JP2015078654A

JP2015078654A - 圧縮機、及びガスタービン

Info

Publication number: JP2015078654A
Application number: JP2013216484A
Authority: JP
Inventors: トーマスウォーカー; Walker Thomas
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-17
Also published as: CN105452674A; KR20160022897A; KR101805322B1; WO2015056456A1; EP3059457A4; EP3059457B1; JP6188069B2; US10151320B2; CN105452674B; EP3059457A1; US20160169241A1

Abstract

【課題】圧縮機の運転効率の低下を抑制する。【解決手段】軸線回りに回転するロータ２と、ロータ２を外周側から囲んで、ロータ２との間に主流路を形成するロータケーシング３と、ロータケーシング３の外周側に設けられて、ロータケーシング３との間に主流路４と連通する抽気室１２を形成する抽気室ケーシング６と、抽気室ケーシング６に外周側から接続されて、内側に抽気室内の流体を外部に導く抽気ノズル１４と、を備え、抽気室ケーシング６とロータケーシング３との径方向の間隔は、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向前方側よりも、ロータ２の回転方向後方側の方が大きいことを特徴とする圧縮機１。【選択図】図３

Description

本発明は、軸線を中心として回転するロータと、このロータを囲むケーシングとを備えている圧縮機、及びこれを備えているガスタービンに関する。

回転機械の一種として、軸線を中心として回転して空気などの気体を圧縮するロータと、このロータを囲むケーシングと、を備えている圧縮機がある。圧縮機には、ロータにより圧縮された気体の一部を外部に導くための抽気構造を採用したものがある。

例えば、以下の特許文献１には、このような抽気構造を採用している圧縮機が開示されている。この圧縮機のケーシングには、空気（圧縮空気）の主流路と連通している抽気室と、この抽気室内の空気を外部に導く配管とが形成されている。抽気室は、ロータを中心として環状の空間である。また、配管は、ロータを基準にして径方向外側に向かって抽気室から延びている。
抽気構造を採用している圧縮機においては、主流路から抽気室の内部に抽気された空気は、ロータの回転に伴い周方向に旋回する流れとなることが知られている。

特開２０１２−１８０７４９号公報

ところで、発明者らは、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics、数値流体力学）を用いた解析によって、抽気室の内部における配管の近傍において、空気の周方向の流量が不均一になることを見出した。具体的には、抽気室の内部における配管に対してロータの回転方向前方側において、空気の局所的な質量流量が増加する傾向が見られた。

空気の流量の不均一性によって脈動が生じると、抽気室と主流路とを接続する連絡路の下流に配置された動翼の先端付近に失速が発生し、これによって、圧縮空気の流れ全体にサージが引き起こされる。そして、この失速及びサージによって圧縮機の運転効率が低下する。
特に、重量軽減などの目的から配管の数を低減する場合、抽気された圧縮空気の流量の不均一性が大きくなるため、サージの可能性が高まる、即ちサージマージンが小さくなる。

この発明は、抽気ノズル近傍における流体の流量の不均一性を低減するで、圧縮機の運転効率の低下を抑制することができる圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、圧縮機は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から囲んで、前記ロータとの間に主流路を形成するロータケーシングと、前記ロータケーシングの外周側に設けられて、前記ロータケーシングとの間に前記主流路と連通する抽気室を形成する抽気室ケーシングと、前記抽気室ケーシングに外周側から接続されて、内側に前記抽気室内の流体を外部に導く抽気ノズルと、を備え、前記抽気室ケーシングと前記ロータケーシングとの径方向の間隔は、前記抽気ノズルに対して前記ロータの回転方向前方側よりも、前記ロータの回転方向後方側の方が大きいことを特徴とする。

上記構成によれば、抽気ノズルに対してロータの回転方向前方側において流体の流量が減少するのに対応して流路面積を小さくなるとともに、回転方向後方側において流体の流量が増大するのに対応して流路面積が大きくなる。これにより、抽気ノズル近傍における流体の流量の不均一性を低減することができ、動翼の先端付近に発生する失速を抑制することができる。失速が抑制されることによって、流体の流れ全体に引き起こされるサージも抑制され、圧縮機の運転効率の低下を抑制することができる。
また、抽気ノズルに起因する流体の不均一性が低減されることによって、抽気ノズルの数を減じることができ、圧縮機の重量、及び製造コストを低減することができる。

前記抽気室ケーシングと前記ロータケーシングとの径方向の間隔であって、前記抽気ノズルに対して回転方向後方側の前記間隔は、前記ロータの回転方向前方側に向かうに従って、漸次大きくなるように形成されている構成としてもよい。

上記構成によれば、徐々に増大する流体の流量に対応した形状となり、流体の流量の均一性をより高めることができる。

前記抽気室ケーシングと前記ロータケーシングとの径方向の間隔であって、前記抽気ノズルに対して回転方向前方側の前記間隔は、前記ロータの回転方向前方側に向かうに従って、漸次小さくなるように形成されている構成としてもよい。
上記構成によれば、徐々に減少する流体の流量に対応した形状となり、流体の流量の均一性をより高めることができる。

前記抽気ノズルの内周面と、前記抽気室の径方向外側面とは、流体の流路側に向かって凸形状の滑らかな曲面で接続されている構成としてもよい。
上記構成によれば、抽気室を流れる流体のはく離を抑制することが可能となり、流体を滑らかに抽気ノズルに導入することができる。

上記目的を達成するための発明に係る一態様のガスタービンは、前記ロータが回転することで前記流体としての空気を圧縮する圧縮機をなす、以上のいずれかの圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器からの前記燃焼ガスで駆動するタービンと、を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、抽気ノズル近傍における流体の流量の不均一性を低減することができ、動翼の先端付近に発生する失速を抑制することができる。失速が抑制されることによって、流体の流れ全体に引き起こされるサージも抑制され、圧縮機の運転効率の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態のガスタービンの要部切欠側面図である。本発明の実施形態の圧縮機の要部断面図である。図２におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。図３のＩＩＩ部拡大図である。

以下、本発明の実施形態の圧縮機を備えているガスタービンについて図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、外気Ａｏを圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料Ｆを圧縮空気Ａに混合して燃焼させて燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器２０と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン２１と、を備えている。なお、以下では、圧縮空気Ａを単に空気Ａと言うこともある。

圧縮機１及びタービン２１は、いずれも、回転軸線Ａｒを中心として回転するロータ２，２２と、このロータ２，２２を覆う筒状のケーシング３，２３とを有している。圧縮機１のロータ２及びタービン２１のロータ２２は、同一の回転軸線Ａｒを中心として回転するもので、相互に連結されている。筒状の圧縮機１のケーシング３は、圧縮機１のロータ２と共同して、空気Ａが流れる主流路４を形成する。また、筒状のタービンケーシング２３は、タービン２１のロータ２２と共同して、燃焼ガスＧが流れる主流路２４を形成する。複数の燃焼器２０は、回転軸線Ａｒを中心として、周方向Ｄｃに互いに等間隔でタービンケーシング２３に固定されている。

なお、以下では、回転軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａとする。また、回転軸線Ａｒを基準にした径方向を単に径方向Ｄｒと言い、この径方向Ｄｒで回転軸線Ａｒから遠ざかる側を径方向外側と言い、この径方向Ｄｒで回転軸線Ａｒに近づく側を径方向内側という。また、軸方向Ｄａであって、タービン２１を基準にして圧縮機１側を上流側、圧縮機１を基準にしてタービン２１側を下流側という。

図２に示すように、圧縮機１は、多段式軸流圧縮機である。ロータ２は、回転軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びているロータ本体５と、このロータ本体５の外周に固定され軸方向Ｄａに並んでいる複数の動翼段７と、を有している。ロータケーシング３の内周側には、各々の動翼段７の上流側の位置に静翼段９が固定されている。

１つの静翼段９は、複数の静翼１０を有している。これら複数の静翼１０は、回転軸線Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んで、１つの静翼段９を構成する。また、１つの動翼段７は、複数の動翼８を有している。これら複数の動翼８は、回転軸線Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んで、１つの動翼段７を構成する。

ロータケーシング３の外周側には、ロータケーシング３との間に抽気室１２を形成する抽気室ケーシング６が設けられている。抽気室１２は、回転軸線Ａｒを中心とした環状の空間を成している。主流路４と抽気室１２と間には連通路１３が形成されており、主流路４と抽気室１２とを連通させている。

抽気室ケーシング６には、抽気室１２内の空気Ａを外部に導くための２つの抽気ノズル１４が形成されている。本実施形態では、以上の抽気室１２と連通路１３と複数の抽気ノズル１４とで抽気構造を構成している。
連通路１３は、回転軸線Ａｒを中心として環状を成し、径方向外側に向かって切り込まれたスリットであり、抽気室１２の径方向内側に形成されている。連通路１３の主流路４側の開口は、軸方向Ｄａにおいて、軸方向Ｄａで隣接する静翼段９と動翼段７との間の位置に形成されている。

複数の抽気ノズル１４は、回転軸線Ａｒを中心として周方向に等間隔に並んでいる。即ち、本実施形態の抽気ノズル１４は、周方向に１８０°間隔で配置されている。この抽気ノズル１４は、抽気室１２から径方向外側に向かって延びている。各々の抽気ノズル１４には、この抽気ノズル１４からの空気Ａを目的の場所に導く抽気配管１５が接続されている。この抽気配管１５には、抽気する空気流量を調節する流量調節弁１６が設けられている。

図３に示すように、本実施形態の抽気室１２は、抽気ノズル１４に対して矢印Ｒで示すロータ２の回転方向前方側（空気Ａの流れ方向下流側）と、ロータ２の回転方向後方側（空気Ａの流れ方向上流側）とを比較すると、回転方向後方側の方が周方向から見た流路面積が大きくなるように形成されている。
換言すれば、抽気室１２ケーシングの径方向内側面１７とロータケーシング３の径方向外側面１８との径方向の間隔は、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向前方側よりも、回転方向後方側の方が大きくなっている。

図４に示すように、２つの抽気ノズル１４から離間した位置におけるロータケーシング３と抽気室１２ケーシングとの径方向の間隔をＧとすると、抽気ノズル１４よりもロータ２の回転方向前方側の間隔Ｇ１はＧより小さくなっている。抽気ノズル１４よりも回転方向後方側の間隔Ｇ２はＧより大きくなっている。間隔Ｇ１及び間隔Ｇ２の寸法は、ＣＦＤによる解析によって求められた、抽気室１２内の空気Ａの流量に応じて適宜調節することができる。

抽気室１２ケーシングとロータケーシング３との径方向の間隔であって、抽気ノズル１４に対して回転方向後方側の間隔は、ロータ２の回転方向前方側に向かうに従って、漸次大きくなるように形成されている。即ち、抽気ノズル１４に対して回転方向後方側の抽気室１２ケーシングの形状は、回転方向前方側に向かって流路面積が徐々に大きくなるような形状とされている。
抽気室１２ケーシングとロータケーシング３との径方向の間隔であって、抽気ノズル１４に対して回転方向前方側の間隔は、ロータ２の回転方向前方側に向かうに従って、漸次小さくなるように形成されている。即ち、抽気ノズル１４に対して回転方向前方側の抽気室１２ケーシングの形状は、回転方向前方側に向かって流路面積が徐々に小さくなるような形状とされている。

抽気ノズル１４の内周面と、抽気室１２の径方向外側面１８とは、空気Ａの流路側に向かって凸形状の滑らかな曲面１９で接続されている。換言すれば、抽気ノズル１４の内周面と抽気室ケーシング６の径方向外側面１８との接続部は、空気Ａの流路側に向かって凸形状の丸面の面取り加工が施されている。即ち、抽気ノズル１４の内周面と抽気室ケーシング６の径方向外側面１８との間には、直交するような角部が形成されておらず、滑らかに接続されている。

連通路１３を介して抽気室１２に流れてきた空気Ａは、ロータ２の回転方向前方側に向かって旋回する流れとなる。空気Ａの流量は、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向前方側の領域では減少する。一方、空気Ａの流量は、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向後方側の領域では増大する。

上記実施形態によれば、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向前方側において流体の流量が減少するのに対応して流路面積を小さくするとともに、回転方向後方側において流体の流量が増大するのに対応して流路面積を大きくした。これにより、抽気ノズル１４近傍における流体の流量の不均一性を低減することができ、動翼８の先端付近に発生する失速を抑制することができる。失速が抑制されることによって、流体の流れ全体に引き起こされるサージも抑制され、圧縮機１の運転効率の低下を抑制することができる。
また、抽気ノズル１４に起因する流体の不均一性が低減されることによって、抽気ノズル１４の数を減じることができ、圧縮機１の重量、及び製造コストを低減することができる。

また、抽気室１２ケーシングの形状を空気Ａの流量に対応した形状としたことにより、空気Ａの流量の均一性をより高めることができる。

また、抽気ノズル１４の内周面と抽気室１２の径方向外側面１８とは、空気Ａの流路側に向かって凸形状の滑らかな曲面１９で接続されていることによって、抽気室１２を流れる空気Ａのはく離を抑制することが可能となり、空気Ａを滑らかに抽気ノズル１４に導入することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
上記実施形態では、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向前方側の流路面積を小さくするとともに、回転方向後方側の流路面積を大きくしたがこれに限ることはない。例えば、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向前方側の流路面積を小さくするのみでもよい。反対に、抽気ノズル１４に対してロータ２の回転方向後方側の流路面積を大きくするのみでもよい。
また、上記実施形態では、抽気ノズル１４を２つ設ける構成を示したが、抽気ノズル１４の本数は問わない。

本発明は、軸線を中心として回転するロータと、このロータを囲むケーシングとを備えている圧縮機であって、ロータにより圧縮された気体の一部を外部に導くための抽気構造を有する圧縮機に適用可能である。

１圧縮機
２ロータ
３ロータケーシング
４主流路
５ロータ本体
６抽気室ケーシング
７動翼段
８動翼
９静翼段
１０静翼
１２抽気室
１３連通路
１４抽気ノズル
１５抽気配管
１６流量調節弁
１７径方向内側面
１８径方向外側面
１９滑らかな曲面
２０燃焼器
２１タービン
２２ロータ
２３ケーシング
２４主流路

Claims

軸線回りに回転するロータと、
前記ロータを外周側から囲んで、前記ロータとの間に主流路を形成するロータケーシングと、
前記ロータケーシングの外周側に設けられて、前記ロータケーシングとの間に前記主流路と連通する抽気室を形成する抽気室ケーシングと、
前記抽気室ケーシングに外周側から接続されて、内側に前記抽気室内の流体を外部に導く抽気ノズルと、を備え、
前記抽気室ケーシングと前記ロータケーシングとの径方向の間隔は、前記抽気ノズルに対して前記ロータの回転方向前方側よりも、前記ロータの回転方向後方側の方が大きいことを特徴とする圧縮機。
前記抽気室ケーシングと前記ロータケーシングとの径方向の間隔であって、前記抽気ノズルに対して回転方向後方側の前記間隔は、前記ロータの回転方向前方側に向かうに従って、漸次大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記抽気室ケーシングと前記ロータケーシングとの径方向の間隔であって、前記抽気ノズルに対して回転方向前方側の前記間隔は、前記ロータの回転方向前方側に向かうに従って、漸次小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧縮機。
前記抽気ノズルの内周面と、前記抽気室の径方向外側面とは、流体の流路側に向かって凸形状の滑らかな曲面で接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧縮機。
前記ロータが回転することで前記流体としての空気を圧縮する圧縮機をなす請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器からの前記燃焼ガスで駆動するタービンと、を備えていることを特徴とするガスタービン。