JP2024011501A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制する。【解決手段】ガスタービン１は、燃焼器２０とタービン３０とを接続するスクロール４０と、スクロール４０の外周面４２を覆うケーシング５０と、スクロール４０の外周面４２とケーシング５０の内周面５１との間に形成され、燃焼器２０と連通する圧縮空気流路５２と、圧縮空気流路５２において、スクロール４０の軸方向に延在し、スクロール４０の周方向に互いに離隔して設けられる複数のリブ６０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、ガスタービンに関する。

ガスタービンでは、燃焼器において生成された燃焼ガスを用いてタービンを回すことによって回転エネルギが得られる。例えば、特許文献１に開示されているように、燃焼器とタービンとを接続するスクロールを備えるガスタービンがある。スクロールは、タービンと同軸上にタービンを覆うように配置され、環状に形成される。燃焼器からスクロールに送られた燃焼ガスは、スクロールの周方向に旋回しながらタービンに送られる。以下、スクロールの周方向（つまり、タービンの周方向）を、単に周方向とも呼ぶ。

特開２００６－１３２４２５号公報

スクロールとタービンとの接続部分であるタービン入口では、燃焼ガスの温度分布は周方向に均一であることが望ましい。燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラついていると、局所的な高温領域の発生に起因するタービン翼の損傷、タービン翼に作用する圧力の変動に起因するタービン翼の損傷、および、燃焼ガスの流速が周方向に不均一になることに起因する空力性能の低下等の問題が生じる。

本開示の目的は、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制することが可能なガスタービンを提供することである。

上記課題を解決するために、本開示のガスタービンは、燃焼器とタービンとを接続するスクロールと、スクロールの外周面を覆うケーシングと、スクロールの外周面とケーシングの内周面との間に形成され、燃焼器と連通する圧縮空気流路と、圧縮空気流路において、スクロールの軸方向に延在し、スクロールの周方向に互いに離隔して設けられる複数のリブと、を備える。

リブは、ケーシングの内周面に設けられていてもよい。

リブは、スクロールの外周面に設けられていてもよい。

リブは、ケーシングの内周面に設けられている第１リブと、スクロールの外周面に設けられている第２リブと、を含んでもよい。

燃焼器は、スクロールの外周面と接続され、内部に燃焼室が形成されている内筒と、ケーシングの外周面と接続され、内筒と同軸上に配置され、内筒の外周面を覆う外筒と、内筒の外周面と外筒の内周面との間に形成され、燃焼室と圧縮空気流路とを連通する連通路と、を含んでもよい。

リブの下流端は、軸方向に圧縮空気流路の内壁と離隔していてもよい。

燃焼器の数は１つであってもよい。

本開示によれば、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制することができる。

図１は、本開示の実施形態に係るガスタービンを示す模式図である。 図２は、本開示の実施形態に係るガスタービンを示す図１のＡ－Ａ断面での模式断面図である。 図３は、第１変形例に係るガスタービンを示す図１のＡ－Ａ断面での模式断面図である。 図４は、第２変形例に係るガスタービンを示す図１のＡ－Ａ断面での模式断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態に係るガスタービン１を示す模式図である。図２は、本実施形態に係るガスタービン１を示す図１のＡ－Ａ断面での模式断面図である。Ａ－Ａ断面は、後述する燃焼器２０の中心軸を通り、後述するタービン回転軸３２ｂに直交する断面である。図２では、後述するタービン３０の図示が省略されている。図１および図２では、破線矢印によって、圧縮空気の流れが示されており、実線矢印によって、燃焼ガスの流れが示されている。

図１に示すように、ガスタービン１は、コンプレッサ１０と、燃焼器２０と、タービン３０と、スクロール４０と、ケーシング５０と、リブ６０とを備える。以下、タービン３０およびスクロール４０の周方向を、単に周方向とも呼ぶ。タービン３０およびスクロール４０の軸方向を、単に軸方向とも呼ぶ。

なお、本実施形態のガスタービン１において、燃焼器２０は周方向の１の方向に偏在して設けられており、図１に示すように、鉛直方向の上方に、１つの燃焼器２０が設けられている。

コンプレッサ１０は、圧縮空気を生成する。燃焼器２０は、燃料を圧縮空気に供給して燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する。タービン３０は、燃焼ガスによって駆動される。ガスタービン１では、コンプレッサ１０から燃焼器２０に送られる圧縮空気の流路、および、燃焼器２０からタービン３０に送られる燃焼ガスの流路を形成する部材として、スクロール４０およびケーシング５０が設けられている。

コンプレッサ１０は、コンプレッサハウジング１１を備える。コンプレッサハウジング１１には、不図示のコンプレッサインペラが回転自在に収容されている。コンプレッサインペラが回転することによって、コンプレッサハウジング１１内に空気が吸気され、圧縮空気が生成される。

タービン３０は、タービンハウジング３１を備える。タービンハウジング３１には、タービン翼車３２が回転自在に収容されている。タービン翼車３２は、コンプレッサインペラと接続されており、コンプレッサインペラと一体的に回転する。タービン翼車３２は、複数のタービン翼３２ａを含む。タービン翼３２ａが燃焼ガスを受けることによって、タービン翼車３２が回転駆動される。タービン翼車３２が回転駆動されると、タービン翼車３２の回転力がコンプレッサインペラに伝達され、コンプレッサインペラも回転する。タービン翼車３２の回転軸であるタービン回転軸３２ｂは、コンプレッサ１０とタービン３０とが並ぶ方向（図１中では、左右方向）に延在している。タービンハウジング３１は、タービン回転軸３２ｂを中心軸とする円筒形状を有する。

スクロール４０は、燃焼器２０とタービン３０とを接続する。スクロール４０は、タービンハウジング３１の外周面を覆う。スクロール４０は、例えば、タービン３０と同軸上に配置される。スクロール４０とタービンハウジング３１との間に、燃焼ガス流路４１が形成される。燃焼ガス流路４１は、タービン回転軸３２ｂを中心軸とする環状の流路である。燃焼ガス流路４１には、燃焼器２０（具体的には、後述する燃焼室２３）から燃焼ガスが送られる。燃焼ガス流路４１において、燃焼ガスは、スクロール４０の周方向に旋回しながらタービン入口３３に送られる。タービン入口３３は、燃焼ガス流路４１とタービンハウジング３１の内部空間とを連通する。燃焼ガス流路４１を流れた燃焼ガスは、タービン入口３３を介してタービンハウジング３１の内部空間に送られる。

ケーシング５０は、スクロール４０の外周面４２を覆う。ケーシング５０は、例えば、スクロール４０と同軸上に配置される。スクロール４０の外周面４２とケーシング５０の内周面５１との間には、圧縮空気流路５２が形成される。圧縮空気流路５２は、タービン回転軸３２ｂを中心軸とする環状の流路である。圧縮空気流路５２は、燃焼器２０（具体的には、後述する燃焼室２３）と連通する。圧縮空気流路５２には、コンプレッサ１０のディフューザ流路１２から圧縮空気が送られる。ディフューザ流路１２は、コンプレッサハウジング１１に形成される環状の流路である。コンプレッサ１０のコンプレッサインペラを通過した圧縮空気は、ディフューザ流路１２を介して、圧縮空気流路５２に送られる。圧縮空気は、圧縮空気流路５２内でスクロール４０の軸方向に流れた後、燃焼器２０に送られる。

燃焼器２０は、内筒２１と、外筒２２とを含む。このように、燃焼器２０は、二重円筒構造を有する。図１および図２の例では、燃焼器２０の中心軸は、タービン回転軸３２ｂと直交している。ただし、燃焼器２０の中心軸は、タービン回転軸３２ｂと直交する方向に対して傾斜していてもよい。図２に示す例では、燃焼器２０の中心軸は、タービン回転軸３２ｂに対して偏心している。つまり、燃焼器２０の中心軸は、タービン回転軸３２ｂを通らない直線上に配置されている。ただし、燃焼器２０の中心軸は、タービン回転軸３２ｂに対して偏心していなくてもよい。

図２に示すように、内筒２１は、スクロール４０の外周面４２と接続される。内筒２１は、円筒形状を有する。内筒２１の内部には燃焼室２３が形成されている。燃焼室２３において、燃焼が行われる。燃焼室２３は、燃焼ガス流路４１と連通している。それにより、燃焼室２３において生じた燃焼ガスが、燃焼ガス流路４１に送られる。

図２に示すように、外筒２２は、ケーシング５０の外周面５３と接続される。外筒２２は、円筒形状を有する。外筒２２は、内筒２１と同軸上に配置され、内筒２１の外周面を覆う。内筒２１の外周面と外筒２２の内周面との間には、連通路２４が形成される。連通路２４は、圧縮空気流路５２と連通している。

図１に示すように、内筒２１は、スクロール４０と逆側の端部に底部２１ａを有する。外筒２２は、ケーシング５０と逆側の端部に底部２２ａを有する。内筒２１の底部２１ａは、外筒２２の底部２２ａによって覆われている。内筒２１の底部２１ａと外筒２２の底部２２ａとの間の空間も、連通路２４に含まれる。内筒２１の底部２１ａには、貫通孔２１ｂが形成されている。ゆえに、連通路２４と燃焼室２３とが、貫通孔２１ｂを介して連通される。上記のように、連通路２４は、燃焼室２３と圧縮空気流路５２とを連通する。それにより、圧縮空気流路５２に送られた圧縮空気は、圧縮空気流路５２から連通路２４を介して燃焼室２３に送られる。そして、燃焼室２３内で圧縮空気に対して燃料が噴射されることによって、燃焼が生じる。

図１および図２に示すように、ガスタービン１では、圧縮空気流路５２に複数のリブ６０が設けられる。複数のリブ６０は、スクロール４０の軸方向に延在し、スクロール４０の周方向に互いに離隔して設けられる。ガスタービン１では、複数のリブ６０が設けられることによって、後述するように、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制することが実現される。なお、軸方向に延在とは、本実施形態の複数のリブ６０のように、軸方向と平行となっている場合のみを意味しない。軸方向に対し多少の傾き成分を持って延在する場合も排除はしていない。

リブ６０は、例えば、平板形状を有する。リブ６０は、ケーシング５０の内周面５１に設けられている。リブ６０は、スクロール４０の外周面４２と離隔している。リブ６０は、ケーシング５０の内周面５１からタービン回転軸３２ｂに向かってスクロール４０の径方向に延在している。ただし、リブ６０は、スクロール４０の径方向に対して傾斜した方向に延在していてもよい。複数のリブ６０は、スクロール４０の周方向に等間隔に設けられている。ただし、複数のリブ６０は、スクロール４０の周方向に不等間隔に設けられていてもよい。

仮に、ガスタービン１と異なり、圧縮空気流路５２にリブ６０が設けられない場合、圧縮空気流路５２における圧縮空気の流れが位置によって不均一になる。例えば、圧縮空気流路５２では、圧縮空気の流れが、燃焼器２０との干渉に起因して、燃焼器２０との接続部の近傍において淀みやすい。それにより、圧縮空気流路５２における圧縮空気の流速および流れ方向が位置によってバラつきやすくなり、スクロール４０の燃焼ガス流路４１中の燃焼ガスを圧縮空気流路５２中の圧縮空気により冷却する効果が位置によってバラつきやすくなる。ゆえに、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつきやすくなる。燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラついていると、種々の問題が生じ得る。

例えば、タービン３０において、局所的な高温領域が発生することによって、タービン翼３２ａが損傷するおそれがある。また、タービン入口３３からタービン３０内に流入する燃焼ガスの流速が周方向に不均一になることに伴い、タービン翼３２ａに作用する圧力の変動が生じることによって、タービン翼３２ａが損傷するおそれがある。また、タービン入口３３からタービン３０内に流入する燃焼ガスの流速が周方向に不均一になることによって、タービン３０の空力性能が低下するおそれがある。

一方、ガスタービン１は、圧縮空気流路５２において、スクロール４０の軸方向に延在し、スクロール４０の周方向に互いに離隔して設けられる複数のリブ６０を備える。それにより、圧縮空気流路５２では、圧縮空気が隣り合うリブ６０によって案内され、スクロール４０の軸方向に流れる。ゆえに、圧縮空気流路５２において、圧縮空気の燃焼器２０との干渉が抑制され、圧縮空気の流れが安定化される。それにより、圧縮空気流路５２における圧縮空気の流速および流れ方向が位置によってバラつくことが抑制され、スクロール４０の燃焼ガス流路４１中の燃焼ガスを圧縮空気流路５２中の圧縮空気により冷却する効果が位置によってバラつくことが抑制される。さらに、本実施形態においては、リブ６０が軸方向に平行であることから、圧縮空気が周方向に旋回して燃焼器２０に衝突することが抑制され、圧縮空気の流れが淀むことが抑制される。それにより、スクロール４０の燃焼ガス流路４１中の燃焼ガスを圧縮空気流路５２中の圧縮空気により冷却する効果が位置によってバラつくことがさらに抑制される。

特に、ガスタービン１では、リブ６０は、ケーシング５０の内周面５１に設けられている。後述するように、圧縮空気流路５２に設けられるリブとして、スクロール４０の外周面４２に設けられるリブ（後述する図３のリブ７０を参照）を用いることもできる。ただし、ケーシング５０の温度は、スクロール４０の温度よりも低い。ゆえに、圧縮空気流路５２に設けられるリブとして、ケーシング５０の内周面５１に設けられるリブ６０を用いることによって、耐熱性が低い材料によってリブ６０を形成できる。

特に、燃焼器２０は、スクロール４０の外周面４２と接続され、内部に燃焼室２３が形成されている内筒２１と、ケーシング５０の外周面５３と接続され、内筒２１と同軸上に配置され、内筒２１の外周面を覆う外筒２２と、内筒２１の外周面と外筒２２の内周面との間に形成され、燃焼室２３と圧縮空気流路５２とを連通する連通路２４と、を含む。このように、燃焼器２０が二重円筒構造を有する場合、圧縮空気流路５２において、圧縮空気の燃焼器２０との干渉に起因して、圧縮空気の流れが位置によって不均一になりやすい。ゆえに、圧縮空気流路５２において、圧縮空気の流れを安定化させる必要性が高い。よって、圧縮空気流路５２にリブ６０を設けることにより、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制することが特に有効となる。

特に、ガスタービン１では、図１に示すように、リブ６０の下流端６１は、スクロール４０の軸方向に圧縮空気流路５２の内壁５２ａと離隔している。リブ６０の端部のうち、ディフューザ流路１２側の端部が上流端である。リブ６０の下流端６１は、リブ６０の端部のうち、ディフューザ流路１２と逆側の端部である。リブ６０の下流端６１が軸方向に圧縮空気流路５２の内壁５２ａと離隔していることによって、隣り合うリブ６０の間を通過した圧縮空気が周方向に流動できる。それにより、隣り合うリブ６０の間を通過した圧縮空気は、円滑に連通路２４に送られる。ただし、リブ６０の下流端６１は、スクロール４０の軸方向に圧縮空気流路５２の内壁５２ａと離隔していなくてもよい。

特に、ガスタービン１では、燃焼器２０の数は１つである。特定の周方向位置に１つの燃焼器２０のみが設けられている場合、スクロール４０のうち特定の周方向位置に対して燃焼器２０から燃焼ガスが送られる。ゆえに、スクロール４０において、燃焼ガスが周方向に旋回するものの、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつきやすくなる。ゆえに、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制する必要性が高い。よって、圧縮空気流路５２にリブ６０を設けることにより、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制することが特に有効となる。ただし、燃焼器２０の数は２つ以上であってもよい。

図３は、第１変形例に係るガスタービン１Ａを示す図１のＡ－Ａ断面での模式断面図である。図３では、図２と同様に、タービン３０の図示が省略されている。図３では、図１および図２と同様に、破線矢印によって、圧縮空気の流れが示されており、実線矢印によって、燃焼ガスの流れが示されている。

第１変形例に係るガスタービン１Ａでは、上述したガスタービン１に対して、圧縮空気流路５２に設けられるリブが、ケーシング５０の内周面５１に設けられるリブ６０からスクロール４０の外周面４２に設けられるリブ７０に置き換えられている。

図３に示すように、ガスタービン１Ａでは、圧縮空気流路５２に複数のリブ７０が設けられる。複数のリブ７０は、スクロール４０の軸方向に延在し、スクロール４０の周方向に互いに離隔して設けられる。リブ７０は、例えば、平板形状を有する。リブ７０は、スクロール４０の外周面４２に設けられている。リブ７０は、ケーシング５０の内周面５１と離隔している。リブ７０は、タービン回転軸３２ｂに対して離れるようにスクロール４０の外周面４２からスクロール４０の径方向に延在している。ただし、リブ７０は、スクロール４０の径方向に対して傾斜した方向に延在していてもよい。複数のリブ７０は、スクロール４０の周方向に等間隔に設けられている。ただし、複数のリブ７０は、スクロール４０の周方向に不等間隔に設けられていてもよい。

以上説明したように、ガスタービン１Ａは、上述したガスタービン１と同様に、圧縮空気流路５２において、スクロール４０の軸方向に延在し、スクロール４０の周方向に互いに離隔して設けられる複数のリブ７０を備える。それにより、上述したガスタービン１と同様に、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制する効果が奏される。

特に、ガスタービン１Ａでは、リブ７０は、スクロール４０の外周面４２に設けられている。それにより、スクロール４０から圧縮空気流路５２中の圧縮空気への放熱が促進される。ゆえに、スクロール４０の冷却が促進され、スクロール４０の熱による損傷が抑制される。

図４は、第２変形例に係るガスタービン１Ｂを示す図１のＡ－Ａ断面での模式断面図である。図４では、図２と同様に、タービン３０の図示が省略されている。図４では、図１および図２と同様に、破線矢印によって、圧縮空気の流れが示されており、実線矢印によって、燃焼ガスの流れが示されている。

第２変形例に係るガスタービン１Ｂでは、上述したガスタービン１に対して、圧縮空気流路５２に設けられるリブとして、ケーシング５０の内周面５１に設けられるリブ６０に加えて、スクロール４０の外周面４２に設けられるリブ７０が追加されている。

図４に示すように、ガスタービン１Ｂでは、隣り合うリブ６０の間にリブ７０が配置される。つまり、スクロール４０の周方向において、リブ６０とリブ７０とが交互に配置されている。また、リブ６０の数とリブ７０の数とは等しい。ただし、リブ６０およびリブ７０の配置は、図４の例に限定されない。スクロール４０の周方向の全域または一部の領域において、リブ６０とリブ７０とが交互に配置されていなくてもよい。また、リブ６０の数とリブ７０の数とは異なっていてもよい。

以上説明したように、ガスタービン１Ｂは、上述したガスタービン１と同様に、圧縮空気流路５２において、スクロール４０の軸方向に延在し、スクロール４０の周方向に互いに離隔して設けられる複数のリブ（具体的には、リブ６０およびリブ７０）を備える。それにより、上述したガスタービン１と同様に、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことを抑制する効果が奏される。

特に、ガスタービン１Ｂでは、圧縮空気流路５２に設けられるリブは、ケーシング５０の内周面５１に設けられている第１リブ（上記の例では、リブ６０）と、スクロール４０の外周面４２に設けられている第２リブ（上記の例では、リブ７０）と、を含む。それにより、圧縮空気流路５２に設けられるリブの総数を多くすることができるので、圧縮空気流路５２において圧縮空気をスクロール４０の軸方向に案内する効果が向上する。ゆえに、圧縮空気流路５２における圧縮空気の流速および流れ方向が位置によってバラつくことがより効果的に抑制され、燃焼ガスの温度が周方向位置によってバラつくことをより効果的に抑制することができる。さらに、第２リブ（上記の例では、リブ７０）によって、スクロール４０から圧縮空気流路５２中の圧縮空気への放熱が促進される。ゆえに、スクロール４０の冷却が促進され、スクロール４０の熱による損傷が抑制される。

以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

本開示は、ガスタービンにおけるタービン翼の損傷の抑制、および、空力性能の低下の抑制に資するので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標１１「都市を包摂的、安全、レジリエントかつ持続可能にする」に貢献することができる。

１ ガスタービン
１Ａ ガスタービン
１Ｂ ガスタービン
２０ 燃焼器
２１ 内筒
２２ 外筒
２３ 燃焼室
２４ 連通路
３０ タービン
４０ スクロール
４２ 外周面
５０ ケーシング
５１ 内周面
５２ 圧縮空気流路
５２ａ 内壁
５３ 外周面
６０ リブ（第１リブ）
６１ 下流端
７０ リブ（第２リブ）

Claims (7)

1. 燃焼器とタービンとを接続するスクロールと、
   前記スクロールの外周面を覆うケーシングと、
   前記スクロールの外周面と前記ケーシングの内周面との間に形成され、前記燃焼器と連通する圧縮空気流路と、
   前記圧縮空気流路において、前記スクロールの軸方向に延在し、前記スクロールの周方向に互いに離隔して設けられる複数のリブと、
   を備える、
   ガスタービン。
2. 前記リブは、前記ケーシングの内周面に設けられている、
   請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記リブは、前記スクロールの外周面に設けられている、
   請求項１に記載のガスタービン。
4. 前記リブは、
   前記ケーシングの内周面に設けられている第１リブと、
   前記スクロールの外周面に設けられている第２リブと、
   を含む、
   請求項１に記載のガスタービン。
5. 前記燃焼器は、
   前記スクロールの外周面と接続され、内部に燃焼室が形成されている内筒と、
   前記ケーシングの外周面と接続され、前記内筒と同軸上に配置され、前記内筒の外周面を覆う外筒と、
   前記内筒の外周面と前記外筒の内周面との間に形成され、前記燃焼室と前記圧縮空気流路とを連通する連通路と、
   を含む、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のガスタービン。
6. 前記リブの下流端は、前記軸方向に前記圧縮空気流路の内壁と離隔している、
   請求項５に記載のガスタービン。
7. 前記燃焼器の数は１つである、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のガスタービン。

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