JP2012072708A - Gas turbine and method for cooling gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン及びガスタービンの冷却方法に関する。 The present invention relates to a gas turbine and a gas turbine cooling method.
ガスタービンは、ケーシング(静止体)の内部にロータ(回転体)を内包した構成となっている。ロータ外周部には、タービン動翼が設けられており、タービン動翼の先端(最外周側)とケーシングの間には、間隙が存在している。高温高圧の主流ガスがこの部分を通過することで漏れ損失が生じ、タービンの性能が低下する。したがって、タービンの性能向上のためには、タービン動翼とシュラウド間の間隙は小さい方が良い。 The gas turbine has a configuration in which a rotor (rotary body) is included in a casing (stationary body). A turbine rotor blade is provided on the outer periphery of the rotor, and a gap exists between the tip (outermost periphery side) of the turbine rotor blade and the casing. Leakage loss occurs when the high-temperature and high-pressure mainstream gas passes through this portion, and the performance of the turbine deteriorates. Therefore, in order to improve the performance of the turbine, it is better that the gap between the turbine rotor blade and the shroud is small.
一方で、動翼先端とケーシングの間隙が0になると動翼先端とシュラウドが接触し、破壊の原因となる。動翼先端とケーシングの間隙はロータ,ケーシング等の熱膨張,遠心伸びなどにより、ガスタービン運転中に変化するため、ケーシングの組み立て時(起動時)間隙を全運転状況下において接触による破損が生じないように設計している。 On the other hand, when the gap between the blade tip and the casing becomes zero, the blade tip and the shroud come into contact with each other, causing destruction. The gap between the blade tip and the casing changes during the operation of the gas turbine due to the thermal expansion and centrifugal elongation of the rotor and casing, etc., so that the gap is damaged due to contact when the casing is assembled (at startup) under all operating conditions. Designed not to be.
一般に、産業用ガスタービンではこの最小間隙が起動途中に現れる。これは、ロータよりもケーシングの方が、熱容量が大きく温まりにくいためである。このように起動中に間隙が最小となる場合、この起動途中の条件下で接触が生じないような間隙に設計する必要がある。定格運転時の間隙は起動途中よりも大きくなるため、定格運転時に漏れ損失の大きい過大な間隙にて運転することとなる。 Generally, in industrial gas turbines, this minimum gap appears during startup. This is because the casing has a larger heat capacity and is less likely to warm than the rotor. In this way, when the gap is minimized during start-up, it is necessary to design the gap so that contact does not occur under this start-up condition. Since the gap during rated operation is larger than that during startup, operation is performed with an excessive gap with large leakage loss during rated operation.
このような過大な間隙を避けるために、いくつかのガスタービンは圧縮機抽気空気や別置きブロアの空気などを用いてケーシングを冷却することで、ケーシングの熱膨張を抑制し間隙を制御している。 In order to avoid such an excessive gap, some gas turbines use a compressor bleed air or a separate blower air to cool the casing to suppress the thermal expansion of the casing and control the gap. Yes.
例えば、ガスタービンのケーシング外面にインピンジ冷却マニホールドを設けケーシングを冷却する技術が特許文献1に開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a technique in which an impingement cooling manifold is provided on the casing outer surface of a gas turbine to cool the casing.
ガスタービンの高温部分は、圧縮機からの抽気空気や別置のブロアにより供給される空気によって冷却されている。圧縮機抽気空気やブロア等による冷却空気の供給には動力が必要である。冷却対象が増えると冷却空気の消費量も増加するため、ガスタービンの性能が低下してしまう。 The hot part of the gas turbine is cooled by the bleed air from the compressor and the air supplied by a separate blower. Power is required to supply cooling air using compressor bleed air or a blower. As the number of objects to be cooled increases, the amount of cooling air consumed also increases, and the performance of the gas turbine decreases.
例えば、従来のガスタービンでは、タービン翼,燃焼器,排気ディフューザなどがそれぞれ並列に異なる空気によって冷却されている。ケーシング冷却を適用する場合、前記構成にケーシング冷却システムを単純に追加しただけでは冷却空気消費量が増え、冷却空気供給動力も増加するため、間隙制御による性能向上の一部は、この動力の増加によって相殺されてしまう。 For example, in a conventional gas turbine, turbine blades, combustors, exhaust diffusers, and the like are cooled by different air in parallel. When casing cooling is applied, simply adding a casing cooling system to the above configuration increases the amount of cooling air consumption and the power for supplying cooling air. Will be offset by.
本発明の目的は、間隙制御に用いる冷却空気量の増加を抑えたガスタービンを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a gas turbine in which an increase in the amount of cooling air used for gap control is suppressed.
圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、前記タービンを包蔵するタービンケーシングと、前記タービンケーシングに接続された排気ディフューザと、前記排気ディフューザに設けられた排気ディフューザ冷却通路と、前記タービンケーシングに設けられた複数のタービンケーシング冷却通路とを備え、前記排気ディフューザ冷却通路及び前記タービンケーシング冷却通路を冷媒が流れるガスタービンの、前記冷媒が前記タービンケーシング冷却通路から前記排気ディフューザ冷却通路へと流入する通路を、少なくとも1つ形成する。 A compressor that generates compressed air, a combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor, and a turbine that is rotationally driven by the combustion gas generated by the combustor; A turbine casing for housing the turbine, an exhaust diffuser connected to the turbine casing, an exhaust diffuser cooling passage provided in the exhaust diffuser, and a plurality of turbine casing cooling passages provided in the turbine casing In the gas turbine in which the refrigerant flows through the exhaust diffuser cooling passage and the turbine casing cooling passage, at least one passage through which the refrigerant flows from the turbine casing cooling passage to the exhaust diffuser cooling passage is formed.
本発明によると、少ない冷却空気流量の増加でケーシング冷却可能なガスタービンを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a gas turbine capable of cooling the casing with a small increase in the cooling air flow rate.
特許文献1に記載の発明は、ケーシング外面にインピンジマニホールドを設け、ケーシングをインピンジ冷却している。この冷却空気はブロアより導かれ、ケーシングをインピンジ冷却した後に大気開放されており、ガスタービンの総冷却空気使用量は、ケーシング冷却の分だけ増加することになる。 In the invention described in Patent Document 1, an impingement manifold is provided on the outer surface of the casing to cool the casing by impingement. This cooling air is guided from the blower and released to the atmosphere after impingement cooling of the casing, and the total amount of cooling air used by the gas turbine is increased by the amount of casing cooling.
ガスタービンの排気ディフューザなどを含む高温部分は通常、圧縮機からの抽気空気や、別置のブロアによる空気によって冷却されている。圧縮機やブロア等による冷却空気の供給には動力が必要である。間隙調整のためにケーシングを冷却し冷却空気量が増加すると、冷却空気供給動力も増加するため間隙制御による性能向上の一部は、この動力の増加によって相殺されてしまう。このため、より少ない冷却空気量増加でケーシングを冷却できることが望ましい。 A high-temperature portion including an exhaust diffuser of a gas turbine is usually cooled by bleed air from a compressor or air by a separate blower. Power is required to supply cooling air from a compressor, blower, or the like. When the casing is cooled to adjust the gap and the amount of cooling air increases, the cooling air supply power also increases. Therefore, a part of the performance improvement by the gap control is offset by this increase in power. For this reason, it is desirable that the casing can be cooled with a smaller increase in the amount of cooling air.
また、タービン動翼とシュラウド間の間隙は、極力小さいことが望ましいが、間隙が0になると動翼とシュラウドが接触し、破損の原因となる。このため、例えばタービン後段側では、ハニカムシールとシュラウドフィンの組み合わせなどを用いて接触を許容することで、製作公差の影響やケーシングの歪の影響を吸収し、間隙を小さく保っている。主流ガス温度の高いタービン前段側では、耐熱性の問題からハニカムシールを使用できないため、動翼先端間隙にマージンを設けることで、製作公差の影響や、ケーシングの歪の影響による接触を回避している。 The gap between the turbine blade and the shroud is desirably as small as possible. However, when the gap becomes zero, the blade and the shroud come into contact with each other, causing damage. For this reason, for example, on the rear stage side of the turbine, the contact is allowed using a combination of a honeycomb seal and a shroud fin to absorb the influence of manufacturing tolerances and the distortion of the casing, and keep the gap small. Since the honeycomb seal cannot be used on the upstream side of the turbine, where the mainstream gas temperature is high, due to heat resistance problems, a margin is provided at the tip of the rotor blade to avoid contact due to manufacturing tolerances and casing distortion. Yes.
このように、ガスタービン前段側は後段側に比べマージンを設けた分、間隙が大きくなりやすいため、前段側の間隙制御量をより大きくできることが望ましい。 As described above, since the gap is likely to be larger on the front stage side of the gas turbine than the rear stage side, it is desirable that the gap control amount on the front stage side can be increased.
圧縮機から抽気された空気はガスタービン外側に設けられた抽気配管を通じてタービン側へと導かれる。抽気配管量の増加はコストの増加につながるため、例えば圧縮機中間段と後段のように抽気段は数段に限定されており、この抽気段数は一般に冷却対象であるガスタービン段数よりも少ない。過剰に高圧な空気の使用は損失の増加をもたらすが、抽気段が制限されているため、若干過剰な圧力にて冷却空気が供給されている部分が存在する。この過剰な圧力を適切な圧力に調整するために、オリフィスなどにより圧損を生じさせることが考えられる。しかし、このようなオリフィスによる圧力調整は圧力の浪費となるため避けることが望ましい。 The air extracted from the compressor is guided to the turbine side through an extraction pipe provided outside the gas turbine. Since an increase in the amount of extraction piping leads to an increase in cost, for example, the extraction stages are limited to several stages, such as an intermediate stage and a subsequent stage of the compressor, and the number of extraction stages is generally smaller than the number of gas turbine stages to be cooled. Although the use of excessively high pressure air results in an increase in loss, the extraction stage is limited, so that there is a portion where cooling air is supplied at a slightly excessive pressure. In order to adjust this excessive pressure to an appropriate pressure, it is conceivable that pressure loss is caused by an orifice or the like. However, it is desirable to avoid pressure adjustment by such an orifice because it wastes pressure.
まず、本発明を適用するガスタービンの概略構成を、図2を用いて説明する。 First, a schematic configuration of a gas turbine to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
図2はガスタービンの概念図である。 FIG. 2 is a conceptual diagram of a gas turbine.
ガスタービン101は、主に、圧縮機102,燃焼器103,タービン104から構成される。圧縮機102は、大気空気111を圧縮して圧縮空気106を生成し、生成された圧縮空気106を燃焼器103へ送る。燃焼器103は、圧縮機102により生成された圧縮空気106と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガス107を生成し、タービン104へ供給する。
The
タービン104は、燃焼器103から供給される高温高圧の高いエネルギーを持つ燃焼ガス107により、タービン軸105に回転力を生じさせる。タービン軸105の回転力によって、ガスタービン101に接続される機器109を駆動させる。燃焼ガスはエネルギーをタービン104で回収された後に、タービン104より排気ディフューザ113を経て、排気112として排出される。
The
また、圧縮機102で圧縮された空気の一部はタービン冷却空気110として抽気され、燃焼器103を経ずにタービン104や排気ディフューザ113へ供給される。
A part of the air compressed by the
図3に、ガスタービンの部分断面図を示す。 FIG. 3 shows a partial cross-sectional view of the gas turbine.
図3に示すタービン104は、第1段静翼1,第1段動翼2,第2段静翼3,第2段動翼4,第3段静翼5,第3段動翼6を備えている。なお、矢印8はタービン内の燃焼ガス107の流れ方向を示す。
A
第1段動翼2は、第1段ホイール9の外周に接続されており、第2段動翼4が接続された第2段ホイール10,第3段動翼6が接続された第3段ホイール11,圧縮機102に接続された圧縮機ロータ12、及びスペーサ13とともにスタッキングボルトによりスタッキングされ、タービン軸105を構成している。タービン軸105は、燃焼器103から排出される燃焼ガス107のエネルギーを第1段動翼2,第2段動翼4、及び第3段動翼6で回収し、圧縮機102及びタービン軸端部に接続された発電機などの機器109を駆動する。
The
タービン軸105は、タービンケーシング17に内包されている。タービンケーシング17には、第1段静翼1,第2段静翼3,第3段静翼5,第1段シュラウド14,第2段シュラウド15,第3段シュラウド16がケーシング内周側に接続されており、さらに、第2段静翼3,第3段静翼5の内周側にはダイヤフラム24が接続されている。
The
第1段動翼2と第1段シュラウド14,第2段動翼4と第2段シュラウド15,第3段動翼6と第3段シュラウド16,スペーサ13とダイヤフラム24の間にはそれぞれ間隙が設けられており、この間隙が静止体と回転体の界面となっている。
There are gaps between the
この間隙は、ガスタービンの運転状況により変化する。図4に間隙の変化トレンドを示す。まず、起動直後よりタービン軸105は回転速度が上昇し、遠心力により径方向に伸び、間隙が縮小する。その後、主流ガスの温度上昇により、タービン軸105,シュラウド14,15,16,タービンケーシング17が熱膨張する。タービン軸105は径方向外側に膨張し、シュラウド14,15,16は径方向内側に膨張し間隙を縮小させる。タービンケーシング17は径方向外側に膨張し間隙を拡大させる。
This gap varies depending on the operating condition of the gas turbine. FIG. 4 shows the change trend of the gap. First, immediately after startup, the
図4に、従来構造のガスタービンにおける動翼先端間隙の特性を示す。一般に、タービン軸105、およびシュラウド14,15,16はタービンケーシング17に比べて温度上昇しやすい。そのため、タービンが熱的に静定する前、具体的には、定格負荷到達時近傍で最小間隙を示す。このため、図4からも定常運転中の間隙は最小間隙よりも大きなものとなる。
FIG. 4 shows the characteristics of the blade tip clearance in a conventional gas turbine. In general, the temperature of the
図1を用いて本実施例におけるケーシング冷却構造を説明する。図1はタービンケーシング17の拡大図である。
The casing cooling structure in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an enlarged view of the
タービンケーシング17の前段側外周部に冷却空気ヘッダ21が環状空間として設けられており、ここへ圧縮機からの抽気配管が接続される。冷却空気ヘッダ21の端面には、軸方向後段側へと伸びる冷却流路22が接続されている。冷却流路22は略円径であり、周方向に断続的に配置されている。冷却流路22内には略円形のコアプラグ18が挿入されており、コアプラグ18は、少なくとも径方向内側にインピンジ孔を備えている。
A cooling
圧縮器から抽気された冷却空気は、抽気配管を通じ冷却空気ヘッダ21へと導かれる。冷却空気ヘッダより、タービンケーシング17に設けられた複数の冷却流路22内のコアプラグ18の内側空間に分配され、コアプラグ18に設けられたインピンジ孔より噴流となって噴出し、タービンケーシング17を衝突冷却する。その後、冷却空気は冷却流路22内をタービン軸方向後段側へと流下する。冷却流路22は連通孔19によって、排気ディフューザ冷却通路20へと接続されており、冷却流路22内を流下した冷却空気は、排気ディフューザ冷却通路20へ供給され、排気ディフューザ113を冷却する。
The cooling air extracted from the compressor is guided to the cooling
図5に、本実施例によるガスタービンの間隙特性を示す。ガスタービンが定格出力に到達した後にケーシング冷却を実施することにより、定常状態でのケーシング温度が低下するため、起動から定常状態に至る過程でのタービン軸105とタービンケーシング17の温度差が減少し、最小間隙と定常状態での間隙の差が小さくなり、定常状態での間隙を従来に比べ小さく保つことができる。このとき、起動途中での最小間隙値は従来のものと同程度とすることができるため、ガスタービンの信頼性を損なうことなく性能を向上させることが可能となる。また、起動途中における排気ディフューザ113の冷却は、冷却空気を別途設けたバルブなどを用いてケーシング冷却通路22をバイパスさせることで供給している。
FIG. 5 shows the gap characteristics of the gas turbine according to this embodiment. By performing the casing cooling after the gas turbine reaches the rated output, the casing temperature in the steady state decreases, so the temperature difference between the
また、ガスタービン前段側では、間隙の変化に追従可能なシール構造を適用することが困難である。これは、ラビリンスシールなどを適用するには、翼端にシュラウドを形成することが必要であるが、シュラウドを形成すると翼端面の重量が増し、翼の応力が過大になるからである。さらに耐熱性の問題によりハニカムシール等の接触を許容したシール構造を用いることが困難である。 Moreover, it is difficult to apply a seal structure that can follow the change in the gap on the upstream side of the gas turbine. This is because, in order to apply a labyrinth seal or the like, it is necessary to form a shroud at the blade tip, but when the shroud is formed, the weight of the blade tip surface increases and the stress of the blade becomes excessive. Furthermore, it is difficult to use a seal structure that allows contact with a honeycomb seal or the like due to heat resistance problems.
漏れ損失を抑制するためには間隙を小さく保つことが必要となるにも関わらず、破損などを防ぐために、マージンを持たせた間隙の設計をせざるを得ない。 Although it is necessary to keep the gap small in order to suppress the leakage loss, the gap must be designed with a margin in order to prevent breakage and the like.
一方、後段側では、主流ガスの温度が低いため接触を許容できるハニカムシールを適用できるため、マージンを小さくした設計が可能であり、間隙を小さく設計することが可能である。 On the other hand, on the rear stage side, since the temperature of the mainstream gas is low, a honeycomb seal that can allow contact can be applied. Therefore, a design with a small margin is possible, and a gap can be designed small.
このように、前段側の間隙が過大になる傾向があるため、前段側の間隙制御量を大きくできること、すなわち、前段側のケーシング冷却効果を高くできることが望ましい。 Thus, since the gap on the front stage tends to be excessive, it is desirable that the gap control amount on the front stage can be increased, that is, the casing cooling effect on the front stage can be increased.
本実施例の構造では、インピンジ冷却を採用している。インピンジ冷却は少ない空気で高い冷却性能を示すが、インピンジ孔から噴出し被冷却面に衝突する冷却空気に横方向からの流れ(以下、クロスフロー)がぶつかると、冷却性能が低下する傾向がある。本実施例の構造では、コアプラグ18より噴出した冷却空気は冷却流路22内を冷前段側から後段側へと流れる。そのため、前段側のクロスフローを後段側に比べて少なくすることができるため、前段側でインピンジ冷却の高い冷却効果を得ることが可能である。これにより、従来は大きくせざるを得なかった前段側の間隙を小さく保つことができる。
In the structure of this embodiment, impingement cooling is adopted. Impinge cooling shows high cooling performance with a small amount of air, but if the flow from the lateral direction (hereinafter referred to as cross flow) collides with the cooling air that is ejected from the impingement holes and collides with the surface to be cooled, the cooling performance tends to decrease. . In the structure of the present embodiment, the cooling air ejected from the core plug 18 flows in the
また、一般に、被冷却面と冷却空気の温度差が大きい方がより冷却効果が高くなる。本実施例では、タービンケーシング17の内部にケーシング冷却流路22を設けており、被冷却面とケーシング内面の距離を近づけている。タービンケーシング17は周方向内側ほど高温で外周側ほど低温であるため、被冷却面とケーシング内面の距離を近づけることで、被冷却面の温度が高くなり、より効果的にケーシングを冷却することができる。そのため、少ない空気量でケーシングを冷却することが可能となる。
In general, the cooling effect is higher when the temperature difference between the surface to be cooled and the cooling air is larger. In the present embodiment, a casing
排気ディフューザの冷却空気は、排気ディフューザ冷却後にガスタービン排気中へ放出される。このガスタービン排気圧力はほぼ大気圧であるため、排気ディフューザの冷却空気は低圧なものが使用できる。また、高圧な空気の使用は圧縮機動力の増加につながるため、排気ディフューザ113の冷却空気は極力低圧であることが望ましい。
The cooling air of the exhaust diffuser is discharged into the gas turbine exhaust after the exhaust diffuser is cooled. Since the gas turbine exhaust pressure is almost atmospheric pressure, the cooling air for the exhaust diffuser can be low pressure. Moreover, since the use of high-pressure air leads to an increase in compressor power, it is desirable that the cooling air for the
また、圧縮機102からの冷却空気抽気段は圧縮機前側,中間,後側の3段程度となっている。これは、抽気段数の増加が配管数の増加を招き、それによりコストが増加するためであり、性能とコストのトレードオフの結果である。
Further, the cooling air extraction stage from the
このような抽気段数の制限により、排気ディフューザ113の冷却空気の供給圧力は冷却に必要な最小圧力よりも高い圧力となっている。過剰に高い圧力は冷却空気量の増加につながるため、オリフィスなどにより圧力損失を生じさせ、冷却空気量を調整するのが一般的である。しかし、このような流量調整のためだけに圧力損失を生じさせることは非効率的である。
Due to such limitation of the number of extraction stages, the supply pressure of the cooling air of the
本実施例では、この圧力損失をタービンケーシング17におけるインピンジ冷却によって生じさせることで、圧力を冷却促進に有効利用している。言い換えると、オリフィスを廃することで、インピンジ冷却に必要な圧力差を確保することができるため、冷却空気供給圧力を増加させる必要がない。
In the present embodiment, this pressure loss is caused by impingement cooling in the
また、本実施例の構造では、冷却流路22と排気ディフューザ冷却通路20は連通孔19によって接続されており、ケーシング冷却を終えた冷却空気は連通孔19を経て排気ディフューザ冷却通路20へと導かれ、排気ディフューザ113を冷却する。従来のガスタービンでは、排気ディフューザとケーシングをそれぞれ異なる空気で冷却していたが、本実施例のように冷却空気を再利用することで、ケーシング冷却の適用にともなう冷却空気量の新たな増加を抑えることができる。更に、冷却空気を再利用することで圧縮機からの抽気段数を減らすことができれば、コストの低減に繋がる。
Further, in the structure of this embodiment, the
なお、インピンジ孔の形状や、コアプラグ18や冷却流路22の断面積または形状を場所により変化させても構わない。例えば、高い冷却性能が必要な前段側ではコアプラグ18と冷却流路22の被冷却面との距離を短くし、冷却性能を向上させ、後段側ではクロスフローの悪影響を抑制するためにその距離を大きくし冷却空気通路の断面積を増加させ、クロスフローの流速を低減させることができる。また、コアプラグ18や、冷却流路22の形状を略円形としたが、楕円形状や、四角形,三角形など形状を変化させても構わない。
In addition, you may change the shape of an impingement hole, and the cross-sectional area or shape of the
また、冷媒の例として圧縮機抽気空気を挙げたが、冷媒はブロアやその他供給源からの空気や蒸気を利用しても構わない。 Moreover, although the compressor bleed air was mentioned as an example of a refrigerant | coolant, the refrigerant | coolant may utilize the air and vapor | steam from a blower or another supply source.
図6を用いて実施例2のガスタービンについて説明する。図6はタービンケーシング17の拡大図であり、冷却流路22内に乱流促進リブ23が設置されている。その他の構造は実施例1と同様である。
A gas turbine according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an enlarged view of the
実施例1では、冷却手法としてインピンジ冷却を採用していたが、インピンジ冷却は高い圧力損失を示す。 In Example 1, impingement cooling was employed as a cooling method, but impingement cooling exhibits a high pressure loss.
例えば、コンバインドサイクルでは、排気112は熱交換器を通過するが、その際圧力損失が生じるのでタービン出口での排気圧力がシンプルサイクルに比べ増加する。これにより排気ディフューザ冷却空気の必要圧力が増加する。他にも冷却空気の抽気段圧力が低い場合など、インピンジ冷却を行うための圧力差を確保することが困難な場合がある。
For example, in the combined cycle, the
本実施例では、インピンジ冷却の代わりに乱流促進リブ23を設置することで伝熱を促進している。乱流促進リブ23はインピンジ冷却に比べ圧力損失が低いため、低い圧力差での冷却が可能となる。
In this embodiment, heat transfer is promoted by installing turbulent
乱流促進リブ23の形状は種々の公知構造を適用することが可能である。また、適用する乱流促進リブ23の形状を場所により変化させても構わない。一般に乱流促進リブの冷却性能と圧力損失は比例関係にあるため、例えば、高い冷却性能が必要な前段側には圧力損失も高い形状の乱流促進リブ23を採用し、後段側では、圧力損失,冷却性能ともに低い形状の乱流促進リブ23を採用しても構わない。
Various known structures can be applied to the shape of the turbulent
また、乱流促進リブ23の形状は全冷却通路で均一である必要はなく、タービンケーシング17の周方向温度分布に応じて形状を変化させても構わない。
Further, the shape of the turbulent
図7を用いて実施例2のガスタービンについて説明する。図6はタービンケーシング17の拡大図であり、冷却流路22の上流側はコアプラグ18が挿入され、下流側は乱流促進リブ23が設置されている。その他の構造は実施例1と同様である。
A gas turbine according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an enlarged view of the
実施例1の構造では、冷却流路22の全長にわたってインピンジ冷却が採用されている。インピンジ冷却は、クロスフローにより冷却性能が低下する傾向がある。前段側は後段側に比べクロスフローが少ないため、前段側ではインピンジ冷却の高い冷却効果を得ることが可能である。しかし、後段側になるにつれてクロスフローの影響が強まることにより冷却性能は低下する。
In the structure of the first embodiment, impingement cooling is adopted over the entire length of the
そこで本実施例では、上流側のみインピンジ冷却とすることで実施例1に比べインピンジ孔の数を抑制し、インピンジ孔からの冷却空気の噴出速度を上昇させることで、クロスフローの影響を抑制し、高い冷却性能を得るようにしている。一方、クロスフローの大きくなる下流側を、乱流促進リブによる冷却に変更している。 Therefore, in this embodiment, the impingement cooling is performed only on the upstream side, thereby suppressing the number of impingement holes as compared with the first embodiment and increasing the jet speed of the cooling air from the impingement holes, thereby suppressing the influence of the cross flow. , Trying to get high cooling performance. On the other hand, the downstream side where the cross flow becomes large is changed to cooling by the turbulent flow promoting rib.
このようにすることで、特に高い冷却性能が必要なタービンケーシング17の上流側の冷却をより強化することができる。
By doing in this way, the cooling of the upstream side of the
また、冷却構造は全冷却通路で均一である必要はなく、タービンケーシング17の周方向温度分布に応じて形状を変化させても構わない。さらに、インピンジ孔の形状や、コアプラグ18,冷却流路22の形状や断面積を場所により変化させても構わない。
Further, the cooling structure does not have to be uniform in all the cooling passages, and the shape may be changed according to the circumferential temperature distribution of the
以上に述べてきた、本願発明の各実施例によれば、少ない冷却空気流量の増加でケーシングを冷却可能で、且つ、より好ましい間隙制御が可能なガスタービンを提供することができる。 According to each embodiment of the present invention described above, it is possible to provide a gas turbine capable of cooling the casing with a small increase in the cooling air flow rate and capable of more preferable clearance control.
1 第1段静翼
2 第1段動翼
3 第2段静翼
4 第2段動翼
5 第3段静翼
6 第3段動翼
8 主流ガスの流れ方向
9 第1段ホイール
10 第2段ホイール
11 第3段ホイール
12 圧縮機ロータ
13 スペーサ
14 第1段シュラウド
15 第2段シュラウド
16 第3段シュラウド
17 タービンケーシング
18 コアプラグ
19 連通孔
20 排気ディフューザ冷却通路
21 冷却空気ヘッダ
22 冷却流路
23 乱流促進リブ
24 ダイヤフラム
101 ガスタービン
102 圧縮機
103 燃焼器
104 タービン
105 タービン軸
106 圧縮空気
107 燃焼ガス
110 タービン冷却空気
111 大気空気
112 排気
113 排気ディフューザ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 First-stage
Claims (8)
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、
前記タービンを包蔵するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングに接続された排気ディフューザと、
前記排気ディフューザに設けられた排気ディフューザ冷却通路と、
前記タービンケーシングに設けられた複数のタービンケーシング冷却通路とを備え、
前記排気ディフューザ冷却通路及び前記タービンケーシング冷却通路を冷媒が流れるガスタービンにおいて、
前記冷媒が前記タービンケーシング冷却通路から前記排気ディフューザ冷却通路へと流入する通路を、少なくとも1つ形成したことを特徴とするガスタービン。 A compressor for generating compressed air;
A combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor;
A turbine that is rotationally driven by the combustion gas generated in the combustor;
A turbine casing containing the turbine;
An exhaust diffuser connected to the turbine casing;
An exhaust diffuser cooling passage provided in the exhaust diffuser;
A plurality of turbine casing cooling passages provided in the turbine casing,
In the gas turbine in which the refrigerant flows through the exhaust diffuser cooling passage and the turbine casing cooling passage,
The gas turbine according to claim 1, wherein at least one passage through which the refrigerant flows from the turbine casing cooling passage to the exhaust diffuser cooling passage is formed.
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、
前記タービンを包蔵するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングに設けられたタービンケーシング冷却通路とを備え、
前記タービンケーシング冷却通路内を冷媒が流れるガスタービンにおいて、
前記タービンケーシング冷却通路内に中空構造物を備え、前記中空構造物は内表面と外表面を連通する連通孔を複数備え、前記冷媒の少なくとも一部が、前記中空構造物に設けられた連通孔を経て前記タービンケーシング冷却通路に至ることを特徴とするガスタービン。 A compressor for generating compressed air;
A combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor;
A turbine that is rotationally driven by the combustion gas generated in the combustor;
A turbine casing containing the turbine;
A turbine casing cooling passage provided in the turbine casing,
In the gas turbine in which the refrigerant flows in the turbine casing cooling passage,
A hollow structure is provided in the turbine casing cooling passage, the hollow structure includes a plurality of communication holes that communicate the inner surface and the outer surface, and at least a part of the refrigerant is provided in the hollow structure. And a gas turbine that reaches the turbine casing cooling passage.
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、
前記タービンを包蔵するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングに設けられたタービンケーシング冷却通路とを備え、
前記タービンケーシング冷却通路内を冷媒が流れるガスタービンにおいて、
前記タービンケーシング冷却通路内に乱流促進リブを設置したことを特徴とするガスタービン。 A compressor for generating compressed air;
A combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor;
A turbine that is rotationally driven by the combustion gas generated in the combustor;
A turbine casing containing the turbine;
A turbine casing cooling passage provided in the turbine casing,
In the gas turbine in which the refrigerant flows in the turbine casing cooling passage,
A gas turbine, wherein a turbulent flow promoting rib is installed in the turbine casing cooling passage.
前記タービンケーシング冷却通路内に中空構造物を備え、前記中空構造物は内表面と外表面を連通する連通孔を複数備え、前記冷媒の少なくとも一部が、前記中空構造物に設けられた連通孔を経て前記タービンケーシング冷却通路に至ることを特徴とするガスタービン。 Among the gas turbines according to claim 1,
A hollow structure is provided in the turbine casing cooling passage, the hollow structure includes a plurality of communication holes that communicate the inner surface and the outer surface, and at least a part of the refrigerant is provided in the hollow structure. And a gas turbine that reaches the turbine casing cooling passage.
前記タービンケーシング冷却通路内に乱流促進リブを設けたことを特徴とするガスタービン。 In the gas turbine according to claim 1 or 4,
A gas turbine comprising a turbulent flow promoting rib in the turbine casing cooling passage.
前記タービンケーシング冷却通路上流側に、前記冷媒が導入される環状空間を設けたことを特徴とするガスタービン。 The gas turbine according to any one of claims 1 to 5,
A gas turbine characterized in that an annular space into which the refrigerant is introduced is provided upstream of the turbine casing cooling passage.
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、
前記タービンを包蔵するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングに接続された排気ディフューザと、
前記排気ディフューザに設けられた排気ディフューザ冷却通路と、
前記タービンケーシングに設けられたタービンケーシング冷却通路とを備えたガスタービンの冷却方法であって、
前記タービンケーシング冷却通路を流れた冷媒の少なくとも一部を、前記排気ディフューザ冷却通路に流すことを特徴とするガスタービンの冷却方法。 A compressor for generating compressed air;
A combustor that generates combustion gas by mixing and burning compressed air and fuel generated by the compressor;
A turbine that is rotationally driven by the combustion gas generated in the combustor;
A turbine casing containing the turbine;
An exhaust diffuser connected to the turbine casing;
An exhaust diffuser cooling passage provided in the exhaust diffuser;
A gas turbine cooling method comprising a turbine casing cooling passage provided in the turbine casing,
A method for cooling a gas turbine, wherein at least a part of the refrigerant that has flowed through the turbine casing cooling passage is caused to flow into the exhaust diffuser cooling passage.
前記タービンケーシングを前記冷媒によりインピンジ冷却したことを特徴とするガスタービンの冷却方法。 The method for cooling a gas turbine according to claim 7,
A gas turbine cooling method, wherein the turbine casing is impingement cooled by the refrigerant.
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