JP4916560B2 - ガスタービンエンジンの圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ケーシング内に動翼と静翼を収容したガスタービンエンジン用の圧縮機に関するものである。

ガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」という。）では吸い込んだ空気を圧縮機によって高圧に圧縮し、燃焼器へと導いている。燃焼器で燃焼した高温高圧ガスはタービンを通って回転エネルギーとして回収された後に排出される。圧縮機ケーシングは、通常、鋳鉄で製作されるので、腐食への対策が必要となる。圧縮機ケーシングの内面に錆が発生すると、表面粗さが小さい翼表面に錆粉が付着し、圧縮機の性能低下を招く。また、圧縮空気の一部はタービンの高温部品を冷却するために用いられるが、錆粉がタービンへの冷却空気通路を閉塞させて高温部品の寿命に支障をきたす可能性もある。そこで、圧縮機ケーシングの錆の発生を抑えるために、圧縮機ケーシング内面における空気流路に臨む部分に防錆コーティングを施したものがある（例えば、特許文献１）。特許文献１では、例えば、圧縮機ケーシング内面における静翼の径方向外側フランジと、動翼の先端に対向するシールリング（シュラウド）との間の、空気流路に露出した部分に、防錆コーティングが施される。

特表２００９−５２３９３９号公報

しかしながら、特許文献１では、圧縮機ケーシングの内面にコーティングを施す必要があるので、作業工数が増加し製造コストのアップにつながる。コーティングを省略すると、圧縮機ケーシングの内面を定期的に洗浄する必要が生じ、ランニングコストがアップする。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、作業工数を増やすことなく、ケーシング内面の錆の発生を抑えることができるガスタービンの圧縮機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンの圧縮機は、動翼と静翼を収容したアウタケーシングを有する圧縮機であって、前記静翼は、径方向外端部がフランジを介して前記アウタケーシングの内周面に支持され、前記アウタケーシングの内周面における前記動翼の先端と径方向に対向する箇所にシールリングが設けられ、前記シールリングと前記静翼のフランジとにより、前記アウタケーシングの内周面全体を覆っており、前記静翼は、板ばねにより径方向内方にばね力が付加された状態で前記アウタケーシングに支持され、前記シールリングは、その径方向外側部に軸方向に突出した一対の係合片を有し、前記アウタケーシングに前記係合片が係合する一対の環状の係合溝が形成され、前記動翼および静翼は、複数が軸方向に交互に配置され、すべてのシールリングについて、その軸方向長さ、または、前記環状の係合溝の径方向内側に形成された環状の鍔部の相対向する先端面間の軸方向距離が異なっている。

この構成によれば、シールリングと静翼のフランジとによりアウタケーシングの内周面が覆われているので、アウタケーシングの内周面が圧縮空気にさらされることがなくなり、アウタケーシングの腐食が抑制される。その結果、錆粉が動翼に付着することで招く圧縮機性能の低下、および錆粉がタービンへの冷却空気通路を閉塞することで起こるタービンの高温部品の寿命低下も防ぐことができる。さらに、上記構成は、既存の前記フランジまたはシールリングを軸方向に延長することにより得られるので、部品点数の追加や新たな作業工程を追加することなしに達成することができる。また、板ばねを用いているから、大きなばね力を得やすい。さらに、各シールリングの寸法が異なっているので、シールリングをケーシングに組み込む際に、組み違いが防がれ、組み立て性が向上する。

本発明において、前記静翼のフランジは、その径方向外側部に軸方向に突出した一対の静翼係合片を有し、前記アウタケーシングに前記静翼係合片が係合する一対の環状の静翼係合溝が形成され、すべての静翼のフランジについて、その軸方向長さ、または、前記静翼係合溝の径方向内側に形成された環状の静翼鍔部の相対向する先端面間の軸方向距離が異なっていることが好ましい。この構成によれば、各フランジの寸法が異なっているので、静翼をケーシングに組み込む際に、組み違いが防がれ、組み立て性が向上する。

本発明に係るガスタービンの圧縮機によれば、シールリングと静翼のフランジとによりアウタケーシングの内周面が覆われているので、アウタケーシングの内周面が圧縮空気にさらされることがなくなり、アウタケーシングの腐食が抑制される。その結果、錆粉が動翼に付着することで招く圧縮機性能の低下、および錆粉がタービンへの冷却空気通路を閉塞することで起こるタービンの高温部品の寿命低下も防ぐことができる。さらに、部品点数の追加や新たな作業工程を追加することなしに達成することができる。

本発明の一実施形態に係る圧縮機を備えたガスタービンを示す部分破断側面図である。 図１の圧縮機の要部を拡大した図である。 図１の圧縮機のシールリングの正面図である。 （ａ）図１の圧縮機の上流側の静翼の正面図で、（ｂ）は側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１において、ガスタービン１は、外部からの導入空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン７を駆動する。なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向Ａの圧縮機３側を「前側」または「上流側」と呼び、タービン７側を「後側」または「下流側」と呼ぶ場合がある。

この実施形態では、圧縮機３として軸流型のものを用いており、この軸流型圧縮機３は、ガスタービン１の回転部分の前部を構成する圧縮機ロータ１１Ａの外周面に、多数の動翼１３が配置されており、これら動翼１３と、ハウジング（アウタケーシング）１５の内周面に多数配置された静翼１７とが複数個軸方向に交互に配置されており、これらの組み合わせにより、吸気筒１９から吸入した空気ＩＡを圧縮する。つまり、アウタケーシング１５と圧縮機ロータ１１Ａとの間に圧縮空気通路１６が形成され、この圧縮空気通路１６に動翼１３と静翼１７が配置されている。圧縮空気通路１６は、下流に進むにつれて通路面積が狭くなっている。

圧縮機ロータ１１Ａにはタービン７の高圧タービンロータ１１Ｂが連結され、高圧タービンロータ１１Ｂの後方に低圧タービンロータ１１Ｃが配置されている。圧縮機ロータ１１Ａは、アウタケーシング１５に、前部の軸受２４Ａと中央部の軸受２４Ｂを介して回転自在に支持されている。低圧タービンロータ１１Ｃは、その後部に連結されたタービンシャフト１１Ｄを介して、後部の軸受２４Ｃにより支持されている。

圧縮機３のアウタケーシング１５は炭素鋼製であり、図２に示すように、動翼１３および静翼１７がアウタケーシング１５内に収容されている。動翼１３および静翼１７も炭素鋼で形成されているが、表面に防錆コーティングが施されている。

静翼１７は、圧縮空気通路１６内に配置されて圧縮空気をガイドする静翼羽根部２８を有し、静翼羽根部２８の径方向外端部に形成された静翼外側フランジ３０を介してアウタケーシング１５の内周面に支持されている。静翼外側フランジ３０の径方向外側部には、前後各一対の係合片３３が軸方向に突出して一体形成されており、係合片３３をアウタケーシング１５に形成された蟻溝からなる前後一対の係合溝１８に係合させることにより、静翼１７の径方向外端部がアウタケーシング１５に支持されている。静翼外側フランジ３０の径方向外側面と、アウタケーシング１５に設けられた環状の取付溝２２との間には、軸方向から見てほぼ円弧状の板ばね３２が介在しており、この板ばね３２により径方向内方にばね力が付加されることで、静翼１７の係合片３３がアウタケーシング１５に押し付けられて支持されている。具体的には、係合片３３の内周面が、前記環状の係合溝１８の径方向内側に形成された第１鍔部２１の外周面に押し付けられる。

静翼１７の径方向内端部には、静翼内側支持リング３８が連結されている。静翼内側支持リング３８の径方向内側面と圧縮機ロータ１１Ａの外周面との間に、ラビリンスシール４０が形成されている。静翼内側支持リング３８も防錆コーティングが施された炭素鋼製である。

動翼１３は、圧縮空気通路１６内に配置される動翼羽根部４２を有している。この動翼羽根部４２の径方向内端部に動翼フランジ４４が形成され、動翼フランジ４４が圧縮機ロータ１１Ａの外周部に取り付けられることで、動翼１３が圧縮機ロータ１１Ａの外周部に支持されている。

アウタケーシング１５の内周面における動翼１３の先端と径方向に対向する箇所にシールリング（シュラウド）５２が設けられている。シールリング５２は前後に隣接する静翼外側フランジ３０の間に配置され、軸方向両端部が静翼外側フランジ３０にほぼ接するように、若干の隙間を介して配置されている。つまり、シールリング５２と静翼外側フランジ３０とにより、アウタケーシング１５の内周面がほぼ完全に覆われている。

シールリング５２の径方向外側部には、前後各一対の係合片５３が軸方向に突出して一体形成されており、係合片５３をアウタケーシング１５に形成された蟻溝からなる前後一対の係合溝５５に係合させることにより、シールリング５２がアウタケーシング１５の内端部に支持されている。環状の係合溝５５の径方向内側には、環状の第２鍔部５７が形成されている。シールリング５２の内周面における動翼１３の先端と近接する部分に、動翼１３よりも軟らかい材料からなるアブレーダブルコーティング５４が施されている。

各段の動翼１３に対応する各段のシールリング５２の軸方向長さＬ１、具体的にはシールリング５２における圧縮空気通路１６に臨む部分の長さＬ１は、それぞれ異なっている。同様に、各静翼外側フランジ３０の軸方向長さＬ２、すなわち静翼外側フランジ３０における圧縮空気通路１６に臨む部分の長さＬ２も異なっている。このように、各段のシールリング５２の軸方向長さＬ１、および各段の静翼１７の静翼外側フランジ３０の軸方向長さＬ２が異なっているので、シールリング５２および静翼１７をアウタケーシング１５に組み込む際に、段の組み違いが防止され、組み立て性が向上する。ただし、複数段についてシールリング５２の軸方向長さＬ１が同じであっても、２つの第２鍔部５７，５７の相対向する先端面５７ａ，５７ａ間の軸方向距離を変えても組み違いを防止できる。同様に、複数段について静翼外側フランジ３０の軸方向長さＬ２が同じであっても、第１鍔部２１，２１の相対向する先端面２１ａ，２１ａ間の軸方向距離を変えても組み違いを防止できる。

アウタケーシング１５は周方向に２分割された構造であり、シールリング５２および静翼１７は周方向に複数個に分割されている。図３はシールリング５２の正面図である。同図に示すように、シールリング５２は、複数個、例えば１０個のリング片５２Ａ〜５２Ｊに分割されている。

図４（ａ）は上流側の静翼１７の分割された１ピースＰ１７の正面図、（ｂ）はその側面図である。図４（ａ）に示すように、静翼外側フランジ３０の係合片３３はピースＰ１７の周方向の全幅に渡って形成されている。静翼外側フランジ３０の径方向外側面とアウタケーシング１５の取付溝２２の底面との間に、板ばね３２が装着されており、この板ばね３２によって、圧接されてピースＰ１７を径方向内側へ弾性力により押圧している。板ばね３２は、周方向中央部が周方向両端部よりも径方向外側へ膨出した弓形であり、各ピースＰ１７に１つずつ配置されている。図４（ｂ）に示すように、静翼外側フランジ３０は前側に延長されて静翼羽根部２８よりも前方へ大きく突出している。ここで、静翼外側フランジ３０が後方へ延長された形状であってもよい。静翼内側支持リング３８は、複数のピースＰ１７に対して一つ配置された円弧状の部材である。

図２のシールリング５２および静翼１７をアウタケーシング１５に組み込むには、まず２分割された状態のアウタケーシング１５に、シールリング５２の各リング片５２Ａ〜５２Ｊおよび静翼１７の各ピースＰ１７を組み込む。具体的には、アウタケーシング１５の係合溝５５，１８に、シールリング５２の係合片５３と、静翼１７のピースＰ１７の係合片３３とを、それぞれガイドさせながら周方向にスライドして組み込む。同時に板ばね３２で静翼１７を固定する。その後、２分割されたアウタケーシング１５を結合して一体化する。

上記構成において、図２のシールリング５２と静翼１７の静翼外側フランジ３０とによりアウタケーシング１５の内周面が覆われているので、アウタケーシング１５の内周面が圧縮空気にさらされることがなくなり、アウタケーシング１５の腐食が抑制される。その結果、錆粉が動翼１３に付着することで招く圧縮機性能の低下や、錆粉が図１のタービン７への冷却空気通路を閉塞することで起こるタービン７の高温部品の寿命低下を防ぐことができる。しかも、静翼外側フランジ３０およびシールリング５２を既存のものより軸方向に延長するだけで済むから、部品点数の増加や作業工程の追加を必要としない。さらに、アウタケーシング１５の内周面が流路を形成しないので、厳密な寸法公差を必要としないから、アウタケーシング１５の加工時間の短縮とコストダウンにつながる。

また、静翼１７は、その係合片３３が、板ばね３２により径方向内方にばね力が付加された状態でアウタケーシング１５に支持されているので、一般的に用いられる横断面Ｃ形の筒状ばねに比べて板ばね３２による大きなばね力が得られるから、静翼１７がアウタケーシング１５に強固に支持される。

さらに、各段のシールリング５２の軸方向長さＬ１、および各段の静翼１７の静翼外側フランジ３０の軸方向長さＬ２が異なっているので、シールリング５２および静翼１７をアウタケーシング１５に組み込む際に、段の組み違いが防がれ、組み立て性が向上する。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

３ 圧縮機
１３ 動翼
１５ アウタケーシング（ハウジング）
１７ 静翼
３０ 静翼フランジ
３２ 板ばね
５２ シールリング

Claims (3)

1. 動翼と静翼を収容したアウタケーシングを有する圧縮機であって、
   前記静翼は、径方向外端部がフランジを介して前記アウタケーシングの内周面に支持され、
   前記アウタケーシングの内周面における前記動翼の先端と径方向に対向する箇所にシールリングが設けられ、
   前記シールリングと前記静翼のフランジとにより、前記アウタケーシングの内周面全体を覆っており、
   前記静翼は、板ばねにより径方向内方にばね力が付加された状態で前記アウタケーシングに支持され、
   前記シールリングは、その径方向外側部に軸方向に突出した一対の係合片を有し、
   前記アウタケーシングに前記係合片が係合する一対の環状の係合溝が形成され、
   前記動翼および静翼は、複数が軸方向に交互に配置され、
   すべてのシールリングについて、その軸方向長さ、または、前記環状の係合溝の径方向内側に形成された環状の鍔部の相対向する先端面間の軸方向距離が異なっているガスタービンの圧縮機。
2. 請求項１において、前記静翼のフランジは、その径方向外側部に軸方向に突出した一対の静翼係合片を有し、
   前記アウタケーシングに前記静翼係合片が係合する一対の環状の静翼係合溝が形成され、
   すべての静翼のフランジについて、その軸方向長さ、または、前記静翼係合溝の径方向内側に形成された環状の静翼鍔部の相対向する先端面間の軸方向距離が異なっているガスタービンの圧縮機。
3. 動翼と静翼を収容したアウタケーシングを有する圧縮機であって、
   前記静翼は、径方向外端部がフランジを介して前記アウタケーシングの内周面に支持され、
   前記アウタケーシングの内周面における前記動翼の先端と径方向に対向する箇所にシールリングが設けられ、
   前記シールリングと前記静翼のフランジとにより、前記アウタケーシングの内周面全体を覆っており、
   前記静翼は、板ばねにより径方向内方にばね力が付加された状態で前記アウタケーシングに支持され、
   前記静翼のフランジは、その径方向外側部に軸方向に突出した一対の静翼係合片を有し、
   前記アウタケーシングに前記静翼係合片が係合する一対の環状の静翼係合溝が形成され、
   前記動翼および静翼は、複数が軸方向に交互に配置され、
   すべての静翼のフランジについて、その軸方向長さ、または、前記静翼係合溝の径方向内側に形成された環状の静翼鍔部の相対向する先端面間の軸方向距離が異なっているガスタービンの圧縮機。

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