JP2005083199A - ガスタービン設備及び冷却空気供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気プレナムの冷却用に抽気する圧縮空気量を低減することができ、エネルギー効率を向上させることができるガスタービン設備及び冷却空気供給方法を提供する。
【解決手段】タービン３の下流側に接続した外周側ケーシング１０ａ及び内周側ケーシング１０ｂからなる排気ケーシング１０、及び、外周側ケーシング１０ａ及び内周側ケーシング１０ｂの間に設けられた外周側ディフューザ１１ａ及び内周側ディフューザ１１ｂからなる排気ディフューザ１１を有する排気プレナム８と、この排気プレナム８を冷却する冷却空気を、外周側ディフューザ１１ａよりも外周側から導く第一冷却系統３７と、排気プレナム８を冷却する冷却空気を内周側ディフューザ１１ｂよりも内周側から導く第二冷却系統４０とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧縮空気を燃焼とともに燃焼して得た燃焼ガスによって回転動力を得るガスタービン設備に係り、特にタービンの下流側に排気プレナムを有するガスタービン設備及びその冷却空気供給方法に関する。

ガスタービンのタービン部においては、最も高温に晒されるタービン冷却翼のみならず、その殆ど全ての構成部材が冷却対象となる。例えば、一般に、主流ガスの静圧を回復させるために、タービンの燃焼ガス出口に接続した二重管構造の排気ディフューザを用いるが、この排気ディフューザを含む排気プレナムも冷却対象の一つである。通常、排気プレナムは、排気ディフューザや、この排気ディフューザを覆うように設けた内外周の排気ケーシング、これら内外周の排気ケーシングを連結するストラット、このストラットを覆うように内外周の排気ディフューザを連結するストラットカバー等によって構成される。この排気プレナムの冷却については、外周側排気ケーシングと外周側ディフューザの間に、圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却媒体として供給し、これをさらにストラット及びストラットカバーの間の空間を介して、内周側排気ケーシングと内周側ディフューザの間に導く方法が一般的である（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００１−１８２５０３号公報

ここで、ガスタービンの高効率化は、要素性能の向上は勿論のこと、作動ガスの高温化に歩調を合わせて為されてきた。しかしながら、近年、作動ガスの高温化に伴い、上記の排気プレナムやタービン冷却翼等といった高温要素部材の冷却に多くの圧縮空気を消費しなければならなくなり、これ以上作動ガスの高温化を図っても、却ってガスタービンの高効率化という本来の目的に反するところにまで達してきている。但し、高温要素部材に高級耐熱材料を多用することによって、更なる作動ガスの高温化に対応することは可能であるが、この場合、製作コストが著しく高騰するため、実質的には実現困難である。したがって、冷却用に消費される圧縮空気の割合をいかに少なくして十分な冷却性能を確保するかが、今後のガスタービンの開発において極めて重要である。

本発明の目的は、上記の事情に鑑みて為されたものであり、排気プレナムの冷却用に抽気する圧縮空気量を低減することができ、エネルギー効率を向上させることができるガスタービン設備及び冷却空気供給方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明のガスタービン設備は、タービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシング、及び、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなり前記タービンの燃焼ガス出口に接続して前記タービンからの燃焼ガスの静圧を回復させる排気ディフューザを有する排気プレナムと、この排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記外周側ディフューザよりも外周側から導く第一冷却系統と、前記排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記内周側ディフューザよりも内周側から導く第二冷却系統とを備えたことを特徴とする。

（２）上記目的を達成するために、また本発明は、吸気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスによりタービンロータの回転動力を得るタービンと、このタービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシングと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなり、前記タービンの燃焼ガス出口に接続して前記タービンからの燃焼ガスの静圧を回復させる排気ディフューザと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングを連結するストラットと、このストラットを覆うように、前記外周側ディフューザ及び内周側ディフューザを連結するストラットカバーと、前記圧縮機から抽気した冷却空気を、前記外周側ケーシング及び前記外周側ディフューザの間の空間に取り入れ、前記ストラット及び前記ストラットカバーの間の空間を介して、前記内周側ディフューザの内周側に導く第一冷却系統と、この第一冷却系統と区画されるとともに、前記内周側ケーシングを冷却する冷却空気として、前記内周側ディフューザよりも内周側から大気を導く第二冷却系統とを備えたことを特徴とする。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記第一及び第二冷却系統の少なくともいずれかは、前記タービンの最終段ホイールスペース又は前記タービンのガスパスに接続している。

（４）上記（１）において、また好ましくは、前記第一及び第二冷却系統は、合流している。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記第一冷却系統の前記第二冷却系統との合流部よりも上流位置に、冷却空気の逆流を防止する逆流防止手段を備える。

（６）上記（１）において、また好ましくは、前記第一及び第二冷却系統は、互いに独立している。

（７）上記（１）において、また好ましくは、前記内周側ディフューザ及び前記内周側ケーシングの間に、前記第一及び第二冷却系統を区画する隔壁を設ける。

（８）上記（７）において、好ましくは、前記隔壁は、冷却空気の流れ方向下流側端部が、前記内周側ケーシングに固定され封止されている。

（９）上記（１）において、また好ましくは、前記第二冷却系統は、前記内周側ケーシングの壁内に周方向に複数設けた壁内流路を経由する。

（１０）上記（１）において、また好ましくは、前記内周側ケーシングの内周側に、この内周側ケーシングとの間に前記第二冷却系統を形成する仕切り板を設ける。

（１１）上記目的を達成するために、また本発明は、タービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシングと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなる排気ディフューザとを有する排気プレナムを備えたガスタービン設備の冷却空気供給方法において、前記排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記外周側ディフューザよりも外周側から供給すると同時に、前記内周側ディフューザよりも内周側からも供給する。

（１２）また、上記目的を達成するために、本発明は、タービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシングと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなる排気ディフューザと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングを連結するストラットと、このストラットを覆うように、前記外周側ディフューザ及び内周側ディフューザを連結するストラットカバーとを有する排気プレナムを備えたガスタービン設備の冷却空気供給方法において、前記排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記外周側ケーシング及び前記外周側ディフューザの間の空間から、前記ストラット及び前記ストラットカバーの間の空間を介して、前記内周側ディフューザの内周側に導くと同時に、前記内周側ディフューザよりも内周側から大気を導く。

本発明によれば、内周側ディフューザよりも内周側の空間から大気を導く第二冷却系統を設けたことによって、排気プレナムの冷却用に抽気する圧縮空気量を大幅に低減することができ、エネルギー効率を向上させることができる。また、大気圧レベルの冷却空気を使用できるため、冷却空気の供給圧をも低減できる。

以下、本発明のガスタービン設備の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明を適用するガスタービン設備の一例の概念図である。なお、以下の説明において、各図中の左側を前側、右側を後側と適宜記載する。
図１に示したガスタービン設備は、主として、吸気ａを圧縮して燃焼用の圧縮空気ｂを得る圧縮機１と、この圧縮機１からの圧縮空気ｂを燃料とともに燃焼して高温高圧の燃焼ガスｃを発生させる燃焼器２と、この燃焼器２からの燃焼ガスｃによってロータの回転動力を得るタービン３とを備えている。タービン３は、１軸でも２軸でも構わないが、以下の説明では、２軸のものを例に挙げて説明する。

タービン３の高圧タービンロータ（図示せず）は、圧縮機１のロータ（図示せず）に中間軸４を介して連結しており、燃焼器２からの燃焼ガスｃの流体エネルギーを回転エネルギーに変換し、この回転エネルギーを圧縮機ロータに伝達して圧縮機１を駆動させる。一方、タービン３の低圧タービンロータ（後の図２参照）は、連結軸５を介して発電機６に連結しており、燃焼器２からの燃焼ガスｃの流体エネルギーを回転エネルギーに変換し、この回転エネルギーを発電機６に伝達して発電させる。タービン３から排出される燃焼ガス（排気ガス）ｄは、図示しない煙突を介し大気放出される。

また、圧縮機１によって精製される圧縮空気ｂの一部は、冷却翼冷却空気ｅや後述する排気プレナムの外周側供給冷却空気ｆとして抽気され、それぞれ高温要素部材であるタービン３の静翼及び動翼（後の図２参照）や、排気プレナム（後の図２等参照）等に供給されるようになっている。同時に、排気プレナムの内周側の軸受スペース（図２参照）には、別途設けた換気ファン７によって、軸受冷却空気ｇとして大気が供給されるようになっている。

図２は、本発明のガスタービン設備の第一実施形態に備えられた上記排気プレナムの周辺構造を示す断面図である。
図２に示すように、排気プレナム８は、主として、低圧タービン９の下流側に連結された外周側ケーシング１０ａ及び内周側ケーシング１０ｂからなる排気ケーシング１０と、この排気ケーシング１０のケーシング１０ａ，１０ｂ間に設けられ、タービンの燃焼ガス出口に接続した外周側ディフューザ１１ａ及び内周側ディフューザ１１ｂからなる排気ディフューザ１１と、ケーシング１０ａ，１０ｂを連結するストラット１２と、このストラット１２を覆うようにディフューザ１１ａ，１１ｂを連結したストラットカバー１３とで構成されている。本例において、内周側ケーシング１０ｂは、ストラット１２の設置位置よりも後方側（図２中右側）にまで延在しているが、この限りではない。外周側ディフューザ１１ａ、内周側ディフューザ１１ｂ、及びストラットカバー１３には、ガスパスの最終段出口位置１４における燃焼ガス温度に対し、無冷却でも十分に耐え得る材料が選定されている。

低圧タービン９の最終段動翼１５を装着した低圧タービンロータの最終段ホイール１６の後方には、低圧段ロータ１７が連結されている。この低圧段ロータ１７は、軸受ハウジング１８に装着されたジャーナル軸受１９ａ，１９ｂ及びスラスト軸受２０によって回転自在に支持されている。軸受ハウジング１８は、図示しない支持部材を介し内周側ケーシング１０ｂに支持されている。また、最終段ホイール１６、低圧段ロータ１７、及び軸受ハウジング１８は、上記内周側ケーシング１０ｂ等とともに最終段ホイールスペース２１を画定している。更に、内周側ケーシング１０ｂ、内周側ディフューザ１１ｂ、及び軸受ハウジング１８で画定される上記軸受スペース２２は、後方の仕切り板２３によってほぼ密閉されている。この仕切り板２３には、前述した軸受冷却空気ｇを、軸受スペース２２内に導入するための導入孔２４が設けられている。

図３は、本発明のガスタービン設備の第１実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。但し、この図３において、先の図２と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図３において、内周側ケーシング１０ｂ及び内周側ディフューザ１１ｂの間には、後述する第一及び第二冷却系統を区画する環状の隔壁２６が設けられている。この隔壁２６は、固定具２５によって内周側ケーシング１０ｂの外周側に固定されており、この隔壁２６によって、内周側ケーシング１０ｂと内周側ディフューザ１１ｂとの間の空間を、内周側ディフューザスペース２７及び内周側ケーシングスペース２８の２つの空間に区画している。隔壁２６の軸方向の前方側終端２６ａは、内周側ケーシング１０ｂに溶接によって固定され封止されている。一方、隔壁２６の後方側終端２６ｂは、内周側ケーシング１０ｂに設けたスライド溝２９に対し、軸方向にスライド可能に嵌合している。

外周側ケーシング１０ａにおける上流側の部分には、外周側ケーシング１０ａと外周側ディフューザ１１ａとの間に形成された外周側ケーシングスペース３０に、上記外周側供給冷却空気ｆを導入するための冷却供給孔３１が設けられている。外周側ケーシングスペース３０の後端は、外周側ケーシング１０ａと外周側ディフューザ１１ａの間に設けられたシールフィン３２によって密閉されている。また、外周側ケーシングスペース３０は、ストラット１２とストラットカバー１３との間に形成されたストラット間スペース３３を介し、隔壁２６と内周側ディフューザ１１ｂとの間に形成された前述の内周側ディフューザスペース２７に接続している。

内周側ケーシング１０ｂにおける前方側終端２６ａよりも前方側の部分には、冷却空気の逆流防止手段としての第１の絞り部（第１排出孔）３４が設けられている。この第１排出孔３４は、内周側ケーシング１０ｂの内部に形成された空気チャンバー３５に接続している。また、空気チャンバー３５は、内周側ケーシング１０ｂの前端部に設けた第２の絞り部である第２排出孔３６を介し、上記最終段ホイールスペース２１に接続している。このようにして、冷却供給孔３１→外周側ケーシングスペース３０→ストラット間スペース３３→内周側ディフューザスペース２７→第１排出孔３４→空気チャンバー３５→第２排出孔３６という経路によって、排気プレナム８の冷却空気として、圧縮機１から抽気した排気プレナム８の冷却空気を外周側ディフューザ１１ａよりも外周側から導く第一冷却系統３７が形成されている。

一方、内周側ケーシング１０ｂの後端部近傍には、内周側ケーシング１０ｂと内周側ディフューザ１１ｂとの間に形成された前述の内周側ケーシングスペース２８に、内周側供給冷却空気ｈを導入するための吸入口３８が設けられている。内周側ケーシングスペース２８は、内周側ケーシング１０ｂにおける前方側終端２６ａよりも後方側の部分に設けられた絞り部である第３排出孔３９を介して、上記空気チャンバー３５に接続している。このようにして、吸入口３８→内周側ケーシングスペース２８→空気チャンバー３５→第２排出孔３６という経路によって、排気プレナム８の冷却空気として、軸受スペース２２内に導入された大気を内周側ディフューザ１１ｂよりも内周側から導く第二冷却系統４０が形成されている。なお、本例では、第一及び第二冷却系統３７，４０が空気チャンバー３５で合流するが、第一冷却系統３７における第二冷却系統４０との合流部（空気チャンバー３５）よりも上流位置に、逆流防止手段としての上記第１排出孔３４を設け、この第１排出孔３４の前後に生じる差圧によって、第一冷却系統３７からの冷却空気が第二冷却系統４０に進入することを防止するようになっている。

上記構成の本実施形態のガスタービン設備において、運転中、燃焼器２で発生する高温高圧の作動ガス（燃焼ガス）は、一般に、約２ＭＰａ、１４００℃程度でタービン３の第１段静翼に流入し、各段でタービン仕事をしながら圧力及び温度を低下させ、約６００℃で最終段動翼１５を通過する。この最終段出口位置１４では、燃焼ガスの静圧は負圧（例えば、０．０９ＭＰａ程度）まで低下しており、外周側ディフューザ１１ａと内周側ディフューザ１１ｂの間を通過することで、出口に向かうにつれて大気圧まで回復していく。

このとき、圧縮機１で得られる圧縮空気の一部は、外周側供給冷却空気ｆとして抽気され、例えば０．１１ＭＰａ程度の圧力で冷却供給孔３１に導入される。この冷却供給孔３１に導入された圧縮空気は、その後、第一冷却系統３７を通過するに際し、外周側ディフューザ１１ａ、ストラットカバー１３、及び内周側ディフューザ１１ｂと熱交換して温度上昇すると同時に、更に外周側ケーシング１０ａ、ストラット１２、及び隔壁２６と熱交換し、これら外周側ケーシング１０ａ、ストラット１２、及び隔壁２６のメタル温度を、それぞれほぼ一定の温度まで上昇させる。この冷却空気は、さらに、第１排出孔３４を介し、例えば０．１ＭＰａ程度の圧力で空気チャンバー３５に流入し、前述のように第２排出孔３６を介して最終段ホイールスペース２１に放出され、この最終段ホイールスペース２１のシール空気として再利用される。

一方、軸受スペース２２には、冷却ファン７によって、常温の低圧空気（大気）が、ほぼ大気圧レベル（例えば、０．１０３３ＭＰａ程度）の圧力で、軸受冷却空気ｇとして送り込まれる。この軸受冷却空気ｇが供給されることによって、軸受スペース２２の雰囲気温度が、例えば百数十℃程度になる。また、この軸受冷却空気ｇは、＃１ジャーナル軸受１９ａと＃２ジャーナル軸受１９ｂの潤滑油の飛散を防止するシール空気として機能する。

このとき、空気チャンバー３５の内部圧力は、前述の通り、最終段ホイールスペース２１、換言すれば、最終段出口位置１４の圧力と同程度であり、その圧力は前述したように軸受スペース２２内の雰囲気（軸受冷却空気ｇ）に対して低圧となっている。そのため、軸受スペース２２内の雰囲気は、空気チャンバー３５との圧力差によって、内周側供給冷却空気ｈとして、吸入口３８から第二冷却系統４０に吸入される。この内周側供給冷却空気ｈは、第二冷却系統４０を通過する際、隔壁２６と熱交換して温度上昇する一方、内周側ケーシング１０ｂと熱交換することによって、内周側ケーシング１０ｂのメタル温度をほぼ一定の温度まで上昇させる。その後、第３排出孔３９を経て、空気チャンバー３５に流入しここで第一冷却系統３７を流れる冷却空気に合流し、第一冷却系統３７の冷却空気とともに、前述のように、第２排出孔３６を介して最終段ホイールスペース２１のシール空気として再利用される。

本実施形態によって得られる作用効果を以下に順次説明していく。
本実施形態においては、上記の如く、排気ディフューザ１１の外周側から冷却空気を導く第一冷却系統３７に加え、排気ディフューザ１１の内周側から冷却空気を導く第二冷却系統４０を備えている。この第二冷却系統４０においては、運転中、最終段出口位置１４や最終段ホイールスペース２１が負圧状態となることを利用して、軸受スペース２２内に送り込まれた大気を引き込み、冷却空気として有効活用している。軸受スペース２２内の雰囲気は、昇圧のためにガスタービンのエネルギーが投入された圧縮機１の圧縮空気に比べて、エネルギーがほとんど投入されておらず、しかも低温であり、十分な冷却効果が期待できる。そのため、この第二冷却系統４０を設けたことで、第二冷却系統４０を流れる冷却空気による冷却効果の分だけ、第一冷却系統３７を流れる冷却空気量を削減することができ、冷却用に使用する圧縮機１の圧縮空気の消費量を大幅に削減することができる。

また、第一冷却系統３７を流れる冷却空気と熱交換することにより、外周側ケーシング１０ａとストラット１２のメタル温度は、材料の許容温度内にあることは勿論であるが、２００℃程度の温度差で均衡する。同様に、第二冷却系統４０を流れる冷却空気と熱交換することによって、内周側ケーシング１０ｂ及びストラット１２のメタル温度差も、百数十℃程度の温度差で均衡する。

上記のように、排気ケーシング１０及びストラット１２のメタル温度差を極力小さくすることができ、これら各部材間での過多な熱応力の発生を抑制することができる。また、これによって内周側ケーシング１０ｂのメタル温度を均一化し熱変形を抑制することができるので、この内周側ケーシング１０ｂに支持された軸受ケーシング１８が熱変形によって偏心することを抑制することができる。したがって、軸受ケーシング１８と低圧段ロータ１７との間隙をシールするラビリンスパッキンの接触等といった不具合の発生を抑制することができ、ガスタービンとしての信頼性を向上させることができる。
なお、第一冷却系統３７と第二冷却系統４０との冷却空気の温度が相違することから、内周側ケーシング１０ｂと隔壁２６の間で軸方向の熱伸び差が発生する可能性があるが、隔壁２６の下流側終端２６ｂが、スライド溝２９に対しスライド可能な構造であるので、これによって両者間に発生する熱伸び差を吸収することができる。

また、仮に、図２及び図３に示した構成において、隔壁２６及び第３排出孔３９を省略する等して第二冷却系統４０が備えられていない場合を考えると、この場合、圧縮機１から抽気された冷却空気は、冷却供給孔３１を介して外周側ケーシングスペース３０に流入し、ストラット間スペース３３を通過した後、ストラット１２の設置位置を境に前後に分岐し、一方は最終段ホイールスペース２１にシール空気として放出され、他方は吸入口３８を介して軸受スペース２２に放出されることになる。このような場合でも、冷却空気量が十分であれば、排気ディフューザ１１、排気ケーシング１０、ストラット１２、ストラットカバー１３と熱交換し、冷却系統としての機能を果たすことは可能である。

しかしながら、上記のような隔壁２６を省略した１パスの冷却系統の場合、図２及び図３のように内周側ケーシング１０ｂ及び内周側ディフューザ１１ｂがストラット１２の設置位置よりも後方に延在した構成であると、そのストラット１２の設置位置を境に冷却系統を分岐させなければならない。そのため、第二冷却系統４０を設けた場合と比較して、第一冷却系統３７への冷却空気の供給流量が大量に必要なことは勿論であるが、冷却系統の圧力損失を考慮すると、供給圧力も増加させなければならない。

それに対し、本実施形態においては、第二冷却系統４０を設けたことによって第一冷却系統３７を分岐させる必要がなく、しかも、第二冷却系統４０を流れる冷却空気には、最終段出口位置１４が負圧であることから、大気圧レベルの軸受スペース２２内の雰囲気を活用することができる。また、隔壁２６で第二冷却系統４０と区画したことによって、第一冷却系統３７を流れる冷却空気で、内周側ケーシング１０ｂを冷却する必要がないため、この分の第一冷却系統３７の冷却空気の供給量を削減できる。そして、この供給流量の低下によって、第一冷却系統３７内の圧力損失を低減することができる。以上のことから、本実施形態においては、供給圧力をも低下させることができ、圧縮機１の比較的低圧の段落に抽気段を設け、少ない冷却空気量で効率良くすることができる。よって、エネルギー効率を向上させることができるとともに、今後の更なる作動ガスの高温化にも柔軟に対応することができる。更に、隔壁２６を設けて第一及び第二冷却系統３７，４０を区画したことによって、内周側ディフューザ１１ｂからの輻射による内周側ケーシング１０ｂの温度上昇が抑制されるというメリットもある。

また、第二冷却系統４０を省略した場合、前述のように、第一冷却系統３７における内周側ディフューザスペース２７を後方に流れる分気流は、ほぼ密閉された軸受スペース２２に排出されることから、軸受冷却空気ｇの温度を上昇させる原因となる。この温度上昇を抑制するためには、より多くの外気が軸受スペース２２内に送り込まれるように、排気ファン７の容量を増大させなければならない。また、内周側ディフューザスペース２７からの排出空気が、換気ファン７から送り込まれる冷却空気と十分に混合しない状態で、各軸受１９ａ，１９ｂ，２０のシール空気に供された場合、潤滑油の冷却空気としては高温であるため、潤滑油が劣化してしまい、各軸受１９ａ，１９ｂ，２０の信頼性を低下させてしまう可能性がある。

それに対し、本実施形態においては、排気プレナム８を冷却後の高温化した冷却空気が、第一冷却系統３７又は第二冷却系統４０から軸受スペース２２に流入することがないので、そのような不具合も生じない。勿論、換気ファン７の容量を増大させる必要もない。しかも、第二冷却系統４０の冷却空気は、より低温であるため、内周側ケーシング１０ｂのメタル温度が、従来に比して低く設定されるので、この内周側ケーシング１０ｂからの輻射による軸受スペース２２内の雰囲気温度の上昇が抑制され、軸受冷却空気ｇの温度を均一的に安定させることができる。これらのことから、軸受に対する信頼性を飛躍的に向上させることができる。

加えて、外周側供給冷却空気ｆの供給圧力は、内周側供給冷却空気ｈよりも高くなければならない。これは第一冷却系統３７の方が、流路長が長いこと等から圧力損失が大きいためである。本実施形態においては、第一冷却系統３７には、空気チャンバー３５で第二冷却系統４０が合流する。内周側ディフューザスペース２７における冷却空気の圧力は、空気チャンバー３５よりも高く、第一冷却系統３７の冷却空気が第二冷却系統４０に逆流する可能性がある。そこで、第一冷却系統３７には、第二冷却系統４０との合流点である空気チャンバー３７よりも上流側に、絞りである第１排出孔２６ａを設けてある。これにより、第１排出孔２６ａの前後圧力損失によって内周側ディフューザスペース２７内の圧力は、空気チャンバー３５内と同等となり、第一冷却系統３７における冷却空気の逆流を確実に防止することができる。

続いて、本発明の第２実施形態を、図４を用いて説明する。
図４は、本発明のガスタービン設備の第２実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。但し、この図４において、先の各図と同様の部分又は同様の機能を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態においては、内周側ディフューザ１１ｂ及び内周側ケーシング１０ｂの間の空間が、内周側ディフューザスペース２７を構成し、内周側ケーシングスペース２８は、内周側ケーシング１０ｂの壁内に、周方向に複数並設された壁内流路４２によって形成されている。この壁内流路４２の前端部近傍に上記第３排出孔３９が設けられており、壁内流路４２は、この第３排出孔３９を介して空気チャンバー３５に接続している。本例では、第一冷却系統３７は、冷却供給孔３１、外周側ケーシングスペース３０、ストラット間スペース３３、内周側ディフューザスペース２７、第１排出孔３４、空気チャンバー３５、及び第２排出孔３６から構成され、第二冷却系統４０は、吸入口３８、内周側ケーシングスペース２８（壁内流路４２）、第３排出孔３９から構成されている。

このように、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、第二冷却系統４０を第一冷却系統３７と区画する隔壁２６を省略し、第二冷却系統４０を、内周側ケーシング１０ｂの壁内を経由させる点にある。すなわち、前述した第１実施形態と異なり、第一及び第二冷却系統３７，４０は、隔壁ではなく内周側ケーシング１０ｂにおける壁内流路４２の外周側の壁面によって互いに区画されている。その他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、運転が開始されると、圧縮機１からの外周側供給冷却空気ｆが、冷却供給孔３１を介して外周側ケーシングスペース３０に流入し、ストラット間スペース３３、内周側ディフューザスペース２７を流通する際に、排気ディフューザ１１、外周側ケーシング１０ａ、ストラット１２、ストラットカバー１３と熱交換する。そして、第１排出孔３４を介して空気チャンバー３５に流入し、最終的に、第２排出孔３６を介して最終段ホイールスペース２１のシール空気として放出される。
同時に、内周側供給冷却空気ｈが、吸入口３８を介して内周側ケーシングスペース２８としての壁内流路４２に流入し、ここを通過する際に、内周側ケーシング１０ｂと熱交換する。そして、第３排出孔３９を介して空気チャンバー３５に流入し、ここで第一冷却系統３７を流れる冷却空気と合流し、第一冷却系統３７の冷却空気とともに最終段ホイールスペース３６のシール空気として排出される。

本実施形態においては、隔壁２６を省略したために、内周側ケーシング１０ｂは、内周側ディフューザ１１ｂからの輻射熱とストラット１２からの熱伝導による入熱を受けるが、壁内流路４２を流れる冷却空気によって材料の許容温度内に収められる。勿論、この第二冷却系統４０の供給圧力は、ほぼ大気圧レベルである。また、壁内流路４２は、内周側ケーシング１０ｂにおける周方向の任意の位置に複数本設置されているため、内周側ケーシング１０ｂの周方向のメタル温度分布も均一化される。これにより、前述した第一実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、内周側ケーシング１０ｂのメタル温度の均一化により、内周側ケーシング１０ｂに発生する熱応力をより確実に低減することができる。

本発明の第３実施形態を、図５を用いて説明する。
図５は、本発明のガスタービン設備の第３実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。但し、この図５において、先の各図と同様の部分又は同様の機能を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態においても、隔壁２６は省略されているが、内周側ケーシング１０ｂの壁内に流路を設けて内周側ケーシングスペース２８を形成するのではなく、内周側ケーシング１０ｂの内周側壁面に対し間隙を介して環状仕切り板４３を設置することによって、内周側ケーシングスペース２８を第１実施形態と同様に環状に形成している。したがって、第二冷却系統４０の吸入口３８は、内周側ケーシング１０ｂではなく、環状仕切り板４３に設けられている。内周側ケーシングスペース２８は、前端部に設けた第３排出孔３９を介して空気チャンバー３５に接続している。本例でも、第一冷却系統３７は、冷却供給孔３１、外周側ケーシングスペース３０、ストラット間スペース３３、内周側ディフューザスペース２７、第１排出孔３４、空気チャンバー３５、及び第２排出孔３６から構成され、第二冷却系統４０は、吸入口３８、内周側ケーシングスペース２８、第３排出孔３９から構成されている。

このように、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、第二冷却系統４０を第一冷却系統３７と区画する隔壁２６を省略し、第二冷却系統４０を、内周側ケーシング１０ｂの内周側に形成した点にある。すなわち、前述した第１実施形態と異なり、第一及び第二冷却系統３７，４０は、隔壁ではなく内周側ケーシング１０ｂによって互いに区画されている。その他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、運転が開始されると、圧縮機１からの外周側供給冷却空気ｆが、冷却供給孔３１を介して外周側ケーシングスペース３０に流入し、ストラット間スペース３３、内周側ディフューザスペース２７を流通する際に、排気ディフューザ１１、外周側ケーシング１０ａ、内周側ケーシング１０ｂ、ストラット１２、ストラットカバー１３と熱交換する。そして、第１排出孔３４を介して空気チャンバー３５に流入し、最終的に、第２排出孔３６を介して最終段ホイールスペース２１のシール空気として放出される。
同時に、内周側供給冷却空気ｈが、吸入口３８を介して内周側ケーシングスペース２８に流入し、ここを通過する際に、内周側ケーシング１０ｂ及び環状仕切り板４３と熱交換する。そして、第３排出孔３９を介して空気チャンバー３５に流入し、ここで第一冷却系統３７を流れる冷却空気と合流し、第一冷却系統３７の冷却空気とともに最終段ホイールスペース３６のシール空気として排出される。

本実施形態においても、隔壁２６を省略したために、内周側ケーシング１０ｂは、内周側ディフューザ１１ｂからの輻射熱とストラット１２からの熱伝導による入熱を受けるが、内周側ケーシングスペース１０ｂを流れる冷却空気によって材料の許容温度内に収められる。勿論、この第二冷却系統４０の供給圧力は、ほぼ大気圧レベルである。これにより、前述した第一実施形態と同様の効果を得ることができる。また、単に内周側ケーシング１０ｂの内周側に環状仕切り板４３を取付けるだけの構成であるため、既存の設備から極簡単な改修で実現できる構成であり、製作の作業を簡易化でき、低コストで製作可能であることも大きなメリットである。さらに、内周側ケーシングスペース２８を画定する環状仕切り板４３には、軸受ハウジング１８（図２参照）に対する遮熱板としての効果も期待できる。

本発明の第４実施形態を、図６を用いて説明する。
図６は、本発明のガスタービン設備の第４実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。但し、この図６において、先の各図と同様の部分又は同様の機能を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
図６に示すように、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、第一及び第二冷却系統３７，４０を、空気チャンバー３５に流入する前に合流させた点である。本例において、第一冷却系統３７は第１実施形態と同様であるが、隔壁２６の前端部２６ａは開放端となっており、第二冷却系統４０は、この開放端を介して第１排出孔３４を通過する前の第一冷却系統３７に接続している。その他の構成は前述した第１実施形態と同様である。

第１実施形態では、第一冷却系統３７における冷却空気の逆流を確実に防止するために、第二冷却系統４０を、第１排出孔３４によって絞られた後の第一冷却系統３７に合流させていたが、運転中の第一及び第二冷却系統３７，４０の各所の圧力差が適切で、第一冷却系統３７の冷却空気が、第二冷却系統４０に流入しない場合には、このように逆流防止用の圧力調整なしに第一及び第二冷却系統３７，４０を合流させても良い。本例によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第５実施形態を、図７を用いて説明する。
図７は、本発明のガスタービン設備の第５実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。但し、この図７において、先の各図と同様の部分又は同様の機能を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、第一及び第二冷却系統３７，４０が、互いに合流することのない完全に独立した系統として形成されている点である。本例において、第１排出孔３４は、空気チャンバー３５には接続せず、空気チャンバー３５を介さずに最終段出口位置１４に直接接続する位置に設けられており、第一冷却系統３７は、冷却供給孔３１、外周側ケーシングスペース３０、ストラット間スペース３３、内周側ディフューザスペース２７、第１排出孔３４から構成されている。第二冷却系統４０は、吸入口３８、内周側ケーシングスペース２８、第３排出孔３９、空気チャンバー３５、及び第２排出孔３６から構成されている。その他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、運転が開始されると、圧縮機１からの外周側供給冷却空気ｆが、冷却供給孔３１を介して外周側ケーシングスペース３０に流入し、ストラット間スペース３３、内周側ディフューザスペース２７を流通する際に、排気ディフューザ１１、外周側ケーシング１０ａ、ストラット１２、ストラットカバー１３、及び隔壁２６と熱交換する。そして、第１排出孔３４を介して、最終的に、ガスパスの最終段出口位置１４に排出される。
同時に、内周側供給冷却空気ｈが、吸入口３８を介して内周側ケーシングスペース２８に流入し、ここを通過する際に、内周側ケーシング１０ｂ及び隔壁２６と熱交換する。そして、第３排出孔３９を介して空気チャンバー３５に流入し、最終的に、第２排出孔３６を介して最終段ホイールスペース３６のシール空気として排出される。

本実施形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。第一及び第二冷却系統３７，４０が互いに独立しているので、第一冷却系統３７の冷却空気が、第二冷却系統４０を逆流することはない。さらに、本発明では、第二冷却系統４０を設置したことによって、従来に比して排気プレナム８の冷却用に圧縮機１から抽気する圧縮空気量は軽減され、低温の冷却空気が増大する。そのため、ガスタービンの仕様によっては、排気プレナム８を冷却した後の第一及び第二冷却系統３７，４０からの冷却空気を全て最終段ホイールスペース２１に排出すると、最終段ホイール１６（図２参照）の冷却効果が大きいために、最終段ホイール１６のメタル温度勾配が必要以上に大きくなってしまう可能性がないとは言えない。それに対し、本実施の形態は、このような場合に適用し、第一冷却系統３７の冷却空気を、直接ガスパスに排出することによって、最終段ホイール１６の冷却効果を調整し、メタル温度勾配の増大を抑制することができるというメリットがある。

なお、本実施形態においては、第一冷却系統３７の冷却空気を全てガスパスに排出する構成としたが、第一冷却空気の冷却空気の一部をガスパスに排出し、それ以外の冷却空気は、例えば、第二冷却系統４０と合流するようにしても良い。また、第一冷却系統３７の冷却空気ではなく、第二冷却系統４０の冷却空気を、最終段ホイールスペース２１を介さずに直接ガスパスに放出するよう、第二冷却系統４０の経路を適宜設計変更しても構わない。これらの場合も、上記同様の効果を得ることがでできる。

また、以上に説明した各実施形態においては、いずれも第一冷却系統３７を流れる冷却空気として、圧縮機１から抽気した圧縮空気を用いる場合を説明したが、これに限られず、排気プレナム８内の圧力損失や冷却設計条件等によっては、第一冷却系統３７の下流端が負圧であることを利用して、例えば、外周側ケーシング１０ａの外周側空間の大気を冷却供給孔３１を介して第一冷却系統３７に引き込んで流通させる構成としても良い。この場合には、さらに排気プレナム８の冷却空気の供給圧力を低減できるとともに、圧縮機１の圧縮空気の抽気量をさらに削減でき、エネルギー効率をより向上させることができる。

また、以上においては、第一冷却系統３７の冷却供給孔３１を外周側ケーシング１０ａに設けた場合を図示説明したが、これにも限られず、例えば、タービン３のケーシング下流側に設けて、ガスパスを介さずに外周側ディフューザ１１ａの外周側（すなわち外周側ケーシングスペース３０）に導入する構成としても良い。さらに、第二冷却系統４０の吸入口３８を内周側ケーシング１０ｂに設けた場合を図示説明したが、これにも限られず、例えば、内周側ケーシングスペース２８の後方側端部を開放端とし、この開放端から第二冷却系統４０に冷却系統を吸入する構成としても良い。これらの場合も同様の効果を得ることができる。

本発明を適用するガスタービン設備の一例の概念図である。 本発明のガスタービン設備の第一実施形態に備えられた排気プレナムの周辺構造を示す断面図である。 本発明のガスタービン設備の第１実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。 本発明のガスタービン設備の第２実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。 本発明のガスタービン設備の第３実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。 本発明のガスタービン設備の第４実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。 本発明のガスタービン設備の第５実施形態の要部である排気プレナムの冷却空気系統の概念図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
８ 排気プレナム
１０ 排気ケーシング
１０ａ 外周側ケーシング
１０ｂ 内周側ケーシング
１１ 排気ディフューザ
１１ａ 外周側ディフューザ
１１ｂ 内周側ディフューザ
１２ ストラット
１３ ストラットカバー
１４ 燃焼ガス出口部（燃焼ガス出口、ガスパス）
２１ 最終段ホイールスペース
２６ 隔壁
２７ 内周側ディフューザスペース（第一冷却系統）
２８ 内周側ケーシングスペース（第二冷却系統）
３０ 外周側ケーシングスペース（第一冷却系統）
３１ 冷却供給孔（第一冷却系統）
３３ ストラット間スペース（第一冷却系統）
３４ 第１排出孔（第一冷却系統、逆流防止手段）
３５ 空気チャンバー（第一冷却系統、第二冷却系統）
３６ 第２排出孔（第一冷却系統、第二冷却系統）
３８ 吸入口（第二冷却系統）
３９ 第３排出孔（第二冷却系統）
４２ 壁内流路（第二冷却系統）
４３ 環状仕切り板（仕切り板）
ａ 吸気
ｂ 圧縮空気
ｃ 燃焼ガス
ｆ 外周側供給冷却空気（冷却空気）

Claims (12)

1. タービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシング、及び、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなり前記タービンの燃焼ガス出口に接続して前記タービンからの燃焼ガスの静圧を回復させる排気ディフューザを有する排気プレナムと、
   この排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記外周側ディフューザよりも外周側から導く第一冷却系統と、
   前記排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記内周側ディフューザよりも内周側から導く第二冷却系統と
   を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
2. 吸気を圧縮する圧縮機と、
   この圧縮機からの圧縮空気を燃焼させる燃焼器と、
   この燃焼器からの燃焼ガスによりタービンロータの回転動力を得るタービンと、
   このタービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシングと、
   前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなり、前記タービンの燃焼ガス出口に接続して前記タービンからの燃焼ガスの静圧を回復させる排気ディフューザと、
   前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングを連結するストラットと、
   このストラットを覆うように、前記外周側ディフューザ及び内周側ディフューザを連結するストラットカバーと、
   前記圧縮機から抽気した冷却空気を、前記外周側ケーシング及び前記外周側ディフューザの間の空間に取り入れ、前記ストラット及び前記ストラットカバーの間の空間を介して、前記内周側ディフューザの内周側に導く第一冷却系統と、
   この第一冷却系統と区画されるとともに、前記内周側ケーシングを冷却する冷却空気として、前記内周側ディフューザよりも内周側から大気を導く第二冷却系統と
   を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
3. 請求項１記載のガスタービン設備において、前記第一及び第二冷却系統の少なくともいずれかは、前記タービンの最終段ホイールスペース又は前記タービンのガスパスに接続していることを特徴とするガスタービン設備。
4. 請求項１記載のガスタービン設備において、前記第一及び第二冷却系統は、合流していることを特徴とするガスタービン設備。
5. 請求項４記載のガスタービン設備において、前記第一冷却系統の前記第二冷却系統との合流部よりも上流位置に、冷却空気の逆流を防止する逆流防止手段を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
6. 請求項１記載のガスタービン設備において、前記第一及び第二冷却系統は、互いに独立していることを特徴とするガスタービン設備。
7. 請求項１記載のガスタービン設備において、前記内周側ディフューザ及び前記内周側ケーシングの間に、前記第一及び第二冷却系統を区画する隔壁を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
8. 請求項７記載のガスタービン設備において、前記隔壁は、冷却空気の流れ方向下流側端部が、前記内周側ケーシングに固定され封止されていることを特徴とするガスタービン設備。
9. 請求項１記載のガスタービン設備において、前記第二冷却系統は、前記内周側ケーシングの壁内に周方向に複数設けた壁内流路を経由することを特徴とするガスタービン設備。
10. 請求項１記載のガスタービン設備において、前記内周側ケーシングの内周側に、この内周側ケーシングとの間に前記第二冷却系統を形成する仕切り板を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
11. タービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシングと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなる排気ディフューザとを有する排気プレナムを備えたガスタービン設備の冷却空気供給方法において、
    前記排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記外周側ディフューザよりも外周側から供給すると同時に、前記内周側ディフューザよりも内周側からも供給する
    ことを特徴とする冷却空気供給方法。
12. タービンの下流側に接続した外周側ケーシング及び内周側ケーシングからなる排気ケーシングと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングの間に設けられた外周側ディフューザ及び内周側ディフューザからなる排気ディフューザと、前記外周側ケーシング及び内周側ケーシングを連結するストラットと、このストラットを覆うように、前記外周側ディフューザ及び内周側ディフューザを連結するストラットカバーとを有する排気プレナムを備えたガスタービン設備の冷却空気供給方法において、
    前記排気プレナムを冷却する冷却空気を、前記外周側ケーシング及び前記外周側ディフューザの間の空間から、前記ストラット及び前記ストラットカバーの間の空間を介して、前記内周側ディフューザの内周側に導くと同時に、前記内周側ディフューザよりも内周側から大気を導く
    ことを特徴とする冷却空気供給方法。
    

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