JP5582747B2 - 配管ジョイント、ガスタービンおよび固有振動数調整方法 - Google Patents
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Description
ガスタービンの作動時において、加熱されるガスタービン内部の部材の表面の温度が上昇し過ぎると、その部材の表面が劣化する等、不具合が生じる可能性がある。このため、加熱されるガスタービン内部の部材の表面の温度上昇を抑制するためにさまざまな技術が案出されている。例えば、燃焼器の周囲に配管を敷設し、この配管に圧縮機で圧縮された空気を流通させて燃焼器の壁面を冷却する場合がある。
また、ベローズの外周面にオイルを付着させる必要があるので、ベローズからオイルが垂れる虞があり、オイルの飛散を避けたい箇所では使用することが困難であるという課題がある。
また、さまざまな使用環境で利用することができる配管ジョイント、この配管ジョイントを用いるのに好適なガスタービンおよび固有振動数調整方法を提供するものである。
また、本発明に係る固有振動数調整方法は、1つのベローズと、前記ベローズの少なくとも一部に設けられ、前記ベローズの固有振動数を調整するための振動調整手段とを備え、前記ベローズの一部に蛇腹状に形成しない平面部を形成し、前記振動調整手段は、前記平面部に固定され、複数の孔を有するリブと、前記リブの前記複数の孔に挿入する錘部とからなる配管ジョイントの固有振動数を調整する固有振動数調整方法であって、前記錘部を、前記ベローズの固有振動数が調整されるように、前記複数の孔のうち少なくとも1つ以上の前記孔に挿入することを特徴とする。
このように構成することで、振動調整手段により、ベローズの固有振動数を調整できるので、ベローズの共振を効率よく確実に回避し、ベローズの曲げ方向の振動を低減することが可能になる。
また、従来のようにオイルが飛散する虞がないので、さまざまな使用環境で配管ジョイントを利用することが可能になる。
また、このように構成することで、リブに取り付ける錘部の重量や数を変化させるだけで容易にベローズの固有振動数を調整することができる。このため、ベローズの共振を容易、かつ確実に回避し、ベローズの曲げ方向の振動を低減することが可能になる。
また、ベローズを製作した後であってもこのベローズの固有振動数を調整することができるので、共振を回避するためにベローズを再製作する必要がなく、製造コストを低減することが可能になる。
このように構成することで、効率よく確実にベローズの共振を回避し、ベローズの曲げ方向の振動を低減することができるガスタービンを提供できる。
このように構成することで、ガスタービン運転時の燃焼器を効率的に冷却しつつ、ベローズの共振による騒音を低減することができる。
また、従来のようにオイルが飛散する虞がないので、さまざまな使用環境で配管ジョイントを利用することが可能になる。
(ガスタービン)
次に、この発明の第一実施形態を図1〜図6に基づいて説明する。
図1は、ガスタービン1を示す模式的な半断面図である。
図1に示すように、ガスタービン1は、圧縮空気を生成する圧縮機2と、圧縮機2から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する複数の燃焼器3と、少なくとも1段ずつのタービン静翼5、およびタービン動翼6を有し、燃焼器3から供給される燃焼ガスにより回転動力を発生させるタービン4とを備えている。
なお、以下の説明において、ロータ7の軸線方向Dに沿って圧縮機2側を前側とし、タービン4側を後側とする。
圧縮機2は、空気を取り込む空気取入口20aを前側に向けて配設された圧縮機ケーシング20と、この圧縮機ケーシング20内に配設された複数の圧縮機静翼21、および複数の圧縮機動翼22とを備えている。
圧縮機静翼21は、それぞれ圧縮機ケーシング20の内周面に固定されると共に、ロータ7側に向けて延設される圧縮機静翼本体51を備えている。圧縮機静翼本体51は、タービン4の周方向Rに互いに等しい間隔をあけて配列している。
また、圧縮機動翼22は、ロータ7の外周面に固定されると共に、圧縮機ケーシング20の内周面に向けて延設される圧縮機動翼本体52を備えている。圧縮機動翼本体52は、タービン4の周方向Rに互いに等しい間隔をあけて配列している。そして、これら圧縮機静翼21と圧縮機動翼22は、軸線方向Dに沿って交互になるように多段配置されている。
燃焼器3は、内部に図示しないバーナを有する内筒30と、圧縮機2から供給される圧縮空気を内筒30に導く外筒31と、内筒30に燃料を供給する図示しない燃料噴射器と、内筒30からの燃焼ガスをタービン4に導く尾筒32とを備えている。
このように構成された燃焼器3によれば、内筒30内において、外筒31から導かれる圧縮空気と燃焼噴射機から供給される燃料とを混合し、混合された流体をバーナにより燃焼させることで燃焼ガスを生成することが可能となる。そして、この燃焼ガスを尾筒32を通してタービン4に導くことができる。
複数の燃焼器3は、タービン4の周方向Rに配置されると共に、前端部が圧縮機ケーシング20の後端部に連結された燃焼器ケーシング33の内部に配設されている。
タービン4は、前端部が燃焼器ケーシング33の後端部に連結されたタービンケーシング40と、このタービンケーシング40内に軸方向に交互に多段に配設されたタービン静翼5、およびタービン動翼6とを備えている。
各段のタービン静翼5は、周方向Rに環状に等しい間隔をあけて配列され、それぞれタービンケーシング40側に固定されると共にロータ7側に向けて放射状に複数延設されるタービン静翼本体53を備えている。複数のタービン静翼本体53は、略円弧状に形成された外側シュラウド60、および内側シュラウド61に連結されている。
また、タービンケーシング40の後端部には、後側に向けて開口した排気室42が連結されている。この排気室42には、タービン静翼5、およびタービン動翼6を通過した燃焼ガスの動圧を静圧に変換する排気ディフューザ42aが備えられている。
そして、この燃焼ガスがタービン静翼5、およびタービン動翼6が配列する範囲を燃焼ガス流路4aとして通過することでロータ7が回転駆動され、ガスタービン1は、回転動力を出力することができる。そして、ロータ7を回転駆動した後の排気ガスは、排気室42の排気ディフューザ42aで静圧に変換された後、大気に放出される。
一方、燃焼器3には、この外周面に沿って冷却管路59が敷設されている(図2参照)。冷却管路59は、この内部に圧縮機2内部の空気を燃焼器3を冷却するための冷却ガス
として流通させるためのものである。
図2は、燃焼器3の周辺の拡大図である。図3は、図2のA−A線に沿う断面図である。
図2、図3に示すように、燃焼器ケーシング33には、燃焼器3とタービン4との間近傍に、内側に向かって隔壁33aが突設されている。隔壁33aには、タービン静翼5の外側シュラウド60を取り囲むように、翼環62が前側(図2における左側)に向かって突設されている。
ここで、図3に示すように、冷却管路59は、それぞれ直列に配置された複数の配管63と、隣接する配管63同士を連結する配管ジョイント64とで構成されている。そして、複数の配管63のうち、一部の配管63がブラケット65を介して翼環62、および燃焼器3に支持されている。
図4は、配管ジョイント64の概略構成図、図5は、配管ジョイント64のリブ66の斜視図、図6は、図4のB−B線に沿う断面図である。なお、以下の説明において、各配管ジョイント64は、全て略同一構造で構成されているので、1つの配管ジョイント64にのみ説明し、他の配管ジョイント64については説明を省略する。
図4〜図6に示すように、配管ジョイント64は、ベローズ67と、ベローズ67の外周面に取り付けられた振動調整手段68とで構成されている。ベローズ67は蛇腹状に形成された配管であって、外周面に周方向全体に亘って形成された複数の溝74が軸方向に沿って並設された状態になっている。
振動調整手段68は、平面部69に外嵌固定されたリング状のリブ66を有している。このリブ66は、平面部69に溶接により固定されている。したがって、平面部69には、リブ66の軸方向両側面に対応する位置に、溶接部71が形成されている。
すなわち、この第一実施形態では、リブ66に4つのボルト73を周方向に等間隔で螺入している。しかしながら、これに限られるものではなく、配管ジョイント64によって連結された配管63とベローズ67との共振を回避すべく、リブ66に締結固定するボルト73の数、質量、固定箇所を変化させることができる。このようにすることで、ベローズ67の固有振動数を調整できるようになっている。
また、従来のようにオイルが飛散する虞がないので、さまざまな使用環境で配管ジョイントを利用することが可能になる。
そして、ベローズ67の外周面にリブ66が取り付けられているので、例えば、ガスタービン1の運転中等のベローズ67の振動状況を確認しながら任意の箇所にボルト73を螺入し、ベローズ67の共振を防止することができる。このため、調整作業性のよい配管ジョイント64を提供することができる。
さらに、平面部69を全周に亘って形成した場合であってもリブ66をリング状に形成せずに、平面部69の外周面に沿って略円弧状に形成してもよい。この場合、リブ66を平面部69の任意の箇所に固定してよい。
そして、雌ネジ部72に代わってリブ66に単なる貫通孔を形成し、この貫通孔にボルト73に代わって錘を挿入するように構成してもよい。このように構成した場合であっても、任意の貫通孔に錘を挿入することで、ベローズ67の固有振動数を容易、かつ確実に調整することが可能になる。
(配管ジョイント)
次に、この発明の参考例1を図7、図8に基づいて説明する。
図7は、配管ジョイント84の概略構成図、図8は、振動調整手段88の平面図である。なお、第一実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明する(以下の実施形態、参考例についても同様)。
この参考例1において、ガスタービン1は、圧縮空気を生成する圧縮機2と、圧縮機2から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する複数の燃焼器3と、少なくとも1段ずつのタービン静翼5、およびタービン動翼6を有し、燃焼器3から供給される燃焼ガスにより回転動力を発生させるタービン4とを備えている点、燃焼器3の尾筒32、および翼環62の外周に冷却管路59が螺旋状に敷設されている点、冷却管路59は、直列配置された複数の配管63を有し、これら複数の配管63のうち、一部の配管63がブラケット65を介して燃焼器3、および翼環62に支持されている点、隣接する配管63同士が配管ジョイント84を介して連結されている点、配管ジョイント84は、蛇腹状に形成されたベローズ67と、ベローズ67に取り付けられた振動調整手段88とを有し、ベローズ67の軸方向両端には、配管63を連結するための端板70a,70bが溶接等により固定されている点等の基本的構成は前述の第一実施形態と同様である(以下の実施形態、参考例についても同様)。
リブ86は半円状に形成された2つのリブ片87a,87aを周方向に重ね合わせてなるものであって、周方向に2分割可能に構成されている。
このような構成のもと、リブ86は、この嵌合部79が溝74に嵌まり込むようにしてベローズ67の外周面に取り付けられるので、リブ86によってベローズ67が拘束された状態になる。
また、ベローズ67の製作時に特殊な方法を用いることなく、製作したベローズ67にリブ86を後付けすることができる。このため、リブ86を後付けするだけで容易にベローズ67の固有振動数を調整することが可能になり、ベローズ67の製造コストの増大を防止できる。
また、上述の参考例1では、リブ片87aのボルト取付け座83に不図示の挿通孔を形成し、ここにボルト82を挿通する場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、例えば、2つのリブ片87a,87aのうち、一方のボルト取付け座83に雌ネジ部を形成し、他方のボルト取付け座83から挿入したボルト82を一方の取付け座83に螺入するように構成してもよい。
すなわち、リブ86を構成するリブ片87aにおいて、外周部78の外周面側にベローズ67の溝に勘合する嵌合部79を設けると共に、リブ片87aの周方向両端に形成されるボルト取付け座83を径方向内側に向かって突設させてもよい。このように構成することで、リブ86をベローズ67に内嵌固定することが可能になる。このため、ベローズ67の周囲に空きスペースを確保することができ、配管ジョイント84のレイアウト性を高めることが可能になる。
(配管ジョイント)
次に、この発明の参考例Aを図9に基づいて説明する。
図9は、参考例Aにおける配管ジョイント94の概略構成図である。
同図に示すように、配管ジョイント94に設けられている振動調整手段98は、ベローズ67の周囲を取り囲むように形成された蛇腹状の補強用ベローズ97を有している。この補強用ベローズ97の外径は、ベローズ67の外径よりも大きく設定されている。そして、ベローズ67に対して同心円上に配置されている。
ここで、補強用ベローズ97の圧縮力は、ベローズ67の圧縮力と略同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、ベローズ67の固有振動数に応じて適宜調整するようにする。
また、補強用ベローズ97に別途高比重の樹脂(樹脂製のウェート)等を付着させることで補強用ベローズ97自体の重量を変化させ、これによりベローズ67の固有振動数を微調整することも可能になる。
また、補強用ベローズ97の外径をベローズ67の内径よりも小さく設定し、補強用ベローズ97をベローズ67の内周面側に配置してもよい。このように構成することで、例えば、ベローズ67の周囲に空きスペースを確保することができ、配管ジョイント94のレイアウト性を高めることが可能になる。
(配管ジョイント)
次に、この発明の参考例2を図10、図11に基づいて説明する。
図10は、参考例2における配管ジョイント104の概略構成図、図11は、図10のC−C線に沿う断面図である。
ここで、図10、図11に示すように、前述の第二実施形態と参考例2との相違点は、前述の第二実施形態の振動調整手段98は、補強用ベローズ97を有しているのに対し、参考例2の振動調整手段108は、補強用ベローズ97に代わってコイルバネ96を複数有している点にある。
そして、各コイルバネ105は、圧縮された状態でベローズ67の周囲であって端板70a,70b間に、支持部材101を介して固定されている。
さらに、コイルバネ105の配置箇所は、ベローズ67の外周側に限られるものではなく、複数のコイルバネ105をベローズ67の内周側に周方向に沿って配置してもよい。このように構成することで、ベローズ67の周囲に空きスペースを確保することができるので、前述の第二実施形態と同様の効果を奏することができる。
(配管ジョイント)
次に、この発明の参考例3を図12に基づいて説明する。
図12は、参考例3における配管ジョイント114の概略構成図である。
同図に示すように、配管ジョイント114に設けられている振動調整手段118は、ベローズ67の周囲に設けられた複数のコイルバネ105と、ベローズ67の溝74に塗布された充填材115とを有している。
ここで、ベローズ67の周囲に設けられたコイルバネ105は、前述の参考例2におけるコイルバネ105と同様の構成により、支持部材101を介して端板70a,70bの内面に固定されているので、説明を省略する。
充填材115としては、シリコン、ゴム、接着剤等を用いることができる。
さらに、ベローズ67の溝74に充填材115を塗布すればよいので、ベローズ67の共振に対する応急処置的な対策としても実施することが可能である。
また、上述の参考例3では、ベローズ67の外周面に形成された溝74に充填材115を塗布した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ベローズ67の内周面に形成されている溝に充填材115を塗布するように構成してもよい。
(配管ジョイント)
次に、この発明の参考例4を図13に基づいて説明する。
図13は、参考例4における配管ジョイント124の概略構成図である。
同図に示すように、参考例4のベローズ67aは、軸方向に2分割されており、2つのベローズ片125a,125bを形成している。2つのベローズ片125a,125bの間には、振動調整手段128が設けられている。
このように構成されたスペーサ126は、一方のベローズ片125aの端板70aとは反対側の端部に設けられている端板129aと、他方のベローズ片125bの端板70bとは反対側の端部に設けられている端板129bとにより挟持されている。
また、スペーサ126を製作するにあたって、ゴム等の弾性を有する材料を使用する場合、スペーサ126によってベローズ67aの振動を減衰することが可能になる。
このように構成することで、例えば、ベローズ67の周囲に空きスペースを確保することができ、配管ジョイント124のレイアウト性を高めることが可能になる。
(配管ジョイント)
次に、この発明の参考例Bを図14に基づいて説明する。
図14は、参考例Bにおける配管ジョイント134の概略構成図である。
同図に示すように、配管ジョイント134に設けられている振動調整手段138は、ベローズ67の外周側であって、ベローズ67の軸心を中心に対向配置された2つの防振バー131,131を有している。
ここで、以下の説明において、2つの防振バー131,131は同一構成からなるので、1つの防振バー131についてのみ説明する。
防振ゴム133の材料としては、例えば、フッ素ゴム等の耐食性のあるものが用いられる。
ここで、防振ゴム133による減衰量は、防振ゴム133の大きさを変化させることにより調整することが可能である。また、支持棒132の断面積を変化させることにより、支持棒132の剛性を変化させ、ベローズ67の固有振動数を調整することも可能である。
したがって、上述の参考例Bによれば、振動調整手段138によるベローズ67の損傷を回避しつつ、防振バー131によってベローズ67の共振を回避することができる。
また、防振バー131の配置個数は2つに限られるものではなく、少なくとも1つの防振バー131が配置されていればよい。
しかしながら、これに限られるものではなく、例えば、3つ以上の支持棒132と、各支持棒132間に配置される複数の防振ゴム133とにより防振バー131を構成するようにしてもよい。また、例えば、1つの支持棒132の軸方向両端にそれぞれ防振ゴム133を設け、これら防振ゴム133をベローズ67の端板70a,70bに固定するように構成してもよい。さらに、防振ゴム133のみで防振バー131を構成し、この防振バー131をベローズ67の端板70a,70b間を跨るように設けてもよい。
2 圧縮機
3 燃焼器
63 配管
64,84,94,104,114,124,134 配管ジョイント
66 リブ
67,67a ベローズ
68,88,98,108,118,128,138 振動調整手段
69 平面部
72 雌ネジ部(孔)
73 ボルト(錘部)
74 溝
86 リブ(リング部材)
89 コーティング(熱変形許容部)
97 補強用ベローズ(防振部材)
105 コイルバネ
115 充填材
125a,125b ベローズ片
126 スペーサ
131 防振バー
132 支持棒
133 防振ゴム(弾性部)
Claims (4)
- 1つのベローズと、
前記ベローズの少なくとも一部に設けられ、前記ベローズの固有振動数を調整するための振動調整手段とを備え、
前記ベローズの一部に蛇腹状に形成しない平面部を形成し、
前記振動調整手段は、
前記平面部に固定され、複数の孔を有するリブと、
前記リブの前記複数の孔のうち任意の前記孔に挿入されることで前記ベローズの固有振動数を調整する錘部とからなることを特徴とする配管ジョイント。 - 圧縮空気を生成する圧縮機と、
この圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記圧縮空気、および前記燃焼ガスの一部を所定の箇所に導く複数の配管と、
請求項1に記載の配管ジョイントとを備え、
前記複数の配管の一部を前記配管ジョイントを介して接続したことを特徴とするガスタービン。 - 前記燃焼器の周囲に配置され、前記圧縮空気を流通して前記燃焼器を冷却する複数の配管の間に、前記配管ジョイントを設けたことを特徴とする請求項2に記載のガスタービン。
- 1つのベローズと、
前記ベローズの少なくとも一部に設けられ、前記ベローズの固有振動数を調整するための振動調整手段とを備え、
前記ベローズの一部に蛇腹状に形成しない平面部を形成し、
前記振動調整手段は、
前記平面部に固定され、複数の孔を有するリブと、
前記リブの前記複数の孔に挿入する錘部とからなる配管ジョイントの固有振動数を調整する固有振動数調整方法であって、
前記錘部を、前記ベローズの固有振動数が調整されるように、前記複数の孔のうち少なくとも1つ以上の前記孔に挿入することを特徴とする固有振動数調整方法。
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