JPH09324655A - ガス膨張タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は加圧型反応炉に使用するガス膨張ター
ビンの回転側と静止側との間の漏洩ガスを低減するため
に設置するシールフィンに塵埃を堆積させない構造を提
供しプラント効率を向上させることにある。 【解決手段】本発明は、ロータに形成された複数の動翼
と、前記複数の動翼の上流側に形成された静翼と、前記
動翼及び静翼を覆い、加圧された反応炉にて石炭を原料
として生成されたガスを導入するガス流路を形成するケ
ーシングと、を有するガス膨張タービンであって、前記
ロータと前記静翼との間隙、及び／又は前記ケーシング
と前記動翼との間隙には、前記ロータ、前記静翼の少な
くとも一方、及び／又は前記ケーシング、前記動翼の少
なくとも一方に、前記ガス流を遮るようにフィンが形成
され、前記フィンの少なくとも根元近傍には、前記ガス
の連通孔を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加圧型の反応炉を
用いた発電プラントに使用されるガス膨張タービンに係
り、特に、安全性に優れたガス膨張タービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開昭59−180008号公報や特開平
4−228836 号公報に記載されているように、ガスタービ
ンのケーシングと動翼との間隙には、燃焼ガスを遮るよ
うにフィンが形成されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、フィン部にはガ
ス流が滑らかには流れない剥離部分を生じていた。剥離
部分（域）にはガスが滞留する。限界粒径以下のサイク
ロンにては捕捉できない粒径の細かい塵埃が飛来する場
合には、ガス流に乗り滞留したダストはこの剥離部分に
付着堆積してしまい、この付着堆積が成長して、フィン
や対向する壁面を接触による摩耗等により損傷する恐れ
があった。

【０００４】本発明は、加圧型の反応炉を使用する発電
プラント（ガスタービン設備）において、シールフィン
部への灰の堆積を低減すると共に、フィンの摩耗を低減
し、発電プラントの効率の低下を抑制することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のガス膨張タービ
ンは、ロータに形成された複数の動翼と、前記複数の動
翼の上流側に形成された静翼と、前記動翼及び静翼を覆
い、加圧された反応炉にて石炭等を燃料として生成され
たガスを導入するガス流路を形成するケーシングと、を
有する。そして、前記ロータと前記静翼との間隙、及び
／又は前記ケーシングと前記動翼との間隙には、前記ロ
ータ、前記静翼の少なくとも一方、及び／又は前記ケー
シング、前記動翼の少なくとも一方に、前記ガス流を遮
るようにフィンが形成され、前記フィンの少なくとも根
元近傍には、前記ガスの連通孔を有することを特徴とす
る。

【０００６】また、本発明の発電プラントは、燃料と圧
縮された空気とを反応させる加圧型の反応炉と、前記反
応炉にて生成された燃焼ガスを膨張すことにより動力回
収するガス膨張タービンと、前記反応炉に燃焼用の圧縮
空気を送風する圧縮機と、前記圧縮機と前記反応炉とを
結ぶ第１の導管手段と、前記反応炉と前記ガス膨張ター
ビンとを結ぶ第２の導管手段と、前記第２の導管手段に
設置され、前記燃焼ガスに含まれる塵埃を取り除く脱塵
装置とを有する。そして、前記ガス膨張タービンは動翼
と静翼とからなる段落を有し、前記動翼の先端及び／又
は前記パッキンシール部に、前記ガス膨張タービンの上
流から下流へ前記燃焼ガスが流れる際に、前記動翼の先
端及び／又は前記静翼パッキンシール部付近に形成され
る間隙から漏洩する燃焼ガスを減少させるシール構造を
形成すると共に、前記シール構造に前記燃焼ガスが流通
する穴を設けたことを特徴とする。

【０００７】なお、前記シール構造に前記燃焼ガスが流
通する穴を設けると共に、前記シール構造の根元近傍に
塵埃除去媒体を吹き付ける系統構成を設けても良い。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
例を説明する。

【０００９】図１は本発明を採用した発電プラントの概
略構成図である。

【００１０】加圧型のプラントには、例えば流動床炉を
採用した発電プラントや、製油所等に使用するＦＣＣ
（接触改質石油精製）プラントがあり、本発明はこれら
何れのプラントにも採用できるが、ここでは特に、発電
プラントについて説明する。

【００１１】発電プラントでは、プラントの高効率化の
ため加圧された高温の排気ガスを排気タービンにて動力
回収する系統が考えられている。例えば、図１に示す発
電プラントは、燃料の燃焼により蒸気を発生するボイラ
本体１，燃焼用空気をボイラ本体１に導くための容器で
あるボイラ圧力容器２，石炭をボイラ本体１に供給する
給炭装置３，ボイラ本体１より導入される蒸気により動
力を発生する蒸気タービン４，蒸気タービン４と接続さ
れる発電機５，圧縮機インレットダクト１４より吸い込
んだ空気をボイラ本体１に燃焼用空気を供給する圧縮機
６（反応炉に燃焼用の圧縮空気を送風する圧縮機），ボ
イラ本体１にて燃焼したガスを膨張させ動力を発生する
ガス膨張タービン７（反応炉にて生成された燃焼ガスを
膨張することにより動力回収するガス膨張タービン），
ガス膨張タービン７と接続されるモータ発電機８，ガス
膨張タービン７の排ガスの熱を熱交換により回収して給
水を加熱する排熱回収装置９，石炭を燃焼する燃焼炉１
０，燃焼用空気を燃焼炉１０（燃料と圧縮された空気と
を反応させる加圧型の反応炉）に吹き込むための燃焼空
気ノズル１１を有する。

【００１２】そして、発電プラントが通常運転している
状態では、弁１７，１９は開いていて、弁１８は閉じて
いる。圧縮機６より送風される加圧空気は、ボイラ圧力
容器２に蓄積され、燃焼空気ノズル１１より流入され
る。この空気と、給炭装置３より投入される石炭とは、
燃焼炉１０にて燃焼され、蒸気を発生する。発生した蒸
気は蒸気タービン４にて膨張し動力を発生し、発電機５
により電気を発生する。燃焼した石炭及び加圧空気は燃
焼炉１０にて高温ガス（燃焼ガス）となりガス膨張ター
ビン７にて膨張し動力を発生する。空気を加圧するため
圧縮機６にて必要となる動力はこの高温ガスのガス膨張
タービン７での膨張出力により賄われる。この際、余剰
した動力はモータ発電機８により電気を発生する。

【００１３】発電プラントでは石炭燃料が使用される
が、石炭中には燃焼に寄与しない灰分が含まれる。灰分
は燃焼炉１０より排出される際、一部は炉底に沈降する
がその他の部分は気流に乗って下流へと飛散する。

【００１４】脱塵装置２０は、燃焼炉１０からガス膨張
タービン７に至るまでの配管途中に設置され、燃焼ガス
中に含まれる塵埃を取り除く為の装置である。脱塵装置
２０には、通常サイクロンと呼ばれる遠心分離方式形式
のものを使用することが好ましい。サイクロンにては気
流を旋回させ気相であるガスと固相である粒子とを分離
する機能がある。但し、遠心力と粘性力との関係から粘
性力の方が打ち勝つような細かい粒子（これを限界粒径
と称する）の場合、この限界粒径以下の細かい粒子は捕
捉分離することができず燃焼ガスの気流と一緒にガス膨
張タービン７へ飛散することになる。この原理に関する
詳細は「サイクロン分離器：アース社小川明著昭和５５
年２月５日初版発行」に記載されている。

【００１５】弁１７は圧縮機６と燃焼炉１０とを結ぶ第
１の導管手段に、弁１９は燃焼炉１０とガス膨張タービ
ン７とを結ぶ第２の導管手段に形成される。また、脱塵
装置２０は第２の導管手段に設置される。

【００１６】なお、符号１２は、圧縮機６の空気入口に
設置される空気フィルタである。符号１５は、排熱回収
装置９にて熱回収された排気ガスを大気中に放出する煙
突である。符号１６は、蒸気タービン４から排出された
蒸気を凝縮し復水（給水）にする復水器である。

【００１７】図２は、ガス膨張タービン７の概略断面図
である。

【００１８】ガス膨張タービン７のタービン部は、回転
体としてのロータ２６，ロータに形成された動翼２２，
複数の動翼間に形成された静翼２３，動翼２２及び静翼
２３を覆い、加圧された反応炉にて石炭を原料として生
成されたガスを導入するガス流路を形成するケイシング
２１，シュラウド２４を有する。なお、符号２５は、ロ
ータ２６の軸が形成される軸受である。

【００１９】静翼２３とロータ２６との間、いわゆるホ
イールスペース部Ｐにはパッキンシールと称するフィン
が設置され、高圧側（上流部）から低圧側（下流部）へ
と流れる際に、この部分より漏洩するガス量を最小限に
押さえ、効率を向上させる。更に、ロータ２６回りのガ
ス温度を低く押さえ、ロータ２６の温度が材料の強度に
より規定される温度まで上がらないようにする。

【００２０】動翼２２の先端部とシュラウド２４との間
Ｑにはシールフィンと称するフィンが設置され、この部
分より漏洩するガス量を最小限に押さえ、パッキンシー
ルと共に効率を向上させる。更に、シュラウド２４の遠
心応力によるめくれ上がりを押さえるような強度の部材
となっている。

【００２１】ガスタービン燃焼器を使用するガスタービ
ンであれば、その燃焼器に投入する燃料は、比較的清浄
な燃料である天然ガスや軽油等が使用されており、燃料
量は燃焼用空気量に対して１〜２％程度であり、また燃
焼に伴い発生するばい塵を合わせてもガスタービンの入
口で１mg／Ｎｍ³ 以下程度と少なく、ガスは清浄な状態
となっていた。

【００２２】この実施例に示すように石炭を燃料とし燃
焼炉からの燃焼ガスをガス膨張タービンに導くものは燃
焼ガス中に塵埃を含む。そして、ガス流は図２中に示さ
れる矢印（ガス流れ方向）に沿って、タービン翼列（動
翼と静翼とからなる段落）を通過する際に、それぞれの
翼に衝突してエロージョンをおこす問題があった。

【００２３】一般的には１０μｍ以下の粒子サイズの塵
埃はガス流に乗って流れ、翼へは衝突せず、翼にエロー
ジョンをおこさず下流側へ流れる。従って通常サイクロ
ン２０では１０μｍを限界粒径として１０μｍより大き
い粒子サイズの塵埃を除去する様に設計される。したが
って、サイクロン２０によって限界粒径以上にある塵埃
を除去し、細かい粒径の塵埃のみをガス膨張タービンへ
飛散させれば、直接のエロージョンは発生しない。

【００２４】しかしながら、実際には図３に示すよう
に、フィン３１，３２が設置される根元部分には、ガス
流れの剥離が生じ、塵埃も同時に滞留する。

【００２５】なぜなら、シールフィンはタービンの回転
部と静止部との間の隙間において高圧部から低圧部、つ
まりタービンの上流から下流への漏洩ガス量をできるだ
け低減することを目的として設置するので、迷路状の流
路を作る構造となり、流体的な抵抗を大きくしているた
めである。

【００２６】このようなフィンの構造は、プラント性能
向上のため、あるいはタービンの各部機能を満たすため
に設置されるものであり、特に、石炭を燃料として燃焼
させる加圧型の燃焼炉を用いた発電プラントにおいて
は、塵埃の堆積、その堆積物にフィンが接触することに
よるフィンの摩耗等の問題があり、フィン本来の機能を
果たさなくなっていた。また、堆積した塵埃が再飛散
（飛散する塵埃は１０μｍ以上のかたまりとなってい
る）し、タービンの翼のエロージョンを引き起こし、タ
ービンの翼型形状を変えてしまいタービンの性能低下を
引き起こすという問題もあった。更に摩耗の程度によっ
ては回転部の破壊に至る原因を作すだす可能性もあり安
全上も好ましくなかった。

【００２７】この実施例のものは、フィンの根元部に塵
埃を堆積させず、こうした問題点を解決している。

【００２８】図４は、タービンの動翼先端部に設置され
るシールフィン３２とケイシングに設置されるシールフ
ィン３１（タービンの静翼先端部の回転中心側に設置さ
れるシールフィン３１とロータとに設置されるシールフ
ィン３２）を示している。このような静止体と回転体と
の間に設置されるフィン３１，３２により迷路状の流路
を形成して流路抵抗を大きくし、ガス流を遮るようにフ
ィンが形成されるため、フィンを設置しない場合に比べ
てタービンの高圧部から低圧部に漏洩するガスの量を低
減している。この実施例においては、シールフィンの高
圧側と低圧側との間に連通孔３３を設置している。した
がってフィンの根元部で流れの滞流が生じない。こうし
た原理を示したものが図５である。図５はフィンの断面
構造を示したものであるが、特に、フィン３１，３２の
付け根部分（根元近傍）に連通孔３３を形成することが
好ましく、燃焼ガスが流動し、塵埃の滞留が発生するこ
とがないので塵埃は堆積しない。

【００２９】なお、連通孔３３が無い部分においては剥
離流れが生じるが、塵埃の堆積が成長しないサイズとす
ることで問題を解決することができる。

【００３０】連通孔３３を設置したため、連通孔３３が
ないシールフィンよりも流路抵抗は小さくなるが、フィ
ンの段数を増やすことにより流路抵抗を増し、機能を連
通孔３３がないシールフィンと同等にすることができ
る。

【００３１】また、シール構造として、動翼の先端及び
／又は静翼のパッキンシール部に、ガス膨張タービンの
上流から下流へ燃焼ガスが流れる際に、動翼及び／又は
静翼の先端付近に形成される間隙から漏洩する燃焼ガス
を減少させるものを形成し、シール構造に燃焼ガスが流
通する穴を設けてもよい。

【００３２】このように構成することにより、対抗する
静止体側もしくは回転体側のフィンが触れることはな
く、フィン先端部が摩耗することもない。堆積を極力減
少させることができるので、フィンが消失するおそれも
少なくなる。また剥離域に付着堆積し固まった塵埃が、
回転体との接触により剥がれ、飛散することもないので
タービンへ流入することもなく、タービンのエロージョ
ンを引き起こすこともない。

【００３３】また、図５に連通孔３３の他の実施例を示
す。図５に示される連通孔３３は図４に示した連通孔３
３の形状を多数の円孔状にして設置した場合である。こ
の実施例においても効果は図４に示した連通孔３３と同
等である。フィンに連通孔３３が形成されていないもの
に比較して、フィンの流れが剥離している付け根部分に
もガスが流動し、塵埃の滞留が発生することがないので
塵埃は堆積しない。連通孔３３が無い部分においては剥
離流れが生じるが、塵埃の堆積が成長しないサイズとす
ることで問題を解決できる。なお、符号３１，３２は図
４に示したものと同一のものを示す。

【００３４】図７に本発明の他の実施例を示す。図７
は、図４に示した連通孔３３を設置した場合に加え、更
に静止体側に塵埃除去媒体を吹き付ける系統構成を設け
たものであり、その塵埃除去媒体を回転体側のシール部
に吹き付けるものである。タービン側に吹き付ける際の
衝撃により、付着堆積した塵埃が剥離し、下流へと流出
する。なお、この系統を使用する際には、固化した塵埃
がタービンへ流入するのは逆効果であるから、タービン
の低回転となる停止過程やターニング回転時に吹き付け
操作を行うことが適当である。

【００３５】つまり、静翼と動翼とからなる段落を有す
るものであって、動翼の先端及び／又は静翼のパッキン
シール部に、ガス膨張タービンの上流から下流へ燃焼ガ
スが流れる際に、動翼及び／又は静翼の先端付近に形成
される間隙から漏洩する燃焼ガスを減少させる、シール
構造３１，３２を形成する。そして、シール構造の根元
近傍に連通孔３３を形成すると共に、塵埃除去媒体を吹
き付けるノズル３５から吹き付ける。塵埃除去媒体とし
ては例えば圧縮空気が、空気源３６から供給される。こ
の空気は、弁２７によってその流量が制御され、吹き付
け系統３４を介して吹き付けノズル３５から噴出され
る。この実施例では、こうした一連の吹き付け系統構成
を有することを特徴とする。

【００３６】つまり、ガス膨張タービンの静止体側と回
転体側との接する部分である動翼先端部とシュラウド部
との間のシールフィン、静翼先端部とタービンロータ部
との接する部分であるホイールスペース部のパッキンシ
ールに、上流側と下流側とを連通させる連通穴を設けた
ことが特徴である。更に、シール構造の近傍に圧縮機よ
りの高圧空気を吹き付ける系統を設けたことが特徴であ
る。

【００３７】ガス膨張タービンの上流より飛散する塵埃
がシールフィン部等に堆積せず、本来、非接触のフィン
が堆積した塵埃に触れ、摩耗により減肉してしまい、フ
ィン本来の効果がなくなるのを防止することを可能とし
た。また、堆積した灰に高圧空気等を吹き付けることで
堆積した塵埃を除去することを可能とした。

【００３８】この実施例は、回転体と静止体との間の非
接触の透き間を上流から下流へ漏洩するガス量を減少さ
せるシール構造に関するものであり、プラント運転中、
反応炉より膨張タービンへ飛散する燃焼灰がタービンの
各部に付着堆積し、付着堆積した灰にタービンの回転部
分が接触し摩耗するのを防止するものである。つまり、
上流側と下流側とを通常のガス流路とは別個にシール構
造の近傍に連通する複数個の連通孔を形成するものであ
る。

【００３９】また、タービンのシールフィン部に付着堆
積し、付着堆積した灰に高圧空気等を吹き付けることで
堆積灰が、さらに増すことを防止する。なお、静止体側
より回転体側へ塵埃除去媒体を吹き付ける系統構成を設
けることも、回転体側より静止体側へ塵埃除去媒体を吹
き付ける系統構成を設けることも可能である。塵埃除去
媒体は、圧縮機もしくは別置の空気源よりの高圧空気も
しくは他の流体等を使用することができる。

【００４０】なお、本発明をＦＣＣプラントに適用する
場合には、ボイラ圧力容器２の換わりに再生塔が設置さ
れる。そして、系統的には、脱塵装置２０の下流側の系
統から分岐した系統が、ガス膨張タービン７から煙突１
５に至る配管に接続される。以上、説明したとおりこの
実施例によれば、以下に示すような効果を得る。

【００４１】ガス膨張タービンの上流より飛散する塵埃
がシールフィン部に堆積せず、本来非接触のフィンが堆
積した塵埃に触れ、摩耗により減肉してしまい、フィン
本来の効果がなくなるのを防止することを可能とした。
また、堆積した塵埃が再飛散することがないので、ター
ビン翼のエロージョンの発生による回転部の破壊に至る
原因を無くし、信頼性を向上させることができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明により、漏洩量減少の為の健全な
構造を有するガス膨張タービンを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるシールフィンを組み込んだタービ
ンを加圧型ボイラプラントに使用した場合の系統図。

【図２】本発明によるシールフィンを組み込んだガス膨
張タービンの断面図。

【図３】従来のシールフィンの場合のタービンシール構
造断面図。

【図４】本発明によるシールフィンを組み込んだタービ
ンシール構造図。

【図５】本発明によるシールフィンを組み込んだタービ
ンシール構造断面図。

【図６】本発明によるシールフィンを組み込んだタービ
ンシール構造図。

【図７】本発明によるシールフィンを組み込んだタービ
ンシール構造、および塵埃除去媒体を吹き付ける系統構
成を設けた系統構成図。

【符号の説明】

１…ボイラ本体、２…ボイラ圧力容器、３…給炭装置、
４…蒸気タービン、５…発電機、６…圧縮機、７…ガス
膨張タービン、８…モータ発電機、９…排熱回収装置、
１０…燃焼炉、１１…燃焼空気ノズル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータに形成された複数の動翼と、前記複
   数の動翼の上流側に形成された静翼と、前記動翼及び静
   翼を覆い、加圧された反応炉にて生成された燃焼ガスを
   導入するガス流路を形成するケーシングと、を有するガ
   ス膨張タービンにおいて、 前記ロータと前記静翼との間隙、及び／又は前記ケーシ
   ングと前記動翼との間隙には、前記ロータ、前記静翼の
   少なくとも一方、及び／又は前記ケーシング、前記動翼
   の少なくとも一方に、前記ガス流を遮るようにフィンが
   形成され、 前記フィンの少なくとも根元近傍には、前記ガスの連通
   孔を有することを特徴とするガス膨張タービン。
2. 【請求項２】燃料と圧縮された空気とを反応させる加圧
   型の反応炉と、前記反応炉にて生成された燃焼ガスを膨
   張すことにより動力回収するガス膨張タービンと、前記
   反応炉に燃焼用の圧縮空気を送風する圧縮機と、前記圧
   縮機と前記反応炉とを結ぶ第１の導管手段と、前記反応
   炉と前記ガス膨張タービンとを結ぶ第２の導管手段と、
   前記第２の導管手段に設置され、前記燃焼ガスに含まれ
   る塵埃を取り除く脱塵装置とを有する発電プラントにお
   いて、 前記ガス膨張タービンは静翼と動翼とからなる段落を有
   し、 前記静翼のパッキンシール部及び／又は前記動翼の先端
   に、前記ガス膨張タービンの上流から下流へ前記燃焼ガ
   スが流れる際に、前記動翼及び／又は前記静翼の先端付
   近に形成される間隙から漏洩する燃焼ガスを減少させ
   る、シール構造を形成すると共に、 前記シール構造に前記燃焼ガスが流通する穴を設けたこ
   とを特徴とする発電プラント。
3. 【請求項３】燃料と圧縮された空気とを反応させる加圧
   型の反応炉と、前記反応炉にて生成された燃焼ガスを膨
   張することにより動力回収するガス膨張タービンと、前
   記反応炉に燃焼用の圧縮空気を送風する圧縮機と、前記
   圧縮機と前記反応炉とを結ぶ第１の導管手段と、前記反
   応炉と前記ガス膨張タービンとを結ぶ第２の導管手段
   と、前記第２の導管手段に設置され、前記燃焼ガスに含
   まれる塵埃を取り除く脱塵装置とを有する発電プラント
   において、 前記ガス膨張タービンは静翼と動翼とからなる段落を有
   し、 前記静翼の動翼及び／又は先端に、前記ガス膨張タービ
   ンの上流から下流へ前記燃焼ガスが流れる際に、前記静
   翼のパッキンシール部及び／又は前記動翼の先端に形成
   される間隙から漏洩する燃焼ガスを減少させる、シール
   構造を形成すると共に、 前記シール構造の根元近傍に塵埃除去媒体を吹き付ける
   系統構成を設けたことを特徴とする発電プラント。