JP6483793B2

JP6483793B2 - ガスタービンの粒子除去装置及びそれを含むガスタービン

Info

Publication number: JP6483793B2
Application number: JP2017234937A
Authority: JP
Inventors: 慈源徐
Original assignee: 斗山重工業株式会社
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: EP3385503B1; JP2018178991A; EP3385503A1; US20180291809A1; US10774743B2; KR101887806B1

Description

本発明は、ガスタービンの粒子除去装置及びそれを含むガスタービンに係り、より詳しくは、第１ベーン（１ｓｔＶａｎｅ）に供給される圧縮空気に含まれた異物などの粒子を捕集除去して流路詰まり現象を防止することができるガスタービンの粒子除去装置及びそれを含むガスタービンに関する。

一般に、ガスタービンは圧縮機、燃焼器及びタービンからなる。圧縮機は、外部空気を吸入して圧縮した後、燃焼器に伝達する。圧縮機で圧縮された空気は高圧及び高温の状態となる。燃焼器は、圧縮機から流入した圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる。燃焼により発生した燃焼ガスはタービンに排出される。燃焼ガスによってタービンは回転し、動力が発生する。発生した動力は、発電、機械装置の駆動など、様々な分野に使用される。
ガスタービンは、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料を混合して燃焼させ、燃焼により発生した高温のガスでタービンを回転させる動力機関である。ガスタービンは発電機、航空機、船舶、汽車などを駆動するのに使用される。
一方、圧縮機から排出された圧縮空気の一部は燃焼器に供給され、一部は、燃焼器と隣接する第１ベーン（１ｓｔＶａｎｅ）に供給されて第１ベーンを冷却させる。このとき、第１ベーンに供給される圧縮空気には埃、異物などの各種粒子（Ｐａｒｔｉｃｌｅ）が含まれており、埃などの粒子によって流路詰まり現象が発生する問題がある。

韓国登録特許第１０−００１３１２０号

本発明は、第１ベーン（１ｓｔＶａｎｅ）に供給される圧縮空気に含まれた異物などの粒子を捕集除去して流路詰まり現象を防止することができるガスタービンの粒子除去装置及びそれを含むガスタービンを提供することを目的とする。

本発明によるガスタービンの粒子除去装置は、複数個のタービンベーンのうち圧縮機から排出された圧縮空気によって最初に冷却される第１ベーンの下部の圧縮機側に形成され、圧縮機から排出された圧縮空気が流入する流路の断面積を縮小させる吸入口と、前記吸入口を介して流入した前記圧縮空気を加速し、軸方向と平行に流入させた前記圧縮空気を軸方向と垂直な方向に方向転換する流路を通過させ、前記方向転換する流路によって生じる遠心力によって前記圧縮空気と前記圧縮空気に含まれた粒子とを分離する加速流路と、前記加速流路の一端に形成され、分離された粒子を捕集する粒子捕集部と、前記粒子捕集部と接続されて形成され、捕集された粒子を外部に排出する粒子排出部と、を含むことを特徴とする。

前記加速流路は、ガスタービンの軸方向と平行に流入する圧縮空気がガスタービンの軸方向と垂直な方向に第１ベーンに流入するようにすると共に、圧縮空気を加速させるための傾斜面を備えることを特徴とする。

前記粒子捕集部は、第１ベーンのプラットフォームを支持する第１支持部材に形成され、第１支持部材は、加速流路の端部に第１ベーンのプラットフォームの下端の幅よりも大きいサイズに形成されることを特徴とする。

前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第２支持部材から下方向、または加速流路の傾斜面に垂直な方向に突出して形成される第１ガイド部をさらに含むことを特徴とする。

前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第１支持部材の側面から水平方向に突出して形成された第２ガイド部をさらに含むことを特徴とする。

前記加速流路の側端部から水平方向に突出して形成された第３ガイド部をさらに含むことを特徴とする。

前記加速流路の傾斜面の一部が凹んで形成される補助粒子捕集部をさらに含み、補助粒子捕集部は、粒子捕集部と接続される接続管を備えることを特徴とする。

本発明によるガスタービンは、空気を圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機から圧縮された空気が流入して燃料と混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して動力を発生するタービンと、複数個のタービンベーンのうち圧縮機から排出された圧縮空気によって最初に冷却される第１ベーンの下部の圧縮機側に形成され、前記圧縮機から排出された圧縮空気が流入する流路の断面積を縮小させる吸入口と、前記吸入口を介して流入した前記圧縮空気を加速し、軸方向と平行に流入させた圧縮空気を軸方向と垂直な方向に方向転換する流路を通過させ、前記方向転換する流路によって生じる遠心力によって前記圧縮空気と前記圧縮空気に含まれた粒子とを分離する加速流路と、前記加速流路の一端に形成され、分離された粒子を捕集する粒子捕集部と、前記粒子捕集部と接続され、捕集された粒子を外部に排出する粒子排出部を含む粒子除去装置と、からなることを特徴とする。

前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第１支持部材に形成され、第１支持部材は、加速流路の端部に第１ベーンのプラットフォームの下端の幅よりも大きいサイズに形成されることを特徴とする。

前記加速流路の傾斜面の一部が凹んで形成され、粒子捕集部と接続される接続管を備えた補助粒子捕集部をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１ベーン（１ｓｔＶａｎｅ）に供給される圧縮空気に含まれた異物などの粒子を捕集除去することによって、流路が詰まる現象を防止することができる。

本発明の一実施例に係るガスタービンの内部を示す図である。本発明のガスタービンの燃焼器の断面図である。本発明の一実施例に係るタービンの一部を示す図である。図３のＡ部分を拡大して示す図であって、本発明の第１実施例に係る粒子除去装置を示す図である。本発明の第２実施例に係る粒子除去装置を示す図である。本発明の第３実施例に係る粒子除去装置を示す図である。本発明の第４実施例に係る粒子除去装置を示す図である。本発明の第５実施例に係る粒子除去装置を示す図である。本発明の第６実施例に係る粒子除去装置を示す図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るガスタービンの内部を示した図であり、図２は、本発明のガスタービンの燃焼器の断面図である。

図１及び図２に示す通り、本発明の一実施例に係るガスタービン１０００は、圧縮機１１００、燃焼器１２００、及びタービン１３００からなる。圧縮機１１００は、放射状に設置された多数のブレード１１１０を備え、ブレード１１１０を回転させ、ブレード１１１０の回転によって空気が圧縮されながら移動する。ブレード１１１０の大きさ及び設置角度は、設置位置によって異なる。一実施例において、圧縮機１１００は、タービン１３００と直接又は間接的に接続され、タービン１３００で発生する動力の一部が伝達されてブレード１１１０の回転に用いることができる。

圧縮機１１００で圧縮された空気は燃焼器１２００に移動する。燃焼器１２００は、環状に配置される複数の燃焼チャンバ１２１０及び燃料ノズルモジュール１２２０を含む。

燃焼チャンバ１２１０は、スリーブ１２１１、燃焼ライナー１２１２、燃料ノズルベース１２１３、及び燃焼ゾーン１２１４を備える。スリーブ１２１１は、燃焼チャンバ１２１０の外壁を形成し、一方向に延びて形成される。スリーブ１２１１は円筒状に形成される。燃焼ライナー１２１２は、スリーブ１２１１の内部にスリーブ１２１１の延長方向に沿って形成される。燃焼ライナー１２１２がスリーブ１２１１と所定間隔離して配置され、スリーブ１２１１と燃焼ライナー１２１２との間には環状の流動空間１２１５が形成される。燃料ノズルベース１２１３は、スリーブ１２１１の端部でスリーブ１２１１と結合してスリーブ１２１１を密封する。燃料ノズルベース１２１３は、燃料ノズル１２２１に燃料を供給するマニホールド、関連弁などと結合される。燃焼ゾーン１２１４は、実際に燃焼が起こる空間であって、燃焼ライナー１２１２の一部によって形成される。

燃料ノズルモジュール１２２０は燃焼チャンバ１２１０の内部に装着される。燃料ノズルモジュール１２２０は複数の燃料ノズル組立体を備える。燃料ノズル組立体の数は、ガスタービン１０００の容量によって異なる。

各燃料ノズル組立体は、燃料ノズル１２２１及びシュラウド１２２２を備える。一つの燃焼チャンバ１２１０に複数の燃料ノズル組立体が装着される。燃料ノズル１２２１を介して燃焼のための燃料が注入される。燃料ノズル１２２１は、一端が燃料ノズルベース１２１３によって支持される。シュラウド１２２２は、燃料ノズル１２２１と離隔して燃料ノズル１２２１を取り囲む形状に形成される。シュラウド１２２２は、パイプ状でもよく、好ましくは、円形のパイプ状でもよい。シュラウド１２２２の入口からシュラウド１２２２の内部に一定距離離した位置で燃料ノズル１２２１に旋回ベーン（図示せず）が設置される。

燃焼ライナー１２１２の後端には、燃焼したガスをタービン１３００側に供給するトランジションピース１２１７が形成される。トランジションピース１２１７は、燃焼ガスを加速させることができるように、気体の加速のための流路が設けられ、燃焼ライナー１２１２と同様に、タービン１３００の接続領域に環状に多数個配置される。

圧縮機１１００で圧縮された空気は、スリーブ１２１１に形成された冷却孔１２１６から流入し、燃焼ライナー１２１２を冷却させながら流動空間１２１５に沿って流動する。流動空間１２１５に沿って流動した圧縮空気は、スリーブ１２１１の端部に位置した燃料ノズルベース１２１３に到達する。圧縮空気は、燃料ノズルベース１２１３で方向を転換して燃料ノズル組立体１２２０のシュラウド１２２２の入口に流入する。シュラウド１２２２に流入した圧縮空気は、燃料ノズル１２２１を介して注入された燃料と混合され燃焼ゾーン１２１４に移動し、燃焼ゾーン１２１４では、点火プラグ（図示せず）によって点火されて燃焼が起こる。その後、燃焼したガスは、タービン１３００に排出されてタービン１３００を回転させる。

図３は、本発明の一実施例に係るタービンの一部を示した図である。図４は、図３のＡ部分を拡大して示した図であって、本発明の第１実施例に係る粒子除去装置を示した図である。

図３に示す通り、タービン１３００は、タービンベーン１３１０とタービンブレード１３２０がガスタービンの軸方向に沿って交互に配列される。高温の燃焼ガスＨＧは、軸方向に沿ってタービンベーン１３１０及びタービンブレード１３２０を通過しながらタービンブレード１３２０を回転させる。

圧縮機１１００から排出された圧縮空気ＣＧの一部はタービンベーン１３１０に供給されることで、タービンベーン１３１０を冷却する。複数個のタービンベーンのうち圧縮機１１００から排出された圧縮空気によって最初に冷却されるタービンベーンが第１ベーン（１ｓｔｖａｎｅ）である。

第１ベーン１３１０の圧縮機側の前方には、圧縮空気に含まれた埃などの粒子を除去するフィルター（図示せず）があるが、フィルターを通過した圧縮空気は依然として微細な粒子を含み、この粒子によって、第１ベーンに形成された圧縮空気の流路が詰まる場合が発生する。そこで、本発明では、第１ベーンの下部に設けられ、第１ベーンに流入する圧縮空気に含まれた粒子を除去する粒子除去装置を開示する。

本発明の一実施例に係る粒子除去装置は、吸入口２１００、加速流路２２００、粒子捕集部２３００、及び粒子排出部２４００を含む。

吸入口２１００は、燃焼器１２００で生成された燃焼ガスが流動する第１ベーン１３１０の下部一側（圧縮機側）に形成され、圧縮機１１００から排出された圧縮空気が流入する。吸入口２１００の形状及び大きさは、第１ベーンの大きさ及び設置位置によって異なる。また、吸入効率を向上させるために、吸入口２１００は複数個形成される。

加速流路２２００は、吸入口２１００を介して流入した圧縮空気を加速させることで、遠心力によって圧縮空気と圧縮空気に含まれた粒子とを分離する。加速流路２２００は、軸方向と平行に流入する圧縮空気が軸方向と垂直な方向に第１ベーンに流入するようにすると共に、圧縮空気を加速させるために、軸方向と所定の角度をなすように傾斜して形成される。吸入口２１００を介して流入した圧縮空気は、加速流路２２００を通過しながら、相対的に質量が大きい埃、異物などの粒子は、相対的に質量が小さい圧縮空気よりも大きい半径を持って流動する。したがって、遠心力（慣性力）によって圧縮空気と粒子が分離される。

分離された粒子は、加速流路２２００の端部に形成された粒子捕集部２３００によって捕集される。粒子捕集部２３００は、第１ベーンのプラットフォーム１３１１を支持する第１支持部材１３１２にポケットの形態で形成される。第１支持部材１３１２は、加速流路２２００の端部に、第１ベーンのプラットフォーム１３１１の下端の幅よりも大きいサイズに形成され、第１支持部材１３１２の左側下部を凹んだ形状にして粒子捕集部２３００を形成することができる。これによって、既存の設備に別の追加空間を設けなくても、第１支持部材１３１２の形状の変更のみで粒子捕集部２３００を形成することができる。

粒子捕集部２３００によって捕集された埃などの粒子は、粒子排出部２４００によって外部に排出される。粒子排出部２４００は粒子捕集部２３００と接続されて形成される。粒子排出部２４００は、第１支持部材１３１２の下部に管状に形成される。

このような本発明の実施例に係る粒子除去装置は、第１ベーン（１ｓｔＶａｎｅ）に供給される圧縮空気に含まれた異物などの粒子を捕集除去することで、流路が詰まる現象を防止することができる。

次いで、図５乃至図９を参照して、本発明の第２〜第６実施例に係る粒子除去装置を説明する。以下の説明において、吸入口２１００、加速流路２２００、粒子捕集部２３００、及び粒子排出部２４００は第１実施例と実質的に同一であるので、これについての説明は省略する。

図５は、本発明の第２実施例に係る粒子除去装置を示した図である。図５に示す通り、本発明の第２実施例に係る粒子除去装置は、吸入口２１００、加速流路２２００、粒子捕集部２３００、粒子排出部２４００、及び第１ガイド部２５００を含む。

第１ガイド部２５００は、第１ベーンのプラットフォーム１３１１を支持する第２支持部材１３１３から下方向、または加速流路２２００の傾斜面に垂直な方向に突出して形成される。このような第１ガイド部２５００は、加速流路２２００の断面積を狭め、吸入口２１００から流入した圧縮空気の加速力を増加させることによって、遠心力による圧縮空気と圧縮空気に含まれた粒子の分離を促進させることができる。

図６は、本発明の第３実施例に係る粒子除去装置を示した図である。図６に示す通り、本発明の第２実施例に係る粒子除去装置は、吸入口２１００、加速流路２２００、粒子捕集部２３００、粒子排出部２４００、及び第２ガイド部２６００を含む。

第２ガイド部２６００は、第１ベーンのプラットフォーム１３１１を支持する第１支持部材１３１２の側面から水平方向に突出して形成される。このような第２ガイド部２６００は、吸入口２１００から流入した圧縮空気に含まれた粒子のうち、相対的に質量が小さいため小さな遠心力を受ける微細粒子が粒子捕集部２３００に捕集されるようにガイドする。小さな遠心力を受ける微細粒子は、第２ガイド部２６００に衝突して粒子捕集部２３００に捕集される。

図７は、本発明の第４実施例に係る粒子除去装置を示した図である。図７に示す通り、本発明の第４実施例に係る粒子除去装置は、吸入口２１００、加速流路２２００、粒子捕集部２３００、粒子排出部２４００、及び第３ガイド部２７００を含む。

第３ガイド部２７００は、加速流路２２００の側端部から水平方向に突出して形成される。このような第３ガイド部２７００は、粒子捕集部２３００に捕集された粒子が容易に粒子排出部２４００に流入するようにガイドし、また、粒子捕集部２３００に捕集された粒子が加速流路２２００に逆流することを防止することができる。

図８は、本発明の第５実施例に係る粒子除去装置を示した図である。図８に示す通り、本発明の第５実施例に係る粒子除去装置は、吸入口２１００、加速流路２２００、粒子捕集部２３００、粒子排出部２４００、及び補助粒子捕集部２８００を含む。

補助粒子捕集部２８００は、加速流路２２００の傾斜面の一部が凹んで形成され、粒子捕集部２３００と接続される接続管２８１０を備える。このような補助粒子捕集部２８００は、吸入口２１００から流入した圧縮空気に含まれた粒子のうち、相対的に質量が大きいため大きな遠心力を受ける粒子を捕集することができる。

大きな遠心力を受ける粒子は、加速流路２２００の傾斜面の上流側（圧縮機側）の表面に接触する。上流側の表面に接触した粒子は、圧縮空気の流れによって粒子捕集部２３００に流動するが、長期間運用時に加速流路２２００の傾斜面に固着するおそれがあり、固着した粒子上に他の粒子が続けて蓄積される。蓄積された粒子は、圧縮空気の流れによって粒子捕集部２３００に流動せず、第１ベーン１３１０に流動するおそれがある。

これを防止するために、第５実施例に係る粒子除去装置は、加速流路２２００の傾斜面に、質量の大きい粒子を捕集できる補助粒子捕集部２８００を形成する。補助粒子捕集部２８００に流入した粒子は、接続管２８１０から粒子捕集部２３００に流入し、粒子排出部２４００から外部に排出される。

図９は、本発明の第６実施例に係る粒子除去装置を示した図である。図９に示す通り、本発明の第６実施例に係る粒子除去装置は、吸入口２１００、加速流路２２００、粒子捕集部２３００、粒子排出部２４００、第１ガイド部２５００、第２ガイド部２６００、第３ガイド部２７００、及び補助粒子捕集部２８００を含む。

第１ガイド部２５００は、加速流路２２００の断面積を狭め、吸入口２１００を介して流入した圧縮空気の加速力を増加させることによって、遠心力による圧縮空気と圧縮空気に含まれた粒子との分離を促進させる。

第２ガイド部２６００は、吸入口２１００から流入した圧縮空気に含まれた粒子のうち、相対的に質量が小さいため小さな遠心力を受ける微細粒子が粒子捕集部２３００に捕集されるようにガイドする。

第３ガイド部２７００は、粒子捕集部２３００に捕集された粒子が容易に粒子排出部２４００に流入できるようにガイドし、粒子捕集部２３００に捕集された粒子が加速流路２２００に逆流することを防止する。

補助粒子捕集部２８００は、吸入口２１００から流入した圧縮空気に含まれた粒子のうち、相対的に質量が大きいため大きな遠心力を受ける粒子を捕集する。

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１０００ガスタービン
１１００圧縮機
１２００燃焼器
１３００タービン
１３１０タービンベーン（第１ベーン）
１３２０タービンブレード
１３１１プラットフォーム
１３１２第１支持部材
１３１３第２支持部材
２１００吸入口
２２００加速流路
２３００粒子捕集部
２４００粒子排出部
２５００第１ガイド部
２６００第２ガイド部
２７００第３ガイド部
２８００補助粒子捕集部

Claims

複数個のタービンベーンのうち圧縮機から排出された圧縮空気によって最初に冷却される第１ベーンの下部の圧縮機側に形成され、圧縮機から排出された圧縮空気が流入する流路の断面積を縮小させる吸入口と、
前記吸入口を介して流入した前記圧縮空気を加速し、軸方向と平行に流入させた前記圧縮空気を軸方向と垂直な方向に方向転換する流路を通過させ、前記方向転換する流路によって生じる遠心力によって前記圧縮空気と前記圧縮空気に含まれた粒子とを分離する加速流路と、
前記加速流路の一端に形成され、分離された粒子を捕集する粒子捕集部と、
前記粒子捕集部と接続されて形成され、捕集された粒子を外部に排出する粒子排出部と、
を含むことを特徴とするガスタービンの粒子除去装置。
前記加速流路は、
ガスタービンの軸方向と平行に流入する圧縮空気がガスタービンの軸方向と垂直な方向に前記第１ベーンに流入するようにすると共に、前記圧縮空気を加速させるための傾斜面を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの粒子除去装置。
前記粒子捕集部は、
前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第１支持部材に形成され、
前記第１支持部材は、前記加速流路の端部に前記第１ベーンのプラットフォームの下端の幅よりも大きいサイズに形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービンの粒子除去装置。
前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第２支持部材から下方向、または前記加速流路の傾斜面に垂直な方向に突出して形成される第１ガイド部をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービンの粒子除去装置。
前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第１支持部材の側面から水平方向に突出して形成された第２ガイド部をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービンの粒子除去装置。
前記加速流路の側端部から水平方向に突出して形成された第３ガイド部をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンの粒子除去装置。
前記加速流路の傾斜面の一部が凹んで形成される補助粒子捕集部をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスタービンの粒子除去装置。
前記補助粒子捕集部は、
前記粒子捕集部と接続される接続管を備えることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンの粒子除去装置。
空気を圧縮するための圧縮機と、
前記圧縮機から圧縮された空気が流入して燃料と混合して燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して動力を発生するタービンと、
複数個のタービンベーンのうち圧縮機から排出された圧縮空気によって最初に冷却される第１ベーンの下部の圧縮機側に形成され、前記圧縮機から排出された圧縮空気が流入する流路の断面積を縮小させる吸入口と、前記吸入口を介して流入した前記圧縮空気を加速し、軸方向と平行に流入させた圧縮空気を軸方向と垂直な方向に方向転換する流路を通過させ、前記方向転換する流路によって生じる遠心力によって前記圧縮空気と前記圧縮空気に含まれた粒子とを分離する加速流路と、前記加速流路の一端に形成され、分離された粒子を捕集する粒子捕集部と、前記粒子捕集部と接続され、捕集された粒子を外部に排出する粒子排出部を含む粒子除去装置と、
からなることを特徴とするガスタービン。
前記加速流路は、
ガスタービンの軸方向と平行に流入する圧縮空気がガスタービンの軸方向と垂直な方向に前記第１ベーンに流入するようにすると共に、前記圧縮空気を加速させるための傾斜面を備えることを特徴とする請求項９に記載のガスタービン。
前記粒子捕集部は、
前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第１支持部材に形成され、
前記第１支持部材は、前記加速流路の端部に前記第１ベーンのプラットフォームの下端の幅よりも大きいサイズに形成されることを特徴とする請求項９又は１０に記載のガスタービン。
前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第２支持部材から下方向、または前記加速流路の傾斜面に垂直な方向に突出して形成される第１ガイド部をさらに含むことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のガスタービン。
前記第１ベーンのプラットフォームを支持する第１支持部材の側面から水平方向に突出して形成された第２ガイド部をさらに含むことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のガスタービン。
前記加速流路の側端部から水平方向に突出して形成された第３ガイド部をさらに含むことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載のガスタービン。
前記加速流路の傾斜面の一部が凹んで形成され、前記粒子捕集部と接続される接続管を備えた補助粒子捕集部をさらに含むことを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載のガスタービン。