JP2008002363A

JP2008002363A - ガスタービン及びその冷却方法

Info

Publication number: JP2008002363A
Application number: JP2006173276A
Authority: JP
Inventors: Naoki Hagi; 直樹萩
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】高温の抽気空気を簡単な構造で冷却し、冷却した抽気空気により軸受部の冷却・シールに使用できるようにする。
【解決手段】回転軸１０５は圧縮機１０１及びタービン１０２を支持しており、この回転軸１０５は軸受部１０６，１０７により回転自在に軸支されている。軸受部１０６，１０７の冷却とシールをするために、圧縮機１０１から抽気した抽気空気ａを配管１２１，１２２，１２３により軸受部１０６，１０７に送っている。圧縮機１０１の圧力比が高いと、抽気空気ａの温度が高い。そこで、抽気用配管１２１の一部を吸気ダクト１０３内に配置した。このため、吸気ダクト１０３内に配置した抽気用配管冷却部１２１ａは大量・高速の空気Ａに触れて冷却され、抽気空気ａの効果的な冷却ができる。
【選択図】図１

Description

本発明はガスタービン及びその冷却方法に関し、高圧力比の圧縮機を使用したガスタービンであっても、圧縮機から抽気した空気を、簡単な構造で効果的に冷却し、この冷却した空気により、軸受部のシール・冷却をすることができるように工夫したものである。

図６は、ガスタービンの概略を示す構成図である。同図に示すように、ガスタービンは、圧縮機１と、タービン２と、燃焼器（図示省略）を主要部材として構成されている。圧縮機１は、吸気ダクト３から取り込んだ空気を圧縮し、圧縮された空気は燃焼器にて燃焼されて燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスがタービン２に送られてタービン２が回転する。タービン２から排出される高温（例えば６００°Ｃ）の排気ガスＧは排気ダクト４を介して排出される。

圧縮機１とタービン２を支持するガスタービンの回転軸５は、圧縮機側の軸受部６と、タービン側の軸受部７により回転自在に軸支されている。なお、本明細書では、「ガスタービンの回転軸」とは、圧縮機用回転軸と、タービン用回転軸と、中間軸（圧縮機用回転軸とタービン用回転軸とを連結する軸）とを、総称したものとして使用している。

タービン側の軸受部７は、車室壁８の内周面から径方向の内側に伸びたストラット（支柱）９により支持されている。換言すると、タービン側の軸受部７から放射状にストラット９が伸びている。このストラット９は排気ダクト４を径方向に貫通する状態で配置されているため、ストラット９が高温の排気ガスＧに晒されないように、ストラット９の周囲はストラットカバー１０で囲われている。

軸受部６，７は潤滑油が供給されこの潤滑油により潤滑がされている。そこで、軸受部６，７のシールと冷却のために、軸受部用の冷却・シール空気系統２０が備えられている。
この冷却・シール空気系統２０では、抽気用配管２１により、圧縮機１の低圧部から空気を抽気する。抽気用配管２１の先端は、圧縮機器側の分岐配管２２と、タービン側の分岐配管２３に分岐し、更に、分岐配管２３は、２つの分岐配管２３ａ，２３ｂに分岐している。また分岐配管２３ａには、冷却器２４が備えられている。

圧縮機１から抽気して、抽気用配管２１及び分岐配管２２を介して送られてきた空気は、圧縮機側の軸受部６に送られて、この軸受部６のシールと冷却をする。
また、圧縮機１から抽気して、抽気用配管２１及び分岐配管２３，２３ａを介して送られると共に冷却器２４にて冷却された空気は、タービン側の軸受部７に送られて、この軸受部７のシールと冷却をする。ここでいうシールとは、潤滑用の油がもれないようにすると共に、高温の排気ガスＧが軸受部７側に流入することを防止することを意味する。
更に、圧縮機１から抽気して、抽気用配管２１及び分岐配管２３，２３ｂを介して送られてきた空気は、ストラット９とストラットカバー１０との間の空間を流れることにより、ストラット９の冷却と、軸受部７の冷却をしている。

なお、従来では、冷却器２４を設置しない場合もあった。

特開２００１−２２７３６０特開平９−０６０５３２特開２００５−３４４６８０

従来のガスタービンでは、圧縮機１の圧力比が小さかったため、圧縮機１の低圧部から抽気した空気の温度は１００°Ｃ程度であり、この抽気空気を利用して、軸受部６，７のシール・冷却をすることができた。
また、冷却器２４を使用しても、その冷却能力は小さいもので済んでいた。

しかし、最近のガスタービンでは、圧力が高くなり（例えば圧力比２０：１）、圧縮機の低圧部から抽気しても、その抽気空気の温度は２００°Ｃ程度と高くなっている。
このような高温（例えば２００°Ｃ）の空気を軸受部６，７に供給したとすると、潤滑油が劣化したり、潤滑油にコーキング（炭化現象）が発生したり、軸受部品が焼損するおそれがあった。

また、冷却器を使用する場合には、容量の大きな冷却器を使用しなければならず、システムが複雑化すると共にコスト高になるという課題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、高圧力比のガスタービンであっても、抽気空気を簡単な構造で確実に冷却することができる、ガスタービン及びその冷却方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明のガスタービンの構成は、
吸気ダクトを介して空気を取り込む圧縮機と、タービンと、前記圧縮機及び前記タービンを支持する回転軸を回転自在に軸支する軸受部と、この軸受部の冷却とシールをするために前記タービンから抽気した抽気空気を前記軸受部に送る配管を備えたガスタービンにおいて、
前記配管は、その一部が前記吸気ダクトの内部空間を通過するように配置されていることを特徴とする。

また本発明のガスタービンの構成は、
吸気ダクトを介して空気を取り込む圧縮機と、タービンと、前記圧縮機及び前記タービンを支持する回転軸を回転自在に軸支する軸受部と、この軸受部の冷却とシールをするために前記タービンから抽気した抽気空気を前記軸受部に送る配管を備えたガスタービンにおいて、
前記配管は、その一部が前記吸気ダクトの内部空間を通過するように配置されると共に、
前記配管のうち、抽気空気の流れ方向に関して、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも上流側部分と、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも下流側部分とを接続するパイバス管と、
前記パイバス管に介装されたバルブと、
前記軸受部に供給される抽気空気の温度を検出する温度計と、
前記温度計により検出した温度が、抽気空気に含まれる水分が結露する温度よりも高くなるように前記バルブの開度を調整する制御部とを有することを特徴とする。

また本発明のガスタービンの冷却方法の構成は、
吸気ダクトを介して空気を取り込む圧縮機と、タービンと、前記圧縮機及び前記タービンを支持する回転軸を回転自在に軸支する軸受部と、この軸受部の冷却とシールをするために前記タービンから抽気した抽気空気を前記軸受部に送ると共に、その一部が前記吸気ダクトの内部空間を通過するように配置された配管を備えたガスタービンにおいて、
前記配管のうち、抽気空気の流れ方向に関して、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも上流側部分から、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも下流側部分へ抽気空気をバイパスさせて流すと共に、
前記軸受部に供給される抽気空気の温度が、抽気空気に含まれる水分が結露する温度よりも高くなるように、パイバスさせて流す抽気空気の流量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、抽気空気を送る配管の一部が、吸気ダクトの内部空間に配置されているため、配管内を流れる抽気空気は、吸気ダクトの内部空間を高速で流れる大量の空気（大気）により確実に冷却される。
このため圧縮機の圧力比が高く、圧縮機から抽気した抽気空気の温度が高くても、この抽気空気を確実に冷却して、冷却した空気により軸受部の冷却とシールを行うことができる。
また、配管の一部が吸気ダクトの内部空間を通過するように、配管を配置するだけであるため、簡単且つ低コストな装置構成となる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンの概略構成図である。
同図に示すように、ガスタービンは、高圧力比（例えば圧力比２０：１）の圧縮機１０１と、タービン１０２と、燃焼器（図示省略）を主要部材として構成されている。圧縮機１０１は、吸気ダクト１０３から取り込んだ空気Ａを圧縮し、圧縮された空気Ａは燃焼器にて燃焼されて燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスがタービン１０２に送られてタービン１０２が回転する。タービン１０２から排出される高温（例えば６００°Ｃ）の排気ガスＧは排気ダクト１０４を介して排出される。

圧縮機１０１とタービン１０２を支持するガスタービンの回転軸１０５は、圧縮機側の軸受部１０６と、タービン側の軸受部１０７により回転自在に軸支されている。

タービン側の軸受部１０７は、車室壁１０８の内周面から径方向の内側に伸びたストラット（支柱）１０９により支持されている。換言すると、タービン側の軸受部１０７から放射状にストラット１０９が伸びている。このストラット１０９は排気ダクト１０４を径方向に貫通する状態で配置されているため、ストラット１０９が高温の排気ガスＧに晒されないように、ストラット１０９の周囲はストラットカバー１１０で囲われている。

軸受部１０６，１０７は潤滑油が供給されこの潤滑油により潤滑がされている。そこで、軸受部１０６，１０７のシールと冷却のために、軸受部用の冷却・シール空気系統１２０が備えられている。

この冷却・シール空気系統１２０では、抽気用配管１２１により、圧縮機１０１の低圧部から空気ａを抽気する。抽気用配管１２１の先端は、圧縮機器側の分岐配管１２２と、タービン側の分岐配管１２３に分岐し、更に、分岐配管１２３は、２つの分岐配管１２３ａ，１２３ｂに分岐している。

本実施例では、図２にも示すように、抽気用配管１２１は、その一部が、吸気ダクト１０３の内部空間を通過して、この内部空間に占位するように配置されている。
つまり、吸気空気の流れ方向に沿い説明すると、圧縮器１０１の抽気ポートから伸びてきた抽気用配管１２１は、吸気ダクト１０３の外側から吸気ダクト壁面を貫通する状態で吸気ダクト１０３の内部空間に入り、一定長さがこの吸気ダクト１０３の内部に占位した後に、吸気ダクト１０３の内部空間から吸気ダクト壁面を貫通する状態で吸気ダクト１０３の外側に出るように配置されている。
ここでは、抽気用配管１２１のうち、吸気ダクト１０３の内部空間に占位する部分を、抽気用配管冷却部１２１ａと称する。

抽気用配管冷却部１２１ａは、吸気ダクト１０３の流れ方向に関して、異物混入防止フィルタ１０３ａよりも上流側に配置している。
なお、異物混入防止フィルタ１０３ａは、吸入する空気Ａに混じって異物を吸引したときに、この異物をフィルタリングして、圧縮気１０１に吸い込むことを防止するフィルタである。

吸気ダクト１０３の内部空間には、多量の空気Ａが高速で流れるため、抽気用配管冷却部１２１ａは、この多量・高速な空気Ａに触れて冷却される。この空気Ａの温度は大気温度と同じであるが、多量であるとともに高速流となっているため、冷却源として効果的なものである。
このため、高圧力比の圧縮機１０１から抽気した空気ａは、その温度が２００°Ｃ程度となっているが、抽気用配管冷却部１２１ａを通過する際に冷却され、抽気空気温度は１００°Ｃ程度にまで冷却される。

圧縮機１０１から抽気され抽気用配管冷却部１２１ａにて１００°Ｃ程度に冷却されて、抽気用配管１２１及び分岐配管１２２を介して送られてきた空気ａは、圧縮機側の軸受部１０６に送られて、この軸受部１０６のシールと冷却をする。

また、圧縮機１０１から抽気され抽気用配管冷却部１２１ａにて１００°Ｃ程度に冷却されて、抽気用配管１２１及び分岐配管１２３，１２３ａを介して送られた空気ａは、タービン側の軸受部１０７に送られて、この軸受部１０７のシールと冷却をする。ここでいうシールとは、潤滑用の油がもれないようにすると共に、高温の排気ガスＧが軸受部１０７側に流入することを防止することを意味する。

更に、圧縮機１０１から抽気され抽気用配管冷却部１２１ａにて１００°Ｃ程度に冷却されて、抽気用配管１２１及び分岐配管１２３，１２３ｂを介して送られてきた空気ａは、ストラット１０９とストラットカバー１１０との間の空間を流れることにより、ストラット１０９の冷却と、軸受部１０７の冷却をする。

このように本実施例では、吸気ダクト１０３の内部を流れる高速・多量の空気Ａを冷却源として、抽気用配管１２１内を流れる抽気空気ａを冷却するようにしているため、冷却器を用いることなく、この抽気空気ａの冷却ができる。このため、圧縮機１０１の圧力比が高くても、軸受部１０６，１０７の冷却やシールを確実に行うことができ信頼性を確保することができる。
また、簡易な構造であるため、コスト低減を図ることができる。

更に、ストラットカバー１１０及びストラット１０９の冷却も効果的に行うことができるため、排気ガスＧの温度を高くしても、ストラットカバー１１０及びストラット１０９を熱損傷することなく、ガスタービンの安全な運用ができる。
排気ガスＧの温度を高くすれば、ガスタービンプラントの効率向上を図ることができるため、本実施例を採用することにより、排ガスＧの温度を高くしてプラント効率の向上も図ることができる。

次に本発明の実施例２に係るガスタービンを、概略構成図である図３を参照して説明する。
なお、実施例１と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略し、本実施例の特徴的部分を中心に説明をする。

実施例２は、抽気用配管冷却部１２１ａでの冷却が強くなり過ぎて、冷却した抽気空気中の水分が結露することを防止するように、冷却能力を制御するようにしたものである。
なお抽気した空気ａは圧力が高いので（例えば４ｋｇ／ｃｍ²）、１００°Ｃ〜２００°Ｃのような範囲の温度であっても、圧力条件・温度条件によっては空気中の水分が結露することがある。

図３に示すように、本実施例では、抽気用配管１２１には、抽気した空気ａの流れ方向に関して、抽気用配管冷却部１２１ａよりも上流側の位置αと、抽気用配管冷却部１２１ａよりも下流側の位置βとを接続するバイパス配管２０１を備えている。
このバイパス配管２０１にはバルブ２０２が介装されている。

一方、分岐配管１２３ａには、軸受部１０７に供給される空気ａの温度を計測する温度計２０３が備えられている。この温度計２０３は、分岐配管１２１ａのうち軸受部１０７の直前の位置に備えている。
制御部２０４は、温度計２０３にて計測した空気ａの温度（軸受部１０７に供給される空気ａの温度）に応じて、バルブ２０２の開度調整をする。
なお他の部分の構成は、実施例１と同様である。

制御部２０４によるバルブ２０２の開度調整の手法を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。

制御部２０４は、次のような制御をする。
まず、初期値ではバルブ２０２を全閉とする（ステップＳ１）。
そして、温度計２０３にて計測した抽気空気ａの温度Ｔ_airを取り込む（ステップＳ２）。

次に、抽気空気温度Ｔ_airと潤滑油炭化温度とを比較する（ステップＳ４）。なお潤滑油炭化温度は、使用する潤滑油に応じて、例えば１５０°Ｃ〜２００°Ｃの間の予め設定した温度である。

抽気空気温度Ｔ_airが潤滑油炭化温度以上である場合には、アラームを発信する（ステップＳ５）。

抽気空気温度Ｔ_airが潤滑油炭化温度未満である場合には、全閉していたバルブ２０２の開度を調整しつつ抽気空気温度Ｔ_airを監視する（ステップＳ６，Ｓ７）。

そして、監視している抽気空気温度Ｔ_airと、「露点温度Ｔ_dp（結露が発生する温度として予め決めた温度）と余裕温度αとを加算した温度」との比較をする。
なお、抽気空気ａの圧力が例えば０．４ＭＰａ程度であれば、露点温度Ｔ_dpは例えば３０°Ｃに、余裕温度αは例えば２０°Ｃに設定する。

抽気空気温度Ｔ_air≧Ｔ_dp＋αが成立しないとき（ステップＳ８）、つまり、結露が生じる恐れがある状態の場合には、バルブ２０２の開度を開いていき、バイパス通路２０１に流れる空気量を増やし、抽気用配管冷却部１２１ａに流れる空気量を減らしていく。

バルブ２０２の開度を徐々に大きくしていき、抽気空気温度Ｔ_air≧Ｔ_dp＋αが成立したら（ステップＳ８）、バルブ２０２の開度をその時点の開度に維持し、制御を終了する（ステップＳ９）。
このようにすることにより、軸受部１０７に供給する抽気空気ａの温度を、結露が生じるほど低くはないが、なるべく低い温度に調整することができる。

このため、実施例２では、実施例１の効果を確保しつつ、更に、結露を発生させることなく低温の抽気空気ａにより軸受部１０７の冷却とシールを行うことができる。

次に、本発明の実施例３を説明する。
実施例１，２では、図５（ａ）に示すように、抽気用配管冷却部１２１ａは、単に抽気用配管１２１を吸気ダクト１０３の内部空間に占位させただけであるが、実施例３では、図５（ｂ）（ｃ）に示すような構造にした。

即ち図５（ｂ）の例では、抽気用配管冷却部１２１ａを、一対のヘッダ３０１，３０２と、ヘッダ３０１，３０２管に配置した複数の枝管３０３とで構成した。
このように構成することにより、熱交換効率（冷却能力）を向上させることができる。

また図５（ｃ）の例では、抽気用配管冷却部１２１ａの周囲に、冷却フィン３１０を備えた。更に、冷却フィン３１０を含めて抽気用配管冷却部１２１ａを、フィン飛散防止ネット３１１により囲った。

図５（ｃ）のように冷却フィン３１０を備えることにより、熱交換効率（冷却能力）を向上させることができる。
またフィン飛散防止ネット３１１により冷却フィン３１０を囲っているため、冷却フィン３１１が破損しても破損片（フィンの一部）はフィン飛散防止ネット３１１の内部にとどまり、圧縮機１０１に吸引されることはなく、安全性を確保することができる。

本発明の実施例１に係るガスタービンを示す概略構成図。実施例１における吸気ダクト部分を示す斜視図。本発明の実施例２に係るガスタービンを示す概略構成図。実施例２の制御動作を示すフロー図。実施例３における抽気用配管冷却部を示す斜視図。従来のガスタービンを示す概略構成図。

符号の説明

１０１圧縮機
１０２タービン
１０３吸気ダクト
１０４排気ダクト
１０５回転軸
１０６，１０７軸受部
１０８車室壁
１０９ストラット
１１０ストラットカバー
１２０冷却・シール空気系統
１２１抽気用配管
１２１ａ抽気用配管冷却部
１２２，１２３，１２３ａ，１２３ｂ分岐配管
２０１バイパス管
２０２バルブ
２０３温度計
２０４制御部

Claims

吸気ダクトを介して空気を取り込む圧縮機と、タービンと、前記圧縮機及び前記タービンを支持する回転軸を回転自在に軸支する軸受部と、この軸受部の冷却とシールをするために前記タービンから抽気した抽気空気を前記軸受部に送る配管を備えたガスタービンにおいて、
前記配管は、その一部が前記吸気ダクトの内部空間を通過するように配置されていることを特徴とするガスタービン。
吸気ダクトを介して空気を取り込む圧縮機と、タービンと、前記圧縮機及び前記タービンを支持する回転軸を回転自在に軸支する軸受部と、この軸受部の冷却とシールをするために前記タービンから抽気した抽気空気を前記軸受部に送る配管を備えたガスタービンにおいて、
前記配管は、その一部が前記吸気ダクトの内部空間を通過するように配置されると共に、
前記配管のうち、抽気空気の流れ方向に関して、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも上流側部分と、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも下流側部分とを接続するパイバス管と、
前記パイバス管に介装されたバルブと、
前記軸受部に供給される抽気空気の温度を検出する温度計と、
前記温度計により検出した温度が、抽気空気に含まれる水分が結露する温度よりも高くなるように前記バルブの開度を調整する制御部とを有することを特徴とするガスタービン。
吸気ダクトを介して空気を取り込む圧縮機と、タービンと、前記圧縮機及び前記タービンを支持する回転軸を回転自在に軸支する軸受部と、この軸受部の冷却とシールをするために前記タービンから抽気した抽気空気を前記軸受部に送ると共に、その一部が前記吸気ダクトの内部空間を通過するように配置された配管を備えたガスタービンにおいて、
前記配管のうち、抽気空気の流れ方向に関して、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも上流側部分から、前記吸気ダクトの内部空間に配置されている部分よりも下流側部分へ抽気空気をバイパスさせて流すと共に、
前記軸受部に供給される抽気空気の温度が、抽気空気に含まれる水分が結露する温度よりも高くなるように、パイバスさせて流す抽気空気の流量を制御することを特徴とするガスタービンの冷却方法。