WO2013094380A1 - スクロールを備えるガスタービンエンジン - Google Patents

スクロールを備えるガスタービンエンジン Download PDF

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上村大助
山崎義弘
中筋崇浩
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川崎重工業株式会社
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/08—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor the compressor comprising at least one radial stage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/54—Reverse-flow combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05D2260/38—Retaining components in desired mutual position by a spring, i.e. spring loaded or biased towards a certain position
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine engine having a scroll, and more particularly to a support structure for the scroll.
  • Scroll is used as one of the components of a single can combustor gas turbine engine.
  • the high-temperature combustion gas generated in the combustor is guided to the turbine while turning around the rotation axis through the scroll.
  • the scroll By using the scroll in this way, the combustion gas emitted from one combustor can be made to uniformly flow into the first stage turbine nozzle (see, for example, Patent Document 1).
  • an object of the present invention is to provide a gas turbine engine having high reliability by suppressing the generation of thermal stress generated between the scroll and the support member in order to solve the above-described problems. is there.
  • a gas turbine engine is a gas turbine engine including a single can type combustor, in which the combustion gas from the combustor is swirled around a rotation axis while being turned into the turbine.
  • the connecting member is bonded to the flange member that forms the outer peripheral surface of the connecting member, the outer peripheral ring portion that is bonded to the scroll, and the inner peripheral surface of the connecting member. It is preferable that it consists of an inner peripheral ring part and an intermediate ring part extending between the outer peripheral part and the inner peripheral part and extending in the radial direction. According to this configuration, it is possible to easily prevent cracking of the scroll by appropriately selecting the radial dimension and the axial dimension of the intermediate ring portion extending in the radial direction.
  • the connecting member is preferably formed of the same material as that of the scroll. That is, the portion of the connecting member that is joined to the scroll is also exposed to a high temperature like the scroll.
  • the connecting member by forming the connecting member with a material having excellent heat resistance and oxidation resistance like the scroll, a long period of time can be obtained. It is possible to stably support the scroll over the range.
  • the flange member is formed of a cylindrical inner peripheral portion and an outer peripheral portion in which one end portions in the axial direction are joined to each other, and the connecting member is formed of the flange member. It is preferable to be joined to the outer peripheral portion and the scroll. According to this configuration, since the flange member is formed to be expandable and contractable in the radial direction, the flange member can absorb the thermal expansion in the radial direction of the scroll and support the scroll more stably.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a gas turbine engine GT according to an embodiment of the present invention.
  • the gas turbine engine GT includes a compressor 1, a single can type combustor 3, and a turbine 5 as main components.
  • a load such as a generator (not shown) is driven by the output of the gas turbine engine GT.
  • a scroll 7 that guides the combustion gas from the combustor 3 to the turbine 3 while turning around the rotation axis C.
  • the compressor 1 and the turbine 5 are housed in a housing 9 of the gas turbine engine GT, and the combustor 3 is attached to the upper portion of the turbine 5 so as to protrude from the housing 9.
  • the combustor 3 is of a single can type, and is disposed on the upper portion of the turbine 5 at a position eccentric from the rotational axis C of the gas turbine engine GT and extends in a substantially vertical direction.
  • a radially outer side and a rear side of the scroll 7 (on the turbine 5 side in the axial direction) are covered with a scroll housing 13 that forms a part of the housing 9.
  • the compressor 1 is a two-stage centrifugal type, and first and second diffusers 14 and 15 are disposed on the downstream sides of the first and second impellers 11 and 12, respectively.
  • Compressed air compressed by the compressor 1 flows into the scroll housing 13, cools the outer peripheral surface of the scroll 7, is sent to the combustor 3, and is mixed with fuel in the combustor 3 and burned.
  • the combustion gas G generated in the combustor 3 is guided to the turbine 5 through the scroll 7 to rotate the turbine 5, and the compressor 1 connected to the turbine 5 by the rotating shaft 10 and the power generation as a rotational load. Drive the machine.
  • One end portion in the axial direction of a plurality of outer peripheral support members 21 made of a plate-like member is joined to the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 7a of the scroll 7 by welding.
  • the other end of the outer peripheral support member 21 in the axial direction is attached to the second diffuser 15 by a connecting bolt B1 so as to be slidable in the axial direction.
  • the inner peripheral wall 7 b of the scroll 7 is connected to the outer peripheral portion of the first stage turbine nozzle 27 of the turbine 5 via the inner peripheral support member 25 so as to be slidable in the axial direction.
  • a seal plate 33 that seals between the compressor 1 and the turbine 5 is fixed to the inner diameter side rear end portion (end portion on the turbine 5 side) 15 a of the second diffuser 15. Connected by B2.
  • An inner mount portion 31 a of the annular flange member 31 and an inner mount portion 27 a of the first stage turbine nozzle 27 are fitted to the outer periphery of the inner diameter side rear end portion 15 a of the second diffuser 15.
  • the flange member 31 is composed of a cylindrical inner peripheral portion 31b and an outer peripheral portion 31c in which one end portions (front end portions) in the axial direction are joined by seam welding, and the inner end portion of the inner peripheral portion 31b.
  • the inner mount portion 31a is integrally formed. That is, since the flange member 31 is formed to be extendable and contractible in the radial direction, the flange 7 absorbs the thermal expansion in the radial direction of the scroll 7 and the scroll 7 is stably supported.
  • the inner mount portion 31a of the flange portion 31 is provided with a plurality of projecting pieces 31d that protrude radially inward and are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • a similar projecting piece 27d (FIG. 2) is also provided on the inner mount portion 27a of 27.
  • a recess 40 is formed in the rear end 15a on the inner diameter side of the second diffuser 15 corresponding to the protrusions 27d and 31d.
  • 31d are overlapped and the circumferential positions of the first turbine nozzle 27 and the flange member 31 are restricted.
  • the projecting pieces 27d and 31d are held between the inner mount portions 27a and 31a and the inner plate side rear end portion 15a of the second diffuser 15 and the seal plate 33 by the fastening force of the fixing bolt B2.
  • the front wall 7 c of the scroll 7 and the outer peripheral portion 31 a of the flange member 31 are connected via an annular connecting member 35.
  • the connecting member 35 includes a connecting member outer peripheral ring portion 35a that forms the outer peripheral surface, a connecting member inner peripheral ring portion 35b that forms the inner peripheral surface, and the scroll 7 interposed between these ring portions.
  • An intermediate ring portion 35c extending substantially in the radial direction.
  • the scroll 7 is joined via the connecting member 35 by joining the rear end of the scroll 7 to the front end of the connecting member outer peripheral portion 35a and joining the rear end of the outer peripheral portion 31b of the flange member 31 to the front end of the connecting member inner peripheral portion 35b. 7 and the flange member 31 are connected.
  • the joining between the scroll 7 and the connecting member 35 and the joining between the flange member 31 and the connecting member 35 are performed by, for example, butt welding.
  • the scroll 7 and the connection member 31 in this embodiment are formed of the same metal material excellent in heat resistance and oxidation resistance, for example, a cobalt alloy.
  • the outer peripheral part 31b of the flange member 31 is formed with the nickel-type alloy which is excellent in heat resistance and oxidation resistance, and the inner peripheral part 31b is formed with stainless steel.
  • the scroll 7 and the flange member 31 are connected without being in direct contact by interposing the connecting member 35. Therefore, the generation of thermal stress due to the temperature difference between the high temperature scroll 7 and the flange member 31 is suppressed, and the occurrence of cracks in these members is effectively prevented.
  • the connecting member 35 since the connecting member 35 has an intermediate ring part 35c extending in the radial direction, the cracks of the scroll 7 can be easily generated by appropriately selecting the radial dimension and the axial dimension of the intermediate ring part 35c. It becomes possible to prevent.

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Abstract

　スクロールとその支持部材との間に生じる熱応力の発生を抑制することにより、高い信頼性を有するガスタービンエンジンを提供する。　単缶式の燃焼器を備えるガスタービンエンジンにおいて、燃焼器からの燃焼ガスを回転軸心の回りに旋回させながらタービンに導くスクロール（７）と、このスクロール（７）を当該ガスタービンエンジンに対して支持するフランジ部材（３１）と、前記スクロール（７）と前記フランジ部材（３１）とを連結する連結部材（３５）とを設け、前記スクロール（７）および前記フランジ部材（３１）を、互いに直接接触しない状態でそれぞれ前記連結部材（３５）に接合させる。

Description

スクロールを備えるガスタービンエンジン 関連出願
　本出願は、２０１１年１２月２１日出願の特願２０１１－２７９３４９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　本発明は、スクロールを備えるガスタービンエンジンに関し、特にはそのスクロールの支持構造に関する。
　単缶燃焼器式ガスタービンエンジンの構成部材の一つとして、スクロールが使用されている。燃焼器で発生した高温の燃焼ガスは、スクロール内を通って回転軸心回りに旋回しながらタービンに導かれる。このようにスクロールを使用することにより、１つの燃焼器から出た燃焼ガスを、初段タービンノズルに対して均一に流入させることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６－１３２４２５号公報
　しかし、一般に板金で構成されるスクロールは、その内部を流れる高温の燃焼ガスに曝されるので、熱伸びによる変形が生じる。このため、スクロールと、スクロールを支持する、直接燃焼ガスに接しない部材とを直接接合すると、温度差による応力が生じ、われが発生する可能性がある。
　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、スクロールとその支持部材との間に生じる熱応力の発生を抑制することにより、高い信頼性を有するガスタービンエンジンを提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンは、単缶式の燃焼器を備えるガスタービンエンジンであって、燃焼器からの燃焼ガスを回転軸心の回りに旋回させながらタービンに導くスクロールと、このスクロールを内周側から当該ガスタービンエンジンに対して支持するフランジ部材と、前記スクロールと前記フランジ部材とを連結する連結部材とを備えており、前記スクロールおよび前記フランジ部材は、互いに直接接触しない状態でそれぞれ前記連結部材に接合されている。
　この構成によれば、連結部材を介して、スクロールとフランジ部材とが直接連結されない状態で連結されるので、高温のスクロールとフランジ部材との間の温度差による熱応力の発生が抑制され、これらの部材の割れの発生が効果的に防止される。
　本発明の一実施形態において、前記連結部材が、この連結部材の外周面を形成する、前記スクロールに接合された外周環部と、前記連結部材の内周面を形成する、前記フランジ部材に接合される内周環部と、前記外周部と内周部との間に介在する、径方向に延びる中間環部とからなることが好ましい。この構成によれば、径方向に延びる中間環部の径方向寸法および軸方向寸法を適宜選択することにより、スクロールの割れの発生を容易に防止することが可能となる。
　本発明の一実施形態において、前記連結部材が、前記スクロールを形成する材料と同一の材料により形成されていることが好ましい。つまり、連結部材のスクロールに接合される部分もスクロールと同様に高温に曝されることになるが、連結部材をスクロールと同様に耐熱性および耐酸化性に優れる材料で形成することにより、長期間に渡って安定的にスクロールを支持することができる。
　本発明の一実施形態において、前記フランジ部材が、互いの軸方向の一端部同士が接合された筒状の内周部と外周部とから形成されており、前記連結部材が、前記フランジ部材の外周部および前記スクロールに接合されていることが好ましい。この構成によれば、フランジ部材が径方向に伸縮可能に形成されているので、フランジ部材によってスクロールの径方向の熱伸びを吸収して一層安定的にスクロールを支持できる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの構造を示す縦断面図である。 図１のガスタービンエンジンの要部を示す縦断面図である。 図１のガスタービンエンジンの要部を模式的に示す横断面図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴを示す縦断面図である。このガスタービンエンジンＧＴは、主要な構成要素として、圧縮機１、単缶式の燃焼器３およびタービン５を備えている。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、図示しない発電機のような負荷が駆動される。燃焼器３とタービン５との間には、燃焼器３からの燃焼ガスを回転軸心Ｃの回りに旋回させながらタービン３に導くスクロール７が設けられている。
　圧縮機１およびタービン５はガスタービンエンジンＧＴのハウジング９内に収納され、燃焼器３は、タービン５の上部に、ハウジング９に突出して取り付けられている。上述のように燃焼器３は単缶式であり、ガスタービンエンジンＧＴの回転軸心Ｃから偏心した位置でタービン５の上部に配置されて、ほぼ鉛直方向に延びている。スクロール７の径方向外方および後方（軸心方向のタービン５側）は、ハウジング９の一部分を形成するスクロールハウジング１３により覆われている。圧縮機１は２段遠心式であり、第１および第２羽根車１１，１２のそれぞれ下流側に第１および第２ディフューザ１４，１５が配置されている。
　圧縮機１で圧縮された圧縮空気は、スクロールハウジング１３内に流入し、スクロール７の外周面を冷却した後に燃焼器３に送られ、燃焼器３で燃料と混合されて燃焼される。燃焼器３で発生した燃焼ガスＧは、スクロール７を介してタービン５に導かれてタービン５を回転させ、このタービン５に回転軸１０によって連結されている圧縮機１と、回転負荷である発電機とを駆動する。
　スクロール７の外周壁７ａの外周面には、板状部材からなる複数の外周支持部材２１の軸方向の一端部が溶接により接合されている。この外周支持部材２１の軸方向の他端が、連結ボルトＢ１によって第２ディフューザ１５に軸方向に摺動可能に取り付けられている。また、スクロール７の内周壁７ｂは、内周支持部材２５を介して、タービン５の第１段タービンノズル２７の外周部に、軸心方向に摺動可能に連結されている。
　第２ディフューザ１５の内径側後端部（タービン５側の端部）１５ａには、図２に拡大して示すように、圧縮機１とタービン５との間をシールするシールプレート３３が固定ボルトＢ２によって連結されている。第２ディフューザ１５の内径側後端部１５ａの外周には、環状のフランジ部材３１の内側マウント部３１ａと、第１段タービンノズル２７の内側マウント部２７ａとが嵌合されている。フランジ部材３１は、互いの軸方向の一端部（前端部）同士がシーム溶接によって接合された筒状の内周部３１ｂと外周部３１ｃとで構成されており、内周部３１ｂの内側端部に前記内側マウント部３１ａが一体形成されている。つまり、フランジ部材３１が径方向に伸縮可能に形成されているので、フランジ部材３１によってスクロール７の径方向の熱伸びを吸収して安定的にスクロール７が支持される。
　フランジ部３１の内側マウント部３１ａには、図３に示すように、径方向内側に突出する、周方向に等間隔に配置された複数の突片３１ｄが設けられており、第１段タービンノズル２７の内側マウント部２７ａにも同様な突片２７ｄ（図２）が設けられている。他方、これら突片２７ｄ，３１ｄに対応して、第２ディフューザ１５の内径側後端部１５ａには凹所４０が形成されており、図２に示すように、各凹所４０に突片２７ｄ，３１ｄが重ね合わせた状態で挿入されて、第１タービンノズル２７とフランジ部材３１の周方向位置が規制されている。これら突片２７ｄ，３１ｄが、各内側マウント部２７ａ，３１ａと共に、固定ボルトＢ２の締結力により、第２ディフューザ１５の内径側後端部１５ａとシールプレート３３との間に挟持されている。
　スクロール７の前壁７ｃとフランジ部材３１の外周部３１ａとは、環状の連結部材３５を介して連結されている。具体的には、連結部材３５は、その外周面を形成する連結部材外周環部３５ａと、内周面を形成する連結部材内周環部３５ｂと、これら環部間に介在する、スクロール７のほぼ径方向に延びる中間環部３５ｃとを有している。
　スクロール７の後端が連結部材外周部３５ａの前端に接合され、フランジ部材３１の外周部３１ｂの後端が連結部材内周部３５ｂの前端に接合されることにより、連結部材３５を介してスクロール７とフランジ部材３１とが連結されている。スクロール７と連結部材３５との接合、およびフランジ部材３１と連結部材３５との接合は、例えば、突き合わせ溶接によってなされる。
　なお、本実施形態におけるスクロール７および連結部材３１は、耐熱性および耐酸化性に優れる同一の金属材料、例えばコバルト系合金によって形成されている。また、フランジ部材３１の外周部３１ｂは、耐熱性および耐酸化性に優れるニッケル系合金で形成されており、内周部３１ｂは、ステンレス鋼で形成されている。
　このように、本実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴのスクロール構造においては、スクロール７とフランジ部材３１とを、連結部材３５を介在させることにより、直接接触させずに連結している。したがって、高温のスクロール７とフランジ部材３１との間の温度差による熱応力の発生が抑制され、これらの部材の割れの発生が効果的に防止される。特に、連結部材３５は、径方向に延びる中間環部３５ｃを有しているので、中間環部３５ｃの径方向寸法および軸方向寸法を適宜選択することにより、スクロール７の割れの発生を容易に防止することが可能となる。
　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
　１　　圧縮機
　３　　燃焼器
　５　　タービン
　７　　スクロール
　３１　フランジ部材
　３５　連結部材
　３５ａ　連結部材の外周環部
　３５ｂ　連結部材の内周環部
　３５ｃ　連結部材の中間環部
　ＧＴ　ガスタービンエンジン

Claims (4)

  1. 　単缶式の燃焼器を備えるガスタービンエンジンであって、
    　燃焼器からの燃焼ガスを回転軸心の回りに旋回させながらタービンに導くスクロールと、
    　このスクロールを内周側から当該ガスタービンエンジンに対して支持するフランジ部材と、
    　前記スクロールと前記フランジ部材とを連結する環状の連結部材と、
    を備え、
    　前記スクロールおよび前記フランジ部材は、互いに直接接触しない状態でそれぞれ前記連結部材に接合されているガスタービンエンジン。
  2. 　請求項１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記連結部材が、この連結部材の外周面を形成する、前記スクロールに接合された外周環部と、前記連結部材の内周面を形成する、前記フランジ部材に接合される内周環部と、前記外周部と内周部との間に介在する、径方向に延びる中間環部とからなるガスタービンエンジン。
  3. 　請求項１または２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記連結部が、前記スクロールを形成する材料と同一の材料により形成されているガスタービンエンジン。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記フランジ部材が、互いの軸方向の一端部同士が接合された筒状の内周部と外周部とから形成されており、前記連結部材が、前記フランジ部材の外周部および前記スクロールに接合されているガスタービンエンジン。
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