JP5848074B2 - Gas turbine, tail cylinder and combustor - Google Patents
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Description
本発明は、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備えているガスタービンに関し、特に、燃焼器の尾筒に関する。 The present invention relates to a gas turbine comprising: a plurality of combustors that mix and burn fuel with compressed air to generate combustion gas; and a turbine having a rotor that is rotated by the combustion gas from the plurality of combustors. In particular, it relates to a combustor tail tube.
ガスタービンは、外気を取り込んで圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備えている。複数の燃焼器は、ロータを中心として環状に配置されている。各燃焼器は、タービンのガス入り口に燃焼ガスを送る尾筒を有している。 The gas turbine includes a compressor that takes in outside air to generate compressed air, a plurality of combustors that generate combustion gas by mixing fuel with the compressed air, and a rotor that is rotated by the combustion gas from the plurality of combustors. Having a turbine. The plurality of combustors are annularly arranged around the rotor. Each combustor has a tail tube that delivers combustion gas to the gas inlet of the turbine.
燃焼ガスは、燃焼器の尾筒から流出すると、タービンのガス入り口からタービンの燃焼ガス流路内に入り込む。この際、燃焼ガスは、尾筒から流出した直後に、その流れの中にカルマン渦列が形成され、このカルマン渦列を振動源とする非定常圧力変動が音響固有値に共振し、大きな圧力変動が生じて、運転負荷になる場合がある。 When the combustion gas flows out of the transition piece of the combustor, it enters the combustion gas flow path of the turbine from the gas inlet of the turbine. At this time, immediately after the combustion gas flows out of the transition piece, a Karman vortex street is formed in the flow, and unsteady pressure fluctuations using this Karman vortex street as a vibration source resonate with the acoustic eigenvalue, resulting in large pressure fluctuations. May occur, resulting in an operating load.
そこで、以下の特許文献1に記載の技術では、尾筒の下流端と第一段静翼の上流端との間の軸線方向における寸法や、第一段静翼の上流端とロータを中心とした周方向で隣接する尾筒間の中心との間の周方向の寸法等に関して、特定の範囲に限定することで、大きな圧力変動を抑えている。
Therefore, in the technique described in
上記特許文献1に記載の技術は、確かに、尾筒の下流側部分における大きな圧力変動を抑えることができる。しかしながら、尾筒の下流側部分における圧力変動をより抑え、よりガスタービン効率を高めることが望まれている。
The technique described in
そこで、本発明は、このような要望に応えるべく、燃焼器の尾筒の下流側部分における圧力変動をより抑え、よりガスタービン効率を高めることができるガスタービン、尾筒及び燃焼器を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a gas turbine , a tail cylinder, and a combustor that can further suppress the pressure fluctuation in the downstream portion of the tail pipe of the combustor and further improve the gas turbine efficiency in order to meet such a demand. For the purpose.
上記目的を達成するための発明に係るガスタービンは、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の該燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備え、複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成しており、前記タービンは、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の第一段静翼を有し、該第一段静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、前記周方向で、前記第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記尾筒の前記一方の側壁の傾斜面は、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁であり、前記翼傾斜側の側壁の傾斜面の下流端は、前記第一段静翼における上流側を向く面であって該第一段静翼の上流端から下流端にわたって延びる腹側の面に対して、前記軸線方向に対向していることを特徴とする。
また、上記ガスタービンでは、前記一方の側壁のうちの下流側の端部のみに前記傾斜面を有することが好ましい。
さらに、上記ガスタービンでは、前記翼傾斜側の側壁の傾斜面によって下流側に導かれる燃焼ガスが、前記軸線方向に対向する腹側の面によってさらに下流側に導かれることが好ましい。
また、本発明に係る尾筒は、タービンのロータを中心として隣接するように環状に複数配置されて前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る燃焼器の尾筒であって、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、一方の側壁の内面のみが、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成していることを特徴とする。
さらに、前記一方の側壁は、前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうち、前記ロータとともに回転する動翼の回転方向前方側の側壁であることが好ましい。
また、上記尾筒は、周方向において、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置されて翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜する第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記一方の側壁は、前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁であることが好ましい。
さらに、本発明に係る燃焼器は、上記の尾筒を備えることを特徴とする。
そして、本発明に係るガスタービンは、上記の燃焼器と、前記第一段静翼を有する前記タービンと、を備えることを特徴とする。
A gas turbine according to an invention for achieving the above object includes a plurality of combustors that generate combustion gas by mixing fuel with compressed air and a rotor that is rotated by the combustion gas from the plurality of combustors. And a plurality of combustors arranged annularly around the rotor, and having a tail tube that sends combustion gas to a gas inlet of the turbine, a downstream portion of the tail tube of the combustor Of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction of the rotor, the inner surface of at least one of the side walls gradually moves toward the downstream side in the axial direction of the tail cylinder, and the tail cylinder of the other combustor gradually adjoins. The turbine is inclined to reach the downstream end of the transition piece, and the turbine has a plurality of second rings arranged around the rotor and along the gas inlet. One step still In the first stage stationary blade, the chord direction in which the chord extends is inclined with respect to the circumferential direction, and the first stage stationary blade is inclined with respect to the upstream end of the first stage stationary blade in the circumferential direction. When the side where the downstream end of the first stage stationary blade exists is the blade inclined side, the inclined surface of the one side wall of the tail tube is the one of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction of the tail tube. The blade inclined side wall, and the downstream end of the inclined surface of the blade inclined side wall is a surface facing the upstream side of the first stage stationary blade, and is the downstream end from the upstream end of the first stage stationary blade It is opposed to the abdominal surface extending in the axial direction .
Moreover, in the said gas turbine, it is preferable to have the said inclined surface only in the downstream edge part of said one side wall.
Further, in the gas turbine, it is preferable that the combustion gas guided downstream by the inclined surface of the blade inclined side wall is guided further downstream by the ventral surface facing the axial direction.
Further, the transition piece according to the present invention is a transition piece of a combustor that is arranged in a plurality of annular shapes so as to be adjacent to each other around the rotor of the turbine and sends combustion gas to the gas inlet of the turbine, and the circumferential direction of the rotor Of the pair of side walls opposed to each other, only the inner surface of one side wall gradually approaches the tail cylinder of another combustor adjacent to the tail cylinder as it goes downstream in the axial direction of the tail cylinder. An inclined surface that is inclined to reach the downstream end of the cylinder is formed.
Furthermore, it is preferable that the one side wall is a side wall on the front side in the rotational direction of the moving blade rotating together with the rotor, of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction.
In addition, the tail tube is a first stage stationary blade that is arranged annularly with respect to the rotor in the circumferential direction and along the gas inlet so that the chord direction in which the chord extends extends with respect to the circumferential direction. When the side where the downstream end of the first stage stationary blade exists with respect to the upstream end is the blade inclined side, the one side wall is the blade inclined side of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction. It is preferable that it is a side wall.
Furthermore, the combustor which concerns on this invention is equipped with said tail tube, It is characterized by the above-mentioned.
And the gas turbine which concerns on this invention is provided with said combustor and the said turbine which has said 1st stage stationary blade, It is characterized by the above-mentioned.
尾筒内を下流側に向って流れる燃焼ガスは、尾筒内から流出した後も尾筒の側壁内面に沿った方向に流れようとするため、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されることがある。 Since the combustion gas flowing toward the downstream side in the transition piece tries to flow in the direction along the inner surface of the side wall of the transition piece after flowing out of the transition piece, the Karman vortex street is located downstream of the downstream end face of the transition piece. May be formed.
当該ガスタービンでは、尾筒の下流側の側壁内面が尾筒の下流端に至るまで傾斜面を成しているため、互いに隣接し合う燃焼器の尾筒の側壁内面に沿う流れ同士が、尾筒の下流端面の下流側に角度をもって合流するので、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。
また、尾筒における周方向で互いに対向する一対の側壁のうちの翼傾斜側の側壁のみの内面が傾斜面である場合、この傾斜面により導かれる燃焼ガスの流れの向きと、第一段静翼により導かれる燃焼ガスの流れの向きとがほぼ同じなり、尾筒から第一段静翼への燃焼ガスの流れがスムーズになる。このため、翼傾斜側の側壁のみの内面が傾斜面であっても、尾筒の下流側部分の圧力変動を効果的に抑えることができる。なお、翼弦とは、静翼の上流端と下流端とを結んだ線分である。
In the gas turbine, since the inner surface of the side wall on the downstream side of the transition piece forms an inclined surface until it reaches the downstream end of the transition piece, the flows along the inner surface of the side wall of the transition piece adjacent to each other are Since it joins at an angle to the downstream side of the downstream end face of the cylinder, it is possible to suppress the formation of a Karman vortex street on the downstream side of the downstream end face of the tail cylinder, and to suppress the pressure fluctuation in the downstream part of the tail cylinder.
Further, when the inner surface of only the side wall on the blade inclined side of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction in the tail cylinder is an inclined surface, the flow direction of the combustion gas guided by the inclined surface and the first stage static The direction of the flow of the combustion gas guided by the blade is almost the same, and the flow of the combustion gas from the transition piece to the first stage stationary blade becomes smooth. For this reason, even if the inner surface of only the side wall on the blade inclination side is an inclined surface, the pressure fluctuation in the downstream portion of the tail tube can be effectively suppressed. The chord is a line segment connecting the upstream end and the downstream end of the stationary blade.
また、前記ガスタービンにおいて、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁の両方の前記内面が前記傾斜面を成していることが好ましい。 In the gas turbine, it is preferable that the inner surfaces of both of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction of the tail tube form the inclined surface.
当該ガスタービンでは、尾筒の一対の側壁の内面のそれぞれから連なる尾筒の各下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制できる。 In the gas turbine, it is possible to suppress the formation of a Karman vortex street on the downstream side of each downstream end surface of the transition piece that is continuous from the inner surfaces of the pair of side walls of the transition piece.
また、前記ガスタービンにおいて、前記傾斜面の上流端から下流端までの前記周方向の寸法Bを基準として、該上流端から該下流端までの前記軸線方向の寸法Aの割合A/Bは、1以上で8以下であることが好ましい。 Further, in the gas turbine, on the basis of the circumferential dimension B from the upstream end to the downstream end of the inclined surface, the ratio A / B of the axial dimension A from the upstream end to the downstream end is: It is preferable that it is 1 or more and 8 or less.
本発明に係るガスタービンは、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の該燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備え、複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成しており、前記傾斜面は、前記尾筒の軸線に近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面を少なくとも一部に含む、ことを特徴とする。A gas turbine according to the present invention includes a plurality of combustors that generate combustion gas by mixing fuel with compressed air, and a turbine having a rotor that is rotated by the combustion gas from the plurality of combustors, The plurality of combustors are annularly arranged around the rotor, and have a tail tube that sends combustion gas to a gas inlet of the turbine. In the gas turbine, the periphery of the rotor is disposed downstream of the tail tube of the combustor. The inner surface of at least one of the pair of side walls facing each other in the direction is gradually closer to the tail cylinder of the other adjacent combustor as it goes downstream in the axial direction of the tail cylinder. An inclined surface that is inclined to reach the downstream end of the transition piece, and the inclined surface includes at least part of a curved surface that approaches the axis of the transition piece and smoothly swells toward the downstream side, It is characterized by .
本発明に係るガスタービンは、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の該燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備え、複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成しており、前記燃焼器の数と前記第一段静翼の数との比が2:3以上の奇数であり、複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Pを基準にして、前記燃焼器の前記尾筒と前記他の燃焼器の尾筒との中間地点から前記周方向で最も近い第一段静翼の上流端までの該周方向の寸法Sの割合S/Pは、0.05以下、0.2から0.55の間、及び0.7から1.0の間である、ことを特徴とする。A gas turbine according to the present invention includes a plurality of combustors that generate combustion gas by mixing fuel with compressed air, and a turbine having a rotor that is rotated by the combustion gas from the plurality of combustors, The plurality of combustors are annularly arranged around the rotor, and have a tail tube that sends combustion gas to a gas inlet of the turbine. In the gas turbine, the periphery of the rotor is disposed downstream of the tail tube of the combustor. The inner surface of at least one of the pair of side walls facing each other in the direction is gradually closer to the tail cylinder of the other adjacent combustor as it goes downstream in the axial direction of the tail cylinder. An inclined surface that is inclined to the downstream end of the transition piece, and a ratio of the number of the combustors to the number of the first stage stationary blades is an odd number of 2: 3 or more, Based on the pitch dimension P of the first stage stationary blade, The ratio S / P of the circumferential dimension S from the intermediate point between the transition piece of the combustor and the transition piece of the other combustion unit to the upstream end of the first stage stationary blade closest in the circumferential direction is 0.05 or less, between 0.2 and 0.55, and between 0.7 and 1.0.
当該ガスタービンでは、いずれの燃焼器の尾筒の一対の側壁の内面のそれぞれから連なる尾筒の各下流端に対しても、いずれかの第1段静翼が周方向において比較的近くに存在することになるため、この第一段静翼の存在により、各尾筒の下流側における圧力変動を抑えることができる。 In the gas turbine, one of the first stage stationary blades exists relatively close in the circumferential direction to each downstream end of the transition piece connected from each of the inner surfaces of the pair of side walls of the transition piece of any combustor. Therefore, the presence of this first stage stationary blade can suppress the pressure fluctuation on the downstream side of each transition piece.
また、前記ガスタービンにおいて、複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Pを基準にして、前記尾筒の下流端から前記第一段静翼の上流端までの前記軸線方向の寸法Lの割合L/Pが0.2以下であることが好ましい。 Further, in the gas turbine, the ratio of the dimension L in the axial direction from the downstream end of the transition piece to the upstream end of the first stage stationary blade, based on the pitch dimension P of the plurality of first stage stationary blades L / P is preferably 0.2 or less.
当該ガスタービンでは、尾筒の下流端に対して、第一段静翼が尾筒の軸線方向において比較的に近くに存在することになるため、この第一段静翼の存在により、各尾筒の下流側における圧力変動を抑えることができる。 In the gas turbine, since the first stage stationary blades are relatively close to the downstream end of the tail cylinder in the axial direction of the tail cylinder, the presence of the first stage stationary blades causes each tail Pressure fluctuation on the downstream side of the cylinder can be suppressed.
本発明では、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。このため、本発明によれば、ガスタービン効率を高めることがでる。 In the present invention, it is possible to suppress the formation of a Karman vortex street on the downstream side of the downstream end face of the transition piece, and it is possible to suppress the pressure fluctuation in the downstream portion of the transition piece. For this reason, according to the present invention, the gas turbine efficiency can be increased.
以下、本発明に係るガスタービンの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a gas turbine according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態のガスタービンは、図1に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機1と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器10と、燃焼ガスにより駆動するタービン2と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the gas turbine according to the present embodiment generates a combustion gas by combusting a
タービン2は、ケーシング3と、このケーシング3内で回転するタービンロータ5とを備えている。タービンロータ5は、複数のロータディスクが積層されて構成されているロータ本体6と、複数のロータディスク毎にそのロータディスクから放射方向に延びる複数の動翼7と、を有している。すなわち、このタービンロータ5は、多段動翼構成である。このタービンロータ5には、例えば、このタービンロータ5の回転で発電する発電機(図示されていない。)と接続されている。また、ケーシング3には、各段の動翼7の各上流側に、その内周面からロータ本体6に近づく方向に延びる複数の静翼4が固定されている。
The
複数の燃焼器10は、タービンロータ5の回転軸線Arを中心として、周方向に互いに等間隔でケーシング3に固定されている。
The plurality of
燃焼器10は、図2に示すように、高温・高圧の燃焼ガスGをタービン2のガス入口9からタービン2のガス流路8内に送る尾筒20と、この尾筒20内に燃料及び圧縮空気Airを供給する燃料供給器11と、を備えている。タービン2の動翼7及び静翼4は、このガス流路8中に配置されている。燃料供給器11は、パイロット燃料Xを尾筒20内に供給して、この尾筒20内に拡散火炎を形成するパイロットバーナ12と、メイン燃料Y及び圧縮空気Airを予混合して、予混合気体として尾筒20内に供給し、この尾筒20内に予混合火炎を形成する複数のメインノズル13と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
尾筒20は、図2及び図3に示すように、筒状を成し、内周側に燃焼ガスGが流れる胴体21と、胴体21の下流端部に設けられ、尾筒20の軸線Acから遠ざかる向きに広がる出口フランジ31とを有している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
胴体21の下流側の断面形状は長方形状を成し、この胴体21は、その下流側に、タービンロータ5の回転軸線Arを中心とした周方向Cで互いに対向する一対の側壁22と、この回転軸線Arを中心とした放射方向で互いに対向する一対の側壁23と、を有している。
The cross-sectional shape of the downstream side of the
図4に示すように、胴体21の下流端部に設けられている出口フランジ31は、胴体21の下流端から尾筒20の軸線Acに対して遠ざかる向きに広がるフランジ本体部32と、このフランジ本体部32の外縁から上流側に向って延びる対向部33と、を有している。このフランジ本体部32の下流端面は、尾筒20の下流端面20eaを成している。また、この対向部33と、周方向Cで隣接する燃焼器10の尾筒20の対向部33との間には、隣接する燃焼器10の尾筒相互間をシールするシール部材35が設けられている。なお、本実施形態では、胴体21の下流側の部分、つまり胴体21の下流側の側壁22,23とフランジ本体部32とは、一体成形品で形成されている。
As shown in FIG. 4, the
周方向Cで互いに対向する一対の側壁22のそれぞれの内面24は、尾筒20の軸線Ac方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器10の尾筒20に近づく向きに、尾筒20の下流端20eに至るまで傾斜している傾斜面25を成している。すなわち、傾斜面25の下流端は尾筒20の下流端20eである。
The inner surfaces 24 of the pair of
尾筒20内を下流側に向って流れる燃焼ガスGは、尾筒20内から流出した後も側壁22の内面24に沿った方向に流れようとするため、フランジ本体部32の下流端面20eaの下流側にカルマン渦列が形成されることがある。
The combustion gas G flowing toward the downstream side in the
本実施形態では、尾筒20の下流側の側壁22の内面24が傾斜面25を成しているため、側壁22の内面24に対してフランジ本体部32の下流端面20eaの成す角度が小さくなる。よって、本実施形態では、フランジ本体部32の下流端面20eaの下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒20の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。
In the present embodiment, since the inner surface 24 of the
ここで、この傾斜面25の傾斜率を変えた際の尾筒20の下流側部分の圧力変動幅についてシミュレートしたので、このシミュレート結果について説明する。なお、このシミュレートでは、図4に示すように、傾斜面25の上流端25sから下流端20e(=尾筒20の下流端)までの周方向Cの寸法Bを基準として、上流端25sから下流端20eまでの軸線Ac方向の寸法Aの割合A/Bを、傾斜面25の傾斜率と定義している。
Here, since the pressure fluctuation width of the downstream side portion of the
このシミュレートの結果、図5に示すように、傾斜率A/Bが1以上で8以下であるとき、燃焼器10の下流側部分の圧力変動幅ΔPが小さくなることが分かった。これは、傾斜率A/Bが1未満のとき、及び8より大きいときには、傾斜が急すぎる又は緩すぎるため、傾斜面25としての効果を十分に得ることができないためである。さらに、傾斜面25の傾斜率A/Bが2以上で6以下であると、圧力変動幅ΔPが極めて小さくなることも分かった。なお、尾筒20内を流れる燃焼ガスGの流速が高くなるに連れて、圧力変動幅ΔPも大きくなるが、傾斜面25の傾斜率A/Bと圧力変動幅ΔPとの関係は、尾筒20内を流れる燃焼ガスGの流速が変化しても基本的に同じである。
As a result of this simulation, as shown in FIG. 5, it was found that when the gradient A / B is 1 or more and 8 or less, the pressure fluctuation width ΔP in the downstream portion of the
このため、傾斜面25の傾斜率A/Bの好ましい範囲Raは、1以上で8以下であり、より好ましい範囲Rbは、2以上で6以下であると言える。
For this reason, it can be said that the preferable range Ra of the inclination rate A / B of the
さらに、ここでは、尾筒20と第一段静翼4aとの相対位置を変えた際の燃焼器10の下流側部分での圧力変動幅についてもシミュレートしたので、このシミュレート結果についても説明する。具体的に、図6に示すように、複数の第一段静翼4aの周方向Cのピッチ寸法Pを基準にして、特定の燃焼器10aの尾筒20とこれに周方向Cの一方の側に隣接する他の燃焼器10bの尾筒20との中間地点Mから周方向Cの一方の側で最も近い第一段静翼4aの上流端4sまでの周方向Cの寸法Sの割合S/P(以下、周方向割合S/Pとする)と圧力変動幅ΔPとの関係についてシミュレートした。
Furthermore, since the pressure fluctuation width in the downstream portion of the
なお、このシミュレートは、燃焼器10の数Ncと第一段静翼4aの数Nsとの比が2:3で、尾筒20の傾斜面25の傾斜率A/Bが2.75で行った。さらに、このシミュレートは、ピッチ寸法Pを基準にして、尾筒20の下流端20eから第一段静翼4aの上流端4sまでの軸線Ac方向の寸法Lの割合L/P(以下、軸線方向割合L/Pとする)を12%で行った。
In this simulation, the ratio between the number Nc of the
図8に示すように、軸線方向割合L/Pが12%の場合、周方向割合S/Pが0%〜5%では非定常圧力変動はほとんどなかった。しかしながら、周方向割合S/Pが5%を越えると、大きな圧力変動幅ΔPが見られ始め、周方向割合S/Pが10%になると、圧力変動幅ΔPがより大きくなった。 As shown in FIG. 8, when the axial ratio L / P was 12%, there was almost no unsteady pressure fluctuation when the circumferential ratio S / P was 0% to 5%. However, when the circumferential direction ratio S / P exceeded 5%, a large pressure fluctuation range ΔP began to be seen, and when the circumferential direction ratio S / P reached 10%, the pressure fluctuation range ΔP became larger.
図7(a)に示すように、周方向割合S/Pが10%の場合、特定の燃焼器10aの尾筒20とこれに周方向Cの一方の側に隣接する他の燃焼器10bの尾筒20との間の下流側では、非定常圧力変動がみられないものの、特定の燃焼器10aの尾筒20とこれに周方向Cの他方の側に隣接する他の燃焼器10cの尾筒20との間の下流側では、カルマン渦列vが発生し、比較的大きな非定常圧力変動が生じた。これは、特定の燃焼器10aの尾筒20とこれに周方向Cの他方の側に隣接する他の燃焼器10cの尾筒20との間から、周方向Cで最も近い第一段静翼4aの上流端4sまでの周方向Cの寸法が大きくなっているためである、と考えられる。なお、図8中の細線は、等静圧線を示している。
As shown in FIG. 7 (a), when the circumferential ratio S / P is 10%, the
よって、周方向割合S/Pが10%になると、圧力変動幅ΔPが大きくなったと考えられる。但し、このシミュレートでは、傾斜面25の傾斜率A/Bは、より好ましい範囲Rb(2以上で6以下)内である2.75であるから、傾斜面25が形成されていない場合等よりも、圧力変動幅ΔPより小さい。
Therefore, it is considered that when the circumferential ratio S / P is 10%, the pressure fluctuation range ΔP is increased. However, in this simulation, the inclination rate A / B of the
圧力変動幅ΔPは、周方向割合S/Pが20%になると、図8に示すように、急激に小さくなり、周方向割合S/Pが22.5%になると、非定常圧力変動はほとんど見られなくなった。図7(b)に示すように、周方向割合S/Pが22.5%の場合、特定の燃焼器10aの尾筒20とこれに周方向Cの一方の側に隣接する他の燃焼器10bの尾筒20との間の下流側、及び特定の燃焼器10aの尾筒20とこれに周方向Cの他方の側に隣接する他の燃焼器10cの尾筒20との間の下流側でも、非定常圧力変動はほとんど見られなくなった。
As shown in FIG. 8, the pressure fluctuation width ΔP decreases rapidly as the circumferential ratio S / P becomes 20%, and when the circumferential ratio S / P becomes 22.5%, the unsteady pressure fluctuation is almost not. I can no longer see it. As shown in FIG. 7B, when the circumferential ratio S / P is 22.5%, the
非定常圧力変動は、図7(c)及び(d)に示すように、周方向割合S/Pが35%、47.5%でも、ほとんど見られなかった。しかし、図8に示すように、周方向割合S/Pが55%を越えると、再び、大きな圧力変動幅ΔPが見られ始め、周方向割合S/Pが60%になると、圧力変動幅ΔPがより大きくなった。これは、特定の燃焼器10aの尾筒20とこれに周方向Cの一方の側に隣接する他の燃焼器10bの尾筒20との間から、周方向Cで最も近い第一段静翼4aの上流端4sまでの周方向Cの寸法が大きくなっているためである、と考えられる。すなわち、周方向割合S/Pが60%のときには、周方向割合S/Pが10%のときと、基本的に同様の理由で同様の現象が生じている、と考えられる。
As shown in FIGS. 7C and 7D, unsteady pressure fluctuation was hardly observed even when the circumferential ratio S / P was 35% or 47.5%. However, as shown in FIG. 8, when the circumferential ratio S / P exceeds 55%, a large pressure fluctuation range ΔP starts again, and when the circumferential ratio S / P reaches 60%, the pressure fluctuation range ΔP. Became larger. This is because the first stage stationary blade closest in the circumferential direction C from between the
この圧力変動幅ΔPは、周方向割合S/Pが70%になると、急激に小さくなり、周方向割合S/Pが72.5%になると、非定常圧力変動がほとんど見らなくなった。以降、周方向割合S/Pが100%になるまで、非定常圧力変動はほとんど見なれない。 This pressure fluctuation range ΔP decreased rapidly when the circumferential ratio S / P was 70%, and almost no unsteady pressure fluctuation was observed when the circumferential ratio S / P was 72.5%. Thereafter, almost no unsteady pressure fluctuation is observed until the circumferential ratio S / P reaches 100%.
以上のように、周方向割合S/Pが0%〜5%、20%〜55%、70%〜100%では、非定常圧力変動がほとんどみられず、尾筒20の下流側部分の圧力変動幅ΔPが非常に小さくなることが分かった。すなわち、周方向割合S/Pで好ましい範囲Rcは、0%〜5%、20%〜55%、70%〜100%であることが分かった。
As described above, when the circumferential ratio S / P is 0% to 5%, 20% to 55%, and 70% to 100%, there is almost no unsteady pressure fluctuation, and the pressure in the downstream portion of the
さらに、ここで、軸線方向割合L/Pを変えて、以上と同様に、周方向割合S/Pと圧力変動幅ΔPとの関係についてシミュレートした。 Furthermore, here, the axial direction ratio L / P was changed, and the relationship between the circumferential direction ratio S / P and the pressure fluctuation range ΔP was simulated in the same manner as described above.
図8に示すように、軸線方向割合L/Pが18%のとき、20%のとき、27%のときでも、周方向割合S/Pの変化に対する圧力変動幅ΔPの変化は、前述の軸線方向割合L/Pが12%のときと同様の傾向が見られた。すなわち、前述の軸線方向割合L/Pが12%のときと同様、周方向割合S/Pが0%〜5%、20%〜55%、70%〜100%の場合、周方向割合S/Pが5%〜20%、55%〜70%の場合と比べて、燃焼器10の下流側部分の圧力変動幅ΔPが相対的に小さくなることが分かった。
As shown in FIG. 8, even when the axial direction ratio L / P is 18%, 20%, or 27%, the change in the pressure fluctuation width ΔP with respect to the change in the circumferential direction ratio S / P The same tendency as when the direction ratio L / P was 12% was observed. That is, when the axial direction ratio L / P is 12%, the circumferential direction ratio S / P is 0% to 5%, 20% to 55%, and 70% to 100%. It was found that the pressure fluctuation width ΔP in the downstream portion of the
しかしながら、軸線方向割合L/Pが18%及び20%のとき、周方向割合S/Pが0%〜5%、20%〜55%、70%〜100%の場合、前述の軸線方向割合L/Pが12%のときと同様、非定常圧力変動がほとんど見られず、圧力変動幅ΔPの絶対値が小さいものの、軸線方向割合L/Pが27%のときでは、周方向割合S/Pが0%〜5%、20%〜55%、70%〜100%の場合でも、圧力変動幅ΔPの絶対値が大きくなることが分かった。 However, when the axial direction ratio L / P is 18% and 20%, when the circumferential direction ratio S / P is 0% to 5%, 20% to 55%, 70% to 100%, the axial direction ratio L described above. As in the case where / P is 12%, there is almost no unsteady pressure fluctuation and the absolute value of the pressure fluctuation width ΔP is small, but when the axial direction ratio L / P is 27%, the circumferential ratio S / P It was found that the absolute value of the pressure fluctuation range ΔP is large even when 0 is 5%, 20% to 55%, and 70% to 100%.
すなわち、軸線方向割合L/Pは20%以下にすることで、圧力変動幅ΔPが小さくなることが分かった。 That is, it was found that the pressure fluctuation range ΔP is reduced by setting the axial direction ratio L / P to 20% or less.
また、以上のシミュレーション結果は、燃焼器10の数Ncと第一段静翼4aの数Nsとの比が2:3の場合のものであるが、Nc:Ns=2:5、Nc:Ns=2:7、Nc:Ns=2:9以上の場合でも、尾筒20と第一段静翼4aとの相対位置と尾筒20の下流側部分での圧力変動幅ΔPとの関係は、以上と同様の結果が得られると考えられる。但し、燃焼器10の数Ncに対して第一段静翼4aの数Nsが多くなるほど、周方向割合S/Pや軸線方向割合L/Pがいずれの値でも、圧力変動幅ΔPが大きくなる際の圧力変動幅ΔPの絶対値は小さくなり、第一段静翼4aの数Nsがより多くなれば、周方向割合S/Pや軸線方向割合L/Pがいずれの値でも、非定常圧力変動がほとんど見られなくなると考えられる。
The above simulation results are obtained when the ratio of the number Nc of the
なお、燃焼器10の数Ncと第一段静翼4aの数Nsとの比が1:自然数のときには、各燃焼器10の尾筒20と、それに隣接する他の尾筒20との間の直下に第一段静翼4aの上流端4sを配置することができるため、このように第一段静翼4aを配置することで、非定常圧力変動をほとんどなくすことができる。
When the ratio between the number Nc of the
次に、尾筒20の傾斜面25の各種変形例について説明する。
Next, various modifications of the
以上の実施形態の傾斜面25は、その上流端25sから下流端20eまでの全体が平面であるが、この傾斜面25は、全体が平面である必要はなく、少なくとも一部に曲面を含んでもよい。
The
この曲面は、具体的に、図9に示すように、尾筒20の軸線Acに近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面26a,26b,26cである。例えば、曲面26aは、同図(a)に示すように、傾斜面25とフランジ本体部32の下流端面20eaとの境界領域に、つまり、この曲面26aの下流端が傾斜面25の下流端20eと一致する。また、曲面26bは、この曲面26bの上流端が傾斜面25の上流端25sと一致する。また、同図(b)に示すように、傾斜面25の全体が曲面26cである。
Specifically, as shown in FIG. 9, the curved surfaces are
このように、傾斜面25の少なくとも一部に曲面を採用すると、燃焼ガスGの流れの向きが急激に変化する箇所がなくなるため、尾筒20の下流端面20eaの下流側にカルマン渦列が形成されるのをより抑制でき、尾筒20の下流側部分の圧力変動をより効果的に抑えることができる。このため、傾斜面25の少なくとも一部に曲面を採用した場合、傾斜面25の傾斜率A/Bの好ましい範囲Raは、以上で説明した1以上で8以下よりも広がる。
As described above, when a curved surface is employed as at least a part of the
また、以上の実施形態では、周方向Cで互いに対向する一対の側壁22のそれぞれの内面24が傾斜面25を成しているが、いずれか一方の内面24のみが傾斜面25を成しても、尾筒20の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。この場合、図10に示すように、周方向Cにおいて、第一段静翼4aの上流端4sに対して第一段静翼4aの下流端4eが存在する側を翼傾斜側Caとした場合、周方向Cで互いに対向する一対の側壁22(図10の場合では22a及び22b)のうちの翼傾斜側Caの側壁22(図10の場合では22b)の内面24が傾斜面25を成していることが好ましい。これは、傾斜面25により導かれる燃焼ガスGの流れの向きと、第一段静翼4aの上流端4sと下流端4eとの繋ぐ線分である翼弦の方向、つまり第一段静翼4aにより導かれる燃焼ガスGの流れの向きとがほぼ同じなり、尾筒20から第一段静翼4aへの燃焼ガスGの流れがスムーズになり、尾筒20の下流側部分の圧力変動を効果的に抑えることができるからである。
In the above embodiment, the inner surfaces 24 of the pair of
なお、以上のように、周方向Cで互いに対向する一対の側壁22のうち、いずれか一方の側壁22(図10の場合では22a及び22b)の内面24のみが傾斜面25を成していても、尾筒20と第一段静翼4aとの相対位置と尾筒20の下流側部分での圧力変動幅ΔPとの関係は、以上のシミュレート結果と基本的に同様である。
As described above, of the pair of
1:圧縮機、2:タービン、3:ケーシング、4:静翼、4a:第1段静翼、4s:(静翼の)上流端、4e:(静翼の)下流端、5:タービンロータ、6:ロータ本体、7:動翼、8:ガス流路、9:ガス入口、10:燃焼器、20:尾筒、20e:(尾筒のor傾斜面の)下流端、20ea:(尾筒のorフランジ本体部の)下流端面、21:胴体、22,22a,22b,23:側壁、24:内面、25:傾斜面、25s:(傾斜面の)上流端、26a,26b,26c:曲面 1: compressor, 2: turbine, 3: casing, 4: stationary blade, 4a: first stage stationary blade, 4s: upstream end (of stationary blade), 4e: downstream end (of stationary blade), 5: turbine rotor, 6 : Rotor body, 7: moving blade, 8: gas flow path, 9: gas inlet, 10: combustor, 20: tail tube, 20e: downstream end (of or inclined surface of tail tube), 20ea: (of tail tube) or downstream end surface (of flange main body), 21: body, 22, 22a, 22b, 23: side wall, 24: inner surface, 25: inclined surface, 25s: upstream end (of inclined surface), 26a, 26b, 26c: curved surface
Claims (14)
複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、
前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成しており、
前記タービンは、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の第一段静翼を有し、該第一段静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、
前記周方向で、前記第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記尾筒の前記一方の側壁の傾斜面は、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁であり、
前記翼傾斜側の側壁の傾斜面の下流端は、前記第一段静翼における上流側を向く面であって該第一段静翼の上流端から下流端にわたって延びる腹側の面に対して、前記軸線方向に対向することを特徴とするガスタービン。 A plurality of combustors for mixing combustion with compressed air to generate combustion gas, and a turbine having a rotor rotated by the combustion gas from the plurality of combustors,
A plurality of combustors are annularly arranged around the rotor, and a gas turbine having a tail tube that sends combustion gas to a gas inlet of the turbine,
The inner surface of at least one of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction of the rotor at the downstream portion of the transition piece of the combustor is directed toward the downstream side in the axial direction of the transition piece, An inclined surface that is inclined to the downstream end of the transition piece in a direction approaching the transition piece of another adjacent combustor gradually ,
The turbine has a plurality of first stage stationary blades arranged annularly around the rotor and along the gas inlet, and the first stage stationary blade has a chord direction in which the chord extends in the circumferential direction. Inclined with respect to the direction,
When the side where the downstream end of the first stage stationary blade exists with respect to the upstream end of the first stage stationary blade in the circumferential direction is a blade inclined side, the inclined surface of the one side wall of the tail tube is The side wall on the blade inclination side of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction in the transition piece,
The downstream end of the inclined surface of the side wall on the blade inclined side is a surface facing the upstream side in the first stage stationary blade, and is a surface on the ventral side extending from the upstream end to the downstream end of the first stage stationary blade. The gas turbine is opposed to the axial direction.
複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、A plurality of combustors are annularly arranged around the rotor, and a gas turbine having a tail tube that sends combustion gas to a gas inlet of the turbine,
前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成しており、The inner surface of at least one of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction of the rotor at the downstream portion of the transition piece of the combustor is directed toward the downstream side in the axial direction of the transition piece, An inclined surface that is inclined to the downstream end of the transition piece in a direction approaching the transition piece of another adjacent combustor gradually,
前記傾斜面は、前記尾筒の軸線に近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面を少なくとも一部に含む、The inclined surface includes, at least in part, a curved surface that approaches the axis of the tail tube and smoothly bulges toward the downstream side.
ことを特徴とするガスタービン。A gas turbine characterized by that.
複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、 A plurality of combustors are annularly arranged around the rotor, and a gas turbine having a tail tube that sends combustion gas to a gas inlet of the turbine,
前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成しており、 The inner surface of at least one of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction of the rotor at the downstream portion of the transition piece of the combustor is directed toward the downstream side in the axial direction of the transition piece, An inclined surface that is inclined to the downstream end of the transition piece in a direction approaching the transition piece of another adjacent combustor gradually,
前記燃焼器の数と前記第一段静翼の数との比が2:3以上の奇数であり、A ratio of the number of the combustors and the number of the first stage stationary blades is an odd number of 2: 3 or more;
複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Pを基準にして、前記燃焼器の前記尾筒と前記他の燃焼器の尾筒との中間地点から前記周方向で最も近い第一段静翼の上流端までの該周方向の寸法Sの割合S/Pは、0.05以下、0.2から0.55の間、及び0.7から1.0の間である、 Based on the pitch dimension P of the plurality of first stage stator blades, the first stage stator blades closest in the circumferential direction from an intermediate point between the tail cylinder of the combustor and the tail cylinder of the other combustor The ratio S / P of the circumferential dimension S to the upstream end is 0.05 or less, between 0.2 and 0.55, and between 0.7 and 1.0.
ことを特徴とするガスタービン。A gas turbine characterized by that.
前記タービンは、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の第一段静翼を有し、該第一段静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、 The turbine has a plurality of first stage stationary blades arranged annularly around the rotor and along the gas inlet, and the first stage stationary blade has a chord direction in which the chord extends in the circumferential direction. Inclined with respect to the direction,
前記周方向で、前記第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記尾筒の前記少なくとも一方の側壁は、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁である、In the circumferential direction, when the side where the downstream end of the first stage stationary blade exists with respect to the upstream end of the first stage stationary blade is a blade inclined side, the at least one side wall of the tail tube is Of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction in the tail cylinder, the side wall on the blade inclination side,
ことを特徴とするガスタービン。A gas turbine characterized by that.
前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁の両方の前記内面が前記傾斜面を成している、
ことを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to any one of claims 1 to 6 ,
The inner surfaces of both of the pair of side walls facing each other in the circumferential direction in the tail tube form the inclined surface.
A gas turbine characterized by that.
前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、一方の側壁の内面のみが、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成していることを特徴とする尾筒。Of the pair of side walls opposed to each other in the circumferential direction of the rotor, only the inner surface of one of the side walls gradually approaches the tail cylinder of another combustor that is adjacent to the inner side of the tail cylinder toward the downstream side in the axial direction. A tail tube characterized by having an inclined surface that is inclined in the direction to the downstream end of the tail tube.
前記第一段静翼を有する前記タービンと、を備えることを特徴とするガスタービン。 A combustor according to claim 11;
A gas turbine comprising: the turbine having the first stage stationary blade .
前記傾斜面の上流端から下流端までの前記周方向の寸法Bを基準として、該上流端から該下流端までの前記軸線方向の寸法Aの割合A/Bは、1以上で8以下である、
ことを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to any one of claims 1 to 7 and claim 12 ,
On the basis of the circumferential dimension B from the upstream end to the downstream end of the inclined surface, the ratio A / B of the axial dimension A from the upstream end to the downstream end is 1 or more and 8 or less. ,
A gas turbine characterized by that.
複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Pを基準にして、前記尾筒の下流端から前記第一段静翼の上流端までの前記軸線方向の寸法Lの割合L/Pが0.2以下である、
ことを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to any one of claims 1 to 7 and claim 12 ,
The ratio L / P of the dimension L in the axial direction from the downstream end of the transition piece to the upstream end of the first stage stationary blade is 0.2 based on the pitch dimension P of the plurality of first stage stationary blades. Is
A gas turbine characterized by that.
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