JP5210722B2 - ガスタービン静翼の冷却構造および冷媒供給構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン静翼及びその冷却方法に関する。

非特許文献１には、圧縮空気の一部を抽気した空気を動翼の冷却媒体とし、増湿塔で発生する増湿空気の一部を静翼の冷却媒体とするハイブリッド冷却システム、および、動翼・静翼全ての冷却媒体を高湿分空気とする増湿空気冷却システムによって、少量の冷却媒体で効果的にガスタービン高温部を冷却する技術が開示されている。

Proceedings of the Asian Congress on Gas Turbines ACGT2005-088

このような冷却構造において、静翼の冷却媒体を全て高湿分空気としてしまうと、前縁部付近では翼外部の燃焼ガスと翼内部の冷却媒体との温度差が大きくなってしまい、大きな熱応力が発生してしまう。とくに、高温の燃焼ガスに曝される第１段静翼においては、過大な熱応力が発生する恐れがある。

本発明の目的は、冷却性能に優れ、信頼性の高いガスタービン静翼を提供することにある。

圧縮機で圧縮された圧縮空気に増湿器で水を噴霧し、前記増湿器で水を噴霧された高湿分空気を燃焼器に供給して燃焼ガスを生成し、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによってガスタービンを駆動し、前記ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスである排ガスを水回収装置に供給して排ガス中の水分を回収する高湿分ガスタービンシステムに用いられる、内部に複数の冷却流路を有し、前記冷却流路から前記燃焼ガスが流れる主流へ連通する複数のフィルム孔を有するガスタービン静翼において、前記冷却流路の少なくとも一つに前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部が供給され、これ以外の冷却流路に前記増湿器で水を噴霧された高湿分空気の一部が供給されるよう構成され、前記冷却流路に供給された高湿分空気が前記フィルム孔から噴き出すよう構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却性能に優れ、信頼性の高いガスタービン静翼を提供することができる。

従来一般に採用されているガスタービンシステムは、圧縮機で圧縮した作動流体に燃料を加えて燃焼し、高温高圧の作動流体を得てタービンを駆動するように構成されている。駆動されたタービンの回転エネルギーは、通常、タービンに結合されている発電機により電気エネルギーに変換される。

近年、高湿分ガスタービン（ＨＡＴ）発電プラントが注目されている。図４に高湿分ガスタービン発電プラントの機器構成を示す。高湿分ガスタービン発電プラントは、ガスタービン１，圧縮機２，発電機３が一軸に結合されている。大気空気は吸気噴霧器１４で水分を付加された後に圧縮機２に供給され、定格負荷運転の状態において、温度は約３００℃、圧力は約２０００Ｐａの高圧な圧縮空気を生成する。圧縮空気は空気冷却器４において約１００℃に冷却された後に増湿器（増湿塔）５に供給され、水分が加えられ増湿・増量した約１５０℃の増湿空気となる。増湿器５を出た増湿空気は再生器６において５５０℃付近まで昇温され、燃料とともに燃焼器７において燃焼されて温度は１３００℃以上、圧力は約１９００Ｐａの高温高圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービン１に供給され、発電機３を駆動する。ガスタービン１において膨張し低圧となった燃焼ガスは排ガスとして排出されるが、まだ十分に高温であるため、再生器６において増湿空気と熱交換を行い、更に給水加熱器８において水と熱交換を行って、熱エネルギーが回収される。給水加熱器８を出た排ガスは、排ガス再熱器９において冷却された後、水回収装置１０に供給される。水回収装置１０においては、低温の水を排ガスに対して噴霧することで排ガスの温度を下げ、排ガス中の水分を凝縮させ回収している。凝縮しなかった一部の水分を含んだ排ガスは再び排ガス再熱器９に導かれ、加熱されて煙突１１より大気に放出される。

高湿分ガスタービン発電プラントの一つの特徴は、増湿器５および吸気噴霧器１４において水分を付加し増湿することで燃焼ガスの重量流量を増加させることである。また、水蒸気の比熱は空気よりも大きく、内部により多くのエネルギーを保有できるため、通常のガスタービンシステムよりも出力を増加させることができる。さらに、再生器６および給水加熱器８において熱エネルギーを回収し、水回収装置１０において水分を回収することで発電効率を向上していることも大きな特徴である。

このような高湿分ガスタービンシステムにおいては、燃焼ガスは湿分を多く含んでいる。そのため粘性係数やプラントル数等の物理量の違いから、空気よりも熱伝達率が大きく、更に比熱も大きい。このため、タービン翼などのガスタービン高温部における熱的負荷は通常のガスタービンに比べて増大するため、ガスタービン高温部の冷却を強化する必要がある。通常のガスタービンシステムでは圧縮空気の一部を抽気した空気によって空気冷却を行っている。しかし、高湿分ガスタービン方式では大量の空気が必要となるため、主流ガスの温度を下げ、結果としてガスタービンの熱効率を低下させてしまう。そこで高湿分ガスタービンにおいては、空気よりも冷却性能の高い冷却媒体を用いてガスタービン高温部を冷却する必要がある。この冷却媒体として増湿器５出口より抽気した増湿空気（高湿分空気）１９を用いる方法が考えられている。高湿分空気は湿分を含んでいるため、空気よりも熱伝達率が高く、更に比熱も大きいため、冷却性能が高い。よって機器を増やすことなく、少量の冷却媒体で効果的にガスタービン高温部を冷却することが可能となる。

増湿塔出口の空気は高湿分かつ低温となっているため冷却ポテンシャルが高く、冷却空気を全て高湿分空気とすることが望ましいが、信頼性を低下してしまう可能性がある。

従来の静翼内部の冷却構造を図５に示す。高温高圧の燃焼ガス４０に曝される静翼２０は、腹側面２１，背側面２２に囲まれた構造となっており、内部には複数の内部空洞３０を有している。この内部空洞３０には表面に複数の小孔を有したインサート３１が挿入されており、内部空洞３０に導かれた冷却媒体は、この小孔を高速で通過し、翼の内壁に衝突してインピンジメント冷却する。また、腹側面２１，背側面２２には内部空洞より燃焼ガスに連通する複数のフィルム孔３２が設けられており、インピンジメント冷却後の冷却媒体をフィルム孔から翼外表面付近へと導いてフィルム冷却する方式が用いられる。

このような冷却構造において、冷却媒体を全て高湿分空気としてしまうと、翼前縁２３付近では翼外部の燃焼ガス４０と翼内部の冷却媒体との温度差が大きくなってしまい、過大な熱応力が発生してしまう。とくに、高温の燃焼ガスに曝される第１段静翼においては、過大な熱応力が発生する恐れがある。

このような問題に対応すべく、本発明のガスタービン静翼は、圧縮機で圧縮された圧縮空気に増湿器で水を噴霧し、増湿器で水を噴霧された高湿分空気を燃焼器に供給する高湿分ガスタービンシステムに用いられる、内部に複数の冷却流路を有するガスタービン静翼において、冷却流路の少なくとも一つに圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部が供給され、これ以外の冷却流路に増湿器で水を噴霧された高湿分空気の一部が供給されるよう構成されたことを特徴としている。過大な熱応力が発生する恐れのある部分の冷却に圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を供給するよう構成することで、冷却性能に優れ、信頼性の高いガスタービン静翼を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図１および図２により説明する。図１は本発明の実施例であるガスタービン静翼の横断面図を示す。図２は図１のＡ−Ａ断面図、すなわち本発明の実施例であるガスタービン静翼の縦断面図である。

静翼２０は腹側面２１，背側面２２と内径側エンドウォール２５，外径側エンドウォール２６とにより一体構造で構成され、静翼の内部空洞は隔壁２７，２８により内部空間３０ａ，３０ｂ，３０ｃに仕切られる。内部空間３０ａは内径側エンドウォール２５側が開口しており、圧縮機抽気空気１８が供給される。内部空間３０ｂ，３０ｃは外径側エンドウォール２６側が開口しており、増湿空気１９が供給される。冷却流路である内部空間３０ａ，３０ｂ，３０ｃにはそれぞれ、複数の小孔を有する中空のインサート３１ａ，３１ｂ，３１ｃを設置する。腹側面２１，背側面２２にはフィルム孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃが設けられており、内部空間３０ａ，３０ｂ，３０ｃはそれぞれ、フィルム孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃにより燃焼ガス４０と連通している。

隔壁２７は背側で前縁側に傾けられており、かつ、フィルム孔３２ｂは、背側の隔壁２７付近に配置されている。ここで、隔壁２７が背側で前縁側に傾けられているとは、燃焼ガスの流路上流側に位置する隔壁２７と、燃焼ガスの流路下流側の隔壁２８との距離が、腹側よりも背側の方が離れていることを意味する。または、翼前縁側の隔壁２７が、翼腹側面に直交する面および翼背側面に直交する面よりも、翼腹側は翼後縁側、翼背側は翼前縁側に傾いていることを意味する。このように構成することで、静翼は前縁側の方が後縁側よりも高温になること、また、腹側の方が背側よりも高温になることに対応した適切な冷却を行うことができる。

内部空間３０ｃについては、翼後縁２４に設けられたピンフィン冷却通路３３とも通じており燃焼ガス４０と連通している。本実施例の静翼は前縁部冷却空洞，後流側冷却流路を含めて翼全体を精密鋳造により製作し、フィルム孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃを放電加工により加工し、別途製作のインサート３１ａ，３１ｂ，３１ｃを設置する方法により作られる。インサートのインピンジメント小孔の孔径，数，フィルム孔の孔径，数等は作動ガス条件と翼冷却条件および冷却目標により設計するものであり、その仕様が本発明を現すものではない。

続いて本実施例の静翼の冷却方法につき説明する。圧縮空気の抽気空気１８をインサート３１ａの内部空間３０ａに供給し、インサート３１ａの小孔より翼冷却内壁に噴き出し、その衝突噴流により翼を内部から冷却する。さらにその空気はフィルム孔３２ａより翼表面に噴き出し、この噴出した空気により、燃焼ガス４０に対して翼表面を保護するように覆う。翼後流側では、高湿分空気１９がインサート３１ｂ，３１ｃの内部空間３０ｂ，３０ｃに供給され、インサート３１ｂ，３１ｃの小孔より翼冷却内壁に噴き出し、その衝突噴流により翼を内部から冷却する。さらにその高湿分空気はフィルム孔３２ｂ，３２ｃより翼表面に噴き出し、燃焼ガス４０に対して翼表面を保護するように覆う。また、インサート３１ｃの小孔よりでた高湿分空気はピンフィン冷却通路３３を通過し、翼後縁２４を内部冷却する。また、隔壁２７を背側で前縁側に傾け、かつ、フィルム孔３２ｂを隔壁２８よりも隔壁２７寄り、より好ましくは背側の隔壁２７付近に配置することで、フィルム孔３２ｃからの冷却領域の拡大が図られる。

図３は本実施例のガスタービン静翼２０をガスタービンに組み込んだ時の、その周囲の構造の例を示す。トランジションピース５０の内側には燃焼器からの燃焼ガス４０が静翼２０の外表面へと流れ込む。静翼２０の内径側には内径側エンドウォール２５，サポートリング５１によって圧縮機吐出の空間と連通する内径側キャビティ５２が形成され、一部の空気は圧縮機抽気空気１８として静翼２０に供給される。一方、静翼２０の外径側には外径側エンドウォール２６とタービンケーシング５３によって外径側キャビティ５４が形成され、タービンケーシング５３に設けられたフランジ５５に高湿分空気１９の供給管を取り付けることによって、増湿空気１９を静翼２０に供給することが可能である。このように本発明の実施に必要なガスタービン構造は、複雑な構造を必要とせず、非常に簡単な構成によって実現できる。

本実施例のガスタービン静翼は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気に水を噴霧する増湿器と、増湿器で水を噴霧された湿分空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、タービンを駆動させた燃焼ガスと増湿器で水を噴霧された湿分空気とを熱交換させる再生機とを有するガスタービンシステムに用いられる、内部に冷却媒体を流通させる複数の空洞を有し、空洞から前記作動ガスが流れる主流へ連通する複数のフィルム孔を有し、複数の空洞内に複数の小孔を有したインサートが挿入されたガスタービン静翼において、複数の空洞の、少なくとも燃焼ガスの流路で最も上流側の空洞に、増湿器で水を噴霧された湿分空気を供給し、湿分空気を供給しない空洞に、圧縮機で圧縮された空気を供給するよう構成されている。

本実施例の静翼の特徴としては、次のようなことがあげられる。

翼前縁の冷却媒体として圧縮機の抽気空気を用いることで、翼前縁２３におけるメタル内面と外面の温度差を小さく設定できるため、過大な熱応力の発生を抑制できる。すなわち翼前縁２３を高湿分空気で冷却する静翼と比べ、発生する熱応力を低く抑えることができ、静翼の強度信頼性が向上する。

翼後流側の冷却媒体として高湿分空気を供給することで、内部冷却およびフィルム冷却効果が強化される。そのため、圧縮機の抽気空気のみで静翼を冷却する場合と比べ、冷却空気量を削減することができる。ひいては、ガスタービンの性能を向上させることができる。

高湿分空気を供給する内部空洞を複数の内部空間に分けることで、各所に適した冷却を行うことが可能になる。翼背側面には、燃焼ガスの流れが急加速して静圧が低くなる部分が存在するが、湿分空気は冷却効果が非常に高いために、翼背側面にも、効果的にフィルム孔を配置させることができる。

以上挙げた特徴の相乗効果として、本実施例の静翼全体として削減可能な冷却空気について、図６を用いて説明する。図６は、本実施例のガスタービン静翼による冷却空気量削減効果を示す。図６から読み取れるように、圧縮機抽気空気のみによる冷却空気流量から、本実施例翼による冷却空気流量の削減量は−２２％に相当する。

さらに本実施例の静翼は、従来のタービン静翼製作手法で製作でき、安価な冷却翼を提供できる。すなわち本実施例の静翼は、冷却流路の形成を含め精密鋳造により容易にかつ精度良く製作が可能であり、従来のようにコスト高となる精鋳後の精密加工を行う必要がない。

本発明の実施例であるガスタービン静翼の横断面図。 本発明の実施例であるガスタービン静翼の縦断面図。 本発明の実施例であるガスタービン静翼周りの構成図。 本発明の実施例である高湿分ガスタービン発電プラントの構成図。 従来のガスタービン静翼の横断面図。 本発明の実施例であるガスタービン静翼の効果を表す冷却効率曲線。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 発電機
４ 空気冷却器
５ 増湿器
６ 再生器
７ 燃焼器
８ 給水加熱器
９ 排ガス再熱器
１０ 水回収装置
１１ 煙突
１２，１６ ポンプ
１３ 脱塩装置
１４ 吸気噴霧器
１５ 冷却水
１７ 冷却器
１８ 圧縮機抽気空気
１９ 増湿空気
２０ 静翼
２１ 腹側面
２２ 背側面
２３ 翼前縁
２４ 翼後縁
２５ 内径側エンドウォール
２６ 外径側エンドウォール
２７，２８ 隔壁
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 内部空間
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ インサート
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ フィルム孔
３３ ピンフィン冷却通路
４０ 燃焼ガス
５０ トランジションピース
５１ サポートリング
５２ 内径側キャビティ
５３ タービンケーシング
５４ 外径側キャビティ
５５ フランジ

Claims (8)

1. 圧縮機で圧縮された圧縮空気に増湿器で水を噴霧し、前記増湿器で水を噴霧された高湿分空気を燃焼器に供給して燃焼ガスを生成し、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによってガスタービンを駆動し、前記ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスである排ガスを水回収装置に供給して排ガス中の水分を回収する高湿分ガスタービンシステムに用いられる、内部に複数の冷却流路を有し、前記冷却流路から前記燃焼ガスが流れる主流へ連通する複数のフィルム孔を有するガスタービン静翼において、
   前記冷却流路の少なくとも一つに前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部が供給され、これ以外の冷却流路に前記増湿器で水を噴霧された高湿分空気の一部が供給されるよう構成され、前記冷却流路に供給された高湿分空気が前記フィルム孔から噴き出すよう構成されたことを特徴とするガスタービン静翼。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気に水を噴霧する増湿器と、前記増湿器で水を噴霧された湿分空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンを駆動させた燃焼ガスである排ガスと前記増湿器で水を噴霧された湿分空気とを熱交換させる再生機と、前記増湿器で湿分空気と熱交換した後の排ガス中の水分を凝縮させ回収する水回収装置とを有するガスタービンシステムに用いられる、内部に冷却媒体を流通させる複数の空洞を有し、前記空洞から前記燃焼ガスが流れる主流へ連通する複数のフィルム孔を有し、前記複数の空洞内に複数の小孔を有したインサートが挿入されたガスタービン静翼において、
   前記複数の空洞の、少なくとも前記燃焼ガスの流路で最も上流側の空洞に、前記圧縮機で圧縮された空気を供給し、前記湿分空気を供給しない空洞に、前記増湿器で水を噴霧された湿分空気を供給するよう構成され、前記空洞に供給された湿分空気が前記フィルム孔から噴き出すよう構成されたことを特徴とするガスタービン静翼。
3. 請求項２に記載のガスタービン静翼において、
   二つの隔壁に区切られた三つの前記空洞を有し、前記燃焼ガスの流路上流側の隔壁と、
   前記燃焼ガスの流路下流側の隔壁との距離が、腹側よりも背側の方が離れていることを特徴とするガスタービン静翼。
4. 請求項２に記載のガスタービン静翼において、
   二つの隔壁に区切られた三つの前記空洞を有し、翼前縁側の隔壁が、翼腹側面に直交する面および翼背側面に直交する面よりも、翼腹側は翼後縁側、翼背側は翼前縁側に傾いていることを特徴とするガスタービン静翼。
5. 請求項３または請求項４に記載のガスタービン静翼において、
   前記三つの空洞のうち中央に位置する空洞の翼背側面に設けられたフィルム孔が、前記燃焼ガスの流路上流側の隔壁寄りに設けられていることを特徴とするガスタービン静翼。
6. 請求項２に記載のガスタービン静翼において、
   開口部を有する内径側エンドウォール及び外径側エンドウォールを有し、
   前記圧縮空気は前記内径側エンドウォールの開口部より前記インサートの内部空間に供給され、前記湿分空気は前記外径側エンドウォールの開口部より前記インサートの内部空間に供給されるよう構成されたことを特徴とするガスタービン静翼。
7. 請求項２に記載のガスタービン静翼において、
   前記圧縮空気は、内径側エンドウォールと前記内径側エンドウォールの内径側に位置するサポートリングによって構成される内径側キャビティを介して、前記内径側エンドウォールの開口部より供給され、
   前記湿分空気が、外径側エンドウォールとタービンケーシングによって構成される外径側キャビティを介して、前記外径側エンドウォールの開口部より供給されるよう構成されたことを特徴とするガスタービン静翼。
8. 圧縮機で圧縮された圧縮空気に増湿器で水を噴霧し、前記増湿器で水を噴霧された高湿分空気を燃焼器に供給して燃焼ガスを生成し、前記燃焼器で生成された燃焼ガスによってガスタービンを駆動し、前記ガスタービンを駆動した後の燃焼ガスである排ガスを水回収装置に供給して排ガス中の水分を回収する高湿分ガスタービンシステムに用いられる、内部に複数の冷却流路を有し、前記冷却流路から前記燃焼ガスが流れる主流へ連通する複数のフィルム孔を有するガスタービン静翼の冷却方法において、
   前記冷却流路の少なくとも一つに前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を供給し、これ以外の冷却流路に前記増湿器で水を噴霧された高湿分空気の一部を供給し、前記冷却流路に供給された高湿分空気を前記フィルム孔から翼表面に噴き出させることを特徴とするガスタービン静翼の冷却方法。

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