CN106996321B - 排气机架 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种排气机架，其抑制排气机架的冷却效率下降。排气机架(4)具备：内周外壳(9A)；在与内周外壳之间形成与最终级轮空间(21)连接的环状内周冷却流道(16)的内周扩散器(10A)；在与内周扩散器之间形成排气流道(18)的外周扩散器(10B)；在与外周扩散器之间形成环状外周冷却流道(19)的外周外壳(9B)；跨越排气流道且连结内周外壳及外周外壳的支撑件(11)；连结内周扩散器及外周扩散器且在与支撑件之间形成连接内周冷却流道以及外周冷却流道的环状连接流道(22)的支撑件罩(12)；以及在燃烧气体(7)的流动方向且在比支撑件的中心线(X)靠下游侧的位置设于外周冷却流道的壁面的连通孔(24)。

Description

排气机架
技术领域
本发明涉及燃气轮机的排气机架。
背景技术
近年来，为了提高燃气轮机的效率，要求使燃烧温度上升。当燃气轮机的燃烧温度上升，则随此，涡轮排气的温度也上升，因此，涡轮排气流入的排气机架的温度也会上升。因此，需要有效地冷却排气机架，确保排气机架的保全性。
作为冷却排气机架的方法，具有将通过冷却供给孔供给至排气机架内的冷却空气通过形成于支撑件和支撑件罩之间的支撑件间空间引导至涡轮的最终级轮空间的方法(参照专利文献1等)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2005-83199号公报
支撑件间空间以在燃烧气体的流动的方向比冷却供给孔、最终级轮空间靠下游侧的位置覆盖跨越燃烧气体的流道延伸的支撑件的方式形成为筒状。因此，与经由距离支撑件间空间的冷却供给孔最近的部分(以下称为跟前侧空间)的情况的流道长相比，经由距离冷却供给孔最远的部分(以下称为里侧空间)的情况的流道长这种情况长。一般地，流经流道的冷却空气的压力损失为流道长越短则越小，在冷却空气的供给压力恒定的情况下，压力损失越小，冷却空气的流量越增加。因此，在专利文献1中，经由跟前侧空间的冷却空气的流量增加，经由里侧空间的冷却空气的流量减少。
若经由里侧空间的冷却空气的流量减少，则冷却空气容易在里侧空间的入口附近的流道内沉淀。在该情况下，在里侧空间的入口附近，存在排气机架的冷却效率下降的可能性。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而进行的，其目的在于抑制排气机架的冷却效率下降。
为了实现上述目的，本发明在与涡轮的燃烧气体的出口连接的排气机架中，具备内周外壳、覆盖上述内周外壳的外周侧且在与上述内周外壳之间形成与上述涡轮的最终级轮空间连接的环状的内周冷却流道的内周扩散器、覆盖上述内周扩散器的外周且在与上述内周扩散器之间形成上述燃烧气体的排气流道的外周扩散器、覆盖上述外周扩散器的外周侧且在与上述外周扩散器之间形成环状的外周冷却流道的外周外壳、跨越上述排气流道且连结上述内周外壳以及上述外周外壳的支撑件、连结上述内周扩散器以及上述外周扩散器且覆盖上述支撑件并在与上述支撑件之间形成连接上述内周冷却流道以及上述外周冷却流道的环状的连接流道的支撑件罩、在上述燃烧气体的流动方向且在比上述支撑件的中心线靠下游侧的位置设于上述外周冷却流道的壁面的连通孔。
本发明的效果如下。
根据本发明，能抑制排气机架的冷却效率下降。
附图说明
图1是表示具备本发明的第一实施方式的排气机架的燃气轮机的一结构例的图。
图2是本发明的第一实施方式的排气机架的概略结构图。
图3是图2的III-III线的向视剖视图。
图4是图2的IV-IV线的向视剖视图。
图5是比较例的排气机架的概略结构图。
图6是图5的VI-VI线的向视剖视图。
图7是本发明的第二实施方式的排气机架的概略结构图。
图8是本发明的第三实施方式的排气机架的概略结构图。
图中：3—涡轮，4—排气机架，7—燃烧气体，9A—内周外壳，9B—外周外壳，10A—内周扩散器，10B—外周扩散器，11—支撑件，12—支撑件罩，16—内周冷却流道，18—排气流道，19—外周冷却流道，21—最终级轮空间，22—连接流道，24、28、29—连通孔。
具体实施方式
<第一实施方式>
(结构)
1.燃气轮机
图1是表示具备本实施方式的排气机架的燃气轮机的一结构例的图。本实施方式的排气机架例如应用于设置在地上且主要用于发电的重结构型燃气轮机。
如图1所示，燃气轮机100具备压缩机1、燃烧器2、涡轮3以及排气机架4。在本实施方式中，压缩机1和涡轮3通过轴(未图示)相互连结。压缩机1由涡轮3旋转驱动，压缩通过吸气部5吸入的空气6而生成高压空气(燃烧空气)，并供给至燃烧器2。燃烧器2使从压缩机1供给的高压空气和从燃料系统(未图示)供给的燃料混合并燃烧，生成高温的燃烧气体7并供给至涡轮3。涡轮3通过从燃烧器2供给的燃烧气体7膨胀而被旋转驱动。在涡轮3或压缩机1上连结负荷设备(未图示)。在本实施方式中，作为负荷设备在涡轮3上连结发电机，从涡轮3的旋转动力减去用于驱动压缩机1的动力后的动力在发电机中转换为电力。驱动了涡轮3的燃烧气体7作为涡轮排气流入排气机架4，通过排气机架4以及排气管道(未图示)释放至大气中。
2.排气机架
排气机架4设于涡轮3的燃烧气体7的流动方向的下游侧，连接涡轮3的燃烧气体7的出口和排气管道。下面，将燃烧气体7的流动方向的上游、下游简称为“上游”、“下游”。
图2是本实施方式的排气机架的概略结构图，图3是图2的III-III线的向视剖视图。如图2所示，本实施方式的排气机架4具备外壳9、上游侧扩散器10、支撑件11、支撑件罩12、下游侧扩散器13以及连通孔24。
外壳9构成排气机架4的周壁的一部分。外壳9具备内周外壳9A以及外周外壳9B，在内部形成环状的空间。上游侧扩散器10收纳在外壳9内。上游侧扩散器10具备内周扩散器10A以及外周扩散器10B。
内周外壳9A是构成外壳9的内周壁的锥面状的部件。
内周扩散器10A是以覆盖内周外壳9A的外周侧的方式形成的锥面状的部件，构成上游侧扩散器10的内周壁。在内周外壳9A以及内周扩散器10A的上游侧设置具备涡轮3的最终级动叶片27的最终级轮25。内周外壳9A以及内周扩散器10A以在其上游侧的端部与最终级轮25之间确保空间(最终级轮空间)21的方式从最终级轮25向下游侧离开。形成于内周扩散器10A与内周外壳9A之间的环状的空间构成供给至排气机架4内的冷却空气流动的流道(内周冷却流道)16。内周冷却流道16与最终级轮空间21连接。
外周扩散器10B是以覆盖内周扩散器10A的外周侧的方式形成的锥面状的部件，构成上游侧扩散器10的外周壁。形成于内周扩散器10A与外周扩散器10B之间的环状空间构成供来自涡轮3的燃烧气体7流动的流道(排气流道)18。
外周外壳9B是以覆盖外周扩散器10B的外周侧的方式形成的锥面状的部件，构成外壳9的外周壁。形成于外周扩散器10B与外周外壳9B之间的环状空间构成供给至排气机架4内的冷却空气流动的流道(外周冷却流道)19。外周冷却流道19具备冷却介质供给孔15。冷却介质供给孔15是设于比外周冷却流道19的连接流道22(后述)靠上游侧的位置的冷却空气的导入孔。在本实施方式中，抽出由压缩机(参照图1)生成的高压空气的一部分，作为冷却空气23通过冷却介质供给孔15供给至排气机架4。
支撑件11以在内周扩散器10A以及外周扩散器10B中的下游侧的位置跨越排气流道18的方式设置，连结内周外壳9A以及外周外壳9B。之前说明的外周外壳9B被支撑于涡轮架台(未图示)，该支撑件11起到相对于外周外壳9B支撑内周外壳9A的作用。支撑件11沿内周外壳9A的圆周方向等间隔设置多个(在本实施方式中为六个)。如图3所示，在本实施方式中，支撑件11从内周外壳9A向外壳9的径向(从内周外壳9A向外周外壳9B的方向)放射状地延伸。但是，支撑件11可以从内周外壳9A相对于外壳9的径向沿圆周方向倾斜地设置。
如图2所示，支撑件罩12以连结内周扩散器10A以及外周扩散器10B，并且在沿涡轮3的旋转方向(圆周方向)延伸的剖面观察覆盖支撑件11的外周侧的方式设置。形成于支撑件11与支撑件罩12之间的环状的空间构成连接内周冷却流道16以及外周冷却流道19的流道(连接流道)22。
下游侧扩散器13通过凸缘20相对于上游侧扩散器10在下游侧连结。外周冷却流道19的下游侧的端部由互相连结的外周扩散器10B以及下游侧扩散器13的凸缘20封闭。下游侧扩散器13具备内周扩散器13A以及外周扩散器13B。内周扩散器13A以及外周扩散器13B是使形成为喇叭形且形成于互相之间的环状的空间在下游侧向径向外侧转向的部件，分别构成下游侧扩散器13的内周壁以及外周壁。在下游侧扩散器13内设置至少一个(在本实施方式中为两个)涡轮叶片26。涡轮叶片26以使腹侧面(正压面、即以凹状凹的面)朝向外周扩散器13B侧，使背侧面(负压面、即以凸状突出的面)朝向内周扩散器13A侧的方式设置。
连通孔24在比在燃烧气体7的流动方向沿支撑件11的涡轮径向延伸的中心线X靠下游侧的位置设在外周冷却流道19的壁面。在本实施方式中，连通孔24设于比支撑件11的后缘11B靠下游侧、具体为连结外周扩散器10B以及下游侧扩散器13的凸缘20，通过该连通孔24使外周冷却流道19与下游侧扩散器13的外部的空间、即动作流体、冷却空气、密封空气等燃气轮机中的流体的系统的外部连接。另外，关于连通孔24的位置，配置于比支撑件11的中心线X靠后游侧是重要的，但通过配置于比支撑件11的后缘11B靠下游侧，能进一步减少冷却流道内的沉淀区域(详细后述)。另外，如图3所示，在本实施方式中，连通孔24在圆周方向上设置多个。连通孔24的圆周方向间距设定为比横穿外周冷却流道19的支撑件11的圆周方向间距短，在邻接的支撑件11之间的位置配置至少一个连通孔24。在本实施方式中，从涡轮轴向观察，在与各支撑件11对应的位置和邻接的支撑件11的中间位置分别设置连通孔24。在本实施方式中，在邻接的支撑件11之间设置一个连通孔24，但可以设置多个连通孔24。在该情况下，连通孔24的圆周方向间距可以恒定，但例如也可以以在支撑件11间的中央附近密、在支撑件11附近疏的方式配置连通孔24等、在连通孔24的分布上存在偏差。在本实施方式中，各连通孔24的开口面积相等，但各连通孔24的开口面积可以设定为在圆周方向上不同。连通孔24的合计开口面积以供给至排气机架4的冷却空气23的大部分由凸缘20遮蔽，从连通孔24流出的冷却空气23的流量被抑制为能够忽略对燃气轮机效率带来的影响的程度(例如冷却空气23的3％左右)的方式设定。连通孔24例如为螺纹孔等能由柱塞等封闭。
(动作)
对供给至本实施方式的排气机架4的冷却空气23的流动进行说明。
由燃烧器2生成的燃烧气体7在比大气压高压(例如2MPa左右)的状态下流入涡轮3，一边在涡轮3的各级进行工作一边降低压力以及温度，通过最终级动叶片27流入排气流道18(参照图2)。流入排气流道18时的燃烧气体7下降至比大气压低的压力(例如0.09MPa左右)。流入排气流道18的燃烧气体7在沿排气流道18向下游侧(出口侧)流的过程中减速并恢复至大气压左右。
冷却空气23是抽出由压缩机1生成的高压空气的一部分的空气，在高压(例如0.11MPa左右)的状态下从冷却介质供给孔15供给至外周冷却流道19。流入排气流道18的燃烧气体7比大气压低压，因此，供给至外周冷却流道19的冷却空气23通过与排气流道18的内部压力的压力差，流经外周冷却流道19、连接流道22以及内周冷却流道16并通过最终级轮空间21与在排气流道18流动的燃烧气体7合流。这样，通过沿着外壳9、上游侧扩散器10、支撑件11以及支撑件罩12，冷却空气23折回地流动，从而有效地冷却外壳9、上游侧扩散器10、支撑件11以及支撑件罩12。另外，在本实施方式中，说明了将压缩机1的抽气用作冷却空气23的例子，但并未限定于此，例如也能使用鼓风机等其他供给源。
(效果)
(1)图5是比较例的排气机架的概略结构图，图6是图5的VI-VI线的向视剖视图。在比较例的排气机架中，供给至外周冷却流道F1的冷却空气A从外周冷却流道F1流入连接流道F2，通过连接流道F2流入内周冷却流道F3，通过内周冷却流道F3流入排气流道E。在此，与经由外周扩散器D的连接流道F2的支撑件S的经由前缘11A的内绕的流道(即经由图5的a、b、e、f点的流道)的流道长相比，经由连接流道F2的支撑件S的后缘11B侧的外绕的流道(即经由图5的a、b、c、d、e、f点的流道)的流道长变长。因此，相对于流经内绕的流道的冷却空气A的流量，流经外绕的流道的冷却空气A的流量变少。即，外绕地流入连接流道F2的支撑件S的后缘11B侧的冷却空气A的流速减少，如图6所示，在连接流道F2的邻接的支撑件S间的后缘11B侧的入口附近产生冷却空气A的沉淀区域P，这成为排气机架的冷却效率下降的主要原因。
图4是图2的IV-IV线的向视剖视图。如图4所示，在本实施方式中，在连结外周扩散器10B以及下游侧扩散器13的凸缘20设置将外周冷却流道19与下游侧扩散器13的外部空间连接的连通孔24。外周冷却流道19的内部压力相对于下游侧扩散器13的外部空间变高，因此，到达外周冷却流道19的下游侧的端部的冷却空气23大部分被凸缘20遮挡而向连接流道22流出，但一部分被连通孔24吸引。由此，促进外周冷却流道19的支撑件11的后缘11B附近的冷却空气23的流动，能够增加外绕地流入支撑件11的后缘11B侧的连接流道22的冷却空气23的流量、流速。即，能增加作为比较例的在图6所示的沉淀区域P流通的冷却空气23的流量，能抑制该区域的冷却效率的下降。尤其外周冷却流道19中的沉淀区域容易形成于前述的外绕的流道、即比支撑件11的中心线X靠下游侧，因此，通过将连通孔24配置于比支撑件11的中心线X靠下游侧，能成为与该课题对应的解决策略。另外，通过使连通孔24的位置为比支撑件11的后缘11B靠下游侧，冷却空气23的流量增加且流通的区域变宽，能进一步减小沉淀区域。除此之外，在本实施方式中，由于在邻接的支撑件11之间的位置设置连通孔24，因此，能有效地消除容易在连接流道22的邻接的支撑件11之间的后缘11B侧的入口附近产生的冷却空气23的沉淀。
(2)在如比较例的排气机架那样未设置连通孔的情况下，通过在凸缘G上设置连通孔，能成为本实施方式的排气机架4。这样，本实施方式的排气机架4能通过相对于已有的排气机架实施简单的作业容易地得到。
(3)在本实施方式中，通过设置使外周冷却流道19与下游侧扩散器13的外部的空间连接的连通孔24，能提高排气机架4的冷却性能，因此，即使不使用高耐热材料也能确保排气机架4的保全性。因此，与使用高价的高耐热性的材料制造排气机架的情况相比，能抑制制造成本的增加。
(4)作为抑制排气机架的温度上升的方法，考虑增加冷却空气的流量的方法或增加支撑件的数量的方法。但是，在前者的方法中，在使从压缩机抽出的高压空气为冷却空气的供给源的情况下，主流气体的流量减少，因此，燃气轮机的输出减少，效率下降。即使在使鼓风机等其他要素为冷却空气的供给源的情况下，也需要增加鼓风机的容量，因此成本增加。另外，即使增加冷却空气的流量，在连接流道的下游侧的入口附近，冷却空气容易沉淀的情况也不会变化，因此，难以仅通过增加冷却空气抑制排气机架的温度上升。在后者的方法中，通过增加支撑件的数量且增加连接流道的流道面积，冷却空气难以沉淀，能抑制排气机架的温度上升，但由于与流经扩散器的燃烧气体的流动干涉的支撑件的数量增加，存在扩散器的性能下降的可能性。
相对于此，在本实施方式中，通过不增加冷却空气的流量或增加支撑件的数量地在凸缘20上设置不对燃气轮机效率产生影响的程度的大小的连通孔24，抑制排气机架4的冷却效率的下降，因此，能避免燃气轮机效率下降，能抑制成本增加。除此之外，也能避免扩散器的性能下降。
(5)在本实施方式中，由于能封闭地形成连通孔24，因此，例如当在外周冷却流道19内不产生冷却空气23的沉淀的环境时，通过封闭连通孔24，能抑制冷气空气23向下游侧扩散器13的外部的空间释放。
<第二实施方式>
(结构)
图7是本实施方式的排气机架的概略结构图。在图7中，对与上述第一实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式的排气机架104的连通孔的位置与第一实施方式的排气机架4不同。其他结构与第一实施方式的排气机架4相同。
在本实施方式中，连通孔28在比在燃烧气体7的流动方向沿支撑件11的涡轮径向延伸的中心线X靠下游侧(在图示的例子中，比支撑件11的后缘靠下游侧)的位置设在外周扩散器18B，通过该连通孔28使外周冷却流道19与排气流道18连接。
流经外周冷却流道19的冷却空气23是比大气压高的压力，流经排气流道18的燃烧气体7是比大气压低的压力，因此，外周冷却流道19的内部压力相对于排气流道18的内部压力变高。因此，到达外周冷却流道19的下游侧的端部的冷却空气23大部分流入连接流道22，但一部分被连通孔28吸引而与流经排气流道18的燃烧气体7合流。由此，促进外周冷却流道19的支撑件11的后缘附近的冷却空气23的流动，外绕地流入连接流道22的冷却空气23的流量、流速增加。
(效果)
在本实施方式中，除了与第一实施方式相同的效果之外，还得到以下的效果。
在本实施方式中，由于将连通孔28设在外周扩散器10B，因此，能使流经外周冷却流道19并冷却了外周扩散器10B的冷却空气23不是与下游侧扩散器13的外部空间而是与排气流道18合流。因此，能抑制从燃气轮机100向外部空间释放的热量(散热量)。
另外，在本实施方式中，由于在厚度比凸缘20小的外周扩散器10B设置连通孔28，因此，与第一实施方式相比，能容易地设置连通孔。
<第三实施方式>
(结构)
图8是本实施方式的排气机架的概略结构图。在图8中，对与上述第一实施方式相等的部分标注相同的符号，适当省略说明。
本实施方式的排气机架204的连通孔的位置与第一实施方式的排气机架4不同。其他结构与第一实施方式的排气机架4相同。
在本实施方式中，连通孔29在比在燃烧气体7的流动方向沿支撑件11的涡轮径向延伸的中心线X靠下游侧的位置，设在外周外壳9B，通过外周外壳9B使外周冷却流道19与外周外壳9B的外部空间连接。
流经外周冷却流道19的冷却空气23是比大气压高的压力，外周外壳9B的外部空间是大气压，因此，外周冷却流道19的内部压力相对于外周外壳9B的外部的空间变高。因此，到达外周冷却流道19的下游侧的端部的冷却空气23大部分流入连接流道22，但一部分被连通孔29吸引。由此，促进外周冷却流道19的支撑件11的后缘附近的冷却空气23的流动，外绕地流入连接流道22的冷却空气23的流量、流速增加。
(效果)
如本实施方式，即使在将连通孔29设在外周外壳9B的情况下，也能得到与第一实施方式相同的效果。
<其他>
本发明并未限定于上述各实施方式，包括多种变形例。例如，上述本实施方式为了使本发明容易明白而详细地说明，未限定于具备说明的全部的结构。例如，能将某实施方式的结构的一部分置换为其他实施方式的结构，也能删除各实施方式的结构的一部分。
在上述各实施方式中，示例了在圆周方向设置了多个连通孔24。但是，本发明的本质的效果是抑制排气机架的冷却效率下降，只要能得到该本质的效果，未必限定于上述结构。例如也能为在圆周方向设置一个连通孔24的结构。

Claims (4)

1.一种排气机架，其与涡轮的燃烧气体的出口连接，该排气机架的特征在于，
具备：
内周外壳；
覆盖上述内周外壳的外周侧且在与上述内周外壳之间形成与上述涡轮的最终级轮空间连接的环状的内周冷却流道的内周扩散器；
覆盖上述内周扩散器的外周侧且在与上述内周扩散器之间形成上述燃烧气体的排气流道的外周扩散器；
与上述外周扩散器的、上述燃烧气体的流动方向的下游侧连结的下游侧扩散器；
覆盖上述外周扩散器的外周侧且在与上述外周扩散器之间形成环状的外周冷却流道的外周外壳；
跨越上述排气流道且连结上述内周外壳以及上述外周外壳的支撑件；以及
连结上述内周扩散器以及上述外周扩散器，并且覆盖上述支撑件且在与上述支撑件之间形成连接上述内周冷却流道以及上述外周冷却流道的环状的连接流道的支撑件罩，
上述外周冷却流道在比上述连接流道靠上述燃烧气体的流动方向的上游侧的位置具备冷却空气的导入孔，
在以从上述导入孔导入上述外周冷却流道的冷却空气经由上述连接流道从上述内周冷却流道的出口向上述最终级轮空间流下的方式形成流道的排气机架中具备在上述燃烧气体的流动方向且在比上述支撑件的中心线靠下游侧的位置设于上述外周冷却流道的壁面的连通孔，
上述外周冷却流道的端部由相互连结的上述外周扩散器以及上述下游侧扩散器的凸缘封闭，
上述连通孔设于上述凸缘，通过上述凸缘使上述外周冷却流道与上述下游侧扩散器的外部空间连接，将从上述导入孔朝向上述连接流道的入口流动的冷却空气的一部分从上述外周冷却流道排出。
2.根据权利要求1所述的排气机架，其特征在于，
上述连通孔设在比上述支撑件的后缘靠下游侧的位置。
3.根据权利要求1所述的排气机架，其特征在于，
上述支撑件在上述内周外壳的圆周方向设置多个，
上述连通孔在邻接的支撑件间至少各设置一个。
4.根据权利要求1所述的排气机架，其特征在于，
上述连通孔形成为能封闭。
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