JP3887469B2 - ガスタービンプラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントに係り、特に、空気圧縮機で圧縮した高圧空気の一部を用いてタービン高温部を冷却し、冷却後の空気をガスタービン燃焼器に回収させてプラント熱効率の向上を図ったガスタービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電プラント等に適用されるガスタービンプラントは、例えば図２２に示す構成のものが使用されている。
【０００３】
ガスタービンプラントは、空気圧縮機１とガスタービン２とを一体結合させた構成になっている。この空気圧縮機１とガスタービン２とは、一つのケーシング３に軸結合させた圧縮機軸４とタービン軸５を収容し、ケーシング３内に圧縮機静翼６を固設し、圧縮機軸４に圧縮機動翼７を植設して圧縮機段落８を構成する一方、ケーシング３にタービン静翼９を固設し、タービン軸５にタービン動翼１０を植設してタービン段落１１を構成している。
【０００４】
また、ガスタービンプラントは、圧縮機段落８とタービン段落１１との間に複数個のガスタービン燃焼器１２を環状に配置し、圧縮機段落８で圧縮した高圧空気ＡＲをガスタービン燃焼器１２に供給し、ここで燃料を加えて燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）ＦＧを生成し、その高温燃焼ガスＦＧをトランジションピース１３を介してタービン段落１１に案内し、タービン静翼９で膨脹させた燃焼ガスＦＧの速度エネルギーを利用してタービン動翼１０を回転駆動し、その回転力によりタービン軸５に回転トルクを発生させるようになっている。
【０００５】
ところで、最近のガスタービンプラントでは、ガスタービン２の入口燃焼ガス温度を１３００℃〜１５００℃以上に高温化させプラント熱効率の向上を図る開発が行われている。ガスタービン２の入口燃焼ガス温度を高温化させると、ガスタービン構成部品の許容限界温度、具体的には８００℃〜９００℃を大幅に超えるため、ガスタービンプラントは、タービン軸５、タービン静翼９、タービン動翼１０等に冷却構造を採用し、空気圧縮機１で圧縮した高圧空気ＡＲの一部を冷却用として供給して高温化に対処させていた。
【０００６】
しかし、空気圧縮機１で圧縮した高圧空気ＡＲの一部を、タービン動翼１０等のガスタービン高温部品に冷却用として供給する場合、その高圧空気ＡＲ自体は、タービン軸５の回転トルク発生に実質的に寄与しないため、燃焼ガス温度を高温化しても互いに相殺し、結果としてプラント熱効率を設計値通りに維持できない問題点があった。ガスタービン２の入口燃焼ガスを高温化すればするほど冷却用としての高圧空気ＡＲは増加し、プラント熱効率を設計値以下に低下させるおそれがある。
【０００７】
最近、燃焼ガス温度の高温化と相俟ってタービン動翼１０等のガスタービン高温部品に冷却用として用いた空気圧縮機１からの高圧空気ＡＲを、ガスタービン燃焼器１２等に回収させ、プラント熱効率を設計値通りに維持させる技術が、例えば特公昭５８−４３５７５号公報、特開平５−８６９０１号公報、特開平７−１８９７４０号公報、特開平９−６０５３１号公報として数多く提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
燃焼ガスの高温化に伴って冷却を必要とするガスタービン高温部品には、ガスタービン燃焼器１２、タービン静翼９、タービン動翼１０等がある。これらの高温部品の冷却に用いる冷却空気は、可能な限り回収し、ガスタービン燃焼器１２の燃焼用の空気に使用した方がプラント熱効率は向上する。また、タービン静翼９、タービン動翼１０に関しても初段落のみならず後段落まで高圧空気（冷却空気）の回収範囲を拡げた方がプラント熱効率は向上する。このような観点から、上述の数多くの公報が開示されたものと考えられる。
【０００９】
しかし、上述公報の場合、冷却部位を拡げるに従い高圧空気の流量も増加し、これに伴って昇圧装置の駆動力が増え、結果的にプラント熱効率の向上が望めなくなる。また、ガスタービン高温部品の圧力損失が大きいと、昇圧装置の昇圧力が増加し、これに伴って消費動力も増加する。特に、特開平９−６０５３１号公報では、タービン静翼９およびタービン動翼１０内を、上流段落から下流段落に直列状に順次冷却する構造を提案しているが、冷却経路が長くなるため各翼の圧力損失は増加することが懸念される。このため、プラント熱効率を向上させるには、各翼に供給する高圧空気を極力低く抑えて効果的な冷却を行わせるとともに、圧力損失を低く抑える高圧空気の供給手段が必要とされる。
【００１０】
また、高圧空気を設計圧力に昇圧させて各高温部品に供給し、各高温部品を冷却後、その高圧空気をガスタービン燃焼器１２が必要とする圧力にして回収させる場合、各高温部品の流量係数が異なるため、高圧空気は、各高温部品に対し、過大量であったり過少量であったりし、均等の冷却ができない問題点がある。このため、高圧空気を各高温部品に供給する場合、その分配流量は、各高温部品に対し適正値にコントロールする必要がある。
【００１１】
また、２段落以降のタービン静翼では、燃焼ガス通路上に、ダイヤフラム内輪が配置されており、このダイヤフラム内輪と前後段落のタービンディスクとで形成される空間部分内に、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）が巻き込まれることを防止するために、シール用空気を流している。このシール用空気は、タービン静翼９を冷却する高圧空気を用いていた。しかし、シール用空気と冷却用の高圧空気とは、もともと圧力が異なっており、冷却用の高圧空気を燃焼ガス巻込み防止用に用いると、燃焼ガスの流れに多くの乱れを与えて好ましくない。このため、タービン静翼９の２段落以降のものには、冷却用の系統とシール用の系統とを別々に区分けした構造のものが必要とされる。
【００１２】
また、タービン動翼１０に関しては、翼冷却後の高圧空気を回収させると、高圧空気のポンピング動力が低くなるので、プラント熱効率が向上する。翼冷却後の高圧空気を回収させた場合、特開平７−１８９７３９号公報に見られるように、タービン軸５の回転系から静止系のキャビティに流出させると、高圧空気は、周方向動圧成分が高いため、キャビティだけでは周方向動圧成分を回収しきれず、圧力損失の要因になる。このため、プラント熱効率をより一層向上させるには、高圧空気の周方向動圧成分を回収できる構造のものが必要とされる。
【００１３】
本発明は、このような不都合、不具合の諸点を改善してなされたもので、空気圧縮機からの高圧空気を用いてガスタービン高温部品を冷却し、冷却後の高圧空気をガスタービン燃焼器に回収させる際、より少ない圧力損失でガスタービン高温部品を冷却し、かつより多くの高圧空気をガスタービン燃焼器に回収させてプラント熱効率のより一層の向上を図ったガスタービンプラントを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、空気圧縮機の空気圧縮機段落で圧縮した高圧空気をガスタービン燃焼器に供給する際、その一部の高圧空気を昇圧機で昇圧してタービン静翼に供給するタービン静翼用冷却空気供給系と、上記昇圧機で昇圧した高圧空気をタービン動翼に供給するタービン動翼用冷却空気供給系と、上記タービン静翼を冷却させた高圧空気をガスタービン燃焼器室に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系と、上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を上記ガスタービン燃焼器室に回収させるタービン動翼用冷却空気回収系とを備えたガスタービンプラントにおいて、上記タービン動翼用冷却空気回収系は、空気圧縮機の軸とタービン初段動翼のタービンディスクとを接続する中間軸に圧力回復装置を備えたものである。
【００２８】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、上記圧力回復装置は、上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜状に、かつ湾曲させた案内羽根であることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、上記タービン動翼用冷却空気回収系は、上記中間軸に通路を設け、この通路から圧力回復装置を介して上記タービン燃焼器室に上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を回収させるとともに、上記通路を上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜させて形成したものである。
【００３０】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、上記タービン動翼用冷却空気回収系は、上記中間軸に設けた通路に、上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を供給する回収口を設け、この回収口を上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜させて上記圧力回復装置を形成したものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を添付図面および図中に付した符号を利用して説明する。
【００３７】
図１は、本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態を示す概略系統図である。
【００３８】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機１４とガスタービン１５とを一体結合させた構成になっている。この空気圧縮機１４とガスタービン１５とは、一つのケーシング１６に軸結合させた圧縮機軸１７とタービン軸１８を収容し、ケーシング１６に圧縮機静翼１９を固設し、圧縮機軸１７に圧縮機動翼２０を植設して圧縮機段落２１を構成する一方、ケーシング１６にタービン静翼２２を固設し、タービン軸１８にタービン動翼２３を植設してタービン段落２４を構成している。なお、タービン段落２４は、タービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ａ、タービン３段落２４ｃ、タービン４段落２４ｄになっている。
【００３９】
また、ガスタービンプラントは、圧縮機段落２１とタービン段落２４との間に複数個のガスタービン燃焼器２５を環状に配置し、圧縮機段落２１で圧縮した高圧空気をガスタービン燃焼器２５に供給し、ここで燃料を加えて燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）を生成し、その高温燃焼ガスをトランジションピース２６を介してタービン段落２４に案内し、タービン静翼２２で膨脹させた燃焼ガスの速度エネルギを利用してタービン動翼２３を回転駆動し、その回転力によりタービン軸１８に回転トルクを発生させるようになっている。
【００４０】
また、ガスタービンプラントは、圧縮機段落２１で圧縮した高圧空気の一部を冷却用としてガスタービン燃焼器室２７から抽気し、その冷却空気を昇圧機２８で昇圧させ、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３のそれぞれに区分けして供給するタービン静翼用冷却空気供給系２９とタービン動翼用冷却空気供給系３０とを備えた構成になっている。
【００４１】
また、ガスタービンプラントは、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３のそれぞれを冷却した後の冷却空気を、ガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系３１とタービン動翼用冷却空気回収系３２とを備えた構成になっている。これら各冷却空気供給系２９，３０および各冷却空気回収系３１，３２は、母管に対し分岐管として並列状に区分けし、冷却空気の圧力損失を低く抑えるようになっている。
【００４２】
このように、本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した圧縮機段落２１の高圧空気を、冷却空気として各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３毎に並列状に区分けして供給するタービン静翼用冷却空気供給系２９およびタービン動翼用冷却空気供給系３０と、各タービン静翼２２およびタービン動翼２３を冷却させた冷却空気を、各翼２２，２３毎にガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系３１およびタービン動翼用冷却空気回収系３２とを並列状に設け、冷却空気の圧力損失を少なくさせたので、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各翼２２，２３を効果的に冷却・回収することができ、プラント熱効率を、従来に較べてより一層向上させることができる。なお、回収した冷却空気は、ガスタービン燃焼器２５の燃焼用空気として利用される。
【００４３】
図２は、本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態における変形例を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４４】
本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した圧縮機段落２１の高圧空気を、冷却空気としてタービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン静翼２２および各タービン動翼２３に供給するタービン静翼用冷却空気供給系２９およびタービン動翼用冷却空気供給系３０のうち、タービン静翼用冷却空気供給系２９をタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａとタービン２段落・３段落静翼用冷却空気供給系２９ｂとに区分けするとともに、タービン動翼用冷却空気供給系３０もタービン初段落動翼用冷却空気供給系３０ａとタービン２段落・３段落動翼用冷却空気供給系３０ｂとに区分けした構成になっている。なお、タービン２段落・３段落静翼用冷却空気供給系２９ｂおよび２段落・３段落動翼用冷却空気供給系３０ｂは、ともにタービン静翼用冷却空気供給系２９およびタービン動翼用冷却空気供給系３０からの冷却空気でタービン２段落２４ｂの各翼２２，２３を冷却後、その冷却空気をタービン３段落２４ｃの各翼２２，２３に供給するようになっている。
【００４５】
また、本実施形態は、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの静翼２２および動翼２３の冷却後の冷却空気を、上述各冷却空気供給系２９ａ，２９ｂに対応させてガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系３１およびタービン動翼用冷却空気回収系３２のうち、タービン静翼用冷却空気回収系３１をタービン初段落静翼用冷却空気回収系３１ａとタービン２段落・３段落静翼用冷却空気回収系３１ｂとに区分けするともに、タービン動翼用冷却空気回収系３２もタービン初段落動翼用冷却空気回収系３２ａとタービン２段落・３段落動翼用冷却空気回収系３２ｂとに区分けした構成になっている。
【００４６】
すなわち、本実施形態は、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃのうち、初段落２４ａの静翼２２および動翼２３が総冷却空気量の約６０％を必要とし、また残りが２段落２４ｂおよび３段落２４ｃで必要となることを考慮して、初段落２４ａの冷却空気供給・回収系２９ａ，３０ａ，３１ａ，３２ａと２段落・３段落２４ｂ，２４ｃの冷却空気供給・回収系２９ｂ，３０ｂ，３１ｂ，３２ｂとに区分けした、いわゆる並列状と直列状との組合せにしたものである。
【００４７】
このように、本実施形態は、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃが必要とする冷却空気量毎に冷却空気供給・回収系２９ａ，２９ｂ，３０ａ，…をきめ細かく区分けし、冷却空気の圧力損失を少なくさせたので、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各翼２２，２３を確実かつ効果的に冷却することができる。
【００４８】
図３は、各タービン段落のタービン静翼およびタービン動翼に供給する冷却空気の流量および圧力損失を、従来（冷却空気を各段落に対して直列状に供給）と、本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態および第１実施形態における変形例とで対比させたグラフである。本発明に係るガスタービンプラントは、冷却空気を各段落に対して並列状に供給（第１実施形態）するか、あるいは冷却空気を各段落に対して並列状と直列状とを組み合せて供給（第１実施形態における変形例）しているので、従来に較べ圧力損失を低くすることが認められた。
【００４９】
図４は、本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５０】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を冷却用として、昇圧機２８、タービン静翼用冷却空気供給系２９、タービン動翼用冷却空気供給系３０を介してタービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３に並列状に案内し、各翼２２，２３を冷却後、タービン静翼用冷却空気回収系３１およびタービン動翼用冷却空気回収系３２を介してタービン燃焼器室２７に回収させている点で、第１実施形態と基本的に同一構成を採っているが、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２の後縁側に冷却空気を案内するタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａに、タービン初段落静翼用バイパス系３３を設けている点、タービン２段落２４ｂおよび３段落２４ｃの各タービン静翼２２，２２に冷却空気を案内したタービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのそれぞれに、各タービン静翼の後縁およびダイヤフラム内輪３４，３４を介して前段落のタービンディスク３５と後段落のタービンディスク３５とで形成された空間部分３６に冷却空気の一部をシール空気として案内するタービン２段落静翼用バイパス系３７と、タービン３段落静翼用バイパス系３８とを設けている点が異なっている。
【００５１】
一般に、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２は、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）の温度が最も高く、かつ翼面の熱伝達率分布も後縁で高くなっており、また翼内を冷却する際、後縁の冷却面積を大きく確保できず、メタル温度が高くなっている。このため、タービン静翼２２は、翼内の冷却の際、冷却空気による対流冷却だけでは翼材の許容温度以下に抑えることが難しい。
【００５２】
このような事情から、本実施形態は、図５に示すように、タービン静翼２２に冷却空気を供給するタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａにタービン初段落静翼用バイパス系３３を設け、タービン初段落静翼用バイパス系３３からの冷却空気を後縁３９に供給し、翼内の冷却空気に合流させ、その合流空気を吹き出し口４０から燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）に吹き出させ、タービン静翼２２の翼材強度を高い状態に維持させたものである。
【００５３】
また、従来、ガスタービンプラントは、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）がタービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃを通過する際、前段落と後段落との間の空間部分３６にシール用空気を流し、燃焼ガスの空間部分３６への巻込み防止を図るとともに、そのシール用空気を利用してタービン段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃのタービン動翼２３，２３を冷却していた。
【００５４】
しかし、シール用空気の圧力損失が大きいと、燃焼ガスは空間部分３６に巻き込まれることがあり、シール用空気の圧力を強化する必要があった。また、タービン動翼２３，２３は、シール用空気を冷却に利用し、翼内冷却後、燃焼ガスに吹き出させていたので、ポンピング損失が大きく何らかの対策を必要としていた。
【００５５】
このような事情から、本実施形態は、図６に示すように、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン静翼２２，２２に並列状に冷却空気を供給するタービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのそれぞれに、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８を設け、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８からの冷却空気を、後縁３９，３９を介してダイヤフラム内輪３４，３４に供給し、ここから排出口４１，４１を介して前段落および後段落のタービンディスク３５，３５とで形成した空間部分３６，３６に流出させ、シール用空気の圧力を強化し、燃焼ガスの空間部分３６，３６への巻込み防止を図っている。その際、排出口４１，４１から流出した冷却空気は、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃのタービンディスク３５，３５に設けた空気入口４２，４２を介してタービン動翼２３，２３を冷却し、冷却後、燃焼ガスに合流させる。
【００５６】
このように、本実施形態は、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン静翼２２，２２に並列状に冷却空気を供給するタービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのそれぞれに、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８を設け、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８からの冷却空気を、タービン静翼２２，２２およびダイヤフラム内輪３４，３４の排出口４１，４１を介して空間部分３６，３６に供給し、空間部分３６，３６のシール用空気の圧力を強化したので、燃焼ガスの空間部分３６，３６への巻込みを確実に防止することができる。
【００５７】
また、本実施形態は、ダイヤフラム内輪３４，３４の排出口４１，４１から流出した冷却空気を、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン動翼２３，２３に冷却用として利用したので、従来に較べてポンピング損失を少なくさせることができる。なお、本実施形態は、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン動翼２３，２３の空気入口４２，４２を、タービン静翼２２，２２側に設けているが、例えば図７に示すように、タービン動翼２３，２３の後縁４３，４３側に設け、ここから冷却空気を供給し、タービン動翼２３，２３の後縁４３，４３のみを冷却してもよい。この場合、タービン動翼用冷却空気供給系３０から翼内に供給された冷却空気とは区分けされる。
【００５８】
空気入口４２，４２を後縁４３，４３側に設けた場合、タービン動翼２３，２３は、図８に示すように、タービンディスク３５，３５とプラットフォーム４４，４４とで囲われた空間部分４５，４５に冷却空気を流すことができるので、翼植込み部４６，４６を冷却することができ、その強度を高く維持することができる。なお、空間部分４５，４５を流れる冷却空気は、その一部をプラットフォーム４４，４４の排出口４７，４７を介して燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）に合流させてもよい。
【００５９】
また、タービン動翼２３，２３のうち、タービン３段落２４ｃのタービン動翼２３は、比較的長翼のため、翼内冷却通路が複雑な形状になりがちであるが、空気入口４２を後縁４３側に設けておけば、後縁４３を流れる冷却空気の翼内の前縁や中央を流れる冷却空気と区分けでき、その分だけ冷却通路を簡素化でき、製造加工上、有利である。また、翼内は中子を収容しているが、上述の冷却通路を区分けしておくと、中子を確実に翼内に支持できる点で有利である。
【００６０】
図９は、本発明に係るガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略系統図である。なお、第２実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６１】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、第２実施形態と基本的に同一構成を採っているが、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２の後縁側に冷却空気を案内するタービン初段落静翼用後縁側冷却空気供給系４８を、ガスタービン燃焼器室２７に接続する点、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃの各静翼２２，２２の後縁側を冷却後、各ダイヤフラム内輪３４，３４を介して前段落のタービンディスク３５と後段落のタービンディスク３５とで形成された空間部分３６，３６に、シール用空気を案内するタービン２段落静翼用シール空気供給系４９およびタービン３段落静翼用シール空気供給系５０を、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部に接続する点が異なっている。
【００６２】
このように、本実施形態は、タービン初段落静翼用後縁側冷却空気供給系４８をガスタービン燃焼器室２７に接続し、ガスタービン燃焼器室２７の高圧空気の一部をケーシング空気として利用し、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２の後縁側を冷却するので、冷却面積を確保できず、メタル温度の高い後縁であっても冷却能力を強化することができ、翼材強度を高い状態に維持させることができる。
【００６３】
また、本実施形態は、タービン２段落静翼用シール空気供給系４９およびタービン３段落静翼用シール空気供給系５０を、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部に接続し、翼内の前縁および中間部の冷却と後縁の冷却とを区分けし、後縁冷却後の冷却空気をダイヤフラム内輪３４，３４を介して空間部分３６，３６に供給し、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）の空間部分３６，３６への巻込み防止を図ったので、昇圧機２８の動力消費をより一層低くさせることができ、プラント熱効率を向上させることができる。
【００６４】
図１０は、本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態を示す概略系統図である。なお、第２実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６５】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、ガスタービン１５を外部ケーシング１６ａと内部ケーシング１６ｂとの２重構造に形成し、内部ケーシング１６ｂ内にタービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃ、タービン４段落２４ｄを配置し、タービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン静翼２２，２２，…にガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を、冷却用として、昇圧機２８、タービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａ、タービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄを介して各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…に供給し、各タービン静翼２２，２２，…を冷却後、ガスタービン燃焼器室２７に回収させるとともに、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部から抽気した高圧空気を、タービン２段落静翼用シール空気供給系４９、タービン３段落・４段落静翼用シール空気供給系５１、ダイヤフラム外輪５２，５２，５２を介して各タービン静翼２２，２２，２２の後縁側に供給し、各後縁側を冷却後、ダイヤフラム内輪３４，３４，３４を介して空間部分３６，３６，３６，…に供給したものである。
【００６６】
タービン初段落２４ａは、タービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａのマニホールド部５３ａから供給された冷却空気でタービン静翼２２の翼内前縁および中央を冷却後、通路５４ａを介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるようになっている。また、タービン初段落２４ａは、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を、ダイヤフラム内輪３４を介してタービン静翼２２の後縁側に案内して冷却し、一部を燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）に合流させるとともに、残りを内部ケーシング１６ｂとダイヤフラム外輪５２とで形成した外輪キャビティ５５ａに供給し、燃焼ガスの外輪キャビティ５４ａへの巻込み防止を図っている。
【００６７】
また、タービン２段落２４ｂは、タービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃのマニホールド部５３ｂから供給された冷却空気でタービン静翼２２の翼内前縁および中央を冷却後、通路５４ｂおよび連通孔５６を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるとともに、タービン２段落静翼用シール空気供給系４９から供給された高圧空気で外輪キャビティ５５ｂ内をシールさせ、その一部をタービン静翼２２の後縁側、ダイヤフラム内輪３４を介して空間部分３６に供給してシールさせ、燃焼ガスの空間部分３６および外輪キャビティ５５ｂへの巻込み防止を図っている。
【００６８】
一方、タービン３段落２４ｃは、上述と同様に、タービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのマニホールド部５３ｃから供給された冷却空気でタービン静翼２２の翼内前縁および中央を冷却後、通路５４ｃおよび連通孔５６を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるとともに、タービン３段落・４段落静翼用シール空気供給系５１から供給された高圧空気で外輪キャビティ５５ｃ，５５ｄ内をシールさせ、その一部をタービン静翼２２の翼内、ダイヤフラム内輪３４を介して空間部分３６，３６に供給してシールさせ、燃焼ガスの空間部分３６，３６および外輪キャビティ５５ｃ，５５ｄへの巻込み防止を図っている。
【００６９】
このように、本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気で各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…を冷却し、冷却後の高圧空気をガスタービン燃焼器室２７に回収させる各冷却空気供給系２９ａ，２９ｃ，２９ｄを並列状に設けるとともに、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部から抽気した高圧空気でタービン２段落２４ｂ以降の外輪キャビティ５５ｂ，５５ｃ，…、各タービン静翼２２，２２，…の後縁側、空間部分３６，３６，…をシールする各シール空気供給系４９，５１を設けたので、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…を冷却して確実にタービン燃焼器室２７に回収することができ、燃焼ガスの外輪キャビティ５５ａ，５５ｂ，…および空間部分３６への巻込みを確実に防止することができ、プラント熱効率をより一層向上させることができる。
【００７０】
図１１は、本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態における変形例を示す概略系統図である。なお、第４実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。
【００７１】
本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を、昇圧機２８、タービン静翼用冷却空気供給系２９、各並列状のタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａ、タービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃ、タービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄ、タービン４段落静翼用冷却空気供給系２９ｅの各マニホールド部５３ａ，５３ｂ，５３ｃを介して各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の外輪キャビティ５５ａ，５５ｂ，…に案内する外輪キャビティ用導管５７ａ，５７ｂ，…を設け、各外輪キャビティ５５ａ，５５ｂ，…で高圧空気を一旦溜めた後、冷却空気として各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…の翼内に供給して冷却させ、冷却後の高圧空気の一部を通路５４ａ，５４ｂ，…および連通孔５６を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるとももに、冷却後の高圧空気の残りをダイヤフラム内輪３４を介して空間部分３６，３６，…に供給し、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）の空間部分３６，３６，…への巻込み防止を図ったものである。なお、タービン初段落２４ａは、外輪キャビティ５４ａからタービン静翼２２に供給した高圧空気で翼内を冷却させ、その一部を後縁側から燃焼ガスに合流させる。
【００７２】
このように、本実施形態は、各マニホールド部５３ａ，５３ｂ，…から各外輪キャビティ５６ａ，５６ｂ，…に高圧空気を案内する外輪キャビティ用導管５７ａ，５７ｂ，…を設けて燃焼ガスの外輪キャビティ５５ａ，５５ｃへの巻込み防止と各タービン静翼２２，２２，…の翼内冷却とを同時に併用させ、高圧空気の圧力損失を低くさせたので、高圧空気をガスタービン燃焼器室２７に確実に回収させることができる。
【００７３】
図１２〜図１４は、タービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン動翼２３，２３，…を冷却させた高圧空気を、一つにまとめてガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン動翼用冷却空気回収系３２における本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態を示す概略断面図である。なお、図１２は、タービン初段落２４ａにおけるタービン動翼用冷却空気回収系３２の部分拡大断面図を、図１３は、図１２のＢ−Ｂ矢視方向から見た切断断面図を、図１４は、図１２のＣ−Ｃ矢視方向から見た切断断面図をそれぞれ示している。また、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７４】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機軸１７にタービンディスク３５を接続する中間軸５８に開設し、タービン初段落２４ａ等のタービン動翼２３を冷却させた高圧空気を、ガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０に、圧力回復装置５９を設けたものである。
【００７５】
この圧力回復装置５９は、図１３に示すように、中間軸５８の回転方向と反対方向湾曲状に傾斜させ、かつその周方向に沿って列状に配置した案内羽根６１になっている。圧力回復装置５９は、タービン初段落２４ａ等のタービン動翼２３を冷却させた高圧空気を、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させる際、図１３に示すように、案内羽根６１に流入する高圧空気の速度Ｖ1 を、その出口側から流出するとき速度Ｖ2 に低くして圧力を回復させるようになっている。高圧空気の圧力が回復できるのは、図１４に示すように、高圧空気が通路６０を流出する際、その相対速度Ｗとするとき、中間軸５８の周速度Ｕを合成したのが静止場での高圧空気の流出速度Ｖであり、この流出速度Ｖが、案内羽根６１を中間軸５８の回転方向と反対方向に湾曲状に傾斜させないときの相対速度Ｗ′、流出速度Ｖ′に較べて小さくなるからである。
【００７６】
このように、本実施形態は、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０に圧力回復装置５９を設けてガスタービン燃焼器室２７に回収させる高圧空気の圧力を回復させたので、高圧空気をガスタービン燃焼器室２７に確実に回収させることができる。
【００７７】
また、本実施形態は、圧力回復装置５９としての案内羽根６１を中間軸５８の回転方向と反対方向に湾曲状に傾斜させたので、案内羽根６１を中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜させない場合に較べ中間軸５８に回転力を与えることができる。
【００７８】
図１５は、本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第１変形例を示す概略断面図である。なお、第５実施形態と同一構成部分には同一符号を付す。
【００７９】
本実施形態は、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０に圧力回復装置５９を設けている点で第５実施形態と基本的に同一であるが、中間軸５８に設けた高圧空気の回収口６２を、図１６に示すように、中間軸５８の回転方向と反対方向に向って傾斜状に形成した点が異なっている。
【００８０】
本実施形態は、中間軸５８に設けた高圧空気の回収口６２を、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜させ高圧空気の流出速度Ｖを低くさせたので、圧力回復装置５９で高圧空気の圧力をより一層回復させることができる。
【００８１】
図１７は、本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第２変形例を示す概略断面図である。なお、第５実施形態と同一構成部分には同一符号を付す。
【００８２】
本実施形態は、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０の下流側に圧力回復装置５９を設けたものである。この通路６０は、図１８に示すように、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜状に形成し、高圧空気の流速を減速させた後、圧力回復装置５９の案内羽根６１を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるようになっている。
【００８３】
したがって、本実施形態によれば、通路６０を、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜状に形成し、高圧空気の流速を減速させて圧力の回復を図ったので、高圧空気のガスタービン燃焼器室２７への回収を良好に行わせることができる。
【００８４】
図１９は、本発明に係るガスタービンプラントの第６実施形態を示す概略断面図である。なお、第５実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００８５】
本実施形態は、ケーシング１６から中間軸５８を介してタービン動翼２３を支持するタービンディスク３５に外部からの冷却空気を案内する冷却空気案内通路６３を備えるとともに、途中に冷却空気を増速させる増速部６４と冷却空気をタービンディスク３５に向わせる中間通路６５とを備えたものである。
【００８６】
増速部６４は、図２０に示すように、入口から出口に向って開口面積を小さくする絞り通路６４ａに形成し、この絞り通路６４ａを中間軸５８の回転方向と同一方向に向わせるように傾斜させている。この傾斜角度は、冷却空気の相対流入角度に一致させている。また、中間通路５６は、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜状に形成している。
【００８７】
このように、本実施形態は、冷却空気を増速部６４で増速させ、その周方向速度成分を中間軸５８の周速との差を小さくし、さらに中間通路６５で冷却空気の相対流入速度を小さくしてタービンディスク３５に供給するので、タービンディスク３５に冷却空気を供給する際、圧力損失を低くして確実に供給することができる。
【００８８】
図２１は、本発明に係るガスタービンプラントの第７実施形態を示す概略系統図である。
【００８９】
本実施形態は、空気圧縮機１４で圧縮した高圧空気を、ガスタービン燃焼器２５に供給する際、その一部を抽気した高圧空気を冷却空気として昇圧機２８で昇圧させ、冷却空気供給系６６を介してガスタービン燃焼器２５の高温部６７、例えば燃焼器ライナ、トランジションピース等、ガスタービン１５のタービン静翼２２、タービン動翼２３、タービン軸１８、タービンセグメント６８（ガスタービン駆動ガス通路を形成する通路片）に供給するガスタービン燃焼器用冷却空気供給系６９、タービン静翼用冷却空気供給系７０、タービン動翼用冷却空気供給系７１、タービンセグメント用冷却空気供給系７２を備えるとともに、各構成部品６７等を冷却後、高圧空気を燃焼用空気としてガスタービン燃焼器２５に回収させる際、その各高圧空気の圧力レベルを一致させるオリフィス７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄを備えたものである。
【００９０】
このように、本実施形態は、各冷却空気供給系６９，７０，…にオリフィス７３ａ，７３ｂ，…を設け、各構成部品６７等圧力に見合うように高圧空気の圧力を調整したので、各構成部品６７等を冷却させた高圧空気をガスタービン燃焼器２５の燃焼用空気として回収させる際、ほぼ同一圧力で回収することができ、ガスタービン燃焼器２５の燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）を良好に生成することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機の空気圧縮機段落で圧縮した高圧空気の一部を冷却空気用として抽気し、その冷却空気を昇圧機で昇圧させ、各タービン段落の各タービン静翼およびタービン動翼に並列状に供給するタービン静翼用冷却空気供給系とタービン動翼用冷却空気供給系を備えるとともに、各タービン静翼およびタービン動翼を冷却させた冷却空気をガスタービン燃焼器室に燃焼用空気として回収させるタービン静翼用冷却空気回収系とタービン動翼用冷却空気回収系とを備える一方、このタービン動翼用冷却空気回収系に圧力回復装置を設けたので、圧力損失を低くさせた冷却空気をガスタービン燃焼器室に良好に回収させることができ、プラント熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態における変形例を示す概略系統図。
【図３】タービン静翼およびタービン動翼に供給する冷却空気の流量および圧力損失を、従来と本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態およびその変形例とで対比させたグラフ。
【図４】本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図。
【図５】図４で示したタービン静翼の部分拡大図。
【図６】本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態における第１変形例を示す概略部分拡大図。
【図７】本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態における第２変形例を示す概略部分拡大図。
【図８】図７のＡ−Ａ矢視方向から見た切断断面図。
【図９】本発明に係るガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略系統図。
【図１０】本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態を示す概略系統図。
【図１１】本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態における変形例を示す概略系統図。
【図１２】本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態を示す概略断面図。
【図１３】図１２のＢ−Ｂ矢視方向から見た切断断面図。
【図１４】図１２のＣ−Ｃ矢視方向から見た切断断面図。
【図１５】本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第１変形例を示す概略断面図。
【図１６】図１５のＤ−Ｄ矢視方向から見た切断断面図。
【図１７】本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第２変形例を示す概略断面図。
【図１８】図１７のＥ−Ｅ矢視方向から見た切断断面図。
【図１９】本発明に係るガスタービンプラントの第６実施形態を示す概略断面図。
【図２０】図１９のＦ−Ｆ矢視方向から見た切断断面図。
【図２１】本発明に係るガスタービンプラントの第７実施形態を示す概略系統図。
【図２２】従来のガスタービンプラントを示す一部切欠概略断面図。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
２ ガスタービン
３ ケーシング
４ 圧縮機軸
５ タービン軸
６ 圧縮機静翼
７ 圧縮機動翼
８ 圧縮機段落
９ タービン静翼
１０ タービン動翼
１１ タービン段落
１２ ガスタービン燃焼器
１３ トランジションピース
１４ 空気圧縮機
１５ ガスタービン
１６ ケーシング
１６ａ 外部ケーシング
１６ｂ 内部ケーシング
１７ 圧縮機軸
１８ タービン軸
１９ 圧縮機静翼
２０ 圧縮機動翼
２１ 圧縮機段落
２２ タービン静翼
２３ タービン動翼
２４ タービン段落
２４ａ タービン初段落
２４ｂ タービン２段落
２４ｃ タービン３段落
２４ｄ タービン４段落
２５ ガスタービン燃焼器
２６ トランジションピース
２７ ガスタービン燃焼器室
２８ 昇圧機
２９ タービン静翼用冷却空気供給系
２９ａ タービン初段落静翼用冷却空気供給系
２９ｂ タービン２段落・３段落静翼用冷却空気供給系
２９ｃ タービン２段落静翼用冷却空気供給系
２９ｄ タービン３段落静翼用冷却空気供給系
２９ｅ タービン４段落静翼用冷却空気供給系
３０ タービン動翼用冷却空気供給系
３０ａ タービン初段落動翼用冷却空気供給系
３０ｂ タービン２段落・３段落動翼用冷却空気供給系
３１ タービン静翼用冷却空気回収系
３１ａ タービン初段落静翼用冷却空気回収系
３１ｂ タービン２段落・３段落静翼用冷却空気回収系
３２ タービン動翼用冷却空気回収系
３２ａ タービン初段落動翼用冷却空気回収系
３２ｂ タービン２段落・３段落動翼用冷却空気回収系
３３ タービン初段落静翼用バイパス系
３４ ダイヤフラム内輪
３５ タービンディスク
３６ 空間部分
３７ タービン２段落静翼用バイパス系
３８ タービン３段落静翼用バイパス系
３９ 後縁
４０ 吹出口
４１ 排出口
４２ 空気入口
４３ 後縁
４４ プラットフォーム
４５ 空間部分
４６ 翼植込み部
４７ 排出口
４８ タービン初段落静翼用後縁側冷却空気供給系
４９ タービン２段落静翼用シール空気供給系
５０ タービン３段落静翼用シール空気供給系
５１ タービン３段落・４段落静翼用シール空気供給系
５２ ダイヤフラム外輪
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ マニホールド部
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ 通路
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ 外輪キャビティ
５６ 連通孔
５７ａ，５７ｂ，５７ｃ 外輪キャビティ用導管
５８ 中間軸
５９ 圧力回復装置
６０ 通路
６１ 案内羽根
６２ 回収口
６３ 冷却空気案内通路
６４ 増速部
６４ａ 絞り通路
６５ 中間通路
６６ 冷却空気供給系
６７ 高温部
６８ タービンセグメント
６９ ガスタービン燃焼器用冷却空気供給系
７０ タービン静翼用冷却空気供給系
７１ タービン動翼用冷却空気供給系
７２ タービンセグメント用冷却空気供給系
７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ オリフィス
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントに係り、特に、空気圧縮機で圧縮した高圧空気の一部を用いてタービン高温部を冷却し、冷却後の空気をガスタービン燃焼器に回収させてプラント熱効率の向上を図ったガスタービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電プラント等に適用されるガスタービンプラントは、例えば図２２に示す構成のものが使用されている。
【０００３】
ガスタービンプラントは、空気圧縮機１とガスタービン２とを一体結合させた構成になっている。この空気圧縮機１とガスタービン２とは、一つのケーシング３に軸結合させた圧縮機軸４とタービン軸５を収容し、ケーシング３内に圧縮機静翼６を固設し、圧縮機軸４に圧縮機動翼７を植設して圧縮機段落８を構成する一方、ケーシング３にタービン静翼９を固設し、タービン軸５にタービン動翼１０を植設してタービン段落１１を構成している。
【０００４】
また、ガスタービンプラントは、圧縮機段落８とタービン段落１１との間に複数個のガスタービン燃焼器１２を環状に配置し、圧縮機段落８で圧縮した高圧空気ＡＲをガスタービン燃焼器１２に供給し、ここで燃料を加えて燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）ＦＧを生成し、その高温燃焼ガスＦＧをトランジションピース１３を介してタービン段落１１に案内し、タービン静翼９で膨脹させた燃焼ガスＦＧの速度エネルギーを利用してタービン動翼１０を回転駆動し、その回転力によりタービン軸５に回転トルクを発生させるようになっている。
【０００５】
ところで、最近のガスタービンプラントでは、ガスタービン２の入口燃焼ガス温度を１３００℃〜１５００℃以上に高温化させプラント熱効率の向上を図る開発が行われている。ガスタービン２の入口燃焼ガス温度を高温化させると、ガスタービン構成部品の許容限界温度、具体的には８００℃〜９００℃を大幅に超えるため、ガスタービンプラントは、タービン軸５、タービン静翼９、タービン動翼１０等に冷却構造を採用し、空気圧縮機１で圧縮した高圧空気ＡＲの一部を冷却用として供給して高温化に対処させていた。
【０００６】
しかし、空気圧縮機１で圧縮した高圧空気ＡＲの一部を、タービン動翼１０等のガスタービン高温部品に冷却用として供給する場合、その高圧空気ＡＲ自体は、タービン軸５の回転トルク発生に実質的に寄与しないため、燃焼ガス温度を高温化しても互いに相殺し、結果としてプラント熱効率を設計値通りに維持できない問題点があった。ガスタービン２の入口燃焼ガスを高温化すればするほど冷却用としての高圧空気ＡＲは増加し、プラント熱効率を設計値以下に低下させるおそれがある。
【０００７】
最近、燃焼ガス温度の高温化と相俟ってタービン動翼１０等のガスタービン高温部品に冷却用として用いた空気圧縮機１からの高圧空気ＡＲを、ガスタービン燃焼器１２等に回収させ、プラント熱効率を設計値通りに維持させる技術が、例えば特公昭５８−４３５７５号公報、特開平５−８６９０１号公報、特開平７−１８９７４０号公報、特開平９−６０５３１号公報として数多く提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
燃焼ガスの高温化に伴って冷却を必要とするガスタービン高温部品には、ガスタービン燃焼器１２、タービン静翼９、タービン動翼１０等がある。これらの高温部品の冷却に用いる冷却空気は、可能な限り回収し、ガスタービン燃焼器１２の燃焼用の空気に使用した方がプラント熱効率は向上する。また、タービン静翼９、タービン動翼１０に関しても初段落のみならず後段落まで高圧空気（冷却空気）の回収範囲を拡げた方がプラント熱効率は向上する。このような観点から、上述の数多くの公報が開示されたものと考えられる。
【０００９】
しかし、上述公報の場合、冷却部位を拡げるに従い高圧空気の流量も増加し、これに伴って昇圧装置の駆動力が増え、結果的にプラント熱効率の向上が望めなくなる。また、ガスタービン高温部品の圧力損失が大きいと、昇圧装置の昇圧力が増加し、これに伴って消費動力も増加する。特に、特開平９−６０５３１号公報では、タービン静翼９およびタービン動翼１０内を、上流段落から下流段落に直列状に順次冷却する構造を提案しているが、冷却経路が長くなるため各翼の圧力損失は増加することが懸念される。このため、プラント熱効率を向上させるには、各翼に供給する高圧空気を極力低く抑えて効果的な冷却を行わせるとともに、圧力損失を低く抑える高圧空気の供給手段が必要とされる。
【００１０】
また、高圧空気を設計圧力に昇圧させて各高温部品に供給し、各高温部品を冷却後、その高圧空気をガスタービン燃焼器１２が必要とする圧力にして回収させる場合、各高温部品の流量係数が異なるため、高圧空気は、各高温部品に対し、過大量であったり過少量であったりし、均等の冷却ができない問題点がある。このため、高圧空気を各高温部品に供給する場合、その分配流量は、各高温部品に対し適正値にコントロールする必要がある。
【００１１】
また、２段落以降のタービン静翼では、燃焼ガス通路上に、ダイヤフラム内輪が配置されており、このダイヤフラム内輪と前後段落のタービンディスクとで形成される空間部分内に、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）が巻き込まれることを防止するために、シール用空気を流している。このシール用空気は、タービン静翼９を冷却する高圧空気を用いていた。しかし、シール用空気と冷却用の高圧空気とは、もともと圧力が異なっており、冷却用の高圧空気を燃焼ガス巻込み防止用に用いると、燃焼ガスの流れに多くの乱れを与えて好ましくない。このため、タービン静翼９の２段落以降のものには、冷却用の系統とシール用の系統とを別々に区分けした構造のものが必要とされる。
【００１２】
また、タービン動翼１０に関しては、翼冷却後の高圧空気を回収させると、高圧空気のポンピング動力が低くなるので、プラント熱効率が向上する。翼冷却後の高圧空気を回収させた場合、特開平７−１８９７３９号公報に見られるように、タービン軸５の回転系から静止系のキャビティに流出させると、高圧空気は、周方向動圧成分が高いため、キャビティだけでは周方向動圧成分を回収しきれず、圧力損失の要因になる。このため、プラント熱効率をより一層向上させるには、高圧空気の周方向動圧成分を回収できる構造のものが必要とされる。
【００１３】
本発明は、このような不都合、不具合の諸点を改善してなされたもので、空気圧縮機からの高圧空気を用いてガスタービン高温部品を冷却し、冷却後の高圧空気をガスタービン燃焼器に回収させる際、より少ない圧力損失でガスタービン高温部品を冷却し、かつより多くの高圧空気をガスタービン燃焼器に回収させてプラント熱効率のより一層の向上を図ったガスタービンプラントを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、空気圧縮機の空気圧縮機段落で圧縮した高圧空気をガスタービン燃焼器に供給する際、その一部の高圧空気を昇圧機で昇圧してタービン静翼に供給するタービン静翼用冷却空気供給系と、上記昇圧機で昇圧した高圧空気をタービン動翼に供給するタービン動翼用冷却空気供給系と、上記タービン静翼を冷却させた高圧空気をガスタービン燃焼器室に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系と、上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を上記ガスタービン燃焼器室に回収させるタービン動翼用冷却空気回収系とを備えたガスタービンプラントにおいて、上記タービン動翼用冷却空気回収系は、空気圧縮機の軸とタービン初段動翼のタービンディスクとを接続する中間軸に圧力回復装置を備えたものである。
【００２８】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、上記圧力回復装置は、上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜状に、かつ湾曲させた案内羽根であることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、上記タービン動翼用冷却空気回収系は、上記中間軸に通路を設け、この通路から圧力回復装置を介して上記タービン燃焼器室に上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を回収させるとともに、上記通路を上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜させて形成したものである。
【００３０】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、上記タービン動翼用冷却空気回収系は、上記中間軸に設けた通路に、上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を供給する回収口を設け、この回収口を上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜させて上記圧力回復装置を形成したものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を添付図面および図中に付した符号を利用して説明する。
【００３７】
図１は、本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態を示す概略系統図である。
【００３８】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機１４とガスタービン１５とを一体結合させた構成になっている。この空気圧縮機１４とガスタービン１５とは、一つのケーシング１６に軸結合させた圧縮機軸１７とタービン軸１８を収容し、ケーシング１６に圧縮機静翼１９を固設し、圧縮機軸１７に圧縮機動翼２０を植設して圧縮機段落２１を構成する一方、ケーシング１６にタービン静翼２２を固設し、タービン軸１８にタービン動翼２３を植設してタービン段落２４を構成している。なお、タービン段落２４は、タービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ａ、タービン３段落２４ｃ、タービン４段落２４ｄになっている。
【００３９】
また、ガスタービンプラントは、圧縮機段落２１とタービン段落２４との間に複数個のガスタービン燃焼器２５を環状に配置し、圧縮機段落２１で圧縮した高圧空気をガスタービン燃焼器２５に供給し、ここで燃料を加えて燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）を生成し、その高温燃焼ガスをトランジションピース２６を介してタービン段落２４に案内し、タービン静翼２２で膨脹させた燃焼ガスの速度エネルギを利用してタービン動翼２３を回転駆動し、その回転力によりタービン軸１８に回転トルクを発生させるようになっている。
【００４０】
また、ガスタービンプラントは、圧縮機段落２１で圧縮した高圧空気の一部を冷却用としてガスタービン燃焼器室２７から抽気し、その冷却空気を昇圧機２８で昇圧させ、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３のそれぞれに区分けして供給するタービン静翼用冷却空気供給系２９とタービン動翼用冷却空気供給系３０とを備えた構成になっている。
【００４１】
また、ガスタービンプラントは、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３のそれぞれを冷却した後の冷却空気を、ガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系３１とタービン動翼用冷却空気回収系３２とを備えた構成になっている。これら各冷却空気供給系２９，３０および各冷却空気回収系３１，３２は、母管に対し分岐管として並列状に区分けし、冷却空気の圧力損失を低く抑えるようになっている。
【００４２】
このように、本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した圧縮機段落２１の高圧空気を、冷却空気として各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３毎に並列状に区分けして供給するタービン静翼用冷却空気供給系２９およびタービン動翼用冷却空気供給系３０と、各タービン静翼２２およびタービン動翼２３を冷却させた冷却空気を、各翼２２，２３毎にガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系３１およびタービン動翼用冷却空気回収系３２とを並列状に設け、冷却空気の圧力損失を少なくさせたので、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各翼２２，２３を効果的に冷却・回収することができ、プラント熱効率を、従来に較べてより一層向上させることができる。なお、回収した冷却空気は、ガスタービン燃焼器２５の燃焼用空気として利用される。
【００４３】
図２は、本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態における変形例を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４４】
本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した圧縮機段落２１の高圧空気を、冷却空気としてタービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン静翼２２および各タービン動翼２３に供給するタービン静翼用冷却空気供給系２９およびタービン動翼用冷却空気供給系３０のうち、タービン静翼用冷却空気供給系２９をタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａとタービン２段落・３段落静翼用冷却空気供給系２９ｂとに区分けするとともに、タービン動翼用冷却空気供給系３０もタービン初段落動翼用冷却空気供給系３０ａとタービン２段落・３段落動翼用冷却空気供給系３０ｂとに区分けした構成になっている。なお、タービン２段落・３段落静翼用冷却空気供給系２９ｂおよび２段落・３段落動翼用冷却空気供給系３０ｂは、ともにタービン静翼用冷却空気供給系２９およびタービン動翼用冷却空気供給系３０からの冷却空気でタービン２段落２４ｂの各翼２２，２３を冷却後、その冷却空気をタービン３段落２４ｃの各翼２２，２３に供給するようになっている。
【００４５】
また、本実施形態は、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの静翼２２および動翼２３の冷却後の冷却空気を、上述各冷却空気供給系２９ａ，２９ｂに対応させてガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系３１およびタービン動翼用冷却空気回収系３２のうち、タービン静翼用冷却空気回収系３１をタービン初段落静翼用冷却空気回収系３１ａとタービン２段落・３段落静翼用冷却空気回収系３１ｂとに区分けするともに、タービン動翼用冷却空気回収系３２もタービン初段落動翼用冷却空気回収系３２ａとタービン２段落・３段落動翼用冷却空気回収系３２ｂとに区分けした構成になっている。
【００４６】
すなわち、本実施形態は、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃのうち、初段落２４ａの静翼２２および動翼２３が総冷却空気量の約６０％を必要とし、また残りが２段落２４ｂおよび３段落２４ｃで必要となることを考慮して、初段落２４ａの冷却空気供給・回収系２９ａ，３０ａ，３１ａ，３２ａと２段落・３段落２４ｂ，２４ｃの冷却空気供給・回収系２９ｂ，３０ｂ，３１ｂ，３２ｂとに区分けした、いわゆる並列状と直列状との組合せにしたものである。
【００４７】
このように、本実施形態は、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃが必要とする冷却空気量毎に冷却空気供給・回収系２９ａ，２９ｂ，３０ａ，…をきめ細かく区分けし、冷却空気の圧力損失を少なくさせたので、各段落２４ａ，２４ｂ，２４ｃの各翼２２，２３を確実かつ効果的に冷却することができる。
【００４８】
図３は、各タービン段落のタービン静翼およびタービン動翼に供給する冷却空気の流量および圧力損失を、従来（冷却空気を各段落に対して直列状に供給）と、本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態および第１実施形態における変形例とで対比させたグラフである。本発明に係るガスタービンプラントは、冷却空気を各段落に対して並列状に供給（第１実施形態）するか、あるいは冷却空気を各段落に対して並列状と直列状とを組み合せて供給（第１実施形態における変形例）しているので、従来に較べ圧力損失を低くすることが認められた。
【００４９】
図４は、本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５０】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を冷却用として、昇圧機２８、タービン静翼用冷却空気供給系２９、タービン動翼用冷却空気供給系３０を介してタービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン静翼２２およびタービン動翼２３に並列状に案内し、各翼２２，２３を冷却後、タービン静翼用冷却空気回収系３１およびタービン動翼用冷却空気回収系３２を介してタービン燃焼器室２７に回収させている点で、第１実施形態と基本的に同一構成を採っているが、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２の後縁側に冷却空気を案内するタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａに、タービン初段落静翼用バイパス系３３を設けている点、タービン２段落２４ｂおよび３段落２４ｃの各タービン静翼２２，２２に冷却空気を案内したタービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのそれぞれに、各タービン静翼の後縁およびダイヤフラム内輪３４，３４を介して前段落のタービンディスク３５と後段落のタービンディスク３５とで形成された空間部分３６に冷却空気の一部をシール空気として案内するタービン２段落静翼用バイパス系３７と、タービン３段落静翼用バイパス系３８とを設けている点が異なっている。
【００５１】
一般に、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２は、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）の温度が最も高く、かつ翼面の熱伝達率分布も後縁で高くなっており、また翼内を冷却する際、後縁の冷却面積を大きく確保できず、メタル温度が高くなっている。このため、タービン静翼２２は、翼内の冷却の際、冷却空気による対流冷却だけでは翼材の許容温度以下に抑えることが難しい。
【００５２】
このような事情から、本実施形態は、図５に示すように、タービン静翼２２に冷却空気を供給するタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａにタービン初段落静翼用バイパス系３３を設け、タービン初段落静翼用バイパス系３３からの冷却空気を後縁３９に供給し、翼内の冷却空気に合流させ、その合流空気を吹き出し口４０から燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）に吹き出させ、タービン静翼２２の翼材強度を高い状態に維持させたものである。
【００５３】
また、従来、ガスタービンプラントは、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）がタービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃを通過する際、前段落と後段落との間の空間部分３６にシール用空気を流し、燃焼ガスの空間部分３６への巻込み防止を図るとともに、そのシール用空気を利用してタービン段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃのタービン動翼２３，２３を冷却していた。
【００５４】
しかし、シール用空気の圧力損失が大きいと、燃焼ガスは空間部分３６に巻き込まれることがあり、シール用空気の圧力を強化する必要があった。また、タービン動翼２３，２３は、シール用空気を冷却に利用し、翼内冷却後、燃焼ガスに吹き出させていたので、ポンピング損失が大きく何らかの対策を必要としていた。
【００５５】
このような事情から、本実施形態は、図６に示すように、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン静翼２２，２２に並列状に冷却空気を供給するタービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのそれぞれに、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８を設け、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８からの冷却空気を、後縁３９，３９を介してダイヤフラム内輪３４，３４に供給し、ここから排出口４１，４１を介して前段落および後段落のタービンディスク３５，３５とで形成した空間部分３６，３６に流出させ、シール用空気の圧力を強化し、燃焼ガスの空間部分３６，３６への巻込み防止を図っている。その際、排出口４１，４１から流出した冷却空気は、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃのタービンディスク３５，３５に設けた空気入口４２，４２を介してタービン動翼２３，２３を冷却し、冷却後、燃焼ガスに合流させる。
【００５６】
このように、本実施形態は、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン静翼２２，２２に並列状に冷却空気を供給するタービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのそれぞれに、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８を設け、タービン２段落静翼用バイパス系３７、タービン３段落静翼用バイパス系３８からの冷却空気を、タービン静翼２２，２２およびダイヤフラム内輪３４，３４の排出口４１，４１を介して空間部分３６，３６に供給し、空間部分３６，３６のシール用空気の圧力を強化したので、燃焼ガスの空間部分３６，３６への巻込みを確実に防止することができる。
【００５７】
また、本実施形態は、ダイヤフラム内輪３４，３４の排出口４１，４１から流出した冷却空気を、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン動翼２３，２３に冷却用として利用したので、従来に較べてポンピング損失を少なくさせることができる。なお、本実施形態は、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃのタービン動翼２３，２３の空気入口４２，４２を、タービン静翼２２，２２側に設けているが、例えば図７に示すように、タービン動翼２３，２３の後縁４３，４３側に設け、ここから冷却空気を供給し、タービン動翼２３，２３の後縁４３，４３のみを冷却してもよい。この場合、タービン動翼用冷却空気供給系３０から翼内に供給された冷却空気とは区分けされる。
【００５８】
空気入口４２，４２を後縁４３，４３側に設けた場合、タービン動翼２３，２３は、図８に示すように、タービンディスク３５，３５とプラットフォーム４４，４４とで囲われた空間部分４５，４５に冷却空気を流すことができるので、翼植込み部４６，４６を冷却することができ、その強度を高く維持することができる。なお、空間部分４５，４５を流れる冷却空気は、その一部をプラットフォーム４４，４４の排出口４７，４７を介して燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）に合流させてもよい。
【００５９】
また、タービン動翼２３，２３のうち、タービン３段落２４ｃのタービン動翼２３は、比較的長翼のため、翼内冷却通路が複雑な形状になりがちであるが、空気入口４２を後縁４３側に設けておけば、後縁４３を流れる冷却空気の翼内の前縁や中央を流れる冷却空気と区分けでき、その分だけ冷却通路を簡素化でき、製造加工上、有利である。また、翼内は中子を収容しているが、上述の冷却通路を区分けしておくと、中子を確実に翼内に支持できる点で有利である。
【００６０】
図９は、本発明に係るガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略系統図である。なお、第２実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６１】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、第２実施形態と基本的に同一構成を採っているが、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２の後縁側に冷却空気を案内するタービン初段落静翼用後縁側冷却空気供給系４８を、ガスタービン燃焼器室２７に接続する点、タービン２段落２４ｂおよびタービン３段落２４ｃの各静翼２２，２２の後縁側を冷却後、各ダイヤフラム内輪３４，３４を介して前段落のタービンディスク３５と後段落のタービンディスク３５とで形成された空間部分３６，３６に、シール用空気を案内するタービン２段落静翼用シール空気供給系４９およびタービン３段落静翼用シール空気供給系５０を、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部に接続する点が異なっている。
【００６２】
このように、本実施形態は、タービン初段落静翼用後縁側冷却空気供給系４８をガスタービン燃焼器室２７に接続し、ガスタービン燃焼器室２７の高圧空気の一部をケーシング空気として利用し、タービン初段落２４ａのタービン静翼２２の後縁側を冷却するので、冷却面積を確保できず、メタル温度の高い後縁であっても冷却能力を強化することができ、翼材強度を高い状態に維持させることができる。
【００６３】
また、本実施形態は、タービン２段落静翼用シール空気供給系４９およびタービン３段落静翼用シール空気供給系５０を、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部に接続し、翼内の前縁および中間部の冷却と後縁の冷却とを区分けし、後縁冷却後の冷却空気をダイヤフラム内輪３４，３４を介して空間部分３６，３６に供給し、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）の空間部分３６，３６への巻込み防止を図ったので、昇圧機２８の動力消費をより一層低くさせることができ、プラント熱効率を向上させることができる。
【００６４】
図１０は、本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態を示す概略系統図である。なお、第２実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６５】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、ガスタービン１５を外部ケーシング１６ａと内部ケーシング１６ｂとの２重構造に形成し、内部ケーシング１６ｂ内にタービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃ、タービン４段落２４ｄを配置し、タービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン静翼２２，２２，…にガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を、冷却用として、昇圧機２８、タービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａ、タービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃおよびタービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄを介して各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…に供給し、各タービン静翼２２，２２，…を冷却後、ガスタービン燃焼器室２７に回収させるとともに、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部から抽気した高圧空気を、タービン２段落静翼用シール空気供給系４９、タービン３段落・４段落静翼用シール空気供給系５１、ダイヤフラム外輪５２，５２，５２を介して各タービン静翼２２，２２，２２の後縁側に供給し、各後縁側を冷却後、ダイヤフラム内輪３４，３４，３４を介して空間部分３６，３６，３６，…に供給したものである。
【００６６】
タービン初段落２４ａは、タービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａのマニホールド部５３ａから供給された冷却空気でタービン静翼２２の翼内前縁および中央を冷却後、通路５４ａを介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるようになっている。また、タービン初段落２４ａは、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を、ダイヤフラム内輪３４を介してタービン静翼２２の後縁側に案内して冷却し、一部を燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）に合流させるとともに、残りを内部ケーシング１６ｂとダイヤフラム外輪５２とで形成した外輪キャビティ５５ａに供給し、燃焼ガスの外輪キャビティ５４ａへの巻込み防止を図っている。
【００６７】
また、タービン２段落２４ｂは、タービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃのマニホールド部５３ｂから供給された冷却空気でタービン静翼２２の翼内前縁および中央を冷却後、通路５４ｂおよび連通孔５６を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるとともに、タービン２段落静翼用シール空気供給系４９から供給された高圧空気で外輪キャビティ５５ｂ内をシールさせ、その一部をタービン静翼２２の後縁側、ダイヤフラム内輪３４を介して空間部分３６に供給してシールさせ、燃焼ガスの空間部分３６および外輪キャビティ５５ｂへの巻込み防止を図っている。
【００６８】
一方、タービン３段落２４ｃは、上述と同様に、タービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄのマニホールド部５３ｃから供給された冷却空気でタービン静翼２２の翼内前縁および中央を冷却後、通路５４ｃおよび連通孔５６を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるとともに、タービン３段落・４段落静翼用シール空気供給系５１から供給された高圧空気で外輪キャビティ５５ｃ，５５ｄ内をシールさせ、その一部をタービン静翼２２の翼内、ダイヤフラム内輪３４を介して空間部分３６，３６に供給してシールさせ、燃焼ガスの空間部分３６，３６および外輪キャビティ５５ｃ，５５ｄへの巻込み防止を図っている。
【００６９】
このように、本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気で各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…を冷却し、冷却後の高圧空気をガスタービン燃焼器室２７に回収させる各冷却空気供給系２９ａ，２９ｃ，２９ｄを並列状に設けるとともに、空気圧縮機１４の空気圧縮機段落２１の中間部から抽気した高圧空気でタービン２段落２４ｂ以降の外輪キャビティ５５ｂ，５５ｃ，…、各タービン静翼２２，２２，…の後縁側、空間部分３６，３６，…をシールする各シール空気供給系４９，５１を設けたので、各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…を冷却して確実にタービン燃焼器室２７に回収することができ、燃焼ガスの外輪キャビティ５５ａ，５５ｂ，…および空間部分３６への巻込みを確実に防止することができ、プラント熱効率をより一層向上させることができる。
【００７０】
図１１は、本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態における変形例を示す概略系統図である。なお、第４実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。
【００７１】
本実施形態は、ガスタービン燃焼器室２７から抽気した高圧空気を、昇圧機２８、タービン静翼用冷却空気供給系２９、各並列状のタービン初段落静翼用冷却空気供給系２９ａ、タービン２段落静翼用冷却空気供給系２９ｃ、タービン３段落静翼用冷却空気供給系２９ｄ、タービン４段落静翼用冷却空気供給系２９ｅの各マニホールド部５３ａ，５３ｂ，５３ｃを介して各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の外輪キャビティ５５ａ，５５ｂ，…に案内する外輪キャビティ用導管５７ａ，５７ｂ，…を設け、各外輪キャビティ５５ａ，５５ｂ，…で高圧空気を一旦溜めた後、冷却空気として各タービン段落２４ａ，２４ｂ，…の各タービン静翼２２，２２，…の翼内に供給して冷却させ、冷却後の高圧空気の一部を通路５４ａ，５４ｂ，…および連通孔５６を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるとももに、冷却後の高圧空気の残りをダイヤフラム内輪３４を介して空間部分３６，３６，…に供給し、燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）の空間部分３６，３６，…への巻込み防止を図ったものである。なお、タービン初段落２４ａは、外輪キャビティ５４ａからタービン静翼２２に供給した高圧空気で翼内を冷却させ、その一部を後縁側から燃焼ガスに合流させる。
【００７２】
このように、本実施形態は、各マニホールド部５３ａ，５３ｂ，…から各外輪キャビティ５６ａ，５６ｂ，…に高圧空気を案内する外輪キャビティ用導管５７ａ，５７ｂ，…を設けて燃焼ガスの外輪キャビティ５５ａ，５５ｃへの巻込み防止と各タービン静翼２２，２２，…の翼内冷却とを同時に併用させ、高圧空気の圧力損失を低くさせたので、高圧空気をガスタービン燃焼器室２７に確実に回収させることができる。
【００７３】
図１２〜図１４は、タービン初段落２４ａ、タービン２段落２４ｂ、タービン３段落２４ｃの各タービン動翼２３，２３，…を冷却させた高圧空気を、一つにまとめてガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン動翼用冷却空気回収系３２における本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態を示す概略断面図である。なお、図１２は、タービン初段落２４ａにおけるタービン動翼用冷却空気回収系３２の部分拡大断面図を、図１３は、図１２のＢ−Ｂ矢視方向から見た切断断面図を、図１４は、図１２のＣ−Ｃ矢視方向から見た切断断面図をそれぞれ示している。また、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７４】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機軸１７にタービンディスク３５を接続する中間軸５８に開設し、タービン初段落２４ａ等のタービン動翼２３を冷却させた高圧空気を、ガスタービン燃焼器室２７に回収させるタービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０に、圧力回復装置５９を設けたものである。
【００７５】
この圧力回復装置５９は、図１３に示すように、中間軸５８の回転方向と反対方向湾曲状に傾斜させ、かつその周方向に沿って列状に配置した案内羽根６１になっている。圧力回復装置５９は、タービン初段落２４ａ等のタービン動翼２３を冷却させた高圧空気を、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させる際、図１３に示すように、案内羽根６１に流入する高圧空気の速度Ｖ1 を、その出口側から流出するとき速度Ｖ2 に低くして圧力を回復させるようになっている。高圧空気の圧力が回復できるのは、図１４に示すように、高圧空気が通路６０を流出する際、その相対速度Ｗとするとき、中間軸５８の周速度Ｕを合成したのが静止場での高圧空気の流出速度Ｖであり、この流出速度Ｖが、案内羽根６１を中間軸５８の回転方向と反対方向に湾曲状に傾斜させないときの相対速度Ｗ′、流出速度Ｖ′に較べて小さくなるからである。
【００７６】
このように、本実施形態は、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０に圧力回復装置５９を設けてガスタービン燃焼器室２７に回収させる高圧空気の圧力を回復させたので、高圧空気をガスタービン燃焼器室２７に確実に回収させることができる。
【００７７】
また、本実施形態は、圧力回復装置５９としての案内羽根６１を中間軸５８の回転方向と反対方向に湾曲状に傾斜させたので、案内羽根６１を中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜させない場合に較べ中間軸５８に回転力を与えることができる。
【００７８】
図１５は、本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第１変形例を示す概略断面図である。なお、第５実施形態と同一構成部分には同一符号を付す。
【００７９】
本実施形態は、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０に圧力回復装置５９を設けている点で第５実施形態と基本的に同一であるが、中間軸５８に設けた高圧空気の回収口６２を、図１６に示すように、中間軸５８の回転方向と反対方向に向って傾斜状に形成した点が異なっている。
【００８０】
本実施形態は、中間軸５８に設けた高圧空気の回収口６２を、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜させ高圧空気の流出速度Ｖを低くさせたので、圧力回復装置５９で高圧空気の圧力をより一層回復させることができる。
【００８１】
図１７は、本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第２変形例を示す概略断面図である。なお、第５実施形態と同一構成部分には同一符号を付す。
【００８２】
本実施形態は、タービン動翼用冷却空気回収系３２の通路６０の下流側に圧力回復装置５９を設けたものである。この通路６０は、図１８に示すように、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜状に形成し、高圧空気の流速を減速させた後、圧力回復装置５９の案内羽根６１を介してガスタービン燃焼器室２７に回収させるようになっている。
【００８３】
したがって、本実施形態によれば、通路６０を、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜状に形成し、高圧空気の流速を減速させて圧力の回復を図ったので、高圧空気のガスタービン燃焼器室２７への回収を良好に行わせることができる。
【００８４】
図１９は、本発明に係るガスタービンプラントの第６実施形態を示す概略断面図である。なお、第５実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００８５】
本実施形態は、ケーシング１６から中間軸５８を介してタービン動翼２３を支持するタービンディスク３５に外部からの冷却空気を案内する冷却空気案内通路６３を備えるとともに、途中に冷却空気を増速させる増速部６４と冷却空気をタービンディスク３５に向わせる中間通路６５とを備えたものである。
【００８６】
増速部６４は、図２０に示すように、入口から出口に向って開口面積を小さくする絞り通路６４ａに形成し、この絞り通路６４ａを中間軸５８の回転方向と同一方向に向わせるように傾斜させている。この傾斜角度は、冷却空気の相対流入角度に一致させている。また、中間通路５６は、中間軸５８の回転方向と反対方向に傾斜状に形成している。
【００８７】
このように、本実施形態は、冷却空気を増速部６４で増速させ、その周方向速度成分を中間軸５８の周速との差を小さくし、さらに中間通路６５で冷却空気の相対流入速度を小さくしてタービンディスク３５に供給するので、タービンディスク３５に冷却空気を供給する際、圧力損失を低くして確実に供給することができる。
【００８８】
図２１は、本発明に係るガスタービンプラントの第７実施形態を示す概略系統図である。
【００８９】
本実施形態は、空気圧縮機１４で圧縮した高圧空気を、ガスタービン燃焼器２５に供給する際、その一部を抽気した高圧空気を冷却空気として昇圧機２８で昇圧させ、冷却空気供給系６６を介してガスタービン燃焼器２５の高温部６７、例えば燃焼器ライナ、トランジションピース等、ガスタービン１５のタービン静翼２２、タービン動翼２３、タービン軸１８、タービンセグメント６８（ガスタービン駆動ガス通路を形成する通路片）に供給するガスタービン燃焼器用冷却空気供給系６９、タービン静翼用冷却空気供給系７０、タービン動翼用冷却空気供給系７１、タービンセグメント用冷却空気供給系７２を備えるとともに、各構成部品６７等を冷却後、高圧空気を燃焼用空気としてガスタービン燃焼器２５に回収させる際、その各高圧空気の圧力レベルを一致させるオリフィス７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄを備えたものである。
【００９０】
このように、本実施形態は、各冷却空気供給系６９，７０，…にオリフィス７３ａ，７３ｂ，…を設け、各構成部品６７等圧力に見合うように高圧空気の圧力を調整したので、各構成部品６７等を冷却させた高圧空気をガスタービン燃焼器２５の燃焼用空気として回収させる際、ほぼ同一圧力で回収することができ、ガスタービン燃焼器２５の燃焼ガス（ガスタービン駆動ガス）を良好に生成することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機の空気圧縮機段落で圧縮した高圧空気の一部を冷却空気用として抽気し、その冷却空気を昇圧機で昇圧させ、各タービン段落の各タービン静翼およびタービン動翼に並列状に供給するタービン静翼用冷却空気供給系とタービン動翼用冷却空気供給系を備えるとともに、各タービン静翼およびタービン動翼を冷却させた冷却空気をガスタービン燃焼器室に燃焼用空気として回収させるタービン静翼用冷却空気回収系とタービン動翼用冷却空気回収系とを備える一方、このタービン動翼用冷却空気回収系に圧力回復装置を設けたので、圧力損失を低くさせた冷却空気をガスタービン燃焼器室に良好に回収させることができ、プラント熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態における変形例を示す概略系統図。
【図３】タービン静翼およびタービン動翼に供給する冷却空気の流量および圧力損失を、従来と本発明に係るガスタービンプラントの第１実施形態およびその変形例とで対比させたグラフ。
【図４】本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態を示す概略系統図。
【図５】図４で示したタービン静翼の部分拡大図。
【図６】本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態における第１変形例を示す概略部分拡大図。
【図７】本発明に係るガスタービンプラントの第２実施形態における第２変形例を示す概略部分拡大図。
【図８】図７のＡ−Ａ矢視方向から見た切断断面図。
【図９】本発明に係るガスタービンプラントの第３実施形態を示す概略系統図。
【図１０】本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態を示す概略系統図。
【図１１】本発明に係るガスタービンプラントの第４実施形態における変形例を示す概略系統図。
【図１２】本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態を示す概略断面図。
【図１３】図１２のＢ−Ｂ矢視方向から見た切断断面図。
【図１４】図１２のＣ−Ｃ矢視方向から見た切断断面図。
【図１５】本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第１変形例を示す概略断面図。
【図１６】図１５のＤ−Ｄ矢視方向から見た切断断面図。
【図１７】本発明に係るガスタービンプラントの第５実施形態における第２変形例を示す概略断面図。
【図１８】図１７のＥ−Ｅ矢視方向から見た切断断面図。
【図１９】本発明に係るガスタービンプラントの第６実施形態を示す概略断面図。
【図２０】図１９のＦ−Ｆ矢視方向から見た切断断面図。
【図２１】本発明に係るガスタービンプラントの第７実施形態を示す概略系統図。
【図２２】従来のガスタービンプラントを示す一部切欠概略断面図。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
２ ガスタービン
３ ケーシング
４ 圧縮機軸
５ タービン軸
６ 圧縮機静翼
７ 圧縮機動翼
８ 圧縮機段落
９ タービン静翼
１０ タービン動翼
１１ タービン段落
１２ ガスタービン燃焼器
１３ トランジションピース
１４ 空気圧縮機
１５ ガスタービン
１６ ケーシング
１６ａ 外部ケーシング
１６ｂ 内部ケーシング
１７ 圧縮機軸
１８ タービン軸
１９ 圧縮機静翼
２０ 圧縮機動翼
２１ 圧縮機段落
２２ タービン静翼
２３ タービン動翼
２４ タービン段落
２４ａ タービン初段落
２４ｂ タービン２段落
２４ｃ タービン３段落
２４ｄ タービン４段落
２５ ガスタービン燃焼器
２６ トランジションピース
２７ ガスタービン燃焼器室
２８ 昇圧機
２９ タービン静翼用冷却空気供給系
２９ａ タービン初段落静翼用冷却空気供給系
２９ｂ タービン２段落・３段落静翼用冷却空気供給系
２９ｃ タービン２段落静翼用冷却空気供給系
２９ｄ タービン３段落静翼用冷却空気供給系
２９ｅ タービン４段落静翼用冷却空気供給系
３０ タービン動翼用冷却空気供給系
３０ａ タービン初段落動翼用冷却空気供給系
３０ｂ タービン２段落・３段落動翼用冷却空気供給系
３１ タービン静翼用冷却空気回収系
３１ａ タービン初段落静翼用冷却空気回収系
３１ｂ タービン２段落・３段落静翼用冷却空気回収系
３２ タービン動翼用冷却空気回収系
３２ａ タービン初段落動翼用冷却空気回収系
３２ｂ タービン２段落・３段落動翼用冷却空気回収系
３３ タービン初段落静翼用バイパス系
３４ ダイヤフラム内輪
３５ タービンディスク
３６ 空間部分
３７ タービン２段落静翼用バイパス系
３８ タービン３段落静翼用バイパス系
３９ 後縁
４０ 吹出口
４１ 排出口
４２ 空気入口
４３ 後縁
４４ プラットフォーム
４５ 空間部分
４６ 翼植込み部
４７ 排出口
４８ タービン初段落静翼用後縁側冷却空気供給系
４９ タービン２段落静翼用シール空気供給系
５０ タービン３段落静翼用シール空気供給系
５１ タービン３段落・４段落静翼用シール空気供給系
５２ ダイヤフラム外輪
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ マニホールド部
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ 通路
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ 外輪キャビティ
５６ 連通孔
５７ａ，５７ｂ，５７ｃ 外輪キャビティ用導管
５８ 中間軸
５９ 圧力回復装置
６０ 通路
６１ 案内羽根
６２ 回収口
６３ 冷却空気案内通路
６４ 増速部
６４ａ 絞り通路
６５ 中間通路
６６ 冷却空気供給系
６７ 高温部
６８ タービンセグメント
６９ ガスタービン燃焼器用冷却空気供給系
７０ タービン静翼用冷却空気供給系
７１ タービン動翼用冷却空気供給系
７２ タービンセグメント用冷却空気供給系
７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ オリフィス
Claims (4)
- 空気圧縮機の空気圧縮機段落で圧縮した高圧空気をガスタービン燃焼器に供給する際、その一部の高圧空気を昇圧機で昇圧してタービン静翼に供給するタービン静翼用冷却空気供給系と、上記昇圧機で昇圧した高圧空気をタービン動翼に供給するタービン動翼用冷却空気供給系と、上記タービン静翼を冷却させた高圧空気をガスタービン燃焼器室に回収させるタービン静翼用冷却空気回収系と、上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を上記ガスタービン燃焼器室に回収させるタービン動翼用冷却空気回収系とを備えたガスタービンプラントにおいて、上記タービン動翼用冷却空気回収系は、空気圧縮機の軸とタービン初段動翼のタービンディスクとを接続する中間軸に圧力回復装置を備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
- 上記圧力回復装置は、上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜状に、かつ湾曲させた案内羽根であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンプラント。
- 上記タービン動翼用冷却空気回収系は、上記中間軸に通路を設け、この通路から上記圧力回復装置を介して上記タービン燃焼器室に上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を回収させるとともに、上記通路を上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜させて形成したことを特徴とする請求項１記載のガスタービンプラント。
- 上記タービン動翼用冷却空気回収系は、上記中間軸に設けた通路に、上記タービン動翼を冷却させた高圧空気を供給する回収口を設け、この回収口を上記中間軸の回転方向と反対方向に傾斜させて上記圧力回復装置を形成したことを特徴とする請求項１記載のガスタービンプラント。
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