(57)【要約】【課題】コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを低減してガスタービンの性能を向上させることができるガスタービン及びトランジションピースを提供する。【解決手段】圧縮空気を生成する圧縮機１と、この圧縮機１からの圧縮空気とともに燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器３と、この燃焼器３からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン４とを備えたガスタービンにおいて、燃焼器３からタービン４へと燃焼ガスを導くトランジションピース１５に設けられ、圧縮機１から抽気した圧縮空気の一部を燃焼ガスで加熱する熱交換器２２と、タービン４のケーシング１６に形成され、熱交換器２２で加熱した空気が流入するケーシング流路２３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気とともに燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、
前記燃焼器から前記タービンへと燃焼ガスを導くトランジションピースに設けられ、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段と、
前記タービンのケーシングに形成され、前記熱交換手段で加熱した空気が流入するケーシング流路とを備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１記載のガスタービンにおいて、前記熱交換手段は、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部が流入する第１マニホールドと、前記第１マニホールドにそれぞれ接続され、前記トランジションピースの管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の下流側に接続された第２マニホールドとを有することを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガスタービンにおいて、前記ケーシング流路に流入した空気を前記タービン内のガス流路に流出させることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスタービンにおいて、前記ケーシング流路に流入する空気の温度を調整する空気温度調整手段を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
請求項４記載のガスタービンにおいて、前記空気温度調整手段は、前記熱交換手段をバイパスし、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記ケーシング流路に供給するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けた流量制御弁と、前記ケーシングの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出した前記ケーシングの温度が目標温度に近づくように前記流量制御弁の開度を制御する弁制御手段とを有することを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項５記載のガスタービンにおいて、前記弁制御手段は、前記燃焼器に供給する燃料流量又は前記タービンのロータの回転数に応じて前記ケーシングの目標温度を設定することを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
圧縮空気を生成する圧縮機、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動するタービンを備えたガスタービンに設けられ、前記燃焼器から前記タービンへ燃焼ガスを導くトランジションピースにおいて、
前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段を備えたことを特徴とするトランジションピース。
【請求項８】
請求項７記載のトランジションピースにおいて、前記熱交換手段は、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部が流入する第１マニホールドと、前記第１マニホールドにそれぞれ接続され、前記トランジションピースの管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の下流側に接続された第２マニホールドとを有することを特徴とするトランジションピース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気と燃料を燃焼した燃焼ガスによって回転動力を得るガスタービンに係わり、特に、ケーシング温度の調整に好適なガスタービン及びトランジションピースに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの信頼性に関しては、クリープ、疲労、腐食などの強度の他に、変形の問題も重要である。特に、運転時のタービンにおける径方向の変形については、回転部（動翼を備えたロータ）と静止部（動翼に対向する翼環を備えたケーシング）とが接触しないように考慮しなければならない。タービンの回転部と静止部とが接触すると、動翼や翼環が損傷してタービンの性能が低下し、最悪の場合にはタービンが運転不能となる。一方、動翼と翼環との間隙（チップクリアランス）が広い場合には，この部分を通過する燃焼ガスがタービンの駆動に寄与しないため、効率が低下するという問題が生じる。そのため、ガスタービンを安全かつ高効率に運転することを目的とし、タービンのクリアランス制御の開発が進められている。
【０００３】
タービンのクリアランス制御の一例として、蒸気供給源（例えば補助ボイラや蒸気タービンのボトミング系）からの蒸気を翼環内の冷却通路に流す構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、起動時には補助ボイラからの蒸気を翼環内の冷却通路に供給し、立ち上がり時に冷えた状態の翼環を加熱するので、クリアランスが拡大し、立ち上がりの最小クリアランス時の接触を回避するようになっている。また、通常運転中には蒸気タービンのボトミング系からの蒸気を翼環内の冷却通路に供給して、クリアランスを適切に調整し、ガスタービンの性能低下を抑えるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４８４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記従来技術においては、起動時には補助ボイラからの蒸気を翼環内の冷却通路に供給して翼環を加熱するようになっている。そのため、蒸気を生成する補助ボイラなどの設備を設ける必要があり、さらに蒸気を導入する部分に耐蝕性を高めた材質を用いる必要があり、コストが増大する可能性があった。
【０００６】
本発明の目的は、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができるガスタービン及びトランジションピースを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気とともに燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、前記燃焼器から前記タービンへと燃焼ガスを導くトランジションピースに設けられ、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段と、前記タービンのケーシングに形成され、前記熱交換手段で加熱した空気が流入するケーシング流路とを備える。
【０００８】
本発明においては、燃焼器からタービンへと燃焼ガスを導くトランジションピースに、圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を燃焼ガスで加熱する熱交換手段を設ける。そして、例えばガスタービンの起動時、熱交換手段で加熱した空気をタービンのケーシング流路に流入させる。これにより、タービンのロータに比べ熱容量が大きく温度上昇の応答が遅いケーシングを加熱するので、ケーシングの翼環と対向するロータの動翼との間隙（チップクリアランス）の一時的な低下幅を減少させることができる。これにより、チップクリアランスの設計値（言い換えれば、ロータ及びケーシングが熱変形しないときの値）を小さくし、運転中のクリアランスを小さくすることができる。また、例えばケーシング流路に蒸気を供給する場合とは異なり、蒸気を生成する設備が不要であるばかりか、ケーシング流路などの部分に耐食性を高めた材質を用いる必要がないので、コスト低減を図ることができる。以上のように本発明においては、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。
【０００９】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記熱交換手段は、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部が流入する第１マニホールドと、前記第１マニホールドにそれぞれ接続され、前記トランジションピースの管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の下流側に接続された第２マニホールドとを有する。
【００１０】
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記ケーシング流路に流入した空気を前記タービン内のガス流路に流出させる。
【００１１】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記ケーシング流路に流入する空気の温度を調整する空気温度調整手段を備える。
【００１２】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記空気温度調整手段は、前記熱交換手段をバイパスし、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記ケーシング流路に供給するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けた流量制御弁と、前記ケーシングの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出した前記ケーシングの温度が目標温度に近づくように前記流量制御弁の開度を制御する弁制御手段とを有する。
【００１３】
（６）上記（５）において、前記弁制御手段は、前記燃焼器に供給する燃料流量又は前記タービンのロータの回転数に応じて前記ケーシングの目標温度を設定する。
【００１４】
（７）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を生成する圧縮機、前記圧縮機からの圧縮空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器、及び前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動するタービンを備えたガスタービンに設けられ、前記燃焼器から前記タービンへ燃焼ガスを導くトランジションピースにおいて、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部を前記燃焼ガスで加熱する熱交換手段を備える。
【００１５】
（８）上記（７）において、好ましくは、前記熱交換手段は、前記圧縮機から抽気した圧縮空気の一部が流入する第１マニホールドと、前記第１マニホールドにそれぞれ接続され、前記トランジションピースの管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の下流側に接続された第２マニホールドとを有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態によるガスタービンの全体構成を表すシステムフロー図であり、図２は、本実施形態によるガスタービンの要部の詳細構造を表す部分断面図である。
【００１８】
これら図１及び図２において、ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１で生成した圧縮空気とともに、燃料流量制御弁２を介し供給された燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器３と、この燃焼器３からの高温高圧の燃焼ガスにより駆動するタービン４とを備えている。また、タービン４のロータ５と圧縮機１のロータ６とは中間軸７によって連結され、さらに圧縮機１のロータ６と発電機８は連結軸９によって連結されており、発電機８はタービン４のロータ５の回転動力を電気エネルギーに変換するようになっている。
【００１９】
圧縮機１は、ロータ６と、このロータ６の外周側（図２中上側）を覆う略円筒状のケーシング１０とを備えている。ロータ６は、外周側に周方向に複数配置された動翼１１を有するディスク１２を軸方向（図２中左右方向）に積層して構成されている。ケーシング１０の内周側（図２中下側）には、周方向に複数配置された静翼１３が軸方向に複数段設けられている。そして、動翼１１及び静翼１３は軸方向に交互に配置され、空気を圧縮するようになっている。
【００２０】
燃焼器３は、圧縮機１の周囲にほぼ等間隔で複数設けられており、燃焼装置１４と、この燃焼装置１４の下流側（図２中右側）に設けたトランジションピース１５とでそれぞれ構成されている。そして、燃焼装置１４は、圧縮機１からの圧縮空気とともに燃料を燃焼しており、その燃焼ガスがトランジションピース１５を介しタービン４に供給されるようになっている。
【００２１】
タービン４は、上記ロータ５と、このロータ５の外周側を覆う略円筒状のケーシング１６とを備えている。ロータ５は、外周側に周方向に複数配置された動翼（本実施形態では、第１段の動翼１７Ａ、第２段の動翼１７Ｂ、又は第３段の動翼１７Ｃ）を有するディスク１８と中空のスペーサ１９とを軸方向に交互に積層して構成されている。ケーシング１６の内周側には、複数段の動翼１７Ａ〜１７Ｃにそれぞれ対向するように複数の翼環２０が設けられており、これら複数の翼環２０の間に複数段の静翼（本実施形態では、第１段の静翼２１Ａ、第２段の静翼２１Ｂ、及び第３段の静翼２１Ｃ）がそれぞれ係合支持されている。そして、静翼２１Ａ〜２１Ｃは燃焼器３からの燃焼ガスを加速し、動翼１７Ａ〜１７Ｃを備えたロータ５が回転するようになっている。
【００２２】
ここで本実施形態の大きな特徴として、燃焼器３のトランジションピース１５には、圧縮機１から抽気した圧縮空気の一部を燃焼ガスで加熱する熱交換部２２（熱交換手段）が設けられており、タービン４のケーシング１６の外周側には、複数のトランジションピース１５の熱交換部２２で加熱した空気がそれぞれ流入する複数のケーシング流路２３が形成されている。以下、その詳細を説明する。
【００２３】
図３は、上記トランジションピース１５の熱交換部２２の詳細構造を表す部分拡大斜視図であり、図４は、上記ケーシング流路２３の詳細構造を表すタービン４のケーシング１６の部分拡大斜視図である。
【００２４】
これら図３及び図４、前述の図２において、トランジションピース１５の熱交換部２２は、トランジションピース１５の外周側におけるタービン４の径方向内側（図２及び図３中下側）に設けられ、圧縮機１で生成した圧縮空気の一部を抽気する吸気口（図示せず）を有する第１マニホールド２４と、この第１マニホールド２４にそれぞれ接続され、トランジションピース１５の管壁の周方向に沿って設けられた複数の伝熱管２５と、トランジションピース１５の外周側におけるタービン４の径方向外側（図２及び図３中上側）に設けられ、複数の伝熱管２５の下流側に接続された第２マニホールド２６とで構成されている。そして、第１マニホールド２４、伝熱管２５、及び第２マニホールド２６内を流れる空気は、トランジションピース１５内を流れる燃焼ガスと熱交換して加熱されるようになっている。
【００２５】
タービン４のケーシング１６は例えば半割れ構造となっており、このケーシング１６における第１段の静翼２１Ａ、第１段の動翼１７Ａ、及び第２段の静翼２１Ｂに対応する位置に、間隙を介し外周側を覆うようにケーシング２７が接合されている。また、ケーシング１６，２７間の間隙を周方向に区分する複数の隔壁２８が接合され、これによって複数の軸方向（図２中左右方向、図４中左下・右上方向）のケーシング流路２３が形成されている。また、ケーシング１６には、ケーシング流路２３の軸方向上流側（図２中左側、図４中左下側）に開口する流入孔２９と、ケーシング流路２３の軸方向下流側（図２中右側、図４中右上側）に開口し、例えば第２段の静翼２１Ｂの外周側のチャンバ３０に連通する流出孔３１とが形成されている。そして、トランジションピース１５の熱交換部２２の第２マニホールド２６とケーシング１６の流入孔２９とを接続する配管３２が設けられ、この配管３２を介し熱交換部２２で加熱した空気がケーシング流路２３に流入するようになっている。また、ケーシング流路２３内を流れた空気は、ケーシング１６の排出孔３１を介しチャンバ３０に流出し、最終的にタービン４内のガス流路（ガスパス）に流出するようになっている。
【００２６】
次に、本実施形態の作用効果を説明する。図５は、起動時におけるタービン４のロータ５の温度Ｔr及びケーシング１６の温度Ｔc2の経時変化、チップクリアランス（詳細には、ロータ５の動翼１７Ａ〜１７Ｃとそれぞれ対向するケーシング１６の翼環２０との間隙）の経時変化を表す図である。なお、この図５において、一点鎖線は、起動時にタービン４のケーシング１６を予熱しない場合におけるケーシング１６の温度Ｔc1及びチップクリアランスの経時変化を比較例として示すものである。
【００２７】
例えば起動時にタービン４のケーシング１６を予熱しない場合は、ケーシング１６はロータ５に比べて熱容量が大きいことから、ケーシング１６の温度Ｔc1はロータ５の温度Ｔrに比べて応答が遅く、静定するまでに時間を要する。そのため、時間ｔ0で起動開始すると（言い換えれば、燃焼器３に供給する燃料流量を増加させ燃焼ガスの温度が上昇すると）、まずロータ５の温度Ｔrが上昇してロータ５が径方向外側に伸長し、チップクリアランスは例えば設定値Ｘ0（言い換えれば、ロータ５及びケーシング１６が熱変形しないときの値）から最小値Ｘmin1まで下降する。その後、ケーシング１６の温度Ｔc1が遅れて上昇してケーシング１６が径方向外側に伸長し、チップクリアランスは例えば定常値Ｘtまで回復する。
【００２８】
一方、本実施形態のようにトランジションピース１５の熱交換部２２で加熱した空気をケーシング流路２３に流すことによりケーシング１６を加熱する場合は、ロータ５の温度Ｔr及びケーシング１６の温度Ｔc2がほぼ同時に上昇を開始する。そのため、ロータ５及びケーシング１６の径方向外側への伸長がほぼ同時に進行するので、チップクリアランスは例えば設計値Ｘ0から最小値Ｘmin2（但し、Ｘmin2＜Ｘmin1）まで下降し、その後、定常値Ｘtまで回復する。すなわち、本実施形態では、例えば起動時にタービン４のケーシング１６を予熱しない場合に比べ、チップクリアランスの一時的な低下幅を小さくすることができる。これにより、図７に示すように、例えばチップクリアランスの最小値がＸmin1となるように設定値をＸoからＸo’に狭めることができ、これに伴い定常値もＸtからＸt’に小さくなるので、タービン効率を向上させることができる。具体的には、例えばクリアランスの設計値Ｘ0＝１００％（ロータ５の静止時を１００％とする）、定常値Ｘt＝５０％とした従来のガスタービンに本発明を適用した場合、クリアランスの設計値Ｘ0’＝８０％、定常値Ｘt’＝２７％に減少させることが可能となり、これによってガスタービンの総合効率を向上することができる。
【００２９】
また、本実施形態においては、トランジションピース１５の熱交換部２２を設けることにより、起動時における燃焼器３の燃焼ガスの熱エネルギーを回収することができる。図７は、起動時におけるトランジションピース１５の熱交換部２２の燃焼ガスの入口温度Ｔ_Ｇinの経時変化に伴う熱交換部２２の空気入口温度Ｔ_Ａin及び空気出口温度Ｔ_Ａout、タービン４のケーシング１６の温度Ｔcの経時変化を一例として表す図である。
【００３０】
この図７に示すように、起動開始時（時間ｔ0〜ｔ1）は、通常、タービン４の駆動の立ち上げを早くするため、燃焼器３に供給する燃料流量を比較的多くするので、燃焼ガスの温度が急激に上昇する。その後、タービン４のロータ５の回転数が定格回転数に達すると（時間ｔ1）、例えば潤滑油の温度等を安定させるための暖気運転を行うため、燃焼器３に供給する燃料流量を一旦低下させるとともに維持するので、燃焼ガスの温度が低下するとともに安定する。そして、暖気運転が終了すると（時間ｔ2）、発電を開始するために連結軸８で発電機９を接続し、燃焼器３に供給する燃料流量を増加させるので、燃焼ガスの温度が徐々に上昇する。その後、発電出力が定格出力に達すると（時間ｔ3）、図示しないが、例えば燃焼器３に供給する燃料流量を一定流量で維持するので、燃焼ガスの温度が安定する。
【００３１】
このように起動開始時（時間ｔ0〜ｔ1）の燃焼ガスの温度は急激に上昇しており、通常、その熱エネルギーの全部が有効に利用されているとは言い難い。本実施形態では、トランジションピース１５の熱交換部２２は、起動開始時の燃焼ガスにより圧縮機１から抽気した圧縮空気の一部を加熱するので、起動開始時の燃焼ガスの熱エネルギーの一部を回収することができる。また、トランジションピース１５の熱交換部２２で加熱した空気がタービン４のケーシング流路２３に流入して起動開始時に冷えた状態のタービン４のケーシング１６を加熱するので、有効利用することができる。
【００３２】
また、本実施形態においては、例えば蒸気を流入させる場合とは異なり、蒸気を生成する時間を要するためにガスタービンの立上げ時間が長くなるようなことがない。また、蒸気を生成するための設備が不要であり、さらに蒸気を導入する部分に耐蝕性を高めた材質を用いる必要がないので、コスト低減を図ることができる。したがって、本実施形態においては、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。
【００３３】
なお、上記一実施形態においては、トランジションピース１５の熱交換部２２は、トランジションピース１５の管壁の周方向に沿って設けた複数の伝熱管２５を有する構造を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばトランジションピース１５の内部に伝熱管を設けてもよいし、例えば伝熱管に代えてプレート式熱交換器を設けてもよい。また、例えば伝熱面積を拡大することを目的としてリブやフィンなどを設けてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００３４】
また、上記一実施形態においては、タービン４のケーシング１６の外周側を覆うようにケーシング２７を接合してケーシング流路２３を形成する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばケーシング１６内にケーシング流路を形成してもよいし、例えば伝熱面積を拡大するためにリブやフィンなどを設けてもよい。また、例えばケーシング１６の材質や構造を考慮し、ケーシング１６のフランジ部１６ａ（前述の図４参照）を加熱する配管などを設け、これをケーシング流路としてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００３５】
本発明の他の実施形態を図８及び図９により説明する。本実施形態は、上記タービン４のケーシング流路２３に供給する空気温度を調整する空気温度調整手段を設けた実施形態である。
【００３６】
図８は、本実施形態によるガスタービンの全体構成を表す概略図である。この図８において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３７】
本実施形態では、圧縮機１から抽気した圧縮空気の一部をタービン４のケーシング流路２３に供給するバイパス配管３３と、このバイパス配管３３に設けた空気流量制御弁３４（なお、これに代えてダンパ等でもよい）と、タービン４のケーシング１６の温度を検出するケーシング温度検出器３５（温度検出手段）と、このケーシング温度検出器３５からの検出信号、及びガスタービン制御装置３６から燃料流量制御弁２に出力される燃料流量指令信号が入力されるケーシング温度制御装置３７（弁制御手段）とを備えている。なお、ガスタービン制御装置３６は、例えばガスタービンの出力指令値ＭＷＤ及びロータ５の回転数Ｎを検出する検出器（図示せず）からの検出信号に対し所定の演算処理を行い、生成した燃料流量指令信号を出力するようになっている。
【００３８】
ケーシング温度制御装置３７は、ガスタービン制御装置３６から入力した燃料流量指令値ＦＦＤ（言い換えれば、ガスタービンの負荷変動）に応じて、タービン４のケーシング１６の目標温度を設定するようになっている。そして、ケーシング温度検出器３５で検出したケーシング１６の温度が目標温度に近づくように、空気流量制御弁３４の開度ＣvをＰＩＤ制御で演算し、生成した駆動信号を空気流量制御弁３４に出力するようになっている。詳しく説明すると、ケーシング温度制御装置３７は、例えば燃料流量指令値ＦＦＤの増加（言い換えれば、ガスタービンの負荷増大）に従ってケーシング１６の目標温度が高くなるように設定し、この目標温度にケーシング１６の温度を近づけるために空気流量制御弁３４の開度Ｃvを小さくなるように制御する。これにより、バイパス配管３３を介しケーシング流路２３に供給する空気流量が減少して、ケーシング流路２３に供給する空気温度が高くなるようになっている。また、例えば燃料流量指令値ＦＦＤの減少（言い換えれば、ガスタービンの負荷減少）に従ってケーシング１６の目標温度が低くなるように設定し、この目標温度にケーシング１６の温度を近づけるために空気流量制御弁３４の開度Ｃvを大きくなるように制御する。これにより、バイパス配管３３を介しケーシング流路２３に供給する空気流量が増加して、ケーシング流路２３に供給する空気温度が低くなるようになっている。
【００３９】
以上のように構成された本実施形態においても、上記一実施形態同様、コスト低減を図りつつ、チップクリアランスを減少させてガスタービンの性能を向上することができる。また、本実施形態においては、ガスタービンの負荷変動に応じてタービン４のケーシング流路２３に流入する空気温度を調整することにより、タービン４のケーシング１６の熱伸びを管理し、タービン効率の最適化を図ることができる。その詳細を図９により説明する。
【００４０】
図９は、停止時の燃料流量指令値ＦＦＤの経時変化に対応して制御する空気流量制御弁３４の開度Ｃvの経時変化、これに伴うタービン４のロータ５の温度Ｔr及びケーシング１６の温度Ｔc2の経時変化、チップクリアランスの経時変化を表す図である。なお、この図９において、一点鎖線は、タービン４のケーシング１６を冷却しない場合におけるケーシング１６の温度Ｔc1及びチップクリアランスの経時変化を比較例として示すものである。
【００４１】
この図９において、例えば停止時にタービン４のケーシング１６を冷却しない場合は、ケーシング１６はロータ５に比べて熱容量が大きいことから、ケーシング１６の温度Ｔc1はロータ５の温度Ｔrに比べて応答が遅く、静定するまでに時間を要する。そのため、時間ｔ4でガスタービンの負荷が減少すると（言い換えれば、燃料流量指令値ＦＦＤが減少し燃焼ガスの温度が下降すると）、まずロータ５の温度Ｔrが下降してロータ５が径方向内側に縮短し、チップクリアランスは例えば定常値Ｘtから最大値Ｘmax1まで上昇する。その後、ケーシング１６の温度Ｔc1が遅れて下降してケーシング１６が径方向内側に縮短し、チップクリアランスは例えば設計値Ｘtまで回復する。
【００４２】
一方、本実施形態のように、燃料流量指令値ＦＦＤの減少に応じて空気流量制御弁３４の開度Ｃvを大きくしてタービン４のケーシング流路２３に流す空気温度を下げ、これによってケーシング１６を冷却する場合は、ロータ５の温度Ｔr及びケーシング１６の温度Ｔc2がほぼ同時に下降を開始する。そのため、ロータ５及びケーシング１６の径方向内側への縮短がほぼ同時に進行するので、チップクリアランスは例えば定常値Ｘtから設計値Ｘ0まで増加する。すなわち、本実施形態では、例えば停止時にタービン４のケーシング１６を冷却しない場合に比べ、チップクリアランスの一時的な上昇幅を小さくすることができ、タービン効率を向上させることができる。
【００４３】
なお、上記他の実施形態においては、ケーシング温度制御装置３７は、ガスタービン制御装置３６から入力した燃料流量指令値ＦＦＤに応じてタービン４のケーシング１６の目標温度を設定する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばタービン４のロータ５の回転数を検出する検出器からの検出信号に応じてタービン４のケーシング１６の目標温度を設定してもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００４４】
また、上記実施形態においては、トランジションピース１５の熱交換部２２で加熱した空気によりタービン４のケーシング１６のみを加熱する構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば燃焼器３に供給する燃料も加熱するような構成としてもよい。図１０は、このような変形例によるガスタービンの全体構成を表す概略図である。なお、この図１０において、上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４５】
本変形例では、燃料流量制御弁２の上流側に設けられ燃焼器３に供給する燃料を加熱する熱交換器３８と、この熱交換器３８とトランジションピース１５の熱交換部２２との間に接続された配管３９と、熱交換器３８とケーシング流路２３との間に接続された配管４０と、熱交換器３８をバイパスするように配管３９，４０の間に接続されたバイパス配管４１と、配管３９におけるバイパス配管４１の接続部に設けられ、配管３９の熱交換器３８側及びバイパス配管４１側のうちいずれか一方を開き状態に他方を閉じ状態に切り替える切替ダンパ４２と、ガスタービン制御装置３６からの燃料流量指令信号等に応じて所定の演算処理を行い、切替ダンパ４２を駆動制御する制御装置４３とを備えている。
【００４６】
制御装置４３は、例えばガスタービンの起動時に切替ダンパ４２を駆動制御して、配管３９の熱交換器３８側を閉じ状態とし、バイパス配管４１側を開き状態とする。これにより、トランジションピース１５の熱交換部２２で加熱した空気がバイパス配管４１等を介しタービン４のケーシング流路２３に流入する。したがって、上記一実施形態同様、チップクリアランスの一時的な低下幅を小さくすることができ、これによってチップクリアランスの設計値及び定常値を低減させることができ、タービン効率を向上することができる。また、制御装置４３は、例えば定格運転時に切替ダンパ４２を駆動制御して、バイパス配管４１側を閉じ状態とし、配管３９の熱交換器３８側を開き状態とする。これにより、トランジションピース１５の熱交換部２２で加熱した空気が配管３９を介し熱交換器３８に流入して燃料を加熱し、この熱交換器３８で利用された空気が配管４０を介しタービン４のケーシング流路２３に流入する。これにより、燃焼ガスの熱エネルギーの一部を燃料の加熱に利用することができ、ガスタービンの総合効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のガスタービンの第１の実施形態の全体構成を表す概略図である。
【図２】本発明のガスタービンの第１の実施形態の要部の詳細構造を表す部分断面図である。
【図３】本発明のガスタービンの第１の実施形態を構成するトランジションピースの熱交換部の詳細構造を表す部分拡大斜視図である。
【図４】本発明のガスタービンの第１の実施形態を構成するケーシング流路の詳細構造を表すタービンのケーシングの部分拡大斜視図である。
【図５】起動時におけるタービンのロータの温度及びケーシングの温度の経時変化、チップクリアランスの経時変化を表す図である。
【図６】タービンのチップクリアランスの経時変化を表す図である。
【図７】起動時における燃焼器の燃焼ガスの温度の経時変化に伴うトランジションピースの熱交換部の空気入口温度及び空気出口温度、タービンのケーシングの温度の経時変化を一例として表す図である。
【図８】本発明のガスタービンの第２の実施形態の全体構成を表す概略図である。
【図９】停止時の燃料流量指令値の経時変化に対応して制御する空気流量制御弁の開度の経時変化、これに伴うタービンのロータの温度及びケーシングの温度の経時変化、チップクリアランスの経時変化を表す図である。
【図１０】本発明のガスタービンの一変形例の全体構成を表す概略図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    圧縮機
３    燃焼器
４    タービン
５    ロータ
１５  トランジションピース
１６  ケーシング
２２  熱交換器（熱交換手段）
２３  ケーシング流路
２４  第１マニホールド
２５  伝熱管
２６  第２マニホールド
３３  バイパス配管（空気温度調整手段）
３４  空気流量制御弁（空気温度調整手段）
３５  温度検出器（温度検出手段、空気温度調整手段）
３７  ケーシング温度制御装置（制御手段、空気温度調整手段）
【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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【図９】
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【図１０】
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