JP2002517652A - ガスタービンおよびタービン段の冷却方法 - Google Patents
ガスタービンおよびタービン段の冷却方法Info
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Abstract
Description
却方法に関する。
有エネルギは発電機あるいは作動機械を駆動するタービン軸の回転運動を発生す
るために利用される。ガスタービン設備の運転中において通常、大気が吸い込ま
れ、ガスタービンに付設された空気圧縮機で高圧に圧縮される。その圧縮空気の
大部分は1つあるいは複数の燃焼室に送られ、そこで燃料(例えば燃料ガス)と
混合される。
膨張してタービン軸を駆動する。そのためにガスタービンは多数のタービン翼を
有している。それらのタービン翼は固定の静翼およびロータと共に回転する動翼
の形で複数のタービン段に配置されている。ガスタービンにおいて発生したター
ビン軸の回転運動によって、通常発電機に加えてガスタービン設備の空気圧縮機
も駆動される。
できるだけ高い効率を得るために、ガスタービンに流入する際の燃焼ガスの温度
は特に例えば1000〜1300℃の高温にされるように努められる。もっとも
この温度の上限はタービン翼の熱負荷容量から生ずる。
焼ガスの温度の上昇が許される。タービン翼を冷却するために通常、空気圧縮機
において空気流の一部が取り出され、種々のタービン段に冷却空気として導入さ
れる。しかしこのために、ガスタービンに燃焼用として供給できる空気量が減少
する。
技術的労力で少なくされるようなガスタービンを提供することにある。更にガス
タービンのタービン段の冷却方法を提供することにある。
空気出口を有する冷却空気の導入管とを備え、タービン段が冷却空気によって冷
却され、冷却空気が冷却空気出口を介して静翼に導入され、導入管が、冷却空気
出口における冷却空気の予設定可能な圧力の調整手段を有することによって解決
される。
的ではなく段階的に行われるという考えから出発している。段階的な圧力形成は
、大気温度、前置バッフル板位置および圧力比のような種々のパラメータに関係
する。これらのパラメータによって、空気圧縮機の運転中、空気圧縮機の所定の
個所にかかっている圧力も変化する。空気圧縮機の所定の個所におけるこの圧力
値の変動はさほど大きくはないが、その都度の圧力値を空気圧縮機出口端におけ
る圧力値で標準化するときにも存在する。ここで標準化とは、空気圧縮機の所定
の個所におけるその都度の圧力値と空気圧縮機出口端における圧力値との商を形
成することを意味する。冷却空気系は空気圧縮機の所定の個所における特に低い
標準抽出圧力に対して設計する必要がある。これは標準抽出圧力が増大すると必
然的に必要量以上に冷却空気量を増大させてしまう。この作用は、冷たい冷却空
気がガスタービンで膨張して仕事をする作動媒体の温度を低下させるので、ガス
タービンの効率に大きく不利に影響する。
止される。その場合、ガスタービンの種々の運転状態に関して、冷却空気の圧力
を調整できる方がよいが、そのために必要な技術的労力を特に僅かにしなければ
ならない。これは本発明によれば、冷却空気がタービン段に静翼を通して導入さ
れ、冷却空気出口における冷却空気の予設定可能な圧力が調整できることによっ
て解決される。
翼の大きな遠心力負荷のために、動翼における冷却空気の予設定可能な目標圧力
値を調整する手段を構成することは技術的に難点がある。この難点は、冷却空気
が静翼を通して動翼に所定の圧力で導入される場合には生じない。
要素(特に絞りフラッパ弁)を有している。冷却空気の周知の流れ状態において
、冷却空気出口における予設定可能な圧力は、その絞り要素(特に絞りフラッパ
)によって構造的に特に簡単に調整できる。
制御する制御装置を備えていると有利である。この制御装置は例えば測定線を介
して冷却空気出口における圧力を測定し、予設定可能な圧力に応じて絞り要素を
制御し、そして導入される冷却空気量を調整する。
有利である。このようにして、動翼及び/又はタービン軸に流入する際の冷却空
気の流速および流れ方向は、冷却空気が動翼及び/又はタービン軸の局所的な周
速と方向を有するように設計される。これによって冷却空気の損失および必要な
冷却空気量が特に少なくされる。更に冷却空気の加速はそれを冷却させるので、
動翼の十分な冷却が特に確実に保証される。本発明の他の実施態様において、こ
の調整手段は旋回ノズルを含んでいる。
タービン段(高圧段)と最終段(低圧段)との間に配置されているタービン段で
ある。そのようなタービン段はつまり通常ガスタービン設備の空気圧縮機の抽出
個所から出発してタービン軸を通して冷却空気を供給される。冷却空気を静翼を
通して中央タービン段へ供給すると、タービン軸を通して中央タービン段の動翼
へ供給する冷却空気の大きな圧力損失を伴う独立した供給を省くことができる。
、本発明に基づいて、冷却空気が冷却空気導入管に後置接続された冷却空気出口
を介してタービン段の静翼に導入され、冷却空気出口における冷却空気の予設定
可能な圧力が調整されることによって解決される。その有利な実施態様において
、タービン段の動翼に冷却空気が静翼を通して導入される。その場合、静翼の後
ろの出口側(下流)における冷却空気の流速および流れ方向が調整されると有利
である。
の調整によって、冷却空気の圧力変動が確実に防止され、必要な冷却空気量が特
に少なくなるという点にある。これによって冷却空気系はガスタービンの要求に
対する抽出圧力と無関係に設計できる。更に冷却空気の圧力損失は、冷却空気が
特に短い経路を通して静翼から動翼に到達するので特に小さくなる。更にまたガ
スタービンの効率は必要な冷却空気量が少量であることによって増大する。冷却
系が閉鎖系統として形成されている場合、即ち冷却空気がガスタービンの作動媒
体と混合されない場合、ガスタービンの効率は一層向上する。
いて同一部分には同一符号が付されている。
ているガスタービン4を有している。空気圧縮機6は入口側が空気吸込み管8に
接続されている。ガスタービン4には配管10を介して作動媒体AMを供給する
ために燃焼室12が前置接続されている。この燃焼室12は空気圧縮機6の主空
気管14に接続されている。ガスタービン4の燃焼室12には燃料Bを供給する
燃料管16が開口している。ガスタービン4および空気圧縮機6並びに発電機1
8は共通の軸20を有している。ガスタービン4に冷却空気Kを導入するために
、空気圧縮機6は多数の冷却空気管22を介してガスタービン4に接続されてい
る。冷却空気管22はここでは1本しか示されていない。これらの冷却空気管2
2は空気圧縮機6の種々の個所、従って種々の圧力レベルから出ている。ガスタ
ービン4は出口側が排気管23に接続されている。ガスタービン4で膨張した作
動媒体AM′及び/又は温まった冷却空気K′はこの排気管33を通ってガスタ
ービン4から出る。
ービン段24はガスタービン4の作動媒体AMの流れ方向25に関して高温ガス
通路27においてガスタービン4の第1タービン段24Aの後ろおよび第2ター
ビン段24Bの前に存在している。ガスタービン4の中央タービン段24は、ガ
スタービン4の車室29に配置されている静翼26およびタービン軸20に配置
されている動翼30を有している。ガスタービン4の車室29は高温ガス通路2
7を包囲しているが、これは図に詳細に示されていない。作動媒体AMはほぼ水
平に流れ方向25にガスタービン4の車室29を貫流し、各タービン段24の静
翼26および動翼30を介して案内される。
れている。この冷却空気系31はガスタービン4の車室29を貫通して延びる冷
却空気Kの導入管32を有している。この導入管32は1本あるいは複数本の冷
却空気管22に図示していない方式で接続されている。ガスタービン設備2の空
気圧縮機6から冷却空気Kが、冷却空気Kの導入管32を介して冷却空気出口3
4を通って静翼26に到達する。導入管32内には、冷却空気出口34における
冷却空気Kの予設定可能な圧力の調整手段36として、絞りフラッパ弁として形
成された絞り要素36が配置されている。更に冷却空気系31は制御装置38を
有している。この制御装置38は接続配線40を介して絞り要素36と、測定線
41を介して冷却空気出口34に接続されている。
開口している。この旋回ノズル44Aは詳細に示されていない方式でタービン軸
20に固定されている2つのパッキンによって形成されている。これらのパッキ
ンは静翼26とタービン軸20との隙間を閉鎖している。旋回ノズル44Aは、
静翼26の後ろの出口側における冷却空気Kの流速および流れ方向の調整手段4
4である。旋回ノズルから出た冷却空気Kはタービン軸20内に形成された通路
46に流入する。旋回ノズル44Aから出た冷却空気Kの圧力が通路46内にお
ける圧力より大きいので、補助的なガイドは不要である。例えば旋回ノズル44
Aにおける冷却空気Kは点Xにおいて9.97バールの圧力および410℃の温
度を有し、旋回ノズル44Aの下流の出口側における点Yにおいて8.88バー
ルの圧力および390℃の温度を有し、通路46の入口部位における点Zにおい
て8.35バールの圧力および388℃の温度を有している。
30の内部を通されている通路48に到達する。その代わりに冷却空気Kを動翼
30に直接導くこともできる。通路48は高温ガス通路27に開口し、そこで冷
却空気Kとガスタービン4の作動媒体AMとの混合が行われる。冷たい冷却空気
とこれに比べて熱い作動媒体AMとの混合によって、作動媒体AMの冷却が行わ
れ、これによってガスタービンの効率が低下する。
空気Kはガスタービン4の作動媒体AMと混合される。あるいはまた閉鎖系統と
して形成することもできる。閉鎖系統の場合、冷却空気Kはガスタービン4の作
動媒体AMに到達せず、これによってガスタービンの効率が向上する。
Kは予設定可能な圧力で静翼26を通ってタービン軸20に配置された動翼30
に導かれる。このために冷却空気Kはガスタービン設備2の空気圧縮機6から取
り出され、ガスタービン4の中央タービン段24に冷却空気管22を通して導入
される。冷却空気Kは導入管32を通ってそれに後置接続された冷却空気出口3
4に到達する。冷却空気出口34においては制御装置38によって冷却空気Kを
所定の圧力に調整できる。このために制御装置38は測定線41を介してセンサ
(図示せず)によって冷却空気出口34における絞り要素36の後ろの出口側の
冷却空気Kの圧力を測定する。制御装置38は接続配線40を介して絞り要素3
6の開度を、制御装置38で予め設定された圧力が冷却空気出口34にかかって
いるように制御する。冷却空気Kは冷却空気出口34から静翼26内に設けられ
た通路42を通って、静翼26の後ろに出口側に配置された旋回ノズル44Aに
到達する。この旋回ノズル44Aは冷却空気Kをタービン軸20の円周方向に、
冷却空気Kがタービン軸20に流入する際にその局所的な周速と方向を有するよ
うに加速する。この加速によって冷却空気Kの温度はそれがタービン軸20に流
入する際に下げられる。タービン軸20の内部に設けられた通路46を通って、
冷却空気Kは動翼30に、および最終的に高温ガス通路27に到達する。
ビン段24における冷却空気Kの流れ経路が特に短くなるので、冷却空気Kにお
ける圧力損失は特に僅かである。この場合、旋回ノズル44Aは冷却空気Kの冷
却を生じさせる。静翼36の冷却空気入口34における予設定可能な圧力の調整
によって、冷却空気量が冷却目的を満足するのに十分であるような大きさに制限
される。これによってガスタービン設備2は冷却空気消費量が特に少なくなり、
これによってガスタービン4の非常に高い効率が生ずる。
Claims (10)
- 【請求項1】 静翼(26)を含むタービン段(24)と冷却空気出口(3
4)を有する冷却空気(K)の導入管(32)とを備え、タービン段(24)が
冷却空気(K)によって冷却され、冷却空気(K)が冷却空気出口(34)を介
して静翼(26)に導入され、導入管(32)が、冷却空気出口(34)におけ
る冷却空気(K)の予設定可能な圧力の調整手段(36)を有しているガスター
ビン(4)。 - 【請求項2】 タービン段(24)が動翼(30)を含み、この動翼(30
)に冷却空気(K)が静翼(26)を通して導入される請求項1記載のガスター
ビン(4)。 - 【請求項3】 導入管(32)が、圧力調整手段(36)として絞り要素(
36)、特に絞りフラッパ弁を有している請求項1又は2記載のガスタービン(
4)。 - 【請求項4】 導入管(32)の圧力調整手段(36)を制御する制御装置
(38)を備えている請求項1乃至3の1つに記載のガスタービン(4)。 - 【請求項5】 静翼(26)の下流における冷却空気(K)の流速および流
れ方向の調整手段(44)を備えている請求項1乃至4の1つに記載のガスター
ビン(4)。 - 【請求項6】 冷却空気(K)の流速および流れ方向の調整手段(44)が
旋回ノズル(44A)を含んでいる請求項5記載のガスタービン(4)。 - 【請求項7】 複数のタービン段(24、24A、24B)を備え、タービ
ン段(24)が、最初のタービン段(24A)の後ろおよび最後のタービン段(
24B)の前に配置されたタービン段である請求項1乃至6の1つに記載のガス
タービン(4)。 - 【請求項8】 冷却空気(K)を用いたガスタービン(4)のタービン段(
24)の冷却方法において、タービン段(24)の静翼(26)に冷却空気(K
)が冷却空気出口(34)を介して導入され、冷却空気出口(34)における冷
却空気(K)の予設定可能な圧力が調整されるガスタービンのタービン段の冷却
方法。 - 【請求項9】 タービン段(24)が動翼(30)を含み、この動翼(30
)に冷却空気(K)が静翼(26)を通して導入される請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 静翼(26)の下流における冷却空気(K)の流速および
流れ方向が調整される請求項8又は9記載の方法。
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