JPH05340269A - ガスタービン装置、並びにガスタービンにおける伝熱装置及び冷却方法 - Google Patents
ガスタービン装置、並びにガスタービンにおける伝熱装置及び冷却方法Info
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Abstract
中間伝熱流体へ熱を伝達する第1の熱交換器によって、
圧縮機部から取り出された圧縮状態の冷却空気から熱を
除去するガスタービンを提供する。 【構成】 圧縮状態の冷却空気29から排除された熱
は、第2の熱交換器54を用いて、中間伝熱流体57か
ら気体燃料或はNOx制御の為の水等の流体であって燃
焼部に噴射されるべき該流体に伝達されることによって
サイクルに戻される。中間伝熱流体57の温度、それ故
に冷却空気29の温度を制御するために、第2の熱交換
器54と共に、第3の熱交換器を用いることができる。
Description
発明は、圧縮機から吐出された空気の一部分から放出さ
れた熱を獲得して、その熱を燃焼部に噴射される気体燃
料等の流体に伝達することによって、ガスタービンのタ
ービン部の冷却に使用するガスタービン装置及び冷却方
法に関する。
部、燃料を燃焼することによって該圧縮空気が加熱され
る燃焼部、該燃焼部からの高温の圧縮ガスが膨張させら
れるタービン部の3つの主たる構成要素を備える。ガス
タービンの最大限の出力を達成するためには、燃焼部を
貫流するガスを実現可能な限り高い温度まで加熱するこ
とが望ましい。その結果、その高温ガスに曝されるター
ビン部の各構成要素は十分に冷却され、それらの温度が
許容限度内に維持されるようにしなければならない。
におおって或はその内部に比較的低温の空気を流すこと
によって達成されている。このような冷却空気は、効果
的なものとすべく加圧されなければならないので、圧縮
機部から吐出された空気の一部分を取り出してそれをタ
ービン構成要素の方へ冷却のために偏向することが通常
行われている。この冷却空気はタービンで膨張している
高温ガスと最終的に混合されるが、該冷却空気は燃焼工
程を迂回するので、冷却空気の圧縮のために費やされた
仕事の多くは膨張工程において回収されない。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、
使用される冷却空気の量を最少にすることが望ましい。
温度上昇の結果として、圧縮機から取り出された空気は
比較的に高温、即ち圧縮比に依存して315〜425゜
C(600〜800゜F)の高温である。その結果、圧
縮機から取り出された空気はその温度がタービン構成要
素を適切に冷却するのに十分に低くなることを確保すべ
く、しばしば冷却されなけれならない。更に、当技術分
野では周知の如く、冷却目的で圧縮機から取り出された
空気の量は、タービン構成要素にその空気を指向させる
前に該空気を冷却して、その熱吸収の能力を増大するこ
とによって低減することができる。
却空気を冷却するためにしばしば用いられた。この構成
においては、圧縮機から取り出された空気がフィン付き
管に貫流させられ、該フィン付き管の一面をおおって、
モータ駆動のファンによって周囲空気が圧送されること
によって、熱を圧縮空気から大気に伝達している。この
方法は適切な冷却を達成するが、冷却空気を圧縮するた
めに費やされた仕事に関連する熱エネルギーが大気中に
失われるために、ガスタービンの効率は損なってしま
う。
出された空気を冷却し、該冷却空気から除去された熱が
そのサイクルに戻されることになるようなガスタービン
装置及び冷却方法を提供することが望ましい。
タービンの圧縮機から取り出された空気を冷却し、その
冷却空気から除去された熱が特にガスタービンの燃焼部
に噴射されることになる気体燃料或は水等の流体を介し
てそのサイクルに戻される冷却方法及びガスタービン装
置を提供することである。
目的と同様に、(i)圧縮空気を生ずる圧縮機部と、
(ii)その圧縮空気の第1の部分において燃料を燃焼
することによって加熱圧縮ガスを生ずる燃焼部と、(i
ii)その加熱圧縮ガスを膨張させるタービン部と、
(iv)上記圧縮空気の第2の部分を冷却する第1の熱
交換器と、(v)上記燃料の燃焼前に該燃料を加熱する
第2の熱交換器と、(vi)上記第1及び第2の熱交換
器の両方に伝熱流体を循環させ、該伝熱流体が上記第1
の熱交換器において上記圧縮空気の第2の部分から熱を
吸収し、上記第2の熱交換器において上記燃料へその熱
を放出する上記循環手段とを備えて成るガスタービン装
置によって達成される。
置1の長手方向における断面図が示されている。ガスタ
ービンは3つの主たる構成要素、即ち圧縮機部2と、燃
焼部3と、タービン部4とを備える。ロータ5はこのガ
スタービン内に中央配置されおり、これ等の3つの部を
通って延びている。圧縮機部2は静翼7及び動翼8の交
互列を取り囲む円筒体6を備える。静翼7は円筒体6に
固着され、動翼8はロータ5に固着されている。
を備え、そのチャンバー内には複数の燃焼器10及びダ
クト11が配置されており、該ダクトは該燃焼器をター
ビン部4に連結している。燃料供給管23が、各燃焼器
10におけるノズル25に燃料を分配する燃料マニホル
ド24に連結されている。ロータ5の一部が燃焼部3を
通って延在し、該燃焼部3内でハウジング12によって
取り囲まれている。以下に更に詳述する冷却空気戻り管
13及び14が上記円筒体9を貫いて上記チャンバーに
延在し、上記ハウジング12の一部を囲むマニホルド1
5で終了している。
6を備える。内筒17は静翼18及び動翼19の交互列
を取り囲んでいる。静翼18は内筒17に固着され、動
翼19はタービン部のロータ5を形成する複数の回転円
板20に固着されている。
入口内に導き、圧縮空気22を円筒体9によって形成さ
れたチャンバー内へ放出する。チャンバー内における空
気の殆ど全ては、燃焼器10へ複数の穴(図示せず)を
通って入る。燃焼器10内では、後述する如くに加熱さ
れた燃料26が圧縮空気22中に噴射されて同圧縮空気
と混合され、燃焼されて、高温の圧縮ガス27を形成す
る。この高温の圧縮ガス27はダクト11を貫流し、タ
ービン部4における静翼18及び動翼19の交互列を通
って流れ、そこで同圧縮ガスは膨張して、ロータ5に連
結された負荷(図示せず)を駆動する動力を発生する。
膨張ガス28はそれからタービン部を出て大気中に排気
されるか、或は、後述する熱回収蒸気発生器へ指向され
ることができる。
20は、燃焼器10からの1,090゜C(2,000
゜F)以上となり得る高温の圧縮ガス27に曝され、そ
れらの回転によってそれらに働く遠心力の結果として、
高い応力を受ける。動翼及び回転円板を応力に耐えるよ
うに形成する材料の能力は温度の上昇と共に劣化するの
で、これ等の構成要素の温度を許容レベル以内に維持す
るような適切な冷却を行うことが重要である。好ましい
実施例においては、この冷却は、円筒体9によって形成
されたチャンバーからの圧縮空気22の一部分29をロ
ータ5のタービン部へ偏向することによって達成され
る。この偏向は、円筒体9から出ている外部ブリード管
30(管路手段)を通して空気を取り出すことによって
達成される。以下に説明する如く、冷却された後、冷却
済み冷却空気31は戻り管13及び14を通じてガスタ
ービンに再び入る。これ等の戻り管は冷却空気をマニホ
ルド15へ指向させるものであり、その後、該冷却空気
は複数の穴50を通じてハウジング12の内部に入り、
該ハウジング12とロータ5の間に形成された環状ギャ
ップ52に入り込む。それから冷却空気は複数の穴51
を通じてロータ5に入り込み、所望の冷却を達成するた
めに回転円板及び動翼における複数の複雑な冷却通路
(図示せず)を貫流することになる。
に注目することは重要である。たとえこの冷却空気がタ
ービン部において膨張する高温の圧縮ガスと最終的に混
合されるとしても、圧縮された冷却空気の膨張から回収
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
回収される仕事に比べほんの僅かである。事実、圧力降
下及び機械的効率によ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機において空気を圧縮するに必
要とされる仕事に比べより少ない。よって、冷却空気を
より多量に用いれば、ガスタービンの正味の出力はより
少ないものとなる。
気22から取り出される冷却空気29の量は該空気を冷
却することによって低減され、それによって、サイクル
から放出された熱を失うことなくタービン構成要素から
熱を吸収し且つ該タービン構成要素を冷却するその空気
の能力を増大することになる。このことは、高温の冷却
空気29を、図1に示すような多管円筒形とし得る冷却
空気用の熱交換器53(伝熱手段)へ指向させることに
よって達成され、その場合、以下に詳述する如く、円筒
体77は冷却空気29の流路を形成し、複数の管75は
中間伝熱流体57の流路を形成する。冷却空気用のこの
熱交換器53は閉ループ配管系統55(循環手段)によ
って、非加熱状態の気体燃料56が供給される燃料用の
熱交換器54(伝熱手段)に連結される。図1に示され
るように、燃料用の熱交換器54もまた多管円筒形でよ
く、その場合、円筒体78は気体燃料56の流路を形成
し、複数の管76は中間伝熱流体57の流路を形成す
る。注目されるべきことは、両方の熱交換器53及び5
4は複数の管75及び76が該熱交換器を貫流する各流
体の間の流通を妨げる間接形であることである。
に水であり得る中間伝熱流体57、即ちグリコール/水
の混合物は、配管系統55におけるポンプ63(循環手
段)によって熱交換器53及び54を通るように循環さ
せられる。従って、冷却空気29は熱を中間伝熱流体5
7に放出することによって冷却され、次いで該中間伝熱
流体は熱を燃料56に放出することによって冷却され、
それによって該燃料を加熱する。加熱された燃料26は
燃焼器10に噴出されて燃焼されるので、該燃料が冷却
空気29から中間伝熱流体57を介して間接的に吸収し
た熱はサイクルに戻されて、タービンに入る圧縮ガス2
7の所望温度を得るために燃やされなければならない燃
料の量を減じることになる。その結果、前述したように
冷却空気を冷却する従来の方法とは異なり、本発明によ
れば、上述の冷却の結果、ガスタービンの熱効率を著し
く低下させることにはならない。
合、複数のタービン構成要素を損傷することがないよ
う、水が冷却空気31或は燃料26に入り込まないよう
に確保することが重要である。従って、好適な実施例に
おいて、中間伝熱流体57の圧力は冷却空気29や燃料
56の圧力以下に維持されるので、熱交換器内に形成さ
れる如何なる漏れ路も空気或は燃料の中間伝熱流体57
への流入となって、その逆となることがない。本発明に
従えば、中間伝熱流体57の温度変化によるその体積種
々の振れによって該中間伝熱流体の圧力が冷却空気及び
燃料の圧力以上に上昇しないように、配管系統55に膨
張タンク62を組み込むことによって圧力維持が確保さ
れている。
だけが燃焼器10に噴射されている。しかしながら、他
の多くの適用例においては、水或は蒸気等の他の流体を
燃焼器10へ注入して大気汚染物と考えられる高温の圧
縮ガス27中における窒素酸化物(NOx)の形成を低
減する必要がある。従って、図2に示されるように、本
発明は気体燃料56よりもむしろ水69を熱交換器54
に通すよう向かわせることによって利用され得る。NO
xを低減すべく加熱された水70が燃焼部3内に注入さ
れると、その水が中間伝熱流体57から吸収した熱はサ
イクルに戻される。
に注入することが望ましくないか或は不必要である場合
が時々あり得る。そのような場合、中間伝熱流体57か
らの熱が放出され得る熱交換器54を貫流する流体が全
くなくなることになる。しかしながら、それにもかかわ
らず冷却空気29は依然冷却されなければならないの
で、該冷却空気の熱が伝達され得る代替的な媒体を見い
出さなければならない。本発明に従えば、この問題は補
助的な熱交換器66の使用によって解決され、該補助的
な熱交換器は図2に示されるように熱交換器54と並列
となるべく連結され得る。配管系統における複数の弁6
7を作動することによって、ポンプ63は熱交換器54
よりはむしろ補助的な熱交換器66を通るように中間伝
熱流体57を循環させることになる。第2のポンプは、
発電所用の補助的な冷却水であり得る第2の伝熱流体6
8を補助的な熱交換器66に通すように循環させている
ので、中間伝熱流体57からの熱はこの第2の伝熱流体
68に放出される。
ら、液体燃料、典型的にはNo.2留出油での運転へ切
り替わる能力を有する。遺憾ながらそのような液体燃料
を加熱することは不適当であるかもしれない。更に、多
くの発電所では液体燃料を用いての操業は年間のうちた
った数週間しかないので、液体燃料の使用に適する追加
的な熱交換器に出資することは不経済であるかもしれな
い。従って、図2に示されたような補助的な熱交換器6
6を図1に示された実施例に組み入れることができるの
で、ガスタービンが液体燃料で作動している際、中間伝
熱流体57からの熱は第2の伝熱流体68に放出される
ことが可能であろう。
複合サイクルのガス及び蒸気タービン発電所で作動する
ガスタービンにおいて使用するのに特に有利である。そ
のようなシステムで典型的なように、ガスタービンのタ
ービン部4から吐出されたガスは熱回収蒸気発生器63
を貫流し、そこでは吐出ガスがその熱の多くを給水68
に放出して蒸気タービン(図示せず)に使用される蒸気
65を生産する。本発明に従えば、図1に示された実施
例に関して議論されたような気体燃料26か、或は図2
に示されたようにNOx制御のための水70であり得る
燃焼部噴射流体の加熱が望まれない場合、補助的な熱交
換器66が中間伝熱流体57を冷却するために使用され
る。この実施例において、熱交換器66には図2に示さ
れるように熱回収蒸気発生器63用の給水68が供給さ
れる。従って、中間伝熱流体57から放出された熱は給
水68の加熱に供されるので、冷却空気から伝達された
熱は、ガスタービン側というよりは蒸気タービン側へで
あるが、前述のようにサイクルに戻される。
構成要素の平均温度を低減する利点を有しており、従っ
て、タービン構成要素の強度を改善するが、過度に低い
冷却空気温度は、その冷却空気に直接に露出されたター
ビン構成要素の各種の部分で、望ましくないほど高い局
部的な熱応力となる熱勾配を生じさせる。従って、冷却
空気31の温度を所定の範囲内に維持するように該冷却
空気温度を制御することが往々にして望ましい。従っ
て、以上で議論したように、燃焼部噴射流体が加熱され
ない場合、補助的な熱交換器66を熱交換器54の代わ
りに単に用いるというよりは、この補助的な熱交換器6
6は中間伝熱流体57の温度、それ故にタービンに戻る
冷却空気31の温度を制御すべく、熱交換器54と共に
用いることもできる。これは、補助的な熱交換器66を
熱交換器54と少なくとも部分的に直列に連結するよう
に、且つ中間伝熱流体57の制御量が、熱交換器54を
通るのと同様に、補助的な熱交換器66を貫流するよ
う、配管系統における複数の弁67を調整を調節するこ
とによって達成される。流量調節の技術分野において周
知の如く、図2に示されるように冷却された冷却空気3
1の温度を検知するためにセンサ82を利用することが
できる。センサ82からの信号は、冷却空気31の温度
を上記所定範囲内に維持するように弁67を調節するコ
ントローラ81に伝達される。
料の両方のための熱交換器を形成している本発明の他の
実施例を示す。図4に示すように、ヒートパイプ71は
その流れ領域を上方通路79及び下方通路80とに分割
する仕切り板73を有するダクト72を備える。冷却空
気29は下方通路80を貫流し、気体燃料56は上方通
路79を貫流する。複数のフィン付き伝熱管74がダク
ト72内に配置され、上方及び下方通路の両方を貫いて
延びている。これ等の伝熱管74は自然循環によって各
管内を循環する水等の流体を含む。特に高温の冷却空気
29は、熱を各伝熱管74の下方通路80の部分におけ
るその流体に放出することによって冷却され、それによ
って流体を気化する。その気化ガスは上方通路79まで
伝熱管を上昇して、低温の気体燃料56に熱を放出する
ことによって、該燃料を加熱し且つ気化ガスを凝縮す
る。その復水はそれから各伝熱管74の下方通路80の
部分にしたたり落ち、サイクルが繰り返される。こうし
た受動的な循環方法を利用することは、図1及び図2に
示されたようなポンプ63によって行われる積極的な循
環とは反対に、この伝熱装置に更なる信頼性を与える。
体が加熱されてはならない場合、図2に示される補助的
な熱交換器66に加えて、冷却空気29を冷却する他の
方法を示す。特に冷却空気29は、前述したフィン対フ
ァンタイプのものでよく且つ上記の一次的な冷却空気用
の熱交換器と並列に連結されている二次的な冷却空気用
の熱交換器61を流れることが許容されている。ファン
58は周囲空気59をこの二次的な冷却空気用の熱交換
器61に貫流させるようにしており、それによって該周
囲空気に、直接、冷却空気29から熱を吸収させるよう
にしている。この方法は図1及び図2の実施例にも同じ
ように適用することができる。
プ」のタイプの熱交換器を参照して説明したが、螺旋状
の熱交換器等の他のタイプの熱交換器もまた利用可能で
ある。更に本発明はその精神或は本質的な特徴から逸脱
することなしに他の特殊な形態で実施することが可能で
あり、従って、本発明の範囲を示すものとしては、上述
の説明よりはむしろ、特許請求の範囲を参照すべきであ
る。
ン装置の長手方向に沿っての断面図である。
例の概略図であり、熱回収蒸気発生器がこのガスタービ
ン装置に組み入れられると共に、水が燃焼部に注入され
ている。
プを用いての第3の実施例の概略図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 ガスタービン装置であって、 a)圧縮空気を生ずる圧縮機部と、 b)前記圧縮空気の第1の部分で燃料を燃焼することに
よって加熱圧縮ガスを生ずる燃焼部と、 c)前記加熱圧縮ガスを膨張させるタービン部と、 d)前記圧縮空気の第2の部分を冷却する第1の熱交換
器と、 e)前記燃料を前記燃焼の前に加熱する第2の熱交換器
と、 f)伝熱流体を前記第1及び第2の熱交換器の両方を通
すように循環させて、該伝熱流体が前記第1の熱交換器
において前記圧縮空気の前記第2の部分から熱を吸収
し、前記第2の熱交換器において熱を前記燃料に放出す
るようにする循環手段と、 を備えて成るガスタービン。 - 【請求項2】 圧縮空気を生ずる圧縮機部と、該圧縮機
部から圧縮空気を受けるべく連結されると共に、受け取
った該圧縮空気に噴射するための第1の流体を受けるべ
く適合された燃焼部と、タービン部とを具備するガスタ
ービンにおいて、 a)前記圧縮機部によって生産された前記圧縮空気の第
1の部分を前記タービン部の冷却のために該タービン部
へ偏向する管路手段と、 b)前記圧縮空気の前記第1の部分から前記噴射の前の
前記第1の流体へ熱を伝達する伝熱手段と、 を備えて成るガスタービンにおける伝熱装置。 - 【請求項3】 圧縮機部と、燃焼部と、タービン部とを
具備するガスタービンにおいて、前記圧縮機部によって
生産された圧縮空気の一部分を冷却する冷却方法であっ
て、 a)前記圧縮空気の前記一部分から第1の流体へ熱を伝
達し、 b)前記燃焼部に前記第1の流体を噴射する、諸工程を
含むガスタービンにおける冷却方法。
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