JP5340333B2 - 軸流圧縮機の改造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン等に用いられる軸流圧縮機の改造方法に関する。

近年、ガスタービンの高性能化のために軸流圧縮機が高圧力比のものに改造されるケースが増えてきている。ガスタービン等に用いられる軸流圧縮機の可変静翼は単一段である場合が通常であったが、高圧力比の軸流圧縮機では一般に複数段の可変静翼が備わっている（特許文献１等参照）。

特開２００４−３２２４５６号公報

可変静翼は、その角度を変化させるために可変静翼駆動装置を要するが、可変静翼を単一段から複数段に改造するにあたっては、製造効率面及びコスト面を考慮して、可変静翼駆動装置の改造はなるべく少なく抑えたい。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、単一段の可変静翼を有する軸流圧縮機から可変静翼を複数段に容易に改造することができる軸流圧縮機の改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、初段の静翼翼列のみが圧縮機の径方向に延びる自己の回転軸周りに回転し翼角度が調整可能な可変静翼からなる既存の軸流圧縮機を基礎にして、前記既存の軸流圧縮機の少なくとも第二段落の静翼を新たな可変静翼に交換し、前記新たな可変静翼からなる静翼翼列に、当該静翼翼列の前記可変静翼を回転駆動させる新たなリングを連結し、初段のリング及び前記新たなリングのそれぞれに対応する複数のレバーと、これら複数のレバーを回動可能に支持するとともに圧縮機軸の延在方向に延び当該複数のレバーを固定的に連結して一体化する回転軸と、前記複数のリングと当該複数のリングに各々対応する前記レバーとを連結する複数の連結棒とを追加し、前記既存の軸流圧縮機に設置されていたシリンダ又はこれと同クラスの別のシリンダを、前記複数のレバーのうち初段の静翼翼列に対応するものに連結する。

本発明によれば、単一段の可変静翼を有する軸流圧縮機から可変静翼を複数段に容易に改造することができる。

本発明の一実施形態に係る軸流圧縮機の側面図である。 本発明の一実施形態に係る軸流圧縮機に備えられた可変静翼駆動機構を抜き出して表した側面図である。 図２中の矢印IIIによる矢視正面図である。 本発明の一実施形態に係る可変静翼駆動機構に備えられたレバーのモデル図である。 本発明の一実施形態に係る可変静翼駆動機構に備えられたレバーにおける回転軸から２つの球面軸受までの距離の比とシリンダの所要出力及び所要ストロークとの関係を表した図である。 単一段の可変静翼を有する既存の軸流圧縮機の側面図である。 既存の軸流圧縮機に備えられた単一段の可変静翼駆動機構を抜き出して表した側面図である。 図７中の矢印VIIIによる矢視正面図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る軸流圧縮機の側面図である。

軸流圧縮機１００は大気を吸い込んで圧縮するものであり、図１に示したものはガスタービンに適用した例である。すなわち、軸流圧縮機１００で圧縮した圧縮空気を燃焼器２００で燃料とともに燃焼し、その燃焼ガスでタービン（図示せず）を駆動する。タービンの回転動力は、発電機やポンプ等といった負荷機器の駆動力となる。

本実施形態の軸流圧縮機１００は、複数段の静翼翼列（初段及び第２段落のみ図示）と、各段落において静翼翼列の下流側に位置する複数段の動翼翼列（図示せず）を外周部に備えた圧縮機ロータ（図示せず）とを備えている。各段落の静翼及び動翼の翼列は、それぞれ放射状に延びる複数の静翼（初段及び第２段落のものを各１つのみ図示）及び動翼（図示せず）が環状に配置して構成したものである。

本実施形態の軸流圧縮機において、全段落のうち初段を含んで吸気の流れ方向の上流側（以下、単に上流側という）の複数段の静翼翼列１は、圧縮機の径方向に延びる自己の回転軸２周りに回転し吸気の流れに対する翼角度が調整可能な複数の可変静翼３からなっている。なお、こうした可変静翼３で構成される一群の静翼翼列１の吸気の流れ方向の下流側（以下、単に下流側という）に固定型の静翼（図示せず）で構成される一段又は複数段の静翼翼列（図示せず）が設置される場合もあるが、軸流圧縮機１の全段落の静翼翼列１が可変静翼３で構成される場合（固定型の静翼が使用されない場合）もある。固定型の静翼で構成される静翼翼列を設ける場合、それら静翼は一端がケーシング４の内周面に固定され、他端がロータの軸部に対向することとなる。なお、軸流圧縮機１の中間段には抽気配管５が設けられている。抽気配管５は、ガスタービンの所望の箇所に冷却空気やシール空気として供給される圧縮途中の空気の一部を抽気するものである。

静翼翼列１の各可変静翼３は、ケーシング４の内側に配置されたプロフィル部（翼部）６からその回転軸２がケーシング４を貫通している。ケーシング４の外周側に突出した回転軸２の先端部にはレバー７が固定されており、各静翼翼列１の各可変静翼３の回転軸２のレバー７が、各可変静翼３の翼角度を同時に変更する可変静翼駆動機構１０に連結されている。

図２は可変静翼駆動機構１０を抜き出して表した側面図、図３は図２中の矢印IIIによる矢視正面図である。

図２及び図３に示したように、可変静翼駆動機構１０は、可変静翼３（図１参照）を回転駆動させる複数のリング１１と、これら複数のリング１１に対応して設けた複数のレバー１２と、これら複数のレバー１２を回動可能に支持する回転軸１３と、複数のリング１１とこれら複数のリング１１に各々対応するレバー１２とを連結する複数の連結棒１４と、複数のレバー１２のうち初段の静翼翼列１に対応するものに連結したシリンダ１５とを備えている。なお、本実施形態では可変静翼３からなる静翼翼列１を２段設けた場合を例示しているので、リング１１、レバー１２、連結棒１４は各２つずつであり、以降、初段のリング１１、レバー１２、連結棒１４にはそれぞれ添え字ａを、第２段落のリング１１、レバー１２、連結棒１４にはそれぞれ添え字ｂを付する。

初段のリング１１ａは、初段の静翼翼列１の各可変静翼３の回転軸２のレバー７（図１参照）に連結されている。各レバー７はリング１１ａに対し、対応する可変静翼３の回転軸２と平行な軸（図示せず）を介して回動可能に連結されている。同様に、第２段落のリング１１ｂも、第２段落の静翼翼列１の各可変静翼３の回転軸２のレバー７（図１参照）の回動動作を許容するように、それらレバー７と連結されている。本実施形態では特に図示していないが、これらリング１１ａ，１１ｂの外周部には、軸流圧縮機１００のケーシング４の外周部を覆う圧縮機車室（外ケーシング）又は基礎に設けた３つ以上のローラが転接しており、これらローラによってリング１１ａ，１１ｂが、図３に矢印Ｂで示したように自転することができるように支持されている。リング１１ａ，１１ｂの回転中心は、製作誤差は許容するが、設計上は基本的に圧縮機ロータの回転中心に一致している。

レバー１２ａ，１２ｂは、上記回転軸１３に対して回転しないように連結されて回転軸１３を介して一体化されており、回転軸１３を支点にして互いに一体となって回動するように構成されている。レバー１２ａ，１２ｂにおける連結棒１４ａ，１４ｂとの連結部には球面軸受１６ａ，１６ｂが、初段のレバー１２ａにおけるシリンダ１５との連結部には球面軸受１７がそれぞれ使用されている。すなわち、レバー１２ａは連結棒１４ａ及びシリンダ１５に対してそれぞれ球面軸受１６ａ，１７を介して連結されており、レバー１２ｂは連結棒１４ａに対して球面軸受１６ｂを介して連結されている。

回転軸１３は、圧縮機軸の延在方向に延びており、前述の通りレバー１２ａ，１２ｂを固定的に連結して一体化している。回転軸１３の両端は前述した圧縮機車室又は基礎に支持された球面軸受１８によって支持されている。

連結棒１４ａ，１４ｂは、それぞれリング１１ａ，１１ｂの外周部に突設されたレバー１９ａ，１９ｂに対して一端が球面軸受２０ａ，２０ｂを介して連結されている。他端は前述した通り球面軸受１６ａ，１６ｂを介してレバー１２ａ，１２ｂに連結されている。また、シリンダ１５は、一端が前述した通り球面軸受１７を介してレバー１２ａに連結されており、他端が圧縮機車室又は基礎に対して球面軸受２１を介して連結されている。これら連結棒１４ａ，１４ｂ及びシリンダ１５は、例えば軸流圧縮機１００が定格運転に移行した際に、図２に示したように圧縮機軸に直交する面に沿って配置されている。この場合、連結棒１４ａ，１４ｂ及びシリンダ１５は、運転開始後にケーシング４と圧縮機車室（図示せず）等との熱伸び差が生じると圧縮機軸に直交する面に沿うように、運転開始前の段階では、図２において圧縮機軸方向に若干傾斜している。さらに、連結棒１４ａ，１４ｂ及びシリンダ１５が、図３に示した状態及び図３に示した状態からシリンダ１５が伸張した状態においても、リング１１ａ，１１ｂの接線に沿うように、シリンダ１５の長さ及びストロークに応じて、球面軸受１６ａ，１６ｂ，１７，２０ａ，２０ｂ，２１の配置、連結棒１４ａ，１４ｂの長さ、及びレバー１９ａ，１９ｂ，１２ａ，１２ｂのサイズ等が設定されている。なお、本実施形態では、シリンダ１５は鉛直に配置されている。

ここで、以上の本実施形態の軸流圧縮機１００の構成は、初段のみの単一段が複数の可変静翼３からなる静翼翼列１である既存の軸流タービンを基礎とし、複数の可変静翼３からなる静翼翼列１を容易に増設し軸流圧縮機を高性能化するのに好適である。こうした改造方法について次に簡単に説明する。

図６は単一段の可変静翼を有する既存の軸流圧縮機の側面図、図７は既存の軸流圧縮機の単一段の可変静翼駆動機構を抜き出して表した側面図、図８は図７中の矢印VIIIによる矢視正面図である。これらの図において、図１−図３と同様の部分には図１−図３と同符号を付して説明を省略する。

図６に示した既存の軸流圧縮機１００’は、初段の静翼翼列１のみが可変静翼３からなっており、第２段落以降の静翼翼列（図示せず）は固定型のものである。そして、初段の静翼６を動かすリング１１ａが既存の可変静翼駆動機構１０’に連結されている。

図６−図８に示したように、既存の可変静翼駆動機構１０’は、リング１１ａと、このリング１１ａを自転させるシリンダ１５とを有している。シリンダ１５は、リング１１ａに突設されたレバー１９ａに対して一端がピン１７’（図８参照）を介して連結されている。シリンダ１５の他端は、圧縮機車室又は基礎に対して軸受２１’を介して連結されている。

このような既存の軸流圧縮機１００’を改造して図１−図３に示した本実施形態の軸流圧縮機１００を構築する場合、まず、軸流圧縮機１００’の第２段落（可変静翼３を３段以上に設置する場合には、第２段落を含む複数の段落）の固定型の静翼を新たな可変静翼３に交換する。そして、既存の固定型の静翼に置き換えた新たな可変静翼３からなる静翼翼列１に、当該静翼翼列１の可変静翼３を回転駆動させる新たなリング１１ｂを連結する。

続いて、既存の初段のリング１１ａ及び新たに追加したリング１１ｂのそれぞれに対応する複数のレバー１２ａ，１２ｂと、これら複数のレバー１２ａ，１２ｂを回動可能に支持するとともに一体化する回転軸１３と、複数のリング１１ａ，１１ｂと当該複数のリング１１ａ，１１ｂに各々対応するレバー１２ａ，１２ｂとを連結する複数の連結棒１４ａ，１４ｂとを追加する。

そして、既存の軸流圧縮機１００’に設置されていた既存のシリンダ１５（又はこれと同クラスの別のシリンダでも良い）を複数のレバー１２ａ，１２ｂのうち初段の静翼翼列１に対応するレバー１２ａに連結する。

以上の手順によって、図６−図８に示した既存の軸流圧縮機１００’を基礎にして本実施形態の軸流圧縮機１００を構築することができる。

次に、本実施形態の軸流圧縮機１００の可変静翼３の翼角度変更に係る動作と作用効果とを順次説明する。

図示しない操作手段を操作してシリンダ１５を伸縮させると、レバー１２ａ及びこれに回転軸１３を介して一体化されたレバー１２ｂが回転軸１３を支点にして図３中に矢印Ａで示したように回動し、同時に、レバー１２ａ，１２ｂと連結棒１４ａ，１４ｂで連結されたリング１１ａ，１１ｂが図３中に矢印Ｂで示したように回転する。リング１１ａ，１１ｂが回動すると、それぞれ初段及び第２段落の静翼翼列１の各可変静翼３のレバー７が動かされ、初段及び第２段落の静翼翼列１の各可変静翼３が各回転軸２を中心にして回転駆動し、各可変静翼３の翼角度が変化する。

以上、本実施形態によれば、既存の軸流圧縮機１００’を基礎として、元から存在する静翼翼列１やリング１１ａ、シリンダ１５を流用し、固定型の静翼を新たな可変静翼３に交換するとともに、リング１１ｂと、レバー１２ａ，１２ｂ及び回転軸１３からなる構造物と、この構造物を支持する球面軸受１８と、連結棒１４ａ，１４ｂとを追加することで、複数段の可変静翼３を有する軸流圧縮機１００を構築することができる。既存の軸流圧縮機１００’の主な構成要素として流用しないのは、交換せざるを得ない固定型の静翼とシリンダ１５の両端を支持していたピン１７’，２１’程度であり、その他の主たる構成要素については多く活用することができる。シリンダ１５の設置位置も既存の軸流圧縮機１００’と共通である。

また、複数の可変静翼３を有する軸流圧縮機１００を構築するに当たって、初段の可変静翼３は、他の段落の可変静翼３と比較しても翼の体格が大きく流体から受ける力が最も大きいため、可変静翼３を回転させるための所要動力も最大である。したがって、複数段の可変静翼３を駆動する可変翼駆動機構１０に要求される所要動力は、主に初段の可変静翼３を回転させるために必要な力で決まる。そこで、初段のリング１１ａに対応する位置にシリンダ１５を設置し、連結棒１４ａ及びレバー１２ａを介して初段のリング１１ａにシリンダ１５の出力が直接伝わる構成とし、初段の可変静翼３の所要動力を考慮した構成としてある。

加えて、軸流圧縮機は、本実施形態のようにガスタービンに適用するものに限らず、起動負荷を抑えるために主流路から抽気する抽気管（本実施形態では抽気管５）を中間段に有するのが通常である。したがって、中間段にシリンダ１５を設置すると、抽気管５との間のスペースの余裕がなくなるため作業効率が低下し得るところ、本実施形態では、初段のリング１１ａに対応する位置にシリンダ１５を設置したことにより、抽気管５との間に作業スペースを広く採ることができ、作業効率を確保することができる。

以上のことから、本実施形態によれば、既存の軸流圧縮機１００’の構造を多く活用し可変静翼駆動装置の改造を小改造に抑えることができ、製造効率も高く低コストで改造することができる。したがって、単一段の可変静翼３を有する既存の軸流圧縮機１００’から複数段の可変静翼３を有する軸流圧縮機１００に容易に改造することができる。

ここで、レバー１２ａ，１２ｂにおける回転軸１３と球面軸受１６ａ，１７との距離関係について検討する。

図４はレバー１２ａのモデル図、図５は回転軸１３から球面軸受１６ａ，１７までの距離の比とシリンダ１５の所要出力及び所要ストロークとの関係を表した図である。

ここでは、図４に示したように、圧縮機軸方向から見て、レバー１２ａ及び連結棒１４ａの連結部（すなわち球面軸受１６ａ）の中心から回転軸１３の中心までの距離をＡ、レバー１２ａ及びシリンダ１５の連結部（すなわち球面軸受１７）の中心から回転軸１３の中心までの距離をＢとする。Ａ／Ｂの実用上の設定範囲をシリンダ１５の所要出力Ｆ及び所要ストロークＳとの関係から検討する。（Ａ／Ｂ）ｍｉｎ及び（Ａ／Ｂ）ｍａｘは、ケーシング４と車室との間の空間の制約上、物理的に採り得るＡ／Ｂの最小値及び最大値である。

図５のシリンダ１５の所要出力ＦとＡ／Ｂとの関係（同図の上図）から判るように、Ａ／Ｂの値が大きくなるに連れて、リング１１ａ，１１ｂを自転させて全ての可変静翼３を動かすのに必要なシリンダ１５の所要出力は比例的に増していく。しかしながら、シリンダ１５に既存のものを用いる場合、その最大出力Ｆｍａｘは決まっているので、既存のシリンダ１５の最大出力Ｆｍａｘ以下の出力で可変静翼３を動かせなければならないので、図５の上図からＡ／Ｂの実用上の設定範囲の上限値は（Ａ／Ｂ）２となる（（Ａ／Ｂ）ｍｉｎ＜（Ａ／Ｂ）２＜（Ａ／Ｂ）ｍａｘ）。

一方、可変静翼３の可動範囲（回転角）を必要量確保するには、初段の可変静翼３の既存のレバー７の長さを基本とした場合、リング１１ａ，１１ｂの必要な自転角度が決まる。しかしながら、図５のシリンダ１５の所要ストロークＳとＡ／Ｂとの関係（同図の下図）から判るように、Ａ／Ｂの値が小さくなれば、それだけリング１１ａ，１１ｂを必要角度だけ自転させるのに必要なシリンダ１５の所要ストロークが長くなる。シリンダ１５に既存のものを用いる場合には、その最大ストロークＳｍａｘは決まっている。すなわち、既存のシリンダ１５の最大ストロークＳｍａｘ以下のストロークでリング１１ａ，１１ｂを必要角度だけ自転させることができなければならないので、図５の下図からＡ／Ｂの実用上の設定範囲の下限値は（Ａ／Ｂ）１となる（（Ａ／Ｂ）ｍｉｎ＜（Ａ／Ｂ）１＜（Ａ／Ｂ）２＜（Ａ／Ｂ）ｍａｘ）。

以上の結果から、例えば既存のシリンダ１５の最大出力Ｆｍａｘが比較的低い場合やなるべく小さな出力で可変静翼３を動かせるようにする場合には、（Ａ／Ｂ）ｍｉｎを下回らない範囲で距離Ｂに対する距離Ａの値が小さくなるようにレバー１２ａを製作するのが有利である。反対に、例えば既存のシリンダ１５の最大ストロークＳｍａｘが比較的短い場合やなるべく短いストロークで可変静翼３を動かせるようにする場合には、（Ａ／Ｂ）ｍａｘを超えない範囲で距離Ｂに対する距離Ａの値が大きくなるようにレバー１２ａを製作するのが有利である。Ａ，Ｂの設定の一好適例としては、可変静翼３を駆動するのに必要な力が最も大きいのは最も長翼である初段であることから、シリンダ１５の出力がほぼそのまま初段の可変静翼３を駆動する力として伝わるように距離Ａを距離Ｂに合わせ、Ａ＝Ｂ若しくはＡ≒Ｂとすることが考えられる。

このように、可変静翼３を回転させるのに必要な所要駆動力が最も大きいことに鑑み、初段の距離Ａ，Ｂが同程度となるようにレバー１２ａを構成し、シリンダ１５の駆動力が初段の可変静翼３を回転させる力としてほぼそのまま伝わるようにしたことにより、既存のシリンダ１５を有効に活用して複数段の可変静翼３を有する本実施形態の軸流圧縮機１００を構築することができる。そして、このように駆動力の伝達効率を工夫することにより、１本のシリンダ１５で複数段の可変静翼３を動かすことができる。

また、圧縮機軸方向から見て、リング１１ａの概ね接線方向にシリンダ１５及び連結棒１４ａ，１４ｂが動作する構成としているので、この点もシリンダ１５の出力をリング１１ａ，１１ｂの駆動力に効率的に変換するのに役立つ。

さらに、仮にリング１１ａ，１１ｂ、連結棒１４ａ，１４ｂ、レバー１２ａ，１２ｂ、シリンダ１５間の連結部を通常の軸受で連結する構成とすると、運転中のケーシング４と車室との熱伸び差等に起因してリング１１ａ，１１ｂとシリンダ１５の軸方向位置がずれた場合に連結棒１４ａ，１４ｂや回転軸１３等が傾くため、連結部に摩擦が生じてしまいシリンダ１５の出力の伝達効率が低下する。加えて、リング１１ａ，１１ｂ等も複数段に亘って存在し、構成要素間の連結部位が多いことから、ケーシング４と車室との熱伸び差が甚だしい場合には、摩擦抵抗の著しい増加によって、リング１１ａ，１１ｂを回転させられなくなる状態にも陥り得る。

そこで本実施形態では、球面軸受１６ａ，１６ｂ，１７，２０ａ，２０ｂ，２１を用い、リング１１ａ，１１ｂ、連結棒１４ａ，１４ｂ、レバー１２ａ，１２ｂ、シリンダ１５間の連結部を全て球面軸受で連結することにより、ケーシング４の熱伸び等に起因するシリンダ１５の出力の損失やリング１１ａ，１１ｂが動作不能に陥ることを抑制することができる。

また、連結棒１４ａ，１４ｂ及びシリンダ１５は、運転開始前の段階では、圧縮機軸に直交する面に対して傾斜させておくことによって、軸流圧縮機１００の運転中に図２に示したように圧縮機軸に直交する面に沿う姿勢に移行させることができる。この点も、シリンダ１５の出力をリング１１ａ，１１ｂの駆動力に効率的に変換するのに有用である。

１ 静翼翼列
２ 回転軸
３ 可変静翼
１１ａ，ｂ リング
１２ａ，ｂ レバー
１３ 回転軸
１４ａ，ｂ 連結棒
１５ シリンダ
１６ａ，ｂ 球面軸受
１７ 球面軸受
２０ａ，ｂ 球面軸受
２１ 球面軸受
１００ 軸流圧縮機
１００’ 既存の軸流圧縮機
Ａ レバー及び連結棒の連結部からレバーの回転軸までの距離
Ｂ レバー及びシリンダの連結部からレバーの回転軸までの距離

Claims (5)

1. 初段の静翼翼列のみが圧縮機の径方向に延びる自己の回転軸周りに回転し翼角度が調整可能な可変静翼からなる既存の軸流圧縮機を基礎にして、
   前記既存の軸流圧縮機の少なくとも第二段落の静翼を新たな可変静翼に交換し、
   前記新たな可変静翼からなる静翼翼列に、当該静翼翼列の前記可変静翼を回転駆動させる新たなリングを連結し、
   初段のリング及び前記新たなリングのそれぞれに対応する複数のレバーと、これら複数のレバーを回動可能に支持するとともに圧縮機軸の延在方向に延び当該複数のレバーを固定的に連結して一体化する回転軸と、前記複数のリングと当該複数のリングに各々対応する前記レバーとを連結する複数の連結棒とを追加し、
   前記既存の軸流圧縮機に設置されていたシリンダ又はこれと同クラスの別のシリンダを、前記複数のレバーのうち初段の静翼翼列に対応するものに連結する
   ことを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
2. 請求項１の軸流圧縮機の改造方法において、前記レバー及び前記連結棒の連結部から前記レバーの回転軸までの距離を前記レバー及び前記シリンダの連結部から前記レバーの回転軸までの距離に合わせることを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
3. 請求項１の軸流圧縮機の改造方法において、圧縮機軸に直交する面に沿って前記連結棒及び前記シリンダを配置することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
4. 請求項３の軸流圧縮機の改造方法において、前記リングの接線に沿って前記連結棒及び前記シリンダを配置することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
5. 請求項１の軸流圧縮機の改造方法において、前記リングと前記連結棒、前記連結棒と前記レバー、及び前記レバーと前記シリンダをいずれも球面軸受を介して連結することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。

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