本發(fā)明涉及燃氣輪機的排氣機架。

背景技術：

近年來，為了提高燃氣輪機的效率，要求使燃燒溫度上升。當燃氣輪機的燃燒溫度上升，則隨此，渦輪排氣的溫度也上升，因此，渦輪排氣流入的排氣機架的溫度也會上升。因此，需要有效地冷卻排氣機架，確保排氣機架的保全性。

作為冷卻排氣機架的方法，具有將通過冷卻供給孔供給至排氣機架內的冷卻空氣通過形成于支撐件和支撐件罩之間的支撐件間空間引導至渦輪的最終級輪空間的方法(參照專利文獻1等)。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻1：日本特開2005-83199號公報

支撐件間空間以在燃燒氣體的流動的方向比冷卻供給孔、最終級輪空間靠下游側的位置覆蓋跨越燃燒氣體的流道延伸的支撐件的方式形成為筒狀。因此，與經(jīng)由距離支撐件間空間的冷卻供給孔最近的部分(以下稱為跟前側空間)的情況的流道長相比，經(jīng)由距離冷卻供給孔最遠的部分(以下稱為里側空間)的情況的流道長這種情況長。一般地，流經(jīng)流道的冷卻空氣的壓力損失為流道長越短則越小，在冷卻空氣的供給壓力恒定的情況下，壓力損失越小，冷卻空氣的流量越增加。因此，在專利文獻1中，經(jīng)由跟前側空間的冷卻空氣的流量增加，經(jīng)由里側空間的冷卻空氣的流量減少。

若經(jīng)由里側空間的冷卻空氣的流量減少，則冷卻空氣容易在里側空間的入口附近的流道內沉淀。在該情況下，在里側空間的入口附近，存在排氣機架的冷卻效率下降的可能性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是鑒于上述情況而進行的，其目的在于抑制排氣機架的冷卻效率下降。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在與渦輪的燃燒氣體的出口連接的排氣機架中，具備內周外殼、覆蓋上述內周外殼的外周側且在與上述內周外殼之間形成與上述渦輪的最終級輪空間連接的環(huán)狀的內周冷卻流道的內周擴散器、覆蓋上述內周擴散器的外周且在與上述內周擴散器之間形成上述燃燒氣體的排氣流道的外周擴散器、覆蓋上述外周擴散器的外周側且在與上述外周擴散器之間形成環(huán)狀的外周冷卻流道的外周外殼、跨越上述排氣流道且連結上述內周外殼以及上述外周外殼的支撐件、連結上述內周擴散器以及上述外周擴散器且覆蓋上述支撐件并在與上述支撐件之間形成連接上述內周冷卻流道以及上述外周冷卻流道的環(huán)狀的連接流道的支撐件罩、在上述燃燒氣體的流動方向且在比上述支撐件的中心線靠下游側的位置設于上述外周冷卻流道的壁面的連通孔。

本發(fā)明的效果如下。

根據(jù)本發(fā)明，能抑制排氣機架的冷卻效率下降。

附圖說明

圖1是表示具備本發(fā)明的第一實施方式的排氣機架的燃氣輪機的一結構例的圖。

圖2是本發(fā)明的第一實施方式的排氣機架的概略結構圖。

圖3是圖2的iii-iii線的向視剖視圖。

圖4是圖2的iv-iv線的向視剖視圖。

圖5是比較例的排氣機架的概略結構圖。

圖6是圖5的vi-vi線的向視剖視圖。

圖7是本發(fā)明的第二實施方式的排氣機架的概略結構圖。

圖8是本發(fā)明的第三實施方式的排氣機架的概略結構圖。

圖中：3—渦輪，4—排氣機架，7—燃燒氣體，9a—內周外殼，9b—外周外殼，10a—內周擴散器，10b—外周擴散器，11—支撐件，12—支撐件罩，16—內周冷卻流道，18—排氣流道，19—外周冷卻流道，21—最終級輪空間，22—連接流道，24、28、29—連通孔。

具體實施方式

<第一實施方式>

(結構)

1.燃氣輪機

圖1是表示具備本實施方式的排氣機架的燃氣輪機的一結構例的圖。本實施方式的排氣機架例如應用于設置在地上且主要用于發(fā)電的重結構型燃氣輪機。

如圖1所示，燃氣輪機100具備壓縮機1、燃燒器2、渦輪3以及排氣機架4。在本實施方式中，壓縮機1和渦輪3通過軸(未圖示)相互連結。壓縮機1由渦輪3旋轉驅動，壓縮通過吸氣部5吸入的空氣6而生成高壓空氣(燃燒空氣)，并供給至燃燒器2。燃燒器2使從壓縮機1供給的高壓空氣和從燃料系統(tǒng)(未圖示)供給的燃料混合并燃燒，生成高溫的燃燒氣體7并供給至渦輪3。渦輪3通過從燃燒器2供給的燃燒氣體7膨脹而被旋轉驅動。在渦輪3或壓縮機1上連結負荷設備(未圖示)。在本實施方式中，作為負荷設備在渦輪3上連結發(fā)電機，從渦輪3的旋轉動力減去用于驅動壓縮機1的動力后的動力在發(fā)電機中轉換為電力。驅動了渦輪3的燃燒氣體7作為渦輪排氣流入排氣機架4，通過排氣機架4以及排氣管道(未圖示)釋放至大氣中。

2.排氣機架

排氣機架4設于渦輪3的燃燒氣體7的流動方向的下游側，連接渦輪3的燃燒氣體7的出口和排氣管道。下面，將燃燒氣體7的流動方向的上游、下游簡稱為“上游”、“下游”。

圖2是本實施方式的排氣機架的概略結構圖，圖3是圖2的iii-iii線的向視剖視圖。如圖2所示，本實施方式的排氣機架4具備外殼9、上游側擴散器10、支撐件11、支撐件罩12、下游側擴散器13以及連通孔24。

外殼9構成排氣機架4的周壁的一部分。外殼9具備內周外殼9a以及外周外殼9b，在內部形成環(huán)狀的空間。上游側擴散器10收納在外殼9內。上游側擴散器10具備內周擴散器10a以及外周擴散器10b。

內周外殼9a是構成外殼9的內周壁的錐面狀的部件。

內周擴散器10a是以覆蓋內周外殼9a的外周側的方式形成的錐面狀的部件，構成上游側擴散器10的內周壁。在內周外殼9a以及內周擴散器10a的上游側設置具備渦輪3的最終級動葉片27的最終級輪25。內周外殼9a以及內周擴散器10a以在其上游側的端部與最終級輪25之間確?？臻g(最終級輪空間)21的方式從最終級輪25向下游側離開。形成于內周擴散器10a與內周外殼9a之間的環(huán)狀的空間構成供給至排氣機架4內的冷卻空氣流動的流道(內周冷卻流道)16。內周冷卻流道16與最終級輪空間21連接。

外周擴散器10b是以覆蓋內周擴散器10a的外周側的方式形成的錐面狀的部件，構成上游側擴散器10的外周壁。形成于內周擴散器10a與外周擴散器10b之間的環(huán)狀空間構成供來自渦輪3的燃燒氣體7流動的流道(排氣流道)18。

外周外殼9b是以覆蓋外周擴散器10b的外周側的方式形成的錐面狀的部件，構成外殼9的外周壁。形成于外周擴散器10b與外周外殼9b之間的環(huán)狀空間構成供給至排氣機架4內的冷卻空氣流動的流道(外周冷卻流道)19。外周冷卻流道19具備冷卻介質供給孔15。冷卻介質供給孔15是設于比外周冷卻流道19的連接流道22(后述)靠上游側的位置的冷卻空氣的導入孔。在本實施方式中，抽出由壓縮機(參照圖1)生成的高壓空氣的一部分，作為冷卻空氣23通過冷卻介質供給孔15供給至排氣機架4。

支撐件11以在內周擴散器10a以及外周擴散器10b中的下游側的位置跨越排氣流道18的方式設置，連結內周外殼9a以及外周外殼9b。之前說明的外周外殼9b被支撐于渦輪架臺(未圖示)，該支撐件11起到相對于外周外殼9b支撐內周外殼9a的作用。支撐件11沿內周外殼9a的圓周方向等間隔設置多個(在本實施方式中為六個)。如圖3所示，在本實施方式中，支撐件11從內周外殼9a向外殼9的徑向(從內周外殼9a向外周外殼9b的方向)放射狀地延伸。但是，支撐件11可以從內周外殼9a相對于外殼9的徑向沿圓周方向傾斜地設置。

如圖2所示，支撐件罩12以連結內周擴散器10a以及外周擴散器10b，并且在沿渦輪3的旋轉方向(圓周方向)延伸的剖面觀察覆蓋支撐件11的外周側的方式設置。形成于支撐件11與支撐件罩12之間的環(huán)狀的空間構成連接內周冷卻流道16以及外周冷卻流道19的流道(連接流道)22。

下游側擴散器13通過凸緣20相對于上游側擴散器10在下游側連結。外周冷卻流道19的下游側的端部由互相連結的外周擴散器10b以及下游側擴散器13的凸緣20封閉。下游側擴散器13具備內周擴散器13a以及外周擴散器13b。內周擴散器13a以及外周擴散器13b是使形成為喇叭形且形成于互相之間的環(huán)狀的空間在下游側向徑向外側轉向的部件，分別構成下游側擴散器13的內周壁以及外周壁。在下游側擴散器13內設置至少一個(在本實施方式中為兩個)渦輪葉片26。渦輪葉片26以使腹側面(正壓面、即以凹狀凹的面)朝向外周擴散器13b側，使背側面(負壓面、即以凸狀突出的面)朝向內周擴散器13a側的方式設置。

連通孔24在比在燃燒氣體7的流動方向沿支撐件11的渦輪徑向延伸的中心線x靠下游側的位置設在外周冷卻流道19的壁面。在本實施方式中，連通孔24設于比支撐件11的后緣11b靠下游側、具體為連結外周擴散器10b以及下游側擴散器13的凸緣20，通過該連通孔24使外周冷卻流道19與下游側擴散器13的外部的空間、即動作流體、冷卻空氣、密封空氣等燃氣輪機中的流體的系統(tǒng)的外部連接。另外，關于連通孔24的位置，配置于比支撐件11的中心線x靠后游側是重要的，但通過配置于比支撐件11的后緣11b靠下游側，能進一步減少冷卻流道內的沉淀區(qū)域(詳細后述)。另外，如圖3所示，在本實施方式中，連通孔24在圓周方向上設置多個。連通孔24的圓周方向間距設定為比橫穿外周冷卻流道19的支撐件11的圓周方向間距短，在鄰接的支撐件11之間的位置配置至少一個連通孔24。在本實施方式中，從渦輪軸向觀察，在與各支撐件11對應的位置和鄰接的支撐件11的中間位置分別設置連通孔24。在本實施方式中，在鄰接的支撐件11之間設置一個連通孔24，但可以設置多個連通孔24。在該情況下，連通孔24的圓周方向間距可以恒定，但例如也可以以在支撐件11間的中央附近密、在支撐件11附近疏的方式配置連通孔24等、在連通孔24的分布上存在偏差。在本實施方式中，各連通孔24的開口面積相等，但各連通孔24的開口面積可以設定為在圓周方向上不同。連通孔24的合計開口面積以供給至排氣機架4的冷卻空氣23的大部分由凸緣20遮蔽，從連通孔24流出的冷卻空氣23的流量被抑制為能夠忽略對燃氣輪機效率帶來的影響的程度(例如冷卻空氣23的3％左右)的方式設定。連通孔24例如為螺紋孔等能由柱塞等封閉。

(動作)

對供給至本實施方式的排氣機架4的冷卻空氣23的流動進行說明。

由燃燒器2生成的燃燒氣體7在比大氣壓高壓(例如2mpa左右)的狀態(tài)下流入渦輪3，一邊在渦輪3的各級進行工作一邊降低壓力以及溫度，通過最終級動葉片27流入排氣流道18(參照圖2)。流入排氣流道18時的燃燒氣體7下降至比大氣壓低的壓力(例如0.09mpa左右)。流入排氣流道18的燃燒氣體7在沿排氣流道18向下游側(出口側)流的過程中減速并恢復至大氣壓左右。

冷卻空氣23是抽出由壓縮機1生成的高壓空氣的一部分的空氣，在高壓(例如0.11mpa左右)的狀態(tài)下從冷卻介質供給孔15供給至外周冷卻流道19。流入排氣流道18的燃燒氣體7比大氣壓低壓，因此，供給至外周冷卻流道19的冷卻空氣23通過與排氣流道18的內部壓力的壓力差，流經(jīng)外周冷卻流道19、連接流道22以及內周冷卻流道16并通過最終級輪空間21與在排氣流道18流動的燃燒氣體7合流。這樣，通過沿著外殼9、上游側擴散器10、支撐件11以及支撐件罩12，冷卻空氣23折回地流動，從而有效地冷卻外殼9、上游側擴散器10、支撐件11以及支撐件罩12。另外，在本實施方式中，說明了將壓縮機1的抽氣用作冷卻空氣23的例子，但并未限定于此，例如也能使用鼓風機等其他供給源。

(效果)

(1)圖5是比較例的排氣機架的概略結構圖，圖6是圖5的vi-vi線的向視剖視圖。在比較例的排氣機架中，供給至外周冷卻流道f1的冷卻空氣a從外周冷卻流道f1流入連接流道f2，通過連接流道f2流入內周冷卻流道f3，通過內周冷卻流道f3流入排氣流道e。在此，與經(jīng)由外周擴散器d的連接流道f2的支撐件s的經(jīng)由前緣11a的內繞的流道(即經(jīng)由圖5的a、b、e、f點的流道)的流道長相比，經(jīng)由連接流道f2的支撐件s的后緣11b側的外繞的流道(即經(jīng)由圖5的a、b、c、d、e、f點的流道)的流道長變長。因此，相對于流經(jīng)內繞的流道的冷卻空氣a的流量，流經(jīng)外繞的流道的冷卻空氣a的流量變少。即，外繞地流入連接流道f2的支撐件s的后緣11b側的冷卻空氣a的流速減少，如圖6所示，在連接流道f2的鄰接的支撐件s間的后緣11b側的入口附近產(chǎn)生冷卻空氣a的沉淀區(qū)域p，這成為排氣機架的冷卻效率下降的主要原因。

圖4是圖2的iv-iv線的向視剖視圖。如圖4所示，在本實施方式中，在連結外周擴散器10b以及下游側擴散器13的凸緣20設置將外周冷卻流道19與下游側擴散器13的外部空間連接的連通孔24。外周冷卻流道19的內部壓力相對于下游側擴散器13的外部空間變高，因此，到達外周冷卻流道19的下游側的端部的冷卻空氣23大部分被凸緣20遮擋而向連接流道22流出，但一部分被連通孔24吸引。由此，促進外周冷卻流道19的支撐件11的后緣11b附近的冷卻空氣23的流動，能夠增加外繞地流入支撐件11的后緣11b側的連接流道22的冷卻空氣23的流量、流速。即，能增加作為比較例的在圖6所示的沉淀區(qū)域p流通的冷卻空氣23的流量，能抑制該區(qū)域的冷卻效率的下降。尤其外周冷卻流道19中的沉淀區(qū)域容易形成于前述的外繞的流道、即比支撐件11的中心線x靠下游側，因此，通過將連通孔24配置于比支撐件11的中心線x靠下游側，能成為與該課題對應的解決策略。另外，通過使連通孔24的位置為比支撐件11的后緣11b靠下游側，冷卻空氣23的流量增加且流通的區(qū)域變寬，能進一步減小沉淀區(qū)域。除此之外，在本實施方式中，由于在鄰接的支撐件11之間的位置設置連通孔24，因此，能有效地消除容易在連接流道22的鄰接的支撐件11之間的后緣11b側的入口附近產(chǎn)生的冷卻空氣23的沉淀。

(2)在如比較例的排氣機架那樣未設置連通孔的情況下，通過在凸緣g上設置連通孔，能成為本實施方式的排氣機架4。這樣，本實施方式的排氣機架4能通過相對于已有的排氣機架實施簡單的作業(yè)容易地得到。

(3)在本實施方式中，通過設置使外周冷卻流道19與下游側擴散器13的外部的空間連接的連通孔24，能提高排氣機架4的冷卻性能，因此，即使不使用高耐熱材料也能確保排氣機架4的保全性。因此，與使用高價的高耐熱性的材料制造排氣機架的情況相比，能抑制制造成本的增加。

(4)作為抑制排氣機架的溫度上升的方法，考慮增加冷卻空氣的流量的方法或增加支撐件的數(shù)量的方法。但是，在前者的方法中，在使從壓縮機抽出的高壓空氣為冷卻空氣的供給源的情況下，主流氣體的流量減少，因此，燃氣輪機的輸出減少，效率下降。即使在使鼓風機等其他要素為冷卻空氣的供給源的情況下，也需要增加鼓風機的容量，因此成本增加。另外，即使增加冷卻空氣的流量，在連接流道的下游側的入口附近，冷卻空氣容易沉淀的情況也不會變化，因此，難以僅通過增加冷卻空氣抑制排氣機架的溫度上升。在后者的方法中，通過增加支撐件的數(shù)量且增加連接流道的流道面積，冷卻空氣難以沉淀，能抑制排氣機架的溫度上升，但由于與流經(jīng)擴散器的燃燒氣體的流動干涉的支撐件的數(shù)量增加，存在擴散器的性能下降的可能性。

相對于此，在本實施方式中，通過不增加冷卻空氣的流量或增加支撐件的數(shù)量地在凸緣20上設置不對燃氣輪機效率產(chǎn)生影響的程度的大小的連通孔24，抑制排氣機架4的冷卻效率的下降，因此，能避免燃氣輪機效率下降，能抑制成本增加。除此之外，也能避免擴散器的性能下降。

(5)在本實施方式中，由于能封閉地形成連通孔24，因此，例如當在外周冷卻流道19內不產(chǎn)生冷卻空氣23的沉淀的環(huán)境時，通過封閉連通孔24，能抑制冷氣空氣23向下游側擴散器13的外部的空間釋放。

<第二實施方式>

(結構)

圖7是本實施方式的排氣機架的概略結構圖。在圖7中，對與上述第一實施方式相同的部分標注相同的符號，適當省略說明。

本實施方式的排氣機架104的連通孔的位置與第一實施方式的排氣機架4不同。其他結構與第一實施方式的排氣機架4相同。

在本實施方式中，連通孔28在比在燃燒氣體7的流動方向沿支撐件11的渦輪徑向延伸的中心線x靠下游側(在圖示的例子中，比支撐件11的后緣靠下游側)的位置設在外周擴散器18b，通過該連通孔28使外周冷卻流道19與排氣流道18連接。

流經(jīng)外周冷卻流道19的冷卻空氣23是比大氣壓高的壓力，流經(jīng)排氣流道18的燃燒氣體7是比大氣壓低的壓力，因此，外周冷卻流道19的內部壓力相對于排氣流道18的內部壓力變高。因此，到達外周冷卻流道19的下游側的端部的冷卻空氣23大部分流入連接流道22，但一部分被連通孔28吸引而與流經(jīng)排氣流道18的燃燒氣體7合流。由此，促進外周冷卻流道19的支撐件11的后緣附近的冷卻空氣23的流動，外繞地流入連接流道22的冷卻空氣23的流量、流速增加。

(效果)

在本實施方式中，除了與第一實施方式相同的效果之外，還得到以下的效果。

在本實施方式中，由于將連通孔28設在外周擴散器10b，因此，能使流經(jīng)外周冷卻流道19并冷卻了外周擴散器10b的冷卻空氣23不是與下游側擴散器13的外部空間而是與排氣流道18合流。因此，能抑制從燃氣輪機100向外部空間釋放的熱量(散熱量)。

另外，在本實施方式中，由于在厚度比凸緣20小的外周擴散器10b設置連通孔28，因此，與第一實施方式相比，能容易地設置連通孔。

<第三實施方式>

(結構)

圖8是本實施方式的排氣機架的概略結構圖。在圖8中，對與上述第一實施方式相等的部分標注相同的符號，適當省略說明。

本實施方式的排氣機架204的連通孔的位置與第一實施方式的排氣機架4不同。其他結構與第一實施方式的排氣機架4相同。

在本實施方式中，連通孔29在比在燃燒氣體7的流動方向沿支撐件11的渦輪徑向延伸的中心線x靠下游側的位置，設在外周外殼9b，通過外周外殼9b使外周冷卻流道19與外周外殼9b的外部空間連接。

流經(jīng)外周冷卻流道19的冷卻空氣23是比大氣壓高的壓力，外周外殼9b的外部空間是大氣壓，因此，外周冷卻流道19的內部壓力相對于外周外殼9b的外部的空間變高。因此，到達外周冷卻流道19的下游側的端部的冷卻空氣23大部分流入連接流道22，但一部分被連通孔29吸引。由此，促進外周冷卻流道19的支撐件11的后緣附近的冷卻空氣23的流動，外繞地流入連接流道22的冷卻空氣23的流量、流速增加。

(效果)

如本實施方式，即使在將連通孔29設在外周外殼9b的情況下，也能得到與第一實施方式相同的效果。

<其他>

本發(fā)明并未限定于上述各實施方式，包括多種變形例。例如，上述本實施方式為了使本發(fā)明容易明白而詳細地說明，未限定于具備說明的全部的結構。例如，能將某實施方式的結構的一部分置換為其他實施方式的結構，也能刪除各實施方式的結構的一部分。

在上述各實施方式中，示例了在圓周方向設置了多個連通孔24。但是，本發(fā)明的本質的效果是抑制排氣機架的冷卻效率下降，只要能得到該本質的效果，未必限定于上述結構。例如也能為在圓周方向設置一個連通孔24的結構。