JP4509277B2 - ロータ中孔及びタービン・ロータ・ホイール／スペーサ熱交換流れ回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にタービンに関するものであり、具体的には、高温ガス用構成部品を冷却するための閉回路蒸気冷却路を用いる発電用陸上ガスタービンに関するものであり、特に、タービン・ホイール／スペーサと熱交換関係にある熱媒体を持つロータ中孔及びタービン・ホイール／スペーサ流れ回路に関する。
【０００２】
【発明の背景】
高温ガス路の構成部品たとえばガスタービンの動翼の蒸気冷却が過去に提案されて、陸上の発電プラントで有効なことが判明している。ガスタービンは典型的には空気冷却され、例えば、ジェットエンジンのタービンでは高温ガス用構成部品を冷却するために圧縮機吐出空気が用いられているが、冷却材として蒸気を使用することに伴う損失が冷却用空気を圧縮機から抽出することに生じる損失ほど大きくないので、蒸気冷却の方がより効率的である。また、コンバインド・サイクルの場合での運転では、ガスタービン構成部品を冷却するときに蒸気に与えられる熱がコンバインド・サイクルの蒸気タービンを駆動する際に有用な仕事として回収されるので、蒸気冷却は特に有利である。
【０００３】
【発明の概要】
本出願人の提案されたガスタービン設計では、高温ガス路構成部品を冷却するために正規運転の際は蒸気冷却回路が用いられる。蒸気冷却回路は後側ロータ軸受を通りすぎてロータの中に前方へ蒸気を通すための後側軸方向中孔管アセンブリを含む。流れは直線状の管を通って半径方向外向きに、次いで円周方向に間隔を置いた位置でロータのリムに沿って軸方向に流れ続ける。冷却蒸気はまた、ロータの外側リムに沿って戻り、次いで半径方向内向きに流れ、更に中孔管アセンブリを通って軸方向に流れる。しかしながら、始動時には、蒸気冷却回路を空気冷却回路として使用することができ、冷却空気が正規運転の際に使用される蒸気冷却回路を通って循環される。約１０％の負荷時に空気冷却回路が蒸気冷却回路に切り換えられて、蒸気回路が次いで正規運転のために使用される。
【０００４】
ロータの構成では、ホイールとスペーサとが複数の軸方向に延在するボルトによって互いに固定されることが理解されよう。ホイールとスペーサとの間には、さねはぎによる継手が設けられる。しかしながら、ホイールとスペーサとの加熱の差、並びにさねはぎ継手を横切る放射熱勾配によって、有意量のロータ中孔の応力及び撓みが生じ、これらはさねはぎ継手を開こうとする傾向がある。また、ホイール及びスペーサを含むロータの熱的条件が始動時と定常運転時とタービン運転停止時とで異なることも注意されたい。この結果、異なるタービン運転段階でこれらの要件に対処し、これらの熱勾配に対処し、またさねはぎ継手を開こうとするようなホイール及びスペーサの熱応答を排除する熱交換回路を提供することが必要である。
【０００５】
本発明の好ましい態様によれば、タービンの始動の際にホイール及びスペーサを予熱し昇温すると共に、タービンの定常状態運転の際にはホイール及びスペーサを冷却して、ロータの撓みを有意義に制御し且つ熱勾配に応答してさねはぎ継手を開こうとする傾向を最小にし又は無くすことの出来る、熱媒体（好ましくは、空気）用の流れ回路が提供される。上記のことを達成するために、圧縮機吐出空気が第１段の前側でロータ中孔に供給されて、ロータ中孔に沿って軸方向に流れ且つホイールとスペーサとの間の空洞に流れ込む。ホイールとスペーサとの間の接合部、特にさねはぎ継手において、ロータの周りの円周方向に間隔を置いた位置にこれらの継手内にチャネル又は溝孔が形成され、これらのチャネル又は溝孔は熱媒体を半径方向外向きに通して、最終的には高温ガス路の中へ流入させる。
【０００６】
タービンの始動の際に、流れがホイール及びスペーサの軸方向に整合した面に沿って半径方向に通過するにつれて、圧縮機吐出空気はホイール及びスペーサを予熱し昇温することが理解されよう。この始動時のホイール及びスペーサの加熱により、ロータのリムとロータの半径方向内側のホイール及びスペーサの重い質量との間の熱的不整合又は熱勾配が消滅し、これによりさねはぎ継手にかかる応力を最小にする。しかしながら、定常状態運転の際には、圧縮機吐出空気はホイール及びスペーサを冷却して、蒸気冷却されるロータの外側リム及び高温ガス用構成部品による熱勾配を低減する。このようにして、定常状態運転の際、ロータ中孔の応力が同様に最小にされ、さねはぎ継手を開こうとする傾向を最小にし又は無くす。
【０００７】
本発明の好ましい態様によれば、軸線を持つロータが提供され、該ロータは、複数のタービン・ホイール並びにこれらのホイールの間に交互に配置されたスペーサを含み、ホイール及びスペーサはそれらの間に空洞を画成し、タービン・ホイールにはタービンの高温ガス路内に配置するための動翼が装着されており、ホイール及びスペーサは互いに固定されていて、空洞と連通して圧縮機吐出空気を受け入れる通路をロータの軸線に沿って画成しており、ホイール及びスペーサは、それらとの間にさねはぎ継手を形成する軸方向及び円周方向に延在し且つ半径方向に突き当たるフランジを持ち、更に、ロータは、ホイールのフランジによって支持された第１組の複数の円周方向に間隔を置いた溝孔並びにスペーサのフランジによって支持された第２組の複数の円周方向に間隔を置いた溝孔を含み、ホイール及びスペーサは互いに軸方向に突き当たる関係にあって、回転可能に整列してしていて、圧縮機吐出空気が空洞から整列した溝孔を通って高温ガス流の中へ流れることを可能にする。
【０００８】
本発明の別の好ましい態様によれば、複数のタービン・ホイール並びにこれらのホイールの間に交互に配置されたスペーサを含み、ホイール及びスペーサが互いに固定されていて、中心の軸方向通路を持つタービン・ロータを形成し、ホイール及びスペーサが更にそれらの間に空洞を画成し、ホイールにはタービンの高温ガス路内に配置するための動翼が装着されている形式のガスタービンにおいて、タービンを運転する方法であって、始動の際に、圧縮機吐出空気を軸方向通路に沿って且つホイール及びスペーサの間の空洞に供給して、ホイール及びスペーサを加熱するステップを含んでいるガスタービン運転方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の好ましい態様によれば、複数のタービン・ホイール並びにこれらのホイールの間に交互に配置されたスペーサを含み、ホイール及びスペーサが互いに固定されていて、中心の軸方向通路を持つタービン・ロータを形成し、ホイール及びスペーサが更にそれらの間に空洞を画成し、ホイールにはタービンの高温ガス路内に配置するための動翼が装着されている形式のガスタービンにおいて、タービンを運転する方法であって、定常状態運転の際に、圧縮機吐出空気を軸方向通路に沿って且つホイール及びスペーサの間の空洞に供給して、ホイール及びスペーサを冷却するステップを含んでいるガスタービン運転方法が提供される。
【００１０】
【発明の詳しい記載】
図１は、本発明を採用する単純サイクル単一軸ヘビーデューティ・ガスタービン１０の概略線図である。このガスタービンは、ロータ軸（シャフト）１４を持つ多段軸流圧縮機１２を含むものと見なすことができる。空気が圧縮機１２の入口１６から流入し、軸流圧縮機１２によって圧縮され、そして燃焼器１８へ吐出される。燃焼器１８では、天然ガスのような燃料が燃やされて、高エネルギの燃焼ガスを生成し、このガスがタービン２０を駆動する。タービン２０において、高温ガスのエネルギが仕事に変換され、その内の幾分かが軸１４を介して圧縮機１２を駆動すると共に、残りのエネルギが電気を発生するための発電機２２のような負荷をロータ軸２４を介して駆動するのに有効な仕事のために利用可能になる。
【００１１】
図２は、コンバインド・サイクル・システムを簡略化して表す。この場合、タービン２０の出口２６を出た排出ガスが熱回収蒸気発生器２８に入り、そこでボイラと同様に水を蒸気に変換する。このように生成された蒸気は１つ以上の蒸気タービン３０を駆動し、そこで追加の仕事が抽出されて、付加的な電力を発生する別の発電機３４のような追加の負荷を軸３２を介して駆動する。構成によっては、タービン２０及び３０が共通の発電機を駆動する。電力のみを発生するコンバインド・サイクル・システムは熱効率が大体５０〜６０％の範囲内にあり、改良型ガスタービン（その一部を本発明による熱交換回路が形成する）を使用すると６０％を越える効率が可能になる。
【００１２】
図３には、タービン軸２４のタービン部分（全体的に３６で示す）が例示されている。タービン部分３６はロータ（全体的に［Ｒ］で示す）を含み、ロータは、ロータ軸に装着されてロータ軸と共に回転するようにロータ軸の一部を形成するタービン・ホイール３８，４０，４２及び４４を有する４つの相次ぐ段を含む多数の段を持つ。各々のホイールは一列の動翼を支持しており、そのうちの動翼Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３及びＢ４が図示されており、これらの動翼はホイールの半径方向外側にタービンの高温ガス路の中へ突き出ている。動翼は固定のノズルＮ１、Ｎ２、Ｎ３及びＮ４の間に交互に配列されておいる。また前側から後側へタービン・ホイールの間に交互にスペーサ３９、４１及び４３が配置されている。後側軸４６は、最終段のタービン・ホイール４４の後側にある後側円板４５を含む。これらのホイール及びスペーサは、ガスタービンの構成において慣用されているように、複数の円周方向に間隔を置いて設けられ且つ軸方向に延在するボルト４８によって互いに固定される。
【００１３】
本発明の一部を構成するものではないが、図３及び８には、ロータの一部を構成し且つロータ軸線Ａ（図３）の周りにロータと共に回転するように装着された中孔管アセンブリ４９が例示されている。中孔管アセンブリは外管５０及び内管５２を含み、これらの管は外側通路５４及び内側通路５６を形成する。外側通路５４は、外側通路に蒸気を供給するプレナム５８に接続されていると共に、高温ガス用構成部品に冷却蒸気を供給するために半径方向の導管６０及び円周方向に間隔を置いて設けられた軸方向に延在する導管６２を介して半径方向外側へ接続されている。具体的に述べると、冷却蒸気は第１及び第２段の動翼Ｂ１及びＢ２へ供給される。戻りの冷却を終えた冷却蒸気は軸方向に延在する導管６１及び半径方向に延在する導管６３を通って流れて、ロータ中孔から戻り通路を経由する同軸の流れを生じる。蒸気冷却回路が図８に例示されている。半径方向の導管６０及び６３は後側軸４６のための端蓋アセンブリの一部を形成して、ロータ軸線に沿った蒸気の流れが端蓋より前へ行くのが防止されている。
【００１４】
ここで図５及び６を参照すると、図５に段１のタービン・ホイール３８の後側面が示され、図６に段１−２間スペーサ３９、すなわち第１及び第２段のタービン・ホイール３８及び４０の間のスペーサ３９の前側面が示されている。ホイール３８中の円周方向に間隔を置いて設けられた開口７０が、スペーサ中の円周方向に間隔を置いて設けられた開口７２と軸方向に整合していて、ロータを組み立て状態に固定するためのボルト４８を受け入れる。スペーサ３９中の開口７４が、図３及び８に示されているような、円周方向に間隔を置いて設けられて軸方向に延在する蒸気冷却用戻り管６１を受け入れる。通常のガスタービンの構成では、ホイールの軸方向面が軸方向に突き出すフランジ７６を有し、該フランジにはボルト用開口７０が形成されている。各々のスペーサは軸方向に突き出す環状のフランジ７８を有し、該フランジは７８は軸方向に整列したホイールのフランジ７６の半径方向内側に位置していて、フランジ７６とさねはぎ継手を形成する。ホイールとスペーサとの間のさねはぎ継手の半径方向内側にはホイール空洞Ｃが存在し、該空洞Ｃは中孔管アセンブリの端蓋より前側のロータ中孔と開放連通するように位置することが理解されよう。
【００１５】
さねはぎ継手に沿った円周方向に間隔を置いた位置に、軸方向に延在するチャネル８０又は溝孔がスペーサのフランジ７８に形成される。更に、溝孔８２がホイールのフランジ７６を通り抜けるように半径方向外側方向に形成される。ホイール及びスペーサは互いに対して回転調節して、チャネル８０及び溝孔８２が半径方向に整列して、ホイール空洞とさねはぎ継手の半径方向外側との間に通り抜けの通路を形成するようにする。チャネル８０は熱媒体の半径方向外向きの流れについての計量溝孔を形成する。
【００１６】
圧縮機吐出空気が第１段の前側でロータ・アセンブリの中孔へ供給される。図４に矢印で示すように圧縮機吐出空気は、ホイールとスペーサとの間の空洞の中へホイール及びスペーサと熱交換関係に半径方向外向きに通る。空洞からの空気は、整列したチャネル８０及び溝孔８２を通過して、最終的に高温ガス路に入る。
【００１７】
始動時に、タービンは図８に例示されるように冷却空気が閉回路の蒸気冷却通路に供給される。始動時には、高温の燃焼ガスが高温ガス路を通って流れてロータの外側リムを加熱して、高温ガス路の半径方向内側に熱勾配を生じさせ、これにより中孔に応力を生じさせ、もし適切に対処しない場合にはロータ部品を撓ませてフランジ及びさねはぎ継手に悪影響を及ぼすことが理解されよう。このような中孔の応力はホイールとスペーサとの間のさねはぎ継手を開く傾向又は歪ませる傾向がある。このような中孔の応力を最小にし又は無くすために、圧縮機吐出空気が圧縮機からロータ中孔に流れて、次いで半径方向外向きにホイール空洞内へ流れる。圧縮機吐出空気は、始動時には、温度がホイール及びスペーサの温度よりも高く、従ってホイール及びスペーサを予熱し昇温させる。更に、このホイール及びスペーサの予熱により、ロータに沿った半径方向の熱勾配が低減し、ホイール及びスペーサの撓みが制御されて、さねはぎ継手を開く傾向又は歪ませる傾向が低減する。ロータがその始動を継続するにつれて、閉回路の蒸気冷却通路内の空気が蒸気に置き換えられて、ロータの外側リム及び特定の高温ガス路構成部品が蒸気を閉回路に流れさせることによって冷却される（図８参照）。ロータの構成部品が昇温し続けると、ロータの温度が圧縮機吐出空気よりも高くなる。そのとき、圧縮機吐出空気は定常状態運転中のホイール及びスペーサを冷却しようとする。ロータの外側リムが蒸気冷却され且つホイール及びスペーサの内部の部分が同様に冷却されることにより、半径方向の熱勾配が低減され、これにより中孔の応力を最小にし又は無くして、ホイールとスペーサとの間のさねはぎ継手を閉じた状態に保つ。
【００１８】
本発明を現在最も実際的で好ましいと考えられる実施態様に関連して説明したが、本発明は開示した実施態様に制限されず、逆に特許請求の範囲の真の精神および範囲内にある種々の変更および等価な構成を包含することを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱媒体冷却回路を備えたガスタービンを含む発電システムの略図である。
【図２】本発明を取り入れてその熱交換回路を用いるコンバインド・サイクル・システムの略図である。
【図３】本発明の環境を例示するためのガスタービンのタービン部分の一部分の長手方向断面図である。
【図４】本発明による熱媒体回路を例示する略図である。
【図５】前側方向へ見たタービンの段１のホイールの一部分の立面図である。
【図６】後側方向へ見た段１−２間スペーサの略図である。
【図７】熱媒体についての半径方向外側を向いた流れチャネルを例示するさねはぎ継手の図である。
【図８】ガスタービンに使用される閉回路の空気及び蒸気冷却回路を表す略図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービン
１２ 多段軸流圧縮機
２０ タービン
２４ ロータ軸
３８、４０、４２、４４ タービン・ホイール
３９、４１、４３ スペーサ
４９ 中孔管アセンブリ
５４ 外側通路
５６ 内側通路
７６ ホイールのフランジ
７８ スペーサのフランジ
８０ チャネル
８２ 溝孔

Claims (5)

1. 軸線（Ａ）を持つロータ（Ｒ）であって、該ロータは、複数のタービン・ホイール（３８，４０，４２，４４）並びにこれらのホイールの間に交互に配置されたスペーサ（３９，４１，４３，４５）を含み、前記ホイール及び前記スペーサがそれらの間に空洞（Ｃ）を画成し、前記タービン・ホイールにはタービンの高温ガス路内に配置するための動翼（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）が装着されており、前記ホイール及び前記スペーサは互いに固定されていて、前記空洞と連通して圧縮機吐出空気を受け入れる通路を該ロータの前記軸線に沿って画成しており、前記ホイール及び前記スペーサが、さねはぎ継手を形成するように軸方向及び円周方向に延在し且つ半径方向に突き当たるフランジ（７６，７８）を持っているロータと、
   前記ホイールのフランジ（７６）に設けられた第１組の複数の円周方向に間隔を置いた溝孔（８２）並びに前記スペーサのフランジ（７８）に設けられた第２組の複数の円周方向に間隔を置いた溝孔（８０）とを含み、
   各々の前記ホイール及び前記スペーサは互いに軸方向に突き当たる関係にあって、回転可能に整列してしていて、圧縮機吐出空気が前記空洞から整列した前記溝孔（８０，８２）を通って高温ガス流の中へ流れることを可能にしており、
   更に、前記ロータのリムに沿って延在し前記動翼を蒸気冷却するため動翼を通過する蒸気冷却通路（６０，６２）と前記ロータのリムに戻る蒸気冷却通路（６１，６３）とを備える閉回路の蒸気冷却通路を備えることを特徴とするタービン。
2. 複数のタービン・ホイール（３８，４０，４２，４４）並びにこれらのホイールの間に交互に配置されたスペーサ（３９，４１，４３，４５）を含み、前記ホイール及び前記スペーサが互いに固定されていて、中心の軸方向通路を持つタービン・ロータ（Ｒ）を形成し、前記ホイール及び前記スペーサが更にそれらの間に空洞（Ｃ）を画成し、前記ホイールにはタービンの高温ガス路内に配置するための動翼（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）が装着されている形式のガスタービンにおいて、該タービンを運転する方法であって、
   始動の際に、圧縮機吐出空気を前記軸方向通路に沿って供給して前記ホイール及び前記スペーサの間の前記空洞に流入させて、前記ホイール及び前記スペーサを加熱するステップと、
   定常状態運転中において冷却蒸気を前記ロータに沿って供給し且つ前記動翼を冷却するため該動翼内に供給するステップと、
   定常状態運転中に前記圧縮機吐出空気を前記軸方向通路に沿って供給し且つ前記空洞内に供給して前記ロータを冷却するステップと、
   を含んでいること、を特徴とするガスタービン運転方法。
3. 圧縮機吐出空気を前記空洞から前記高温ガス路へ流れさすステップを含んでいる請求項２記載のガスタービン運転方法。
4. 前記空洞の半径方向の最も外側の範囲を画成するさねはぎ継手を前記ホイールと前記スペーサとの間に形成するステップと、
   前記継手に沿った円周方向に間隔を置いた位置で前記さねはぎ継手を通り抜ける計量通路を設けて、圧縮機吐出空気を前記空洞から前記高温ガス路へ流れさすステップと
   を含んでいる請求項２記載のガスタービン運転方法。
5. 前記ロータのリムに沿い前記動翼の内側部分と通じる閉回路の蒸気冷却通路で定常状態運転中では前記動翼に冷却蒸気を流し、始動中には前記蒸気冷却回路に沿って冷却空気を流して前記動翼を冷却することを含む、請求項２に記載のガスタービン運転方法。

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