JP4150199B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン軸に配置され動翼列の形にまとめられた多数の動翼と、タービン車室に配置され静翼列の形にまとめられた多数の静翼とを備えたガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは多くの分野で、発電機あるいは作業機械を駆動するために使用されている。その場合、燃料に含まれるエネルギは、タービン軸を回転駆動するために利用される。そのために燃料は、空気圧縮機で圧縮された圧縮空気が供給される燃焼室において燃焼される。燃焼室において燃料の燃焼によって発生された高温高圧の作動媒体は、燃焼室に後置接続されたタービン装置を通して導かれ、そこで仕事をしながら膨張する。
【０００３】
タービン軸の回転運動を発生するために、タービン軸に、通常、翼群あるいは翼列の形にまとめられた多数の動翼が配置されている。その動翼は、作動媒体から衝撃力を伝達されて、タービン軸を駆動する。タービン装置内で作動媒体を案内するために、通常、隣接する動翼列間に静翼列が配置され、この静翼列はタービン車室に固定されている。
【０００４】
そのようなガスタービンを設計する際、発生する出力に加えて、通常、特に高い効率を得ることが設計目標とされる。効率の向上は熱力学的理由から基本的には燃焼室の出口温度の増大によって達成させられる。作動媒体はその出口温度で燃焼室から出てタービン装置に流入する。従って、そのようなガスタービンに対して、作業媒体の温度は約１２００℃〜１３００℃にすることが望まれ、また達成されている。
【０００５】
しかし作動媒体がそのような高温である場合、作動媒体に曝される構成要素および部品は大きな熱負荷を受ける。それにもかかわらず、その構成要素の比較的長い寿命を高い信頼性で保証するために、通常、その構成要素（特にタービン装置の動翼及び／又は静翼）を冷却することが考慮されている。従って、タービン翼は一般に冷却可能に設計され、特に、作動媒体の流れ方向に見て最初の翼列を、効果的に確実に冷却することを保証しなければならない。それぞれのタービン翼はその冷却のために、通常、羽根あるいは翼形部に一体形成された冷却材通路を有している。冷却材は、その冷却材通路から、特にタービン翼の熱的に大きく負荷される部位に的確に導かれる。
【０００６】
その冷却材として一般に冷却空気が使用される。その冷却空気はそれぞれのタービン翼に、通常、一体形成形の冷却材通路を開放冷却方式で導かれる。その冷却空気は、タービン翼から流出した後、タービン装置内を導かれた作動媒体と混合される。しかしそのような開放冷却形ガスタービンの設計出力は低く制限される。これは、ガスタービンにおける個々の構成要素の限られた機械的負荷容量に関係して、一般に、燃料の供給量の増加によってしか出力増大が達成されないからである。燃料供給量の増加はそれ自体、タービン翼を冷却するために必要な冷却材量がかなり増大することを意味し、これはまた有用な圧縮機質量流量の損失を意味する。その損失は限られた大きさでしか容認できない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、タービン翼が確実に冷却されて、特に高い設計出力用に適するガスタービンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、冒頭に述べた形式のガスタービンにおいて、冷却材通路が第１部分路と第２部分路とに、その第１部分路を流れる冷却材の第１部分流がその静翼を十分冷却するために利用され、第２部分路を流れる冷却材の第２部分流がほぼ損失なしに継送されるように、分割されていることによって解決される。
【０００９】
本発明は、ガスタービンにおいて、有用な圧縮機質量流量における損失が特に小さく抑えられることによって、高い効率で特に大きな設計出力が得られるという考えから出発している。その損失を特に小さく抑えるために、ガスタービンは冷却材（特に冷却空気）の必要量を特に少なく設計しなければならない。これは、開放冷却方式を放棄して、閉回路冷却方式が利用されることによって達成される。この閉回路冷却方式において、冷却材は被冷却タービン翼の貫流後に燃焼過程に導入される。もっともそのような閉回路冷却方式の場合、冷却材回路内において圧力損失が生じ、その圧力損失はおそらく、タービン翼から流出する冷却材がガスタービンの燃焼室に供給されることを阻害してしまうほどになる。
【００１０】
一方では、その圧力損失を特に小さく抑え、従ってタービン翼の原理的に閉じられた閉回路冷却方式をともかくはじめて可能にするために、静翼の内部において冷却材の分割が行われ、その冷却材の第１部分流がその静翼を十分に冷却し、冷却材の第２部分流がほぼ損失なしに静翼を貫通して導かれる。これによって、一方では静翼自体が十分な冷却材を供給され、他方では別の被冷却静翼にほぼ圧力損失なしに同様に十分な冷却材が提供される。冷却材を２つの部分流へ分割することは、冷却材の圧力に関して、本来の静翼と次のタービン段の静翼との並行冷却を意味する。隣接するタービン段の静翼とこれらの両静翼を連結する案内輪とに冷却材を連続して流す構想を断念することによって、冷却材における圧力損失を減少させるように、冷却材通路を案内することが可能となる。追加的に、静翼内において冷却材通路の分割が行われるので、冷却材の案内は単純化される。更に、圧力損失上重要な流れ経路は短くされ、従って冷却材における圧力損失も小さくなり、これによって冷却材量が減少する。
【００１１】
その場合、好適には、それぞれの静翼の翼形部に、十分な冷却材量が的確に供給される。つまり正に、第１静翼列を形成する静翼の翼形部は特に大きな熱負荷を受けるので、ここでは十分に冷却するために必要な冷却材量は特に多い。従ってこの部位に冷却材が的確に供給され、その冷却材流に対する流れ経路はまた特に短くできる。翼形部に比較的多量の冷却材を供給する場合でも、圧力損失は小さく抑えられるので、翼形部から流出する冷却材をガスタービンの燃焼過程に帰還することができる。
【００１２】
本発明の有利な実施態様において、第２部分路内を導かれる冷却材は、第２静翼列の静翼における冷却に利用される。そのために、第２部分路は出口側が有利に、冷却材を充分損失なしに第２静翼列の静翼に案内する冷却通路系に接続されている。第２部分路を通って流れる冷却材は、第２静翼列の静翼を冷却するために十分に利用される。第１静翼列および第２静翼列の静翼に対する「使用済み」冷却材は、続いて、ガスタービンの燃焼室の別の冷却材通路に導かれる。これによって、冷却材の第２部分流は第２静翼列の静翼だけしか貫流しないので、冷却材における圧力降下はほんの僅かである。
【００１３】
正に、この第２部分路を通して、第２静翼列を形成する静翼に、必要な冷却材量を的確に供給することができる。特に、第２静翼列は第１静翼列に比べて低い温度に曝されるので、この第２静翼列を形成する静翼を冷却するために利用される冷却材量は比較的少なく済み、従って、第２部分路における冷却材の流れ経路が比較的長いにも拘らず、圧力損失は小さく抑えられる。
【００１４】
本発明の有利な実施態様において、燃焼室を包囲する流れ室に帰還する前の「使用済み」冷却材の圧力が、流れ室にかかっている圧力とほぼ同じとなるように、前置接続された冷却材圧縮機を設計することが提案される。そのような配置によって、静翼に利用された冷却材が十分大きな圧力レベルを有し、必要とされる冷却材の大部分がガスタービンの燃焼過程に帰還されることが保証される。正に、必要な冷却空気を燃焼過程に帰還することによって、特に高い出力増大及び／又は有害物質発生量の大きな減少が達成される。
【００１５】
本発明によって得られる利点は特に、第１静翼列を形成する静翼内で冷却空気の流れ経路を分岐することによって、被冷却構成要素に、比較的小さな圧力損失で的確に冷却材を供給することができることにある。これによって限られた範囲で生ずる圧力損失は、特に冷却材側において前置接続された冷却材圧縮機によって補償される。これによって、それぞれの静翼を閉回路冷却方式で冷却し、高い効率を維持し、出力を増大し、有害物の発生量を減少して、冷却材（冷却空気）を燃焼過程で再利用することができる。その冷却空気流は、第１静翼列を形成する静翼において必要に合わせて分割され、その第１部分流が是認できる圧力損失で、その静翼の翼形部の冷却に利用され、第２部分流がこの静翼をほぼ圧力損失なしに貫流する。その結果、第２部分流は、全体として是認できる圧力損失で、第２静翼列を形成する静翼を冷却するために利用される。冷却材の圧力状態に関して、前置接続された冷却材圧縮機と、隣接するタービン段の静翼を並行冷却するために冷却材通路を分割して配置することとの全般的な調和によって、閉回路冷却方式を利用して、必要な冷却を維持して、必要な冷却材の量を減少させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下において図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１７】
図１におけるガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２と、燃焼室４と、圧縮機２および発電機あるいは作業機械（図示せず）を駆動するためのタービン６とを有している。そのために、タービン６および圧縮機２はタービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸８上に配置されている。このタービン軸８はその中心軸線９を中心として回転可能に支持され、発電機ないしは作業機械に結合されている。
【００１８】
燃焼室４に、液体燃料あるいは気体燃料を燃焼するための多数のバーナ１０が装備されている。更に燃焼室４はその内側壁に熱遮蔽要素（図示せず）が設けられている。
【００１９】
タービン６はタービン軸８に結合された多数の動翼１２を有している。これらの動翼１２はタービン軸８に環状に配置され、これによって複数の動翼列を形成している。またタービン６は多数の静翼１４を有している。これらの静翼１４も同様に環状に配置され、静翼列を形成し、タービン６の内部車室１６に固定されている。動翼１２はタービン６を貫流する作動媒体Ｍの衝撃力を受けてタービン軸８を駆動するために使われる。これに対して静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に見て連続する２つの動翼列間あるいは動翼環間で作動媒体Ｍを案内するために使われる。静翼１４の環（静翼環）または静翼列と、動翼１２の環（動翼環）または動翼列とから成る隣り合う一つの対はタービン段とも呼ばれる。
【００２０】
各静翼１４は翼根元部とも呼ばれる翼台座１８を有している。この翼台座１８は、タービン６の内部車室１６に静翼１４を固定するために使われ、また壁要素として配置されている。翼台座１８は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍに対する高温ガス通路の外側境界部を形成し熱的に大きく負荷される部品である。各動翼１２も同じように、翼根元部とも呼ばれる翼台座２０を介してタービン軸８に固定されている。
【００２１】
互いに間隔を隔てて隣接する２つの静翼列の静翼１４における翼台座１８間に、それぞれ案内輪２１が配置され、タービン６の内部車室１６に固定されている。各案内輪２１の内側面も同様に、タービン６を貫流する高温作動媒体Ｍに曝される。この案内輪２１の内側面はそれに対向して位置する動翼１２の外側端２２から半径方向に間隔を隔てられ、両者間に隙間が存在している。隣接する２つの静翼列間に配置された案内輪２１は、特に、内部車室１６あるいは別の車室組込み物を、タービン６を貫流する高温作動媒体Ｍによる熱的過負荷から保護する覆い要素として使われる。
【００２２】
ガスタービン１は、比較的高い効率を得るために、燃焼室４から流出する作動媒体Ｍの比較的高い約１２００℃〜１３００℃の出口温度に対して設計されている。これを可能にするために、少なくとも幾つかの動翼１２および静翼１４は、冷却媒体としての冷却空気によって冷却可能に設計されている。冷却空気の流れ経路を明らかにするために、ガスタービン１の燃焼室４の直ぐ後ろに続く部位が、図２に拡大して示されている。そこから理解できるように、燃焼室４から流出する作動媒体Ｍはまずいわゆる第１静翼列を形成する多数の静翼１４に流入する。それらの静翼１４はそれぞれの翼台座１８を介して燃焼室４内に吊り下げられている。作動媒体Ｍの流れ方向に見て、第１静翼列を形成する静翼１４に、第１動翼列を形成する動翼１２と、第２静翼列を形成する静翼１４と、第２動翼列を形成する動翼１２とが続いている。
【００２３】
特に高い効率のガスタービン１において高い設計出力を可能にするために、ガスタービン１は、第１静翼列および第２静翼列をそれぞれ形成する静翼１４の閉回路冷却方式に対して設計されている。その場合、上述の静翼１４から流出する「使用済み」冷却空気がガスタービン１の燃焼室４に帰還されるように考慮されている。そのような冷却方式で生ずる冷却空気の圧力損失を十分に小さく抑えて、燃焼室４に冷却空気が帰還できるようにするために、作動媒体Ｍの流れ方向に見て第１静翼列を形成する静翼１４は、それぞれ矢印３０で記号的に示された一体形成形の冷却材通路を有している。その冷却材通路の入口３２はそれぞれの静翼１４の自由端３４に配置されている。これによって、静翼１４に一体形成された冷却材通路に冷却材Ｋを供給した際、冷却材はそれぞれの静翼１４をその自由端３４から翼根元部つまり翼台座１８に向かって貫流する。
【００２４】
各静翼１４の翼本体の内部において、冷却材通路は、矢印３０の分割によって示されているように、第１部分流矢印３６で記号的に示された第１部分路と、第２部分流矢印３８で記号的に示された第２部分路とに分岐している。それらの部分流は、それらを通してガスタービン１の特に重要な個所に冷却材Ｋを、比較的小さな圧力損失で的確に供給することができるように形成されている。第１部分流矢印３６で記号的に示された第１部分路は、各静翼１４の翼形部を冷却するために形成されている。そのために、静翼１４は例えば冷却材Ｋの部分流が導入される空洞を有している。その第１部分路は出口側が、流れ矢印４０で記号的に示されているように、燃焼室４を包囲する流れ室４２に連通している通路系に接続されている。流れ室４２はガスタービン１の圧縮機２から流出する圧縮機質量流量が供給される。従って、第１部分路を通して導かれる冷却材Ｋの部分流が流れ室４２に帰還形式で供給される際、その部分流と圧縮機質量流量との混合が生ずる。流れ室４２内に存在するその混合ガスは、引き続いてガスタービン１の燃焼過程に供給される。
【００２５】
各静翼１４の翼本体内部における第２部分流矢印３８で記号的に示された第２部分路は、出口側が、作動媒体Ｍの流れ方向に見て後続の案内輪２１を貫通して導かれている冷却通路系に接続されている。この冷却通路系は出口側が、作動媒体Ｍの流れ方向に見て第２静翼列を形成する静翼１４に一体形成された冷却材通路に連通している。これによって、第２部分路内を導かれる冷却材Ｋに対する流れ経路が生ずる。この流れ経路は、まず第２部分流矢印３８に応じて、本来の静翼内を延び、そこから、流れ矢印４４で示されているように、案内輪２１を貫通し、そして、流れ矢印４６によって示されているように、第２静翼列に属する他の静翼１４内を蛇行して延びている。その流れ経路の出口から、冷却材Ｋの部分流が、流れ矢印４８で示されているように、同様に流れ室４２に帰還される。
【００２６】
静翼１４用の冷却材Ｋをそのように導くことによって、特に必要に合わされた冷却材Ｋの供給が行われる。作動媒体Ｍの流れ方向に見て第１静翼列を形成する静翼１４は、比較的大きな熱負荷を受ける。従って特にこの第１静翼列の静翼１４に、比較的多量の冷却材Ｋが供給される。流れ室４２に帰還するまでの流れ経路は特に短くされているので、比較的多量の冷却材Ｋを使用する場合でも、圧力損失は小さく抑えられる。他方では、作動媒体Ｍの流れ方向に見て第２静翼列を形成する静翼１４にも、冷却材Ｋの供給が行われる。その場合、比較的長い流れ経路が存在するにもかかわらず、ここでも圧力損失は小さく抑えられる。これは特に、その冷却材Ｋの部分流が、作動媒体Ｍの流れ方向に見て第１静翼列に対する冷却に関与されず、従ってその第１静翼列の静翼１４をほぼ圧力損失なしに貫流するからである。これによって、冷却材Ｋの圧力損失は全体として特に小さく抑えられるので、静翼１４が閉回路冷却方式で冷却されることによってはじめて、冷却材Ｋの流れ室４２への帰還、従ってガスタービン１の燃焼過程への帰還が可能とされる。
【００２７】
冷却材Ｋのそのような帰還にとって必要な圧力レベルを特に確実に維持するために、作動媒体Ｍの流れ方向に見て第１静翼列を形成する静翼１４に、冷却材側において、冷却材圧縮機５０が前置接続されている。この実施例の場合、その冷却材圧縮機５０は軸流圧縮機として形成され、タービン軸８に固く結合された多数の圧縮機要素５２と、タービン車室６に固く結合された多数の圧縮機要素５４とを有している。冷却材圧縮機５０は入口側に冷却材Ｋを供給され、出口側が、タービン軸８および車室側圧縮機要素５６によって画成された冷却材通路５８を介して、静翼１４の冷却材Ｋの入口３２に連通している。冷却材圧縮機５０は、冷却材Ｋを供給するために、入口側が圧縮機２に接続されている。これによって、圧縮機２から流出する圧縮機質量流量の一部が、静翼１４に対する冷却材Ｋとして分岐される。
【００２８】
冷却材圧縮機５０は、静翼１４用の冷却材Ｋをガスタービン１の燃焼過程に帰還する所定の運転状態に合わせて設計されている。そのために、冷却材圧縮機５０は、冷却材Ｋが、第１部分路あるいは第２部分路および後続の流れ経路の貫流後においておよび流れ室４２に帰還する際、その流れ室３２にかかる圧力をほぼ有するように、その設計運転条件において冷却材Ｋの圧力を上昇させるように、設計されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの概略縦断面図。
【図２】図１のガスタービンにおける本発明に基づく冷却通路系統の概略説明図。
【符号の説明】
１ ガスタービン
８ タービン軸
１２ 動翼
１４ 静翼

Claims (3)

1. タービン車室と静翼列とを備え、静翼列の静翼に冷却材通路が一体形成され、その冷却材通路に冷却材が流れる冷却回路が接続されているガスタービンにおいて、冷却材通路が第１部分路と第２部分路とに、その第１部分路を流れる冷却材の第１部分流がその静翼を十分冷却するために使用され、第２部分路を流れる冷却材の第２部分流がほぼ損失なしに継送されるように、分割されており、作動媒体の流れ方向に見て第１静翼列が、第１部分路と第２部分路とに分けられた冷却材通路を備えた静翼を有していることを特徴とするガスタービン。
2. 冷却材の第２部分流が、ほぼ損失なしに、作動媒体の流れ方向に見て次の静翼列の静翼まで継送されることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
3. 冷却回路に前置接続された冷却材圧縮機が、冷却材がガスタービンの燃焼室を包囲する流れ室に帰還する際にその流れ室にかかる圧力をほぼ有するように、冷却材の圧力を上昇させるように設計されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン。

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