JPS62182444A - ガスタ−ビン冷却空気制御方法及び装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はインタークーラーにより圧縮機の吐出空気また
は抽出空気を冷却して、タービン部に導入するガスター
ビンにおいて、高効率化のため、全運転範囲で、最適な
動翼先端間隙を保持可能とした、冷却空気制御方法及び
装置に関する６〔従来の技術〕 従来型のガスタービンの冷却空気系統は、特開昭４８−
８７２ｉ２号公報に見られる如く圧縮機からの吐出空気
の１部をロータの内孔部に導入し、各段のロータ及び動
翼の冷却に使用する。またケーシング及び静翼の冷却に
も圧縮機の吐出空気が使用される。

第１０図は、前述の公知例に見られる冷却システムの詳
細を示したものである。第１０図においてガスタービン
は、圧縮機部１．燃焼器部２、タービン部３から構成さ
れる。圧縮機１により圧縮された高圧吐出空気４は燃焼
器２内で、燃焼に供され、高温・高圧燃焼ガスとなり、
タービン部３において、熱エネルギーを機械エネルギー
に変換し、この後、外部に排出される。

圧縮機吐出空気の１部は冷却用空気６として、ケーシン
グ外に導き出し、外部に設置されるインタークーラー７
にて温度を下げる。このインタークーラー７においては
、インタークーラ−７出口の温度により、冷媒流体の流
量を流量制御弁８で制御することにより、冷却空気の温
度は常に一定となる様に制御される。インタークーラー
７を出た冷却空気は、ケーシング用冷却空気９とロータ
用冷却空気１０とに分岐され、それぞれタービン部に導
入される。ケーシング用冷却空気９及びロータ用冷却空
気１０配管には流量調整用オリフィス１１が設置され、
ガスタービン定格運転時において冷却空気量が最適の流
量となる様にオリフィス径が設定される６ケーシング用
冷却空気９はタービン部ケーシング１２内に導入され、
起動時においてはケーシング１２の予熱、その後におい
てはケーシング１２の冷却用として、さらにケーシング
１２の内側に取付けられる静翼１３の冷却及び高温ガス
パス部からの高温燃焼ガスの逆流防止のためのシール空
気として使用される。

ロータ用冷却空気１０はタービン部ロータ１４内に導入
され、起動時においてはロータ１４の予熱、その後にお
いてはロータ１４の冷却用として、さらにロータ１４の
外周に取付けられる動翼１５の冷却及び高温ガスパス部
からの高温燃焼ガスの逆流防止のためのシール空気とし
て使用される。

第１１図はガスタービンの起動特性を示す。ガスタービ
ンの特徴である急速起動により、起動後５〜６分で定格
回転数に達し、さらに４〜５分で全負荷状態に達する。

従って、起動後１０分程度で、ガスパス部を流れる燃焼
ガスは１０００℃を越える温度まで急激に上昇すること
になり、高温ガスパス部に位置する静翼１３、動翼１４
の急激な熱膨張及びその周辺部品の熱膨張を起こさせる
。

第１２図は、上記第１０図の従来技術ガスタービンにお
ける起動時の動翼先端の間隙量Ｇの変化を示す。

ガスタービンの効率向上は、タービン入口温度の向上、
圧縮比の向上により達成されるのは勿論であるが、更に
大切なことは、ケーシング１２の内側に通常取付けられ
るシュラウドセグメント１６と動翼１５との間のガスリ
ークを最小限にすることが必要である。このガスリーク
を最小限にするためには、このシュラウドセグメント１
６と動翼１５との間隙量Ｇを最小値とすることが肝要と
なる。

この動翼先端の間隙は、 （１）ケーシング１２の熱歪分、 （２）ロータ１４及びケーシング１２の軸方向たわみ。

（３）軸受油膜厚さ。

（４）運転中のロータ１４の振動の径方向振巾。

（５）起動特等急激過渡状態でのオーバーシュート。

等により設定される。このうち、項目（５）の量が大き
な割合をしめることになり、間隙Ｇを最小とするには、
このオーバーシュート現象を起こさせないことが重要と
なる。このオーバーシュート現象を第１２図にて説明す
る。起動後、高温ガスパス部に位置する動翼１５が燃焼
ガス温度の上昇に比例して急激に熱膨張し、ロータ１４
のゆるやかな熱膨張と遠心力伸びと合わせ、図中ロータ
変位Ａの様にロータ側径方向変位は変化することになる
。

前記間隙設定要素（１）〜（４）を考慮した必要最小限
闇値Ｇ１１ｔ（定常運転状態）とした場合、シュラウド
セグメン１〜内径部は１図中ケーシング変位Ｃの様に変
位することになる。この場合、動翼１５の急激な伸び、
及びケーシング１２とロータ１４の質量の違いのため、
ロータ側の変位がケーシング側より先行することになり
、起動後、ある時点で、図中に斜線で示したオーバーシ
ュート現象が発生することになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術においては、このオーバーシュート分を考慮し
て１間隙量をＧＤ３（定常運転状態）となる様に、組立
時間隙量Ｇｃｚを設定するこ、とになる。

第１３図は、出力割合に対する。ケーシング側変位り及
びロータ側径方向変位Ｅを示す。出力割合が減少するに
つれ、燃焼温度の低下に伴い、ケーシング側及びロータ
側とも変位量が小さくなる。

この燃焼温度の低下による影響は、直接、高温ガスパス
部に位置する動翼１５を含むロータ側の方が受けやすく
、動翼先端の間隙Ｇは、出力割合が減少するにつれ、大
きくなる傾向にある。

第１４図は出力割合に対する燃焼温度Ｆ及び排気温度Ｈ
の変化を示す。

第１５図は出力割合に対する冷却空気流量割合を示す。

ガスタービンの静翼１３、動翼１５に使用される耐熱合
金は許容温度が８００℃前後のものが多い。この温度を
越える燃焼ガスにさらされる場合に、許容温度以下とす
るため冷却空気が必要となる。従って、出力割合が減少
し、燃焼温度が許容温度以下となった場合、翼冷却用の
空気は不要となる。図中翼冷却必要最小流量Ｊはこの関
係を示す。冷却空気は、翼冷却の役目の他に、ケーシン
グ１２及びロータ１４の冷却と、高温ガスパス部からの
燃焼ガスの逆流防止のシールの働きを持っており、出力
割合に対する最小必要空気量は、図中最小必要空気量Ｋ
に示す割合となる。第１０図に示す従来技術においては
、冷却空気流量は定格時の流量に合わせ設定したオリフ
ィスにより調節されることになるため、出力割合に対し
、第１５図に示す実流空気量りの値で流れることになる
。従って第１５図中実流空気履りと最小必要空気量にの
差が無駄に流れていることになる。

本発明の目的は、ガスタービンの効率を向上させるため
、冷却空気の流量、温度をロータ側、ケーシング個別々
に制御可能とし、負荷、起動、運転条件により、冷却空
気の流量・温度を制御し。

動翼先端の間隙の最小化及び、冷却空気流量の最少化を
可能とした、ガスタービン冷却空気制御方法及び装置を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

ガスタービンの仕様・構造は、定格時に最適となる様に
設計される。このため、出力割合が低下すると、効率が
低下することになる。この効率低下は、タービン効率の
低下、圧縮比効率の低下の他に、動翼先端の間隙量の増
加、冷却空気の必要以上の流量が大きく影響する。ガス
タービンの運転は、その性質上、定格よりも部分負荷で
運転されることが多く１部分負荷効率の良し悪しがガス
タービンの性能につながることになる。

ガスタービンの効率に大きく影響する動翼先端の間隙を
最小化できない要因として、ロータ側とケーシング側の
径方向変位の起動特等過渡状態における速度の相違によ
るオーバーシュート現象があり、従来技術での冷却空気
の一定温度、定量調節では防止しきれない。

本発明では、上記オーバーシュート現象が起きない様に
、ロータ側及びケーシング側へ流れる冷却空気の冷却能
力をガスタービン起動特性及び運転状態値により制御し
、常にケーシング側変位速度とロータ側が略等しくなる
ようにしたものである。

〔作用〕

この結果、動翼先端の間隙を最小化することが可能とな
り、この分、効率向上することになる。

また本発明にて、部分負荷時の動翼先端の間隙を常に最
小に保つことが可能となり、部分負荷時の効率向上にも
つながる。

ガスタービン部分負荷時の効率低下の１つの要因である
冷却空気流量も１本発明により最小必要空気量に制御す
ることが可能となり、部分負荷時の効率向上となる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。

ガスタービンは圧縮機１、燃焼器２、タービン３から構
成される。

圧縮機１からの吐出空気の１部は冷却空気６として外部
に導き出し、外部に設置のケーシング用冷却空気のイン
タークーラー７ａとロータ用冷却空気のインタークーラ
ー７ｂに別々に通し、この後、タービン部のケーシング
１２側とロータ１４側に導入する。ケーシング１２側へ
流れる空気はケーシング１２より内部に導入後、ケーシ
ングの冷体時はケーシング１２の予熱、温体時はケーシ
ング１２の冷却とケーシングの内側の高温ガスパス部に
位置する静翼１３の冷却及び高温ガスバス部からの燃焼
ガスの逆流防止の働きをした後、ガスパス部に合流する
。ロータ側へ流れる空気は、ロータ１４内に導入後、ロ
ータの冷体時はロータ１４の予熱、温体時はロータ１４
の冷却とロータ１４の外周側の高温ガスパス部に位置す
る動翼１５の冷却及び高温ガスバス部からの燃焼ガスの
逆流防止の働きをした後、ガスバス部に合流する。

インタークーラー７ａ、７ｂにはそれぞれ、空気の温度
を制御するための冷媒流体の流量制御弁８ａ、８ｂと、
空気の流量を制御するための流量制御弁１６ａ、１６ｂ
が設置される。これら流量制御弁８ａ、８ｂ、１６ａ、
１６ｂ用に流量制御コントローラー１７と冷却空気制御
システムを統合する演算機１８が設置される。冷却空気
の流量。

温度を制御する因子として、演算機１Ｂには、圧縮機吐
出空気圧力信号１９．排気温度信号２０、ガスタービン
運転状態を示す起動・停止シーケンス信号２１、ケーシ
ング１２メタル温度信号２２゜各部雰囲気温度信号２３
がインプットされる。

第２図は本発明による起動時における冷却空気の温度制
御を示す。起動時においては、動翼１５先端の間隙部に
おけるオーバーシュートを防止するため、ケーシング側
の径方向変位速度がロータ側より遅くならない様に、起
動・負荷上昇過程において５０一タ側冷却空気温度を、
定格時設定温度より低目に設定し、ケーシング側冷却空
気の温度は、径方向変位速度を増進させるため、定格時
設定温度より高目に設定する。オーバーシュート部を通
過した後は、徐々に、定格状態で最適な温度に保持する
。

第２図に示す特性を得るため、演算器１８にとり込まれ
たガスタービン起動シーケンス信号により、冷媒流量制
御弁８ａ、８ｂと冷却空気流量制御弁１６ａ、１６ｂは
次のように制御される。制御弁１６ａ、１６ｂは、定常
状態に至るまでは比較的低い一定開度を保っており、制
御弁８ａ。

８ｂは、ガスタービン起動直後から温度制御領域までの
間は全開もしくは低開度を保っている。

冷却空気温度は、ガスタービンの起動から、タービン回
転数の上昇につれて圧縮機１の回転数が上昇するため吐
出空気温度も上昇する。起動後、ロータ側冷却空気のイ
ンタークーラー７ｂの冷媒流量制御弁８ｂの開度を８８
よりも大きくすることにより、第２図に示す如く、ケー
シング側冷却空気に比べてロータ側の冷却空気温度を低
くすることができる。この両者の温度差は、ロータとケ
ーシングの熱容量及びタービンメタル温度もしくは排ガ
ス温度によって決定され、第１２図にて説明したオーバ
ーシュートが生じない値に設定される。

定常状態になると、ロータ側、ケーシング側ともに熱伸
びした状態になるので、インタークーラー７ａ、７ｂへ
の冷媒供給量を最大にして、はぼ同じ温度の冷却空気で
冷却を行う。

ケーシング１２の所要冷却空気量は、ガスタービンの雰
囲気温度によっても変化するので演算器１８には雰囲気
温度信号をとり込んで、ケーシング用空気温度もしくは
流量を補正しても良い。

第３図は第２図に示す起動時の冷却空気温度制御を行っ
た場合のケーシング及びロータの径方向変位変化を示す
。

第３図に見られる如く、ロータ変位Ａ′は、常にケーシ
ング変位Ｃ′よりも小さいので、定常状態でのケーシン
グとロータ間のギャップをＧ旧と小さくすることが可能
である。

すなわち、ロータ側冷却空気の温度を低目に設定するこ
とにより、ロータ変位Ａ′は１２図でのロータ変位Ａよ
り速度は遅くなり、逆にケーシング変位Ｃ′はケーシン
グ側冷却空気の温度を高目に設定することにより、第１
２図のケーシング変位Ｃより早くなる。従って、起動時
においては、常にある値以上の動翼先端の間隙Ｇを確保
することが可能となり、定常状態時の必要最小間隙値Ｇ
旧に設定可能となる。

一方、冷却空気は動翼１５、静翼の冷却、ロータ、ケー
シングの冷却及び高温ガスパス部からの燃焼ガスの逆流
防止の働きがある。出方割合の低下に伴い、燃焼温度も
低下し、この割合に応じて、翼冷却及びケーシング、ロ
ータ冷却の必要流量も減少することになる。また、逆流
防止のための各部シール空気流量も、出力割合の低下に
伴い、ガスパス部の圧力が減少することにより、削減可
能となる。

したがって、定常運転に移行した後も、冷却空気量を必
要最小限に制御できれば、無駄に消費する冷却空気量が
なくなる分だけ効率向上になるはずである。

一般に、ガスタービンの出力に応じて冷却空気流量はほ
ぼ比例して変化する。第４図は、各負荷における必要最
小空気流量を示している。

第１図の実施例において、演算器１８で排気温度信号２
０とシーケンス信号２１より定常状態では、負荷（排気
温信号がほぼ負荷を表わす）によって第４図の特性をみ
たすように制御弁１６ａ。

１６ｂの開度を定める。これにより、低負荷域で効率を
向上させることができる。

また、冷却能力は、冷却空気の温度及び流量によって変
化するから、流量は一定にし、温度を変えることによっ
ても達成できる。

第５図は、インタークーラー７ａ、７ｂへ供給する冷媒
流量を変化させて、冷却空気温度を変えるようにしたも
のである。つまり、制御弁８ａ。

８ｂの開度を変えて、冷媒流量を負荷に応じて増大させ
、高負荷径、低い温度の冷却空気を用いるようにしたも
のである。このやり方では、冷却面と受熱面との間に大
きな温度差ができ、熱応力の問題が生ずる恐れがある。

熱応力を一定にしたい場合には、負荷の増大につれて、
冷却空気温度を高くし、流量を増大させトータルとして
冷却空気の持ち去る熱量を多くすることもできる。

本実施例によれば、全運転範囲において、動翼先端の間
隙を最小必要値に保持することが可能となり、さらに、
出力割合に応じて最小必要空気量にすることも可能とな
ることにより、ガスタービン全運転範囲にわたり、効率
を向上させることができる。

第６図、第７図は他の実施例を示す。第６図はケーシン
グ側の冷却空気流量制御弁をオリフィス１１にて置換し
ロータ側の冷却空気流量を制御するシステムであり、第
７図は、逆にロータ側の流量制御弁をオリフィス１１と
し、ケーシング側を制御するシステムであり、第１図実
施例に比べ、制御中が小さくなるが他は同じ効果が得ら
れる。

第８図はインタークーラー７を１個とし、インタークー
ラー７出１］で、ケーシング用空気９とロータ用空気１
ｏに分岐し、各々に流量制御弁１６ａ。

１６ｂを設けた実施例であり、空気の温度を一定にして
、冷却空気の配分を変化させても効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り５本発明によれば、起動時のロータ側
、ケーシング側の径方向変化を、冷却空気流量・温度を
別々に制御することにより、起動途中におけるオーバー
シュートを防止でき、定格状態での動翼先端のＩＸＩＩ
隙を最小値に設定できる。

また本発明により、出力割合における動翼先端の間隙も
最小値に保持でき、さらに出力割合に応じた、最小必要
冷却空気量に制御することが可能となる。このことによ
り、ガスタービン全運転範囲において、効率を向上させ
ることができる。

動翼先端の間隙のガスタ−ビン効率への効果は、間隙縮
小／動翼長の８割と言われている。

従って、７５１１Ｒ１の助長で０．５１の間隙を縮小す
ると０．５パーセントの効率向上となる。

さらに、部分負荷時における冷却空気量を５０パーセン
ト削減することにより、ガスタービン効率は１．１　パ
ーセント向上する６ 本発明による、ガスタービン効率向上は第同図に示す値
となる。本図は、出力１００パーセント時、従来技術で
の熱効率を１００パーセントとした場合の、出力割合に
対する従来技術と本発明技術の効率割合を示したもので
ある。

出力割合１００パーセント時は、定格時の動翼先端の間
隙を最小化したことによる効果、出力割合が減少するに
つれ、動翼先端の間隙量の最小化の他に、冷却空気流量
の削減の効果が加算され、効率向上割合が増大する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したガスタービンの構成図、第２
図は起動時の冷却空気温度特性図、第３図は１本発明に
おける間隙特性図、第４図は定常状態における冷却空気
流量特性図、第５図は同じく冷媒流量特性図、第６図な
いし第８図は、それぞれ本発明の他の実施例を示す構成
図、第７図は熱効率特性図、第１０図は従来ガスタービ
ンの構成図、第１１図は起動特性図、第１２図は起動時
の間隙特性図、第１３図は定常状態の間隙特性図。 第１４図はガス温度特性図、第１５図は冷却空気流量特
性図、　　　　　　、７．　　　　　　である。 １・・・圧縮機、２・・・燃焼器、３・・・タービン、
４・・・吐出空気、５・・・燃焼ガス、６・・・冷却空
気、７ａ。 ７ｂ・・・インタークーラー、８ａ、８ｂ・・・流量制
御弁、９・・・ケーシング側冷却空気、１０・・・ロー
タ用冷却空気、１１・・・流量調整オリフィス、１２・
・・ケーシング、１３・・・静翼、１４・・・ロータ、
１５・・・動翼、１６・・・流量制御弁、１７・・・制
御弁コントローラー、１８・・・冷却空気制御システム
演算機、１９・・・吐出空気圧力信号、２０・・・排気
温度信号、２１・・運転条件信号、２２・・・ケーシン
グ・ロータメタル信号、２３・・・雰囲気温度信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機吐出空気または抽気空気をインタークーラに
   て減温し、タービンのロータ側及びケーシング側を冷却
   する冷却空気の冷却能力を別々に制御する手段を備えた
   ガスタービンにおいて、ガスタービン起動時に、ロータ
   側の半径方向熱伸び速度がケーシング側の半径方向熱伸
   び速度とが略等しくなるように前記冷却空気の冷却能力
   を制御することを特徴とするガスタービン冷却空気制御
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、ロータ側冷却空気
   量とケーシング側冷却空気量の比を一定に保ち、ガスタ
   ービン起動時のみロータ側冷却空気の温度をケーシング
   側冷却空気温度よりも低くすることを特徴とするガスタ
   ービン冷却空気制御方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、ロータ側冷却空気
   温度とケーシング側冷却空気温度とを一定に保ち、ガス
   タービン起動時にロータ側の冷却空気流量をケーシング
   側冷却空気流量よりも多くしたことを特徴とするガスタ
   ービン冷却空気制御方法。 ４、圧縮機吐出空気もしくは抽気空気を冷却するインタ
   ークーラと、該インタークーラからの冷却空気をガスタ
   ービンのロータ側とケーシング側に別々に導く冷却空気
   通路を備えたガスタービン空気冷却装置において、更に
   前記ロータ側及びケーシング側冷却空気の少くとも一方
   の冷却空気の冷却能力を制御する手段と、ガスタービン
   の運転状態を検知する手段とを備え、ガスタービン起動
   時には前記冷却能力を制御する手段によりロータ側冷却
   空気の冷却能力を大きくすることを特徴とするガスター
   ビン冷却空気制御装置。 ５、特許請求の範囲第４項において、前記冷却能力制御
   手段は、前記冷却通路に挿入された流量調整弁より構成
   され、ガスタービン起動時には、ロータ側に多量の冷却
   空気を流すようにしたことを特徴とするガスタービン冷
   却空気制御装置。 ６、特許請求の範囲第４項において、前記インタークー
   ラは、ロータ側冷却空気用及びケーシング側冷却空気用
   に別個に構成されており、冷却空気温度がタービン起動
   時においてロータ側冷却温度が低くなるように設定され
   ていることを特徴とするガスタービン冷却空気制御装置
   。 ７、特許請求の範囲第６項において、更にガスタービン
   負荷を検知する手段と、ロータ側及びケーシング側冷却
   空気流量を制御する手段を備え、ガスタービン負荷に応
   じて冷却空気流量を増大させるようにしたことを特徴と
   するガスタービン冷却空気制御装置。