JP2016200105A - ガスタービンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の組成の変動に対して圧縮機のサージマージンを確保できるガスタービンの製造方法を提供する。
【解決手段】
基準圧縮機１を備える基準ガスタービン１００より異なるサイクルの派生ガスタービン２００を製造するガスタービンの製造方法において、基準圧縮機１の最終段５３ｈよりも上流側で基準圧縮機１の抽気室７４の抽気スリット７２の下流側に、少なくとも１つの追加段５３ｉが加わるように派生ガスタービン２００の圧縮機２０１を設計し、設計に基づいて派生ガスタービン２００の圧縮機２０１を製造し、派生ガスタービン２００を製造する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスタービンの製造方法に関する。

一般的に、低カロリーの高炉ガスを燃焼させるガスタービン（以下、高炉ガスタービン）では、所定のタービン出力を得るために、通常の液化天然ガス（ＬＮＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）に比べて多量の低カロリーの高炉ガスをガスタービンの燃料として燃焼器に供給する。そのため、シンプルサイクル（灯油や軽油、天然ガス等を燃料とし、吸気の加湿もしない標準的なサイクル）やコンバインドサイクルのガスタービンに比べ、タービン内の作動流体量が増加する。したがって、既に設計されたシンプルサイクルやコンバインドサイクルのガスタービンから高炉ガスタービンを設計・製造する場合、圧縮機内の作動流体量を減少させてタービン出力と発電機出力及び圧縮機動力のバランスを維持している。

但し、圧縮機内の作動流体量を減少させると、圧縮機の圧力比が低下してしまうので、例えば、特許文献１のような圧縮機の圧力比を増加させる何らかの対策を講じる必要がある。

特開平１１−２２４８６号公報

高炉ガスタービンでは、燃焼器へ供給される高炉ガスの組成が常に変動するため、燃料のカロリーや温度が変化する。例えば、高炉ガスのカロリーが低下した場合、これに応じてタービン出力を一定に保持するために燃料流量を増加させると、圧縮機の圧力比が増加し、サージマージンが減少する。また、高炉ガスが高温になった場合、ガス圧縮機の吸気温度が上昇し、ガス圧縮機の動力が増加する。このとき、タービン出力を増加させるため燃料流量を増加させると、圧縮機の圧力比が増加し、やはり圧縮機のサージマージンが減少する。したがって、高炉ガスタービンを設計・製造する場合、設計段階から圧縮機のサージマージン（サージングに対する裕度）を確保しておくことが広運用性、高信頼性の観点から必要不可欠である。

ところで、既に設計した圧縮機の圧力比及びサージ圧力比を増加させる方法として、運用性を考慮して全翼を再設計する方法がある。しかし、この方法は、新規に圧縮機を設計することと同義なので、設計期間及び設計コストが増加する。しかも、新規設計と変わらないため翼信頼性を実証する必要があり、この工程を含めると開発には極めて長期間を要する。また、圧縮機の初段の上流側に翼段落を追加する方法もあるが、この方法は、圧力比及びサージ圧力比が増加すると同時に作動流体流量も増加してしまうため、高炉ガスタービンには適用し難い。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、燃料の組成の変動に対して圧縮機のサージマージンを確保できるガスタービンの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの製造方法において、前記基準圧縮機の最終段よりも上流側で前記基準圧縮機の抽気室の抽気スリットの下流側に、少なくとも１つの追加段が加わるように前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、前記設計に基づいて前記派生ガスタービンの圧縮機を製造し、前記派生ガスタービンを製造することを特徴とする。

本発明によれば、燃料の組成の変動に対して圧縮機のサージマージンを確保できるガスタービンの製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る基準機の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る高炉ガスタービンの模式図である。 本発明の第１実施形態に係る基準圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図である。 基準圧縮機をそのまま流用して製造した高炉ガスタービンの圧縮機流量と圧力比の関係を例示する図である。 本発明の第１実施形態に係る派生圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る派生圧縮機の製造手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る基準圧縮機の第７翼段落及び最終段の動翼の概略図である。 本発明の第１実施形態に係る派生圧縮機の第７翼段落、追加段及び最終段の動翼の概略図である。 本発明の第１実施形態に係る基準圧縮機及び派生圧縮機の静翼の流出角分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る排熱回収ボイラの蒸気を利用したガスタービンの模式図である。

＜第１実施形態＞
基準ガスタービンから派生ガスタービンを設計又は製造する本発明の実施形態を以下に図面を用いて説明する。始めに、派生ガスタービンとは、本発明による設計又は製造の目的物である。派生ガスタービンの代表例は高炉ガスタービン等であるが、これら以外の機種も含まれ得る。基準ガスタービンとは、派生ガスタービンの設計又は製造の基礎となるガスタービンであり、既設のガスタービンの他、過去に設計又は製造されたガスタービンの設計データも含まれる。基準ガスタービンとして最も汎用的な例はシンプルサイクルの単軸ガスタービンであるが、必ずしもこれに限られず、派生ガスタービンの種類によってはコンバインドサイクルや二軸ガスタービン等の他種のガスタービンも基準ガスタービンとなり得る。

１．基準機
基準ガスタービン（基準機）について説明する。

図１は、本実施形態に係る基準機の模式図である。図１に示すように、基準機１００は、圧縮機（基準圧縮機）１、燃焼器２及びタービン３を備えている。

基準圧縮機１は、吸気部（不図示）を介して吸い込まれた作動流体（空気）１１を圧縮して高圧の圧縮空気１２を生成し、燃焼器２に供給する。燃焼器２は、基準圧縮機１より得た圧縮空気１２と燃料１３を混合して燃焼し、高温の燃焼ガス１４を発生させてタービン３に供給する。タービン３は、燃焼器２より得た燃焼ガス１４が膨張することにより駆動される。タービン３で得られる動力により基準圧縮機１が駆動されるとともに、残った動力で発電機４が駆動され、電力が得られる。タービン３を駆動した燃焼ガス１４は、排ガス１５としてタービン３から排出される。本実施形態では、基準圧縮機１、タービン３及び発電機４は回転軸５により相互に連結されている。

基準機１００に一般的に用いられる体積流量一定の定回転数の基準圧縮機１００では、夏場など空気１１の温度が高くなると空気１１の密度が小さくなり基準圧縮機１に吸い込まれる空気１１の質量流量が低減するため、これに応じて燃焼器２に供給する燃料１３の流量も低減させざるを得ない。したがって、基準機１００では、基準圧縮機１に吸い込まれる空気１１の温度が高くなるほど、タービン３の出力が低下する。

２．派生機
派生ガスタービン（派生機）について説明する。

図２は、本実施形態に係る高炉ガスタービンの模式図である。図２において、図１の基準機１００と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。図２に示すように、高炉ガスタービン２００は、基準機１００の構成要素に加え、ガス圧縮機２１、湿式電気集塵器２２及びギア２４を備えている。

製鉄所等で大量に発生した高炉ガス１６は、低カロリーである、ガス圧が低い、多くの不純物を含む等の性質があり、そのまま燃焼器２へ供給することは困難である。そのため、高炉ガス１６は、湿式電気集塵器２２、ガス圧縮機２１等を経て燃焼器２に供給される。具体的に、湿式電気集塵器２２は、供給された高炉ガス１６の不純物（ダスト等）を除去して低圧の高炉ガス１７を生成し、ガス圧縮機２１に供給する。ガス圧縮機２１は、低圧の高炉ガス１７を圧縮して高圧の高炉ガス１８を生成し、燃焼器２に供給する。燃焼器２は、派生圧縮機２０１より得た圧縮空気１２と高圧の高炉ガス１８を混合して燃焼し、高温の燃焼ガス１４を発生させてタービン３に供給する。タービン３は、燃焼器２より得た燃焼ガス１４が膨張することにより駆動される。タービン３で得られる動力により派生圧縮機２０１が駆動されるとともに、残った動力で発電機４及びガス圧縮機２１が駆動される。本実施形態では、派生圧縮機２０１と発電機４の間の回転軸５にギア２４が取り付けられている。ガス圧縮機２１は、回転軸２５を介してギア２４に接続している。つまり、本実施形態では、ガス圧縮機２１は、ギア２４を介して派生圧縮機２０１に発電機４と並列に連結している。

３．派生機の設計及び製造
３−１．基準圧縮機
図３は、本実施形態に係る基準圧縮機１の一構成例の全体構成を表す概略図である。図３に示すように、基準圧縮機１は、ケーシング５４、スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ、ディスタントピース６３、動翼５１ａ〜５１ｈ、静翼５２ａ〜５２ｈ及び抽気室７３，７４を備えている。

ケーシング５４は、基準圧縮機１の外周壁を形成する円筒状の部材である。ケーシング５４内にスタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ、ディスタントピース６３、動翼５１ａ〜５１ｈ及び静翼５２ａ〜５２ｈが収容されている。

スタブシャフト６１は、ケーシング５４の入口側（空気１１の流れ方向の上流側）に配置されている。ディスク６２ａ〜６２ｅは、スタブシャフト６１に対して空気１１の流れ方向の下流側に配置されている。ディスタントピース６３は、ディスク６２ａ〜６２ｅに対して空気１１の流れ方向の下流側に配置されている。ディスタントピース６３は、タービン側に延在しタービンロータに連結する取り合い部６７を備えている。スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３は、空気１１の流れ方向に重ねて配置され、スタッキングボルト６４とナット６５により一体的に締結されている。スタッキングボルト６４は、基準圧縮機１の中心軸Ｌを中心として同一円周上に等間隔に複数設けられている。スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３は、動翼５１ａ〜５１ｈとともにロータ５６を構成している。なお、図３に例示した構成では、５つのディスク６２ａ〜６２ｅを備えた場合を例示しているが、ディスクの個数は６つ以上又は４つ以下でも良い。

スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３の外周面とケーシング５４の内周面の間には環状の圧縮機流路６６が形成されている。すなわち、圧縮機流路６６は、ケーシング５４の内周面を外周壁とし、スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３の外周面を内周壁としている。基準圧縮機１に吸い込まれた空気１１は、圧縮機流路６６を通過する過程で圧縮される。

動翼５１ａ〜５１ｈは、スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３の外周面にそれぞれロータ５６の周方向に沿って等間隔に複数設けられている。動翼５１ａ〜５１ｈは、スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３の外周面から基準圧縮機１の外周側（ケーシング５４の内周面）に向かって延伸している。なお、本実施形態では、動翼５１ａ，５１ｂはスタブシャフト６１の外周面に、動翼５１ｃ〜５１ｇはそれぞれディスク６２ａ〜６２ｅの外周面に、動翼５１ｈはディスタントピース６３の外周面に設けられている。動翼５１ａ〜５１ｈは、タービンで得られる動力により、スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３とともに中心軸Ｌを中心に下流側から見て時計回りに回転する。

静翼５２ａ〜５２ｈは、ケーシング５４の内周面にそれぞれロータ５６の周方向に沿って等間隔に複数設けられている。静翼５２ａ〜５２ｈは、ケーシング５４の内周面から基準圧縮機１の内周側（スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ及びディスタントピース６３の外周面）に向かって延伸している。本実施形態では、静翼５２ａは、可変機構７０を介してケーシング５４の内周面に設けられている。つまり、静翼５２ａは翼長方向に延びる軸まわりに圧縮機流路６６中で回転可能に設けられていて、タービン起動時の旋回失速を抑制する機能を有している。なお、本実施形態では、静翼５２ａを可変機構７０を介してケーシング５４の内周面に設けた場合を例示しているが、複数の静翼を可変機構７０を介してケーシング５４の内周面に設けても良い。

動翼５１ａ〜５１ｈと静翼５２ａ〜５２ｈは、空気１１の流れ方向に交互に設けられている。つまり、圧縮機流路６６の入口から下流側に向かって、動翼５１ａ、静翼５２ａ、動翼５１ｂ、静翼５２ｂ・・・となるように、動翼と静翼が交互に設けられている。空気１１の流れ方向に隣接する１組の動翼と静翼（静翼が動翼の下流側）は、翼段落を構成している。図３に例示する構成では、動翼５１ａ〜５１ｈと静翼５２ａ〜５２ｈは、圧縮機流路６６の入口から、第１翼段落５３ａ〜第８翼段落５３ｈを構成している。なお、以下の説明では、第１翼段落５３ａを初段、第８翼段落５３ｈを最終段と言う場合がある。

初段５３ａの動翼５１ａに対して空気１１の流れ方向の上流側には、入口案内翼（ＩＧＶ）５５が設けられている。ＩＧＶ５５は、可変機構７０を介してケーシング５４の内周面にロータ５６の周方向に沿って等間隔に複数設けられている。ＩＧＶ５５は、空気１１の吸い込み流量を制御し、タービン負荷を調整する機能を有している。最終段５３ｈの静翼５２ｈに対して空気１１の流れ方向の下流側には、出口案内翼４６が設けられている。なお、本実施形態では出口案内翼４６を１列設けた場合を例示しているが、空気１１の流れ方向に複数列設けても良い。

抽気室７３，７４は、ケーシング５４に空気１１の流れ方向に並べて設けられている。抽気室７３，７４は、それぞれ抽気スリット７１，７２を備えている。抽気室７３，７４は、抽気スリット７１，７２を介して圧縮機流路６６と連通している。本実施形態では、抽気スリット７１は第２翼段落５３ｂの静翼５２ｂと第３翼段落５３ｃの動翼５１ｃの間で圧縮機流路６６に開口し、抽気スリット７２は第５翼段落５３ｅの静翼５２ｅと第６翼段落５３ｆの動翼５１ｆの間で圧縮機流路６６に開口している。つまり、抽気スリット７２は圧縮機流路６６の最下流側に形成されている。なお、本実施形態では、基準圧縮機１が２つの抽気室７３，７４を備える構成を例示しているが、１つ又は３つ以上の抽気室を備える構成としても良い。

第２翼段落５３ｂの静翼５２ｂを通過した空気１１の一部は抽気スリット７１を介して抽気室７３に流入し、第５翼段落５３ｅの静翼５２ｅを通過した空気１１の一部は抽気スリット７２を介して抽気室７４に流入する。抽気室７３，７４に流入した空気（抽気空気）は、ケーシング５４に設けられた配管（不図示）を介してタービン翼の冷却空気や軸受シール空気として利用される。タービンの定格運転時には、空気１１の吸込流量の一部（例えば、４〜５％程度）が抽気空気として利用される。また、タービンの起動時には、タービン翼の旋回失速を回避するために圧縮機流路６６内の昇圧空気が抽気され、空気１１の吸込流量の一部（例えば、３０％程度）が排出される。

抽気室７３，７４の抽気スリット７１，７２と動翼５１ｃ，５１ｆ（つまり、抽気スリット７１，７２より下流側の動翼のうち、抽気スリット７１，７２に最も近い位置に設けられた動翼）は、抽気室７３，７４による共鳴周波数と動翼５１ｃ，５１ｆの固有振動数との共振を回避したり、抽気スリット７１，７２における流体変動圧力が動翼５１ｃ，５１ｆの翼長方向の先端部に与える影響を小さくするために、空気１１の流れ方向のオーバーラップ量が小さくなるように設計することが望ましい。

最終段５３ｈの動翼５１ｈと静翼５２ｈの間には内周抽気スリット３１が形成されていて、圧縮機流路６６の内周側に内周抽気構造を形成している。動翼５１ｈを通過した空気は、内周抽気スリット３１で抽気され、例えば、ディスク６２ａ〜６２ｅの冷却空気、圧縮機流路６６からディスク６２ａ〜６２ｅ間への空気１１の漏れ流れを抑制するためのシール空気として利用される。内周抽気スリット３１では、抽気室７３，７４の抽気スリット７１，７２と異なり、高速回転するロータ５６と静止体との間の空間に流入するため、流れが非常に複雑になり、最終段５３ｈの動翼５１ｈ及び静翼５２ｈに対して流体変動圧力が大きくなると推定される。そのため、動翼５１ｈは前段である第７翼段落５３ｇの動翼５１ｇに比べて翼剛性が高くなるように設計され、静翼５２ｈも内周側にシュラウド７５を設けて翼剛性が高くなるように設計されている。

吸気部（不図示）を介して流入した空気１１は、基準圧縮機１の上流側に設けられた吸気プレナム３３の形状に沿って回転軸Ｌに沿う方向に流れを転向し（図３に例示する構成では、空気１１は吸気プレナム３３の形状に沿って９０度転向する）、圧縮機流路６６内に流入する。圧縮機流路６６内に流入した空気１１は、中心軸Ｌを中心に回転する動翼により運動エネルギーを付与され、全圧及び全温が上昇した状態で動翼から流出する。動翼から流出した空気１１は、下流側の静翼の形状に沿う方向に流れを転向する。このとき、空気１１は静翼に流入したときより減速されるため、動翼により付与された運動エネルギーが圧力に変換される。その結果、空気１１の圧力が上昇する。以降、空気１１の流れ方向に交互に配列された動翼及び静翼により、空気１１は昇圧されていく。このように、圧縮機流路６６では空気１１の流れに対して逆圧力勾配となるので、空気１１は圧縮機流路６６を下流側に流れるほど翼面から剥離し易くなる。

３−２．基準機流用に関する検討
ここで、基準機１００を基礎にして基準圧縮機１をそのまま流用して高炉ガスタービンを製造した場合を考える。

図４は、基準圧縮機１をそのまま流用して製造した高炉ガスタービンの圧縮機流量と圧力比の関係を例示する図である。線Ａは、運用範囲において圧縮機流量に対してサージマージンを確保できる限界圧力比を示している。高炉ガスタービンが線Ａよりも下側（低圧力比側）にある作動点Ｉで作動する場合は、十分なサージマージンがある。作動点Ｉで作動していたときより高炉ガスのカロリーが増加した場合、タービン出力を一定に保持するために燃料流量を減少させるとタービンに供給される燃焼ガスの流量が減少するため、圧縮機流量を維持すれば基準圧縮機１の圧力比が減少し、作動点が点Ｉから点ＩＩに低下する。しかし、作動点Ｉで作動していたときより高炉ガスのカロリーが減少した場合、タービン出力を一定に保持するために燃料流量を増加させるとタービンに供給される燃焼ガスの流量が増加するため、基準圧縮機１の圧力比が増加し、作動点が点Ｉから線Ａを超えて点ＩＩＩに上昇する。このように、線Ａよりも上側（高圧力比側）の作動点ＩＩＩで作動すると、基準圧縮機１のサージングが発生する可能性がある。また、既設設備の場合、大気温度の変化や経年による圧縮機の動翼及び静翼の汚れ等によりサージマージンが減少することを考慮すると、作動点が点ＩＩＩとなり得るようでは、ガスタービン設備として十分な信頼性が得られない。更に、高炉ガス中に含まれる不純物の影響により、高炉ガスを昇圧するガス圧縮機が腐食環境化に曝され、ガス圧縮機の動翼及び静翼が汚れることでガス圧縮機の動力が増加する可能性がある。その場合も、タービン出力を一定に保持するために燃料流量を増加させると基準圧縮機１の圧力比が増加し、サージマージンが減少する可能性がある。

従って、圧力比を基準圧縮機１より高くしつつサージマージンの限界圧力比を基準圧縮機１より高圧力比側に上昇させる（図４に例示する場合、サージマージンの限界圧力比を線Ａから線Ｂに上昇させる）ように、派生圧縮機を製造することが重要である。

３−３．派生圧縮機の製造
図５は本実施形態に係る派生圧縮機２０１の一構成例の全体構成を表す概略図、図６は本実施形態に係る派生圧縮機２０１の製造手順を示すフローチャートである。図５において、基準圧縮機１と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。以下、派生圧縮機２０１の設計・製造手順について説明する。

・ステップＳ１
基準機１００を選択する。例えば、派生機２００に要求されるタービン出力と同じタービン出力の機種を基準機１００として選択すれば良い。なお、既存の基準機から派生機を製造する場合には、本ステップは省略される。

・ステップＳ２
基準圧縮機１に加える追加段の段数を算定する。本実施形態では、燃料の組成の変動による派生圧縮機２０１における圧力比の上昇値に基づき、追加段の段数を算定する。具体的には、燃料の組成の変動による圧力比の変動幅を推定し、限界圧力比が変動する圧力比の上昇値より大きくなるように、追加段の段数を算定する。例えば、燃料の組成の変動による圧力比の変動幅が±３〜５％程度と推定される場合、圧力比の上昇値の変動は最大５％程度なので、通常の基準圧縮機の最終段近傍の段圧力比が１．１程度であることを考慮すると、基準圧縮機全体の圧力比にも影響するが、追加段の段数は１〜２段と算定される。

・ステップＳ３
追加段を加える位置を決定する。本実施形態では、以下の要件（ｉ）を満たす位置に追加段を加える。

（ｉ）基準圧縮機の最終段とそのひとつ前の翼段落との間
理由
図７は本実施形態に係る基準圧縮機１の第７翼段落５３ｇ及び最終段５３ｈの動翼５１ｇ，５１ｈの概略図、図８は本実施形態に係る派生圧縮機２０１の第７翼段落５３ｇ、追加段５３ｉ及び最終段５３ｈの動翼５１ｇ，動翼５１ｉ，動翼５１ｈの概略図である。

上述のように、本実施形態では、最終段５３ｈの動翼５１ｈを最終段５３ｈの翼剛性を上段（第７翼段落５３ｇ）の動翼５１ｇに比べて高くしている。具体的には、図７に示すように、動翼５１ｇ，５１ｈの最大厚みをＴ１，Ｔ２、翼コード長をＬ１，Ｌ２とした場合、Ｔ１＜Ｔ２及びＬ１＜Ｌ２となるように動翼５１ｇ，５１ｈを形成している。また、動翼５１ｇ，５１ｈの翼ピッチ長（ロータ５６の周方向に沿った翼枚数に対応する要素である）をＰ１，Ｐ２とした場合、動翼５１ｇ，５１ｈのソリディティ（翼コード長Ｌ１，Ｌ２と翼ピッチ長Ｐ１，Ｐ２の比率Ｌ１／Ｐ１，Ｌ２／Ｐ２）がほぼ同等となるように動翼５１ｇ，５１ｈを設けている。つまり、動翼５１ｈのロータ５６の周方向に沿った翼枚数が動翼５１ｈより少なくなるように動翼５１ｇ，５１ｈを設けている。

仮に、追加段５３ｉを最終段５３ｈの下流側に加えた場合、内周抽気を考慮すると追加段５３ｉの動翼５１ｉの最大厚みをＴ２、翼コード長Ｌ２とする必要があるが、最大厚みを大きくすると翼空力損失が増加するため圧縮機効率が低下する。一方、翼空力損失を抑制するために追加段５３ｉの動翼５１ｉの最大厚みをＴ１、翼コード長をＬ１とすると、内周抽気による流体変動圧力の影響で追加段５３ｉの動翼５１ｉが損傷する可能性がある。更に、追加段５３ｉを最終段５３ｈの下流側に加えると、動翼５１ｈが設けられているディスタントピース６３のインロー部、スタッキングボルト締結部、動翼植設部といった構造を変更する必要があり、コスト及び設計期間が増加する。また、仮に、追加段５３ｉを最終段５３ｈの下流側に加え、最終段５３ｈの動翼５１ｈの翼コード長及び翼最大厚みをＬ１，Ｔ１とした場合、ソリディティ（Ｌ１／Ｐ２）が翼コード長及び翼最大厚みをＬ２，Ｔ２とした場合に比べて小さくなる。そうすると、翼負荷が増加して翼空力損失が増加するため、圧縮機効率が低下する。

他方、一般的に、軸流圧縮機は、初段から下流に向かって圧縮機流路が減少するように構成されている。そのため、例えば、圧縮機流路の出来るだけ下流側に追加段を加えれば、追加段５３ｉの動翼５１ｉを短翼にすることができる。

従って、本実施形態では、最終段５３ｈとそのひとつ前の段（第７翼段落５３ｇ）との間に追加段５３ｉを加え、図８に示すように、追加段５３ｉの動翼５１ｉの翼最大厚み及び翼コード長をＴ１，Ｌ１としている。なお、追加段５３ｉの静翼５２ｉには、第７翼段落５３ｇの静翼５２ｇ等を流用しても良い。

基準圧縮機が圧縮機流路の内径及び外径が一定となる領域を備える場合には、更に、以下の要件（ｉｉ）を満たす位置に追加段を加えても良い。

（ｉｉ）基準圧縮機の最終段の上流側でかつ圧縮機流路の内径及び外径が一定となる領域
理由
一般的に、基準圧縮機の圧縮機流路の内周壁及び外周壁では境界層が発達するため、基準圧縮機の下流段側では二次流れ損失が増加する。したがって、基準圧縮機の下流段側では、翼長と翼コード長の比率であるアスペクト比を一定値（例えば、１．２）以上にする必要がある。また、基準圧縮機の下流段側では空気が高温になるため、タービンの起動から定格運転時及び停止時を考慮すると、ロータとケーシングの熱容量の差により両者の熱伸び量に時間差が生じる。特に、タービンの停止時にケーシングの熱伸び量がロータより先に小さくなると、動翼とケーシングの内周面が接触し、動翼が損傷する可能性がある。一方、動翼の翼長方向の先端部とケーシングの内周面との間隙を十分に確保すると、タービンの定格運転時に前述の間隙が増加して圧縮機効率が低下する可能性があるため、前述の間隙を最適な値に設定する必要がある。したがって、基準圧縮機の下流段側では、動翼及び静翼の翼長方向の先端部とケーシングの内周面との間隙を容易に設定できるように、圧縮機流路の内径及び外径を一定にすることが有用である。

そして、基準圧縮機が圧縮機流路の内径及び外径が一定となる領域を備える場合には、基準圧縮機の最終段の上流側でかつこの領域に追加段を加えれば、追加段に基準圧縮機の翼段落を流用できるからである。

基準圧縮機が抽気スリットを備える場合には、更に、以下の要件（ｉｉｉ）を満たす位置に追加段を加えても良い。

（ｉｉｉ）基準圧縮機の最終段よりも上流側で抽気室の抽気スリットの下流側
理由
基準圧縮機が抽気スリットを備える場合、抽気スリットより上流側に追加段を加えると、抽気スリットの位置を変更する必要があるため、抽気スリット７２周辺の構成要素（例えば、ケーシング５４等）を変更する必要がある。そうすると、コスト及び設計期間が増加する。

従って、基準圧縮機が抽気スリットを備える場合には、基準圧縮機の最終段よりも上流側で抽気スリットの下流側に追加段を加える。なお、基準圧縮機が複数の抽気スリットを備える場合には、上述の理由から、基準圧縮機の最終段よりも上流側で最下流側の抽気スリットの下流側に追加段を加える。

一方、基準圧縮機の最終段の上流側で最下流側の抽気スリットの下流側に追加段を加えた場合、タービン翼冷却空気の圧縮機側の空気とタービン側の空気の差圧（配管圧損及び翼冷却圧損を考慮する）が確保できなくなる可能性があり得る。その場合には、配管圧損及び翼冷却圧損を考慮した差圧を確保できるように抽気スリットを下流側に移動させて、最適な差圧のタービン翼冷却空気を供給できるようにすれば良い。このような構成により、冷却空気量を削減でき、ガスタービンの効率を向上させることができる。

図５に例示した構成では、図３に例示した基準圧縮機１が圧縮機流路６６の内径及び外径が一定となる領域（第６翼段落５３ｆ〜第７翼段落５３ｇ）を備え、複数の抽気スリット７１，７２を備えているので、最終段５３ｈとそのひとつ前の翼段落５３ｇとの間で、圧縮機流路６６の内径及び外径が一定となる領域であり、最下流側に設けられた抽気スリット７２の下流側に、動翼５１ｉ、静翼５２ｉ及びディスク６２ｆを備える追加段５３ｉを加えている。なお、図５は、追加段を１段加えた場合を例示しているが、追加段を２段以上加える場合も上述の要件（ｉ）〜（ｉｉｉ）を満たす位置に加えれば良い。

・ステップＳ４
基準圧縮機１の構成要素（例えば、ケーシング５４、スタブシャフト６１、ディスク６２ａ〜６２ｅ、ディスタントピース６３、動翼５１ａ〜５１ｈ、静翼５２ａ〜５２ｈ等）のうち、ステップＳ３において追加段５３ｉを加えることに伴って仕様を外れた構成要素を仕様に合うように更新し、仕様が共通する構成要素は流用して、派生圧縮機２０１を設計する。なお、本実施形態において、仕様は構成要素が満たすべき要求事項である。

（ａ）更新する構成要素
図５に例示した構成では、追加段５３ｉを加えることによりロータ５６を空気１１の流れ方向に伸ばす必要がある。一方、ロータ５６の振動を抑制して派生圧縮機２０１の信頼性を確保する上で、ロータ５６の長さが制約されるときがある。これに対し、本実施形態では、ディスタントピース６３のタービン側との取り合い部６７を追加段５３ｉの分だけ短くしている。すなわち、追加段５３ｉの分だけ派生圧縮機２０１とタービンとの間を詰めている。

更に、図５に例示した構成では、追加段５３ｉの分だけケーシング５４を空気１１の流れ方向に伸ばしている。

（ｂ）流用する構成要素
図５に例示した構成では、追加段５３ｉのディスク６２ｆを最終段５３ｈの前段（第７翼段落５３ｇ）のディスク６２ｅと同じ構造としている。また、追加段５３ｉの動翼５１ｉを追加段５３ｉの前段（第７翼段落５３ｇ）の動翼５１ｇと同じ形状としている。

更に、図５に例示した構成では、基準圧縮機１の最終段５３ｈの静翼５２ｈ及び出口案内翼４６を流用している。以下、詳しく説明する。

図９は本実施形態に係る基準圧縮機１及び派生圧縮機２０１の静翼の流出角分布を示す図である。

一般的に、圧縮機では、静翼により空気の流れを転向させるため、静翼の流出角は下流段側ほど大きくなる。したがって、図９に示すように、静翼の流出角は、基準圧縮機１及び派生圧縮機２０１ともに最終段５３ｈの静翼５２ｈで最大となる。最終段５３ｈの動翼５１ｈを通過した空気１１は、静翼５２ｈで流れを転向し、静翼５２ｈの下流側に設けられた出口案内翼４６により旋回成分をゼロにされて、下流側に設けられたディフューザに供給される。

本実施形態では、追加段５３ｉを最終段５３ｈより上流側に加え、最終段５３ｈの静翼５２ｈの流出角を追加段５３ｉを加える前後で同一にしている。そのため、派生圧縮機２０１の出口案内翼の転向角を基準圧縮機１の出口案内翼４６と同一とすることができる。したがって、派生圧縮機２０１の最終段の静翼及び出口案内翼に基準圧縮機１の最終段５３ｈの静翼５２ｈ及び出口案内翼４６を流用することに妥当性があると言える。

・ステップＳ５
ステップＳ４の設計に基づいて派生圧縮機２０１を製造する。なお、既存の基準機から派生機を製造する場合には、ステップＳ４において（ａ）に例示した構成要素を更新し、既存の基準機の基準圧縮機に組み込めば良い。

なお、派生機２００は、ステップＳ４で製造した派生圧縮機２０１を用いて製造する。

（効果）
（１）本実施形態では、基準圧縮機１の最終段５３ｈとその１つ前の段との間に、少なくとも１つの追加段５３ｉを加えて、派生圧縮機２０１を設計及び製造している。そのため、派生圧縮機２０１のサージ圧力比を基準圧縮機１に比べて増加させることができ、燃料の組成の変動に対して圧縮機のサージマージンを確保することができる。また、追加段５３ｉの大型化を抑制することができる。

（２）本実施形態では、基準圧縮機１が圧縮機流路６６の内径及び外径が一定となる領域を備える場合、基準圧縮機１の最終段５３ｈの上流側でかつ圧縮機流路６６の内径及び外径が一定となる領域に、少なくとも１つの追加段５３ｉを加えている。そのため、追加段５３ｉをその前段又は後段と同じ構造とすることができ、追加段５３ｉに基準圧縮機１の設計又は製造の実績のある翼段落を流用することができる。従って、上述の効果に加え、コストの増加を抑制することができ、基準圧縮機１から流用した翼段落については改めて検証等することなく信頼性を確保できるので設計期間を短縮することもできる。

（３）本実施形態では、基準圧縮機１の最終段５３ｈよりも上流側で抽気スリット７２の下流側に、少なくとも１つの追加段５３ｉを加えている。そのため、抽気スリット７２の位置を変更する必要がなく、抽気スリット７２周辺の構成要素に設計又は製造の実績のある基準圧縮機１の構成要素を流用することができる。したがって、上述の効果に加え、コストの増加を抑制することができ、基準圧縮機１から流用した構成要素については改めて検証等することなく信頼性を確保できるので設計期間も短縮することができる。

（４）本実施形態では、追加段５３ｉの動翼５１ｉの翼最大厚み及び翼コード長をＴ１，Ｌ１としている。そのため、動翼５１ｉに、例えば、追加段５３ｉの前段（第７翼段落５３ｇ）の動翼５１ｇを流用することができるので、派生圧縮機２０１の効率低下を抑制し、翼信頼性を確保することができる。また、追加段５３ｉの動翼５１ｉの翼コード長を最終段５３ｈの動翼５１ｈより短くしているため、追加段５３ｉを加えたことによるロータ５６の長さの増加量を抑制し、ロータ５６の振動を抑制することができる。

（５）本実施形態では、追加段５３ｉのディスク６２ｆを基準圧縮機１の最終段５３ｈの前段（第７翼段落５３ｇ）のディスク６２ｅと同じ構造とし、派生圧縮機２０１のディスタントピースのディスク部を基準圧縮機１のディスタントピース６３のディスク部と同じ構造とし、追加段５３ｉの動翼５１ｉを前段（第７翼段落５３ｇ）の動翼５１ｇと同じ形状とし、基準圧縮機１の最終段５３ｈの静翼５２ｈ及び出口案内翼４６を派生圧縮機２０１に流用している。そのため、派生圧縮機２０１の上述した各構成要素については、新規に設計等する必要がないのでコストの増加を抑制でき、また、改めて信頼性を検証等することなく信頼性を確保できるので設計期間を短縮することもできる。

（６）本実施形態では、ディスタントピース６３のタービン側との取り合い部６７を短くすることができる。そのため、ロータ５６の長さが制約される場合でも、ディスタントピース６３のタービン側との取り合い部６７を追加段５３ｉの分だけ短くすることにより、基準圧縮機１の構成要素の更新箇所を最小限に抑えつつ追加段５３ｉを加えることができる。

＜第２実施形態＞
（構成）
図１０は排熱回収ボイラの蒸気を利用したガスタービン（以下、排熱利用ガスタービン）の模式図である。排熱利用ガスタービンは、排熱回収ボイラの蒸気エネルギーの全量をガスタービンに導入可能に構成されていて、コンバインドサイクルのような蒸気タービンを用いることなく、より高い効率を得ることができる。図１０において、図１の基準機１００と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。図１０に示すように、排熱利用ガスタービン３００は、圧縮機として派生圧縮機２０１を備え、基準機１００の構成要素に加えて排熱回収ボイラ８１及び水回収装置８２を備えている。

排熱回収ボイラ８１は、タービン３から排出された排出ガス１５より排熱を回収し、水回収装置８２から供給された水分９３より高温蒸気９４を生成する。排熱回収ボイラ８１は、生成した高温蒸気９４を燃焼器２に噴射する。燃焼器２は、噴射された高温蒸気９４と燃料１３を混合して燃焼し、高温の燃焼ガス１４を発生させてタービン３に供給する。タービン３を駆動した燃焼ガス１４は、排ガス１５としてタービン３から排出され、排熱回収ボイラ８１に供給される。排熱回収ボイラ８１に供給された排ガス１５は熱交換により熱回収され、排気ガス９１として排熱回収ボイラ８１から排出される。排熱回収ボイラ８１から排出された排気ガス９１は、水回収装置８２に供給される。水回収装置８２は、排気ガス９１の湿分を冷却水で冷却して凝縮し、水分を回収する。水回収装置８２で水分を回収された排気ガス９１は、排気ガス９２として水回収装置８２から排出される。水回収装置８２で回収された水分９３は、水処理された後、一部は水回収装置８２における噴霧水に利用され、一部は排熱回収ボイラ８１に供給されて高温蒸気９４の生成に利用される。

（効果）
仮に、図１０に例示した排熱ガスタービン３００の圧縮機に基準圧縮機１をそのまま流用した場合、基準圧縮機１より得た圧縮空気１２に高温蒸気９４を噴射するため、タービン３に供給される燃焼ガス１４の流量は基準圧縮機１の吸込流量に比べて増加する。そのため、基準圧縮機１の圧力比が増加し、サージマージンが減少する可能性がある。また、大気温度の変化や経年による圧縮機の動翼及び静翼の汚れ等によりサージマージンが減少する可能性もある。従って、サージマージンの限界圧力比を基準圧縮機１よりも高圧力比側に上昇させ、十分なサージマージンを確保することが重要である。

それに対し、本発明の派生圧縮機２０１は、第１実施形態で説明した通り基準圧縮機１に比べてサージマージンを確保し、ガスタービンの信頼性を確保することができる。このように、高炉タービンに限らず排熱ガスタービンに対しても本発明は問題なく適用することができる。つまり、本発明の適用対象は軸流圧縮機を備えるガスタービンであり、ガスタービンの態様は特別に限定されるものではない。

＜その他＞
本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加したり、各実施形態の構成の一部を削除することも可能である。

第１実施形態において、要件（ｉ）を満たす位置、要件（ｉ），（ｉｉ）を満たす位置、及び要件（ｉ），（ｉｉ），（ｉｉｉ）を満たす位置に追加段５３ｉを加える場合を例示した。しかしながら、本発明の本質的効果は、燃料の組成の変動に対して圧縮機のサージマージンを確保できるガスタービンの製造方法を提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては必ずしも上述の場合に限定されない。例えば、要件（ｉｉ）のみを満たす位置や要件（ｉｉｉ）のみを満たす位置に追加段５３ｉを加えても良い。要するに、少なくとも要件（ｉ）、要件（ｉｉ）又は要件（ｉｉｉ）のいずれかを満たす位置に追加段５３ｉを加えることができる。

第１実施形態において、ディスタントピース６３のタービン側との取り合い部を追加段５３ｉの分だけ短くする構成を例示した。しかしながら、上述の本質的効果を得る限りにおいては必ずしも上述の構成に限定されない。例えば、基準圧縮機１の追加段５３ｉを加える位置より上流側の構成要素を追加段５３ｉの分だけ上流側に移動させて、追加段５３ｉを加えても良い。この場合、ディスタントピース６３のタービン側との取り合い部を短くする必要がないので、基準圧縮機１のディスタントピース６３を流用することができる。また、ディスタントピース６３のタービン側との取り合い部を短くしつつ、基準圧縮機１の追加段５３ｉを加える位置より上流側の構成要素を上流側に移動させて、ロータ５６全体で追加段５３ｉの分の隙間を確保して、追加段５３ｉを加えても良い。

１ 基準圧縮機
４６ 出口案内翼
５１ａ〜５１ｉ 動翼
５２ａ〜５２ｉ 静翼
５３ａ〜５３ｈ 第１〜第８翼段落（最終段）
５３ｉ 追加段
６２ａ〜６２ｆ ディスク
６３ ディスタントピース
６６ 圧縮機流路
６７ 取り合い部
７１，７２ 抽気スリット
７３，７４ 抽気室
１００ 基準ガスタービン（基準機）
２００ 派生ガスタービン（派生機）
２０１ 派生圧縮機

Claims (15)

1. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの製造方法において、
   前記基準圧縮機の最終段よりも上流側で前記基準圧縮機の抽気室の抽気スリットの下流側に、少なくとも１つの追加段が加わるように前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、
   前記設計に基づいて前記派生ガスタービンの圧縮機を製造し、前記派生ガスタービンを製造することを特徴とするガスタービンの製造方法。
2. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの製造方法において、
   前記基準圧縮機の最終段の上流側でかつ圧縮機流路の内径及び外径が一定となる領域に、少なくとも１つの追加段が加わるように前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、
   前記設計に基づいて前記派生ガスタービンの圧縮機を製造し、前記派生ガスタービンを製造することを特徴とするガスタービンの製造方法。
3. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの製造方法において、
   前記基準圧縮機の最終段とその１つ前の段との間に少なくとも１つの追加段が加わるように前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、
   前記設計に基づいて前記派生ガスタービンの圧縮機を製造し、前記派生ガスタービンを製造することを特徴とするガスタービンの製造方法。
4. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記抽気スリットは、前記基準圧縮機に複数備えられたもののうち最下流側に設けられているものであることを特徴とするガスタービンの製造方法。
5. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記追加段を加える位置が、圧縮機流路の内径及び外径が一定となる領域に含まれてい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に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記追加段を加える位置が、前記基準圧縮機の抽気室の抽気スリットの下流側の位置であることを特徴とするガスタービンの製造方法。
7. 請求項１乃至３に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記追加段のディスクを前記基準圧縮機の最終段の前段のディスクと同じ構造とすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
8. 請求項７に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記派生ガスタービンの圧縮機のディスタントピースを前記基準圧縮機の最終段のディスタントピースと同じ構造とすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
9. 請求項１乃至３に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記追加段の動翼を、前記追加段の前段の動翼と同じ形状とすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
10. 請求項１乃至３に記載のガスタービンの製造方法において、
    前記基準圧縮機の最終段の静翼及び出口案内翼を前記派生ガスタービンの圧縮機の最終段の静翼及び出口案内翼とすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
11. 請求項１乃至３に記載のガスタービンの製造方法において、
    前記基準圧縮機の最終段のディスタントピースのタービン側との取り合い部を短くすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
12. 請求項１乃至３に記載のガスタービンの製造方法において、
    燃料状態の変動に応じた圧力比上昇値に基づき、前記追加段の段数を算定することを特徴とするガスタービンの製造方法。
13. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの設計方法において、
    前記基準圧縮機の最終段よりも上流側で前記基準圧縮機の抽気室の抽気スリットの下流側に、少なくとも１つの追加段が加わるように前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、前記派生ガスタービンを設計することを特徴とするガスタービンの設計方法。
14. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの設計方法において、
    前記基準圧縮機の最終段の上流側でかつ圧縮機流路の内径及び外径が一定となる領域に、少なくとも１つの追加段が加わるように前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、前記派生ガスタービンを設計することを特徴とするガスタービンの設計方法。
15. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの設計方法において、
    前記基準圧縮機の最終段とその１つ前の段との間に少なくとも１つの追加段が加わるように前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、前記派生ガスタービンを設計することを特徴とするガスタービンの設計方法。

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