JP2015518938A - 中空の冷却されたタービン翼内に挿入可能とされる、ガスタービンのための冷媒ブリッジ配管 - Google Patents

Abstract

ガスタービン（１０１）のための冷媒ブリッジ配管（１）が、壁（２）によって隔離されている内側（４）及び外側（６）を有しており、冷媒ブリッジ配管（１）が、ガスタービン（１０１）の第１の構成部品からガスタービン（１０１）の第２の構成部品に至るまで延在しており、可能な限り高い効率でガスタービンの構成部品の耐用寿命をさらに高めることができる。このために、冷媒ブリッジ配管（１）が、内側（４）と外側（６）との間における熱伝達及び／又は内側（４）及び外側（６）における流れ条件を変更するための手段（８，１２）を有している。

Description

本発明は、ガスタービンのための冷媒ブリッジ配管であって、中空の冷却されたタービン翼の内部に挿入可能とされ、壁によって隔離されている内側及び外側を有している冷媒ブリッジ配管において、冷媒ブリッジ配管が、ガスタービンの第１の構成部品からガスタービンの第２の構成部品に至るまで延在している、冷媒ブリッジ配管に関する。

ガスタービンは、圧力下におけるガスを膨張させるターボ機械である。当該ガスタービンは、タービン又は膨張器、当該タービン又は膨張器に上流で接続されている圧縮器、及び当該タービン又は膨張器と当該圧縮器との間に接続されている燃焼室から構成されている。圧縮器及びタービンのすべての翼をまとめて、翼配列と呼称する。これに関連して、動翼と静翼とは区別されている。動翼環は、関連する静翼環と共に段と呼称される。一般に、タービン又は圧縮器の翼配列は多段化されている。

静翼は、圧縮機又はタービンのケーシングの内部に固定された状態で一体化されており、作動媒体（吸気又は高温ガス）を動翼に向かって最適な角度で案内する。装置と流体との間における機械的に有用な動力の結合が、動翼を介して発生する。

これに関連して、動作原理は、循環過程（ジュールサイクル）に基づいている。循環過程（ジュールサイクル）では、１つ以上の圧縮段の翼配列によって空気を圧縮し、その後に圧縮された空気を気体状又は液体状の燃料と共に燃焼室内で混合し、その混合体を燃焼させる。さらに、空気は、特に高い熱負荷を受ける構成部材を冷却するために利用される。

これにより、その後のタービン部分において膨張される高温ガス（燃焼ガスと空気との混合体）が生成され、熱エネルギは機械エネルギに変換され、その後に圧縮器を駆動する。一軸エンジンでは、残りの部分が、発電機、プロペラ、又は他の回転荷重を駆動するために利用される。対照的に、ジェットエンジンでは、熱エネルギが、推進力を発生させる高温ガス流を加速させる。

高温ガスによって、ガスタービンは高い熱負荷を受ける。また、動作温度が高められることによって、達成すべき効率の改善が実現されるので、動作温度の上昇は望ましい。従って、材料温度が強さ限界を超えないように、例えば空気のような冷媒が供給される。しかしながら、冷媒の作用を受ける点に至る前に、冷媒は既に高温によって加熱されている。特定の環境においては、このような加熱は非常に大きいので、作用点における冷媒の冷却効果が過度に小さくなる。これにより、熱負荷が大きくなるので、作用点における構成部品の耐用寿命が短くなる。従って、この場合には、冷媒が、独立した冷媒ブリッジ配管で輸送される場合がある。

従って、本発明の目的は、ガスタービンの構成部品の耐用寿命のさらなる長期化及び可能な範囲内での最高の効率を実現する冷媒ブリッジ配管を提供することである。

当該目的は、中空の冷却されたタービン翼内に挿入可能とされる冷媒ブリッジ配管が、冷媒ブリッジ配管が内側と外側との間における熱伝達及び／又は内側及び外側における流れ条件を変更するための手段を有している、本発明によって達成される。

本発明は、冷媒が周辺の構成部品と相互作用することによって加熱されると、その結果として耐用寿命が短くなるという検討結果から導かれたものである。これに関連して、驚くべきことに、従来利用されていた冷媒ブリッジ配管が、一定の効率を維持しつつ耐用寿命を改善するために利用されていなかったことが判明した。従って、このような問題点を改善するために、中空構造の冷却されたタービン翼の内部に挿入可能とされる冷媒ブリッジ配管は、冷媒ブリッジ配管の内側と外側との間における熱伝導を変更するための、又は、壁の内側若しくは外側における流れ条件を変更するための手段を有している必要がある。

これに関連して、優位には、冷媒ブリッジ配管は、ガスタービンの静翼の内部に挿入されている。さらに、第１の構成部品及び／又は第２の構成部品はそれぞれ、翼基端部又は翼先端部とされ、第１の構成部品と第２の構成部品との間には、冷媒ブリッジ配管が延在している。静翼の先端部が取り付けられている内側リングに対して冷媒が静翼を通じて供給されると、特に経路が短くなるので、特に優位である。しかしながら、静翼の基端部と静翼の先端部との間において、静翼の基端部と静翼の先端部との間で運搬される―しかしながら、可能な限り加熱されない―冷媒に対する熱負荷が特に大きい。このために、静翼環の外径に位置する静翼の基端部から静翼環の内径に位置する静翼先端部に冷媒を案内する場合には、静翼には冷媒ブリッジ配管が設けられていることが必要である。

一の優位な構成では、冷媒ブリッジ配管に設けられた手段が、内側と外側との間における熱伝導を変更するように構成されている。すなわち、対流によってエンタルピー移動を発生させる必要は必ずしもない。

当該目的達成のために、優位には、当該手段には、優位にはセラミック材料を含むコーティングが施されている。従って、冷媒ブリッジ配管に伝導する熱エネルギが小さくなる。冷媒ブリッジ配管の内部で輸送される冷媒とその周囲の構成部品との間における相互作用が低減されるからである。このことは、作用点における冷媒の冷却効率を改善する。冷媒輸送の効率が高められるからである。

代替的又は付加的な構成では、手段が、攪拌器を備えている。冷却すべき幾つかの構成部品のために冷媒が過剰に消費される場合には、このことは特に優位である。すなわち、このような過剰な消費は、ガスタービン全体の効率を損なう。冷媒ブリッジ配管の壁の内側に配置されている攪拌器によって、冷媒ブリッジ配管の配管抵抗が大きくなり、これにより渦流が発生し、圧力損失が大きくなる。代替的又は付加的には、攪拌器も、冷媒ブリッジ配管の外側に固定されている。また、このことは、構成のフレキシビリティを向上させることができる可能性を高める。外側に配置されたこのタイプの攪拌器は、冷媒ブリッジ配管の内部における冷媒の流れに対する熱伝導を大きくするので、当該実施例は、コーティングと組み合わされると優位である。

さらなる優位な構成では、手段は、多数の開口部を冷媒ブリッジ配管の壁に備えている。このタイプの構成は、動作中に冷媒配管の領域内の構成部品が受ける熱負荷が高い場合に特に優位である。具体的には、ガスタービンが動作している場合に限り、すなわち建設段階（construction phase）の後に限り、過剰な熱負荷が検出されるならば、全体的な構造の変更には、大きいコスト及び技術的複雑性が伴う場合がある。この場合には、冷媒ブリッジ配管に通じる開口部を設けることによって、確実性、急速性、及び優れたコスト効果を提供することができる。ターゲットの領域において、冷媒ブリッジ配管からの冷媒が、衝突冷媒のようにターゲットの構成部品に直接到達するからである。

さらなる優位な構成では、熱伝達を変更するための手段として、壁を中空構造とすることができる。二重壁構造とも呼称される当該構成の恩恵を受けて、冷媒ブリッジ配管が比較的高温な環境での利用を意図する場合に内側に沿って流れる冷媒に対する熱の導入を比較的低く維持するための手段によって、外側から内側に至る熱伝導をさらに低減することができる。好ましくは、本発明では、壁のキャビティは、内側及び外側に対して密閉されているので、一層高温の外側の媒体とキャビティの媒体との交換又は混合が防止される。従って、シールを施した結果として、キャビティの媒体の熱伝導性が低減される。より好ましくは、キャビティの内部圧力は、平均的な大気圧より小さい。キャビティの内部圧力が小さくなるに従って、キャビティが密閉される前に、より多くの媒体がキャビティから除去され、キャビティの熱伝導性が小さくなる。このことは、内側に沿って流れる冷媒の温度を一層一定に保つという効果を有している。

実用的な理由から、冷媒ブリッジ配管は、筒状の構成とされるか、又は二重壁構造の管として構成されている。

ガスタービンは、優位には、上述の冷媒ブリッジ配管を有しており、優位には、発電設備の一部分を構成している。

本発明の優位点は、冷媒ブリッジ配管を当該冷媒ブリッジ配管の熱的特性及び流体的特性に関して変更することによって、動作中におけるガスタービン内部の温度分布に対して柔軟に適応することができることである。このような変更の恩恵を受けて、例えば構成部品それぞれの温度が過大になった場合に、問題を急速に解決することができる。従って、冷媒ブリッジ配管は、冷媒の輸送、及び、冷却システムの冷却又は冷却システムの圧力損失の制御という２つの目的を果たすことができる。

本発明について、添付図面を参照しつつ詳述する。

外側に配置されている環状の攪拌器を具備する冷媒ブリッジ配管を表わす。 外側に配置されている螺旋状の攪拌器を具備する冷媒ブリッジ配管を表わす。 タービン翼の端面を通過する部分的な断面図である。 二重壁を有する冷媒ブリッジ配管の断面図である。 ガスタービンの断面図である。

すべての図面において、同一の部品には同一の参照符号が付されている。

図１は、円筒状の冷媒ブリッジ配管１を表わす。冷媒ブリッジ配管１は、中空構造の冷却されたタービン静翼（図示しない）に挿入されており、タービン静翼の翼基端部同士の間に延在している。冷媒ブリッジ配管１は、冷媒ブリッジ配管１の内側４と外側６とを分離させる壁２を有している。例示的な実施例では空気である冷媒Ｋは、冷媒ブリッジ配管１の内部において輸送される。

環状の攪拌器８が外側６に配置されている。しかしながら、図２に表わす代替的且つ例示的な実施例では、攪拌器８が螺旋状に配置されている。同様に、詳細には図示しない攪拌器が、冷媒ブリッジ配管１の内側４に配置されている場合がある。さらに、図１及び図２に表わす冷媒ブリッジ配管１には、セラミックコーティングが施されている。

図３は、冷媒ブリッジ配管１と、冷媒ブリッジ配管１が挿入されている静翼の隣り合う端面１０とを表わす。端面１０には、比較的高い熱負荷が作用する。このために、開口部１２が、冷媒ブリッジ配管１に形成されており、冷媒Ｋが開口部１２を通じて流出し、端面１０の内側を衝突冷却するように流れる。従って、端面１０が冷却される。

図４も、円筒状すなわち筒状の冷媒ブリッジ配管１を表わす。また、冷媒ブリッジ配管１は、タービン静翼（図示しない）の内部に配置されており、翼基端部からブレード翼を介して翼先端部に至るまで延在している。図１とは対照的に、冷媒ブリッジ配管１は、冷媒ブリッジ配管１の内側４と外側６との間に中空壁２を有している。従って、中間壁２は、二重壁構造になっており、キャビティ７を有している。従って、キャビティ７は、内側４及び／又は外側６から隔離されている。キャビティ７が内側４及び／又は外側６によっても境界が形成されている空間から密閉状態で隔離されている場合には、キャビティ７を少なくとも部分的に隔離することは、熱伝導を最小限に抑えるために有用である。従って、外側６から冷媒ブリッジ配管１の内部を流れる冷媒Ｋに至る入熱を特に低く維持することができる。

上述の冷媒ブリッジ配管は、図５に表わすガスタービン１０１で利用される。ガスタービン１０１は、電流を発生させるために発電所内で利用することを目的とする。

図５に表わすガスタービン１０１は、燃焼用空気のためのコンプレッサ１０２と、燃焼室１０４と、コンプレッサ１０２及び発電機（図示しない）すなわち作業装置を駆動するためのタービンユニット１０６とを有している。このために、タービンユニット１０６及びコンプレッサ１０２は、タービンロータとも呼称される共通するタービンシャフト１０８に配置されている。タービンシャフト１０８には、発電機、又は場合によっては作業装置も接続されており、タービンシャフト１０８は、その中心軸線１０９の周りに回転可能に取り付けられている。これらユニットは、ガスタービン１０１のロータを形成している。燃焼室１０４は、環状の燃焼室として構成されており、液体燃料又はガス燃料を燃焼させるために多数の燃焼器１１０を備えている。

タービンユニット１０６は、タービンシャフト１０８に接続されている多数の回転可能な動翼１１２を有している。動翼１１２は、タービンシャフト１０８に環状に配置されているので、多数の動翼環すなわち動翼列を形成している。さらに、タービンユニット１０６は、静翼列を形成するようにタービンユニット１０６の静翼担体１１６に環状に取り付けられている多数の静翼１１４を備えている。これにより、動翼１１２は、タービンユニット１０６を流通する作動媒体Ｍからの衝撃伝達によって、タービンシャフト１０８を駆動させるように機能する。他方、静翼１１４は、―作動媒体Ｍの流れ方向において見ると―２つの隣り合う動翼列又は動翼環の間において作動媒体Ｍの流れを案内するように機能する。これに関連して、静翼１１４の環すなわち静翼列及び動翼１１２の環すなわち動翼列から成る隣り合う一組は、タービン段とも呼称される。

静翼１１４それぞれが、静翼１１４それぞれをタービンユニット１０６の静翼担体１１６に固定するための壁要素として配置されている、プラットフォーム１１８を有している。これに関連して、プラットフォーム１１８は、比較的大きい熱負荷を受ける構成要素であって、タービンユニット１０６を流通する作動媒体Ｍのための高温ガス導管の外側境界を形成している。同様に、動翼１１２それぞれが、ブレード基端部とも呼称されるプラットフォーム１１９を介して、タービンシャフト１０８に取り付けられている。

環状部材１２１それぞれが、２つの隣り合う静翼列の静翼１１４の離隔配置されたプラットフォーム１１８同士の間において、タービンユニット１０６の静翼担体１１６に配置されている。これに関連して、環状部材１２１それぞれの外面も、タービンユニット１０６を流通する高温の作動媒体Ｍに対して露呈しており、所定の間隙を介して対向配置されている動翼１１２の外側端部から、ラジアル方向において離隔されている。これに関連して、隣り合う静翼列同士の間に配置されている環状部材１２１は、特にタービンユニット１０６を流通する作動媒体Ｍによって生じる過剰な熱負荷から、静翼担体１１６の内側ハウジング又は他の一体化されたハウジング部品を保護するためのカバー要素として機能する。

典型的な実施例では、燃焼室１０４は、周方向においてタービンシャフト１０８の周りに配置されている多数の燃焼器１１０が共通する燃焼室の内部に向かって開口している、環状燃焼室とも呼称される要素として構成されている。このために、燃焼室１０４全体が、タービンシャフト１０８の周りに位置決めされている環状構造体として構成されている。

１ 冷媒ブリッジ配管
２ 壁（中空壁）
４ （冷媒ブリッジ配管１の）内側
６ （冷媒ブリッジ配管１の）外側
８ 攪拌器
１０ （静翼の）端面
１２ 開口部
１０１ ガスタービン
１０２ コンプレッサ
１０４ 燃焼室
１０６ タービンユニット
１０８ タービンシャフト
１０９ （タービンシャフト１０８の）中心軸線
１１０ 燃焼器
１１２ 動翼
１１４ 静翼
１１６ 静翼担体
１１８ プラットフォーム
１１９ プラットフォーム
１２１ 環状部材
Ｋ 冷媒

Claims (15)

1. ガスタービン（１０１）のための冷媒ブリッジ配管（１）であって、中空の冷却されたタービン翼の内部に挿入可能とされ、壁（２）によって隔離されている内側（４）及び外側（６）を有している前記冷媒ブリッジ配管（１）において、
   前記冷媒ブリッジ配管（１）が、前記ガスタービン（１０１）の第１の構成部品から前記ガスタービン（１０１）の第２の構成部品に至るまで延在しており、
   前記冷媒ブリッジ配管（１）が、前記内側（４）と前記外側（６）との間における熱伝達及び／又は前記内側（４）及び前記外側（６）における流れ条件を変更するための手段（８，１２）を有していることを特徴とする冷媒ブリッジ配管（１）。
2. 前記冷媒ブリッジ配管（１）が、前記ガスタービン（１０１）の静翼（１１４）の内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
3. 前記第１の構成部品が、ブレード基端部又はブレード先端部とされ、
   前記第２の構成部品が、ブレード先端部又はブレード基端部とされることを特徴とする請求項２に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
4. 前記手段（８，１２）が、前記内側（４）と前記外側（６）との間における熱伝導を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
5. 前記手段（８，１２）には、コーティングが施されていることを特徴とする請求項４に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
6. 前記コーティングが、セラミック材料を含んでいることを特徴とする請求項５に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
7. 前記手段（８，１２）が、攪拌器（８）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
8. 前記手段（８，１２）が、複数の開口部（１２）を前記壁（２）に備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
9. 前記手段（８，１２）として、前記壁（２）が中空構造とされることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
10. 前記壁（２）のキャビティ（７）が、前記内側（４）及び前記外側（６）に対して密閉されていることを特徴とする請求項９に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
11. 前記キャビティ（７）の内部圧力が、平均大気圧より低いことを特徴とする請求項１０に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
12. 前記冷媒ブリッジ配管（１）が、冷媒を運搬するために、筒状の内部構造を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の冷媒ブリッジ配管（１）。
13. 中空構造のブレード翼を有しているタービン静翼において、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷媒ブリッジ配管（１）が、前記ブレード翼の内部に配置されていることを特徴とするタービン静翼。
14. 請求項１３に記載のタービン静翼を有していることを特徴とするガスタービン（１０１）。
15. 請求項１４に記載のガスタービン（１０１）を有していることを特徴とする発電設備。

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