JP4981970B2

JP4981970B2 - ガスタービン

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Publication number: JP4981970B2
Application number: JP2010518955A
Authority: JP
Inventors: 啓太 ▲高▼村; 真也橋本; 雅則由里
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2012-07-25
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Description

本発明は、ガスタービンに関し、さらに詳しくは、タービン側の動翼を冷却するガスタービンに関するものである。

従来、空気と燃料とを燃焼させた燃焼ガスからエネルギーを取り出す装置としてガスタービンがある。ガスタービンは、燃料と圧縮した空気とを燃焼させることで発生する燃焼ガスのエネルギーを用いてタービンを回転させてロータから回転エネルギーを出力する。しかしながら、前記燃焼ガスは、高温な状態でタービンに供給されるため、前記高温燃焼ガスを受けるタービンの動翼も高温雰囲気に曝される。そこで、例えば、特許文献１には、ロータの中心軸に沿って設けた孔である中心孔を介して、冷却用空気の供給元である圧縮機側から冷却用空気の供給先である前記動翼に空気を供給し、前記動翼を冷却するガスタービンが開示されている。

特開昭６１−２２６５０２号公報特公昭５９−４１００１号公報特開平１１−１１７７０２号公報

特許文献１に記載の技術は、ロータの中心孔を介して圧縮機で圧縮された空気が、内部通路を介して圧縮機側からタービン側に流動して、冷却用空気として前記動翼に供給されるものである。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、圧縮機の回転部材であるディスクから一部の空気を圧縮機本体の内方に位置するキャビティ側へ抽出し、内部通路を経て動翼側通路に供給するため、運転途中での抽出空気量の調節が困難である。このため、ガスタービンの最大負荷運転時に動翼を冷却するのに必要な流量以上の冷却用空気を圧縮機から抽出するおそれがあり、その結果、ガスタービンの熱効率を低下させるおそれがある。

また、特許文献２に記載された技術も、特許文献１に記載の技術と同様に圧縮機側から内部通路を経て動翼側に空気を供給するものであり、同じ問題点を有する。また、特許文献３に記載の技術は、タービン側のロータ軸端側から冷却媒体を供給するものであるが、冷却媒体の回収を前提としたシステムであり、本願の目的とは異なるものである。

さらに、一般的には、ガスタービンの負荷により、動翼の冷却に必要な冷却用空気量が異なる。ガスタービンが高負荷運転の場合には、高圧空気を動翼側に供給して、必要空気量を確保し、冷却能力を上げる必要がある。低負荷運転の場合には、冷却用空気量を絞る必要があるために、比較的低圧の空気を供給し、不要な空気の消費を抑制して、ガスタービンの熱効率の低下を抑制する必要がある。上記特許文献は、このようなタービン負荷変動に対する空気量の調整手段について、何等開示されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱効率の低下を抑制できるガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、ガスタービンは、回転軸であるロータの中心軸に沿って前記中心軸を回転軸として回転する回転部材に設けられると共に冷却用空気が前記ロータの回転軸に沿う方向に流動する軸方向通路と、前記回転部材に前記ロータの中心から外側に向かって設けられることで前記冷却用空気を圧縮すると共に、一方の端部が前記軸方向通路に連通し、他方の端部が前記回転部材の外部に連通し、前記回転部材の周方向に向かって複数本設けられる通路である径方向通路と、空気量調整手段を備え、空気を圧縮する圧縮機に設けられる圧縮機抽気口である空気源に一方の端部が連通し、他方の端部が前記軸方向通路に連通して前記冷却用空気が導入される外部通路と、前記外部通路に設けられると共に、前記冷却用空気を冷却する冷却用空気冷却手段と、前記軸方向通路に設けられて、前記軸方向通路を流動する前記冷却用空気に対して前記ロータの回転方向の旋回を与えるスワール付与手段と、を備える。

本発明に係るガスタービンを用いれば、ガスタービンの負荷に応じた冷却空気の空気源の選択が可能であるので、運転状況に応じて適正な空気を採用でき、ガスタービン全体の熱効率の低下を抑制できる。

図１は、実施形態１に係るガスタービンシステムの全体図である。図２は、実施形態１に係るガスタービン３の概略構成図である。図３は、実施形態１に係るガスタービンの後方段に位置する動翼の一例を模式的に示す断面図である。図４は、冷却用空気が流動する通路を模式的に説明する断面図である。図５Ａは、実施形態１に係るスワラを中心軸を含む面で切って模式的に示す断面図である。図５Ｂは、実施形態１に係るスワラを図５ＡのＡ−Ａ面で切って模式的に示す断面図である。図５Ｃは、実施形態１に係るスワラを図５ＢのＢ−Ｂ面で切って模式的に示す断面図である。図６Ａは、実施形態１に係る第１径方向通路を模式的に示す断面図である。図６Ｂは、実施形態１に係る他の第１径方向通路を模式的に示す断面図である。図６Ｃは、実施形態１に係る他の第１径方向通路を模式的に示す断面図である。図７は、実施形態２に係るガスタービンシステムの全体図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るガスタービンシステムの全体図である。図２は、実施形態１に係るガスタービン３の概略構成図である。図１及び図２に示すように、本実施形態に係るガスタービン３に供給される燃焼用空気は、空気フィルタ７１を介して圧縮機２０に導入される。圧縮機２０によって、所定圧力に圧縮された燃焼用空気は、燃焼器３０に供給され、燃料と混合されて燃焼される。燃焼器３０で発生した燃焼ガスは、タービン１０に導入され、タービン側静翼１２、タービン側動翼１３を流下する際に熱エネルギーがタービン１０におけるロータ５０の回転エネルギーに変換されて電力として発電機８０から取り出される。

本実施形態のガスタービン３は、図２に示すように、流体の流れの上流側から下流側に向けて順に、圧縮機２０と、燃焼器３０と、タービン１０と、排気室４０とを含んで構成される。圧縮機２０は空気を加圧して、燃焼器３０へ加圧された空気を送り出す。燃焼器３０は、前記空気に燃料を供給して燃焼させる。タービン１０は、燃焼器３０から送り出された前記燃焼ガスが持つエネルギーを回転エネルギーに変換する。

圧縮機２０は、空気取入口２１と、圧縮機筐体２２と、圧縮機側静翼２３と、圧縮機側動翼２４と、抽気マニホールド２５とを有する。空気取入口２１は、図１に示す空気フィルタ７１から導入された空気を圧縮機筐体２２に取り込む空気の導入口となる。

圧縮機筐体２２内には、複数の圧縮機側静翼２３と複数の圧縮機側動翼２４とが交互に設けられる。圧縮機２０によって圧縮された空気は、燃焼器３０の車室３６に導かれる。抽気マニホールド２５は、圧縮機側静翼２３の外側に設けられ、タービン側の静動翼の冷却のため、圧縮機２０の中間段から抽気した圧縮空気を一時的に貯留する役割を備える。抽気マニホールド２５は、外部配管に接続のための圧縮機抽気口２６を備える。圧縮機抽気口２６は、複数の抽気口を設けてもよい。例えば、圧縮機の低圧側中間段から抽気した低圧抽気の低圧抽気口や高圧側中間段から抽気した高圧抽気の高圧抽気口を備えて、運転状況に応じて適宜抽気口を変えてもよい。

燃焼器３０は、ハウジング３１と、燃焼器ライナ３２と、尾筒３３とを有する。ハウジング３１の内部には車室３６が形成される。燃焼器ライナ３２は、略円筒形状に形成され、燃焼ガスの通路として車室３６の内部に設けられる。加えて、車室３６には、燃焼ガスの通路として尾筒３３が設けられる。尾筒３３は略円筒形状に形成され、尾筒３３の内部に、空気と燃料とが燃焼する燃焼領域３７が形成される。

燃焼器ライナ３２の軸方向の端部のうち、一方の端部は、尾筒３３が接続される。また、燃焼器ライナ３２の尾筒３３とは反対側の端部には、燃焼器ライナ３２の内部に燃料を噴射する燃料ノズル３４が設けられている。さらに、燃焼器ライナ３２の外周面には、燃焼器ライナ３２の内部に圧縮空気を導入する燃焼器ライナ空気取入口３５が複数形成される。

タービン１０は、タービン車室１１と、タービン側静翼１２と、タービン側動翼１３とを有する。タービン車室１１内には、複数のタービン側静翼１２と複数のタービン側動翼１３とが交互に配設されている。排気室４０は、タービン１０に連続する排気ディフューザ４１を有する。排気ディフューザ４１は、タービン１０を通過した燃焼ガス、つまり排気ガスの動圧を静圧に変換する。

ガスタービン３は、回転部材としてのロータ５０を有する。ロータ５０は、圧縮機２０、燃焼器３０、タービン１０、排気室４０の中心部を貫通するように設けられる。ロータ５０は、圧縮機２０側の端部が軸受５１により回転自在に支持され、排気室４０側の端部が軸受５２により回転自在に支持される。また、ロータ５０には複数のディスク１４が固定される。加えて、ディスク１４は、圧縮機側動翼２４及びタービン側動翼１３が連結される。さらに、ロータ５０の圧縮機２０側の端部には、図示しない発電機の駆動軸が連結される。上記構成により、ガスタービン３は、発電機８０を駆動させ発電する。

ガスタービン３は、高圧領域としての圧縮機２０の中間段に存在する圧縮空気を冷却用空気として軸方向通路６０に供給する。ガスタービン３は、図１に示すように、軸端シール６７と、外部通路６８と、冷却用空気冷却手段としての冷却器６９と、空気流量調節弁７０とを備える。軸端シール６７は、冷却用空気導入口６１を覆うように設置されると共に、外部通路６８と連通する。これにより、冷却用空気導入口６１と外部通路６８とは、図４に示すように軸端シール６７を介して連通する。

具体的には、外部通路６８は、例えば圧縮機２０の抽気マニホールド２５に設けられる圧縮機抽気口２６に接続する。冷却器６９は、外部通路６８に設けられる。ここで、圧縮機２０から抽出した圧縮空気の温度は、大気中の温度よりも高い。よって、冷却器６９は、外部通路６８の内部を流動する冷却用空気を冷却する。

空気流量調節弁７０は、外部通路６８に設けられ、外部通路６８の内部を流動する冷却用空気の流量を調整する。ここで、圧縮機２０から抽出され、外部通路６８を流動する冷却用空気の流量は、ガスタービン３の運転状況により変動する。具体的には、ガスタービンが高負荷で稼動するほど、外部通路６８を流動する冷却用空気は増加する。

上記構成により、圧縮機２０から抽出された冷却用空気は、外部通路６８を介してタービン１０に供給される。次に、冷却用空気は、空気流量調節弁７０によって流量を調節され、冷却器６９によって冷却される。冷却器６９によって冷却された冷却用空気は、外部通路６８及び軸端シール６７を介して冷却用空気導入口６１に導入される。

タービン最終段を通過した燃焼ガスは、排気室４０から排熱回収部４２へ導入されて熱回収され、煙突４３から大気へ放出される。一方、高温の燃焼ガスが通過するタービン側静翼１２、タービン側動翼１３は、高温の燃焼ガスによる翼の損傷を抑制するため、その内部が冷却用空気で冷却される。前記冷却用空気は、タービン側静翼１２、タービン側動翼１３を冷却後、最終的に燃焼ガス中へ放出される。

ここで、通常は、冷却用空気の空気源として、圧縮機２０で圧縮された燃焼用空気の一部を圧縮機２０の中間段から抽気して、冷却用空気に使用する。近年は、熱効率が比較的高いガスタービンの必要性から、より高温の燃焼ガスを使用する傾向にある。そのため、燃焼ガスの流れの下流側に位置する後方段のタービン側動翼１３も従来以上に冷却の必要性が高くなっている。

図１では、タービンの後方段のタービン側動翼１３を冷却するため、空気源として圧縮機２０の抽気空気の一部が圧縮機抽気口２６から抽出される。圧縮機抽気口２６から抽出された冷却用空気は、外部通路６８を流動してタービン１０のロータ５０の軸端側からタービン１０に供給される。

圧縮機抽気口２６から抽出された空気は、冷却器６９で適正な温度に冷却される。このための、冷媒としては、例えば冷却水が用いられる。さらに、システム内にある排熱回収部４２のボイラ作動流体等の比較的低温の流体も、冷却器６９の冷媒として使用できる。この場合、熱回収によりシステム全体のエネルギー損失がより低減される。冷却用空気の流量の調節は、ガスタービンの負荷に応じて、空気流量調整手段である空気流量調節弁７０により行われる。また、冷却用空気の温度の調整は、ガスタービンの負荷に応じて、冷却器６９の冷媒流量の調整や冷却器をバイパスする空気量の調整により行われる。

また、外部通路６８を流れる冷却用空気は、外部通路６８の下流端にある軸端シール６７を介して、タービン１０に供給される。なお、空気流量調整手段としては、連続的に制御が可能な空気流量調節弁７０の他に、手動弁、オリフィス等の手動操作で冷却用空気の流量を調整する方法が含まれる。

このように、ガスタービンシステム１は、図２に示す圧縮機２０、タービン１０、燃焼器３０、排気室４０から構成されるガスタービン３と、ガスタービン３の周辺に配置される冷却空気をタービンに供給する外部通路６８、冷却器６９及び空気流量調節弁７０を備える。

また、ガスタービンシステム１は、軸端シール６７及び外部通路６８を取り外しできるように構成する、もしくは、冷却用空気の供給元を大気と圧縮機２０とに切り替えられるように構成することにより、ガスタービン３の運転状況により、冷却用空気の供給元である空気源を変更することもできる。

ガスタービン３は、上述のように、冷却用空気によりタービン側動翼１３を冷却する機能を有する。なお、冷却対象は、タービン側動翼１３以外にも、タービン側静翼１２、その他のガスタービンの構成部品の冷却に使用される。本実施形態では、タービン側動翼１３のうち、最終段動翼を、冷却用空気によって冷却するが、冷却対象の動翼はこれに限定されない。

図３は、実施形態１に係るガスタービンの後方段に位置する動翼の一例を模式的に示す断面図である。図３に示すように、タービン側動翼１３は、基部１３１と、タービン側動翼１３の先端部であるチップ部１３２と、孔である冷却通路１３３とを有する。タービン側動翼１３は、基部１３１によって図２に示すディスク１４の外周に取り付けられる。冷却通路１３３は、基部１３１に空洞状の空間に開口して形成される。冷却通路１３３は、基部１３１からチップ部１３２に向かって略直線状に複数形成される。

本実施形態では、冷却通路１３３は、基部１３１からチップ部１３２に向かって略直線状に複数形成されるとしたが、本実施形態はこれに限定されない。図２に示すタービン１０に設けられる複数のタービン側動翼１３に設けられる場合、冷却通路１３３は、例えば曲線状（いわゆるサーペンタイン流路）に設けられてもよい。

冷却用空気は、まず、タービン側動翼１３の基部１３１側から冷却通路１３３に流入する。ここで、冷却用空気は、冷却通路１３３内の壁面との間で熱交換を行う。続いて、冷却用空気は、冷却通路１３３を通って、タービン側動翼１３のチップ部１３２側に流動する。このように、冷却通路１３３を流動する冷却用空気は、タービン側動翼１３との間で熱交換を行なって、タービン側動翼１３を冷却する。

図４は、冷却用空気が流動する通路を模式的に説明する断面図である。図４に示すように、本実施形態に係るガスタービン３は、軸方向通路６０と、冷却用空気導入口６１と、スワール付与手段としてのスワラ６２と、第１径方向通路６３と、キャビティ６４と、第２径方向通路６５とを備える。

軸方向通路６０は、排気室４０側のロータ５０の中心軸ＲＬに沿って筒状に形成される。本実施形態では、好ましい形態として、軸方向通路６０は、ロータ５０の中心軸ＲＬと軸方向通路６０の中心軸とが一致するように形成される。また、軸方向通路６０は、一方の端部である冷却用空気導入口６１が、図１に示す外部通路６８に連通する。

冷却用空気導入口６１は、例えばロータ５０の排気室４０側の端部５０ａにベルマウス状に設けられる。ベルマウス状とは、略釣鐘状に曲率を有するようにテーパを施した形状であり、冷却用空気の流れの上流側ほど口径が大きく、冷却用空気の流れの下流側に向かうにしたがって口径が小さく形成される。これにより、冷却用空気導入口６１はより効率よく冷却用空気を外部通路６８から軸方向通路６０に導入できる。

図５Ａは、実施形態１に係るスワラを中心軸を含む面で切って模式的に示す断面図である。図５Ｂは、実施形態１に係るスワラを図５ＡのＡ−Ａ面で切って模式的に示す断面図である。図５Ｃは、実施形態１に係るスワラを図５ＢのＢ−Ｂ面で切って模式的に示す断面図である。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示すスワラ６２は、図４に示す冷却用空気導入口６１とは反対側の軸方向通路６０の端部に設けられる。スワラ６２は、ロータ５０に固定され、ロータ５０と共に回転する回転部材である。スワラ６２は、ガイド板６２ａを備える。ガイド板６２ａは、スワラ６２が回転することにより、軸方向通路６０の内部の冷却用空気に対し、ロータ５０の回転方向に旋回を与える。つまり、スワラ６２により、冷却用空気はロータ５０の回転方向に速度成分を与えられて流動する。なお、スワラ６２は、軸方向通路６０の他方の端部である冷却用空気導入口６１に設けてもよい。

但し、スワラ６２とキャビティ側開口６５ａとの距離が大きい程、スワラ６２によって冷却用空気に与えられる旋回流は減衰する。よって、スワラ６２は、第１径方向通路６３近傍に設けられることが好ましい。
図４に示すように、冷却用空気導入口６１に連通する外部通路６８の端部には、回転駆動する軸方向通路６０と静止構造の外部通路６８とを接続して、冷却用空気を洩れなくタービン１０側へ導入するための軸端シール６７が設けられる。

軸端シール６７は、回転静止間タイトシールであって、ラビリンスシール６７ａとブラシシール６７ｂの組み合わせからなるシール構造を備える。軸端シール６７は、冷却用空気が接続部から外部へ洩れるのを抑制する。軸端シール６７はシール構造として、例えば、ブラシシールに代えてリーフ状軸シール、その他のシール材によって構成されてもよい。

図６Ａは、実施形態１に係る第１径方向通路を模式的に示す断面図である。図６Ｂは、実施形態１に係る他の第１径方向通路を模式的に示す断面図である。図６Ｃは、実施形態１に係る他の第１径方向通路を模式的に示す断面図である。なお、図６Ａから図６Ｃは、ロータ５０の中心軸ＲＬに直交する面で断面視した場合を示す。

図６Ａに示すように、第１径方向通路６３は、ロータ５０にロータ５０の中心から外側に向かって複数本形成される。ここで、第１径方向通路６３は、例えば、軸方向通路６０の中心から放射線状に孔として形成される。第１径方向通路６３は、冷却用空気導入側開口６３ａと冷却用空気排出側開口６３ｂとを有する。冷却用空気導入側開口６３ａは、軸方向通路６０に開口する。冷却用空気排出側開口６３ｂは、図４に示すキャビティ６４に開口する。

なお、本実施形態では、第１径方向通路６３は軸方向通路６０の中心から放射線状に形成されるとしたが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、図６Ｂに示すように、第１径方向通路６３は曲線状に形成されてもよい。また、例えば、図６Ｃに示すように、第１径方向通路６３の仮想延長線は必ずしも軸方向通路６０の中心を通らなくてもよい。

図４に示すように、キャビティ６４は、タービン側動翼１３が取り付けられる回転部材としてのディスク１４近傍のロータ５０に形成される。なお、ディスク１４は、中心軸ＲＬを軸にロータ５０と共に回転する回転部材である。キャビティ６４は、第１径方向通路６３から供給された冷却用空気を一時的に溜め、キャビティ６４に開口する第２径方向通路６５へ前記冷却用空気を供給する。なお、本実施形態では、キャビティ６４を介して第１径方向通路６３と第２径方向通路６５とが連通するが、本実施形態はこれに限定されない。第１径方向通路６３と第２径方向通路６５とは、中間にキャビティ６４を設けずに、管状の通路によって連通してもよい。

第２径方向通路６５は、ディスク１４にディスク１４の中心から外側に向かって複数本設けられる。第２径方向通路６５は、一方の端部に設けられる開口であるキャビティ側開口６５ａがキャビティ６４に開口し、他方の端部に設けられる開口である動翼側開口６５ｂが、タービン側動翼１３の冷却通路１３３に開口する。

上記構成により、軸方向通路６０の内部に存在する冷却用空気は、ガスタービン３が稼動し、ロータ５０が回転すると、ロータ５０と共に回転するスワラ６２によりロータ５０の回転方向に旋回が与えられる。次に、冷却用空気は、スワラ６２の近傍に設けられる冷却用空気導入側開口６３ａを介して第１径方向通路６３へ導入される。第１径方向通路６３に導入された冷却用空気は、第１径方向通路６３が中心軸ＲＬを中心に回転することにより、遠心圧縮機と同様のポンピング効果によって昇圧される。図中矢印で図示する冷却用空気流ＡＦ０２は、軸方向通路６０から冷却用空気導入側開口６３ａに流入し、径方向中心側から径方向外側へ流動する。

第１径方向通路６３の内部を流動する冷却用空気は、冷却用空気排出側開口６３ｂを介してキャビティ６４へ導入される。次に、キャビティ６４の内部を流動する冷却用空気は、キャビティ側開口６５ａを介してキャビティ６４に開口する第２径方向通路６５へ導入される。

第２径方向通路６５に導入された冷却用空気は、第２径方向通路６５が中心軸ＲＬを中心に回転することにより、遠心圧縮機と同様のポンピング効果によって昇圧される。図中矢印で図示する冷却用空気流ＡＦ０３は、ディスク１４の径方向中心側から径方向外側へ流動する。

次に、第２径方向通路６５の内部を流動する冷却用空気は、動翼側開口６５ｂを介して冷却通路１３３へ導入される。次に、冷却通路１３３の内部を流動する冷却用空気は、冷却通路１３３が中心軸ＲＬを中心に回転することにより、遠心圧縮機と同様のポンピング効果によって昇圧される。図中矢印で図示する冷却用空気流ＡＦ０４は、基部１３１側から図３に示すチップ部１３２側へ向かって流動する。チップ部１３２に至った冷却用空気は、冷却用空気排出口１３６から燃焼ガス中へ排出される。
上述のように、第１径方向通路６３、第２径方向通路６５、冷却通路１３３を冷却用空気が流れる際、冷却用空気には遠心力によるポンピング作用が働く。本実施形態では、径方向に配置された第１径方向通路６３の始点がロータ５０中心近傍に配置され、第２径方向通路６５、タービン側動翼１３内の図３に示す冷却通路１３３が順番に配置されているので、ポンピング作用が有効に働く。

ガスタービン３は、上記構成により、冷却用空気に働くポンピング力が、外部通路６８から軸方向通路６０及び第１径方向通路６３、第２径方向通路６５を流動する際に発生する圧力損失に打ち勝って、タービン側動翼１３先端に冷却用空気を導くための推進力の一部を担う。

また、冷却通路１３３を流れる冷却用空気に対して、ポンピング作用が有効に働き、空気源に必要とする冷却用空気の圧力をより低減できる。ガスタービン３の負荷が小さく、必要とされる冷却用空気量が小さい場合には、大気空気並みの空気源の圧力でも、ポンピング作用が有効に働いて、冷却対象であるタービン側動翼１３の先端まで冷却用空気を供給できる。

以上のガスタービンシステム１は、回転軸であるロータ５０の中心軸ＲＬに沿って設けられると共に外部通路６８に連通する軸方向通路６０と、ロータ５０にロータ５０の中心から外側に向かって設けられることで冷却用空気を圧縮すると共に、軸方向通路６０に連通する第１径方向通路６３と、一方の端部がキャビティ６４を介して第１径方向通路６３と連通し、他方の端部が冷却通路１３３を介して回転部材の外部に連通する第２径方向通路６５と、空気源としての圧縮機抽気口から冷却用空気を軸方向通路に導くと共に、空気量調整手段を有する外部通路６８と、を備える。

上記構成により、ガスタービンシステム１は、従来例に示すガスタービンとは異なり、ガスタービン３とは別個に、外部通路６８に空気流量調節弁７０及び冷却器を備える構成としているので、常に、運転中であっても空気量及び空気温度の調整が可能である。

（実施形態２）
図７は、実施形態２に係るガスタービンシステムの全体図である。実施形態２では、タービン１０に供給される後方段のタービン側動翼１３を冷却するため、冷却用空気の空気源が複数個所供えられる場合を示す。

図７に示すように、ガスタービンシステム２は、空気源として圧縮機高圧抽気口２７と、圧縮機低圧抽気口２８と、大気導入口２９とを備える。ガスタービンシステム２は、それぞれの空気源からタービン１０のロータ５０の軸端に設けた軸端シール６７までの外部通路６８を備える。

圧縮機高圧抽気口２７及び圧縮機低圧抽気口２８は、圧縮機の中間段から圧縮空気を抽出できる。圧縮機高圧抽気口２７及び圧縮機低圧抽気口２８は、必要であれば、２箇所に限らず３箇所以上の抽気口を設けてもよい。

図７に示す例では、ガスタービンシステム２は、圧縮機２０の空気の流れの出口側に近い圧縮空気流の下流側に位置する圧縮機高圧抽気口２７から高圧空気が抽気され、圧縮空気流の上流側に位置する圧縮機低圧抽気口２８から高圧空気より低圧の低圧空気が抽気される。

さらに、圧縮機高圧抽気口２７及び圧縮機低圧抽気口２８以外の空気源として、ガスタービン３を低負荷で運転する場合には、図７に示すように、大気導入口２９から空気フィルタ７１を介して直接大気空気を導入できる。大気導入口２９から導入される空気は、空気量調整手段である空気流量調節弁７０により流量が調整される。また、大気導入口２９から導入される空気は、比較的低温な大気温度であるため、冷却器６９によって冷却される必要がない。なお、圧縮機抽気口は、圧縮機高圧抽気口２７、圧縮機低圧抽気口２８の２つを設けずに、いずれか１つの圧縮機抽気口を設けるのみでもよい。

また、空気源は、基本的にいずれか１箇所の空気源を用いて、タービン１０に冷却用空気を供給するものである。つまり、ガスタービン３は、同時に複数の空気源から冷却用空気をタービン１０に導入することはない。空気源の切り替えは、各外部通路６８に備えた切替弁７２により行う。

冷却用空気の供給源である空気源の切り替えに当たっては、ガスタービン３を一次的に休止して切り替えてもよいし、ガスタービン３の運転中に徐々に切り替えてもよい。

なお、適正な空気源の選択は、ガスタービン３の負荷条件との関係で決定される。ガスタービン３が１００％負荷運転の場合には、タービン側動翼１３にかかる熱負荷が最も過酷であり、タービン側動翼１３が冷却用空気量を最も必要とする場合である。

よって、ガスタービン３が高負荷運転の場合は、空気源での抽出圧力が最も高い圧縮機高圧抽気口２７を選定する。圧縮機高圧抽気口２７を選定して、冷却器６９で適正な温度まで冷却した空気をタービン１０に供給すれば、ガスタービン３は、最大量の冷却用空気をタービン側動翼１３へ供給できる。これにより、ガスタービン３は、最大の冷却効果が得られる。

ガスタービン３の負荷が小さい場合には、ガスタービン３は、大気導入口２９から冷却用空気を導入する。ガスタービン３は、圧縮機高圧抽気口２７及び圧縮機低圧抽気口２８を空気源とする場合、冷却器６９を必要とするが、大気導入口２９を空気源とする場合は、冷却器６９を必要としない。よって、ガスタービン３は、その分の熱損失がなくなり、ガスタービン３全体の熱効率が向上する。

但し、大気導入口２９を空気源とする場合、低圧の空気源であるため、冷却用空気が流れる通路で圧力が損失されることでタービン１０に導入できる空気流量が制限される。また、ガスタービン３が中間の負荷の場合には、圧縮機低圧抽気口２８から冷却用空気が抽出される場合もある。ガスタービン３が１００％負荷の場合に比較して必要空気量が小さく、また負荷の小さく大気導入口２９を空気源とする場合よりは必要空気量が多い場合には、ガスタービン３は、圧縮機低圧抽気口２８から冷却用空気をタービン１０に導入する。

このような場合、ガスタービン３の１００％負荷運転時に使う圧縮機高圧抽気口２７に比較して、タービン１０に導入する冷却用空気の圧力が低くてもよいので、ガスタービン３は、圧縮機２０でのエネルギーの損失を低減できる。

なお、ガスタービン３は、空気量調整手段として、空気流量調節弁７０の他に、手動弁、オリフィス等も含まれる。また、空気源の切替手段としては、遠隔操作で切替できる切替弁７２に代えて、手動で切替ができるものでもよい。

なお、本実施形態に係るガスタービン３は、スワラ６２を備えるものとして説明したが、本実施形態はこれに限定されない。ガスタービン３は、スワラ６２を備えなくてもよい。但し、スワラ６２を設けることで、冷却用空気が軸方向通路６０から第１径方向通路６３へ導入され際の圧力損失を低減できる。よって、ガスタービン３は、より好適に冷却性能の低下を抑制できる。

上述した実施の形態に係るガスタービンによれば、従来のガスタービンよりも径方向に長く確保された通路でポンピング作用によって昇圧される圧力分だけ、低圧な空気源から冷却用空気を冷却対象に供給できる。従って、圧縮機出口空気より低圧の圧縮機抽気口から空気を取り出すことが可能となり、さらにその空気量を調整できるので、ガスタービンの運転状況に応じた冷却空気を効率よく供給できる。

また、上述した実施の形態に係るガスタービンによれば、前記圧縮機抽気口から抽気した空気は、前記圧縮機によって圧縮されているため温度が上昇している。よって、前記冷却用空気冷却手段により前記圧縮機抽気口から抽気した空気を冷却できる。これにより、前記ガスタービンは、冷却対象をより冷却できる。

また、本発明に係るガスタービンによれば、前記空気源が大気に開口する大気導入口とすることで、大気から冷却用空気を冷却対象に供給できる。これにより、本発明に係るガスタービンは、従来のガスタービンのように、圧縮機側から冷却用空気を抽出せずに、大気取入口から空気を取り込むことができる。よって、本発明に係るガスタービンは、冷却用空気の空気源として高圧空気を必要としないので、熱効率の向上が期待できる。

また、上述した実施の形態に係るガスタービンによれば、冷却用空気が径方向通路に至る前に、スワール付与手段が回転する径方向通路と同じ回転方向の旋回を冷却用空気に与える。これにより、冷却用空気は、軸方向通路から径方向通路へ効率よく導入される。よって、本発明に係るガスタービンは、熱効率の低下を抑制できる。

また、上述した実施の形態に係るガスタービンによれば、前記外部通路が、複数の外部通路から構成され、前記空気源を切り替える切替手段を備えることにより、前記ガスタービンの運転状況に応じて、必要な圧力の冷却用空気を複数の前記空気源から選択して冷却対象に供給できる。これにより、前記ガスタービンは、冷却用空気の圧力が必要な圧力に対して過剰に高くなることを抑制し、ガスタービンの負荷に応じた適正な空気源の選択が可能となるので、ガスタービン全体の熱効率の低下を抑制できる。

上述した実施の形態に係るガスタービンの運転方法によれば、ガスタービンの負荷に応じた冷却空気の空気源の選択が可能であるので、運転状況に応じて適正な空気を採用でき、ガスタービン全体の熱効率の低下を抑制できる。

以上のように、本実施形態に係るガスタービン及びガスタービンの運転方法は、タービン側の動翼を冷却するのに有用であり、特に、熱効率の低下を抑制できるガスタービンに適している。

１、２ガスタービンシステム
３ガスタービン
１０タービン
１１タービン車室
１２タービン側静翼
１３タービン側動翼
１４ディスク
２０圧縮機
２１空気取入口
２２圧縮機筐体
２３圧縮機側静翼
２４圧縮機側動翼
２５抽気マニホールド
２６圧縮機抽気口
２７圧縮機高圧抽気口
２８圧縮機低圧抽気口
２９大気導入口
３０燃焼器
３１ハウジング
３２燃焼器ライナ
３３尾筒
３４燃料ノズル
３５燃焼器ライナ空気取入口
３６車室
３７燃焼領域
４０排気室
４１排気ディフューザ
４２排熱回収部
４３煙突
５０ロータ
５１軸受
５２軸受
６０軸方向通路
６１冷却用空気導入口
６２スワラ
６２ａガイド板
６３第１径方向通路
６３ａ冷却用空気導入側開口
６３ｂ冷却用空気排出側開口
６４キャビティ
６５第２径方向通路
６５ａキャビティ側開口
６５ｂ動翼側開口
６７軸端シール
６７ａラビリンスシール
６７ｂブラシシール
６８外部通路
６９冷却器
７０空気流量調節弁
７１空気フィルタ
７２切替弁
８０発電機
１３１基部
１３２チップ部
１３３冷却通路
１３６冷却用空気排出口
ＡＦ０２冷却用空気流
ＡＦ０３冷却用空気流
ＡＦ０４冷却用空気流
ＲＬ中心軸

Claims

回転軸であるロータの中心軸に沿って前記中心軸を回転軸として回転する回転部材に設けられると共に冷却用空気が前記ロータの中心軸に沿う方向に流動する軸方向通路と、
前記回転部材に前記ロータの中心から外側に向かって設けられることで前記冷却用空気を圧縮すると共に、一方の端部が前記軸方向通路に連通し、他方の端部が前記回転部材の外部に連通し、前記回転部材の周方向に向かって複数本設けられる通路である径方向通路と、
空気量調整手段を備え、空気を圧縮する圧縮機に設けられる圧縮機抽気口である空気源に一方の端部が連通し、他方の端部が前記軸方向通路に連通して前記冷却用空気が導入される外部通路と、
前記外部通路に設けられると共に、前記冷却用空気を冷却する冷却用空気冷却手段と、
前記軸方向通路に設けられて、前記軸方向通路を流動する前記冷却用空気に対して前記ロータの回転方向の旋回を与えるスワール付与手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン。
前記外部通路が、複数の外部通路から構成され、前記空気源を切り替える切替手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。