JP5281166B2 - 冷却用インサートを有したガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンにに関するものである。ガスタービンは、各場合において複数のロータブレード列を形成するようにして組み立てられて、タービンシャフト上に配置される複数のロータブレードを備えている。さらに、ガスタービンは、各場合において複数のロータブレード列を形成するようにして組み立てられて、ステータブレードキャリアによってタービンケーシング上に固定される複数のロータブレードを備えており、ステータブレードキャリアは、複数の空冷穴を有している。

ガスタービンは、発電機を駆動するためにまたは機械を駆動するために、多くの分野で使用されている。この場合、燃料のエネルギー含有量が、タービンシャフトの回転移動を生成するために使用される。このために、燃料が、燃焼チャンバ内で燃焼され、燃焼チャンバに対しては、エアコンプレッサから圧縮空気が供給される。燃料の燃焼の結果として燃焼チャンバ内に生成される高温高圧の動作媒体は、この場合には、燃焼チャンバの下流側に連結されたタービンユニットへと案内され、タービンユニット内で膨張することによって仕事を実行する。

タービンシャフトの回転移動を生成させるために、複数のロータブレードが、このタービンシャフト上に配置されている。複数のロータブレードは、慣習的に、複数のブレードグループまたは複数のブレード列を形成するように組み立てられるものであって、動作媒体から移送される衝撃によってタービンシャフトを駆動する。さらに、タービンユニットを通しての動作媒体の流通案内のために、慣習的に、複数のステータブレードが、互いに隣接したロータブレード列の間に配置される。複数のステータブレードは、タービンケーシングに対して連結されたものであって、複数のステータブレード列を形成するようにして組み立てられている。

ガスタービンの燃焼チャンバは、いわゆる環状燃焼チャンバとして構成することができる。タービンシャフトの周方向においてタービンシャフトまわりに配置された多数のバーナーが、共通の燃焼チャンバスペースへと導入されている。共通の燃焼チャンバスペースは、高温耐性を有した周囲壁によって囲まれている。このために、燃焼チャンバは、その全体が、環状構造として構成されている。また、単一の燃焼チャンバに加えて、多数の燃焼チャンバを設けることもできる。

タービンユニットの第１ステータブレード列は、一般に、燃焼チャンバに対して直接的に隣接しており、なおかつ、動作媒体の流れ方向から見て後段のロータブレード列に対して直接的に隣接している。タービンユニットの第１ステータブレード列は、タービンユニットの第１タービンステージを形成しており、慣習的には、この第１タービンステージに対して、さらなる複数のタービンステージが接続されている。

この場合、ステータブレードは、各場合において、プラットホームとも称されるブレード基部（あるいは、ブレード根）を介して、タービンユニットのステータブレードキャリア上に固定されている。この場合、ステータブレードキャリアは、ステータブレードのプラットホームを固定するための絶縁セグメントを備えることができる。互いに隣接する２つのステータブレード列のステータブレードのプラットホームの間には、すなわち、ガスタービンの軸線方向において互いに間隔を設けて配置されたプラットホームの間には、各場合において、タービンユニットのステータブレードキャリア上に、ガイドリングが配置されている。そのようなガイドリングは、径方向ギャップにより、関連するロータブレード列を構成するとともに同じ軸線方向位置においてタービンシャフト上に固定された複数のロータブレードの各ブレード先端から、所定距離だけ離間している。その結果、ステータブレードのプラットホームと、ガスタービンの周方向においてセグメント化され得る複数のガイドリングとは、タービンユニットの複数の壁部材を形成し、動作媒体の流通通路の外側限界を構成している。

例えば、この場合、特許文献１により公知であるような、上記のガイドリングは、冷却された構成のものとすることができる。特許文献１においては、複数のガイドリングセグメントは、ステータブレードキャリアに対して引っ掛けられる（フック止めされる）。ガイドリングセグメントの壁の内部には、ガイドリングに対して冷却エアを供給するための貫通穴が設けられている。ガイドリングセグメントをフックに対して押圧するプレテンションスリーブが、その貫通穴に螺着されている。スリーブの内部を流通する冷却エアは、ガイドリングセグメントの冷却ガスサイドのリアスペース内へと開口を介して流通することができ、ガイドリングセグメントの冷却のために使用される。特許文献２は、代替的な構成として、ガイドリングセグメントの固定および冷却を示している。

さらに、ステータブレードキャリア内に、穴を設けることができ、この穴を通して、測定ランスが案内される。測定ランスにより、ガイドリングセグメントとロータブレード先端との間の径方向ギャップが記録される。冷却された測定ランスは、特許文献３により、公知である。

そのようなガスタービンの構成においては、達成可能な出力に加えて、特に高い効率が、慣習的に、構成上の目標である。この場合、効率の上昇は、熱力学理由のために、動作媒体が燃焼チャンバから導出されてタービンユニット内に流入する出口温度を増大させることによって、基本的に得ることができる。したがって、およそ１２００℃〜１５００℃という温度が、目標とされ、そのようなガスタービンに関しても得られる。

しかしながら、動作媒体がそのような高温である場合には、そのような高温の動作媒体に曝される構成部材やパーツは、大きな熱負荷を受ける。したがって、とりわけ、ガスタービンのステータブレードキャリアは、慣習的に、鋳鋼から作製される。なぜなら、ガスタービンの内部の高温に耐えることに適しているからである。さらに、慣習的に、ステータブレードキャリア内に、冷却エア穴が設けられる。冷却エア穴を通して、ガスタービンの外部からの冷却エアが、内部へと流入し、プロセス時のステータブレードキャリアを冷却する。この場合、慣習的に、タービンケーシングとステータブレードキャリアとの間に、互いに異なる温度および互いに異なる圧力とされた複数の冷却エアリザーバが設けられる。

したがって、とりわけステータブレードキャリアの十分な冷却が、要求される。なぜなら、極端な高温により、その結果としての異なる状態間での極端に大きな温度差により、ステータブレードキャリアの熱変形が引き起こされる。このことは、ガスタービンの設計において考慮されなければならない。この場合、特にロータブレード先端と内壁との間の径方向ギャップのギャップ寸法は、ステータブレードキャリアの変形の結果として誘起される変動分を補償し得るよう、そして、ガスタービンの損傷を防止し得るよう、相応して大きなものであるように選択しなければならない。しかしながら、ギャップを大きくすることは、ガスタービンの効率の低下につながる。その結果、したがって、ステータブレードキャリアの変形量を低減させ得るよう、十分な冷却が、常に確保されなければならない。

他方、ステータブレードキャリアの強力な冷却は、また、ガスタービンの内部内へと流入する冷却エアの大きな消費を意味する。これは、ガスタービンの内部の温度を低下させ、その結果、ガスタービンの効率を低下させてしまうこととなる。

米国特許第３，８６４，０５６号明細書 英国特許第１ ５２４ ９５６号明細書 米国特許出願第２００６／０１４０７５４ Ａ１号明細書

したがって、本発明は、動作の信頼性をできる限り最高に維持しつつ、特に高効率を有したガスタービンを開示することを目的とするものである。

上記の目的は、本発明に基づき、冷却用インサートが、空冷穴の壁の冷却のために、少なくとも１つの空冷穴の中に設けられているという特徴点のよって、達成される。

本発明は、この場合、特に高効率が、ガスタービンの内部の温度を増大させることによって達成され得るという観点に基づいている。このことは、冷却エアの消費を低減させることによって、すなわち、ガスタービンの内部に導入される冷却エアの量を低減させることによって、実施することができる。しかしながら、冷却エアの量の低減は、ステータブレードキャリアの温度上昇を引き起こしてしまう。なぜなら、より少ない量のエアが、ステータブレードキャリアの空冷穴の中を流れるからであり、そしてその結果、より少ない量の熱しか、ステータブレードキャリアから奪えないからである。しかしながら、このことは、ガスタービンの製造において考慮に入れられなければならないステータブレードキャリアの変形を引き起こすこととなり得る。したがって、利用可能な冷却エアは、冷却のために特に効果的に使用されるべきである。すなわち、できる限り最少量の冷却エアでもって、できる限り最大量の熱量を奪うべきである。したがって、乱流が層流よりも良好に熱伝導を行い得るという知見に基づき、より効果的な壁の冷却のために、空冷穴内において渦流を形成することを考慮することができる。このことは、空冷穴内に冷却用インサートを設けることによって、達成することができる。より効果的な壁冷却により、冷却エアの流速の低減化に基づく空冷穴のところにおけるステータブレードキャリアの冷却の低減化を補償することができる。

冷却用インサートは、チューブ状の構造のものとされ、そのチューブ壁に、ウィンドウ状の壁開口を備えている。この結果、冷却用インサートを通って流れる冷却エアを、ステータブレードキャリアの空冷穴の壁に対して接触させることができ、これにより、ステータブレードキャリアの空冷穴から熱エネルギーを奪うことができる。

特に好ましい実施形態においては、壁開口は、大きな面積にわたって、リブによって互いに離間される。この結果、冷却エアは、大きな面積にわたって、空冷穴の壁に対して接触することができる。

有利な実施形態においては、それぞれの冷却用インサートは、少なくとも１つの攪拌器を備えている。攪拌器は、小さな突起とされる。すなわち、層流を乱流へと変換し得るような全体的表面を有した障害物とされる。攪拌器は、例えば、複数のリブによって形成することができる、あるいは、***したワイヤという態様で、あるいは、シート状金属からなるコーナーという態様で、あるいは、同様の態様で、形成することができる。空冷穴内の流れが既に乱流であったとしても、これらの攪拌器により、さらに良好な熱伝導を実行することができ、したがって、冷却エアの低減させた消費量でもって、ステータブレードキャリアの全体的により良好な冷却を実施することができる。

冷却用インサートは、有利には、また、衝突によって冷却を行うタイプの挿入部材として形成することもできる。この場合、例えば、壁開口が、格子状でもって分散配置された衝突型の冷却穴として形成される。冷却用インサートを通って流れる冷却エアは、衝突型の冷却穴を通して径方向に排出することができ、そうすることによって、冷却エアは、ステータブレードキャリアの空冷穴の壁に対して横方向に衝突することができる。この結果、ブレードキャリアの特に効率的な冷却を得ることができる。

それぞれの冷却用インサートは、有利には、ネジ山のような構造を有している。ネジ山のような構造の結果として、空冷穴の内部における冷却エアの流通時に、渦流を誘起することができる。これにより、一方においては、渦流度合いを確実に増大させることができ、他方においては、空冷穴内における冷却エアの滞留時間を長くすることができる。その結果、ステータブレードキャリアをなす材料から、流れる冷却エアに向けての、より良好な熱伝導をも、確実に実施することができる。

それぞれの冷却用インサートは、有利には、ステータブレードキャリアと同じ材料から形成される。その結果、冷却用インサートとステータブレードキャリアとの異なる材料選択の結果として生じる困難さを、例えば熱膨張度合いの相違といったような困難さを、回避することができ、全体として、かなり単純な構成を可能とする。

冷却用インサートをステータブレードキャリアの空冷穴内に設けることによって、空冷穴による冷却特性が、変更される。同じ冷却効果を得るに際しては、より少量の冷却エアしか、必要としない。したがって、空冷穴に対して供給された冷却エアは、有利には、それぞれの冷却用インサートの冷却特性に対して適合しているべきである。このことは、導入される冷却エアの温度および圧力が、冷却用インサートによって新規に変更されたな冷却特性に対して最適化されることを意味する。

そのようなガスタービンは、有利には、ガスとスチームとを使用したタービンプラントにおいて使用される。

本発明に関連する利点は、特に、冷却用インサートをステータブレードキャリアの空冷穴内に設けることによって、同時的に低減された冷却エア量でもって冷却特性を改良することの結果として、ガスタービンのより良好な効率を達成し得ることである。さらに、そのようなインサートは、極めて容易に設置し得るものであって、旧型のガスタービンを改造するようにして、比較的容易に設置し得るものである。冷却用インサートは、また、冷却に関する各要求や冷却エアの消費量に関する各要求に対して、フレキシブルに適合することができる。

ガスタービンを示す断面図である。 冷却用インサートの下半分を示す断面図である。 冷却用インサートを示す平面図である。

本発明の例示としての実施形態につき、図面を参照して詳細に説明する。

すべての図面にわたっては、同じ部材については、同じ符号が付されている。

図１に示すように、ガスタービン１は、燃焼エアのためのコンプレッサ２と、燃焼チャンバ４と、コンプレッサ２を駆動するためのタービンユニット６と、図示されていない発電機または駆動機械と、を備えている。加えて、タービンユニット６およびコンプレッサ２は、共通のタービンシャフト８上に設置されている。共通のタービンシャフト８は、タービンロータとも称されるものであって、発電機または駆動機械も連結されており、さらに、中心軸線９まわりに回転可能とされている。環状燃焼チャンバという態様として構成された燃焼チャンバ４には、液体状のまたはガス状の燃料を燃焼させるための複数のバーナー１０が設けられている。

タービンユニット６は、タービンシャフト８に対して連結された回転可能な複数のロータブレード１２を備えている。ロータブレード１２は、リングのような態様でタービンシャフト８上に設置されており、したがって、複数のロータブレード列を形成している。さらに、タービンユニット６は、固定された複数のステータブレード１４を備えている。複数のステータブレード１４も、また、タービンユニット６のステータブレードキャリア１６上においてリングの態様で固定されており、ステータブレード列を形成している。この場合、複数のロータブレード１２は、タービンユニット６の中を通して流れる動作媒体Ｍからの衝撃力変換の結果として、タービンシャフト８を駆動させるように機能する。他方、複数のステータブレード１４は、動作媒体Ｍの流れ方向に沿って見たときに、２つの隣接するロータブレード列の間にわたって、あるいは、２つの隣接するロータブレードリングの間にわたって、動作媒体Ｍの流通を案内するように機能する。この場合、２つのステータブレード１４のリングすなわちステータブレード列と２つのロータブレード１２のリングすなわちロータブレード列とからなる隣接対は、タービンステージとも称される。

各々のステータブレード１４は、プラットホーム１８を有している。プラットホーム１８は、壁部材として設置されており、それぞれのステータブレード１４を、タービンユニット６のステータブレードキャリア１６上に固定するように、機能する。プラットホーム１８は、この場合、熱的にかなり大きな負荷を受ける構成部材であって、タービンユニット６の中を通して流れる動作媒体Ｍに関しての高温ガス通路の外側限界を形成する。各々のロータブレード１２は、同様にして、ブレード根とも称されるプラットホーム１９を介して、タービンシャフト８上に固定される。

２つの隣接したステータブレード列のステータブレードの互いに離間した２つのプラットホーム１８の間には、ガイドリング２１が、タービンユニット６のステータブレードキャリア１６上に設置されている。この場合、各々のガイドリング２１の外表面も、また、対向しているロータブレード１２の外側端部から離間したギャップの結果として、径方向において、タービンユニット６の中を通して流れる高温動作媒体Ｍに曝されている。この場合、隣接したステータブレード列の間に設置されているガイドリング２１は、特に、ステータブレードキャリア内の内側ケーシング１６をあるいはケーシングの他の構成部材を、タービン６の中を通して流れる高温動作媒体Ｍの結果としての過度の熱応力から保護するためのカバー部材として機能する。

典型的な実施形態においては、燃焼チャンバ４は、いわゆる環状燃焼チャンバとして構成されている。この構成においては、周縁方向においてタービンシャフト８まわりに設置された多数のバーナー１０が、共通の燃焼チャンバスペース内へと接続されている。これのために、燃焼チャンバ４は、全体として、タービンシャフト８まわりに配置された環状構造として構成されている。

ステータブレードキャリア１６も、また、動作媒体Ｍの高温の結果としても加熱されることのために、複数の空冷穴が、ステータブレードキャリア１６に形成されている。空冷穴を通して、異なる温度および異なる圧力の冷却エアが、ステータブレードキャリア１６の領域の外部の様々なチャンバから、ステータブレードキャリア１６を通して、ガスタービン１の内部へと、案内される。この冷却エアにより、ステータブレードキャリア１６の冷却を確実に行うことができる。これにより、ステータブレードキャリア１６の熱変形を低減することができる。

しかしながら、大量の冷却エアが、ガスタービン１の内部の温度を低減させることのために、そしてその結果として、ガスタービン１の効率を低減させることのために、使用される冷却エアの量は、できるだけ最小とされるべきである。しかしながら、ステータブレードキャリア１６の十分な冷却を確実なものとし得るよう、冷却用インサート２２が、空冷穴の中に挿入される。冷却用インサート２２が、衝突によって冷却を行う挿入部材として形成されている場合には、冷却用インサート２２の外径は、空冷穴の直径と比較して、わずかに小さなものとされる。

そのような冷却用インサート２２の半分の横断面が、図２に図示されている。冷却用インサート２２は、実質的に円筒形状を有している。これにより、既存の空冷穴の中に挿入することができる。このようにして、既存のガスタービンを、そのような冷却用インサート２２を有したものへと改造することもできる。さらに、冷却用インサートは、チューブ状の形状のものとすることができる。言い換えれば、冷却用インサートは、軸線方向の全体に沿って、軸流に対して曝されることができる。一方、冷却用インサート２２は、この場合、固定のためにフランジ２３を備えている。

円形という横断面形状とされたチューブ壁上において、冷却用インサート２２は、複数のウィンドウ状ののような壁開口２５を有している。壁開口２５は、軸線方向に沿っておよび周縁方向に沿って、分散配置することができる。壁開口は、かなり大きな面積のものとされ、リブ２６によって互いに離間されている。そのような冷却用インサート２２は、衝突によって冷却を行う冷却用インサートとは異なり、空冷穴の直径と一致する外径を有している。

冷却用インサート２２の周縁方向に延在するリブ２６は、攪拌器２４として構成されている。攪拌器２４上においてエア流が分解され、層流が乱流へと変換される。この場合、攪拌器を、他の形状および配置とすることも可能である。乱流は、壁開口２５の領域内において、ステータブレードキャリアの空冷穴の壁と接触し、これにより、ステータブレードキャリアの壁を冷却することができる。その結果、ステータブレードキャリア１６をなす材料から冷却エアに向けてのより良好な熱伝導を、確実に行うことができる。リブ２６や攪拌器２４は、また、ネジ山という態様で設置することもできる。これにより、追加的な旋回流を冷却エアに対して衝撃させることができ、これにより、空冷穴における滞留時間および渦流度合いを、より増大させることができる。

図３は、エア冷却用インサート２２を、再度、平面図によって示している。ステータブレードキャリア１６の空冷穴内における固定のためのフランジ２３は、ここで再び図示されている。冷却用インサート２２の結果として、ステータブレードキャリア１６をなす材料から空冷穴内の冷却エアに向けての熱伝導が改良されていることのために、ステータブレードキャリア１６へと供給される冷却エアは、新規な冷却エア特性に対して適合性を有しているべきである。その結果、ステータブレードキャリア１６のさらに良好ななおかつより効果的な冷却を、少ない冷却エア消費量でもって、同時的に達成することができる。したがって、ガスタービン１の効率を、全体的に向上させることができる。

１ ガスタービン
２ コンプレッサ
４ 燃焼チャンバ
６ タービンユニット
８ タービンシャフト
１２ ロータブレード
１４ ステータブレード
１６ ステータブレードキャリア
２２ 冷却用インサート
２４ 攪拌器
２６ リブ
Ｍ 動作媒体

Claims (8)

1. ガスタービン（１）であって、
   このガスタービン（１）が、
   複数のロータブレード列を形成するようにしてタービンシャフト（８）上に配置された複数のロータブレード（１２）と、
   複数のステータブレード列を形成するようにしてステータブレードキャリア（１６）によってタービンケーシングに固定された複数のステータブレード（１４）と、
   を具備し、
   前記ステータブレードキャリア（１６）が、複数の空冷穴を有し、
   このようなガスタービン（１）において、
   冷却用インサート（２２）が、前記空冷穴の壁の冷却のために、少なくとも１つの前記空冷穴の中に設けられ、
   前記冷却用インサート（２２）が、チューブ状の構成とされ、
   前記冷却用インサート（２２）が、前記冷却用インサート（２２）のチューブ状壁に設けられた壁開口（２５）を有していることを特徴とするガスタービン。
2. 請求項１記載のガスタービン（１）において、
   前記壁開口が、リブ（２６）によって互いに離間されていることを特徴とするガスタービン。
3. 請求項１または２記載のガスタービン（１）において、
   前記冷却用インサート（２２）の各々が、少なくとも１つの攪拌器（２４）を有していることを特徴とするガスタービン。
4. 請求項１または２または３記載のガスタービン（１）において、
   前記壁開口が、衝突によって冷却を行う孔として形成されていることを特徴とするガスタービン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスタービン（１）において、
   前記冷却用インサート（２２）の各々が、ネジ山のような構造を有していることを特徴とするガスタービン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスタービン（１）において、
   前記冷却用インサート（２２）の各々が、前記ステータブレードキャリア（１６）と同じ材料から形成されていることを特徴とするガスタービン。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスタービン（１）において、
   前記空冷穴に対して供給された冷却エアが、前記冷却用インサート（２２）の冷却特性に対して適合されていることを特徴とするガスタービン。
8. ガスとスチームとを使用したタービンプラントであって、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載されたガスタービン（１）を具備していることを特徴とするタービンプラント。

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