JP2017172374A - 軸流圧縮機及び軸流圧縮機を備えたガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】シュラウド漏れ流路を有する軸流圧縮機の静翼段の静翼列において、シュラウド漏れ流路内の旋回流れによるブラシシールのブリストル部の吹き上がりを抑制してシュラウド漏れ流路から静翼列環状流路内に流れ出る流量を低減してシール性能を向上し、静翼列の性能を向上して圧縮機全体の効率を改善可能な軸流圧縮機及び軸流圧縮機を提供する。【解決手段】軸流圧縮機の静翼段を構成する静翼列において、静翼列の内周部の静止体である一方の翼端シュラウドと内周ケーシングとの間、又は、静翼列の外周部の静止体である他方の翼端シュラウドと外周ケーシングとの間に、静翼の翼部の上流側から翼部の下流側に至るようにシュラウド漏れ流路を形成し、シュラウド漏れ流路の経路途中に溝部を設けると共に、溝部の内部にブラシシールを配置し、ブラシシールを構成するブリストルは、鉛直線に対して静翼の翼部の背側から腹側に向けて傾斜するように配列した。【選択図】図４

Description

本発明は軸流圧縮機及び軸流圧縮機を備えたガスタービンに関する。

ガスタービンに用いられる軸流圧縮機では、高圧力比と低コスト化を両立する高負荷化技術の開発が盛んに行われている。

高負荷技術を適用した軸流圧縮機の高圧静翼段では、圧縮機の運転時と停止時における熱伸びが大きく、軸流圧縮機の静翼列構造における静止体間で大きな間隙変化が生じる。

この軸流圧縮機の静翼列構造における静止体間の間隙変化に起因して、静翼列流路に漏れ出してくる流れ（漏れ流れ）によって静翼の翼面と流路壁面で形成されるコーナー部に流れの剥離（コーナーストール）が発生し、静翼列流路において圧力損失が増大する可能性がある。

そのため、前記漏れ流れを抑制する方法として、軸流圧縮機の静翼列構造における静止体間の間隙部にシールを設ける方法がある。そして、このシール性能を向上するためのシール機構として、例えば、ガスタービン燃焼器の火炎管と移行要素の円筒状のはめあい部位間の隙間に、特許文献１に記載のような間隙変化に対応可能なシール機構であるブラシシールを設ける技術がある。

特開２００９−２８７５５９号公報

高負荷圧縮機の高圧静翼段のうち、環状に配置された複数の静翼によって構成された静翼列が軸流圧縮機の外周ケーシングと翼端シュラウドに挟まれたシュラウド付構造を有すものでは、いずれも静止体である軸流圧縮機の内周ケーシングと翼端シュラウドとの間に間隙（シュラウド漏れ流路）が存在する。

このシュラウド漏れ流路内を通り静翼列の環状流路内に流れ出る漏れ流れによって、軸流圧縮機の静翼列上流の壁面近傍の境界層が影響を受け、コーナーストールが発生しやすくなる。このコーナーストールの発生によって、軸流圧縮機の静翼部の全圧損失は増加して翼性能が悪化する。

このような流れの剥離は軸流圧縮機の翼部へ非定常な流体振動を誘発し、軸流圧縮機の信頼性低下につながる。さらに、流れの剥離が生じると軸流圧縮機の下流側の翼に対する流入角が変わり、下流の翼列での圧力損失増加や軸流圧縮機の信頼性低下を招く可能性もある。

そしてこの場合、軸流圧縮機全体の効率低下や信頼性低下につながる。そこで、漏れ流れ抑制を目的として、シュラウド漏れ流路へブラシシールを適用する方法がある。

特に、軸流圧縮機の高圧段のような熱伸びによる間隙変化の大きい場所では、間隙変化によるシール性能低下が問題となるが、ブラシシールでは多数の抵抗体（ブラシブリストル）が弾性変形するため、間隙変化に対して一定の追従性がある。

また、上記特許文献１に記載したブラシシールを備えたシール機構の様に、軸流圧縮機の高圧段のような熱伸びによる間隙変化を吸収する機構を設ける技術がある。軸流圧縮機におけるシュラウド漏れ流路内の流れに着目すると、シュラウド漏れ流路内と静翼列の環状流路が接する箇所の、静翼上流側（低圧側）と下流側（高圧側）の圧力差が周方向に不均一となっていることから、シュラウド漏れ流路内の流れは周方向の速度成分（旋回流れ）を有する。

この旋回流れがブラシシールのブリストルの先端部を押し上げることで、内周ケーシングとブラシシールのブリストル先端部の間隙が拡大し、シール性能が低下することが考えられる。

上記特許文献１に記載のブラシシールを備えたシール機構では、旋回流れによるブラシシールのブリストルの吹き上がりによるシール性能低下に関しては未だ課題がある。

本発明の目的は、シュラウド漏れ流路を有する軸流圧縮機の静翼段の静翼列において、シュラウド漏れ流路内の旋回流れによるブラシシールのブリストル部の吹き上がりを抑制してシュラウド漏れ流路から静翼列の環状流路内に流れ出る流量を低減してシール性能を向上し、静翼列の性能を向上して圧縮機全体の効率を改善可能な軸流圧縮機及び軸流圧縮機を備えたガスタービンを提供することにある。

本発明の軸流圧縮機は、複数の動翼で構成された動翼列と、複数の静翼で構成された静翼列を軸流圧縮機の軸方向に沿ってそれぞれ環状に複数配置して、軸流圧縮機を流下する空気を圧縮する複数の動翼を備えた動翼段、および前記動翼段で圧縮された空気を下流側に導く複数の静翼を備えた静翼段を圧縮機のロータの軸方向に沿って順次、直列に複数段配置して構成した軸流圧縮機において、前記軸流圧縮機は内周ケーシングと外周ケーシングとの間に形成されて作動流体が流通する環状流路内に配置された複数の静翼で形成される静翼列を備えており、前記静翼列の内周部の静止体である一方の翼端シュラウドと内周ケーシングとの間、又は、前記静翼列の外周部の静止体である他方の翼端シュラウドと外周ケーシングとの間に、静翼の翼部の上流側から翼部の下流側に至るようにシュラウド漏れ流路を形成し、前記シュラウド漏れ流路の経路途中に溝部を設けると共に、この溝部の内部にブラシシールを配置し、前記ブラシシールを構成するブリストルは、鉛直線に対して静翼の翼部の背側から腹側に向けて傾斜するように配列したことを特徴とする。

本発明の軸流圧縮機を備えたガスタービンは、吸込空気を圧縮する軸流圧縮機と、軸流圧縮機で圧縮した空気とともに燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されて回転するタービンとを備え、この軸流圧縮機とタービンとはロータによって直結され、このガスタービンには電力を発生する発電機がロータの端部に接続されて、タービンの回転によって発電機を駆動して発電するように構成し、前記軸流圧縮機として請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の軸流圧縮機を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、シュラウド漏れ流路を有する軸流圧縮機の静翼段の静翼列において、シュラウド漏れ流路内の旋回流れによるブリストル部の吹き上がりを抑制してシュラウド漏れ流路から静翼列の環状流路内に流れ出る流量を低減してシール性能を向上し、静翼列の性能を向上して圧縮機全体の効率を改善可能な軸流圧縮機及び軸流圧縮機を備えたガスタービンを実現することができる。

本発明の実施例である軸流圧縮機を備えたガスタービンの全体構成を示す概略構成図である。 本発明を軸流圧縮機の静翼に適用した第１実施例である軸流圧縮機における静翼の要部構造を示す子午面断面図である。 図２の符号Ｘに示す静翼列の漏れ流路および漏れ流れを説明した図である。 図２の符号Ｘに示すシュラウド漏れ流路内のブラシシール構造を示す子午面断面図である。 図２の符号Ｘに示すシュラウド漏れ流路内の流れを示した図である。 図２の符号Ｘに示すシュラウド漏れ流路と、図４に示すブラシシールのブリストル部の特徴についての説明図である。 図６を主流方向から見た、ブラシシールのブリストル部の特徴を示した簡略図である。 図６に示すブラシシールの構造について、隣接する静翼列が有する間隙、および前記間隙に配置する薄プレートの説明図である。 図６に示した本発明の実施例である軸流圧縮機を構成する静翼における周方向の静翼セグメント構造を示した説明図である。 本発明を軸流圧縮機の静翼に適用した実施例の静翼の翼部と比較するために比較例の基準翼の静翼面および静翼部の内周面における限界流線をシュミレーションした説明図である。 本発明を軸流圧縮機の静翼に適用した実施例の静翼の静翼面および静翼部の内周面における限界流線をシュミレーションした説明図である。 本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼列を構成する静翼と、比較例の基準翼について、翼高さ方向の全圧損失分布をそれぞれ示した特性図である。 本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼列を構成する静翼と、比較例の基準翼について、翼高さ方向の流出角分布をそれぞれ示した特性図である。 本発明を軸流圧縮機の静翼に適用した第２実施例における静翼の要部構造を示す子午面断面図である。 図１４を主流方向から見た、ブラシシールのブリストル部の特徴を示した簡略図である。

本発明の軸流圧縮機、および軸流圧縮機を備えたガスタービンの実施例について図面を用いて以下に説明する。なお、ここでは、本発明をガスタービンの軸流圧縮機の静翼段へ適用する軸流圧縮機、およびその軸流圧縮機を備えたガスタービンの実施例について説明するが、本発明は、例えば、産業用の軸流圧縮機の静翼段へ適用する軸流圧縮機、およびその軸流圧縮機を備えたガスタービンにも適用可能である。

まず、本発明を適用した静翼を有する第１の実施例である軸流圧縮機、およびその軸流圧縮機を備えたガスタービンの実施例について、図１および図２を用いて説明する。

図１は本発明の実施例である軸流圧縮機を備えたガスタービンの全体構成を示す概略構成図であり、図２は本発明を軸流圧縮機の静翼に適用した実施例である軸流圧縮機における静翼の要部構造を示す子午面断面図である。なお、図２中の白抜き矢印は作動流体の流れを、細線の矢印はシュラウド漏れ流路を流下する漏れ流れを示す。

図３は、図２に示した軸流圧縮機の実施例の中で、符号Ｘとして示す部分における静翼列の漏れ流路および漏れ流れを説明した斜視図である。

図４は、図２に示した軸流圧縮機の実施例の中で、符号Ｘとして示す部分におけるシュラウド漏れ流路内のブラシシール構造と、シュラウド漏れ流路を流下する漏れ流れを示す子午面断面図である。

図１〜図４に示した本発明を適用した静翼を有する軸流圧縮機の実施例、及び、その軸流圧縮機を備えたガスタービンの実施例において、本実施例である軸流圧縮機を備えたガスタービンは、図１に示したように、吸込空気を圧縮する軸流圧縮機１と、この軸流圧縮機１で圧縮した空気とともに燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器５２と、この燃焼器５２で生成された燃焼ガスにより駆動されて回転するタービン５３を備えている。

軸流圧縮機１とタービン５３はロータ５４で直結されている。本実施例のガスタービンには、電力を発生する発電機５１がロータ５４の端部に接続されており、タービン５３の回転によってロータ５４を介して発電機５１を駆動して発電するように構成されている。

軸流圧縮機１の構造は、図２に部分断面図で示したように、前記ロータ５４の一部を構成する回転自在に保持された軸流圧縮機のロータ２と、このロータ２の外周部に沿って環状となるようにそれぞれ離間して取り付けられた複数の動翼３で構成される動翼列と、ロータ２を内包する外周ケーシング４と、前記動翼列の軸方向下流側に配置された複数の静翼５であって、前記静翼５はロータ２の外周部に沿って環状となるようにそれぞれ離間して配置されており、この静翼５の半径方向外方の端部は外周ケーシング４の内周壁に取り付けられ、この静翼５の半径方向内方の端部は内周ケーシング６の位置を構成する翼端シュラウド７の内周壁に取り付けられた複数の静翼５で構成された静翼列を備えている。

そして、複数の動翼３で構成された動翼列、および複数の静翼５で構成された静翼列を、軸流圧縮機１のロータ２の外周側に沿って交互に位置するようにそれぞれ環状に配置することで、軸流圧縮機１内を流下する空気を圧縮する複数の動翼３を備えた動翼段、および前記動翼段で圧縮された空気を下流側に導く複数の静翼５を備えた静翼段をそれぞれ構成している。

本実施例の軸流圧縮機１では、環状に配置された前記動翼段および環状に配置された静翼段をロータ２の軸方向に沿って交互に複数段配置することで、目的に応じた圧力比を達成している。

図２の軸流圧縮機１の部分断面図に示したように、軸流圧縮機１のロータ２の外周部に周方向に沿って動翼列を構成する複数の動翼３を環状に配置している。

また、複数の動翼３によって構成された動翼列の軸方向下流側には、静翼列を構成する複数の静翼５が環状に配置されており、複数の動翼３によって構成された動翼列と複数の静翼５によって構成された静翼列とが、軸流圧縮機１の上流側から下流側に向かってロータ２の軸方向に沿って交互に複数段配列されている。

そして、静翼列を構成する複数の静翼５の半径方向外周側となる一方の端部は外周ケーシング４の内周壁に取り付けられており、前記静翼列を構成する複数の静翼５の半径方向内周側となる他方の端部は内周ケーシング６の外周壁の一部を構成する翼端シュラウド７に取り付けられている。

軸流圧縮機１は内周ケーシングと外周ケーシングとの間に形成されて作動流体が流通する環状流路内に静翼列を構成する複数の静翼５を備えている。

これらの複数の静翼５は、図２〜図４に示すように、静翼５の半径方向外周側となる一方の端部が外周ケーシング４の内周壁に取り付けられて片持ち支持された翼部５ａを有しており、静翼５の半径方向内周側となる他方の端部は静翼５の翼部５ａの内周側に設けられた翼端シュラウド７に取り付けられた構成となっている。

周方向に隣接して環状に配置された静翼列の一部を構成する複数の翼端シュラウド７は相互に連結されて円環状の静翼段を形成している。

静翼５の半径方向内周側の端部が取り付けられる内周ケーシング６の内周壁の一部を構成する翼端シュラウド７は、この翼端シュラウド７と内周ケーシング６の壁面との間に間隙を有するように設置されて、前記内周ケーシング６の壁面と翼端シュラウド７との間で凹形状のシュラウド漏れ流路Ｌを形成している。

そして、静翼列の内周部の静止体である前記翼端シュラウド７と、内周ケーシング６の外壁面との間に形成した前記シュラウド漏れ流路Ｌは、図３〜６に示したように、環状流路に面した静翼５の翼部５ａの上流側から、環状流路に面した静翼５の翼部５ａの下流側に至るように配設されている。

環状流路に面した前記静翼５の翼部５ａの下流側の圧力は、同じく環状流路に面した前記静翼５の翼部５ａの上流側の圧力よりも高くなっているので、シュラウド漏れ流路Ｌを通じて流れる漏れ流れは、静翼列の環状流路を流れる空気流の一部が静翼５の翼部５ａの下流側のシュラウド漏れ流路Ｌの入口からシュラウド漏れ流路Ｌ内に流入し、前記シュラウド漏れ流路Ｌを流下して、静翼５の翼部５ａの上流側のシュラウド漏れ流路Ｌの出口から静翼列の環状流路に流出することになる。

前記シュラウド漏れ流路Ｌを前記内周ケーシング６の壁面に設けたことによって、静翼５の翼端シュラウド７の下面側と、内周ケーシング６の壁面側との間に間隙が形成されることになる。

そして前記間隙の大きさは、軸流圧縮機１の起動時における外周ケーシング４と内周ケーシング６の相対的な位置のずれを許容する大きさとなることを考慮して設定されている。

静翼列を構成する複数の静翼５によって形成される軸流圧縮機１内を空気流が流下する環状流路の内周面は、図３及び図４に示すように、静翼５の翼端シュラウド７の内周面１１および内周ケーシング６の内周面１０で形成されており、静翼列を構成する静翼５の翼部５ａの上流の環状流路と静翼列を構成する静翼５の翼部５ａの下流の環状流路は、このシュラウド漏れ流路Ｌによって相互につながっている。

次に、本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼を構成する静翼列および翼端シュラウドと内周ケーシングの構造について、図２〜図８を用いて説明する。

図３は図２の符号Ｘで示す部分における静翼列の静翼５および静翼列を構成する複数の静翼５の間に形成される環状流路と、静翼５の翼端シュラウド７と内周ケーシング６によって形成されるシュラウド漏れ流路Ｌについて説明した説明図である。

静翼５の翼部５ａの静翼背側２１は静翼負圧面であり、静翼５の翼部５ａの静翼腹側２２（図示せず）は静翼正圧面である。

図４は図２の符号Ｘで示す部分における静翼列を構成する静翼５の翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成されるシュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けられた凹形状の溝部１５の内部に位置するように配置されたブラシシール８の構造を示す子午面断面図である。

図５は図２の符号Ｘで示す部分における静翼列の静翼５の翼端シュラウド７及び翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成されたシュラウド漏れ流路Ｌ内を流れるシュラウド漏れ空気の流れについて説明した図である。

図６は図２の符号Ｘで示す部分におけるシュラウド漏れ流路Ｌと、図４に示すブラシシール８のブリストル部８ａについて説明する説明図である。

図７は図６に示した静翼５の翼部５ａとシュラウド漏れ流路Ｌ内の凹形状の溝部１５に設置されたブラシシール８のブリストル部８ａについて、軸流圧縮機１内を流下する空気流の主流方向Ｍから見た状況を示した簡略図である。

図８は図６に示した複数の静翼５を備えた静翼列の構造について、隣接する静翼列との間に形成されている間隙Ｌｓ、及び、この間隙Ｌｓを塞ぐように配置されている薄プレート３１について説明する説明図である。

図４〜図８において、本発明の実施例である軸流圧縮機１においては、静翼５を取付ける翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成されたシュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中には、凹形状の溝部１５が設けられている。

シュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けられた凹形状の前記溝部１５は、図５に示したように、軸流圧縮機１のロータ２の外周側に沿って環状に配置された複数の静翼５で構成された静翼列と同じ方向に伸延するように内周ケーシング６に設けられている。

この溝部１５の内部にはブラシシール８と、このブラシシール８を支持するバックプレート９とが配設されているが、これらのラシシール８とバックプレート９はシュラウド漏れ流路Ｌの凹形状の溝部１５に面した翼端シュラウド７の壁面にそれぞれ取り付けられている。

前記ブラシシール８は可撓性の多数の線状体を集合させたブリストル８ａで構成されており、このブリストル８ａは金属線や、ナイロン、又は他の化学繊維等の材料から形成されている。

バックプレート９はシュラウド漏れ流路Ｌを流れる空気流によってブラシシール８のブリストル８ａが広がってブリストル８ａを通過する漏れ空気の流量が増加するのを抑制するものである。

前記ブラシシール８のブリストル８ａは図６に示したように、鉛直線に対して角度θのブリストル角度を有するように配設されている。

図５に表した本発明の実施例である軸流圧縮機１において、静翼列の静翼５及びシュラウド漏れ流路Ｌ内を流れるシュラウド漏れ空気の流れに関して、図５中のＶＬはブラシシール８が設置される領域となるロータ２に沿った軸方向位置を示し、図５中のＬｆ１はシュラウド漏れ流路Ｌ内を流れる漏れ空気であってブリストル８ａに至る手前の漏れ空気の流れ方向を示し、図５中のＬｆ２はシュラウド漏れ流路Ｌ内を流れる漏れ空気であってブリストル８ａを通過した後の漏れ空気の流れ方向を示している。また、図５中のＣｘは静翼５の翼部５ａのコード長である。

図６に表した本発明の実施例である軸流圧縮機１において、静翼列の静翼５及びシュラウド漏れ流路Ｌ内を流れるシュラウド漏れ空気の流れに関して、図６中のＬｆ１ａは前記Ｌｆ１のうち、ロータ２の軸方向成分を示し、Ｌｆ１ｂは前記Ｌｆ１のうち、ロータ２の周方向成分を示す。

また、図３〜図６の図中の白抜き矢印は作動流体の流れを、黒矢尻の矢印は漏れ空気の流れを示し、図７及び図８中のＭは作動流体の流れ方向を示し、図８中のＬｓは隣接する静翼列間の周方向間隙Ｌｓを示している。

図３〜図８に示したように、圧縮機１の静翼列では一般的に静翼５の翼部５ａにおいて翼下流側で圧力上昇が生じる為、翼部５ａの翼下流（高圧側）と上流（低圧側）との間で圧力差が生じる。

その結果、静翼５の翼部５ａを取付けた翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成されたシュラウド漏れ流路Ｌの内部では、前記圧力差によって、図３〜図４に示したように、シュラウド漏れ流路Ｌを通じて空気流の主流の下流側から上流側に向かって流れる漏れ流れが生じる。

翼端シュラウド７と内周ケーシング６のとの間に形成されたシュラウド漏れ流路Ｌの出口は、静翼５の翼部５ａの上流側に存在しており、複数の静翼５から構成された静翼列の環状流路内周面と連通している為、シュラウド漏れ流路Ｌを通じて流れる漏れ流れはシュラウド漏れ流路Ｌの出口から静翼列の環状流路内周部にシュラウド漏れ流れとして漏れ出すことになる。

そこで、本発明の実施例である軸流圧縮機１においては、静翼列を構成する複数の静翼５が取り付けられる翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部に、図４に示すように、ブリストル８ａで構成されたブラシシール８と、このブラシシール８を支持するバックプレート９とが配設されており、翼端シュラウド７に端部を固定されたブラシシール８を構成するブリストル８ａによって、シュラウド漏れ流路Ｌを通じて静翼列の環状流路内周部に漏れ出す漏れ流れの流量を抑制している。

さらに、前記ブラシシール８のブリストル８ａをシュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部に設置すると共に、前記ブラシシール８を構成するブリストル８ａを鉛直線に対して翼部５ａの背側２１（静翼負圧面）から静翼５の翼部５ａの腹側２２（静翼正圧面）に向かって角度θのブリストル角度θを有するように傾斜させて配列することによって、軸流圧縮機１の起動時におけるシュラウド漏れ流路Ｌの間隙が変化することによる軸流圧縮機１の構造変化に対してダンピング効果が得られ、構軸流圧縮機１の造的な安定性を向上することが可能となる。

図５に示すように、本発明の実施例である軸流圧縮機１において、静翼列を構成する複数の静翼５が取り付けられている静翼５の翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌの内部を流れるシュラウド漏れ流れのうち、ブラシシール８を通過する前のシュラウド漏れ流れＬｆ１は、軸流圧縮機１の軸方向に沿って流れていず、静翼５に対して、静翼５の腹側２２（静翼正圧面）から静翼５の背側２１（静翼負圧面）に向かって斜めに流れるので、周方向の速度成分Ｌｆ１ａを有する。

また、前記シュラウド漏れ流路Ｌの内部を流れるシュラウド漏れ流れのうち、ブラシシール８を通過した後のシュラウド漏れ流れＬｆ２は、軸流圧縮機１の軸方向に沿って流れるので、軸方向の速度成分Ｌｆ１ｂを有する。

本発明の実施例である軸流圧縮機１においては、静翼列を構成する複数の静翼５が取り付けられる翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌの内部を流れるシュラウド漏れ流れは、図６に示すように、ブラシシール８のブリストル８ａの配列方向を鉛直線に対して静翼５の翼部５ａの背側２１（静翼負圧面）から静翼５の翼部５ａの腹側２２（静翼正圧面）に向かって角度θ（ブリストル角度θ）を有するように、角度θのブリストル角度θを有するように傾斜させて配列させ、前記シュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部に設置しているので、シュラウド漏れ流路Ｌの内部を流れるシュラウド漏れ流れの周方向速度成分Ｌｆ１ａによってブラシシール８のブリストル８ａが翼部５ａの腹側２２（静翼正圧面）から翼部５ａの背側２１（静翼負圧面）に向かって押されても、翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌの途中に形成した凹形状の溝部１５に面した内周ケーシング６の壁面とブラシシール８のブリストル８ａの先端部との間隙が拡大するのが抑制されるため、ブラシシール８のシール性能向上が実現できる。

なお、図５に示したブラシシール８の設置範囲を示すロータ２の軸方向に沿った軸方向位置ＶＬは、静翼５の翼コード長Ｃｘに対して、静翼５の前縁部から後縁部にかけて翼コード長Ｃｘの０％〜１００％の範囲で配置可能であるが、ブラシシール８へ向かって流入してくるシュラウド漏れ流路Ｌの内部の流れは、鉛直線に対してブリストル８ａの配列角度であるブリストル角度θに対して周方向で均一であることが望ましいため、図５に示すように、ブラシシール８のシュラウド漏れ流路内Ｌの軸方向位置ＶＬは、静翼５の翼コード長Ｃｘに対して静翼５の前縁部である０％から５０％の範囲のいずれかの位置に配置される。

また、図７に示すように、ブラシシール８のブリストル８ａを、鉛直線に対して静翼５の翼部５ａの背側２１（静翼負圧面）から静翼５の翼部５ａの腹側２２（静翼正圧面）に向かって角度θ（ブリストル角度θ）を有するように傾斜させて配列させている。

シュラウド漏れ流路Ｌの途中に形成した凹形状の溝部１５に配列されたブリストル角度θの基準となるのは、静翼５の翼部５ａであり、この静翼５の翼部５ａに関して垂直（鉛直線）の方向にブラシシール８のブリストル８ａが伸びている場合を、ブリストル角度θが０°と定義する。

このブラシシール８のブリストル８ａを配列する角度であるブリストル角度θは、ブラシシール８の製作上の都合から、θ＝３０°から７０°の範囲の値を設定して、ブラシシール８のブリストル８ａが、鉛直線に対して静翼５の翼部５ａの背側２１（静翼負圧面）から静翼５の翼部５ａの腹側２２（静翼正圧面）に向かってブリストル角度θを有するように傾斜させて配置する。

さらに、ブリストル８ａのブリストル角度θは、角度θが大きい方が、内周ケーシング６の面に射影されたブリストル８ａの長さが大きく、内周ケーシング６の壁面とブリストル８ａの先端部との間の間隙変化に際してブリストル８ａに作用するシュラウド漏れ流れの流体力が分散されやすくなる為、ブリストル角度θは大きい方が望ましい。

また、本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼を複数配列した静翼列は、ロータ２の外周側に沿って静翼５を環状に複数配置して構成し、これらの静翼列をロータ２の外周側に沿って全周に亘って環状に配置して静翼段を形成しているが、図８に示すように、静翼段を形成する隣接した静翼列の間には軸流圧縮機１の起動時における静翼列間の周方向の相対的な位置のずれを許容するために、間隙（セグメントギャップ）Ｌｓがそれぞれ設けられている。

そこで、本発明の実施例である軸流圧縮機においては、静翼列を構成する複数の静翼５が取り付けられている静翼５の翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部であって、丁度、静翼段を形成する隣接した静翼列の間となる前記間隙（セグメントギャップ）Ｌｓと一致する部分に、各静翼列のセグメントギャップＬｓを跨いで、ブラシシール８のブリストル８ａとバックプレート９の間に挟まれるように、薄プレート３１を配置している。

このように、シュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部で、静翼段を形成する隣接した静翼列の間となる間隙（セグメントギャップ）Ｌｓと一致する部分に、各静翼列のセグメントギャップＬｓを跨いで、ブラシシール８のブリストル８ａとバックプレート９の間に挟まれるように薄プレート３１を配置したことによって、セグメントギャップＬｓを通じてシュラウド漏れ流路Ｌを流通する漏れ流れの流出量が抑制されるので、ブラシシール８のシール性能向上を実現している。

ここで、薄プレート３１は、セグメントギャップＬｓを通じてシュラウド漏れ流路Ｌを流通する漏れ流れの流出量を抑制すると共に、ブラシシール８のブリストル８ａとバックプレート９との間に前記薄プレート３１を挟み込むことが可能な薄さを有するものを使用する。

次に、本発明の実施例である軸流圧縮機１の静翼列を構成する静翼におけるロータ２の外周に沿った周方向に配置した静翼セグメント構造を、図９を用いて説明する。

図９に示したように、本発明の実施例である軸流圧縮機１の複数の静翼５を配列した静翼列は、ロータ２の外周に沿った周方向に配設した１枚ないし複数枚の静翼５の翼部５ａを有している。

ここではこの１枚ないし複数枚の静翼５の翼部５ａを静翼セグメント５ｂと呼ぶ。この静翼セグメント５ｂがロータ２の外周に沿って環状に複数配置されることで、静翼段を形成している。

ブリストル８ａの集合体から成るブラシシール８は、前述したように、静翼列を構成する複数の静翼５が取り付けられる翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部に配置され、翼端シュラウド７に端部を固定されたブラシシール８を構成するブリストル８ａによって、シュラウド漏れ流路Ｌを通じて静翼列の環状流路内周部に漏れ出す漏れ流れの流量を抑制している。

また、前記ブラシシール８は、図９に示したように、ロータ２の外周に沿った周方向に環状に複数枚のブラシシールセグメント８ｂに分けられて配設されている。

ブラシシールセグメント８ｂは、１枚の静翼セグメント５ｂ乃至複数枚の静翼セグメント５ｂに渡って配置することが可能であり、前記したブラシシールセグメント８ｂによって、隣接する静翼セグメント５ｂは連結されている。

複数の静翼セグメント５ｂを連結するようにブラシシールセグメント８ｂを配置することで、各静翼セグメント５ｂ間の構造的な信頼性向上が期待できる。

尚、１つの静翼段において、配置される複数のブラシシールセグメント８ｂのロータ２の外周に沿った周方向長さは均一である必要はない。

例えば、１０個の静翼セグメント５ｂから構成される静翼列において、ブラシシールセグメント８ｂは、２個、３個、５個の各静翼セグメント５ｂをそれぞれ円環状に連結するようにブラシシールセグメント８ｂの周方向長さを決めることが出来る。

次に、本発明の実施例である軸流圧縮機１を構成する静翼列を構成する静翼５の作用および効果について、比較例の基準翼と比較して説明する。

まず、図１０に示した比較例の基準翼と、図１１に示した本発明の実施例である軸流圧縮機１の静翼列を構成する静翼５の翼部５ａについて、静翼面および静翼５の内周面における限界流線の比較し、流れ場について説明する。

図１０は、本発明を軸流圧縮機の静翼に適用した実施例の静翼の翼部と比較するために比較例の基準翼の静翼面および静翼部の内周面における限界流線をシュミレーションした説明図である。

図１１は、本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼に適用した実施例の静翼の静翼面および静翼部の内周面における限界流線をシュミレーションした説明図である。

図１０に示したように、比較例の基準翼５では、翼部５ａの上流の四角形の破線で囲まれた領域は、環状流路内周面の限界流線であり、静翼５の翼部５ａの前縁の翼端シュラウド内周部において、流れ場が大きく乱れている。

漏れ流れの速度は静翼の環状流路内を流れる主流に比べ、低速かつ軸方向速度成分が主であるため、この漏れ流れが主流に合流する際に、環状流路内周面近傍の境界層に対して、流れ方向を変化させるとともに、低速域を増加させるため、流れ場に乱れが生じる。

図１０に示す比較例の基準翼では、この静翼５の前縁の内周部に四角形の破線で囲まれた領域に生じた流れ場の乱れの影響で、図１０中の静翼５の翼部５ａの負圧面と環状流路内周面で形成されるコーナー部に楕円形の破線で囲まれた領域に大規模なコーナーストールが発生する結果となっている。

このコーナーストールの影響で、静翼５の後縁から流出する流れの角度（出口流出角）は大きくなり、この流出流れが下流翼列へ流入する際に流入角が増大し、下流翼列に流入角のミスマッチが生じ、下流翼列においても損失が増大する結果をもたらすことになる。

このように、図１０に示した比較例の基準翼においては、前述したシュラウド漏れ流路Ｌを介して静翼５の上流部の環状流路へ流出する漏れ流れの影響により、静翼５の翼部５ａの負圧面の下流領域に楕円形の破線で囲まれた領域に大規模な剥離域が形成されて損失が増大する。

さらに、翼部５ａの負圧面の下流領域に形成された楕円形の破線で示したこの剥離域によって、環状流路内周部において翼列出口における流出角が大きくなるため、剥離の発生した翼列の下流翼列に対する流入角が増大するため、下流翼列での剥離発生の危険性が増加することになる。

これに対して、本発明の実施例である軸流圧縮機１の翼列を構成する静翼５においては、静翼５が取り付けられる翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部にブリストル８ａで構成されたブラシシール８と、このブラシシール８を支持するバックプレート９とを配設した構成を採用したことによって、図１１に示したように、ブラシシール８の適用による漏れ流れの抑制効果のため、前記静翼５の翼部５ａの前縁の内周部では、四角形の破線で囲まれた領域に流れ場の乱れの影響が現れておらず、この結果、静翼５の翼部５ａの負圧面と環状流路内周面で形成されるコーナー部となる楕円形の破線で示した領域では、生じるコーナーストールの大きさが明らかに縮小している状況を表している。

次に、図１２および図１３を用いて、比較例の基準翼５と、本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼列を構成する静翼５について、静翼５の翼部５ａの下流における子午面方向の全圧損失係数分布および出口流出角分布を比較して説明する。

図１２は、破線で示した比較例の基準翼と、実線で示した本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼列を構成する静翼について、静翼５の翼部５ａの下流における子午面方向の全圧損失係数分布をそれぞれ示した特性図である。

図１３は、破線で示した比較例の基準翼と、実線で示した本発明の実施例である軸流圧縮機を構成する静翼について、静翼下流における子午面方向の出口流出角分布をそれぞれ示した特性図である。

また、図１２および図１３において、縦軸ＨＤは静翼５の翼部５ａの無次元翼高さを示し、実線Ｒは本実施例の静翼５の場合を、破線Ｏは比較例の基準翼の場合をそれぞれ示している。

図１２に示すように、本実施例の静翼５と比較例の基準翼５の場合について、全圧損失係数分布を比較すると、破線で示した基準翼の静翼５の翼部５ａの場合では、漏れ流れの影響により静翼負圧面の内周部で発生した大規模なコーナーストールのため、無次元翼高さＨＤが０．３の位置から損失が急増し、無次元翼高さＨＤが０の位置まで損失係数が増加している。

これに対して、実線で示した本実施例の軸流圧縮機１の静翼列を構成する静翼５の翼部５ａの場合では、ブラシシール８の漏れ流れ抑制効果により、静翼５の翼部５ａの負圧面の内周部で発生したコーナーストールが縮小し、損失係数が増加し始めている無次元翼高さＨＤが０．２以下の位置まで低下しており、損失係数が大幅に低減している。

図１３に実線と破線でそれぞれ示したように、本実施例の軸流圧縮機１の静翼列を構成する静翼と比較例の基準翼の場合について、出口流出角分布を比較すると、破線で示した基準翼の場合では、静翼５の翼部５ａの負圧面の内周部で発生した大規模なコーナーストールのため、前述した全圧損失係数分布が増加している無次元翼高さＨＤの範囲と同様の範囲で、出口流出角が増加している。

これに対して、実線で示した本実施例の軸流圧縮機１の静翼列を構成する静翼５では、図１３に示したように、静翼５の翼部５ａの負圧面の内周部で発生したコーナーストールの縮小により、前述した全圧損失係数分布の損失低減範囲と同様の範囲で出口流出角分布は大幅に小さくなっている。

したがって、本実施例の軸流圧縮機１の静翼列を構成する静翼５では、静翼５の翼部５ａの全圧損失係数の低減による性能向上および下流翼列における剥離発生の危険性低下が実現可能であり、軸流圧縮機１の効率向上が可能となる。

上記した本発明の実施例である軸流圧縮機の静翼列を構成する静翼５により、静翼５が取り付けられる翼端シュラウド７と内周ケーシング６との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌを有する軸流圧縮機１の高圧静翼段の静翼列において、前記シュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部にブリストル８ａで構成されたブラシシール８と、このブラシシール８を支持するバックプレート９とを配設した構成を採用し、前記シュラウド漏れ流路Ｌ内の溝部１５に配置されたブラシシール８のブリストル８ａを静翼列の静翼５の翼部５ａの背側から翼部５ａの腹側に向かってリストル角度θを有するように傾斜させて配列することで、シュラウド漏れ流路Ｌ内を流れる漏れ流れの旋回流れによるブリストル８ａの吹き上がりが抑制されてシール性能が向上し、前記シュラウド漏れ流路Ｌの出口から静翼列流路内に流れ出る漏れ流れの流量を低減するので、軸流圧縮機１の圧縮機効率が改善できる。

なお、上述した本発明の実施形態は上記実施例に限られるものではなく、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

上記したように、本発明の実施例によれば、シュラウド漏れ流路を有する軸流圧縮機の高圧静翼段の静翼列において、シュラウド漏れ流路内の旋回流れによるブリストル部の吹き上がりを抑制してシュラウド漏れ流路から静翼列環状流路内に流れ出る流量を低減してシール性能を向上し、静翼列の性能を向上して圧縮機全体の効率を改善可能な軸流圧縮機及び軸流圧縮機を備えたガスタービンを実現することができる。

次に、本発明を適用した静翼を有する第２の実施例である軸流圧縮機、およびその軸流圧縮機を備えたガスタービンの実施例について、図１４および図１５を用いて説明する。

本発明の第２の実施例である軸流圧縮機、およびその軸流圧縮機を備えたガスタービンは、図１〜図１３を用いて説明した第１の実施例である軸流圧縮機、およびその軸流圧縮機を備えたガスタービンと基本的な構成、および、作用効果は同じであるので、両者に共通した説明は省略して相違する部分だけ説明する。

図１４および図１５に示した本発明の第２の実施例である軸流圧縮機１では、静翼列を構成する複数の静翼５は、静翼５の半径方向内周側となる一方の端部が内周ケーシング６の外周壁に取り付けられて片持ち支持された翼部５ａを有しており、静翼５の半径方向外周側となる他方の端部は静翼５の翼部５ａの外周側に設けられた翼端シュラウド７’に取り付けられた構成となっている。

この翼端シュラウド７’は、この翼端シュラウド７’と外周ケーシング４の壁面との間に間隙を有するように設置されて、前記外周ケーシング４の壁面と翼端シュラウド７’との間で凹形状のシュラウド漏れ流路Ｌを形成している。

そして、静翼列の外周部の静止体である前記翼端シュラウド７’と、外周ケーシング４の内壁面との間に形成したシュラウド漏れ流路Ｌは、環状流路に面した静翼５の翼部５ａの上流側から、環状流路に面した静翼５の翼部５ａの下流側に至るように配設されている。

更に、前記シュラウド漏れ流路Ｌの経路途中に凹形状の溝部１５が設けられ、この溝部１５の内部には、本発明の第１の実施例と同様に、図４に示したように、ブリストル８ａで構成されたブラシシール８と、このブラシシール８を支持するバックプレート９とが配設されており、翼端シュラウド７’に端部を固定されたブラシシール８を構成するブリストル８ａによって、シュラウド漏れ流路Ｌを通じて流下して静翼列の環状流路内周部に漏れ出す漏れ流れの流量を抑制している。

前記ブラシシール８を構成するブリストル８ａは、鉛直線に対して静翼５の翼部５ａの背側２１（静翼負圧面）から静翼５の翼部５ａの腹側２２（静翼正圧面）に向かって角度θのブリストル角度θを有するように傾斜させて配列しているので、軸流圧縮機１の起動時におけるシュラウド漏れ流路Ｌの間隙が変化することによる軸流圧縮機１の構造変化に対してダンピング効果が得られ、軸流圧縮機１の造的な安定性を向上することが可能となる。

シュラウド漏れ流路Ｌが外周ケーシング４に配置されていることにより、本発明の第２実施例の軸流圧縮機１においては、シュラウド漏れ流路Ｌ、凹形状の溝部１５の内部にブラシシール８とブリストル８ａ、及びバックプレート９を設置した構造が、前述した図２〜図６に示した本発明の第１実施例である軸流圧縮機１におけるシュラウド漏れ流路Ｌ、凹形状の溝部１５の内部にブラシシール８とブリストル８ａ、及びバックプレート９を設置した構造と、ケーシングの内周と外周とで丁度、逆となるように配置している。

また、本実施例の軸流圧縮機１においては、１０’は外周ケーシングの外周面であり、１１’は翼端シュラウドの外周面である。

上記した構成の本発明の第２実施例の軸流圧縮機においても、シュラウド漏れ流路Ｌを有する軸流圧縮機の高圧静翼段の静翼列において、シュラウド漏れ流路Ｌの経路の途中に設けた凹形状の溝部１５の内部に配置されたブラシシール８のブリストル８ａを、鉛直線に対して静翼５の翼部５ａの背側から翼部５ａの腹側に向かってブリストル角度θを有するように傾斜させて配列することによって、シュラウド漏れ流路Ｌ内の旋回流れによるブリストル８ａの吹き上がりが抑制されてシール性能が向上し、前記シュラウド漏れ流路Ｌの出口から静翼列流路内に流れ出る漏れ流れの流量を低減するので、軸流圧縮機１の圧縮機効率が改善できる。

上記した本発明の実施例によっても、シュラウド漏れ流路を有する軸流圧縮機の静翼段の静翼列において、シュラウド漏れ流路内の旋回流れによるブリストル部の吹き上がりを抑制してシュラウド漏れ流路から静翼列環状流路内に流れ出る流量を低減してシール性能を向上し、静翼列の性能を向上して圧縮機全体の効率を改善可能な軸流圧縮機及び軸流圧縮機を備えたガスタービンを実現することができる。

１：軸流圧縮機、２：ロータ、３：動翼、４：外周ケーシング、５：静翼、５ａ：翼部、５ｂ：静翼セグメント、６：内周ケーシング、７、７’：翼端シュラウド、８：ブラシシール、８ａ：ブリストル、８ｂ：ブラシシールセグメント、９：バックプレート、１０：内周ケーシングの内周面（環状流路内周面）、１０’：外周ケーシングの外周面（環状流路外周面）、１１：翼端シュラウドの内周面、１１’：翼端シュラウドの外周面、１２：ロータの外周面（環状流路内周面）、１３：外周ケーシング内周面（環状流路外周面）、２１：静翼の翼部の背側（静翼負圧面）、２２：静翼の翼部の腹側（静翼正圧面）、３１：薄プレート、Ｌ：シュラウド漏れ流路、Ｃｘ：コード長、ＶＬ：ブラシシール軸方向位置範囲、θ：ブリストル角度、Ｌｓ：セグメントギャップ。

Claims (9)

1. 複数の動翼で構成された動翼列と、複数の静翼で構成された静翼列を軸流圧縮機の軸方向に沿ってそれぞれ環状に複数配置して、軸流圧縮機を流下する空気を圧縮する複数の動翼を備えた動翼段、および前記動翼段で圧縮された空気を下流側に導く複数の静翼を備えた静翼段を圧縮機のロータの軸方向に沿って順次、直列に複数段配置して構成した軸流圧縮機において、
   前記軸流圧縮機は内周ケーシングと外周ケーシングとの間に形成されて作動流体が流通する環状流路内に配置された複数の静翼で形成される静翼列を備えており、
   前記静翼列の内周部の静止体である一方の翼端シュラウドと内周ケーシングとの間、又は、前記静翼列の外周部の静止体である他方の翼端シュラウドと外周ケーシングとの間に、静翼の翼部の上流側から翼部の下流側に至るようにシュラウド漏れ流路を形成し、
   前記シュラウド漏れ流路の経路途中に溝部を設けると共に、この溝部の内部にブラシシールを配置し、
   前記ブラシシールを構成するブリストルは、鉛直線に対して静翼の翼部の背側から腹側に向けて傾斜するように配列したことを特徴とする軸流圧縮機。
2. 請求項１に記載の軸流圧縮機において、
   前記シュラウド漏れ流路は前記静翼列の内周部の静止体である一方の翼端シュラウドと内周ケーシングとの間に形成されていることを特徴とする軸流圧縮機。
3. 請求項１に記載の軸流圧縮機において、
   前記シュラウド漏れ流路は前記静翼列の外周部の静止体である他方の翼端シュラウドと外周ケーシングとの間に形成されていることを特徴とする軸流圧縮機。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の軸流圧縮機において、
   前記ブラシシールを構成するブリストルを傾斜して配列するブリストル角度は、鉛直線に対して静翼の翼部の背側から腹側２２に向かって３０°〜７０°の範囲に傾斜させて配列したことを特徴とする軸流圧縮機。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の軸流圧縮機において、
   前記シュラウド漏れ流路の経路途中に設けた溝部の内部に配置するブラシシールの軸方向位置は、静翼の前縁から後縁にかけて静翼の翼弦長の０〜５０％の範囲に配置させていることを特徴とする軸流圧縮機。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の軸流圧縮機において、
   前記軸流圧縮機の静翼列は、圧縮機のロータの外周側に沿って環状となるように配置されると共に、前記静翼列を構成する静翼の翼セグメントは隣接した静翼の翼セグメントの間に周方向に間隙を有しており、
   前記静翼列を圧縮機のロータの外周側に沿って環状となるように複数配置して静翼段を形成していることを特徴とする軸流圧縮機。
7. 請求項６に記載の軸流圧縮機において、
   前記軸流圧縮機の静翼列は、静翼列を構成する１列ないし複数列の静翼列が、前記シュラウド漏れ流路の経路途中に設けた溝部の内部に設置された前記ブラシシールに沿って圧縮機のロータの外周側に環状となるように複数個連結して配置されていることを特徴とする軸流圧縮機。
8. 請求項６又は請求項７に記載の軸流圧縮機において、
   前記シュラウド漏れ流路の経路途中に設けた溝部の内部に、隣接した静翼の翼セグメントの間に形成された周方向の間隙を跨いで前記ブラシシールのブリストルとバックプレートの間に挟まれるようにプレートが設置されていることを特徴とする軸流圧縮機。
9. 吸込空気を圧縮する軸流圧縮機と、軸流圧縮機で圧縮した空気とともに燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されて回転するタービンとを備え、この軸流圧縮機とタービンとはロータによって直結され、このガスタービンには電力を発生する発電機がロータの端部に接続されて、タービンの回転によって発電機を駆動して発電するように構成し、前記軸流圧縮機として請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の軸流圧縮機を備えていることを特徴とする軸流圧縮機を備えたガスタービン。

Images