JP4339520B2 - ガスタービンにおける燃料の予熱方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、燃焼器、少なくとも２つのタービン翼列を有するタービンおよび空気圧縮機を備え、燃焼器に圧縮空気および燃料が導入され、タービンに冷却空気が導入されるガスタービンの運転方法に関する。また本発明は、特にこの方法で運転されるガスタービンに関する。
【０００２】
本発明は、特に蒸気タービンと複合して運転されるガスタービンに関する。ガスタービンから流出する排気は蒸気を発生するために利用され、その蒸気は蒸気タービンにおいて機械仕事をしながら膨張する。そのようなガスタービンと蒸気タービンとの複合は所謂複合発電所において実現され、５０％以上の効率での発電を可能にする。
【０００３】
ガスタービンは一般に、空気圧縮機、圧縮機からの圧縮空気で燃料を燃焼させる燃焼器および燃焼器で発生した高温燃焼ガスが仕事をしながらその中で膨張する本来の意味でのタービンからなっている。一般に、空気圧縮機とタービンとは互いに機械的に連結されている。通常、空気圧縮機はターボ圧縮機である。
【０００４】
通常、ガスタービンの運転中、タービン翼は冷却される。そのため、タービン翼の冷却に利用する冷却空気を、タービン翼を貫流して導き、その冷却空気でタービン翼の表面を膜冷却する開放形空気冷却システムを用いることが、多数の文献で知られている。その場合、圧縮空気の一部が冷却空気として利用され、冷却空気はタービン内において開放タービン翼から流出し、燃焼ガスに混入される。タービン翼の開放形空気冷却システムは、静翼および／又は動翼から冷却空気が流出するために、タービンの内部およびタービンの下流における燃焼ガスの温度を低下させてしまう。これはガスタービンの効率を低下させる。
【０００５】
ガスタービンと蒸気タービンとの複合設備の熱効率は、ガスタービン或いは蒸気タービンの効率で決まるだけでなく、両機械の熱力学的連結に大きく左右される。その主な決定量は、ガスタービンから流出する排気の温度である。
【０００６】
高い効率を得るために、圧縮空気をタービンからの排気と間接的に熱交換することによって加熱することが知られている。
【０００７】
排気温度を高めるために、ドイツ特許出願公開第４３３０６１３号明細書に、開放形空気冷却システムにおいて少量の燃料を直接タービンに導入するようなガスタービンの静翼に対する構想が記載されている。これによって、高価な設備的処置を講ずることなしに、排気の再熱が達成され、効率が向上する。
【０００８】
同様に効率を向上するために、開放形システムの代わりに密閉形システムにおいて冷却流体を案内する冷却構想が知られている。
【０００９】
例えばドイツ特許出願公開第１９６２１３８５号明細書において、静翼および動翼内の密閉形冷却システム内を、第２物質と吸熱反応する静翼冷却用の第１物質を案内することが知られている。吸熱反応にとって必要なエネルギは、好適には高温燃焼ガスから熱を吸収することによって行われる。反応生成物は続いて燃焼器に導入され、化学的に結合された反応エネルギ及び物質で吸収された熱は、燃焼過程において放出される。これは燃料消費量を減少させ、従ってガスタービンの効率を高める。
【００１０】
本発明の課題は、タービン翼が良好に冷却され、高い効率が得られるようなガスタービンの運転方法を提供することにある。更に本発明の課題は、この方法を実施するのに適した高効率のガスタービンを提供することにある。
【００１１】
方法に関する課題は、本発明に基づいて、請求項１に記載の手段によって解決される。即ち、燃焼器、少なくとも２つのタービン翼列を有するタービンおよび空気圧縮機を備え、燃焼器に圧縮空気および燃料を導入し、タービンに冷却空気を導入するガスタービンの運転方法において、燃焼器に導入する前に、前記燃料の少なくとも一部を、タービン翼の少なくとも一部分で、タービン翼の空洞内に形成された中空室を貫流させて予熱し、かつ、前記タービンに導入された冷却空気を、タービン翼の他の個所においてタービン翼の空洞内に形成された第２の中空室を貫流させ、少なくとも部分的にタービン翼上に流出させることにより解決される。そのようにしてタービン翼の熱エネルギを燃料で吸収するので、タービン翼の熱エネルギを冷却流体、例えば冷却空気を介して排出する必要がなくなる。そのようにして節約された冷却空気は、さもなければタービンで行わねばならない空気圧縮機の仕事を減少する。更に、予熱した燃料が燃焼器に到達し、従ってガスタービンの効率が高まる。
【００１２】
本発明に基づき、好適にはタービン翼内に形成され、燃料がその中を流れる中空室は、ガスタービンの内部に対して密閉されたシステムとして形成される。これにより、燃料が、例えば冷却流体或いは燃焼ガス（活動流体）のような別の流れ媒体と接触しないようにすることができる。特に密閉形システムによって、燃焼器の外での制御不能な燃焼が防止される。
【００１３】
本発明の最も単純な実施の態様は、燃料が複数の、特に全てのタービン翼列を順々に貫流し、続いて燃焼器に導入されることによって特徴づけられる。
【００１４】
本発明の他の実施態様において、燃料は別個に、即ち別々の部分流として複数のタービン翼列を通って流れ、続いてそれぞれ別個に或いは単一流として燃焼器に導入される。そのような燃料の導入は、ガスタービンの負荷依存制御・調整を可能にする利点を持つ。
【００１５】
本発明に基づいて、好適にはタービンに導入された冷却空気を、タービン翼の他の部分においてタービン翼の空洞内に形成された他の中空室を貫流し、少なくとも部分的にタービン翼においてタービン翼の表面に空気膜を形成するように流出させるとよい。
【００１６】
タービンから流出する排気の温度を高めるために、好適には冷却空気に、タービン内で燃焼する燃料が少量混入される。
【００１７】
燃焼器、少なくとも２つのタービン翼列を有するタービン、空気圧縮機、圧縮空気を案内するための燃焼空気管、燃料を燃焼器に導入する少なくとも１つの燃料管および冷却空気をタービンに導入する少なくとも１つの冷却空気管を有するガスタービンにおいて、上述のガスタービンについての課題は、本発明に基づき、
燃料供給装置からの燃料の少なくとも一部が、タービン翼の少なくとも一部分で、ガスタービンの内部に対し密閉された系統を形成するタービン翼の空洞内に形成された中空室を通って燃焼器に導かれ、かつ、前記冷却空気の少なくとも一部が、タービン翼の空洞内に形成された第２の中空室を通って導かれることにより解決される。
【００１８】
本発明の一実施態様において、燃料は複数の、特に全てのタービン翼列を順々に通って燃焼器に導入される。
【００１９】
或いはまた燃料を、別個に複数のタービン翼列を通して流れ、続いてそれぞれ別個に或いは単一流として燃焼器に導入するのが望ましい。これは特にガスタービンの制御性および調整性に有利に作用する。
【００２０】
本発明によって得られる利点は、特にガスタービン内部に対し密閉されたシステムを形成するタービン翼の空洞内の中空室を通して燃料を導入することで、さもなければ冷却流体によって排出されるであろう熱エネルギを燃料が吸収する点にある。一方では、燃料の加熱により燃料消費量が減少し、他方ではタービンに対する冷却空気が節約され、これにより、さもなければタービンにより行わねばならない空気圧縮機の仕事が減少する。従って、ガスタービンの効率が高まる。追加的に、高温活動流体と冷却空気との混合に伴うタービンでの効率の損失は、冷却空気が減少し、ほんの僅かな冷却空気しかタービン翼から流出しないことによって低減する。
【００２１】
以下図に示した本発明に基づくガスタービンの有利な実施例を参照して、本発明の他の利点および詳細を説明する。
【００２２】
図１はガスタービン３１を概略的に示す。このガスタービン３１はタービン３３を有し、タービン３３にタービン軸３５を介して空気圧縮機３４と発電機３６が連結されている。またタービン３３には燃焼器３２が前置接続されている。空気圧縮機３４は吸込み側に吸込み管３７を有し、吐出し側（圧力側）に、タービン３３に開口する少なくとも１つの冷却空気管４３を有している。空気圧縮機３４は吐出し側に更に、燃焼器３２に開口する燃焼空気管３８を有している。
【００２３】
予熱すべき燃料分に対する燃料管４０が、燃料供給装置３９からタービン３３に通じている。タービン３３に、予熱済みの燃料６に対する燃料管４１が接続されている。タービン３３は更に排気管４４を有している。燃焼器３２から燃焼ガス管４５がタービン３３に通じている。更に、燃焼器３２は燃料管４２を介して燃料供給装置３９に直に接続されている。
【００２４】
タービン３３は少なくとも２つのタービン翼列、特に静翼列４６および動翼列４７を有している。各翼列のタービン翼１の空洞２１内に中空室２０、２２、２２ａ、２３、２３ａが形成されている。タービン翼１の空洞内におけるこれらの中空室２０、２２、２２ａ、２３、２３ａは、タービン翼１の少なくとも１つの部分部位において、ガスタービン１の内部に対して密閉されたシステムを形成している。タービン翼１の他の部分部位において、タービン翼１の空洞内に形成された中空室２５、２５ａは、開放形システムを形成している。
【００２５】
図２はガスタービン３１の好適なタービン翼１を横断面図で示し、特に本発明の説明に際し利用する構造的および機能的特徴を概略的に示す。タービン翼１は主軸１９に沿って延び、該翼１は主軸１９に沿って湾曲され、ねじられ、且つひねられているので、図２に示すタービン翼１の横断面は、主軸１９に沿って変化している。タービン翼１は片側端に取付け用の翼脚（図示せず）を有する。タービン翼１は壁構造物２を有し、この壁構造物２は入口縁８、出口縁９、翼の腹１０および翼の背１１を備える。壁構造物２は空洞２１を包囲する外側壁３を有する。この空洞２１内に、流体的に互いに分離された複数の中空室２０、２２、２２ａ、２３、２３ａ、２５、２５ａが設けられ、特に燃料供給路２２、２２ａ、燃料排出路２３、２３ａ並びに冷却空気供給路２５、２５ａが設けられている。これらの中空室はそれぞれタービン翼１の主軸１９に対して平行に延びる。上述の供給路２２、２２ａ、２５、２５ａおよび排出路２３、２３ａは、タービン翼１の翼脚（図示せず）からその反対側の翼端（図示せず）まで延び、これらはそこで閉じられている。タービン翼１は高温ガス（活動流体）１８で洗流され、これによって、外側壁３の外側表面１４は高温ガス１８で負荷される。高温ガス１８はタービン翼１に入口縁８において流入し、タービン翼１に沿って出口縁９まで流れる。高温ガス１８の流れ方向において空洞２１内に順々に、入口縁８の冷却空気供給路２５、燃料排出路２３、燃料供給路２２、燃料排出路２３ａ、燃料供給路２２ａ並びに出口縁９の冷却空気供給路２５ａが配置されている。壁構造物２は、翼の背１１および翼の腹１０に、連続して配置された多数の小室２０を持つ。タービン翼１の主軸１９の方向に沿って翼の背１１および翼の腹１０に、別の小室（図示せず）も設けられている。これらの小室２０は、空洞２１側の内側壁４と外側壁３との間に配置されている。各小室２０は各々燃料６に対する入口１５を有し、この入口１５はそれぞれ対応した燃料供給路２２、２２ａに接続されている。各小室２０の入口１５は外側壁３に対して垂直な入口軸線２４に沿って延びている。これにより、燃料６が小室２０に流入する際、外側壁３の追加的な衝突冷却が達成される。更に各小室２０は出口１６を有する。この出口１６は流体的に小室２０とその燃料排出路２３、２３ａとを接続している。小室２０は各々高温ガス１８の流れ方向に或いはその逆方向に燃料６で貫流される。好適には、各小室２０において燃料６の流れ方向１２に、互いに連続して置かれた多数の熱伝達要素７が配置されている。小室２０内にタービン翼１の主軸１９に沿って配置された別の熱伝達要素７は図示していない。これらの熱伝達要素は、小室２０における高い熱伝達が達成されるように、図示の熱伝達要素に対して流れ方向１２においてずらされている。
【００２６】
ガスタービン３１の運転中、好適には化石燃料６、例えば天然ガス或いは石炭ガスの第１部分流が、燃料管４２を介して燃焼器３２に導入される。更に、タービン３３で加熱された燃料６の第２部分流が、燃料管４１を介して燃焼器３２に導入される。燃料６の加熱は好適には、燃料管４０を介してタービン３３に導入された燃料６が、タービン翼１の空洞２１内にガスタービン３１の内部に対して密閉されたシステムとして形成された中空室２０、２２、２２ａ、２３、２３ａを貫流し、その際に熱エネルギを吸収することによって行われる。そのために、燃料６は図２に示されていないタービン翼１の片側端に流入し、タービン翼１をその反対側端（図示せず）まで貫流する。軸方向に重なり合って配置された各小室２０のそれぞれ一部は、燃料６が外側壁３並びに熱伝達要素７との熱交換を介して熱を吸収するように、燃料６で貫流され、これに伴い、燃料６が加熱され、同時に外側壁３が冷却される。燃料６は小室２０を貫流した後、燃料排出路２３、２３ａに流入する。燃料排出路２３、２３ａにおいて再び合流した燃料流が、タービン翼１からその片側端（図示せず）を通って流出する。
【００２７】
燃料６は順に、タービン３３の複数の、特に全タービン翼列４６、４７を通して或いは別個に、即ち別々の流れでタービン３３の複数のタービン翼列４６、４７を通して流れ、各々別個に或いは単一流として燃焼器３２に導入される。
【００２８】
燃料６の部分流への分割は、タービン３３の良好な負荷依存制御および調整を可能にする利点を持つ。
【００２９】
本発明の有利な実施例において、燃料管４０、４１、４２およびタービン翼１の空洞２１内にガスタービン３１の内部に対し密閉された系統として形成された中空室２０、２２、２２ａ、２３、２３ａは、燃料６が主にせいぜい全体として加熱されて燃焼器３２に導入されるように、設計されている。
【００３０】
そのように加熱された燃料６は、場合により燃料管４２を介して直接導入された燃料および圧縮空気或いは新鮮空気と共に、燃焼器３２内で燃焼する。燃焼で生じた高温燃焼ガス（活動流体）１８は、燃焼ガス管４５を介してタービン３３に導かれる。燃焼ガスはそこで膨張し、タービン３３を駆動する。タービン３３は空気圧縮機３４と発電機３６とを駆動する。燃焼ガス１８は、タービン３３から排気として排気管４４を通って煙突（図示せず）の方向に流出する。或いはまた、この排気は特に、ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラにおいて蒸気を発生するために利用可能である。かかるガス・蒸気複合タービン設備は、例えばヨーロッパ特許第０４１０１１１号明細書で知られている。
【００３１】
燃焼ガス１８はタービン３３に流入する際、１１００℃より高い温度を有している。従って、タービン３３の部品、特にタービン翼１は補助的に冷却しなければならない。排出すべき熱エネルギの大部分は、タービン翼１の燃料貫流個所において燃料６によって吸収され、排出される。タービン翼１の残りの個所、特に入口縁８および出口縁９において、冷却空気６ａが、タービン翼１の空洞２１内における開放システムとして形成された別の中空室２５、２５ａを貫流し、その場合、図２に示すように、冷却空気供給路２５は入口縁８において多数の出口１６ａを有している。これらの出口１６ａを通して、冷却空気６ａはタービン翼１の外側表面１４に到達する。これによって、タービン翼１の冷却空気６ａによる補助的な膜冷却が保証される。出口縁９の冷却空気供給路２５ａは、同様に冷却空気６ａの流出用出口１６ａを有している。その翼の背１１の外側壁と、翼の腹１の外側壁との間に熱伝達要素７が配置されている。
【００３２】
その代わりに又はそれに加えて、タービン３３から流出する排気の温度を高めるため、冷却空気６ａに、タービン３３内で燃焼する燃料６を少量混入できる。
【００３３】
タービン３３に利用するに適したタービン翼１は、タービン翼１の外側壁３が翼の背１１および翼の腹１０に各々ガスタービン３１の内部に対して密閉されたシステム（密閉システム）を有し、燃焼器３２に流入する前の燃料６の少なくとも一部がそれらの密閉システムを通して流れ、タービン翼１を洗流する高温活動媒体１８の流れの中に到達することなしに、タービン翼１を冷却し、その際に加熱される特徴を持っている。追加的に、タービン翼１の入口縁８および出口縁９が開放システムで冷却され、その場合、好適には冷却空気が利用される。
【００３４】
本発明は、タービン翼１の空洞２１内に形成され、ガスタービン３１の内部に対して密閉されたシステムを形成する中空室２０、２２、２２ａ、２３、２３ａを通して燃料６を導くことにより、燃料６がさもなければ冷却流体で放出されてしまう熱エネルギを吸収することを特徴とする。本発明によって、一方では燃料６の加熱によって燃料消費量が減少し、他方ではタービン３３に対する冷却空気６ａが節約され、これによって、さもなければタービン３３で行わねばならない空気圧縮機３４の仕事が減少する。従って、ガスタービン３１の効率が向上する。追加的に、高温活動媒体１８と冷却空気６ａとを混合することによるタービン３３における効率損失は、冷却空気６ａが減少し、ほんの僅かな冷却空気６ａしかタービン翼１において流出しないことに伴って減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくガスタービンの概略配管システム図。
【図２】 図１におけるガスタービンに有利に利用されるタービン翼の横断面図。
【符号の説明】
１ タービン翼
６ 燃料
６ａ 冷却空気
１４ タービン翼の外側表面
２１ 空洞
２０ 中空室（小室）
２２、２２ａ、２３、２３ａ 中空室
３１ ガスタービン
３２ 燃焼器
３３ タービン
４６ タービン翼列（静翼列）
４７ タービン翼列（動翼列）

Claims (9)

1. 燃焼器（３２）、少なくとも２つのタービン翼列（４６、４７）を有するタービン（３３）および空気圧縮機（３４）を備え、燃焼器（３２）に圧縮空気および燃料（６）を導入し、タービン（３３）に冷却空気（６ａ）を導入するガスタービン（３１）の運転方法において、燃焼器（３２）に導入する前に、前記燃料（６）の少なくとも一部を、タービン翼（１）の少なくとも一部分で、タービン翼（１）の空洞（２１）内に形成された中空室（２０、２２、２２ａ、２３、２３ａ）を貫流させて予熱し、かつ、前記タービン（３３）に導入された冷却空気（６ａ）を、タービン翼（１）の他の個所においてタービン翼（１）の空洞（２１）内に形成された第２の中空室（２５、２５ａ）を貫流させ、少なくとも部分的にタービン翼（１）上に流出させることを特徴とするガスタービンの運転方法。
2. タービン翼（１）内に形成され燃料（６）が流れる中空室（２０、２２、２２ａ、２３、２３ａ）を、ガスタービン（３１）の内部に対して密閉されたシステムとして形成したことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 燃料（６）を複数のタービン翼列（４６、４７）を順々に貫流させ、続いて燃焼器（３２）に導入することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 燃料（６）を、別個の部分流で複数のタービン翼列（４６、４７）を通して流し、続いてそれぞれ別個に或いは単一流で燃焼器（３２）に導入することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
5. 冷却空気（６ａ）を、タービン翼（１）の外側表面（１４）に空気膜が形成されるように、タービン翼（１）上に流出させることを特徴とする請求項項１ないし４の１つに記載の方法。
6. タービン（３３）から流出する排気の温度を高めるために、冷却空気（６ａ）に、タービン（３３）内で燃焼する燃料を少量混入させることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の方法。
7. 燃焼器（３２）、少なくとも２つのタービン翼列（４６、４７）を有するタービン（３３）、空気圧縮機（３４）、圧縮空気を案内する燃焼空気管（３８）、燃料（６）を燃焼器（３２）に導入する少なくとも１つの燃料管（４０、４１、４２）および冷却空気（６ａ）をタービン（３３）に導入する少なくとも１つの冷却空気管（４３）を備えた請求項１ないし７の１つに記載の方法を実施するためのガスタービン（３１）において、燃料供給装置（３９）からの燃料（６）の少なくとも一部が、タービン翼（１）の少なくとも一部分で、ガスタービン（３１）の内部に対し密閉された系統を形成するタービン翼（１）の空洞（２１）内に形成された中空室（２０、２２、２２ａ、２３、２３ａ）を通って燃焼器（３２）に導かれ、かつ、前記冷却空気（６a）の少なくとも一部が、タービン翼（１）の空洞（２１）内に形成された第２の中空室（２５、２５ａ）を通って導かれることを特徴とするガスタービン。
8. 燃料（６）が複数の、特に全てのタービン翼列（４６、４７）を順々に通って燃焼器（３２）に導入されることを特徴とする請求項７記載のガスタービン。
9. 燃料（６）が別個に複数のタービン翼列（４６、４７）を通り、続いてそれぞれ別個に或いは単一流として燃焼器（３２）に導入されることを特徴とする請求項７又は８記載のガスタービン。

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