(57)【要約】【課題】  ガスタービンには冷却した吸入空気を圧縮機に供給するものがあり、吸気入口温度の測定のためには、いくつかの方法が提案されている。しかし、水を吸気に直接噴霧する冷却方式では、温度計が噴霧された水で濡れてしまい、湿球温度に近い温度が検出されてしまう。また、熱交換機で空気を冷却する方式においても、吸気口の内壁面に液滴が発生してしまい、吸気温度の正確な測定ができなくなる。【解決手段】  ガスタービンＡは、吸入口１１から供給される吸入空気を圧縮して吐出口１３から吐出する圧縮機１０と、該圧縮機１０から吐出された空気で燃料を燃焼させる燃焼器３０と、該燃焼器３０の燃焼ガスにより駆動されるタービン４０と、該吸入空気を冷却する冷却装置５０とを備える。吐出口１３には、圧縮機１０が吐出する空気の温度を検出する温度検出手段６１,６２,６３が設けられている。そして、温度検出手段６１,６２,６３によって検出された温度に基づいて、吸入空気の温度を測定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入口から供給される吸入空気を圧縮して吐出口から吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出された空気で燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、該吸入空気を冷却する冷却装置とを備えたガスタービンにおいて、
該吐出口に、該圧縮機から吐出された空気の温度を検出する温度検出手段が設けられ、該温度検出手段によって検出された温度に基づいて、該吸入口の吸入空気の温度を測定するガスタービン。
【請求項２】
該吐出口の周方向における複数点に、該温度検出手段が設けられ、該温度検出手段によって検出された温度に基づいて、該吸入口の周方向における温度分布を測定する、請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
該温度検出手段が、該吐出口の周方向において等角度間隔で設けられた、請求項２記載のガスタービン。
【請求項４】
該吐出口に、該圧縮機から吐出された空気の圧力を検出する圧力検出手段が設けられ、該圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて、該吸入口の吸入空気の温度を測定する、請求項１乃至３のいずれか一の項に記載のガスタービン。
【請求項５】
該圧縮機が遠心型圧縮機である、請求項１乃至４のいずれか一の項に記載のガスタービン。
【請求項６】
該圧縮機が軸流型圧縮機である、請求項１乃至４のいずれか一の項に記載のガスタービン。
【請求項７】
該圧縮機を複数備え、
吸入空気が該複数の圧縮機で複数段に圧縮され、
該温度検出手段が設けられた該吐出口が、該複数の圧縮機のうちのいずれかの吐出口である、請求項１乃至６のいずれか一の項に記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、空気を圧縮する圧縮機を備え、該圧縮機に冷却した空気を供給する方式のガスタービンに関し、より詳細には、圧縮機の吸気温度を測定するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンには、出力向上を図るために、冷却した空気を圧縮機に吸気させる方式のものがある。
【０００３】
ガスタービンは例えば発電用に用いられるが、特に夏は電力需要が増加するにもかかわらず、大気温度が高いため、そのままの温度では圧縮機に十分な空気を供給することができない。圧縮機に供給する空気を冷却するのは、このような事情のためである。
【０００４】
空気（吸気）を冷却する方式には、大きく分類すると、空気に直接水を噴霧する方式と、熱交換機で間接的に冷却する方式とがある。いずれも、圧縮機の空気吸入口において空気を冷却するのであるが、吸入口の周方向において一様に冷却できるか否かが問題となる。
【０００５】
周方向における吸気温度の分布があると、圧縮機性能の劣化を招くからである。さらに、その周方向において大きな温度差が生じると圧縮機に振動が生じてしまうこともあるからである。そこで、圧縮機の吸気口において周方向の何点かで温度測定を行い、周方向での温度分布が所定の大きさ以内に納まっているか否かを監視する構造も採用されている。そして、所定温度（例えば３度）以上の温度差が検出されると、ガスタービンの運転を停止するというように、運転仕様を決めている場合もある。
【０００６】
圧縮機の吸気温度の測定のためには、いくつかの方法が提案されている。例えば、空気冷却器の下流であって、水噴霧装置の上流側に温度計を設け、温度計によって吸気温度を監視する装置も提案されている。（例えば、特許文献１）。
【０００７】
しかし、吸気口で温度を測定すると、次のような問題が生ずる。つまり、水を吸気に直接噴霧する方式では、温度計が噴霧された水で濡れてしまう可能性が大きい。そうすると、湿球温度に近い温度が検出されてしまうので、吸気温度を正確に測定することができなくなる。また、熱交換機で間接的に空気を冷却する方式においても、吸気口の内壁面に液滴が発生してしまい、吸気の相対湿度が上がってしまう。よって、この方式においても吸気温度の正確な測定ができなくなる。
【０００８】
これら液滴等の影響をできるだけ小さくするには、吸気口の内部に温度計の温度検出部をできるだけ大きく突き出すようにすることも考えられる。しかし、突き出し長さを大きくすると、空気流によって温度計が振動しやすくなり、その結果、温度計を破損する可能性が高くなる。
【０００９】
吸気口の周方向における温度分布が一定以上になるとガスタービンの運転を停止する場合があることを前述したが、吸気温度の測定誤差が大きいので、安全のために、比較的小さな温度分布が検出された時点でガスタービンの運転を停止せざるを得ない場合もある。
【特許文献１】特許第２９８００９５号公報（９〜１１頁、図１、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願発明が解決しようとする課題は、圧縮機の吸気温度を、液滴の影響や吸気の湿度の影響を受けることなく測定することができるような、ガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するために、本願発明に係るガスタービンは、吸入口から供給される吸入空気を圧縮して吐出口から吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出された空気で燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、該吸入空気を冷却する冷却装置とを備えたガスタービンにおいて、該吐出口に、該圧縮機から吐出された空気の温度を検出する温度検出手段が設けられ、該温度検出手段によって検出された温度に基づいて、該吸入口の吸入空気の温度を測定する。
該吐出口は、該吸入口のように、冷却装置による液滴や湿度の影響を受けにくいので、該吐出口では正確な温度検出が可能である。そして、該圧縮機の特性が既知であれば、該吐出口で検出された温度から該吸入口の吸入空気の温度を算出できる。よって、該吸入口における、液滴や湿度の影響を受けない正確な温度測定が可能である。
【発明の効果】
【００１２】
冷却された吸気が供給される圧縮機を備えるガスタービンにおいて、吸気口での液滴の影響や吸気の湿度の影響を受けることなく、吸気温度を測定することができる。よって、吸気の周方向の温度分布も正確に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願のガスタービンにおいて、該吐出口の周方向における複数点に、該温度検出手段を設けてもよい。そして、該温度検出手段によって検出された温度に基づいて、該吸入口の周方向における温度分布を測定するようにしてもよい。
【００１４】
この場合（周方向の複数点に温度検出手段を設ける場合）は、該温度検出手段を、該吐出口の周方向において等角度間隔で設けるようにしてもよい。
【００１５】
また該吐出口に、該圧縮機から吐出された空気の圧力を検出する圧力検出手段を設けてもよい。そして、検出された温度のみならず、該圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて、該吸入口の吸入空気の温度を測定するようにしてもよい。
【００１６】
該圧縮機は遠心型圧縮機であってもよいし、軸流型圧縮機であってもよい。
【００１７】
また、該圧縮機を複数備えるようにしてもよい。すなわち、圧縮機を複数段にしてもよい。そして、吸入空気が該複数の圧縮機で複数段に圧縮されるようにしてもよい。この場合、該複数の圧縮機のうちのいずれかの吐出口に温度検出手段を設けるようにしてもよい。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本願発明の一実施例たるガスタービンＡの概略構成を示すブロック図である。
【００１９】
ガスタービンＡは、圧縮機１０と、燃焼器３０と、タービン４０と、冷却装置５０とを備えている。
【００２０】
この圧縮機１０は遠心型圧縮機である。圧縮機１０は、吸入口１１から空気を吸入し、この空気（吸入空気）をインペラの回転によって圧縮する。圧縮された空気（圧縮空気）は吐出口１３から吐出される。
【００２１】
圧縮機１０からの圧縮空気は、燃焼器３０に送り込まれる。燃焼器３０には、燃料供給管３１を介して燃料が供給されている。燃焼器３０に供給された燃料は、圧縮空気で燃焼される。
【００２２】
燃焼器３０において、燃料の燃焼によって発生した燃焼ガスが、タービン４０に送り込まれる。そして、タービン４０の回転によって、このガスタービンＡの出力軸たる回転軸４５が回転駆動される。
なお、タービン４０を回転させた燃焼ガスは、最終的には排気ガスとして、排気管４１から大気へ排出される。
【００２３】
冷却装置５０は、吸入空気を冷却するための装置である。この冷却装置５０は、冷却水管５１と循環機５２とを有している。冷却水管５１内には冷却水が流れており、この冷却水が吸入空気と熱交換を行う。これにより、吸入空気の温度が下げられる。冷却水管５１内の冷却水は、循環器５２によって循環させられる。この冷却装置５０によって、吸入空気を冷却してその密度を高くすることができ、結果的にガスタービンＡの出力を向上させることができる。
【００２４】
吐出口１３には、３本のプローブ６１,６２,６３が設けられている。３本のプローブ６１,６２,６３は、周方向において１２０度間隔で、すなわち等角度間隔で取り付けられている。これらプローブ６１,６２,６３は、吐出口１３において、圧縮機１０が吐出した吐出空気（圧縮空気）の温度と圧力を検出するためのものである。つまり、このプローブ６１,６２,６３は、温度検出手段として機能するとともに、圧力検出手段としても機能する。
【００２５】
図２は、圧縮機１０およびその周辺部の縦断面図である。この図には、プローブ６１が示されているが、プローブ６２,６３は示されていない。これは、図２に示される断面上には、プローブ６２,６３が表れないからである。
【００２６】
回転軸４５はケーシング７０内において、ベアリング７１によって回転可能に支持されている。インペラ１２は回転軸４５に固定されており、回転軸４５と一体となって回転する。なお、符号１４は静翼を示す。
【００２７】
冷却装置５０によって冷却された吸入空気が、吸入口１１からインペラ１２に送り込まれて圧縮される。インペラ１２で圧縮された空気（圧縮空気）は、静翼１４によってその流れを整えられる。プローブ６１は静翼１４の近傍であってその下流側に設けられている。
【００２８】
プローブ６１は、その先端が吐出口１３の内壁面１３ａからわずかに内方に突出しているだけである。このように、プローブ６１の突出長さが短いので、吐出空気の流れによって、プローブ６１が振動することはない。
【００２９】
プローブ６１は圧縮機１０で圧縮された空気の温度等を検出する。一般に空気は圧縮されると温度が上がり、相対湿度が低くなる。プローブ６１は、この相対湿度の低い状態の空気の温度を検出することになる。よって、誤差の少ない温度検出が可能となる。
【００３０】
プローブ６１には、信号線６１ａが接続されており、プローブ６１によって検出された温度信号および圧力信号は、この信号線６１ａによって、図示しない制御装置に送信される。
【００３１】
この制御装置は、温度信号や圧力信号に基づいて、プローブ６１の設置個所の温度と圧力とを検出することができる。
【００３２】
一般に、ある圧縮機の性能曲線（空気流量、圧力、回転数等の関係の性能特性を示すものであり、「マップ」と通称されることもある。）や圧縮機断熱効率が既知であれば、その圧縮機における吐出空気の温度Ｔout、と吐出空気の圧力Ｐout、回転数、大気圧等から、吸入空気の温度Ｔinを算出することができる。つまり、吸入空気温度Ｔinを直接検出しなくても、吐出空気温度Ｔoutに基づいて吸入空気温度Ｔinを算出することができるのである。
【００３３】
参考のために次式に、吸入空気温度Ｔinと吐出空気温度Ｔoutとの関係を示す。
【００３４】
【数１】
2005090240.tif 000003
【００３５】
なお、上式（式１）中には、圧力比や圧縮機断熱効率が表れているが、圧力比は吐出口圧力と大気圧から求めることができ、圧縮機断熱効率は回転数と吐出口圧力から求めることができる。
【００３６】
プローブ６１によって検出された、プローブ６１の設置個所における温度Ｔout１および圧力Ｐout１から、吸入口１１の温度Ｔin１を算出することができる。この算出された温度Ｔin１は、吸入口１１の周方向におけるある点に最もよく対応している。つまり、吐出口１３の周方向における、ある一点に設置されたプローブ６１が検出した温度Ｔout１から算出された吸入空気温度Ｔin１は、吸入口１１の周方向における特定の一点の温度に最もよく対応している。
【００３７】
プローブ６１が検出した温度Ｔout１が、吸入口１１の周方向におけるどの点と最もよく対応しているかは、圧縮機１０における流体解析によって知ることができる。
【００３８】
図３は圧縮機１０の横断面図であり、（ａ）は図２のIII(ａ)−III(a)線矢視断面図であり、（ｂ）は図２のIII(ｂ)−III(ｂ)線矢視断面図である。換言すれば、（ａ）は吐出口１３における横断面図であり、（ｂ）は吸入口１１における横断面図である。各横断面図においては、主要部材のみ表しており、他の部材は省略してある。
【００３９】
図３（ａ）に示されるように、プローブ６１,６２,６３は、等角度間隔（１２０度間隔）で配置されている。図３（ｂ）において示される点Ｎ１,Ｎ２,Ｎ３は、プローブ６１,６２,６３が設置された各点に最もよく対応する点である。すなわち、プローブ６１の設置点は吸入口１１における点Ｎ１に最もよく対応しており、プローブ６２の設置点は吸入口１１における点Ｎ２に最もよく対応しており、プローブ６３の設置点は吸入口１１における点Ｎ３に最もよく対応している。
【００４０】
よって、プローブ６１によって検出された温度Ｔout１と圧力Ｐout１からは吸入口１１における点Ｎ１における温度Ｔin１が算出されると考えることができ、プローブ６２によって検出された温度Ｔout２と圧力Ｐout２からは吸入口１１における点Ｎ２における温度Ｔin２が算出されると考えることができ、プローブ６３によって検出された温度Ｔout３と圧力Ｐout３からは吸入口１１における点Ｎ３における温度Ｔin３が算出されると考えることができる。
【００４１】
このようにして、プローブ６１,６２,６３からの検出信号によって、点Ｎ１の温度Ｔin１、点Ｎ２の温度Ｔin２、点Ｎ３の温度Ｔin３を算出することができる。さらに、算出された温度Ｔin１、温度Ｔin２  および  温度Ｔin３から、吸入口１１における周方向の温度分布を知ることができる。これら温度（Ｔin１、Ｔin２、Ｔin３）が略等しいのであれば、圧縮機１０において性能劣化や振動が生ずることがないので、ガスタービンＡの運転を続けることに問題はない。
【００４２】
しかし、これら温度（Ｔin１、Ｔin２、Ｔin３）のばらつきが大きいとき、つまり、温度分布が大きいときは、圧縮機１０の性能劣化や振動が生ずる可能性があるので、ガスタービンＡの運転を停止するようにしてもよい。
【００４３】
例えば、これら温度（Ｔin１、Ｔin２、Ｔin３）のうちの最高温度と最低温度の差が３度以上であると判断された場合には、ガスタービンＡの運転を停止させるようにしてもよい。
【００４４】
上記ガスタービンＡでは、吐出口１３の圧力を、各プローブ６１,６２,６３が設置された各点において検出している。しかし、プローブが設置されている個所であるか否かにかかわらず、吐出口１３におけるある一点の圧力のみを検出するようにしてもよい。そしてこの圧力を吐出口１３における代表圧力として用い、各プローブ６１,６２,６３で検出された各温度から、吸入口１１における各点Ｎ１,Ｎ２,Ｎ３の温度を算出するようにしてもよい。
【００４５】
図４は出願人が準備した実験装置としての圧縮機での測定結果を示す測定図である。この圧縮機は遠心型圧縮機であり、吸入空気を冷却装置で冷却している。そして、吐出口において周方向に等角度間隔で３点（点Ｄ１,点Ｄ２,点Ｄ３）に温度検出手段たるプローブを設置した。そして、これら各点（点Ｄ１,点Ｄ２,点Ｄ３）で検出された温度に基づいて、吸入口おいて周方向に等角度間隔で離れた３点（点Ｅ１,点Ｅ２,点Ｅ３）での温度を算出した。吐出口での点Ｄ１,点Ｄ２,点Ｄ３は、それぞれ、吸入口での点Ｅ１,点Ｅ２,点Ｅ３に、最もよく対応している。
【００４６】
図４において、横軸は時間を、縦軸は温度を示す。図４において、実線Ｌ１は点Ｄ１での検出温度を、一点鎖線Ｌ２は点Ｄ２での検出温度を、二点鎖線Ｌ３は点Ｄ３での検出温度を、実線Ｌ４は点Ｅ１に関する算出温度を、一点鎖線Ｌ５は点Ｅ２に関する算出温度を、二点鎖線Ｌ６は点Ｅ３に関する算出温度を、それぞれ示す。
【００４７】
次に、複数段式圧縮機を有するガスタービンに本願発明を適用する例を示す。
【００４８】
図５は、２段式の圧縮機８０の上半部縦断面図である。この圧縮機８０も、ガスタービン用の圧縮機である。
【００４９】
この圧縮機８０も遠心型圧縮機である。この圧縮機８０では、吸入口８１から吸入された吸入空気は、一段目のインペラ８２Ａで圧縮されて吐出口８３Ａに吐出される。そして、吐出口８３Ａに吐出された圧縮空気は、二段目のインペラ８２Ｂによってさらに圧縮され、吐出口８３Ｂに吐出される。吐出口８３Ｂから吐出された圧縮空気は、燃焼器（図示せず）に送られて燃料を燃焼させ、このときに生ずる燃焼ガスによってタービン（図示せず）が回転する。なお、符号８５は回転軸を示す。
【００５０】
この圧縮機８０の吸入口８１での吸入空気の温度を算出するには、吐出口８３Ａに温度検出手段たるプローブを設けるようにしてもよいし、吐出口８３Ｂに温度検出手段たるプローブを設けるようにしてもよい。
【００５１】
例えば、吐出口８３Ａの点Ｖ１にプローブを設置し、このプローブによって温度検出を行い、検出されたこの温度から吸入口８１の点Ｕ１における温度を算出するようにしてもよい。
【００５２】
また例えば、吐出口８３Ｂの点Ｗ１にプローブを設置し、このプローブによって温度検出を行い、検出されたこの温度から吸入口８１の点Ｕ１における温度を算出するようにしてもよい。
【００５３】
つまり、ガスタービンが複数段の圧縮機を有するタイプであるとき、このガスタービンは各圧縮機に対応して複数の吐出口を有することになる。この場合、複数の吐出口のうちのいずれに温度検出手段（プローブ）を設置してもよい。
【００５４】
つまり、初段の圧縮機の吐出口に設置してもよいし、最終段の圧縮機の吐出口に設置してもよいし、それらの中間の圧縮機の吐出口に設置してもよい。
【００５５】
温度検出手段（プローブ）を設置した吐出口よりも前段に設けられた圧縮機の性能曲線や圧縮機断熱効率が既知であれば、その温度検出手段（プローブ）によって検出された温度に基づいて、吸入口（初段の圧縮機に空気を供給する吸入口）における温度を算出することができる。
【００５６】
このような場合であっても、もちろん、温度検出手段（プローブ）を吐出口の周方向の複数箇所に設置し、これら温度検出検出（プローブ）の検出信号から、吸入口における周方向の温度分布を測定するようにしてもよい。
【００５７】
以上、図１〜５に基づいて、本願発明の実施例を説明した。
【００５８】
上記実施例では、圧縮機の吐出口において周方向に等角度間隔で温度検出手段（プローブ）を設置したが、かならずしも等角度間隔である必要はない。
【００５９】
また、上記実施例では、吐出口に設置した複数の温度検出手段の各設置個所が、吸入口における周方向のいずれの角度点と対応するかを、流体解析等の手法によって知るようにした。しかし、吐出口に設置した複数の温度検出手段の各設置個所が、吸入口における周方向のいずれの角度点と対応するかは、必ずしも知る必要はない。なぜなら、吐出口の周方向において複数の箇所に各温度検出手段が設置されると、各温度検出手段が検出した温度から、吸入口における複数の温度を算出することができるからである。そして、この算出された複数の温度に大きな分布が生じている場合は、吸入口の周方向における大きな温度分布が生じていることが推定されるからである。
【００６０】
また、上記実施例では、遠心型圧縮機を備えるガスタービンを説明した。しかし、ガスタービンが備える圧縮機は遠心型である必要はない。例えば、軸流型圧縮機を備えるガスタービンに本願発明を適用することもできる。
【００６１】
特に、軸流型圧縮機は、複数段（多段）に構成される場合が多いが、各段の圧縮機に対応するいずれの吐出口に温度検出手段（プローブ）を設置してもよい。そして、この温度検出手段で検出された温度に基づいて、吸入口（初段の圧縮機に空気を供給する吸入口）における吸入空気の温度を算出したり、その周方向における温度分布を測定すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
圧縮機の吸入空気の温度を測定したり、吸入口の周方向における温度分布を測定できるので、圧縮機を有するガスタービンの分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ガスタービンＡの概略構成を示すブロック図である。
【図２】圧縮機およびその周辺部の縦断面図である。
【図３】圧縮機の横断面図であり、（ａ）は図２のIII(ａ)−III(a)線矢視断面図であり、（ｂ）は図２のIII(ｂ)−III(ｂ)線矢視断面図である。
【図４】実験装置としての圧縮機での測定結果を示す測定図である。
【図５】２段式の圧縮機の上半部縦断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
Ａ  ガスタービン
１０  圧縮機
１１  吸入口
１２  インペラ
１３  吐出口
１３ａ  内壁面
１４  静翼
３０  燃焼器
３１  燃料供給管
４０  タービン
４１  排気管
４５  回転軸
５０  冷却装置
５１  冷却水管
５２  循環機
６１,６２,６３  プローブ
６１ａ  信号線
７０  ケーシング
７１  ベアリング
８０  圧縮機
８１  吸入口
８２Ａ,８２Ｂ  インペラ
８３Ａ,８３Ｂ  吐出口
８５  回転軸
【図１】
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【図２】
2005090240.tif 000005
【図３】
2005090240.tif 000006
【図４】
2005090240.tif 000007
【図５】
2005090240.tif 000008