JP2007032297A

JP2007032297A - ガスタービン設備

Info

Publication number: JP2007032297A
Application number: JP2005212709A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Kuroki; 英俊黒木; Shinya Marushima; 信也圓島; Ryo Akiyama; 陵秋山; Yasuhiro Horiuchi; 康広堀内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】本発明は、ケーシングが熱変形を受けても効率の低下を抑制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】本発明は、圧縮機ケーシング１１の内側に隙間をもって配置され圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂとの間に圧縮空気流路１６を形成する内側ケーシング１７を設けると共に、タービン６に、タービンケーシング１８の内側に隙間をもって配置されタービンロータ２４Ａ，２４Ｂとの間に燃焼ガス流路を形成する内側ケーシング２６を設けたのである。
上記構成とすることで、圧縮機ケーシング１１やタービンケーシング１８が熱変形を受けても、圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂ及びタービンロータ２４Ａ，２４Ｂと各内側ケーシング１７，２６との隙間を、起動から運転中に亘ってほぼ一定に保持できるので、効率の低下を抑制できるガスタービン設備が得られるのである。
【選択図】図１

Description

本発明はガスタービン設備に係り、特に、空気圧縮機とタービンのケーシングに工夫を施したガスタービン設備に関する。

一般に、ガスタービン設備は、例えば特許文献１に記載のように、空気圧縮機と、この空気圧縮機と同軸のタービンと、このタービンに燃焼ガスを供給する燃焼器とを備えている。

特開平８−２７０４０６号公報

上記従来のガスタービン設備は、ケーシングの熱変形に対しては何等考慮されていなかった。即ち、ガスタービン設備におけるケーシングは、圧縮機ケーシングとタービンケーシングとがあり、圧縮機ケーシングの吸気部は略大気温度であるが、タービンケーシング側の下流に行くにしたがい温度が高くなる温度分布を有している。そのために、圧縮機ケーシングとタービンケーシングとは、軸方向の温度差により周方向に熱変形が生じる。そのために、空気圧縮機のロータと圧縮機ケーシング間の隙間及びタービンのロータとタービンケーシング間の隙間を、熱変形を見込んで設計しなければならず、その分、圧縮空気の圧縮率やタービンの駆動力が低下し、ガスタービン設備としての効率を低下させていた。

本発明の目的は、ケーシングが熱変形を受けても効率の低下を抑制できるガスタービン設備を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、空気圧縮機に、圧縮機ケーシングの内側に隙間をもって配置され圧縮機ロータとの間に圧縮空気流路を形成する内側ケーシングを設けると共に、タービンに、タービンケーシングの内側に隙間をもって配置されタービンロータとの間に燃焼ガス流路を形成する内側ケーシングを設けたのである。

上記構成とすることで、圧縮機ケーシングやタービンケーシングが熱変形を受けても、圧縮機ロータ及びタービンロータと各内側ケーシングとの隙間の周方向分布を、起動から運転中に亘ってほぼ一定に保持できるので、効率の低下を抑制できるガスタービン設備が得られるのである。

以上説明したように本発明によれば、ケーシングが熱変形を受けても効率の低下を抑制できるガスタービン設備を得ることができる。

以下、本発明によるガスタービン設備の一実施の形態を、図１及び図２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、大きく分けるとガスタービン設備２と発電機３とで構成され、これらは共通の基台４に支持されている。

前記ガスタービン設備２は、空気圧縮機５と、タービン６と、このタービン６に燃焼ガスを供給する燃焼器７と、再生熱交換器８と、減速機９と、前記空気圧縮機５側とタービン６側の２点で前記基台４に支持するサポート１０Ａ，１０Ｂとで等で構成されている。そして、前記空気圧縮機５で圧縮された空気を再生熱交換器８で加熱し、この高温高圧空気を燃料と混合させて前記燃焼器７で燃焼させ、この燃焼ガスを前記タービン６に供給して駆動している。タービン６の駆動により減速機９を介して前記発電機３を回転させて発電している。

前記空気圧縮機５は、外周を圧縮機ケーシング１１で覆われており、この圧縮機ケーシング１１は空気を吸気する吸気プレナム１２を形成する側板１３に支持され、さらに、この側板１３は構造物１４を介して前記サポート１０Ａに支持されている。また、前記空気圧縮機５は、中心部にタービン６と同軸上に圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂが位置し、これら圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂに微少隙間を介して外周側から近接し圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂとの間に圧縮空気流路１６を形成する内側ケーシング１７を有している。この内側ケーシング１７は、前記圧縮機ケーシング１１の内側に、前記圧縮機ケーシング１１とは隙間を確保するように配置され、圧縮空気の上流側、云い代えれば吸気プレナム１２側を前記側板１３に支持されている。前記内側ケーシング１７の下流側には、タービンケーシング１８内に形成された吐出空気室１９があり、この吐出空気室１９からは図示しない配管を経由して圧縮機吐出空気が前記再生熱交換器８に導かれている。再生熱交換器８に導かれた吐出空気は、図示しない配管を経由して前記燃焼器７内に導かれる。

前記燃焼器７は、外周を覆い前記タービンケーシング１８に支持された燃焼器ケーシング２０を有し、その内側に燃焼器ライナ２１と、その下流側に連結され前記タービン６の入口に連結されたトランジションピース２２を設けている。燃焼器ライナ２１の上流側には、燃料ノズル２３が設けられ、この燃料ノズル２３から噴出された燃料を前記再生熱交換器８から供給された高温高圧空気と混合して燃焼させている。

前記タービン６は、外周を覆うタービンケーシング１８を有し、その内側の中心部には前記圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂと同軸のタービンロータ２４Ａ，２４Ｂを有している。これらタービンロータ２４Ａ，２４Ｂは、軸方向に複数段位置し、夫々の外周には周方向に等間隔で配置された動翼が設けられている。また、各タービンロータ２４Ａ，２４Ｂの上流側には、夫々静翼２５Ａ，２５Ｂが配置され、これら静翼２５Ａ，２５Ｂはタービンケーシング１８の下流側に固定された内側ケーシング２６に支持されている。さらに、このように配置されたタービンロータ２４Ａ，２４Ｂ及び静翼２５Ａ，２５Ｂ間には燃焼ガス流路が形成され、その下流側には、排ガスを導く排気ディフユーザ２７が位置している。この排気ディフユーザ２７を覆って排気ケーシング２８が位置し、この排気ケーシング２８が前記サポート１０Ｂを介して基台４に支持されている。尚、この排気ケーシング２８に前記タービンケーシング１８が固定されている。前記排気ディフユーザ２７の下流側は前記再生熱交換器８に連結されている。そして、前記タービンケーシング１８の吐出空気室１９と燃焼器７とは、吐出空気と高温高圧空気とが混じらないようにバッフルプレート３０で仕切られている。

上記構成のガスタービン発電設備１を起動させると、空気圧縮機５に入った空気は矢印で示すように流動して圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂによって次第に圧縮されて吐出空気室１９内に吐出される。吐出空気室１９内に吐出された高圧空気は、約０．８ＭＰａで約３００℃に昇圧昇温され、再生熱交換器８において約７００℃の排ガスによってさらに加熱され、約６００℃の高温高圧空気となる。

高温高圧空気は、燃焼器７内に導入され、燃焼器ライナ２１内で燃料ノズル２３から噴射される燃料と混合されて燃焼する。燃焼器ライナ２１内の燃焼ガスはトランジションピース２２を経由してタービン６に導入され、タービンロータ２４Ａ，２４Ｂを回転駆動させる。タービンロータ２４Ａ，２４Ｂの回転駆動により、空気圧縮機５の動力を得ると共に、減速機９を介して発電機３を駆動する。一方、タービンロータ２４Ａ，２４Ｂを回転駆動した排ガスは、排気ディフユーザ２７を経由して前記再生熱交換器８に導入され、圧縮空気を昇温させた後排気される。

上記構成のガスタービン発電設備１において、ガスタービン設備２は、空気圧縮機５の出口側の吐出された圧縮空気は約３００℃であり、燃焼器７に導入される高温高圧空気が約６００℃であるので、圧縮機ケーシング１１とタービンケーシング１８とは軸方向に温度偏差が発生する。その結果、圧縮機ケーシング１１とタービンケーシング１８の軸方向に各位置における周方向の熱膨脹が異なり、例えば圧縮機ケーシング１１は、図３に示すように、下流側が径方向に拡張するので軸方向に対して湾曲する。しかし、その内側に位置する内側ケーシング１７は圧縮機ケーシング１１に上流側で支持されているので、圧縮機ケーシング１１の湾曲変形に追従することはない。また、圧縮空気の温度による影響も殆どないので、それによる熱変形も許容範囲に留めることができる。その結果、内側ケーシング１７と圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂとの隙間も殆ど変化することない。したがって、圧縮機ロータ１５Ａ，１５Ｂとの隙間を、熱変形の周方向偏差を見込んで設計する必要はなく、その分、圧縮空気の圧縮率の低下はなくなり、ガスタービン発電設備１としての効率の低下を抑制することができる。

また、タービン６の静翼２５Ａ，２５Ｂを支持する内側ケーシング２６も、タービンケーシング１８に対して下流側に支持させた構成とすることで、燃焼器７近傍のタービンケーシング１８が周方向に熱膨張しても内側ケーシング２６はそれに追従することがないので、静翼２５Ａ，２５Ｂとタービンロータ２４Ａ，２４Ｂとの隙間をほぼ一定に維持することができ、タービン６の駆動力の低下はなくなり、ガスタービン発電設備１としての効率の低下を抑制することができる。

このように、本実施の形態においては、空気圧縮機５とタービン６に内側ケーシング１７及び２６を設けることで、圧縮機ケーシング１１及びタービンケーシング１８が熱変形してもガスタービン発電設備１としての効率の低下を抑制することができるのである。

さらに、本発明では、タービン６に与える燃焼器７の熱の影響を小さくするために、以下の対策を講じている。

前述のように、タービンケーシング１８は約３００℃であるが、燃焼器ケーシング２０は約６００度であるために、タービンケーシング１８の燃焼器ケーシング２０に接続される部分は約６００℃に近い高温になっているので、タービンケーシング１８に温度偏差が発生して変形する。このような燃焼器７側からの熱影響を遮断するために、図４に詳細を示すように、燃焼器ケーシング２０の内側全面に、遮熱板３１を設けたのである。この遮熱板３１と燃焼器ケーシング２０との間には、空気層３２を形成するように隙間を介在させている。

このように構成することで、約６００℃の高温高圧空気が直接燃焼器ケーシング２０に接触して昇温しないようにしている。遮熱板３１を設けることで、燃焼器ケーシング２０の昇温を約４００℃に抑えることができた。したがって、遮熱板３１を設けていない場合のタービンケーシング１８と燃焼器ケーシング２０との温度差を、３００℃（６００℃−３００℃）から１００℃（４００℃−３００℃）まで、約１／３に減少させることができた。その結果、タービンケーシング１８の燃焼器ケーシング２０に連結される部分の昇温が低減されるので、タービンケーシング１８の周方向の熱変形が小さくなり、これによって、タービン６の効率の低下を防止して、ガスタービン発電設備１としての効率低下を抑制できるのである。

さらに、燃焼器ケーシング２０の温度を下げる手段を講じることで、タービンケーシング１８の周方向の温度偏差を小さくでき、タービンケーシング１８の変形を抑制してガスタービン発電設備１としての効率低下を抑制することができる。

即ち、図４に示すように、燃焼器ケーシング２０と遮熱板３１との間に形成した空気層３２内に、吐出空気室１９から圧縮空気を導入するために、遮熱板３１のタービンケーシング１８側に接近する側に空気供給口３３を設けると共に、遮熱板３１の燃焼器ライナ２１の上流側に接近する位置に、空気層３２内に導入された圧縮空気を遮熱板３１と燃焼器ライナ２１間に形成された空間３４に排出する空気排出口３５を設けたのである。

上記構成とすることで、吐出空気室１９内に空気圧縮機５から吐出された約８ａｔａの圧力で約３００℃の圧縮空気の一部は、空気供給口３３から圧力が約７．５ａｔａの空気層３２内に流入する。空気層３２内に流入した約３００℃の圧縮空気は、再生熱交換器８から空間３４に導入された約６００℃の圧縮空気によって燃焼器ケーシング２０が加熱されるのを冷却して防止する。その後、空気層３２内を冷却した圧縮空気は、空気排出口３５から空間３４内に放出され燃焼用の空気として用いられる。

以上説明したように、空気層３２内に空気圧縮機５から吐出された圧縮空気を流通させることで、単に、空気層３２を設けた場合に比べて、燃焼器ケーシング２０の温度を約５０℃低下させて約３５０℃にすることができる。その結果、タービンケーシング１８の周方向の熱変形をさらに小さくすることができる。

ところで、圧縮機ケーシング１１やタービンケーシング１８の熱変形や歪みを、さらに抑制するために、以上説明した構成とすると共に、これらの材質を他の構成部材よりも熱膨張係数が小さい材料で形成するようにしてもよい。

また、圧縮機ケーシング１１やタービンケーシング１８は、燃焼器７からの入熱による周方向温度偏差以外に、軸方向にも温度偏差が発生する。即ち、タービンケーシング１８の燃焼器ケーシング２０が固定される部分は高温になるが、圧縮機ケーシング１１の吸気側は略大気温度程度であるので、軸方向に温度偏差が発生する。さらに、空気圧縮機５の内側ケーシング１７は、燃焼器ケーシング２０と直接連結されていないので、燃焼器ケーシング２０からの入熱による温度偏差は生じないが、内側ケーシング１７内を流れる圧縮空気は下流に行くにしたがって高温となるために軸方向の温度偏差が生じる。

このような圧縮機ケーシング１１やタービンケーシング１８、さらには内側ケーシング１７の軸方向温度偏差によって図３に示すような変形が発生する。

このような軸方向の温度偏差による変形は、図５に示す構成とすることで防止することができる。

空気圧縮機５は、圧縮機ケーシング１１と内側ケーシング１７との二重構造になっており、圧縮機ケーシング１１と内側ケーシング１７とは共に、吸気側で吸気プレナム１２を形成する側板１３に固定されて入る。そして、圧縮機ケーシング１１と内側ケーシング１７との間には隙間３６が存在し、この隙間３６によって圧縮機ケーシング１１の熱変形を内側ケーシング１７に伝えないようにしているのは上述の通りである。この隙間３６に、吐出空気室１９に吐出された圧縮空気の一部を導入し、導入された圧縮空気を内側ケーシング１７の固定部近傍に設けた貫通口３７から圧縮空気流路１６内に放出するように構成するのである。

空気圧縮機５から吐出された圧縮空気は、吐出空気室１９内では約３００℃で８ａｔａ程度であり、一方貫通口３７近傍の圧縮空気流路１６内の空気は約２．５ａｔａ程度であるので、圧力差によって吐出空気室１９内の圧縮空気が隙間３６に導入され、貫通口３７から圧縮空気流路１６内に放出される。このような圧縮空気の循環により、圧縮機ケーシング１１と内側ケーシング１７とは加熱され、特に、吸気側が加熱されるので、軸方向の温度偏差が抑制されるのである。

尚、前記隙間３６から圧縮空気流路１６内へ連通する貫通口３７を設ける代わりに、前記隙間３６と吸気プレナム１２とを連通する貫通口３８を側板１３に設けても同等の効果を奏することができる。

以上説明したように、本発明による実施の形態によれば、圧縮機ケーシングやタービンケーシングの熱変形を抑制できるので、熱変形による効率の低下を抑制できるガスタービン発電設備を得ることができる。

ところで、上記各実施の形態は、ガスタービン設備としてガスタービン発電設備を一例に説明したが、この実施の形態に囚われるものではなく、ガスタービン設備の負荷は自由に変更することができる。

本発明によるガスタービン設備を示す縦断側面図。本発明によるガスタービン設備であるガスタービン発電設備を示す概略側面図。熱変形を受けた圧縮機ケーシングを示す一部縦断側面図。図１のガスタービン設備に用いられる燃焼器の実施の形態を示す縦断拡大側面図。図１のガスタービン設備に用いられる空気圧縮機の実施の形態を示す縦断拡大側面図。

符号の説明

１…ガスタービン発電設備、２…ガスタービン設備、３…発電機、４…基台、５…空気圧縮機、６…タービン、７…燃焼器、８…再生熱交換器、９…減速機、１０Ａ，１０Ｂ…サポート、１１…圧縮機ケーシング、１２…吸気プレナム、１３…側板、１５Ａ，１５Ｂ…圧縮機ロータ、１６…圧縮空気流路、１７…内側ケーシング、１８…タービンケーシング、１９…吐出空気室、２０…燃焼器ケーシング、２１…燃焼器ライナ、２２…トランジションピース、２３…燃料ノズル、２４Ａ，２４Ｂ…タービンロータ、２５Ａ，２５Ｂ…静翼、２６…内側ケーシング、３０…バッフルプレート、３１…遮熱板、３２…空気層、３３…空気供給口、３４…空間、３５…空気排出口、３６…隙間、３７，３８…貫通口。

Claims

外周を圧縮機ケーシングで覆われた空気圧縮機と、この空気圧縮機と同軸上に配置され外周をタービンケーシングで覆われたタービンと、このタービンに燃焼ガスを供給する燃焼器とを備えたガスタービン設備において、前記空気圧縮機に、前記圧縮機ケーシングの内側に隙間をもって配置され圧縮機ロータとの間に圧縮空気流路を形成する内側ケーシングを設けると共に、前記タービンに、前記タービンケーシングの内側に隙間をもって配置されタービンロータとの間に燃焼ガス流路を形成する内側ケーシングを設けたことを特徴とするガスタービン設備。
前記空気圧縮機の内側ケーシングは、前記圧縮空気流路の上流側で前記圧縮機ケーシングに支持され、前記タービンの内側ケーシングは、前記燃焼ガス流路の下流側で前記タービンケーシングに支持されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
前記燃焼器は、前記タービンケーシングに支持された燃焼器ケーシングを有し、この燃焼器ケーシングは、その内側に空気層を介在して遮熱板を設置していることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
外周を圧縮機ケーシングで覆われた空気圧縮機と、この空気圧縮機と同軸上に配置され外周をタービンケーシングで覆われたタービンと、外周を前記タービンケーシングに支持された燃焼器ケーシングで覆われ前記タービンに燃焼ガスを供給する燃焼器とを備えたガスタービン設備において、前記空気圧縮機に、前記圧縮機ケーシングの内側に隙間をもって配置され圧縮機ロータとの間に圧縮空気流路を形成する内側ケーシングを設け、前記タービンに、前記タービンケーシングの内側に隙間をもって配置されタービンロータとの間に燃焼ガス流路を形成する内側ケーシングを設け、かつ前記燃焼器に、前記燃焼器ケーシングの内側に空気層を介在して遮熱板を配置すると共に、前記燃焼器の燃焼器ケーシングと遮熱板との空気層に前記空気圧縮機の吐出空気の一部を供給するように構成したことを特徴とするガスタービン設備。
外周を圧縮機ケーシングで覆われた空気圧縮機と、この空気圧縮機と同軸上に配置され外周をタービンケーシングで覆われたタービンと、外周を前記タービンケーシングに支持された燃焼器ケーシングで覆われ前記タービンに燃焼ガスを供給する燃焼器とを備えたガスタービン設備において、前記空気圧縮機に、前記圧縮機ケーシングの内側に隙間をもって配置され圧縮機ロータとの間に圧縮空気流路を形成する内側ケーシングを設け、前記タービンに、前記タービンケーシングの内側に隙間をもって配置されタービンロータとの間に燃焼ガス流路を形成する内側ケーシングを設け、かつ前記圧縮機の圧縮機ケーシングと内側ケーシングとの隙間に前記空気圧縮機の吐出空気の一部を供給するように構成したことを特徴とするガスタービン設備。
外周を圧縮機ケーシングで覆われた空気圧縮機と、この空気圧縮機と同軸上に配置され外周をタービンケーシングで覆われたタービンと、外周を前記タービンケーシングに支持された燃焼器ケーシングで覆われ前記タービンに燃焼ガスを供給する燃焼器とを備えたガスタービン設備において、前記空気圧縮機に、前記圧縮機ケーシングの内側に隙間をもって配置され圧縮機ロータとの間に圧縮空気流路を形成する内側ケーシングを設け、前記タービンに、前記タービンケーシングの内側に隙間をもって配置されタービンロータとの間に燃焼ガス流路を形成する内側ケーシングを設け、かつ前記燃焼器に、前記燃焼器ケーシングの内側に空気層を介在して遮熱板を配置すると共に、前記燃焼器の燃焼器ケーシングと遮熱板との空気層に前記空気圧縮機の吐出空気の一部を供給するように構成し、前記圧縮機の圧縮機ケーシングと内側ケーシングとの隙間に前記空気圧縮機の吐出空気の一部を供給するように構成したことを特徴とするガスタービン設備。
外周を圧縮機ケーシングで覆われた空気圧縮機と、この空気圧縮機と同軸上に配置され外周をタービンケーシングで覆われたタービンと、このタービンに燃焼ガスを供給する燃焼器とを備えたガスタービン設備において、前記圧縮機ケーシングと前記タービンケーシングは、夫々隙間を介在させた二重のケーシングで構成されていることを特徴とするガスタービン設備。
外側に位置する前記圧縮機ケーシングと前記タービンケーシングとは、他の構成部材よりも熱膨張係数が小さい材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガスタービン設備。
前記空気圧縮機側と前記タービン側の２箇所で基台に固定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガスタービン設備。