JP2007192028A - ガスタービン排気部の冷却構造及び該構造を備えたガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造の冷却系統によりストラット部や排気トンネル内の冷却空気の置換を促進して、当該部の冷却効果を十分に高めることができるガスタービン排気部の冷却構造を提供する。
【解決手段】排気キャビティ１２下流側の排気ディフューザ１３を貫通して同排気ディフューザ１３内側でかつ排気キャビティ１２に連通する排気トンネル１６と車室外とを連通する冷却空気取入口１７と、冷却空気取入口から取り入れた冷却空気をストラット１４とストラットカバー１５との間の空間を通して吸引排気手段としての配管１８により排気キャビティ外に排出する冷却系統とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン排気部の冷却構造及び該構造を備えたガスタービン設備に関する。

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、タービンからの燃焼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ガスタービン排気部も冷却対象の一つである。

通常、ガスタービン排気部は、外側ディフューザと内側ディフューザとからなる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車室壁及びベアリングケースからなる排気キャビティ、前記排気ディフューザを貫通して前記車室壁とベアリングケースとを連結するストラットと、このストラットを覆うように、前記外側ディフューザと内側ディフューザとを連結するストラットカバー等によって構成される。

このガスタービン排気部の冷却については、従来は、圧縮機の抽気空気の一部を冷却用空気として、先ず、排気キャビティに導入し、ここからストラット部及び排気キャビティ下流の排気トンネルに導入して、当該部の冷却を行っていた（特許文献１参照）。

特開２００４−５２５９８号公報 特開２００５−８３１９９号公報

ところで、従来の冷却構造にあっては、外部から導入されたストラット部や排気トンネル内の冷却空気は、シール部等から燃焼ガス中に漏れ出す程度のため、内部空気の置換が十分ではないことから、ストラット部や排気トンネル内の温度が上昇し、特にストラット廻りの冷却が不十分になる。

そのため、ガスタービンの排ガス温度の高温化に限界があることから、タービン性能の向上を十分に図ることができないと共に、ガスタービン排気部の冷却用に圧縮機から抽気する圧縮空気量の増大でエネルギー効率も低下するという問題点があった。

尚、特許文献２では、空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、を備えたガスタービン設備が開示されている。

これによれば、ストラット部や排気トンネル内の冷却空気の置換を促進して、当該部の冷却効果を高めることができるが、冷却系統が２系統有るため、構造が繁雑となり、コストアップを招来するという欠点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、簡単な構造の冷却系統によりストラット部や排気トンネル内の冷却空気の置換を促進して、当該部の冷却効果を十分に高めることができるガスタービン排気部の冷却構造及び該構造を備えたガスタービン設備を提供することにある。

斯かる目的を達成するための本発明に係るガスタービン排気部の冷却構造は、
タービンの下流側にそれぞれ接続した円筒状の車室壁とベアリングケースとで画成された排気キャビティと、
前記車室壁とベアリングケースとの間にそれぞれ設けられた外側ディフューザと内側ディフューザとからなり、前記タービンの燃焼ガス出口に接続して同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、
前記排気ディフューザを貫通して前記車室壁とベアリングケースとを連結するストラットと、
前記ストラットを覆うように、前記外側ディフューザと内側ディフューザとを連結するストラットカバーと、
を備えたガスタービン排気部において、
前記排気キャビティ下流側の排気ディフューザを貫通して同排気ディフューザ内側でかつ前記排気キャビティに連通する排気トンネルと車室外とを連通する冷却空気取入口と、 前記冷却空気取入口から取り入れた冷却空気を前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通して吸引排気手段により排気キャビティ外に排出する冷却系統と、
を備えたことを特徴とする。

また、前記吸引排気手段は、前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通した冷却空気を吸気設備の負圧部に導入する接続配管であることを特徴とする。

また、前記吸引排気手段は、圧縮機抽気口と排気ダクトとを接続するバイパス通路と、該バイパス通路に介装されて当該バイパス空気を主流として前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通した冷却空気を吸引するエジェクタとからなることを特徴とする。

また、本発明に係るガスタービン設備は、
空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機からの圧縮空気を燃焼させる燃焼器と、
前記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、
前記タービンの下流側にそれぞれ接続した円筒状の車室壁とベアリングケースとで画成された排気キャビティと、
前記車室壁とベアリングケースとの間にそれぞれ設けられた外側ディフューザと内側ディフューザとからなり、前記タービンの燃焼ガス出口に接続して同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、
前記排気ディフューザを貫通して前記車室壁とベアリングケースとを連結するストラットと、
前記ストラットを覆うように、前記外側ディフューザと内側ディフューザとを連結するストラットカバーと、
前記排気キャビティ下流側の排気ディフューザを貫通して同排気ディフューザ内側でかつ前記排気キャビティに連通する排気トンネルと車室外とを連通する冷却空気取入口と、 前記冷却空気取入口から取り入れた冷却空気を前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通して吸引排気手段により排気キャビティ外に排出する冷却系統と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却系統が吸引排気手段を備えた１系統で済み、簡単な構造の冷却系統によりストラット部や排気トンネル内の冷却空気の置換を促進して、当該部の冷却効果を十分に高めることができる。

以下、本発明に係るガスタービン排気部の冷却構造及び該構造を備えたガスタービン設備を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示すガスタービン設備の半断面図、図２は図１のII-II線断面図である。

図1に示したガスタービン設備は、主として、吸気設備１において取り入れた空気を圧縮して燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２と、この圧縮機２からの圧縮空気を燃料とともに燃焼して高温高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器３と、この燃焼器３からの燃焼ガスによってロータの回転動力を得るタービン４とを備えている。タービン４は、１軸でも２軸でも構わないが、以下の説明では、１軸のものを例に挙げて説明する。

タービン４のロータ５は、圧縮機２のロータ６に中間軸７を介して連結しており、燃焼器３からの燃焼ガス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２のロータ６に伝達して圧縮機２を駆動させると共に、圧縮機２のロータ６に連結した図示しない発電機を発電させる。タービン４から排出される燃焼ガス（排気ガス）は、後述するガスタービン排気部８及び排気ダクト９を通り図示しない煙突を介して大気に放出される。

前記ガスタービン排気部８は、図２にも示すように、タービン４の下流側にそれぞれ接続した円筒状の車室壁１０とベアリングケース１１とで画成された排気キャビティ１２と、前記車室壁１０とベアリングケース１１との間に設けられた外側ディフューザ１３ａと内側ディフューザ１３ｂとからなり前記タービン４の燃焼ガス出口に接続して同タービン４からの燃焼ガスの静圧を回復させる排気ディフューザ１３と、前記排気ディフューザ１３を貫通して前記車室壁１０とベアリングケース１１とを連結するストラット１４と、前記ストラット１４を覆うように、前記外側ディフューザ１３ａと内側ディフューザ１３ｂとを連結するストラットカバー１５と、を備える。

図示例では、前記車室壁１０は複数段のタービン静翼やストラット１４等に対応して軸方向に複数分割されている。前記ストラットは円周方向に等間隔でかつベアリングケース１１の接線方向に６本設けられている。尚、ストラット１４の本数は、これに限定されるものではない。

そして、本実施例では、前記排気キャビティ１２下流側の排気ディフューザ１３を貫通して同排気ディフューザ１３内側でかつ前記排気キャビティ１２に連通する排気トンネル１６と車室外（図示しないエンクロージャ内で略大気圧）とを連通する冷却空気取入口１７と、該冷却空気取入口１７から取り入れた冷却空気を前記ストラット１４とストラットカバー１５との間の空間を通して後述する吸引排気手段により排気キャビティ１２外に排出する冷却系統とが設けられる。

図示例では、前記冷却空気取入口１７として、ガスタービン排気部８の内部にセットした図示しない計器類へのアクセスホールが利用されているが、別に設けても良い。尚、冷却空気取入口１７としてのアクセスホールは円周方向に等間隔で複数個（３個程度）設けられる。

前記吸引排気手段として、一端が排気マニホールド２０の分岐管２０ａ〜２０ｆ（図２参照）を介して前記車室壁１０に開口接続して排気キャビティ１２内に連通し、他端が前記吸気設備１のベルマウス部（負圧部）に開口接続する配管１８が設けられる。この配管１８には、ガスタービン設備の運転停止や運転始動時等に閉弁する開閉弁１９が介装される。

図示例では、排気マニホールド２０が６本の分岐管２０ａ〜２０ｆを有し、これらの分岐管２０ａ〜２０ｆが、車室壁１０のストラット１４連結部に近接して開口接続されているが、排気マニホールド２０を用いずに、一本の配管で直接車室壁１０と吸気設備１のベルマウス部とを連通接続しても良い。

このように構成されるため、ガスタービン設備の運転時（開閉弁１９の開弁状態下における）には、冷却空気取入口１７から排気トンネル１６→排気キャビティ１２（排気ディフューザ１３内側における）→ストラット１４とストラットカバー１５との間の空間→排気キャビティ１２（排気ディフューザ１３外側における）→排気マニホールド２０→配管１８→吸気設備１のベルマウス部へと通じる冷却系統において、略大気圧下にある冷却空気取入口１７と負圧下にある吸気設備１のベルマウス部との差圧により、冷却空気が冷却系統内を冷却空気取入口１７→吸気設備１のベルマウス部へと吸引される。

これにより、ストラット１４部や排気トンネル１６内の冷却空気が外部へ強制的に排気され、その置換を促進して、当該部の冷却効果が十分に高められる。この結果、ガスタービンの排ガス温度の高温化が可能になり、タービン性能の向上が図れると共に、ガスタービン排気部８の冷却用に圧縮機２から抽気する圧縮空気量も低減できるのでエネルギー効率も高められる。また、冷却系統が吸引排気手段を備えた１系統で済み、構造の簡略化によりコストダウンも図れる。

図３は本発明の実施例２を示すガスタービン設備の半断面図である。

これは、実施例１における吸引排気手段として、圧縮機２の抽気口２１と排気ダクト９とを接続するバイパス通路２２と、該バイパス通路２２に介装されて当該バイパス空気を主流としてストラット１４とストラットカバー１５との間の空間を通した冷却空気を吸引するエジェクタ２３とを設けた例である。

図中２４がエジェクタ２３に通じる吸引排気通路で、この吸引排気通路２４に、冷却空気取入口１７から取り入れた冷却空気が排気トンネル１６→排気キャビティ１２（排気ディフューザ１３内側における）→ストラット１４とストラットカバー１５との間の空間→排気キャビティ１２（排気ディフューザ１３外側における）を通って直接、または排気マニホールド２０（図２参照）を介して、吸引されるようになっている。尚、図中２２ａは、バイパス通路２２から分岐して圧縮機２から抽気した圧縮空気の一部を所要の排気キャビティに供給して当該部の冷却を行う分岐通路である。その他の構成は、実施例１と同様なので、図１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

この実施例によるも、ガスタービン設備の運転時（開閉弁１９の開弁状態下における）には、冷却空気取入口１７から排気トンネル１６→排気キャビティ１２（排気ディフューザ１３内側における）→ストラット１４とストラットカバー１５との間の空間→排気キャビティ１２（排気ディフューザ１３外側における）→（排気マニホールド２０→）吸引排気通路２４→エジェクタ２３へと通じる冷却系統において、略大気圧下にある冷却空気取入口１７と負圧下にあるエジェクタ２３との差圧により、冷却空気が冷却系統内を冷却空気取入口１７→エジェクタ２３へと吸引される。

これにより、ストラット１４部や排気トンネル１６内の冷却空気が外部へ強制的に排気され、その置換を促進して、当該部の冷却効果が十分に高められる。この結果、ガスタービンの排ガス温度の高温化が可能になり、タービン性能の向上が図れると共に、ガスタービン排気部８の冷却用に圧縮機２から抽気する圧縮空気量も低減できるのでエネルギー効率も高められる。また、ストラット１４部や排気トンネル１６内の冷却系統が吸引排気手段を備えた１系統で済み、構造の簡略化によりコストダウンも図れる。

尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で冷却系統における通路構造の若干の変更（冷却空気の取出し及び又は取入れ位置の変更）等各種変更が可能であることはいうまでもない。

図１は本発明の実施例１を示すガスタービン設備の半断面図である。 図１のII-II線断面図である。 本発明の実施例２を示すガスタービン設備の半断面図である。

符号の説明

１ 吸気設備
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ タービンのロータ
６ 圧縮機のロータ
７ 中間軸
８ ガスタービン排気部
９ 排気ダクト
１０ 車室壁
１１ ベアリングケース
１２ 排気キャビティ
１３ 排気ディフューザ
１３ａ 外側ディフューザ
１３ｂ 内側ディフューザ
１４ ストラット
１５ ストラットカバー
１６ 排気トンネル
１７ 冷却空気取入口
１８ 配管
１９ 開閉弁
２０ 排気マニホールド
２０ａ〜２０ｆ 分岐管
２１ 抽気口
２２ バイパス通路
２２ａ 分岐通路
２３ エジェクタ
２４ 吸引排気通路

Claims (4)

1. タービンの下流側にそれぞれ接続した円筒状の車室壁とベアリングケースとで画成された排気キャビティと、
   前記車室壁とベアリングケースとの間にそれぞれ設けられた外側ディフューザと内側ディフューザとからなり、前記タービンの燃焼ガス出口に接続して同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、
   前記排気ディフューザを貫通して前記車室壁とベアリングケースとを連結するストラットと、
   前記ストラットを覆うように、前記外側ディフューザと内側ディフューザとを連結するストラットカバーと、
   を備えたガスタービン排気部において、
   前記排気キャビティ下流側の排気ディフューザを貫通して同排気ディフューザ内側でかつ前記排気キャビティに連通する排気トンネルと車室外とを連通する冷却空気取入口と、 前記冷却空気取入口から取り入れた冷却空気を前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通して吸引排気手段により排気キャビティ外に排出する冷却系統と、
   を備えたことを特徴とするガスタービン排気部の冷却構造。
2. 前記吸引排気手段は、前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通した冷却空気を吸気設備の負圧部に導入する接続配管であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン排気部の冷却構造。
3. 前記吸引排気手段は、圧縮機抽気口と排気ダクトとを接続するバイパス通路と、該バイパス通路に介装されて当該バイパス空気を主流として前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通した冷却空気を吸引するエジェクタとからなることを特徴とする請求項１記載のガスタービン排気部の冷却構造。
4. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機からの圧縮空気を燃焼させる燃焼器と、
   前記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、
   前記タービンの下流側にそれぞれ接続した円筒状の車室壁とベアリングケースとで画成された排気キャビティと、
   前記車室壁とベアリングケースとの間にそれぞれ設けられた外側ディフューザと内側ディフューザとからなり、前記タービンの燃焼ガス出口に接続して同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、
   前記排気ディフューザを貫通して前記車室壁とベアリングケースとを連結するストラットと、
   前記ストラットを覆うように、前記外側ディフューザと内側ディフューザとを連結するストラットカバーと、
   前記排気キャビティ下流側の排気ディフューザを貫通して同排気ディフューザ内側でかつ前記排気キャビティに連通する排気トンネルと車室外とを連通する冷却空気取入口と、 前記冷却空気取入口から取り入れた冷却空気を前記ストラットとストラットカバーとの間の空間を通して吸引排気手段により排気キャビティ外に排出する冷却系統と、
   を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
   
   
   

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