JPH02301627A - ガスタービン冷却装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービン冷Ｗ装置に係り、特に圧縮機の吐
出空気を冷却空気としてタービン部に供給するガスター
ビン冷却装置に関する。

（従来の技＃１） 従来のガスタービン冷却装置は第６図に示すように構成
されており、圧縮１１１０１にて圧縮された空気は圧縮
機ディフューザ１０２を経て矢印ａで示すように吐出空
気室１０３に吐出される。

また、ガスタービン１０４を冷却する冷却空気すは吐出
空気室１０３からタービンケーシング１０５内のキャビ
ティ１０６に案内され、ガスタービン１０４のタービン
静止部であるタービンノズル１０７部周りの冷却に使用
される。

一方、タービンノズル１０７の冷却構造は、第７図に示
すように構成され、冷却空気すは薄板板金構造のインサ
ート１０８に穿設された多数の孔からター、ビンノズル
内壁に噴出されて、このノズル内壁をインビンジメント
冷Ｎ１する一方、さらに一部の冷却空気すはタービンノ
ズル壁に穿設された冷却空気孔１０９から主流ガス〈燃
焼ガス）通路部に噴出し、タービンノズル外壁をフィル
ム冷却する。また、冷却空気すの残りの一部はノズル後
縁に設けられたビンフィン１１０を通り、コンベクショ
ンクーリングを行い、後縁のスリット１１１から主流ガ
ス通路部に噴出するようになっている。

また、ノズルダイヤフラム内外輪の冷却の一例を第８図
に示すと、同図において、タービンケーシング１０５内
のキャビティ１０６に流入した冷却空気すはノズルダイ
ヤフラム内外輪１１２，１１３の冷却空気カバー１１４
に穿設された孔１１５から内外輪１１２．１１３の壁面
をインビンジメント冷却し、さらに内外輪１１２，１１
３に穿設された孔１１６より主流ガス通路部に噴出し内
外輪１１２．１１３の通路部側壁をノイルムク−リング
する。

このように、タービンノズルおよび通路部のノズルダイ
ヤフラム内外輪のような高温の燃焼ガスに晒される部分
は、冷却空気を種々の孔やスリット部を通過させること
により、インビンジメント冷却、コンベクション冷却、
フィルム冷却等で冷却し、ガスタービン入口側構成部品
の温度が高温にならないようにしているものの、冷却空
気用孔やスリット部にごみが詰まった場合は、冷却空気
流量が少くなり、冷却性能が低下し、構成部品の温度が
上昇してしまうことになる。

一方、タービンのｔｕｉおよびロータの冷ＩＩ空気は圧
縮機の通路部内径側の異物の少ない空気をロータ内に供
給することにより、冷却空気用孔やスリット部に異物が
詰まらないようにしている。

ところで、大気中の空気はガスタービン圧縮機に入いる
前に吸気フィルタによって異物がある程度除去され、異
物が除去された圧縮空気が燃焼室で燃焼せしめられて燃
焼ガスとなってガスタービンの入口に案内される。これ
は、異物がガスタービン内に入いることにより、高速回
転するタービン動翼等の部品が損傷するのを防止するの
が第１の理由であり、第２に圧縮機の動翼や静翼に異物
が付着することにより圧縮機の性能が劣化し、ひいては
ガスタービンの効率が低下するのを防止するためである
。さらに、第３には上述のタービン高温部品に冷却空気
として圧縮機からの圧縮空気が導かれた場合に多数の冷
却空気孔やスリット部に異物が付着して、それらを閉塞
し、所望の冷却が行われなくなるのを防止するためであ
る。

（発明が解決しようとする課題） ガスタービンに用いられる吸気フイ゛ルタは上記の理由
によりフィルタ性能が高い方が望ましいが、異物の除去
性能を高めると、逆にフィルタでの圧力損失が大きくな
り、ガスタービンの性能低下を招くことになる。他方、
空気の圧力損失を小さくするために濾過面積を広くする
こともできるが、吸気フィルタの容量が膨大となり、建
設コス１〜やメンテナンスコストが増大する。このため
ガスタービン内へは許容される範囲の異物の吸込みは避
けられないことになる。

一方、長時間運転を行ったガスタービンは、圧縮機のｌ
Ｉ黄や０賛表面に付着した異物により圧縮機性能が低下
し、ガスタービンの効率が低下してくる。このため、圧
縮様の翼表面の異物をクリーニングするため運転中に圧
縮機入口から米等を入れる（ライスインジェクション）
ことにより、動静翼表面をクリーニングすることが行わ
れる。この場合、インジェクションされた米は粉々にな
って燃焼器およびタービン冷が空気系に案内されること
になる。また、ガスタービン内のケーシング表面やロー
タ表面に生じた錆も運転中に剥離し、タービン冷却空気
に混入する可能性がある。

このように、タービン冷Ｗ空気系には種々の異物が混入
する可能性があり、これらの異物が上記タービンノズル
および環状部材、ｖＪ翼等に多数穿設した冷却空気孔や
スリット部に蓄積して冷却空気通路を閉塞し、冷却効率
が低下し金属温度が上昇する危険がある。特に、最近は
ガスタービンの効率向上のためガスタービン入口温度を
より高温にさせる傾向にあり、このようなガスタービン
ではタービン部品の冷却構造が一段と′ａ雑となってお
り、異物の混入、蓄積によるタービン高温部品の冷却性
能の低下は金属温度の上昇を招き、大事故にもつながる
危険性がある。

他方、小型のタービンの場合にはタービン高温部品に穿
設される冷却孔のサイズも小さくなる。

そして、孔サイズを小さくし孔数を増すことにより冷却
効率を向上させることができるが、このようなガスター
ビンでは異物による閉塞を起こし易く、冷却性能低下の
影響が一段と大きくなる。

以上のように、従来の冷却翼のガスタービンではタービ
ン冷Ｗ空気に異物が混入することにより、タービン高温
部品の冷却性能が低下し、タービン高温部品の寿命の減
少、あるいは破損に至る恐れがあるという問題点がある
。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ガス
タービンの高温部材のうち、特に静止部であるタービン
ノズルおよび環状部材へ案内される冷却空気に異物が混
入するのを効果的に防止し、冷却性能を向上させ得るガ
スタービン冷却装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明によるガスタービン冷却装置は、圧縮機の吐出空
気を吐出空気室に導くディフューザから燃焼器の燃焼ガ
スをガスタービンに導くトランジションピースにわたっ
て環状のガイドベーンを設置し、このガイドベーンで上
記圧縮機吐出空気を外周側空気と内周側空気とに分離し
、この内周側空気をタービン静止部の冷却空気として導
くことを特徴とする。

（作用ン 上記の構成を有する本発明においては、ディフューザか
らトランジションピースの間までに吐出空気を外周側と
内周側とに分離する環状のガイドベーンを設置したこと
により、５′シ物含右率の高い外周側空気をガスタービ
ンの冷却用空気として利用するのを防止するとともに、
異物含有率の低い内周側空気をガスタービン入口部の冷
却空気として導くようにして、ガスタービン入口の各冷
却孔が異物により閉塞されるのを有効的に回避して、冷
却性能を向上させたものである。

（実施例） 以下、本発明に係るガスタービン冷却装置の一実施例を
添付図面を参照して説明する。

第２図は本発明に使用されるガスタービンの原理図を示
す。このガスタービンにおいては、大気中の空気はガス
タービン圧縮機１に入いる前に吸気フィルタ２によって
異物がある程度除去される。

そして、圧縮機１により圧縮された空気は燃焼器３に送
られ、ここで液体燃料あるいはガス燃料と混合されて燃
焼され、この燃焼による高温・高圧の燃焼ガスはガスタ
ービン４に案内されてタービン４を回転させ発電機（図
示せず）を駆動させ、回転エネルギーを電気エネルギに
変換するようになっている。ガスタービン４で仕事をし
た排気ガス６は煙道を通り煙突（図示せず）から外部に
放出される。

このガスタービンに用いられるガスタービン冷顔装置は
、第１図に示すように構成される。圧縮機１の吐出側に
ディフューザ１０が設けられる。

このディフューザ１０は圧縮機１からの吐出空気ａの速
度エネルギを静圧回復させるためのものであって、この
吐出空気ａをタービンケーシング１１の内面に形成され
る吐出空気室１２に導く。そして、ディフューザ１０の
途中から吐出空気ａを外周側（ケコシング側）空気と内
周側（ロータ側）空気とに分離するために環状のガイド
ベーン１５が設けられ、このガイドベーン１５は圧縮機
吐出ケーシング１７に設けた支柱１８に支持される。

この支柱１８は吐出空気ａの圧力損失を極力小さくする
ため横断面が翼形に成形される。

また、ガイドベーン１５はディフューザ１６から吐出ケ
ーシング１７のインナーバレル１９を支持するために放
射状に設けられたストラット２０に固定され、さらにガ
イドベーン１５は外周側に緩やかに曲がり、トランジョ
ンピース２２の中間部位まで延びて終端している。ガイ
ドベーン１５の他端はガイドベーン１５の不安定振動が
生じないようにリプ２１で固定され充分補強している。

トランジョンピース２１はガスタービン燃焼′ＰＩ３で
燃焼せしめられた燃焼ガスをガスタービン４に導びくよ
うになっており、タービンケーシング１１内に？！数個
設けられる。

そして、吐出空気ａを外周側空気と内周側空気とに分離
する割合は環状をなすガイドベーン１５の口径により決
定され、この口径はタービン静止部、すなわちタービン
ノズル２３および主流ガス通路部を構成するノズルダイ
ヤフラム内外輪２４゜２１の冷却用に必要な空気量より
空気量が若干多めになるように設定される。

このように本実施例では、圧縮機ディフューザ出口１６
ａ側で圧縮機吐出空気９を外周側空気と内周側空気に分
離し、この内周側空気をタービンノズル２３および主流
ガス通路部のノズルダイヤフラム内外輪２４．２５の冷
却用空気として導き、この内周側空気に外周側空気が混
入しないようにするために、ディフューザ出口１６ａ側
からガイドベーン１５はラッパ状に拡間している。この
ガイドベーン１５により外周側空気は、燃焼器３に案内
され、この燃焼器３内に燃料と混合して燃焼せしめられ
る。燃焼器３で燃焼した燃焼ガスはトランジションピー
ス２１内を通ってガスタービン４に案内される。

次に、本実施例の作用を説明する。

このガスタービンにおいては、環状のガイドベーン１５
を設置したことによって、圧縮灘１からの吐出空気ａは
内周側空気がタービン静止部の冷却空気として導かれ、
ガイドベーン１５により内周側空気と外周側空気とに分
離される。分離される空気流母割合は内周側空気流量が
タービン静１１二部冷却空気として必要な聞より若干多
くなるようにガイドベーン１５の流入側口径が設定され
ているため、内周側空気は大部分がタービン静止部の冷
却空気として用いられ：それ以外の空気はガイドベーン
１５の外周部の空間を通って燃焼器３側に流れ、外周側
空気がタービン静止部の冷Ｌ１空気と混入するのが防止
される。

ところで、第３図は圧縮機１からの吐出空気中に含まれ
る異物の半径方向の含有率分布を示す。

この図によれば、異物は゛ヒ径方向外側に多く含れてい
る。これは圧縮機通路部内を空気がスワール（周方向速
度）をもって流れるため質量の大きい貢物が遠心力によ
り外周側に集まることが原因である。この現象は圧縮機
１の後段側において動翼の先端部がルート部よりも研磨
され易いということで説明できる。

したがって、環状のガイドベーン１５を設置したことに
より、異物含有率の高い外周側空気がタービン静止部の
冷却空気に混入することを防止するとともに、異物含有
率の低い内周側空気をタービン静止部の冷却空気として
有効的に導くことができる。

このように本実施例によれば、タービン静止部の冷却空
気としては、圧縮機吐出圧力９の内、特に異物含有率の
少ない内周側空気が用いられることとなり、タービンノ
ズル２３および主流ガス通路部内外輪２４．２５に多数
穿設された種々の冷却孔やスリット部への異物の蓄積や
異物による目詰りが防１トされ、上記タービン静止部の
冷却性能の低下によるタービン高温部品の寿命の低下や
、極端な場合には破損に至るような事故を未然に防止す
ることができる。さらに、ガイドベーン１５を設置する
ことにより１．吐出空気動圧の静圧回復力が層し、圧縮
機吐出圧力がその分増すことで、ガスタービンの効率が
向上することになる。

第４図は本発明の第２実施例を示す。この実施例を説明
するに当り、第１実施例で説明した部材と同じものには
同一の符号を付して説明を省略する。第２実施例では第
１図に示すガイドベーン１５に加えて吐出空気室１２を
形成するタービンケーシング１１の内周側に、その吐出
空気室１２を燃焼器３側とガスタービン４側に分離する
環状の仕切板２６が設置されている。この仕切板２６に
より、ディフューザ出口１６ａから吐出される異物含有
率の高い外周側空気が、異物含有率の非常に低い内周側
空気に混入することが防止される。

その他の構成および作用は前記第１実施例と同一である
のでその説明を省略する。

第５図は本発明の第３実施例を示し、前記第１実施例と
同一の部分には同一の符号を付して説明すると、本実施
例では第２図に示す仕切板２６をガスタービン４側に湾
曲形成した仕切板２７としている。このような構造にす
ることにより、冷却空気への異物の混入を一段と減少さ
せることができる。その他の構成および作用は前記第１
実施例と同一であるのでその説明を省略する。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明によれば、ディフューザからトランジ
ションピースにわたって延びる環状のガイドベーンを設
置し、このガイドベーンで圧縮機からの吐出空気を外周
側空気と内周側空気とに分離し、この内周側空気をター
ビン静止部の冷却空気として導くようにしたので、ター
ビン静止部の高温部品、すなわちタービンノズルおよび
主流ガス通路部のノズルダイヤフラム内外輪を冷却する
冷却空気に異物含有率の低い圧縮機吐出空気を用いるこ
とができ、冷却空気中に異物が混入することによって生
ずる冷却孔やスリット部の開基を未然にかつ有効的に防
止でき、冷却効率を向上させて、ガスタービンの健全性
を確保でき、その信頼性を大幅に向上させることができ
るという効果を秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスタービン冷却装置の第１実施
例を示す断面図、第２図はガスタービンの作動原理を示
す原理図、第３図は圧縮機吐出空気中の異物含有率を示
す半径方向分布図、第４図は本発明の第２実施例を示す
断面図、第５図は本発明の第３実施例を示す断面図、第
６図は従来のガスタービン冷却装置の一例を示す断面図
、第７図はタービンノズルの冷却構造を示す断面図、第
８図はタービンノズル内外輪の冷却構造を示す断面図で
あるー。 １・・・圧縮機、３・・・燃焼器、４・・・ガスタービ
ン、９・・・圧縮機吐出空気、１１・・・タービンケー
シング、１２・・・吐出空気室、１５・・・ガイドベー
ン、１６・・・ディフューザ、１７・・・圧縮機ケーシ
ング、１８・・・支柱、２２・・・リブ、２３・・・タ
ービンノズル、２４・・・ノズルダイヤフラム内輪、２
５・・・ノズルダイヤフラム外輪、２６．２７・・・仕
切板。 第　ｔ　図 甚　２　図 奈５　図 １０ｑ 帛　７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機吐出空気を吐出空気室に導くディフューザか
   ら燃焼器の燃焼ガスをガスタービンに導くトランジショ
   ンピースにわたって延びる環状のガイドベーンを設置し
   、このガイドベーンで上記圧縮機吐出空気を外周側空気
   と内周側空気とに分離し、この内周側空気をタービン静
   止部の冷却空気として導くことを特徴とするガスタービ
   ン冷却装置。 ２、上記吐出空気室を形成するタービンケーシング内周
   面に、吐出空気室を燃焼器側とタービン側に仕切る仕切
   板を設置した請求項１記載のガスタービン冷却装置。