JP2846268B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンの圧縮機
部からの圧縮空気の一部分が燃焼器をバイパスし、該燃
焼器の下流側で且つ上記ガスタービンの上流側で熱ガス
流路に流入するようにする燃焼器バイパス装置を備えた
ガスタービンに関し、特に、ガスタービンの起動時及び
部分負荷運転時のような負荷除去運転状態において効率
及び排気制御を維持するために、負荷除去運転状態で、
燃焼器系統への空気の流量を低減するための空気圧式バ
イパス弁装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは圧縮空気を発生する圧縮
機部を備えており、圧縮された空気は、次いで、燃焼部
において燃料を燃焼することにより加熱される。燃焼部
からの熱ガスはタービン部に送られ、そこで熱ガスはロ
ータ軸を駆動して動力を発生するのに用いられる。燃焼
部は、一般に、圧縮機部から圧縮空気を受ける室を形成
する外殻（ケーシングとも称する）を備えている。上記
室内には複数個の円筒状の燃焼器が配置されていて、燃
焼すべき燃料と共に圧縮空気を受ける。各燃焼器の後端
部にはダクトが接続されていて、燃焼器からの熱ガスを
タービン部に送給する働きをする。

【０００３】燃焼過程中、大気汚染物質と考えられてい
る窒素の酸化物（ＮＯｘ）の生成を制御するために、圧
縮機部からの圧縮空気の一部分が、特に、タービンの起
動及び部分負荷運転中、燃焼器をバイパスするようにす
るのが望ましい場合がある。この場合、タービンの運転
状態及び外部環境条件に基づき、２０％までの圧縮空気
をバイパスする必要性が生じ得る。従来、このようなバ
イパスは、熱ガスをタービンに導くダクトに直接バタフ
ライ弁を設置して、前述の室からの圧縮空気の一部分が
燃焼器をバイパスし、ダクト内を流れる熱ガスに流入す
る構成により行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の方式に
は種々の欠点がある。先ず、バタフライ弁装置は機械的
に作動する必要があり、従って複雑な機械的装備を必要
とする。一般に、バタフライ弁装置に機械的に接続され
て、タービンケーシングの周囲に配置された回転リング
を含むこのような機械的装備は製作に費用がかかるばか
りではなく、バタフライ弁装置の適正な機能を確保する
ために、該バタフライ弁装置と外部の作動リンク機構と
の間に精密な整合が要求される。更にまた、現存のガス
タービンにこのような装置を新たに装備するのは複雑で
しかも費用がかかる。と言うのは、バタフライ弁装置の
弁作動部はタービンケーシングを貫通して延びており、
従って、特殊構造のタービンケーシングが要求されるか
らである。

【０００５】従って、圧縮機部からの圧縮空気の一部分
をして燃焼器をバイパスさせ、該燃焼器の下流側で熱ガ
ス流路に流入せしめる燃焼器バイパス装置であって、弁
を作動するのに圧縮機部からの圧縮空気を用いて空気圧
により操作し、更には、現存のガスタービンに、該ガス
タービンの構造を大きく変更することなく容易に且つ低
費用で装備することができる燃焼器バイパス装置を実現
することが望ましい。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるガスタービ
ンは、圧縮空気を発生するための圧縮機と、上記圧縮空
気の第１の部分内で燃料を燃焼し、熱ガスを発生する燃
焼域と、該熱ガスを膨張するタービン部と、上記燃焼域
内で発生した上記熱ガスを上記タービン部に送給するた
めの流路と、上記圧縮空気の第２の部分をして上記燃焼
域をバイパスさせ、上記燃焼域の下流側で上記流路内に
流入せしめる空気圧式バイパス弁装置とを備え、該バイ
パス弁装置は、上記流路と流れ連通関係にある吐出ポー
トを有する空気圧式バイパス弁を含み、該空気圧式バイ
パス弁は、可変圧力で圧縮機から該空気圧式バイパス弁
に供給される空気と上記流路内の流体との間の圧力差の
作用下で作動される。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明の好適な実施例
にについて詳細に説明する。図１にはガスタービンの縦
断面の一部が示してある。該ガスタービンは、圧縮機部
（圧縮機）１と燃焼部２とタービン部３とを備える。圧
縮機部、燃焼部及びタービン部には回転軸４が貫通して
延在している。通例のように、圧縮機部１は、交互する
動翼及び静翼列から構成されていて、周囲の空気を取り
込んで圧縮し、圧縮空気６を発生する。また、従来のガ
スタービンにおけるように、燃焼部２は複数個の燃焼器
８から構成されており、各燃焼器８は円筒状のライナに
より形成されている。周知のように、複数の燃焼器８
は、円筒状のケーシング１２によって画成される室１０
内で、回転軸４を取り巻きその円周方向に配列されてい
る。各燃焼器８の前端部はねじ（図示せず）によりケー
シング１２に固着されている。各燃焼器の後端部は、一
般に、連絡もしくは中間ダクト１８に、燃焼器を結合す
るようにフランジ１６を貫通するボルト１５によってボ
ルト固定された２個の半リングを有するクランプリング
１４によって支持されている（尚、本明細書において、
術語「前部」もしくは類似の表現は、軸方向において上
流側であることを意味し、他方、術語「後部」もしくは
類似の表現は軸方向において下流側であることを意味す
る。）

【０００８】圧縮空気６の一部分（第１の部分）２０’
は、好ましくは油又は天然ガスである供給燃料２２と共
に、各燃焼器８にその前端部において流入する。燃料２
２は、燃料ノズル２３を介して、燃焼器８内の囲繞され
た燃焼域２４内に導入される。燃焼域２４内で、燃料２
２は圧縮空気の一部分２０’中で燃焼され、その際、熱
ガス２８の流れが発生する。該熱ガス２８はタービン部
３に送給され、そこで熱ガスは連絡ダクト１８内で膨張
を受ける。このようにして、燃焼器８及びダクト１８
は、熱ガス２８のための流路の一部分を形成する。

【０００９】通例のように、圧縮機部１からの圧縮空気
６の一部分は室１０から配管系（図示せず）により抽気
され、該配管系は、このようにして取り出された圧縮空
気の一部分を、冷却の目的でタービン部３の種々の構成
要素に直接排出する。従って、この圧縮空気の一部分は
燃焼器８をバイパスすることになる。しかし、本発明に
よれば、図１に示すように、圧縮機部１からの圧縮空気
６の別の一部分（第２の部分）２９が、燃焼器８、従っ
て燃焼域２４をバイパスし、燃焼器８の後端部と連絡ダ
クト１８の後端部との間の位置で、熱ガス流２８内に送
り込まれる。これは、以下に詳述する空気圧式バイパス
弁装置３０により達成される。

【００１０】図１及び図２を参照するに、空気圧式バイ
パス弁装置３０は、連絡ダクト１８に機械的に接続され
た空気圧式バイパス弁３２を含む。尚、本発明と関連し
て、本明細書で用いる術語「空気圧式バイパス弁」（以
下、弁と称する）とは、弁にかかる圧力差により空気圧
で作動される弁を表す。図２を参照するに、弁３２は、
該弁の吐出ポート３３が熱ガス２８の流路と流れ連通関
係になるように、連絡ダクト１８の構造と関連して適宜
配設された取付フランジ３４により連絡ダクト１８に機
械的に接続される。しかし、本発明は、このような取付
配列に限定されるものではなく、弁３２は、例えば、該
弁３２を円筒状ケーシング１２に取り付けて、吐出ポー
ト３３と熱ガス２８の流路との間に流れ連通関係を確立
する可撓性の接続部を設ける等、他の仕方でガスタービ
ン内に取り付けることも可能である。

【００１１】弁３２が閉位置にある時には、円板状弁要
素３６は、弁本体３９の一部分として一体的に形成され
た弁座３８に気密係合関係で当接するように配置され
る。円板状弁要素３６には弁要素側円筒４０が機械的に
連結されており、一方、円板状弁要素３６は、該弁要素
３６及び弁要素側円筒４０が可撓性のベロー４２と係合
し該ベロー４２により懸持されるように、該ベロー４２
に機械的に接続される。弁要素側円筒４０は弁体側円筒
４４と摺動係合し、これら弁要素側円筒４０及び弁体側
円筒４４は、後述するように、圧縮空気から弁制御空気
を受け入れるための弁室４６を画成する。弁要素側円筒
４０は、弁室４６内に受け入れた空気が孔４８を通って
流れてベロー４２内に保持されるように形成された上記
孔４８を有する。弁本体３９には冷却孔４９が設けられ
ていて、タービン冷却空気回路（図示せず）からの冷却
空気流が弁３２内に流入し得るようになっている。

【００１２】弁３２が、後述する仕方で円板状弁要素３
６の両側面に生ずる圧力差に応じて開くと、該円板状弁
要素３６は、ベロー４２の圧縮及び弁要素側円筒４０が
弁体側円筒４４上を上方向に摺動するのに伴い、上向き
に変位して弁座３８から離れる。図１及び図２を参照す
るに、弁本体３９に形成されている弁開口（第１の入
口）５０は室１０内の圧縮空気６と流れ連通関係にあ
る。従って、円板状弁要素３６が上方向に変位して弁座
３８から離間し、その結果、円板状弁要素３６と弁座３
８との間の気密係合関係が遮断されると、室１０内の圧
縮空気６の別の一部分即ちバイパス部分２９が弁開口５
０を経て弁吐出ポート３３内に流れ、次いで熱ガス２８
の流路内に流入する。本発明による構成を採用しない場
合には、圧縮空気のこのバイパス部分は、周知の仕方で
燃焼器８内に流入する。これに対し、本発明によれば、
圧縮空気のこのバイパス部分は、燃焼器をバイパスし、
それにより燃焼器の動作効率及び排出レベルを所望の仕
方で維持することができる。

【００１３】弁３２には、弁制御空気入口（第２の入
口）５８と流体連通関係で導管５６の一端が接続されて
いる。弁３２を開くための制御空気５２は、後述するよ
うに、導管５６により弁制御空気入口５８を介し弁室４
６へと供給される。好適な実施例においては、導管５６
は可撓性のあるステンレス鋼製の編み管から構成され
る。図１を参照するに、導管５６は、円筒ケーシング１
２に形成された孔６２を通される。導管５６の反対側の
端は、周知の仕方で、図３に示し、以下に詳述するよう
に、制御空気５２を供給するための制御系（供給手段）
に接続されている。

【００１４】通常の全負荷タービン運転条件下での空気
圧式バイパス弁装置３０の動作中は、制御空気５２は、
圧縮機出口圧力で弁制御空気入口５８に供給される。図
２を参照するに、制御空気５２は弁室４６内に受け入れ
られ、該制御空気の圧力が円板状弁要素３６の上側面７
０に作用するようにベロー４２内部に維持される。弁吐
出ポート３３は、連絡ダクト１８内の熱ガス２８の流路
と流れ連通関係にあり、従って、この熱ガス流路内の圧
力は円板状弁要素３６の下側面７２に作用する。このよ
うにして、通常の運転条件下では、圧縮機の出口圧力の
方が熱ガス２８の流路の圧力よりも大きので、円板状弁
要素３６にかかる圧力差で、該円板状弁要素３６は、弁
座３８と気密係合状態に維持され、その結果として弁３
２は閉ざされ、圧縮空気は既知の仕方で燃焼器内に流入
する。

【００１５】部分負荷又は他の運転条件下でのタービン
の運転中、空気圧式バイパス弁３２を介して圧縮空気の
流れの一部分をして燃焼器をバイパスする必要性が生じ
た場合、燃焼器をバイパスしなければならない圧縮空気
の量は、タービン運転条件に基づいて予め定められてい
る。従って、所要の弁開度は、使用されている特定の空
気圧式バイパス弁の特定の設計特性に基づき既知の仕方
で定められる。所要の弁開度を実現する場合、円板状弁
要素３６の下側面７２に作用する熱ガス２８の圧力（タ
ービンシリンダ圧力と称する）を測定する。しかる後、
図３に示した制御系（供給手段）は、所要の弁開度を実
現する圧力差を発生するのに必要とされる空気供給圧力
７４で制御空気５２を供給する。

【００１６】図３を参照するに、既知の仕方で圧縮機出
口の領域で該圧縮機部１に接続されている管路８２を介
して高圧空気が圧縮空気供給源タンク（供給手段）８０
に供給される。弁８４は、制御空気供給源タンク８０へ
の圧縮空気の流量を調整して、該供給源タンク８０内に
可変圧力で制御空気供給量が存在するようにする。供給
源タンクの空気圧力は、圧力変換器８５を介して信号８
６としてコントローラ（供給手段）８８に入力される。
供給源タンクの空気圧力は、コントローラ８８におい
て、所要の弁開度を実現するのに必要とされる所定の空
気供給圧力７４と比較される。供給源タンクの空気圧力
が所要空気供給圧力よりも小さい場合には、コントロー
ラ８８は、供給源タンク８０内の空気供給圧力を増加す
るように弁８４を開く信号を与える。供給源タンク空気
圧力が所要の空気供給圧力よりも大きい場合には、コン
トローラ８８は、空気供給圧力を低減するために、空気
供給源タンクから管路９２を介して空気を放出するよう
に弁９０を開く信号を発生する。供給源タンク空気圧力
が所要空気供給圧力に等しくなると、弁８４及び９０は
閉ざされ、空気供給源タンク８０が開かれて、それによ
り所要圧力で制御空気５２が、管路９４を経てバイパス
弁３２の導管５６内に流入する。このようにして、導管
５６を介し弁室４６内には所望の圧力で空気が供給され
る。その結果、円板状弁要素３６の下側面に作用する比
較的に高いタービンシリンダ圧力で、ベロー４２は既述
の仕方で圧縮し、その結果、弁は所望量だけ開き、圧縮
空気のバイパス部分２９が空気圧式バイパス弁３２を流
れることになる。

【００１７】上の説明から明らかなように、バイパス弁
用の制御空気は、空気供給圧力を調整する制御系を介し
てタービン空気圧縮機から供給され、本発明による空気
圧式バイパス弁は、別の空気供給源を設ける必要なく、
現存のガスタービンに簡単な仕方で且つ経済的に装備す
ることができる。

【００１８】以上、本発明の特定の実施例を図示し説明
したが、当業者には容易に変更や変形を想到し得ると考
えられる。従って、本発明は、このような変形例や均等
物をも包含するものと解釈されるべきであることを付記
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による空気式バイパス弁装置を具備す
るガスタービンの一部分における縦断面図である。

【図２】 図１に示した空気式バイパス弁装置を取り出
して、その弁本体を部分断面図で示す図である。

【図３】 本発明による空気式バイパス弁装置へ供給す
るための制御空気の制御系を示す簡略図である。

【符号の説明】

１…圧縮機部（圧縮機）、２…燃焼部、３…タービン
部、６…圧縮空気、８…燃焼器（流路の一部分）、１８
…連絡ダクト（流路の一部分）、２０’…圧縮空気の一
部分（第１の部分）、２２…燃料、２４…燃焼域、２８
…熱ガス、２９…圧縮空気の別の一部分（第２の部
分）、３０…空気圧式バイパス弁装置、３２…空気圧式
バイパス弁、３３…吐出ポート、５０…弁開口（第１の
入口）、５２…制御空気、５６…導管、５８…弁制御空
気入口（第２の入口）、８０…圧縮空気源供給タンク
（供給手段）、８８…コントローラ（供給手段）。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンであって、 圧縮空気を発生するための圧縮機と、 前記圧縮空気の第１の部分内で燃料を燃焼し、熱ガスを
   発生する燃焼域と、 前記熱ガスを膨張するタービン部と、 前記燃焼域内で発生した前記熱ガスを該タービン部に送
   給するための流路と、板状弁要素及び該板状弁要素の一方側面に機械的に固定
   された可撓性部材を備え、 前記圧縮空気の第２の部分を
   して前記燃焼域をバイパスさせると共に、前記燃焼域の
   下流側で前記流路内に流入せしめる空気圧式バイパス弁
   と、 前記圧縮機から前記空気圧式バイパス弁に可変圧力で制
   御空気を供給するための供給手段と、 を含み、 前記板状弁要素の前記一方側面に前記圧縮機から前記可
   変圧力により供給される前記制御空気が作用し、前記板
   状弁要素の前記一方側面とは反対の他方側面に前記流路
   を流れる前記熱ガスが作用し、前記圧縮空気の前記第２
   の部分を前記燃焼域をバイパスさせて前記流路内に流入
   せしめるために、前記一方側面に作用する前記制御空気
   の可変圧力と前記他方側面に作用する前記熱ガスの圧力
   との差により前記可撓性部材が伸縮して前記空気圧式バ
   イパス弁を開閉するように接続されている ガスタービ
   ン。
2. 【請求項２】 ガスタービンであって、 圧縮空気を発生するための圧縮機と、 前記圧縮空気の第１の部分内で燃料を燃焼し、熱ガスを
   発生する燃焼域と、 該熱ガスを膨張するタービン部と、 前記燃焼域内で発生した前記熱ガスを該タービン部に送
   給するための流路と、 第１の入口、第２の入口及び吐出ポートを有し、該第１
   の入口が前記圧縮空気と流れ連通関係にあり、前記吐出
   ポートが前記流路と流れ連通関係にある空気圧式バイパ
   ス弁と、 前記第２の入口を前記圧縮機と流れ連通関係に設定し
   て、前記空気圧式バイパス弁を開弁するために、前記圧
   縮機からの圧縮空気の空気圧力を所望の弁開度が 得られ
   るように供給源タンク、弁及びコントローラを備える供
   給手段により調整された可変圧力で制御空気を前記第２
   の入口に供給するようになして、前記圧縮空気の第２の
   部分を、前記燃焼域内へと流入させずに、該燃焼域の下
   流側で、前記吐出ポートを経て前記流路へと流入せしめ
   る導管と、 を含むガスタービン。