JPS6226329A

JPS6226329A - ガスタービンのホットパーツ冷却方法

Info

Publication number: JPS6226329A
Application number: JP60165996A
Authority: JP
Inventors: Soichi Kurosawa; 黒沢　宗一; Kazuhiko Kumada; 和彦熊田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-07-29
Filing date: 1985-07-29
Publication date: 1987-02-04
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: FR2585407A1; FR2585407B1; US4767259A; JPH0643811B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は、ガスタービンを冷却用空気によって冷却する
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
シ、飛躍的に向上することは周知の事実である。しかし
、燃焼温匿の上昇に伴い、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っ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って使用部材の温度を下
げてよう方法をとっている例が多い。

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８００Ｃ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５
ｏｏｔ：’以下に押えておかねばならない。従って燃焼
器３を出る燃焼温度が８００Ｃ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では３５０〜４５０Ｃ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
によシ、冷却空気７の温Ｉｆを２００Ｃ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によシ、制御器１２に
て、温度２００Ｃ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でいる。又、冷
却空気７の空気量はオリフィス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図に示す通シである。

これは、大気温度一定の場合の関係であシ、この関係か
ら、燃焼温度１５が１２００ｔｌｌ’即ち、出力１００
％の時の冷却空気量の必要量１７を１００チとした場合
、燃焼温度１５が８００Ｃ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１８１９に示す。この場合、
オリフィス１０及びノズル３の末端にて空気流量が絞ら
れている。オリフィス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。従って、前記のオリフィ
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７ｆｔ
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
っ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．
　１５　ａ、　　１５　ｂの関係を示す。とれから必要
空気量と出力の関係を第１２図に示す。これよシ例えば
同じく５０チの出力割合における必要空気流量は、大気
温度５０Ｃで設計冷却空気量の６０チ必要であり、１５
Ｃで３５％、−２０Ｃでは、０チとなる。このため、先
に述べた出力割合による制御を実施した場合、制御設計
を１５Ｃの曲線でインプットしておくと５０％出力では
、冷却空気量が一２０Ｃでは３５チ余分に流すことにな
シ、効率向上の点から望ましくない。又、５０Ｃの場合
は２５チ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シ、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、インレットガイ
ドベーンを出力により開閉することによって吸込空気ｉ
ｔ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。

このインレットガイドベーンコントロールをした場合の
燃焼温度１５Ｃ１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
図燃焼源度１５ｃが１００％出力割合の点■と同一温度
である０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、■＠θ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１３ｔ−流れる実流量は、前記のインレットガ
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よりも更に下シ
、線１８ａの如くなる。

この為、第１４図Ｏ点において、実流空気量１８ａは、
必要空気量１９Ｃにルして約１０１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
８００Ｃに下げるために必要な空気ｔ　１９Ｃを下回る
ことになるため、この時のメタル温度は８４０１：’と
なり、強度上及び寿命上１問題となる。

寿命は、メタル温度５ｏｏＣの場合に比し、メタル温度
８４０Ｃの場合は約１／８となり、大幅な寿命縮少とな
る。

又、公知例（％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、過少といった不具
合が生じる。

即ち。

（１）大気温度変化による吸込空気量変化時に対応でき
ない。

（１１）設計ミスマツチがあった場合、とれに対応して
適宜の制御をすることができない。

ＯｉＤ　　経年変化によるガスバス汚れ、及び摩耗に対
応して適宜の制御をすることができない。

１ｉＤ　　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ｉｔ量制御て、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、もっば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側８ｔ−行って
いたが、冷却制御のために基準とすべきは燃焼温度であ
って排気温度ではない。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
冷却側１ｌＫｌ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（ホットガスパー
ツの適正な温度管理）ｆ：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、この運転条件に適
合するように冷却空気ｔ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ｆ：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にインプットする。

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。その関係は、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
出圧力よシ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ｆ、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２
１にインプットしておく。

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２０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、前述第１４図の実流
空気量１８ａとなるがこれは、吐出空気４の圧力によっ
て次の式より定まる。

Ｇ＝ＡＸＫＸ弄マ扉乃ここで　Ｇ：最大可能流量 λ：最少絞り部面積に：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。

この量大可能流量と、流量演算機２１で算出した必要空
気流量とを比較し、必要空気流量が最大可能流量以下で
あれば、第５図に示すごとく、冷却空気温度を目標温度
２００Ｃ一定に保持する。

又、必要空気流量が最大可能流量よシも大であれば、冷
却空気温度を下げるべく冷却水８の流量を調整する。こ
の制御は、圧力計２２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にインプットし、
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にインプットすることによって、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ッ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ッ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１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。

（１）　　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、しかもホッ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。

（ｌｉ）　　インレットガイドベーンコントロール方式
材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、ホットガスパーツ
の寿命維持が可能となシ、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。

ＧｉＤ　　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シ、５０％出力割合点におけ
るガスタービン効率’ｅ　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、ガスタービンのホットガスパー
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】

２ｇ１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、１０・・・オリフィス、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

【特許請求の範囲】１、ガスタービンのホットパーツを圧縮空気によつて冷
却する方法において、当該ガスタービンの排気温度およ
び圧縮空気圧力を測定し、上記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、上記の運転条件に適
合するように前記の冷却用空気流量を制御することを特
徴とする冷却空気量制御方法。２、前記の冷却用圧縮空気は、空気圧縮機の吐出空気を
一旦ガスタービン外に導き出し、流量調整弁によつて流
量を制御した後にガスタービンのノズル付近に供給する
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の冷却空気量制御方法。３、前記のガスタービン外に導出した空気は、熱交換器
によつて冷却した後にガスタービンのノズル付近に供給
するものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
又は同第２項に記載の冷却空気量制御方法。