(57)【要約】【課題】タービンの損耗を減少させ、部品の寿命を向上させる。【解決手段】回転自在に支持された回転対称のロータ（２）に沿って配置された圧縮機（３）と、燃焼室（５）と、複数のタービン段（１５）からなるタービン部（７）とを備え、各タービン段（１５）が、高温の動作媒体（１３）によって洗流され互いに協働する動翼（１７）および静翼（１６）を含み、圧縮機（３）から供給され動翼（１７）および静翼（１６）を冷却するための冷却媒体が通路内をロータ（２）に沿って圧縮機（３）からタービン部（７）へ流れ、冷却媒体内に冷却のために液体が導入されるタービン（１）において、通路がロータ（２）の外側を延び、液体が通路内に圧縮機（３）の近辺領域で導入される。【選択図】図２
2004162708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された回転対称のロータ（２）に沿って配置された圧縮機（３）と、燃焼室（５）と、複数のタービン段（１５）からなるタービン部（７）とを備え、各タービン段（１５）が、高温の動作媒体（１３）によって洗流され互いに協働する動翼（１７）および静翼（１６）を含み、
圧縮機（３）から供給され動翼（１７）および静翼（１６）を冷却するための冷却媒体が通路内をロータ（２）に沿って圧縮機（３）からタービン部（７）へ流れ、冷却媒体内に冷却のために液体が導入されるタービン（１）において、
通路がロータ（２）の外側を延び、液体が通路内に圧縮機（３）の近辺領域で導入されることを特徴とするタービン。
【請求項２】
通路はロータ（２）に沿って延び、ロータ（２）が冷却媒体によって冷却されることを特徴とする請求項１記載のタービン。
【請求項３】
通路は、ロータ（２）に対して同軸的に構成されて冷却媒体が貫流する環状通路（２０）であり、この環状通路（２０）の、燃焼室（５）側にある半径方向外側の外側通路壁（３０）は回転不能であり通路を燃焼室（５）に対して熱的に絶縁することを特徴とする請求項１又は２記載のタービン。
【請求項４】
環状通路（２０）の回転不能の内側通路壁（２９）はロータ（２）の表面に対して間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のタービン。
【請求項５】
液体は環状通路（２０）内にノズル（２８）を通して導入されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のタービン。
【請求項６】
液体は水、特に蒸留水であることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のタービン。
【請求項７】
冷却媒体は圧縮機吐出口から吐出された圧縮空気であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のタービン。
【請求項８】
圧縮機吐出口に圧縮空気の通流方向下流側に接続された流れ通路内にこの流れ通路を横切るディフューザリブ（２５）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のタービン。
【請求項９】
ディフューザリブ（２５）の半径方向外側端がタービン（１）のステータに固定され、ディフューザリブ（２５）の半径方向外側端とは反対側にある半径方向内側端がロータ（２）側にあることを特徴とする請求項８記載のタービン。
【請求項１０】
内側通路壁（２９）および外側通路壁（３０）は支持リブによってタービン（１）の内部ケーシングに支持されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載のタービン。
【請求項１１】
少なくとも１つのリブが半径方向に中空に構成されてそのリブ内を管（２６）が延び、その管（２６）はステータ側で液体源に連通し、ロータ側で環状通路内に液体を導入するために用いられるノズル（２８）に連通していることを特徴とする請求項９又は１０記載のタービン。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の１つに記載のタービン（１）を備えたガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転自在に支持された回転対称のロータに沿って配置された圧縮機と、燃焼室と、複数のタービン段からなるタービン部とを備え、各タービン段が、高温の動作媒体によって洗流され互いに協働する動翼および静翼を含み、圧縮機から供給され動翼および静翼を冷却するための冷却媒体が通路内をロータに沿って圧縮機からタービン部へ流れ、冷却媒体内に冷却のために液体が導入されるタービン、特にガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機から取出された冷却空気が水噴射によって冷却される冷却式ガスタービンが知られている（例えば特許文献１参照）。このガスタービンは水噴射室に臨む水管を備えている。水噴射室は一方がロータにより、他方がロータを取囲む固定配置の壁によって半径方向に形成されている。噴射された水は水噴射室内に小さい水滴として飛散し、そこで部分的にのみ気化する。その際にロータが冷却される。冷却された冷却空気はさらに前方のタービン段の動翼に導かれる。冷却空気に残留している水滴はいまや動翼の領域内で気化し、そこで冷却空気の温度を低く保つ。
【０００３】
水滴はロータに沿う道中および翼の所で腐食や損耗に至らせることがある。
【０００４】
さらに水滴は部分的に翼壁の内側を湿潤させる。そこには、湿潤しない、従って少ししか冷却されない領域に隣接する翼壁の特に良好な冷却領域が生じる。これらの領域の境界部では壁材料に明らかな温度勾配が形成され、この温度勾配が熱応力をもたらす。これは翼の寿命を短縮させる原因となることがある。
【０００５】
さらに、冷却媒体が軸線方向に流れる冷却方式の圧縮機付きガスタービンが知られている（例えば特許文献２参照）。ガスタービンはタービン段を備えており、その環内では前後配置された静翼および動翼が冷却空気によって冷却される。このために圧縮空気が冷却媒体として最後の圧縮機段の動翼列の後ろから取出され、ロータに沿って導かれ、その際にロータが対流冷却される。その後、冷却空気は冷却流方向に見てロータの後ろに接続されたタービン段に導入される。
【０００６】
特許文献２は水冷式タービンつまりは腐食問題を抱えるタービンについては言及していない。しかし、周囲温度および周囲圧力の変化によって引き起こされる圧縮機内の上昇圧力のもとで、圧縮機吐出口からタービンに至るまでの範囲のロータ部分が過熱されるという危険性が存在する。ロータのこの過熱は損耗を招来し得る望ましくない熱膨張及び／又は機械的応力につながる。
【特許文献１】西国特許出願公開第２８５２０５７号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第０４４７８８６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、タービンの損耗を減少させ、部品の寿命を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明によれば、通路がロータの外側を延び、液体が通路内に圧縮機の近辺領域で導入されることによって解決される。
【０００９】
このタービンの有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
【００１０】
すなわち、本発明の解決策によれば、通路がロータの外部を延び、液体が通路内に圧縮機の近接領域で導入される。液体が通路内で気化することによって、冷却媒体から気化熱が奪い取られ、それによって冷却媒体が冷却される。気化プロセスが、導入された液体が完全にしかも通路空間でのみ気化するように進行し得るようにするために、液体の導入が通路の圧縮機近辺領域で行われる。通路空間は、気化が原則として常に保証されるような長さおよび大きさに選択される。冷却された冷却媒体は通路から流出する前に水滴の無い状態になり、その結果、水滴による翼内壁の湿潤が回避される。かくして水滴による湿潤によって引き起こされる腐食は発生せず、翼の壁材料における明らかな温度勾配が避けられる。さらに冷却によって冷却媒体を節約することができる。このことはタービンの効率を向上させるという一般的な努力に寄与する。
【００１１】
圧縮機とタービン部との間に存在するロータ部分は、通路がロータの外側に設けられているので、腐食から保護される。このようにして水滴とロータとの接触が回避される。
【００１２】
さらに、ロータ内に配置された冷却通路システムが通路の下流側に続き、この冷却通路システムが通路を翼の冷却通路に接続する。冷却通路システムおよびロータを保護するために、冷却空気が通路から流出するときは水滴の無い状態にされなければならない。そうしないとロータを腐食させてしまいかねないからである。
【００１３】
通路がロータに沿って延び、ロータを冷却する。これによってロータの許容し得ない加熱が阻止され、熱吸収によって引き起こされる軸線方向および半径方向のロータ膨張を予め定められた限界内に維持することができる。それによってロータ端部とケーシングとの接触またはロータの軸受における予期し得ない軸線方向の圧縮応力を回避することができる。このことからタービンの損耗の少ない運転を行うことができる。
【００１４】
特に有利な実施態様によれば、通路が、ロータに対して同軸的に構成されて冷却媒体が貫流する環状通路である。その場合、燃焼室側にある半径方向外側の外側通路壁は回転不能に取付けられる。通路が燃焼室に対して熱的に絶縁されることによって、通路の加熱を回避することができる。
【００１５】
他の有利な実施態様において、環状通路の回転不能の内側通路壁がロータの表面に対して間隔をおいて配置される。それによって、気化プロセスが進行する通路空間とロータ表面とを空間的かつ密封的に分離させることができ、それによりロータを腐食に対して保護することができる。
【００１６】
ロータ表面と回転不能の内側通路壁との間の環状間隙内にタービン運転時に回転するロータによって空気渦が発生し、この空気渦が大きな熱伝達作用をもたらす。そのためロータは環状間隙にもかかわらず、冷却媒体によって簡単に対流冷却される。ロータのこの軸線方向部分は高温の燃焼室と回転軸線との間に半径方向に配置されているので、ロータを効率的に冷却することは重用である。
【００１７】
液体が環状通路内にノズルを通して導入されると特に有利である。ノズルは液体を多数の小さな水滴にして飛散させ、水滴が液状からガス状へその凝集状態を変化させることによって周囲から熱を奪い取り、その結果冷却媒体を冷却する。その時、水滴が小さければ小さいほど、環状通路内の水がより一層容易に気化し、しかもすべての水滴がより一層早く気化する。
【００１８】
好ましくは、液体は水、特に蒸留水である。
【００１９】
好ましくは、冷却媒体は圧縮機吐出口から吐出された圧縮空気である。圧縮機から供給された圧縮空気すなわち環状通路内に流入する冷却空気流は通常約４００℃の温度を有し、それゆえ沸騰水の凝集状態の変化がそれによって促進されて進行する。
【００２０】
圧縮機吐出口の背後のディフューザ内で、圧縮空気の大部分すなわち圧縮機質量流がバーナに向かって方向転換され、圧縮空気のわずかな部分が冷却空気としてさらにロータに向かって内側に方向転換され、環状通路に導かれる。従って、ロータ側の部品の支持がディフューザリブによって行われると特に有利である。ディフューザリブは一方ではタービンのステータに固定され、流れ通路を貫通して延びる。ディフューザリブは他方ではロータ側にある流れ通路の部品を保持する。
【００２１】
環状でロータの回転軸線に対して対称なタービン構造には、タービンの外部から供給されて環状通路内に気化冷気を発生するために導入される液体が圧縮機質量流に交差しなければならないことを必要とする。そのため、流れ通路に交差するディフューザリブが中空に構成され、そのディフューザリブ内に液体用の管が延びる。この管はステータ側で液体源に連通し、ロータ側で環状通路内に突入するノズルに連通する。冷却媒体の冷却に必要な液体は、圧縮機質量流に悪影響を及ぼすことのないように圧縮機質量流に交差させる。それに代えて、圧縮機から取出され冷却に用いられる圧縮空気部分は、熱交換器によって外部で冷却することができる。その場合、外部冷却された冷却空気は、内部にあるロータに到達するようにするために、圧縮機質量流に交差しなければならない。しかしながら、その場合、本発明の解決手段の場合よりも著しく大きな体積流が圧縮機質量流に交差しなければならない。従って、小さな断面積の管によってディフューザリブを通して導かれる環状通路内へ液体を導入することは著しく簡単である。中空のディフューザリブの代わりに、管は通路壁を内部ケーシングに支持される中空の支持リブを通して導くこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図面を参照して本発明を説明する。
【００２３】
図１は定置形ガスタービンとして構成されたタービン１を示す。このタービン１はロータ２と、圧縮機３と、バーナ４と、燃焼室６を有する環状燃焼室５と、タービン部７とを備えている。
【００２４】
タービン１の運転中、圧縮機３は一端で空気８を吸い込み、他端から圧縮空気９を吐出する。圧縮空気９は空気質量流１０と冷却空気流１１とに分流される。冷却空気流１１はタービン部７およびロータ２の冷却に用いられ、それに対して空気質量流１０は先ず環状燃焼室５の冷却に利用され、次いで燃焼に利用される。そのため空気質量流１０は圧縮機３から吐出された後、ディフューザ１２によって環状燃焼室５の方へ方向転換され、そこからさらにバーナ４へ導かれる。続いてバーナ４内で空気質量流１０と燃料との混合が行われ、その燃料が環状燃焼室５の燃焼室６内で燃焼される。高温の動作媒体１３は高温ガス通路１４に沿って各タービン段１５を通流する。各タービン段１５は前後配置の２種の翼環から形成されている。動作媒体１３の通流方向に見て静翼１６から形成された静翼列に動翼１７から形成された動翼列が続いている。タービンケーシング１８に取付けられた静翼１６とは異なりロータ２に組み込まれている動翼１７で、動作媒体１３が衝撃的に膨張し、それによりロータ２に結合されている図示していない発電機および圧縮機３を駆動する。
【００２５】
環状燃焼室５には半径方向内側にロータ２を取巻く環状通路２０が続いている。
【００２６】
図２はタービン１のロータ２、圧縮機吐出口２１、ディフューザ１２、環状燃焼室５および第１タービン段１５の概略縦断面を示す。
【００２７】
燃焼室６を有する環状燃焼室５は図２にディフューザ１２の上方に部分的に示されている。燃焼室６は、静翼１６および動翼１７が配置されている高温ガス通路１４に連通している。
【００２８】
図２には示されていない圧縮機３には、環状の圧縮機吐出口２１が流体技術的に接続されている。圧縮機吐出口２１は下流側でさらにディフューザ１２に連通している。ディフューザ１２内では、圧縮空気９の流れ通路が分流くさび２４によって２つの部分通路２３ａ，２３ｂ（Ｙ形通路分岐部２２）に分割されている。分流くさび２４はロータ２を環状に包み込み、しかも複数のディフューザリブ２５を介してディフューザ１２に結合されており、従って分流くさび２４はディフューザリブ２５によって強固に保持されている。各部分通路２３ａ，２３ｂは複数のディフューザリブ２５に交差している。
【００２９】
ディフューザリブ２５は中空に形成され、管２６がそれを通して延びている。管２６は一端が図示されていない水源に連通し、他端が他の接続管を介して環状通路２０の圧縮機側端に配置されたノズル２８に連通している。
【００３０】
部分通路２３ｂ内には冷却空気取入れ管２７が潜望鏡の形で開口している。この冷却空気取入れ管２７は環状通路２０の圧縮機３側の端部に連通している。環状通路２０はロータ２を環状に包み込み、環状通路２０の内側通路壁２９はロータ２を間隔をおいて包み込んでいる。環状通路２０の半径方向外側の通路壁は、内側通路壁２９に対して間隔をおいてロータ２の軸線方向に延びる外側通路壁３０によって形成されている。外側通路壁３０は環状通路２０を環状燃焼室５に対して熱的に絶縁する。そのため環状通路２０はロータ２の周りに環状に構成され、ロータ２に平行に長手方向に延びている。
【００３１】
タービン１の運転中、圧縮機３は吸入した空気８を圧縮し、この圧縮された空気つまり圧縮空気９を、圧縮機吐出口２１を通してディフューザ１２内に流入させる。ディフューザ１２内で圧縮空気９は環状の分流くさび２４を介して２つの空気質量流１０ａ，１０ｂに分割される。両空気質量流１０ａ，１０ｂは環状燃焼室５の冷却に用いられ、続いて燃料の燃焼に用いられる。空気質量流１０ｂの一部は冷却空気取入れ管２７の中に流入し、そこに取込まれる。この空気質量流部分は、続いて環状通路２０に流入し、そこで冷却空気流１１として流れるように方向転換される。
【００３２】
水源から接続管を介して水が管２６内へ流入し、そこからさらにノズル２８へ通流する。このノズル２８によって環状通路２０内に水が噴射され、多数の水滴３１となって飛散する。この飛散水滴は環状通路２０の十分大きな容積によってこの環状通路２０内で完全に気化し、周囲から熱を奪い取る。それにより環状通路２０の中の冷却空気流１１が冷却される。圧縮機３内の高圧に基づいて高温とされた冷却空気流１１はこのようにして予め定められた温度範囲内に再冷却される。噴射される水量の変化によって冷却空気流１１の温度の調整が可能である。
【００３３】
冷却空気流１１は環状通路２０を内側通路壁２９に沿って流れ、その際にロータ２０を対流冷却する。固定配置の内側通路壁２９と回転するロータ表面との間の環状間隙内に空気渦が発生し、この空気渦がロータ２から内側通路壁２９への熱伝達を促進させる。その場合、環状通路２０のタービン側端において、水滴のない冷却空気流１１がロータ２内に存在する冷却通路システム内に流入する。この冷却通路システムは冷却空気流１１をさらに第１タービン段１５の静翼１６および動翼１７に導く。それにより、静翼１６および動翼１７は水滴による腐食や熱的応力を引き起こすことなく、冷却された冷却空気流１１によって冷却される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるガスタービンの縦断面図
【図２】図１のガスタービンにおけるロータ、燃焼室、第１のタービン段およびディフューザの縦断面図
【符号の説明】
【００３５】
１  タービン
２  ロータ
３  圧縮機
４  バーナ
５  環状燃焼室
６  燃焼室
７  タービン部
８  空気
９  圧縮空気
１０  圧縮機質量流
１０ａ  空気流
１０ｂ  空気流
１１  冷却空気流
１２  ディフューザ
１３  動作媒体
１４  高温ガス通路
１５  第１タービン段
１６  静翼
１７  動翼
１８  タービンケーシング
１９  軸線
２０  環状通路
２１  圧縮機吐出口
２２  Ｙ形通路分岐部
２３ａ  部分通路
２３ｂ  部分通路
２４  環状の分流くさび
２５  ディフューザリブ
２６  管
２７  冷却空気取入れ管
２８  ノズル
２９  内側通路壁
３０  外側通路壁
３１  水滴
【図１】
2004162708.tif 000003
【図２】
2004162708.tif 000004