(57)【要約】【課題】多用な使用燃料に応じて寸法の異なる圧縮機ケーシングを容易に製造することができるガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法を提供する。【解決手段】ガスタービンの要素のベースモデルを設計し（Ｓ１０１）、使用燃料に応じて圧縮機１のガスパスを設計し（Ｓ１０３）、ガスパスの設計を圧縮機ケーシング６のベースモデルに反映して当該圧縮機ケーシング６の三次元モデルを設計し（Ｓ１０４）、圧縮機ケーシング６の三次元モデルを基に当該圧縮機ケーシングの素材１２の三次元モデルを設計し（Ｓ１０５）、素材１２の三次元モデルを基に消失性模型１３を作製し（Ｓ１０８）、消失性模型１３を用いたフルモールド法で素材１２を鋳造し（Ｓ１０９）、素材１２を加工して圧縮機ケーシング６を製造する（Ｓ１１１）。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの要素のベースモデルを設計し、
使用燃料に応じて圧縮機のガスパスを設計し、
前記ガスパスの設計を圧縮機ケーシングのベースモデルに反映して当該圧縮機ケーシングの三次元モデルを設計し、
前記圧縮機ケーシングの三次元モデルを基に当該圧縮機ケーシングの素材の三次元モデルを設計し、
前記素材の三次元モデルを基に消失性模型を作製し、
前記消失性模型を用いたフルモールド法で前記素材を鋳造し、
前記素材を加工して前記圧縮機ケーシングを製造する
ことを特徴とするガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法。
【請求項２】
請求項１の製造法において、前記消失性模型を発泡ポリスチレンで成形することを特徴とするガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法。
【請求項３】
請求項１の製造法において、前記素材の鋳造後加工前に、非接触三次元寸法測定法によって前記素材の寸法を測定し、測定値を設計値と比較して前記素材を寸法検査することを特徴とするガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既に設計したシンプルサイクル又はコンバインドサイクルのガスタービンの情報を基に燃料（燃料カロリー）の異なるガスタービンを製造する場合、タービンを流れる作動流体の流量が変化する。しかし、一般にタービンの定格出力は変更できないため、圧縮機の作動流体の定格流量を変更せざるを得ない。圧縮機の定格流量を変更するためには、一般に圧縮機の作動流体流路の断面積を変更する必要がある。そのためには、圧縮機の構成要素の寸法等を変更しなければならない（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５―１５５６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の例では、圧縮機ケーシングの素材を予め肉厚に製造しておき、圧縮機の定格流量の設定に応じて当該ケーシング素材の内面加工によって流路断面積を調整していく。そのため、定格流量の設定によっては必要以上に加工時間がかかり、ケーシング素材の駄肉に多くなる。また、ベースとなるケーシング素材の大きさで圧縮機の定格流量の上限が決まってしまうため、上限を超える場合には、ケーシング素材を作り直さねばならず、これに多大な労力、時間及び費用を要する。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、多用な使用燃料に応じて寸法の異なる圧縮機ケーシングを容易に製造することができるガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの要素のベースモデルを設計し、使用燃料に応じて圧縮機のガスパスを設計し、前記ガスパスの設計を圧縮機ケーシングのベースモデルに反映して当該圧縮機ケーシングの三次元モデルを設計し、前記圧縮機ケーシングの三次元モデルを基に当該圧縮機ケーシングの素材の三次元モデルを設計し、前記素材の三次元モデルを基に消失性模型を作製し、前記消失性模型を用いたフルモールド法で前記素材を鋳造し、前記素材を加工して前記圧縮機ケーシングを製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、多用な使用燃料に応じて寸法の異なる圧縮機ケーシングを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る製造方法により製造した圧縮機ケーシングを適用するガスタービンの一構成例の要部断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法の工程を表すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施の形態に係るガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法の過程で設計された圧縮機のベースモデルの要部断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法に用いるフルモールド鋳造法の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
１．ガスタービン
図１は本発明の一実施の形態に係る製造方法により製造した圧縮機ケーシングを適用するガスタービンの一構成例の要部断面図である。
【００１１】
同図に示したガスタービンは、圧縮機１、燃焼器２及びタービン３を備えている。圧縮機１は大気を吸い込んで作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、タービン３は燃焼器２から導入される高温高圧の燃焼ガスの膨張の際に回転動力を得る。
【００１２】
また、ガスタービンの構成要素である圧縮機１は、静翼４、動翼５、圧縮機ケーシング６及び回転軸であるホイール８を備えている。圧縮機ケーシング６の内壁部には周方向に溝部が延設されていて、静翼４は、翼部の根元側（径方向外側）に形成された植込み部を圧縮機ケーシング６の溝部に周方向に挿入することによって、周方向に複数環状に固定されている。また、動翼５はホイール８の外周部に周方向に複数環状に取付けられていて、ホイール８とともに回転する。静翼４の環状翼列及びその下流側（作動流体の流れ方向の下流側）に対向する動翼５の環状翼列は１つの段落を形成し、これら段落が軸方向に複数形成されている。
【００１３】
本実施の形態に係る方法は、図１に示した圧縮機ケーシング６のような、ガスタービンの圧縮機ケーシングを製造するものである。圧縮機ケーシングの製造方法について次に説明する。
【００１４】
２．製造方法
図２は本発明の一実施の形態に係るガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法の工程を表すフローチャートである。
【００１５】
・ステップＳ１０１
まず、ガスタービンの要素、例えば圧縮機１、燃焼器２及びタービン３について各々ベースモデルを三次元ＣＡＤによって設計する。具体的には、圧縮機１の静翼４、動翼５、圧縮機ケーシング６やホイール８、燃焼器２、タービン３の動翼や静翼、静翼のスロート面積（出口角度）等の設計である。設計した圧縮機のベースモデルの断面図の一例を図３に示す。図３において既に説明したものについては図１と同符号を付して説明を省略する。図３に示した圧縮機の各要素のベースモデル（３次元モデル）は、圧縮機ケーシング６を含めてパラメトリックなものであって三次元ＣＡＤ上で形状を変更することは容易である。
【００１６】
・ステップＳ１０２，Ｓ１０３
次に、使用する燃料を決定し（ステップＳ１０２）、燃料の性状に応じてサージマージン等を考慮しつつ圧縮機ケーシング６のベースモデルのガスパス（作動流体流路）の形状（寸法を含む）を設計する（ステップＳ１０３）。具体的にはガスパスの外周面１０（圧縮機ケーシング６の内周面）、及びガスパスの内周面１１（ホイール８の外周面）の最適形状を決定する。サージマージンは、製造実績のあるガスタービンと同等に設定することで実績と同等の信頼性を確保できる。このとき、必要であれば、圧縮機１のガスパス以外の要素についても設計データを微調整する。
【００１７】
・ステップＳ１０４，Ｓ１０５
続いて、圧縮機ケーシング６の三次元モデルを設計し（ステップＳ１０４）、圧縮機ケーシング６を鋳造するための圧縮機ケーシング素材１２の三次元モデル（図３参照）を設計する（ステップＳ１０５）。圧縮機ケーシング６の三次元モデルは、ステップＳ１０３でしたガスパスの設計を圧縮機ケーシング６のベースモデルに反映して設計したものである。また、圧縮機ケーシング素材１２の三次元モデルは、圧縮機ケーシング６の三次元モデルの所定部分（例えば内壁部）に最小限の加工代９を付与したものである。圧縮機ケーシング６の大きさや形状にもよるが、加工代９は例えば３ｍｍ程度とすることが望ましい。圧縮機ケーシング素材１２の三次元モデルにはまた、寸法公差や形状公差等の情報が付与されている。
【００１８】
・ステップＳ１０６，Ｓ１０７
次に、圧縮機ケーシング６の強度計算をし（ステップＳ１０６）、計算した強度について合否判定をする（ステップＳ１０７）。強度計算については、設計した三次元モデルの寸法や材質の情報を基に、圧縮機ケーシング６に加えて、静翼４や動翼５等の他の要素についても併せて実施する。そして、計算された圧縮機ケーシング６等の強度が予め用意された閾値未満であって強度が所定値に満たない場合には、ステップＳ１０４に工程を戻し、強度の不足分を加味して圧縮機ケーシング６の三次元モデルを再設計する（例えば外径寸法を増やす）。反対に、強度が閾値以上あって所定の強度を有する場合には、手順をステップＳ１０８に移す。
【００１９】
・ステップＳ１０８
三次元モデルのデータ上で圧縮機ケーシング６に所定の強度が確保されていることが確認できたら、圧縮機ケーシング素材１２の三次元モデルのデータを基に圧縮機ケーシング素材１２を鋳造するための消失性模型１３（図４参照）を作成する。ここで用いる消失性模型１３は、例えば発泡ポリスチレンにより成形し、これを機械加工して作成することが望ましい。
【００２０】
・ステップＳ１０９
次に、消失性模型１３を用いてフルモールド鋳造法により圧縮機ケーシング素材１２を鋳造する。本発明の一実施の形態に係るガスタービンの圧縮機ケーシングの製造方法に用いるフルモールド鋳造法の例を図４に示す。フルモールド鋳造法は消失性模型１３の周囲を鋳物砂で覆って固めて鋳型１４を造り、鋳型１４を消失性模型１３で満たした状態で溶湯を鋳込み、消失性模型１３を溶湯で置き換えて鋳物を作る方法である。
【００２１】
・ステップＳ１１０
圧縮機ケーシング素材１２の鋳造後、非接触三次元寸法測定法によって当該圧縮機ケーシング素材１２の寸法を測定し、測定値を設計値（三次元モデル）と比較して圧縮機ケーシング素材１２の寸法検査を実施する。このとき、圧縮機ケーシング素材１２の三次元モデルに付加された寸法公差や形状公差内に測定値が収まっているか否かの判断も併せて行う。特に図示していないが、収まっていなければステップＳ１０８に工程を戻して消失性模型１３を再作成する。
【００２２】
・ステップＳ１１１
圧縮機ケーシング素材１２の完成後、圧縮機ケーシング素材１２の内壁面を機械加工して圧縮機ケーシング６を完成させる。
【００２３】
３．効果
ある一定の範囲の燃料カロリーで設計された製造実績のあるガスタービン（以下「ベース機」という）から設計範囲を外れた低カロリーの燃料（例えば高炉ガス）を使用するガスタービンを製造する場合、ベース機に比べて圧縮機の作動流体流量に対するタービンの作動流体流量が多くなり、ガスタービン出力が増加する。ガスタービン出力が増加すると、軸受、軸系、発電機等を変更せざるを得ない。また、タービンの作動流体流量の増加に伴ってタービンと連結された圧縮機の作動圧力比が上昇し、サージマージンが減少する。したがって、使用燃料のカロリーが設計範囲を超えて変更される場合には、ベース機の圧縮機の作動圧力比やガスタービン出力を大幅に変えずにガスタービンの設計を変更する必要がある。なお、圧力比とは、圧縮機による昇圧前後の作動流体の圧力の比をいう。サージマージンとは、サージング現象が発生する圧力比と実際の運転点の圧力比との間の余裕をいう。サージング現象とは、圧力比が上昇する過程である圧力比で、強い音響を伴う圧力と流れの激しい脈動、及び機械の振動を急に引き起こすことにより、運転が不安定になる現象である。
【００２４】
また、一般的に重構造の中型又は大型のガスタービンに用いられる圧縮機ケーシング素材は砂型鋳造によって製造される。砂型鋳造には素材形状ごとに木型を要するが、使用燃料のカロリーに応じて圧縮機ケーシング素材の設計が変わる場合、燃料カロリー毎に木型が必要になり資源の無駄になる。また、素材形状に予め駄肉を多く付与しておけば木型の種類を減らせるが、この場合には加工量が多くなるため製造に多くの労力、期間及び費用を要する。木型の製造には４カ月程度かかり得る。加えて、その後に利用が見込まれる場合、木型の保管場所を確保せねばならず、木型のメンテナンスにも労力を要する。
【００２５】
それに対し、本実施の形態の場合、圧縮機ケーシング素材１２を鋳造するに際して木型に代えて消失性模型１３を用いる。消失性模型１３の材質（例えば発泡ポリスチレン）は木型（木材）よりも軟らかく加工性が良いため、３次元モデルを利用してＣＡＭによって容易に加工することができる。また、消失性模型１３は、加工性が良いことから圧縮機ケーシング６の設計変更に伴って形状を変更する際も木型の変更に比べて簡単である。そして、消失性模型１３の設計変更や作成が容易である。そのため、圧縮機ケーシング素材１２の加工代９の駄肉を抑制することができ、圧縮機ケーシング６の製造に要する労力、期間及び費用を大幅に低減することができる。したがって、本実施の形態によれば、多用な使用燃料に応じて寸法の異なる圧縮機ケーシングを容易に製造することができる。
【００２６】
加えて、木型を用いた砂型鋳造と異なり、消失性模型１３を抜き取る必要がないため、砂型から型を抜き取るための抜き勾配等を消失性模型１３に付与する必要がなく、消失性模型１３は設計の自由度も木型に比べて高い。
【００２７】
また、消失性模型１３によるフルモールド鋳造の採用によって木型が不要となるため、木型の保管場所を確保する必要もなく、また木型のメンテナンスも不要である。
【００２８】
また、本実施の形態の場合では、非接触三次元寸法測定法によって圧縮機ケーシング素材１２の寸法を測定し、測定値を設計値（三次元モデル）と比較して圧縮機ケーシング素材１２の寸法検査を実施する例を示した。この場合、例えばスケールのような測定器具を使用した寸法測定や、製品特有の限界ゲージを使用した形状測定が不要になるため、検査に要する労力、時間及び費用を抑制することができる。また、前述のように圧縮機ケーシング素材１２の三次元モデルには寸法公差、形状公差等の製品合否を判断する情報が含まれているため、製造された鋳造品の合否判定も迅速かつ容易にすることができる。
【００２９】
なお、本実施の形態は圧縮機ケーシングの製造方法に関するものであるため特に説明していないが、圧縮機の翼は一つの部材を機械加工により削り出す、又は鍛造により製造する。そのため、翼の一部分を削除するように製造することは比較的容易である。したがって、ガスタービン圧縮機翼については燃料カロリーに応じて設計し直しても短時間で製造することが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１      圧縮機
６      圧縮機ケーシング
１２    圧縮機ケーシング素材
１３    消失性模型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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