CN102562309A

CN102562309A - 过渡段及燃气轮机

Info

Publication number: CN102562309A
Application number: CN2011104321563A
Authority: CN
Inventors: 伊藤胜康; 斋藤大藏; 酒井义明
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: US9200526B2; EP2469033A2; CN102562309B; SG182108A1; JP2012145098A; US20120159954A1

Abstract

本发明提供过渡段及具备该过渡段的燃气轮机。实施方式的过渡段(10)具备：内筒(20)，将来自燃烧器衬套(120)的燃烧气体引导至涡轮部(130)；外筒(30)，设置成隔有间隙空间地覆盖内筒(20)的外周，形成有多个喷出孔(31)，该喷出孔(31)用于向内筒(20)的出口侧的外周面喷出来自压缩机(110)的空气的一部分。形成在内筒(20)与外筒(30)之间、从喷出孔(31)喷出的空气流经的冷却空气流路(50)的流路截面积构成为，在形成了喷出孔(31)的部分的空气流的下游侧逐渐减少，在成为最小流路截面积的喉部(60)的空气流的下游逐渐增加。

Description

过渡段及燃气轮机

相关申请

本申请基于2010年12月21日申请的日本国专利申请2010-284079，并主张其优先权，该基础申请的全部内容包括在本申请中。

技术领域

在此描述的实施例主要涉及过渡段(transition piece)及具备该过渡段的燃气轮机。

背景技术

在燃气轮机发电设备中，通过驱动与涡轮部同轴设置的压缩机来将压缩后的空气引导至燃烧器衬套(liner)。将通过引导至燃烧器衬套的空气与燃料混合并使其燃烧而产生的高温高压的燃烧气体经由与燃烧器衬套连接的过渡段引导至涡轮部。在涡轮部，利用高温高压的燃烧气体的膨胀来旋转驱动动叶片及涡轮转子，并利用该旋转驱动来驱动压缩空气的压缩机及发电机。

图6是表示以往的过渡段200的剖面的图。如图6所示，以往的过渡段200具有包括内筒201和设置在该内筒201的外周上的外筒202的双管结构。内筒201的一端与圆筒形状的燃烧器衬套230连结，内筒201的另一端与涡轮初级的静叶片240连结。因此，在内筒201内的燃烧气体流路203中的、与燃烧气体流动的方向垂直的剖面形状从圆形变形成扇形。外筒202也构成为与内筒201的形状对应的形状。

为使高温的燃烧气体通过其内部，内筒201由镍(Ni)基耐热合金构成，另外，内筒201还具有冷却结构。如图6所示，在典型的1300℃级的燃气轮机的过渡段的外筒202上，遍布整个面地形成有多个冲击冷却孔204，该多个冲击冷却孔204用于将从压缩机排出的空气的一部分作为冷却空气205喷出，并使其与内筒201的外侧面碰撞。

在过渡段200的下游端设置有突缘状的图框(picture frame)206，该图框206密封内筒201与外筒202之间的一端，从而防止冷却空气205向静叶片240侧流出。

上述的以往的过渡段200的内筒201由镍基耐热合金构成，并通过冷却空气205进行冷却。然而，由于在燃气轮机的运转中的基材的局部高温化，导致在内筒201中产生由氧化厚度减薄、热疲劳导致的裂纹等损伤。

在以往的内筒201中，在图框206附近容易产生变形。由于该变形具有伴随着燃气轮机的运转时间的增加而增加的趋势，考虑存在由蠕变(creep)损伤导致的变形。

内筒201的外侧面侧承受来自冷却空气205的压力，内筒201的内侧面侧承受来自燃烧气体的压力。由于来自冷却空气205的压力比来自燃烧气体的压力高，因此内筒201在从外侧压坏的方向上承受负载。特别是，由于与涡轮部连接的内筒201的剖面形状为扇形，因此与剖面形状为圆形的燃烧器衬套230连接的内筒201相比更容易因承受外压而变形。作用于该内筒201上的外压也成为在图框206附近容易产生变形的一个因素。

另外，由于在内筒201的下游侧燃烧气体的流速变大，因此内筒201与燃烧气体的热传导率变大，内筒201的温度上升，变得容易蠕变变形。此外，存在因伴随着燃气轮机的大容量化的燃烧气体的高温高压化，内筒201的温度进一步变高，并且，内筒201的冷却空气侧与燃烧气体侧的压力差变大的趋势。因此，成为在内筒201容易产生蠕变变形的条件。

发明内容

本发明要解决的课题是提供一种能够抑制结构部件的变形并且能够提高冷却空气带来的冷却效果的过渡段及具备该过渡段的燃气轮机。

本发明的过渡段，在燃烧器衬套内使由压缩机加压后的空气和燃料燃烧，并将生成的燃烧气体引导至涡轮，具备：内筒，与上述燃烧器衬套的出口侧端部连接，将来自燃烧器衬套的燃烧气体引导至涡轮；以及外筒，设置成隔有间隙空间地覆盖上述内筒的外周，并形成有多个喷出孔，该喷出孔用于向上述内筒的出口侧的外周面喷出来自上述压缩机的空气的一部分；形成在上述内筒与上述外筒之间、从上述喷出孔喷出的空气流经的冷却空气流路的流路截面积构成为，在形成了上述喷出孔的部分的空气流的下游侧逐渐减少，在成为最小流路截面积的喉部的空气流的下游逐渐增加。

附图说明

图1是以局部剖面表示具备本发明的第一实施方式的过渡段的燃气轮机的结构的图。

图2是表示本发明的第一实施方式的过渡段的沿燃烧气体的流动方向的剖面的图。

图3是表示在第一实施方式的过渡段中的、冷却空气流路的冷却空气的流动方向的静压的变化的图。

图4是本发明的第二实施方式的过渡段的侧视图，以为了说明流路导向而除去过渡段的外筒的一部分的状态表示。

图5是表示示出了本发明的第二实施方式的过渡段的图4的A-A剖面的图。

图6是表示以往的过渡段的剖面的图。

具体实施方式

在实施方式中，过渡段为，在燃烧器衬套内使由压缩机加压后的空气和燃料燃烧，并将生成的燃烧气体导向涡轮。该过渡段具备内筒和外筒，上述内筒与上述燃烧器衬套的出口侧端部连接，将来自燃烧器衬套的燃烧气体导向涡轮，上述外筒设置为以隔有间隙空间的方式覆盖上述内筒的外周，形成有多个喷出孔，该喷出孔用于向上述内筒的出口侧的外周面喷出来自上述压缩机的空气的一部分。

并且，形成在上述内筒与上述外筒之间，从上述喷出孔喷出的空气流经的冷却空气流路的流路截面积构成为，在形成上述喷出孔的部分的空气流的下游侧逐渐减少，并从成为最小流路截面积的喉部开始在空气流的下游逐渐增加。

在下文中，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是表示具备本发明的第一实施方式的过渡段10的燃气轮机100的结构的部分剖面的图。

如图1所示，燃气轮机100具备压缩外部气体的压缩机110和将由压缩机110加压的空气和燃料混合并使其燃烧的燃烧器衬套120。此外，燃气轮机100具备：将在燃烧器衬套120中生成的燃烧气体导向涡轮部130的过渡段10、和利用由过渡段10导入的燃烧气体来旋转驱动的涡轮部130。

压缩机110在压缩机外壳111内具备植设有动叶片112的压缩机转子113。在周向上植设有多个动叶片112，在轴向上构成多级的动叶片叶栅。此外，在压缩机外壳111的内周上配置有多个静叶片114，构成静叶片叶栅。并且，静叶片叶栅和动叶片叶栅在轴向上交替地构成。通过使动叶片112旋转来压缩外部的空气，并将其引导至燃气轮机100内。

燃烧器衬套120例如包括罐型的燃烧器，在压缩机110的周围均等地具备多个燃烧器衬套120。在燃烧器衬套120中，将在压缩机中加压后的空气和燃料混合并使其燃烧，从而生成燃烧气体。

在后文会进行详细叙述，过渡段10与燃烧器衬套120的出口侧端部连接，一边整流来自燃烧器衬套120的燃烧气体一边将其引导至涡轮部130。

涡轮部130在涡轮外壳131内具备植设有动叶片132的涡轮转子133。在周向上植设有多个动叶片132，在轴向上构成多级的动叶片叶栅。此外，在涡轮外壳131的内周上配置有多个静叶片134，构成静叶片叶栅。并且，静叶片叶栅和动叶片叶栅在轴向上交替地构成。导入涡轮部130的燃烧气体经由静叶片134喷射至动叶片132，从而动叶片132及涡轮转子133旋转。并且，在与涡轮转子133连结的发电机(未图示)中，将旋转能变换为电能。

接下来，对本发明的第一实施方式的过渡段10进行说明。

图2是表示本发明的第一实施方式的过渡段10的沿燃烧气体的流动方向的剖面的图。

如图2所示，过渡段10通过具备内筒20和外筒30的双管结构而构成，上述内筒20为使来自燃烧器衬套120的燃烧气体在内部流通并将其导向涡轮部130，外筒30设置为隔有间隙空间地覆盖内筒20的外周。

在外筒30上形成有多个喷出孔31，喷出孔31用于向内筒20的出口侧的外周面喷出来自压缩机110的空气的一部分。为了抑制压力损失，喷出孔31的形状优选为水力直径最小的圆形。另外，喷出孔31的直径优选为尽可能的大。此外，上述来自压缩机110的空气的一部分起到冷却空气CA的功能。

内筒20的上游侧端部(在图2中为内筒20的左侧端部)开口为圆形。在该开口端部嵌合有圆筒状的燃烧器衬套120的出口侧端部(在图2中为燃烧器衬套120的右侧端部)。另一方面，内筒20的下游侧端部(在图2中为内筒20的右侧端部)开口为矩形或扇形。这样，在内筒20中，与燃烧气体的流动方向垂直的剖面形状从圆形变形为扇形。

外筒30也具有与内筒20的形状对应的形状，外筒30的上游侧端部(在图2中为外筒30的左侧端部)开口为圆形，外筒30的下游侧端部(在图2中为外筒30的右侧端部)开口为矩形或扇形。此外，在外筒30的上游侧端部(在图2中为外筒30的左侧端部)，嵌合有以隔有间隙空间地覆盖燃烧器衬套120的外周的方式设置的、圆筒状的燃烧器外筒121的出口侧端部(在图2中为燃烧器外筒121的右侧端部)。

在过渡段10的内筒20与外筒30之间的下游侧端部(在图2中内筒20及外筒30的右侧端部)设置有突缘状的图框40，图框40密封内筒20与外筒30之间的一端，从而防止冷却空气CA向涡轮部130侧流出。该图框40的附近的外筒30上形成有前述的多个喷出孔31。

接下来，对形成在内筒20与外筒30之间的、冷却空气CA流经的冷却空气流路50进行说明。

冷却空气流路50的流路截面积在形成了喷出孔31的冷却空气导入区域51的冷却空气流的下游侧逐渐减少。并且具有成为最小流路截面积的喉部(throat)60。而在该喉部60的空气流的下游，冷却空气流路50的流路截面积逐渐增加。

此外，冷却空气流路50的流路截面积是与冷却空气CA的流动方向垂直的流路截面的面积。此外，在冷却空气导入区域51的冷却空气流的下游侧，将冷却空气流路50的流路截面积变为与冷却空气导入区域51的冷却空气流路50的流路截面积相等为止的区域称为冷却空气高速区域52。将该冷却空气高速区域52的冷却空气流的下游侧称为压力恢复区域53。

在此，为了尽可能地抑制冷却空气的压力损失，需要减小冷却空气的通过速度，合计了前述的各喷出孔31的面积而得的总面积优选为比喉部60中的冷却空气流路的流路截面积更大。此外，为了得到与以往的冲击冷却同等的冷却效果，喉部60中的流路截面积优选为设定为使喉部60中的冷却空气CA的流速为70m/s以上。

此外，从维持在内筒20内流动的燃烧气体的整流效果的观点来看，这样的结构的冷却空气流路50优选为通过不使内筒20的形状变形而使外筒30的形状变形而构成。因此，通过使外筒30靠近(接近)内筒20侧(内侧)，缩短外筒30与内筒20的间隙(距离)来减少流路截面积。

如前述那样，在压缩机110的周围均等地设置有多个具有以上结构的过渡段10。因此，矩形或扇形的、彼此相邻接的过渡段10的出口侧，彼此接触，作为整体形成环状的燃烧气体的流路。

接下来，对流经内筒20内的燃烧气体及流经冷却空气流路50的冷却空气CA的作用进行说明。

如前述那样，喷出孔31的直径优选为尽可能地大。因此，通过喷出孔31的冷却空气CA的流速变得比以往的冲击冷却孔中的喷出速度小。然而，喷出孔31的直径比以往的冲击冷却孔的直径大。另外，通过减小喷出孔31之间的间距来较密集地形成喷出孔31，能够增大通过喷出孔31的冷却空气CA的流量。因此，在冷却空气导入区域51中能够发挥冲击冷却的效果，从而得到足够的冷却效果。

在冷却空气高速区域52中，由于内筒20内的流路截面积减少，流经内筒20内的燃烧气体的流速增加。因此，内筒20与燃烧气体之间的热传导率增加，从而内筒20的温度容易上升。然而，在冷却空气高速区域52中的冷却空气流路50的流路截面积比冷却空气导入区域51等中的冷却空气流路50的流路截面积小，冷却空气CA的速度增加。因此，使内筒20与冷却空气CA之间的热传导率增加，从而能够充分地冷却内筒20。

另外，在冷却空气高速区域52中，通过增加冷却空气CA的速度，使流体的动压变高，另一方面，使静压减小。因此，内筒20所负荷的从冷却空气流路50侧向燃烧气体流路65侧的负载减少。换言之，能够减小经由内筒20的、冷却空气流路50侧的压力与燃烧气体流路65侧的压力的差压。

在压力恢复区域53中，冷却空气CA的速度逐渐减少，冷却空气CA的动压降低并且静压上升。在该压力恢复区域53中，流经内筒20内的燃烧气体的流速与冷却空气高速区域52中的情况相比较小，与冷却空气高速区域52中的情况相比，内筒20与燃烧气体之间的热传导率也较小。因此，即使冷却空气CA的速度减小也能够充分地冷却内筒20。

使通过压力恢复区域53中的冷却空气流路50的冷却空气CA流入形成在燃烧器衬套120与燃烧器外筒121之间的冷却空气流路。此时，在压力恢复区域53中，通过减小冷却空气CA的速度来降低冷却空气CA的动压。因此，能够将在流入形成在燃烧器衬套120与燃烧器外筒121之间的冷却空气流路时的动压损失抑制为较小。

在此，图3是在表示第一实施方式的过渡段10中的冷却空气流路50的冷却空气CA的流动方向的静压的变化的图。此外，为了进行比较，在图3中还表示图6所示的在以往的过渡段200中的、冷却空气流路的冷却空气的流动方向的静压的变化。

如图3所示，在冷却空气高速区域52中，与以往的过渡段10相比，本实施方式的过渡段10能够减小经由内筒的、冷却空气流路侧的压力与燃烧气体流路侧的压力的差压。

采用第一实施方式的过渡段10，通过在冷却空气流路50中设置增加冷却空气CA的流速的冷却空气高速区域52来增加内筒20与冷却空气CA之间的热传导率，从而能够充分地冷却内筒20。

另外，能够减小经由内筒20的、冷却空气流路50侧的压力与燃烧气体流路65侧的压力的差压。因此，能够减少从外侧向压坏内筒20的方向作用的负载，从而能够抑制内筒20的变形。

(第二实施方式)

在第二实施方式的过渡段11中，在冷却空气流路50中，除了具备流路导向器70以外的结构与第一实施方式的过渡段10的结构相同。在此，主要对该不同结构进行说明。

图4是本发明的第二实施方式的过渡段11的侧视图，为了说明流路导向器70，图4表示了除去过渡段的外筒30的一部分的状态。此外，为了方便，在图4中以剖视图表示静叶片134的附近。图5是表示示出本发明的第二实施方式的过渡段11的图4的A-A剖面的图。此外，对与第一实施方式的过渡段10的结构相同的部分附加相同的附图标记，并省略或简略重复的说明。

如图4所示，在冷却空气流路50中，在周向上隔有规定的间隔地设置有多个设置在冷却空气CA的流动方向上的流路导向器70。此外，流路导向器70配置成将冷却空气流路50在周向上划分成多个。优选为至少在冷却空气高速区域52中设置该流路导向器70。

流路导向器70由板状的部件构成，其构成为与在冷却空气CA的流动方向上的冷却空气流路50的形状对应的形状。流路导向器70优选为设置成与内筒20的外面及外筒的内面相接。例如，流路导向器70能够一体形成于内筒20的外面或外筒30的内面。

过渡段11的剖面形状从上游侧端部(在图4中为左侧端部)的圆形三维地变化成下游侧端部(在图4中为右侧端部)的矩形或扇形。因此，冷却空气流路50中的流路剖面形状也同样进行三维变化。因此，流过冷却空气流路50的冷却空气CA在周向上偏流，从而在流路剖面上不会成为均匀的流。

因此，如第二实施方式的过渡段11那样，通过在冷却空气流路50中设置流路导向器70，能够抑制向周向的流的偏流，从而能够实现在流路剖面中的冷却空气CA的流的均匀化。由此，能够遍布周向地均匀地冷却内筒20。

采用以上说明的实施方式，能够抑制结构部件的变形，并且，能够提高冷却空气带来的冷却效果。

虽然在上文中描述了数个实施例，但这些实施例仅为例子，其并不用于限定发明的范围。实际上，可以通过其它的多种方式来实现上述实施例，而且在本发明的精神范围内可以进行多种删减、替代和变更。在本发明的精神范围内，相应权利要求及其等价的权利要求应覆盖这些结构及修改。

Claims

1.一种过渡段，在燃烧器衬套内使由压缩机加压后的空气和燃料燃烧，并将生成的燃烧气体引导至涡轮，

该过渡段具备：

内筒，与上述燃烧器衬套的出口侧端部连接，将来自燃烧器衬套的燃烧气体引导至涡轮；以及

外筒，设置成隔有间隙空间地覆盖上述内筒的外周，并形成有多个喷出孔，该喷出孔用于向上述内筒的出口侧的外周面喷出来自上述压缩机的空气的一部分；

形成在上述内筒与上述外筒之间、从上述喷出孔喷出的空气流经的冷却空气流路的流路截面积构成为，在形成了上述喷出孔的部分的空气流的下游侧逐渐减少，在成为最小流路截面积的喉部的空气流的下游逐渐增加。

2.如权利要求1所述的过渡段，其特征在于，

合计了各上述喷出孔的面积而得的总面积比上述喉部中的冷却空气流路的流路截面积大。

3.如权利要求1所述的过渡段，其特征在于，

在上述冷却空气流路的至少一部分的区域，在周向上具备多个设置在空气流方向上的流路导向器。

4.如权利要求2所示的过渡段，其特征在于，

5.如权利要求3所述的过渡段，其特征在于，

上述流路导向器一体形成于上述内筒或上述外筒。

6.如权利要求4所述的过渡段，其特征在于，

上述流路导向器一体形成于上述内筒或上述外筒。

7.一种燃气轮机，具备如权利要求1所述的过渡段。

8.一种燃气轮机，具备如权利要求2所述的过渡段。

9.一种燃气轮机，具备如权利要求3所述的过渡段。

10.一种燃气轮机，具备如权利要求4所述的过渡段。

11.一种燃气轮机，具备如权利要求5所述的过渡段。

12.一种燃气轮机，具备如权利要求6所述的过渡段。