JP2009024631A

JP2009024631A - ガスタービン設備

Info

Publication number: JP2009024631A
Application number: JP2007189576A
Authority: JP
Inventors: Takao Endo; 孝夫遠藤; Kunihiro Ichikawa; 国弘市川; Hiroshi Sakurai; 弘桜井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】本発明は、フランジと筒体との熱容量を近似させて熱変形による亀裂の発生を防止しえる経済的な排気ディフューザを有するガスタービン設備を提供することにある。
【解決手段】本発明は、筒体（１４Ｎ，１５Ｎ，１６Ｎ，１４Ｓ，１５Ｓ，１６Ｓ）が排ガス流出方向に複数に分割され、筒体の分割部にフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎを形成し、このフランジにボルト１９を貫通してナット２０により締結して構成した排気ディフューザ５において、フランジの肉厚を筒体と同じ薄肉に形成すると共に、隣接する筒体のフランジの締結部にフランジの肉厚よりも厚い座金１８，２０，２１を面接触させてボルトとナットで締結するように構成したのである。
【選択図】図３

Description

本発明はガスタービン設備に係り、特に、ガスタービンから排出される排ガスを煙道に導く排気ディフューザを排ガス流出方向に３分割したガスタービン設備に関する。

通常、ガスタービン設備は、ガスタービンから排出される排ガスを煙道に導くために、排気ディフューザをガスタービンの排ガス出口側に備えており、製作上や分解組立の都合上、排気ディフューザの筒体を排ガス流出方向に３分割し、その分割部をフランジ結合している。

尚、関連する技術として、特許文献１に開示されたような技術が存在する。

特開２０００−３０３８５７号公報

一般的に、上記背景技術における３分割構成の排気ディフューザは、ボルトとナットによる締結力を確保するために、フランジの肉厚を筒体よりも圧肉としている。しかしながら、フランジの肉厚を筒体よりも厚肉とすることで、筒体とフランジの熱容量が異なり、その結果、内部を流通する高温の排ガスにより、筒体とフランジの熱伸びが異なり、フランジと筒体の境界近傍で熱変形が生じ、強いては筒体に亀裂が生じて排ガスを排気ディフューザ外に漏洩させることになる。

一方、排気ディフューザの筒体とフランジの熱容量を同等にするために、フランジの肉厚を筒体に合わせて薄肉にすることが考えられる。しかしながら、筒体と同じ厚さにした場合、フランジ結合部において、締結力が確保できずにフランジが熱伸びにより波打ち変形を生じ易くなり、排ガスの漏洩を引き起こすことになる。

他方、筒体の肉厚をフランジの合わせて厚肉とすることも考慮されるが、全体の材料費を考慮すると不経済となり好ましいものではない。

本発明の目的は、フランジと筒体との熱容量を近似させて熱変形による亀裂の発生を防止しえる経済的な排気ディフューザを有するガスタービン設備を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、排気ディフューザの筒体が排ガス流出方向に３分割され、筒体の分割部にフランジを形成し、このフランジにボルトを貫通してナットにより締結して構成した排気ディフューザにおいて、フランジの肉厚を筒体と同じ薄肉に形成すると共に、隣接するフランジの締結部にフランジの肉厚よりも厚い座金を面接触させてボルトとナットで締結するように構成したのである。

このように構成することで、筒体とフランジとの熱容量を近似させることができ、その結果、熱伸び差による熱変形を抑制して亀裂の発生を防止することができる。また、フランジに厚肉の座金を面接触させて締結することで、熱伸びによるフランジの変形を抑制でき排ガスの漏洩を防止することができる。さらに、フランジを薄肉にできることから材料費が経済的となる。

したがって、本発明によれば、フランジと筒体との熱容量を近似させて熱変形による亀裂の発生を防止しえる経済的な排気ディフューザを有するガスタービン設備を得ることができる。

以下本発明によるガスタービン設備の一実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。

ガスタービン設備１は、大きくは、空気を圧縮して吐出する空気圧縮機２と、この空気圧縮機２から吐出された圧縮空気と燃料供給手段（図示せず）によって供給される燃料とを混合して燃焼させる燃焼器３と、この燃焼器３で燃焼された燃焼ガスによって駆動されるガスタービン４と、このガスタービン４に接続され排出される排ガスを煙道に導く筒体からなる排気ディフューザ５とを備えている。

空気圧縮機２とガスタービン４とは、共通の回転軸６を有している。空気圧縮機２は、前記回転軸６に軸方向に多段に固定された動翼７と、動翼７間に位置する静翼８を有している。静翼８は、圧縮機ケーシング９に支持されている。ガスタービン４は、前記回転軸６に軸方向に多段に固定された動翼１０と、動翼１０間に位置する静翼１１を有している。静翼１１は、タービンケーシング１２に支持されている。

一方、燃焼器３は、タービンケーシング１２を空気圧縮機２側に延在したケーシング１２Ｅ内に前記回転軸６を中心に環状に複数設置されており、各燃焼器３の燃焼ガス排出側には夫々トランジションピース１３が接続され、トランジションピース１３の燃焼ガス出口部がガスタービン４の静翼１１の初段側に開口している。

また、タービンケーシング１２の排ガス排出側には、排ガスを煙道に導く排気ディフューザ５が連結されている。この排気ディフューザ５は、排ガス流出方向に上流側ディフューザ１４，中間ディフューザ１５，下流側ディフューザ１６に３分割されており、各ディフューザ１４〜１６を構成する筒体は、夫々同芯状に内筒１４Ｎ，１５Ｎ，１６Ｎと外筒１４Ｓ，１５Ｓ，１６Ｓを有している。

そして、これらはガスタービンコンパートメント１７によって覆われている。

上記構成において、空気圧縮機２によって圧縮された圧縮空気ａは、ケーシング１２Ｅ内において一部は燃焼器３内に供給され、燃料供給手段によって供給される燃料と混合されて燃焼される。燃焼器３で燃焼された高温高圧の燃焼ガスＨは、トランジションピース１３を経由して静翼１１で整流され動翼１０に噴射されて回転軸６を駆動する。回転軸６には、図示は省略するが発電機が連結されており、発電機を回転させて発電する。

上記構成は従来のガスタービン設備と同じであるが、本実施の形態では、排気ディフューザ５の中間ディフューザ１５と下流側ディフューザ１６の隣接する内筒１５Ｎ，１６Ｎ間及び隣接する外筒１５Ｓ，１６Ｓ間の接続構造を図２〜図４に示すように構成したのである。

即ち、中間ディフューザ１５と下流側ディフューザ１６の隣接する外筒１５Ｓ，１６Ｓ間の接続構造を一例に説明すると、外筒１５Ｓ，１６Ｓの肉厚ｔは、高温高圧の燃焼ガスＨに耐え得る必要最小限の薄さに形成されており、各外筒１５Ｓ，１６Ｓの接続部に形成したフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓも外筒１５Ｓ，１６Ｓの肉厚ｔと同じ肉厚ｔに形成されている。

そして、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓの肉厚減少に伴う強度の低下を補うために、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓのボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈの周りに、厚さＴｃを有する角型形状の座金１８を面接触させた状態で、これら座金１８のボルト穴１８Ｈ及びフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓのボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈにボルト１９を貫通させ、貫通端にナット２０をねじ込んで締結するように構成したのである。

ところで、本来のフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓの肉厚は、締結力を確保するために，通常、外筒１５Ｓ，１６Ｓの肉厚ｔの３倍以上に設定している。そこで、外筒１５Ｓ，１６Ｓの肉厚ｔが８ｍｍある場合には、座金１８の厚さＴｃを１６ｍｍとすることで、ボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈの周りには合計２４ｍｍ厚さの見かけのフランジが形成されることになり、隣接する見かけのフランジの合計厚さＴｆは４８ｍｍとなる。

尚、座金１８は、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓの面に対して面接触させているので、締結時に座金１８の一部に応力が集中することがなく、座金１８の面全体でフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓを挟圧することができ、その結果、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓに応力集中による熱サイクル疲労損傷が発生することを防止できる。したがって、座金１８のフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓと対向する面に、応力を集中させるような突起物を形成するものは、本発明の対象外である。

このように、構成することで、外筒１５Ｓ，１６Ｓとそのフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓの肉厚ｔが等しくなることから、熱容量の偏りがなくなり、これにより高温の排ガスによる熱伸び差がなくなって熱応力の発生を抑制することができる。その結果、熱応力による亀裂の発生を防止することができる。また、熱容量の均一化により、排ガス温度に起因するボルト１９の外径Ｃｂとボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈの径Ｃｆとの隙間が狭くなる熱変形も低減できるので、ボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈの径Ｃｆが変形してボルト１９に接触することで発生していたボルト１９の折損をも防止することができる。

さらに、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ自体の肉厚が薄くなっても、見かけの厚さｔ＋Ｔｃは確保できるので、ボルト１９及びナット２０による締結力を確保でき、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓが変形するのを防止することができる。

このようなフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ及び座金１８を、内筒１５Ｎ，１６Ｎ側においても内筒１５Ｎ，１６Ｎと同じ肉厚のフランジ１５Ｆｎ，１６Ｆｎを形成して座金１８を適用することで、同じ効果を奏することができる。

ところで、前記座金１８は、角型形状をしており、その角部が外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎに接するようにしておけば、ナット２０のねじ込み時に座金１８が回転することはなく、座金１８の貫通穴をフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓのボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈとほぼ一致させることができ、座金１８がボルト１９に片当りすることを防止し、ボルトの折損の機会を減じることができる。しかし望ましくは、座金１８がボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈとずれないように、溶接により固定することが望ましい。尚、座金１８の角部の外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎへの接触を嫌う場合には、座金１８を溶接によりフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎに固定することで、角部が外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎに接することがなくなるので、外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎに発生する熱応力が座金１８を介してボルト１９に伝達されて折損するような虞はなくなる。

図５〜図７は、本発明による第２の実施の形態を示すもので、図１〜図４と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる構成は、座金の構成である。即ち、本実施の形態における座金２２は、外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎのフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎの外周に係合する係合部２１Ｆを形成し、座金２２のボルト穴２１Ｈをフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎのボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈからずれないようにしたものである。座金２２の厚さＴｃは、当然ながら、第１に実施の形態と同じ厚さを有する。

このような座金２２を用いることにより、ボルト１９及びナット２０の締め付け時に、座金２２の回転が阻止されるので、溶接でフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎに固定する必要はなく、また、座金２２のボルト穴がフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎのボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈからずれることが防止できる。その結果、ボルト穴とボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈのずれによってボルト１９にフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎや座金２２が接触する機会を少なくでき、熱応力を受けてもボルト１９を折損するような力を防止できる。

そのほか、熱容量の偏りがなくなることにより高温の排ガスによる熱伸び差がなくなって熱応力の発生を抑制することができ、熱応力による外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎに発生する亀裂を防止することができること、また、熱容量の均一化により、排ガス温度に起因するボルト１９の外径Ｃｂとボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈの径Ｃｆとの隙間が狭くなる熱変形も低減できるので、ボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈの径Ｃｆが変形してボルト１９に接触することで発生していたボルト１９の折損をも防止することができること、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ自体の肉厚が薄くなっても、見かけの厚さｔ＋Ｔｃは確保できるので、ボルト１９及びナット２０による締結力を確保でき、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓが変形するのを防止することができることは、前記実施の形態と同じである。

図８〜図１０は、本発明による第３の実施の形態を示すもので、図１〜図４と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態においても、第１の実施の形態と異なる構造は、座金の構造である。即ち、本実施の形態における座金２２は、第１の実施の形態と同じ厚さＴｃを有する円筒形状に形成されている。

このような座金２２を用いることにより、第１の実施の形態と同じように、熱容量の偏りがなくなることで、熱応力による外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎに発生する亀裂を防止することができ、ボルト穴２２Ｈやボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈ内のボルト１９の折損を防止でき、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓ自体の肉厚が薄くなってもボルト１９及びナット２０による締結力を確保できる。

ただ、本実施の形態においては、ボルト１９及びナット２０の締結時に円筒形状の座金２２が前記各実施の形態の座金に較べて回転し易くなるが、逆に、座金２２の回転によっても外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎとの干渉がなくなるので、外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎを保護する意味では有利である。しかしながら、ボルト１９及びナット２０の締結時における座金２２の回転を嫌う場合には、円筒形状の座金２２を外筒１５Ｓ，１６Ｓや内筒１５Ｎ，１６Ｎを溶接することを妨げるものではない。

図１１〜図１３は、本発明による第４の実施の形態を示すもので、図１〜図４と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図１〜図４に示す第１の実施の形態における座金１８を適用し、さらに、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓのボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈ及び座金１８のボルト穴１８Ｈに跨って、ボルト保護スリーブ２３を装着したのである。このボルト保護スリーブ２３は、望ましくは、ボルト貫通穴１５Ｈ，１６Ｈの内径Ｃｆとボルト１９の外径Ｃｂとの隙間に等しい肉厚に形成されている。

上記構成とすることで、第１の実施の形態の座金１５やフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓの肉厚にすることで得られる効果のほか、次のような効果を奏することができる。即ち、排ガス温度に起因してフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓが熱変形してボルト１９を押圧しようとしても、ボルト１９の外径Ｃｂ側にはボルト保護スリーブ２３が存在するので、その押圧力はボルト保護スリーブ２３で抑制され、したがって、ボルト１９には折損させるような力が作用することがなくなる。そして、ボルト保護スリーブ２３の材質として、銅やアルミニウムなどの軟質材とすることで、フランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓの熱変形による応力をボルト保護スリーブ２３の変形で吸収することができ、その結果、ボルト１９の保護は勿論のこと、熱変形を強固に防止することでフランジ１５Ｆｓ，１６Ｆｓが被る損壊を防止することができる。

ところで本実施の形態は、第１の実施の形態に適用したものであるが、第２及び第３の実施の形態にも適用できることは云うまでもない。

さらに、各実施の形態において、中間ディフューザ１５と下流側ディフューザ１６との締結部についてのみ説明した。一方、上流側ディフューザ１４と中間ディフューザ１５との締結部は、その外周部が詳細な図示は省略するがタービンケーシング１２への連結用構造物で挟み込まれているので変形は生じ難く、したがって本発明を適用するまでもない。また、下流側ディフューザ１６の下流側は、図示は省略するが下流側に熱伸びを吸収する熱伸び吸収手段を介して煙道に接続される構造になっているので、これもまた本発明を適用するまでもない。したがって、以上のような連結用構造物や熱伸び吸収手段を有しない場合には、上流側ディフューザ１４と中間ディフューザ１５と下流側ディフューザ１６のいずれのフランジ結合部においても本発明は適用できる。

本発明によるガスタービン設備の第１の実施の形態を示す概略縦断側面図。図１のＡ−Ａ線に沿う拡大縦断面図。図２のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図。図３に示す座金の拡大斜視図。本発明によるガスタービン設備の第２の実施の形態を示す図４相当図。図４の座金を適用した図２相当図。図６のＣ−Ｃ線に沿う図３相当図。本発明によるガスタービン設備の第３の実施の形態を示す図４相当図。図８の座金を適用した図２相当図。図９のＤ−Ｄ線に沿う図３相当図。本発明によるガスタービン設備の第４の実施の形態に使用するボルト保護スリーブを示す拡大斜視図。図１１のボルト保護スリーブを適用した図２相当図。図１２のＥ−Ｅ線に沿う図３相当図。

符号の説明

１…ガスタービン設備、２…空気圧縮機、３…燃焼器、４…ガスタービン、５…排気ディフューザ、６…回転軸、７，１０…動翼、８，１１…静翼、９…圧縮機ケーシング、１２…タービンケーシング、１３…トランジションピース、１４…上流側ディフューザ、１５…中間ディフューザ、１６…下流側ディフューザ、１４Ｎ，１５Ｎ，１６Ｎ…内筒、１４Ｓ，１５Ｓ，１６Ｓ…外筒、１５Ｆｓ，１６Ｆｓ，１５Ｆｎ，１６Ｆｎ…フランジ、１５Ｈ，１６Ｈ…ボルト貫通穴、１７…ガスタービンコンパートメント、１９…ボルト、２０…ナット、１８，２１，２２…座金、２１Ｆ…係合部、２３…ボルト保護スリーブ。

Claims

空気を圧縮して吐出する空気圧縮機と、この空気圧縮機から吐出された圧縮空気と燃料供給手段によって供給される燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンに接続され排出される排ガスを煙道に導く筒体からなる排気ディフューザとを備え、この排気ディフューザの筒体が排ガス流出方向に複数に分割され、筒体の分割部にフランジを形成してボルトを貫通してナットにより締結しているガスタービン設備において、前記フランジの肉厚を筒体と同じ薄肉に形成すると共に、隣接する筒体のフランジの締結部にフランジの肉厚よりも厚い座金を面接触させてボルトとナットで締結するように構成したことを特徴とするガスタービン設備。
空気を圧縮して吐出する空気圧縮機と、この空気圧縮機から吐出された圧縮空気と燃料供給手段によって供給される燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンに接続され排出される排ガスを煙道に導く筒体からなる排気ディフューザとを備え、この排気ディフューザが、ガスタービン側にフランジ結合される上流側ディフューザと、この上流側ディフューザとフランジ結合されると共にガスタービンへの連結用構造物により上流側ディフューザとのフランジ結合部が補強された中間ディフューザと、この中間ディフューザにフランジ結合され前記煙道に熱伸び吸収手段を解して接続される下流側ディフューザとに排ガス流出方向に３分割されているガスタービン設備において、前記中間ディフューザと下流側ディフューザのフランジの肉厚を、中間ディフューザと下流側ディフューザを構成する筒体と同じ薄肉に形成し、これらフランジにフランジの肉厚よりも厚い座金を面接触させてボルトとナットで締結するように構成したことを特徴とするガスタービン設備。
空気を圧縮して吐出する空気圧縮機と、この空気圧縮機から吐出された圧縮空気と燃料供給手段によって供給される燃料とを混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼された燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、このガスタービンに接続され排出される排ガスを煙道に導く筒体からなる排気ディフューザとを備え、前記排気ディフューザの筒体が排ガス流出方向に複数に分割され、筒体の分割部にボルト貫通穴を形成したフランジを形成し、フランジをボルトとナットにより締結しているガスタービン設備において、前記フランジの肉厚を筒体と同じ薄肉に形成すると共に、隣接する筒体のフランジの締結部にフランジの肉厚よりも厚い座金を面接触させてボルトとナットで締結するように構成し、かつ、隣接するフランジのボルト貫通穴に跨ってボルト保護スリーブを装着し、このボルト保護スリーブ内にボルトを貫通させるように構成したことを特徴とするガスタービン設備。
前記座金は、フランジに溶接されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスタービン設備。
前記座金は、角型形状をなし角部が前記等体の外周面に接するように形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスタービン設備。
前記座金は、前記フランジの外周部に係合する係合部を有していることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスタービン設備。
前記座金は、円筒形状に形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスタービン設備。
前記座金は、前記筒体の肉厚の３倍の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガスタービン設備。