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JP2021113513A - 流体制御装置及び回転機械 - Google Patents

流体制御装置及び回転機械 Download PDF

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広大 岩津
真人 岩▲崎▼
Masato Iwasaki
真人 岩▲崎▼
映明 山脇
Teruaki Yamawaki
映明 山脇
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Abstract

【課題】ロータ周りに発生する旋回流等の流体の漏えいを抑制し、ロータに対する励振力の低減を図る。【解決手段】ロータ５と、ロータ５の外側を取り囲んで設けられるケース６と、ロータ５及びケース６の少なくとも一方から突出して設けられるシールフィン８ａ，８ｂとを有する回転機械１において、シールフィン８ａとロータ５との間、またはシールフィン８ｂとケース６との間を流通する旋回流Ｆ１を制御する流体制御装置９であって、ロータ５の軸方向において、旋回流Ｆ１の流通方向と逆となる逆流方向に誘起流Ｆ２を発生させる第１の流体制御デバイス１０を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、流体制御装置及び回転機械に関するものである。
従来、流体制御装置として、回転するブレードの外端とケーシング内周面との間に形成されるチップクリアランスを経由して作動流体が漏洩することを防止する流体機械用漏れ流量低減装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この流体機械用漏れ流量低減装置は、ワイヤ式プラズマアクチュエータであり、ケーシング内周面のブレード外端に対向する位置に設けられた、絶縁被膜された導電性ワイヤを有している。そして、ワイヤ式プラズマアクチュエータでは、絶縁被膜されていない導電性ワイヤに電圧を印加すると共に、ブレード外端をアースすることで、導電性ワイヤとブレード外端との間にプラズマ放電を発生させ、プラズマ放電に伴う誘起気流を発生させている。
特開２０１７−５３２６１号公報
ところで、ロータを有する回転機械では、ロータとロータの周囲に設けられるケーシングとの間をシールしている。このようなシールとしては、複数のシールフィンを用いたラビリンスシールがある。複数のシールフィンは、ロータ及びケーシングにそれぞれ設けられており、シールフィンの先端をロータ及びケーシングにそれぞれ近接させることで、ロータとの隙間及びケーシングとの隙間を小さくし、シールフィンとロータとの隙間、及びシールフィンとケーシングとの隙間からの流体の漏えいを抑制している。
ここで、ロータの周囲には、ロータの回転に伴う流体の周方向への流れ（スワール）が発生する。スワールが発生すると、ロータの周方向の圧力分布が不均一となり、ロータの径方向に変位が生じることで、ロータが励振する。シール部分においてロータを励振させる力をシール励振力という。このシール励振力は、シールフィンとロータとの隙間、及びシールフィンとケーシングとの隙間を小さくすると、大きくなってしまう。
特許文献１では、導電性ワイヤとブレード外端とによる漏れ流量低減構造を、既存のラビリンシールによる漏れ流量低減構造と併用することができないため、漏れ流量の低減効果が十分に得られない可能性がある。この場合、漏れ流量を減らすために導電性ワイヤとブレード外端の隙間を小さくしなければならず、シール励振力の増大につながってしまう。
そこで、本開示は、流体の漏えいを抑制し、ロータに対する励振力の低減を図ることができる流体制御装置及び回転機械を提供することを課題とする。
本開示の流体制御装置は、ロータと、前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンとを有する回転機械において、前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する流体制御装置であって、前記ロータの軸方向において、前記流体の流通方向と逆となる逆流方向に誘起流を発生させる第１の流体制御デバイスを備える。
本開示の流体制御装置は、ロータと、前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンとを有する回転機械において、前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する流体制御装置であって、前記ロータの周方向に誘起流を発生させる第２の流体制御デバイスを備える。
本開示の流体制御装置は、ロータと、前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンとを有する回転機械において、前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する流体制御装置であって、前記ロータの径方向に誘起流を発生させる第３の流体制御デバイスを備える。
本開示の回転機械は、ロータと、前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンと、前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する、上記の流体制御装置と、を備える。
本開示によれば、流体の漏えいを抑制し、ロータの励振力の低減を図ることができる。
図１は、実施形態１に係る流体制御装置を軸方向に沿って切った一例の部分断面図である。 図２は、実施形態１に係る流体制御装置を軸方向に沿って切った一例の部分断面図である。 図３は、実施形態２に係る流体制御装置を軸方向に直交する面で切った一例の部分断面図である。 図４は、実施形態２に係る流体制御装置を軸方向に直交する面で切った一例の部分断面図である。 図５は、実施形態３に係る流体制御装置を軸方向に沿って切った部分断面図である。 図６は、実施形態４に係る流体制御装置を軸方向に直交する面で切った部分断面図である。 図７は、周方向の圧力分布に関する説明図である。 図８は、実施形態５に係る流体制御装置を軸方向に直交する面で切った部分断面図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る流体制御装置を軸方向に沿って切った一例の部分断面図である。図１に示すように、実施形態１に係る流体制御装置９は、ロータ５とロータ５の周囲に設けられるケース６とを有する回転機械１に設けられる。回転機械１としては、例えば、ガスタービンである。なお、回転機械１は、ガスタービンに特に限定されず、ロータ５を有する回転機械１であって、ロータ５とケース６との間にシール部７を設ける回転機械１であれば、いずれに適用してもよい。
（回転機械）
回転機械１は、ロータ５と、ケース６と、シール部７と、流体制御装置９とを備える。ロータ５は、軸方向に延在する回転軸を中心として、所定の回転方向に回転する。ケース６は、ロータ５に対して所定の隙間を空けて設けられており、ロータ５の径方向外側を周方向に沿って取り囲むように、円環状に形成されている。このため、ロータ５とケース６との間には空間が形成される。この空間内における空気等の流体は、ロータ５が回転方向に回転することによって、ロータ５の軸方向の一方側から他方側に向かって流通すると共に、ロータ５の回転方向となる周方向に沿って流通する、旋回流（スワール）Ｆ１となる。
シール部７は、ロータ５の軸方向の一方側（図１の左側）から他方側（図１の右側）に向かって流通する旋回流Ｆ１を封止する。シール部７は、複数のシールフィン８からなるラビリンスシールである。複数のシールフィン８は、ケース６から径方向内側に突出して設けられるシールフィン８ａと、ロータ５から径方向外側に突出して設けられるシールフィン８ｂとを有する。シールフィン８ａとシールフィン８ｂとは、軸方向に沿って交互に設けられる。
（流体制御装置）
流体制御装置９は、ロータ５とケース６との間の空間に発生する旋回流Ｆ１を制御するものである。流体制御装置９は、ロータ５の軸方向において、シールフィン８ｂとケース６との隙間における旋回流Ｆ１の漏えいを抑制する第１の流体制御デバイス１０を有している。つまり、第１の流体制御デバイス１０は、ロータ５の軸方向において、シールフィン８ｂとケース６との隙間における旋回流Ｆ１の流通方向に対して、逆流方向に誘起流Ｆ２を発生させる。なお、実施形態１では、シールフィン８ｂとケース６との隙間からの旋回流Ｆ１の漏えいを抑制する構成について説明するが、シールフィン８ａとロータ５との隙間からの旋回流Ｆ１の漏えいを抑制する構成としてもよい。
第１の流体制御デバイス１０は、プラズマアクチュエータである。第１の流体制御デバイス１０は、第１の誘電体１１と、第１の上部電極１２と、第１の下部電極１３と、第１の電源部１４とを含んで構成されている。
第１の誘電体１１は、シールフィン８ｂと対向するケース６の内周面の部位に形成されている。具体的に、第１の誘電体１１は、ケース６の内周面において、軸方向に隣接するシールフィン８ａ同士の間の部位に設けられている。第１の誘電体１１は、ケース６の内周面にコーティングされた誘電体層として形成されている。コーティングとしては、例えば、セラミックコーティングであり、耐熱性を有するものとなっている。また、第１の誘電体１１は、ケース６の周方向において、全周に亘って設けられており、円環状に形成されている。
第１の上部電極１２は、ロータ５の軸方向において、シールフィン８ｂに対して旋回流Ｆ１の流通方向の下流側に設けられる。具体的に、第１の上部電極１２は、シールフィン８ｂと、シールフィン８ｂの下流側のシールフィン８ａとの間に設けられている。また、第１の上部電極１２は、第１の誘電体１１上に設けられている。つまり、第１の上部電極１２は、第１の誘電体１１の内周面側に露出して設けられる。
第１の下部電極１３は、ロータ５の軸方向において、第１の上部電極１２に対して旋回流Ｆ１の流通方向の上流側に設けられる。具体的に、第１の下部電極１３は、ロータ５の軸方向において、シールフィン８ｂに対して旋回流Ｆ１の流通方向の上流側から下流側に亘って設けられる。つまり、第１の下部電極１３は、ロータ５の軸方向において、シールフィン８ｂを挟んで両側に延在して設けられている。また、第１の下部電極１３は、第１の誘電体１１の内部に設けられている。つまり、第１の下部電極１３は、第１の誘電体１１を挟んでシールフィン８ｂと対向している。
第１の電源部１４は、交流電源となっており、第１の上部電極１２及び第１の下部電極１３に接続され、電圧を印加する。第１の電源部１４は、電圧を印加することにより誘電体バリア放電を生じさせることで、第１の上部電極１２と第１の下部電極１３との間の空間に、第１の上部電極１２から第１の下部電極１３へ向けてプラズマを発生させる。
第１の流体制御デバイス１０は、第１の電源部１４により電圧を印加して、第１の上部電極１２と第１の下部電極１３との間の空間に発生させたプラズマによって、第１の上部電極１２から第１の下部電極１３へ向かう、逆流方向に誘起流Ｆ２を発生させる。そして、第１の流体制御デバイス１０は、軸方向において旋回流Ｆ１と逆流する誘起流Ｆ２を発生させることで、シールフィン８ｂとケース６との隙間から旋回流Ｆ１が下流側に流通することを抑制する。
以上のように、実施形態１によれば、第１の流体制御デバイス１０により、ロータ５の軸方向において、旋回流Ｆ１に対向する逆流方向に誘起流Ｆ２を発生させることができる。このため、第１の流体制御デバイス１０は、シールフィン８ｂとケース６との隙間から旋回流Ｆ１が漏えいすることを抑制することができる。そして、旋回流Ｆ１の漏えいを抑制することにより、シールフィン８ｂとケース６との近接を抑制できる分、ロータ５に対するシール励振力の抑制を図ることができる。
また、実施形態１によれば、第１の流体制御デバイス１０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、第１の流体制御デバイス１０を設けることによるシール部７の大きな構造変化を抑制できる。換言すれば、第１の流体制御デバイス１０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、既存のシール部７に対して、第１の流体制御デバイス１０を容易に設けることができる。
また、実施形態１によれば、第１の下部電極１３を、ロータ５の軸方向において、シールフィン８ｂに対して旋回流Ｆ１の流通方向の上流側から下流側に亘って設けることができる。このため、旋回流Ｆ１を、第１の上部電極１２から第１の下部電極１３へ向かって好適に案内することができる。
また、実施形態１によれば、第１の誘電体１１を、コーティングによって簡易に形成することができる。
なお、実施形態１では、流体制御装置９を回転機械１のシール部７に適用して説明したが、フィンとケースとが対向する部位であれば、いずれに設けてもよい。例えば、流体制御装置９は、ガスタービンの動翼の先端に設けられるチップフィンと、チップフィンと対向するケーシングとの間をシールしてもよい。
また、実施形態１の流体制御装置９は、例えば、図２に示す構成としてもよい。図２の流体制御装置９は、図１の第１の流体制御デバイス１０に、電極１５と、直流電源１６とをさらに備えたものとなっている。電極１５は、ロータ５の軸方向において、第１の下部電極１３に対して旋回流Ｆ１の流通方向の上流側に設けられる。具体的に、電極１５は、シールフィン８ｂと、シールフィン８ｂの上流側のシールフィン８ａとの間に設けられている。また、電極１５は、第１の誘電体１１上に設けられている。つまり、電極１５は、第１の誘電体１１の内周面側に露出して設けられる。
直流電源１６は、電極１５と、第１の下部電極１３と第１の電源部１４とを結ぶラインとに接続される。直流電源１６は、直流電圧を印加することにより、第１の上部電極１２と第１の下部電極１３との間の空間に発生したプラズマを、電極１５側に引き寄せる。
図２の第１の流体制御デバイス１０は、直流電源１６により直流電圧を印加し、電極１５側にプラズマを引き寄せることで、誘起流Ｆ２の逆流方向への流れを促進する。
以上のように、図２の流体制御装置９によれば、誘起流Ｆ２の逆流方向への流れを促進させることができるため、シールフィン８ｂとケース６との隙間から旋回流Ｆ１が漏洩することをより抑制することができる。
［実施形態２］
次に、図３及び図４を参照して、実施形態２に係る流体制御装置９について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図３及び図４は、実施形態２に係る流体制御装置を軸方向に直交する面で切った一例の部分断面図である。
実施形態２の流体制御装置９は、第１の流体制御デバイス１０に代えて、第２の流体制御デバイス２０を有している。
第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向において、旋回流Ｆ１の流れを制御するものとなっている。具体的に、第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向において、旋回流Ｆ１の流通方向に対して、逆流方向に誘起流Ｆ３を発生させる。なお、実施形態２では、旋回流Ｆ１の流通方向に対して、逆流方向に誘起流Ｆ３を発生させるが、旋回流Ｆ１の流通方向と同じ方向となる順流方向に誘起流Ｆ３を発生させてもよい。
第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の軸方向において、シールフィン８ｂと対向する位置に設けられる。また、第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向に複数並べて設けられている。複数の第２の御流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向において等間隔に配置されている。図３及び図４において、第２の流体制御デバイス２０は、４つ設けられているが、数は特に限定されず、１以上であればよい。
第２の流体制御デバイス２０は、プラズマアクチュエータである。第２の流体制御デバイス２０は、第２の誘電体２１と、第２の上部電極２２と、第２の下部電極２３と、第２の電源部２４とを含んで構成されている。なお、第２の誘電体２１は、第１の誘電体１１と同じものとなっているため、説明を省略する。
第２の上部電極２２は、ロータ５の周方向において、第２の下部電極２３に対して旋回流Ｆ１の流通方向の下流側に設けられる。具体的に、第２の上部電極２２は、シールフィン８ｂとケース６との間に設けられている。また、第２の上部電極２２は、第２の誘電体２１上に設けられている。つまり、第２の上部電極２２は、第２の誘電体２１の内周面側に露出して設けられる。
第２の下部電極２３は、ロータ５の周方向において、第２の上部電極２２に対して旋回流Ｆ１の流通方向の上流側に設けられる。第２の下部電極２３は、ロータ５の周方向に沿って延在して設けられている。また、第２の下部電極２３は、第２の誘電体２１の内部に設けられている。つまり、第２の下部電極２３は、第２の誘電体２１を挟んでシールフィン８ｂと対向している。
第２の電源部２４は、交流電源となっており、第２の上部電極２２及び第２の下部電極２３に接続され、電圧を印加する。第２の電源部２４は、電圧を印加することにより誘電体バリア放電を生じさせることで、第２の上部電極２２と第２の下部電極２３との間の空間に、第２の上部電極２２から第２の下部電極２３へ向けてプラズマを発生させる。
第２の流体制御デバイス２０は、第２の電源部２４により電圧を印加して、第２の上部電極２２と第２の下部電極２３との間の空間に発生させたプラズマによって、第２の上部電極２２から第２の下部電極２３へ向かう、逆流方向に誘起流Ｆ３を発生させる。そして、複数の第２の流体制御デバイス２０は、周方向において旋回流Ｆ１と逆流する誘起流Ｆ３を発生させることで、ロータ５の周方向における不均一な圧力分布の形成を抑制する。
以上のように、実施形態２によれば、第２の流体制御デバイス２０により、ロータ５の周方向において、旋回流Ｆ１に対向する逆流方向に誘起流Ｆ３を発生させることができる。このため、第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向における不均一な圧力分布の形成を抑制することができる。そして、不均一な圧力分布の形成を抑制することにより、ロータ５に対するシール励振力の抑制を図ることができる。
また、実施形態２によれば、第２の流体制御デバイス２０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、第２の流体制御デバイス２０を設けることによるシール部７の大きな構造変化を抑制できる。換言すれば、第２の流体制御デバイス２０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、既存のシール部７に対して、第２の流体制御デバイス２０を容易に設けることができる。
また、実施形態２によれば、第２の流体制御デバイス２０を、ロータ５の周方向に等間隔で複数並べて設けることができる。このため、ロータ５の周方向において誘起流Ｆ３の形成を均一に行うことができる。
なお、実施形態２では、旋回流Ｆ１の流通方向に対して、逆流方向に誘起流Ｆ３を発生させるが、特に限定されない。ロータの周方向における不均一な圧力分布の形成を抑制できれば、旋回流Ｆ１の流通方向と同じ方向となる順流方向に誘起流Ｆ３を発生させてもよいし、逆流方向及び順流方向の誘起流Ｆ３が混在してもよい。
また、実施形態２の流体制御装置９は、例えば、図４に示す構成としてもよい。図４の流体制御装置９は、図３に示す複数の第２の流体制御デバイス２０を、個別に制御可能な構成となっている。つまり、図４の流体制御装置９は、複数の第２の流体制御デバイス２０に接続される制御部２８をさらに備えたものとなっている。制御部２８は、複数の第２の流体制御デバイス２０の第２の電源部２４にそれぞれ接続されている。制御部２８は、複数の第２の電源部２４の出力制御を行うことで、複数の第２の流体制御デバイス２０によって発生する誘起流Ｆ３の形成を制御している。
なお、制御部２８には、例えば、ロータ５の周方向における圧力分布を計測する圧力計が接続されていてもよいし、ロータ５に発生する振動を計測する振動計が接続されていてもよい。制御部２８は、圧力計または振動計の計測結果に基づいて、複数の第２の流体制御デバイス２０を制御してもよい。
以上のように、図４の流体制御装置９によれば、ロータ５の周方向における圧力分布に応じた、誘起流Ｆ３の形成を行うことができるため、不均一な圧力分布の形成をより抑制することができる。
［実施形態３］
次に、図５を参照して、実施形態３に係る流体制御装置９について説明する。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図５は、実施形態３に係る流体制御装置を軸方向に沿って切った部分断面図である。
実施形態３に係る流体制御装置９は、ロータ５の径方向において、旋回流Ｆ１の流れを制御するものとなっている。具体的に、第３の流体制御デバイス３０は、ロータ５の径方向において、旋回流Ｆ１の流通を遮断する方向に誘起流Ｆ４を発生させる。
第３の流体制御デバイス３０は、プラズマアクチュエータである。第３の流体制御デバイス３０は、ロータ５及びシールフィン８ｂを第３の上部電極として用い、シールフィン８ａ及びケース６を第３の下部電極として用いる。このため、ロータ５、ケース６及びシールフィン８ａ、８ｂは、電極として機能可能な金属材料を用いている。また、ロータ５とシールフィン８ｂとは、導通可能に接続されており、同様に、ケース６及びシールフィン８ａとは、導通可能に接続されている。
第３の流体制御デバイス３０は、第３の誘電体３１と、第３の上部電極として機能するロータ５及びシールフィン８ｂと、第３の下部電極として機能するシールフィン８ａ及びケース６と、第３の電源部３４とを含んで構成されている。なお、ロータ５及びシールフィン８ａ、８ｂは、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
第３の誘電体３１は、ケース６の内周面の全面に形成されている。第３の誘電体３１は、第１の誘電体１１と同様に、ケース６の内周面にコーティングされた誘電体層として形成されている。
第３の電源部３は、交流電源となっており、ロータ５及びケース６にそれぞれ接続され、電圧を印加する。第３の電源部３４は、電圧を印加することにより誘電体バリア放電を生じさせることで、ロータ５とシールフィン８ａとの間の空間、及びシールフィン８ｂとケース６との間の空間に、ロータ５側からケース６側へ向けてプラズマを発生させる。
第３の流体制御デバイス３０は、第３の電源部３４により電圧を印加して、ロータ５とシールフィン８ａとの間の空間、及びシールフィン８ｂとケース６との間の空間に発生させたプラズマによって、ロータ５側からケース６側へ向かう径方向に誘起流Ｆ４を発生させる。そして、第３の流体制御デバイス３０は、径方向における誘起流Ｆ４を発生させることで、ロータ５とシールフィン８ａとの隙間、及びシールフィン８ｂとケース６との隙間から、旋回流Ｆ１が下流側に流通することを抑制する。
以上のように、実施形態３によれば、第３の流体制御デバイス３０により、ロータ５の径方向において、旋回流Ｆ１の流通を遮断する方向に誘起流Ｆ４を発生させることができる。このため、第３の流体制御デバイス３０は、ロータ５とシールフィン８ａとの隙間、及びシールフィン８ｂとケース６との隙間から、旋回流Ｆ１が漏えいすることを抑制することができる。そして、旋回流Ｆ１の漏えいを抑制することにより、シールフィン８ｂとケース６との近接、ロータ５とシールフィン８ａとの近接を抑制できる分、ロータ５に対するシール励振力の抑制を図ることができる。
また、実施形態３によれば、第３の流体制御デバイス３０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、第３の流体制御デバイス３０を設けることによるシール部７の大きな構造変化を抑制できる。換言すれば、第３の流体制御デバイス３０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、既存のシール部７に対して、第３の流体制御デバイス３０を容易に設けることができる。
［実施形態４］
次に、図６及び図７を参照して、実施形態４に係る流体制御装置９について説明する。なお、実施形態４でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１から３と異なる部分について説明し、実施形態１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図６は、実施形態４に係る流体制御装置を軸方向に直交する面で切った部分断面図である。図７は、周方向の圧力分布に関する説明図である。
実施形態４に係る流体制御装置９は、実施形態２に係る複数の第２の流体制御デバイス２０を、不等間隔となるように周方向に並べて配置したものとなっている。なお、図６において、第２の流体制御デバイス２０は、２つ設けられているが、数は特に限定されず、複数であればよい。
ここで、図７を参照し、従来におけるロータ５の周方向における圧力分布と、実施形態４におけるロータ５の周方向における圧力分布とについて説明する。なお、従来は、第２の流体制御デバイス２０を備えない回転機械１の構成となっている。図７は、その横軸が、ロータ５の周方向における位置であり、その縦軸が圧力となっている。従来において、ロータ５の周方向における圧力分布は、正弦曲線等の周期的（規則的）な波状の変化となっている。従来は、ロータ５の周方向において、９０°となる位相の圧力が最も高く、２７０°となる位相の圧力が最も低くなっている。このため、ロータ５には、９０°となる周方向の位置から２７０°となる周方向の位置へ向かって径方向に変位が与えられることから、シール励振力が与えられる。実施形態４では、第２の流体制御デバイス２０を、ロータ５の周方向において不等間隔に配置していることから、ロータ５の周方向における圧力分布は、不規則な変化となっている。このため、ロータ５には、径方向への変位が与えられ難くなり、シール励振力の発生を抑制できる。
以上のように、実施形態４によれば、不等間隔に配置された複数の第２の流体制御デバイス２０により、ロータ５の周方向における圧力分布を不規則な変化とすることができる。そして、不規則な変化となる圧力分布を形成することにより、ロータ５に対するシール励振力の抑制を図ることができる。
［実施形態５］
次に、図８を参照して、実施形態５に係る流体制御装置９について説明する。なお、実施形態５でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１から４と異なる部分について説明し、実施形態１から４と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図８は、実施形態５に係る流体制御装置を軸方向に直交する面で切った部分断面図である。
実施形態５に係る流体制御装置９は、実施形態４に係る複数の第２の流体制御デバイス２０を、プラズマアクチュエータから超音波発生器に代えたものとなっている。つまり、実施形態５に係る流体制御装置９において、ロータ５の周方向に不等間隔に配置された複数の第２の流体制御デバイス５０は、超音波発生器５１を用いて構成されている。
超音波発生器５１は、ケース６に設けられ、シールフィン８ｂへ向かって超音波Ｓを照射することにより、ケース６とシールフィン８ｂとの間の空間における気流を乱す。複数の第２の流体制御デバイス５０により気流が乱されることにより、ロータ５の周方向における圧力分布は、不規則な変化となっている。このため、ロータ５には、径方向への変位が与えられ難くなり、シール励振力の発生を抑制できる。
以上のように、実施形態５によれば、不等間隔に配置された複数の第２の流体制御デバイス５０により、ロータ５の周方向における圧力分布を不規則な変化とすることができる。そして、不規則な変化となる圧力分布を形成することにより、ロータ５に対するシール励振力の抑制を図ることができる。
なお、実施形態５では、第２の流体制御デバイス５０を超音波発生器５１を用いて構成したが、第１の流体制御デバイス１０及び第３の流体制御デバイス３０を、超音波発生器５１を用いて構成してもよい。
また、流体制御装置９は、第１の流体制御デバイス１０、第２の流体制御デバイス２０及び第３の流体制御デバイス３０を適宜組み合わせた構成としてもよい。
各実施形態に記載の流体制御装置９及び回転機械１は、例えば、以下のように把握される。
第１の態様に係る流体制御装置９は、ロータ５と、前記ロータ５の外側を取り囲んで設けられるケース６と、前記ロータ５及び前記ケース６の少なくとも一方から突出して設けられるフィン（シールフィン８）とを有する回転機械１において、前記フィンと前記ロータ５との間、または前記フィンと前記ケース６との間を流通する流体（旋回流Ｆ１）を制御する流体制御装置９であって、前記ロータ５の軸方向において、前記流体の流通方向と逆となる逆流方向に誘起流Ｆ２を発生させる第１の流体制御デバイス１０を備える。
この構成によれば、第１の流体制御デバイス１０により、ロータ５の軸方向において、旋回流Ｆ１に対向する逆流方向に誘起流Ｆ２を発生させることができる。このため、第１の流体制御デバイス１０は、フィンとケース６との隙間から旋回流Ｆ１が漏えいすることを抑制することができる。そして、旋回流Ｆ１の漏えいを抑制することにより、フィンとケース６との近接を抑制できる分、ロータ５に対する励振力の抑制を図ることができる。
第２の態様として、前記第１の流体制御デバイス１０は、プラズマアクチュエータであり、前記フィンと対向する前記ロータ５または前記ケース６の部位に設けられる第１の誘電体１１と、前記ロータ５の軸方向において、前記フィンに対して前記流体の流通方向の下流側に設けられる第１の上部電極１２と、前記ロータ５の軸方向において、前記第１の上部電極１２に対して前記流体の流通方向の上流側に設けられる第１の下部電極１３と、前記第１の上部電極１２及び前記第１の下部電極１３に接続される第１の電源部１４と、を有し、前記第１の上部電極１２から前記第１の下部電極１３へ向かう、前記逆流方向に誘起流Ｆ２を発生させる。
この構成によれば、第１の流体制御デバイス１０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、第１の流体制御デバイス１０を設けることによるフィン周りの大きな構造変化を抑制できる。換言すれば、第１の流体制御デバイス１０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、既存のフィン周りの構成に対して、第１の流体制御デバイス１０を容易に設けることができる。
第３の態様として、前記第１の下部電極１３は、前記ロータ５の軸方向において、前記フィンに対して前記流体の流通方向の上流側から下流側に亘って設けられる。
この構成によれば、第１の下部電極１３を、ロータ５の軸方向において、フィンに対して旋回流Ｆ１の流通方向の上流側から下流側に亘って設けることができる。このため、旋回流Ｆ１を、第１の上部電極１２から第１の下部電極１３へ向かって好適に案内することができる。
第４の態様として、前記ロータ５の周方向に誘起流Ｆ３を発生させる第２の流体制御デバイス２０を、さらに備える。
この構成によれば、第２の流体制御デバイス２０により、ロータ５の周方向において、誘起流Ｆ３を発生させることができる。このため、第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向における不均一な圧力分布の形成を抑制することができる。そして、不均一な圧力分布の形成を抑制することにより、ロータ５に対する励振力の抑制を図ることができる。
第５の態様として、前記第２の流体制御デバイス２０は、プラズマアクチュエータであり、前記フィンと対向する前記ロータ５または前記ケース６の部位に設けられる第２の誘電体２１と、前記ロータ５の周方向において、前記流体の流通方向の上流側または下流側の一方に設けられる第２の上部電極２２と、前記ロータ５の周方向において、前記流体の流通方向の上流側または下流側の他方に設けられる第２の下部電極２３と、前記第２の上部電極２２及び前記第２の下部電極２３に接続される第２の電源部２４と、を有し、前記第２の上部電極２２から前記第２の下部電極２３へ向かう方向に誘起流Ｆ３を発生させる。
この構成によれば、第２の流体制御デバイス２０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、第２の流体制御デバイス２０を設けることによるフィン周りの大きな構造変化を抑制できる。換言すれば、第２の流体制御デバイス２０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、既存のフィン周りの構成に対して、第２の流体制御デバイス２０を容易に設けることができる。
第６の態様として、前記第２の上部電極２２は、前記流体の流通方向の下流側に設けられ、前記第２の下部電極２３は、前記流体の流通方向の上流側に設けられる。
この構成によれば、旋回流Ｆ１に対向する逆流方向に誘起流Ｆ３を発生させることができる。このため、第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向における不均一な圧力分布の形成をより抑制することができる。
第７の態様として、前記第２の流体制御デバイス２０は、周方向に複数並べて設けられると共に、等間隔に配置されている。
この構成によれば、ロータ５の周方向において誘起流Ｆ３の形成を均一に行うことができる。
第８の態様として、前記第２の流体制御デバイス２０は、周方向に複数並べて設けられると共に、不等間隔に配置されている。
この構成によれば、不等間隔に配置された複数の第２の流体制御デバイス２０により、ロータ５の周方向における圧力分布を不規則な変化とすることができる。そして、不規則な変化となる圧力分布を形成することにより、ロータ５に対する励振力の抑制を図ることができる。
第９の態様として、複数の前記第２の流体制御デバイス２０を個別に制御する制御部２８を、さらに備える。
この構成によれば、ロータ５の周方向における圧力分布に応じた、誘起流Ｆ３の形成を行うことができるため、不均一な圧力分布の形成をより抑制することができる。
第１０の態様として、前記ロータ５の径方向に誘起流Ｆ４を発生させる第３の流体制御デバイス３０を、さらに備える。
この構成によれば、第３の流体制御デバイス３０により、ロータ５の径方向において、旋回流Ｆ１の流通を遮断する方向に誘起流Ｆ４を発生させることができる。このため、第３の流体制御デバイス３０は、ロータ５とフィンとの隙間、及びフィンとケース６との隙間から、旋回流Ｆ１が漏えいすることを抑制することができる。そして、旋回流Ｆ１の漏えいを抑制することにより、フィンとケース６との近接、ロータ５とフィンとの近接を抑制できる分、ロータ５に対する励振力の抑制を図ることができる。
第１１の態様として、前記第３の流体制御デバイス３０は、前記フィンと対向する前記ロータまたは前記ケースの部位に設けられる第３の誘電体３１と、前記ロータの径方向において、前記ロータ側に設けられる第３の上部電極（ロータ５及びシールフィン８ｂ）と、前記ロータの径方向において、前記ケース側に設けられる第３の下部電極（ケース６及びシールフィン８ａ）と、前記第３の上部電極及び前記第３の下部電極に接続される第３の電源部３４と、を有し、前記第３の上部電極から前記第３の下部電極へ向かう方向に誘起流Ｆ４を発生させる。
この構成によれば、第３の流体制御デバイス３０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、第３の流体制御デバイス３０を設けることによるフィン周りの大きな構造変化を抑制できる。換言すれば、第３の流体制御デバイス３０として、プラズマアクチュエータを用いることにより、既存のフィン周りの構成に対して、第３の流体制御デバイス３０を容易に設けることができる。
第１２の態様に係る流体制御装置９は、ロータ５と、前記ロータ５の外側を取り囲んで設けられるケース６と、前記ロータ５及び前記ケース６の少なくとも一方から突出して設けられるフィン（シールフィン８）とを有する回転機械１において、前記フィンと前記ロータ５との間、または前記フィンと前記ケース６との間を流通する流体（旋回流Ｆ１）を制御する流体制御装置９であって、前記ロータ５の周方向に誘起流Ｆ３を発生させる第２の流体制御デバイス２０を備える。
この構成によれば、第２の流体制御デバイス２０により、ロータ５の周方向において、誘起流Ｆ３を発生させることができる。このため、第２の流体制御デバイス２０は、ロータ５の周方向における不均一な圧力分布の形成を抑制することができる。そして、不均一な圧力分布の形成を抑制することにより、ロータ５に対する励振力の抑制を図ることができる。
第１３の態様に係る流体制御装置９は、ロータ５と、前記ロータ５の外側を取り囲んで設けられるケース６と、前記ロータ５及び前記ケース６の少なくとも一方から突出して設けられるフィン（シールフィン８）とを有する回転機械１において、前記フィンと前記ロータ５との間、または前記フィンと前記ケース６との間を流通する流体（旋回流Ｆ１）を制御する流体制御装置９であって、前記ロータ５の径方向に誘起流Ｆ４を発生させる第３の流体制御デバイス３０を備える。
この構成によれば、第３の流体制御デバイス３０により、ロータ５の径方向において、旋回流Ｆ１の流通を遮断する方向に誘起流Ｆ４を発生させることができる。このため、第３の流体制御デバイス３０は、ロータ５とフィンとの隙間、及びフィンとケース６との隙間から、旋回流Ｆ１が漏えいすることを抑制することができる。そして、旋回流Ｆ１の漏えいを抑制することにより、フィンとケース６との近接、ロータ５とフィンとの近接を抑制できる分、ロータ５に対する励振力の抑制を図ることができる。
第１４の態様として、前記フィンは、前記ロータ５と前記ケース６との間をシールするラビリンスシールに用いられるシールフィン８である。
この構成によれば、フィンとして、シールフィン８に適用できるため、ロータ５に対するシール励振力の抑制を図ることができる。
第１５の態様に係る回転機械１は、ロータ５と、前記ロータ５の外側を取り囲んで設けられるケース６と、前記ロータ５及び前記ケース６の少なくとも一方から突出して設けられるフィン（シールフィン８ａ，８ｂ）と、前記フィンと前記ロータ５との間、または前記フィンと前記ケース６との間を流通する流体（旋回流Ｆ１）を制御する、上記の流体制御装置９と、を備える。
この構成によれば、流体制御装置９により、ロータ５に対する励振力の発生を抑制できるため、回転安定性の高い回転機械１とすることができる。
１ 回転機械
５ ロータ
６ ケース
７ シール部
８ シールフィン
９ 流体制御装置
１０ 第１の流体制御デバイス
１１ 第１の誘電体
１２ 第１の上部電極
１３ 第１の下部電極
１４ 第１の電源部
１５ 電極
１６ 直流電源
２０ 第２の流体制御デバイス
２１ 第２の誘電体
２２ 第２の上部電極
２３ 第２の下部電極
２４ 第２の電源部
２８ 制御部
３０ 第３の流体制御デバイス
３１ 第３の誘電体
３４ 第３の電源部
５０ 第２の流体制御デバイス
５１ 超音波発生器
Ｆ１ 旋回流
Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４ 誘起流

Claims (15)

  1. ロータと、前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンとを有する回転機械において、前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する流体制御装置であって、
    前記ロータの軸方向において、前記流体の流通方向と逆となる逆流方向に誘起流を発生させる第１の流体制御デバイスを備える流体制御装置。
  2. 前記第１の流体制御デバイスは、プラズマアクチュエータであり、
    前記フィンと対向する前記ロータまたは前記ケースの部位に設けられる第１の誘電体と、
    前記ロータの軸方向において、前記フィンに対して前記流体の流通方向の下流側に設けられる第１の上部電極と、
    前記ロータの軸方向において、前記第１の上部電極に対して前記流体の流通方向の上流側に設けられる第１の下部電極と、
    前記第１の上部電極及び前記第１の下部電極に接続される第１の電源部と、を有し、
    前記第１の上部電極から前記第１の下部電極へ向かう、前記逆流方向に誘起流を発生させる請求項１に記載の流体制御装置。
  3. 前記第１の下部電極は、前記ロータの軸方向において、前記フィンに対して前記流体の流通方向の上流側から下流側に亘って設けられる請求項２に記載の流体制御装置。
  4. 前記ロータの周方向に誘起流を発生させる第２の流体制御デバイスを、さらに備える請求項１から３いずれか１項に記載の流体制御装置。
  5. 前記第２の流体制御デバイスは、プラズマアクチュエータであり、
    前記フィンと対向する前記ロータまたは前記ケースの部位に設けられる第２の誘電体と、
    前記ロータの周方向において、前記流体の流通方向の上流側または下流側の一方に設けられる第２の上部電極と、
    前記ロータの周方向において、前記流体の流通方向の上流側または下流側の他方に設けられる第２の下部電極と、
    前記第２の上部電極及び前記第２の下部電極に接続される第２の電源部と、を有し、
    前記第２の上部電極から前記第２の下部電極へ向かう方向に誘起流を発生させる請求項４に記載の流体制御装置。
  6. 前記第２の上部電極は、前記流体の流通方向の下流側に設けられ、
    前記第２の下部電極は、前記流体の流通方向の上流側に設けられる請求項５に記載の流体制御装置。
  7. 前記第２の流体制御デバイスは、周方向に複数並べて設けられると共に、等間隔に配置されている請求項４から６のいずれか１項に記載の流体制御装置。
  8. 前記第２の流体制御デバイスは、周方向に複数並べて設けられると共に、不等間隔に配置されている請求項４から６のいずれか１項に記載の流体制御装置。
  9. 複数の前記第２の流体制御デバイスを個別に制御する制御部を、さらに備える請求項７または８に記載の流体制御装置。
  10. 前記ロータの径方向に誘起流を発生させる第３の流体制御デバイスを、さらに備える請求項１から９いずれか１項に記載の流体制御装置。
  11. 前記第３の流体制御デバイスは、
    前記フィンと対向する前記ロータまたは前記ケースの部位に設けられる第３の誘電体と、
    前記ロータの径方向において、前記ロータ側に設けられる第３の上部電極と、
    前記ロータの径方向において、前記ケース側に設けられる第３の下部電極と、
    前記第３の上部電極及び前記第３の下部電極に接続される第３の電源部と、を有し、
    前記第３の上部電極から前記第３の下部電極へ向かう方向に誘起流を発生させる請求項１０に記載の流体制御装置。
  12. ロータと、前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンとを有する回転機械において、前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する流体制御装置であって、
    前記ロータの周方向に誘起流を発生させる第２の流体制御デバイスを備える流体制御装置。
  13. ロータと、前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンとを有する回転機械において、前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する流体制御装置であって、
    前記ロータの径方向に誘起流を発生させる第３の流体制御デバイスを備える流体制御装置。
  14. 前記フィンは、前記ロータと前記ケースとの間をシールするラビリンスシールに用いられるシールフィンである請求項１から１３のいずれか１項に記載の流体制御装置。
  15. ロータと、
    前記ロータの外側を取り囲んで設けられるケースと、
    前記ロータ及び前記ケースの少なくとも一方から突出して設けられるフィンと、
    前記フィンと前記ロータとの間、または前記フィンと前記ケースとの間を流通する流体を制御する、請求項１から１４のいずれか１項に記載の流体制御装置と、を備える回転機械。
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