JP4304541B2

JP4304541B2 - 抽気型ガスタービン

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Publication number: JP4304541B2
Application number: JP2007169393A
Authority: JP
Inventors: 康舘林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: JP2009007997A; US7788931B2; US20090000307A1

Description

本発明は、ガスタービンに関し、詳しくは、コンプレッサから燃焼器に供給される圧縮空気を外部にも供給可能な抽気手段を備える抽気型ガスタービンに関するものである。

ガスタービンとして、コンプレッサから燃焼器に供給される圧縮空気の一部を抽気口、抽気管、抽気ポート、抽気ダクトなどの抽気手段を介して外部にも供給可能に構成された抽気型ガスタービンが従来一般に知られている。

この種の抽気型ガスタービンとして、特許文献１の図２には、コンプレッサから圧縮空気が供給される燃焼器の収容空間に抽気口が連通する構造が開示されている。また、特許文献１の図１には、仕切壁によって燃焼器の収容空間と仕切られたキャビティ内に抽気用ポートが連通する構造が開示されている。ここで、抽気用ポートが連通するキャビティ内には、コンプレッサのディフューザに設けられた抽気用穴を介して圧縮空気の一部が導入されるようになっている。
特開２０００−３５６１３９号公報

ところで、特許文献１の図１に示される構造の抽気型ガスタービンにおいては、コンプレッサからの圧縮空気がディフューザに設けられた抽気用穴を介してキャビティ内に供給され、このキャビティ内を経由して抽気用ポートに抽気される関係で、大量の圧縮空気を抽気することが困難である。

一方、特許文献１の図２に示される構造の抽気型ガスタービンにおいては、抽気口への大量の抽気が可能と思われるが、その場合、抽気口付近の圧力低下により、燃焼器に供給される圧縮空気の圧力分布が不均一となり、燃焼器の燃焼が不安定となることが懸念される。

そこで、本発明は、コンプレッサから圧送される圧縮空気を大量に抽気可能であり、しかも圧縮空気を燃焼器の周方向に均一に供給可能な抽気型ガスタービンを提供することを課題とする。

本発明に係る抽気型ガスタービンは、少なくともコンプレッサ、燃焼器およびタービンを備えると共に、コンプレッサから燃焼器を囲む環状空間に供給される圧縮空気を外部にも供給可能な抽気手段を備える抽気型ガスタービンであって、抽気手段として、抽気口に連通する抽気流路が複数の連通流路を介して環状空間に連通されており、複数の連通流路は、抽気口から環状空間の周方向に遠ざかるほど流路断面積が漸次大きく設定されていることを特徴とする。

本発明に係る抽気型ガスタービンでは、環状空間に連通される複数の連通流路の流路断面積が抽気口に近い連通流路ほど小さく、抽気口から環状空間の周方向に遠ざかった連通流路ほど漸次大きく設定されているため、コンプレッサから環状空間に圧送される圧縮空気が複数の連通流路から抽気流路を介して抽気口に抽気される際には、各連通流路に流入する抽気流量が環状空間の周方向に均一化される。このため、燃焼器に供給される圧縮空気の供給流量が環状空間の周方向に均一化され、燃焼器の周方向に圧縮空気が均一に供給される。

ここで、本発明の抽気型ガスタービンは、抽気口、抽気流路および複数の連通流路を有するダクト構造体が環状空間を区画するケーシングに付設された構造とすることができる。この場合、ダクト構造体は、抽気流路が環状空間の周方向に沿って連続する環状に形成された単一のダクト構造体で構成されていてもよいし、抽気流路が環状空間の周方向に沿って２分割または３分割された複数のダクト構造体で構成されていてもよい。

また、本発明の抽気型ガスタービンは、環状空間を区画するケーシングに抽気口が形成され、この抽気口に連通する抽気流路がケーシングとその内側に付設された環状仕切り板との間に形成された構造とし、この環状仕切り板に、複数の連通流路を構成する複数の連通孔が形成された構造とすることができる。その一例として、ケーシングには抽気口を有する環状膨出部を形成し、この環状膨出部と環状仕切り板との間に抽気流路を形成してもよい。これらの場合、抽気流路は環状空間の周方向に沿って連続した環状に形成されていてもよいし、環状空間の周方向に沿って２分割または３分割されていてもよい。

本発明の抽気型ガスタービンにおいて、抽気口に向かう圧縮空気の流速を一定化するスクロール流路として抽気流路が構成されていると、抽気口に向かう圧縮空気の圧力損失が低減され、抽気口から大量の抽気を円滑に行うことが可能となるので好ましい。

なお、本発明の抽気型ガスタービンにおいて、抽気流路に連通する抽気口は１つでもよいが、抽気流路が環状空間の周方向に沿って連続した環状に形成されている場合には、その周方向の２分割位置または３分割位置にそれぞれ抽気口が配置されていると、各抽気口に向かう抽気流路が均一化され易くなるので好ましい。

本発明に係る抽気型ガスタービンでは、コンプレッサから環状空間に圧送される圧縮空気が複数の連通流路から抽気流路を介して抽気口に抽気される際、各連通流路に流入する抽気流量が環状空間の周方向に均一化されるため、燃焼器に供給される圧縮空気の供給流量が環状空間の周方向に均一化される。

従って、本発明に係る抽気型ガスタービンによれば、コンプレッサから圧送される圧縮空気を抽気口に向けて大量に抽気することが可能となり、この場合にも、圧縮空気を燃焼器の周方向に均一に供給することができる。その結果、燃焼器の周方向に均一に燃焼ガスを発生させてタービンを効率良く安定的に駆動することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る抽気型ガスタービンの最良の実施形態を説明する。ここで、参照する図面において、図１は第１実施形態に係る抽気型ガスタービンの概略構造を模式的に示す縦断面図である。なお、実施形態の説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。

図１に示すように、第１実施形態に係る抽気型ガスタービンは、圧縮空気を遠心方向に圧送する遠心式のコンプレッサを構成するコンプレッサインペラ１と、このコンプレッサインペラ１を回転駆動するための軸流式のタービンを構成する前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３と、この前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３を回転させるための燃焼ガスを発生する燃焼器４とを図中太線で示すケーシング５内に備えている。

コンプレッサインペラ１の外周には複数のブレード（図示省略）が装着されている。また、前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３の外周には、それぞれ複数のブレード（図示省略）が形成されている。そして、このようなコンプレッサインペラ１と前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３とは、ケーシング５にベアリングを介して回転自在に支持された共通のシャフト６に同芯状に嵌合固定されている。

燃焼器４は、中空のドーナツ状に形成されて前段のタービンディスク２の周囲に配置されている。この燃焼器４の周面には、多数の圧縮空気流入孔４Ａが周方向に均等に分布するように開口されている。そして、この燃焼器４は、図示しない燃料噴射ノズルから噴射される燃料を多数の圧縮空気流入孔４Ａから流入する圧縮空気により着火させて燃焼させる。

ケーシング５には、コンプレッサインペラ１に空気を供給する空気供給路５Ａと、コンプレッサインペラ１から遠心方向に圧縮空気を圧送する圧縮空気流路５Ｂとが形成されている。この圧縮空気流路５Ｂの上流側には、圧縮空気の圧力を徐々に上昇させるディフューザ７が介設されている。

また、ケーシング５には、ドーナツ状の燃焼器４を囲んで収容する環状空間５Ｃが区画形成されている。そして、このケーシング５には、燃焼器４が発生する燃焼ガスを前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３の外周の複数のブレード（図示省略）に向けて圧送する燃焼ガス圧送路５Ｄが形成されている。

一方、圧縮空気流路５Ｂの下流側端部は、環状空間５Ｃの外周側の部分に向かってＬ字状の断面形状に屈曲しており、この下流側端部には、圧縮空気の旋回流（スワール）を環状空間５Ｃ側に向かう直進流に整流するためのディスワールベーン８が介設されている。

ここで、燃焼器４を囲む環状空間５Ｃの外周側は、ケーシング５に形成された円筒部５Ｅにより区画されている。そして、この円筒部５Ｅの周囲には、環状空間５Ｃに供給される圧縮空気の一部を外部に供給するためのダクト構造体９が付設されている。このダクト構造体９は、環状に形成された抽気流路９Ａ（図２参照）の周方向の対極位置に円筒状の一対の抽気口９Ｂ，９Ｃが連通した構造を有する。なお、抽気流路９Ａの断面形状は、図１に示すような横長の長円形に限らず、適宜の断面形状に変更可能である。

図２に示すように、ダクト構造体９内に形成された環状の抽気流路９Ａは、その周方向に沿って配列された複数の連通流路、例えば、３つの連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆを一組とした４組の連通流路を介して円筒部５Ｅの内側の環状空間５Ｃに連通している。４組の連通流路のうち、２組の連通流路は一方の抽気口９Ｂ側に配置され、他の２組の連通流路は他方の抽気口９Ｃ側に配置されている。

一方の抽気口９Ｂ側の２組の連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…は、抽気口９Ｂに向けて圧縮空気を抽気するように、抽気口９Ｂの両側に左右対称に配置されている。そのうち、連通流路９Ｄ，９Ｄは、抽気口９Ｂに最も近い位置に配置され、連通流路９Ｆ，９Ｆは、抽気口９Ｂから抽気流路９Ａの周方向に最も離れた位置に配置されており、その中間位置に連通流路９Ｅ，９Ｅが配置されている。

同様に、他方の抽気口９Ｃ側の他の２組の連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…は、抽気口９Ｃに向けて圧縮空気を抽気するように、抽気口９Ｃの両側に左右対称に配置されている。そのうち、連通流路９Ｄ，９Ｄは、抽気口９Ｃに最も近い位置に配置され、連通流路９Ｆ，９Ｆは、抽気口９Ｃから抽気流路９Ａの周方向に最も離れた位置に配置されており、その中間位置に連通流路９Ｅ，９Ｅが配置されている。

各組の連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆは、これらに向けて環状空間５Ｃから流入する圧縮空気の抽気流量が均一となるように、抽気口９Ｂ，９Ｃとの間の距離に応じて背圧が上昇するのに対応して流路断面積が漸次大きくなるように設定されている。すなわち、抽気口９Ｂ，９Ｃ付近の背圧の低い位置に配置された連通流路９Ｄ，９Ｄ…の流路断面積が最も小さく、抽気口９Ｂ，９Ｃの双方から抽気流路９Ａの周方向に最も離れた背圧の高い位置に配置された連通流路９Ｆ，９Ｆ…の流路断面積が最も大きく設定され、中間位置の連通流路９Ｅ，９Ｅ…の流路断面積が両者の中間の大きさに設定されている。

ここで、流路断面積の大きい連通流路９Ｄを通過して抽気流路９Ａに流入する抽気の流速は、流路断面積の小さい連通流路９Ｄを通過して抽気流路９Ａに流入する抽気の流速に較べて遅くなる。そこで、抽気流路９Ａ内を流通する抽気の流速を一定化するように、抽気流路９Ａは、一対の抽気口９Ｂ，９Ｃの中間位置から各抽気口９Ｂ，９Ｃに向かって通路断面積が漸次増大する形態のスクロール流路として構成されている。

以上のように構成された第１実施形態の抽気型ガスタービンでは、図１に示したコンプレッサインペラ１の回転により、空気供給路５Ａから吸引された空気が圧縮されて圧縮空気流路５Ｂに圧送される。この圧縮空気は、圧縮空気流路５Ｂの上流に介設されたディフューザ７により圧力が徐々に上昇される。そして、この圧縮空気は、圧縮空気流路５ＢのＬ字状の断面形状に屈曲した下流側端部に介設されているディスワールベーン８により環状空間５Ｃ側に向かう直進流に整流されて環状空間５Ｃ内に供給される。

環状空間５Ｃ内に供給された圧縮空気は、図２に示すように、燃焼器４の周面に開口された多数の圧縮空気流入孔４Ａから燃焼器４内に流入すると共に、ダクト構造体９の各連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…から抽気流路９Ａ内に流入する。そして、燃焼器４内に流入した圧縮空気は、図示しない燃料噴射ノズルから燃焼器４内に噴射される燃料を着火させて燃焼させる。一方、ダクト構造体９の抽気流路９Ａ内に流入した圧縮空気は、一対の抽気口９Ｂ，９Ｃを介して外部の機器に抽気される。

燃焼器４が発生する燃焼ガスは、燃焼ガス圧送路５Ｄにより前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３の外周の複数のブレード（図示省略）に向けて圧送される。これにより、前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３が回転し、この回転によりシャフト６を介してコンプレッサインペラ１が回転駆動される。

ここで、図２に示したように、環状空間５Ｃに連通されるダクト構造体９の各連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…は、抽気口９Ｂ，９Ｃとの間の距離に応じて背圧が上昇するのに対応して流路断面積が漸次大きくなるように設定されている。このため、環状空間５Ｃからダクト構造体９の各連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…に流入する圧縮空気の抽気流量が均一化され、環状空間５Ｃからの抽気量が環状空間５Ｃの周方向に均一化される。

その結果、燃焼器４に供給される圧縮空気の供給流量が環状空間５Ｃの周方向に均一化され、燃焼器４の周方向に圧縮空気が均一に供給される。従って、燃焼器４はその周方向に均一に燃焼ガスを発生するようになり、この燃焼ガスによって前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３が効率良く安定的に駆動される。

一方、環状空間５Ｃからダクト構造体９の各連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…に流入した圧縮空気は、スクロール流路として構成された抽気流路９Ａを各抽気口９Ｂ，９Ｃに向かって一定の流速で流通する。このため、各抽気口９Ｂ，９Ｃに向かう圧縮空気の圧力損失が低減され、各抽気口９Ｂ，９Ｃから大量の圧縮空気を円滑に抽気することが可能となる。

すなわち、第１実施形態の抽気型ガスタービンによれば、コンプレッサインペラ１から圧送される圧縮空気をダクト構造体９の一対の抽気口９Ｂ，９Ｃに向けて大量に抽気することが可能となり、この場合にも、圧縮空気を燃焼器４の周方向に均一に供給することができる。その結果、燃焼器４の周方向に均一に燃焼ガスを発生させることができ、前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３を効率良く安定的に駆動することができる。

次に、図３〜図５を参照して本発明の第２実施形態に係る抽気型ガスタービンを説明する。第２実施形態の抽気型ガスタービンでは、第１実施形態の抽気型ガスタービンにおけるダクト構造体９の代わりに環状仕切り板１０が設けられている。なお、第２実施形態の抽気型ガスタービンにおけるその他の構造部分は、基本的に第１実施形態の抽気型ガスタービンと同様であるため、同様の構造部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図３に示すように、燃焼器４を囲む環状空間５Ｃの外周側は、ケーシング５に形成された環状膨出部５Ｆにより区画されている。この環状膨出部５Ｆの周方向の対極位置には、円筒状の一対の抽気口５Ｇ，５Ｈが形成されている。そして、この環状膨出部５Ｆの内側には環状仕切り板１０が付設されており、この環状仕切り板１０と環状膨出部５Ｆとの間に台形断面の環状の抽気流路１１が形成されている。

環状仕切り板１０には、図４に示すように複数の連通孔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…が周方向に沿って形成されている。そして、この環状仕切り板１０の複数の連通孔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…により、図５に示すように、環状空間５Ｃと環状の抽気流路１１とを連通する複数の連通流路Ａ，Ｂ，Ｃ…が形成されている。

図５に示す複数の連通流路Ａ，Ｂ，Ｃ…は、図２に示した第１実施形態の抽気型ガスタービンにおけるダクト構造体９内の複数の連通流路９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…に対応している。

すなわち、図５に示すように、図２に示した流路断面積の最も小さい連通流路９Ｄ，９Ｄ…に対応した位置には、開口面積の最も小さい連通孔１０Ａ，１０Ａ…による連通流路Ａ，Ａ…が配置され、図２に示した流路断面積の最も大きい連通流路９Ｆ，９Ｆ…に対応した位置には、開口面積の最も大きい連通孔１０Ｃ，１０Ｃ…による連通流路Ｃ，Ｃ…が配置されている。そして、図２に示した流路断面積が中間の大きさの連通流路９Ｅ，９Ｅ…に対応した位置には、開口面積が中間の大きさに設定された連通孔１０Ｂ，１０Ｂ…による連通流路Ｂ，Ｂ…が配置されている。

また、環状の抽気流路１１は、図２に示した環状の抽気流路９Ａと同様に、一対の抽気口５Ｇ，５Ｈの中間位置から各抽気口５Ｇ，５Ｈに向かって通路断面積が漸次増大する形態のスクロール流路として構成されている。

以上のように構成された第２実施形態の抽気型ガスタービンでは、図３に示したコンプレッサインペラ１の回転により圧縮空気が環状空間５Ｃ内に圧縮空気が供給されると、その圧縮空気は、図５に示すように、多数の圧縮空気流入孔４Ａから燃焼器４内に流入すると共に、複数の連通流路Ａ，Ｂ，Ｃ…から環状の抽気流路１１内に流入し、一対の抽気口５Ｇ，５Ｈを介して外部の機器に抽気される。

ここで、各連通流路Ａ，Ｂ，Ｃ…付近の背圧が抽気口５Ｇ，５Ｈとの間の距離に応じて上昇するのに対応して、各連通流路Ａ，Ｂ，Ｃ…の流路断面積が漸次大きくなるように設定されているため、環状空間５Ｃから各連通流路Ａ，Ｂ，Ｃ…に流入する圧縮空気の抽気流量が均一化され、環状空間５Ｃからの抽気量が環状空間５Ｃの周方向に均一化される。

一方、環状空間５Ｃから各連通流路Ａ，Ｂ，Ｃ…に流入した圧縮空気は、スクロール流路として構成された抽気流路１１を各抽気口５Ｇ，５Ｈに向かって一定の流速で流通する。このため、各抽気口５Ｇ，５Ｈに向かう圧縮空気の圧力損失が低減され、各抽気口５Ｇ，５Ｈから大量の圧縮空気を円滑に抽気することが可能となる。

すなわち、第２実施形態の抽気型ガスタービンによれば、コンプレッサインペラ１から圧送される圧縮空気を一対の抽気口５Ｇ，５Ｈに向けて大量に抽気することが可能となり、この場合にも、圧縮空気を燃焼器４の周方向に均一に供給することができる。その結果、燃焼器４の周方向に均一に燃焼ガスを発生させることができ、前段のタービンディスク２および後段のタービンディスク３を効率良く安定的に駆動することができる。

本発明に係る抽気型ガスタービンは、前述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、図４に示した環状仕切り板１０の連通孔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…は、多数の小孔に変更してもよい。この場合、多数の小孔は、これらを通過する抽気流量が環状仕切り板１０の周方向に均一化されるように開口径を異ならせ、あるいは分布密度を異ならせる。

また、図３に示したケーシング５の環状膨出部５Ｆは、例えば図６に示すように、膨出部のない筒状部５Ｉに変更してもよい。この場合、筒状部５Ｉとの間に抽気流路１１を形成するように屈曲した断面形状の環状仕切り板１２を筒状部５Ｉの内側に付設する。

本発明の第１実施形態に係る抽気型ガスタービンの概略構造を模式的に示す縦断面図である。図１に示した抽気型ガスタービンの要部構造を示す図２のＩＩ−ＩＩ線断面図である。第２実施形態に係る抽気型ガスタービンの概略構造を模式的に示す縦断面図である。図３に示した環状仕切り板の側面図である。図３に示した抽気型ガスタービンの要部構造を示す図３のＶ−Ｖ線断面図である。図３に示したケーシングの環状膨出部の変形例を示す図３の部分拡大断面図である。

符号の説明

１…コンプレッサインペラ、２…前段のタービンディスク、３…後段のタービンディスク、４…燃焼器、４Ａ…圧縮空気流入孔、５…ケーシング、５Ａ…空気供給路、５Ｂ…圧縮空気流路、５Ｃ…環状空間、５Ｄ…燃焼ガス圧送路、５Ｅ…円筒部、５Ｆ…環状膨出部、５Ｇ…一方の抽気口、５Ｈ…他方の抽気口、５Ｉ…筒状部、６…シャフト、７…ディフューザ、８…ディスワールベーン、９…ダクト構造体、９Ａ…環状の抽気流路、９Ｂ…一方の抽気口、９Ｃ…他方の抽気口、９Ｄ，９Ｅ，９Ｆ…連通流路、１０…環状仕切り板、１１…環状の抽気流路、１２…環状仕切り板。

Claims

少なくともコンプレッサ、燃焼器およびタービンを備えると共に、前記コンプレッサから前記燃焼器を囲む環状空間に供給される圧縮空気を外部にも供給可能な抽気手段を備える抽気型ガスタービンであって、
前記抽気手段として、抽気口に連通する抽気流路が複数の連通流路を介して前記環状空間に連通されており、
前記複数の連通流路は、前記抽気口から前記環状空間の周方向に遠ざかるほど流路断面積が漸次大きく設定されていることを特徴とする抽気型ガスタービン。
前記抽気口、抽気流路および複数の連通流路を有するダクト構造体が前記環状空間を区画するケーシングに付設されていることを特徴とする請求項１に記載の抽気型ガスタービン。
前記環状空間を区画するケーシングには前記抽気口が形成され、この抽気口に連通する前記抽気流路が前記ケーシングとその内側に付設された環状仕切り板との間に形成されており、この環状仕切り板には、前記複数の連通流路を構成する複数の連通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の抽気型ガスタービン。
前記ケーシングには前記抽気口を有する環状膨出部が形成されており、この環状膨出部と前記環状仕切り板との間に前記抽気流路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の抽気型ガスタービン。
前記抽気流路は、前記抽気口に向かう圧縮空気の流速を一定化するスクロール流路として構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１の請求項に記載の抽気型ガスタービン。