JP2015508860A - 排ガスディフューザと補強リブを有するガスタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、タービンユニット（２４）に接続する排ガスディフューザ（２１）を有するガスタービン（１０）に関する。当該排ガスディフューザのディフューザ通路（３３）は外部において通路壁（４０）によって画定されており、当該通路壁には、内側に向かって延在する多数の中空の補強リブ（３５）が、前記ガスタービン（１０）のラジアル軸受（５１）を固定するために設けられており、前記排ガスディフューザ（２１）において、吹出し空気のための、導管を含んでいる少なくとも一つの吹出し管（４７）が流出側において終結しており、当該排ガスディフューザの流入側の端部は前記ガスタービン（１０）のコンプレッサ（１８）と接続されている。特に部分負荷運転時に、前記補強リブ（３５）への不適切な流入を少なくとも部分的に補償するために、前記補強リブ３５は当該補強リブの内側端部にハブ４８を有しており、当該ハブの軸方向端部に、吹出し空気を前記ディフューザ通路内に放出するためのさらなる開口部４９が設けられている。

Description

本発明はタービンユニットに接続する排ガスディフューザを有するガスタービンに関しており、当該排ガスディフューザのディフューザ通路は外部において壁によって画定されており、当該壁には内側に向かって延在する多数の中空の補強リブが、ガスタービンのラジアル軸受を固定するために設けられており、前記排ガスディフューザにおいて、吹出し空気のための、導管を含んでいる少なくとも一つの吹出し管が流出側において終結しており、当該排ガスディフューザの流入側の端部はガスタービンのコンプレッサと接続されている。

ガスタービンと当該ガスタービンの運転方法は、広範囲に利用可能な従来技術から非常によく知られている。ガスタービンは常に排ガスシステムの一部として排ガスディフューザを含んでおり、当該排ガスディフューザを介して、ガスタービンから流出する排ガスはさらにガイドされ得る。排ガスは、ガスタービンが単独サイクル運転、シンプル・サイクルに対して設けられている限り、煙突にガイドされる。コンバインド・サイクルと称される、ガスと蒸気による発電所においては、排ガスシステムが排ガスをボイラーにガイドし、当該ボイラーを用いて排ガスに含有される熱エネルギーは、蒸気タービンのための蒸気に変換される。

排ガスディフューザの動作点は第一に、排ガスの体積流量に依存している。排ガスの体積流量は知られているように、主に環境温度と、コンプレッサの入り口案内翼の配置と、タービン入り口温度と、に影響される。

排ガスディフューザは複数の要求を満たすべきである。すなわち、一つには設計点において最大効率を実現するために、最大の圧力回収が必要である。同時に設計点から離れる際、効率の減少はできるだけわずかであるべきである。また、排ガスディフューザは不規則な運転挙動を有するべきではない。さもなければ発電設備の機械的完全性は、振動の励起によって損なわれてしまうであろう。排ガスディフューザはさらに、良好なボイラー効率を実現するために、出口においてできる限り均一な速度分布を有するべきものと想定される。低い部分負荷運転の間に動作点が変化する際、フリップ・フロップ効果を避けることも重要である。加えて最終的に排ガスディフューザは小型に構成され、従って廉価であるべきである。

最適なディフューザ流に対して特に重要なのは、外壁においても、排ガスディフューザからボイラー流入部への移行部においても、剥離流ゾーンおよび逆流ゾーンを避けることである。それでも、剥離流ゾーンおよび逆流ゾーンが生じる場合、当該剥離流ゾーンおよび逆流ゾーンの大きさは比較的小さくあるべきであろう。平滑なディフューザ外壁の内面における剥離は、局所的な流れエネルギーが小さすぎることによって引き起こされることが多い。小さ過ぎる局所的な流れエネルギーは、下流において増大する圧力に対抗することができない。この点についての原因としては、ディフューザの円錐角のほか、最後のタービン動翼列における流出と、特に最後のタービン動翼列の翼先端におけるオーバーフローが挙げられる。逆流ゾーンは場合により、部分負荷運転時に、特にハブの後方および外壁において形成され得る。このとき逆流ゾーンは下流に至り得、それによってボイラー入り口領域においてさえ、上流に向けられた流れのゾーンが生じる。アフターバーナを用いる際、逆流によって火炎の吹き戻しが生じ得、これによりガスタービンとアフターバーナを組み合わせた運転方法が制限され得る。

これらの空気力学的現象に対処するために、ガスタービンの部分負荷運転時に、ディフューザ流れに対して、コンプレッサの体積流量の部分を、コンプレッサ取り出し口と複数の吹出し管とを介して、直接的に供給することがよく知られている。このときディフューザにおける吹出し管の出口はコスト的に最適化されている場合が多く、それにより当該吹出し管の出口は、ディフューザの周面にどちらかといえば対角線方向に設けられている。わずかな円周箇所において吹き出すことにより、ディフューザ流れ内部ではまた冷たい流脈が生じる。これはディフューザにおける不規則な流れと結びついて、ディフューザ壁に不規則な熱負荷を与え、そのようにしてディフューザ壁における亀裂の形成を助長する。

従って本発明の課題は、従来技術において挙げられた問題に対処できる、タービンユニットに接続する排ガスディフューザを有するガスタービンを提供することである。

ガスタービンを対象とする上記の課題は、請求項１に記載の特徴に応じたガスタービンによって解決される。好適な構成は従属請求項に記載されており、任意の方法で互いに組み合わせられ得る。

本発明により、吹出し管の流出側端部は、吹出し空気をハブ内までさらにガイドするために、補強リブの中空空間を介してハブと流体技術的に接続されており、吹出し空気はハブ側で放出され、それによってハブの後方における逆流ゾーンを減少させるか、あるいは、コアンダ噴流として、場合により円錐状に先細になるハブ端部における剥離傾向を低減させる。

有利なさらなる形成によれば、吹出し管の流出側端部は補強リブの中空空間と流体技術的に接続されており、補強リブは吹出し空気をディフューザ通路内に放出するための開口部を有している。吹出し空気を後方のラジアル軸受けの補強リブにガイドすることと、好ましくは補強リブの流出縁において放出を行うことにより、吹出し空気は、以下の点に目標を定めて用いられ得る。すなわち、部分負荷運転時に、その場合に不適切な流入が多くみられる補強リブにおいて剥離を低減させるために用いられ得る。さらにこのようにして、補強リブによって形成されているラジアル軸受けおよび当該ラジアル軸受けの部分、例えば当該ラジアル軸受けのシートメタル被覆が目標を定めて冷却される。これにより、定格負荷運転に比べて、部分負荷運転時のタービン出口温度を上昇させることができ、それによってまた部分負荷運転時に、火炎温度の低下と、それに伴う排ガスのＣＯ値の上昇に対抗することができる。

吹出し空気を補強リブ内に設けられた開口部を介して放出することは、ハブを介して放出することから独立しても行われ得ることに留意すべきである。

本発明を唯一の図に基づいてより詳しく説明する。唯一の実施の形態は、ガスタービンを長手方向部分断面において示している。

定置式のガスタービン１０を長手方向の部分断面において示す図である。

ガスタービン１０は内部に、回転軸１２周りに回転可能に支承されたロータ１４を有しており、当該ロータはタービン動翼とも称される。ロータ１４に沿って、吸引ハウジング１６と、軸流ターボコンプレッサ１８と、互いに回転対称に設けられている複数のバーナ２２を有するトーラス型の環状燃焼室２０と、タービンユニット２４と、タービン出口ハウジング２６と、が連続的に設けられている。ガスタービン１０のタービン出口ハウジング２６には、それ以上表示されていないタービン排ガスディストリビュータが接続されている。二つの構成要素は、ガスタービン排ガスディフューザ２１の部分である。ガスタービンには環状燃焼室の代わりに、複数の管状燃焼室が実装されていてもよい。

軸流ターボコンプレッサ１８は、リング状に形成されたコンプレッサ通路であって、当該コンプレッサ通路内にカスケード式に連続して設けられている、動翼リングとガイド翼リングとから成るコンプレッサ段を有するコンプレッサ通路を有している。ロータ１４に設けられている動翼２７は、当該動翼の自由端である翼先端部によって、コンプレッサ通路の外部通路壁に対向している。コンプレッサ通路はコンプレッサ出口ディフューザ３６を介して、プレナム３８に出口を有している。当該プレナムにおいて環状燃焼室２０は、当該環状燃焼室の燃焼室２８を有して設けられており、当該燃焼室はタービンユニット２４のリング状の高温ガス通路３０と連通している。タービンユニット２４においては、４個の連続的に接続されたタービン段３２が設けられている。ロータ１４には発電機または作動機械（それぞれ図示されていない）が接続されている。

ガスタービン１０のタービン出口ハウジング２６には、タービン排ガスディストリビュータが接続されている。二つの構成要素は、ガスタービン排ガスディフューザ２１の部分である。タービン排ガスディストリビュータの下流には、同様に詳しく示されていない排ガス・ガス・システムが設けられている。当該排ガス・ガス・システムとガスタービン排ガスディフューザ２１は、排ガスディフューザシステムを形成している。

ガスタービン排ガスディフューザ２１内には、流入側がリング状のディフューザ通路３３が設けられており、当該ディフューザ通路は径方向外側において、円錐形の通路壁４０によって画定されている。通路壁４０には、ディフューザ通路３３の円周に沿って６個の補強リブ３５が配分されており、当該補強リブのうち一つのみが長手方向断面で表示されている。異なった数の補強リブが設けられていてもよい。個々の補強リブ３５は当該補強リブの内部に支持体３７を有しており、当該支持体はシートメタル被覆３９によって排ガスと直接接触することから保護されている。シートメタル被覆３９は流入縁４１と流出縁４３とを有しており、当該シートメタル被覆はコンプレッサ翼の翼形体の断面形状輪郭に類似して、断面において空気力学的な形状を有している。補強リブ３５の内側端部にはハブ４８が設けられており、当該ハブは内部に設けられているタービン側のラジアル軸受５１に対してハウジングを形成している。支持体３７があるにもかかわらず、シートメタル被覆３９の内部にはなおも中空空間４５が存在する。当該中空空間には吹出し管４７を介してコンプレッサ体積流量の一部が供給可能である。吹出し管４７は三つの導管を含んでおり、当該導管のうち一つのみが表示されている。三つより多くの導管、または三つより少ない導管が設けられていてもよい。図に示されていない導管はガスタービン１０の周面に沿って配分されている。個々の導管内にはさらに、導管を閉鎖するため、および部分的にまたは完全に開放するための制御素子としての弁４６が設けられている。全ての導管はコンプレッサ１８またはプレナム３８を中空空間４５と連通させ、それによって当該中空空間に吹出し空気を供給する。

補強リブ３５の流出縁４３内および／または補強リブ（３５）の凸状の吸引側の下流領域内に複数の開口部４９が設けられており、当該開口部を介して補強リブ３５に供給される吹出し空気はディフューザ通路３３内に導入され得る。補強リブ３５内に開口部４９が設けられていることとは関係なく、吹出し空気を放出するための開口部４９はハブ４８内に設けられていてもよい。特に後者の構成は、ハブ４８の下流の逆流ゾーンを避けるのに適している。

ガスタービン１０の運転中、軸流ターボコンプレッサ１８は吸引ハウジング１６を介して、圧縮すべき媒体として環境空気３４を吸引し、当該環境空気を圧縮する。圧縮された空気はコンプレッサ出口ディフューザ３６を介して、プレナム３８に導入され、当該プレナムからバーナ２２内に流入する。バーナ２２を介して燃料も燃焼室２８内に到達する。燃焼室において燃料は圧縮された空気を添加されながら、燃焼させられて高温ガスＭになる。高温ガスＭは続いて高温ガス通路３０に流入し、当該高温ガス通路において高温ガスはタービンユニット２４のタービン翼において作用を果たしながら膨張する。この間に開放されたエネルギーはロータ１４によって受容され、軸流ターボコンプレッサ１８の駆動に用いられるとともに、作用機械または発電機を駆動するために用いられる。

ガスタービン１０の運転は以下のように構成されている。すなわち、定格負荷運転時には、排ガスが開口部４９に侵入することを防止するのに必要である量の吹出し空気のみが開口部４９から流出するように構成されている。ガスタービンの放出される出力が所定の値を下回るように低減された場合、吹出し管４７内に設けられている制御素子４６がさらに開放され、それによって吹出し体積流量は著しく増大する。所定の値は例えばガスタービン定格出力の８０％、７０％、５０％、あるいは他のパーセンテージであってよい。この措置により、部分負荷運転時に、排ガス体積流量が減少することによる不適切な流入に起因して生じ得る、補強リブ３５における剥離が回避され得る。さらに燃料空気混合物における燃焼空気のパーセンテージによる割合が低減され、それにより燃焼温度はより高くなり、一酸化炭素の放出を比較的小さい値に保つことができる。さらにハブ４８を介して吹出し空気を放出することにより、ハブ４８の下流における逆流ゾーンが回避され得る。

全体として本発明により、タービンユニット２４に接続する排ガスディフューザ２１を有するガスタービン１０が提案され、当該排ガスディフューザのディフューザ通路３３は外部において通路壁４０によって画定されており、当該通路壁には、内側に向かって延在する多数の中空の補強リブ３５が、ガスタービン１０のラジアル軸受５１を固定するために設けられており、排ガスディフューザ２１において、吹出し空気のための、導管を含んでいる少なくとも一つの吹出し管４７が流出側において終結しており、当該排ガスディフューザの流入側の端部はガスタービン１０のコンプレッサ１８と接続されている。特に部分負荷運転時に、補強リブ３５への不適切な流入に起因して生じる効率損失を少なくとも部分的に補償するために、補強リブ３５は当該補強リブの内側端部にハブ４８を有しており、当該ハブの軸方向端部に、吹出し空気をディフューザ通路内に放出するためのさらなる開口部４９が設けられている。

１０ ガスタービン
１２ 回転軸
１４ ロータ
１６ 吸引ハウジング
１８ 軸流ターボコンプレッサ
２０ 環状燃焼室
２１ 排ガスディフューザ
２２ バーナ
２４ タービンユニット
２６ タービン出口ハウジング
２７ 動翼
２８ 燃焼室
３０ 高温ガス通路
３２ タービン段
３３ ディフューザ通路
３４ 環境空気
３５ 補強リブ
３６ コンプレッサ出口ディフューザ
３７ 支持体
３８ プレナム
３９ シートメタル被覆
４０ 通路壁
４１ 流入縁
４３ 流出縁
４５ 中空空間
４６ 制御素子
４７ 吹出し管
４８ ハブ
４９ 開口部
５１ ラジアル軸受

Claims (4)

1. タービンユニット（２４）に接続する排ガスディフューザ（２１）を有するガスタービン（１０）であって、当該排ガスディフューザのディフューザ通路（３３）は外部において通路壁（４０）によって画定されており、当該通路壁には、内側に向かって延在する多数の中空の補強リブ（３５）が、前記ガスタービン（１０）のラジアル軸受（５１）を固定するために設けられており、
   前記排ガスディフューザ（２１）において、吹出し空気のための、導管を含んでいる少なくとも一つの吹出し管（４７）が流出側において終結しており、当該排ガスディフューザの流入側の端部は前記ガスタービン（１０）のコンプレッサと接続されており、
   前記補強リブ（３５）は当該補強リブの内側端部にハブ（４８）を有しており、当該ハブは個々の前記補強リブ（３５）の中空空間を介して前記吹出し管の流出側の端部と流体技術的に連結されている、ガスタービンにおいて、
   前記ハブ（４８）の軸方向端部に、吹出し空気を前記ディフューザ通路（３３）内に放出するためのさらなる開口部（４９）が設けられていることを特徴とするガスタービン。
2. 請求項１に記載のガスタービン（１０）であって、当該ガスタービンにおいて前記開口部（４９）がハブ側のみに配分されているガスタービン。
3. 請求項１または２に記載のガスタービン（１０）であって、当該ガスタービンにおいて前記開口部（４９）が前記補強リブ（３５）の流出縁に、および／または前記補強リブ（３５）の凸状の吸引側の下流領域内に設けられているガスタービン。
4. 請求項１、２、または３に記載のガスタービン（１０）であって、当該ガスタービンにおいて前記補強リブ（３５）は、吹出し空気を前記ディフューザ通路（３３）内に放出するための開口部（４９）を有しているガスタービン。

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