(57)【要約】【課題】主流路からの抽気を行うスロット近傍での流体の流量の均一化を図ることで、圧縮機の運転効率の低下を抑制することができる圧縮機、及びガスタービンを提供する。【解決手段】ロータとの間に空気Ａの主流路４を画成するロータケーシングに設けられた静翼段９１における複数の静翼１０と、静翼１０の下流側でロータケーシングに形成されたスロット１３を介して主流路４と連通する抽気室を画成する抽気室ケーシングと、抽気室ケーシングに接続された抽気配管１５とを備え、複数の静翼１０のうち、抽気配管１５に対応する周方向Ｄｃの位置を含む領域に位置する複数の静翼１０を第一静翼群１０１とし、第一静翼群１０１以外の複数の静翼１０を第二静翼群１０２とすると、第一静翼群１０１における隣り合う静翼１０の径方向外側の端部同士の間隔が、第二静翼群１０２における隣り合う静翼１０の径方向外側の端部同士の間隔よりも密にされている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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から径方向内側に向かうように周方向に間隔をあけて設けられた複数の静翼と、
前記ロータケーシングの外周側に設けられて、前記静翼の下流側で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、
前記複数の静翼のうち、前記配管に対応する周方向位置を含む領域に位置する複数の静翼を第一静翼群とし、該第一静翼群以外の複数の静翼を第二静翼群と定義した際に、前記第一静翼群における隣り合う静翼の径方向外側の端部同士の間隔が、前記第二静翼群における隣り合う静翼の径方向外側の端部同士の間隔よりも密にされていることを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記複数の静翼では、該複数の静翼のうち、前記配管に対応する周方向位置を含む領域に位置し、かつ、前記配管よりも前記ロータの回転方向前方側の周方向位置を含む領域に位置する複数の静翼を、前記第一静翼群とすることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記複数の静翼では、前記第一静翼群の方が前記第二静翼群よりも所定の周方向領域に設けられる前記静翼の数量が多くなっていることで、前記静翼の径方向外側の端部同士の間隔が密になっ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。
【請求項４】
前記複数の静翼では、前記第一静翼群における少なくとも互いに周方向に隣り合う二つの静翼が、径方向外側に向かうに従って互いに近接するように設けられていることで、前記静翼の径方向外側の端部同士の間隔が密になっ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。
【請求項５】
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４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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
特許文献１には、ケーシングの外側バンドに、ディフューザ効果によって抽気時のエネルギー損失を低減する周方向に延びるブリードスロットが設けられた抽気構造を採用する圧縮機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２８４１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般に、抽気構造では上述したブリードスロットから抽気室を介して抽気された流体を外部に導く抽気配管が設けられている。さらに、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。これらの要因によって、抽気配管が設けられた周方向位置を含む領域で、かつ、ブリードスロットの上流側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脈動が生じ、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大きくなるため、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り、圧縮機の運転効率の低下を招いてしまう。
【０００６】
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、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ることで、運転効率の低下を抑制す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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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から径方向内側に向かうように周方向に間隔をあけて設けられた複数の静翼と、前記ロータケーシングの外周側に設けられて、前記静翼の下流側で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、前記複数の静翼のうち、前記配管に対応する周方向位置を含む領域に位置する複数の静翼を第一静翼群とし、該第一静翼群以外の複数の静翼を第二静翼群と定義した際に、前記第一静翼群における隣り合う静翼の径方向外側の端部同士の間隔が、前記第二静翼群における隣り合う静翼の径方向外側の端部同士の間隔よりも密にされていることを特徴とする。
【０００８】
このような圧縮機によれば、配管が設けられた周方向位置近傍に第一静翼群が位置していることで、この位置で静翼の径方向外側の端部同士の間隔が狭くなっている。よって、この位置で主流路から第一静翼群を通過してスロットへ向かう流体の流通が妨げられ、流体の流量を低減することができる。よって、スロット近傍で、配管が設けられた周方向位置の主流路内で、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、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。
【０００９】
また、前記複数の静翼では、該複数の静翼のうち、前記配管に対応する周方向位置を含む領域に位置し、かつ、前記配管よりも前記ロータの回転方向前方側の周方向位置を含む領域に位置する複数の静翼を、前記第一静翼群としてもよい。
【００１０】
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抽気室を介して配管に流入しようとする流体の流量が大きくなる。このため、第一静翼群がロータの回転方向前方側に設けられていることで、より効果的に、スロット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。
【００１１】
さらに、前記複数の静翼では、前記第一静翼群の方が前記第二静翼群よりも所定の周方向領域に設けられる前記静翼の数量が多くなっていることで、前記静翼の径方向外側の端部同士の間隔が密になっていてもよい。
【００１２】
このように、第一静翼群で第二静翼群よりも多くの静翼を設けることで、容易に静翼の径方向外側の端部同士の間隔を密にすることができる。従って、主流路から第一静翼群を通過してスロットへ向かう流体の流通が妨げられ、スロット近傍の主流路内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。
【００１３】
また、前記複数の静翼では、前記第一静翼群における少なくとも互いに周方向に隣り合う二つの静翼が、径方向外側に向かうに従って互いに近接するように設けられていることで、前記静翼の径方向外側の端部同士の間隔が密になっていてもよい。
【００１４】
このように第一静翼群の静翼が傾斜していることで、静翼の数量を変更することなく、静翼の径方向外側の端部同士の間隔を密にすることができる。従って、製造容易化によってコストを抑えつつ、主流路から第一静翼群を通過してスロットへ向かう流体の流通を妨げ、スロット近傍の主流路内での流体流量の周方向分布の均一化を図ることができる。
また、静翼の数量を変更しないことで、静翼を通過する流体の圧力損失を増大させることがない。よって、静翼のプロファイル損失を最小限に抑えつつ、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。
【００１５】
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上記の圧縮機と、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。
【００１６】
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、スロット近傍で、配管が設けられた周方向位置の主流路内で、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、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。
【発明の効果】
【００１７】
上記の圧縮機、及びガスタービンによると、静翼に第一静翼群を設け、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ることで、運転効率の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】本発明の第一実施形態に係る圧縮機の主流路及びスロットを径方向外側から見た図であって、図２のＩＩＩ矢視図を示す。
【図４】本発明の第一実施形態に係る圧縮機を軸線方向から見た図であって、図２のＩＶ−ＩＶ断面図を示す。
【図５】仮に静翼におけるソリディティが一定である場合の圧縮機の主流路及びスロットを径方向外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、スロット近傍の主流路内の空気の流量分布の解析結果を色の濃淡で示す。
【図６】本発明の第二実施形態に係る圧縮機を軸線方向から見た図であって、図２のＩＶ−ＩＶ断面と同じ位置の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２０５に固定されている。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
ロータ本体５は、回転軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びる軸状の部材である。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
本実施形態では、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。
【００３５】
ここで、静翼段９についてさらに詳しく説明する。
静翼段９のうちで、スロット１３の上流側で、このスロット１３に最も近接して設けられた静翼段９を静翼段９１とする。
【００３６】
図３及び図４に示すように、この静翼段９１を構成する静翼１０のうち、抽気配管１５に対応する周方向位置Ｄｃを含む領域に位置する複数の静翼１０を、第一静翼群１０１とする。また、第一静翼群１０１以外の複数の静翼１０を第二静翼群１０２と定義する。
【００３７】
本実施形態では、第一静翼群１０１は、抽気配管１５が設けられた周方向Ｄｃの位置よりもロータ本体５の回転方向Ｒの前方側の周方向Ｄｃの位置を含む領域に位置している。この第一静翼群１０１における隣り合う静翼１０での径方向Ｄｒの外側の端部同士の間隔が、第二静翼群１０２における隣り合う静翼１０での径方向Ｄｒの外側の端部同士の間隔よりも密にされている。
【００３８】
より具体的には、本実施形態では、第一静翼群１０１の方が、第二静翼群１０２よりも、所定の周方向領域に設けられる静翼１０の数量が多くなっている。即ち、静翼１０のソリディティＣ／Ｓが第一静翼群１０１の方が第二静翼群１０２よりも大きい。
なお、ソリディティＣ／Ｓとは、静翼１０の軸方向Ｄａの寸法を、周方向Ｄｃに隣接する静翼１０同士の間の周方向Ｄｃの距離で割ったものである。ここで本実施形態でのソリディティＣ／Ｓは、静翼１０における径方向Ｄｒの外側の端部での値を示す。
【００３９】
このような圧縮機１によると、スロット１３の上流側の静翼段９１に第一静翼群１０１を設けたことで、抽気配管１５が設けられた周方向Ｄｃの位置近傍に第一静翼群１０１が位置して、この位置で静翼１０の径方向Ｄｒの外側の端部同士の間隔が狭くなっている。
【００４０】
ここで、図５には、仮に静翼段９１に第一静翼群１０１が設けられず、全てが第二静翼群１０２と同じソリディティＣ／Ｓとなっている場合、即ち、静翼１０のソリディティＣ／Ｓが一定である場合を示している。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近傍の主流路４内で、空気Ａの流量に周方向Ｄｃの分布が生じてしまう。より具体的には、図５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である。
【００４１】
そして、図５によると、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、ロータ２の回転方向Ｒの前方側、かつ、軸方向Ｄａの上流側で、空気Ａの流量が大きくなる現象が顕著である。
【００４２】
本実施形態では、抽気配管１５が設けられた周方向Ｄｃの位置よりもロータ２の回転方向Ｒの前方側の周方向Ｄｃの位置を含む領域に第一静翼群１０１を設けたことによって、主流路４から第一静翼群１０１を通過してスロット１３へ流入する空気Ａの流通を、効果的に妨げることが可能となる。
【００４３】
この結果、第一静翼群１０１が設けられた周方向Ｄｃの領域で空気Ａの流量を低減することができる。よって、効果的にスロット近傍の主流路４内での空気Ａの流量について、周方向Ｄｃの分布の均一化を図ることが可能となる。
【００４４】
本実施形態の圧縮機１によると、スロット１３の上流側に近接する静翼１０に第一静翼群１０１を設けることで、主流路４からの抽気を行うスロット１３の近傍での空気Ａの流量の均一化を図ることで、サージマージンを増大させ、運転効率の低下を抑制することが可能となる。
【００４５】
そして、軽量化を図るべく、仮に抽気配管１５の数量を減らす必要がある場合であっても、このように静翼段９１でのソリディティＣ／Ｓを調整することで、スロット１３の近傍の主流路４内で空気Ａの流量の均一化を図ることで、運転効率の低下を抑制することが可能となる。
【００４６】
〔第二実施形態〕
次に、図６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、第一静翼群１０１Ａが第一実施形態とは異なっている。
第一静翼群１０１Ａでは、静翼１０が、径方向Ｄｒの外側に向かって周方向Ｄｃに傾斜している。
【００４７】
より具体的には、本実施形態では、第一静翼群１０１Ａに設けられた三つの静翼１０のうちで、周方向Ｄｃの両端に位置する静翼１０ａ及び静翼１０ｃが、これらの間に設けられた静翼１０ｂに近接するように傾斜している。これにより、静翼１０ａと静翼１０ｂとの間、及び、静翼１０ｃと静翼１０ｂとの間でのソリディティＣ／Ｓが、第二静翼群１０２でのソリディティＣ／Ｓよりも大きくなっている。
【００４８】
本実施形態の圧縮機１Ａによると、第一静翼群１０１Ａで静翼１０が傾斜して設けられていることで、静翼１０の数量を増大させることなく、第一静翼群１０１Ａで隣り合う静翼１０の径方向外側の端部同士の間隔を狭くすることができる。即ち、静翼１０同士の間隔を密にすることが可能となる。
【００４９】
よって、製造容易化によってコストを抑えつつ、主流路４から第一静翼群１０１Ａを通過してスロット１３へ向かう空気Ａの流通を妨げて空気Ａの流量をさらに低減することができる。この結果、スロット１３近傍の主流路４内における空気Ａの流量について、周方向Ｄｃの分布の均一化を図ることが可能となる。
【００５０】
また、第一静翼群１０１Ａで静翼１０の数量を変更しないことで、静翼１０を通過する空気Ａの圧力損失を増大させることがない。よって、静翼１０のプロファイル損失を最小限に抑えつつ、主流路４から第一静翼群１０１Ａを通過してスロット１３へ向かう空気Ａの流量の低減が可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態では、第一静翼群１０１Ａでの二つの静翼１０が傾斜することで、ソリディティＣ／Ｓを増大させたが、少なくとも互いに周方向Ｄｃに隣り合う二つの静翼１０を、径方向Ｄｒの外側に向かうに従って互いに近接するように設けることで、ソリディティＣ／Ｓを増大させることが可能である。
【００５２】
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、第一静翼群１０１（１０１Ａ）は、抽気配管１５よりも回転方向Ｒの前方側に設けられている。しかし、図５の解析結果に示すように、回転方向Ｒの前方側以外における抽気配管１５が設けられた位置の近傍でも、スロット１３近傍の主流路４内の空気Ａの流量が大きくなっている部分がある。このため、この流量が大きくなっている部分に対応する位置、即ち、回転方向Ｒの後方側であって、抽気配管１５が設けられた位置に対応する周方向Ｄｃの位置を含む領域に第一静翼群１０１（１０１Ａ）が設けられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
上記の圧縮機、及びガスタービンによれば、静翼に第一静翼群を設けることで、主流路から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ることで、運転効率の低下を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
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、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  静翼
１２  抽気室
１３  スロット
１４  抽気流路
１５  抽気配管
９１  静翼段
１０１、１０１Ａ  第一静翼群
１０２  第二静翼群
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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