JP6037996B2 - 圧縮機、及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、軸線を中心として回転するロータと、このロータを囲むケーシングとを備える圧縮機と、この圧縮機を備えるガスタービンとに関する。

例えばガスタービン等に設けられて、軸線を中心として回転してロータと、このロータを外周側から囲むケーシングとを備えて空気などの流体を圧縮する圧縮機が知られている。この圧縮機には、圧縮された流体の一部を外部に導くための抽気構造を採用しているものがある。

特許文献１には、抽気構造におけるブリードスロットと抽気室（ブリードキャビティ）との間に設けられた連絡流路（ブリードパッセージ）断面の形状を、抽気配管（ブリードポート）の配置、形状に合わせて周方向に変化させている抽気構造が記載されている。

ここで、抽気構造では上述した抽気配管の配置、及び、抽気された流体がロータの回転に伴う周方向への旋回成分を有していることにより、抽気配管が設けられた周方向位置で流体の流量が増大し、主流路内で周方向の流量分布の不均一性が大きくなることがＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ、数値流体力学）を用いた解析によって確認されている。

このような不均一な流量分布によっては、脈動が生じてブリードスロットの下流に配置された動翼の先端付近に失速が発生し、圧縮空気の流れ全体にサージが引き起こされる。このような失速、及びサージによって圧縮機の運転効率が低下してしまう可能性がある。特に、重量軽減などの目的から抽気配管の数が少なくなっている場合には、流量の不均一性がさらに大きくなって、サージマージンが小さくなり、サージの発生の可能性が高まってしまう。

米国特許第８３８８３０８号明細書

しかしながら、特許文献１の連絡流路では、上述したように連絡流路断面の形状を周方向に変化させることで周方向の流量分布の均一化を図っているものの、この連絡流路の断面形状は、上記の連絡流路の中途位置で流路幅が狭くなったり広くなったりし、非常に複雑な形状をなしている。このため、製造に要するコストが増大しまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、コストを抑えつつ、主流路からの流体の抽気を行うスロット近傍の主流路内で流体の流量の均一化を図り、サージマージンを増大させて運転効率を向上させることができる圧縮機、及びこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一の態様によれば、圧縮機は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から囲んで、該ロータとの間に流体の主流路を画成するロータケーシングと、前記ロータケーシングの外周側に設けられて、周方向に延びて形成されたスロットを介して、前記主流路と連通する抽気室を画成する抽気室ケーシングと、前記抽気室ケーシングに外周側から接続されて、内側に前記抽気室内の前記流体を外部に導く抽気流路が形成された配管と、を備え、前記スロットの前記主流路への開口部における前記配管に対応する周方向位置に、開口面積が他の周方向位置に比べて部分的に大きくなる大開口部が形成されていることを特徴とする。

このような圧縮機によれば、スロットの開口部に大開口部が形成されていることで、この部分で、スロットから配管の抽気流路へ向かって流通しようとする流体の流量を小さく抑えることができる。従って、配管が設けられた周方向位置でのスロットの開口部近傍の主流路内で、ロータの回転に起因して生じる流体の流量増大を抑制できる。また、大開口部はスロットにおける主流路への開口部に形成されている。よって、ロータケーシングの内周側からアクセスし易い位置に形成でき、製造が容易である。

また、前記スロットでは、前記配管に対応する周方向位置で、かつ、該周方向位置における前記ロータの回転方向前方側で前記大開口部が形成されていてもよい。

配管が設けられた周方向位置のうち、ロータの回転方向前方側ではロータの回転の影響でスロットから配管の抽気流路に向かって流通しようとする流体の流量が増大する。よって、大開口部が、配管に対応する周方向位置におけるロータの回転方向前方側に形成されていることで、流体の流量が増大する位置に大開口部が形成されていることになるため、より効果的にスロットの開口部近傍での流体流量の周方向分布の均一化を図ることが可能となる。

さらに、前記スロットは、前記大開口部から前記ロータの回転方向前方側に向かって前記開口面積が徐々に減少するように形成されていてもよい。

配管が設けられた周方向位置で、スロットから抽気室を介して配管の抽気流路に向かって流通しようとする流体の流量が最も大きくなり、また、この周方向位置から回転方向前方に向かって配管の設けられた周方向に離間するに従って、抽気流路に向かって流通しようとする流体の流量が小さくなっていく。従って、このような流量分布にあわせるように、スロットの開口面積を大開口部から前記回転方向の前方側に向かって減少させることで、さらに効果的に、スロットの開口部近傍での流体流量の周方向分布の均一化を図ることが可能となる。

さらに、本発明の他の態様によれば、ガスタービンは、前記ロータが回転することで前記流体としての空気を圧縮する請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器からの前記燃焼ガスで駆動するタービンと、を備えることを特徴とする。

このようなガスタービンによれば、上記の圧縮機を備えることで、配管が設けられた周方向位置でのスロットの開口部近傍の主流路内で、ロータの回転に起因して生じる流体の流量増大を抑制できる。また、大開口部はスロットにおける主流路への開口部に形成されている。よって、ロータケーシングの内周側からアクセスし易い位置に形成でき、製造が容易である。

上記の圧縮機、及びガスタービンによると、スロットの開口部に大開口部を形成することで、コストを抑えつつスロット近傍の主流路内で流体流量の周方向分布の均一化を図り、サージマージンを増大させて運転効率の向上が可能となる。

本発明の第一実施形態に係る圧縮機を備えるガスタービンの概略側面図である。 本発明の第一実施形態に係る圧縮機の要部断面図である。 本発明の第一実施形態に係る圧縮機のスロット近傍を径方向内側から見た図であって、図２のＩＩＩ矢視図を示す。 仮にスロットの開口部の開口面積が周方向に一定である場合の圧縮機のスロット近傍を径方向内側から見た図であって、図２のＩＩＩ矢視と同じ位置から見た矢視図を示す。また、スロットの開口部近傍の空気の流量分布の解析結果を色の濃淡で示す。 本発明の第二実施形態に係る圧縮機の主流路及びスロットを径方向内側から見た図であって、図２のＩＩＩ矢視と同じ位置から見た矢視図を示す。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係る軸流式の圧縮機１について説明する。
まず、圧縮機１を備えるガスタービン２００について説明する。
図１に示すように、ガスタービン２００は、外気Ａ０を圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料Ｆを圧縮空気Ａに混合して燃焼させて燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器２０２と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン２０３とを備えている。なお、以下では、圧縮空気Ａを単に空気Ａと言うこともある。

タービン２０３は、回転軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ２０４と、このタービンロータ２０４を覆う筒状のケーシング２０５とを有している。タービンロータ２０４とタービンケーシング２０５との間には主流路２０６が画成されている。
タービンロータ２０４は、後述する圧縮機１におけるロータ２に連結され、このロータ２とともに回転軸線Ａｒを中心として回転する。

以下では、回転軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａとする。また、回転軸線Ａｒを基準にした径方向を単に径方向Ｄｒとし、この径方向Ｄｒで回転軸線Ａｒから遠ざかる側を径方向Ｄｒの外側とし、この径方向Ｄｒで回転軸線Ａｒに近づく側を径方向Ｄｒの内側とする。さらに、回転軸線Ａｒを基準にした周方向を単に周方向Ｄｃと言う。

複数の燃焼器２０２は、回転軸線Ａｒを中心として、周方向Ｄｃに互いに等間隔でタービンケーシング５に固定されている。

次に、圧縮機１について説明する。
図２に示すように、圧縮機１は、回転軸線Ａｒを中心として回転するロータ２と、このロータ２を覆う筒状のロータケーシング３とを備えている。

ロータケーシング３は、ロータ２との間に圧縮空気Ａが流れる環状の主流路４を画成している。また、ロータケーシング３は、内周側の面に軸方向Ｄａに間隔をあけて設けられた複数の静翼段９を有している。

各々の静翼段９は、複数の静翼１０を有している。これら複数の静翼１０は、回転軸線Ａｒを中心として環状をなすように、周方向Ｄｃに互いに間隔をあけて並んで一つの静翼段９を構成している。各々の静翼１０はロータケーシング３の内周側の面から径方向Ｄｒの内側に向かって延びている。

ロータ２は、軸方向Ｄａに延びるロータ本体５と、このロータ本体５の外周に固定されて、軸方向Ｄａに間隔をあけて設けられた複数の動翼段７とを有している。

ロータ本体５は、軸方向Ｄａに延びる回転軸線Ａｒを中心とした軸状をなしている。

各々の動翼段７は、複数の動翼８を有している。これら複数の動翼８は、回転軸線Ａｒを中心として環状をなすように、周方向Ｄｃに互いに間隔をあけて並んで一つの動翼段７を構成している。各々の動翼８はロータ本体５の外周から径方向Ｄｒの外側に向かって延びている。一の動翼段７は、一の静翼段９の下流側に配されていることで、これら動翼段７と静翼段９とが交互に並んで設けられている。

このように、本実施形態では、圧縮機１は、主流路４へ外気Ａ０を取り込んで、複数の静翼段９及び複数の動翼段７によって段階的に圧縮し、圧縮空気Ａを生成する多段式軸流圧縮機となっている。

ここで、圧縮機１は、さらに、ロータケーシング３の外周側に設けられた抽気室ケーシング６と、抽気室ケーシング６に接続された複数の抽気配管１５とを備えている。

抽気室ケーシング６は、ロータケーシング３から径方向Ｄｒの外側に突出するように回転軸線Ａｒを中心として環状に形成されており、ロータケーシング３との間に環状の空間となる抽気室１２を画成している。

また、軸方向Ｄａで隣接する一の静翼段９と一の動翼段７との間には、回転軸線Ａｒを中心として環状をなすように周方向Ｄｃに延びて抽気室１２と主流路４とを連通するスロット１３がロータケーシング３に形成されている。より詳しくは、このスロット１３は、抽気室１２の径方向Ｄｒの内側から主流路４に向かうに従って軸方向Ｄａに沿って下流から上流に向かって傾斜して形成されている。

抽気配管１５は、抽気室ケーシング６に外周側から接続されて径方向Ｄｒの外側に延びている。この抽気配管１５の内側には抽気室１２に連通する抽気流路１４が形成されている。

この抽気配管１５は、周方向Ｄｃに間隔をあけて抽気室ケーシング６に接続されている。抽気配管１５の数量は、圧縮機１の機種によって異なっている。
このように、スロット１３、抽気室１２、抽気配管１５を経由して主流路４から空気Ａが抽気され、抽気された空気Ａが圧縮機１の外部に導かれる。

次に、スロット１３についてさらに詳しく説明する。
図３に示すように、スロット１３は、主流路４への開口部１３ａの開口面積が周方向Ｄｃに一様でない。
即ち、抽気配管１５に対応する周方向Ｄｃの位置に、開口面積が他の周方向位置に比べて部分的に大きくなる大開口部２０が形成されている。
本実施形態では、抽気配管１５におけるロータ２の回転方向Ｒの前方側となる周方向Ｄｃの位置で、大開口部２０が形成されている。よって、この大開口部２０は、抽気配管１５の数量と同じ数量が形成されている。

大開口部２０は、開口部１３ａから軸方向Ｄａの上流側に向かって開口部１３ａを拡大するようにして形成されている。
この大開口部２０は、開口部１３ａから滑らかに上流側に膨らむように、開口部１３ａに連続して形成されていることが好ましい。また、大開口部２０は、開口部１３ａから上流側に向かってだけでなく下流側に向かって拡大するように形成されていてもよいし、下流側に向かってのみ拡大するように形成されていてもよい。

このような圧縮機１によると、スロット１３の開口部１３ａに大開口部２０が形成されていることで、スロット１３の開口面積、即ち、開口部１３ａにおける空気Ａの流路面積が、抽気配管１５におけるロータ２の回転方向Ｒの前方側となる周方向Ｄｃの位置で大きくなっている。

ここで、図４には、スロット１３の開口部１３ａの開口面積が周方向に一定である場合、即ち、開口面積が周方向に変化しない場合のスロット１３の開口部１３ａでの空気Ａの流量分布の解析結果が示されている。このような場合には、ロータ２の回転によって空気Ａが旋回成分を有することに起因して、スロット１３の開口部１３ａの近傍で、空気Ａの流量に周方向Ｄｃの分布が生じてしまう。

具体的には、図４に示す色の薄い部分が流量の小さい部分であり、色の濃い部分が流量の大きい部分となっており、空気Ａの流量が大きくなる現象は、抽気配管１５が設けられた周方向Ｄｃの位置近傍に確認されている。さらに、抽気配管１５の設けられた周方向位置におけるロータ２の回転方向Ｒの前方側で、空気Ａの流量が大きくなる現象が顕著にみられる。

本実施形態では、上述した大開口部２０を形成したことで、この位置でスロット１３から抽気流路１４へ向かって流通しようとする空気Ａの流量を小さく抑えることができ、抽気配管１５が設けられた周方向Ｄｃの位置でのスロット１３の開口部１３ａ近傍の主流路４内で、ロータ２の回転に起因して生じる空気Ａの流量増大を抑制できる。

また、大開口部２０はスロット１３における主流路４への開口部１３ａに形成されている。よって、ロータケーシング３の内周側からアクセスし易い位置に大開口部２０を形成できることで、製造が容易である。

本実施形態の圧縮機１によると、スロット１３の開口部１３ａに大開口部２０を形成することで、製造の容易化でコストを抑えつつ、主流路４からの空気Ａの抽気を行うスロット１３近傍の主流路４内で、空気Ａの流量の均一化を図り、サージマージンを増大させて運転効率の低下を抑制することが可能となる。

〔第二実施形態〕
次に、図５を参照して、本発明の第二実施形態に係る圧縮機１Ａについて説明する。
本実施形態の圧縮機１Ａは、スロット１３Ａの開口部１３Ａａの形状が第一実施形態とは異なっている。

スロット１３Ａは、開口部１３Ａａは、大開口部２０から前記回転方向Ｒの前方側に向かって、開口面積が徐々に減少するように形成されている。
即ち、一の大開口部２０（２０Ａ）から、この大開口部２０（２０Ａ）よりもロータ２の回転方向Ｒの前方側に隣接する大開口部２０（２０Ｂ）に向かって、開口部１３Ａａにおける軸方向Ｄａの幅寸法が徐々に狭くなっていく。本実施形態では、スロット１３Ａにおける上流側の内面が、回転方向Ｒの前方側に向かうに従って下流側に傾斜することで、スロット１３Ａにおける下流側の内面に近接していき、開口部１３Ａａの軸方向Ｄａの幅寸法が狭くなっていく。

ここで、図４に示すように、抽気配管１５が設けられた周方向Ｄｃの位置で、スロット１３Ａ（１３）から抽気室１２を介して抽気配管１５に向かって流通しようとする空気Ａの流量が最も大きくなり、また、この周方向位置から回転方向Ｒの前方側に向かって周方向に離間するに従って、スロット１３Ａ（１３）に流入しようとする空気Ａの流量が小さくなっていく。

本実施形態の圧縮機１Ａによれば、このような空気Ａの流量分布にあわせるように、スロット１３Ａの開口部１３Ａａの開口面積を、大開口部２０から回転方向Ｒの前方側に向かって減少させることで、さらに効果的にスロット１３Ａの開口部１３Ａａ近傍での空気Ａの流量の周方向分布の均一化を図ることが可能となる。

ここで、本実施形態では、スロット１３Ａにおける下流側の内面が、回転方向Ｒの前方側に向かうに従って上流側に傾斜することで、スロット１３Ａにおける上流側の内面に近接していき、開口部１３Ａａの軸方向Ｄａの幅寸法が狭くなっていってもよい。また、スロット１３Ａにおける上流側、下流側の両方の面が互いに傾斜して近接して、開口部１３Ａａの軸方向Ｄａの幅寸法が狭くなっていってもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、上述の実施形態では、スロット１３（１３Ａ）の大開口部２０は開口部１３ａ（１３Ａａ）に形成されているが、大開口部２０に連続するように、大開口部２０が形成された周方向Ｄｃの位置で、スロット１３（１３Ａ）の軸方向Ｄａの幅寸法が径方向Ｄｒの全域にわたって大きくなっていてもよい。

また、上述の実施形態では、圧縮機の一例として軸流の圧縮機１について説明を行ったが、遠心式の圧縮機等、他の形式の圧縮機にも、上述した実施形態の構成を適用可能である。

上記の圧縮機、及びガスタービンによれば、スロットの開口部に大開口部を形成することで、コストを抑えつつ、主流路からの流体の抽気を行うスロット近傍の主流路内で流体の流量の均一化を図り、サージマージンを増大させて運転効率の低下を抑制することが可能となる。

１、１Ａ 圧縮機
２ ロータ
３ ロータケーシング
４ 主流路
５ ロータ本体
６ 抽気室ケーシング
７ 動翼段
８ 動翼
９ 静翼段
１０ 静翼
１２ 抽気室
１３、１３Ａ スロット
１３ａ、１３Ａａ 開口部
１４ 抽気流路
１５ 抽気配管
２０ 大開口部
Ｒ 回転方向
Ａｒ 回転軸線
Ｄａ 軸方向
Ｄｒ 径方向
Ｄｃ 周方向
Ａ 空気（流体）
Ａ０ 外気
２００ ガスタービン
２０２ 燃焼器
２０３ タービン
２０４ タービンロータ
２０５ タービンケーシング
２０６主流路
Ｆ 燃料
Ｇ 燃焼ガス

Claims (4)

1. 軸線回りに回転するロータと、
   前記ロータを外周側から囲んで、該ロータとの間に流体の主流路を画成するロータケーシングと、
   前記ロータケーシングの外周側に設けられて、周方向に延びて形成されたスロットを介して、前記主流路と連通する抽気室を画成する抽気室ケーシングと、
   前記抽気室ケーシングに外周側から接続されて、内側に前記抽気室内の前記流体を外部に導く抽気流路が形成された配管と、
   を備え、
   前記スロットの前記主流路への開口部における前記配管に対応する周方向位置に、開口面積が他の周方向位置に比べて部分的に大きくなる大開口部が形成されていることを特徴とする圧縮機。
2. 前記スロットでは、前記配管に対応する周方向位置で、かつ、該周方向位置における前記ロータの回転方向前方側で前記大開口部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記スロットは、前記大開口部から前記ロータの回転方向前方側に向かって前記開口面積が徐々に減少するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記ロータが回転することで前記流体としての空気を圧縮する請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器からの前記燃焼ガスで駆動するタービンと、
   を備えることを特徴とするガスタービン。