JP2001504564A - ガスタービン設備において冷却空気の案内により生ずる圧力損失の補償方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はガスタービン設備の構造部品のエネルギ的に良好な冷却方法、並びに本発明に基づいて形成されたガスタービン設備を提供する。部分空気質量流（３）はガスタービン設備の圧縮機（６）で圧縮された主空気質量流（２）から分岐され、密閉通路（９）内を冷却すべき構造部品まで導かれる。その部分空気質量流（３）は主空気質量流（２）と無関係にガスタービン設備のターボ機械軸（４）の回転エネルギを利用して追加的に圧縮される。従ってそのように形成されたガスタービン設備は本発明に基づいて再圧縮機（１０）を有する。本発明は特に定置ガスタービン設備での使用に適する。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービン設備において冷却空気の案内により生ずる圧力損失の補償方法 本発明はガスタービン設備の構造部品を冷却する方法、並びにそれに応じて形 成されたガスタービン設備に関する。ガスタービン設備はターボ機械軸、圧縮機 並びに冷却装置を有している。この冷却装置は主空気質量流用の第１の通路と部 分空気質量流用の第２の通路とを有している。この冷却装置はガスタービン設備 の圧縮機で圧縮された主空気質量流および部分空気質量流を利用する。冷却装置 の第１の通路の一端は直接にあるいは間接的に圧縮機の圧縮領域に開口している 。その圧縮領域とは特にタービ+ン圧縮機のそれぞれの圧縮段を意味する。しか し出口ディフューザのような流れ方向において圧縮機に続く領域も本発明におけ る圧縮領域に属する。 ガスタービンの効率および出力を有効に高めるためにタービン入口温度を高め ることは永遠の開発目標である。燃焼室から出てタービン第１段に流入する高温 加熱されたガスはこのタービン第１段を特に強く攻撃する。耐熱性金属材料はそ の入口温度を定置ガスタービン設備の場合に約６００℃に、航空エンジンの場合 には約９００℃にすることを可能にする。高い運転温度が要求されるとき少なく ともタービン第１段を冷却しなければならない。これは、タービン段自体が高温 燃焼ガスの攻撃性および酸素含有量に基づく腐食負荷並びにタービンロータの遠 心力負荷を受けるときにますます必要とされる。ガスタービンの第１段の静翼と 動翼を冷却するために、圧縮機で圧縮された主空気質量流から部分空気質量流が 取り出され、これが燃焼室を迂回してタービン車室を通って静翼の冷却通路に並 びにタービンロータを通して第１の動翼列に直接導かれる。そしてタービン翼は 対流冷却、膜冷却あるいはまたしみ出し冷却によってタービン翼の十分な寿命を 保証するような温度に冷却される。主空気質量流から分岐された部分空気質量流 は勿論ガスタービン設備の効率を低下させる。従って分岐される部分空気質量流 の量は、一方では十分な冷却が達成されるが他方では高い効率が得られるように 決めねばならない。そのためにまた圧力損失を最小にする必要がある。圧力損失 は例えば部分空気質量流 において圧力配管損失並びに冷却空気の案内に基づく圧力損失が生ずるために起 こる。従ってこの部分空気質量流をその冷却作用後にそれが持つ圧力がタービン によってなお利用されるように燃焼室から出る高温燃焼ガスに再び戻す必要があ る。また大形の定置ガスタービン設備において、圧力損失を補償するために冷却 用に規定された部分空気質量流を圧縮する補助的な外部圧縮機が存在しているこ とも知られている。しかしまたこの補助圧縮機は電流の形をした駆動エネルギを 必要とする。ガスタービン設備の効率を計算する上でこのエネルギを考慮しなけ ればならない。これが大きければ大きいほどガスタービン設備の効率は悪くなる 。 ドイツ特許出願公開第３３１０５２９号明細書に遠心圧縮機で再圧縮された圧 縮空気によってガスタービンを冷却することが開示されている。その遠心圧縮機 は主として回転流れ通路によって形成されている。遠心圧縮機による圧縮の構想 は圧縮すべき空気を導かねばならないかなりの径方向距離を必要とする。そのよ うな径方向距離はジェットエンジンにおいて代表されるロータディスクにおいて 達成されている。また米国特許第３９３６２１５号明細書にジェットエンジンの 遠心圧縮機が記載されている。 本発明の課題はガスタービン設備において冷却空気の案内により生ずる圧力損 失をエネルギ的に良好に補償することにある。 この課題は、請求項１に記載の特徴を有するガスタービン設備の構造部品の冷 却方法、並びに請求項７に記載の特徴を有するガスタービン設備によって解決さ れる。本発明の有利な実施態様は各従属請求項に記載されている。 部分空気質量流によってガスタービン設備の構造部品を冷却する本発明に基づ く方法において、この部分空気質量流はガスタービン設備の圧縮機によって主空 気質量流と共に圧縮される。その後に部分空気質量流が主空気質量流から分岐さ れ、続いて空間的に固定されている密閉通路内を冷却すべき構造部品まで導かれ る。その部分空気質量流は主空気質量流と無関係にガスタービン設備のターボ機 械軸の回転エネルギを利用して追加的に圧縮される。この回転エネルギの利用は その通路が空間的に固定されているので遠心圧縮としては行われない。もともと 回転するターボ機械軸による追加的圧縮は圧力損失を補償するためのエネルギ的 に特に有利な方式である。この追加的圧縮に利用されるガスタービン設備のター ボ機械軸は、 タービンの軸、主空気質量流を圧縮する圧縮機の軸、あるいは例えば「分割軸形 」設備の場合にはガスタービン設備に追加的に付属する圧縮機の軸である。回転 する軸のもともと作用する物体力に基づいて大きなエネルギが利用できるので、 部分空気質量流の追加的圧縮に対するこの回転エネルギの利用は現存のエネルギ 密度に基づいても有利である。 ターボ機械軸の回転エネルギは多様に利用できる。有利にはターボ機械軸上に おける翼によって追加的圧縮が実行される。これは特に従来通常の翼で知られて いる知識をこの翼に転用できるので有利である。しかしまた回転エネルギは例え ば主空気質量流からの部分空気質量流の分岐部に隣接して配置されている案内板 のような別の適当な手段によって圧力に変換できる。部分空気質量流の冷却空気 の案内により生ずる圧力損失のターボ機械軸の回転エネルギを適当に利用するこ とによって得られる補償は、部分空気質量流が翼を貫通して導けるほどの大きさ である。この種の翼は例えばタービン入口の第１段の静翼あるいは動翼である。 これらは従来公知の冷却方式でも適当な温度に冷却できる。 膜冷却にとって特におよびしみ出し冷却にとってはなお、冷却空気が空気内に 含まれる粒子について或る純度を有することが必要である。冷却空気のこの純度 は一方ではフィルタ装置によって得られ、他方では主空気質量流から部分空気質 量流を分岐する場所を選定する際、ガスタービン設備のターボ圧縮機軸の回転に 基づいて流れ通路内において周囲の空気に比べて大きな密度の粒子は外に運ばれ るという物理法則が利用される。従って部分空気質量流の分岐部が軸の近くにあ るとき、比較的粒子を含まない部分空気質量流が取り出され、その場合圧縮のい わば自己洗浄作用が利用される。 回転エネルギの利用もう一つの利点は、部分空気質量流の追加的な圧縮が、密 閉通路内における部分空気質量流の案内により生ずる圧力損失が少なくとも補償 されるように行われることにある。部分空気質量流は特に、翼を冷却するだけで なくガスタービン設備の別の構造部品を冷却する際に生ずる圧力損失も同様に補 償されるように圧縮される。その構造部品は例えば燃焼室である。更に部分空気 質量流の案内により生ずる圧力損失を補償することによって、部分空気質量流を 冷却作用後に例えば燃焼室に導入することができる。その部分空気質量流は燃焼 室自体に的 確に導入される。圧力損失は特に部分空気質量流が燃焼室に流入する際に分岐後 において燃焼室に導入される主空気質量流と少なくともほぼ同じ圧力を有するよ うに補償される。しかし勿論、部分空気質量流はその追加的に圧縮した際にもっ と高い圧力にすることもできる。 燃焼室に部分空気質量流を的確に導入する際、本発明の他の実施態様において そこに存在するガスの追加的な旋回および燃焼室の種々の区域の内部における少 なくとも部分空気質量流の有利な変換を達成できる。例えばこのようにして燃料 と空気との良好な均質化あるいは変換したガスとまだ変換していないガスとの良 好な均質化も達成される。更に部分空気質量流が燃焼室の一次区域に狙い定めて 的確に流入する際温度が下げられ、その結果熱的窒素酸化物の形成が低減する。 しかしまた部分空気質量流の大きな追加的圧縮は別の用途にも利用できる。即ち 本発明に基づいて分岐され追加的に圧縮された部分空気質量流は、ガスタービン 設備において高い空気圧が必要とされる場所で随所に利用できる。このために主 空気質量流から分岐された部分空気質量流が有利に一層さらに分けられる。 以下図に示した複数の有利な実施例を参照して本発明の他の利点、特徴および 特性を詳細に説明する。図示した本発明に基づく装置の特徴を有利に組み合わせ ることによって目的に適った形態が得られる。 図１は圧縮機の最終翼に設置された半径流圧縮機段を、 図２は中心中空軸上設けられた二つの軸流圧縮機段の配置を、 図３は中心中空軸に設けられた半径流圧縮機段を、 図４は半径流圧縮機として形成されたタービン動翼の概略図、 図５はガスタービン設備における本発明に基づいて組み合わされた空気部分質 量流の流れ案内を示す。 図１は圧縮された空気１を主空気質量流２とここから分岐された部分空気質量 流３に分けることによって部分空気質量流３の追加的な圧縮を可能にしているガ スタービン設備の一部を示している。ターボ機械軸４上にないし圧縮機６のケー シング５に圧縮機６の翼７が存在している。図には二つの静翼ＬＥと一つの動翼 ＬＡが示されている。この図示された圧縮領域に第１の通路８および第２の通路 ９が開口している。第１の通路８内を主空気質量流２が、第２の通路９内を部分 空気質量 流３が流れる。これらの両通路８、９は、これらが構造に応じて従ってそれぞれ の空気質量流の案内に応じてガスタービン設備の一つあるいは複数の構造部品を 冷却するので、ガスタービン設備の冷却装置を形成している。第１の通路８はそ の一端が圧縮機６の圧縮領域に図示のように直接に開口しているかあるいは間接 的に開口している。、間接的な開口は例えば圧縮機６の図１に示されていない出 口ディフューザの後ろの下流で第１の通路８の一端が始まっているような形態の 設備に存在する。第２の通路９は一端が少なくとも第１の通路８に隣接して開口 している。第２の通路９は空間的に固定されており、第１の通路８と異なって本 発明に基づいて圧縮機６のターボ機械軸４によって駆動される追加的な再圧縮機 １０を有している。この再圧縮機１０は回転通路９を必要とする遠心圧縮機では ない。 再圧縮機１０は図１において半径流動翼１１と半径流静翼１２とを備えた半径 流圧縮機段の設置によって形成されている。この半径流圧縮機段は翼７から成る 軸流圧縮機段より幾分高い圧力比を有する。これにより、例えばガスタービン設 備の燃焼室の図１に示されていない断熱壁の冷却によって、第２の通路９内に生 ずる圧力損失が補償される。有利な実施態様において第２の通路９は圧縮機６の 圧縮終端領域に開口している。その結果、部分空気質量流３は第２の通路９内に おいて高い圧力を有する。ちなみに、ここで圧縮終端領域とは圧縮空気１の流れ 方向において圧縮機６の最終翼列を意味する。特にここに図示されているような 圧縮機６の最終動翼ＬＡへの半径流圧縮機段の設置によって、再圧縮機１０で補 償すべき圧力損失は、部分空気質量流３が冷却作用をした後で燃焼室に流入する 際にこれがもう既に高い圧力レベルにあるということだけから調達されねばばな らない。これによってターボ機械軸４の回転エネルギの利用は極めて小さくされ る。もう一度明らかにするために、再圧縮機１０を駆動するターボ機械軸４はガ スタービン設備の構造部品である。第２の通路９内における圧力損失を補償する ためだけに利用される補助的な外部圧縮機の軸はターボ機械軸４とは言わない。 このような外部圧縮機は本発明に基づく再圧縮機１０ではない。 図２は中心中空軸１３を示している。これは図２に示されていないガスタービ ンと最終静翼ＬＥが示されている圧縮機６との間に配置されている。この有利な 実施形態において部分空気質量流３は再圧縮機１０としてそれぞれ静翼ＬＥと動 翼Ｌ Ａとを備えた二つの軸流圧縮機段によって圧縮機６に引き続いて圧縮される。こ のために第２の通路９は幾分もっと直接に圧縮機６の圧縮終端領域に開口してい る。しかしこれは間接的に開口することもでき、即ち圧縮機の最終翼から間隔を 隔てて開口することもできる。これは圧縮機６の後でも主空気質量流２から部分 空気質量流３を分岐できることを意味する。図示した再圧縮機１０の配置構造は 特に、ガスタービンの第１の静翼および動翼がそれらを冷却するために部分空気 質量流３が流出する小さな膜冷却用孔を備えているときに利用される。ターボ機 械軸４の近くにおいて空気１に含まれる粒子の量は圧縮機６のケーシング５に近 い範囲に比べて少量である。従ってターボ機械軸４の近くで部分空気質量流３が 取り出される場合、冷却すべき翼にある膜冷却用孔が粒子によって閉塞される恐 れはなく、従って冷却膜の形成が阻止されることもない。そのように得られた部 分空気質量流３は、さもなければ事情によって必要とされるフィルタ装置による 粒子のろ過が不要とされるほどに少量の粒子しか含まないという利点がある。そ のようなフィルタ装置の省略によってそれによって生ずる圧力損失も存在せず補 償する必要もない。中心中空軸１３上への再圧縮機の配置は更に、例えば燃焼室 の外側を冷却するための第２の通路９の長さをそれに合わせて構成することによ って短くすることを可能にする。従って第２の通路９内における部分空気質量流 ３の案内長さによる圧力損失も小さくなる。 図３は再圧縮機０として中心中空軸１３上における半径流圧縮機段を示してい る。動翼ＬＡと静翼ＬＥとから成る半径流圧縮機段はコンパクトな構造が可能と なるように配置されている。更にこの半径流圧縮機段は軸流形と幾分異なった圧 力比も有する。図２に示されている再圧縮機１０の配置構造は特に、圧縮機６と 後続のガスタービンとの間の中心中空軸１３に沿った非常に長い空間を利用する ガスタービン設備に使用されるが、図３に示されている配置構造は、利用可能な 空間が中心中空軸に隣接してむしろ幅方向に存在するときに使用される。しかし 勿論、再圧縮機１０の形状の選択は第２の通路９内における補償すべき圧力損失 に左右される。再圧縮機１０は半径流翼及び／又は軸流翼を有することができる 。しかしその再圧縮機１０の圧力上昇は以下図を参照して説明するように静翼に よっても同様に得られる。 図４は再圧縮機１０の異なった実施形態を示している。ここに図示された第１ のタービン動翼列は半径流圧縮機として使用されている。即ち中空タービン動翼 ＬＡの中を通って部分空気質量流３が流れる。第２の通路９は中空タービン動翼 ＬＡの中にその膜冷却用孔１５への導入路１４と共に破線で示されている。ター ビン動翼ＬＡは第２の通路９を形成するために同様に部分的に中空となっている 囲い板（シュラウドリング）１６を有している。ラビリンスパッキン１７によっ て部分空気質量流３の漏洩損失は小さくされている。冷却設計に応じて動翼ＬＡ は対流冷却だけでも即ち第２の通路９の適当な形成によっても十分冷却できる。 その場合導入路１４によって膜冷却用孔１５に部分空気質量流３を分岐する必要 はない。部分空気質量流３の圧力上昇は静翼ＬＥによって示されている静翼環内 で行われる。このように形成された再圧縮機１０は少なくとも流れ損失の十分な 圧力補償が実行されるように設計される。中空動翼ＬＡに囲い板１６を取り付け 静翼ＬＥを後続させた図示の構造的方式はただタービン軸の回転エネルギを利用 しているだけではなく、むしろ本発明に基づいてタービン動翼ＬＡの回転をその 中を貫流する部分空気質量流３を加速するために利用している。 図４に示されている方式はまた別の利点も有する。部分空気質量流３は動翼Ｌ Ａの冷却によって暖まる。部分空気質量流３がガスタービン設備の燃焼室外壁を 冷却するように第２の通路９が設計されていることにより、部分空気質量流３は そこで一層暖まる。そのように吸収された熱流は、第２の通路９が燃焼室の中に 開口している場合部分空気質量流３が燃焼室の中に流入することによって再利用 される。燃焼室において種々に温度調節された空気流が必要とされ、例えば一次 区域における窒素酸化物を減少させるためのむしろ冷たい部分空気質量流３並び に燃料と混合するためのむしろ暖まった部分空気質量流３が必要とされる場合、 ガスタービン設備は複数の第２の通路９を有することもできる。これらはそれぞ れ種々に構造的に設計され案内され従って冷却の際に種々の熱流を吸収する。 図５はガスタービン設備に配置されている種々の再圧縮機１０の有利な組み合 わせを示している。圧縮機６に二つの第１の通路８が続いている。これらに隣接 して圧縮機６の圧縮領域に第２の通路９が開口している。主空気質量流２は二つ の第１の通路８に分けられ図示されていないバーナに直接導かれ、部分空気質量 流３は まず軸流再圧縮機１０によって迫加的に圧縮される。続いてこの部分空気質量流 ３は二つの質量流１８、１９に分けられる。その一方の質量流１８は直接燃焼室 ２０の外壁に沿ってこれを冷却するために導かれ、他方の質量流１９は再圧縮機 １０として形成されたガスタービンの動翼ＬＡによって追加的に圧力補償を得る 。ここでも圧力上昇は後続の静翼ＬＥで行われる。これにドラム２１が続いてい る。このドラム２１は一方では流れに対する鎮静空間として使用される。これに よって転向ないし乱流による流れ損失は最小にされる。他方ではドラム２１は第 ２の通路９の後続部分に質量流１９を供給する或る貯蔵空間をも有している。タ ービンの第１の静翼ＬＥは同様にドラム２１からやって来る質量流１９によって 冷却される。第１の通路８並びに第２の通路９は有利には密閉冷却通路として形 成されている。ここでも詳細に図示されていないが、第１の通路８は構造的にこ れの一部が例えば燃焼室２０の外壁の冷却を行うように設計できる。 本発明は、特にガスタービン設備において冷却空気配管に基づく圧力損失をエ ネルギ的に有利に補償するための方式である。種々の特徴によって特徴づけられ る本発明のすべての実施形態はそれぞれガスタービン設備に応じて選定され、ま た互いに組み合わせることもできる。本発明の好適な使用分野は、所望の長時間 の運転時間のために冷却も必要とされるような定置形ガスタービン設備である。 本発明は小形ガスタービン設備、特に航空エンジンのような可動ガスタービン設 備において、簡単に且つエネルギ的に良好に冷却用の空気質量流を圧縮すること およびこれによって圧力損失を補償することを可能にする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧縮機（６）で圧縮された主空気質量流（２）から分岐された部分空気質量 流（３）によってガスタービン設備の構造部品を冷却する方法において、部分空 気質量流（３）が空間的に固定されている密閉通路（９）内を冷却すべき構造部 品まで導かれ、部分空気質量流（３）が主空気質量流（２）と無関係にガスター ビン設備のターボ機械軸（４）の回転エネルギを利用して追加的に圧縮されるこ とを特徴とするガスタービン設備の構造部品の冷却方法。 ２．追加的な圧縮がターボ機械軸（４）上における翼（７）によって行われるこ とを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．部分空気質量流（３）が翼（ＬＡ、ＬＥ）を貫通して導かれることを特徴と する請求項１又は２記載の方法。 ４．部分空気質量流（３）がろ過されることを特徴とする請求項１ないし３の１ つに記載の方法。 ５．圧縮が、少なくとも密閉通路（９）内を部分空気質量流（３）が案内される ことによって生ずる圧縮損失が少なくとも補償されるように行われることを特徴 とする請求項１ないし４の１つに記載の方法。 ６．部分空気質量流（３）が構造部品の冷却後にガスタービン設備の燃焼室（２ ０）に的確に導かれることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の方法。 ７．ターボ機械軸（４）と、圧縮機（６）と、主空気質量流（２）用の第１の通 路（８）及び部分空気質量流（３）用の第２の通路（９）を有する冷却装置とを 備え、この冷却装置がガスタービン設備の圧縮機（６）で圧縮された主空気質量 流（２）および部分空気質量流（３）を利用し、第１の通路（８）の一端が間接 的にあるい は直接に圧縮機（６）の圧縮領域に開口しているガスタービン設備において、第 ２の通路（９）の一端が少なくとも第１の通路（８）に隣接して間接的にあるい は直接に圧縮領域に開口し、第２の通路（９）が第１の通路（８）と異なってタ ーボ機械軸（４）で駆動される補助的な再圧縮機（１０）を有していることを特 徴とするガスタービン設備。 ８．第２の通路（９）が圧縮機（６）の圧縮終端領域に開口していることを特徴 とする請求項７記載のガスタービン設備。 ９．再圧縮機（１０）が翼列（７、ＬＡ、ＬＥ）であることを特徴とする請求項 ７又は８記載のガスタービン設備。 １０．再圧縮機（１０）が半径流翼（７、11、１２）であることを特徴とする請 求項７ないし９の１つに記載のガスタービン設備。 １１．再圧縮機（１０）がタービン翼列（ＬＡ、ＬＥ）及び／又は圧縮機翼列（ ＬＡ、ＬＥ）であることを特徴とする請求項７ないし１０の１つに記載のガスタ ービン設備。 １２．再圧縮機（１０）が軸流段（ＬＡ）に設置されている半径流段（１１、１ ２）を有していることを特徴とする請求項７ないし１１の１つに記載のガスター ビン設備。 １３．再圧縮機（１０）が静翼（ＬＥ）であることを特徴とする請求項７ないし １２の１つに記載のガスタービン設備。 １４．翼（７）が圧縮機（６）とガスタービンとの間に位置するターボ機械軸（ ４）の領域（１３）に置かれていることを特徴とする請求項７ないし１３の１つ に記載のガスタービン設備。 １５．再圧縮機（１０）の翼（ＬＡ、ＬＥ）が中空となっており、部分冷却空気 質量流の導入口を有していることを特徴とする請求項７ないし１４の１つに記載 のガスタービン設備。 １６．再圧縮機（１０）の翼（ＬＡ、ＬＥ）が漏れ止め装置（１６）付きの動翼 （ＬＡ）であり、部分空気質量流を案内するために動翼（ＬＡ）が中空となって おり、通路（９）が漏れ止め装置（１６）を貫通して延びていることを特徴とす る請求項７ないし１５の１つに記載のガスタービン設備。 １７．第１の通路（８）及び／又は第２の通路（９）が密閉冷却通路であること を特徴とする請求項７ないし１６の１つに記載のガスタービン設備。