JP2006307733A

JP2006307733A - ガスタービン排気ディフューザ

Info

Publication number: JP2006307733A
Application number: JP2005130884A
Authority: JP
Inventors: Tadateru Tanioka; 忠輝谷岡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09
Also published as: US20060260292A1; CN100549390C; DE102006007763A1; CN1854487A

Abstract

【課題】排気車室円筒部と排気室外筒部間の熱容量差を低減し、低サイクル疲労寿命の向上を図るガスタービン排気ディフューザを提供する。
【解決手段】ホットガスを案内するフローライナー４と、フローライナー４の下流側に延びる流れ案内部３と、フローライナー４の外側にフローライナー４と間隔を置いて配置される厚板である排気車室円筒部１と、外側の端部が排気車室円筒部１の下流側と結合され、内側の端部が流れ案内部３と接続された薄板である排気室外筒部２とを有するガスタービン排気ディフューザにおいて、排気車室円筒部１及び流れ案内部３の外表面に外面保温部６、且つ排気室外筒部２の内表面に内面保温部５を設ける構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン排気ディフューザに関するものであり、詳しくはガスタービンにおける排気ディフューザの熱応力による低サイクル疲労寿命向上に寄与するものである。

図５に一般的な発電用ガスタービンの全体の構成を示す。２０は圧縮機、３０は燃焼室、４０はタービン、５０は排気ディフューザであり、ガスタービンは前方の入り口から取り込んだ空気を圧縮機２０で圧縮した後、燃焼室３０で加熱し、更に後方にあるタービン４０で流れを整え動力を得て、最後に後部の排気ディフューザ５０を通して排気を行う。

ガスタービンは効率の点からコンバインドサイクルとして使用されることが多く、排ガス（ホットガスともいう）温度が高い。このため、排気ディフューザ５０の構造設計においてはガスタービンの起動及び停止における過渡期での熱応力が問題となり、低減対策が必要となる。そこで、熱応力による低サイクル疲労寿命向上対策として、さまざまな対策が施されている。

例えば、従来のガスタービンは、排気ディフューザの外側のフローライナーと排気円筒部との間に形成された空洞部を通る熱ガスの再循環を防止し、排気円筒部内の過度の高温、熱応力及び変形の発生を防ぐために、据付が容易で熱膨張差に耐え、環状の空洞部を塞ぐことのできるシール部を設けている（例えば、特許文献１参照）。

また、ガスタービン用センタボデーにおいて、センタボデーの周囲に円周方向に配置された複数の開口部を備えた熱制御装置を備えることで、ホットガスの流れに曝されるセンタボデー外側表面と冷却空気の導かれるセンタボデー内部との熱応力を最小化しているものもある（例えば、特許文献２）。

ほかに、排気ダクトを外側ケーシングと、径方向に貫通する貫通穴が穿設された内側ケーシングから形成される構成とし、この内側ケーシングの外周面と外側ケーシングの内周面との間に、径方向に架設され内側ケーシングと外側ケーシングとを固着する、貫通穴が穿設された接続板を設けることで、ホットガスの流れにより排気ダクトに生じる局部的な熱変形が低減されるとともに、熱変形に伴う接合部等の破損を防止しているものもある（例えば、特許文献３）。

また、ガスタービンにおいては外部への放熱を防ぐ目的及びガスタービン内の熱エネルギーを保持する目的で排気ディフューザなどの外表面に保温材を施しており、従来図６に示すような構成のものがある。図６は図５におけるＡ部に対応する部分の詳細を示しており、０１は排気車室円筒部（以下、単に円筒部０１という）、０２は排気室外筒部（以下、単に外筒部０２という）、０３は流れ案内部、０４はフローライナー、０６は外面保温部、０１ａ及び０２ａはフランジである。

円筒部０１は厚板によって形成されており熱容量が大きく、外筒部０２は薄板によって形成されており熱容量が小さい。円筒部０１の下流側と外筒部０２の上流側はそれぞれが有するフランジ０１ａ及び０２ａによってボルトで結合固定されている。ガスタービンが起動すると、案内部０３及びフローライナー０４の内側にホットガスが流入する。これに伴い円筒部０１、外筒部０２、流れ案内部０３及びフローライナー０４により囲まれた空間の温度が上昇し、円筒部０１や外筒部０２などが加熱される。

図２（ａ）にガスタービン起動及び停止における円筒部０１と外筒部０２のそれぞれの温度変化を示す。図２（ａ）中、実線で示した値は薄板である外筒部０２、破線で示した値は厚板である円筒部０１の温度変化である。円筒部０１と外筒部０２とでは板厚の違いなどにより熱容量差が異なるため、双方が同様の環境に置かれた図６のような構成では、それぞれの温度変化の速度は異なり、円筒部０１と外筒部０２との間にはメタル温度差が生じる。

図２（ｂ）に、円筒部０１と外筒部０２との結合部に発生する応力の時間変化の例を示す。この応力の変化は、円筒部０１と外筒部０２の温度変化速度の違いに伴う熱膨張率差により生じる。ガスタービンの起動及び停止により結合部に発生する応力は、特に過渡期において問題となる。

例えば図６に示すような構成の場合、円筒部０１と外筒部０２とでは板厚の違いなどにより熱容量差が異なり、ガスタービン起動時には円筒部０１に対して外筒部０２の温度がより早く上昇する。例えばこのときの温度差により結合部に発生する応力を正とすると、ガスタービン停止時には円筒部０１に対して外筒部０２の温度がより早く下降するため結合部に発生する応力は負となる。

従って図２（ｂ）に示すように応力レンジの値が大きくなり結合部に負荷がかかって破損の原因となるなどの問題、また、外筒部０２の外表面に外面保温部６が設けられており放熱することができないため、ガスタービン起動時には外筒部０２の評価メタル温度がより上昇して温度変化が大きくなるなどの問題が考えられ、クラックが発生するなど低サイクル疲労寿命が短くなるというおそれがある。従って熱容量の異なる部材を結合させた結合部を有する構造において、熱応力の低減対策を行うことは大変重要となっている。

そこで、上記図６に示すガスタービンの構成に対し、低膨張率且つ高温強度に優れた材料を用いた構成、あるいは図７に示すような構成とするなどの対応がなされている。図７中、０１は円筒部、０２は外筒部、０３は流れ案内部、０４はフローライナー、０６は外面保温部であり、図６に示す構成に対し、外筒部０２の、円筒部０１との結合部及び流れ案内部０３との接続部分の板厚を厚くし、中央部の板厚が薄くなるように連続的に板厚を変化させた形状としたものであり、結合部における熱容量及び形状の不連続性を解消し熱応力及び応力集中を低減させることで、結合部にかかる負担を低減させている。なお、上述した図６と重複する説明については省略する。

特開平５−５２１２２号公報特開２００１−２７１７０９号公報特開平９−１３３０２４号公報

しかしながら、上述したような低膨張率且つ高温強度に優れた材料を用いる構成とした場合、製作コストの面で不利益であるという問題が考えられる。また、図７に示す構成とした場合であっても、低サイクル疲労寿命の向上の大幅な改善は見込めず、加えて外筒部０２の板厚を厚くすると剛性が大きくなり熱応力が上昇してしまうため、外筒部０２は振動剛性が成立する範囲において薄板とする必要があり、削り出し加工を要するため、形状寸法制約による加工・製作コスト増加により生産コストが増大するという問題、また外筒部０２にクラックが発生した場合、溶接により補修を行うと、形状不連続部が発生して初期の寿命まで回復しないため、補修の際には新しい削り出し部品と交換する必要があり、コストがかかるという問題があった。

このようなことから本発明は、排気車室円筒部と排気室外筒部間の熱容量差を低減し、低サイクル疲労寿命の向上を図るガスタービン排気ディフューザを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項１に係るガスタービン排気ディフューザは、ホットガスを案内するフローライナーと、前記フローライナーの下流側に延びる流れ案内部と、前記フローライナーの外側に前記フローライナーと間隔を置いて配置される厚板である排気車室円筒部と、外側の端部が前記排気車室円筒部の下流側と結合され、内側の端部が前記流れ案内部と接続された薄板である排気室外筒部とを有するガスタービン排気ディフューザにおいて、前記排気車室円筒部及び前記流れ案内部の外表面且つ前記排気室外筒部の内表面に保温材が施されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係るガスタービン排気ディフューザは、ホットガスを案内するフローライナーと、前記フローライナーの下流側に延びる流れ案内部と、前記フローライナーの外側に前記フローライナーと間隔を置いて配置される厚板である排気車室円筒部と、外側の端部が前記排気車室円筒部の下流側と結合され、内側の端部が前記流れ案内部と接続された薄板である排気室外筒部とを有するガスタービン排気ディフューザにおいて、前記排気車室円筒部及び前記流れ案内部の外表面且つ前記排気室外筒部の内表面に加えて、前記排気室外筒部の外表面に保温材を施したことを特徴とする。

上述した本発明に係るガスタービンによれば、薄板であり熱容量の小さい排気室外筒部の内表面に保温材を備える構造としたことで、ガスタービンの起動及び停止に伴う過渡期において、排気室外筒部の熱容量と排気車室円筒部の熱容量の差を縮小することが可能となり、排気車室円筒部と排気室外筒部とのメタル温度差を低減することができるため、排気車室円筒部と排気室外筒部との熱伸び差を抑制し、排気車室円筒部と排気室外筒部との結合部にかかる負荷を低減させることができる。更に、排気室外筒部の外表面からの放熱によって排気室外筒部の温度上昇を抑制することができるため、低サイクル疲労寿命を向上させることが可能である。

更に、薄板であり熱容量の小さい排気室外筒部の内表面に保温材を設け、排気車室円筒部と排気室外筒部との結合部にかかる負荷を低減したことで、排気室外筒部の板形状を厚板部と薄板部が連続的に変化するような構成とする必要がないため、形状寸法制約による加工・製作コストの増加を抑えることができ、更に既存機への適用が容易であり、コスト上昇を抑えることができる。

本発明によるガスタービン排気ディフューザの最良の形態を図１に基づいて説明する。図１は図５におけるＡ部に対応する部分の詳細を示しており、１は排気車室円筒部（以下、単に円筒部という）、２は排気室外筒部（以下、単に外筒部という）、３は流れ案内部、４はフローライナー、５は内面保温部、６は外面保温部、７はボルト、１ａ及び２ａはフランジ、５ａはセグメントである。

円筒部１は厚板によって形成されており、下流側にフランジ１ａを有している。外筒部２は薄板によって形成されており、上流側にフランジ２ａを有している。流れ案内部３はフローライナー４の下流側に延びており、流れ案内部３とフローライナー４との間には熱伸び差を吸収するために間隙が設けられている。更に、外筒部２は円筒部１のフランジ１ａ及び流れ案内部３の外周面と接続されており、フランジ１ａとフランジ２ａはボルト（図示省略）によって結合されている。なお、フローライナー４は円筒部１の内側に間隔を置いた位置に配置されている。

内面保温部５は、外筒部２の内表面に保温材を収納した複数個のセグメント５ａを互いに間隙を有する状態で敷き詰めたものである。保温材をセグメント５ａに収納するのは保温材がガスの流れによって吹き飛ばされることのないようにするためであり、複数個に分割された状態のセグメント５ａを互いに間隙を設けて配置するのは、セグメント５ａ間の間隙によって外筒部２とセグメント５ａ間の熱膨張差を吸収させ、外筒部２やセグメント５ａの破損等を防止するためである。なお、セグメント５ａはそれぞれ外筒部２にボルト７で固定されている。

外面保温部６は円筒部１及び流れ案内部３の外表面に設け、外筒部２の外表面には設けず、外気に触れられるようにする。なお、外面保温部６に設ける保温材はガスにより吹き飛ばされる等のおそれはないので、直接保温材を施せばよい。

以下に本実施形態の作用について説明する。図２（ｃ）に示すように、ガスタービンの起動に伴いホットガスが流入してきた際、本実施形態に係るガスタービンによれば、円筒部１が厚板であり熱容量が大きいため緩やかに温度上昇するのに対し、外筒部２は薄板であるが、内表面に内面保温部５を設け、更に外表面に外気が直接触れる構成として放熱しやすくしたことで、外筒部２のメタル温度変化は緩慢になり、円筒部１とのメタル温度差が緩和されていることがわかる。なお、図２（ｃ）中、実線で示した値は薄板である外筒部２、破線で示した値は厚板である円筒部１の温度変化を示している。

従って図２（ｄ）に示すように、ガスタービンの起動及び停止による過渡期の円筒部１と外筒部２のメタル温度差により結合部に作用する応力についても低減され、円筒部１と外筒部２の結合部の保持に有効であることがわかる。更に、応力レンジについても低減されるため、結合部にかかる応力をより低減することが可能となっている。

更に加えて、本実施形態によれば保温材以外の構成部材などは形状変更の必要がないため、既存機への適用が容易であるという利点も有する。なお、内面保温部５及び外面保温部６に用いる保温材には、セラミックブランケットやガラス繊維などの耐熱性を有する材料を使用すればよい。また、外筒部２と流れ案内部５は、図１に示す角度に限らず例えば垂直に接続されていても構わない。

以下に、本発明の一実施例を図３に基づいて説明する。図３中、１は円筒部、２は外筒部、３は流れ案内部、４はフローライナー、５は内面保温部、６は外面保温部、７はボルト、１ａ及び２ａはフランジ、５ａはセグメントであり、本実施例は上述した本発明の最良の実施形態において、外筒部２の外表面にも外面保温部６を追加したものである。なお、上述した実施形態と重複する説明は省略する。

ガスタービンがエンクロージャ（図示省略）内に収められ、且つ火災検知及び計測計器保護の観点により雰囲気制限を設けているプラントにおいては、排気ディフューザからの放熱はエンクロージャ内の温度上昇を招く原因となり不適当である。しかし、寸法上の制限等により、内面保温部５の厚みが十分に得られない場合があり、このような場合にはエンクロージャ内の温度上昇を招くおそれがある。

しかしながら、上述した本実施例に係るガスタービンによれば、寸法上の制限等により内面保温部５の厚みが十分にとれない場合には外筒部２の外表面に外面保温部６を追加することで、エンクロージャへの放熱を防ぐことができ、エンクロージャ内の温度上昇を防止することが可能となる。

本発明の第二の実施例を図４に基づいて説明する。図４は例えば図５中に破線で囲んだ範囲Ｂで示す部分などの構成を示す図であり、図中１１ａ及び１１ｂは排気室円筒部（以下、薄板部１１ａ，１１ｂという）、１２ａ及び１２ｂはフランジ、１５ａ及び１５ｂは内面保温部、１８はフローガイドである。フランジ１２ａ及び１２ｂは厚板であり、それぞれ薄板部１１ａ，１１ｂと接続している。内面保温部１５ａ及び１５ｂはそれぞれ薄板部１１ａ，１１ｂの内表面に設けられ、各々フランジ１２ａ及び１２ｂから離れるに従って薄くなるように設置する。内面保温部１５ａ及び１５ｂの厚みを変化させたのは、薄板部１１ａ，１１ｂに保温材を施したことにより、保温材を施した箇所と施していない箇所との間で不連続的な熱容量差が発生することを防止するためである。更に内面保温部１５ａ及び１５ｂには、内面保温部１５ａ及び１５ｂがホットガスの流路を妨げないように上流側からフローガイド１８を設ける。

上述した本発明の第二の実施例によれば、ガスタービンの起動時に薄板部１１ａ，１１ｂとそれぞれのフランジ１２ａ及び１２ｂとの、ホットガスによって生じる温度上昇に伴う熱容量差を低減することができ、破損やクラックの発生を防止することができる。

なお、本発明は上述した排気車室円筒部と排気室外筒部との結合部等のみでなく、厚板部分と薄板部分との結合部など熱容量が異なる部材同士が結合部を有し、ホットガスの流入等に伴って厚板部分と薄板部分との間で温度変化速度が異なることから熱膨張差が生じる等、熱容量差により結合部に応力が発生するような箇所に利用することができる。ただし、フローライナーの内側に保温材を設ける際などには、保温材がガス流れを妨げることのないようにフローガイドなどを設けることが望ましい。

以上、ガスタービンの排気ディフューザにおいて熱容量差を低減する構成を適用する例を説明したが、本発明による構成は排気ディフューザに限らず、熱容量の異なる部材間の熱容量差を低減する目的で使用することが可能である。

本発明は、ガスタービン排気ディフューザに関するものであり、詳しくはガスタービンにおける排気ディフューザの熱応力による低サイクル疲労寿命向上に利用可能である。

本発明による排気車室円筒部と排気室外筒部との結合部近傍の構成を示す断面図である。図２（ａ）は従来構成におけるメタル温度変化の例を示すグラフ、図２（ｂ）は従来構成による発生応力の例を示すグラフ、図２（ｃ）は本発明におけるメタル温度変化の例を示すグラフ、図２（ｄ）は本発明における発生応力の例を示すグラフである。本発明の実施例１による構成を示す断面図である。本発明の実施例２による構成を示す断面図である。一般的なガスタービンの構成を示す一部破断した側面図である。従来の排気車室円筒部と排気室外筒部との結合部近傍の構成を示す断面図である。他の従来の排気車室円筒部と排気室外筒部との結合部分の構成を示す断面図である。

符号の説明

１排気車室円筒部
２排気室外筒部
３流れ案内部
４フローライナー
５内面保温部
５ａセグメント
６外面保温部

Claims

ホットガスを案内するフローライナーと、前記フローライナーの下流側に延びる流れ案内部と、前記フローライナーの外側に前記フローライナーと間隔を置いて配置される厚板である排気車室円筒部と、外側の端部が前記排気車室円筒部の下流側と結合され、内側の端部が前記流れ案内部と接続された薄板である排気室外筒部とを有するガスタービン排気ディフューザにおいて、前記排気車室円筒部及び前記流れ案内部の外表面且つ前記排気室外筒部の内表面に保温材が施されていることを特徴とするガスタービン排気ディフューザ。
ホットガスを案内するフローライナーと、前記フローライナーの下流側に延びる流れ案内部と、前記フローライナーの外側に前記フローライナーと間隔を置いて配置される厚板である排気車室円筒部と、外側の端部が前記排気車室円筒部の下流側と結合され、内側の端部が前記流れ案内部と接続された薄板である排気室外筒部とを有するガスタービン排気ディフューザにおいて、前記排気車室円筒部及び前記流れ案内部の外表面且つ前記排気室外筒部の内表面に加えて、前記排気室外筒部の外表面に保温材を施したことを特徴とするガスタービン排気ディフューザ。