JP5996657B2 - ガスタービン装置 - Google Patents

Description

関連出願

この出願は、２０１２年８月２９日出願の特願２０１２−１８８３４６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、ガスタービンエンジンによって発電機のような動力機械を駆動するガスタービン装置に関するものである。

ガスタービン装置では大きな高周波雑音が発生するが、この高周波雑音は、エンクロージャによるパッケージングや吸排気サイレンサを設置するなどの手段により効果的に低減することが可能である。これに対し、ガスタービン装置から発生する低周波雑音は効果的に低減することが難しい。この点について、図５および図６を参照しながら以下に説明する。

ガスタービン装置では、ガスタービンエンジンの最終段動翼から排出される排気ガスの流速が一般に３００〜４００ｍ／ｓｅｃ程度と比較的速いので、この排気ガスを長い排気ディフューザＤＦに導いて流速を低下させることにより、排気ガスの動圧を低減して静圧回復させ、これにより性能向上を図っている。前記排気ディフューザＤＦは、図５および図６に示すインナーパイプ２８と、このインナーパイプ２８の外周を覆うように配置されたアウターパイプ（図示せず）を備え、インナーパイプ２８との間に、タービン最終段動翼から排出される排気ガスを導入する排気ガス通路を形成している。

さらに、前記排気ガス通路に、インナーパイプ２８の保持や潤滑油の供給などのための排気ストラット３１が周方向に複数配設されている（特許文献１参照）。排気ストラット３１は、横断面が楕円形の偏平な形状を有し、その長軸が排気ディフューザＤＦの軸方向Ｃを向くように配置されて、排気ガスに対する大きな流動抵抗とならないように設定されている。

ところで、通常のガスタービンエンジンでは、排気ディフューザＤＦの性能向上を図るために、定格運転（全負荷運転）時に軸方向Ｃの流れとなるように設計されている。つまり、定格運転時には、図５に示すように、タービン回転方向ベクトルＶ１とタ−ビン最終段動翼からの排気ガスの相対流れ速度ベクトルＶ２とを合成した排気ガス絶対流れ（真の流れ）ベクトルＶが、軸方向Ｃにほぼ沿った方向となる。このときの排気ガス流れＳ１は、排気ストラット３１における排気ガスの流動方向の下流側部位に発生する渦が抑制されたものとなる。

一方、ガスタービンエンジンの低負荷運転、特に無負荷運転時には、動力機械が発電機であってガスタービンエンジンを常に同一回転数で駆動する場合、図６に示すように、タービン回転方向ベクトルＶ１は定格運転時と同じものとなるが、最終段動翼からの排気ガスの相対流れ速度ベクトルＶ２が、排気ガスの流速が遅くなることによって短くなる。そのため、タービン回転方向ベクトルＶ１と排気ガスの相対流れ速度ベクトルＶ２とを合成した排気ガス絶対流れベクトルＶは、軸方向Ｃに対し大きな角度で傾斜することとなり、排気ガスが旋回流となって排気ガス通路内を流動する。この傾斜した排気ガス流れＳ２により、排気ストラット３１における排気ガスの流動方向の下流側部位に強い渦Ｖｒが発生する。

こうして発生した強い渦Ｖｒが排気ガスの旋回流に乗りながら下流側に流れて自励振動や剥離により壊れると、ボルテックス・ホイッスルと称される低周波騒音や低周波振動が発生する。このボルテックス・ホイッスルの周波数は、排気ガスの流量または旋回速度に比例し、排気ディフューザの軸方向長さには依らない。

特開２０１１−２２６６５１号公報

上述のようなガスタービンエンジンの低負荷運転時にボルテックス・ホイッスルと称される低周波騒音や低周波振動が発生するのは、近年において排気圧損失の低減を目的として排気ストラット３１の設置数を減らしたことに起因する。例えば、従来では排気ストラット３１を８〜１０本程度設置していたのに対し、図４および図５に示すように、周方向に等間隔で配置した４〜６本に減らす傾向にある。このように排気ストラット３１の設置数が少なくなると、排気ガスの旋回流が、大きな間隔で隣接する各二つの排気ストラット３１の間をそのまま流動してしまい、強い渦を含んで旋回する排気ガス流れＳ２となる。そこで、排気ストラット３１の設置数を従来のように多くすれば、排気ストラット３１が排気ガスの旋回を或る程度抑止することができるが、その反面、排気ガスの圧力損失が増大する。

そこで、本発明は、排気ガスの圧力損失の増大を招くことなく、低負荷運転時の低周波騒音および低周波振動を効果的に抑止することができるガスタービン装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン装置は、排気ガス通路の上流部を形成する排気ディフューザを備えたガスタービンエンジンと、前記排気ディフーザに設けられた排気ストラットと、前記排気ガス通路における前記排気ストラットの下流側に配置されて、軸方向に沿って延びる旋回抑止板とを備えている。

特に排気ストラットの配設数を少なく設定した場合、ガスタービンエンジンの低負荷運転時に排気ガスの旋回流が発生する。この排気ガスの旋回流は、大きな間隔で隣接する二つの排気ストラットの間を通って下流側に流動したのち、排気ストラットの下流側で軸方向に沿って延びる旋回抑止板に当たって旋回を抑止され、軸方向に向けた流れに強制的に変更される。したがって、排気ストラットの下流側部位に発生する排気ガスの渦の発生を抑止することはできないが、この渦を下流側に流す排気ガスの旋回流れを抑止できるので、旋回速度分布に起因する不安定性（渦芯の振れ回り）がなくなり、渦の自励振動や剥離の発生を抑制して、ボルテックス・ホイッスルと称される異音である低周波騒音や、低周波振動の発生を効果的に防止することができる。また、旋回抑止板は、排気ガスの流速が低くなる排気ストラットの下流側に配置されるので、この点からも排気ガスの圧力損失をさらに少なくできる。

本発明において、好ましくは、周方向に離間して配置された複数の前記排気ストラットを備え、隣接する２つの排気ストラットの中間位置に前記旋回抑止板が配置されている。これにより、隣接する２つの排気ストラットの間を通った排気ガスの旋回流を、旋回抑止板により効果的に偏向して、その旋回を抑制できる。

前記旋回抑止板の軸方向長さは、前記排気ストラットの軸方向長さよりも大きいのが好ましい。特に、前記旋回抑止板の軸方向長さが前記排気ストラットの軸方向長さの２〜４倍であるのが好ましい。これにより、排気ストラットを短くして排気ガスの圧力損失を低減できる一方で、長い旋回抑止板によって、排気ガスの旋回を効果的に抑制できる。

好ましくは、周方向に離間した４〜６本の前記排気ストラットを備えている。このように排気ストラットの本数を少なくすることにより、排気ガス通路の抵抗が小さくなって、排気圧損失が低減される。

本発明の好ましい実施形態では、前記排気ディフューザが、同心状に配置された筒状のインナーケースおよびアウターケースを有し、前記両ケース間が前記排気ストラットにより連結されている。これにより、強固な構造のディフューザが得られる。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記排気ディフューザの下流側に接続された排気ダクトを備え、前記排気ダクトは、同心状に配置されたインナーパイプおよびアウターパイプを有し、前記インナーパイプに前記旋回抑止板が取り付けられ、前記アウターパイプと前記旋回抑止板との間に、少なくとも冷温時に隙間が存在する。これにより、旋回抑止板がインナーパイプに片持ち式に支持されるので、旋回抑止板の両端部をインナーパイプとアウターパイプとに懸け渡して支持する場合のような、インナーパイプおよびアウターパイプの双方の熱伸びに起因する旋回抑止板の熱歪みが発生しない。

前記インナーパイプに前記旋回抑止板を取り付ける場合、旋回抑止板は二つ一組の板部材が互いに重合されてなり、各板部材の内径端の取付部が互いに離反方向に湾曲された状態で前記インナーパイプに取り付けられているのが好ましい。これにより、旋回抑止板は、板金加工した薄板状のものを使用できるので、排気ストラットに比べて排気ガスの圧力損失が少なくなる。また、旋回抑止板は、２枚の板部材を重合した簡単な構造でありながら、十分な強度を有するとともに、重量の増加やコストの増大を抑制できる。さらに、旋回抑止板に熱歪が生じた場合、前記湾曲形状の取付部が熱変形することによって上述の熱歪を吸収して、旋回抑止板の径方向寸法の増大を抑制できる。

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。

本発明は、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、本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。本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部品番号は、同一または相当部分を示す。
本発明の一実施形態に係るガスタービン装置の全体構成を示す側面図である。 同上のガスタービン装置のガスタービンエンジンおよび排気ディフューザを示す縦断面図である。 同上の排気ディフューザを示す背面図である。 同実施形態における排気ガスの流れを示す斜視図である。 ガスタービンエンジンの定格運転時における排気ガスの流れを示す斜視図である。 ガスタービンエンジンの低負荷運転時における排気ガスの流れを示す斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１において、重量が大きい減速機１２が基盤１３に固定されており、この減速機１２に、ガスタービンエンジンＧＴが、複数本（この実施形態では４本）のステー１４を介して片持ち式に支持されている。減速機１２の入力側の連結軸にガスタービンエンジンＧＴの回転軸１０が連結され、出力側の連結軸１７が、ガスタービンエンジンＧＴの負荷である発電機１１の駆動軸１８に、カップリング１９によって連結されている。ガスタービンエンジンＧＴからほぼ水平に排出される排気ガスＥＧは、排気ディフューザ２０および排気ダクト２１を通って排気チャンバ２２に入り、ここでほぼ鉛直方向に偏向されて上方のサイレンサ２４に入り、このサイレンサ２４で消音されて外部に放出される。排気チャンバ２２には、排気ガスＥＧを上方に偏向する案内板２３が配置されている。

図２に示すように、ガスタービンエンジンＧＴは、空気流入口ＩＮから空気Ａを吸入して圧縮する２段の遠心圧縮機１と、圧縮された空気Ａに燃料を供給して燃焼させる燃焼器４と、燃焼ガスＧで駆動されるタービン７とを有している。前記圧縮機１およびタービン７は、ハウジング１５内に収納され、燃焼器４はハウジング１５に上方へ突出して取り付けられている。燃焼器４内の燃焼室５で発生した燃焼ガスＧは、スクロール９を介してタービン７に導かれてタービン７を回転させ、このタービン７に回転軸１０で連結されている２段の遠心圧縮機１と、図１の減速機１２を介して発電機１１とを駆動する。

タービン７の最終段動翼２７から排出された排気ガスＥＧは、排気ディフューザ２０のインナーケース２０ａとアウターケース２０ｂとの間の環状の排気ガス通路３０に導かれる。アウターケース２０ｂはハウジング１５に固定され、このアウターケース２０ｂには、周方向に離間して９０°間隔で放射状に配置された４本の排気ストラット３１を介して、インナーケース２０ａが支持されている。こうして、互いに同心状に配置された筒状のインナーケース２０ａと筒状のアウターケース２０ｂとの間が排気ストラット３１により連結されて、強固な構造のディフューザ２０が構成されている。

排気ディフューザ２０の下流端に連結された排気ダクト２１には、矩形の薄板状に形成されて軸方向Ｃに沿って延びる旋回抑止板３２が、ボルト・ナットのような締結部材３３で取り付けられている。排気ダクト２１はインナーパイプ２１ａとアウターパイプ２１ｂとの間に排気ガス通路３０を形成している。こうして、排気ディフューザ２０が環状の排気ガス通路３０の上流部を形成し、排気ダクト２１が環状の排気ガス通路３０の下流部を形成し、さらに、図１の排気チャンバ２２およびサイレンサ２４が、排気ガス通路３０の下流に連なる横断面ほぼ矩形の排気ガス通路３０Ａを形成している。

図２に示すアウターパイプ２１ｂにおける旋回抑止板３２に対向する上流部２１ｂａは、下流部２１ｂｂに対して、熱膨張吸収機構３４により、軸方向Ｃに相対移動可能に設けられている。熱膨張吸収機構３４は、軸方向Ｃに伸縮自在な蛇腹状の伸縮筒体３７と、上流部２１ｂａの伸縮長さを制限する調整ボルト３８とを有している。この熱膨張吸収機構３４によってアウターパイプ２１ｂの排気ガスＥＧによる熱膨張を吸収する。

図３は排気ディフューザ２０を図２の右側（後方）から見た背面図である。旋回抑止板３２は、周方向に９０°の等間隔で配置された４つの排気ストラット３１の隣接する二つの中間位置に放射状に配置され、インナーパイプ２１ａに締結部材３３で取り付けられている。各旋回抑止板３２は、排気ガス通路３０の軸心を通る中心面に対して対称形状の二つ一組の板部材３９，４０が互いに重ね合わされている。すなわち、旋回抑止板３２は、板部材３９，４０の各々の抑止板部３９ａ，４０ａが互いに密着状態に重ね合わされ、板部材３９，４０の各々の内径端の取付部３９ｂ，４０ｂが互いに離反方向に湾曲された状態で、インナーパイプ２１ａに締結部材３３で取り付けられる。

締結部材３３は旋回抑止板３２における軸方向Ｃに離間した２箇所に配置されている。旋回抑止板３２の径方向外端とアウターパイプ２１ｂの内面との間には、少なくともエンジン停止時の冷温状態で僅かな隙間が存在する。したがって、旋回抑止板３２はインナーパイプ２１ａに片持ち式に支持される。

上記構成のガスタービン装置は、排気ストラット３１の配設数が４つと少なく設定されているので、通路抵抗による排気圧損失が抑制される反面、図４に示す通り、ガスタービンエンジンＧＴの低負荷運転時に排気ガスＥＧの旋回流ＴＳが発生する。この旋回流ＴＳは、排気ストラット３１の下流側で旋回抑止板３２に当たって旋回を抑止され、軸方向Ｃに向けた流れＳに強制的に偏向される。したがって、排気ストラット３１の下流側の排気ガスＧＴの渦の発生を完全に抑止することはできないが、渦を下流側に流す排気ガスＥＧの旋回流ＴＳを抑止できるので、旋回速度分布に起因する不安定性（渦芯の振れ回り）がなくなり、渦の自励振動の発生を抑制して、ボルテックス・ホイッスルと称される異音である低周波騒音や低周波振動の発生を効果的に防止することができる。

上述のボルテックス・ホイッスルは数十Ｈｚにピーク値を記録することが多いが、実測結果によると、旋回抑止板３２を設けた場合には、ピーク値が１０ｄＢ以上低下することが確認できた。これにより、旋回抑止板３２を設けるだけの簡単な構成によって低周波騒音や低周波振動の発生を効果的に防止できることが判明した。

ただし、このような低周波騒音や低周波振動の発生抑制の効果を得るためには、排気ストラット３１の軸方向Ｃの長さＬ１よりも旋回抑止板３２の軸方向Ｃの長さＬ２を長くするのがよい。特に、旋回抑止板３２の軸方向Ｃの長さＬ２を排気ストラット３１の軸方向Ｃの長さＬ１の２〜４倍に設定するのが好ましい。２倍未満であると、旋回抑止板３２による偏向効果を不十分になり、４倍を超えると、旋回抑止板３２による排気ガスＥＧの摩擦損失が過大になる。排気ストラット３１は、インナーケース２０ａとアウターケース２０ｂとを連結するための強度部材であって、その径方向長さ（高さ）Ｈ１は、軸方向長さＬ１の１．０〜２．０倍程度である。

また、旋回抑止板３２は、排気ストラット３１が一般に鋳物で製造されるのに対し、板金加工によって形成できるから、厚みを薄くして、排気ガスＥＧの圧力損失を排気ストラット３１に比べて格段に少なくするとともに、重量およびコストの増大を抑制できる。しかも、旋回抑止板３２は、排気ガスＥＧの流速が低くなる排気ストラット３１の下流側に配置されるので、この点からも排気ガスＥＧの圧力損失をさらに少なくできる。

さらに、旋回抑止板３２は、図３に示す二つ一組の板部材３９，４０が互いに重ね合わせ状態で取り付けられるので、薄板状であるにも拘わらず十分な強度を有しているとともに、旋回抑止板３２に高温の排気ガスＥＧによる熱歪みが生じた場合、板部材３９，４０の湾曲形状の取付部３９ｂ，４０ｂが熱変形することによって上述の熱歪みを吸収して、旋回抑止板３２の径方向の寸法をほぼ一定に維持することができる。また、旋回抑止板３２は、インナーパイプ２１ａに片持ち式に支持されているので、両端部をインナーパイプ２１ａとアウターパイプ２１ｂとに懸け渡して支持する場合のような、インナーパイプ２１ａおよびアウターパイプ２１ｂの双方の熱伸びに起因する熱歪みが発生しない。

なお、前記実施形態では、旋回抑止板３２をインナーパイプ２１ａに片持ち式で支持する場合を例示しているが、これに限らず、旋回抑止板３２をアウターパイプ２１ｂに片持ち式で支持する構成としても、実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は上述した実施形態に限らず、本発明の要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り、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まる本発明の範囲内のものと解釈される。

２０ 排気ディフューザ
２０ａ インナーケース
２０ｂ アウターケース
３０ 排気ガス通路
３１ 排気ストラット
３２ 旋回抑止板
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｃ 軸方向

Claims (7)

1. 排気ガス通路の上流部を形成する排気ディフューザを備えたガスタービンエンジンと、
   前記排気ディフューザに設けられ、周方向に離間して配置された複数の排気ストラットと、
   前記排気ガス通路における前記排気ストラットの下流側に配置されて、軸方向に沿って延びる旋回抑止板と、
   を備え、
   隣接する２つの前記排気ストラットの中間の周方向位置に前記旋回抑止板が配置されているガスタービン装置。
2. 請求項１に記載のガスタービン装置において、前記旋回抑止板の軸方向長さが前記排気ストラットの軸方向長さよりも大きいガスタービン装置。
3. 請求項２に記載のガスタービン装置において、前記旋回抑止板の軸方向長さが前記排気ストラットの軸方向長さの２〜４倍であるガスタービン装置。
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装置において、周方向に離間した４〜６本の前記排気ストラットを備えたガスタービン装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン装置において、前記排気ディフューザは、同心状に配置されたインナーケースおよびアウターケースを有し、前記両ケース間が前記排気ストラットにより連結されているガスタービン装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービン装置において、さらに、
   前記排気ディフューザの下流側に接続された排気ダクトを備え、
   前記排気ダクトは、同心状に配置されたインナーパイプおよびアウターパイプを有し、
   前記インナーパイプに前記旋回抑止板が取り付けられ、前記アウターパイプと前記旋回抑止板との間に、少なくとも冷温時に隙間が存在するガスタービン装置。
7. 排気ガス通路の上流部を形成する排気ディフューザを備えたガスタービンエンジンと、
   前記排気ディフューザに設けられた排気ストラットと、
   前記排気ガス通路における前記排気ストラットの下流側に配置されて、軸方向に沿って延びる旋回抑止板と、
   前記排気ディフューザの下流側に接続された排気ダクトと、
   を備え、
   前記排気ダクトは、同心状に配置されたインナーパイプおよびアウターパイプを有し、
   前記インナーパイプに前記旋回抑止板が取り付けられ、前記アウターパイプと前記旋回抑止板との間に、少なくとも冷温時に隙間が形成されており、
   前記旋回抑止板は二つ一組の板部材が互いに重合されてなり、各板部材の内径端の取付部が互いに離反方向に湾曲された状態で前記インナーパイプに取り付けられているガスタービン装置。

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