であってよい。翼１は図示されていない回転子に配置される。回転子および翼１からなる装置は、図１に示されていない回転軸２３の周りに回転可能に支持されている。運転中には、この回転軸２３を中心とする回転が回転周波数ωにて行なわれる。翼１の主運動は回転子の回転に沿って経過する。これらの主運動に重畳する意図しない運動の１つが翼１の振動である。これらの障害となる振動は、渦電流の助けにより減衰させることができる。そのために、誘導板３および磁界の配置により、主運動を抑制する力成分の発生をなくしようとするものである。というのは、この力成分は原動機にブレーキをかけるからである。] 図１
[0030] 翼１はカバー帯２を有し、このカバー帯２内に誘導板３が配置されている。カバー帯２は翼板４に配置されている。翼１を有する回転子は、図示されていない流体機械内に回転可能に支持されている。回転子および翼１の周りにケーシングが配置されている。ケーシングは磁石５を有する。図１には、図の見易さのために、Ｎ磁極およびＳ磁極だけが図示されている。翼１は軸方向６の障害振動を起こす。誘導板３は回転軸２３および半径方向によって形成されている平面内に、該平面と同一方向に配設されている。この半径方向は、図１では翼軸７によって表わされている。運転中にこの翼軸７は回転軸２３の周りを回転周波数ωにて回転する。] 図１
[0031] 図２は、単一の誘導板３と、磁石５の磁界Ｂに対するこの誘導板の配置とを示す。図の見易さのために図２にはＮ磁極およびＳ磁極だけが示されている。] 図２
[0032] 誘導板３は、周方向１７の所望の運動Ｖrotおよび軸方向６の障害となる運動Ｖvibを行なう。軸方向６における誘導板３の運動によって、速度に比例したローレンツ力が作用する。なぜならば磁界Ｂが誘導板３に対して垂直であるからである。このローレンツ力は、誘導板３の運動に反抗する渦電流をもたらし、それによって誘導板３の振動が抑制される。]
[0033] しかし、主運動は殆ど渦電流を生じさせない。なぜならば、誘導板３はその運動方向に移動可能であり、したがって磁界を横切って移動しないからである。それによって主運動を妨げ得るローレンツ力は殆ど生じない。]
[0034] 図３には単一の誘導板３を有するカバー帯２の斜視図が示されている。カバー帯２は、隣接するカバー帯２を連結するために形成されている切欠きを有する。この場合に、誘導板３は導電材料から構成されていて、カバー帯２内に埋め込まれている。カバー帯２および誘導板３の上縁８はそのカバー帯の表面９とともに平らであり、このことは図３の方向Ａの側面図を示す図４から分かる。] 図３ 図４
[0035] これらの誘導板３は、互いに電気的に絶縁されていることが好ましい。]
[0036] 図４には複数の誘導板３が示されている。誘導板３の個数増大は渦電流発生の効果の拡大をもたらす。] 図４
[0037] 図５は翼軸７の方向に見たカバー帯２の平面図を示す。したがって、翼軸７は図面に対して垂直である。矢印１０，１１，１２は有り得る望ましくない振動方向１０，１１，１２を示す。これらの全ての振動方向１０，１１，１２は軸方向６の成分を有する。この軸方向６に生じる振動は渦電流効果によって抑制される。] 図５
[0038] 特定のモードが優先的に抑制されるように、誘導板３の向きを最適化することができる。１つまたは幾つかの翼１への配置の組み合わせも考えられ得る。]
[0039] 磁石５は、図８に示されているように馬蹄形もしくはＵ字形に形成されている。磁石５は、このために１つの長辺１３と２つの短辺１４および１５とを有する。短辺１４は、長辺１３に対して約１２０°の角度αだけ曲げられている。同様に短辺１５も、長辺１３に対してほぼ１２０°の角度αだけ曲げられている。角度αは、磁石５の代替実施形態において、９０°から１６０°までの間の角度範囲を有することができる。短辺１４はＮ磁極として、短辺１５はＳ磁極として構成されている。Ｎ磁極とＳ磁極との間に磁界Ｂが形成され、この磁界Ｂは物理学的理由からＮ磁極とＳ磁極との間の最も短い区間において均一な分布を持つ。半径方向１６においては磁界Ｂは不均一となる。磁界Ｂの半径方向１６における不均一は、したがって周方向１７における不均一も、ケーシングにおいて周方向１７に複数の磁石５が配置されることによって除去される。それによって磁界Ｂが周方向１７においてより均一になる。] 図８
[0040] 図９には、図示されていない１つの磁石５の磁界Ｂが示されている。図９は、軸方向６に見て、カバー帯２の領域における磁界Ｂを示す。Ｎ磁極からＳ磁極への磁力線が円軌道に似た形を取ることが明白に分かる。カバー帯２はこの磁界Ｂを通って周方向１７に動く。図９において選ばれている磁界の白黒模様の表示においては、白が強い磁界を、黒もしくは暗色が弱い磁界を象徴化している。] 図９
[0041] 図１０には、周方向１７にずらされた１つの磁石５の磁界Ｂが示されている。図１０における磁界Ｂの表示には図９に対するのと同じことが当てはまる。ここでも磁力線が円状に形成されている。] 図１０ 図９
[0042] 図１１には、個々の磁石５の複数の磁界の重なり合いによって生じる磁界Ｂが示されている。特に、例えば縦軸の−１において示されている特定の高さにおいて、Ｘ軸によって示されている周方向１７における磁界が疑いの余地なく均一であることが明白に認められる。したがって、このＸ方向に移動させられる誘導板は、ローレンツ力の形での障害となる磁気偏向を受けない。なぜならば磁界とその運動方向とが互いに平行であるからである。] 図１１
[0043] 図９，図１０，図１１におけるＹ軸は空間的配置を再現する。例えば、図９，図１０，図１１の上辺はケーシングを象徴化している。Ｙ軸は、半径方向１６を指し示す翼軸７の方向を示す。] 図１０ 図１１ 図９
[0044] 磁石５は、永久磁石として構成されているか、または電気的に制御される磁石として構成されている。]
[0045] 磁石５は、周方向１７に見て相前後して配置され、このことが第１の磁石環列１８をもたらす。この場合に、ｎ個の磁石５が周方向１７に設けられ、ｎは正の整数である。磁石５は、ｕ／ｎなる等間隔で相前後して配置され、ｕは内周面の周囲長さである。軸方向６に見て第１の磁石環列１８の後方に、複数の磁石５を含む第２の磁石環列１９が配置される。第２の磁石環列１９は、周方向１７に相前後して配置された複数の磁石５を含む。第２の磁石環列１９は、ｕ／ｎなる等間隔で相前後して配置された磁石５を有する。更に、他の第３の磁石環列２０が、軸方向６において第２の磁石環列１９の後方に配置される。この第３の磁石環列２０は、ｕ／ｎなる等間隔で相前後して配置されている複数の磁石５を含む。]
[0046] 磁界ができるだけ均一に形成されるように、第２の磁石環列１９は第１の磁石環列１８に対してずらされて配置される。第３の磁石環列２０は第２の磁石環列１９に対して更にずらされる。第２の磁石環列１９に対する第３の磁石環列２０のずらしと、第１の磁石環列１８に対する第２の磁石環列１９のずらしとが、等距離であるべきである。ずらし距離２１は長辺１３の半分であるとよい。同様に、代替実施形態においては、ずらし距離が長辺１３の４分の１であってよい。個々の磁石５の間には間隔２２がある。間隔２２は、磁石５の寸法、特に長辺１３の寸法と、磁石の個数ｎと、周囲の長さｕとからもたらされる。なぜならば、磁石環列１８，１９，２０では磁石５が互いに等間隔で配置されるからである。]
[0047] 図６には、翼１および磁石５を軸方向に見た図が示されている。軸方向６は図面に対して垂直である。翼１は回転軸２３を中心に回転する。磁石５の配置は図７による配置に相当する。図６における磁石の配置は象徴的に示されているにすぎない。磁石５はケーシングの全ての内面の周りに配置されている。もちろん、個々の磁石５のＮ磁極およびＳ磁極は円軌道２４上にあり、円軌道２４は回転軸２３を中心に回転対称に整えられている。円軌道２４はケーシングの内周面に沿っている。] 図６ 図７
[0048] １翼
２カバー帯
３誘導板
４翼板
５磁石
６ 軸方向
７翼軸
１０振動方向
１１ 振動方向
１２ 振動方向
１３ 長辺
１４ 短辺
１５ 短辺
１６半径方向
１７周方向
１８磁石環列
１９ 磁石環列
２０ 磁石環列
２１ ずらし距離
２２ 間隔
２３回転軸
２４ 円軌道]

权利要求:

請求項1
回転軸（２３）を中心に回転可能に配置されかつ翼軸（７）に沿って方向づけられた翼（１）と、翼（１）の周りに配置されたケーシングと、翼先端部内に配置された複数の誘導板（３）と、ケーシング内に配置された磁石（５）とを含む流体機械、特に蒸気タービンであって、前記複数の誘導板（３）が、回転軸（２３）と半径方向（１６）とによって形成される平面内に、該平面と同一方向に配設され、磁石（５）のＮ磁極（Ｎ）およびＳ磁極（Ｓ）が円軌道（２４）上にあって、磁力線により磁界（Ｂ）を形成し、翼先端部がこの磁界を通過して移動させられ、円軌道（２４）が回転軸（２３）を中心に回転対称に整えられていることを特徴とする流体機械。
請求項2
円軌道（２４）がケーシングの内周面に沿っている請求項１記載の流体機械。
請求項3
誘導板（３）が導電材料から構成されている請求項１又は２記載の流体機械。
請求項4
磁石（５）が馬蹄形に形成されている請求項１乃至３の１つに記載の流体機械。
請求項5
磁石（５）がＵ字形に形成されている請求項１乃至４の１つに記載の流体機械。
請求項6
周方向（１７）に見て複数の磁石（５）が相前後して第１の磁石環列（１８）をなすべく配置されている請求項１乃至５の１つに記載の流体機械。
請求項7
ｎ（ｎは正の整数）個の磁石（５）が周方向（１７）に設けられていて、磁石（５）がｕ／ｎ（ｕは内側にある周面の円周長さ）なる等間隔で相前後して配置されている請求項６記載の流体機械。
請求項8
周方向（１７）に配置された複数の磁石（５）を含む第２の磁石環列（１９）が配置されていて、第２の磁石環列（１９）が第１の磁石環列（１８）の軸方向前方に配置されている請求項６又は７記載の流体機械。
請求項9
第２の磁石環列（１９）内にｎ個の磁石が設けられていて、磁石（５）がｕ／ｎなる等間隔で相前後して配置されている請求項８記載の流体機械。
請求項10
第２の磁石環列（１９）の磁石（５）が第１の磁石環列（１８）の磁石（５）に対してずらされて配置されている請求項９記載の流体機械。