JP6345331B1 - ガスタービンの燃焼筒及び燃焼器並びにガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼筒における流れの剥離を抑制可能なガスタービンの燃焼筒及び燃焼器並びにガスタービンを提供する。【解決手段】ガスタービンの燃焼筒は、断面が円環扇形の出口セクションを備えるガスタービンの燃焼筒であって、前記出口セクションは、前記円環扇形の外周側境界を形成する外側壁と、前記円環扇形の内周側境界を形成する内側壁と、前記円環扇形の周方向における両側の境界をそれぞれ形成する一対の側壁と、を含み、前記外側壁は、前記燃焼筒の出口開口に向って前記円環扇形の高さが減少するように、前記内側壁に対して斜めに延在しており、前記一対の側壁のうち第１側壁は、前記燃焼筒の前記出口開口に向って前記円環扇形の周長が増加するように、前記一対の側壁のうち第２側壁に対して斜めに延在しており、前記第１側壁の前記第２側壁に対する傾斜角θ１［ｄｅｇ］は、０＜θ１≦５６を満たす。【選択図】 図３

Description

本開示は、ガスタービンの燃焼筒及び燃焼器並びにガスタービンに関する。

ガスタービンは、通常、周方向に並ぶ複数の燃焼器を有し、各燃焼器は、該燃焼器で生成されてタービンへ向かう高温の燃焼ガスが通る燃焼筒を有する。燃焼筒は、通常、入口部において円形の断面形状を有するとともに、出口部においては円環扇形の断面形状を有し、隣接する燃焼器との隙間が低減された状態で、燃焼筒の出口部とタービンの入口部とが接続されている。

このような燃焼筒として、例えば特許文献１には、燃焼ライナ（燃焼筒）の入口側に位置し、円形断面を有する円錐セクションと、燃焼ライナの出口側に位置し、非円形断面を有する移行セクションを備える燃焼ライナが開示されている。この移行セクションは、円錐セクションと接続される上流側では円形に近い断面形状を有し、燃焼ライナの出口開口側（下流側）では長方形に近い断面形状（すなわち、円環扇形の断面形状）を有し、これらの間においては、徐々に断面形状が変化するようになっている。

特開２０１４−１８１９０６号公報

特許文献１に記載される燃焼ライナ（燃焼筒）のように、燃焼筒の出口部において、断面形状が円形から円環扇形に徐々に変化するような形状を有する場合、燃焼筒の流路断面積が途中で増加する場合がある。この場合、燃焼筒において、流路断面積が増加する場所で流れの剥離が起きやすくなり、このような流れの剥離はガスタービンにおける圧力損失の要因となり得る。したがって、燃焼筒においては、燃焼ガスの通路の途中における流路断面積の拡大が抑制されていることが望ましい。しかしながら、特許文献１には、このような燃焼筒の流路断面積の拡大を抑制するための構成について具体的に開示されていない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃焼筒における流れの剥離を抑制可能なガスタービンの燃焼筒及び燃焼器並びにガスタービンを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼筒は、
断面が円環扇形の出口セクションを備えるガスタービンの燃焼筒であって、
前記出口セクションは、
前記円環扇形の外周側境界を形成する外側壁と、
前記円環扇形の内周側境界を形成する内側壁と、
前記円環扇形の周方向における両側の境界をそれぞれ形成する一対の側壁と、
を含み、
前記外側壁は、前記燃焼筒の出口開口に向って前記円環扇形の高さが減少するように、前記内側壁に対して斜めに延在しており、
前記一対の側壁のうち第１側壁は、前記燃焼筒の前記出口開口に向って前記円環扇形の周長が増加するように、前記一対の側壁のうち第２側壁に対して斜めに延在しており、
前記第１側壁の前記第２側壁に対する傾斜角θ_１［ｄｅｇ］は、０＜θ_１≦５６を満たす。

上記（１）の構成によれば、上述の傾斜角θ_１をゼロより大きく５６度以下に設定することで、燃焼筒の出口セクションを含む出口部における流路断面積の分布の適正化により、燃焼筒における流れの剥離を抑制することができる。よって、ガスタービンにおける圧力損失を低減することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記内側壁に対する前記外側壁の傾斜角θ_２［ｄｅｇ］は、１１≦θ_２≦２５を満たす。

上記（２）の構成によれば、傾斜角θ_２［ｄｅｇ］を１１≦θ_２≦２５の範囲内に設定することで、上記傾斜角θ_１を５６度以内に設定することと相まって、燃焼筒における流れの剥離をより一層抑制することができる。これにより、ガスタービンにおける圧力損失を効果的に低減することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記傾斜角θ_１が、１２≦θ_１≦５６を満たす。

上記（３）の構成によれば、上述の傾斜角θ_１を１２度以上に設定することで、出口セクションの円環扇形の周長を出口開口の周長まで増加するのに必要な燃焼筒の長さを減少させることができ、燃焼筒をコンパクト化することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の構成において、
前記傾斜角θ_１が、０＜θ_１≦４０を満たす。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記傾斜角θ_１が、０＜θ_１≦３０を満たす。

上記（４）又は（５）の構成によれば、傾斜角θ_１の上限値を４０度又は３０度以下に設定することで、上記傾斜角θ_１を５６度以内に設定することと相まって、燃焼筒における流れの剥離をより一層抑制することができる。

（６）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼筒は、
断面が円環扇形の出口セクションを備えるガスタービンの燃焼筒であって、
前記出口セクションは、
前記円環扇形の外周側境界を形成する外側壁と、
前記円環扇形の内周側境界を形成する内側壁と、
前記円環扇形の周方向における両側の境界をそれぞれ形成する一対の側壁と、
を含み、
前記外側壁は、前記燃焼筒の出口開口に向って前記円環扇形の高さが減少するように、前記内側壁に対して斜めに延在しており、
前記一対の側壁のうち第１側壁は、前記燃焼筒の前記出口開口に向って前記円環扇形の周長が増加するように、前記一対の側壁のうち第２側壁に対して斜めに延在しており、
前記第１側壁の前記第２側壁に対する傾斜角をθ_１［ｄｅｇ］とし、前記内側壁に対する前記外側壁の傾斜角をθ_２［ｄｅｇ］とし、前記出口セクションの下流端における前記円環扇形の高さをＨ_１とし、前記外側壁および前記内側壁の平均周長をＡｍ_１としたとき、
｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）
を満たす。

本発明者らの知見によれば、出口セクションの流路断面積が下流側へ向かうにつれて徐々に減少するためには、上述の傾斜角θ_１及びθ_２、出口セクションの下流端における円環扇形の高さＨ_１、及び、円環扇形の外側壁および内側壁の平均周長Ａｍ_１は、｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）を満たす必要がある。
この点、上記（６）の構成によれば、上述のθ_１、θ_２、Ｈ_１及びＡｍ_１は、｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）を満たすので、燃焼筒の出口セクションを含む出口部における流路断面積は、下流側へ向かうにつれて減少する。よって、上記（６）の構成によれば、燃焼筒における流れの剥離を抑制して、ガスタービンにおける圧力損失を効果的に低減することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記燃焼筒は、
円形断面を有し、前記燃焼筒の入口開口を形成する入口セクションと、
前記入口セクションと前記出口セクションとの間に位置し、前記燃焼筒の長手方向に沿って、前記入口セクションの前記円形断面から前記出口セクションの前記円環扇形の前記断面へと断面形状が変化する中間セクションと、
を備える。

上記（７）の構成によれば、入口セクションと、出口セクションと、該入口セクション及び出口セクションとの間に位置する中間セクションと、を備える燃焼筒において、流れの剥離を抑制して、ガスタービンにおける圧力損失を低減することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記出口セクションの前記外側壁は、前記燃焼筒の前記出口開口に向って前記入口セクションの中心線から離れるように、前記中心線に対して斜めに延在している。

上記（８）の構成によれば、燃焼筒の入口セクションの中心線のガスタービンの軸方向に対する傾斜角を大きく設定して燃焼筒を軸方向においてコンパクト化しながら、燃焼筒の出口セクションの外側壁と１段静翼の外側シュラウドとを滑らかに繋いで、圧力損失を抑制することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の構成において、
前記中間セクションは、
前記出口セクションの前記外側壁に繋がる第１壁部分と、
前記出口セクションの前記内側壁に繋がる第２壁部分と、
を含み、
前記中間セクションの前記第１壁部分は、前記燃焼筒の長手方向に沿った断面において、
前記燃焼筒の内部空間側に曲率中心を有する、曲率半径がＲ_ｏｕｔ１の第１湾曲凸部と、
前記第１湾曲凸部の下流側に位置し、前記第１壁部分を挟んで前記燃焼筒の内部空間とは反対側に曲率中心を有する、曲率半径がＲ_ｉｎ１の湾曲凹部と、
を含み、
前記中間セクションの前記第２壁部分は、前記燃焼筒の長手方向に沿った断面において、前記燃焼筒の内部空間側に曲率中心を有する、曲率半径がＲ_ｏｕｔ２の第２湾曲凸部を含み、
Ｒ_ｏｕｔ１＜Ｒ_ｉｎ１＜Ｒ_ｏｕｔ２
を満たす。

上記（９）の構成によれば、上述の曲率半径Ｒ_ｏｕｔ１、Ｒ_ｉｎ１及びＲ_ｏｕｔ２のうちＲ_ｏｕｔ１を最小とすることで、入口セクションの円筒形状から出口セクションの環状扇形に向けて、燃焼筒の断面形状を急激に変化させ、中間セクションの長さを短縮することができる。また、Ｒ_ｏｕｔ１＜Ｒ_ｉｎ１に設定することで、中間セクションの第１壁部分の湾曲凹部の曲率が比較的小さくなり、出口セクションの外側壁の傾斜角θ_２を増加させることができ、出口セクションにおける流れの剥離を抑制できる。さらに、上述の３種の曲率半径のうちＲ_ｏｕｔ２を最大に設定することで、中間セクションの第２壁部分の形状変化を緩やかとし、圧力損失を抑制できる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の構成において、
前記出口セクションは、前記中間セクションに溶接で接合されている。

上記（１０）の構成によれば、出口セクションと中間セクションとは溶接で接合されるので、出口セクションと中間セクションとを別々の部品として作製可能である。よって、出口セクション及び中間セクションの形状や作製方法を柔軟に選択することができる。
なお、他の実施形態では、出口セクションと中間セクションとは、一体的に形成されていてもよい。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、
前記出口セクションは鋳造部品である。

燃焼器の出口部を構成する出口セクションは、例えばタービン入口部との接続のために、複雑な構造とすることが要求される場合がある。この点、上記（１１）の構成によれば、出口セクションは鋳造により形成されるので、比較的複雑な構造を有する場合であっても製造しやすい。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの燃焼器は、
燃料を燃焼させるためのバーナと、
前記バーナでの燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する請求項１乃至１１の何れか一項に記載の燃焼筒と、
を備える。

上記（１２）の構成によれば、上述の傾斜角θ_１を５６度以下に設定することで、燃焼筒の出口セクションを含む出口部における流路断面積の分布の適正化により、燃焼筒における流れの剥離を抑制することができる。よって、ガスタービンにおける圧力損失を低減することができる。

（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、
上記（１２）に記載の燃焼器と、
前記燃焼器の前記燃焼筒の下流側に設けられる１段静翼と、を備え、
前記ガスタービンの軸方向断面において、前記燃焼筒の前記出口セクションの前記外側壁と、前記１段静翼の外側シュラウドとがなす角度は７度以下である。

上記（１３）の構成によれば、上述の傾斜角θ_１を５６度以下に設定することで、燃焼筒の出口セクションを含む出口部における流路断面積の分布の適正化により、燃焼筒における流れの剥離を抑制することができる。よって、ガスタービンにおける圧力損失を低減することができる。
また、上記（１３）の構成によれば、ガスタービンの軸方向断面において、燃焼筒の出口セクションの外側壁と、１段静翼の外側シュラウドとがなす角度は７度以下であるので、タービン入口部における燃焼ガス通路を形成する１段静翼の外側シュラウドと、該外側壁とが滑らかに接続されやすい。よって、燃焼筒とタービンとの接続部における流れの剥離を抑制して、ガスタービンにおける圧力損失をより効果的に低減することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃焼筒における流れの剥離を抑制可能なガスタービンの燃焼筒及び燃焼器並びにガスタービンが提供される。

一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。 一実施形態に係るガスタービンの燃焼器及びタービンの入口部分を示す概略図である。 一実施形態に係る燃焼筒の概略的な平面図である。 図３に示す燃焼筒の軸方向に沿った概略的な断面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 一実施形態に係る尾筒（燃焼筒）の出口セクションの断面形状を示す図である。 一実施形態に係る尾筒（燃焼筒）の出口セクションの断面形状を示す図である。 出口セクションの円環扇形の断面の模式図である。 図７に示す形状を有する出口セクションの流路断面積の微小変化を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。
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ための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン６と、を備える。発電用のガスタービン１の場合、タービン６には不図示の発電機が連結される。

圧縮機２は、圧縮機車室１０側に固定された複数の静翼１６と、静翼１６に対して交互に配列されるようにロータ８に植設された複数の動翼１８と、を含む。
圧縮機２には、空気取入口１２から取り込まれた空気が送られるようになっており、この空気は、複数の静翼１６及び複数の動翼１８を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。

燃焼器４には、燃料と、圧縮機２で生成された圧縮空気とが供給されるようになっており、該燃焼器４において燃料が燃焼され、タービン６の作動流体である燃焼ガスが生成される。図１に示すように、ガスタービン１は、ケーシング２０内にロータ８を中心として周方向に沿って複数配置された燃焼器４を有する。

タービン６は、タービン車室２２によって形成される燃焼ガス通路２８を有し、該燃焼ガス通路２８に設けられる複数の静翼２４及び動翼２６を含む。
静翼２４はタービン車室２２側に固定されており、ロータ８の周方向に沿って配列される複数の静翼２４が静翼列を構成している。また、動翼２６はロータ８に植設されており、ロータ８の周方向に沿って配列される複数の動翼２６が動翼列を構成している。静翼列と動翼列とは、ロータ８の軸方向において交互に配列されている。なお、複数の静翼２４のうち、最も上流側に設けられる静翼２４（すなわち燃焼器４に近い位置に設けられる静翼２４）が１段静翼２３である。
タービン６では、燃焼ガス通路２８に流れ込んだ燃焼器４からの燃焼ガスが複数の静翼２４及び複数の動翼２６を通過することでロータ８が回転駆動され、これにより、ロータ８に連結された発電機が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、排気室３０を介して外部へ排出される。

図２は、一実施形態に係るガスタービン１の燃焼器４及びタービン６の入口部分を示す概略図である。

図２に示すように、ロータ８を中心として環状に複数配置される燃焼器４（図１参照）の各々は、ケーシング２０により画定される燃焼器車室３２に設けられた燃焼筒（燃焼器ライナ）３６と、燃焼筒３６内にそれぞれ配置された第１燃焼バーナ３８及び第１燃焼バーナ３８を囲うように配置された複数の第２燃焼バーナ４０と、を含む。すなわち、ガスタービン１において、燃焼器４の燃焼筒３６は、周方向に複数配置されている。
なお、燃焼器４は、燃焼ガスをバイパスさせるためのバイパス管（不図示）等の他の構成要素を備えていてもよい。

燃焼筒（燃焼器ライナ）３６は、第１燃焼バーナ３８及び複数の第２燃焼バーナ４０の周囲に配置される内筒４８と、内筒４８の先端部に連結された尾筒５０と、を有している。なお、内筒４８と尾筒５０とが一体的な燃焼筒を構成していてもよい。
第１燃焼バーナ３８及び第２燃焼バーナ４０は、それぞれ、燃料を噴射するための燃料ノズル（不図示）と、該燃料ノズルを囲むように配置されたバーナ筒（不図示）と、を含む。各々の燃料ノズルには、燃料ポート４２，４４をそれぞれ介して燃料が供給されるようになっている。また、圧縮機２（図１参照）で生成された圧縮空気が、車室入口４１を介して燃焼器車室３２内に供給され、該圧縮空気が燃焼器車室３２から各々のバーナ筒に流入するようになっている。そして、各バーナ筒では、燃料ノズルから噴射される燃料と圧縮空気とが混合され、この混合気が燃焼筒３６に流れ込み、着火されて燃焼することにより、燃焼ガスが発生するようになっている。

なお、第１燃焼バーナ３８は拡散燃焼火炎を発生させるためのバーナであってもよく、第２燃焼バーナ４０は予混合気を燃焼させ予混合燃焼火炎を発生させるためのバーナであってもよい。
すなわち、第２燃焼バーナ４０において、燃料ポート４４からの燃料と圧縮空気とが予混合されて、該予混合気がスワラ（不図示）によって主として旋回流を形成し、燃焼筒３６に流れ込む。また、圧縮空気と、燃料ポート４２を介して第１燃焼バーナ３８から噴射された燃料とが燃焼筒３６内で混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスが発生する。このとき、燃焼ガスの一部が火炎を伴って周囲に拡散することで、各第２燃焼バーナ４０から燃焼筒３６内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。すなわち、第１燃焼バーナ３８から噴射された拡散燃焼用燃料による拡散燃焼火炎によって、第２燃焼バーナ４０からの予混合気（予混合燃料）の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。その際、燃焼領域は例えば内筒４８に形成され、尾筒５０には形成されなくてもよい。

上述のようにして燃焼器４において燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、尾筒５０の下流端部に位置する燃焼器４の出口部５２を介して、タービン６の１段静翼２３に流入する。

図３は、一実施形態に係る尾筒５０（燃焼筒３６）の概略的な平面図（ガスタービン１において径方向内側に向かって視た図）であり、図４は、図３に示す尾筒５０（燃焼筒３６）の軸方向に沿った概略的な断面図である。また図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図６は、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
なお、図４のＡ−Ａ線は、入口セクション５８の中心線Ｏに直交する線であり、図４のＢ−Ｂ線は、ガスタービン１の軸方向に直交する線である。

図３及び図４に示すように、一実施形態に係る尾筒５０（燃焼筒３６）は、尾筒５０（燃焼筒３６）の入口開口５４を形成する入口セクション５８と、燃焼器４の出口部５２において尾筒５０（燃焼筒３６）の出口開口５６を形成する出口セクション６２と、入口セクション５８と出口セクション６２との間に位置する中間セクション６０と、を含む。

燃焼器４において、燃料の燃焼により生成した高温の燃焼ガスは、入口開口５４を介して尾筒５０（燃焼筒３６）に流入し、入口セクション５８、中間セクション６０、及び、出口セクション６２をこの順に通過して、出口開口５６を介して燃焼器４から１段静翼２３（タービン６；図１及び図２参照）へと流入する。

図５に示すように、入口セクション５８は、尾筒５０（燃焼筒３６）の円筒部を構成し、円形断面を有する。なお、入口セクション５８の形状は、円筒型であってもよく、あるいは、円錐台形状であってもよい。
入口セクション５８の円形断面の直径Ｄ１は、入口セクション５８の中心線Ｏの方向における入口セクション５８の延在範囲の全域にわたって実質的に同一であってもよく、あるいは、入口開口５４から下流側に向かうにつれて徐々に減少するようになっていてもよい。

図３及び図４に示すように、出口セクション６２は、軸方向における最上流側に位置し、中間セクション６０と接続される上流端６２ａと、出口開口５６が形成される下流端６２ｂと、を含む。
また、図６に示すように、出口セクション６２は、図６に示す断面において、周方向に延在する外側壁６４及び内側壁６６と、該外側壁６４及び内側壁６６の両側部において径方向に延在する一対の側壁である第１側壁６８Ａ及び第２側壁６８Ｂと、を含む。内側壁６６は、外側壁６４よりも径方向内側に位置している。
なお、幾つかの実施形態では、外側壁６４及び内側壁６６と、第１側壁６８Ａ及び第２側壁６８Ｂとは、湾曲する角部７０を介して滑らかに接続されていてもよい。

図６に示すように、出口セクション６２の断面は、外側壁６４、内側壁６６、及び、第１側壁６８Ａ及び第２側壁６８Ｂにより形成される円環扇形（annular sector）の形状を有している。
外側壁６４及び内側壁６６は、円環扇形の外周側境界及び内周側境界をそれぞれ形成し、第１側壁６８Ａ及び第２側壁６８Ｂは、円環扇形の周方向における両側の境界をそれぞれ形成している。
なお、図６に示すように、外側壁６４及び内側壁６６と、第１側壁６８Ａ及び第２側壁６８Ｂとが、湾曲する角部７０を介して滑らかに接続されている場合であっても、出口セクション６２の断面形状は全体として円環扇形の形状を有しているとみなすことができる。
出口セクション６２のより具体的な特徴については後述する。

図４に示すように、中間セクション６０は、出口セクション６２の外側壁６４に繋がる第１壁部分７２と、出口セクション６２の内側壁６６に繋がる第２壁部分７４と、を有する。また、中間セクション６０は、尾筒５０（燃焼筒３６）の長手方向に沿って、入口セクション５８の円形断面から出口セクション６２の円環扇形の断面へと形状が変化する断面を有する。

入口セクション５８と中間セクション６０、又は、中間セクション６０と出口セクション６２は、一体的に形成されていてもよく、あるいは、中間セクション６０と出口セクション６２の各々が別々の部品として形成された後に接続されてもよい。
出口セクション６２と中間セクション６０とが別々の部品として作製される場合、出口セクション６２及び中間セクション６０の形状や作製方法をより柔軟に選択することができる。

一実施形態では、入口セクション５８又は中間セクション６０の少なくとも一方は、板金加工により成形された部品である。
また、一実施形態では、出口セクション６２は、鋳造（例えば精密鋳造）により成形された鋳造部品である。

燃焼器４の出口部５２を構成する尾筒５０（燃焼筒３６）の出口セクション６２は、例えばタービン６の入口部との接続のために、複雑な構造とすることが要求される場合がある。この点、出口セクション６２を鋳造により形成することにより、該出口セクション６２が比較的複雑な構造を有する場合であっても製造しやすい。

中間セクション６０と出口セクション６２が別々の部品として作製される場合、出口セクション６２と中間セクション６０とは、溶接により接合されていてもよい。

燃焼器４の尾筒５０（燃焼筒３６）の下流側に設けられる１段静翼２３は、図４に示すように、内側シュラウド９０と、内側シュラウド９０よりも径方向外側に設けられる外側シュラウド９２と、内側シュラウド９０と外側シュラウド９２との間において径方向に延びる翼型部９４と、を含む。
特に図示しないが、外側シュラウド９２はタービン車室２２（図１参照）に支持され、１段静翼２３は外側シュラウド９２を介してタービン車室２２に支持される。

以下、出口セクション６２を含む尾筒５０（燃焼筒３６）の特徴についてより具体的に説明する。
図７及び図８は、それぞれ、一実施形態に係る尾筒５０の出口セクション６２の断面形状を示す図である。図７（ａ）及び図８（ａ）は、それぞれ、ガスタービン１の周方向及び軸方向を含む平面における断面図であり、図７（ｂ）及び図８（ｂ）は、それぞれ、ガスタービン１の径方向及び軸方向を含む平面における断面図である。なお、図７及び図８において、ガスタービン１の軸方向をｘ軸としている。

また、図９は、出口セクション６２の円環扇形の断面の模式図である。図９に示すように、円環扇形の内径をＲｉ、外径をＲｏ、中心角をθ_０としたとき、該円環扇形の高さＨは（Ｒｏ−Ｒｉ）であり、平均径Ｒｍは（Ｒｏ＋Ｒｉ）／２であり、平均径での周長である平均周長ＡｍはＲｍ×θ_０である。また、このとき円環扇形の面積Ｓは、π（Ｒｏ^２−Ｒｉ^２）×θ_０／２π＝Ａｍ×Ｈ（即ち、円環扇形の平均ｓ周長Ａｍ×高さＨ）である。
そして、図７及び図８において、Ｈ_１及びＨ_２は、それぞれ、出口セクション６２の下流端６２ｂ及び上流端６２ａにおける円環扇形の高さであり、Ａｍ_１及びＡｍ_２は、それぞれ、出口セクション６２の下流端６２ｂ及び上流端６２ａにおける円環扇形の平均周長である。

幾つかの実施形態では、出口セクション６２は、以下（ｉ）〜（ｉｉｉ）の特徴を有する。
（ｉ）まず、出口セクション６２において、外側壁６４は、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口開口５６に向って円環扇形の高さＨが減少するように、内側壁６６に対して斜めに延在している。
即ち、出口セクション６２の下流端６２ｂおよび上流端６２ａでの円環扇形の高さＨ_１及びＨ_２は、Ｈ_１＜Ｈ_２を満たし、内側壁６６に対する外側壁６４の傾斜角をθ_２［ｄｅｇ］としたとき（ただし、θ_２は、周方向及び軸方向を含む断面における断面積を減少させる側を正にとる。）、θ_２＞０である。

なお、図７（ｂ）においては、内側壁６６は、ガスタービン１の軸方向に延在しているので、内側壁６６に対する外側壁６４の傾斜角θ_２は、図示する通りの角度である。
一方、図８（ｂ）においては、内側壁６６は、軸方向に対してθ２ｂだけ傾斜しており、かつ、外側壁６４は、軸方向に対してθ２ａだけ傾斜しており、内側壁６６に対する外側壁６４の傾斜角θ_２は、θ_１＝θ_２ａ＋θ_２ｂである。

（ｉｉ）また、出口セクション６２において、一対の側壁である第１側壁６８Ａ及び第２側壁６８Ｂのうち第１側壁６８Ａは、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口開口５６に向って円環扇形の周長が増加するように、第２側壁６８Ｂに対して斜めに延在している。ここで、「円環扇形の周長が増加する」とは、「円環扇形の平均周長Ａｍが増加する」ことに相当すると考えることができる。
すなわち、出口セクション６２の下流端６２ｂおよび上流端６２ａでの円環扇形の平均周長Ａｍ_１及びＡｍ_２は、Ａｍ_１＞Ａｍ_２を満たし、第１側壁６８Ａの第２側壁６８Ｂに対する傾斜角をθ_１［ｄｅｇ］としたとき（ただし、θ_１は、径方向及び軸方向を含む断面における断面積を増加させる側を正にとる。）、θ１＞０である。

なお、図７（ａ）においては、第１側壁６８Ａ及び第２側壁６８Ｂは、軸方向（ｘ軸の方向）に対して同じ大きさθ_１／２だけ傾斜しており、第１側壁６８Ａの第２側壁６８Ｂに対する傾斜角θ_１は２×θ_１／２＝θ_１である。
一方、図８（ａ）においては、第１側壁６８Ａは、軸方向に対してθ_１ａだけ傾斜しており、かつ、第２側壁６８Ｂは、軸方向に対してθ_１ｂだけ傾斜しており、第１側壁６８Ａの第２側壁６８Ｂに対する傾斜角θ_１はθ_１＝θ_１ａ＋θ_１ｂである。

（ｉｉｉ）そして、上述の傾斜角θ_１［ｄｅｇ］は、０＜θ_１≦５６を満たす。

本発明者らの鋭意検討の結果、このように、第１側壁６８Ａの第２側壁６８Ｂに対する傾斜角θ_１をゼロより大きく５６度以下に設定することで、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口セクション６２を含む出口部５２における流路断面積の分布の適正化により、燃焼筒における流れの剥離を抑制することができることがわかった。したがって、上記傾斜角θ_１を５６度以下とすることにより、ガスタービン１における圧力損失を低減することができる。

幾つかの実施形態では、上述の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の特徴に加え、出口セクション６２において、内側壁６６に対する外側壁６４の傾斜角θ_２［ｄｅｇ］は、１１≦θ_２≦２５を満たす。

この場合、上述の傾斜角θ_２［ｄｅｇ］を１１≦θ_２≦２５の範囲内に設定することで、上述の傾斜角θ_１をゼロより大きく５６度以内に設定することと相まって、燃焼筒３６における流れの剥離をより一層抑制することができる。これにより、ガスタービン１における圧力損失を効果的に低減することができる。

また、幾つかの実施形態では、上述の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の特徴に加え、出口セクション６２において、第１側壁６８Ａの第２側壁６８Ｂに対する傾斜角θ_１が、１２≦θ_１≦５６を満たす。

この場合、上述の傾斜角θ_１を１２度以上に設定することで、出口セクション６２の円環扇形の周長（又は平均周長Ａｍ）を出口開口５６の周長（又は平均周長Ａｍ_１）まで増加するのに必要な燃焼筒３６の長さを減少させることができ、燃焼筒３６をコンパクト化することができる。

幾つかの実施形態では、第１側壁６８Ａの第２側壁６８Ｂに対する傾斜角θ_１は、０＜θ_１≦４０を満たしていてもよい。
また、幾つかの実施形態では、上述の傾斜角θ_１は、０＜θ_１≦３０を満たしていてもよい。

このように、上述の傾斜角θ_１の上限値を４０度又は３０度以下に設定することで、上記傾斜角θ_１を５６度以内に設定することと相まって、燃焼筒における流れの剥離をより一層抑制することができる。

幾つかの実施形態では、出口セクション６２は、上記（ｉ）及び（ｉｉ）に加えて、以下に述べる（ｉｖ）の特徴を有する。

（ｉｖ）出口セクション６２の第１側壁６８Ａの第２側壁６８Ｂに対する傾斜角をθ_１［ｄｅｇ］とし、内側壁６６に対する外側壁６４の傾斜角をθ_２［ｄｅｇ］とし、出口セクション６２の下流端６２ｂにおける円環扇形の高さをＨ_１とし、外側壁６４および内側壁６６の平均周長をＡｍ_１としたとき（図７及び図８参照）、
｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）
を満たす。

本発明者らの知見によれば、出口セクション６２の流路断面積が下流側へ向かうにつれて徐々に減少するためには、上述の傾斜角θ_１及びθ_２、出口セクション６２の下流端６２ｂにおける円環扇形の高さＨ_１、及び、円環扇形の外側壁６４および内側壁６６の平均周長Ａｍ_１は、｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）を満たす必要がある。
この点、上述の実施形態では、上述のθ_１、θ_２、Ｈ_１及びＡｍ_１は、｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）を満たすので、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口セクション６２を含む出口部における流路断面積は、下流側へ向かうにつれて減少する。よって、燃焼筒３６における流れの剥離を抑制して、ガスタービン１における圧力損失を効果的に低減することができる。

ここで、上述の関係式｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）の導出について説明する。
図１０は、図７に示す形状を有する出口セクション６２の下流端６２ｂにおける流路断面積の軸方向（ｘ軸方向）における微小変化を説明するための図である。
図１０（ａ）は、図７（ａ）に示す断面における出口セクション６２の形状の微小変化を示し、図１０（ｂ）は、図７（ｂ）に示す断面における出口セクション６２の形状の微小変化を示す。

下流端６２ｂの軸方向位置をｘ_１とし、この位置から軸方向にｄｘだけ変化した軸方向位置を（ｘ_１＋ｄｘ）とする。このとき、下流端６２ｂにおける出口セクション６２の流路断面積Ｓ_１は、
Ｓ_１＝Ａｍ_１×Ｈ_１ …（Ａ）
で表せる。また、軸方向位置（ｘ_１＋ｄｘ）における平均周長をＡｍ_αとし、高さをＨ_αとすれば、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を参照して、Ａｍ_α＝Ａｍ_１＋ｄｘ・２ｔａｎ（θ_１／２）であり、Ｈ_α＝Ｈ_１−ｄｘ・ｔａｎθ_２であるから、この軸方向位置（ｘ_１＋ｄｘ）における流路断面積Ｓ_αは、
Ｓ_α＝Ａｍ_α×Ｈ_α
＝｛Ａｍ_１＋ｄｘ・２ｔａｎ（θ_１／２）｝×｛Ｈ_１−ｄｘ・ｔａｎθ_２｝ …（Ｂ）
で表せる。
ここで、流路断面積Ｓ１が、軸方向下流側に向かうにつれて減少するためには、
（ｄＳ／ｄｘ）＜０ …（Ｃ）
が必要となる。ｄＳ＝Ｓ_α−Ｓ_１であるから、式（Ａ）（Ｂ）を用いて式（Ｃ）を変形すると、
（ｄＳ／ｄｘ）＝ｌｉｍ（ｘ→０）｛（Ｓ_α−Ｓ_１）／ｄｘ｝
＝−Ａｍ_１・ｔａｎθ_２＋Ｈ_１・２ｔａｎ（θ_１／２）＜０ …（Ｄ）
となる。式（Ｄ）をさらに整理して
２・ｔａｎ（θ_１／２）＜（Ａｍ_１／Ｈ_１）・ｔａｎθ_２ …（Ｅ）
ここで、θ_１及びθ_２は十分小さくｔａｎ（θ_１／２）≒（θ_１／２）、ｔａｎθ_２≒θ_２と近似できるとみて、式（Ｅ）より、
θ_１＜θ_２×（Ａｍ_１／Ｈ_１） …（Ｆ）
となり、０°＜θ１＜９０°、０°＜θ２＜９０°とすれば、上述の関係式
｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１） …（Ｇ）
が導出される。

なお、ここでは、図７に示す形状を有する出口セクション６２を前提として上述の関係式（Ｇ）を導いたが、図８に示す形状を有する場合であっても、同様に上記関係式（Ｇ）を算出することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図４に示すように、出口セクション６２の外側壁６４は、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口開口５６に向って入口セクション５８の中心線Ｏから離れるように、該中心線Ｏに対して斜めに延在している。
すなわち、図４に示すように、入口セクション５８の中心線Ｏと、出口セクション６２の外側壁６４とのなす角度φ（ただし、角度φの中心は、出口開口５６よりも軸方向において上流側に位置する。）がゼロよりも大きく、９０度よりも小さい。

この場合、尾筒５０（燃焼筒３６）の入口セクション５８の中心線Ｏのガスタービン１の軸方向に対する傾斜角を大きく設定して燃焼筒３６を軸方向においてコンパクト化しながら、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口セクション６２の外側壁６４と１段静翼２３の外側シュラウド９２とを滑らかに繋いで、圧力損失を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図４に示すように、出口セクション６２の外側壁６４に繋がる中間セクション６０の第１壁部分７２は、燃焼筒３６の長手方向に沿った断面（即ち、図４に示す断面）において湾曲する第１湾曲凸部７６及び湾曲凹部７８を含む。また、出口セクション６２の内側壁６６に繋がる中間セクション６０の第２壁部分７４は、燃焼筒３６の長手方向に沿った断面において湾曲する第２湾曲凸部８０を含む。
第１湾曲凸部７６は、燃焼筒３６の長手方向に沿った断面において、尾筒５０（燃焼筒３６）の内部空間側に曲率中心を有し、曲率半径はＲ_ｏｕｔ１である。
湾曲凹部７８は、燃焼筒３６の長手方向に沿った断面において、第１湾曲凸部７６の下流側に位置する。また、湾曲凹部７８は、第１壁部分７２を挟んで尾筒５０（燃焼筒３６）の内部空間とは反対側に曲率中心を有すし、曲率半径はＲ_ｉｎ１である。
第２湾曲凸部８０は、燃焼筒３６の長手方向に沿った断面において、尾筒５０（燃焼筒３６）の内部空間側に曲率中心を有し、曲率半径はＲ_ｏｕｔ２である。
そして、第１湾曲凸部７６の曲率半径Ｒ_ｏｕｔ１、湾曲凹部７８の曲率半径Ｒ_ｉｎ１、及び第２湾曲凸部８０の曲率半径の曲率半径Ｒ_ｏｕｔ２は、Ｒ_ｏｕｔ１＜Ｒ_ｉｎ１＜Ｒ_ｏｕｔ２を満たす。

上述したように、曲率半径Ｒ_ｏｕｔ１、Ｒ_ｉｎ１及びＲ_ｏｕｔ２のうちＲ_ｏｕｔ１を最小とすることで、入口セクション５８の円筒形状から出口セクション６２の環状扇形に向けて、燃焼筒３６の断面形状を急激に変化させ、中間セクション６０の長さを短縮することができる。また、上述したように、Ｒ_ｏｕｔ１＜Ｒ_ｉｎ１に設定することで、中間セクション６０の第１壁部分７２の湾曲凹部７８の曲率が比較的小さくなり、出口セクション６２の外側壁６４の傾斜角θ_２を増加させることができ、出口セクション６２における流れの剥離を抑制できる。さらに、上述の３種の曲率半径のうちＲ_ｏｕｔ２を最大に設定することで、中間セクション６０の第２壁部分７４の形状変化を緩やかとし、圧力損失を抑制できる。

幾つかの実施形態では、ガスタービン１の軸方向断面（即ち、図４に示す断面）において、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口セクション６２の外側壁６４と、１段静翼２３の外側シュラウド９２とがなす角度は７度以下である。
すなわち、上述の軸方向断面において、軸方向の直線と、１段静翼２３の外側シュラウド９２とのなす角度をψ_０［ｄｅｇ］とし、軸方向の直線と、出口セクション６２の外側壁６４とのなす角度をψ_１［ｄｅｇ］としたとき（図４参照）、｜ψ_０−ψ_０｜＜７である。

上述のように、軸方向断面において、尾筒５０（燃焼筒３６）の出口セクション６２の外側壁６４と、１段静翼２３の外側シュラウド９２とがなす角度を７度以下とすることで、タービン６の入口部における燃焼ガス通路を形成する１段静翼２３の外側シュラウド９２と、該外側壁６４とが滑らかに接続されやすい。よって、燃焼筒３６とタービン６との接続部における流れの剥離を抑制して、ガスタービン１における圧力損失をより効果的に低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
４ 燃焼器
６ タービン
８ ロータ
１０ 圧縮機車室
１２ 空気取入口
１６ 静翼
１８ 動翼
２０ ケーシング
２２ タービン車室
２４ 静翼
２６ 動翼
２８ 燃焼ガス通路
３０ 排気室
３２ 燃焼器車室
３６ 燃焼筒
３８ 第１燃焼バーナ
４０ 第２燃焼バーナ
４１ 車室入口
４２ 燃料ポート
４４ 燃料ポート
４８ 内筒
５０ 尾筒
５２ 出口部
５４ 入口開口
５６ 出口開口
５８ 入口セクション
６０ 中間セクション
６２ 出口セクション
６２ａ 上流端
６２ｂ 下流端
６４ 外側壁
６６ 内側壁
６８Ａ 第１側壁
６８Ｂ 第２側壁
７０ 角部
７２ 第１壁部分
７４ 第２壁部分
７６ 第１湾曲凸部
７８ 湾曲凹部
８０ 第２湾曲凸部
９０ 内側シュラウド
９２ 外側シュラウド
９４ 翼型部
Ａｍ 平均周長
Ｈ 高さ
Ｏ 中心線
Ｒｉｎ１ 曲率半径
Ｒｍ 平均径
Ｒｏｕｔ１ 曲率半径
Ｒｏｕｔ２ 曲率半径
θ１ 傾斜角
θ２ 傾斜角
φ 角度

Claims (13)

1. 断面が円環扇形の出口セクションを備えるガスタービンの燃焼筒であって、
   前記出口セクションは、前記燃焼筒の下流端部において前記燃焼筒の出口開口が形成された下流端を有し、
   前記出口セクションは、
   前記円環扇形の外周側境界を形成する外側壁と、
   前記円環扇形の内周側境界を形成する内側壁と、
   前記円環扇形の周方向における両側の境界をそれぞれ形成する一対の側壁と、
   を含み、
   前記外側壁は、前記燃焼筒の出口開口に向って前記円環扇形の高さが減少するように、前記内側壁に対して斜めに延在しており、
   前記一対の側壁のうち第１側壁は、前記燃焼筒の前記出口開口に向って前記円環扇形の周長が増加するように、前記一対の側壁のうち第２側壁に対して斜めに延在しており、
   前記第１側壁の前記第２側壁に対する傾斜角θ_１［ｄｅｇ］は、０＜θ_１≦５６を満たす
   ガスタービンの燃焼筒。
2. 前記内側壁に対する前記外側壁の傾斜角θ_２［ｄｅｇ］は、１１≦θ_２≦２５を満たす
   請求項１に記載のガスタービンの燃焼筒。
3. 前記傾斜角θ_１が、１２≦θ_１≦５６を満たす
   請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼筒。
4. 前記傾斜角θ_１が、０＜θ_１≦４０を満たす
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のガスタービンの燃焼筒。
5. 前記傾斜角θ_１が、０＜θ_１≦３０を満たす
   請求項４に記載のガスタービンの燃焼筒。
6. 断面が円環扇形の出口セクションを備えるガスタービンの燃焼筒であって、
   前記出口セクションは、前記燃焼筒の下流端部において前記燃焼筒の出口開口が形成された下流端を有し、
   前記出口セクションは、
   前記円環扇形の外周側境界を形成する外側壁と、
   前記円環扇形の内周側境界を形成する内側壁と、
   前記円環扇形の周方向における両側の境界をそれぞれ形成する一対の側壁と、
   を含み、
   前記外側壁は、前記燃焼筒の出口開口に向って前記円環扇形の高さが減少するように、前記内側壁に対して斜めに延在しており、
   前記一対の側壁のうち第１側壁は、前記燃焼筒の前記出口開口に向って前記円環扇形の周長が増加するように、前記一対の側壁のうち第２側壁に対して斜めに延在しており、
   前記第１側壁の前記第２側壁に対する傾斜角をθ_１［ｄｅｇ］とし、前記内側壁に対する前記外側壁の傾斜角をθ_２［ｄｅｇ］とし、前記出口セクションの下流端における前記円環扇形の高さをＨ_１とし、前記外側壁および前記内側壁の平均周長をＡｍ_１としたとき、
   ｜θ_１｜＜｜θ_２｜×（Ａｍ_１／Ｈ_１）
   を満たす
   ガスタービンの燃焼筒。
7. 円形断面を有し、前記燃焼筒の入口開口を形成する入口セクションと、
   前記入口セクションと前記出口セクションとの間に位置し、前記燃焼筒の長手方向に沿って、前記入口セクションの前記円形断面から前記出口セクションの前記円環扇形の前記断面へと断面形状が変化する中間セクションと、
   を備える請求項１乃至６の何れか一項に記載のガスタービンの燃焼筒。
8. 前記出口セクションの前記外側壁は、前記燃焼筒の前記出口開口に向って前記入口セクションの中心線から離れるように、前記中心線に対して斜めに延在している
   請求項７に記載のガスタービンの燃焼筒。
9. 前記中間セクションは、
   前記出口セクションの前記外側壁に繋がる第１壁部分と、
   前記出口セクションの前記内側壁に繋がる第２壁部分と、
   を含み、
   前記中間セクションの前記第１壁部分は、前記燃焼筒の長手方向に沿った断面において、
   前記燃焼筒の内部空間側に曲率中心を有する、曲率半径がＲ_ｏｕｔ１の第１湾曲凸部と、
   前記第１湾曲凸部の下流側に位置し、前記第１壁部分を挟んで前記燃焼筒の内部空間とは反対側に曲率中心を有する、曲率半径がＲ_ｉｎ１の湾曲凹部と、
   を含み、
   前記中間セクションの前記第２壁部分は、前記燃焼筒の長手方向に沿った断面において、前記燃焼筒の内部空間側に曲率中心を有する、曲率半径がＲ_ｏｕｔ２の第２湾曲凸部を含み、
   Ｒ_ｏｕｔ１＜Ｒ_ｉｎ１＜Ｒ_ｏｕｔ２
   を満たす
   請求項７又は８に記載のガスタービンの燃焼筒。
10. 前記出口セクションは、前記中間セクションに溶接で接合された
    ことを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載のガスタービンの燃焼筒。
11. 前記出口セクションは鋳造部品である
    請求項１０に記載のガスタービンの燃焼筒。
12. 燃料を燃焼させるためのバーナと、
    前記バーナでの燃料の燃焼により生じる燃焼ガスの通路を形成する請求項１乃至１１の何れか一項に記載の燃焼筒と、
    を備えることを特徴とするガスタービンの燃焼器。
13. 請求項１２に記載の燃焼器と、
    前記燃焼器の前記燃焼筒の下流側に設けられる１段静翼と、を備えるガスタービンであって、
    前記ガスタービンの軸方向断面において、前記燃焼筒の前記出口セクションの前記外側壁と、前記１段静翼の外側シュラウドとがなす角度は７度以下である
    ガスタービン。

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