JP5951386B2 - Turbine and turbine cooling method - Google Patents
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本発明の実施形態は、タービンおよびタービン冷却方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a turbine and a turbine cooling method.
例えば高温の燃焼ガスが通路部を流れるガスタービンの静止部においては、冷却空気等を通すノズルを備えた静翼(以下、「タービンノズル」と称す)がケーシングに取り付けられるほか、ケーシングを高温の燃焼ガスから保護すること、および対向する動翼先端とのクリアランスを最適に保ち、動翼先端からの作動流体のリークを最小限にすることを目的に、シュラウドセグメントがケーシングに取り付けられている。タービンノズルおよびシュラウドセグメントは、それぞれ、冷却空気等により、温度が材料の許容温度以下になるように冷却される。 For example, in a stationary part of a gas turbine in which high-temperature combustion gas flows through a passage part, a stationary blade (hereinafter referred to as a “turbine nozzle”) having a nozzle through which cooling air or the like passes is attached to the casing. A shroud segment is attached to the casing for the purpose of protecting against combustion gases and maintaining optimum clearance with the opposing blade tips and minimizing leakage of working fluid from the blade tips. The turbine nozzle and the shroud segment are each cooled by cooling air or the like so that the temperature is equal to or lower than the allowable temperature of the material.
上記シュラウドセグメントの取付けに際しては、ケーシングにシュラウドセグメントを保持するためのフック部等や、シュラウドセグメントにタービンノズルを保持するためのフック部等を形成する必要があり、その構成のために大きなスペースを必要とする。また、タービンノズルおよびシュラウドセグメントを冷却する場合、それぞれの冷却通路を形成する必要があり、冷却通路の引き回しが複雑になる。さらには、冷却空気等の流量が多くなったり、タービンノズルとシュラウドセグメントが嵌め合うフック部から冷却空気等がリークしたりすることがあるため、冷却効率が良いとは言えない。 When mounting the shroud segment, it is necessary to form a hook portion for holding the shroud segment in the casing, a hook portion for holding the turbine nozzle in the shroud segment, etc., and a large space is required for the configuration. I need. Moreover, when cooling a turbine nozzle and a shroud segment, it is necessary to form each cooling passage, and the routing of a cooling passage becomes complicated. Furthermore, since the flow rate of cooling air or the like increases or cooling air or the like leaks from a hook portion where the turbine nozzle and the shroud segment are fitted, it cannot be said that the cooling efficiency is good.
発明が解決しようとする課題は、効率よく運転することが可能なタービンおよびタービン冷却方法を提供することにある。 The problem to be solved by the invention is to provide a turbine and a turbine cooling method capable of operating efficiently.
実施形態のタービンは、熱交換器および燃焼器を通じて得られるCO 2 を作動流体とする一方で、前記熱交換機内の流路の途中から得られるCO2を冷却流体とするタービンにおいて、前記タービンの静止部を構成するケーシングと、前記ケーシングに取り付けられる静翼とを具備し、前記静翼は、前記冷却流体としてのCO 2 が前記ケーシング側から当該静翼の内輪側へ向かって流れ、前記内輪で折り返し、前記ケーシング側へ向かって流れる第1の冷却通路を有するとともに、前記内輪で折り返して前記ケーシング側へ向かって流れたCO 2 が引き続き流れる第2の冷却通路を備え且つシュラウドセグメントの機能を備える延長部を有する。 In the turbine according to the embodiment, the working fluid is CO 2 obtained through a heat exchanger and a combustor, and the cooling fluid is CO 2 obtained from the middle of the flow path in the heat exchanger . A casing that constitutes a stationary part; and a stationary blade that is attached to the casing, wherein the stationary blade has CO 2 as the cooling fluid flowing from the casing side toward the inner ring side of the stationary blade, and the inner ring And a second cooling passage that has a first cooling passage that flows toward the casing side and that continues to flow CO 2 that has turned back at the inner ring and flows toward the casing side, and has a function of a shroud segment. Having an extension .
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
近年、タービンの作動流体や冷却流体としてCO2を使用し、発電とCO2の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムの実現が検討されている。 In recent years, realization of a thermal power generation system with high environmental harmony that can use CO 2 as a working fluid and a cooling fluid of a turbine and can simultaneously generate power and separate and collect CO 2 has been studied.
例えば超臨界圧のCO2を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、CO2を有効活用することで、NOxを排出しないゼロエミッションのシステムを実現することが可能となる。 For example constitute a circulation system for oxyfuel combustion with CO 2 supercritical pressure, by effectively utilizing the CO 2, it is possible to realize a zero emission system which does not emit NO x.
このような火力発電システムでは、例えば、天然ガス(メタン等)および酸素を燃焼器に導入して燃焼させ、これにより発生する高温CO2を作動流体としてタービンを回転させて発電を行い、タービンから排出されるガス(CO2および水蒸気)を、熱交換器により冷却し、水分を分離した後、CO2を高圧ポンプで圧縮し、高圧CO2を得て、その大部分を熱交換器により加熱して燃焼器へ循環させる一方で、残りの高圧CO2を回収して他の用途に使用する。 In such a thermal power generation system, for example, natural gas (methane or the like) and oxygen are introduced into a combustor and burned, and power is generated by rotating a turbine using high-temperature CO 2 generated thereby as a working fluid. The exhausted gas (CO 2 and water vapor) is cooled by a heat exchanger, and after moisture is separated, CO 2 is compressed by a high pressure pump to obtain high pressure CO 2 , most of which is heated by a heat exchanger. The remaining high pressure CO 2 is recovered and used for other applications while being circulated to the combustor.
図1は、一実施形態に係る火力発電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a schematic configuration of a thermal power generation system according to an embodiment.
図1に示される火力発電システムは、タービンの作動流体としてCO2を使用し、発電とCO2の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムである。この火力発電システムでは、超臨界圧のCO2を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、CO2を有効活用することで、NOxを排出しないゼロエミッションのシステムを実現する。 The thermal power generation system shown in FIG. 1 is an environmentally friendly thermal power generation system that uses CO 2 as a working fluid of a turbine and can simultaneously generate power and separate and collect CO 2 . In this thermal power generation system, a oxyfuel combustion circulation system using supercritical pressure CO 2 is configured, and a zero emission system that does not emit NO x is realized by effectively using CO 2 .
図1に示される火力発電システムは、主な構成要素として、燃焼器1、タービン2、発電機3、熱交換器4、冷却器5、湿分分離器6、および高圧ポンプ7を有する。なお、燃焼器1はタービン2と一体化されていてもよい。
The thermal power generation system shown in FIG. 1 has a
燃焼器1は、タービン2の排ガスからリサイクルして得られる高圧CO2を導入するとともに、燃料のメタンおよび酸素を導入して燃焼し、高温(例えば約1150℃)のCO2を発生する。
The
タービン2は、燃焼器1から発生する高温のCO2をタービン内部に作動流体として導入し、膨張仕事をさせ、動翼を通じてロータを回転させる一方で、熱交換器4内の流路の途中から低温(例えば約400℃)のCO2をタービン内部に冷却・シール流体として導入し、動翼やその周辺部(内部ケーシング等)の冷却や作動流体の外部への漏洩を防ぐシール処理を行わせ、膨張仕事および冷却・シール処理をそれぞれ終えたガス(CO2および水蒸気)を排出する。
The turbine 2 introduces high-temperature CO 2 generated from the
発電機3は、タービン2と同軸上に配置され、タービン2の回転に応じて発電する。 The generator 3 is arranged coaxially with the turbine 2 and generates power according to the rotation of the turbine 2.
熱交換器4は、熱交換により、タービン2から排出されるガス(CO2および水蒸気)から熱を奪うとともに、タービン2に再び導入されるCO2に対して熱を与える。この場合、熱交換器4は、例えば約700℃のCO2を燃焼器1に供給するとともに、熱交換器4内の流路の途中から得られる例えば約400℃のCO2をタービン2に供給する。
The heat exchanger 4 takes heat from the gases (CO 2 and water vapor) exhausted from the turbine 2 by heat exchange, and gives heat to the CO 2 introduced again into the turbine 2. In this case, the heat exchanger 4 supplies, for example, about 700 ° C. CO 2 to the
冷却器5は、熱交換器4により熱を奪われたガスをさらに冷却する。
The
湿分分離器6は、冷却器5により冷却されたガスから水分を分離し、水分が取り除かれたCO2を出力する。
The
高圧ポンプ7は、湿分分離器6により水分が取り除かれたCO2を圧縮し、高圧のCO2を出力し、その大部分をタービン再導入のために熱交換器4に供給する一方で、残りの高圧CO2を他の設備へ供給する。
The high-pressure pump 7 compresses the CO 2 from which moisture has been removed by the
このような構成において、燃焼器1に、タービン2の排ガスからリサイクルして得られる高圧CO2が導入され、燃料のメタンおよび酸素が導入されて燃焼すると、高温CO2が発生する。燃焼器1から発生した高温CO2は、タービン2の上流段側上方より作動流体として導入される一方で、熱交換器4内の流路の途中から供給される低温CO2が、タービン2の上流段側下方より冷却流体・シール流体として導入される。高温CO2は、タービン2内で膨張仕事をし、動翼を通じてタービンを回転させる一方で、低温CO2は動翼やその周辺部(内部ケーシング等)の冷却やシール処理を行う。タービン2のロータが回転すると、発電機3が発電する。
In such a configuration, when high-pressure CO 2 obtained by recycling from the exhaust gas of the turbine 2 is introduced into the
膨張仕事および冷却・シール処理を終えたガス(CO2および水蒸気)は、タービン2から排出され、熱交換器4により熱を奪われた後、冷却器5によりさらに冷却され、湿分分離器6により水分を分離された後、水分の取り除かれたCO2が取り出される。湿分分離器6により水分が取り除かれたCO2は、高圧ポンプ7により圧縮され、高圧CO2として出力され、その大部分がタービン再導入のために熱交換器4に供給される一方で、残りの高圧CO2が他の設備へ供給される。熱交換器4に供給された高圧CO2は、熱交換器4により熱が与えられ、燃焼器1に供給されるとともに、この高圧CO2よりも温度の低い高圧CO2がタービン2に供給される。
The gas (CO 2 and water vapor) that has finished the expansion work and cooling / sealing process is discharged from the turbine 2, deprived of heat by the heat exchanger 4, further cooled by the
このように構成することにより、CO2を分離・回収する設備(CCS)を別途設けることなく、高純度の高圧CO2を回収することができる。また、回収される高圧CO2は、貯留することができるほか、石油採掘現場で用いられているEOR(Enhanced Oil Recovery)にも適用できる等、有効に活用することができる。 With such a configuration, without providing facilities to separate and recover the CO 2 a (CCS) separately, can be recovered high pressure CO 2 of high purity. Further, the recovered high-pressure CO 2 can be stored and used effectively such as being applicable to EOR (Enhanced Oil Recovery) used in oil mining sites.
図2は、図1の火力発電システムに含まれるタービン2の静止部に適用される冷却機構の一部の構成例を示す断面図である。なお、図2中の破線で示される矢印は、冷却流体(低温CO2)の流れを表している。
本実施形態におけるタービン2は、図2に示されるように、高温CO2を作動流体とし、低温CO2を冷却流体とする単流式のタービンであり、主な構成要素として、軸受(ジャーナル・スラスト軸受等)により車軸が支持されるロータ(回転体)11、およびロータ11を囲むケーシング(静止部)12を有する。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a part of a cooling mechanism applied to a stationary part of the turbine 2 included in the thermal power generation system of FIG. In addition, the arrow shown with the broken line in FIG. 2 represents the flow of the cooling fluid (low-temperature CO 2 ).
As shown in FIG. 2, the turbine 2 in this embodiment is a single-flow turbine that uses high-temperature CO 2 as a working fluid and low-temperature CO 2 as a cooling fluid. A rotor (rotating body) 11 on which the axle is supported by a thrust bearing, and a casing (stationary portion) 12 surrounding the
ロータ11は、軸方向に沿った複数段の動翼14を備えている。ケーシング12は、ロータ11の静止部を構成し、ロータ11側の複数段の動翼14の位置に応じて配置された複数段の静翼15を備え、この静翼15には、ロータ11と対向するように、静翼ダイヤフラム(内輪)15aが設けられ、静翼ダイヤフラム(内輪)15aにおけるロータ11を向いた端部はロータ11の表面に近接している。また、静翼15は、ケーシング12に取り付けられた静翼アウターウォール15bを有する。
The
さらに、静翼15は、内部に冷却流体が流れる冷却通路を有し且つシュラウドセグメントの機能を備えた静翼アウターウォール延長部15cを有する。静翼アウターウォール延長部15cは、ロータ11の軸方向に沿って、ケーシング12を高温の作動流体(高温CO2)の熱から保護するとともに該作動流体が通る部分のクリアランスの調整を行うシュラウドセグメントの機能を有している。
Further, the
この静翼アウターウォール延長部15cは、静翼アウターウォール15bをロータ軸方向に延長させた構造を有する。この静翼アウターウォール15bと静翼アウターウォール延長部15cとは、一つの部材で一体として形成されている。静翼アウターウォール延長部15cにおける動翼14の端部を向いた表面は、動翼14の端部表面に近接している。
The stationary blade
タービン2内に導入された冷却用の流体(低温CO2)は、ケーシング12内に加工された冷却通路12aを介して、静翼15の内部の冷却通路に流入し、この流体が静翼ダイヤフラム(内輪)15aを流れた後、少なくともその一部が静翼アウターウォール延長部15cの内部の冷却通路に流入して流れるようになっている。静翼アウターウォール延長部15cを冷却した後の流体は、ガス通路部へ流入し、作動流体と共にタービン2から排出,回収される。
The cooling fluid (low-temperature CO 2 ) introduced into the turbine 2 flows into the cooling passage inside the
なお、静翼アウターウォール延長部15cにおける、動翼14の先端部と対向する部分には、動翼14の先端部におけるリークを低減するために、凹凸形状(ラビリンス形状)を形成したり、ハニカムシールを接合したり、あるいは耐摩耗性または摩耗性コーティングを施工するようにしてもよい。また、温度低減のため遮熱コーティングを施工するようにしてもよい。
In the portion of the stationary blade
このように構成することにより、各部材の取り付けのためのスペースを最小限にすることができ、ケーシングサイズを小さくすることが可能となる。また、部品点数を減らすことができ、製造コストを削減することも可能となる。さらに、静翼15のノズルから静翼アウターウォール延長部15cへの冷却通路の形成が容易となり、冷却流量を最小限とすることができる。特に、冷却流体として使用しているCO2は、空気などのガスに比べ、熱伝導性が高く、熱を奪いやすい特性があることから、その冷却効果は大きい。また、静翼アウターウォール15bと静翼アウターウォール延長部15cとの間にはフック部等の勘合部が無いため、当該部からの冷却流体のリークを無くすことができる。
By comprising in this way, the space for attachment of each member can be minimized, and it becomes possible to make a casing size small. In addition, the number of parts can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, it becomes easy to form a cooling passage from the nozzle of the
以上詳述したように、実施形態によれば、タービンを効率よく運転することが可能となる。 As described above in detail, according to the embodiment, the turbine can be operated efficiently.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…燃焼器、2…タービン、3…発電機、4…熱交換器、5…冷却器、6…湿分分離器、7…高圧ポンプ、11…ロータ、12…ケーシング、12a…冷却通路、14…動翼、15…静翼、15a…静翼ダイヤフラム(内輪)、15b…静翼アウターウォール、15c…静翼アウターウォール延長部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記タービンの静止部を構成するケーシングと、
前記ケーシングに取り付けられる静翼と
を具備し、
前記静翼は、前記冷却流体としてのCO 2 が前記ケーシング側から当該静翼の内輪側へ向かって流れ、前記内輪で折り返し、前記ケーシング側へ向かって流れる第1の冷却通路を有するとともに、前記内輪で折り返して前記ケーシング側へ向かって流れたCO 2 が引き続き流れる第2の冷却通路を備え且つシュラウドセグメントの機能を備える延長部を有することを特徴とするタービン。 In a turbine that uses CO 2 obtained through a heat exchanger and a combustor as a working fluid, while using CO 2 obtained from the middle of the flow path in the heat exchanger as a cooling fluid,
A casing constituting a stationary part of the turbine;
Comprising a stationary blade attached to the casing,
The stationary blade has a first cooling passage through which CO 2 as the cooling fluid flows from the casing side toward the inner ring side of the stationary blade, turns back at the inner ring, and flows toward the casing side, and A turbine comprising a second cooling passage having a function of a shroud segment and having a second cooling passage through which CO 2 which is turned back at the inner ring and flows toward the casing continues .
前記延長部は、前記アウターウォールをロータ軸方向に延長させた構造を有することを特徴とする請求項1に記載のタービン。 The stationary blade has an outer wall attached to the casing,
The turbine according to claim 1, wherein the extension portion has a structure in which the outer wall is extended in the rotor axial direction.
前記静翼に、前記冷却流体としてのCO 2 が前記ケーシング側から当該静翼の内輪側へ向かって流れ、前記内輪で折り返し、前記ケーシング側へ向かって流れる第1の冷却通路を形成するとともに、前記内輪で折り返して前記ケーシング側へ向かって流れたCO 2 が引き続き流れる第2の冷却通路を備え且つシュラウドセグメントの機能を備える延長部を形成する
ことを特徴とするタービン冷却方法。 The CO 2 obtained through the heat exchanger and the combustor is used as a working fluid, while the CO 2 obtained from the middle of the flow path in the heat exchanger is used as a cooling fluid, and a casing constituting a stationary part is attached to the casing. A turbine cooling method applied to a turbine comprising a stationary vane,
In the stationary blade, CO 2 as the cooling fluid flows from the casing side toward the inner ring side of the stationary blade, turns back at the inner ring, and forms a first cooling passage that flows toward the casing side, A turbine cooling method, comprising: a second cooling passage that has a second cooling passage through which CO 2 that has been turned back at the inner ring and flows toward the casing continues and has a function of a shroud segment .
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