JPH07500165A - ガスタービンサイクル - 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】 ガスタービンサイクル 技術分野 本発明は、ガスタービンの動翼及び静翼の冷却、特に湿り空気ガスタービンサイ クルにおける動翼及び静翼の冷却に関する。

発明の背景 湿り空気ガスタービンサイクルは、米国特許第４゜８２９．７６３号明細書に記 載されている。このようなサイクルにおいて、ガスタービンエンジン圧縮機から 排出された圧縮空気は、加湿器で給水と直接に接触することにより加湿される。

そして、この加湿された空気は、燃焼支持空気としてガスタービン燃焼器におい て使用される。この加湿された空気は、最初に、タービン排気生成物によって予 熱される。

加湿器への給水としては、中間段圧縮機の冷却及び更にはガスタービン排気生成 物の冷却により予熱された給水が使用される。この給水は、時たま、圧縮機排気 を予冷するためにも使用される。

通常の又は単純なガスタービンサイクルのエンジンにおいては、タービンの構成 部品の冷却は、高圧圧縮機から空気を抽気し、この抽気した空気を所定量タービ ンシール、空所及びエアフォイル内の冷却通路に供給することにより、成し遂げ られる。この冷却方法により、材料温度は所望する部品寿命に相応する範囲内に 維持される。各タービン部品のために要求される冷却空気（冷媒）の量は、所望 する金属温度、冷媒の圧力及び温度、各タービン部品の計画した冷却効率及び流 れ通路ガスの温度の関数となる。

流れ通路の温度を所定の温度にするために、タービン冷却流れは、計画する冷却 効率を増加することによって高い許容金属温度を許す金属を使用することにより 、又は冷媒の温度を減少することにより、減じることができる。一般的に、ター ビン冷却はサイクル効率に関して有害な影響を与える。他方、タービン冷却はガ スタービン入口温度を相当高くすることを許す。入口温度が高いと、ガスタービ ンサイクルは、冷却抽気の問題を解決できるという利益がある。そして、高いガ ス通路温度と熱い区域部品の空気冷却との間の適当な妥協により、最近はガスタ ービンが改良されている。

冷却の計画にあたっての根本的な要求は、冷却空気が導入点でガス通路流体より も高い圧力を有することである。タービン冷却空気は、部品を冷却すると該部品 を出て、１次ガス通路に入る。冷却された部品からの流出空気は、該部品の冷却 通路内に熱いガスが採り入れられるのを防止する。この流出空気は、露出した金 属上に冷却効率及び部品の保護を一層強める冷却区域を形成する。冷却流れがガ ス通路に再び入ることを許すことにより、タービンの下流部分を通しての作動流 体の膨張過程が増す。

最初のタービン段のための冷却空気は、一般に、高圧圧縮機の排出口から、又は 一層都合良くはバーナディフューザから導かなければならない。ガスタービンサ イクルにおいて、これらの場所では、システム中で最も高い圧力の空気が得られ る。燃焼中における主流れガスにより生じる圧力損失のために、及びタービンの 加速によるガス通路静圧の減少のために、ディフューザ抽出空気は、第１段の静 翼及び動翼を冷却するのに十分な圧力を有して、ガス通路に入る。このディフュ ーザ抽出空気は、しかし、システム中の最も熱い冷却源であり、また冷媒を圧縮 するために使い切ったエネルギの見地からは最も高価な空気である。

第１段の下流のタービン部品のために、ガス流れ圧力、は相当降下する。これら のタービン部品のために、本発明者は低圧圧縮機源からの冷却を提供する。この ような冷却は、本発明の一部を形成するものではないが、本発明と一緒に使用さ れるものである。

発明の概要 通常の湿り空気ガスタービンサイクルにおけると同じように、本発明においても 、空気は予め決めた圧力レベルに圧縮されて、圧縮空気が生成される。この圧縮 空気は、それから、加湿されて、燃焼器に供給されるガス状媒体が生成される。

この加湿された空気は、燃焼器内で燃料を燃焼させるための燃焼支持空気である 。

タービンロータの上流側に配置されている第１段静翼は、加湿されたガス状媒体 の一部分が第１段静翼を通過して１次ガス流れ通路に流れることにより、冷却さ れる。他方、第１段動翼は、まだ加湿されていない圧縮空気によって冷却される 。この圧縮空気は、第１段動翼を冷却した後、１次ガス流れ中に流れる。

第１段静翼を冷却するためのガス状媒体は、冷却作用をなす前に、タービン排気 生成物と熱交換関係で流れることにより予熱される。

第１段静翼の冷却のために加湿された空気を使用することは、混合体の高い温度 のために、毎秒当り圧縮空気よりも多い流量が要求される。しかしながら、この 流量のすべての冷媒はタービン全体を通して流れ、その結果動力発生が総冷媒流 量でもって成し遂げられる。他方、第１段動翼の冷却には蒸気が加えられていな い空気のみが使用され、これにより、動力発生の損失を生じさせる第１段動翼ま わりの過剰量の冷媒のバイパスを除去することができる。

図面の簡単な説明 図１は、本発明を実施した湿り空気ガスタービンサイクルの一例を示す系統図で ある。

図２は、冷却空気流れを導入するためのガスタービンの静翼及び動翼配置の一例 を示す断面図である。

好適な実施例の説明 図１において、燃焼器１０に供給される燃料はガス化器１２から来る。すなわち 、このガス化器１２に燃料１４と空気１６とが供給される。そして、ガス化器１ ２からのガスはクエンチタンク１８に供給された後、予冷却器２０を通して脱硫 装置２２に流れる。これにより低ＢＴＵとなったガスが、それから、燃焼器１０ に供給される。

低圧圧縮機２４は、中間冷却器２６を通して７２Ｐｓｉａ　（４９６ＫＰａ）及 び４４８Ｆ（２３１℃）の空気を高圧圧縮機２８に排出する。この高圧圧縮機２ ８から排出された５　４１　Ｐｓｉａ　（３７３０ＫＰａ）及び６０８Ｆ（３２ ０℃）の圧縮空気は、ライン２９を通して加湿器又はサチュレータ３０に流れる 。これにより５２２Ｐｓｉａ　（３６００ＫＰａ）及び３８８Ｆ　（１７０℃） となった圧縮空気は、それから、熱交換器４２に流れる。

これにより５１２Ｐｓｉａ　（３５３０ＫＰａ）及び８３１Ｆ（４４４℃）とな った圧縮空気は、それから、ライン３２を通してディフューザ区域３４に流れ、 燃焼器１０において燃焼支持空気として使用される。

第１段静翼３６は、燃焼器１０を去るガスのすべての温度にさらされる。また、 ロータに取付けられた第１段動翼又はタービンブレード３８は、第１段静翼３６ を去るガスの温度にさらされる。９００Ｆ　（４８２℃）の温度のガスタービン 排気生成物又はガスは、タービン排気口４０から前述した熱交換器４２に流れる 。

そして、この熱交換器４２において排気ガスの熱は加湿器３０から供給されて入 来する湿り空気に伝達される。

タービン排気ガスは、さらに、他の熱交換器４４において冷却される。この熱交 換器４４において、排気ガスは入来する給水と熱交換関係で流れる。この給水は 、それから、加湿器３０に供給される。

補給水４６は、中間冷却器２６を通過するときに加熱される。そして、この加熱 された補給水４６の一部分はさらに熱交換器２０で加熱される。この熱交換器２ ０で加熱された補給水は、それから、ライン４８を通して加湿器３０に流れる。

中間冷却器２６で加熱された補給水４６の残りの部分は、熱交換器４４で加熱さ れ、それからライン５０を通して加湿器３０に流れる。

ガスタービンと圧縮機２４．２８とに軸連結されている発電機５２は、−電力を 発生する。

圧縮機２８から排出されてライン２９を流れる、加湿される前の空気の一部分は 、第１段動翼３８を冷却するために、ライン５４を通して第１段動翼３８に流れ る。他方、加湿されてライン３２を流れる空気の一部分は、図１に点線で示され るように、第１段静翼３６を冷却するためにライン５６を通して第１段静翼３６ に流れる。

図２は、冷却流体流れを第１段静翼３６及び第１段動翼３８に導（手段の一例を 示す、タービンの一部分の断面図である。加湿された空気又はガス状媒体（図２ では便宜上図１のライン５６の符号を用いて“５６”で示している）は、燃焼器 １０を囲繞している区域５８に入り、それから燃焼区域に供給される。すなわち 、加湿された空気又はガス状媒体５６は、前記区域５８に入ってから、適当な冷 却通路を通して第１段静翼３６の内部に直接に流れ、これら静翼のフィルム冷却 を成し遂げるような方法でこれら静翼から出口流れ６０として流れる。

他方、加湿される前の空気（図２では便宜上図１のライン５４の符号を用いて“ ５４″で示している）は、静止組立体の一部分内に流れ、それから外側の接線導 入接続手段６１を通してロータの回転区域６２に導入される。この空気５４は、 それから、第１段動翼３８の翼根部６４を通して上向きに向けられる。そして、 この上向きに向けられた空気は、第１段動翼３８をフィルム冷却するように向け られた出口流れ６６で示すように、所定の冷却通路内の動翼３８を通過する。

本発明の詳細な説明するために、図１に２つの冷却流体源Ａ及びＣが示されてい る。冷却流体源Ａは、高圧圧縮機２８の出口からライン２９に導入された、加湿 されていない圧縮空気の源である。他方、冷却流体源Ｃは、加湿されて燃焼室に 導入される空気の源であ第１段静翼３６のための冷却流体としては、冷却流体源 Ｃの加湿された空気が選択される。この冷却流体は、第１段静翼から排出した後 タービン全体を通して流れ、それ放電力発生のために利用することができる。

この冷却流体の流量は、例えば毎秒５０．０ポンド（１１０Ｋｇ）の総流量のた めに、毎秒３３．７ボンド（７４，３Ｋｇ）の空気と、毎秒１６．３ポンド（３ ５，９Ｋｇ）の蒸気とを含む。この流量は、空気のみが供給されるときに要求さ れる流量よりも高い流量である。なぜなら、この流量は冷却流体源Ａからの空気 よりも高い温度レベルでの流量であるからである。しかしながら、過剰流量は全 動力回収のために損失である。

他方、第１段動翼３８のための冷却流体としては、加湿された空気を使用するこ とができない。この第１段動翼３８のための冷却流体としては、冷却流体源Ａか らの加湿される前の空気が使用される。その結果、この空気は低流量である。こ の低流量の空気は、動力発生に関する限りにおいてこの冷却空気がタービンの第 １段をバイパスするので、好適とされる。

下記の表１は、前述した２つの冷却流体源Ａ及びＣからの冷却流体による静翼及 び動翼の冷却性能の種々の比較値を示す。この表１の上の２段には、静翼及び動 翼の冷却流体源が前述した冷却流体源Ａ及びＣのどれかであるかを示している。

これらの組合せがらみて、図１に示した如き静翼の冷却流体源がｃ１動翼の冷却 流体源がＡであるときに、最も低い熱消費率及びそれ放置も高い効率が達成され 、また動力も高い方であり、かつ入口温度（一定）が２５０７Ｆ　（１３７５℃ ）であるときに許容される燃焼温度も最も高く、２５３９Ｆ　（１３９３℃）で ある。

静翼及び動翼へ流れる冷却流体である空気の流量、蒸気の流量及びその総流量は 、表１に示されているとおりである。

表１ 静翼の冷却流体源　ＣＡ　Ａ　Ｃ 動翼の冷却流体源　ＡＣＡＣ 熱消費率　ＢＴＵ／ＫｆＨｒ　８５２６　８５８７　８５５９　８５４８正味効 率　％　４０．０　３９．７　３７．９　３９．９動力　Ｍｌ　２１０　２０７ 　２１３　２０５燃焼器温度　℃１３９３　１３７１　１３７１　１３９１静翼 への冷却媒体流量 空気流量　Ｋｇ／ｓｅｃ　７４．３　９５．０　９５．０　７６．１蒸気流量　 Ｋｇ／ｓｅｅ　３５．９　０　０　３３．４総流量　Ｋｇ／ｓｅｅ　１１０．０ 　９５．０　９５．０１１０．５動翼への冷却媒体流量 空気流量　Ｋｇ／ｓｅｃ　４２．８　３３，５　４２．８　３４．８蒸気流量　 Ｋｇ／ｓｅｅ　０　１７．４　０　１５．９総流量　Ｋｇ／ｓｅｅ　４２．８　 ５０．９　４２．８　５０．７このようにガスタービンエンジンに隣接して利用 できる前述した冷却流体源Ａ及びＣからの冷却流体を使用することにより、動力 プラントサイクルにおける他の冷却流体源からの冷却流体を使用する場合よりも 優れた利益を有する。すなわち、冷却流体が流れるラインの封鎖が破損とともに 最小とされる。

国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　カナ　ゼームス　ゼーアメリカ合衆国フロリダ　３３４０９　 ウェスト　パーム　ビーチ　コンミニティー　ドライブ　４２００　アパートメ ント７０２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １湿り空気ガスタービンサイクルを運転する方法において、空気を予め決めた圧 力レベルに圧縮して圧縮空気を生成する段階と、この圧縮空気を加湿してガス状 媒体を生成する段階と、このガス状媒体を燃焼器に供給する段階と、この燃焼器 内で燃料を燃焼して高温のガス状生成物を生成する段階と、このガス状生成物を 第１段静翼及び第１段動翼を包含する動力発生用ガスタービンに流す段階と、前 記第１段静翼を冷却するために前記ガス状媒体の一部分を前記第１段静翼及びそ れ故前記ガス状生成物中に流す段階と、前記第１段動翼を冷却するために前記圧 縮空気の一部分を前記第１段動翼及びそれ故前記ガス状生成物中に流す段階とを 包含する方法。 ２請求項１記載の方法において、更に、前記ガスタービンからの排気生成物を前 記ガス状媒体と熱交換関係で流して、高温度のガス状媒体を生成する段階と、こ の高温度のガス状媒体を前記第１段静翼に流す段階とを包含する方法。