ガスタービン
【課題】尾筒の下流側部分における圧力変動を抑える。
【解決手段】燃焼器の尾筒２０の下流部で、タービンロータの周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２の内面２４は、尾筒２０の軸線Ａｃ方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、尾筒２０の下流端２０ｅに至るまで傾斜している傾斜面２５を成している。
【解決手段】燃焼器の尾筒２０の下流部で、タービンロータの周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２の内面２４は、尾筒２０の軸線Ａｃ方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、尾筒２０の下流端２０ｅに至るまで傾斜している傾斜面２５を成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備えているガスタービンに関し、特に、燃焼器の尾筒に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、外気を取り込んで圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備えている。複数の燃焼器は、ロータを中心として環状に配置されている。各燃焼器は、タービンのガス入り口に燃焼ガスを送る尾筒を有している。
【０００３】
燃焼ガスは、燃焼器の尾筒から流出すると、タービンのガス入り口からタービンの燃焼ガス流路内に入り込む。この際、燃焼ガスは、尾筒から流出した直後に、その流れの中にカルマン渦列が形成され、このカルマン渦列を振動源とする非定常圧力変動が音響固有値に共振し、大きな圧力変動が生じて、運転負荷になる場合がある。
【０００４】
そこで、以下の特許文献１に記載の技術では、尾筒の下流端と第一段静翼の上流端との間の軸線方向における寸法や、第一段静翼の上流端とロータを中心とした周方向で隣接する尾筒間の中心との間の周方向の寸法等に関して、特定の範囲に限定することで、大きな圧力変動を抑えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９７６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術は、確かに、尾筒の下流側部分における大きな圧力変動を抑えることができる。しかしながら、尾筒の下流側部分における圧力変動をより抑え、よりガスタービン効率を高めることが望まれている。
【０００７】
そこで、本発明は、このような要望に応えるべく、燃焼器の尾筒の下流側部分における圧力変動をより抑え、よりガスタービン効率を高めることが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】
【０００８】
上記目的を達成するための発明に係るガスタービンは、
燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の該燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備え、複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成している、ことを特徴とする。
【０００９】
尾筒内を下流側に向って流れる燃焼ガスは、尾筒内から流出した後も尾筒の側壁内面に沿った方向に流れようとするため、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されることがある。
【００１０】
当該ガスタービンでは、尾筒の下流側の側壁内面が尾筒の下流端に至るまで傾斜面を成しているため、互いに隣接し合う燃焼器の尾筒の側壁内面に沿う流れ同士が、尾筒の下流端面の下流側に角度をもって合流するので、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。
【００１１】
ここで、前記ガスタービンにおいて、前記タービンは、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の第一段静翼を有し、該第一段静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、前記周方向で、前記第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記尾筒の前記少なくとも一方の側壁は、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁であることが好ましい。
【００１２】
尾筒における周方向で互いに対向する一対の側壁のうちの翼傾斜側の側壁のみの内面が傾斜面である場合、この傾斜面により導かれる燃焼ガスの流れの向きと、第一段静翼により導かれる燃焼ガスの流れの向きとがほぼ同じなり、尾筒から第一段静翼への燃焼ガスの流れがスムーズになる。このため、翼傾斜側の側壁のみの内面が傾斜面であっても、尾筒の下流側部分の圧力変動を効果的に抑えることができる。なお、翼弦とは、静翼の上流端と下流端とを結んだ線分である。
【００１３】
また、前記ガスタービンにおいて、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁の両方の前記内面が前記傾斜面を成していることが好ましい。
【００１４】
当該ガスタービンでは、尾筒の一対の側壁の内面のそれぞれから連なる尾筒の各下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制できる。
【００１５】
また、前記ガスタービンにおいて、前記傾斜面の上流端から下流端までの前記周方向の寸法Ｂを基準として、該上流端から該下流端までの前記軸線方向の寸法Ａの割合Ａ／Ｂは、１以上で８以下であることが好ましい。
【００１６】
また、前記ガスタービンにおいて、前記傾斜面は、前記尾筒の軸線に近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面を少なくとも一部に含んでもよい。
【００１７】
また、前記ガスタービンにおいて、前記燃焼器の数と前記第一段静翼の数との比が２：３以上の奇数であり、複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記燃焼器の前記尾筒と前記他の燃焼器の尾筒との中間地点から前記周方向で最も近い第一段静翼の上流端までの該周方向の寸法Ｓの割合Ｓ／Ｐは、０．０５以下、０．２から０．５５の間、及び０．７から１．０の間であることが好ましい。
【００１８】
当該ガスタービンでは、いずれの燃焼器の尾筒の一対の側壁の内面のそれぞれから連なる尾筒の各下流端に対しても、いずれかの第１段静翼が周方向において比較的近くに存在することになるため、この第一段静翼の存在により、各尾筒の下流側における圧力変動を抑えることができる。
【００１９】
また、前記ガスタービンにおいて、複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記尾筒の下流端から前記第一段静翼の上流端までの前記軸線方向の寸法Ｌの割合Ｌ／Ｐが０．２以下であることが好ましい。
【００２０】
当該ガスタービンでは、尾筒の下流端に対して、第一段静翼が尾筒の軸線方向において比較的に近くに存在することになるため、この第一段静翼の存在により、各尾筒の下流側における圧力変動を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。このため、本発明によれば、ガスタービン効率を高めることがでる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部を切り欠いた全体側面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの燃焼器周りの断面図である。
【図３】本発明に係る一実施形態における尾筒の斜視図である。
【図４】本発明に係る一実施形態における尾筒の下流側の断面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における傾斜面の傾斜率と圧力変動幅との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る一実施形態における尾筒と第一段静翼との位置関係を示す説明図である。
【図７】本発明に係る一実施形態における尾筒の下流側の圧力変動を示す説明図で、同図（ａ）は周方向割合が１０％の場合を示し、同図（ｂ）は周方向割合が２２．５％の場合を示し、同図（ｃ）は周方向割合が３５％の場合を示し、同図（ｄ）は周方向割合が４７．５％の場合を示す。
【図８】本発明に係る一実施形態の尾筒の下流側の圧力変動幅と周方向割合との関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る一実施形態の傾斜面の変形例を示すための尾筒の下流側の断面図であり、同図（ａ）は傾斜面の第一変形例を示し、同図（ｂ）は傾斜面の第二変形例を示す。
【図１０】本発明に係る一実施形態の変形例における尾筒の傾斜面と第１段静翼との位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係るガスタービンの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器１０と、燃焼ガスにより駆動するタービン２と、を備えている。
【００２５】
タービン２は、ケーシング３と、このケーシング３内で回転するタービンロータ５とを備えている。タービンロータ５は、複数のロータディスクが積層されて構成されているロータ本体６と、複数のロータディスク毎にそのロータディスクから放射方向に延びる複数の動翼７と、を有している。すなわち、このタービンロータ５は、多段動翼構成である。このタービンロータ５には、例えば、このタービンロータ５の回転で発電する発電機（図示されていない。）と接続されている。また、ケーシング３には、各段の動翼７の各上流側に、その内周面からロータ本体６に近づく方向に延びる複数の静翼４が固定されている。
【００２６】
複数の燃焼器１０は、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心として、周方向に互いに等間隔でケーシング３に固定されている。
【００２７】
燃焼器１０は、図２に示すように、高温・高圧の燃焼ガスＧをタービン２のガス入口９からタービン２のガス流路８内に送る尾筒２０と、この尾筒２０内に燃料及び圧縮空気Ａｉｒを供給する燃料供給器１１と、を備えている。タービン２の動翼７及び静翼４は、このガス流路８中に配置されている。燃料供給器１１は、パイロット燃料Ｘを尾筒２０内に供給して、この尾筒２０内に拡散火炎を形成するパイロットバーナ１２と、メイン燃料Ｙ及び圧縮空気Ａｉｒを予混合して、予混合気体として尾筒２０内に供給し、この尾筒２０内に予混合火炎を形成する複数のメインノズル１３と、を備えている。
【００２８】
尾筒２０は、図２及び図３に示すように、筒状を成し、内周側に燃焼ガスＧが流れる胴体２１と、胴体２１の下流端部に設けられ、尾筒２０の軸線Ａｃから遠ざかる向きに広がる出口フランジ３１とを有している。
【００２９】
胴体２１の下流側の断面形状は長方形状を成し、この胴体２１は、その下流側に、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心とした周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２と、この回転軸線Ａｒを中心とした放射方向で互いに対向する一対の側壁２３と、を有している。
【００３０】
図４に示すように、胴体２１の下流端部に設けられている出口フランジ３１は、胴体２１の下流端から尾筒２０の軸線Ａｃに対して遠ざかる向きに広がるフランジ本体部３２と、このフランジ本体部３２の外縁から上流側に向って延びる対向部３３と、を有している。このフランジ本体部３２の下流端面は、尾筒２０の下流端面２０ｅａを成している。また、この対向部３３と、周方向Ｃで隣接する燃焼器１０の尾筒２０の対向部３３との間には、隣接する燃焼器１０の尾筒相互間をシールするシール部材３５が設けられている。なお、本実施形態では、胴体２１の下流側の部分、つまり胴体２１の下流側の側壁２２，２３とフランジ本体部３２とは、一体成形品で形成されている。
【００３１】
周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２のそれぞれの内面２４は、尾筒２０の軸線Ａｃ方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器１０の尾筒２０に近づく向きに、尾筒２０の下流端２０ｅに至るまで傾斜している傾斜面２５を成している。すなわち、傾斜面２５の下流端は尾筒２０の下流端２０ｅである。
【００３２】
尾筒２０内を下流側に向って流れる燃焼ガスＧは、尾筒２０内から流出した後も側壁２２の内面２４に沿った方向に流れようとするため、フランジ本体部３２の下流端面２０ｅａの下流側にカルマン渦列が形成されることがある。
【００３３】
本実施形態では、尾筒２０の下流側の側壁２２の内面２４が傾斜面２５を成しているため、側壁２２の内面２４に対してフランジ本体部３２の下流端面２０ｅａの成す角度が小さくなる。よって、本実施形態では、フランジ本体部３２の下流端面２０ｅａの下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒２０の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。
【００３４】
ここで、この傾斜面２５の傾斜率を変えた際の尾筒２０の下流側部分の圧力変動幅についてシミュレートしたので、このシミュレート結果について説明する。なお、このシミュレートでは、図４に示すように、傾斜面２５の上流端２５ｓから下流端２０ｅ（＝尾筒２０の下流端）までの周方向Ｃの寸法Ｂを基準として、上流端２５ｓから下流端２０ｅまでの軸線Ａｃ方向の寸法Ａの割合Ａ／Ｂを、傾斜面２５の傾斜率と定義している。
【００３５】
このシミュレートの結果、図５に示すように、傾斜率Ａ／Ｂが１以上で８以下であるとき、燃焼器１０の下流側部分の圧力変動幅ΔＰが小さくなることが分かった。これは、傾斜率Ａ／Ｂが１未満のとき、及び８より大きいときには、傾斜が急すぎる又は緩すぎるため、傾斜面２５としての効果を十分に得ることができないためである。さらに、傾斜面２５の傾斜率Ａ／Ｂが２以上で６以下であると、圧力変動幅ΔＰが極めて小さくなることも分かった。なお、尾筒２０内を流れる燃焼ガスＧの流速が高くなるに連れて、圧力変動幅ΔＰも大きくなるが、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂと圧力変動幅ΔＰとの関係は、尾筒２０内を流れる燃焼ガスＧの流速が変化しても基本的に同じである。
【００３６】
このため、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂの好ましい範囲Ｒａは、１以上で８以下であり、より好ましい範囲Ｒｂは、２以上で６以下であると言える。
【００３７】
さらに、ここでは、尾筒２０と第一段静翼４ａとの相対位置を変えた際の燃焼器１０の下流側部分での圧力変動幅についてもシミュレートしたので、このシミュレート結果についても説明する。具体的に、図６に示すように、複数の第一段静翼４ａの周方向Ｃのピッチ寸法Ｐを基準にして、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との中間地点Ｍから周方向Ｃの一方の側で最も近い第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの周方向Ｃの寸法Ｓの割合Ｓ／Ｐ（以下、周方向割合Ｓ／Ｐとする）と圧力変動幅ΔＰとの関係についてシミュレートした。
【００３８】
なお、このシミュレートは、燃焼器１０の数Ｎｃと第一段静翼４ａの数Ｎｓとの比が２：３で、尾筒２０の傾斜面２５の傾斜率Ａ／Ｂが２．７５で行った。さらに、このシミュレートは、ピッチ寸法Ｐを基準にして、尾筒２０の下流端２０ｅから第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの軸線Ａｃ方向の寸法Ｌの割合Ｌ／Ｐ（以下、軸線方向割合Ｌ／Ｐとする）を１２％で行った。
【００３９】
図８に示すように、軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％の場合、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％では非定常圧力変動はほとんどなかった。しかしながら、周方向割合Ｓ／Ｐが５％を越えると、大きな圧力変動幅ΔＰが見られ始め、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％になると、圧力変動幅ΔＰがより大きくなった。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％の場合、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との間の下流側では、非定常圧力変動がみられないものの、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの他方の側に隣接する他の燃焼器１０ｃの尾筒２０との間の下流側では、カルマン渦列ｖが発生し、比較的大きな非定常圧力変動が生じた。これは、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの他方の側に隣接する他の燃焼器１０ｃの尾筒２０との間から、周方向Ｃで最も近い第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの周方向Ｃの寸法が大きくなっているためである、と考えられる。なお、図８中の細線は、等静圧線を示している。
【００４１】
よって、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％になると、圧力変動幅ΔＰが大きくなったと考えられる。但し、このシミュレートでは、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂは、より好ましい範囲Ｒｂ（２以上で６以下）内である２．７５であるから、傾斜面２５が形成されていない場合等よりも、圧力変動幅ΔＰより小さい。
【００４２】
圧力変動幅ΔＰは、周方向割合Ｓ／Ｐが２０％になると、図８に示すように、急激に小さくなり、周方向割合Ｓ／Ｐが２２.５％になると、非定常圧力変動はほとんど見られなくなった。図７（ｂ）に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが２２.５％の場合、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との間の下流側、及び特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの他方の側に隣接する他の燃焼器１０ｃの尾筒２０との間の下流側でも、非定常圧力変動はほとんど見られなくなった。
【００４３】
非定常圧力変動は、図７（ｃ）及び（ｄ）に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが３５％、４７．５％でも、ほとんど見られなかった。しかし、図８に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが５５％を越えると、再び、大きな圧力変動幅ΔＰが見られ始め、周方向割合Ｓ／Ｐが６０％になると、圧力変動幅ΔＰがより大きくなった。これは、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との間から、周方向Ｃで最も近い第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの周方向Ｃの寸法が大きくなっているためである、と考えられる。すなわち、周方向割合Ｓ／Ｐが６０％のときには、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％のときと、基本的に同様の理由で同様の現象が生じている、と考えられる。
【００４４】
この圧力変動幅ΔＰは、周方向割合Ｓ／Ｐが７０％になると、急激に小さくなり、周方向割合Ｓ／Ｐが７２．５％になると、非定常圧力変動がほとんど見らなくなった。以降、周方向割合Ｓ／Ｐが１００％になるまで、非定常圧力変動はほとんど見なれない。
【００４５】
以上のように、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％では、非定常圧力変動がほとんどみられず、尾筒２０の下流側部分の圧力変動幅ΔＰが非常に小さくなることが分かった。すなわち、周方向割合Ｓ／Ｐで好ましい範囲Ｒｃは、０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％であることが分かった。
【００４６】
さらに、ここで、軸線方向割合Ｌ／Ｐを変えて、以上と同様に、周方向割合Ｓ／Ｐと圧力変動幅ΔＰとの関係についてシミュレートした。
【００４７】
図８に示すように、軸線方向割合Ｌ／Ｐが１８％のとき、２０％のとき、２７％のときでも、周方向割合Ｓ／Ｐの変化に対する圧力変動幅ΔＰの変化は、前述の軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％のときと同様の傾向が見られた。すなわち、前述の軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％のときと同様、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％の場合、周方向割合Ｓ／Ｐが５％〜２０％、５５％〜７０％の場合と比べて、燃焼器１０の下流側部分の圧力変動幅ΔＰが相対的に小さくなることが分かった。
【００４８】
しかしながら、軸線方向割合Ｌ／Ｐが１８％及び２０％のとき、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％の場合、前述の軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％のときと同様、非定常圧力変動がほとんど見られず、圧力変動幅ΔＰの絶対値が小さいものの、軸線方向割合Ｌ／Ｐが２７％のときでは、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％の場合でも、圧力変動幅ΔＰの絶対値が大きくなることが分かった。
【００４９】
すなわち、軸線方向割合Ｌ／Ｐは２０％以下にすることで、圧力変動幅ΔＰが小さくなることが分かった。
【００５０】
また、以上のシミュレーション結果は、燃焼器１０の数Ｎｃと第一段静翼４ａの数Ｎｓとの比が２：３の場合のものであるが、Ｎｃ：Ｎｓ＝２：５、Ｎｃ：Ｎｓ＝２：７、Ｎｃ：Ｎｓ＝２：９以上の場合でも、尾筒２０と第一段静翼４ａとの相対位置と尾筒２０の下流側部分での圧力変動幅ΔＰとの関係は、以上と同様の結果が得られると考えられる。但し、燃焼器１０の数Ｎｃに対して第一段静翼４ａの数Ｎｓが多くなるほど、周方向割合Ｓ／Ｐや軸線方向割合Ｌ／Ｐがいずれの値でも、圧力変動幅ΔＰが大きくなる際の圧力変動幅ΔＰの絶対値は小さくなり、第一段静翼４ａの数Ｎｓがより多くなれば、周方向割合Ｓ／Ｐや軸線方向割合Ｌ／Ｐがいずれの値でも、非定常圧力変動がほとんど見られなくなると考えられる。
【００５１】
なお、燃焼器１０の数Ｎｃと第一段静翼４ａの数Ｎｓとの比が１：自然数のときには、各燃焼器１０の尾筒２０と、それに隣接する他の尾筒２０との間の直下に第一段静翼４ａの上流端４ｓを配置することができるため、このように第一段静翼４ａを配置することで、非定常圧力変動をほとんどなくすことができる。
【００５２】
次に、尾筒２０の傾斜面２５の各種変形例について説明する。
【００５３】
以上の実施形態の傾斜面２５は、その上流端２５ｓから下流端２０ｅまでの全体が平面であるが、この傾斜面２５は、全体が平面である必要はなく、少なくとも一部に曲面を含んでもよい。
【００５４】
この曲面は、具体的に、図９に示すように、尾筒２０の軸線Ａｃに近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面２６ａ，２６ｂ，２６ｃである。例えば、曲面２６ａは、同図（ａ）に示すように、傾斜面２５とフランジ本体部３２の下流端面２０ｅａとの境界領域に、つまり、この曲面２６ａの下流端が傾斜面２５の下流端２０ｅと一致する。また、曲面２６ｂは、この曲面２６ｂの上流端が傾斜面２５の上流端２５ｓと一致する。また、同図（ｂ）に示すように、傾斜面２５の全体が曲面２６ｃである。
【００５５】
このように、傾斜面２５の少なくとも一部に曲面を採用すると、燃焼ガスＧの流れの向きが急激に変化する箇所がなくなるため、尾筒２０の下流端面２０ｅａの下流側にカルマン渦列が形成されるのをより抑制でき、尾筒２０の下流側部分の圧力変動をより効果的に抑えることができる。このため、傾斜面２５の少なくとも一部に曲面を採用した場合、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂの好ましい範囲Ｒａは、以上で説明した１以上で８以下よりも広がる。
【００５６】
また、以上の実施形態では、周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２のそれぞれの内面２４が傾斜面２５を成しているが、いずれか一方の内面２４のみが傾斜面２５を成しても、尾筒２０の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。この場合、図１０に示すように、周方向Ｃにおいて、第一段静翼４ａの上流端４ｓに対して第一段静翼４ａの下流端４ｅが存在する側を翼傾斜側Ｃａとした場合、周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２（図１０の場合では２２ａ及び２２ｂ）のうちの翼傾斜側Ｃａの側壁２２（図１０の場合では２２ｂ）の内面２４が傾斜面２５を成していることが好ましい。これは、傾斜面２５により導かれる燃焼ガスＧの流れの向きと、第一段静翼４ａの上流端４ｓと下流端４ｅとの繋ぐ線分である翼弦の方向、つまり第一段静翼４ａにより導かれる燃焼ガスＧの流れの向きとがほぼ同じなり、尾筒２０から第一段静翼４ａへの燃焼ガスＧの流れがスムーズになり、尾筒２０の下流側部分の圧力変動を効果的に抑えることができるからである。
【００５７】
なお、以上のように、周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２のうち、いずれか一方の側壁２２（図１０の場合では２２ａ及び２２ｂ）の内面２４のみが傾斜面２５を成していても、尾筒２０と第一段静翼４ａとの相対位置と尾筒２０の下流側部分での圧力変動幅ΔＰとの関係は、以上のシミュレート結果と基本的に同様である。
【符号の説明】
【００５８】
１：圧縮機、２：タービン、３：ケーシング、４：静翼、４ａ：第１段静翼、４ｓ：（静翼の）上流端、４ｅ：（静翼の）下流端、５：タービンロータ、６：ロータ本体、７：動翼、８：ガス流路、９：ガス入口、１０：燃焼器、２０：尾筒、２０ｅ：（尾筒のｏｒ傾斜面の）下流端、２０ｅａ：（尾筒のｏｒフランジ本体部の）下流端面、２１：胴体、２２，２２ａ，２２ｂ，２３：側壁、２４：内面、２５：傾斜面、２５ｓ：（傾斜面の）上流端、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ：曲面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備えているガスタービンに関し、特に、燃焼器の尾筒に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、外気を取り込んで圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備えている。複数の燃焼器は、ロータを中心として環状に配置されている。各燃焼器は、タービンのガス入り口に燃焼ガスを送る尾筒を有している。
【０００３】
燃焼ガスは、燃焼器の尾筒から流出すると、タービンのガス入り口からタービンの燃焼ガス流路内に入り込む。この際、燃焼ガスは、尾筒から流出した直後に、その流れの中にカルマン渦列が形成され、このカルマン渦列を振動源とする非定常圧力変動が音響固有値に共振し、大きな圧力変動が生じて、運転負荷になる場合がある。
【０００４】
そこで、以下の特許文献１に記載の技術では、尾筒の下流端と第一段静翼の上流端との間の軸線方向における寸法や、第一段静翼の上流端とロータを中心とした周方向で隣接する尾筒間の中心との間の周方向の寸法等に関して、特定の範囲に限定することで、大きな圧力変動を抑えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９７６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術は、確かに、尾筒の下流側部分における大きな圧力変動を抑えることができる。しかしながら、尾筒の下流側部分における圧力変動をより抑え、よりガスタービン効率を高めることが望まれている。
【０００７】
そこで、本発明は、このような要望に応えるべく、燃焼器の尾筒の下流側部分における圧力変動をより抑え、よりガスタービン効率を高めることが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】
【０００８】
上記目的を達成するための発明に係るガスタービンは、
燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の該燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備え、複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成している、ことを特徴とする。
【０００９】
尾筒内を下流側に向って流れる燃焼ガスは、尾筒内から流出した後も尾筒の側壁内面に沿った方向に流れようとするため、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されることがある。
【００１０】
当該ガスタービンでは、尾筒の下流側の側壁内面が尾筒の下流端に至るまで傾斜面を成しているため、互いに隣接し合う燃焼器の尾筒の側壁内面に沿う流れ同士が、尾筒の下流端面の下流側に角度をもって合流するので、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。
【００１１】
ここで、前記ガスタービンにおいて、前記タービンは、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の第一段静翼を有し、該第一段静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、前記周方向で、前記第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記尾筒の前記少なくとも一方の側壁は、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁であることが好ましい。
【００１２】
尾筒における周方向で互いに対向する一対の側壁のうちの翼傾斜側の側壁のみの内面が傾斜面である場合、この傾斜面により導かれる燃焼ガスの流れの向きと、第一段静翼により導かれる燃焼ガスの流れの向きとがほぼ同じなり、尾筒から第一段静翼への燃焼ガスの流れがスムーズになる。このため、翼傾斜側の側壁のみの内面が傾斜面であっても、尾筒の下流側部分の圧力変動を効果的に抑えることができる。なお、翼弦とは、静翼の上流端と下流端とを結んだ線分である。
【００１３】
また、前記ガスタービンにおいて、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁の両方の前記内面が前記傾斜面を成していることが好ましい。
【００１４】
当該ガスタービンでは、尾筒の一対の側壁の内面のそれぞれから連なる尾筒の各下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制できる。
【００１５】
また、前記ガスタービンにおいて、前記傾斜面の上流端から下流端までの前記周方向の寸法Ｂを基準として、該上流端から該下流端までの前記軸線方向の寸法Ａの割合Ａ／Ｂは、１以上で８以下であることが好ましい。
【００１６】
また、前記ガスタービンにおいて、前記傾斜面は、前記尾筒の軸線に近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面を少なくとも一部に含んでもよい。
【００１７】
また、前記ガスタービンにおいて、前記燃焼器の数と前記第一段静翼の数との比が２：３以上の奇数であり、複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記燃焼器の前記尾筒と前記他の燃焼器の尾筒との中間地点から前記周方向で最も近い第一段静翼の上流端までの該周方向の寸法Ｓの割合Ｓ／Ｐは、０．０５以下、０．２から０．５５の間、及び０．７から１．０の間であることが好ましい。
【００１８】
当該ガスタービンでは、いずれの燃焼器の尾筒の一対の側壁の内面のそれぞれから連なる尾筒の各下流端に対しても、いずれかの第１段静翼が周方向において比較的近くに存在することになるため、この第一段静翼の存在により、各尾筒の下流側における圧力変動を抑えることができる。
【００１９】
また、前記ガスタービンにおいて、複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記尾筒の下流端から前記第一段静翼の上流端までの前記軸線方向の寸法Ｌの割合Ｌ／Ｐが０．２以下であることが好ましい。
【００２０】
当該ガスタービンでは、尾筒の下流端に対して、第一段静翼が尾筒の軸線方向において比較的に近くに存在することになるため、この第一段静翼の存在により、各尾筒の下流側における圧力変動を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、尾筒の下流端面の下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。このため、本発明によれば、ガスタービン効率を高めることがでる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部を切り欠いた全体側面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの燃焼器周りの断面図である。
【図３】本発明に係る一実施形態における尾筒の斜視図である。
【図４】本発明に係る一実施形態における尾筒の下流側の断面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における傾斜面の傾斜率と圧力変動幅との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る一実施形態における尾筒と第一段静翼との位置関係を示す説明図である。
【図７】本発明に係る一実施形態における尾筒の下流側の圧力変動を示す説明図で、同図（ａ）は周方向割合が１０％の場合を示し、同図（ｂ）は周方向割合が２２．５％の場合を示し、同図（ｃ）は周方向割合が３５％の場合を示し、同図（ｄ）は周方向割合が４７．５％の場合を示す。
【図８】本発明に係る一実施形態の尾筒の下流側の圧力変動幅と周方向割合との関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る一実施形態の傾斜面の変形例を示すための尾筒の下流側の断面図であり、同図（ａ）は傾斜面の第一変形例を示し、同図（ｂ）は傾斜面の第二変形例を示す。
【図１０】本発明に係る一実施形態の変形例における尾筒の傾斜面と第１段静翼との位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係るガスタービンの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器１０と、燃焼ガスにより駆動するタービン２と、を備えている。
【００２５】
タービン２は、ケーシング３と、このケーシング３内で回転するタービンロータ５とを備えている。タービンロータ５は、複数のロータディスクが積層されて構成されているロータ本体６と、複数のロータディスク毎にそのロータディスクから放射方向に延びる複数の動翼７と、を有している。すなわち、このタービンロータ５は、多段動翼構成である。このタービンロータ５には、例えば、このタービンロータ５の回転で発電する発電機（図示されていない。）と接続されている。また、ケーシング３には、各段の動翼７の各上流側に、その内周面からロータ本体６に近づく方向に延びる複数の静翼４が固定されている。
【００２６】
複数の燃焼器１０は、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心として、周方向に互いに等間隔でケーシング３に固定されている。
【００２７】
燃焼器１０は、図２に示すように、高温・高圧の燃焼ガスＧをタービン２のガス入口９からタービン２のガス流路８内に送る尾筒２０と、この尾筒２０内に燃料及び圧縮空気Ａｉｒを供給する燃料供給器１１と、を備えている。タービン２の動翼７及び静翼４は、このガス流路８中に配置されている。燃料供給器１１は、パイロット燃料Ｘを尾筒２０内に供給して、この尾筒２０内に拡散火炎を形成するパイロットバーナ１２と、メイン燃料Ｙ及び圧縮空気Ａｉｒを予混合して、予混合気体として尾筒２０内に供給し、この尾筒２０内に予混合火炎を形成する複数のメインノズル１３と、を備えている。
【００２８】
尾筒２０は、図２及び図３に示すように、筒状を成し、内周側に燃焼ガスＧが流れる胴体２１と、胴体２１の下流端部に設けられ、尾筒２０の軸線Ａｃから遠ざかる向きに広がる出口フランジ３１とを有している。
【００２９】
胴体２１の下流側の断面形状は長方形状を成し、この胴体２１は、その下流側に、タービンロータ５の回転軸線Ａｒを中心とした周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２と、この回転軸線Ａｒを中心とした放射方向で互いに対向する一対の側壁２３と、を有している。
【００３０】
図４に示すように、胴体２１の下流端部に設けられている出口フランジ３１は、胴体２１の下流端から尾筒２０の軸線Ａｃに対して遠ざかる向きに広がるフランジ本体部３２と、このフランジ本体部３２の外縁から上流側に向って延びる対向部３３と、を有している。このフランジ本体部３２の下流端面は、尾筒２０の下流端面２０ｅａを成している。また、この対向部３３と、周方向Ｃで隣接する燃焼器１０の尾筒２０の対向部３３との間には、隣接する燃焼器１０の尾筒相互間をシールするシール部材３５が設けられている。なお、本実施形態では、胴体２１の下流側の部分、つまり胴体２１の下流側の側壁２２，２３とフランジ本体部３２とは、一体成形品で形成されている。
【００３１】
周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２のそれぞれの内面２４は、尾筒２０の軸線Ａｃ方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器１０の尾筒２０に近づく向きに、尾筒２０の下流端２０ｅに至るまで傾斜している傾斜面２５を成している。すなわち、傾斜面２５の下流端は尾筒２０の下流端２０ｅである。
【００３２】
尾筒２０内を下流側に向って流れる燃焼ガスＧは、尾筒２０内から流出した後も側壁２２の内面２４に沿った方向に流れようとするため、フランジ本体部３２の下流端面２０ｅａの下流側にカルマン渦列が形成されることがある。
【００３３】
本実施形態では、尾筒２０の下流側の側壁２２の内面２４が傾斜面２５を成しているため、側壁２２の内面２４に対してフランジ本体部３２の下流端面２０ｅａの成す角度が小さくなる。よって、本実施形態では、フランジ本体部３２の下流端面２０ｅａの下流側にカルマン渦列が形成されるのを抑制でき、尾筒２０の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。
【００３４】
ここで、この傾斜面２５の傾斜率を変えた際の尾筒２０の下流側部分の圧力変動幅についてシミュレートしたので、このシミュレート結果について説明する。なお、このシミュレートでは、図４に示すように、傾斜面２５の上流端２５ｓから下流端２０ｅ（＝尾筒２０の下流端）までの周方向Ｃの寸法Ｂを基準として、上流端２５ｓから下流端２０ｅまでの軸線Ａｃ方向の寸法Ａの割合Ａ／Ｂを、傾斜面２５の傾斜率と定義している。
【００３５】
このシミュレートの結果、図５に示すように、傾斜率Ａ／Ｂが１以上で８以下であるとき、燃焼器１０の下流側部分の圧力変動幅ΔＰが小さくなることが分かった。これは、傾斜率Ａ／Ｂが１未満のとき、及び８より大きいときには、傾斜が急すぎる又は緩すぎるため、傾斜面２５としての効果を十分に得ることができないためである。さらに、傾斜面２５の傾斜率Ａ／Ｂが２以上で６以下であると、圧力変動幅ΔＰが極めて小さくなることも分かった。なお、尾筒２０内を流れる燃焼ガスＧの流速が高くなるに連れて、圧力変動幅ΔＰも大きくなるが、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂと圧力変動幅ΔＰとの関係は、尾筒２０内を流れる燃焼ガスＧの流速が変化しても基本的に同じである。
【００３６】
このため、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂの好ましい範囲Ｒａは、１以上で８以下であり、より好ましい範囲Ｒｂは、２以上で６以下であると言える。
【００３７】
さらに、ここでは、尾筒２０と第一段静翼４ａとの相対位置を変えた際の燃焼器１０の下流側部分での圧力変動幅についてもシミュレートしたので、このシミュレート結果についても説明する。具体的に、図６に示すように、複数の第一段静翼４ａの周方向Ｃのピッチ寸法Ｐを基準にして、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との中間地点Ｍから周方向Ｃの一方の側で最も近い第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの周方向Ｃの寸法Ｓの割合Ｓ／Ｐ（以下、周方向割合Ｓ／Ｐとする）と圧力変動幅ΔＰとの関係についてシミュレートした。
【００３８】
なお、このシミュレートは、燃焼器１０の数Ｎｃと第一段静翼４ａの数Ｎｓとの比が２：３で、尾筒２０の傾斜面２５の傾斜率Ａ／Ｂが２．７５で行った。さらに、このシミュレートは、ピッチ寸法Ｐを基準にして、尾筒２０の下流端２０ｅから第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの軸線Ａｃ方向の寸法Ｌの割合Ｌ／Ｐ（以下、軸線方向割合Ｌ／Ｐとする）を１２％で行った。
【００３９】
図８に示すように、軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％の場合、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％では非定常圧力変動はほとんどなかった。しかしながら、周方向割合Ｓ／Ｐが５％を越えると、大きな圧力変動幅ΔＰが見られ始め、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％になると、圧力変動幅ΔＰがより大きくなった。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％の場合、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との間の下流側では、非定常圧力変動がみられないものの、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの他方の側に隣接する他の燃焼器１０ｃの尾筒２０との間の下流側では、カルマン渦列ｖが発生し、比較的大きな非定常圧力変動が生じた。これは、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの他方の側に隣接する他の燃焼器１０ｃの尾筒２０との間から、周方向Ｃで最も近い第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの周方向Ｃの寸法が大きくなっているためである、と考えられる。なお、図８中の細線は、等静圧線を示している。
【００４１】
よって、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％になると、圧力変動幅ΔＰが大きくなったと考えられる。但し、このシミュレートでは、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂは、より好ましい範囲Ｒｂ（２以上で６以下）内である２．７５であるから、傾斜面２５が形成されていない場合等よりも、圧力変動幅ΔＰより小さい。
【００４２】
圧力変動幅ΔＰは、周方向割合Ｓ／Ｐが２０％になると、図８に示すように、急激に小さくなり、周方向割合Ｓ／Ｐが２２.５％になると、非定常圧力変動はほとんど見られなくなった。図７（ｂ）に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが２２.５％の場合、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との間の下流側、及び特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの他方の側に隣接する他の燃焼器１０ｃの尾筒２０との間の下流側でも、非定常圧力変動はほとんど見られなくなった。
【００４３】
非定常圧力変動は、図７（ｃ）及び（ｄ）に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが３５％、４７．５％でも、ほとんど見られなかった。しかし、図８に示すように、周方向割合Ｓ／Ｐが５５％を越えると、再び、大きな圧力変動幅ΔＰが見られ始め、周方向割合Ｓ／Ｐが６０％になると、圧力変動幅ΔＰがより大きくなった。これは、特定の燃焼器１０ａの尾筒２０とこれに周方向Ｃの一方の側に隣接する他の燃焼器１０ｂの尾筒２０との間から、周方向Ｃで最も近い第一段静翼４ａの上流端４ｓまでの周方向Ｃの寸法が大きくなっているためである、と考えられる。すなわち、周方向割合Ｓ／Ｐが６０％のときには、周方向割合Ｓ／Ｐが１０％のときと、基本的に同様の理由で同様の現象が生じている、と考えられる。
【００４４】
この圧力変動幅ΔＰは、周方向割合Ｓ／Ｐが７０％になると、急激に小さくなり、周方向割合Ｓ／Ｐが７２．５％になると、非定常圧力変動がほとんど見らなくなった。以降、周方向割合Ｓ／Ｐが１００％になるまで、非定常圧力変動はほとんど見なれない。
【００４５】
以上のように、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％では、非定常圧力変動がほとんどみられず、尾筒２０の下流側部分の圧力変動幅ΔＰが非常に小さくなることが分かった。すなわち、周方向割合Ｓ／Ｐで好ましい範囲Ｒｃは、０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％であることが分かった。
【００４６】
さらに、ここで、軸線方向割合Ｌ／Ｐを変えて、以上と同様に、周方向割合Ｓ／Ｐと圧力変動幅ΔＰとの関係についてシミュレートした。
【００４７】
図８に示すように、軸線方向割合Ｌ／Ｐが１８％のとき、２０％のとき、２７％のときでも、周方向割合Ｓ／Ｐの変化に対する圧力変動幅ΔＰの変化は、前述の軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％のときと同様の傾向が見られた。すなわち、前述の軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％のときと同様、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％の場合、周方向割合Ｓ／Ｐが５％〜２０％、５５％〜７０％の場合と比べて、燃焼器１０の下流側部分の圧力変動幅ΔＰが相対的に小さくなることが分かった。
【００４８】
しかしながら、軸線方向割合Ｌ／Ｐが１８％及び２０％のとき、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％の場合、前述の軸線方向割合Ｌ／Ｐが１２％のときと同様、非定常圧力変動がほとんど見られず、圧力変動幅ΔＰの絶対値が小さいものの、軸線方向割合Ｌ／Ｐが２７％のときでは、周方向割合Ｓ／Ｐが０％〜５％、２０％〜５５％、７０％〜１００％の場合でも、圧力変動幅ΔＰの絶対値が大きくなることが分かった。
【００４９】
すなわち、軸線方向割合Ｌ／Ｐは２０％以下にすることで、圧力変動幅ΔＰが小さくなることが分かった。
【００５０】
また、以上のシミュレーション結果は、燃焼器１０の数Ｎｃと第一段静翼４ａの数Ｎｓとの比が２：３の場合のものであるが、Ｎｃ：Ｎｓ＝２：５、Ｎｃ：Ｎｓ＝２：７、Ｎｃ：Ｎｓ＝２：９以上の場合でも、尾筒２０と第一段静翼４ａとの相対位置と尾筒２０の下流側部分での圧力変動幅ΔＰとの関係は、以上と同様の結果が得られると考えられる。但し、燃焼器１０の数Ｎｃに対して第一段静翼４ａの数Ｎｓが多くなるほど、周方向割合Ｓ／Ｐや軸線方向割合Ｌ／Ｐがいずれの値でも、圧力変動幅ΔＰが大きくなる際の圧力変動幅ΔＰの絶対値は小さくなり、第一段静翼４ａの数Ｎｓがより多くなれば、周方向割合Ｓ／Ｐや軸線方向割合Ｌ／Ｐがいずれの値でも、非定常圧力変動がほとんど見られなくなると考えられる。
【００５１】
なお、燃焼器１０の数Ｎｃと第一段静翼４ａの数Ｎｓとの比が１：自然数のときには、各燃焼器１０の尾筒２０と、それに隣接する他の尾筒２０との間の直下に第一段静翼４ａの上流端４ｓを配置することができるため、このように第一段静翼４ａを配置することで、非定常圧力変動をほとんどなくすことができる。
【００５２】
次に、尾筒２０の傾斜面２５の各種変形例について説明する。
【００５３】
以上の実施形態の傾斜面２５は、その上流端２５ｓから下流端２０ｅまでの全体が平面であるが、この傾斜面２５は、全体が平面である必要はなく、少なくとも一部に曲面を含んでもよい。
【００５４】
この曲面は、具体的に、図９に示すように、尾筒２０の軸線Ａｃに近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面２６ａ，２６ｂ，２６ｃである。例えば、曲面２６ａは、同図（ａ）に示すように、傾斜面２５とフランジ本体部３２の下流端面２０ｅａとの境界領域に、つまり、この曲面２６ａの下流端が傾斜面２５の下流端２０ｅと一致する。また、曲面２６ｂは、この曲面２６ｂの上流端が傾斜面２５の上流端２５ｓと一致する。また、同図（ｂ）に示すように、傾斜面２５の全体が曲面２６ｃである。
【００５５】
このように、傾斜面２５の少なくとも一部に曲面を採用すると、燃焼ガスＧの流れの向きが急激に変化する箇所がなくなるため、尾筒２０の下流端面２０ｅａの下流側にカルマン渦列が形成されるのをより抑制でき、尾筒２０の下流側部分の圧力変動をより効果的に抑えることができる。このため、傾斜面２５の少なくとも一部に曲面を採用した場合、傾斜面２５の傾斜率Ａ/Ｂの好ましい範囲Ｒａは、以上で説明した１以上で８以下よりも広がる。
【００５６】
また、以上の実施形態では、周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２のそれぞれの内面２４が傾斜面２５を成しているが、いずれか一方の内面２４のみが傾斜面２５を成しても、尾筒２０の下流側部分の圧力変動を抑えることができる。この場合、図１０に示すように、周方向Ｃにおいて、第一段静翼４ａの上流端４ｓに対して第一段静翼４ａの下流端４ｅが存在する側を翼傾斜側Ｃａとした場合、周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２（図１０の場合では２２ａ及び２２ｂ）のうちの翼傾斜側Ｃａの側壁２２（図１０の場合では２２ｂ）の内面２４が傾斜面２５を成していることが好ましい。これは、傾斜面２５により導かれる燃焼ガスＧの流れの向きと、第一段静翼４ａの上流端４ｓと下流端４ｅとの繋ぐ線分である翼弦の方向、つまり第一段静翼４ａにより導かれる燃焼ガスＧの流れの向きとがほぼ同じなり、尾筒２０から第一段静翼４ａへの燃焼ガスＧの流れがスムーズになり、尾筒２０の下流側部分の圧力変動を効果的に抑えることができるからである。
【００５７】
なお、以上のように、周方向Ｃで互いに対向する一対の側壁２２のうち、いずれか一方の側壁２２（図１０の場合では２２ａ及び２２ｂ）の内面２４のみが傾斜面２５を成していても、尾筒２０と第一段静翼４ａとの相対位置と尾筒２０の下流側部分での圧力変動幅ΔＰとの関係は、以上のシミュレート結果と基本的に同様である。
【符号の説明】
【００５８】
１：圧縮機、２：タービン、３：ケーシング、４：静翼、４ａ：第１段静翼、４ｓ：（静翼の）上流端、４ｅ：（静翼の）下流端、５：タービンロータ、６：ロータ本体、７：動翼、８：ガス流路、９：ガス入口、１０：燃焼器、２０：尾筒、２０ｅ：（尾筒のｏｒ傾斜面の）下流端、２０ｅａ：（尾筒のｏｒフランジ本体部の）下流端面、２１：胴体、２２，２２ａ，２２ｂ，２３：側壁、２４：内面、２５：傾斜面、２５ｓ：（傾斜面の）上流端、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ：曲面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の該燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備え、
複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、
前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成している、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記タービンは、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の第一段静翼を有し、該第一段静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、
前記周方向で、前記第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記尾筒の前記少なくとも一方の側壁は、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁である、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁の両方の前記内面が前記傾斜面を成している、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項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において、
前記傾斜面の上流端から下流端までの前記周方向の寸法Ｂを基準として、該上流端から該下流端までの前記軸線方向の寸法Ａの割合Ａ／Ｂは、１以上で８以下である、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項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において、
前記傾斜面は、前記尾筒の軸線に近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面を少なくとも一部に含む、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項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において、
前記燃焼器の数と前記第一段静翼の数との比が２：３以上の奇数であり、
複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記燃焼器の前記尾筒と前記他の燃焼器の尾筒との中間地点から前記周方向で最も近い第一段静翼の上流端までの該周方向の寸法Ｓの割合Ｓ／Ｐは、０．０５以下、０．２から０．５５の間、及び０．７から１．０の間である、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のガスタービンにおいて、
複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記尾筒の下流端から前記第一段静翼の上流端までの前記軸線方向の寸法Ｌの割合Ｌ／Ｐが０．２以下である、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項１】
燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、複数の該燃焼器からの燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、を備え、
複数の燃焼器は、前記ロータを中心として環状に配置され、前記タービンのガス入口に燃焼ガスを送る尾筒を有するガスタービンにおいて、
前記燃焼器の前記尾筒の下流部で、前記ロータの周方向で互いに対向する一対の側壁のうち、少なくとも一方の側壁の内面は、該尾筒の軸線方向の下流側に向うに連れて、次第に隣接する他の燃焼器の尾筒に近づく向きに、該尾筒の下流端に至るまで傾斜している傾斜面を成している、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記タービンは、前記ロータを中心として環状に且つ前記ガス入口に沿って配置された複数の第一段静翼を有し、該第一段静翼は、翼弦が伸びる翼弦方向が前記周方向に対して傾斜しており、
前記周方向で、前記第一段静翼の上流端に対して該第一段静翼の下流端が存在する側を翼傾斜側とした場合、前記尾筒の前記少なくとも一方の側壁は、前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁のうちの該翼傾斜側の側壁である、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記尾筒における前記周方向で互いに対向する一対の前記側壁の両方の前記内面が前記傾斜面を成している、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項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において、
前記傾斜面の上流端から下流端までの前記周方向の寸法Ｂを基準として、該上流端から該下流端までの前記軸線方向の寸法Ａの割合Ａ／Ｂは、１以上で８以下である、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項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において、
前記傾斜面は、前記尾筒の軸線に近づき且つ下流側に向う側に滑らかに膨らんだ曲面を少なくとも一部に含む、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項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において、
前記燃焼器の数と前記第一段静翼の数との比が２：３以上の奇数であり、
複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記燃焼器の前記尾筒と前記他の燃焼器の尾筒との中間地点から前記周方向で最も近い第一段静翼の上流端までの該周方向の寸法Ｓの割合Ｓ／Ｐは、０．０５以下、０．２から０．５５の間、及び０．７から１．０の間である、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のガスタービンにおいて、
複数の前記第一段静翼のピッチ寸法Ｐを基準にして、前記尾筒の下流端から前記第一段静翼の上流端までの前記軸線方向の寸法Ｌの割合Ｌ／Ｐが０．２以下である、
ことを特徴とするガスタービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−６４５３５（Ｐ２０１３−６４５３５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３０１６（Ｐ２０１１−２０３０１６）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]