JP5101328B2 - 軸流圧縮機およびこれを用いたガスタービン、ならびに抽気空気の冷却および熱回収方法 - Google Patents
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このガスタービンのエネルギー効率を高めるために種々の対策が施されている。この中に、たとえば、燃焼ガスの高温化を図ることがある。このためには、燃焼ガスが通る燃焼ガス通路に位置する動翼、静翼等は耐熱性能の高い材料で形成されるとともにあまり高温とならないように冷却されている。
この場合、燃焼ガスの圧力は軸線方向で変化するので、各部位の燃焼ガス圧力に見合った圧力の圧縮空気を供給する必要がある。このため、圧縮機の軸線方向に間隔を空けた複数箇所(中間段)から抽気してタービンの所定部位に供給するようにされている。
また、クーラを用いずに抽気空気同士の間で熱回収を図ることが可能な構造として、圧縮機全体の効率を向上させた軸流圧縮機およびこれを用いたガスタービン、ならびに抽気空気の冷却および熱回収方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる軸流圧縮機は、回転軸の周囲に取り付けられ、該回転軸とともに回転する複数の動翼列と、内面に複数の静翼列が取り付けられるとともに、前記動翼列の外周側を覆って内部に圧縮流路を形成するケーシングと、該ケーシングにおける該圧縮流路の軸線方向中間位置に設けられ、該圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第一の抽気部と、を備える軸流圧縮機であって、前記第一の抽気部よりも下流側位置に設けられ、前記圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第二の抽気部と、該第二の抽気部で抽気された圧縮空気を流す第二の抽気流路と、前記第一の抽気部で抽気された前記圧縮気体を、前記第一の抽気部から前記第二の抽気部よりも下流側に位置する前記ケーシングの外周面に沿って流す第一の抽気流路と、が備えられており、前記第一の抽気流路は、前記ケーシングの外周面を覆うように備えられ、前記第二の抽気流路は、前記第一の抽気流路に接してその外周面を覆うように備えられていることを特徴とする。
圧縮流路の軸線方向中間位置に設けられ第一の抽気部で圧縮流路から抽気された圧縮気体が、第一の抽気流路を通って下流側の第二の抽気部よりもさらに下流側に位置するケーシングの外周面に沿って流れるので、比較的低温の圧縮空気が比較的高温のケーシングの外周面の広い範囲に亘り、それに沿って流れることになる。このため、第一の抽気流路を流れる比較的低温の圧縮空気が、比較的高温のケーシングの熱を広範囲に亘り奪う、言い換えると、下流側のケーシングを広範囲に亘り冷却するので、温度が高く熱伸びが大きい下流側のケーシングの径方向の熱伸びを抑制、すなわち、小さくすることができる。
また、圧縮機ケーシングを広範囲に亘り冷却できるので、ケーシングの軸方向の温度勾配を小さくでき、低圧段から最終段まで広範囲のクリアランス制御が達成できる。
なお、第一の抽気流路は、低圧中間段の抽気空気である第一の抽気部近傍から圧縮流路の下流端である圧縮機出口近傍まで到っているのが望ましい。このようにすると、圧縮機ケーシングを一層広範囲に亘り冷却できるので、ケーシングの軸方向の温度勾配を一層小さくでき、ケーシングの熱ひずみを抑制できるので、より均一なクリアランス制御が達成できる。
したがって、ケーシングの内面と動翼の外端部との間のクリアランスも全周に亘り略均一にできるので、その寸法を確実に最適な寸法に設定することを容易に行うことができる。
第二の抽気部は第一の抽気部よりも下流側に設けられているので、圧力の高い圧縮空気を抽気することになる。したがって、圧力の高い抽気を提供することができる。
第二の抽気流路は、第一の抽気流路に接してその外周面を覆うように備えられているので、第二の抽気流路を流れる比較的圧力の高い抽気、言い換えると、高圧段圧縮空気と第一の抽気流路を流れる比較的圧力の低い抽気、言い換えると、低圧段圧縮空気とは熱交換される。したがって、比較的高温の第二の抽気流路を流れる圧縮空気は冷却されるので、たとえば、これを冷却媒体として用いる場合、冷却能力を向上させることができる。
すなわち、第二の抽気流路が第一の抽気流路と接しているため、第二の抽気流路を流れる高温の高圧段抽気空気と第一の抽気流路を流れる低温の低圧段抽気空気との間で熱交換が行われ、高圧段抽気空気の冷却と熱回収が同時にできる。そのため、高圧段抽気空気の冷却のためのクーラを必要とせず、コストダウンを図れるとともに、熱回収によりガスタービン全体の効率向上も実現できる。
また、第二の抽気流路は、第三の抽気流路の内側に設けられているので、第二の抽気流路のほとんど全周が第三の抽気流路を通る圧縮空気に接触することになる。このため、熱交換される範囲が大きくなるので、第二の抽気流路を流れる圧縮空気を一層多く冷却することができる。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記第三の抽気流路に配分調節部材が備えられていることを特微とする。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記配分調整部材が、複数の円弧状板で構成されたことを特徴とする。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記第一の抽気部および第二の抽気部の少なくとも一方が、周方向に長い長円形状または周方向に略連続したスリット形状であることを特微とする。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記ケーシング、前記第一の抽気流路、前記第二の抽気流路の少なくとも一つの外周面に、タービュレータが設けられていることを特微とする。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記第一の抽気流路の下流部の外周側に低圧抽気室が備えられており、該低圧抽気室には圧縮空気をタービンへ送る外部配管が接続されていることを特微とする。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記第二の抽気流路の下流部の外周側に高圧抽気室が備えられており、該高圧抽気室には圧縮空気をタービンへ送る外部配管が接続されていることを特微とする。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記第三の抽気流路の下流部の外周側に低圧抽気室が備えられており、該低圧抽気室には圧縮空気をタービンへ送る外部配管が接続されていることを特微とする。
また、本発明にかかる軸流圧縮機は、前記外部配管にオリフィスが備えられていることを特微とする。
また、本発明にかかる抽気空気の冷却および熱回収方法は、回転軸の周囲に取り付けられた複数の動翼列を回転させ、前記動翼列を覆って内面に複数の静翼列を取り付けたケーシング内部の圧縮流路で気体を圧縮する工程と、前記圧縮流路の中間位地に設けられた第一の抽気部で、前記圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第一抽気工程と、前記第一の抽気部よりも下流側位置に設けられた第二の抽気部で、前記圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第二抽気工程と、前記第一抽気工程および前記第二抽気工程で抽気した抽気空気を、抽気流路を形成する板に沿って流すことで前記板を介して熱交換する工程と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる抽気空気の冷却および熱回収方法は、前記第一の抽気部からの抽気空気を分岐する分岐工程と、前記第二抽気工程で抽気した抽気空気と前記分岐工程で分岐した抽気空気を、抽気流路を形成する板に沿って流すことで前記板を介して熱交換する工程と、を備えたことを特徴とする。
また、クーラ等の冷却手段を用いずに、中間段抽気空気の冷却および熱回収が図れるので、ガスタービン全体のエネルギー効率が向上する。
図1は、本実施形態にかかるガスタービン1の概略構成を示す模式図の一例である。図2は本実施形態にかかる圧縮機を示す部分断面図である。図3は、図2のX−X断面図である。図4は、図2のY−Y断面図である。図5は、ケーシング内径と動翼先端との半径位置の変化を示すグラフである。
図1に示すように、ガスタービン1は、空気(気体)を圧縮する圧縮機(軸流圧縮機)3と、圧縮機3により圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器5と、燃焼器5からの燃焼ガスが導かれるタービン7とを備えている。
ロータ9のタービン7側端部には、たとえば、発電機11が連結されている。
圧縮機3、燃焼器5およびタービン7を含むガスタービン1を構成する機器は、ケーシング13によって覆われている。ケーシング13の内部は、圧縮機3部分で圧縮機車室15、燃焼器5部分で燃焼器室、タービン7部分でタービン車室を形成している。
圧縮機車室15には、動翼列17と、静翼列19とが軸線方向に交互に複数段備えられている。
動翼列17は、ロータ9の周囲に突出するように取り付けられたディスクプレート21と、ディスクプレート21の外周面に周方向に所定間隔を空けて固定して取り付けられた複数の動翼23とで構成されており、ロータ9とともに回転する。
静翼列19は、ケーシング13の内周部に周方向に所定間隔を空けて固定して取り付けられた複数の静翼25で構成されている。
動翼23および静翼25は、軸線方向下流側に向かって半径方向長さが順次小さくされている。動翼23および静翼25で形成される空間が圧縮流路Pである。
タービン7は、圧縮機3の動翼列17および静翼列19と類似した構造の動翼列および静翼列が軸線方向に交互に複数段備えられている。
抽気構造27には、低圧抽気ホール(第一の抽気部)29と、低圧抽気流路(第一の抽気流路)31と、低圧抽気室33と、高圧抽気ホール(第二の抽気部)35と、高圧抽気流路(第二の抽気流路)37と、高圧抽気室39とが備えられている。
低圧抽気ホール29は、圧縮流路Pを通過している圧縮空気の一部を低圧抽気通路31へ抜き出す(抽気)ものである。
低圧抽気流路31の下流側部分には、低圧抽気室33が外周側に突出するように設けられている。
高圧抽気ホール35は、圧縮流路Pを通過している圧縮空気の一部を高圧抽気通路37へ抜き出す(抽気する)ものである。
高圧抽気ホール35のある位置には、その周囲を完全に囲むような中空部を有する円環状の支柱43がケーシング13に固定して取付けられている。支柱43は、図3に示されるように周方向に間隔を空けて複数取り付けられている。
外側板47は外壁部材41よりも内周側に位置させられている。したがって、高圧抽気流路37は、低圧抽気流路31の内部に形成されている。また、低圧抽気流路31は、高圧抽気流路37によって、ケーシング13に沿った流路である内側低圧抽気流路(第一の抽気流路)31aと、高圧抽気流路37の外周側に沿った流路である外側低圧抽気流路(第三の抽気流路)31bと、に分割されている、言い換えると、内側低圧抽気流路31aから外側低圧抽気流路31bが分岐されていることになる。
タービュレータ13a、45a,47aは、内側低圧抽気流路31a、高圧抽気流路37あるいは外側低圧抽気流路31bを流れる抽気空気に乱流を発生させ、熱交換を促進する機能を有する。
なお、高圧抽気流路37は、外壁部材41の内側あるいは外側に接するように形成してもよい。
低圧抽気配管51には、タービン7へ送る圧縮空気の量を調節するオリフィス53が備えられている。
外壁部材41の下流側位置には、外側低圧抽気流路31b内に抽気空気の流れを制限するように、複数の円弧状板で構成された配分調節部材55が備えられている。配分調節部材55は、内側低圧抽気流路31aと外側低圧抽気流路31bとを流れる圧縮空気流量の配分比を調節するものである。
高圧抽気配管57には、図示は省略したが、低圧抽気配管51と同様にタービン7へ送る圧縮空気の量を調節するオリフィスが備えられている。
燃焼器5は、この圧縮空気と別途供給される燃料とを燃焼し、高温・高圧の燃焼ガスを生成する。
そして、この燃焼器5で生成された高温・高圧の燃焼ガスが、タービン7を構成する複数の静翼列と動翼列とを通過することでロータ9を駆動回転し、圧縮機3の動翼列17を回転するとともに発電機11に回転動力を付与し、発電を行う。
圧縮機3が起動、すなわち、ロータ9が回転を開始すると、ロータ9、ディスクプレート21および動翼23の回転系に遠心力が作用するので、この遠心力によって動翼23の先端は急激に外周側に変位する。
一方、ケーシング13には遠心力が作用しないので、その内面は高温の圧縮空気による熱伸びで外周方向へ変位することになる。しかし、圧縮空気の温度上昇による影響、すなわち、ケーシング13等への熱伝達は、徐々に行われるので、ケーシング13の内面の外周側への変位は徐々に行われる。
圧縮機3の運転が継続されると、圧縮空気の温度上昇による影響が浸透し、その熱量によってケーシング13の拡張が進展する。このとき、回転系の重量はケーシング13等静止系のそれに比べて重いので、この影響がケーシング13よりもゆっくりと進展する。
そして、回転系および静止系において圧縮空気の温度上昇に伴う影響が平衡になると、ケーシング13の内周面と動翼23の先端とのクリアランスは、定常クリアランスSCとなる。
低圧抽気ホール29から抽気された比較的低温の圧縮空気は、内側低圧抽気流路31aおよび外側低圧抽気流路31bを流れ、低圧抽気室33に流入する。
内側低圧抽気流路31aを流れる圧縮空気は、ケーシング13の外周面に沿って流れるので、比較的低温の圧縮空気が比較的高温のケーシング13の外周面に沿って流れることになる。しかも、内側低圧抽気流路31aは圧縮機3出口部まで配置されているので、比較的低温の圧縮空気はケーシング13の低圧段から最終段に亘り広い範囲を流れることになる。
すなわち、図5に二点鎖線で示す抽気した圧縮空気による冷却効果がない場合の定常クリアランスSC0に比べて本実施形態による定常クリアランスSCは小さくなる。
このように、ケーシング13の熱伸びを小さくすることができるので、この部分のケーシング13の内面と動翼23の先端との間のクリアランス、特に、定常クリアランスを確実に小さくすることができる。したがって、圧縮機3の圧縮効率を向上させることができる。
また、内側低圧抽気流路31aは、ケーシング13の外周面の全域を覆うように備えられているので、ケーシング13の全周に亘り、低圧段から最終段までの広い範囲で、略均一に冷却することができる。
したがって、ケーシング13の内面と動翼の先端との間のクリアランスも低圧段から最終段までの広い範囲に亘り略均一にできるので、その寸法を確実に最適な寸法に設定することが容易に行なわれ、より小さい定常クリアランスの選定が可能である。
低圧抽気室33および高圧抽気室39に集められた抽気された圧縮空気は、低圧抽気配管51および高圧抽気配管57によって燃焼ガスの圧力に対応するタービン7の図示しない導入室へ搬送され、タービン7の静翼、動翼の冷却に用いられる。
したがって、冷却能力を向上させるために、クーラ等の冷却手段を用いて冷却する必要がなくなるので、それらを備える必要がなく、安価に製造することができる。
このとき、高圧抽気流路37を通過する圧縮空気は、タービュレータ45aによって乱流とされるので、高圧抽気流路37の圧縮空気と内側低圧抽気流路31aの圧縮空気との熱交換が促進される。また、内側低圧抽気流路31aを通過する圧縮空気は、タービュレータ13aによって乱流とされるので、内側低圧抽気流路31aの圧縮空気と圧縮機車室15内の圧縮空気との熱交換が促進される。更に、外側低圧抽気流路31bを通過する圧縮空気は、タービュレータ47aによって乱流とされるので、外側低圧抽気流路31bの圧縮空気と高圧抽気流路37の圧縮空気との熱交換が促進される。
このため、熱交換される範囲が大きくなるので、圧縮機車室15内の圧縮空気および高圧抽気流路37を流れる圧縮空気を一層多く冷却することができる。すなわち、圧縮機車室15内の圧縮空気から内側低圧抽気流路31aの圧縮空気および高圧抽気流路37の圧縮空気から低圧抽気流路31の圧縮空気への熱回収が進むので、ガスタービン全体の効率が向上する。
3 圧縮機
5 燃焼器
7 タービン
9 ロータ(回転軸)
13 ケーシング
13a,45a,47a タービュレータ
17 動翼列
19 静翼列
29 低圧抽気ホール(第一の抽気部)
31 低圧抽気流路
31a 内側低圧抽気流路(第一の抽気流路)
31b 外側低圧抽気流路(第三の抽気流路)
33 低圧抽気室
35 高圧抽気ホール(第二の抽気部)
37 高圧抽気流路(第二の抽気流路)
39 高圧抽気室
51 低圧抽気配管(外部配管)
53 オリフィス
55 配分調節部材
57 高圧抽気配管(外部配管)
P 圧縮流路
Claims (14)
- 回転軸の周囲に取り付けられ、該回転軸とともに回転する複数の動翼列と、
内面に複数の静翼列が取り付けられるとともに、前記動翼列の外周側を覆って内部に圧縮流路を形成するケーシングと、
該ケーシングにおける該圧縮流路の軸線方向中間位置に設けられ、該圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第一の抽気部と、を備える軸流圧縮機であって、
前記第一の抽気部よりも下流側位置に設けられ、前記圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第二の抽気部と、
該第二の抽気部で抽気された圧縮空気を流す第二の抽気流路と、
前記第一の抽気部で抽気された前記圧縮気体を、前記第一の抽気部から前記第二の抽気部よりも下流側に位置する前記ケーシングの外周面に沿って流す第一の抽気流路と、が備えられており、
前記第一の抽気流路は、前記ケーシングの外周面を覆うように備えられ、
前記第二の抽気流路は、前記第一の抽気流路に接してその外周面を覆うように備えられていることを特徴とする軸流圧縮機。 - 前記第一の抽気流路から分岐する第三の抽気流路を備え、
前記第三の抽気流路は前記第二の抽気流路に接してその外周面を覆うように備えられていることを特徴とする請求項1に記載の軸流圧縮機。 - 前記第一の抽気流路が、前記第一の抽気部近傍から前記圧縮流路の下流端である圧縮機出口近傍まで到っていることを特微とする請求項1または2に記載の軸流圧縮機。
- 前記第三の抽気流路に配分調節部材が備えられていることを特微とする請求項2に記載の軸流圧縮機。
- 前記配分調整部材は、複数の円弧状板で構成されたことを特徴とする請求項4に記載の軸流圧縮機。
- 前記第一の抽気部および第二の抽気部の少なくとも一方が、周方向に長い長円形状または周方向に略連続したスリット形状であることを特微とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の軸流圧縮機。
- 前記ケーシング、前記第一の抽気流路、前記第二の抽気流路の少なくとも一つの外周面に、タービュレータが設けられていることを特微とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の軸流圧縮機。
- 前記第一の抽気流路の下流部の外周側に低圧抽気室が備えられており、
該低圧抽気室には圧縮空気をタービンへ送る外部配管が接続されていることを特微とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の軸流圧縮機。 - 前記第二の抽気流路の下流部の外周側に高圧抽気室が備えられており、
該高圧抽気室には圧縮空気をタービンへ送る外部配管が接続されていることを特微とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の軸流圧縮機。 - 前記第三の抽気流路の下流部の外周側に低圧抽気室が備えられており、
該低圧抽気室には圧縮空気をタービンへ送る外部配管が接続されていることを特微とする請求項2に記載の軸流圧縮機。 - 前記外部配管にオリフィスが備えられていることを特微とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載の軸流圧縮機。
- 回転軸の周囲に取り付けられた複数の動翼列を回転させ、前記動翼列を覆って内面に複数の静翼列を取り付けたケーシング内部の圧縮流路で気体を圧縮する工程と、
前記圧縮流路の中間位地に設けられた第一の抽気部で、前記圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第一抽気工程と、
前記第一の抽気部よりも下流側位置に設けられた第二の抽気部で、前記圧縮流路から圧縮気体の一部を抽気する第二抽気工程と、
前記第一抽気工程および前記第二抽気工程で抽気した抽気空気を、抽気流路を形成する板に沿って流すことで前記板を介して熱交換する工程と、を備えたことを特徴とする抽気空気の冷却および熱回収方法。 - 前記第一の抽気部からの抽気空気を分岐する分岐工程と、
前記第二抽気工程で抽気した抽気空気と前記分岐工程で分岐した抽気空気を、抽気流路を形成する板に沿って流すことで前記板を介して熱交換する工程と、を備えたことを特徴とする請求項12に記載の抽気空気の冷却および熱回収方法。 - 空気を圧縮して圧縮空気を生成する請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の軸流圧縮機と、
該軸流圧縮機から供給される圧縮空気と燃料とを燃焼し、燃焼ガスを生成する燃焼器と該燃焼器からの燃焼ガスによって回転させられるタービンと、を備え、
前記軸流圧縮機から抽気された圧縮空気を前記タービンの冷却に用いていることを特微とするガスタービン。
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