JP2007009911A - ガスタービンにおける冷却形ガスタービン静翼、ガスタービン静翼の利用およびガスタービンの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、作動媒体で洗流される前縁（３６）を有する中空翼形部（３２）と、この翼形部（３２）の内部を前縁（３６）に沿って延びる冷却媒体案内用の前縁側通路（４０）を備えたガスタービン（１）における冷却形タービン静翼（３０）に関する。また本発明は、そのようなガスタービン静翼（３０）の利用と、前記ガスタービン静翼（３０）を備えたガスタービン（１）の運転方法に関する。本発明の課題は、増大された寿命を有するガスタービン静翼（３０）を提供することにある。
【解決手段】前縁側通路（４０）の内部に電熱要素（５０）が設けられ、この電熱要素（５０）が前縁側通路（４０）のほぼ全長にわたって延び、ガスタービン（１）の運転前、ガスタービン静翼（３０）を予熱するために電熱用電流が流される。
【選択図】図２

Description

本発明は、作動媒体で洗流される前縁を含む中空翼形部（羽根）と、この翼形部の内部を前縁に沿って延びる冷却媒体案内用の前縁側通路を備えたガスタービンにおける冷却形タービン静翼に関する。また本発明は、そのようなガスタービン静翼の利用と、前記ガスタービン静翼を備えたガスタービンの運転方法に関する。

特許文献１で、ガスタービンにおける冷却形ガスタービン静翼が知られている。そのタービン静翼は、燃焼ガスで洗流される翼形部前縁（入口縁）を有している。その翼形部内を、燃焼ガス流れ方向に対して直角に延びる冷却通路が延びている。

ガスタービンの故障のない確実な運転を保証するようなガスタービン静翼の最大許容寿命の計算は、短時間繰返し強度（Low-Cycle-Fatigue＝ＬＣＦ）についての疲れ寿命も考慮して行われる。理想モデルを参考にし、周辺条件を前提として、ＬＣＦ寿命が計算される。その最大許容寿命の到達後、ガスタービンは開かれ、ガスタービン翼が、例えば亀裂（クラック）のような欠陥について目視的および機械的に検査される。その検査によって、次の運転サイクルにおけるその継続利用がガスタービン運転の危険なしに可能であるか否かが決定されねばならない。

ガスタービンの解体は手間がかかり、停止時間を望ましくなく増大させる。また、その検査は時間と経費がかかり、このために一般に、ガスタービンの停止時間を短縮し、使用部品および利用部品の寿命を高める努力が払われている。
欧州特許出願公開第１５０５２５６号明細書

本発明の課題は、寿命が長くされたガスタービン静翼を提供することにある。また本発明の更なる課題は、そのようなガスタービン静翼の利用と、ガスタービン静翼の寿命を高めるためのガスタービン静翼を備えたガスタービンの二つの運転方法を提供することにある。

ガスタービン静翼に向けられた課題は、請求項１に記載のガスタービン静翼によって解決される。本発明は、冒頭に述べた形式のガスタービン静翼が、前縁側通路の内部に電熱要素を有し、この電熱要素が前縁側通路のほぼ全長にわたって延びている、ことを提案する。

本発明は、翼材料における特に強い温度上昇ないし強い温度低下（いわゆるヒートショック）が亀裂を引き起し、亀裂の成長を促進し、それどころか加速するという認識から出発している。急速な温度変化は翼材料において熱応力を引き起し、翼材料はそのような多くの温度変化および応力変化に耐えねばならない。ガスタービンの過度に多くの温度変化、特に低温始動のために、翼材料が疲労する。温度変化および応力変化の累加的作用の際、亀裂が生じ、一層成長する。亀裂が臨界長を超過したとき、あるいは、未臨界長の亀裂が単位面積当たり過度に多く存在するとき、その部品は交換されねばならない。

この不利な事象は、燃焼ガスで負荷される翼材料が急速な温度変化に頻繁に曝されれば曝されるほど、および、耐えねばならない温度差が大きければ大きいほど、頻繁に生ずる。

特に、ガスタービンの低温始動中並びにガスタービンの減速運転中、燃焼ガスで負荷される部品に最大の温度差が生ずる。

全負荷運転中のガスタービンを危険故障時に、計画外に停止することは、タービン翼の寿命に最悪の影響を与える。トリップと呼ばれるこの状態は、燃焼ガスで負荷される部品の寿命を著しく短縮し、ガスタービン翼の寿命も、その材料がその瞬間に特に大きな温度勾配および／又は、温度変化に耐えねばならないので、短縮する。

ここで本発明が採用される。好ましくは定置形ガスタービンにおいて、ガスタービン静翼の寿命は、本発明の課題を解決するために請求項５に基づいて、ガスタービンの低温始動前にガスタービン静翼が予熱されることによって、著しく高められる。そのために、ガスタービン静翼は、前縁側通路の内部に電熱要素を有し、この電熱要素は翼形部のほぼ全長にわたって延びている。電流が流される電熱要素は、ガスタービンの点火前に加熱し、即ち、予熱中、はじめ常温であるガスタービン静翼を非常にゆっくり加熱し、これによって、翼材料における温度による熱応力がそれに応じて低く保たれる。温度上昇は非常にゆっくり行われ、従来の始動時、即ち、ガスタービン点火時のように急速にあるいは跳躍的には行われない。ガスタービンの点火と共に、ガスタービン静翼の加熱が調整される。

同様に本発明の課題を解決するために請求項８に基づいて、全負荷しゃ断（トリップ）時に計画的あるいは非計画的なガスタービンの燃焼のしゃ断を行う場合に、ガスタービン静翼の再熱が開始されることによって、ガスタービン静翼の寿命が増大される。ガスタービンの運転中にガスタービン静翼がその最大許容運転温度に加熱されているので、その再熱によって、目的に合い制御された翼材料温度の低下が達成される。これによって、従来通常の冷却に比べてガスタービン静翼の温度低下時間がかなり長くされ、その結果、温度低下に基づいて生ずる材料応力が比較的小さくされる。

上述の両方法で得られる熱応力の減少に基づいて、翼材料において亀裂発生は、従来における通常のガスタービン静翼に比べて、一層遅らされ、亀裂成長の速度が落ちる。従って材料に優しい方法は、低サイクル疲れ（ＬＣＦ）寿命を顕著に増大させ、ガスタービン静翼の欠陥未臨界的保証寿命を延長させる。このガスタービン静翼が装備されたガスタービンおよび／又は本発明に基づく方法で運転されるガスタービンは、長期間にわたって確実に支障なしに採用でき、これは、時間的に後ろ倒しにされた保守点検に基づいて経費を低減させる。

第１タービン段および第２タービン段のガスタービン翼が最高運転温度に耐えねばならないので、最大温度差もこれらのタービン翼において生ずる。その運転温度は、特にこれらのタービン翼が冷却されるような高い温度範囲にある。従って、本発明は特に冷却形ガスタービン翼に対して適している。これに対して、非冷却形ガスタービン翼は小さな温度差を生じ、従って、高温（＝部品の運転温度）と低温（＝周囲温度）との間における運転上の温度変化の影響は僅かしか生じない。

有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

ガスタービン静翼の翼形部の特に一様な加熱は、電熱要素が前縁側通路の通路壁に接し、あるいは、少なくとも部分的に通路壁に一体に組み込まれていることによって達成される。この加熱要素と通路壁との特に有利な熱的連結によって、ガスタービン静翼の材料の加熱損失を小さくすることができる。

加熱要素から翼材料に放射される熱エネルギの特に一様な分布を保証するために、電熱要素はコイル状電熱線として形成されている。このコイル状電熱線は公知であり、安価に調達できる。

ガスタービンの始動前にガスタービン静翼の十分な加熱を得るために、供給される熱出力が加熱過程中に増大される。これにより予熱中に、ガスタービン静翼の運転温度に対する差が周囲温度と運転温度との差に比べて小さくなるまで翼材料の永続的で連続した加熱が行われる。これによって、翼材料に生ずる材料応力はゆっくりと、従って、材料を傷めないように発生する。続いてガスタービンの始動により燃焼が始まったとき、残る温度上昇は僅かである。従って、サーマルショックは回避される。また、短縮された始動過程を得るために、電熱要素でガスタービン静翼を運転温度近くの持続温度「暖」に保つこともできる。

再熱中、翼材料の温度の非常にゆっくりした低下を生じさせるために、ガスタービン静翼に供給される熱出力は連続して低下され、これによって、材料熱膨張および材料熱応力が低減される。

全体として、本発明によって、ガスタービン静翼のＬＣＦ疲れが減少され、これは、その寿命に有利に作用し、そのようなガスタービン静翼が装備されたガスタービンの運転危険の減少が実現される。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。

図１にはガスタービン１が縦断面図で示されている。ガスタービン１は内部に回転軸線２を中心に回転可能に支持されたロータ３を有し、このロータ３はタービンロータとも呼ばれる。ロータ３に沿って順々に、入口室４、圧縮機５、互いに回転対称に配置された複数のバーナを備えたトーラス状環状燃焼器６、タービン装置８および排気室９が続いている。環状燃焼器６は環状燃焼ガス通路１８に連通する燃焼室１７を形成している。そこで、直列接続された４つのタービン段１０がタービン装置８を形成している。各タービン段１０は２つの翼列（翼輪）で形成されている。環状燃焼器６内で発生された燃焼ガス１１の流れ方向に見て、燃焼ガス通路１８内において各静翼列１３に続いて、多数の動翼１５から成る翼列１４が続いている。静翼１２はステータ（車室）に固定され、これに対して、翼列１４の動翼１５はタービン円板によってロータ３に設けられている。ロータ３に発電機あるいは作業機械（図示せず）が連結されている。

本発明に基づくガスタービン静翼３０は図２に縦断面図で示されている。このガスタービン静翼３０は２つの翼台座３４（３４ａ，３４ｂ）間を延びる翼形部（羽根）３２を有している。翼台座３４は、ガスタービンの運転中に燃焼ガス１１が流れる燃焼ガス通路１８の外側境界部と内側境界部を形成している。翼形部３２の入口側の前縁は入口縁３６とも呼ばれる。翼形部３２は反対側端に、燃焼ガス１１が流出する翼後縁（出口縁）３７を有している。

翼形部３２は複数の空洞３８を有している。それらの空洞３８に翼台座３４を通して冷却媒体、好適には、冷却空気が供給され、鋳造タービン翼３０を冷却する。その冷却のために、対流冷却、衝突冷却および／又は膜冷却並びに拡散冷却のような通常の冷却方式が採用される。

ガスタービン１の低温始動前にガスタービン静翼３０を予熱するために、１つの空洞３８に、好適には、前縁３６に後置された空洞の中に、即ち、前縁側通路４０の中に、電熱要素５０が設けられている。この電熱要素５０は前縁３６のほぼ全長にわたって延び、即ち、半径方向内側位置の翼台座３４ａから半径方向外側位置の翼台座３４ｂまで延びている。

ガスタービン静翼３０の特に一様な加熱を可能にするために、電熱要素５０はコイル状電熱線５４として形成されている。

図３には、図２における本発明に基づくガスタービン静翼３０が横断面図で示されている。前縁側通路４０内にコイル状電熱線５４が配置されている。このコイル状電熱線５４は、ガスタービン静翼３０をその寿命を延長すべく加熱ないし再熱するために、調整可能な電熱用電流が流される。その電熱用電流は、電熱線５４において放射熱を発生し、この放射熱は、熱機械的材料応力を、ＬＣＦ寿命にとって未臨界的大きさの範囲内で成長させるために、あるいは運転後に消滅させるために、鋳造ガスタービン静翼３０の材料、好適には、翼形部３２および翼台座３４の材料を、ガスタービン１の運転前に非常にゆっくりと加熱する。

ガスタービン静翼３０の予熱ないし再熱によって、比較的短い時間間隔で生ずる特に大きな温度変化、いわゆるサーマルショックが防止され、これによって、翼材料における短時間繰返し強度が高められ、亀裂発生ないし亀裂成長が効果的に減少される。

ガスタービンの縦断面図。 本発明に基づく電熱線を備えたガスタービン静翼の縦断面図。 図２における本発明に基づくガスタービン静翼の横断面図。

符号の説明

１ ガスタービン
３０ ガスタービン静翼
３２ 翼形部（羽根）
３６ 前縁（入口縁）
４０ 前縁側通路
５０ 加熱要素
５４ 電熱線

Claims (9)

1. 作動媒体で洗流される前縁（３６）を有する中空翼形部（３２）と、この翼形部（３２）の内部を前縁（３６）に沿って延びる冷却媒体案内用の前縁側通路（４０）を備えたガスタービン（１）における冷却形タービン静翼（３０）において、前縁側通路（４０）の内部に電熱要素（５０）が設けられ、この電熱要素（５０）が前縁側通路（４０）のほぼ全長にわたって延びていることを特徴とするガスタービン（１）における冷却形タービン静翼（３０）。
2. 電熱要素（５０）が前縁側通路（４０）の通路壁に接し、あるいは、少なくとも部分的に通路壁に一体に組み込まれていることを特徴とする請求項１記載の冷却形タービン静翼（３０）。
3. 電熱要素（５０）がコイル状電熱線（５４）として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却形タービン静翼（３０）。
4. 定置形ガスタービン（１）に利用されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却形タービン静翼（３０）の利用。
5. ガスタービン（１）の低温始動前にガスタービン静翼（３０）が予熱されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却形タービン静翼（３０）を備えたガスタービン（１）の運転方法。
6. 加熱過程中、ガスタービン静翼（３０）に供給される熱出力が増大されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. ガスタービン（１）の始動前あるいは始動中、加熱量が調整されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. ガスタービン（１）の停止後、ガスタービン静翼（３０）が再熱されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却形タービン静翼（３０）を備えたガスタービン（１）の運転方法。
9. 加熱過程中、ガスタービン静翼（３０）に供給される熱出力が低減されることを特徴とする請求項８記載の方法。

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