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特許6185783軸流圧縮機、軸流圧縮機を備えたガスタービンおよび軸流圧縮機の改造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6185783
(24)【登録日】2017年8月4日
(45)【発行日】2017年8月23日
(54)【発明の名称】軸流圧縮機、軸流圧縮機を備えたガスタービンおよび軸流圧縮機の改造方法
(51)【国際特許分類】
F04D 29/56 20060101AFI20170814BHJP
【ＦＩ】
F04D29/56 C
F04D29/56 D
【請求項の数】13
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2013-156261(P2013-156261)
(22)【出願日】2013年7月29日
(65)【公開番号】特開2015-25428(P2015-25428A)
(43)【公開日】2015年2月5日
【審査請求日】2016年5月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】武田 洋樹
(72)【発明者】
【氏名】高橋 康雄
(72)【発明者】
【氏名】明連 千尋
【審査官】
岩田 健一
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０７４４５４２６（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
米国特許出願公開第２０１２／００４５３１２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０１１−１３７４５４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０４Ｄ ２９／５６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸であるロータと、前記ロータに取付けられた複数の動翼と、前記ロータ及び前記動翼を覆う圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシングに取り付けられた複数の静翼とを備え、前記動翼および前記静翼がそれぞれ前記回転軸の周方向に複数枚配置されて動翼列および静翼列が形成され、前記動翼列および前記静翼列が前記回転軸の軸方向に複数列配置された軸流圧縮機であって、
前記静翼が翼部を支持するための土台であるダブテイルを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝が前記圧縮機ケーシングに形成され、一つの前記ダブテイル溝に、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられており、
一つの前記ダブテイル溝に、前記回転軸の軸方向に複数の前記ダブテイルが挿入され、
前記回転軸の軸方向に並んだ前記ダブテイルには、それぞれ互いに対向する側面にダブテイルキー溝が向かい合うように形成され、向かい合う２つの前記ダブテイルキー溝に跨るダブテイルキーが挿入されていることを特徴とする軸流圧縮機。
前記静翼が翼部を支持するための土台であるダブテイルを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝が前記圧縮機ケーシングに形成され、一つの前記ダブテイル溝に、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられており、
一つの前記ダブテイル溝に、前記回転軸の軸方向に複数の前記ダブテイルが挿入され、
前記回転軸の軸方向に並んだ前記ダブテイルには、それぞれ互いに対向する側面にダブテイルキー溝が向かい合うように形成され、向かい合う２つの前記ダブテイルキー溝に跨るダブテイルキーが挿入されていることを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項2】
回転軸であるロータと、前記ロータに取付けられた複数の動翼と、前記ロータ及び前記動翼を覆う圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシングに取り付けられた複数の静翼とを備え、前記動翼および前記静翼がそれぞれ前記回転軸の周方向に複数枚配置されて動翼列および静翼列が形成され、前記動翼列および前記静翼列が前記回転軸の軸方向に複数列配置された軸流圧縮機であって、
前記静翼が翼部を支持するための土台であるダブテイルを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝が前記圧縮機ケーシングに形成され、一つの前記ダブテイル溝に、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられており、
前記ダブテイル溝の底面に設けられたスペーサーキー溝に嵌め込まれることで前記圧縮機ケーシングに支持されたスペーサーキーを備え、
前記回転軸の軸方向について複数の前記ダブテイルが、一つの前記ダブテイル溝に挿入され、前記スペーサーキーと前記圧縮機ケーシングとの間に形成される空間と前記ダブテイルに形成される凸部との嵌め合いを利用して前記圧縮機ケーシングに取り付けられていることを特徴とする軸流圧縮機。
前記静翼が翼部を支持するための土台であるダブテイルを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝が前記圧縮機ケーシングに形成され、一つの前記ダブテイル溝に、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられており、
前記ダブテイル溝の底面に設けられたスペーサーキー溝に嵌め込まれることで前記圧縮機ケーシングに支持されたスペーサーキーを備え、
前記回転軸の軸方向について複数の前記ダブテイルが、一つの前記ダブテイル溝に挿入され、前記スペーサーキーと前記圧縮機ケーシングとの間に形成される空間と前記ダブテイルに形成される凸部との嵌め合いを利用して前記圧縮機ケーシングに取り付けられていることを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項3】
請求項２に記載の軸流圧縮機であって、
前記回転軸の径方向について、前記スペーサーキーの内周側端の径が、前記軸流圧縮機の作動媒体の流路であるガスパスの外周側の径と同等であることを特徴とする軸流圧縮機。
前記回転軸の径方向について、前記スペーサーキーの内周側端の径が、前記軸流圧縮機の作動媒体の流路であるガスパスの外周側の径と同等であることを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項4】
請求項２に記載の軸流圧縮機であって、
前記回転軸の径方向について、前記スペーサーキーの内周側端の径が、前記軸流圧縮機の作動媒体の流路であるガスパスの外周側の径よりも大きく、
一つの前記ダブテイル溝に挿入された前記ダブテイルが前記スペーサーキーの内周側端と前記軸流圧縮機のガスパス外周の間の空間に延びていることを特徴とする軸流圧縮機。
前記回転軸の径方向について、前記スペーサーキーの内周側端の径が、前記軸流圧縮機の作動媒体の流路であるガスパスの外周側の径よりも大きく、
一つの前記ダブテイル溝に挿入された前記ダブテイルが前記スペーサーキーの内周側端と前記軸流圧縮機のガスパス外周の間の空間に延びていることを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項5】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載の軸流圧縮機であって、
一つの前記ダブテイル溝の底面に前記スペーサーキーを嵌め込むためのスペーサーキー溝を前記回転軸の軸方向について複数備えたことを特徴とする軸流圧縮機。
一つの前記ダブテイル溝の底面に前記スペーサーキーを嵌め込むためのスペーサーキー溝を前記回転軸の軸方向について複数備えたことを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項6】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸流圧縮機であって、
前記回転軸の周方向に隣接する前記静翼のチップ側を連結するシュラウドを備えたことを特徴とする軸流圧縮機。
前記回転軸の周方向に隣接する前記静翼のチップ側を連結するシュラウドを備えたことを特徴とする軸流圧縮機。
【請求項7】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸流圧縮機と、前記軸流圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項8】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸流圧縮機の改造方法であって、
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、コード長および翼厚みを増加させた１以上の静翼に置き換えることを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、コード長および翼厚みを増加させた１以上の静翼に置き換えることを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
【請求項9】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸流圧縮機の改造方法であって、
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、複数の静翼を一体で支持するダブテイルを用いて、複数の静翼を回転軸方向の前後に近接させて配置したタンデム翼、または前置翼と前記前置翼の近傍に取り付けた前記前置翼に対して比較的翼弦長の短い翼からなるスプリッタ翼に変更することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、複数の静翼を一体で支持するダブテイルを用いて、複数の静翼を回転軸方向の前後に近接させて配置したタンデム翼、または前置翼と前記前置翼の近傍に取り付けた前記前置翼に対して比較的翼弦長の短い翼からなるスプリッタ翼に変更することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
【請求項10】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の軸流圧縮機の改造方法であって、
一つの前記ダブテイル溝に挿入された複数の前記ダブテイルを、属する静翼列の異なる２以上の静翼を一体で支持するダブテイルに変更することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
一つの前記ダブテイル溝に挿入された複数の前記ダブテイルを、属する静翼列の異なる２以上の静翼を一体で支持するダブテイルに変更することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
【請求項11】
回転軸であるロータと、前記ロータに取付けられた複数の動翼と、前記ロータ及び前記動翼を覆う圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシングに取り付けられた複数の静翼とを備え、前記動翼および前記静翼がそれぞれ前記回転軸の周方向に複数枚配置されて動翼列および静翼列が形成され、前記動翼列および前記静翼列が前記回転軸の軸方向に複数列配置された軸流圧縮機であって、前記静翼が翼部を支持するための土台であるダブテイルを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝が前記圧縮機ケーシングに形成され、一つの前記ダブテイル溝に、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられている軸流圧縮機の改造方法であって、
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、コード長および翼厚みを増加させた１以上の静翼に置き換えることを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、コード長および翼厚みを増加させた１以上の静翼に置き換えることを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
【請求項12】
回転軸であるロータと、前記ロータに取付けられた複数の動翼と、前記ロータ及び前記動翼を覆う圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシングに取り付けられた複数の静翼とを備え、前記動翼および前記静翼がそれぞれ前記回転軸の周方向に複数枚配置されて動翼列および静翼列が形成され、前記動翼列および前記静翼列が前記回転軸の軸方向に複数列配置された軸流圧縮機であって、前記静翼が翼部を支持するための土台であるダブテイルを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝が前記圧縮機ケーシングに形成され、一つの前記ダブテイル溝に、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられている軸流圧縮機の改造方法であって、
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、複数の静翼を一体で支持するダブテイルを用いて、複数の静翼を回転軸方向の前後に近接させて配置したタンデム翼、または前置翼と前記前置翼の近傍に取り付けた前記前置翼に対して比較的翼弦長の短い翼からなるスプリッタ翼に変更することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
一つの前記ダブテイル溝に取り付けられた属する静翼列が異なる２以上の前記静翼を、複数の静翼を一体で支持するダブテイルを用いて、複数の静翼を回転軸方向の前後に近接させて配置したタンデム翼、または前置翼と前記前置翼の近傍に取り付けた前記前置翼に対して比較的翼弦長の短い翼からなるスプリッタ翼に変更することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
【請求項13】
回転軸であるロータと、前記ロータに取付けられた複数の動翼と、前記ロータ及び前記動翼を覆う圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシングに取り付けられた複数の静翼と、前記静翼を支持するための土台であるダブテイルとを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝を前記圧縮機ケーシングに有し、前記動翼および前記静翼がそれぞれ前記回転軸の周方向に複数枚配置されて形成される動翼列および静翼列が前記回転軸の軸方向に複数列配置された軸流圧縮機の改造方法であって、
前記回転軸の回転軸方向について前後に並んだ前記ダブテイル溝を隔てるダブテイル溝間の隔壁を切削して複数の前記ダブテイル溝を連通するようケーシングを改造することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
前記回転軸の回転軸方向について前後に並んだ前記ダブテイル溝を隔てるダブテイル溝間の隔壁を切削して複数の前記ダブテイル溝を連通するようケーシングを改造することを特徴とする軸流圧縮機の改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、軸流圧縮機、軸流圧縮機を備えたガスタービンおよび軸流圧縮機の改造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
軸流圧縮機は、ジェットエンジンや産業用ガスタービン、気流分離装置、集塵機、真空ポンプ、風洞、プロパン酸化脱水素装置、パイプライン圧送装置等の様々な用途において、広く利用されている。軸流圧縮機は作動ガスがロータの回転軸に沿って流れる圧縮機であり、作動ガスがロータ回転軸に対して垂直方向に流れる遠心圧縮機と比較して径に対する流量が大きく、高圧力比となる。
【0003】
ガスタービンに軸流圧縮機を適用した例として、特開２００４−２７９２６号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、「各種サイクルに適用することが可能なガスタービン設備の製造方法」として、「概略設定された条件をもとに、予めガスタービン設備の主要部を設定し、主要部を基準に所望のサイクルに適した条件を得る圧縮機及びタービンの段数を設定し、主要部のうち設定した段数の圧縮機およびタービンを組み合わせて構成する。また、設定した圧縮機またはタービンの段数が、複数の所望のサイクルで異なる場合に、複数のサイクルのガスタービンの軸受け間距離を等しくするように、段数の少ないサイクルに、概略円盤状でその外周部が圧縮機またはタービンの概略環状流路の内周壁の一部となる部材を組み合わせて構成する」という技術が記載されている。
【0004】
また、圧縮機の静翼取り付け構造の例として、特開２００６−１３２５３２号公報（特許文献２）がある。特許文献２には、「ガスタービンエンジン用のステータベーン組立体であって、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンダブレットを含み、各前記ダブレットが、各ステータベーンのそれぞれの外側ステータベーンプラットフォームにおいて互いに結合された一対のステータベーンを含み、各前記ステータベーンプラットフォームが、該ステータベーン組立体の周りで少なくとも部分的に円周方向に延びる圧縮機ケーシングから延びたベーンレールに対して各前記ダブレットを摺動可能に結合するように構成されている、ステータベーン組立体」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００４−２７９２６号公報
【特許文献2】特開２００６−１３２５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
例えば、軸流圧縮機の運転時において設計時に想定された運転条件と異なる運転が行なわれる場合や出力向上等を目的に運転条件が変更される場合に、軸流圧縮機の後段側において翼の信頼性が十分に確保できなくなる場合がある。このとき、圧縮機後段翼の翼形状、翼取付け位置または翼段数の再設計により、翼の信頼性を確保できる場合がある。また、翼信頼性の問題以外にも、軸流圧縮機の設計後に新技術が開発され、軸流圧縮機の翼形状、翼取付け位置または翼段数を変更することで既設のガスタービンの出力や効率等の性能向上が見込まれる場合がある。
【0007】
一方、圧縮機ケーシングに設けられるダブテイル溝は一般に初期設計段階における静翼のハブの大きさに合わせて設計されており、ダブテイル構造を変更することは困難である。そのため、静翼の翼形状、翼取付け位置または翼段数を変更する際に、変更の自由度が制限されてしまうことがある。そこで、本発明は、静翼の翼形状、翼取付け位置または翼段数を変更する際の制限が比較的小さい軸流圧縮機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】
【0008】
本発明は、回転軸であるロータと、前記ロータに取付けられた複数の動翼と、前記ロータ及び前記動翼を覆う圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシングに取り付けられた複数の静翼とを備え、前記動翼および前記静翼がそれぞれ前記回転軸の周方向に複数枚配置されて動翼列および静翼列が形成され、前記動翼列および前記静翼列が前記回転軸の軸方向に複数列配置された軸流圧縮機であって、前記静翼が翼部を支持するための土台であるダブテイルを備え、前記ダブテイルを挿入して前記静翼を取り付けるための前記回転軸の周方向に延びるダブテイル溝が前記圧縮機ケーシングに形成され、一つの前記ダブテイル溝に、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられており、一つの前記ダブテイル溝に、前記回転軸の軸方向に複数の前記ダブテイルが挿入され、前記回転軸の軸方向に並んだ前記ダブテイルには、それぞれ互いに対向する側面にダブテイルキー溝が向かい合うように形成され、向かい合う２つの前記ダブテイルキー溝に跨るダブテイルキーが挿入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、静翼の翼形状、翼取付け位置または翼段数を変更する際の制限が比較的小さい軸流圧縮機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１の実施例の静翼取付け構造の概要図である。
【図2】ガスタービンの概要図である。
【図3】軸流圧縮機の概要断面図である。
【図4】部分負荷運転時の圧縮機段負荷の概念図である。
【図5】蒸気噴射機構を備えた燃焼器の概要図である。
【図6】蒸気噴射機構を備えたガスタービンにおける軸流圧縮機の翼負荷概念図である。
【図7】吸気噴霧機構を備えた軸流圧縮機の概要図である。
【図8】吸気噴霧機構を備えた軸流圧縮機の翼負荷概念図である。
【図9】比較例の軸流圧縮機における静翼取付け構造の断面概要図である。
【図10】比較例の軸流圧縮機における静翼取付け構造の概要図である。
【図11】第１の実施例において静翼を単段翼に変更する際の概要図である。
【図12】複数段のダブテイルに渡って単独翼を取り付ける構造の概要図である。
【図13】第１の実施例において静翼の取付け位置を変更する際の概要図である。
【図14】第１の実施例において静翼をタンデム翼に変更する際の概要図である。
【図15】第１の実施例において静翼をスプリッタ翼に変更する際の概要図である。
【図16】比較例の軸流圧縮機の圧縮機ケーシングを改造する際の概要図である。
【図17】第２の実施例における静翼取付け構造の概要図である。
【図18】第２の実施例において静翼の段数を減少させた際の概要図である。
【図19】第２の実施例において複数段の静翼を連結したシュラウドを取り付けた概要図である。
【図20】第３の実施例の静翼取付け構造の概要図である。
【図21】第４の実施例の静翼取付け構造の概要図である。
【図22】第４の実施例の静翼取付け構造に一体型ダブテイルを適用した概要図である。
【図23】第４の実施例の静翼取付け構造に他の一体型ダブテイルを適用した概要図である。
【図24】第４の実施例の静翼取付け構造の変形例を示す概要図である。
【図25】第４の実施例の静翼取付け構造の他の変形例を示す概要図である。
【図26】第５の実施例の静翼取付け構造の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施例として、ガスタービン用の軸流圧縮機の例を挙げてを説明するが、各実施例の構成はガスタービン用の軸流圧縮機以外にも当然適用可能である。
【実施例1】
【0012】
図２にガスタービン構成図の概略を示す。以下、図２を用いてガスタービンシステムの構成例について説明する。ガスタービンシステムは、空気１６を圧縮して高圧空気１６１を生成する軸流圧縮機１１と、高圧空気１６１と燃料１６２を混合して燃焼させる燃焼器１２と、高温の燃焼ガス１６３により回転駆動するタービン１３から構成されている。軸流圧縮機１１とタービン１３は回転軸１５を介して発電機１４と接続されている。
【0013】
次に、作動流体の流れについて説明する。作動流体である空気１６は軸流圧縮機１１へ流入し、軸流圧縮機１１で圧縮されて高圧空気１６１となって燃焼器１２に流入する。燃焼器１２では高圧空気１６１と燃料１６２が混合燃焼され、燃焼ガス１６３が生成される。燃焼ガス１６３はタービン１３を回転させた後、排気ガス１６５として系外部へ放出される。発電機１４は、軸流圧縮機１１とタービン１３とを連通する回転軸１５を通じて伝えられたタービン１３の回転動力により駆動される。
【0014】
また、軸流圧縮機１１の後段からは、高圧空気の一部がタービンロータ冷却空気およびシール空気として抽気され、ガスタービンの内周側流路を介してタービン１３側へ供給される。この抽気空気１６７は、冷却空気としてタービンロータを冷却しながら、タービン１３の高温燃焼ガス流路へ導かれる。この冷却空気は、タービンの高温燃焼ガス流路からタービンロータ内部へ高温ガスの漏れこみを抑制するシール空気の役割も兼ねている。
【0015】
図３に、多段の軸流圧縮機の模式図を示す。軸流圧縮機１１は、回転軸であるロータ１９と、ロータ１９に取り付けられた動翼と、ロータ１９を囲んで作動ガスを密閉するための圧縮機ケーシング２０と、圧縮機ケーシング２０に取り付けられた静翼を備える。軸流圧縮機１１にはロータ１９と圧縮機ケーシング２０により環状流路が形成されている。動翼および静翼はそれぞれ周方向に複数枚配置されて動翼列１７および静翼列１８を形成している。また、動翼列１７と静翼列１８は軸方向に交互に配列されており、１つの動翼列１７と静翼列１８とで段を構成している。
【0016】
最も上流側に配置された動翼列１７の上流側には、吸込み流量を制御するための入口案内翼２１（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）が設けられている。後側に配置された動翼列１７に流入する作動ガスの流入角（即ち迎え角）は入口案内翼２１によって制御される。軸流圧縮機１１の前段側の静翼列は、起動時の旋回失速を抑制するための可変機構を備えている。図３では可変機構を備えた静翼列１８が可変静翼列１８１の一段だけの場合を図示しているが、可変静翼列は複数段備えていてもよい。
【0017】
最終段動翼列１７１の下流側には、最終段静翼列１８２と出口案内翼２２（ＥＧＶ：Exit Guide Vane）として前側出口案内翼２２１および後側出口案内翼２２２が設けられる。ＥＧＶ２２１、２２２は環状流路内の動翼列１７が作動流体に与えた旋回速度成分のほとんど全てを軸流速度成分に転向させる目的でケーシング２０に取り付けられた静翼である。そして、ＥＧＶ２２２を出た流れを減速させながら燃焼器１２へ導入するために、ＥＧＶ２２２の下流側にはディフューザ２３が設置されている。
【0018】
なお、図３では出口案内翼２２が軸方向に２翼列取り付けられた場合を示すが、出口案内翼２２は１翼列であっても、それ以上であっても構わない。また、最終段動翼列１７１の下流側かつ最終段静翼列１８２の上流側の内周には、タービンロータ冷却空気およびシール空気として利用する抽気空気１６７を抽気するための内周抽気スリット２４が設けられている。
【0019】
軸流圧縮機１１の環状流路内に作動ガスとして流入する空気１６は、この環状流路を通過しながら、各翼列により減速、圧縮されて高温高圧の気流になる。具体的には、動翼列１７の回転により流体の運動エネルギーが増加され、空気１６は圧縮されながら軸方向に運搬される。そして、空気１６は静翼列１８で旋回方向速度成分を整流されると同時に減速され、運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されることでさらに圧縮される。
【0020】
このように、作動空気には動翼列により旋回速度が与えられるので、軸流圧縮機１１の最終段静翼列１８２への流れは約５０〜６０ｄｅｇの流入角で流入することになる。一方、空力性能向上のためには、圧縮機出口に位置するディフューザ２３へ流入する流れである高圧空気１６１は、流入角ゼロ（軸流速度成分）にすることが望ましい。そのため、最終段静翼列１８２と出口案内翼２２１、２２２から構成される静翼列で流れを約６０ｄｅｇから０ｄｅｇまで転向させることが重要となる。
【0021】
タービン１３と軸流圧縮機１１が１つの軸で連結されている１軸式ガスタービンの運転には、ガスタービンの燃焼温度を定格状態に保持して軸流圧縮機１１のＩＧＶ２１を閉じることで、ガスタービンの運用負荷領域を拡大する運転がある。このような運転においてＩＧＶ２１を閉じた場合、圧縮機の後段翼列の負荷は増加する傾向にあり、特に最終段静翼列１８２の負荷増大が懸念される。
【0022】
図４に軸流圧縮機の定格負荷運転時の段圧力比分布を示す。一般的に、軸流圧縮機の定格負荷運転時の段圧力比分布は、図４に実線で示すように、初段から最終段までほぼ線形に減少する分布である。一方で、部分負荷運転のＩＧＶ２１および可変静翼１８１を閉じた場合の段圧力比分布を点線で示す。部分負荷運転時には、ＩＧＶ２１や可変静翼１８１を有する段落では動翼への流入角が小さくなるため、段圧力比（段負荷）が小さくなる。そして、可変静翼１８１の後ろの段から最終段までの段圧力比は線形に減少する。一方、可変静翼１８１段で減少した分の圧力上昇を他の段落で補う必要があるため、必然的に後段側になるほど段圧力比（段負荷）が定格負荷運転時に比べて高くなる。
【0023】
また、図３で示した圧縮機前段側の可変静翼１８１が複数段ある場合、通常、複数段の可変静翼もＩＧＶ２１と連動して開閉される。そのため、ＩＧＶ２１を閉じた部分負荷運転時には、可変静翼列も閉じられる。したがって、可変静翼列のある段落では段仕事が低減することになるが、圧縮機全体の圧力比は変わらないので、可変静翼１８１が複数段ある場合は後段翼列の負荷が更に増大する結果となる。
【0024】
さらに、環状流路の後段側では側壁境界層が発達しているため、側壁部分では軸流速度が更に低下する。そして、その影響で静翼列の側壁部では流入角が大きくなり主流部に比べて負荷が増大する。これにより後段側翼列の側壁部では前段側の翼列よりも流れが剥離しやすい状態となる。
【0025】
そして、大気温度が低い場合には、この部分負荷運転時の後段翼列の負荷増加が顕著となり、翼列の信頼性の低下と空力性能の低下をもたらす。翼負荷が限界ラインに達すると、翼列は剥離により流体励振される。そして、翼列振動応力が許容応力値以上になると翼列が損傷する可能性が高くなる。
【0026】
一方、タービンとして高圧タービンと低圧タービンとを備え、高圧タービンと圧縮機とを繋ぐ回転軸と、低圧タービンと発電機等の負荷機器とを繋ぐ回転軸とが異なる２軸式ガスタービンがある。このような２軸式ガスタービンにおいては、部分負荷運転で高圧タービンの出力と圧縮機動力をバランスさせるために、ＩＧＶ２１等を閉じて吸込流量を低減させて圧縮機動力を小さくする運転がある。このようなＩＧＶ２１および可変静翼１８１が閉じられた運転では、上述の通り、後段翼列、特に最終段静翼列１８２の負荷が増加するため、性能および信頼性を確保することが課題となる。
【0027】
上記のようにガスタービンの軸流圧縮機１１は定格運転のみならず起動時や部分負荷時、更に大気温度変化に対応して、性能および信頼性を確保する必要がある。特に起動時、部分負荷時および低気温時には最終段静翼列１８２や出口案内翼２２の負荷が上昇するため、軸流圧縮機は、設計段階において想定される様々な運転条件において最終段静翼列１８２や出口案内翼２２の信頼性を確保した状態を保てるよう設計され、製作される。
【0028】
しかしながら、ガスタービン建設後に出力向上、効率向上またはＮＯｘ低減を目的としてガスタービンシステムの変更または運転条件が想定された範囲から外れた運転を行う必要性が発生する場合がある。
【0029】
ガスタービン本体とは別に付加的な機構を設置することでガスタービンの性能を向上する技術の第一の例として燃焼器への蒸気噴射がある。蒸気噴射機構を備えた燃焼器１２の構成について図５を用いて説明する。蒸気噴射型ガスタービンの燃焼器１２は車室２６、燃焼室２７、燃料ノズル２８および蒸気ノズル２９を有する。
【0030】
軸流圧縮機１１で圧縮された高圧空気１６１は環状の車室２６に流入し、一部は燃焼室２７の周壁の下流側に設けられた希釈孔３０から燃焼室２７内に流入する。残りの高圧空気１６１は車室２６内で燃料ノズル２８の近接位置に取り付られた蒸気ノズル２９より噴射された蒸気３１と混合され温度が低下される。車室２６内で蒸気３１と混合された圧縮空気は、スワーラ３２により旋回成分が付与され、旋回流として燃焼室２７内に流入する。スワーラ３２より燃焼室２７内に流入した蒸気と混合された圧縮空気は燃料ノズル２８から噴射された燃料１６２と混合されて燃焼し、蒸気とともに燃焼ガス１６３としてタービン１３に送られる。
【0031】
ガスタービンの運転の高効率化・高出力化には、燃焼器の燃焼温度の高温化が有効であるが、その一方で燃焼温度の上昇に伴いＮＯｘの発生量は指数関数的に上昇する。しかし、ＮＯｘは拡散火炎の局所的に温度の高い部位で発生するため、蒸気３１を燃焼器１２内に噴射することにより、燃焼器高温部の燃焼温度を低下させ、ＮＯｘを低減させることができる。また、蒸気３１を噴射することで燃焼器１２内の燃焼温度が低下するため、より多くの燃料を投入してガスタービン出力を増加させることも可能である。
【0032】
一方、蒸気噴射された燃焼器１２では、蒸気３１の噴射量の増加に伴い、軸流圧縮機１１から吐出された高圧空気１６１及び蒸気３１からなる圧縮流体の導入量が増加する。その結果、圧縮流体を燃焼器１２で燃焼させた後の燃焼ガス１６３が円滑にタービン側へ流出しにくくなり、軸流圧縮機１１の吐出圧でもある車室２６内の圧力が上昇する。すなわち、蒸気噴射量の増加に伴い、軸流圧縮機１１の圧力比が上昇することとなる。したがって軸流圧縮機１１の翼の段あたりの圧力比も上昇し、翼負荷が上昇する。
【0033】
図６に、蒸気噴射機構を備えたガスタービンにおける軸流圧縮機１１の段当たりの翼負荷を示す。蒸気噴射を行なうことによる燃焼器１２の圧力上昇の影響は軸流圧縮機１１の後段ほど顕著となり、図６に示すように蒸気噴射を行なわない場合と比較して翼負荷は後段程高くなる傾向にある。
【0034】
上述のように、蒸気噴射はＮＯｘ低減およびガスタービンの出力向上に有効な技術であり、ガスタービン本体を変更せずに蒸気噴射機構を取り付けるだけで実施することができる。このため、既設のガスタービンの出力向上やＮＯｘ低減を目的として蒸気噴射機構を新たに付加する場合がある。またガスタービン建設時に既に蒸気噴射機構を備えていた場合でも、出力が不足した場合に出力向上を目的として初期の想定よりも蒸気噴射量を増加させる要求が発生する場合がある。
【0035】
一方、ガスタービンの軸流圧縮機１１の翼は建設時に想定される運転条件において圧縮機の断熱効率が最適となるよう、また低気温時等の想定される最も過酷な運転条件においても翼の信頼性が確保できるよう最適設計がなされている。そのため、新たに蒸気噴射を増設した場合や出力向上を目的に蒸気噴射量を想定よりも増加させる場合に、軸流圧縮機１１の後段翼で信頼性を十分に確保することが困難となる場合がある。
【0036】
ガスタービン本体とは別に付加的な機構を設置することでガスタービンの性能を向上する技術の第２の例として、吸気噴霧がある。吸気噴霧は、軸流圧縮機入口に微細な液滴を噴霧する機構である。吸気噴霧された軸流圧縮機１１における作動流体の流れについて図７を用いて説明する。軸流圧縮機１１は、大気から空気１６を吸入する。大気から軸流圧縮機１１に供給される空気１６には吸気噴霧冷却装置３５によって水３６が噴霧される。噴霧水３６は高圧ポンプ３７で加圧された後、流量制御弁３８で所定の流量に調整され、吸気噴霧冷却装置３５内の噴霧ノズルで微細化されて空気１６に噴霧される。
【0037】
微細液滴の一部は軸流圧縮機１１に吸込まれる前に蒸発する。この蒸発潜熱により作動流体の温度を低下させることができる。このため大気より低温で高密度な吸込み空気を得ることができ、ガスタービンの出力を増加させられる。また、大気温度が高いほど圧縮機吸込み空気流量（質量流量）を多くする（大きな吸気冷却効果を得る）ことができる。そのため、吸気噴霧冷却装置３５を使用することにより、夏季等における出力低下を抑制し、年間を通した大気温度変動に起因するガスタービン出力の変動を抑制することができる。
【0038】
また、微細液滴のうち軸流圧縮機１１に流入する前に蒸発しきれなかった液滴は、液滴のまま軸流圧縮機１１内部へ流入する。軸流圧縮機１１の内部で液滴は動翼間および静翼間を通過しながら蒸発し、圧縮途中の作動流体の温度を低下させる。この中間冷却効果によって圧縮特性が等温圧縮に近づくため、軸流圧縮機１１の動力は低減される。その結果ガスタービンの効率が向上する。軸流圧縮機１１へ導入された液滴は、圧縮機吐出までに完全に蒸発する。作動流体は圧縮機吐出から排出される。
【0039】
図８を使用して吸気噴霧された軸流圧縮機の翼負荷について説明する。吸気噴霧された軸流圧縮機では、軸流圧縮機１１の前側段から中間段にかけて液滴が蒸発し、作動ガスの体積流量が増大する。したがって軸流圧縮機１１の前側段から中間段にかけては作動ガスの軸流方向速度が増加し、圧縮機翼に対するインシデンスは相対的に低下するため、翼負荷は低下する傾向にある。一方、蒸発が完了した後の圧縮機後段側では、吸気噴霧によって作動ガスが冷却された効果により作動ガスの密度が増加するため圧力が増加し、翼負荷が上昇する。
【0040】
上述のように、吸気噴霧はガスタービンの出力向上および圧縮機の効率向上に有効な技術であり、ガスタービン本体を変更せずに吸気噴霧機構を取り付けるだけで実施することができる。このため、既設のガスタービンの出力向上や効率向上を目的として吸気噴霧機構を新たに付加する場合がある。また、ガスタービン建設時に既に吸気噴霧機構を備えていた場合でも、夏季等に出力が不足した場合に出力向上を目的として初期の想定よりも吸気噴霧量を増加させる要求が発生する場合がある。
【0041】
一方、ガスタービンの軸流圧縮機の翼は建設時に想定される運転条件において圧縮機の断熱効率が最適となるよう、また低気温時等の想定される最も過酷な運転条件においても翼の信頼性が確保できるよう最適設計がなされている。そのため、新たに吸気噴霧機構を増設した場合や出力向上・効率向上を目的に吸気噴霧量を想定よりも増加させる場合に、圧縮機の後段翼で信頼性を十分に確保することが困難となる場合がある。
【0042】
このように、蒸気噴射機構や吸気噴霧機構を新設する場合や、蒸気噴射量や吸気噴霧量を想定よりも増加させる場合には、軸流圧縮機１１の後段において翼の信頼性が十分に確保できなくなる場合がある。また、この他にも、例えば抽気量を変更する場合やＩＧＶスケジュールを変更する場合等、ガスタービンの運用時において設計初期段階で想定された運転条件とは異なる運転が行われた場合には、軸流圧縮機１１の後段において翼の信頼性が十分に確保できなくなる場合がある。
【0043】
翼信頼性の問題以外にも、ガスタービン設計後に新たな技術が開発され、軸流圧縮機の後段翼の翼形状、翼取付け位置または翼段数を変更することで既設のガスタービンの性能向上が見込まれる場合がある。ガスタービンの性能向上が見込まれる翼変更の例としては、翼形状そのものを変更するものや、タンデム翼やスプリッタ翼等のように翼段数を変更することが考えられる。
【0044】
タンデム翼はほぼ同等の大きさの翼を回転軸方向について前後に近接させて配置する翼であり、前後翼による作動ガスへの影響が相互干渉することで双方の境界層剥離を抑制する等の効果が得られる場合がある。スプリッタ翼は前置翼に対して比較的翼弦長の短い翼を前置翼の近傍に取り付けることで前置翼の境界層剥離を抑制する等の効果が得られる場合がある。
【0045】
このように、軸流圧縮機では、設計当初に対して運転条件を変更したときに翼信頼性を確保する目的または軸流圧縮機の性能を向上させる目的で、出口案内翼２２や最終段静翼１８２を始めとする静翼の翼形状や翼取付け位置、翼列の段数を変更する必要性が発生する場合がある。しかし、比較例の軸流圧縮機の静翼取付け構造では、一般に、翼をケーシングに取り付けるための溝であるケーシングのダブテイル溝が、初期設計段階における静翼のハブの大きさに合わせて設計されている。そのため、ダブテイル形状の制限から、静翼の翼形状や、翼取付け位置または翼列の段数の変更自由度が制限される問題がある。
【0046】
ここで、比較例の軸流圧縮機３９の出口案内翼２２または静翼列１８の取付け構造について図９を用いて説明する。図９は比較例の軸流圧縮機３９の出口案内翼２２１、２２２周辺の断面図である。図９では出口案内翼２２の１段あたりの負荷を低減するために出口案内翼が２段配置されている例を示す。出口案内翼２２１、２２２は、ガスパス中に位置して作動ガスを圧縮または整流する働きをもつ翼部４１ａ、４１ｂと、翼部４１ａ、４１ｂを支持するためのアキシャルダブテイルと呼ばれる回転軸方向に突き出た凸部４２１ａ、４２１ｂを持った土台であるダブテイル４２ａ、４２ｂとが、一体として機械加工されている。一方、圧縮機ケーシング４３は、ダブテイル４２ａ、４２ｂを嵌め込むためのダブテイル４２ａ、４２ｂと概ね同形状のダブテイル溝４４ａ、４４ｂを有する。
【0047】
そして、ダブテイル４４ａの凸部４２１ａ、４２１は、それぞれダブテイル溝４４ａに設けられた凹部４４１ａ、４４１ｂに嵌め込まれている。同様に、ダブテイル４４ｂも凸部４２１ｃ、４２１ｄを有し、それぞれダブテイル溝４４ｂに設けられた凹部４４１ｃ、４４１ｄに嵌め込まれている。かくして、出口案内翼２２１、２２２は、環状流路内に落下しないよう支持されている。
【0048】
圧縮機運転時、出口案内翼２２１、２２２は作動ガスからガス曲げ力を受ける。このガス曲げ力はダブテイル４２ａ、４２ｂを介して圧縮機ケーシング４３へ伝えられる。さらにモーメントの釣り合いにより、出口案内翼２２１、２２２は回転力を受ける。ダブテイル凸部４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄは、この回転力を相殺するためにケーシングより圧縮力を受ける。このように、ダブテイル凸部４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄは、曲げ応力を受けることになるため、曲げ応力が材料強度に対して十分に余裕を持つよう設計される。
【0049】
次に、図１０を用いて比較例の軸流圧縮機３９のダブテイル形状を説明する。図１０は出口案内翼２２１、２２２のハブ部およびダブテイル４２ａ、４２ｂのガスパスに接する面を回転軸１５側から見た図である。出口案内翼２２１、２２２は取付け方向４５のように回転軸１５に対して周方向へ挿入することで圧縮機ケーシング４３に嵌め込まれる。
【0050】
ダブテイル４２ａ、４２ｂが出口案内翼２２１、２２２の翼形状に対して過剰に大きく設計されると、図９のケーシング首部４３１の幅が狭くなり、ケーシング強度が低下することが懸念される。このためダブテイル４２ａ、４２ｂの軸方向幅Ｌ１およびＬ２は出口案内翼２２１、２２２の軸方向長さＢ１、Ｂ２にフィレット幅を加えた長さが十分収まる範囲で小さく設計されており、Ｌ１およびＬ２は出口案内翼２２１、２２２の軸流方向長さと概ね同程度となる。具体的には、出口案内翼２２１、２２２の軸流方向長さＢ１およびＢ２とＬ１およびＬ２の比は例えば１．５以下である。一方、Ｄ１およびＤ２は空力的に設計された翼枚数が周方向に配置できるよう決定される。
【0051】
このように、比較例のダブテイル形状では、出口案内翼２２１、２２２の軸方向長さＢ１およびＢ２とダブテイル４２ａ、４２ｂの軸方向長さＬ１およびＬ２は概ね同程度で設計されている。そのため、既設の軸流圧縮機３９に取り付けられた静翼の翼形状や翼取付け位置、翼列の段数を変更する場合にも、出口案内翼のハブがダブテイル４２ａ、４２ｂをはみ出さないよう設計する必要があり、変更の自由度が制限される。
【0052】
本発明の第１の実施例の静翼取付け構造を図１を用いて説明する。図１のうち、（ａ）は本発明の第１の実施例を適用した出口案内翼を回転軸の回転方向に沿って見た図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施例を適用した出口案内翼を回転中心から見た図である。
【0053】
本実施例における軸流圧縮機１１は、圧縮機１１の概中心を通る回転軸１５を構成するロータ１９と、ロータ１９を覆う圧縮機ケーシング２０と、ロータ１９に取付けられた複数段の動翼列１７と、圧縮機ケーシング２０に取り付けられた複数段の静翼列１８と、軸流圧縮機１１の出口に取り付けられた複数段の出口案内翼４８、４９とを有する。
【0054】
そして、本実施例では、属する静翼列の異なる２つの静翼である出口案内翼４８、４９が一体型ダブテイル５０に取り付けられており、一体型ダブテイル５０は圧縮機ケーシング２０に固定するための凸部５０１ａ、５０１ｂを有する。また、圧縮機ケーシング２０には、一体型ダブテイル５０の凸部５０１ａ、５０１ｂを嵌め込むための凹型の溝５１１ａ、５１１ｂを持つダブテイル溝５１が形成されており、一体型ダブテイル５０を介して、属する静翼列の異なる出口案内翼４８、４９が取り付けられている。
【0055】
本実施例のように、属する静翼列の異なる２つの出口案内翼４８、４９を一体型ダブテイル５０に配置した場合、ダブテイル幅Ｌ３が翼１枚あたりの軸流方向長さＢ１に対して大きくとられる。Ｂ１とＬ３の比は例えば２以上である。本実施例の構造によれば、ダブテイル５０の軸方向幅は比較例のダブテイル４２と比較して大きくとられており、またダブテイル５０は出口案内翼４８、４９の複数段に跨っている。そのため、出口案内翼４８、４９の再設計、段数変更、取付け位置の変更を行う場合に出口案内翼の形状・出口案内翼の軸方向位置、出口案内翼の段数を比較的自由に設計可能である。
【0056】
本実施例の構成は任意の段の静翼で適用可能だが、特に軸流圧縮機の後段に設けられた出口案内翼等、中間に動翼列の段がなく連続して取り付けられている複数の静翼段に適用する事が有効である。軸流圧縮機後段の連続した前後の静翼列に属する静翼を一体のダブテイルに取り付けることで、より高い信頼性と翼形状や翼の軸方向取付位置または翼枚数の変更自由度の確保が可能である。
【0057】
また、本実施例の構成によれば、ダブテイル５１が静翼１段の軸流方向長さに対して２倍以上の軸流方向幅を持つため、軸流圧縮機運用時運転条件が設計時から変更されて圧縮機後段の静翼の翼信頼性を確保するために軸流圧縮機後段の静翼形状を変更する場合や既設の軸流圧縮機の性能を向上させるために軸流圧縮機後段の静翼形状を変更する場合に、軸方向幅を初期静翼の軸方向長さと同等程度の大きさで設計されたダブテイルと比較してダブテイルの大きさによる変更の制限が比較的小さく、翼形状や翼の軸方向取付け位置、翼枚数を変更することが容易となる。
【0058】
本実施例のダブテイル構造における翼形状の変更方法の１番目の具体例を図１１を用いて説明する。図１１のうち、（a）が変更前の構造を示し、（ｂ）が変更後の構造を示す。図１１に示すように、本実施例のダブテイル構造における翼形状の変更方法として、前後２段で設計された出口案内翼４８、４９を単段出口案内翼５２に変更する方法がある。２段の出口案内翼４８、４９を単段出口案内翼５２に変更して翼弦長および翼厚みを増加することで翼の剛性を向上させることができるため、既設のガスタービンに新たに吸気噴霧や蒸気噴射等の翼負荷に影響のある機構を追加する等して出口案内翼の翼負荷が設計時より増大した場合にも十分な信頼性を確保することが可能となる。また、翼段数を減らすことで加工工程が簡略化され、コストを低減させる効果も期待できる。
【0059】
また、この際、ダブテイル５０の周方向幅を併せて変更することが可能であるため、段あたりの翼枚数を変更することもできる。図１１（ｂ）では図１１（a）に対してダブテイル５０の周方向幅を変更し、出口案内翼の段数を１段に変更し、かつ段あたりの翼枚数を変更している。このように出口案内翼の段数を変化させることは静翼列毎にダブテイルを１つずつ持つ比較例のダブテイル構造では困難である。また、図１１では２段の出口案内翼４８、４９を１段の単段出口案内翼５２へ変更する例を示したが、反対に出口案内翼の段数を２段から３段に増加させることも可能である。
【0060】
なお、出口案内翼を一段に変更する必要性が生じた際に、ダブテイル溝が比較例のダブテイル溝４４ａ、４４ｂであった場合は、図１２に示すように、複数のダブテイル４２ａ、４２ｂを備えた一段の出口案内翼５３を形成する変更方法も考えられる。この変更方法であれば変更を必要とする既設の軸流圧縮機３９の出口案内翼２２１、２２２のダブテイルが比較例のダブテイル４２ａ、４２ｂであった場合でも、圧縮機ケーシング４３の加工なしに翼段数を変更することができる。
【0061】
本実施例のダブテイル構造における出口案内翼４８、４９の変更方法の２番目の具体例を図１３を用いて説明する。図１３のうち、（a）が変更前の構造を示し、（ｂ）が変更後の構造を示す。図１３に示すように、本実施例のダブテイル構造における翼形状の変更方法として、前側の出口案内翼４８の取付け位置を後流側へ変更する方法がある。図１３（ｂ）では図１３（ａ）に対して前側出口案内翼の取付け位置Ｌ４をＬ５（Ｌ４＜Ｌ５）に変更している。
【0062】
出口案内翼４８は、図示しないさらに前側の段の動翼によって発生する後流の影響で励振力を受けるが、例えば既設のガスタービンに新たに吸気噴霧や蒸気噴射等の翼負荷に影響のある機構を追加する場合や想定外の条件で運転を行なう場合には、出口案内翼４８が受ける励振力が増大することが懸念される。このような場合に、出口案内翼４８の静翼をより後流側に配置すれば、前側段の動翼の後流の影響を軽減し、信頼性の確保を図ることができる。なお、このように出口案内翼４８の取付け位置を変化させることは静翼１段に対してダブテイル１体を割り当てる比較例のダブテイル構造では困難である。
【0063】
本実施例のダブテイル構造における出口案内翼４８、４９の変更方法の３番目の具体例について説明する。静翼１段に対してダブテイル１体を割り当てる比較例のダブテイル構造では、出口案内翼４８、４９をタンデム翼５４、５５やスプリッタ翼５６、５７に変化させることは困難であった。
【0064】
しかし、本実施例のダブテイル構造によれば、出口案内翼４８、４９を図１４に示すようなタンデム翼５４、５５に変更することや、図１５に示すようなスプリッタ翼５６、５７に変更することができる。そして、本変更例のように出口案内翼４８、４９をタンデム翼５４、５５やスプリッタ翼５６、５７に変更することにより、出口案内翼４８、４９の翼負荷が設計時より増大した場合等に、タンデム翼前後翼５４、５５またはスプリッタ翼前後翼５６、５７の相互作用によって翼面の境界層剥離を抑制し、翼負荷を軽減させることが期待できる場合がある。
【0065】
上記以外にも、出口案内翼４８、４９におけるインシデンスを低減させるために取付角を変更する場合や、翼弦長を増加させる場合等の変更においても、本実施例のダブテイル構造は比較例のダブテイル構造と比較して翼形状の変更自由度が高い。このため、出口案内翼４８、４９の翼負荷が設計時より増大した場合や出口案内翼４８、４９の変更によって軸流圧縮機１１の性能向上が見込まれる場合等に翼の設計変更が容易であるという利点がある。
【0066】
次に図１６を用いて、既設の軸流圧縮機の出口案内翼が比較例のダブテイル構造４２ａ、４２ｂとなっていたときの改造方法を示す。図１６（ａ）は比較例のダブテイル構造４２ａ、４２ｂで２段の出口案内翼２２１、２２２を有する軸流圧縮機３９における圧縮機ケーシング４３の断面図である。圧縮機ケーシング４３ではケーシング首部４３１によって前後のダブテイル溝４４ａ、４４ｂが分断されている。そこでケーシング首部４３１を切削して除去することで、図１６（ｂ）に示すような、前後複数段の翼が取り付けられる一体型ダブテイル５０を取り付けるためのダブテイル溝５１に変更できる。
【0067】
即ち、既設の軸流圧縮機において中間に動翼列の段がなく連続して取り付けられている複数の静翼段において、複数段のケーシングのダブテイル溝を連通するよう加工することで、既設の静翼ダブテイル２段ないし３段分に相当する比較的大きいダブテイルを取り付けられるようケーシングを加工することができる。そのため、既設の軸流圧縮機においても容易に一体型ダブテイルを取り付けることが可能となり、翼形状、翼の軸方向取付位置、翼枚数の変更が容易となる。
【0068】
ケーシング首部４３１を切削した際の切削面は図１６（ｂ）のようにダブテイル溝５１の底面と同じ高さとしてもよいが、ダブテイル溝底面よりもわずかに深く掘り込んでもよい。ケーシング首部４３１をダブテイル溝底面よりわずかに深く掘り込むことで切削公差により生じたわずかな凹凸がダブテイル５０の底面と干渉して挿入を阻害するといった事態を未然に防ぐことができる。
【0069】
なお、本例では既設の軸流圧縮機３９の出口案内翼が比較例のダブテイル４２ａ、４２ｂとなっていたときの改造方法を示したが、初期設計時からあらかじめダブテイル溝を図１６（ｂ）のように複数段にわたって一体のダブテイル５０を取り付けられる形状としておくことが望ましい。
【0070】
なお、本実施例では初期設計段階において軸方向に２段分の翼列を一体としたダブテイル構造を例に示したが、２段以上の翼列を一体のダブテイル構造としてもよい。この場合、ダブテイル幅に対してダブテイルをケーシングで支える面積が小さくなるためダブテイルの強度には注意が必要となるが、例えば１段あたりの翼弦長を１．５倍にして翼段数を３段から２段に変更するといった変更も可能となり、２段分を一体としたダブテイル構造より再設計の自由度はさらに向上する。
【0071】
また、本実施例では、前後２段の出口案内翼４８、４９を一体型ダブテイル５０で保持する例について説明したが、ケーシングに取り付けられる複数段の静翼１８であれば、一体型ダブテイル５０の適用先は出口案内翼に限定されるものではなく、最終段静翼と出口案内翼や、その他の段の静翼のダブテイルとしても適用可能である。
【実施例2】
【0072】
本発明の第２の実施例について説明する。なお、軸流圧縮機全体の基本的な構成や動作原理は第１の実施例と同様のため、重複する部分については詳細な説明を省略する。まず、本実施例に係る軸流圧縮機の静翼取付け構造について図１７を用いて説明する。
【0073】
第１の実施例の一体型ダブテイル５１は複数段の静翼である出口案内翼４８、４９がそれぞれ一枚ずつ取り付けられたものであった。これに対し、本実施例の一体型ダブテイル６１では、出口案内翼４８、４９がそれぞれ周方向についても複数枚取り付けられている。さらに、本実施例では、各段において複数枚の出口案内翼４８、４９を連結するシュラウド６２ａ、６２ｂが出口案内翼４８、４９のチップ側に取り付けられている。また、シュラウド６２ａ、６２ｂの内周がガスパスの内周面４０に接触しないよう、ガスパスの内周面４０にはシュラウド溝６５ａ、６５ｂが形成されている。
【0074】
ガスタービンの動翼１７、ＩＧＶ２１、静翼１８および出口案内翼４８、４９は作動ガス１６２の乱れ等によりランダムな加振力を受ける。しかし、本実施例の出口案内翼４８、４９のようにダブテイル６１およびシュラウド６２によって複数枚の翼の両端を連結した構造とすることにより、出口案内翼４８、４９に加わるランダムな加振力が連結された複数枚の翼の相互作用により相殺される。この結果、出口案内翼４８、４９に加わる振動応力が低下するため、出口案内翼４８、４９の信頼性が向上する。
【0075】
さらに、翼信頼性の問題として隣接する翼がある特定の位相差で振動した場合、隣接する翼の振動による生じた圧力変動が翼振動を助長することで翼振動が急激に成長する翼列フラッタが生じる可能性がある。しかし、本実施例の出口案内翼４８、４９では翼間の振動位相差は固定されるため、翼列フラッタが抑制され、出口案内翼４８、４９の信頼性が向上する。
【0076】
また本実施例の構造は、ダブテイル６１の軸方向幅は比較例のダブテイルの軸方向幅と比較して大きく、またダブテイル６１は複数段に跨っているため、出口案内翼４８、４９の再設計や段数変更、取付け位置の変更を行う場合の制限が小さく、比較的自由に設計することが可能である。
【0077】
本実施例の構造を適用した軸流圧縮機における出口案内翼４８、４９の１番目の変更方法の具体例を図１８を用いて説明する。図１８のうち、（a）が変更前の構造を示し、（ｂ）が変更後の構造を示す。例えば図１８に示すように前後２段で設計された出口案内翼４８、４９を単段出口案内翼５２に変更する方法がある。具体的には、図１８（a）の翼段数を１段に変更し、かつ段あたりの翼枚数を変更して図１８（ｂ）の構成としている。本変更方法では第一の実施例の１番目の変更例と同様の効果として、翼弦長および翼厚みを増加させて翼の剛性を向上させることができる。また、翼段数を減らすことで加工工程が簡略化され、コストを低減させる効果も期待できる。
【0078】
このように出口案内翼４８、４９の段数を変化させることは静翼１段に対してダブテイル１体を割り当てる比較例のダブテイル４２ａ、４２ｂでは困難である。また、本変更例では出口案内翼４８、４９の段数を２段から１段へ変更する例を示したが、本実施例の構造を用いれば出口案内翼４８、４９の段数を２段から３段に増加させることも可能である。
【0079】
また、出口案内翼４８、４９複数枚に渡ってチップを連結するようにシュラウド６２ａ、６２ｂを取り付けた本実施例の構造では、シュラウド６２ａ、６２ｂとガスパスの内周側との間に間隙６８が存在する。間隙６８では、出口案内翼４８、４９後流の高圧側から前側の低圧側へ作動ガスの漏れ流れ６９が発生するため、圧力比の低下や、漏れ流れ６９が主流に混入する際に主流が乱されることによる圧縮機断熱効率の低下が生じる問題がある。この点について、本変更例では、出口案内翼４８、４９を翼弦長を増加させた１段の静翼５２に置き換えることで間隙６８の流路長を増加させることができる。そのため、漏れ流れ６９の流量を低減し、圧力比や圧縮機断熱効率の低下を軽減できる。
【0080】
なお、本実施例の構造においても、第１の実施例で２番目の変更例として説明した翼の取付け位置の変更や３番目の変更例として説明したタンデム翼またはスプリッタ翼への変更が可能である。この場合、第２の実施例の変更においても第１の実施例で説明したのと同様の効果が期待できる。
【0081】
第２の実施例における軸流圧縮機の派生形として、図１９に示すように出口案内翼４８、４９を周方向に複数枚および軸方向に複数段連結した一体型シュラウド７２を採用することもできる。属する静翼列の異なる２以上の静翼のチップ側を連結する一体型シュラウド７２を採用することにより、図１７に示した出口案内翼４８、４９が複数段ある場合でも各段に別個にシュラウド６２ａ、６２ｂを取り付ける構造と比較して、シュラウドとガスパスの内周側との間隙６８の流路長を増加することができる。これにより、漏れ流れ６９の流量を低減し、圧力比および圧縮機断熱効率の低下を軽減できる。
【実施例3】
【0082】
本発明の第３の実施例を図２０を用いて説明する。なお、軸流圧縮機全体の基本的な構成や動作原理は第１の実施例や第２の実施例と同様のため、重複する部分については詳細な説明を省略する。
【0083】
本実施例におけるダブテイル溝５１は第１の実施例および第２の実施例におけるダブテイル溝５１と同じのものを想定しており、出口案内翼４８、４９の複数段を一つのダブテイル溝５１に嵌め込めるだけの十分な軸方向の溝幅を備えている。一方、本実施例では、出口案内翼４８、４９の各段を別個に支持するダブテイル７７、７８を備えており、回転軸方向に並んだダブテイル７７、７８は共に一つのダブテイル溝５１に挿入されている。
【0084】
そして、回転軸方向に並んだダブテイル７７、７８には、それぞれ互いに対向する側面にダブテイルキー溝７６ａ、７６ｂが向かい合うように形成されている。具体的には、前側出口案内翼ダブテイル７７は軸流方向の後流側にダブテイルキー溝７６ａを持ち、後側出口案内翼ダブテイル７８は軸流方向の前側にダブテイルキー溝７６ｂを持つ。そして、前後翼のダブテイルキー溝７６ａ、７６ｂを向かい合わせて形成される長方形の空間には、ダブテイルキー溝７６ａ、７６ｂに跨るダブテイルキー７５が挿入されている。
【0085】
このように本実施例の軸流圧縮機では、出口案内翼ダブテイル７７、７８が、ダブテイル溝５１の凹型溝５１１ａ、５１１ｂとダブテイル凸部７７１、７８１の嵌め合いと、ダブテイルキー溝７６ａ、７６ｂとダブテイルキー７５の嵌め合いにより保持されることで、出口案内翼４８、４９が落下しないよう支持されている。
【0086】
本実施例の構成によれば、ダブテイル溝形状５１の軸方向幅の範囲内で、出口案内翼ダブテイル７７、７８の軸方向幅を任意に変更可能である。また、ダブテイル溝形状５１は第１の実施例や第２の実施例と同様のため、出口案内翼４８、４９の再設計、段数変更、取付け位置変更を行う場合に、一体型ダブテイル５０を用いて更なる設計自由度を確保することもできる。さらに、本実施例では図２０（ｂ）に示すように、ダブテイル７７、７８の周方向幅を異ならしめることにより、前側出口案内翼４８と後側出口案内翼４９の翼枚数が異なる軸流圧縮機を実現できる。このように、本実施例の構成では翼枚数の自由度も向上させることができる。
【実施例4】
【0087】
本発明の第４の実施例を図２１を用いて説明する。なお、軸流圧縮機全体の基本的な構成や動作原理は第１乃至第３の実施例と同様のため、重複する部分については詳細な説明を省略する。
【0088】
本実施例では、複数段の出口案内翼２２１、２２２はそれぞれ、側面に凸部４２１ａおよび４２１ｂを持つダブテイル４２ａ、側面に凸部４２１ｃ、４２１ｄを持つダブテイル４２ｂに取り付けられている。すなわち、出口案内翼およびダブテイルは図９に示した比較例の出口案内翼２２１、２２２およびダブテイル４２ａ、４２ｂと同じものである。
【0089】
一方、本実施例のダブテイル溝８１の底面には、スペーサーキー８２を嵌め込むために、さらにＴ字型に掘り込まれたスペーサーキー溝８１２が形成され、スペーサーキー溝８１２にはスペーサーキー８２が挿入されている。また、ダブテイル溝８１は、ダブテイルの凸部４２１ａ、４２１ｄを側面に嵌め込むための凹部５１１ａ、５１１ｂを持つ。そして、ダブテイル４２ａ、４２ｂは、凹部５１１ａ、５１１ｂに凸部４２１ａ、４２１ｄが挿入され、スペーサーキー８２と圧縮機ケーシング２０との間に形成される空間に凸部４２１ｂ、４２１ｃが挿入されることにより、これらの嵌め合いを利用して圧縮機ケーシング２０に取り付けられている。
【0090】
なお、本実施例におけるスペーサーキー８２は内周側端の径がガスパスの外周側の径と同等となるよう設計されている。具体的には、スペーサーキー８２の内周面とガスパスの外周すなわちケーシングの内周との差はガスパスに外径に対して０．５％以下とすることが望ましい。スペーサーキー８２の内周側端の径をガスパスの外周側の径と同等とすることにより、スペーサーキー８２を利用して滑らかなガスパスを形成することができる。
【0091】
本実施例のようなダブテイル溝８１を備えた軸流圧縮機の設計変更の一例として、出口案内翼２２１、２２２を第１の実施例で説明した一体型ダブテイル５０に取付けられた静翼４８、４９に変更したときの出口案内翼周辺の構造を図２２に示す。図２２に示すように、本実施例の構造においても一体型ダブテイル５０を適用することが可能であり、静翼をダブテイルの形状を含めて容易に変更することができる。そのため、本実施例の構成によっても、一体型ダブテイル５０を適用する等して、静翼の再設計や、段数または取付け位置の変更を行う際の変更自由度を確保する事ができる。なお、第２の実施例で説明した一体型ダブテイル６１や一体型シュラウド７２の構造や、第３の実施例で説明したダブテイル７７、７８とダブテイルキー７５を用いた取り付け構造を適用することも可能である。
【0092】
なお、本実施例に適用可能な一体型ダブテイルの形状として、図２３に示すようにダブテイル底面にスペーサーキー溝８１２にも嵌め込まれるような凸部８６を取り付けたダブテイル８３とすることもできる。この場合はケーシングとダブテイル８３の接触面積が図２２に示したダブテイル５０と比較して大きくなるため、ダブテイル８３および圧縮機ケーシング８０の信頼性が向上する。
【0093】
さらに、本実施例の派生形として、図２４に示すようにダブテイル溝８４の底面にスペーサーキー溝８４１ａ、８４１ｂ、８４１ｃを軸方向に複数個設けた構造とすることもできる。本形状とすることで、出口案内翼２２１、２２２の再設計や、段数または取付け位置の変更を行う場合に、スペーサーキー８２を嵌め込むスペーサーキー溝８４１を任意に選択することが可能となり、ダブテイルの軸方向幅を適切な幅に調節することが可能となる。
【0094】
また、本実施例の他の派生形として、図２５に示すように、スペーサーキー８５の内周側の径方向位置をガスパスよりも大きくし、ガスパスを前側出口案内翼ダブテイル８７および後側出口案内翼８８で形成する構成とすることもできる。この場合、図２１に示される出口案内翼構造と比較して前後に配置される翼同士の翼間距離を短くすることができる等の点で、翼の再設計や、段数または取付け位置の変更を行う際に、より高い変更自由度を確保することができる。
【実施例5】
【0095】
本発明の第５の実施例を図２６を用いて説明する。なお、軸流圧縮機全体の基本的な構成や動作原理は第１の実施例と同様のため、重複する部分に関する詳細な説明は省略する。
【0096】
本実施例では、出口案内翼４８、４９は、それぞれ第１段ダブテイル９１ａ、９１ｂと一体に形成されており、第１段ダブテイル９１ａ、９１ｂを介して第２段ダブテイル９２に取り付けられている。第２段ダブテイル９２は、第１段ダブテイル９１ａ、９１ｂを嵌め込むためのダブテイル溝９２２ａ、９２２ｂを有しており、第１段ダブテイル９１ａ、９１ｂを介して出口案内翼４８、４９を保持している。そして、第２段ダブテイル９２はケーシング２０に形成されたダブテイル溝９３に取り付けられている。
【0097】
このように、本実施例では、出口案内翼４８、４９を取り付けた第１段ダブテイル９１が第２段ダブテイル９２のダブテイル溝９２２に周方向から挿入され、さらに第２段ダブテイル９２が圧縮機ケーシング２０のダブテイル溝９３に周方向から挿入されることにより、出口案内翼４８、４９が落下しないよう圧縮機ケーシング２０で支持されている。なお、本実施例では２段分のダブテイル溝９２２ａ、９２２ｂを備えた第２段ダブテイル９２を例に説明しているが、一段または複数段分のダブテイル溝９２２を備えた第２段ダブテイルとしても良い。
【0098】
図９に示すような各段に一つのダブテイル４２ａ、４２ｂを直接圧縮機ケーシング４３に加工されたダブテイル溝４４に嵌め込む比較例の軸流圧縮機３９では、翼のコード長の拡大や段数または取付け位置の変更をする際に、圧縮機ケーシング４３そのものの改造が必要となるため大規模な加工作業が必要となる。また、軸流圧縮機３９を分解してケーシング４３を取外してからケーシング４３の加工を実施する必要があるため、軸流圧縮機３９の運転を長時間停止する必要がある。
【0099】
これに対し、前記静翼に直接取りつけられた第１段ダブテイルを第２段ダブテイルのダブテイル溝に挿入したダブテイル構造を有する本実施例によれば、例えば運転条件の変更または付加的な機構の設置に対する信頼性確保や既設の軸流圧縮機の性能向上等を目的として、静翼の再設計や、段数または取付け位置の変更を行う場合にも、圧縮機ケーシング自体の加工は不要であり、第２段ダブテイル９２の形状を適切に変更するだけでよい。そのため、軸流圧縮機の静翼の変更が容易となる。
【0100】
また、交換用の第２段ダブテイル９２と、静翼及び第１段ダブテイルを圧縮機ケーシング２０を取り外す前に予め設計、製作しておけば、軸流圧縮機を分解してケーシング２０を取外した後は、製作した第２段ダブテイルと第１段ダブテイルを挿入して静翼を取り付ける作業だけでよいため、比較例の軸流圧縮機３９で同様の出口案内翼再設計を行った場合と比較して運転停止期間を短縮できる。
【0101】
なお、本実施例では静翼先端にシュラウドのない翼を例として説明したが、各段または複数段において周方向の複数枚の静翼を連結するように静翼のチップ側にシュラウドを取り付けた構造とすることもできる。この場合は実施例２と同様にランダム加振や翼列フラッタに対して翼の信頼性を向上させることが可能である。
【0102】
また、本実施例では例として２段の出口案内翼を第２段ダブテイルに取付けた場合を挙げたが、静翼最終段やその他の静翼でも同様の２層構造を採用したダブテイルとすることができる。
【0103】
以上のように、属する静翼列の異なる２以上の静翼が取り付けられたダブテイル溝を備えた各実施例の構成によれば、第１、第２の実施例で説明した一体型ダブテイル５０、６１や、第３の実施例で説明したダブテイルキー７５、第４の実施例で説明したスペーサーキー８２、第５の実施例で説明した第２段ダブテイル９２といった、様々な構造を用いて静翼を圧縮機ケーシングに取り付けることが可能であり、各構造への置き換えも容易である。したがって、以上に説明した各実施例の構成によれば、ダブテイル構造に起因した静翼の変更自由度の制限を抑制でき、静翼の翼形状、翼取付け位置または翼段数を変更する際の制限が比較的小さい軸流圧縮機を提供することができる。
【符号の説明】
【0104】
１１ 軸流圧縮機１２ 燃焼器
１３ タービン
１５ 回転軸
１６ 空気
１７ 動翼列
１７１ 最終段動翼列
１８ 静翼列
１８１ 可変静翼列
１８２ 最終段静翼列
１９ ロータ
２０ 圧縮機ケーシング
２１ 入口案内翼
２２ 出口案内翼
２２１ 前側出口案内翼
２２２ 後側出口案内翼
３９ 比較例の軸流圧縮機
４０ ガスパス内周面
４１ 出口案内翼翼部
４２ 出口案内翼ダブテイル
４３ 比較例の圧縮機ケーシング
４３１ ケーシング首部
４４ ダブテイル溝
４５ ダブテイル取付方向
４８ 前側出口案内翼
４９ 後側出口案内翼
５０ 複数段一体型ダブテイル
５１ 複数段一体型ダブテイル溝
５２ 単段出口案内翼
５３ 単段出口案内翼
６１ 複数段一体型ダブテイル
６２ シュラウド
６５ シュラウド溝
７２ 一体型シュラウド
７５ ダブテイルキー
７６ ダブテイルキー溝
７７ 前側出口案内翼ダブテイル
７８ 後側出口案内翼ダブテイル
８０ 軸流圧縮機ケーシング
８１ ダブテイル溝
８１２ スペーサーキー溝
８２ スペーサーキー
８３ ダブテイル
８４ ダブテイル溝
８４１ スペーサーキー溝
８５ スペーサーキー
８６ 凸部
８７ 前側出口案内翼ダブテイル
８８ 後側出口案内翼ダブテイル
９１ 第１段ダブテイル
９２ 第２段ダブテイル
９２２ 第１段ダブテイル溝
９３ ダブテイル溝