JP2007523287A - 急冷防止形圧縮機ハウジングを備えたガスタービンおよびそのガスタービンの運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、急冷防止形圧縮機ハウジングを備えたガスタービンおよびそのようなガスタービンの運転方法に関する。タービンと圧縮機ハウジング（１４）を含む圧縮機（１０）とを備えたガスタービンおよびその運転方法において、圧縮機（１０）からタービンを冷却するために少なくとも１つの抽気管（１６）によって圧縮空気あるいは部分圧縮空気が取り出され、また、その抽気管（１６）がしゃ断装置特に弁（１９）を有し、これによって、抽出空気の流出およびこれに伴ってハウジング（１４）の冷却が調整できる。

Description

本発明は、特に過度に速い冷却から保護された圧縮機ハウジングを備えたガスタービンに関する。それに応じて本発明は、ガスタービン全体だけでなく、急冷防止形圧縮機ハウジングを備えた圧縮機、および圧縮機ハウジング自体にも関する。また本発明は、そのようなガスタービンの運転方法に関する。

ガスタービンは一般に知られている。ガスタービンに対して種々の冷却装置も知られている。しかしそのような冷却装置は主に、ガスタービンの燃焼器あるいはタービン部分の領域における冷却に関与している（例えば、燃焼器壁の冷却に関しては、欧州特許第０９８８４４１号明細書参照、タービン翼の冷却に関しては、欧州特許出願公開第０７９１１２７号明細書、欧州特許出願公開第１２４５８０６号明細書、国際公開第０１／５５５５９号パンフレット、米国特許第６１２０２４９号明細書参照）。

また、米国特許第４３３２１３３号明細書で、圧縮機付き航空機用ガスタービンが知られている。その圧縮機は、タービンを冷却するために、圧縮空気あるいは部分圧縮空気を取り出すために抽気管によって抽気され、その抽気管は冷却空気量を調整するための弁を有している。

米国特許第３７３６０６９号明細書に、燃焼ガスに曝されるタービン翼を可調整冷却できるガスタービンが開示されている。そのために、環状要素が弁座に対向して位置し、その両部品は、異なった熱膨張係数のために、両者間の隙間の変動が引き起こされる。これによって、冷却材の流量が調整される。

同様に米国特許第４２１３７３８号明細書に、冷却空気で貫流される冷却力を調整するために変更可能な隙間を備えた冷却空気系に対する流れ経路が示されている。

また、米国特許第２９５１３４０号明細書および米国特許第３６３２２２１号明細書で、ガスタービンの調整可能な冷却方式が知られている。

本発明の課題、ゆっくり冷える構成要素例えばハウジング（車室）と、速く冷える構成要素例えばロータとの接触の危険を減少するために、圧縮機ハウジングの急冷が防止されるか少なくとも遅らされる方式を提供することにある。

従来において、そのような接触の危険の問題に関して、そのような構成要素間の間隔を、特にロータとハウジング内側壁との間のいわゆるラジアル隙間を、十分に大きく設計することしか提案されていない。

この課題は、本発明に基づいて、請求項１に記載の特徴で解決される。そのために、タービンと、圧縮機ハウジングを含む圧縮機とを備え、この圧縮機からタービンを冷却するために少なくとも１つの抽気管によって圧縮空気あるいは部分圧縮空気が取り出されるガスタービンにおいて、前記抽気管がしゃ断装置特に弁を有していることを提案する。同じ課題は、請求項６に記載の特徴を有する圧縮機あるいは圧縮機ハウジングによって解決される。

また、この課題は、ガスタービンの緩速停止運転中、しゃ断装置特に弁が閉じられ、あるいは部分的に閉じられる、という請求項４に記載の特徴を有するそのようなガスタービンの運転方法によって解決される。

本発明は、ガスタービンにおいて所定の構成要素が他の構成要素より速く冷える、という認識から出発している。その速く冷える構成要素は、特に大気空気の容積に直に接触する構成要素、即ち、ガスタービンのハウジング（車室）あるいはこのハウジングの一部、特に圧縮機ハウジングである。タービンの内部における例えばロータ、即ち、翼が取り付けられたタービン軸のような他の構成要素は、非常にゆっくり冷える。この状況は、関連する構成要素の熱膨張の大きさのために、例えばロータとそれを取り囲むハウジングとの間に十分な寸法に決められた間隔を設けることを必要とする。ロータとハウジングとの間の最小間隔は、ロータの翼端の領域に存在する。その翼端とハウジングとの間隔はラジアル隙間と呼ばれる。ガスタービンの暖機始動時、即ち、ハウジングは既に十分に冷えているがロータは部分的にしか冷えていない状態でのガスタービンの始動時、ラジアル隙間が十分大きく寸法づけられていないとき、ハウジング内においてロータが固着して動かなくなる恐れがある。そのために、ハウジング内側壁への翼の擦りつけはどんな場合でも回避されねばならないので、暖機始動の考察は、ロータとハウジングとの間のラジアル隙間の幾何学形状の設計時における限られた基準でもある。

本発明の利点は、しゃ断装置によって圧縮機ハウジングの熱喪失が調整できることにある。ガスタービンの緩速停止運転の際、圧縮機ハウジングの規定された熱喪失を得るために、しゃ断装置が閉じられ、あるいは部分的に閉じられる。このようにして、圧縮機ハウジングおよびその中で回転するロータがほぼ同じ程度に冷えることが保証される。その一様な冷却は少なくとも、圧縮機ハウジングの内側壁への翼の擦りつけの危険が最小にされる限りにおいて保証される。

また、抽気管は、取り出された空気あるいは取り出し可能な空気の流れ方向においてしゃ断装置の上流に空洞を有している。従って、その空洞の容積は熱絶縁体のように作用する。空気は公知のように良好な熱絶縁体である。空洞内に、ロータの温度にほぼ相当する温度をした空気が入れられている。即ち、空洞はその絶縁作用によって圧縮機ハウジングの急冷あるいは冷えきりを防止するか、遅らせる。

また、空洞は圧縮機のハウジングに、前記空洞が抽気管の入口の位置およびこの領域に存在する静翼の位置から出発して、少なくとも続く次の静翼の領域まで延びている、ように形成されている。これによって、絶縁体として機能する空洞の有効面積が増大される。

従属請求項には、本発明の有利な実施態様が記載されている。

空洞が圧縮機への大気空気の流入方向において続く次の静翼の領域まで延びていることによって、空洞の長手広がりは、大気空気の流れ方向に相当し、従って、圧縮機ハウジングにおける温度勾配の主方向に相当している。

本発明の他の特徴は、空洞の容積が圧縮機ハウジングを通る容積流から分離できるように、空洞にしゃ断機構が付設されていることにある。

本発明の利点およびその形成は、空洞あるいは各空洞が、圧縮機後部段のハウジングを冷却するためにも利用されることにある。これによって、圧縮機における流れ通路の総熱膨張が減少される。抽出空気はそれに応じて更に「後ろ」でハウジングから排出される。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号が付されている。

ガスタービンおよびその運転様式は一般に知られている。即ち、ガスタービンは、燃焼空気用圧縮機と、燃焼器と、圧縮機および作業機械例えば発電機を駆動するためのタービンを有している。そのために、タービンおよび圧縮機は、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸に配置され、このタービン軸はその長手軸線を中心に回転可能に支持され、作業機械に連結されている。燃焼器は液体燃料あるいは気体燃料を燃焼するための少なくとも１つのバーナが装備されている。

圧縮機およびタービンはそれぞれ、タービン軸に結合された多数の動翼を有している。これらの動翼は、タービン軸に環状に配置され、これによって、複数の動翼列を形成している。また、圧縮機およびタービンはそれぞれ多数の静翼を有し、これらの静翼も同様に環状に配置され、圧縮機ないしタービンのハウジング（車室）の内側壁に取り付けられ、静翼列を形成している。タービンにおいて、動翼は、タービンを貫流する作動媒体の衝撃伝達によって、タービン軸を駆動するために使われる。これに対して、静翼は、作動媒体の流れ方向に見て連続する２つの動翼列あるいは動翼輪の間で作動媒体を案内するために使われる。その場合、一対の静翼輪あるいは静翼列と動翼輪あるいは動翼列は、タービン段ないし圧縮段とも呼ばれる。

図１には、そのようなガスタービンの全体を符号１０で表した圧縮機の一部が、ガスタービンの長手軸線に沿った縦断面図で示されている。静翼１１および動翼１２が互い違いに続き、その動翼１２はタービン軸１３に設けられている。動翼１２と静翼１１との間にラジアル隙間１５が存在している。なお、静翼１１はガスタービンあるいはその圧縮機１０のハウジング１４の構成部分となっている。

運転中、圧縮機１０は大気空気を吸い込み、圧縮する。その空気は圧縮機１０を図１において左から右に貫流する。圧縮機１０に流入した空気の一部は、部分圧縮後に取り出され、ガスタービンのタービン部分における静翼（図示せず）を冷却するために利用される。その静翼は、バーナで発生されタービン部分に導かれた高温圧縮気体のために特に熱くなっている。その高温圧縮気体は、タービン部分における一連の静翼および動翼を通って流れ、そこで膨張し、動力を発生し、この動力がタービン軸１３を回転させる。タービン部分における少なくとも静翼を冷却するために、圧縮あるいは少なくとも部分的に圧縮された大気空気が、圧縮機１０から抽気管１６を通して取り出され、即ち、圧縮機から「抽気」される。抽気管１６の経路に空洞１７が、即ち、ハウジング１４に中空室が設けられている。抽気管１６の入口１８は、動翼１２の領域においてハウジング１４の内周面に存在している。

図２には、本発明における異なった抽気管１６が示されている。圧縮機のハウジング１４の急冷あるいは冷えきりを防止するために、抽気管１６を通しての空気の流出を阻止ないし減少するために、抽気管１６が閉鎖可能に、あるいは少なくとも部分的に閉鎖可能にされている。そのために、抽気管１６に、弁１９として示されたしゃ断装置が設けられている。

弁１９の公知のような作動によって、抽気管１６は部分的にあるいは完全に閉じられる。その場合抽気管１６を通して、大気空気はもはや全くあるいはほんの僅かしか流れない。それに応じて、さもなければ大気空気の流出に伴って生ずる熱喪失が防止されるか減少される。

弁１９が抽気管１６を通る大気空気の流れ方向において空洞１７の下流に存在していることによって、弁１９の作動時、空洞１７は同様に完全にあるいは部分的に閉じられる。その場合、空洞１７は絶縁体のように作用し、圧縮機ハウジング１４の急冷を追加的に有効に防止する。

図３には本質的に図２と同じ図が示されている。もっとも、その空洞１７は、圧縮機ハウジング１４の所望の熱的影響に関して形成されている。そのために、空洞１７は、一方では増大され、他方では、空洞１７がその長手方向広がりに沿って互いに連続する少なくとも２つの動翼１２の領域を占めるように形成されている。そのように形成された空洞１７によって、その絶縁体としての機能に対して特に良好な形状が生ずる。その空洞は、図示された形状よりもっと長く形成できる。空洞の大きさおよび形状は、本質的に、圧縮機ハウジング１４の強度における要求でしか制限されない。

圧縮機１０も熱くなるので、圧縮機１０における特に後部通路の領域における冷却も重要である。そのために、図３に示された空洞１７の特別な形状も、抽出空気が空洞１７の貫流時に圧縮機ハウジング１４の熱を吸収し、これによって、その冷却に寄与するので、同様に重要である。

図４には、図３に対してしゃ断機構が補充された図が示されている。ガスタービンの運転に続いて冷やすために実施されるいわゆる「ターニング」運転中、その動きが矢印で示されているような隔壁の形のしゃ断機構２０によって、空洞１７が圧縮機通路から流れ技術的に切り離される。そのためにしゃ断機構２０は空洞１７の入口の領域に配置され、これによって、空洞１７の容積の大部分がしゃ断要素２０によって圧縮機通路から分離される。空洞１７内に加熱された圧縮機空気が良好に蓄積されるほど、その圧縮機空気がガスタービンのロータに比べての圧縮機ハウジング１４の速い冷却を防止する。

ガスタービンの低温始動後、空洞１７に目的に合わせて圧縮機空気が供給され、これによって、流れ方向において下流の（従って熱くなった）圧縮機段が冷却され、このようにして、圧縮機ハウジング１４の加熱が遅らされる。その場合、圧縮機ハウジング１４の加熱はロータの加熱と同じ程度で行われる。

従って、本発明は次のように要約される。即ち、圧縮機１０から冷却空気を取り出すために設けられた抽気管１６にしゃ断装置を備えたガスタービンが提供され、これによって、圧縮機ハウジング１４が、急冷を低減するために、隔離される。そのハウジングおよびロータはほぼ同じ程度で冷えて、同じ熱収縮が生ずる。ハウジング１４の強い急冷、従ってゆっくり冷えるロータの周りの狭窄が、このようにして防止される。これは、ロータと同じように冷えるハウジング内側壁へのロータの擦りつけが十分に排除されるので、暖機始動の問題を解消する。

ガスタービンの圧縮機の領域における半部断面図。 抽気管がしゃ断装置で閉鎖可能にされた図１に相当した図。 圧縮機ハウジングの所望の熱的影響に関して形成され拡大された空洞を備えた抽気管。 しゃ断機構で閉鎖可能な空洞。

符号の説明

１０ 圧縮機
１１ 静翼
１２ 動翼
１４ 圧縮機ハウジング
１６ 抽気管
１７ 空洞
１８ 入口
１９ 弁
２０ しゃ断機構

Claims (8)

1. タービンと、圧縮機ハウジング（１４）を含む圧縮機（１０）とを備え、該圧縮機（１０）からタービンを冷却するために少なくとも１つの抽気管（１６）によって圧縮空気あるいは部分圧縮空気が取り出され、前記抽気管（１６）がしゃ断装置特に弁（１９）を有し、前記抽気管（１６）が、取り出された空気あるいは取り出し可能な空気の流れ方向においてしゃ断装置の上流に空洞（１７）を有しているガスタービンにおいて、前記空洞（１７）が圧縮機（１０）のハウジング（１４）に、前記空洞（１７）が抽気管（１６）の入口（１８）の位置およびこの領域に存在する静翼（１１）の位置から出発して、少なくとも続く次の静翼（１１）の領域まで延びているように形成されていることを特徴とするガスタービン。
2. 空洞（１７）が、圧縮機（１０）への大気空気の流入方向において続く次の静翼（１２）の領域まで延びていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 空洞（１７）が、その入口にしゃ断機構（２０）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. ガスタービンの緩速停止運転中、しゃ断装置特に弁（１９）が閉じられ、あるいは部分的に閉じられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスタービンの運転方法。
5. ガスタービンのターニング運転中、空洞がしゃ断機構（２０）によって閉じられることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンの運転方法。
6. 圧縮機ハウジング（１４）付き圧縮機（１０）あるいはタービン付きガスタービンに適用されるか利用されるような圧縮機（１０）の圧縮機ハウジング（１４）であって、タービンを冷却するために少なくとも１つの抽気管（１６）によって圧縮空気あるいは部分圧縮空気が取り出され、前記抽気管（１６）がしゃ断装置特に弁（１９）を有し、前記抽気管（１６）が、取り出された空気あるいは取り出し可能な空気の流れ方向においてしゃ断装置の上流に空洞（１７）を有している圧縮機（１０）あるいは圧縮機ハウジング（１４）において、前記空洞（１７）が圧縮機ハウジング（１４）に、前記空洞（１７）が抽気管（１６）の入口（１８）の位置およびこの領域に存在する静翼（１１）の位置から出発して、少なくとも続く次の静翼（１１）の領域まで延びているように形成されていることを特徴とする圧縮機あるいは圧縮機ハウジング。
7. 空洞（１７）が、圧縮機（１０）への大気空気の流入方向において続く次の静翼（１２）の領域まで延びていることを特徴とする請求項６に記載の圧縮機あるいは圧縮機ハウジング。
8. 空洞（１７）が、その入口にしゃ断機構（２０）を有していることを特徴とする請求項６又は７に記載の圧縮機あるいは圧縮機ハウジング。

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