CN103459781A

CN103459781A - 涡轮排气结构及燃气轮机

Info

Publication number: CN103459781A
Application number: CN2012800155035A
Authority: CN
Inventors: 北川仁志; 坂元康朗; 伊藤荣作
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: US20140023493A1; JP5951187B2; EP2692998B1; JP2012207565A; WO2012133123A1; EP2692998A1; KR101522484B1; US9845689B2; CN103459781B; EP2692998A4; KR20130135928A

Abstract

在涡轮排气结构及燃气轮机中，设置呈圆筒形状而构成燃烧气体通路（A）的涡轮机室（26），在该涡轮机室（26）上连接呈圆筒形状而构成排气通路（B）的排气扩散器（31），在该排气扩散器（31）设置压力损失体（61），由此，通过进行高效的排气的压力恢复而能够提高涡轮效率、提高性能。

Description

涡轮排气结构及燃气轮机

技术领域

本发明例如在对压缩后的高温高压空气供给燃料而使其燃烧，并将所产生的燃烧气体向涡轮供给而获得旋转动力的燃气轮机中，涉及一种在涡轮的后部配置的涡轮排气结构以及适用该涡轮排气结构的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机由压缩机、燃烧器、涡轮构成，利用压缩机压缩从空气导入口导入的空气，由此形成高温高压的压缩空气，利用燃烧器对该压缩空气供给燃料而使其燃烧，高温高压的燃烧气体驱动涡轮，从而驱动与该涡轮连接的发电机。在这种情况下，涡轮在机室内交替地配置有多个静叶片及动叶片，利用燃烧气体来驱动动叶片，由此驱动与发电机连接的输出轴旋转。并且，驱动涡轮后的燃烧气体（排气）的能量通过排气扩散器逐渐转换成压力后向大气排放，以避免产生损失。

在如此构成的燃气轮机的涡轮中，排气扩散器以其流路面积从涡轮出口即扩散器入口朝向排气的流动方向扩大的方式构成，能够使利用涡轮回收了动力之后的排气减速而使压力恢复。

作为具有这种排气扩散器的燃气轮机，例如记载于下述专利文献1中。

专利文献1：日本特开2009-203871号公报

发明内容

于是，在上述的排气扩散器中，当通过排气的减速而使压力恢复量增大时，涡轮效率提高而提高了燃气轮机的性能。为了增大该排气扩散器的压力恢复量，与入口的流路面积相比增大出口流路面积是有效的。然而，在排气扩散器中，当与入口的流路面积相比而急剧增大出口流路面积时，在排气扩散器的外周侧的壁面附近、中心侧的壁面附近等，排气流被剥离，压力恢复量减小。另一方面，在排气扩散器中，当与入口的流路面积相比而出口流路面积未急剧增大时，排气扩散器的长度方向（排气的流动方向）的长度变大，从而导致排气扩散器的大型化。

本发明用于解决上述问题，目的在于提供一种通过进行高效的排气的压力恢复而能够提高涡轮效率、提高性能的涡轮排气结构及燃气轮机。

用于实现上述目的的本发明的涡轮排气结构设置呈圆筒形状而构成燃烧气体通路的壳体，在上述壳体上连接呈圆筒形状而构成排气通路的排气扩散器，上述涡轮排气结构的特征在于，在上述排气扩散器上设置压力损失体。

因此，通过在排气扩散器上设置压力损失体，从燃烧气体回收动力而向排气扩散器流动的排气由压力损失体对其流动状态进行整流而均匀化，排气扩散器的壁面附近的排气的剥离难以发生，因此此处的压力恢复量增加，进行高效的排气的压力恢复，由此能够提高涡轮效率而提高性能。

在本发明的涡轮排气结构中，上述压力损失体具有多孔部件，该多孔部件配置于上述排气扩散器的排气通路中。

因此，通过由配置于排气通路的多孔部件构成压力损失体，不仅能够进行高效的排气的压力恢复，而且能够简化结构并提高排气扩散器的刚性。

在本发明的涡轮排气结构中，其特征在于，上述压力损失体具有传热管，该传热管在排气与在该传热管的内部流动的热交换介质之间进行热交换。

因此，通过由传热管构成压力损失体，能够进行高效的排气的压力恢复，并且能够有效地回收排气所具有的热能。

在本发明的涡轮排气结构中，其特征在于，上述压力损失体将上述排气扩散器的径向的外侧及内侧中的至少任一方的压力损失设定得比径向的中间侧的压力损失小。

因此，在排气扩散器中流动的排气从压力损失大的径向的中间侧向压力损失小的径向的外侧、内侧流动，能够抑制排气扩散器的壁面附近的排气的剥离，增加压力恢复量。

在本发明的涡轮排气结构中，其特征在于，该涡轮排气结构设置沿着径向贯通上述排气扩散器的支撑结构体，上述压力损失体配置得比上述支撑结构体靠排气的流动方向的下游侧。

因此，通过将压力损失体配置于排气容易从壁面附近剥离的支撑件的下游侧，能够有效地抑制排气从排气扩散器的壁面附近的剥离。

另外，本发明的燃气轮机利用燃烧器向由压缩机压缩后的压缩空气供给燃料而进行燃烧，将所产生的燃烧气体向涡轮供给，由此获得旋转动力，上述燃气轮机的特征在于，上述涡轮构成为，在呈圆筒形状的壳体内将静叶片体和动叶片体沿着燃烧气体的流动方向交替配置，在上述壳体上连接呈圆筒形状的排气扩散器，在上述排气扩散器上设置压力损失体。

因此，通过在排气扩散器设置压力损失体，从燃烧气体回收动力而向排气扩散器流动的排气由压力损失体对其流动状态进行整流而均匀化，排气扩散器的壁面附近的排气的剥离难以发生，因此此处的压力恢复量增加，进行高效的排气的压力恢复，由此能够提高涡轮效率，从而提高燃气轮机的性能。

发明效果

根据本发明的涡轮排气结构及燃气轮机，由于在排气扩散器设置压力损失体，因此向排气扩散器流动的排气由压力损失体对其流动状态进行整流而均匀化，排气扩散器的壁面附近的排气的剥离难以发生，因此此处的压力恢复量增加，进行高效的排气的压力恢复，由此能够提高涡轮效率而提高性能。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的燃气轮机中的涡轮排气结构的概略图。

图2是表示实施例1的涡轮排气结构中的压力损失体的主视图。

图3是表示实施例1的涡轮排气结构中的另一压力损失体的主视图。

图4是表示实施例1的涡轮排气结构中的另一压力损失体的侧视图。

图5是表示排气扩散器的径向高度上的压力的图表。

图6是表示实施例1的燃气轮机的概略图。

图7是表示本发明的实施例2的燃气轮机中的涡轮排气结构的概略图。

图8是表示实施例2的涡轮排气结构中的压力损失体的主视图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的涡轮排气结构及燃气轮机的优选的实施例。另外，本发明并未限定于该实施例，而且，在存在多个实施例时，也包括将各实施例组合而成的情况。

实施例1

图1是表示本发明的实施例1的燃气轮机中的涡轮排气结构的概略图，图2是表示实施例1的涡轮排气结构中的压力损失体的主视图，图3是表示实施例1的涡轮排气结构中的另一压力损失体的主视图，图4是表示实施例1的涡轮排气结构中的另一压力损失体的侧视图，图5是表示排气扩散器的径向高度上的压力的图表，图6是表示实施例1的燃气轮机的概略图。

如图6所示，实施例1的燃气轮机由压缩机11、燃烧器12、涡轮13构成。在该燃气轮机上连接有未图示的发电机，从而能够发电。

压缩机11具有导入空气的空气导入口21，在压缩机机室22内，多个静叶片体23与动叶片体24沿着前后方向（后述的转子32的轴向）交替配置，在压缩机机室22的外侧设有抽气室25。燃烧器12对由压缩机11压缩后的压缩空气供给燃料，通过点火而能够燃烧。涡轮13在涡轮机室（壳体）26内将多个静叶片体27与动叶片体28沿着前后方向（后述的转子32的轴向）交替配置。在该涡轮机室26的下游侧，隔着排气机室29而配置有排气室30，排气室30具有与涡轮13连续的排气扩散器31。

另外，转子（涡轮轴）32以贯通压缩机11、燃烧器12、涡轮13、排气室30的中心部的方式设置。转子32中，压缩机11侧的端部由轴承部33支承为旋转自如，而排气室30侧的端部由轴承部34支承为旋转自如。并且，该转子32在压缩机11中将多个装配有各动叶片体24的轮盘重叠地固定，在涡轮13中将多个装配有各动叶片体28的轮盘重叠地固定，在压缩机11侧的端部连接有未图示的发电机的驱动轴。

并且，该燃气轮机中，压缩机11的压缩机机室22由脚部35支撑，涡轮13的涡轮机室26由脚部36支撑，排气室30由脚部37支撑。

因此，从压缩机11的空气导入口21导入的空气通过多个静叶片体23和动叶片体24而被压缩成为高温高压的压缩空气。在燃烧器12中，对该压缩空气供给规定的燃料，进行燃烧。并且，在该燃烧器12生成的工作流体即高温高压的燃烧气体通过构成涡轮13的多个静叶片体27和动叶片体28，由此驱动转子32旋转，从而驱动与该转子32连接的发电机。另一方面，排气（燃烧气体）的能量由排气室30的排气扩散器31转换成压力而减速之后向大气排放。

在上述的涡轮13的排气结构中，如图1所示，多个静叶片体27与动叶片体28沿着燃烧气体的流动方向交替地配置于呈圆筒形状的涡轮机室26的内侧。该涡轮机室26在排气的流动方向的下游侧配置有呈圆筒形状的排气机室29。该排气机室29在排气的流动方向的下游侧配置有呈圆筒形状的排气室30。该排气室30在排气的流动方向的下游侧配置有排气管（未图示）。在这种情况下，涡轮机室26、排气机室29、排气室30、排气管分别以分割成上下两部分的方式形成，并将两者一体地连接而构成。

并且，涡轮机室26与排气机室29由多个连接螺栓41连接，排气机室29与排气室30由能够吸收热伸长的多个排气室支撑件42、43连接。该排气室支撑件42、43呈窄长形状，沿着涡轮13的轴向延伸设置，并沿着周向以规定的间隔并排设有多个。在排气机室29与排气室30之间因温度差而发生热伸长时，该排气室支撑件42、43能够通过变形而吸收该热伸长。该热伸长在涡轮13的起动时等过渡期、高负荷时等情况下容易发生。而且，在排气机室29与排气室30之间设有气体密封件44，该气体密封件44位于各排气室支撑件42、43之间。

排气机室29在其内侧配置有构成排气室30的呈圆筒形状的排气扩散器31。该排气扩散器31通过由多个支撑件护罩47连接呈圆筒形状的外侧扩散器45与内侧扩散器46而成。该支撑件护罩47呈圆筒形状、椭圆筒状等中空结构，沿着排气扩散器31的周向以均等间隔设有多个。另外，上述的排气室支撑件42、43及气体密封件44的端部与构成排气室30的排气扩散器31的外侧扩散器45连接。

在支撑件护罩47内配置有支撑件（支撑结构体）48。该支撑件48的一端侧贯通内侧扩散器46而与收容轴承部34的轴承箱49连接，通过该轴承34而将转子32支承为旋转自如。而且，支撑件48的另一端侧贯通外侧扩散器45而固定于排气机室29。另外，支撑件护罩47内部的空间与排气扩散器31（内侧扩散器46）的内侧的空间、排气机室29和排气扩散器31（外侧扩散器45）之间的空间连通，并能够从外部向这些空间供给冷却空气。

另外，涡轮机室26在其内侧交替地配置有多个静叶片体27和动叶片体28，各级的叶片环结构为基本相同的结构。在这种情况下，静叶片体27构成为将多个静叶片27a沿着周向以均等间隔配置，在转子32侧的基端部固定内侧围带27b，且在涡轮机室26侧的前端部固定外侧围带27c。而且，动叶片体28同样地构成为将动叶片28a沿着周向以均等间隔配置，基端部固定于在转子32上固定的转子盘28b，前端部向涡轮机室26侧延伸。并且，在最终级静叶片27a的下游侧配置有最终级动叶片28a。

在此，涡轮机室26中的最终级叶片环结构包括：呈圆筒形状的涡轮机室主体51；设于涡轮机室主体51的内侧且呈圆筒形状的叶片环52；配置于最终级动叶片28a的外方且呈圆筒形状的分割环53；及将分割环53及叶片环52与最终级静叶片27a的外侧围带27c连接的隔热环54、55、56。

涡轮13由于如此构成各级的叶片环结构，因此通过构成涡轮机室26的内侧围带27b、分割环53等而构成燃烧气体通路A，排气扩散器31的前部在径向上保持规定间隙而进入到涡轮机室26及排气机室29的后部的内侧，并通过密封装置57连接，由此形成由排气扩散器31构成的排气通路B，从而使燃烧气体通路A与排气通路B连续。

在如此构成的实施例1的涡轮排气结构中，在排气扩散器31设有压力损失体61。该压力损失体61配置得比支撑件48靠排气的流动方向的下游侧。并且，该压力损失体61设有在排气扩散器31的排气通路B配置的多孔部件，排气扩散器31的排气通路B的径向的外侧（外侧扩散器45）及内侧（内侧扩散器46）的压力损失设定得比径向的中间侧的压力损失小。

具体而言，如图1及图2所示，压力损失体61呈环形状，配置得比支撑件48靠下游侧，内周部固定于内侧扩散器46，外周部固定于外侧扩散器45。该压力损失体61包括沿着排气扩散器31的周向而直径不同的多个环62和沿着排气扩散器31的径向的多个辐条63，多个环62通过多个辐条63而支撑于内侧扩散器46和外侧扩散器45。在这种情况下，多个环62中，排气扩散器31的径向的外周部与内周部的间隔设定得比径向的中间部的间隔大，由此，压力损失体61在排气扩散器31的排气通路B中将外周部及内周部的压力损失设定得比中间部的压力损失小。另外，多个辐条63沿着周向以均等间隔配置。

另外，虽然压力损失体61由多个环62和多个辐条63构成，但并未限定为该结构。例如，如图3所示，压力损失体64形成为由金属丝网构成的网状物，通过将外周部侧的区域R1和内周部侧的区域R3的开口率设定得比中间部侧的区域R2的开口率大，而该压力损失体64在排气扩散器31的排气通路B中将外周部及内周部的压力损失设定得比中间部的压力损失小。而且，如图4所示，压力损失体65形成为规定厚度的多孔体（多孔部件），通过将外周部侧的厚度T1和内周部侧的厚度T3设定得比中间部侧的厚度T2薄，而该压力损失体65在排气扩散器31的排气通路B中将外周部及内周部的压力损失设定得比中间部的压力损失小。

因此，如图1所示，燃烧气体在燃烧气体通路A中流动，由此在通过动叶片体28回收了动力之后，当作为排气而向排气扩散器31的排气通路B流动时，在此，将排气的能量逐渐转换成压力而向大气排放。在该排气扩散器31中，在排气通过压力损失体61（64、65）时，排气被整流而均匀化，能够确保高的压力恢复量。即，压力损失体61的径向的中间部形成高压力损失，因此在该区域流动的排气向径向的外周侧或径向的内周侧流动，能抑制排气从外侧扩散器45的内壁、内侧扩散器46的外壁的剥离。

其结果是，如图5所示，以往，如单点划线所示，从排气扩散器的径向的外周部侧到内周部侧的排气的总压力为基本恒定，在外侧扩散器、内侧扩散器的壁面附近容易产生排气的剥离，而排气扩散器的压力恢复量减小。相对于此，在实施例1中，在排气扩散器31设置压力损失体61，而且，径向的中间部的压力损失大，因此如实线所示，与中间部相比，外周部侧及内周部侧的排气的整个压力升高，在外侧扩散器45及内侧扩散器46的壁面附近难以产生排气的剥离，排气扩散器31的压力恢复量增大。

这样一来，在实施例1的涡轮排气结构中，设有呈圆筒形状而构成燃烧气体通路A的涡轮机室26，呈圆筒形状而构成排气通路B的排气扩散器31与该涡轮机室26连接，并在该排气扩散器31设有压力损失体61。

因此，通过在排气扩散器31设置压力损失体61，在燃烧气体通路A中，从燃烧气体回收动力而向排气扩散器31的排气通路B流动的排气由压力损失体61对其流动状态进行整流而均匀化，难以发生排气扩散器31的壁面附近的排气流的剥离，因此此处的压力恢复量增加，进行高效的排气的压力恢复，由此能够提高涡轮效率而提高性能。在这种情况下，排气从排气扩散器31的壁面附近的剥离被抑制，因此能够增大排气扩散器31的出口侧的流路面积，在这一点上，也能够提高涡轮效率，并且能够缩短排气扩散器31的长度。

另外，在实施例1的涡轮排气结构中，将压力损失体61设为由多个环62和多个辐条63构成的多孔部件。因此，通过由配置于排气通路B的多孔部件来构成压力损失体61，不仅能够进行高效的排气的压力恢复，而且能够简化结构并提高排气扩散器31的刚性。

另外，在实施例1的涡轮排气结构中，利用压力损失体61，将排气扩散器31的径向的外周部及内周部的压力损失设定得比径向的中间部的压力损失小。因此，在排气扩散器31中流动的排气从压力损失大的中间部向压力损失小的外周部、内周部流动，能够抑制排气扩散器31的壁面附近的排气的剥离，并增加压力恢复量。

另外，在实施例1的涡轮排气结构中，设置沿着径向贯通排气扩散器31而将轴承箱49与排气机室29连接并支撑的支撑件48，并将压力损失体61配置得比该支撑件48靠排气的流动方向的下游侧。因此，通过将压力损失体61配置于排气容易从壁面附近剥离的支撑件48的下游侧，能够有效地抑制排气从排气扩散器31的壁面附近的剥离。

另外，本发明的燃气轮机构成为，利用燃烧器12向由压缩机11压缩后的压缩空气供给燃料而使其燃烧，并将所产生的燃烧气体向涡轮13供给，由此获得旋转动力，在呈圆筒形状的涡轮机室26的内侧沿着燃烧气体的流动方向交替地配置静叶片体27和动叶片体28，在涡轮机室26的后部连接呈圆筒形状的排气扩散器31而构成涡轮13，并在该排气扩散器31设有压力损失体61。

因此，通过在排气扩散器31设置压力损失体61，向排气扩散器31流动的排气由压力损失体61对其流动状态进行整流而均匀化，与排气扩散器31的径向的中间部相比，外周部及内周部的排气的总压力升高，排气扩散器31的壁面附近的排气的剥离难以发生，因此此处的压力恢复量增加，进行高效的排气的压力恢复，由此能够提高涡轮效率，从而提高燃气轮机的性能。

实施例2

图7是表示本发明的实施例2的燃气轮机的涡轮排气结构的概略图，图8是表示实施例2的涡轮排气结构的压力损失体的主视图。另外，对于具有与上述的实施例同样的功能的部件，标注同一附图标记而省略详细的说明。

在实施例2的涡轮排气结构中，如图7所示，在排气扩散器31设有作为压力损失体的传热管71。该传热管71配置得比支撑件48靠排气的流动方向的下游侧。并且，该传热管71将排气扩散器31的径向的外侧及内侧的压力损失设定得比径向的中间侧的压力损失小。

具体而言，如图7及图8所示，传热管71在排气扩散器31中流动的排气与在传热管71的内部流动的冷却介质（热交换介质）之间进行热交换，例如，适用未图示的废热回收锅炉的传热管。并且，该传热管71在排气扩散器31的排气通路B中沿着周向往复地配置，并通过多个辐条72而支撑于内侧扩散器46和外侧扩散器45。在这种情况下，传热管71通过将排气扩散器31的径向的外周部与内周部的间隔设定得比径向的中间部的间隔大，而在排气扩散器31的排气通路B中将外周部及内周部的压力损失设定得比中间部的压力损失小。

因此，通过使燃烧气体在燃烧气体通路A中流动，而在由动叶片体28回收了动力之后作为排气向排气扩散器31的排气通路B流动时，在此，将排气的能量逐渐转换成压力而向大气排放。在该排气扩散器31中，在排气通过传热管71时，排气被整流而均匀化，能够确保高的压力恢复量。即，传热管71的径向的中间部形成高压力损失，因此在该区域中流动的排气向径向的外周侧或径向的内周侧流动，能抑制排气从外侧扩散器45的内壁、内侧扩散器46的外壁的剥离，从而排气扩散器31的压力恢复量增大。

另外，在排气通过传热管71时，在排气扩散器31中流动的排气与在传热管71的内部流动的冷却介质之间进行热交换，能够高效地回收排气的热量。

这样一来，在实施例2的涡轮排气结构中，设置呈圆筒形状而构成燃烧气体通路A的涡轮机室26，呈圆筒形状而构成排气通路B的排气扩散器31与该涡轮机室26连接，并在该排气扩散器31设置作为压力损失体的传热管71。

因此，通过在排气扩散器31设置传热管71，在燃烧气体通路A中从燃烧气体回收动力而向排气扩散器31的排气通路B流动的排气由传热管71对其流动状态进行整流而均匀化，排气扩散器31的壁面附近的排气流的剥离难以产生，因此此处的压力恢复量增加，进行高效的排气的压力恢复，由此能够提高涡轮效率而提高性能。在这种情况下，传热管71能够在排气扩散器31中流动的排气与在传热管71的内部流动的冷却介质之间进行热交换，因此能够回收排气的热量而得到有效利用。

另外，在上述的各实施例中，在排气扩散器31设置压力损失体61、64、65、71，并将排气扩散器31的径向的外侧及内侧的压力损失设定得比中间侧的压力损失小，但也可以仅将排气扩散器31的径向的外侧的压力损失或仅将内侧的压力损失设定得比中间侧的压力损失小。而且，将压力损失体61、64、65、71配置得比支撑件48靠排气的流动方向的下游侧，但优选设于在排气扩散器31中流动的排气从壁面剥离的区域，根据排气扩散器31的形状，也可以配置于支撑件48的附近或配置得比支撑件48靠上游侧。

附图标记说明

11 压缩机

12 燃烧器

13 涡轮

26 涡轮机室（壳体）

27 静叶片体

28 动叶片体

29 排气机室

30 排气室

31 排气扩散器

32 转子

45 外侧扩散器

46 内侧扩散器

48 支撑件（支撑结构体）

61、64、65 压力损失体

62 环

63 辐条

71 传热管（压力损失体）

A 燃烧气体通路

B 排气通路

Claims

1.一种涡轮排气结构，设置呈圆筒形状而构成燃烧气体通路的壳体，在所述壳体上连接呈圆筒形状而构成排气通路的排气扩散器，所述涡轮排气结构的特征在于，

在所述排气扩散器上设置压力损失体。

2.根据权利要求1所述的涡轮排气结构，其特征在于，

所述压力损失体具有多孔部件，所述多孔部件配置于所述排气扩散器的排气通路中。

3.根据权利要求1所述的涡轮排气结构，其特征在于，

所述压力损失体具有传热管，所述传热管在排气与在该传热管的内部流动的热交换介质之间进行热交换。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的涡轮排气结构，其特征在于，

所述压力损失体将所述排气扩散器的径向的外侧及内侧中的至少任一方的压力损失设定得比径向的中间侧的压力损失小。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的涡轮排气结构，其特征在于，

所述涡轮排气结构设置沿着径向贯通所述排气扩散器的支撑结构体，所述压力损失体配置得比所述支撑结构体靠排气的流动方向的下游侧。

6.一种燃气轮机，利用燃烧器向由压缩机压缩后的压缩空气供给燃料而进行燃烧，将所产生的燃烧气体向涡轮供给，由此获得旋转动力，所述燃气轮机的特征在于，

所述涡轮构成为，在呈圆筒形状的壳体内将静叶片体和动叶片体沿着燃烧气体的流动方向交替配置，在所述壳体上连接呈圆筒形状的排气扩散器，

在所述排气扩散器上设置压力损失体。