JP2014185539A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増加や組立時などの作業者の負担増加を防止しつつ、効率向上を図ることができるガスタービンを提供する。
【解決手段】圧縮機３で圧縮されたガスが供給されて下流側に向かうにしたがって次第に拡径するディフューザ流路１１を画成するディフューザ１０と、ディフューザ流路１１の下流側に接続され、ディフューザ流路１１を通過したガスが導入される車室１４と、一端が車室１４に開口するとともに他端がディフューザ１０の内周面に開口するガス供給路１９と、を備えている。
【選択図】図２

Description

この発明は、ガスタービンに関するものである。

一般的なガスタービンは、圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮機で生成された圧縮空気を用いて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスによって回転駆動するタービンと、を備えている。また、上記ガスタービンにあっては、圧縮機により圧縮された圧縮空気を、車室を介して燃焼器などに供給している。また、圧縮機の出口側には、一般に、圧縮空気の動圧を静圧に変換するためのディフューザが設けられている。このディフューザは、車室側に向かって流路断面積が徐々に拡大するように形成され、車室に流れ込む圧縮空気の動圧を静圧に変換している。

上記圧縮空気の動圧は、ディフューザによって可能な限り静圧に変換されることが理想的ではあるが、圧縮空気の主流に対してディフューザの周壁の角度が大きくなりすぎると、ディフューザの内壁面に対して境界層が剥離してしまう。このように圧縮空気の剥離が生じた場合、圧力損失が増大してガスタービン全体の効率を低下させてしまう。一方で、剥離が生じないようなディフューザの周壁角度を維持しつつ、動圧を十分に静圧に変換しようした場合、ディフューザの寸法が長くなり、ガスタービンが大型化してしまう。

特許文献１には、排気ディフューザにおいて、主流の境界層分離を阻止するか又は遅らせるため、ディフューザ壁に沿って二次的な空気流を噴射させる技術が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載された技術は、排気ディフューザに対する技術であって、圧縮機のディフューザには適用できない。これは、排気ディフューザの場合には、上流側の静圧が下流側の静圧よりも高くなり、ディフューザへ二次的な空気を吹き入れることが容易に可能となるが、圧縮機ディフューザの場合、基本的に下流側の方が上流側よりも静圧が高くなるため、二次的な空気は現実的ではないからである。

一方で、特許文献２，３には、ディフューザの寸法が長くなることを防止しつつ、境界層剥離を防止するために、圧縮空気の主流から抽気することで、境界層寸法を減少させる技術が記載されている。これら特許文献１，２によれば、圧縮空気の主流に対してディフューザの周壁角度を大きく設定した場合でも、境界層剥離を防止することが可能となっている。

特開２００４−１６２７１５号公報 特開２０１１−１５３８１５号公報 特開２０１１−０２７４０３号公報

しかしながら、上述した特許文献２，３に記載の技術は、ディフューザから抽気した圧縮空気を燃焼室に送り込む配管などが必要となる。そのため、部品点数が増加して、コストが増加してしまう。また、部品点数の増加により組立やメンテナンス時の工数が増加して作業者の負担が増加してしまうという課題がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コスト増加や組立時などの作業者の負担増加を防止しつつ、効率向上を図ることができるガスタービンを提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係るガスタービンは、圧縮機で圧縮されたガスが供給されて下流側に向かうにしたがって次第に拡径するディフューザ流路を画成するディフューザと、前記ディフューザ流路の下流側に配され、前記ディフューザ流路を通過した前記ガスが導入される車室と、一端が前記車室に開口するとともに他端が前記ディフューザの内周面に開口するガス供給路と、を備えている。
このようにディフューザの内周面に開口するガス供給路を設けることで、車室の静圧とディフューザ流路の静圧との圧力差を利用して、車室からディフューザの内周面へと圧縮空気を供給して、ディフューザ流路の境界層剥離を防止することができる。

さらに、この発明に係るガスタービンは、上記ガスタービンにおいて、前記車室が、前記ディフューザの出口側から前記ディフューザの径方向外側に回り込むように形成され、前記ガス供給路の一端が、前記ディフューザの径方向外側に配される前記車室に開口するようにしてもよい。
このように構成することで、ガス供給路を短くすることができるため、ガス供給路における圧力損失を抑制して、圧縮空気を効率よくディフューザ流路に供給して境界層剥離を防止することができる。

さらに、この発明に係るガスタービンは、上記ガスタービンにおいて、前記ガス供給路は、スリット状に形成されていてもよい。
このように形成することで、車室の圧縮空気を内周面に対してより広範囲に供給して、より効果的に境界層剥離を防止できる。

さらに、この発明に係るガスタービンは、上記ガスタービンにおいて、前記ディフューザの静圧が前記車室の静圧に対して所定圧力以上低下した場合に、前記ガス供給路を介して前記車室と前記ディフューザとを連通させる開閉弁を備えていてもよい。
このように構成することで、ガス供給路を介してディフューザから車室へ空気が流れることを防止しつつ、車室の静圧がディフューザの静圧に対して十分に高い場合には開閉弁を開放して、ディフューザの内周面に車室から圧縮空気を供給することができる。

さらに、この発明に係るガスタービンは、上記ガスタービンにおいて、前記ガス供給路が、前記ディフューザの周方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。
このように構成することで、ディフューザの強度低下を防止しつつ、より多くの圧縮空気を境界層付近に供給して、境界層剥離を防止することができる。

この発明に係るガスタービンによれば、コスト増加や組立時などの作業者の負担増加を防止しつつ、効率向上を図ることができる。

この発明の第一実施形態におけるガスタービンの部分断面図である。 上記ガスタービンのディフューザの断面図である。 上記ディフューザのガス供給路の周方向配置を示す説明図である。 この発明の第二実施形態におけるガス供給路の拡大断面図である。 上記第一実施形態の第一変形例における図３に相当する説明図である。 上記第一実施形態の第二変形例における図３に相当する説明図である。

次に、この発明の第一実施形態におけるガスタービンについて図面に基づき説明する。
図１は、この実施形態のガスタービンを示す部分断面図である。
図１に示すように、この実施形態におけるガスタービン１は、その軸線Ｐ方向の一端から他端に向かって、空気取入口２と、圧縮機３と、燃焼器４と、タービン５とを備えている。ガスタービン１は、まず、空気取入口２から取り入れた空気を、圧縮機３によって圧縮し、次いで、圧縮機３により圧縮された圧縮空気を、燃焼器４によって燃料と混合燃焼して高温高圧の燃焼ガスとする。そして、高温高圧の燃焼ガスをタービン５に供給することで、タービン５を回転させる。このタービン５の回転力は、例えば、発電機などで電力に変換される。また、ガスタービン１には、圧縮機３と燃焼器４との間に、ディフューザ１０が配されている。

図２に示すように、ディフューザ１０は、下流側に向かうにしたがって次第に拡径するディフューザ流路１１を画成する。ディフューザ１０は、径方向で軸線Ｐ側に配されるディフューザ内壁１２と、このディフューザ内壁１２の径方向外側に離間配置されるディフューザ外壁１３とを備えている。ディフューザ外壁１３とディフューザ内壁１２とは、下流側ほど離間するように形成されている。つまり、ディフューザ１０によって画成されるディフューザ流路１１は、その縦断面が円環状とされる。そして、ディフューザ外壁１３は、下流に向かうほど拡径され、ディフューザ内壁１２は、下流に向かうほど縮径されている。なお、ディフューザ内壁１２の外径を一定とし、ディフューザ外壁１３のみ下流に向かって拡径するように形成しても良い。

ディフューザ１０の下流側には、車室１４が形成されている。この車室１４内の空間とディフューザ流路１１とは連通されており、ディフューザ流路１１を通過した圧縮空気が車室１４に導入される。車室１４は、タービン５のケーシング１８により覆われた空間であり、この車室１４内には、上述した燃焼器４が収容されている。また、車室１４は、ディフューザ１０の出口側からディフューザ１０の径方向外側に回り込むように形成されている。燃焼器４には、車室１４に向けて開口する吸気口１５が形成され、この吸気口１５から圧縮機３の静圧を利用して圧縮空気が流入するようになっている。

ディフューザ外壁１３の径方向外側には、上述した車室１４を画成するとともに燃焼器４を支持する支持台１６を備えた支持壁部１７が配されている。この支持壁部１７は、ガスタービン１のケーシング１８の一部を形成し、ケーシング１８の外壁部に向かって延びている。換言すれば、支持壁部１７は、ディフューザ１０の上流側ほどディフューザ外壁１３から離間するように傾斜配置されている。

ガスタービン１は、更に、一端が車室１４に開口するとともに、他端がディフューザ外壁１３の内周面に開口するガス供給路１９を備えている。ガス供給路１９は、車室１４に収容された圧縮空気の一部を、車室１４内の静圧と、ディフューザ流路１１内の静圧との圧力差を利用してディフューザ１０に戻す機能を有している。ガス供給路１９は、上述したディフューザ外壁１３と、支持壁部１７との間に渡って配されている。

ガス供給路１９は、ディフューザ１０の径方向外側に配される車室１４内の空間と、その径方向内側に配されるディフューザ流路１１とを連通する。
図３に示すように、ガス供給路１９は、ディフューザ１０の周方向に延びる複数のスリット状の周方向スリット部１９ａを備えている。周方向スリット部１９ａは、周方向に所定間隔をあけて、より具体的には、等間隔で配されている。
これら周方向スリット部１９ａは、車室１４からディフューザ流路１１に供給される圧縮空気がディフューザ１０の下流側に向かって噴射されるように傾斜している。換言すれば、ガス供給路１９は、ディフューザ１０に近づくにつれてディフューザ流路１１の流れ方向の下流側に配されるように傾斜して形成されている。

ここで、境界層剥離が生じる位置は、ディフューザ１０が拡径する角度や運転条件などの諸条件に応じて変化する。そのため、ガス供給路１９がディフューザ外壁１３の内周面に開口する位置は、上記ディフューザ１０の拡径される角度や運転条件などの諸条件に応じて配され、より具体的には、境界層剥離の発生する起点近傍に配される。これら境界層剥離が生じる位置は、例えば、シミュレーションなどにより求めることができる。

この実施形態におけるガスタービン１は上述した構成を備えている。次に、上記ガスタービン１における作用について説明する。
まず、圧縮機３で圧縮された圧縮空気は、ディフューザ１０に流入する。このディフューザ１０入口の動圧は、ディフューザ１０内のうち最も大きくなっている。
そして、下流に向かうにしたがってディフューザ１０の流路断面が拡大されることに伴い、ディフューザ１０の入口から下流に向かって徐々に動圧が静圧に変換される。この際、ディフューザ流路１１の静圧と車室１４の静圧とを比較すると、運転時には車室１４の静圧の方が常に高いため、これら車室１４内の静圧とディフューザ１０内の静圧との圧力差によって、ガス供給路１９を介して車室１４からディフューザ外壁１３の内周面に圧縮空気が供給される。これにより、ディフューザ流路１１の主流の境界層に圧縮空気が供給される。そして、この供給された圧縮空気が、境界層の剥離部分を埋めるように流れることとなる。

したがって、上述した第一実施形態のガスタービン１によれば、ディフューザ外壁１３の内周面に開口するガス供給路１９を設けることで、車室１４の静圧とディフューザ流路１１の静圧との圧力差を利用して、車室１４からディフューザ１０の内周面へと圧縮空気を供給して、ディフューザ流路１１の境界層剥離を防止することが可能となるため、簡単な構成で境界層剥離を防止できる。その結果、コスト増加や組立時などの作業者の負担増加を防止しつつ、効率向上を図ることができる。

さらに、ガス供給路１９が周方向に間隔をあけて複数の周方向スリット部１９ａを備えていることで、ディフューザ１０の強度低下を防止しつつ、より多くの圧縮空気を境界層付近に供給して、境界層剥離を防止することができる。
さらに、ガス供給路１９が、周方向に延びる周方向スリット部１９ｂを備えていることで、ディフューザ外壁１３の内周面に対する圧縮空気の周方向の吹き入れムラを低減して、周方向でより均一に境界層剥離を防止することができる。

次に、この発明の第二実施形態のガスタービン１について図４に基づき説明する。
なお、この第二実施形態のガスタービン１は、上述した第一実施形態のガスタービン１のガス供給路１９に対して開閉弁２０を追加したものであるため、同一部分に同一符号を付して説明する。

図４に示すように、この実施形態のガス供給路１９は、その長手方向の中間部に、開閉弁２０を備えている。開閉弁２０は、車室１４の静圧とディフューザ１０の静圧との圧力差が予め設定された所定の圧力差を下回った時にだけ開放されて、車室１４とディフューザ流路１１とを連通させる。ここで、ディフューザ流路１１を流れる圧縮空気の主流の境界層剥離が生じた際、ディフューザ流路１１の静圧が上昇する。そして、車室１４とディフューザ流路１１との各静圧の圧力差が減少する。つまり、上記所定の圧力差とは、ディフューザ流路１１において境界層剥離が生じた際の圧力差よりも僅かに大きな圧力差とされ、境界層剥離が生じた場合にのみ、開閉弁２０は開放される。

開閉弁２０は、ガス供給路１９を拡幅形成された収容部２１を備えている。この収容部２１には、車室１４側に弁座２２が有段形成されている。また、収容部２１には、コイルばねなどの弾性部材２３により車室１４側に付勢された弁体２４が設けられている。この弁体２４は、弾性部材２３により付勢されることで弁座２２を押圧可能となっている。弁体２４が弁座２２を押圧しているときに、ガス供給路１９が閉塞される。一方で、弁体２４に対して車室１４側から弾性部材２３を圧縮変形させるのに十分な圧力が弁体２４に加わった場合には、弁体２４が弁座２２から離れてガス供給路１９が開放される。

したがって、上述した第二実施形態のガスタービン１によれば、ガス供給路１９を介してディフューザ１０から車室１４へ空気が流れることを防止しつつ、車室１４の静圧がディフューザ１０の静圧に対して十分に高い場合には開閉弁２０を開放して、ディフューザ１０の内周面に車室１４から圧縮空気を供給することができる。

なお、この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
上述した第一実施形態においては、ガス供給路１９が、複数の周方向スリット部１９ａを有する場合について説明したが、図５に示すように、軸線Ｐ方向に延びる複数のスリット状の軸方向スリット部１９ｂを形成するようにしても良い。このようにガス供給路１９が複数の軸方向スリット部１９ｂを有する場合、ディフューザ１０の内周面に対して、軸線Ｐ方向でより広範囲に圧縮空気を供給することができる。また、境界層剥離が生じる箇所が軸線Ｐ方向にずれたとしても、境界層剥離が生じる箇所に対して確実に圧縮空気を送り込むことができる。

さらに、図６に示すように、ガス供給路１９が周方向スリット部１９ａと軸方向スリット部１９ｂとの両方を備えていても良い。このようにすることで、軸方向と周方向の両方で均一に圧縮空気をディフューザ１０の内周面に供給することができる。ここで、図６のように周方向スリット部１９ａと軸方向スリット部１９ｂとを配置した場合、上記軸方向スリット部１９ｂ又は周方向スリット部１９ａの途中には、隙間を保持するリブ（図示せず）などが部分的に設けられている。なお、周方向スリット部１９ａと軸方向スリット部１９ｂとの配置は図６に記載のものに限られるものではない。

また、上述した第一実施形態においては、ガス供給路１９がスリット状に形成される場合について説明したが、円管状など管状のガス供給路１９をディフューザ１０の周方向に間隔をあけて複数配置するようにしても良い。

さらに、上述したガス供給路１９の周方向スリット部１９ａ、軸方向スリット部１９ｂを、ディフューザ１０の内周面側で分岐させてもよい。すなわち、ガス供給路１９のディフューザ１０側の開口数を車室１４側の開口数よりも多くなるように形成しても良い。これにより、ディフューザ１０の内周面に、より広範囲かつ均一に圧縮空気を供給することができる。

また、上述した各実施形態においては、ガス供給路１９をディフューザ外壁１３に設ける場合について説明したが、ディフューザ内壁１２側において境界層剥離が生じる場合には、ディフューザ内壁１２側に車室１４からディフューザ流路１１に圧縮ガスを供給するガス供給路１９を設けるようにしてもよい。

さらに、上述した第一実施形態においては、ガス供給路１９がディフューザ１０に近づくにつれてディフューザ流路１１の流れ方向の下流側に配されるように傾斜する場合について説明したが、傾斜方向は、上記方向に限られるものではない。例えば、ガス供給路１９を、上記傾斜に加えてさらに周方向に傾斜させても良い。また、ガス供給路１９を、ディフューザ外壁１３に対して法線方向に延びるように形成しても良い。

さらに、上述した図３、図５においては、ディフューザ外壁１３に周方向スリット部１９ａ、軸方向スリット部１９ｂを一列だけ形成する場合について説明したが、二列以上形成するようにしても良い。

１ ガスタービン
２ 空気取入口
３ 圧縮機
４ 燃焼器
５ タービン
１０ ディフューザ
１１ ディフューザ流路
１２ ディフューザ内壁
１３ ディフューザ外壁
１４ 車室
１５ 吸気口
１６ 支持台
１７ 支持壁部
１８ ケーシング
１９ ガス供給路
２０ 開閉弁
２１ 収容部
２２ 弁座
２３ 弾性部材
２４ 弁体
Ｐ 軸線

Claims (5)

1. 圧縮機で圧縮されたガスが供給されて下流側に向かうにしたがって次第に拡径するディフューザ流路を画成するディフューザと、
   前記ディフューザ流路の下流側に配され、前記ディフューザ流路を通過した前記ガスが導入される車室と、
   一端が前記車室に開口するとともに他端が前記ディフューザの内周面に開口するガス供給路と、
   を備えることを特徴とするガスタービン。
2. 前記車室は、前記ディフューザの出口側から前記ディフューザの径方向外側に回り込むように形成され、
   前記ガス供給路の一端は、前記ディフューザの径方向外側に配される前記車室に開口する請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記ガス供給路は、スリット状に形成されている請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. 前記ディフューザの静圧が前記車室の静圧に対して所定圧力以上低下した場合に、前記ガス供給路を介して前記車室と前記ディフューザとを連通させる開閉弁を備える請求項１から３の何れか一項に記載のガスタービン。
5. 前記ガス供給路は、前記ディフューザの周方向に間隔をあけて複数設けられている請求項１から４の何れか一項に記載のガスタービン。

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