JPWO2005085615A1 - ラジアルタービン及びそのノズルの冷却方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、タービン構成要素の中でも特に高温となるタービンノズル２を、比較的簡易な構造で、効率よく冷却することを目的とする。タービンノズル２及びラジアルタービン羽根車３を覆い燃焼ガス１０→１１→１２→１３の流路１５，１６を形成するタービンシェル５の外側に、燃焼前の圧縮空気２０→２１の流路２４となるタービンケーシング７を設けた二重ケーシング構造を形成する。外気との間に気密性をもつ圧縮空気の流路２４を流れる燃焼前の圧縮空気２１を、タービンシェル５の両壁面を貫通する貫通孔５１を通して、タービンノズル２に吹き付ける。これにより、タービンノズル２を冷却するとともに、このノズル冷却に使用した圧縮空気を、タービン羽根車３に向って流入させる結果、タービンへ取り入れた圧縮空気２０の全量が、タービン羽根車３を駆動する機械的仕事に寄与する。

Description

本発明は、冷却構造を改良したラジアルタービン及びそのタービンノズルの冷却方法に関する。

最近、発電機を駆動するガスタービンにラジアルタービンを用いた数十から数百ｋＷのガスタービン発電設備が検討されている。このようなガスタービン発電設備において発電効率を向上させる一つの手段として、タービン入口温度を上昇させることが挙げられる。しかし、タービン入口温度を上昇させると、特にタービンノズル等が高温となり、それらの材料の溶融などの事態を招きかねない。この対策の一つとして、タービン入口部におけるガスより低温・高圧の空気を使用して、タービンノズルを冷却し、そのメタル温度を低下させる方法がある。このような冷却方法を適用した構造例が、実開昭６２−１３５８０２号公報に開示されている。この従来技術においては、ラジアルタービンのノズルを冷却する冷却空気を分岐させ、その一方は、ノズル羽根の内部を貫通したのち外部へ放出し、他方はガス流路の上流からノズルに吹付けてノズルを冷やしている。

上記従来技術においては、ラジアルタービンのノズルを冷却する一方の冷却空気は、ノズル羽根の内部を貫通したのち外部へ放出されてしまい、その分だけ供給エネルギーに無駄を生じ、効率を低下させている。
また、冷却空気の流路が複雑であるにもかかわらず、ノズルに向けての冷却孔は流路壁面の片側にしか設けることができず、ノズルの温度分布に偏りが生じ、熱歪を発生する可能性がある。
本発明の目的は、次のいずれかを実現するラジアルタービン発電設備を提供することである。まず、タービンノズル羽根を冷却した空気を利用して、タービン効率を向上することが挙げられる。次に、タービンノズルを均一に冷却し、その熱歪の発生を防止することである。さらに、タービンノズルを効果的に冷却する簡単な構造を提供することである。
本発明の望ましい実施形態においては、ラジアルタービンのタービンノズルを冷却した冷却気の実質的に全てを、タービンガス流路に流入するように構成する。
本発明のより望ましい実施形態においては、燃焼器からタービンシェルへ連なるガス流路の外側に外気との間に実質的に気密に形成された気体流路と、この気体流路内へ外部から気体を取り込む気体取入孔と、この気体流路内へ取り込んだ気体の一部を燃焼器内へ導く噴出孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中のノズルの近傍へ噴出させるシェル貫通孔とを備える。
これらの本発明の望ましい実施形態においては、ラジアルタービン構成要素の中でも特に高温となるタービンノズルを冷却するとともに、この冷却に使用した冷却気の実質的全てが、タービン羽根車を駆動する機械的仕事にも寄与する。
本発明のその他の目的と特徴は以下の実施形態の説明で明らかにする。

第１図は本発明の第１の実施形態によるラジアルタービン発電設備のタービン部の冷却構造を示し、同図（Ａ）は正面断面図、同図（Ｂ）は側面断面図、第２図は本発明の第２の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図、第３図は本発明の第３の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図、第４図は本発明の第４の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
第１図は、本発明の第１の実施形態によるラジアルタービンの構造を示す。ラジアルタービンでは、燃焼ガス１０〜１４が、特に符号１３で示す部分においてタービンノズル２を半径方向の外側から内側へ通過し、ロータのタービン羽根車３に噴射される。これにより、羽根車３を回転させ、燃焼ガス１４は、回転軸方向へ流出するように構成されている。
この実施形態では、タービンに、二重ケーシング構造を採用している。まず、燃焼ガス１０〜１４が通過するタービンのガス流路１５，１６は、タービンスクロール４、タービンシェル５及びディフューザ６で覆われることによって形成されている。
次に、これらのタービンスクロール４、タービンシェル５及びディフューザ６は、その外側を、間隔を置いて、タービンケーシング７で覆われている。このケーシング７は燃焼器外筒８と繋がって、外気と気密が保たれた圧縮空気流路２４を形成している。この圧縮空気流路２４には、ケーシング７の圧縮空気取入孔７１から圧縮空気２０が取り入れられる。圧縮空気２０は、タービンシェル５とタービンケーシング７による二重ケーシングの間の圧縮空気流路２４を流れる圧縮空気２１となり、その大部分は、燃焼器ライナ９へ噴射される圧縮空気２２となる。
燃焼器ライナ９では、燃料３１と圧縮空気２２の燃焼反応により、タービンスクロール４に向けて高温・高圧の燃焼ガス１０を噴射する。この燃焼ガス１０は、ガス流路１５，１６を通り、燃焼ガス１１，１２及び１３となって、ラジアルタービン羽根車３に噴射され、これを回転させる。
ここで、燃焼ガス流路１６のタービンノズル２の直前の位置において、タービンシェル５には、ノズル冷却用の多数のシェル貫通孔５１が設けられている。したがって、圧縮空気２１の一部は、これらの貫通孔５１からガス流路１６のノズル２の前縁に向けて圧縮空気２３となって噴射される。このノズル冷却用圧縮空気２３は、燃焼ガス１３よりも低温であり、ノズル２を効果的に冷却する。
次に、この実施形態の作用について詳細に説明する。
ここでは圧縮空気２０として説明する作動気体は、所定の圧力を持ち、かつ燃焼室ライナ９で燃料とともに燃焼反応を起こす気体であれば、他のガスであっても構わない。この圧縮空気２０は、圧縮機等で加圧され、場合によっては再生器で昇温されタービンケーシング７内の圧縮空気流路２４へ取り入れられる。その質量流量をＧ_０、圧力をＰ_０、温度をＴ_０とする。この圧縮空気２０は、圧縮空気２１となって、タービンシェル５の外周を通過する圧縮空気流路２４により燃焼器外筒８へ導かれる。その途中で、圧縮空気２１の一部は、タービンシェル５に設けられた貫通孔５１を通って、タービンシェル５の内部へノズル冷却用圧縮空気２３として分流する。この分流した冷却用圧縮空気２３の質量流量をΔＧ、圧力をＰ_０、温度をＴ_０とする。燃焼器がリターンフロー式となっているため、冷却用圧縮空気２３が分流した後の圧縮空気２２は、燃焼器外筒８へ導かれ、燃焼器外筒８から燃焼器ライナ９へと流入する。燃焼器ライナ９へ流入する圧縮空気２２は、質量流量がＧ_０−ΔＧ、圧力はＰ_１、温度はＴ_０である。燃焼器ライナ９では、質量流量αの燃料３１と前記圧縮空気２２を混合燃焼させることにより、高温の燃焼ガス１０（質量流量：Ｇ_０−ΔＧ＋α、圧力：Ｐ_１、温度：Ｔ_１）となり、燃焼器ライナ９からタービンスクロール４に向って噴出する。ここでＰ_０＞Ｐ_１となるが、圧力差Ｐ_０−Ｐ_１は、タービンケーシング７内の圧縮空気流路２４による燃焼器ライナ９までの圧力損失によるものとする。
噴出された燃焼ガス１０は、タービンスクロール４を通過する燃焼ガス１１，１２となり、その後、タービンノズル円形翼列２へ達する。
タービンノズル円形翼列２の入口において、高温の燃焼ガス１１，１２（質量流量：Ｇ_０−ΔＧ＋α、圧力：Ｐ_１、温度：Ｔ_１）は、圧縮空気流路２４からタービンシェル５の冷却用貫通孔５１を通って流入してきた冷却用圧縮空気２３（質量流量：ΔＧ、圧力：Ｐ_０、温度：Ｔ_０）と合流する。したがって、タービンノズル円形翼列２の入口からラジアルタービン羽根車３に向って噴射する燃焼ガス１３は、燃焼ガス１０と圧縮空気２３の和となる。
また、第１図（Ｂ）に示すように、冷却用貫通孔５１は、タービンノズル円形翼列２の前縁部近傍の位置に、燃焼ガスの流れの方向へ傾斜角を付けて設けている。したがって、比較的低温の圧縮空気２３を、高温のノズル羽根２に直接吹き付けることにより、効果的にノズル羽根２を冷やすとともに、燃焼ガス１３全体としての温度低下ΔＴを小さくでき、タービン効率の低下を抑制できる。
この実施形態によれば、タービンノズル円形翼列２へ流入する質量流量はＧ_０−ΔＧ＋α＋ΔＧ＝Ｇ_０＋αとなり、圧縮空気取入孔７１から取り込んだ全流量をタービン羽根車３の回転へ寄与させることができる。したがって、取り込んだ質量流量Ｇ_０の圧縮空気２０には、ラジアルタービン羽根車３を駆動する機械的仕事に寄与しない流量は存在せず、エネルギー効率を向上できる。また、冷却用シェル貫通孔５１は、燃焼ガス１３の流路を挟むタービンシェル５の両壁に設け、ノズル羽根２を両側から冷却することにより、ノズル羽根２の流路方向の温度分布の偏りを生じ難くし、熱歪を抑えることができる。
ノズル冷却後の高温ガス１３（質量流量Ｇ_０＋α、圧力Ｐ_１、温度Ｔ_１−ΔＴ）は、タービンノズル円形翼列２により膨張して加速され、ラジアルタービン羽根車３にエネルギーを与えてこれを駆動し、回転軸方向に燃焼ガス１４として流出する。ここで、ラジアルタービン羽根車３の回転軸が発電機と連結されている場合は、このラジアルタービン羽根車３の軸駆動力は発電出力に直結する。
ラジアルタービン羽根車３から回転軸方向へ流出したガス１４は、ディフューザ６にて減速され圧力を回復して、排気サイレンサや再生器などに導かれる。
一般のラジアルタービンにおいては、燃焼器ライナ９から噴出した燃焼ガス１０をタービンで断熱膨張する際に、タービンシェル５及びディフューザ６のメタル温度は高温となってしまう。しかし、本実施形態においては、ケーシング７でシェル５とディフューザ６を覆うように圧縮空気流路２４を形成したことにより、シェル５とディフューザ６を、より低温の圧縮空気２１の雰囲気で包み込んだことになり、効果的に冷却することができる。
この実施形態を前記した従来技術と比較すれば、ラジアルタービン羽根車３を駆動する機械的仕事に直接作用することになるタービン冷却後の高温ガス１３の質量流量を、ノズル冷却用の圧縮空気２３の質量流量ΔＧだけ多くすることができる。言い換えれば、タービンへ取り込んだ圧縮空気２０の質量流量Ｇ_０の実質全量を、ノズル冷却後のラジアルタービン羽根車３を駆動する機械的仕事に従事させることより、タービンの効率を向上できる。
第２図は、本発明の第２の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図である。第１図と異なる点は、シェル貫通孔の配置であり、その他の点は第１図と同一であり、図示及び説明を省略する。
タービンシェル５の両壁に、燃焼ガス１３の流れの方向に間隔を置いて、複数の貫通孔５１を配置し、ノズル羽根２の前縁部の冷却を強化したものである。
第３図は、本発明の第３の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図である。この図においても、第１図と異なる点は、シェル貫通孔の配置であり、その他の点は第１図と同一であり、図示及び説明を省略する。
この実施形態では、タービンノズル円形翼列のノズル羽根２の外周全体をフィルム冷却する目的で、図に示すように燃焼ガス流路を形成するシェル５の両壁面とノズル羽根２の外周が接する部分に複数の冷却用のシェル貫通孔５１を設けている。これらのシェル貫通孔５１は、燃焼ガス１３に対する抵抗を小さくするため、燃焼ガス１３の流路下流側へ傾斜させている。
第４図は本発明の第４の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図である。この図においても、第１図と異なる点は、シェル貫通孔の配置であり、その他の点は第１図と同一であり、図示及び説明を省略する。
この実施形態では、ノズル羽根２の内部に一つ又は複数の貫通孔２０１を設け、燃焼ガス１３の流路を挟む圧縮空気流路２４の一側から、シェル５の壁面のシェル貫通孔５１、ノズルの羽根肉厚部のノズル貫通孔２０１、及び他側のシェル５の壁面のシェル貫通孔５１とにより、圧縮空気流路２４の他側へ貫通させる。また、これらのノズル貫通孔２０１のノズル２の羽根肉厚部から、ノズル２の表面へ通ずる漏洩孔２０２を設けている。これにより、貫通孔５１、２０１から漏洩孔２０２を通して、ノズル羽根２の外周壁へ圧縮空気を導き、ノズル羽根２の内外から冷却を促進する構造としている。
さらに、本発明によるラジアルタービンのノズルの冷却構造の他の実施形態として、第１図、第２図、第３図及び第４図のいずれの組み合わせを採用することもできる。これらいずれの組み合わせにおいても、タービンへ取り込んだ圧縮空気２０の質量流量の実質的に全量が、ノズル冷却後にタービン羽根車３を回転させる機械的仕事に寄与し、タービンのエネルギー効率を向上することができる。

背景技術の項で述べたように、最近、発電機を駆動するガスタービンにラジアルタービンを用いた数十から数百ｋＷのガスタービン発電設備が検討されている。本発明は、このようなガスタービン発電設備において、エネルギー効率を向上させ、発電効率を高めるために有効で、かつ比較的簡単な構造を提案しており、実用化が期待される。

Claims (20)

1. 燃焼器で生成した燃焼ガスをノズルへ導くガス流路を形成するスクロールと、この燃焼ガスを回転軸の半径方向内側のラジアル羽根車へ噴射するノズルと、このノズル及び前記羽根車を覆い前記ガス流路を形成するシェルを備えたラジアルタービンにおいて、外気との間に実質的に気密に形成された気体流路と、この気体流路内へ外部から気体を取り込む気体取入孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の一部を前記燃焼器内へ導く噴出孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中の前記ノズルの近傍へ噴出させる貫通孔とを備えたことを特徴とするラジアルタービン。
2. 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように形成されたことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
3. 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように形成され、前記貫通孔は、前記気体流路と、前記ガス流路のノズルの上流との間を連通するように、前記シェルの壁に形成されたことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
4. 前記貫通孔は、前記ガス流路を挟むシェル両壁に、前記気体流路からこれらシェル両壁を貫通し前記ガス流路に連なるように形成したことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
5. 前記貫通孔を、前記ガス流路の流れの方向に沿って複数個並設したことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
6. 前記ノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面に沿って、それぞれ複数のシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
7. 前記貫通孔は、前記ガス流路の流れの方向に傾斜して前記シェルの壁面を貫通する貫通孔を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
8. 前記ノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面部に沿い、かつ前記ガス流路の流れの方向に傾斜した複数のシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
9. 前記ガス流路を挟む前記気体流路の一側から、前記シェルの壁、前記ノズルの羽根肉厚部、及び他側の前記シェルの壁とを貫通し、前記気体流路の他側へ通ずる貫通孔と、この貫通孔の前記ノズルの羽根肉厚部からノズルの表面へ通ずる漏洩孔を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項記載のラジアルタービン。
10. 圧縮空気と燃料を混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器ライナと、この燃焼器ライナで生成した燃焼ガスをタービンノズルへ供給するガス流路を形成するタービンスクロールと、この燃焼ガスを回転軸の半径方向内側へ加速してラジアルタービン羽根車へ供給するタービンノズルと、前記タービンノズル及び前記ラジアルタービン羽根車を覆うタービンシェルを備えたラジアルタービンにおいて、外気との間に実質的に気密に形成された気体流路と、この気体流路内へ外部から気体を取り込む気体取入孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の一部を前記燃焼器ライナ内へ導く噴出孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中の前記ノズルの近傍へ噴出させる貫通孔とを備えたことを特徴とするラジアルタービン。
11. 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように、かつ外気に対して気密性を保つように、タービンケーシングによって形成したことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
12. 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように形成され、前記貫通孔は、前記気体流路と前記ガス流路のノズルの上流との間を連通するように前記シェルの壁に形成されたことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
13. 前記貫通孔は、前記ガス流路を挟むタービンシェル両壁に、前記気体流路からこれらタービンシェル両壁を貫通し前記ガス流路に連なるように形成したことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
14. 前記貫通孔を、前記ガス流路の流れの方向に沿って複数個並設したことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
15. 前記タービンノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面部に沿って配列された複数のタービンシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
16. 前記貫通孔は、前記ガス流路の流れの方向に傾斜して前記タービンシェルの壁面を貫通する貫通孔を含むことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
17. 前記タービンノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面部に沿い、かつ前記ガス流路の流れの方向に傾斜した複数のタービンシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
18. 前記ガス流路を挟む前記気体流路の一側から、前記シェルの壁、前記ノズルの羽根肉厚部、及び他側の前記シェルの壁とを貫通し、前記気体流路の他側へ通ずる貫通孔と、この貫通孔の前記ノズルの羽根肉厚部からノズルの表面へ通ずる漏洩孔を設けたことを特徴とする請求の範囲第１０項記載のラジアルタービン。
19. 燃焼器からの燃焼ガスをスクロールを含むガス流路を通してノズルへ導くステップと、この燃焼ガスを前記ノズルから半径方向内側のラジアル羽根車へ噴射するステップとを備えたラジアルタービンのノズル冷却方法であって、前記ガス流路の外側に外気と実質的に気密に形成された気体流路内へ外部から気体を取り込むステップと、この気体流路内へ取り込んだ気体の一部を前記燃焼器内へ導くステップと、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中の前記ノズルの近傍へ噴出するステップとを備えたことを特徴とするラジアルタービンのノズル冷却方法。
20. 前記ガス流路中の前記ノズルの近傍へ噴出するステップは、前記気体の他の一部を、前記ノズルを形成する羽根の表面に沿って噴出するステップを含むことを特徴とする請求の範囲第１９項記載のラジアルタービンのノズル冷却方法。

Images