JP2004525301A - ガスタービン設備とその冷却方法 - Google Patents

Abstract

ガスタービン（１）に前置された圧縮機（３）から圧縮空気（Ｋ₁、Ｋ₂）を取出し、ガスタービンに冷却空気として導入するガスタービンの冷却方法に関する。圧縮空気を熱交換器内で空気流（Ｓ₁、Ｓ₂）により冷却し、冷却した圧縮空気をガスタービンに冷却のために導入することで、冷却および運転効率が向上する。本発明はまた、ガスタービンとそれに前置された圧縮機を備え、圧縮機から少なくとも１つの冷却空気導管（３９、４１）が分岐するガスタービン設備に関する。冷却空気導管内に熱交換器（４３、４５）の一次側が接続され、その二次側に導管（４７、４９）が接続され、該導管を経て熱交換器を空気流が通流する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに前置した圧縮機から圧縮空気を取出し、ガスタービンに冷却空気として導入するガスタービンの冷却方法に関する。本発明また、ガスタービンと、該タービンに前置した圧縮機を備え、圧縮機から少なくとも１つの冷却空気導管を分岐し、圧縮機で圧縮した空気を冷却空気導管を経て取出し、ガスタービンに冷却空気として導入するガスタービン設備に関する。
【０００２】
流体機械、例えばガスタービンでは、通流状態の高温作動流体、例えば高温ガスを用いその膨張により有効な仕事を行う。流体機械の効率を向上させるべく、特に高温作動流体をできるだけ高温にすることが目指される。その場合、高温作動流体に直接曝される構造部品に、特に大きな熱的負荷がかかる。ガスタービンの場合、それは例えばタービンの翼（静翼および動翼）や、通流状態の高温作動流体を通流させる空間を境界付けるタービンの壁部材等に相当する。それ故、できる限りの高温で十分な強度を持ち、それらの構造部品として適当な材料を発見し、更には高温に適用可能とすべく、それら構造部品の冷却を可能にする方法を開発する努力がなされている。ガスタービンでの冷却に用いる冷却媒体は、通常タービンに結合された圧縮機から冷却空気として取出す。その際、冷却空気を圧縮機段から相応の圧力と温度をもって分岐させ、ガスタービンの、特に高温の被冷却領域に導く。この冷却空気により生ずる効率低下をできるだけ僅かなものとすべく、できるだけ効率的な冷却媒体の使用を保証するという冷却思想に集中して研究がなされている。
【０００３】
米国特許第４６４２０２４号明細書は、ガスタービン駆動装置用の冷却可能なステータ群を開示する。該ステータ群は外部空気圧縮機と、その上および下流側のホルダを持つ。両ホルダは外部空気圧縮手段を、留め金を用いて作動媒体の通流路上に支持する。そのため、上、下流側周辺領域と両周辺領域間に位置する中央領域への、空気圧縮手段の構造的３分割を行う。冷却空気による外部空気圧縮手段の冷却のため、まず中央領域で衝突冷却を行う。その際、冷却空気をガスタービン駆動装置の圧縮機から分岐する。ホルダにより冷却空気に直接には影響されない周辺領域は、周辺領域の衝突冷却を可能とすべく、全冷却空気の一部をホルダを経て案内する。そこで冷却空気を自らの外部空気圧縮手段の上、下流側の両周辺領域に案内すべく、ホルダを通して配分孔を延ばしている。
【０００４】
ドイツ国特許第１９７３３１４８号明細書は、第１静翼と第１動翼を有するガスタービンの第１段を冷却空気で冷却する冷却装置を開示する。第１静翼は高温作動流体、即ち高温ガスを流す通流路を画定する壁部材を意味する台座を備える。第１静翼の台座に、第１空間と、通流方向でそれを画定する第２空間が存在する。これら両空間の間に、静翼の台座に組み込まれる壁を配置している。第１空間に、第１冷却空気供給源から第１冷却空気導管を経て第１冷却空気流を供給する。第１冷却空気流を台座を貫通して導き、ガスタービンの第１段を経て通流路に放出する。同様に第２空間に第２冷却空気供給源から第２冷却空気導管を経て第２冷却空気流を供給し、それを更に第１段の台座を経て通流路に放出する。その際、第１冷却空気供給源を第１圧力の圧縮機終端空気で駆動し、第２冷却空気供給源を圧縮機から取出した第２圧力を持つ圧縮機空気で駆動する。該第２圧力は第１圧力より低い。かくして静翼を、異なる圧力を持つ独立の冷却媒体流で冷却する。
【０００５】
国際公開第００／６０２１９号パンフレットは、第１壁部材と該部材を軸心方向に制限する第２壁部材を持ち、冷却可能な装置を備えた流体機械、特にガスタービンと、第１壁部材と該部材を画定する第２壁部材を持つ流体機械装置の冷却方法とを開示する。その際、壁部材を冷却媒体、特に圧縮機からの冷却空気で冷却する。冷却媒体は第１壁部材の衝突冷却後、第２壁部材の冷却のために更に用いる。こうすることで、冷却のため冷却媒体を多重利用し、ガスタービンへの冷却媒体の使用量を減少できる利点が生じる。
【０００６】
本発明の課題は、公知の冷却方法に比べて冷却効率を向上させ、もってガスタービンの効率向上を達成し得るガスタービンの冷却方法を提供することである。本発明の更なる課題は、特に上記冷却方法を実施可能とするガスタービン設備を提供することである。
【０００７】
本発明は上記課題を、ガスタービンに前置した圧縮機から圧縮空気を取出し、ガスタービンに冷却空気として導入するガスタービンの冷却方法において、圧縮空気を熱交換器内で空気流にて冷却し、冷却した圧縮空気をガスタービンに導入することで解決する。
【０００８】
本発明は、従来通常のガスタービンの冷却方法では、熱的に大きな負担がかかるガスタービンの構造部品の冷却用に圧縮機から取出した圧縮空気を取り入れる際、冷却効率に関し欠点が生ずるとの認識から出発する。ガスタービンの運転時、特にガスタービンの翼と燃焼室を冷却せねばならない。冷却用の冷却空気の温度は、圧縮プロセスにより調節される値を持っている。それは通常ガスタービンチップに応じ約３３０〜４２０℃である。かくして圧縮機から取出した圧縮空気を、比較的高い温度をもってガスタービンの臨界的領域用の冷却空気として用いる。またタービンに向かう前に圧縮機から冷却空気を取出すことでガスのマスフローが減少し、その結果ガスタービンの効率が僅かに低下する。高効率を達成するには、通常高温ガスのタービン入口温度を高めねばならない。ガスタービンの前でガス温度を高めるには、大量の冷却空気が必要である。その結果として生じる効率低下を補うべく、冷却過程を改善ないし最適化せねばならなくなる。
【０００９】
本発明は、ガスタービンの冷却を改善し、もってガスタービンの高効率を達成すべく、全く他の方法を用いる。即ち、圧縮機から取出し、冷却のために冷却空気としてガスタービンに導入する圧縮空気を、従来普通に行われているものとは異なり、比較的高温では導入しないようにする。むしろ圧縮空気を圧縮機から取出した後で冷却する。その際、冷却は空気流との熱交換で行う。熱交換で冷却した圧縮空気を、その後ガスタービンに冷却のために導入する。好ましいことには、冷却空気量、即ち冷却空気マスフローを減少させ、又はタービンを駆動する高温ガスのタービン入口温度を高めることなしに、通常の冷却方法に対し相当低い温度の冷却空気が実現可能になる。両手段はガスタービンの効率を向上させ、具体的には１％以上の効率向上を達成できる。
【００１０】
空気流を流体技術的に圧縮空気と無関係に導くとよい。空気流と、圧縮機から取出し圧縮した空気流とを互いに分離して導き、そのマスフローを調節する。熱交換時、空気／空気熱交換を行い、熱交換プロセスの際、圧縮空気と空気流とを相互作用させる。それにより圧縮機からの圧縮空気を冷却し、空気流をそれに応じて加熱する。
【００１１】
圧縮空気を熱交換器内で１２０〜１５０℃、特に１３０〜１４０℃に冷却するとよい。この冷却した圧縮空気を、冷却空気としてガスタービンの冷却に用いる。その際、従来の冷却方法に比し明らかに低い冷却空気温度とする。比較的低温の冷却空気により、大量の熱を衝突の際にガスタービンの熱的に高負荷状態の構造部品から取り去り、ガスタービンから放出させる。用いる冷却空気マスフローに関し、高い冷却効率を達成できる。
【００１２】
熱交換のため、９０〜１１５℃、特に１００〜１１０℃の空気を導入するとよい。
【００１３】
更に熱交換のため２〜３ｂａｒ、特に２〜２．５ｂａｒの最高圧力を持つ空気を用いるとよい。空気流の温度と圧力を調整することで、圧縮空気との熱交換時に圧縮空気の所望の冷却が可能になり、冷却空気の温度を調節できる。空気流は例えば圧縮機と無関係に、ガスタービンに予め設けた空気圧縮機の適当な段から取出すことができる。
【００１４】
特に好ましい構成では、熱交換時に加熱した空気流を空気タービンに導入し、そこで仕事をすべく膨張させる。その結果、熱交換で加熱した空気流のエネルギを更なるエネルギ発生のために再利用可能と言う顕著な効果が生ずる。その際、空気タービンを発電機に結合することで、付加的に電気エネルギが生ずる。空気タービンは、同時に圧縮した空気の冷却のために空気流を取出す空気圧縮機を駆動すべく利用できる。この特に有利な冷却方法では、熱交換プロセスで得た圧縮空気の廃熱を、利用エネルギの更なる生成に用いる。熱交換プロセスでは、圧縮した空気を冷却し、空気タービンの空気流を加熱する。かくして加熱した空気流を空気タービンに導き、そこで膨張させて機械的又は電気的なエネルギを発生する。典型的には熱交換プロセスで約１３０〜１４０℃に冷却した圧縮空気を冷却空気としてガスタービンに導入する。空気タービンの駆動のために加熱した空気流の利用は付加的なエネルギを生じ、そのことはまた効率の更なる向上に寄与する。
【００１５】
ガスタービン設備に関する課題は、本発明により、ガスタービンと、これに前置された圧縮機を備え、圧縮機から少なくとも１つの冷却空気導管が分岐し、圧縮機で圧縮された空気が冷却空気導管を経て取出され、ガスタービンに冷却空気として導入されるガスタービン設備、特に上述の方法を実施するためのガスタービン設備において、冷却空気導管内に空気／空気熱交換器の一次側が接続され、その二次側に導管が接続され、この導管を経て熱交換器を空気流が通流することにより達成される。
【００１６】
ガスタービン設備のこの新規な回路思想で、ガスタービンの熱的に大負荷が加わる構造部品の特に効率的な冷却が行える。ガスタービンに前置した圧縮機から取出した圧縮空気を空気／空気熱交換器の一次側で冷却する。空気／空気熱交換器の二次側に導管を経て通流する空気流は圧縮空気の熱を奪い取り、その結果空気流の温度が高まる。
【００１７】
好ましい構成では、熱交換器の上流側で空気流の取出しのための導管を空気圧縮機の取出し部に接続する。
【００１８】
その場合、空気圧縮機は、好ましくはガスタービンに前置した圧縮機とは無関係に空気流の準備に役立つ空気圧縮機である。空気流の取出し部は、空気流の所望の圧力と温度レベルに応じ選択可能である。
【００１９】
特に好ましい構成では、導管を熱交換器の下流側で空気圧縮機の後段に接続した空気タービンに連通させる。かくして熱交換器で加熱した空気流を空気タービンの駆動に利用可能になり、例えば空気タービンが発電機を駆動する等により、付加的にエネルギ発生が可能になる。その際空気タービンは、好ましくは空気圧縮機をも駆動し、該圧縮機から、ガスタービンの圧縮機からの圧縮された空気を冷却すべく空気流を取出す。
【００２０】
冷却空気導管の一次側に複数、例えば２台の空気／空気熱交換器を設け、二次側に１つの導管を接続してもよい。例えば第１冷却空気導管をガスタービンの圧縮機の第１圧力段から分岐させ、第２冷却空気導管を第１圧力段とは異なる第２圧力段から分岐させる。それに応じ、第１導管を空気タービンに属する空気圧縮機の第１段で分岐させ、第２導管は空気圧縮機の第２段で分岐させる。その際、第１冷却空気導管と第１導管は第１空気／空気熱交換器に接続し、第２冷却空気導管と第２導管は第２空気／空気熱交換器に接続し、もって異なる圧力と温度レベルの少なくとも一方の冷却空気をガスタービンの冷却のために利用可能になる。この回路思想により、特に効率的で、ガスタービンの冷却上の要求に適合する衝突作用を冷却空気で達成できる。
【００２１】
このガスタービン設備の更なる利点は、ガスタービンの冷却方法の上述の利点と同様にして得ることができる。
【００２２】
ガスタービンの冷却方法とガスタービン設備を、図面に例示的に示す実施例を参照して詳細に説明する。なお、図は概略的かつ単純化して部分的に示す。
【００２３】
図１および２において、同一符号は各々同一構成部分を示している。
【００２４】
図１はガスタービン１の上半分を側面断面図で示す。ガスタービン１は燃焼空気用圧縮機３、液体燃料又はガス燃料用バーナ７を有する燃焼室５、圧縮機３を駆動するためのタービン９および図１に示さない発電機を備える。タービン９に、ガスタービン１の回転軸１９に沿って各々放射方向に延び、上半分の断面図内に概略的に示す境界上で、固定配置の静翼１１と回転する動翼１３とを配置している。回転軸１９に沿って前後に隣接配置した一対の静翼１１の環（静翼環）と動翼１３の環（動翼環）をタービン段として示す。各静翼１１は当該静翼１１を内部タービンケーシング２３に固定すべく配置した台座１７を備える。台座１７はタービン９内の壁部材である。台座１７は熱的な大負荷がかかる構成部分であり、高温の作動流体Ａの、特にタービン９内の高温ガス通路２５の外側境界部を形成する。動翼１３はガスタービン１の回転軸１９に沿って配置したタービンロータに、そして導環１５は軸方向に間隔をおいて隣接配置した２つの静翼１１間に、ガスタービン１内の壁部材として各々配置している。導環１５と静翼１１の台座１７は、各々ガスタービン１の運転時に高温の作動流体Ａ、特に高温ガスに曝される高温側２９を備える。導環１５の高温側２９は、動翼１３の外周端２１に放射方向の空隙を経て対向している。
【００２５】
静翼１１の台座１７とそれに軸方向に隣接する導環１５は、各々冷却媒体Ｋで冷却される壁部材である。ガスタービン１の運転中、周囲から新鮮な空気Ｌを吸い込んで圧縮機３内で圧縮し、かつ予熱する。空気Ｌは燃焼室５内で液体又はガス状の燃料と混合し燃焼させる。圧縮機３の前で取出し部から取出した空気Ｌの一部をタービン９、特にタービン段冷却用の冷却空気Ｋとして用いる。その際、例えば約７５０〜１２００℃のタービン流入温度を持つ第１タービン段を高温の作動流体Ａ、即ち高温ガスで駆動する。タービン９内でタービン段を経て通流する高温作動流体Ａ、特に高温ガスの膨張と冷却作用が起る。
【００２６】
図２は本発明によるガスタービン設備３１の系統図を示す。この設備３１はガスタービン１を備える。ガスタービン１はタービン９と、その入力段に配置された圧縮機３並びに燃料を燃焼させる燃焼室５を含む。ガスタービン設備３１は、更に空気タービン３５並びにそれに付設されその入力側に配置された空気圧縮機３３を含む。ガスタービン１、空気タービン３５および空気圧縮機３３は、共通の軸５１上に配置してある。電気エネルギを発生するためにガスタービン設備３１は、軸５１を経て駆動される発電機３７を備える。圧縮機３から冷却空気導管３９が冷却空気取り入れ部６１の所で分岐する。他の冷却空気導管４１が圧縮機３の他の冷却空気取り入れ部６３から分岐する。
【００２７】
空気タービン３５に付属の空気圧縮機３３から、導管４７と第２導管４９が分岐する。導管４７を取出し部５３に、導管４９を空気圧縮機３３の取出し部５５に各々接続している。冷却空気導管３９、４１に空気／空気熱交換器４３、４５の一次側を、そして熱交換器４３、４５の二次側を導管４７、４９に接続しており、該導管を経て熱交換器４３、４５に空気流Ｓ₁、Ｓ₂が通流する。空気流Ｓ₁、Ｓ₂を取出すべく、空気流Ｓ₁、Ｓ₂の通流方向に見て熱交換器４３、４５の上流側で、導管４７、４９を空気圧縮機３３の各々の取出し部５３、５５に接続している。導管４７、４９は、熱交換器４３、４５の下流側で空気圧縮機３３の後段に配置した空気タービン３５に、そして圧縮空気Ｋ₁、Ｋ₂の通流方向で、熱交換器４３、４５の下流側にタービン９内の冷却空気導管３９、４１が各々連通している。この結果ガスタービン１の熱的に負荷される領域６５、６７を冷却できる。
【００２８】
冷却空気導管３９を圧縮機３の最高圧縮機段に配置している。この結果冷却空気取出し部６１を経て対応する高圧縮空気Ｋ₁を取出せる。冷却空気導管３９から導管５７が分岐し、燃焼室５に延びている。液状又はガス状燃料の燃焼のため、分岐導管５７を経て燃焼用空気を燃焼室５に導入する。燃焼後、高温の燃料ガスをタービン９に送る。その際、例えば約７５０〜１２００℃のタービン入口温度を持つ第１タービン段が衝撃を受ける。タービン９では、タービン段を経て流れる高温ガスの膨張と冷却が起る（図１参照）。
【００２９】
ガスタービン１の運転中、新鮮空気Ｌを周囲から吸い込む。該空気Ｌを圧縮機３で圧縮し、同時に予熱する。圧縮機内で圧縮した空気Ｋ₁、Ｋ₂を、圧縮機３の冷却空気取出し部６１、６３から取出す。ここで冷却空気取出し部６３は、空気Ｌのより少ない圧縮に対応する。圧縮空気Ｋ₁、Ｋ₂を、冷却空気導管３９、４１を経て熱交換器４３、４５の一次側に送る。圧縮空気Ｋ₁、Ｋ₂を熱交換器４３、４５内で、空気流Ｓ₁、Ｓ₂により冷却する。次に、冷却した圧縮空気Ｋ₁′、Ｋ₂′をガスタービン１に、熱的に負荷される領域６５、６７の冷却のために導入する。空気／空気熱交換器４３、４５の一次側に導入した空気流Ｓ₁、Ｓ₂を、熱交換器内の熱交換プロセスで加熱する。加熱した空気流Ｓ₁′、Ｓ₂′を空気タービン３５に導入し、そこで仕事をさせるべく膨張させる。
【００３０】
本発明は、特にガスタービン１を含むガスタービン設備３１内に空気タービン３５と空気／空気熱交換器４３、４５を接続することを特徴とする。その際、空気タービン３５に空気圧縮機３３を付設するとよく、そこで圧縮した空気流Ｓ₁、Ｓ₂を熱交換器４３、４５の二次側に導く。空気圧縮機３３から取出す空気流Ｓ₁、Ｓ₂の最高圧力は、典型的には約２〜２．５ｂａｒである。熱交換プロセス前の空気流Ｓ₁、Ｓ₂の温度は、例えば１００〜１１０℃である。ガスタービン１の圧縮機３からの圧縮空気Ｋ₁、Ｋ₂を熱交換器４３、４５内で冷却し、空気流Ｓ₁、Ｓ₂を加熱する。かくして加熱した空気流Ｓ₁′、Ｓ₂′を空気タービン３５に導入して膨張させ、機械的又は電気的なエネルギを、空気タービン３５に結合した発電機３７を経て発生する。約１２０〜１５０℃に冷却した圧縮空気Ｋ₁′、Ｋ₂′を、各冷却空気導管３９、４１を経てタービン９に冷却のために送る。
【００３１】
本発明によれば、ガスタービン１の冷却のために用いる冷却空気Ｋ₁′、Ｋ₂′の実質的な低温化が達成される。その結果、一方では冷却空気、即ち圧縮機３から取出す冷却空気マスフローの使用量を減少でき、他方ではタービン９への高温ガスの流入温度を高めることができる。両手段はガスタービン設備３１の効率向上を可能にする効果がある。付加的に、空気タービン３５内で発生するエネルギがそれ自体、効率向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】圧縮機、燃焼室およびタービンを有するガスタービンの上半分を示す側断面図である。
【図２】本発明によるガスタービン設備の系統図である。
【符号の説明】
【００３３】
１ ガスタービン、３ 圧縮機、５ 燃焼室、７ バーナ、９ タービン、１１ 静翼、１３ 動翼、１５ 導環、１７ 台座、１９ 回転軸、２１ 動翼の外周部、２３ 内部タービンケーシング、２５ 高温ガス通路、２９ 高温側、３１ ガスタービン設備、３３ 空気圧縮機、３５ 空気タービン、３７ 発電機、３９、４１ 冷却空気導管、４３、４５ 空気／空気熱交換器、４７、４９ 導管、５１ 軸、５３、５５ 取出し部、６１、６３ 冷却空気取り入れ部、６５、６７ 熱的に負荷される領域

Claims (9)

1. ガスタービン（１）に前置した圧縮機（３）から圧縮空気（Ｋ₁、Ｋ₂）を取出し、ガスタービン（１）に冷却空気として導入するガスタービン（１）の冷却方法において、
   前記圧縮空気（Ｋ₁、Ｋ₂）を熱交換器内で空気流（Ｓ₁、Ｓ₂）により冷却し、冷却し圧縮空気（Ｋ₁、Ｋ₂）を前記ガスタービン（１）に冷却のために導入することを特徴とする方法。
2. 前記空気流（Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₁′、Ｓ₂′）を流体技術的に前記圧縮空気とは無関係に導くことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記圧縮空気（Ｋ₁、Ｋ₂）を熱交換器内で１２０〜１５０℃、特に１３０〜１４０℃に冷却することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 熱交換のために９０〜１１５℃、特に１００〜１１０℃の温度の空気流（Ｓ₁、Ｓ₂）を導入することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 熱交換のために２〜３ｂａｒ、特に２〜２．５ｂａｒの最高圧力を持つ空気流（Ｓ₁、Ｓ₂）を用いることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 熱交換に際して加熱した空気流（Ｓ₁、Ｓ₂）を空気タービン（３５）に導入し、そこで仕事をすべく膨張させることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. ガスタービン（１）と前記ガスタービン（１）に前置された圧縮機（３）を備え、該圧縮機（３）から少なくとも１つの冷却空気導管（３９、４１）が分岐され、前記圧縮機で圧縮された空気（Ｋ₁、Ｋ₂）が前記冷却空気導管を経て取出され、ガスタービンに冷却空気（Ｋ）として導入されるガスタービン設備、特に請求項１から６の１つに記載の方法を実施するためのガスタービン設備において、
   前記冷却空気導管（３９、４１）内に空気／空気熱交換器（４３、４５）の一次側が接続され、その二次側に導管（４７、４９）が接続され、該導管を経て前記熱交換器を空気流（Ｓ₁、Ｓ₂）が通流することを特徴とするガスタービン設備。
8. 前記熱交換器の上流側で、前記空気流（Ｓ₁、Ｓ₂）の取出しのため前記導管（４７、４９）が空気圧縮機（３３）の取出し部（５３、５５）に接続されたことを特徴とする請求項７記載の設備。
9. 前記導管（４７、４９）が熱交換器の下流側で前記空気圧縮機（３３）の後段に接続された空気タービン（３５）に連通することを特徴とする請求項７又は８記載の設備。