JP2006112374A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コスト削減と製作工程の短縮が図られ、プラント効率を向上させることができるガスタービン設備を提供することにある。
【解決手段】高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂとの軸系が分離構造である２軸形式のタービン設備において、一方端が前記高圧タービン４ａにおける初段静翼の外半径側前縁部２２に、他方端が前記低圧タービン４ｂにおける最終段動翼の外半径側後縁部２３に至り、軸方向で一体型に形成されたタービンケーシング１２と、前記タービンケーシング１２の一方端と他方端に、それぞれ給気ケーシング１８、排気ケーシング１９に連結するように設けた連結手段１２ａ，１２ｂとを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧縮空気を燃料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、更に詳しくは圧縮機駆動用の高圧タービンと、負荷側機器に接続される低圧タービンとを分離して備えるガスタービン設備に関する。

通常、ガスタービン設備は、圧縮機、タービン及び発電機を一つの軸で連結して運転され発電に供するが、その他の適用方法として、メカニカルドライブがある。これは、パイプライン圧送需要等に対応したもので、発電機に変えて、ポンプ等の機器を負荷として接続するものであり、ガスタービン自体の圧縮機を駆動するための高圧系の複数のタービン段（以下、高圧タービンと称す）と、ポンプ等を回転するための低圧系の複数のタービン段（以下、低圧タービンと称す）を備え、それぞれが独立した軸系となる２軸の構成となっている。

ところで、負荷機器の動作条件にもよるが、低圧タービンの定格回転数は、高圧タービンよりも低く設定される。従って、各タービン段での適正な速度三角形を保持するために、相似設計が為され、必然的に、低圧タービンの外径は大きくなる。また、高圧タービンは、低圧タービンに比べて、高温・高圧のガスが通過しており、タービン翼の寿命低下が著しい。

このため、その開放点検の必要性と、前述した外径の違いを考慮して、高圧タービンと低圧タービンとのタービンケーシングは、その軸方向の適宜な箇所で軸方向に分割されているとともに、それぞれ上下方向に分割された構造を採り、それぞれのケーシングが、ボルトを用いて接続される（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−３０３１５６号公報

この種のガスタービン設備において、先ず、最初に課題として挙げられるのは、高圧タービンと低圧タービンのタービンケーシングが軸方向に２分割され、それぞれが接続するためのフランジ部を有していることから、その製作コストの高騰を招くことである。

また、通常、ロータの組込み性から、ケーシングは水平２分割で構成されているので、軸方向にも分割した場合、ケーシングは２倍数となり、当然のことながら、製作時間、組立工程の延長が予想される。

次に、高圧タービンと低圧タービンとのタービンケーシングの外径差は、ガスパス形状によるものであるが、高圧タービンの最終段出口から低圧タービンの初段入口にかけてのガスパス形状は、急激な半径方向の変化を生じており、主流ガスの大きな偏向をもたらす。この急激な偏向は、空力的に損失を増大させる要因になる。

従って、高圧タービンの最終段出口から低圧タービンの初段入口にかけての主流ガスの偏向を緩和するため、両者の間を仲介する中間部材を設置することが必要となる。ところで、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成されてきた。

しかしながら、近年、作動ガスの高温化に伴い、その高効率化を図るために、冷却媒体の削減とタービンケーシングにおける軸方向の熱影響をも考慮しなければならない状況にある。

本発明の目的は、上記の事情に鑑みてなされたもので、製造コスト削減と製作工程の短縮が図られ、プラント効率を向上させることができるガスタービン設備を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、第１の発明は、圧縮空気を生成する圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、この高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、前記高圧タービンと前記低圧タービンとの軸系が分離構造である２軸形式のタービン設備において、一方端が前記高圧タービンにおける初段静翼の外半径側前縁部に、他方端が前記低圧タービンにおける最終段動翼の外半径側後縁部に至り、軸方向で一体型に形成されたタービンケーシングと、前記タービンケーシングの一方端と他方端に、それぞれ給気ケーシング、排気ケーシングに連結するように設けた連結手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記高圧タービンは、前記タービンケーシングの内側に装着した複数のシュラウドと、各シュラウドに支承した静翼と、そのロータに設けたホィールに装着した複数の動翼とを備え、前記低圧タービンは、前記高圧タービンの最終段側におけるタービンケーシング内側のシュラウドとロータ側の隔壁との間に設けた静翼と、前記タービンケーシングの内側に装着した複数のシュラウドと、各シュラウドに支承した静翼と、そのロータに設けたホィールに装着した複数の動翼とを備えたことを特徴とする。

更に、第３の発明は、第１及び第２の発明において、前記高圧タービンと前記低圧タービンの定格回転数を、ほぼ同一回転数に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、高圧タービンと低圧タービンのタービンケーシングを軸方向に一体化することにより、製造コストの低減や、製造工程の短縮を図ることができると共に、タービンケーシングの接続部に作用する熱応力を低減し、特に動翼のチップクリアランスへの影響を抑えて、その性能を維持することができるので、プラント効率を向上させることができる。

以下、本発明のガスタービン設備の実施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実施の形態の概念図である。この図１において、ガスタービン設備１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２と、この圧縮機２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３と、この燃焼器３からの燃焼ガスｃによってロータの回転動力を得る高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂを備えている。

高圧タービン４ａの高圧タービンロータ（図示せず）は、高圧タービン軸７ａを介して圧縮機２のロータ（図示せず）に連結している。この高圧タービン４ａは、燃焼器３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２を駆動させる。

一方、低圧タービン４ｂの低圧タービンロータ（図示せず）は、低圧タービン軸７ｂを介してポンプ５に連結している。この低圧タービン４ｂは、高圧タービン４ａから排出される燃焼ガス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ポンプ５に伝達してポンプ仕事をしている。

低圧タービン４ｂ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２によって生成される圧縮空気の一部は、高圧段冷却空気ｅ、低圧段冷却空気ｆとして抽気され、それぞれ高温要素部材である高圧タービン４ａ、低圧タービン４ｂの静翼及び動翼等に供給される。

図２は、本発明のガスタービン設備におけるタービン部の一実施の形態を示す断面図で、この図２において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分である。図２に示すように、高圧タービン４ａは、主として、静止側となる１段静翼８ａと２段静翼９ａ、回転側となる１段動翼８ｂと２段動翼９ｂから成っている。

因みに、高圧タービン４ａのみで表現すると、１段静翼８ａは初段静翼、２段動翼９ｂが、最終段動翼と言い換えることが出来る。静翼８ａ、９ａは、タービンケーシング１２に装着されたリテーナリング２４、1段動翼シュラウド２５ａ、及び２段動翼シュラウド２５ｂに支承されて、それぞれが周方向に複数枚配置されている。又、２段静翼９ａの内側半径方向位置に装着された２Nダイアフム２０ａは、高圧段スペーサ１６ａの外半径位置に設けられたシールフィンと協同してラビリンスシール装置を形成している。

動翼８ｂ、９ｂは、それぞれ１段ホィール１３ａと２段ホィール１３ｂの外周端に装着されており、該ホィール１３ａ、１３ｂは、高圧段スペーサ１６ａを挟み込み、図示しない圧縮機と連結した高圧タービンロータ６ａと高圧段側スタッキングボルト２１ａによってスタッキングされており、高圧タービン４ａと圧縮機(図示せず)を連結する高圧タービン軸７ａを形成している。

同様に、低圧タービン４ｂは、主として、静止側となる３段静翼１０ａと４段静翼１１ａ、回転側となる３段動翼１０ｂと４段動翼１１ｂから成っている。因みに、低圧タービン４ｂのみで表現すると、３段静翼１０ａは初段静翼、４段動翼１１ｂは最終段動翼と言い換えることが出来る。

静翼１０ａ、１１ａは、タービンケーシング１２に装着された２段動翼シュラウド２５ｂ、３段動翼シュラウド２５ｃ、及び４段動翼シュラウド２５ｄに支承されて、それぞれが周方向に複数毎、配置される。又、４段静翼１１ａの内側半径方向位置に装着された３Nダイアフム２０ｃは、低圧段スペーサ１６ｂの外半径位置に設けられたシールフィンと協同して、ラビリンスシール装置を形成している。

動翼１０ｂ、１１ｂは、それぞれ３段ホィール１４ａと４段ホィール１４ｂの外周端に装着されている。これらのホィール１４ａ、１４ｂは、低圧段スペーサ１６ｂを挟み込み、図示しないポンプと連結した低圧タービンロータ６ｂと低圧段側スタッキングボルト２１ｂによってスタッキングされており、低圧タービン４ｂとポンプ(図示せず)を連結する低圧タービン軸７ｂを形成している。

即ち、本発明によるガスタービン設備は、高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂの２つの軸系を有しており、それぞれのタービン軸７ａ、７ｂは、３段静翼１０ａに装着された３Nダイアフム２０ｂに固定された隔壁１７によって、軸方向に区切られている。
又、主流ガスが通過する１段静翼８ａの入口から４段動翼１１ｂの出口に到るまでの高・低圧タービン４ａ、４ｂのガスパス１５の形状は、主流ガスが軸方向に緩やかに膨張するように変化している。

この高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂの外周側には、前述したように、それぞれの静止部材を装着するためのタービンケーシング１２が配置されている。タービンケーシング１２は、水平方向に２分割であるとともに、軸方向の一方端に給気側フランジ１２ａを、軸方向の他方端に排気側フランジ１２ｂを備えている。この給気側フランジ１２ａは、その給気側フランジ面３２ａが高圧タービン４ａの初段である１段静翼８ａの外半径側前縁部２２よりも給気側に位置し、また、排気側フランジ１２ｂは、その排気側フランジ面３２ｂが低圧タービン４ｂの最終段である４段動翼１１ｂの外半径側後縁部２３よりも排気側に位置するように、タービンケーシング１２の各端部に設けられている。

即ち、給気側フランジ面３２ａと、排気側フランジ面３２ｂは、高圧タービン４ａの初段である１段静翼８ａの外半径側前縁部２２と低圧タービン４ｂの最終段である４段動翼１１ｂの外半径側後縁部２３を結ぶ軸方向範囲の外側に位置している。

給気側フランジ１２ａ及び排気側フランジ１２ｂは、給気ケーシング１８の給気フランジ１８ｂ、排気ケーシング１９の排気フランジ１９ａにそれぞれで合わさり、ボルト（図示せず）締めされて一体のケーシングを形成している。

上述したケーシングの組付け構成により、タービンケーシング１２は、概略、高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂとの間で、軸方向に一体的な構造に構成される。

次に、上述した本発明のガスタービン設備の一実施の形態の動作を図１及び図２を用いて説明する。
上述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、約１．２ＭＰａ、１２００℃程度で高圧タービン４ａの１段静翼８ａ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、６００℃程度で低圧タービン４ｂの４段（最終段）動翼１１ｂを通過して、図示しない煙突から大気に開放される。このとき、高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂは、ほぼ同等の定格回転数で回転するように設定されている。

同時に、圧縮機２で得られる圧縮空気の一部は、２５０℃程度の高圧段冷却空気ｅとして抽気され、例えば２段静翼９ａに、或いは、１５０℃程度の低圧段冷却空気ｆとして抽気され、例えば３段静翼１０ａ、４段静翼１１ａに、タービンケーシング１２に設けられた図示しない導入孔より、導入される。この時、タービンケーシング１２の高圧タービン側と低圧タービン側で、冷却空気による温度差が発生する。その後、これらの冷却空気は、直接、翼部から、又その一部はホィール１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂと、ダイアフラム２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及びスペーサ１６ａ、１６ｂで、それぞれに形成されるホィールスペースのシール空気としてガスパス１５に排出される。

一方、動翼にも圧縮空気の一部が、冷却空気として供給されるが、本発明には直接、関与しないので、その説明を省略する。

この実施の形態においては、上述したように、給気側フランジ１２ａの給気側フランジ面３２ａと、排気側フランジ１２ｂの排気側フランジ面３２ｂは、高圧タービン４ａの初段である１段静翼８ａの外半径側前縁部２２と低圧タービン４ｂの最終段である４段動翼１１ｂの外半径側後縁部２３を結ぶ軸方向範囲内の外側に位置する構成にしている。
従って、タービンケーシング１２は、高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂの間で、軸方向に一体化されており、この時点で、従来の軸方向分割タイプに比べて、製作、組立てに関するイニシャルコストが削減される。また、供給される冷却空気のリーク流出面を、１つ削除したことにもなっている。

次に、高圧段冷却空気ｅと低圧段冷却空気ｆは、それぞれの空気温度の違いから、タービンケーシング１２の高圧タービン４ａ側と低圧タービン４ｂ側に、温度差を発生する。しかし、高圧タービン４ａ側と低圧タービン４ｂ側とは、タービンケーシング１２の一体化によってその軸方向への熱伝導の妨げを抑止して、比較的、均一な温度分布を形成する。

即ち、軸方向に分割されたタービンケーシングでは、フランジ面での接触熱抵抗によって、ケーシング内での熱の流入出が滞り、高圧側と低圧側での半径方向の熱伸び差が、連結しているフランジ部の固定ボルトに剪断力として懸ることになるので、対応できるボルト径、またフランジ幅が必要となる。

更に、温度の不均一は、タービンケーシングの熱伸びに影響して、不均一な動翼のチップクリアランスを与えることになる。その結果、動翼先端の接触、或いは、計画間隙以上の大きな間隙が部分的には生じて、性能を損なう要因になる。

上記のように、本発明に係わるタービンケーシング１２は、そのメタル温度差を極力小さくすることができ、過多な熱応力の発生を抑制する。また、同様に、メタル温度を均一化し、均等なタービンケーシング１２の熱伸びを達成できるので、タービンケーシング１２に支承された各動翼シュラウド２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの半径方向への移動量も均一化され、均一なチップクリアランスを提供することができる。したがって、ガスタービンとしての信頼性を向上させると共に、性能を向上することができる。

また、高圧タービン４ａと低圧タービン４ｂは、ほぼ同等の定格回転数で回転するように設定したので、全段で適正な速度三角形が実現でき、ガスパスの急激な半径方向の変化を必要としない。仮に、図２に示した構成において、タービンケーシング１２が軸方向に分割されて、中間部材が備えられている場合を考えると（図示せず）、この場合、単純に、タービンケーシング１２からのリークの流出面が２箇所増加することなる。また、低圧側と中間部材、中間部材と高圧側を連結する時、必然的にガスパスへのリークが発生して、空力的な性能低下をひき起こす。更に、中間部材は、ガスパスの構成要素でもあり、高圧段と低圧段の間に位置する配置では、冷却が必要となる。
しかしながら、上記のような実施の形態においては、タービンケーシング１２を一体型の構成としたことにより、部品点数の削減と共に、不要な冷却・リーク空気流量を排除することができ、プラントの効率を向上させることができる。

更に、従来、高圧タービンと低圧タービンで、タービンケーシングが軸方向に分割されている場合は、翼寿命との関連から高圧側を重点的に分解していたが、タービンケーシング１２をその軸方向において一体型として構成したことにより、全段での開放点検が可能であると共に、分解・組立に要する労力は、殆ど変わりないものである。

本発明の実施の形態によれば、タービンケーシングを、高圧タービンの初段と低圧タービンの最終段までの間で、軸方向に一体型に構成したので、２軸のガスタービン設備における製造コストの低減、製造工程の短縮、及びタービンケーシングのフランジ部に作用する熱応力によるクリアランス変動を抑え、性能を維持することができる。

また、高圧タービンと低圧タービンとの両軸の定格回転数をほぼ同等としたので、タービンの高圧段と低圧段を連結する中間部材が不要になる。その結果、冷却用に抽気する圧縮空気量を削減し、更に、部材間からのリーク空気流量が低減し、信頼性が高く、プラント効率を向上させることができる。

本発明を適用するガスタービン設備の一実施の形態の概念図である。 本発明のガスタービン設備におけるタービン部の一実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ａ 高圧タービン
４ｂ 低圧タービン
７ａ 高圧タービン軸
7ｂ 低圧タービン軸
１２ タービンケーシング
１７ 隔壁
２２ 外半径側前縁部
２３ 外半径側後縁部
３２ａ 給気側フランジ面
３２ｂ 排気側フランジ面

Claims (3)

1. 圧縮空気を生成する圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、この高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、前記高圧タービンと前記低圧タービンとの軸系が分離構造である２軸形式のタービン設備において、一方端が前記高圧タービンにおける初段静翼の外半径側前縁部に、他方端が前記低圧タービンにおける最終段動翼の外半径側後縁部に至り、軸方向で一体型に形成されたタービンケーシングと、前記タービンケーシングの一方端と他方端に、それぞれ給気ケーシング、排気ケーシングに連結するように設けた連結手段とを備えたことを特徴とするタービン設備。
2. 請求項１記載のタービン設備において、前記高圧タービンは、前記タービンケーシングの内側に装着した複数のシュラウドと、各シュラウドに支承した静翼と、そのロータに設けたホィールに装着した複数の動翼とを備え、前記低圧タービンは、前記高圧タービンの最終段側におけるタービンケーシング内側のシュラウドとロータ側の隔壁との間に設けた静翼と、前記タービンケーシングの内側に装着した複数のシュラウドと、各シュラウドに支承した静翼と、そのロータに設けたホィールに装着した複数の動翼とを備えたことを特徴とするタービン設備。
3. 請求項１又は２に記載のガスタービン設備において、前記高圧タービンと前記低圧タービンの定格回転数を、ほぼ同一回転数に設定したことを特徴とするガスタービン設備。

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