JPH0133647B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、ガスタービンの圧縮機で圧縮した空
気の一部を、噴霧水により効果的に冷却の上、冷
却空気として使用しているガスタービンに関する
ものである。

〔従来技術〕

近年、ガスタービンは、その性能向上及び出力
上昇のために、使用ガス温度がますます高温化の
傾向にある。

しかしながら、ガスタービンのタービン翼は、
その強度を保持するために一定温度以下に保つ必
要があり、この手段としてタービン翼を冷却する
方法が採用されている。

タービン翼の冷却は、圧縮機で圧縮した空気の
一部を冷却空気としてタービン翼内に導き、フイ
ルム冷却、インピンジ冷却及び対抗冷却等の冷却
を行なつている。ここで、冷却空気の使用量は、
タービン翼を一定の温度以下に保つため、使用ガ
ス温度の高温化に伴なつて増加させる必要があ
る。

しかしながら、冷却空気使用量の増加は、冷却
空気圧縮のための所要動力の増加、及び主流ガス
に混合する冷却空気量の増加に伴なう平均ガス温
度の低下によるガスタービンサイクル効率の低下
につながるという問題がある。

また、冷却空気は、そのガスタービンにより駆
動される圧縮機で圧縮した空気を用いているた
め、燃焼ガスに比しては温度が低いものの、ガス
タービンの高出力に伴なつて圧縮機の圧縮比が高
くなり、その温度も高くなつている。

従つて、タービン翼を冷却する際に、冷却空気
と主流ガスの温度差は、その分小さくなり、冷却
効果が悪くなる欠点がある。

更に、冷却空気は、タービン翼に導く途中にお
いて、周囲の雰囲気に晒されるため温度が上昇す
るが、この傾向は燃焼ガスの温度が高くなるに従
つて高くなる。

従つて、圧縮機で圧縮された空気をそのまま冷
却空気として用いる場合、タービン翼の温度を、
その強度を保持するに必要な一定の温度以下に保
つ条件下では、冷却空気量を増加しても主流ガス
温度をある値以上に上げることは不可能である。

この対策として、冷却空気を一旦ガスタービン
外に導き、エアフインクーラ等を用いて冷却する
ように構成した装置もあるが、この場合、冷却空
気温度は低下するものの、構造が複雑となり、ま
た圧損が増大し、冷却空気の圧力とタービン入口
のガス圧力との差が小さくなり、このため初段静
翼のフイルム冷却が不可能であるという問題があ
る。

更に、ガスタービンの使用ガス温度が高くなれ
ば、燃焼器の温度も上昇し、燃焼器を構成する部
材の耐熱性が問題となる。

即ち、ガスタービンの使用ガス温度を上げるこ
とは、燃焼温度を上げることであり、燃焼器各部
は、より高温の燃焼ガスに晒されることになる。

ここで、燃焼器の内筒には、多量の希釈空気が
周囲より流入し、この希釈空気により燃焼ガスの
熱を遮断し、内筒が許容温度を超えないように保
護している。

しかしながら、燃焼器の尾筒は、例えば間隙が
数mm程度の内外板より構成される二重筒構造と
し、外板に小孔を明け、ここに圧縮機で圧縮した
空気を導いて内板を冷却し、更に内板にも小孔を
明け、ここから通路内に空気を吹出して空気のフ
イルムを形成し、燃焼ガスの熱を遮断するように
はしている。しかし、圧縮機で圧縮した空気自体
の温度が高くなり、十分な冷却効果が得られな
い。その対策として尾筒の冷却のための空気量を
増やせば、圧縮機の所要動力が増加し、且つ主流
ガスの平均温度も低下するため、ガスタービンサ
イクル効率は低下するという問題がある。

前記各種の問題を解消するために本発明者等は
ガスタービンの燃焼器室内を燃焼器本体側と燃焼
器室尾筒側とに仕切り、その仕切を貫通して空気
冷却筒を設け、この空気冷却筒内に水を噴霧する
ための噴霧装置を設けた装置について検討を重ね
た。

この装置は、冷却空気中に水を噴霧し、その水
の蒸発によりその潜熱を利用して冷却するために
効果的に冷却することが可能であることが確認さ
れている。

冷却空気中に水を噴霧する手段としてはノズル
を使用しているが、このノズルよりの噴霧条件に
よつて噴霧の状態が変化する。即ち、ある寸法の
孔径を有するノズルにおいては、ある冷却水にあ
る値以上の圧力が必要であり、この水圧が変化す
ると当然噴霧の状態が変化する。この噴霧の条件
が悪い場合には水滴が大きくなり、冷却筒の壁に
水滴が付着したり、冷却空気中に水滴が混入され
た状態で排出されることがある。

噴霧された水は、冷却空気が冷却筒内を通過す
る間に完全に蒸発され、燃焼器室尾筒側に排出さ
れる必要があり、若しこの状態が得られない場合
には当然タービンの各部に悪影響を与える危険性
がある。

前記噴霧状態を悪化現象は、タービンの負荷の
変動と共に起こり易く、この現象を解消するため
にノズル寸法や冷却水を加圧力の設定に非常に困
難を伴なつた。

また、ノズルの寸法や冷却水の圧力は定常運転
の条件によつて設計されており、特に負荷が少な
い状態においては冷却水の量が減少するために噴
霧の中に大きな水滴が発生する欠点があつた。

〔発明の目的〕

そこで本発明は前記従来のタービンの有する問
題を解消し、ガスタービンの冷却空気を、ガスタ
ービン内に設けた複数個の水の噴霧装置を使用
し、空気を効果的に冷却することによりガスター
ビンのサイクル効率を向上させることを目的とす
るものである。

〔発明の概要〕

前記目的を達成するための本発明の構成は、ガ
スタービンの圧縮機で圧縮した空気の一部を、冷
却空気としてそのタービン翼に導き、タービン翼
を冷却するガスタービンにおいて、このガスター
ビンの燃焼器室内を燃焼器本体側と燃焼器室尾筒
側とに仕切り、燃焼器尾筒側に冷却空気を形成
し、その仕切りを貫通する空気冷却筒を設け、こ
の筒内に水を噴霧可能な複数の噴霧装置を設ける
と共に、これらの噴霧装置をガスタービン出力に
応じて制御するように構成したことを特徴とする
ものである。

即ち、本発明においては空気冷却筒内に複数個
のノズルを設け、タービンの出力に応じてそのノ
ズルの個数に変化を与えるように構成し、１本の
ノズルより冷却水を噴霧する条件には変化を与え
ず、最適の噴霧状態を維持するように構成した点
に特徴がある。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明に係るガスタービン
の実施例を説明する。

第１図はガスタービンの概略系統図で、下半分
は後述の第３図のＡ−Ａ断面を示し、上半分は後
述の第３図のＢ−Ｂ断面を示しており、ガスター
ビン１は、圧縮機２、燃焼器３及びタービン４よ
り構成されている。

次に第２図Ａ及び第２図Ｂは前記ガスタービン
１の要部を示す側断面図であり、第２図Ａは第１
図の下半分、即ち第３図のＡ−Ａ断面に相当し、
第２図Ｂは第１図の上半分、即ち第３図のＢ−Ｂ
断面に相当する部分を示している。

ここで、燃焼器室１０は第２図Ａ及び第３図の
要部縦断面に示す如く、燃焼器中間支持板１３が
それぞれ両隣りの燃焼器中間支持板１３と接して
隔壁を形成して燃焼器内筒１１及び燃焼器フロー
ガイド１２を有する燃焼器本体３１側と、燃焼器
尾筒１４側とに仕切つており、燃焼器尾筒１４側
に冷却空気室３０を形成している。

そして第２図Ｂに示す如く、燃焼器室１０には
燃焼器中間支持板１３を貫通し、燃焼器本体３１
側と燃焼器尾筒１４側とに開口する空気冷却筒５
が設けてあり、この筒５内に水を噴霧する複数
（本実施例では３個）の噴霧装置６，６−１，６
−２，６−３が設けてあり、噴霧装置６は第１図
に示す如くガスタービン１の外部の水の供給源９
に配管７，７−１，７−２，７−３で接続され、
その配管の途中にはコントローラ８１により制御
され、噴霧を停止する弁８，８−１，８−２，８
−３が設けてある。

コントローラ８１にはタービン出力が入力され
ており、これが定格より低下した場合にはそれに
応じて弁８，８−１，８−２，８−３を順次閉止
するように制御し、噴霧する水量を減少させる。

また、燃焼器尾筒１４は、内板１５と外板１６
との二重筒構造に構成され、双方の板に多数の小
孔１８，１９を穿設し、その中間にスペーサ１７
を設けて間隙を保つ構造に構成している。

第２図Ａに示す如く、連結部材２１とトルクチ
ユーブ２２との間に圧縮機高圧側のシールリング
２３とタービン入口側シールリング２４とでシー
ルされた空間２７を形成し、冷却空気抽気孔２５
及び２６によつて冷却空気室３０とトルクチユー
ブ２２内の空間２８とを連通している。

ここで第２図Ｂにおいて噴霧装置６は筒５の内
側に設けてあるが、壁に設けても良い。

圧縮機２で圧縮された空気は、燃焼器室１０内
に流入し、大部分の空気は燃焼器本体３１に供給
されるが、一部の空気は第２図Ｂに示している空
気冷却筒５内に流入し、ここでこの筒５内に設け
た噴霧装置６より噴霧された水の蒸発によつて冷
却される。

前記のように空気冷却筒５内において噴霧装置
６より噴霧された水によつて冷却された空気は、
矢印Ｃで示す如く冷却空気室３０内に入り、一部
は、タービン翼環３３の冷却空気孔３４を通つて
タービン静翼３５，３７に供給され、一部は燃焼
器尾筒１４（第２図Ａ）の外板１６の小孔１９か
ら二重構造の空間部２０内に流入し、続いて内板
１５の小孔１８から主流Ｍ中に吹き出し、一部は
連結部材２１の冷却空気抽気孔２５から空間２７
に流入し、トルクチユーブ２２の冷却抽気孔２６
からトルクチユーブ２２内の空間２８内に流入
し、タービンデイスク４０の通気孔４３、またス
ペーサーデイスク４１の通気穴４４よりタービン
デイスク４０，４２の間の空間４５に入り、冷却
空気孔４６及び４７，４８を経由してタービン動
翼３６，３８に供給される。

〔発明の効果〕

本発明は以上のようにガスタービンの燃焼器室
１０内を燃焼器中間支持板１３によつて燃焼器本
体３側と燃焼器尾筒１４側とに仕切り、その仕切
りを貫通して空気冷却筒５を設け、この冷却筒５
内に水の噴霧装置６を複数個設け、ガスタービン
出力に応じて噴霧装置６の噴霧個数を調整し、そ
の出力に応じた量の水を噴霧して空気を冷却する
ように構成したことを特徴とするものである。

(a) このため圧縮機で圧縮された温度が高くな
り、また周囲の高温雰囲気にさらされて更に温
度の高くなつた空気の流量に応じて水を噴霧す
ることになり、従つて空気量がタービン出力に
応じて変化しても、最良の状態に空気の温度を
調節することができる。

しかも温度の高くなつた空気中に直接、水を
噴霧するので、その空気は水が蒸発するための
蒸発潜熱として、約600Kcal／Kgもの熱を奪わ
れるため、エアフインクーラ等を用いて間接的
に冷却する従来の場合に比較して、十分に効果
的な冷却をすることができるという利点があ
る。冷却空気を冷却し、その温度を下げること
ができれば冷却空気の増加なしにガスタービン
の使用ガスの温度を上げることが可能である。

(b) また、本発明は特にガスタービン内の冷却空
気通路中に複数個の水噴霧装置を設け、タービ
ンの出力に応じて水を噴霧するノズルの個数を
変化させて水噴霧を行つている。従つて、最適
な状態で冷却空気の温度を調節するため、一旦
ガスタービンの外部に冷却空気を導いて冷却す
る従来のガスタービンに比較して少ない圧損で
冷却を行うことが可能である。

次に本発明の実施に際して配慮された重要な点
を説明する。

〔1〕 ガスタービン冷却空気中に水を噴霧してこ
れを冷却する場合、冷却空気の全量を確実に冷
却することが必要であるが、冷却されないでそ
のまゝタービン翼が導かれるとそのタービン翼
に対して十分な冷却ができず、そのタービン翼
の耐熱強度が低下し、また、冷却された空気と
冷却されない空気が混在して燃焼器尾筒１４内
に供給されると、タービン翼の場合と同様に、
その強度が低下する同時に、尾筒１４に温度分
布が生じ、これにより熱応力が発生する。

しかし、本発明においては、燃焼器室１０を
燃焼器中間支持板１３で仕切り、これを貫通す
る空気冷却筒５を設けているために、冷却空気
室３０に至る空気は、全て空気冷却筒５内を通
過する。

一方、この空気冷却筒５内には複数個の噴霧
装置６，６−１，６−２，６−３………が設け
てあるために、、タービンの出力に応じてノズ
ルが開弁されるために冷却空気の全量が最適条
件に、確実に冷却されることになる。

〔2〕 冷却空気中に水を噴霧する場合、これを完
全に蒸発させることによつて高温となつたター
ビン構成要素に直接未蒸発の水滴を当てないこ
とが必要で、特に、燃焼器尾筒１４は直接燃焼
ガスに触れるために温度が高く、また比較的薄
板で構成されるため、僅かな水滴があつてもこ
の部分が急速に冷却され、熱応力によるクラツ
ク発生の原因となり、ここにクラツチが発生す
ると燃焼ガスが漏れることになり、他の部分で
も直接水滴が当ればその部分が急冷されて強度
が低下する。

しかし、本発明においては、冷却空気筒５内
に水の噴射装置６を設け、ここに水を噴霧する
ために、噴霧された水はこの筒５内を流れる間
に蒸発し、冷却空気室３０に至つた時には完全
に蒸発しており、高温となつたタービン構成要
素に直接水が触れることがない。

なお、空気冷却筒５は直接水滴が当つてもこ
れは強度構成要素ではないために問題は全く生
じない。

ここで、空気冷却筒５内を空気が流れる間
に、噴射された水を完全に蒸発させるために、
空気冷却筒５の長さを長くし、その入口近くで
水を噴霧するのが好適である。

〔3〕 冷却空気を冷却する場合、燃焼器３に供給
される空気は、冷却しないことが必要で、燃焼
器３に供給される空気が冷却されて温度が下が
ると、燃焼器出口のガスの温度が低下し、ター
ビンの出力が低下する。

しかし本発明においては、燃焼器室１０内を
燃焼器中間支持板１３によつて仕切つており、
水を噴霧され冷却されたた空気は、燃焼器本体
３１側に流れ込まないために、燃焼器３に供給
される空気が冷却されるようなことはない。

〔4〕 ガスタービンの部分負荷運転で主流ガスの
流量が減少した時は、空気冷却筒５を流れる冷
却空気量も減少し、噴霧された水を蒸発させ得
る容量が低下し、定格運転時と同一水量を完全
に蒸発させることができなくなるために、噴霧
する水量を減少させる必要がある。

ここで、空気中に噴霧する水量を減少させる
ために水の圧力を下げたのでは噴霧の特性から
噴霧された水滴の径が大きくなるために、更に
蒸発しにくゝなる。

このような観点において、本発明においては、
空気冷却筒５内に噴霧装置６を複数個設け、コン
トローラ８１にタービン出力を入力し、主流ガス
の流量が減少した時は、これに応じて順次噴霧装
置６の弁８を閉止するため、主流ガスの流量が減
少してもそれに応じて噴霧圧力を下げることなく
噴霧水量を減少させることができる。このため噴
霧された水滴の径は大きくならず噴霧された水滴
を完全に蒸発させることができる。

ここで複数の噴霧装置６全てに弁８を設けなく
て幾つかの噴霧装置６毎に弁８を設けても良い。

主流ガスの流量はタービンの出力に対応してい
るので、タービン出力により弁８を制御すれば主
流ガスＭの流量に応じた噴霧する水量（噴霧装置
６を開弁する個数）を制御することができる。ま
た、タービン出力はガスタービン全体を制御する
ために必ず検出しているので、この信号を利用す
れば良い。

ここで、従来のガスタービンにおいては、冷却
空気量を増すことによつても、タービン翼を冷却
する能力が増し、使用ガスの温度を上昇させるこ
とができるが、使用ガスの温度が上昇するのに伴
い、タービン翼の受ける熱量が増す一方、冷却空
気自体の温度もかなり高くなり、タービン翼との
温度差が小さくなることから、冷却空気量を増し
ても、冷却効果を大幅に良くすることは出来な
い。

しかし、本発明に係るガスタービンの如く冷却
空気の温度を水噴霧によつて下げれば、タービン
翼との温度差が大きくなり、冷却効果が大幅に改
善される。しかも、冷却効果が向上すれば冷却空
気量を増加する必要もない。

従つて本発明によれば、冷却空気量を増加する
ことなく使用ガス温度を上げることができガスタ
ービンサイクル効率が向上する。

更に、本発明によれば燃焼器室１０内を燃焼器
中間支持板１３で仕切り、燃焼器尾筒１４を包む
ようにして冷却空気室３０を構成しているので、
燃焼器尾筒１４の冷却に温度の低下した空気を使
用することができる。

従つて、この空気と燃焼器尾筒との間の温度差
は大きく、冷却効果が高いため、燃焼器尾筒を効
果的に冷却でき、冷却空気量を増すことなく、ガ
スタービンの使用ガス温度を上げることができる
という利点がある。

また、本発明によれば、冷却空気中に水噴霧を
行うため、その分冷却空気の容量が増加するの
で、圧縮機２で圧縮した冷却空気の使用量が減
り、ガスタービンのサイクル効率が向上する。

加えて、本発明によれば、ガスタービン内部の
冷却通路中に水を噴霧するため、一旦ガスタービ
ン外へ冷却用空気を導き、エアフインクーラ等で
冷却する場合のように大きな圧損の増加がなく、
この方式では不可能であつたタービン第１段静翼
前縁のフイルム冷却も問題なく行うことができる
という利点もある。

ここで、本発明の実施例においてはコントロー
ラにタービン出力を入力しているが、圧縮機の風
量を入力しても良く、この場合も同様の制御がで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるガスタービ
ンの概念図であり、第２図Ａ及び第２図Ｂは第１
図に示したガスタービンの要部拡大側断面図で、
第３図は第２図の燃焼器中間支持体の要部を示す
正面図である。 １……ガスタービン、２……圧縮機、３……燃
焼器、４……タービン、５……空気冷却筒、６…
…噴霧装置、８，８−１，８−２，８−３……
弁、９……水の供給源、１０……燃焼器室、１１
……燃焼器内筒、１３……燃焼器中間支持体、１
４……燃焼器尾筒、１５……内板、１６……外
板、２２……トルクチユーブ、２５，２６……冷
却空気抽気孔、３０……冷却空気室、３１……燃
焼器本体、３３……タービン翼環、３４……冷却
空気孔、３５，３７……タービン静翼、３６，３
８……タービン動翼、４０，４２……タービンデ
イスク、４６，４７，４８……冷却空気孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガスタービンの圧縮機で圧縮した空気の一部
   を冷却空気としてそのタービン翼に導き、当該タ
   ービン翼を冷却するガスタービンにおいて、前記
   ガスタービンの燃焼器室内を燃焼器本体側と燃焼
   器室尾筒側とに仕切り、その仕切を貫通して空気
   冷却筒を設け、前記空気冷却筒内に水を噴霧する
   ための噴霧装置を複数個設けると共に、ガスター
   ビン出力に応じて噴霧する水の量を制御するよう
   に構成したことを特徴とするガスタービン。