JP6010348B2 - 軸流圧縮機及びこれを備えたガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、吸気中に液滴を噴霧する軸流圧縮機及びこれを備えたガスタービンに関する。

ガスタービンは、一般的に、空気を圧縮する軸流圧縮機と、この圧縮機で生成された圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、この燃焼器で生成された燃焼ガスによって回転駆動するタービンとを備えている。例えば夏期のように大気温度（すなわち、圧縮機の吸気温度）が高くなると、吸気密度が低下し、ガスタービンの出力が低下する。そこで、これに対応するため、圧縮機の吸気中に水等の液滴を噴霧する方法が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。

圧縮機の吸気中に液滴を噴霧すると、圧縮機の吸気側で液滴が蒸発して熱を奪うので吸気温度が低下するとともに、吸気密度が上昇する。この吸気冷却効果により、ガスタービンの出力を向上させることが可能である。さらに、液滴の噴霧量を例えば吸気質量流量の２％以上と多くして、圧縮機の内部に液滴を導入させると（言い換えれば、圧縮機の吸気側で気化しきれなかった液滴が圧縮機の内部に流入すると）、圧縮機の内部で液滴が蒸発して熱を奪うので、圧縮中の空気温度が低下する。この中間冷却効果により、圧縮特性が等温圧縮に近づくので圧縮動力が低減し、ガスタービンの効率を向上させることが可能である。

上述したように圧縮機の内部に液滴が導入されて蒸発する場合は、前段側の段負荷（詳細には、圧縮機の内部で液滴が完全に蒸発する蒸発完了位置よりも上流側の翼列負荷）が減少し、後段側の段負荷（詳細には、蒸発完了位置よりも下流側の翼列負荷）が増加する。そのため、圧縮機の吸気中に液滴を噴霧した場合に（言い換えれば、圧縮機の内部に液滴を導入した場合に）最適な運転となるように、前段側の段負荷は減少分を見越して予め高めに、後段側の段負荷は増加分を見越して予め低めに設計することが望ましい。しかし、そのように設計すると、ガスタービンの起動時のように圧縮機の吸気中に液滴を噴霧しない場合に（言い換えれば、圧縮機の内部に液滴を導入しない場合に）、前段側の翼列は高負荷となる。また、一般的に、ガスタービンの起動時初期の低回転数域では、圧縮機の上流側の翼列は高負荷となりやすい。高負荷動翼では、動翼とケーシングとの間隙で発生する漏れ流れと動翼間で発生する衝撃波との干渉により、剥離領域が拡大して、失速する問題が高まる。

ここで、高負荷動翼の失速を抑制する手段として、例えば、ケーシングの内周面に動翼の周囲に位置するように環状の溝（矩形スリット）を形成したケーシングトリートメントが開示されている（例えば、特許文献２参照）。この溝は、動翼とケーシングとの間隙で発生する漏れ流れと動翼間で発生する衝撃波との干渉を抑制するようになっている。

特開２０１０−４８２１３号公報 特開２００９−２３６０６９号公報

吸気中に液滴を噴霧して内部に液滴を導入する上述の圧縮機に対し、ケーシングトリートメントを採用した（すなわち、ケーシングの内周面に前段側の動翼の周囲に位置するように溝を形成した）場合を想定すると、以下のような課題が生じる。

圧縮機の内部に流入した液滴のうち、気流に乗れた微細な液滴は、動翼間及び静翼間を通過しながら蒸発していく。一方、気流に乗れない大きな液滴は、動翼及び静翼などに衝突する。そして、動翼に衝突した液滴は、動翼の回転に伴う遠心力によって径方向外側へ吹き飛ばされて、ケーシングの内周面に到達する。そのため、ケーシングの溝内には、液滴が集積されて液膜（ドレイン）となって付着する可能性がある。また、ケーシングの溝内の液膜の付着に伴い、液膜中の不純物や大気中の不純物（ダスト）も付着する可能性がある。したがって、圧縮機の長期運転に伴い、ケーシングの溝内に液膜や不純物が付着して、動翼の失速を抑制する作用が低減する。

本発明の目的は、ケーシングの溝内の付着物を取り除くことができ、動翼の失速を抑制する作用を回復することができる軸流圧縮機及びこれを備えたガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、気体を圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体の内部に液滴が導入されて蒸発するように、前記圧縮機本体の吸気中に液滴を噴霧する噴霧器とを備え、前記圧縮機本体は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、前記ロータの外周側に設けられた複数段の動翼と、前記ケーシングの内周側に設けられた複数段の静翼とを有し、前記ケーシングの内周面に前段側の動翼の周囲に位置するように溝を形成した軸流圧縮機において、前記ケーシングに前記溝と連通する連通孔を形成し、前記溝内の付着物を取り除くために、前記連通孔を介して前記溝に高圧気体を供給するパージ系統を設け、前記連通孔は、前記溝に向かって前記圧縮機本体の軸方向下流側に傾斜する。

このような本発明においては、例えば圧縮機の停止前に吸気中に液滴を噴霧しない状態で（言い換えれば、圧縮機の内部に液滴を導入しない状態で）、パージ系統は、ケーシングの連通孔を介して溝に高圧気体を供給する。これにより、ケーシングの溝内の付着物（詳細には、例えば液膜や不純物）を取り除くことができ、動翼の失速を抑制する作用を回復することができる。したがって、例えば圧縮機の起動時に動翼の失速を抑制することができ、圧縮機の起動を安定させることができる。その結果、信頼性を高めることができる。

本発明によれば、ケーシングの溝内の付着物を取り除くことができ、動翼の失速を抑制する作用を回復することができる。

本発明の第１の実施形態におけるガスタービンの全体構成を表す概略図である。 本発明の第１の実施形態における軸流圧縮機の構造を表す軸方向断面図である。 本発明の第１の実施形態における軸流圧縮機の段負荷の軸方向分布を表す図である。 比較例として一般的な軸流圧縮機の段負荷の軸方向分布を表す図である。 本発明の第１の実施形態における軸流圧縮機のケーシングの溝及び連通孔を、パージ系統及び制御装置とともに表す図である。 図５中矢印VI方向から見た軸流圧縮機の平面図である。 本発明の第２の実施形態における軸流圧縮機のケーシングの溝及び連通孔を、パージ系統、吸引系統、及び制御装置とともに表す図である。 本発明の一変形例における軸流圧縮機のケーシングの溝及び連通孔を表す図である。 本発明の他の変形例におけるパージ系統を、軸流圧縮機の構造とともに表す図である。 本発明の第３の実施形態におけるガスタービンの全体構成を表す概略図である。

本発明の第１の実施形態を、図１〜図６を用いて説明する。

図１は、本実施形態におけるガスタービンの全体構成を表す概略図である。図２は、本実施形態における軸流圧縮機の構造を表す軸方向断面図である。なお、図２においては、一部の動翼及び静翼を省略して点線で表記している。

本実施形態のガスタービンは、作動流体である空気（気体）を圧縮する軸流圧縮機１と、この圧縮機１で生成された圧縮空気（圧縮気体）と燃料を混合して燃焼する燃焼器２と、この燃焼器２で生成された高温の燃焼ガスによって回転駆動するタービン３と、このタービン３の回転動力によって駆動する発電機４とを備えている。なお、圧縮機１、タービン３、及び発電機４は、回転軸５を介し互いに接続されている。また、燃焼ガスは、タービン３を回転させた後、排気ガスとして系外へ放出されるようになっている。

軸流圧縮機１は、空気を圧縮する圧縮機本体６と、この圧縮機本体６の吸気側（吸入側）に設けられた吸気フィルタ（図示せず）、吸気ダクト７、及び吸気プレナム８を備えている。また、吸気ダクト７内に配置された噴霧器９と、この噴霧器９に水等の液体を供給する液体供給系統１０とを備えている。なお、本実施形態では、噴霧器９を吸気ダクト７内に設けているが、吸気プレナム８内に設けてもよいし、吸気ダクト７及び吸気プレナム８の両方に設けてもよい。

圧縮機本体６は、ケーシング（静止体）１１と、このケーシング１１内に回転可能に設けられたロータ（回転体）１２とを有しており、ケーシング１１の内周面とロータ１２の外周面の間にて略円筒状の主流流路（作動流体流路）が形成されている。また、圧縮機本体６は、ロータ１２の外周側に設けられた動翼１３と、ケーシング１１の内周側に設けられた静翼１４とを有している。動翼１３は、ロータ１２の周方向に複数配設されて翼列を構成し、静翼１４は、ケーシング１１の周方向に複数配設されて翼列を構成している。動翼１３の翼列と静翼１４の翼列は、軸方向（図２中左右方向）に交互に配置されており、１組の動翼１３の翼列と静翼１４の翼列で１つの段を構成している。言い換えれば、ロータ１２の外周側には複数段の動翼１３が設けられ、ケーシング１１の内周側には複数段の静翼１４が設けられている。

初段の動翼１３の上流側には、ストラット１５及び入口案内翼（ＩＧＶ）１６が設けられている。入口案内翼１６は可変機構１７が設けられた可変翼であり、入口案内翼１６の角度変更によって吸気流量を調整可能とし、ひいてはガスタービンの負荷を調整可能としている。また、初段の静翼１４（若しくは、初段の静翼１４を含め、上流側の複数段の静翼１４であってもよい）は可変機構１７が設けられた可変翼であり、この静翼１４の角度変更によってガスタービンの起動時の旋回失速を抑制可能としている。また、最終段の静翼１４の下流側には、出口案内翼１８が設けられている。

噴霧器９は、複数の噴霧ノズルを有し、圧縮機本体６の吸気中に水等の液滴を噴霧するようになっている。これにより、圧縮機本体６の吸気側で微細な液滴が蒸発して熱を奪うので吸気温度が低下するとともに、吸気密度が上昇する（吸気冷却効果）。したがって、ガスタービンの出力を向上させる。また、噴霧器９は、液滴の噴霧量を例えば吸気質量流量の２％以上と多くして、圧縮機本体６の内部に液滴を導入させるようになっている。これにより、圧縮機本体６の内部で液滴が蒸発して熱を奪うので、圧縮中の空気温度が低下する（中間冷却効果）。したがって、圧縮特性が等温圧縮に近づくので圧縮動力が低減し、ガスタービンの効率を向上させる。なお、圧縮機本体６の内部に導入された液滴は、圧縮機本体６の吐気側（吐出側）に到達するまでに完全に蒸発するようになっている。

上述したように圧縮機本体６の内部に液滴が導入されて蒸発する場合は、前段側の段負荷（詳細には、圧縮機本体６の内部で液滴が完全に蒸発する蒸発完了位置よりも上流側の翼列負荷）が減少し、後段側の段負荷（詳細には、蒸発完了位置よりも下流側の翼列負荷）が増加する。そのため、本実施形態では、圧縮機本体６の吸気中に液滴を噴霧した場合に（言い換えれば、圧縮機本体６の内部に液滴を導入した場合に）最適な運転となるように、前段側の段負荷は減少分を見越して予め高めに、後段側の段負荷は増加分を見越して予め低めに設計している。その詳細を、図３及び図４を用いて説明する。

図３は、本実施形態における軸流圧縮機の段負荷の軸方向分布を表す図であり、図４は、比較例として一般的な軸流圧縮機の段負荷の軸方向分布を表す図である。なお、これら図３及び図４において、横軸は、圧縮機の軸方向位置（段数）を示し、縦軸は、各段における段負荷の大きさを示す。

図４中一点鎖線で示すように、一般的な軸流圧縮機では、吸気中に液滴を噴霧しない状態（言い換えれば、圧縮機の内部に液滴を導入しない状態）を想定して、ストール及びチョークが起こりにくく、定格運転時に全ての段の翼列が効率よく作動するように設計されている。すなわち、図中点線で示すストール側（高負荷側）の限界ライン及びチョーク側（低負荷側）の限界ラインから一定の余裕度（マージン）をもった段負荷の分布となるように設計されている。

ここで、例えば段負荷がチョーク側の限界ラインに達すると、翼列の圧力面側で剥離が生じる可能性が高まる。また、例えば段負荷がストール側の限界ラインに達すると、翼列の負圧面側で剥離が生じる可能性が高まる。剥離が生じた場合には、圧縮機の性能（詳細には、圧力比や効率等）が低下する。特に、段負荷がストール側の限界ラインに達して翼列の負圧面側で剥離が生じた場合には、旋回失速が発生し、サージングにつながる可能性がある。ストール側の限界ラインに対する段負荷の余裕度を増やすことは、サージング発生の余裕度であるサージマージンを増やすことにつながる。

上述した一般的な軸流圧縮機では、図４中実線で示すように、吸気中に液滴を噴霧すると（言い換えれば、圧縮機の内部に液滴を導入すると）、前段側の段負荷（詳細には、蒸発完了位置よりも上流側の翼列負荷）が減少し、後段側の段負荷（詳細には、蒸発完了位置よりも下流側の翼列負荷）が増加する。そのため、後段側の翼列でのストールの可能性が高まる。すなわち、サージマージンが減少し、サージングが発生する可能性がある。特に、液滴の噴霧量が多い場合は、サージマージンの減少度合いが大きく、サージングが発生する可能性が高まる。

そこで、図３中実線で示すように、本実施形態の軸流圧縮機では、吸気中に液滴を噴霧した状態で（言い換えれば、圧縮機１の内部に液滴を導入した状態で）、ストール及びチョークが起こりにくく、定格運転時に全ての段の翼列が効率よく作動するように設計されている。すなわち、前段側の段負荷は、液滴噴霧時の減少分を見越して予め高めに、後段側の段負荷は、液滴噴霧時の増加分を見越して予め低めに設計されている。しかし、図３中一点鎖線で示すように、吸気中に液滴を噴霧しない状態で（言い換えれば、圧縮機の内部に液滴を導入しない状態で）、前段側の動翼は高負荷となる。

ここで、上述の図１に戻り、液体供給系統１０には流量制御弁１９が設けられており、制御装置２０によって流量制御弁１９の開度が可変制御されている。本実施形態では、制御装置２０は、ガスタービンが起動して定格負荷運転に到達したときに、流量制御弁１９を閉状態から開状態に切換えて、噴霧器９による液滴の噴霧を開始するようになっている。何故なら、一般的に、ガスタービンの部分負荷運転では、圧縮機本体６の下流側の翼列負荷が増加する。そのため、圧縮機本体６の内部に液滴を導入すると、下流側の翼列負荷がさらに増加し、サージマージンが小さくなるからである。また、制御装置２０は、同様の理由から、ガスタービンの停止前の定格負荷運転時に、流量制御弁１９を開状態から閉状態に切換えて、噴霧器９による液滴の噴霧を停止するようになっている。

そして、ガスタービンの起動時のように、圧縮機本体６の吸気中に液滴を噴霧しない状態では（言い換えれば、圧縮機本体６の内部に液滴を導入しない状態では）、上述したように前段側の動翼１３は高負荷となる。高負荷動翼１３では、動翼１３とケーシング１１との間隙で発生する漏れ流れと動翼１３間で発生する衝撃波との干渉により、剥離領域が拡大して、失速の問題が高まる。特に、初段の動翼１３での失速は、下流側への影響が大きいため、圧縮機１の効率の低下に加えて、旋回失速やサージング等の問題も高まる。

そこで、本実施形態では、図５及び図６で示すように、この溝２１は、初段の動翼１３とケーシング１１との間隙で発生する漏れ流れと初段の動翼１３間で発生する衝撃波との干渉を抑制して、初段の動翼１３の失速を低減するようになっている。

しかし、ガスタービンの定格負荷運転時のように、圧縮機本体６の吸気中に液滴を噴霧した状態では（言い換えれば、圧縮機本体６の内部に液滴を導入した状態では）、ケーシング１１の溝２１内に液膜や不純物が付着する可能性がある。詳しく説明すると、圧縮機本体６の内部に導入された液滴のうち、気流に乗れた微細な液滴は、動翼１３間及び静翼１４間を通過しながら蒸発していく。一方、気流に乗れない大きな液滴（詳細には、例えば液滴同士の干渉によって生成された大きな液滴、あるいは、ストラット１５や入口案内翼１６に液滴が付着して液膜となり、この液膜の一部が飛散して生成された大きな液滴）は、初段の動翼１３などに衝突する。そして、初段の動翼１３に衝突した液滴は、動翼１３の回転に伴う遠心力によって径方向外側へ吹き飛ばされて、ケーシング１１の内周面に到達する。そのため、ケーシング１１の溝２１内には、液滴が集積されて液膜（ドレイン）となって付着する可能性がある。また、ケーシング１１の溝２１内の液膜の付着に伴い、液膜中の不純物や大気中の不純物（ダスト）も付着する可能性がある。したがって、ガスタービンの長期運転に伴い、圧縮機本体６のケーシング１１の溝２１内に液膜や不純物が付着して、初段の動翼１３の失速を抑制する作用が低減する。

そこで、本実施形態では、図５及び図６で示すように、ケーシング１１には、外周面に開口するとともに溝２１と連通する複数の連通孔２２が形成されている。また、溝２１内の付着物（詳細には、例えば液膜や不純物）を取り除くために、複数の連通孔２２を介して溝２１に高圧空気を供給するパージ系統２３が設けられている。

パージ系統２３は、パージ用圧縮機２４を有し、このパージ用圧縮機２４で生成された高圧空気（詳細には、初段の動翼１３の付近の圧縮空気より高圧な空気）を、複数の連通孔２２を介して溝２１へ供給するように構成されている。また、パージ系統２３にはパージ制御弁２５が設けられており、制御装置２０によってパージ制御弁２５の開閉が制御されている。

制御装置２０は、上述したように、ガスタービンの停止前の定格負荷運転時に（言い換えれば、定格回転数で定格負荷の状態で）噴霧器９による液滴の噴霧を停止する。その後、無負荷運転（言い換えれば、定格回転数で無負荷の状態）に移行してから、パージ用圧縮機２４を駆動するとともにパージ制御弁２５を閉状態から開状態に切換えて、パージ系統２３から連通孔２２を介して溝２１へ高圧空気を供給するようになっている（パージ制御）。

複数の連通孔２２は、ケーシング１１の周方向に所定の間隔で配置されている。なお、本実施形態では、図６で示すように、連通孔２２の断面が円形状となっている。また、本実施形態では、図６で示すように、１つの動翼１３間に対して１つの連通孔２２が配置されているが、１つの動翼１３間に対して複数の連通孔２２が配置されてもよい。

そして、図５で示すように、各連通孔２２は、溝２１に向かって圧縮機本体６の軸方向下流側（図５中右側）に傾斜している。これにより、各連通孔２２から溝２１の下流側側面に向けて高圧空気を供給することができる。したがって、圧縮機本体６内の主流の影響によって溝２１の下流側側面に付着しやすい付着物を、効果的に除去することができる。また、溝２１の下流側側面に気流を当てて溝２１内に渦流（言い換えれば、流れの乱れ）を形成することができ、溝２１内の付着物を効果的に除去することができる。

また、図６で示すように、各連通孔２２は、溝２１に向かって動翼１３の回転方向（図６中上側）に傾斜している。これにより、各連通孔２２から溝２１に供給された高圧空気の流れと動翼１３の先端の漏れ流れが相互作用して、溝２１内の付着物を効果的に除去することができる。また、仮に、各連通孔２２が溝２１に向かって動翼１３の回転方向とは反対側（図６中下側）に傾斜した場合には、各連通孔２２から溝２１に供給された高圧空気の流れと動翼１３の先端の漏れ流れとが干渉して、初段の動翼１３を流体励振させる可能性がある。本実施形態では、このような現象を回避することができる。

以上のように、本実施形態においては、ガスタービンの停止前に（言い換えれば、圧縮機１の停止前に）吸気中に液滴を噴霧しない状態で（言い換えれば、圧縮機本体６の内部に液滴を導入しない状態で）、パージ系統２３は、ケーシング１１の連通孔２２を介して溝２１に高圧気体を供給する（パージ制御）。これにより、ケーシング１１の溝２１内の付着物（詳細には、例えば液膜や不純物）を取り除くことができ、初段の動翼１３の失速を抑制する作用を回復することができる。したがって、ガスタービンの起動時（言い換えれば、圧縮機１の起動時）に初段の動翼１３の失速を抑制することができ、ガスタービンの起動（言い換えれば、圧縮機１の起動）を安定させることができる。その結果、信頼性を高めることができる。

また、本実施形態においては、ガスタービンの停止前の無負荷運転時に（言い換えれば、定格回転数で無負荷の状態で）パージ制御を行うので、例えばガスタービンの停止後にパージ制御を行う場合とは異なり、ケーシング１１の溝２１から吹き飛ばされた液滴や不純物を除去することができる。詳しく説明すると、例えばガスタービンの停止後にパージ制御を行う場合、ケーシング１１の溝２１から吹き飛ばされた液滴や不純物は、下流側の静翼１４や動翼１３に付着する可能性が高い。そして、下流側の静翼１４や動翼１３に不純物が付着すると、圧縮機１の効率やサージマージンが減少する可能性がある。一方、本実施形態では、定格回転数であるため（すなわち、流量が大きいため）、溝２１から吹き飛ばされた液滴や不純物を短時間で除去することができ、下流側の静翼１４や動翼１３への付着を抑制することができる。また、例えばガスタービンの停止前の定格負荷運転時に（言い換えれば、定格回転数で定格負荷の状態で）パージ制御を行う場合と比べ、燃料の消費量を低減することができる。なお、ガスタービンの無負荷運転では、圧縮機本体６の吐出温度が例えば２００℃以上と高く、溝２１から吹き飛ばされた液滴を圧縮機本体６の内部で完全に蒸発させることができる。

なお、上記第１の実施形態においては、連通孔２２は、図５及び図６で示すように、溝２１に向かって圧縮機本体６の軸方向下流側（図５中右側）かつ動翼１３の回転方向（図６中上側）に傾斜した場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、例えば、溝２１内の付着物を取り除く作用が小さくなるものの、連通孔２２は傾斜しなくともよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記第１の実施形態においては、連通孔２２は、図６で示すように、断面が円形状である場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば矩形状や楕円形状でもよい。また、例えばケーシング１１の外周側に環状のマニホールド（図示せず）を形成し、このマニホールドと溝２１との間で連通するように複数の連通孔２２を形成し、これらマニホールド及び連通孔２２を介して溝２１に高圧空気を供給するようにパージ系統２３を構成してもよい。こられの変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第２の実施形態を、図７を用いて説明する。本実施形態は、吸引系統を追加した実施形態である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図７は、本実施形態における軸流圧縮機のケーシングの溝及び連通孔を、パージ系統、吸引系統、及び制御装置とともに表す図である。

本実施形態では、上述したパージ系統２３だけでなく、複数の連通孔２２を介して溝２１内の付着物を吸引する吸引系統２６が設けられている。吸引系統２６は、真空ポンプ２７を有し、この真空ポンプ２７で生成された吸引力により、複数の連通孔２２を介して溝２１内の付着物を吸引するように構成されている。また、吸引系統２６には吸引制御弁２８が設けられており、制御装置２０Ａによって吸引制御弁２８の開閉が制御されている。

制御装置２０Ａは、ガスタービンが起動して定格負荷運転に到達したときに、噴霧器９による液滴の噴霧を開始する。その後、予め設定された時間間隔で、真空ポンプ２７を駆動するとともに吸引制御弁２８を閉状態から開状態に切換えて、溝２１内の付着物を吸引系統２６に吸引するようになっている（吸引制御）。

また、上記第１の実施形態の制御装置２０と同様、ガスタービンの停止前の定格負荷運転時に（言い換えれば、定格回転数で定格負荷の状態で）噴霧器９による液滴の噴霧を停止する。その後、無負荷運転（言い換えれば、定格回転数で無負荷の状態）に移行してから、パージ用圧縮機２４を駆動するとともにパージ制御弁２５を閉状態から開状態に切換えて、パージ系統２３から溝２１へ高圧空気を供給するようになっている（パージ制御）。

このように本実施形態においては、ガスタービンの運転中に（言い換えれば、圧縮機１の運転中に）吸気中に液滴を噴霧した状態で（言い換えれば、圧縮機本体６の内部に液滴を導入した状態で）、吸引系統２６は、ケーシング１１の連通孔２２を介して溝２１内の付着物を吸引する。さらに、上記第１の実施形態と同様、ガスタービンの停止前に（言い換えれば、圧縮機１の停止前に）吸気中に液滴を噴霧しない状態で（言い換えれば、圧縮機本体６の内部に液滴を導入しない状態で）、パージ系統２３は、ケーシング１１の連通孔２２を介して溝２１に高圧気体を供給する。これにより、ケーシング１１の溝２１内の付着物を取り除くことができ、初段の動翼１３の失速を抑制する作用を回復することができる。したがって、ガスタービンの起動時（言い換えれば、圧縮機１の起動時）に動翼１３の失速を抑制することができ、ガスタービンの起動（言い換えれば、圧縮機１の起動）を安定させることができる。その結果、信頼性を高めることができる。

また、本実施形態においては、ガスタービンの運転中に圧縮機本体６の吸気中に液滴を噴霧した状態で、ケーシング１１の溝２１内に付着した液膜を吸引系統２６に吸引するので、下流側の静翼１４や動翼１３のエロージョンを抑制することができる。すなわち、上述したように、圧縮機本体６の吸気中に液滴を噴霧した状態では、運転時間の経過とともに、ケーシング１１の溝２１内に液滴が集積されて液膜となって付着する可能性がある。そして、ケーシング１１の溝２１内の液膜の一部が分裂して大きな液滴となって飛散し、下流側の静翼１４や動翼１３に衝突して、エロージョンを加速させる可能性がある。また、ケーシング１１の溝２１内の液膜が動翼１３の回転と干渉して、動力を増加させる可能性がある。本実施形態では、ケーシング１１の溝２１内に付着した液膜を吸引系統２６に吸引するので、溝２１内の液膜が分裂して大きな液滴となって飛散するのを抑制することができ、エロージョンを抑制することができる。また、動力の増加を抑制することができる。

また、本実施形態においては、上記第１の実施形態と同様、各連通孔２２は、溝２１に向かって圧縮機本体６の軸方向下流側（図７中右側）に傾斜している。これにより、圧縮機本体６内の主流の影響によって溝２１の下流側側面に付着しやすい付着物を、効果的に吸引して除去することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、ケーシング１１の溝２１は、図７で示すように、断面が矩形状である（言い換えれば、上流側側面及び下流側側面が傾斜しない）場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば図８で示すように、溝２１Ａの上流側側面及び下流側側面は、溝深さ方向（図中上方向）に向かって下流側（図中右側）に傾斜してもよい。このような変形例においては、圧縮機本体６内の主流の影響によって溝２１Ａの下流側側面に付着しやすい液膜から、液滴が分裂して飛散するのを抑制することができる。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、図５及び図７で示すように、パージ用圧縮機２４で生成された高圧空気を、連通孔２２を介して溝２１へ供給するように構成されたパージ系統２３を設けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、例えば図９で示すように、圧縮機本体６には蒸発完了位置より下流側の静翼１４と動翼１３の間から抽気する抽気部２９が設けられており、この圧縮機本体６の抽気部２９で抽気された圧縮空気（詳細には、初段の動翼１３の付近の圧縮空気より高圧な空気）を、連通孔２２を介して溝２１へ供給するように構成されたパージ系統２３Ａ（パージ経路）を設けてもよい。このような変形例においては、パージ用圧縮機２４やその補器（詳細には、例えば異物の混入を抑制するためのフィルタやドレインセパレータ等）が不要となるので、運用性や配置、コストといったメリットが大きい。

また、上記第１及び第２の実施形態並びに変形例においては、初段の動翼１３に対応するように１つの溝２１を形成した場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、蒸発完了位置よりも上流側にある複数段の動翼１３にそれぞれ対応するように複数の溝２１を形成してもよい。そして、溝２１毎に複数の連通孔２２を形成し、それら連通孔２２を介して複数の溝２１に高圧空気を供給するパージ系統２３を設けてもよい。また、連通孔２２を介して複数の溝２１内の付着物を吸引する吸引系統２６を設けてもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第３の実施形態を、図１０を用いて説明する。本実施形態は、高湿分利用ガスタービンとした実施形態である。なお、本実施形態において、上記実施形態及び変形例と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１０は、本実施形態におけるガスタービンの全体構成を表す概略図である。

本実施形態のガスタービンは、軸流圧縮機１、燃焼器２、タービン３、加湿装置３０、及び再生熱交換器３１を備えている。加湿装置３０は、軸流圧縮機１で生成された圧縮空気を加湿する。再生熱交換器３１は、加湿装置３０で加湿された圧縮空気（高湿分空気）を、タービン３の排気ガスとの熱交換により加熱する。燃焼器２は、再生熱交換器３１で加熱された圧縮空気と燃料を混合して燃焼する。タービン３の排気ガスは、再生熱交換器３１で熱回収された後、系外へ放出されるようになっている。

このような高湿分利用ガスタービンでは、再生熱交換器３１により、タービン３の排気ガスのエネルギーを燃焼用の圧縮空気に回収するので、燃焼器２の燃料流量を減少させることができ、ガスタービンの効率を向上させることができる。また、加湿装置３０により、圧縮空気の湿分が増加するので、すなわち、作動流体の質量流量が増加するので、ガスタービンの出力を向上させることができる。また、加湿装置３０における圧縮空気の質量流量の増加及び温度の低下によって、再生熱交換器３１における熱回収量が増加するので、ガスタービンの効率をさらに向上させることができる。

また、高湿分利用ガスタービンでは、通常のガスタービンと比べ、圧縮機１から燃焼器２までの圧縮空気系統（詳細には、圧縮機１→加湿装置３０→再生熱交換器３１→燃焼器２）の圧力損失が大きくなる。これは、圧縮機１の全体の圧力比が高圧側で作動することを意味している。そのため、ガスタービンの起動時に前段側の動翼１３で失速しやすい状態となり、旋回失速の問題が高まる。

そこで、本実施形態では、上記第１の実施形態と同様、ケーシング１１の内周面に前段側の動翼１３の周囲に位置するように環状の溝２１が形成されている。また、上記第１の実施形態と同様、ケーシング１１には、溝２１と連通する複数の連通孔２２が形成されている。また、上述の図９で示す変形例と同様、複数の連通孔２２を介して溝２１に高圧空気を供給するパージ系統２３Ａが設けられている。このパージ系統２３Ａは、圧縮機本体６の抽気部２９で抽気された圧縮空気を、連通孔２２を介して溝２１へ供給するように構成されている。また、パージ系統２３Ａにはパージ制御弁２５が設けられており、制御装置２０Ｂによってパージ制御弁２５の開閉が制御されている。

本実施形態におけるガスタービンの停止前の動作について説明する。まず、ガスタービンの定格負荷運転時に（言い換えれば、定格回転数で定格負荷の状態で）、制御装置２０Ｂは、流量制御弁１９を開状態から閉状態に切換えて、噴霧器９による液滴の噴霧を停止する。その後、加湿装置３０への液体供給系統の流量制御弁（図示せず）を開状態から閉状態に切換えて、加湿装置３０による加湿を停止する。そして、加湿装置３０を停止してからガスタービンの出力が安定するまで運転を保持する。このとき、パージ制御弁２５を閉状態から開状態に切換えて、パージ系統２３Ａから溝２１へ高圧空気を供給する。これにより、ケーシング１１の溝２１内の付着物（詳細には、例えば液膜や不純物）を取り除くことができ、初段の動翼１３の失速を抑制する作用を回復することができる。そして、ガスタービンの出力が安定するとともに付着物の除去が完了した時点で、燃焼器２への燃料供給系統の流量制御弁（図示せず）を開状態から閉状態に切換えて、燃焼器２の燃焼を停止する。その結果、ガスタービンが停止する。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、ガスタービンの停止前に（言い換えれば、圧縮機１の停止前に）、ケーシング１１の溝２１内の付着物を取り除くことができ、前段側の動翼１３の失速を抑制する作用を回復することができる。したがって、ガスタービンの起動時（言い換えれば、圧縮機１の起動時）に前段側の動翼１３の失速を抑制することができ、ガスタービンの起動（言い換えれば、圧縮機１の起動）を安定させることができる。その結果、信頼性を高めることができる。

なお、上記第３の実施形態においては、上述の図９で示す変形例と同様、圧縮機本体６の抽気部２９で抽気された圧縮空気を、連通孔２２を介して溝２１へ供給するように構成されたパージ系統２３Ａを設けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、上記第１の実施形態と同様、パージ用圧縮機２４で生成された高圧空気を、連通孔２２を介して溝２１へ供給するように構成されたパージ系統２３を設けてもよい。また、上記第３の実施形態においては、特に説明しなかったが、上記第２の実施形態と同様、吸引系統２６を設けてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、本発明の適用対象として、ガスタービン用の軸流圧縮機を例にとって説明したが、これに限られず、産業用の軸流圧縮機に適用してもよいことは言うまでもない。

１ 軸流圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
６ 圧縮機本体
９ 噴霧器
１１ ケーシング
１２ ロータ
１３ 動翼
１４ 静翼
２０，２０Ａ，２０Ｂ 制御装置
２１，２１Ａ 溝
２２ 連通孔
２３，２３Ａ パージ系統
２４ パージ用圧縮機
２６ 吸引系統
２７ 真空ポンプ
２９ 抽気部
３０ 加湿装置
３１ 再生熱交換器

Claims (11)

1. 気体を圧縮する圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体の内部に液滴が導入されて蒸発するように、前記圧縮機本体の吸気中に液滴を噴霧する噴霧器とを備え、
   前記圧縮機本体は、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、
   前記ロータの外周側に設けられた複数段の動翼と、
   前記ケーシングの内周側に設けられた複数段の静翼とを有し、
   前記ケーシングの内周面に前段側の動翼の周囲に位置するように溝を形成した軸流圧縮機において、
   前記ケーシングに前記溝と連通する連通孔を形成し、
   前記溝内の付着物を取り除くために、前記連通孔を介して前記溝に高圧気体を供給するパージ系統を設け、
   前記連通孔は、前記溝に向かって前記圧縮機本体の軸方向下流側に傾斜したことを特徴とする軸流圧縮機。
2. 請求項１記載の軸流圧縮機において、
   前記連通孔は、前記溝に向かって前記動翼の回転方向に傾斜したことを特徴とする軸流圧縮機。
3. 気体を圧縮する圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体の内部に液滴が導入されて蒸発するように、前記圧縮機本体の吸気中に液滴を噴霧する噴霧器とを備え、
   前記圧縮機本体は、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、
   前記ロータの外周側に設けられた複数段の動翼と、
   前記ケーシングの内周側に設けられた複数段の静翼とを有し、
   前記ケーシングの内周面に前段側の動翼の周囲に位置するように溝を形成した軸流圧縮機において、
   前記ケーシングに前記溝と連通する連通孔を形成し、
   前記溝内の付着物を取り除くために、前記連通孔を介して前記溝に高圧気体を供給するパージ系統と、
   前記連通孔を介して前記溝内の付着物を吸引する吸引系統と、
   前記パージ系統から前記溝へ高圧気体を供給するパージ制御と前記溝内の付着物を前記吸引系統に吸引する吸引制御を選択的に行う制御装置とを設けたことを特徴とする軸流圧縮機。
4. 請求項３記載の軸流圧縮機において、
   前記制御装置は、前記圧縮機本体の吸気中に液滴が噴霧されない状態で、前記パージ制御を行い、前記圧縮機本体の吸気中に液滴が噴霧された状態で、前記吸引制御を行うことを特徴とする軸流圧縮機。
5. 請求項３記載の軸流圧縮機において、
   前記溝は、その下流側側面が溝深さ方向に向かって下流側に傾斜するように形成されたことを特徴とする軸流圧縮機。
6. 請求項３記載の軸流圧縮機において、
   前記吸引系統は、真空ポンプで生成された吸引力により、前記連通孔を介して前記溝内の付着物を吸引するように構成されたことを特徴とする軸流圧縮機。
7. 請求項１又は３記載の軸流圧縮機において、
   前記パージ系統は、前記圧縮機本体の抽気部で抽気された高圧気体を、前記連通孔を介して前記溝へ供給するように構成されたことを特徴とする軸流圧縮機。
8. 請求項１又は３記載の軸流圧縮機において、
   前記パージ系統は、パージ用圧縮機で生成された高圧気体を、前記連通孔を介して前記溝へ供給するように構成されたことを特徴とする軸流圧縮機。
9. 請求項１又は３記載の軸流圧縮機において、
   前記噴霧器は、前記圧縮機本体の吸気中に水の液滴を噴霧することを特徴とする軸流圧縮機。
10. 請求項１〜９のいずれか１項記載の軸流圧縮機と、
    前記軸流圧縮機で生成された圧縮気体と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって回転駆動するタービンとを備えたことを特徴とするガスタービン。
11. 請求項１０記載のガスタービンにおいて、
    前記軸流圧縮機で生成された圧縮気体を加湿する加湿装置と、
    前記加湿装置で加湿された圧縮気体を前記タービンの排気ガスにより加熱する再生熱交換器とを備え、
    前記燃焼器は、前記再生熱交換器で加熱された圧縮気体と燃料を混合して燃焼することを特徴とするガスタービン。

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