JP2006052910A - Communicating structure of combustor transition pipe and turbine inlet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービンにおける燃焼器尾筒とタービン入口との連通構造に関する。 The present invention relates to a communication structure between a combustor transition and a turbine inlet in a gas turbine.
一般に、ガスタービンは、空気圧縮機(以下「圧縮機」と記すことがある)、燃焼器、及びタービンを主な構成要素とし、互いに回転軸で直結された圧縮機とタービンの間に燃焼器が配設されてなり、作動流体となる空気が回転軸の回転により圧縮機に吸入されて圧縮され、その圧縮空気が燃焼器に導入されて燃料とともに燃焼し、その高温高圧の燃焼ガスがタービンに吐出されてタービンとともに回転軸を回転駆動させる。このようなガスタービンは、回転軸の前端に発電機等を接続することでその駆動源として活用される(特許文献1参照)。 In general, a gas turbine includes an air compressor (hereinafter sometimes referred to as a “compressor”), a combustor, and a turbine as main components, and the combustor is disposed between the compressor and the turbine that are directly connected to each other through a rotating shaft. The air serving as the working fluid is sucked into the compressor by the rotation of the rotating shaft and compressed, the compressed air is introduced into the combustor and burned together with the fuel, and the high-temperature and high-pressure combustion gas is converted into the turbine. The rotary shaft is driven to rotate together with the turbine. Such a gas turbine is utilized as a drive source by connecting a generator or the like to the front end of the rotating shaft (see Patent Document 1).
ところで、ガスタービンにおける燃焼器は複数個存在し、燃焼器からの高温ガスは尾筒からタービン1段静翼に流入する。タービン入口に対して尾筒は燃焼器と同数存在し隣接する尾筒間には構造部(所定の厚さを有した尾筒側壁部)が存在するため、その後方でタービン側にはウェークフロー(伴流又は後流)が生じる。このため、タービン入口の流れには周方向に分布が形成される。 By the way, there are a plurality of combustors in the gas turbine, and high-temperature gas from the combustors flows from the tail cylinder into the turbine first stage stationary blades. Since there are as many combustors as the combustor with respect to the turbine inlet and there is a structural part (tail pipe side wall part having a predetermined thickness) between adjacent ones, the wake flow is on the turbine side behind it. (Wake or wake) occurs. For this reason, a distribution is formed in the circumferential direction in the flow at the turbine inlet.
ところが、現状では燃焼器尾筒と静翼の位置関係は適当に決められるか、もしくは、特許文献1に開示されているように、燃焼器出口の温度分布を考慮してタービン1段静翼の熱の流入を減らすように設定されている。そのため、燃焼器尾筒(ウェークフロー)と1段静翼の相対位置如何によっては、タービン効率を低下させるという不具合があった。 However, at present, the positional relationship between the combustor tail and the stationary blade is appropriately determined, or as disclosed in Patent Document 1, the temperature distribution of the turbine first stage stationary blade is considered in consideration of the temperature distribution at the combustor outlet. It is set to reduce inflow. Therefore, depending on the relative position of the combustor tail (wake flow) and the first stage stationary blade, there is a problem that the turbine efficiency is lowered.
本発明は、前述した状況に鑑みてなされたもので、燃焼器尾筒と1段静翼の相対位置関係の最適化を図ってタービン効率の向上が図れる燃焼器尾筒とタービン入口との連通構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned situation, and has a communication structure between a combustor tail cylinder and a turbine inlet that can improve the turbine efficiency by optimizing the relative positional relationship between the combustor tail cylinder and the first stage stationary vane. The purpose is to provide.
斯かる目的を達成するための本発明に係る燃焼器尾筒とタービン入口との連通構造は、回転軸周りに複数配設された燃焼器内で圧縮機からの圧縮空気にて燃料を燃焼させ、これにより発生した燃焼ガスを、各燃焼器尾筒よりタービン入口に流入させ、タービン内における燃焼ガス通路部の周方向に複数配設された静翼および動翼からなる複数のタービン段落を順次通過させることで動力を発生するガスタービンにおいて、前記隣接する燃焼器尾筒間で形成されるウェークフローを前記1段静翼の前縁寄りの圧力面側に流入させるように燃焼器尾筒とタービン入口とを連通接続したことを特徴とする。 In order to achieve such an object, a communication structure between a combustor transition and a turbine inlet according to the present invention is configured to burn fuel with compressed air from a compressor in a plurality of combustors arranged around a rotation axis. The combustion gas generated thereby flows into the turbine inlet from each combustor tail tube, and a plurality of turbine stages including a plurality of stationary blades and moving blades arranged in the circumferential direction of the combustion gas passage portion in the turbine are sequentially provided. In a gas turbine that generates power by passing through, a combustor tail and a turbine inlet so that a wake flow formed between the adjacent combustor tails flows into a pressure surface side near the front edge of the first stage stationary blade. It is characterized by being connected in communication.
また、前記ウェークフローを、1段静翼の前縁から同1段静翼の1/4ピッチの範囲内に流入させることを特徴とする。 Further, the wake flow is caused to flow from a leading edge of the first stage stationary blade into a range of a quarter pitch of the first stage stationary blade.
また、前記1段静翼の前縁位置を高さ方向で周方向に分布をつけないで前記ウェークフローと1段静翼の相対位置関係を保持したことを特徴とする。 Further, the relative position relationship between the wake flow and the first stage stationary blade is maintained without providing the distribution of the leading edge position of the first stage stationary blade in the circumferential direction in the height direction.
また、前記1段静翼の前縁位置に合わせて前記尾筒側面の周方向位置を分布させ前記ウェークフローと1段静翼の相対位置関係を保持したことを特徴とする。 Further, the circumferential position of the side surface of the transition piece is distributed according to the position of the leading edge of the first stage stationary blade, and the relative positional relationship between the wake flow and the first stage stationary blade is maintained.
本発明の構成によれば、ウェークフローの剪断による吹降しと1段静翼の循環による吹上が相殺しインシデンスが減少するので、1段静翼の前縁寄りの負圧面側流速が低下してタービン効率が向上されると共に、燃焼器尾筒間からのシール空気による一段静翼の圧力面の冷却効果が得られる。 According to the configuration of the present invention, the downflow due to shearing of the wake flow and the updraft due to the circulation of the first stage stationary blade cancel each other and the incidence is reduced. In addition to the improvement, the cooling effect of the pressure surface of the first stage stationary blade by the seal air from between the combustor transitions can be obtained.
以下、本発明に係る燃焼器尾筒とタービン入口との連通構造を実施例により図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, a communication structure between a combustor transition piece and a turbine inlet according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の実施例1を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図、図2はガスタービンの要部概略構成図、図3は燃焼器尾筒(ウェークフロー)と1段静翼との相対位置による作用の比較説明図、図4は性能、冷却の観点から好ましい燃焼器尾筒と1段静翼の相対位置を示すグラフ、図5は燃焼器尾筒と1段静翼の相対位置と効率の関係を解析したグラフである。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a relative positional relationship between a combustor tail cylinder and a first stage stationary blade showing Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a main part of a gas turbine, and FIG. 3 is a combustor tail cylinder (wake flow). FIG. 4 is a graph showing the relative positions of the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade, which are preferable from the viewpoint of performance and cooling, and FIG. 5 is a graph showing the relative positions of the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade. It is the graph which analyzed the relationship between a relative position and efficiency.
図2に示すように、ガスタービンは、図示しない主軸(回転軸)の周りに燃焼器1が複数(例えば16個)配設される。各燃焼器1においては、燃焼器内筒2に臨設された燃料ノズル3から噴射された燃料Fと、空気圧縮機(以下単に圧縮機という)4から吐出され燃焼器内筒2上流側に導入された圧縮空気PAとが混合され、次いで燃焼器内筒2の下流側もしくは燃焼器尾筒5の上流側の燃焼域で燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスCGとしてタービン6に導入する。タービン6では、この燃焼ガスCGを静翼7及び動翼8からなる複数のタービン段落を順次通過・膨張させることで動力を発生させ、圧縮機4を駆動すると共に余剰の駆動力を外部へ出力するようにしている。
As shown in FIG. 2, in the gas turbine, a plurality of (eg, 16) combustors 1 are disposed around a main shaft (rotating shaft) (not shown). In each combustor 1, the fuel F injected from the
また、燃焼器内筒2に導入される圧縮空気PAと燃料Fとの比率(空燃比)はガスタービンの運転状態(すなわち投入される燃料量)に応じて最適な値となるよう制御する必要があるが、この目的のため圧縮空気PAの全部を燃焼器1の燃焼域へ導入せず、一部をバイパスさせて車室9から燃焼器尾筒5へ流入させる構成としている。このために設けられるのがバイパス弁10であり、圧縮空気PAの一部が、車室9内に設けたバイパス管11の開口部から燃焼器尾筒5内に流入・供給される。
Further, it is necessary to control the ratio (air-fuel ratio) between the compressed air PA and the fuel F introduced into the combustor inner cylinder 2 so as to be an optimum value according to the operating state of the gas turbine (that is, the amount of injected fuel). However, for this purpose, the entire compressed air PA is not introduced into the combustion region of the combustor 1, but a part thereof is bypassed and flows into the
そして、本実施例では、図1に示すように、隣接する燃焼器尾筒5間で形成されるウェークフロー12を1段静翼7の前縁7c寄りの圧力面7a側に流入させるように燃焼器尾筒5とタービン6入口とを連通接続している。即ち、図4にも示すように、θ/θ尾筒が例えば1段静翼7の前縁7cから同1段静翼の1/4ピッチの範囲内(図4中の破線領域内)に流入させるようになっている。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the combustor is configured such that the
このようにして、ウェークフロー12と1段静翼7との相対位置を設定することにより、タービン効率(1段効率)が向上されると共に、燃焼器尾筒5間からのシール空気による冷却作用で1段静翼7の表面最高温度が下がることから、1段静翼7の圧力面7aの冷却空気量を減少させることができる(図4参照)。
Thus, by setting the relative position between the
上記タービン効率の向上は、図5に示すように、本発明者等の解析結果により確認されている。これは、図3に示すように、ウェークフロー12の剪断による吹降しと1段静翼7の循環による吹上が相殺しインシデンス(迎え角)が減少するので、1段静翼7の前縁7c寄りの負圧面7b側流速が低下してタービン効率が向上されると考えられる。
The improvement in the turbine efficiency is confirmed by the analysis results of the present inventors as shown in FIG. This is because, as shown in FIG. 3, the blow-down due to the shear of the
逆に、現状の実機相当では、ウェークフロー12が1段静翼7の前縁7cから負圧面7b側に流入するような相対位置になっていることから、ウェークフロー12の剪断による吹上と1段静翼7の循環による吹上でインシデンス(迎え角)が増加し、1段静翼7の前縁7c寄りの負圧面7b側流速が高まることからタービン効率が低下すると考えられる。
On the contrary, in the current actual machine equivalent, the
図6は本発明の実施例2を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図である。 FIG. 6 is a schematic diagram showing the relative positional relationship between the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade in the second embodiment of the present invention.
これは、実施例1における燃焼器尾筒5の側壁を可及的に肉薄に形成してウェークフロー12自体の発生を抑制して燃焼器尾筒5での圧力損失を低減するようにした例であり、より一層のタービン効率の向上が図れる。
This is an example in which the side wall of the
図7は本発明の実施例3を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図である。 FIG. 7 is a schematic diagram showing the relative positional relationship between the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade in the third embodiment of the present invention.
これは、実施例1における燃焼器尾筒5の側壁における出口側を可及的に肉薄に形成してウェークフロー12自体の発生を抑制して燃焼器尾筒5での圧力損失を低減するようにした例であり、より一層のタービン効率の向上が図れる。
This is to reduce the pressure loss in the
図8は本発明の実施例4を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図である。 FIG. 8 is a schematic diagram showing a relative positional relationship between the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade in the fourth embodiment of the present invention.
これは、実施例1における燃焼器尾筒5と1段静翼7との間隔Lを可及的に近づけてウェークフロー12自体の発生を抑制して燃焼器尾筒5での圧力損失を低減するようにした例であり、より一層のタービン効率の向上が図れる。
This is to reduce the pressure loss in the
図9は本発明の実施例5を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図である。尚、図9は燃焼ガス流れの下流側から燃焼器尾筒を見た図である。 FIG. 9 is a schematic diagram showing a relative positional relationship between the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade in the fifth embodiment of the present invention. FIG. 9 is a view of the combustor tail tube viewed from the downstream side of the combustion gas flow.
これは、実施例1における1段静翼7の前縁7c位置を高さ方向で周方向に分布をつけないで実施例1におけるウェークフロー12と1段静翼7の相対位置関係を保持した例であり、より一層のタービン効率の向上が図れる。
This is an example in which the relative position relationship between the
図10は本発明の実施例6を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図である。尚、図10は燃焼ガス流れの下流側から燃焼器尾筒を見た図である。 FIG. 10 is a schematic diagram showing the relative positional relationship between the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade in the sixth embodiment of the present invention. FIG. 10 is a view of the combustor tail tube seen from the downstream side of the combustion gas flow.
これは、実施例1における1段静翼7の前縁7c位置に合わせて燃焼器尾筒5側面(側壁)の周方向位置を分布させて実施例1におけるウェークフロー12と1段静翼7の相対位置関係を保持した例であり、より一層のタービン効率の向上が図れる。
This is because the circumferential position of the side surface (side wall) of the
図11は本発明の実施例7を示す燃焼器尾筒と1段静翼及び2段静翼との相対位置関係を示す模式図である。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a relative positional relationship between a combustor tail cylinder, a first stage stationary blade, and a second stage stationary blade, showing
これは、実施例1において、1段静翼7と2段静翼7の静翼枚数が一致もしくは比が整数となる場合に、燃焼器尾筒5間と1段静翼7からの一体になったウェークフロー12を、実施例1におけるウェークフロー12と1段静翼7の相対位置関係と同様の相対位置関係を保持して、2段静翼7に流入させるようにした例であり、2段効率を高めてより一層の効率向上が図れる。
In the first embodiment, when the number of stationary blades of the first stage
図12は本発明の実施例8を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図である。尚、図12は燃焼ガス流れの下流側から燃焼器尾筒を見た図である。 FIG. 12 is a schematic diagram showing a relative positional relationship between the combustor tail cylinder and the first stage stationary blade in the eighth embodiment of the present invention. FIG. 12 is a view of the combustor tail tube viewed from the downstream side of the combustion gas flow.
これは、実施例5における静翼7のハブ側とチップ側で静翼7の周方向位置を変更して、エンドウォールへの2次流れ低減による圧力損失の低減と、2段静翼7でのクロッキングによる性能向上幅の増加を図った例であり、より一層のタービン効率の向上が図れる。
This is because the circumferential position of the
図13は本発明の実施例9を示す燃焼器尾筒と1段静翼との相対位置関係を示す模式図である。尚、図13は燃焼ガス流路を側面から見た図である。 FIG. 13 is a schematic diagram showing a relative positional relationship between a combustor tail cylinder and a first stage stationary blade, showing Embodiment 9 of the present invention. FIG. 13 is a side view of the combustion gas passage.
これは、実施例5における静翼7のハブ側とチップ側で静翼7の軸方向位置を変更して(図中面取り部7d参照)、エンドウォールへの2次流れ低減による圧力損失の低減と、2段静翼7でのクロッキングによる性能向上幅の増加を図った例であり、より一層のタービン効率の向上が図れる。
This is because the axial position of the
1 燃焼器
2 燃焼器内筒
3 燃料ノズル
4 空気圧縮機
5 燃焼器尾筒
6 タービン
7 静翼
7a 圧力面
7b 負圧面
7c 翼前縁
7d 面取り部
8 動翼
9 車室
10 バイパス弁
11 バイパス管
12 ウェークフロー
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