JP2006336570A

JP2006336570A - ガスタービン

Info

Publication number: JP2006336570A
Application number: JP2005163876A
Authority: JP
Inventors: Masami Noda; 雅美野田; Yasuhiro Horiuchi; 康広堀内; Ryo Akiyama; 陵秋山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】本発明は、動翼を冷却し終えた高温空気のホィールスペース内への漏れがあっても、ダイアフラムに局部的な熱応力が生じないガスタービンを提供することにある。
【解決手段】本発明は、ホィールスペース３２に面するダイアフラム３０の側面に、この側面をディスクホィール（１５Ａ，１５Ｂ）とホィールスペーサ１６の間から漏れ出る高温空気から遮断する空気層を形成する手段（３４，３４ａ〜３４ｆ））を設けたのである。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて得た燃焼ガスによって駆動されるガスタービンに係り、特に、動翼内に冷却空気を循環させて冷却するように構成したガスタービンに関する。

動翼内に冷却空気を循環させて冷却するように構成したガスタービンは、例えば、特許文献１に示すように、既に提案されている。そして、動翼を駆動する燃焼ガスが静翼の内径側と回転体との間のホィールスペース内に進入しないように、例えば特許文献２に記載のように、静翼に供給した空気の一部を静翼と動翼間の隙間であるホィールスペース内に噴出させている。

特開平１０−１８４３１２号公報実願昭５８−１６９２６２号（実開昭６０−７７７３８号）のマイクロフィルム

しかしながら、特許文献１，２に記載のガスタービンは、動翼を冷却し終えた高温空気が動翼を支持するディスクホィールとホィールスペーサとの間からホィールスペース内へ漏れて静翼内径側のダイアフラムを局部的に加熱し、局部的熱応力を発生させる問題については、何等配慮されていない。

即ち、特許文献２に記載の構成によれば、ダイアフラムからホィールスペース内への噴出空気は、ほぼ軸方向に沿って噴出されるために、内径側からホィールスペース内へ漏れ出てきた高温空気は、ダイアフラムの側面に接触して加熱し、その結果、ダイアフラムの内径側と外径側とには温度勾配が生じて局部的に熱応力が発生することになる。さらに、ダイアフラムからホィールスペース内への噴出される燃焼ガス抑制用の空気は、ほぼ軸方向に沿って噴出されるために、隣接ノズル間には噴出空気が存在しない位置が生じ、その結果、漏れ出てきた高温空気が噴出空気の存在しない位置から進入してダイアフラムの側面の外周側に至って加熱することになり、ダイアフラムの側面の周方向に局部的に熱応力を発生させることになる。

本発明の目的は、動翼を冷却し終えた高温空気のホィールスペース内への漏れがあっても、ダイアフラムに局部的な熱応力が生じないガスタービンを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、ホィールスペースに面するダイアフラムの側面に、ディスクホィールと前記ホィールスペーサの間から漏れ出る高温空気から前記ダイアフラムの側面を遮断する空気層を形成する手段を設けたのである。

このように、ダイアフラムの側面に空気層が形成されることで、高温空気がホィールスペースの内径側から漏れ出しても、その漏れ出た高温空気はダイアフラムの側面に接しないまま外径側に移動してホィールスペース内から燃焼ガス雰囲気中に放出されるので、ダイアフラムに局部的な熱応力の発生はなくなる。

以上説明したように本発明によれば、動翼を冷却し終えた高温空気のホィールスペース内への漏れがあっても、ダイアフラムに局部的な熱応力が生じないガスタービンを得ることができる。

以下本発明によるガスタービンの一実施の形態を、図１〜図５に示すガスタービン発電設備に基づいて説明する。

ガスタービン発電設備１は、図５に示すように、ガスタービン２と、このガスタービン２と同軸に連結された圧縮機３と、この圧縮機３で圧縮された圧縮空気の一部である燃焼用空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼器４と、前記圧縮機３と同軸に連結された発電機５とを備えている。

前記圧縮機３で圧縮された圧縮空気の残りは、冷却空気通路６に設けたプリクーラ７，フィルタ８，ブースト圧縮機９を経由して静翼冷却空気経路１０Ａと動翼冷却空気経路１０Ｂに分岐され、ガスタービン２の動翼及び静翼に供給される。動翼及び静翼を冷却し終えた空気は、冷却空気回収経路１１に回収されて燃焼器４に供給され、燃焼ガスと共にガスタービン２を駆動して排出される。

前記ガスタービン２は、図１〜図４に示すように構成されている。尚、ここに示す構成は、燃焼ガス流通方向の上流側の静翼と動翼の２段分の周辺構成を示している。

前記ガスタービン２は、水平２分割構成のタービンケーシング１２と、第１段静翼１３Ａ及び第２段静翼１３Ｂと、第１動翼１４Ａ及び第２動翼１４Ｂとを有し、これら第１段静翼１３Ａ，第２段静翼１３Ｂ及び第１動翼１４Ａ，第２動翼１４Ｂは、軸方向に交互に配置され，夫々周方向に複数枚又は複数セグメントとして構成された翼を有している。

第１段静翼１３Ａと第２段静翼１３Ｂとは、その外径側をタービンケーシング１２の内側に支持され、第１動翼１４Ａと第２動翼１４Ｂとは、その内径側を夫々図示しない回転軸に固定された第１ディスクホィール１５Ａと第２ディスクホィール１５Ｂの外周部に支持されている。そして、第１ディスクホィール１５Ａと第２ディスクホィール１５Ｂの間にはホィールスペーサ１６が配置されている。

次に、第１動翼１４Ａと第２動翼１４Ｂの冷却空気の流れについて説明する。動翼冷却空気経路１０Ｂからの冷却空気は、図示しない回転軸端から供給され、第１ディスクホィール１５Ａと第２ディスクホィール１５Ｂにおいて図示しない半径方向の流路から第１段供給チャンバー１７Ａと第２段供給チャンバー１７Ｂとに供給された後、夫々第１動翼１４Ａ及び第２動翼１４Ｂに形成された第１段動翼供給通路１８Ａと第２段動翼供給通路１８Ｂとに供給される。このとき、冷却空気は、第１段ディスクホィール１５Ａと第１段動翼１４Ａ間及び第２ディスクホィール１５Ｂと第２動翼１４Ｂ間を通過するので、冷却空気の漏れがないように、これらの合わせ目には、第１段供給弾性シール１９Ａと第２段供給弾性シール１９Ｂが両者に跨って装着されている。

第１段動翼供給通路１８Ａに供給された冷却空気は、第１段動翼１４Ａ内の図示しない冷却流路を流れて第１段動翼１４Ａを内側から冷却し、その後、第１段動翼回収通路２０Ａに回収されて第１段ホィール回収通路２１Ａを経由して第２段回収チャンバー２２Ｂに至る。他方、第２段動翼供給通路１８Ｂに供給された冷却空気は、第２段動翼１４Ｂ内の図示しない冷却流路を流れて第２段動翼１４Ｂを内側から冷却し、その後、第２段動翼回収通路２０Ｂに回収されて第２段ホィール回収通路２１Ｂを経由して第１段回収チャンバー２２Ａに至る。第１段回収チャンバー２２Ａ及び第２段回収チャンバー２２Ｂに回収された冷却し終えた高温空気は、半径方向流路２３Ａ，２３Ｂを内径側に移動し、第１ディスクホィール１５Ａと第２ディスクホィール１５Ｂ及びホィールスペーサ１６を軸方向に貫通する冷却空気回収路２４を経由して冷却空気回収経路１１に至り、燃焼器４内に導入される。尚、冷却後の高温空気が第１段動翼１４Ａとホィールスペーサ１６間及び第２動翼１４Ｂとホィールスペーサ１６間を通過するので、高温空気の漏れがないように、これらの合わせ目には、第１段回収弾性シール２５Ａと第２段回収弾性シール２５Ｂが両者に跨って装着されている。

ここで、第１段動翼回収通路２０Ａ，第１段ホィール回収通路２１Ａ，第２段回収チャンバー２２Ｂ，第２段動翼回収通路２０Ｂ，第２段ホィール回収通路２１Ｂ，第１段回収チャンバー２２Ａ，半径方向流路２３Ａ，２３Ｂ，冷却空気回収路２４が、本発明による動翼とホィールスペーサを貫通して動翼内の冷却流路に連結される冷却空気流路となる。

次に、第１段静翼１３Ａと第２段静翼１３Ｂの冷却空気の流れを、代表して第２段静翼１３Ｂについて説明する。

静翼冷却空気経路１０Ａからの冷却空気は、タービンケーシング１２に設けられた導入管２６に供給された後、第２段静翼１３Ｂ内に設けられた図示しない冷却流路を流れて第２段静翼１３Ｂを内側から冷却する。その後、冷却し終えた高温空気は、排出管２７に至り、冷却空気回収経路１１に回収されて燃焼器４内に導入される。このとき、冷却空気及び高温空気は、導入管２６と第２段静翼１３Ｂ及び第２段静翼１３Ｂと排出管２７との間を通過するが、夫々に第２段供給弾性シール２８及び第２段回収弾性シール２９を装着して空気の漏洩を塞いでいる。尚、第２段静翼１３Ｂ内に供給された冷却空気の一部は、前記ホィールスペーサ１６の外周に接近するように第２段静翼１３Ｂの内径側に設けられたダイアフラム３０のダイアフラムチャンバー３１に導かれる。

図１に示すように、ダイアフラムチャンバー３１に内に導かれた冷却空気は、ダイアフラム３０と第１段動翼１４Ａとの間に形成されたホィールスペース３２に噴出されてシール空気として利用される。即ち、ダイアフラム３０のダイアフラムチャンバー３１に面する側壁には、周方向に複数のシール空気排出孔３３が設けられており、これら各シール空気排出孔３３には、夫々シール空気を放射状に噴出させるノズル３４が設けられており、このノズル３４からシール空気を噴出させることで、各静翼間と各動翼間を流れる燃焼ガスが、ホィールスペース３２内に進入することを防止している。

前記ノズル３４は、図２に示すように、シール空気を放射状に噴出させるために、放射状に複数のノズル孔３５Ａ〜３５Ｈ、本実施の形態では８個を形成している。このとき、噴出されるシール空気がダイアフラム３０の側面に向かって噴出されるように、各ノズル孔３５Ａ〜３５Ｈを形成している。このように、ノズル孔３５Ａ〜３５Ｈからシール空気を噴出することで、ダイアフラム３０の側面に空気層が形成される。また、各ノズル孔３５Ａ〜３５Ｈのうち、ノズル孔３５Ｂ〜３５Ｄ及び３５Ｆ〜３５Ｈからのシール空気の流量をノズル孔３５Ａ，３５Ｅからの流量よりも大流量とするように流量を設定することで、隣接するノズルからの噴出空気が互いに干渉するので、前記空気層がダイアフラム３０の側壁の周方向に連なって形成されることになる。

図４は、ノズル３４の周方向配置の一例を示すものである。第２段静翼１３Ｂは複数枚の静翼１３ａ〜１３ｆが集合して形成されるものであり、さらに、本実施の形態においては、静翼２枚を１セグメントとし、それに夫々ダイアフラム３０を形成する２連翼構成としている。即ち、翼１３ａ，１３ｂに対してダイアフラム３０Ａが、翼１３ｃ，１３ｄに対してダイアフラム３０Ｂが、翼１３ｅ，１３ｆに対してダイアフラム３０Ｃが形成されている。そしてノズル３４は、翼枚数に対応するように、ダイアフラム３０Ａに対してノズル３４ａ，３４ｂが、ダイアフラム３０Ｂに対してノズル３４ｃ，３４ｄが、ダイアフラム３０Ｃに対してノズル３４ｅ，３４ｆが配置されている。

次に、上記構成をしたガスタービン発電設備１の運転時の動作について説明する。

運転に伴い燃焼器４からの燃焼ガスは、圧力が約１３ａｔａ、温度が約１２００℃となり、ガスタービン２を駆動しながら圧力と温度を低下させ、最終的に約６００℃でガスタービン２から排出される。

ガスタービン２の各翼は、高温の燃焼ガスに曝されるために、圧縮機３から吐出される圧縮空気の一部を抽気して冷却空気として用いるが、圧縮空気は約４００℃と高温となっているので、プリクーラ７で１５０℃程度の減温させて使用している。そして、抽気した冷却空気を翼の冷却後に燃焼器４に供給するために、その供給圧力を、各流路や通路及び被冷却物での圧力損失を考慮した上で、最終圧力が１２ａｔａ以上となるように設定する必要がある。そのため、減温した抽気空気をブースト圧縮機９で２０ａｔａ程度に昇圧して冷却空気としている。この冷却空気は、静翼側と動翼側に分岐され、一方は静翼冷却空気経路１０Ａに導かれて第１段静翼１３Ａ，第２段静翼１３Ｂの内部を冷却し、他方は動翼冷却空気経路１０Ｂに導かれて第１段動翼１４Ａ，第２段動翼１４Ｂの内部を冷却し、各翼材料の許容温度以下に減温している。各翼を冷却して高温になった高温空気は、冷却空気回収経路１１によって燃焼器４に供給され、ガスタービン２の出力を増大させる。

例えば、第１段動翼１４Ａを冷却し終えた高温空気は、第１段回収弾性シール２５Ａで連結された第１段動翼回収通路２０Ａ，第１段ホィール回収通路２１Ａを経由して第２段回収チャンバー２２Ｂに回収されるが、一部は第１段回収弾性シール２５Ａから漏れてリーク空気となり、ホィールスペース３２に流れ込む。

そして、従来なら、この高温のリーク空気がダイアフラム３０の側面に接触すると、ダイアフラム３０の温度を上昇させて局部加熱によりダイアフラム３０に局部的な熱応力を発生させる。

しかし、本実施の形態においては、ダイアフラム３０の側面に複数配置されたノズル３４（３４ａ〜３４ｆ…）が放射状に噴出するシール空気による空気層がダイアフラム３０の側面に形成されているので、高温のリーク空気を遮断あるいは希釈するので、ダイアフラム３０に局部的な熱応力の発生を回避し、ダイアフラム３０の温度分布をほぼ均一化することができる。

尚、前記ノズル３４のノズル孔３５Ａ〜３５Ｈに夫々流量調整手段を設けることで、シール空気の噴出流量を調整して、空気層の形成及びホィールスペース３２内のシール空気圧を調整することができる。

図６は、高温のリーク空気とシール空気及びダイアフラム３０の温度変化を示したものである。この図６で明らかなように、シール空気流量に比べて数％にも満たないリーク空気流量であるが、ダイアフラム温度がシール空気温度ではなく、リーク空気温度によって左右されるので、本実施の形態によるリーク空気を遮断あるいは希釈する空気層をダイアフラム３０の側面に形成することが必須であることが判る。

尚、以上説明の実施の形態では、ダイアフラム３０の側面に空気層を形成する手段として、放射状にシール空気を噴出するノズル３４を周方向に複数設けたものを説明したが、放射状にシール空気を噴出するノズル３４に特定されるものではなく、例えば、ダイアフラム３０の側面の周方向に開口するノズルを周方向に複数設けると共に、これら周方向に複数配列したノズル群を回転軸と同心に多重に形成することで、空気層を形成する手段を構成しても良い。

本発明によるガスタービンの要部を示す縦断側面図。図１のノズルを示す拡大正面図。図１の周辺を示す縦断側面図。図２のノズルの配置を示す部分斜視図。図１のガスタービンを用いたガスタービン発電設備を示すブロック図。ダイアフラムの温度変化を示す線図。

符号の説明

１…ガスタービン発電設備、２…ガスタービン、３…圧縮機、４…燃焼器、５…発電機、６…冷却空気通路、１０Ａ…静翼冷却空気経路、１０Ｂ…動翼冷却空気経路、１１…冷却空気回収経路、１３Ａ…第１段静翼、１３Ｂ…第２段静翼、１４Ａ…第１動翼、１４Ｂ…第２動翼、１５Ａ…第１ディスクホィール、１５Ｂ…第２ディスクホィール、１６…ホィールスペーサ、１７Ａ…第１段供給チャンバー、１７Ｂ…第２段供給チャンバー、１８Ａ…第１段動翼供給通路、１８Ｂ…第２段動翼供給通路、１９Ａ…第１段供給弾性シール、１９Ｂ…第２段供給弾性シール、２０Ａ…第１段動翼回収通路、２０Ｂ…第２段動翼回収通路、２１Ａ…第１段ホィール回収通路、２１Ｂ…第２段ホィール回収通路、２２Ａ…第１段回収チャンバー、２２Ｂ…第２段回収チャンバー、２３Ａ，２３Ｂ…半径方向流路、２４…冷却空気回収路、２５Ａ…第１段回収弾性シール、２５Ｂ…第２段回収弾性シール、２６…導入管、２７…排出管、２８…第２段供給弾性シール、２９…第２段回収弾性シール、３０（３０Ａ〜３０Ｃ）…ダイアフラム、３１…ダイアフラムチャンバー、３２…ホィールスペース、３３…シール空気排出孔、３４（３４ａ〜３４ｆ）…ノズル、３５Ａ〜３５Ｈ…ノズル孔。

Claims

回転軸に固定された複数のディスクホィールと、これらディスクホィール間に位置するホィールスペーサと、前記ディスクホィールの外周に装着された動翼と、軸方向に隣接する動翼間に位置し固定部材に支持された静翼と、この静翼の内径側に位置し前記ホィールスペーサの外周に近接するダイアフラムと、このダイアフラムの側面と前記動翼との間に位置するホィールスペースとを備え、前記動翼の内部と前記静翼の内部とに冷却流路を形成すると共に、前記動翼側とホィールスペーサを貫通して前記動翼側の冷却流路と連結される冷却空気流路を形成したガスタービンにおいて、前記ホィールスペースに面する前記ダイアフラムの側面に、前記ディスクホィールと前記ホィールスペーサの間から漏れ出る空気から前記ダイアフラムの側面を遮断する空気層を形成する手段を設けたことを特徴とするガスタービン。
回転軸に固定された複数のディスクホィールと、これらディスクホィール間に位置するホィールスペーサと、前記ディスクホィールの外周に装着された動翼と、軸方向に隣接する動翼間に位置し固定部材に支持された静翼と、この静翼の内径側に位置し前記ホィールスペーサの外周に近接するダイアフラムと、このダイアフラムの側面と前記動翼との間に位置するホィールスペースとを備え、前記動翼の内部と前記静翼の内部とに冷却流路が形成されると共に、前記動翼側とホィールスペーサを貫通して前記動翼側の冷却流路と連結される冷却空気流路が形成され、前記静翼の内部を通して前記ダイアフラム内に導入した空気を前記ホィールスペースに噴出するように構成したガスタービンにおいて、前記ホィールスペースに面する前記ダイアフラムの側面に、前記ダイアフラム内に導入した空気を噴出させて前記ディスクホィールと前記ホィールスペーサの間から漏れる空気から前記ダイアフラムの側面を遮断する空気層を形成する手段を設けたことを特徴とするガスタービン。
前記ダイアフラムの側面で円周方向の複数箇所に、前記ダイアフラム内に導入した空気を放射状に噴出するノズルを設置し、かつ隣接するノズルからの噴出空気が互いに干渉する間隔で前記ノズルを複数設置したことを特徴とする請求項２記載のガスタービン。
前記各ノズルは、放射状に配置された複数のノズル孔を有し、各ノズル孔には流量調整手段が設けられていることを特徴とする請求項３記載のガスタービン。
前記各ノズルは、放射状に配置された複数のノズル孔を有し、各ノズル孔のうち、回転軸を中心として半径方向に対して傾斜するノズル孔は、半径方向に沿うノズル孔よりも大流量となるように流量が設定されていることを特徴とする請求項３記載のガスタービン。