JP2007321763A - ガスタービンにおける冷却を最適化するための装置及び該装置を有するガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンにおける冷却を最適化するための装置を提供する。
【解決手段】ガスタービンは、燃焼室（１０）、外側ケーシング（１６）及び内側ケーシング（３２）を備えた圧縮機、一連のブレード（１２）を備えたタービンホイール（１４）、並びに支持軸受（３４）を備えた高圧ロータ（３８）を含み、圧縮機は、適当なチャネル（２０）を通してタービンホイール（１４）に送られる冷却空気を発生することができる。本装置（３０）の外表面上には、タービンホイール（１４）に向う総冷却空気流量を増加させるために、圧縮機からチャネル（２０）に向う付加的な空気流量の通過を可能にする溝（２６）が、設けられる。本装置（３０）は、外側ケーシング（１６）を取外す必要なく容易に取付けることができ、また支持軸受（３４）のシール（３６）の通気管（２２）の代わりに既存の機械上に組付けられる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンの構成部品に関し、より具体的には、ガスタービンの第１段のタービンホイールの冷却を促進するための装置に関する。

燃焼タービンとも呼ばれるガスタービンは、燃焼ガス流内に含まれるポテンシャルエネルギーを回転シャフトに伝達される機械エネルギーに変換する回転駆動機械である。

タービンは通常、外部から取込んだ空気がその中に導入される圧縮機又はターボ圧縮機を含む。従って、燃焼室内において、様々なノズルにより燃料が供給され、燃料は空気と混合されて空気−燃料発火混合気を形成する。

軸流タイプ圧縮機に後続してタービンが位置し、タービンは、燃焼室内での燃焼ガスのエンタルピーを変換した機械エネルギーを供給する。

幾つかの用途では、膨張ジャンプは、その各々がタービン内部で行われる２つの部分ジャンプに細分される。燃焼室の下流の高圧又は第１段タービンは、圧縮機に後続して位置しているが、他方、低圧又は第２段タービンは、高圧タービンから流入するガスを回収し、次にユーザに連結される。

圧縮機、燃焼室、様々なタービン段、出力シャフト、制御システム及び点火システムは、ガスタービンプラントの主要部分を形成する。

ガスタービンの機能に関して言えば、空気は、入口ダクトを通して圧縮機内に吸い込まれることが知られている。このダクト内においては、空気は、低圧かつ低温の特性を有しているが、その圧力及び温度は、空気が圧縮機を通過するにつれて上昇する。空気は次に、燃焼室に入り、燃焼室において燃焼プロセスの一部を行い、温度がさらに上昇した状態になる。

燃料は、液状又はガス状タイプのものとすることができ、特定のノズルによって燃焼室内に導入される。機械が起動する時の燃焼の開始は、点火プラグによって得られる。

燃焼によって生じた高圧高温ガスは、燃焼室から流出してタービン段に至り、タービン段において、高圧高温ガスは、圧縮機及び燃焼室内で蓄積されたエネルギーの一部を放出し、次に出口チャネルを通して外部に流出する。

ガスタービン内において、タービンホイールは通常、その材料の特性に適合した機能温度を保つために、冷却されなくてはならない。冷却は通常、空気流によって行われ、この空気流は、軸流圧縮機から抽出されかつ適当に運ばれ、次に各タービンホイールの表面とステータとの間の空間を通して半径方向に外部に向って送られる。これらの空気流は、タービンホイールの表面に接触してそれらを冷却する。

具体的には、公知のタイプの幾つかの用途では、圧縮機送給口に関連して、一連の部分的拡大部及び縮小部を有するチャネルから成るラビリンスシールシステム又は別のタイプのシールシステムが取付けられる。このシールから引き出された空気流により、第１段タービンホイールのフロント表面（圧縮機側）の冷却が行われる。

時折、ラビリンスシステムの過度なシール作用の結果として又はその他の理由により、冷却空気流が十分でない場合がある。その結果、第１段タービンホイールとステータとの間のフロント空間に関連して測定される温度の許容限界値を超えた上昇が生じ、従ってタービンホイール自体の温度の上昇も生じる。このことは、タービンホイールの有効寿命の大幅な短縮を招くおそれがある。

従って、その温度を許容値まで引き下げるために、圧縮機から流入する冷却空気流量を増加させることが必要であり、この流量の増加は、公知のタイプのタービンでは、シールシステムの間隙を増大させることによって、或いは圧縮機送給口に関連した内側ケーシング内に適当な直径を有する１つ又はそれ以上の孔と冷却空気チャネルとを形成することによって行われている。しかしながら、これら両方の解決法とも、既存のタービンにおいて実施するためには、様々な構成部品を取外すことを必要とし、このことは、より高いコストがかかること、またさらに機械全体の停止期間が長引くことを意味する。

従って、本発明の目的は、機械の主要構成部品の面倒な取外し又は加工／置換えを行う必要なしに、上記の欠点を解決し、また付加的な冷却空気流量を取得しかつそれらの流量を変化させることができる、特にガスタービンの第１段のタービンホイールのフロント表面を冷却するための装置を提供することである。

本発明の更なる目的は、それが冷却空気流量を最適化するために既存のタービンに取付けられるか又はその後さらに置換えられる場合に、機械の停止時間及びコストを最少にするために、取付けが安価、簡単かつ迅速であるガスタービン用の装置を提供することである。

本発明によるこれらの目的は、請求項１に記載したような、ガスタービンの第１段のタービンホイールの冷却を最適化するための装置を提供することによって達成される。

本発明の更なる目的は、従属請求項によって達成される。

本発明によるガスタービンにおける冷却を最適化するための装置の特徴及び利点は、添付した概略図面を参照しながら進める以下の例示的かつ非限定的な記載から一層明らかになるであろう。

添付図面の特に図１及び図２を参照すると、これらの図は、ガスタービンの参照符号１０で示した燃焼室の一部、軸流圧縮機送給口側の幾つかのブレード段４０、第１段タービンのブレード１２、第１段タービンホイール１４、外側ケーシング１６及び内側ケーシング３２を示している。

圧縮機に面した内側ケーシング３２端部上には、シールシステム１８が取付けられ、圧縮機からの空気が、第１段タービンホイール１４のフロント表面（圧縮機側）を冷却するために、このシールシステム１８を通して引き出される。

次に、参照符号３４は、高圧ロータ３８の支持軸受を示し、支持軸受は、潤滑油のための関連したシール３６を備える。その他の支持軸受及びスラスト軸受が、軸流圧縮機の吸入側に設置されるが、それらは図示していない。

冷却空気は、図１及び図２に表す矢印で示したような経路で、適当なチャネル２０を通って第１段タービンホイール１４とステータ部品との間の空間に向けて送られ、第１段タービンホイール１４のフロント表面（圧縮機側）に接触して該タービンホイール１４を冷却し、かつ同時に空間内への高温ガスの流入を防止する。

最後に、通気管２２が外部と連通状態で構想され（図１）、この通気管２２の機能は、潤滑油自体の排出ダクトに圧力を加えずに潤滑油の最適な遮断を可能にするために、軸受３４のシール３６内に適度な空気圧を維持することである。

通気管２２は、機械の外部から取付け及び取外すことができる特徴を有する。実際には、通気管２２は、固定手段２８によって外側ケーシング１６上に固定され、内側ケーシング３２内に設置された適当なハウジング内に単に挿入される。

図１では、タービンホイール１４のフロント表面に向かう冷却空気の流量を増加させるために、シールシステム１８の一層複雑な変更に代わるものとして、１つ又はそれ以上の孔２４を内側ケーシング３２上に直接形成してタービンホイール１４自体に向けて導かれる総空気流量を増加させるようにすることがこれまで如何に必要であったかを見ることができる。

他方、図２は、通気管２２に代えて機械内に取付けられた、本発明によるガスタービンにおける冷却を最適化するための装置３０を示している。装置３０は、図３及びこれに後続する図に詳しく示しており、ダクトの形態で製作される。軸受３４のシール３６内に適切な空気圧を維持するその機能は変更しない状態のままであるが、装置３０は、内側ケーシング３２上に付加的な孔を必要とせず、またシールシステム１８を変更する必要なしに、付加的な冷却空気量をチャネル２０内に導くことができる。

より具体的には、また特に図３及びこれに後続する図を参照すると、本発明の目的物である装置３０を形成するダクトの外表面上には、１つ又はそれ以上の溝２６が設けられ、この溝２６は、装置３０自体が作動位置において内側ケーシング３２の固有の円形開口内に挿入された状態で組付けられかつ固定要素２８によって外側ケーシング１６上に固定されると、付加的な空気流量が圧縮機からチャネル２０に向けて通過するのを可能にして、タービンホイール１４のフロント表面に向かう総冷却空気流量を増加させる。

図示した実施形態に基づくと、溝２６は、本発明の目的物である装置３０を形成するダクトの軸方向に設置されかつ内側ケーシング３２の壁内に挿入されるようになった装置３０自体の一部分内に形成され、従って圧縮機から流入する空気のためのチャネル２０に向う実際の出口孔を形成する。

溝２６の寸法及び数の両方は、シールシステム１８を通して従来供給されていた冷却空気量に加えられる更なる冷却空気量に従って確定することができ、この更なる冷却空気量は、タービンホイール１４の作動状態に基づいて定めることができることを指摘しておきたい。具体的には、チャネル２０内部における総冷却空気流量を変化させかつ最適化するためには、一般的な通気管２２を装置３０で、或いはさらにその装置３０を同様な特性であるが異なる溝２６を有する別の装置で迅速かつ簡単に置き換えることで十分である。

第１段タービンホイール１４に対する十分でない冷却空気流量は、タービンホイール１４自体の有効寿命を短縮させるが、過剰な空気流量は、ガスタービンの性能（出力供給及び收率）に悪影響を及ぼす。従って、装置３０により、冷却空気流量を調整して、タービンホイール１４の有効寿命と機械全体の性能との両方を保障することが可能になる。

従って、本発明による装置３０は、前に述べた目的を極めて単純かつ経済的な方法でまたさらに装置３０のコストの低減を考慮して達成して、機械の主要構成部品の面倒な取外し及び変更を行なう必要なしに第１段タービンホイールのフロント表面に供給される冷却空気量を増加させかつ最適化することを可能にすることが分かるであろう。異なる空気量の通過を可能にする他の装置で装置３０を置換えるのが容易なことはまた、異なる作動状態及び要求に対してタービンホイールの冷却状態及び機械の性能を最適化するのを可能にする。

このように着想した本発明のガスタービンにおける冷却を最適化するための装置には、あらゆる場合に、多くの変更及び変形を行うことが可能であり、それらの全ては同じ発明概念内に含まれる。

さらに、実施に際しては、寸法及び構成部品と同様に使用する材料もまた、技術的な要求に従って変更することができる。

公知のタイプのガスタービンの第１段の区域を示す断面図。 本発明による冷却を最適化するための装置を備えたガスタービンの第１段の区域を示す断面図。 ガスタービン内に取付けられた、本発明による装置の一部の拡大断面図。 本発明による装置の側面図。 図４の線Ｂ−Ｂに沿って取った横断面図。 本発明による装置の長手方向断面図。 図６にＣで示した細部の拡大断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンの燃焼室の部分
１２ 第１段タービンブレード
１４ 第１段タービンホイール
１６ 外側ケーシング
１８ シールシステム
２０ チャネル
２２ 通気管
２４ 内側ケーシングの孔
２６ ダクト外表面上の溝
２８ 固定手段
３０ ガスタービンにおける冷却を最適化するための装置
３２ 内側ケーシング
３４ 支持軸受
３６ シール
３８ 高圧ロータ
４０ 軸流圧縮機送給口側のブレード段

Claims (8)

1. 燃焼室（１０）、外側ケーシング（１６）及び内側ケーシング（３２）を備えた少なくとも１つの圧縮機と、一連のブレード（１２）を備えた少なくとも１つのタービンホイール（１４）と、１つ又はそれ以上の支持軸受（３４）を備えた少なくとも１つの高圧ロータ（３８）とを含み、前記圧縮機が、適当なチャネル（２０）を通して前記タービンホイール（１４）に送られる冷却空気を発生することができるタイプのガスタービンにおける冷却を最適化するための装置（３０）であって、
   該装置（３０）の外表面上には、前記タービンホイール（１４）に向う総冷却空気流量を増加させるために、前記圧縮機から前記チャネル（２０）に向う付加的な空気流量の通過を可能にする１つ又はそれ以上の溝（２６）が設けられる、
   ことを特徴とする装置（３０）。
2. 前記溝（２６）が、該装置（３０）の軸方向に設置されることを特徴とする、請求項１記載の装置（３０）。
3. 該装置が、１つ又はそれ以上の固定要素（２８）によって、作動位置において前記外側ケーシング（１６）上に組付けられることを特徴とする、請求項１記載の装置（３０）。
4. 前記溝（２６）が、前記内側ケーシング（３２）の壁内に挿入されるようになった該装置（３０）の部分内に設けられることを特徴とする、請求項１記載の装置（３０）。
5. 前記溝（２６）の寸法、形状及び数が、前記タービンホイール（１４）の冷却必要量と同時にガスタービン性能の保障に基づいて供給される冷却空気量に従って設定することができることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項記載の装置（３０）。
6. 該装置が、前記１つ又はそれ以上の支持軸受（３４）のシール（３６）の通気管（２２）の代わりに取付けることができ、該装置がまた、前記１つ又はそれ以上の支持軸受（３４）のシール（３６）内に適切な空気圧を維持する機能を有することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項記載の装置（３０）。
7. 該装置が、ガスタービンの第１段の前記タービンホイール（１４）の、前記圧縮機に面したフロント表面を冷却するために使用されることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項記載の装置（３０）。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項による装置（３０）を含むことを特徴とする、ガスタービン。

Images