JP2012031727A - Gas turbine and method for cooling gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン及びガスタービンの冷却方法に関する。 The present invention relates to a gas turbine and a gas turbine cooling method.
ガスタービンは、ケーシング(静止体)の内部にロータ(回転体)を内包した構成となっている。ロータ外周部には、タービン動翼が設けられており、タービン動翼の先端(最外周側)とケーシングの間には、間隙が存在している。高温高圧の主流ガスがこの部分を通過すると、漏れ損失が生じ性能が低下するため、タービンの性能向上のためには、タービン動翼とシュラウド間の間隙は小さい方が良い。 The gas turbine has a configuration in which a rotor (rotary body) is included in a casing (stationary body). A turbine rotor blade is provided on the outer periphery of the rotor, and a gap exists between the tip (outermost periphery side) of the turbine rotor blade and the casing. When the high-temperature and high-pressure mainstream gas passes through this portion, leakage loss occurs and the performance deteriorates. Therefore, in order to improve the performance of the turbine, the gap between the turbine rotor blade and the shroud is preferably small.
一方で、動翼先端とケーシングの間隙が小さすぎると動翼先端とシュラウドが接触し破壊の原因になる。この間隙はロータ,ケーシング等の熱膨張,遠心伸びなどにより、ガスタービン運転中に変化するため、全運転状況下において接触による破損が生じないようにケーシングの組み立て時(起動時)間隙を決定している。 On the other hand, if the gap between the blade tip and the casing is too small, the blade tip and the shroud come into contact with each other, causing destruction. This gap changes during the operation of the gas turbine due to the thermal expansion and centrifugal elongation of the rotor and casing, etc. Therefore, the gap should be determined when assembling (starting) the casing so that contact damage does not occur under all operating conditions. ing.
一般に、産業用ガスタービンではこの最小間隙が起動途中に現れる。これは、熱容量の違いなどの要因により、ロータよりもケーシングの方が温まりにくいことによる。定常運転時以外において間隙が最小となると、この定常運転時以外の時に接触が生じないような間隙に設計せねばならず、定格運転時の間隙は起動途中よりも大きくなり、好ましくない過大な間隙にて運転することとなる。 Generally, in industrial gas turbines, this minimum gap appears during startup. This is because the casing is less likely to warm than the rotor due to factors such as a difference in heat capacity. If the gap is minimized during non-steady operation, the gap must be designed so that contact does not occur during non-steady operation, and the gap during rated operation is larger than during startup, which is an undesirable excessive gap. It will drive at.
この好ましくない過大な間隙を避けるために、いくつかのガスタービンは圧縮機抽気空気・別置きブロワの空気などを用いてケーシングを冷却することでケーシングの熱膨張を抑制し間隙を制御している。 In order to avoid this undesirably excessive gap, some gas turbines control the gap by suppressing the thermal expansion of the casing by cooling the casing by using compressor bleed air, air of a separate blower, etc. .
例えば、ブロワによる供給空気でケーシングを冷却する技術が特許文献1に、圧縮機抽気空気でケーシングを冷却する技術が特許文献2に開示されている。
For example,
ガスタービンの高温部分は、一般に圧縮機からの抽気空気によって冷却されている。ここで、ブロワなどの別置の機器を使用すると、ガスタービンシステムの機器点数が増加し、システムの信頼性が低下する。また、機器点数の増加により、ガスタービンシステムのコストが増加する。よって、別置機器の使用は極力避けることが望ましい。 The hot part of the gas turbine is typically cooled by bleed air from the compressor. Here, when a separate device such as a blower is used, the number of devices of the gas turbine system increases and the reliability of the system decreases. In addition, the cost of the gas turbine system increases due to the increase in the number of devices. Therefore, it is desirable to avoid using separate devices as much as possible.
一方で、圧縮機抽気空気をケーシング冷却に用いた場合、一般に抽気空気温度はブロワによる供給空気温度よりも高いため、ブロワによる供給空気を使用した場合と同じ冷却性能を、抽気空気を使用して得ようとすると、より高い熱伝達率、すなわち冷却空気流量が必要となるから、冷却空気の消費量はブロワ以上となる。冷却空気の供給には動力が必要であるから、ブロワを使用した場合に比べ冷却空気供給動力の増加分、ガスタービンシステムの効率は低下してしまう。 On the other hand, when compressor bleed air is used for cooling the casing, the bleed air temperature is generally higher than the supply air temperature by the blower, so the same cooling performance as when using the blower supply air is used. In order to obtain it, a higher heat transfer rate, that is, a cooling air flow rate is required, so that the consumption of cooling air is equal to or higher than the blower. Since power is required to supply the cooling air, the efficiency of the gas turbine system is reduced by an increase in the cooling air supply power compared to the case where a blower is used.
本発明は上記を鑑みてなされたもので、高い信頼性を有し、かつケーシング冷却のための圧縮機抽気使用量を抑制したガスタービンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a gas turbine that has high reliability and suppresses the amount of compressor extraction used for cooling the casing.
ケーシングを冷却するケーシング冷却構造と、冷却媒体として圧縮機の抽気空気を前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンにおいて、前記冷却媒体供給系統に、前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させる流量増幅手段を設けたことを特徴とする。 In a gas turbine comprising a casing cooling structure for cooling a casing and a cooling medium supply system for supplying extracted air of a compressor as a cooling medium to the casing cooling structure, an additional refrigerant is supplied to the cooling medium supply system by the extracted air. A flow rate amplifying means for increasing the flow rate of the cooling medium that is sucked and supplied to the casing cooling structure is provided.
本発明によると、高い信頼性を有し、かつ少ない圧縮機抽気量でケーシング冷却可能な、高効率なガスタービンを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly efficient gas turbine having high reliability and capable of cooling a casing with a small amount of compressor bleed.
特許文献1に記載の発明は、ケーシング外面にインピンジマニホールドを設け、ケーシングをインピンジ冷却している。この冷却空気は別置のブロワより導かれている。一般にシステムの信頼性は機器点数の増加とともに低下する。例えば電気駆動されるブロワなどの送風機を増設した場合、ブロワ駆動用電源の故障や、ブロワ本体の故障など、ガスタービン本体とは無関係な要因による故障リスクが増加する。高い信頼性が要求されるシステムでは、極力、別置機器の増加を避けることが望ましい。
In the invention described in
特許文献2に記載の発明では、ケーシング冷却用の空気は圧縮機より抽気した空気によってケーシングを冷却している。
In the invention described in
圧縮機から抽気された空気は、ガスタービン高温部品の冷却媒体として、ガスタービン外側に設けられた抽気配管を通じてタービン側へと導かれる。抽気配管量の増加はコストの増加につながるため、例えば圧縮機中間段と後段のように抽気段は数段に限定されており、この抽気段数は一般に冷却対象であるタービン段数よりも少ない。抽気段が制限されているため、通常は、適切な空気量の流通に必要となる圧力よりも高圧な空気を抽気している。特にケーシング冷却では、ケーシング冷却後の空気を大気や、排気などの低圧部へ放出するものもあり、このような場合、抽気空気の圧力は、適切な空気量の流通に必要な圧力よりも高いものとなる。空気は圧縮により圧力が増加すると温度が上昇するため、抽気空気の温度は送風圧力の低いブロワなどによる供給空気温度よりも高くなる。よって、ブロワによる供給空気と同じ冷却性能を得ようとした場合、ブロワを使用した場合に比べて冷却空気量を増加させ、熱伝達率を高くしなければならない。 The air extracted from the compressor is guided to the turbine side through an extraction pipe provided outside the gas turbine as a cooling medium for the gas turbine high-temperature components. Since an increase in the amount of extracted piping leads to an increase in cost, for example, the number of extraction stages is limited to a few stages such as an intermediate stage and a subsequent stage of the compressor, and the number of extraction stages is generally smaller than the number of turbine stages to be cooled. Since the extraction stage is limited, normally, air having a pressure higher than that required for circulation of an appropriate amount of air is extracted. Especially in the case of casing cooling, there are those that release the air after casing cooling to the low pressure part such as the atmosphere or exhaust, and in such a case, the pressure of the extraction air is higher than the pressure necessary for the circulation of an appropriate amount of air. It will be a thing. Since the temperature of the air rises when the pressure increases due to compression, the temperature of the extracted air becomes higher than the temperature of the air supplied by a blower having a low blowing pressure. Therefore, when it is going to obtain the same cooling performance as the supply air by a blower, compared with the case where a blower is used, the amount of cooling air must be increased and a heat transfer rate must be made high.
さらに冷却空気の供給には動力が必要であるから、冷却空気の使用によりの圧縮機抽気量が増すと、間隙制御による性能向上の一部が、この動力の増加によって相殺されてしまう。このため、極力少ない圧縮機抽気量にてケーシング冷却できることが望ましい。 Furthermore, since power is required to supply cooling air, when the amount of compressor bleed air increases due to the use of cooling air, part of the performance improvement due to gap control is offset by this increase in power. For this reason, it is desirable that the casing can be cooled with a compressor bleed amount as small as possible.
以下、実施例を用いて説明する本発明によれば、高い信頼性を有し、かつ少ない圧縮機抽気量でケーシング冷却可能な、高効率ガスタービンを提供することができる。 Hereinafter, according to the present invention described with reference to embodiments, it is possible to provide a high-efficiency gas turbine having high reliability and capable of cooling the casing with a small amount of compressor bleed.
まず、本発明の適用対象であるガスタービンの構成を、図2を用いて説明する。
図2に本実施例の比較例となるガスタービンのシステムフロー図を示す。
First, the configuration of a gas turbine to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
FIG. 2 shows a system flow diagram of a gas turbine as a comparative example of the present embodiment.
ガスタービン101は、主に、圧縮機102,燃焼器103,タービン104から構成される。圧縮機102は、大気空気111を圧縮して圧縮空気106を生成し、生成された圧縮空気106を燃焼器103へ送る。燃焼器103は、圧縮機102により生成された圧縮空気106と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガス107を生成し、タービン104へ排出する。
The
タービン104は、燃焼器103から排出されて圧縮空気のエネルギを高められた燃焼ガス107により、タービン軸105に回転力を生じさせる。タービン軸105の回転力によって、ガスタービン101に接続される機器109を駆動させる。燃焼ガスはエネルギをタービン104で回収された後に、タービン104より排気ディフューザ113を経て、排気112として排出される。
The
また、圧縮機102で圧縮された空気の一部はタービン冷却空気110として抽気され、燃焼器103を経ずにタービン104や排気ディフューザ113へ供給される。
A part of the air compressed by the
また、ブロワなどの送風機や圧縮機抽気段などの冷却空気供給源119からケーシング114部へとケーシング冷却空気供給配管120を通じてケーシング冷却空気115が流れており、ケーシング114を冷却している。ケーシング冷却空気115の流量は冷却空気供給源119が備える動力調整機構など送風量調整構造、もしくは、ケーシング冷却空気供給配管120に備えられた弁123によって調整される。
In addition, the
図3に、本発明を適用する一般的なガスタービン部分断面図を示す。 FIG. 3 is a partial sectional view of a general gas turbine to which the present invention is applied.
1は第1段静翼、2は第1段動翼、3は第2段静翼、4は第2段動翼、5は第3段静翼、6は第3段動翼であり、矢印8はタービン内の燃焼ガス107の流れ方向を示す。
1 is a first stage stationary blade, 2 is a first stage stationary blade, 3 is a second stage stationary blade, 4 is a second stage stationary blade, 5 is a third stage stationary blade, 6 is a third stage stationary blade, and an
第1段動翼2は、第1段ホイール9の外周に接続されており、第2段動翼4が接続された第2段ホイール10,第3段動翼6が接続された第3段ホイール11,圧縮機102に接続された圧縮機ロータ12、及びスペーサ13とともにスタッキングボルトによりスタッキングされ、タービン軸105を構成している。タービン軸105は、燃焼器103から排出される燃焼ガス107のエネルギを第1段動翼2,第2段動翼4、及び第3段動翼6で回収し、圧縮機102及びタービン軸端部に接続された発電機などの機器109を駆動する。
The
タービン軸105は、ケーシング114に内包されている。タービンケーシング114には、第1段静翼1,第2段静翼3,第3段静翼5,第1段シュラウド14,第2段シュラウド15,第3段シュラウド16がケーシング内周側に接続されており、さらに、第2段静翼3,第3段静翼5の内周側にはダイヤフラム24が接続されている。
The
第1段動翼2と第1段シュラウド14,第2段動翼4と第2段シュラウド15,第3段動翼6と第3段シュラウド16,スペーサ13とダイヤフラム24の間には間隙が設けられており、この間隙が、静止体と回転体の界面となっている。
There are gaps between the
この間隙は、ガスタービンの運転状況により変化する。図4に間隙の変化トレンドを示す。まず、起動直後よりタービン軸105は回転速度が上昇し、遠心力により径方向に伸び、間隙が縮小する。その後、主流ガスの温度上昇により、タービン軸105,シュラウド14,15,16,ケーシング114が熱膨張する。タービン軸105は径方向外側に膨張し間隙を拡大させ、シュラウド14,15,16は径方向内側に膨張し間隙を縮小させる。ケーシング114は径方向外側に膨張し間隙を拡大させる。
This gap varies depending on the operating condition of the gas turbine. FIG. 4 shows the change trend of the gap. First, immediately after startup, the
一般に、タービン軸105、及びシュラウド14,15,16は、ケーシング114に比べて温度上昇しやすいため、タービンが熱的に整定する前、具体的には、定格負荷到達時近傍で最小間隙を示す。このため、定常運転中の間隙は最小間隙よりも大きなものとなる。
In general, since the temperature of the
この定常運転中の間隙拡大を抑制するために、ケーシング114を外部から、もしくは内部から冷却するケーシング冷却装置25が設置されている。ケーシング冷却により、定常状態におけるケーシング114の温度が低下するため、起動から定常状態に至る過程でのタービン軸105とケーシング114の温度差が減少し、最小間隙と定常状態での間隙の差が小さくなる。これにより定常状態での間隙を、ケーシング冷却を実施していない場合に比べ小さく保つことができる。ケーシング冷却装置25はケーシング114の形状に合わせて環状に設置されており、一体構造、もしくは、周方向,軸方向に分割された構造となっている。ケーシング冷却装置25には、冷却空気量を調整する弁123を備えたケーシング冷却空気供給配管120が接続されており、ケーシング冷却装置25には冷却空気噴出孔が配置されている。ケーシング冷却装置25にはケーシング冷却空気供給配管120を通じてケーシング冷却空気115が導かれており、この冷却空気噴出孔よりケーシング冷却空気115を噴出させ、ケーシングを衝突冷却する。噴出したケーシング冷却空気115は、そのまま雰囲気中へと開放されるか、回収され、排気ディフューザ113内部などの低圧部へ放出される。
In order to suppress the gap expansion during the steady operation, a
定常時の間隙はケーシング114の熱膨量、すなわちケーシング114の温度によって決定される。目標とする定常時間隙を得るためには、ケーシング冷却空気115の温度や流量を調整し、ケーシング114とケーシング冷却空気115の熱交換量を制御することで、ケーシングの温度を目標とする定常時間隙に対応した温度とすればよい。
The constant gap is determined by the amount of thermal expansion of the
(実施例1)
図1を用いて実施例1のガスタービンについて説明する。図1は本実施例のシステムフロー図であり、図2の比較例によるシステムフロー図と対応するものである。
Example 1
A gas turbine according to a first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a system flow diagram of this embodiment and corresponds to the system flow diagram of the comparative example of FIG.
本実施例においては、図2の構成に対して、ケーシング冷却空気供給配管120にエジェクタ116(冷却媒体の流量増幅手段)が設けられており、弁123が廃されている。
なお、ケーシング冷却空気供給配管120は圧縮機102からの抽気を供給する。その他の構造は図2と同様である。冷却媒体である圧縮機抽気空気は、エジェクタ116が吸引する大量の周囲気体117(追加冷媒)と混合され低圧な大流量のケーシング冷却空気115となり、ケーシング冷却で使用される。ケーシング冷却後の空気は、ほぼ大気圧であるエンクロージャ118内部へと放出される。なお、エジェクタ116には当該エジェクタによって吸引される周囲空気117を供給する付加冷媒系統が接続される。
In the present embodiment, an ejector 116 (cooling medium flow rate amplifying means) is provided in the casing cooling
The casing cooling
エジェクタ116は上流側から流入する少量の高圧空気のエネルギを利用して周囲気体117を吸引し、下流側に低圧な大流量空気を作り出す装置である。また、形状や原理も単純であり、外部動力も必要としないため、故障率が低く信頼性が高い。このようなエジェクタ116は公知のものを使用することができ、多くの空気を吸引できるものを使用することが望ましい。
The
圧縮機102の抽気段は圧縮機前側,中間,後側の3段となっており、ケーシング冷却空気供給配管120は、このうち前側の抽気段に接続されている。
The extraction stage of the
ここで、抽気段数が3段となっているのは、抽気段数が増加すると、配管数などの増加によりコストが増加するためであり、性能とコストのトレードオフの結果である。抽気段数の制限により、前側抽気段から抽気した空気の圧力はケーシング冷却に必要な最小圧力よりも高い圧力となっている。過剰に高い圧力では、過剰な冷却空気量が流れてしまい適切な間隙とすることができないため、従来はオリフィスやバルブなどにより圧力損失を生じさせ、冷却空気量を調整していた。しかし、流量調整のためだけに圧力損失を生じさせることは圧力の浪費であり非効率的である。本実施例では、この高い圧力を利用してエジェクタ116に周囲気体117を吸引・混合させ、エジェクタ後側の冷却空気量を抽気空気量に比べて増加させている。これにより、ガスタービンの性能低下の要因となる抽気空気の使用量を抑制しつつ、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を得ることができる。
Here, the number of extraction stages is three because when the number of extraction stages is increased, the cost is increased due to an increase in the number of piping and the like, which is a result of a trade-off between performance and cost. Due to the restriction on the number of extraction stages, the pressure of the air extracted from the front extraction stage is higher than the minimum pressure required for cooling the casing. If the pressure is excessively high, an excessive amount of cooling air flows, and an appropriate gap cannot be obtained. Conventionally, pressure loss is caused by an orifice, a valve, or the like, and the amount of cooling air is adjusted. However, it is wasteful and inefficient to cause a pressure loss only for flow adjustment. In the present embodiment, this high pressure is used to cause the
さらに、周囲気体117は抽気空気の温度よりも低温であるから、ケーシング冷却空気115の温度は周囲気体117との混合により低下する。温度が低下した分、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を削減することができる。
Furthermore, since the
図5にケーシング冷却実施時のガスタービン間隙特性を示す。 FIG. 5 shows the gas turbine gap characteristics when the casing is cooled.
ガスタービン起動途中においては、ケーシング冷却により間隙が縮小するため、起動から最小間隙に至るまでの間隙変化量がケーシング冷却を実施していない場合に比べて大きくなる。この分、組立時間隙を拡大することで、最小間隙を、ケーシング冷却を実施していない場合と同等とすることができ、ガスタービンの信頼性を損なうことなく、性能を向上させることができる。 During the start of the gas turbine, the gap is reduced by casing cooling, so that the amount of change in the gap from the start to the minimum gap becomes larger than when the casing is not cooled. Accordingly, by expanding the assembling gap, the minimum gap can be made equal to the case where casing cooling is not performed, and the performance can be improved without degrading the reliability of the gas turbine.
ここで、起動途中においては、圧縮機抽気空気の圧力は低く、抽気空気の流量も小さくなる。この条件下ではエジェクタ116の流量増幅効果も小さくなるから、ケーシング冷却空気115の流量は小さいものとなる。よって起動途中でのケーシング冷却による起動時の間隙縮小効果は、定常状態での間隙縮小効果に比べて小さく、定常状態の方がケーシング114の温度がより低下するため、起動から定常状態に至る過程でのタービン軸105とケーシング114の温度差が減少し、最小間隙と定常状態での間隙の差が小さくなる。これにより定常状態での間隙を、ケーシング冷却を実施していない場合に比べ小さく保つことができる。
Here, during the start-up, the pressure of the compressor bleed air is low, and the flow rate of the bleed air is also small. Under this condition, the flow rate amplification effect of the
また、起動途中のケーシング冷却効果が無視できるほど小さく問題とならない場合には、組立時間隙の変更なしに、抽気配管部分を改修するだけで本実施例を適用することができる。このような場合、すでに稼働しているガスタービンに本発明を適用し、少ないコストでガスタービンの効率を向上させることができる。 Further, when the casing cooling effect during the start-up is so small as to be negligible, the present embodiment can be applied only by repairing the bleed piping portion without changing the assembling gap. In such a case, the present invention is applied to a gas turbine that is already in operation, and the efficiency of the gas turbine can be improved at a low cost.
また、図2に示した比較例に比べ、本実施例では、弁123を廃し機器点数を削減することができるため、ガスタービンの信頼性を向上させ、コストを削減することができる。
Compared with the comparative example shown in FIG. 2, in this embodiment, the
また、エジェクタ116後流側のケーシング冷却空気供給配管120の流量はエジェクタ116の前方に比べ多く、さらに圧力も減圧されているため、ケーシング冷却空気115の流速は速くなる。この効果による圧力損失の増加を抑えるために、エジェクタ116は、ケーシング冷却部近傍に設けることが望ましい。
Further, since the flow rate of the casing cooling
また、ガスタービンを収容するエンクロージャ118の内部はガスタービンからの放熱により、大気よりも温度が高くなっている。さらに、エンクロージャ118内部の空気は、換気ファンによる空気の対流により温度分布を有している。冷却空気の温度を低下させるために極力温度の低い部分の空気をエジェクタ116で吸引することが望ましい。
In addition, the interior of the
なお、本実施例において、ケーシング冷却後の空気をほぼ大気圧の部分へ放出するとしたが、排気ディフューザなどさらに冷却可能な部位の冷却に使用しても構わない。 In the present embodiment, the air after cooling the casing is discharged to a portion at almost atmospheric pressure, but it may be used for cooling a further coolable portion such as an exhaust diffuser.
また、ケーシング冷却空気供給配管120のエジェクタ116上流側にインタークーラーを設置するなどケーシング冷却空気115の温度を低減させる技術と組み合わせても構わない。
Further, it may be combined with a technique for reducing the temperature of the
また、本実施例では、ケーシング冷却装置25としてケーシング114外周側にインピンジ冷却構造を設けた例を示したが、他のケーシング冷却手法と組み合わせても良い。
In the present embodiment, an example in which the impingement cooling structure is provided on the outer peripheral side of the
(実施例2)
図6を用いて実施例2のガスタービンについて説明する。図6はガスタービンのシステムフロー図であり、実施例1の構成に対して、ケーシング冷却空気供給配管120に弁123が設置されている。その他の構造は実施例1と同様である。なお、図6では冷却媒体の付加冷媒としてエンクロージャ118内部の空気を用いる構成を図示しているが、エンクロージャ118の外部の空気、或は他の冷却媒体を用いるように構成しても良い。
(Example 2)
A gas turbine according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a system flow diagram of the gas turbine. In the configuration of the first embodiment, a
図7(a)に本実施例におけるケーシング冷却実施時のガスタービン間隙特性と弁123の運用方法を示す。実施例1では、ケーシング冷却空気115の流量制御を行っていなかったが、本実施例では、最小間隙到達後に弁123を開状態としケーシング冷却を開始している。最小間隙到達後からケーシング冷却を開始することで、起動から最小間隙にいたるまでの間隙変化量を、ケーシング冷却を実施していない場合のものと同等にすることができるため、組立時間隙を変更することなくガスタービンの信頼性を損なうことなく性能を向上させることができる。
FIG. 7A shows the gas turbine gap characteristics and the operation method of the
また、ケーシング冷却空気115の流量を、ケーシング温度を計測し、その温度が目標とする定常時間隙に対応した温度となるように弁123を用いて調整することができる。
外気温変動などの要因によりエンクロージャ118内部の温度や、抽気空気の温度は変動する。これらの温度条件が変化すると間隙も変化するため、実施例1では、目標とする定常時間隙を最も間隙が小さくなる最過酷温度条件において設定している。最過酷温度条件以外では目標間隙以上となるため、最過酷温度条件以外ではガスタービンの性能が低下してしまう。本実施例では、弁123によりケーシング冷却空気115の流量を温度変動に応じてその都度調整しできるため、間隙を常に目標とする定常時間隙とすることができる。
Further, the flow rate of the
The temperature inside the
また、本実施例では、ガスタービン出力を監視し、事前に評価しておいた出力と間隙の関係から最小間隙到達を検出し、ケーシング冷却開始のタイミングを決定している。この方法以外ケーシング温度や動翼先端間隙の計測値、起動開始からの経過時間など種々の情報から最小間隙タイミングを過ぎたことを検出しケーシング冷却を開始してもよい。 In this embodiment, the gas turbine output is monitored, the arrival of the minimum gap is detected from the relationship between the output and the gap evaluated in advance, and the timing for starting the casing cooling is determined. In addition to this method, the casing cooling may be started by detecting that the minimum gap timing has passed from various information such as the casing temperature, the measured value of the blade tip clearance, and the elapsed time from the start of startup.
また、ケーシング114の温度上昇は、ガスタービンの作動流体や抽気空気の温度上昇に比べ遅いため、起動途中では圧縮機抽気空気の温度がケーシング114の温度よりも高くなり、最小間隙到達以降に抽気空気の温度がケーシング114の温度よりも低くなることがある。図7(b)にこのような場合の望ましい弁123の運用方法とその時のガスタービン間隙特性を示す。
Further, since the temperature rise of the
最小間隙到達前、かつケーシング冷却空気の温度がケーシング114の温度に比べ高いときは弁123を開状態とすることで、ケーシング冷却装置25は、ケーシング114を加熱する。一方、最小間隙到達前、かつケーシング冷却空気の温度がケーシング114の温度に比べ低いときは弁123を閉状態とし、最小間隙到達後に弁123を状態とすることで、最小間隙到達以降にケーシング114を冷却する効果を与える。定格到達以前では、ケーシング114が加熱され膨張するため、ケーシング冷却実施時の間隙はケーシング冷却なしの場合に比べ拡大し、最小間隙も大きくなる。定格到達以降はでは、ケーシング114が冷却され、収縮するため、ケーシング冷却実施時の間隙はケーシング冷却なしの場合に比べ縮小する。このように最小間隙と定常時間隙の差を小さくすることができる。
The
最小間隙が大きくなった分だけ初期間隙を見直し、ケーシング冷却なしの場合と同等の最小間隙となるよう初期間隙を縮小すれば、加熱効果を考慮しなかった場合と同等の冷却空気量によって定常状態での間隙をより小さく設定することができる。また、定常時間隙を、加熱効果を考慮しなかった場合と同等とした場合はケーシング冷却空気量を削減することができる。 If the initial gap is re-examined as much as the minimum gap is increased and the initial gap is reduced to the same minimum gap as when the casing is not cooled, the steady state is achieved with the same amount of cooling air as when the heating effect is not considered. The gap at can be set smaller. Further, when the steady-time gap is made equal to the case where the heating effect is not taken into consideration, the casing cooling air amount can be reduced.
また、本発明の目的であるガスタービン効率向上のための手法は、新たに設置されるガスタービンだけでなく、既存のガスタービンなど、多くの機器に適用できることが望ましい。本実施例による発明は従来のガスタービンの抽気配管部分を改修するだけで実施が可能である。すでに稼働しているガスタービンに本発明を適用し、少ないコストでガスタービンの効率を向上させることができる。 Moreover, it is desirable that the method for improving the efficiency of the gas turbine, which is an object of the present invention, can be applied not only to a newly installed gas turbine but also to many devices such as an existing gas turbine. The invention according to this embodiment can be carried out only by refurbishing the bleed piping portion of a conventional gas turbine. By applying the present invention to a gas turbine that is already in operation, the efficiency of the gas turbine can be improved at a low cost.
(実施例3)
図8を用いて実施例3のガスタービンについて説明する。図8はガスタービンのシステムフロー図であり、実施例1の構成に対して、エジェクタ116の吸引する空気はエンクロージャ118の外部より供給されている。その他の構造は実施例1と同様である。なお、図8ではケーシング冷却空気供給配管120に弁123を設置した例を図示しているが、弁123の設置は適宜選択することができる。
(Example 3)
A gas turbine according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a system flow diagram of the gas turbine. In the configuration of the first embodiment, air sucked by the
実施例1では、エジェクタ116はエンクロージャ118内部の空気を吸引している。
エンクロージャ118内部の空気温度はガスタービンからの放熱などにより、エンクロージャ118外部の空気温度に比べ高温となっている。よってエジェクタ116が吸引する空気をエンクロージャ118外部より供給することで、ケーシング冷却空気115の温度を低下させることができる。温度が低下することにより、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量が減り、抽気空気量を削減することができる。
In the first embodiment, the
The air temperature inside the
また、エンクロージャ118内は内部の空気温度が高くなりすぎないように換気ファンによって換気されている。本実施例によれば、エジェクタ116の吸引によりエンクロージャ118外部から内部へと流入する空気量が増えるため、エンクロージャ118内部の空気温度が低下する。この効果によりケーシングの自然放熱量が増加するため、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を削減することができる。
The
さらに、エンクロージャ118内部には様々なガスタービンの補機が設置されているが、雰囲気温度を低下させることで、これら補機の信頼性も向上させることができる。
Furthermore, although various gas turbine auxiliary machines are installed inside the
(実施例4)
図9を用いて実施例4のガスタービンについて説明する。図9はガスタービンのシステムフロー図であり、実施例1及び2の構成に対して、エジェクタ116が吸引する冷媒121に水,高湿分な空気,蒸気などの付加冷媒を冷媒混入装置122によって混入している。その他の構造は実施例1及び2と同様である。なお、図9では冷却媒体の付加冷媒としてエンクロージャ118内部の空気を用いる構成を図示しているが、エンクロージャ118の外部の空気、或は他の冷却媒体を用いるように構成しても良い。また、図9では、ケーシング冷却空気供給配管120に弁123を設置した例を図示しているが、弁123の設置は適宜選択することができる。
Example 4
A gas turbine according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a system flow diagram of the gas turbine. Compared with the configurations of the first and second embodiments, an additional refrigerant such as water, high-humidity air, or steam is added to the refrigerant 121 sucked by the
付加冷媒は、空気に比べ熱伝導率や熱容量が大きな、気体もしくは液体である。このような特徴をもつ冷媒は冷却性能が高いため、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を削減することができる。 The additional refrigerant is a gas or a liquid having a larger thermal conductivity and heat capacity than air. Since the refrigerant having such characteristics has high cooling performance, it is possible to reduce the amount of cooling air necessary to obtain the target steady-state gap.
冷媒121として、例えば、スプレイノズルなどで発生させた微細液滴を含む空気を用いても良い。微細液滴を含む空気がエジェクタ116において抽気空気と混合する際、液滴は気化しケーシング冷却空気115から潜熱を奪う。これによりケーシング冷却空気115の温度が低下する。さらに湿分を含むことにより、ケーシング冷却空気115の熱伝導率が増加し、ケーシング冷却の熱伝達率が向上する。
As the
また、冷媒121として蒸気、もしくは蒸気を含む空気を使用しても良い。ケーシング冷却空気が湿分を含むことにより、冷却空気の熱伝導率が増加し冷却性能が向上する。この蒸気は他の設備などから廃棄される低温かつ低圧な低質蒸気を使用するなど、蒸気供給のために新たなエネルギを消費しない手法を取ることが望ましい。 Further, steam or air containing steam may be used as the refrigerant 121. When the casing cooling air contains moisture, the thermal conductivity of the cooling air is increased and the cooling performance is improved. It is desirable to use a method that does not consume new energy for supplying steam, such as using low-temperature and low-pressure steam that is discarded from other facilities.
また、冷媒121として、水を用いても良い。エジェクタ116によって吸引された水はエジェクタ116内部で、流速を増した抽気空気との速度差によりせん断力を受け微粒化される。微粒化された水滴は抽気空気との混合により気化し、抽気空気から潜熱を奪う。これにより、ケーシング冷却空気115の温度は低下し、さらに湿分を含むことによる熱伝達率増加効果により、冷却性能が向上する。また、抽気空気の圧力が十分に高い場合には、ケーシング冷却空気供給配管120に水を吸引するエジェクタ116と、周囲気体117を吸引するエジェクタ116を直列に2個以上設けても良い。
Further, water may be used as the refrigerant 121. The water sucked by the
1 第1段静翼
2 第1段動翼
3 第2段静翼
4 第2段動翼
5 第3段静翼
6 第3段動翼
8 主流ガスの流れ方向
9 第1段ホイール
10 第2段ホイール
11 第3段ホイール
12 圧縮機ロータ
13 スペーサ
14 第1段シュラウド
15 第2段シュラウド
16 第3段シュラウド
24 ダイヤフラム
25 ケーシング冷却装置
101 ガスタービン
102 圧縮機
103 燃焼器
104 タービン
105 タービン軸
106 圧縮空気
107 燃焼ガス
109 機器
110 タービン冷却空気
111 大気空気
112 排気
113 排気ディフューザ
114 ケーシング
115 ケーシング冷却空気
116 エジェクタ
117 周囲気体
118 エンクロージャ
119 冷却空気供給源
120 ケーシング冷却空気供給配管
121 冷媒
122 冷媒混入装置
123 弁
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて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により回転駆動するタービンと、
前記タービンを内包するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングを冷却するケーシング冷却構造と、
冷却媒体として前記圧縮機の抽気空気を前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンにおいて、
前記冷却媒体供給系統に、前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させる流量増幅手段を設けたことを特徴とするガスタービン。 A compressor for generating compressed air;
A combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor;
A turbine that is rotationally driven by the combustion gas generated in the combustor;
A turbine casing containing the turbine;
A casing cooling structure for cooling the turbine casing;
In a gas turbine comprising a cooling medium supply system for supplying extracted air of the compressor as a cooling medium to the casing cooling structure,
A gas turbine characterized in that the cooling medium supply system is provided with a flow rate amplifying means for sucking additional refrigerant with the extracted air and increasing the flow rate of the cooling medium supplied to the casing cooling structure.
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒の吸入口を備え、
前記吸入口のうち少なくとも1つが前記ガスタービンを内包するエンクロージャ内に設置されていることを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to claim 1, wherein
The flow rate amplifying means includes an inlet for the additional refrigerant,
At least one of the suction ports is installed in an enclosure containing the gas turbine.
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒の吸入口を備え、
前記吸入口のうち少なくとも1つが前記ガスタービンを内包するエンクロージャ外に設置されていることを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to claim 1, wherein
The flow rate amplifying means includes an inlet for the additional refrigerant,
At least one of the suction ports is installed outside an enclosure containing the gas turbine.
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒が流通する付加冷媒系統と、
前記付加冷媒系統が微細液滴を発生させる液滴噴霧手段を備えたことを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to claim 1, wherein
The flow rate amplifying means includes an additional refrigerant system through which the additional refrigerant flows;
A gas turbine characterized in that the additional refrigerant system includes droplet spraying means for generating fine droplets.
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒の吸入口を備え、
前記吸入口を、蒸気を供給する手段と接続したこと特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to claim 1, wherein
The flow rate amplifying means includes an inlet for the additional refrigerant,
A gas turbine characterized in that the suction port is connected to means for supplying steam.
前記冷却媒体供給系統に、前記冷媒の流量を変化させる流量変化手段を備えたことを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to claim 1, wherein
A gas turbine comprising a flow rate changing means for changing a flow rate of the refrigerant in the cooling medium supply system.
前記タービンと前記ケーシングの回転界面となる動翼先端間隙が起動時最小値となったことを検出し検出信号を出力する間隙検出手段と、
前記検出信号の出力により前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させる流量変化手段を備えたことを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to claim 1, wherein
A gap detecting means for detecting that a moving blade tip gap serving as a rotating interface between the turbine and the casing has become a minimum value at the time of starting, and outputting a detection signal;
A gas turbine comprising flow rate changing means for increasing a flow rate of a cooling medium supplied to the casing cooling structure by an output of the detection signal.
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて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により加熱される高温部品と、
前記高温部品を冷却する冷却構造と、
冷却媒体として前記圧縮機の抽気空気を前記冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンの冷却方法であって、
前記冷却媒体供給系統内に前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。 A compressor for generating compressed air;
A combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor;
High-temperature components heated by the combustion gas generated in the combustor;
A cooling structure for cooling the high-temperature component;
A gas turbine cooling method comprising a cooling medium supply system for supplying extracted air of the compressor as a cooling medium to the cooling structure,
A cooling method for a gas turbine, comprising: sucking an additional refrigerant into the cooling medium supply system with the extracted air and increasing a flow rate of the cooling medium supplied to the cooling structure.
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて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により回転駆動するタービンと、
前記タービンを内包するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングを冷却するケーシング冷却構造と、
冷却媒体として前記圧縮機の抽気空気を前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンの冷却方法であって、
前記冷却媒体供給系統内に前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記ガスタービン冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。 A compressor for generating compressed air;
A combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor;
A turbine that is rotationally driven by the combustion gas generated in the combustor;
A turbine casing containing the turbine;
A casing cooling structure for cooling the turbine casing;
A cooling method for a gas turbine comprising a cooling medium supply system for supplying extracted air of the compressor to the casing cooling structure as a cooling medium,
A method for cooling a gas turbine, comprising: sucking additional refrigerant into the cooling medium supply system with the extracted air and increasing a flow rate of the cooling medium supplied to the gas turbine cooling structure.
前記付加冷媒が、前記エンクロージャ内の空気であることを特徴とするガスタービンの冷却方法。 The method for cooling a gas turbine according to claim 9,
The method for cooling a gas turbine, wherein the additional refrigerant is air in the enclosure.
前記付加冷媒が、前記エンクロージャ外の大気であることを特徴とするガスタービンの冷却方法。 The method for cooling a gas turbine according to claim 9,
The method for cooling a gas turbine, wherein the additional refrigerant is air outside the enclosure.
前記付加冷媒が、液相もしくは気相の水を含むことを特徴とするガスタービンの冷却方法。 The method for cooling a gas turbine according to claim 9,
The method for cooling a gas turbine, wherein the additional refrigerant includes liquid phase or vapor phase water.
前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を前記ガスタービンの運転中に変化させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。 The method for cooling a gas turbine according to any one of claims 9 to 12,
A method for cooling a gas turbine, comprising: changing a flow rate of a cooling medium supplied to the casing cooling structure during operation of the gas turbine.
前記タービンと前記タービンケーシングの回転界面となる動翼先端間隙が起動時最小値となったことを検出した後に、前記冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。 The method for cooling a gas turbine according to any one of claims 9 to 12,
A method for cooling a gas turbine, comprising: increasing a flow rate of the cooling medium after detecting that a moving blade tip gap serving as a rotational interface between the turbine and the turbine casing reaches a minimum value at startup.
前記圧縮機は前記抽気空気を抽気する抽気段を少なくとも1つ備え、
前記抽気段を、前記ガスタービンの起動直後は前記タービンケーシングの温度が前記抽気空気の温度よりも低く、前記ガスタービンの定常運転中は前記タービンケーシングの温度が前記抽気空気の温度よりも高くなるように選定したことを特徴とするガスタービンの冷却方法。 The method of cooling a gas turbine according to claim 9 to 14,
The compressor includes at least one extraction stage for extracting the extraction air,
In the extraction stage, immediately after the gas turbine is started, the temperature of the turbine casing is lower than the temperature of the extraction air, and during the steady operation of the gas turbine, the temperature of the turbine casing is higher than the temperature of the extraction air. A gas turbine cooling method characterized by being selected as described above.
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DE102017201104A1 (en) | 2016-01-28 | 2017-08-03 | Ford Global Technologies, Llc | Motor vehicle with a turbocharger arrangement |
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JP7399978B2 (en) | 2019-03-15 | 2023-12-18 | サフラン エアークラフト エンジンズ | How to control the temperature of turbomachinery exhaust gas |
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