JP3894980B2 - ガスタービン及びその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は全般的に、ユーザが部品の変更を極く少なくして、ガスタービンのある高温部品の空冷又は蒸気冷却を選べる様にすると共に、５０及び６０Hz タービンで、タービンのある部品を変更なしに使うことが出来る様にする設計の変更を取り入れた、単純又は複合サイクル形式の新規な陸用ガスタービンに関する。こゝで説明する発明は、特に、圧縮機吐出圧力を高めることが出来る様にし、こうしてガスタービンの出力を増加する為に、ガスタービンの軸流圧縮機の最終段を冷却することに関する。
【０００２】
【背景】
現在の大形工業用（陸用）ガスタービンの条件は、全出力状態で少なくとも２４０，０００時間のクリープ破壊寿命を圧縮機の回転子が持つことである。クリープ破壊寿命を決定する時の主要な因子が圧縮機吐出空気温度である。これは、圧縮機回転子（圧縮機の「回転子」は圧縮機の種々の段の複数個の羽根つき円板又はホィールを、円周方向に相隔たって軸方向に伸びる複数個のボルトで一緒にまとめて構成される）の最終段のリムが、圧縮機出口流路の空気温度に完全に露出されるからである。従って、圧縮機空気出口温度が、所要のクリープ破壊寿命を達成する為に必要な回転子材料を定める。従来、圧縮機出口温度は、ＣｒＭｏＶ合金の様な低廉な材料を使える様に、最後の圧縮機回転子円板のリムを約７５０°Ｆの温度又はそれ以下に抑えようとして、その温度に制限されていた。
【０００３】
圧縮機回転子円板にＩＮＣＯ−７０６の様な更に高価な材料を使うことが出来るが、機械が巨大な寸法である為、材料コストが禁止的である。
運転コストが重要である発電用の新しいどんなガスタービン機関でも、キロワット当たりのドル・コストを下げる必要性は決まっている。そうする為、機関の寸法を増大せずに、ガスタービン出力を増加することが必要である。この目的を達成する最もよい方法は、圧縮機の圧力比を増加し、従って、圧縮機の吐出圧力（ＣＤＰ）を高くすることである。この発明の実施例に従ってＣＤＰを増加すると、圧縮機の流量が２倍になり、従って、機関の出力が２倍になるが、機関／フレームの寸法を増加することを必要としない。圧縮機の吐出温度も増加すると云う点で、この方法のマイナス面が生ずる。今の場合、約１５０°Ｆ上昇して約９００°Ｆになる。
【０００４】
【発明の開示】
この発明では、高級な工業用ガスタービン圧縮機の用途にそれ程高価でないＣｒＭｏＶ材料を使う為には、圧縮機の最終段の円板リムの金属は８２５°Ｆを越えさせてはならないこと、並びに圧縮機回転子の中孔は７００°Ｆを越えさせてはならないことが判った。ＣＤＰの増加に伴って圧縮機吐出温度が約９００°Ｆに高くなると云う条件のもとで、この発明の主な目的は、圧縮機最終段の円板リムを、約９００°Ｆの上昇した圧縮機流路温度から約８２５°Ｆまで冷却し、かつ、圧縮機中孔温度を約７００°Ｆに保つことである。この目標の達成に向かっての最初の工程は、圧縮機の主蒸気静圧より高い圧力で、最終段の円板リムの領域に明確に定められた量の冷却空気を供給することである。この発明の主要な方式は、普通の配置の燃焼器ケーシング（即ち圧縮機のディフューザより下流側にある）から圧縮機吐出空気を抽出し、圧縮機の最終段に対する冷却空気の源とすることである。燃焼器ケーシングから抽出された冷却空気が、最初に熱交換器に送られ、そこでこの空気を冷却する。次に流量制御弁、外部マニホルド装置及び円周方向に配置された多数の半径方向供給管を介して、この空気を圧縮機の回転子へ送り返す。冷却空気が半径方向の管の中を流れ、環状ＣＤＰ封じの上方及び前側の内部３６０°室に送り出される。
【０００５】
冷却空気がこの室に入った後、それが後向きに（即ち通常の圧縮機の空気流の方向と反対に）圧縮機回転子後側空所まで流れる。その後、流れが３つの成分部分に分割される。第１の部分は、圧縮機の最終段の背後で圧縮機流路に放出される圧縮機パージ流になる。冷却空気のこの成分を使って、高温の圧縮機の流れが圧縮機回転子空所にとりこまれない様にする。第２の成分は圧縮機回転子リム冷却空気となる。この第２の成分は圧縮機回転子後側冷却板にある軸方向通路、及び羽根の軸部と円板溝孔の底の間に形成された軸方向通路を流れて、圧縮機の最後の５段にある円板のリムを冷却する。最後の３番目の冷却空気成分は回転子後側回転子空所をＣＤＰ封じ／回転子温度制御空気供給空所から分離するじゃま封じ（ＣＤＰ封じの一体の一部分）を側路する。冷却空気のこの第３の成分の若干が半径方向の管を介して、圧縮機の回転子に導入されて、中孔及び回転子円板を冷却し、この第３の成分の残りの部分が予定の形で、ＣＤＰ封じを通り越して脱出し、最終的にガスタービン内の燃焼ガスと混合される。
【０００６】
この発明の独特な特徴の１つは、圧縮機に導入された時に、冷却空気の流れを差し向けるＣＤＰ封じの設計である。ＣＤＰ封じは後向きに伸びるじゃま封じ（前に述べた）を持ち、これが上側圧縮機回転子空所及び下側圧縮機回転子空所を部分的に限定する。上側空所の流れがこの後前に述べた第１及び第２の流れ成分に分割され、これに対して下側空所の流れが、ＣＤＰ封じ及び圧縮機回転子の中孔に対する冷却空気の第３の成分の流れを供給する。じゃま封じは下側空所からの流れが上側空所へ循環することをも防止する。その結果、下側空所の流れは上側空所内の流れよりも一層温かい。この方式により、圧縮機円板は、中孔では約７００°Ｆ、リムでは約８００°Ｆの温度に制御することが出来る。
【０００７】
ＣＤＰ封じの別の特徴は、それが回転子及び固定子の両方の部品を同じ冷却された空気内に浴させることが出来ることである。この為、回転子及び固定子の両方の部品の定常状態の熱成長は比肩し得るものとなり、圧縮機吐出空気（９００°Ｆ）がその中を流れる封じに較べた時、数値が一層低い。回転子及び固定子部品の質量並びに熱伝達を釣り合わせて、比肩し得る熱応答速度をもたらすことが出来る。この結果、ＣＤＰ封じはあらゆる運転状態で緊密なすき間を持つ。
【０００８】
この発明の別の特徴は、第２の冷却成分の一部分として、圧縮機円板のリムを冷却するのに使われる手順である。６７０°Ｆで上側圧縮機後側回転子空所に供給された冷却されたＣＤＰ空気が、後側冷却板にある軸方向の孔を介して回転子にのせられる。冷却空気を回転子にのせる時、空気が慣性リングとリムの間にある最終円板のウエブの後側に衝突する。これが圧縮機円板のウエブ並びにリムの冷却の助けになる。かなりの大きさの冷却用の熱伝達表面積があるから、最終円板のリムを８２５°Ｆまで冷却することはかなり容易であり、この温度ではＣｒＭｏＶ円板材料は２４０，０００時間より長い間耐え抜くことが出来る。一旦低温の空気が、相対的な空気温度が７５０°Ｆである回転子にのると、最後の５つの円板で、円板溝孔の底（又はさねはぎ）と羽根の軸部との間の溝孔を軸方向に流れるにまかせる。
【０００９】
この発明の別の特徴は、圧縮機回転子温度制御装置である。温度制御が回転子温度制御空気を用いて達成される。この空気は、ＣＤＰ封じより前側の下側後側空所から圧縮機回転子にのせられ、冷却空気の第３の成分の一部分として、圧縮機の中孔の中に導入される。圧縮機の中孔の全体的な流れが予定の流れ要素に分割され、これらの流れ要素が最後の５つの圧縮機円板の間で半径方向外向きに差し向けられる。回転子の中孔の流れの目的は、圧縮機の最後の５段の個々の円板の周りに明確に限定された流れ及び熱伝達の環境を作り出すことである。この熱伝達は、熱応答速度を固定子構造の熱応答と釣合う点まで高める位に高くすべきである。回転子と固定子構造の熱応答速度を釣合せることにより、どんな過渡状態又は定常状態の間でも、回転子と固定子の半径方向の熱成長が釣合う様な熱成長の環境が得られる。圧縮機回転子の冷却空気が慣性リングを半径方向外向きに通過する時、円板のさねはぎのＩＤで軸方向の溝孔に計量される。冷却空気が圧縮機の流路内で放出されようとする種々の吐出圧力から、冷却空気は常に、圧縮機の空気力学的な条件によって制御された明確に限定されたシンク圧力へ流れることが判る。これは、圧縮機回転子の冷却の設計が、設計状態でも、設計から外れた状態でも、細かい設計を実行する際、一貫性を持つ流れパラメータを持つことを保証する。
【００１０】
この発明にはこの他の幾つかの特徴も用いられているが、後で更に詳しく説明する。
広義に見ると、この発明は、中孔、及び圧縮機の前端にある第１段及び圧縮機の後端にある最終段の間を伸びる多数の段で構成された回転子を持ち、各段が周辺リム及び該周辺リムに固定された多数の羽根を持つ回転子円板を含む様な圧縮機と、軸流圧縮機からの吐出空気を燃焼の為に利用する複数個の燃焼器で構成された燃焼装置と、この燃焼装置からの燃焼ガスによって駆動される多数のタービン段とを含む陸用ガスタービンに於て、少なくとも圧縮機の最終段の周辺リムに冷却空気を供給する手段を有する陸用ガスタービンを提供する。
【００１１】
別の一面では、この発明は、回転子、及び圧縮機の前端から後端まで伸びる複数個の羽根つき円板及び関連するリムを含む圧縮機と、複数個の燃焼器と、この燃焼器を取り囲んでいて、圧縮機からの空気を燃焼器に差し向ける様に配置されたケーシングと、複数個の燃焼器からの燃焼ガスによって駆動される多数の段を持つタービンとを持ち、冷却空気を利用して圧縮機回転子を冷却する陸用ガスタービンに於て、複数個の羽根つき円板及び関連するリムの内、圧縮機の後端にある少なくとも若干に対して圧縮機吐出空気を供給する、前記ケーシング内の少なくとも１つの抽出ポート及び関連する配管を有する陸用ガスタービンを提供する。
【００１２】
更に別の一面では、この発明は、回転子、及び圧縮機の前端から後端まで伸びる複数個の羽根つき円板及び関連するリムを含む圧縮機と、圧縮機からの燃焼空気を受取る様に配置されたケーシングによって取り囲まれた複数個の燃焼器と、複数個の燃焼器からの燃焼ガスによって駆動される多数の段を含むタービンとを有し、冷却空気を利用して圧縮機回転子を冷却する陸用ガスタービンで、少なくとも最後の円板及び関連するリムを予定の温度に保つ方法に於て、ケーシングから冷却空気を抽出し、この冷却空気を燃焼空気の流れる方向と向流で圧縮機内に導入し、最後の円板及びそれに関連するリムを予定の温度に冷却する工程を含む方法を提供する。
【００１３】
この発明の主な利点をまとめると次の通りである。
１．圧縮機吐出空気温度が約１５０°Ｆ上昇するにも拘わらず、圧縮機円板及び関連するハードウエア（例えばスペーサ部材）に低廉なＣｒＭｏＶ材料を使うことが出来る。この結果、各々のガスタービン機関にかなりのコスト低下が得られる。
【００１４】
２．圧縮機回転子及び固定子部品の両方を同じ温度の空気内に浴させることにより、ＣＤＰ封じのすき間は緊密なレベルに保つことが出来る。ＣＤＰ封じを浴させる空気は、約１５０°Ｆも一層低温で、その結果熱成長が一層小さくなり、すき間は一層緊密になる。ＣＤＰ封じは、細かい設計段階の間に静止構造の質量を容易に調節することにより、回転子及び固定子の熱応答速度が釣合う様に設定する。その最終的な結果として、ＣＤＰ封じは漏れが一層少なくなり、劣化はかなり小さくなる。
【００１５】
３．明確に限定された圧縮機回転子冷却装置によって、圧縮機の羽根及び片持ちベーンの先端のすき間制御が著しく改善される。回転子の回転子熱応答速度は一層速くなり、その為、圧縮機ベーン支持構造の熱応答と釣合う状態に一層近づく。
その他の目的及び利点は、以下の詳しい説明から明らかなろう。
【００１６】
【発明を実施する最善の態様】
図１は単純サイクル単軸ヘビー・デューティ・ガスタービン１０の略図である。このガスタービンは、回転子軸１４を持つ多段軸流圧縮機１２で構成されているものと見なすことが出来る。空気が１６の所で圧縮機の入口に入り、軸流圧縮機１２によって圧縮され、その後燃焼器１８に吐出される。こゝで天然ガスの様な燃料を燃焼させて、タービン２０を駆動する高エネルギの燃焼ガスを発生する。タービン２０では、高温ガスのエネルギが仕事に変換され、その仕事の若干を使って軸１４を介して圧縮機１２を駆動し、残りは、電力を発生する為、回転子軸２４（軸１４の延長部）を介して発電機２２の様な負荷を駆動する為の有効仕事に利用し得る。典型的な単純サイクル・ガスタービンは燃料入力の３０乃至３５％を軸出力に変換する。残りの１乃至２％を除く全部は、廃熱の形であって、２６の所でタービン２０を出て行く。
【００１７】
図２は最も簡単な形の複合サイクルを示す。この場合、２６の所でタービン２０を出て行く排ガスのエネルギが別の有効仕事に変換される。排ガスが熱回収形蒸気発生器（ＨＲＳＧ）２８に入り、そこでボイラ式に水を蒸気に変換する。こうして発生された蒸気が蒸気タービン３０を駆動し、こゝで更に仕事を抽出して、軸３２を介して、別の電力を発生する２番目の発電機３４の様な別の負荷を駆動する。ある形式では、タービン２０、３０が共通の発電機を駆動する。電力だけを発生する複合サイクルは、高級なガスタービンを使うと、熱効率が５０％乃至６０％の範囲内にある。
【００１８】
図３は、この発明の焦点である、軸流圧縮機１２とタービン２０の間の界面を詳しく示す。圧縮機１２からの空気が、普通の様に回転子１４の周りに円周方向に配置された、他の点では従来通りの幾つかの燃焼器３６（１つを図示してある）に吐出される。この発明のガスタービン１０が軸流圧縮機１２を含み、その後端に全体的に６２で示した最後の５段があることが示されている。
【００１９】
ガスタービンに対する燃焼装置は、圧縮機吐出空気を利用する典型的な逆流多重燃焼器装置であり、この吐出空気が燃焼器の後側に循環させられ、その後燃焼ライナ及び関連した燃焼区域の中を前向きに進む。燃焼装置自体は公知であり、これ以上詳しく説明する必要がない。燃焼後、その結果発生されたガスを使ってタービン２０を駆動する。今の例では、このタービンが、回転子１４の一体の一部分である４つのホィール３８、４０、４２、４４で表した相次ぐ４段を含んでいる。各々のホィールが、夫々羽根４６、４８、５０、５２で表したバケットを含んでおり、これらがベーン５４、５６、５８、６０で表した固定の固定子の間に交互に配置されている。
【００２０】
部分的には燃焼器を取り囲む固定のタービン・ケーシング６４によって構成されているが、多重燃焼器を取り囲む区域には、圧縮機のディフューザ６８より下流側、そして燃焼器より「上流側」で、圧縮機吐出空気を抽出するポート６６が設けられている。云い換えれば、圧縮機吐出空気が、その逆流通路（図示の様に右から左へ）で、燃焼器３６の後側の端に達する前に、空気がポート６６から抽出され、この燃焼器で、燃焼ライナ内を順方向に（図示の様に左から右へ）再び向きを変えられる。適切な量の冷却空気を供給する為、タービン燃焼ケーシング６４に沿って円周方向に相隔てゝ、２つ又は更に多くの抽出ポート６６を設けることが出来る。図式的に７０に示したマニホルド装置を利用して、抽出した空気を蒸気／空気熱交換器７２に送り出す。圧縮機のディフューザ６８を出た圧縮機吐出空気は約３４８ psiaの圧力レベルにあり、燃焼器ケーシング６４から容易に抽出することが出来る。この圧力は、流路ＩＤに於ける最終段圧縮機回転子の背後の約３２６ psiaの圧縮機出口静圧より約２２ psi高い。この２２ psiの差圧が、ＣＤＰ空気を燃焼器ケーシング６４から抽出し、この空気を冷却する熱交換器７２へ送り出し、その後ガスタービンの圧縮機回転子へ戻すことが出来る様にする駆動力である。好ましい構成では、ポート６６で、１．０乃至２．０％Ｗｃ（Ｗｃは全圧縮機空気流量と定義する）が燃焼器ケーシング６４から抽出される。
【００２１】
熱交換器７２が、圧縮機吐出空気を約９００°Ｆの圧縮機吐出レベルから約６００°Ｆまで冷却する。所望の冷却を行う為、約６００°Ｆで蒸気を熱交換器に導入する。この熱交換の際に蒸気が約８００°Ｆに加熱され、その源に送り返される。ガスタービンの排気を利用して図２に示すように蒸気タービンに対する蒸気を作る複合サイクル装置では、この冷却用蒸気は熱回収形蒸気発生器から好便に供給され、熱交換器７２からの加熱された蒸気がボトミング・サイクルの蒸気タービンに戻され、そこで新たに加熱された蒸気の流れからより多くの仕事が抽出される。
【００２２】
こゝで冷却されたＣＤＰ空気（約６００°Ｆ）が管７４を介して、圧縮機１２に戻すべき冷却空気の量を決定する流量制御弁７６に送られる。
タービン・ケーシング６４の外側にある、図式的に７８で示したマニホルド装置が、冷却された空気を、その１つを８０に示した多重の（好ましくは１２個の）絶縁管を介して圧縮機１２に送り出す。これらの管は、何れも直径が１．５乃至２吋であることが好ましいが、燃焼器ケーシング６４を全体的に８４に示した内側タービン・ノズル支持構造に接続する半径方向の支柱（その１つを８２に示す）の中に配置されている。この絶縁は、支柱と管の間の６０ミルの保温空所で構成することが出来る。必要であれば、管８０内の冷却空気が熱を拾うのを更に減らす為に、放射遮蔽体（図に示してない）を追加することが出来る。
【００２３】
次に図４について説明すると、冷却空気が管８０から、ＣｒＭｏＶ圧縮機吐出封じ（ＣＤＰ封じ）８８より上方で若干前側にある３６０°室８６に送り出される。この封じは、９０に示したタービン・ケーシング接続界面から、比較的薄手のウエブ９２を介して軸方向前向きに封じの本体９４まで伸びる環状の不動構造である。封じの本体９４は、回転子集成体の後側冷却板９８上の密封用の歯９６と半径方向に隣接している。ＣＤＰ封じ８８は、環状冷却空気室８６を部分的に限定し、冷却空気を圧縮機回転子後側空所１００へ差し向ける。こゝで冷却流が、これから説明する様に３つの部分に分割される。封じ８８の本体９４には、本体９４から圧縮機１６に向かって伸びるじゃま封じ部分１０２も形成されている。じゃま封じ部分１０２が後側冷却板９８の環状の水平の棚１０４に係合し、こうして後側空所１００を上側空所１００Ａ及び下側空所１００Ｂに分割する。
【００２４】
流れの一部分がこれから説明する様にＣＤＰ封じを通って出て行くので、圧縮機に対する全体の冷却流がＣＤＰ封じ８８の流れ条件に関係することが理解されよう。この流れは、歯９６と向かい合う封じのすき間の劣化に伴って変化し得る。この為、全体的な装置は、２２ psi のΔＰで２％Ｗｃの最大の流れを処理することが出来なければならない。この為、上限の設計点は、２２ psi のΔＰで弁７６が広く開いている時に、２％Ｗｃの冷却空気を圧縮機回転子に送り出さなければならない冷却供給装置になる。その後、ＣＤＰ封じの流れ条件に応じて、弁７６を使って流れを２％Ｗｃ未満の量に制限する。そこで、流量制御弁７６の主たる目的は、高温の圧縮機流路の空気が圧縮機後側回転子空所１００に取り込まれて、圧縮機回転子に供給している冷却空気を加熱することがない様に、圧縮機後側空所１００内に十分な冷却空気の供給が保たれることを保証することである。今述べたことが起こらない様にする為には、上側圧縮機後側回転子空所１００の温度を熱電対によって監視することが絶対条件である。熱電対の温度を感知する接合部を上側空所１００Ａ内に配置する。信頼性の為、空所内には２つの熱電対を取付けるべきである。ＣＤＰ封じが劣化するにつれて、漏れの流れが約０．４１９％Ｗｃから約１．２％Ｗｃまで増加する。実効的な封じのすき間は、約２０ミルから約２５ミルへ拡がっている。これは直径４０吋の封じにとっては劣化した封じと見なされる。封じのすき間が劣化するにつれて、圧縮機後側回転子空所の熱電対が、後側空所１００に僅かな量の圧縮機排出空気が吸い込まれるのにつれた温度上昇を感知する。この上昇が機関安全監視装置によって観測されたら、流量制御弁を開き、熱電対の読みが約６７０°Ｆに下がるまで、より多くの冷却空気を送り出す。
【００２５】
前に簡単に説明した様に、この後、圧縮機回転子後側空所に供給された冷却空気が３つの別々の流れの成分に分割される。その各々をこれから詳しく説明する。
第１の冷却成分
管８０、室８６及び圧縮機回転子後側空所１００を介して戻された冷却空気全体（例えば約１．２２５％Ｗｃ）の内の第１の成分は、最後の回転子の背後で圧縮機の流路に放出される。具体的に云うと、約０．１９５％Ｗｃが、これから説明する様にして、上側空所１００Ａから圧縮機の流路に戻される。図５について説明すると、この第１の成分に対する流路が、半径方向に傾斜した面１１０によって接続された固定子構造の半径方向にずれた面１０６及び１０８によって限定される。同時に、後側冷却板９８には傾斜した先端部分１１２が形成されており、これが、斜面１１０に隣接して、面１０６に向かって半径方向に伸びるじゃま封じの歯１１４を備えている。じゃま封じ１１４の下流側（冷却材の流れの方向に見て）に、先端部分１１２の輪郭は、直径が縮小した軸方向の面１１６及び半径方向外側に傾斜した面１１８を含み、この面は面１０６の縁の直ぐ背後で終端している。この構成により、じゃま封じ１１４の前方に環状緩衝空所１２０が出来る。
【００２６】
じゃま封じの歯１１４及び緩衝空所１２０は、高温の圧縮機吐出空気が圧縮機円板リム冷却空気（後で説明する）を汚染する惧れを小さくする。緩衝空所１２０は円周方向の流れが出来る様にし、これによって最終段の回転子の羽根Ｂの背後の円周方向の静圧勾配が減少する。その結果、じゃま封じの歯１１４は一層効果的になる。封じの歯１１４にわたって、０．１９５％Ｗｃの極く僅かな流れによって生じた小さな圧力降下だけによっても、圧縮機の流れ（図５で左から右へ）が上側空所１００Ａ内の回転子リム冷却空気（第２の冷却成分）の中に取り込まれる惧れが大幅に小さくなる。
【００２７】
第２の冷却成分
冷却空気の第２の成分は、軸流圧縮機１６の最後の５段（図４参照）の圧縮機円板のリムを冷却する様に作用する。便宜上、円板自体を１２４、１２６、１２８、１３０、１３２とし、半径方向外側の円板リムを同じ参照数字に添字“Ａ”を付けて表す。圧縮機の羽根は同じ参照数字であるが、添字“Ｂ”を付ける。図５に一番よく見られる様に、上側空所１００Ａからの冷却空気（約６８８°Ｆ）が圧縮機後側冷却板９８にある軸方向の孔（その１つを１３４に示す）を介して圧縮機回転子にのせられる。約０．３５％Ｗｃが孔１３４を流れて、環状円板軸部空所１３５に入り、そこで最終段のリム１２４Ａ及び円板１２４の間の半径方向にあるウエブ１３８の後側１３６に衝突する。これは圧縮機円板のウエブ１３８及びリム１２４Ａの冷却を助ける。一旦冷却空気が、相対的な空気温度が約７５０°Ｆである孔又は通路１３４を介して圧縮機回転子にのせられると、この空気は空所１３５に沿って旋回し、その後、羽根の軸部１４４と、他の点では普通通りに、羽根の軸部１４４及び関連した羽根１４４Ａを受入れる円板のあり溝（又はさねはぎ）の底面１４６、１４８との間の半径方向のすき間によって形成された高さ３０−４０ミルの軸方向の溝孔１４０、１４２（図６及び７をも参照）を介して、圧縮機の前端に向かって軸方向に流れることが出来る。半径方向の位置ぎめ装置１５０が、円板１２４のリム部分１２４Ａにあるあり溝（図７から明らかな様に軸線方向に対して４５°に配置されている）の全長にわたって伸びる通路１４０、１４２（これは溝孔底すき間通路とも呼ぶ）を分離する。各々の円板リム１２４Ａ−１３２Ａが夫々に同様な通路を備えていて、圧縮機の最後の５段の夫々の円板に夫々１つの羽根があることが理解されよう。
【００２８】
通路１４０、１４２を通る冷却空気は、各々の円板リム１２６Ａ、１２８Ａ、１３０Ａ、１３２Ａにある同様な軸方向の通路を引き続いて流れる。しかし、これらの通路は軸方向に整合していない。云い換えれば、通路１４０′は通路１４０から数度だけ円周方向にずれている。それでも、冷却空気はリムの間の環状のすき間に沿って流れて、隣接したリムの軸方向通路（リム１２６Ａでは１４０′で表してある）に入る。リム冷却空気は、円板リム１３２Ａの溝孔を通過した後、１５４（図４）の所で、半径方向のすき間を通って圧縮機の流れに戻る。しかし、これから説明する様に、冷却空気の第２及び第３の成分の混合がある。更に、若干の空気は、円板リム１２６Ａ及び１２４Ａの間、１２８Ａと１２６Ａの間、１３０Ａと１２８Ａの間並びに１３２Ａと１３０Ａの間から漏れる。
【００２９】
空所１３５に約０．３５％Ｗｃが流れ込むとすると、約０．０１６％Ｗｃが、板９８の傾斜した先端１１２の半径方向外側の縁の所にある、最後の圧縮機円板１２４の背後のワイヤ封じ１５２から漏れる。ワイヤ封じ１５２は、圧縮機流路の空気が空所１３５内にある円板リム冷却空気を汚染することを少なくする様に設計されている。装置の設計は、封じワイヤ１５２が誤って外れているか、或いは何らかの理由は判らなくてもずれている場合、漏れの流れが若干上に行くだけであって、最後の円板溝孔の底部通路１４０、１４２を通る流れが若干減るだけになる様になっている。この為、装置の信頼性は、封じワイヤ１５２の首尾のよさ次第ではない。封じワイヤは、単に、回転子への全体的な流れを最小限にする様な、圧縮機流路への冷却空気の漏れを減らす為に設けられている。
【００３０】
第３の冷却成分
冷却空気の第３の成分がＣＤＰ漏れ／回転子温度制御装置を構成する。この最後の第３の成分（約０．６８５％Ｗｃ）は、じゃま封じ１０２を側路し、下側空所１００Ｂに流れ込む。即ち、じゃま封じ１０２は、圧縮機後側回転子上側空所１００Ａ内の流れを、ＣＤＰ封じ８８及び圧縮機中孔に対して流れを供給する下側空所１００Ｂ内の流れから分離することが出来る様にする。更にじゃま封じ１０２は、下側空所１００Ｂから上側空所１００Ａへの流れの再循環をも防止する。この為、下側空所１００Ｂ内の流れは、上側空所１００Ａ内の流れより更に２０−３０°Ｆ高く温まることが許されている。これは、空所の流れが減少すると共に、空気が回転子にのせられて、回転子の中孔に送られる前の回転子の抗力／風損による温度上昇が一層大きいからである。この方式は、圧縮機円板を中孔の所で所望の７００°Ｆに、そして円板リムの所で８００°Ｆに制御することが出来る様にする。この特徴がないと、圧縮機円板の温度は２０−３０°Ｆ一層低くなり、そうすると、羽根の緊密なすき間を求めるのが一層困難になろう。
【００３１】
ＣＤＰ封じ８８が、回転子及び固定子の両方の部品を同じ冷却された空気内に浴させることが出来る様にすることに注意されたい。この為、回転子及び固定子の両方の部品の定常状態の熱成長が比肩し得るものになると共に、圧縮機吐出空気（９００°Ｆ）がその中を流れる封じに比較した時、数値も一層低くなる。回転子及び固定子部品の質量並びに熱伝達は、比肩し得る熱応答速度が得られる様に釣合せることが出来る。この結果、封じはあらゆる運転状態で緊密なすき間を持つ。例えば、歯９６との界面に於ける直径４２吋のＣＤＰ封じの目標とするすき間は約２１ミルであるから、これは重要な特徴である。
【００３２】
約０．２６６％Ｗｃが、下側空所１００Ｂから円周方向に相隔たって半径方向に配置された複数個の管（１つを１５６に示す）を介して圧縮機回転子の中孔１５８に流れ込む。残りの０．４１９％Ｗｃが、封じ８８の本体９４を側路し、封じの歯９６を横切って、空所１６０からタービンに向かって流れ、そこで燃焼器からの燃焼ガスと混合される。更に、回転子の中孔１５８からの約０．０２５％Ｗｃが、板９８とタービン端板又はキャップ１６２との界面で空所１６０に脱出する。
【００３３】
全体的な中孔の流れが流れ要素（％Ｗｃが図４に書込んである）に分割され、それらが最後の５つの圧縮機円板１２４、１２６、１２８、１３０、１３２の間並びに円板１２４と板９８の間を上向きに（即ち、半径方向外向きに）送られる。その後、円板の間の流れが、円板の慣性リング部分にある円周方向に相隔たったボルト孔１６６の間の半径方向の溝孔１６４に向けられる。回転子中孔の半径方向の流れの目的は、圧縮機円板の周りに明確に限定された流れ及び熱伝達の環境を作り出すことにある。この熱伝達は、熱応答速度を固定子構造の熱応答と釣合う点まで高める位に高くすべきである。前に述べた様に、回転子の熱応答速度を固定子構造と釣合せることにより、どんな過渡状態又は定常状態の間でも、熱成長が釣合う様な熱成長の環境が設定される。こうすることが、機関を一層緊密な羽根先端のすき間で運転することが出来る様にしながら、羽根先端の擦れが起こる可能性を小さくする。羽根先端のすき間を一層緊密にすれば、圧縮機効率が一層高くなり、過渡状態の失速余裕も一層よくなる。
【００３４】
冷却空気は溝孔１６４から、隣合った円板が重なり合う軸方向溝孔１７８（その３つを図５に示してある）を介して、半径方向外向きに冷却空所１６８、１７０、１７２、１７４、１７６に入る。空所１６８、１７０、１７２、１７４、１７６の空気が、夫々の円板のさねはぎのＩＤの所でリム１２４Ａの流れ制御溝孔１４０、１４２（並びに円板リム１２６Ａ、１２８Ａ、１３０Ａ、１３２Ａにある同様な通路の対応する溝孔）に計量される。冷却空気は常に圧縮機の空気力学的な構成によって制御される明確に限定されたシンク圧力（圧縮機流れ圧力）へ流れる。これによって、設計通りの状態でも、設計外れの状態でも、細かい設計を実行する時、圧縮機回転子の冷却の設計が一貫性のある流れパラメータを持つことが保証される。
【００３５】
空所１６８、１７０、１７２、１７４、１７６内で、中孔冷却空気が旋回し、軸方向通路１４０、１４２からのリム冷却空気と混合される。この点について云うと、円板溝孔の底部に対する入口にある、円板リム１２６Ａ、１２８Ａ、１３０Ａ、１３２Ａの前面にある４５°の角度の面１８０は、隣接した円板溝孔の底部から出て来るジェットをそらせる手段として設けられている。４５°の角度によって、流れの角運動量を乱すことなく、ジェットが空所１６８、１７０、１７２、１７４内へと半径方向内向きにそらされる。これが空所内の旋回係数を回転子速度よりずっと高いレベルまで高める。通路１７８を介して同じ空所内に供給される円板温度制御空気も、円板のさねはぎのＩＤの所にある計量用溝孔に角度を付けることによって旋回させることが出来る。これによってウエブ空所に於ける旋回係数が更に増加する。旋回係数が増加すると、熱伝達が高まり、従って、リムの金属温度が下がる。
【００３６】
図５に戻って説明すると、リム１２４Ａ及び１２６Ａが半径方向外側の重なりを持つことが示されている。具体的に云うと、リム１２４Ａの半径方向外側の後面が、１対のずれた半径方向の面１８２、１８４を軸方向の面１８６で接続して構成されている。リム１２４Ａの一番外側の縁は、圧縮機通路の高温空気が回転子空所１６８に取り込まれるのを少なくする為に面取りしてある。同時に、半径方向外側のリム１２６Ａが、面１８０から伸びる半径方向の面１８８を含む複雑な形の面によって限定されている。面１８８は、面１８４と平行であって実質的に隣接している。別の軸方向の面１９０が面１８８と平行である。これらの２つの半径方向の面１８８、１９０が軸方向の面１９２及び段形の縁１９４によって接続されており、これが環状緩衝空所１９６を形成している。軸方向の面１８６、１９２の間には２０−３０ミルの半径方向のすき間があり、半径方向の面１８２、１９０の間には５０ミルの軸方向のすき間がある。最後の２つの円板１２４、１２６の間にある上に述べた界面の構成が、残りの円板１２８、１３０、１３２の界面でも繰り返されている。これは、その程度は一層低いが、やはり冷却する必要があるからである。この様に冷却条件が低下するのは、圧縮機空気温度が、図４及び５で右から左に見て、１段当たり約５０°降下するからである。少量の冷却空気が上に述べた重なり部分を介して圧縮機流路へ脱出する。例えば各々の隣接する１対の円板の間で約０．２２％Ｗｃが脱出するが、ガスの吸込みを防ぐのに十分な圧力降下がある。
円板溝孔の底部すき間通路（即ち通路１４０、１４２及び同様な通路）での圧力降下が、圧縮機段間静圧によって設定される。例えば、最終段の圧縮機のリム１２４Ａでは、吐出静圧は３２６ psiaであり、羽根のあり溝の底部すき間通路に空気を供給する冷却供給圧力は若干高く３２７ psiaである。最終段圧縮機円板に対する羽根あり溝底部出口圧力は２９９ psiaである。この出口圧力は、流路のハブの所で、第２段から最終段の固定子ベーン１２５までの中点の所にある。３２５ psiaから２９９ psiaまでの圧力降下は、圧縮機の流路レベルに比肩し得る様な熱伝達係数を溝孔底部すき間通路に作るのに十分高い溝孔速度を発生するのに十分である。かなりの大きさの冷却用熱伝達表面積があるから、最終段円板リム１２４Ａを８２５°Ｆまで下げるのは割合容易であり、こう云う温度ではＣｒＭｏＶ円板材料は目標とする２４０，０００時間より長い間耐え抜くことが出来る。
【００３７】
隣接する円板リムの面１８８、１９２の間の５０ミルの軸方向のすき間に於ける具体的な圧力及び流れは、運転状態によって変わり得る。こゝで述べた例では、リム１２４、１２６の間のすき間を脱出する冷却空気は約０．２２％Ｗｃであることがあり、リム１２６、１２８の間では約０．１５６％Ｗｃである。しかし、この発明が、圧縮機の最後の５段の任意所定の点に於ける何らかの具体的な温度／圧力／流量の値に制限されないことを承知されたい。こう云う値は、特定の用途、条件等によって変わり得る。こゝで特に重要なパラメータは、最終段リム及び圧縮機中孔の温度であり、それがこの発明では、夫々約８２５°Ｆ及び７００°Ｆに冷却される。
【００３８】
この発明を現在最も実用的で好ましい実施例と考えられるものについて説明したが、この発明がこゝに開示した実施例に制限されず、むしろ特許請求の範囲内に含まれる種々の変更並びに均等物を含むものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】単純サイクル単軸ヘビー・デューティ・ガスタービンの略図。
【図２】最も簡単な形の複合サイクル・ガスタービン／蒸気タービンの略図。
【図３】この発明によるガスタービン及び軸流圧縮機の一部分の部分的な断面図。
【図４】この発明による軸流圧縮機の後段の拡大断面図。
【図５】図４の拡大詳細図。
【図６】この発明による圧縮機回転子円板の部分的な軸断面図。
【図７】図６に示した回転子円板の半径方向平面図。
【符号の説明】
１４ 回転子
１６ 軸流圧縮機
３６ 燃焼器
３８，４０，４２，４４ タービン・ホイール（段）
６６ 空気抽出ポート
７２ 熱交換器
７６ 流量制御弁
８０ 管
１００ 圧縮機後側回転子空所
１２４，１２６，１２８，１３０，１３２ 圧縮機円板（段）
１２４Ａ，１２６Ａ，１２８Ａ，１３０Ａ，１３２Ａ 円板リム
１２４Ｂ，１２６Ｂ，１２８Ｂ，１３０Ｂ，１３２Ｂ 羽根

Claims (16)

1. 中孔及び回転子を持つ圧縮機であって、該圧縮機の前端にある第１段及び該圧縮機の後端にある最終段の間に延在する多数の段を持ち、各段が周辺リム及び該周辺リムに固定された多数の羽根を持つ回転子円板を含む様な圧縮機と、圧縮機からの吐出空気を燃焼の為に利用する複数個の燃焼器で構成された燃焼装置と、該燃焼装置からの燃焼ガスによって駆動される多数のタービン段とを有するガスタービンに於て、少なくとも前記圧縮機の最終段の周辺リムに冷却空気を供給する手段を有し、
   前記冷却空気が、圧縮機より下流側、そして複数個の燃焼器より上流側で、燃焼装置から抽出された圧縮機吐出空気で構成されており、
   燃焼装置からの抽出後、前記冷却空気を冷却する様に構成された熱交換器を有しており、
   前記ガスタービンは更に、前記冷却空気を、イ）前記圧縮機の最終段の周辺リムを冷却する為、並びにロ）前記中孔を冷却する為の部分に分割する手段を有し、
   前記冷却空気を分割する手段が、前記最終段に隣接して設けられた環状圧縮機後側空所を上側空所及び下側空所に分割し、前記下側空所の冷却空気が前記上側空所に入ることを防止するじゃま封じ部分を有しており、前記冷却空気は、前記上側空所に導入される、ガスタービン。
2. 前記冷却空気を供給する手段が絶縁管を含んでおり、該絶縁管は、燃焼器ケーシングをタービン・ノズル支持構造に接続する半径方向の支柱の中に配置されている請求項１記載のガスタービン。
3. 前記じゃま封じ部分が、冷却空気の予定量が前記上側空所から前記下側空所へ通過出来る様にする請求項２記載のガスタービン。
4. 前記環状圧縮機後側空所が部分的に環状冷却板によって限定され、前記圧縮機の最終段の周辺リムを冷却する冷却空気が、前記上側空所から、前記環状冷却板にある複数個の軸方向通路を流れる請求項３記載のガスタービン。
5. 前記冷却板が半径方向外側の先端を含み、該先端は、前記冷却空気が前記上側空所から高温の圧縮機吐出空気の中へ流れることが出来る様にして、こうして該高温空気が前記上側空所に入らない様にする請求項４記載のガスタービン。
6. 前記冷却板が、前記下側空所及び前記中孔の間を伸びる少なくとも１つの半径方向通路を含み、前記中孔を冷却する冷却空気が該少なくとも１つの半径方向通路を流れる請求項５記載のガスタービン。
7. 中孔を有する回転子、及び圧縮機の前端から後端まで延在する複数個の羽根つき円板並びに関連するリムを含む該圧縮機と、複数個の燃焼器と、該燃焼器を取り囲んでいて、圧縮機からの空気を燃焼器に差し向ける様に配置されたケーシングと、前記複数個の燃焼器からの燃焼ガスによって駆動される多数の段を含むタービンとを有し、冷却空気を利用して圧縮機の回転子を冷却するガスタービンに於て、
   圧縮機吐出空気を冷却空気として、圧縮機の後端にある前記リムの内の少なくとも若干に供給する少なくとも１つの前記ケーシング内の抽出ポート及び関連した配管と、
   じゃま封じ部分によって前記リムに冷却空気を送るための上側空所及び前記中孔に冷却空気を送るための下側空所に分割された前記後端にあるリムに隣接して設けられた圧縮器空所とを含み、
   該じゃま封じ部分は若干の冷却空気が前記下側空所に流れ込むことが出来る様にするとともに、前記下側空所の冷却空気が前記上側空所へ再循環することを防止する
   ガスタービン。
8. 前記関連した配管が、前記圧縮機内の通路と連通して、前記冷却空気を前記圧縮機の回転子、並びに少なくとも若干の羽根つき円板及び関連したリムに供給する請求項７記載のガスタービン。
9. 前記抽出ポート及び前記圧縮機の回転子の間にある前記配管内に熱交換器が配置されていて、前記圧縮機吐出空気を前記回転子に達する前に冷却する請求項８記載のガスタービン。
10. 前記熱交換器及び前記回転子の間にある流量制御弁を有する請求項９記載のガスタービン。
11. 前記圧縮機空所が部分的に環状冷却板によって限定され、前記冷却空気の内、前記関連したリムの内の圧縮機の後端にある最後のリムを冷却する一部分が、前記上側空所から前記環状冷却板にある複数個の軸方向通路を流れる請求項１０記載のガスタービン。
12. 前記冷却板が、前記下側空所及び圧縮機の中孔の間を伸びる少なくとも１つの半径方向通路を含み、前記冷却空気の内、前記中孔を冷却する別の一部分が前記少なくとも１つの半径方向通路を流れる請求項１１記載のガスタービン。
13. 前記冷却板が半径方向外側の先端を含み、該先端は、前記冷却空気の一部分が前記上側空所から高温の圧縮機吐出空気の中に流れることが出来る様にし、こうして該高温の空気が前記上側空所に入らない様にする請求項１２記載のガスタービン。
14. 前記上側空所内の空気温度を監視する温度表示手段を有する請求項７記載のガスタービン。
15. 中孔を有する回転子、及び圧縮機の前端から後端まで延在する複数個の羽根つき円板及び関連するリムを含む該圧縮機と、ケーシングによって取り囲まれていて、前記圧縮機からの燃焼用空気を受取るように配置された複数個の燃焼器と、該複数個の燃焼器からの燃焼ガスによって駆動される多数の段を含むタービンとを有し、冷却空気を利用して圧縮機の回転子を冷却する陸用ガスタービンで、少なくとも最後の円板並びにそれに関連したリムを予定の温度に保つ方法に於て、
    前記ケーシングから冷却空気を抽出し、
    該冷却空気を、燃焼用空気の流れる方向と向流で前記圧縮機に導入し、
    該冷却空気を、複数の冷却空気成分部分に分割し、
    前記最後の円板に隣接した圧縮器空所の、前記リムの冷却用の上側空所に前記複数の冷却空気成分部分の内の１つを導入すると共に、
    前記圧縮器空所の、前記中孔冷却用の下側空所に前記複数の冷却空気成分部分の内の他の１つを導入し、
    前記上側空所と前記下側空所の間に設けられたじゃま封じ部分を用いて、該他の１つの冷却空気成分部分が前記下側空所から前記上側空所へ入ることを防止する工程を含む方法。
16. 前記予定の温度が約８２５°Ｆである請求項１５記載の方法。

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