JP3631500B2

JP3631500B2 - ガスタービン用の一体化蒸気／空気冷却装置及びガスタービン用の冷却装置を動作する方法

Info

Publication number: JP3631500B2
Application number: JP31017792A
Authority: JP
Inventors: フランシスコ・ホセ・カンハ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: KR100229295B1; KR930010349A; NO924449L; EP0543627A1; DE69213663D1; CN1073502A; NO300394B1; NO924449D0; JPH05240064A; EP0543627B1; US5340274A; CN1068409C; DE69213663T2

Description

【０００１】
【関連出願との関係】
本出願は、１９９１年１１月１９日に出願された係属中の米国特許出願番号第０７／７９４０３２号の部分継続出願に関連する。
【０００２】
【発明の背景と要約】
本発明は、ガスタービン用の冷却装置、特に、複合サイクルタービン用の一体化蒸気／空気冷却装置と、この装置を動作する方法とに関する。
ガスタービンの羽根及びノズルを冷却する従来の方式は、例えばガスタービン圧縮機の中間段及び最終段から空気を抽出することにより、十分高い圧力の源から空気を抽出することである。タービン羽根を冷却するという所望の質量流量の目的を達成するためには、一連の内部流れ通路を用いるのが典型的であるが、ノズルに対しては、冷却空気が外部配管を介して供給されると共に制御される。冷却空気の流れ回路は、熱力学サイクルに熱が供給される燃焼器を側路する。このため、方向転換された冷却空気は燃焼器から直接的にエネルギを受け取らず、タービンの中で完全に膨張しない。この構成はタービン出力に寄生的な損失となり、全体的な性能効率を低下させる。
【０００３】
再熱型ガスタービンにおける蒸気冷却は、これまでにも提案されている。例えば、米国特許番号第４３１４４４２号及び同第４５６５４９０号を参照されたい。蒸気冷却は、エレクトリック・パワー・リサーチ・インスティチュート報告書番号ＲＰ２６２０−１、「将来のガスタービン開発の選択方式の定義の研究（ＦｕｔｕｒｅＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＯｐｔｉｏｎｓＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＳｔｕｄｙ）」（１９８７年７月号）に論じられている。この報告書は、熱力学的なサイクルの解析の観点から、蒸気冷却によって予想される性能の改善を述べている。この報告書で見る限り、その当時は提案された閉じた冷却回路形式に伴う反対向きに働く回転及び遠心力の場による力や、回路の摩擦損失に打勝つためには、高い圧力が必要だと考えられていたため、蒸気冷却の供給条件として、非常に高い、即ち１８４０ｐｓｉａ程度の圧力源が必要とされていた。
【０００４】
複合サイクルの運転では、幾つかの圧力及び温度レベルの蒸気を容易に利用し得る。ガスタービンの冷却空気は、冷却媒質としては一層よい蒸気に置換えることができる。更に、空気冷却から蒸気冷却への切換えを行うとき、冷却媒質としての空気に伴う熱効率の低下の問題が改善される。冷却材として蒸気を用いることにより、ガスタービンサイクルの点火温度を高めることも可能になる。
【０００５】
上に引用した発明者のこれまでの特許出願にも述べられているが、蒸気及び空気冷却が複合サイクル装置で一体化され、主たる冷却作用は蒸気によって行われ、例えば始動のような設計以外の運転状態では空気によって行われる。即ち、ガスタービンが通常の状態では、蒸気冷却を用いて運転され、始動の間、又は蒸気源の突然の故障があったときには、空気を用いた設計以外の冷却動作が可能な支援措置を利用し得るようになっている。そこに記載された発明では、現存の空冷ガスタービンを空冷で動作するものから蒸気冷却に切換えるように変更される。このため、冷却の流れの分配、特に第１段及び第２段タービン羽根と第２段ノズルとにおける流れの分配には、蒸気冷却に合わせた変更が必要になる。
【０００６】
更に具体的に言うと、第２段ノズルベーン及び第１段タービン羽根は、特に蒸気冷却の熱効率を活用するように設計されている。第２段ノズルでは、一対のパイプ又は管が、複合サイクル運転からの適当な蒸気源に結合されたマニホルドから伸びており、ノズルベーン及びノズルベーンに付設されたダイヤフラムを通って伸びている。ダイヤフラムの内面は普通のようにスペーサの外面に封着されており、スペーサは第１段及び第２段タービン羽根を取り付けるホィールの間にあって、ホィールと一緒に回転するように担持されている。スペーサは第１段及び第２段タービンホィールと共に一対の室を限定している。ノズルベーン及びダイヤフラムを通過する冷却する冷却蒸気は、室及び入口ポートと連通し、第１段及び第２段タービン羽根の中を通過するが、これは後で説明する。
【０００７】
更に、別々の挿着体がノズルベーンを通る管の各々を包み込んで囲んでいる。各々の挿着体は、蒸気を通す管と挿着体との間の空間に供給された空気を外向きに、挿着体とノズルベーンの壁との間に限定されている空所に流すための複数の開口を備えている。空気はノズルベーンを冷却して、その後縁にある一連の開口を介してベーンを出て行くと共に、ダイヤフラム内の室に入り、タービンを通るガスの流れの中へ反対の軸方向に出て行く。蒸気を通す管は、その外面の周りにリブを有しており、管の内部の蒸気と挿着体の中を流れる空気との間の伝熱関係を改善する。挿着体の外面は、好ましくは螺旋形又は渦巻き形のリブを備えており、流れを後縁及びダイヤフラムに差向ける。動作中、蒸気と空気との間の熱の伝達は、蒸気の温度を下げると共に、空気の温度を高める。しかしながら、空気の流れが膨張し、挿着体の開口を通過するときに冷却されて、ノズルベーンの内側の面に対して衝突冷却をする。
【０００８】
蒸気は管及びダイヤフラムを通って流れると共に、ダイヤフラムとスペーサとの間のシールを通って流れる。このシールは、多数の突出している歯を有するラビリンス型のシールであることが好ましい。本発明では、スペーサのシール面に沿って、吹出しノズルが円周方向に互いに隔てられて設けられている。蒸気はラビリンスシールの隣り合った歯の間を通って、ダイヤフラムからスペーサの吹出しノズルへと流れる。ノズルは、スペーサの両側にある室への蒸気の流れを加速するような形状を成している。
【０００９】
更に、第１段及び第２段タービンに対する冷却蒸気は、タービンの軸に近い場所から、第１段及び第２段タービンホィールの間の区域に取り込まれる。スペーサには、蒸気が室に入れるようにするための通路が設けられている。このため、この内側の蒸気の流れは遠心力によって半径方向外向きに通り、ノズル段の管及びスペーサの吹出しノズルから室に入る蒸気と混ざる。この混合された蒸気は第１段及び第２段のタービン羽根の中を流れて、これらの羽根を冷却する。
【００１０】
前の特許出願に記載された発明の他の一面として、第１段タービンの各々の羽根は４つの冷却材回路を含む蛇行冷却配置を含んでいる。即ち、羽根の前縁及び後縁に隣接した半径方向外向きの２つの一回パス通路、及び２つの中間の三回パスの前側及び後側回路である。蛇行通路に対する入口ポートが、タービン羽根を取り付けるペデスタルの中にある。中間の前側及び後側回路に関して言うと、それぞれの入口ポートが羽根の根元部に設けられており、蒸気の流れは、最初は先端部に向かって半径方向外向きに、次に根元部に向かって半径方向内向きに、最後に先端部に向かって半径方向外向きに通り、羽根の先端部でその略中央からタービン羽根を出て行く通路を通る。従って、蒸気は隣り合う前縁及び後縁の近くから、タービン羽根の中央部に向かって軸方向反対向きに蛇行して流れる。このように、羽根から大部分の熱を集めた蒸気は、金属温度が最も低い羽根の場所から出て行くのが有利である。
【００１１】
前縁回路が羽根の根元部にある入口ポートと先端部にある出口との間で蒸気を半径方向外向きに流し、蒸気は半径方向に隔たっている複数の開口から、羽根の前縁にある凹部へと流れる。この凹部は、運転中の羽根温度が最高である区域である羽根の澱み又はピッチ区域に沿って設けられている。凹部は密度の高い織成ワイヤメッシュのような多孔質材料を含んでおり、このため、第１の前縁回路からの蒸気は開口を通って凹部に入り、メッシュの中で滲出し冷却を行う。後縁回路が、羽根の根元部に隣接している入口ポートからの蒸気を先端部に隣接している出口に流すと共に、羽根の後縁に沿って半径方向に隔たっている一連の開口に通す。
【００１２】
更に、各々のベーンの圧力側には、羽根に沿って半径方向に隔たっている一連の分流境膜冷却孔が設けられており、中間の前側回路の第１の通路と連通して、ベーンの圧力面に沿って境膜冷却用蒸気を供給することが好ましい。境膜冷却が行われるのは、蒸気が優れた放射特性、例えば吸収度及び放射度を有しており、かなりの放射エネルギを吸収し、このエネルギを一層低い強度で放出するからである。ベーンの圧力側には、羽根に沿って半径方向に隔たっている一連の分流境膜冷却孔も設けられており、これらの孔は中間の後側回路の最後の通路と連通していることが好ましい。吸込み側に羽根の前縁及び後縁の間にこのような分流境膜冷却孔を配置することを選んだのは、境界層がこの区域に沿って厚くなるからである。境界層はその部分に対する対流熱負荷を増加する。薄い境膜冷却によって境界層を減らすことにより、その部分に対する対流熱負荷は減少する。
【００１３】
第２段タービン羽根の各々は直進している複数の半径方向通路を備えており、この通路は冷却蒸気を羽根の先端まで半径方向外向きに通す。各々のタービン段は羽根の先端に隣り合っている蒸気集めシュラウドを有しており、このシュラウドは冷却蒸気を集める。
空気冷却装置が今述べた蒸気冷却装置と一体になっている。そのため、第１段ホィールの内周に回転ノズルカラーが設けられている。固定及び可動の弁構造が軸の周りに取り付けられている。弁は通常閉じており、圧縮機からの加圧された空気が、ホィールとスペーサとの間の空間に半径方向外向きに流れ込んで室に入るのを防止する。始動の際、又は例えば蒸気圧力が利用できないか若しくは失われたときの設計外の運転のとき、ソレノイドを作動して弁を開き、加圧された空気をこういう区域に供給し、第１段及び第２段タービン羽根の入口ポートに流して、冷却作用を行わせる。始動の後、又は空気冷却が一般的に必要ではないときには、ソレノイドが弁を閉じて、空気がこういう空間に入るのを妨げる。
【００１４】
本発明は、ガスタービンに対する現存の空気冷却型の設計と蒸気冷却とを一体化する装置及び方法を提供し、こうして熱力学的な利点及びサイクル効率を十分に生かすような形で、空気冷却、蒸気冷却、空気／蒸気冷却の組み合わせ、及びガスタービンのあらゆる運転状態に対し、その間で切換えができるようにする。このため、熱力学的な損失はなくなるか又は最小限になり、それと同時に蒸気冷却によって、点火温度を一層高くすることができ、機械の出力定格が一層高くなる。更に、タービンの他の動作部品に影響せずに、より多くの空気及び蒸気を燃焼過程に供給することにより、燃焼器の放出物の制御が改善される。例えば、冷却空気をタービンホィールの周りに流すことにより、ホィールの前後に温度勾配が誘起される結果として、タービン回転子のホィールの低サイクル熱疲労が一層大きくなる。冷却空気を蒸気に置換えることにより、温度勾配が減少し、タービン回転子のホィールの予想寿命が伸びる。
【００１５】
本発明は、発明者の前の特許出願に記載された第１段及び第２段タービン羽根並びに第２段ノズルの蒸気冷却の特徴を今日のガスタービンの設計における現存の空気冷却回路と一体にする方式を提供する。更にこの方式は、タービンのあらゆる動作モードに対して空気及び蒸気冷却を一体にし、例えば、蒸気が利用できるようになったときの始動の際の空気冷却から蒸気冷却への滑かな切換えを行わせ、正常な運転中は蒸気冷却を行わせると共に、余分の空気冷却を行う自由度も付与し、そして例えば、タービン羽根の特に高温の部分が検出されたときのような異常な運転の期間中、空気冷却によって余分の冷却作用を行うことができるようにする。このため、本発明は、サイクル効率が一層よく、点火温度が一層高く、タービンの冷却作用が強まり、燃焼放出物の制御の融通性を持たせると共に、タービン回転子のホィールの低サイクル疲労寿命を強化するというガスタービン用の一体化蒸気／空気冷却装置を提供する。
【００１６】
本発明の好ましい実施例では、ガスタービン用の一体化蒸気／空気冷却装置は、それぞれがタービンの中を通るガスの流れの中に配置されている複数のタービン羽根を有しており、軸方向に隔たっている一対の回転自在のタービン段と、タービン段の間にあって、タービンを通るガスの流れの中に配置されている複数のノズルベーンを含んでいるノズル段とを備えている。少なくともあるタービン羽根はそれぞれ少なくとも１つの内部通路を有している。少なくともあるベーンはそれぞれ少なくとも１つの内部通路を有している。内部通路に冷却空気を供給してタービンを空冷すると共に、内部通路に蒸気を供給してタービンを蒸気冷却する手段が設けられている。冷却空気を供給する手段及び蒸気を供給する手段と協働して、タービンの空冷及びタービンの蒸気冷却の間の切換えを行う手段が設けられている。
【００１７】
本発明の他の好ましい実施例では、それぞれがタービンを通るガスの流れの中に配置されている複数のタービン羽根を有しており、少なくともあるタービン羽根がそれぞれ少なくとも１つの内部通路を有するような軸方向に隔たっている一対の回転自在のタービン段と、タービン段の間にあって、タービンを通るガスの流れの中に配置されている複数のノズルベーンを含んでおり、少なくともあるベーンがそれぞれ少なくとも１つの内部通路を有するようなノズル段とを含んでいるガスタービン用の冷却装置を動作する方法であって、最初に、タービンの始動の間、冷却空気をタービン羽根の内部通路に供給してタービンを空冷し、その後、タービンの始動後のタービンの正常な運転中、蒸気をタービン羽根の内部通路に供給してタービンを蒸気冷却し、冷却空気の供給及び蒸気の供給と協働して、タービンの空冷及びタービンの蒸気冷却の間で切換えを行う工程を含んでいる方法を提供する。
【００１８】
従って、本発明の主な目的は、ガスタービン用の新規で改良された蒸気／空気冷却装置を提供することである。
本発明の上述並びにその他の目的及び利点は、以下説明する所から明らかになろう。
【００１９】
【詳しい説明】
次に、本発明の現在好ましいと考えられる実施例を示す図面について詳しく説明する。
判り易くするため、以下の説明は、発明者の前述の特許出願に大体記載されている通りのガスタービンのノズル及びタービン段について最初に説明した後、本発明の一体化蒸気／空気冷却装置及びその動作について説明する。
【００２０】
図１及び図２には、全体を１０で示す複合サイクルガスタービンの一部が示されており、この複合サイクルガスタービンは第１及び第２のタービン段１２及び１４と、第２のノズル段１６とを含んでいる。図２に示すように、第１及び第２のタービン段の各々は、ペデスタル２２及び２４にそれぞれ取り付けられている複数のタービン羽根１８及び２０を含んでおり、これらのペデスタルはタービンホィール２６及び２８に取り付けられている。スペーサ３０がホィール２６及び２８の間に軸方向に配置されていると共に、これらのホィールに固定されており、ホィールと一緒に回転する。スペーサ３０は第２のノズル段１６の一部を形成している固定ダイヤフラム３４の内面に封着されているシール面３２を含んでいる。ダイヤフラム３４の内面はスペーサ３０の外面３２と共に、ラビリンスシールを形成することが好ましい。第２のノズル段１６は半径方向に固定されて伸びている複数のベーン４６を含んでいる。複数のベーン４６は互いに円周方向に隔たっており、ダイヤフラム３４からタービン支持枠３６まで半径方向外向きに伸びている。タービン軸が破線３８で図式的に示されている。タービン燃焼器ＴＣ（図１）からのガスは全体的に軸方向に流れ、例えば図２で左から右に第１段ノズル３９を通って、第１のタービン段を駆動することが理解されよう。この後、このガスは固定された第２段ノズルを通って、第２のタービン段を駆動する。
【００２１】
１つのガスタービンにおいて蒸気及び空気冷却回路を一体にするため、複合サイクルタービンの蒸気源ＳＴ（図１）からの蒸気をマニホルド４０に通す。このマニホルドは、各々のノズルベーン４６の内部に沿って半径方向内向きに伸びている管４４ａ及び４４ｂに結合された一対の枝路４２を有している。管４４ａ及び４４ｂはダイヤフラム３４を通り抜け、ダイヤフラム３４とスペーサ３０との相接するシール面でダイヤフラム３４の内面に沿って出て行く。この後、蒸気の流れはスペーサ３０の吹出しノズル４８及び５０を通って、スペーサのシール面３２の内側に入り、スペーサ３０の軸方向両側にある内部の室５２及び５４へ入る。室５２及び５４内の蒸気は、タービン羽根１８及び２０の根元部に隣接しているペデスタルにある入口ポートと連通し、タービン羽根に冷却蒸気を供給する。蒸気は羽根１８及び２０の先端部からそれぞれシュラウド５６及び５８に出て行く。
【００２２】
蒸気は軸３８に隣接している場所からも、室５２及び５４に入って行く。例えば蒸気は、軸方向に伸びている流路６０を通って入り、スペーサ３０とホィール２６及び２８との間の空間を通り、通路６２を介して室５２及び５４に入る。この後、この組み合わされた蒸気の流れは、タービン羽根の中を通って羽根を冷却する。室５２及び５４で２つの蒸気の流れが混ざることにより、他の場合には起こる惧れのある空所内での望ましくない渦循環セルが最小限に抑えられ、又は除かれる。
【００２３】
発明者の前述の特許出願にも記載してあり、本出願の図３にも示されているが、ベーン４６内の管４４ａ及び４４ｂの各々は、挿着体６２ａ及び６２ｂの中に封入されている。これらの挿着体はベーン４６の全長にわたって、管４４ａ及び４４ｂと同じ長さだけそれぞれ伸びている。挿着体６２ａ及び６２ｂの各々は、それぞれの管４４ａ及び４４ｂを取り囲んでおり、挿着体と、取り囲まれている管との間に空気通路を限定している。空気はタービン枠に形成されている空気室６６を介して、通路６２ａ及び６２ｂに取り込まれる。装着体６２ａ及び６２ｂの各々は複数の非常に小さい開口６７を備えており、これによって通路６４ａ及び６４ｂ内にある加圧された空気は、この開口を通って膨張し、挿着体と、ベーン４６の内壁との間に限定されているそれぞれの空所６８ａ及び６８ｂに入ることができる。管４４ａ及び４４ｂはその外面にひれ（フィン）７０ａ及び７０ｂをそれぞれ担持しており、これによって通路６４ａ及び６４ｂ内の冷却空気の流れはそれぞれ乱流になる。乱流の空気はひれの周りを流れて、管４４ａ及び４４ｂの壁から追加の対流エネルギを運ぶ能力を高める。二番目に、ひれは管の壁から空気への伝導による熱伝達をよくする。このため、管４４ａ及び４４ｂを流れる蒸気は温度が下がるが、空気はその熱エネルギを挿着体の壁に伝える。通路６４ａ及び６４ｂ内の冷却空気は、衝突開口６７を通って膨張して、空所６８ａ及び６８ｂに入り、ベーン４６の内壁に衝突する複数の冷却空気ジェットを作る。
【００２４】
挿着体６２ａ及び６２ｂには、分流管７２ａ及び７２ｂがそれぞれ設けられている。分流管は渦巻き形又は螺旋形であって、空気の流れを半径方向内向きの螺旋形の流れの向きにし、こうしてノズルベーン４６の内壁との熱伝達関係をよくすることが好ましい。図示のように、半径方向に相隔たっている複数の開口７４が、各々のベーン４６の後縁に沿って設けられており、空所６８ｂと連通し、冷却空気をガスの流れの中に逃がす。空所６８ａ及び６８ｂは逃がし離隔部７６を介して、ダイヤフラム３４の内部とも連通している。ダイヤフラム３４の内部は、軸方向に開口している開口７８を介して、タービンの中を通るガスの流れと連通している。
【００２５】
第１段タービン羽根１８はそのペデスタル２２に取り付けられている。タービン羽根１８の各々は、羽根の根元部に隣接している所からその先端部まで伸びている、好ましくは４つの別々の冷却回路を備えている蛇行冷却装置を有している。前縁回路はその根元部に隣接して入口ポートと連通している半径方向に真直ぐな一回パス通路８０を備えている。一回パス通路８０は室５２からの蒸気を受け取る。通路８０はその先端部に隣接している出口ポートを有しており、羽根からの蒸気をシュラウド５６の中に流す。一回パス後縁回路が設けられており、一回パス後縁回路は、根元部に隣接している入口ポートと連通している通路８２を備えている。通路８２は室５２からの蒸気を受け取る。通路８２は羽根の中を半径方向外向きに伸びており、その先端部にある出口ポートから出て行き、蒸気をシュラウド５６の中に流す。後縁通路８２は半径方向に隔たっている複数の通路８４とも連通している。複数の通路８４は羽根１８の後縁で開口１０４から開口している。２つの中間回路は三回パスの前側及び後側回路をそれぞれ備えている。前側回路は、羽根の根元部に隣接している入口ポートと連通して室５２からの蒸気を受け取る通路８６を含んでいる。この蒸気は根元部から通路８６に沿って先端部に向かって流れ、その後半径方向内向きに第２の通路８８を反対に通り、再び先端部に向かって通路９０を通る。同様に、三回パス後側回路は、根元部に隣接している入口ポートを有している通路９２を含んでいる。この入口ポートは室５２と連通している。三回パス後側回路は、蒸気を通路９２を介して先端部に向けて半径方向外向きに通し、根元部に向けて通路９４を反対に通し、その後再び通路９６を介して先端部に向けて通し、固定されたシュラウド５６へと出て行くようにする。多重パスの前側及び後側の中間回路は、各々の回路の最後のパスが、図５に示すように、羽根のエアロフォイル形状の略中心又は中央にあるように、即ち通路９０及び９６を通るように構成されている。こうして通路は、最後の通路が最も低い金属温度を有するエアロフォイルの区域にあるように配置されている。
【００２６】
エアロフォイルの澱み点又は区域に隣接して蒸気冷却が行われることが重要である。エアロフォイルの澱み又はピッチ区域は、実質的にエアロフォイルの前縁の中央部に沿った区域である。温度が羽根の融点に近付く惧れがあるため、澱み区域を冷却することは重要である。この厳しい熱条件を除くため、例えば鋳造の際、羽根の前縁に凹部９８が形成される。凹部９８には多孔質材料１００、例えば密度の高い織成ワイヤメッシュが含まれている。凹部９８は一回パス前縁通路８０と直接的に連通しており、一回パス前縁通路８０は蒸気を凹部９８に供給し、メッシュ材料に通してエアロフォイル形の羽根の両側に沿って流出するようにする。このため、前端に滲み出し冷却が加えられる。
【００２７】
羽根の吸込み側及び圧力側の両方に沿った境膜冷却が行われる。特に、エアロフォイルの圧力側には、羽根の長さに沿って相隔たっており、前側中間回路の第１の通路８６と連通している冷却通路１０２が設けられている。第１の通路８６は圧力側に沿った薄い境膜冷却材の冷却源として用いられている。これは、エアロフォイルの圧力側の前側部に沿って、放射熱束が最も厳しいからである。吸込み側では、一連の通路１０６が後側冷却回路の最後の通路９６と連通しており、吸込み側に沿った境膜冷却を確立する。通路１０６はエアロフォイルに沿って、大体境界層が厚手になった所に設けられており、これによってその部分に対する対流熱負荷が増加する。このため、薄い境膜冷却は、従来は境界層があったために、実質的な熱伝達が抑制されていたエアロフォイルの部分に沿った熱伝達関係をよくする。
【００２８】
図１には、始動の際、又は運転停止の際、又は蒸気が利用できない設計外の状態の際に、タービンを空冷する装置が示されている。空冷装置はダクト１５０を介してタービン圧縮機と連通している通路を含んでおり、この通路は空気を軸に隣接して流すと共に、回転ノズルカラー１２０を通り越すようにする。更に、常閉の空隙１２２を構成するようにソレノイドＳによって可動である非回転型環状弁部分１２１が設けられている。ソレノイドＳの作動は、第１段及び第２段タービン羽根の先端の近くに取り付けられており、羽根の金属の温度を感知する一組の高温計１２４（図２）によって行うことができる。高温計は公知の構造であって、高温計が発する電気信号はアナログ処理装置に送られ、アナログ処理装置は電気信号を増幅し、ソレノイドＳを制御する。このため、羽根の温度が所定の温度より高くなると、高温計がこういう温度を感知し、ソレノイドＳを作動して空隙１２２を開き、空気が軸に沿って流れると共に、空隙１２２を通って半径方向外向きに、ホィールとスペーサとの間の空間に流れ込むことができるようにする。その後、空気は半径方向外向きに室５２及び５４内に流れ込んで、第１段タービン羽根の蛇行通路に流れ込むと共に、第２段タービン羽根の半径方向に真直ぐな通路に流れ込むことができるが、これは前に説明した通りである。
【００２９】
次に図１について説明すると、タービン空気及び蒸気冷却供給並びに制御装置が示されている。空気冷却装置は、圧縮機Ｃの中間圧抽出ポート１４０を含んでいる。中間圧抽出ポート１４０は導管１４２を介して三方制御弁４４と連通しており、三方制御弁４４は冷却空気を管４４の周りの室６６に供給し、ダイヤフラム３４に出て行くようにすると共に、ホィール空間１４６内を通るガスの流れの中に出て行くようにする。冷却空気は圧縮機Ｃの高圧抽出ポート１４８からも回転子３８に隣接している導管１５０を介して流れるように供給される。ソレノイドＳを作動して空隙１２２を開いたとき、冷却空気はスペーサ３０の両側にある室を流れて、スペーサの通路６２を通って室５２及び５４に入ると共に、第１段及び第２段タービン羽根の通路に入る。シュラウド１５２が空気を集め、それを導管１５４を介して熱交換器１６６に送り、導管１６８を介して燃焼器調整器１７０又は圧縮機吐出ポート１７２の何れかに戻るようにする。これらの導管には、特定の設備における燃焼器放出物の条件に従って、戻り通路を選択するために適当な制御弁が設けられている。
【００３０】
蒸気供給回路に関して言うと、蒸気は蒸気源ＳＴから熱交換器１７４を介して供給され、熱交換器１７４は、計量装置１７６、流量計１７８、導管１８０及び１８２、並びに管４４ａ及び４４ｂと連通しているマニホルド１８４（図２）を介して冷却空気を第２段ノズルの冷却管４４ａ及び４４ｂに供給する。蒸気は管を通過し、第２段ノズルのベーンを冷却して、室５２及び５４に入り、遠心力の作用により、第１段及び第２段タービン羽根の通路内を半径方向外向きに流れる。蒸気はタービン羽根の通路から導管１５４を経て出て行き、熱交換器１６６に流れ込む。蒸気は導管１９０からも供給される。弁１９２が開いているとき、導管１９０は流路６０を介して、スペーサ３０の両側にある空間に蒸気を供給すると共に、室５２及び５４に蒸気を供給し、第２段ノズルベーンからこれらの室に入る蒸気と組み合わさるようにする。２つの蒸気通路からの蒸気が混ざることにより、空所内での望ましくない渦循環セルを作らずに、第１段及び第２段の羽根に対する蒸気の流れが促進される。タービン羽根の先端に隣接しているシュラウド５６及び５８は、導管１５４を介して熱交換器１６６に流れるように蒸気を集める。
【００３１】
次に特に図１及び図７から図１０までに関して、冷却装置の動作を説明する。これらの図には、蒸気冷却の配管は実線で示されており、空気冷却の配管は一点鎖線で示してあり、タービンのガスの流れは破線で示してある。タービンの始動の際、ガスタービンサイクルに蒸気を利用することができない。従って、空気冷却回路を作動してタービン羽根を冷却する。図１、図２及び図７について説明すると、中間圧抽出ポート１４０からの冷却空気は導管１４２及び１８０を流れ、第２段ノズルベーン４６に流れ込んで、前に述べた熱伝達機構を通じてノズル壁を冷却する。冷却空気はダイヤフラムを出てホィール空間１４６に入り、タービンを通るガスの流れと組み合わさる。タービン羽根を冷却するため、ソレノイドＳを作動して空隙１２２を開く。高圧圧縮弁１４８からの抽出空気が導管１５０を介して、開いた弁１２２からスペーサ３０の両側にある区域に供給され、通路６２を介して室５２及び５４に入り、タービン羽根の種々の通路を流れて羽根１８及び２０を冷却する。シュラウド５６及び５８は、この空気を集めて、導管１５４を介して熱交換器１６６に通し、導管１６８を介して燃焼器調整器１７０又は圧縮器吐出ポート１７２の何れかへ戻すようにする。高圧側路抽出導管２００が熱交換器１６６の管に空気を供給して、タービン羽根からの空気を冷却し、側路流を加熱する。このため、熱交換器は再生器として作用し、側路流は圧縮機吐出ポート又は燃焼器調整器１７０の何れかでガスサイクルに戻る。側路流は空気抽出点の近くに戻るため、この側路回路は第１の閉じた空気回路を形成している。熱交換器１６６の殻体からの冷却された空気は導管２０２及び１８０を通り、導管１８２を介してマニホルド４０に入って、第２段ノズルベーンを冷却することができるが、これについては前に説明した。これが、始動運転の際の第２の閉じた空気回路を形成している。
【００３２】
空気冷却から蒸気冷却に切換えるには、図１及び図８を参照すると、蒸気を供給配管内で少なくとも５０°Ｆ（１０℃）過熱になるまで予熱する。蒸気供給配管を温ためるために、高圧恒温蒸気トラップとの温ためドレン接続が設けられている。特に、供給蒸気は計量装置１７６、逆止弁２０６及び温ためドレン弁２０８を通って、恒温トラップ２１０へ流れることができるようにする。締め切り弁１９２は閉じられている。ガスタービンのどんな運転停止のときも、温ためドレン弁２０８は開いた状態に保ち、締め切り弁１９２は閉じておく。
【００３３】
前に述べたように、タービン羽根は、始動モードでは、高圧圧縮器源からの抽出流を用いて冷却され、ソレノイド弁Ｓは開いている。ノズルの冷却空気は制御弁４４を通ってノズルベーンに流れ、ガスの流れの中に脱出する。蒸気流量計１７６の温度及び圧力が所定のレベルにあるとき、蒸気タービンに蒸気を供給する。特に、弁２０８を閉じ、弁１９２を開く。ソレノイド弁Ｓを閉じて、空隙１２２を介してのタービン羽根への空気の流れを締め切る。このため、正常の運転中、蒸気は蒸気源ＳＴから、前に述べた内側及び外側回路を通って流れる。
【００３４】
具体的に言うと、正常の蒸気運転では、蒸気は蒸気源ＳＴから導管１８０（図１及び図９）を介して内側回路のマニホルド４０に流れ、導管１９０及び流路６０を介してホィール室５２及び５４に供給された蒸気と組み合わさる。組み合わされた蒸気は、タービン羽根から導管１５４を介して熱交換器１６６へ流れる。同時に、高圧抽出空気は導管２００で方向転換され、ソレノイドＳを不作動にして、空隙１２２を閉じる。この方向転換された空気はタービン羽根からの蒸気と熱交換関係を持って流れ、空気を加熱すると共に蒸気を冷却し、これにより熱交換器１６６は再生器として作用する。この後、方向転換された空気は、燃焼器放出物の条件に応じて、燃焼器調整器又は圧縮器吐出ポートの何れかへ流れる。熱交換器１６６を流れる蒸気は、この後何れも導管２０１を介して、燃焼器調整器１７０又は圧縮器吐出ポート１７２へ送ることができる。この代わりに、蒸気は閉じたループで、調整器２０７、三方弁２０９、熱交換器１７４及び逆止弁２１１を介して流量計１７６へ流れ、蒸気外側回路を閉じることができる。更に正常な運転中、蒸気は蒸気源ＳＴから、三方弁４４を開いた状態にして、導管１８０を介して室６６へ流れ、ノズル羽根の中を冷却するように流れると共に、タービンの中を通るガスの流れに流れ込む。
タービン又は冷却回路に誤動作が起こり、その結果、ガス温度が所定の限界を越えて高くなるか又は冷却流量が減少した場合、高温計１２４は第１及び第２のタービン羽根の上昇した温度を感知する。適当な結合により、この高温計はソレノイドＳを開くことを制御する。このため、タービン羽根に高い温度が生じた場合、ソレノイド弁が開き、圧縮機からの抽出空気はホィール空間の空所、及び室５２及び５４に入り込み、蒸気の流れと混ざって、タービン羽根を冷却する。この装置が図１０に示されている。
【００３５】
現存のタービンの設計では、圧縮空気は高温ガス通路の部品の冷却に専ら用いられている。タービン羽根の冷却の場合、高圧抽出源からの空気は強制的に半径方向内向きにホィール空間の空所２１３に流れるように仕向けられてから、タービン羽根に進む。こういう空所内でのジェット流の量は、タービンホィール内の温度勾配に影響すると考えられる。この状態の結果、タービン材料は熱疲労を受ける。最終的には、これが回転子の低サイクル疲労（ＬＣＦ）寿命に影響することがある。この問題を解決するため、空気ジェットがタービンホィールに達しないようにする。即ち、圧縮機のホィールと離隔材との界面に、ホィール空間の空所からの空気流を方向転換する側路が設けられている。これが図１１に示されている。更にこの図には、回転ノズルカラー２１４と静止側路パイプ２１５との間の接続が示されている。導管２１７を介して高圧源から来る空気は９０°ベンドを流れる。若干の空気は静止カラーの空所２１９に漏れ、シール装置を通り、オリフィス２２１で膨張する。これにより、回転ノズルカラー２１４の周りに再循環区域が作られ、こうしてカラーの回転部品から静止部品への移行部に対する有効なシールが得られる。正常な運転中の蒸気冷却の間、ソレノイド弁Ｓは閉じられている。抽出空気は再生器１６６へ流れて、蒸気からの熱を吸収してから、ガスタービンサイクルに戻る。これが閉じた空気回路を完成し、高圧空気を冷却用に抽出することによるタービン回転子のＬＣＦの問題を改善するという利点が得られる。
【００３６】
本発明を現在最も実用的で好ましいと思われる実施例について説明したが、本発明がここに説明した実施例に制限されず、むしろ特許請求の範囲に記載された範囲内で、種々の変更並びに均等物をカバーするものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービン軸を通る部分的な縦断面図であって、タービン段に対する蒸気／空気冷却装置の部品を図式的に示す図である。
【図２】タービン軸を通る拡大した部分的な縦断面図であって、第１及び第２のタービン段並びに第２のノズル段を示す図である。
【図３】第２段ノズルのノズルベーン内にある冷却通路を示すために一部を破断した斜視図である。
【図４】第２段ノズルのダイヤフラムとスペーサのシール面との間のシールを示すと共に、固定されたダイヤフラムからスペーサを介して室への蒸気の流れを示す部分的な拡大断面図である。
【図５】本発明に従って構成されたタービン羽根の斜視図である。
【図６】羽根の断面図であって、種々の蒸気の流れの冷却通路を示す図である。
【図７】タービンの冷却装置の種々の動作段階を示す簡略ブロック図であって、そのための制御装置を示す図である。
【図８】タービンの冷却装置の種々の動作段階を示す簡略ブロック図であって、そのための制御装置を示す図である。
【図９】タービンの冷却装置の種々の動作段階を示す簡略ブロック図であって、そのための制御装置を示す図である。
【図１０】タービンの冷却装置の種々の動作段階を示す簡略ブロック図であって、そのための制御装置を示す図である。
【図１１】ホィール空間の空所に対する空気回路の側路を示す部分的な縦断面図である。
【符号の説明】
１２、１４タービン段
１６第２段ノズル
１８、２０羽根
４０マニホルド
４４、８０、８２、８６〜９６内部通路
４６ベーン
６０通路
１２１弁
１２２空隙
１４０中圧抽出部
１４８高圧抽出部
Ｓソレノイド弁
ＳＴ蒸気源

Claims

ガスタービン用の蒸気／空気冷却装置であって、
ホィール（２６，２８）と内部通路（８０，９０）を含むタービン羽根（１８，２０）とを有し、軸方向に隔たっている一対の回転自在のタービン段（１２，１４）と、
内部通路（４４，６４）を含むノズルベーン（４６）を有し、前記タービン段の間に設けられているノズル段（１６）と、
前記一対のタービン段のホィール間に設けられ、該タービン段と共に回転可能なスペーサ（３０）と、
前記ホィール間で、前記スペーサの軸方向の両側に区切られた室（５２，５４）とを備え、
冷却空気又は蒸気が軸側（３８）から前記室へ供給されるともに、冷却空気又は蒸気が前記ノズルベーンの内部通路を介して前記室へ供給され、前記室で組合わさった冷却空気又は蒸気が前記タービン羽根の内部通路へ供給される
ガスタービン用の蒸気／空気冷却装置。
前記ノズルベーンの内部通路は、２つの内部通路（４４，４６）を有しており、前記タービンを空気で冷却する間、前記２つの内部通路のうちの一方に冷却空気を供給し、前記タービンを蒸気で冷却する間、前記２つの内部通路のうちの他方に蒸気を供給する請求項１に記載の蒸気／空気冷却装置。
更に、熱交換器（１６６）と、前記熱交換器に空気を入れる空気回路と、前記熱交換器から空気を送る回路と、前記タービンを蒸気で冷却する間、前記タービン羽根の通路からの蒸気を前記熱交換器に通すように回路と、を備え
前記熱交換器に運ばれてきた蒸気と前記熱交換器に運ばれてきた空気とを熱交換し、前記加熱された空気が前記燃焼器調整器（１７０）又は圧縮器吐出ポートに運ばれる請求項１に記載の蒸気／空気冷却装置。
前記タービンは、燃焼器調整器を有している燃焼器と、吐出ポートを有している圧縮機とを含んでおり、前記加熱された空気を通す手段は、前記加熱された空気を前記燃焼器調整器及び前記圧縮機の吐出ポートの一方に通すように構成されている請求項３に記載の蒸気／空気冷却装置。
更に、前記軸側（３８）から前記室へ供給される冷却空気を制御する弁と、前記タービン羽根の温度を感知するセンサと、前記タービン羽根の所定の温度を感知する前記センサに応答して前記弁を開く手段とを含んでいる請求項１に記載の蒸気／空気冷却装置。
一対のタービン段のホィール間に設けられ、該タービン段と共に回転可能なスペーサ（３０）と、前記ホィール間で前記スペーサの軸方向の両側に区切られた室（５２，５４）とを備えたガスタービン用の冷却装置を動作する方法において、
前記ガスタービンの始動の際に、冷却空気が軸側から前記室へ供給されるともに、冷却空気が前記ノズルベーンの内部通路を介して前記室へ供給され、前記室で組合わさった冷却空気を前記タービン羽根の内部通路へ供給する工程と、
タービン始動後の前記タービンの通常運転中、冷却蒸気が軸側から前記室へ供給されるともに、冷却蒸気が前記ノズルベーンの内部通路を介して前記室へ供給され、前記室で組合わさった蒸気を前記タービン羽根の内部通路へ供給する工程と、
を含んでいるガスタービン用の冷却装置を動作する方法。
前記タービンは圧縮機を含んでおり、更に、正常な運転中に前記タービンの冷却に用いられた蒸気を熱交換器を介して排出し、前記圧縮機からの冷却空気を加熱すべく前記タービン羽根からの排出蒸気と熱交換関係をもって前記空気を前記熱交換器に供給し、前記熱交換器からの空気を前記タービンのガスの流れに送り込む工程を含んでいる請求項６に記載の方法。