JPH0643811B2 - ガスタービンのホットパーツ冷却方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ガスタービンを冷却用空気によつて冷却する
場合、該ガスタービンの燃焼状態に応じて最適流量の冷
却用空気を供給するように制御する方法に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

ガスタービンの効率は、その燃焼温を高くすることによ
り、飛躍的に向上することは周知の事実である。しか
し、燃焼温度の上昇に伴い、材料の開発を同時に進行さ
せ、高温に耐えうる材料を使用することが燃焼温度の上
昇を可能ならしめる第一の条件となる。しかしながら、
現状技術では、材料開発が頭打ち状態にあつて画期的な
向上は望めないので、材料を冷却することによつて使用
部材の温度を下げて使う方法をとつている例が多い。

第６図及び第７図に、ガスタービンノズルの空気冷却に
係る従来技術を示す。第６図は冷却空気系統図、第７図
はノズル付近の断面図である。

タービンノズル１３のメタル温度は現状最高レベルの材
料を使用しても８００℃を越えて使用することは強度
上、寿命保証上の点から無理である。このため、ノズル
１３の温度はいかなる運転状態でも８００℃以下に押え
ておかねばならない。従つて燃焼器３を出る燃焼温度が
８００℃以上のガスタービンでは、空気圧縮機１の吐出
空気４を利用してノズル１３の内面を冷却する必要があ
る。しかしながらこの冷却に用いる圧縮機吐出空気４の
温度は、通常のガスタービンは３５０〜４５０℃の範囲
にあり、高温高圧タービンになるほどこの温度は高くな
る傾向にある。この冷却用空気をケーシング１４から一
旦外に出し、インタークーラ６で水８と熱交換させるこ
とにより、冷却空気７の温度を２００℃前後まで下げる
手段が従来用いられており、この場合の冷却空気７のコ
ントロールは、温度センサー１１により、制御器１２に
て、温度２００℃程度の一定値に保持するよう、冷却水
８の量を弁９にて調整する方法がとられている。又、冷
却空気７の空気量はオリフイス１０により一定値に押え
ている。

一方、ガスタービンの出力と、燃焼温度１５、排気温度
１６との関係は第８図に示す通りである。これは、大気
温度一定の場合の関係であり、この関係から、燃焼温度
１５が１２００℃即ち、出力１００％の時の冷却空気量
の必要量１７を１００％とした場合、燃焼温度１５が８
００℃の時は、冷却空気の供給は必要なくなる。この関
係を第９図に示す。これを出力割合で表わしたものを第
１０図に破線１９で示す。この場合、オリフイス１０及
びノズル３の末端にて空気流量が絞られている。オリフ
イス１０のみで上記の空気流量をコントロールしている
場合、吐出空気４の圧力が部分負荷になるに従い低下す
ることから、第１０図１８に示す実線１８の如き実流空
気量となる。従つて、前記のオリフイス１０（第６図）
の位置に、これに代る弁を設けて必要空気量１９と出力
割合との関係に基づいて空気量７を調整することも可能
である。

しかしながら、ガスタービンは、運転時の大気温度によ
つて吸込空気量が増減するため、ガスタービン内部の特
性が変る。

第１１図に、大気温度が変化した場合の燃焼温度１５，
１５ａ，１５ｂの関係を示す。これから必要空気量と出
力の関係を第１２図に示す。これより例えば同じく５０
％の出力割合における必要空気流量は、大気温度５０℃
で設計冷却空気量の６０％必要であり、１５℃で３５
％、−２０℃では、０％となる。このため、大気温度を
考慮せずに出力割合のみに基づいて制御を実施した場
合、制御設計を１５℃の曲線でインプツトしておくと５
０％出力では、冷却空気量が−２０℃では３５％余分に
流すことになり、効率向上の点から望ましくない。又、
５０℃の場合は２５％の冷却空気量が不足することにな
り、これは直ちにノズルのメタル温度上昇につながり、
運転不可能の事態を引き起こす虞れが有る。

又、ガスタービンの効率向上策として、インレツトガイ
ドベーンを出力により開閉することによつて吸込空気量
を加減し、これにより部分負荷域まで燃焼温度最高の点
を保持し、部分負荷時の有効熱落差の有効利用と、排気
温度上昇によるボトムサイクルの効率向上を図る手段を
講じる場合がある。

このインレツトガイドベーンコントロールをした場合の
燃焼温度１５ｃ、排気温度１６ｃの出力に対する関係を
第１３図に示す。この関係より、出力に対する必要冷却
空気量を表わすと第１４図１９ｃとなる。即ち、第１３
図燃焼温度１５ｃが１００％出力割合の点イと同一温度
であるロ点までは、同一量の冷却空気量が必要になるた
め、第１４図必要冷却空気量１９ｃは、イロハの折線と
なる。

一方、これに対し、実際に冷却空気７の流れの末端であ
るノズル１３を流れる実流量は、前記のインレツトガイ
ドベーンを絞ることにより、吐出空気４の圧力が下るた
め、第１０図に示した実流空気量１８よりも更に下り、
線１８ａ（第１４図）の如くになる。この為、第１４図
ロ点において、実流空気量１８ａは、必要空気量１９ｃ
に比して約１０％不足する。これは、ノズル１３のメタ
ル温度を当初の目標値である８００℃に下げるために必
要な空気量１９ｃを下回ることになるため、この時のメ
タル温度は８４０℃となり、強度上及び寿命上、問題と
なる。寿命は、メタル温度８００℃の場合に比し、メタ
ル温度８４０℃の場合は約１／８となり、大幅な寿命縮
少となる。

又、公知例（特開５５−112826）としてタービン排気温
度のみに基づいて冷却空気量を制御する方式が見られる
が、この公知例の場合は、大気温度一定の場合を想定し
ているもので下記のケースにおいて燃焼温度と排気温度
の関連性が崩れるため、正確な燃焼温度を把握すること
ができずに冷却空気量の過大、過少といつた不具合が生
じる。

即ち、 (i)大気温度変化による吸込空気量変化時に対応できな
い。

(ii)設計ミスマツチがあつた場合、これに対応して適宜
の制御をすることができない。

(iii)経年変化によるガスパス汚れ、及び摩耗に対応し
て適宜の制御をすることができない。

(iv)製作公差範囲内での形状変化に対応できない。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、その目的
は冷却空気流量を制御して、ガスタービンのホットガス
パーツのメタル温度を適正に調節し得る方法を提供する
にある。

〔発明の概要） 上記の目的を達成する為に創作した本発明の制御方法に
ついて、先ず、その基本的原理を略述する。

従来技術においては、もつぱらガスタービンの排気温度
のみに基づいてホットガスパーツの冷却制御を行つてい
たが、冷却制御のために基準とすべき燃焼温度であつて
排気温度はない。大気温度等の大気条件が一定であると
仮定すれば上記の従来技術（排気温度基準の制御）が成
立し得るが、大気条件が一定でないという現実の問題に
おいては、燃焼温度を算出して、これに基づいて冷却制
御を行わねばならない。

上に述べた原理に基づいて前記の目的（ホツトガスパー
ツの適正な温度管理）を達成するため、本発明の冷却空
気量制御方法は、ガスタービンの排気温度及び圧縮空気
圧力を測定し、この測定値に基づいて燃焼温度を算出し
て運転条件を判定し、この運転条件に応じて、冷却用空
気の流量を制御し、若しくは冷却用空気の温度を制御す
ることを特徴とする。

〔発明の実施例〕〕 次に、本発明の一実施例を第１図について説明する。本
図は本発明の制御方法を実施するために構成した制御系
統を付記したガスタービンの冷却系統図である。

空気圧縮機１の吐出空気４の圧力を圧力計２２にて測定
するとともにタービン２の排気温度を温度計２３にて測
定する。この両者を流量演算機２１にインプツトする。
この演算機２１の中で、吐出圧力及び排気温度より冷却
空気必要流量を計算する。この関係は、ガスタービンの
一般的な特性として第２図に示すごとく、排気温度、吐
出圧力より燃焼温度が算出できるという関係を利用し、
これより燃焼温度に相当する冷却空気必要量を算出する
ものである。即ち、第２図の排気温度、吐出圧力と燃焼
温度の関係より、第３図に示す排気温度、吐出圧力と必
要冷却空気量の関係を導き出しこの関係を演算機２１に
インプツトしておく。

この演算機にて冷却空気必要量を算出し、この信号を空
気流量制御弁２１に指令し、制御弁２０にて冷却空気量
７をコントロールする。

又、冷却空気７の最大可能流量は、先に説明した第１４
図の実流空気量１８ａとなるがこれは、吐出空気４の圧
力によつて次の式より定まる。

ここでＧ：最大可能流量 Ａ：最少絞り部面積 Ｋ：係数 Ｐ：吐出空気４の圧力 ΔＰ：圧力差 Ｔ：空気温度 この関係を第４図に示す。

この最大可能流量と、流量演算機２１で算出した必要空
気流量と比較し、必要空気流量が最大可能流量以下あれ
ば、第５図に示すごとく、冷却空気温度を目標温度２０
０℃一定に保持する。又、必要空気流量が最大可能流量
よりも大あれば、冷却空気温度を下げるべく（第１図参
照）冷却水８の流量を調整する。この制御は、圧力計２
２で測定した圧力と、演算機２１からの必要空気量とを
温度演算機１２ａにインプツトし、更に、冷却空気７の
温度を温度計１１にて測定し、これも演算機１２ａにイ
ンプツトすることによつて、冷却水調整弁９に与える信
号を演算機１２ａにて算出し、実施するものとする。以
上のように制御することにより、大気温度変化時および
インレツトガイドベーン制御方式ガスタービン等のいか
なる運転条件においても、燃焼温度に相当する最少必要
冷却空気条件が設定されるため、冷却空気量を最低限に
絞ることができ、効率向上が図れると共に、タービンノ
ズル等のホツトガスパーツのメタル温度を目標値に設定
することができるため、部品の寿命維持に大きく貢献す
る。

以上に説明した実施例においては、次のような効果が確
認された。

(i)大気温度が変化した場合も、全ての運転範囲におい
て冷却空気消費量が最少となるようにコントロールする
ことができ、しかもホツトガスパーツのメタル温度を管
理基準内に抑えることができた。

(ii)インレツトガイドベーンコントロール方式付のガス
タービンに本実施例の方法を適用すると、部分負荷にお
ける燃焼温度が高い場合においても、その燃焼温度に相
当する冷却条件が確保でき、ホツトガスパーツの寿命維
持が可能となり、本発明を実施しない場合に比して８倍
の寿命が確保できた。

(iii)上に述べたように必要冷却空気量を最少限にコン
トロールすることにより、５０％出力割合点におけるガ
スタービン効率を6.8％向上できた。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の方法によれば、冷却空気
量を制御して、ガスタービンのホツトガスパーツのメタ
ル温度を適正に調節することができ、ガスタービンの熱
効率を阻害することなく、耐久性、信頼性の向上に貢献
するところ多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例におけるガスタービンの
冷却、制御系統図である。 第２図乃至第５図は上記実施例の効果を説明するための
図表である。。 第６図及び第７図は従来の制御方法の説明図で第６図は
冷却、制御系統を示し、第７図はノズル付近の断面を示
している。 第８図乃至第１４図はガスタービンの温度に関する問題
点を説明するための図表である。 １……圧縮機、２……タービン、３……燃焼器、４……
吐出空気、５……燃焼空気、６……インタークーラ、７
……冷却空気、８……冷却水、９……冷却水制御弁、１
０……オリフイス、１１………温度計、１２………温度
演算機、１３……ノズル、１４……タービンケーシン
グ、１５……燃焼温度、１６……排気温度、１７……必
要空気量、１８……実流空気量、１９……必要空気量、
２０……流量制御弁、２１……流量演算機、２２……圧
力計、２３……排気温度計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンの空気圧縮機で圧縮された吐
   出空気の一部分を、冷却用空気として当該ガスタービン
   のホットパーツに供給し、上記冷却用空気の流量および
   温度を上記ガスタービンの燃焼温度に基づいて制御す
   る、ガスタービンのホットパーツ冷却方法において、 前記燃焼温度に基づいて、前記ホットパーツのメタル温
   度を所定の温度まで下げるのに必要な必要冷却空気流量
   を定めるとともに、 前記空気圧縮機の吐出圧力に基づいて、前記ホットパー
   ツに供給し得る最大供給可能冷却空気流量を求め、 前記必要冷却空気流量と、前記最大供給可能冷却空気流
   量とを比較し、 前記の最大供給可能冷却空気流量が、前記の必要冷却空
   気流量よりも大きいときは前記冷却用空気の流量を制御
   し、 前記の最大供給可能冷却空気流量が、前記の必要冷却空
   気流量よりも小さいときは、前記冷却用空気の温度を下
   げるように制御することを特徴とする、ガスタービンの
   ホットパーツ冷却方法。