JP2011516780A - Turbine equipment - Google Patents
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Abstract
本発明は、ガス・タービン・エンジン37をガス/蒸気複合タービン装置を備えたタービン・エンジン33に変更する方法に関する。また、本発明は、同軸状に配置されたガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4とを含むタービン装置1、特にタービン翼7、17、9、19についての改善に関する。さらに、このようなタービン装置を備えるタービン・エンジンを調節する方法が提案される。 The present invention relates to a method for changing a gas turbine engine 37 to a turbine engine 33 equipped with a combined gas / steam turbine apparatus. The invention also relates to an improvement on a turbine device 1, in particular turbine blades 7, 17, 9, 19, comprising a gas turbine part 2 and a steam turbine part 4 arranged coaxially. Furthermore, a method for adjusting a turbine engine comprising such a turbine arrangement is proposed.
Description
本発明は、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを含むタービン装置の改善に関するものである。本発明は、さらに、このようなタービン装置を含むタービン・エンジンを調節する方法に関するものである。 The present invention relates to an improvement in a turbine apparatus that includes a gas turbine portion and a steam turbine portion arranged coaxially. The invention further relates to a method for regulating a turbine engine comprising such a turbine arrangement.
ガス・タービン・エンジンは、多くの状況において、燃料の化学的エネルギーを機械的エネルギーに変換するために使用される。この場合、ガス・タービンは、燃料の燃焼によって発生するガスの流れによって駆動される。ガス・タービンは、通常、圧縮機を駆動し、空気を圧縮し、より多くの量の酸素を燃焼室に供給する。 Gas turbine engines are used in many situations to convert the chemical energy of a fuel into mechanical energy. In this case, the gas turbine is driven by a gas flow generated by the combustion of fuel. A gas turbine typically drives a compressor, compresses air, and supplies a greater amount of oxygen to the combustion chamber.
一般に、ガス・タービン・エンジンの利点は、エンジンが低重量で高い出力を供給できるということである。従来から、効率、すなわち燃料の化学的エネルギーの利用率が低いという欠点がある。 In general, an advantage of a gas turbine engine is that the engine can deliver high power at low weight. Conventionally, there is a drawback that the efficiency, that is, the utilization rate of chemical energy of fuel is low.
同軸状のガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備える高効率のタービン装置が、スウェーデン国特許SE530142C2、米国仮特許出願第60/969997号、及びPCT出願PCT/SE2008/050258から知られている。 A highly efficient turbine arrangement comprising a coaxial gas turbine part and a steam turbine part is known from Swedish patent SE530142C2, US provisional patent application 60/969997 and PCT application PCT / SE2008 / 050258.
上述の従来技術において述べられているように、このようなタービン装置は、多くの用途において従来のタービンに取って代わることができる。既存のガス・タービン・エンジンが改良され、同軸状のガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えるタービン装置が設置される場合、利用率を最大にするために、一定の設計事項を考慮に入れなければならない。 As described in the prior art described above, such turbine equipment can replace conventional turbines in many applications. When existing gas turbine engines are modified to install turbine equipment with coaxial gas turbine and steam turbine sections, certain design considerations are taken into account to maximize utilization. There must be.
本発明の目的は、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを含むタービン装置に改良されたタービン・エンジンを最適化する方法を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a method for optimizing an improved turbine engine in a turbine arrangement that includes a coaxially arranged gas turbine portion and a steam turbine portion.
この目的は、ガス・タービン・エンジンを、ガス/蒸気複合タービン装置を備えたタービン・エンジンに変更する方法によって達成される。ここでは、ガス・タービン・エンジンは、圧縮機と、圧縮機から空気を供給される燃焼室と、圧縮タービンと、出力タービンとを含む。圧縮タービンは圧縮機を駆動し、出力タービンは出力を供給する。圧縮タービンは、複数のガス段を含むガス・タービンである。変更時には、圧縮タービンは、ガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを含むタービン装置に置き換えられる。ガス・タービン部分と蒸気タービン部分とは同軸状に配置されている。このとき、タービン装置内のガス・タービン部分の段数は、置き換えられる圧縮タービンの段数より少なくなるように選定される。さらに、蒸気タービン部分内の段数は、タービン装置内に構成されたガス・タービン部分の段数よりも多い。 This object is achieved by a method of changing a gas turbine engine to a turbine engine with a combined gas / steam turbine arrangement. Here, the gas turbine engine includes a compressor, a combustion chamber supplied with air from the compressor, a compression turbine, and a power turbine. The compression turbine drives the compressor and the output turbine provides power. A compression turbine is a gas turbine that includes a plurality of gas stages. Upon modification, the compression turbine is replaced with a turbine arrangement that includes a gas turbine portion and a steam turbine portion. The gas turbine portion and the steam turbine portion are arranged coaxially. At this time, the number of stages of the gas turbine portion in the turbine apparatus is selected to be smaller than the number of stages of the compressed turbine to be replaced. Furthermore, the number of stages in the steam turbine section is greater than the number of stages in the gas turbine section configured in the turbine apparatus.
圧縮タービン内のガス段を少なくすることによって、出力タービンのためのより大量のエネルギーが燃焼ガスの中にとどまる。さらに、圧縮タービンの蒸気部分の入口における蒸気圧力は、圧縮タービンのガス部分の入口におけるガス圧力よりも高くなり得る。こうして、蒸気タービン部分の出力分担が増加し得る。 By reducing the gas stages in the compression turbine, a greater amount of energy for the power turbine remains in the combustion gas. Further, the steam pressure at the inlet of the steam portion of the compression turbine can be higher than the gas pressure at the inlet of the gas portion of the compression turbine. Thus, the output sharing of the steam turbine portion can be increased.
本発明は、さらに、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置の利用率を増加させるという問題に関するものである。また、タービン翼の効率的な冷却も望まれる。 The invention further relates to the problem of increasing the utilization of a turbine arrangement comprising a gas turbine part and a steam turbine part arranged coaxially. Also, efficient cooling of the turbine blade is desired.
これは、ガス・タービン部分と同軸状に配置された蒸気タービン部分とを備えるタービン装置の動翼によって得られる。タービン動翼は、チャネルを動翼の中に含む。チャネルは、蒸気を、蒸気タービン部分からガス・タービン部分へと導き、蒸気タービン部分へと戻すように構成されている。この結果、単純な翼の構成、翼の効率的な冷却、及び蒸気タービン部分へのエネルギー供給も達成される。 This is obtained by the turbine blades comprising a gas turbine part and a steam turbine part arranged coaxially. The turbine blade includes a channel in the blade. The channel is configured to direct steam from the steam turbine portion to the gas turbine portion and back to the steam turbine portion. As a result, a simple blade configuration, efficient blade cooling, and energy supply to the steam turbine section are also achieved.
この目的は、また、ガス・タービン部分、及び同軸状に配置された蒸気タービン部分、及び蒸気発生器を備えるタービン装置のためのタービン静翼によって達成される。この場合、タービン静翼は、蒸気チャネルを含む。蒸気チャネルは、蒸気発生器からガス・タービン部分を通して蒸気タービン部分へ蒸気を導くように構成されている。このようにして、静翼は効率的に冷却される。 This object is also achieved by a turbine vane for a turbine arrangement comprising a gas turbine part, a coaxially arranged steam turbine part and a steam generator. In this case, the turbine vane includes a steam channel. The steam channel is configured to direct steam from the steam generator through the gas turbine section to the steam turbine section. In this way, the stationary blade is efficiently cooled.
同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置では、タービン装置のハブから空気を放出させることが望ましい。これは、ハブから蒸気タービン部分を通してガス・タービン部分へ空気を導くように構成された空気チャネルによって達成可能である。 In a turbine apparatus having a gas turbine portion and a steam turbine portion arranged coaxially, it is desirable to release air from the hub of the turbine apparatus. This can be achieved by an air channel configured to direct air from the hub through the steam turbine portion to the gas turbine portion.
同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置では、同じ翼が両方の部分を通して延在するので、タービン翼にかかる負荷が増加する。この問題は、蒸気タービン部分からガス・タービン部分を分離する仕切壁を導入することによって解決可能である。ガス・タービン動翼が仕切壁に取り付けられた場合、ガス・タービン動翼の回転に起因する遠心力が、仕切壁によって部分的に支持され打ち消される。 In a turbine arrangement with coaxially arranged gas turbine portions and steam turbine portions, the same blades extend through both portions, thus increasing the load on the turbine blades. This problem can be solved by introducing a partition that separates the gas turbine section from the steam turbine section. When the gas turbine rotor blade is attached to the partition wall, the centrifugal force resulting from the rotation of the gas turbine rotor blade is partially supported and canceled by the partition wall.
さらに、本発明によれば、異なる断面の蒸気タービン動翼及びガス・タービン動翼を使用することによって、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置の利用率を増加させることが可能である。また、蒸気タービン動翼の断面は、蒸気タービン部分の中の蒸気の流れに対して最適化可能であり、ガス・タービン動翼の断面は、ガス・タービン部分の中のガスの流れに対して最適化可能である。 Furthermore, according to the present invention, the utilization of a turbine apparatus comprising a gas turbine portion and a steam turbine portion arranged coaxially by using steam turbine blades and gas turbine blades of different cross sections. Can be increased. In addition, the cross section of the steam turbine blade can be optimized for the steam flow in the steam turbine section, and the cross section of the gas turbine blade can be optimized for the gas flow in the gas turbine section. It can be optimized.
蒸気タービン動翼が第1及び第2の動翼部分に分割され、それによって動翼の中に貫流チャネルが形成され得る。または、蒸気タービン動翼がより小さい断面のものであり、それによってガス・タービン動翼より多くの蒸気タービン動翼が配置できるようになる。 The steam turbine blade may be divided into first and second blade portions, thereby forming a flow-through channel in the blade. Alternatively, the steam turbine blades are of a smaller cross-section, thereby allowing more steam turbine blades to be placed than gas turbine blades.
翼の効率的な冷却は、圧縮機、燃焼室、圧縮タービン及び出力タービンを備えるタービン・エンジンを調節する方法によって確実となる。圧縮タービン及び/又は出力タービンは、ガス・タービン部分と同軸状に配置された蒸気タービン部分とを備えるタービン装置である。圧縮タービン及び/又は出力タービンは、流体チャネルを備えた動翼及び静翼と蒸気発生器とをさらに含む。蒸気発生器は、翼を冷却し蒸気タービン部分を駆動するために流体チャネルへ向けて蒸気を発生させる。本方法によれば、起動時に圧縮機からの圧縮空気がタービン装置の翼に導かれる。 Efficient cooling of the blades is ensured by a method of adjusting a turbine engine that includes a compressor, a combustion chamber, a compression turbine, and a power turbine. A compression turbine and / or power turbine is a turbine arrangement that includes a gas turbine portion and a steam turbine portion disposed coaxially. The compression turbine and / or power turbine further includes a moving blade and a stationary blade with a fluid channel and a steam generator. The steam generator generates steam toward the fluid channel to cool the blades and drive the steam turbine portion. According to this method, the compressed air from the compressor is guided to the blades of the turbine device at the time of start-up.
効率的な冷却も確実となり、そして過速度運転が防止され、停止時には、タービン装置の蒸気タービン部分への蒸気供給が遮断され、比較的少量の空気が圧縮機からタービン装置の蒸気タービン部分へ導かれる。 Efficient cooling is also ensured and overspeed operation is prevented, and when stopped, the steam supply to the steam turbine part of the turbine unit is shut off and a relatively small amount of air is directed from the compressor to the steam turbine part of the turbine unit. It is burned.
ここで、添付の図面を参照してさらに詳細に本発明を説明する。 The present invention will now be described in further detail with reference to the accompanying drawings.
図面及び以下の説明のいずれも、本発明の範囲を限定するものではない。図面を通して、同じ参照番号が同じ構成要素に使用される。 Neither the drawings nor the following description should limit the scope of the invention. Throughout the drawings, the same reference numerals are used for the same components.
図1は、ガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4とを含むタービン装置1を示している。ガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4とは同軸状に配置されている。この原理は、スウェーデン国特許第SE530142C2号、米国仮特許出願第60/969997号及びPCT出願第PCT/SE2008/050258号によって知られている。
FIG. 1 shows a
燃焼室からの燃焼ガスは、タービン装置1のガス・タービン部分2に入る(矢印3によって指示されている)。図1において、燃焼ガスはガス・タービン部分2を通って左から右へ通過する(矢印3及び矢印5によって指示されている)。それによって、ガスが複数のガス・タービン動翼7に作用することによってタービン軸6を駆動する。また、ガス・タービン部分2は、複数の案内翼すなわちガス・タービン静翼9を含む。動翼7及び静翼9は、長手方向のタービン軸線11に沿って断続的に配置されている。
Combustion gas from the combustion chamber enters the
流体チャネル13が、ガス・タービン動翼7及びガス・タービン静翼9の中に配置されている。前記チャネル13内の流体の流れによって、ガス・タービン部分2内の燃焼ガスから熱が吸収される。流体チャネル13は、蒸気タービン部分4の入口15に導かれている。このようにして、ガス・タービン部分2内を通る流体の温度が上昇し、高圧流体が蒸気タービン部分4の入口15に噴射される。この時点では、流体は、通常、蒸気状態である。
A
蒸気タービン部分4は、図1から分かるように、ガス・タービン部分2の半径方向内側に配置されている。蒸気が、蒸気タービン部分4を通って左から右へと通過する(蒸気入口15にある矢印、及び矢印16によって指示されている)。それによって、蒸気が複数の蒸気タービン動翼17に作用することによってタービン軸6を駆動する。このように、蒸気及び燃焼ガスは、両者とも同じタービン軸6を駆動する。蒸気タービン部分4は、複数の案内翼すなわち蒸気タービン静翼19をさらに含む。ガス・タービン部分2と同様に、蒸気タービン動翼17及び蒸気タービン静翼19は、断続的に配置されている。
The
動翼7、17はロータ21に取り付けられ、静翼9、19は静止部23に取り付けられている。
The moving
図1の概略図では、最も上流の翼は動翼7、17である。それに続いて、次に静翼9、19となっている。この状況を逆にすることもできる。すなわち、最も上流の翼を静翼とすることもできる(図3参照)。
In the schematic diagram of FIG. 1, the most upstream blades are
ここで図2及び図3を参照する。本発明の一態様は、ガス・タービン・エンジン37をガス/蒸気複合タービン装置33を備えたタービン・エンジンに変更する方法に関するものである。これによって、ガス・タービン31を含むタービン・エンジンの利用率が増加し得る。
Reference is now made to FIGS. One aspect of the invention relates to a method for changing a
タービン・エンジン37の従来のガス・タービン35は、圧縮タービン31と出力タービン41とにそれぞれ分けることができる。圧縮タービン31は、燃焼室43からの燃焼ガスによって駆動され、その結果、燃焼室43に空気を供給する圧縮機45を駆動する。出力タービン41は、圧縮タービン31の下流に配置され、燃焼ガスの残りのエネルギーを軸動力に変換する。これに関連して、圧縮タービン31は、第1タービン軸47によって圧縮機45に連結され得る。出力タービン41は、第2タービン軸49を介して発電機又は変速機ボックス(図示せず)に連結され得る。このようなタービン・エンジンは、一般に2軸(twin spool)エンジンと称される。
The
本実施例の圧縮タービン31は、最初は2段式ガス・タービンである。すなわち、圧縮タービン31は、軸方向に分離されたガス・タービン翼のセットを2セット含んでいる(図3a参照)。図3a、図3b及び図3cにおいては、ガス・タービン段はGと示され、蒸気タービン段はSと示されている。
The
タービン・エンジン37の出力を増加させる直接的な方法は、圧縮タービン31及び出力タービン41の両方を変更して、ガス・タービン部分2と同軸状の蒸気タービン部分4とを備えたタービン装置1に置き換えることである。そのような変更の結果は図3bに示されている。このとき圧縮タービン32は、2つのガス段G及び2つの蒸気段Sを含んでいる。しかしながら、圧縮タービン32の増加された出力は、圧縮機45の駆動には必要とされず、したがって最適には利用されていない。
A direct way to increase the output of the
タービン・エンジン37の出力を増加させる本発明の方法が、図3cに示されている。ここでは、1つのガス・タービン段G及び3つの蒸気タービン段Sを含んだ圧縮タービン33が使用されている。3段の蒸気タービン部分4を導入することによって、ガス段の1つが余分になる。圧縮機によって必要とされる出力を発生させためには、1つのガス段Gと3つの蒸気段Sとで十分である。したがって、圧縮タービン31、32のガス・タービン段のうちの1つが除去可能である。1つのタービン段の除去は、1つの動翼及び1つの静翼の除去を意味する。
The method of the present invention for increasing the power of the
既存のタービン・エンジン37がこのように変更された場合、すなわち図3aの構成から図3cの構成に変更された場合、圧縮タービン33の出口におけるガス温度及びガス圧力が上昇する。結果として、出力タービン41の入口におけるガス温度及びガス圧力が上昇する。それによって、出力タービン41はより多くの出力を発生させることができる。
When the existing
同軸状に配置されたガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4とを備えたタービン装置1において、ガス・タービン部分2のガス圧力が、長手方向のタービン軸線11に沿って蒸気タービン部分4の蒸気圧力と本質的に等しくなるように、装置を構成することが望ましい。ガス・タービン部分2及び蒸気タービン部分4が、入口及び出口が軸線方向に一致されて配置される場合(図1参照)、それぞれのガス及び蒸気の圧力は一致しなければならない。しかしながら、図3b及び図3cを参照して説明したように、ガス・タービン段数及び蒸気タービン段数を変えることができる。たとえば、所望する場合は、ガス・タービン段よりも多数の蒸気タービン段を使用することができる(図3c)。
In a
燃焼室43の燃焼ガス圧力、したがって、ガス・タービン部分2の入口圧力は、典型的に、約1.5MPaである。したがって、蒸気タービン部分4の入口蒸気圧力も約1.5MPaとなるようにタービン装置1は設計されるべきである。しかしながら、より多くの蒸気タービン段を追加すると(図3c)、蒸気タービン部分4の入口蒸気圧力は、たとえば5MPaまで上昇し得る。それによって、蒸気タービンの出力分担が大幅に上昇する。各タービン段は圧力の低下を伴う。したがって、追加された蒸気タービン段によって、蒸気圧力は、ガス・タービン部分2の入口が配置された軸線方向の位置において、所望の1.5MPaまで下げられる。
The combustion gas pressure in the
蒸気圧力は、流体チャネル13の構成によって影響を及ぼされる。十分な蒸気を所定の圧力で発生させるために、別個の蒸気発生器を使用することもできる。
The vapor pressure is influenced by the configuration of the
図3b及び図3cの出力タービン41は、従来のガス・タービンか、又は、ここに図示されるように、ガス・タービン部分2と同軸状の蒸気タービン部分4とを含んだタービン装置1とすることができる。出力タービン41がガス・タービン部分2と同軸状の蒸気タービン部分4とを含んだタービン装置1である場合、蒸気タービン部分4の端部に蒸気タービン段を追加することによって蒸気タービン部分4を延長することができる。このような構成によって、より多くの蒸気エネルギーが利用可能となる。
The
図3cに示されるように、ガス段が除去されると、ガス・タービン部分の半径方向内側には配置されていない蒸気タービン部分に対して、静止部の内側の壁34が外側の壁を構成するように配置され得る。静止部の内側の壁34は、静止部の壁から半径方向内向きに延在する棒(図示せず)によって保持され得る。追加の蒸気段がタービン装置の前及び/又は後に追加される場合、同様の解決策が適用される。
As shown in FIG. 3c, when the gas stage is removed, the
図4は、本発明の別の態様を示す。同軸状のガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4とを備えたタービン装置1(図1)を想定する。ここで、蒸気は、動翼7、17の中のチャネル101、103によって、蒸気タービン部分4からガス・タービン部分2へ導かれ、蒸気タービン部分4へと戻される。このようにして、翼7、17が冷却され、蒸気タービン部分4内の蒸気が過熱される。チャネル101、103を通る流れは、翼の前縁と後縁との間の圧力差によって推進される。
FIG. 4 illustrates another aspect of the present invention. Assume a turbine apparatus 1 (FIG. 1) comprising a coaxial
蒸気タービン部分4において、蒸気は、翼17の前縁、すなわち上流側の縁部において、入口開口部105を通って蒸気タービン動翼17へ入る。蒸気は、蒸気タービン部分4からガス・タービン部分2へ、外側チャネル(inboard channel)101を通って、翼7、17の長手方向において半径方向外向きに広がる。
In the
他の実施形態も考えられるが(たとえば図7参照)、図4においては、蒸気タービン動翼17及びガス・タービン動翼7のそれぞれの断面は等しい。外側チャネル101は、蒸気タービン動翼17からガス・タービン動翼7へ延在している。ガス・タービン動翼7内では、外側チャネル101は、複数の内側チャネル(inboard channel)103に分割されている。内側チャネルは、蒸気を半径方向内向きに導き、蒸気タービン動翼17へ戻す。そして、内側チャネルは、出口開口部107において終端している。出口開口部107は、蒸気タービン動翼17の後縁、すなわち下流側の縁部に位置付けられている。この実施例においては、1つの外側チャネル101及び4つの内側チャネル103が使用されているが、高い熱伝達をもたらす任意の所望の流れの幾何学的形態を使用することができる。
While other embodiments are possible (see, eg, FIG. 7), in FIG. 4, the cross sections of the
燃焼ガスからガス・タービン動翼7への熱伝達を最大にするために、したがって外側チャネル101及び内側チャネル103を流れる蒸気への熱伝達を最大にするために、前記チャネルは、本質的に、ガス・タービン動翼7の全長に沿って延在する。
In order to maximize heat transfer from the combustion gas to the
ガス・タービン部分2から熱を集め、蒸気タービン部分4へ前記熱を供給する構成105、101、103、107は、蒸気タービン部分4の入口15において蒸気が噴射されるという意味を含んでいる。この蒸気は、以下に説明する別個の蒸気発生器において発生され得る。
The
また、105、101、103、107の構成は、上述の流体チャネル13と組み合わせて使用され得る。この場合、各タービン動翼7、17は、外側チャネル101、内側チャネル103、及び流体チャネル13を含む。代替として、タービン動翼7、17は、図4に示すように外側チャネル101及び内側チャネル103を備え、一方、タービン静翼9、19のみが、図1に示すような流体チャネル13を備えることもできる。
Also, the configurations of 105, 101, 103, and 107 can be used in combination with the
図5は、本発明のさらに別の態様に関するものである。この態様は、たとえば静翼9、19の冷却の問題に対処する。同軸状に配置されたガス・タービン部分2及び蒸気タービン部分4を備えたタービン装置(図1参照)において、ガス・タービン部分2内の静翼9は、図5に従って、翼9の内部を流れる蒸気によって冷却され得る。蒸気は、ガス・タービン部分2を通って蒸気タービン部分4へ流れる。この目的のために、蒸気チャネル201が、タービン静翼9、19の中に配置され得る。蒸気は、以下に述べる別個の蒸気発生器において発生させることが可能である。代替として、蒸気は、タービン翼の流体チャネル13の中で発生させることが可能である。
FIG. 5 relates to yet another aspect of the present invention. This embodiment addresses, for example, the problem of cooling the
図5から分かるように、タービン静翼9、19は蒸気チャネル201を含む。前記チャネル201は静翼9、19を通って延在する。そして、前記チャネル201は、蒸気を、静止部の壁の外側からガス・タービン部分2を通って蒸気タービン部分4へ導くように構成されている。このようにして、蒸気が加熱され、翼9、19が冷却される。蒸気タービン部分4において、蒸気は、蒸気タービン静翼19の後縁の開口部(図示せず)を通って翼19から出ることができる。代替として、蒸気は、管(図示せず)によって上流に導かれ、静翼9、19よりも前に蒸気タービン部分4へ放出され得る。矢印207は、静翼19を通る蒸気の流れを例示的な方法で示している。
As can be seen from FIG. 5, the
蒸気チャネル201は、タービン装置1の最も上流のタービン翼の中に配置され得る。タービン軸線11に沿って次に続く静翼は、類似の蒸気チャネル201を備えるか、又は図1に示すような流体チャネル13を備え得る。翼の中の蒸気の流れの幾何学的形態は、高い熱伝達をもたらすように最適化される。
The
図5では、タービン・ハブが参照番号205によって示されている。圧縮された空気は、たとえば軸47のシール(図示せず)及び後部軸受(図示せず)を通って圧縮機45からタービン装置1のハブ205へ漏れることがある。この空気は、静翼9、19の中の空気チャネル203を用いて排出され得る。代替として、このような空気チャネル203は、図示されないが、動翼7、17の中に配置され得る。
In FIG. 5, the turbine hub is indicated by
空気チャネル203の目的は、空気をハブ205から蒸気タービン部分4を通ってガス・タービン部分2へ導くことである。これによって、タービン翼7、17、9、19の後縁が冷却される。タービン翼の後部又は後縁に配置される複数の出口開口部209又は溝穴209において、空気チャネルが終端するようにすると有利である。このような溝穴209は、本質的に、タービン翼の縁部全体に沿って配置可能である。これによって、有効な冷却が縁部全体に沿って得られる。
The purpose of the
図6は、本発明の別の態様を概略的に示す。この態様は、動翼7、17を高い機械的負荷にさらすことを回避しながら、同軸状に配置されたガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4とを備えたタービン装置を構成するという問題に対処する。同軸状に配置されたタービン部分2、4は、動翼7、17が、従来のガス・タービン動翼よりも長くなるということを意味する。それによって、翼7、17の半径方向内側の部分に作用する遠心力が増す。この負荷の増加は、動翼7、17の上述の冷却によってある部分まで埋め合わせされる。温度が低くなればなるほど、強度が高くなる。図6において、動翼7、17にかかる機械的負荷を低減するための追加の対策が示されている。
FIG. 6 schematically illustrates another aspect of the present invention. This aspect has the problem of constructing a turbine apparatus having a
仕切壁301が、ガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4との間に配置されている。仕切壁すなわち外側シールリング301は、ガス・タービン部分2を蒸気タービン部分4から分離する働きをし、(図4及び図5に示されている通り)翼に取り付けられた複数の板によって形成され得る。しかしながら、仕切壁301を完全なリングとして作製し、前記仕切壁301にガス・タービン動翼7を取り付けることによって、ロータの周囲のそれぞれのガス・タービン動翼7によって引き起こされる遠心力の一部を、仕切壁301に受け止めさせることもできる。
A
図6はさらに、静止部の壁303、内側シールリング305、及びタービン翼根部307を示す。ガス・タービン部分4は、仕切壁301及び内側シールリング305によって区切られる。対応する仕切壁及び内側シールリングが、静翼9、19によって支持される。
FIG. 6 further shows
図7は、本発明のさらなる態様に関するものである。ここでは、ガス・タービン翼7、9及び蒸気タービン翼17、19が、タービン装置1のガスの流れ及び蒸気の流れに対してそれぞれ最適化されている。同軸状のガス・タービン部分2と蒸気タービン部分4とを備えたタービン装置1(図1)が想定されている。
FIG. 7 relates to a further aspect of the invention. Here, the
たとえば図6に示されている通り、蒸気タービン部分4の容積はガス・タービン部分2の容積よりかなり小さい。これは、仕切壁301の半径方向の位置によって示される。実際、蒸気部分4を通る蒸気の流れは、ガス部分2を通るガスの流れのおよそ10%にしかならない。したがって、蒸気タービン翼17、19の半径方向の長さは、ガス・タービン翼7、9の半径方向の長さよりも短い。
For example, as shown in FIG. 6, the volume of the
蒸気タービン動翼17がガス・タービン動翼7の遠心力負荷を支持できる場合(すなわち、負荷を支持する仕切壁301が使用されない場合)、蒸気タービン翼17の断面は、ガス・タービン翼7の断面と本質的に同じでなければならない。
When the
蒸気タービン動翼17及びガス・タービン動翼7に同じ断面が使用されるとすると、蒸気タービン動翼17は、翼長に対する翼弦401の比が比較的大きくなる。翼長とは、動翼17の半径方向の長さを意味する。翼長に対する翼弦401の比が大きいということは、流動抵抗が高いということを意味するので好ましくない。
If the same cross section is used for the
したがって、蒸気タービン動翼17及びガス・タービン動翼7に異なる構成を使用することが望ましい。その結果、それぞれの翼17、7が、蒸気タービン部分4及びガス・タービン部分2の流れに対して最適化される。特に、翼長に対する翼弦401の比が大きいということは、回避されるべきである。
It is therefore desirable to use different configurations for the
図7の左側部分には、蒸気タービン動翼の断面に対する第1の設計提案が示されている。ガス・タービン動翼7の断面も示されている。各蒸気タービン動翼は、第1翼部分17aと第2翼部分17bとに分割されている。これにより、貫流チャネル403が動翼に形成されている。貫流チャネル403は、蒸気タービン動翼17a、17bの流動抵抗を低減する。さらに、翼長に対する翼弦の比が小さくなる。
In the left part of FIG. 7, the first design proposal for the cross section of the steam turbine blade is shown. A cross section of the
図7の右側には、さらに蒸気タービン動翼の断面に対する第2の可能な設計が示されている。比較のために、ガス・タービン動翼7の断面が再び示されている。ここでは、複数のより小さい蒸気タービン翼17c、17d、17eが、より大きい1つのタービン翼の代わりに使用されている。したがって、蒸気タービン動翼の半径方向の長さは不変であるが、翼弦が低減される。これは翼長に対する翼弦の比が小さくなることを意味する。
The right hand side of FIG. 7 further shows a second possible design for the cross section of the steam turbine blade. For comparison, the cross section of the
本発明によると、対応するガス・タービン翼について2つから5つのより小さい蒸気タービン翼を使用することによって、翼長に対する翼弦の比が適切となる。とりわけ、3つのより小さい蒸気タービン翼17c、17d、17eが、翼長に対する翼弦の比を適切にする。
According to the present invention, by using 2 to 5 smaller steam turbine blades for the corresponding gas turbine blade, the ratio of chord to blade length is adequate. In particular, the three smaller
蒸気タービン動翼の最適化は、図6を参照して説明された仕切壁301の使用と併せて実現され得る。この方法においては、蒸気タービン翼17a、17b、17c、17d、17eは、ガス・タービン翼7によって引き起こされる全ての遠心力負荷を支持する必要はない。しかしながら、前記最適化は、仕切壁301なしでも行うことができる。その場合には、蒸気タービン翼17a、17b、17c、17d、17eは、ガス・タービン翼7によって引き起こされる遠心力を支持することができるように設計されなければならない。
Optimization of the steam turbine blade may be realized in conjunction with the use of the
図8のブロック図は、ガス部分2及び蒸気部分4を備えたタービン装置1を含む、発電プラントのタービン・エンジンを制御する方法を示す。このブロック図は図2の概略図と一致しているが、図8は、さらに蒸気発生器51、復水器53、発電機55及び弁V1〜V5を開示している。圧縮タービン31及び出力タービン41は、図1に示される種類のタービン装置である。
The block diagram of FIG. 8 shows a method for controlling a turbine engine of a power plant including a
蒸気発生器51は、出力タービン41のガス・タービン部分2の出口に接続されている。さらに、蒸気発生器51は、弁V1を介して、圧縮タービン31の蒸気部分の入口に接続されている。また、蒸気発生器51は、弁V2を介して出力タービン41の蒸気部分の入口に接続されている。これによって、蒸気発生器51は、蒸気を発生させるために燃焼ガスからの熱を利用している。この蒸気は、圧縮タービン31及び出力タービン41に供給される。図8の蒸気発生器51の上部の矢印は、燃焼ガスの出口を示す。また、蒸気発生器51は、別個のバーナー又は電気的手段によって動力を供給され得る。
The
弁V1、V2は、最大量の蒸気が、圧縮タービン31及び出力タービン41の蒸気タービン部分4に確実に供給されるようにする調節弁である。それぞれのタービン31、41の蒸気部分4からガス部分2へ蒸気が本質的に漏れることはない。弁V1、V1は、圧縮タービン31及び出力タービン41の前の燃焼ガス圧力によってそれぞれ調節される。ブロー弁V4が、蒸気発生器51の蒸気出口に配置されている。
The valves V <b> 1 and V <b> 2 are control valves that ensure that a maximum amount of steam is supplied to the
復水器53が、蒸気発生器51に接続され、水などの凝縮された流体を蒸気発生器51に供給することができる。前記蒸気は、出力タービン41の蒸気タービン部分4との接続部を通って復水器53に導かれる。図8から分かるように、出力タービン41と復水器53との間の前記接続部は、ブロー弁V5を備える。凝縮時に発生する熱は、加熱目的に使用可能である。
A condenser 53 is connected to the
図8の復水器の左側への矢印は、たとえば地域暖房システムへの接続部を示す。 The arrow to the left of the condenser in FIG. 8 indicates, for example, a connection to the district heating system.
発電機55が、第2タービン軸49を介して出力タービン41に接続される。
A
圧縮機45の出口は、圧縮タービン31の蒸気入口に接続される。図8から分かるように、弁V3が、圧縮機45から圧縮タービン31に向かう空気の流れを調節するように配置されている。また、圧縮機45は、出力タービン41の蒸気入口に接続され得る。
The outlet of the
本発明のタービン・エンジンの調節は、ガス・タービンと蒸気タービンとの組み合わせた従来のエンジンの調節と原理的に一致している。しかしながら、(圧縮タービン31及び出力タービン41のそれぞれの中の)ガス・タービン部分2及び蒸気タービン部分4は、同じハウジングの中に配置されており、同じロータを共有しているので、ガス・タービン部分2によって蒸気が発生されていない場合においても、蒸気タービン部分4は作動することになる。これは、起動時又は緊急停止時などの過渡的な状態の場合である。このような状態の間、蒸気が不足するということは、圧縮タービン31及び出力タービン41の冷却が不十分になることを意味する。
The adjustment of the turbine engine of the present invention is in principle consistent with the adjustment of a conventional engine that combines a gas turbine and a steam turbine. However, because the
起動時に十分な冷却を得るために、蒸気発生器51と圧縮タービン31と出力タービン41との間の弁V1、V2が閉じられる。圧縮機45からの空気が、圧縮タービン31及び出力タービン41を通して導かれ、これらを冷却するように、残りの弁V3、V4、V5は開いている。空気は、タービン31、41のタービン翼の中に配置された流体チャネル13(図1参照)を通って導かれる。スターター・モータが、タービン31、41を無負荷運転にもっていくのを助けるように使用され、それには概ね約2〜3分かかる。続いて、蒸気が、蒸気発生器51によって発生させられ、そして圧縮タービン31及び出力タービン41の中の流体チャネル13を用いて発生させられる。ここで、蒸気発生器51と圧縮タービン31と出力タービン41との間の弁V1、V2が開かれ、残りの弁V3、V4、V5は閉じられ得る。
In order to obtain sufficient cooling at startup, the valves V1, V2 between the
たとえば軸49にかかる負荷が突然失われることによって起こる緊急停止時には、タービン31、41の過速度運転が防止されなければならない。これに関して、燃料の供給が直ちに遮断される。圧縮タービン31及び出力タービン41の蒸気タービン部分4への蒸気の供給は、蒸気発生器51とタービン31、41との間の弁V1、V2を閉じることによって遮断される。蒸気発生器51の蒸気出口のブロー弁V4が、蒸気発生器51から排気するために開けられる。残りの弁V3及びV5は、冷却のために、タービン31、41の蒸気タービン部分4を介して圧縮機から空気を導くために徐々に開かれる。空気が、タービン31、41のタービン翼の中に配置された流体チャネル13(図1参照)を介して導かれる。このように徐々に開くことによって、空気の流れは冷却には十分である。しかし、空気の流れは、タービン31、41に望まれない駆動力を与えるほど強くはない。
For example, during an emergency stop caused by sudden loss of load on the
Claims (14)
圧縮機(45)と、
前記圧縮機(45)から空気を供給される燃焼室(43)と、
圧縮タービン(31)と、
出力タービン(41)とを含み、
前記圧縮タービン(31)が前記圧縮機(45)を駆動し、前記出力タービン(41)が出力を供給し、前記圧縮タービン(31)が複数のガス段(G)を含むガス・タービンである、前記方法において、
前記圧縮タービン(31)を、ガス・タービン部分(2)と蒸気タービン部分(4)とを含むタービン装置(33)に置き換えるステップであって、前記タービン装置(33)内には、前記ガス・タービン部分(2)と前記蒸気タービン部分(4)とが同軸状に配置されている、ステップを含み、
前記タービン装置(33)内の前記ガス・タービン部分(2)の段(G)数を、置き換えられる前記圧縮タービン(31)の段(G)数よりも少なくなるように選定し、
前記蒸気タービン部分(4)内の段(S)数を、前記タービン装置(33)内に構成されたガス・タービン部分(2)の段(G)数よりも多くすることを特徴とする方法。 A method of changing a gas turbine engine (37) to a turbine engine (33) equipped with a combined gas / steam turbine device, the gas turbine engine (37) comprising:
A compressor (45);
A combustion chamber (43) fed with air from the compressor (45);
A compression turbine (31);
An output turbine (41),
The compression turbine (31) drives the compressor (45), the output turbine (41) supplies output, and the compression turbine (31) is a gas turbine including a plurality of gas stages (G). In the method,
Replacing the compression turbine (31) with a turbine arrangement (33) comprising a gas turbine section (2) and a steam turbine section (4), wherein the gas The turbine part (2) and the steam turbine part (4) are arranged coaxially, comprising the steps of:
Selecting the number of stages (G) of the gas turbine part (2) in the turbine device (33) to be less than the number of stages (G) of the compressed turbine (31) to be replaced;
A method characterized in that the number of stages (S) in the steam turbine part (4) is greater than the number of stages (G) of the gas turbine part (2) configured in the turbine device (33). .
ガス・タービン部分(2)と、
同軸状に配置された蒸気タービン部分(4)とを含む、タービン動翼において、
前記タービン動翼(7、17)が、前記動翼(7、17)の中にチャネル(101、103)を含み、前記チャネル(101、103)は、蒸気を、前記蒸気タービン部分(4)から前記ガス・タービン部分(2)へ導き、前記蒸気タービン部分(4)へと戻すように構成されている、ことを特徴とするタービン動翼。 Turbine blades (7, 17) for a turbine device (1), the device (1) comprising:
A gas turbine section (2);
A turbine blade comprising a coaxially arranged steam turbine portion (4),
The turbine blade (7, 17) includes a channel (101, 103) in the blade (7, 17), the channel (101, 103) delivering steam to the steam turbine portion (4). Turbine blades characterized in that they are adapted to be led from the gas to the gas turbine part (2) and back to the steam turbine part (4).
外側のガス・タービン部分(2)と、
同軸状に配置された内側の蒸気タービン部分(4)と、
蒸気発生器とを含む、タービン静翼において、
前記タービン静翼(9、19)が、蒸気チャネル(201)を含み、前記蒸気チャネル(201)は、前記蒸気発生器から前記ガス・タービン部分(2)を通して前記蒸気タービン部分(4)へ蒸気を導くように構成されていることを特徴とするタービン静翼。 Turbine vanes (9, 19) for a turbine device (1), wherein the device (1)
An outer gas turbine section (2);
An inner steam turbine section (4) arranged coaxially;
In a turbine vane, including a steam generator,
The turbine vane (9, 19) includes a steam channel (201), which steam channel (201) steams from the steam generator through the gas turbine part (2) to the steam turbine part (4). A turbine stationary blade configured to guide
前記装置(1)が、
外側のガス・タービン部分(2)と
同軸状に配置された内側の蒸気タービン部分(4)とを含み、
前記蒸気タービン部分(4)が前記タービン装置(1)のハブ(205)を囲んでいる、タービン翼において、
前記タービン翼(7、17、9、19)は、空気チャネル(203)をさらに含み、前記空気チャネル(203)は、前記ハブ(205)から前記蒸気タービン部分(4)を通して前記ガス・タービン部分(2)へ空気を導くように構成されていることを特徴とするタービン翼。 Turbine blades (7, 17, 9, 19) for a turbine device (1),
The device (1) is
An outer gas turbine part (2) and an inner steam turbine part (4) arranged coaxially,
In a turbine blade, wherein the steam turbine portion (4) surrounds a hub (205) of the turbine device (1),
The turbine blades (7, 17, 9, 19) further include an air channel (203), the air channel (203) passing from the hub (205) through the steam turbine portion (4) to the gas turbine portion. A turbine blade configured to guide air to (2).
ガス・タービン部分(2)と、
同軸状に配置された蒸気タービン部分(4)と、
前記装置(1)のタービン・ハブから前記蒸気タービン部分(4)を介して及び前記ガス・タービン部分(2)を介して延在する、蒸気タービン動翼(17)及びガス・タービン動翼(7)とを含むタービン装置において、
前記ガス・タービン部分(2)を前記蒸気タービン部分(4)から分離する仕切壁(301)を含み、
前記ガス・タービン動翼(7)が前記仕切壁(301)に取り付けられており、その結果、前記ハブの回転、従って前記ガス・タービン動翼(7)の回転に起因する遠心力が、前記仕切壁(301)によって部分的に支持され打ち消されるようになっている、ことを特徴とするタービン装置。 A turbine device (1) comprising:
A gas turbine section (2);
A coaxially arranged steam turbine section (4);
Steam turbine blades (17) and gas turbine blades extending from the turbine hub of the device (1) through the steam turbine portion (4) and through the gas turbine portion (2) 7) including:
A partition wall (301) separating said gas turbine part (2) from said steam turbine part (4);
The gas turbine rotor blade (7) is attached to the partition wall (301) so that the rotation of the hub, and hence the centrifugal force due to the rotation of the gas turbine rotor blade (7), is Turbine device characterized in that it is partially supported and counteracted by a partition wall (301).
ガス・タービン部分(2)と、
同軸状に配置された蒸気タービン部分(4)と、
前記装置(1)のタービン・ハブから前記蒸気タービン部分(4)を介して及び前記ガス・タービン部分(2)を介して延在する、蒸気タービン動翼(17)及びガス・タービン動翼(7)とを含むタービン装置において、
前記蒸気タービン動翼(17)及び前記ガス・タービン動翼(7)が異なる断面を有しており、それによって、前記蒸気タービン動翼(17)の断面が、前記蒸気タービン部分(4)の中の蒸気の流れに対して最適化され、前記ガス・タービン動翼(7)の断面が、前記ガス・タービン部分(2)の中のガスの流れに対して最適化されていることを特徴とするタービン装置。 A turbine device (1) comprising:
A gas turbine section (2);
A coaxially arranged steam turbine section (4);
Steam turbine blades (17) and gas turbine blades extending from the turbine hub of the device (1) through the steam turbine portion (4) and through the gas turbine portion (2) 7) including:
The steam turbine blade (17) and the gas turbine blade (7) have different cross sections so that the cross section of the steam turbine blade (17) is the same as that of the steam turbine portion (4). Optimized for the flow of steam inside, the cross section of the gas turbine blade (7) being optimized for the flow of gas in the gas turbine part (2) Turbine equipment.
圧縮機(45)、燃焼室(43)、圧縮タービン(31)及び出力タービン(41)、並びに蒸気発生器(51)を含み、
前記圧縮タービン(31)及び/又は前記出力タービン(41)が、ガス・タービン部分(2)と、同軸状に配置された蒸気タービン部分(4)と、流体チャネル(13)を有する動翼(7、17)及び静翼(9、19)とを含んでおり、
前記蒸気発生器(51)が、前記翼(7、17、9、19)を冷却し、前記蒸気タービン部分(4)を駆動するために、前記流体チャネル(13)へ向けて蒸気を発生させる、タービン・エンジンを調節する方法において、
過熱を防ぐために、起動時に、すなわち前記蒸気発生器(51)が前記翼(7、17、9、19)を冷却するのに十分な蒸気を供給する前に、前記圧縮機(45)からの圧縮空気を前記タービン装置(1)の前記翼(7、17、9、19)に導くことを特徴とする方法。 A method of adjusting a turbine engine, the turbine engine comprising:
A compressor (45), a combustion chamber (43), a compression turbine (31) and a power turbine (41), and a steam generator (51);
The compression turbine (31) and / or the output turbine (41) comprises a gas turbine part (2), a coaxially arranged steam turbine part (4), and a rotor blade having a fluid channel (13) ( 7, 17) and stationary vanes (9, 19),
The steam generator (51) generates steam toward the fluid channel (13) to cool the blades (7, 17, 9, 19) and drive the steam turbine portion (4). In a method for adjusting a turbine engine,
To prevent overheating, from the compressor (45) at start-up, i.e. before the steam generator (51) supplies enough steam to cool the blades (7, 17, 9, 19). A method, characterized in that compressed air is led to the blades (7, 17, 9, 19) of the turbine device (1).
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