JP2014101856A

JP2014101856A - ガスタービン

Info

Publication number: JP2014101856A
Application number: JP2012255841A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Kajimura; 周平梶村; Keishiro Saito; 圭司郎斉藤; Kei Inoue; 慶井上; Mitsunori Isono; 充典磯野; Taku Egawa; 拓江川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】簡易な構造で、ガスタービンの燃焼器における燃焼振動を抑制する。
【解決手段】燃焼器１３と、前記燃焼器１３と連結し前記燃焼器１３へ流体物４０を供給するための流体供給部３０とを備えたガスタービン１において、前記流体供給部に流路体積の異なる複数の流路系統６０、７０、８０を設けると共に、前記複数の流路系統６０、７０、８０にそれぞれ開閉弁６２、６３、７２、７３、８２、８３を設けて、前記複数の流路系統を前記燃焼器と個別に連通可能にして成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力変動抑制機構を備えたガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮機で圧縮した気体を燃焼器で燃料と共に燃焼し、そこで生じた高温高圧の燃焼ガスをタービンで膨張させることによって、外部へ出力を取り出す気体原動機である。たとえば、ガスタービンと発電機を組み合わせることで、ガスタービンから取り出した動力は発電機によって電気エネルギーに変換される。

燃焼器へ供給される気体や燃料の圧力は、時間と共に変動する。この圧力変動は、燃焼器内における燃焼振動を励起する原因とされている。この燃焼振動の振動数が燃焼器または周辺機器の固有振動数に対応する場合には、燃焼器または周辺機器が共振し、大きな損傷を受ける虞がある。

そこで、ガスタービンの燃焼器における燃焼振動を抑制するための技術が研究されている。

特開２０１１−５２９５４号公報

燃料の圧力変動による燃焼振動を抑制する技術として、例えば、特許文献１がある。これは、燃焼器へ燃料を供給する燃料供給部に可変形状共振器を設け、燃焼器へ供給する燃料の圧力変動を抑制するものである。これによれば、可変形状共振器によって燃料の圧力変動を抑制し、燃焼振動の励起を防止することができる。

しかし、この可変形状共振器は、アクチュエータを用いてピストンを摺動させる可変機構を有する複雑な構造であることから、製造や取付けにおける精密な作業、補修や保全などの手間の掛かる作業を要する。よって、燃焼振動を抑制する機構として、特許文献１に係る可変形状共振器を実機のガスタービンに採用することは難しい。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、簡易な構造で、ガスタービンの燃焼器における燃焼振動を抑制することを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係るガスタービンは、燃焼器と、前記燃焼器と連結し前記燃焼器へ流体物を供給するための流体供給部とを備えたガスタービンにおいて、前記流体供給部に流路体積の異なる複数の流路系統を設けると共に、前記複数の流路系統にそれぞれ開閉弁を設けて、前記複数の流路系統を前記燃焼器と個別に連通可能にしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係るガスタービンは、第一の発明に係るガスタービンにおいて、前記複数の流路系統に、それぞれ異なる容積の流体流路室を設けたことを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係るガスタービンは、第一または第二の発明に係るガスタービンにおいて、前記複数の流体系統に、吸音材を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係るガスタービンは、第一乃至第三のいずれかの発明に係るガスタービンにおいて、前記燃焼器内の圧力を計測する燃焼器内圧力計と、前記燃焼器の直近に設置される前記燃料供給配管の圧力を計測する配管内圧力計と、前記燃焼器内圧力計と前記配管内圧力計の検知結果によって前記複数の流路系統における前記開閉弁の開閉を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

第一の発明に係るガスタービンによれば、流体供給部に複数の流路系統を設け、更に各流路系統に開閉弁を設けたので、燃焼器への流体物の供給に使用する流路系統の数量および組み合わせを選定することができる。よって、燃焼振動の周波数に合わせて、燃焼器へ供給する流体物の流路体積を変化させ、供給流路の音響インピーダンスを変化させることで燃焼振動を抑制することができる。また、複数の流路系統および開閉弁を設けただけの簡易な構造であるので、製造や取付けの作業が容易であり、補修や保全などの作業に手間がかからない。

第二の発明に係るガスタービンによれば、流路系統に異なる容積の流体流路室を設けたことにより、流体物の流路系統である配管等の太さや長さが制限される場合においても、各流路系統を異なる流路体積とすることができる。

第三の発明に係るガスタービンによれば、流路系統に吸音材を備えることにより、流路系統を流れる流体物の圧力変動による振動を減衰させることができるので、燃焼器内の燃焼振動を抑制することができる。

第四の発明に係るガスタービンによれば、燃焼器内圧力計と流路圧力計と制御装置とを備えることにより、流体物の供給状態を管理し、燃焼器における燃焼状態に合わせた最適な流路系統の選定が可能となる。

実施例１に係るガスタービンを示す概略図である。実施例１に係るガスタービンにおける燃料供給部を示す概略図である。実施例１に係るガスタービンにおける燃料供給部の応用例を示す概略図である。

以下に、本発明に係るガスタービンの実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることは言うまでもない。

先ず、本発明の実施例１に係るガスタービンの構造について、図１および図２を参照して説明する。

本実施例では、図２に示すように、ガスタービン１を発電機２と組み合わせることにより、ガスタービン１で発生させた動力を電気エネルギーに変換させることができるようにしている。本実施例に係るガスタービン１は、タービン軸１０を軸中心として一方から吸気部１１と、圧縮機１２と、燃焼器１３と、タービン１４と、排気部１５とを備えている。

吸気部１１から空気２０を取り入れ、圧縮機１２へ空気２０を送る。圧縮機１２における図示しないタービン翼によって空気２０を圧縮し、圧縮機１２の近傍に設置した燃焼器１３へ圧縮空気２１を供給する。

燃焼器１３の近傍には流体供給部としての燃料供給部３０を設置し、燃料供給部３０から燃焼に供する燃料４０を燃焼器１３へ供給する。燃焼器１３において圧縮機１２から供給される圧縮空気２１と燃料供給部３０から供給される燃料４０とを混合し、混合された混合気を燃焼する。燃焼器１３で混合気を燃焼することにより燃焼ガス５０が発生し、燃焼ガス５０を燃焼器１３の近傍に設置したタービン１４へ供給する。

タービン１４における図示しないタービン翼を供給される燃焼ガス５０の膨張によって作動させ、タービン軸２を回転させる。タービン軸２の回転力を発電機２へ伝達し、発電機２において電気エネルギーに変換する。タービン１４の近傍には排気部１５を設置し、タービン１４において燃焼ガス５０を図示しないタービン翼の作動に利用した後の排ガス５１を排出する。

本実施例では、燃料供給部３０において、図１に示すように、燃焼器１３への燃料４０の流体流路として第一燃料管６０、第二燃料管７０、第三燃料管８０の三つの流路系統を設けている。第一燃料管６０、第二燃料管７０、第三燃料管８０には、それぞれ大きさの異なる流体流路室として第一音響チャンバ６１、第二音響チャンバ７１、第三音響チャンバ８１を備え、それぞれ異なる流路体積としている。

また、第一燃料管６０における第一音響チャンバ６１の上下流に第一開閉弁６２、６３を備え、第二燃料管７０における第二音響チャンバ７１の上下流に第二開閉弁７２、７３を備え、第三燃料管８０における第三音響チャンバ８１の上下流に第三開閉弁８２、８３を備えている。第一開閉弁６２、６３、第二開閉弁７２、７３、第三開閉弁８２、８３の開閉を制御することにより、燃焼器１３への燃料４０の供給に使用する流路系統の数量および組み合わせを選定することができるようになっている。

本実施例では、燃料４０の流体流路として第一燃料管６０、第二燃料管７０、第三燃料管８０の三系統を設けているので、使用する流路系統の数量および組み合わせを選定することにより、燃焼器１３へ供給される燃料４０の音響インピーダンスを変化させることができる。よって、燃焼器１３の燃焼振動を抑制することができる。

なお、本実施例においては、流路系統の選定として、第一燃料管１０、第二燃料管２０、第三燃料管３０のうち一系統のみを使用する場合（三通り）、第一燃料管１０、第二燃料管２０、第三燃料３０のうち二系統を使用する場合（三通り）、第一燃料管１０、第二燃料管２０、第三燃料３０の三系統を使用する場合（一通り）がある。

もちろん、本発明における流路系統は本実施例の三系統に限定されず、流路系統が二つ以上であれば、使用する流路系統の数量および組み合わせを選定し、燃焼器１３へ供給する燃料４０の音響インピーダンスを変化させることができる。

また、本実施例では、大きさの異なる流体流路室として第一音響チャンバ１１、第二音響チャンバ２１、第三音響チャンバ３１を備えた流路体積の異なる流路系統を介して燃料４０を燃焼器１３に供給することにより、供給する燃料４０の音響インピーダンスを変化させている。本発明はこれに限定されず、例えば、長さが異なる複数の流路系統、または太さが異なる複数の流路系統を備えることにより、それぞれの流路系統における流路体積が異なるようにしても良い。

また、本実施例に係るガスタービン１は、配管内圧力計９０、燃焼器内圧力計１００、制御装置１１０を備えている。配管内圧力計９０は、燃料供給部３０における燃焼器１３近傍に設置され、燃焼器内圧力計１００は、燃焼器１３に設置されている。配管内圧力計９０および燃焼器内圧力計１００によって、燃焼器１３に供給される直前の燃料４０の圧力および燃焼器１３内の圧力を計測し、供給される燃料４０および燃焼器１３内の圧力変動による振動を検知することができる。

制御装置１１０は、配管内圧力計９０および燃焼器内圧力計１００の検知結果よって、第一開閉弁６２、６３、第二開閉弁７２、７３、第三開閉弁８２、８３の開閉を制御し、流路系統である第一燃料管１０、第二燃料管２０、第三燃料管３０の最適な選定を行う。

次に、本発明の実施例１に係るガスタービンの動作について、図１および図２を参照して説明する。

本実施例に係るガスタービン１を作動すると、吸気部１１から空気２０が取り入れられ、圧縮機１２へ供給されると共に図示しないタービン翼によって圧縮される。圧縮機１２において圧縮された圧縮空気２１は、圧縮機１２の下流側に設置された燃焼器１３へ供給される。

燃焼器１３において、圧縮機１２から供給された圧縮空気２１と燃料供給部３０から供給された燃料４０とが混合されて混合体となり、混合体が燃焼されることにより燃焼ガス５０が発生する。

燃焼器１３で発生させた燃焼ガス５０は、燃焼器１３の下流側に設置されたタービン１４へ供給される。タービン１４において、燃焼器１３から供給された燃焼ガス５０によって図示しないタービン翼が作動され、タービン軸１０が回転される。回転されたタービン軸１０の回転力は、発電機２へ伝達され、電気エネルギーに変換される。

本実施例では、配管内圧力計９０および燃焼器内圧力計１００によって、燃焼器１３に供給される直前の燃料４０の圧力および燃焼器１３内の圧力を計測している。そして、配管内圧力計９０および燃焼器内圧力計１００の検知結果から、制御装置１１０によって第一開閉弁６２、６３、第二開閉弁７２、７３、第三開閉弁８２、８３の開閉を制御し、図示しない流量調整弁を制御して燃料４０の流量を調整する。

例えば、最初に第一開閉弁６２、６３を開け、第一燃料管６０のみを介して燃焼器１３へ燃料４０を供給し、本実施例に係るガスタービン１を運転していた場合に、燃焼器内圧力計１００によって燃焼器１３内における燃焼振動を検知すると第二開閉弁７２、７３を開けると共に第一開閉弁６２、６３を閉じ、第二燃料管７０のみを介して燃焼器１３へ燃料４０を供給するようにする。

このように、使用する流路系統を第一燃料管６０から第二燃料管７０へ変えることにより、燃料供給部３０から燃焼器１３へ供給される燃料４０の流路体積が変化し、燃焼器１３へ供給される燃料４０の音響インピーダンスが変化する。よって、音響インピーダンスを可変とすることで、振動の減衰率や抑制できる周波数を変えることができるため、燃焼振動を抑制することができる。

ガスタービンの運転を更に続け、燃焼器内圧力計１００によって再び燃焼器１３内における燃焼振動を検知すると、例えば、第三開閉弁８２、８３を開け、第二燃料管７０および第三燃料管８０を介して燃料器１３へ燃料４０を供給するようにする。

このように、使用する流路系統を第二燃料管７０のみの一系統から第二燃料管７０および第三燃料管８０の二系統へ変えることにより、燃料供給部３０から燃焼器１３へ供給される燃料の流路体積を変化させる。つまり、燃焼器１３へ供給される燃料の音響インピーダンスを可変とすることで、振動の減衰率や抑制できる周波数を変えることができるため、燃焼器１３の燃焼振動を抑制することができる。

以上により、ガスタービン１における燃焼器１３の燃焼振動を抑制することができる。

また、図３に示すように、第一音響チャンバ６１、第二音響チャンバ７１、第三音響チャンバ８１に吸音材１２０を設けることにより、第一燃料管６０、第二燃料管７０、第三燃料管８０を流れる燃料４０の圧力変動による振動の減衰率を高めることができる。つまり、燃料４０の圧力変動による振動を抑制し、燃焼器１３内における燃焼振動を抑制することができる。

もちろん、吸音材１２０を設ける場所は第一音響チャンバ６１、第二音響チャンバ７１、第三音響チャンバ８１に限定されず、第一燃料管６０、第二燃料管７０、第三燃料管８０の全体に設けても良い。吸音材１２０は流体の振動減衰率を高める部材であれば良く、例えば、発泡金属や多孔板などがある。

なお、本実施例では、燃焼器１３へ供給する流体物である燃料４０を燃焼器１３へ供給する燃料供給部３０に適用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、圧縮空気２１を燃焼器１３へ供給する図示しない空気供給部に適用しても良い。

１ガスタービン
２発電機
１０タービン軸
１１吸気部
１２圧縮機
１３燃焼器
１４タービン
１５排気部
２０空気
２１圧縮空気
３０燃料供給部
４０燃料
５０燃焼ガス
５１排ガス
６０第一燃料管
６１第一音響チャンバ
６２第一開閉弁（上流側）
６３第一開閉弁（下流側）
７０第二燃料管
７１第二音響チャンバ
７２第二開閉弁（上流側）
７３第二開閉弁（下流側）
８０第三燃料管
８１第三音響チャンバ
８２第三開閉弁（上流側）
８３第三開閉弁（下流側）
９０配管内圧力計
１００燃焼器内圧力計
１１０制御装置
１２０吸音材

Claims

燃焼器と、前記燃焼器と連結し前記燃焼器へ流体物を供給するための流体供給部とを備えたガスタービンにおいて、
前記流体供給部に流路体積の異なる複数の流路系統を設けると共に、前記複数の流路系統にそれぞれ開閉弁を設けて、前記複数の流路系統を前記燃焼器と個別に連通可能にしたことを特徴とするガスタービン。
前記複数の流路系統に、それぞれ異なる容積の流体流路室を設けたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記複数の流体系統に、吸音材を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン。
前記燃焼器内の圧力を計測する燃焼器内圧力計と、前記燃焼器の直近に設置される前記燃料供給配管の圧力を計測する配管内圧力計と、前記燃焼器内圧力計と前記配管内圧力計の検知結果によって前記複数の流路系統における前記開閉弁の開閉を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のガスタービン。