JPS60166719A - ガスタ−ビンの水噴霧冷却装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明はガスタービンの水噴霧冷却装置に係シ、特に
、ガスタービンの冷却空気を水噴霧により冷却するガス
タービンの水噴霧冷却装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、ガスタービンはタービン入口温度を上昇させる
とタービン効率が向上することが知られしかし、ガスタ
ービンの冷却空気量は、タービン入口温度の上昇に伴っ
て増加する。ガスタービン冷却空気量が増大すると、タ
ービン効率の上昇が減殺されるので、冷却空気量の増加
は抑制することが好ましい。冷却空気量の増加を押える
には、ガスタービンの冷却空気を水噴霧により冷却する
この水噴霧の方法としては、ガスタービントハ別置され
た冷却器を設置する方法と、ガスタービンケーシング内
に水噴霧する方法とがある。前者の冷却器の設置方法は
、機器や配管の構成が複雑化し、配管の圧力損失が過大
になる危険性があり、後者の水噴霧方法は、タービンケ
ーシングの狭い空間内で多量の水を如何に効率よく蒸発
させ得るかという問題があった。

〔発明の目的〕

この発明は上述した点を考慮し、タービンケーシング内
で水を効果的に蒸発させてガスタービンの冷却空気を積
極的かつ効率よく冷却させ得るようにしたガスタービン
の水噴霧装置を提供させることを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明に係るガスタービンの水噴霧装置は、上述した
目的を達成するために、タービンケーシング内にコンプ
レッサから吐出された圧縮空気の一部を冷却する水噴霧
筒を設け、この水噴霧筒は水管を螺旋状に巻回して外筒
を構成するとともにこの外筒内に内筒を収容し、上記水
管の先端部に水噴射孔が前記内筒内に向けられて穿設さ
れ、上記水噴射孔からの水噴霧により圧縮空気を冷却さ
せたものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の好ましい実施例について添付図面を参
照して説明する。

第１図において、符号ｌＯはガスタービンのタービンケ
ーシングを示し、このタービンケーシング１０内にター
ビンシャフト１１が回転自在に支持される。タービンシ
ャフト１１の一側にはコンプレッサ１２が設けられ、こ
のコンプレッサ１２の作動によシェアーが圧縮され、こ
の圧縮空気Ａはコンプレッサ１２の吐出部１３から燃焼
器１４内に送られ、ここで燃焼せしめられる。燃焼器１
４にて燃焼された燃焼ガスは、タービン靜ｊ［Ｌ５とタ
ービン動Ｊｌｌ＠１６とから構成されるタービン段落に
案内され、タービンを駆動させる。このガスタービンの
駆動により、タービンシャツ）１１が回転駆動され、図
示しない発電機を駆動させ、発電を行なうようになって
いる。

タービン静翼１５はタービンケーシング１０の内部ケー
シングｌＯａに周設される一方、このタービン’１１１
１５に対向するタービン動翼１６はタービンロータ１７
上に植設される。タービンロータ１７はタービンシャツ
）１１に一体あるいは一体的に軸装される。

一方、コンプレッサ１２の吐出部１３から吐出された圧
縮空気Ａの一部は、燃焼器１４を迂回し上水噴霧筒１８
に案内され、ここで水噴霧作用によシ冷却され、タービ
ンの冷却空気Ｂとして使用される。

この冷却空気Ｂは代表的には内部ケーシングｌｏｇやタ
ービン動ＪＫ１６のタービンロータ１７に穿設された冷
却流路１９ａ＊１９ｂを通して案内され、タービン入口
部周辺を冷却し、この周辺部を順次冷却した後、燃焼ガ
スの主流ガス中に流出される。

また、水噴霧筒１８は、タービンケーシング１０内にお
いて燃焼器１４の下流側に収容される。水噴霧筒１８は
第２図に示すように３本の水管２０ａ　Ｈ２０ｂ　＊２
１Ｊｃを螺旋状に等ピッチに巻装し、全体として円筒状
をな−ｔ１″：）の外筒２１が構成される。この外筒２
１内に内筒２２が同心円状に収容される。内筒ｎには複
数の開口乙が適宜間隔をおいて形成される。

前記外筒２１の頭部（−側）には角形、半球状あるいは
その他の形状のキャップＵが冠着される一方、その他端
には蒸発器５が設けられる。この蒸発器５は第３図に示
すように、薄板２６を格子状に組み合わせたもので、内
筒２２の端部に一体的に取伺けられる。蒸発器部の内部
構造は格子状に限定されるものではなく、例えばパンチ
ングプレートや釡網を使用した内部構造としてもよい。

また、外筒２１を構成する各水管２０ａ　１２０ｂ　ｔ
２０ｃは先端部が半径方向内力に折曲され、その先端は
閉塞される。各水管２０　ａ　ｔ　２０　ｂ　、２０　
ｃの先端部には第４図に示すように、水噴射孔あが穿設
され、各水噴射孔あけ内筒ｎ内を臨むように開口してい
る。各水噴射孔路から噴霧される水は周辺から圧縮空気
の一部を巻き込んで内筒２２内に案内され、その蒸発作
用により圧縮空気を冷却する。冷却された圧縮空気は蒸
発器ゐを経てタービン等を冷却する低温の冷却空気とし
て流出されるようになっている。各水噴射孔路は単孔に
限定されず、複数の孔を列状に形成したり、渦巻噴射弁
やノズルを取付けてもよい。

なお、外筒２１を構成する各水管２０　ａ　−２０ｃは
蒸発器δ側でＵ字状に湾曲せしめられ、その流入側はタ
ービンケーシングｌＯ外に設置された水供給源（図示せ
ず）に接続される。

次に、この発明の作用について説明する。

コンプレッサ１２で圧縮された圧縮空気はその吐出部１
３から燃焼器１４に大部分案内され、この燃焼器１４内
で燃料を燃・跣させる。この燃料の燃焼により生じた燃
焼ガスはガスタービンの第１段のタービン段落に案内さ
れ、続いて各段のタービン段落を通る＋ｑｊに仕事をし
、タービン動翼１６を回転させ、発電機（図示せず）を
駆動させる。

一方、コンプレッサ１２の吐出部１３から吐出された圧
縮空気の一部は燃焼器１４を迂回して高温の圧縮空気と
なって水噴霧筒１８に案内される。この水噴霧筒１８に
案内された高温の圧縮空気は、外筒２１を構成する各水
管２０ａ　、２０ｂ　、２０ｃの隙間を通つて、外筒２
１と内筒Ｕとの間の環状流略凹に案内され、キャップＵ
の方に流れると同時に、一部は各開口ｎを経て内筒ｎ内
に流入される。このとき、圧縮空気Ａは各水管２０’　
＋　２０　ｂ　＊　２０　ｃ内を流れる水と熱交換し、
冷却せしめられ、水の温度は上昇する。

一方、各水管２０　ａ　ｙ　２０　ｂ　＊　２０　ｃの
噴射孔路により噴霧される水は、環状流路３１内を通る
圧縮空気を巻き込んで内筒ｎ内に案内される。その際、
噴射孔あより噴霧された水滴は大部分内筒２２内で蒸発
するが、噴射される粒径に分布があり、中には平均粒径
の２倍を超える水滴も存在する。このような水滴の蒸発
は遅れ、内筒Ｚ２内で充分に蒸発しきれない場合も予想
される。したがって、内筒ｕの流出側に蒸発器ゐを設置
し、この蒸発器５で粒径の大きな水滴を捕捉し、蒸発さ
せる。また、噴射孔路から噴射される水滴の一部は内筒
壁に轟た予した水滴は加熱作用を受けて蒸発する。

したがって、環状流路３１から内筒ｎ内に流入した圧縮
空気は噴射孔あから噴射された水噴霧により積極的に冷
却され、この冷却空気は蒸発器５を経てタービン等を冷
却する低温の冷却空気として流出される。

このように、水噴霧筒１８に案内された高温の圧縮空気
は、ここで各水管２０　ａ　＊　２０　ｂ　＋　２０　
ｅによる対流冷却、噴霧水滴による蒸発冷却、蒸発器部
による対流蒸発冷却を受け、３段階の冷却作用を受ける
。このため、タービンケーシング１０の狭い空間内で圧
縮空気の冷却を、水の冷却能力を完全に利用することで
、効果的に行なうことができる。

一方、圧縮空気は各水管２０ａ　、２ｆＪｂ　、２０ｃ
による対流熱交換の結果冷却されるが、このとき、各水
管２０　ａ　＋　２０　ｂ　＊　２０　ｃ内を通る冷却
水は予熱されて水の粘性係数が下がる。このため、各噴
射孔路からの水噴霧がスムーズに行なわれ、噴霧粒径も
小さく、蒸発時間が短かくなる。例えば冷却水が１００
℃に予熱されると、２０’Ｃの場合の水に比べ蒸発時間
が半減し、内筒ｎ内での水滴の蒸発が効率よ〈行なわれ
る。

また、内筒ｎ内で蒸発しきれなかった水滴は蒸発器δに
て捕捉され、積極的かつ完全に蒸発されるので、水の冷
却能力を１００％利用して圧縮空気を冷却することがで
きる。その際、ガスタービン内に残留水滴がそのままの
形で流入することがなく、悪影響を及ぼすのを未然に防
止できる。

さらに、外筒２１を構成する水管２０　ａ　＊　２０　
ｂ　、２ｔＪ　ｃの系統は３系列となっているため、ガ
スタービンの部分負荷運転において、冷却水量が少量し
か必要としないとき、一部の水管系統への水の供給を停
止して水量を減らすことができる。このようにすると冷
却水量の変化に伴う噴射水圧の低下を最小にすることが
可能となり、常に良好な水ｔｒｉが得られる。

なお、水管の系統は３系列に限定されるものではなく、
単純さを優先する場合には１系列でもよく、部分負荷特
性が重要な場合には、水管系統は数が多い方が良く、使
用するガスターピ／の特性に応じて定められる。

また、外筒を構成する水管の外表面に伝熱フィンを取付
けて伝熱面積を増加させ、圧縮空気をより効果的に冷却
してもよく、水管の噴射孔から噴霧される水量が少ない
場合には、蒸発器を流出側に設置することは必ずしも必
要としない。

さらに、内筒２２に穿設された開口器は、内筒２２内の
流速分布調整や気流を攪拌し、水滴を蒸発させる作用を
促進させているが、内筒ｎ内を単純構造のものとする場
合には開口は不要である。また、内筒２２に付着した水
滴の蒸発を促進させるために、内面を多孔質板で形成し
たり、多孔板で形成してもよい。

〔発明の効果〕

以上に述べたようにこの発明に係るガスタービンの水噴
霧冷却装置においては、タービンケーシング内にコンプ
レッサから吐出された圧縮空気の一部を冷却する水噴霧
筒を設け、この水噴霧筒は水管を螺旋状に巻回して外筒
を構成するとともに、この外筒内に内面全収容し、上記
水管の先端部に水噴射孔が上記内筒内に向けられて穿設
され、上記水噴射孔からの水噴霧により圧縮空気を冷却
させたから、ガスタービンケーシング内という狭い空間
内で水の蒸発潜熱を積極的に利用して圧縮空気を効果的
に冷却させることができる。その際、水管内を通る冷却
水は予熱され、水の粘性抵抗が小さくなった状態で水噴
射孔から噴霧されるので、噴霧水の微粒化が効果的に行
なわれ、冷却水の蒸発による圧縮空気の冷却作用を積極
的にかつ有効的に行なうことができ、冷却された圧縮空
気をタービン冷却空気として利用できる。したがって、
ガスタービンのタービン人口温度全上昇させても、その
入口部周辺を有効的に冷却し、大きな熱応力の発生を未
然に防止でき、ガスタービンのタービン効率を確実にか
つコンパクトな冷却構造で向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るガスタービンの水噴霧冷却装置
の一実施例を示す図、第２図は上記ガスタービンの水噴
霧冷却装置に用いられる水噴霧筒を示す図、第３図は第
２図の■−■線に沿う図、第４図は第２図の■−■線に
沿う図である。 ｌＯ・・・タービンケーシング、１１・・・タービンシ
ャフト、１２・・・コンプレッサ、１４・・・燃焼器、
１５・・・タービン静翼、１６・・・タービン動翼、１
８・・・水噴霧筒、２０ａ＋２０ｂ、２１Ｊｅ・・・水
管、２１・・・外商、ｎ・・・内筒、ｎ・・・開口、冴
・・・キャップ、５・・・蒸発器、あ・・・水噴射孔、
；３０・・・環状流路。 弗　ｌ　副 第４　図　第　３　図 佑　２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 】、タービンケーシング内にコンプレッサから吐出され
   た圧縮空気の一部を冷却する水噴霧筒を設け、との水噴
   霧筒は水管を螺旋状に巻回して外筒を構成するとともに
   この外筒内に内−１に収容し、上記水管の先端部に水噴
   射孔が前記内筒内に向けられて穿設され、上記水噴射孔
   からの水噴霧によシ圧縮空気を冷却したことを特徴とす
   るガスタービンの水噴霧冷却装置。 ２、内筒の流出側に蒸発器が設けられ、この蒸発器で内
   筒内で蒸発しきれない水滴を蒸発させるようにした特許
   請求の範囲第１項に記載のガスタービンの水噴霧冷却装
   置。 ３、内筒には複数の開口が形成された特許請求の範囲第
   １項に記載のガスタービンの水噴霧冷却装置。 ４、内筒は、水滴蒸発作用を促進させるため、多孔質板
   あるいは多孔板で形成された特許請求の範囲第１項に記
   載のガスタービンの水質霧冷却装置。 ５、外筒は１本あるいは複数本の水管を等ピッチで螺旋
   状に巻装し、全体として１つの筒状を構成し、前記外筒
   と内筒との間に圧縮空気用の環状流路が形成された特許
   請求の範囲第１項に記載のガスタービンの水質霧冷却装
   置。 ６、水筒の外表面には伝熱面積を増すため熱交換フィン
   が設けられた特許請求の範囲第１項に記載のガスタービ
   ンの水噴霧冷却ｉｔ。 ７、外筒の一側頭部にはキャップが冠着された特許請求
   の範囲第１項に記載のガスタービンの水噴霧冷却装置。