JP5863755B2 - ガスタービン及びその定格時運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン及びその定格時運転方法に係り、特に、ガスタービン定格運転時におけるアクティブクリアランスコントロール（Active Clearance Control；ＡＣＣ）システムに関する。

一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成されており、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機により圧縮されて高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気は燃焼器に供給され、燃焼器内では、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・高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、圧縮機に接続されたタービンを駆動するので、たとえばガスタービンの出力軸側に発電機を連結すれば、ガスタービンにより発電機を駆動して発電を行うことができる。

このようなガスタービンにおいては、アクティブクリアランスコントロール（以下、ＡＣＣと称する）システムにより、運転状態に応じて変化する温度や遠心力の影響を受けて変動するチップクリアランス（Tip Clearance）を最小に制御し、回転部／静止部間の干渉防止及び運転の高効率化を図っている。
一般に、チップクリアランスを制御しないガスタービンにおいては、チップクリアランスが最小となる位置は定格運転時ではなく起動時となる。そこで、ＡＣＣシステムでは、ガスタービンを起動する前の段階でチップクリアランスに影響を及ぼす静止系部品を暖めることによって、チップクリアランスが最小となる運転状態を定格運転時に設定する。すなわち、ＡＣＣシステムは、図１０に示すように、ガスタービンを起動する前にタービン静止部を暖めてクリアランスを予め広げておき、定格運転時にはタービン静止部の温度を調整することによって、定格運転時に最小のクリアランスを実現して運転効率を確保する手法である。

ところで、上述したＡＣＣシステムによるガスタービンの運転は、下記の５つの状態に大別することができる。
（１）起動直前
ＡＣＣシステムを行うため、タービン静翼側の静止系部品に温度調整媒体を流して暖め、伸びを大きくして翼環等の静止部と回転部である動翼との間にあるクリアランスを広げる。
（２）起動中（負荷を上げている途中）
起動中にクリアランスがなくならないよう（静止部と回転部とが接触しないよう）に、起動直前と同様に静止系部品を暖め続ける。
（３）定格運転時
静止系部品を流れる温度調整媒体の状態（温度等）を変えることにより、静止部と回転部との間のクリアランスを最小とする。
（４）停止中（負荷を下げている途中）
停止時にクリアランスがなくならないよう（静止部と回転部とが接触しないよう）に、起動直前と同様に静止系部品を暖め続ける。
（５）停止時
キャットバックを防止するために、ガスタービン内部に残った高温のガスをガスタービン外部に排出する。また、キャットバックを防止するため、静止系部品に温度調整媒体を流してガスタービン内部に残ったガスの分布をなくす。

上述したＡＣＣシステムにおいて、ガスタービンのクリアランス制御方法は下記の３つに分類される。
（１）タービン翼内部に流す冷却媒体の状態を変化させて制御する方法
タービン内部を流れる冷却媒体の温度について、冷却媒体の冷却方法を変更する（たとえば無冷却から空気冷却や蒸気冷却にする）などして変化させ、タービン翼自体の伸び量を変化させてクリアランスを調整する制御方法であり、冷却媒体の冷却方法を変える機構が必要となる。
（２）静止系部品を蒸気または空気で温度調整して制御する方法
排ガスボイラで発生した蒸気等をバルブなどで調整した後、静止系部品に流してクリアランスを制御する方式であり、一般に空気を用いる場合、回収せずにガスパス側に捨てることになるため、サイクル効率が減少する。
また、蒸気を用いる場合、シンプルサイクルでは運転できず、ボイラ暖機が必要となるため起動時間が長い。なお、蒸気を用いる場合には、起動のための補助ボイラ、排ガスボイラからの蒸気配管など付帯設備が必要となる。
（３）機械的な機構により翼またはケーシングを動かして制御する方法
アクチュエーターのような機械的な機構を設け、翼やケーシングを動かすことでクリアランスを調整する制御方法である。

上述したＡＣＣシステムに関する従来技術としては、圧縮空気を抽気し、流量調整弁を経た後に静止系部品の分割環を冷却するものがある。（たとえば、特許文献１参照）
また、蒸気タービンで用いる蒸気の一部を取り出し、バルブで調整した後に分割環を冷却して蒸気タービン系統に戻すものがある。（たとえば、特許文献２参照）

特開平６−３１７１８４号公報 特開２００１−２４８４０６号公報

ところで、上述したガスタービンにおいては、定格運転時におけるタービン静止系部品の冷却効率向上が求められている。この場合、付帯設備の付加を最小限に抑えることが望ましい。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガスタービン定格運転時のＡＣＣシステムにおいて、タービン静止系部品の冷却効率向上を達成できるガスタービン及びその定格時運転方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るガスタービンは、圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンにおいて、前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する前記圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、前記タービン冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、前記タービンの動翼先端部と対向するチップクリアランスに影響を及ぼす位置にある翼環内に前記タービン冷却媒体流路内を介して前記昇圧温度調整媒体を流して冷却することを特徴とするものである。

このようなガスタービンによれば、圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、タービン冷却媒体流路を通過した昇圧温度調整媒体を吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、タービンの動翼先端部と対向するチップクリアランスに影響を及ぼす位置にある翼環内にタービン冷却媒体流路内を介して昇圧温度調整媒体を流して冷却するので、タービンの静止系部品と昇圧冷却媒体との温度差により効率よく冷却することができる。
本発明のガスタービンは、アクティブクリアランスコントロールシステムを備えていることが望ましい。
また、上記の発明において、ガスタービンの起動直前準備、起動中及び停止中には、相対的に温度の高い前記昇圧温度調整媒体を流して加熱することが好ましい。

上記の発明において、前記昇圧手段で昇圧された前記昇圧温度調整媒体は、前記タービン冷却媒体流路と直列または並列に接続されて前記燃焼器内の冷却を行った後に前記吐出側流路へ導かれて合流することが好ましく、これにより、ガスタービンのクリアランスコントロールに加えて燃焼器の冷却を行うことができる。

上記の発明において、前記昇圧温度調整媒体の温度を調整可能とする温度制御手段を備えていることが好ましく、これにより、相対的な温度差を増して冷却効率をより一層向上させることができる。
この場合、前記温度制御手段は、前記温度調整媒体供給流路に冷却剤を添加する冷却剤供給流路であることが好ましく、これにより、昇圧手段により昇圧されて温度上昇した昇圧温度調整媒体の温度を冷却剤の添加により低下させることができる。この場合の冷却剤としては、液体または気体のいずれであってもよい。
さらに、前記温度制御手段は、前記分岐流路または前記温度調整媒体供給流路に設けられ、前記温度調整媒体または前記昇圧温度調整媒体の温度を低下させる熱交換器であることが好ましく、これにより、昇圧手段により昇圧される前の温度調整媒体温度、または昇圧された後の昇圧温度調整媒体温度を熱交換器により低下させることができる。

上記の発明において、前記温度調整媒体供給流路から分岐して前記圧縮機内の圧縮機冷却媒体流路に接続される冷却媒体分岐供給流路と、前記圧縮機冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる冷却媒体分岐戻し流路とを設けることが好ましく、これにより、ガスタービンの静止系部品とともに圧縮機側も昇温させることができるので、タービン及び圧縮機のクリアランス制御が可能になる。
また、本発明に係るガスタービンの他の第１態様は、圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンにおいて、前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する前記圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、前記タービン冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、前記タービン冷却媒体流路内を介して前記タービンの翼環内に前記昇圧温度調整媒体を流して冷却するとともに、ガスタービンの起動直前準備、起動中及び停止中には、相対的に温度の高い前記昇圧温度調整媒体を流して加熱することを特徴とするものである。
また、本発明に係るガスタービンの他の第２態様は、圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンにおいて、前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する前記圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、前記タービン冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、前記タービン冷却媒体流路内を介して前記タービンの翼環内に前記昇圧温度調整媒体を流して冷却するとともに、前記昇圧温度調整媒体の温度を調整可能とする温度制御手段を備え、前記温度制御手段が、前記温度調整媒体供給流路に冷却剤を添加する冷却剤供給流路であることを特徴とするものである。
また、本発明に係るガスタービンの他の第３態様は、圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンにおいて、前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する前記圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、前記タービン冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、前記タービン冷却媒体流路内を介して前記タービンの翼環内に前記昇圧温度調整媒体を流して冷却するとともに、前記温度調整媒体供給流路から分岐して前記圧縮機内の圧縮機冷却媒体流路に接続される冷却媒体分岐供給流路と、前記圧縮機冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる冷却媒体分岐戻し流路とを設けたことを特徴とするものである。

本発明に係るガスタービンの定格時運転方法は、圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンの定格時運転方法であって、ガスタービンの定格運転時に、前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、前記圧縮機から独立して運転可能な昇圧手段が温度調整媒体を導入して昇圧する過程と、前記昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体が前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路に供給され、該タービン冷却媒体流路内を通過する前記昇圧温度調整媒体により動翼先端部と対向するチップクリアランスに影響を及ぼす位置にある翼環を冷却する過程と、前記昇圧温度調整媒体を前記タービン冷却媒体流路から前記吐出側流路へ導いて合流させる過程と、を備えていることを特徴とするものである。

このようなガスタービンの定格時運転方法によれば、ガスタービンの定格運転時に、圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、圧縮機から独立して運転可能な昇圧手段が温度調整媒体を導入して昇圧する過程と、昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体がタービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路に供給され、該タービン冷却媒体流路内を通過する昇圧温度調整媒体により動翼先端部と対向するチップクリアランスに影響を及ぼす位置にある翼環を冷却する過程と、昇圧温度調整媒体をタービン冷却媒体流路から吐出側流路へ導いて合流させる過程と、を備えているので、タービンの静止系部品と昇圧温度調整媒体との温度差により効率よく冷却することができる。

上述した本発明によれば、ガスタービンの定格運転時になされるＡＣＣシステムにおいて、昇圧温度調整媒体によりタービン静止系部品を冷却する冷却効率が向上するので、昇圧温度調整媒体の使用量を最小限に抑え、静止部と回転部との間のクリアランスを最小に維持するＡＣＣコントロールを確実に行うことができる。
この場合、昇圧手段等をクローズド冷却に用いたブーストアップ用の昇圧手段と共用して有効利用すれば、付帯設備の付加を最小限に抑えて、すなわち、新たに設備を付加することなくＡＣＣシステムのコントロールを実施して安定したガスタービンの定格運転を継続することができる。

本発明の第１の実施形態に係るガスタービンを示す概略図である。 ガスタービンの構成例を示す概略構成図である。 タービンの静止系部品に設けられるタービン冷却媒体流路の説明図である。 図１に示した第１の実施形態に係る変形例を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るガスタービンを示す概略図である。 図５に示した第２の実施形態に係る第１変形例を示す概略図である。 図５に示した第２の実施形態に係る第２変形例を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係るガスタービンを示す概略図である。 圧縮機の静止系部品に設けられる圧縮機冷却媒体流路の説明図である。 ＡＣＣシステムの説明図であり、（ａ）は時間と回転数／負荷との関係、（ｂ）は時間と温度との関係、（ｃ）は時間と伸びとの関係、（ｄ）は時間とクリアランスとの関係を示している。

以下、本発明に係るガスタービン及びその起動時制御方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態に係るガスタービンを示す概略図、図２はガスタービンの概略構成を示す断面図、図３はガスタービンのタービン部を示す概略構成図である。なお、図示の実施形態では、発電機を駆動して発電するガスタービンについて説明するが、これに限定されるものではない。

図示のガスタービン１０は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３とにより構成され、このタービン１３には発電機１４が連結されている。この圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８とが交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド１９が設けられている。
燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。
タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２とが交互に配設されている。

タービン１３のタービン車室２０には、排気室２３が連続して設けられており、この排気室２３は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２４を有している。また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室２３の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）２５が位置しており、圧縮機１１側の端部が軸受部２６により回転自在に支持される一方、排気室２３側の端部が軸受部２７により回転自在に支持されている。そして、このロータ２５に複数のディスクプレートが固定され、各動翼１８，２２が連結されるとともに、排気室２３側の端部に発電機１４の駆動軸が連結されている。

従って、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気は、複数の静翼１７と動翼１８を通過して圧縮することで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器１２において、この圧縮空気に対して供給された所定量の燃料が燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された高温・高圧の燃焼ガスは、タービン１３を構成する複数の静翼２１と動翼２２とを通過することでロータ２５を駆動回転し、このロータ２５に連結された発電機１４に回転動力を付与することで発電を行う一方、排気ガスは排気室２３の排気ディフューザ２４で静圧に変換されてから大気に放出される。

このように、圧縮機１１により圧縮された圧縮空気に燃焼器１２で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービン１３に供給することで回転駆動力を得るように構成されているガスタービン１０には、たとえば図１に示すように、停止中の圧縮機１１を介して、あるいは、圧縮機１１で圧縮した圧縮空気の一部を車室から抽気して昇圧する昇圧装置４０が設けられている。
図１において、ガスタービン１０の負荷を定格運転まで上げていく起動中、定格運転時及び停止するまで負荷を下げていく停止中には圧縮機１１により圧縮された圧縮空気が圧縮空気供給流路２８を通って燃焼器１２へ供給され、燃焼器１２で発生した燃焼ガスは、ケーシング内の排出流路２９を通ってタービン１３へ供給される。なお、図中の符号３０は燃料供給流路である。

この昇圧装置４０は、後述する温度調整媒体（加熱媒体または冷却媒体）として用いられる空気を昇圧するための昇圧手段であり、たとえば圧縮機やブロア等が用いられる。また、この昇圧装置４０は、専用の電動機４１を備えており、空気を導入して昇圧する圧縮機１１から独立した運転が可能である。なお、この昇圧装置４０については、たとえば定格運転時等に燃焼器冷却用の空気を圧縮して供給するもの（クローズド冷却に用いるブーストアップ用昇圧装置）と共用することが望ましい。
昇圧装置４０の吸込側は、車室内に形成される圧縮空気供給流路２８から分岐した分岐流路４２に接続され、吐出側は温度調整媒体供給流路４３に接続されている。この温度調整媒体供給流路４３は、タービン１３の静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路５０へ圧縮空気（昇圧温度調整媒体）を導く流路である。

タービン冷却媒体流路５０は、たとえば図３に示すように、タービン車室２０と、静翼２１と、翼環３１とを連通する流路であり、特に、動翼２２の先端部と対向する位置にあり、チップクリアランスに影響を及ぼす静止側部品の翼環３１に圧縮空気を流すことで、冷却や加熱による温度調整に使用される。翼環３１は、動翼２２の外周側を取り囲むようにしてタービン車室２０に取り付けられている部材である。

すなわち、このタービン冷却媒体流路５０は、ガスタービン１０の定格運転時等において、相対的に温度の低い圧縮空気を流すことにより、静翼２１を冷却した上で翼環３１を冷却する構造となる。また、このタービン冷却媒体流路５０は、ガスタービン１０の起動直前準備、起動中及び停止中において、相対的に温度の高い圧縮空気を流すことにより、静翼２１及び翼環３１を加熱して暖める構造となる。従って、このタービン冷却媒体流路５０は、ＡＣＣシステムにおいて静止系部品の冷却及び加熱に利用することができる。なお、図中の符号３１ａは、翼環３１の全周にわたって設けられた翼環内流路である。
タービン冷却媒体流路５０を通過した圧縮空気は、温度調整媒体戻し流路４４を通って圧縮空気供給流路２８へ合流した後、この圧縮空気供給流路２８を通って燃焼器１２へ流入する。

従って、昇圧装置４０は、ガスタービンの定格運転時に運転されることにより、タービン冷却媒体流路５０内に圧縮空気を流し、ＡＣＣシステムにおける静止系部品の冷却を行うことができる。
すなわち、ガスタービン１０の定格運転時に昇圧装置４０を運転すると、圧縮機１１の空気取入口１５から温度調整媒体の空気が吸い込まれ、圧縮機１１の内部、圧縮空気吸入流路２８及び分岐流路４２を通って昇圧装置４０に吸入される。この空気は、昇圧装置４０で昇圧されることにより、圧縮空気（昇圧温度調整媒体）となって温度調整媒体供給流路４３へ吐出される。

温度調整媒体供給流路４３へ吐出された圧縮空気は、タービン１３内のタービン冷却媒体流路５０を通過して流れる際に、翼環３１等の静止系部品（静止部）を冷却する。
特に、チップクリアランスに大きな影響を及ぼす翼環３１の翼環内流路３１ａを通って流れることにより、燃焼ガスの熱影響を受けて温度上昇する翼環３１を冷却し、動翼２２との間に形成されるチップクリアランスが最小となるように調整する。
こうして静止系部品を冷却した圧縮空気は、温度調整媒体戻し流路４４を通り、上述したタービン冷却媒体流路５０と直列に接続された燃焼器冷却流路６０に導かれる。

燃焼器冷却流路６０を流れる圧縮空気は、燃焼器１２内の必要箇所を冷却した後、再度温度調整媒体戻し流路４４を通り、圧縮空気供給流路２８へ導かれて合流する。この圧縮空気は、空気供給流路２８へ戻されることにより、燃焼器１２の燃焼用空気として使用される。このため、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気は、全量が燃焼器１２へ供給されることとなる。すなわち、圧縮空気主流から分岐した一部の圧縮空気については、静止系部品冷却及び燃焼器冷却の用途に用いられた後、圧縮空気供給流路２８に合流して戻されるため、最終的に燃焼器１２へ供給される空気量が減少するようなことはない。

このような構成とすれば、１台の昇圧装置４０を用いることにより、ガスタービン１３の冷却及びクリアランスコントロールに加え、燃焼器１２の冷却も行うことができる。従って、たとえば燃焼器１２の冷却用に圧縮機１１で圧縮された圧縮空気の一部を抽気し、この圧縮空気を昇圧した冷却媒体を燃焼器１２に供給する昇圧手段を備えているガスタービン１０においては、上述したＡＣＣシステム用の昇圧装置４０と共用することが可能になる。すなわち、上述したＡＣＣシステム用として、新たな昇圧装置４０を設ける必要がない。なお、圧縮空気の温度及び冷却能力については、昇圧装置４０の運転制御により圧縮空気の圧力や流量を調整することで調整可能となる。

また、図４に示す変形例では、燃焼器冷却流路６０がタービン冷却媒体流路５０と並列に設けられている。すなわち、燃焼器冷却流路６０は、温度調整媒体流路４３から分岐した温度調整媒体分岐流路６１に設けられており、燃焼器１２を冷却した後の圧縮空気が温度調整媒体戻し流路４４に合流している。
このように、本実施形態のガスタービン１０は、タービン冷却媒体流路５０と直列または並列に接続される燃焼器冷却流路６０を備え、タービン１３の静止系部品を冷却する圧縮空気が、冷却後または冷却前に分流して燃焼器冷却流路６０を通過するので、燃焼器１２内の必要箇所を冷却して圧縮空気供給流路２８へ合流するようになっている。
また、図１及び図４に示した実施形態及び変形例では、昇圧装置４０及びその流路を燃焼器１２の冷却と共用しているが、後述する実施形態のように、タービン１３のＡＣＣシステム専用としてもよい。

上述したＡＣＣシステムのチップクリアランス制御においては、圧縮機１１で圧縮した圧縮空気の主流について、ガスパス側に流すことなく回収して全空気量を燃焼器１２へ供給するので、サイクル効率の減少が少ないことに加えて、燃焼用の空気を多く確保できるため低ＮＯｘ化が可能となる。
また、上述した昇圧装置４０は、専用の電動機４１により単独運転が可能であるから、ガスタービン１０の起動直前準備及び起動時には、ガスタービン１０を単体で独立して起動することが可能になるたけでなく、始動にかかる時間も短くなる。すなわち、ガスタービン１０を起動する際には、ガスタービン本体から独立して昇圧装置４０を運転することで、翼環３１に昇圧及び昇温した圧縮空気を流すことにより、翼環３１を暖めて速やかにクリアランスコントロールを行うこともできる。

＜第２の実施形態＞
続いて、本実施形態に係るガスタービンを図５から図７に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態のガスタービン１０では、昇圧温度調整媒体の温度を調整可能とする温度制御手段が設けられている。図５に示すガスタービン１０は、温度制御手段として、温度調整媒体供給流路４３に冷却剤を添加する冷却剤供給流路７０を備えている。この場合の冷却剤は気体または液体のいずれでもよく、たとえば圧縮空気にミスト状の水を添加して冷却すればよい。

この結果、昇圧装置４０の昇圧により温度上昇した圧縮空気は、冷却剤の添加を受けることで温度が低下し、冷却対象となる静止系部品との相対的な温度差を増す。従って、圧縮空気は、大きな温度差により静止系部品を効率よく冷却できるようになるので、冷却効率はより一層向上することとなる。
なお、冷却剤として水を添加することにより、ガスタービン１０のサイクル効率は低下するものの、出力の増加及び低ＮＯｘ化が可能となる。

また、図６に示す第１変形例では、温度調整媒体供給流路４３に温度制御手段の熱交換器８０が設けられている。この熱交換器８０は、冷却媒体流路８１を流れる冷却媒体と、温度調整媒体流路４３を流れる圧縮空気との熱交換により、圧縮空気の温度を低下させるものである。なお、ここで利用可能な冷却媒体としては、車室空気、燃料、蒸気タービンの給水及び蒸気タービンの蒸気等がある。

また、図７に示す第２変形例では、上述した熱交換器８０が分岐流路４２に設けられており、昇圧装置４０に昇圧される前の空気温度を低下させている。なお、この場合の冷却媒体についても、車室空気、燃料、蒸気タービンの給水及び蒸気タービンの蒸気等が利用可能である。
このように、熱交換器８０設けることにより、昇圧装置４０により昇圧される前の空気温度、または昇圧された後の圧縮空気温度を冷却媒体との熱交換により低下させることができるので、定格運転時に静止系部品を冷却する圧縮空気温度が低くなって効率のよい冷却が可能となる。

＜第３の実施形態＞
続いて、本実施形態に係るガスタービンを図８及び図９に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態のガスタービン１０には、温度調整媒体供給流路４３から分岐して圧縮機１１内の圧縮機冷却媒体流路５１に接続される冷却媒体分岐供給流路４７と、圧縮機冷却媒体流路５１を通過した圧縮空気を圧縮空気供給流路２８へ導いて合流させる冷却媒体分岐戻し流路４８とが設けられている。

図９は、圧縮機車室１６内に設けられている圧縮機冷却媒体流路５１の概要を示す図である。この圧縮機冷却媒体通路５１は、通常の運転時には冷却媒体を流して圧縮機１１の静止系部品を冷却する流路であり、圧縮機１１の動翼１８と静止部側となる圧縮機車室１６との間に形成されるチップクリアランスを制御する。
この実施形態では、ガスタービン起動時に上述した圧縮機冷却媒体流路５１を利用し、圧縮機１１側のクリアランス制御を行うことができる。従って、ガスタービン１０の静止系部品とともに、圧縮機１１側の静止部も昇温させることができるので、タービン１３及び圧縮機１１のクリアランス制御が可能になる。

このように、上述した実施形態のガスタービン１０においては、定格運転時において、以下に説明する定格時運転方法が採用される。
すなわち、ガスタービン１０の定格運転方法として、圧縮機１１の圧縮空気供給流路２８から分岐する分岐流路４２に接続され、圧縮機１１から独立して運転可能な昇圧装置４０が空気を導入して昇圧する過程と、昇圧装置で昇圧された圧縮空気がタービン１３の静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路５０に供給され、タービン冷却媒体流路５０内を通過する圧縮空気により静止系部品を冷却する過程と、圧縮空気をタービン冷媒媒体流路５０から圧縮空気供給流路２８へ導いて合流させる過程と備えている。

従って、ガスタービンの定格運転時には、タービン１３の静止系部品と圧縮空気との温度差により効率よく冷却することができ、チップクリアランスを最小の状態にして運転することが可能となる。この場合の圧縮空気は、上述した冷却剤の投入や熱交換器８０の設置等により、温度を低下させた状態にして冷却効率を増すことが望ましい。

このように、上述した本発明のガスタービン及びその定格時運転方法によれば、ガスタービンの定格運転時になされるＡＣＣシステムにおいて、圧縮空気によりタービン静止系部品を冷却する冷却効率が向上するので、圧縮空気の使用量を最小限に抑え、静止部と回転部との間のクリアランスを最小に維持するＡＣＣコントロールを確実に行うことができる。この場合、昇圧装置４０等をクローズド冷却に用いたブーストアップ用のものと共用して有効利用すれば、付帯設備の付加を最小限に抑えて、すなわち、新たに設備を付加することなくＡＣＣシステムのコントロールを実施して安定したガスタービンの定格運転を継続することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば圧縮機とタービンとの接続形態等について、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２０ タービン車室
２１ 静翼
２２ 動翼
２８ 圧縮空気供給流路
２９ 排出流路
３１ 翼環
４０ 昇圧装置
４２ 分岐流路
４３ 温度調整媒体供給流路
４４ 温度調整媒体戻し流路
４７ 冷却媒体分岐供給流路
４８ 冷却媒体分岐戻し流路
５０ タービン冷却媒体流路
５１ 圧縮機冷却媒体流路
６０ 燃焼器冷却流路
７０ 冷却剤供給流路
８０ 熱交換器

Claims (10)

1. 圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンにおいて、
   前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する前記圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、前記タービン冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、
   ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、前記タービンの動翼先端部と対向するチップクリアランスに影響を及ぼす位置にある翼環内に前記タービン冷却媒体流路内を介し、相対的に温度の低い前記昇圧温度調整媒体を流して冷却し、ガスタービンの起動直前準備、起動中及び停止中には、相対的に温度の高い前記昇圧温度調整媒体を流して加熱することを特徴とするガスタービン。
2. アクティブクリアランスコントロールシステム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. 前記昇圧手段で昇圧された前記昇圧温度調整媒体が、前記タービン冷却媒体流路と直列または並列に接続されて前記燃焼器内の冷却を行った後に前記吐出側流路へ導かれて合流することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. 前記昇圧温度調整媒体の温度を調整可能とする温度制御手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン。
5. 前記温度制御手段が、前記温度調整媒体供給流路に冷却剤を添加する冷却剤供給流路であることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
6. 前記温度制御手段が、前記分岐流路または前記温度調整媒体供給流路に設けられ、前記温度調整媒体または前記昇圧温度調整媒体の温度を低下させる熱交換器であることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
7. 前記温度調整媒体供給流路から分岐して前記圧縮機内の圧縮機冷却媒体流路に接続される冷却媒体分岐供給流路と、前記圧縮機冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる冷却媒体分岐戻し流路とを設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガスタービン。
8. 圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンにおいて、
   前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する前記圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、前記タービン冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、
   ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、前記タービン冷却媒体流路内を介して前記タービンの翼環内に相対的に温度の低い前記昇圧温度調整媒体を流して冷却するとともに、
   ガスタービンの起動直前準備、起動中及び停止中には、相対的に温度の高い前記昇圧温度調整媒体を流して加熱することを特徴とするガスタービン。
9. 圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンにおいて、
   前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、温度調整媒体を導入して昇圧する前記圧縮機から独立した運転が可能な昇圧手段と、該昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体を前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路へ導く温度調整媒体供給流路と、前記タービン冷却媒体流路を通過した前記昇圧温度調整媒体を前記吐出側流路へ導いて合流させる温度調整媒体戻し流路とを備え、
   ガスタービン定格運転時に前記昇圧手段を運転し、前記タービン冷却媒体流路内を介して前記タービンの翼環内に前記昇圧温度調整媒体を流して冷却するとともに、
   前記昇圧温度調整媒体の温度を調整可能とする温度制御手段を備え、前記温度制御手段が、前記温度調整媒体供給流路に冷却剤を添加する冷却剤供給流路であることを特徴とするガスタービン。
10. 圧縮機で圧縮された圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るように構成されているガスタービンの定格時運転方法であって、
    ガスタービンの定格運転時に、
    前記圧縮機の吐出側流路から分岐する分岐流路に接続され、前記圧縮機から独立して運転可能な昇圧手段が温度調整媒体を導入して昇圧する過程と、
    前記昇圧手段で昇圧された昇圧温度調整媒体が前記タービンの静止系部品内に設けられているタービン冷却媒体流路に供給され、該タービン冷却媒体流路内を通過する前記昇圧温度調整媒体により動翼先端部と対向するチップクリアランスに影響を及ぼす位置にある翼環を冷却する過程と、
    前記昇圧温度調整媒体を前記タービン冷却媒体流路から前記吐出側流路へ導いて合流させる過程と、を備え、
    ガスタービン定格運転時には、相対的に温度の低い前記昇圧温度調整媒体を流して冷却し、ガスタービンの起動直前準備、起動中及び停止中には、相対的に温度の高い前記昇圧温度調整媒体を流して加熱することを特徴とするガスタービンの定格時運転方法。

Images