DE112016006016T5

DE112016006016T5 - Gasturbinenmotor

Info

Publication number: DE112016006016T5
Application number: DE112016006016.5T
Authority: DE
Inventors: Koji Terauchi; Daisuke Uemura; Hiroshi Kubo; Naoto Sakai; Toshimasa Miura; Yuki Ishitobi
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: CN108474559A; DE112016006016B4; GB201810685D0; GB2564969A; WO2017110973A1; JP6625427B2; JP2017116218A; GB2564969B; CN108474559B; US20180298918A1; US10605266B2

Abstract

Ein Gasturbinenmotor weist auf: mehrere Brenner, die derart angeordnet sind, dass sie von einer Turbinenseite radial nach außen in Richtung einer Kompressorseite geneigt sind; und ein Diffusor-Innenrohr, sowie ein Diffusor-Außenrohr, die einen Diffusor als einen stromaufwärtigen Abschnitt eines Weges bilden, welcher ein von dem Kompressor kommendes komprimiertes Gas in die Brenner einleitet. Ein Übergangskanalabschnitt jedes Brenners ist derart geformt, dass eine Umfangsabmessung desselben von der Turbinenseite zur Kompressorseite sukzessive abnimmt, so dass ein Umfangsspalt zwischen den Übergangskanalabschnitten gebildet ist. Stromabwärtige Abschnitte des Diffusor-Innenrohrs und des Diffusor-Außenrohrs weisen jeweils eine Form auf, deren Durchmesser in Richtung der stromabwärtigen Seite sukzessive zunimmt. Ein turbinenseitiges Ende des Umfangsspalts auf einer Innendurchmesserseite des Übergangskanalabschnitts ist radial von einer sich durchgehend von dem Diffusor-Innenrohr erstreckenden imaginären konischen Verlängerungsfläche nach innenangeordnet.

Description

Querverweis auf die verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-254075 , eingereicht am 25. Dezember 2015, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung ist.
Hintergrund der Erfindung
(Gebiet der Erfindung)
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasturbinenmotor und insbesondere den Aufbau eines Durchlasses, welcher ein komprimiertes Gas von einem Kompressor an einen Brenner leitet.
(Beschreibung des Standes der Technik)
Bei einem Gasturbinenmotor ist im Allgemeinen ein Diffusor an einem Auslass eines Axialkompressors vorgesehen, wodurch statischer Druck eines komprimierten Gases rückgewonnen und Druckverlust (hauptsächlich dynamischer Druckverlust), der auftritt, bis das komprimierte Gas in einen Brenner strömt, verringert wird (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
[Dokument aus dem Stand der Technik]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2012-062900
Überblick über die Erfindung
In dem Fall, dass die axiale Abmessung des Diffusors zum Zweck der Verringerung des Druckverlusts vergrößert wird, wie zuvor beschrieben, nimmt jedoch auch die axiale Abmessung des gesamten Gasturbinenmotors zusammen mit der Zunahme der axialen Abmessung des Diffusors zu.
Zur Lösung des genannten Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasturbinenmotor zu schaffen, der in der Lage ist, einen Druckverlust eines komprimierten Gases, das von einem Kompressor in einen Brenner geleitet wird, zu verringern, während eine Zunahme der Abmessung des gesamten Gasturbinenmotors vermieden wird.
Zur Lösung der genannten Aufgabe handelt es sich bei einem Gasturbinenmotor gemäß der vorliegenden Erfindung um einen Gasturbinenmotor, bei welchem ein von einem Kompressor kommendes komprimiertes Gas verbrannt wird und ein gewonnenes Verbrennungsgas eine Turbine antreibt. Der Gasturbinenmotor weist auf: mehrere Brenner, wobei jeder Brenner rohrförmig ist, dazu ausgebildet ist, das von dem Kompressor kommende komprimierte Gas zu verbrennen, und derart positioniert ist, dass eine Achse desselben in Bezug auf eine Drehachse des Gasturbinenmotors von einer Seite, auf der sich die Turbine befindet, radial nach außen zu einer Seite geneigt ist, auf welcher sich der Kompressor befindet; ein Diffusor-Außenrohr, das eine äußere durchmesserseitige Wand eines rohrförmigen Diffusors bildet, welcher einen stromaufwärtigen Abschnitt eines Zuführwegs für komprimiertes Gas bildet, welcher dazu ausgebildet ist, das aus dem Kompressor ausgegebene komprimierte Gas zu den. Brennern zu leiten; ein Diffusor-Innenrohr, das konzentrisch zu dem Diffusor-Außenrohr angeordnet ist und eine innere durchmesserseitige Wand des Diffusors bildet; und einen Übergangskanalabschnitt, bei welchem es sich um einen Abschnitt jedes Brenners handelt, der in einer Kammer angeordnet ist, welche einen stromabwärtigen Abschnitt des Zuführwegs für komprimiertes Gas bildet, wobei der Übergangskanalabschnitt dazu ausgebildet ist, das Verbrennungsgas von dem Brenner zu der Turbine zu leiten. Der Übergangskanalabschnitt jedes Brenners ist derart geformt, dass die Umfangsabmessung desselben von der Seite, auf der sich die Turbine befindet, zu der Seite, auf der sich der Kompressor befindet, sukzessive abnimmt, so dass ein Umfangsspalt zwischen benachbarten Übergangskanalabschnitten gebildet ist. Zumindest ein Abschnitt auf der stromabwärtigen Seite des Diffusor-Innenrohrs und zumindest ein Abschnitt auf der stromabwärtigen Seite des Diffusor-Außenrohr weisen jeweils eine Form auf, deren Durchmesser in Richtung der stromabwärtigen Seite zunimmt. Ein turbinenseitiges Ende des Umfangsspalts auf einer inneren Durchmesserseite des Übergangskanalabschnitts ist radial von einer imaginären konischen Verlängerungsfläche nach innen angeordnet, die sich durchgehend von einer Außenumfangsfläche des Diffusor-Innenrohrs erstreckt. Der Diffusor kann einen Auslass mit einem Neigungswinkel aufweisen, der gleich oder kleiner als 90° in Bezug auf die Drehachse ist.
Gemäß dieser Ausbildung ist ein ausreichender Umfangsspalt in der Kammer zwischen den Übergangskanalabschnitten der Brenner gebildet. Das komprimierte Gas wird aus dem Auslass des radial nach außen gerichteten Diffusors in Richtung dieses Umfangsspalts ausgegeben. Daher ist selbst in dem engen Raum in der Kammer, in welchem die mehreren Übergangskanalabschnitte dicht angeordnet sind, ein ausreichender Strömungsweg für das aus dem Diffusor ausgegebene komprimierte Gas gewährleistet. Der Druckverlust des von dem Kompressor an die Brenner gelieferten komprimierten Gases kann somit ausreichend verringert werden, während eine Zunahme der axialen Abmessung des gesamten Gasturbinenmotors vermieden wird, indem der Diffusor und jeder Brenner derart angeordnet sind, dass die axialen Positionen derselben einander überlappen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Übergangskanalabschnitt jedes Brenners einen Kanalkörper, welcher einen Zuführweg für das Verbrennungsgas bildet, und eine Kanalabdeckung aufweisen, welche einen Außenumfang des Kanalkörpers abdeckt, und die Kanalabdeckung kann mit mehreren Einleitungslöchern versehen sein, die dazu ausgebildet sind, das komprimierte Gas in den Brenner einzuleiten. Gemäß dieser Ausbildung wird das komprimierte Gas von den Übergangskanalabschnitten, welche in der Richtung, in welcher das komprimierte Gas aus dem Diffusor ausgegeben wird, angeordnet sind und welche in Umfangsrichtung ausreichend voneinander beabstandet sind, in die Brenner eingeleitet. Daher kann der Druckverlust des von dem Kompressor an die Brenner gelieferten komprimierten Gases effektiver verringert werden.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Zusatzelement des Gasturbinenmotors in einem Raum in der Kammer angeordnet sein, welche zwischen der imaginären konischen Verlängerungsfläche und einer Drehwelle des Gasturbinenmotors ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Diffusor-Innenrohr einen stromabwärtigen Endabschnitt aufweisen, der mit einer sich radial nach innen erstreckenden Verbindungsflanschfläche versehen ist, und ein Kammer-Innenrohr, das eine innere durchmesserseitige Wand der Kammer bildet, kann mit der Verbindungsflanschfläche über ein Innenrohrverbindungselement verbunden sein, bei welchem es sich um das Zusatzelement handelt. Alternativ kann ein zum Anpassen des Drucks des aus dem Kompressor abgezogenen Gases ausgebildetes Dichtungselement, bei dem es sich um das Zusatzelement handelt, mit der Verbindungsflanschfläche über ein Dichtungsverbindungselement, bei welchem es sich um das Zusatzelement handelt, verbunden sein. Gemäß dieser Ausbildung ist, da der Auslass des Diffusors nach außen gerichtet ist, ein Raum in einem Abschnitt ausgebildet, in welchem das komprimierte Gas, das aus dem Diffusorauslass ausgelassen wird, nicht direkt auf den Raum und die Bauteile trifft, die in diesem Raum angeordnet sind. Daher ist der Druckverlust aufgrund des Auftreffens des komprimierten Gases auf die Bauteile verringert. Da die Drehwelle zur Bildung eines derartigen Raums nicht dünner ausgebildet sein muss, werden ferner die Rotationsvibrationen der Drehwelle wirksam unterdrückt.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Innenwandfläche eines die Kammer bildenden Abschnitts eines Gehäuses des Gasturbinenmotors eine konkave Fläche entlang einer Außenumfangsform jedes Brenners aufweisen, und ein zwischen benachbarten konkaven Flächen angeordneter Verbindungsabschnitt kann in einen Raum zwischen benachbarten Brennern vorstehen. Gemäß dieser Ausbildung wird das komprimierte Gas durch den Verbindungsabschnitt zwischen den konkaven Flächen des Gehäuses gleichmäßig in Umfangsrichtung geleitet und anschließend durch die konkave Fläche zu der Brennerfläche geführt und gleichmäßig in den Brenner eingeleitet. Daher wird der Druckverlust noch wirksamer verringert.
Jede Kombination aus mindestens zwei Konstruktionen, die in den beigefügten Ansprüchen und/oder der Beschreibung und/oder den zugehörigen Zeichnungen offenbart sind, sollte als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend gelten. Insbesondere sollte jede Kombination von zwei oder mehr der beigefügten Ansprüche gleichermaßen als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend gelten.
Figurenliste
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich in jedem Fall aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele derselben in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. Die Ausführungsbeispiele und die Zeichnungen sind jedoch lediglich zu Darstellungs- und Erläuterungszwecken angeführt und sollten nicht als den Rahmen der Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend angesehen werden, welcher durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist. In den zugehörigen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen in sämtlichen der mehreren Ansichten gleiche Teile, und:

1 ist eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht zur Darstellung eines schematischen Aufbaus eines Gasturbinenmotors nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Längsschnittansicht zur vergrößerten Darstellung eines Umfangsabschnitts eines Diffusors des Gasturbinenmotors nach 1;
3 ist eine Längsschnittansicht zur vergrößerten Darstellung eines Umfangsabschnitts des Diffusors des Gasturbinenmotors nach 1;
4 ist eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung des Positionsverhältnisses zwischen zwei in dem Gasturbinenmotor nach 1 verwendeten benachbarten Brennern; und
5 ist eine Querschnittansicht zur schematischen Darstellung der Form eines in dem Gasturbinenmotor nach 1 verwendeten Gehäuses.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
1 ist eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht eines Gasturbinenmotors (nachfolgend einfach als „Gasturbine“ bezeichnet) GT nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Gasturbine GT wird von außen eingeleitete Luft A von einem Kompressor 1 komprimiert und zu einem Brenner 3 geleitet, ein Brennstoff F wird zusammen mit der komprimierten Luft CA in dem Brenner 3 verbrannt, und eine Turbine 5 wird unter Verwendung des erhaltenen Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgases G angetrieben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mehrere becherförmige Brenner 3 in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung der Gasturbine GT angeordnet. In der nachfolgenden Beschreibung kann die entlang der Achse C1 der Gasturbine GT in Richtung des Kompressors 1 gelegene Seite als „Vorderseite“ und die entlang der Achse C1 der Gasturbine GT in Richtung der Turbine 5 gelegene Seite als „Rückseite“ bezeichnet werden. Die in den Bezeichnungen von Elementen, welche das Ausführungsbeispiel bilden, verwendeten Begriffe „Vorder-“ und „Rück-“ haben dieselbe Bedeutung. Darüber hinaus bedeuten in der nachfolgenden Beschreibung die Begriffe „axiale Richtung“, „Umfangsrichtung“ und „radiale Richtung“ die Richtung der Achse C1, die Umfangsrichtung und die radiale Richtung der Gasturbine GT, sofern dies nicht anders angegeben ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Kompressor vom Axialkompressortyp als der Kompressor 1 verwendet. Der Axialkompressor 1 komprimiert die von außen aufgenommene Luft A, indem eine Kombination von mehreren Rotorblättern 11, die an einer Außenumfangsfläche eines Rotors 7 angeordnet sind, der einen drehenden Teil der Gasturbine GT bildet, und mehreren Statorblättern 15 verwendet wird, die an einer Innenumfangsfläche eines Gehäuses 13 angeordnet sind. Wie in 2 dargestellt, wird die von dem Kompressor 1 erhaltene komprimierte Luft CA dem Brenner 3 durch einen Zuführweg 17 für komprimierte Luft zugeführt, der mit einem Auslass 1a des Kompressors 1 verbunden ist. Das in dem Brenner 3 erzeugte Verbrennungsgas G strömt von einem Statorblatt einer Erststufen-Turbine, der als ein Einlass 5a der Turbine 5 dient, in die Turbine 5.
Der Zuführweg 17 für komprimierte Luft weist auf: einen Diffusorströmungsweg 23 in einem Diffusor 19, der einen stromaufwärtigen Abschnitt des Zuführwegs 17 für komprimierte Luft bildet; und eine Kammer 21, die stromabwärts des Diffusors 19 angeordnet ist und die komprimierte Luft CA, welche den Diffusor 19 passiert hat, in den Brenner 3 leitet. Der Diffusor 19 leitet die aus einem Auslass 1a des Kompressors 1 ausgegebene komprimierte Luft CA in axialer Richtung zur Rückseite. Der Diffusor 19 weist den Diffusorströmungsweg 23 mit einem Strömungswegbereich auf, der von dem Einlass 19a des Diffusors 19, welcher mit dem Kompressorauslass 1a verbunden ist, zur Rückseite sukzessive zunimmt. Die aus dem Kompressorauslass 1a ausgegebene komprimierte Luft CA passiert den Diffusorströmungsweg 23, wodurch der statische Druck rückgewonnen wird.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Diffusor 19 zwei rohrförmige Elemente auf, die zueinander konzentrisch angeordnet sind, d.h. ein Diffusor-Innenrohr 25 und ein Diffusor-Außenrohr 27. Das Diffusor-Innenrohr 25 bildet eine innere durchmesserseitige Wand des Diffusors 19, und das radial außerhalb des Diffusor-Innenrohrs 25 angeordnete Diffusor-Außenrohr 27 bildet eine äußere durchmesserseitige Wand des Diffusors 19. Ein zwischen dem Diffusor-Innenrohr 25 und dem Diffusor-Außenrohr 27 gebildeter Ringraum ist ein Diffusorströmungsweg 23, durch welchen die komprimierte Luft CA strömt.
Zumindest ein stromabwärtiger Abschnitt des Diffusor-Innenrohrs 25 und zumindest ein stromabwärtiger Abschnitt des Diffusor-Außenrohrs 27 weisen jeweils eine Form auf, deren Durchmesser in Richtung der stromabwärtigen Seite sukzessive zunimmt. Genauer gesagt weist bei dem dargestellten Beispiel sowohl das Diffusor-Innenrohr 25, als auch das Diffusor-Außenrohr 27 eine derartige gebogene Form auf, dass ein Neigungswinkel derselben in Bezug auf die axiale Richtung im Längsschnitt gesehen von einem vorderen Endabschnitt derselben, welcher den Diffusoreinlass 19a bildet, zu einem rückseitigen Endabschnitt derselben, welcher den Diffusorauslass 19b bildet, sukzessive zunimmt. Da sowohl das Diffusor-Außenrohr 27, als auch das Diffusor-Innenrohr 25 eine derartige Form aufweist, ist der Diffusorströmungsweg 23 an dem Diffusorauslass 19b in Bezug auf die axiale Richtung radial nach außen geneigt.
Die Kammer 21 ist ein im Wesentlichen ringförmiger Raum, und es sind mehrere Brenner 3 in dem ringförmigen Raum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Die Kammer 21 ist im Inneren eines Kammergehäuses 31 ausgebildet, das einen Abschnitt des Gehäuses 13 der gesamten Gasturbine GT bildet und radial außerhalb des Zuführwegs 17 für komprimierte Luft vorgesehen ist. Eine innere durchmesserseitige Wand der Kammer 21 ist durch ein Kammer-Innenrohr 33 gebildet, das mit einem rückseitigen Abschnitt des Diffusor-Innenrohrs 25 verbunden ist. Ein rückseitiger Endabschnitt der Kammer 21 ist durch eine Turbinentrennwand 34 von einem Raum auf der Außendurchmesserseite der Turbine 5 abgetrennt. Wie in 3 dargestellt sind mehrere radial vorstehende Streben 35 in Umfangsrichtung an einer Außenumfangsfläche des Kammer-Innenrohrs 33 vorgesehen. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Diffusor-Außenrohr 27 durch das Kammergehäuse 31 und die Streben 35 gestützt.
Wie in 2 dargestellt, ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeder Brenner 3 derart angeordnet, dass eine Achse C2 desselben von der Rückseite (der Seite, auf der die Turbine 5 angeordnet ist) in Richtung der Vorderseite (der Seite, auf welcher der Kompressor 1 angeordnet ist) in Bezug auf die Drehachse C1 der Gasturbine GT radial auswärts geneigt ist.
Ein Abschnitt jedes Brenners 3, der in der Kammer 21 angeordnet ist, ist als ein Einleitungsabschnitt für komprimierte Luft ausgebildet, der mit mehreren Einleitungslöchern 37 für komprimierte Luft versehen ist, durch welche die komprimierte Luft CA in den Brenner 3 eingeleitet wird.
Bei diesem Beispiel handelt es sich, wie in 1 dargestellt, bei jedem Brenner 3 um einen Gegenstrom-Brenner vom Bechertyp, bei welchem die Komprimierte Luft CA in Richtung eines oberen Abschnitts des Brenners 3 durch einen Weg zwischen einem Brennergehäuse 39 und einem Brenner-Innenrohr 43 strömt, in dem eine Brennkammer 41 ausgebildet ist. Ein Brennstoff F wird durch eine in dem Brenner 3 vorgesehene Brennstoffdüse 44 der Brennkammer 41 zugeführt. Jeder Brenner 3 ist mit einem Übergangskanalabschnitt 45 versehen, der das in der Brennkammer 41 erzeugte Hochtemperatur-Verbrennungsgas G der in axialer Richtung rückwärtig befindlichen Turbine 5 zuführt. Wie in 2 dargestellt, weist der Übergangskanalabschnitt 45 auf: einen Kanalkörper 46 mit einem darin ausgebildeten Zuführweg für das Verbrennungsgas G; und eine Kanalabdeckung 47, welche den Außenumfang des Kanalkörpers 46 über einen Spalt abdeckt. Die Gesamtheit des Übergangskanalabschnitts 45 ist in der Kammer 21 angeordnet und ist mit dem Kammergehäuse 31 abgedeckt.
Mehrere Einleitungslöcher 37 für komprimierte Luft CA in den Brenner 3 sind über im Wesentlichen die gesamte Fläche der Kanalabdeckung 47 ausgebildet. Das heißt, die Kanalabdeckung 47 wirkt als der Einleitungsabschnitt für komprimierte Luft, um die komprimierte Luft CA in den Brenner 3 einzuleiten. Je nach Typ und/oder Aufbau des Brenners 3 kann die Kanalabdeckung 47 entfallen, und ein Abschnitt oder ein Element, das von der Kanalabdeckung verschieden ist, kann als der Einleitungsabschnitt für komprimierte Luft verwendet werden.
Wie in 4 dargestellt, weist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Übergangskanalabschnitt 45 des Brenners 3 eine derartige Form auf, dass eine Umfangsabmessung W desselben von der Rückseite (der Seite, auf der die Turbine 5 angeordnet ist) in Richtung der Vorderseite (der Seite, auf welcher der Kompressor 1 angeordnet ist) sukzessive abnimmt. Genauer gesagt sind mehrere Übergangskanalabschnitte 45 in Umfangsrichtung im Wesentlichen ohne, dass zwischen diesen Spalte gebildet sind, an rückseitigen Endabschnitten 45a derselben angeordnet, welche Auslässen der Übergangskanalabschnitte 45 zu der Turbine entsprechen. Jeder Übergangskanalabschnitt 45 ist derart geformt, dass die Umfangsrichtung W gleichmäßig von dem rückseitigen Endabschnitt zur Vorderseite hin abnimmt. Die vorstehende Formulierung „mehrere Übergangskanalabschnitte 45 ... im Wesentlichen ohne, dass zwischen diesen Spalte gebildet sind“ schließt eine Ausbildung ein, bei welcher die mehreren Übergangskanalabschnitte 45 mit Spalten zur Wärmedehnung angeordnet sind.
Der Übergangskanalabschnitt 45, welcher ein Abschnitt des Brenners 3 ist, welcher in der Kammer 21 angeordnet ist, und der in dem dargestellten Beispiel ebenfalls als Einleitungsabschnitt für komprimierte Luft dient, ist derart geformt, dass die Umfangsabmessung W von der Seite der Turbine 5 in Richtung der Seite des Kompressors 1 (1) sukzessive abnimmt, so dass ein Umfangsspalt 49 zwischen den Übergangskanalabschnitten 45, 45 der benachbarten Brenner 3, 3 in der Kammer 21 gebildet ist. Der Auslass 19b des Diffusors 19 ist radial nach außen geneigt, so dass die komprimierte Luft CA in Richtung des Umfangsspalts 49 ausgelassen wird. Insbesondere ist, wie in 3 dargestellt, ein turbinenseitiges Ende P des Umfangsspalts 49 auf der Innendurchmesserseite des Übergangskanalabschnitts 45 radial von einer imaginären konischen Verlängerungsfläche CO nach innen angeordnet, die sich durchgehend von der Außenumfangsfläche des Diffusor-Innenrohrs 25 erstreckt. Die „imaginäre konische Verlängerungsfläche CO“ ist eine imaginäre konische Fläche, die sich entlang des Neigungswinkels am stromabwärtigen Ende der Außenumfangsseite des Diffusor-Innenrohrs 25 erstreckt. Bei dem dargestellten Beispiel fällt die Position des turbinenseitigen Endes P des Umfangsspalts 49 mit der Position des rückseitigen Endabschnitts 45a des Übergangskanalabschnitts 45 zusammen. Die Position des turbinenseitigen Endes P des Umfangsspalts 49 kann jedoch vor dem rückseitigen Endabschnitt 54a liegen.
Wie in 3 dargestellt, sind Zusatzelemente EL der Gasturbine GT in einem Strömungsabschnitt-Außenraum 51 angeordnet, der als ein außerhalb eines Luftströmungsabschnitts liegender Raum definiert ist und in der Kammer 21 zwischen der Drehwelle 7 und der imaginären konischen Fläche CO, die sich entlang des Neigungswinkels durchgehend von der Außenumfangsfläche des Diffusor-Innenrohrs 25 erstreckt, gebildet ist. Die axiale Erstreckung des „Strömungsabschnitt-Außenraums 51“ gemäß der vorliegenden Beschreibung reicht von dem Kompressorauslass 1a bis zum Turbineneinlass 5a. Ferner handelt es sich in der vorliegenden Beschreibung bei den „Zusatzelementen EL der Gasturbine GT“ um die von dem Brenner 3, der Drehwelle 7, dem Kompressor 1 und der Turbine 5, welche den Strömungsabschnitt-Außenraum 51 definieren, verschiedenen Bauteile, die vorgesehen sind, um die mechanische Struktur und/oder die Motorleistung der Gasturbine GT zu gewährleisten. Beispiele für die Zusatzelemente EL umfassen: strukturelle Elemente und Mechanismen für die Gewährleistung der mechanischen Festigkeit der Gasturbine GT oder zum Verbinden der Komponenten der Gasturbine GT; und Funktionselemente und -mechanismen zur Verbesserung der Motorleistung der Gasturbine GT.
In dem dargestellten Beispiel sind als die Zusatzelemente EL ein Verbindungselement, bei welchem es sich um ein strukturelles Element handelt, ein Dichtelement, bei welchem es sich um ein funktionelles Element handelt, und dergleichen in dem Strömungsabschnitt-Außenraum 51 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, ist beispielsweise ein Innenrohrverbindungselement 53 zum Verbinden des Diffusor-Innenrohrs 25 und des Kammer-Innenrohrs 33 in dem Strömungsabschnitt-Außenraum 51 angeordnet. Genauer gesagt ist eine Verbindungsflanschfläche 25a, die sich radial nach innen erstreckt, an einem stromabwärtigen Endabschnitt des Diffusor-Innenrohrs 25 ausgebildet, und das Kammer-Innenrohr 33 ist mit der Verbindungsflanschfläche 25a über das Innenrohrverbindungselement 53 verbunden. Wie in 3 dargestellt, ist ferner ein Dichtelement 57 (beispielsweise ein Element, das eine Labyrinthdichtung bildet) in der Mitte eines Luftextraktionswegs angeordnet, um den Druck eines aus einem Luftextraktionsabschnitts 59 des Kompressors 1 extrahierten Gases anzupassen. Das Dichtelement 57 ist mit der Verbindungsflanschfläche 25a des Diffusor-Innenrohrs 25 über ein Dichtungsverbindungselement 60 verbunden. Die Verbindungselemente 53 und 60 und das Dichtelement 57 sind lediglich Beispiele für die Zusatzelemente EL, die in dem Strömungsabschnitt-Außenraum 51 angeordnet sein können. Anstelle oder zusätzlich zu diesen Zusatzelementen EL, können beliebige andere Zusatzelemente in dem Strömungsabschnitt-Außenraum 51 angeordnet sein.
Da der Auslass 19b des Diffusors 19 nach außen gerichtet ist, ist, wie zuvor beschrieben, der Strömungsabschnitt-Außenraum 51 in einem Abschnitt ausgebildet, in dem die aus dem Diffusorauslass 19b ausgegebene komprimierte Luft CA nicht direkt auf den Strömungsabschnitt-Außenraum 51 trifft. Da die Zusatzelemente EL in dem Strömungsabschnitt-Außenraum 51 angeordnet sind, ist der durch das Auftreffen der komprimierten Luft CA auf die Zusatzelemente EL verursachte Druckverlust verringert. Da die Drehwelle 7 zur Bildung eines derartigen Raums nicht dünner ausgebildet werden muss, werden Rotationsvibrationen der Drehwelle 7 wirksam vermieden.
Bei dem dargestellten Beispiel sind genauer gesagt die genannten Zusatzelemente EL in dem Strömungsabschnitt-Außenraum 51 angeordnet, insbesondere in dem zwischen der Drehwelle 7 und der Außenumfangsfläche des Diffusor-Innenrohrs 25 und einer imaginären zylindrischen Fläche CY, die sich parallel zu der Außenumfangsfläche vom rückseitigen Ende der Außenumfangsfläche aus erstreckt, gebildeten Raum. Diese Konfiguration ermöglicht das Anordnen der Zusatzelemente EL an einer Position, die von der Strömung der aus dem Diffusorauslass 19b ausgelassenen komprimierten Luft CA weiter nach innen beabstandet ist (d.h. auf der dem Brenner 3 entgegengesetzten Seite), wodurch der Druckverlust zuverlässiger verringert werden kann. Um die Wirkung der Verringerung des Druckverlusts zu erzielen, ist es, wie in der Figur dargestellt, besonders bevorzugt, dass die Zusatzelemente EL an der Verbindungsflanschfläche 25a angeordnet sind, die sich radial nach innen von dem stromabwärtigen Endabschnitt des Diffusor-Innenrohrs 25 erstreckt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist, wie in 5 dargestellt, die Innenwandfläche des Kammergehäuses 31, bei welchem es sich um einen Abschnitt des Gehäuses der Gasturbine GT handelt, eine konkave Fläche 61 entlang der Außenumfangsform jedes Brenners 3 auf (in diesem Beispiel die Kanalabdeckung 47 des Übergangskanalabschnitts 45). Insbesondere ist bei dem dargestellten Beispiel ein Umfangsabschnitt des Kammergehäuses 31, welcher jeden Brenner bedeckt, als ein gebogener Abschnitt 31a ausgebildet, der derart gebogen ist, dass er sich in Bezug auf andere Umfangsabschnitte des Kammergehäuses 31 radial nach außen wölbt, und die Innenwandfläche des gebogenen Abschnitts 31a ist als die konkave Fläche 61 ausgebildet. Ein Verbindungsabschnitt 31b, der die benachbarten gebogenen Abschnitts 31a, 31a (konkave Flächen 61, 61) des Kammergehäuses 31 verbindet, ragt in einen Raum zwischen den benachbarten Brennern 3, 3 (Übergangskanalabschnitte 45, 45). Die Innenwandfläche jedes Verbindungsabschnitts 31b ist als eine glatte ringförmige Umfangswandfläche in Umfangsrichtung der Gasturbine GT ausgebildet.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der vorstehend diskutierten Gasturbine GT beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, strömt die aus dem Kompressorauslass 1a ausgelassene komprimierte Luft CA in den Diffusor 19 des Zuführwegs 17 für komprimierte Luft, passiert den Diffusor 19 und die Kammer 21, und wird zu den mehreren Einleitungslöchern 37 für komprimierte Luft geleitet, die in der Kanalabdeckung 47 des Brenners 3 ausgebildet sind. Da der Diffusorströmungsweg 23 des Diffusors 19 derart ausgebildet ist, dass der Strömungswegbereich zur Rückseite hin in axialer Richtung, welche die Bewegungsrichtung der komprimierten Luft ist, sukzessive zunimmt, wird der statische Druck der komprimierten Luft CA rückgewonnen. Ferner ist der ausreichende Umfangsspalt 49 (4) zwischen den Übergangskanalabschnitten 45, 45 in der Kammer 21 ausgebildet. Die komprimierte Luft CA wird aus dem radial auswärts gerichteten Auslass 19b des Diffusors 19 in Richtung dieses Umfangsspalts 49 ausgelassen.
Die komprimierte Luft CA aus dem Diffusor 19 passiert den breiten Umfangsspalt 49 zwischen den Übergangskanalabschnitten 45, 45 und erreicht die jeweiligen Brenner 3 gleichmäßig. Selbst in dem engen Raum in der Kammer 21, in welchem die mehreren Übergangskanalabschnitte 45 dicht angeordnet sind, ist somit ein ausreichender Strömungsweg für die aus dem Diffusor 19 ausgelassene komprimierte Luft CA gewährleistet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel strömt die komprimierte Luft CA ferner durch die in der Oberfläche der Kanalabdeckung 47 ausgebildeten mehreren Einleitungslöcher 37 für komprimierte Luft in jeden Brenner 3. Daher wird die komprimierte Luft CA ohne Dissipation des dynamischen Drucks der aus dem Diffusor 19 ausgelassenen komprimierten Luft CA gleichmäßig in den Brenner 3 geleitet, wodurch der Druckverlust erheblich verringert wird.
Ferner, wie in 5 dargestellt, wird die in den Umfangsspalt 49 zwischen den Übergangskanalabschnitten 45, 45 strömende komprimierte Luft CA durch die an der Innenwandfläche des den Brenner 3 abdeckenden Kammergehäuses 31 ausgebildete konkave Fläche 61 zu der Oberfläche jedem Brenners 3 (insbesondere der radial nach außen gerichteten Oberfläche) geleitet und wird gleichmäßig in den Brenner 3 eingeleitet. Da der Verbindungsabschnitt 31b, der die benachbarten gebogenen Abschnitte 31a, 31a (konkave Flächen 61, 61) verbindet, wie beschrieben in einen Raum zwischen den benachbarten Brennern 3, 3 (Übergangskanalabschnitte 45, 45) ragt, wird ferner bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die komprimierte Luft CA gleichmäßig den mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Brennern 3 zugeführt. Die Strömung der komprimierten Luft CA wird somit gleichmäßig in Umfangsrichtung über die gesamte Fläche der Kanalabdeckung 47 zugeführt, bei welcher es sich um einen Abschnitt des Brenners 3 zum Einleiten von komprimierter Luft handelt, wodurch der Druckverlust extrem wirksam verringert werden kann.
Ein Neigungswinkel α des Diffusors 19 am Diffusorauslass 19b in Bezug auf die Drehachse C1 ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 90° und besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 60°. In dem dargestellten Beispiel gilt α = 45°. Der Neigungswinkel α des Diffusors 19 in der vorliegenden Beschreibung ist als ein Winkel definiert, der im Längsschnitt des Diffusorströmungswegs 23 zwischen einer Wegmittellinie C3 entlang des Diffusorströmungswegs 23 und der Drehachse C1 der Gasturbine GT gebildet ist. Wenn der Neigungswinkel α 90° übersteigt, wird die Krümmung des Diffusorströmungswegs 23 übermäßig und der Druckverlust in dem Diffusorströmungsweg 23 steigt.
Wie zuvor beschrieben, kann bei der Gasturbine GT nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Druckverlust der von dem Kompressor 1 dem Brenner 3 zugeführten komprimierten Luft CA ausreichend verringert werden, während eine Zunahme der axialen Abmessung der gesamten Gasturbine GT vermieden wird, indem der Diffusor 19 und der Brenner 3, derart angeordnet werden, das die axialen Positionen derselben einander überlappen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Gasturbinenmotor, der Luft als Arbeitsgas verwendet, als Beispiel für den Gasturbinenmotor GT beschrieben. Jedoch fällt auch ein Gasturbinenmotor, der ein von Luft verschiedenes Arbeitsgas verwendet, wie beispielsweise Methangas, ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Erfindung.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung zuvor in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, jedoch sind zahlreiche Zusätze, Änderungen oder Auslassungen möglich, ohne von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Derartige Zusätze, Änderungen oder Auslassungen gelten somit als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend.
Obwohl dies nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt, kann ein Gasturbinenmotor vorgesehen sein, bei welchem kein Umfangsspalt zwischen benachbarten Übergangskanalabschnitten 45, 45 gebildet ist, indem der Übergangskanalabschnitt 45 jedes Brenners 3 derart geformt ist, dass die Umfangsabmessung desselben von der Turbinenseite in Richtung der Kompressorseite sukzessive abnimmt. Auch bei diesem Gasturbinenmotor kann der Effekt der Verringerung des Druckverlusts erreicht werden, indem die Zusatzelemente EL radial nach innen der imaginären konischen Verlängerungsfläche angeordnet, die sich durchgehend von einer Außenumfangsfläche des Diffusor-Innenrohrs erstreckt, und/oder indem die konkave Fläche 61 an der Innenwandfläche des Kammergehäuses 31, das jeden Brenner 3 abdeckt, ausgebildet wird und bewirkt wird, dass der die konkaven Flächen 61, 61 verbindende Verbindungsabschnitt 31b zwischen benachbarte Brenner 3, 3 ragt.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor
3: Brenner
5: Turbine
17: Zuführweg für komprimierte Luft
19: Diffusor
21: Kammer
23: Diffusorströmungsweg
25: Diffusor-Innenrohr
27: Diffusor-Außenrohr
37: Einleitungsloch für komprimierte Luft
45: Übergangskanal
47: Kanalabdeckung
α: Neigungswinkel des Diffusors
C1: Drehachse des Gasturbinenmotors
C2: Achse des Brenners
CA: komprimierte Luft (komprimiertes Gas)
GT: Gasturbinenmotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015254075 [0001]

Claims

Gasturbinenmotor, bei welchem ein von einem Kompressor kommendes komprimiertes Gas verbrannt wird und ein gewonnenes Verbrennungsgas eine Turbine antreibt, wobei der Gasturbinenmotor aufweist: mehrere Brenner, wobei jeder Brenner rohrförmig ist, dazu ausgebildet ist, das von dem Kompressor kommende komprimierte Gas zu verbrennen, und derart positioniert ist, dass eine Achse desselben in Bezug auf eine Drehachse des Gasturbinenmotors von einer Seite, auf der sich die Turbine befindet, radial nach außen zu einer Seite geneigt ist, auf welcher sich der Kompressor befindet; ein Diffusor-Außenrohr, das eine äußere durchmesserseitige Wand eines rohrförmigen Diffusors bildet, welcher einen stromaufwärtigen Abschnitt eines Zuführwegs für komprimiertes Gas bildet, welcher dazu ausgebildet ist, das aus dem Kompressor ausgegebene komprimierte Gas zu den Brennern zu leiten; ein Diffusor-Innenrohr, das konzentrisch zu dem Diffusor-Außenrohr angeordnet ist und eine innere durchmesserseitige Wand des Diffusors bildet; und einen Übergangskanalabschnitt, bei welchem es sich um einen Abschnitt jedes Brenners handelt, der in einer Kammer angeordnet ist, welche einen stromabwärtigen Abschnitt des Zuführwegs für komprimiertes Gas bildet, wobei der Übergangskanalabschnitt dazu ausgebildet ist, das Verbrennungsgas von dem Brenner zu der Turbine zu leiten, wobei der Übergangskanalabschnitt jedes Brenners derart geformt ist, dass die Umfangsabmessung desselben von der Seite, auf der sich die Turbine befindet, zu der Seite, auf der sich der Kompressor befindet, sukzessive abnimmt, so dass ein Umfangsspalt zwischen benachbarten Übergangskanalabschnitten gebildet ist, wobei zumindest ein Abschnitt auf der stromabwärtigen Seite des Diffusor-Innenrohrs und zumindest ein Abschnitt auf der stromabwärtigen Seite des Diffusor-Außenrohrs jeweils eine Form aufweist, deren Durchmesser in Richtung der stromabwärtigen Seite zunimmt, und wobei ein turbinenseitiges Ende des Umfangsspalts auf einer inneren Durchmesserseite des Übergangskanalabschnitts radial von einer imaginären konischen Verlängerungsfläche nach innen angeordnet ist, die sich durchgehend von einer Außenumfangsfläche des Diffusor-Innenrohrs erstreckt.
Gasturbinenmotor nach Anspruch 1, bei welchem der Übergangskanalabschnitt jedes Brenners einen Kanalkörper, welcher einen Zuführweg für das Verbrennungsgas bildet, und eine Kanalabdeckung aufweist, welche einen Außenumfang des Kanalkörpers abdeckt, und die Kanalabdeckung mit mehreren Einleitungslöchern versehen ist, die dazu ausgebildet sind, das komprimierte Gas in den Brenner einzuleiten.
Gasturbinenmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Diffusor einen Auslass mit einem Neigungswinkel aufweist, der gleich oder kleiner als 90° in Bezug auf die Drehachse ist.
Gasturbinenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem ein Zusatzelement des Gasturbinenmotors in einem Raum in der Kammer angeordnet ist, welche zwischen der imaginären konischen Verlängerungsfläche und einer Drehwelle des Gasturbinenmotors ausgebildet ist.
Gasturbinenmotor nach Anspruch 4, bei welchem das Diffusor-Innenrohr einen stromabwärtigen Endabschnitt aufweist, der mit einer sich radial nach innen erstreckenden Verbindungsflanschfläche versehen ist, und ein Kammer-Innenrohr, das eine innere durchmesserseitige Wand der Kammer bildet, mit der Verbindungsflanschfläche über ein Innenrohrverbindungselement verbunden ist, bei welchem es sich um das Zusatzelement handelt.
Gasturbinenmotor nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem das Diffusor-Innenrohr einen stromabwärtigen Endabschnitt aufweist, der mit einer sich radial nach innen erstreckenden Verbindungsflanschfläche versehen ist, und ein zum Anpassen des aus dem Kompressor abgezogenen Drucks ausgebildetes Dichtungselement, bei dem es sich um das Zusatzelement handelt, das mit der Verbindungsflanschfläche über ein Dichtungsverbindungselement, bei welchem es sich um ein anderes Zusatzelement handelt, verbunden ist.
Gasturbinenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem eine Innenwandfläche eines die Kammer bildenden Abschnitts eines Gehäuses des Gasturbinenmotors eine konkave Fläche entlang einer Außenumfangsform jedes Brenners aufweist, und ein zwischen benachbarten konkaven Flächen angeordneter Verbindungsabschnitt in einen Raum zwischen benachbarten Brennern vorsteht.