JP6183905B2 - ダクト及びこれを備えたガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、例えば吸気ダクトや排気ダクトなどのダクト及びこれを備えたガスタービンに関する。

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、高温、高圧の燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、各燃焼器で生成した燃焼ガスのエネルギーを回転動力に変換して駆動するタービンとを備えて構成されている。

圧縮機には吸気ダクトが接続され、この吸気ダクトから圧縮機に空気を供給するように構成されている。さらに、吸気ダクトには、内部に吸気フィルタやサイレンサが設けられている。

タービンには排気ダクトが接続され、タービンを駆動させた後の高温の排気を排気ダクトを通じて排熱回収ボイラなどに導出するように構成されている。

このような吸気ダクトや排気ダクトは、筒状をなすダクト本体の表面（内面あるいは外面）に断熱材や吸音材などの介在部材を備えている。この介在部材の取付構造、保持構造は、筒状のダクト本体の表面との間に隙間をあけて配設される板状の押え部材と、一端側をダクト本体に、他端側を押え部材に接続し、ダクト本体の表面との間に隙間をあけた状態で押え部材を支持する支持ピンとを備えている。

そして、ダクト本体と押え部材との間に断熱材や吸音材などの介在部材を介装することにより、ダクト本体の表面を被覆した状態で保持するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５８−１３９０２号公報

しかしながら、上記特許文献１のような吸気ダクトや排気ダクトでは、断熱材や吸音材などの介在部材を保持するための板状の押え部材が、一端側をダクト本体に接続し、他端側を押え部材にそれぞれ接続した取付ボルトを用いてダクト本体の表面を被覆するように設置されている。このため、ダクト本体の内部を吸気や排気が流通するに伴い、振動が取付ボルトを通じてダクト本体、押え部材に伝搬することで、共振などが発生する可能性がある。

本発明のダクトは、筒状に形成され、内部に気体が流通するダクト本体と、該ダクト本体の表面から離間して配置された押え部材と、ダクト本体と押え部材との間に介在された介在部材と、ダクト本体と押え部材との離間方向に延びて、これらダクト本体と押え部材とを接続する複数の支持部材と、を備え、支持部材はダクト本体及び押え部材からこれらの間の特定箇所に向かうにしたがって、延在方向に直交する断面の面積が次第に小さくなることを特徴とする。

上述のような構成によれば、発生した振動が支持部材の該特定箇所に集中することで振動モードが均一化されるとともに、振動の含む高次成分を減少させることができる。

また、本発明のダクトにおいては、該特定箇所は、支持部材における径方向内側の端縁から径方向外側の端縁にわたる領域における中間位置として構成されていてもよい。

上述のような構成によれば、支持部材の径方向内側から伝搬する振動、及び外側から伝搬する振動をともに中間位置に設けられた特定箇所に集中させることで、いずれの振動モードも均等に均一化することができるとともに、振動の高次成分を低減することができる。

さらに、本発明のダクトにおいては、気体の流通する方向に沿って互いに離間して配列された複数の支持部材を備える構成としてもよい。

上述のような構成によれば、複数の支持部材によってダクトの延在領域全体にわたって振動モードを均一化することができるとともに、振動の高次成分を低減することができる。

また、本発明のダクトにおいては、複数の支持部材が互いに隣り合って接続されている接続部材を備える構成としてもよい。

上述のような構成によれば、それぞれの支持部材における振動を接続部材によって互いに分散することでさらに低減することができる。

また、本発明のダクトにおいては、接続部材は、互いに隣り合う支持部材の前記特定箇所を接続する構成としてもよい。

上述のような構成によれば、該特定箇所に集中した低次成分を含む振動の振動モードを接続部材によって均一化することができる。

さらに、本発明のダクトにおいては、接続部材は、付加された外力を減衰するダンパーであってもよい。

上述のような構成によれば、該特定箇所に集中した低次成分を含む振動の振動モードをダンパーによって均一化することができるとともに、これを減衰させることができる。

本発明のガスタービンは、上記のいずれかに記載のダクトを吸気ダクト及び／又は排気ダクトとして備えていることを特徴とする。

本発明によれば、固体伝搬音の少ないダクト、及びガスタービンを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係るガスタービンの一例を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るダクトの図１中Ｘ−Ｘ線における断面図を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るダクトの振動モードの変化する前の状態を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るダクトの振動モードの変化する前の状態を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るダクトの断面図を示す図である。

以下、図１及び図２を参照し、本発明の一実施形態に係るダクト及びガスタービンについて説明する。

本実施形態のガスタービンＡは、図１に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料供給源から供給した燃料を圧縮空気と混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の燃焼器２と、燃焼器２で生成した高温・高圧の燃焼ガスが送られて駆動するタービン３とを備えている。

タービン３は、金属製のケーシング４と、ケーシング４内で回転するタービンロータ５とを備え、このタービンロータ５は、例えばタービンロータ５の回転で発電する発電機（不図示）に接続されている。本実施形態のタービンロータ５は、例えば、多段動翼型のタービンロータであり、複数のロータディスクを積層してなるロータ本体６と、各ロータディスクから放射方向に延びる複数の動翼７とを備え、さらに、各段の動翼７の各上流側に、ケーシング４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８が設けられている。

一方、複数の燃焼器２は、タービン３の金属製のケーシング４内に配設されるとともに、タービンロータ５の回転軸線Ｏ１中心の周方向に互いに等間隔で配設されている。

また、圧縮機１には吸気ダクト（ダクト）１０が接続され、この吸気ダクト１０から圧縮機１に空気を供給するように構成されている。さらに、本実施形態の吸気ダクト１０には、内部に吸気フィルタ１１やサイレンサ１２が設けられている。

また、タービン３には排気ダクト（ダクト）１３が接続され、タービン３（タービンロータ５）を駆動させた後の高温の排気を排気ダクト１３を通じて排熱回収ボイラなどに導出するように構成されている。

このような吸気ダクト１０や排気ダクト１３は、図１及び図２に示すように、筒状のダクト本体１５の表面（内面１５ａ及び／又は外面１５ｂ）に、この表面１５ｂ（１５ａ）を覆うようにして断熱材や吸音材などの介在部材１６が取り付けられている。ここで、吸気ダクト１０では、ダクト本体１５の外面１５ｂ側に介在部材１６が設けられ、排気ダクト１３では、ダクト本体１５の内面１５ａ側に介在部材１６が設けられている。また、断熱材や吸音材などの介在部材１６としては、グラスウールや発泡ウレタンなどの周知の断熱材、吸音材が用いられている。

上述のような介在部材１６は、ダクト本体１５に対して押え部材１７と支持部材１８とによって取り付けられている。押え部材１７はその表面が平板状をなすとともに、ダクト本体１５の表面の形状に沿って形成された筒体状の部材である。支持部材１８は、外形視で円環状の部材であり、径方向における延在中途に位置する特定箇所１８ａでは回転軸線Ｏ１方向の寸法が他の部位よりも小さくなっている。より詳細には、ダクト本体１５及び押え部材１７から該特定箇所１８ａに向かうにしたがって、支持部材１８の延在方向に直交する断面の面積が次第に小さくなるように形成されている。また、本実施形態では該特定箇所１８ａは、支持部材１８における径方向外側の端縁１８ｂから径方向内側の端縁１８ｃにわたる領域における中間位置に設定されている。

押え部材１７は、上記のような支持部材１８によってダクト本体１５の表面１５ｂ（１５ａ）から離間した位置に保持される。より具体的には、支持部材１８の径方向内側の端縁１８ｃに押え部材１７が固定され、支持部材１８の径方向外側の端縁１８ｂはダクト本体１５の表面１５ｂ（１５ａ）に対して固定される。このとき、押え部材１７とダクト本体１５の表面１５ｂ（１５ａ）との間には筒状の空間が形成される。介在部材１６は該空間を充填するようにして、押え部材１７とダクト本体１５の表面１５ｂ（１５ａ）との間に介在している。

なお、支持部材１８はダクト本体１５に対して不図示の固定手段（例えばボルト等）によって脱落不能に固定されている。同様にして、押え部材１７は支持部材１８に対してボルト等の固定手段によって固定されている。

上述のように構成されたタービン３を運転状態に投入した場合、圧縮機１やタービンロータ５の回転、及び燃焼器２における燃焼等により、タービン３の全体にわたって振動が生じる。この振動はやがてダクト本体１５に伝搬し、吸気や排気に伴って騒音を発生する原因となる。特に、ダクト本体１５の表面１５ｂ（１５ａ）に設けられた押え部材１７で発生する振動は、支持部材１８を通じてダクト本体１５に到達し、いわゆる固体伝搬音の原因となる。

ここで、仮に支持部材１８を径方向内側から径方向外側にかけて一様の寸法を有するように形成した場合、振動が伝搬されやすいために、吸気音や吸気音は高周波成分（高次成分）と低周波成分（低次成分）からなるランダムな振動モードを含んだ振動がダクト本体１５に伝搬する（図３Ａ参照）。

しかしながら、上述のように本実施形態では、支持部材１８の径方向端縁から径方向中間位置における特定箇所１８ａに向かうにしたがって、断面積が比べて小さくなるように設定されている。これによれば、押え部材１７で発生した振動は、該特定箇所１８ａに集中することで、振動モードが一様となる（図３Ｂ参照）とともに、高次成分が低減される。したがって、ダクト本体１５で発生する固体伝搬音が低減される。

また、本実施形態では、特定箇所１８ａは、支持部材１８における径方向内側の端縁から径方向外側の端縁にわたる領域における中間位置として構成されている。

このような構成によれば、支持部材１８の径方向内側から伝搬する振動、及び外側から伝搬する振動をともに中間位置に設けられた特定箇所１８ａに集中させることで、いずれの振動モードも均等に均一化することができるとともに、振動の高次成分を低減することができる。

また、本実施形態にあっては、気体の流通する方向に沿って、複数の支持部材１８が互いに離間して配列されている。

これによれば、気体の流通する方向、すなわちダクト本体１５の延在する領域の全体にわたって支持部材１８が配列されることとなる。したがって、ダクト本体１５の延在する領域全体にわたって、固体伝搬音を低減することができる。

また、本実施形態では、接続部材は複数の支持部材におけるそれぞれの特定箇所同士を接続している。このような構成によれば、該特定箇所に集中した低次成分を含む振動の振動モードを接続部材によって均一化することができる。したがって、より効果的に固体伝搬音を低減することができる。

さらに、本発明のダクトにおいては、接続部材として、外力を減衰するダンパーを採用している。このような構成によれば、該特定箇所に集中した低次成分を含む振動の振動モードをダンパーによって均一化することができるとともに、これを減衰させることができる。したがって、より効果的に固体伝搬音を低減することができる。

以上、本発明に係るダクト及びこれを備えたガスタービンの一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態は、ダクト１０（１３）がガスタービンＡに具備される吸気ダクト１０（排気ダクト１３）であるように図示して説明を行ったが、本発明に係るダクトは、ガスタービンＡの排気ダクト１３であってもよく、さらにガスタービンＡに限らず、あらゆる設備に具備されるダクトにも勿論適用可能である。

次に、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、第一実施形態と同様の部材については同じ符号を付し、詳細な説明を省略するものである。
図４に示すように、本実施形態に係るダクト本体１５の表面１５ｂ（１５ａ）には、第一実施形態と同様に押え部材１７と、支持部材１８と、それらの間に介装される介在部材１６とが設けられている。さらに、互いに隣り合う複数の支持部材１８同士は、接続部材２１によって互いに接続されている。この接続部材２１は、一対の接続体１９と、両端がこれら接続体１９に接続されたダンパー２０とを有している。さらに、これら一対の接続体１９，１９とダンパー２０とは、同一直線状で互いに接続されている。一対の接続体１９，１９は、金属等で形成された棒状の部材であり、その軸線方向をダクト本体１５の軸線方向と同一の方向に向けて、支持部材１８の径方向中間位置（特定箇所１８ａ）に接続されている。ダンパー２０は、該一対の接続体１９，１９の間に設けられた周知の部材であって、外部から付加された外力を減衰する機能を有している。以上のように、接続部材２１は隣り合う複数の支持部材１８の互いに対向する面同士を、ダクト本体１５の周方向に接続している。

上記のような構成によれば、押え板１７から支持部材１８に伝搬された振動は、一対の接続体１９，１９に伝搬された後、ダンパー２０によって減衰される。これにより、支持部材１８の径方向中間位置（特定箇所１８ａ）に集中していた高次成分を含まない振動、すなわち低次成分を主体とする振動が減衰される。

したがって、本実施形態によれば、ダクト本体１５で発生する振動は、高次成分のみならず、低次成分も低減されることとなる。これにより、振動に起因する固体伝搬音が抑制される。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ ケーシング
５ タービンロータ
６ ロータ本体
７ 動翼
８ 静翼
１０ 吸気ダクト（ダクト）
１１ 吸気フィルタ
１２ サイレンサ
１３ 排気ダクト（ダクト）
１５ ダクト本体
１５ａ 内面（表面）
１５ｂ 外面（表面）
１６ 介在部材
１７ 押え部材
１８ 支持部材
１９ 接続部材
２０ ダンパー
Ａ ガスタービン
Ｏ１ タービンロータの回転軸線

Claims (7)

1. 筒状に形成され、内部に気体が流通するダクト本体と、
   該ダクト本体の表面から離間して配置された押え部材と、
   前記ダクト本体と前記押え部材との間に介在された介在部材と、
   前記ダクト本体と前記押え部材との離間方向に延びて、これらダクト本体と押え部材とを接続する複数の支持部材と、
   を備え、
   前記支持部材は、前記ダクト本体及び前記押え部材からこれらの間の特定箇所に向かうにしたがって、延在方向に直交する断面の面積が次第に小さくなるダクト。
2. 前記特定箇所は、前記支持部材における径方向内側の端縁から径方向外側の端縁にわたる領域における中間位置である請求項１に記載のダクト。
3. 前記気体の流通する方向に沿って互いに離間して配列された複数の前記支持部材を備える請求項１又は２に記載のダクト。
4. 前記複数の支持部材が互いに隣り合って接続されている接続部材を備えた請求項３に記載のダクト。
5. 前記接続部材は、互いに隣り合う支持部材の前記特定箇所を接続する請求項４に記載のダクト。
6. 前記接続部材は、付加された外力を減衰するダンパーである請求項４又は５に記載のダクト。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のダクトを吸気ダクト及び／又は排気ダクトとして備えるガスタービン。

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