(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼に用いられる空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼部と、
前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービン部と、
前記圧縮された空気の一部を冷却空気として抽気し、該冷却空気を、前記タービン部を構成する複数の段に属する動翼の内部に導く動翼冷却系統と、
を有するガスタービンであって、
前記動翼冷却系統には、内部を流れる前記冷却空気の流量を調節する調節部と、前記冷却空気に対して前記動翼の回転方向に回転する流速成分を与える予旋回部と、が設けられ、
該予旋回部における前記冷却空気の流路断面積が最も狭いスロート面積は、全負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きくなるように固定されており、
前記調節部により、前記全負荷よりも低い負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量が、前記全負荷での運転時の前記冷却空気の流量と比較して多くなるように調節されることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに関するものであり、特にターンダウン運転（部分負荷運転または低負荷運転）が可能なガスタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にガスタービンなどの内燃機関は、大気汚染等の防止を目的とした法令により、排気に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などの物質の上限値が定められている。さらに近年重視されつつある環境保護の観点から、排気に含まれる一酸化炭素等を更に低減すること（低エミッション化）が望まれている。
【０００３】
ところで、ガスタービンが定格負荷で運転されている際は、排気に含まれる一酸化炭素等の物質の量は上述の上限値未満であって低い値（低エミッション）となっている。しかし、ガスタービンが定格負荷よりも低い負荷である部分負荷運転（以下、「ターンダウン運転」と表記する。）されると、ガスタービンの吸気流量はあまり変わらないままで燃料流量を絞るため、燃焼器における燃焼温度が低下し、その結果未燃分である一酸化炭素や炭化水素等の物質が多量に発生する。これら物質が排気中に放出されると、上述の上限値を超える場合もあった。
【０００４】
しかしながら、電力需要に応じたフレキシブルな発電所の運用を行うために、ガスタービンをターンダウン運転したいという要望がある。そのため、ガスタービンの排気に含まれる一酸化炭素等の物質の量が少ない状態（低エミッション）を保ったまま、ガスタービンをターンダウン運転するための種々の技術が提案されている。
【０００５】
つまり、ガスタービンの圧縮機により圧縮された圧縮空気を冷却空気として抽気し、当該冷却空気をタービンの静翼系や動翼系に過剰投入することにより、低エミッションを保ちつつターンダウン運転を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１から３参照。）。
【０００６】
あるいは、圧縮機により圧縮された空気を抽気して、入口案内翼の上流側に導くアンチアイシングを利用することにより、低エミッションを保ちつつターンダウン運転を行う技術が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１８２８８３号公報
【特許文献２】特開２００９−０６２９８１号公報
【特許文献３】特開２００９−１０３１２５号公報
【特許文献４】特開２００９−０５２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のようにタービンの静翼系に冷却空気を導入する場合、特定の段の翼のみが過剰に冷却されることによる信頼性低下を防止するために、複数の段に属する冷却系のそれぞれに冷却空気を供給する必要があるという問題があった。言い換えると、冷却空気系統をつなぐ複数の配管を設ける必要があるという問題があった。
【０００９】
また、圧縮機により昇圧されてタービン車室内に吐出された空気（車室空気）を抽気し、これを過剰量の冷却空気として静翼系に供給する場合には、新たにタービン車室からの車室抽気配管を設けるのではなく、図８に示すように、既存の動翼冷却空気系統３０６に係る車室抽気配管３６１から静翼冷却空気系統３０７へのバイパス流路３６５を設ける構成が経済的である。しかし、このような系統とすると、既存の動翼冷却系統３０６等の一部に多量の空気が流れることとなるため、そこで生じる圧力損失により動翼への冷却空気の供給圧が低下し、動翼の焼損を招く可能性がある。
【００１０】
つまり一般に、冷却空気の供給圧は翼の周囲を流れる主流の圧力よりも高く設定され、当該圧力の比（バック・フロー・マージン（以下、「ＢＦＭ」と表記する。））を利用して翼を冷却した冷却空気は主流に流出されている。しかしながら、冷却空気の供給圧が、翼の周囲を流れる主流の圧力よりも低下すると、ＢＦＭが不足して高温の主流ガスが翼の内部に流入し、主流ガスによって翼が焼損する可能性がある。
【００１１】
上述の問題は、静翼冷却空気系統３０７ではなく、複数の段に属する動翼を有する動翼冷却空気系統３０６へ冷却空気を過剰投入することにより避けることができる。
一般的に、動翼冷却空気系統３０６は、図８に示すように、タービン部の内部で複数の段に属する動翼に分岐する構成となっている。このような動翼冷却空気系統３０６に対して冷却空気が過剰に投入されても、特定の段に属する動翼に冷却空気が過剰に投入されることがなく、複数の段に属する動翼に分配される。つまり、特定の段に冷却空気が過剰投入されることにより発生する信頼性の低下を避けることができる。
【００１２】
さらに、動翼冷却空気系統３０６に冷却空気が過剰投入されると、ＢＦＭを確保しやすくなるため、ＢＦＭの不足による動翼の焼損は発生にくくなる。
その一方で、静翼冷却空気系統３０７への冷却空気の供給圧の絶対値は低下するものの、ガスタービン内における各部の圧力の比は、冷却空気のバイパスの有無にかかわらず、ほぼ同じに保たれたままとなる。そのため、動翼の場合と同様に、静翼についてもＢＦＭの不足による静翼の焼損は発生しにくくなる。
【００１３】
ここで一般に、静翼冷却空気系統３０７は、静翼系を冷却するために必要な量の車室空気を冷却空気として抽気するように設計されている。言い換えると、静翼系を冷却する空気に加えて、動翼系を冷却する空気を流すようには設計されていない。
そのため、静翼冷却空気系統３０７を介して冷却空気を動翼系に過剰に供給するためには、車室空気をさらに昇圧して、静翼冷却空気系統３０７および動翼冷却空気系統３０６へ圧送する手段、例えばブースト圧縮機を設ける必要があるという問題があった。
【００１４】
また、アンチアイシングのみを利用して、低エミッションを保ちつつターンダウン運転を行う方法では、ターンダウン運転時における負荷の低減量に限界があるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ガスタービンの信頼性を確保しつつ、簡素な系統で低エミッションのターンダウン運転を行うことができるガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスタービンは、燃焼に用いられる空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼部と、前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービン部と、前記圧縮された空気の一部を冷却空気として抽気し、該冷却空気を、前記タービン部を構成する複数の段に属する動翼の内部に導く動翼冷却系統と、を有するガスタービンであって、前記動翼冷却系統には、内部を流れる前記冷却空気の流量を調節する調節部と、前記冷却空気に対して前記動翼の回転方向に回転する流速成分を与える予旋回部が設けられ、該予旋回部における前記冷却空気の流路断面積が最も狭いスロート面積は、全負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きくなるように固定されており、前記調節部により前記全負荷よりも低い負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量は、前記全負荷での運転時の前記冷却空気の流量と比較して多くなるように調節されることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、全負荷よりも低い負荷で運転されている場合、つまり、ガスタービンがターンダウン運転されている場合には、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量は、ガスタービンが全負荷運転されている場合の流量よりも多くなる。
これにより、ガスタービンの吸気流量に対する冷却空気流量の比が高くなり、圧縮機から燃焼器に流入する空気流量が減少する。そのため、燃焼器における燃焼温度が高くなり、ガスタービンの排気に含まれる一酸化炭素等の物質の量が少ない状態（低エミッション）を保ったまま、ターンダウン運転を行うことが可能である。
【００１８】
その一方で、ターンダウン運転時には、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量が、全負荷運転時の流量よりも増やされる。そのため、動翼冷却系統にブースト圧縮機を配置することなく、ターンダウン運転時に冷却空気を動翼に供給することができる。
さらに、ターンダウン運転時に動翼を冷却する冷却空気は複数の段に属する動翼に供給されるため、特定の段に属する動翼（例えば１段動翼）のみが過度に冷却されることが防止され、動翼の信頼性低下を防ぐことができる。さらに、静翼への冷却空気の供給圧低下が抑制されることから、静翼におけるＢＦＭ低下の問題を回避でき、静翼の焼損発生を抑制することができる。
【００２０】
また本発明によれば、動翼冷却系統には調節部と予旋回部が備えられ、予旋回部におけるスロート面積を、ガスタービンが全負荷運転されている場合に動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼に供給される冷却空気の流量を確実に増やすことができる。
【００２１】
例えば、スロート面積が全負荷運転時を基準に定められた流路断面積と同等である場合には、動翼冷却系統に供給される冷却空気の流量を増やそうとしても、スロート面積の部分が絞りとなり、動翼に供給される冷却空気の流量を効果的に増やすことができない。言い換えると、動翼に供給される冷却空気の流量に対するスロート面積の影響が大きい。そこで、スロート面積を大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼に供給される冷却空気の流量を確実に増やすことができる。
【００２２】
本発明の参考例においては、前記動翼冷却系統には、前記冷却空気に対して前記動翼の回転方向に回転する旋回成分を与える予旋回部が設けられ、該予旋回部における前記冷却空気の流路面積が最も狭いスロート面積は、運転状態に応じて制御されているように構成することも望ましい。
【００２３】
本発明の参考例によれば、ガスタービンの運転状態に応じてスロート面積を変化させることにより、動翼冷却系統を介して動翼に供給される冷却空気の流量を調節することができる。
具体的には、タービンが全負荷で運転されている場合、ターンダウン運転されている場合のように、それぞれのガスタービン出力における適切な冷却空気流量に合わせてスロート面積を変化させることができる。そのため、全負荷運転時におけるガスタービンの性能低下を抑制するとともに、ターンダウン運転時にも低エミッションを保つことができる。
【００２４】
例えば、予旋回部が複数の翼が並んで配置された構成を有し、翼のスパン方向を軸として複数の翼を回動させることにより、スロート面積を変化させる場合には、ガスタービンのターンダウン運転時に、スロート面積を大きくすることにより、ガスタービンの回転軸から供給される出力を低減させることができる。言い換えると、ターンダウン運転が容易となる。
【００２５】
具体的には、冷却空気に対して与える回転する流速成分を小さくする方向に複数の翼を回動させると、スロート面積は大きくなる。この場合、動翼系に供給される冷却空気量が増加するとともに、冷却空気が回転している動翼系に流入する際に、動翼と回転軸をつなぐロータディスクから不足する回転する流速成分が冷却空気に与えられる。言い換えると、回転軸の回転駆動力の一部を用いて冷却空気に回転する流速成分が与えられるため、ポンピングロスが増加し、回転軸から外部へ供給される出力が減少する。
すなわち、冷却空気量増加とポンピングロス増加の効果により、低エミッションを保ったままで、より低負荷でのターンダウン運転が可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のガスタービンによれば、全負荷よりも低い負荷での運転時に、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量を調節する調節部を設け、動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量を、全負荷での運転時の冷却空気の流量と比較して多くすることにより、ガスタービンの信頼性を確保しつつ、簡素な系統で低エミッションのターンダウン運転を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスタービンの構成を説明する系統図である。
【図２】図１のタービン部および動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。
【図３】図２のＴＯＢＩノズルの周辺構成を説明する部分拡大図である。
【図４】図３のＴＯＢＩノズルの構成を説明する展開図である。
【図５】ＲＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。
【図６】本発明の参考実施形態の動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。
【図７】図６のＴＯＢＩノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。
【図８】従来のガスタービンの構成を説明する系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るガスタービンについて、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るガスタービンの構成を説明する系統図である。
本実施形態に係るガスタービン１は、全負荷運転やターンダウン運転が行われるものであって、発電機などの外部機器に回転駆動力を供給するものである。
ガスタービン１には、図１に示すように、圧縮機２と、燃焼器（燃焼部）３と、タービン部４と、回転軸５と、動翼冷却系統６と、が主に設けられている。
【００２９】
圧縮機２は、燃焼に用いられる空気を外部から吸入して圧縮し、燃焼器３に供給するものである。さらに圧縮機２は、動翼冷却系統６に供給される冷却空気を供給するものでもある。圧縮機２は回転軸５により回転可能に支持されるとともに、回転軸５によって回転駆動されるものである。
なお圧縮機２としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００３０】
燃焼器３は、圧縮機２から供給された圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させるものであって、高温の燃焼ガスを発生させて燃焼ガスをタービン部４に供給するものである。燃焼器３は、圧縮機２とタービン部４との間に配置されている。
なお燃焼器３としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００３１】
図２は、図１のタービン部および動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。
タービン部４は、燃焼器３から供給された燃焼ガスから回転駆動力を抽出するものである。さらに、タービン部４は回転軸５により回転可能に支持されるとともに、抽出した回転駆動力を回転軸５に伝達するものである。
タービン部４には、動翼４１および静翼４２から構成される段が、回転軸５の軸線方向に沿って並んで設けられている。
【００３２】
動翼４１は、回転軸５に設けられた円板状のロータディスク４３の外周面に並んで配置されているものであって、周囲を流れる燃焼ガスによって回転軸５まわりに回転駆動されるものである。静翼４２は、タービン部４を構成するケーシングの内周面から回転軸５に向かって延びるものであって、動翼４１とともに周囲を流れる燃焼ガスから回転駆動力を抽出するものである。
なおタービン部４の構成としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００３３】
回転軸５は、圧縮機２およびタービン部４を回転可能に支持するものであって、タービン部４により抽出された回転駆動力を圧縮機２や外部機器に伝達するものである。
なお回転軸５としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものである。
【００３４】
動翼冷却系統６は、圧縮機２により圧縮された空気を冷却空気として動翼４１に供給するものである。
動翼冷却系統６には、冷却空気流路６１と、冷却空気熱交換器６２と、流量調節弁（調節部）６３と、ＴＯＢＩノズル（予旋回部）６４が設けられている。
【００３５】
冷却空気流路６１は、圧縮機２により圧縮された空気の一部を冷却空気として抽気し、抽気された冷却空気を動翼４１に導くものである。
冷却空気流路６１の一方の端部は、燃焼器３を覆うタービン車室３１に接続され、他方の端部は、動翼４１のロータディスク４３と対向する位置に配置されている。そのため、冷却空気流路６１の一方の端部には、圧縮機２により圧縮され、燃焼器３に流入する前の圧縮空気が流入する。また、冷却空気流路６１の他方の端部から流出した冷却空気は、ロータディスク４３に形成された冷却空気の流路を介して動翼４１に導かれる。
冷却空気流路６１の途中には、流量調節弁６３が配置されている。さらに、冷却空気流路６１における他方の端部には、ＴＯＢＩノズル６４が配置されている。
【００３６】
冷却空気熱交換器６２は、冷却空気流路６１に設けられた熱交換器であって、動翼４１に供給される冷却空気の熱を外部に放出させるものである。なお、冷却空気熱交換器６２としては公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００３７】
流量調節弁６３は、冷却空気流路６１を流れる冷却空気の流量を調節するものであって、ガスタービン１の運転状態に基づいて、冷却空気の流量を調節する弁である。
具体的には、前記流量調節弁６３は、車室空気を抽気してからガスタービン１に再導入するまでの配管の途中に設けられており、ガスタービン１が定格運転されている場合に冷却空気流路６１を流れる冷却空気の流量と比較して、ターンダウン運転されている場合に冷却空気流路６１を流れる冷却空気の流量を増やすものである。
【００３８】
図３は、図２のＴＯＢＩノズルの周辺構成を説明する部分拡大図である。図４は、図３のＴＯＢＩノズルの構成を説明する展開図である。
ＴＯＢＩノズル６４は、冷却空気流路６１から動翼４１およびロータディスク４３に流入する冷却空気に、動翼４１等の回転方向に回転する流速成分を与えるものである。
ＴＯＢＩノズル６４には、円筒状に構成されたプラットフォーム６４Ａと、プラットフォーム６４Ａの外周面から径方向外側に延びて配置されるとともに、周方向に等間隔に配置された複数のノズル翼６４Ｂと、が設けられている。さらに、ＴＯＢＩノズル６４は、周方向に等間隔に分割された複数のセグメントＳＧから構成されている。セグメントＳＧは一体に形成されたものである。
複数のノズル翼６４Ｂは、冷却空気がロータディスク４３に向かって流れた際に、動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に旋回するように配置された翼型状のものである。
【００３９】
ＴＯＢＩノズル６４における最も狭い流路断面積、つまりスロート面積は、ガスタービン１が定格運転されている場合に動翼４１の冷却に必要とされる冷却空気の流量に基づいて定められる面積よりも大きく設定されている。
より具体的には、一般のガスタービンにおけるスロート面積は、ガスタービンの運転条件が厳しい状態（高大気温度、かつ、ガスタービン入口温度が高い状態）における定格運転時に、動翼４１のクリープ強度、疲労強度の確保、高温酸化の防止のために必要な翼冷却空気量と、各部の隙間をパージするために必要なシール空気量の合計に基づいて定められる必要動翼系冷却空気流量を流すために必要十分な面積として定められる。本実施形態に係るガスタービン１では、スロート面積は前述の必要十分な面積よりも大きく設定されている。
【００４０】
例えば、ＴＯＢＩノズル６４におけるスロート面積を、前述の必要十分なスロート面積よりも２０％大きく設定した場合、定格運転時には流量調節弁６３を絞り、冷却空気の流量を前述の必要動翼系冷却空気流量とする。その一方で、ターンダウン運転時には前述の流量調節弁６３を開き、動翼冷却系統６を流れる冷却空気の流量を前述の必要動翼系冷却空気量よりも約１０％増加させることができる。これにより、ターンダウン運転における負荷率を約１％ａｂｓ低下させる効果がある。より具体的には、約６０％負荷で運転されていたガスタービン１を、同じ条件下において約５９％負荷で運転することが可能となる。
【００４１】
ここで、ＴＯＢＩとは（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  Ｏｎ  Ｂｏａｒｄ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）の頭文字を取ったものである。本実施形態では冷却空気流路６１を流れる冷却空気に回転する流速成分をＴＯＢＩノズル６４で与える例に適用して説明したが、その他に、図５に示すように、ＲＯＢI（Ｒａｄｉａｌ  Ｏｎ  Ｂｏａｒｄ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）ノズル６４Ｒによって回転する流速成分を与えてもよく、特に限定するものではない。
図５は、ＲＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。図５では、ＲＯＢIノズルの約１／４を拡大した部分が記載されている。
【００４２】
次に、上記の構成からなるガスタービン１の運転について説明する。まず、ガスタービン１の定格運転について図１を参照しながら説明する。
【００４３】
回転軸５によって圧縮機２が回転駆動されると、外部の空気が圧縮機２に吸入される。吸入された空気は圧縮機２により圧縮されて高圧の空気となって、燃焼器３に供給される。燃焼器３では、圧縮された空気に対して燃料が噴射され、空気と燃料との混合気が燃焼される。燃焼により発生した高温の燃焼ガスは、燃焼器３からタービン部４に供給される。
【００４４】
タービン部４では、燃焼ガスによって動翼４１が回転駆動され、ロータディスク４３を介して回転軸５に回転駆動力が伝達される。回転軸５は回転駆動力の一部を圧縮機２に伝達し、圧縮機２における空気の圧縮に用いられる。その他の回転駆動力は発電機などの外部機器に供給される。
【００４５】
ここで、本実施形態の特徴であるガスタービン１のターンダウン運転について説明する。
本実施形態のガスタービン１におけるターンダウン運転では、排気に含まれる一酸化炭素の量の増加を防止するために、燃焼器３における燃空比（燃料と空気との比率）を高い状態に保たれている。
【００４６】
ガスタービン１のターンダウン運転時には、定格運転時と同様に、回転軸５によって回転駆動された圧縮機２により外部の空気が圧縮機２に吸入される。吸入された空気は圧縮機２により圧縮されて高圧の空気となって、燃焼器３に供給される。
ここで、圧縮機２に吸入された空気の全量が燃焼器３に供給されると、燃焼器３における燃空比が低下する。
【００４７】
そのため、燃焼器３における燃空比を所定の値に保つために必要な量の圧縮された空気のみを燃焼器３に供給し、残りの圧縮された空気を動翼冷却系統６に流入させるために、流量調節弁６３が開かれる。燃焼器３に供給された圧縮空気における以後の流れおよび作用については定格運転時における流れおよび作用と同様であるため、その説明を省略する。
【００４８】
流量調節弁６３が開かれると、冷却空気流路６１の燃焼器３側の開口端から、上述の圧縮された空気が動翼を冷却する空気として流入する。冷却空気流路６１を流れる冷却空気は、冷却空気熱交換器６２においてその熱が外部に放熱されて冷却される。冷却された冷却空気は流量調節弁６３を通過してＴＯＢＩノズル６４に流入する。
【００４９】
ＴＯＢＩノズル６４は、冷却空気に対して、動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に回転する流速成分を与える。具体的には、冷却空気は、ＴＯＢＩノズル６４におけるノズル翼６４Ｂの間を回転軸５に沿ってロータディスク４３に向かって流れ、動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に旋回する旋回流れとなる。
【００５０】
ＴＯＢＩノズル６４から噴出された冷却空気は、ロータディスク４３に形成された冷却空気の流路を介して動翼４１に導かれる。動翼４１に導かれた冷却空気は、動翼４１を冷却した後、タービン部４の内部、つまり燃焼ガスが流れる流路に流出し、排気ガスとして外部に放出される。
【００５１】
上記の構成によれば、全負荷よりも低い負荷が出力として回転軸５から供給されている場合、つまり、ガスタービン１がターンダウン運転されている場合には、流量調節弁６３を開くことによって、動翼冷却系統６を流れる冷却空気の流量は、ガスタービン１が定格運転（全負荷運転）されている場合の流量よりも多くなる。
そのため、動翼冷却系統６にブースト圧縮機を配置することなく、ターンダウン運転時に冷却空気を動翼に供給することができる。
【００５２】
ターンダウン運転時に動翼４１を冷却する冷却空気の流量が増えることで、複数の段に属する動翼４１に冷却空気が供給されることとなり、特定の段に属する動翼４１（例えば１段動翼４１）のみが過度に冷却されることが防止され、動翼４１の信頼性を損なわずにターンダウン運転ができる。さらに、静翼４２への冷却空気の供給圧低下が抑制されることから、静翼４２におけるＢＦＭ低下の問題が起こらず、動翼４１の焼損発生を抑制することができる。つまり、ガスタービンの信頼性を確保しつつ、簡素な系統でターンダウン運転を行うことができる。
【００５３】
ＴＯＢＩノズル６４におけるスロート面積を、ガスタービン１が定格運転（全負荷運転）されている場合に動翼冷却系統６を流れる冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼４１に供給される冷却空気の流量を確実に増やすことができる。
例えば、スロート面積が定格運転時を基準に定められた流路断面積と同等である場合には、動翼冷却系統６に供給される冷却空気の流量を増やそうとしても、スロート面積の部分が絞りとなり、動翼４１に供給される冷却空気の流量を効果的に増やすことができない。言い換えると、動翼４１に供給される冷却空気の流量に対するスロート面積の影響が大きい。そこで、スロート面積を大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼４１に供給される冷却空気の流量を効果的に増やすことができる。
【００５４】
〔参考実施形態〕
次に、本発明の参考実施形態について図６および図７を参照して説明する。
本参考実施形態のガスタービンの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量を調節する構成が異なっている。よって、本参考実施形態においては、図６および図７を用いて冷却空気の流量を調節する構成のみを説明し、その他の構成要素の説明を省略する。
図６は、本参考実施形態の動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００５５】
本参考実施形態のガスタービン２０１における動翼冷却系統２０６は、圧縮機２により圧縮された空気を冷却空気として動翼４１に供給するものである。
動翼冷却系統２０６には、冷却空気流路６１と、ＴＯＢＩノズル（予旋回部）２６４が設けられている。
【００５６】
ＴＯＢＩノズル２６４は、冷却空気流路６１を流れる冷却空気の流量を調節するものであって、ガスタービン２０１の運転状態に基づいて、冷却空気の流量を調節するものである。
さらに、ＴＯＢＩノズル２６４は、冷却空気流路６１から動翼４１およびロータディスク４３に流入する冷却空気に、動翼４１等の回転方向に回転する流速成分を与えるものである。
【００５７】
図７は、図６のＴＯＢＩノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。
ＴＯＢＩノズル２６４には、図７に示すように、円筒状に形成されたプラットフォーム２６４Ａと、プラットフォーム２６４Ａの外周面から径方向外側に延びて配置されるとともに、周方向に等間隔に配置された複数のノズル翼２６４Ｂと、が設けられている。
【００５８】
プラットフォーム２６４Ａは、ノズル翼２６４Ｂを回動可能に支持するものである。
ノズル翼２６４Ｂは、冷却空気がロータディスク４３に向かって流れた際に、動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に旋回するように配置された翼型状のものである。さらにノズル翼２６４Ｂには、スパン方向（径方向）に延びる回動軸２６４Ｃが設けられ、ノズル翼２６４Ｂは回動軸２６４Ｃまわりに回動可能とされている。
【００５９】
このように構成することで、ＴＯＢＩノズル２６４はスロート面積を調節することができる。つまり、ノズル翼２６４Ｂを回動軸２６４Ｃまわりに回動させることにより、ノズル翼２６４Ｂの間の冷却空気が流れる流路断面積を調節することができる。例えば、冷却空気の流れ方向（回転軸５が延びる方向）に対するノズル翼２６４Ｂの角度を小さくすることにより、ＴＯＢＩノズル２６４におけるスロート面積を大きくすることができる。逆に、ノズル翼２６４Ｂの角度を大きくすることにより、スロート面積を小さくすることができる。
【００６０】
具体的には、ガスタービン２０１が定格運転されている場合には、動翼４１の最低限必要とされる強度を確保する観点から定まる動翼４１の温度を保つのに必要とされる冷却空気の流量に基づいて定められる面積がスロート面積となるようにノズル翼２６４Ｂの角度が調節される。
【００６１】
その一方で、ガスタービン２０１がターンダウン運転されている場合には、燃焼器３における燃空比が所定の範囲内に収めるために必要な、動翼冷却系統２０６に流入させる冷却空気の流量に基づいて定められる面積がスロート面積となるようにノズル翼２６４Ｂの角度が調節される。
【００６２】
上記の構成によれば、ＴＯＢＩノズル２６４におけるスロート面積を変化させることにより、動翼冷却系統２０６を介して動翼４１に供給される冷却空気の流量を調節することができる。
具体的には、ガスタービン２０１が定格運転されている場合、ターンダウン運転されている場合のぞれぞれの冷却空気の流量に合わせてスロート面積を変化させることができ、特にターンダウン運転時には定格運転時よりもスロート面積を大きくすることができる。そのため、定格運転時におけるガスタービン２０１の性能低下を抑制するとともに、ターンダウン運転時にも低エミッションを保つことができる。
【００６３】
つまり、ガスタービンのターンダウン運転時に、ＴＯＢＩノズル２６４のノズル翼２６４Ｂを回動させることにより、スロート面積を大きくすることで、ガスタービン２０１の回転軸５から供給される出力を低減させることができる。言い換えると、ターンダウン運転を行うことができる。
【００６４】
具体的には、冷却空気に対して与える回転する流速成分を小さくする方向に複数の翼を回動させると、スロート面積は大きくなる。この場合、動翼系への冷却空気量が増加するとともに、冷却空気が回転している動翼系に流入する際に、動翼と回転軸５をつなぐロータディスク４３から不足する回転する流速成分が冷却空気に与えられる。言い換えると、回転軸５の回転駆動力の一部を用いて冷却空気に回転する流速成分が与えられるため、ポンピングロスが増加し、回転軸５から外部へ供給される出力が減少する。すなわち、冷却空気量増加とポンピングロス増加の効果により、低エミッションを保ったままで、より低負荷でのターンダウン運転が可能となる。
【符号の説明】
【００６５】
１,２０１  ガスタービン
２  圧縮機
３  燃焼器（燃焼部）
４  タービン部
５  回転軸
６，２０６  動翼冷却系統
６３  流量調節弁（調節部）
６４，２６４  ＴＯＢＩノズル（予旋回部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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