轴流压缩机以及轴流压缩机的运转方法
轴流压缩机以及轴流压缩机的运转方法
【专利摘要】本发明提供一种轴流压缩机以及轴流压缩机的运转方法，在具有对吸气喷雾液滴的中间冷却效果的轴流压缩机的额定运转时，抑制中间级动叶片前端部和壳体内壁面之间的间隙缩小，可靠性优异。一种燃气轮机轴流压缩机，具备向压缩前或压缩中的动作流体供给液滴的单元，并具有以上述液滴在上述压缩机内蒸发的方式构成的多个级，上述燃气轮机轴流压缩机在上述压缩机的壳体上具有空腔，该空腔由上述壳体和包围上述压缩机的多级动叶片的周围且在内部形成压缩流道的内侧壳体构成，并具备能够将比上述空腔更靠下游侧的压缩空气供给到上述空腔的流道。
【专利说明】轴流压缩机以及轴流压缩机的运转方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有吸气喷雾的燃气轮机用或者生产用的轴流压缩机及其运转方法。【背景技术】
[0002]例如，在夏季等的燃气轮机的运转中，因气温高的情况下吸气密度低而使燃气轮机的输出下降。对于该输出降低，例如存在通过对压缩机的吸入空气喷雾水等的液滴使吸气密度上升，并通过吸气冷却的效果来提高燃气轮机输出的方法。再有，在使该液滴的喷雾量增加并向压缩机内部导入液滴的情况下，通过中间冷却的效果使压缩动力下降以提高燃气轮机的效率。与该气流一起被输送至压缩机内部的微小的液滴一边通过动叶片列间、静叶片列间一边蒸发至级的饱和温度，在其蒸发潜热的作用下使动作流体的温度降低。
[0003]因为在多级轴流压缩机中液滴从压缩机的上游侧开始气化而使主流温度下降，所以形成与在压缩机上游侧叶片列负载降低而在其相反侧的下游侧叶片列负载增加的、相对于流动方向通常的运转负载分布不同的分布。一般地，在燃气轮机的部分负载运转中，因为压缩机下游侧的叶片列负载相比上游侧变大，所以部分负载时若喷雾液滴则使下游侧叶片列负载进一步增加，因此存在使叶片列可靠性下降的可能性。因此，液滴的喷雾开始于燃气轮机到达额定负载的稳定运转时。
[0004]另外，在压缩机中，壳体的内壁面和动叶片的外周部之间的间隙在转子以及动叶片和壳体之间的热膨胀差的作用下变化，若壳体的热膨胀比转子大则动叶片前端的间隙变大而使压缩机的效率显著下降。相反地，若转子、动叶片的热膨胀比壳体的热膨胀大太多则动叶片和壳体内壁面接触而有可能损伤动叶片前端。在一般的简单循环燃气轮机压缩机中，考虑该热膨胀差而将动叶片前端间隙设定为最适于额定运转时。但是，在对燃气轮机的吸气喷雾大量液滴而进行中间冷却的压缩机中，由于额定运转时喷雾液滴，因此产生壳体的热变形和一般的简单循环燃气轮机完全不一样的现象。
[0005]在简单循环燃气轮机的动叶片前端间隙的控制中，由于压缩机的壳体和转子以及动叶片的热膨胀差在压缩机的下游级的高温区域达到最大，因此作为该动叶片前端间隙的控制结构，例如存在专利文献I所示的控制结构。在专利文献I中，公开了通过用从压缩机的中间级抽气的抽气空气将压缩机的内侧壳体相比周围进行冷却，从而使压缩机的轴方向的温度梯度变小，控制壳体内壁面和动叶片前端之间的间隙的技术。
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2004-3492号公报
[0008]上述技术所记载的简单循环燃气轮机的额定运转时的压缩机壳体的热变形与喷雾大量液滴进行中间冷却的压缩机的额定运转时的壳体的热变形有较大不同，对其差异进行说明。
[0009]首先，在简单循环燃气轮机中，流经压缩机内部的主流的温度在因压缩作用引起的焓增加的作用下，后级侧相比前级侧(大概为大气温度)达到大约400°C?450°C的高温。由此，壳体的后级侧相比前级侧热膨胀变大。另一方面，在对吸入空气喷雾大量液滴的压缩机中，因为相对于压缩机的流动方向从上游侧开始在中间级液滴堆积于壳体，所以壳体急剧地被冷却，抑制中间级的壳体的热膨胀。由此，存在转子或动叶片的热膨胀比壳体的热膨胀大的可能性。由于在压缩机的后级侧液滴完全蒸发，因此壳体通过液滴附着而被冷却的可能性较低。
[0010]由此，在专利文献I的技术中，由于未考虑具有对压缩机的吸气喷雾液滴的中间冷却效果的轴流压缩机，因此在进行吸气喷雾的情况下，在压缩机的中间级，动叶片前端部和壳体的内壁面之间的间隙变小，存在动叶片前端部与壳体内壁面接触而使动叶片前端部损伤的危险。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种轴流压缩机及其运转方法，在具有对吸气喷雾液滴的轴流压缩机的额定运转时，抑制中间级动叶片前端部和壳体内壁面之间的间隙缩小，可靠性优异。
[0012]为实现上述目的，本发明的轴流压缩机具备向压缩机的动作流体供给液滴的液滴供给单元和形成供上述动作流体流下的流道的壳体，并具有多个由连续的一个动叶片列和一个动叶片列构成的级，上述液滴在上述压缩机内蒸发，该轴流压缩机的特征在于，在上述壳体上具有空腔，上述空腔由外侧壳体和包围多级动叶片列的周围且在内部形成上述动作流体的流道的内侧壳体形成，具备用于将比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体供给到上述空腔的流道。
[0013]本发明的效果如下。
[0014]根据本发明，能够提供一种轴流压缩机及其运转方法，在对吸气喷雾液滴的轴流压缩机额定运转时，抑制中间级动叶片前端部和壳体内壁面之间的间隙缩小，可靠性优异。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的实施方式之一的具备吸气喷雾的燃气轮机系统的构成图。
[0016]图2是本发明的实施方式之一的轴流压缩机的子午面剖视图。
[0017]图3是本发明的实施方式之一的轴流压缩机的子午面剖视图。
[0018]图4是本发明的实施方式之一的轴流压缩机的子午面剖视图。
[0019]图5是本发明的实施方式之一的控制系统构成图。
[0020]图6是本发明的实施方式之一的控制系统构成图。
[0021]图中:1一压缩机,2—燃烧器，3—润轮机,4一发电机，5—旋转轴，11一空气，12—高压空气，13—燃料，14一高温燃烧气体，15—排气，31—吸气管道，32—喷雾嘴，33—吸气静压箱，51—动叶片列，52—转子，53—静叶片列，54—壳体，55—入口引导叶片，56—可变静叶片机构，57—中间级动叶片列，61—动叶片前端，62—外侧环状壳体，63—内侧环状壳体，64、65 —空腔，71—冷却空气抽气配管，72、73、74—高温、高压空气供给通道，81、82—阀，83—动叶片前端间隙测量传感器，84—控制器，85—温度测量传感器，91、92 —收发通道。
【具体实施方式】[0022]图1概要地表示具备吸气喷雾的燃气轮机系统的整体构成图。以下，使用图1对具备吸气喷雾的燃气轮机系统的构成例进行说明。
[0023]燃气轮机系统由将空气压缩而生成高压空气的压缩机1、使压缩空气和燃料混合并燃烧的燃烧器2以及通过高温的燃烧气体进行旋转驱动的涡轮机3组成。压缩机I和涡轮机3通过旋转轴5与发电机4连接。
[0024]接下来，对动作流体的流动进行说明。作为动作流体的空气11流入压缩机1，一边被压缩机压缩一边作为高压空气12流入燃烧器2。在燃烧器2内使高压空气12和燃料13混合并燃烧，生成高温的燃烧气体14。燃烧气体14使涡轮机3旋转后，作为废气15向系统外排出。发电机4被通过连接压缩机和涡轮机的旋转轴5传递来的涡轮机的旋转动力驱动。
[0025]在燃气轮机系统一般所使用的体积流量一定的定转数压缩机中，在夏季等吸气温度高的情况下，由于空气密度变小而使吸入空气的质量流量降低，因此与之相应，在燃烧器内燃烧的燃料流量也不得不降低。即，存在压缩机的吸气温度越变高，燃气轮机的输出越下降的问题。
[0026]因此，存在在通过对压缩机的吸气喷洒水等的液滴的吸气冷却的效果作用下使燃气轮机输出提高的方法。作为吸气冷却的方法，存在在吸气管道上设置媒介式吸气冷却器，并通过吸入的空气经过吸气冷却器以使吸气温度下降的方法。另一方面，也存在如图1所示的在吸气管道31内配置液滴喷雾嘴32并通过对吸气中喷雾微小液滴使其在气流中蒸发通过液滴的蒸发潜热使吸气温度下降的方法。
[0027]在使用这样的对液滴进行喷雾的方法的情况下，除了增加液滴量与液滴在吸气管道内蒸发而得到吸气冷却效果，液滴还能供给到压缩机内部，并能够期望通过液滴在压缩机内部气化而得到中间冷却效果。据此，能够有助于因燃气轮机的输出提高和压缩动力降低而得到的燃气轮机的高效率化。此外，在本实施例中，虽然仅图示液滴喷雾嘴32设于吸气管道31的一个位置，但是也可以在吸气管道31和压缩机入口的吸气静压箱33两阶段分别设置喷雾嘴。
[0028]使用图2的压缩机的子午面截面的概要图，对压缩机的详细构造进行说明。轴流压缩机I由安装有多个动叶片列51的旋转的转子52和安装有多个静叶片列53的壳体54构成，并由转子52的外周面和壳体54的内周面形成环状流道。动叶片列51和静叶片列53沿轴向交替配置，一个动叶片列和一个静叶片列构成一个级。在初级动叶片的上游侧设置有控制吸入流量并能够调整燃气轮机负载的入口引导叶片(IGV) 55。另外，在前级侧静叶片列上为了抑制燃气轮机启动时的旋转失速而具备可变机构56。虽然图2中具备可变机构的静叶片列仅为初级静叶片，但也存在具备多级可变静叶片的情况。
[0029]从吸气管道(未图示)流入的空气11在位于压缩机上游侧的吸气静压箱33转向90度而向压缩机内部供给。水等的液滴从配设于吸气管道内部的喷雾嘴32喷射，微小的液滴在气流中蒸发，通过其蒸发潜热使流入压缩机的气体温度下降，与此同时，使吸气的密度上升。与气流一同被输送的微小液滴中没有在吸气静压箱被完全气化至饱和的液滴保持液滴的状态流入压缩机内部。
[0030]液滴在压缩机的内部一边通过动叶片列间、静叶片列间一边蒸发至饱和温度，使压缩过程中的动作流体的温度下降。由于通过该中间冷却效果使压缩特性接近等温压缩，因此能够降低压缩机的动力。理想情况为，被导入压缩机的所有液滴在被压缩机排出前在气流中完全蒸发。但是，存在从喷雾嘴喷射的液滴的一部分对主流空气的冷却没有帮助而是作为液膜堆积、作为排水被排出至压缩机外部的情况。
[0031]接下来，对无助于压缩机的主流空气的液滴动作进行说明，如上所述，在吸气管道内喷雾的液滴的一部分有时与吸气静压箱33的壁面相碰撞并作为液膜堆积。另外，当在喷雾后液滴彼此干涉而生成粒径较大的液滴时，该液滴不能随气流一同被输送而与壁面碰撞，作为液膜堆积。再有，与位于压缩机的入口的支撑杆58或IGV55碰撞,其一部分附着于叶片表面形成液膜。一部分该液膜分裂，形成粒径大的二次液滴而流入压缩机内部。在压缩机的内部，粒径大的液滴与动叶片51碰撞并在动叶片旋转的离心力作用下被吹飞向外周侧而在壳体内壁面上形成液膜。
[0032]一部分液膜在壳体的热传导的作用下蒸发，其余的再次分离形成二次液滴飞向下游级。由于该二次液滴的粒径变大，因此与下游的动静叶片碰撞并形成液膜的可能性变高。这样的液膜存在的范围是从轴流压缩机的最前级开始到液滴在压缩机内部完全蒸发的级(以下称为蒸发结束级)为止，特别地，确认从上游侧开始在中间级产生液膜。此外，蒸发结束级附近的主流温度为300°C以上，认为即使液滴与壳体内壁面碰撞也会瞬间蒸发。
[0033]接下来，对压缩机叶片前端间隙进行说明。在压缩机中，壳体的内壁面和动叶片的外周部之间的间隙在转子以及动叶片和壳体之间的热膨胀差的作用下变化，若壳体的热膨胀较大则动叶片前端的间隙变大而使压缩机的效率显著下降。另一方面，若转子、动叶片的热膨胀比壳体的热膨胀大太多则存在动叶片和壳体内壁面接触而损伤动叶片前端的可能性。该现象在燃气轮机的额定运转时变得最严重。由于相对于前级侧的转子以及动叶片主要在离心力作用下变形，在后级侧是在离心力和热膨胀的作用下热变形，因此转子以及动叶片和壳体的热膨胀差的预测在提高压缩机效率与确保可靠性方面是重要的。
[0034]在一般的简单循环燃气轮机的压缩机中，在内部流动的主流的温度在由压缩作用引起的焓增加的作用下，其级侧比前级侧(大概为大气温度)高大约400°C?450°C。因此壳体的后级侧比前级侧热膨胀变大。考虑该热膨胀差将叶片前端间隙设计为最适于额定运转时。但是，由于实际上壳体的热变形的方式是主流温度越高温越复杂，因此难以高精度地设定后级侧的叶片前端间隙。因此，在简单循环燃气轮机的压缩机中，后级侧的壳体内也设置像空腔一样的抽气室，通过使用该抽气空气冷却下游侧的壳体以控制叶片前端间隙。
[0035]另一方面，在对燃气轮机的吸气喷雾大量的液滴进行中间冷却的压缩机中，从前级侧到中间级的壳体内壁面上形成液膜。因为主流空气的温度伴随着流动从大气温度开始徐徐上升，所以堆积于前级侧的液膜对壳体的热变形几乎没什么影响。但是，在位于比液滴的蒸发结束级靠上游侧的中间级，在高温的壳体内壁面上附着有液滴对壳体的热变形有较大的影响。
[0036]在喷雾液滴前的额定运转时，对在中间级动叶片前端部和包围该动叶片的环状的壳体内壁面间具有一定的间隙的状态下，喷雾液滴时进行说明。在中间级的壳体堆积有液滴并形成液膜的情况下，通过热传导使壳体温度下降，抑制壳体的热膨胀。因此壳体的热膨胀比转子、动叶片的热膨胀使而使动叶片和壳体内壁面的间隙缩小。然后，在壳体的热膨胀变得过小的情况下，存在动叶片与壳体内壁面接触、动叶片前端损伤的可能性。
[0037]另一方面，在考虑液滴的喷雾而将动叶片前端间隙较大地设计的情况下，能够通过在高气温时喷雾液滴以抑制壳体的热变形而使叶片前端间隙为最小。但是，由于低气温时液滴喷雾被调整至小流量或停止，因此通过动叶片前端间隙的扩大而使压缩机的效率下降。另外，由于在压缩机的吸气温度、湿度条件作用下吸气管道内的蒸发量变化，因此压缩机内部的蒸发位置也变化。即，由于蒸发结束级由于空气条件、喷雾量而变化，因此设计时难以准确地设定动叶片前端间的间隙量。另外，在压缩机的动作温度比额定运转时低的部分负载运转时进行吸气喷雾的情况下，虽然由于抑制转子和动叶片的热膨胀而使动叶片前端间隙有富余，但是压缩机的入口引导叶片(IGV)比与额定运转时相比，处于关闭状态，液滴与IGV碰撞使排水量增加而不能够得到有效的中间冷却效果，再者有可能对动叶片产生酸蚀影响。
[0038]使用图2对本发明的第一实施例的压缩机进行说明。在本实施例中，在轴流压缩机的中间级(比液滴的蒸发结束级更靠上游侧)的壳体形成有沿圆周方向连通的空腔64。另夕卜，在空腔64的下游侧形成有同样的沿圆周方向连通的空腔65。然后，空腔64由包括外侧环状壳体62和包围压缩机的中间级动叶片57周围且在内部形成压缩流道的内侧环状壳体63组成的双重壳体形成。然后，具备能够将从空腔65流经比内周侧环状壳体63的形成空腔64的区域更靠下游侧的高温、高压的压缩空气的一部分向上游侧的空腔64供给的流道72。也可以在该能够向上游侧空腔64供给高温、高压空气的流道72内设置能够控制流量的阀等。
[0039]接下来，对本实施例进行液滴喷雾时对动叶片前端间隙的影响进行说明。如图2所示，在中间级相对于径向作为两个不同的双重壳体构造沿圆周方向设置空腔的情况下，通过液滴附着在内侧环状壳体63上来抑制热膨胀。但是，在安装有内侧环状壳体63的外侧环状壳体62上，与未设置空腔64时相比，热容量变小，另外未附着液滴，因此抑制热膨胀的作用减少，因为内侧环状壳体63被支撑于外侧环状壳体62，所以内侧环状壳体62也以外侧环状壳体62的热延伸量沿径向移动。因此，能够抑制动叶片前端61的间隙的缩小。
[0040]再有，通过将来自下游级空腔65的高温、高压的压缩气体通过流道72向上游侧空腔64供给，对外侧环状壳体62进行暖机而将空腔内的温度控制在设定值，从而能对热膨胀进行控制，因此能够抑制动叶片前端61的间隙的缩小。另外，通过使内侧环状壳体63更高温，能够使附着于内侧环状壳体63内周侧的液滴蒸发而抑制排水的产生。此外，当在流道72设置能够控制供给到上游侧空腔64的压缩空气流量的阀时，能够更有效地控制空腔64内的温度，能够使间隙控制或抑制产生排水的效果更显著。
[0041]另外，就外侧环状壳体62和内侧环状壳体63的材料而言，内侧环状壳体63使用相比于外侧壳体线膨胀系数低的材料制成壳体是有效的。热膨胀量根据壳体厚度、长度、温度差以及壳体材料的线膨胀系数的积而算出。由于通过选定低线膨胀系数的材料制作内侧环状壳体并向空腔内供给高温、高压的压缩空气而使外侧环状壳体更加热膨胀，从而能够抑制动叶片前端61和内侧环状壳体63的内壁面的干涉。
[0042]再有，内侧环状壳体63的排气侧的内壁面上施以可磨涂层加工也是有效的。可磨涂层是通过在壳体的内壁面上进行溶射涂层，使得即使动叶片的旋转而与壳体的内壁面干涉也能容易地切削涂层部从而抑制动叶片的损伤。通过在内侧和外侧形成两个不同的壳体，对内侧壳体施以可磨涂层加工变得容易，对降低成本有效果。
[0043]在本实施例中，通过抽气配管71从下游侧的空腔65抽气的高温、高压空气利用于涡轮机的叶片冷却，其中一部分供给到上游侧的空腔。因此，能够以简单的构成将高温、高压的空气导入空腔64。再有，通过将上游侧的空腔64的空气用作燃气轮机的轴承的密封空气而能够不使压缩空气向外部排出地有效地在燃气轮机内部利用热量。
[0044]通过采用如上所述的构成，在本实施例中即使对额定运转时进行液滴喷雾也能够避免动叶片前端61和壳体内壁面干涉，能够确保轴流压缩机的可靠性。另外，因为无论有无液滴喷雾都能够将动叶片前端间隙调整为适当的间隙，所以压缩机的效率提高，进而可以提高燃气轮机的效率。
[0045]接下来，使用图3对本发明的第二实施例的压缩机进行说明。图3是压缩机的子午面截面的概要图，与图2所示的第一实施例的不同点在于，向包围中间级动叶片57的周围的空腔64供给高温、高压空气使用的是轴流压缩机排出的空气，并设置有能够供给该排出空气的通道73。通过如图3所示地利用排出空气，由于外侧环状壳体62的金属温度和供给的空气的温度差比供给图2的下游级的空腔65的空气时变大，因此能够以小流量的供给空气量调整动叶片前端间隙量。
[0046]在这里，作为对压缩机的排出空气的抽气有效的构造，以高湿度用燃气轮机系统为例进行说明。高湿度用燃气轮机由压缩机、燃烧器、涡轮机、加湿装置以及再生热交换器构成，在压缩机的吸气中，由吸气喷雾嘴将水向空气喷雾而生成湿空气。由吸气喷雾生成的湿空气被压缩机压缩，并且由压缩机形成的压缩空气被设置于压缩机的排出的抽气孔一次全部抽走。从压缩机排出中抽气的高压空气在一个配管中合流，并被加湿装置加湿。
[0047]被加湿装置加湿的湿空气向被由于来自涡轮机的排气而过热的再生热交换器供给。然后，在再生热交换器中，从加湿装置供给的湿空气过热，向燃烧器供给。供给到燃烧器的湿空气在燃烧器内与燃料混合并燃烧。然后，生成的燃烧气体使对涡轮机进行旋转驱动。从涡轮机排出的排气被再生热交换器热回收并作为排气排出。
[0048]由于在再生热交换器中能够将排气的热能量回收于燃烧用空气，因此减少燃烧器的燃料流量并提高燃气轮机循环的效率。另外，在加湿装置中添加湿度并增加动作流体的作用下，高湿度用燃气轮机的输出增加。再有，在因添加湿度而使动作流体的温度下降的效果和流量增加的效果的作用下，再生热交换器的热回收量增加，高湿度用燃气轮机的效率提闻。
[0049]在这样的系统中，如上所述，存在将压缩机排出的空气全部抽气的构造。因此，易于在构造上设置一次抽气后从一个配管向空腔供给高温空气的一部分的路径。即，即使要将通道73插入现有的系统中，也没有必要使现有的系统构造进行较大地变化，能够构成延续现有的系统的可靠性的系统。
[0050]在这里，对压缩机的抽气流量进行说明。在使压缩机的吸入空气量为100%时，来自压缩机用于轴承密封的空气为I?2%，从涡轮机静叶片侧供给的叶片冷却空气为大约3?5%。然后，在吸气喷雾量为吸入空气量的大约2wt% (质量分数)时，形成图3的空腔的外侧环状壳体的金属温度达到大约120°C左右。另外，因为压缩机的排出空气温度达到大约400°C左右，所以向空腔供给大约400°C的空气。向空腔供给的排出空气为大约1%，壳体的热膨胀量大约为0.3?0.5_。从该排出空气向空腔供给的空气量相对于主流来说是微小的，另外，向空腔供给的空气有助于附着于壳体的暖机、附着于壁面的液滴的蒸发，随后，因为能够被流动用作轴承密封空气，所以认为对燃气轮机的效率降低影响较小。[0051]接下来，使用图4，对本发明的第三实施例的压缩机进行说明。图4是压缩机的子午面截面的概要图，与图2的不同点在于，以向包围中间级动叶片57的周围的空腔64供给的高温、高压空气从下游级的空腔65直接从连通设置于内侧环状壳体的2个空腔的通道74供给的方式构成。该通道74 (连通孔)是内侧环状壳体63沿轴向设置多个孔的构造。
[0052]虽然本实施例的外侧环状壳体62的暖机效果和图2是一样的，但是本实施例中通过将空气供给通道设置于内侧环状壳体63，具有能够使配管简单化的优点。但是，即使在没有吸气喷雾的运转状态下，由于能通过压力差从下游侧空腔直接向上游侧空腔供给高温、高压空气，因此难以根据吸气喷雾的有无来调整动叶片前端间隙。
[0053]此外，在本实施例中，作为在隔着空腔64和空腔65的壳体部件上设置连通孔的构造，虽然假定在内侧环状壳体63上设置连通孔作为通道74的情况，但是也可以在外周侧壳体62上设置连通孔作为通道74。
[0054]接下来，使用图5对本发明的第四实施例的压缩机进行说明。图5是本实施例的控制系统的构成图，与图2所示的第一实施例的不同点在于，设置有:设置于向液滴喷雾嘴32供给液滴的通道的阀81 ;设置于向中间级的空腔供给高温、高压空气的通道的阀82 ;以及能够测量位于比压缩机的液滴蒸发结束级更靠上游侧的中间级的动叶片前端间隙的叶片前端间隙传感器83，并且具备接收叶片前端间隙传感器83的测量值并以该测量值控制阀81以及阀82的控制装置84。
[0055]在测量动叶片前端间隙而间隙值缩小的情况下，通过使液滴的喷雾量降低能够降低附着于内侧环状壳体63的液滴量，从而能够抑制动叶片前端61和壳体内壁面的干涉。另夕卜，当动叶片前端间隙缩小时，通过向空腔64供给高温、高压空气，能够对外侧环状壳体62进行暖机而使动叶片前端间隙标准化。由此能够确保液滴喷雾时压缩机的可靠性。
[0056]此外，在本实施例中，虽然为控制两个阀的构成，但是只使用一方阀的控制也能够实现本发明的效果。但是，相比于根据液滴喷雾的阀81的动作来控制动叶片前端间隙，使向空腔64供给高温空气的阀82进行动作能够在更短的时间内控制动叶片前端间隙。
[0057]另外，在本实施例中，虽然对在第一实施例说明的通道72设置调节流量的单元的情况进行说明，但是在第二实施例说明的通道73或第三实施例说明的通道74设置调节流量的单元也能够进行同样的控制。
[0058]最后，使用图6对本发明的第五实施例的压缩机进行说明。与使用图5说明的第四实施例的运转控制方法的不同点在于，在内侧环状壳体63上设置作为温度测量单元的温度测量传感器85代替测量动叶片前端间隙的传感器，根据压缩机内部的温度以及内侧环状壳体63的金属温度测量来预测动叶片前端间隙。在本实施例中预先准备好根据主流温度和壳体金属温度85预先推定动叶片前端间隙的预测式，并根据温度测量结果推定动叶片前端间隙，使液滴喷雾的阀81进行动作而控制喷雾量。
[0059]本实施例的以热电偶为代表的温度测量传感器85比动叶片前端间隙传感器便宜。因此，由于在同样的成本下能够在压缩机的轴向上设置多个以测定多个点，具有能够提高测量精度的优点。可是，在测量主流温度的情况下，在压缩机内部流动的粒径大的液滴在附着于壳体的同时，液滴也附着于温度测量传感器85的可能性较高。如传感器上附着有液滴则温度测量的误差变大。特别地，由于考虑到附着于壳体的液滴在重力作用下堆积于壳体的下半侧，因此优选将温度测量传感器设置于壳体的上半侧。另外，也有必要供给用于抑制液滴附着的密封空气。
[0060]此外，虽然未图示，但是即使在代替液滴喷雾的阀81的控制而通过设置于向空腔供给高压空气的通道72?74的阀等控制供给到空腔64的高温、高压空气流量的情况下，也能够实现本实施例的目的。另外，如上所述，在控制供给到空腔64的高温、高压空气的流量的情况下，能够在更短的时间内控制动叶片前端间隙。
【权利要求】
1.一种轴流压缩机，其构成为，具备向压缩机的动作流体供给液滴的液滴供给单元和形成供上述动作流体流下的流道的壳体，并具有多个由连续的一个动叶片列和一个静叶片列构成的级，上述液滴在上述压缩机内蒸发，上述轴流压缩机的特征在于， 在上述壳体上具有空腔， 上述空腔由外侧壳体和包围多级上述动叶片列的周围且在内部形成上述动作流体的流道的内侧壳体形成， 具备流道，该流道用于将比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体供给到上述空腔。
2.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 作为用于向上述空腔供给动作流体的上述流道，具有供给从上述压缩机的中心级抽出的动作流体的流道。
3.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 作为用于向上述空腔供给动作流体的上述流道，具有供给从上述压缩机排出的动作流体的流道。
4.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 在上述空腔的下游侧具备使比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体流入的下游侧空腔， 作为用于向上述空腔供给动作流体的上述流道，在上述外侧壳体或内侧壳体上具有连通上述空腔和上述下游侧空腔的连通孔。
5.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 上述内侧壳体的材质比上述外侧壳体的材质的线膨胀系数低。
6.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 具备调节向上述空腔供给的动作流体的流量的单元。
7.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 具备调节由上述液滴供给单元向上述动作流体供给的液滴的流量的单元。
8.根据权利要求6所述的轴流压缩机，其特征在于， 具备: 能够测量上述内侧壳体的内周面和被该内周面包围地配设的多级上述动叶片的前端之间的间隙的测量单元；以及 控制装置，该控制装置基于上述测量单元测量的上述间隙的测量值，控制调节向上述空腔供给的动作流体的流量的单元或调节向上述动作流体供给的液滴的流量的单元的至少一方。
9.根据权利要求6所述的轴流压缩机，其特征在于， 在上述内侧壳体上具备用于测量温度的温度测量单元， 该轴流压缩机具备控制装置，该控制装置基于上述温度测量单元测量的温度，推定上述内侧壳体的内周面和被该内周面包围地配设的多级上述动叶片的前端之间的间隙，并控制调节向上述空腔供给的动作流体的流量的单元或调节向上述动作流体供给的液滴的流量的单元的至少一方。
10.根据权利要求2所述的轴流压缩机，其特征在于，上述流道是将冷却被高温的燃烧气体驱动的涡轮机的涡轮机冷却空气的一部分供给到上述空腔的流道。
11.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 在上述内侧壳体的内周侧施以可磨涂层加工。
12.一种轴流压缩机的运转方法，该轴流压缩机具备向压缩机的动作流体供给液滴的液滴供给单元和形成供上述动作流体流下的流道的壳体，并具有多个由连续的一个动叶片列和一个静叶片列构成的级，上述液滴在上述压缩机内蒸发，该轴流压缩机在上述壳体上具有空腔，上述空腔由外侧壳体和包围多级上述动叶片的周围且在内部形成上述动作流体的流道的内侧壳体形成，具备用于将比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体供给到上述空腔的流道，上述轴流压缩机的运转方法的特征在于， 测量或推定上述内侧壳体的内周面和被该内周面包围地配设的多级上述动叶片的前端之间的间隙，并根据测量或推定的上述间隙，调节向上述空腔供给的动作流体的流量或向上述动作流体供给的液滴的流量中的任一方。
【文档编号】F02C7/143GK103899419SQ201310534353
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2012年12月26日
【发明者】高桥康雄, 森崎哲郎, 明连千寻, 川村康太 申请人:株式会社日立制作所
【专利摘要】本发明提供一种轴流压缩机以及轴流压缩机的运转方法，在具有对吸气喷雾液滴的中间冷却效果的轴流压缩机的额定运转时，抑制中间级动叶片前端部和壳体内壁面之间的间隙缩小，可靠性优异。一种燃气轮机轴流压缩机，具备向压缩前或压缩中的动作流体供给液滴的单元，并具有以上述液滴在上述压缩机内蒸发的方式构成的多个级，上述燃气轮机轴流压缩机在上述压缩机的壳体上具有空腔，该空腔由上述壳体和包围上述压缩机的多级动叶片的周围且在内部形成压缩流道的内侧壳体构成，并具备能够将比上述空腔更靠下游侧的压缩空气供给到上述空腔的流道。
【专利说明】轴流压缩机以及轴流压缩机的运转方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有吸气喷雾的燃气轮机用或者生产用的轴流压缩机及其运转方法。【背景技术】
[0002]例如，在夏季等的燃气轮机的运转中，因气温高的情况下吸气密度低而使燃气轮机的输出下降。对于该输出降低，例如存在通过对压缩机的吸入空气喷雾水等的液滴使吸气密度上升，并通过吸气冷却的效果来提高燃气轮机输出的方法。再有，在使该液滴的喷雾量增加并向压缩机内部导入液滴的情况下，通过中间冷却的效果使压缩动力下降以提高燃气轮机的效率。与该气流一起被输送至压缩机内部的微小的液滴一边通过动叶片列间、静叶片列间一边蒸发至级的饱和温度，在其蒸发潜热的作用下使动作流体的温度降低。
[0003]因为在多级轴流压缩机中液滴从压缩机的上游侧开始气化而使主流温度下降，所以形成与在压缩机上游侧叶片列负载降低而在其相反侧的下游侧叶片列负载增加的、相对于流动方向通常的运转负载分布不同的分布。一般地，在燃气轮机的部分负载运转中，因为压缩机下游侧的叶片列负载相比上游侧变大，所以部分负载时若喷雾液滴则使下游侧叶片列负载进一步增加，因此存在使叶片列可靠性下降的可能性。因此，液滴的喷雾开始于燃气轮机到达额定负载的稳定运转时。
[0004]另外，在压缩机中，壳体的内壁面和动叶片的外周部之间的间隙在转子以及动叶片和壳体之间的热膨胀差的作用下变化，若壳体的热膨胀比转子大则动叶片前端的间隙变大而使压缩机的效率显著下降。相反地，若转子、动叶片的热膨胀比壳体的热膨胀大太多则动叶片和壳体内壁面接触而有可能损伤动叶片前端。在一般的简单循环燃气轮机压缩机中，考虑该热膨胀差而将动叶片前端间隙设定为最适于额定运转时。但是，在对燃气轮机的吸气喷雾大量液滴而进行中间冷却的压缩机中，由于额定运转时喷雾液滴，因此产生壳体的热变形和一般的简单循环燃气轮机完全不一样的现象。
[0005]在简单循环燃气轮机的动叶片前端间隙的控制中，由于压缩机的壳体和转子以及动叶片的热膨胀差在压缩机的下游级的高温区域达到最大，因此作为该动叶片前端间隙的控制结构，例如存在专利文献I所示的控制结构。在专利文献I中，公开了通过用从压缩机的中间级抽气的抽气空气将压缩机的内侧壳体相比周围进行冷却，从而使压缩机的轴方向的温度梯度变小，控制壳体内壁面和动叶片前端之间的间隙的技术。
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2004-3492号公报
[0008]上述技术所记载的简单循环燃气轮机的额定运转时的压缩机壳体的热变形与喷雾大量液滴进行中间冷却的压缩机的额定运转时的壳体的热变形有较大不同，对其差异进行说明。
[0009]首先，在简单循环燃气轮机中，流经压缩机内部的主流的温度在因压缩作用引起的焓增加的作用下，后级侧相比前级侧(大概为大气温度)达到大约400°C?450°C的高温。由此，壳体的后级侧相比前级侧热膨胀变大。另一方面，在对吸入空气喷雾大量液滴的压缩机中，因为相对于压缩机的流动方向从上游侧开始在中间级液滴堆积于壳体，所以壳体急剧地被冷却，抑制中间级的壳体的热膨胀。由此，存在转子或动叶片的热膨胀比壳体的热膨胀大的可能性。由于在压缩机的后级侧液滴完全蒸发，因此壳体通过液滴附着而被冷却的可能性较低。
[0010]由此，在专利文献I的技术中，由于未考虑具有对压缩机的吸气喷雾液滴的中间冷却效果的轴流压缩机，因此在进行吸气喷雾的情况下，在压缩机的中间级，动叶片前端部和壳体的内壁面之间的间隙变小，存在动叶片前端部与壳体内壁面接触而使动叶片前端部损伤的危险。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种轴流压缩机及其运转方法，在具有对吸气喷雾液滴的轴流压缩机的额定运转时，抑制中间级动叶片前端部和壳体内壁面之间的间隙缩小，可靠性优异。
[0012]为实现上述目的，本发明的轴流压缩机具备向压缩机的动作流体供给液滴的液滴供给单元和形成供上述动作流体流下的流道的壳体，并具有多个由连续的一个动叶片列和一个动叶片列构成的级，上述液滴在上述压缩机内蒸发，该轴流压缩机的特征在于，在上述壳体上具有空腔，上述空腔由外侧壳体和包围多级动叶片列的周围且在内部形成上述动作流体的流道的内侧壳体形成，具备用于将比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体供给到上述空腔的流道。
[0013]本发明的效果如下。
[0014]根据本发明，能够提供一种轴流压缩机及其运转方法，在对吸气喷雾液滴的轴流压缩机额定运转时，抑制中间级动叶片前端部和壳体内壁面之间的间隙缩小，可靠性优异。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的实施方式之一的具备吸气喷雾的燃气轮机系统的构成图。
[0016]图2是本发明的实施方式之一的轴流压缩机的子午面剖视图。
[0017]图3是本发明的实施方式之一的轴流压缩机的子午面剖视图。
[0018]图4是本发明的实施方式之一的轴流压缩机的子午面剖视图。
[0019]图5是本发明的实施方式之一的控制系统构成图。
[0020]图6是本发明的实施方式之一的控制系统构成图。
[0021]图中:1一压缩机,2—燃烧器，3—润轮机,4一发电机，5—旋转轴，11一空气，12—高压空气，13—燃料，14一高温燃烧气体，15—排气，31—吸气管道，32—喷雾嘴，33—吸气静压箱，51—动叶片列，52—转子，53—静叶片列，54—壳体，55—入口引导叶片，56—可变静叶片机构，57—中间级动叶片列，61—动叶片前端，62—外侧环状壳体，63—内侧环状壳体，64、65 —空腔，71—冷却空气抽气配管，72、73、74—高温、高压空气供给通道，81、82—阀，83—动叶片前端间隙测量传感器，84—控制器，85—温度测量传感器，91、92 —收发通道。
【具体实施方式】[0022]图1概要地表示具备吸气喷雾的燃气轮机系统的整体构成图。以下，使用图1对具备吸气喷雾的燃气轮机系统的构成例进行说明。
[0023]燃气轮机系统由将空气压缩而生成高压空气的压缩机1、使压缩空气和燃料混合并燃烧的燃烧器2以及通过高温的燃烧气体进行旋转驱动的涡轮机3组成。压缩机I和涡轮机3通过旋转轴5与发电机4连接。
[0024]接下来，对动作流体的流动进行说明。作为动作流体的空气11流入压缩机1，一边被压缩机压缩一边作为高压空气12流入燃烧器2。在燃烧器2内使高压空气12和燃料13混合并燃烧，生成高温的燃烧气体14。燃烧气体14使涡轮机3旋转后，作为废气15向系统外排出。发电机4被通过连接压缩机和涡轮机的旋转轴5传递来的涡轮机的旋转动力驱动。
[0025]在燃气轮机系统一般所使用的体积流量一定的定转数压缩机中，在夏季等吸气温度高的情况下，由于空气密度变小而使吸入空气的质量流量降低，因此与之相应，在燃烧器内燃烧的燃料流量也不得不降低。即，存在压缩机的吸气温度越变高，燃气轮机的输出越下降的问题。
[0026]因此，存在在通过对压缩机的吸气喷洒水等的液滴的吸气冷却的效果作用下使燃气轮机输出提高的方法。作为吸气冷却的方法，存在在吸气管道上设置媒介式吸气冷却器，并通过吸入的空气经过吸气冷却器以使吸气温度下降的方法。另一方面，也存在如图1所示的在吸气管道31内配置液滴喷雾嘴32并通过对吸气中喷雾微小液滴使其在气流中蒸发通过液滴的蒸发潜热使吸气温度下降的方法。
[0027]在使用这样的对液滴进行喷雾的方法的情况下，除了增加液滴量与液滴在吸气管道内蒸发而得到吸气冷却效果，液滴还能供给到压缩机内部，并能够期望通过液滴在压缩机内部气化而得到中间冷却效果。据此，能够有助于因燃气轮机的输出提高和压缩动力降低而得到的燃气轮机的高效率化。此外，在本实施例中，虽然仅图示液滴喷雾嘴32设于吸气管道31的一个位置，但是也可以在吸气管道31和压缩机入口的吸气静压箱33两阶段分别设置喷雾嘴。
[0028]使用图2的压缩机的子午面截面的概要图，对压缩机的详细构造进行说明。轴流压缩机I由安装有多个动叶片列51的旋转的转子52和安装有多个静叶片列53的壳体54构成，并由转子52的外周面和壳体54的内周面形成环状流道。动叶片列51和静叶片列53沿轴向交替配置，一个动叶片列和一个静叶片列构成一个级。在初级动叶片的上游侧设置有控制吸入流量并能够调整燃气轮机负载的入口引导叶片(IGV) 55。另外，在前级侧静叶片列上为了抑制燃气轮机启动时的旋转失速而具备可变机构56。虽然图2中具备可变机构的静叶片列仅为初级静叶片，但也存在具备多级可变静叶片的情况。
[0029]从吸气管道(未图示)流入的空气11在位于压缩机上游侧的吸气静压箱33转向90度而向压缩机内部供给。水等的液滴从配设于吸气管道内部的喷雾嘴32喷射，微小的液滴在气流中蒸发，通过其蒸发潜热使流入压缩机的气体温度下降，与此同时，使吸气的密度上升。与气流一同被输送的微小液滴中没有在吸气静压箱被完全气化至饱和的液滴保持液滴的状态流入压缩机内部。
[0030]液滴在压缩机的内部一边通过动叶片列间、静叶片列间一边蒸发至饱和温度，使压缩过程中的动作流体的温度下降。由于通过该中间冷却效果使压缩特性接近等温压缩，因此能够降低压缩机的动力。理想情况为，被导入压缩机的所有液滴在被压缩机排出前在气流中完全蒸发。但是，存在从喷雾嘴喷射的液滴的一部分对主流空气的冷却没有帮助而是作为液膜堆积、作为排水被排出至压缩机外部的情况。
[0031]接下来，对无助于压缩机的主流空气的液滴动作进行说明，如上所述，在吸气管道内喷雾的液滴的一部分有时与吸气静压箱33的壁面相碰撞并作为液膜堆积。另外，当在喷雾后液滴彼此干涉而生成粒径较大的液滴时，该液滴不能随气流一同被输送而与壁面碰撞，作为液膜堆积。再有，与位于压缩机的入口的支撑杆58或IGV55碰撞,其一部分附着于叶片表面形成液膜。一部分该液膜分裂，形成粒径大的二次液滴而流入压缩机内部。在压缩机的内部，粒径大的液滴与动叶片51碰撞并在动叶片旋转的离心力作用下被吹飞向外周侧而在壳体内壁面上形成液膜。
[0032]一部分液膜在壳体的热传导的作用下蒸发，其余的再次分离形成二次液滴飞向下游级。由于该二次液滴的粒径变大，因此与下游的动静叶片碰撞并形成液膜的可能性变高。这样的液膜存在的范围是从轴流压缩机的最前级开始到液滴在压缩机内部完全蒸发的级(以下称为蒸发结束级)为止，特别地，确认从上游侧开始在中间级产生液膜。此外，蒸发结束级附近的主流温度为300°C以上，认为即使液滴与壳体内壁面碰撞也会瞬间蒸发。
[0033]接下来，对压缩机叶片前端间隙进行说明。在压缩机中，壳体的内壁面和动叶片的外周部之间的间隙在转子以及动叶片和壳体之间的热膨胀差的作用下变化，若壳体的热膨胀较大则动叶片前端的间隙变大而使压缩机的效率显著下降。另一方面，若转子、动叶片的热膨胀比壳体的热膨胀大太多则存在动叶片和壳体内壁面接触而损伤动叶片前端的可能性。该现象在燃气轮机的额定运转时变得最严重。由于相对于前级侧的转子以及动叶片主要在离心力作用下变形，在后级侧是在离心力和热膨胀的作用下热变形，因此转子以及动叶片和壳体的热膨胀差的预测在提高压缩机效率与确保可靠性方面是重要的。
[0034]在一般的简单循环燃气轮机的压缩机中，在内部流动的主流的温度在由压缩作用引起的焓增加的作用下，其级侧比前级侧(大概为大气温度)高大约400°C?450°C。因此壳体的后级侧比前级侧热膨胀变大。考虑该热膨胀差将叶片前端间隙设计为最适于额定运转时。但是，由于实际上壳体的热变形的方式是主流温度越高温越复杂，因此难以高精度地设定后级侧的叶片前端间隙。因此，在简单循环燃气轮机的压缩机中，后级侧的壳体内也设置像空腔一样的抽气室，通过使用该抽气空气冷却下游侧的壳体以控制叶片前端间隙。
[0035]另一方面，在对燃气轮机的吸气喷雾大量的液滴进行中间冷却的压缩机中，从前级侧到中间级的壳体内壁面上形成液膜。因为主流空气的温度伴随着流动从大气温度开始徐徐上升，所以堆积于前级侧的液膜对壳体的热变形几乎没什么影响。但是，在位于比液滴的蒸发结束级靠上游侧的中间级，在高温的壳体内壁面上附着有液滴对壳体的热变形有较大的影响。
[0036]在喷雾液滴前的额定运转时，对在中间级动叶片前端部和包围该动叶片的环状的壳体内壁面间具有一定的间隙的状态下，喷雾液滴时进行说明。在中间级的壳体堆积有液滴并形成液膜的情况下，通过热传导使壳体温度下降，抑制壳体的热膨胀。因此壳体的热膨胀比转子、动叶片的热膨胀使而使动叶片和壳体内壁面的间隙缩小。然后，在壳体的热膨胀变得过小的情况下，存在动叶片与壳体内壁面接触、动叶片前端损伤的可能性。
[0037]另一方面，在考虑液滴的喷雾而将动叶片前端间隙较大地设计的情况下，能够通过在高气温时喷雾液滴以抑制壳体的热变形而使叶片前端间隙为最小。但是，由于低气温时液滴喷雾被调整至小流量或停止，因此通过动叶片前端间隙的扩大而使压缩机的效率下降。另外，由于在压缩机的吸气温度、湿度条件作用下吸气管道内的蒸发量变化，因此压缩机内部的蒸发位置也变化。即，由于蒸发结束级由于空气条件、喷雾量而变化，因此设计时难以准确地设定动叶片前端间的间隙量。另外，在压缩机的动作温度比额定运转时低的部分负载运转时进行吸气喷雾的情况下，虽然由于抑制转子和动叶片的热膨胀而使动叶片前端间隙有富余，但是压缩机的入口引导叶片(IGV)比与额定运转时相比，处于关闭状态，液滴与IGV碰撞使排水量增加而不能够得到有效的中间冷却效果，再者有可能对动叶片产生酸蚀影响。
[0038]使用图2对本发明的第一实施例的压缩机进行说明。在本实施例中，在轴流压缩机的中间级(比液滴的蒸发结束级更靠上游侧)的壳体形成有沿圆周方向连通的空腔64。另夕卜，在空腔64的下游侧形成有同样的沿圆周方向连通的空腔65。然后，空腔64由包括外侧环状壳体62和包围压缩机的中间级动叶片57周围且在内部形成压缩流道的内侧环状壳体63组成的双重壳体形成。然后，具备能够将从空腔65流经比内周侧环状壳体63的形成空腔64的区域更靠下游侧的高温、高压的压缩空气的一部分向上游侧的空腔64供给的流道72。也可以在该能够向上游侧空腔64供给高温、高压空气的流道72内设置能够控制流量的阀等。
[0039]接下来，对本实施例进行液滴喷雾时对动叶片前端间隙的影响进行说明。如图2所示，在中间级相对于径向作为两个不同的双重壳体构造沿圆周方向设置空腔的情况下，通过液滴附着在内侧环状壳体63上来抑制热膨胀。但是，在安装有内侧环状壳体63的外侧环状壳体62上，与未设置空腔64时相比，热容量变小，另外未附着液滴，因此抑制热膨胀的作用减少，因为内侧环状壳体63被支撑于外侧环状壳体62，所以内侧环状壳体62也以外侧环状壳体62的热延伸量沿径向移动。因此，能够抑制动叶片前端61的间隙的缩小。
[0040]再有，通过将来自下游级空腔65的高温、高压的压缩气体通过流道72向上游侧空腔64供给，对外侧环状壳体62进行暖机而将空腔内的温度控制在设定值，从而能对热膨胀进行控制，因此能够抑制动叶片前端61的间隙的缩小。另外，通过使内侧环状壳体63更高温，能够使附着于内侧环状壳体63内周侧的液滴蒸发而抑制排水的产生。此外，当在流道72设置能够控制供给到上游侧空腔64的压缩空气流量的阀时，能够更有效地控制空腔64内的温度，能够使间隙控制或抑制产生排水的效果更显著。
[0041]另外，就外侧环状壳体62和内侧环状壳体63的材料而言，内侧环状壳体63使用相比于外侧壳体线膨胀系数低的材料制成壳体是有效的。热膨胀量根据壳体厚度、长度、温度差以及壳体材料的线膨胀系数的积而算出。由于通过选定低线膨胀系数的材料制作内侧环状壳体并向空腔内供给高温、高压的压缩空气而使外侧环状壳体更加热膨胀，从而能够抑制动叶片前端61和内侧环状壳体63的内壁面的干涉。
[0042]再有，内侧环状壳体63的排气侧的内壁面上施以可磨涂层加工也是有效的。可磨涂层是通过在壳体的内壁面上进行溶射涂层，使得即使动叶片的旋转而与壳体的内壁面干涉也能容易地切削涂层部从而抑制动叶片的损伤。通过在内侧和外侧形成两个不同的壳体，对内侧壳体施以可磨涂层加工变得容易，对降低成本有效果。
[0043]在本实施例中，通过抽气配管71从下游侧的空腔65抽气的高温、高压空气利用于涡轮机的叶片冷却，其中一部分供给到上游侧的空腔。因此，能够以简单的构成将高温、高压的空气导入空腔64。再有，通过将上游侧的空腔64的空气用作燃气轮机的轴承的密封空气而能够不使压缩空气向外部排出地有效地在燃气轮机内部利用热量。
[0044]通过采用如上所述的构成，在本实施例中即使对额定运转时进行液滴喷雾也能够避免动叶片前端61和壳体内壁面干涉，能够确保轴流压缩机的可靠性。另外，因为无论有无液滴喷雾都能够将动叶片前端间隙调整为适当的间隙，所以压缩机的效率提高，进而可以提高燃气轮机的效率。
[0045]接下来，使用图3对本发明的第二实施例的压缩机进行说明。图3是压缩机的子午面截面的概要图，与图2所示的第一实施例的不同点在于，向包围中间级动叶片57的周围的空腔64供给高温、高压空气使用的是轴流压缩机排出的空气，并设置有能够供给该排出空气的通道73。通过如图3所示地利用排出空气，由于外侧环状壳体62的金属温度和供给的空气的温度差比供给图2的下游级的空腔65的空气时变大，因此能够以小流量的供给空气量调整动叶片前端间隙量。
[0046]在这里，作为对压缩机的排出空气的抽气有效的构造，以高湿度用燃气轮机系统为例进行说明。高湿度用燃气轮机由压缩机、燃烧器、涡轮机、加湿装置以及再生热交换器构成，在压缩机的吸气中，由吸气喷雾嘴将水向空气喷雾而生成湿空气。由吸气喷雾生成的湿空气被压缩机压缩，并且由压缩机形成的压缩空气被设置于压缩机的排出的抽气孔一次全部抽走。从压缩机排出中抽气的高压空气在一个配管中合流，并被加湿装置加湿。
[0047]被加湿装置加湿的湿空气向被由于来自涡轮机的排气而过热的再生热交换器供给。然后，在再生热交换器中，从加湿装置供给的湿空气过热，向燃烧器供给。供给到燃烧器的湿空气在燃烧器内与燃料混合并燃烧。然后，生成的燃烧气体使对涡轮机进行旋转驱动。从涡轮机排出的排气被再生热交换器热回收并作为排气排出。
[0048]由于在再生热交换器中能够将排气的热能量回收于燃烧用空气，因此减少燃烧器的燃料流量并提高燃气轮机循环的效率。另外，在加湿装置中添加湿度并增加动作流体的作用下，高湿度用燃气轮机的输出增加。再有，在因添加湿度而使动作流体的温度下降的效果和流量增加的效果的作用下，再生热交换器的热回收量增加，高湿度用燃气轮机的效率提闻。
[0049]在这样的系统中，如上所述，存在将压缩机排出的空气全部抽气的构造。因此，易于在构造上设置一次抽气后从一个配管向空腔供给高温空气的一部分的路径。即，即使要将通道73插入现有的系统中，也没有必要使现有的系统构造进行较大地变化，能够构成延续现有的系统的可靠性的系统。
[0050]在这里，对压缩机的抽气流量进行说明。在使压缩机的吸入空气量为100%时，来自压缩机用于轴承密封的空气为I?2%，从涡轮机静叶片侧供给的叶片冷却空气为大约3?5%。然后，在吸气喷雾量为吸入空气量的大约2wt% (质量分数)时，形成图3的空腔的外侧环状壳体的金属温度达到大约120°C左右。另外，因为压缩机的排出空气温度达到大约400°C左右，所以向空腔供给大约400°C的空气。向空腔供给的排出空气为大约1%，壳体的热膨胀量大约为0.3?0.5_。从该排出空气向空腔供给的空气量相对于主流来说是微小的，另外，向空腔供给的空气有助于附着于壳体的暖机、附着于壁面的液滴的蒸发，随后，因为能够被流动用作轴承密封空气，所以认为对燃气轮机的效率降低影响较小。[0051]接下来，使用图4，对本发明的第三实施例的压缩机进行说明。图4是压缩机的子午面截面的概要图，与图2的不同点在于，以向包围中间级动叶片57的周围的空腔64供给的高温、高压空气从下游级的空腔65直接从连通设置于内侧环状壳体的2个空腔的通道74供给的方式构成。该通道74 (连通孔)是内侧环状壳体63沿轴向设置多个孔的构造。
[0052]虽然本实施例的外侧环状壳体62的暖机效果和图2是一样的，但是本实施例中通过将空气供给通道设置于内侧环状壳体63，具有能够使配管简单化的优点。但是，即使在没有吸气喷雾的运转状态下，由于能通过压力差从下游侧空腔直接向上游侧空腔供给高温、高压空气，因此难以根据吸气喷雾的有无来调整动叶片前端间隙。
[0053]此外，在本实施例中，作为在隔着空腔64和空腔65的壳体部件上设置连通孔的构造，虽然假定在内侧环状壳体63上设置连通孔作为通道74的情况，但是也可以在外周侧壳体62上设置连通孔作为通道74。
[0054]接下来，使用图5对本发明的第四实施例的压缩机进行说明。图5是本实施例的控制系统的构成图，与图2所示的第一实施例的不同点在于，设置有:设置于向液滴喷雾嘴32供给液滴的通道的阀81 ;设置于向中间级的空腔供给高温、高压空气的通道的阀82 ;以及能够测量位于比压缩机的液滴蒸发结束级更靠上游侧的中间级的动叶片前端间隙的叶片前端间隙传感器83，并且具备接收叶片前端间隙传感器83的测量值并以该测量值控制阀81以及阀82的控制装置84。
[0055]在测量动叶片前端间隙而间隙值缩小的情况下，通过使液滴的喷雾量降低能够降低附着于内侧环状壳体63的液滴量，从而能够抑制动叶片前端61和壳体内壁面的干涉。另夕卜，当动叶片前端间隙缩小时，通过向空腔64供给高温、高压空气，能够对外侧环状壳体62进行暖机而使动叶片前端间隙标准化。由此能够确保液滴喷雾时压缩机的可靠性。
[0056]此外，在本实施例中，虽然为控制两个阀的构成，但是只使用一方阀的控制也能够实现本发明的效果。但是，相比于根据液滴喷雾的阀81的动作来控制动叶片前端间隙，使向空腔64供给高温空气的阀82进行动作能够在更短的时间内控制动叶片前端间隙。
[0057]另外，在本实施例中，虽然对在第一实施例说明的通道72设置调节流量的单元的情况进行说明，但是在第二实施例说明的通道73或第三实施例说明的通道74设置调节流量的单元也能够进行同样的控制。
[0058]最后，使用图6对本发明的第五实施例的压缩机进行说明。与使用图5说明的第四实施例的运转控制方法的不同点在于，在内侧环状壳体63上设置作为温度测量单元的温度测量传感器85代替测量动叶片前端间隙的传感器，根据压缩机内部的温度以及内侧环状壳体63的金属温度测量来预测动叶片前端间隙。在本实施例中预先准备好根据主流温度和壳体金属温度85预先推定动叶片前端间隙的预测式，并根据温度测量结果推定动叶片前端间隙，使液滴喷雾的阀81进行动作而控制喷雾量。
[0059]本实施例的以热电偶为代表的温度测量传感器85比动叶片前端间隙传感器便宜。因此，由于在同样的成本下能够在压缩机的轴向上设置多个以测定多个点，具有能够提高测量精度的优点。可是，在测量主流温度的情况下，在压缩机内部流动的粒径大的液滴在附着于壳体的同时，液滴也附着于温度测量传感器85的可能性较高。如传感器上附着有液滴则温度测量的误差变大。特别地，由于考虑到附着于壳体的液滴在重力作用下堆积于壳体的下半侧，因此优选将温度测量传感器设置于壳体的上半侧。另外，也有必要供给用于抑制液滴附着的密封空气。
[0060]此外，虽然未图示，但是即使在代替液滴喷雾的阀81的控制而通过设置于向空腔供给高压空气的通道72?74的阀等控制供给到空腔64的高温、高压空气流量的情况下，也能够实现本实施例的目的。另外，如上所述，在控制供给到空腔64的高温、高压空气的流量的情况下，能够在更短的时间内控制动叶片前端间隙。
【权利要求】
1.一种轴流压缩机，其构成为，具备向压缩机的动作流体供给液滴的液滴供给单元和形成供上述动作流体流下的流道的壳体，并具有多个由连续的一个动叶片列和一个静叶片列构成的级，上述液滴在上述压缩机内蒸发，上述轴流压缩机的特征在于， 在上述壳体上具有空腔， 上述空腔由外侧壳体和包围多级上述动叶片列的周围且在内部形成上述动作流体的流道的内侧壳体形成， 具备流道，该流道用于将比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体供给到上述空腔。
2.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 作为用于向上述空腔供给动作流体的上述流道，具有供给从上述压缩机的中心级抽出的动作流体的流道。
3.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 作为用于向上述空腔供给动作流体的上述流道，具有供给从上述压缩机排出的动作流体的流道。
4.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 在上述空腔的下游侧具备使比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体流入的下游侧空腔， 作为用于向上述空腔供给动作流体的上述流道，在上述外侧壳体或内侧壳体上具有连通上述空腔和上述下游侧空腔的连通孔。
5.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 上述内侧壳体的材质比上述外侧壳体的材质的线膨胀系数低。
6.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 具备调节向上述空腔供给的动作流体的流量的单元。
7.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 具备调节由上述液滴供给单元向上述动作流体供给的液滴的流量的单元。
8.根据权利要求6所述的轴流压缩机，其特征在于， 具备: 能够测量上述内侧壳体的内周面和被该内周面包围地配设的多级上述动叶片的前端之间的间隙的测量单元；以及 控制装置，该控制装置基于上述测量单元测量的上述间隙的测量值，控制调节向上述空腔供给的动作流体的流量的单元或调节向上述动作流体供给的液滴的流量的单元的至少一方。
9.根据权利要求6所述的轴流压缩机，其特征在于， 在上述内侧壳体上具备用于测量温度的温度测量单元， 该轴流压缩机具备控制装置，该控制装置基于上述温度测量单元测量的温度，推定上述内侧壳体的内周面和被该内周面包围地配设的多级上述动叶片的前端之间的间隙，并控制调节向上述空腔供给的动作流体的流量的单元或调节向上述动作流体供给的液滴的流量的单元的至少一方。
10.根据权利要求2所述的轴流压缩机，其特征在于，上述流道是将冷却被高温的燃烧气体驱动的涡轮机的涡轮机冷却空气的一部分供给到上述空腔的流道。
11.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于， 在上述内侧壳体的内周侧施以可磨涂层加工。
12.一种轴流压缩机的运转方法，该轴流压缩机具备向压缩机的动作流体供给液滴的液滴供给单元和形成供上述动作流体流下的流道的壳体，并具有多个由连续的一个动叶片列和一个静叶片列构成的级，上述液滴在上述压缩机内蒸发，该轴流压缩机在上述壳体上具有空腔，上述空腔由外侧壳体和包围多级上述动叶片的周围且在内部形成上述动作流体的流道的内侧壳体形成，具备用于将比上述内侧壳体的形成上述空腔的区域更靠下游侧的上述动作流体供给到上述空腔的流道，上述轴流压缩机的运转方法的特征在于， 测量或推定上述内侧壳体的内周面和被该内周面包围地配设的多级上述动叶片的前端之间的间隙，并根据测量或推定的上述间隙，调节向上述空腔供给的动作流体的流量或向上述动作流体供给的液滴的流量中的任一方。
【文档编号】F02C7/143GK103899419SQ201310534353
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2012年12月26日
【发明者】高桥康雄, 森崎哲郎, 明连千寻, 川村康太 申请人:株式会社日立制作所
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