(57)【要約】【課題】少ない圧縮機抽気量でケーシング冷却可能なガスタービンとガスタービンの冷却方法を提供する。【解決手段】ケーシングを冷却するケーシング冷却構造２５と、ケーシング冷却構造へ圧縮機１０２から抽気空気を供給する冷却媒体供給系統１２０を備えたガスタービンにおいて、前記冷却媒体供給系統１２０に、前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させる流量増幅手段１１６を設けたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、
前記タービンを内包するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングを冷却するケーシング冷却構造と、
冷却媒体として前記圧縮機の抽気空気を前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンにおいて、
前記冷却媒体供給系統に、前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させる流量増幅手段を設けたことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒の吸入口を備え、
前記吸入口のうち少なくとも１つが前記ガスタービンを内包するエンクロージャ内に設置されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒の吸入口を備え、
前記吸入口のうち少なくとも１つが前記ガスタービンを内包するエンクロージャ外に設置されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒が流通する付加冷媒系統と、
前記付加冷媒系統が微細液滴を発生させる液滴噴霧手段を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記流量増幅手段は、前記付加冷媒の吸入口を備え、
前記吸入口を、蒸気を供給する手段と接続したこと特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項１から５に記載のガスタービンにおいて、
前記冷却媒体供給系統に、前記冷媒の流量を変化させる流量変化手段を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
請求項１から５に記載のガスタービンにおいて、
前記タービンと前記ケーシングの回転界面となる動翼先端間隙が起動時最小値となったことを検出し検出信号を出力する間隙検出手段と、
前記検出信号の出力により前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させる流量変化手段を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項８】
圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより加熱される高温部品と、
前記高温部品を冷却する冷却構造と、
冷却媒体として前記圧縮機の抽気空気を前記冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンの冷却方法であって、
前記冷却媒体供給系統内に前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項９】
圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転駆動するタービンと、
前記タービンを内包するタービンケーシングと、
前記タービンケーシングを冷却するケーシング冷却構造と、
冷却媒体として前記圧縮機の抽気空気を前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンの冷却方法であって、
前記冷却媒体供給系統内に前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記ガスタービン冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスタービンの冷却方法において、
前記付加冷媒が、前記エンクロージャ内の空気であることを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項１１】
請求項９に記載のガスタービンの冷却方法において、
前記付加冷媒が、前記エンクロージャ外の大気であることを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項１２】
請求項９に記載のガスタービンの冷却方法において、
前記付加冷媒が、液相もしくは気相の水を含むことを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項１３】
請求項９から１２に記載のガスタービンの冷却方法において、
前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を前記ガスタービンの運転中に変化させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項１４】
請求項９から１２に記載のガスタービンの冷却方法において、
前記タービンと前記タービンケーシングの回転界面となる動翼先端間隙が起動時最小値となったことを検出した後に、前記冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【請求項１５】
請求項９から１４に記載のガスタービンの冷却方法において、
前記圧縮機は前記抽気空気を抽気する抽気段を少なくとも１つ備え、
前記抽気段を、前記ガスタービンの起動直後は前記タービンケーシングの温度が前記抽気空気の温度よりも低く、前記ガスタービンの定常運転中は前記タービンケーシングの温度が前記抽気空気の温度よりも高くなるように選定したことを特徴とするガスタービンの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン及びガスタービンの冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、ケーシング（静止体）の内部にロータ（回転体）を内包した構成となっている。ロータ外周部には、タービン動翼が設けられており、タービン動翼の先端（最外周側）とケーシングの間には、間隙が存在している。高温高圧の主流ガスがこの部分を通過すると、漏れ損失が生じ性能が低下するため、タービンの性能向上のためには、タービン動翼とシュラウド間の間隙は小さい方が良い。
【０００３】
一方で、動翼先端とケーシングの間隙が小さすぎると動翼先端とシュラウドが接触し破壊の原因になる。この間隙はロータ，ケーシング等の熱膨張，遠心伸びなどにより、ガスタービン運転中に変化するため、全運転状況下において接触による破損が生じないようにケーシングの組み立て時（起動時）間隙を決定している。
【０００４】
一般に、産業用ガスタービンではこの最小間隙が起動途中に現れる。これは、熱容量の違いなどの要因により、ロータよりもケーシングの方が温まりにくいことによる。定常運転時以外において間隙が最小となると、この定常運転時以外の時に接触が生じないような間隙に設計せねばならず、定格運転時の間隙は起動途中よりも大きくなり、好ましくない過大な間隙にて運転することとなる。
【０００５】
この好ましくない過大な間隙を避けるために、いくつかのガスタービンは圧縮機抽気空気・別置きブロワの空気などを用いてケーシングを冷却することでケーシングの熱膨張を抑制し間隙を制御している。
【０００６】
例えば、ブロワによる供給空気でケーシングを冷却する技術が特許文献１に、圧縮機抽気空気でケーシングを冷却する技術が特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９６４９０号公報
【特許文献２】特開平１０−８９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ガスタービンの高温部分は、一般に圧縮機からの抽気空気によって冷却されている。ここで、ブロワなどの別置の機器を使用すると、ガスタービンシステムの機器点数が増加し、システムの信頼性が低下する。また、機器点数の増加により、ガスタービンシステムのコストが増加する。よって、別置機器の使用は極力避けることが望ましい。
【０００９】
一方で、圧縮機抽気空気をケーシング冷却に用いた場合、一般に抽気空気温度はブロワによる供給空気温度よりも高いため、ブロワによる供給空気を使用した場合と同じ冷却性能を、抽気空気を使用して得ようとすると、より高い熱伝達率、すなわち冷却空気流量が必要となるから、冷却空気の消費量はブロワ以上となる。冷却空気の供給には動力が必要であるから、ブロワを使用した場合に比べ冷却空気供給動力の増加分、ガスタービンシステムの効率は低下してしまう。
【００１０】
本発明は上記を鑑みてなされたもので、高い信頼性を有し、かつケーシング冷却のための圧縮機抽気使用量を抑制したガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ケーシングを冷却するケーシング冷却構造と、冷却媒体として圧縮機の抽気空気を前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体供給系統を備えたガスタービンにおいて、前記冷却媒体供給系統に、前記抽気空気によって付加冷媒を吸引し、前記ケーシング冷却構造に供給する冷却媒体の流量を増加させる流量増幅手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、高い信頼性を有し、かつ少ない圧縮機抽気量でケーシング冷却可能な、高効率なガスタービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例であるガスタービンの部分断面図。
【図２】本発明を適用するガスタービンの一実施の形態の概念図。
【図３】本発明を適用するガスタービンの部分断面図。
【図４】比較例のガスタービンの動翼先端間隙の特性図。
【図５】本発明の一実施例であるガスタービンの動翼先端間隙の特性図。
【図６】本発明の一実施例であるガスタービンの部分断面図。
【図７】本発明の一実施例であるガスタービンの動翼先端間隙の特性図。
【図８】本発明の一実施例であるガスタービンの部分断面図。
【図９】本発明の一実施例であるガスタービンの部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
特許文献１に記載の発明は、ケーシング外面にインピンジマニホールドを設け、ケーシングをインピンジ冷却している。この冷却空気は別置のブロワより導かれている。一般にシステムの信頼性は機器点数の増加とともに低下する。例えば電気駆動されるブロワなどの送風機を増設した場合、ブロワ駆動用電源の故障や、ブロワ本体の故障など、ガスタービン本体とは無関係な要因による故障リスクが増加する。高い信頼性が要求されるシステムでは、極力、別置機器の増加を避けることが望ましい。
【００１５】
特許文献２に記載の発明では、ケーシング冷却用の空気は圧縮機より抽気した空気によってケーシングを冷却している。
【００１６】
圧縮機から抽気された空気は、ガスタービン高温部品の冷却媒体として、ガスタービン外側に設けられた抽気配管を通じてタービン側へと導かれる。抽気配管量の増加はコストの増加につながるため、例えば圧縮機中間段と後段のように抽気段は数段に限定されており、この抽気段数は一般に冷却対象であるタービン段数よりも少ない。抽気段が制限されているため、通常は、適切な空気量の流通に必要となる圧力よりも高圧な空気を抽気している。特にケーシング冷却では、ケーシング冷却後の空気を大気や、排気などの低圧部へ放出するものもあり、このような場合、抽気空気の圧力は、適切な空気量の流通に必要な圧力よりも高いものとなる。空気は圧縮により圧力が増加すると温度が上昇するため、抽気空気の温度は送風圧力の低いブロワなどによる供給空気温度よりも高くなる。よって、ブロワによる供給空気と同じ冷却性能を得ようとした場合、ブロワを使用した場合に比べて冷却空気量を増加させ、熱伝達率を高くしなければならない。
【００１７】
さらに冷却空気の供給には動力が必要であるから、冷却空気の使用によりの圧縮機抽気量が増すと、間隙制御による性能向上の一部が、この動力の増加によって相殺されてしまう。このため、極力少ない圧縮機抽気量にてケーシング冷却できることが望ましい。
【００１８】
以下、実施例を用いて説明する本発明によれば、高い信頼性を有し、かつ少ない圧縮機抽気量でケーシング冷却可能な、高効率ガスタービンを提供することができる。
【００１９】
まず、本発明の適用対象であるガスタービンの構成を、図２を用いて説明する。
図２に本実施例の比較例となるガスタービンのシステムフロー図を示す。
【００２０】
ガスタービン１０１は、主に、圧縮機１０２，燃焼器１０３，タービン１０４から構成される。圧縮機１０２は、大気空気１１１を圧縮して圧縮空気１０６を生成し、生成された圧縮空気１０６を燃焼器１０３へ送る。燃焼器１０３は、圧縮機１０２により生成された圧縮空気１０６と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガス１０７を生成し、タービン１０４へ排出する。
【００２１】
タービン１０４は、燃焼器１０３から排出されて圧縮空気のエネルギを高められた燃焼ガス１０７により、タービン軸１０５に回転力を生じさせる。タービン軸１０５の回転力によって、ガスタービン１０１に接続される機器１０９を駆動させる。燃焼ガスはエネルギをタービン１０４で回収された後に、タービン１０４より排気ディフューザ１１３を経て、排気１１２として排出される。
【００２２】
また、圧縮機１０２で圧縮された空気の一部はタービン冷却空気１１０として抽気され、燃焼器１０３を経ずにタービン１０４や排気ディフューザ１１３へ供給される。
【００２３】
また、ブロワなどの送風機や圧縮機抽気段などの冷却空気供給源１１９からケーシング１１４部へとケーシング冷却空気供給配管１２０を通じてケーシング冷却空気１１５が流れており、ケーシング１１４を冷却している。ケーシング冷却空気１１５の流量は冷却空気供給源１１９が備える動力調整機構など送風量調整構造、もしくは、ケーシング冷却空気供給配管１２０に備えられた弁１２３によって調整される。
【００２４】
図３に、本発明を適用する一般的なガスタービン部分断面図を示す。
【００２５】
１は第１段静翼、２は第１段動翼、３は第２段静翼、４は第２段動翼、５は第３段静翼、６は第３段動翼であり、矢印８はタービン内の燃焼ガス１０７の流れ方向を示す。
【００２６】
第１段動翼２は、第１段ホイール９の外周に接続されており、第２段動翼４が接続された第２段ホイール１０，第３段動翼６が接続された第３段ホイール１１，圧縮機１０２に接続された圧縮機ロータ１２、及びスペーサ１３とともにスタッキングボルトによりスタッキングされ、タービン軸１０５を構成している。タービン軸１０５は、燃焼器１０３から排出される燃焼ガス１０７のエネルギを第１段動翼２，第２段動翼４、及び第３段動翼６で回収し、圧縮機１０２及びタービン軸端部に接続された発電機などの機器１０９を駆動する。
【００２７】
タービン軸１０５は、ケーシング１１４に内包されている。タービンケーシング１１４には、第１段静翼１，第２段静翼３，第３段静翼５，第１段シュラウド１４，第２段シュラウド１５，第３段シュラウド１６がケーシング内周側に接続されており、さらに、第２段静翼３，第３段静翼５の内周側にはダイヤフラム２４が接続されている。
【００２８】
第１段動翼２と第１段シュラウド１４，第２段動翼４と第２段シュラウド１５，第３段動翼６と第３段シュラウド１６，スペーサ１３とダイヤフラム２４の間には間隙が設けられており、この間隙が、静止体と回転体の界面となっている。
【００２９】
この間隙は、ガスタービンの運転状況により変化する。図４に間隙の変化トレンドを示す。まず、起動直後よりタービン軸１０５は回転速度が上昇し、遠心力により径方向に伸び、間隙が縮小する。その後、主流ガスの温度上昇により、タービン軸１０５，シュラウド１４，１５，１６，ケーシング１１４が熱膨張する。タービン軸１０５は径方向外側に膨張し間隙を拡大させ、シュラウド１４，１５，１６は径方向内側に膨張し間隙を縮小させる。ケーシング１１４は径方向外側に膨張し間隙を拡大させる。
【００３０】
一般に、タービン軸１０５、及びシュラウド１４，１５，１６は、ケーシング１１４に比べて温度上昇しやすいため、タービンが熱的に整定する前、具体的には、定格負荷到達時近傍で最小間隙を示す。このため、定常運転中の間隙は最小間隙よりも大きなものとなる。
【００３１】
この定常運転中の間隙拡大を抑制するために、ケーシング１１４を外部から、もしくは内部から冷却するケーシング冷却装置２５が設置されている。ケーシング冷却により、定常状態におけるケーシング１１４の温度が低下するため、起動から定常状態に至る過程でのタービン軸１０５とケーシング１１４の温度差が減少し、最小間隙と定常状態での間隙の差が小さくなる。これにより定常状態での間隙を、ケーシング冷却を実施していない場合に比べ小さく保つことができる。ケーシング冷却装置２５はケーシング１１４の形状に合わせて環状に設置されており、一体構造、もしくは、周方向，軸方向に分割された構造となっている。ケーシング冷却装置２５には、冷却空気量を調整する弁１２３を備えたケーシング冷却空気供給配管１２０が接続されており、ケーシング冷却装置２５には冷却空気噴出孔が配置されている。ケーシング冷却装置２５にはケーシング冷却空気供給配管１２０を通じてケーシング冷却空気１１５が導かれており、この冷却空気噴出孔よりケーシング冷却空気１１５を噴出させ、ケーシングを衝突冷却する。噴出したケーシング冷却空気１１５は、そのまま雰囲気中へと開放されるか、回収され、排気ディフューザ１１３内部などの低圧部へ放出される。
【００３２】
定常時の間隙はケーシング１１４の熱膨量、すなわちケーシング１１４の温度によって決定される。目標とする定常時間隙を得るためには、ケーシング冷却空気１１５の温度や流量を調整し、ケーシング１１４とケーシング冷却空気１１５の熱交換量を制御することで、ケーシングの温度を目標とする定常時間隙に対応した温度とすればよい。
【００３３】
（実施例１）
図１を用いて実施例１のガスタービンについて説明する。図１は本実施例のシステムフロー図であり、図２の比較例によるシステムフロー図と対応するものである。
【００３４】
本実施例においては、図２の構成に対して、ケーシング冷却空気供給配管１２０にエジェクタ１１６（冷却媒体の流量増幅手段）が設けられており、弁１２３が廃されている。
なお、ケーシング冷却空気供給配管１２０は圧縮機１０２からの抽気を供給する。その他の構造は図２と同様である。冷却媒体である圧縮機抽気空気は、エジェクタ１１６が吸引する大量の周囲気体１１７（追加冷媒）と混合され低圧な大流量のケーシング冷却空気１１５となり、ケーシング冷却で使用される。ケーシング冷却後の空気は、ほぼ大気圧であるエンクロージャ１１８内部へと放出される。なお、エジェクタ１１６には当該エジェクタによって吸引される周囲空気１１７を供給する付加冷媒系統が接続される。
【００３５】
エジェクタ１１６は上流側から流入する少量の高圧空気のエネルギを利用して周囲気体１１７を吸引し、下流側に低圧な大流量空気を作り出す装置である。また、形状や原理も単純であり、外部動力も必要としないため、故障率が低く信頼性が高い。このようなエジェクタ１１６は公知のものを使用することができ、多くの空気を吸引できるものを使用することが望ましい。
【００３６】
圧縮機１０２の抽気段は圧縮機前側，中間，後側の３段となっており、ケーシング冷却空気供給配管１２０は、このうち前側の抽気段に接続されている。
【００３７】
ここで、抽気段数が３段となっているのは、抽気段数が増加すると、配管数などの増加によりコストが増加するためであり、性能とコストのトレードオフの結果である。抽気段数の制限により、前側抽気段から抽気した空気の圧力はケーシング冷却に必要な最小圧力よりも高い圧力となっている。過剰に高い圧力では、過剰な冷却空気量が流れてしまい適切な間隙とすることができないため、従来はオリフィスやバルブなどにより圧力損失を生じさせ、冷却空気量を調整していた。しかし、流量調整のためだけに圧力損失を生じさせることは圧力の浪費であり非効率的である。本実施例では、この高い圧力を利用してエジェクタ１１６に周囲気体１１７を吸引・混合させ、エジェクタ後側の冷却空気量を抽気空気量に比べて増加させている。これにより、ガスタービンの性能低下の要因となる抽気空気の使用量を抑制しつつ、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を得ることができる。
【００３８】
さらに、周囲気体１１７は抽気空気の温度よりも低温であるから、ケーシング冷却空気１１５の温度は周囲気体１１７との混合により低下する。温度が低下した分、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を削減することができる。
【００３９】
図５にケーシング冷却実施時のガスタービン間隙特性を示す。
【００４０】
ガスタービン起動途中においては、ケーシング冷却により間隙が縮小するため、起動から最小間隙に至るまでの間隙変化量がケーシング冷却を実施していない場合に比べて大きくなる。この分、組立時間隙を拡大することで、最小間隙を、ケーシング冷却を実施していない場合と同等とすることができ、ガスタービンの信頼性を損なうことなく、性能を向上させることができる。
【００４１】
ここで、起動途中においては、圧縮機抽気空気の圧力は低く、抽気空気の流量も小さくなる。この条件下ではエジェクタ１１６の流量増幅効果も小さくなるから、ケーシング冷却空気１１５の流量は小さいものとなる。よって起動途中でのケーシング冷却による起動時の間隙縮小効果は、定常状態での間隙縮小効果に比べて小さく、定常状態の方がケーシング１１４の温度がより低下するため、起動から定常状態に至る過程でのタービン軸１０５とケーシング１１４の温度差が減少し、最小間隙と定常状態での間隙の差が小さくなる。これにより定常状態での間隙を、ケーシング冷却を実施していない場合に比べ小さく保つことができる。
【００４２】
また、起動途中のケーシング冷却効果が無視できるほど小さく問題とならない場合には、組立時間隙の変更なしに、抽気配管部分を改修するだけで本実施例を適用することができる。このような場合、すでに稼働しているガスタービンに本発明を適用し、少ないコストでガスタービンの効率を向上させることができる。
【００４３】
また、図２に示した比較例に比べ、本実施例では、弁１２３を廃し機器点数を削減することができるため、ガスタービンの信頼性を向上させ、コストを削減することができる。
【００４４】
また、エジェクタ１１６後流側のケーシング冷却空気供給配管１２０の流量はエジェクタ１１６の前方に比べ多く、さらに圧力も減圧されているため、ケーシング冷却空気１１５の流速は速くなる。この効果による圧力損失の増加を抑えるために、エジェクタ１１６は、ケーシング冷却部近傍に設けることが望ましい。
【００４５】
また、ガスタービンを収容するエンクロージャ１１８の内部はガスタービンからの放熱により、大気よりも温度が高くなっている。さらに、エンクロージャ１１８内部の空気は、換気ファンによる空気の対流により温度分布を有している。冷却空気の温度を低下させるために極力温度の低い部分の空気をエジェクタ１１６で吸引することが望ましい。
【００４６】
なお、本実施例において、ケーシング冷却後の空気をほぼ大気圧の部分へ放出するとしたが、排気ディフューザなどさらに冷却可能な部位の冷却に使用しても構わない。
【００４７】
また、ケーシング冷却空気供給配管１２０のエジェクタ１１６上流側にインタークーラーを設置するなどケーシング冷却空気１１５の温度を低減させる技術と組み合わせても構わない。
【００４８】
また、本実施例では、ケーシング冷却装置２５としてケーシング１１４外周側にインピンジ冷却構造を設けた例を示したが、他のケーシング冷却手法と組み合わせても良い。
【００４９】
（実施例２）
図６を用いて実施例２のガスタービンについて説明する。図６はガスタービンのシステムフロー図であり、実施例１の構成に対して、ケーシング冷却空気供給配管１２０に弁１２３が設置されている。その他の構造は実施例１と同様である。なお、図６では冷却媒体の付加冷媒としてエンクロージャ１１８内部の空気を用いる構成を図示しているが、エンクロージャ１１８の外部の空気、或は他の冷却媒体を用いるように構成しても良い。
【００５０】
図７（ａ）に本実施例におけるケーシング冷却実施時のガスタービン間隙特性と弁１２３の運用方法を示す。実施例１では、ケーシング冷却空気１１５の流量制御を行っていなかったが、本実施例では、最小間隙到達後に弁１２３を開状態としケーシング冷却を開始している。最小間隙到達後からケーシング冷却を開始することで、起動から最小間隙にいたるまでの間隙変化量を、ケーシング冷却を実施していない場合のものと同等にすることができるため、組立時間隙を変更することなくガスタービンの信頼性を損なうことなく性能を向上させることができる。
【００５１】
また、ケーシング冷却空気１１５の流量を、ケーシング温度を計測し、その温度が目標とする定常時間隙に対応した温度となるように弁１２３を用いて調整することができる。
外気温変動などの要因によりエンクロージャ１１８内部の温度や、抽気空気の温度は変動する。これらの温度条件が変化すると間隙も変化するため、実施例１では、目標とする定常時間隙を最も間隙が小さくなる最過酷温度条件において設定している。最過酷温度条件以外では目標間隙以上となるため、最過酷温度条件以外ではガスタービンの性能が低下してしまう。本実施例では、弁１２３によりケーシング冷却空気１１５の流量を温度変動に応じてその都度調整しできるため、間隙を常に目標とする定常時間隙とすることができる。
【００５２】
また、本実施例では、ガスタービン出力を監視し、事前に評価しておいた出力と間隙の関係から最小間隙到達を検出し、ケーシング冷却開始のタイミングを決定している。この方法以外ケーシング温度や動翼先端間隙の計測値、起動開始からの経過時間など種々の情報から最小間隙タイミングを過ぎたことを検出しケーシング冷却を開始してもよい。
【００５３】
また、ケーシング１１４の温度上昇は、ガスタービンの作動流体や抽気空気の温度上昇に比べ遅いため、起動途中では圧縮機抽気空気の温度がケーシング１１４の温度よりも高くなり、最小間隙到達以降に抽気空気の温度がケーシング１１４の温度よりも低くなることがある。図７（ｂ）にこのような場合の望ましい弁１２３の運用方法とその時のガスタービン間隙特性を示す。
【００５４】
最小間隙到達前、かつケーシング冷却空気の温度がケーシング１１４の温度に比べ高いときは弁１２３を開状態とすることで、ケーシング冷却装置２５は、ケーシング１１４を加熱する。一方、最小間隙到達前、かつケーシング冷却空気の温度がケーシング１１４の温度に比べ低いときは弁１２３を閉状態とし、最小間隙到達後に弁１２３を状態とすることで、最小間隙到達以降にケーシング１１４を冷却する効果を与える。定格到達以前では、ケーシング１１４が加熱され膨張するため、ケーシング冷却実施時の間隙はケーシング冷却なしの場合に比べ拡大し、最小間隙も大きくなる。定格到達以降はでは、ケーシング１１４が冷却され、収縮するため、ケーシング冷却実施時の間隙はケーシング冷却なしの場合に比べ縮小する。このように最小間隙と定常時間隙の差を小さくすることができる。
【００５５】
最小間隙が大きくなった分だけ初期間隙を見直し、ケーシング冷却なしの場合と同等の最小間隙となるよう初期間隙を縮小すれば、加熱効果を考慮しなかった場合と同等の冷却空気量によって定常状態での間隙をより小さく設定することができる。また、定常時間隙を、加熱効果を考慮しなかった場合と同等とした場合はケーシング冷却空気量を削減することができる。
【００５６】
また、本発明の目的であるガスタービン効率向上のための手法は、新たに設置されるガスタービンだけでなく、既存のガスタービンなど、多くの機器に適用できることが望ましい。本実施例による発明は従来のガスタービンの抽気配管部分を改修するだけで実施が可能である。すでに稼働しているガスタービンに本発明を適用し、少ないコストでガスタービンの効率を向上させることができる。
【００５７】
（実施例３）
図８を用いて実施例３のガスタービンについて説明する。図８はガスタービンのシステムフロー図であり、実施例１の構成に対して、エジェクタ１１６の吸引する空気はエンクロージャ１１８の外部より供給されている。その他の構造は実施例１と同様である。なお、図８ではケーシング冷却空気供給配管１２０に弁１２３を設置した例を図示しているが、弁１２３の設置は適宜選択することができる。
【００５８】
実施例１では、エジェクタ１１６はエンクロージャ１１８内部の空気を吸引している。
エンクロージャ１１８内部の空気温度はガスタービンからの放熱などにより、エンクロージャ１１８外部の空気温度に比べ高温となっている。よってエジェクタ１１６が吸引する空気をエンクロージャ１１８外部より供給することで、ケーシング冷却空気１１５の温度を低下させることができる。温度が低下することにより、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量が減り、抽気空気量を削減することができる。
【００５９】
また、エンクロージャ１１８内は内部の空気温度が高くなりすぎないように換気ファンによって換気されている。本実施例によれば、エジェクタ１１６の吸引によりエンクロージャ１１８外部から内部へと流入する空気量が増えるため、エンクロージャ１１８内部の空気温度が低下する。この効果によりケーシングの自然放熱量が増加するため、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を削減することができる。
【００６０】
さらに、エンクロージャ１１８内部には様々なガスタービンの補機が設置されているが、雰囲気温度を低下させることで、これら補機の信頼性も向上させることができる。
【００６１】
（実施例４）
図９を用いて実施例４のガスタービンについて説明する。図９はガスタービンのシステムフロー図であり、実施例１及び２の構成に対して、エジェクタ１１６が吸引する冷媒１２１に水，高湿分な空気，蒸気などの付加冷媒を冷媒混入装置１２２によって混入している。その他の構造は実施例１及び２と同様である。なお、図９では冷却媒体の付加冷媒としてエンクロージャ１１８内部の空気を用いる構成を図示しているが、エンクロージャ１１８の外部の空気、或は他の冷却媒体を用いるように構成しても良い。また、図９では、ケーシング冷却空気供給配管１２０に弁１２３を設置した例を図示しているが、弁１２３の設置は適宜選択することができる。
【００６２】
付加冷媒は、空気に比べ熱伝導率や熱容量が大きな、気体もしくは液体である。このような特徴をもつ冷媒は冷却性能が高いため、目標とする定常時間隙とするために必要な冷却空気量を削減することができる。
【００６３】
冷媒１２１として、例えば、スプレイノズルなどで発生させた微細液滴を含む空気を用いても良い。微細液滴を含む空気がエジェクタ１１６において抽気空気と混合する際、液滴は気化しケーシング冷却空気１１５から潜熱を奪う。これによりケーシング冷却空気１１５の温度が低下する。さらに湿分を含むことにより、ケーシング冷却空気１１５の熱伝導率が増加し、ケーシング冷却の熱伝達率が向上する。
【００６４】
また、冷媒１２１として蒸気、もしくは蒸気を含む空気を使用しても良い。ケーシング冷却空気が湿分を含むことにより、冷却空気の熱伝導率が増加し冷却性能が向上する。この蒸気は他の設備などから廃棄される低温かつ低圧な低質蒸気を使用するなど、蒸気供給のために新たなエネルギを消費しない手法を取ることが望ましい。
【００６５】
また、冷媒１２１として、水を用いても良い。エジェクタ１１６によって吸引された水はエジェクタ１１６内部で、流速を増した抽気空気との速度差によりせん断力を受け微粒化される。微粒化された水滴は抽気空気との混合により気化し、抽気空気から潜熱を奪う。これにより、ケーシング冷却空気１１５の温度は低下し、さらに湿分を含むことによる熱伝達率増加効果により、冷却性能が向上する。また、抽気空気の圧力が十分に高い場合には、ケーシング冷却空気供給配管１２０に水を吸引するエジェクタ１１６と、周囲気体１１７を吸引するエジェクタ１１６を直列に２個以上設けても良い。
【符号の説明】
【００６６】
１  第１段静翼
２  第１段動翼
３  第２段静翼
４  第２段動翼
５  第３段静翼
６  第３段動翼
８  主流ガスの流れ方向
９  第１段ホイール
１０  第２段ホイール
１１  第３段ホイール
１２  圧縮機ロータ
１３  スペーサ
１４  第１段シュラウド
１５  第２段シュラウド
１６  第３段シュラウド
２４  ダイヤフラム
２５  ケーシング冷却装置
１０１  ガスタービン
１０２  圧縮機
１０３  燃焼器
１０４  タービン
１０５  タービン軸
１０６  圧縮空気
１０７  燃焼ガス
１０９  機器
１１０  タービン冷却空気
１１１  大気空気
１１２  排気
１１３  排気ディフューザ
１１４  ケーシング
１１５  ケーシング冷却空気
１１６  エジェクタ
１１７  周囲気体
１１８  エンクロージャ
１１９  冷却空気供給源
１２０  ケーシング冷却空気供給配管
１２１  冷媒
１２２  冷媒混入装置
１２３  弁
【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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