JP2966357B2 - ガスタービンのタービン翼冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンのター
ビンにおける静翼または動翼を蒸気によって冷却するタ
ービン翼冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来の蒸気注入ガスタービンの縦
断面図を示す。図示しない圧縮機で圧縮された空気ａは
燃焼器６３の燃焼筒６３ａ内で燃料ｂと混合して燃焼さ
れ、その燃焼ガスに外部からの蒸気ｓが混合され、混合
ガスのエネルギによりタービン６４が駆動される。この
燃焼筒６３ａは、図１０に示すようにアニュラー形ケー
シング６２の内側ケーシング６２ａと外側ケーシング６
２ｂとの間に複数個周方向に並んで配置されている。タ
ービン６４の静翼６５Ａ，６５Ｂや動翼６６Ａ，６６Ｂ
の冷却は、前記圧縮空気ａの一部を使った空気膜冷却に
より行われる。

【０００３】近年、このようなタービン翼の膜冷却に、
冷却媒体として蒸気を採用する蒸気膜冷却方式が提案さ
れている（日本ガスタービン学会誌 第２０巻 第８０
号１９９３年）。この場合、蒸気は、比熱が空気の約２
倍と大きく伝熱特性に優れているので、前記翼冷却の性
能を向上させることが期待される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記ガスター
ビンにおいて、その翼冷却を、空気冷却から蒸気冷却に
置き換えた場合、外部から蒸気供給ができないとき冷却
不能になる。すなわち、何らかの原因でガスタービンに
その外部から蒸気を供給できなくなった場合、タービン
翼を冷却できなくなる。また、ガスタービンの排ガスを
使用する廃ガスボイラを蒸気供給源とする場合、ガスタ
ービン起動後、廃ガスボイラが立ち上がるまでの間、や
はり蒸気を供給できないから、タービン翼を冷却できな
いことになる。

【０００５】そこで本発明は、一時的にも冷却不能を来
すことなくタービン翼を効果的に冷却できるガスタービ
ンのタービン翼冷却装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【０００７】

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係るガスタービンのタービン翼
冷却装置は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気
に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器から
の燃焼ガスのエネルギにより駆動されるタービンとを備
えたガスタービンにおいて、内部に冷却通路を形成した
タービン静翼の径方向の外端または内端に冷却通路の入
口を、翼表面に冷却通路の出口をそれぞれ設け、前記入
口に対向して、前記圧縮機からの圧縮空気を前記冷却通
路に供給する空気供給口と、前記圧縮空気よりも圧力の
高い蒸気を前記冷却通路に供給する蒸気供給口とを配置
し、蒸気をガスタービンの外部からケーシングを貫通し
てガスタービンの内部へ導入する蒸気導入パイプを設
け、この蒸気導入パイプの先端開口を、前記冷却通路の
入口にギャップを介して対向させ、前記先端開口により
前記蒸気供給口を形成し、前記ギャップにより前記空気
供給口を形成したものである。

【０００９】この構成によれば、蒸気導入パイプからの
蒸気供給がある場合には、蒸気圧力が空気圧力より大き
いので、前記蒸気導入パイプの先端開口よりタービン静
翼の冷却通路入口に蒸気を導入してタービン静翼を蒸気
膜冷却でき、蒸気供給がない場合は、前記ギャップから
冷却通路入口に空気を導入してタービン静翼を空気膜冷
却できる。

【００１０】また、本発明の請求項２に係るガスタービ
ンのタービン翼冷却装置は、請求項１の構成において、
前記蒸気供給口および空気供給口を前段側の静翼の径方
向外方に位置させ、これら蒸気供給口および空気供給口
の後方に、後段側の静翼に冷却用の前記圧縮空気を導く
後段静翼用流体通路を設け、前記蒸気供給口の外周に、
この蒸気供給口から前記冷却通路の入口に向けて噴射さ
れた蒸気が前記後段静翼用流体通路へ流入するのを阻止
する遮蔽部材を設けたものである。

【００１１】この構成によれば、後段側に比べてより冷
却の必要な前段側の静翼を、蒸気供給がある場合には蒸
気膜冷却により、蒸気供給が無い場合には空気膜冷却に
より冷却でき、後段側の静翼は蒸気供給の有無に関係な
く常に空気膜冷却により冷却できる。しかも、遮蔽部材
によって、前段側の静翼を冷却するための蒸気が後段側
の流体通路へ漏れるのを防止できる。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】また、本発明の請求項３に係るガスタービ
ンのタービン翼冷却装置は、請求項１または２の構成に
おいて、さらに、前記タービンから排出される排ガスを
熱源とする廃ガスボイラを備え、この廃ガスボイラから
前記蒸気を供給するものである。

【００２５】この構成によれば、廃ガスボイラからの燃
焼器注入蒸気温度より低い温度の蒸気をタービン翼の冷
却に使用するので、その分、燃焼器注入蒸気量を更に増
加でき、出力及び熱効率を向上させることができる。

【００２６】また、本発明の請求項４に係るガスタービ
ンのタービン翼冷却装置は、請求項３の構成において、
さらに、前記廃ガスボイラからの蒸気に水を噴射して蒸
気を冷却したのち前記冷却通路に供給させる水噴射器を
備えたものである。

【００２７】この構成によれば、廃ガスボイラからター
ビン翼冷却用として供給される蒸気を所定温度に容易に
降温できる。

【００２８】また、本発明の請求項５に係るガスタービ
ンのタービン翼冷却装置は、請求項３または４の構成に
おいて、さらに、前記廃ガスボイラからの蒸気を前記燃
焼器に注入する蒸気注入通路を備えたものである。

【００２９】この構成によれば、ガスタービンが、元
来、大規模な造水装置または純水装置を備える蒸気注入
ガスタービンであるため、余分な設備コストを要するこ
となく蒸気が得られるので、低コストでタービン翼の蒸
気膜冷却を行える。

【００３０】また、本発明の請求項６に係るガスタービ
ンのタービン翼冷却装置は、請求項１ないし５のいずれ
かの構成において、前記冷却通路に供給される蒸気量を
調節する蒸気弁と、少なくとも、タービン入口の燃焼ガ
ス温度またはこれに対応する状態量と、前記冷却通路に
供給される蒸気の温度に基づいて、前記蒸気弁を制御し
て前記蒸気量を所望値に制御する制御手段とを備えたも
のである。

【００３１】この構成によれば、蒸気弁の開度制御によ
り、タービン翼の冷却通路に供給される蒸気量が所望値
に制御されるので、タービン翼をガスタービンの熱効率
向上に最適な温度に冷却できる。

【００３２】また、本発明の請求項７に係るガスタービ
ンのタービン翼冷却装置は、請求項４の構成において、
前記冷却通路に供給される蒸気量を調節する蒸気弁と、
前記水噴射器に供給される水量を調節する水調節弁と、
少なくとも、タービン入口の燃焼ガス温度またはこれに
対応する状態量と、前記冷却通路に供給される蒸気の温
度に基づいて、前記蒸気弁および水調節弁を制御して前
記蒸気量および水量を所望値に制御する制御手段とを備
えたものである。

【００３３】この構成によれば、蒸気弁および水調節弁
の開度制御により、タービン翼の冷却通路に供給される
蒸気量および蒸気温度が所望値に制御されるので、ター
ビン翼をガスタービンの熱効率向上に最適な温度に冷却
できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係
る蒸気注入ガスタービン１を備えたガスタービン設備を
示す概略構成図であり、図２は本発明の第１の実施形態
のタービン翼冷却装置を備えた前記ガスタービン１の要
部を示す縦断面図である。図１において、前記ガスター
ビン１は、圧縮機２で空気ａを圧縮して燃焼器３に導く
と共に、燃料ｂを燃焼器３の燃焼筒３ａ内に噴射して燃
焼させ、その高温高圧の燃焼ガスのエネルギによりター
ビン４を駆動させる構成になっている。このタービン４
はその出力の一部で前記圧縮機２を駆動するとともに、
発電機その他の負荷５を駆動する。

【００３５】図２に示すように、前記ガスタービン１に
は、そのケーシング６を貫通して前記燃焼筒３ａ内に蒸
気ｓを注入する蒸気注入通路７が設けられている。これ
により、燃焼筒３ａで生成される燃焼ガスに、前記蒸気
注入通路７からの蒸気ｓが注入・混合され、ガスタービ
ン１の出力および熱効率が向上する。前記燃焼筒３ａ
は、図２の例では筒形であり、ケーシング６の内方に形
成されたアニュラー形の圧縮空気通路ＡＰ内に、周方向
に等間隔に配置されている。このケーシング６は、ター
ビン軸心と同心状に配置された内側ケーシング６Ａと外
側ケーシング６Ｂとを有するアニュラー形である。

【００３６】前記タービン４は、ハウジング１３の内周
面に複数段のタービン静翼１１を設けるとともに、ディ
スク９の外周に多数のタービン動翼１２を形成してなる
複数段のタービンロータ８を、それらの各段のタービン
動翼１２が前記各段のタービン静翼１１の後流側に配列
されるように、前記圧縮機２に直結する外側回転軸１０
Ａに結合され、負荷５（図１）に直結される内側回転軸
１０Ｂの外周にラビリンスシール４５を介して対向して
配置される。前記タービン静翼１１のうち、第１段およ
び第２段の静翼１１には、膜冷却構造として、図３に断
面図で示すように内部に冷却通路１１ａが形成され、そ
の翼表面に前記冷却通路１１ａの出口１１ｃが設けられ
る。また、図２に示すように、第１段のタービン静翼１
１では、その径方向の外端および内端に、第２段のター
ビン静翼１１では、その径方向の外端にそれぞれ前記冷
却通路１１ａの入口１１ｂが設けられる。

【００３７】また、前記タービン動翼１２のうち、第１
段および第２段の動翼１２にも、膜冷却構造として、図
４に断面図で示すように内部に冷却通路１２ａが形成さ
れ、その翼表面に前記冷却通路１２ａの出口１２ｃが設
けられ、径方向の内端には、図２に示すように前記冷却
通路１２ａの入口１２ｂが設けられる。このように、タ
ービン静翼１１およびタービン動翼１２の冷却通路１１
ａ，１２ａは、冷却媒体がタービン作動流体内へ放出さ
れる開回路構成としてあるので、対流冷却方式の冷却通
路による閉回路構成の場合よりも構造が簡単になる。

【００３８】第１段のタービン静翼１１の径方向外方に
は、第１の区画壁１４と第２の区画壁１５とが、タービ
ン４の軸方向に離間して設けられて、これら区画壁１
４，１５の間に貯溜室１６が形成されている。前記第１
の区画壁１４には、前記圧縮機２からの圧縮空気ａを前
記貯溜室１６内に導入する導入口１７が形成されてい
る。また、翼冷却用蒸気ｓを外部からガスタービン１の
ケーシング６を貫通してガスタービン１の内部へ導入す
る蒸気導入パイプ１８が設けられている。この蒸気導入
パイプ１８は、二股状に分岐されており、その一方の蒸
気導入パイプ１８Ａが第１段のタービン静翼１１への蒸
気導入通路を形成しており、このパイプ１８Ａの先端
は、前記貯溜室１６内に臨ませてある。

【００３９】前記蒸気導入パイプ１８Ａの先端開口５１
は、第１段のタービン静翼１１の冷却通路１１ａの入口
１１ｂにギャップＧ１を介して対向しており、この先端
開口５１が冷却用蒸気ｓを前記冷却通路１１ａに供給す
る蒸気供給口として働く。また、前記ギャップＧ１は、
前記圧縮機２からの圧縮空気ａを前記第１段のタービン
静翼１１の冷却通路１１ａに供給する空気供給口として
働く。すなわち、前記蒸気導入パイプ１８Ａから冷却用
蒸気ｓが供給される場合、冷却用蒸気ｓの圧力のほうが
圧縮空気ａより高いので、冷却用蒸気ｓが前記冷却通路
１１ａの入口１１ｂに導入され、また冷却用蒸気ｓの供
給がない場合、圧縮空気ａが前記冷却通路１１ａの入口
１１ｂに導入される。

【００４０】前記蒸気導入パイプ１８から分岐する他方
の蒸気導入パイプ１８Ｂは、第１段のタービン静翼１１
の冷却通路１１ａへ蒸気を導く蒸気導入通路を形成する
もので、燃焼筒３ａの外部を迂回した状態でアニュラー
形の空気通路ＡＰ内に径方向内方へ向かって進入し、そ
の先端開口５２が、第１段のタービン静翼１１の冷却通
路１１ａの内端側の入口１１ｂにギャップＧ２を介して
対向するように配置されている。この場合も、前記蒸気
導入パイプ１８Ｂの先端開口５２が冷却用蒸気ｓを前記
冷却通路１１ａに供給する蒸気供給口として働き、ギャ
ップＧ２が圧縮空気ａを前記冷却通路１１ａに供給する
空気供給口として働く。

【００４１】前記第２の区画壁１５には、前記貯溜室１
６内の圧縮空気ａを導出する導出口１９ａが形成され、
第２の区画壁１５の後方には、前記導出口１９ａから導
出された圧縮空気ａを第２段のタービン静翼１１の入口
１１ｂに導入する流体導入室１９ｂが設けられ、これら
導出口１９ａと流体導入室１９ｂとにより、圧縮空気ａ
を第２段のタービン静翼１１に向けて導く後段静翼用流
体通路１９が形成されている。また、蒸気供給口である
前記蒸気導入パイプ１８Ａの先端開口５１の外周には、
その先端開口５１から前記冷却通路１１ａの入口１１ｂ
に向けて噴射された蒸気ｓが前記導出口１９ａへ流入す
るのを阻止する遮蔽部材２０が設けられている。

【００４２】この遮蔽部材２０により、蒸気導入パイプ
１８Ａから蒸気ｓの供給がある場合に、その蒸気ｓが第
２段のタービン静翼１１に比べてより冷却の必要な第１
段の静翼１１の冷却通路１１ａに確実に導入され、後段
静翼用流体通路１９に漏れるのが防止される。冷却用の
圧縮空気ａは、前記導入口１７、貯溜室１６、および後
段静翼用流体通路１９を経て、第２段の静翼１１の冷却
通路１１ａに導入される。また、蒸気ｓの供給がない場
合には、冷却用の圧縮空気ａがギャップＧ１から第１段
のタービン静翼１１の冷却通路１１ａにも導入される。
なお、第２のタービン静翼１１の径方向外方には、第２
の貯溜室４２を形成する隔壁４１が設けられ、前記後段
静翼用流体通路１９を通過した空気ａは、前記隔壁４１
に設けられた空気供給口４３から第２の貯溜室４２を経
て第２段の静翼１１の冷却通路１１ａに導入される。

【００４３】前記第１段および第２段のタービンロータ
８のディスク９には、前記圧縮機２からの圧縮空気ａを
冷却用としてタービン動翼１２の内端の冷却通路入口１
２ｂに供給する冷却流体供給路２１が設けられている。
この冷却流体供給路２１はディスク９と動翼１２の根元
部１２ｄとにまたがって設けられている。この冷却流体
供給路２１により、内側ケーシング６Ａに形成された空
気流通口４４、外側回転軸１０Ａに形成された冷却流体
流通口２２Ａ、および内側回転軸１０Ｂに形成された冷
却流体流通口２２Ｂ〜２２Ｄから導入される圧縮空気ａ
が、タービン動翼１２の冷却通路１２ａに導入される。

【００４４】前記ガスタービン設備においては、図１の
タービン４から排出される排ガスを熱源とする廃ガスボ
イラ２３が設けられ、この廃ガスボイラ２３から前記蒸
気注入通路７および蒸気導入パイプ１８へ蒸気ｓが供給
される。これら蒸気注入通路７および蒸気導入パイプ１
８への蒸気供給量は、それぞれ蒸気弁２４，２５によっ
て調節される。また、前記蒸気導入パイプ１８には水噴
射器２６が接続されており、前記廃ガスボイラ２３から
蒸気導入パイプ１８へ供給される過熱蒸気ｓが、前記水
噴射器２６から高圧に加圧されて微粒子状に噴射される
水ｗと均一に混合されて降温され、その降温後の蒸気ｓ
が翼冷却に使用される。前記水噴射器２６で噴射される
水量は、水調節弁２７によって調節される。前記水噴射
器２６への水ｗの供給は水ポンプ２８によって行われ
る。この水ポンプ２８は、廃ガスボイラ２３への水ｗの
供給に使用されているものを共用する。

【００４５】前記廃ガスボイラ２３は、エコノマイザ２
９、ボイラ３０および過熱器３１を備え、水ポンプ２８
により供給される水ｗがエコノマイザ２９、ボイラ３
０、過熱器３１を通過する間にタービン４からの排ガス
との間で熱交換されて、図５に示すように、水から、飽
和蒸気、過熱蒸気へと変化する。図５において、横軸は
廃ガスボイラ２３における排ガスの出入方向を示し、そ
の右側が排ガス出口側となっている。

【００４６】前記ガスタービン設備では、図１の圧縮機
２に吸入される空気ａの温度Ｔ１を検出する空気温度検
出器３２と、前記タービン静翼１１の冷却通路１１ａに
供給される蒸気ｓの温度Ｔｓを検出する蒸気温度検出器
３３と、前記タービン４から排出される排ガスの温度Ｅ
ＧＴを検出する排ガス温度検出器３４と、発電機その他
からなる前記負荷５の出力Ｗを検出する出力検出器３５
とが設けられている。また、これらの検出値に基づき、
前記蒸気弁２５および水調節弁２７の開度を調節して、
前記タービン静翼１１の冷却通路１１ａに供給する蒸気
量を所定値に制御する制御手段３６が設けられている。

【００４７】なお、前記蒸気弁２５および水調節弁２７
は、蒸気と燃焼ガスの圧力差、つまり弁の前後の圧力差
に関係なく、前記制御手段３６からの信号で指令された
流量に正確に調節する流量制御弁からなる。したがっ
て、蒸気ｓの状態量については、その圧力を検出するこ
となく、蒸気温度Ｔｓを検出するだけで前記制御を行う
ことができる。

【００４８】前記ガスタービン１において、タービン翼
の温度は、タービン４の入口のタービン入口ガス温度Ｔ
ＩＴに大きく依存する。そこで、上記制御において、冷
却用蒸気ｓの供給量は、タービン入口ガス温度ＴＩＴに
応じて調節すればよいが、前記ガス温度ＴＩＴは高温な
ので直接検出することは難しい。ところで、前記ガス温
度ＴＩＴは、定格出力時には、圧縮機２への吸入空気温
度Ｔ１と燃料流量Ｑｆで決まる。しかし、燃料流量Ｑｆ
を検出する代わりに、燃料流量Ｑｆに関連して変化する
排ガス温度ＥＧＴまたは負荷出力Ｗを検出するか、排ガ
ス温度ＥＧＴおよび負荷出力Ｗの両方を検出して、燃料
流量Ｑｆの検出に置き換えてよい。また、前述の通り、
冷媒である冷却用蒸気は、その状態量として蒸気温度Ｔ
ｓのみを検出すればよい。

【００４９】したがって、排ガス温度ＥＧＴ，負荷出力
Ｗおよび燃料流量Ｑｆのうちの少なくとも１つと、吸入
空気温度Ｔ１、つまり前記タービン入口の燃焼ガス温度
ＴＩＴに対応する状態量と、蒸気温度Ｔｓとを検出する
ことにより、前記蒸気弁２５や水調節弁２７の開度を制
御して、冷却用蒸気ｓの供給量および蒸気温度を制御で
きる。そこで、ここでは上記したように、排ガス温度Ｅ
ＧＴ，負荷出力Ｗ，吸入空気温度Ｔ１および蒸気温度Ｔ
ｓを検出して、前記制御を行っている。なお、この実施
形態では、廃ガスボイラ２３において、過熱器３１で最
終的に得られる過熱蒸気（温度Ｔｗａ）が使用される。

【００５０】このガスタービン１においては、ガスター
ビン１が起動してから、廃ガスボイラ２３が立ち上がる
までの運転期間中、すなわち冷却用蒸気ｓの供給がない
間は、前記蒸気弁２５および水調節弁２７の開度が全閉
とされ、第１，第２段のタービン静翼１１およびタービ
ン動翼１２とも、圧縮機２からの圧縮空気ａの一部を冷
却媒体として、空気膜冷却による冷却が行われる。ま
た、廃ガスボイラ２３が立ち上がると、前記蒸気弁２５
および水調節弁２７の開度が徐々に拡げられ、廃ガスボ
イラ２３から供給される過熱蒸気（図５の温度Ｔｗａ）
を水ｗで冷却した蒸気ｓにより、冷却の必要度の高い第
１段のタービン静翼１１が蒸気膜冷却により効果的に冷
却され、これに比べて冷却度合いのやや低い第２段のタ
ービン静翼１１や第１，第２段のタービン動翼１２は、
圧縮空気による空気膜冷却で冷却される。

【００５１】このように、冷却用蒸気ｓの供給がないと
き、第１段のタービン静翼１１の冷却通路１１ａ内は空
気が充満されるので、燃焼ガスが冷却通路１１ａ内に侵
入し、未燃焼のカーボンが付着して静翼１１の熱伝達率
を低下させたり、冷却通路１１ａが閉塞されてしまうの
を防止できる。また、タービン静翼１１に導入される冷
却用蒸気ｓは、蒸気注入通路７から導入される注入蒸気
と同じ作用もするので、ガスタービン１の出力および熱
効率をさらに向上させることができる。また、蒸気ｓに
より翼冷却が行われる分だけ、圧縮機２からの圧縮空気
ａが冷却用として使用される量が少なくなるので、この
点からもガスタービン１の熱効率を向上させることがで
きる。

【００５２】図６は本発明の参考例に係るタービン翼冷
却装置を備えた蒸気注入ガスタービン１の要部を示す縦
断面図である。この実施形態では、第１段のタービン静
翼１１の径方向の内端側から冷却通路１１ａに冷却用蒸
気を供給する蒸気導入パイプ１８Ｂの出口部に、分岐パ
イプ１８ａが形成され、この分岐パイプ１８ａから導出
する蒸気を第１段のタービン動翼１２の冷却に使用する
ようにしてある。

【００５３】すなわち、前記分岐パイプ１８ａに接続す
る環状のノズル３７Ａが第１段静翼１１の支持体に取り
付けられ、第１段のタービンロータ８のディスク９に、
タービン動翼１２の冷却通路１２ａの入口１２ｂに冷却
流体供給路２１を介して連通する蒸気溜め３８が形成さ
れ、この蒸気溜め３８に前記ノズル３７Ａが接続されて
いる。このノズル３７Ａは、その先端に、周方向に並ん
で配置された複数の丸孔を有しており、この丸孔が前記
冷却通路１２ａの入口１２ｂに蒸気を供給する蒸気供給
口３７として働く。前記蒸気導入パイプ１８Ｂ、分岐パ
イプ１８ａおよびノズル３７Ａにより、冷却流体供給路
２１を介して入口１２ｂに蒸気を導入する蒸気導入通路
が形成されている。また、前記蒸気溜め３８には、前記
圧縮機２からの圧縮空気を前記冷却通路１２ａの入口１
２ｂに供給するため空気供給口３９が形成されている。

【００５４】前記ノズル３７Ａと、前記蒸気溜め３８を
形成する環状のフランジ９ａとの間にはラビリンスシー
ル４０が形成されている。これにより、第１段のタービ
ンロータ８の回転を阻害せず、かつノズル３７と蒸気溜
め３８の接続部をシールして、蒸気ｓの漏れを防止でき
る。ここで、過熱状態の蒸気ｓは空気ａよりも密度が小
さいので、蒸気溜め３８をなくして蒸気供給口をディス
ク９の冷却流体供給路２１にギャップを介して対向させ
ただけでは、ディスク９の回転による遠心力を受けて、
蒸気ｓが径方向内方へ逃げてしまい、冷却流体供給路２
１内に供給するのが困難になるが、この実施形態では、
蒸気溜め３８を設けているので、蒸気ｓが逃げることな
く冷却流体供給路２１内に円滑に供給される。

【００５５】また、この参考例では、第１の実施形態に
おいて蒸気導入パイプ１８Ａの先端開口５１の外周に設
けていた遮蔽部材２０を省略している。このため、蒸気
の供給がある場合、蒸気導入パイプ１８Ａの先端開口５
１から貯溜室１６内に噴射される蒸気ｓは、第１段のタ
ービン静翼１１の入口１１ｂに導入されるだけでなく、
後段静翼用流体通路１９を経て第２段のタービン静翼１
１の入口１１ｂにも導入され、第１段および第２段のタ
ービン静翼１１の両方が蒸気膜冷却されることになる。
その他の構成は先の実施形態と同様である。

【００５６】このガスタービン１では、廃ガスボイラ２
３から蒸気ｓの供給がある場合に、第１段のタービン静
翼１１だけでなく、第２段のタービン静翼１１およびタ
ービン動翼１２に比べて冷却の度合いの高い第１段のタ
ービン動翼１２も蒸気膜冷却により効果的に冷却され
る。蒸気ｓの供給がない期間は、第１の実施形態の場合
と同様、第１，第２段のタービン静翼１１およびタービ
ン動翼１２は空気膜冷却により冷却される。

【００５７】図７は第２の実施形態に係るタービン翼冷
却装置を備えた蒸気注入ガスタービン１の要部を示す縦
断面図である。この実施形態では、第１の実施形態にお
いて、廃ガスボイラ２３からの蒸気として、過熱器３１
で過熱される途中の過熱蒸気（図５の温度Ｔｗｃ）を抽
出し、タービン翼冷却用として使用している。なお、第
１段のタービン静翼１１の径方向の外端に冷却用蒸気ｓ
を供給する構造は、参考例の場合と同様である。

【００５８】この場合の冷却蒸気ｓは、前記第１の実施
形態および参考例の場合に比べて、蒸気温度が低いの
で、第１の実施形態の場合のような水噴射器２６で蒸気
を冷却しない。このように過熱途中の過熱蒸気を抽出し
て使用するため、廃ガスボイラ２３での過熱蒸気は抽出
箇所から図５に破線Ｆで示すように温度上昇する。ま
た、排ガスとの間で熱交換される過熱蒸気が少なくなる
ので、その分だけ排ガスの放熱量が少なくなる結果、排
ガスの温度降下の勾配が、図５に破線で示すように緩や
かになる。このため、この変化分に相当する燃焼器注入
蒸気量を更に増加することができて、出力及び熱効率が
それに対応して向上する。

【００５９】なお、この第２の実施形態の場合、翼冷却
用の蒸気量は、この蒸気量と圧縮機２への吸込空気量と
の比が、従来のガスタービンにおける冷却用空気量と吸
込空気量との比により得られる冷却効果と同等となるよ
うに決められる。また、第１の実施形態および参考例の
ように過熱蒸気（温度Ｔｗａ）に水を噴射して冷却した
蒸気を冷却用として使用する場合、蒸気と水の割合は、
第１の実施形態の場合の蒸気（温度Ｔｗｃ）のエンタル
ピと同一のエンタルピになるように決められる。

【００６０】図８は本発明の参考例に係るタービン翼冷
却装置を備えた蒸気注入ガスタービン１の要部を示す縦
断面図である。この参考例では、第１の実施形態におい
て、第１段のタービン静翼１１の径方向の内端側から冷
却通路１１ａに冷却用蒸気を供給する蒸気導入パイプ１
８Ｂの出口部に、分岐パイプ１８ｂが形成され、この分
岐パイプ１８ｂから導出する蒸気を第１段および第２段
のタービン動翼１２に設けた冷却通路１２ａに導入し
て、この動翼１２を冷却するようにしてある。

【００６１】すなわち、燃焼器３の内側ケーシング６Ａ
と、第１段の動翼１２を有するタービンロータ８のディ
スク９と、その回転軸１０Ａとで囲まれて形成された内
側貯留室４１内に、前記分岐パイプ１８ｂの先端開口５
３が臨むように、分岐パイプ１８ｂが前記内側ケーシン
グ６Ａを貫通して配置される。前記蒸気導入パイプ１８
Ｂと分岐パイプ１８ｂが、内側貯留室４１および冷却流
体供給路２１を介して冷却通路１２ａに蒸気を導く蒸気
導入通路を形成している。ここで、前記内側貯留室４１
に開口する内側ケーシング６Ａの空気流通口４４から内
側貯留室４１内に導入される圧縮機２からの圧縮空気ａ
の圧力よりも、内側貯留室４１内の蒸気圧が高くなるよ
うに、前記分岐パイプ１８ｂから供給される冷却用蒸気
の圧力が設定される。その他の構成は第１の実施形態の
場合と同様である。

【００６２】また、タービンロータ８に連結された外側
回転軸１０Ａには前記内側貯留室４１に開口する空気流
通路２２Ａが、負荷５（図１）に連結された内側回転軸
１０Ｂには前記空気流通路２２Ａに連通する流体流通路
２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄが、それぞれ設けられており、
これら通路２２Ａ〜２２Ｄが、後段動翼用流体通路２２
を形成している。

【００６３】このガスタービン１では、やはり、ガスタ
ービン１が起動してから、廃ガスボイラ２３（図１）が
立ち上がるまでの運転期間中、すなわち冷却用蒸気ｓの
供給がない間は、前記蒸気弁２５および水調節弁２７の
開度が全閉とされ、圧縮機２からの圧縮空気ａの一部が
内側ケーシング６Ａに設けた空気流通路４４を通って内
側貯留室４１に導入され、この導入された圧縮空気ａを
冷却媒体として、第１，第２段のタービン静翼１１およ
びタービン動翼１２とも、空気膜冷却による冷却が行わ
れる。

【００６４】廃ガスボイラ２３から蒸気ｓの供給がある
場合に、第１段および第２段のタービン静翼１１だけで
なく、第１段および第２段のタービン動翼１２も蒸気膜
冷却により効果的に冷却される。すなわち、蒸気供給口
である前記分岐パイプ１８ｂの先端開口５３から内側貯
留室４１内に供給された冷却用蒸気の一部は、第１段の
タービンロータ８の冷却流体供給路２１から、そのター
ビン動翼１２の内端の冷却通路入口１２ｂに供給され、
他の冷却用蒸気は、外側回転軸１０Ａに設けた冷却流体
通路２２Ａから、内側回転軸１０Ｂに設けた冷却流体流
通路２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ、および第２段のタービン
ロータ８の冷却流体供給路２１を経て、そのタービン動
翼１２の内端の冷却通路入口１２ｂに供給される。この
ように、蒸気供給時には、内側貯留室４１および冷却流
体通路２２Ａ〜２２Ｄが冷却用蒸気の供給路となり、第
１段および第２段のタービン動翼１２が空気膜冷却から
蒸気膜冷却に切り替えられる。

【００６５】また、この実施形態の場合、第１の実施態
様において、蒸気導入パイプ１８Ｂの出口部に、前記内
側貯留室４１に先端開口５３が臨む分岐パイプ１８ａを
形成するだけでよいので、第１段および第２段のタービ
ン動翼１２の両方を蒸気膜冷却する機能を極めて簡単に
構成できる。

【００６６】なお、前記各実施形態では蒸気ｓが廃ガス
ボイラ３から供給されたが、蒸気ｓは他の蒸気源から供
給してもよい。その場合でも、蒸気源が何らかの原因で
蒸気ｓをガスタービン１に供給できなくなったときに、
空気によりタービン翼が円滑に冷却される。

【００６７】

【発明の効果】以上のように、本発明の請求項１のガス
タービンのタービン翼冷却装置によれば、蒸気導入パイ
プからの蒸気供給がある場合には、蒸気圧力が空気圧力
より大きいので、前記蒸気導入パイプの先端開口よりタ
ービン静翼の冷却通路入口に蒸気を導入してタービン静
翼を蒸気膜冷却でき、蒸気供給がない場合は、前記ギャ
ップから冷却通路入口に空気を導入してタービン静翼を
空気膜冷却できる。

【００６８】

【００６９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービンを備えたガスタービ
ン設備の一例を示す概略構成図である。

【図２】本発明の第１の実施形態のタービン翼冷却装置
を備えたガスタービンの要部を示す縦断面図である。

【図３】同ガスタービンの静翼を示す横断面図である。

【図４】同ガスタービンの動翼を示す横断面図である。

【図５】図２の廃ガスボイラにおける熱交換特性を示す
図である。

【図６】本発明の参考例のタービン翼冷却装置を備えた
ガスタービンの要部を示す縦断面図である。

【図７】本発明の第２の実施形態のタービン翼冷却装置
を備えたガスタービンの要部を示す縦断面図である。

【図８】本発明の参考例のタービン翼冷却装置を備えた
ガスタービンの要部を示す縦断面図である。

【図９】従来例を示す縦断面図である。

【図１０】従来例の燃焼器の概略構成を示す横断面図で
ある。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−301127（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−93880（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−57416（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−193468（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−67239（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−83928（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02C 7/16 - 7/18

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮された
   空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器３と、この燃焼
   器３からの燃焼ガスのエネルギにより駆動されるタービ
   ン４とを備えたガスタービン１におけるタービン翼の冷
   却装置であって、 内部に冷却通路１１ａを形成したタービン静翼１１の径
   方向の外端または内端に冷却通路の入口１１ｂが、翼表
   面に冷却通路の出口１１ｃがそれぞれ設けられ、前記入
   口１１ｂに対向して、前記圧縮機２からの圧縮空気を前
   記冷却通路１１ａに供給する空気供給口と、前記圧縮空
   気よりも圧力の高い蒸気を前記冷却通路１１ａに供給す
   る蒸気供給口とが配置され、 蒸気 をガスタービン１の外部からケーシング６を貫通し
   てガスタービン１の内部へ導入する蒸気導入パイプ１８
   を有し、この蒸気導入パイプ１８の先端開口５１，５２
   が、前記冷却通路１１ａの入口１１ｂにギャップＧ１，
   Ｇ２を介して対向しており、前記先端開口５１，５２に
   より前記蒸気供給口が形成され、前記ギャップＧ１，Ｇ
   ２により前記空気供給口が形成されているガスタービン
   のタービン翼冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記蒸気供給口５１
   および空気供給口Ｇ１が前段側の静翼１１の径方向外方
   に位置しており、これら蒸気供給口５１および空気供給
   口Ｇ１の後方に、後段側の静翼１１に冷却用の前記圧縮
   空気を導く後段静翼用流体通路１９が設けられ、前記蒸
   気供給口５１の外周に、この蒸気供給口から前記冷却通
   路の入口１１ｂに向けて噴射された蒸気が前記後段静翼
   用流体通路１９へ流入するのを阻止する遮蔽部材２０が
   設けられているガスタービンのタービン翼冷却装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、さらに、前
   記タービン４から排出される排ガスを熱源とする廃ガス
   ボイラ２３を備え、この廃ガスボイラ２３から前記蒸気
   が供給されているガスタービンのタービン翼冷却装置。
4. 【請求項４】 請求項３において、さらに、前記廃ガス
   ボイラ２３からの蒸気に水を噴射して蒸気を冷却したの
   ち前記冷却通路１１ａ，１２ａに供給させる水噴射器２
   ６を備えているガスタービンのタービン翼冷却装置。
5. 【請求項５】 請求項３または４において、さらに、前
   記廃ガスボイラ２３からの蒸気を前記燃焼器３に注入す
   る蒸気注入通路７を備えているガスタービンのタービン
   翼冷却装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記冷却通路１１ａ，１２ａに供給される蒸気量を調節
   する蒸気弁２５と、少なくとも、タービン入口の燃焼ガ
   ス温度ＴＩＴまたはこれに対応する状態量と、前記冷却
   通路１１ａ，１２ａに供給される蒸気の温度Ｔｓとに基
   づいて、前記蒸気弁２５を制御して前記蒸気量を所望値
   に制御する制御手段３６とを備えているガスタービンの
   タービン翼冷却装置。
7. 【請求項７】 請求項４において、前記冷却通路１１
   ａ，１２ａに供給される蒸気量を調節する蒸気弁２５
   と、前記水噴射器２６に供給される水量を調節する水調
   節弁２７と、少なくとも、タービン入口の燃焼ガス温度
   Ｔ１Ｔまたはこれに対応する状態量と、前記冷却通路１
   １ａ，１２ａに供給される蒸気の温度Ｔｓとに基づい
   て、前記蒸気弁２５および水調節弁２７を制御して前記
   蒸気量および水量を所望値に制御する制御手段３６とを
   備えているガスタービンのタービン翼冷却装置。