(57)【要約】【課題】エッジトーンの発生による燃焼器の内圧変動を抑制し、かつ空力効率を向上すること。【解決手段】圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させた燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、タービン第１段静翼３２の前縁３２ｃから前記第１段静翼３２の後端側に向けて、周方向に隣接する燃焼器の尾筒２２間の中心までの周方向距離Ｓを、前記第１段静翼３２の周方向ピッチＰに対し、０．０５≦Ｓ／Ｐ≦０．１５の範囲に設定し、かつ前記第１段静翼３２の前端と燃焼器の尾筒後端２２２との軸方向距離Ｌを、第１段静翼の周方向ピッチＰに対し、０．００≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させた燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、
タービン第１段静翼の前端から該第１段静翼の後端側に向けて、周方向に隣接する前記燃焼器間の中心までの周方向距離Ｓが、前記第１段静翼の周方向ピッチＰに対し、０．０５≦Ｓ／Ｐ≦０．１５の範囲に設定され、かつ前記第１段静翼の前端と前記燃焼器の後端との軸方向距離Ｌが、前記第１段静翼の周方向ピッチＰに対し、０．００≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
前記周方向距離Ｓが、前記周方向ピッチＰに対し、Ｓ／Ｐ＝０．１０に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記軸方向距離Ｌが、前記周方向ピッチＰに対し、０．０８≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定されてい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。
【請求項４】
周方向に隣接する前記燃焼器の後端の周方向厚みＤが、前記周方向ピッチＰに対し、Ｄ／Ｐ≦０．２６の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに関し、さらに詳しくは、燃焼器尾筒とタービン第一段静翼との相対位置を改善したガスタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮させることで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスとする。タービンは、ケーシング内に複数のタービン静翼およびタービン動翼が交互に配設されて構成されており、排気通路に供給された燃焼ガスによりタービン動翼が駆動されることで、例えば、発電機に連結されたロータを回転駆動する。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、ディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。
【０００３】
従来のガスタービンでは、燃焼ガスをタービンに向けて導く出口部である燃焼器の尾筒と、この燃焼ガスを最初に受けるタービン第１段静翼との相対位置を工夫したものがある。このガスタービンは、燃焼器１個に対してタービン第１段静翼が２枚（偶数倍）となるように設定し、燃焼器の尾筒の中心が前記第１段静翼の前縁部における翼間中心と一致するように構成されている。そして、燃焼器からの燃焼ガスが主に前記第１段静翼の翼間を通過させて、前記第１段静翼の翼面最高温度を低減している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、燃焼器の尾筒とタービン第１段静翼の相対位置関係を調整することにより、タービン効率の向上が図れることが知られている（例えば、特許文献２参照）。図５に示すとおり、燃焼器の尾筒後端２２２に発生するウェークフロー（カルマン渦列）５０が前記第１段静翼３２周りのガス流れに影響を与える。ここでは、燃焼器の尾筒後端２２２に発生するウェークフロー５０を前記第１段静翼の前縁３２ｃ寄りの圧力面側３２ａに流入させることにより、タービン効率が向上することが開示されている。また、燃焼器の尾筒と前記第１段静翼との距離を近づけることにより、ウェークフロー自体の発生を抑制し、タービン効率の向上が図れることも開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１２０８７１号公報
【特許文献２】特開２００６−５２９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃焼器と第１段静翼との相対位置によって、燃焼器の尾筒後端に発生するウェークフロー（カルマン渦列）によりタービン第１段静翼の前縁部にエッジトーンが発生する。そして、このウェークフローの周波数、エッジトーンの周波数および音響固有値の３者の共振により燃焼器の内圧変動が生じ、運転時の騒音や振動が発生する問題がある。なお、この内圧変動と、燃料の燃焼状態に起因する内圧変動（燃焼振動）とは、その駆動源が異なることから区別されるものである。以降、特筆しない限り、ウェークフローに起因したエッジトーンの発生による内圧変動を単に内圧変動と表す。
【０００７】
ここで、前述のとおり、燃焼器の尾筒と前記第１段静翼を近づけることにより、ウェークフローの発生は抑制され、エッジトーンの発生による燃焼器の内圧変動も抑制されると考えられるが、タービン効率を向上させるためには、ウェークフローを前記第１段静翼の圧力面側に流入させる必要がある。この場合、燃焼器の尾筒と前記第１段静翼は所定の距離を保たなければならず、内圧変動の抑制とタービン効率の向上は相反するものとなり、特許文献２においてもこれらの解決手段は開示されていない。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃焼器の内圧変動を抑制し、かつ空力効率を向上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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明のガスタービンでは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させた燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、タービン第１段静翼の前端から該第１段静翼の後端側に向けて、周方向に隣接する前記燃焼器間の中心までの周方向距離Ｓが、前記第１段静翼の周方向ピッチＰに対し、０．０５≦Ｓ／Ｐ≦０．１５の範囲に設定され、かつ前記第１段静翼の前端と前記燃焼器の後端との軸方向距離Ｌが、前記第１段静翼の周方向ピッチＰに対し、０．００≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１０】
このガスタービンは、軸方向距離Ｌがより近い程、燃焼器の後端でのウェークフローの発生が抑制されるので、前記第１段静翼の前縁部でのエッジトーンの発生を抑制できる。しかも、周方向距離Ｓを、周方向ピッチＰに対して０．０５≦Ｓ／Ｐ≦０．１５の範囲に設定することにより、前記第１段静翼での空力効率を安定させつつ向上できる。
【００１１】
また、本発明のガスタービンでは、前記周方向距離Ｓが、前記周方向ピッチＰに対し、Ｓ／Ｐ＝０．１０に設定されていることを特徴とする。
【００１２】
このガスタービンは、さらに燃焼器の内圧変動を抑制し、かつ空力効率を向上できる。
【００１３】
また、本発明のガスタービンでは、前記軸方向距離Ｌが、前記周方向ピッチＰに対し、０．０８≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１４】
このガスタービンは、軸方向距離Ｌを周方向ピッチＰに対してＬ／Ｐ＝０にすることが難しい場合、すなわち第１段静翼の前端と燃焼器の後端とを最も近接させることが難しい場合において、好適にエッジトーンの発生を抑えて燃焼器の内圧変動を抑制できる。
【００１５】
また、本発明のガスタービンでは、周方向に隣接する前記燃焼器の後端の周方向厚みＤが、前記周方向ピッチＰに対し、Ｄ／Ｐ≦０．２６の範囲に設定されていることを特徴とする。
【００１６】
このガスタービンは、上記構成において、さらにエッジトーンの発生を抑えて燃焼器の内圧変動を抑制し、かつ空力効率を向上できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、軸方向距離Ｌをより近くしたことで、燃焼器尾筒の出口端部でのウェークフローの発生を抑制し、タービン第１段静翼の前縁部でのエッジトーンの発生を抑制できる。しかも、周方向距離Ｓの範囲を好適に設定したことで、前記第１段静翼での空力効率を安定して向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係るガスタービンを示す概略構成図であり、図２は、燃焼器尾筒とタービン第１段静翼との配置を示す概略図である。
【００２０】
ガスタービンは、図１に示すように、圧縮機１と燃焼器２とタービン３とにより構成されている。また、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３中心部には、ロータ４が貫通して配置されている。圧縮機１、燃焼器２およびタービン３は、ロータ４の軸心Ｒに沿い、空気の流れの前側から後側に向かって順に並設されている。なお、以下の説明において、軸方向とは軸心Ｒに平行な方向をいい、周方向とは軸心Ｒを中心とした周り方向をいい、径方向とは軸心Ｒに垂直な方向をいう。
【００２１】
圧縮機１は、空気を圧縮して圧縮空気とするものである。圧縮機１は、空気を取り込む空気取入口１１を有した圧縮機ケーシング１２内に圧縮機静翼１３および圧縮機動翼１４が設けられている。圧縮機静翼１３は、圧縮機ケーシング１２側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、圧縮機動翼１４は、ロータ４側に取り付けられて周方向に複数並設されている。これら圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とは、軸方向に沿って交互に設けられている。
【００２２】
燃焼器２は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで高温・高圧の燃焼ガスとするものである。燃焼器２は、バーナ（不図示）を有した内部で圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼筒として、内筒２１と、内筒２１から燃焼ガスをタービン３に導く尾筒２２と、圧縮機１からの圧縮空気を内筒２１に導く外筒２３とを有している。この燃焼器２は、燃焼器ケーシング２４に対し周方向に複数並設されている。
【００２３】
タービン３は、燃焼器２で燃焼された燃焼ガスにより回転動力を生じるものである。タービン３は、タービンケーシング３１内にタービン静翼３２およびタービン動翼３３が設けられている。タービン静翼３２は、タービンケーシング３１側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、タービン動翼３３は、ロータ４側に取り付けられて周方向に複数並設されている。これらタービン静翼３２とタービン動翼３３とは、軸方向に沿って交互に設けられている。また、タービンケーシング３１の後側には、タービン３に連続する排気ディフューザ３４ａを有した排気室３４が設けられている。
【００２４】
ロータ４は、圧縮機１側の端部が軸受部４１により支持され、排気室３４側の端部が軸受部４２により支持されて、軸心Ｒを中心として回転自在に設けられている。そして、ロータ４の排気室３４側の端部には、発電機（図示せず）の駆動軸が連結されている。
【００２５】
このようなガスタービンは、圧縮機１の空気取入口１１から取り込まれた空気が、複数の圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４と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、燃焼器２にて、圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスがタービン３のタービン静翼３２とタービン動翼３３とを通過することでロータ４が回転駆動され、このロータ４に連結された発電機に回転動力を付与することで発電を行う。そして、ロータ４を回転駆動した後の排気ガスは、排気室３４の排気ディフューザ３４ａで静圧に変換されてから大気に放出される。
【００２６】
このように構成されたガスタービンにおいて、燃焼器２の尾筒２２と、該燃焼器２の最も近くに配置されたタービン３のタービン第１段静翼３２とは、以下の関係で配置されている。
【００２７】
図２に示すように、周方向に隣接する各燃焼器２は、その後端である尾筒２２の後端が連結部材２２１により相互に連結されている。一方、前記第１段静翼３２は、前縁３２ｃを燃焼器２側である前方に向け、後縁３２ｄを後方であってロータ４の回転方向（周方向）に斜めに向けて配置されている。また、前記第１段静翼３２は、１つの燃焼器２に対して２つ配置された形態とされている。
【００２８】
そして、前記第１段静翼３２の前縁３２ｃ（燃焼器２側に最も近い部位）から前記第１段静翼３２の後縁３２ｄ側に向けて、燃焼器２間（連結された尾筒２２間）の中心までの周方向距離Ｓが、前記第１静翼３２の周方向ピッチＰに対し、０．０５≦Ｓ／Ｐ≦０．１５の範囲に設定されている。すなわち、周方向距離Ｓは、周方向ピッチＰの５％以上１５％以下の範囲に設定されている。
【００２９】
さらに、前記第１段静翼３２の前縁３２ｃと尾筒後端２２２との軸方向距離Ｌが、前記第１段静翼３２の周方向ピッチＰに対し、０．００≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定されている。すなわち、軸方向距離Ｌは、周方向ピッチＰの０％以上１３％以下の範囲に設定されている。
【００３０】
また、周方向に隣接する燃焼器２において連結された尾筒２２の端部の周方向厚みＤが、周方向ピッチＰに対し、Ｄ／Ｐ≦０．２６の範囲に設定されている。すなわち、周方向厚みＤは、周方向ピッチＰの２６％以下の範囲に設定されている。
【００３１】
ここで、燃焼器２と前記第１段静翼３２とを上記の関係に配置した本実施例および比較例の解析結果を図３および図４に示す。図３は、エッジトーン圧力変動レベルを示す図であり、図４は、前記第１段静翼での空力効率を示す図である。
【００３２】
図３においては、周方向距離Ｓを−８％以上１７％以下の範囲とした。そして、軸方向距離Ｌおよび周方向厚みＤの異なる実施例として４種類、比較例として２種類の解析を行った。ここで、周方向ピッチＰに対する軸方向距離Ｌの比をＬ／Ｐ、前記Ｐに対する周方向厚みＤの比をＤ／Ｐとした。実施例１は、Ｌ／Ｐ＝０．１３、Ｄ／Ｐ＝０．１９として太い実線で示す。実施例２は、Ｌ／Ｐ＝０．１３、Ｄ／Ｐ＝０．２６として細い実線で示す。実施例３は、Ｌ／Ｐ＝０．０８、Ｄ／Ｐ＝０．１９として太い一点鎖線で示す。実施例４は、Ｌ／Ｐ＝０．０８、Ｄ／Ｐ＝０．２６として細い一点鎖線で示す。比較例１は、Ｌ／Ｐ＝０．４２、Ｄ／Ｐ＝０．１９として太い破線で示す。比較例２は、Ｌ／Ｐ＝０．４２、Ｄ／Ｐ＝０．２６として細い破線で示す。なお、周方向距離Ｓの「−」は、前記第１段静翼３２の前縁３２ｃ（燃焼器２側に最も近い部位）から、前記第１段静翼３２の後縁３２ｄ側と反対（前縁３２ｃ側）に向かう周方向距離を示す。
【００３３】
図４においては、周方向距離Ｓを−２０％以上２０％以下の範囲とした。そして、上記実施例１（Ｌ／Ｐ＝０．１３、Ｄ／Ｐ＝０．１９として太い実線で示す）、および実施例２（Ｌ／Ｐ＝０．１３、Ｄ／Ｐ＝０．２６として細い実線で示す）に対し、比較例３，４の解析を行った。比較例３は、Ｌ／Ｐ＝０．１３、Ｄ／Ｐ＝０．３１として太い二点鎖線で示す。比較例４は、Ｌ／Ｐ＝０．１３、Ｄ／Ｐ＝０．３６として細い二点鎖線で示す。なお、周方向距離Ｓの「−」は、前記第１段静翼３２の前縁３２ｃ（燃焼器２側に最も近い部位）から、前記第１段静翼３２の後縁３２ｄ側と反対（前縁３２ｃ側）に向かう周方向距離を示す。
【００３４】
図３から明らかなように、前記第１段静翼３２の前縁３２ｃと尾筒後端２２２との軸方向距離Ｌがより近い程、燃焼器２の尾筒後端２２２でのウェークフローの発生が抑制されるので、前記第１段静翼の前縁３２ｃでのエッジトーンの発生を抑制できることがわかる。しかも、実施例１（太い実線）、実施例２（細い実線）、実施例３（太い一点鎖線）、実施例４（細い一点鎖線）および比較例１（太い破線）のように、周方向距離Ｓが、周方向ピッチＰに対して５％以上１５％以下の範囲でエッジトーン圧力変動レベルの設定許容値を好適に下回り、特に周方向距離Ｓが１０％の場合に最もエッジトーン圧力変動レベルが低下することがわかる。
【００３５】
また、図４から明らかなように、実施例１（太い実線）、実施例２（細い実線）、比較例３（太い二点鎖線）および比較例４（細い二点鎖線）は、周方向距離Ｓが、周方向ピッチＰに対してほぼ２．５％以上の範囲で、前記第１段静翼３２での空力効率の設定許容範囲にある。さらに、実施例１（太い実線）および実施例２（細い実線）は、周方向距離Ｓが、周方向ピッチＰに対してほぼ５％以上１５％の範囲で、前記第１段静翼３２での空力効率が高域で安定している。特に周方向距離Ｓが１０％の場合に最も空力効率が向上することがわかる。さらにまた、実施例１（太い実線）および実施例２（細い実線）のように、周方向ピッチに対する周方向厚みＤの比が、Ｄ／Ｐ＝０．１９およびＤ／Ｐ＝０．２６と他と比較して小さい場合、空力効率がさらに向上することがわかる。
【００３６】
したがって、これらの解析結果から、上述したように周方向距離Ｓを、周方向ピッチＰに対し、０．０５≦Ｓ／Ｐ≦０．１５の範囲に設定し、かつ軸方向距離Ｌを、周方向ピッチＰに対し、０．００≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定することにより、エッジトーンの発生を抑えて燃焼器の内圧変動を抑制し、なおかつ空力効率を向上できる。
【００３７】
さらに、周方向距離Ｓを、周方向ピッチＰに対し、Ｓ／Ｐ＝０．１０に設定することにより、さらにエッジトーンの発生を抑えて燃焼器の内圧変動を抑制できると共に空力効率を向上できる。
【００３８】
また、軸方向距離Ｌを、周方向ピッチＰに対して０．００＝Ｌ／Ｐとした場合、第１段静翼３２の前縁３２ｃと尾筒後端２２２とが最も近接する配置となる。このような配置により、燃焼器２の尾筒後端２２２でのウェークフローの発生が抑制されるので、エッジトーンの発生を抑えて燃焼器の内圧変動を抑制できる。ここで、燃焼器２とタービン３との間にシール部材を配置するなど、ガスタービンの構成の制約上、軸方向距離Ｌを、周方向ピッチＰに対して０．００＝Ｌ／Ｐにできない場合がある。このような場合、上記制約を考慮し、軸方向距離Ｌを、周方向ピッチＰに対し、０．０８≦Ｌ／Ｐ≦０．１３の範囲に設定することが好ましい。
【００３９】
また、周方向厚みＤを、周方向ピッチＰに対し、Ｄ／Ｐ≦０．２６の範囲に設定することにより、さらにエッジトーンの発生を抑えて燃焼器の内圧変動を抑制し、かつ空力効率を向上できる。なお、周方向厚みＤを、周方向ピッチＰに対してＤ／Ｐ＝０、すなわちＤ＝０にするには、例えば周方向に隣接する燃焼器２の尾筒２２を１つの環状に構成することが考えられる。また、Ｄ／Ｐ＝０の構成が難しい場合、周方向厚みＤを、周方向ピッチＰに対し、０．１８≦Ｄ／Ｐ≦０．２６の範囲に設定することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明に係るガスタービンは、燃焼器尾筒とタービン第一段静翼との相対位置を改善したことで、燃焼器の内圧変動の抑制と空力効率の向上とを両立させることに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例に係るガスタービンを示す概略構成図である。
【図２】燃焼器尾筒とタービン第１段静翼との配置を示す概略図である。
【図３】エッジトーン圧力変動レベルを示す図である。
【図４】第１段静翼での空力効率を示す図である。
【図５】尾筒後端に発生するウェークフローの模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  圧縮機
１１  空気取入口
１２  圧縮機ケーシング
１３  圧縮機静翼
１４  圧縮機動翼
２  燃焼器
２１  内筒
２２  尾筒
２２１  連結部材
２２２  尾筒後端
２３  外筒
２４  燃焼器ケーシング
３  タービン
３１  タービンケーシング
３２  タービン静翼
３２ａ  タービン静翼圧力面
３２ｂ  タービン静翼負圧面
３２ｃ  タービン静翼前縁
３２ｄ  タービン静翼後縁
３３  タービン動翼
３４  排気室
３４ａ  排気ディフューザ
４  ロータ
４１  軸受部
４２  軸受部
５０  ウェークフロー（カルマン渦）
Ｒ  軸心
Ｌ  軸方向距離
Ｐ  周方向ピッチ
Ｓ  周方向距離
【図１】
2009197650.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009197650.tif 000006
【図５】
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