CN101946063B

CN101946063B - 燃气轮机

Info

Publication number: CN101946063B
Application number: CN200880126766.7A
Authority: CN
Inventors: 中村聪介; 松山敬介; 檜山贵志; 坂元康朗; 坂田薰
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101946063A; KR101293318B1; WO2009104317A1; EP2251530B1; EP2251530A4; EP2251530A1; JP2009197650A; US20100313567A1; KR20100102213A

Abstract

本发明提供一种燃气轮机，向涡轮机供给燃烧气体而得到旋转动力，所述燃烧气体是利用燃烧器向由压缩机压缩的压缩空气中供给燃料进行燃烧而得到的燃烧气体，其中，将从涡轮机第一级静叶片(32)的前缘(32c)向上述第一级静叶片(32)的后缘侧至在周方向上相邻的燃烧器的尾筒(22)间的中心为止的周方向距离(S)相对于上述第一级静叶片(32)的周方向间距(P)设定在0.05≤S/P≤0.15的范围，并且将上述第一级静叶片(32)的前缘和燃烧器的尾筒后端(222)的轴方向距离(L)相对于上述第一级静叶片(32)的周方向间距(P)设定在0.00≤L/P≤0.13的范围。通过改善燃烧器的尾筒(33)和上述第一级静叶片(32)的相对位置，可以同时实现抑制燃烧器的内压变动和提高气动效率。

Description

燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机，更详细而言，涉及改善燃烧器尾筒和涡轮机第一级静叶片的相对位置的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机由压缩机、燃烧器、和涡轮机构成。压缩机通过将从空气取入口取入的空气进行其压缩而得到高温、高压的压缩空气。燃烧器通过对压缩空气中供给燃料进行燃烧而得到高温、高压的燃烧气体。涡轮机在壳体内交替地配置有多个涡轮机静叶片及涡轮机动叶片而构成，通过利用向排气通路供给的燃烧气体驱动涡轮机动叶片，例如旋转驱动与发电机相连接的转子。而且，驱动涡轮机的燃烧气体通过扩散室转换为静压后放出到大气中。

现有技术的燃气轮机中存在对向涡轮机导入燃烧气体的出口部即燃烧器的尾筒和最初接受该燃烧气体的涡轮机第一级静叶片的相对位置下工夫进行研究的装置。该燃气轮机相对于一个燃烧器设置两片(偶数倍)涡轮机第一级静叶片，以燃烧器的尾筒的中心和上述第一级静叶片的前缘部的叶片间中心一致的方式构成。而且，使来自燃烧器的燃烧气体主要通过上述第一级静叶片的叶片间，从而降低上述第一级静叶片的叶片最高温度(例如，参照专利文献1)。

另外，可知，通过调整燃烧器的尾筒和涡轮机第一级静叶片的相对位置关系，可以实现涡轮机效率的提高(例如，参照专利文献2)。如图5所示，在燃烧器的尾筒后端222产生的尾流(卡门涡街)50对上述第一级静叶片32的周围的气流产生影响。在此，公开有通过使在燃烧器的尾筒后端222产生的尾流50流入靠近上述第一级静叶片的前缘32c的压力面侧32a，提高涡轮机效率。另外，还公开有通过使燃烧器的尾筒和上述第一级静叶片的距离接近，抑制尾流本身的产生，实现涡轮机效率的提高。

专利文献1：日本特开2005-120871号公报

专利文献2：日本特开2006-52910号公报

然而，根据燃烧器和第一级静叶片的相对位置，由于在燃烧器的尾筒后端产生的尾流(卡门涡街)而在涡轮机第一级静叶片的前缘部产生边棱音。而且，存在因该尾流的频率、边棱音的频率及声音特征值三者的共振而产生燃烧器的内压变动，产生运转时的噪音及振动的问题。另外，该内压变动和因燃料的燃烧状态所引起的内压变动(燃烧振动)由于其驱动源不同而进行区别。以下，只要没有特别说明，就将由尾流造成的边棱音的产生所引起的内压变动简单地表示为内压变动。

在此，如上所述，考虑通过使燃烧器的尾筒和上述第一级静叶片靠近来抑制尾流的产生，也抑制由边棱音的产生引起的燃烧器的内压变动，但是，为了提高涡轮机的效率，需要使尾流流入上述第一级静叶片的压力面侧。该情况下，燃烧器的尾筒和上述第一级静叶片必须保持规定的距离，从而内压变动的抑制和涡轮机效率的提高相反，这些问题的解决方法即使在专利文献2中也没有公开。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供可以抑制燃烧器的内压变动且可以提高气动效率的燃气轮机。

为了实现所述目的，本发明提供一种燃气轮机，向涡轮机供给燃烧气体而得到旋转动力，所述燃烧气体是利用燃烧器向由压缩机压缩的压缩空气中供给燃料进行燃烧而得到的燃烧气体，其特征在于，从涡轮机第一级静叶片的前缘朝向该第一级静叶片的后缘侧到达在周方向上相邻的所述燃烧器间的中心为止的周方向距离S相对于所述第一级静叶片的周方向间距P，设定在0.05≤S/P≤0.15的范围内，并且，所述第一级静叶片的前缘和所述燃烧器的后端之间的轴方向距离L相对于所述第一级静叶片的周方向间距P，设定在0.00≤L/P≤0.13的范围内。

该燃气轮机由于轴方向距离L越近越能够抑制在燃烧器的后端的尾流的产生，因而可以抑制在第一级静叶片的前缘部的边棱音的产生。而且，通过将周方向距离S相对于周方向间距P设定在0.05≤S/P≤0.15的范围，可以使第一级静叶片的气动效率稳定且提高。

另外，本发明的燃气轮机，其特征在于，所述周方向距离S相对于所述周方向间距P设定为S/P＝0.10。

该燃气轮机可以进一步抑制燃烧器的内压变动，并且可以提高气动效率。

另外，本发明的燃气轮机，其特征在于，所述轴方向距离L相对于所述周方向间距P设定在0.08≤L/P≤0.13的范围内。

该燃气轮机在难以将轴方向距离L相对上述周方向间距P设定为L/P＝0的情况下，即难以使第一级静叶片的前缘和燃烧器的后端最接近的情况下，可以适当地抑制边棱音的产生并抑制燃烧器的内压变动。

另外，本发明的的燃气轮机，其特征在于，在周方向上相邻的所述燃烧器的后端的周方向厚度D相对所述周方向间距P设定在D/P≤0.26的范围内。

该燃气轮机在所述构成中，可以进一步抑制边棱音的产生，抑制燃烧器的内压变动，并且可以提高气动效率。

根据本发明，通过使轴方向距离L更近，能够抑制在燃烧器尾筒的出口端部的尾流的产生，能够抑制在涡轮机第一级静叶片的前缘部的边棱音的产生。并且，通过适当地设定周方向距离S的范围，从而能够使在所述第一级静叶片的气动效率稳定并提高。

附图说明

图1是表示本发明实施例的燃气轮机的概略构成图；

图2是表示燃烧器尾筒和涡轮机第一级静叶片的配置的概略图；

图3是表示边棱音压力变动水平的图；

图4是表示在第一级静叶片的气动效率的图；

图5是在尾筒后端产生的尾流的示意图。

标号说明

1、压缩机

11、空气取入口

12、压缩机壳体

13、压缩机静叶片

14、压缩机动叶片

2、燃烧器

21、内筒

22、尾筒

221、连结部件

222、尾筒后端

23、外筒

24、燃烧器壳体

3、涡轮机

31、涡轮机壳体

32、涡轮机静叶片

32a、涡轮机静叶片压力面

32b、涡轮机静叶片负压面

32c、涡轮机静叶片前缘

32d、涡轮机静叶片后缘

33、涡轮机动叶片

34、排气室

34a、排气扩散室

4、转子

41、轴承部

42、轴承部

50、尾流(卡门涡街)

R、轴心

L、轴方向距离

P、周方向间距

S、周方向距离

D、周方向厚度

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的燃气轮机的优选实施例。另外，本发明不受该实施例限制。

图1是表示本发明实施例的燃气轮机的概略构成图，图2是表示燃烧器尾筒和涡轮机第一级静叶片之间的配置的概略图。

如图1所示，燃气轮机由压缩机1、燃烧器2、和涡轮机3构成。另外，在压缩机1、燃烧器2及涡轮机3中心部贯通配置有转子4。压缩机1、燃烧器2及涡轮机3沿转子4的轴心R从空气流的前侧向后侧依次并排设置。另外，在以下的说明中，轴方向是指和轴心R平行的方向，周方向是指以轴心R为中心的圆周方向，径方向是指与轴心R垂直的方向。

压缩机1是将空气压缩形成为压缩空气的装置。压缩机1在具有取入空气的空气取入口11的压缩机壳体12内设有压缩机静叶片13及压缩机动叶片14。压缩机静叶片13安装于压缩机壳体12侧并在周方向并排设置有多个。另外，压缩机动叶片14安装于转子4侧并在周方向并排设置有多个。这些压缩机静叶片13和压缩机动叶片14沿轴方向交替设置。

燃烧器2是通过对在压缩机1被压缩的压缩空气中供给燃料且通过点火器点火而得到高温、高压的燃烧气体的装置。燃烧器2为在具有点火器(未图示)的内部将压缩空气和燃料混合并进行燃烧的燃烧筒，具有内筒21、从内筒21将燃烧气体导入涡轮机3的尾筒22、及将来自压缩机1的压缩空气导入内筒21的外筒23。该燃烧器2相对于燃烧器壳体24在周方向并排设置有多个。

涡轮机3是利用在燃烧器2燃烧的燃烧气体产生旋转动力的装置。涡轮机3在涡轮机壳体31内设有涡轮机静叶片32及涡轮机动叶片33。涡轮机静叶片32安装于涡轮机壳体31侧并在周方向并排设置有多个。另外，涡轮机动叶片33安装于转子4侧并在周方向并排设置有多个。将这些涡轮机静叶片32和涡轮机动叶片33沿轴方向交替设置。另外，在涡轮机壳体31的后侧设有排气室34，所述排气室具有与涡轮机3相连的排气扩散室34a。

转子4设置为：通过轴承部41支承压缩机1侧的端部，通过轴承部42支承排气室34侧的端部，并以轴心R为中心自由旋转。而且，在转子4的排气室34侧的端部连结有发电机(未图示)的驱动轴。

这样的燃气轮机，使从压缩机1的空气取入口11取入的空气通过多个压缩机静叶片13和压缩机动叶片14而被压缩，由此成为高温、高压的压缩空气。而且，在燃烧器2对压缩空气供给规定的燃料而进行燃烧，从而生成高温、高压的燃烧气体。而且，该燃烧气体通过涡轮机3的静叶片32和动叶片33，由此旋转驱动转子4，通过对与该转子4连结的发电机赋予旋转动力而进行发电。而且，旋转驱动转子4后的废气在排气室34的排气扩散室34a被转换为静压而后放出到大气。

在如此构成的燃气轮机中，将燃烧器2的尾筒22和最接近该燃烧器2配置的涡轮机3的涡轮机第一级静叶片32按以下关系配置。

如图2所示，在周方向上相邻的各燃烧器2，通过连结部件221相互连结它们的后端即尾筒22的后端。另一方面，上述第一级静叶片32将前缘32c朝向燃烧器2侧即前方、将后缘32d倾斜朝向后方即转子4的旋转方向(周方向)而配置。另外，上述第一级静叶片32设置为相对于一个燃烧器2配置2个的形式。

而且，从上述第一级静叶片32的前缘32c(最接近燃烧器2侧的部位)朝向上述第一级静叶片32的后缘32d侧到达燃烧器2间(连结的尾筒22间)的中心为止的周方向距离S，相对于上述第一级静叶片32的周方向间距P，设定在0.05≤S/P≤0.15的范围。即，将周方向距离S设定为周方向间距P的5％以上且15％以下的范围。

另外，上述第一级静叶片32的前缘32c和尾筒后端222之间的轴方向距离L，相对上述第一级静叶片32的周方向间距P设定在0.00≤L/P≤0.13的范围。即，将轴方向距离L设定为周方向间距P的0％以上且13％以下的范围。

另外，在沿周方向相邻的燃烧器2中所连结的尾筒22的端部的周方向厚度D相对于周方向间距P设定在D/P≤0.26的范围。即，将周方向厚度D设定为周方向间距P的26％以下的范围。

在此，图3及图4表示以上述关系配置燃烧器2和上述第一级静叶片32的本实施例及比较例的解析结果。图3是表示边棱音压力变动水平的图，图4是表示在上述第一级静叶片的气动效率的图。

在图3中，设定周方向距离S为-8％以上且17％以下的范围。然后，对4种类轴方向距离L及周方向厚度D不同的实施例、2种类比较例进行解析。在此，设轴方向距离L相对于周方向间距P的比为L/P，设周方向厚度D相对于上述P的比为D/P。实施例1设L/P＝0.13、D/P＝0.19，并以粗实线表示。实施例2设L/P＝0.13、D/P＝0.26，并以细实线表示。实施例3设L/P＝0.08、D/P＝0.19，并以粗点划线表示。实施例4设L/P＝0.08、D/P＝0.26，并以细点划线表示。比较例1设L/P＝0.42、D/P＝0.19，并以粗虚线表示。比较例2设L/P＝0.42、D/P＝0.26，并以细虚线表示。另外，周方向距离S的“-”表示从上述第一级静叶片32的前缘32c(最接近燃烧器2侧的部位)向上述第一级静叶片32的后缘32d侧的相反侧(前缘32c侧)的周方向距离。

在图4中，设周方向距离S为-20％以上且20％以下的范围。然后，相对于上述实施例1(设L/P＝0.13、D/P＝0.19，并以粗实线表示)及实施例2(设L/P＝0.13、D/P＝0.26，并以细实线表示)进行比较例3、4的解析。比较例3设L/P＝0.13、D/P＝0.31，并以粗双点划线表示。比较例4设L/P＝0.13、D/P＝0.36，并以细双点划线表示。另外，周方向距离S的“-”表示从上述第一级静叶片32的前缘32c(最接近燃烧器2侧的部位)向上述第一级静叶片32的后缘32d侧的相反侧(前缘32c侧)的周方向距离。

从图3表明，由于上述第一级静叶片32的前缘32c和尾筒后端222的轴方向距离L越近，越是能够抑制在燃烧器2的尾筒后端222的尾流的产生，因此可以抑制在上述第一级静叶片的前缘32c的边棱音的产生。而且，如实施例1(粗实线)、实施例2(细实线)、实施例3(粗点划线)、实施例4(细点划线)及比较例1(粗虚线)，可知，周方向距离S在相对于周方向间距P为5％以上且15％以下的范围内适当地降低边棱音压力变动水平的设定容许值，特别是，在周方向距离S为10％的情况下，边棱音压力变动水平最低。

另外，从图4可知，实施例1(粗实线)、实施例2(细实线)、比较例3(粗双点划线)、比较例4(细双点划线)在周方向距离S相对于周方向间距P大致2.5％以上的范围，处于在上述第一级静叶片32的气动效率的设定容许范围内。而且，实施例1(粗实线)及实施例2(细实线)在周方向距离S相对于周方向间距P大致5％以上且15％以下的范围，上述第一级静叶片32的气动效率在高域且稳定。特别是可知，在周方向距离S为10％的情况下气动效率最高。而且，如实施例1(粗实线)及实施例2(细实线)，可知，在周方向厚度D相对于周方向间距之比为D/P＝0.19及D/P＝0.26这样的与其他相比较小的情况下，气动效率进一步提高。

因此，从这些解析结果可知，如上所述，通过将周方向距离S相对于周方向间距P设定为0.05≤S/P≤0.15的范围，且将轴方向距离L相对于周方向间距P设定为0.00≤L/P≤0.13的范围，可抑制边棱音的产生并可抑制燃烧器的内压变动，而且可以提高气动效率。

另外，通过将周方向距离S相对于周方向间距P设定为S/P＝0.10，可以进一步抑制边棱音的产生并可以抑制燃烧器的内压变动，并且可以提高气动效率。

另外，在将轴方向距离L相对于周方向间距P设定为0.00＝L/P的情况下，成为第一级静叶片32的前缘32c和尾筒后端222最接近的配置。通过这样的配置，抑制在燃烧器2的尾筒后端222的尾流的产生，因此，可以抑制边棱音的产生，可以抑制燃烧器的内压变动。在此，在燃烧器2和涡轮机3之间配置密封部件等，在燃气轮机构成的制约上，有时不能将轴方向距离L相对于周方向间距P设定为0.00＝L/P。在这样的情况下，考虑上述制约，优选将轴方向距离L相对于周方向间距P设定为0.08≤L/P≤0.13的范围。

另外，通过将周方向厚度D相对于周方向间距P设定在D/P≤0.26的范围，进一步抑制边棱音的产生，抑制燃烧器的内压变动，而且可以提高气动效率。另外，为了将周方向厚度D相对于周方向间距P设定为D/P＝0，即D＝0，可以考虑例如将在周方向上相邻的燃烧器2的尾筒22构成为一个环状。另外，在难以构成D/P＝0的情况下，优选将周方向厚度D相对于周方向间距P设定在0.18≤D/P≤0.26的范围。

产业上的实用性

如上，本发明的燃气轮机通过改善燃烧器尾筒和涡轮机第一级静叶片的相对位置，从而适用于同时实现抑制燃烧器的内压变动和提高气动效率的情况。

Claims

1.一种燃气轮机，向涡轮机供给燃烧气体而得到旋转动力，所述燃烧气体是利用燃烧器向由压缩机压缩的压缩空气中供给燃料进行燃烧而得到的燃烧气体，其特征在于，

从涡轮机第一级静叶片的前缘朝向该第一级静叶片的后缘侧到达在周方向上相邻的所述燃烧器间的中心为止的周方向距离S相对于所述第一级静叶片的周方向间距P，设定在0.05≤S/P≤0.15的范围内，并且，所述第一级静叶片的前缘和所述燃烧器的后端之间的轴方向距离L相对于所述第一级静叶片的周方向间距P，设定在0.08≤L/P≤0.13的范围内，所述周方向距离S相对于所述周方向间距P设定为S/P=0.10。

2.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，

在周方向上相邻的所述燃烧器的后端的周方向厚度D相对所述周方向间距P设定在0.19≤D/P≤0.26的范围内。