JP2023025389A - Two-shaft gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、2軸式ガスタービンに関する。 The present disclosure relates to twin shaft gas turbines.
従来から、高圧タービンと低圧タービンとを別軸で設け、高圧タービンを通過後の燃焼ガスを中間ダクトを介して低圧タービンに供給するようにした2軸式ガスタービンが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a twin-shaft gas turbine is known in which a high-pressure turbine and a low-pressure turbine are provided on separate shafts, and combustion gas after passing through the high-pressure turbine is supplied to the low-pressure turbine through an intermediate duct.
近年、この種の2軸式ガスタービンの高出力化に対する要請が高まっている。ここで、特に発電用に2軸式ガスタービンを用いる場合、低圧タービン側の回転数は一定に保たれている必要がある(一例として3000rpm)。回転数を変化させずに出力を向上させるためには、低圧タービンの動翼(初段動翼)の平均径を増加することが考えられる。低圧タービンの平均径を増加した場合、低圧タービンの流路断面積も拡大することから、燃焼ガスの流速が小さくなる。一方で、高温であることによって設計変更の難易度が高い高圧タービンの改良をしなかった場合、高圧タービンと低圧タービンの径差が拡大し、両者を接続する中間流路が湾曲する。このため、動翼の径方向における流速分布が不均一化することから、流れの損失も同時に大きくなってしまう。また、平均径を増加するほど、動翼にかかる遠心応力も大きくなってしまう。このような遠心応力を減少させるための構成として、例えば下記特許文献1に記載されたものが知られている。 In recent years, there has been an increasing demand for higher output of this type of two-shaft gas turbine. Here, especially when using a two-shaft gas turbine for power generation, the rotation speed on the low-pressure turbine side must be kept constant (eg, 3000 rpm). In order to improve the output without changing the rotation speed, it is conceivable to increase the average diameter of the rotor blades (first stage rotor blades) of the low-pressure turbine. When the average diameter of the low-pressure turbine is increased, the cross-sectional area of the flow path of the low-pressure turbine is also increased, which reduces the flow velocity of the combustion gas. On the other hand, if the high-pressure turbine, whose design is difficult to change due to its high temperature, is not improved, the difference in diameter between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine will increase, and the intermediate flow path that connects the two will bend. For this reason, the flow velocity distribution in the radial direction of the moving blade becomes non-uniform, resulting in an increase in flow loss at the same time. In addition, as the average diameter increases, the centrifugal stress applied to the moving blade also increases. As a configuration for reducing such centrifugal stress, for example, one described in Patent Document 1 below is known.
下記特許文献1に係る動翼では、動翼のスタッキングラインの延びる方向を、径方向外側の部分と径方向内側の部分とで違える構成が採られている。 The rotor blade according to Patent Document 1 below adopts a configuration in which the direction in which the stacking line of the rotor blade extends is different between the radially outer portion and the radially inner portion.
しかしながら、上記のように動翼の形状を変化させた場合であっても、ハブ側における遠心応力の低減は困難である。その結果、低圧タービンのさらなる高周速化を達成できないという課題があった。 However, even if the rotor blade shape is changed as described above, it is difficult to reduce the centrifugal stress on the hub side. As a result, there has been a problem that a further increase in peripheral speed of the low-pressure turbine cannot be achieved.
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、さらなる高周速化を実現することが可能な2軸式ガスタービンを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present disclosure is to provide a two-shaft gas turbine capable of realizing a further increase in peripheral speed.
上記課題を解決するために、本開示に係る2軸式ガスタービンは、軸線回りに回転可能な回転軸を有する圧縮機と、前記回転軸と連結される第1軸を有する高圧タービンと、前記第1軸とは異なる第2軸を有し、前記高圧タービンに対して前記軸線方向に間隔をあけて配置された低圧タービンと、前記高圧タービンの最終段動翼と前記低圧タービンの初段動翼との間に設けられ、前記高圧タービンから前記低圧タービンに燃焼ガスを導く中間流路と、を備え、前記軸線に対する径方向における前記初段動翼の内径は、前記最終段動翼の1.2倍以上1.4倍以下であり、前記径方向における前記初段動翼の長さは、1.0倍以上1.6倍以下であり、前記初段動翼の前記径方向内側の端部であるハブ側端部の最大厚さは、前記径方向外側の端部であるチップ側端部の最大厚さの4倍以上8倍以下である。 In order to solve the above problems, a two-shaft gas turbine according to the present disclosure includes: a compressor having a rotating shaft rotatable about an axis; a high-pressure turbine having a first shaft coupled to the rotating shaft; a low pressure turbine having a second shaft different from the first shaft and spaced axially relative to the high pressure turbine; a last stage rotor blade of the high pressure turbine and a first stage rotor blade of the low pressure turbine; and an intermediate passage for guiding combustion gas from the high-pressure turbine to the low-pressure turbine, wherein the inner diameter of the first stage rotor blade in a radial direction with respect to the axis is 1.2 times that of the last stage rotor blade 1.0 times or more and 1.4 times or less, and the length of the first stage moving blade in the radial direction is 1.0 time or more and 1.6 times or less, and is the radially inner end portion of the first stage moving blade. The maximum thickness of the hub-side end is 4 to 8 times the maximum thickness of the tip-side end, which is the radially outer end.
本開示によれば、さらなる高周速化を実現することが可能な2軸式ガスタービンを提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present disclosure, it is possible to provide a two-shaft gas turbine capable of realizing a further increase in peripheral speed.
(2軸式ガスタービンの構成)
以下、本開示の第一実施形態に係る2軸式ガスタービン1について、図1から図4を参照して説明する。本実施形態の2軸式ガスタービンは、各種産業機械、発電装置などの重構造型のガスタービンとして好適に用いられる。なお、本実施形態に係る2軸式ガスタービンは、航空機用(航空エンジン用)など、他の用途のガスタービンとして用いることも可能である。
(Configuration of 2-shaft gas turbine)
A two-shaft gas turbine 1 according to a first embodiment of the present disclosure will be described below with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. The two-shaft gas turbine of the present embodiment is suitably used as a heavy-structure gas turbine for various industrial machines, power generators, and the like. Note that the two-shaft gas turbine according to the present embodiment can also be used as a gas turbine for other uses such as for aircraft (for aircraft engines).
2軸式ガスタービン1は、図1に示すように、圧縮機駆動側タービン部(ガスジェネレータ部)2と、出力側タービン部(パワータービン部)3と、を備える。2軸式ガスタービン1は、出力側タービン部3によって、産業機械、発電電動機などの負荷機器10を駆動するように構成される。また、2軸式ガスタービン1は、不図示の制御装置、圧縮機駆動側タービン部2及び出力側タービン部3を内包するタービンケーシングなどを備えている。
The two-shaft gas turbine 1 includes a compressor driving side turbine section (gas generator section) 2 and an output side turbine section (power turbine section) 3, as shown in FIG. The two-shaft gas turbine 1 is configured such that the output-
圧縮機駆動側タービン部2は、大気中から取り込んだ空気R1を圧縮して圧縮空気R2を生成する圧縮機4と、圧縮機4から送られた圧縮空気R2に燃料を混合して燃焼させ、燃焼ガスR3を生成する燃焼器5と、高圧タービン6のロータを兼ねた第1軸(ガスジェネレータ軸)7を介して圧縮機4に同軸接続される高圧タービン6と、を備える。圧縮機駆動側タービン部2では、燃焼器5から送られた高温・高圧の燃焼ガスR3によって高圧タービン6が回転し、第1軸7を通じて高圧タービン6の回転動力が圧縮機4に伝達され、圧縮機4が駆動される。なお、第1軸7は、高圧タービン6のロータを兼ねている。
The compressor driving
圧縮機4の空気取込み口には、不図示のIGV(入口案内翼)が設けられている。IGVはIGV駆動装置により駆動し、IGVの開度を調整することによって圧縮機の空気取込み量を調整可能とされている。
An air intake port of the
出力側タービン部3は、低圧タービン8を有している。低圧タービン8と負荷機器10は、低圧タービン8のロータを兼ねた第2軸(パワータービン軸)9を介して接続されている。低圧タービン8は、高圧タービン6を駆動して圧力が低下した燃焼ガスR4が高圧タービン6から送られ、この燃焼ガスR4によって回転駆動する。低圧タービン8で得られた回転動力は負荷機器10に伝達され、この負荷機器10を駆動する。なお、低圧タービン8を駆動した燃焼ガスR5は排気ガスとして排出される。
The output
図1と図2に示すように、圧縮機駆動側タービン部2と出力側タービン部3の間、すなわち、高圧タービン6と低圧タービン8の軸線O1方向の間には、高圧タービン6から低圧タービン8に燃焼ガスR4を給送するための中間ダクト11(中間流路13)を備えた中間流路区間部(中間流路区間)12が設けられている。中間ダクト11は、軸線O1に沿って同軸上に配置された内管11aと外管11bを備える円環状の二重管構造とされている。中間ダクト11は、内管11aと外管11bの間の空間は、燃焼ガスR4を流通させる中間流路13とされている。
As shown in FIGS. 1 and 2, between the compressor drive
中間流路13(中間ダクト11)は、高圧タービン6の最終段動翼14と低圧タービン8の初段動翼15の軸線O1方向の間に設けられ、高圧タービン6から低圧タービン8に燃焼ガスR4を供給する。また、本実施形態の2軸式ガスタービン1では、中間流路13内に配置されたストラット16が低圧タービン8の初段静翼を兼ねるように構成されている。ストラット16は中間流路13内で軸線O1の周方向に間隔をあけて放射状に複数配置されている。
The intermediate flow path 13 (intermediate duct 11) is provided between the final
(低圧タービンの初段動翼の構成)
次いで、図2から図4を参照して、低圧タービン8の初段動翼15の構成について詳述する。図4に示すように、初段動翼15は、翼本体15hと、プラットフォーム15cと、翼根15dと、を有している。
(Structure of first-stage moving blade of low-pressure turbine)
Next, the configuration of the first
翼本体15hは、軸線O1に対する径方向に延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。図3に示すように、翼本体15hの径方向外側の端部はチップ側端部15bとされ、径方向内側の端部はハブ側端部15aとされている。また、翼型断面を有する翼本体15hの周方向を向く両面のうち、周方向一方側に凹む面は圧力面15pとされ、その反対側を向く面は周方向一方側に凸状に湾曲することで負圧面15nとされている。
The blade
プラットフォーム15cは、翼本体15hの径方向内側の端部に設けられている。プラットフォーム15cの軸線O1方向における寸法は、翼本体15hの軸線O1方向における寸法よりも大きい。翼根15dは、不図示のディスクに形成された翼溝に初段動翼15を固定するための部分であり、セレーション状の凹凸が複数形成されている。ここで、図4に示すように、ハブ側端部15aにおけるコード長をC2とし、翼根15dの軸線O1方向の寸法をL1としたとき、L1の値は、C2の1.2倍以上1.5倍以下である。
The
また、図2に示すように、高圧タービン6の最終段動翼14の翼長(長さ)をw1とし、低圧タービン8の初段動翼15の翼長(長さ)をw2としたとき、w2の値は、w1の1.0倍以上1.6倍以下とされている。さらに、最終段動翼14の内径(軸線O1を基準とした径方向の寸法)をd1とし、初段動翼15の内径をd2としたとき、d2の値は、d1の1.2倍以上1.4倍以下とされている。
Further, as shown in FIG. 2, when the blade length (length) of the final
加えて、図3に示すように、ハブ側端部15aにおける翼本体15hのコード長C2は、チップ側端部15bにおけるコード長の1.0倍以上1.3倍以下である。さらに、ハブ側端部15aにおける翼本体15hの最大厚さをD2とし、チップ側端部15bにおける最大厚さをD1としたとき、D2の値は、D1の4倍以上8倍以下とされる。また、ハブ側端部15aを基準として径方向における75%の位置では、25%の位置に比べて、翼本体15hの最大厚さの2倍以上4倍以下とされている。
In addition, as shown in FIG. 3, the cord length C2 of the blade
(作用効果)
近年、上記のような2軸式ガスタービン1の高出力化に対する要請が高まっている。ここで、特に発電用に2軸式ガスタービン1を用いる場合、低圧タービン8側の回転数は一定に保たれている必要がある(一例として3000rpm)。回転数を変化させずに出力を向上させるためには、低圧タービン8の動翼(初段動翼15)の平均径を増加することが考えられる。平均径を増加した場合、低圧タービン8の流路断面積も拡大することから、燃焼ガスの流速が小さくなる。一方で、高圧タービン6との径差が拡大し、図3に示すように流路が湾曲する。このため、初段動翼15の径方向における流速分布が不均一化し、流れの損失が増加してしまう。また、平均径が増加するほど、動翼にかかる遠心応力も大きくなってしまう。
(Effect)
In recent years, there has been an increasing demand for higher output of the two-shaft gas turbine 1 as described above. Here, especially when the two-shaft gas turbine 1 is used for power generation, the rotation speed on the low-pressure turbine 8 side must be kept constant (eg, 3000 rpm). In order to improve the output without changing the rotational speed, it is conceivable to increase the average diameter of the rotor blades (first stage rotor blades 15) of the low-pressure turbine 8. FIG. When the average diameter is increased, the cross-sectional area of the flow path of the low-pressure turbine 8 is also increased, so the flow velocity of the combustion gas is decreased. On the other hand, the diameter difference with the high-pressure turbine 6 increases, and the flow path curves as shown in FIG. As a result, the flow velocity distribution in the radial direction of the first-
そこで、本実施形態に係る2軸式ガスタービン1は、上記のような初段動翼15に関する寸法条件を有している。上記構成によれば、初段動翼15の内径d2が、高圧タービン6の最終段動翼14の内径d1の1.2倍以上1.4倍以下とされている。さらに、初段動翼15の長さw2は、最終段動翼14の長さw1の1.0倍以上1.6倍以下とされる。初段動翼15の長さを1.6倍以下に留めると、中間流路13における燃焼ガスの流れの分布の偏りがあまり生じないため、それ以上翼長を大きくした場合と比べて、圧力損失の増加を緩和できる。
Therefore, the two-shaft gas turbine 1 according to the present embodiment has the dimensional conditions for the first
さらに、この構成を採ることにより、初段動翼15の長さが過度に大きくならず、固有振動数についての制約が緩和される。一般に、遠心応力の増加に対しては、ハブ側のコード長を拡大することで断面積を増加させ、応力を低減する手段を取る場合が多い。これは、多くの場合、固有1次モードがコード方向の振動モードとなり、それと低次の励起源との共振が問題となるために、極力、固有振動数を確保する必要性が生じるためである。一方、本実施形態では初段動翼15の長さの上限が制約されることで、固有振動数はすでに十分に高く、コード長の拡大は不要となる。コード長の拡大に代えて、初段動翼15のハブ側端部15aの最大厚さD2を、チップ側端部15bの最大厚さD1の4倍以上8倍以下とすることでハブ側の断面積を確保する手段を取る。これにより、翼重量を抑えつつもハブ側端部15aにおける断面積を拡大することができ、初段動翼15のハブ断面に働く遠心応力を低減することが可能となる。
Furthermore, by adopting this configuration, the length of the first-
また、ハブ側端部15aの最大厚さを大きくすることにより、圧力面15pの曲率が小さくなる。これにより、燃焼ガスが当該圧力面15pで剥離する可能性が低減され、低圧タービン8の効率をさらに向上させることができる。
Further, by increasing the maximum thickness of the hub-
さらに、初段動翼15のハブ側端部15aにおけるコード長C2は、チップ側端部15bにおけるコード長C1の1.0倍以上1.3倍以下である。この構成によれば、ハブ側端部15aとチップ側端部15bとの間でコード長に大きな差異がないことに加えて、翼長が上述のように制限されていることから、初段動翼15の固有振動数を適切な値にコントロールすることが可能となる。
Furthermore, the cord length C2 at the hub-
また、初段動翼15の翼根15dの軸線O1方向における長さL1は、ハブ側端部15aにおけるコード長C2の1.2倍以上1.5倍以下である。この構成によれば、翼根15dを比較的に大きく形成することが可能となるため、当該翼根15dにおける遠心応力を下げることができる。その結果、翼根15dやタービンディスクの寿命を延ばすことが可能となる。
Further, the length L1 of the
(その他の実施形態)
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
(Other embodiments)
As described above, the embodiments of the present disclosure have been described in detail with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to these embodiments, and design changes etc. within the scope of the present disclosure are also included. .
<付記>
各実施形態に記載の2軸式ガスタービンは、例えば以下のように把握される。
<Appendix>
The two-shaft gas turbine described in each embodiment is understood, for example, as follows.
(1)第1の態様に係る2軸式ガスタービン1は、軸線O1回りに回転可能な回転軸を有する圧縮機4と、前記回転軸と連結される第1軸7を有する高圧タービン6と、前記第1軸7とは異なる第2軸9を有し、前記高圧タービン6に対して前記軸線O1方向に間隔をあけて配置された低圧タービン8と、前記高圧タービン6の最終段動翼14と前記低圧タービン8の初段動翼15との間に設けられ、前記高圧タービン6から前記低圧タービン8に燃焼ガスを導く中間流路13と、を備え、前記軸線O1に対する径方向における前記初段動翼15の内径は、前記最終段動翼14の1.2倍以上1.4倍以下であり、前記径方向における前記初段動翼15の長さは、1.0倍以上1.6倍以下であり、前記初段動翼15の前記径方向内側の端部であるハブ側端部15aの最大厚さは、前記径方向外側の端部であるチップ側端部15bの最大厚さの4倍以上8倍以下である。
(1) A two-shaft gas turbine 1 according to a first aspect includes a
上記構成によれば、低圧タービン8の初段動翼15の内径が、高圧タービン6の最終段動翼14の1.2倍以上1.4倍以下とされ、初段動翼15の長さは、1.0倍以上1.6倍以下とされる。翼高さが1.6倍以下であれば、中間流路13における燃焼ガスの流れの分布の偏りは大きくならず、圧力損失の増加を回避することができる。さらに、この構成を採ることにより、コード方向の振動モードの共振回避のためにハブ側のコード長増加が不要となる。さらに、初段動翼15のハブ側端部15aの最大厚さを、チップ側端部15bの最大厚さの4倍以上8倍以下として、ハブ側端部15aにおける断面積を増加させ、初段動翼15に働く遠心応力を低減することが可能となる。また、ハブ側端部15aの最大厚さを大きくすることにより、圧力面15pの曲率が小さくなる。これにより、燃焼ガスが当該圧力面15pで剥離する可能性が低減され、低圧タービン8の効率をさらに向上させることができる。
According to the above configuration, the inner diameter of the first
(2)第2の態様に係る2軸式ガスタービン1では、前記初段動翼15の前記ハブ側端部15aにおけるコード長は、前記チップ側端部15bにおけるコード長の1.0倍以上1.3倍以下である。
(2) In the two-shaft gas turbine 1 according to the second aspect, the cord length at the hub-
上記構成によれば、ハブ側端部15aとチップ側端部15bとの間でコード長に大きな差異がないことに加えて、翼長が上述のように制限されていることから、初段動翼15の固有振動数を適切な値にコントロールすることが可能となる。
According to the above configuration, there is no large difference in cord length between the hub-
(3)第3の態様に係る2軸式ガスタービン1では、前記初段動翼15の翼根15dの前記軸線O1方向における長さは、前記ハブ側端部15aにおけるコード長の1.2倍以上1.5倍以下である。
(3) In the two-shaft gas turbine 1 according to the third aspect, the length of the
上記構成によれば、翼根15dを比較的に大きく形成することが可能となるため、当該翼根15dにおける遠心応力を下げることができる。その結果、翼根15dやタービンディスクの寿命を延ばすことが可能となる。
According to the above configuration, the
(4)第4の態様に係る2軸式ガスタービン1では、前記ハブ側端部を基準として径方向における75%の位置では、25%の位置に比べて、前記初段動翼の最大厚さが2倍以上4倍以下である。 (4) In the two-shaft gas turbine 1 according to the fourth aspect, the maximum thickness of the first-stage moving blade is greater at a position 75% in the radial direction than at a position 25% with respect to the hub-side end. is 2 times or more and 4 times or less.
上記構成によれば、ハブ側端部15aの最大厚さを大きくすることにより、初段動翼15の断面積を大きく確保することができる。これにより、遠心応力をさらに低減することが可能となる。
According to the above configuration, by increasing the maximum thickness of the hub-
1 2軸式ガスタービン
2 圧縮機駆動側タービン部(ガスジェネレータ部)
3 出力側タービン部(パワータービン部)
4 圧縮機
5 燃焼器
6 高圧タービン
7 第1軸
7a 一端部
8 低圧タービン
9 第2軸
10 負荷機器
11 中間ダクト
11a 内管
11b 外管
12 中間流路区間部(中間流路区間)
13 中間流路
14 最終段動翼
15 初段動翼
15a ハブ側端部
15b チップ側端部
15c プラットフォーム
15d 翼根
15h 翼本体
16 ストラット
17,18 軸受
O1 軸線
1 2-
3 Output side turbine section (power turbine section)
4 Compressor 5 Combustor 6
13
Claims (4)
前記回転軸と連結される第1軸を有する高圧タービンと、
前記第1軸とは異なる第2軸を有し、前記高圧タービンに対して前記軸線方向に間隔をあけて配置された低圧タービンと、
前記高圧タービンの最終段動翼と前記低圧タービンの初段動翼との間に設けられ、前記高圧タービンから前記低圧タービンに燃焼ガスを導く中間流路と、
を備え、
前記軸線に対する径方向における前記初段動翼の内径は、前記最終段動翼の1.2倍以上1.4倍以下であり、
前記径方向における前記初段動翼の長さは、1.0倍以上1.6倍以下であり、
前記初段動翼の前記径方向内側の端部であるハブ側端部の最大厚さは、前記径方向外側の端部であるチップ側端部の最大厚さの4倍以上8倍以下である2軸式ガスタービン。 a compressor having a rotating shaft rotatable around its axis;
a high pressure turbine having a first shaft coupled with the rotating shaft;
a low pressure turbine having a second axis different from the first axis and spaced axially relative to the high pressure turbine;
an intermediate passage provided between the last stage rotor blade of the high pressure turbine and the first stage rotor blade of the low pressure turbine for guiding combustion gas from the high pressure turbine to the low pressure turbine;
with
The inner diameter of the first stage moving blade in the radial direction with respect to the axis is 1.2 times or more and 1.4 times or less that of the last stage moving blade,
The length of the first stage rotor blade in the radial direction is 1.0 times or more and 1.6 times or less,
The maximum thickness of the hub-side end, which is the radially inner end of the first-stage rotor blade, is 4 times or more and 8 times or less than the maximum thickness of the tip-side end, which is the radially outer end. 2-shaft gas turbine.
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