JP2013072418A

JP2013072418A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2013072418A
Application number: JP2011214294A
Authority: JP
Inventors: Walker Thomas; トーマスウォーカー
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-22

Abstract

【課題】ストールマージンを増大させ、運転効率向上を図ることが可能な圧縮機を提供する。
【解決手段】回転軸１７とともに軸線Ｐ回りに回転する動翼１１と、動翼１１の径方向外側に配置されて動翼１１のチップ１１ａとの間で間隙Ｇを形成するケーシング１６とを備える圧縮機１において、ケーシング１６の内面における動翼１１のチップ１１ａの軸線Ｐ方向範囲に対応する部分に、動翼１１の後段から抽気した圧縮空気Ｗを下流側に噴出する開口部２１ａが形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、動翼先端付近におけるストール及びサージ発生の回避手段を備えた圧縮機に関するものである。

従来から、軸流式の圧縮機等の回転機械においては一定の作動状態において、動翼先端付近にストール（失速）が発生し、これによって、空気等の被圧縮流体の流れ全体にサージが引き起こされることが知られている。そしてこのストール及びサージによって回転機械の運転効率が低下し、安全性の問題の発生も懸念されている。

また、このストールの発生を回避するためには運転圧力比を抑える必要があるが、その一方で、回転機械の運転効率をさらに向上するためには、運転圧力比を高める必要がある。従って、ストールの発生を抑制しながら、運転圧力比を高めて運転効率を向上するためには、上記回転機械のストール線と作動線との間隔を広げ、ストールマージンを増大させることが必要となる。

このようにストールマージンを増大させる手法は、種々の特許文献に開示されている。例えば特許文献１には、翼の後縁側において被圧縮流体である主流空気から一部の空気を取り出し、この空気を翼のケーシングに設けられた通路を通じて該翼の前縁側の主流空気内へ戻す手法が開示されている。即ち、特許文献１では、翼の前縁側と翼の後縁側との間を空気の流れが自然循環して流通するようになっている。これにより、前縁側と後縁側との間に発生するストールセル（失速域）における空気の流れを増速し、ストールマージンを増大させている。

特許第３７８９１２８号公報

しかしながら、上記公知のストールマージン増大の手法は、特許文献１に開示されているような循環方式によるものとなっているため、ストールセルへの被圧縮流体の噴出流量や噴出角度等は、被圧縮流体の主流流量等の条件に影響を受けてしまう。そのため、調節が難しく、ストールセルへ被圧縮流体を確実に噴出して、ストール及びサージの発生をより確実に回避することが難しいという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ストールマージンを増大させ、運転効率向上を図ることが可能な圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。即ち、本発明に係る圧縮機は、回転軸とともに軸線回りに回転する動翼と、該動翼の径方向外側に配置されて該動翼のチップとの間で間隙を形成するケーシングとを備える圧縮機において、前記ケーシングの内面における前記動翼のチップの軸線方向範囲に対応する部分に、前記動翼の後段から抽気した圧縮空気を下流側に噴出する開口部が形成されていることを特徴とする。

このような圧縮機においては、動翼の後段からの抽気を用いて圧縮空気を噴出する。この際、抽気した圧縮空気の噴出流量や噴出角度が圧縮機内の圧縮空気の主流流量等の条件に影響を受けないため、圧縮空気の噴出流量や噴出角度を容易に調節できる。従って、これら動翼のチップ（動翼先端）付近の軸線方向範囲に発達するストールセルの発生領域に対して圧縮空気をより確実に噴出することができる。

また、本発明に係る圧縮機は、回転軸とともに軸線回りに回転する動翼と、該動翼の径方向外側に配置されて該動翼のチップとの間で間隙を形成するケーシングとを備える圧縮機において、前記ケーシングの内面における前記動翼のチップの軸線方向範囲に対応する部分に、前記ケーシングの外部において生成した圧縮空気を下流側に噴出する開口部が形成されていることを特徴とする。

このような圧縮機においては、ケーシングの外部で、任意の圧力及び流量の圧縮空気を別途生成することができ、圧縮空気の噴出流量や噴出角度の調節がさらに容易となる。従って、ストールセルに対してこの圧縮空気をさらに効果的に噴出することができ、ストール及びサージの発生の抑制を行い、ストールマージンの増大による圧縮機の運転効率向上を達成できる。

さらに、前記開口部が、前記ケーシングの内面における前記動翼の前縁から下流側に向かって該動翼のチップの軸線方向の寸法の０％以上５０％以内の範囲に設けられていてもよい。

動翼のチップにおける前縁から下流側に向かって軸線方向（または翼弦方向でもよい）の寸法の約４０％から約５０％の位置においてストールセルが発生するため、上記開口部がチップにおける前縁から軸線方向寸法の０％以上５０％以内の範囲に設けられていることによって、ストールセル発生領域に対して確実に圧縮空気を噴出することができ、ストールセルにおける圧縮空気の流れを増速し、ストールマージンを増大することによって、圧縮機の運転効率向上を達成できる。

また、前記開口部が、前記ケーシングの内面における前記動翼の前縁から下流側に向かって、該動翼のチップの軸線方向の寸法の１０％以上３０％以内の範囲に設けられていてもよい。

上記開口部が、動翼のチップにおける前縁から下流側に向かって軸線方向（または翼弦方向でもよい）の寸法の１０％以上３０％以内の範囲に設けられていることによって、チップにおける前縁から軸線方向寸法の約４０％から約５０％の位置のストールセル発生領域にさらに確実に圧縮空気を噴出することができる。従って、ストールマージンをさらに増大し、圧縮機のさらなる運転効率向上を達成することが可能となる。

さらに、前記開口部が、前記動翼のチップの軸線方向範囲内に発生するストールセルに向けて前記圧縮空気を噴出する角度で形成されていてもよい。

開口部からの圧縮空気の噴出角度を調節することによって、目的とするストールセル発生領域に向けて範囲に圧縮空気を確実に噴出することができる。従って、動翼のチップの軸線方向範囲内に発生するストールセルの増速効果をさらに向上し、ストールマージンをさらに増大し、圧縮機のさらなる運転効率向上を達成できる。

本発明の圧縮機によれば、ストールセルに対して、抽気による圧縮空気を噴出することによって、確実にストールマージンを増大させることが可能となり、圧縮機の運転効率向上を達成できる。

本発明の実施形態に係る圧縮機の要部を簡略化して示す図である。本発明の実施形態に係る圧縮機の抽気の様子を模式的に示す図である。本発明の実施形態に係る圧縮機の動翼チップにおいてストールの発生状況を示した解析結果であって、動翼チップをケーシング側から見た図である。また（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る圧縮機１について説明する。
軸流式の圧縮機１は、例えばガスタービン等に設置されて、動翼１１の揚力を用いて空気を圧縮することによって圧縮空気Ｗを生成するものである。なお、ガスタービンにおいては、この圧縮空気Ｗと燃料とを混合、燃焼して生成された燃焼ガスによって、タービンを回転させ回転動力を得るようになっている。

図１に示すように、圧縮機１は、軸線Ｐ回りに回転する動翼１１と、動翼１１の下流側に配置される静翼１３と、動翼１１の上流側に配置されるインレットガイドベーン１２と、これら構成部品を径方向外側から覆うケーシング１６と、ケーシング１６の径方向内側を向く面に設けられる噴出装置１４とを備えている。
さらに、圧縮機１は、図２に示すように噴出装置１４に接続される抽気装置１５を備えている。

動翼１１は、回転軸１７から径方向外側に向かって突出するように、周方向に一定の間隔を空けて複数設けられ、回転軸１７と共に軸線Ｐ回りに回転可能とされている。またこの動翼１１は、周方向を向く一方側面となる背面が凸状に形成され、他方側面となる腹面が凹状に形成される翼部材であり、周方向に隣接する動翼１１同士の間には空気の流通する流路が形成されている。そして、この流路において、動翼１１の前縁１１ｂに対応する軸線Ｐ方向位置から動翼１１の後縁１１ｃに対応する軸線Ｐ方向位置へ向かって空気が流通する際に発生する揚力によって、空気が圧縮されて圧縮空気Ｗが生成されるようになっている。

静翼１３は、動翼１１と同様な翼部材であり、動翼１１同士の間の上記流路を通過した空気の流通方向を調節し、圧縮空気Ｗを後段の動翼１１に効率よく流入させるものである。また、この静翼１３は、ケーシング１６の径方向内側を向く面から突出するように周方向に一定の間隔を空けて複数設けられている。
なお、図２に示すように、動翼１１及び静翼１３は、複数の動翼１１と静翼１３とが軸線Ｐ方向に交互に配置された多段構成となっている。

インレットガイドベーン１２は動翼１１や静翼１３と同様な翼部材であり、ケーシング１６の径方向内側を向く面から突出するように設けられ、圧縮機１の入り口において流入した空気に、動翼１１の回転方向と同じ方向に予旋回を加え、圧縮機１の効率向上を図るものである。

ケーシング１６は、軸線Ｐを中心とした筒状の部材であり、動翼１１、静翼１３、及びインレットガイドベーン１２を径方向外側から覆うように配置されている。そして、静翼１３及びインレットガイドベーン１２はこのケーシング１６の径方向内側を向く面に固定されており、また、動翼１１のチップ１１ａとケーシング１６の径方向内側を向く面との間には径方向に間隙Ｇが形成されている。

次に噴出装置１４について説明する。
噴出装置１４は、ケーシング１６の径方向外側から径方向内側を貫通する取付孔１６ａに挿入されるように設置されており、ケーシング１６の径方向内側を向く面、即ち、ケーシング１６の内面と、噴出装置１４の径方向内側を向く面とは同一面上に配置されている。また、この噴出装置１４はノズル２１を有しており、ノズル２１の開口部２１ａはケーシング１６の内面において、動翼１１のチップ１１ａにおける前縁１１ｂから圧縮空気Ｗの流れ方向下流側に向かって、動翼１１のチップ１１ａの軸線Ｐ方向（または翼弦方向でもよい）の寸法の１０％以上３０％以内の位置に配置されるとともに、軸線Ｐ方向から径方向内側に向かって０°以上３０°以内の角度で圧縮機１の下流側に向かって開口するように形成されている。

抽気装置１５は、噴出装置１４の径方向外側から、接続孔１４ａを通じてノズル２１に接続されており、圧縮機１の動翼１１、及び、それに対応するケーシング１６の内面に設けられた噴出装置１４の開口部２１ａよりも下流側、即ち、後段に設けられた抽気孔３１より圧縮空気Ｗを抽気した後に、この圧縮空気Ｗを抽気室３２を介して流路３３へ送り込む。流路３３は、抽気室３２と噴出装置１４の接続孔１４ａとを連通しており、流路３３において抽気室３２と噴出装置１４との間には抽気する圧縮空気Ｗの流量を調整する弁装置３４が設けられている。なお、この流路３３は内部に空気が流通可能な例えばパイプ等よりなる部材である。

このような圧縮機１においては、圧縮機１の下流側、即ち、後段より抽気された圧縮空気Ｗが、抽気室３２において周方向の圧力のバラツキが解消された後に、弁装置３４によって流量調整されて噴出装置１４へ流入する。

ここで、図３に示すように、周方向に隣接する動翼１１同士の間に形成される上記流路に流入する空気の圧力、この流路より流出する空気の圧力、及び、圧縮空気Ｗの流れ角等の条件を入力して数値解析を行なった結果を可視化して、ストールセルＳの発生領域を特定した。
この解析結果によって、ストールセルＳの発生領域は、動翼１１のチップ１１ａの軸線Ｐ方向範囲内にあり、特に、動翼１１の前縁１１ｂから後縁１１ｃに向かって軸線Ｐ方向（または翼弦方向でもよい）の寸法の約４０％から約５０％、かつ、チップ１１ａから径方向内側に向かって動翼１１の径方向高さの約１０％の位置であることがわかった。そして、前縁１１ｂから軸線Ｐ方向（または翼弦方向でもよい）の寸法の約４０％の位置において発生したストールセルＳは、この発生位置から下流側に向かって発達するので、この約４０％の位置におけるストールセルＳが致命的であることがわかった。従って、この約４０％から約５０％の位置のストールセルＳ発生領域の流れの増速を行なうことによって、ストールの発生を抑制できることが確認できた。

噴出装置１４において、開口部２１ａは動翼１１のチップ１１ａにおける前縁１１ｂから下流側に向かって軸線Ｐ方向（または翼弦方向）の寸法の１０％以上３０％以内の位置に開口しており、また、軸線Ｐ方向から径方向内側に向かって０°以上３０°以内の角度で圧縮機１の下流側に向かって抽気孔３１から抽気した圧縮空気Ｗが噴出されるように開口している。従って、ノズル２１の開口部２１ａから圧縮機１内部の動翼１１のチップ付近に発生するストールセルＳに向かって圧縮空気Ｗが噴出される際には、致命的となるストールセルＳ発生領域である動翼１１の前縁１１ｂから下流側に向かって軸線Ｐ方向（または翼弦方向）の寸法の約４０％から約５０％、かつ、チップ１１ａから径方向内側に向かって動翼１１の径方向高さの約１０％の位置に向けて、抽気した圧縮空気Ｗを噴出することができ、ストールセルＳの流れの増速を行い、ストール、及び、このストールを起因としたサージの発生を回避することが可能となる。

本実施形態の圧縮機１においては、後段からの抽気を用いているため、噴出流量や噴出角度が、圧縮機１内の圧縮空気Ｗの主流の流量等の影響を受けず、任意に調節可能なため、圧縮空気ＷをストールセルＳの発生領域に確実に噴出できる。

また、解析の結果によってストールセルＳの発生領域も特定されたため、圧縮機１の運転効率低下に対して特に致命的となるストールセルＳに向けて、確実に抽気した圧縮空気Ｗを噴出して、ストール及びこれを起因としたサージの発生を抑制することができる。従って、ストールマージンを増大することができ、圧縮機１の運転効率向上を達成することができる。

なお、本実施形態においては、噴出装置１４から噴出する圧縮空気Ｗの流量が、動翼１１の後縁１１ｃにおいて、チップ１１ａから径方向内側に向けて動翼１１の径方向高さの０％以上１０％以内の位置の圧縮空気Ｗの流れに対して影響を及ぼす程に十分であれば、２％〜５％のストールマージン増大効果があることが期待できる。

以上、本発明の実施形態についての詳細説明を行なったが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
上述の実施形態においては、圧縮機１におけるストールマージンの増大を図った場合について説明したが、例えば、低速ファンやブロアにおいても、同様にストールセルＳが発生するため、これらに本実施形態の噴射装置を適用してもよい。

さらに、ノズル２１の開口部２１ａは、本実施形態では動翼１１のチップ１１ａにおける前縁１１ｂから下流側に向けて軸線Ｐ方向（または翼弦方向）の寸法の１０％以上３０％以内の位置に開口するように形成されているが、０％以上５０％以内であってもよい。または、０％以上１００％以内、即ち、動翼１１のチップ１１ａの軸線Ｐ方向範囲内に対応するケーシング１６の内面に開口してもよい。

また、本実施形態では圧縮機１後段から高圧の圧縮空気Ｗを取り込み、前段の噴出装置１４に送り込む抽気装置１５を用いてストールセルＳの増速を行なっているが、ケーシング１６の外部で生成した高圧の圧縮空気Ｗを噴出装置１４へ送り込んで、ストールセルＳの増速を行なってもよい。この場合、噴出する圧縮空気Ｗの圧力や流量を任意に調節することができ、圧縮空気Ｗの噴出流量や噴出角度の調節がさらに容易となり、確実にストールマージンを増大させ、圧縮機１の運転効率向上を達成できる。

さらに、本実施形態では、噴出装置１４を第一段の動翼１１部分に設けているが、第二段以降（後段）の動翼１１にも同様にストールセルＳが発生する可能性もあるため、噴出装置１４を第二段以降（後段）の動翼１１に対応する部分に設けてもよい。また、軸線Ｐ方向における複数段の動翼１１に対応する部分に設けてもよい。これによって、ストールマージンのさらなる増大につながる。

１…圧縮機、１１…動翼、１１ａ…チップ、１１ｂ…前縁、１１ｃ・・・後縁、１２…インレットガイドベーン、１３…静翼、１４…噴出装置、１４ａ…接続孔、１５…抽気装置、１６…ケーシング、１６ａ…取付孔、１７…回転軸、２１…ノズル、２１ａ…開口部、３１…抽気孔、３２…抽気室、３３…流路、３４…弁装置、Ｐ…軸線、Ｗ…圧縮空気、Ｓ…ストールセル、Ｇ…間隙

Claims

回転軸とともに軸線回りに回転する動翼と、
該動翼の径方向外側に配置されて該動翼のチップとの間で間隙を形成するケーシングとを備える圧縮機において、
前記ケーシングの内面における前記動翼のチップの軸線方向範囲に対応する部分に、前記動翼の後段から抽気した圧縮空気を下流側に噴出する開口部が形成されていることを特徴とする圧縮機。
回転軸とともに軸線回りに回転する動翼と、
該動翼の径方向外側に配置されて該動翼のチップとの間で間隙を形成するケーシングとを備える圧縮機において、
前記ケーシングの内面における前記動翼のチップの軸線方向範囲に対応する部分に、前記ケーシングの外部において生成した圧縮空気を下流側に噴出する開口部が形成されていることを特徴とする圧縮機。
前記開口部が、前記ケーシングの内面における前記動翼の前縁から下流側に向かって該動翼のチップの軸線方向の寸法の０％以上５０％以内の範囲に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
前記開口部が、前記ケーシングの内面における前記動翼の前縁から下流側に向かって該動翼のチップの軸線方向の寸法の１０％以上３０％以内の範囲に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
前記開口部が、前記動翼のチップの軸線方向範囲内に発生するストールセルに向けて前記圧縮空気を噴出する角度で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧縮機。