JP2016031074A - ガスタービン用の圧縮機アッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】流れ損失を少なくできるガスタービン用の圧縮機アッセンブリを提供する。
【解決手段】少なくとも１つのブローオフ開口（４）を有した圧縮機のアウタケーシング（３）と、抽気ダクト（５）を画定するベーンキャリア（３０，４０）と、を有した、ガスタービン用の圧縮機（２）の圧縮機アッセンブリ（１）であって、該圧縮機アッセンブリ（１）は、前記アウタケーシング（３）と前記ベーンキャリア（３，４）とが、流体流を捕集するキャビティ（６）を画定するように配置されていて、該キャビティは、抽気ダクトを通過する流体を受け取り、該流体をブローオフ開口を通して外部に供給するように形成されている、圧縮機アッセンブリにおいて、該圧縮機アッセンブリは前記キャビティ（６）内に、該キャビティを２つのサブキャビティ（６１，６２）に分割するように配置されたセパレータエレメント（７）を有している。
【選択図】図５

Description

本発明は、概して圧縮機アッセンブリに関し、その多くはガスタービン用の圧縮機に関する。

よく知られているように、ガスタービンでは、冷却空気が圧縮機から取り出されている。定常状態運転中に、冷却空気がタービンブレードを冷却するために取り出される。起動時や終了時といった移行的な操作の間には、ガスタービンの安定した運転を支援し、例えば圧縮機における失速（ストール）を防止するために、典型的にはより大量の空気が抽出され、大気中に放出される。この移行時の空気の抽出はブローオフ（blow-off）と言われる。

一般的に、空気流は抽気ダクト又はスロットを通過して圧縮機環状空間から抽気され、キャビティ内に捕集される。キャビティはフランジを有しており、このフランジから空気流は、機関の外部の配管系へと抜かれる。このような構成は、他の周方向位置で繰り返される。空気流は配管系を経由して冷却用にタービンに送られ、又は移行的な操作時には大気に放出される。

キャビティは、圧縮機ケーシング内に鋳造された空間によって形成される、又は圧縮機ベーンキャリア（しばしばＣ．Ｖ．Ｃと言われる）と圧縮機アウタケーシングとの間の開かれた空間によって形成される。

特に、起動状態は、設計条件とはほど遠い状態で作動するので圧縮機にとって潜在的な危険を含んでいる。結果として、流れの大きな不整合が生じ、これはブレード及びベーンにおける大きな迎え角につながる。この結果、流れは分離する。さらに、一部の速度では、圧縮機を通る体積流は、圧縮不足により高速になりすぎる。これにより、ブレードの適切な回転速度には適合していない非設計的軸流速度が生じる。

この現象を改善するために、起動時には特定の抽気点から大量の空気を抽気することにより体積流量を減少させている。空気はブローオフシステムでパージされるだろう。さらに、通常の運転中は適切に減じられた空気量が、主通路から冷却目的で取り出される。

最近では、起動中の上述したプロセス及び通常運転がスムーズに行われることを確実にするために、良好な圧縮機抽気キャビティの存在が不可欠である。重要であるのは、必要量の抽気を保持しなければならないキャビティのサイズである。キャビティのサイズは、起動時及び通常運転時の両方のための抽気を満足させるべきである。

しかしながら、良好な抽気流を得るためには、抽気システムの機能に関してだけでなく、圧縮機全体の構造及びジオメトリに関しても制約がある。例えば、小さな抽気スロットであれば、圧縮機の軸方向の長さはおさえられ、従ってコストを減じるので望ましい。同様に、小さな抽気キャビティもコストを減じ、スペース的制約も満足させる。

また、空気力学的観点からも、良好な抽気システムとは、流れ損失が低いものであろう。抽気点から配管ラインまでの、抽気システム全体の大きな観点で、このようなことは考慮される。

流れパターンの知識では、渦流に基づく損失を最小化し、特に角隅周辺のキャビティのジオメトリを向上することが本質である。例として図１には、長方形の形を有した抽気キャビティ内の流れトポロジが示されている。流れは、抽気スロットから抽気キャビティへと続いているが、流れが突然曲がることにより抽気出口で渦流をただちに形成する。これはキャビティ底面側壁から来る渦流に隣接しているＳ字渦流を形成する。Ｓ字渦流の結果、流れはキャビティ内で上方に向かい、次いで互いに離れる２つの９０°の流れになるように崩壊する。流れが角隅に到達すると、この流れは渦流を形成し、垂直方向下方に向かって動き、底面の角隅に再び近づきながら渦流を形成する。次いでこのような全ての流れのトポロジが繰り返される。

抽気キャビティの構造は、ブローオフ接続部における流れのトポロジに影響を及ぼしている。抽気キャビティにおいて異なる流れのトポロジが生じるのは、流れが抽気スロットからキャビティ内へと入ることによる。さらに、渦流システムは、周方向位置、ブローオフ質量流、キャビティの構造に依存している。キャビティの高さは、キャビティの高さに沿った摩擦損失の程度を近似させるうえで重要である。摩擦損失の程度は数値流体力学により得られる。数値流体力学ではさらに、異なる流れの長さの個々の粒子についての計算を行うことができ、これにより摩擦損失の良好な近似が得られる。

公知の解決法は、抽気システム及びブローオフシステムの最良の設計を得るために上述したように設計的側面と空気力学的側面との間で譲歩し合おうとするものである。

公知の形式における問題点は、キャビティ幅及びブローオフ接続のためのフランジ位置に応じて、渦流のシステムが通常形成され、この結果、高い流れ損失が生じることである。

本発明の課題は、実質的に独立請求項１で規定されたような圧縮機アッセンブリを提供することにより上記技術的問題点を解決することである。さらに本発明の課題は、実質的に独立請求項１３で規定されたようなガスタービン用の圧縮機を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、少なくとも１つのブローオフ開口を有した圧縮機のアウタケーシングと、抽気ダクトを画定するベーンキャリアと、を有した、ガスタービン用の圧縮機の圧縮機アッセンブリであって、該圧縮機アッセンブリは、アウタケーシングとベーンキャリアとが、流体流を捕集するキャビティを画定するように配置されていて、キャビティは、抽気ダクトを通過する流体を受け取り、該流体をブローオフ開口を通して外部に供給するように形成されている、圧縮機アッセンブリにおいて、該圧縮機アッセンブリは、キャビティ内に、該キャビティを２つのサブキャビティに分割するように配置されたセパレータエレメントを有しているようにした。

好適な実施態様は従属請求項に記載されている。

以下に詳しく記載する好適な実施態様は一例でありこれに限定されるものではないが、この実施態様によれば、本発明は、圧縮機のアウタケーシングと内側のベーンキャリアとによって形成されたキャビティを２つのサブキャビティに分割するように、キャビティ内にセパレータエレメント又はダイヤフラムを配置することを提案している。本発明の一例であり、限定するものではない実施態様の説明により、結果としてこのような構成は有利には、フランジブローオフ抽気部の位置決めとキャビティサイズに関するより柔軟な設計が可能となることが明らかである。何故ならば、フランジの位置は、セパレータエレメント又はダイヤフラムがない場合のようにもはや流れの境界である必要はないからである。この部分は今や、クリアランスと抽気流の圧力損失に関して最良にすることができる。

好適な実施態様によれば、セパレータエレメントを設けることにより、キャビティ内の熱伝達を減じることができる。実際に、２つのサブキャビティを設けることにより、一方のサブキャビティでは高い熱伝達が行われ、他方のサブキャビティは高い流速にさらされることはない。

セパレータエレメントは、有利には流れを案内するために、例えば渦巻きの数を減じるために使用される。このようにして流れの損失は減じられる。

好適な実施態様によれば、キャビティ内壁は、例えば絶縁材料又は空気が充填されたキャビティによって局所的に絶縁されても良い。

付加的にかつ／又は選択的に、セパレータエレメントには、サブキャビティ背後からの通気のために通気口を設けることができる。この通気口は、冷却や起動プロセスのための流れの抽気が行われるところではない。有利にはこの通気口は潜在的なリークにより、隣り合ったキャビティの隣接するサブキャビティ間の温度と圧力とを等化し、これにより望ましくない圧力差もなくすことができる。

本発明の上述した対象とそれに伴う多くの利点とは、以下の詳細な説明を図面との関連で参照することにより、より分かり易く、良好に理解できるようになる。

長方形の抽気キャビティ内における流れのトポロジの例を示した図である。 従来の形式による圧縮機アッセンブリを示した断面図である。 従来の形式による、選択的な圧縮機アッセンブリであって、流れ抽気用スロットを圧縮機の軸方向の展開図において図２とは異なる位置に備えた圧縮機アッセンブリを示した図である。 従来の形式による、選択的な圧縮機アッセンブリであって、流れ抽気用スロットを圧縮機の軸方向の展開図において図２、図３とは異なる位置に備えた圧縮機アッセンブリを示した図である。 本発明による圧縮機アッセンブリを示した断面図である。 本発明による、選択的な圧縮機アッセンブリであって、流れ抽気用スロットを圧縮機の軸方向の展開図において図５とは異なる位置に備えた圧縮機アッセンブリを示した断面図である。 本発明による、選択的な圧縮機アッセンブリであって、流れ抽気用スロットを圧縮機の軸方向の展開図において図５、図６とは異なる位置に備えた圧縮機アッセンブリを示した断面図である。 本発明による、選択的な圧縮機アッセンブリであって、キャビティの複数の内壁が断熱材料によって被覆されている圧縮機アッセンブリを示した断面図である。 図５〜図８に示したセパレータエレメントの詳細を示した図である。

図面の詳細な説明
図２には従来の形式の圧縮機の圧縮機アッセンブリ１００が横断面図で示されている。この圧縮機は、軸線Ａを中心として回転可能なロータ２００を有している。

圧縮機アッセンブリ１００は、全体的に符号３で示された、圧縮機のアウタケーシングを有していて、このアウタケーシング３はブローオフ開口４を有している。このブローオフ開口４は、起動段階とタービンブレード冷却とを支援するために圧縮機から引き出された空気流を搬送するための外部の配管系（図示せず）への必要な接続手段を提供している。圧縮機のアウタケーシング３にはベーンキャリアが組み込まれており、このベーンキャリアには圧縮機の静翼５０が固定されている。図面ではベーンキャリア部分３０と４０とが抽気ダクト又はスロット５を画定している。圧縮機アッセンブリ１００は、アウタケーシング３がベーンキャリア３０と４０と共にキャビティ６を形成するように配置されている。このキャビティ６は、抽気ダクト５を介して圧縮機から受け取る流体の流れを集めるためのものである。選択的に、流体の流れを蓄えるためのキャビティは、圧縮機のアウタケーシングに位置する鋳造キャビティによって形成されても良い。

そして流れはキャビティ６内に集まり、上述したように、ブローオフ接続部４を通って外部に供給される。図２に示した構成は、圧縮機環状空間の軸方向の展開図に沿って複数回繰り返されることがわかる。より詳しく言うと、キャビティ６は、キャビティ６´と６´´とに隣接しており、キャビティ６´は部分的に共通のベーンキャリア３０によって画定されていて、キャビティ６´´は部分的に共通のベーンキャリア４０によって画定されている。

図２の配置では、抽気ダクト５がキャビティ６の中央の部分の周りに配置されているので、キャビティ６内の温度は、圧縮機環状空間内とほぼ同じである。実際によく知られているように、圧縮機環状空間内の圧縮空気の温度は、図面に矢印Ａで示した流れ方向に軸方向で上昇する。キャビティ内と環状空間内の温度がほぼ同じであるということは、低クリアランス及び低応力に関して有利である。しかしながら図１につき上述したように、キャビティ内の流れにより生じる渦巻及び渦流により空気力学的な損失は高くなる。

次の図３及び図４に示した配置は図２の配置とほぼ同じであるが、相違点は図３では、キャビティ温度が、下方の圧縮機環状空間と比べて平均して高く、図４ではキャビティ温度は平均してより低い。ブローオフ開口４を介した空気流のブローオフ中には、キャビティ内の流体温度は圧縮機ベーンキャリア３０，４０及びロータ２００の材料温度と比較して明らかに異なる。例えばこのようなことは高温での再起動時に生じ、この場合は空気は低温であるが、材料はまだ高温である。これは圧縮機ベーンキャリアの望ましくない高速の収縮につながる恐れがあり、結果として圧縮機ブレードの摩耗が生じる。

図５には、本発明による圧縮機アッセンブリ１が示されている。図２〜図４に示された公知の装置と比較して、本発明による圧縮機アッセンブリ１は、キャビティ６内に位置するセパレータエレメント７又はダイヤフラムを有していて、このセパレータエレメント７又はダイヤフラムは、キャビティ６を２つのサブキャビティ６１と６２とに分割するようにキャビティ６内に配置されている。セパレータエレメント７は、圧縮機アッセンブリ１内に好適には半径方向で、アウタケーシング３とベーンキャリア３０との間に半径方向Ｒに沿って配置されている。このような構成により、セパレータエレメント７はキャビティ６を、高熱移送が行われる第１のサブキャビティ６１と、逆に、高流速と望ましくない温度とにはさらされない第２のサブキャビティ６２とに分割する。セパレータエレメント７の配置は、有利に流れを案内するために、例えば渦巻きの数を減じるために利用されて良い。結果として、流れの損失は減じられる。

好適には、キャビティ６の１つ又は複数の内壁は、断熱層８１によって被覆されていて良い。移行時にキャビティ内壁を絶縁し、従ってキャビティ内壁の変形を減じるためにガスタービン構造で一般的に使用される断熱層の例は典型的には、極めて低伝導率のセラミックを主体とするコーティングである。このようなコーティングを塗布する技術は多くある。大きな構造的構成部分には、ＡＰＳ（大気プラズマ溶射）又はＨＶＯＦ（高速フレーム溶射）が最も一般的である。

選択的又は付加的に、キャビティの内壁に、特に圧縮機ベーンキャリアの壁に、その表面に凹部を形成し、熱伝導性の低い金属シートによりこの凹部を遮蔽することにより、さらに絶縁層を設けることもできる。このようにして好適には、断熱された空気の層が、キャビティの内壁と金属面との間に介在させられる。

好適には、セパレータエレメント７は、サブキャビティ６２を排気するために、その表面に排気孔（図示せず）を有していても良い。これにより、セパレータエレメント７によってシールされたサブキャビティが、潜在的な漏れによって隣接するキャビティ６´の空気により溢れることが阻止される。セパレータエレメント７の排気孔により不都合な差圧をなくすことができる。

次いで、図６及び図７には、上述した公知の形式と同様に、本発明による圧縮機アッセンブリ１が２つの異なる構成で示されている。即ちそれぞれ、図６では、キャビティ６内の流れの温度が平均して、圧縮機環状空間の対応する部分の流れの温度よりも高い。図７では、キャビティ６内の流れの温度が平均して、圧縮機環状空間の対応する部分の流れの温度よりも低い。

図８によれば、キャビティ６の複数の内壁が断熱材料８１によって被覆されている例が示されている。さらに、セパレータエレメント７は上端部７２と下端部７３とを有しており、これらの端部は、キャビティ６のそれぞれ反対側の内壁に位置する対応する溝内に埋め込まれている。ここで説明した例に限定されることなく、エレメント７は圧縮機のアウタケーシング３と圧縮機ベーンキャリア３０，４０との間に介在させられている。

好適にはセパレータエレメント７は、２つの半部に分割されるシートメタルであって良い。実施態様によっては、より複雑なシート溶接構造である場合もあり、このような構造は、振動又は機関の固有振動数に良好に適合した振動数応答を得るために、補強リブを有している。

定常状態温度と２つのサブキャビティ内で予測される圧力差とに応じて異なる合金鋼を選択することができる。常温使用には、圧力適用の鋼が適していると証明された。高温使用には耐熱鋼（クロムベース）が必要であろう。酸化挙動についても特別な注意を払う必要がある。何故ならば、燃えかすが配管を通って飛散し、タービン冷却孔を塞ぐ恐れがあるからである。

上述したように、セパレータは、キャビティの内壁に形成された溝内に挿入されて良い。抽気サブキャビティ６１と隣接するサブキャビティ６２との間の圧力差によりセパレータエレメント７は流れ方向に抗して押される。これによりベーンキャリア又は圧縮機のアウタケーシングが他方の構成部分内へとスライドするように、セパレータエレメントを、（例えばねじ接合、溶接接合によって）ケーシングの１つに固定することもできる。固定的な接続を行わずにケーシングに対してセパレータエレメントを正確に位置決めするのを保証するための中間的な選択肢は、（ケーシングの１つに対して同心的に）半径方向の位置を規定するが、半径方向の相対的な変位を許容する（一方の構成部分は他方の構成部分よりも高速になる）支持エレメントを提供することである。このようにして、熱応力に基づく変位はガイドされるが束縛はされない。これにより、付加的な接続部は回避され、セパレータエレメントを独立的な部分とすることにより製造及びメンテナンスは容易になる。

図９に示したように、キャビティの２つのサブキャビティの間にシールを保証すべきかどうかに応じて、セパレータエレメント７の２つの半部は互いにボルト締結されなければならない場合がある（左図）。別の簡単な選択肢は、２つの半部の間にシールリップを設けることである（右図）。

本発明を好適な実施例につき十分に説明したが、勿論、本発明の範囲内で変化形を構成することができ、本発明の適用はこれらの実施態様に限定されるものではなく、以下の請求項の内容によって限定されるものである。

Claims (13)

1. 少なくとも１つのブローオフ開口（４）を有した圧縮機のアウタケーシング（３）と、
   抽気ダクト（５）を画定するベーンキャリア（３０，４０）と、
   を有した、ガスタービン用の圧縮機（２）の圧縮機アッセンブリ（１）であって、
   該圧縮機アッセンブリ（１）は、前記アウタケーシング（３）と前記ベーンキャリア（３０，４０）とが、流体流を捕集するキャビティ（６）を画定するように配置されていて、前記キャビティ（６）は、前記抽気ダクト（５）を通過する流体を受け取り、該流体を前記ブローオフ開口（４）を通して外部に供給するように形成されている、圧縮機アッセンブリ（１）において、
   該圧縮機アッセンブリ（１）は、前記キャビティ（６）内に、該キャビティ（６）を２つのサブキャビティ（６１，６２）に分割するように配置されたセパレータエレメント（７）を有していることを特徴とする、ガスタービン用の圧縮機アッセンブリ。
2. 前記セパレータエレメント（７）は、前記圧縮機の半径方向Ｒに沿って延在している、請求項１記載の圧縮機アッセンブリ。
3. 前記セパレータエレメント（７）は前記アウタケーシング（３）と前記ベーンキャリア（３０）との間に配置されている、請求項１又は２記載の圧縮機アッセンブリ。
4. 前記キャビティ（６）の少なくとも１つの内壁（９）は、断熱層（８１）によって被覆されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧縮機アッセンブリ。
5. 前記断熱層はコーティング材料（８１）を有している、請求項４記載の圧縮機アッセンブリ。
6. 前記コーティング材料（８１）はセラミックを主体とするコーティングである、請求項５記載の圧縮機アッセンブリ。
7. 前記断熱層は、前記キャビティ（６）の前記内壁に位置する金属シートを有しており、前記内壁は、前記内壁と前記金属シートとの間に断熱空気層を形成するように複数の凹部を有している、請求項４記載の圧縮機アッセンブリ。
8. 前記セパレータエレメント（７）は、前記セパレータエレメントの表面に排気孔を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧縮機アッセンブリ。
9. 前記セパレータエレメント（７）は上端部と下端部（７２，７３）とを有しており、これらの端部は、前記キャビティ（６）のそれぞれ反対側の内壁に位置する対応する溝内に埋め込まれている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧縮機アッセンブリ。
10. 前記セパレータエレメント（７）は互いに接続される２つの半部を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧縮機アッセンブリ。
11. 前記２つの半部はボルト部材によって接続されている、請求項１０記載の圧縮機アッセンブリ。
12. 前記２つの半部はシールリップによって接続されている、請求項１０記載の圧縮機アッセンブリ。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の圧縮機アッセンブリ（１）を有していることを特徴とするガスタービン用の圧縮機（２）。