JP6429764B2

JP6429764B2 - ガスタービン

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Publication number: JP6429764B2
Application number: JP2015252492A
Authority: JP
Inventors: 能幸岡部; 堀江　茂斉; 茂斉堀江; 忠之花田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Aero Engines Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Aero Engines Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: US11021999B2; US20200271017A1; CA3009026C; CA3009026A1; EP3379150B1; WO2017110104A1; JP2017116184A; EP3379150A1; EP3379150A4

Description

本発明は、ガスタービンに関する。

一般に、ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを含み、これらのケーシングが外周部でフランジによりボルトで接合されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１６９６５５号公報

ガスタービンにおいて、圧縮機から燃焼器に至る圧縮空気は、圧力が最も高く、かつ燃焼器に至る以前では温度が最も高い。この圧縮空気は、圧縮機の出口のディフューザから燃焼器に向けて送られ、燃焼器が収容される燃焼器ケーシング内において燃焼器に衝突して一部が燃焼器の外周部に至る。燃焼器の外周部は、燃焼器と燃焼器ケーシングとの間に形成された空間があり、燃焼器に衝突した圧縮空気は、燃焼器の外周部のより外側に広がるため燃焼器の近傍よりもその外側の燃焼器ケーシング近傍の流速が早くなる。このため、燃焼器ケーシングは、その内面が高温の圧縮空気にさらされることになる。近年では、燃費向上のため圧縮機の圧力比を増加させる傾向があり、圧力比を増加させた分、圧縮機の出口から燃焼器に送られる圧縮空気の温度も向上する。

上述した特許文献１に示されているように、ガスタービンのケーシングは、外側でフランジによりボルトで接合されている。具体的に、燃焼器ケーシングとタービンケーシングとがその外側でフランジにより接合されている。そして、上述した燃焼器の外周部の圧縮空気は、燃焼器ケーシングとタービンケーシングとを接合するフランジに向けて流動する。このフランジは、周囲に淀んだ大気が存在して熱伝達率が低く、燃焼器ケーシングの内部では圧縮空気の流速が早く熱伝達率が高いことから、ケーシングの内外でフランジに非常に大きな温度分布が発生する。特に、航空用ガスタービンでは、離陸時に数十秒で回転数を上げて昇圧させて出力を上げるため、この際、フランジは高温の圧縮空気にさらされる。このため、燃焼器ケーシングとタービンケーシングとを接合するフランジは、熱応力が過大となり、クラックなどの故障の発生率が高く部品交換の頻度が高くなる。従って、フランジの熱応力を低減させることが望まれている。

本発明は上述した課題を解決するものであり、燃焼器ケーシングとタービンケーシングとを接合するフランジの熱応力を低減することのできるガスタービンを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明のガスタービンは、回転軸の延在方向に沿って圧縮機と燃焼器とタービンとが設けられ、前記燃焼器を収容する燃焼器ケーシングと前記タービンを収容するタービンケーシングとが外側に突出する互いのフランジを介して接合されたガスタービンであって、前記燃焼器ケーシングの内面に、前記燃焼器における燃焼筒の前記圧縮機側の端部と前記フランジとの間の前記回転軸の延在方向の範囲の少なくとも一部で径方向内側に突出する突起部を備えることを特徴とする。

このガスタービンによれば、燃焼器ケーシングの内面に突起部を設けることで、燃焼筒の外側に広がって燃焼器ケーシングの内面に沿って流れる圧縮空気の堰となり、圧縮空気の流れを径方向内側に案内する。この結果、フランジに至る圧縮空気の流れを阻害し、フランジの熱応力を低減することができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記突起部は、前記フランジが形成された前記燃焼器ケーシングの径方向内側の位置を除き設けられることを特徴とする。

このガスタービンによれば、フランジが形成された燃焼器ケーシングの径方向内側の位置を除き突起部を設けることで、突起部からフランジへの熱の伝達を防ぐことができる。この結果、フランジの熱応力を低減することができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記突起部は、前記燃焼器ケーシングの内面から径方向内側に突出した突出端が、前記燃焼筒における径方向最外位置よりも径方向外側に配置されることを特徴とする。

このガスタービンによれば、燃焼筒における径方向最外側位置よりも、突起部の突出端が径方向外側に配置されることで、取り付け取り外しのために燃焼筒と燃焼器ケーシングとを回転軸の延在方向に相対移動させる際に、相互の干渉を防ぐことができ、組み立て性を向上することができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記突起部は、前記圧縮機側に向く面が前記タービンに向けて前記燃焼器ケーシングの内面から漸次径方向外側に傾斜する傾斜面を有することを特徴とする。

このガスタービンによれば、突起部に傾斜面を設けることで、燃焼器ケーシングの内面から圧縮空気を円滑に離れるように案内することができ、圧縮空気の不要な乱流の発生を抑えることができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記突起部は、前記タービン側に向く面が前記燃焼器ケーシングの内面から切り立って形成されることを特徴とする。

このガスタービンによれば、タービン側に向く面が燃焼器ケーシングの内面から切り立って形成されると、突起部の突出端から圧縮空気が剥離し易くなる。このため、圧縮空気を燃焼器ケーシングの内面から離すことができ、フランジの熱応力を低減する効果を顕著に得ることができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記突起部は、前記燃焼器ケーシングの内面に対して別体で取り付けられることを特徴とする。

このガスタービンによれば、突起部を燃焼器ケーシングの内面に対して別体で取り付けることで、既存のガスタービンに対して突起部を取り付けることができる。

本発明によれば、燃焼器ケーシングとタービンケーシングとを接合するフランジの熱応力を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。図２は、本発明の実施形態に係るガスタービンにおける燃焼器付近の拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係るガスタービンにおける要部拡大図である。図４は、本発明の実施形態に係るガスタービンにおける要部拡大図である。図５は、本発明の実施形態に係るガスタービンにおける要部拡大図である。図６は、本発明の実施形態に係るガスタービンにおける要部拡大図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本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１０は、航空用ガスタービンであって、ファンケーシング１１と、本体ケーシング１２とを有している。ファンケーシング１１は、内部にファン１３を収容し、本体ケーシング１２は、内部に圧縮機１４と、燃焼器１５と、タービン１６とを収容して構成されている。圧縮機１４と、燃焼器１５と、タービン１６とは、回転軸２１の軸心Ｒの延在方向に沿って設けられている。

ファン１３は、回転軸２１の外周部に複数のファンブレード２２が装着されて構成されている。回転軸２１は、ファンケーシング１１および本体ケーシング１２に対して軸心Ｒの廻りに回転可能に支持されている。ファン１３は、回転軸２１の回転に伴って軸心Ｒの廻りに回転し、当該軸心Ｒに沿って本体ケーシング１２に空気を送る。

圧縮機１４は、空気の流れの上流側から下流側に配置された低圧コンプレッサ２３と高圧コンプレッサ２４とを有している。燃焼器１５は、圧縮機１４よりも空気の流れの下流側に位置し、回転軸２１の周りである周方向に沿って配置されている。タービン１６は、燃焼器１５より空気の流れの下流側に位置し、空気の流れの上流側から下流側に配置された高圧タービン２５と低圧タービン２６とを有している。そして、ファン１３の回転軸２１と低圧コンプレッサ２３とが連結され、低圧コンプレッサ２３と低圧タービン２６とが回転軸２１に対して同軸心Ｒ上で連結された第一ロータ軸２７により連結されている。また、高圧コンプレッサ２４と高圧タービン２５とが、第一ロータ軸２７の外周側で同軸心Ｒ上に位置された円筒形状をなす第二ロータ軸２８により連結されている。

従って、ファン１３により送られて圧縮機１４にて取り込まれた空気が、低圧コンプレッサ２３と高圧コンプレッサ２４における複数の静翼と動翼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。そして、この圧縮空気に対して燃焼器１５にて燃料が供給され、作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼器１５で生成された燃焼ガスが、タービン１６を構成する高圧タービン２５および低圧タービン２６における複数の静翼と動翼を通過することで回転力が発生する。この場合、低圧タービン２６の回転力が第一ロータ軸２７により低圧コンプレッサ２３に伝達されて駆動する。また、高圧タービン２５の回転力が第二ロータ軸２８により高圧コンプレッサ２４に伝達されて駆動する。また、低圧コンプレッサ２３の回転力が回転軸２１によりファン１３に伝達されて駆動する。その結果、タービン１６から排出される排気ガスにより推力を得ることができる。

図２は、本実施形態に係るガスタービンにおける燃焼器付近の拡大図である。

図２では、燃焼器１５付近であって、高圧コンプレッサ２４の一部と、燃焼器１５と、高圧タービン２５の一部が示されている。

圧縮機１４の高圧コンプレッサ２４は、圧縮空気を通過させる圧縮空気通路２４Ａに、動翼２４Ｂと静翼２４Ｃが交互に配置されている。そして、最下流に配置された動翼２４Ｂを通過した圧縮空気が燃焼器１５に供給される。

タービン１６の高圧タービン２５は、燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路２５Ａに、静翼２５Ｂと動翼２５Ｃが交互に配置されている。そして、最上流に配置された静翼２５Ｂに燃焼器１５で生成された燃焼ガスが供給される。

燃焼器１５は、外筒１５Ａと、内筒１５Ｂとを有している。外筒１５Ａは、本体ケーシング１２の一部である燃焼器ケーシング１２Ａの内部に設けられて軸心Ｒの周りを囲む環状に形成され、燃焼器ケーシング１２Ａと共に、圧縮機１４の高圧コンプレッサ２４とタービン１６の高圧タービン２５との間に圧縮空気室ＰＡを形成する。外筒１５Ａは、ディフューザ１５Ａａを有し、圧縮空気室ＰＡが当該ディフューザ１５Ａａを介して高圧コンプレッサ２４の圧縮空気通路２４Ａに連通されている。従って、外筒１５Ａは、圧縮空気室ＰＡにディフューザ１５Ａａを介して高圧コンプレッサ２４から圧縮空気が導入される。

内筒１５Ｂは、燃焼器ケーシング１２Ａと外筒１５Ａとが形成する圧縮空気室ＰＡ内に収容されている。内筒１５Ｂは、軸心Ｒの周りを囲む環状に形成され、燃焼ガス室ＧＡを形成する。内筒１５Ｂは、一端側がディフューザ１５Ａａに対向して開口し燃料噴射ノズル１５Ｂａが設けられ、他端側がタービン１６の高圧タービン２５の燃焼ガス通路２５Ａに連通されている。従って、内筒１５Ｂは、一端側から燃焼ガス室ＧＡに圧縮空気が供給され、この圧縮空気に燃料噴射ノズル１５Ｂａにより燃料を供給することで燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスを他端側から高圧タービン２５に供給する。このように、内筒１５Ｂは、その内部で燃焼ガスを生成する燃焼筒として構成されている。

また、燃焼器１５において、燃焼器ケーシング１２Ａは、本体ケーシング１２の一部であってタービン１６を収容するタービンケーシング１２Ｂと別体で構成されている。燃焼器ケーシング１２Ａとタービンケーシング１２Ｂとを別体とすることでガスタービンの組み立て性を向上させている。これら、燃焼器ケーシング１２Ａとタービンケーシング１２Ｂとは、それぞれ外側に突出して延在したフランジ１２Ａａ，１２Ｂａを有し、このフランジ１２Ａａ，１２Ｂａをボルト３１により締結することで互いに接合されている。

このような燃焼器１５において、ディフューザ１５Ａａから外筒１５Ａの内部である圧縮空気室ＰＡに供給された圧縮空気は、全てが内筒１５Ｂの内部である燃焼ガス室ＧＡに至らず、一部が圧縮空気室ＰＡにおいて内筒１５Ｂの外周に回り込む。この内筒１５Ｂの外周に回り込んだ圧縮空気は、内筒１５Ｂの外周から燃焼ガス室ＧＡに供給されたり、高圧タービン２５における静翼２５Ｂや動翼２５Ｃや第一ロータ軸２７や第二ロータ軸２８に供給されて冷却に供されたりする。

しかし、圧縮空気室ＰＡに至る圧縮空気は、圧縮機１４において高温であって、圧縮空気室ＰＡにおいて内筒１５Ｂの外周に回り込んだ一部が図２中に二点鎖線の矢印で示すように燃焼器ケーシング１２Ａの内面に沿って流れ、かつ内筒１５Ｂの外周面の外側に広がるため内筒１５Ｂの近傍よりも燃焼器ケーシング１２Ａの内面側の流速が早くなる。このため、高温の圧縮空気により燃焼器ケーシング１２Ａおよびタービンケーシング１２Ｂのフランジ１２Ａａ，１２Ｂａの熱応力が過大となり、クラックなどの故障の発生率が高く部品交換の頻度が高くなる。

そこで、本実施形態のガスタービン１０は、燃焼器ケーシング１２Ａの内面に、内筒１５Ｂの圧縮機１４側の端部（一端部）とフランジ１２Ａａ，１２Ｂａとの間の回転軸２１の延在方向の範囲の少なくとも一部で径方向内側に突出する突起部１を備える。径方向とは回転軸２１の軸心Ｒに直交する方向であって、径方向内側とは軸心Ｒに近づく側である。また、径方向外側とは軸心Ｒから離れる側である。突起部１は、周方向に連続して設けられている。

すなわち、燃焼器ケーシング１２Ａの内面に突起部１を設けることで、内筒１５Ｂの外側に広がって燃焼器ケーシング１２Ａの内面に沿って流れる圧縮空気の堰となり、図２中の破線の矢印で示すように、圧縮空気の流れを径方向内側に案内する。この結果、フランジ１２Ａａ，１２Ｂａに至る圧縮空気の流れを阻害し、フランジ１２Ａａ，１２Ｂａの熱応力を低減することができる。

内筒１５Ｂの圧縮機１４側の端部（一端部）よりも圧縮機１４に近づけて突起部１を設けた場合、突起部１のタービン１６側を圧縮空気が抜けて内筒１５Ｂの外側に広がって燃焼器ケーシング１２Ａの内面に沿って流れるため、フランジ１２Ａａ，１２Ｂａの熱応力を低減することができない。従って、突起部１は、内筒１５Ｂの圧縮機１４側の端部（一端部）とフランジ１２Ａａ，１２Ｂａとの間の回転軸２１の延在方向の範囲の少なくとも一部に設ける必要がある。また、突起部１は、図２中は単一で示しているが、複数であってもよい。突起部１が複数である場合、径方向内側の突出端１ａの位置は、軸心Ｒと水平、またはタービン１６側に向けて軸心Ｒに近づくことが好ましい。また、突起部１は、突出端１ａが内筒１５Ｂの外周面に接触しないことが相互の当たりを防ぐうえで好ましい。

また、本実施形態のガスタービン１０では、突起部１は、フランジ１２Ａａが形成された燃焼器ケーシング１２Ａの径方向内側の位置を除き設けられることが好ましい。

具体的には、図２に示すように、内筒１５Ｂの圧縮機１４側の端部（一端部）とフランジ１２Ａａ，１２Ｂａとの間の回転軸２１の延在方向の範囲のうち、フランジ１２Ａａが形成された燃焼器ケーシング１２Ａの径方向内側の位置を除く範囲Ｌの少なくとも一部に突起部１を設けることが好ましい。

フランジ１２Ａａが形成された燃焼器ケーシング１２Ａの径方向内側の位置を除き突起部１を設けることで、突起部１からフランジ１２Ａａへの熱の伝達を防ぐことができる。この結果、フランジ１２Ａａ，１２Ｂａの熱応力を低減することができる。

また、本実施形態のガスタービン１０では、突起部１は、燃焼器ケーシング１２Ａの内面から径方向内側に突出した突出端１ａが、内筒１５Ｂにおける径方向最外側位置よりも径方向外側に配置されることが好ましい。

図２に示すように内筒１５Ｂにおける径方向最外側位置Ｈよりも、突起部１の突出端１ａが径方向外側に配置されることで、取り付け取り外しのために内筒１５Ｂと燃焼器ケーシング１２Ａとを回転軸２１の軸心Ｒの延在方向に相対移動させる際に、相互の干渉を防ぐことができ、組み立て性を向上することができる。

図３〜図６は、本実施形態に係るガスタービンにおける要部拡大図である。要部とは、上述した突起部１を示す。

図３〜図６に示すように、本実施形態のガスタービン１０では、突起部１は、圧縮機１４側に向く面がタービン１６に向けて燃焼器ケーシング１２Ａの内面から漸次径方向外側に傾斜する傾斜面１Ａを有することが好ましい。

突起部１に傾斜面１Ａを設けることで、燃焼器ケーシング１２Ａの内面から圧縮空気を円滑に離れるように案内することができ、圧縮空気の不要な乱流の発生を抑えることができる。この傾斜面１Ａは、図３、図４および図６に示すように、燃焼器ケーシング１２Ａの内面から径方向外側に真っ直ぐ傾斜して形成されていてもよく、図５に示すように、凹むように湾曲して形成されていてもよい。また、突出端１ａは、図３、図５および図６に示すように、角で形成されていてもよいが、図４に示すように、平面１Ｃで形成されていてもよい。

また、図３〜図６に示すように、本実施形態のガスタービン１０では、突起部１は、タービン１６側に向く面１Ｂが燃焼器ケーシング１２Ａの内面から切り立って形成されることが好ましい。

タービン１６側に向く面１Ｂが燃焼器ケーシング１２Ａの内面から切り立って形成されると、突起部１の突出端１ａから圧縮空気が剥離し易くなる。このため、圧縮空気を燃焼器ケーシング１２Ａの内面から離すことができ、フランジ１２Ａａ，１２Ｂａの熱応力を低減する効果を顕著に得ることができる。突起部１の突出端１ａから圧縮空気が剥離し難いと、圧縮空気が燃焼器ケーシング１２Ａの内面に沿って流れるためフランジ１２Ａａ，１２Ｂａの熱応力を低減する効果が低下する。

また、図６に示すように、本実施形態のガスタービン１０では、突起部１は、燃焼器ケーシング１２Ａの内面に対して別体で取り付けられることが好ましい。

具体的に、図６に示すように、突起部１は、燃焼器ケーシング１２Ａの内面に形成された凹部１２Ａｂに嵌合する嵌合部１Ｄが形成されていると共に、ボルト２Ａの頭部を受ける受面１Ｅが形成されている。そして、嵌合部１Ｄを凹部１２Ａｂに焼き嵌めし、ボルト２Ａを突起部１および燃焼器ケーシング１２Ａに貫通させ、燃焼器ケーシング１２Ａの外側にてボルト２Ａにナット２Ｂを締め付けることで、突起部１が燃焼器ケーシング１２Ａの内面に別体で取り付けられる。

突起部１を燃焼器ケーシング１２Ａの内面に対して別体で取り付けることで、既存のガスタービン１０に対して突起部１を取り付けることができる。なお、新規に作成するガスタービン１０では突起部１を燃焼器ケーシング１２Ａの内面に対して突出成形してもよい。

なお、突起部１の表面や、燃焼器ケーシング１２Ａの内面に対して遮熱コーティング（例えば、ＴＢＣ：Thermal Barrier Coating）を施してもよい。遮熱コーティングを施すことで、フランジ１２Ａａ，１２Ｂａの熱応力を低減する効果を顕著に得ることができる。

なお、突起部１は、図１に示す航空用のガスタービン１０以外に、図には明示しないが火力発電に適用される発電用のガスタービンなどに用いられてもよい。

１突起部
１ａ突出端
１Ａ傾斜面
１Ｂタービン側に向く面
１Ｃ突出端の平面
１Ｄ嵌合部
１Ｅ受面
２Ａボルト
２Ｂナット
１０ガスタービン
１１ファンケーシング
１２本体ケーシング
１２Ａ燃焼器ケーシング
１２Ａａフランジ
１２Ａｂ凹部
１２Ｂタービンケーシング
１２Ｂａフランジ
１３ファン
１４圧縮機
１５燃焼器
１５Ａ外筒
１５Ａａディフューザ
１５Ｂ内筒
１５Ｂａ燃料噴射ノズル
１６タービン
２１回転軸
２２ファンブレード
２３低圧コンプレッサ
２４高圧コンプレッサ
２４Ａ圧縮空気通路
２４Ｂ動翼
２４Ｃ静翼
２５高圧タービン
２５Ａ燃焼ガス通路
２５Ｂ静翼
２５Ｃ動翼
２６低圧タービン
２７第一ロータ軸
２８第二ロータ軸
３１ボルト
ＧＡ燃焼ガス室
Ｈ径方向最外側位置
Ｌ範囲
ＰＡ圧縮空気室
Ｒ軸心

Claims

回転軸の延在方向に沿って圧縮機と燃焼器とタービンとが設けられ、前記燃焼器を収容する燃焼器ケーシングと前記タービンを収容するタービンケーシングとが外側に突出する互いのフランジを介して接合されたガスタービンであって、
前記燃焼器ケーシングの内面に、前記燃焼器における燃焼筒の前記圧縮機側の端部と前記フランジとの間の前記回転軸の延在方向の範囲の少なくとも一部で径方向内側に突出して周方向に連続して設けられる突起部を備えることを特徴とするガスタービン。
前記突起部は、前記フランジが形成された前記燃焼器ケーシングの径方向内側の位置を除き設けられることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記突起部は、前記燃焼器ケーシングの内面から径方向内側に突出した突出端が、前記燃焼筒における径方向最外位置よりも径方向外側に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
前記突起部は、前記圧縮機側に向く面が前記タービンに向けて前記燃焼器ケーシングの内面から漸次径方向外側に傾斜する傾斜面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のガスタービン。
前記突起部は、前記タービン側に向く面が前記燃焼器ケーシングの内面から切り立って形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のガスタービン。
前記突起部は、前記燃焼器ケーシングの内面に対して別体で取り付けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のガスタービン。