(57)【要約】  空冷式ガスタービン（１０）の部分負荷運転時の冷却を改善するために、圧力レベルの異なる２つの冷却空気管路（５，６）の間に、比較的高い圧力レベルを有する第２の冷却空気管路（６）から比較的低い圧力レベルを有する第１の冷却空気管路（５）へと通じている接続管路（７）を設けることが提案される。この場合、該接続管路（７）には、第２の冷却空気管路（６）から第１の冷却空気管路（５）へと流れる補助冷却空気流を冷却するための冷却装置（９）と、制御エレメント（１１）とが配置されている。ガスタービン（１０）の他に、このようなガスタービン（１０）を運転する方法が本発明の対象である。
2015511684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１）と、燃焼器（２）と、タービン（３）と、前記圧縮機（１）の第１の圧力段から前記タービン（３）へと通じている少なくとも１つの第１の冷却空気管路（５）並びに前記圧縮機（１）のより高圧の第２の圧力段から前記タービン（３）へと通じている少なくとも１つの第２の冷却空気管路（６）を含む冷却空気系統と、を備えたガスタービン（１０）であって、
該ガスタービン（１０）の前記冷却空気系統は、前記第２の冷却空気管路（６）から前記第１の冷却空気管路（５）へと通じている接続管路（７）を含み、該接続管路（７）内には、前記第２の冷却空気管路（６）から前記第１の冷却空気管路（５）へと流れる補助冷却空気流を冷却するための冷却装置（９）と、制御エレメント（１１）とが配置されていることを特徴とする、ガスタービン。
【請求項２】
前記接続管路（７）には急冷装置（１３）が、前記補助冷却空気流を冷却するための冷却装置（９）として配置されている、請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
前記接続管路（７）には熱交換機（２０）が、前記補助冷却空気流を冷却するための冷却装置（９）として配置されている、請求項１又は２記載のガスタービン。
【請求項４】
前記接続管路（７）には噴射ポンプ（１５）が冷却装置（９）として配置されていて、前記噴射ポンプの吸込側の入口は周囲に、膨張剤入口（２３）は前記第２の冷却空気管路（６）に接続されていて、これにより周囲空気（１７´）を吸い込むことができ、該周囲空気（１７´）と前記第２の冷却空気管路（６）からの補助冷却空気との混合物を前記噴射ポンプ（１５）の出口を介して前記接続管路（７）を通してさらに前記第１の冷却空気管路（５）へと案内することができる、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項５】
前記噴射ポンプ（１５）の吸込側入口は、前記ガスタービン（１０）のフィルタハウジング（１８）を介して周囲に接続されている、請求項４記載のガスタービン。
【請求項６】
前記第１の冷却空気管路（５）には、前記圧縮機（１）と、前記第１の冷却空気管路（５）への前記接続管路（７）の接続部との間で、前記第２の冷却空気管路（６）からの補助冷却空気の前記圧縮機（１）へ逆流を阻止する逆止弁（１６）が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項７】
前記第１の冷却空気管路（５）には、前記圧縮機（１）と、前記第１の冷却空気管路（５）への前記接続管路（７）の接続部との間で、前記第１の冷却空気管路（５）を、前記圧縮機（１）と前記接続管路（７）との間で遮断することができる冷却空気制御エレメント（１２）が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項８】
可変圧縮機静翼列（１９）を有する圧縮機（１）と、燃焼器（２）と、タービン（３）と、を備えたガスタービン（１０）であって、該ガスタービンは、前記圧縮機（１）の第１の圧力段から前記タービン（３）へと通じている少なくとも１つの第１の冷却空気管路（５）並びに前記圧縮機（１）のより高圧の第２の圧力段から前記タービン（３）へと通じている少なくとも１つの第２の冷却空気管路（６）を含む冷却空気系統を備えているガスタービン（１０）を運転する方法であって、
前記ガスタービン（１０）の部分負荷のときに、前記可変圧縮機静翼列（１９）を、全負荷位置のときよりも閉じ、前記第２の冷却空気管路（６）からの補助冷却空気流を、前記第２の冷却空気管路（６）から前記第１の冷却空気管路（５）へと通じている接続管路（７）を介して案内し、この際に前記補助冷却空気流を、前記第１の冷却空気管路（５）内に導入する前に冷却装置（９）で冷却し、前記補助冷却空気流の質量流を制御エレメント（１１）によって制御することを特徴とする、ガスタービン（１０）を運転する方法。
【請求項９】
前記補助冷却空気流を、前記接続管路（７）内に配置された急冷装置（１３）内で水の噴射により冷却する、請求項８記載のガスタービン（１０）を運転する方法。
【請求項１０】
前記補助冷却空気流を、前記接続管路（７）内に配置された熱交換機（２０）内で冷却する、請求項８又は９記載のガスタービン（１０）を運転する方法。
【請求項１１】
前記補助冷却空気流を、前記接続管路（７）内に配置された噴射ポンプ（１５）の膨張剤入口（２３）へと導入し、前記噴射ポンプ（１５）の吸込側入口を介して周囲空気（１７，１７´）を吸い込み、該周囲空気（１７）との混合により、前記補助冷却空気流の温度を下げ、前記周囲空気と前記補助冷却空気流との混合物を前記第１の冷却空気管路（５）へと導入する、請求項８から１０までのいずれか１項記載のガスタービン（１０）を運転する方法。
【請求項１２】
前記可変圧縮機静翼列（１９）が、圧縮機静翼列位置の第１の制限値よりもさらに閉じられている場合に、前記補助冷却空気流を制御する前記制御エレメント（１１）を開放する、請求項８から１１までのいずれか１項記載のガスタービン（１０）を運転する方法。
【請求項１３】
前記可変圧縮機静翼列（１９）が、圧縮機静翼列位置の第２の制限値よりもさらに閉じられている場合に、前記第１の冷却空気管路（５）内に前記圧縮機（１）と前記接続管路（７）の接続部との間に配置された冷却空気制御エレメント（１２）を閉鎖する、請求項８から１２までのいずれか１項記載のガスタービン（１０）を運転する方法。
【請求項１４】
前記第１の冷却空気管路（５）に接続されている圧縮機冷却空気取出し口（２１）における圧力と、前記接続管路（７）が前記第１の冷却空気管路（５）へと開口している接続個所（２２）における圧力との圧力差を測定し、該圧力差がマイナスである場合に、前記冷却空気制御エレメント（１２）を閉鎖する、請求項８から１３までのいずれか１項記載のガスタービン（１０）を運転する方法。
【請求項１５】
全負荷の３０％以下である低い部分負荷の場合及びアイドリング運転の場合に、前記可変圧縮機静翼列（１９）を閉鎖することにより、タービン排ガス温度を、全負荷時のタービン排ガス温度の少なくとも８０％に維持する、請求項８から１４までのいずれか１項記載のガスタービン（１０）を運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機から異なる圧力レベルで供給される複数の冷却空気管路を備えたガスタービンを運転する方法、並びに少なくとも２つの冷却空気管路を有したガスタービンに関する。
【０００２】
背景技術
ガスタービンの出力及び効率に対する要求に並行して、一方では、熱的に高く負荷される機械構成部分の冷却に対する要求、他方では、冷却系統の設計に対する要求も高まる。従って、ガスタービンの全ての考えられる運転条件についての運転安全性の重要性において十分な冷却が保証されなければならない。同時に、冷却空気の消費は基本的にはできるだけ制限されるのが望ましい。欧州特許第６２９３２号明細書では、ガスタービンの構成部分を、閉じられた循環路内で蒸気によって冷却することが提案された。このためには、冷却蒸気を案内する構成部分の比較的手間のかかるシールが必要である。同時に、構成部分の単なる対流冷却が行われ、この場合、熱入力を減じるための冷却膜の作用が省かれる。
【０００３】
圧縮機で抽気した空気による冷却は依然として一連の利点を有している。この場合、取り出される冷却空気量は、作業プロセスの重要性において典型的には最小でなければならない。従って、冷却空気系統は、冷却技術的観点から不都合な運転点で十分な冷却を保証するために、しかもこの場合、必要以上に冷却空気を消費しないために、ますます限界に近い設計となっている。これは一方では、例えば機械内で圧力比がずれることにより冷却空気量が変化した場合に、冷却の設計点から作業プロセスがずれることに対して極めて敏感であることを意味する。他方では、一連のその他の運転点では、熱負荷される構成部分が過剰に冷却されることになり、これにより出力・効率能力が利用されないままになってしまう。しかしながら、確実な運転が可能であり、特に低い部分負荷範囲及びアイドリング運転時に、若しくは部分負荷運転又はアイドリング運転を含む運転コンセプトにおいて、全ての臨界的な構成部分に適当な温度レベルの冷却空気が十分に供給される許容運転範囲は、基本的には圧縮機で抽気した空気による冷却により制限される。
【０００４】
従って、例えば欧州特許第１０２８２３０号特許明細書では、冷却経路に可変の絞り個所を配置するという異なる提案がなされた。独国特許第１９９０７９０７号特許明細書では、冷却空気の取り出し個所に直接隣接して配置された可変の圧縮機動翼列により直接、冷却空気のフィード圧力を調節することが提案されている。
【０００５】
特開平１１−１８２２６３号公報及び欧州特許第１１２８０３９号明細書では、ガスタービンの冷却空気経路に付加的な圧縮機を配置することが提案されている。冷却空気の総合的な圧力が、圧縮機によって提供された圧力により上昇することが示されている。
【０００６】
さらに、独国特許出願公開第１０２００８０４４４３６号明細書により公知のガスタービンの別の二次空気系統では、外部の圧縮機によって、個別の冷却空気経路に付加的に、必要な冷却空気の一部を供給することができる。しかしながら外部の圧縮機の使用は、故障リスクが高まることにより欠点となる。
【０００７】
さらに、ガスタービンの設計点以下、即ち公称出力以下での運転では、燃料の燃焼の際に余剰空気が生じることが公知である。ガスタービンにより調達すべき負荷が低いほど、接続された圧縮機によって燃焼のために提供される空気の余剰量は大きくなる。これにより、燃焼室内では、ＣＯエミッションに関わる炎の一次ゾーン温度が最低値以下に下がる恐れがある。これによりＣＯエミッションの放出が激しくなり、これにより、規定のエミッション規制値がある場合には、部分負荷時にガスタービンの有効運転範囲が制限されることがある。このような問題点を対処するために、独国特許出願公開第１０２００８０４４４４２号明細書によりガスタービンシステムと、ここに記載された運転形式が公知である。ガスタービンシステムからのエミッションを所定の水準以下に維持するために、圧縮機から燃焼のために通常提供される圧縮空気をバイパスによって迂回させる。この場合、バイパスは取り出し個所の上流、即ち圧縮機の手前又は圧縮機内にも、下流、即ちタービン内にも開口している。しかしながらこのガスタービンシステムと記載の運転方法はガスタービンシステムの効率を不要にさらに減じる。
【０００８】
さらに米国特許第２０１０／０１５４４３４号特許明細書により、低負荷運転で冷却空気供給系統の切り換えを行って、比較的高い圧力の冷却空気抽気を、全負荷運転時に低い冷却空気圧で供給される冷却空気供給経路へと接続することが公知である。しかしながら、特に切り換え過程で、燃焼不安定性と、イレギュラーな機械挙動が生じる恐れがあることがわかっている。
【０００９】
発明の概要
本発明の課題は、同じ設計条件下での運転に関して大きな出力損失又は効率損失が生じることなしに、ガスタービンの冷却空気系統の確実な作動をガスタービンの広い運転範囲において保証することである。特にアイドリング運転をも含む低い部分負荷運転を、耐用期間を損なうことなく低い排ガスエミッションで行うことを保証することにある。
【００１０】
本発明の一態様では、冷却系の第１の部分における圧力比がもはや十分な冷却を保証できなくなると、高圧で運転される冷却系の第２の部分からの冷却空気を、低圧で運転される冷却系の第１の部分へと案内するようになっている。これは例えば、低い部分負荷のために、可変圧縮機静翼列が閉じられ、ひいては圧縮機における圧力形成が後方にずらされる場合である。低い部分負荷又はアイドリング運転の際に余剰空気を減じ、安定したクリーンな燃焼を可能にするためには、可変圧縮機前方静翼列を強く閉じると好適である。冷却系の第２の部分の冷却空気を第１の部分で使用することができるようにするために、第２の部分から導出された冷却空気の冷却が行われる。部分負荷の際には、強く閉じられた可変圧縮機静翼列により高いガス温度は十分高く維持され、このことはＣＯエミッションの少ない燃焼の実現のために必要であるので、十分低い冷却空気温度が特に必要である。さらに、可変圧縮機静翼列の閉鎖により圧縮機の効率が下がるので、圧縮機圧力比が低いにも関わらず、圧縮機最終温度と圧縮機出口温度とは比較的高く維持される。圧縮機の効率は特に、圧縮機の一部の可変圧縮機静翼列を、全負荷位置に対して４０°以上６０°を越えるまで提案のように強く閉じる場合に著しく下がる。極端な場合、圧縮機の効率は、全負荷時の効率の１／３まで下がり、圧縮機出口温度は、圧力比が低い場合でも高く維持される。タービンの高温ガス部分の他に、ガスタービンのロータも冷却空気によって冷却される。部分負荷の際にタービンの熱負荷がより小さくなり、従って場合によっては比較的熱い冷却空気によって冷却される場合でも、ロータの冷却空気は十分冷たく維持されることが保証されている。
【００１１】
本発明のガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、ロータと、前記圧縮機の低圧の第１の圧力段から前記タービンへと通じている少なくとも１つの第１の冷却空気管路並びに前記圧縮機のより高圧の第２の圧力段から前記タービンへと通じている少なくとも１つの第２の冷却空気管路とを含む冷却空気系統と、を備えている。
【００１２】
本発明のガスタービンは、ガスタービンの冷却空気系統が、第２の冷却空気管路から第１の冷却空気管路へと通じている接続管路を含み、該接続管路内には、第２の冷却空気管路から第１の冷却空気管路へと流れる補助冷却空気流を冷却するための冷却装置と、補助冷却空気流を制御するための制御エレメントとが配置されていることを特徴としている。
【００１３】
ガスタービンの１つの実施態様では、接続管路に補助冷却空気流を冷却するための急冷装置が配置されている。補助冷却空気流を冷却するために、水を急冷装置内に噴入することができ、この水は気化し、この気化熱により補助冷却空気流が冷却される。さらに、発生した蒸気により、冷却空気質量流が高められ、導出された熱は有効にタービンに供給される。
【００１４】
ガスタービンの別の実施態様では、接続管路に補助冷却空気流を冷却するための熱交換機が配置されている。この態様では補助冷却空気流は熱交換機によって冷却される。導出された熱は例えば、燃料の予熱のために、又は水蒸気循環路において利用することができる。
【００１５】
ガスタービンのさらに別の実施態様では、接続管路に噴射ポンプ（ジェットポンプとも言われる）が配置されている。噴射ポンプの吸込側入口は周囲に、膨張剤入口は第２の冷却空気管路に接続されている。噴射ポンプによって周囲の空気を吸い込むことができ、この周囲の空気は噴射ポンプ内で、第２の冷却空気管路からの補助冷却空気流と混合され、これにより冷却される。噴射ポンプにおける減圧により、この混合物は第１の冷却空気管路内へと導入され、冷却のためにタービンに供給される。
【００１６】
噴射ポンプによって冷却系統内にクリーンな空気を供給することを保証するために、噴射ポンプには濾過された空気が供給される。一実施態様では、噴射ポンプへの吸込側入口は、ガスタービンのフィルタハウジングを介して周囲に接続されている。圧縮機のためにクリーンな吸込空気を準備するために、典型的にはフィルタハウジングはガスタービン装置の構成部分である。選択的に、クリーンな空気は例えば、発電所の、又は防音カバーの適当な個所でも取り出すことができ、この場合、相応の安全基準に注意が払われる。
【００１７】
実施態様によれば、急冷装置、熱交換機、噴射ポンプは単独で、又は組み合わせられて設けられている。例えば、まず補助質量流を急冷装置によって冷却し、これにより質量流を高めてから、この質量流を噴射ポンプに膨張剤として案内すると好適である。さらに、水の供給量に応じて、急冷装置又は熱交換機により冷却するために、例えば熱交換機と組み合わせることが好適である。
【００１８】
ガスタービンの別の実施態様によれば、第１の冷却空気管路には、圧縮機と、第１の冷却空気管路への接続管路の接続部との間で、第２の冷却空気管路からの補助冷却空気が第１の冷却空気管路を通って圧縮機へと逆流するのを阻止する逆止弁が配置されている。この場合、逆止弁とは、一方の方向では閉じ、他方の方向では流れる流体によって解放される閉鎖エレメントを備えたあらゆる形式の逆止装置又はフラップを意味する。
【００１９】
逆止弁又は逆止弁との組み合わせとは選択的に、第１の冷却空気管路には、圧縮機と、第１の冷却空気管路への接続管路の接続部との間で、第１の冷却空気管路を圧縮機と接続管路との間で遮断することができる冷却空気制御エレメントを配置することができる。遮断の命令は例えば、補助冷却空気の逆流を示す差圧が測定されることに基づき発動される。適当な差圧測定は例えば、第１の冷却空気管路が接続されている冷却空気取出し口の圧力と、接続管路が第１の冷却空気管路に開口している接続個所における圧力との差である。
【００２０】
ガスタービンの他に、このようなガスタービンを運転する方法が本発明の対象である。このガスタービンは、可変圧縮機静翼列を備えた圧縮機と、燃焼器と、タービンと、を備えていて、さらに該ガスタービンは、前記圧縮機の第１の圧力段から前記タービンへと通じている少なくとも１つの第１の冷却空気管路並びに前記圧縮機のより高圧の第２の圧力段から前記タービンへと通じている少なくとも１つの第２の冷却空気管路を含む冷却空気系統を備えている。
【００２１】
本発明による方法の一実施態様によれば、ガスタービンの部分負荷の際に可変圧縮機静翼列を全負荷に対して閉じ、第２の冷却空気管路からの補助冷却空気流を、第２の冷却空気管路から第１の冷却空気管路へと通じている接続管路を介して案内する。この場合、この補助冷却空気流は、第１の冷却空気管路へと導入される前に、冷却装置において冷却され、この補助冷却空気流の質量流は制御エレメントによって制御される。
【００２２】
可変圧縮機静翼列の閉鎖により、圧縮機における圧力形成はずれるので、第１の冷却空気管路が接続されている第１の圧縮機出口の圧力マージンは、タービンの確実な冷却のためにもはや十分ではない。補助冷却空気流により第１の冷却空気管路の圧力は高められる。第１の圧縮機出口からの抽気流はこの場合、減じられる。この減少により圧縮機出口における圧力は上昇する。しかしながら可変圧縮機静翼列を強く閉じる場合には、ネガティブな圧力マージンが生じ、これにより、第１の圧縮機出口から冷却空気を取り出すことはできなくなる。
【００２３】
方法の一実施態様によれば、補助冷却空気流を、前記接続管路内に配置された急冷装置内で補助冷却空気流内に水を噴射することにより冷却する。これにより好適には、補助冷却空気流が冷却されるだけでなく、質量流量も上昇する。
【００２４】
方法の別の実施態様によれば、補助冷却空気流を、前記接続管路内に配置された熱交換機内で冷却する。排出された熱は有効に、例えばプロセス熱として使用することができる。
【００２５】
方法のさらに別の実施態様によれば、補助冷却空気流を、接続管路内に配置された噴射ポンプの膨張剤入口へと導入し、噴射ポンプの吸込側入口を介して周囲空気を吸い込む。この場合、吸い込まれた周囲空気との混合により、結果として生じた補助冷却空気流の温度が減じられる。さらに、周囲空気と補助冷却空気流との混合物は第１の冷却空気管路へと導入される。減じられた温度を有する補助冷却空気の他に、周囲空気との混合により、第２の冷却空気管路からの高い圧力を持った冷却空気に対する要求が減じられ、従って、ガスタービンの出力及び熱効率に対する影響は最小になる。
【００２６】
タービンの確実な冷却を保証するために、方法の一実施態様によれば、可変圧縮機静翼列が、圧縮機静翼列位置の第１の制限値よりもさらに閉じられている場合に、補助冷却空気流を制御する制御エレメントを開放する。圧縮機における圧力の形成は、可変前方静翼列の位置にのみ依存するのではなく、周囲温度や、圧縮機の汚れ、老朽化、又は例えば圧縮機への水の噴射のような別の運転パラメータにも依存するので、圧縮機は第１の制限値を例えば、運転条件に依存せずに常に十分な圧力マージンが第１の冷却空気管路内に保証されるような大きさに選択する。第１の制限値は例えば、全負荷点よりも３０°〜５０°閉じられた可変前方静翼列の範囲にある。
【００２７】
可変圧縮機静翼列を強く閉じることにより、閉鎖角度、圧縮機のデザイン、第１の圧縮機出口の位置に応じて、第１の圧縮機出口において著しい減圧、極端な場合、周囲に対する負圧にまで到ることがある。圧縮機への補助冷却空気の逆流を阻止するために、方法の一実施態様によれば、可変圧縮機静翼列が、圧縮機静翼列位置の第２の制限値よりもさらに閉じられている場合に、補助冷却空気流を制御する制御エレメントを開放する。第２の制限値は例えば、可変前静翼列が全負荷点よりも４０°〜６０°閉じられている場合にある。
【００２８】
方法の別の態様によれば、圧縮機への補助冷却空気の逆流を阻止するために、逆流を示す差圧を測定する。逆流を示す差圧として、例えば、第１の冷却空気管路が接続されている圧縮機冷却空気取出し口の圧力と、接続管路が第１の冷却空気管路に開口している接続個所における圧力との差を測定することができる。この差圧がネガティブになるとすぐに冷却空気制御エレメントが閉じられる。
【００２９】
第２の冷却空気管路から第１の冷却空気管路へと案内される補助冷却空気流を制御するための制御弁、並びに、第１の冷却空気管路における冷却空気制御弁の制御は、ガスタービンの運転条件にも応じて、近似的に、又は「ロックアップリスト」（リスト）に応じて行うことができる。これは例えば、周囲温度、圧縮機入口温度又は空気動力学的回転数に依存して行うことができる。
【００３０】
いくつかの発電所運転のためには、スタート・ストップサイクルを回避するために、又は迅速な負荷を得るために、ガスタービンのアイドリングエミッションが許容されるならば、ガスタービンを無負荷で運転するのが好適である。
【００３１】
従来は、低い部分負荷及びアイドリング運転の場合には、高温ガスの温度が著しく下げられるので、特にガスタービンの低圧部分は熱的に殆ど負荷されていない。極端に大きく閉じられる可変圧縮機静翼列による提案された運転形式により、高温ガスの低下は最小限にすることができるので、高温ガス（又はタービン流入温度）は高く維持され、タービン流出温度も高いままである。高いタービン流出温度は特に、蒸気タービンへと供給する後続のボイラと組み合わせられた発電所の運転のために重要である。何故ならばこれにより、組み合わされた発電所の水蒸気部分は稼動し続けることができ、特にいつでも停止点なく負荷できるからである。さらに、高い排ガス温度により、熱的なサイクル負荷は、水蒸気循環路の構成部分の低い部分負荷又はアイドリング運転への負荷低減により減じられる、又は完全に回避される。
【００３２】
方法の一実施態様によれば、タービン排ガス温度を部分負荷及びアイドリング運転の場合に、可変圧縮機静翼列の閉鎖により、全負荷タービン排ガス温度よりも８０℃以上は低下させない。特に、タービン排ガス温度は、一実施態様によれば、（摂氏で測定して）全負荷タービン排ガス温度の少なくとも８０％に維持される。
【００３３】
さらに、タービンの作業排ガスは、減じられた圧力比により最小にされる。方法の一実施態様によれば、アイドリング運転の場合のタービンの圧力比は、全負荷圧力比の１／４又はより低い圧力比であるように制御される。
【００３４】
記載した実施態様の他に、方法を、部分負荷の際のＣＯエミッションを減じるための別の公知の手段と組み合わせることが考えられる。特に、エア・プレヒータ（吸込空気予熱）及び／又はアンチ・アイシングシステムによる、並びに排ガス再循環による圧縮機流入温度を上昇させる措置が考えられる。
【００３５】
本発明は、燃焼器を備えたガスタービンに限定されるものではなく、例えば欧州特許０７１８４７０号特許明細書により公知であるような、シーケンシャル燃焼を行うガスタービンに使用可能である。本発明は特に、シーケンシャル燃焼を行うガスタービンに適している。何故ならば、このようなガスタービンでは、第１の燃焼器及び第１のタービンは典型的には高圧冷却系によって、第２の燃焼器及び第２のタービンは、中圧力段及び低圧力段の１つ又は複数の冷却系によって冷却されるからである。
【００３６】
本発明の好適な実施態様を以下に、図面につき詳しく説明する。図面は説明のためにのみ利用されこれに設計が限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】先行技術による、２つの圧力レベルを有した冷却空気系統を備えたガスタービンを概略的に示した図である。
【図２】２つの冷却空気系統の間の接続管路と、補助冷却空気流のための冷却装置と、制御エレメントとを備えたガスタービンを概略的に示した図である。
【図３】補助冷却空気流を冷却するための急冷装置を有したガスタービンを概略的に示した図である。
【図４】補助冷却空気流を冷却するための熱交換機を有したガスタービンを概略的に示した図である。
【図５】周囲空気と混合させるための、かつ補助冷却空気流を冷却するための噴射ポンプを有したガスタービンを概略的に示した図である。
【００３８】
実施例及び図面は単なる参考として理解されるものであり、請求項に記載の特徴による開示事項を限定すべきものではない。
【００３９】
詳細な説明
図１には、２つの圧力レベルを有した冷却空気系統を備えたガスタービンの主要なエレメントが概略図で示されている。ガスタービン１０は圧縮機１（コンプレッサ）を有している。圧縮機内で圧縮された燃焼空気は燃焼器２に供給され、ここで燃料と共に燃焼させられる。次いで熱い燃焼ガスがタービン３内で膨張させられる。タービン３内で生じた有効エネルギは、次いで、例えば、同軸上に配置された発電機４によって電気エネルギに変換される。
【００４０】
タービン３から流出した熱い排ガス８は、典型的には、その中にまだ含まれているエネルギを有効利用するために、排熱ボイラ（Heat recovery steam generator, HRSG 図示せず）内で、蒸気を発生させるために利用される。この蒸気は例えば蒸気タービン内で利用可能な機械的な出力に変換されるか、又はプロセス蒸気として利用することができる。
【００４１】
図示したガスタービン１０は、２つの圧力段を有した空冷系統を有している。圧縮機１の第１の圧力段からは第１の冷却空気管路５が冷却空気をタービン３へと案内しており、タービン３では、この冷却空気が、タービン３の低圧領域にある熱的に負荷された構成部分を冷却する。圧縮機１のより高い第２の圧力段からは第２の冷却空気管路６が冷却空気をタービン３へと案内しており、この冷却空気は、タービン３の高圧領域及び／又は中圧領域にある熱的に負荷された構成部分を冷却する。燃焼器も同様に高圧冷却空気によって冷却される（図示せず）。
【００４２】
図２には、第１の冷却空気管路５と第２の冷却空気管路６との間に接続管路７が配置されているガスタービン１０の概略図が示されている。この接続管路内には、補助冷却空気流用の冷却装置９と制御エレメント１１とが設けられている。制御エレメント１１が開放していると、第２の冷却空気管路６から補助冷却空気流が、接続管路７と冷却装置９とを通って第１の冷却空気管路５内へと流れ込む。補助冷却空気流によって、第１の冷却空気管路５内の冷却空気圧が、例えば、可変圧縮機静翼列１９の閉鎖により必要最低圧以下に低下した場合に、これを高めることができる。
【００４３】
第１の圧縮機出口から導出された冷却空気は、低い圧力レベル、典型的には圧縮機最終圧の１／５から１／３までにしか圧縮されないので、この冷却空気は圧縮機流出温度と比較して冷たい。典型的には、第１の取出し口の温度は、設計条件及び運転条件に依存して、２００℃以下にとどまる。第２の冷却空気管路６の冷却空気は、大幅に高い圧力レベルで、又は圧縮機出口で取り出される。従って、この冷却空気は、第１の圧縮機出口の冷却空気よりも著しく熱い。典型的には２５０℃より高く、５００℃を越えることがある。第２の冷却空気管路６の冷却空気はより熱いので、この冷却空気は、第１の冷却空気管路５に供給される前に冷却装置９内で冷却されなければならない。これにより、この補助冷却空気によって、又は第１の圧縮機出口の冷却空気と補助冷却空気の混合物によって冷却される部分がその耐用寿命を得られることを保証することができる。
【００４４】
冷却と、補助冷却空気の制御された供給との組み合わせにより初めて、大きく閉じられた可変圧縮機静翼列１９（全負荷運転よりも３０°以上、典型的には４０°以上閉じられた可変圧縮機静翼列１９）による比較的長い部分負荷運転が、耐用寿命を損なうことなく実現される。これは特に、いわゆる低負荷運転コンセプト（Low Load Operating Concepts）のために必要である。この運転コンセプトは、給電網の所要電流が低い場合に、遮断することなく極めて低い負荷でガスタービンを運転するために使用される。低い部分負荷としては典型的には、全負荷の４０％よりも小さい負荷である。給電網の要求に応じて、負荷は全負荷の３０％以下又は１０％以下までにも低下される。
【００４５】
第１の冷却空気管路５を介した冷却空気の供給を制御するために、第１の冷却空気管路５には第１の圧縮機出口と接続管路７との間に冷却空気制御エレメント１２が配置されている。低部分負荷の場合に、低圧冷却を完全に補助冷却空気によって行う場合に、この冷却空気制御エレメント１２によって、冷却空気質量流を制御する、又は完全に遮断することさえできる。さらに第１の冷却空気管路５には、第１の圧縮機出口と接続管路７との間に逆止弁１６を設けることができる。この逆止弁１６は、可変圧縮機静翼列１９が強く閉鎖された場合に補助冷却空気が圧縮機に逆流するのを阻止する。このような逆流は、ガスタービン１０の出力損失・効率損失につながり、圧縮機１の望ましくない加熱に通じる。
【００４６】
冷却空気制御弁は第２の冷却空気管路６においても同様に考えることができる。この場合、この制御弁は単に、運転状態に依存した絞りとして使用し、閉鎖弁としては使用されない（図示せず）。
【００４７】
図３には、補助冷却空気流を冷却するための急冷装置１３を有したガスタービン１０の概略図が示されている。急冷装置１３では、補助冷却空気内に、水噴入装置１４を介して水が噴射される。この水は急冷装置１３内で気化され、このとき補助冷却空気を冷却する。急冷の際に生じた水蒸気分だけ高められた補助冷却空気流はさらに、接続管路７を通して第１の冷却空気管路５へと案内され、タービン３の低圧部分を冷却するために使用される。
【００４８】
図４には、補助冷却空気流を冷却するための熱交換機２０を有したガスタービン１０の概略図が示されている。 補助冷却空気流は、熱交換機によって、低圧冷却系統内での補助冷却空気流が、タービン３の低圧部分の耐用寿命を保証する温度にまで冷却される。熱は例えば、空気・空気熱交換によって、又は空気・水熱交換によって排出される。
【００４９】
図５に概略的に示されたガスタービン１０では、接続管路７内に噴射ポンプ１５が配置されている。制御エレメント１１を介して補助冷却空気を、第２の冷却空気管路６から噴射ポンプ１５の膨張剤入口２３へと導入することができる。膨張剤は、噴射ポンプ１５の収束・発散流れ横断面の最も狭い横断面にほぼ配置されているノズルから高速で流出する。噴射ポンプ１５の吸込側入口は、ガスタービン１０のフィルタハウジング１８を介して周囲に接続されている。噴射ポンプ１５内では、吸い込まれた周囲空気１７´の総合圧力上昇が生じ、これにより周囲空気１７´は、第２の冷却空気管路６から導出された補助冷却空気と共に第１の冷却空気管路５内へと導入されることができる。周囲空気１７´との混合により、並びに周囲空気１７´と補助冷却空気との質量比を相応に選択することにより、混合物温度は、低圧冷却系統の要求に合わせられる。
【００５０】
本発明によればさらに、冷却空気の量を例えば、冷却すべき構成部分の領域における高温のガス温度に応じて、運転安全性のために必要な最小のものまでに減じることができ、ガスタービンの負荷が高い場合には、相応に高めることができる。
【００５１】
勿論、ガスタービンに３つ以上の圧力段を設けることもできる。
【００５２】
上述した実施態様をふまえ、当業者には、請求項に記載した本発明の多数の可能な実施態様が開示される。
【符号の説明】
【００５３】
１  圧縮機
２  燃焼室
３  タービン
４  発電機
５  第１の冷却空気管路
６  第２の冷却空気管路
７  接続管路
８  排ガス
９  冷却装置
１０  ガスタービン
１１  制御エレメント
１２  冷却空気制御エレメント
１３  急冷装置
１４  水噴入装置
１５  噴射ポンプ
１６  逆止弁
１７，１７´  周囲空気
１８  フィルタハウジング
１９  可変圧縮機静翼列
２０  熱交換機
２１  第１の圧縮機出口における圧力測定部
２２  接続個所における圧力測定部
２３  膨張剤入口
【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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【国際調査報告】
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