JPH0396628A - ガスタ―ビンエンジンの蒸気冷却 - 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】 この発明はパワープラント（動力装置〉に関し、特に動
力装置のタービンベーンの冷却技術に関する。

発明の背景 動力装置、特にガスタービンエンジンの効率は高温で運
転することにより向上する。しかし、エンジンの形成に
用いられる金属合金には温度限界があるので、運転中の
温度上昇を可能にするために多数の冷却技術が開発され
ている。具体的には、通常ガスタービンエンジンは圧縮
機、燃焼器およびタービンを備え、タービンは複数の段
を有し、通常各タービン段の前にタービン段ベーンが配
置されている。エンジン運転中、タービンベーンは過酷
な温度にさらされ、したがってこれらのべ−ンには最新
の冷却技術が必要である。通常、これらのベーンを冷却
するために、空気を圧縮機から抽気し、ベーン内の通路
に注入する。この後、通路からベーン表面に延在する開
口を通って圧縮空気はベーンから外へ出てエンジンの流
路に入る。

残念ながら、空気はその物理的特性からその冷却能力が
限られている。さらに、圧縮機からの空気を冷却目的に
用いると、この空気はエンジンの流路に再注入されるま
で、燃焼器とタービン段の少なくとも一部をバイパスす
るので、サイクル効率が低下する。従来から提案されて
いる他のベーン冷却技術は蒸気（スチーム）を利用し、
蒸気はベーン通路に入ってから、ベーンの開口を通って
外に出、エンジン流路に入る。しかし、この装置も、蒸
気をエンジン装置のいくつかのタービン段をバイパスさ
せるので効率が低下する。

他の冷却装置は、ベーン冷却に伴なう特有の問題の解決
をめざしたものではない。たとえば、ある装置では、水
をタービン内に冷却目的で噴射し、つぎにこの水が蒸気
（スチーム）に転換されるので、その蒸気を燃焼器に噴
射する。しかし、これらの装置では、水の使用を可能に
するために、現行の冷却流装置を大幅に設計変更しなく
てはならムい。遠心力が適正な冷却流れを妨害すること
もあり、また過剰な水を燃焼器に注入すると燃焼の妨げ
となり、エンジン部品に損傷を与えるので、過剰な水の
注入を確実に防止するために、追加の加熱装置または流
れ制御装置が必要になる。他の冷却装置は、主として、
エンジンの一部、たとえば先端クリアランスを制御して
効率を上げる目的で設計されている。エンジンシュラウ
ドの冷却に多量の圧縮空気を使用し、つぎにその空気を
エンジンの燃焼器に再導入する装置も提案されている。

残念ながら、これらの装置はエンジン効率を低下する。

循環および冷却空気に圧力およびエネルギー損失が起こ
り、またこれらの装置もベーン冷却に由来する特有の問
題を解決するように設計されていないからである。さら
に、加熱された空気を主燃焼器に戻す空気冷却装置はい
ずれも吸込みを設ける必要があり、そのような吸込みは
通常燃焼器のドームおよびスカートの内側に位置し、こ
のため、全圧を再導入する冷却空気の圧力より低くする
必要があることから、高圧圧縮機の吐出し空気圧を後で
低く下げている。

したがって、ベーン冷却装置を改良した動力装置が望ま
れている。

発明の要旨 この発明の動力装置（パワープラント）は、下流への流
れを生成する圧縮機と、圧縮機の下流の燃焼器と、燃焼
器の下流に配置され、複数のロータ段を有するタービン
とを備える。内部に通路を有する複数のタービン段ベー
ンがタービンロータ段より前に配置される。蒸気供給手
段がタービンの下流に配置され、この蒸気供給手段の出
口が少なくとも１つのタービン段ベーンの通路の入口に
連結される。噴射手段が燃焼器の入口に連結され、ベー
ン通路の出口が噴射手段に連結される。

この発明は、下流への流れを生成する圧縮機と、圧縮機
の下流の燃焼器と、燃焼器の下流に配置され、内部に通
路の設けられた第１のタービン段ベーンを有するタービ
ンとを備えるガスタービンエンジンを冷却する方法も提
供する。この方法では、通路の入口に蒸気を導入し、通
路から出てきた蒸気をタービンより上流でエンジンの燃
焼器に導入する。

具体的な構成 第１図にこの発明の１実施例を示す。この発明の動力（
特に発電）装置１は、下流への流れを生成する圧縮機２
０、たとえば高圧圧縮機および低圧圧縮機、圧縮機２０
の下流に配置された燃焼器２２、および燃焼器２２の下
流に配置されたタービン３０、たとえば高圧タービン３
０ａおよび低圧タービン３０ｂを備える。代表的には高
圧タービン３０ａは高圧圧縮機に駆動連結され、低圧タ
ービン３０ｂは低圧圧縮機に駆動連結されている。

タービン３０は通常複数のタービンロータ段３４を有す
る。タービンベーン３６が通常各タービンロータ段３４
の前に配置され、各タービンベーン３６には通常冷却通
路３８が設けられている。スチーム（蒸気）供給手段４
０、たとえば高圧ボイラがタービン３０の下流に配置さ
れ、蒸気供給手段４０の出口は蒸気弁４２に連結され、
蒸気弁４２の出口は少なくとも１つのタービンベーン３
６の通路３８の入口に連結され、そしてタービンベーン
通路３８の出口は燃焼器２２の入口に連結された噴射手
段４４に連結されている。好適例では、通常圧縮機の出
口に位置する冷却空気取り出し手段４６、たとえば抽気
弁が空気弁４８に連結され、空気弁４８の出口が通路３
８の入口および蒸気弁４２に連結されている。

圧縮機２０、燃焼器２２およびタービン３０は動力装置
用のものならどのような型式のものでもよい。これらの
構成部品は航空機エンジンに用いる部品を利用したもの
とするのが好ましい。また大抵は圧縮機２０として第１
圧縮機またはブースタ（図示せず）を低圧タービン３０
ｂに駆動連結し、第２圧縮機を高圧タービン３０ａに駆
動連結する。なお、この発明は単一の圧縮機およびター
ビンを有するエンジンにも、複数の圧縮機およびタービ
ンを有するエンジンにも適用できる。代表的な例では、
タービンはさらに、自由または空気力学的に連結された
動力タービンを低圧タービンの下流に備え、種々の装置
、たとえばプロペラまたは発電機を取り付けることによ
り動力タービンから動力または電力を取り出す。動力装
置１０には単一または複数の燃焼器またはバーナを設け
ることができ、これらを第２図に示すように蒸気供給手
段４０より上流の、動力装置１０の流路内に配置する。

再熱燃焼器を用いる場合には、この再熱燃焼器を低圧タ
ービン３０ｂと動力タービンとの間に配置するのが代表
的である。

第１図のタービンベーン３６は代表的には航空機のを利
用した型式のものである。しかし、航空機の空気冷却ベ
ーンと比べて、タービンベーンでは通路から表面まで延
びる穴の数を減らし、これにより下流流れへ流出する冷
却流体の量を少なくしている。用途によっては、これら
の穴を完全になくしてもよいが、代表的には穴をベーン
の内径部にあけ、ベーンの内径部の下またはその近くに
ある空所５０に冷却流体が流出しそこを冷却する構成と
する。このようなベーン構造の１例がケーチ＋　−　（
Ｄ．Ｍ．Ｋｅｒｃｈｅｒ　）の米国特許第３，５３３，
７１１号「高温タービン用の冷却ベーン構造」に記載さ
れている。しかし、冷却通路を有するならば他のベーン
構造もこの発明に同様に適用できる。

蒸気供給手段４０は外部供給源としてもよいが、エンジ
ン、たとえば高圧ボイラから出てくる熱を回収する装置
とするのが好ましい。蒸気供給手段４０は、大体飽和温
度の、好ましくは飽和温度より少し高い蒸気を供給する
ように設計するのが好ましい。なお、圧力可変型の別の
ボイラその他の蒸気供給手段もこの発明に同様に適用で
きる。ボイラの出口を第１組のベーン、たとえば高圧タ
ービン３０ａのベーンの通路３８に連結シ、マタ別にボ
イラを低圧タービン３０ｂの第２組のベーンの通路に連
結することにより、複数（多重）のべ一ン冷却路を形成
するのが好ましい。通路の出口をそれより上流の別の１
組のベーンの通路に連結し、その後噴射手段４４に導び
くのが代表的である。なお、通常エンジンに噴射する蒸
気を多量に生成するのが望ましい。さらに、ボイラに供
給する水の圧力が減少するにつれて、ボイラが生成する
蒸気の量が増加する。したがって、ボイラからできる限
り低圧の蒸気を供給して蒸気発生量を最大にするのが望
ましい。単一の冷却路を比べて、多重のベーン冷却路を
設けることにより、蒸気をエンジン中に噴射する前の各
冷却路での圧力損失が小さくなるので、動力装置の性能
の向上が計れる。さらに、多重のベーン冷却路を設ける
ことにより、次の通路３８に供給される蒸気がより低い
温度になるので、冷却効果が上昇する。効率を上げるた
めに、通路から出てきてエンジン中に噴射される蒸気の
エネルギーを、蒸気が代用している冷却空気のエネルギ
ーより大きいエネルギーとする。代表的には冷却空気を
圧縮機の排気から得るので、通路から出てきてエンジン
中に噴射される冷却蒸気は圧縮機の排気より高温である
。

蒸気噴射手段４４は動力装置１０の燃焼器の入口に蒸気
を噴射する噴射手段であれば何でもよく、代表的には燃
焼器２２内またはその周囲に配置されたノズルである。

たとえばノズルは、燃料と蒸気両方を燃焼器に噴射する
二重流れノズルとすることができる。あるいは、代表的
には航空機抽気口に用いるポートのようなポートを通し
て蒸気を導入してもよい。なお、蒸気噴射手段は燃焼器
の上流に配置して、蒸気が下流に流れて燃焼器２２に入
るようにするのがよい。

運転時には、空気が圧縮機２０に入り、圧縮空気の一部
が燃焼器２２に入る。加熱された空気と、通常冷却のた
め燃焼器２２を囲む残りの圧縮空気とがタービン３０を
通過し、これにより圧縮機２０を駆動する。同時に、蒸
気供給手段４０からの蒸気を少なくとも１つのベーン通
路３８に導く。

蒸気はベーン３６を冷却してから、エンジンに、すなわ
ち燃焼器の入口に導入され、こうして蒸気が燃焼器２２
に入る。なお、通常配管を最小限にするために、通路３
８を出た後の蒸気を他のべ一ン３６の通路３８に導入し
てから、蒸気を燃焼器２２に噴射する。蒸気弁４２およ
び空気弁４６で通路３８に入る蒸気および空気の量を調
節する。

したがって、蒸気が得られない最初のエンジン始動時に
は、空気で装置の冷却を行ない、装置を平常運転温度ま
たはその付近で運転し続ける。代表的には、エンジン始
動のため、冷却空気を通路に約２０分間、ボイラが暖ま
って直結状態になるまで循環させる。さらにこれらの弁
は蒸気と空気との混合物を得る手段ともなり、蒸気一空
気混合物は蒸気の供給量を制御するとともに、部品の寿
命を左右する温度勾配を制御するのにも望ましい。

ベーンに蒸気冷却をとり入れたこの動力装置は、従来技
術に比べて多数の利点を有する。この装置は空気と比べ
て優れている蒸気の冷却特性を利用する。さらに、他の
冷却物質と違って、蒸気は、元来空気冷却用に設計され
た通路に使用することができる。したがって、現状の動
力装置の設計にこの発明を、大きな変更なしに、また動
力装置およびその冷却装置の設計変更なしにとりこむこ
とができ、冷却目的で分流する必要のある空気の量を減
らすことができる。さらに、特にエシジンの停止時には
、装置内の蒸気を除去するのが望ましく、この装置は蒸
気を空気で追い出すことができ、これによりベーンの内
部に生じる望ましくない凝縮を避ける。さらに、この発
明では、ベーンの蒸気冷却から得られる過熱度の高い蒸
気をエンジンの燃焼器に導入することにより、全体的効
率が向上する。前部タービンロータ段の下流のエンジン
が消費する熱を回収し、タービンロータ段の前でエンジ
ンに供給する熱および質量を増加し、そしてタービンベ
ーンを通ってタービン段をバイパスする冷却空気流体の
量を減らすことにより、サイクル効率の向上が得られる
。

第２図にこの発明の第２の実施例の動力装置２００を示
す。第１図と同様の部品には同じ符号を付してある。動
力装置２００は圧縮機２０の下流に配置された第１燃焼
器２２２ａと、高圧タービン３０ａおよび低圧タービン
３０ｂの下流に配置された第２燃焼器２２２ｂとを備え
る。第２燃焼器２２２ｂの下流に動力タービン３０ｃが
配置され、動力タービン３０ｃの下流に蒸気発生手段４
０が配置されている。蒸気発生手段４０は第１ボイラ２
１０と第２ボイラ２１２とを含み、通常第２ボイラ２１
２の蒸気出口圧力は第１ボイラ２１０より低い。第１ボ
イラ２１０は第１蒸気弁２４２ａｓそして第１組のベー
ン通路２３８ａを経て第１燃焼器２２２ａの入口に連結
されている。第２ボイラ２１２は通常第２蒸気弁２４２
ｂを経て第２組のベーン通路２３８ｂに連結され、第２
組のベーン通路２３８ｂの出口は第２燃焼器２２２ｂに
連結されている。第１蒸気弁２４２ａおよび第１組のベ
ーン通路２３８ａは圧縮１１ｔ２０の出口２４６に連結
された第１空気弁２４８ａに連結され、・第２蒸気弁２
４２ｂおよび第２組のベーン通路２３８ｂは圧縮機２０
の出口２４６に連結された第２空気弁２４８ｂに連結さ
れている。運転時には第１ボイラ２１０および第２ボイ
ラ２１２で蒸気（スチーム）を発生し、第１ボイラ２１
０の出力（蒸気）を第１組の通路２３８ａを経て第１燃
焼器２２２ａに送る。第２ボイラ２１２の出力（蒸気）
をｍ２組の通路２３８ｂを経て第２燃焼器２２２ｂに送
る。第１空気弁２４８ａおよび第２空気弁２４８ｂはそ
れぞれ蒸気と空気を混合する手段をなし、通路から蒸気
を追い出し、また装置に蒸気が得られないときには装置
を空気冷却で運転することを可能にする。空気と蒸気を
混合する場合、蒸気を第４図に示すようにイジェクタ型
ミキサ（ｅｊｅｃｔｏｒ　ｔｙｐｅ　ｆｆｌｌＸ（３ｒ
）に通して使用するのが望ましい。第４図で、イジェク
タ型ミキサ４００は、冷却空気を運ぶ空気配管４１０と
蒸気ノズル４２０とからなり、蒸気ノズル４２０の蒸気
出口４２２が配管４１０の側壁から離れるように蒸気ノ
ズル４２０を配管４１０内に配置する。作動時にはノズ
ル４２０から出る蒸気はその全圧が配管４１０内の空気
より高く、蒸気が配管４１０に入るにしたがって、冷却
すべきベーン通路に送るのに適当な実質的に均一な全圧
を有する空気一蒸気混合物が形成される。第２図に戻る
と、この動力装置２００においては、出口（蒸気）圧力
の低い方のボイラ２１２を使用して第２組の通路２３８
ｂの冷却を行ない、この蒸気を第２燃焼器２２２ｂに噴
射する。通常、効率向上を最大にするために、最高温度
の燃焼器、代表的には第１燃焼器２２２ａに蒸気を導入
するのが望ましい。

第３図にこの発明の第３の実施例の動力装置３００を示
す。第１図と同様の部品には同じ符号を付してある。動
力装置３００は第１タービン部３３０ａと第２タービン
部３３０ｂとを備え、第２タービン部３３０ｂの第２タ
ービン部ベーン３３６には第２組のベーン通路３２０が
設けられている。補助バーナ３１０が第２タービン部３
３０ｂの下流に配置されている。通常、補助バーナ３１
０と低圧タービン３３０ｂとの間に整流器３１２が配置
されている。高圧ボイラ３１４が補助バーナ３１０の下
流に隣接して配置され、低圧ボイラ３１６が高圧ボイラ
３１４の下流に隣接して配置され、極低圧ボイラ３１８
が低圧ボイラ３１６の下流に隣接して配置されている。

高圧ボイラ３１４および低圧ボイラ３１６の出口は通常
エンジンに、たとえば第２図のように蒸気冷却およびＮ
Ｏ、低減のために連結され、また極低圧ボイラ３１８の
出口は第２組のベーン通路３２０に連結され、蒸気はベ
ーンを通過してから通常配管を通ってベーン下方のエン
ジン空所３２２に向かい、この後エンジン空所３２２内
の蒸気はエンジンの残りの部分を流れて、捕助バーナ３
１０の上流でエンジン流路に再び入る。ベーン内の冷却
蒸気はベーンの後縁から外へ出、次に補助バーナ３１０
より上流のエンジン流路に流入する。第１タービン部３
３０ａは通常高圧タービンで、第２タービン部３３０ｂ
は通常低圧タービンか動力タービンで、好ましくは後者
である。この装置では、極めて低圧の蒸気流が低圧ター
ビンの後方段のベーンおよび空所の冷却するために、高
圧圧縮機の冷却空気流に代わって行ない、したがって高
圧圧縮機の空気を上流のタービン段すべてにまわすこと
ができ、性能が向上する。

この発明は、単一の圧縮機、燃焼器およびタービンを有
する基本的な装置から腹数の圧縮機、燃焼器およびター
ビンを有するもつと複雑な装置まで、多種多様な構造に
適用でき、最終的に蒸気を噴射する燃焼器の位置はボイ
ラより上流の動力装置内のどこでもよい。したがってこ
のような変更や改良もすべてこの発明の要旨の範囲内に
包含される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例を示す概略断面図、第２図
および第３図はこの発明の他の実施例を示す概略断面図
、そして 第４，図はイジェクタ型ミキサの構成を示す図である。 主な符号の説明 １０，２００，３００・・・動力装置、２０，２２２　
　　　　・・・圧縮機、２２　　　　　　　　・・・燃
焼器、 ３０，３３０　　　　　・・・タービン、３４　　　　
　　　　　・・・ロータ段、３６　　　　　　　　　・
・・タービンベーン、３８，２３８　　　　　・・・通
路、 ４０　　　　　　　　・・・蒸気供給手段、４２．２４
２　　　　　・・・蒸気弁、４４　　　　　　　　・・
・噴射手段、４８．２４８　　　　　・・・空気弁、２
１０，２１２，３１４，３１６．３１８・・・ボイラ、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下流への流れを生成する圧縮機と、 圧縮機の下流の燃焼器と、 燃焼器の下流に配置され、複数の段を有するタービンと
   、 上記タービン段より前に配置され、内部に通路を有する
   複数のタービン段ベーンと、 上記タービンの下流に配置され、出口が少なくとも１つ
   のタービン段ベーンの通路の入口に連結された蒸気供給
   手段と、 上記燃焼器と関連して配置され、上記通路の出口に連結
   された噴射手段とを備える動力装置。 ２、さらに空気供給手段を備え、この空気供給手段が上
   記蒸気供給手段の出口に連結されたタービン段ベーンに
   連結された請求項１に記載の動力装置。 ３、上記蒸気供給手段が上記タービン段ベーンの入口よ
   り前で弁に連結された請求項２に記載の動力装置。 ４、上記空気供給手段が上記タービン段ベーンの入口よ
   り前で弁に連結された請求項２に記載の動力装置。 ５、さらに蒸気イジェクタ型ミキサを備え、上記空気供
   給手段と蒸気供給手段とがミキサに連結され、ミキサの
   出口が少なくとも１つのタービン段ベーンの通路の入口
   に連結された請求項２に記載の動力装置。 ６、上記通路の出口が上記噴射手段の前に第２のタービ
   ン段ベーンの通路に連結された請求項１に記載の動力装
   置。 ７、上記第２のタービン段ベーンが上記タービン段ベー
   ンの下流にある請求項６に記載の動力装置。 ８、上記蒸気供給手段の第１出口が第１タービンベーン
   の通路に連結され、蒸気供給手段の第２出口が第２ター
   ビンベーンの通路に連結された請求項１に記載の動力装
   置。 ９、上記噴射手段が上記タービンより上流に配置された
   請求項１に記載の動力装置。 １０、上記タービンが高圧タービンとこの高圧タービン
   の下流に配置された低圧タービンとを含み、第２の燃焼
   器が低圧タービンと高圧タービンの間に配置された請求
   項１に記載の動力装置。 １１、上記タービンが高圧タービンと、この高圧タービ
   ンの下流に配置された低圧タービンと、この低圧タービ
   ンの下流に配置された動力タービンとを含み、第２の燃
   焼器が低圧タービンと動力タービンの間に配置された請
   求項１に記載の動力装置。 １２、さらに、上記タービンと蒸気供給手段との間に配
   置された第２の燃焼器を備える請求項１に記載の動力装
   置。 １３、上記タービンが第１タービン部と第２タービン部
   ベーンを有する第２タービン部とを含み、上記第２ター
   ビン部は上記第１タービン部の下流に配置され、第２の
   燃焼器が上記動力タービンの下流に配置され、上記蒸気
   供給手段が少なくとも１つの第２タービン部ベーンの通
   路の入口に連結された低圧蒸気発生手段を含み、第２タ
   ービン部ベーンの通路から出た蒸気が上記第２燃焼器よ
   り上流で流路に再び入る請求項１記載の動力装置。 １４、下流への流れを生成する圧縮機と、圧縮機の下流
   の燃焼器と、燃焼器の下流のタービンとを備え、タービ
   ンは内部に通路の設けられた第１タービン段ベーンを有
   する構成のガスタービンエンジンを冷却するにあたり、 上記通路の入口に蒸気を導入し、 上記通路から出てきた蒸気を上記エンジンの燃焼器に導
   入する工程を含むガスタービンエンジンの冷却方法。 １５、前記タービンが内部に通路をもつ第２のタービン
   段ベーンを有し、更に前記蒸気をエンジンに導入する前
   に、第１のベーンの通路から吐出した蒸気を前記第２の
   ベーンの通路内に導入する工程を含む請求項１４に記載
   の方法。 １６、さらに、上記通路の入口に空気を導入する工程を
   含む請求項１４に記載の方法。 １７、さらに、 上記通路の入口に空気と蒸気を同時に導入し、上記通路
   から出てきた空気と蒸気を上記エンジンの燃焼器に導入
   する工程を含む請求項１４に記載の方法。