JP4170583B2 - ガスタービンのタービン段における冷却空気の分配装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、第１列静翼と第１列動翼とを備えたガスタービンのタービン第１段を、第１圧力の第１冷却空気供給源を有する第１冷却空気供給管を通して被冷却静翼に供給される空気によって冷却するための冷却装置に関する。
【０００２】
ガスタービンにおいて高い効率を得るために、一方では、できるだけ高いガス入口温度を得るように努められ、他方では、タービン段の静翼および動翼を冷却するために必要な冷却空気を、それに伴って効率損失が生ずるので、できるだけ少量にするように努められている。静翼および動翼はそれぞれ翼列（翼環）の形で配置されている。
【０００３】
タービン静翼は段階的に冷却空気が供給され、その冷却空気はガスタービンの圧縮機における種々の抽気場所からやって来る。このことは例えば、１９９５年２月、シーメンス アクチエンゲゼルシャフト社発行の製品カタログ、製品番号．Ａ９６００１−Ｕ１０−Ａ２８１の小冊子“シーメンスの３Ａ−ガスタービン−ファミリー”に記載されている。従って、タービン段および特にタービン静翼を冷却するために、それぞれ必要な抽気圧力を決定する所定の圧力ヘッド（落差）が前提とさている。
【０００４】
本発明の課題は、ガスタービンの高い効率を得るために、タービン段および特に静翼列に対する冷却空気量を減少することにある。
【０００５】
この課題は、特許請求の範囲請求項１記載の特徴事項を備えた冷却装置によって解決される。本発明の有利な実施態様および改良形態は従属請求項に記載されている。
【０００６】
第１列静翼と第１列動翼とを備えたガスタービンのタービン第１段を、第１圧力の第１冷却空気供給源を有する第１冷却空気供給管を通して被冷却静翼に供給される空気によって冷却するための新たな冷却装置は、本発明に基づいて、タービン第１段を冷却するために、第１冷却空気供給管より下流に、第１圧力より低い第２圧力で冷却空気が供給される第２冷却空気供給管が配置されている。この冷却装置のこの構成に基づいていまや、タービン段は異なった冷却空気範囲を有することになる。これによって、そのタービン段において必要とされる場所にしか、つまり特にタービン静翼への冷却空気の入口範囲にしか、冷却空気の大きな圧力ヘッドが存在しないことに成功する。他の範囲では、即ち冷却空気が主にシール（漏れ止め）空気として採用される範囲では、もはや高い圧力ヘッドは発生しない。むしろ、低い第２圧力による第２冷却空気供給管からの冷却空気の供給は、少ない冷却空気質量流で十分に冷却することを可能にする。これは、燃焼器後のタービン第１列静翼の入口から案内輪の後部係留部までのタービン第１段の全部が圧縮機最終圧力で運転され、続くタービン第２列静翼の入口からタービン第３列静翼の前部係留部までのタービン第２段が、圧縮機の第３列抽気部からの空気で冷却されるような冷却空気供給方式に比べて、ガスタービンの効率を高める。つまりこの両タービン段において、それぞれ冷却空気入口は静翼の上流に位置し、即ちタービン段によってまだ減少されていない高い圧力を有している。
【０００７】
第２冷却空気供給管が、ガスタービンの回転中心軸線の方向に見て、静翼列にその軸方向長の３分の１、特に半分の後ろの位置に配置されていると特に有利である。静翼の特に強く熱負荷を受ける上流側部位は、第１冷却空気供給管によって、第１冷却空気供給源からの冷却空気質量流に応じて十分に冷却され、これによって、下流側部位は機能が害されることなしに、低い圧力の第２冷却空気供給管によって十分に冷却される。第２冷却空気供給管はそのために有利に、第１冷却空気供給源から分離された第２冷却空気供給源を有している。例えば第１および第２の冷却空気供給源はそれぞれガスタービン圧縮機からの異なった抽気個所である。
【０００８】
本発明の他の有利な実施態様において、第２冷却空気供給管は減圧器を介して第１冷却空気供給源に接続されている。その減圧器は、第２冷却空気供給管の冷却空気質量流が良好にできるだけ少なく配量される働きをする。従って、減圧器を調整可能にすることが有利である。これは特に、第２の圧力がなお、第２冷却空気供給管を介して導入される空気がシール空気として使用できるような値を有するようにすることも可能にする。従って、冷却空気とガスタービンの内室における高温ガス圧との差圧が極めて僅かでしかないことによって、採用される冷却空気質量流量並びにそれに伴う効率損失も同様に僅かとなる。その圧力差として、２バール、特に１バールあるいはそれより小さい値に設定される。
【０００９】
本発明の他の実施態様において、タービン第１段の第２冷却空気供給管は、タービン第１段の下流に続くタービン第２段に対する第１冷却空気供給管としても使用される。特にこの冷却空気管は、タービン第２段の静翼列を冷却するために採用される。これによって一方では、必要な抽気個所数を少なくし、従って構成費用を安価にすることができる。他方では、圧力差を減少することによって、必要な冷却空気質量流量が少くさせられる。
【００１０】
特に環状燃焼器付きのガスタービンにとって好ましい実施態様において、静翼は第１冷却空気供給源に対する第１チャンバおよび第２冷却空気供給源に対する第２チャンバを有し、これら両チャンバは互いに隣り合い、静翼ホルダに接している。その第１チャンバおよび第２チャンバは有利に隔壁によって互いに分離され、この隔壁は静翼ホルダおよび静翼に差し込まれている。このために特に、静翼ホルダに溝が旋盤加工され、且つ静翼を鋳造する際にここに出っ張りが一体鋳造されている。好適にはチャンバ間に、軸方向しゃ断板が隔壁としてはめ込まれ、これは後で追加して組み込むことができ、唯一のチャンバを第１チャンバと第２チャンバに仕切る。
【００１１】
以下図に示した実施例を参照して、本発明の他の有利な実施態様、改良形態および特徴を詳細に説明する。
【００１２】
図１はガスタービン１の一部を概略縦断面図で示している。第１列静翼３と第１列動翼４とを備えたタービン第１段２、第２列静翼６を備えたタービン第２段５、および第３列静翼８を備えたタービン第３段７が示されている。なおタービン第２段５およびタービン第３段７に動翼は示されていない。第１列静翼３に、第１チャンバ９および第２チャンバ１０が存在している。これら両チャンバ９、１０間に隔壁１１が配置されている。この隔壁１１は静翼３ないし静翼ホルダ１２に差し込まれている。第１チャンバ９の中に、第１冷却空気供給源１３から第１冷却空気質量流１４が供給され、これは矢印で示されている。第１冷却空気質量流１４は、第１冷却空気供給管１５で定められた経路をたどって、タービン第１段２まで流れる。この実施例の場合、第１冷却空気供給管１５は第１列静翼３自体内にある流路も有している。第２チャンバ１０の中に、第２冷却空気供給源１６から第２冷却空気供給管１７を介して、第２冷却空気質量流１８が供給される。第１冷却空気質量流１４は第２冷却空気質量流１８より高い圧力を有している。第１冷却空気供給源１３は圧縮機最終空気で運転され、これに対して第２冷却空気供給源１６は、圧縮機（図示せず）から抽気された圧縮機空気で運転される。このようにして、第１列静翼３は２つの異なった圧力を供給され冷却される。そこで利用される圧力は、それぞれの冷却空気の常にシール空気としての機能が保証されるように決められている。第１列静翼３に続く動翼４も同様に冷却され、そのために利用される第３冷却空気質量流１９も有利に第２冷却空気供給源１６からやって来る。
【００１３】
図１には更に、第２列静翼６を備えたタービン第２段５が示されている。ここでも静翼６にそれぞれ異なった冷却空気質量流が供給され、これは矢印で示されている。その冷却空気質量流も同様にそれぞれチャンバを横切って流れる。
【００１４】
その両チャンバは隔壁１１によって互いに分離されている。この隔壁１１は有利に、これが静翼６の軸方向長Ｌのほぼ半分の場所に置かれるように配置されている。第２列静翼６の第１冷却空気供給管１５と第２冷却空気供給管１７との間に更に減圧器２０が配置されている。この減圧器２０を通って、第１冷却空気供給管１５から第２冷却空気供給管１７に冷却空気質量流が流れることができる。第２冷却空気供給管１７を通って流れる冷却空気質量流は従って、第２列静翼６を保護するだけでなく、後続のタービン第３段７の第３列静翼８を冷却するために使われる。第３列静翼８を冷却するための第４冷却空気質量流２１は矢印で示されている。このように各タービン段および特に各静翼列について区分して冷却空気を供給することによって、利用される冷却空気質量流量は、必要な圧力ヘッドが減少すると全く同様に減少させられる。以下これについて詳述する。
【００１５】
図２の線図には、ガスタービンにおける圧力経過２２が示されている。ここでＹ軸に圧力が、Ｘ軸にガスタービン内におけるその圧力の場所がそれぞれ表されている。線図の零点はタービン入口と一致している。またＴＬＥは静翼を、ＴＬＡは動翼を、それらの後ろの数字はタービン段数を表している。符号２３で表した圧力高は圧縮機最終圧力であり、これは同時にまた、タービン入口で利用される冷却空気質量流圧力である。その従来の冷却構想は、第１列動翼（ＴＬＡ１）の後ろまで圧縮機最終圧力を利用することを考慮している。本発明の冷却構想に基づいて、第１列静翼ＴＬＥ１の軸方向長の半分の後ろで、別の低い圧力の冷却空気質量流が利用されている。この圧力は符号２４と一致した圧力値に相当している。
【００１６】
即ち図１に関連して、第１冷却空気質量流１４は第１圧力としての圧縮機最終圧力２３で、第２冷却空気質量流１８は第２圧力としての圧力値２４で供給される。線図内における左上から右下に延びる斜線が入れられた領域２５は、従来に比べて変化（節約）した圧力ヘッドに基づいて生ずる節約部分を表している。左下から右上に延びる斜線が入れられた領域２６は、冷却空気の変更した供給方式に基づいて生ずる追加的な圧力ヘッドを表している。従って、左上から右下に延びる斜線が入れられた領域２５の面積と左下から右上に延びる斜線が入れられた領域２６の面積との差から、圧力ヘッドにおける利益が生ずる。ガスタービン１における圧力経過２２と各領域２５、２６の下限との間に存在する圧力は、シール圧力として使われる。このシール圧力は、冷却空気の供給中におけるガスタービン１内における圧力２２に比べての過圧である。そのために生ずる圧力ヘッドは従来に比べてかなり減少している。タービン第１段２に続くタービン段５、７に対しても同じことが生じ、これは別の領域２５、２６で示されている。タービンにおける圧力経過２２の上側における斜線が入れられた面積は、ガスタービン１のその都度の圧力経過２２に対しての圧縮機最終圧力２３に比べて節約された圧力ヘッドを表している。更にまた、静翼３について２つの異なった圧力を利用するという構想に応じて、静翼３の後部およびその案内輪が高圧空気で冷却される前部よりも冷たい空気で冷却されるという利点が生ずる。
【００１７】
本発明は、ガスタービンのタービン段を冷却するために利用される冷却空気の消費量がかなり減少されるという効果を生じ、この結果、タービン効率の向上に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくガスタービンの冷却方式の概略説明図。
【図２】 ガスタービンにおける冷却空気の従来利用されていた圧力ヘッドと本発明に基づいて段階づけられた圧力ヘッドを対比して表した線図。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ タービン第１段
３ 第１列静翼
４ 第１列動翼
５ タービン第２段
６ 第２列静翼
７ タービン第３段
８ 第３列静翼
９ 第１チャンバ
１０ 第２チャンバ
１１ 隔壁
１２ 静翼ホルダ
１３ 第１冷却空気供給源
１４ 第１冷却空気質量流
１５ 第１冷却空気供給管
１６ 第２冷却空気供給源
１７ 第２冷却空気供給管
１８ 第２冷却空気質量流
１９ 第３冷却空気質量流
２０ 減圧器

Claims (7)

1. 第１列静翼（３）と第１列動翼（４）とを備えたガスタービン（１）のタービン第１段（２）を、第１圧力の第１冷却空気供給源（１３）を有する第１冷却空気供給管（１５）を通して被冷却静翼（３）に供給される空気によって冷却するための冷却装置において、タービン第１段を冷却するために、第１冷却空気供給管（１５）より下流に、第１圧力より低い第２圧力で冷却空気が供給される第２冷却空気供給管（１７）が配置されており、前記第２冷却空気供給管（１７）が、減圧器（２０）を介して前記第１冷却空気供給源（１３）に接続されていることを特徴とする冷却装置。
2. 第２冷却空気供給管（１７）がタービン静翼（３）に、その軸方向長（Ｌ）の３分の１、特に半分の後ろの位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 第２圧力が、第２冷却空気供給源（１６）から導入される空気がなおシール空気として使用できるような値を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. タービン第１段（２）の第２冷却空気供給管（１７）が、タービン第１段（２）の下流に続くタービン第２段（５）に対する第１冷却空気供給管であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却装置。
5. 第２冷却空気供給管（１７）が、タービン第２段（５）の静翼（６）に対する第１冷却空気供給管であることを特徴とする請求項４記載の冷却装置。
6. 静翼（３、６、８）が第１冷却空気供給源（１３）に対する第１チャンバ（９）および第２冷却空気供給源（１６）に対する第２チャンバ（１０）を有し、これら両チャンバ（９、１０）が互いに隣り合い、静翼（３、６、８）のホルダ（１２）に接していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷却装置。
7. 第１チャンバ（９）および第２チャンバ（１０）が隔壁（１１）によって互いに分離され、この隔壁（１１）が静翼ホルダ（１２）および静翼（３、６、８）に差し込まれていることを特徴とする請求項６記載の冷却装置。

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