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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, die Drehkraft durch Brennstoff, der verdichteten Hochtemperatur-Hochdruck-Luft zugeführt wird, bezieht, wobei die Luft und der Brennstoff verbrannt werden und das resultierende Verbrennungsgas der Turbine zugeführt wird.
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Stand der Technik
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Eine Gasturbine ist aus einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine gebildet. Luft, die von einer Lufteinlassöffnung eingelassen wird, wird vom Kompressor verdichtet, um eine Hochtemperatur-Druckluft mit hohem Druck zu erzeugen. Brennstoff wird dieser Druckluft zugeführt und die beiden werden in der Brennkammer verbrannt. Das resultierende Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgas wird verwendet, um die Turbine anzutreiben, die wiederum einen daran gekoppelten Generator antreibt. In dieser Konfiguration umfasst die Turbine ein Gehäuse, in dem eine Mehrzahl von Schaufeln und Flügeln abwechselnd angeordnet sind. Wenn die Flügel durch das Verbrennungsgas angetrieben werden, wird die an den Generator gekoppelte Ausgangswelle drehend angetrieben. Das Verbrennungsgas, das die Turbine angetrieben hat, wird als Abgas in die Atmosphäre ausgelassen.
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In einer solchen Gasturbine sind eine Mehrzahl von Brennkammern aneinander angrenzend in der Umfangsrichtung vorgesehen. Das Verbrennungsgas, das bei jeder Brennkammer verbrannt wird, strömt durch ein Übergangsstück aus und tritt in einen Strömungskanal durch einen Gaseinlass der Turbine ein. Sofort nachdem das Verbrennungsgas aus dem Übergangsstück strömt, kann eine Karmansche Wirbelstraße in der Strömung zwischen Seitenflanschen von angrenzenden Übergangsstücken gebildet werden. Unbeständige Druckschwankungen, die die Schwingungsquelle dieser Karmanschen Wirbelstraße darstellen, können mit einem akustischen Eigenwert schwingen und eine große Druckschwankung kann auftreten und zur Einstellung der Betriebsabläufe führen.
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Ein Beispiel einer Technologie mit einem Ziel, ein solches Problem zu lösen, wird in Patentdokument 1 beschrieben. Die in Patentdokument 1 beschriebene Gasturbine umfasst Innenflächen von Seitenwänden, die einander in der Umfangsrichtung auf dem stromabwärtigen Abschnitt eines Übergangsstücks gegenüberliegen. Die Innenflächen weisen eine geneigte Fläche auf, die sich in einer Richtung neigt, die sich allmählich einem angrenzenden Übergangsstück nähert, während sie zur stromabwärtigen Seite des Übergangsstücks in einer Achsenrichtung geht.
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Liste der Patentdokumente
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Patentliteratur
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- Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2013-064535A
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Technisches Problem
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In der oben beschriebenen gewöhnlichen Gasturbine weisen die seitlichen Wandinnenflächen auf der stromabwärtigen Seite des Übergangsstücks geneigte Flächen auf. Dadurch kann die Strömung entlang der seitlichen Wandinnenflächen zusammengeführt werden und folglich wird das Bilden einer Karmanschen Wirbelstraße verhindert. Aber das Verbrennungsgas, das in den Verbrennungsgas-Strömungskanal von den Übergangsstücken der Brennkammer eintritt, wird mit einer Schaufel der ersten Stufe der Turbine interferiert. Folglich kann eine Abweichung bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases zwischen jene der Mehrzahl von Brennkammern, die in der Umfangsrichtung angrenzend sind, auftreten. Wenn eine Abweichung über die Strömungsrate des Verbrennungsgases von der Mehrzahl von Brennkammern auftritt, tritt ein Temperaturunterschied (Temperatur-Ungleichmäßigkeit) über die Brennkammer auf, was zu Problemen wie einem Anstieg von Stickoxid(NOx)-Emissionen und einer Reduktion der Turbinenwirkung führt.
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Um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, ist es ein Ziel der vorliegenden Ausführungsform, eine Gasturbine vorzusehen, die einen Anstieg von NOx-Emissionen und eine Reduktion der Turbinenwirkung unterdrückt, indem das Bilden einer Karmanschen Wirbelstraße zwischen den Brennkammern verhindert wird und ein Unterschied in Strömungsraten von Verbrennungsgas über die Brennkammern verhindert wird.
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Technische Lösung
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Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, umfasst eine Gasturbine der vorliegenden Erfindung einen Kompressor, der konfiguriert ist, um Luft zu verdichten, eine Mehrzahl von Brennkammern, die in einer ringförmigen Konfiguration um einen Rotor angeordnet sind, wobei jede der Brennkammern konfiguriert ist, um eine Mischung aus Druckluft, die vom Kompressor verdichtet wird, und Brennstoff zu verbrennen, und eine Turbine, die konfiguriert ist, um eine Drehkraft von einem Verbrennungsgas zu beziehen, das von den Brennkammern erzeugt wird. Geneigte Flächen sind an Innenflächen von Seitenwänden, die in einer Umfangsrichtung an stromabwärtige Endabschnitte von Übergangsstücken der Brennkammern angrenzen, vorgesehen, wobei die geneigten Flächen konfiguriert sind, um einen Durchlassbereich der Übergangsstücke zu vergrößern. Ein S/P-Verhältnis ist zwischen 0 und 0,2, wobei P eine Teilungsabstandsabmessung von Schaufeln der ersten Stufe der Turbine ist und S eine Umfangsabmessung von einem Zwischenpunkt zwischen angrenzenden Übergangsstücken der Übergangsstücke zu einem stromaufwärtigen Ende einer Schaufel der ersten Stufe der Schaufeln der ersten Stufe ist, die am nächsten in der Umfangsrichtung ist; und ein L/P-Verhältnis ist zwischen 0,3 und 0,55, wobei P die Teilungsabstandsabmessung ist und L eine Axialabmessung von einem stromabwärtigen Ende des Übergangsstücks zum stromaufwärtigen Ende der Schaufel der ersten Stufe ist.
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Mit dieser Konfiguration wird die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine Druckschwankung an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke der Mehrzahl von Brennkammern, die durch eine Karmansche Wirbelstraße verursacht werden, unterdrückt werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern kann unterdrückt werden. Indem folglich das Bilden einer großen Karmanschen Wirbelstraße verhindert wird, kann eine Druckschwankung bei stromabwärtigen Abschnitten der Übergangsstücke unterdrückt werden. Durch das zusätzliche Unterdrücken eines Unterschieds der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Brennkammern, können Anstiege von NOx-Emissionen und Reduktionen bei der Turbinenwirkung unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls eine Konfiguration haben, bei der das S/P-Verhältnis der Umfangsabmessung S zur Teilungsabstandsabmessung P zwischen 0,05 und 0,15 ist und das L/P-Verhältnis der Axialabmessung L zur Teilungsabstandsabmessung P zwischen 0,3 und 0,4 ist.
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Mit dieser Konfiguration wird die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine große Karmansche Wirbelstraße an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke der Mehrzahl von Brennkammern verhindert werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern kann unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls eine Konfiguration aufweisen, wobei ein Verhältnis zwischen der Anzahl von Brennkammern und der Anzahl von Schaufeln der ersten Stufe der Turbine 2:3 oder größer ist, eine ungerade Zahl.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei die geneigte Fläche an einem stromabwärtigen Abschnitt des Übergangsstücks an einer Innenfläche von zumindest einer Seitenwand eines Paares Seitenwände, die in Bezug auf die Umfangsrichtung des Rotors gegenüberliegend vorgesehen sind, vorgesehen ist, wobei sich die geneigte Fläche in Richtung eines angrenzenden Übergangsstücks neigt, während sie sich stromabwärts in einer Axialrichtung des Übergangsstücks zum stromabwärtigen Ende des Übergangsstücks erstreckt.
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Mit dieser Konfiguration wird eine Strömung entlang der Seitenwand-Innenflächen von angrenzenden Übergangsstücken an einem Winkel stromabwärts von den stromabwärtigen Endflächen der Übergangsstücke zusammengeführt. Folglich kann das Bilden einer großen Karmanschen Wirbelstraße stromabwärts von den stromabwärtigen Endflächen der Übergangsstücke verhindert werden und daher kann eine Druckschwankung an den stromabwärtigen Abschnitten der Übergangsstücke unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei sich die Positionen der stromaufwärtigen Enden der Schaufeln der ersten Stufe in einer Radialrichtung um den Rotor ausgerichtet befinden.
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Mit dieser Konfiguration, in der sich Positionen der stromaufwärtigen Enden der Schaufeln der ersten Stufe in einer Radialrichtung um den Rotor ausgerichtet befinden, wird die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe in allen Bereichen in der Längsrichtung der Schaufeln der ersten Stufe zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine Druckschwankung an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke der Mehrzahl von Brennkammern, die durch eine Karmansche Wirbelstraße verursacht werden, unterdrückt werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern kann unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei eine Kehlbreite zwischen Schaufeln der ersten Stufe, die in der Umfangsrichtung der Mehrzahl von Schaufeln der ersten Stufe benachbart sind, an einem Ende und/oder einem anderen Ende in der Radialrichtung des Rotors größer als an einem Zwischenabschnitt in der Radialrichtung ist.
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Indem bestimmt wird, dass die Kehlbreite der Schaufel der ersten Stufe an jedem Endabschnitt größer als jene am Zwischenabschnitt ist, wird die Turbinenwirkung erhöht und somit eine verbesserte Leistung ermöglicht.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei das L/P-Verhältnis bestimmt wird, indem eine Menge Kühlluft für einen Mantel berücksichtigt wird, die die Schaufeln der ersten Stufe und die Turbinenwirkung unterstützt.
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Durch einstellen des L/P-Verhältnisses basierend auf der Menge der Kühlluft für den Mantel und Turbinenwirkung, kann die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe entsprechend zweckmäßig gemacht.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei stromaufwärtige Enden der Schaufeln der ersten Stufe vorgesehen sind, um eine positionelle Beziehung zu haben, derart, dass sich eine Linie, die die stromaufwärtigen Enden in der Radialrichtung des Rotors verbindet, krümmt.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der Gasturbine der vorliegenden Erfindung wird die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine große Karmansche Wirbelstraße an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke der Mehrzahl von Brennkammern verhindert werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern kann unterdrückt werden. Daher können Anstiege von NOx-Emissionen und Reduktionen der Turbinenwirkung unterdrückt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Gasturbine der vorliegenden Ausführungsform.
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2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Brennkammer der Gasturbine.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennkammer-Übergangsstücks.
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4 ist eine Querschnittsansicht des Brennkammer-Übergangsstücks.
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5 ist eine schematische Darstellung der positionellen Beziehung zwischen den Brennkammer-Übergangsstücken und Schaufeln der ersten Stufe bei Ansicht von der Seite der Brennkammer.
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6 ist eine schematische Darstellung der positionellen Beziehung zwischen den Brennkammer-Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe bei Ansicht von der stromaufwärtigen Seite der Brennkammer.
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7 ist ein Graph, der den Umfang der Druckschwankung über die Mehrzahl von Brennkammern darstellt.
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8 ist ein Graph, der den Unterschied der Strömungsrate über die Mehrzahl von Brennkammern darstellt.
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9 ist ein Graph, der Bereiche darstellt, in denen sich keine große Karmansche Wirbelstraße bildete, da der Unterschied der Strömungsrate über die Mehrzahl von Brennkammern gering ist.
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10 ist ein Graph der Menge Kühlluft, aufgetragen gegen das L/P-Axialverhältnis.
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11 ist ein Graph des wärmeerhaltenden Bereichs, der gegen das L/P-Axialverhältnis aufgetragen ist.
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12 ist ein Graph der Gasturbinenwirkung, aufgetragen gegen das L/P-Axialverhältnis.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Bevorzugte Ausführungsformen einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung durch diese Ausführungsformen nicht eingeschränkt, und wenn eine Mehrzahl von Ausführungsformen vorhanden sind, umfasst sie Kombinationen dieser unterschiedlichen Ausführungsformen.
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1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Gasturbine der vorliegenden Ausführungsform. 2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Brennkammer der Gasturbine.
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In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, umfasst die Gasturbine 10 einen Kompressor 11, die Brennkammer (Gasturbinenbrennkammer) 12 und eine Turbine 13. Die Gasturbine 10 ist mit einem Generator koaxial gekoppelt, der nicht in den Zeichnungen abgebildet ist, und kann Strom erzeugen.
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Der Kompressor 11 umfasst eine Lufteinlassöffnung 20 zum Einlassen von Luft, eine Einlassführungsschaufel (IGV) 22, die im Kompressorgehäuse 21 angeordnet ist, eine Mehrzahl von Schaufeln 23 und Flügeln 24, die in Bezug auf die Vorwärts-/Rückwärtsrichtung (die Axialrichtung eines nachstehen beschriebenen Rotors 32) im Kompressorgehäuse 21 abwechselnd angeordnet sind, und eine Entlüftungskammer 25, die auf der Außenseite des Kompressorgehäuses 21 angeordnet ist. Die Brennkammer 12 führt dem Brennstoff Druckluft zu, die durch den Kompressor 11 verdichtet wurde, und diese Mischung wird entzündet, um eine Verbrennung zu ermöglichen. Die Turbine 13 umfasst eine Mehrzahl von Schaufeln 27 und Flügeln 28, die abwechselnd in Bezug auf die Vorwärts-/Rückwärtsrichtung (die Axialrichtung des nachstehend beschriebenen Rotors 32) in einem Turbinengehäuse 26 vorgesehen sind. Eine Abgaskammer 30 ist auf der stromabwärtigen Seite des Turbinengehäuses 26, das durch ein Abgasgehäuse 29 vermittelt wird, vorgesehen und die Abgaskammer 30 umfasst einen Abgasdiffusor 31, der mit der Turbine 13 verbunden ist.
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Ein Rotor (Drehwelle) 32 ist derart vorgesehen, dass er durch die Mittelpunkte des Kompressors 11, der Brennkammer 12, der Turbine 13 und der Abgaskammer 30 verläuft. Das Ende des Rotors 32 am Kompressor 11 wird drehbar durch einen Lagerabschnitt 33 getragen, und der Endabschnitt des Rotors 32 an der Abgaskammer 30 wird drehbar durch ein Wellenlager 34 getragen. Eine Anordnung von Scheiben, auf denen die Flügel 24 montiert sind, ist mit dem Rotor 32 im Kompressor 11 verankert, und eine Anordnung von Scheiben, auf denen die Flügel 28 montiert sind, ist mit dem Rotor 32 in der Turbine 13 verankert.
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Die Gasturbine 10 wird durch einen Beinabschnitt 35 unter dem Kompressorgehäuse 21 des Kompressors 11, durch einen Beinabschnitt 36 unter dem Turbinengehäuse 26 der Turbine 13, und durch einen Beinabschnitt 37 unter der Abgaskammer 30 getragen.
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Dementsprechend strömt Luft, die durch die Lufteinlassöffnung 20 des Kompressors 11 eingelassen wird, durch die Einlassführungsschaufel 22 und die Mehrzahl von Schaufeln 23 und Drehschaufeln 24, und wird verdichtet, und die Luft wird zu Hochtemperatur-Hochdruck-Druckluft konvertiert. Ein vorher festgelegter Brennstoff wird der Druckluft in der Brennkammer 12 zugeführt und verbrannt. In der Turbine 13 strömt das Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgas, d. h. Arbeitsfluid, das von der Brennkammer 12 erzeugt wird, durch die Mehrzahl von Schaufeln 27 und Flügeln 28, und der Rotor 32 wird drehend angetrieben. Das treibt den mit dem Rotor 32 gekoppelten Generator wiederum an. Das Verbrennungsgas strömt durch den Abgasdiffusor 31 der Abgaskammer 30 und wird als Abgas in die Atmosphäre ausgelassen.
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Die Brennkammer 12, wie in 2 dargestellt, umfasst einen Außenzylinder 41. Auf der Innenseite des Außenzylinders 41 sind eine Mehrzahl von Innenzylindern 42 in vorher festgelegten Abständen vorgesehen. Ein Brennkammergehäuse ist mit einem Übergangsstück 43 konfiguriert, das mit dem Innenzylinder 42 am vorderen Endabschnitt von jedem Innenzylinder 42 gekoppelt ist. Der Außenzylinder 41, der Innenzylinder 42 und die Übergangsstücke 43 sind rund um die Hauptachse vorgesehen. Ein Zündbrenner 44 ist im Innenzylinder 42 mittig vorgesehen und eine Mehrzahl von Hauptbrennern 45 sind auf der Innenumfangsfläche des Innenzylinders 42 in der Umfangsrichtung vorgesehen und umgeben den Zündbrenner 44. Der Zündbrenner 44 und die Hauptbrenner 45 sind parallel zueinander und sind rund um die Hauptachse vorgesehen. Das Übergangsstück 43 ist mit einem Umgehungsrohr 46 gekoppelt, das ein Umgehungsventil 47 umfasst.
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Der Außenzylinder 41 umfasst einen Außenzylinderkörper 51 und einen Außenzylinder-Abdeckteil 52, der fest an den Basisendabschnitt des Außenzylinderkörpers 51 befestigt ist. Die beiden werden durch eine Mehrzahl von Befestigungsbolzen 53 befestigt. Der Außenzylinder 41 umfasst einen Zylinderhutabschnitt 54, der an die Innenseite des Außenzylinder-Abdeckteils 52 angebracht ist, wobei die beiden durch eine Mehrzahl von Befestigungsbolzen 55 zusammengehalten werden. Die Innenzylinder 42 sind auf der Innenseite des Außenzylinders 41 in vorher festgelegten Abständen vorgesehen. Ein zylindrischer Luftkanal 56 wird zwischen der Innenfläche des Zylinderhutabschnitts 54 und der Außenfläche des Innenzylinders 42 definiert. Ferner ist der Luftkanal 56 an einem Endabschnitt mit einem Versorgungskanal 57 für Druckluft, die vom Kompressor 11 erzeugter erzeugt wird, verbunden und verbindet am anderen Endabschnitt die Seite des Innenzylinders 42 durch den Basisendabschnitt.
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Der Zündbrenner 44 ist im Innenzylinder 42 mittig vorgesehen und die Mehrzahl von Hauptbrennern 45 sind den Zündbrenner 44 umgebend vorgesehen. Zudem ist der Zylinderhutabschnitt 54 mit Brennstofföffnungen 58, 59 vorgesehen. Eine Zündbrennerleitung, die nicht dargestellt ist, ist mit der Zündbrennstofföffnung 58 verbunden und eine Hauptbrennerleitung ist mit jeder der Hauptbrennstofföffnungen 59 verbunden.
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Nachstehend wird das Übergangsstück 43 der Brennkammer 12 detailliert beschrieben. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Brennkammer-Übergangsstücks. 4 ist eine Querschnittsansicht des Brennkammer-Übergangsstücks.
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Das Übergangsstück 43, wie in 3 und 4 dargestellt, umfasst eine röhrenförmige Verbindungsleitung 61, durch die Verbrennungsgas G strömt, und einen Auslassflansch 71, der sich in eine Richtung weg von der Achse Ac des Übergangsstücks 43 weitet und an einem stromabwärtigen Endabschnitt der Verbindungsleitung 61 vorgesehen ist. Die stromabwärtige Seite der Verbindungsleitung 61 hat einen rechteckigen Querschnitt. Auf der stromabwärtigen Seite der Verbindungsleitung 61 umfasst die Verbindungsleitung 61 ein Paar Seitenwände 62, die gegenüberliegend in der Umfangsrichtung C um die Drehachse Ar des Rotors 32 vorgesehen sind, und ein Paar Seitenwände 63, die um die Drehachse Ar radial gegenüberliegend vorgesehen sind.
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Der Auslassflansch 71 umfasst einen Flanschhauptabschnitt 72, der sich in einer Richtung weg von der Achse Ac des Übergangsstücks 43 beginnend am stromabwärtigen Ende der Verbindungsleitung 61 weitet und einen gegenüberliegenden Abschnitt 73, der sich stromabwärts vom Außenrand des Flanschhauptabschnitts 72 erstreckt. Die stromabwärtige Endfläche des Flanschhauptabschnitts 72 entspricht der stromabwärtigen Endfläche 43a des Übergangsstücks 43. Ferner ist zwischen dem gegenüberliegenden Abschnitt 73 des Auslassflansches 71 und dem gegenüberliegenden Abschnitt 73 des Übergangsstücks 43 angrenzend in der Umfangsrichtung C ein Dichtungselement 75 für das Abdichten des Freiraums zwischen den Übergangsstücken von angrenzenden Brennkammern 12 vorgesehen. Das Dichtungselement 75 ist in einen vertieften Abschnitt 74, der sich an jedem gegenüberliegenden Abschnitt 73 befindet, angebracht. Beachten Sie, dass in der vorliegenden Ausführungsform der stromabwärtige Abschnitt der Verbindungsleitung 61, d. h. die stromabwärtigen Seitenwände 62, 63 der Verbindungsleitung 61, und der Flanschhauptabschnitt 72 des Austrittsflansches 71 einstückig gebildet sind.
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Die Innenflächen des Paars Seitenwände 62 der Verbindungsleitungen 61, die in Bezug auf die Umfangsrichtung C gegenüberliegend vorgesehen sind, sind jeweils mit einer geneigten Fläche 64 vorgesehen, die sich in Richtung eines angrenzenden Übergangsstücks 43 neigt, während sie sich in der Richtung der Achse Ac des Übergangsstücks 43 zu einem stromabwärtigen Ende 64a des Übergangsstücks 43 erstreckt. Mit anderen Worten ist die geneigte Fläche 64 die Innenfläche der Seitenwand 62 vom stromaufwärtigen Ende 64a zum stromabwärtigen Ende 64b des Übergangsstücks 43.
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Das Verbrennungsgas G, das stromabwärts durch das Übergangsstück 43 strömt, strömt in die Richtung, die mit den Innenflächen der Seitenwände 62 ausgerichtet ist, nachdem es vom Übergangsstück 43 herausströmt. Folglich kann sich eine Karmansche Wirbelstraße stromabwärts von der stromabwärtigen Endfläche 43a des Flanschhauptabschnitts 72 bilden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Innenflächen der stromabwärtigen Seitenwände 62 des Übergangsstücks 43 als die geneigten Flächen 64 gebildet. Folglich ist der Winkel, der vom stromabwärtigen Endabschnitt 43b des Flanschhauptabschnitts 72 in Bezug auf die Innenfläche der Seitenwand 62 erzeugt wird, kleiner als Konfigurationen ohne geneigte Flächen 64. Dementsprechend kann das Bilden einer Karmanschen Wirbelstraße stromabwärts von der stromabwärtigen Endfläche 43a des Flanschhauptabschnitts 72 verhindert werden und daher kann eine Druckschwankung am stromabwärtigen Abschnitt des Übergangsstücks 43 unterdrückt werden.
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Beachten Sie, dass die geneigte Fläche 64 des Übergangsstücks 43 nicht auf die oben beschriebene Form beschränkt ist. Zum Beispiel kann die geneigte Fläche 64 eine insgesamt ebene Form vom stromaufwärtigen Ende 64a zum stromabwärtigen Ende 64b aufweisen. Mit anderen Worten muss die geneigte Fläche 64 nicht völlig eben sein und kann zumindest einen Abschnitt mit einer gekrümmten Fläche aufweisen.
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Nachstehend wird die positionelle Beziehung zwischen dem Übergangsstück 43 der Brennkammer 12 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 der Turbine 13 beschrieben. 5 ist eine schematische Darstellung der positionellen Beziehung zwischen den Brennkammer-Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe bei Ansicht von der Seite der Brennkammer. 6 ist eine schematische Darstellung der positionellen Beziehung zwischen den Brennkammer-Übergangsstücken und den Schaufeln der ersten Stufe bei Ansicht von der stromaufwärtigen Seite der Brennkammer. 7 ist ein Graph, der den Umfang der Druckschwankung über die Mehrzahl von Brennkammern zeigt. 8 ist ein Graph, der den Unterschied der Strömungsrate über die Mehrzahl von Brennkammern zeigt. 9 ist ein Graph, der Bereiche zeigt, in denen sich keine große Karmansche Wirbelstraße bildete, da der Unterschied der Strömungsrate über die Mehrzahl von Brennkammern gering ist. Beachten Sie, dass 6 das Übergangsstück 43 von der stromaufwärtigen Seite darstellt. Nachdem die Dichtungselemente und dergleichen zwischen den Übergangsstücken 43 vorgesehen sind, werden die geneigten Flächen 64 unter Verwendung von gestrichelten Linien dargestellt.
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Wie in 5 und 6 dargestellt, wird eine Teilungsabstandsabmessung der Mehrzahl von Schaufeln der ersten Stufe 27 in der Umfangsrichtung C als P bestimmt. Eine Abmessung in der Umfangsrichtung C von einem Zwischenpunkt M, welcher zwischen dem Zielübergangsstück 43 einer Brennkammer 12 und einem Übergangsstück 43 einer anderen Brennkammer 12, die angrenzend zur Zielbrennkammer 12 auf einer Seite in der Umfangsrichtung C ist, liegt, zum nächsten stromaufwärtigen Ende 27a der Schaufel der ersten Stufe 27 zu einer Seite in der Umfangsrichtung C wird als C bestimmt. Das Verhältnis der Abmessung S in der Umfangsrichtung C zur Teilabstandsabmessung P in der Umfangsrichtung C ist ein S/P-Umfangsverhältnis.
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Eine Abmessung von der stromabwärtigen Endfläche 43a des Übergangsstücks 43 zum stromaufwärtigen Ende 27a der Schaufel der ersten Stufe 27 in der Achse Ac-Richtung wird als L bestimmt. Das Verhältnis der Abmessung L in der Achse Ac-Richtung zur Teilungsabstandsabmessung P in der Umfangsrichtung C ist ein L/P-Axialverhältnis.
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Nachbildungen des Grads der Druckschwankung an den stromabwärtigen Endflächen 43a der Übergangsstücke 43 der Mehrzahl von Brennkammern 12 und des Unterschieds der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern 12 wurden unter Verwendung des S/P-Umfangsverhältnisses und des L/P-Axialverhältnisses ausgeführt.
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Beachten Sie, dass in der Nachbildung die Anzahl Nc der Brennkammern 12 und die Anzahl Ns von Schaufeln der ersten Stufe 27 auf ein Verhältnis von 2:3 bestimmt wurde.
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In einer solchen Konfiguration befinden sich Positionen der stromaufwärtigen Enden 27a der Schaufeln der ersten Stufe 27 in der Radialrichtung um den Rotor 32. Mit anderen Worten haben die stromaufwärtigen Enden 27a der Schaufeln der ersten Stufe 27 dieselbe Position in der Umfangsrichtung wie jede Position in der Radialrichtung. Dementsprechend wird in allen Bereichen in der Längsrichtung der Schaufeln der ersten Stufe 27 die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine Druckschwankung an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke 43 der Mehrzahl von Brennkammern 12, die durch eine Karmansche Wirbelstraße verursacht werden, unterdrückt werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern 12 kann unterdrückt werden.
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Beachten Sie, dass in dieser Konfiguration die Positionen der stromaufwärtigen Enden 27a der Schaufeln der ersten Stufe 27 in der Radialrichtung um den Rotor 32 ausgerichtet sind. Aber die Positionen der stromabwärtigen Enden 27b der Schaufeln der ersten Stufe 27 müssen sich nicht in der Radialrichtung um den Rotor 32 ausgerichtet befinden und können in der Umfangsrichtung versetzt sein. Die Kehlbreite der Mehrzahl von Schaufeln der ersten Stufe 27, die in der Umfangsrichtung an einem Ende und/oder dem anderen Ende in der Radialrichtung des Rotors 32 angrenzend sind, können beispielsweise größer als jene am Zwischenabschnitt in der Radialrichtung sein. Ferner können die stromaufwärtigen Enden 27a der Schaufeln der ersten Stufe 27 parallel mit den stromabwärtigen Seitenwänden 62 des Übergangsstücks 43 bestimmt werden.
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Zusätzlich kann ein geändertes Beispiel der vorliegenden Ausführungsform die folgende positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 haben. In Fällen, in denen es schwierig ist, eine entsprechende positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 in allen Bereichen in der Längsrichtung der Schaufeln 27 der ersten Stufe zu haben, kann das stromaufwärtige Ende 27a der Tragfläche in der Schichtrichtung versetzt werden.
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Mit anderen Worten kann es Fälle geben, in denen die Position des stromaufwärtigen Endes 27a, das im Tragflächenprofil in der Längsrichtung von jeder von Schaufeln der ersten Stufe 27 dargestellt wird, unmöglich in eine Position positioniert werden kann, derart, dass die Druckschwankung an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke 43 der Brennkammern 12 unterdrückt werden kann. In solchen Fällen wird das Tragflächenprofil nicht geändert, aber die Position der Tragfläche kann versetzt werden, derart, dass die Position des stromaufwärtigen Endes 27a der Tragfläche in einen Bereich fällt, der eine entsprechende positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 erfüllt. In einer solchen Konfiguration müssen die Positionen der stromaufwärtigen Enden 27a der Schaufeln der ersten Stufe 27 nicht in einer geraden Linie in der Radialrichtung des Rotors 32 angeordnet sein. Mit anderen Worten sind die stromaufwärtigen Enden 27a der Schaufeln der ersten Stufe 27 vorgesehen, um eine positionelle Beziehung zu haben, derart, dass sich eine Linie, die die stromaufwärtigen Enden 27a in der Radialrichtung des Rotors 32 verbindet, krümmt.
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Wie in 7 dargestellt, stellt o eine Position dar, wo eine Druckschwankung auftritt. Die Größe von o verweist auf den Grad der Druckschwankung. Wie ferner in 8 dargestellt, ist die durchgezogene Linie eine Randlinie, wenn der Unterschied der Strömungsrate ΔQ des Verbrennungsgases über die Brennkammern 12 ±0,1% ist. Die gestrichelte Linie ist eine Randlinie, wenn der Unterschied der Strömungsrate ΔQ des Verbrennungsgases über die Brennkammern 12 ±0,2% ist. Wie in 9 dargestellt kann folglich in einem Bereich A, wo das L/P-Axialverhältnis zwischen 0,3 (30%) und 0,55 (55%) ist, und das S/P-Umfangsverhältnis zwischen 0 (0%) und 0,2 (20%) ist, ein geringer Grad an Druckschwankung und ein geringer Unterschied der Strömungsrate beobachtet werden. Ferner wird in einem Bereich B, wo das L/P-Axialverhältnis zwischen 0,3 (30%) und 0,4 (40%) ist, und das S/P-Umfangsverhältnis zwischen 0,5 (50%) und 0,15 (15%) ist, ein geringerer Grad an Druckschwankung und ein geringerer Unterschied der Strömungsrate beobachtet.
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Das L/P-Axialverhältnis wird vorzugsweise unter Berücksichtigung der Menge Kühlluft für den Mantel, der die Schaufeln der ersten Stufe 27 trägt, und Turbinenwirkung bestimmt. 10 ist ein Graph der Menge Kühlluft, aufgetragen gegen das L/P-Axialverhältnis. 11 ist ein Graph des wärmeerhaltenden Bereichs, der gegen das L/P-Axialverhältnis aufgetragen ist. 12 ist ein Graph der Gasturbinenwirkung, aufgetragen gegen das L/P-Axialverhältnis.
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Kühlluft strömt durch einen Kühlkanal, der in den Seitenwänden 62 des Übergangsstücks 43 vorgesehen ist, und wird in Richtung eines Innenmantels und Außenmantels freigelassen, die die Schaufeln der ersten Stufe 27 tragen. Das L/P-Axialverhältnis wird unter Berücksichtigung der Menge Kühlluft und Turbinenwirkung bestimmt. Wie in 10 dargestellt, steigt durch Erhöhen des L/P-Axialverhältnisses (Abmessung L) die Menge der Kühlluft ebenfalls. Wie in 11 ferner dargestellt, steigt durch Erhöhen des L/P-Axialverhältnisses (Abmessung L) der wärmeerhaltende Bereich ebenfalls. Aber, wie in 12 dargestellt, sinkt durch Erhöhen des L/P-Axialverhältnisses (Abmessung L) die Turbinenwirkung. Kühlluft wird von einem Teil der Druckluft entlüftet. Indem die Menge der der Brennkammer 12 zugeführten Druckluft reduziert wird und die Menge von Brennstoff reduziert wird, sinkt die Energie des Verbrennungsgases folglich. Dementsprechend wird das L/P-Axialverhältnis vorzugsweise unter Berücksichtigung der Menge Kühlluft für den Mantel und Gasturbinenwirkung bestimmt.
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Die Gasturbine der vorliegenden Ausführungsform hat eine Konfiguration, wobei geneigte Flächen 64 an Innenflächen von Seitenwänden 62, die in einer Umfangsrichtung an stromabwärtige Endabschnitte von Übergangsstücken 43 der Brennkammern 12 angrenzen, vorgesehen sind, wobei die geneigten Flächen 64 konfiguriert sind, um einen Durchlassbereich der Übergangsstücke 43 zu vergrößern, ein S/P-Verhältnis zwischen 0 und 0,2 ist, wobei P eine Teilungsabstandsabmessung von Schaufeln der ersten Stufe 27 der Turbine 13 ist, und S eine Umfangsabmessung von einem Zwischenpunkt zwischen angrenzenden Übergangsstücken 43 zu einem stromaufwärtigen Ende einer Schaufel der ersten Stufe 27 ist, die am nächsten in der Umfangsrichtung ist; und ein L/P-Verhältnis zwischen 0,3 und 0,55 ist, wobei P die Teilungsabstandsabmessung ist und L eine Axialabmessung von einem stromabwärtigen Ende des Übergangsstücks 43 zum stromaufwärtigen Ende der Schaufel der ersten Stufe 27 ist.
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Mit dieser Konfiguration wird die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine Druckschwankung an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke 43 der Mehrzahl von Brennkammern 12, die durch eine Karmansche Wirbelstraße verursacht werden, unterdrückt werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern 12 kann unterdrückt werden. Durch das zusätzliche Unterdrücken eines Unterschieds der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Brennkammern 12, können daher Anstiege von NOx-Emissionen und Reduktionen bei der Turbinenwirkung unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls eine Konfiguration haben, bei der das S/P-Verhältnis der Umfangsabmessung S zur Teilungsabstandsabmessung P zwischen 0,05 und 0,15 ist und das L/P-Verhältnis der Axialabmessung L zur Teilungsabstandsabmessung P zwischen 0,3 und 0,4 ist. Mit dieser Konfiguration wird die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine große Karmansche Wirbelstraße an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke 43 der Mehrzahl von Brennkammern 12 verhindert werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern 12 kann unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei ein Verhältnis zwischen der Anzahl von Brennkammern 12 und der Anzahl von Schaufeln der ersten Stufe 27 der Turbine 13 2:3 oder größer ist, eine ungerade Anzahl.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei die geneigte Fläche 64 an einem stromabwärtigen Abschnitt des Übergangsstücks 43 an einer Innenfläche von zumindest einer Seitenwand 62 eines Paares Seitenwände 62, die in Bezug auf die Umfangsrichtung des Rotors 32 gegenüberliegend vorgesehen sind, vorgesehen ist, wobei sich die geneigte Fläche 64 in Richtung eines angrenzenden Übergangsstücks 43 neigt, während sie sich stromabwärts in einer Axialrichtung des Übergangsstücks 43 zum stromabwärtigen Ende des Übergangsstücks 43 erstreckt. Mit dieser Konfiguration wird eine Strömung entlang der Seitenwand-Innenflächen von angrenzenden Übergangsstücken 43 an einem Winkel stromabwärts von den stromabwärtigen Endflächen der Übergangsstücke 43 zusammengeführt. Folglich kann das Bilden einer großen Karmanschen Wirbelstraße stromabwärts von den stromabwärtigen Endflächen der Übergangsstücke 43 verhindert werden und daher kann eine Druckschwankung an den stromabwärtigen Abschnitten der Übergangsstücke 43 unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei sich die Positionen der stromaufwärtigen Enden der Schaufeln der ersten Stufe 27 in einer Radialrichtung um den Rotor 32 ausgerichtet befinden. Dementsprechend wird in allen Bereichen in der Längsrichtung der Schaufeln der ersten Stufe 27 die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 zweckmäßig gemacht. Dadurch kann eine Druckschwankung an den hinteren Endabschnitten der Übergangsstücke 43 der Mehrzahl von Brennkammern 12, die durch eine Karmansche Wirbelstraße verursacht werden, unterdrückt werden und ebenfalls ein Unterschied bei der Strömungsrate des Verbrennungsgases über die Mehrzahl von Brennkammern 12 kann unterdrückt werden.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei eine Kehlbreite zwischen Schaufeln der ersten Stufe 27, die in der Umfangsrichtung der Mehrzahl von Schaufeln der ersten Stufe 27 benachbart sind, an einem Ende und/oder einem anderen Ende in der Radialrichtung des Rotors 32 größer als an einem Zwischenabschnitt in der Radialrichtung ist. Mit dieser Konfiguration kann die Turbinenwirkung gesteigert werden, was einen Leistungsanstieg ermöglicht.
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Die Gasturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls eine Konfiguration haben, wobei das L/P-Axialverhältnis bestimmt wird, indem eine Menge Kühlluft für einen Mantel berücksichtigt wird, die die Schaufeln der ersten Stufe 27 und die Turbinenwirkung unterstützt. Mit dieser Konfiguration kann die positionelle Beziehung zwischen den Übergangsstücken 43 und den Schaufeln der ersten Stufe 27 zweckmäßig gemacht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 11
- Kompressor
- 12
- Brennkammer
- 13
- Turbine
- 20
- Lufteinlassöffnung
- 21
- Kompressorgehäuse
- 22
- Einlassführungsschaufel
- 23
- Schaufel
- 24
- Flügel
- 25
- Entlüftungskammer
- 26
- Turbinengehäuse
- 27
- Schaufel (Schaufel der ersten Stufe)
- 28
- Flügel
- 29
- Auslassgehäuse
- 30
- Abgaskammer
- 31
- Abgasdiffusor
- 32
- Rotor
- 33, 34
- Lagerabschnitt
- 35, 36, 37
- Beinabschnitt
- 41
- Außenfläche
- 42
- Innenfläche
- 43
- Übergangsstück
- 43a
- Stromabwärtige Endfläche
- 44
- Zündbrenner
- 45
- Hauptbrenner
- 46
- Umgehungsrohr
- 47
- Umgehungsventil
- 51
- Außenzylinderkörper
- 52
- Außenzylinder-Abdeckteil
- 53
- Befestigungsbolzen
- 54
- Zylinderhutabschnitt
- 55
- Befestigungsbolzen
- 56
- Luftkanal
- 57
- Versorgungskanal
- 58
- Zündbrennstofföffnung
- 59
- Hauptbrennstofföffnung
- 61
- Verbindungsleitung
- 62, 63
- Seitenwand
- 64
- Geneigte Fläche
- 64a
- Stromaufwärtiges Ende
- 64b
- Stromabwärtiges Ende
- 71
- Auslassflansch
- 72
- Flanschhauptabschnitt
- 73
- Gegenüberliegender Abschnitt
- 74
- Vertiefter Abschnitt
- 75
- Dichtungselement
