JP2008038807A - Gas turbine and transition piece - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮空気と燃料を燃焼した燃焼ガスによって回転動力を得るガスタービンに係わり、特に、ケーシング温度の調整に好適なガスタービン及びトランジションピースに関する。 The present invention relates to a gas turbine that obtains rotational power using combustion gas obtained by burning compressed air and fuel, and more particularly, to a gas turbine and a transition piece that are suitable for adjusting casing temperature.
ガスタービンの信頼性に関しては、クリープ、疲労、腐食などの強度の他に、変形の問題も重要である。特に、運転時のタービンにおける径方向の変形については、回転部(動翼を備えたロータ)と静止部(動翼に対向する翼環を備えたケーシング)とが接触しないように考慮しなければならない。タービンの回転部と静止部とが接触すると、動翼や翼環が損傷してタービンの性能が低下し、最悪の場合にはタービンが運転不能となる。一方、動翼と翼環との間隙(チップクリアランス)が広い場合には,この部分を通過する燃焼ガスがタービンの駆動に寄与しないため、効率が低下するという問題が生じる。そのため、ガスタービンを安全かつ高効率に運転することを目的とし、タービンのクリアランス制御の開発が進められている。 Regarding the reliability of the gas turbine, in addition to the strength such as creep, fatigue and corrosion, the problem of deformation is also important. In particular, the radial deformation of the turbine during operation must be considered so that the rotating part (the rotor with the moving blades) and the stationary part (the casing with the blade ring facing the moving blades) do not come into contact with each other. Don't be. When the rotating part and the stationary part of the turbine come into contact with each other, the rotor blades and the blade ring are damaged to deteriorate the performance of the turbine. In the worst case, the turbine cannot be operated. On the other hand, when the gap (tip clearance) between the moving blade and the blade ring is wide, the combustion gas passing through this portion does not contribute to the driving of the turbine, so that the efficiency is lowered. Therefore, development of turbine clearance control is underway for the purpose of operating gas turbines safely and with high efficiency.
タービンのクリアランス制御の一例として、蒸気供給源(例えば補助ボイラや蒸気タービンのボトミング系)からの蒸気を翼環内の冷却通路に流す構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この従来技術では、起動時には補助ボイラからの蒸気を翼環内の冷却通路に供給し、立ち上がり時に冷えた状態の翼環を加熱するので、クリアランスが拡大し、立ち上がりの最小クリアランス時の接触を回避するようになっている。また、通常運転中には蒸気タービンのボトミング系からの蒸気を翼環内の冷却通路に供給して、クリアランスを適切に調整し、ガスタービンの性能低下を抑えるようになっている。 As an example of turbine clearance control, a configuration in which steam from a steam supply source (for example, an auxiliary boiler or a steam turbine bottoming system) flows through a cooling passage in a blade ring is disclosed (for example, see Patent Document 1). In this conventional technology, the steam from the auxiliary boiler is supplied to the cooling passage in the blade ring at startup, and the blade ring in the cold state is heated at startup, so the clearance is expanded and contact at the minimum clearance at startup is avoided. It is supposed to be. Further, during normal operation, steam from the bottoming system of the steam turbine is supplied to the cooling passage in the blade ring so that the clearance is appropriately adjusted to suppress the performance degradation of the gas turbine.
しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記従来技術においては、起動時には補助ボイラからの蒸気を翼環内の冷却通路に供給して翼環を加熱するようになっている。そのため、蒸気を生成する補助ボイラなどの設備を設ける必要があり、さらに蒸気を導入する部分に耐蝕性を高めた材質を用いる必要があり、コストが増大する可能性があった。
However, there are the following problems in the above-described prior art.
That is, in the above prior art, the steam from the auxiliary boiler is supplied to the cooling passage in the blade ring at the time of startup to heat the blade ring. For this reason, it is necessary to provide equipment such as an auxiliary boiler for generating steam, and it is necessary to use a material with improved corrosion resistance for the portion where the steam is introduced, which may increase the cost.
本発明の目的は、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができるガスタービン及びトランジションピースを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a gas turbine and a transition piece that can improve the performance of the gas turbine by reducing the tip clearance while reducing the cost.
(1)上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気とともに燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、前記燃焼器から前記タービンへと燃焼ガスを導くトランジションピースに設けられ、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段と、前記タービンのケーシングに形成され、前記熱交換手段で加熱した空気が流入するケーシング流路とを備える。 (1) In order to achieve the above object, the present invention includes a compressor that generates compressed air, a combustor that generates combustion gas by burning fuel together with the compressed air from the compressor, and the combustor. A gas turbine having a turbine that is driven to rotate by the combustion gas of the combustion chamber, provided in a transition piece that guides the combustion gas from the combustor to the turbine, and a part of the compressed air extracted from the compressor as the combustion gas. A heat exchange means for heating and a casing flow path formed in the casing of the turbine and into which the air heated by the heat exchange means flows.
本発明においては、燃焼器からタービンへと燃焼ガスを導くトランジションピースに、圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を燃焼ガスで加熱する熱交換手段を設ける。そして、例えばガスタービンの起動時、熱交換手段で加熱した空気をタービンのケーシング流路に流入させる。これにより、タービンのロータに比べ熱容量が大きく温度上昇の応答が遅いケーシングを加熱するので、ケーシングの翼環と対向するロータの動翼との間隙(チップクリアランス)の一時的な低下幅を減少させることができる。これにより、チップクリアランスの設計値(言い換えれば、ロータ及びケーシングが熱変形しないときの値)を小さくし、運転中のクリアランスを小さくすることができる。また、例えばケーシング流路に蒸気を供給する場合とは異なり、蒸気を生成する設備が不要であるばかりか、ケーシング流路などの部分に耐食性を高めた材質を用いる必要がないので、コスト低減を図ることができる。以上のように本発明においては、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。 In the present invention, a heat exchange means for heating a part of the compressed air extracted from the compressor with the combustion gas is provided in the transition piece for introducing the combustion gas from the combustor to the turbine. For example, when the gas turbine is started, the air heated by the heat exchange means is caused to flow into the casing flow path of the turbine. This heats the casing, which has a larger heat capacity and a slower response to temperature rise than the rotor of the turbine, thereby reducing the temporary drop in the gap (tip clearance) between the blade ring of the casing and the rotor blade facing the rotor. be able to. Thereby, the design value of the chip clearance (in other words, the value when the rotor and the casing are not thermally deformed) can be reduced, and the clearance during operation can be reduced. In addition, unlike the case where steam is supplied to the casing flow path, for example, there is no need for a facility for generating steam, and it is not necessary to use a material with improved corrosion resistance for parts such as the casing flow path. Can be planned. As described above, in the present invention, the cost of the gas turbine can be improved by reducing the tip clearance while reducing the cost.
(2)上記(1)において、好ましくは、前記熱交換手段は、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部が流入する第1マニホールドと、前記第1マニホールドにそれぞれ接続され、前記トランジションピースの管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の下流側に接続された第2マニホールドとを有する。 (2) In the above (1), preferably, the heat exchanging means is connected to the first manifold into which a part of the compressed air extracted from the compressor flows, and the first manifold, respectively. A plurality of heat transfer tubes provided along the circumferential direction of the tube wall and a second manifold connected to the downstream side of the plurality of heat transfer tubes.
(3)上記(1)又は(2)において、好ましくは、前記ケーシング流路に流入した空気を前記タービン内のガス流路に流出させる。 (3) In the above (1) or (2), preferably, the air that has flowed into the casing flow path is caused to flow out to the gas flow path in the turbine.
(4)上記(1)〜(3)のいずれか1つにおいて、好ましくは、前記ケーシング流路に流入する空気の温度を調整する空気温度調整手段を備える。 (4) In any one of the above (1) to (3), preferably, air temperature adjusting means for adjusting the temperature of the air flowing into the casing flow path is provided.
(5)上記(4)において、好ましくは、前記空気温度調整手段は、前記熱交換手段をバイパスし、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記ケーシング流路に供給するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けた流量制御弁と、前記ケーシングの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出した前記ケーシングの温度が目標温度に近づくように前記流量制御弁の開度を制御する弁制御手段とを有する。 (5) In the above (4), preferably, the air temperature adjusting means bypasses the heat exchanging means, and bypass piping for supplying a part of the compressed air extracted from the compressor to the casing flow path; A flow rate control valve provided in the bypass pipe, temperature detection means for detecting the temperature of the casing, and the opening degree of the flow rate control valve is controlled so that the temperature of the casing detected by the temperature detection means approaches a target temperature. And valve control means.
(6)上記(5)において、前記弁制御手段は、前記燃焼器に供給する燃料流量又は前記タービンのロータの回転数に応じて前記ケーシングの目標温度を設定する。 (6) In said (5), the said valve control means sets the target temperature of the said casing according to the fuel flow volume supplied to the said combustor, or the rotation speed of the rotor of the said turbine.
(7)上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を生成する圧縮機、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動するタービンを備えたガスタービンに設けられ、前記燃焼器から前記タービンへ燃焼ガスを導くトランジションピースにおいて、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段を備える。 (7) To achieve the above object, the present invention relates to a compressor that generates compressed air, a combustor that generates combustion gas by combusting compressed air and fuel from the compressor, and the combustor. Heat that is provided in a gas turbine including a turbine that is rotationally driven by combustion gas, and heats part of the compressed air extracted from the compressor with the combustion gas in a transition piece that guides the combustion gas from the combustor to the turbine. Exchange means are provided.
(8)上記(7)において、好ましくは、前記熱交換手段は、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部が流入する第1マニホールドと、前記第1マニホールドにそれぞれ接続され、前記トランジションピースの管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の下流側に接続された第2マニホールドとを有する。 (8) In the above (7), preferably, the heat exchanging means is connected to the first manifold into which a part of the compressed air extracted from the compressor flows, and to the first manifold, respectively. A plurality of heat transfer tubes provided along the circumferential direction of the tube wall and a second manifold connected to the downstream side of the plurality of heat transfer tubes.
本発明によれば、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the performance of the gas turbine by reducing the tip clearance while reducing the cost.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施形態によるガスタービンの全体構成を表すシステムフロー図であり、図2は、本実施形態によるガスタービンの要部の詳細構造を表す部分断面図である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a system flow diagram illustrating the overall configuration of the gas turbine according to the present embodiment, and FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating the detailed structure of the main part of the gas turbine according to the present embodiment.
これら図1及び図2において、ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機1と、この圧縮機1で生成した圧縮空気とともに、燃料流量制御弁2を介し供給された燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器3と、この燃焼器3からの高温高圧の燃焼ガスにより駆動するタービン4とを備えている。また、タービン4のロータ5と圧縮機1のロータ6とは中間軸7によって連結され、さらに圧縮機1のロータ6と発電機8は連結軸9によって連結されており、発電機8はタービン4のロータ5の回転動力を電気エネルギーに変換するようになっている。
1 and 2, the gas turbine combusts the fuel supplied through the fuel
圧縮機1は、ロータ6と、このロータ6の外周側(図2中上側)を覆う略円筒状のケーシング10とを備えている。ロータ6は、外周側に周方向に複数配置された動翼11を有するディスク12を軸方向(図2中左右方向)に積層して構成されている。ケーシング10の内周側(図2中下側)には、周方向に複数配置された静翼13が軸方向に複数段設けられている。そして、動翼11及び静翼13は軸方向に交互に配置され、空気を圧縮するようになっている。
The compressor 1 includes a
燃焼器3は、圧縮機1の周囲にほぼ等間隔で複数設けられており、燃焼装置14と、この燃焼装置14の下流側(図2中右側)に設けたトランジションピース15とでそれぞれ構成されている。そして、燃焼装置14は、圧縮機1からの圧縮空気とともに燃料を燃焼しており、その燃焼ガスがトランジションピース15を介しタービン4に供給されるようになっている。
A plurality of the
タービン4は、上記ロータ5と、このロータ5の外周側を覆う略円筒状のケーシング16とを備えている。ロータ5は、外周側に周方向に複数配置された動翼(本実施形態では、第1段の動翼17A、第2段の動翼17B、又は第3段の動翼17C)を有するディスク18と中空のスペーサ19とを軸方向に交互に積層して構成されている。ケーシング16の内周側には、複数段の動翼17A〜17Cにそれぞれ対向するように複数の翼環20が設けられており、これら複数の翼環20の間に複数段の静翼(本実施形態では、第1段の静翼21A、第2段の静翼21B、及び第3段の静翼21C)がそれぞれ係合支持されている。そして、静翼21A〜21Cは燃焼器3からの燃焼ガスを加速し、動翼17A〜17Cを備えたロータ5が回転するようになっている。
The turbine 4 includes the
ここで本実施形態の大きな特徴として、燃焼器3のトランジションピース15には、圧縮機1から抽気した圧縮空気の一部を燃焼ガスで加熱する熱交換部22(熱交換手段)が設けられており、タービン4のケーシング16の外周側には、複数のトランジションピース15の熱交換部22で加熱した空気がそれぞれ流入する複数のケーシング流路23が形成されている。以下、その詳細を説明する。
Here, as a major feature of the present embodiment, the
図3は、上記トランジションピース15の熱交換部22の詳細構造を表す部分拡大斜視図であり、図4は、上記ケーシング流路23の詳細構造を表すタービン4のケーシング16の部分拡大斜視図である。
FIG. 3 is a partially enlarged perspective view showing the detailed structure of the
これら図3及び図4、前述の図2において、トランジションピース15の熱交換部22は、トランジションピース15の外周側におけるタービン4の径方向内側(図2及び図3中下側)に設けられ、圧縮機1で生成した圧縮空気の一部を抽気する吸気口(図示せず)を有する第1マニホールド24と、この第1マニホールド24にそれぞれ接続され、トランジションピース15の管壁の周方向に沿って設けられた複数の伝熱管25と、トランジションピース15の外周側におけるタービン4の径方向外側(図2及び図3中上側)に設けられ、複数の伝熱管25の下流側に接続された第2マニホールド26とで構成されている。そして、第1マニホールド24、伝熱管25、及び第2マニホールド26内を流れる空気は、トランジションピース15内を流れる燃焼ガスと熱交換して加熱されるようになっている。
3 and FIG. 4 and FIG. 2 described above, the
タービン4のケーシング16は例えば半割れ構造となっており、このケーシング16における第1段の静翼21A、第1段の動翼17A、及び第2段の静翼21Bに対応する位置に、間隙を介し外周側を覆うようにケーシング27が接合されている。また、ケーシング16,27間の間隙を周方向に区分する複数の隔壁28が接合され、これによって複数の軸方向(図2中左右方向、図4中左下・右上方向)のケーシング流路23が形成されている。また、ケーシング16には、ケーシング流路23の軸方向上流側(図2中左側、図4中左下側)に開口する流入孔29と、ケーシング流路23の軸方向下流側(図2中右側、図4中右上側)に開口し、例えば第2段の静翼21Bの外周側のチャンバ30に連通する流出孔31とが形成されている。そして、トランジションピース15の熱交換部22の第2マニホールド26とケーシング16の流入孔29とを接続する配管32が設けられ、この配管32を介し熱交換部22で加熱した空気がケーシング流路23に流入するようになっている。また、ケーシング流路23内を流れた空気は、ケーシング16の排出孔31を介しチャンバ30に流出し、最終的にタービン4内のガス流路(ガスパス)に流出するようになっている。
The
次に、本実施形態の作用効果を説明する。図5は、起動時におけるタービン4のロータ5の温度Tr及びケーシング16の温度Tc2の経時変化、チップクリアランス(詳細には、ロータ5の動翼17A〜17Cとそれぞれ対向するケーシング16の翼環20との間隙)の経時変化を表す図である。なお、この図5において、一点鎖線は、起動時にタービン4のケーシング16を予熱しない場合におけるケーシング16の温度Tc1及びチップクリアランスの経時変化を比較例として示すものである。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated. FIG. 5 shows changes over time in the temperature Tr of the
例えば起動時にタービン4のケーシング16を予熱しない場合は、ケーシング16はロータ5に比べて熱容量が大きいことから、ケーシング16の温度Tc1はロータ5の温度Trに比べて応答が遅く、静定するまでに時間を要する。そのため、時間t0で起動開始すると(言い換えれば、燃焼器3に供給する燃料流量を増加させ燃焼ガスの温度が上昇すると)、まずロータ5の温度Trが上昇してロータ5が径方向外側に伸長し、チップクリアランスは例えば設定値X0(言い換えれば、ロータ5及びケーシング16が熱変形しないときの値)から最小値Xmin1まで下降する。その後、ケーシング16の温度Tc1が遅れて上昇してケーシング16が径方向外側に伸長し、チップクリアランスは例えば定常値Xtまで回復する。
For example, when the
一方、本実施形態のようにトランジションピース15の熱交換部22で加熱した空気をケーシング流路23に流すことによりケーシング16を加熱する場合は、ロータ5の温度Tr及びケーシング16の温度Tc2がほぼ同時に上昇を開始する。そのため、ロータ5及びケーシング16の径方向外側への伸長がほぼ同時に進行するので、チップクリアランスは例えば設計値X0から最小値Xmin2(但し、Xmin2<Xmin1)まで下降し、その後、定常値Xtまで回復する。すなわち、本実施形態では、例えば起動時にタービン4のケーシング16を予熱しない場合に比べ、チップクリアランスの一時的な低下幅を小さくすることができる。これにより、図7に示すように、例えばチップクリアランスの最小値がXmin1となるように設定値をXoからXo’に狭めることができ、これに伴い定常値もXtからXt’に小さくなるので、タービン効率を向上させることができる。具体的には、例えばクリアランスの設計値X0=100%(ロータ5の静止時を100%とする)、定常値Xt=50%とした従来のガスタービンに本発明を適用した場合、クリアランスの設計値X0’=80%、定常値Xt’=27%に減少させることが可能となり、これによってガスタービンの総合効率を向上することができる。
On the other hand, when the
また、本実施形態においては、トランジションピース15の熱交換部22を設けることにより、起動時における燃焼器3の燃焼ガスの熱エネルギーを回収することができる。図7は、起動時におけるトランジションピース15の熱交換部22の燃焼ガスの入口温度T_Ginの経時変化に伴う熱交換部22の空気入口温度T_Ain及び空気出口温度T_Aout、タービン4のケーシング16の温度Tcの経時変化を一例として表す図である。
Moreover, in this embodiment, the thermal energy of the combustion gas of the
この図7に示すように、起動開始時(時間t0〜t1)は、通常、タービン4の駆動の立ち上げを早くするため、燃焼器3に供給する燃料流量を比較的多くするので、燃焼ガスの温度が急激に上昇する。その後、タービン4のロータ5の回転数が定格回転数に達すると(時間t1)、例えば潤滑油の温度等を安定させるための暖気運転を行うため、燃焼器3に供給する燃料流量を一旦低下させるとともに維持するので、燃焼ガスの温度が低下するとともに安定する。そして、暖気運転が終了すると(時間t2)、発電を開始するために連結軸8で発電機9を接続し、燃焼器3に供給する燃料流量を増加させるので、燃焼ガスの温度が徐々に上昇する。その後、発電出力が定格出力に達すると(時間t3)、図示しないが、例えば燃焼器3に供給する燃料流量を一定流量で維持するので、燃焼ガスの温度が安定する。
As shown in FIG. 7, normally, at the start of startup (time t0 to t1), the flow rate of fuel supplied to the
このように起動開始時(時間t0〜t1)の燃焼ガスの温度は急激に上昇しており、通常、その熱エネルギーの全部が有効に利用されているとは言い難い。本実施形態では、トランジションピース15の熱交換部22は、起動開始時の燃焼ガスにより圧縮機1から抽気した圧縮空気の一部を加熱するので、起動開始時の燃焼ガスの熱エネルギーの一部を回収することができる。また、トランジションピース15の熱交換部22で加熱した空気がタービン4のケーシング流路23に流入して起動開始時に冷えた状態のタービン4のケーシング16を加熱するので、有効利用することができる。
As described above, the temperature of the combustion gas at the start of activation (time t0 to t1) is rapidly increased, and it is usually difficult to say that all of the heat energy is effectively utilized. In the present embodiment, the
また、本実施形態においては、例えば蒸気を流入させる場合とは異なり、蒸気を生成する時間を要するためにガスタービンの立上げ時間が長くなるようなことがない。また、蒸気を生成するための設備が不要であり、さらに蒸気を導入する部分に耐蝕性を高めた材質を用いる必要がないので、コスト低減を図ることができる。したがって、本実施形態においては、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。 Further, in the present embodiment, unlike the case where steam is introduced, for example, it takes time to generate steam, so that the startup time of the gas turbine does not become long. In addition, no equipment for generating steam is required, and it is not necessary to use a material with improved corrosion resistance for the part where steam is introduced, so that the cost can be reduced. Therefore, in the present embodiment, it is possible to improve the performance of the gas turbine by reducing the tip clearance while reducing the cost.
なお、上記一実施形態においては、トランジションピース15の熱交換部22は、トランジションピース15の管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管25を有する構造を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばトランジションピース15の内部に伝熱管を設けてもよいし、例えば伝熱管に代えてプレート式熱交換器を設けてもよい。また、例えば伝熱面積を拡大することを目的としてリブやフィンなどを設けてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, the
また、上記一実施形態においては、タービン4のケーシング16の外周側を覆うようにケーシング27を接合してケーシング流路23を形成する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばケーシング16内にケーシング流路を形成してもよいし、例えば伝熱面積を拡大するためにリブやフィンなどを設けてもよい。また、例えばケーシング16の材質や構造を考慮し、ケーシング16のフランジ部16a(前述の図4参照)を加熱する配管などを設け、これをケーシング流路としてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
In the above-described embodiment, the case where the
本発明の他の実施形態を図8及び図9により説明する。本実施形態は、上記タービン4のケーシング流路23に供給する空気温度を調整する空気温度調整手段を設けた実施形態である。
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment is an embodiment in which an air temperature adjusting means for adjusting the air temperature supplied to the
図8は、本実施形態によるガスタービンの全体構成を表す概略図である。この図8において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。 FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of the gas turbine according to the present embodiment. In FIG. 8, parts that are the same as in the above embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted as appropriate.
本実施形態では、圧縮機1から抽気した圧縮空気の一部をタービン4のケーシング流路23に供給するバイパス配管33と、このバイパス配管33に設けた空気流量制御弁34(なお、これに代えてダンパ等でもよい)と、タービン4のケーシング16の温度を検出するケーシング温度検出器35(温度検出手段)と、このケーシング温度検出器35からの検出信号、及びガスタービン制御装置36から燃料流量制御弁2に出力される燃料流量指令信号が入力されるケーシング温度制御装置37(弁制御手段)とを備えている。なお、ガスタービン制御装置36は、例えばガスタービンの出力指令値MWD及びロータ5の回転数Nを検出する検出器(図示せず)からの検出信号に対し所定の演算処理を行い、生成した燃料流量指令信号を出力するようになっている。
In the present embodiment, a bypass pipe 33 that supplies a part of the compressed air extracted from the compressor 1 to the
ケーシング温度制御装置37は、ガスタービン制御装置36から入力した燃料流量指令値FFD(言い換えれば、ガスタービンの負荷変動)に応じて、タービン4のケーシング16の目標温度を設定するようになっている。そして、ケーシング温度検出器35で検出したケーシング16の温度が目標温度に近づくように、空気流量制御弁34の開度CvをPID制御で演算し、生成した駆動信号を空気流量制御弁34に出力するようになっている。詳しく説明すると、ケーシング温度制御装置37は、例えば燃料流量指令値FFDの増加(言い換えれば、ガスタービンの負荷増大)に従ってケーシング16の目標温度が高くなるように設定し、この目標温度にケーシング16の温度を近づけるために空気流量制御弁34の開度Cvを小さくなるように制御する。これにより、バイパス配管33を介しケーシング流路23に供給する空気流量が減少して、ケーシング流路23に供給する空気温度が高くなるようになっている。また、例えば燃料流量指令値FFDの減少(言い換えれば、ガスタービンの負荷減少)に従ってケーシング16の目標温度が低くなるように設定し、この目標温度にケーシング16の温度を近づけるために空気流量制御弁34の開度Cvを大きくなるように制御する。これにより、バイパス配管33を介しケーシング流路23に供給する空気流量が増加して、ケーシング流路23に供給する空気温度が低くなるようになっている。
The casing
以上のように構成された本実施形態においても、上記一実施形態同様、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。また、本実施形態においては、ガスタービンの負荷変動に応じてタービン4のケーシング流路23に流入する空気温度を調整することにより、タービン4のケーシング16の熱伸びを管理し、タービン効率の最適化を図ることができる。その詳細を図9により説明する。
Also in the present embodiment configured as described above, the performance of the gas turbine can be improved by reducing the tip clearance while reducing the cost, as in the case of the first embodiment. In the present embodiment, the thermal expansion of the
図9は、停止時の燃料流量指令値FFDの経時変化に対応して制御する空気流量制御弁34の開度Cvの経時変化、これに伴うタービン4のロータ5の温度Tr及びケーシング16の温度Tc2の経時変化、チップクリアランスの経時変化を表す図である。なお、この図9において、一点鎖線は、タービン4のケーシング16を冷却しない場合におけるケーシング16の温度Tc1及びチップクリアランスの経時変化を比較例として示すものである。
FIG. 9 shows the change over time in the degree of opening Cv of the air
この図9において、例えば停止時にタービン4のケーシング16を冷却しない場合は、ケーシング16はロータ5に比べて熱容量が大きいことから、ケーシング16の温度Tc1はロータ5の温度Trに比べて応答が遅く、静定するまでに時間を要する。そのため、時間t4でガスタービンの負荷が減少すると(言い換えれば、燃料流量指令値FFDが減少し燃焼ガスの温度が下降すると)、まずロータ5の温度Trが下降してロータ5が径方向内側に縮短し、チップクリアランスは例えば定常値Xtから最大値Xmax1まで上昇する。その後、ケーシング16の温度Tc1が遅れて下降してケーシング16が径方向内側に縮短し、チップクリアランスは例えば設計値Xtまで回復する。
In FIG. 9, for example, when the
一方、本実施形態のように、燃料流量指令値FFDの減少に応じて空気流量制御弁34の開度Cvを大きくしてタービン4のケーシング流路23に流す空気温度を下げ、これによってケーシング16を冷却する場合は、ロータ5の温度Tr及びケーシング16の温度Tc2がほぼ同時に下降を開始する。そのため、ロータ5及びケーシング16の径方向内側への縮短がほぼ同時に進行するので、チップクリアランスは例えば定常値Xtから設計値X0まで増加する。すなわち、本実施形態では、例えば停止時にタービン4のケーシング16を冷却しない場合に比べ、チップクリアランスの一時的な上昇幅を小さくすることができ、タービン効率を向上させることができる。
On the other hand, as in the present embodiment, the opening Cv of the air flow
なお、上記他の実施形態においては、ケーシング温度制御装置37は、ガスタービン制御装置36から入力した燃料流量指令値FFDに応じてタービン4のケーシング16の目標温度を設定する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばタービン4のロータ5の回転数を検出する検出器からの検出信号に応じてタービン4のケーシング16の目標温度を設定してもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
In the other embodiment, the casing
また、上記実施形態においては、トランジションピース15の熱交換部22で加熱した空気によりタービン4のケーシング16のみを加熱する構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば燃焼器3に供給する燃料も加熱するような構成としてもよい。図10は、このような変形例によるガスタービンの全体構成を表す概略図である。なお、この図10において、上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
Moreover, in the said embodiment, although demonstrated about the structure which heats only the
本変形例では、燃料流量制御弁2の上流側に設けられ燃焼器3に供給する燃料を加熱する熱交換器38と、この熱交換器38とトランジションピース15の熱交換部22との間に接続された配管39と、熱交換器38とケーシング流路23との間に接続された配管40と、熱交換器38をバイパスするように配管39,40の間に接続されたバイパス配管41と、配管39におけるバイパス配管41の接続部に設けられ、配管39の熱交換器38側及びバイパス配管41側のうちいずれか一方を開き状態に他方を閉じ状態に切り替える切替ダンパ42と、ガスタービン制御装置36からの燃料流量指令信号等に応じて所定の演算処理を行い、切替ダンパ42を駆動制御する制御装置43とを備えている。
In the present modification, a
制御装置43は、例えばガスタービンの起動時に切替ダンパ42を駆動制御して、配管39の熱交換器38側を閉じ状態とし、バイパス配管41側を開き状態とする。これにより、トランジションピース15の熱交換部22で加熱した空気がバイパス配管41等を介しタービン4のケーシング流路23に流入する。したがって、上記一実施形態同様、チップクリアランスの一時的な低下幅を小さくすることができ、これによってチップクリアランスの設計値及び定常値を低減させることができ、タービン効率を向上することができる。また、制御装置43は、例えば定格運転時に切替ダンパ42を駆動制御して、バイパス配管41側を閉じ状態とし、配管39の熱交換器38側を開き状態とする。これにより、トランジションピース15の熱交換部22で加熱した空気が配管39を介し熱交換器38に流入して燃料を加熱し、この熱交換器38で利用された空気が配管40を介しタービン4のケーシング流路23に流入する。これにより、燃焼ガスの熱エネルギーの一部を燃料の加熱に利用することができ、ガスタービンの総合効率を向上させることができる。
The control device 43 drives and controls the switching
1 圧縮機
3 燃焼器
4 タービン
5 ロータ
15 トランジションピース
16 ケーシング
22 熱交換器(熱交換手段)
23 ケーシング流路
24 第1マニホールド
25 伝熱管
26 第2マニホールド
33 バイパス配管(空気温度調整手段)
34 空気流量制御弁(空気温度調整手段)
35 温度検出器(温度検出手段、空気温度調整手段)
37 ケーシング温度制御装置(制御手段、空気温度調整手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
23
34 Air flow control valve (air temperature adjusting means)
35 Temperature detector (temperature detection means, air temperature adjustment means)
37 Casing temperature control device (control means, air temperature adjustment means)
Claims (8)
前記燃焼器から前記タービンへと燃焼ガスを導くトランジションピースに設けられ、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段と、
前記タービンのケーシングに形成され、前記熱交換手段で加熱した空気が流入するケーシング流路とを備えたことを特徴とするガスタービン。 A gas turbine comprising: a compressor that generates compressed air; a combustor that burns fuel together with the compressed air from the compressor to generate combustion gas; and a turbine that is rotationally driven by the combustion gas from the combustor. ,
A heat exchange means that is provided in a transition piece that guides combustion gas from the combustor to the turbine, and heats a part of the compressed air extracted from the compressor with the combustion gas;
A gas turbine comprising: a casing passage formed in a casing of the turbine and into which air heated by the heat exchange means flows.
前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段を備えたことを特徴とするトランジションピース。 Provided in a gas turbine comprising a compressor that generates compressed air, a combustor that generates combustion gas by burning compressed air and fuel from the compressor, and a turbine that is rotationally driven by the combustion gas from the combustor. , In a transition piece that directs combustion gas from the combustor to the turbine,
A transition piece comprising heat exchange means for heating a part of compressed air extracted from the compressor with the combustion gas.
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