JP2005155613A - ガスタービン及びガスタービンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、任意のサイクルで設計されたガスタービンより異なるサイクルのガス
タービンを製造する場合に、タービンの信頼性を維持することである。
【解決手段】
圧縮機により圧縮される流体の流量を異ならしめるように、圧縮機の流路を形成するこ
とを特徴とする。
【効果】
本発明によれば、任意のサイクルで設計されたガスタービンより異なるサイクルのガス
タービンを製造する場合に、タービンの信頼性を維持することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン及びガスタービンの製造方法に関する。

既に設計したシンプルサイクルあるいはコンバインドサイクルのガスタービンをもとに
湿分空気と燃料とを混合燃焼させるガスタービンを製造する場合、タービンに供給する燃
焼ガスは加湿されているためタービン内の作動流体量が増大する。しかし、タービン出力
は変更できないため、圧縮機内の作動流体量を減少させる必要があった。

特許文献１には、圧縮機内を流れる流路の断面積を局部的に増大させるために縦溝を設
ける技術が開示されている。そして、この縦溝によって圧縮機流路の断面積を局部的に増
大させて、羽根前縁の近傍における空気流れの平均マッハ数を局部的に低くし、圧縮機効
率を増加させている。

特開２００１−２７１７９２号公報

しかし、特許文献１記載の技術では圧縮機流路の断面積を局部的に変化させて圧縮機効
率を増加させることが目的である。そのため、圧縮機内の作動空気量を減少させることは
考慮されていない。

本発明の目的は、任意のサイクルで設計されたガスタービンより異なるサイクルのガス
タービンを製造する場合に、タービンの信頼性を維持することである。

圧縮機により圧縮される流体の流量を異ならしめるように、圧縮機の流路を形成するこ
とを特徴とする。

本発明によれば、任意のサイクルで設計されたガスタービンより異なるサイクルのガス
タービンを製造する場合に、タービンの信頼性を維持することが可能になる。

高効率なガスタービンプラントとして、加湿器が生成した湿分空気と燃料とを混合燃焼
させてタービンを回転駆動させるガスタービンサイクル（高湿分利用サイクル）がある。
図１１は、高湿分利用サイクルの系統図である。まず、高湿分利用サイクル内で圧縮機１
に吸い込まれた大気が湿分空気となり、最終的に外部に排ガスとして放出されるまでの流
れを説明する。混合器２０は大気２１に水２２を噴霧し湿分空気５ａを生成する。混合器
２０において生成された湿分空気５ａは圧縮機１で圧縮されるとともに、圧縮機１が生成
した圧縮空気はガスパス上に設けられた抽気孔で抽気される。圧縮機から抽気された高圧
空気２３は、水回収装置２４からの回収した水２２と加湿器２５からの回収水２６とで冷却する冷却器２７に供給される。冷却器２７で冷却された高圧空気２３は、冷却器２７で加熱された水２８と、給水加熱器２９で加熱された水３０とを用いて加湿器２５で加湿される。加湿器２５で加湿された湿分空気３１は、タービン２からの排ガス３２で過熱する再生器３３に供給される。そして、再生器３３は加湿器２５から供給された湿分空気３１を過熱して湿分空気３４を生成し、燃焼器３に供給する。燃焼器３に供給された湿分空気３４は、燃焼器３で燃料３５と混合燃焼させる。そして、生成した燃焼ガス３６はタービン２に供給され、タービン２を回転駆動させる。タービン２から排出された排ガス３２は、再生器３３で熱回収され、給水加熱器２９に排ガス３７として供給される。給水加熱器２９は、排ガス３７を熱回収した後の排ガス３８を排ガス再加熱器３９に供給する。排ガス再加熱器３９から排出された排ガス４０は、冷却水４１で冷却し湿分を凝縮させて水分を回収する水回収装置２４に供給される。そして、水回収装置２４から排出された排ガス４２を排ガス再加熱器３９に戻すことで、外部に排出する排ガス４３に白煙の発生を防止することが可能である。なお、圧縮機１とタービン２とは中間軸により連結され、タービン２により発生した軸動力を電力に変換する発電機４も圧縮機１の回転軸に連結されている。

次に、水の循環系統について説明する。排ガス４０を冷却し水分を回収する水回収装置
２４に水を供給するために、本ガスタービンプラントは水を補給する水タンク４４を備え
る。水タンク４４から供給される水は冷却器４５に供給され、水が冷却される。水回収装
置２４は、この冷却された冷却水４１で排ガス再加熱器３９から排出された排ガス４０を
冷却し湿分を凝縮させて水分を回収する。また、水回収装置２４から排出された水は再び
冷却器４５に供給されるとともに、ガスタービンに供給するために水を前処理する水処理
装置４６にも供給される。水処理装置４６により処理された水２２は、大気２１に水２２
を噴霧し湿分空気５ａを生成する混合器２０と、高圧空気２３を冷却する冷却器２７とに
供給される。そのため、混合器２０に供給された水は湿分空気５ａに注入され、圧縮機１
に供給される。一方、冷却器２７に供給された水は冷却器２７で加熱され、加熱された水
２８が加湿器２５に供給される。この加湿器２５では冷却器２７から供給された高圧空気
２３に加湿するために水２８を使用し、使用後の水は再び冷却器２７に供給されるととも
に、給水加熱器２９にも供給される。給水加熱器２９では、再生器３３で熱回収した後の
排ガス３７を熱源とし加湿器２５から排出された給水循環系の水３０を加熱して加熱水を
生成する。この加熱水を加湿器２５に供給する。このように加湿器２５には、冷却器２７
からだけではなく給水加熱器２９からも加熱された水が加湿器２５に供給されている。

このように、圧縮機１から抽気された高圧空気２３に湿分を追加すると空気流量が増加
する。そのため、シンプルサイクル用に設計されたガスタービン（ベース機）より高湿分
利用サイクル用のガスタービンを製造する場合、追加した湿分によりタービン流量が多く
なりガスタービン出力が増加する。ガスタービン出力が増加すると、軸受，軸系，発電機
などを変更する必要が生じる。またタービン流量が増加するため、タービンと中間軸で連
結された圧縮機も作動圧力比が上昇しサージマージンが減少する。なお圧縮機は吸込んだ
流体を昇圧する機械であり昇圧前後の圧力の比を圧力比と呼ぶ。そして、サージマージン
とはサージング現象が発生する圧力比と実際の運転点の圧力比との間の余裕のことである
。サージング現象とは、圧力比を上げていくと、ある圧力比において急に強い音響を伴う
圧力と流れの激しい脈動と機械の振動を引き起こし運転が不安定になる現象である。つま
り、ベース機における圧縮機の作動圧力比やガスタービン出力を大幅に変えずに、高湿分
利用サイクル用のガスタービンを製造する必要が生じる。

ここで、各ガスタービンサイクルにおける流量バランスについて説明する。

図１３に示すように、シンプルサイクルガスタービンでは、圧縮機１が吸入した空気
（大気２１）を圧縮して高圧空気２３を生成し、生成された圧縮空気を燃焼器３に流入させ、燃焼器３で燃料９と混合燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを生成する。その燃焼ガス３６は、タービン２に流入し、タービン２を回転駆動させて、タービン２に連結された発電機で発電する。このようなシンプルサイクルガスタービンにおけるタービンと圧縮機の流量バランスは、タービンの作動流量を１００％とした場合、圧縮機の作動空気流量９８％、燃焼器で供給される燃料流量２％となる。

図１４は、シンプルサイクル用に設計されたガスタービンから高湿分利用サイクル用のガスタービンを製造する場合の流量バランスを示す。圧縮機１から抽気された高圧空気に湿分を加えた後、再生器３３を介して燃焼器３に導入するので、空気流量が２０％増加する。この空気流量の増加を考慮して、圧縮機の吸込み流量を７８％になるように圧縮機を設計するのが信頼性の観点および製造コストの観点から最良である。これにより、タービンの流量の増加や、ガスタービンの出力の増加がないので、ガスタービンの軸受，軸系，発電機などを変更する必要がない。そして、圧縮機のサージマージンを確保できる。また、高温部品であるタービンをベース機と同じにできるので、製造コストの低減および製造工程の短縮が可能であり、信頼性を確保できる。また、燃焼器において燃料流量がベース機と共有化できるため、燃料系統の補機配管も変更する必要がない。

そこで、シンプルサイクル用に設計されたベース機の圧縮機より作動流量を変化させる
方法として、圧縮機の前側段を削除又は追加する方法がある。例えば、作動流量を減らす
場合、圧縮機の前側段を削除する。しかし、圧縮機の作動圧力比を合わせるために後側段
を多数追加する必要があり、コストが増加するという問題がある。また、削除する前側段
の段数により作動流量は決定するため、高湿分利用サイクルで必要な作動流量に必ずしも
ならない。次に、圧縮機の途中段や吐出孔から抽気して、タービンに導入される作動流量
を減少させる方法が考えられる。しかし、動力を使って圧縮した作動流体を捨てることに
なるためガスタービン全体の熱効率が低下するという問題がある。また、圧縮機の途中段
から抽気すると抽気段前後におけるマッチングがずれて圧縮機効率が低下するという問題
もある。次に、スケールを変えるという方法もある。例えば、圧縮機の作動流量を減らす
場合、ベース機に対し流量減少分の平方根のスケールで圧縮機を製造すればよい。しかし
、この方法ではベース機と部品，図面の共有化ができないという問題がある。

以下、本実施例にかかるガスタービンの製造方法について説明する。図６にはシンプル
サイクルのガスタービンプラントを示す。シンプルサイクルでは、空気５（流体）を圧縮
して吐出する圧縮機１，圧縮機１により圧縮された圧縮空気を燃焼用流体とし、この燃焼
用流体と燃料とを混合燃焼させる燃焼器３，燃焼器３の燃焼ガスにより回転駆動されるタ
ービン２を備える。発電用の場合、タービン２は連結された発電機４を回転させる。

このようなシンプルサイクル用に設計された圧縮機１，燃焼器３，タービン２を備えた
ベース機より高湿分利用サイクル用のガスタービンを製造する場合について説明する。図
１１に示すように、湿分を利用した高効率なサイクルである高湿分利用サイクルでは、圧
縮機１に供給する大気２１に加湿した湿分空気５ａを圧縮機１で圧縮する。次に、圧縮機
１から抽気された高圧空気２３に湿分を加えた後、燃焼器３に導入する。既に設計された
ベース機より高湿分利用サイクル用のガスタービンを製造する場合、高圧空気２３に追加
した湿分によりタービン２の作動流量が２０％だけ増加する。そのため、ガスタービン出
力が増加し発電機４などを変更する必要が生じる。さらに、タービン２に増加した作動流
量を流すため、圧縮機１の作動圧力比が上昇しサージマージンが減少する。

また、タービン２の部品は１３５０℃といった高温で作動するため、信頼性の観点から
実績のあるベース機をほぼそのまま流用することが望ましい。製造コストの観点でも、タ
ービン２は圧縮機１に比べて製造コストが高い。そのため、シンプルサイクル用に設計さ
れたベース機より高湿分利用サイクルを製造する場合、出来るだけタービン２を変更せず
圧縮機１の変更のみにすることが重要である。そこで圧縮機の作動圧力比やガスタービン
出力を大幅に変えないためには、タービン２に導入される燃焼ガス３６の流量をベース機
からあまり変えないようにする必要がある。このため、圧縮機１の作動流量をベース機よ
り小さくする必要が生じる。そこで、本実施例のように圧縮機１の流路を通過する流体の
作動流量を減少させるように圧縮機１の流路を形成することで、タービン２を変更する必
要がなくなる。そのため、タービンの信頼性を維持したままで、湿分利用サイクル用のガ
スタービンを製造することが可能である。また、タービン２を一から設計する必要がない
ため、製造コストを抑えることもできる。

ここで圧縮機１の構造を説明する。図１は、圧縮機流路の上半分を表した概要図である
。通常、圧縮機の静翼と動翼とは複数段であるが、図１では中間部の静翼と動翼とは省略
している。そして、静翼と動翼とを省略した圧縮機流路を点線で表記する。図２は、圧縮
機１を回転軸方向から見た場合の図であり、図１のＸ−Ｘ断面図である。圧縮機１は、タ
ービン２と同じ回転軸で回転する圧縮機ロータと、その回転する圧縮機ロータに植設され
た動翼１３と、動翼１３の前後間に位置し外側のケーシングに固定された静翼１４とで構
成される。そしてシンプルサイクル用に設計されたガスタービンをベース機とした場合、
流体である空気５が通過する圧縮機１の流路は圧縮機ロータの外周面である内面１２とケ
ーシングの内周面である外面１１ａとで形成される。本実施例では、圧縮機１の入口にお
ける回転軸中心から内面１２までの距離は５５０mmであり、圧縮機１の入口における回転
中心から外面１１ａまでの距離は３１５mmである。即ち、圧縮機１の流路は内面１２と外
面１１ａとで形成された円環形状である。そして、本実施例ではシンプルサイクル用に設
計されたベース機における圧縮機１の流路断面積を０.１４ｍ²だけ減少させている。この
ように圧縮機の回転軸方向における流路断面積を減少させるために、本実施例では圧縮機
回転中心から外面１１ａまでの半径距離を４２mmだけ減少させて外面１１ｂに変更する。
圧縮機１の回転中心から外面１１ｂまでの距離は５０８mmである。

ここで、シンプルサイクル用に設計されたベース機より高湿分利用サイクルのガスター
ビンを製造する時の減少量ａについて説明する。減少量ａは、外面１１ａの圧縮機回転中
心からの半径距離を減少させることによる流路断面積の減少分が圧縮機１を流れる作動流
量の減少分と同程度になるように設定する。図１０はシンプルサイクル用に設計されたベ
ース機より高湿分利用サイクル用のガスタービンを製造したときに、圧縮機１に流れる作
動流体流量と作動圧力比との関係を表している。なお、シンプルサイクル用に設計された
圧力比２０の圧縮機１に流れる作動流体流量を１とする。高湿分利用サイクルにおいて、
ベース機と同じ圧力比では圧縮機１の作動流量が減少し、圧力比を大きくすると作動流量
が増加しベース機の作動流量に近づいている。本実施例では、前述のようにシンプルサイ
クルと高湿分利用サイクル間で圧縮機１の作動圧力比はほぼ同じである必要がある。圧縮
機の作動圧力比が増加すると圧縮機１のサージマージンが減少するという問題があるため
である。そのため、シンプルサイクル用に設計されたベース機より高湿分利用サイクル用
のガスタービンを製造する場合、圧縮機の作動流量はシンプルサイクルの０.７８ 倍にな
る。したがって、圧縮機の流路断面積も０.７８ 倍に設定する。この流路断面積の減少を
圧縮機回転軸方向から見た場合、シンプルサイクル用に設計された圧縮機の流路断面積は
円環形状の断面積Ａだけ減少する。この減少分は、作動流体の減少分である０.２２ に相
当する。以上より、
（高湿分利用サイクルの流体流量）／（シンプルサイクルの流体流量）
＝（高湿分利用サイクルの流路断面積）／（シンプルサイクルの流路断面積）
＝０.７８ （式１）
の関係となる。したがって、圧縮機回転中心からの半径距離を減少させる減少量ａはこの
流路面積の倍率と回転中心から内面までの寸法から決定できる。なお、製造するプラント
によってはベース機からの抽気量が変化する場合がある。しかし、圧縮機の作動流量の変
化も考慮して流路断面積を変化させるように圧縮機回転中心から外面１１ａまでの半径距
離を減少させる減少量ａを決定するとよい。また、作動流量の変化があまり大きくない場
合は、後段側では減少量ａが小さくてよく、外面を変えなくてもあまり影響がない場合が
ある。このような場合は、前段側のみ圧縮機回転中心から外面１１ａまでの半径距離を減
少させ後段側はベース機から変えなくて良い。

また、図１はベース機と同様の段において流路を形成する内面と外面を形成する線分に
折点を設けた例である。なるべく線分を多くし、作動流量変化と流路断面積変化が段によ
りずれないことが望ましい。

本実施例のように圧縮機の回転中心から外面１１ａまでの半径距離を減少させて外面
１１ｂとすることで、ロータなど内面側の部品を共用することが可能である。また、外面
側の部品であるケーシングはベース機と素材を共用し削り量を少なくすることで圧縮機の
作動流量を削減したガスタービンプラントに対応できる。そして、ベース機からの変更を
最小限に抑えることが可能である。また、圧縮機の内面と外面との距離を異ならしめるこ
とで圧縮機の作動空気量を変化させることができるため、高湿分利用サイクルに適した吸
込み流量を達成する圧縮機を新規に開発する必要がない。そして、圧縮機の変更を最小限
に抑えることが可能である。また、既に設計された実績ある圧縮機をベースとして利用し
て、図１２のように作動範囲が狭く空力設計が困難な圧縮機の開発リスクを回避すること
が可能である。図１２は、圧縮機の作動範囲が可能な領域を表した図である。横軸が流入
角を表し、縦軸が損失係数を表す。図より、損失係数が低く圧縮機を作動させることが可
能な作動範囲は非常に狭い区間であることが分かる。次に、一から開発する場合に比べ開
発コストを削減できる。さらに、ベース機の圧縮機と部品の共用を図ることが可能になる
。

以上のように、圧縮機の回転中心から外面１１ａまでの半径距離を減少させて外面11ｂとすることで、ロータなど内面側の部品を共用することが可能であるため、製造工程を短縮できる。そして、圧縮機ロータ構造をベース機と共有化しているので、信頼性も向上できる。さらに、燃料が供給される燃焼器の燃料系統である補機配管が、ベース機と共有化できるため、製造コストの低減に繋がる。

次に、圧縮機１の流路面積減少に伴う翼形状の変更方法について説明する。図８，図９
は、シンプルサイクル用に設計されたベース機における圧縮機の静翼と動翼より高湿分利
用サイクル用のガスタービンを製造する場合の翼形状の変更方法である。本実施例では、
ベース機における圧縮機翼の一部を削除している。具体的には、圧縮機回転中心から外面
１１ａまでの半径距離を減少させて作動流量を削減する場合、図８のように動翼は外面側
の翼先端部分を削除し、静翼は外面側の翼付根部分を削除する。通常、タービンでは高温
の燃焼ガスが流通するため、タービン翼は精密鋳造で製造されている。そのため、翼形状
を変更すると、一から翼を設計しなおす必要がある。しかし、圧縮機の場合、圧縮機翼は
一つの部材を削り出して製造あるいは鍛造により製造している。そのため、翼の一部分を
削除するように製造することは比較的容易である。したがって、短時間にシンプルサイク
ル用の圧縮機翼を製造することが可能である。

そして、この削除する翼部の長さは、前述の減少量ａとほぼ同じである。翼形状をこの
ように変更することで、圧縮機の回転中心からの半径距離が等しいＹにおいて、シンプル
サイクルの圧縮機翼断面と高湿分利用サイクルの圧縮機翼断面とがほぼ同じに保たれる。
圧縮機の回転中心からの半径距離が同じ位置で翼断面形状が異なるサイクル間で同じであ
れば、その断面において周速，速度三角形が同じになる。そのため、圧縮機の軸流速度が
同じになりその断面の流量が同じになる。つまり効率などの圧縮機性能はあまり変わらず
、削減・拡大した流路の分だけ流量を増減させることが可能である。

ここで、速度三角形について説明する。図７は、動翼列１３ａがある一定方向に回転す
る場合の速度三角形を示す。軸流圧縮機は多段で構成され、各段は動翼と静翼で構成され
る。ある１つの翼の入口・出口において、絶対速度ベクトル１５，相対速度ベクトル１６
，周速ベクトル１７を構成し、これら３つのベクトルで構成される三角形を速度三角形と
称する。ここでは簡単のため、吸込み温度が不変であり回転数が一定で周速も一定と仮定
して説明する。一般的に、軸流圧縮機では翼が作動する流入角の範囲は狭いため速度三角
形の形は大きく変わらない。このため、翼が同じで圧縮機回転中心からの半径距離も同じ
であれば、その断面において周速，速度三角形が同じになる。したがって、軸流速度が同
じになりその断面の流量が同じになる。実際は全段のマッチングにより各段の速度三角形
は調整され、全段がマッチングする流量で作動する。したがって、本実施例のように圧縮
機の吸込み流量をベース機から変更するためにベース機の流路を削減・拡大する方法では
、流路の大部分において翼がベース機と同じである。そのため、各断面の速度三角形がベ
ース機からずれないので、効率などの性能はあまり変わらず、削減・拡大した流路の分だ
け流量が増減させることが可能である。

なお、ベース機より削減・拡大した流路の部分により流れ場が変わることを考慮して、
ベース機の翼を調整して利用するのでもよい。例えば、翼の先端，付根付近の断面をねじ
ることにより２次流れを制御するなどである。また、本実施例では圧縮機回転中心から外
面１１ａまでの半径距離を減少させて流量を削減する場合、動翼の翼先端を削除している
。しかし、静翼は外面側の翼付根部分を削除するのではなく、翼付根からの形状を変更せ
ずに、内面側の翼先端部を減少量ａだけ削除する方法も考えられる。しかしこの方法では
、動翼は圧縮機回転中心からの半径距離が等しい各断面がベース機と同じであるのに対し
て、静翼ではベース機と異なるため性能が低下する。なお、翼長が変化することで翼の固
有振動数が変化するため、共振回避設計を再度行う必要はある。

また、シンプルサイクル用に設計されたベース機より、低カロリーの高炉ガス燃焼ガス
タービンを製造する場合もベース機より燃料流量が多くなる。そのため、ベース機に比べ
相対的に圧縮機流量よりタービン流量が多くなる。したがって、圧縮機の作動圧力比とガ
スタービン出力を大幅に変えないためには、タービン２の流量をベース機からあまり変え
ず、実施例１などの方法で圧縮機１の作動流体をベース機より小さくする必要が生じる。

低カロリーの高炉ガス燃焼ガスタービンとは、製鉄所で発生する高炉ガスをガスタービンの燃料として用いて、発電するシステムである。図１７に示すように、製鉄所で発生する高炉ガス４７といった副生ガスをブースタ圧縮機４８で圧縮し、この昇圧した高炉ガスを燃料５０として燃焼器３へ導入し、そして、燃焼器において圧縮機１で圧縮された高圧空気２３と燃料５０と混合し燃焼させ、発生する高温ガス３６でタービン２を動かし、このタービン２で得られる軸動力で発電機を回して発電するシステムである。

ここで使用される高炉ガスは発熱量が低いため、所定のタービン出力を得るためには、ガスタービンの燃料として高炉ガスが多量に要求される。また、圧縮機で昇圧された空気と混合し、燃焼器で所定の高温高圧ガスを得るためには、燃焼器へ導入される高炉ガスをブースタ圧縮機などで事前に昇圧する必要が生じる。

シンプルサイクル用に設計されたベース機から、低カロリーの高炉ガス燃焼ガスタービンを製造する場合では、ベース機より燃料流量が３０〜４０％程度多くなる。そのため、ベース機に比べて、相対的に圧縮機流量よりタービン流量が多くなる。したがって、圧縮機の作動圧力比とガスタービンの出力を大幅に変えないためには、タービンの流量をベース機からあまり変えずに、圧縮機の作動空気流量をベース機より小さくする必要がある。このような低カロリーの高炉ガス燃焼ガスタービンでは、燃料流量が多くなり、燃料系統の配管をベース機から大きい配管径に変更する必要がある。また、高炉ガスを昇圧するためのブースタ圧縮機などの補機も必要となる。

さらに、排気再循環ガスタービンで圧縮機１の吸込みに再循環するのではなく別置圧縮
機で昇圧し燃焼器３に入れるタイプの場合、シンプルサイクル用に設計されたガスタービ
ンをベース機とする場合、実施例１などの方法で圧縮機１の吸込み空気を減らすか、燃焼
器３へ再循環する量を減らす必要がある。燃焼器３へ再循環する量を減らす方法では、再
循環の効果が少なくなる。そのため、実施例１の方法が有効である。

図３は実施例２における圧縮機流路の上半分を示す。図３も図１と同様に圧縮機中段部
の流路は点線で表記する。実施例２は実施例１と同様に任意のガスタービンサイクル用に
設計された圧縮機１，燃焼器３，タービン２を備えたベース機より異なるガスタービンサ
イクル用のガスタービンを製造する場合に、圧縮機１の作動流量を削減している。本実施
例では、圧縮機の回転中心から内面１２ａまでの半径距離をｂだけ増加させて内面１２ｂ
とすることで圧縮機１の作動流量を削減している。この場合、圧縮機ロータなど内面側の
部品は共用できないが、ケーシングなど外面側の部品を共用することが可能である。

なお、圧縮機１の作動流量を削減する場合、実施例１のように圧縮機の回転中心から外
面までの半径距離を減少させたり、実施例２のように圧縮機の回転中心から内面までの半
径距離を増加させるのではなく、圧縮機の回転中心から外面までの半径距離を減少させる
と同時に圧縮機の回転中心から外面までの半径距離を増加させてもよい。内面又は外面の
片側のみで作動流量を削減する場合に比べ、圧縮機流路の内面，外面それぞれの変化量が
小さくなる。そのため、圧縮機流路壁による２次流れのベース機からの変化を小さくする
ことが可能である。なお、作動流量を削減させるため流路面積を削減するが、圧縮機の回
転中心から内面までの半径距離，圧縮機の回転中心から外面までの半径距離の両方を下げ
る方法もある。

図４は実施例３における圧縮機流路の上半分を示す。図４も図１と同様に圧縮機中段部
の流路は点線で表記する。実施例３は実施例１と逆に任意のガスタービンサイクル用に設
計された圧縮機１，燃焼器３，タービン２を備えたベース機より異なるガスタービンサイ
クル用のガスタービンを製造する場合に、圧縮機１の作動流量を増加させている。そのた
め、本実施例では圧縮機の回転中心から外面１１ａまでの半径距離をｃだけ増加させ、外面１１ｂにすることで、圧縮機１の作動流量を増加させている。圧縮機流路を拡大した部分の動翼１３ｂの周速が大きいため翼負荷が軽くなる効果があり、効率は若干上昇する。また、外面１１ｂ側の部品であるケーシングはベース機と素材を共用し削り量を多くすることで流量を増加したガスタービンに対応できる。そのため、ベース機からの変更は少ない。

また、開発中のガスタービン出力を増加させるために、圧縮機１の吸込み流量を増加さ
せる場合が考えられる。この場合、本実施例のように圧縮機の回転中心から外面までの半
径距離を増加させることで、効率などの性能を変えずに圧縮機の作動流量を増加させるこ
とができる。

図５は実施例４における圧縮機流路の上半分を示す。図５も図１と同様に圧縮機中段部
の流路は点線で表記する。実施例４は、実施例３と同様に圧縮機１の作動流量を増加する
場合の例であり、圧縮機の回転中心から内面１２ａまでの半径距離をｄだけ減少させ内面１２ｂにすることで圧縮機１の作動流量を増加させている。本実施例は、ケーシング１１を共用する必要がありかつベース機のケーシングの厚みが少ないため実施例３の方法が採用できない場合にも、圧縮機１の作動流量を増加させることが可能である。

また圧縮機１の作動流量を増加する場合、実施例３のように圧縮機の回転中心から外面
までの半径距離を増加させたり、実施例４のように圧縮機の回転中心から内面までの半径
距離を減少させるのではなく、圧縮機の回転中心から外面までの半径距離を増加させると
同時に圧縮機の回転中心から外面までの半径距離を減少させてもよい。内面又は外面のみ
で作動流量を増加させる場合に比べ、圧縮機流路の内面，外面それぞれの変化量が小さく
なる。そのため、圧縮機流路壁による２次流れのベース機からの変化は小さくなる。なお
、作動流量を増加させるため流路断面積を増加させるが、圧縮機の回転中心から内面まで
の半径距離，圧縮機の回転中心から外面までの半径距離の両方を減少させる方法もある。
この場合、圧縮機回転中心から外面までの半径距離のみを増加させる場合よりも半径距離
を更に増加させる必要があるが、平均周速が上がるので翼負荷が小さくなり効率を上昇さ
せることが可能である。

図１５，図１６に軸流圧縮機１における圧縮機流路の上半分の断面構造を示す。圧縮機流路は、タービンと同じ回転軸で回転する圧縮機ロータ８と、圧縮機ロータ８の外周側の静止体側であるケーシング７から構成される環状の流路であり、その圧縮機流路の内面
１２には、回転する圧縮機ロータに植設された動翼１３と、動翼１３の前後間に位置し、圧縮機流路の外面１１であるケーシングに固定された静翼１４が取り付けられている。多段軸流圧縮機の段は、回転軸に取り付けられた１対の動翼１３とケーシングに取り付けられた静翼１４からなり、空気（大気）を吸入し、各段により空気を圧縮して、所定の圧力まで空気を圧縮し、高圧空気を生成する。

図１５は図１を詳細に示したものである。なお、流路が直線の場合について記載しており、特に図１５は圧縮機１の最終段付近の４段を示し、圧縮流体６はシンプルサイクルガスタービンでは燃焼器３に導かれる。静翼１４はケーシング５２にダブティル５１を用いて取り付けられている。動翼１３はディスク５３にダブティル５１を用いて取り付けられている。ただし、図１５の面では動翼１３のダブティル５１は見えないので図示していない。シンプルサイクル用に設計されたベース機の流路の外面１１ａは、高湿分利用サイクルのガスタービンを製造する場合に、圧縮機の回転中心から外面１１ａまでの半径距離を減少させて外面１１ｂとする。図１５（２）は回転軸に垂直な円筒面からみた図であり、外面１１ａの高さＨ０を外面１１ｂの高さＨ１まで削減している。このとき静翼１４の翼部を削減してダブティル５１の位置を下げるが、静翼１４のＨ１までの翼部はベース機のＨ１までの翼部の形状と変えないようにすると、前述のようにシンプルサイクル用に設計されたベース機と高湿分利用サイクルのガスタービンとで翼断面の速度三角形が同等に保たれる。

図１６は図２を詳細に示したものである。図１５と同様に流路が直線の場合について記載しており、特に図１６は圧縮機１の最終段付近の４段を示している。シンプルサイクル用に設計されたベース機の流路の内面１２ａは、高湿分利用サイクルのガスタービンを製造する場合に、圧縮機の回転中心から内面１２ａまでの半径距離を増加させて内面１２ｂとする。図１６の場合は動翼１３の翼部を削減してダブティル５１の位置を上げるが、削減されず残った翼部は図１５と同様にベース機と変えないようにすると、前述のようにシンプルサイクル用に設計されたベース機と高湿分利用サイクルのガスタービンとで翼断面の速度三角形が同等に保たれる。

実施例１の圧縮機流路の上半分を表した概要図（作動流量を削減する場合）。 図１のＸ−Ｘ断面図。 実施例２の圧縮機流路の上半分を表した概要図。 実施例３の圧縮機流路の上半分を表した概要図。 実施例４の圧縮機流路の上半分を表した概要図。 シンプルサイクルガスタービンの基本構成図。 速度三角形の概要図。 動翼における変更方法の概要図。 静翼における変更方法の概要図。 シンプルサイクルより高湿分利用サイクルを製造した場合の圧縮機流量を表した図。 高湿分利用サイクルの系統図。 圧縮機の作動範囲を表した図。 シンプルサイクルの流量バランスを示す図。 高湿分利用サイクルの流量バランスを示す図。 図１の圧縮機の上半分流路断面図。 図２の圧縮機の上半分流路断面図。 低カロリーの高炉ガス燃焼ガスタービンの流量バランスを示す図。

符号の説明

１…圧縮機、２…タービン、３…燃焼器、４…発電機、５…空気、６…圧縮流体、11ａ，１１ｂ…外面、１２ａ，１２ｂ…内面、１３…動翼、１４…静翼、１５…絶対速度ベクトル、１６…相対速度ベクトル、１７…周速ベクトル、２１…大気、２２…水、２３…高圧空気、５１…ダブティル、５２…ケーシング、５３…ディスク。

Claims (8)

1. 任意のガスタービンサイクル用に設計された、静翼を固定するケーシングの内側で流体
   を圧縮する圧縮機を備えたガスタービンであるベース機より、異なるガスタービンサイク
   ル用のガスタービンを製造するガスタービンの製造方法であって、
   前記圧縮機の流路を通過する流体の流量を異ならしめるように前記圧縮機の流路を形成
   することを特徴とするガスタービンの製造方法。
2. 任意のガスタービンサイクル用に設計された、静翼を固定するケーシングの内側で流体
   を圧縮する圧縮機を備えたガスタービンであるベース機より、異なるガスタービンサイク
   ル用のガスタービンを製造するガスタービンの製造方法であって、
   前記圧縮機の流体の流路は、内面を圧縮機ロータの外周面とし、外面をケーシングの内
   周面とし、
   前記ベース機と比較して前記内面と外面との距離を異ならしめることを特徴とするガス
   タービンの製造方法。
3. 請求項２記載のガスタービンの製造方法であって、
   前記圧縮機の回転軸方向における流路断面積を異ならしめることを特徴とするガスター
   ビンの製造方法。
4. 請求項２記載のガスタービンの製造方法であって、
   前記圧縮機の回転軸中心から外面までの半径距離を減少又は増加させること、若しくは、前記圧縮機の回転軸中心から内面までの半径距離を減少又は増加させることを特徴とするガスタービンの製造方法。
5. 請求項２記載のガスタービンの製造方法であって、
   前記圧縮機の回転軸中心からの半径距離が等しい翼断面における速度三角形をほぼ等し
   くさせることを特徴とするガスタービンの製造方法。
6. 請求項２記載のガスタービンの製造方法であって、
   前記圧縮機の回転軸中心から外面までの半径距離を減少させた減少量とほぼ同じ長さの
   動翼先端部又は静翼付け根部を削除することを特徴とするガスタービンの製造方法。
7. 任意のガスタービンサイクル用に設計された、静翼を固定するケーシングの内側で流体
   を圧縮する圧縮機を備えたガスタービンであるベース機より、異なるガスタービンサイク
   ル用のガスタービンを製造する時のガスタービンであって、
   前記圧縮機の流体の流路は、内面を圧縮機ロータの外周面とし、外面をケーシングの内
   周面とし、
   前記ベース機と比較して前記圧縮機の回転方向に対する流路断面積の減少分が圧縮機を
   流れる作動流量の減少分と同程度であることを特徴とするガスタービン。
8. シンプルサイクル用に設計されたガスタービンの圧縮機から抽気する高圧空気を加湿した後、再生器を介して燃焼器に導入する高湿分利用サイクル用のガスタービンの製造方法であって、
   前記加湿により燃焼器へ導入する空気流量の増大した分だけ、圧縮機の吸い込み流量を減少させることを特徴とする高湿分利用サイクル用のガスタービンの製造方法。
   

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