JP5730098B2 - ガスタービン、ガスタービンの起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン、ガスタービンの起動方法に関する。

ガスタービン用の軸流圧縮機は、起動時においては、ガスタービンが立ち上がるまでの間、起動用モータにより駆動されている。圧縮機で空気を圧縮するときには翼の負荷が高くなり、翼で失速が発生し、旋回する（以下、これを旋回失速と称する）可能性がある。旋回失速が生じると、翼やケーシング等の構造物に多大な負荷が加わり、最悪の場合ガスタービンが破損する可能性がある。そのため旋回失速の発生をできる限り抑制する必要がある。

起動時に圧縮機で空気を圧縮するときの翼にかかる負荷は、特に起動時における起動モータの動作負荷となる。これに対し、起動モータを大型化することも考えられるが、これにはコストがかかる。
そこで、動翼の旋回失速を避けるため、静翼の開度を可変としたり（可変静翼）、圧縮機内の空気の一部を外部に逃がす抽気室・抽気配管を設置することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−２９１４４９号公報

しかしながら、可変静翼は構造が複雑であり、コストアップの要因となっている。
また、起動時に抽気した場合、抽気した空気は、排気ダクトに接続された抽気管を通り排気されており、その空気の有するエネルギがそのまま放出されている。
さらに、現状では起動時の旋回失速を避けるため、圧縮機の回転数の上昇率を緩やかに設定している。このため、起動に時間がかかり、急速に起動が行えないという問題がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、低コストで、エネルギを有効利用することができ、急速な起動を可能とするガスタービン、ガスタービンの起動方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、ケーシング内に、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、および燃焼器で生成された燃焼ガスが膨張することで回転駆動されるタービンを備えたガスタービンであって、圧縮機で圧縮された圧縮空気をケーシングの外部に抽気する抽気管と、抽気管から分岐し、圧縮機の上流部に圧縮空気を送り込む圧縮空気送給管と、圧縮空気送給管を開閉する弁と、弁の開閉を制御することにより、圧縮空気送給管における圧縮機の上流部への圧縮空気の送り込みを、ガスタービンの起動開始から定格回転数に至るまでのガスタービンの起動時のみ実行させる制御部と、を備えることを特徴とする。
ガスタービンの起動時に、圧縮機から抽気した圧縮空気を、上流側の動翼または静翼に吹き付けることで、軸流速を増大させることができる。これにより、動翼または静翼への空気の流入角を小さくし、動翼または静翼の負圧面における流体の剥離を防止でき、旋回失速を抑制することができる。

ここで、ケーシングを貫通し、圧縮機の上流部に位置する動翼または静翼に圧縮空気送給管から送り込まれた圧縮空気を吹き付けるノズルまたはスリットを有し、ノズルまたはスリットは、動翼または静翼への流入角を小さくする整流手段を備えることができる。
これにより、動翼または静翼への流入角をさらに小さくして、旋回失速の抑制効果を高めることができる。

また、制御部は、ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、０％から１００％となるまでの間、０％から７０％となるまでの間、４０％から６０％となるまでの間、のいずれかにおいて、圧縮空気送給管における圧縮機の上流部への圧縮空気の送り込みを実行させることができる。

本発明は、ケーシング内に、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、および燃焼器で生成された燃焼ガスが膨張することで回転駆動されるタービンを備えたガスタービンの起動方法であって、ガスタービンの起動開始から定格回転数に至るまでのガスタービンの起動時にのみ、圧縮機で圧縮された圧縮空気をケーシングの外部に抽気し、抽気した圧縮空気の少なくとも一部を、圧縮機の上流部に送り込み、上流部の動翼または静翼に吹き付けることを特徴とすることもできる。
抽気した圧縮空気の少なくとも一部を、圧縮機の上流部に送り込み、上流部の動翼または静翼に吹き付けるにあたり、動翼または静翼への流入角を小さくするように整流することが好ましい。
また、ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、０％から１００％となるまでの間、０％から７０％となるまでの間、４０％から６０％となるまでの間、のいずれかにおいて、圧縮機の上流部への圧縮空気の送り込みを実行することができる。

本発明によれば、ガスタービンの起動時に、圧縮機から抽気した圧縮空気を上流側の動翼または静翼に吹き付けることで、軸流速を増大させることができる。これにより、従来は廃棄していた圧縮空気を有効利用することによって、動翼または静翼への空気の流入角を小さくし、動翼または静翼の負圧面における流体の剥離を防止し、旋回失速を抑制することができる。これにより、ガスタービンの回転数の上昇率を高めて急速な起動が可能となる。
このような手法は、抽気管から分岐する圧縮空気送給管、弁、ノズルまたやスリット等を設けるのみであるので、複雑な構造とすることなく、低コストで有効な効果を得ることができる。また、既存のガスタービンに対しても、機能を追加することができる。

本実施の形態におけるガスタービンの構成を示す半断面図である。 インジェクションノズルの設置範囲を示す図である。 インジェクションノズルの有無による、空気の流れにおける速度三角形を示す図である。 ガスタービンの回転数と圧力変動の関係を示す図である。 インジェクションノズル、スリットに整流手段を備えた例を示す図であり、ガスタービンの軸線に直交する断面から見た図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるガスタービン２０の概略構成を説明するための図である。
この図１に示すように、ガスタービン２０には、空気の流れの上流側から下流側に向かって吸込ケーシング２１、圧縮機５０、燃焼器２３、タービン２４が設けられている。
吸込ケーシング２１から取り込まれた空気は圧縮機５０によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器２３へ送り込まれる。燃焼器２３では、この圧縮空気に天然ガス等のガス、或いは軽油や軽重油等の油を供給して燃料を燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン２４に噴射され、タービン２４内で膨張してタービン２４を回転させる。タービン２４の回転エネルギにより、ガスタービン２０の主軸２５に連結された図示しない発電機等が駆動される。

圧縮機５０を構成するロータ５１のロータディスク部周囲には動翼Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３〜が取付けられており、ロータ５１と共に回転する。
一方、ガスタービン２０のケーシング側５２には、周囲に静翼Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜が取付けられ、軸方向とは動翼とそれぞれ交互に配置されている。
圧縮機５０の入口には、ロータ５１周囲にＩＧＶ（Inlet Guide Vane）５３が取付けられており、図示しない駆動部によりその開度が調整できるようになっている。
なお、本発明における静翼とは、静翼Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜のみではなくＩＧＶ５３も含むものとする。

静翼Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜のうち、少なくとも一部を可変翼とすることもできる。可変翼は、その開度がそれぞれ図示しない駆動部により調整できるようになっている。
空気はＩＧＶ５３の開度で定められた流量で吸込ケーシング２１から圧縮機５０に流入し、各静翼Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜間を流れる過程において回転する動翼Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３〜間を通り圧縮され、圧縮空気となって流出し、燃焼器２３における燃焼用や、ロータ５１、タービン翼の冷却用として供給される。

複数段に配列された静翼Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜のうち、下流側の静翼の外周部には、ケーシング５２に図示しない開口部が形成され、その外周側に抽気室５５、５６、５７が設けられている。抽気室５５、５６、５７には抽気配管３０、３１、３２が接続され、これら抽気配管３０、３１、３２には、抽気弁６０、６１、６２が接続されて圧縮空気を抽気するようになっている。
なお、これら抽気配管３０、３１、３２はケーシング５２の周囲に複数組みが設けられ、合流して各抽気弁６０、６１、６２に接続する構成となっている。
また、抽気室５５、５６、５７、抽気配管３０、３１、３２、および、抽気弁６０、６１、６２の個数は各々３つに限られることはなく、各々１つ、２つ、または、４つ以上でもよい。

各抽気配管３０、３１、３２は、途中で分岐し、その圧縮空気送給管３３、３４、３５は、１本の合流管３６に合流している。圧縮空気送給管３３、３４、３５には、それぞれ弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖが設けられ、その開度が図示しないコントローラ（制御部）により制御されるようになっている。

ここで、合流管３６は、ケーシング５２に設けられたインジェクションノズル３７に接続することができる。なお、圧縮空気送給管３３、３４、３５が１本の合流管３６に合流してからインジェクションノズル３７に接続される形態に限られることはなく、圧縮空気送給管３３、３４、３５の各々が合流せずに直接インジェクションノズル３７に接続されてもよいし、圧縮空気送給管３３、３４、３５のうちの２本のみ合流してもよい。
また、抽気配管３０、３１、３２の全てから圧縮空気送給管３３、３４、３５が分岐される形態に限られることはなく、抽気配管３０、３１、３２のうちの１つまたは２つから圧縮空気送給管が分岐されるのみでもよい。

図２に示すように、インジェクションノズル３７は、抽気配管３０、３１、３２が接続された位置、すなわち、圧縮空気が主流流路から抽気される位置よりも上流側の、翼面に発生している剥離を防止するために予め選定された翼（例えば動翼Ｍ２）の前縁ｅ１よりも上流であって、かつその翼（前記の例では動翼Ｍ２）に対して１段上流側の翼（前記の例では動翼Ｍ１）の後縁ｅ２よりも下流側の範囲Ａにおいて、ケーシング５２に接続されている。

各抽気配管３０、３１、３２から抽気された圧縮空気は、圧縮空気送給管３３、３４、３５、合流管３６を経て、このインジェクションノズル３７から、選定された動翼Ｍ２または１段上流側の静翼Ｃ１など、翼面から剥離が発生している翼（以下、単に剥離が発生している翼と記述する）に対して吹き付けられる。
このようなインジェクションノズル３７は、ケーシング５２の周方向に複数本を設けることもできる。
また、インジェクションノズル３７に代えて、ケーシング５２の周方向に連続するスリットや、複数個のスリット、孔を形成し、これらを通して合流管３６から送り込まれる圧縮空気を剥離が発生している翼に吹き付けることもできる。

上記構成のガスタービン圧縮機においては、起動時においては、ＩＧＶ５３、静翼Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜のうち可変のものの開度を所定の開度に設定し、抽気弁６０、６１、６２は予め定めた所定の開度に設定し、圧縮機５０において空気を圧縮しながら、その一部を抽気配管３０、３１、３２から外部に抽気する。また、弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖを開き、各抽気配管３０、３１、３２から抽気された圧縮空気の少なくとも一部を、圧縮空気送給管３３、３４、３５、合流管３６を経て、このインジェクションノズル３７から剥離が発生している翼に対して吹き付ける（これをインジェクションと適宜称する）。
このとき、起動時においては、タービン２４が立上るまでは起動モータを駆動して運転している。

そして、圧縮機５０の回転数が、予め定めた回転数に達すると、弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖを閉じ、各抽気配管３０、３１、３２から抽気された圧縮空気の少なくとも一部を、インジェクションノズル３７から剥離が発生している翼に対して吹き付けるのを停止する。
また、圧縮機５０の回転数が、予め定めた回転数に達すると、抽気弁６０、６１、６２を予め定めた所定の開度にまで閉じ、タービンや燃焼器の冷却に最小限必要な空気量を抽気する、定常状態の運転に入るようにする。
このとき、弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖを閉じる回転数と、抽気弁６０、６１、６２を閉じる回転数は、同一でも良いし、互いに異なっていても良い。

このように、ガスタービン２０の起動時に、弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖを開き、各抽気配管３０、３１、３２から抽気された圧縮空気の少なくとも一部を、インジェクションノズル３７から、剥離が発生している翼に対して吹き付けることで、起動時の旋回失速を抑制することができる。

これは、起動時の旋回失速は、図３中、符号Ｘで示すように、軸流速Ｃｘが小さいときには、翼への流入角βが大きくなり、翼の負荷が高くなり、翼の負圧面で流体の剥離が生じることによって発生する。これに対し、図３中、符号Ｙで示すように、インジェクションノズル３７から翼（前記の例では動翼Ｍ２）に抽気した圧縮空気を吹付けることで、軸流速Ｃｘを増大させることができる。これにより、動翼Ｍ２への流入角βを小さくし、動翼Ｍ２の負圧面３９における流体の剥離を防止でき、旋回失速を抑制することができるのである。
なお、静翼の翼面で剥離が発生している場合は、その後流の動翼の翼面での剥離を誘発し、旋回失速が発生する可能性がある。そのため、静翼で剥離が発生している場合は、静翼へのインジェクションも旋回失速の抑制には有効である。
また、１段動翼Ｍ１の翼面での剥離を防止する場合は、動翼Ｍ１の前縁よりも上流、かつ、動翼Ｍ１の上流側に位置する吸気ストラット７０（図１参照）の後縁よりも下流側の範囲にインジェクションノズル３７を設けて、ＩＧＶ５３または動翼Ｍ１にインジェクションすればよい。

このようにして、圧縮機５０の回転数の上昇率を高めてガスタービン２０の急速な起動が可能となる。また、抽気配管３０、３１、３２から圧縮空気を送り込むことで、従来は起動時に廃棄していた空気をインジェクションに利用できるので、出力のロスが無く、エネルギを有効に利用できる。

なお、弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖを開いて、抽気された圧縮空気の少なくとも一部を、インジェクションノズル３７から、剥離が発生している翼に対して吹き付けるのは、圧縮機５０の回転数が、定格回転数を１００％としたときに、例えば、
１）０％〜１００％、
２）０％〜７０％、
３）４０％〜６０％、
のいずれかとすることができる。
定性的には、圧縮機５０の回転数と圧力変動の分布は図４に示すような分布を示し、回転数が定格回転数に対して５０％程度であるときに圧力変動が大きく、最も旋回失速が発生しやすい。圧力変動が大きい領域でインジェクションを行うのが特に好ましいので、したがって、旋回失速の抑制効果は、３）＞２）＞１）の順で有効、効率的である。

また、例えば大気温度が高いとき、ガスタービン２０に流入する大気の量が少なくなるので、弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖの開度をコントローラで自動的に調整してインジェクション流量を増やし、逆に温度が低いときはインジェクションの流量を減らすこともできる。

上記の起動時には、圧縮機５０の回転数や大気温度等の条件に応じ、コントローラで弁３３ｖ、３４ｖ、３５ｖの開度を自動的に調整することで、インジェクションノズル３７から、剥離が発生している翼に対して吹き付ける圧縮空気の流量を制御することもできる。

上述したような手法は、既設のガスタービンを改良して適用することもできる。すなわち、既設の抽気配管３０、３１、３２に、インジェクション用のパイプ（圧縮空気送給管３３、３４、３５、合流管３６）を接続し、ケーシング５２に設置したインジェクションノズル３７に接続すれば良い。このようにして、低コストで簡単な改良工事で旋回失速抑制のメリットを得ることができる。
また、抽気した圧縮空気の一部をインジェクションすることで、抽気配管３０、３１、３２に流れる圧縮空気量が減るため、抽気配管３０、３１、３２・抽気弁６０、６１、６２の小径化や冷却空気配管のみを残しての大幅簡略化、可変静翼の削減による、製作コストの低減が可能となる。

（他の変形例）
ここで、インジェクションノズル３７は、例えば図５（ａ）に示すように、ケーシング５２の径方向（放射方向）に対し、所定角度傾斜させて設けても良い。
さらに、図５（ｂ）に示すように、インジェクションノズル３７の内部に、ケーシング５２の径方向（放射方向）に対し、所定角度傾斜したガイド板（整流手段）８０を設けることもできる。
また、図５（ｃ）に示すように、ケーシング５２にスリット９０を形成している場合、スリット９０内に、ケーシング５２の径方向（放射方向）に対し、所定角度傾斜した複数枚の整流板（整流手段）９５を設けることもできる。
図５（ａ）〜（ｃ）に示したような手法により、インジェクションした圧縮空気をケーシング５２内で周方向にスワールさせることができる。

旋回失速の発生原因の一つは、流量が少なく軸流速が小さい状態で相対流れ角が大きくなり、動翼（図５の例ではＭ２）の腹側へと流れ角が変化するため動翼（Ｍ２）の負圧面３９側で剥離を引き起こすためと考えられている。ここで、翼メタル角と流れ角との偏差角をインシデンスと言い、動翼（Ｍ２）の圧力面側に偏差角が大きくなることをポジティブインシデンスと言う。図３に符号Ｚで示すように、速度三角形を考えると、図５（ａ）〜（ｃ）に示した手法により、周方向にスワールを付けて圧縮空気を噴射することで、動翼（Ｍ２）への流入角βを大きく変えることができる。これにより、動翼（Ｍ２）への流入角βを小さくし、翼メタル角に近い角度に修正し、動翼（Ｍ２）の負圧面３９における流体の剥離を防止してポジティブインシデンスを改善し、効果的に旋回失速を抑制することが可能となる。このように、スワールをつけることで、軸方向にインジェクションするよりも効果的に流入角を変えることができ、インジェクションの流量を減らすことができる。これにより、インジェクション用のパイプ径を小型化できるので、インジェクション設置のコストが低減できる。

なお、上記実施の形態では、ガスタービン２０の軸数は一軸に限らず、二軸以上であっても良い。
また、抽気配管３０、３１、３２から圧縮空気を抽気し、剥離が発生している翼に対して吹き付けるようにしたが、タービン冷却用の配管から分岐して、剥離が発生している翼に吹き付ける圧縮空気を供給しても良い。

さらに、インジェクションノズル３７から吹き付ける圧縮空気を、圧縮空気送給管３３、３４、３５上に設けた圧縮機で昇圧させても良いし、外部から予め昇圧した圧縮空気をインジェクションノズル３７に供給しても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

２０ ガスタービン
２１ 吸込ケーシング
２３ 燃焼器
２４ タービン
２５ 主軸
３０、３１、３２ 抽気配管
３３、３４、３５ 圧縮空気送給管
３３ｖ、３４ｖ、３５ｖ 弁
３６ 合流管
３７ インジェクションノズル
３９ 負圧面
５０ 圧縮機
５１ ロータ
５２ ケーシング
５５、５６、５７ 抽気室
６０、６１、６２ 抽気弁
８０ ガイド板（整流手段）
９０ スリット
９５ 整流板（整流手段）
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３〜 静翼
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３〜 動翼

Claims (10)

1. ケーシング内に、空気を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、および前記燃焼器で生成された前記燃焼ガスが膨張することで回転駆動されるタービンを備えたガスタービンであって、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を前記ケーシングの外部に抽気する抽気管と、
   前記抽気管から分岐し、前記圧縮機の上流部に前記圧縮空気を送り込む圧縮空気送給管と、
   前記圧縮空気送給管を開閉する弁と、
   前記弁の開閉を制御することにより、前記圧縮空気送給管における前記圧縮機の上流部への前記圧縮空気の送り込みを、前記ガスタービンの起動開始から定格回転数に至るまでのガスタービンの起動時のみ実行させる制御部と、
   を備えることを特徴とするガスタービン。
2. 前記ケーシングを貫通し、前記圧縮機の上流部に位置する動翼または静翼に前記圧縮空気送給管から送り込まれた前記圧縮空気を吹き付けるノズルまたはスリットを有し、
   前記ノズルまたは前記スリットは、前記動翼または静翼への流入角を小さくする整流手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記制御部は、前記ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、０％から１００％となるまでの間、前記圧縮空気送給管における前記圧縮機の上流部への前記圧縮空気の送り込みを実行させることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
4. 前記制御部は、前記ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、０％から７０％となるまでの間、前記圧縮空気送給管における前記圧縮機の上流部への前記圧縮空気の送り込みを実行させることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
5. 前記制御部は、前記ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、４０％から６０％となるまでの間、前記圧縮空気送給管における前記圧縮機の上流部への前記圧縮空気の送り込みを実行させることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
6. ケーシング内に、空気を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、および前記燃焼器で生成された前記燃焼ガスが膨張することで回転駆動されるタービンを備えたガスタービンの起動方法であって、
   前記ガスタービンの起動開始から定格回転数に至るまでのガスタービンの起動時にのみ、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を前記ケーシングの外部に抽気し、抽気した前記圧縮空気の少なくとも一部を、前記圧縮機の上流部に送り込み、前記上流部の動翼または静翼に吹き付けることを特徴とするガスタービンの起動方法。
7. 抽気した前記圧縮空気の少なくとも一部を、前記圧縮機の上流部に送り込み、前記上流部の動翼または静翼に吹き付けるにあたり、前記動翼または静翼への流入角を小さくするように整流することを特徴とする請求項６に記載のガスタービンの起動方法。
8. 前記ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、０％から１００％となるまでの間、前記圧縮機の上流部への前記圧縮空気の送り込みを実行することを特徴とする請求項６または７に記載のガスタービンの起動方法。
9. 前記ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、０％から７０％となるまでの間、前記圧縮機の上流部への前記圧縮空気の送り込みを実行することを特徴とする請求項６または７に記載のガスタービンの起動方法。
10. 前記ガスタービンの定格回転数を１００％としたとき、当該ガスタービンの回転数が、４０％から６０％となるまでの間、前記圧縮機の上流部への前記圧縮空気の送り込みを実行することを特徴とする請求項６または７に記載のガスタービンの起動方法。