JP5647039B2

JP5647039B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP5647039B2
Application number: JP2011053820A
Authority: JP
Inventors: 敬介松山; 哲小西
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: JP2012189270A

Description

本発明は、多缶の燃焼器を有するガスタービンに関する。

ガスタービンは、大気を吸入して圧縮した圧縮空気を供給する圧縮機と、圧縮機から送られた圧縮空気に燃料を供給して燃焼させて、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器から供給された高温の燃焼ガスにより駆動されるタービンとを有する。ガスタービンにおいて、燃焼器は、圧縮機とタービンとの間に配置されており、又、ガスタービンのケーシングに対し、周方向に複数並設されて、多缶となっている（例えば、後述する図１参照）。

特許第４２７４９９６号公報

上述したように、ガスタービンの燃焼器は多缶であるため、個々に共鳴周波数が存在することはなく、それらの音響は連成する固有値が殆どである。しかしながら、従来のガスタービンにおいて、このような連成モードに対する対策はなされていない。このような連成モードは、渦のような励振力によるものでも共鳴してしまい、その共鳴により、内圧変動を生じ、ガスタービン運転時の騒音や振動を発生させるおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、多缶の燃焼器による音響の連成を低減するガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るガスタービンは、
ケーシングに対して複数の燃焼器が周方向に並設されたガスタービンにおいて、
前記燃焼器の尾筒後端とタービンの最上流の静翼の前端との間のケーシングに、少なくとも１つの音響ライナを設けたことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るガスタービンは、
上記第１の発明に記載のガスタービンにおいて、
前記音響ライナを前記ケーシングの全周に配置したことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るガスタービンは、
上記第１の発明に記載のガスタービンにおいて、
前記音響ライナを、前記燃焼器同士の連成による音響モードの腹位置に配置したことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係るガスタービンは、
上記第１の発明に記載のガスタービンにおいて、
前記音響ライナを、前記尾筒後端の延長線と重なる位置に配置すると共に、当該音響ライナの音響孔から空気を供給するようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係るガスタービンは、
上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載のガスタービンにおいて、
前記尾筒後端から空気を供給するようにしたことを特徴とする。

第１、第２の発明によれば、燃焼器の尾筒後端とタービンの最上流の静翼の前端との間のケーシングに音響ライナを設けたので、燃焼器による音圧を減衰させて、その音響の連成を低減することができる。その結果、尾筒後端の下流に生じる渦と音響モードの共鳴を抑制し、内圧変動を抑制し、ガスタービン運転時の騒音や振動を抑制することができる。

第３の発明によれば、音響ライナを燃焼器同士の連成による音響モードの腹位置に配置したので、更に効果的に燃焼器による音響の連成を低減することができる。

第４の発明によれば、音響ライナを、尾筒後端の延長線と重なる位置に配置すると共に、当該音響ライナの音響孔から空気を供給するようにしたので、尾筒後端の下流に生じる渦の進行方向に対して垂直に空気を当てて、流れを乱し、渦の発生を抑制又は解消することができる。

第５の発明によれば、尾筒後端から空気を供給するようにしたので、渦の発生を更に抑制又は解消することができる。

ガスタービンの燃焼器及びケーシング部分の斜視図である。本発明に係るガスタービンの実施形態の一例（実施例１）を説明する図であり、（ａ）は、ガスタービンのケーシングを周方向に展開し、ケーシングの内部の構成を側方から見た概略図であり、（ｂ）は、ケーシングを周方向に展開し、軸方向から見た概略図である。図２における燃焼器の尾筒後端とタービンの第１段静翼と音響ライナとの位置関係を示す図である。本発明に係るガスタービンの実施形態の他の一例（実施例２）を説明する図であり、（ａ）は、ガスタービンのケーシングを周方向に展開し、ケーシングの内部の構成を側方から見た概略図であり、（ｂ）は、ケーシングを周方向に展開し、軸方向から見た概略図である。図４における燃焼器の尾筒後端とタービンの第１段静翼と音響ライナとの位置関係を示す図である。本発明に係るガスタービンの実施形態の他の一例（実施例３）を説明する図であり、燃焼器の尾筒後端とタービンの第１段静翼とを示す図である。

以下、本発明に係るガスタービンの実施形態のいくつかを、図１〜図６を参照して説明する。

（実施例１）
図１は、ガスタービンの燃焼器及びケーシング部分の斜視図である。又、図２（ａ）は、ガスタービンのケーシングを周方向に展開し、ケーシングの内部の構成を側方から見た概略図であり、図２（ｂ）は、ケーシングを周方向に展開し、軸方向から見た概略図である。又、図３は、燃焼器の尾筒後端とタービンの第１段静翼と音響ライナとの位置関係を示す図である。

ガスタービンは、周知の通り、圧縮機と燃焼器とタービンとを有し、燃焼器は、圧縮機とタービンとの間に配置されている。そして、本実施例においては、図１に示すように、ガスタービン１の燃焼器２は、ガスタービン１のケーシング３に対し、周方向に複数並設されて、多缶となっている。なお、図１に示すガスタービン１では、圧縮機とタービンの図示は省略しているが、燃焼器２の上流側（図１の紙面奥側）に圧縮機が配置され、燃焼器２の下流側（図１の紙面手前側）に、ケーシング３を介して、タービンが配置される。

このように、ガスタービン１の燃焼器２は多缶となっているが、多缶の燃焼器２による音響の連成を低減する対策は、今までなされていなかった。例えば、特許文献１は、個々の燃焼器における燃焼振動を抑制するものであり、多缶の燃焼器による音響の連成を低減するものではない。

これに対して、本実施例では、図２（ａ）、（ｂ）、図３に示すように、燃焼器２の尾筒後端２ｂとタービンの最上流の第１段静翼４の前端との間であり、その部分にある環状のケーシング３の外壁（内周側外壁面３ａ、外周側外壁面３ｂ）に音響ライナ５を設けている。

音響ライナ５は、尾筒後端２ｂと第１段静翼４との間にあるケーシング３に設けられており、これにより、燃焼器２による音圧を減衰させて、その音響の連成を低減することはできる。音響ライナ５は、ケーシング３の一部に設けたり、全周に設けたりしてもよいが、例えば、燃焼器２による音響の連成について、音響固有値解析を行い、音響モードの節（Node）Ｎを避けて、音響モードの腹位置Ｔに対応した位置に音響ライナ５を設けるようにする。

一例として、本実施例では、音響モードの腹位置Ｔ毎に、腹位置Ｔに対応した位置の内周側外壁面３ａ及び外周側外壁面３ｂに１対となる音響ライナ５を配置している。例えば、尾筒後端２ｂ同士の中間位置に、音響モードの腹位置Ｔがある場合には、図３に示すように、その中間位置の内周側外壁面３ａ及び外周側外壁面３ｂに音響ライナ５を設ければよい。

又、尾筒後端２ｂの下流側には、カルマン渦列Ｓ（ウェークフロー）が発生することが知られているが、本実施例では、音響の連成を低減することで、このカルマン渦列Ｓと音響モードの共鳴を抑制することになる。

なお、音響ライナ５は、詳細な図示は省略しているが、例えば、所望の音の周波数に共振するハニカム層を内部に有しており、ケーシング３の外壁面３ａ、３ｂに設けた多数の音響孔５ａを通して、音響ライナ５の内部に音が伝達され、ハニカム層を共振させることで、音を減衰するようにしている。ケーシング３の部分は、高温の燃焼ガスを供給する燃焼器２の直ぐ下流であり、音響ライナ５も高温に曝されるため、冷却する必要が無いＣＭＣ（Ceramic Matrix Composites）のように、無冷却で使用できる材料との組み合わせが望ましい。これは、後述する実施例２における音響ライナ６でも同様である。

このように、本実施例においては、尾筒後端２ｂと第１段静翼４との間にあるケーシング３に音響ライナ５を設けたので、燃焼器２による音圧を減衰させて、その音響の連成を低減することができ、更に、音響モードの腹位置Ｔに対応した位置に音響ライナ５を設けた場合には、更に効果的に音響の連成を低減することができる。その結果、カルマン渦列Ｓと音響モードの共鳴を抑制し、内圧変動を抑制し、ガスタービン運転時の騒音や振動を抑制することができる。

（実施例２）
図４（ａ）は、ガスタービンのケーシングを周方向に展開し、ケーシングの内部の構成を側方から見た概略図であり、図４（ｂ）は、ケーシングを周方向に展開し、軸方向から見た概略図である。又、図５は、燃焼器の尾筒後端とタービンの第１段静翼と音響ライナとの位置関係を示す図である。

本実施例も、図４（ａ）、（ｂ）、図５に示すように、実施例１と同様に、燃焼器２の尾筒後端２ｂとタービンの最上流の第１段静翼４の前端との間であり、その部分にある環状のケーシング３の外壁（内周側外壁面３ａ、外周側外壁面３ｂ）に音響ライナ６を設けている。

そして、本実施例では、図５にも示すように、尾筒後端２ｂに対応する位置に音響ライナ６を設けており、音響モードの腹位置Ｔに対応した位置に音響ライナ５を設けた実施例１とは相違する。このように、本実施例では、尾筒後端２ｂに対応する位置に音響ライナ６を設け、更に、音響ライナ６の音響孔６ａから冷却空気を内部に供給する構成としている。

実施例１でも述べたように、尾筒後端２ｂの下流側には、カルマン渦列Ｓが発生することが知られているが、本実施例では、音響ライナ６の音響孔６ａから冷却空気を内部に供給するので、カルマン渦列Ｓの進行方向に対して垂直に冷却空気を供給することになり、この部分の流れを乱して、カルマン渦列Ｓの発生を抑制すると共に、もし、発生しても、カルマン渦列Ｓの励振力を弱めることができる。

音響ライナ６の音響孔６ａから供給される冷却空気は、音響ライナ６自身を冷却する空気を流用できるので、本実施例では、実施例１の音響ライナ５のような高い耐熱性は必要でなく、音響ライナ６を構成する材料の選択肢が広がる。

但し、本実施例は、実施例１のように、音響ライナ６を音響モードの腹位置Ｔに対応した位置に配置しておらず、その分、音響の連成を低減する効果が小さくなるが、望ましくは、音響モードの節Ｎを避けて、音響ライナ６を配置することで、できるだけ、音響の連成を低減する効果が低減しないようにしている。

このように、本実施例においては、尾筒後端２ｂと第１段静翼４との間にあるケーシング３に音響ライナ６を設けたので、燃焼器２による音圧を減衰させて、その音響の連成を低減することができ、更に、尾筒後端２ｂに対応する位置に音響ライナ６を設けたので、尾筒後端２ｂの下流側のカルマン渦列Ｓの発生を抑制することができる。つまり、音響ライナ６により、音響の連成を低減すると共にカルマン渦列Ｓの発生を抑制することになり、その結果、カルマン渦列Ｓと音響モードの共鳴を抑制し、内圧変動を大幅に抑制し、ガスタービン運転時の騒音や振動を抑制することができる。

（実施例３）
図６は、燃焼器の尾筒後端とタービンの第１段静翼とを示す図である。
本実施例は、上述した実施例１、実施例２の構成を前提とし、更に、尾筒後端２ｂの間隙から空気を供給することで、尾筒後端２ｂの下流側に発生するカルマン渦列Ｓの流れを乱して、カルマン渦列Ｓの発生を抑制すると共に、もし、発生しても、カルマン渦列Ｓの励振力を弱めるようにしている。なお、図６に示すように、尾筒後端２ｂに空気供給用の供給孔２ｃを設け、この供給孔２ｃから空気を供給するようにしてもよい。

このように、本実施例においては、尾筒後端２ｂから空気を供給するようにしているので、尾筒後端２ｂの下流側のカルマン渦列Ｓの発生を抑制することができる。従って、実施例１、２と組み合わせた場合、特に、実施例２と組み合わせた場合には、音響ライナ６により、燃焼器２による音圧を減衰させて、その音響の連成を低減することができ、更に、尾筒後端２ｂの下流側のカルマン渦列Ｓの発生を抑制することができ、加えて、尾筒後端２ｂからの空気により、尾筒後端２ｂの下流側のカルマン渦列Ｓの発生を更に抑制することができる。その結果、カルマン渦列Ｓと音響モードの共鳴を抑制し、内圧変動を大幅に抑制し、ガスタービン運転時の騒音や振動を抑制することができる。

本発明は、多缶の燃焼器を有するガスタービンに好適なものである。

１ガスタービン
２燃焼器
２ｂ尾筒
３ケーシング
４第１段静翼
５、６音響ライナ

Claims

ケーシングに対して複数の燃焼器が周方向に並設されたガスタービンにおいて、
前記燃焼器の尾筒後端とタービンの最上流の静翼の前端との間のケーシングに、少なくとも１つの音響ライナを設けたことを特徴とするガスタービン。
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記音響ライナを、前記ケーシングの全周に配置したことを特徴とするガスタービン。
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記音響ライナを、前記燃焼器同士の連成による音響モードの腹位置に対応した位置に配置したことを特徴とするガスタービン。
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記音響ライナを、前記尾筒後端に対応する位置に配置すると共に、当該音響ライナの音響孔から空気を供給するようにしたことを特徴とするガスタービン。
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のガスタービンにおいて、
前記尾筒後端から空気を供給するようにしたことを特徴とするガスタービン。