JP2001289058A

JP2001289058A - 蒸気注入型ガスタービン装置

Info

Publication number: JP2001289058A
Application number: JP2000103971A
Authority: JP
Inventors: Masamoto Tazaki; 雅元田▲崎▼; Takao Sugimoto; 隆雄杉本; Koji Sanbonsugi; 幸治三本杉
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-19
Anticipated expiration: 2020-04-05
Also published as: US6502403B1; JP3526433B2

Abstract

(57)【要約】【課題】排熱ボイラを備えた蒸気注入型ガスタービン装
置において、余剰の蒸気を有効利用してタービンの静翼
を冷却する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮された空
気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３か
らの燃焼ガスのエネルギにより駆動されるタービン４
と、タービン４から排出する排ガスＧを熱源とする排熱
ボイラ１０と、排熱ボイラ１０からの蒸気を燃焼器２、
タービン４の静翼６８Ｂおよびその他の外部蒸気負荷２
２に供給する蒸気供給系統２３と、外部蒸気負荷２２に
蒸気を優先的に供給するとともに、燃焼器３への蒸気供
給量を調整して残りの蒸気を静翼６８Ｂに供給する供給
調整手段３２とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気注入型ガスタ
ービンと排熱ボイラを備え、排熱ボイラからの蒸気を燃
焼器に注入して出力の増大と熱効率の向上を図るととも
に、蒸気をタービン静翼に供給してこれを冷却する蒸気
注入型ガスタービン装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、省エネルギーを促進するため
に、ガスタービンにより発電を行うとともに、ガスター
ビンの排熱回収により、冷暖房や給湯の熱需要をまかな
うコージエネレーションシステムが導入されている（た
とえば、特開平６−１０８８７７号公報参照）。このコ
ージェネレーションシステムはガス燃料などの単一のエ
ネルギー源から電気と熱の有効な二次エネルギーを得ら
れるものであるが、タービン出力を向上させるためにタ
ービン入口温度を上げるとタービンからの排ガスの温度
も上昇するので、排ガスの熱エネルギーと発電電力との
熱電比が高くなる。そのために、ガスタービンからの排
ガスを排熱ボイラなどに導いて熱回収すると、プロセス
蒸気として種々の蒸気使用機器に使用するのに必要な量
以上の蒸気が発生することがある。そこで、排熱回収に
よる発生蒸気のうちの熱需要に使用して残った余剰分を
ガスタービンの燃焼器に注入することにより、注入した
蒸気による燃焼器の燃焼温度の低下に応じて燃料供給量
を増大させ、ガスタービン出力の増大と熱効率の向上を
図っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なガスタービンでは、燃焼器から高圧および高速度で噴
出される燃焼ガスの熱や圧力のエネルギをタービンが運
動エネルギに変換して回転動力を発生させるようになっ
ているから、上記タービンにおけるケーシングに固定さ
れた静翼（タービンノズル）は、高温の燃焼ガスに直接
さらされるため、冷却する必要がある。しかし、従来で
は、タービンの静翼の冷却を、圧縮機から取り出した圧
縮空気を供給して行っているので、燃焼器に供給される
圧縮空気の減少に伴ってガスタービンとしての出力が低
下するととともに、熱効率の損失が大きくなる。

【０００４】一方、燃焼器は、所定量以上の蒸気が注入
されると、不完全燃焼する。そこで、従来では排熱ボイ
ラに導く必要のない余剰の排ガスまたは熱需要に使用し
て残った余剰の蒸気を大気中に放出していた。そのた
め、コージェネレーションシステムはガスタービンの排
ガスの熱を有効利用することを目的としているにもかか
わらず、排ガスまたはそれにより生成した蒸気を無駄に
棄てており、システム全体としての熱効率を低下させる
結果を招いていた。

【０００５】また、従来では、上述した圧縮空気をター
ビンの静翼の冷却に使用することによるガスタービンの
出力低下を回避するために、蒸気を用いてタービンノズ
ルを冷却するガスタービンも提案されている（特開平3-
96628 号公報参照) 。ところが、このガスタービンで
は、タービンの静翼の冷却に使用したあとの蒸気を燃焼
器に供給しているので、冷却用蒸気量が増大すると、燃
焼器で不完全燃焼が生じるおそれがあるので、冷却後の
蒸気の一部を外部に棄てざるを得なくなり、やはりシス
テム全体としての熱効率を低下させる。

【０００６】そこで本発明は、余剰の蒸気を有効利用す
るとともに、ガスタービンの出力低下や熱効率の損失の
増大を招くことなしにタービンの静翼を冷却することを
目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決しようとするための手段】上記目的を達成
するために、本発明に係る蒸気注入型ガスタービン装置
は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を
供給して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガ
スのエネルギにより駆動されるタービンと、前記タービ
ンから排出する排ガスを熱源とする排熱ボイラと、前記
排熱ボイラからの蒸気を前記燃焼器、タービンの静翼お
よびその他の外部蒸気負荷に供給する蒸気供給系統と、
前記外部蒸気負荷に蒸気を優先的に供給させるととも
に、前記燃焼器への蒸気供給量を調整して残りの蒸気を
前記静翼に供給したのち燃焼器よりも下流のガス主流に
導入させる供給調整手段とを備えている。ここで、ガス
主流とは、燃焼器から流出する燃焼ガスであって、ター
ビンを駆動するエネルギ源となる流れをいう。

【０００８】前記ガスタービン装置によれば、タービン
から排出する排ガスの全てを排熱ボイラに導いて発生さ
せた蒸気のうち、外部蒸気負荷に対し必要量を優先的に
供給し、燃焼器に対しては不完全燃焼が発生しない量に
調整して供給し、残りの蒸気をタービンの静翼に供給し
て静翼を冷却する。したがって、発生させた蒸気の全て
を有効利用できるとともに、タービンの静翼の冷却のた
めに常に圧縮空気を用いる必要がなくなってガスタービ
ンの出力および熱効率が高く維持される。しかも、ター
ビンの静翼の冷却に使用したあとの蒸気は燃焼器に注入
しないので、過剰な蒸気が燃焼器に入って不完全燃焼を
起こすおそれがない。

【０００９】同上のガスタービン装置において、前記静
翼は、供給された蒸気が静翼内部を経て静翼後縁からタ
ービン内のガス主流内へ流出する冷却通路を有している
ことが好ましい。これにより、タービンに供給した蒸気
は、静翼内部の冷却通路を通過して静翼を効率的に冷却
したのちに、静翼後縁からガス主流内へ流出する。すな
わち、タービンに供給した蒸気は静翼のスロート部を通
らないので、このスロート部のガスの通過流量は、前記
蒸気の流出によっても殆ど変化しない。そのため、ガス
タービンの運転中において、タービンの静翼に供給する
蒸気量が変動しても、圧縮機とタービンとのミスマッチ
ングによる効率低下が生じない。

【００１０】同上のガスタービン装置において、蒸気が
供給される静翼は、タービンの２段または１段ノズルで
あるのが好ましい。１段ノズルに蒸気を供給する場合に
は、蒸気の熱エネルギを極めて高い効率で回収すること
ができる。この１段ノズル冷却後の蒸気をガス主流に入
れると、この蒸気は２段ノズルのスロート部を通過する
が、タービンの通過流量は１段ノズルのスロート部の断
面積で決まるので、悪影響は少ない。一方、２段ノズル
に蒸気を供給した場合には、１段ノズルに供給する場合
と比較して熱エネルギの回収率は若干低下するが、ター
ビンの熱負荷が過大になるおそれがなくなる。

【００１１】本発明の好ましい実施形態では、さらに、
前記圧縮機から高圧空気を抽出して前記タービンの静翼
に導く空気供給手段と、前記静翼への前記蒸気の供給量
が減少したときに前記高圧空気を前記静翼に供給する選
択供給手段とを備えている。この構成によれば、タービ
ンの静翼への冷却用蒸気量が減少した場合には、高圧空
気を静翼に供給して補えるので、タービンの静翼を常に
効果的に冷却することができる。

【００１２】本発明の好ましい実施形態では、さらに、
蒸気を、前記タービンの静翼および動翼の外周を覆うタ
ービンケーシングとその外側のメインハウジングとの間
の空間を通って前記静翼に供給する内部蒸気通路が形成
され、前記空間内の蒸気によって前記タービンケーシン
グが冷却される。この構成によれば、タービンケーシン
グが冷却ざれる結果、タービン動翼の先端とタービンケ
ーシング間のいわゆる先端隙間を小さくできるので、燃
焼ガスの漏洩損失が減少し、タービンの断熱効率が向上
して、ガスタービンの熱効率が向上する。

【００１３】同上のガスタービン装置の前記蒸気供給系
統は、燃焼器に設けたＮＯｘ低減用蒸気噴射孔と、出力
増大用蒸気噴射孔とを備えた構成とすることができる。
これにより、ＮＯｘ低減用蒸気噴射孔から噴射される蒸
気によって燃焼器の燃焼温度が低下してＮＯｘを低減さ
せることができるとともに、出力増大用蒸気噴射孔から
噴出される蒸気による燃焼温度の低下に応じて燃料供給
量を増大させることができ、ＮＯｘの低減ととともに、
ガスタービン出力の増大および熱効率の向上を図ること
ができる。

【００１４】同上のガスタービン装置では、さらに、前
記圧縮機の静翼の取付角度を調整して圧縮機の流入空気
量を調節する空気量調節機構と、前記燃焼器に供給され
る蒸気量の増大に応じて前記空気量調節機構を制御して
前記流入空気量を減少させる制御手段とを備えた構成と
することができる。

【００１５】この構成によれば、制御手段は、燃焼器へ
の注入蒸気量を常時監視して、その注入蒸気量に応じて
空気量調節機構を制御する。空気量調節機構は、軸流圧
縮機に取付角度を可変できるように取り付けられた静翼
の取付角度を調整して、圧縮機の流入空気量を注入蒸気
量の増大に応じて減少させる。これにより、タービンに
流入する燃焼ガス量を注入蒸気量の増減にかかわらずほ
ぼ一定にできる。それにより、車室内の圧力が過度に上
昇するのが防止されるので、ガスタービンの耐久性の低
下を防止できるとともに、サージングに入ることなく安
定した運転が保証され、さらに、圧縮機およびタービン
の断熱効率の低下を防止してガスタービンの熱効率を高
く維持することができる。ここで、注入蒸気量がゼロの
状態を定格点として設計することにより、注入蒸気量が
ゼロのときに、通常のガスタービンと同様の効率で運転
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一
実施形態に係る蒸気注入型ガスタービン装置を示す概略
構成図である。同図において、ガスタービン１は、圧縮
機２で空気を圧縮して燃焼器３に導くとともに、都市ガ
スのようなガス燃料を、燃焼器３内に噴射して燃焼さ
せ、その高温高圧の燃焼ガスのエネルギによりタービン
４を駆動させる構成になっている。このタービン４は圧
縮機２を駆動するとともに、減速機７およびカップリン
グ８を介して発電機９を駆動する。発電機９からの発電
電力は種々の電力負荷に供給される。

【００１７】タービン４の排ガスＧは、その全てが排熱
ボイラ１０に導かれ、排ガス流路１１、煙突１２および
サイレンサー１３を通って大気中に放出される。一方、
給水タンク１４から給水ポンプ１７により送られた水
は、煙突１２内のエコノマイザー１８で排ガスＧにより
予熱されたのちに、排熱ボイラ１０で排ガスＧと熱交換
される。すなわち、排熱ボイラ１０は、排ガス流路１１
に導入された排ガスＧから熱回収して飽和蒸気を生成す
る。その飽和蒸気は、過熱器（スーパーヒーター）１９
に送られてさらに加熱される。この蒸気は、蒸気供給系
統２３に配設された開閉弁ＳＶ１を経て、蒸気供給系統
２３の一部を構成するプロセス蒸気供給路２０に入り、
圧力制御弁２１により一定圧力に調整されたのち、プロ
セス蒸気として、冷暖房機器や給湯機器などの種々の蒸
気使用機器である外部蒸気負荷２２に供給される。

【００１８】この蒸気注入型ガスタービン装置はコージ
ェネレーションシステムを構成しており、比較的高温と
なる排ガスＧの熱エネルギと発電電力との熱電比がかな
り高いために、ガスタービン１からの排ガスＧの全てを
排熱ボイラ１０に導いて熱回収し、さらに過熱器１９で
加熱して、多量の加熱蒸気または飽和蒸気が生成され
る。蒸気供給系統２３には、過熱器１９の出口圧力を検
出する圧力計ＰＳ１が設けられるとともに、蒸気供給系
統２３の一部を構成する蒸気導入路２４の上流部に開閉
弁ＳＶ２が設けられており、コントローラ（供給調整手
段）３２が、圧力計ＰＳ１の圧力が一定値以上に上昇し
たとき、外部蒸気負荷２２で消費される蒸気が少ないた
めに蒸気が余っているとみなして、開閉弁ＳＶ２開放す
る。これにより、多量の蒸気は、プロセス蒸気として外
部蒸気負荷２２に必要量だけ優先的に供給され、残った
蒸気が、蒸気導入路２４に導かれる。

【００１９】コントローラ３２はまた、蒸気導入路２４
に導かれる蒸気量を検出する流量計ＦＳ１の検出データ
と、燃料ポンプ３０の駆動によって燃焼器３に供給され
る燃料の流量を検出する燃料計ＦＳ２の検出データとを
常時監視しながら、それらの検出データに基づいて、燃
焼器３に供給可能な量の蒸気、すなわち燃焼器３への蒸
気供給量が燃焼器３で不完全燃焼が生じない上限値以下
の量の蒸気を分配弁２７に導くよう、流量調節弁３６の
開度を制御する。したがって、蒸気導入路２４に導かれ
た蒸気のうち、分配弁２７に送られなかった残りの蒸気
は、全て冷却用蒸気供給路２５に送られる。

【００２０】コントローラ３２は、さらに、分配弁２７
を制御して、導かれた蒸気を、燃焼器３に設けられてい
る後述のＮＯ_X低減用蒸気噴射孔および出力増大用蒸気
噴射孔にそれぞれ接続されたＮＯ_X低減用蒸気流路２８
および出力増大用蒸気流路２９に対し後述する分配比で
送給させる。なお、図示していないが、ＮＯ_X低減用蒸
気流路２８および出力増大用蒸気流路２９には、蒸気圧
を所定値に調整するための調圧弁が配設されており、こ
の調圧弁は、分配弁２７から送給された蒸気を、後述の
車室の圧力よりも若干高い蒸気圧まで減圧したのちに燃
焼器３に注入する。

【００２１】前記蒸気導入路２４に流入した蒸気は上述
のように分配弁２７で調整された上限値以下の必要量だ
け燃焼器３に送給され、残った蒸気の全ては冷却用蒸気
供給路２５に入り、選択供給弁部３３を経て、冷却媒体
通路２６を通り、タービン４における後述の静翼に対
し、これの冷却用として供給される。選択供給弁部３３
には、圧縮機２から抽出した高圧空気の空気供給路３４
が連結されており、静翼への蒸気の供給量が減少したと
きに、空気供給路３４からの高圧空気を、冷却媒体通路
２６を通って静翼に対し供給するよう制御する。

【００２２】図２は、ガスタービン１の一部破断した概
略側面図を示す。同図には、圧縮機２として軸流圧縮機
を備えた蒸気注入型ガスタービン１を例示してあるが、
本発明は、遠心型圧縮機を有する蒸気注入型ガスタービ
ンにも適用できる。この軸流圧縮機２は、回転軸３７の
外周面に支持された多数の動翼３８と、ガスタービン１
全体の外周カバーであるメインハウジング３９の内周面
に支持された多数の静翼４０との組合せからなる圧縮段
が、軸方向に複数段配置されており、吸気筒４１から吸
入した空気を圧縮して、その圧縮空気を環状に形成され
た車室４２に送給する。この車室４２内には、図１の排
熱ボイラ１０より供給される蒸気が環状の蒸気マニホー
ルド４３を介して蒸気ノズル４４の先端の出力増大用蒸
気噴射孔４４ａから噴射され、圧縮空気と混合されたの
ちに燃焼器３に供給される。

【００２３】燃焼器３は、環状の車室４２に、その周方
向に沿って複数個（たとえば６個）が配設されており、
車室４２内で蒸気と混合された圧縮空気が、矢印ａで示
すように、燃焼室４８内に導かれる。一方、燃焼器３に
は、燃料ノズル４９から燃料が燃焼室４８内に噴射さ
れ、この燃料が圧縮空気と混合されて燃焼し、その高温
高圧の燃焼ガスが蒸気とともにタービン４に送られる。

【００２４】出力増大用蒸気流路２９には蒸気量検出手
段である流量計ＦＳ３が配設されており、この流量計Ｆ
Ｓ３は燃焼器３に注入される出力増大用の蒸気量を計量
する。また、前記車室４２には、これの内部の圧力検知
手段としての圧力センサ５１が配設されている。燃料ノ
ズル４９の近接位置には、ＮＯｘ低減用蒸気流路２８の
先端に設けられた蒸気ノズル５２が燃焼器３内に臨んで
設けられ、この蒸気ノズル５２の先端の噴射孔から燃焼
室４８内に噴射される蒸気により、燃焼室４８内の燃焼
温度が低下してＮＯx が低減される。ＮＯｘ低減用蒸気
流路２８にも流量計ＦＳ４が設けられている。

【００２５】圧縮機２には流入空気量を調節する空気量
調節機構５３が設けられている。この空気量調節機構５
３は、図４に示すように、静翼４０の流出角αを変更す
るよう、圧縮機２の円周断面における静翼４０の取付角
度θを調整することにより、圧縮機２の流入空気量を調
節するようになっている。ここで、前記取付角度θは、
静翼４０の周方向線Ｈと翼弦Ｌ（前縁と後縁を結ぶライ
ン）とがなす角度、αは空気Ｅの流入方向と翼弦Ｌとが
なす角度であり、前記取付角度θを調整して流出角αが
大きくなるように変更すると、空気の軸流速度が小さく
なり圧縮機２への流入空気量が減少する。

【００２６】図２の空気量調節機構５３は、圧縮機２の
最前段から４番目までの４つの静翼２７の取付角度θを
調整するものである。図３は、図２のIII-III 線で切断
して空気量調節機構５２の部分を詳細に示した拡大縦断
面図であり、つぎに、空気量調節機構５２を図２および
図３を参照しながら説明する。この実施形態では、ハウ
ジング３９の周方向に並んだ多数個の静翼４０を１段と
して、４段の静翼４０を連動してその取付角度θを調整
するようになっている。すなわち、各段の静翼４０の配
列位置に近接した位置には、回転リング５４がハウジン
グ３９の外部にその周方向に沿って回転自在に設けられ
ており、静翼４０は、各段ごとに対応する回転リング５
４に連結されて、各回転リング５４が周方向に回転する
ことにより、取付角度θが調整される構成になってい
る。

【００２７】各段の回転リング５４は連動して回転され
るようになっている。すなわち、図２に示すように圧縮
機２の軸方向に沿って配置されたシャフト５７は、各回
転リング５４にまたがるように、その外側に位置して、
その両端部をハウジング３９に回転自在に支持されてお
り、このシャフト５７には４本の作動レバー５８が各回
転リング５４に対向して固定されている。各作動レバー
５８の自由端と回転リング５４とは、これらに両端部を
回転自在に取り付けられたターンバックル５９によりそ
れぞれ連結されている。また、シャフト５７には、単一
の駆動レバー６０が固定されており、この駆動レバー６
０の自由端には、ハウジング３９の外面に固定された油
圧シリンダ６１のピストンロッド６２が回転自在に連結
されている。

【００２８】したがって、空気量調節機構５３では、駆
動源の油圧シリンダ６１が作動して、たとえばピストン
ロッド６２が図３の矢印方向に突出されると、駆動レバ
ー６０が同図の矢印方向に回動してシャフト５７を回転
させるので、このシャフト５７に固定されている各作動
レバー５８が、同図の矢印方向に回動して、ターンバッ
クル５９を介し、対応する回転リング５４を押すように
して回転させる。それにより、各回転リング５４にそれ
ぞれ連結されている各段の静翼４０が互いに連動して回
動し、図４の取付角度θが調整されて、それらの流入空
気Ｅに対する流入角αが変更される。

【００２９】なお、図２に示すように、空気量調節機構
５３は、図３に示したのと同一の機構が圧縮機２の径方
向に対向した下部にも設けられており、それにより、各
回転リング５４をバランスよく作動させるようになって
いる。１つの回転リング５４に連結された１段分の静翼
４０は、その取付角度θが、すべて同一角度だけ調整さ
れる。空気量調節機構５３の駆動源である油圧シリンダ
６１は以下のように制御される。すなわち、油圧シリン
ダ６１の制御手段である制御部（図示せず）は、図２の
流量計ＦＳ３，ＦＳ４により検出する燃焼器３への注入
蒸気量、または圧力センサ５１により検知する車室４２
内の圧力のデータを取り込み、この何れか一方の入力デ
ータと予め設定された対応するデータとに基づいて、プ
ログラムに従って演算を行い、制御データを算出し、こ
の制御データに基づいて油圧シリンダ６１の作動を制御
する。

【００３０】先ず、燃焼器３への注入蒸気量に基づいて
図２の空気量調節機構５３を制御して流入空気量を調整
する場合について説明する。注入蒸気量がゼロの状態か
ら増大していくと、その注入蒸気量の増大が図２の流量
計ＦＳ３，ＦＳ４により検出されて、その検出データが
制御部に入力される。制御部は、入力された検出データ
と設定データとに基づいて所定の特性を得るのに必要な
制御データを演算し、その制御データに基づき、空気量
調節機構５３の油圧シリンダ６１を制御する。この制御
により、空気量調節機構５３は、注入蒸気量の増大に比
例して静翼２７の取付角度θが小さくなるよう制御す
る。それにより、注入蒸気量が増大した分だけ圧縮機２
の流入空気量が減少するので、空気と蒸気の合計流量は
同一になる。すなわち、燃焼室４８への注入蒸気量が増
減しても、所定の特性曲線の範囲内で運転され、圧縮機
２の断熱効率は最大でも約１％減少するだけであり、比
較的高い効率を維持しながら運転できる。また、蒸気注
入量がゼロの場合は通常のガスタービンの場合と全く同
じ断熱効率が得られる。

【００３１】また、車室４２の圧力に基づいて空気量調
節機構５３を制御して流入空気量を調整する場合も、上
述とほぼ同様に制御される。すなわち、制御部は、図２
の圧力センサ５１により検知された車室４２の圧力デー
タと設定データとに基づいて必要な制御データを演算
し、その制御データに基づき空気量調節機構５３の油圧
シリンダ６１を制御する。それにより、空気量調節機構
５３は、静翼４０の取付角度θを調整して、車室４２の
圧力が一定の圧力比から変動しないように流入空気量を
調節する。この場合も、注入蒸気量が増大した分だけ圧
縮機２の流入空気量が減少して蒸気と空気の合計流量が
同一になるよう制御されるので、タービン４へ流入する
燃焼ガス量もほぼ一定に制御される。

【００３２】つぎに、選択供給弁部３３を介して供給す
る蒸気または高圧空気によってタービン４の静翼を冷却
する作用について説明する。図５はガスタービン１にお
けるタービン４の一部を拡大して示した縦断面図であ
る。このタービン４には、回転軸６３と一体的に回転す
るタービンロータ６４に複数の動翼６７が固定されてい
るとともに、静翼であるノズル６８Ａ〜６８Ｃが、各動
翼６７の上流側に配置されて、ノズル６８Ａ〜６８Ｃお
よび動翼６７の外周を覆うタービンケーシング６９に支
持されている。タービンケーシング６９の外側のメイン
ハウジング３９には、２段ノズル６８Ｂに対向する箇所
に、冷却媒体通路２６から供給される蒸気を噴出する蒸
気供給ノズル７０が貫通して固定されており、噴出され
た蒸気は、メインハウジング３９とタービンケーシング
６９との間の環状の大きな空間７１内に一旦導入され、
この空間７１からタービンケーシング６９に開口された
流入孔７２を通って２段ノズル６８Ｂに供給される。こ
うして、前記空間７１おひょび流入孔７２により、メイ
ンハウジング３９の内方で内部蒸気通路７７が形成さ
れ、この内部蒸気通路７７内、特に空間７１内の蒸気に
より、タービンケーシング６９が冷却される。なお、図
示していないが、１段ノズル６８Ａには、圧縮機２から
抽出された高圧空気が供給される。

【００３３】図２に示すように、圧縮機２から高圧空気
を取り出す空気供給路７３が冷却媒体通路２６に連結さ
れている。選択供給弁部３３は、前記空気供給路７３に
設けた一つの逆止弁３３Ａと、冷却用蒸気供給路２５に
接続された三つの蒸気分岐路７４，７５，７６のそれぞ
れに設けた三つの逆止弁３３Ｂ〜３３Ｄとで構成されて
いる。このように逆止弁を三つ設けると、蒸気の通過抵
抗が減少する利点がある。

【００３４】したがって、選択供給弁部３３では、冷却
用蒸気供給路２５から供給される蒸気の圧力が空気供給
路７３から供給される高圧空気の圧力よりも高い場合
に、三つの逆止弁冷却用〜３３Ｄが開かれて、蒸気が冷
却媒体通路２６を経て蒸気供給ノズル７０から、図５に
示すタービン４の前記空間７１および流入孔７２を介し
て２段ノズル６８Ｂに供給される。このとき、逆止弁３
３Ａは、冷却媒体通路２６内の蒸気の圧力で閉状態を保
持して、高圧空気の冷却媒体通路２６への流入を阻止す
る。一方、冷却用蒸気供給路２５に流入する蒸気量が減
少してその圧力が高圧空気の圧力よりも低くなった場合
には、逆止弁３３Ａが開かれて高圧空気が冷却媒体通路
２６を通って２段ノズル６８Ｂに供給される。このと
き、逆止弁３３Ｂ〜３３Ｄは、高圧空気の圧力で閉状態
を保持して、高圧空気の蒸気分岐路７４〜７６への逆流
を阻止する。

【００３５】上述のように、燃焼器３に供給したあとに
余剰の蒸気がある場合には、この蒸気でタービン４の２
段ノズル６８Ｂを冷却することができ、余剰の蒸気が減
少または無い場合には、高圧空気を２段ノズル６８Ｂに
供給して冷却することができる。なお、蒸気を２段ノズ
ル６８Ｂに供給しているのは、１段ノズル６８Ａに蒸気
を供給すると、タービン４の熱負荷が過大になる可能性
があるからである。

【００３６】ただし、温度計や圧力センサにより蒸気の
温度や圧力を検出して、蒸気を適当な温度と圧力に調整
すれば、蒸気を１段ノズル６８Ａに供給することも可能
である。このように蒸気を１段ノズル６８Ａに供給する
場合には、蒸気のエネルギをタービン４の動力として回
収する回収率が、２段ノズル６８Ｂに蒸気を供給する場
合と比較して極めて高く（ほぼ１００％）なる。２段ノ
ズル６８Ｂに蒸気を供給する場合であっても、この２段
ノズル６８がタービン４の高圧段に位置する場合、蒸気
のエネルギの回収率が比較的高く、例えばタービン４が
４段の場合、約７５％になる。

【００３７】図６は、蒸気が供給される２段ノズル６８
Ｂの翼列を示す横断面図、図７は、２段ノズル６８Ｂの
縦断面図である。この２段ノズル６８Ｂは、供給された
蒸気を通す冷却通路７８を内部に有している。すなわ
ち、蒸気は、図７の矢印で示すように、２段ノズル６８
Ｂの静翼前縁の蒸気流入口７９から冷却通路７８に入り
込み、第１フィン部８０を通過したのちに、Ｕターンし
て第２段フィン部８１に向け流動し、第２段フィン部８
１の終端部から多数のピンフィン８２が配設されたピン
フィン室８３内に入り込み、多数のガイド８４の間を通
って２段ノズル６８Ｂの静翼後縁８７からタービン４の
ガス主流内へ噴出する。このように、蒸気が２段ノズル
６８Ｂ内部の冷却通路７８を通過してノズル６８Ｂを冷
却するので、蒸気の利用効率が向上する。静翼内部の冷
却通路７８を通過し終えた蒸気は、静翼後縁８７からガ
ス主流内へ噴出されることにより、ガスタービン１とし
ての出力効率を高く維持することができる。

【００３８】また、蒸気は、２段ノズル６８Ｂの冷却通
路７８を通過したのちガス主流内に噴出され、燃焼器３
に注入されないので、圧縮機２とのマッチングをとるの
が容易となり、圧縮機２の効率低下が極めて少なく、タ
ービン４に供給する蒸気が無い場合にも圧縮機２とター
ビン４とのミスマッチングによる効率低下が生じない。
さらに、タービン４に供給される蒸気は、２段ノズル６
８Ｂを通って静翼後縁８７から噴出することから、スロ
ート部８８を通らないので、タービン４へのガスの呑み
込み流量が僅かしか変化しない利点がある。

【００３９】さらに、図５の蒸気供給ノズル７０からタ
ービンケーシング６９の外周の空間７１に導入された蒸
気によってタービンケーシング６９を冷却することがで
きる。例えば、蒸気供給ノズル７０から低温の飽和蒸気
を空間７１に注入した場合、タービンケーシング６９が
効果的に冷却されて、タービン動翼６７の先端とタービ
ンケーシング６９の内面６９ａ間の先端隙間が小さくな
って、漏洩損失が減るために、タービン４の断熱効率が
向上して、ガスタービンの熱効率が向上する効果が得ら
れる。図８に熱効率の実測結果を示す。図８において、
曲線Ｑ１は、タービン４に注入された蒸気量に対する熱
効率の変化の実測値であり、蒸気をタービン４に全く注
入しない場合に対する熱効率の変化を示している。ター
ビン４のガス主流内への蒸気の注入による効果と、ター
ビン翼（動翼）の先端隙間の減少による効果とが合わさ
って、熱効率が向上した。曲線Ｑは、そのうちの前記ガ
ス主流内への蒸気の注入による熱効率の向上分を理論計
算した値を示している。曲線Ｑ１と曲線Ｑとの差が前記
タービン翼先端隙間の減少による熱効率の向上分に相当
している。

【００４０】前記先端隙間は、ガスタービン１の起動時
にタービン動翼６７が燃焼ガスに晒されて熱膨張し、未
だ温度が上昇していないために熱膨張量が小さいタービ
ンケーシング６９の内面６９ａに接触しないように、予
め静止時に適切な大きさに設定されるものである。従来
は、運転時にタービンケーシング６９の温度が高いため
に先端隙間が大きくなっていたが、本発明では蒸気の冷
却効果によってタービンケーシング６９の熱膨張が抑制
されて先端隙間が小さくなる。実際、図８に示す注入蒸
気量５ｔ／ｈ（トン／時間）では、先端隙間が従来より
７０％小さくなっていた。

【００４１】また、タービン３への注入蒸気の温度を制
御することにより、運転状態に応じた最適なタービン動
翼６７の先端隙間を得て、高効率運転が可能になる。

【００４２】なお、蒸気は、２段ノズル６８Ｂに代え
て、１段ノズル６８Ａに供給することもできる。この場
合、蒸気は、１段ノズル６８Ａ内部の冷却通路を通った
のちに静翼後縁から噴出されるので、１段ノズル６８Ａ
のスロート部を通らない。ただし、静翼後縁から噴出さ
れた蒸気は、２段ノズル６８Ｂのスロート部を通るが、
タービン４の呑み込み流量は１段ノズル６８Ａのスロー
ト部の断面積で決まるので、タービン４に対し流量変化
の影響が生じない。

【００４３】なお、冷却後の蒸気が、タービン４内のガ
ス主流に代えて、燃焼室４８よりも下流側でタービン４
よりも上流側のガス主流に注入するようにしてもよく、
この場合にも、蒸気の熱エネルギが回収されて、ガスタ
ービン全体の熱効率が向上する。

【００４４】図１のコントローラ３２による分配弁２７
の制御の一例を表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】上述のように、図１の過熱器１９から蒸気
供給系統２３に送給される蒸気は、外部蒸気負荷２２に
プロセス蒸気として優先的に必要量だけ供給され、残っ
た蒸気が蒸気導入路２４に流入する。この蒸気導入路２
４に流入する蒸気総量（ｔ／ｈ＝トン／時間）は、流量
計ＦＳ２により検出される。コントローラ３２は、流量
計ＦＳ２が検出した蒸気総量を常時監視して、燃焼器３
で不完全燃焼が生じない上限値である８ｔ／ｈ未満の蒸
気量を分配弁２７に導くよう、流量調節弁３６の開度を
制御するとともに、蒸気総量が３ｔ／ｈ未満の場合、そ
の蒸気をＮＯｘ低減用に多く分配するよう分配弁２７を
制御し、蒸気総量が４〜８ｔ／ｈの範囲の場合、その蒸
気を出力増大用に多く分配するよう分配弁２７を制御す
る。

【００４７】蒸気総量が８ｔ／ｈの場合には、その全て
の蒸気を出力増大用に供給する。これは、出力増大用に
供給した蒸気によりＮＯｘの低減も可能となるためであ
る。蒸気総量が８ｔ／ｈ未満の場合には、タービン４の
ノズル冷却用に蒸気が使用されず、２段ノズル６８Ｂ
（図５）の冷却は高圧空気により行われる。蒸気導入路
２４に導入された蒸気総量が８ｔ／ｈを超えた場合に
は、流量調節弁３６により８ｔ／ｈのみが分配弁２７に
供給され、残った蒸気が選択供給弁部３３に向け流入し
て、２段ノズル６８Ｂ（図５）に供給される。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明の蒸気注入型ガス
タービン装置によれば、タービンから排出される排ガス
を排熱ボイラに導いて発生させた蒸気のうち、外部蒸気
負荷に対し必要量を優先的に供給し、燃焼器に対し不完
全燃焼が発生しない量に調整して供給し、残りをタービ
ンの静翼に供給して静翼を冷却するので、発生させた蒸
気の全てを有効利用できることと、タービンの静翼の冷
却のために常に圧縮空気を用いないこととにより、ガス
タービン全体の熱効率を高く維持できる。また、タービ
ンの静翼の冷却に使用したあとの蒸気は燃焼器に注入し
ないので、過剰な蒸気が燃焼器に入って不完全燃焼を起
こすおそれがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る蒸気注入型ガスター
ビン装置を示す概略系統図である。

【図２】同上の蒸気注入型ガスタービン装置におけるガ
スタービンを示す一部破断した概略側面図である。

【図３】図２のIII-III 線で切断して空気量調節機構の
部分を詳細に示した拡大縦断面図である。

【図４】圧縮機の静翼の翼列を示す横断面図である。

【図５】タービンの一部の拡大縦断面図である。

【図６】タービンの静翼の翼列を示す横断面図である。

【図７】同上の静翼の縦断面図である。

【図８】タービンへの蒸気注入による熱効率向上を示す
特性図である。

【符号の説明】

２…圧縮機、３…燃焼器、４…タービン、１０…排熱ボ
イラ、２２…外部蒸気負荷、２３…蒸気供給系統、３２
…コントローラ（供給調整手段）、３３…選択供給弁部
（選択供給手段）、３４…空気供給路（空気供給手
段）、３６…流量調節弁、４０…圧縮機の静翼、４４ａ
…出力増大用蒸気噴射孔、５３…空気量調節機構、６８
Ａ〜６８Ｃ…ノズル（タービンの静翼）、６９…タービ
ンケーシング、７７…内部蒸気通路、７８…冷却通路、
８７…静翼後縁、Ｇ…排ガス、θ…取付角度。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三本杉幸治兵庫県明石市川崎町１番１号川崎重工業株式会社明石工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスのエネルギにより駆動される
タービンと、前記タービンから排出する排ガスを熱源とする排熱ボイ
ラと、前記排熱ボイラからの蒸気を前記燃焼器、タービンの静
翼およびその他の外部蒸気負荷に供給する蒸気供給系統
と、前記外部蒸気負荷に蒸気を優先的に供給させるととも
に、前記燃焼器への蒸気供給量を調整して残りの蒸気を
前記静翼に供給したのち燃焼器よりも下流のガス主流に
導入させる供給調整手段と、を備えた蒸気注入型ガスタービン装置。
【請求項２】請求項１において、前記静翼は、供給さ
れた蒸気が静翼内部を経て静翼後縁からタービン内のガ
ス主流内へ流出する冷却通路を有している蒸気注入型ガ
スタービン装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記蒸気が
供給される静翼は、タービンの２段または１段ノズルで
ある蒸気注入型ガスタービン装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれかにおいて、さ
らに、前記圧縮機から高圧空気を抽出して前記タービン
の静翼に導く空気供給手段と、前記静翼への前記蒸気の
供給量が減少したときに前記高圧空気を前記静翼に供給
する選択供給手段とを備えた蒸気注入型ガスタービン装
置。
【請求項５】請求項１から４のいずれかにおいて、さ
らに、蒸気を、前記タービンの静翼および動翼の外周を
覆うタービンケーシングとその外側のメインハウジング
との間の空間を通って前記静翼に供給する内部蒸気通路
が形成され、前記空間内の蒸気によって前記タービンケ
ーシングを冷却する蒸気注入型ガスタービン装置。
【請求項６】請求項１から５のいずれかにおいて、前
記蒸気供給系統は、燃焼器に設けたＮＯｘ低減用蒸気噴
射孔と、出力増大用蒸気噴射孔とを備えている蒸気注入
型ガスタービン装置。
【請求項７】請求１から６のいずれかにおいて、さら
に、前記圧縮機の静翼の取付角度を調整して圧縮機の流
入空気量を調節する空気量調節機構と、前記燃焼器に供
給される蒸気量の増大に応じて前記空気量調節機構を制
御して前記流入空気量を減少させる制御手段とを備えて
いる蒸気注入型ガスタービン装置。