JP2006233787A

JP2006233787A - 軸流圧縮機の段落構造及びこれを使用したガスタービン

Info

Publication number: JP2006233787A
Application number: JP2005046578A
Authority: JP
Inventors: Takanori Nagai; 尚教永井; Junji Iwatani; 淳二岩谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】作動流体の圧力損失を十分に低減して圧縮機性能の向上が図れる軸流圧縮機の段落構造及びこれを使用したガスタービンを提供する。
【解決手段】静翼１１と動翼１３とが交互にハブシュラウドキャビティ１４を介して多段的に配置されてなる軸流圧縮機の段落構造において、前記ハブシュラウドキャビティにおける漏れ流れの出入り口上を通過する作動流体主流の圧力損失を低減する圧力損失低減手段として、前記動翼側のハブ側壁１３ａ，１３ａに、前記漏れ流れの出入り口から噴出する漏れ流れにスワールを付与して前記作動流体主流との干渉を緩和するスワラー１５ａ，１５ｂを設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸流圧縮機における作動流体の圧力損失を低減して圧縮機性能の向上を図った軸流圧縮機の段落構造及びこれを使用したガスタービンに関する。

軸流圧縮機や蒸気タービン、あるいはガスタービン等の軸流タービン機械は、作動流体が軸方向から入り軸方向に出るものであり、代表的な流体機械としてよく使用されている。これらのガスタービンや蒸気タービンの熱効率をより高くしたり、軸流圧縮機の性能をさらに高くしたりする一つの方法としては、特許文献１や特許文献２に開示されているように、作動流体のエネルギー損失を低減させて軸流タービン翼の空力性能を高くする方法がある。

特開２００４−４４４９６号公報特開２００３−１４８１０６号公報

ところで、軸流圧縮機にあっては、図１０に示すように、静翼１００と動翼１０１とが交互にハブシュラウドキャビティ１０２を介して多段的に配置されてなる段落構造において、ハブシュラウドキャビティ１０２には圧力差による漏れ流れが発生するが、圧縮機では下流に進むほど圧力が上昇するため、図中矢印で示すように、流れの方向は作動流体主流と反対向きである。

そのため、上記漏れ流れが作動流体主流と干渉することで圧力損失が生じていたが、従来では、ハブシュラウドキャビティ１０２の底部にラビリンスシール１０３を設けて漏れ流量を可及的に低減するのみで対処していたため、作動流体主流の圧力損失を十分に低減することはできなかった。

そこで本発明は、作動流体の圧力損失を十分に低減して圧縮機性能の向上が図れる軸流圧縮機の段落構造及びこれを使用したガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る軸流圧縮機の段落構造は、下記のように構成される。
（１）静翼と動翼とが交互にハブシュラウドキャビティを介して多段的に配置されてなる軸流圧縮機の段落構造において、前記ハブシュラウドキャビティにおける漏れ流れの出入り口上を通過する作動流体主流の圧力損失を低減する圧力損失低減手段を設けたことを特徴とする。

（２）前記圧力損失低減手段として、前記動翼側のハブ側壁に、前記漏れ流れの出入り口から噴出する漏れ流れにスワールを付与して前記作動流体主流との干渉を緩和するスワラーを設けたことを特徴とする。

（３）前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの出口側における静翼側のハブ側壁を動翼側より低く形成し、静翼のハブ端壁を下流側上がりの傾斜面に形成したことを特徴とする。

（４）前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの出口側における静翼側角部にＲ部を設けると共に、動翼側角部に当該出口から噴出する漏れ流れを作動流体主流の下流側に案内する突起を設けたことを特徴とする。

（５）前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの出口側における静翼側のハブ側壁を動翼側より低く形成し、静翼のハブ端壁を下流側上がりの傾斜面に形成すると共に、動翼側角部に当該出口から噴出する漏れ流れを作動流体主流の下流側に案内する突起を設けたことを特徴とする。

（６）前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの入口側における静翼側のハブ側壁に環状の突起を設けたことを特徴とする。

（７）前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの入口側における静翼側のハブ側壁に環状の溝を設けたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係るガスタービンは、静翼と動翼とを有する軸流式の圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、静翼と動翼とを有し、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備え、前記圧縮機は前記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の軸流圧縮機の段落構造を備えたことを特徴とする。

（１）の軸流圧縮機の段落構造によれば、圧力損失低減手段により作動流体主流の圧力損失が効果的に低減され、圧縮機性能が向上される。

（２）の軸流圧縮機の段落構造によれば、ハブシュラウドキャビティにおける漏れ流れの出入り口から噴出する漏れ流れの主流への干渉が緩和されるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

（３）の軸流圧縮機の段落構造によれば、傾斜面により主流の流れが加速されるので、静翼のハブ端壁の境界層が安定し、剥離の低減により圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

（４）の軸流圧縮機の段落構造によれば、漏れ流れが作動流体主流の下流側に積極的に案内されて漏れ流れの主流への干渉が抑制されるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

（５）の軸流圧縮機の段落構造によれば、（３）と（４）の相乗効果により、より一層圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

（６）の軸流圧縮機の段落構造によれば、環状の突起により安定した剥離を生じさせ、漏れ流れの非定常的な主流への干渉（ポンピング）を低減させることができるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

（７）の軸流圧縮機の段落構造によれば、環状の溝により安定した剥離を生じさせ、漏れ流れの非定常的な主流への干渉（ポンピング）を低減させることができるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

本発明に係るガスタービンによれば、軸流圧縮機の性能が向上されるので、熱効率の高いガスタービンを実現できる。

以下、本発明に係る軸流圧縮機の段落構造及びこれを使用したガスタービンを実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る軸流圧縮機の段落構造を適用したガスタービンの概略構成図、図２は本発明の実施例１に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図、図３は同じく作用説明図、図４は同じく作用説明図である。

図１に示すように、ガスタービン１においては、空気取り入れ口２から取り込まれた空気は、圧縮機３によって圧縮されて高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器４へ送り込まれる。燃焼器４では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、あるいは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させ、作動流体である高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。そして、この高温・高圧の燃焼ガスはタービン５に供給され、当該タービン５を駆動する。そしてタービン５を流れ終わった燃焼ガスは、ガスタービン１の外部へ排出される。

そこで、前記圧縮機３に本発明の実施例１に係る軸流圧縮機の段落構造が適用される。即ち、図２に示すように、ケーシング１０に固設されて回端不能の静翼（列）１１とロータ軸１２に固設された回転可能な動翼（列）１３とが交互にハブシュラウドキャビティ１４を介して多段的に配置されて軸流圧縮機の段落構造が構成される。

そして、前記ハブシュラウドキャビティ１４における漏れ流れ（図２中実線矢印参照）の出入り口上を通過する作動流体主流（図２中白抜き矢印参照）の圧力損失を低減する圧力損失低減手段として、動翼１３側のハブ側壁１３ａ，１３ａに、漏れ流れの出入り口から噴出する漏れ流れにスワールを付与して作動流体主流との干渉を緩和する、湾曲した縦リブ状のスワラー１５ａ，１５ｂが設けられる。

即ち、図３に示すように、スワラー１５ａ，１５ｂの設置により、ハブシュラウドキャビティ１４の出入り口で外向きの漏れ流れを生じさせ（図３中矢印参照）、ハブシュラウドキャビティ１４の漏れ流量を低減し、作動流体主流との干渉を小さく緩和するのである。

この際、スワラー１５ａ，１５ｂの向きとしては、作動流体主流がハブ付近で図３に示すような速度三角形を持つと仮定すると、静翼１１前後で作動流体主流は上流側でＶ₁θ，下流側でＶ₂θのような周方向速度成分を持つので、作動流体主流との干渉を小さくするため、図４に示すように、Ｖｌｅａｋ_1,θ、Ｖｌｅａｋ_2,θを持つように噴出し、漏れ流れに周方向速度を与えるようにスワラー１５ａ，１５ｂの出口角度を設定すれば良い。

また、前記スワラー１５ａ，１５ｂの材質としては、運転時に、スワラー１５ａ，１５ｂが静翼１１のハブ側壁１１ａと接触しても壁面を傷つけないように削れ易いものが選択される。また、ハブシュラウドキャビティ１４の底部には、従来と同様に、図示しないラビリンスシールが設けられて漏れ流量が可及的に低減されている。

このようにして、本実施例では、ハブシュラウドキャビティ１４における漏れ流れの出入り口から噴出する漏れ流れの作動流体主流への干渉が緩和されるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

尚、本実施例では、ハブシュラウドキャビティ１４の出入り口における動翼１３側のハブ側壁１３ａ，１３ａにスワラー１５ａ，１５ｂを二つ設けたが、入口側におけるスワラー１５ｂは特に設けなくても良い。

図５は本発明の実施例２に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。

これは、圧力損失低減手段として、ハブシュラウドキャビティ１４の漏れ流れの出口側における静翼１１側のハブ側壁１１ａを動翼１３側より低く形成し、静翼１１のハブ端壁１１ｂを下流側上がりの傾斜面に形成した例である。

これによれば、静翼１１のハブ端壁１１ｂの傾斜面により作動流体主流の流れが加速されるので、静翼１１のハブ端壁１１ｂの境界層が安定し、剥離の低減により圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

図６は本発明の実施例３に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。

これは、圧力損失低減手段として、ハブシュラウドキャビティ１４の漏れ流れの出口側における静翼１１側角部にＲ部１６を設けると共に、動翼１３側角部に当該出口から噴出する漏れ流れを作動流体主流の下流側に案内する突起１７を設けた例である。

これによれば、ハブシュラウドキャビティ１４の漏れ流れの出口側において、漏れ流れが作動流体主流の下流側に積極的に案内されて漏れ流れの作動流体主流への干渉が抑制されるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

図７は本発明の実施例４に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。

これは、圧力損失低減手段として、ハブシュラウドキャビティ１４の漏れ流れの出口側における静翼１１側のハブ側壁１１ａを動翼１３側のハブ側壁１３ａより低く形成して段差を設けると共に静翼１１のハブ端壁１１ｂを下流側上がりの傾斜面に形成する一方、動翼１３側角部に当該出口から噴出する漏れ流れを作動流体主流の下流側に案内する突起１８を設けた例である。

これによれば、実施例２と実施例３の相乗効果により、より一層圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

図８は本発明の実施例５に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。

これは、圧力損失低減手段として、ハブシュラウドキャビティ１４の漏れ流れの入口側における静翼１１側のハブ側壁１１ａに環状の突起１９を設けた例である。

これによれば、環状の突起１９により安定した剥離を生じさせ、漏れ流れの非定常的な作動流体主流への干渉（ポンピング）を低減させることができるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

図９は本発明の実施例６に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。

これは、圧力損失低減手段として、ハブシュラウドキャビティ１４の漏れ流れの入口側における静翼１１側のハブ側壁１１ａに環状の溝２０を設けた例である。

これによれば、環状の溝２０により安定した剥離を生じさせ、漏れ流れの非定常的な作動流体主流への干渉（ポンピング）を低減させることができるので、圧力損失が低減され、圧縮機性能が向上される。

尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、幾つかの実施例を組み合わせる等各種変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施例１に係る軸流圧縮機の段落構造を適用したガスタービンの概略構成図である。本発明の実施例１に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。同じく作用説明図である。同じく作用説明図である。本発明の実施例２に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。本発明の実施例３に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。本発明の実施例４に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。本発明の実施例５に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。本発明の実施例６に係る軸流圧縮機の段落構造の断面図である。従来の軸流圧縮機の段落構造の断面図である。

符号の説明

１ガスタービン、２空気取り入れ口、３圧縮機、４燃焼器、５タービン、１０ケーシング、１１静翼、１１ａハブ側壁、１１ｂハブ端壁、１２ロータ軸、１３動翼、１３ａハブ側壁、１４ハブシュラウドキャビティ、１５ａ，１５ｂスワラー、１６Ｒ部、１７突起、１８突起、１９突起、２０溝。

Claims

静翼と動翼とが交互にハブシュラウドキャビティを介して多段的に配置されてなる軸流圧縮機の段落構造において、前記ハブシュラウドキャビティにおける漏れ流れの出入り口上を通過する作動流体主流の圧力損失を低減する圧力損失低減手段を設けたことを特徴とする軸流圧縮機の段落構造。
前記圧力損失低減手段として、前記動翼側のハブ側壁に、前記漏れ流れの出入り口から噴出する漏れ流れにスワールを付与して前記作動流体主流との干渉を緩和するスワラーを設けたことを特徴とする請求項１記載の軸流圧縮機の段落構造。
前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの出口側における静翼側のハブ側壁を動翼側より低く形成し、静翼のハブ端壁を下流側上がりの傾斜面に形成したことを特徴とする請求項１記載の軸流圧縮機の段落構造。
前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの出口側における静翼側角部にＲ部を設けると共に、動翼側角部に当該出口から噴出する漏れ流れを作動流体主流の下流側に案内する突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の軸流圧縮機の段落構造。
前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの出口側における静翼側のハブ側壁を動翼側より低く形成し、静翼のハブ端壁を下流側上がりの傾斜面に形成すると共に、動翼側角部に当該出口から噴出する漏れ流れを作動流体主流の下流側に案内する突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の軸流圧縮機の段落構造。
前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの入口側における静翼側のハブ側壁に環状の突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の軸流圧縮機の翼列間構造。
前記圧力損失低減手段として、前記漏れ流れの入口側における静翼側のハブ側壁に環状の溝を設けたことを特徴とする請求項１記載の軸流圧縮機の翼列間構造。
静翼と動翼とを有する軸流式の圧縮機と、
この圧縮機で圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、
静翼と動翼とを有し、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備え、
前記圧縮機は請求項１〜７のいずれか一つに記載の軸流圧縮機の段落構造を備えたことを特徴とするガスタービン。