JP2011140900A - ガスタービン，排気ディフューザおよびガスタービンプラントの改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存のガスタービンプラントを更新する場合でも効率の高いガスタービンプラントを提供することにある。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され圧縮機と同じ回転軸で支持されたタービンとを有する１軸式ガスタービンと、この１軸式タービンの駆動力で発電する発電機とを有するガスタービンプラントの改造方法において、この１軸式タービンを、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され圧縮機と同じ第１の回転軸で支持された高圧タービンと、高圧タービンを駆動したガスで駆動され、高圧タービンとは別の第２の回転軸で支持された低圧タービンとを有する２軸式ガスタービンに置き換えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービンに関する。

近年の環境問題に対する関心の高まりから、火力発電設備に対してより一層の性能向上が求められている。その中でもガスタービンは比較的単体の効率が高く、かつ他の発電設備との組合せによって５０％以上という高い発電効率を達成可能であるため、ＣＯ₂削減の一端を担うことを期待されている。蒸気タービンと組み合わせたコンバインドサイクルがこの例として挙げられる。このため、新設はもちろんのこと、既存のガスタービンプラントを更新する際にも、より効率の優れたプラントを構築することが望まれている。また、圧縮機や燃焼器，タービンといった主要コンポーネント以外の部分の性能向上だけでなく、吸気部や排気部といった部分に対しても効率向上がもとめられている。

既存のガスタービンプラントを更新する際の技術に関しては、あまり文献は公開されていない。また、排気部での損失低減方法についてはいくつか検討されているが、その対象は流路形状かストラットであることが多い。例えば特許文献１では、外周側ケーシングに沿うようジェットを噴射し、かつその噴射方法を調整することでディフューザにおける剥離を抑制している。また特許文献２および３ではストラット１２の形状や配置を調整することで、ストラットで発生する損失を低減している。

特開２００４−１６２７１５号公報 特開２００８−１５７１１０号公報 特開２００５−２９０９８５号公報

既存のガスタービンプラントを更新する際には、出力やスペース等様々な制約があることが多い。これらの制約を満足させた上で効率の高いガスタービンプラントを提供することは容易ではない。発電機や補機類等も、一般的には完全に更新する必要がある。また、上記の損失低減方法では排気ディフューザのターンベーンや支持部材における損失は考慮されていない。特許文献１や２に開示された技術では性能向上のために新たな構造を追加する必要があるため、スペースやコストの面でも不利である。

そこで本発明の目的は、既存のガスタービンプラントを更新する場合でも効率の高いガスタービンプラントを提供することにある。

本発明のガスタービンプラントの改造方法は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され前記圧縮機と同じ回転軸で支持されたタービンと、を有する１軸式ガスタービンと、前記１軸式タービンの駆動力で発電する発電機とを有するガスタービンプラントの改造方法において、前記１軸式タービンを、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され該圧縮機と同じ第１の回転軸で支持された高圧タービンと、該高圧タービンを駆動したガスで駆動され該高圧タービンとは別の第２の回転軸で支持された低圧タービンとを有する２軸式ガスタービンに置き換えることを特徴とする。

また本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを有し、前記タービンを駆動した燃焼ガスの流路である排気ディフューザと、燃焼ガスを外部に排出する排気ダクトと、前記排気ディフューザと前記排気ダクトとを接続する排気室と、前記排気ディフューザ内に設けられ燃焼ガスの流れを変更するターンベーンと、前記ターンベーンを支持する支持部材とを有するガスタービンにおいて、回転軸中心から前記排気室の上端までの鉛直方向距離が、回転軸中心から前記排気室の下端までの鉛直方向距離よりも大きく、前記支持部材が、回転軸の周方向への流体の流れの阻害を抑制する形状であることを特徴とする。

また本発明の排気ディフューザは、流体の流れを転向するターンベーンと、前記ターンベーンを支持する支持部材を有する排気ディフューザにおいて、前記ターンベーンが、前記ターンベーンの幅方向への流体の流れを妨害する作用を抑制する形状であることを特徴とする。

本発明によれば、既存のガスタービンプラントを更新する場合でも効率の高いガスタービンプラントを提供できる。

本発明の第一実施例に関する排気ディフューザと排気室の子午面断面図。 本発明の第一実施例に関するガスタービンのサイクル構成図。 本発明の第一実施例に関する機器配置図。 本発明の第一実施例に関する排気ディフューザと排気室の軸方向断面図。 一般的な排気ディフューザの概略の子午面断面図。 本発明の第一実施例の変形例に関する排気ディフューザと排気室の軸方向断面図。 本発明の第一実施例の変形例に関する機器配置図。 本発明の第二実施例に関する排気ディフューザと排気室の子午面断面図。 本発明の第三実施例に関する排気ディフューザと排気室の子午面断面図。

通常、発電プラントにおける出力は認可出力により制限される。既設のプラントにおいて同出力帯のガスタービンを既存のガスタービンに替えて新設する際には、認可出力以上の発電出力が発生してしまう可能性がある。技術進歩により、新設ガスタービンの効率の方が既設のものより高くなる傾向にあるからである。また顧客から、プラントの更新の際には、より効率の高い設備にすることが期待されるという事情もある。

出力一定の場合、流路の径を増加させることで翼の負荷が減少するので、タービンの効率を向上させることが可能となる。しかし一般的に、１軸式ガスタービンではタービンの流路径の増加に伴い軸方向長さも増加する傾向にある。そのため、軸方向長さを維持したままでの性能向上は難しい。

一方、ガスタービンの高効率化による出力向上を考慮して、スケール縮小したガスタービンを用いることも考えられる。しかし発電機を流用して、スケール縮小した高性能ガスタービンを高速回転で運転した場合、ガスタービンと発電機間に減速機を設ける必要がある。ガスタービンは発電機の要求に合わせた回転数で運転する必要があるからである。減速機を用いると減速機損失によりガスタービンプラントの効率低下を招く。また、ガスタービンの更新の際にはスペース上の制約があることが多いため、減速機を追加すること自体が困難であることが多い。発電機以外の既存設備も流用しようとする場合には、スペース上の制約はさらに大きいものとなる。

このような背景に対し、発明者らは、既存の１軸式ガスタービンを更新する際には２軸式ガスタービンを導入すれば、上記の問題点を解決できるという知見に想到した。２軸式ガスタービンを用いれば、圧縮機および高圧タービンの回転数を低圧タービンよりも増加させることで流路径増加の効果を得つつ全体の軸方向長さを縮小することが可能である。圧縮機と高圧タービンを含むガスジェネレータ側のみ、スケール縮小設計したものを利用して高速回転で運転させることもできる。その結果、圧縮機吸い込み流量を低減させ、出力を認可出力以下に抑えることができる。また、低圧タービンを含むパワータービン側では発電機の制約に合わせた回転数で運転させることができる。そうすると減速機を不要にでき、効率を低下させることなく、スペース上の問題もクリアできる。

さらに、ガスジェネレータ側の回転数は、発電機の制約条件に縛られることはない。そのため、圧縮機にとって最適な効率になるように自由に回転数を選定することもでき、ガスタービンの効率をよりいっそう高めることができる。ガスタービンの効率向上は、燃料消費量の低減やＣＯ₂削減にもつながる。

次に、１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンに改造する場合の検討事項について説明する。

１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンに置き換えるようにプラントを改造することを種々検討する過程で、発明者らの中で、ガスタービンの軸高さと軸方向長さを既存の１軸タービンに合わせれば、発電機や排気ダクト等について既存のものを活用できるという発想が生まれた。コンバインドプラントの場合は蒸気タービンも既存のものを利用可能である。既存設備を利用できれば、新たに製造する必要がないだけでなく、設計や試験等の負担も大幅に軽減することができる。そのため、コストや納期，信頼性の面でもメリットはかなり大きい。軸高さと軸方向長さを既存の１軸タービンに合わせれば、結果的に、スペース上の制約も満たすこともできる。

後述する各実施例は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され圧縮機と同じ回転軸で支持されたタービンとを有する１軸式ガスタービンと、この１軸式タービンの駆動力で発電する発電機とを有する既設のプラントをベースとした改造方法に関する。この１軸式タービンを、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され圧縮機と同じ第１の回転軸で支持された高圧タービンと、高圧タービンを駆動したガスで駆動され高圧タービンとは別の第２の回転軸で支持された低圧タービンとを有する２軸式ガスタービンに置き換えれば、種々の効果を得ることができる。

１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンに置き換えれば、軸方向長さを延長することなくプラントの効率を高めることができる。また減速機不要であるため、所望の出力値でありつつも効率の高いガスタービンプラントを提供できる。その上、２軸式ガスタービンのガスジェネレータ側である第１の回転軸と、パワータービン側である第２の回転軸とを、改造前の１軸式ガスタービンと同一にすれば、改造前と後でガスタービンの軸高さを同一にすることができる。そうすると、発電機などの同軸で接続する機器を流用することが可能となり、低コストでガスタービンプラントを提供できる。また、２軸式ガスタービンの軸方向長さを改造前の１軸式ガスタービンと同一にすれば、既存の１軸ガスタービンと同じスペースに新設の２軸式ガスタービンを設置することができ、スペース上の制約も満たすことができる。ガスタービンベースや吸気ダクト，排気ダクトなどを、既存のものから大幅設計変更することなく活用することもできる。

次に、スペース上の制約に対処可能な例を、タービンの排気部に着目して説明する。以下特に断らない限り、内周側，外周側，周方向，径方向とはそれぞれ、ガスタービン回転軸を中心とした円の内周側，外周側，円周方向，半径方向を意味する。

タービンの排気部では、タービン駆動後の作動流体をいかに低損失で排出するかが重要となる。特にタービン最終段動翼と排気室をつなぐ排気ディフューザでは、タービン通過後の高速なガスの運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するため、流路（ガスパス）の断面積が増加する拡大流路となっている。つまりディフューザでは静圧が上昇し流速が減少するため、流路壁面近傍で流れが剥離しやすくなる。また軸方向の省スペース化を図る場合には排気ディフューザで流れを軸流方向から鉛直方向に転向させる。この場合、流れが曲率のある壁面を通過することになり、さらに剥離が発生しやすくなる。１軸式タービンを２軸式タービンに改造する場合のように、スペース上の制約がある場合にはなおさらである。剥離が発生すると大きな圧力損失となるため、排気部の効率向上のためには排気ディフューザでの剥離を抑制するのが望ましい。

ここで図５に比較例の排気ディフューザの概略子午面断面図を示す。本ディフューザの形状は、流れを軸流方向から鉛直方向に転向させる側方排気型である。図５において、作動流体の流路は内周側ケーシング２１と外周側ケーシング２２との間の部分である。タービン動翼５１を通過した排ガス４１は、流路中に複数設けられたターンベーン１３を通過することで流れの向きを鉛直方向に変え排気室（図示せず）に流入する。また外周側ケーシング２２およびターンベーン１３を支持するため、流路内にはストラット１２および支持部材１４が設けられている。

特許文献１−３で開示された排気ディフューザ損失低減方法を用いることで、図５におけるストラット１２までの損失はいくらか低減すると考えられる。一方でこれらの損失低減方法ではターンベーン１３や支持部材１４における損失は考慮されておらず、この部分で剥離が発生すると排気ディフューザ全体での損失低減が充分でない可能性が高い。つまりターンベーン１３および支持部材１４における損失低減方法も望まれる。また特許文献１や２に開示された技術では性能向上のために新たな構造を追加する必要があるため、コストが増加すると予想される。さらに既存のガスタービンを改造する場合などスペース上の制約がある場合には、新規に構造を追加するという対策は好ましくないという問題もある。

ターンベーン１３および支持部材１４の近傍で最も剥離の発生しやすい箇所は外周側ケーシング２２の曲がり部および支持部材１４である。前者は曲がり部の中でも最も外周側なので曲率半径が小さく、流れが転向しきれずに剥離が発生しやすくなる。さらにこの流路に支持部材１４が存在すると、外周側の曲がり部と支持部材１４の接続部における境界層の発達によって、より剥離が発生しやすくなる。

一方、支持部材１４の近傍については、部分負荷運用時のように流れに旋回角があり、かつ支持部材１４が平板状等の場合、支持部材１４が流れをせき止めて大きな剥離領域が発生する可能性がある。特にガスタービンの軸高さに制約がある場合には、この剥離の影響が大きくなるおそれがある。排気室の鉛直方向下端から排気ディフューザ流出部までの距離が鉛直方向上端から排気ディフューザ流出部までの距離より短い場合、支持部材１４で剥離した流れが整流されるのに十分なスペースがなく、鉛直方向下端に大きなよどみ領域が発生して大幅に性能低下することが懸念されるからである。なお、流れが回転方向に旋回角を持っていない場合には問題は小さい。実際のガスタービンの設計時にはスペース上の制約ありきで排気部の機能を検討することはほとんどない。そのため、排気部で流れが回転方向で旋回角を持つことは想定しづらい。また支持部材１４は充分な強度を確保するための構造や太さが要求される。

これに対し発明者らは、限られたスペースに設置可能な２軸式ガスタービンを設計する過程で、排気部で流れが回転方向に旋回角をもっていても損失を抑えられる構造について検討を重ねた。２軸式ガスタービンでは部分負荷運転を行うことが多い点も、この検討に注力した理由の一つである。ターンベーン１３および支持部材１４の近傍で最も剥離の発生しやすい箇所は外周側ケーシング２２の曲がり部および支持部材１４であるという知見は、この検討の結果生まれたものである。

以下説明する各実施例によれば、内周壁からタービン半径方向外周側に向かって途中のターンベーンまでを支持しているものがある。このようにすると剥離の生じやすい外周側曲がり部には支持部材が存在しないため、この箇所における流れの剥離を抑制することが可能である。かつ支持部材の形状を棒状とすることで、平板状の支持部材を用いた場合に起こり得る、旋回角を持った流れ場における剥離を抑制することが可能となる。この際、支持部材の径を内周側から外周側にかけて減少させることで、相対的に曲率半径の小さい外周側のターンベーンと支持部材の接続する範囲を小さくできるため、さらなる剥離の抑制が可能である。さらに支持部材を流れの方向に対して複数にし、径を１本の支持部材で支持する場合より小さくすることで、支持部材下流部で生じる損失を低減することが可能である。

また、排気室鉛直方向下端から前記排気ディフューザ流出部までの距離が前記排気室鉛直方向上端から前記排気ディフューザ流出部までの距離より短いガスタービン設備に対して本発明の排気ディフューザを用いることで、支持部材による剥離が抑制され、排気室鉛直方向下端近傍で流れがせき止められて発生するよどみ領域を抑制して損失を低減することが可能となる。

さらに各実施例の排気ディフューザおよび排気室構造を既存のガスタービンの改造方法として用いることで、簡便な構造で排気ディフューザ部の損失低減を達成できる。

ここまでは、スペース上の制約に対処可能な例として説明しているが、各実施例は簡便な構造で排気部の損失を低く抑えることが可能なガスタービンを提供する目的に対しても有効である。特許文献１−３に記載された損失低減方法では、排気ディフューザのターンベーンや支持部材における損失は考慮されてない。また、特許文献１や２に開示された技術では性能向上のために新たな構造を追加する必要がある。そのため各実施例は、スペースやコストの面でも有利である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図２に本実施例におけるサイクル構成図を示す。本実施例では既存の１軸式ガスタービンを用いたコンバインドプラントを２軸式ガスタービンに改造することを想定している。このような例として、図２は２軸式ガスタービンを用いたコンバインドサイクルの構成となる。すなわち、サイクルの概要は以下の通りとなる。

まず作動流体である空気は軸流圧縮機２に流入して圧縮された後に燃焼器３に流入する。燃焼器３には燃料が噴射されて高温の燃焼ガスを生成する。この高温・高圧ガスは、圧縮機２と第１の軸６によって接続されている高圧タービン４に流入して圧縮機２を駆動した後、低圧タービン５に流入する。低圧タービン５を作動流体が通過する際、第２の軸７ａによって接続された発電機８が駆動され、これによって発電が実施されている。低圧タービン５を通過した排ガス４１は排気ディフューザ（後述）に流入したのち排熱回収ボイラ（図示せず）で熱を回収された後に最終的に大気に放出される。一方、排熱回収ボイラでは蒸気を用いて排ガスからの熱を回収し、この蒸気を用いて蒸気タービン９を駆動している。蒸気タービン９も第２の軸７ｂを介して発電機８と接続されている。なお本実施例の高圧タービンおよび低圧タービン、および蒸気タービンの回転数はそれぞれ約４５００rpm，約３６００rpm，約３６００rpmを想定している。

また、本実施例における機器配置の概略図を図３に示す。図３において、改造せずに既存の装置を流用する部分はハッチングで示している。本実施例ではガスタービン１を交換することを想定している。交換対象は圧縮機２，燃焼器３，高圧タービン４，低圧タービン５，軸６，７ａ，吸気室３２，排気室３３およびガスタービンベース３５である。吸気ダクト３１，排気ダクト３４，発電機８および蒸気タービン９については既存の装置を流用する。発電機８および蒸気タービン９を流用するため、軸６，７ａの鉛直方向高さは変更しない。吸気ダクト３１，排気ダクト３４も流用するため、ガスタービン１全体の軸方向長さも変えない。結果、ガスタービン１の設置スペースに大きな変更はない。

一方、改造後のガスタービンは改造前のガスタービンより高効率であることが求められる。回転数が同一の場合、タービンにおいて最も単純な効率向上方法は作動流体が通過する流路の径を増加させることである。タービンは作動流体が翼を回転させることで出力を得ているが、その出力は翼の負荷と翼の回転速度の積に比例する。出力一定の場合、流路の径を増加させることで翼の負荷が減少するので、タービンの効率を向上させることが可能となる。しかし一般的に、１軸式ガスタービンではタービンの流路径の増加に伴い軸方向長さも増加する傾向にある。そのため、本実施例のように軸方向長さを維持したままでの性能向上は難しい。一方２軸式ガスタービンでは、圧縮機２および高圧タービン４の回転数を低圧タービン５よりも増加させることで流路径増加の効果を得つつ全体の軸方向長さを縮小することが可能である。そうすると、全体の軸方向長さを維持しつつ効率を向上させることが可能となる。ただし、本実施例のように軸６，７ａの鉛直方向高さを変更させない場合、低圧タービン５の径が大きくなることで排気室３３の流れが乱されてそこでの性能が低下する可能性がある。

そこで、図１に本実施例における排気ディフューザと排気室の子午面断面図を示す。図１は図３における排気室３３と低圧タービン５の出口部の詳細を示した図となる。図１において、まず排気ディフューザ１０側の構造について説明する。

図５の比較例と同じく、排気ディフューザ１０の形状は流れを軸流方向から鉛直方向へと転向させる側方排気型であり、その流路は内周側ケーシング２１と外周側ケーシング２２から構成されている。流路内には効率良く流れを転向させるためのターンベーン１３が設けられており、ターンベーン１３は支持部材１４によって支持されている。ここで支持部材１４の形状は断面が円である棒状（円柱状）を想定している。本実施例では支持部材１４の断面とは、支持部材１４の高さ方向に垂直な面とする。また外周側ケーシング２２は流路中の周方向複数に設けられたストラット１２によって支持されている。なおターンベーン１３の半径方向の枚数については本実施例では２枚としているが、流れの剥離を招く等の問題がなければ枚数は２枚以上であっても以下であっても問題ない。

次に、排気室３３側の構造について図１および図４を用いて説明する。図４は図１中のＡ−Ａ断面の断面図である。図１および図４において、排気室３３は排気ディフューザ１０とは異なり、ガスタービンの軸７に対して鉛直方向に対称ではない。すなわち、軸７に対して線対称ではない。具体的には下端側から排気ディフューザ１０までの距離が、上端側からの距離に比べて短くなっている。回転軸７の中心から排気室３３の上端までの鉛直方向距離が、回転軸７の中心から排気室３３の下端までの鉛直方向距離よりも大きくなっているともいえる。本実施例の２軸式ガスタービンでは、設置面から軸７までの高さを改造前の１軸式タービンと合わせるため、地面から軸までの距離に制約があるからである。このとき、鉛直方向下側の領域（図４中の領域Ｘに相当）は他の部分に比べると排気室３３の壁面が近くにあるため、流れがせき止められやすくなっている。なお図４において、本実施例では支持部材１４の本数を周方向に８本としているが、強度上の問題がなければそれ以上であっても以下であっても問題ない。同様に強度上の問題がなければ、本実施例の変形例として図６のように、鉛直下方に支持部材１４（図４で示した１４ａ）を配置しない構造とすれば、流れをせき止められにくくすることができる。すなわち、軸７の周方向において、流れが剥離しづらい上方では強度を確保し、剥離しやすい下方では流れの阻害を抑制するような構造にすることで、流体を最適に流すことができるようになる。具体的には、ターンベーン１３を支える支持部材１４の数を、上方より下方の方が少なくなる（図７で示したように、軸７ａの真下で０本になるようにしてもよい）ようにしたり、支持部材１４の太さを、上方のものより下方のものを細くしたり、上方の支持部材１４は外周側ケーシング２２に届かせ、下方の支持部材１４は外周側ケーシングに届かさないようにしたりすれば良い。

これらの例のように、支持部材１４の、排気ディフューザ１０における流体の流れの阻害を抑制する形状を周方向で異なるようにすれば、流体の損失低減と強度の確保を両立することができる。ここで形状を周方向で異なるようにするとは、上記例やそれ以外の方策を単独もしくは組み合わせて適用することを意味する。結果として支持部材１４の形状や数は、回転軸７を基準として線対称にならなくなる。

ここで、本実施例における排気ディフューザ１０の具体的な動作について説明する。図２におけるガスタービンサイクルとしては圧力比約１７，燃焼温度約１３００℃を想定しており、低圧タービン最終段動翼５１を通過後の排ガス４１の物理量としては全圧約０.１ＭＰａ、全温約５００℃を想定している。このときの排気ディフューザ１０の流入部における流速は約２５０ｍ／ｓであるが、内周側ケーシング２１と外周側ケーシング２２から構成された拡大流路を通過することで流速は減少し、約１００ｍ／ｓ程度の速度で排気室２０に流入する。排気室３３に流入した作動流体はその内部で整流され、最終的には大気中に排出される。

本実施例における排気ディフューザ１０では、支持部材１４が内周壁からタービン半径方向外周側に向かって途中のターンベーンまでしか支持しておらず、外周側ケーシング２２と接続していない。流れが転向する際に最も剥離の発生しやすいのは外周側ケーシング２２の曲がり部である。本実施例ではそこを通過する流れと支持部材１４との干渉による境界層の発達がないため、剥離が抑制される。さらに外周側ケーシング２２と最も外周側のターンベーン１３から構成される流路には障害物がないので、その分だけ損失は低減する。

また本実施例における排気ディフューザ１０において、排ガス４１が旋回角を持つ場合、支持部材１４に対しても流れがほぼ同じ旋回角を持って流入することが予想される。この場合でも支持部材１４の形状が棒状（円柱状）なので、旋回角の変化によって支持部材が流れに対するブロッケージとなって損失が増加するのを抑制することができる。排ガス４１が旋回角を持つのは主に部分負荷運用時なので、このときの性能低下を抑制することで運用性を向上させることが可能となる。

特に本実施例のように、排気室鉛直方向下端から排気ディフューザ出口までの距離が、排気室鉛直方向上端から排気ディフューザ出口までの距離より短い、すなわち図４中の領域Ｘの鉛直方向長さが短い場合には、その効果が顕著となる。具体的には、前述のように支持部材１４が流れに対するブロッケージとなって剥離領域が生じると、排気室３３の領域Ｘ以外の場所では剥離流れが整流されやすい。壁面まで距離が充分あるからである。一方、領域Ｘでは壁面までの距離が不足しているため整流されず、その部分がよどみ領域となって流れがせき止められてしまう。このよどみ領域の発生によって、排気ディフューザ１０から排気室３３までの損失が大幅に増加する。本実施例では支持部材１４での流れの剥離が生じにくくなり、前述のよどみ領域の発生を抑制できるため、特に部分負荷時の性能低下を抑制することが可能となる。さらに支持部材１４を周方向に配置する際、図６のように鉛直下方に配置しないようにすれば、領域Ｘでよどみ領域が発生する可能性はさらに小さくなる。

ここで、本実施例の変形例として図７に吸気ダクト３１および排気ダクト３４も改造する場合の機器配置の概略図を示す。図７に示した変形例では軸６，７ａの鉛直方向高さは変えられないものの軸方向長さは変えることが可能である。そのため、ガスタービン全体の径を増加させて改造することが可能なる。つまり、図７のような改造条件の場合、本実施例で示した２軸式ガスタービンだけでなく圧縮機の駆動と出力軸の駆動を同一のタービンで行う１軸式ガスタービンに対しても上述の考えを適用することが可能となる。

以上説明した本実施例は、１軸式ガスタービンを用いたプラントを２軸式ガスタービンを用いたプラントへと改造したものである。この２軸式ガスタービンは、低圧タービン５を駆動した燃焼ガスの流路である排気ディフューザ１０と、排気ディフューザ１０内に設けられたターンベーン１３と、ターンベーン１３を支持する支持部材１４とを有し、支持部材１４が、周方向への流体の流れの阻害を抑制する形状である。具体的には、支持部材１４は円柱形状であり、この断面の外縁は曲線である。このように構成されていることで、旋回角を持った流れ場における剥離を抑制することが可能となり、支持部材下流部で生じる損失を低減することができる。

また本実施例の２軸式ガスタービンは、排気ディフューザ１０が燃焼ガスを回転軸７の外周側に導く形状（側方排気型）であり、支持部材１４がターンベーン１３の外側方向での流体の流れの阻害を抑制する形状である。具体的には、支持部材１４が排気ディフューザ１０の流路の内周側である内周側ケーシング２１から伸び、流路の外周側である外周側ケーシング２２の面には届いていない。このように構成すると、剥離の生じやすい外周側曲がり部には支持部材が存在しないため、この箇所における流れの剥離を抑制することができる。

なお、上記作用効果のうち一部は、２軸式ガスタービン以外の回転機械にも共通して適用可能である。すなわち、流体の流れを転向するターンベーン１３とターンベーン１３を支持する支持部材１４を有し、支持部材１４が、回転軸の周方向、すなわちターンベーン１３の幅方向への流体の流れを妨害する作用を抑制する形状である排気ディフューザ１０であれば、支持部材下流部で生じる損失を低減することができる。ここで、ターンベーン１３の幅方向とは、ターンベーン１３上において回転軸７に垂直な方向を意味する。また、ガスを回転軸７の外周側に導く形状であり、支持部材１４がターンベーン１３の外側方向での流体の流れの阻害を抑制する形状である排気ディフューザ１０であれば、支持部材が存在しない外周側曲がり部での流れの剥離を抑制することができる。

さらに本実施例のガスタービンは低圧タービン５を駆動した燃焼ガスの流路である排気ディフューザ１０と、燃焼ガスを外部に排出する排気ダクト３４と、排気ディフューザ１０と排気ダクト３４とを接続する排気室３３と、排気ディフューザ１０内に設けられ燃焼ガスの流れを変更するターンベーン１３と、ターンベーン１３を支持する支持部材１４とを有している。特に、１軸式ガスタービンを用いたプラントを２軸式ガスタービンを用いたプラントへと改造したものであることに加え、軸高さを改造前後で同一とするものである。そのため必然的に、回転軸中心から排気室３３の上端までの鉛直方向距離が、回転軸中心から排気室３３の下端までの鉛直方向距離よりも大きくなっている。

このようなガスタービンにおいて、支持部材１４を回転軸の周方向への流体の流れの阻害を抑制する形状であるようにすれば、鉛直方向下部での大きなよどみ領域の発生を抑制することができる。

また、排気ディフューザ１０における流体の流れの阻害を抑制する支持部材１４の形状を周方向で異なるようにすれば、流体の損失低減と強度の確保を両立することができる。

以上をまとめると、本実施例の排気ディフューザ１０は旋回角のない定格時の性能向上だけでなく、部分負荷時の性能低下をも抑制可能であり、運用性を向上させることもできる。さらに本実施例の構造は図５に示した比較構造からの変更箇所が少なく、特許文献１や２の技術に比べて簡便な構造であるため、コストや改造の容易さという点でも優れているといえる。

ここで、ガスタービンの分解性能の観点から本実施例の利点を考える。支持部材１４が排気ディフューザ１０の流路の内周側である内周側ケーシング２１から伸び、流路の外周側である外周側ケーシング２２の面には届いていない本実施例のガスタービンでは、さらに、分解性に優れたガスタービンを提供できる。その理由を以下に説明する。

メンテナンス性を向上させるため、ガスタービンのケーシングは水平２分割構造を採用することが望ましい。一方、図５に示した比較例のガスタービンでは、強度を確保するために排気ディフューザ１０の後部では支持部材１４にて接続されており、分解は難しい。そのため比較例のガスタービンは、外周側ケーシング接続部７２や内周側ケーシング接続部７１を設けて、排気ディフューザ１０を前後に分割できるようにしている。こうして前側について前後２分割構造を採用している。ただし、これらの接続部はいずれも高温の排ガスにさらされる部位であり、劣化等により分解が困難になる可能性がある。

本実施例のガスタービンでは、支持部材を外周側ケーシング２２では固定していない。このようにすると、外周側ケーシング接続部７２や内周側ケーシング接続部７１を設けることなく水平２分割構造を採用することができるため、信頼性の高いガスタービンを提供することができる。

図８に本実施例における排気ディフューザと排気室の概略子午面断面図を示す。実施例１との相違は、支持部材１４の形状が円柱ではなく、内周側から外周側にかけて径の小さくなる形状としている点である。なお図１と重複する機器については番号を同一とし、詳細な説明は省略する。

本実施例では、支持部材１４の形状としては円錐台形状を想定している。ただし、内周側から外周側にかけて支持部材１４の径が単調に減少する形状であれば、円錐台形状以外の形状であっても問題ない。図８において、支持部材１４の径が排気ディフューザ内周側から外周側に変化しているため、内周側ケーシング２１との接続位置における径と、最も外周側のターンベーン１３との接続位置における径を変えることが可能となる。

ここで一般に、支持部材１４で最も応力の高くなる箇所は内周側ケーシング２１との接続部近傍である。このため内周側ケーシング２１との接続位置での応力が成立するように支持部材１４の径は決定されるが、最も外周側のターンベーン１３との接続位置では内周側に比べて働く応力が小さいので、内周側より径を小さくすることが可能である。最も外周側のターンベーン１３を通過する流れは、外周側ケーシング２２を通過する流れほどではないものの、比較的曲率半径の小さい流路を通過することになる。そのため、接続位置における支持部材１４の径が小さいほど流れの剥離の可能性が低下し、性能が向上すると考えられる。

さらに、一般的に流れに対して障害物がある場合、流れ方向の面積が大きいほど抵抗が大きく損失が増加する。前述のように、本実施例は実施例１に比べて外周側の支持部材の径が小さくなるため、剥離以外の損失も小さくすることが可能となる。

本実施例の２軸式ガスタービンは、支持部材１４の内周側の断面積が、外周側の断面積よりも大きい。このような構造とすることで、内周側の信頼性を確保しつつ、実施例１に比べて最も外周側のターンベーン近傍の空力性能を向上させることが可能である。

図９に本実施例における排気ディフューザと排気室の概略子午面断面図を示す。実施例１との相違は、支持部材１４が流れの方向に対して１本ではなく複数となっており、かつその径が１本の場合より小さい点である。なお図１と重複する機器については番号を同一とし、詳細な説明は省略する。

図９において支持部材１４の本数が流れの方向に対して複数となっているため、１本当たりの応力が低減し、径を小さくすることが可能である。このため実施例２の場合と同様に、最も外周側のターンベーン１３における剥離を抑制することが可能となる。なお支持部材が増加することによって新たに損失が発生するが、その損失は剥離が生じた場合の損失に比べて小さいため、図９のような構造とすることによって空力性能が向上すると考えられる。

また本実施例ではターンベーン１３を流れ方向に対して複数の支持部材で支えているため、流れ方向に１本の場合に比べてターンベーンの入口や出口の近くに支持部材を配置することができる。このためターンベーン１３全体に回転モーメントがかかるような場合の局所応力を小さくすることが可能であり、信頼性も向上すると考えられる。

ここで図９において支持部材１４の本数は２本としているが、それ以上であっても問題ない。その場合は本数増加に応じて１本当たりの径は小さくできる。また図９における支持部材１４の形状を実施例２のように内周側から外周側にかけて単調に径の増加する形状とすることももちろん可能である。この場合実施例２と同様に信頼性を確保しつつ、さらなる損失低減が可能になると考えられる。

本実施例の２軸式ガスタービンは、支持部材１４を軸方向に複数有している。このようにすることで空力性能を向上させることができるため、効率の高いガスタービンを得ることができる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ 高圧タービン
５ 低圧タービン
６，７ａ，７ｂ 軸
８ 発電機
９ 蒸気タービン
１０ 排気ディフューザ
１２ ストラット
１３ ターンベーン
１４ 支持部材
２１ 内周側ケーシング
２２ 外周側ケーシング
３１ 吸気ダクト
３２ 吸気室
３３ 排気室
３４ 排気ダクト
３５ ガスタービンベース
４１ 排ガス
５１ 動翼
７１ 内周側ケーシング接続部
７２ 外周側ケーシング接続部

Claims (12)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され前記圧縮機と同じ回転軸で支持されたタービンとを有する１軸式ガスタービンと、前記１軸式タービンの駆動力で発電する発電機とを有するガスタービンプラントの改造方法において、
   前記１軸式タービンを、
   空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動され該圧縮機と同じ第１の回転軸で支持された高圧タービンと、該高圧タービンを駆動したガスで駆動され該高圧タービンとは別の第２の回転軸で支持された低圧タービンとを有する２軸式ガスタービンに置き換えることを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
2. 請求項１のガスタービンプラントの改造方法において、
   前記１軸式タービンを、該第１の回転軸と該第２の回転軸の高さが前記１軸式タービンの回転軸の高さと同一である２軸式ガスタービンに置き換えることを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
3. 請求項１または２のガスタービンプラントの改造方法において、
   前記１軸式タービンを、軸方向長さが同一である２軸式ガスタービンに置き換えることを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
4. 請求項１から３のいずれかのガスタービンプラントの改造方法において、
   前記２軸式ガスタービンは、
   前記低圧タービンを駆動した燃焼ガスの流路である排気ディフューザと、前記排気ディフューザ内に設けられたターンベーンと、前記ターンベーンを支持する支持部材とを有し、
   前記支持部材が、周方向への流体の流れの阻害を抑制する形状であることを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
5. 請求項４のガスタービンプラントの改造方法において、
   前記排気ディフューザは側方排気型であり、
   前記支持部材が、前記ターンベーンの外側方向での流体の流れの阻害を抑制する形状であることを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
6. 請求項４または５のガスタービンプラントの改造方法において、
   前記支持部材の断面の外縁が曲線であることを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
7. 請求項４から６のいずれかのガスタービンプラントの改造方法において、
   前記支持部材が、前記排気ディフューザの流路の内周側から伸び、流路の外周側の面には届いていないことを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
8. 請求項４から７のいずれかのガスタービンプラントの改造方法において、
   前記支持部材の内周側の断面積が、外周側の断面積よりも大きいことを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
9. 請求項４から８のいずれかのガスタービンプラントの改造方法において、
   前記支持部材を軸方向に複数有することを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
10. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを有し、
    前記タービンを駆動した燃焼ガスの流路である排気ディフューザと、燃焼ガスを外部に排出する排気ダクトと、前記排気ディフューザと前記排気ダクトとを接続する排気室と、前記排気ディフューザ内に設けられ燃焼ガスの流れを変更するターンベーンと、前記ターンベーンを支持する支持部材とを有するガスタービンにおいて、
    回転軸中心から前記排気室の上端までの鉛直方向距離が、回転軸中心から前記排気室の下端までの鉛直方向距離よりも大きく、
    前記支持部材が、回転軸の周方向への流体の流れの阻害を抑制する形状であることを特徴とするガスタービン。
11. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを有し、
    前記タービンを駆動した燃焼ガスの流路である排気ディフューザと、燃焼ガスを外部に排出する排気ダクトと、前記排気ディフューザと前記排気ダクトとを接続する排気室と、前記排気ディフューザ内に設けられ燃焼ガスの流れを変更するターンベーンと、前記ターンベーンを支持する支持部材とを有するガスタービンにおいて、
    回転軸中心から前記排気室の上端までの鉛直方向距離が、回転軸中心から前記排気室の下端までの鉛直方向距離よりも大きく、
    前記支持部材が、前記排気ディフューザにおける流体の流れの阻害を抑制する形状であり、
    前記排気ディフューザにおける流体の流れの阻害を抑制する形状が、周方向で異なることを特徴とするガスタービン。
12. 流体の流れを転向するターンベーンと、前記ターンベーンを支持する支持部材を有する排気ディフューザにおいて、
    前記支持部材が、前記ターンベーンの幅方向への流体の流れを妨害する作用を抑制する形状であることを特徴とする排気ディフューザ。

Images