JP7235549B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本開示は遠心圧縮機に関するものである。

従来、インペラの回転によって燃焼器等に空気を供給する圧縮機が知られている（特許文献１参照）。この種の圧縮機では、インペラから吐出される空気がディフューザを介して環状流路に供給され、環状流路でインペラの回転方向に沿うように螺旋状に流動する。環状流路には外方に向けて延びる排出流路が接続されており、環状流路の空気はインペラの回転軸線から離れる方向に向けて排出流路に流出し燃焼器に送られる。

登録実用新案第3001224号公報 特開2014-234729号公報 再公表WO2012/128277号公報 再公表WO2015/064272号公報 特開2015-137606号公報 特表2014-517217号公報

この種の圧縮機では、環状流路及び排出流路の構造がインペラの回転軸線に対して非軸対称であるので、環状流路の入口においては非軸対称の流れ場が形成される。この非軸対称の流れ場が上流側に伝播すると、ディフューザ及びインペラの流れ場にも非軸対称性が現われ、圧縮機の安定作動域を減少させる要因になり得る。本開示は、ディフューザ及びインペラにおける流れ場の軸対称性を向上する遠心圧縮機を説明する。

本開示に係る遠心圧縮機は、ガスタービンに用いられ気体を圧縮して燃焼器に送る遠心圧縮機であって、インペラと、前記インペラの周囲に設けられたディフューザと、前記ディフューザの下流側に接続され前記ディフューザから前記インペラの回転径方向の外側に向けて吐出される気体の流動の径方向成分を軸方向成分に変換する屈曲形状のガイド流路と、前記ガイド流路の下流側に接続され前記インペラと同心の円環断面をなす環状流路と、前記環状流路からの前記気体を前記インペラの回転軸線から離れる方向に送出する排出流路と、を備え、前記ガイド流路の出口の前記径方向の流路幅は、前記インペラの回転周方向において不均一であり、前記排出流路に近い部分の前記流路幅が他の部分の前記流路幅よりも小さくなっている、遠心圧縮機である。

また、前記インペラの前記回転軸線を含む断面上における前記ガイド流路のハブ面の曲率半径が、前記排出流路に近い部分において他の部分よりも大きくなっているようにしてもよい。

また、前記インペラの前記回転軸線を含む断面上における前記ガイド流路のシュラウド面の曲率半径が、前記排出流路に近い部分において他の部分よりも小さくなっているようにしてもよい。

本開示の遠心圧縮機によれば、ディフューザ及びインペラにおける流れ場の軸対称性が向上する。

図１は、実施形態の遠心圧縮機が適用されるガスタービンを示す断面図である。 図２は、ガイド流路近傍を含む遠心圧縮機の下流側の部分を示す一部破断斜視図である。 図３は、ガイド流路近傍を軸方向の視線で見た状態を示す図である。 図４は、回転軸線を含む断面上でのガイド流路近傍の断面形状を示す図である。 図５は、θ座標と曲率半径Ｒｈとの関係を示すグラフである。 図６は、軸方向の視線で見たハブ面の形状を模式的に示す図である。 図７は、回転軸線を含む断面上でのガイド流路近傍の断面形状を示す図である。 図８は、θ座標と曲率半径Ｒｓとの関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、本開示の実施形態に係る遠心圧縮機２について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。以下の説明で単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」と言うときには、遠心圧縮機２のインペラ５Ａ，５Ｂの回転の軸方向、径方向、周方向を意味するものとする。

図１は本実施形態の遠心圧縮機２が適用されるガスタービン１を示す断面図である。図２は、遠心圧縮機２の下流側の部分を示す一部破断斜視図である。ガスタービン１では、吸入口Ｐ１から吸入された空気Ａが遠心圧縮機２によって圧縮され燃焼器３に供給される。遠心圧縮機２は、例えば多段構造であり、本実施形態では、例えば回転軸５０に設けられた二段のインペラ５Ａ，５Ｂと、インペラ５Ａ，５Ｂを収納すると共に、燃焼器３が設けられたハウジング４とを備えている。

ハウジング４は、アウターケーシング４ａとインナーケーシング４ｂとを備えている。アウターケーシング４ａは、主にインペラ５Ａ，５Ｂを収納する。インナーケーシング４ｂは、アウターケーシング４ａ内に配置され、燃焼器３が設置されると共に、回転軸５０を支持する。

ハウジング４には、吸入口Ｐ１から引き込んだ空気Ａをインペラ５Ａに導入する吸入流路１１と、インペラ５Ａの周囲に配置された前段のディフューザ流路１２と、ディフューザ流路１２に接続されたリターン流路１３とが設けられている。前段のディフューザ流路１２には前段の複数のディフューザベーン２０が設置されており、リターン流路１３には、複数のリターンガイドベーン（ＲＧＶ）２１が設置されている。また、ハウジング４には、インペラ５Ｂの周囲に配置された後段のディフューザ流路１５が設けられている。後段のディフューザ流路１５には後段の複数のディフューザベーン２２が配置されている。

更に、ハウジング４には、ディフューザ流路１５の下流側に接続されたガイド流路１６と、ガイド流路１６の下流側に接続された環状流路１８と、が設けられている。ガイド流路１６は屈曲形状をなし、ディフューザ流路１５からの空気Ａを案内して、空気Ａの流動の径方向成分を軸方向成分に変換する。すなわち、ディフューザ流路１５から径方向外側に向けて吐出される空気Ａは、ガイド流路１６の案内により軸方向に屈曲し、環状流路１８に導入される。

環状流路１８はインペラ５Ａ，５Ｂと同心の円環断面をなし軸方向に延びている。環状流路１８の入口には複数のアウトレットガイドベーン（ＯＧＶ）２３が配置されている。なお、各ディフューザベーン２２及び各ＯＧＶ２３は、インナーケーシング４ｂに設けられている。環状流路１８は、アウターケーシング４ａとインナーケーシング４ｂとの間の空間として形成されている。

更に、ハウジング４には、環状流路１８からの空気Ａを外方（回転軸線Ｌから離れる方向）に向けて送出する排出流路１９が設けられている。ハウジング４のインナーケーシング４ｂには、燃焼器３の外壁である円筒状の内胴部７ｂが設けられている。アウターケーシング４ａには、内胴部７ｂを囲む円筒状の外胴部７ａが、内胴部７ｂと同心に設けられている。このような内胴部７ｂと外胴部７ａとの間に形成される空間が上記排出流路１９である。

排出流路１９は、環状流路１８の周方向の一部に接続されており、環状流路１８と交差する方向に延在している。環状流路１８と交差する方向とは、環状流路１８を通過する空気Ａの流れ方向に対して交差する方向を意味している。排出流路１９の中心線Ｌ１は、回転軸線Ｌに平行ではなく、且つ回転軸線Ｌとは交差しない。本実施形態においては、中心線Ｌ１は、回転軸線Ｌに直交する平面内に存在する。排出流路１９は、内胴部７ｂの上端に設けられた排出口Ｐ２を介して燃焼器３である内胴部７ｂ内に連通しており、燃焼器３に空気Ａを供給する。排出流路１９の終端部分には、螺旋流を形成するスワーラ２４が設けられている。

ガスタービン１の運転中においては、回転軸５０の回転によってインペラ５Ａ，５Ｂが回転軸線Ｌ周りに回転する。回転するインペラ５Ａは、吸入流路１１を通じて外部の空気Ａを吸入しディフューザ流路１２に排出する。これにより空気Ａが圧縮される。次に、回転するインペラ５Ｂは、ディフューザ流路１２及びリターン流路１３を通過した空気Ａを吸入し後段のディフューザ流路１５に排出する。これにより空気Ａが更に圧縮される。ディフューザ流路１５を通過した空気Ａは、ガイド流路１６に進入する。ガイド流路１６は、ディフューザ流路１５からの空気Ａを軸方向に屈曲させて環状流路１８に送出する。

環状流路１８に進入した空気Ａは、各ＯＧＶ２３に案内されて流れ方向が整えられる。環状流路１８を流動する空気Ａは、いずれ排出流路１９に到達し、排出流路１９内を通過する。排出流路１９を通過する空気Ａは、内胴部７ｂの上端に設けられた排出口Ｐ２を通過し、燃焼器３に供給される。

燃焼器３は、排出口Ｐ２から受け入れた空気Ａに燃料を混ぜ合わせて燃焼する。燃焼器３は、燃焼して得られた高温高圧の燃焼ガスＢを燃焼ガス流路３０を介してタービン部（不図示）に供給する。タービン部は、燃焼器３から供給された高温高圧の燃焼ガスＢによって回転軸５０を回転させる。またこのとき、インペラ５Ａ，５Ｂが回転することで、上記燃焼ガスＢのエネルギーの一部を用いて、遠心圧縮機２での空気Ａの圧縮が行われる。

以下の説明では、図３に示されるように、回転軸線Ｌを中心とするθ座標系を設定して、遠心圧縮機２の各部位の周方向位置をθ座標で表す場合がある。この場合、環状流路１８のインナーケーシング４ｂ側の流路壁面を含む仮想円柱面Ｓと中心線Ｌ１との交点Ｃ１のθ座標を０°として、図３の時計回りをプラス、反時計回りをマイナスのθ座標で表す。

上記のような遠心圧縮機２において、環状流路１８及び排出流路１９は、回転軸線Ｌに対して非軸対称の構造をなしている。この構造の非軸対称性に起因して、環状流路１８の入口（ＯＧＶ２３が設けられた領域）においても非軸対称の流れ場が形成される。すなわち、環状流路１８の入口の静圧は、周方向で不均一になり、本発明者らのシミュレーションによれば排出流路１９に近い位置（θ＝０に近い位置）が低圧になる。このような非軸対称な流れ場が上流側に伝播すると、ディフューザ流路１５及びインペラ５Ｂの流れ場にも非軸対称性が現われ、遠心圧縮機２の安定作動域を減少させる要因になり得る。この対策として、本実施形態の遠心圧縮機２は、次に説明するような構造のガイド流路１６を備える。

図４は、回転軸線Ｌを含む断面上でのガイド流路１６近傍の断面形状を示す図である。本実施形態のガイド流路１６においては、このような断面上におけるガイド流路１６のハブ面１６ｈの曲率半径Ｒｈが、周方向において一定ではない。具体的には、図４に示されるように、排出流路１９に近い位置（θ＝０に近い位置）のハブ面１６ｈの曲率半径Ｒｈが、他の位置のハブ面１６ｈの曲率半径Ｒｈよりも大きくなっている。以下、上記のような、θ＝０に近い位置のハブ面１６ｈと、他の位置のハブ面１６ｈと、を区別する場合には、前者を「ハブ面１６ｈ０」、後者を「ハブ面１６ｈ１」と呼ぶ。図４中の破線はθ＝０の位置のハブ面１６ｈ０を示し、当該ハブ面１６ｈ０の曲率半径をＲｈ０で示している。図４中の実線は他の位置（例えば、θ＝＋９０°の位置，θ＝－９０°の位置，θ＝１８０°の位置など）のハブ面１６ｈ１を示し、当該ハブ面１６ｈ１の曲率半径をＲｈ１で示している。

排出流路１９に近い位置（θ＝０に近い位置）とは、例えばθ＝０±６０°の位置範囲であり、θとＲｈとの間には図５のグラフに示されるような関係がある。図に示されるように、θ＝０±６０°の位置範囲において、ハブ面１６ｈの曲率半径Ｒｈが他の範囲よりも大きくなっており、この範囲内において、θ＝０の位置に極大値を持つように曲率半径Ｒｈが徐々に変化する。θ＝０±６０°の位置以外の範囲では、ハブ面１６ｈの曲率半径Ｒｈが一定である。なお、図４に示されるように、ガイド流路１６の入口１６ａの位置、流路幅及び形状は、θに依存せず周方向において一定である。また、ガイド流路１６のシュラウド面１６ｓの位置及び形状も、θに依存せず周方向において一定である。

この構造によって、図４に示されるように、ガイド流路１６の出口１６ｂにおける径方向の流路幅９１は、周方向で不均一であり、排出流路１９に近い位置（θ＝０に近い位置）において、他の位置よりも狭くなっている。図６は、ガイド流路１６の出口１６ｂにおけるハブ面１６ｈ及びシュラウド面１６ｓを軸方向の視線で見たときの形状を模式的に示す図である。図６にも示されるように、θ＝０に近い位置においてハブ面１６ｈ０が径方向外側に膨らんでおり、当該位置の流路幅９１が他の部分よりも狭くなるといったように、流路幅９１は周方向で不均一である。

この構成の遠心圧縮機２においては、θ＝０に近い位置において、ガイド流路１６の入口１６ａから出口１６ｂまでの流路断面積の増加は比較的小さい。このため、入口１６ａから出口１６ｂまでの空気Ａの静圧回復は比較的緩やかであり、入口１６ａと出口１６ｂとの静圧差は比較的小さい。すなわち、θ＝０に近い位置においては、入口１６ａの静圧は出口１６ｂの静圧よりも低く、その静圧差は比較的小さい。これに対し、θ＝０に近い位置以外においては、ガイド流路１６の入口１６ａから出口１６ｂまでの流路断面積の増加は比較的大きい。このため、入口１６ａから出口１６ｂまでの空気Ａの静圧回復は比較的急であり、入口１６ａと出口１６ｂとの静圧差は比較的大きい。すなわち、θ＝０に近い位置以外においては、入口１６ａの静圧は出口１６ｂの静圧よりも低く、その静圧差は比較的大きい。また、前述したとおり、出口１６ｂの静圧は、θ＝０に近い位置において低く、θ＝０に近い位置以外において高い傾向にある。

以上により、ガイド流路１６の入口１６ａにおける周方向の静圧差は、出口１６ｂにおける周方向の静圧差よりも低減されることになる。すなわち、出口１６ｂにおける静圧の周方向での不均一性（非軸対称性）が緩和されて入口１６ａに伝播されることになり、その結果、入口１６ａにおける流れ場の非軸対称性が緩和される。従って、ディフューザ流路１５及びインペラ５Ｂにおける流れ場の軸対称性が向上し、ひいては、更に上流側における流れ場の軸対称性も向上する。以上の結果、環状流路１８及び排出流路１９の構造の非軸対称性に起因する、遠心圧縮機２の安定作動域の減少が抑えられる。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態について説明する。図７に示されるように、本実施形態の遠心圧縮機は、第１実施形態のガイド流路１６に代えて、ガイド流路１６’を備えている。ガイド流路１６’以外の構成については、本実施形態の遠心圧縮機は第１実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。また、ガイド流路１６’について、ガイド流路１６と同一又は同等の構成要素には図面に同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態の遠心圧縮機においては、ガイド流路１６’のシュラウド面１６ｓの曲率半径Ｒｓが、周方向において一定ではない。具体的には、図７に示されるように、排出流路１９に近い位置（θ＝０に近い位置）のシュラウド面１６ｓの曲率半径Ｒｓが、他の位置のシュラウド面１６ｓの曲率半径Ｒｓよりも小さくなっている。以下、上記のような、θ＝０に近い位置のシュラウド面１６ｓと、他の位置のシュラウド面１６ｓと、を区別する場合には、前者を「シュラウド面１６ｓ０」、後者を「シュラウド面１６ｓ１」と呼ぶ。図７中の破線はθ＝０の位置のシュラウド面１６ｓ０を示し、当該シュラウド面１６ｓ０の曲率半径をＲｓ０で示している。図７中の実線は他の位置（例えば、θ＝＋９０°の位置，θ＝－９０°の位置，θ＝１８０°の位置など）のシュラウド面１６ｓ１を示し、当該シュラウド面１６ｓ１の曲率半径をＲｓ１で示している。

排出流路１９に近い位置（θ＝０に近い位置）とは、例えばθ＝０±６０°の位置範囲であり、θとＲｓとの間には図８のグラフに示されるような関係がある。図に示されるように、θ＝０±６０°の位置範囲において、シュラウド面１６ｓの曲率半径Ｒｓが他の範囲よりも小さくなっており、この範囲内において、θ＝０の位置に極小値を持つように曲率半径Ｒｓが徐々に変化する。θ＝０±６０°の位置以外の範囲では、シュラウド面１６ｓの曲率半径Ｒｓが一定である。なお、図７に示されるように、ガイド流路１６’の入口１６ａの位置、流路幅及び形状は、θに依存せず周方向において一定である。また、ガイド流路１６’のハブ面１６ｈの位置及び形状も、θに依存せず周方向において一定である。

以上のようなガイド流路１６’によっても、図７に示されるように、ガイド流路１６’の出口１６ｂにおける径方向の流路幅９１は、周方向で不均一であり、排出流路１９に近い位置（θ＝０に近い位置）において、他の位置よりも狭くなる。よって、このガイド流路１６’を備える遠心圧縮機においても、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、第１実施形態のガイド流路１６のハブ面１６ｈと第２実施形態のガイド流路１６’のシュラウド面１６ｓとを両方とも組み合わせて採用してもよい。

１ ガスタービン
２ 遠心圧縮機
３ 燃焼器
５Ａ，５Ｂ インペラ
１２ ディフューザ流路
１５ ディフューザ流路
１６，１６’ ガイド流路
１６ｂ 出口
１６ｈ，１６ｈ０，１６ｈ１ ハブ面
１６ｓ，１６ｓ０，１６ｓ１ シュラウド面
１８ 環状流路
１９ 排出流路
９１ 流路幅
Ａ 空気（気体）
Ｌ 回転軸線

Claims (3)

1. ガスタービンに用いられ気体を圧縮して燃焼器に送る遠心圧縮機であって、
   インペラと、
   前記インペラの周囲に設けられたディフューザと、
   前記ディフューザの下流側に接続され前記ディフューザから前記インペラの回転径方向の外側に向けて吐出される気体の流動の径方向成分を軸方向成分に変換する屈曲形状のガイド流路と、
   前記ガイド流路の下流側に接続され前記インペラと同心の円環断面をなす環状流路と、
   前記環状流路からの前記気体を前記インペラの回転軸線から離れる方向に送出する排出流路と、を備え、
   前記環状流路及び前記排出流路は、前記回転軸線に対して非軸対称の構造をなしており、
   前記ガイド流路の出口の前記径方向の流路幅は、前記インペラの回転周方向において不均一であり、前記排出流路に近い部分の前記流路幅が他の部分の前記流路幅よりも小さくなっている、遠心圧縮機。
2. 前記インペラの前記回転軸線を含む断面上における前記ガイド流路のハブ面の曲率半径が、前記排出流路に近い部分において他の部分よりも大きくなっている、請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記インペラの前記回転軸線を含む断面上における前記ガイド流路のシュラウド面の曲率半径が、前記排出流路に近い部分において他の部分よりも小さくなっている、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。

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