JP4672316B2

JP4672316B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP4672316B2
Application number: JP2004262718A
Authority: JP
Inventors: 栄作伊藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-09-09
Also published as: JP2006077677A

Description

本発明は、ガスタービンに関するものであり、更に詳しくは、圧縮機から燃焼器までの空気経路及び燃焼器形状を考慮したガスタービンに関するものである。

従来より、例えば大型ガスタービンにおいては、タービン回転軸の軸振動防止のため軸スパンに制約がある一方、圧縮機は圧力比を確保するため所定の軸方向長さが必要となっている。このため、燃焼器はその空気入口側がタービンの外側へ突出するようにして配設されているのが一般的である。そしてこの構成に基づき、圧縮機出口部から燃焼器車室を経て燃焼器入口部へ到る圧縮機吐出空気経路が定められている。

その他、ガスタービンエンジンのＮＯｘ排出物の低減を図ったものが、特許文献１に開示されている。これは、ガスタービンエンジンにおいて、圧縮機からの空気を冷却するためのターボクーラーを設けるとともに、ターボクーラーからの空気が燃料噴射器に供給されるようにターボクーラーと燃料噴射器とを連絡するものである。
特開平１０−２５９７３８号公報

しかしながら、上述したような従来のガスタービンにおいては、圧縮機から燃焼器までに、１８０°に近い空気のリターン部が２箇所もあり、この部分で不必要な圧力損失が生じている。具体的には、圧縮機ディフューザ出口から燃焼器入口へ向かう途中のリターン部と、燃焼器入口から燃焼器内にかけての再リターン部とがあり、これらの部分で圧力損失が生じるので、これがガスタービン性能の低下の原因となっている。

また、上記各リターン部や尾筒隙間及び尾筒上面において、空気流れの乱れが発生し、流速分布が生じて流れの制御が困難となり、下流の燃焼領域での安定燃焼の妨げとなる。加えて、前記空気流れの乱れの影響により、燃焼器内筒や尾筒等が励振力を受け、これらが損傷するおそれがある。

また、尾筒周りの空気の流速分布が非定常且つ複雑であり、尾筒の冷却設計の境界条件が予測困難となって、不均一に冷却されることによる熱応力が生じるおそれがある。同様にして、尾筒周りに静圧分布が生じるため、いわゆるパージ空気，シール空気，及びフィルム冷却空気の供給圧の予測，制御が困難となる。

また、燃焼器の形式としては、例えばいわゆるキャニュラー形のものが用いられており、この場合、尾筒の側壁部の冷却には多大な冷却空気或いは蒸気が必要となる。これを回避するために、いわゆるアニュラー形尾筒とすると、尾筒上面（外周面）での空気流れがなくなり、この部分の冷却が困難となる。加えて、尾筒上部（外周側）に位置するバイパス弁への空気供給が困難となる。

本発明は、以上のような問題点に鑑み、簡単な構成で、圧縮機から燃焼器にかけての空気流れの乱れや圧力損失を低減し、性能や信頼性の向上を図ったガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、圧縮機空気出口から燃焼器空気入口までのアニュラー型空気通路が、タービン軸方向から半径方向へと漸次変化し、該アニュラー型空気通路の空気出口が、該空気出口の径方向外周側に向かい合う位置に位置する燃焼器の空気入口に連通することを特徴とする。ここで、アニュラー型空気通路とは、タービン軸周りに環状に配置され、圧縮機からの空気をタービン軸方向に噴き出す空気通路のことである。

また、以下の条件式を満足することを特徴とする。
Ｒ_C＞０．８Ｒ_T
但し、
Ｒ_C：タービン回転軸から圧縮機の空気出口中心までの距離（圧縮機出口平均半径）Ｒ_T：タービン回転軸からタービンの燃焼ガス入口中心までの距離（タービン入口平均半径）
である。

また、前記圧縮機の空気出口を、タービン軸方向に沿って前記燃焼器の空気入口よりも圧縮機側に配置したことを特徴とする。

また、前記圧縮機からの空気が前記燃焼器の周囲に形成された燃焼器車室においてスクロールしつつ、前記燃焼器内へとその半径方向に流入するようにしたことを特徴とする。

また、前記アニュラー型空気通路の空気出口に多孔板或いはメッシュを配置して、この部分より前記圧縮機からの空気が前記燃焼器車室内へ流入するようにしたことを特徴とする。

また、前記燃焼器の空気入口に多孔板を配置して、この部分より空気が前記燃焼器内へ流入するようにしたことを特徴とする。

また、前記燃焼器車室の、前記燃焼器から見て前記アニュラー型空気通路の空気出口とは反対側に、前記燃焼器車室の左右を仕切る仕切板を設置したことを特徴とする。

また、前記燃焼器はキャニュラー型燃焼器であることを特徴とする。或いは、前記燃焼器はアニュラー型燃焼器であることを特徴とする。ここで、キャニュラー型燃焼器は、タービン軸周りに複数配設された各燃焼器の尾筒同士を、そのタービン軸周りに互いに連結して環状とした構成のものであり、アニュラー型燃焼器は、タービン軸周りに複数配設された各燃焼器の尾筒部分のみ、そのタービン軸周りに一体に形成して環状とした構成のものである。

本発明によれば、簡単な構成で、圧縮機から燃焼器にかけての空気流れの乱れや圧力損失を低減し、性能や信頼性の向上を図ったガスタービンを提供することができる。

具体的には、圧縮機空気出口から燃焼器空気入口までのアニュラー型空気通路が、タービン軸方向から半径方向へと漸次変化するようにすることにより、圧縮機から燃焼器にかけての圧力損失の低減及び空気流の乱れ低減を図るとともに、ディフューザの配置，接続構造を容易とすることができる。

また、タービン回転軸から圧縮機の空気出口中心までの距離（圧縮機出口平均半径）をＲ_Cとし、タービン回転軸からタービンの燃焼ガス入口中心までの距離（タービン入口平均半径）をＲ_Tとして、Ｒ_C＞０．８Ｒ_Tとなるようにすることにより、圧縮機から燃焼器にかけての圧力損失の低減及び空気流の乱れ低減を図るとともに、ディフューザの配置，接続構造を容易とすることができる。

また、圧縮機の空気出口を、タービン軸方向に沿って燃焼器の空気入口よりも圧縮機側に配置することにより、燃焼器車室及びアニュラー型空気通路（ディフューザ）のタービン軸方向スペースを確保し、圧縮機から燃焼器にかけての該空気通路の配置，接続構造を容易とすることができる。

また、圧縮機からの空気が燃焼器の周囲に形成された燃焼器車室においてスクロールしつつ、燃焼器内へとその半径方向に流入するようにすることにより、従来のように空気が燃焼器へ流入する際に１８０°近くリターンするといったことが無くなり、最大でも９０°以下の折れ曲がりで済み、燃焼器の空気入口部における空気流量分布の均一化を図ることができる。

また、アニュラー型空気通路の空気出口に多孔板或いはメッシュを配置して、この部分より圧縮機からの空気が燃焼器車室内へ流入するようにすることにより、燃焼器入口部における空気流量分布の均一化、及び空気流れの乱れ低減を図ることができる。

また、燃焼器の空気入口に多孔板を配置して、この部分より空気が燃焼器内へ流入するようにすることにより、燃焼器入口部における空気流量分布の均一化、及び空気流れの乱れ低減を図ることができる。

また、燃焼器車室の、燃焼器から見てアニュラー型空気通路の空気出口とは反対側に、燃焼器車室の左右を仕切る仕切板を設置することにより、燃焼器の左右両側を通ってきた空気同士が燃焼器車室のタービン外周側でぶつかり合わないようにして、燃焼器車室内の空気の脈動を防止し、燃焼器入口部における空気流量分布の均一化、及び空気流れの乱れ低減を図ることができる。

また、燃焼器をキャニュラー型燃焼器とすることにより、燃焼器に関しては従来技術の活用が可能になるとともに、燃焼器１本ずつの交換が可能となり、メンテナンス性が確保される。

或いは、燃焼器をアニュラー型燃焼器とすることにより、尾筒の側壁が無くなって表面積が小さくなるので、尾筒を冷却する冷却空気の低減が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、その基本的な考え方として、圧縮機ディフューザの空気出口部が燃焼器の空気入口部に直接連通するように配置し、空気が燃焼器に対してなるべくタービン軸方向に供給されるようにしている。これにより、圧縮機からの吐出空気が１８０°近く２回もリターンして燃焼器に流入するといった従来の構成を無くし、圧力損失の低減及び空気流の乱れ低減を図っている。

図１は、本発明に係るガスタービンの構成を模式的に示す縦断面図であり、タービン回転軸の上側における圧縮機ディフューザ及びその近傍の様子を示している。同図において、１は圧縮機、２はディフューザ、３は燃焼器、４はタービンである。また５は燃焼器車室、６はケーシングである。圧縮機１は静翼１ａ及び動翼１ｂを有しており、動翼１ｂがタービン回転軸Ｘを中心として回転し、静翼１ａとの間で空気を圧縮しつつ所定の流れとして、ディフューザ２へ吐出する。ディフューザ２は、圧縮機１の空気出口１ｃと連通しつつタービン回転軸Ｘの周りに全周に渡って設けられている。

また、ディフューザ２の空気出口２ａが燃焼器３の空気入口３ａに直接連通しており、これらを経てディフューザ２からの空気が燃焼器３に供給される。燃焼器３ではこの空気と混合された燃料が燃焼し、高温，高圧の燃焼ガスとなって燃焼ガス出口３ｂからタービン４へと噴き出す。タービン４は静翼４ａ及び動翼４ｂを有しており、燃焼器３から噴き出した燃焼ガスが静翼４ａを通過して所定の流れとなり、更に動翼４ｂに吹き付けられてこれを駆動し、タービン４を回転させる。

本実施例では、ディフューザ２はいわゆるアニュラーディフューザとラジアルディフューザとの中間タイプとなっており、図２に示すように、ディフューザ２をラッパの開口部が軸周りに二重の環状になったような形状とし、この二重の開口部の間に空気通路を有する構成としている。そしてこのディフューザ２において、圧縮機１の空気出口１ｃから燃焼器３の空気入口３ａまでの空気通路が、タービン軸方向から半径方向へと漸次変化するようにした構成となっている。

ここで、一般に、アニュラーディフューザとは、タービン軸周りに環状に配置され、圧縮機からの空気をタービン軸方向に噴き出すディフューザのことであり、ラジアルディフューザとは、同じくタービン軸周りに環状に配置され、圧縮機からの空気をタービン半径方向に噴き出すディフューザのことである。そして、本実施例ではこれらの中間タイプとすることにより、圧縮機空気出口から燃焼器空気入口までのアニュラー型空気通路がタービン軸方向から半径方向へと漸次変化するガスタービンを構成している。

この構成により、圧縮機１からの吐出空気が図１の矢印Ａで示すようにガスタービンの斜め外側へ向かって流れ、燃焼器３に供給される。このような構成のディフューザを斜流型ディフューザと呼ぶ。これにより、圧縮機から燃焼器にかけての圧力損失の低減及び空気流の乱れ低減を図るとともに、ディフューザの配置，接続構造を容易としている。

本実施例は、圧縮機１の後方段を比較的径が大きいタイプ（高径タイプ）としたものである。具体的には、上記図１において、タービン回転軸Ｘから圧縮機１の空気出口１ｃ中心までの距離（圧縮機出口平均半径）をＲ_Cとし、タービン回転軸Ｘからタービン４の燃焼ガス入口４ｃ中心までの距離（タービン入口平均半径）をＲ_Tとすると、Ｒ_C＞０．８Ｒ_Tとなるようにしている。これにより、圧縮機から燃焼器にかけての圧力損失の低減及び空気流の乱れ低減を図るとともに、ディフューザの配置，接続構造を容易としている。

本実施例は、上記図１に示したように、圧縮機１の空気出口１ｃを、タービン軸方向に沿って燃焼器３の空気入口３ａよりも前方（圧縮機側）に配置した構成としたものである。これにより、燃焼器車室５及びディフューザ２のタービン軸方向スペースを確保し、圧縮機から燃焼器にかけてのディフューザの配置，接続構造を容易としている。このような構成とするための手段としては、例えば圧縮機をタービン軸方向に短縮したタイプにすることが挙げられる。こうすることにより、前記効果を達成しつつ、タービンの良好な軸振動特性を保つことができる。

図３は、本発明に係るガスタービンの燃焼器及びその近傍の様子を示す横断面図である。なお、同図では燃焼器内部における燃料ノズル等の図示を省略している。本実施例は、同図に示すように、ディフューザ２から矢印Ａで示すように供給された空気が、略円筒状の燃焼器３の周囲に形成された燃焼器車室５において、矢印Ｂで示すようにスクロールしつつ、燃焼器３の外周面に設けられた空気入口３ａから、燃焼器３内へとその半径方向に流入する構成としたものである。これにより、従来のように空気が燃焼器へ流入する際に１８０°近くリターンするといったことが無くなり、最大でも９０°以下の折れ曲がりで済む。このような構成とすることにより、燃焼器の空気入口部における空気流量分布の均一化を図っている。

本実施例は、図３に示すディフューザ２の空気出口２ａに多孔板或いはメッシュを配置して、この部分より空気が燃焼器車室５内へ流入するようにしたものである。これにより、燃焼器入口部における空気流量分布の均一化、及び空気流れの乱れ低減を図っている。この場合、特に比較的長さスケールの大きい乱れを低減するのに効果的である。

本実施例は、図３に示す燃焼器３の空気入口３ａに多孔板を配置して、この部分より空気が燃焼器３内へ流入するようにしたものである。これにより、燃焼器入口部における空気流量分布の均一化、及び空気流れの乱れ低減を図っている。

本実施例は、図３に示す燃焼器車室５のタービン外周側、即ち燃焼器３から見てディフューザ２の空気出口２ａとは反対側に、燃焼器車室５の左右を仕切る仕切板７を設置した構成としたものである。これにより、燃焼器３の左右両側を通ってきた空気同士が燃焼器車室５のタービン外周側でぶつかり合わないようにして、燃焼器車室５内の空気の脈動を防止している。そして、燃焼器入口部における空気流量分布の均一化、及び空気流れの乱れ低減を図っている。

本実施例は、上記実施例１の構成に加えて、燃焼器３を従来のいわゆるキャニュラー型燃焼器としたものである。キャニュラー型燃焼器は、タービン軸周りに複数配設された各燃焼器の尾筒同士を、そのタービン軸周りに互いに連結して環状とした構成のものである。これにより、燃焼器に関しては従来技術の活用が可能になるとともに、燃焼器１本ずつの交換が可能となり、メンテナンス性が確保される。

本実施例は、上記実施例１の構成に加えて、燃焼器３を従来のいわゆるアニュラー型燃焼器としたものである。アニュラー型燃焼器は、タービン軸周りに複数配設された各燃焼器の尾筒部分のみ、そのタービン軸周りに一体に形成して環状とした構成のものである。これにより、尾筒の側壁が無くなって表面積が小さくなるので、尾筒を冷却する冷却空気の低減が可能となる。

本発明に係るガスタービンの構成を模式的に示す縦断面図。本発明におけるディフューザの形状を示す縦断面図。本発明に係るガスタービンの燃焼器及びその近傍の様子を示す横断面図。

符号の説明

１圧縮機
１ａ静翼
１ｂ動翼
１ｃ空気出口
２ディフューザ
２ａ空気出口
３燃焼器
３ａ空気入口
４タービン
４ａ静翼
４ｂ動翼
４ｃ燃焼ガス入口
５燃焼器車室
６ケーシング
Ｘタービン回転軸

Claims

圧縮機空気出口から燃焼器空気入口までのアニュラー型空気通路が、タービン軸方向から半径方向へと漸次変化し、該アニュラー型空気通路の空気出口が、該空気出口の径方向外周側に向かい合う位置に位置する燃焼器の空気入口に連通することを特徴とするガスタービン。
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン；
Ｒ_Ｃ＞０．８Ｒ_Ｔ
但し、
Ｒ_Ｃ：タービン回転軸から圧縮機の空気出口中心までの距離（圧縮機出口平均半径）Ｒ_Ｔ：タービン回転軸からタービンの燃焼ガス入口中心までの距離（タービン入口平均半径）
である。
前記圧縮機の空気出口を、タービン軸方向に沿って前記燃焼器の空気入口よりも圧縮機側に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン。
前記圧縮機からの空気が前記燃焼器の周囲に形成された燃焼器車室においてスクロールしつつ、前記燃焼器内へとその半径方向に流入するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガスタービン。
前記アニュラー型空気通路の空気出口に多孔板或いはメッシュを配置して、この部分より前記圧縮機からの空気が前記燃焼器車室内へ流入するようにしたことを特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
前記燃焼器の空気入口に多孔板を配置して、この部分より空気が前記燃焼器内へ流入するようにしたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のガスタービン。
前記燃焼器車室の、前記燃焼器から見て前記アニュラー型空気通路の空気出口とは反対側に、前記燃焼器車室の左右を仕切る仕切板を設置したことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載のガスタービン。
前記燃焼器はキャニュラー型燃焼器であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記燃焼器はアニュラー型燃焼器であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。