JPH02230925A - ガスタービン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービン装置及びそのタービン部の冷却
方法に関し、特に、タービン部の冷却に使用するために
圧縮機部から空気をブリードもしくは抽気し、該空気の
流れ中で水を蒸発させることによるタービン部の冷却に
関するものである．九五ｍ欠■朋 ガスタービンは、３つの主たる構成要素、即ち、空気を
圧縮するための圧縮機部と、圧縮された空気を燃料の燃
焼により加熱するための燃焼器部と、燃焼器部からの高
温圧縮ガスを膨張せしめるためのタービン部とから構成
されている．このようなガスタービンの最大出力を達成
するためには、燃焼器部を貫流しているガスをできるだ
け高温に加熱することが望ましい．その結果、高温ガス
にさらされるタービン部内の諸構成要素は、同構成要素
を形成する材料の温度が許容限界内に維持されるように
、適切に冷却しなければならない。

この冷却は、相対的に冷たい空気をタービン構成要素上
又はタービン構成要素内に通流することにより達成され
る．このような冷却空気は、効果的であるためには、加
圧しなければならないので、圧縮機部から吐出される空
気の一部分を抽気して、即ちプリードして、タービン構
成要素に分流しその冷却を行うのが一般的な慣行である
。冷却空気は、タービン内で膨張する高温ガスと最終的
には混合するが、燃焼過程をバイパスすることになるの
で、冷却空気を圧縮するのに費やされた仕事が全て膨張
過程で回収される訳ではない．その結果、ガスタービン
の出力及び効率を最大にするためには、用いられる冷却
空気の量を最小にするのが望ましい． しかし、残念ながら、圧縮機における圧力上昇に伴う温
度上昇の結果として、圧縮機からブリードされる空気は
、比較的に高温であり、圧縮比に依存して３１６℃〜４
２７℃（６００゜Ｆ〜８００°Ｆ）になる。この理由か
ら、タービン構成要素に導く前に空気を冷却して該空気
の熱吸収能力を高めることにより、冷却のため圧縮機か
らブリードされる空気の量を減少させることが当該技術
分野において知られている。

冷却空気を冷却するのに一般に用いられている１つの方
法においては、空気対空気冷却器が利用されている。同
冷却器において、圧縮機からブリードされた圧縮空気は
ひれ付き管を通流せしめられ、このひれ付き管上にモー
タ駆動のファンにより大気が強制通風され、圧縮空気か
ら熱が大気に伝達される。この方法は、充分な冷却を達
成するが２つの大きな欠点を有する．第１の欠点は、冷
却器、相互接続配管、支持構造部材、ファン、モータ及
び関連の電気制御手段を必要とするために、ガスタービ
ンに対する付加的なコストが著しく大きくなることであ
る．第２の欠点は、性能に関する欠点である。冷却器に
おいて圧縮空気から取り出された熱は大気中に失われて
しまい、それによりガスタービンの熱力学的効率が損な
われる．更に、ファンを駆動するのに要求される電力を
タービンにより発生される電力から差し引かねばならず
、その結果としてガスタービンの正味出力が減少する。

ガス・蒸気タービン複合サイクルシステムで運転される
ガスタービンと関連して用いられている第２の方法にお
いては、空気対水冷却器が使用されている．この方法に
よれば、圧縮機からブリードされる空気は、ボイラの給
水が貫流している管上を流され、それにより、圧縮空気
から給水に熱が伝達される。この方法は、圧縮空気から
取り出された熱を回収してサイクルに戻すので、上述し
た方法の性能上の欠点はないが、空気対水冷却器に相当
大きな経費を要し、管に損傷が生じた場合にはタービン
は溢水による破損を受け、更に、ボイラが使用されてい
ない期間のための水循環系統を必要とするという欠点を
有する。

従って、廉価であり、動作が単純であり、信頼性を有し
、しかもガスタービンの性能を落とすことなく、冷却の
目的で圧縮機から抽気された空気を冷却するための方法
及び装置を提供することが望ましい． ル朋ヱｌ１要 従って、本発明の一般的な目的は、ガスタービンの圧縮
機から抽気された空気を冷却するための方法及び装置を
提供することにある。

具体的には、本発明の目的は、圧縮機から抽気された空
気流中の水を蒸発させることにより、タービン圧縮機か
。ら抽気された圧縮空気を冷却するための装置及び方法
を提供することにある．本発明の他の目的は、ガスター
ビンのタービン部を冷却するのに有利に利用することが
できるようにタービン圧縮機から抽気された圧縮空気を
冷却することにある。

本発明の更に他の目的は、圧縮機からの空気を冷却する
方法を、ガス・蒸気タービン複合サイクルシステムに一
休的に組み入れて、加圧給水の一部分を圧縮空気の冷却
に使用するために熱回収蒸気発生器から分流することに
ある。

本発明の上述の目的及び他の目的は、空気を圧縮するた
めの圧縮機部と、圧縮空気を加熱するための燃焼器と、
加熱され圧縮空気を膨張させるためのタービン部とを有
するガスタービン装置において達成される。本発明によ
れば、圧縮空気の一部が圧縮機部から分流され、分流さ
れた空気中に水が噴射されて、該空気を蒸発によって冷
却する。

次に、冷たい湿分同伴空気はタービン装置のタービン部
に導かれて、該タービン部内の諸構成要素を冷却する。

１ｆ　　　の＝１ 図面を参照するに、第１図は、ガスタービン４０を縦断
面で示している．このガスタービン（ガスタービン装置
）は、３つの主たる構成要素、即ち、圧縮機部１と、燃
焼器部２と、タービン部３とから椙成されている。ロー
タ４は、ガスタービン内の中心に配置されており、上記
３つの構成要素を貫通して延在している．圧縮機部は、
静翼７０及び動翼７１の交互する列を囲む円筒体もしく
はケーシング５から構成されている。静翼７０はケーシ
ング５に固定されており、動翼７１はロータ軸７３に沿
って軸方向に隔置された複数のディスク７２に固定され
ている． 燃焼器部２は、室を形成する円筒体もしくはケーシング
６から構成されており、上記室内には複数の燃焼器７及
び該燃焼器をタービン部に接続するダクト８が配置され
ている。ロータ軸の一部は、燃焼器部を貫通して延びて
おり、燃焼器部においてハウジング２６により囲まれて
いる．また、後述する冷却空気の戻りパイプ（連絡手段
）２４及び２５が、ケーシング６の壁を貫通して上記室
を通るように延び、ハウジング２６の一部を囲繞するマ
ニホルド３９で終端している。

タービン部３は、内筒９を囲繞する外筒７５から構成さ
れている。内筒９は、静ＫＩＯ−１３及び動翼１４〜１
７の交互する列を囲繞している．静翼は内筒９に固定さ
れ、動翼は、ロータ４のタービン部を形成する複数の回
転ディスク１８〜２１に固定されている．また、回転デ
ィスク１８のうちの最初のディスクは、ロータ軸７３の
端部に固定されている．圧縮機部は大気３０をその入口
に取り込み、圧縮空気３１を、ゲーシング６によって形
成されている室内に排出する．室内の圧縮空気３１の殆
ど大部分は、燃焼器７に形成されている孔（図示せず）
を介して同燃焼器７に流入する．各燃焼器においては、
燃料が圧縮空気と混合されて燃焼され、それにより、圧
縮空気の温度が上昇する。圧縮された高温ガス３２は、
次いでダクト８を経て流れ、そこからタービン部内の静
翼１０〜１３及び動翼１４〜１７の交互する列を通流し
、その際に膨張して、ロータ４を駆動するエネルギーを
発生する。その後、膨張したガス３３はタービンから出
る． タービン部内の動翼１４〜１７及びディスク１８〜２１
は、燃焼器７からの１０９３℃（２０００゜Ｆ）を超え
得る温度の高温ガスにさらされると共に、回転により加
えられる遠心力の結果として高い応力を受ける。

静翼、動翼及びディスク等の構成要素を形成する材料が
応力に耐える能力は、温度の上昇に伴って゜低下するの
で、これ等の構成要素の温度を許容レベル内に維持すべ
く適切な冷却を行うことが肝要である。好適な実施例に
おいては、この冷却は、ケーシング６によって形成され
る室からの圧縮空気３１の一部である冷却空気３４をロ
ー夕のタービン部に分流することにより達成される。こ
の分流は、ケーシング６から出ている外部抽気パイブ（
連絡手段）２３を介して空気を抽気することにより達成
される。冷却空気３４は、後述のように冷却された後、
戻りパイプ２４及び２５を介してガスタービンに再び流
入する。該戻りパイプは空気をマニホルド３９に導く。

このマニホルド３９は、先に説明したように、ロー夕を
収容したハウジング２６の一部を囲繞している。冷却空
気は、マニホルドに流入した後、穴２フからハウジング
２６内に入って、ハウジング２６とロータ軸７３との間
に形成されている間隙８６に流入する．次いで、冷却空
気は、間隙８６からロータ軸７３の周辺部に形成されい
る孔２８を経てロータ軸の中空部８５に流入する。冷却
空気は、ロータ軸の中空部８５から回転ディスク１８〜
２０に形成されている孔７４を経てロー夕のタービン部
に流入する．ロー夕のタービン部に流入すると、冷却空
気は、このタービン部内で、回転ディスク及び動翼に形
成されている複数の交錯した冷却通路（図示せず）を通
流して所望の冷却を達成する． ここで、冷却空気は燃焼器をバイパスすることに注目す
るのが重要である。冷却空気は、最終的には高温ガスと
混合してタービン内で膨張するが、圧縮された冷却空気
の膨張からタービンにより回収される仕事は、燃焼器内
で加熱された圧縮空気の膨張から回収される仕事ほど大
きくはない．実際、圧力降下及び機械効率に起因する損
失の結果として、冷却空気から回収される仕事は、圧縮
器内で空気を圧縮するのに要求される仕事よりも小さい
。従って、用いられる冷却空気量が太くなればなるほど
ガスタービンの正味出力は応分に小さくなる． 本発明によれば、圧縮器排出部から抽気される冷却空気
３４の量は、空気を冷却しその質量流量を増すことによ
り減少され、それにより、冷却空気が戻り管２４及び２
５内に流入する前にタービン構成要素から熱を吸収して
冷却する該冷却空気の能力が増大する．このことは、冷
却空気３４が抽気バイプ２３を通流している間に、該冷
却空気３４内で水を蒸発させることにより達成される。

気化の潜熱が冷却空気から水に伝達されることにより冷
却空気の温度は降下し、蒸発した水は、その質量流量を
増大させる。

蒸発は、加圧された水３７を噴射ノズル（蒸発手段）３
５に供給することにより達成される。この噴射ノズル３
５は、外部抽気パイブ２３に配設されていて、冷却空気
がガスタービンに戻される前に水の適切な蒸発を保証し
、それにより、水滴が高温のタービン構成要素に衝突す
る結果として生ずる熱衝撃を阻止する．噴射ノズルは、
従来、蒸気タービンの過熱低減器で使用されている形式
のものでよく、良好な蒸発を確保するのに充分に微紺な
水滴３８を発生するように選択することができる．選択
される特定の噴射ノズルは、噴射ノズルが通流させなけ
ればならない水の流量（これは所望の冷却空気温度減少
に依存する）と、この水及び冷却空気間の圧力差とに主
に依存する． 噴射ノズルの良好な噴射特性を確保するために、噴射ノ
ズルに供給される水の圧力は、圧縮機の吐出圧力である
冷却空気の圧力よりも３．６５〜１０．９５Ｋｇ／ａｍ
２（５０−１５０　ｐｓｉｇ）だけ高くずへきである。

現在使用されているガスタービンの圧縮機は、１０．９
５〜１８．２５Ｋｇ／ａｍ２（１５０　〜２５０ｐｓｉ
ｇ）の吐出し圧力で動作するので、好適な実施例では、
水は、１８．２５〜２１．９Ｋｇ／ａｍ２（２５０−３
００ｐｓｉｇ）の範囲内の圧力で噴射ノズルに供給され
る． 本発明によれば、冷却空気の温度を下げるために冷却空
気から取り出される熱は、幾つかの従来法の場合とは異
なって、大気中に失われることはなく、冷却空気と共に
タービン内で燃焼空気と混合される水に添加されて、付
加的エネルギーの発生に利用される点に注目されるべき
である．更に、水蒸気は冷却空気の幾分かと置換される
ので、圧１１機から抽気しなければならない空気の量が
減少する。圧縮機から抽気される空気が減少するとター
ビンを通る高温ガスの流量が増し、従ってガスタービン
の出力が増大する。最近のガスタービンにおいては、タ
ービン出力は、タービンを通るガス流量が毎秒０．４５
４Ｋｇ（１ボンド）増加する毎に約２５０〜３５０Ｋｗ
増加するので、冷却空気中に蒸発される毎秒０．４５４
Ｋｇ（１ボンド）の水で圧縮機から抽気される空気を毎
秒０．４５４（１ボンド）減少することが可能となり、
それに対応してタービン出力を２５０〜３５０Ｋｍだけ
付加的に高めることができる． 冷却空気の温度を低下させることが（先に述べたように
、圧縮機吐出量から抽気しなければならない冷却空気量
が減少すると言う理由から）望ましいのであるが、冷却
空気温度を或る値以下に減少させることは賢明ではない
。その理由は、冷却空気でタービン構成要素の温度を低
下させ、それによりタービン構成要素の耐応力性が増す
が、しかしなか、これ等の構成要素における熱勾配が増
し、熱応力も増大するからである．従って、過度の熱応
力を生じることなくタービン構成要素の充適な冷却を招
来する最適な冷却空気温度が存在する． 必要な水の流量は、冷却に用いられる空気の量に主に依
存し、従って、冷却空気ＩＫ［ｌ当たりの水のＫｇ数の
比として表すことができる。上述の最適な冷却器温度を
維持するためには、この比は、冷却の目的で抽気される
空気の温度（この温度はガスタービンの出力及び流入す
る大気の温度で変化する）及び噴射ノズルに供給される
水の温度に応じて変えなければならない。

１つの例として、ガスタービンの最大出力時に圧縮機か
ら抽気される冷却空気の温度が３８０℃〜３９７℃（７
１５゜Ｆ〜７４５’Ｆ）の範囲にあり、水の温度が１０
８℃〜１２９℃（２２５゜Ｆ〜２６５゜Ｆ）の範囲にあ
り、且つ最適冷却空気温度が１９２゜Ｃ　（３７５゜Ｆ
）であるとすると、冷却空気に対する水の流量比は０．
０７５〜０．０８５の範囲内にあることになる．これ等
の数字は、必要な冷却空気対水の最大比を示している。

と言うのは、最大必要水量は最大出力時に生ずると考え
られるからである．その理由は、最大出力時に圧縮機か
ら抽気される冷却空気の温度が最大値になるからである
．従って、上記数値は、冷却空気を１９２゜Ｃ（３７５
゜Ｆ）±５％の最適範囲内の温度に冷却するのに比較的
少量の水しか要求されないことを明らかに示している． 上に述べたように、圧縮機から抽気される冷却空気の温
度は変化するので、冷却空気の温度をその最適値に維持
するためには蒸発される水の量を変えなければならない
．従って、本発明によれば、噴射ノズルに供給される加
圧水の流量は、第２図に示した加圧水供給管路５３に設
けられている流量制御弁８０を使用することにより変え
られる。注入される水の量は温水を用いることにより増
加することができる．最大注入量は混合物中の水蒸気の
１０℃（５０’Ｆ）の過熱を維持する水量である．混合
冷却空気の出口温度が１９２℃（３７５゜Ｆ）である場
合には、水蒸気の飽和温度は約１６０℃（３２５゜Ｆ）
に制限される。

原水中の不純物、特に、ナトリウムやカリウムのような
或る種の金属は、タービン内に存在する高温度で、ター
ビン構成要素の腐食を生起し得ることは良く知られてい
る．従って、水を冷却空気中で蒸発する前に溶解してい
る固体を可能な限り多く除去するように水の処理を行う
のが望ましい．この目的に適う適切な水処理方法は当該
技術分野において良く知られているところであり、化学
的処理、イオン交換処理及び脱塩処理が含まれる．本発
明は、ガス・蒸気タービン複合サイクルシステムで運転
されるガスタービンで用いるのが特に有利であり得る．
このような，システムの一例が第２図に示してある．こ
の種のシステムにおいて典型的なように、ガスタービン
（ガスタービン装置）４０から排出されるガス３３は、
熱回収蒸気発生器を通流する・．該熱回収蒸気発生器は
、過熱器６２、高圧蒸発器６１、エコノマイザ−６０及
び低圧蒸発器５７から構成されている。熱回収蒸気発生
器を通流してその潜熱の大部分を蒸気の発生に費やした
後に、排気ガス５９が大気中に放出される。

第２図に示したシステムにおいては、熱回収蒸気発生器
によって発生される蒸気５４は、蒸気タービン４２内で
膨張して、それにより付加的な出力を発生する。蒸気タ
ービン４２がら排出される蒸気は、復水器４３内で凝縮
され、復水は、復水器４３の温水溜め４４内に一時的に
保持される。漏洩、ドラムのブローダウン等により水が
システムから損失するのは不可避であるので、必要に応
じ補給水４９が温水溜め４４に添加される。この補給水
は先に述べた周知の方法を用いて水処理プラント４５で
原水４８を処理することにより得られるものである。

復水及び補給水の混合物５６は、加熱され、低圧蒸発器
５７からの蒸気８４を用いて脱気器４６内で脱気される
。脱気器からの加熱され脱気されな水５０は、次いでボ
イラ給水ボンプ４７内で加圧される。ここに開示した本
発明の教示による冷却方法は、ボイラ給水ポンプからの
吐出量５１を２つの部分に分割することにより前記シス
テムに一体的に具現される．上記２つの部分とは、熱回
収蒸気発生器のエコノマイザ−６０に流入する部分５２
と、噴射ノズル３５に供給される部分５３とである。脱
気器は、典型的に１　．４〜２．８Ｋｇ／ｃｎ＋２（２
（１−　４０ｐｓ　ｉｇ）の範囲内の圧力で運転されの
で、噴射ノズルに供給される水の温度は、１０８℃〜１
２９℃（２２５゜Ｆ〜２６５゜Ｆ）の範囲の温度となる
であろう。流量制御弁８０は、既に述べたように、噴射
ノズルへの流量を調整する．このように、本発明をガス
・蒸気タービン複合サイクルシステムに一体的に組み入
れることにより、設備コストの増加を比較的小さくしつ
つ、特に、現存の水処理プラント４５及びボイラ給水ボ
ンプ４７の容量もしくは能力を高めることができると言
う本発明による利点を得ることができる． 従って、本発明の好適な実施例による冷却空気の冷却方
法は、下記のような利点を有することが分かる。

（ｉ）特に、本発明のここに開示した実施例によれば、
ガス・蒸気タービン複合サイクルシステムに組み入れる
もしくは採用する際の設備コストが軽減される。

（ｉｉ）ガスタービンの出力が増大する．《＝》添加さ
れる水の量は比較的少なく、冷却空気の流体としての性
質は本質的に不変に留とまるので、タービン内部の冷却
方式を変更する必要はない．

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の冷却手段を具備したガスタービンの
縦断面図、第２図は、ガス・蒸気タービン複合サイクル
システムへの本発明の一体化の適用例を示すガス・蒸気
タービン複合サイクルシステムの概略図である． １・・・圧縮機部　　　　　２・・・燃焼器部３・・・
タービン部 ６・・・室を形成するケーシング ２３・・・抽気パイプ（連絡手段） ２４・・・戻りパイプ（連絡手段） ２５・・・戻りバイブ ３１・・・圧縮空気 ３５・・・噴射ノズル ３７・・・水 （連絡手段） ３４・・・圧縮空気の一部 （蒸発手段） ４０・・・ガスタービン装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）圧縮機部、燃焼器部及びタービン部を有するガスタ
   ービン装置の前記タービン部を冷却する方法であって、 ａ）前記圧縮機部からの圧縮空気の一部を分流し、該分
   流された空気中で水を蒸発させることにより前記分流さ
   れた空気を冷却し、 ｂ）前記冷却された空気を前記タービン部に導くことに
   より前記タービン部を冷却する、 諸ステップを含むガスタービン装置のタービン部の冷却
   方法。 ２）ガスタービン装置であって、 ａ）空気を圧縮するための圧縮機部と、 ｂ）該圧縮機部から圧縮空気を受け取り、該受け取った
   圧縮空気中で燃料を燃焼させることにより高温圧縮ガス
   を発生するように接続された燃焼器部と、 ｃ）前記燃焼器部から高温圧縮ガスを受け取るように接
   続され、該高温圧縮ガスを膨張させるためのタービン部
   と、 ｄ）前記圧縮機部と前記燃焼器部との間に設けられて前
   記圧縮空気を収集するための室と、ｅ）前記室内の前記
   圧縮空気の幾分かを前記タービン部に分流させるための
   連絡手段と、 ｆ）前記タービン部の上流側で前記分流された空気中で
   水を蒸発させることにより前記タービン部に分流された
   前記空気を冷却するための蒸発手段と、 を備えたガスタービン装置。