(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、湿分の凝縮を抑制することで信頼性を確保できるガスタービンプラントとガスタービンプラントの冷却方法を提供することにある。【解決手段】  本発明は、冷媒が流通する冷却流路を内部に形成した複数の静翼をタービン内に備え、加湿器が生成した湿分空気を静翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路を有し、少なくとも１つの冷媒流路に供給した冷媒中の湿分が凝縮することを抑制するように冷媒を供給することを特徴とする。【効果】  本発明によれば、湿分の凝縮を抑制することで信頼性を確保できるガスタービンプラントとガスタービンプラントの冷却方法を提供することが可能となる。【選択図】図１
2005133658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器、該燃焼器より排出される燃焼ガスで回転駆動させるタービン、及び湿分空気を生成する加湿器を備えたガスタービンプラントの冷却方法であって、
冷媒が流通する冷却流路を内部に形成した複数の静翼を前記タービン内に備え、
前記加湿器が生成した湿分空気を前記静翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路を有し、
少なくとも１つの該冷媒流路に供給した冷媒中の湿分が凝縮することを抑制するように冷媒を供給することを特徴とするガスタービンプラントの冷却方法。
【請求項２】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器、該燃焼器より排出される燃焼ガスで回転駆動させるタービン、及び湿分空気を生成する加湿器を備えたガスタービンプラントであって、
冷媒が流通する冷却流路を内部に形成した複数の静翼を前記タービン内に備え、
前記加湿器が生成した湿分空気を前記静翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路を有し、
少なくとも２つの該冷媒流路に前記湿分空気の湿分量を異ならしめる手段を備えることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項３】
請求項２記載のガスタービンプラントであって、
前記圧縮機から抽気された圧縮空気を前記湿分空気の湿分量を異ならしめる手段に供給する流路を有し、
前記圧縮機の抽気孔を前記圧縮機のガスパス上で１箇所設けることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項４】
請求項２記載のガスタービンプラントであって、
前記圧縮機から抽気された圧縮空気を前記湿分空気の湿分量を異ならしめる手段に供給する流路を有し、
前記圧縮機の抽気孔を前記圧縮機のガスパス上で圧力が異なる少なくとも２箇所以上に設けることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項５】
請求項２記載のガスタービンプラントであって、
前記動翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路の圧縮機側入口を前記圧縮機のガスパス上で圧力が異なる少なくとも２箇所以上に設けることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項６】
請求項２記載のガスタービンプラントであって、
前記動翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路の圧縮機側入口を前記圧縮機のガスパス上で１箇所に設けることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項７】
請求項２記載のガスタービンプラントであって、
前記圧縮機のガスパス上の１箇所から抽気した圧縮空気と前記加湿器が生成した湿分空気を前記動翼の冷却に用いることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項８】
請求項２記載のガスタービンプラントであって、
前記圧縮機のガスパス上の１箇所から抽気した圧縮空気と前記静翼を冷却あるいは通過後の湿分空気とを前記動翼の冷却に用いることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項９】
請求項２記載のガスタービンプラントであって、
前記タービン内の前段側から後段側に燃焼ガスを通過させ、
後段側の前記静翼に供給する冷媒の相対湿度が前段側の前記静翼に供給する冷媒の相対湿度よりも低いことを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項１０】
圧縮空気を生成する圧縮機、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器、該燃焼器より排出される燃焼ガスで回転駆動させるタービン、及び湿分空気を生成する加湿器を備えたガスタービンプラントであって、
冷媒が流通する冷却流路を内部に形成した静翼及び動翼を前記タービン内に備え、
前記加湿器が生成した湿分空気を複数の前記静翼と動翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路上に分岐点を有し、
前記湿分空気の湿分量を異ならしめる手段を前記冷媒流路の分岐点より下流側に設けることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項１１】
請求項１０記載のガスタービンプラントであって、
前記静翼の冷却流路入口に導かれる冷媒流路に設けられた前記湿分空気の湿分量を異ならしめる手段を、静翼ごとに設けることを特徴とするガスタービンプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンプラントとガスタービンプラントの冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高湿分空気と燃料とを混合燃焼させて発生させた高温排ガスによりタービンを駆動するガスタービンにおいて、タービン翼の冷却システムが特許文献１に開示されている。特許文献１には、主にタービン翼の冷却に用いる冷媒の生成方法が開示されている。しかし、タービン被冷却部品である静翼及び動翼への具体的な冷媒経路に関しては言及されていない。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２５７００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の技術では、タービン翼の冷却に用いる全ての冷媒を一つの混合器で生成している。そのため、タービンの各部位毎に冷媒の湿分を異ならしめることが困難であった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、湿分の凝縮を抑制することで信頼性を確保できるガスタービンプラントとガスタービンプラントの冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、湿分空気を静翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路を有し、少なくとも１つの冷媒流路の冷媒中の湿分が凝縮することを抑制するように構成するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、湿分の凝縮を抑制することで信頼性を確保できるガスタービンプラントとガスタービンプラントの冷却方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る実施例を、以下に説明する。
【実施例１】
【０００９】
図２は本実施例に係るガスタービンプラントの概略回路図である。以下、図２を用いてガスタービンプラントの構成について説明する。
【００１０】
まず、本実施例におけるガスタービンプラント内で圧縮機２に吸い込まれた大気２１が湿分空気となり、最終的に外部に排ガス４１として放出されるまでの流れを説明する。混合器１は大気２１に水２２を噴霧し湿分空気２３を生成する。混合器１において生成された湿分空気２３は圧縮機２で圧縮されるとともに、圧縮機２が生成した圧縮空気はガスパス上に設けられた抽気孔で抽気される。なお、本実施例では圧縮機２の抽気孔は圧縮空気の圧力が高い高圧側に配置する。圧縮機から抽気された高圧空気２４は、水回収装置１０からの回収水３８と加湿器４からの回収水３９とで冷却する冷却器３と、タービン６の各静翼を冷却する冷媒流路に設けられた冷媒混合器１６，１７，１８と、動翼を冷却する冷媒流路に設けられた冷媒混合器１９とに供給される。冷却器３で冷却された高圧空気２５は、冷却器３で加熱された水４０と、給水加熱器８で加熱された水３３とを用いて加湿器４で加湿される。加湿器４で加湿された湿分空気２６は、タービン６からの排ガス３０で過熱する再生器７と、タービン６の高温部を冷却する冷媒流路に設けられた第１の冷媒混合器１６，第２の冷媒混合器１７，第３の冷媒混合器１８及び第４の冷媒混合器１９とに供給される。そして、再生器７は加湿器４から供給された湿分空気２６を過熱して湿分空気２７を生成し、燃焼器５に供給する。一方、第１の冷媒混合器１６，第２の冷媒混合器１７，第３の冷媒混合器１８及び第４の冷媒混合器１９は、加湿器４から供給された湿分空気２６の一部と圧縮機２から抽気された高圧空気２４とを混合し、冷却に最適な冷媒を生成する。燃焼器５に供給された湿分空気２７は、燃焼器５で燃料２８と混合燃焼させる。そして、生成した燃焼ガス２９はタービン６に供給され、タービン６を回転駆動させる。タービン６から排出された排ガス３０は、再生器７で熱回収され、給水加熱器８に排ガス３１として供給される。給水加熱器８は、排ガス３１を熱回収した後の排ガス３４を排ガス再加熱器９に供給する。排ガス再加熱器９から排出された排ガス３５は、冷却水３７で冷却し湿分を凝縮させて水分を回収する水回収装置１０に供給される。そして、水回収装置１０から排出された排ガス３６を排ガス再加熱器９に戻すことで、外部に排出する排ガス４１に白煙の発生を防止することが可能である。なお、圧縮機２とタービン６とは中間軸１５により連結され、タービン６により発生した軸動力を電力に変換する発電機１４も圧縮機２の回転軸に連結されている。
【００１１】
次に、水の循環系統について説明する。排ガス３５を冷却し水分を回収する水回収装置１０に水を供給するために、本ガスタービンプラントは水を補給する水タンク１３を備える。水タンク１３から供給される水は冷却器１２に供給され、水が冷却される。水回収装置１０は、この冷却された冷却水３７で排ガス再加熱器９から排出された排ガス３５を冷却し湿分を凝縮させて水分を回収する。また、水回収装置１０から排出された水は再び冷却器１２に供給されるとともに、ガスタービンに供給するために水を前処理する水処理装置１１にも供給される。水処理装置１１により処理された水３８は、大気２１に水２２を噴霧し湿分空気２３を生成する混合器１と、高圧空気２４を冷却する冷却器３とに供給される。そのため、混合器１に供給された水は湿分空気２３に注入され、圧縮機２に供給される。一方、冷却器３に供給された水は冷却器３で加熱され、加熱された水４０が加湿器４に供給される。この加湿器４では冷却器３から供給された湿分空気２５に加湿するために水４０を使用し、使用後の水は再び冷却器３に供給されるとともに、給水加熱器８にも供給される。給水加熱器８では、再生器７で熱回収した後の排ガス３１を熱源とし加湿器４から排出された給水循環系の水３２を加熱して加熱水３３を生成する。この加熱水３３を加湿器４に供給する。このように加湿器４には、冷却器３からだけではなく給水加熱器８からも加熱された水が加湿器４に供給されている。
【００１２】
本実施例のガスタービンプラントにおける一連の動作について説明する。混合器１は吸入した大気２１に水２２を噴霧し湿分空気２３を生成する。噴霧する水２２の質量は、大気２１の３.５％ 程度である。生成された湿分空気２３は圧縮機２により所定の圧力比
２０まで圧縮される。圧縮された高圧空気２４の一部は冷却器３に導かれる。この冷却器３は、水回収装置１０からの回収水３８と加湿器４からの回収水３９とを用いて約３００℃の高圧空気２４を約１００℃まで冷却する。冷却された高圧空気２５は加湿器４に導かれる。加湿器４は、冷却器３で加熱された水４０と給水加熱器８で加熱された水３３を用いて高圧空気２５を相対湿度９５％程度まで加湿する。加湿された湿分空気２６は再生器７に導かれる。再生器７では、タービン６の排ガス３０を用いて約１５０℃の湿分空気
２６を５５０℃程度まで過熱する。過熱された湿分空気２７は燃焼器５に導かれる。燃焼器５は、湿分空気２７と燃料２８とを混合燃焼させ燃焼ガス２９が生成される。この燃焼ガス温度は約１３５０℃である。生成された燃焼ガス２９はタービン６に導かれる。タービン６において、燃焼ガス２９は膨張仕事をさせられ、その際に軸動力がタービン６に発生する。発生した軸動力は中間軸１５により連結された圧縮機２及び圧縮機２と連結された発電機１４とを回転駆動する。タービン６から排出された排ガス３０は、再生器７に導かれる。再生器７において、排ガス３０は湿分空気２６を過熱するための熱源として使用される。約６００℃の排ガス３０が熱回収されて２５０℃程度になった排ガス３１は、給水加熱器８に導かれる。給水加熱器８において、排ガス３１は水３２を加熱するための熱源として使用される。熱回収され約１１０℃になった排ガス３４は、再加熱器９に導かれる。再加熱器９において、排ガス３４は水回収装置１０から排出された排ガス３６を白煙防止のために加熱するための熱源として利用される。熱回収された排ガス３５は、水回収装置１０に導かれる。水回収装置１０において、排ガス３５は冷却水３７により冷却され、湿分が凝縮されて水回収される。水回収された排ガス３６は、再加熱器９に導かれる。再加熱器９において、排ガス３６は、白煙防止のために９０℃程度まで加熱される。加熱された排ガス４１は大気へ放出される。
【００１３】
以下、図１と併せてタービン６の高温部を冷却するために形成された冷媒流路について説明する。図１は図２に示されるガスタービンプラントの圧縮機２，燃焼器５，タービン６，中間軸１５，加湿器４，再生器７，第１冷媒混合器１６，第２冷却混合器１７，第３冷却混合器１８及び第４冷媒混合器１９を含む概略部分断面図である。
【００１４】
タービン６は、燃焼ガスの流れに沿って複数段の翼列を具備している。本実施例では４段の翼列を有している。１つの段は、周方向に複数枚の静翼をケーシングに備えた静止翼列と、周方向に複数枚の動翼をロータに備えた回転翼列とから成る。タービン６のロータは上流側から第１段ディスク７０，スペーサ７１，第２段ディスク７２，スペーサ７３，第３段ディスク７４，スペーサ７５，第４段ディスク７６の順に連結されている。そして、前述のディスク及びスペーサをスタッキングボルト７７により強固に固定して、回転体であるロータを形成する。静翼と動翼の配置は、上流から順に第１段静翼６１ａ，第１段動翼６１ｂ，第２段静翼６２ａ，第２段動翼６２ｂ,第３段静翼６３ａ,第３段動翼６３ｂ，第４段静翼６４ａ及び第４段動翼６４ｂとする。そして、第１段動翼６１ｂは第１段ディスク７０に固定されている。同様に、第１段動翼６１ｂは第１段ディスク７０に、第２段動翼６２ｂは第２段ディスク７２に、第３段動翼６３ｂは第３段ディスク７４に、第４段動翼６４ｂは第４段ディスク７６に固定される。なお、本実施例において燃焼ガス２９の流れの上流側（即ち、燃焼器５側）をタービン上流側と規定し、燃焼ガス２９が流れる向きを下流側方向とする。
【００１５】
本実施例では、動翼である第１段動翼６１ｂ，第２段動翼６２ｂ、及び第３段動翼63ｂは、加湿器４から冷媒流路を流れて供給される湿分空気２６により冷却される。それぞれの動翼の内部には動翼を冷却するための冷却流路が形成されており、この冷却流路の入口がタービンのロータ側に設けられている。加湿器４から供給された湿分空気２６の一部
５３と圧縮機２から抽気された高圧空気２４とが湿分空気の湿分量を異ならしめる手段である第４冷媒混合器１９に導かれる。そして、第４冷媒混合器１９で動翼を冷却するのに適切な冷媒が生成される。本実施例では、第４冷媒混合器１９が湿分量を調整した冷媒をタービン下流側の軸端より導入し、タービン６のロータに導かれる。タービン６のロータでは、第１段ディスク７０が中実構造であり、それ以外のディスク７２，７４，７６およびスペーサ７１，７３，７５は中空構造である。したがって、タービン下流側の軸端に導入された冷媒は、中空構造のディスクとスペーサの中心孔内を流れる。そして、ロータの半径方向に設けられたスリット等により所望の動翼に冷媒を導く。このように、動翼に冷媒を供給する冷媒流路は、加湿器４から冷媒混合器１９を通過し、ロータ内の中心孔とスリットで形成された流路で構成されている。冷媒流路を流れた冷媒は、第１段動翼６１ｂと第２段動翼６２ｂと第３段動翼６３ｂとの冷却流路入口に導かれる。そして、動翼内の冷却流路を通過することで動翼を冷却する。また、動翼を冷却した冷媒は、最終的にガスパス中に放出される。さらに、冷媒はロータ内に形成された冷媒流路の流路壁も冷却する。
【００１６】
次に、第１段静翼６１ａ，第２段静翼６２ａ，第３段静翼６３ａも加湿器４から供給される湿分空気２６により冷却される。第１段静翼６１ａ，第２段静翼６２ａ，第３段静翼６３ａの内部にも冷却流路が形成されており、この冷却流路の入口がタービン６のケーシング側に設けられている。加湿器４から供給された湿分空気２６の一部５２と圧縮機２から抽気された高圧空気２４とが湿分空気の湿分量を異ならしめる手段である第１冷媒混合器１６，第２冷媒混合器１７及び第３冷媒混合器１８に導かれる。この３つの冷媒混合器は、それぞれ第１段静翼６１ａ，第２段静翼６２ａ及び第３段静翼６３ａを冷却するのに適切な冷媒を生成する。このように、静翼に冷媒を供給する冷媒流路は、加湿器４から各静翼に対応した冷媒混合器を通過し静翼の冷却流路入口に到達するまでで構成される。そして第１段静翼に対応した冷媒流路を流れ、第１冷媒混合器１６で生成された冷媒は第１段静翼６１ａの冷却流路入口に供給される。同様に、第２冷媒混合器１７で生成された冷媒は第２段静翼６２ａの冷却流路入口に、第３冷媒混合器１８で生成された冷媒は第３段静翼６３ａの冷却流路入口に、それぞれ供給される。そして、それぞれの静翼を冷却した冷媒は最終的にガスパス中に放出される。また、冷媒は冷媒流路を流れる際に流路壁も冷却する。
【００１７】
ここで、動翼及び静翼の冷媒を一つの冷媒混合器で生成する場合との比較をする。そのために、一つの冷媒混合器で冷媒を生成するときに冷媒中の湿分量を設定する方法について説明する。
【００１８】
冷却能力の観点では、一般に空気よりも蒸気の方が熱伝達率は大きい。そのため湿分が多いほど冷却能力は高い。したがって、圧縮機から抽気された高圧空気と加湿器で加湿された湿分空気との混合において、湿分空気の割合が大きければ大きいほど冷媒の湿分が高くなるので好ましい。次に、信頼性の観点では、冷媒の飽和蒸気量が実際に冷媒に含まれる蒸気量を下回ると、飽和蒸気量を上回った分の冷媒に含まれる蒸気は気体の状態では存在することができない。そのため、飽和蒸気量を上回った分の蒸気は液体に相変化する凝縮を起こす。このように凝縮によって冷媒が液滴を含んだ状態でロータや動翼中の流路を流れると、高速で浮遊する液滴により局所的に運動量による衝撃を流路が受ける。また、一度凝縮した液滴が再び流路内で蒸発すると、蒸発潜熱により局所的に急冷され熱応力が大きくなる。そのため、発生した熱応力により流路を壊食する可能性が高くなる。さらに、冷媒に混入している不純物が、蒸発の際にスケールとして壁面に固着し流路を遮断したり、伝熱抵抗体となりその部位の冷却効率を低下させ壁面温度を上昇させる可能性もある。以上より、信頼性の低下を招く。よって、冷却能力では冷媒中にできるだけ多くの湿分量を注入することが望ましいが、冷媒の飽和蒸気量が実際に冷媒に含まれる蒸気量を下回る可能性を避けなければならない。また、この飽和蒸気量は温度に大きく影響し、温度が高いほど大きくなる。
【００１９】
次に、流路内の冷媒流量は主に供給圧力と動翼を冷却後の冷媒がガスパス中に放出される時の圧力である背圧との差圧と、流路断面積及び流路の圧力損失とにより決まる。これらの要因を考慮して、必要最低限の冷媒が流れるように設計されている。このように、冷媒の圧力は最終的には供給圧力から背圧まで変化するが流路状態によって局所的に変化する。また、圧縮性流体である冷媒は膨張した際に温度が低下するため、冷媒の飽和蒸気量が低下する。したがって、冷媒の膨張比が大きいほど温度低下量は大きく、飽和蒸気量の低下量も大きい。以上より、流路全体で冷媒の膨張により温度が低下し、それに伴って飽和蒸気量が冷媒に含まれる蒸気量を下回らないように、冷媒混合器に導かれる圧縮機からの高圧空気と加湿器において加湿された湿分空気との混合割合を設定することが望ましい。
【００２０】
前述のように、流路内の冷媒流量は、供給圧力と背圧との差圧と、流路断面積及び流路の圧力損失とにより決まる。そのため、第１段動翼６１ｂの差圧に比べて、第２段動翼
６２ｂ及び第３段動翼６３ｂは背圧が低いために差圧が非常に大きくなる。よって、冷媒流量が必要以上に流れないように第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂに通じる冷媒流路には、オリフィス等の抵抗を設けて減圧する必要がある。そして、第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂでは冷媒の圧力が低下するため飽和蒸気量が少なくなる。したがって、第１段動翼の冷却効果を上げるために冷媒中の湿分を多くすればするほど、第２段動翼及び第３段動翼での凝縮量が増加し信頼性が低下する恐れがある。以上より、動翼に通じる冷媒流路を流れる冷媒の凝縮を抑制或いは緩和するためには、冷媒混合器で湿分量を異ならしめる必要がある。そして凝縮を緩和するために、冷媒混合器に供給される加湿器からの湿分空気は圧縮機から抽気された高圧空気に比べかなり小さくしなければならない。このように冷媒混合器が一つでは、第１段動翼６１ｂの冷却効率を優先すると第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂの信頼性を損なう可能性があり、逆に信頼性を確保すると第１段動翼６１ｂの冷却に有効な湿分空気を利用することができずプラント全体の性能が低くなるという問題が残る。
【００２１】
なお、動翼を含む回転部品用冷媒は、ロータ内部に各動翼を冷却するのに適切な湿分量の冷媒を流す流路を独立に形成することは構造上難しい。よって、原則的に動翼を含む回転部品用冷媒において各部分で湿分量を変更することは困難である。したがって、従来のように一つの冷媒混合器から排出された湿分空気のみで全ての静翼，動翼を冷却した場合、第３段動翼６３ｂに通じる冷媒流路，冷却流路で冷媒が凝縮することを防ぐためだけに、冷媒中の蒸気量をかなり抑制する必要があった。
【００２２】
また、このように第３段動翼６３ｂを中心に冷媒中の湿分量を設定することが信頼性の観点からは望ましいため、最も効率的に冷却する必要がある第１段静翼６１ａに対しても、有効な湿分空気を利用することができずプラント全体の性能が低下するという問題も残る。
【００２３】
これに対して本実施例では、加湿器４から供給される湿分空気２６が静翼に通じる冷媒流路と動翼に通じる冷媒流路との分岐点より下流側に湿分空気の湿分量を異ならしめる手段である冷媒混合器を設置した。分岐点より上流側に冷媒混合器を設けた場合、冷媒中の湿分が凝縮しやすい部位にあわせて、他の部位の湿分量をかなり抑制する必要があった。しかし、分岐点より下流側に冷媒混合器を設けることで、冷媒中の湿分が凝縮しやすい部位に供給する冷媒の湿分量を抑制すると同時に、他の部位の湿分量を最適にすることが可能である。即ち、信頼性の確保と同時にプラント全体の性能を向上させることが可能である。
【００２４】
なお、分岐点より下流側に設ける冷媒混合器は、それぞれの冷媒流路全てに設ける必要はない。例えば本実施例の場合、第３段静翼６３ａに通じる冷媒流路と動翼系統に通じる冷媒流路だけに冷媒混合器を設置しても良い。前述のように動翼系統に供給する回転部品用冷媒は第３段動翼６３ｂにあわせる必要があるため、冷媒中の湿分量をかなり抑える必要がある。そして、第３段静翼６３ａに通じる冷媒流路では冷媒混合器を設置して冷媒中の湿分量を抑えるが、第１段静翼６１ａと第２段静翼６２ａに通じる冷媒流路では冷媒混合器を設置せずに加湿器が供給する湿分量を全量供給することが考えられる。この場合でも、最も効率的に冷却する必要がある第１段静翼６１ａに対して、有効な湿分空気を利用することができる。
【００２５】
そして、静翼の冷却流路の入口に導く冷媒流路ごとに湿分空気の湿分量を異ならしめる手段である冷媒混合器１６，１７，１８を備えた。したがって、それぞれの静翼に対応して冷媒の湿分量を設定することが可能である。例えば、圧縮機２から抽気された高圧空気２４と加湿器４から供給された相対湿度９５％程度の湿分空気とを混合させる時、従来のように一つの冷媒混合器のみで静翼と動翼に冷媒を供給すると３０％程度まで相対湿度を下げる必要があった。最も凝縮を起こしやすい第３段動翼６３ｂの冷媒流路と冷却流路にあわせる必要があったためである。対して本実施例では、第１冷媒混合器１６において生成される冷媒の相対湿度を、第４冷媒混合器１９で生成される冷媒の相対湿度よりも高くすることが可能である。具体的には、第１段静翼６１ａを最も効率的に冷却することが可能な湿分である相対湿度９０％程度の冷媒を第１冷媒混合器１６で生成させて第１段静翼６１ａに供給することが可能である。また、第２冷媒混合器１７，第３冷媒混合器１８においてもそれぞれ相対湿度６０％，相対湿度４０％程度の冷媒をそれぞれ第２段静翼62ａ，第３段静翼６３ａに供給することが可能である。このように、第１段静翼６１ａに供給する冷媒湿度を第３段動翼６３ｂに供給する冷媒湿度にあわせる必要がない。そのため、第３段動翼６３ｂに供給する冷媒の信頼性を確保するとともに、第１段静翼６１ａの冷却効率を高めて冷媒流量を削減することができ、プラントの熱効率が向上する。また、動翼にも湿分空気を供給しているため、静翼と動翼とを冷却する冷媒は湿分空気のみに統一することができ、冷媒流路の構成を簡素にすることが可能である。
【００２６】
そして、本実施例のように圧縮機から抽気する圧縮空気が高圧空気２４の一種類だけである場合、前段側の静翼に供給する冷媒の相対湿度よりも後段側の静翼ほど相対湿度を低くする必要がある。これは、冷媒混合器１６，１７，１８からの供給圧は同じだが背圧がそれぞれ異なるため、差圧が後段側ほど大きくなるからである。但し、圧縮機から抽気する圧縮空気が複数あってそれぞれ圧力が異なる場合は、当てはまらないこともある。なぜなら、冷媒混合器から各静翼に供給する圧力と背圧の双方が冷媒混合器により異なるため、差圧が後段ほど大きくなるとは必ずしも言えないからである。
【００２７】
また、圧縮機２から抽気された圧縮空気を冷媒混合器１６，１７，１８，１９に供給する流路を備え、圧縮機２から抽気するための抽気孔を圧縮機２のガスパス上に１箇所としている。なお、本実施例では燃焼器２の車室より圧縮空気を抽気しているが、高圧の圧縮空気を抽気できれば抽気孔の位置は関係ない。冷媒混合器１６，１７，１８は各静翼を冷却する冷媒流路ごとに備えられており、特に第３段静翼６３ａに冷媒を供給する冷媒混合器１８には高圧力の圧縮空気を供給する必要はない。しかし、本実施例のように圧縮機２から抽気する抽気孔を圧縮機２のガスパス上に１箇所とし、その抽気孔から供給された高圧空気２４を冷媒混合器１６，１７，１８，１９に供給することで、圧縮機２から抽気する流路を１系統にして構造を簡素にすることが可能である。
【００２８】
なお、各静翼を冷却する冷媒に必要な圧力は第１段静翼６１ａ，第２段静翼６２ａ，第３段静翼６３ａの順に低下するため、それぞれの冷媒混合器１６，１７，１８に異なる圧力の圧縮空気を供給することが考えられる。具体的には、冷媒混合器１６，１７，１８に適した圧力を圧縮機２のガスパス上から抽気するために、圧縮機２ガスパスの上流側から順に高圧抽気孔，中圧抽気孔，低圧抽気孔の３箇所設けることが考えられる。しかし、圧縮機２ガスパスの上流側から順に抽気孔を３箇所設けた場合、圧縮機２から冷媒混合器
１６，１７，１８に導く流路が複雑となり、製作性が低下する恐れがある。また、圧縮機２のガスパス壁面に３箇所の抽気孔が形成されるため、ガスパス内の空力性能が低下することも考えられる。そのため、圧縮機２から抽気する抽気孔を圧縮機２のガスパス上に高圧抽気孔の１箇所とすることで、圧縮機２からの低圧抽気孔と中圧抽気孔とを不要にすることが可能である。したがって、圧縮機２のガスパス壁面に形成される抽気孔が不要となり空力性能が向上する。
【００２９】
以上説明してきたように、本実施例のガスタービンプラントは、翼毎に冷媒混合器を備え、冷却効率及び信頼性の観点からそれぞれの翼に適した冷媒を生成することができる。これにより、信頼性を確保でき、プラントの熱効率が向上する。
【実施例２】
【００３０】
図３は実施例２を示す概略部分断面図である。実施例１との違いは、動翼やタービンロータといった回転部品の冷却に加湿器４で加湿された湿分空気２６を用いていない点である。
【００３１】
まず、圧縮機抽気流路５１ａについて説明する。圧縮機２のガスパス内周壁に設けられた高圧側のスリット２０ａから、ガスパスを流れる圧縮空気の一部が冷媒として抽気される。抽気された冷媒は圧縮機２とタービンロータとを連結する中間軸１５と隔壁５６とにより形成される空間を経由してタービン６に導かれる。その後、タービンロータに形成された冷媒流路を通過して第１段動翼６１ｂに導かれる。第１段動翼６１ｂの内部には冷却流路が形成されており、この冷却流路の入口がタービンロータ側に設けられている。そのため、圧縮機２のスリット２０ａから抽気された冷媒はタービンロータ内の冷媒流路を通過して第１段動翼６１ｂの冷却流路入口に導かれる。そして、第１段動翼６１ｂを冷却した冷媒は、最終的にガスパス中に放出される。また冷媒は圧縮機抽気流路５１ａである中間軸１５と隔壁５６とにより形成される空間の壁面とタービンロータ内の冷媒経路とを流れる際にその流路壁も冷却する。
【００３２】
次に、圧縮機抽気流路５１ｂについて説明する。圧縮機２のガスパス内周壁に設けられた中低圧側のスリット２０ｂから、ガスパスを流れる圧縮空気の一部が冷媒として抽気される。このスリット２０ｂは、前述のスリット２０ａより低圧側に設けられている。抽気された冷媒は中間軸１５の中空部分を経由してタービン６に導かれる。その後、タービンロータに形成された冷媒流路を通過して第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂに導かれる。第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂの内部には冷却流路が形成されており、この冷却流路の入口がタービンロータ側に設けられている。そのため、圧縮機２のスリット
２０ｂから抽気された冷媒はタービンロータ内の冷媒流路を通過して第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂの冷却流路入口に導かれる。そして、第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂを冷却した冷媒は、最終的にガスパス中に放出される。また、冷媒は圧縮機抽気流路５１ｂである中間軸１５の中空部分の内壁面とタービンロータ内の冷媒流路とを流れる際にその流路壁も冷却する。なお、本実施例では圧縮機の２箇所から抽気しているが、２箇所以上でも良い。圧縮機の抽気個所を増やした場合、より各段のタービン動翼に適した圧力の冷媒を供給することが可能となる。
【００３３】
図１に示した実施例１では、静翼を含む静止部品の冷却用冷媒のみならず動翼を含む回転部品の冷却用媒体も、加湿器４において加湿された湿分空気２６と圧縮機２の高圧空気２４とを混合させて冷媒を生成している。そのため、冷媒混合器１９で生成した冷媒は、回転ロータ軸端から供給する必要がある。また、静止系から回転系へ冷媒を移動させなければならないので、回転ロータ軸端からタービン外部へ冷媒が洩れないようにシール構造を設ける必要がある。
【００３４】
そして、静翼を含む静止部品用冷媒は各静翼に応じて第１冷媒混合器１６，第２冷媒混合器１７及び第３冷媒混合器１８において生成される。しかし、動翼を含む回転部品用冷媒は、ロータ内部に各動翼を冷却するのに適切な湿分量の冷媒を流す流路を独立に形成することは構造上難しい。よって、原則的に動翼を含む回転部品用冷媒は１種類である。また、前述のように一般的には冷媒中の湿分が高いほど冷却に有利な物性となる。よって、ガスパスでの雰囲気温度が最も高い第１段動翼６１ｂの冷却の観点からは、冷媒中の湿分は多く、冷媒の温度は低いほうが良い。しかしながら、同じ物性の冷媒が第２段動翼62ｂ及び第３段動翼６３ｂにも供給されることを考慮すると冷媒中の湿分を大きくすることは必ずしも好ましくはない。第１段動翼６１ｂの冷却効果を上げるために冷媒中の湿分を多くすればするほど、第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂでの凝縮量が増加し信頼性が低下する可能性があるためである。そのため、第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂでの凝縮を抑制或いは緩和するためには、冷媒混合器１９において湿分量を異ならしめることが必要となる。したがって、凝縮を緩和するために冷媒混合器１９に供給される加湿器４からの湿分空気２６は圧縮機２の高圧空気２４に比べかなり小さくする必要がある。このように実施例１の冷媒経路では、第１段動翼６１ｂの冷却効率を優先すると第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂの信頼性を損なう可能性があり、逆に信頼性を確保すると第１段動翼６１ｂの冷却に有効な湿分空気を利用することができずプラント全体の性能が低くなる。
【００３５】
これに対して本実施例では、動翼を含む回転部品用冷媒として圧縮機２から抽気した圧縮空気を使用するように構成した。回転部品用冷媒として湿分空気２６を一切混合していないため、第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂにおける冷媒中の湿分の凝縮を抑制することが可能である。そのため、翼の信頼性を損なうことなく冷却することができる。ただし、本実施例の場合、実施例１と比較すると回転部品用冷媒に含まれる湿分が少なく、冷却効率が劣るように考えられる。しかし、実施例１では信頼性を確保するために第４冷媒混合器１９に湿分空気２６をほとんど加えることができなかった。そのため、本実施例と同等の冷却効率にすることが可能である。
【００３６】
更に、実施例１ではタービンロータ軸端から冷媒を供給していた。そのため、タービンロータ軸端において静止系から回転系へ冷媒を外部へ漏らすことなく移動させるために特別なシール構造が必要であった。しかし、このシール構造が不要となることでコスト低減を図ることができる。
【００３７】
また本実施例では、圧縮機のガスパス上に圧力が異なる２箇所から抽気した圧縮空気をそれぞれ異なる動翼の冷却に用いている。即ち、高圧の圧縮空気が必要な第１段動翼61ｂにはスリット２０ａから抽気された高圧の圧縮空気を用い、それほど高圧を必要としない第２段動翼６２ｂと第３段動翼６３ｂにはスリット２０ｂから抽気された中低圧の圧縮空気を用いる。このように構成することで、スリット２０ａからの高圧圧縮空気のみで全ての動翼を冷却する場合に比べ、第２段動翼６２ｂと第３段動翼６３ｂに供給する冷媒圧力を第１段動翼６１ｂに供給する冷媒の圧力よりも低くすることが可能である。そして、圧縮機２から抽気する冷媒流量を低減させることができる。したがって、これによりプラントの熱効率が向上するという効果を奏する。また、回転部品用冷媒の供給流路である圧縮機抽気流路５１ａと圧縮機抽気流路５１ｂは一般的なガスタービンと同等であるため、非常に高い信頼性を有する。
【００３８】
以上説明してきたように、本実施例のガスタービンプラントは、従来、後段側動翼において発生する可能性のあった冷媒中の湿分の凝縮を緩和又は抑制することができ、信頼性を確保した冷却が可能である。また、回転部品用冷媒の供給経路が一般的なガスタービンと同等であり、非常に高い信頼性を確保し得る。更にロータ内部に２種類以上の異なる圧力の冷媒経路を形成することが可能であり、この場合、段落に応じて適切な圧力の冷媒を供給することができ冷媒流量を低減することが可能である。これによりプラントの熱効率が向上する。
【実施例３】
【００３９】
図４は実施例３を示す概略部分断面図である。実施例２との違いは、第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂの冷媒として、圧縮機２の中段部に設けたスリット２０ｂから抽気した中圧の圧縮空気ではなく、高段部のスリット２０ａから抽気した高圧の圧縮空気を用いている点である。それに伴い圧縮機２から供給する冷媒が１種類になったので、本実施例では中間軸１５の中空部分を経由して冷媒をタービン６に導いている。導かれた冷媒は、ロータ内に形成された冷媒流路を経由して第１段動翼６１ｂ，第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂへ供給される。
【００４０】
本実施例において第１段動翼６１ｂ，第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂへ冷媒を供給する冷媒経路は、典型的なガスタービンの動翼用冷媒の供給流路と同じである。即ち、圧縮機２のガスパス上の１箇所から抽気した圧縮空気を動翼の冷却に用いるよう構成すると、実績という観点から最も信頼性が高く、最も低コストな冷却方式となる。この冷却方式を採用すれば、既存の典型的なシンプルサイクルのガスタービンを本ガスタービンプラントのガスタービンに容易に転用することが可能である。また、動翼用冷媒の経路はそのまま利用することができ、静翼を始めとする静止部品用冷媒は、外部配管の付設により供給することが可能である。
【実施例４】
【００４１】
図５は実施例４を示す概略部分断面図である。実施例２との違いは、第１段動翼６１ｂの冷媒として、湿分空気２６と圧縮機２の高圧空気２４とを混合する冷媒混合器１９が供給する冷媒を用いている点である。本実施例では、タービンロータを形成する第４段ディスク７６とスタブシャフト７８間に形成された空間７９に、タービンロータ軸端から冷媒を供給する。この冷媒を第１段動翼６１ｂを固定する第１段ディスクまで導く。そして、第１段ディスク７０とスペーサ７１で形成された空間８０に導入した後、動翼の冷却流路入口まで冷媒を導いている。このように動翼の冷却流路入口まで導かれた冷媒は、動翼内の冷却流路を通過して動翼を冷却し、ガスパス中に放出される。
【００４２】
本実施例では圧縮機２のガスパス上の１箇所から抽気した圧縮空気と、加湿器が生成した湿分空気を第１段動翼６１ｂの冷却に適した冷媒として冷媒混合器１９で生成してロータ軸端から供給する。したがって、動翼の中で最も運用条件が厳しい第１段動翼６１ｂの冷却に湿分空気を用いることが可能になる。タービンロータ内部に複数の冷媒流路が形成されるため構造が複雑になり製造コストが上昇するが、その分、冷却効率の高い湿分空気を第１段動翼６１ｂに利用することができる。そのため、プラント全体の熱効率が向上する。
【００４３】
また、第２段動翼６２ｂと第３段動翼６３ｂには高圧の圧縮空気を圧縮機から抽気する必要がなくなる。そのため、高圧の圧縮空気のみで動翼全てを冷却する場合に比べて、圧縮機２から抽気する冷媒流量を低減させることができる。したがって、プラントの熱効率が向上するという効果も奏する。
【実施例５】
【００４４】
図６は実施例５を示す概略部分断面図である。実施例４との違いは、第３段動翼６３ｂの冷媒として、第３段静翼６３ａを冷却あるいは通過後の冷媒を使用する点である。第３冷媒混合器１８において第３段静翼６３ａ及び第３段動翼６３ｂの冷却に適するように生成された冷媒は、まずタービンのケーシングから第３段静翼６３ａの冷却流路入口に導かれる。そして、第３段静翼６３ａの冷却流路を通過することで第３段静翼６３ａを冷却した冷媒は、第３段静翼６３ａの下部に係合されたダイアフラム８１内の空間に導かれる。ダイアフラム８１内の空間に導かれた冷媒は、スペーサと第３段ディスクとで形成された空間８２を経由して、第３段動翼６３ｂの冷却流路入口まで導かれる。このように、第３段動翼６３ｂの冷却流路入口に導かれた冷媒は、冷却流路を通過することで第３段動翼
６３ｂを冷却し、ガスパス中に放出される。
【００４５】
本実施例では、圧縮機のガスパス上の１箇所から抽気した圧縮空気と静翼を冷却後の湿分空気とを動翼の冷却に用いるように構成している。そのため、第３段動翼６３ｂを冷却する冷媒として湿分空気を利用でき、圧縮機から抽気する冷媒の総量が削減されプラント全体の熱効率が向上する。また、ロータ内部に形成される経路が削減できるため信頼性が向上する。
【実施例６】
【００４６】
図８は本実施例に係るガスタービンプラントの概略回路図である。図７は図８に示されるガスタービンプラントの圧縮機２，燃焼器５，タービン６，中間軸１５，加湿器４，再生器７，第１冷媒混合器１６，第２冷却混合器１７，第３冷却混合器１８及び第４冷媒混合器１９を含む概略部分断面図である。なお、図１と同じ符号の要素は、同一の機能を有している。
【００４７】
実施例１との相違点は、静翼及び動翼を冷却する冷媒流路に設けられた冷媒混合器１６，１７，１８，１９に供給する圧縮機２からの抽気を高圧空気２４，中圧空気２４Ｍ，低圧空気２４Ｌの３箇所としている点である。そして、第１冷媒混合器１６は高圧空気２４の一部と加湿器４において加湿された湿分空気２６の一部とを混合し第１段静翼６１ａの冷却に適した冷媒を生成する。第２冷媒混合器１７は圧縮機２より一部抽気した中圧空気２４Ｍと加湿器４において加湿された湿分空気２６の一部とを混合し第２段静翼６２ａの冷却に適した冷媒を生成する。第３冷媒混合器１８は圧縮機２より一部抽気した低圧空気２４Ｌと加湿器４において加湿された湿分空気２６の一部とを混合し第３段静翼６３ａの冷却に適した冷媒を生成する。第４冷媒混合器１９は高圧空気２４の一部と加湿器４において加湿された湿分空気２６の一部とを混合し第１段動翼６１ｂ，第２段動翼６２ｂ及び第３段動翼６３ｂの冷却に適した冷媒を生成する。このように、冷媒混合器１６，１７，１８，１９ごとに必要な圧縮空気の圧力が異なるため、圧縮機２の抽気孔を圧縮機のガスパス上で圧力が異なる高圧，中圧，低圧の３箇所に設けた。したがって、それぞれの冷媒混合器に対応した最適な圧力の圧縮空気を使用することが可能となる。なお、本実施例では圧縮機の抽気孔を圧力が異なる３箇所とするが、少なくとも２箇所以上であればよい。少なくとも２箇所以上であれば、圧力が異なる圧縮空気を抽気して、この圧縮空気を混合することで圧力を調整することが可能なためである。
【００４８】
また、第２冷媒混合器１７及び第３冷媒混合器１８においては、それぞれ圧縮機から抽気した中圧空気２４Ｍ及び低圧空気２４Ｌを用いて冷却しているので、高圧空気２４のみを使用する場合に比べて圧縮機動力を小さくできる。そのため、プラントの熱効率を向上させることが可能である。
【００４９】
なお、実施例１から５に記載したガスタービンプラントにおいても、冷媒混合器に供給する圧縮機２からの抽気を高圧空気２４，中圧空気２４Ｍ，低圧空気２４Ｌの３種類とすることで、実施例６と同様の効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ガスタービンプラントの実施例１を示す概略部分断面図。
【図２】ガスタービンプラントの実施例１を示す概略回路図。
【図３】ガスタービンプラントの実施例２を示す概略部分断面図。
【図４】ガスタービンプラントの実施例３を示す概略部分断面図。
【図５】ガスタービンプラントの実施例４を示す概略部分断面図。
【図６】ガスタービンプラントの実施例５を示す概略部分断面図。
【図７】ガスタービンプラントの実施例６を示す概略部分断面図。
【図８】ガスタービンプラントの実施例６を示す概略回路図。
【符号の説明】
【００５１】
２…圧縮機、４…加湿器、５…燃焼器、６…タービン、５１ａ，５１ｂ…圧縮機抽気流路、６１ａ…第１段静翼、６１ｂ…第１段動翼、６２ａ…第２段静翼、６２ｂ…第２段動翼、６３ａ…第３段静翼、６３ｂ…第３段動翼、６４ａ…第４段静翼、６４ｂ…第４段動翼。
【図１】
2005133658.tif 000003
【図２】
2005133658.tif 000004
【図３】
2005133658.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005133658.tif 000008
【図７】
2005133658.tif 000009
【図８】
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