CN111108327B - 燃气轮机的燃烧筒、燃烧器以及燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

燃气轮机的燃烧筒具备剖面呈圆环扇形的出口段，其中，所述出口段包括形成所述圆环扇形的外周侧边界的外侧壁、形成所述圆环扇形的内周侧边界的内侧壁、以及分别形成所述圆环扇形的周向上的两侧的边界的一对侧壁，所述外侧壁以朝向所述燃烧筒的出口开口而所述圆环扇形的高度减小的方式相对于所述内侧壁倾斜地延伸，所述一对侧壁中的第一侧壁以朝向所述燃烧筒的所述出口开口而所述圆环扇形的周长增加的方式相对于所述一对侧壁中的第二侧壁倾斜地延伸，所述第一侧壁相对于所述第二侧壁的倾斜角θ1[deg]满足0＜θ1≤56。

Description

燃气轮机的燃烧筒、燃烧器以及燃气轮机
技术领域
本发明涉及燃气轮机的燃烧筒、燃烧器以及燃气轮机。
背景技术
燃气轮机通常具有沿周向排列的多个燃烧器，各燃烧器具有供在该燃烧器中生成并朝向涡轮的高温的燃烧气体通过的燃烧筒。燃烧筒通常在入口部具有圆形的剖面形状，并且在出口部具有圆环扇形的剖面形状，以与相邻的燃烧器的间隙减小的状态将燃烧筒的出口部与涡轮的入口部连接。
作为这样的燃烧筒，例如在专利文献1中公开了一种燃烧衬套，该燃烧衬套具备位于燃烧衬套(燃烧筒)的入口侧且具有圆形剖面的圆锥段、以及位于燃烧衬套的出口侧且具有非圆形剖面的过渡段。该过渡段在与圆锥段连接的上游侧具有接近圆形的剖面形状，在燃烧衬套的出口开口侧(下游侧)具有接近长方形的剖面形状(即，圆环扇形的剖面形状)，在它们之间，剖面形状逐渐发生变化。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-181906号公报
发明内容
发明要解决的课题
如专利文献1所记载的燃烧衬套(燃烧筒)那样，在燃烧筒的出口部具有剖面形状逐渐从圆形变化为圆环扇形那样的形状的情况下，有时燃烧筒的流路截面积在中途增加。在该情况下，在燃烧筒中，在流路截面积增加的部位容易引起流动的剥离，这样的流动的剥离可能成为燃气轮机中的压力损失的主要原因。因此，在燃烧筒中，期望抑制燃烧气体的通路的中途的流路截面积的扩大。但是，在专利文献1中没有具体公开抑制这样的燃烧筒的流路截面积的扩大的结构。
鉴于上述的情况，本发明的至少一个实施方式的目的在于提供能够抑制燃烧筒中的流动的剥离的燃气轮机的燃烧筒及燃烧器以及燃气轮机。
用于解决课题的方案
(1)本发明的至少一个实施方式的燃气轮机的燃烧筒具备剖面呈圆环扇形的出口段，其中，
所述出口段包括：
外侧壁，其形成所述圆环扇形的外周侧边界；
内侧壁，其形成所述圆环扇形的内周侧边界；以及
一对侧壁，它们分别形成所述圆环扇形的周向上的两侧的边界，
所述外侧壁以朝向所述燃烧筒的出口开口而所述圆环扇形的高度减小的方式相对于所述内侧壁倾斜地延伸，
所述一对侧壁中的第一侧壁以朝向所述燃烧筒的所述出口开口而所述圆环扇形的周长增加的方式相对于所述一对侧壁中的第二侧壁倾斜地延伸，
所述第一侧壁相对于所述第二侧壁的倾斜角θ1[deg]满足0＜θ1≤56。
根据上述(1)的结构，通过将上述的倾斜角θ1设定为大于零且为56度以下，使燃烧筒的包含出口段在内的出口部中的流路截面积的分布合理化，能够抑制燃烧筒中的流动的剥离。因此，能够降低燃气轮机中的压力损失。
(2)在几个实施方式中，在上述(1)的结构的基础上，
所述外侧壁相对于所述内侧壁的倾斜角θ2[deg]满足11≤θ2≤25。
根据上述(2)的结构，通过将倾斜角θ2[deg]设定在11≤θ2≤25的范围内，与将上述倾斜角θ1设定为56度以内的情况相结合，能够进一步抑制燃烧筒中的流动的剥离。由此，能够有效地降低燃气轮机中的压力损失。
(3)在几个实施方式中，在上述(1)或(2)的结构的基础上，
所述倾斜角θ1满足12≤θ1≤56。
根据上述(3)的结构，通过将上述的倾斜角θ1设定为12度以上，能够使将出口段的圆环扇形的周长增加到出口开口的周长所需的燃烧筒的长度减小，能够使燃烧筒紧凑化。
(4)在几个实施方式中，在上述(1)至(3)的结构的基础上，
所述倾斜角θ1满足0＜θ1≤40。
(5)在几个实施方式中，在上述(4)的结构的基础上，
所述倾斜角θ1满足0＜θ1≤30。
根据上述(4)或(5)的结构，通过将倾斜角θ1的上限值设定为40度或30度以下，与将上述倾斜角θ1设定为56度以内的情况相结合，能够进一步抑制燃烧筒中的流动的剥离。
(6)本发明的至少一个实施方式的燃气轮机的燃烧筒具备剖面为圆环扇形的出口段，其中，
所述出口段包括：
外侧壁，其形成所述圆环扇形的外周侧边界；
内侧壁，其形成所述圆环扇形的内周侧边界；以及
一对侧壁，它们分别形成所述圆环扇形的周向上的两侧的边界，
所述外侧壁以朝向所述燃烧筒的出口开口而所述圆环扇形的高度减小的方式相对于所述内侧壁倾斜地延伸，
所述一对侧壁中的第一侧壁以朝向所述燃烧筒的所述出口开口而所述圆环扇形的周长增加的方式相对于所述一对侧壁中的第二侧壁倾斜地延伸，
在设所述第一侧壁相对于所述第二侧壁的倾斜角为θ1[deg]，所述外侧壁相对于所述内侧壁的倾斜角为θ2[deg]，所述出口段的下游端处的所述圆环扇形的高度为H1，所述出口段的下游端处的所述外侧壁与所述内侧壁的平均周长为Am1时，
满足|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)。
根据本发明人等的见解，为了使出口段的流路截面积随着朝向下游侧而逐渐减小，上述的倾斜角θ1及θ2、出口段的下游端的圆环扇形的高度H1、以及圆环扇形的外侧壁及内侧壁的平均周长Am1需要满足|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)。
关于这一点，根据上述(6)的结构，上述的θ1、θ2、H1及Am1满足|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)，因此燃烧筒的包含出口段的出口部的流路截面积随着朝向下游侧而减小。因此，根据上述(6)的结构，能够抑制燃烧筒中的流动的剥离，有效地降低燃气轮机中的压力损失。
(7)在几个实施方式中，在上述(1)至(6)中任一结构的基础上，所述燃烧筒具备：
入口段，其具有圆形剖面，且形成所述燃烧筒的入口开口；以及
中间段，其位于所述入口段与所述出口段之间，剖面形状沿着所述燃烧筒的长度方向从所述入口段的所述圆形剖面向所述出口段的所述圆环扇形的所述剖面变化。
根据上述(7)的结构，在具备入口段、出口段、以及位于该入口段与出口段之间的中间段的燃烧筒中，能够抑制流动的剥离，降低燃气轮机中的压力损失。
(8)在几个实施方式中，在上述(7)的结构的基础上，
所述出口段的所述外侧壁以朝向所述燃烧筒的所述出口开口而远离所述入口段的中心线的方式相对于所述中心线倾斜地延伸。
根据上述(8)的结构，将燃烧筒的入口段的中心线相对于燃气轮机的轴向的倾斜角设定得较大，使燃烧筒在轴向上紧凑化，并且能够将燃烧筒的出口段的外侧壁与一级静叶的外侧护罩平滑地连接，能够抑制压力损失。
(9)在几个实施方式中，在上述(7)或(8)的结构的基础上，
所述中间段包括：
第一壁部分，其与所述出口段的所述外侧壁相连；以及
第二壁部分，其与所述出口段的所述内侧壁相连，
所述中间段的所述第一壁部分在沿着所述燃烧筒的长度方向的剖面中，包括：
第一弯曲凸部，其在所述燃烧筒的内部空间侧具有曲率中心，曲率半径为Rout1；以及
弯曲凹部，其位于所述第一弯曲凸部的下游侧，在隔着所述第一壁部分与所述燃烧筒的内部空间相反的一侧具有曲率中心，曲率半径为Rin1，
所述中间段的所述第二壁部分在沿着所述燃烧筒的长度方向的剖面中包括第二弯曲凸部，该第二弯曲凸部在所述燃烧筒的内部空间侧具有曲率中心，曲率半径为Rout2，
满足Rout1＜Rin1＜Rout2。
根据上述(9)的结构，通过使上述的曲率半径Rout1、Rin1及Rout2中的Rout1为最小，从而使燃烧筒的剖面形状从入口段的圆筒形状向出口段的环状扇形急剧地变化，能够缩短中间段的长度。另外，通过设定为Rout1＜Rin1，中间段的第一壁部分的弯曲凹部的曲率变得比较小，能够增加出口段的外侧壁的倾斜角θ2，能够抑制出口段中的流动的剥离。并且，通过将上述的三种曲率半径中的Rout2设定为最大，能够使中间段的第二壁部分的形状变化平缓，抑制压力损失。
(10)在几个实施方式中，在上述(1)至(9)的结构的基础上，
所述出口段通过焊接与所述中间段接合。
根据上述(10)的结构，出口段和中间段通过焊接接合，因此能够将出口段和中间段作为不同的部件制作。因此，能够灵活地选择出口段及中间段的形状、制作方法。
需要说明的是，在其他实施方式中，出口段和中间段也可以一体地形成。
(11)在几个实施方式中，在上述(10)的结构的基础上，
所述出口段为铸造部件。
构成燃烧器的出口部的出口段例如为了与涡轮入口部的连接，有时需要形成复杂的结构。关于这一点，根据上述(11)的结构，出口段通过铸造形成，因此即使在具有比较复杂的结构的情况下也容易制造。
(12)本发明的至少一个实施方式的燃气轮机的燃烧器具备：
喷燃器，其用于使燃料燃烧；以及
上述(1)至(11)中任一结构的燃烧筒，其形成通过所述喷燃器中的燃料的燃烧而产生的燃烧气体的通路。
根据上述(12)的结构，通过将上述的倾斜角θ1设定为56度以下，使燃烧筒的包含出口段的出口部的流路截面积的分布合理化，能够抑制燃烧筒中的流动的剥离。因此，能够降低燃气轮机中的压力损失。
(13)本发明的至少一个实施方式的燃气轮机具备：
上述(12)所述的燃烧器；以及
一级静叶，其设置于所述燃烧器的所述燃烧筒的下游侧，
在所述燃气轮机的轴向剖面中，所述燃烧筒的所述出口段的所述外侧壁与所述一级静叶的外侧护罩所成的角度为7度以下。
根据上述(13)的结构，通过将上述的倾斜角θ1设定为56度以下，使燃烧筒的包含出口段的出口部的流路截面积的分布合理化，能够抑制燃烧筒中的流动的剥离。因此，能够降低燃气轮机中的压力损失。
另外，根据上述(13)的结构，在燃气轮机的轴向剖面中，燃烧筒的出口段的外侧壁与一级静叶的外侧护罩所成的角度为7度以下，因此形成涡轮入口部的燃烧气体通路的一级静叶的外侧护罩与该外侧壁容易平滑地连接。因此，能够抑制燃烧筒与涡轮的连接部的流动的剥离，更有效地降低燃气轮机中的压力损失。
发明效果
根据本发明的至少一个实施方式，能够提供可抑制燃烧筒中的流动的剥离的燃气轮机的燃烧筒及燃烧器以及燃气轮机。
附图说明
图1是一个实施方式的燃气轮机的概要结构图。
图2是示出一个实施方式的燃气轮机的燃烧器及涡轮的入口部分的概要图。
图3是一个实施方式的燃烧筒的概要俯视图。
图4是图3所示的燃烧筒的沿着轴向的概要剖视图。
图5是沿图4的A-A线的剖视图。
图6是沿图4的B-B线的剖视图。
图7是示出一个实施方式的尾筒(燃烧筒)的出口段的剖面形状的图。
图8是示出一个实施方式的尾筒(燃烧筒)的出口段的剖面形状的图。
图9是出口段的圆环扇形的剖面的示意图。
图10是用于说明具有图7所示的形状的出口段的流路截面积的微小变化的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。其中，作为实施方式所记载的或附图中所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并不旨在将本发明的范围限定于此，而只不过是简单的说明例。
图1是一个实施方式的燃气轮机的概要结构图。
如图1所示，燃气轮机1具备用于生成压缩空气的压缩机2、用于使用压缩空气及燃料产生燃烧气体的燃烧器4、以及构成为由燃烧气体驱动而旋转的涡轮6。在发电用的燃气轮机1的情况下，在涡轮6连结有未图示的发电机。
压缩机2包括固定于压缩机机室10侧的多个静叶16、以及以相对于静叶16交替地排列的方式植设于转子8的多个动叶18。
从空气导入口12导入的空气被输送至压缩机2，该空气通过多个静叶16及多个动叶18被压缩而成为高温高压的压缩空气。
向燃烧器4供给燃料和由压缩机2生成的压缩空气，在该燃烧器4中燃料被燃烧，生成作为涡轮6的工作流体的燃烧气体。如图1所示，燃气轮机1具有在外壳20内以转子8为中心沿周向配置有多个的燃烧器4。
涡轮6具有由涡轮机室22形成的燃烧气体通路28，包括设置于该燃烧气体通路28的多个静叶24及动叶26。
静叶24固定于涡轮机室22侧，沿转子8的周向排列的多个静叶24构成静叶栅。另外，动叶26植设于转子8，沿转子8的周向排列的多个动叶26构成动叶栅。静叶栅和动叶栅在转子8的轴向上交替地排列。需要说明的是，多个静叶24中的设置于最靠上游侧的静叶24(即设置于靠近燃烧器4的位置的静叶24)为一级静叶23。
在涡轮6中，流入燃烧气体通路28的来自燃烧器4的燃烧气体通过多个静叶24及多个动叶26而驱动转子8旋转，由此，与转子8连结的发电机被驱动而生成电力。驱动涡轮6后的燃烧气体经由排气室30向外部排出。
图2是示出一个实施方式的燃气轮机1的燃烧器4及涡轮6的入口部分的概要图。
如图2所示，以转子8为中心呈环状配置多个的燃烧器4(参照图1)各自包括设置于由外壳20划分出的燃烧器机室32的燃烧筒(燃烧器衬套)36、分别配置在燃烧筒36内的第一燃烧喷燃器38、以及以包围第一燃烧喷燃器38的方式配置的多个第二燃烧喷燃器40。即，在燃气轮机1中，燃烧器4的燃烧筒36沿周向配置有多个。
需要说明的是，燃烧器4也可以具备使燃烧气体旁通的旁通管(未图示)等其他构成要素。
燃烧筒(燃烧器衬套)36具有配置在第一燃烧喷燃器38及多个第二燃烧喷燃器40的周围的内筒48、以及与内筒48的前端部连结的尾筒50。需要说明的是，内筒48和尾筒50也可以构成一体的燃烧筒。
第一燃烧喷燃器38及第二燃烧喷燃器40分别包括用于喷射燃料的燃料喷嘴(未图示)、以及以包围该燃料喷嘴的方式配置的喷燃器筒(未图示)。燃料分别经由燃料端口42、44供给到各个燃料喷嘴。另外，由压缩机2(参照图1)生成的压缩空气经由机室入口41供给到燃烧器机室32内，该压缩空气从燃烧器机室32流入各个喷燃器筒。并且，在各喷燃器筒中，从燃料喷嘴喷射的燃料与压缩空气混合，该混合气流入燃烧筒36，通过被点火而进行燃烧，从而产生燃烧气体。
需要说明的是，第一燃烧喷燃器38也可以是用于产生扩散燃烧火焰的喷燃器，第二燃烧喷燃器40也可以是用于使预混合气燃烧而产生预混合燃烧火焰的喷燃器。
即，在第二燃烧喷燃器40中，来自燃料端口44的燃料与压缩空气被预混合，该预混合气在旋流器(未图示)的作用下而主要形成回旋流，并流入燃烧筒36。另外，压缩空气与经由燃料端口42从第一燃烧喷燃器38喷射出的燃料在燃烧筒36内被混合，通过未图示的火种被点火而进行燃烧，产生燃烧气体。此时，燃烧气体的一部分伴随着火焰向周围扩散，从而使从各第二燃烧喷燃器40流入燃烧筒36内的预混合气点火而进行燃烧。即，通过由从第一燃烧喷燃器38喷射的扩散燃烧用燃料产生的扩散燃烧火焰，能够进行用于使来自第二燃烧喷燃器40的预混合气(预混合燃料)稳定燃烧的保焰。此时，燃烧区域例如可以形成于内筒48且不形成于尾筒50。
如上所述，在燃烧器4中通过燃料的燃烧而产生的燃烧气体经由位于尾筒50的下游端部的燃烧器4的出口部52流入涡轮6的一级静叶23。
图3是一个实施方式的尾筒50(燃烧筒36)的概要俯视图(在燃气轮机1中朝向径向内侧观察的图)，图4是图3所示的尾筒50(燃烧筒36)的沿着轴向的概要剖视图。另外，图5是沿着图4的A-A线的剖视图，图6是沿着图4的B-B线的剖视图。
需要说明的是，图4的A-A线是与入口段58的中心线O正交的线，图4的B-B线是与燃气轮机1的轴向正交的线。
如图3及图4所示，一个实施方式的尾筒50(燃烧筒36)包括形成尾筒50(燃烧筒36)的入口开口54的入口段58、在燃烧器4的出口部52形成尾筒50(燃烧筒36)的出口开口56的出口段62、以及位于入口段58与出口段62之间的中间段60。
在燃烧器4中，通过燃料的燃烧而生成的高温的燃烧气体经由入口开口54流入尾筒50(燃烧筒36)，依次通过入口段58、中间段60及出口段62，并经由出口开口56从燃烧器4向一级静叶23(涡轮6；参照图1及图2)流入。
如图5所示，入口段58构成尾筒50(燃烧筒36)的圆筒部，具有圆形剖面。需要说明的是，入口段58的形状可以是圆筒型、或者也可以是圆锥梯形。
入口段58的圆形剖面的直径D1可以在入口段58的中心线O的方向上的入口段58的延伸范围的整个区域内实质上相同，或者随着从入口开口54朝向下游侧而逐渐减小。
如图3及图4所示，出口段62包括位于轴向的最上游侧且与中间段60连接的上游端62a、以及形成出口开口56的下游端62b。
另外，如图6所示，出口段62在图6所示的剖面中，包括沿周向延伸的外侧壁64及内侧壁66、以及在该外侧壁64及内侧壁66的两侧部沿径向延伸的一对侧壁即第一侧壁68A及第二侧壁68B。内侧壁66位于比外侧壁64靠径向内侧的位置。
需要说明的是，在几个实施方式中，外侧壁64及内侧壁66和第一侧壁68A及第二侧壁68B也可以经由弯曲的角部70平滑地连接。
如图6所示，出口段62的剖面具有由外侧壁64、内侧壁66、第一侧壁68A及第二侧壁68B形成的圆环扇形(annular sector)的形状。
外侧壁64及内侧壁66分别形成圆环扇形的外周侧边界及内周侧边界，第一侧壁68A及第二侧壁68B分别形成圆环扇形的周向的两侧的边界。
需要说明的是，如图6所示，即使在外侧壁64及内侧壁66和第一侧壁68A及第二侧壁68B经由弯曲的角部70平滑地连接的情况下，出口段62的剖面形状作为整体可以视为具有圆环扇形的形状。
出口段62的更具体的特征将在后面叙述。
如图4所示，中间段60具有与出口段62的外侧壁64相连的第一壁部分72、以及与出口段62的内侧壁66相连的第二壁部分74。另外，中间段60具有形状沿着尾筒50(燃烧筒36)的长度方向从入口段58的圆形剖面向出口段62的圆环扇形的剖面变化的剖面。
入口段58和中间段60、或中间段60和出口段62也可以一体地形成，或者也可以在中间段60和出口段62分别作为不同的部件形成后连接。
在出口段62和中间段60作为不同的部件而制作的情况下，能够更灵活地选择出口段62及中间段60的形状、制作方法。
在一个实施方式中，入口段58或中间段60中的至少一方是通过钣金加工而成形出的部件。
另外，在一个实施方式中，出口段62是通过铸造(例如精密铸造)而成形出的铸造部件。
构成燃烧器4的出口部52的尾筒50(燃烧筒36)的出口段62例如为了与涡轮6的入口部的连接，有时需要形成复杂的结构。关于这一点，通过铸造形成出口段62，从而即使在该出口段62具有比较复杂的结构的情况下也容易制造。
在中间段60和出口段62作为不同的部件而制作的情况下，出口段62和中间段60也可以通过焊接进行接合。
如图4所示，设置于燃烧器4的尾筒50(燃烧筒36)的下游侧的一级静叶23包括内侧护罩90、设置于比内侧护罩90靠径向外侧的外侧护罩92、以及在内侧护罩90与外侧护罩92之间沿径向延伸的翼型部94。
虽然未特别图示，但外侧护罩92支承于涡轮机室22(参照图1)，一级静叶23经由外侧护罩92支承于涡轮机室22。
以下，对包含出口段62的尾筒50(燃烧筒36)的特征更具体地进行说明。
图7及图8分别是示出一个实施方式的尾筒50的出口段62的剖面形状的图。图7的(a)及图8的(a)分别是包含燃气轮机1的周向及轴向在内的平面上的剖视图，图7的(b)及图8的(b)分别是包含燃气轮机1的径向及轴向在内的平面上的剖视图。需要说明的是，在图7及图8中，将燃气轮机1的轴向设为x轴。
另外，图9是出口段62的圆环扇形的剖面的示意图。如图9所示，在将圆环扇形的内径设为Ri，将外径设为Ro，将中心角设为θ0时，该圆环扇形的高度H为(Ro-Ri)，平均直径Rm为(Ro+Ri)/2，作为平均直径的周长的平均周长Am为Rm×θ0。另外，此时圆环扇形的面积S为π(Ro2-Ri2)×θ0/2π＝Am×H(即，圆环扇形的平均s周长Am×高度H)。
并且，在图7及图8中，H1及H2分别是出口段62的下游端62b及上游端62a的圆环扇形的高度，Am1及Am2分别是出口段62的下游端62b及上游端62a的圆环扇形的平均周长。
在几个实施方式中，出口段62具有以下(i)～(iii)的特征。
(i)首先，在出口段62中，外侧壁64以朝向尾筒50(燃烧筒36)的出口开口56而圆环扇形的高度H减小的方式相对于内侧壁66倾斜地延伸。
即，出口段62的下游端62b及上游端62a处的圆环扇形的高度H1及H2满足H1＜H2，在将外侧壁64相对于内侧壁66的倾斜角设为θ2[deg]时(其中，θ2以使包含周向及轴向的剖面的截面积减小的一侧为正。)，θ2＞0。
需要说明的是，在图7的(b)中，内侧壁66沿燃气轮机1的轴向延伸，因此外侧壁64相对于内侧壁66的倾斜角θ2为图示那样的的角度。
另一方面，在图8的(b)中，内侧壁66相对于轴向仅倾斜θ2b，且外侧壁64相对于轴向仅倾斜θ2a，外侧壁64相对于内侧壁66的倾斜角θ2为θ2＝θ2a-θ2b。
(ii)另外，在出口段62中，一对侧壁即第一侧壁68A和第二侧壁68B中的第一侧壁68A以朝向尾筒50(燃烧筒36)的出口开口56而圆环扇形的周长增加的方式相对于第二侧壁68B倾斜地延伸。在此，“圆环扇形的周长增加”可以认为相当于“圆环扇形的平均周长Am增加”。
即，出口段62的下游端62b及上游端62a处的圆环扇形的平均周长Am1及Am2满足Am1＞Am2，在将第一侧壁68A相对于第二侧壁68B的倾斜角设为θ1[deg]时(其中，θ1以使包含径向及轴向的剖面的截面积增加的一侧为正。)，θ1＞0。
需要说明的是，在图7的(a)中，第一侧壁68A及第二侧壁68B相对于轴向(x轴的方向)仅倾斜相同的大小θ1/2，第一侧壁68A相对于第二侧壁68B的倾斜角θ1为2×θ1/2＝θ1。
另一方面，在图8的(a)中，第一侧壁68A相对于轴向仅倾斜θ1a，且第二侧壁68B相对于轴向仅倾斜θ1b，第一侧壁68A相对于第二侧壁68B的倾斜角θ1为θ1＝θ1a+θ1b。
(iii)并且，上述的倾斜角θ1[deg]满足0＜θ1≤56。
本发明人等进行了深入研究，结果发现，通过将第一侧壁68A相对于第二侧壁68B的倾斜角θ1设定为大于零且为56度以下，使尾筒50(燃烧筒36)的包含出口段62的出口部52中的流路截面积的分布合理化，从而能够抑制燃烧筒中的流动的剥离。因此，通过将上述倾斜角θ1设为56度以下，能够降低燃气轮机1中的压力损失。
在几个实施方式中，除了上述的(i)～(iii)的特征之外，在出口段62中，外侧壁64相对于内侧壁66的倾斜角θ2[deg]满足11≤θ2≤25。
在该情况下，通过将上述的倾斜角θ2[deg]设定在11≤θ2≤25的范围内，与将上述的倾斜角θ1设定在大于零且56度以内的情况相结合，能够进一步抑制燃烧筒36中的流动的剥离。由此，能够有效地降低燃气轮机1中的压力损失。
另外，在几个实施方式中，除了上述的(i)～(iii)的特征之外，在出口段62中，第一侧壁68A相对于第二侧壁68B的倾斜角θ1满足12≤θ1≤56。
在该情况下，通过将上述的倾斜角θ1设定为12度以上，能够使出口段62的圆环扇形的周长(或平均周长Am)增加至出口开口56的周长(或平均周长Am1)所需的燃烧筒36的长度减小，能够使燃烧筒36紧凑化。
在几个实施方式中，第一侧壁68A相对于第二侧壁68B的倾斜角θ1也可以满足0＜θ1≤40。
另外，在几个实施方式中，上述的倾斜角θ1也可以满足0＜θ1≤30。
这样，通过将上述的倾斜角θ1的上限值设定为40度或30度以下，从而与将上述倾斜角θ1设定为56度以内的情况相结合，能够进一步抑制燃烧筒中的流动的剥离。
在几个实施方式中，出口段62除了上述(i)及(ii)之外，还具有以下所示的(iv)的特征。
(iv)在将出口段62的第一侧壁68A相对于第二侧壁68B的倾斜角设为θ1[deg]，将外侧壁64相对于内侧壁66的倾斜角设为θ2[deg]，将出口段62的下游端62b的圆环扇形的高度设为H1，将外侧壁64及内侧壁66的平均周长设为Am1时(参照图7及图8)，
满足|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)。
根据本发明人等的见解，为了使出口段62的流路截面积随着朝向下游侧而逐渐减小，上述的倾斜角θ1及θ2、出口段62的下游端62b的圆环扇形的高度H1、以及圆环扇形的外侧壁64及内侧壁66的平均周长Am1需要满足|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)。
关于这一点，在上述的实施方式中，上述的θ1、θ2、H1及Am1满足|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)，因此尾筒50(燃烧筒36)的包含出口段62在内的出口部的流路截面积随着朝向下游侧而减小。因此，能够抑制燃烧筒36的流动的剥离，有效地降低燃气轮机1的压力损失。
在此，对上述的关系式|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)的导出进行说明。
图10是用于说明具有图7所示的形状的出口段62的下游端62b的流路截面积的轴向(x轴方向)上的微小变化的图。
图10的(a)示出图7的(a)所示的剖面中的出口段62的形状的微小变化，图10的(b)示出图7的(b)所示的剖面中的出口段62的形状的微小变化。
将下游端62b的轴向位置设为x1，将从该位置沿轴向仅变化dx的轴向位置设为(x1+dx)。此时，下游端62b处的出口段62的流路截面积S1由下式表示。
S1＝Am1×H1…(A)
另外，若将轴向位置(x1+dx)的平均周长设为Amα，将高度设为Hα，则参照图10的(a)及图10的(b)，由于Amα＝Am1+dx·2tan(θ1/2)，且Hα＝H1-dx·tanθ2，该轴向位置(x1+dx)的流路截面积Sα由下式表示。
Sα＝Amα×Hα
＝{Am1+dx·2tan(θ1/2)}×{H1-dx·tanθ2}…(B)
在此，为了使流路截面积S1随着朝向轴向下游侧而减小，需要
(dS/dx)＜0…(C)。
由于dS＝Sα-S1，若使用式(A)、(B)将式(C)进行变形，则成为下式。
(dS/dx)＝lim(x→0){(Sα-S1)/dx}
＝-Am1·tanθ2+H1·2tan(θ1/2)＜0…(D)
进一步整理式(D)，
2·tan(θ1/2)＜(Am1/H1)·tanθ2…(E)
在此，θ1及θ2足够小，可以近似为tan(θ1/2)≈(θ1/2)，tanθ2≈θ2，根据式(E)，成为
θ1＜θ2×(Am1/H1)…(F)，
若0°＜θ1＜90°，0°＜θ2＜90°，则导出上述的关系式
|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)…(G)。
需要说明的是，在此，以具有图7所示的形状的出口段62为前提导出上述的关系式(G)，但即使在具有图8所示的形状的情况下，也能够同样地计算出上述关系式CG)。
在几个实施方式中，例如如图4所示，出口段62的外侧壁64以朝向尾筒50(燃烧筒36)的出口开口56而远离入口段58的中心线O的方式，相对于该中心线O倾斜地延伸。
即，如图4所示，入口段58的中心线O与出口段62的外侧壁64所成的角度
Figure BDA0002417958480000141
(其中，角度
Figure BDA0002417958480000142
的中心在轴向上位于比出口开口56靠上游侧的位置。)大于零且小于90度。
在该情况下，将尾筒50(燃烧筒36)的入口段58的中心线O相对于燃气轮机1的轴向的倾斜角设定得较大，从而使燃烧筒36在轴向上紧凑化，并且能够将尾筒50(燃烧筒36)的出口段62的外侧壁64与一级静叶23的外侧护罩92平滑地连接，从而能够抑制压力损失。
在几个实施方式中，如图4所示，与出口段62的外侧壁64相连的中间段60的第一壁部分72包括在沿着燃烧筒36的长度方向的剖面(即，图4所示的剖面)中弯曲的第一弯曲凸部76及弯曲凹部78。另外，与出口段62的内侧壁66相连的中间段60的第二壁部分74包括在沿着燃烧筒36的长度方向的剖面中弯曲的第二弯曲凸部80。
第一弯曲凸部76在沿着燃烧筒36的长度方向的剖面中，在尾筒50(燃烧筒36)的内部空间侧具有曲率中心，曲率半径为Rout1。
弯曲凹部78在沿着燃烧筒36的长度方向的剖面中，位于第一弯曲凸部76的下游侧。另外，弯曲凹部78隔着第一壁部分72在与尾筒50(燃烧筒36)的内部空间相反的一侧具有曲率中心，曲率半径为Rin1。
第二弯曲凸部80在沿着燃烧筒36的长度方向的剖面中，在尾筒50(燃烧筒36)的内部空间侧具有曲率中心，曲率半径为Rout2。
并且，第一弯曲凸部76的曲率半径Rout1、弯曲凹部78的曲率半径Rin1及第二弯曲凸部80的曲率半径Rout2满足Rout1＜Rin1＜Rout2。
如上所述，通过使曲率半径Rout1、Rin1及Rout2中的Rout1为最小，从而使燃烧筒36的剖面形状从入口段58的圆筒形状向出口段62的环状扇形急剧地变化，能够缩短中间段60的长度。另外，如上所述，通过设定为Routl＜Rin1，中间段60的第一壁部分72的弯曲凹部78的曲率变得比较小，能够增加出口段62的外侧壁64的倾斜角θ2，能够抑制出口段62中的流动的剥离。并且，通过将上述的三种曲率半径中的Rout2设定为最大，能够使中间段60的第二壁部分74的形状变化平缓，抑制压力损失。
在几个实施方式中，在燃气轮机1的轴向剖面(即，图4所示的剖面)中，尾筒50(燃烧筒36)的出口段62的外侧壁64与一级静叶23的外侧护罩92所成的角度为7度以下。
即，在上述的轴向剖面中，将轴向的直线与一级静叶23的外侧护罩92所成的角度设为ψo[deg]，将轴向的直线与出口段62的外侧壁64所成的角度设为ψ1[deg]时(参照图4)，为|ψ0-ψ0|＜7。
如上述那样，在轴向剖面中，通过使尾筒50(燃烧筒36)的出口段62的外侧壁64与一级静叶23的外侧护罩92所成的角度为7度以下，从而形成涡轮6的入口部的燃烧气体通路的一级静叶23的外侧护罩92与该外侧壁64容易平滑地连接。因此，能够抑制燃烧筒36与涡轮6的连接部的流动的剥离，更有效地降低燃气轮机1的压力损失。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，也包括对上述的实施方式施加变形的方式、适当地组合这些方式而得到的方式。
在本说明书中，“在某方向上”、“沿着某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对或绝对的配置的表达不仅表示严格上该种配置，也表示具有公差、或者以能够得到相同功能的程度的角度、距离相对地位移了的状态。
例如，“相同”、“相等”以及“均质”等表示物事相等的状态的表达不仅表示严格相等的状态，也表示存在公差、或者能够得到相同功能的程度的差的状态。
另外，在本说明书中，四边形状、圆筒形状等表示形状的表达不仅表示几何学上严格意义的四边形状、圆筒形状等形状，也表示在能够得到相同效果的范围内包含凹凸部、倒角部等的形状。
另外，在本说明书中，“具备”、“包含”、或“具有”一构成要素这样的表达不是将其他构成要素的存在排除在外的排他性表达。
附图标记说明：
1…燃气轮机；
2…压缩机；
4…燃烧器；
6…涡轮；
8…转子；
10…压缩机机室；
12…空气导入口；
16…静叶；
18…动叶；
20…外壳；
22…涡轮机室；
24…静叶；
26…动叶；
28…燃烧气体通路；
30…排气室；
32…燃烧器机室；
36…燃烧筒；
38…第一燃烧喷燃器；
40…第二燃烧喷燃器；
41…机室入口；
42…燃料端口；
44…燃料端口；
48…内筒；
50…尾筒；
52…出口部；
54…入口开口；
56…出口开口；
58…入口段；
60…中间段；
62…出口段；
62a...上游端；
62b...下游端；
64…外侧壁；
66…内侧壁；
68A...第一侧壁；
68B…第二侧壁；
70…角部；
72…第一壁部分；
74…第二壁部分；
76…第一弯曲凸部；
78…弯曲凹部；
80…第二弯曲凸部；
90…内侧护罩；
92…外侧护罩；
94…翼型部；
Am…平均周长；
H...高度；
O…中心线；
Rin1…曲率半径；
Rm…平均直径；
Rout1…曲率半径；
Rout2…曲率半径；
θ1…倾斜角；
θ2…倾斜角；
ψ…角度。

Claims (13)

1.一种燃气轮机的燃烧筒，其具备剖面呈圆环扇形的出口段，其特征在于，
所述出口段在所述燃烧筒的下游端部具有形成所述燃烧筒的出口开口的下游端，
所述出口段包括：
外侧壁，其形成所述圆环扇形的外周侧边界；
内侧壁，其形成所述圆环扇形的内周侧边界；以及
一对侧壁，它们分别形成所述圆环扇形的周向上的两侧的边界，
所述外侧壁以朝向所述燃烧筒的出口开口而所述圆环扇形的高度减小的方式相对于所述内侧壁倾斜地延伸，
所述一对侧壁中的第一侧壁以朝向所述燃烧筒的所述出口开口而所述圆环扇形的周长增加的方式相对于所述一对侧壁中的第二侧壁倾斜地延伸，
所述第一侧壁相对于所述第二侧壁的倾斜角θ1[deg]满足0＜θ1≤56。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述外侧壁相对于所述内侧壁的倾斜角θ2[deg]满足11≤θ2≤25。
3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述倾斜角θ1满足12≤θ1≤56。
4.根据权利要求1或2所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述倾斜角θ1满足0＜θ1≤40。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述倾斜角θ1满足0＜θ1≤30。
6.一种燃气轮机的燃烧筒，其具备剖面呈圆环扇形的出口段，其特征在于，
所述出口段在所述燃烧筒的下游端部具有形成所述燃烧筒的出口开口的下游端，
所述出口段包括：
外侧壁，其形成所述圆环扇形的外周侧边界；
内侧壁，其形成所述圆环扇形的内周侧边界；以及
一对侧壁，它们分别形成所述圆环扇形的周向上的两侧的边界，
所述外侧壁以朝向所述燃烧筒的出口开口而所述圆环扇形的高度减小的方式相对于所述内侧壁倾斜地延伸，
所述一对侧壁中的第一侧壁以朝向所述燃烧筒的所述出口开口而所述圆环扇形的周长增加的方式相对于所述一对侧壁中的第二侧壁倾斜地延伸，
在设所述第一侧壁相对于所述第二侧壁的倾斜角为θ1[deg]，所述外侧壁相对于所述内侧壁的倾斜角为θ2[deg]，所述出口段的下游端处的所述圆环扇形的高度为H1，所述出口段的下游端处的所述外侧壁与所述内侧壁的平均周长为Am1时，
满足|θ1|＜|θ2|×(Am1/H1)。
7.根据权利要求1或6所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述燃气轮机的燃烧筒具备：
入口段，其具有圆形剖面，且形成所述燃烧筒的入口开口；以及
中间段，其位于所述入口段与所述出口段之间，剖面形状沿着所述燃烧筒的长度方向从所述入口段的所述圆形剖面向所述出口段的所述圆环扇形的所述剖面变化。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述出口段的所述外侧壁以朝向所述燃烧筒的所述出口开口而远离所述入口段的中心线的方式相对于所述中心线倾斜地延伸。
9.根据权利要求7所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述中间段包括：
第一壁部分，其与所述出口段的所述外侧壁相连；以及
第二壁部分，其与所述出口段的所述内侧壁相连，
所述中间段的所述第一壁部分在沿着所述燃烧筒的长度方向的剖面中，包括：
第一弯曲凸部，其在所述燃烧筒的内部空间侧具有曲率中心，曲率半径为Rout1；以及
弯曲凹部，其位于所述第一弯曲凸部的下游侧，在隔着所述第一壁部分与所述燃烧筒的内部空间相反的一侧具有曲率中心，曲率半径为Rin1，
所述中间段的所述第二壁部分在沿着所述燃烧筒的长度方向的剖面中包括第二弯曲凸部，该第二弯曲凸部在所述燃烧筒的内部空间侧具有曲率中心，曲率半径为Rout2，
满足Rout1＜Rin1＜Rout2。
10.根据权利要求7所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述出口段通过焊接与所述中间段接合。
11.根据权利要求10所述的燃气轮机的燃烧筒，其特征在于，
所述出口段为铸造部件。
12.一种燃气轮机的燃烧器，其特征在于，
所述燃气轮机的燃烧器具备：
喷燃器，其用于使燃料燃烧；以及
权利要求1至11中任一项所述的燃烧筒，其形成通过所述喷燃器中的燃料的燃烧而产生的燃烧气体的通路。
13.一种燃气轮机，其具备：
权利要求12所述的燃烧器；以及
一级静叶，其设置于所述燃烧器的所述燃烧筒的下游侧，
其特征在于，
在所述燃气轮机的轴向剖面中，所述燃烧筒的所述出口段的所述外侧壁与所述一级静叶的外侧护罩所成的角度为7度以下。
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