燃气轮机的制作方法

本发明涉及一种燃气轮机，其对压缩后的高温/高压的空气供给燃料并使其燃烧，将所产生的燃烧气体供给至涡轮机来获得旋转动力。

背景技术：

燃气轮机由压缩机、燃烧器以及涡轮机构成，从空气吸入口吸入的空气通过压缩机被压缩，由此变为高温/高压的压缩空气，在燃烧器中，对该压缩空气供给燃料并使其燃烧，高温/高压的燃烧气体驱动涡轮机，并驱动连结于该涡轮机的发电机。在该情况下，涡轮机构成为在机室内交替配设有多个静叶及动叶，通过燃烧气体来驱动动叶，由此，旋转驱动连结于发电机的输出轴。然后，驱动了涡轮机的燃烧气体作为废气被排出至大气中。

在这种燃气轮机中，燃烧器沿着周向以邻接的方式配置有多个。在各燃烧器中燃烧的燃烧气体从燃烧器尾筒流出，从涡轮机的气体入口进入流道内。此时，燃烧气体从燃烧器尾筒流出后，在邻接的燃烧器尾筒的侧法兰之间，有时在其气流中形成卡门涡列。然后，将该卡门涡列作为振动源的非稳定压力变动与声音特征值共振，产生大的压力变动，恐怕会变得不能运转。

作为解决这种问题的燃气轮机，例如，有下述专利文献1所记载的燃气轮机。该专利文献1所记载的燃气轮机在燃烧器尾筒的下游部，在涡轮机转子的周向上彼此对置的侧壁的内表面设有倾斜面，该倾斜面随着朝向尾筒的轴线方向的下游侧而逐渐朝着接近邻接的尾筒的方向倾斜。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-064535号公报

技术实现要素：

发明所要解决的问题

在上述的以往的燃气轮机中，通过在尾筒的下游侧的侧壁内表面设置倾斜面，沿着尾筒的侧壁内表面的气流之间合流，因此能抑制卡门涡列的产生。但是，从燃烧器尾筒进入涡轮机的燃烧气体流道内的燃烧气体与涡轮机的第一级静叶干涉，在周向上邻接的多个燃烧器之间，在燃烧气体的流量上产生偏差。当在多个燃烧器之间在燃烧气体的流量上产生偏差时，在各燃烧器之间产生温度差(温度不均)，会产生NOx的增加、涡轮机效率的降低等问题。

本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于提供一种燃气轮机，其通过抑制在多个燃烧器之间的卡门涡列的产生，并且抑制多个燃烧器的燃烧气体的流量差的产生，谋求抑制NOx的增加、涡轮机效率的降低。

用于解决问题的方案

用于达成上述目的的本发明的燃气轮机具有：压缩机，压缩空气；燃烧器，将所述压缩机压缩后的压缩空气与燃料混合并使其燃烧；涡轮机，通过所述燃烧器生成的燃烧气体获得旋转动力，所述燃烧器以转子为中心配置为环状，其特征在于，在所述燃烧器的尾筒的下游端部的周向上邻接的侧壁的内表面设有所述尾筒的通道面积变大的倾斜面，以所述涡轮机的第一级静叶的间距尺寸P为基准，将从邻接的所述尾筒的中间地点到所述周向上最近的所述第一级静叶的上游端的周向的尺寸S的比例S/P设定为0～0.2之间，并且以所述间距尺寸P为基准，将从所述尾筒的下游端到所述第一级静叶的上游端的轴向的尺寸L的比例L/P设定为0.3～0.55之间。

通过将尾筒与第一级静叶的位置关系设为适当的位置关系，能抑制由在多个燃烧器的尾筒的后端部的卡门涡列引起的压力变动，并且能抑制多个燃烧器的燃烧气体的流量差的产生。其结果是，通过抑制主要的卡门涡列的产生，能抑制尾筒的下游侧部分的压力变动，此外，通过抑制各燃烧器间的燃烧气体的流量差，能抑制NOx的增加、涡轮机效率的降低。

在本发明的燃气轮机中，其特征在于，以所述间距尺寸P为基准，将周向的尺寸S的比例S/P设定为0.05～0.15之间，并且以所述间距尺寸P为基准，将所述轴向的尺寸L的比例L/P设定为0.3～0.4之间。

通过将尾筒与第一级静叶的位置关系设为适当的位置关系，能抑制在多个燃烧器的尾筒的后端部的主要的卡门涡列的产生，并且能抑制多个燃烧器的燃烧气体的流量差的产生。

在本发明的燃气轮机中，其特征在于，所述燃烧器的数量与所述涡轮机的第一级静叶的数量之比是2∶3以上的奇数。

在本发明的燃气轮机中，其特征在于，在所述尾筒的下游部，所述倾斜面随着所述转子的周向上彼此对置的一对侧壁中至少一方的侧壁的内表面朝向所述尾筒的轴线方向的下游侧，而逐渐朝着接近邻接的其他尾筒的方向倾斜至所述尾筒的下游端。

由于沿着邻接的尾筒的侧壁内表面的气流之间在尾筒的下游端面的下游侧以具有角度的方式合流，因此能抑制在尾筒的下游端面的下游侧形成主要的卡门涡列，能抑制尾筒的下游侧部分的压力变动。

在本发明的燃气轮机中，其特征在于，所述第一级静叶的上游端的位置沿着所述转子的径向配置。

由于沿着转子的径向配置第一级静叶的上游端的位置，因此在第一级静叶的长尺寸方向的所有区域，尾筒与第一级静叶的位置关系成为适当的位置关系，能抑制由在多个燃烧器的尾筒的后端部的卡门涡列引起的压力变动，并且能抑制多个燃烧器的燃烧气体的流量差的产生。

在本发明的燃气轮机中，其特征在于，周向上邻接的多个所述第一级静叶的喉部宽度设定为：所述转子的径向的一端部侧和另一端部侧的至少任一方比径向的中间部侧大。

由于将第一级静叶的端部侧的喉部宽度设定得比中间部侧的喉部宽度大，因此能提高涡轮机效率并提高性能。

在本发明的燃气轮机中，其特征在于，所述比例L/P是考虑支承所述第一级静叶的覆环(shroud)的冷却空气量和涡轮机效率而设定的。

由于基于覆环的冷却空气量和涡轮机效率来设定比例L/P，因此能将尾筒与第一级静叶的位置关系设定为最优的位置关系。

在本发明的燃气轮机中，其特征在于，所述第一级静叶的上游端配置为如下位置关系：将所述上游端在所述转子的径向上连接的线是弯曲的。

发明效果

根据本发明的燃气轮机，由于将尾筒与第一级静叶的位置关系设为适当的位置关系，因此能抑制在多个燃烧器的尾筒的后端部的、主要的卡门涡列的产生，并且能抑制多个燃烧器的燃烧气体的流量差的产生，其结果是，能抑制NOx的增加、涡轮机效率的降低。

附图说明

图1是表示本实施方式的燃气轮机的概略构成图。

图2是表示燃气轮机的燃烧器的概略构成图。

图3是表示燃烧器尾筒的立体图。

图4是燃烧器尾筒的剖面图。

图5是表示燃烧器尾筒与第一级静叶的位置关系的、从燃烧器的侧方观察的概略图。

图6是表示燃烧器尾筒与第一级静叶的位置关系的、从燃烧器的上游侧观察的概略图。

图7是表示多个燃烧器的压力变动的大小的曲线图。

图8是表示多个燃烧器的流量差的曲线图。

图9是表示多个燃烧器的燃烧气体的流量差少且不产生主要的卡门涡列的区域的曲线图。

图10是表示相对于轴线方向比例L/P的冷却空气量的曲线图。

图11是表示相对于轴线方向比例L/P的受热面积的曲线图。

图12是表示相对于轴线方向比例L/P的燃气轮机效率的曲线图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的燃气轮机的优选实施方式进行详细说明。需要说明的是，并不通过该实施方式限定本发明，此外，在具有多个实施方式的情况下，也包含将各实施方式进行组合而构成的方式。

图1是表示本实施方式的燃气轮机的概略构成图，图2是表示燃气轮机的燃烧器的概略构成图。

在本实施方式中，如图1所示，燃气轮机10由压缩机11、燃烧器(燃气轮机燃烧器)12以及涡轮机13构成。该燃气轮机10在同轴上连结有未图示的发电机，能够发电。

压缩机11具有吸入空气的空气吸入口20，在压缩机机室21内配设有入口导叶(IGV：Inlet Guide Vane)22，并且多个静叶23和动叶24在前后方向(后述的转子32的轴向)上交替配设，在其外侧设有抽气室25。燃烧器12能对由压缩机11压缩后的压缩空气供给燃料，通过点火能够燃烧。涡轮机13中，在涡轮机机室26内前后方向(后述的转子32的轴向)上交替配设有多个静叶27和动叶28。该涡轮机机室26在下游侧介由排气机室29配设有排气室30，排气室30具有与涡轮机13连续的排气扩散器31。

此外，以贯通压缩机11、燃烧器12、涡轮机13以及排气室30的中心部的方式配置有转子(旋转轴)32。转子32的压缩机11侧的端部通过轴承部33被旋转自如地支承，另一方面，排气室30侧的端部通过轴承部34被旋转自如地支承。然后，该转子32在压缩机11重叠地固定有多个安装有各动叶24的圆盘，在涡轮机13重叠地固定有多个安装有各动叶28的圆盘。

该燃气轮机10中，压缩机11的压缩机机室21通过脚部35支承，涡轮机13的涡轮机机室26通过脚部36支承，排气室30通过脚部37支承。

因此，在压缩机11，从空气吸入口20吸入的空气从入口导叶22、多个静叶23和动叶24通过并被压缩，由此变成高温/高压的压缩空气。在燃烧器12，对该压缩空气供给规定的燃料，进行燃烧。然后，在涡轮机13，作为在该燃烧器12生成的工作流体的高温/高压的燃烧气体从多个静叶27和动叶28通过，由此驱动旋转转子32，驱动连结于该转子32的发电机。另一方面，燃烧气体从排气室30的排气扩散器31通过，作为废气排出至大气。

在上述燃烧器12，如图2所示，外筒41在内侧隔开规定间隔地配置有内筒42，并在该内筒42的顶端部连结有尾筒43并构成燃烧器壳体。该外筒41、内筒42、以及尾筒43沿着中心轴心配置。对于内筒42，在内部的中心部的位置配置有引燃烧嘴44，并且在内周面沿着周向以包围引燃烧嘴44的方式配置有多个主烧嘴45。引燃烧嘴44和主烧嘴45被配置为与中心轴心呈平行。尾筒43连结有旁通管46，在该旁通管46设有旁通阀47。

外筒41构成为在外筒主体51的基端部紧密附着有外筒盖部52，并通过多个紧固螺栓53进行紧固。在外筒41，外筒盖部52的内侧嵌合有缩顶部(Top hat)54，并通过多个紧固螺栓55进行紧固。内筒42隔开规定的间隔地配置于外筒41的内侧，在缩顶部54的内表面和内筒42的外表面之间形成有呈圆筒形状的空气通道56。然后，空气通道56的一端部连通于利用压缩机11压缩后的压缩空气的供给通道57，另一端部连通于内筒42的基端部侧。

对于内筒42，在中心部的位置配置有引燃烧嘴44，在引燃烧嘴44的周围配置有多个主烧嘴45。然后，缩顶部54设有燃料口58、59。未图示的引燃燃料管线连结于引燃燃料口58，未图示的主燃烧管线连结于各主燃料口59。

在此，对燃烧器12的尾筒43进行详细说明。图3是表示燃烧器尾筒的立体图，图4是燃烧器尾筒的剖面图。

如图3及图4所示，尾筒43呈筒状，具有：机体61，在内周侧供燃烧气体G流动；出口法兰71，设于机体61的下游端部，朝着远离尾筒43的轴线Ac的方向扩大。机体61的下游侧的剖面形状呈长方形状，该机体61在其下游侧具有：一对侧壁62，在以转子32的旋转轴线Ar为中心的周向C上彼此对置；一对侧壁63，在以该旋转轴线Ar为中心的放射方向上彼此对置。

出口法兰71具有：法兰主体部72，从机体61的下游端朝着相对于尾筒43的轴线Ac远离的方向扩大；对置部73，从该法兰主体部72的外缘向上游侧延伸。该法兰主体部72的下游端面形成尾筒43的下游端面43a。此外，尾筒43在出口法兰71的对置部73与周向C上邻接的其他尾筒43的对置部73之间，设有将邻接的燃烧器12的尾筒彼此之间进行密封的密封构件75。密封构件75嵌合于在各对置部73所形成的凹部74内。需要说明的是，在本实施方式中，机体61的下游侧的部分，也就是说机体61的下游侧的侧壁62、63和出口法兰71的法兰主体部72由一体成形件形成。

机体61形成有倾斜面64，该倾斜面64随着周向C上彼此对置的一对侧壁62的各内表面朝向尾筒43的轴线Ac方向的下游侧而逐渐朝着接近邻接的其他尾筒43的方向倾斜至尾筒43的下游端64a。即，该倾斜面64从侧壁62的内表面的上游端64a到尾筒43的下游端64b。

朝向下游侧流过尾筒43内的燃烧气体G从尾筒43内流出后，还欲在沿着侧壁62的内表面的方向上流动，因此恐怕会在法兰主体部72的下游端面43a的下游侧形成卡门涡列。本实施方式中，在尾筒43的下游侧的侧壁62的内表面形成有倾斜面64，因此法兰主体部72的下游端面43b相对于侧壁62的内表面所形成的角度变小。因此，能抑制在法兰主体部72的下游端面43a的下游侧形成卡门涡列，能抑制尾筒43的下游侧部分的压力变动。

需要说明的是，尾筒43的倾斜面64的形状并不限定于上述形状。例如，倾斜面64的从其上游端64a到下游端64b的整个部分是平面形状，但无需整个该倾斜面64都是平面，也可以至少在一部分包含曲面。

在此，对燃烧器12的尾筒43和涡轮机13的第一级静叶27的位置关系进行说明。图5是表示燃烧器尾筒与第一级静叶的位置关系的从燃烧器的侧方观察的概略图，图6是表示燃烧器尾筒与第一级静叶的位置关系的从燃烧器的上游侧观察的概略图，图7是表示多个燃烧器的压力变动的大小的曲线图，图8是表示多个燃烧器的流量差的曲线图，图9是表示多个燃烧器的燃烧气体的流量差小且不产生主要的卡门涡列的区域的曲线图。需要说明的是，图6是从上游侧观察尾筒43的图，由于在各尾筒43之间配置有密封构件等，因此通过虚线记载倾斜面64。

如图5及图6所示，将多个第一级静叶27的周向C的间距(pitch)尺寸设为P，将从特定的燃烧器12的尾筒43和与其在周向C的一方侧邻接的其他的燃烧器12的尾筒43的中间地点M到在周向C的一方侧最近的第一级静叶27的上游端27a的、周向C的尺寸设为S。然后，以该周向C的间距尺寸P为基准，将周向C的尺寸S的比例S/P设为周向比例S/P。

此外，将从尾筒43的下游端面43a到第一级静叶27的上游端27a的轴线Ac方向的尺寸设为L。然后，以周向C的间距尺寸P为基准，将轴线Ac方向的尺寸L的比例L/P设为轴线方向比例L/P。

使用该周向比例S/P和轴线方向比例L/P，对在多个燃烧器12的尾筒43的下游端面43a的压力变动水平、以及多个燃烧器12的燃烧气体的流量差的产生进行了模拟。需要说明的是，该模拟是以燃烧器12的数量Nc和第一级静叶27的数量Ns之比是2∶3的方式进行。

此时，第一级静叶27的上游端27a的位置沿着转子32的径向配置。即，对于第一级静叶27，上游端27a的周向的位置无论位于径向的哪个位置都设定于相同的位置。因此，在第一级静叶27的长尺寸方向的所有区域，尾筒43和第一级静叶27的位置关系成为适当的位置关系，能抑制由在多个燃烧器12的尾筒43的后端部的卡门涡列引起的压力变动，并且能抑制多个燃烧器12的燃烧气体的流量差的产生。

需要说明的是，第一级静叶27的上游端27a的位置沿着转子32的径向配置，但第一级静叶27的下游端27b的位置无需沿着转子32的径向配置，也可以在周向上偏移。例如，也可以将周向上邻接的多个第一级静叶27的喉部宽度以如下方式进行设定：转子32的径向的一端部侧和另一端部侧的至少任一方比径向的中间部侧大。而且，第一级静叶27的上游端27a也可以配置为与尾筒43的下游侧的侧壁62平行。

此外，作为本实施方式的变形例，能如下地配置尾筒43与第一级静叶27的位置关系。在第一级静叶27的长尺寸方向的所有区域，难以将尾筒43与第一级静叶27的位置关系配置为适当的位置关系的情况下，可以将叶片的上游端27a的堆积方向偏移。

即，有时第一级静叶27的长尺寸方向的各个叶片轮廓所示的上游端27a的位置位于不能抑制由在燃烧器12的尾筒43的后端部的卡门涡列引起的压力变动的位置。在该情况下，可以以叶片的轮廓保持原样而叶片的上游端27a的位置处在尾筒43与第一级静叶27的位置关系满足适当的位置关系的范围内的方式，使叶片的位置偏移。此时，第一级静叶27的上游端27a的位置未必在转子32的径向上配置于一条直线上。即，也可以配置为如下位置关系：将第一级静叶27的上游端27a在转子32的径向上连接的线是弯曲的。

如图7所示，在以“○”表示的位置产生压力变动，此“○”的大小表示压力变动水平。此外，如图8所示，实线是各燃烧器12的燃烧气体的流量差ΔQ变为±0.1％的区域线，虚线是各燃烧器12的燃烧气体的流量差ΔQ变为±0.2％的区域线。其结果是，如图9所示，能掌握如下情况：在轴线方向比例L/P是0.3(30％)～0.55(55％)，并且，周向比例S/P是0(0％)～0.2(20％)的区域A，压力变动水平小，并且，流量差小。此外，能掌握如下情况：在轴线方向比例L/P是0.3(30％)～0.4(40％)，并且，周向比例S/P是0.5(5％)～0.15(15％)的区域B，压力变动水平更小，并且，流量差更小。

此外，考虑支承第一级静叶27的覆环的冷却空气量和涡轮机效率来对轴线方向比例L/P进行设定即可。图10是表示相对于轴线方向比例L/P的冷却空气量的曲线图，图11是表示相对于轴线方向比例L/P的受热面积的曲线图，图12是表示相对于轴线方向比例L/P的燃气轮机效率的曲线图。

冷却空气从设置于尾筒43的各侧壁62的冷却通道内通过，向支承第一级静叶27的内侧覆环及外侧覆环喷出。要考虑该冷却空气量和涡轮机效率来对轴线方向比例L/P进行设定。如图10所示，当轴线方向比例L/P(尺寸L)增加时，冷却空气量也增加。此外，如图11所示，当轴线方向比例L/P(尺寸L)增加时，受热面积也增加。另一方面，如图12所示，当轴线方向比例L/P(尺寸L)增加时，涡轮机效率降低。由于冷却空气是抽出压缩空气的一部分来使用，因此供给于燃烧器12的压缩空气减少，燃料也一并减少，因此燃烧气体的能量减少。因此，理想的是考虑覆环的冷却空气量和燃气轮机效率来对轴线方向比例L/P进行设定。

如此，本实施方式的燃气轮机中，在燃烧器12的尾筒43的下游端部的周向上邻接的侧壁62的内表面设置尾筒43的通道面积变大的倾斜面64，以涡轮机13的第一级静叶27的间距尺寸P为基准，将从邻接的尾筒43的中间地点到在周向上最近的第一级静叶27的上游端的周向的尺寸S的比例S/P设定为0～0.2之间，并且以间距尺寸P为基准，将从尾筒43的下游端面到第一级静叶27的上游端的轴向的尺寸L的比例L/P设定为0.3～0.55之间。

因此，通过将尾筒43与第一级静叶27的位置关系设为适当的位置关系，能抑制由在多个燃烧器12的尾筒43的后端部的卡门涡列引起的压力变动，并且能抑制多个燃烧器12的燃烧气体的流量差的产生。其结果是，通过抑制在各燃烧器12之间的燃烧气体的流量差，能抑制NOx的增加、涡轮机效率的降低。

在本实施方式的燃气轮机中，以间距尺寸P为基准将周向的尺寸S的比例S/P设定为0.05～0.15之间，并且以间距尺寸P为基准，将轴向的尺寸L的比例L/P设定为0.3～0.4之间。因此，通过将尾筒43与第一级静叶27的位置关系设为适当位置关系，能抑制在多个燃烧器12的尾筒43的后端部的主要的卡门涡列的产生，并且能抑制多个燃烧器12的燃烧气体的流量差的产生。

在本实施方式的燃气轮机中，将燃烧器12的数量和涡轮机13的第一级静叶27的数量之比设为2∶3以上的奇数。

本实施方式的燃气轮机中，在尾筒43的下游部，倾斜面64随着在转子32的周向上彼此对置的一对侧壁62中至少一方的侧壁62的内表面朝向尾筒43的轴线方向的下游侧，而逐渐朝着接近邻接的其他尾筒43的方向倾斜至尾筒43的下游端。因此，沿着邻接的尾筒43的侧壁内表面的气流之间在尾筒43的下游端面的下游侧以具有角度的方式合流，所以能抑制在尾筒43的下游端面的下游侧形成主要的卡门涡列，能抑制尾筒43的下游侧部分的压力变动。

在本实施方式的燃气轮机中，将第一级静叶27的上游端的位置沿着转子32的径向配置。因此，在第一级静叶27的长尺寸方向的所有区域，尾筒43与第一级静叶27的位置关系成为适当的位置关系，能抑制由在多个燃烧器12的尾筒43的后端部的卡门涡列引起的压力变动，并且能抑制多个燃烧器12的燃烧气体的流量差的产生。

在本实施方式的燃气轮机中，周向上邻接的多个第一级静叶27的喉部宽度以如下方式进行设定：转子32的径向的一端部侧和另一端部侧的至少任一方比径向的中间部侧大。因此，能提高涡轮机效率并提高性能。

在本实施方式的燃气轮机中，考虑支承第一级静叶27的覆环的冷却空气量和涡轮机效率来对轴线方向比例L/P进行设定。因此，能将尾筒43与第一级静叶27的位置关系设定为最优的位置关系。

附图标记说明

10 燃气轮机

11 压缩机

12 燃烧器

13 涡轮机

20 空气吸入口

21 压缩机机室

22 入口导叶

23 静叶

24 动叶

25 抽气室

26 涡轮机机室

27 静叶(第一级静叶)

28 动叶

29 排气机室

30 排气室

31 排气扩散器

32 转子

33、34 轴承部

35、36、37 脚部

41 外筒

42 内筒

43 尾筒

43a 下游端面

44 引燃烧嘴

45 主烧嘴

46 旁通管

47 旁通阀

51 外筒主体

52 外筒盖部

53 紧固螺栓

54 缩顶部

55 紧固螺栓

56 空气通道

57 供给通道

58 引燃燃料口

59 主燃料口

61 机体

62、63 侧壁

64 倾斜面

64a 上游端

64b 下游端

71 出口法兰

72 法兰主体部

73 对置部

74 凹部

75 密封构件