JP5886040B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

この発明は、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備えているガスタービンに関するものである。

一般に、ガスタービンは、外気を取り込んで圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備えている。複数の燃焼器は、ロータを中心として環状に配置されている。各燃焼器は、タービンのガス入り口に燃焼ガスを送る尾筒を有している。

燃焼ガスは、燃焼器の尾筒から流出すると、タービンのガス入り口からタービンの燃焼ガス流路内に入り込む。この際、燃焼ガスは、尾筒から流出した直後に、尾筒の側壁内面に沿った方向に流れようとするため、尾筒の下流端よりも下流側にカルマン渦列が形成される場合がある。そして、このカルマン渦列を励振源とする非定常圧力変動が音響固有値に共振し、大きな圧力変動が生じて、運転不可になる場合がある。

そこで、燃焼器の尾筒の個数に対して第一段静翼の個数が偶数倍となる場合において、尾筒の下流端と第一段静翼の上流端との間の軸線方向における寸法や、第一段静翼の上流端とロータを中心とした周方向で隣接する尾筒間の中心との間の周方向の寸法等に関して、特定の範囲に限定することで、大きな圧力変動を抑えようとしている技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１９７６５０号公報

ところで、燃焼器の尾筒の個数に対して第一段静翼の個数が偶数倍でない場合などにおいて、前述の従来技術とは異なる手段により、尾筒の下流側部分における圧力変動を抑えることが望まれている。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃焼器の尾筒の下流側部分における圧力変動を抑えることができるガスタービンを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るガスタービンは、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、前記複数の燃焼器からの前記燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備え、前記複数の燃焼器は、前記ロータを中心として周方向に沿うように配置され、前記タービンのガス入口に前記燃焼ガスを送る尾筒を有しているガスタービンにおいて、前記尾筒の前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁には、下流側端の一部のみに、下流側に向かって突出する突出壁を設けたことを特徴とする。
また、上記ガスタービンの前記尾筒の前記一対の側壁の下流側端には、下流側に突出することで形成される頂点を複数有する前記突出壁が設けられていてもよい。

このように構成することで、尾筒から流出した直後に形成されるカルマン渦列を突出部によって弱めたり、カルマン渦列そのものの発生を抑制したりすることができる。このため、燃焼器の尾筒の下流側部分における圧力変動を抑えることができる。

本発明に係るガスタービンは、前記尾筒の前記一対の側壁の下流側端の径方向中央部には、前記ロータの径方向の両端から該径方向の中央に向かうに従って徐々に突出高さが高くなるように前記突出壁が設けられていることを特徴とする。

このように構成することで、１つの突出壁で効率よくカルマン渦列の強さを弱めることができる。
このため、側壁の径方向中央部に突出壁を設けることにより、カルマン渦列の渦を湾曲させて直線状に形成されないようにすることにより、カルマン渦列の強さを効率よく弱めることができる。また、カルマン渦列そのものの発生を抑制することが可能となる場合もある。

本発明に係るガスタービンは、前記尾筒の前記一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、下流側に向かうに従って隣接する他の燃焼器の尾筒に近づくように傾斜していることを特徴とする。
また、本発明に係るガスタービンは、 燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、前記複数の燃焼器からの前記燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備え、前記複数の燃焼器は、前記ロータを中心として周方向に沿うように配置され、前記タービンのガス入口に前記燃焼ガスを送る尾筒を有しているガスタービンにおいて、前記尾筒の前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁には、下流側端の少なくとも一部に、下流側に向かって突出する突出壁を設け、前記尾筒の前記一対の側壁の内面は、それぞれ下流側に向かうに従って末広がりとなるように傾斜しているものであってもよい。

このように構成することで、互いに隣接し合う燃焼器の尾筒の側壁内面に沿う流れ同士を、尾筒の下流端よりも下流側で角度をもって合流させることができる。このため、尾筒の下流端よりも下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制することができ、尾筒の下流側部分の圧力変動を抑えることが可能になる。

本発明に係るガスタービンは、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、前記複数の燃焼器からの前記燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備え、前記複数の燃焼器は、前記ロータを中心として周方向に沿うように配置され、前記タービンのガス入口に前記燃焼ガスを送る尾筒を有しているガスタービンにおいて、前記尾筒の前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁には、下流側端の少なくとも一部に、下流側に向かって突出する突出壁を設け、前記タービンは、前記ロータを中心として周方向に沿って、且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の静翼を有し、この静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、前記周方向において各静翼の上流側端の間に、それぞれ前記尾筒の前記一対の側壁が位置するように、前記尾筒を設けたことを特徴とする。

このように構成することで、尾筒から流出した燃焼ガスが静翼によって縮流、偏向され、カルマン渦列が形成されるのを抑制することができる。

本発明によれば、尾筒から流出した直後に形成されるカルマン渦列を突出部によって弱めたり、カルマン渦列そのものの発生を抑制したりすることができる。このため、燃焼器の尾筒の下流側部分における圧力変動を抑えることができる。

本発明の実施形態におけるガスタービンの要部を切り欠いた全体側面図である。 本発明の実施形態におけるガスタービンの燃焼器周りの断面図である。 本発明の実施形態における尾筒の斜視図である。 本発明の実施形態における尾筒の下流側の断面図である。 本発明の実施形態における尾筒の下流側の一部拡大斜視図である。 本発明の実施形態における尾筒と第一段静翼との位置関係を示す説明図である。 本発明の実施形態の変形例における尾筒の下流側の一部拡大斜視図である。

（ガスタービン）
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、ガスタービン１００の要部を切り欠いた全体側面図である。
同図に示すように、ガスタービン１００は、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器１０と、燃焼ガスにより駆動するタービン２とを備えている。

タービン２は、ケーシング３と、このケーシング３内で回転するタービンロータ５とを備えている。タービンロータ５は、複数のロータディスクが積層されて構成されているロータ本体６と、複数のロータディスク毎にそのロータディスクから放射方向に延びる複数の動翼７と、を有している。すなわち、このタービンロータ５は、多段動翼構成である。
このタービンロータ５には、例えば、このタービンロータ５の回転で発電する発電機（不図示）が接続されている。また、ケーシング３には、各段の動翼７の各上流側に、その内周面からロータ本体６に近づく方向に延びる複数の静翼４が固定されている。

（燃焼器）
図２は、ガスタービン１００の燃焼器１０の周りの断面図である。
図１、図２に示すように、複数の燃焼器１０は、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心として、周方向に互いに等間隔でケーシング３に固定されている。
燃焼器１０は、高温・高圧の燃焼ガスＧをタービン２のガス入口９からタービン２のガス流路８内に送る尾筒２０と、この尾筒２０内に燃料及び圧縮空気Ａｉｒを供給する燃料供給器１１とを備えている。

タービン２の動翼７、及び静翼４は、ガス流路８中に配置されており、第一段静翼４ａの直前に、尾筒２０の下流側端面２０ｅａが位置した状態になる。
燃料供給器１１は、パイロット燃料Ｘを尾筒２０内に供給して、この尾筒２０内に拡散火炎を形成するパイロットバーナ１２と、メイン燃料Ｙ、及び圧縮空気Ａｉｒを予混合して、予混合気体として尾筒２０内に供給し、この尾筒２０内に予混合火炎を形成する複数のメインノズル１３とを備えている。

（尾筒）
図３は、尾筒２０の斜視図、図４は、尾筒２０の下流側の断面図、図５は、尾筒２０の下流側の一部拡大斜視図、図６は、尾筒２０と第一段静翼４ａとの位置関係を示す説明図である。
図２〜図６に示すように、尾筒２０は筒状に形成されており、内周側に燃焼ガスＧが流れる胴体２１と、胴体２１の下流側端に設けられ、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心とした径方向Ｄにおいて、尾筒２０の軸線Ａｃから遠ざかる向きに広がる出口フランジ３１とを有している。
胴体２１の下流側は、略長方形状の閉断面を形成している。この胴体２１は、この下流側に、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心とした周方向Ｃで互いに対向する一対の周方向側壁２２と、この回転軸線Ａｒを中心とした径方向Ｄで互いに対向する一対の径方向側壁２３とを有している。

図４に示すように、胴体２１の下流側端に設けられている出口フランジ３１は、胴体２１の下流側端から尾筒２０の軸線Ａｃに対して周方向Ｃにおいて遠ざかる向きに広がるフランジ本体部３２と、このフランジ本体部３２の外周縁から上流側に向って延びる対向部３３とを有している。このフランジ本体部３２の下流側端面が、尾筒２０の下流側端面２０ｅａを構成している。

ここで、図５、図６に詳示するように、下流側端面２０ｅａには、軸線Ａｃに沿うように下流側に向かって突出する突出壁３４が一体成形されている。すなわち、一対の周方向側壁２２に、下流側に向かって突出する突出壁３４が一体成形された状態になっている。
突出壁３４は、径方向Ｄの両端から径方向Ｄの中央に向かうに従って徐々に突出高さが高くなるように形成されている。また、突出壁３４は、湾曲しながら突出するように形成されている。そして、尾筒２０の下流側端２０ｅから突出壁３４の頂点Ｔ、つまり、下流側最端までの高さＨは、頂点Ｔと第一段静翼４ａの上流側端４ｓとが周方向Ｃにおいて、同一平面上に位置するように設定されている。

図４に詳示するように、出口フランジ３１の対向部３３と、周方向Ｃで隣接する燃焼器１０の尾筒２０の対向部３３との間には、隣接する燃焼器１０の尾筒相互間をシールするシール部材３５が設けられている。なお、本実施形態では、胴体２１の下流側の部分、つまり胴体２１の下流側の周方向側壁２２、及び径方向側壁２３とフランジ本体部３２とは、一体成形品で形成されている。

周方向Ｃで互いに対向する一対の周方向側壁２２のそれぞれの内面２４には、尾筒２０の軸線Ａｃ方向の下流側に向うに従って、徐々に隣接する他の燃焼器１０の尾筒２０に近づくように、尾筒２０の下流側端面２０ｅａに至るまで傾斜している傾斜面２５が形成されている。換言すれば、一対の周方向側壁２２のそれぞれの内面２４は、下流側に向かうに従って、末広がりとなるように形成されている。ここで、傾斜面２５の下流側端は尾筒２０の下流側端面２０ｅａとなる。

このように構成された燃焼器１０は、図６に詳示するように、周方向Ｃで隣接する第一段静翼４ａの上流側端４ｓの間に、尾筒２０の一対の周方向側壁２２が位置するように配置されている。このように燃焼器１０の尾筒２０を配置すると共に、尾筒２０の下流側端面２０ｅａに突出壁３４を一体成形することにより、尾筒２０内から流出する燃焼ガスＧの尾筒２０よりも下流側におけるカルマン渦列の形成を抑制できる。より詳しく、以下に説明する。

（尾筒の作用）
図５、図６に示すように、尾筒２０内を下流側に向って流れる燃焼ガスＧは、尾筒２０内から流出した後も周方向側壁２２の内面２４に沿った方向に流れようとする。このため、フランジ本体部３２の下流側端面２０ｅａよりも下流側にカルマン渦列Ｕが形成されることがある。

ここで、尾筒２０の下流側端面２０ｅａには突出壁３４が形成されているので、カルマン渦列Ｕが径方向Ｄで直線状にならない。より具体的には、突出壁３４は、径方向Ｄの両端から径方向Ｄの中央に向かうに従って徐々に突出高さが高くなるように形成されているので、このカルマン渦列Ｕが湾曲状に形成されて渦同士が干渉する。このように、カルマン渦列Ｕが直線状に形成されないと、その分渦の強さが弱まったり、カルマン渦列Ｕそのものの発生が抑制されたりする。

これに加え、尾筒２０の下流側の周方向側壁２２の内面２４には傾斜面２５が形成されているので、周方向側壁２２の内面２４に対し、フランジ本体部３２の下流側端面２０ｅａの成す角度が小さくなる。このため、フランジ本体部３２の下流側端面２０ｅａの下流側におけるカルマン渦列Ｕの形成が抑制される。

さらに、周方向Ｃで隣接する第一段静翼４ａの上流側端４ｓの間に、尾筒２０の一対の周方向側壁２２が位置するように配置されている。このため、尾筒２０内を下流側に向って流れる燃焼ガスＧが、尾筒２０内から流出した直後に第一段静翼４ａに衝突する。そして、第一段静翼４ａによって、尾筒２０内から流出した燃焼ガスＧが直後に縮流、偏向される（図６参照）。このため、カルマン渦列Ｕの形成が抑制される。

（効果）
したがって、上述の実施形態によれば、下流側端面２０ｅａには、軸線Ａｃに沿うように下流側に向かって突出する突出壁３４が一体成形されているので、すなわち、一対の周方向側壁２２に、下流側に向かって突出する突出壁３４が一体成形された状態になっているので、尾筒２０から流出した直後に形成されるカルマン渦列Ｕを弱めたり、カルマン渦列Ｕそのものの発生を抑制させたりすることができる。このため、燃焼器１０の尾筒２０の下流側部分における圧力変動を抑えることができる。

また、突出壁３４が径方向Ｄの両端から径方向Ｄの中央に向かうに従って徐々に突出高さが高くなるように形成されているので、突出壁３４によりカルマン渦列Ｕの強さを弱めたり、カルマン渦列Ｕそのものの発生をより確実に抑制したりすることができる。

また、一対の周方向側壁２２のそれぞれの内面２４は、下流側に向かうに従って、末広がりとなるように形成されているので、互いに隣接し合う燃焼器１０の尾筒２０の内面２４に沿う流れ同士を、尾筒２０の下流側端面２０ｅａよりも下流側で角度をもって合流させることができる。このため、カルマン渦列Ｕの形成を抑制することができ、尾筒２０の下流側部分の圧力変動を抑えることが可能になる。

さらに、周方向Ｃで隣接する第一段静翼４ａの上流側端４ｓの間に、尾筒２０の一対の周方向側壁２２が位置するように配置されているので、第一段静翼４ａによって、尾筒２０内から流出した燃焼ガスＧが直後に縮流、偏向される。このため、カルマン渦列Ｕの形成を抑制することができる。

このとき、尾筒２０の下流側端２０ｅから突出壁３４の頂点Ｔ、つまり、下流側最端までの高さＨは、頂点Ｔと第一段静翼４ａの上流側端４ｓとが周方向Ｃにおいて、同一平面上に位置するように設定されているので、尾筒２０内から流出した燃焼ガスＧを直後に確実、且つ効果的に縮流、偏向させることができる。このため、確実にカルマン渦列Ｕの形成を抑制することができる。

尚、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、尾筒２０の一対の周方向側壁２２に突出壁３４を一体成形し、この突出壁３４を、径方向Ｄの両端から径方向Ｄの中央に向かうに従って徐々に突出高さが高くなるように形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、突出壁３４は、周方向側壁２２（下流側端面２０ｅａ）の一部が軸線Ａｃに沿うように、下流側に向かって突出していればよい。

すなわち、突出壁３４の頂点Ｔが周方向側壁２２（下流側端面２０ｅａ）における径方向Ｄの略中央に位置していなくてもよい。また、突出壁３４の頂点Ｔが複数存在していてもよい。例えば、図７に示すように、下流側端面２０ｅａが軸線Ａｃ方向に沿って波形状に形成されていてもよい。

また、上述の実施形態では、尾筒２０の一対の周方向側壁２２のそれぞれの内面２４は、下流側に向かうに従って、末広がりとなるように形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、一対の周方向側壁２２のうち、少なくとも一方の周方向側壁２２の内面２４に、軸線Ａｃ方向の下流側に向うに従って、徐々に隣接する他の燃焼器１０の尾筒２０に近づくように、傾斜面２５が形成されていればよい。

１ 圧縮機
２ タービン
４ 静翼
４ａ 第一段静翼
４ｓ 上流側端
５ タービンロータ（ロータ）
６ ロータ本体
９ ガス入口
１０ 燃焼器
２０ 尾筒
２０ｅａ 下流側端面
２０ｅ 下流側端
２２ 周方向側壁（側壁）
２４ 内面
２５ 傾斜面
３４ 突出壁
１００ ガスタービン
Ａｉｒ 圧縮空気
Ｇ 燃焼ガス

Claims (6)

1. 燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、
   前記複数の燃焼器からの前記燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備え、
   前記複数の燃焼器は、前記ロータを中心として周方向に沿うように配置され、前記タービンのガス入口に前記燃焼ガスを送る尾筒を有しているガスタービンにおいて、
   前記尾筒の前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁には、下流側端の一部のみに、下流側に向かって突出する突出壁を設けたことを特徴とするガスタービン。
2. 前記尾筒の前記一対の側壁の下流側端の径方向中央部には、前記ロータの径方向の両端から該径方向の中央に向かうに従って徐々に突出高さが高くなるように前記突出壁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記尾筒の前記一対の側壁の下流側端には、下流側に突出することで形成される頂点を複数有する前記突出壁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
4. 燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、
   前記複数の燃焼器からの前記燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備え、
   前記複数の燃焼器は、前記ロータを中心として周方向に沿うように配置され、前記タービンのガス入口に前記燃焼ガスを送る尾筒を有しているガスタービンにおいて、
   前記尾筒の前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁には、下流側端の少なくとも一部に、下流側に向かって突出する突出壁を設け、
   前記尾筒の前記一対の側壁の内面は、それぞれ下流側に向かうに従って末広がりとなるように傾斜していることを特徴とするガスタービン。
5. 燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、
   前記複数の燃焼器からの前記燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンとを備え、
   前記複数の燃焼器は、前記ロータを中心として周方向に沿うように配置され、前記タービンのガス入口に前記燃焼ガスを送る尾筒を有しているガスタービンにおいて、
   前記尾筒の前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁には、下流側端の少なくとも一部に、下流側に向かって突出する突出壁を設け、
   前記タービンは、前記ロータを中心として周方向に沿って、且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の静翼を有し、この静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、
   前記周方向において各静翼の上流側端の間に、それぞれ前記尾筒の前記一対の側壁が位置するように、前記尾筒を設けたことを特徴とするガスタービン。
6. 前記尾筒の前記一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、下流側に向かうに従って隣接する他の燃焼器の尾筒に近づくように傾斜していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービン。

Images