JP6601948B2

JP6601948B2 - ガスタービン

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Publication number: JP6601948B2
Application number: JP2015172711A
Authority: JP
Inventors: 高善飯島; 真也橋本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: DE112016003989B4; JP2017048725A; CN107849942A; CN107849942B; KR102064150B1; US11085324B2; WO2017038371A1; KR20180022914A; DE112016003989T5; US20180223686A1

Description

本発明は、ガスタービンに関する。

ガスタービンは、一般的に、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより回転するロータを有するタービンと、タービンの下流側に設けられた排気室とを備えている。このタービンのロータを回転させた燃焼ガスは、排ガスとして排気室を通って大気に放出される。

このようなガスタービンでは、高効率化に伴って、タービンに供給される燃焼ガス温度が非常に高温になってきている。このため、タービンの構成部品の多くが冷却対象になっており、上記排気室を形成する部品やこの排気室周りの部品も冷却対象になっている。

ガスタービンにおける排気室周りの冷却構造は、例えば、以下の特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のガスタービンでは、タービンの下流側の排気室に排気ディフューザが形成されている。排気ディフューザは、車室壁及びベアリングケースとの間に設けられた外側ディフューザと内側ディフューザとを有している。この排気室には、車室壁とベアリングケーストとを連結するストラットと、ストラットを覆うストラットカバーとが配置されている。このガスタービンでは、車室壁の外部から大気圧の外気を導入して、ストラットとストラットカバーとの間の空間に流通させることでストラット及びストラットカバーを冷却している。

特開２０１３−１７４１３４号公報

ところで、このようなガスタービンは、日中や夜間の電力需要の変動に対応するために、運転状態をターンダウン運転に切り替える場合がある。ターンダウン運転では、タービンを通過する燃焼ガスの流量を減少させて定格運転時に比べて低い出力でガスタービンが運転される。ターンダウン運転時のガスタービンでは、排出されるＣＯの排出量を抑えるために、出力を低下させた場合であっても燃焼温度を高く維持する必要がある。

しかしながら、タービンを通過する燃焼ガスの流量を減少させた状態では、タービンの膨張比は小さくなることから、燃焼温度を高く維持することで、定格運転時と比べて排ガスの温度が上昇してしまう。その結果、排ガスに曝されるストラットカバーのような構造体のメタル温度が上昇してしまう。そのため、ターンダウン運転のようにガスタービン出力を定格運転時よりも下げてガスタービンの運転を行う場合には、構造体を冷却するための空気等の冷却媒体の供給量を定格運転時よりも増やす必要がある。ところが、ターンダウン運転時に合わせて、冷却媒体の供給量を増やしてしまうと、定格運転時に過冷却状態となり、ガスタービンの効率が低下してしまう。そのため、定格運転時に影響を与えることなく、一時的に排ガス中の構造体への冷却効果を向上することが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、定格運転時に影響を与えることなく、一時的に排ガス中の構造体への冷却効果を向上することが可能なガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様におけるガスタービンは、タービンからの排ガスを流通させる排気流路が形成された排気ディフューザと、前記排気ディフューザにおける前記排気流路に面する構造体を冷却する冷却装置とを備え、前記冷却装置は、冷却媒体を流通させる案内流路が内部に形成され、前記構造体まで前記冷却媒体を案内する案内部と、前記案内流路を流通する前記冷却媒体の流量を定格運転時に対応する第一流量とする第一状態と、前記第一流量よりも多い第二流量とする第二状態とに切替可能な切替部と、を有し、前記切替部は、前記第一状態で前記案内流路の流路面積を狭め、前記第二状態で前記流路面積を広げるように可動する弁体を有する弁部と、前記弁体が前記案内流路を閉塞した状態で、前記第一流量を前記構造体へ供給する供給部とを有し、前記案内部は、前記冷却媒体として、前記排気ディフューザの外部の外気を受け入れる開口部を有し、前記供給部は、前記弁体よりも前記構造体側で、前記排気ディフューザの外部と前記案内流路とを連通するように前記案内部に形成される連通孔である。

このような構成によれば、第一状態から第二状態に切り替えることで、第一流量よりも多い第二流路を構造体に供給することができる。したがって、第一状態から第二状態に切替部を切り替えて、定格運転時よりも多くの冷却媒体を構造体に供給することができる。これにより、排ガスに曝される構造体への冷却効果を定格運転時に比べて、一時的に向上させることができる。また、定格運転時の第一状態から第二状態となるように、切替部を切り替えることができ、一時的に必要な第二流量の冷却媒体が定格運転時にも流れてしまうことを防止できる。したがって、定格運転時に過冷却状態となり、ガスタービンの効率が低下してしまうことを抑制することができる。
また、替部が弁体を有していることで、冷却媒体の流通する案内流路の流路面積を容易に変化させることができる。したがって、案内流路を流通する冷却空気の流量を簡易な構成で切り替えることができる。また、弁体が案内流路を閉塞した状態で、供給部から第一流量を供給することで、定格運転時に高い精度で第一流量を構造体へ供給することができる。したがって、定格運転時に、必要な冷却媒体を安定して確保することできる。
また、案内部に供給部に形成されることで、弁体によらずに第一流量を供給可能な構造を形成することができる。

また、本発明の第二の態様におけるガスタービンでは、タービンからの排ガスを流通させる排気流路が形成された排気ディフューザと、前記排気ディフューザにおける前記排気流路に面する構造体を冷却する冷却装置とを備え、前記冷却装置は、冷却媒体を流通させる案内流路が内部に形成され、前記構造体まで前記冷却媒体を案内する案内部と、前記案内流路を流通する前記冷却媒体の流量を定格運転時に対応する第一流量とする第一状態と、前記第一流量よりも多い第二流量とする第二状態とに切替可能な切替部と、を有し、前記切替部は、前記第一状態で前記案内流路の流路面積を狭め、前記第二状態で前記流路面積を広げるように可動する弁体を有する弁部と、前記第一状態で前記案内流路と前記弁体との間に隙間を形成するストッパ部とを有していてもよい。

このような構成によれば、ストッパ部がストラットカバー案内部と弁体との間に隙間を形成することで、第一流量の冷却媒体を弁体の下流側に高い精度で供給することができる。

また、本発明の第三の態様におけるガスタービンでは、第一又は第二の態様において、前記弁部は、前記弁体を可動させる駆動部を有し、前記駆動部が制御不能となった場合に、前記案内流路を流通する前記冷却媒体の流量を前記第二流量とするフェイルセーフ部を備えていてもよい。

このような構成によれば、切替部が第一状態から第二状態に切替不能となった場合に、強制的に案内流路を流通する冷却媒体の流量を第二流量とすることができる。そのため、定格運転時よりも構造体を冷却する必要がある場合に、冷却媒体の流量が不足して構造体を十分冷却できなくなってしまうことを防止できる。したがって、定格運転時よりも構造体を冷却する必要がある場合に、構造体の温度が上昇し過ぎて損傷してしまうことを防止することができる。

また、本発明の第四の態様におけるガスタービンは、第一から第三のいずれか一つの態様において、前記排気ディフューザは、前記排気流路の一部を形成する筒状の外側ディフューザと、前記外側ディフューザの内側に設けられて、前記外側ディフューザとともに前記排気流路を画成する内側ディフューザと、前記外側ディフューザと前記内側ディフューザとを連結するストラットカバーとを備え、前記案内部は、前記構造体として前記ストラットカバーに前記冷却媒体を案内するストラットカバー案内部と、前記構造体として前記外側ディフューザに前記冷却媒体を案内する外側ディフューザ案内部と、を有していてもよい。

このような構成によれば、冷却媒体を利用して、ストラットカバーと外側ディフューザと複数の構造体を同時冷却することができる。したがって、冷却媒体を効率的に利用することができる。

また、本発明の第五の態様におけるガスタービンは、第四の態様において、前記案内部は、前記ストラットカバー案内部及び前記外側ディフューザ案内部の少なくとも一方に案内する前記冷却媒体の流量を調整する流量調整部を有していてもよい。

このような構成によれば、ストラットカバー案内部及び外側ディフューザ案内部を流通する冷却媒体の流量を流量調整部で調整することができる。そのため、一括して取り入れた冷却媒体を細かな制御を行うことなく、異なる流量に分配してストラットカバー案内部及び外側ディフューザ案内部のそれぞれに流通させることができる。したがって、冷却媒体をより効率的に利用して、ストラットカバーと外側ディフューザとを効果的に冷却することができる。

また、本発明の第六の態様におけるガスタービンは、第一から第五のいずれか一つの態
様において、前記切替部は、ガスタービン出力又は前記ガスタービン出力に相関する値で
ある相関値に基づいて、前記第一状態と前記第二状態とを切り替えてもよい。

このような構成によれば、定格運転から運転状態が切り替わったことに高い精度で対応させて、第一状態と第二状態とを切り替えることができる。したがって、定格運転時以外に誤って切替部が第一状態となってしまうことを防ぐことができる。これにより、定格運転時以外に、冷却媒体の流量が不足して構造体を十分冷却できなくなってしまうことを防止できる。したがって、定格運転時以外に、構造体の温度が上昇し過ぎて損傷してしまうことを防止することができる。

本発明によれば、構造体に供給される冷却媒体の流量を切替部が第一流量と、第一流量よりも多い第二流量とに切替可能とされていることで、定格運転時に影響を与えることなく、一時的に排ガス中の構造体への冷却効果を向上することができる。

本発明の第一実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面図である。本発明の第一実施形態における排気室部を示すガスタービンの要部断面図である。本発明の第一実施形態における冷却装置を説明する要部断面図である。本発明の第二実施形態における冷却装置を説明する要部断面図である。本発明の第三実施形態における冷却装置を説明する要部断面図である。

《第一実施形態》
以下、本発明に係る第一実施形態について図１から図３を参照して説明する。
本実施形態のガスタービン１００は、図１に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料を圧縮空気中で燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器２と、燃焼ガスにより駆動するタービン３と、タービン３からの排ガスを流通させる排気室部４と、を備えている。

圧縮機１は、軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ１１と、圧縮機ロータ１１を回転可能に覆う圧縮機車室１２と、圧縮機車室１２の吸込み口に設けられているＩＧＶ（inlet guide vane）１３と、を有する。このＩＧＶ１３は、圧縮機車室１２内に吸い込まれる空気の流量を調節する。

なお、以下では、軸線Ａｒが延びる方向を軸方向Ｄａとし、この軸線Ａｒを中心とした周方向Ｄｃを単に周方向Ｄｃとし、軸線Ａｒに対して垂直な方向を径方向Ｄｒとする。また、軸方向Ｄａの第一側を上流側（一方側）、軸方向Ｄａの第二側を下流側（他方側）とする。また、径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向Ｄｒの内側、この径方向Ｄｒで径方向Ｄｒの内側とは反対側を径方向Ｄｒの外側とする。

タービン３は、軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ３１と、タービンロータ３１を回転可能に覆うタービン車室３２と、を有する。圧縮機ロータ１１の軸線Ａｒとタービンロータ３１の軸線Ａｒとは、同一直線上に位置している。圧縮機ロータ１１とタービンロータ３１とは、互いに連結されてガスタービンロータ１０１をなしている。ガスタービンロータ１０１には、例えば、不図示の発電機のロータが連結されている。また、圧縮機車室１２とタービン車室３２とは、互いに連結されてガスタービン車室１０２をなしている。

タービンロータ３１は、図２に示すように、軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びるロータ軸３１１と、このロータ軸３１１に取り付けられている複数の動翼３１２と、を有する。動翼３１２の各上流側には、静翼が配置されている。

複数の燃焼器２は、軸線Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んで、ガスタービン車室１０２に収納されている。燃焼器２は、ガスタービン車室１０２に固定されている。

排気室部４は、タービン３から排出された排ガスが流れる。排気室部４は、図２に示すように、排気室壁４１と、軸受部４２と、ストラット４３と、排気ディフューザ５と、冷却装置６とを備えている。

排気室壁４１は、ガスタービン車室１０２の一部をなしている。排気室壁４１は、タービン車室３２の下流側に配置されている。排気室壁４１は、軸線Ａｒを中心として円筒状をなしている。排気室壁４１は、最終段の動翼３１２よりも下流側に配置されている。

軸受部４２は、タービンロータ３１を回転可能に支持している。軸受部４２は、後述する内側ディフューザ５２の径方向Ｄｒの内側に配置されている。

ストラット４３は、排気室壁４１と軸受部４２とを連結している。ストラット４３は、排気ディフューザ５を貫通するように配置されている。ストラット４３は、径方向Ｄｒに対して周方向Ｄｃに所定角度だけ傾斜するように、タービンロータ３１のタンジェンシャル（接線）方向に延びている。ストラット４３は、周方向Ｄｃに均等に離れて複数配置されている。

排気ディフューザ５は、タービン３からの排ガスを流通させる排気流路Ｐｅが形成されている。排気ディフューザ５は、外側ディフューザ５１と、内側ディフューザ５２と、ストラットカバー５３とを備えている。

外側ディフューザ５１及び内側ディフューザ５２は、排気室壁４１の径方向Ｄｒの内側に配置されている。外側ディフューザ５１及び内側ディフューザ５２は、軸線Ａｒを中心として円筒状をなしている。外側ディフューザ５１及び内側ディフューザ５２は、ストラット４３によって貫通されている。

外側ディフューザ５１は、排気室壁４１の径方向Ｄｒの内側に間隔を空けて配置されている。外側ディフューザ５１は、排気室壁４１の内周面に沿って延びている。内側ディフューザ５２は、外側ディフューザ５１の径方向Ｄｒの内側に間隔をあけて配置されている。外側ディフューザ５１及び内側ディフューザ５２は、その径方向Ｄｒの間の空間に、タービンロータ３１を回転させた燃焼ガスの排気流路Ｐｅを形成している。つまり、排気流路Ｐｅは、外側ディフューザ５１と内側ディフューザ５２との径方向Ｄｒの間で、軸方向Ｄａに延びている。外側ディフューザ５１と排気室壁４１との径方向Ｄｒの間に空間には、外側ディフューザ流路Ｐｄが画成されている。

外側ディフューザ流路Ｐｄは、外側ディフューザ５１の外周面に沿って冷却媒体を流通させることで、外側ディフューザ５１を冷却する。外側ディフューザ流路Ｐｄは、外側ディフューザ５１の径方向Ｄｒの外側で、外側ディフューザ５１の外周面に沿って軸方向Ｄａに延びている。外側ディフューザ流路Ｐｄは、軸方向Ｄａの上流側で後述するストラット流路Ｐｓと連通している。外側ディフューザ流路Ｐｄは、軸方向Ｄａの下流側で冷却装置６と繋がれている。

ストラットカバー５３は、筒状の中空構造をなしている。ストラットカバー５３は、その内部にストラット４３が配置されている。つまり、ストラットカバー５３は、ストラット４３をその延在している方向に沿って覆っている。ストラットカバー５３は、ストラット４３との間に空間が、ストラット流路Ｐｓとして形成されている。ストラット流路Ｐｓは、冷却媒体が流通させることで、ストラットカバー５３及びストラット４３を冷却する。ストラット流路Ｐｓは、外側ディフューザ流路Ｐｄよりも流路断面が大きくなるように形成されている。

ストラットカバー５３は、径方向Ｄｒの外側の端部が外側ディフューザ５１に取り付けられている。ストラットカバー５３は、径方向Ｄｒの内側の端部が内側ディフューザ５２に取り付けられている。ストラットカバー５３は、排気流路Ｐｅを横断するように、排気流路Ｐｅ内に配置されている。

冷却装置６は、排気ディフューザ５における排気流路Ｐｅに面する構造体を冷却する。本実施形態における排ガス中の構造体とは、外側ディフューザ５１及びストラットカバー５３である。冷却装置６は、冷却媒体として、ガスタービン１００の外部から大気圧下の外気を冷却空気として構造体に供給する。本実施形態の冷却装置６は、冷却媒体を構造体に供給する。冷却装置６は、排気室壁４１に取り付けられている。冷却装置６は、案内部７と、切替部８と、を有する。

案内部７は、冷却媒体を流通させる案内流路Ｐｇが内部に形成されている。案内部７は、冷却媒体として外部から取り込んだ冷却空気を構造体まで案内する。具体的には、案内部７は、ストラットカバー案内部７１と、外側ディフューザ案内部７２と、流量調整部７３とを有する。

ストラットカバー案内部７１は、構造体としてストラットカバー５３に冷却媒体を案内する。ストラットカバー案内部７１は、冷却空気を排気室壁４１に形成された第一冷媒供給孔４１ａを介してストラット流路Ｐｓまで案内する。第一冷媒供給孔４１ａは、排気室壁４１の軸方向Ｄａのストラット４３に対応する位置に形成されている。ストラットカバー案内部７１は、冷却媒体として、外気を受け入れる開口部７１ａを有している。本実施形態のストラットカバー案内部７１は、排気室壁４１から径方向Ｄｒの外側に向かって延びる円筒状をなす配管である。つまり、ストラットカバー案内部７１の内側の空間がストラット流路Ｐｓに繋がる案内流路Ｐｇの一部を形成している。ストラットカバー案内部７１は、第一冷媒供給孔４１ａと接続されている側と反対側である径方向Ｄｒの外側がガスタービン車室１０２の外部と連通するように開口する開口部７１ａとなっている。

外側ディフューザ案内部７２は、構造体として外側ディフューザ５１に冷却媒体を案内する。外側ディフューザ案内部７２は、冷却空気を排気室壁４１に形成された第二冷媒供給孔４１ｂを介して外側ディフューザ流路Ｐｄまで案内する。第二冷媒供給孔４１ｂは、第一冷媒供給孔４１ａよりも軸方向Ｄａの下流側で排気室壁４１に形成されている。本実施形態の外側ディフューザ案内部７２は、ストラットカバー案内部７１の径方向Ｄｒの途中から軸方向Ｄａの下流側に向かって分岐して延びる円筒状をなす配管である。つまり、外側ディフューザ案内部７２の内側の空間が外側ディフューザ流路Ｐｄに繋がる案内流路Ｐｇの一部を形成している。

外側ディフューザ案内部７２は、軸方向Ｄａの一部が可撓性の高いフレキシブルな材料で構成されたフレキシブル領域７２ａを有している。外側ディフューザ案内部７２は、フレキシブル領域７２ａにより、ストラットカバー案内部７１と第二冷媒供給孔４１ｂとの位置のずれに追従するよう位置を調整している。

流量調整部７３は、ストラットカバー案内部７１及び外側ディフューザ案内部７２の少なくとも一方に案内する冷却媒体の流量を調整する。本実施形態の流量調整部７３は、ストラットカバー案内部７１に案内する冷却媒体の流量を調整する。流量調整部７３は、ストラットカバー案内部７１の外側ディフューザ案内部７２と分岐する位置よりも排気室壁４１側に設けられている。流量調整部７３は、ストラットカバー案内部７１の内周面に固定されたリング状をなすオリフィスである。

切替部８は、案内流路Ｐｇを流通する冷却媒体の流量を定格運転時に対応する第一流量とする第一状態と、第一流量よりも多い第二流量とする第二状態とに切替可能とされている。切替部８は、外部から案内部７への冷却空気の流入状態を切り替えている。切替部８は、ガスタービン出力又はガスタービン出力に相関する値である相関値に基づいて、第一状態と第二状態とを切り替える。本実施形態の切替部８は、弁部８１と、供給部８２と、フェイルセーフ部８３と、制御部８４とを有する。

弁部８１は、案内部７の冷却空気を外部から取り入れる開口部７１ａ付近に設けられている。本実施形態の弁部８１は、ストラットカバー案内部７１の外側ディフューザ案内部７２と分岐する位置よりも上流側である開口部７１ａ側に設けられている。本実施形態の弁部８１は、バタフライ弁である。弁部８１は、弁体８１１と、駆動部８１２とを有する。

弁体８１１は、第一状態で案内流路Ｐｇの流路面積を狭め、第二状態で流路面積を広げるように可動する。弁体８１１は、円板状をなしている。弁体８１１は、外形状がストラットカバー案内部７１の内周面の形状と対応している。弁体８１１は、後述する駆動部８１２によって回転させられることで、案内流路Ｐｇを開放及び閉塞する。弁体８１１は、案内流路Ｐｇを閉塞することで、切替部８を後述する供給部８２のみから冷却空気が案内流路Ｐｇ内に流入する第一状態とする。弁体８１１は、案内流路Ｐｇを開放することで、切替部８を第一流量よりも多い第二流量の冷却空気が案内流路Ｐｇ内に流入する第二状態とする。

駆動部８１２は、弁体８１１を可動させることで、弁体８１１に第一状態と第二状態とを切り替えさせる。駆動部８１２は、弁軸部８１２ａと、駆動部本体８１２ｂとを有する。
弁軸部８１２ａは、弁体８１１の中心を挿通するように配置されている。弁軸部８１２ａは、円柱状をなしており、その中心軸周りに弁体８１１とともに回転可能とされている。弁軸部８１２ａは、ストラットカバー案内部７１をその延在している方向と直交する方向に貫通した状態で配置されている。

駆動部本体８１２ｂは、弁軸部８１２ａを弁体８１１とともに回転させる。本実施形態の駆動部本体８１２ｂは、案内部７に外周面に配置されている。駆動部本体８１２ｂは、例えば、エアシリンダによって構成されている。駆動部本体８１２ｂは、弁軸部８１２ａの端部において、弁軸部８１２ａの中心軸から偏芯した位置を押圧することで、弁軸部８１２ａを回転させる。駆動部本体８１２ｂは、弁軸部８１２ａを回転させて弁体８１１で案内流路Ｐｇを閉塞することで、切替部８を第一状態とする。駆動部本体８１２ｂは、弁軸部８１２ａを回転させて弁体８１１で案内流路Ｐｇを開放することで、切替部８を第二状態とする。

供給部８２は、弁体８１１が案内流路Ｐｇを閉塞した状態で、第一流量の冷却媒体を排ガス中の構造体へ供給する。本実施形態の供給部８２は、弁体８１１に形成された複数の円形状の貫通孔である。供給部８２は、第一流量を流通させるために必要な流路面積に対応した数だけ形成されている。

なお、第一実施形態の供給部８２は、複数の貫通孔であることに限定されるものではなく、第一流量を流通させるために必要な流路面積が確保できれば、一つの貫通孔であってもよい。供給部８２は、弁体８１１の端部に形成されていてもよく、弁体８１１の中心部に形成されていてもよい。

フェイルセーフ部８３は、切替部８が第一状態から第二状態に切替不能となった場合に、案内流路Ｐｇを流通する冷却媒体の流量を第二流量とする。本実施形態のフェイルセーフ部８３は、駆動部８１２が制御不能となり、駆動部本体８１２ｂによって弁体８１１が回転できずに案内流路Ｐｇを閉塞したままの状態となった場合に、強制的に弁体８１１を回転させて案内流路Ｐｇを開放する。具体的には、フェイルセーフ部８３は、例えば、バネ材等の弾性部材であり、弁体８１１を開放させる方向に弁軸部８１２ａを押圧している。

制御部８４は、ガスタービン出力又はガスタービン出力に相関する値である相関値に基づいて、第一状態と第二状態とを切り替えさせるように弁体８１１を駆動させる。本実施形態の制御部８４は、不図示の出力計で測定したガスタービン出力に基づいて、駆動部８１２の駆動状態を切り替えさせる。制御部８４は、ガスタービン１００の定格運転時には、案内流路Ｐｇの流路面積を狭めるように弁体８１１で案内流路Ｐｇを閉塞するように駆動部８１２に信号を送る。制御部８４は、ガスタービン１００のターンダウン運転時には、案内流路Ｐｇの流路面積を広げるように弁体８１１で案内流路Ｐｇを開放するように駆動部８１２に信号を送る。

なお、ターンダウン運転（部分負荷運転又は低負荷運転）では、ガスタービン１００は、ガスタービン出力を定格運転時よりも低下させた状態で運転される。ターンダウン運転には、単にＩＧＶ１３を絞ってタービン入口温度を高く保つ方法や、アンチアイシング系統を使ってタービン３を通過する燃焼ガス流量を減少させる方法や、タービンバイパス系統を使ってタービン３を通過する燃焼ガス流量を減少させる方法がある。

アンチアイシング系統を用いたターンダウン運転では、圧縮機１の抽気を吸気側に戻すことにより、吸気温度を上げて圧縮機１の氷結を防止する。これにより、吸気温度が低くなくとも、圧縮機１の吸気温度を上げることができる。そのため、圧縮機１が吸い込む空気の質量流量を低下させるととともに、抽気により、燃焼用の空気の量をさらに減少させることができる。その結果、タービン３を通過する燃焼ガス流量を減少させて、ガスタービン出力を低下させて、ガスタービン１００を運転することができる。

タービンバイパス系統を用いたターンダウン運転では、圧縮機１の吐出空気の一部を抽気してタービン３の排気側にバイパスさせる。これにより、タービン３を通過する燃焼ガス流量を減少させて、ガスタービン出力を低下させて、ガスタービン１００を運転することができる。

第一実施形態のガスタービン１００の運転方法によれば、定格運転中には、排ガス中の構造体に供給する冷却媒体の流量を第一流量とする第一工程を実施する。第一工程では、計測したガスタービン出力に基づいて、弁体８１１が案内流路Ｐｇを閉塞するように駆動部８１２に制御部８４から信号を送る。信号を受けた駆動部８１２の駆動部本体８１２ｂは、案内流路Ｐｇを閉塞するように弁軸部８１２ａとともに弁体８１１を回転させる。弁体８１１によって案内流路Ｐｇが閉塞されることで、冷却空気は、供給部８２である貫通孔のみから案内流路Ｐｇ内に流入する。つまり、切替部８が第一状態に切り替えられる。そのため、第一流量だけ冷却空気がストラットカバー案内部７１の案内流路Ｐｇに流入する。流入した冷却空気は、ストラットカバー案内部７１を第一冷媒供給孔４１ａに向かって流れつつ、一部が外側ディフューザ案内部７２に流れ込み、第二冷媒供給孔４１ｂに向かって流れる。

第一冷媒供給孔４１ａから排気室壁４１内に流入した冷却空気は、ストラット流路Ｐｓを流通してストラットカバー５３及びストラット４３を冷却する。ストラット流路Ｐｓを経た冷却空気は、内側ディフューザ５２の径方向Ｄｒの内側を通って、最終段の動翼３１２と内側ディフューザ５２の上流端との間から、この内側ディフューザ５２と外側ディフューザ５１との間の排気流路Ｐｅに流れ込む。

また、第二冷媒供給孔４１ｂから排気室壁４１内に流入した冷却空気は、外側ディフューザ流路Ｐｄを流通して外側ディフューザ５１を冷却する。外側ディフューザ流路Ｐｄを経た冷却空気は、ストラット流路Ｐｓを流通する冷却空気に合流する。

また、ガスタービン１００の運転状態が変化してターンダウン運転となった場合には、構造体に供給する冷却媒体の流量を第一流量よりも多い第二流量とする第二工程を実施する。第二工程では、計測したガスタービン出力に基づいて、弁体８１１が案内流路Ｐｇを開放するように駆動部８１２に制御部８４から信号を送る。信号を受けた駆動部８１２の駆動部本体８１２ｂは、案内流路Ｐｇを開放するように弁軸部８１２ａとともに弁体８１１を回転させる。弁体８１１によって案内流路Ｐｇが開放されることで、多くの冷却空気が案内流路Ｐｇ内に流入する。つまり、切替部８が第二状態に切り替えられる。そのため、第一流量よりも流量の多い第二流量の冷却空気がストラットカバー案内部７１の案内流路Ｐｇに流入する。流入した冷却空気は、定格運転時と同様に、ストラットカバー案内部７１を第一冷媒供給孔４１ａに向かって流れつつ、一部が外側ディフューザ案内部７２に流れ込み、第二冷媒供給孔４１ｂに向かって流れる。

上記のようなガスタービン１００によれば、定格運転時に第一工程を実施して切替部８を第一状態とし、ターンダウン運転時に第二工程を実施して切替部８を第二状態とするように切り替えることができる。つまり、第一状態から第二状態に切り替えることで、定格運転時の第一流量よりも多い第二流路をストラット流路Ｐｓや外側ディフューザ流路Ｐｄに供給することができる。ターンダウン運転時には、タービン３を通過する燃焼ガスの流量が減少することで、タービン３の膨張比は小さくなる。そのため、ターンダウン運転時には、燃焼温度を高く維持することで、定格運転時と比べて排ガスの温度が上昇してしまう。しかしながら、ターンダウン運転時に、定格運転時よりも多くの冷却空気によってストラットカバー５３、外側ディフューザ５１、及び内側ディフューザ５２等の排ガスに曝される構造体を冷却することができる。これにより、ストラットカバー５３、外側ディフューザ５１、及び内側ディフューザ５２等の排ガス中の構造体への冷却効果を定格運転時に比べて、ターンダウン運転時に向上させることができる。

また、定格運転時の第一状態から第二状態となるようにターンダウン運転時に切替部８を切り替えることができ、ターンダウン運転時に必要な冷却空気の流量が定格運転時にも流れてしまうことを防止できる。したがって、定格運転時に過冷却状態となり、ガスタービン１００の効率が低下してしまうことを抑制することができる。

これらから、定格運転時に影響を与えることなく、ターンダウン運転時の冷却効果を向上させることができる。つまり、定格運転時に影響を与えることなく、必要に応じて、ストラットカバー５３、外側ディフューザ５１、及び内側ディフューザ５２等の排ガスに曝される構造体への冷却効果を一時的に向上することができる。したがって、ガスタービン１００を効率良く運転することができる。

また、切替部８が弁体８１１を有していることで、冷却空気の流通する案内流路Ｐｇの流路面積を容易に変化させることができる。したがって、案内流路Ｐｇを流通する冷却空気の流量を簡易な構成で切り替えることができる。また、弁体８１１が案内流路Ｐｇを閉塞した状態で、弁体８１１に形成された貫通孔から第一流量を弁体８１１の下流側に供給することで、定格運転時に高い精度で第一流量を構造体へ供給することができる。したがって、定格運転時に、必要な冷却媒体を安定して確保することできる。

また、供給部８２を弁体８１１に形成された貫通孔とすることで、第一流量の冷却空気を弁体８１１の下流側に高い精度で供給することができる。また、弁体８１１に貫通孔を形成するだけの簡易な構造で、供給部８２を形成することができる。

また、フェイルセーフ部８３によって、弁軸部８１２ａが弁体８１１を開放する方向に押圧されていることで、駆動部８１２が故障して弁体８１１を回転させることができなくなった場合であっても、弁体８１１が案内流路Ｐｇを閉塞したままの状態となってしまうことを防止できる。そのため、ターンダウン運転時に弁体８１１によって案内流路Ｐｇが閉塞されて、ストラットカバー５３、外側ディフューザ５１、及び内側ディフューザ５２等の構造体に第一流量の冷却空気しか供給されなくなってしまうことを防止できる。つまり、定格運転時よりも排ガスに曝される構造体を冷却する必要があるターンダウン運転に、冷却空気の流量が不足して構造体を十分冷却できなくなってしまうことを防止できる。したがって、ターンダウン運転に、ストラットカバー５３、外側ディフューザ５１、及び内側ディフューザ５２等の温度が上昇し過ぎて損傷してしまうことを防止することができる。

また、案内部７が、ストラット流路Ｐｓに繋がるストラットカバー案内部７１と外側ディフューザ流路Ｐｄに繋がる外側ディフューザ案内部７２とを有することで、冷却空気を利用して、ストラットカバー５３と外側ディフューザ５１と複数の構造体を同時冷却することができる。したがって、冷却空気を効率的に利用することができる。

また、ストラットカバー案内部７１及び外側ディフューザ案内部７２を流通する冷却空気の流量を流量調整部７３であるオリフィスで調整することができる。そのため、弁部８１を介して外部から一括して取り入れた冷却空気を細かな制御を行うことなく、それぞれに異なる流量に分配してストラットカバー案内部７１及び外側ディフューザ案内部７２に流通させることができる。したがって、冷却空気をより効率的に利用して、ストラットカバー５３と外側ディフューザ５１とを効果的に冷却することができる。

また、制御部８４が、ガスタービン出力に基づいて駆動部８１２の駆動状態を切り替えさせることで、定格運転とターンダウン運転とが切り替わるように運転状態が切り替わったことに高い精度で対応させて、第一状態と第二状態とを切り替えることができる。したがって、定格運転時以外のターンダウン運転時に誤って切替部８が第一状態となってしまうことを防ぐことができる。これにより、ターンダウン運転に、冷却空気の流量が不足して構造体を十分冷却できなくなってしまうことを防止できる。したがって、ターンダウン運転に、ストラットカバー５３、外側ディフューザ５１、及び内側ディフューザ５２等の温度が上昇し過ぎて損傷してしまうことを防止することができる。

また、外側ディフューザ案内部７２の一部が可撓性の高いフレキシブルな材料で構成されているフレキシブル領域７２ａを有することで、外側ディフューザ案内部７２と第二冷媒供給孔４１ｂが形成された排気室壁４１との位置がずれた場合に、ガスタービン１００が運転した際の排気車室の軸方向Ｄａの熱伸びによって生じるストラットカバー案内部７１と第二冷媒供給孔４１ｂとの位置のずれの影響を抑えることができる。したがって、本実施形態のように案内部７が第一冷媒供給孔４１ａ及び第二冷媒供給孔４１ｂのように複数箇所で排気室壁４１と接続していても、冷却装置６が排気室壁４１から脱落してしまうことを防止できる。

《第二実施形態》
次に、図４を参照して第二実施形態のガスタービンについて説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態のガスタービンでは、冷却装置の切替部の供給部の構造が第一実施形態と相違する。

第二実施形態の冷却装置６Ａでは、切替部８Ａの供給部８２Ａが、弁体８１１よりも排気室壁４１側で、排気ディフューザ５の外部と案内流路Ｐｇとを連通するように案内部７に形成される連通孔である。第二実施形態の供給部８２Ａは、ストラットカバー案内部７１である配管をその延在している方向と直交する方向に貫通している複数の円形状の孔である。供給部８２Ａは、ストラットカバー案内部７１の外側ディフューザ案内部７２と分岐する位置と流量調整部７３との間に形成されている。

なお、第二実施形態の供給部８２Ａは、複数の連通孔であることに限定されるものではなく、第一流量を流通させるために必要な流路面積が確保できれば、一つの連通孔であってもよい。また、供給部８２Ａは、ストラットカバー案内部７１において、弁体８１１よりも下流側である排気室壁４１側に形成されていればよい。

第二実施形態のガスタービン１００によれば、供給部８２Ａがストラットカバー案内部７１の外部と内部を連通するように形成されている。そのため、弁体８１１が案内流路Ｐｇを閉塞した場合あっても、第一流量の冷却空気を外部から弁体８１１の下流側に高い精度で供給することができる。また、ストラットカバー案内部７１に供給部８２Ａが形成されることで、弁体８１１によらずに第一流量を供給可能な構造を形成することができる。

《第三実施形態》
次に、図５を参照して第三実施形態のガスタービンについて説明する。
第三実施形態においては第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第三実施形態のガスタービンでは、冷却装置の切替部の構造が第一実施形態及び第二実施形態と相違する。

第三実施形態の冷却装置６Ｂでは、切替部８Ｂが、供給部８２の代わりにストッパ部８５を有している。ストッパ部８５は、第一状態で案内流路Ｐｇと弁体８１１との間に隙間を形成する。ストッパ部８５は、弁体８１１が完全に案内流路Ｐｇを閉塞せずに、第一流量だけ冷却空気が流通する隙間を形成する。本実施形態のストッパ部８５は、弁体８１１が完全に案内流路Ｐｇを閉塞しないように、ストラットカバー案内部７１の内周面から内側に向かって突出している。

なお、ストッパ部８５は、本実施形態の構造に限定されるものではなく、案内流路Ｐｇと弁体８１１との間に第一流量だけ冷却空気が流通する隙間ことができればよい。例えば、ストッパ部８５は、弁体８１１から突出していてもよく、外部から弁体８１１が閉塞することを阻害するような構造であってもよい。

第三実施形態のガスタービン１００によれば、ストッパ部８５がストラットカバー案内部７１と弁体８１１との間に第一流量だけ冷却空気が流通する隙間を形成することで、第一流量の冷却空気を弁体８１１の下流側に高い精度で供給することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態における構造体は、外側ディフューザ５１及びストラットカバー５３の両方であることに限定されるものではなく、排気流路Ｐｅに面して排ガスに曝される部材であればよい。例えば、構造体は、外側ディフューザ５１及びストラットカバー５３の何れか一方であってもよく、ストラット４３のように外側ディフューザ５１及びストラットカバー５３以外の部材であってもよい。

また、切替部８は、本実施形態のように弁部８１と供給部８２とを有している構造に限定されるものではなく、第一状態と第二状態とを切替可能な構造であればよい。切替部８は、例えば、第一状態と第二状態とで異なる配管を介して冷却空気を供給するようなバイパス構造であってもよい。

また、フェイルセーフ部８３は、本実施形態のように弁体８１１を押圧する構造に限定されるものではなく、切替部８が第一状態から第二状態に切替不能となった場合に、案内流路Ｐｇを流通する冷却空気の流量を第二流量とすることができればよい。例えば、フェイルセーフ部８３は、弁体８１１自体が動作不能となって切替部８が第一状態から第二状態に切替不能となった場合に、切替部８を迂回して冷却空気を供給するようなバイパス構造であってもよい。

また、本実施形態では、出力計で測定したガスタービン出力を用いたがこれに限定されるものではなく、ガスタービン出力の状態がわかるようなガスタービン出力に相関する相関値であってもよい。例えば、ガスタービン出力に相関する相関値として、排気流路Ｐｅ内の排ガスの温度を測定して得られる温度情報や、ＩＧＶ１３の開度を計測して得られる開度情報を利用してもよい。

１００…ガスタービン１…圧縮機Ａｒ…軸線１１…圧縮機ロータ１２…圧縮機車室１３…ＩＧＶＤａ…軸方向Ｄｃ…周方向Ｄｒ…径方向２…燃焼器３…タービン３１…タービンロータ３１１…ロータ軸３１２…動翼３２…タービン車室１０１…ガスタービンロータ１０２…ガスタービン車室４…排気室部４１…排気室壁４１ａ…第一冷媒供給孔４１ｂ…第二冷媒供給孔４２…軸受部４３…ストラット５…排気ディフューザ５１…外側ディフューザＰｄ…外側ディフューザ流路５２…内側ディフューザ５３…ストラットカバーＰｓ…ストラット流路Ｐｅ…排気流路６、６Ａ、６Ｂ…冷却装置７…案内部７１…ストラットカバー案内部７２…外側ディフューザ案内部７２ａ…フレキシブル領域Ｐｇ…案内流路７３…流量調整部８、８Ａ、８Ｂ…切替部８１…弁部８１１…弁体８１２…駆動部８１２ａ…弁軸部８１２ｂ…駆動部本体８２、８２Ａ…供給部８３…フェイルセーフ部８４…制御部８５…ストッパ部

Claims

タービンからの排ガスを流通させる排気流路が形成された排気ディフューザと、
前記排気ディフューザにおける前記排気流路に面する構造体を冷却する冷却装置とを備え、
前記冷却装置は、
冷却媒体を流通させる案内流路が内部に形成され、前記構造体まで前記冷却媒体を案内する案内部と、
前記案内流路を流通する前記冷却媒体の流量を定格運転時に対応する第一流量とする第一状態と、前記第一流量よりも多い第二流量とする第二状態とに切替可能な切替部と、を有し、
前記切替部は、
前記第一状態で前記案内流路の流路面積を狭め、前記第二状態で前記流路面積を広げるように可動する弁体を有する弁部と、
前記弁体が前記案内流路を閉塞した状態で、前記第一流量を前記構造体へ供給する供給部とを有し、
前記案内部は、前記冷却媒体として、前記排気ディフューザの外部の外気を受け入れる開口部を有し、
前記供給部は、前記弁体よりも前記構造体側で、前記排気ディフューザの外部と前記案内流路とを連通するように前記案内部に形成される連通孔であるガスタービン。
タービンからの排ガスを流通させる排気流路が形成された排気ディフューザと、
前記排気ディフューザにおける前記排気流路に面する構造体を冷却する冷却装置とを備え、
前記冷却装置は、
冷却媒体を流通させる案内流路が内部に形成され、前記構造体まで前記冷却媒体を案内する案内部と、
前記案内流路を流通する前記冷却媒体の流量を定格運転時に対応する第一流量とする第一状態と、前記第一流量よりも多い第二流量とする第二状態とに切替可能な切替部と、を有し、
前記切替部は、
前記第一状態で前記案内流路の流路面積を狭め、前記第二状態で前記流路面積を広げるように可動する弁体を有する弁部と、
前記第一状態で前記案内流路と前記弁体との間に隙間を形成するストッパ部とを有するガスタービン。
前記弁部は、前記弁体を可動させる駆動部を有し、
前記駆動部が制御不能となった場合に、前記案内流路を流通する前記冷却媒体の流量を前記第二流量とするフェイルセーフ部を備える請求項１又は請求項２に記載のガスタービン。
前記排気ディフューザは、
前記排気流路の一部を形成する筒状の外側ディフューザと、
前記外側ディフューザの内側に設けられて、前記外側ディフューザとともに前記排気流路を画成する内側ディフューザと、
前記外側ディフューザと前記内側ディフューザとを連結するストラットカバーとを備え、
前記案内部は、
前記構造体として前記ストラットカバーに前記冷却媒体を案内するストラットカバー案内部と、
前記構造体として前記外側ディフューザに前記冷却媒体を案内する外側ディフューザ案内部と、を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガスタービン。
前記案内部は、前記ストラットカバー案内部及び前記外側ディフューザ案内部の少なくとも一方に案内する前記冷却媒体の流量を調整する流量調整部を有する請求項４に記載のガスタービン。
前記切替部は、ガスタービン出力又は前記ガスタービン出力に相関する値である相関値に基づいて、前記第一状態と前記第二状態とを切り替える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガスタービン。