JP4929217B2

JP4929217B2 - ガスタービンおよびガスタービンの中間軸ならびにガスタービン圧縮機の冷却方法

Info

Publication number: JP4929217B2
Application number: JP2008088751A
Authority: JP
Inventors: 真也橋本; 謙一荒瀬
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: CN101981275A; EP2256294A1; US20100326088A1; KR20100106617A; WO2009119127A1; US9127693B2; JP2009243313A

Description

本発明は、ガスタービンに関し、さらに詳しくは、圧縮機とタービンとのロータを連結する中間軸に設けられた中空部の温度を低下できるガスタービンおよびガスタービンの中間軸ならびにガスタービン圧縮機の冷却方法に関するものである。

ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮させることで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスとする。タービンは、ケーシング内に複数のタービン静翼およびタービン動翼が交互に配設されて構成されており、排気通路に供給された燃焼ガスによりタービン動翼が駆動されることで、例えば、発電機に連結されたロータを回転駆動する。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、ディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。

このようなガスタービンにおいて、近年では、圧縮機の高圧力化が進み、該圧縮機の後段の吐出部での空気の温度が５００℃以上と高温になる。このため、従来のガスタービンでは、圧縮機の吐出空気の一部を抽出し、クーラを介して冷却した冷却空気を、同圧縮機の後段で該圧縮機とタービンとのロータを連結する中間軸に設けた中空部（キャビティ）内に送って冷却するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１２５１９９号公報

しかしながら、圧縮機動翼が殆どの圧縮能力を有する圧縮機にあっては、後段の圧縮機静翼の上流側と下流側とで圧力の変化が少ない。この結果、中間軸の中空部から後段の圧縮機動翼と圧縮機静翼との間に冷却空気が流動しないため、中空部内に冷却空気が流れ難く、中空部内の温度を効率よく下げることができない。しかも、冷却空気を送る配管での圧力損失により、中間軸の中空部から後段の圧縮機動翼と圧縮機静翼との間に通じる部分での圧力が低下することも中空部からの冷却空気の流れを妨げる要因となっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、中間軸に設けられた中空部内の温度を効率よく下げることのできるガスタービンおよびガスタービンの中間軸ならびにガスタービン圧縮機の冷却方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のガスタービンでは、圧縮機の後段から外部クーラを経て、前記圧縮機のロータとタービンのロータとを連結する中間軸に設けられた中空部に通じると共に、前記中空部から前記圧縮機の後段に通じる冷却通路を有し、前記中間軸の回転に伴って前記中空部内の空気を昇圧する遠心圧縮手段を前記中空部内に備えたことを特徴とする。

また、本発明のガスタービンでは、前記遠心圧縮手段は、前記中空部内で前記中間軸から径方向外側に突出して設けられたフランジ部に対し、軸方向に相反する前記フランジ部の一方で径方向内側寄りに開口しつつ他方で径方向外側寄りに開口して貫通し、径方向外側寄りの前記開口を前記圧縮機の後段側に向けて設けられた貫通穴を備えてなることを特徴とする。

このガスタービンは、ガスタービンの稼働時での中間軸の回転に伴う遠心力により、中空部内の空気を昇圧する。圧縮機動翼が殆どの圧縮能力を有する圧縮機を適用したガスタービンにあっては、後段の圧縮機静翼の上流側と下流側とで圧力の変化が少なく、中間軸の中空部から後段の圧縮機動翼と圧縮機静翼との間に冷却空気が流動しないため、中空部内に冷却空気が流れ難く、中空部内の温度を効率よく下げることができない。この点、本発明のガスタービンは、中空部に設けられた遠心圧縮手段により、中空部内の空気を昇圧させるため、中空部から後段の圧縮機動翼と圧縮機静翼との間に冷却空気が流動し、中空部内に冷却空気が流れるので、中空部内の温度を効率よく下げることができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記フランジ部の前記一方の壁面は、前記貫通穴の開口がロータの軸心側に向く態様で形成されていることを特徴とする。

このガスタービンは、径方向で貫通穴の開口縁の位置の差が小さくなるので、この開口縁（特に径方向外側の開口縁）に生じる遠心力による応力集中を減らすことができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記中空部から前記圧縮機の後段に通じる部分には、対向方向から延在しつつ相互に先端部が重なり合うオーバーラップ部を備えたことを特徴とする。

このガスタービンは、オーバーラップ部が絞りとなって昇圧された中空部内を一旦均圧するエアカーテンをなすので、貫通穴から噴射されたパルス状の空気が圧縮機動翼および圧縮機静翼に至らず、これら翼の強制振動を防ぐことができる。

また、本発明のガスタービンでは、前記圧縮機から燃焼器に繋がる圧縮空気通路と前記中空部との間に存在する隔壁に、断熱性を有する断熱部材を備えたことを特徴とする。

このガスタービンは、圧縮空気通路から隔壁を通して中空部に至る輻射熱を断熱部材で遮るので、中空部の温度上昇を防ぎ、中空部の冷却効率を向上できる。

上記の目的を達成するために、本発明のガスタービンの中間軸では、圧縮機のロータとタービンのロータとを連結する中間軸に、前記中間軸の径方向外側に突出して設けられたフランジ部を設け、軸方向に相反する前記フランジ部の一方で径方向内側寄りに開口しつつ他方の径方向外側寄りに開口して貫通し、径方向外側寄りの前記開口を前記圧縮機の後段側に向くように設けられた貫通穴を備え、前記中間軸の回転に伴って径方向内側寄りの開口から空気を取り込み昇圧させながら径方向外側寄りの開口から吐出する遠心圧縮手段を備えてなることを特徴とする。

このガスタービンの中間軸は、ガスタービンの稼働時での自身の回転に伴う遠心力が遠心圧縮手段に作用して中空部内の空気を昇圧する。圧縮機動翼が殆どの圧縮能力を有する圧縮機を適用したガスタービンにあっては、後段の圧縮機静翼の上流側と下流側とで圧力の変化が少なく、中間軸の中空部から後段の圧縮機動翼と圧縮機静翼との間に冷却空気が流動しないため、中空部内に冷却空気が流れ難く、中空部内の温度を効率よく下げることができない。この点、本発明のガスタービンの中間軸は、中空部に設けられた遠心圧縮手段により、中空部内の空気を昇圧させるため、中空部から後段の圧縮機動翼と圧縮機静翼との間に冷却空気が流動し、中空部内に冷却空気が流れるので、中空部内の温度を効率よく下げることができる。

上記の目的を達成するために、本発明のガスタービン圧縮機の冷却方法では、圧縮機の後段から圧縮空気をガスタービンの外部に抽気する工程と、抽気された圧縮空気を外部クーラで冷却する工程と、冷却された圧縮空気を前記圧縮機のロータとタービンのロータとを連結する中間軸に設けられた中空部に注気する工程と、注気された圧縮空気を前記中間軸の回転により遠心圧縮させ昇圧して、前記中空部から前記圧縮機の後段に通じる冷却通路に供給する工程と、を備えたことを特徴とする。

このガスタービン圧縮機の冷却方法は、圧縮機のロータとタービンのロータとを連結する中間軸に設けられた中空部に注気された圧縮空気を、中間軸の回転により遠心圧縮させ昇圧し、圧縮機の後段に通じる冷却通路に供給するので、中空部から後段の圧縮機動翼と圧縮機静翼との間に圧縮空気が流動し、中空部内に圧縮空気が流れるので、中空部内の温度を効率よく下げることができる。

本発明によれば、中間軸に設けられた中空部内の温度を効率よく下げることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明にガスタービンおよびガスタービンの中間軸ならびにガスタービン圧縮機の冷却方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの概略構成図、図２は、図１に示すガスタービンにおける冷却通路の概略構成図である。

ガスタービンは、図１に示すように、圧縮機１と燃焼器２とタービン３とにより構成されている。また、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３の中心部には、ロータ４が貫通して配置されている。圧縮機１、燃焼器２およびタービン３は、ロータ４の軸心Ｒに沿い、空気または燃焼ガスの流れの上流側（前側）から下流側（後側）に向かって順に並設されている。なお、以下の説明において、軸方向とは軸心Ｒに平行な方向をいい、周方向とは軸心Ｒを中心とした周り方向をいい、径方向とは軸心Ｒに直交する方向をいう。また、径方向外側とは軸心Ｒから離れる方向をいい、径方向内側とは軸心Ｒに近づく方向をいう。

圧縮機１は、空気を圧縮して圧縮空気とするものである。圧縮機１は、空気を取り込む空気取入口１１を有した圧縮機ケーシング１２内に、圧縮機静翼１３および圧縮機動翼１４が設けられている。圧縮機静翼１３は、圧縮機ケーシング１２側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、圧縮機動翼１４は、圧縮機ディスクに取り付けられて周方向に複数並設されている。これら圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とは、軸方向に沿って交互に設けられている。

燃焼器２は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給することで、高温・高圧の燃焼ガスを生成するものである。燃焼器２は、燃焼筒として、圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる内筒２１と、内筒２１から燃焼ガスをタービン３に導く尾筒２２と、内筒２１の外周を覆い、圧縮機１からの圧縮空気を内筒２１に導く外筒２３とを有している。この燃焼器２は、燃焼器ケーシング２４に対し周方向に複数（例えば１６個）並設されている。

タービン３は、燃焼器２で燃焼された燃焼ガスにより回転動力を生じるものである。タービン３は、タービンケーシング３１内にタービン静翼３２およびタービン動翼３３が設けられている。タービン静翼３２は、タービンケーシング３１側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、タービン動翼３３は、ロータ４の軸心Ｒを中心とした円盤状のディスクの外周に固定されて周方向に複数並設されている。これらタービン静翼３２とタービン動翼３３とは、軸方向に沿って複数交互に設けられている。また、タービンケーシング３１の後側には、タービン３に連続する排気ディフューザ３４ａを有した排気室３４が設けられている。

ロータ４は、圧縮機１側の端部が軸受部４１により支持され、排気室３４側の端部が軸受部４２により支持されて、軸心Ｒを中心として回転自在に設けられている。そして、ロータ４の排気室３４側の端部には、発電機（図示せず）の駆動軸が連結されている。

このようなガスタービンは、圧縮機１の空気取入口１１から取り込まれた空気が、複数の圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気に対し、燃焼器２から燃料が供給されることで高温・高圧の燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスがタービン３のタービン静翼３２とタービン動翼３３とを通過することでロータ４が回転駆動され、このロータ４に連結された発電機に回転動力を付与することで発電を行う。そして、ロータ４を回転駆動した後の排気ガスは、排気室３４の排気ディフューザ３４ａで静圧に変換されてから大気に放出される。

このように構成されるガスタービンにおいては、高圧力の圧縮機１を採用した場合では、圧縮機１の後段の吐出部での空気の温度が５００℃以上と高温になる。そこで、このガスタービンでは、図２に示すように、圧縮機１の後側であって燃焼器２に繋がる圧縮空気通路１５から圧縮空気を抽気し、ガスタービン外部に設けられた外部クーラ５を経て、再び、圧縮機１のロータ４とタービン３のロータ４とを連結する中間軸４３に設けられた中空部（キャビティ）６に注気する構成を採用している。この冷却された圧縮空気は、中空部６から圧縮機１の後段に通じる冷却通路に供給される。

また、中空部６内には、遠心圧縮手段７が設けられている。この遠心圧縮手段７は、中空部６内で中間軸４３から径方向外側に突出して設けられたフランジ部７１を有し、このフランジ部７１に対して貫通して設けられた貫通穴７２を複数備えてなる。

フランジ部７１は、中間軸４３の径方向外側に突出し、かつ周方向に連続して形成されている。また、フランジ部７１の径方向外側の壁面と、圧縮空気通路１５と中空部６との間の隔壁１５１との間には、隔壁１５１に設けられたタイトシール（例えば、ブラシシール）１５２が介在されている。このため、中空部６は、後側中空部６１と、前側中空部６２とに分けられている。

貫通穴７２は、軸方向でフランジ部７１の相反する各壁面に開口して設けられている。具体的に、貫通穴７２は、後側中空部６１に向くフランジ部７１の一方で、径方向内側寄りに開口し、前側中空部６２に向くフランジ部７１の他方では、径方向外側寄りであって圧縮機１の後段側に向けて開口して、軸心Ｒの放射方向に貫通して設けられている。ここで、圧縮機１の後段側とは、前側中空部６２から圧縮機１の後段に通じる部分を示す。

このような遠心圧縮手段７は、径方向で開口の位置に差を設けてあるので、ガスタービンの稼働時での中間軸４３の回転に伴う遠心力により、後側中空部６１内の空気を前側中空部６２に至り昇圧することになる。

具体的には、ガスタービン圧縮機の冷却方法として、圧縮機１の後段から圧縮空気をガスタービンの外部に抽気する工程と、抽気された圧縮空気を外部クーラ５で冷却する工程と、冷却された圧縮空気を圧縮機１のロータ４とタービン２のロータ４とを連結する中間軸４３に設けられた後側中空部６１に注気する工程と、注気された圧縮空気を中間軸４３の回転により遠心圧縮させ昇圧して、前側中空部６１から圧縮機１の後段に通じる冷却通路に供給する工程とを含む。

ところで、圧縮機動翼１４が殆どの圧縮能力を有する圧縮機１を適用したガスタービンにあっては、後段の圧縮機静翼１３１の上流側と下流側とで圧力の変化が少ない。この結果、中間軸４３の中空部６から後段の圧縮機動翼１４１と圧縮機静翼１３１との間に冷却空気が流動しないため、中空部６内に冷却空気が流れ難く、中空部６内の温度を効率よく下げることができない。しかも、冷却空気を送る冷却通路の配管での圧力損失により、中間軸４３の中空部６から後段の圧縮機動翼１４１と圧縮機静翼１３１との間に通じる部分での圧力が低下することも中空部６からの冷却空気の流れを妨げる要因となっている。

この点、本実施の形態におけるガスタービンおよびガスタービンの中間軸ならびにガスタービン圧縮機の冷却方法では、中空部６に設けられた遠心圧縮手段７により、後側中空部６１内の空気を前側中空部６２に至り昇圧させるため、前側中空部６２から後段の圧縮機動翼１４１と圧縮機静翼１３１との間に冷却空気が流動し、中空部６内に冷却空気が流れて中空部６内の温度を効率よく下げることができる。

さらに、圧縮機動翼１４が殆どの圧縮能力を有する圧縮機１でなく、圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とがそれぞれ対等の圧縮能力を有する圧縮機を適用した場合でも、冷却空気を送る冷却通路の配管での圧力損失を遠心圧縮手段７で補うので、前側中空部６２から後段の圧縮機動翼１４１と圧縮機静翼１３１との間に冷却空気を流動させ、中空部６内に冷却空気を流すことで、中空部６内の温度を効率よく下げることができる。

なお、フランジ部７１の軸方向での位置は、中空部６から後段の圧縮機動翼１４１と圧縮機静翼１３１との間に通じる部分に接近し、前側中空部６２がより狭く形成されているほうが好ましい。すなわち、前側中空部６２が広すぎると、そこに予測できない空気の流れが生じて冷却効果を判断し難くなくなるが、前側中空部６２が狭く形成されていれば空気の流れが予測できるので冷却効果を判断し易くなる。

また、本実施の形態におけるガスタービンおよびガスタービンの中間軸では、フランジ部７１の一方の壁面は、貫通穴７２の開口がロータ４の軸心Ｒ側に向くように形成されている。すなわち、貫通穴７２が径方向内側寄りに開口し、後側中空部６１に向くフランジ部７１の壁面は、開口を径方向内側に向けて形成されている。具体的には、フランジ部７１の後側中空部６１に向く壁面において、凹部７３が形成されている。そして、この凹部７３にて径方向内側に向く面に貫通穴７２が開口して設けられている。

かかる構成によれば、径方向で貫通穴７２の開口縁の位置の差ｈが小さくなるので、この開口縁（特に径方向外側の開口縁）に生じる遠心力による応力集中を減らすことができる。なお、フランジ部７１の軸方向の両壁面に凹部７３を形成すれば、遠心力のバランスが良くなる。

また、本実施の形態におけるガスタービンおよびガスタービンの中間軸では、中空部６から後段の圧縮機動翼１４１と圧縮機静翼１３１との間に通じる部分であって、軸方向で対向する後段の圧縮機動翼１４１が固定されたディスクと、隔壁１５１との間において、ディスクと隔壁１５１との対向方向から延在しつつ相互に先端部が重なり合うオーバーラップ部８が少なくとも２組設けられている。

中空部６から後段の圧縮機動翼１４１と圧縮機静翼１３１との間に通じる部分にオーバーラップ部８がない場合、遠心圧縮手段７では回転する貫通穴７２からパルス状に空気が噴射され、そのまま前側中空部６２から圧縮機１側に流れるため、圧縮機動翼１４および圧縮機静翼１３を強制振動させるので好ましくない。この点、オーバーラップ部８を設ければ、絞りとなって前側中空部６２内を一旦均圧してエアカーテンをなすので、パルス状の空気が圧縮機動翼１４および圧縮機静翼１３に至らず、強制振動を防ぐことができる。

また、本実施の形態におけるガスタービンおよびガスタービンの中間軸では、圧縮空気通路１５と中空部６との間に存在する隔壁１５１に、断熱性を有する断熱部材９が設けられている。具体的に、板状の断熱部材９が隔壁１５１の中空部６側に設けられている。

かかる構成によれば、圧縮空気通路１５から隔壁１５１を通して中空部６に至る輻射熱を断熱部材９で遮るので、中空部６の温度上昇を防ぎ、中空部６の冷却効率を向上できる。

図３は、他の構成の遠心圧縮手段の概略構成図である。図３に示す遠心圧縮手段７’は、中間軸４３から突出したフランジ部７１１の外周にボルト７４により外周部７１２が固定され、その間に貫通穴７２１が設けられている。この場合、遠心力による応力を避けるため、外周部７１２に設けた鉤部７１２ａを、フランジ部７１１に設けたエッジ部７１１ａに径方向で係合させることが好ましい。

かかる構成によれば、フランジ部７１１の外周に外周部７１２を固定するため、昇圧部となる貫通穴７２１を、軸心Ｒの放射方向に貫通させるだけでなく、様々な形態とすることができる。例えば、図３に示すように、フランジ部７１１の外周端にシェラウド７２２を形成し、これを外周部７１２でカバーする形態で、昇圧能力を向上できる。その他、図には明示しないが、軸心Ｒの放射方向に対して斜め、もしくは湾曲した形状の貫通穴７２１も得られる。

以上のように、本発明に係るガスタービンおよびガスタービンの中間軸ならびにガスタービン圧縮機の冷却方法は、圧縮機とタービンとのロータを連結する中間軸に設けられた中空部の温度を低下することに適している。

本発明の実施の形態に係るガスタービンの概略構成図である。図１に示すガスタービンにおける冷却通路の概略構成図である。他の構成の遠心圧縮手段の概略構成図である。

符号の説明

１圧縮機
１１空気取入口
１２圧縮機ケーシング
１３圧縮機静翼
１３１後段の圧縮機静翼
１４圧縮機動翼
１４１後段の圧縮機動翼
１５圧縮空気通路
１５１隔壁
２燃焼器
３タービン
４ロータ
４１軸受部
４２軸受部
４３中間軸
５外部クーラ
６中空部
６１後側中空部
６２前側中空部
７，７’ 遠心圧縮手段
７１フランジ部
７１１フランジ部
７１１ａエッジ部
７１２外周部
７１２ａ鉤部
７２貫通穴
７２１貫通穴
７２２シェラウド
７３凹部
７４ボルト
８オーバーラップ部
９断熱部材
Ｒ軸心

Claims

圧縮機の後段から前記圧縮機の外部を経て、前記圧縮機のロータとタービンのロータとを連結する中間軸に設けられた中空部に通じると共に、前記中空部から前記圧縮機の後段に通じる冷却通路を有したガスタービンにおいて、
前記中空部内で前記中間軸から径方向外側に突出して設けられたフランジ部と、前記フランジ部に対し軸方向で前記フランジ部の相反する各壁面に開口して設けられた貫通穴とを有し、前記中間軸の回転に伴って前記中空部内の空気を、前記貫通穴に通して昇圧する遠心圧縮手段を前記中空部内に備えたことを特徴とするガスタービン。
前記遠心圧縮手段は、前記中空部内で前記中間軸から径方向外側に突出して設けられたフランジ部に対し、軸方向に相反する前記フランジ部の一方で径方向内側寄りに開口しつつ他方の径方向外側寄りに開口して貫通し、径方向外側寄りの前記開口を前記圧縮機の後段側に向けて設けられた貫通穴を備えてなることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記フランジ部の前記一方の壁面は、前記貫通穴の開口がロータの軸心側に向く態様で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
前記中空部から前記圧縮機の後段に通じる部分には、対向方向から延在しつつ相互に先端部が重なり合うオーバーラップ部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のガスタービン。
前記圧縮機から燃焼器に繋がる圧縮空気通路と前記中空部との間に存在する隔壁に、断熱性を有する断熱部材を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のガスタービン。
圧縮機のロータとタービンのロータとを連結する中間軸に、前記中間軸の径方向外側に突出して設けられたフランジ部を設け、軸方向に相反する前記フランジ部の一方で径方向内側寄りに開口しつつ他方の径方向外側寄りに開口して貫通し、径方向外側寄りの前記開口を前記圧縮機の後段側に向くように設けられた貫通穴を備え、前記中間軸の回転に伴って径方向内側寄りの開口から空気を取り込み昇圧させながら径方向外側寄りの開口から吐出する遠心圧縮手段を備えてなることを特徴とするガスタービンの中間軸。
圧縮機の後段から圧縮空気をガスタービンの外部に抽気する工程と、
抽気された前記圧縮空気を前記圧縮機のロータとタービンのロータとを連結する中間軸に設けられた中空部に注気する工程と、
前記中空部内で前記中間軸から径方向外側に突出して設けられたフランジ部と、前記フランジ部に対し軸方向で前記フランジ部の相反する各壁面に開口して設けられた貫通穴とを有した遠心圧縮手段を用い、注気された圧縮空気を前記中間軸の回転により遠心圧縮させ昇圧して、前記中空部から前記圧縮機の後段に通じる冷却通路に供給する工程と、
を備えたことを特徴とするガスタービン圧縮機の冷却方法。