JP2017524855A - ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービンシステムに関し、このガスタービンシステムは、管状燃焼室を有する燃焼器装置と、タービンと、燃焼室とタービンとを接続する移行ダクト（７）と、を備え、移行ダクト（７）には、軸方向に延在する冷却空気チャネル（１１）が設けられており、大部分の冷却空気チャネル（１１）には、移行ダクト（７）の外側に開口した１つの単一入口と、移行ダクト（７）の内側に開口した１つの単一出口と、が設けられている。

Description

本発明は、管状燃焼室を有する燃焼器装置と、タービンと、燃焼室とタービンとを接続する移行ダクトと、を備え、移行ダクトには軸方向に延在する冷却空気チャネルが設けられている、ガスタービンシステムに関する。

上述したような種類のガスタービンシステムは、従来から公知である。動作中において、環境空気を圧縮して燃焼器装置に向けて方向付ける。燃焼器装置の内側において、圧縮空気を燃料と混合し、形成された燃料空気混合物を燃焼室内で発火させ、高温燃焼ガスを発生させ、この高温燃焼ガスを移行ダクトを介してタービンに向けて方向付ける。タービンは、高温燃焼ガスから回転エネルギーを抽出して発電機のような負荷を駆動させる。

動作温度が増加すると、ガスタービンシステムの耐用年数を制限することに抗するために、ガスタービンシステムの構成部材を冷却する必要がしばしばある。これに関して、冷却空気チャネルを有する移行ダクトを設けることが公知であり、この冷却空気チャネルは、移行ダクトのほぼ全長にわたって軸方向に延在し、複数の入口及び複数の出口を有する。本明細書において使用するように、用語「軸方向の」及び「軸方向に」は、移行ダクトの長手方向にほぼ平行に延在する方向及び向きを称する。このような冷却空気チャネル設計は、複数の入口及び出口に起因して、冷却空気の分布が著しく不確実である、という欠点を有しており、この欠点は、追加の冷却空気によってカバーされる必要がある。しかしながら、追加の冷却空気は、低ＮＯｘ排出に合致させる目的に悪影響を及ぼす。

この従来技術を発端として、本発明の目的は、上述した種類のガスタービンシステムを提供することであり、このガスタービンシステムは、広い負荷範囲にわたって低ＮＯｘ排出に合致させる目的に貢献する別の構造を有する。

この目的を解決するために、本発明は、上述した種類のガスタービンシステムを提供し、移行ダクトには、複数の軸方向に延在する冷却空気チャネルが設けられており、冷却空気チャネルそれぞれには、移行ダクトの外側に開口した１つの単一入口と、移行ダクトの内側に開口した１つの単一出口と、が設けられている。この設計にかかる冷却空気チャネルによれば、冷却空気分布の信頼性を著しく改善し、これにより、冷却空気消費量を低減する。したがって、本発明にかかる冷却空気チャネル設計は、ガスタービンシステムのＮＯｘ排出に前向きに影響しつつ、効果的な冷却を維持する。

好ましくは、冷却空気チャネルのうち周方向で隣り合う少なくとも一部は、軸方向での所定のズレを持って配置されており、それにより、冷却空気チャネルは、周方向で見ると、部分的に互いに重なっている。このように冷却空気チャネルを互い違いにすることにより、機械的構造安定性を増加させる。

本発明の一態様によれば、冷却空気チャネルのうち少なくとも一部は、移行ダクトの全長にほぼわたって延在する。

さらにまたはあるいは、冷却空気チャネルのうち少なくとも一部は、軸方向で連続して配置されている。この設計は、より高い熱負荷の場合に関して有益である。

本発明のさらなる態様によれば、冷却空気チャネルのうち軸方向で連続して配置されている少なくとも一部は、互いに位置合わせされている。

さらにまたはあるいは、冷却空気チャネルのうち軸方向で連続して配置されている少なくとも一部は、少なくとも１つの周方向で隣り合う冷却空気チャネルに関して軸方向での所定のズレを持って配置されている。

本発明のそのさらなる態様によれば、冷却空気チャネルのうち少なくとも一部は、冷却空気チャネルの他のものとは異なる流動横断面を有する。

冷却空気チャネルのうち少なくとも一部は、移行ダクトを通って向けられた燃焼ガスの流動に関して並行流配置を有する。

さらにまたはあるいは、冷却空気チャネルのうち少なくとも一部が、移行ダクトを通って向けられた燃焼ガスの流動に関して逆行流配置を有する。

冷却空気チャネルの適切な数、冷却空気チャネルそれぞれに関する適切な長さ、流動断面及び流動方向、並びに、冷却空気チャネルの適切な相対位置、を用いて、移行ダクトの冷却効率及び機械的構造安定性を局所的に変更できる。

好ましくは、移行ダクトは、移行ダクトは、３層接着パネル設計を備えており、中間層には、冷却空気チャネルを画成する細長い切欠が設けられており、外側層及び内側層には、冷却空気チャネルの入口及び出口を画成する穴が設けられている。このような構造の移行ダクトは、低コストで容易に生成され得る。

有利には、ガスタービンシステムの組立を簡素化するために、燃焼室の自由端部は、移行ダクト内に挿入されている。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の図面を参照して、本発明にかかるさまざまな形態のガスタービンシステムの以下の説明を用いて明らかになる。

本発明の一形態にかかる例示的なガスタービンシステムを示す概略図である。 図１に示すガスタービンシステムの移行ダクトを示す概略図であって、移行ダクトには複数の軸方向に延在する冷却空気チャネルが設けられている、概略図である。 本発明の第２設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略横断面図である。 本発明の第３設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分横断面図である。 本発明の第４設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分横断面図である。 本発明の第５設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分横断面図である。 本発明の第６設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分横断面図である。 本発明の第７設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分頂面図である。 本発明の第８設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分頂面図である。 本発明の第９設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分頂面図である。 本発明の第１０設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分頂面図である。 本発明の第１１設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分頂面図である。 本発明の第１２設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分頂面図である。 本発明の第１３設計に従って形成された図２に示すような冷却空気チャネルを示す概略部分頂面図である。

図１は、本発明の一実施形態にかかるガスタービンシステム１を示す。ガスタービンシステム１は、複数部分筐体２と、筐体２内に配置された圧縮機３と、筐体２に固定され、燃焼室５が設けられた燃焼器装置４と、筐体２内に配置されたタービン６と、燃焼室５とタービン６とを接続する移行ダクト７と、を備える。ガスタービンシステム１を組み立てている間、移行ダクト７は、タービン６に接続される。さらに、移行ダクト７は、調整されており、固定具８を用いて筐体２に固定されている。その後、燃焼器装置４は、筐体の関連する開口部を通して筐体内に挿入され、挿入すると、燃焼室５の自由端部は、移行ダクト７内に入らされる。その後、燃焼室５及び移行ダクト７は、互いに対して調整され、燃焼器装置４は、筐体２に固定される。

ガスタービンシステム１の動作中において、圧縮機３は、環境空気を圧縮し、図１において矢印９を用いて示すように、圧縮空気を燃焼器装置４に向けて方向付ける。燃焼器装置４内において、圧縮空気を燃料と混合し、混合すると、結果として得られた燃料空気混合物を発火させ、燃焼器装置４の燃焼室５内で燃焼させる。矢印１０で示されるように、公知の態様でタービン６を駆動させるために、高温燃焼ガスを移行ダクト７を通してタービン６に向けて方向付けられる。

高温動作温度に耐えるために、移行ダクト７には、図２に示すように、複数の軸方向に延在する冷却空気チャネル１１が設けられている。冷却空気チャネル１１それぞれには、移行ダクト７の外側に開口する１つの単一入口１２と、移行ダクト７の内側に開口する１つの単一出口１３と、が設けられており、入口１２及び出口１３は、冷却空気チャネル１１の両端部に各別に形成されている。図示した冷却空気チャネル設計において、冷却空気チャネル１１のうち移行ダクト７のより高温な上側部分に設けられた大部分は、有効な冷却を保証するために、移行ダクト７の全長にほぼわたって延在する。冷却空気チャネル１１のうち移行ダクト７のより低温な下側部分に設けられた大部分は、移行ダクト７の下流端部まで移行ダクト７の部分長さだけにわたって延在する。しかしながら、この冷却空気チャネル分布は、一例としてのみ機能しており、限定的に理解されないことに留意されたい。むしろ、別の態様において、冷却空気チャネル１１を移行ダクト７にわたって分布させることができる。周方向で隣り合う冷却空気チャネル１１の端部は、軸方向でオフセットａを有して各別に配置されている。このように冷却空気チャネル１１を互い違いにすることにより、移行ダクト７の機械的構造安定性を増加させる。単一の冷却空気チャネル１１は、以下で詳述するように、移行ダクト７を通って方向付けられた燃焼ガスに関して、並行流のかつ／または逆行流の配置で配置され得る。移行ダクト７は、３層の接着したパネル設計を備え、中間層１４には、冷却空気チャネル１１を画成する細長い切欠が設けられており、外側層１５及び内側層１６には、冷却空気チャネル１１の入口１２及び出口１３を画成する穴が設けられている。図２では、冷却空気チャネル１１を示すために、外側層１５を図示していない。しかしながら、２層接着パネル設計であって一方の層が他方の層の２倍の厚さであり、冷却空気チャネルを厚い層内に機械加工され、第２層を厚い層に接着し、入口を一方の層に形成して出口を他方の層に形成した、２層接着パネル設計のような、他の設計もできることに留意すべきである。

図３から図１３は、本発明にかかる別の冷却空気チャネル設計を示しており、同一の参照符号を同一のまたは類似の構成部材または機構に表すために使用する。

図３は、本発明にかかる第２冷却空気チャネル設計を示す。この第１設計によれば、２つの冷却空気チャネル１１を軸方向で連続して配置し、互いに位置合わせしている。複数の冷却空気チャネル１１を軸方向で連続して配置することによって、冷却性能を増加させる。図示の場合において、冷却空気の流動方向は、矢印１７で示されており、移行ダクト７を通過する高温ガスの流動方向は、矢印１８で示されており、逆流である。

図４及び図５は、図３に示す冷却チャネル設計と同様の第３及び第４冷却チャネル設計を示す。しかしながら、高温ガス流動方向に関して逆流で動作された２つの冷却チャネルに替えて、逆流で動作された３または４の冷却空気チャネル１１があり、これら冷却チャネルは、軸方向で連続して配置されており、互いに位置合わせされている。これら設計は、より高い熱負荷の場合に関して有益である。

図６は、３つの冷却空気チャネル１１を有する図４に示す冷却チャネル設計と同様の第５冷却チャネル設計を示し、これら冷却チャネルは、軸方向で連続して配置されており、互いに位置合わせされている。しかしながら、図４に示す設計とは異なり、第５設計にかかる冷却空気チャネル１１は、高温ガス流動方向に関して並行流で動作されている。

図７は、４つの冷却空気チャネル１１を有する図５に示す冷却チャネル設計と同様の第６冷却チャネル設計を示し、これら冷却チャネルは、軸方向で連続して配置されており、互いに位置合わせされている。しかしながら、図７の左側から右側を見て、第１、第２及び第４冷却空気チャネル１１は、高温ガス流動方向に関して逆行流で動作されているが、第３冷却空気チャネル１１は、高温ガス流動方向に関して並行流で動作されている。第２及び第３冷却空気チャネル１１間の領域で熱負荷が非常に高い場合に、この設定は、特に有益である。このような領域において、２つの入口１２を互いに近接させることは、有利であり得、高い冷却効率を実現する。

図８から図１０は、本発明にかかる第７、第８及び第９冷却空気チャネル設計を示し、中間層１４、外側層１５及び内側層１６は、互いに上方に配置されており、透過性を持って図示されている。これら図面は、軸方向でかつ周方向で隣り合う冷却空気チャネル１１がさまざまな並行流の及び逆行流の配置で設けられ得ることを示している。図８にかかる設計は、３列の冷却空気チャネル１１を示しており、これら冷却空気チャネルは、並行流配置を有する。図９にかかる設計も、３列の冷却空気チャネル１１を示しており、左側から右側を見ると、第１及び第３列の冷却空気チャネル１１は、並行流配置を有しており、第２列の冷却空気チャネルは、逆行流配置を有する。図１０にかかる設計も、３列の冷却空気チャネルを備えており、各列の冷却空気チャネル１１は、並行流の及び逆行流の配置を有する。衝突効果、流入効果及び最大駆動温度差に起因して冷却空気チャネル１１それぞれの冷却効率が入口１２において最高であるので、この設定は、有益である。そのため、図示した代替の配置を用いて、最も斑のない冷却を保証する。

図１１は、本発明にかかる第１０冷却空気チャネル設計を示し、この設計は、図８に示す第７設計と同様である。しかしながら、第１列に配置された冷却空気チャネル１１は、左側から見ると、第２及び第３列に配置された冷却空気チャネル１１と比較して同様の流動断面を有する。

図１２は、本発明にかかる第１１冷却空気チャネル設計を示し、この設計は、図１０に示す第９設計と同様である。しかしながら、第１列には、２つのみの冷却空気チャネル１１が設けられており、これら冷却空気チャネルは、第２及び第３列の冷却空気チャネルとは異なるチャネルピッチを有する。したがって、第１列の冷却空気チャネル１１は、第２及び第３列の冷却空気チャネルと軸方向で位置合わせされていない。

図１３は、本発明にかかる第１２冷却空気チャネル設計を示す。周方向で隣り合う冷却空気チャネル１１は、軸方向でオフセットａを有して配置されており、それにより、連続する列の冷却空気チャネル１１は、周方向で見ると、参照符号ｂで示されるように、互いに部分的に重なっている。このように冷却空気チャネル１１を互い違いにすることにより、移行ダクトの機械的構造安定性を増加させ、３層接着パネル設計の移行ダクト７に関して特に有用である。

図１４は、図８に示す冷却空チャネル設計と同様の本発明にかかる第１３冷却空気チャネル設計を示し、軸方向で隣り合う冷却空気チャネル１１は、異なる長さを有する。

上述した実施形態が例としてのみ機能しており、限定しないこと、に留意すべきである。さらに、冷却空気チャネル１１の適切な数、軸方向における冷却空気チャネル１１の列の適切な数、冷却空気チャネル１１それぞれに関する適切な長さ、流動断面及び流動方向、並びに、例えば互い違いにすること及びピッチに関してなど、冷却空気チャネル１１の適切な相対位置、を用いて、移行ダクト７の冷却効率及び機械的構造安定性を局所的に変更し得ること、に留意すべきである。

１ ガスタービンシステム、４ 燃焼器装置、５ 管状燃焼室、６ タービン、７ 移行ダクト、１１ 冷却空気チャネル、１２ 単一入口、１３ 単一出口、１４ 中間層、１５ 外側層、１６ 内側層

Claims (11)

1. −管状燃焼室（５）を有する燃焼器装置と、
   −タービン（６）と、
   −前記燃焼室（５）と前記タービン（６）とを接続する移行ダクト（７）と、
   を備え、
   前記移行ダクト（７）には、軸方向に延在する冷却空気チャネル（１１）が設けられており、
   前記移行ダクト（７）には、軸方向に延在する冷却空気チャネル（１１）が設けられており、
   概して、前記冷却空気チャネル（１１）それぞれには、前記移行ダクト（７）の外側に開口する１つの単一入口（１２）と、前記移行ダクト（７）の内側に開口する１つの単一出口（１２）と、が設けられていることを特徴とするガスタービンシステム。
2. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち周方向で隣り合う少なくとも一部が、軸方向での所定のズレを持って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
3. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち少なくとも一部が、前記移行ダクト（７）の全長にほぼわたって延在することを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンシステム。
4. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち少なくとも一部が、軸方向で連続して配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
5. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち軸方向で連続して配置されている少なくとも一部が、互いに位置合わせされていることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンシステム。
6. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち軸方向で連続して配置されている少なくとも一部が、少なくとも１つの周方向で隣り合う前記冷却空気チャネルに関して軸方向での所定のズレを持って配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載のガスタービンシステム。
7. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち少なくとも一部が、前記冷却空気チャネルの他のものとは異なる流動横断面を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
8. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち少なくとも一部が、前記移行ダクト（７）を通って向けられた燃焼ガスの流動に関して並行流配置を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
9. 前記冷却空気チャネル（１１）のうち少なくとも一部が、前記移行ダクト（７）を通って向けられた燃焼ガスの流動に関して逆行流配置を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
10. 前記移行ダクト（７）が、３層接着パネル設計を備えており、
    中間層（１４）には、前記冷却空気チャネル（１１）を画成する細長い切欠が設けられており、
    外側層（１５）及び内側層（１６）には、前記冷却空気チャネル（１１）の前記入口（１２）及び前記出口（１３）を画成する穴が設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。
11. 前記燃焼室（５）の自由端部が、前記移行ダクト（７）内に挿入されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のガスタービンシステム。

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