JPS63159626A - ガスタ−ビンケ−シングの温度制御方法および温度制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンの冷却空気系統の温度制御技術に
係り、特に冷却空気系統内の中間冷却器が故障した場合
にもガスタービンの運転を継続し得るように改良したガ
スタービンケーシングの温度制御方法、及び温度制御装
置に関するものである。

〔従来技術〕

第２図は、従来型の中間冷却器付ガスタービン冷却空気
系統の一例を示す。従来の中間冷却器を用いたガスター
ビン冷却空気系統としては、例えば特開昭４８−８７２
１２号公報に示されるように圧縮機からの抽気を、水冷
却あるいは空冷式の中間冷却器で冷却した後タービンの
冷却空気として導入する方式が知られている。第２図に
おいて圧縮機１に導入された空気は圧縮された後燃焼器
２に導入され燃料と混合されて燃焼を行なう、高温の燃
焼ガスはタービン３を駆動した後排気ガスとして大気中
に放出され、タービンで発生した動力で発電機４を駆動
する。また、圧縮機吐出空気の一部は、ガスタービンか
ら抽気され、水冷式の中間冷却器５によって冷却された
後、冷却空気６としてタービン３に導入され、タービン
翼の冷却に用いられる。

第３図は、第２図に示したタービン３の■部付近の拡大
断面図である。

タービン低圧段の静翼冷却空気としては、圧縮機低圧段
抽気７が、中間冷却器を通さずに供給される。本発明に
おいて中間冷却器とは、ガスタービン本体の外部に設置
されて、ガスタービン用冷却空気として使用する圧縮機
抽気を冷却する。水冷若しくは空冷の熱交換塁をいう。

中間冷却器から送られた冷却空気６は、ロータ８内部に
導入されて該ロータ８を冷却した後、初段動翼９，２段
動翼１０の冷却に用いられる。また、他の部分の冷却空
気６は、タービンケーシング１１内を流れて初段動翼１
２の冷却に用いられる。

２段静翼１３，３段静翼１４には、中間冷却器を通って
いない低圧の、圧縮機低圧段抽気７が導入されて冷却を
行う。

一般に、タービン入口燃焼ガス温度を高くするほど、ガ
スタービンの熱効率を高くすることができるが、一方、
タービン翼の高温における強度上の問題によって、ター
ビン入口燃焼ガス温度が制限される。最新ではガスター
ビンの高効率化を図る為にタービン翼内部に冷却空気を
流して冷却を行ない、これによってタービン入口ガス温
度を高温化する技術が用いられており、いかに少量の冷
却空気でタービン翼を効率よく冷却するか、またタービ
ン入口ガス温度の高温化をどこまで図れるかが大きな開
発課題となっている。この課題の解決策の一つとして、
第２図に示す様な圧縮機最終段抽気あるいは圧縮機途中
段抽気をガスタービン外部に設置した中間冷却器を通す
ことにより冷却してタービン翼に導入する方法が有る。

この方法によれば、圧縮機最終段抽気あるいは途中段抽
気を直接タービン翼に導入して冷却する場合に比べて、
少量の冷却空気流量でタービン翼を効率良く冷却するこ
とが可能であり、タービン入口温度の上昇を可能ならし
めて、ガスタービンの高効率化をはかることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の技術においては、中間冷却器が故
障してタービンに供給する冷却空気の温度が上昇した場
合、タービンロータに熱膨張を生じ、動翼先端の間隙が
減少して摺損してしまう為。

中間冷却器５が故障すると運転の継続は不可能であり、
該中間冷却器が故障した場合にはガスタービンを停止さ
せざるを得ないという欠点を有った。

本発明の目的は、中間冷却器が故障した場合にもガスタ
ービンの運転継続を可能ならしめる、ガスタービンケー
シングの温度制御方法、及び温度制御装置を提供するに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため創作した本発明（方法及び装
置りの基本的な原理について略述すると次の如くである
。

（ｉ）　　中間冷却器が故障すると、ロータの昇温は避
は難い。

（Ｍ）　ロータが昇温して熱膨張したとき、ケージ。

ングが昇温しないと、ロータの動翼先端がケーシング内
周に接触する。

（ｆｆｌ）　ロータの昇温に見合って、ケーシングも昇
温させれば上記の接触を回避し得る。

これが本発明の骨子である。すなわち、、この接触防止
は、中間冷却器が故障して、冷却空気温度が上昇した場
合にタービンケージレグ内に高温の抽気を導入してター
ビンケーシングを加熱することにより達成される。低温
の冷却空気がタービンケーシング内流路を通ってタービ
ン静翼に供給される構造のガスタービンにおいては、静
翼に供給する冷却空気を高温の抽気（例えば圧縮機最終
段抽気）に切り換えてケーシングを加熱することにより
上記目的を達成することができる。

上述の原理を実用面に適用する為の具体的構成として、
本発明に係る温度制御方法は、空気圧縮機からの抽気を
中間冷却器で冷却した後タービンロータに導入して動翼
の冷却を行う構造のガスタービン冷却系統に適用され、
中間冷却器が故障した場合に、タービンケーシング内へ
、中間冷却器で冷却されない高温の抽気を導入し、ター
ビンロータの昇温に見合ってタービンケーシングを加熱
し、タービンロータとタービンケージングとの温度差を
減少せしめることを特徴とする。

また、上記の方法を実施する為に創作した本発明に係る
温度制御装置は、（ａ）ガスタービンのタービンケーシ
ングに冷却空気を供給する為の圧縮機低圧段抽気管路と
、（ｂ）ガスタービンのロータに冷却空気を供給する為
の中間冷却器出口空気管路とを備えたガスタービンの冷
却系統に適用され、（Ａ）前記抽気管路中に介装された
三方切換弁と、（Ｂ）前記出口空気管路中に介装された
三方切換弁と、（Ｃ）前記双方の三方切換弁を相互に連
通ずる管路と、（Ｄ）上記連通管路を中間冷却器入口空
気管路に接続する管路と、（Ｅ）中間冷却器の出口空気
管路中に設けられた温度検知器と、（Ｆ）上記温度検知
器の出力信号を入力されて前記双方の三方切換弁を切換
作動せしめる自動制御装置とを設けたものである。

〔作用〕

上記の構成によれば、中間冷却器が故障してロータが昇
温する場合、該ロータの昇温に見合つ、てケーシングを
昇温せしめ、双方の温度差を減少せしめて、双方の部材
の接触を防止することが出来る。

〔実施例〕

本発明の装置の１実施例をを用いて、本発明方法を実施
した１例について、第１図及び第４図を参照しつつ、次
に説明する。

以下１本発明の一実施例を第１図及び第４図により説明
する。

第１ＦＩにおいて、４００℃の圧縮機最終段抽気７は、
中間冷却器５によって１５０℃に冷却された後、冷却空
気６としてタービンロータ８に導入され、初段動翼９，
２段動翼１０の冷却を行なうとともに、タービンケーシ
ング１１内に導入されて初段静翼１２の冷却を行なう、
１７０℃の圧縮機低圧段抽気７はタービンケーシング１
１に送られた後２段静翼１３，３段静翼１４の冷却を行
なう、中間冷却器５出口の冷却空気６の配管には切換弁
１６が、また圧縮機低圧段抽気７の配管には切換弁１５
がそれぞれ設置され、上記の切換弁１５．１６を切り換
えることによって、冷却空気６の系統、低圧段抽気７の
系統いずれの系統にも４００℃の圧縮機最終段抽気を流
すことができる。

中間冷却器８の出口には温度検知器１７が設置され、こ
の温度検知器１７からの温度信号が制御装置１８に送ら
れて、切換弁ｉ５，１６はこの制御装置１８からの制御
信号により制御される。

中間冷却器５に故障が発生した場合、中間冷却器５の出
口温度が上昇する。この温度上昇を温度検知器１７によ
り検知して、切換弁１６により、ロータ８及び初段静″
Ｒ１２に導入する冷却空気６を４００℃の圧縮機最終段
抽気に切り換えるとともに、切換弁１５により２，３段
静翼に導入する圧縮機低圧段抽気７を同じ４００℃の圧
縮機最終段抽気に切り換える。また、冷却空気の温度上
昇によりタービン翼の温度が上昇し過ぎて破損するのを
防ぐため、燃料を減少させることによりタービンに流入
する燃焼ガス温度を、翼の許容できる温度まで下げる。

タービンロータ８は、通常の運転中は１５０℃の冷却空
気温度とほぼ等しい温度まで冷却されている。この状態
において、動翼先端ケーシング間間隙が約１．０ｍｍ　
となる様に設定されているが。

中間冷却器５が故障した場合、４００℃の圧縮機最終段
抽気がロータ８に導入される為該ロータ８が加熱され、
ロータ温度は約２５０℃上昇する。

これにより、ロータ８は熱膨張を生じ、動翼先端半径が
約２．５ｍ増加する。この熱膨張により。

動翼先端とケーシングとが接触して層積するのを防ぐ為
、ケーシング側にも４００℃の圧縮機最終段抽気を導入
して加熱し、ケーシングに熱膨張を生じさせて動翼先端
が層積するのを防止する。本実施例においては、タービ
ンケーシング１１内半径は熱膨張により約３ｍ増加し、
動翼の層積を防ぐことができた。

第４図は本実施例における中間冷却器故障時の燃焼温度
、冷却空気温度変化及びケーシング内面、動翼先端半径
の変化を示した図表である。中間冷却器によって冷却さ
れるロータの１段静翼冷却空気温度Ｔｚは、通常１５０
℃に設定されているが、時間Ｐにおいて中間冷却器に故
障が発生すると、時間と共に温度が上昇し、時間Ｑにお
いて２００℃まで昇温しで、温度検知器により故障が検
知される。故障が検知されると同時に切換弁（第１図に
示した１５．１６）が作動してロータの１段静翼冷却空
気系統に４ｏｏ℃の圧縮機最終段抽気が導入される。ま
た、２段、３段静翼冷却空気温度Ｔｚは通常１７０℃の
圧縮機低圧段抽気が導入されているが、故障検知と同時
に（時間Ｑ）４００℃の圧縮機最終段抽気に切り換えら
れる。また、燃焼温度ＴＦは故障検知と同時に１３００
℃より１１５０℃まで下げられ（燃料流量を絞る）、タ
ービン翼の温度上昇による損傷を防止する。

ケーシング内面、及び動翼先端の半径変化について見て
みると１通常、定格の運転状態においてケーシング内面
ａと動翼先端すとの間の動翼先端間隙Ｇ（第４図参照）
は、約１．０Ｉとなっているが、動翼先端半径すは、中
間冷却器の故障発生と同時に増加し始め、ロータ冷却空
気切換後一定時間経過すると、ロータの熱膨張により約
２．５−増加する。一方ケーシング内面半径は、ケーシ
ング内に導入される冷却空気が高温の圧縮機最終段抽気
に切換えられることにより熱膨張を開始し一定時間経過
後には約３■増加する。一般にガスタービンの場合、ロ
ータに比べてケーシング側の方が加熱され易く、温度上
昇が早い為、このようにケーシング側を加熱することに
より第４図に示す様に動翼先端間隙Ｇを確保することが
でき、動翼、ケーシング間の層積を防止してガスタービ
ンの運転を継続することができる。

ケーシングに導入される２、３段静翼冷却空気が高温の
抽気に切換えられない従来技術の場合について考えらみ
ると、第４図Ｔ８に示すごとく２゜３段静翼冷却空気温
度は故障検知後も変化せず、この為ケーシング内面半径
Ｃは故障検知後も変化しない。一方動翼先端半径すは、
中間冷却器故障後増大する為５図中の点Ｒにおいて動翼
、ケーシングが接触して層積を生じることとなる。この
為従従来技術においては、中間冷却器故障後に運転を継
続することができなかったものである。

中間冷却器に故障を生じた場合、燃焼温度の変更、冷却
空気系統の切換えに伴なってガスタービン性能に変化を
生じるが、上記実施例においては、ガスタービン出力１
５％低下、ガスタービン熱効率７％低下（相対比）８度
で運転を継続することができた。

〔発明の効果〕

以上説明いたように、本発明の方法によれば、中間冷却
器が故障した場合にも、動翼先端間隙を確保し、動翼、
ケーシング間の層積を防止するこ　１とができるので、
中間冷却器故障後にもガスタービンの運転を継続するこ
とが可能であり、冷却空気系統に中間冷却器を有するガ
スタービンの信頼性を大幅に向上できるという実用的効
果が有る。

また、本発明の装置によれば、上記の方法を容易に実施
してその効果を充分に発揮せしめることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る温度制御装置の一実施例を示す系
統図、第２１！１は従来技術を示す系統図、第３図は第
２図の■部詳細を示す断面図、第４図は本発明の実施例
における各部の温度及び半径変化を示す図表である。 １・・・圧縮機、２・・・燃焼器、３・・・タービン、
４・・・発電機、５・・・中間冷却器、６・・・冷却蜘
気、７・・・圧縮機低圧段抽気、８・・・タービンロー
タ、９・・・第１段動翼、１０・・・第２段動翼、１１
・・・タービンケーシング、１２・・・第１段静翼、１
３・・・第２段静翼、１４・・・第３段静翼、１５・・
・切換弁、１６・・・切換弁。 １７・・・温度検知器、１８・・・制御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空気圧縮機からの抽気を中間冷却器で冷却した後タ
   ービンロータに導入して動翼の冷却を行う構造のガスタ
   ービン冷却系統において、中間冷却器が故障した場合に
   、タービンケーシング内へ、中間冷却器で冷却されない
   高温の抽気を導入し、タービンロータの昇温に見合つた
   タービンケーシングを加熱し、タービンロータとタービ
   ンケージングとの温度差を減少せしめることを特徴とす
   るガスタービンケーシングの温度制御方法。 ２、前記の中間冷却器が故障した場合のタービンケーシ
   ング内への高温抽気の導入は、該中間冷却器の出口側空
   気温度の上昇を検出して中間冷却器が故障したことを検
   知して行うものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のガスタービンケーシングの温度制御方法
   。 ３、前記の高温抽気の導入は、タービンロータに供給さ
   れる抽気を、中間冷却器を経由しない管路を介してター
   ビンロータに供給するように切り替える操作と併せて行
   うことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のガス
   タービンケーシングの温度制御方法。 ４、前記の高温抽気の導入は、ガスタービンに供給され
   る燃料流量を絞つて燃焼温度を低下させる操作を併せて
   行うものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のガスタービンケーシングの温度制御方法。 ５、（ａ）ガスタービンのタービンケーシングに冷却空
   気を供給する為の圧縮機低圧段抽気管路と、（ｂ）ガス
   タービンのロータに冷却空気を供給する為の中間冷却器
   出口空気管路とを備えたガスタービンの冷却系統におい
   て、（Ａ）前記抽気管路中に介装された三方切換弁と、
   （Ｂ）前記出口空気管路中に介装された三方切換弁と、
   （Ｃ）前記双方の三方切換弁を相互に連通する管路と、
   （Ｄ）上記連通管路を中間冷却器入口空気管路に接続す
   る管路と、（Ｅ）中間冷却器の出口空気管路中に設けら
   れた温度検知器と、（Ｆ）上記温度検知器の出力信号を
   入力されて前記双方の三方切換弁を切換作動せしめる自
   動制御装置とを設けたことを特徴とするガスタービンケ
   ーシングの温度制御装置。