JP4858268B2 - ガスタービン設備 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン設備に関する。特に圧縮機吐出空気に含まれる液滴から燃焼器を保護する構造に関する。

圧縮機吐出空気に含まれる液滴から燃焼器を保護する構造に関し、主流ガス中に含まれる塵埃，鉄粉，酸化スケール等の異物が、燃焼器あるいはタービンに流入することを防ぐ手段として、燃焼器トランジションピースの外側を包囲形成する多孔板あるいは金網で作製された異物捕獲筒を設ける方法がある（特許文献１参照）。

また、ガスタービン燃焼器車室に注入した水滴が燃焼器に衝突することを防ぐ手段として、燃焼器トランジションピースの外側を包囲形成する多孔板あるいは金網で作製された異物捕獲筒を設ける方法がある（特許文献２参照）。

また、圧縮機吐出空気に水滴が含まれる可能性があるガスタービンとして、圧縮機作動ガスを冷却し、ガスタービンの熱効率あるいは出力を増大させるシステムがある（特許文献３参照）。冷却方法としては、熱交換器を利用して冷却方法，水等の液体を作動ガスに直接噴霧して気化熱を利用して冷却する方法などがある。また、冷却手段を設ける場所としては、圧縮機入口，圧縮機中間あるいは圧縮機出口等がある。

特開平１０−５４２５７号公報 特公平１−３７５７５号公報 特開平１０−１８４３９０号公報

特許文献２および３に記載されるようガスタービンにおいては、作動ガス中に液滴が含まれる可能性があり、これらの水滴は下流に配置された燃焼器あるいはタービンに流入する可能性がある。

燃焼器車室に作動ガスと共に流入した液滴は、流れ方向の延長にある燃焼器に衝突する。高温の壁面に衝突した液滴はすぐに蒸発する。一般に作動ガス中には不純物が含まれており、蒸発した際にスケールが付着する。スケールが付着すると燃焼器壁面と雰囲気間の伝熱特性が変化し所定の冷却効果が得られずメタル温度が上昇する可能性がある。また、成長したスケールが脱落し下流に位置する燃焼室やタービンに流入する可能性もある。また、蒸発する箇所が局所的な過冷却となり熱応力が発生しクラックの発生を助長することなども考えられる。また、一般に液滴の発生が周方向に不均一に起こりうるため、燃焼器が周方向に不均一に冷却され、周方向に不均一な熱変形を生じさせる可能性がある。周方向に不均一な熱変形は回転体としてのアンバランスを引き起こす可能性がある。前述のように燃焼器への流入を防止しているが、更に、圧縮機吐出ガスに含まれる液滴が燃焼器に衝突することによって起こりうる悪影響の可能性を解消し、プラントの信頼性を向上させることができる燃焼器の保護方法を提供することが望まれる。

本発明の目的は、ガスタービン設備の圧縮機吐出ガスに含まれる液滴による影響を抑制し、プラントの信頼性を向上することにある。

ガスタービン設備において、圧縮機から吐出される作動ガスの進路延長上に作動ガス中に含まれる液滴が衝突して蒸発するための部材である蒸発板を設け、前記蒸発板を積層構造とする。

本発明によれば、ガスタービン設備の信頼性を向上させることができる。

（１）第１の実施の形態として、以下、図面を用いて本発明の燃焼器の保護方法の実施の形態について説明する。図１から図４を用いて本発明の第１の実施の形態について説明する。図１はガスタービン設備の全体構成を表す回路図である。図２は図１に示した圧縮機１１，燃焼器１２およびタービン１３を含むガスタービン設備の概略断面図である。図３は矢視Ａから見た概略断面図である。図４は図２に示した概略断面図の一部拡大図である。

本ガスタービン設備は、主として、大気を吸い込み圧縮する圧縮機１１と、その圧縮された空気を燃焼用ガスとして燃料を燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、その生成された燃焼ガスを作動ガスとして回転動力を取り出すタービン１３と、その回転動力を電力に変換する発電機１４および吸い込む大気に水滴を噴霧する水噴霧装置１５とを備えている。

そして、本実施の形態である円錐形状の液滴蒸発板２１Ａを、リテーナリング３１からガスタービンケーシングへ半径方向に伸びたストラット３２に固定して配置している。

次に上記構成の本実施の形態における動作について説明する。

本ガスタービン設備は、圧縮機１１，燃焼器１２およびタービン１３で構成される。圧縮機１１は、大気Ａを吸い込み所定の圧力まで圧縮する。吸込空気流量は８８kg／ｓ、圧力比は約１５である。圧縮された空気Ｂは下流に配置された燃焼器１２に導かれ、燃料Ｃを燃焼させるために使用される。生成した約１３００℃の高温かつ高圧の燃焼ガスＤは下流に配置されたタービン１３に導かれ膨張仕事をする。膨張仕事の一部はタービン１３の回転軸に接続された圧縮機１１の圧縮動力として消費され、残りの仕事が同じくタービン１３の回転軸に接続された発電機１４により電力に変換される。本実施例では、約27000ＫＷの電力を発生する。膨張仕事をした後の約５６０℃の温度と圧力が低下した排ガスＥは、煙突（図示せず）より大気中に排出される。

圧縮機１１の入口に設置された水噴霧装置１５は、液滴径１０〜３０μｍの細かい水滴Ｆを主流ガスに噴霧する。噴霧水の流量は吸い込む大気の質量比１〜２％である。これらの水滴は主流ガス中を浮遊しながら徐々に蒸発し主流ガスの一部となる。また、蒸発する際、雰囲気から気化熱を奪うため主流ガス温度が低下し、それにより圧縮効率が高くなる。これらの結果、ガスタービン設備の出力と熱効率が向上する。水噴霧がガスタービン設備の性能に与える影響を試算したところ、水滴の蒸発は早い方が、主流ガス温度の上昇が抑制されるため熱効率が高くなることが分かった。そのため、液滴径は小さい方が好ましい。また、噴霧水量が多い方が、同じく主流ガス温度の上昇が抑制されるため熱効率が高くなると同時に、出力増大割合が大きくなることが分かった。これらの結果から、可能な限り細かい液滴を、可能な限り多量に噴霧することが性能向上には有効である。

本実施の形態においても可能な限りの多量の水噴霧を行っている。水噴霧の蒸発が圧縮機内で完了するか否かは、運転状態により異なる。例えば、大気の温度と湿度が異なると蒸発可能な水噴霧量も異なる。また、ガスタービン設備の出力を制御すると、それに対応して作動点の圧力比が変化する。その結果、圧縮機の作動ガスの圧縮過程も変化するため蒸発可能な水噴霧量が変化する。すなわち、一般的にガスタービン設備の運転状態により蒸発可能な水噴霧量が変化し、その量よりも多量の水噴霧を行った場合は、圧縮機１１内で蒸発が完了せず燃焼器１２に水滴の状態で流入することになる。

すなわち、水滴を含む主流Ｂが燃焼器車室に流入する。車室には本実施の形態である部材（水滴蒸発板２１Ａ）が主流Ｂの進行延長上に設置されており、主流Ｂはこの水滴蒸発板２１Ａに衝突する。その際、主流Ｂに含まれる水滴は水滴蒸発板２１Ａ上で蒸発する。生成した水蒸気は主流Ｂ１およびＢ２となって燃焼器１２に流入する。蒸発する際、水滴に含まれる塵埃などの異物が水滴蒸発板２１Ａ上に付着する。また水滴に融解していた酸化化合物はスケールとなって水滴蒸発板２１Ａ上に析出し付着する。本実施の形態では、水滴蒸発板２１Ａは多孔質の金属板であり内部に形成された無数の憩室内に上記異物やスケールが付着する。

ここで、本発明の効果を図９に示す比較例と比較しながら説明する。図９は、比較例のガスタービン構造を表す概略断面図である。なお、この図において、図１から図４と同符号の要素は同機能を有するものとする。

図９の技術では、主流Ｂに含まれる水滴は、燃焼器車室に流入した後、主流Ｂの進行延長上に設置された異物捕獲板４１に衝突する。この異物捕獲板４１は多孔板で製作されており、孔径よりも大きい異物が捕獲される。すなわち、孔径よりも小さい水滴は流れＢ２のように通過することとなり、燃焼器ライナー１２Ａの壁面に衝突する。壁面は高温になっているため瞬時に水滴は蒸発する。その際、壁面が局所的に急速冷却され大きな熱応力が発生する。熱応力は壁面にクラックを発生させたり、部材の寿命を縮めるてしまう。また、水滴に含まれていた異物，融解していた酸化化合物がスケールとして付着する。こうした異物およびスケールの付着は、燃焼器ライナー１２Ａと雰囲気間の熱伝達を妨げるため燃焼器ライナー１２Ａの壁面温度を上昇させる。それにより強度低下あるいは熱疲労を助長することになってしまう。また、異物およびスケールが運転経過とともに異物捕獲板４１上の孔を徐々に塞いでいく。その結果、主流の圧力損失が増大することになり、徐々にガスタービンの性能が低下していく。また、成長した異物およびスケールが脱落し下流に位置する燃焼器１２の燃焼室やタービン１３に飛来しタービン翼面や壁面の冷却孔を目詰まりさせるなどの可能性もある。また、一般的に水滴の流入は周方向に不均一であることが予想され、燃焼器ライナー１２Ａが周方向に不均一に冷却されることになる。その結果、周方向に不均一な変形が生じることになり、連結しているケーシングやタービンに悪影響を及ぼす可能性がある。また、燃焼器１２の燃焼状態が周方向に不均一になるためタービンに流入する燃焼ガスの空間的不均一性が冗長され軸振動などの悪影響が発生する可能性もある。

この図９の比較例に比べ、本実施の形態では、水滴蒸発板２１Ａ上で水滴が捕獲されると同時に、蒸発により付着した異物およびスケールを板上に保持する。これにより燃焼器１２への水滴の流入を防止する。また、成長した異物およびスケールが下流に飛来するのを抑制する。すわわち、比較例に比べて信頼性を向上することが可能となる。また、異物およびスケールは水滴蒸発板２１Ａ内の憩室に保持されるため、主流流路に成長して主流の流れを妨げることがなく圧力損失の増大を抑制する。すなわち運転経過に伴うガスタービンの性能低下を抑制することが可能である。

（２）第２の実施の形態として、図５を用い説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器の構造を表す概略断面図である。この図において、図１から図４と同符号の要素は同一の機能を有する。

本実施の形態では、第１実施例と同じ効果を得ることが可能であり、更に、液滴蒸発板２１Ｂが積層構造となっており、蒸発により生成したガスが、流れＢ３の経路により液滴蒸発板２１Ｂ側から燃焼器１２側へ主流が流れやすくなっており、第１の実施の形態よりも主流の圧力損失を低く抑えることが可能となっている。

（３）第３の実施の形態として、図６を用い説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態に係る燃焼器の構造を表す概略断面図である。この図において、図１から図４と同符号の要素は同一の機能を有する。

本実施の形態では、燃焼器ライナー１２Ａに沿った形状をしている液滴蒸発板２１Ｃを燃焼器ライナー１２Ａの表面に支柱を介して取り付けている。なお、水滴の衝突により蒸発板が冷却されて変形すると支柱を介して燃焼器ライナー１２Ａも変形するが、変形量が信頼性に影響を与えない許容範囲内となるように、蒸発板と支柱の構造強度とすることが望ましい。本実施例においても、第１実施例と同じ効果を得ることが可能である。

（４）第４の実施の形態として、図７を用い説明する。図７は本発明の第４の実施の形態に係る燃焼器の構造を表す概略断面図である。図８は矢視Ｂの概略断面図である。これらの図において、図１から図４と同符号の要素は同一の機能を有する。

本実施の形態では、燃焼器ライナー１２Ａに沿った形状をしている保護板２１Ｄが、リテーナリング３１に固定されている。本実施例においても、第１実施例と同じ効果を得ることが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン設備の全体構成を表す回路図である。 第１の実施の形態に係るガスタービン設備構造の概略断面図である。 第１の実施の形態に係るガスタービン設備構造の概略断面図である。 第１の実施の形態に係るガスタービン設備構造の概略断面図である。 第２の実施の形態に係るガスタービン設備構造の概略断面図である。 第３の実施の形態に係るガスタービン設備構造の概略断面図である。 第４の実施の形態に係るガスタービン設備構造の概略断面図である。 第４の実施の形態に係るガスタービン設備構造の概略断面図である。 ガスタービン設備の構造を表す概略断面図である。

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２１ 蒸発板
１５ 水噴霧装置

Claims (4)

1. 作動ガスを圧縮する圧縮機と、
   圧縮された前記作動ガスを用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、
   高温・高圧となった前記作動ガスを用いて仕事を取り出すタービンと
   を有するガスタービン設備において、
   前記圧縮機から吐出される作動ガスの進路延長上に作動ガス中に含まれる液滴が衝突して蒸発するための部材である蒸発板を設け、前記蒸発板を積層構造とすることを特徴とするガスタービン設備。
2. 請求項１に記載されるガスタービン設備において、
   前記液滴が衝突して蒸発するための部材である蒸発板は、その表面に蒸発した時に付着する異物を保持できる凹凸形状を有することを特徴とするガスタービン設備。
3. 請求項１〜請求項２の何れかに記載のガスタービン設備において、
   前記液滴が衝突して蒸発するための部材である蒸発板に凹凸を形成するスリットを設け
   ることを特徴とするガスタービン設備。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載のガスタービン設備において、
   蒸発板が多孔質であることを特徴とするガスタービン設備。

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