(57)【要約】【課題】ホットの状態から再起動する場合のピンチポイントを大きく確保できるようにして、定格のクリアランスを小さく設定できるようにしたガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法の提供を目的とする。【解決手段】部材温度が常温よりも高い状態で再起動されるガスタービンプラントを構成するガスタービン圧縮機１のクリアランス低減方法であって、ガスタービンプラントの起動時に、ガスタービン部へ供給する冷却空気の一部を圧縮機動翼５の後方段下流側に開口させた冷却空気入口１３からロータディスク内に導入し、ロータディスク内に形成された連通孔及びキャビティ２ｂ内を前方段側へ流して冷却する。【選択図】　図１
2004060544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材温度が常温よりも高い状態で再起動されるガスタービンプラントを構成するガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法であって、
ガスタービンプラントの起動時に、ガスタービン部へ供給する冷却空気の一部を圧縮機動翼の後方段下流側に開口させた冷却空気入口からロータディスク内に導入し、該ロータディスク内に形成された流路及びキャビティ内を前方段側へ流して冷却することを特徴とするガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法。
【請求項２】
部材温度が常温よりも高い状態で再起動されるガスタービンプラントにおいて、
ガスタービン部へ供給する冷却空気の一部を分流させて圧縮機動翼の後方段下流側に開口させた冷却空気入口からロータディスク内に導入し、該ロータディスク内に形成された流路及びキャビティ内を前方段側へ流す冷却空気流路を設けたことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項３】
前記冷却空気通路の出口は、前記冷却空気の一部を途中段の圧縮機動翼間から圧縮空気主流に合流させるように設けられていることを特徴とする請求項２記載のガスタービンプラント。
【請求項４】
前記冷却空気が、前記ガスタービン圧縮機から吐出された圧縮空気の一部を抽気して冷却手段に導き、該冷却手段で所定温度に冷却された空気であることを特徴とする請求項２または３記載のガスタービンプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法及びガスタービンプラントに係り、特に、比較的短時間の運転停止後に再起動させるガスタービンプラントに用いて好適なクリアランス低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンプラントにおいては、ガスタービン圧縮機から供給される圧縮空気を燃焼器に導き、燃料と共に燃焼させて発生した高温の燃焼ガスをガスタービン部に供給してガスタービン部を駆動させる。また、上述した圧縮空気の一部を抽気してガスタービン部の動翼及び静翼に導き、これらを冷却する冷却空気及びシール用空気としても利用している。
【０００３】
このようなガスタービンプラントにおいては、回転側の動翼と固定側の静翼との干渉を防止するため、適切なクリアランスが設けられている。このクリアランスを大きく設定すると干渉の問題は解消される反面ガスタービンプラントの性能（効率）が低下するため、定格運転時の温度条件で動翼側及び静翼側の部材が熱膨張した状態における必要最小限のクリアランスを維持するようにして、常温における工場製作時のクリアランスが定められている。
【０００４】
図３は、一般的な従来のガスタービンプラントにおけるガスタービン圧縮機とガスタービン部との接続部を示す断面図である。なお、図３において、図中の符合１はガスタービン圧縮機、２はディスク、３はケーシング（翼環）、４は圧縮機静翼、５は圧縮機動翼、６はエアセパレータ、７はガスタービン部、８はガスタービン静翼、９はガスタービン動翼を示している。
【０００５】
ガスタービン圧縮機１には、固定側となるケーシング３に固定された圧縮機静翼４と、ロータ側のディスク２に固定された圧縮機動翼５とがそれぞれ円周方向に取り付けられると共に、軸方向に交互に配置され、ロータが回転することにより圧縮空気１０を吐出する。
大気を導入しガスタービン圧縮機１で圧縮した圧縮空気１０の主流は、図中に矢印で示すように、図示省略の燃焼器へ導かれ、燃焼に供されて高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、ガスタービン部７のガスタービン静翼８及びガスタービン動翼９の間を流れ、この時に膨張することによりロータを回転させて出力を得る。なお、この出力の一部はガスタービン圧縮機１の駆動用として使用される。
【０００６】
また、ガスタービン圧縮機１から供給されて主流の圧縮空気１０から分岐した一部の分流空気１１は、エアセパレータ６からガスタービン部７側へ導かれ、ガスタービン静翼８及びガスタービン動翼９間のシール用空気として使用され、さらに、ガスタービン動翼９に導かれて冷却に使用される。なお、冷却後の分流空気１１は、燃焼ガス通路へ放出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したガスタービンプラントにおいては、運転停止後に充分な停止・冷却期間をとらずにホットの状態から再起動すると、内部にキャビティのような閉空間を有する熱容量の大きなロータディスク（動翼側）よりも外部のケーシング（静翼側）の方が冷却しやすいため、温度差による熱膨張量の差から、固定の静翼側に対して回転駆動される動翼側との間のクリアランスにピンチポイントが形成される。すなわち、定格運転時の部材温度を基準とすれば、動翼側より冷却しやすい静翼側の方が大きく温度低下するので、熱膨張量にアンバランスが生じ、熱膨張量の減少分だけ静翼側が動翼側へ接近してピンチポイントが小さくなる。
このため、上述したホット状態からの再起動時に生じるピンチポイントが制約となるため、定格のクリアランスを充分に小さくすることができず、ガスタービンプラントの性能を向上させる上で問題となっていた。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ホットの状態から再起動する場合のピンチポイントを大きく確保できるようにして、定格のクリアランスを小さく設定できるようにしたガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法及びガスタービンプラントの提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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。
請求項１に記載のガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法は、部材温度が常温よりも高い状態で再起動されるガスタービンプラントを構成するガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法であって、
ガスタービンプラントの起動時に、ガスタービン部へ供給する冷却空気の一部を圧縮機動翼の後方段下流側に開口させた冷却空気入口からロータディスク内に導入し、該ロータディスク内に形成された流路及びキャビティ内を前方段側へ流して冷却することを特徴とするものである。
【００１０】
このようなガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法によれば、ガスタービンプラントの起動時に、ガスタービン部へ供給する冷却空気の一部を圧縮機動翼の後方段下流側に開口させた冷却空気入口からロータディスク内に導入し、該ロータディスク内に形成された流路及びキャビティ内を前方段側へ流して冷却するようにしたので、運転起動時には、運転停止後の冷却速度が遅く静翼側のケーシング（翼環）より温度の高いロータディスク内に冷却空気を流して冷却し、メタル温度を低下させて温度差を解消することができる。このため、動翼側及び静翼側に生じている熱膨張量のアンバランスも解消され、大きなピンチポイントを確保することができる。
【００１１】
請求項２に記載のガスタービンプラントは、部材温度が常温よりも高い状態で再起動されるガスタービンプラントにおいて、
ガスタービン部へ供給する冷却空気の一部を分流させて圧縮機動翼の後方段下流側に開口させた冷却空気入口からロータディスク内に導入し、該ロータディスク内に形成された流路及びキャビティ内を前方段側へ流す冷却空気流路を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
このようなガスタービンプラントによれば、ガスタービン部へ供給する冷却空気の一部を分流させて圧縮機動翼の後方段下流側に開口させた冷却空気入口からロータディスク内に導入し、該ロータディスク内に形成された流路及びキャビティ内を前方段側へ流す冷却空気流路を設けたので、運転起動時には、運転停止後の冷却速度が遅く静翼側のケーシング（翼環）より温度の高いロータディスク内に形成した冷却空気通路に冷却空気を流すことができ、この冷却空気により冷却されるロータディスクのメタル温度が低下して温度差を解消することができる。このため、動翼側及び静翼側に生じていた熱膨張量のアンバランスも解消され、大きなピンチポイントを確保することができる。
【００１３】
また、請求項２記載のガスタービンプラントにおいては、前記冷却空気通路の出口が、前記冷却空気の一部を途中段の圧縮機動翼間から圧縮空気主流に合流させるように設けられていることが好ましく、これにより、ガスタービン圧縮機の効率を損なうことなく冷却することができる。
【００１４】
また、請求項２または３記載のガスタービンプラントにおいては、前記冷却空気が、前記ガスタービン圧縮機から吐出された圧縮空気の一部を抽気して冷却手段に導き、該冷却手段で所定温度に冷却された空気であることが好ましく、これにより、より低温の冷却空気を使用することにより冷却効率が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法及びガスタービンプラントの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で使用する図面においては、上述した従来例と同一の部分に同じ符合を付してある。
ガスタービンプラントは、図２に示すように、ガスタービン圧縮機１、燃焼器２０及びガスタービン部７を主な構成要素としてなり、ガスタービン圧縮機１とガスタービン部７とは同軸で連結されている。
【００１６】
ガスタービン圧縮機１は、大気を導入して圧縮した高圧の圧縮空気を燃焼器２０及びガスタービン部７へ供給するもので、同軸のガスタービン部７で発生する出力の一部を使用して回転駆動される。ガスタービン圧縮機１から供給される圧縮空気は、一部を除いた圧縮空気主流が燃焼器２０へ導かれ、燃料を燃焼させる空気として使用される。
燃焼機２０では、圧縮空気主流を使用して燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成してガスタービン部７へ供給する。
ガスタービン部７は、固定側のガスタービン静翼と回転側のガスタービン動翼との間に形成される流路に燃焼ガスを流し、この燃焼ガスが膨張することによりガスタービン動翼を固定したロータが回転して軸出力を発生する。
【００１７】
ガスタービン圧縮機１で圧縮された圧縮空気の一部は、上述した燃焼器２０へ導かれる圧縮空気主流から分岐した分流空気となって冷却器３０へ導かれる。
冷却器３０を通過した分流空気は、ガスタービン部７へ供給される冷却空気と、後述するガスタービン圧縮機１の冷却空気とに分岐して流れ、それぞれの冷却に使用される。なお、図示の例では冷却器３０を設けてあり、分流空気を冷却した低温の冷却空気を使用しているが、この冷却器３０は必要に応じて設ければよく、冷却器３０がない場合には分流空気をそのまま冷却に使用してもよい。
【００１８】
さて、本発明では、上述した分流空気の一方、すなわちガスタービン圧縮機１側へ導く冷却空気を使用した冷却について詳細に説明する。
図１はガスタービン圧縮機１の要部を示す断面図であり、図中の符合２はディスク、３はケーシング（翼環）、４は圧縮機静翼、５は圧縮機動翼であり、固定側となるケーシング３及び圧縮機静翼４に対して、ディスク２及び圧縮機動翼５などを構成要素とするロータＲが回転するようになっている。このロータＲを回転させる駆動源としては、同軸で連結されているガスタービン部７の出力の一部が使用される。
【００１９】
ロータＲは、複数枚のディスク２を軸方向へ重ね合わせて構成され、隣接するディスク２の間にはキャビティ２ａ，２ｂ，２ｃと呼ばれる空間部が多数形成されている。また、各ディスク２の外周側には圧縮機動翼５が固定され、各圧縮機動翼５は圧縮機静翼４と軸方向へ交互に配置されている。なお、圧縮機静翼４及び圧縮機動翼５は、それぞれが軸方向及び周方向に多数配列されている。
【００２０】
圧縮機静翼４の先端部は、最も外周側に位置しているキャビティ２ａの外周側開口とシール機構１２を介して接している。
一方、圧縮機動翼５の先端部は、ケーシング３の内周面との間に所定のクリアランスを設けて取り付けられている。
この結果、圧縮機動翼５がロータＲと共に回転すると、圧縮機静翼４及び圧縮機動翼５の間に形成された空間の圧縮空気流路内を、ガスタービン圧縮機１の吸入口（図示省略）から導入した大気が紙面の左から右へ通過することにより圧縮され、図中に白抜矢印で示す高圧の圧縮機吐出空気（圧縮空気）となって燃焼器２０等へ供給される。
【００２１】
このように構成されているガスタービン圧縮機１のロータ部Ｒにおいては、ガスタービン部７へ供給する冷却空気の一部を分流させて圧縮機動翼５の後方段下流側から、すなわち、圧縮機動翼５の圧縮空気出口側となる最終段より圧縮空気の流れ方向下流側となるロータＲに開口させた冷却空気入口１３からロータディスク内に導入する。このロータディスク内とは、ロータＲを構成する複数のディスク２のことであり、実質的には隣接するディスク５間に形成された最終段側のキャビティ２ｂ内へ導入し、順次前方段側のキャビティ２ｂへと流路となる連通孔１４を通して流す。
図示の例では、前段側へ隣接する５つのキャビティ２ｂを順次通過させた後、冷却空気出口１５から外周側のキャビティ２ａへ流出させ、さらに、キャビティ２ａからシール機構１２を通して圧縮空気流路へと戻す。
【００２２】
従って、ロータディスク内には、冷却空気入口１３から後方段側のキャビティ２ｂ内へ冷却空気を導入し、前段側へ順次連通孔１４及びキャビティ２ｂを通して冷却空気出口１５へ流す冷却空気流路が形成されている。そして、冷却空気出口１５からキャビティ２ａ内へ流出した冷却空気は、シール機構１２を通過して圧縮空気流路内へ戻されるので、圧縮空気を外部へ流出させることなく循環させて有効に利用でき、ガスタービン圧縮機１の効率を損なうようなことはない。
なお、図示の例では５段のキャビティ２ｂに冷却空気を流しているが、６段以上あるいは４段以下から適宜選択可能であり、これに限定されるものではない。
【００２３】
このような構成とすれば、運転停止後に再起動するまで充分な冷却時間をとれない場合、すなわち、ガスタービン圧縮機１を構成する各部品の温度が外気温度とほぼ同じ常温に低下するのに必要な運転停止時間を経ることなく再起動された場合であっても、冷却空気入口１３から冷却空気を導入することにより、圧縮空気流路を流れる冷却空気によって高温の空気が押し出されるように流出し、キャビティ２ｂ内の空気温度が低下する。この結果、熱容量が大きく閉空間のキャビティを有するロータディスクの冷却が促進されるので、ディスク２等構成部品のメタル温度が低下して静翼側のケーシング３との温度差は減少する。
【００２４】
この時、後段側から前段側へ冷却空気を流すことにより、メタル温度が高い後段側ほど低温の冷却空気により冷却されるので、全体として効率よく冷却することができる。また、後段側ほど温度が高いので、換言すれば後段側ほど動翼側のメタル温度が高くピンチポイントも小さくなりがちなので、比較的温度の低い途中段までの冷却でも充分に目的を達成することができる。
従って、温度差を原因とする熱膨張量の差から、動翼側及び静翼側が所定値以上に接近して干渉することが危惧されるクリアランスのピンチポイントができるという問題を解決できる。
【００２５】
換言すれば、部材温度が常温よりも高い状態で再起動されるガスタービンプラントにおいては、冷却しやすい静翼側と、閉空間があって熱容量の大きいロータディスクを含む動翼側との温度差が生じるので、ガスタービンプラントの起動時に、ガスタービン部７へ供給する冷却空気の一部を圧縮機動翼５の後方段下流側に開口させた冷却空気入口１３からロータディスク内のキャビティ２ｂ及び連通孔１４に導入し、ロータディスク内に形成された流路及びキャビティ２ｂ内を前方段側へ流して冷却することにより、温度差を原因とする膨張量のアンバランスを解消してクリアランスのピンチポイントを大きく確保するというガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法が可能になる。
【００２６】
このような冷却空気を用いたクリアランス低減方法によれば、常温で設定された定格運転時の最適クリアランスが温度差により小さくなりすぎるのを防止できるので、ホット状態の再起動時に必要なピンチポイントを対象とするクリアランス量を考慮する必要がなくなり、定格運転時に必要な最小限のクリアランスを設定することが可能になる。すなわち、充分な停止時間をとれないまま再起動しても、冷却空気を流すロータディスク側が冷却されて温度差を解消することができるので、定格運転時の温度条件で設定した最適クリアランスでも干渉するようなことはない。
【００２７】
以上説明したように、冷却空気を動翼側のロータディスク内に導入して後段側から前段側へ流す冷却空気流路を設けたので、部材温度が常温よりも高い状態、すなわち充分な冷却停止時間を経ることなく動翼側と静翼側との間に温度差が残った状態で再起動された場合であっても、温度の高い動翼側が冷却空気の通過により冷却されて温度差が解消される。従って、熱膨張のアンバランスも解消されてクリアランスのピンチポイントも当初の設定である定格運転時の大きさを、あるいは、定格運転時とほぼ同じ大きさを維持することができるので、定格運転時に最適なクリアランス設定が可能になってガスタービンプラントの性能を向上させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のガスタービン圧縮機のクリアランス低減方法及びガスタービンプラントによれば、下記のような効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、運転起動時には、運転停止後の冷却速度が遅く静翼側のケーシング（翼環）より温度の高いロータディスク内に冷却空気を流して冷却するので、メタル温度を低下させて温度差を解消することができ、動翼側及び静翼側に熱膨張量のアンバランスが生じていてもこれを解消することができる。従って、比較的大きなピンチポイントを確保できるようになり、ガスタービン圧縮機における動翼側と静翼側とのクリアランスを、ホット状態における再起動時に配慮することなく定格運転時の最適値に設定して、ガスタービンプラントの性能を向上させることができる。
【００２９】
請求項２に記載の発明によれば、運転起動時には、運転停止後の冷却速度が遅く静翼側のケーシング（翼環）より温度の高いロータディスク内に形成した冷却空気通路に冷却空気を流すことができるので、冷却空気により冷却されるロータディスクのメタル温度を低下させて温度差を解消することができる。従って、動翼側及び静翼側に熱膨張量のアンバランスが生じていてもこれを解消することができ、比較的大きなピンチポイントを確保することができるため、ホット状態における再起動時に配慮することなく定格運転時の最適値に設定して、ガスタービンプラントの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンプラントの一実施形態として、ガスタービン圧縮機の要部を示す断面図である。
【図２】ガスタービンプラントの概要を示す構成図である。
【図３】従来のガスタービン圧縮機に係る要部断面図である。
【符号の説明】
１　　ガスタービン圧縮機
２　　ディスク
２ａ，２ｂ，２ｃ　　キャビティ
３　　ケーシング（翼環）
４　　圧縮機静翼
５　　圧縮機動翼
６　　エアセパレータ
７　　ガスタービン部
８　　ガスタービン静翼
９　　ガスタービン動翼
１２　　シール機構
１３　　冷却空気入口
１４　　連通孔
１５　　冷却空気出口
２０　　燃焼器
３０　　冷却器
Ｒ　　ロータ
【図１】
2004060544.tif 000003
【図２】
2004060544.tif 000004
【図３】
2004060544.tif 000005