(57)【要約】【課題】ガスタービンの各種サイクルは、発電出力と発電効率の特性が異なっている。そのため、例えば、シンプルサイクルに使用するガスタービンをコンバインドサイクルや湿分利用サイクルに転用すると、それほど高効率が得られないという問題があった。【解決手段】本発明は、大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、該圧縮機，該燃焼器、及び該タービンを設計する際に必要な複数の設計要素で構成されるガスタービンの製造方法であって、前記ガスタービンの設計要素の中から各種発電サイクルに共通して用いる共通要素を設計し、製造するガスタービンの発電サイクルに前記共通要素を適合させるようガスタービンを設計することを特徴とする。【選択図】  図１
2004353587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、該圧縮機，該燃焼器、及び該タービンを設計する際に必要な複数の設計要素で構成されるガスタービンの製造方法であって、
前記ガスタービンの設計要素の中から各種発電サイクルに共通して用いる共通要素を設計し、製造するガスタービンの発電サイクルに前記共通要素を適合させるようガスタービンを設計することを特徴とする、ガスタービンの製造方法。
【請求項２】
大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、該圧縮機，該燃焼器、及び該タービンを設計する際に必要な複数の設計要素で構成されるガスタービンの製造方法であって、
前記ガスタービンの設計要素は、該設計要素を設計する際に必要なパラメータを有し、
前記ガスタービンの設計要素の中で、各種発電サイクルに共通して用いる共通要素が有するパラメータの値を各種発電サイクルの設計条件より設定し、該パラメータの設定値によって該共通要素を設計する第一の工程と、
製造するガスタービンの発電サイクルに前記設計された共通要素を適合させるようガスタービンを設計し、ガスタービンを製造する第二の工程と、
を備えたことを特徴とする、ガスタービンの製造方法。
【請求項３】
大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、該圧縮機，該燃焼器、及び該タービンを設計する際に必要な複数の設計要素で構成されるガスタービンの製造方法であって、
前記ガスタービンの設計要素は、該設計要素を設計する際に必要なパラメータを有し、
前記ガスタービンの設計要素の中で、各種発電サイクルに共通して用いる共通要素が有するパラメータの値を各種発電サイクルの設計条件より設定し、該パラメータの設定値によって該共通要素を設計する第一の工程と、
所望の発電サイクルに前記設計された共通要素を適合させるようガスタービンを設計する第二の工程と、
前記所望の発電サイクルと異なる発電サイクルに共通要素を適合させるよう前記設計されたガスタービンを設計変更し、ガスタービンを製造する第三の工程と、
を備えたことを特徴とする、ガスタービンの製造方法。
【請求項４】
大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、該圧縮機，該燃焼器、及び該タービンを設計する際に必要な複数の設計要素で構成されるガスタービンであって、
前記ガスタービンの設計要素の中に各種発電サイクルに共通して用いる共通要素を有し、前記ガスタービンを設計する際に、該共通要素は製造するガスタービンの発電サイクルに適合化されることを特徴とする、ガスタービン。
【請求項５】
大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方を設定することで設計する共通要素を有するガスタービンであって、
製造するガスタービンの発電サイクルにおける燃焼温度及び圧力比と、前記共通要素を設計した時に利用した燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方とが異なる共通要素を有することを特徴とする、ガスタービン。
【請求項６】
大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方を設定することで設計する共通要素を有し、製造するガスタービンの発電サイクルに前記設計された共通要素を適合させるよう設計し、製造されたガスタービンの改造方法であって、
改造するガスタービンの発電サイクルに前記共通要素を適合させるようガスタービンを設計変更することを特徴とする、ガスタービンの改造方法。
【請求項７】
大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより駆動するタービンとを備え、燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方を設定することで設計する共通要素を有し、製造するガスタービンの発電サイクルに前記設計された共通要素を適合させるよう設計し、製造されたガスタービンの改造方法であって、
改造されたガスタービンの発電サイクルにおける燃焼温度及び圧力比と、前記共通要素を設計した時に利用した燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方とが異なることを特徴とする、ガスタービンの改造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンとガスタービンの製造方法及びその改造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンを用いた発電サイクルの主流として、シンプルサイクル，コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルがある。従来、ガスタービンは、使用される発電サイクルに応じて、個別に設計されている。このため、設計された部品はその発電サイクルのガスタービン固有である。特許文献１には、異なる周波数用途で運転されるタービンのハードウェアに、共通性を持たせてコスト低減を図った技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−４４６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載された技術では、ハードウェアの共通性をタービン中間段の形状に持たせており、圧縮機を考慮していなかった。そのため、シンプルサイクルガスタービンをコンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルに転用する場合のように圧力比と燃焼温度の変更を伴う時は、圧縮機を考慮していない特許文献１に記載された技術を使用することが困難である。したがって、発電サイクルが異なるガスタービン間では、共通化された部品を使用することができず、多額の製造費用がかかった。また、異なる発電サイクルごとに一から設計・製造するため、共通化された部品を使用する場合に比べ、製造に長い時間を要した。
【０００５】
本発明の目的は、ガスタービンの製造費用を抑制し、製造にかかる時間を短縮することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガスタービンの設計要素の中から各種発電サイクルに共通して用いる共通要素を設計し、製造するガスタービンの発電サイクルに共通要素を適合させるようガスタービンを設計することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ガスタービンを用いた発電サイクルには、シンプルサイクル，コンバインドサイクル、及び湿分利用ガスタービンサイクルがある。
【０００８】
シンプルサイクルは、ガスタービン単体で発電し、タービンから排出される排出ガスを利用しない。
【０００９】
一方、コンバインドサイクルは、タービンから排出される高温の排出ガスを排熱回収ボイラに供給し、排熱回収ボイラから発生した蒸気を用いて蒸気タービンを駆動する。そして、ガスタービンと蒸気タービンより発電する。
【００１０】
湿分利用ガスタービンサイクルは、圧縮機から排出される圧縮空気と外部から供給された水または蒸気を混合し、その混合空気をガスタービンからの排出ガスと熱交換させることで、高温高湿分空気を生成している。その高温高湿分空気を燃焼器に供給する。
【００１１】
なお、湿分利用ガスタービンサイクルのようにタービンから排出される高温の排出ガスによって生成する蒸気を発電に用いるのではなく、他系統で消費するコージェネレーションはシンプルサイクルと見なすことができる。
【００１２】
本実施例におけるガスタービンの構成を図２に示す。ガスタービンは主に、大気空気２を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機３，圧縮空気と燃料７とを混合燃焼させ燃焼ガス８を生成する燃焼器６，燃焼器６から供給される燃焼ガス８によって駆動するタービン９を備えている。
【００１３】
次に、ガスタービンの運転方法について説明する。まず、大気空気２を大気吸気部１から圧縮機３に供給する。圧縮機３で圧縮された圧縮空気は、燃焼器車室４に供給され、燃焼器車室４は圧縮空気で充満する。そして、燃焼器車室４内の圧縮空気は、２重管構造のフロースリーブ５を通過し、燃焼器６に供給される。燃焼器６では、圧縮空気と燃料７とを混合して燃焼し、高温の燃焼ガス８を生成する。燃焼器６で生成された高温の燃焼ガス８は、タービン９に供給され、タービン９内で膨張し動翼を回転駆動させる。タービン９で発生した動力は、発電機を駆動するだけでなく、圧縮機３も駆動する。
【００１４】
タービン９及び燃焼器６は燃焼ガス８により高温となるため、冷却が必要である。そこで、冷却方法について説明する。タービン９にある第１段動翼１０，第２段動翼１１、及び第３段動翼１２を冷却するために、圧縮機最終段動翼出口１３から抽出された圧縮空気をロータ内部に供給する。次に、ロータ内部に導かれた圧縮空気は、ロータの中心孔からタービン軸下流方向に流れて、ホイールの側面より各動翼に供給される（図２の経路Ａ）。なお、本実施例ではタービン軸上流を燃焼器側とし、燃焼ガスがタービン内を通過する方向をタービン軸下流方向とする。燃焼器６の冷却では、冷却空気は、燃焼器車室４からフロースリーブ５に流入する燃焼用空気１４を用いる。第１段静翼１５の冷却空気は、燃焼器車室４から直接流入する空気１６を用いる。第２段静翼１７，第３段静翼１８の冷却空気は、冷却能力に適した圧力を得られる圧縮機途中段のケーシングに設けた抽気キャビティ１９から配管２０を通過して供給される。第１段動翼１０の外周に位置する第１段シュラウド２１の冷却空気は、燃焼器車室４から直接流入する空気２２を用いる。第２段動翼１１の外周に位置する第２段シュラウド２３及び第３段動翼１２の外周に位置する第３段シュラウド２４の冷却空気は、配管２０から導入した空気を用いる。さらに、燃焼ガス８がタービン９のガスパスを通過する際に、動翼内側のホイールスペース２５に侵入しないように、ホイールスペース２５に圧縮機最終段動翼出口１３から抽出された圧縮空気２６を供給する。また、ホイールスペース２７，２８，２９，３０には、配管２０からの空気が静翼１７，１８内部を通過して供給する。ホイールスペース３１，３２には、冷却能力に適した圧力を得られる圧縮機途中段のケーシングに設けた抽気キャビティ３３から配管３４を通過し、更に静翼内部を通過して空気が供給される。ホイールスペース３５には、後ろ側軸受け室３６の空気３７を供給する。
【００１５】
次に、ガスタービンを用いた発電サイクルである、コンバインドサイクル，湿分利用ガスタービンサイクル、及びシンプルサイクルの特性を図３，図４より説明する。
【００１６】
図３は、コンバインドサイクルの発電出力と発電効率の関係を示す。なお、湿分利用ガスタービンサイクルもほぼ同等の特性を示す。図３において、横軸が発電出力、縦軸が発電効率を表す。そして、圧力比を一定とした場合、燃焼温度を変化させることで各燃焼温度に対応する発電出力と発電効率との関係を求めることができるため、図中にプロット出来る。同様に、燃焼温度を一定とし圧力比を変化させた場合にも、図中にプロットすることが出来る。
【００１７】
図３から、圧力比を変化させずに燃焼温度を高くすると、発電効率及び発電出力が向上することが分かる。この理由は、コンバインドサイクルでは、燃焼温度を高くすると、タービンから排出する排出ガスの温度が上昇するため、排熱回収ボイラで発生する蒸気量も増加し、蒸気温度や蒸気圧力が高くなるからである。よって、蒸気タービン出力が上昇し、コンバインドサイクルの発電効率も上昇する。湿分利用ガスタービンサイクルでは、タービンから排出される排出ガスの温度が上昇することで、圧縮機から排出される圧縮空気に水または蒸気を添加する量を増加させることが可能である。そのため、湿分利用ガスタービンサイクルの発電効率及び発電出力が向上する。
【００１８】
また、同じ燃焼温度で圧力比を高くすると、発電効率や発電出力は低下することが分かる。コンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルでは、圧力比が高くなることで圧縮機動力が増加して圧縮機断熱効率が低下することと、圧縮機から排出される圧縮空気の温度が上昇しタービン高温部を冷却するための空気量が増加することとが原因である。コンバインドサイクルでは更に、タービンから排出される排出ガスの温度が低下し、蒸気タービン出力が低下することも影響する。
【００１９】
従って、本実施例において、コンバインドサイクルと湿分利用ガスタービンサイクルの最適な設計条件を、燃焼温度を１４５０℃、圧力比を２０（図３の点Ｂ）としている。燃焼温度を１４５０℃としているのは、燃焼温度をさらに高くすると発電効率は高くなるが、燃焼によるＮＯｘが増加し、タービン高温部を冷却するための空気量が増加するため、燃焼温度は１４５０℃に抑えている。
【００２０】
図４は、シンプルサイクルの発電出力と発電効率の関係を示す。図４における、圧力比と燃焼温度からシンプルサイクルの特性をプロットする方法は、図３と同様である。
【００２１】
図４より、同じ燃焼温度で圧力比を高くすると発電効率が上昇することが分かる。この理由は、圧力比を上昇させることで圧縮機動力が増加するが、それを上回るタービン出力の上昇があるためである。
【００２２】
また、圧力比は変化させず燃焼温度を高くすると、発電効率は徐々に低下する。この理由は、燃焼温度が高くなるとその分だけタービン９を冷却するための空気量が増加するためである。
【００２３】
従って、本実施例において、シンプルサイクルの最適な設計条件を、燃焼温度を１２５０℃、圧力比を２３（図４の点Ｃ）としている。圧力比を２３としているのは、圧力比を更に高くすると効率は上昇するが、大気空気２の温度が高いと、圧縮機から排出する圧縮空気の温度が５００℃を超える可能性があり、圧縮機ロータ材の強度信頼性の観点から、圧力比を２３にしている。
【００２４】
図３，図４で示したように、高い発電効率を得るためには、コンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルでは、圧力比を高く設定する必要はないが、燃焼温度を高く設定する必要がある。一方、シンプルサイクルでは燃焼温度を高く設定する必要はないが、圧力比を高く設定する必要がある。
【００２５】
このような特性に応じて、従来では、圧力比３０以上（高圧力比）の航空機転用ガスタービンをシンプルサイクルに用いている。しかし、航空機転用ガスタービンをコンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルに用いると、高圧力比のためタービンからの排出ガス温度が低く、それほど発電効率が得られない問題がある。また、コンバインドサイクルは主に１３００℃から１５００℃まで燃焼温度を上げ（高温度）、圧力比は２０以下（低圧力比）の陸上専用に設計された重構造ガスタービンが用いられている。これをシンプルサイクルで用いると、圧力比が低いため、高い発電効率が得られない問題がある。また、例えば重構造ガスタービンにおいて、圧力比は変えずに単に燃料流量を少なくして燃焼温度を下げたとしても、タービン高温部を冷却するための空気量は燃焼温度が高い条件のまま多量に流れるので、図４に示すような発電効率の向上は得られない。
【００２６】
図３，図４の特性を踏まえると、シンプルサイクル，コンバインドサイクルと湿分利用ガスタービンサイクル、それそれで高発電効率の得られる燃焼温度，圧力比のガスタービンを開発することが理想である。しかし、複数のガスタービンを有するのは開発費がかさみ、製造ラインの維持コストが高くなるという問題がある。また、ガスタービンの使用形態も多様化しており、今後市場拡大が予想されるガスタービンに特化するのは開発リスクが大きいという問題もある。
【００２７】
そこで、本実施例における、シンプルサイクル，コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクル、それぞれにおいて高発電効率を得るための設計方法を図１に示す。
【００２８】
図１の手順１では、圧縮機や燃焼器，タービンを設計する際に必要であり、圧縮機の翼型や圧縮機のロータ，タービン翼型等のようにガスタービンを構成する複数の設計要素の中から、共通要素を選定する。なお、設計要素はパラメータを有し、パラメータの値を与えることで各設計要素を設計することが可能である。また、共通要素とは、シンプルサイクル，コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルにおいて共通して用いる設計要素である。本実施例において各種発電サイクルの共通化用に設計された共通要素は、図２における圧縮機３の翼型とそのロータ，タービン９の翼型とそのロータ、及びケーシングとする。そして、各共通要素のパラメータを燃焼温度と圧力比とし、このパラメータの値を利用して各共通要素を設計することが可能である。
【００２９】
次に、手順２において、手順１で選定された共通要素の設計を行う。共通要素を設計する場合、パラメータの値を設定する必要がある。そこで、各種発電サイクルにおける燃焼温度及び圧力比の最適な設計条件を基準に、共通要素ごとに適した燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方の値（パラメータの値）を設定する。
【００３０】
圧縮機３の翼型を含むガスパス形状は、最も圧力比が高い条件で設計すれば各種発電サイクルに適合させることが容易である。そこで、本実施例では、圧力比の高いシンプルサイクルの設計条件で設計している。そのため、コンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルにする場合には、圧力比を低く設定すれば済むため、そのまま、あるいはわずかな改良で対応可能である。
【００３１】
圧縮機３のロータは、圧縮機３から排出される圧縮空気の温度が高くなり、圧縮機ロータ温度も高くなる。したがって、圧縮機ロータに作用する熱応力も大きくなるシンプルサイクル（高圧力比）の条件で設計している。コンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルにする場合は圧力比が低いため、構造はそのまま適合できる。
【００３２】
タービン９の翼型は、圧力比が高い条件で設計することが望ましい。翼形状の損失が大きくなると、タービン９から排出される排出ガスの温度が高くなり、発電効率も低下するためである。本実施例では、タービン９の翼型を含むガスパス形状は、圧力比の高いシンプルサイクルの条件で設計している。このようにシンプルサイクルで設計しているため、コンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルに適合させる場合には翼の損失が増加するが、その分タービンから排出される排出ガスの温度が高くなる。よって、蒸気タービン出力や圧縮空気への蒸気含有量が増加して、発電サイクル全体としての発電効率低下は抑制される。
【００３３】
タービンロータは、燃焼ガス８の温度が高く、タービン動翼を冷却する空気の温度が低い、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルの条件で設計する。本実施例では、タービンロータの半径方向の温度差が大きく、熱応力も大きい条件下でタービンロータを設計している。そのため、燃焼ガス８の温度が低いシンプルサイクルに変更する場合には、構造はそのまま適用できる。
【００３４】
ケーシングは、高圧力比で設計する。圧縮機側もタービン側も圧縮空気にさらされるため、圧力比の高いシンプルサイクルの条件で設計することが望ましい。このように設計することで、コンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクル（低圧力比）に変更する場合には、圧縮機側では構造はそのまま適用できる。しかし、タービン側では燃焼温度が増加するため、これに対応した変更が必要である。
【００３５】
以上のように、各種発電サイクルにおける燃焼温度及び圧力比の最適な設計条件を基準に、それぞれの共通要素に適した燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方の値（パラメータの値）を設定した結果が、図５である。そして、設定されたパラメータの値より、事前にガスタービンの共通要素を設計しておくことが可能である。
【００３６】
シンプルサイクルに、手順２において設計された共通要素を適合させるようガスタービンを設計する手順３−Ａについて説明する。図５を参照すると、共通要素の中でタービンロータのみが、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに基づいた燃焼温度の設定値となっている。しかし、タービンロータは燃焼温度を１４５０℃という条件で設計しているため、シンプルサイクルに適合させる場合、ガスタービンの発電サイクルにおけるタービンロータの燃焼温度が低下するだけである。したがって、タービンロータを新しく設計しなおす必要はない。図６は、事前に設計された共通要素のパラメータの設定値と、シンプルサイクルにおける共通要素のパラメータの値とを比較したものである。図６において、手順２の時に設計された各共通要素の燃焼温度や圧力比（パラメータの値）を分母に示す。また、分子には、シンプルサイクルにおける共通要素の燃焼温度や圧力比（パラメータの値）を示す。
【００３７】
コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに、手順２において設計された共通要素を適合させるようガスタービンを設計する手順３−Ｂについて説明する。図５を参照すると、圧縮機翼型とそのロータ，タービン翼型，ケーシングが、シンプルサイクルに最適な燃焼温度や圧力比で設計されている。この中で、圧縮機翼型とそのロータは、圧力比を２３に設定しているため、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクル（圧力比２０）にそのまま利用可能である。しかし、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルで設計するときの燃焼温度は１４５０℃であるため、手順２において燃焼温度１２５０℃で設計されたタービン翼型やケーシングは、許容の燃焼温度を超えている。そのため、タービン翼型やケーシングを、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに適合化するには、補助設計事項の変更が必要である。補助設計事項とは、例えばタービン翼型に関連する場合、燃焼温度や圧力比の変化に応じて冷却空気温度が変わるため、タービン９の動翼に供給する冷却空気量を変化させたり、タービン後段側の冷却の有無，翼面に施工する熱遮蔽コーティングＴＢＣの有無，材質切替といった設計個所を表す。即ち、補助設計事項は、共通要素を異なる発電サイクル間で適合させるようガスタービンを設計するために、設計・変更を行う設計個所である。図７は、図６と同様に事前に設計された共通要素のパラメータの設定値と、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルにおける共通要素のパラメータの値とを比較したものである。
【００３８】
このように、手順３−Ａ，３−Ｂで設計したガスタービンは、設計要素の中から共通要素を設計するという工程を経ているため、ガスタービンの所望の発電サイクルにおける燃焼温度及び圧力比と、共通要素を設計した時に利用した燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方とが異なる共通要素を有することになる。しかし、例えば手順２においてシンプルサイクルで設計された共通要素を、次の工程でコンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルに適合させるようガスタービンを設計するときは、共通要素に関しては補助設計事項の変更に留めておくことが可能である。
【００３９】
したがって、手順２において事前にガスタービンの共通要素を設計しておくことで、シンプルサイクルを設計する場合（手順３−Ａ）にしても、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルを設計する場合（手順３−Ｂ）にしても、共通要素に関しては補助設計事項の設計というわずかな変更に留めて、共通要素以外の設計要素を設計することに注力すればよい。したがって、一からガスタービンを設計する場合に比べ、ガスタービンの設計費用を抑制することが可能である。また、ガスタービンの設計にかかる時間を短縮することも可能である。更に、一つのガスタービンサイクルに特化していないので、市場の変化に柔軟に対応でき、開発リスクを分散できる効果がある。
【００４０】
次に、設計要素の中から共通要素を設計するという工程を経て設計された手順３−Ａ又は３−Ｂのガスタービンを、手順３−Ａ又は３−Ｂと異なる発電サイクルへ設計変更する場合の変更容易性について、以下に説明する。
【００４１】
手順２に基づいて設計されたシンプルサイクルガスタービンに含まれる共通要素を、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルへ適合させるようガスタービンを設計変更する時の補助設計事項の変更部分について説明する。
【００４２】
圧縮機における変更個所は、ガスタービンを実際に稼動するときの圧力比が低下するため、圧縮機段数の減少，圧力比が低下し圧縮空気温度が低下することによる圧縮機翼，ロータ、及びケーシングの材質切替等が考えられる。しかし、手順２において、圧縮機翼型とそのロータ、及びケーシングは圧力比を２３で設計しているため、圧縮機の設計変更は比較的容易である。
【００４３】
タービンにおける変更個所は、ガスタービンを実際に稼動するときの燃焼温度が変化することと、圧力比変化に応じてタービン高温部を冷却するための空気温度が変化することとによる、冷却空気量の増減，タービン後段側の冷却の有無，翼面に施工する熱遮蔽コーティングＴＢＣの有無，材質切替等が考えられる。特にタービン翼型は精密鋳造で製作するため、翼を単結晶，一方向凝固，多結晶翼のいずれで製造するかを選択する必要がある。手順２ではタービン翼型の燃焼温度を１２５０℃として設計しているため、ガスタービンをコンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルで実際に稼動すると、燃焼温度の許容値を超えてしまう。そこで、高温強度に優れた単結晶翼を使用することが考えられる。
【００４４】
燃焼器における変更個所では、燃焼温度と圧力比の変化に応じて圧縮空気（ガスタービンに供給する冷却空気）の温度が変化するため、乱流促進リブの有無及び材質切替等が考えられる。
【００４５】
手順２に基づいて設計されたコンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに含まれる共通要素を、シンプルサイクルへ適合させるようガスタービンを設計変更する時の補助設計事項の変更部分について説明する。
【００４６】
圧縮機における変更個所は、ガスタービンを実際に稼動するときの圧力比が上昇するため、圧縮機段数の増加，圧力比が上昇し圧縮空気温度が上昇することによる圧縮機翼，ロータ、及びケーシングの材質切替等が考えられる。しかし、手順２において、圧縮機翼型とそのロータ、及びケーシングは圧力比を２３で設計しているため、圧縮機の設計変更は比較的容易である。
【００４７】
タービンにおける変更個所は、タービン翼型とケーシングが、手順２で設計された時の燃焼温度（１２５０℃）よりも高い温度（１４５０℃）でガスタービンを運用していたため、それに耐えるような補助設計事項の変更がなされていた。しかし、シンプルサイクルへの変更によってガスタービンを稼動するときの燃焼温度が低下するため、１４５０℃という燃焼温度に耐えるような補助設計事項の変更をする必要がなくなる。したがって、高温強度は低いが低コストの多結晶翼を使用することも考えられる。また、タービン翼型は、手順２においてシンプルサイクルに適した圧力比で設計されているため、変更は容易に行える。タービンロータは、ガスタービンを稼動するときの燃焼温度が低下するため、変更する必要はない。これらの変更のほかにも、圧力比変化に応じて冷却空気温度が変わることによる冷却空気量の増減，タービン後段側の冷却の有無，翼面に施工する熱遮蔽コーティングＴＢＣの有無，材質切替等が考えられる。また、燃焼温度が低くなりかつ圧力比が高くなるので燃焼器から排出される燃焼ガス温度も低くなる。そこで、タービン９の第３段動翼１２を無冷却にすることも考えられる。
【００４８】
燃焼器における変更個所は、燃焼温度と圧力比の変化に応じて圧縮空気（ガスタービンに供給する冷却空気）の温度が変化するため、乱流促進リブの有無や材質切替等が考えられる。
【００４９】
このように、設計要素の中から共通要素を設計するという工程を経て設計されたガスタービンに含まれる共通要素を、所望の発電サイクルへ適合させるようガスタービンを設計変更するとき、共通要素に関連する補助設計事項の変更にとどめておくことが可能である。例えば、圧縮機の場合では、圧縮機段数の増減や圧縮機翼，ロータ、及びケーシングの材質切替等といった圧縮機翼型に関連する補助設計事項を設計変更することで、異なる発電サイクル間で共通要素を適合させるようガスタービンを設計変更することが可能である。
【００５０】
したがって、事前に設計された共通要素を元に各種発電サイクルのガスタービンを設計することで、次の工程で更に異なる発電サイクルに変更する場合、わずかな変更のみで短時間にガスタービンを設計変更することが可能である。また、最初から設計しなおす場合に比べ低コストであり、開発リスク分散に効果的である。
【００５１】
なお、本実施例におけるビジネス形態として、以下の２通りがある。
【００５２】
第一に、ガスタービン製造メーカーが、手順３−Ａ又は手順３−Ｂで設計されたガスタービンを製造し、最終製品として出荷する場合である。この場合、ガスタービン製造メーカーは顧客の受注に応じて、共通要素を元に各種の発電サイクルガスタービンを設計・製造し（手順３−Ａ又は手順３−Ｂ）、納入する。即ち、製造するガスタービンの所望の発電サイクルに、手順２において設計された共通要素を適合させるようガスタービンを設計する。したがって、全ての設計要素を一から設計する時に比べると、共通要素に関しては補助設計事項の変更というわずかな変更に留めることができ、ガスタービンの設計・製造にかかるコストを抑制することが可能である。また、ガスタービン製造メーカーは一つの発電サイクルに特化していないため、顧客の受注に迅速に対応できるだけでなく、開発リスクを分散できる効果がある。
【００５３】
第二に、ガスタービン製造メーカーが手順４−Ａ又は４−Ｂで設計されたガスタービンを製造し、最終製品として出荷する場合が考えられる。ガスタービン製造メーカーは、手順３−Ａ又は３−Ｂで既にガスタービンの設計を終了しているため、顧客の受注によって設計する個所は共通要素に関連する補助設計事項の設計変更のみである。したがって、第一の場合に比べ、顧客の受注に更に迅速に対応できるという効果がある。また、ガスタービンの設計・製造にかかるコストを抑制することができる。
【００５４】
手順３−Ａ又は手順３−Ｂで設計し、最終製品として出荷されたガスタービンは、製造されたガスタービンの発電サイクルに共通要素を適合させるよう設計されている。そのため、このガスタービンを製造した時の発電サイクルと異なる発電サイクルに改造する場合も、共通要素に関連する補助設計事項の変更にとどめて、改造するガスタービンの発電サイクルに共通要素を適合させるようガスタービンを設計変更する。したがって、改造されたガスタービンの発電サイクルにおける燃焼温度及び圧力比と、前記共通要素を設計した時に利用した燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方とが異なることになる。このように改造した場合、手順３−Ａ又は手順３−Ｂにおけるガスタービンは顧客によって運転実績を積み上げているため、これをもとにした改造は実績ベースの改造となる。したがって、信頼性が向上するという効果を奏する。また、改造による変更箇所は共通要素に関連する補助設計事項の変更で済むため、ガスタービンの改造費用を抑制することが可能であり、改造にかかる時間も短縮することができる。
【００５５】
次に、設計された共通要素を所望の発電サイクルに適合させるようガスタービンを設計する時や、一度設計を終えたガスタービンを異なる発電サイクルに適合させるようガスタービンを設計変更する時の補助設計事項における変更部分について説明する。なお、製造するガスタービンの発電サイクルに共通要素を適合させるよう設計され、最終製品として出荷されたガスタービンを別の発電サイクルに改造する場合にも、以下の補助設計事項の変更を行う。
【００５６】
本実施例において、シンプルサイクルを湿分利用ガスタービンサイクルに設計変更する場合の圧縮機における変更個所を図８に示す。変更個所は圧縮機前側ロータ５０の外周に設置していた翼を削除している点である。湿分利用ガスタービンサイクルでは、タービンを通過する燃焼ガスの質量流量が圧縮機から排出される圧縮空気に蒸気を添加している分だけ増加傾向になる。圧力比は下げたいにも関わらず、タービン入口における燃焼ガスの質量流量が増加すると圧縮機の圧力比が増加してしまう。したがって、圧縮機が吸い込む大気空気２の量を少なくすることが効果的である。そこで本実施例では、圧縮機が吸い込む大気空気２の量を減少させるために、圧縮機前側ロータ５０の外周に設置していた翼を削除している。よって、圧力比を低下させ、発電効率の向上を狙っている。
【００５７】
また、シンプルサイクルをコンバインドサイクルに変更するときの圧縮機における変更個所を図９に示す。変更個所は圧縮機後側ロータ５１の外周に設置していた翼を削除している点である。コンバインドサイクルで用いるガスタービンは、圧縮機が吸い込む大気空気２の量を変化させる必要はないが、圧力比を低下させることが望ましい。そのためには、圧縮機後側段の翼を削除することが効果的である。
【００５８】
圧縮機翼は、手順２において、圧力比２３で設計されている。そのため、図８，図９に示したように圧縮機翼の翼数を調整するだけで対応可能であり、その他の部分は変更しないため、簡単にかつ迅速に対応でき、低コスト化可能という効果を奏する。また、開発の低リスク化にも寄与する。
【００５９】
逆に湿分利用ガスタービンサイクルやコンバインドサイクルをシンプルサイクルに変更する場合、変更時に圧縮機翼を増加させることで対応できる。圧縮機翼は手順２において、圧力比２３で設計されているため、ガスタービンを実際に稼動するときの圧力比を上昇させても、対応可能だからである。
【００６０】
本実施例において、タービン動翼の変更個所を以下に説明する。
【００６１】
図１０は、手順２で共通要素を設計した時のタービン動翼の動翼断面図（シンプルサイクル）である。ロータを通して供給された冷却空気６０は冷却空気流量調節用のオリフィス６１，６２を通って翼内に供給される。翼内部の冷却通路には熱伝達率を高めて冷却を強化するための乱流促進リブ６３やピンフィン６４を設けている。オリフィス６１を通過した冷却空気は２回Ｕターンして動翼外周６５から噴出する。オリフィス６２を通過した冷却空気は１回Ｕターンしてピンフィン６４を通過後に後縁６６から噴出する。
【００６２】
前述のように、手順２で共通要素を設計した時のタービン動翼は、燃焼温度１２５０℃で設計されている。そのため、手順４−Ａへの変更では、ガスタービンを稼動するときの燃焼温度が１４５０℃になるため、この燃焼温度に耐えるための改造が必要である。図１１，図１２，図１３は、図１０のシンプルサイクルのタービン動翼をコンバインドサイクルや湿分利用ガスタービンサイクルに変更した一例を示す。図１１で変更した個所は、翼部の表面に熱遮蔽コーティングＴＢＣ７０を施している点である。燃焼温度は上昇するが、ＴＢＣ７０を施工することによりＴＣＢ７０の内側にあるメタル温度の上昇を抑制することが可能である。図１２では、翼全縁部にフィルム冷却孔８０を設けている。翼の前縁部における外側は熱伝達率が高く、メタルが高温になりやすい。フィルム冷却孔８０を設けることにより、翼表面に冷却空気の層を生成し燃焼ガスが直接翼表面に接触しにくくなる効果がある。図１１，図１２の方法を用いると、燃焼ガスと冷却空気の温度差によるメタルの温度勾配を小さくすることが可能である。よって、翼に発生する熱応力を抑制することができ信頼性が向上する。また、静翼に対してもＴＢＣ７０を施工したりフィルム冷却孔を設けたりすると、動翼と同様の効果が得られる。図１３では、オリフィス６１，６２の流路孔径ｄ１，ｄ２を大きくして冷却空気量を増加させている。冷却空気量が増加することにより、冷却流路側の熱伝達率を上げて翼メタル温度の上昇を抑制することが可能である。また、オリフィス６１，６２は動翼と別部材で構成できるので、オリフィス孔径ｄ１，ｄ２の加工はオリフィス単独で容易に実施できる。もし仮にｄ１，ｄ２の加工に失敗してもオリフィス６１，６２だけを作り直せばよく、翼全部を無駄にすることがない。さらに、図１１，図１２，図１３の実施を組合せることにより、冷却強化の相乗効果が得られる。湿分利用ガスタービンサイクルやコンバインドサイクルをシンプルサイクルに変更する場合は、ＴＢＣ７０の施工を取りやめたり、フィルム孔の加工を取りやめたり、オリフィスの孔径を小さくすることで高効率，高信頼性，低コストに対応できる。
【００６３】
図１４に図２で示した第１段静翼１５を示す。第１段静翼１５は、燃焼器車室に充満している圧縮機より排出された圧縮空気の一部が、冷却空気１６として第１段静翼１５の内側と外側から供給される。外側の額縁９０にはプレート９２が取り付けられており、プレート９２に設けた複数の孔９３を通して冷却空気１６が第１段静翼１５に供給される。同様に内側の額縁９１にもプレート９４が取り付けられており、プレート９４に設けた複数の孔９５を通して、冷却空気１６が第１段静翼１５に供給される。
【００６４】
シンプルサイクルからコンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに変更する場合、ガスタービンが稼動するときの燃焼温度が上昇する。したがって、冷却空気１６の流量を増加させる必要があるので、孔９３，９５の数量を増やしたり孔径を大きくしたりすることで対応できる。なお、プレート９２，９４は額縁９０，９１と別部材にしているので、プレート９２，９４単独で容易に加工ができる。もし仮に孔９３，９５の加工に失敗してもプレート９２，９４だけを作り直せばよく、翼全部を無駄にすることがない。コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルからシンプルサイクルに変更する場合は前記とは逆に、孔９３，９５の数量を少なくしたり孔径を小さくしたりすることで対応できる。また、その他の静翼についても額縁に孔付プレートを設けて冷却する構造は採用可能であるため、本実施例記載の方法で冷却空気量を調節できる。
【００６５】
図１５に、図２におけるホイールスペース２７，２８への空気導入経路，第１段シュラウド２１，第２段シュラウド２３への冷却空気の流路を示す。ホイールスペース２７，２８への空気は配管２０から供給され、第２段静翼１７を通過してダイアフラム１００のキャビティに導かれる。キャビティに導かれた空気はダイアフラムの第１段動翼側に設けた孔１０１を通ってホイールスペース２７に供給され、主流ガス中に放出される。ホイールスペース２７に供給された空気の一部はダイアフラム１００の内側を通過してホイールスペース２８に供給され、主流ガス中に放出される。第１段シュラウド２１は、燃焼器車室に充満した圧縮空気の一部２２をシュラウド前側に設けた孔１０２，主流ガス側に面した冷却孔１０３に供給することによりシュラウドを冷却し、冷却後は主流ガス中に放出する。第２段シュラウド２３は、図２に示す配管２０から供給された空気の一部をシュラウド前側に設けた孔１０４，主流ガス側に面した冷却孔１０５に供給することによりシュラウドを冷却し、冷却後は主流ガス中に放出する。
【００６６】
シンプルサイクルからコンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに変更する場合、燃焼温度が上昇するため、ホイールスペース２７，２８に供給する空気流量を増加させたり、シュラウド冷却空気量を増加させたりする必要がある。そこで、孔１０１，１０２，１０３，１０４，１０５の数量を増やしたり孔径を大きくすることにより対応できる。コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルからシンプルサイクルに変更する場合は、前記とは逆に、孔１０１，１０２，１０３，１０４，１０５の数量を少なくしたり孔径を小さくすることで対応できる。
【００６７】
ケーシング冷却系統のその他の実施例を図１６に示す。図１６では、圧縮機中間段からの抽気配管２０，３４上にオリフィス１１１，１１２，１１３を設けている。配管２０，３４からの空気は、第２段静翼１７，第３段静翼１８，第２段シュラウド２３，第３段シュラウド２４、及びホイールスペース２７，２８，２９，３０，３１，３２を冷却するために供給されている。シンプルサイクルからコンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに変更する場合、ガスタービンを稼動するときの燃焼温度が上昇するため、静翼，シュラウド，ホイールスペースへの必要空気量は増加する。そこで、配管上に設けたオリフィス１１１，１１２，１１３の孔径を大きくすることで対応可能である。また、逆にコンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルからシンプルサイクルに変更する場合、オリフィス１１１，１１２，１１３の孔径を小さくすることで対応できる。ケーシングより外部の配管上で空気流量を調整するので、実施が容易である。また、ガスタービンの運用開始後にシンプルサイクルとコンバインドサイクルの運転を切り替える場合でも、ガスタービン本体を分解することなく空気量を調節できる。さらに、オリフィス１１１，１１２，１１３の代わりにバルブを設置することによっても同様の効果を奏する。
【００６８】
図１７に図２で示した燃焼器の空気流れを示す。フロースリーブ５が２重管構造になっており、２重管の内側を燃焼ガス８が通り、それを包み込むように外側を燃焼用空気１４が通過する。フロースリーブ５における内側の筒に乱流促進リブ１２０を設けたり、冷却孔１２１をあけて燃焼用空気１４を一部漏らしたりして内側の筒を冷却している。シンプルサイクルをコンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルに変更する場合、ガスタービンが稼動するときの燃焼温度が上昇するため、乱流促進リブ１２０，孔１２１の数量を増やすことで内側の筒の温度上昇を抑制することが可能である。また逆に、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルをシンプルサイクルに変更する場合、乱流促進リブ１２０の数量を減らしたり、場合によっては乱流促進リブ１２０をなくすことも可能である。また、孔１２１の数量を減らすことで、冷却空気量を削減できる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービンの製造費用を抑制し、製造にかかる時間を短縮することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】シンプルサイクル，コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルにおける設計方法及び改造方法を表した図。
【図２】ガスタービン本体の構成図。
【図３】コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルにおける発電出力と発電効率の特性を表した図。
【図４】シンプルサイクルにおける発電出力と発電効率の特性を表した図。
【図５】共通要素に適した燃焼温度及び圧力比の少なくとも一方の値を設定した時の表。
【図６】事前に設計された共通要素のパラメータの設定値と、シンプルサイクルにおける共通要素のパラメータの値とを比較した表。
【図７】事前に設計された共通要素のパラメータの設定値と、コンバインドサイクル及び湿分利用ガスタービンサイクルにおける共通要素のパラメータの値とを比較した表。
【図８】圧縮機前側ロータ５０の外周翼を削除した場合の図。
【図９】圧縮機後側ロータ５１の外周翼を削除した場合の図。
【図１０】シンプルサイクルにおけるタービン動翼断面を表した図。
【図１１】タービン動翼に熱遮蔽コーティングを施した時の図。
【図１２】タービン動翼にフィルム冷却孔を設けた時の図。
【図１３】タービン動翼のオリフィス冷却孔径を変更した場合の図。
【図１４】タービンの第１段静翼を表した図。
【図１５】ホイールスペース２７，２８，第１段シュラウド２１，第２段シュラウド２３への冷却空気流路を表した図。
【図１６】ケーシングの冷却系統を表した図。
【図１７】燃焼器中の空気流路を表した図。
【符号の説明】
２…大気空気、３…圧縮機、４…燃焼器車室、５…フロースリーブ、６…燃焼器、８…燃焼ガス、９…タービン、１０…第１段動翼、１１…第２段動翼、１２…第３段動翼、１５…第１段静翼、１７…第２段静翼、１８…第３段静翼。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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