JP6313718B2 - ガスタービンの設計及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの設計及び製造方法に関する。

近年、例えば、圧縮機の吸気に湿分を注入する高湿分空気利用タービンや低カロリーな高炉ガスを燃料とする高炉ガス焚ガスタービンがガスタービンの派生機として登場している。灯油や軽油、天然ガス等を燃料とし、吸気の加湿もしない標準的なガスタービン（基準機）から派生機を低コストで設計、製造する場合、基準機の構成要素を可能な限り流用し、新規に開発する構成要素を減らすことが好ましい。

ところで、高湿分空気利用タービンや高炉ガス焚ガスタービンにおいて、圧縮機流量を基準機と同じにした場合、タービン流量が基準機に比べて増加する。つまり、高湿分空気利用ガスタービンでは圧縮機の下流側で湿分を供給するため、その分タービン流量が基準機に比べて増加する。また、高炉ガス焚ガスタービンにおいても、低カロリー燃料である高炉ガスを利用するため、天然ガスや石油等の一般的なガスタービン燃料を利用する場合に比べて多くの燃料を必要とし、その分タービン流量が基準機に比べて増加する。したがって、高湿分空気利用タービンや高炉ガス焚ガスタービンにおいては、タービンを新たに設計する必要があり、基準機の構成要素を単純に流用することができない。

これに対し、圧縮機流路の外径を小さくして環帯面積を減少させ、圧縮機流量を削減することにより、タービン流量を基準機と同等とする方法が提唱されている（特許文献１等を参照）。

米国特許第７９３７９４７号公報

特許文献１では、圧縮機流路の外径を小さくする分、動翼の翼長方向の長さが短くなる。そのため、動翼の周速が低下し、圧縮比が基準機に比べて低下する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、基準機と同等の圧縮比を維持しつつ、基準機に比べて圧縮機流量を削減することができるガスタービンの設計及び製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、基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの製造方法において、前記基準圧縮機の環状の圧縮機流路の内径及び外径をそれぞれ基準内径及び基準外径、前記基準内径に対する前記派生ガスタービンの圧縮機流路の内径の増加量を内径増加量、前記基準外径に対する前記派生ガスタービンの圧縮機流路の外径の減少量を外径減少量としたとき、前記派生ガスタービンの圧縮機に要求される圧縮機流量及び圧縮比を決定し、前記決定した圧縮機流量及び圧縮比に基づき、前記派生ガスタービンの圧縮機に要求される環帯面積を決定し、前記派生ガスタービンの圧縮機の各段の環帯面積が前記決定した環帯面積となることを条件として、初段における内径増加量と外径減少量を決定し、前記初段の下流側の中間段の各段における内径増加量及び外径減少量を、内径増加量が前段の内径増加量以下になり、外径減少量が前段の外径減少量以上になるように決定し、前記中間段の下流側の最終段における内径増加量及び外径減少量を、外径減少量が内径増加量以上になるように決定し、前記初段、前記中間段の各段及び前記最終段において、前記基準圧縮機の構成要素のうち前記内径増加量及び外径減少量の決定に伴って仕様を外れたものの設計データを当該仕様に合うように更新して前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、前記設計に基づいて前記派生ガスタービンの圧縮機を製造し、前記派生ガスタービンを製造することを特徴とする。

本発明によれば、基準機と同等の圧縮比を維持しつつ、基準機に比べて圧縮機流量を削減することができるガスタービンの設計及び製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る基準機の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る高湿分空気利用ガスタービンの模式図である。 本発明の第１実施形態に係る基準圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図である。 図３の矢印ＩＶ−ＩＶ線による矢視断面図である。 圧縮機流路を流下する空気の流れを例示する図である。 本発明の第１実施形態に係る圧縮機の設計・製造手順を示すフローチャートである。 チップカットを説明する図である。 ハブアップを説明する図である。 段負荷係数と翼段落の関係を例示した図である。 翼高さ減少率と翼段落との関係を例示した図である。 圧縮機効率の圧縮比依存性を例示する図である。 本発明の第２実施形態に係る基準圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る基準圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図である。 本発明の第４実施形態に係る入口案内翼の一構成例を表す概略図である。

＜第１実施形態＞
（構成）
１．基準機
基準機（基準ガスタービン）について説明する。なお、本実施形態の基準機は、設計又は製造の実績のあるものであって、後述のように選択された機種である。

図１は、基準機の模式図である。図１に示すように、基準機１００は、圧縮機（基準圧縮機）１５、燃焼器１６及びタービン１７を備えている。

基準圧縮機１５は、吸気部（不図示）を介して吸い込まれた空気１９を圧縮して高圧の圧縮空気２０を生成し、燃焼器１６に供給する。燃焼器１６は、基準圧縮機１５より得た圧縮空気２０と燃料を混合して燃焼し、高温の燃焼ガス２１を発生させてタービン１７に供給する。タービン１７は、燃焼器１６より得た燃焼ガス２１が膨張することにより駆動される。タービン１７で得られる動力により基準圧縮機１５が駆動されるとともに、残った動力で発電機１８が駆動され、電力が得られる。タービン１７を駆動した燃焼ガス２１は、排ガス２２としてタービン１７から排出される。本実施形態では、基準圧縮機１５、タービン１７及び発電機１８は軸３５により相互に連結されている。

２．派生機
派生機（派生ガスタービン）について、高湿分空気利用ガスタービンを例に挙げて説明する。

図２は、高湿分空気利用ガスタービンの模式図である。図２において、図１の基準機１００と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。図２に示すように、高湿分空気利用ガスタービン２００は、基準機１００の構成要素に加え、水噴霧器２３、増湿塔２４、熱交換器２５及び水回収機２６を備えている。

水噴霧器２３は、吸気部を介して吸い込まれた空気１９に水を噴霧して湿分空気２７を生成し、圧縮機３８に供給する。圧縮機３８は、水噴霧器２３で水を噴霧された湿分空気２７を圧縮して圧縮空気２８を生成する。圧縮機３８により生成された圧縮空気２８は、圧縮機３８のガスパス出口から全流量抽気されて増湿塔２４に供給される。

増湿塔２４は、圧縮機３８より得た圧縮空気２８を加湿して湿分空気２９を生成し、熱交換器２５に供給する。

熱交換器２５は、増湿塔２４で増湿された湿分空気２９をタービン１７から供給された排ガス３２と熱交換して加熱し、燃焼器１６に供給する。

燃焼器１６は、熱交換器２５で加熱された湿分空気３０と燃料を混合して燃焼し、高温の燃焼ガス３１を発生させてタービン１７に供給する。タービン１７は、燃焼器１６より得た燃焼ガス３１が膨張することにより駆動される。タービン１７を駆動した燃焼ガス３１は、排ガス３２として熱交換器２５に供給される。熱交換器２５に供給された排ガス３２は、湿分空気２９との熱交換により熱回収され、排ガス３３として水回収機２６に供給される。

水回収機２６は、熱交換器２２を経た排ガス３３を冷却し、湿分を凝縮させて水分を回収する。水回収機２６で回収された水分は増湿塔２４に供給される。水回収機２６で水分を回収された排ガス３３は、排ガス３４として水回収機２６から排出される。

高湿分空気利用ガスタービン２００は、熱交換器２５で排ガス３２の熱エネルギーを湿分空気２９の加熱用に回収できるため、圧縮機３８に供給される湿分空気２７の流量（圧縮機流量）を基準機１００と同等とした場合、基準機１００に比べて燃焼器１６に供給する燃料流量を減らすことができ、ガスタービンサイクルの効率を向上させることができる。また、高湿分空気利用ガスタービン２００は、増湿塔２４で圧縮空気２８に湿分を添加することにより、タービン流量を増加させ、タービン出力を増加させることができる。さらに、高湿分空気利用ガスタービン２００は、増湿塔２４で圧縮空気２８に湿分を添加することにより、湿分空気２９の温度を下げつつ流量を増加させ、熱交換器２５における熱エネルギーの回収量を増加させることができるため、ガスタービンサイクルの効率を向上させることができる。

３．派生機の製造
高湿分空気利用ガスタービン２００では、タービン流量が基準機１００に比べて増加するため、タービンを新たに設計する必要があり、基準機１００のタービン１７を単純に流用することができない。本実施形態では、圧縮機３８の圧縮機流量が基準圧縮機１５に対してタービン流量の増加分だけ減少するように、基準圧縮機１５より圧縮機３８を設計・製造し、他の構成要素は基準機１００の構成要素を流用して、高湿分空気利用ガスタービン２００を設計・製造する。

３−１．基準圧縮機
図３は基準圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図、図４は図３の矢印ＩＶ−ＩＶ線による矢視断面図である。

図３に示すように、基準圧縮機１５は、ケーシング１、ディスク２ａ〜２ｆ、動翼３ａ〜３ｆ及び静翼４ａ〜４ｆを備えている。

ケーシング１は、基準圧縮機１５の外周壁を形成する円筒状の部材である。ケーシング１内に、ディスク２ａ〜２ｆ、動翼３ａ〜３ｆ及び静翼４ａ〜４ｆが収容されている。

ディスク２ａ〜２ｆは、空気１９の流れ方向に重ねて配置され、タイボルト１３により一体的に締結されている。ディスク２ａ〜２ｆは、動翼３ａ〜３ｆとともにロータを構成している。図４に示すように、タイボルト１３は、基準圧縮機１５の中心軸１１を中心として同一円周上に等間隔に８つ設けられている。なお、図３は、６つのディスク２ａ〜２ｆを備えた基準圧縮機を例示しているが、ディスクの個数が７つ以上又は５つ以下の圧縮機が基準圧縮機となることもある。また、タイボルトの本数は８つ以上又は８つ以下でもよい。

ケーシング１とディスク２ａ〜２ｆの間には環状の圧縮機流路３２が形成されている。圧縮機流路３２は、ケーシング１の内周面７を外周壁とする。圧縮機流路３２の内周壁は、内周部材８（後述する）の外周面８ａ及びディスク２ａ〜２ｆの外周面６ａ〜６ｆで形成されている。基準圧縮機１５に吸い込まれた空気１９は、圧縮機流路３２を通過する過程で圧縮される。空気１９の圧縮工程については後述する。

図３，４に示すように、動翼３ａ〜３ｆは、ディスク２ａ〜２ｆの外周面６ａ〜６ｆにロータの周方向に沿って等間隔に複数設けられている。動翼３ａ〜３ｆは、ディスク２ａ〜２ｆの外周面６ａ〜６ｆから基準圧縮機１５の外周側（ケーシング１の内周面７）に向かって延伸している。動翼３ａ〜３ｆは、圧縮機流路３２を流下する空気１９により、ディスク２ａ〜２ｆとともに中心軸１１を中心に下流側から見て時計回り（図４の矢印１４の方向）に回転する。

静翼４ａ〜４ｆは、ケーシング１の内周面７にロータの周方向に沿って等間隔に複数設けられている。静翼４ａ〜４ｆは、ケーシング１の内周面７から基準圧縮機１５の内周側（ディスク２ａ〜２ｆの外周面６ａ〜６ｆ）に向かって延伸している。

図３に示すように、動翼３ａ〜３ｆと静翼４ａ〜４ｆは、空気１９の流れ方向に交互に設けられている。つまり、圧縮機流路３２の入口から下流側に向かって、動翼３ａ、静翼４ａ、動翼３ｂ、静翼４ｂ・・・となるように、動翼と静翼が交互に設けられている。圧縮機流路３２の入口から、空気１９の流れ方向に隣接する１組の動翼と静翼は翼段落を構成している。図３に例示する構成では、動翼３ａと静翼４ａは第１翼段落３６ａを、動翼３ｂと静翼４ｂ、動翼３ｃと静翼４ｃ、動翼３ｄと静翼４ｄ、動翼３ｅと静翼４ｅは第２翼段落３６ｂ〜第５翼段落３６ｅを、動翼３ｆと静翼４ｆは第６翼段落３６ｆを構成している。以下、第１翼段落３６ａを初段、初段の下流側の第２翼段落３６ｂ〜第５翼段落３６ｅを中間段、中間段の下流側の第６翼段落３６ｆを最終段と言う場合がある。

動翼３ａの上流側の位置で、ディスク２ａは軸受９を介して内周部材８に支持されている。

初段３６ａの動翼３ａの上流側には、入口案内翼５がロータの周方向に等間隔に複数設けられている。入口案内翼５は、内周部材８の外周面８ａからケーシング１の内周面７に向かって延伸している。

圧縮機流路３２を流下する空気１９の圧縮工程について説明する。

図５は、圧縮機流路３２を流下する空気１９の流れを例示する図である。図５は、入口案内翼５から動翼３ａと静翼４ａで構成される第１翼段落３６ａまでを示している。図５では、入口案内翼５及び静翼４ａは圧縮機流路３２に対して静止し、動翼３ａは圧縮機流路３２に対して中心軸１１（図３，４を参照）を中心にベクトルＵで示す方向に回転している。

ベクトルＣ０で示す方向で入口案内翼５に流入した空気１９は、入口案内翼５の形状に沿ってベクトルＣ１で示す方向に転向し、入口案内翼５から流出する。

ベクトルＣ１で示す方向に入口案内翼５から流出した空気１９は、下流側の動翼３ａに流入する。動翼３ａはベクトルＵで示す方向に回転しているので、ベクトルＣ１で示す方向に進行する空気１９は、動翼３ａから見ると、ベクトルＷ１で示す方向に進行する。見かけ上ベクトルＷ１で示す方向に沿って動翼３ａに流入した空気１９は、ベクトルＷ２で示す方向に転向して動翼３ａから流出する。このとき、空気１９は、動翼３ａに流入したときより減速され、圧縮された状態で動翼３ａから流出する。動翼３ａの上流側から下流側までの空気１９の流れを静止系で見ると、ベクトルＣ１で示す方向に沿って動翼３ａに流入した空気１９は、旋回成分を付与され、ベクトルＣ２で示す方向に転向して動翼３ａから流出する。

ベクトルＣ２で示す方向に沿って動翼３ａから流出した空気１９は、下流側の静翼４ａにより動翼３ａで付与された旋回成分が抑えられ、静翼４ａの形状に沿ってベクトルＣ３で示す方向に転向して静翼４ａから流出する。このとき、空気１９は、静翼４ａに流入したときより減速され、更に圧縮された状態で静翼４ａから流出する。以降、動翼による旋回成分の付与と静翼による旋回成分の奪取を繰り返すことにより、空気１９が圧縮されていく。

３−２．圧縮機の設計・製造
図６は、圧縮機３８の設計・製造手順を示すフローチャートである。圧縮機３８の設計・製造手順について説明する。

・ステップＳ１
高湿分空気利用ガスタービン２００の仕様から、圧縮機３８に要求される圧縮機流量及び圧縮比を決定する。

・ステップＳ２
ステップＳ１で決定した圧縮機流量及び圧縮比に基づき、圧縮機３８に要求される初段から最終段までの各段落の環帯面積及び段数を決定する。以下、圧縮機３８の各段落の環帯面積の決定方法について説明する。

一般的に、圧縮機では、環帯面積Ａと圧縮機流量ｍ、流体の密度ρ及び流体の軸方向速度Ｃとの間に以下の式（１）の関係が成立する。
ｍ＝ρＣＡ ・・・式（１）

圧縮機に対して抽気等を行わない場合、圧縮機流量ｍは全ての翼段落で同じになる。また、軸方向速度Ｃも全ての翼段落で一定とされる場合が多い。そのため、各段落の環帯面積Ａは、流体の密度ρに応じて、式（１）を満たすように決定される。上述のように、流体は圧縮機流路を流下する過程で圧縮されるため、密度ρは下流側ほど大きくなり、環帯面積Ａは下流側ほど狭くなる。

圧縮機３８の内部流れ条件（図５における空気１９の流入方向、動翼３ａの回転速度等の条件を言う）を基準圧縮機１５と同様とすると、基準圧縮機１５と圧縮機３８で式（１）の密度ρ及び軸方向速度Ｃが同じになるため、基準圧縮機１５の圧縮機流量ｍ及び環帯面積Ａと圧縮機３８の圧縮機流量ｍ及び環帯面積Ａとが比例関係となる。したがって、基準圧縮機１５に対する圧縮機３８の環帯面積の減少率が、基準圧縮機に対する圧縮機３８の圧縮機流量の減少率と同等となるように、圧縮機３８の環帯面積を決定すれば良い。

・ステップＳ３
次に、ステップＳ２で決定した環帯面積及び段数に基づき、基準機１００を選択する。例えば、ステップＳ２で決定した環帯面積以上の環帯面積を有し、ステップＳ２で決定した段数に近い段数を有する基準圧縮機を備えた機種を基準機１００として選択すれば良い。基準機１００の環帯面積については、例えば、各段落でステップＳ２で決定した値以上でかつステップＳ２で決定した環帯面積との差分ができるだけ小さいことが好ましい。環帯面積の縮小代があり、かつ圧縮機３８との高い共通性が望めるからである。

・ステップＳ４
次に、圧縮機３８の環帯面積がステップＳ２で決定された環帯面積となるように、ステップＳ３で選択した基準機１００の基準圧縮機１５に対する圧縮機３８の圧縮機流路３２の内径の増加量及び外径の減少量を決定する。

基準圧縮機１５の環帯面積を減少させる方法について説明する。

図３に示すように、本実施形態では、圧縮機流路３２の内径を増加させつつ外径を減少させる。なお、以下の説明では、基準圧縮機１５の圧縮機流路３２の内径ｄ１〜ｄ６及び外径Ｄ１〜Ｄ６をそれぞれ基準内径及び基準外径、基準内径ｄ１〜ｄ６に対する圧縮機３８の圧縮機流路の内径の増加量を内径増加量、基準外径Ｄ１〜Ｄ６に対する圧縮機３８の圧縮機流路の外径の減少量を内径減少量とする。

本実施形態では、圧縮機３８の各段の環帯面積がステップＳ２で決定した環帯面積となることを条件として、初段３６ａ、中間段３６ｂ〜３６ｅの各段及び最終段３６ｆの内径増加量及び外径減少量を以下の関係を満たすように決定する。

初段
初段３６ａでは、内径増加量が外径減少量より大きくなるようにする。

中間段
中間段３６ｂ〜３６ｅの各段では、内径増加量が前段の内径増加量以下になり、外径減少量が前段の外径減少量以上になるようにする。例えば、第３翼段落３６ｃでは、内径増加量が前段である第２翼段落３６ｂにおける内径増加量以下になり、外径減少量が前段である第２翼段落３６ｂにおける外径減少量以上になるようにする。

最終段
最終段３６ｆでは、外径減少量が内径増加量以上になるようにする。

・ステップＳ５
基準圧縮機１５の初段３６ａ、中間段３６ｂ〜３６ｅの各段及び最終段３６ｆにおける構成要素（例えば、ケーシング１、ディスク６ａ〜６ｆ、動翼３ａ〜３ｆ、静翼４ａ〜４ｆ等）のうち、ステップＳ４で決定した内径増加量及び外径減少量に伴って仕様を外れた構成要素を仕様に合うように更新し、仕様が共通する構成要素は流用して、圧縮機３８を設計する。なお、本実施形態において、仕様は構成要素が満たすべき要求事項である。

・ステップＳ６
ステップＳ５の設計に基づいて圧縮機３８を製造する。

なお、高湿分空気利用ガスタービン２００は、ステップＳ６で製造した圧縮機３８を用いて製造する。

（効果）
（１）圧縮機流量の削減
本実施形態では、高湿分空気利用ガスタービン２００の仕様から圧縮機３８に要求される環帯面積を決定し、圧縮機３８の環帯面積が決定された環帯面積となるように基準圧縮機１５に対する圧縮機３８の圧縮機流路３２の内径増加量及び外径減少量を決定する。そのため、圧縮機３８の圧縮機流量をタービン流量の増加分だけ基準圧縮機１５に対して削減することができる。

（２）圧縮機効率の維持
基準圧縮機１５の環帯面積を減少させる方法として、上述の方法以外にチップカット及びハブアップがある。

図７は、チップカットを説明する図である。図７において、上記第１実施形態の基準圧縮機１５と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図７に示すように、チップカットは、基準圧縮機１５の圧縮機流路３２の外径のみ減少させ（すなわち、内周面７を内周面７’にする）、内径を増加させない方法である。

図８は、ハブアップを説明する図である。図８において、上記第１実施形態の基準圧縮機１５と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図８に示すように、ハブアップは、基準圧縮機１５の圧縮機流路３２の内径のみ増加させ（すなわち、外周面６ａ〜６ｆ，８を外周面６ａ’〜６ｆ’，８’にする）、外径を減少させない方法である。

圧縮機効率は、主に翼段落の段負荷と翼高さ（翼長）によって決まり、段負荷が低く、翼高さが大きいほど高くなる。

・圧縮機効率と段負荷
圧縮機の任意の翼段落における負荷の指標として段負荷係数Ψを定義する。段負荷係数Ψが小さくなると圧縮機効率は高くなり、段負荷係数Ψが大きくなると圧縮機効率は低くなる。段負荷係数Ψは、任意の翼段落のエンタルピー上昇量Δｈと動翼の平均径における周速ｕを用いて以下の式（２）のように表される。
Ψ＝ｈ／ｕ^２ ・・・式（２）

図９は、段負荷係数と翼段落の関係を例示した図である。縦軸は段負荷係数Ψ、横軸は翼段落を示している。横軸の番号は、初段を基準とした翼段落の段落番号に相当する。つまり、番号１は初段、番号２〜５は中間段、番号６は最終段にあたる（図３を参照）。図９において、一点鎖線は基準圧縮機１５の段負荷係数Ψ３１、点線はチップカット後の圧縮機の段負荷係数Ψ３２、破線はハブアップ後の圧縮機の段負荷係数Ψ３３、実線は圧縮機３８の段負荷係数Ψ３４を示している。

図９に示すように、ハブアップ後の圧縮機の段負荷係数Ψ３３は、初段から最終段までの全段に渡って、基準圧縮機１５の段負荷係数Ψ３１より小さくなる。そのため、ハブアップ後の圧縮機の圧縮機効率は、基準圧縮機１５より高くなる。ハブアップ後の圧縮機の段負荷係数Ψ３３が基準圧縮機１５の段負荷係数Ψ３１より小さくなるのは、ハブアップにより動翼の平均径が大きくなり、周速ｕが増加するためである。なお、本実施形態において、翼の平均径は翼の中央部の中心軸１１からの距離である。一方、チップカット後の段負荷係数Ψ３２は、初段から最終段までの全段に渡って、基準圧縮機１５の段負荷係数Ψ３１より大きくなる。そのため、チップカット後の圧縮機の圧縮機効率は、基準圧縮機１５より低くなる。チップカット後の段負荷係数Ψ３２が基準圧縮機１５の段負荷係数Ψ３１より大きくなるのは、チップカットにより動翼の平均径が小さくなり、周速ｕが減少するためである。段負荷係数Ψの変化についてのチップカットに対するハブアップの優位性は、初段側ほど顕著になる。これは、初段側ほど翼高さが大きく、平均径の変化量が大きいため、段負荷係数Ψが大きく変化するからである。

・圧縮機効率と翼高さ
一般的に、翼高さが大きいほど圧縮機流路３２の空気１９のうち外周面６ａ〜６ｆ及び内周面７との間に摩擦を生じる流量が減少するため流体損失が小さくなる。一方、環帯面積を減少させると翼高さが小さくなるため、圧縮機流路３２の空気１９のうち外周面６ａ〜６ｆ及び内周面７との間に摩擦を生じる流量が増加し、外周面６ａ〜６ｆ及び内周面７による流体損失が大きくなる。更に、空気１９と外周面６ａ〜６ｆ及び内周面７との間に生じる摩擦により圧縮機流路３２中に渦が発生し、空気１９と渦が干渉する。その結果、圧縮機効率が低くなる。

図１０は、翼高さ減少率と翼段落との関係を例示した図である。縦軸は翼高さ減少率、横軸は翼段落を示している。横軸の番号は、図９と同様である。図１０において、点線はチップカット後の圧縮機の翼高さ減少率３５、破線はハブアップ後の圧縮機の翼高さ減少率３６、実線は圧縮機３８の翼高さ減少率３７を示している。なお、本実施形態において、翼高さ減少率は、例えば圧縮機３８の場合、基準圧縮機１５及び圧縮機３８の任意の段における翼高さの差を基準圧縮機１５の翼高さで除した値で表される。翼高さ減少率が大きいほど、圧縮機効率は低くなる。

図１０に示すように、チップカット後の圧縮機の翼高さ減少率３５は、初段から最終段までの全段に渡って、ハブアップ後の翼高さ減少率３６より小さくなる。そのため、ハブアップの方がチップカットよりも基準圧縮機１５に対する圧縮機効率の低下を抑制できる。更に、ハブアップ後の翼高さ減少率３６とチップカット後の翼高さ減少率３５との差は、もともと翼高さが小さい後段側ほど大きくなる。そのため、後段側では、ハブアップの方がチップカットよりも圧縮機効率の低下をより抑制できる。

本実施形態では、初段において、内径増加量を外径減少量より大きくし、中間段の各段において、内径増加量を前段の内径増加量以下、外径減少量を前段の外径減少量以上とし、最終段において、外径減少量を内径増加量以上とすることにより、前方段では内径を増加させつつ、後方段では外径を減少させている。そのため、図９，１０に示すように、前方段では、ハブアップの場合と同様、段負荷係数Ψ３４を小さくでき、翼高さ減少量３７を後方段より小さくできる。したがって、段負荷係数Ψ３４を小さくすることで得られる圧縮機効率の向上効果が支配的となる。また、後方段では、チップカットの場合と同様、翼高さ減少率３７を小さくでき、段負荷係数Ψ３４を前方段に比べて小さくできる。したがって、翼高さ減少率を小さくすることで得られる圧縮機効率の向上効果が支配的となる。

図１１は圧縮機効率の圧縮比依存性を例示する図である。縦軸は圧縮機効率、横軸は圧縮比を示している。図１１において、点線はチップカット、破線はハブアップ、実線は本実施形態の場合を示している。

圧縮機効率は、一般的に、設計点における圧縮比において最も高くなるように設計される。上述のように、本実施形態では、前方段及び後方段のそれぞれで圧縮機効率の面で有利な構成を採用しているので、図１１に示すように、本実施形態は、単純にチップカット又はハブアップした構成より圧縮機全体で高い圧縮機効率を維持することができる。

（３）信頼性の確保
本実施形態では、設計又は製造の実績のある基準圧縮機１５の構成要素のうち圧縮機３８に要求される仕様を満足する構成要素を流用することができる。そのため、基準圧縮機１５から流用した構成要素については、改めて検証等することなく信頼性を確保できる。

（４）固有振動数の上昇
一般的に、ロータの固有振動数を上昇させるためにはロータの軸径を拡大させれば良いが、図３に例示した構成の場合、ロータの軸径を拡大させると内周部材８と干渉する可能性がある。

これに対し、本実施形態では、前方段における内径の増加に伴い内周部材８の外周面８ａを径方向に上げるため、内周部材８の厚み（径方向の幅）が増加する。したがって、増加した厚みの分だけ内周部材８の底面（ディスク２aに対向する面）を径方向に上げることができる。そうすると、内周部材８と干渉することなくロータの軸径ｄ７をｄ７’に拡大させてロータの固有振動数を上昇させることができ、ロータの振動問題が発生しにくくなり、圧縮機の信頼性を上げることができる。

＜第２実施形態＞
（構成）
図１２は、本実施形態に係る基準圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図である。図１２において、上記第１実施形態の基準圧縮機１５と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１２に示すように、本実施形態に係る基準圧縮機１１５は、基準外径が初段１３６ａから下流側に向かって一定の外径一定段（図１２では、初段１３６ａ及び中間段１３６ｂ）と、外径一定段１３６ａ，１３６ｂの下流側に連続し、基準外径が下流側に向かって減少する外径縮小段（図１２では、中間段１３６ｃ）とを備えている点で基準圧縮機１５と異なる。その他の構成は、基準圧縮機１５と同様である。

本実施形態では、第１実施形態のステップＳ４において更に条件を追加し、基準圧縮機１１５の外径一定段１３６ａ，１３６ｂ及び外径縮小段１３６ｃにおける内径の増加量及び外径の減少量を決定している。その他のステップは、第１実施形態と同様である。

本実施形態では、外径一定段１３６ａ，１３６ｂ及び外径縮小段１３６ｃの内径増加量及び外径減少量を以下の関係を満たすように決定する。

外径一定段
外径一定段１３６ａ，１３６ｂでは、基準外径Ｄ１，Ｄ２のみを減少させたときの外径一定段１３６ａ，１３６ｂの最下流段における外径と同じになるように、基準外径Ｄ１，Ｄ２を一様に減少させて内周面７を内周面７’’としつつ、基準外径Ｄ１，Ｄ２の減少量に応じて（すなわち、基準外径Ｄ１，Ｄ２を一様に減少させることによる外径一定段１３６ａ，１３６ｂにおける環帯面積の減少量の減少分を補うように）基準内径ｄ１，ｄ２を増加させる。

外径縮小段
外径縮小段１３６ｃでは、決定した環帯面積に対する基準圧縮機１１５の環帯面積の減少量が一様となるように基準外径Ｄ３を減少させる。

なお、図１２は、外径縮小段１３６ｃにおいてチップカットのみ行う場合を例示しているが、必要であれば、チップカットに加えてハブアップを行っても良い。

（効果）
上記構成により、本実施形態では上述した第１実施形態で得られる各効果に加えて、次の効果が得られる。

チップカットにより基準圧縮機１１５の環帯面積を減少させた場合、外径一定段１３６ａ，１３６ｂでは外径が下流側に向かって拡大する場合がある（つまり、内周面７が内周面７’’’のようになる）。軸受９でスラスト荷重を受け持つ場合、ガスタービン運転による熱伸びに伴い、ディスク２ａ〜２ｆ及び動翼３ａ〜３ｆが軸受９を基点に下流側（図１２において右方向）に移動する。そうすると、動翼３ａ〜３ｂと内周面７’’’との間隙が拡大し、圧縮機効率が低くなる可能性がある。

これに対し、本実施形態では、外径一定段１３６ａ，１３６ｂにおいて、基準外径Ｄ１，Ｄ２を一様に減少させている。そのため、ディスク２ａ〜２ｆ及び動翼３ａ〜３ｆが下流側に移動した場合でも、動翼３ａ〜３ｂと内周面７’’との間隙が拡大することがなく、圧縮機効率が低下することを抑制できる。

＜第３実施形態＞
（構成）
図１３は、本実施形態に係る圧縮機の一構成例の全体構成を表す概略図である。図１３において、上記第１実施形態の基準圧縮機１５と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１３に示すように、本実施形態は、基準圧縮機１５より設計・製造した圧縮機の最終段３６ｆの下流側にディスク２ｇ、動翼４ｇ及び静翼３ｇを有する翼段落３６ｇを追加した点で第１実施形態と異なる。その他の構成は第１実施形態と同様である。

（効果）
上記構成により、本実施形態では上述した第１実施形態で得られる各効果に加えて、次の効果が得られる。

圧縮機流量の削減に加え、圧縮比も変更したい場合には、圧縮機流量を減少させた上で翼段落数を変更すれば良い。例えば、本実施形態のように、最終段３６ｆの下流側に翼段落３６ｇを追加することにより圧縮比を高めることができる。なお、追加する翼段落数を増やせば圧縮比をより高めることができる。一方、翼段落数を減らすことにより圧縮比を下げることもできる。

＜第４実施形態＞
（構成）
図１４は、本実施形態に係る入口案内翼の一構成例を表す概略図である。

本実施形態は、入口案内翼５に代えて、図１４に示す、翼長方向の軸４２を回転軸として回転可能な入口案内翼２０５（２０５Ａ，２０５Ｂ・・・）を有している点で基準圧縮機１５と異なる。その他の構成は基準圧縮機１５と同様である。

圧縮機流量は、スロート４０の大きさに比例して決まる。スロート４０は、入口案内翼２０５Ａの翼背面２０５ａと、入口案内翼２０５Ａとロータの周方向に隣接する入口案内翼２０５Ｂの翼腹面２０５ｂとの距離が最小となる位置を結んだときの長さである。図１４に示すように、入口案内翼２０５を回転軸４２を中心に時計回り（図１４の矢印４３方向）に回転させて入口案内翼２０５’（２０５Ａ’，２０５Ｂ’・・・）とすることにより、スロート４０がスロート４０’となる。スロート４０’はスロート４０より短いため、圧縮機流量が減少する。一方、入口案内翼２０５を反時計回りに回転させると、スロート４０が長くなるため、圧縮機流量が増加する。つまり、入口案内翼２０５は、圧縮機流量調整機能を有している。

（効果）
上記構成により、本実施形態では上述した第１実施形態で得られる各効果に加えて、次の効果が得られる。

上述した第１実施形態では、環帯面積を大幅に減少させると、下流側の翼段落における翼高さが小さくなり過ぎて圧縮機効率が著しく低下する可能性がある。

本実施形態では、環帯面積を減少させて圧縮機流量を削減する方法に加え、入口案内翼２０５を回転させて圧縮機流量を削減することができる。そのため、環帯面積を大幅に減少させる必要がある場合でも、入口案内翼２０５を回転させて圧縮機流量を減少させ、その分、環帯面積の減少量を軽減することができる。したがって、環帯面積の大幅な減少を抑制し、翼高さが小さくなり過ぎて圧縮機効率が著しく低下することを回避することができる。

なお、本実施形態は、入口案内翼５に代えて回転可能な入口案内翼２０５を設けた場合を例示しているが、入口案内翼５が回転可能な構造であれば、入口案内翼５を流用しても良い。その場合でも、上述の効果を得ることができる。

＜その他＞
本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えたり、各実施形態の構成の一部を削除することも可能である。

上述した各実施形態では、初段３６ａにおいて、内径増加量を外径減少量より大きくする場合を例示した。しかし、本発明の本質的効果は基準機と同等の圧縮比を維持しつつ、基準機に比べて圧縮機流量を削減することができるガスタービンの設計及び製造方法を提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの場合に限定されない。例えば、内径増加量と外径減少量を同じとしても良く、また、内径増加量を外径減少量より小さくても良い。

また、上述した各実施形態では、ケーシング１を一枚もので構成した場合を例示したが、本発明の上述した本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、円筒状の複数の分割部材を重ねてケーシング１を構成しても良い。

また、上述した各実施形態では、本発明を高湿分空気利用ガスタービン２００を対象として適用した場合を説明したが、燃焼器に蒸気を噴射するサイクルを採用するガスタービンに広く適用できる。また、高炉ガス焚ガスタービン等を対象として本発明を適用することもできる。

１５，１１５ 基準圧縮機
１００ 基準ガスタービン
２００ 派生ガスタービン
３２ 圧縮機流路
ｄ１〜ｄ６ 基準内径
Ｄ１〜Ｄ６ 基準外径
３８ 圧縮機
３６ａ，１３６ａ 初段
３６ｂ〜３６ｅ 中間段
３６ｆ，１３６ｆ 最終段
５，２０５ 入口案内翼

Claims (8)

1. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを製造するガスタービンの製造方法において、
   前記基準圧縮機の環状の圧縮機流路の内径及び外径をそれぞれ基準内径及び基準外径、前記基準内径に対する前記派生ガスタービンの圧縮機流路の内径の増加量を内径増加量、前記基準外径に対する前記派生ガスタービンの圧縮機流路の外径の減少量を外径減少量としたとき、
   前記派生ガスタービンの圧縮機に要求される圧縮機流量及び圧縮比を決定し、
   前記決定した圧縮機流量及び圧縮比に基づき、前記派生ガスタービンの圧縮機に要求される環帯面積を決定し、
   前記派生ガスタービンの圧縮機の各段の環帯面積が前記決定した環帯面積となることを条件として、初段における内径増加量と外径減少量を決定し、前記初段の下流側の中間段の各段における内径増加量及び外径減少量を、内径増加量が前段の内径増加量以下になり、外径減少量が前段の外径減少量以上になるように決定し、前記中間段の下流側の最終段における内径増加量及び外径減少量を、外径減少量が内径増加量以上になるように決定し、
   前記初段、前記中間段の各段及び前記最終段において、前記基準圧縮機の構成要素のうち前記内径増加量及び外径減少量の決定に伴って仕様を外れたものの設計データを当該仕様に合うように更新して前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、
   前記設計に基づいて前記派生ガスタービンの圧縮機を製造し、前記派生ガスタービンを製造することを特徴とするガスタービンの製造方法。
2. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記初段において、前記内径増加量を前記外径減少量より大きくすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
3. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記決定した環帯面積に対する前記基準圧縮機の環帯面積の減少量を一様とすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
4. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記初段の下流側の各段において、前記決定した環帯面積に対する前記基準圧縮機の環帯面積の減少量を前段の減少量より大きくすることを特徴とするガスタービンの製造方法。
5. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記基準圧縮機は、前記基準外径が前記初段から下流側に向かって一定の外径一定段と、前記外径一定段に接続し、前記基準外径が下流側に向かって減少する外径縮小段とを備え、
   前記外径一定段において、前記基準外径のみを減少させたときの外径一定段の最下流段における外径と同じになるように、前記基準外径を一様に減少させつつ前記基準内径を基準外径の減少量に応じて増加させて、各段の環帯面積を前記決定した環帯面積とし、
   前記外径縮小段において、前記決定した環帯面積に対する前記基準圧縮機の環帯面積の減少量が一様となるように基準外径を減少させることを特徴とするガスタービンの製造方法。
6. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記最終段の下流側に少なくとも１つの段を追加することを特徴とするガスタービンの製造方法。
7. 請求項１に記載のガスタービンの製造方法において、
   前記初段の上流側に翼長方向の軸を回転軸として回転する入口案内翼を設けることを特徴とするガスタービンの製造方法。
8. 基準圧縮機を備える基準ガスタービンより異なるサイクルの派生ガスタービンを設計するガスタービンの設計方法において、
   前記基準圧縮機の環状の圧縮機流路の内径及び外径をそれぞれ基準内径及び基準外径、前記基準内径に対する前記派生ガスタービンの圧縮機流路の内径の増加量を内径増加量、前記基準外径に対する前記派生ガスタービンの圧縮機流路の外径の減少量を外径減少量としたとき、
   前記派生ガスタービンの圧縮機に要求される圧縮機流量及び圧縮比を決定し、
   前記決定した圧縮機流量及び圧縮比に基づき、前記派生ガスタービンの圧縮機に要求される環帯面積を決定し、
   前記派生ガスタービンの圧縮機の各段の環帯面積が前記決定した環帯面積となることを条件として、初段における内径増加量と外径減少量を決定し、前記初段の下流側の中間段の各段における内径増加量及び外径減少量を、内径増加量が前段の内径増加量以下になり、外径減少量が前段の外径減少量以上になるように決定し、前記中間段の下流側の最終段における内径増加量及び外径減少量を、外径減少量が内径増加量以上になるように決定し、
   前記初段、前記中間段の各段及び前記最終段において、前記基準圧縮機の構成要素のうち前記内径増加量及び外径減少量の決定に伴って仕様を外れたものの設計データを当該仕様に合うように更新して前記派生ガスタービンの圧縮機を設計し、前記派生ガスタービンを設計することを特徴とするガスタービンの設計方法。

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