JP2004116485A

JP2004116485A - ガスタービンの冷却構造

Info

Publication number: JP2004116485A
Application number: JP2002284627A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Ishiguro; 石黒　達男; Katsunori Tanaka; 田中　克則; Tsuguo Hasegawa; 長谷川　貢生
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】簡単な構成で、燃焼器の冷却強化を行い、さらには冷却空気の削減或いは再利用を可能として、低ＮＯｘ化を図った燃焼器冷却構造を提供する。
【解決手段】大気中などから導入された空気４は、圧縮機１により圧縮される。そして、その圧縮空気は燃焼用空気５として燃焼器２へと導かれ、ここで別途供給された燃料ｆを燃焼させる。この燃焼により生じた燃焼ガス６は、タービン３に送られてこれを駆動する。最後に、排ガスｅとして放出される。このような構成において、燃焼器２を冷却する手段として、圧縮機１により圧縮された前記圧縮空気の一部を、冷却空気７として燃焼器２に導入している。これにより、高温に曝される燃焼器２の壁面を冷却している。加えて、冷却空気７を圧縮して燃焼器２へと送り出す冷却空気圧縮機８を備えた構成としている。これにより、冷却のための差圧を確保し、回収式空気冷却を可能としている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガスタービン燃焼器における燃焼器壁面を冷却する方法として、例えば冷却空気を用いる技術がある。これは、圧縮機により圧縮された空気（圧縮空気）の一部を用いて、燃焼器壁面を冷却するものである。図１１は、このような、空気による冷却を行う従来のガスタービンサイクルを模式的に示す図である。
【０００３】
同図において、１は圧縮機、２は燃焼器、３はタービンである。ここでは先ず、大気中などから導入された空気４が、圧縮機１により圧縮される。そして、その圧縮空気は燃焼用空気５として燃焼器２へと導かれ、ここで別途供給された燃料ｆを燃焼させる。この燃焼により生じた燃焼ガス６は、タービン３に送られてこれを駆動する。最後に、排ガスｅとして放出される。
【０００４】
このような構成において、燃焼器２を冷却する手段として、圧縮機１により圧縮された前記圧縮空気の一部を、冷却空気７として燃焼器２に導入している。これにより、高温に曝される燃焼器２の壁面を冷却している。なお図示しないが、冷却空気７によりタービン翼を冷却する構成とすることもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の構成のように、圧縮機によって圧縮された空気を燃焼器の冷却に用いる場合には、以下のような不具合が生じている。つまり、冷却空気としては具体的には車室空気を用いているが、冷却のための差圧に乏しく、燃焼器を冷却した後は冷却空気を燃焼ガス中に放出している。
【０００６】
このため、燃焼ガス温度が低下するので、所定のタービン入口温度にするには、その分、燃焼ガス温度を前もって高くする必要がある。ところが、燃焼ガス温度の上昇は、ＮＯｘの発生を指数関数的に促進させるため、これが低ＮＯｘ化への一つの障害となっている。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に鑑み、簡単な構成で、燃焼器の冷却強化を行い、さらには冷却空気の削減或いは再利用を可能として、低ＮＯｘ化を図った燃焼器冷却構造や、加えて、タービン翼の冷却強化を行い、さらには冷却空気の削減或いは再利用を可能としたタービン翼冷却構造等の、ガスタービンの冷却構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、圧縮機により圧縮された空気の一部を冷却空気として、ガスタービンの被冷却部を冷却するガスタービンの冷却構造であって、前記冷却空気を更に圧縮して前記被冷却部へと送り出す冷却空気圧縮機を備えたガスタービンの冷却構造において、前記冷却空気圧縮機は、前記圧縮機と同軸に回転して成ることを特徴とする。
【０００９】
或いは、圧縮機により圧縮された空気の一部を冷却空気として、ガスタービンの被冷却部を冷却するガスタービンの冷却構造であって、前記冷却空気を更に圧縮して前記被冷却部へと送り出す冷却空気圧縮機を備えたガスタービンの冷却構造において、前記冷却空気圧縮機は、車室の外側に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、被冷却部は、燃焼器やタービン翼等の高温となる部分で、冷却が必要な部分である。
【００１１】
また、前記被冷却部を冷却した後の前記冷却空気を、燃焼用空気として回収するようにしたことを特徴とする。また、前記冷却空気圧縮機からの冷却空気と前記圧縮機からの圧縮空気との間で熱交換させることにより、その冷却空気の温度を下げるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図である。本実施形態では、同図に示すように、上記図１１に示した従来の構成に加えて、冷却空気７を圧縮して燃焼器２へと送り出す冷却空気圧縮機８を備えた構成としている。これにより、冷却のための差圧を確保し、回収式空気冷却を可能としている。なお図示しないが、圧縮された冷却空気７でタービン翼を冷却する構成としても良い。
【００１３】
図２は、本実施形態における冷却空気圧縮機の一例を模式的に示す縦断面図である。本例では、圧縮機に同軸に設けた冷却空気圧縮機により、冷却空気を圧縮する構成としている。具体的には先ず、同図に示すように、車室９内にはロータＸ周りに回転する圧縮機１が設けられており、その動翼１ａと静翼１ｂとを通過して圧縮された空気（圧縮空気）は、吐出部１ｃより、矢印Ａで示すように主流として吐出される。そして、ディフューザ１０を経て燃焼用空気として図示しない燃焼器へと導かれる。
【００１４】
一方、圧縮機１の後流側には、ディフューザ１０の内側に、隔壁１１を隔てて、圧縮機１と同軸に回転する冷却空気圧縮機８が設けられている。ここで、前記圧縮空気の一部は吐出部１ｃから矢印Ｂで示すように抽気され、これのみ冷却空気圧縮機８の動翼８ａと静翼８ｂとを通過して圧縮される。そして、矢印Ｃで示すように冷却空気として図示しない燃焼器へと導かれる。
【００１５】
このようにして、冷却空気のみを別途更に圧縮することで、冷却のための差圧を確保し、燃焼器の冷却強化を行うとともに、冷却空気の削減或いは再利用を可能としている。その他、車室の外側に配置するいわゆる外置き方式の冷却空気圧縮機を設け、車室空気をこれにより圧縮した上で、改めて燃焼器へと導く構成としても良い。
【００１６】
燃焼器を冷却する具体的な方式としては、一つには壁面を二重構造とし、その間に圧縮した冷却空気を供給するものが挙げられる。また、二重構造の外壁と内壁にそれぞれ空気孔を有する、流路が一系統のいわゆるマルチホール冷却方式としても良い。さらには、いわゆるタービュレータを適用する方法としても良い。
これには直行，斜めフィン等や、ピンフィン，ヘリングボーン等を使用することが挙げられる。
【００１７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図である。本実施形態では、同図に示すように、上記第１の実施形態の構成に加えて、燃焼器２を冷却した後の冷却空気７を、燃焼用空気として回収する構成としている。これにより、冷却空気の再利用を行っている。
【００１８】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図である。本実施形態では、同図に示すように、冷却空気７を冷却空気圧縮機８を経てタービン３に導入している。そして、タービン３の図示しないタービン翼を冷却した後の冷却空気７を、燃焼用空気として回収する構成としている。これにより、冷却空気の再利用を行っている。
【００１９】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図である。本実施形態では、同図に示すように、圧縮機１と燃焼器２との間に熱交換器１２を設け、これにて冷却空気圧縮機８からの冷却空気７と圧縮機１からの圧縮空気（燃焼用空気５）との間で熱交換させることにより、冷却空気７の温度を下げている。そして、この冷却空気７を燃焼器２及びタービン３に導入している。これにより、冷却能力の向上を図っている。
【００２０】
図６は、本発明の第５の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図である。本実施形態では、同図に示すように、まず冷却空気７を冷却空気圧縮機８を経てタービン３に導入している。そして、熱交換器１２にて、タービン３の図示しないタービン翼を冷却した後の冷却空気７と圧縮機１からの圧縮空気（燃焼用空気５）との間で熱交換させることにより、冷却空気７の温度を下げている。さらに、この冷却空気７を燃焼器２及びタービン３に導入している。これにより、冷却能力の向上を図っている。
【００２１】
図７は、本発明の冷却構造を燃焼器尾筒に適用した一例を模式的に示す正面図である。ここでは尾筒１３の中央付近周囲にジャケット１４を設け、これに供給管１５より冷却空気７を供給している。ジャケット１４に供給された冷却空気７は、尾筒１３の外壁１３ａと内壁１３ｂの間を通過し、尾筒１３を冷却する。このとき、矢印ａで示すように尾筒１３の前部へと流れた冷却空気は燃焼用空気として回収され、後部へと流れた冷却空気は燃焼ガス中に放出される。本例では内外壁間を冷却空気が通過するときの高い圧力損失により、高い熱伝達率即ち冷却能力を達成している。勿論、ジャケット１４の配置を前部から後部にかけて種々変更することは可能である。
【００２２】
図８は、本発明の冷却構造を燃焼器尾筒に適用した他の例を模式的に示す正面断面図である。ここでは尾筒１３の外壁１３ａと内壁１３ｂとの間に、後部から前部にかけて、仕切板１６を多段に設けている。冷却空気７は供給管１７より尾筒１３の後部から外壁１３ａと内壁１３ｂとの間に供給される。そして、各仕切板１６に開けられたインピンジ孔１６ａを通過しつつ、尾筒１３を冷却しながらその前部へと導かれ、燃焼用空気として回収される。本例では内外壁間更にはインピンジ孔を冷却空気が通過するときの高い圧力損失により、高い熱伝達率即ち冷却能力を達成している。このようにして、多段インピンジ冷却を実現している。
【００２３】
図９は、本発明の冷却構造をタービン翼に適用した一例を模式的に示す斜視図である。ここでは静翼の場合を示している。同図において、静翼２１は外壁２１ａと内壁２１ｂの二重構造となっており、内壁２１ｂ表面にはインピンジ孔ｈが開けられている。静翼２１の上端には車室側のシュラウド２２ａが設けられており、下端にはロータ側のシュラウド２２ｂが設けられている。冷却空気７は、ロータ側の供給管１８より内壁２１ｂの下端へ供給される。そして、インピンジ孔ｈより内壁２１ｂと外壁２１ａとの間に噴き出し、上端から車室側の回収管１９にて回収される。このようにして、静翼をインピンジ冷却する仕組みである。
【００２４】
図１０は、本発明の冷却構造をタービン翼に適用した他の例を模式的に示す斜視図である。ここでも静翼の場合を示している。同図において、静翼２１内部には仕切板２０が設けられ、いわゆるサーペンタイン通路が構成されている。静翼２１の上端には車室側のシュラウド２２ａが設けられており、下端にはロータ側のシュラウド２２ｂが設けられている。冷却空気７は、ロータ側の供給管１８より静翼２１の下端へ供給される。そして、静翼２１内の仕切板２０で構成されたサーペンタイン通路を通過し、上端から回収管１９にて回収される。このようにして、静翼を冷却する仕組みである。
【００２５】
なお、特許請求の範囲で言う圧縮機は、実施形態における圧縮機１に対応しており、冷却空気圧縮機は、冷却空気圧縮機８に対応している。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で、燃焼器の冷却強化を行い、さらには冷却空気の削減或いは再利用を可能として、低ＮＯｘ化を図った燃焼器冷却構造を提供することができる。このように、燃焼器の冷却強化を行うことで、信頼性を向上させることができる。
【００２７】
また、冷却空気の削減或いは再利用を行うことにより、燃焼用空気を確保できるため、燃焼ガス温度を低減することができ、ＮＯｘ排出量を抑えることが可能となる。その他、タービン翼の冷却強化を行い、さらには冷却空気の削減或いは再利用を可能としたタービン翼冷却構造等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図。
【図２】本実施形態における冷却空気圧縮機の一例を模式的に示す縦断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る、空気による冷却を行うガスタービンサイクルを模式的に示す図。
【図７】本発明の冷却構造を燃焼器尾筒に適用した一例を模式的に示す正面図。
【図８】本発明の冷却構造を燃焼器尾筒に適用した他の例を模式的に示す正面断面図。
【図９】本発明の冷却構造をタービン翼に適用した一例を模式的に示す斜視図。
【図１０】本発明の冷却構造をタービン翼に適用した他の例を模式的に示す斜視図。
【図１１】空気による冷却を行う従来のガスタービンサイクルを模式的に示す図。
【符号の説明】
１　　圧縮機
２　　燃焼器
３　　タービン
４　　空気
５　　燃焼用空気
６　　燃焼ガス
７　　冷却空気
８　　冷却空気圧縮機
９　　車室
１０　　ディフューザ
１１　　隔壁

Claims

圧縮機により圧縮された空気の一部を冷却空気として、ガスタービンの被冷却部を冷却するガスタービンの冷却構造であって、
前記冷却空気を更に圧縮して前記被冷却部へと送り出す冷却空気圧縮機を備えたガスタービンの冷却構造において、
前記冷却空気圧縮機は、前記圧縮機と同軸に回転して成ることを特徴とするガスタービンの冷却構造。
圧縮機により圧縮された空気の一部を冷却空気として、ガスタービンの被冷却部を冷却するガスタービンの冷却構造であって、
前記冷却空気を更に圧縮して前記被冷却部へと送り出す冷却空気圧縮機を備えたガスタービンの冷却構造において、
前記冷却空気圧縮機は、車室の外側に配置されていることを特徴とするガスタービンの冷却構造。
前記被冷却部を冷却した後の前記冷却空気を、燃焼用空気として回収するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のガスタービンの冷却構造。
前記冷却空気圧縮機からの冷却空気と前記圧縮機からの圧縮空気との間で熱交換させることにより、該冷却空気の温度を下げるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガスタービンの冷却構造。