JP5804745B2 - 流体機械の吸込ケーシングおよび流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン等の流体機械の吸込ケーシングおよび流体機械に関する。

例えば、パイプラインや大型ターボ冷凍機に用いられる圧縮機やガスタービン等の流体機械では、流体を導入する流体導入部に、該流体導入部から装置本体側に回転軸回りの周方向全体にわたって流体を供給するために、吸込ケーシングが設けられている（例えば特許文献１参照。）。
図６に示すように、このような吸込ケーシング１は、例えば、径方向外周側から内周側へと流体を導入する吸込ノズル２と、該吸込ノズル２と連通してドーナツ状に形成された円環流路３とを備え、この円環流路３から圧縮機４内に軸方向に流体を導入する構造を有している。

ここで、吸込ケーシング１においては、円環流路３内において、吸込ノズル２とは反対側に、円環流路３を周方向に分割する仕切板５が設けられている（例えば特許文献２参照。）。
吸込ノズル２から吸込ケーシング１内に流入した流体は、円環流路３の両側に分割される。そして、その一部は、円環流路３の内周側で連通した圧縮機４へと、圧縮機４の軸方向に流れ、圧縮機４内に導入される。分割された流体の残りは、円環流路３を周方向に流れ、円環流路３において吸込ノズル２とは反対側に設けられた仕切板５に衝突して内周側へと流れの向きを変え、その内周側から圧縮機４内へと導入される。これにより、仕切板５は、圧縮機４に導入される流体がスワールするのを防止している。

特開２０１０−２０３２５１号公報 特許３６５３００５号公報

しかしながら、仕切板５は、吸込ケーシング１の圧縮機側の側板６と、その反対側の側板７と、外周側の筒状の外側ケーシング８とに、３辺５ａ、５ｂ、５ｃが溶接され、内周側の内側ケーシング９、および圧縮機４の入口側に面する部分５ｄ、５ｅは溶接されていなかった。これにより、内側ケーシング９、および圧縮機４の入口側に面する部分５ｄ、５ｅに挟まれた部分５Ｆは、溶接された３辺５ａ、５ｂ、５ｃに囲まれた部分５Ｇから片持ち状に突出している。すると、この突出した部分５Ｆが、圧縮機４の作動時に生じる流体の流れによって振動し、仕切板５にクラックが入ることがあり、その場合、その部分を溶接補修しなければならない。さらに、万が一、仕切板５がクラックの部分から破損し、その破片が圧縮機４内に吸い込まれてしまうと、圧縮機４の翼列が損傷し、修理に莫大な費用がかかる。このため、仕切板５の点検を定期的に念入りに行う必要があり、その手間がかかるという問題もある。

そこで、仕切板５の突出した部分５Ｆを、ステー等の部材により補強することも考えられるが、圧縮機４への流体の導入口にこれらの部材を設けると、流れが乱れる要因となるうえ、これらの部材の溶接箇所が破損した場合にはこれらの部材が圧縮機４に吸い込まれて破損の原因となるという問題もある。

さらに、このような仕切板５が圧縮機４の流体流路の上流に存在していると、仕切板５による後流が圧縮機４の翼列と干渉し、翼を振動させる励振力となる。当然のことながら、圧縮機４の作動安定化、効率化のためには、翼列の振動を抑えるのが好ましい。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、仕切板の振動を抑えて仕切板等の破損を確実に抑えつつ、圧縮機に導入される流体の流れを整流させることのできる流体機械の吸込ケーシングおよび流体機械を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、流体機械の吸込口を形成する流体機械の吸込ケーシングであって、流体機械の軸方向に沿って間隔を隔てて対向して設けられた第一側板および第二側板と、第一側板および第二側板の外周部を連結する外周板と、流体機械の径方向の一方の側に向けて開口する吸込ノズルと、流体機械の圧縮機に近い側の第一側板に形成され、圧縮機の外側ケーシングが接続された第一の開口と、第二側板に形成され、圧縮機の内側ケーシングが接続された第二の開口と、吸込ノズルが設けられた側とは内側ケーシングを挟んだ反対側に設けられ、外周板から内側ケーシングに向けて立ち上がり、内側ケーシングの外周側の円環流路を周方向に分割する仕切板と、を備え、仕切板は、第一側板、外周板、および第二側板に溶接されるとともに、内側ケーシングに近接する側の先端部において、第一側板、外周板、および第二側板に溶接された部分から第一の開口の内側に向けて片持ち状に突出した部分がなく、第一側板に対する外側ケーシングの接続位置と、第二側板に対する内側ケーシングの接続位置とを結ぶ仮想線上または仮想線よりも外周板側に位置していることを特徴とする。
ここで、仕切板の先端部は、第一側板に対する外側ケーシングの接続位置と、第二側板に対する内側ケーシングの接続位置とを結ぶ直線状に形成することができる。
また、仕切板の先端部は、仮想線の両端に位置しているよう形成することができる。
仕切板の先端部は、仮想線よりも、外周板側に凹となるように形成することができる。
さらに、第一の開口には、圧縮機に備えられた翼列が臨んでいるように構成することができる。
そして、本発明は、流体機械の吸込口を形成する流体機械の吸込ケーシングであって、流体機械の軸方向に沿って間隔を隔てて対向して設けられた第一側板および第二側板と、第一側板および第二側板の外周部を連結する外周板と、流体機械の径方向の一方の側に向けて開口する吸込ノズルと、流体機械の圧縮機に近い側の第一側板に形成され、圧縮機の外側ケーシングが接続された第一の開口と、第二側板に形成され、圧縮機の内側ケーシングが接続された第二の開口と、吸込ノズルが設けられた側とは内側ケーシングを挟んだ反対側に設けられ、外周板から内側ケーシングに向けて立ち上がり、内側ケーシングの外周側の円環流路を周方向に分割する仕切板と、を備え、仕切板は、第一側板、外周板、第二側板に溶接されるとともに、内側ケーシングに近接する側の先端部が、第一側板に対する外側ケーシングの接続位置と、第二側板に対する内側ケーシングの接続位置とを結ぶ仮想線よりも、外周板側に凹となるよう形成されていることを特徴とする。
仕切板は、外周板側の基部から先端部に向けて、圧縮機の周方向に沿った厚さが漸次縮小するよう形成することもできる。

このように、仕切板の、内側ケーシングに近接する側の先端部が、第一側板に対する外側ケーシングの接続位置と、第二側板に対する内側ケーシングの接続位置とを結ぶ仮想線上または仮想線よりも外周板側に設けることで、仕切板の剛性を高めることができる。

また、本発明は、上記したような吸込ケーシングを備えた流体機械とすることもできる。

ここで、流体機械としては、ガスタービンをはじめ、パイプラインや大型ターボ冷凍機に用いられる圧縮機等がある。

本発明によれば、仕切板の内側ケーシングに近接する側の先端部を、第一側板に対する外側ケーシングの接続位置と、第二側板に対する内側ケーシングの接続位置とを結ぶ線よりも外周板側に設けることで、仕切板の剛性を高めることができ、流体の流れによって仕切板が振動するのを抑えてクラックが生じるのを防ぐことができる。これにより、保守点検費用を抑えることができる。また、仕切板を補強する部材も不要であるため、仕切板の周囲で流体の流れが乱れることもない。
さらに、このような仕切板は、その後流が圧縮機の翼列と干渉するのを抑え、翼が振動するのを防ぐことができる。これにより、圧縮機の作動安定化、効率化を図ることができる。

本実施の形態における吸込ケーシングを備えたガスタービンの一例を示す半断面図である。 吸込ケーシングの外観を示す斜視図である。 吸込ケーシングの断面図および拡大図である。 仕切板の他の例を示す図である。 仕切板のさらに他の例を示す図である。 従来の吸込ケーシングを示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるガスタービン（流体機械）２０の概略構成を説明するための図である。
この図１に示すように、ガスタービン２０には、空気の流れの上流側から下流側に向かって吸込ケーシング２１、圧縮機２２、燃焼器２３、タービン２４が設けられている。
吸込ケーシング２１から取り込まれた空気は圧縮機２２によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器２３へ送り込まれる。燃焼器２３では、この圧縮空気に天然ガス等のガス、或いは軽油や軽重油等の油を供給して燃料を燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン２４に噴射され、タービン２４内で膨張してタービン２４を回転させる。タービン２４の回転エネルギーにより、ガスタービン２０の主軸２０Ｓに連結された図示しない発電機等が駆動される。

図２、図３に示すように、吸込ケーシング２１は、径方向外周側から内周側へと流体を導入する吸込ノズル２５と、該吸込ノズル２５と連通してドーナツ状に形成された円環流路２６とを備えている。

吸込ケーシング２１は、圧縮機２２側において、圧縮機２２の軸線に直交する面内に位置する第一側板２７と、圧縮機２２から離間する側において、第一側板２７に対向する第二側板２８と、これら第一側板２７、第二側板２８の外周部を連結する外周板２９と、を備えている。ここで、外周板２９は、圧縮機２２の軸線方向から見たときに略Ｕ字状をなしており、吸込ノズル２５の吸込口２５ａとなる側が開口している。

また、図３に示したように、第一側板２７には、円形の開口部２７ａが形成され、ここに、圧縮機２２の筒状をなした外側ケーシング２２ａの端部が接続されている。

第二側板２８にも円形の開口部２８ａが形成され、ここに、圧縮機２２の筒状をなした内側ケーシング２２ｂの端部が接続されている。第一側板２７と第二側板２８との間において、内側ケーシング２２ｂの外周側が円環流路２６とされている。この内側ケーシング２２ｂは、第一側板２７の開口部２７ａよりも小径であり、これにより、第一側板２７の開口部２７ａおよびこれに連続する外側ケーシング２２ａと、その内側の内側ケーシング２２ｂとの間には、円環流路２６に連続する円環状の圧縮機導入口２２ｉが形成されている。

吸込ケーシング２１においては、円環流路２６内において、吸込ノズル２５が形成されている側とは反対側に、円環流路２６を周方向に二分割する仕切板３０が設けられている。
ここで、仕切板３０は、３つの辺３０ａ、３０ｂ、３０ｃが、第一側板２７、第二側板２８、外周板２９に対し溶接されている。また、仕切板３０は、その先端部３０ｄが、第一側板２７に対する外側ケーシング２２ａの接続位置Ｐ１と、第二側板２８に対する内側ケーシング２２ｂの接続位置Ｐ２とを直線的に結ぶよう形成されている。

このような吸込ケーシング２１は、吸込ノズル２５から吸込ケーシング２１内に流入した流体は、円環流路２６の両側に分割される。そして、その一部は、仕切板３０へと至る間にそのまま圧縮機導入口２２ｉから圧縮機２２へと、圧縮機２２の軸方向に流れ、圧縮機２２内に導入される。残りの流体は、円環流路２６を周方向に流れ、円環流路２６において吸込ノズル２５とは反対側に設けられた仕切板３０に衝突して内周側へと流れの向きを変え、その内周側の圧縮機導入口２２ｉから圧縮機２２内へと導入される。これにより、圧縮機２２に導入される流体がスワールするのを防止している。

ここで、仕切板３０は、その先端部３０ｄが、第一側板２７に対する外側ケーシング２２ａの接続位置Ｐ１と、第二側板２８に対する内側ケーシング２２ｂの接続位置Ｐ２とを直線的に結ぶよう形成されているので、溶接された部分から突出する部分がなく、剛性が高い。したがって、圧縮機２２の作動時に生じる流体の流れによって仕切板３０が振動するのを抑え、クラックが生じるのを防ぐことができる。これにより、保守点検費用を抑えることができる。また、仕切板３０を補強する部材も不要であるため、圧縮機２２に導入される流体の流れが乱れることもない。
さらに、仕切板３０は、その後流が圧縮機２２の翼列２２ｃと干渉するのを抑え、翼列２２ｃを構成する翼が振動するのを防ぐことができる。これにより、圧縮機２２の作動安定化、効率化を図ることができる。
なお、仕切板３０は、外周板２９からの高さが従来よりも低くなるが、吸込ノズル２５から円環流路２６に流れ込んだ流体は、流体の慣性により遠心力が働いて外周板２９に沿って流れるため、外周板２９から立ち上がる仕切板３０によって十分に流れの向きが変わり、その内周側の圧縮機導入口２２ｉから圧縮機２２内へと導入することができる。

（他の実施形態）
なお、ここで、図４に示すように、仕切板３０の先端部３０ｄは、第一側板２７に対する外側ケーシング２２ａの接続位置Ｐ１と、第二側板２８に対する内側ケーシング２２ｂの接続位置Ｐ２とを結ぶ仮想直線Ｌよりも外周側（外周板２９側）に位置するよう凹部３５を形成することもできる。この場合、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、仕切板３０の先端部３０ｄの両側の端部３０ｅ、３０ｆは、第一側板２７、第二側板２８に対し、９０°以下の鋭角に形成するのが好ましい。また、このような凹部３５を有した仕切板３０の先端部３０ｄは、図４（ｂ）に示すように略円弧形状としてもよいし、図４（ｃ）に示すように、直線形状とすることもできる。

さらに、図５に示すように、仕切板３０は、外周板２９側の基部３０ｇから内側ケーシング２２ｂ側の先端部３０ｄに向けて、その周方向の厚さが漸次縮小するよう形成してもよい。
この場合、仕切板３０の両側面３０ｈは、平面状としてもよいが、湾曲形状とすることによって、流体の流れの方向を滑らかに変換させることができる。
また、このような仕切板３０は、２枚の板を向かい合わせて前記の平面状とすることもできるし、２枚の板を向かい合わせて湾曲させることで前記の湾曲形状とすることもできる。さらに、２枚の板の間は中空としても良いし、充填物を詰めて中実としても良い。このように２枚の板を向かい合わせて重ねることによって仕切板３０を形成することで、仕切板３０の剛性がさらに高まる。

なお、上記実施の形態では、ガスタービン２０の構成について図示したが、その構成は図示した以外のいかななる構成としてもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

２０ ガスタービン（流体機械）
２１ 吸込ケーシング
２２ 圧縮機
２２ａ 外側ケーシング
２２ｂ 内側ケーシング
２２ｃ 翼列
２２ｉ 圧縮機導入口
２３ 燃焼器
２４ タービン
２５ 主軸
２５ 吸込ノズル
２６ 円環流路
２７ 第一側板
２８ 第二側板
２９ 外周板
３０ 仕切板
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 辺
３０ｄ 先端部
３５ 凹部

Claims (8)

1. 流体機械の吸込口を形成する流体機械の吸込ケーシングであって、
   前記流体機械の軸方向に沿って間隔を隔てて対向して設けられた第一側板および第二側板と、
   前記第一側板および第二側板の外周部を連結する外周板と、
   前記流体機械の径方向の一方の側に向けて開口する吸込ノズルと、
   前記流体機械の圧縮機に近い側の前記第一側板に形成され、前記圧縮機の外側ケーシングが接続された第一の開口と、
   前記第二側板に形成され、前記圧縮機の内側ケーシングが接続された第二の開口と、
   前記吸込ノズルが設けられた側とは前記内側ケーシングを挟んだ反対側に設けられ、前記外周板から前記内側ケーシングに向けて立ち上がり、前記内側ケーシングの外周側の円環流路を周方向に分割する仕切板と、を備え、
   前記仕切板は、前記第一側板、前記外周板、および前記第二側板に溶接されるとともに、前記内側ケーシングに近接する側の先端部において、前記第一側板、前記外周板、および前記第二側板に溶接された部分から前記第一の開口の内側に向けて片持ち状に突出した部分がなく、前記第一側板に対する前記外側ケーシングの接続位置と、前記第二側板に対する前記内側ケーシングの接続位置とを結ぶ仮想線上または前記仮想線よりも前記外周板側に位置していることを特徴とする流体機械の吸込ケーシング。
2. 前記仕切板の前記先端部は、前記第一側板に対する前記外側ケーシングの接続位置と、前記第二側板に対する前記内側ケーシングの接続位置とを結ぶ直線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械の吸込ケーシング。
3. 前記仕切板の前記先端部は、前記仮想線の両端に位置していることを特徴とする請求項１に記載の流体機械の吸込ケーシング。
4. 前記仕切板の前記先端部は、前記仮想線よりも、前記外周板側に凹となるように形成されていることを特徴とする請求項１または３に記載の流体機械の吸込ケーシング。
5. 前記第一の開口には、
   前記圧縮機に備えられた翼列が臨んでいることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体機械の吸込ケーシング。
6. 流体機械の吸込口を形成する流体機械の吸込ケーシングであって、
   前記流体機械の軸方向に沿って間隔を隔てて対向して設けられた第一側板および第二側板と、
   前記第一側板および第二側板の外周部を連結する外周板と、
   前記流体機械の径方向の一方の側に向けて開口する吸込ノズルと、
   前記流体機械の圧縮機に近い側の前記第一側板に形成され、前記圧縮機の外側ケーシングが接続された第一の開口と、
   前記第二側板に形成され、前記圧縮機の内側ケーシングが接続された第二の開口と、
   前記吸込ノズルが設けられた側とは前記内側ケーシングを挟んだ反対側に設けられ、前記外周板から前記内側ケーシングに向けて立ち上がり、前記内側ケーシングの外周側の円環流路を周方向に分割する仕切板と、を備え、
   前記仕切板は、前記第一側板、前記外周板、前記第二側板に溶接されるとともに、
   前記内側ケーシングに近接する側の先端部が、
   前記第一側板に対する前記外側ケーシングの接続位置と、前記第二側板に対する前記内側ケーシングの接続位置とを結ぶ仮想線よりも、前記外周板側に凹となるよう形成されていることを特徴とする流体機械の吸込ケーシング。
7. 前記仕切板は、前記外周板側の基部から前記先端部に向けて、前記圧縮機の周方向に沿った厚さが漸次縮小するよう形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の流体機械の吸込ケーシング。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の流体機械の吸込ケーシングを備えたことを特徴とする流体機械。