JP5039595B2 - ガスタービンおよびガスタービンの運転停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンおよびガスタービンの運転停止方法に関するものである。

従来のガスタービンでは、運転停止操作の途中に行われるターニング運転中に、ケーシング上部の温度とケーシング下部の温度とをそれぞれ計測し、これらの温度から温度差を求め、この温度差が設定値に達したらターニング運転を一旦中止し、その代わりにスピン運転を行うようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
即ち、ターニング運転では、タービン内部流体の撹拌、流動がほとんどないため、ケーシング上部のメタル温度がケーシング下部のメタル温度より高くなり、ケーシング上部がケーシング下部に比較してロータ軸方向に伸びる現象（キャットバック）が生ずる。このような現象が発生すると、ケーシング下部内面と動翼先端とのクリアランスが小さくなり、ケーシング上部内面と動翼先端とのクリアランスが大きくなる傾向にある。ケーシング上部と下部のメタル温度差が限界値を越えて、ケーシング下部内面と動翼先端とが接触する現象を避けるため、時々スピン運転を行って、タービン内部流体を撹拌し、ケーシング上部と下部のメタル温度差が小さくなるようにしている。
特開平６−２５７０号公報

しかしながら、このスピン運転は、ターニング用モータによって２〜３ｒｐｍ程度の微速で回転させられているロータの回転数を、起動用モータを用いて６００ｒｐｍ程度にまで増加させるものであり、起動用モータを駆動させるために多大な電力が必要で、ランニングコストが増大してしまうといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、運転後に行われるターニング運転中のスピン運転を不要とすることができるガスタービンおよびガスタービンの運転停止方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るガスタービンは、燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、この燃焼器の下流側に位置し、燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機から前記タービンのノズルガイドベーンの内部に圧縮機抽気を導く圧縮機抽気系と、この圧縮機抽気系に接続されて、前記圧縮機抽気を直接排気ディフューザに導くタービンバイパス系と、このタービンバイパス系に接続されたタービンバイパス弁を開閉制御する制御器とを備えたガスタービンであって、前記制御器は、運転停止信号が入力されると、前記タービンバイパス弁を全開状態とする指令信号を出力し、前記タービンの回転数が、前記ノズルガイドベーンおよび前記タービンのブレードにストールを生じさせない領域まで低下したら、前記タービンバイパス弁を、前記タービンへの空気流量を確保できる程度に閉状態とする指令信号を出力するものである。

本発明に係るガスタービンによれば、ケーシングの内部に残留する燃焼ガス（ホットガス）は、圧縮機抽気系およびノズルガイドベーンを介して燃焼ガス流路に供給された空気とともにケーシングの外部に排出されるとともに、ケーシングの内部は、燃焼ガス流路を通過する空気によって、略一様に冷却されることとなる。
したがって、圧縮機の側におけるケーシングの上下メタルの温度差を、ターニング運転中の最初から最後まで（にわたって）限界値よりも低く維持することができるとともに、タービンの側におけるケーシングの上下メタルの温度差を、ターニング運転中の最初から最後まで（にわたって）限界値よりも低く維持することができて、キャットバック（cat back）現象の発生を抑制する（低減させる）ことができるので、運転後に行われるターニング運転中のスピン運転を不要とすることができる。

上記ガスタービンにおいて、前記ブレードのチップ側を周方向に沿ってぐるりと取り囲むように配置された略環状の分割環の、上半部に位置する分割環の内接円の中心と下半部に位置する分割環の内接円の中心とが、ケーシングの中心を通る垂直軸線上で、ケーシングの水平接手面を挟んで互いに同一距離に偏心するように、前記分割環が配置されているとさらに好適である。

このようなガスタービンによれば、上半部に位置する分割環の内接円の中心と下半部に位置する分割環の内接円の中心とが、ケーシングの中心を通る垂直軸線上で、ケーシングの水平接手面を挟んで互いに同一距離に偏心するように、分割環が配置されているので、キャットバック現象が発生した場合に接触しそうになる（クリアランスが小さくなる）ケーシングの底部に位置する（底部を通過する）ブレードのチップと分割環の内周面とのクリアランスを維持（確保）することができて、ブレードのチップと分割環の内周面との接触を確実に防止することができる。

本発明に係るガスタービンの運転停止方法は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、この燃焼器の下流側に位置し、燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機から前記タービンのノズルガイドベーンの内部に圧縮機抽気を導く圧縮機抽気系と、この圧縮機抽気系に接続されて、前記圧縮機抽気を直接排気ディフューザに導くタービンバイパス系と、このタービンバイパス系に接続されたタービンバイパス弁とを備えたガスタービンの運転停止方法であって、前記燃焼器に供給される燃料をカットし、それと略同時に前記タービンバイパス弁を全開状態として、前記タービンの回転数が、前記ノズルガイドベーンおよび前記タービンのブレードにストールを生じさせない領域まで低下したら、前記タービンバイパス弁を、前記タービンへの空気流量を確保できる程度に閉状態とするものである。

本発明に係るガスタービンの運転停止方法によれば、ケーシングの内部に残留する燃焼ガス（ホットガス）は、圧縮機抽気系およびノズルガイドベーンを介して燃焼ガス流路に供給された空気とともにケーシングの外部に排出されるとともに、ケーシングの内部は、燃焼ガス流路を通過する空気によって、略一様に冷却されることとなる。
したがって、圧縮機の側におけるケーシングの上下メタルの温度差を、ターニング運転中の最初から最後まで（にわたって）限界値よりも低く維持することができるとともに、タービンの側におけるケーシングの上下メタルの温度差を、ターニング運転中の最初から最後まで（にわたって）限界値よりも低く維持することができて、キャットバック（cat back）現象の発生を抑制する（低減させる）ことができるので、運転後に行われるターニング運転中のスピン運転を不要とすることができる。

本発明に係るガスタービンおよびガスタービンの運転停止方法によれば、運転後に行われるターニング運転中のスピン運転を不要とすることができるという効果を奏する。

以下、本発明に係るガスタービンの第１実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るガスタービンの概略系統図、図２から図４はそれぞれ、本発明に係るガスタービンを用いて実施した試験結果を示すグラフである。

図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器（図示せず）と、この燃焼器の下流側に位置し、燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン３と、圧縮機吐出空気系４と、圧縮機中間段抽気系（圧縮機抽気系）５とを備えている。

圧縮機２で圧縮された圧縮空気は、燃焼器に供給され、別途供給されてくる燃料（例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ））と混合して燃焼される。この燃焼によって発生された燃焼ガスは、タービン３に供給され、タービン３に回転駆動力を発生させる。
タービン３は、静止部分のタービンステータ６と、回転部分のタービンロータ７とを備えている。
タービンステータ６は、一般にタービンノズルと呼ばれ、翼型断面をしたノズルガイドベーン（静翼）６ａを環状に並べたものである。また、このタービンステータ６は、ガスを膨張、減圧させるほか、ノズルガイドベーン６ａからの流出ガスが、タービンロータ７のブレード（動翼）７ａに対して最適な角度で衝突するよう流れの方向を与える働きを有している。
タービンロータ７は、翼型断面をした複数枚のブレード７ａが、円盤状のタービンディスク７ｂの外周上に取り付けられたものである。

ノズルガイドベーン６ａと、ブレード７ａとは、タービンロータ７の軸線方向（図１において左右方向）に沿って交互に配置されており、周方向に隣り合うノズルガイドベーン６ａ間および周方向に隣り合うブレード７ａ間にはそれぞれ、燃焼ガス流路８が形成されている。

圧縮機吐出空気系４を介して圧縮機２からタービン３の第１段ノズルガイドベーン６ａの内部へ導かれた吐出空気（圧縮空気）は、第１段ノズルガイドベーン６ａを冷却した後、燃焼ガス流路８を通過する燃焼ガスに合流する。

圧縮機中間段抽気系５を介して圧縮機２からタービン３の第２段以降のノズルガイドベーン６ａの内部へ導かれた吐出空気（圧縮空気）は、第２段以降のノズルガイドベーン６ａを冷却した後、燃焼ガス流路８を通過する燃焼ガスに合流する。
また、圧縮機中間段抽気系５には、タービンバイパス弁９を備えたタービンバイパス系１０が接続されている。タービンバイパス弁９は、制御器１１からの指令信号によって開閉される開閉弁であり、タービンバイパス弁９が開くことによって、圧縮機中間段抽気がタービン３をバイパスして直接排気ディフューザ１２に導かれるようになっている。
なお、図１には、第４段ノズルガイドベーン６ａおよび第４段ブレード７ａまでしか示していないが、これは本発明を限定するものではない。

さて、本実施形態に係るガスタービン１においては、制御器１１に運転停止信号が入力されると、燃焼器に供給される燃料がカットされ、それと略同時に制御器１１からタービンバイパス弁９に指令信号が出力されるとともに、タービンバイパス弁９が全開状態とされ、圧縮機中間段抽気系５およびタービンバイパス系１０を介して圧縮機中間段抽気が排気ディフューザ１２に導かれることとなる。
つぎに、タービンロータ７の回転数が、ノズルガイドベーン６ａおよびブレード７ａにストール（Stall）またはサージング（Surging）を生じさせない領域まで低下（減少）したら（例えば、定速回転数の１０％程度にまで低下（減少）したら）、そのことを検知した図示しない検知手段（例えば、回転センサ）からの信号が制御器１１に入力される。それと略同時に制御器１１からタービンバイパス弁９に指令信号が出力されて、タービンバイパス弁９が、タービン３への空気流量を確保できる程度に閉状態とされ、圧縮機中間段抽気系５を介して圧縮機中間段抽気がタービン３の第２段以降のノズルガイドベーン６ａの内部に導かれることとなる。

本実施形態に係るガスタービン１によれば、運転停止と略同時に全開状態とされたタービンバイパス弁９は、タービンロータ７の回転数が、ノズルガイドベーン６ａおよびブレード７ａにストールまたはサージングを生じさせない領域まで低下（減少）したら、タービン３への空気流量を確保できる程度に閉状態とされる。
すなわち、ケーシングの内部に残留する燃焼ガス（ホットガス）は、圧縮機中間段抽気系５およびノズルガイドベーン６ａを介して燃焼ガス流路８に供給された空気とともにケーシングの外部に排出されるとともに、ケーシングの内部は、燃焼ガス流路８を通過する空気によって、略一様に冷却されることとなる。
したがって、図２中に太い実線に示すように、圧縮機２の側におけるケーシングの上下メタルの温度差を、ターニング運転中の最初から最後まで（にわたって）限界値よりも低く維持することができるとともに、図３中に太い実線で示すように、タービン３の側におけるケーシングの上下メタルの温度差を、ターニング運転中の最初から最後まで（にわたって）限界値よりも低く維持することができて、キャットバック（cat back）現象の発生を抑制する（低減させる）ことができるので、図４中に一点鎖線で示すように、運転後に行われるターニング運転中のスピン運転を不要とすることができる。
なお、図２中の細い実線、図３中の細い実線、および図４中の破線は、タービンバイパス弁９を閉じずに、開いたままの状態で、かつ、スピン運転を行わずにターニング運転のみを行った場合の試験結果を示している。

本発明に係るガスタービンの第２実施形態について、図５および図６を参照しながら説明する。
図５は本実施形態に係るガスタービンの要部拡大断面図であって、タービンロータの軸線を含む断面で見た図、図６は図５に示すノズルガイドベーンの組立状態を示す要部斜視図、図７はタービンロータの軸線と直交する断面で見た図であって、（ａ）は円環型遮熱環方式の遮熱環の配置を示す図、（ｂ）はオーバル型遮熱環方式の遮熱環の配置を示す図である。

本実施形態に係るガスタービン２１は、遮熱環２２を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

遮熱環２２は、タービンロータ７の軸線に対して直交する平面内において環状を呈するように形成された部材であって、ブレード７ａのチップ（先端）側を周方向に沿ってぐるりと取り囲むように配置された環状の分割環２３を、翼環２４に対して支持固定するものである。また、この遮熱環２２は、ノズルガイドベーン６ａの半径方向外側に形成された外側シュラウド２５を、翼環２６に対して支持固定するものでもある。
なお、遮熱環２２は、周方向に沿って複数個（本実施形態では２０個）に分割されている。
また、図５中の白抜き矢印は、燃焼ガスの流れ方向を示している。

さて、本実施形態に係るガスタービン２１における遮熱環２２および分割環２３の配置について説明する。
遮熱環２２の配置には、円環型遮熱環方式とオーバル型遮熱環方式の２つの方法がある。
円環型遮熱環方式は、図７（ａ）に示すように、車室中心Ｏを中心として分割環２３に内接する半径Ｒの円を描くように、遮熱環２２が配置されている場合をいう。ケーシングの中心Ｏとは、タービンロータ軸線に垂直な断面におけるケーシングの中心をいい、ケーシングの水平方向分割面である水平接手面Ａと垂直軸Ｂとが交わる点に一致する点である。
一方、オーバル型遮熱環方式では、図７（ｂ）に示すように、遮熱環２２を上半部に位置する遮熱環（以下、「上半部遮熱環」という。）３１と下半部に位置する遮熱環（以下、「下半部遮熱環」という。）３２とに区分けした場合、上半部遮熱環３１と下半部遮熱環３２との中心位置が、垂直軸方向に互いにずれた関係にある。即ち、上半部遮熱環３１の分割環２３の内接円の中心Ｏ１と、下半部遮熱環３２の分割環２３の内接円の中心Ｏ２は、いずれも垂直軸Ｂ上にあり、互いにケーシングの水平接手面（ケーシングの中心Ｏとしても同じ）Ａを挟んでケーシングの中心Ｏから同一距離Ｔだけ偏心させて配置した場合をいう。ここで、上半部遮熱環３１及び下半部遮熱環３２とは、ケーシングの水平接手面Ａを境として、水平接手面Ａより上部又は下部に配置された複数個の遮熱環２２からなる遮熱環群（本実施形態の場合、それぞれ１０個の遮熱環で構成）を意味する。尚、通常は、所定長さＴが１ｍｍ以下となるように上半部遮熱環３１と下半部遮熱環３２の取付、調整が行われる。また、オーバル型遮熱環方式では、タービンロータの中心は、上半部遮熱環３１の内接円中心Ｏ１と同じ位置として、ケーシングの中心Ｏに対して垂直軸Ｂの上方向に若干偏心させている。

このような遮熱環２２の配置とすれば、従来の円環型遮熱環方式に比較して、ケーシング下部内面と動翼先端とのクリアランスを大きく設定できる。

本実施形態に係るガスタービン２１によれば、キャットバック現象が発生した場合に接触しそうになる（クリアランスが小さくなる）ケーシング下部（底部）に位置するブレード７ａのチップと分割環２３の内周面とのクリアランスを維持（確保）することができて、ブレード７ａのチップと分割環２３の内周面との接触を確実に防止することができる。すなわち、図２および図３に示すように、圧縮機２の側およびタービン３の側におけるケーシングの上下メタルの温度差の限界値を上げたのと実質的に同じ効果を得ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施、変更実施、組合せ実施することができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンの概略系統図である。 本発明に係るガスタービンを用いて実施した試験結果を示すグラフである。 本発明に係るガスタービンを用いて実施した試験結果を示すグラフである。 本発明に係るガスタービンを用いて実施した試験結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るガスタービンの要部拡大断面図であって、タービンロータの軸線を含む断面で見た図である。 図５に示すノズルガイドベーンの組立状態を示す要部斜視図である。 タービンロータの軸線と直交する断面で見た図であって、（ａ）は円環型遮熱環方式の遮熱環の配置を示す図、（ｂ）はオーバル型遮熱環方式の遮熱環の配置を示す図である。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ タービン
５ 圧縮機中間段抽気系（圧縮機抽気系）
６ａ ノズルガイドベーン
７ａ ブレード
９ タービンバイパス弁
１０ タービンバイパス系
１１ 制御器
１２ 排気ディフューザ
２１ ガスタービン
２２ 遮熱環
２３ 分割環
２４ 翼環

Claims (3)

1. 燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、この燃焼器の下流側に位置し、燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機から前記タービンのノズルガイドベーンの内部に圧縮機抽気を導く圧縮機抽気系と、この圧縮機抽気系に接続されて、前記圧縮機抽気を直接排気ディフューザに導くタービンバイパス系と、このタービンバイパス系に接続されたタービンバイパス弁を開閉制御する制御器とを備えたガスタービンであって、
   前記制御器は、運転停止信号が入力されると、前記タービンバイパス弁を全開状態とする指令信号を出力し、前記タービンの回転数が、前記ノズルガイドベーンおよび前記タービンのブレードにストールを生じさせない領域まで低下したら、前記タービンバイパス弁を、前記タービンへの空気流量を確保できる程度に閉状態とする指令信号を出力することを特徴とするガスタービン。
2. 前記ブレードのチップ側を周方向に沿ってぐるりと取り囲むように配置された略環状の分割環の、上半部に位置する分割環の内接円の中心と下半部に位置する分割環の内接円の中心とが、ケーシングの中心を通る垂直軸線上で、ケーシングの水平接手面を挟んで互いに同一距離に偏心するように、前記分割環が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 燃焼用空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、この燃焼器の下流側に位置し、燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機から前記タービンのノズルガイドベーンの内部に圧縮機抽気を導く圧縮機抽気系と、この圧縮機抽気系に接続されて、前記圧縮機抽気を直接排気ディフューザに導くタービンバイパス系と、このタービンバイパス系に接続されたタービンバイパス弁とを備えたガスタービンの運転停止方法であって、
   前記燃焼器に供給される燃料をカットし、それと略同時に前記タービンバイパス弁を全開状態として、前記タービンの回転数が、前記ノズルガイドベーンおよび前記タービンのブレードにストールを生じさせない領域まで低下したら、前記タービンバイパス弁を、前記タービンへの空気流量を確保できる程度に閉状態とすることを特徴とするガスタービンの運転停止方法。

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