JP2017520710A

JP2017520710A - ガスタービン排気システム

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Publication number: JP2017520710A
Application number: JP2016561669A
Authority: JP
Inventors: エル．ロドリゲスホセ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2017-07-27
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Abstract

発電システム（１０）。固定および回転可能なブレード（３４，３７）は、排ガス（４６）を燃焼器（６）から受け取り、かつ軸方向速度成分を付与するようにロータ（８）の周囲に位置決めされている。管路（４８）の１つのセクションは、排ガスを受け取るように位置決めされており、中央移行部分（８０ｔ）を有し、この中央移行部分（８０ｔ）内へロータが延びている。管路の渦巻形部分（８０ｓ）は、中央部分から離れるように排ガスを搬送するために流路のらせん形セクションを提供するように、中央部分から外方へ延びたらせん形流れセクション（８０）を有する。らせん形流れセクションに沿った流路の一部は、流路に沿った位置に関して増大する横断面積を有してもよい。渦巻形部分は、ロータに直交する方向に排気を方向転換するように位置決めされている。

Description

発明の分野
本発明は、発電システム、特にガスタービンエンジンを備えるシステムに関する。本発明は特にコンバインドサイクルシステムに関するが、これに限定されるわけではない。

発明の背景
現代の発電システムは、シングルサイクルであるかコンバインドサイクルであるかに関わらず、通常はガスタービンエンジンを利用する。タービンブレードセクションから出てＨＲＳＧまたは排気煙突に向かって流れる高温の排ガスの圧力を回収するために、比較的長い直線的なディフューザを提供するのが一般的である。これは、ディフューザを支持し、かつロータ荷重を地面に伝達するために、いわゆるホットストラット（すなわち、高温排ガスの流路に位置決めされた構造的な部材）の使用を必要としていた。ディフューザ内、および排ガスの主流路におけるストラットのこのような配置は、圧力損失の原因となり、かつガス流に乱流を誘発する。熱に関する懸念を解決する場合、付加的な性能の懸念および設計の複雑さが生じる。すなわち、その設計は多くの場合、ストラットの周囲に冷却空気およびシールドの提供を必要とし、これにより、これらの構成部材の温度または著しくよりコストのかかる材料の使用を制限する。作動温度は、後方のロータ軸受（すなわち、タービンブレードセクションの下流に位置決めされている）をも高レベルの熱に曝し、この熱は、ストラットまたは下流に配置されたストラットの付加的なセットにおけるポートを通じて噴射された冷却空気によって打ち消されていた。冷却空気の量は、ガス流の許容できない妨害を生じることなく流路に配置することができるストラットの数によって制限される。構成部材を十分に冷却することができないと、ロータの偏心、き裂または構造的な故障をも生じる可能性がある。

流体力学におけるその他の懸念も従来の設計から生じる。例えば、高温ガスがブレードセクションからＨＲＳＧへ移動するときの環状の流れから円形の流れへの移行は、ダンプタイプディフューザセクションを必要とする。非効率をもたらす他、このセクションには、望ましくない流れ成分を除去しかつＨＲＳＧ内への均一な流れを保証するために極めて長いディフューザが続かなければならない。幾つかのディフューザ設計は、ダンプタイプディフューザに達する前に流速が極めて低速になるように、極めて長いセンターボディを有する。これは損失を低減するが、振動、付加される材料による増大したコスト、および高温ガス流路に付加的な支持ストラットを配置する必要性を含む、その他の問題を生じる。

既存の設計構成のさらに別の特徴は、ベース負荷でブレードセクションから出る排ガスにおけるスワールを軽減または実質的に排除する必要性である。ベース負荷でスワールを低減するように設計されたシステムは、部分負荷においてスワールを有しており、このスワールは、非効率性、流れにおける不安定性、およびＨＲＳＧにおいて部品を故障させ得る問題を生じる。一般的に、スワールの減少、およびその他の要求を課すことは、ガスタービンエンジンの性能に不利に影響し、メンテナンスおよびコストに影響する複雑さをもたらす。例えば、後方ロータ軸受が流路に位置決めされていると、熱の効果をより受けやすく、より多くのメンテナンスを必要とする。さらに、長いディフューザの必要性は、メンテナンスのために後方ロータ軸受にアクセスすることをより困難にする。

これらの欠点を排除する代替的な設計を見いだすことが望ましい。さもなければ、これらのエンジンの排気システムにおける性能を高める努力が、良くても困難になるであろう。

図面の簡単な説明
以下の説明では、本発明を図面に関連して説明する。

本発明を取り入れた発電システムにおけるガスタービンエンジンおよびその他の構成部材を示す概略図である。図１のガスタービンエンジンおよび関連する排気拡散管路の特徴を示す、ロータ軸線に沿って見た図である。中央移行部分および渦巻形部分を有するボリュートの形式の排気拡散管路の１つのセクションを示す、ロータ軸線の方向で見た横断面図を示している。図１に示したＨＲＳＧに関連する排気拡散管路の立面図である。能動的なブレード間隙制御システムの一部を概略的に示す図である。ブレード間隙制御システムのロータ調節サブシステムを概略的に示している。図２に示したエンジンのタービンセクションにおいて典型的なブレードの列の周囲に位置決めされた一連の間隙センサを示す軸方向の図である。本発明によるプラントレイアウトを示す平面図である。本発明によるプラントレイアウトを示す平面図である。

同じ構成部材を示すために複数の図面を通じて同じ符号が用いられている。複数の構成部材が概略的に示されており、本発明の特徴を強調するために、明白な性質の様々な詳細、接続および構成部材は示されていないことが理解される。図示された様々な特徴は、発明の特徴を強調するために実寸では示されていない。

発明の詳細な説明
本発明の実施の形態による典型的な方法、システムおよび構成部材を詳細に説明する前に、本発明は主に、構成部材およびプロセスステップの新規で自明でない組合せにあるということに留意されたい。当業者にとって容易に明らかな詳細によって開示を不明瞭にしないように、幾つかの従来の構成部材およびステップは省略されているかまたはより大まかに提示されているのに対し、図面および明細書は、本発明を理解することに関係する要素およびステップをより詳細に示している。さらに、以下の実施の形態は、本発明による構造または方法に関して制限を規定するのではなく、強制的ではなく許容的で、かつ排他的ではなく例示的である特徴を含む例を提供している。

図１を参照すると、本発明の原理を取り入れた典型的な石炭ガス化複合サイクル（Integrated Gasification Combined Cycle，ＩＧＣＣ）発電システム１０が示されている。本発明は、ＩＧＣＣに関連して説明されるが、その概念は、一般的にはコンバインドサイクルシステム、およびガスタービンエンジンを利用するシングルサイクルシステムを含む多くの発電システム用途に適用可能である。システム１０は、ガスタービンエンジン１、排熱回収ボイラ（“ＨＲＳＧ”）、蒸気タービン３および凝縮器４を含む多くの公知の構成部材を有する。ガスタービンエンジン１は、圧縮機６と、ロータ８に接続されたタービンブレードセクション７と、燃焼器９とを有する。ロータ８は、動力を圧縮機６および発電機２４に伝達するようにブレードセクションを接続している。燃焼器は、この実施の形態ではガス化システム１２であるソースから燃料を受け取る。

ＨＲＳＧ２は、過熱器１３、蒸発器１４、蒸気ドラム１８およびエコノマイザ１６を有する。蒸気タービン３は、ケーシング３３内で回転して流路を形成するように取り付けられたロータ３８を有し、蒸気は、複数の回転するブレード３４と固定のベーン３７とを横切って移動し、動力を伝達する。

作動中、圧縮機６は周囲空気４０を引き込み、加熱および圧縮された空気のソースを提供し、この空気は燃焼器９へ送られ、気体燃料４２（例えば、ガス化システム１２から受け取られた合成ガス）と反応する。反応の際に発生された高温の圧縮ガス４４は、排気流路４５に沿ってタービンブレードセクション７へ送られ、タービンブレードセクション７において膨張し、ロータ８に機械的動力を発生させ、ロータ８は圧縮機および発電機２４を駆動する。次いで、膨張したガス４６はタービンブレードセクション７から排出され、流路４５を辿って管路４８を通過する。管路４８は、膨張した排ガス４６をＨＲＳＧ２へも送りながら、拡散セクションとして機能する。ＨＲＳＧにおいて、ガス４６は、過熱器１３、蒸発器１４およびエコノマイザ１６を次々に流れる。膨張したガスの一部４７は、ガス化システムの高温熱交換器などのその他の構成部材へ送られてもよい。ＨＲＳＧ２を通って流れた後、冷却された膨張したガス４６は次いで、鉛直の排気煙突１９を介して大気中へ放出される。ＨＲＳＧ２において、膨張したガス４６は、その熱のかなりの部分を給水に移転させ、ガスを冷却し、給水を蒸気へ変化させる。

ガスタービン１によって排出された膨張したガス４６に加え、ＨＲＳＧ２は、ポンプ２０によって加圧された、凝縮器４からの給水５０の流れを受け取る。給水はまず、エコノマイザ１６の伝熱管を通って流れ、伝熱管において給水の熱は飽和温度近くまで上昇させられる。エコノマイザ１６からの加熱された給水は次いで、蒸気ドラム１８へ送られる。蒸気ドラム１８から、水は、蒸発器１４の伝熱管を通って循環させられ、蒸発器１４は給水を飽和した蒸気５２に変換する。飽和した蒸気５２は、次いで、過熱器１３へ送られ、過熱器１３において蒸気温度は過熱域まで上昇させられ、次いで、蒸気室２２へ提供され、蒸気室２２は蒸気を蒸気タービン３の入口へ分配する。

蒸気タービン３内で、蒸気５４は、ケーシング３３を通って、回転するブレード３４および固定のベーン３７の複数の列にわたって流れる。図１にはその幾つかの列のみが示されている。この移動において、蒸気５４は膨張し、軸動力を発生する。軸動力はロータ３８を駆動し、ロータ３８自体は第２の発電機２６を駆動する。代替的に、蒸気タービンロータ３８は、１つの発電機を駆動するようにガスタービンロータ８に沿って一体的に形成することができる。蒸気タービン３から排出された膨張した蒸気５８は、凝縮器４へ送られ、最終的にＨＲＳＧ２へ戻される。膨張した蒸気５８の一部分５９が、ガス化システム１２における低温熱交換器へ逸らされてもよい。

図２は、典型的なタービンセクションおよび排気管路の詳細を示す、水平の基面Ｇ上に位置決めされたガスタービンエンジン１の部分的な破断図である。タービンブレードセクション７は、固定のブレードおよび回転可能なブレードの４つの列７₁，７₂，７₃，７₄を有しており、列７₄は最後の最も下流の列である。ブレード列を通る排ガス４６の移動は、流路４５に沿った軸方向移動に加えて、スワール（すなわち、ロータの周囲でのガスの回転運動）を生じる。従来、タービンセクションは、静圧を回収するためにガスがディフューザセクションに流入する前に回転成分を除去する。例えば、ブレードセクションの最終列における翼形状は、通常、排ガス４６がブレードセクションから出る前または出る時にスワールを低減または排除するように設計されている。スワールのこの除去は、従来の排気のディフューザセクションに実質的に軸方向の流れを提供していた。本発明の実施の形態は、部分的にタービンセクション７が、スワールを軽減するように設計された特徴を有さないことにより、この配列と異なる。特に、最後のブレード列、例えばブレード列７₄も、他のブレード列のいずれも、それらを通る排ガスの移動により生じるスワールを除去するように設計されていない。

ブレードセクション７および排気管路４８は、スワール角、すなわちガス流の周方向速度ベクトルと軸方向速度ベクトルとの間の角度を排除または最小限に減じることにより生じる損失を受けることなく静圧を回収するように設計されている。本明細書で使用される場合、周方向という用語は、例えば外側境界またはその他の周縁に対応する選択された円周に沿っていることを意味する。周縁は、回転するブレードの先端部によって、または、タービンケーシング、例えばブレードシュラウドに沿った表面の内径によって規定された経路であってもよい。最小周速は、スワール角と呼ばれる排ガスの軸方向流速に対して表されてもよい速度である。システム１０の典型的な最小スワール角は３０°である。

図２および図３を参照すると、ブレードセクション７とＨＲＳＧ２との間の流路の一部を規定する管路４８は、排ガス４６の回転する成分を、比較的短いディフューザセクション７４内へ受け取る。ディフューザセクション７４は、ブレードセクション７を、ボリュートの形式の管路４８のセクション８０に接続している。ボリュートは、（ｉ）中央移行部分８０ｔであって、この中央移行部分８０ｔ内へロータ８が延びており、高温の排ガスを受け取る中央移行部分８０ｔと、（ｉｉ）渦巻形部分８０ｓと、を有する。ロータ８の回転軸線である軸線Ａの方向に見た図３の横断面図を参照されたい。

ディフューザセクション７４は、ロータ８の周囲に軸方向に、管路４８のセクション８０の中央移行部分８０ｔ内へ延びた半径方向内壁７４ｉを有する。内壁７４ｉは、高温の排ガス４６をロータ、およびロータ軸受などの関連する構成部材から隔離している。ディフューザセクション７４の半径方向外壁７４ｏは、エンジンケーシング７６の内側に沿って、ロータから離れる方向へ延びており、ディフューザセクション７４に円錐台形を与えている。有利な特徴は、流路４５の渦巻形セグメントが、ブレードセクション７から出る流れの方向と直交する平面において渦巻形部分８０ｓに沿って延びているということである。図４を参照されたい。ブレードセクション７が最小スワール速度、例えば３０度を生じることにより、セクション８０は、静圧を最適に回収するようにスワールの周速を受け取るように適合させられている。タービンセクション７から出た後、膨張した排ガス４６のスワール角は、最小限の妨害でセクション８０の渦巻形部分８０ｓ内へ継続する。

ボリュートの形式のセクション８０の１つの実施の形態は、図３に示されたスクロール形状のダクトセクションである。このセクション８０の渦巻形部分８０ｓ内のらせん形流路４５の部分は、軸線Ａと一致するセクション８０の中心軸線から離れる方向に延びている。渦巻形セクション８０ｓによって規定された経路４５の部分の横断面の面積は、経路がこの軸線から外方へ向かって渦形を描くにしたがって増大している。例えば、開口８２の近くの第１の位置Ｐ１における渦巻形部分８０ｓの横断面の面積は、図４に示す円錐形ディフューザ８１へ渦巻形部分８０ｓが移行している所の近くの第２の位置Ｐにおける経路４５の横断面の面積よりも小さい。

セクション８０は、２つの同心状の内側および外側の環状の体積８４ｉ，８４ｏとして形成された、軸線Ａを中心とする中央開口８２を有する。ロータ８および関連する機械的な構成部材は内側の体積８４ｉ内へ延びているのに対し、外側の体積８４ｏは、ディフューザセクション７４から渦巻形部分８０ｓ内への高温排ガス４６の移行を提供するように流路４５に位置決めされており、渦巻形部分８０ｓに沿って流路４５がセクション８０内で延びている。ディフューザセクション７４の内壁７４ｉは渦巻形部分８０内へ延びており、これにより、内側の体積８４ｉ内に位置決めされた機械的な構成部材を、外側の体積８４ｏを通って流れる高温排ガス４６から隔離している。図３の軸方向の図は、セクション８０の渦巻形部分８０ｓに沿った流路の部分に対する、内側および外側の体積８４ｉ，８４ｏの関係を示している。環状の外側体積８４ｏは、実線セグメントと破線との組合せによって形成された円形によって図に示されており、破線は、外側の体積８４ｏがセクション８０の渦巻形部分８０ｓへ開放していることを示している。

再び図２を参照すると、ロータ８の後方、すなわち下流の端部８６ａは、低温軸受８８に支持されて示されている。ロータ端部８６ａおよび軸受８８の双方は、流路４５の外側に位置決めされており、例えば、内側体積８４ｉ内に位置決めされており、ディフューザセクション内壁７４ｉが軸受およびロータ端部を流路から隔離している。図示していないが、ロータ端部８６ａおよび軸受８８はさらに、絶縁材料によって高温流路から隔離されているか、またはストラットまたは下流のストラットの第２のセットを介して流入する冷却空気を受け取ってもよい。

エンジン１の関連する荷重は、基面から鉛直方向上方へ延びるポスト９０によって支持されている。ポスト９０と一体に形成されてもよい軸受ハウジング９２は、軸受８８およびロータ端部８６ａを閉じ込める収容部を提供するようにポストから水平方向に延びている。従来の設計とは対照的に、ポスト９０、軸受ハウジング９２、軸受８８およびロータ後方端部８６ａは全て流路４５の外側に位置決めされており、これらの構成部材の全ておよびストラットをエンジンケーシング７６内で高温排ガス流の通路に位置決めするのではない。流路の外側にこの構造を位置決めすることにより、高温ストラットおよび軸受を維持するための設計的特徴は、低減または排除される。

エンジン１の作動中、環状の外側体積８４ｏは、渦巻形部分８０ｓ内へ通じる、流路における移行セグメントとして機能する。これは、渦巻形部分８０ｓ内への排ガス４６の妨害の少ない移動を促進し、渦巻形部分８０ｓに沿って流路４５がセクション８０内で延びている。ガスが渦巻形部分８０ｓを通って排気煙突１９に向かって流れるとき、排ガス４６の周方向速度成分の中断されない継続が存在する。

本発明の別の実施の形態によれば、図５および図６は、軸受が高温空気によって包囲されず、かつ排ガス４６から軸受へ熱が転移させられたときに生じる高温環境に曝されないように、図２に概略的に示したように、有利には流路の外側にかつ流路から離れて軸受８８、後方ロータ端部８６ａ、軸受ハウジング９２およびエンジン支持ポスト９０を位置決めすることに基づく、閉ループアクティブブレード間隙制御システム１００を示している。例示した実施の形態では、軸受８８の少なくとも後方部分は、管路が流路を包囲する代わりに、包囲する大気および比較的低温の空気へ開放している。この構成は、軸受８８への比較的低温のオイルの供給、およびハウジング９２への周囲空気の提供を単純化する。例えば、図２は、ポート８７，８９の対を示している。オイルライン（図示せず）は、オイルをポート８７のうちの１つを通じて軸受８８へ搬送し、別の１つのポート８７を通じて排出することができる。別のポート８９は、冷却を容易にするために、軸受ハウジング９２内へのおよび軸受ハウジング９２外への周囲空気の受動的または能動的な流れを可能にすることができる。

図６は、軸受ハウジング９２内へのブレード間隙制御システム１００のロータ調節サブシステム１００ａの組込みを示すための、ロータ端部８６ａおよび軸受８８の端面図を提供している。少なくとも２つの自由度を有するＵ字形の可動プレート１０４は、軸受ハウジング９２と軸受８８との間に配置されている。図示したように、軸受の曲率半径と一致する曲率半径を有するプレート１０４は、ロータ軸受８８に対して固定されていてもよく、これにより、軸受ハウジング９２に対するプレートの移動は、ハウジング９２に対する軸受８８およびロータ８の双方の移動を生じる。プレートは、ロータ軸受８８に堅く接続されており、軸受ハウジング内での位置決めを変化させるために軸受ハウジングに可動に接続されている。プレート１０４が２つの自由度を有することにより、平面、例えばロータ軸線に直交する平面においてロータ８をあらゆる方向に移動させるようにプレートに力を加えることができる。各方向での移動は、電気アクチュエータまたは液圧式アクチュエータによって行われてよい。例えば、基面Ｇに対して平行な水平軸線に沿って、２つの水平方向液圧式アクチュエータ１０６，１０８がプレート１０４の互いに反対側に位置決めされてもよく、これにより、それぞれがプレートを水平軸線に沿って２つの反対方向のうちの一方へ移動させてもよい。プレート１０４の下方に位置決めされた第３の液圧式アクチュエータ１１０は、プレートを（例えば基面に対して鉛直方向に沿って）持ち上げることができ、または基面に向かってプレートの制御された下降を可能にすることができる。軸受８８の外面に合致する曲率半径を有するＵ字形を有するように示されているが、プレート１０４は、平坦であるかまたは別の形状であってもよく、軸受８８に固定されていてもよい。

図５も参照すると、ロータ８を上流軸方向へ移動させるために、第４のアクチュエータ１１２が後方ロータ端部８６ａに対して位置決めされている。同様に、第５のアクチュエータ１１４は、ロータを下流軸方向へ移動させるためにロータ８の前方、すなわち上流端部８６ｆに対して位置決めされている。単純に示すために、軸受ハウジングと、前方ロータ端部８６ｆが位置する軸受とは、図５には示されていない。

システム１００は、複数の間隙センサ１１８を有する。１つの実施の形態では、ブレード先端部とシュラウドとの間の間隙を測定するために、センサのセットが、複数のブレード列（例えば、列７₁および７₂）のそれぞれに沿って配置されている。１つのこのような列７₁のために図７に概略的に示したように、その列におけるブレード先端部１２８とシュラウド１２２との間の間隙１２６を測定するために、４つの間隙センサ１１８が、シュラウド１２２に沿って９０度離れて取り付けられている。付加的なセンサが圧縮機段に沿って位置決めされてもよい。センサ１１８は、キャパシタベースのブレード先端部間隙測定または光学式ブレード先端部間隙測定などの公知の技術を採用してもよい。

システム１００は、さらに、制御装置１３０を有する。制御装置１３０は、複数のセンサ１１８のそれぞれからのデータライン１３２またはＲＦ伝送を介して、センサ１１８から間隙情報を受け取る。間隙を求め、いずれかの間隙を調節するかどうかを判定するための判断基準を適用するために、制御装置は、圧縮機段を監視するセンサを含む全てのセンサからのデータを周期的に処理する。調節は、制御装置がフィードバックループを提供することによって行われる。フィードバックループは、判断基準が満たされたことが間隙の判定によって確認されるまで、調節信号を１つまたは複数のアクチュエータへ送信する。

流れを方向転換するための中央移行部分に続いて、ディフューザとして機能する（例えば、ボリュートの形式の）拡開した渦巻形ダクトを有する管路を採用することにより、高温ガス流を、ブレードセクションから出る軸方向流れに対して９０度回転、すなわち方向転換させることができる。この配列により、支持構造を高温排ガスの流路に配置する必要がない。これは、流れの妨害および冷却の必要性を排除する。これは、多くの構成部材の寿命を延ばし、運転効率を高める。

渦巻形ダクトの中央領域にまたはダクトを超えて軸受を位置決めすることにより（例えば、渦巻形ダクトが軸受とブレードセクションとの間に位置決めされることにより）、軸受は、完全にかつより容易にアクセス可能であり、メンテナンスコストを減じる。また、冷却空気が後方軸受を維持するために有益である限り、これは、ガスタービン性能に不利に影響することなく構成部材に直接に提供することができる。流路４５からストラットを排除することにより、ストラットによる大きな損失が排除されるので、部分負荷におけるエンジンの性能が高められる。

高温ガス流を９０度回転させることができる渦巻形ダクトを使用することによって生じる別の特徴は、単純サイクルおよびコンバインドサイクル発電システムの双方に関する。単純サイクルシステムでは、渦巻形ダクトからの出口は、排気煙突と効率的に一体化することができ、これにより、プラント設置面積の全体的なサイズおよび材料コストを減じる。コンバインドサイクル発電システムでは、渦巻形ダクトは、図４に示されたようなＨＲＳＧへ流れを接続するディフューザと一体化することができる。すなわち、ボリュートの形式の渦巻形ダクトの使用は、ブレードセクションから出た環状の流れを均一な管流に変換するための効率的な方法を提供し、これにより、システム損失を低減し、ダンプタイプディフューザによって提供されるような急激な移行から生じる移行の不安定性を最小限に減じる。本発明による設計は、タービンセクションにおいて発生した高レベルの出口スワールを保持し、これにより、改良されたタービン設計を可能にし、その結果、運転効率が高められる。

ＨＲＳＧに進入する前に高温ガス流を９０度回転させることができる渦巻形ダクトを採用することによって生じるさらに別の特徴は、コンバインドサイクル発電システムのレイアウト面積をよりコンパクトにすることができるということである。コンバインドサイクル発電システムの従来のレイアウトでは、燃焼器、ブレードセクション、ディフューザ段およびＨＲＳＧは、全てロータ軸線と整列させられている。図４の立面図に示したように、本発明は、排気拡散管路、例えばディフューザ８１が、ロータ８が回転する軸線Ａに対して垂直な方向に延びることを可能にする。この配列により、ＨＲＳＧ２は、軸線Ａに対して垂直な方向に移動する高温排ガス４６を受け取るように位置決めすることができ、ＨＲＳＧは、もはやロータ軸線Ａと同軸に整列させられる必要がない。

図８に示した実施の形態では、渦巻形セクション８０ｓは、１つの平面に沿って、軸線Ａに対して垂直な方向に軸線Ａから離れるように延びており、ディフューザ８１は、排ガス４６がＨＲＳＧ２に達するための経路を完成させている。また、図３に示したように、例えば渦巻形セクションによってらせん形流路を挿入することによって、スワールを有する排ガスは、軸線Ａに対して垂直な１つの平面に沿った経路において移動する必要はない。むしろ、渦巻形セクション８０ｓおよびディフューザ８１は、軸線Ａに対して垂直な平面に制限されない湾曲した経路を辿るように変更することができる。これは、軸線Ａに対して９０度以外の角度でのＨＲＳＧ２の配置を可能にする。例えば、渦巻形セクション８０ｓは、軸線Ａに対して垂直な平面から外れるように曲がっていてもよいし、ディフューザは、排ガスが湾曲した経路に沿って移動するように曲げ部を有していてもよく、これは、軸線Ａに対して９０度ではなく任意の位置にＨＲＳＧを配置することを可能にする。

図８Ａは、ディフューザが排ガス４６を軸線Ａに対して垂直な方向に搬送する１つの実施の形態を示している。この「Ｌ字形」レイアウト構成は、プラント機器専用の土地面積を減じる形式で、それぞれがガスタービンエンジン１、ＨＲＳＧ２および蒸気タービン３を含む複数のコンバインドサイクルシステム１４０の集合化を可能にする。例えば、図８Ｂに示す単純化された概略的な配列を参照すると、２つのコンバインドサイクルシステム１４０ａ，１４０ｂが、他方の軸線Ａに対して平行なロータ軸線Ａをそれぞれが有する矩形パターン１４４で位置決めされている。さらに、各システムは、各軸線Ａに対して垂直な方向に延びるディフューザ８１を有しており、これにより、２つのＨＲＳＧが対角方向で互いに反対側に位置する一方、２つのガスタービンエンジン１（それぞれがタービンブレードセクション７を含む）も対角方向で互いに反対側に位置している。

コンバインドサイクルシステム１４０ａ，１４０ｂの対によって包囲された矩形パターン１４４の中央セクション１４８は、例えばボイラ、ポンプおよび冷却オイルのリザーバ、タービンエンジン１およびＨＲＳＧ２の近くの空気供給部を含む、運転サポート機器を統合するために使用される。

一連の実施の形態によれば、ガスタービンエンジンが、燃焼器と、ブレードセクションと、軸受に支持された第１の端部を有するロータとを備える、発電システムが記載されている。ブレードセクションは、ロータを回転させるために燃焼器から流路に沿って移動する高温排ガスを受け取るための、複数列の固定および回転可能なブレードを有する。ブレードセクションは、軸方向速度成分と、ブレードセクションの下流の流路の一部を区切る円周に沿った第１の周方向の回転速度成分とを、排ガスに付与する。ブレードセクションは、少なくとも３０度の円周に沿って周速と軸方向速度との間に最小限のスワール角を提供するように設計されている。スワール角は、最小で３５度または最小で４０度であってもよい。煙突は、ブレードセクションから流路に沿って移動する排ガスを受け取るように位置決めされている。煙突は、基面の上方に鉛直方向に排気を排出するように向けられている。管路の１つのセクションは、（ｉ）中央移行部分であって、この中央移行部分内へロータが延びている、高温排ガスを受け取る中央移行部分と、（ｉｉ）中央部分から離れるように高温排ガスを搬送するための流路のらせん形セクションを提供するように中央部分から外方へ延びたらせん形流れセクションを含む渦巻形部分と、を有する。らせん形流れセクションに沿った流路の一部は、流れセクションに沿った位置に関して増大する横断面積を有する。

燃焼器と、ロータと、複数の固定ブレードおよび回転可能なブレードと、排気管路の１つのセクションとを備える発電システムの１つの実施の形態も説明されている。固定ブレードおよび回転可能なブレードは、燃焼器から排ガスを受け取り、ブレードから離れるように第１の流れ方向に関して軸方向速度成分をガスに付与するように、ロータの周囲に位置決めされている。管路のセクションは、中央移行部分および渦巻形部分を有する。ロータは、中央移行部分内へ延びている。中央移行部分は、ブレードセクションから流れる高温排ガスを受け取るように位置決めされている。渦巻形部分は、流路のらせん形セクションを提供するように中央部分から外方へ延びた、らせん形流れセクションを有する。これは、中央部分から離れるように高温排ガスを搬送する。らせん形流れセクションに沿った流路の一部分は、流れセクションに沿った位置に関して増大する横断面積を有する。渦巻形部分は、流れの第１の方向と直交する方向に排気を方向転換するように位置決めされている。複数のブレードと、管路の中央移行部分との間にディフューザが位置決めされてもよい。管路の渦巻形部分とＨＲＳＧとの間にディフューザが配置されてもよい。

ガスタービンエンジンを備える発電システムの性能を高めるための関連する方法の１つの実施の形態によれば、流路に沿ってエンジンのブレードセクションから出た排ガスに、３０度の最小スワール角が付与される。中央移行部分および渦巻形部分を有する管路のセクションが設けられている。ロータは、中央移行部分内へ延びている。中央移行部分は、高温排ガスをも受け取る。渦巻形部分は、ロータ軸線から外方へ延びた、らせん形流れセクションを有する。管路のこのセクションは、流路にらせん形セクションを提供し、これにより、高温排ガスを中央移行部分から離れるように、ロータ軸線に直交する方向へ案内するように位置決めされている。

別の一連の実施の形態によれば、ガスタービンエンジンは、回転構成部材と固定構成部材との間の間隙を調節する制御システムを備える。エンジンは、軸線を中心に回転するように位置決めされたロータと、タービンブレードセクションと、軸受ハウジングとを有する。タービンブレードセクションは、ロータの周囲に位置決めされた固定ブレードおよび回転可能ブレードの複数の列を有しており、流路に沿って移動する排ガスを受け取り、ロータを回転させる。ロータは、流路を超えて延びた後方端部を有する。軸受ハウジングは、流路の外側に位置決めされている。軸受は、ハウジングにおいて、流路の外側に位置決めされており、ロータの後方端部は軸受に支持されている。ポストは、流路の外側に位置決めされており、軸受ハウジングと、後方ロータ端部と、エンジンのその他の構成部材とを支持している。調節システムは、流路の外側に位置決めされていて、少なくとも２つの自由度を提供しており、これにより、後方ロータ端部の位置決めを変化させ、ひいては、回転可能なブレード先端部と固定構成部材との間の間隙を変化させる。

さらに別の一連の実施の形態によれば、燃焼器と、ブレードセクションと、軸受と、中心軸線に沿って延びたロータとを備えるガスタービンエンジンを含む発電システムにおいて使用するための、間隙調節システムが説明されている。ロータは、軸受に支持された第１の端部を有しており、ブレードセクションは、ロータの周囲に位置決めされた固定ブレードおよび回転可能ブレードの複数の列を有しており、タービン燃焼器から流路に沿って移動する排ガスを受け取る。流路は、排ガスの流れを所定の境界内に閉じ込める。間隙調節システムは、軸受およびロータの第１の端部を支持するために流路の境界の外側に位置決めされた構造物を有する。調節可能プレートは、ロータの第１の端部と支持構造との間において、流路の境界の外側に位置決めされている。プレートはロータに機械的に接続されており、このプレートの移動が、回転可能ブレードの先端部と、ブレードセクションにおける１つまたは複数の固定構成部材との間の間隙を変化させる。

発明は、例としての実施の形態に関して説明されているが、様々な他の形式で適用されてもよい。発明から逸脱することなく、多くの均等物、代替例および変更例が明らかになるであろう。本発明の様々な実施の形態が本明細書中で図示および説明されているが、これらは単に例として提供されている。本明細書における本発明から逸脱することなく、多数の改変、変更および代用がなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されることが意図されている。

Claims

水平の基面に沿って位置決めされた発電システムであって、
燃焼器と、
ロータと、
ブレードセクションであって、固定のブレードおよび回転可能なブレードの複数の列を有し、前記ブレードは、前記燃焼器から排ガスを受け取り、かつガスに前記ブレードから離れる第１の流れ方向に関して軸方向速度成分を付与するように、前記ロータの周囲に位置決めされている、ブレードセクションと、
管路の１つのセクションであって、該セクションは、（ｉ）中央移行部分であって、該中央移行部分内に前記ロータが延びており、かつ高温の排ガスを受け取るように位置決めされている、中央移行部分と、（ｉｉ）前記高温の排ガスを中央部分から離れるように案内するように流路のらせん形セクションを提供するように前記中央部分から外方へ延びたらせん形流れセクションを有する渦巻形部分と、を有し、前記らせん形流れセクションに沿った前記流路の一部は、前記流れセクションに沿った位置に関して増大する横断面積を有し、前記渦巻形部分は、前記第１の流れ方向と直交する方向に排気を方向転換するように位置決めされている、管路の１つのセクションと、
を備えることを特徴とする発電システム。
前記管路の前記渦巻形部分は、複数のブレードとＨＲＳＧとの間に流路を提供するように位置決めされている、請求項１記載のシステム。
前記複数のブレードと前記管路の前記中央移行部分との間にディフューザが位置決めされている、請求項２記載のシステム。
前記管路の前記渦巻形部分と前記ＨＲＳＧとの間にディフューザが位置決めされている、請求項２記載のシステム。
前記ロータは、前記基面の上方において軸受に支持された第１の端部を有し、前記ブレードセクションは、
（ｉ）前記燃焼器から流路に沿って移動する高温の排ガスを受け取り、前記ロータを回転させるように、該ロータの周囲に位置決めされており、
（ｉｉ）前記排ガスの流れに、軸方向速度成分と、前記ブレードセクションの下流の流路の一部を仕切る円周に沿った第１の周方向の回転速度成分と、を付与するように構成されており、
（ｉｉｉ）少なくとも３０度の円周に沿って、周速と、軸方向速度との間に最小スワール角を提供するように設計されており、
前記システムは、前記流路に沿って前記ブレードセクションから移動する排気を受け取るように接続された排気煙突であって、受け取った排気を前記基面の上方に鉛直方向に放出するように向けられた排気煙突をさらに備える、請求項１記載の発電システム。
増大する横断面積を有する前記流れセクションの部分は、流れる排ガスの拡散を提供し、ガスが経路に沿って流れる速度を低下させる、請求項５記載のシステム。
前記ブレードの列のいずれも、前記スワール角を減じるための特徴を有さない、請求項５記載のシステム。
前記らせん形の流路は、前記排ガスが前記ブレードセクションから出る時の回転速度成分の方向と一致する第１の周方向に渦を描いている、請求項５記載のシステム。
前記ロータは、ボリュート内へまたはボリュートを通って延びている、請求項５記載のシステム。
支持体をさらに備え、前記ロータの第１の端部が支持されている軸受は、前記支持体に取り付けられており、前記軸受および前記支持体は両方とも前記流路の外側に位置決めされている、請求項５記載のシステム。
前記らせん形流れセクションは、前記軸受と前記ブレードセクションとの間に位置決めされたボリュートである、請求項９記載のシステム。
前記ロータの前記第１の端部は、前記ボリュート内へ延びている、請求項５記載のシステム。
前記軸受、および前記ロータの前記第１の端部が支持されている前記ロータの前記第１の端部のための支持体をさらに備え、前記軸受および前記支持体は両方とも前記流路の外側に位置決めされている、請求項１２記載のシステム。
前記ボリュートは、前記軸受と前記ブレードセクションとの間に位置決めされている、請求項１３記載のシステム。
前記ブレードセクションと前記ボリュートとの間に位置決めされたディフューザをさらに備える、請求項５記載のシステム。
前記発電システムは、蒸気タービンと、ボリュートから排ガスの流れを受け取るように接続された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）とを含むコンバインドサイクル発電システムであり、該システムは、前記ボリュートと前記ＨＲＳＧとの間に位置決めされた円錐形のディフューザをさらに備える、請求項５記載のシステム。
前記ブレードセクションは、少なくとも３５度の円周に沿って周速と軸方向速度との間に最小限のスワール角を提供するように設計されている、請求項５記載の発電システム。
前記ブレードセクションは、少なくとも４０度の円周に沿って周速と軸方向速度との間に最小限のスワール角を提供するように設計されている、請求項５記載の発電システム。
ＨＲＳＧと、前記管路の前記渦巻形部分と前記ＨＲＳＧとの間に位置決めされたディフューザとをさらに備える、請求項５記載のシステム。
水平の軸線と整合したロータを有するガスタービンエンジンを備える発電システムの性能を高める方法であって、
流路に沿ってエンジンのブレードセクションから出た排ガスに対して３０度の最小スワール角を付与し、
管路の１つのセクションであって、該セクションは、（ｉ）中央移行部分であって、該中央移行部分内へ前記ロータが延びている、高温の排ガスを受け取るための中央移行部分と、（ｉｉ）ロータ軸線から外方へ延びたらせん形流れセクションを含む渦巻形部分と、を有する管路の１つのセクションを提供し、
前記ロータ軸線に直交する方向へ中央部分から離れるように前記高温の排ガスを搬送するように前記流路にらせん形セクションを提供するように、前記管路のセクションを位置決めすることを含む、発電システムの性能を高める方法。
らせん形流れセクションに沿った流路の一部は、流れセクションに沿った位置に関して増大する横断面積を有するように形成されている、請求項２０記載の方法。
発電システムであって、第１および第２のコンバインドサイクル発電サブシステムを備え、各コンバインドサイクル発電サブシステムは、ロータ軸線に沿って延びたガスタービンエンジンと、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、蒸気タービンと、排ガスをＨＲＳＧへ搬送するように位置決めされた管路とを有し、該管路は、前記ロータ軸線に対して垂直な、前記ロータ軸線から離れる方向に沿って延びた渦巻形セクション８０ｓを有し、前記排ガスを前記ＨＲＳＧへ搬送するために前記ロータ軸線に対して垂直な方向にディフューザが延びており、垂直の関係の結果、各コンバインドサイクル発電サブシステムはＬ字形レイアウト構成で配置されており、これにより、前記発電システムは、矩形のパターンを形成するように集合させられた２つのＬ字形レイアウト構成を有し、前記矩形のパターンにおいて２つのコンバインドサイクルシステムは、それぞれのロータ軸線が他方に対して平行になるように位置決めされており、各ディフューザは、各軸線に対して垂直な方向に延びており、前記ガスタービンエンジンは、対角で互いに反対側の、前記矩形のパターンにおける位置を占めており、これにより、ＨＲＳＧもまた、対角で互いに反対側の、前記矩形のパターンにおける位置を占めていることを特徴とする、発電システム。
前記矩形のパターンの中央セクションに位置決めされ、かつコンバインドサイクルサブシステムの対によって包囲された作動サポート機器をさらに備える、請求項２２記載のシステム。
前記中央セクションに位置決めされた前記作動サポート機器は、ボイラ、ポンプ、冷却オイルのリザーバおよび空気供給部から成るグループから選択された１つまたは複数のタイプの機器を含む、請求項２３記載のシステム。