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JP2011137390A - Gas turbine - Google Patents

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JP2011137390A JP2009296157A JP2009296157A JP2011137390A JP 2011137390 A JP2011137390 A JP 2011137390A JP 2009296157 A JP2009296157 A JP 2009296157A JP 2009296157 A JP2009296157 A JP 2009296157A JP 2011137390 A JP2011137390 A JP 2011137390A
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達治 ▲高▼橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas turbine performing turndown operation with low emission by a simple system while ensuring reliability of the gas turbine. <P>SOLUTION: This gas turbine 1 includes: a compressor 2 compressing air used for combustion; a combustion section 3 injecting fuel to the compressed air in order to perform combustion and generating high-temperature combustion gas; a turbine section 4 rotatively driven by the combustion gas; and a moving blade cooling system 6 bleeding a part of the compressed air as cooling air and introducing the cooling air to the insides of moving blades belonging to a plurality of stages composing the turbine section 4. The moving blade cooling system 6 is provided with an adjustment section 63 adjusting the flow rate of the cooling air flowing in the inside. The flow rate of the cooling air flowing in the moving blade cooling system 6 during operation at a load lower than the full load is higher than the flow rate of the cooling air during operation at the full load. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガスタービンに関するものであり、特にターンダウン運転(部分負荷運転または低負荷運転)が可能なガスタービンに関するものである。   The present invention relates to a gas turbine, and more particularly to a gas turbine capable of turndown operation (partial load operation or low load operation).

一般にガスタービンなどの内燃機関は、大気汚染等の防止を目的とした法令により、排気に含まれる一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)などの物質の上限値が定められている。さらに近年重視されつつある環境保護の観点から、排気に含まれる一酸化炭素等を更に低減すること(低エミッション化)が望まれている。   In general, in an internal combustion engine such as a gas turbine, an upper limit value of substances such as carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) contained in exhaust gas is determined by laws and regulations aimed at preventing air pollution and the like. Further, from the viewpoint of environmental protection, which is being emphasized in recent years, it is desired to further reduce carbon monoxide and the like contained in exhaust gas (lower emission).

ところで、ガスタービンが定格負荷で運転されている際は、排気に含まれる一酸化炭素等の物質の量は上述の上限値未満であって低い値(低エミッション)となっている。しかし、ガスタービンが定格負荷よりも低い負荷である部分負荷運転(以下、「ターンダウン運転」と表記する。)されると、ガスタービンの吸気流量はあまり変わらないままで燃料流量を絞るため、燃焼器における燃焼温度が低下し、その結果未燃分である一酸化炭素や炭化水素等の物質が多量に発生する。これら物質が排気中に放出されると、上述の上限値を超える場合もあった。   By the way, when the gas turbine is operated at a rated load, the amount of substances such as carbon monoxide contained in the exhaust gas is less than the above upper limit value and is a low value (low emission). However, when the gas turbine is in partial load operation (hereinafter referred to as “turn-down operation”), which is a load lower than the rated load, the intake flow rate of the gas turbine remains the same and the fuel flow rate is reduced. The combustion temperature in the combustor decreases, and as a result, a large amount of unburned substances such as carbon monoxide and hydrocarbons are generated. When these substances were released into the exhaust gas, the above upper limit value was sometimes exceeded.

しかしながら、電力需要に応じたフレキシブルな発電所の運用を行うために、ガスタービンをターンダウン運転したいという要望がある。そのため、ガスタービンの排気に含まれる一酸化炭素等の物質の量が少ない状態(低エミッション)を保ったまま、ガスタービンをターンダウン運転するための種々の技術が提案されている。   However, there is a desire to perform a gas turbine turn-down operation in order to operate a flexible power plant according to power demand. For this reason, various techniques have been proposed for performing a turn-down operation of the gas turbine while maintaining a low amount of substances such as carbon monoxide contained in the exhaust of the gas turbine (low emission).

つまり、ガスタービンの圧縮機により圧縮された圧縮空気を冷却空気として抽気し、当該冷却空気をタービンの静翼系や動翼系に過剰投入することにより、低エミッションを保ちつつターンダウン運転を行う技術が提案されている(例えば、特許文献1から3参照。)。   That is, the compressed air compressed by the compressor of the gas turbine is extracted as cooling air, and the cooling air is excessively supplied to the stationary blade system and the moving blade system of the turbine, thereby performing the turn-down operation while maintaining low emission. Techniques have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

あるいは、圧縮機により圧縮された空気を抽気して、入口案内翼の上流側に導くアンチアイシングを利用することにより、低エミッションを保ちつつターンダウン運転を行う技術が提案されている(例えば、特許文献4参照。)。   Alternatively, a technique has been proposed in which turn-down operation is performed while maintaining low emissions by using anti-icing that extracts air compressed by a compressor and guides it to the upstream side of the inlet guide vanes (for example, patents). Reference 4).

特開2007−182883号公報JP 2007-182883 A 特開2009−062981号公報JP 2009-062981 A 特開2009−103125号公報JP 2009-103125 A 特開2009−052548号公報JP 2009-052548 A

しかしながら、上述のようにタービンの静翼系に冷却空気を導入する場合、特定の段の翼のみが過剰に冷却されることによる信頼性低下を防止するために、複数の段に属する冷却系のそれぞれに冷却空気を供給する必要があるという問題があった。言い換えると、冷却空気系統をつなぐ複数の配管を設ける必要があるという問題があった。   However, when the cooling air is introduced into the turbine stationary blade system as described above, the cooling system belonging to a plurality of stages is prevented in order to prevent a decrease in reliability due to excessive cooling of only the blades of a specific stage. There was a problem that it was necessary to supply cooling air to each. In other words, there is a problem that it is necessary to provide a plurality of pipes that connect the cooling air system.

また、圧縮機により昇圧されてタービン車室内に吐出された空気(車室空気)を抽気し、これを過剰量の冷却空気として静翼系に供給する場合には、新たにタービン車室からの車室抽気配管を設けるのではなく、図8に示すように、既存の動翼冷却空気系統306に係る車室抽気配管361から静翼冷却空気系統307へのバイパス流路365を設ける構成が経済的である。しかし、このような系統とすると、既存の動翼冷却系統306等の一部に多量の空気が流れることとなるため、そこで生じる圧力損失により動翼への冷却空気の供給圧が低下し、動翼の焼損を招く可能性がある。   In addition, when air (chamber air) that has been pressurized by the compressor and discharged into the turbine casing is extracted and supplied to the stationary blade system as an excessive amount of cooling air, the air is newly supplied from the turbine casing. Instead of providing the casing bleed piping, as shown in FIG. 8, it is economical to provide a bypass flow path 365 from the casing bleed piping 361 to the stationary blade cooling air system 307 according to the existing moving blade cooling air system 306. Is. However, if such a system is used, a large amount of air flows in a part of the existing rotor blade cooling system 306 and the like, so the pressure loss generated there reduces the cooling air supply pressure to the rotor blades, There is a possibility of burning the wing.

つまり一般に、冷却空気の供給圧は翼の周囲を流れる主流の圧力よりも高く設定され、当該圧力の比(バック・フロー・マージン(以下、「BFM」と表記する。))を利用して翼を冷却した冷却空気は主流に流出されている。しかしながら、冷却空気の供給圧が、翼の周囲を流れる主流の圧力よりも低下すると、BFMが不足して高温の主流ガスが翼の内部に流入し、主流ガスによって翼が焼損する可能性がある。   That is, generally, the supply pressure of the cooling air is set to be higher than the pressure of the main flow flowing around the blade, and the blade is utilized by utilizing the ratio of the pressure (back flow margin (hereinafter referred to as “BFM”)). The cooling air that has cooled the air is discharged into the mainstream. However, if the supply pressure of the cooling air is lower than the pressure of the mainstream that flows around the blades, there is a possibility that the BFM is insufficient and the high-temperature mainstream gas flows into the blades, and the blades are burned by the mainstream gas. .

上述の問題は、静翼冷却空気系統307ではなく、複数の段に属する動翼を有する動翼冷却空気系統306へ冷却空気を過剰投入することにより避けることができる。
一般的に、動翼冷却空気系統306は、図8に示すように、タービン部の内部で複数の段に属する動翼に分岐する構成となっている。このような動翼冷却空気系統306に対して冷却空気が過剰に投入されても、特定の段に属する動翼に冷却空気が過剰に投入されることがなく、複数の段に属する動翼に分配される。つまり、特定の段に冷却空気が過剰投入されることにより発生する信頼性の低下を避けることができる。
The above problem can be avoided by excessively supplying cooling air not to the stationary blade cooling air system 307 but to the moving blade cooling air system 306 having moving blades belonging to a plurality of stages.
Generally, the moving blade cooling air system 306 is configured to branch into moving blades belonging to a plurality of stages inside the turbine section, as shown in FIG. Even if the cooling air is excessively supplied to the moving blade cooling air system 306, the cooling air is not excessively supplied to the moving blades belonging to a specific stage, and the moving blades belonging to a plurality of stages Distributed. That is, it is possible to avoid a decrease in reliability that occurs when cooling air is excessively supplied to a specific stage.

さらに、動翼冷却空気系統306に冷却空気が過剰投入されると、BFMを確保しやすくなるため、BFMの不足による動翼の焼損は発生にくくなる。
その一方で、静翼冷却空気系統307への冷却空気の供給圧の絶対値は低下するものの、ガスタービン内における各部の圧力の比は、冷却空気のバイパスの有無にかかわらず、ほぼ同じに保たれたままとなる。そのため、動翼の場合と同様に、静翼についてもBFMの不足による静翼の焼損は発生にくくなる。
Furthermore, if the cooling air is excessively supplied to the moving blade cooling air system 306, it becomes easy to secure the BFM, so that the burning of the moving blade due to the shortage of BFM hardly occurs.
On the other hand, although the absolute value of the supply pressure of the cooling air to the stationary blade cooling air system 307 is reduced, the ratio of the pressures of each part in the gas turbine is kept almost the same regardless of whether or not the cooling air is bypassed. It will remain leaning. Therefore, as in the case of the moving blade, the stationary blade is less likely to be burned out due to the lack of BFM.

ここで一般に、静翼冷却空気系統307は、静翼系を冷却するために必要な量の車室空気を冷却空気として抽気するように設計されている。言い換えると、静翼系を冷却する空気に加えて、動翼系を冷却する空気を流すようには設計されていない。
そのため、静翼冷却空気系統307を介して冷却空気を動翼系に過剰に供給するためには、車室空気をさらに昇圧して、静翼冷却空気系統307および動翼冷却空気系統306へ圧送する手段、例えばブースト圧縮機を設ける必要があるという問題があった。
Here, generally, the stationary blade cooling air system 307 is designed to extract the amount of passenger compartment air necessary for cooling the stationary blade system as cooling air. In other words, it is not designed to flow air for cooling the moving blade system in addition to the air for cooling the stationary blade system.
Therefore, in order to supply cooling air to the moving blade system excessively via the stationary blade cooling air system 307, the cabin air is further pressurized and pumped to the stationary blade cooling air system 307 and the moving blade cooling air system 306. There is a problem that it is necessary to provide a means for performing such as a boost compressor.

また、アンチアイシングのみを利用して、低エミッションを保ちつつターンダウン運転を行う方法では、ターンダウン運転時における負荷の低減量に限界があるという問題があった。   Further, the method of performing turn-down operation while maintaining low emission by using only anti-icing has a problem that there is a limit to the amount of load reduction during turn-down operation.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ガスタービンの信頼性を確保しつつ、簡素な系統で低エミッションのターンダウン運転を行うことができるガスタービンを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a gas turbine capable of performing a low emission turndown operation with a simple system while ensuring the reliability of the gas turbine. With the goal.

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスタービンは、燃焼に用いられる空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼部と、前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービン部と、前記圧縮された空気の一部を冷却空気として抽気し、該冷却空気を、前記タービン部を構成する複数の段に属する動翼の内部に導く動翼冷却系統と、を有するガスタービンであって、前記動翼冷却系統には、内部を流れる前記冷却空気の流量を調節する調節部が設けられ、全負荷よりも低い負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量は、前記全負荷での運転時の前記冷却空気の流量と比較して多いことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The gas turbine of the present invention includes a compressor that compresses air used for combustion, a combustion section that injects fuel into the compressed air to burn it, and generates a high-temperature combustion gas, and is rotationally driven by the combustion gas. A turbine section that is configured to extract a part of the compressed air as cooling air, and a blade cooling system that guides the cooling air to the inside of the blades belonging to a plurality of stages constituting the turbine section, The moving blade cooling system is provided with an adjustment unit that adjusts the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system, and flows through the moving blade cooling system during operation at a load lower than a full load. The flow rate of the cooling air is larger than the flow rate of the cooling air during operation at the full load.

本発明によれば、全負荷よりも低い負荷で運転されている場合、つまり、ガスタービンがターンダウン運転されている場合には、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量は、ガスタービンが全負荷運転されている場合の流量よりも多くなる。
これにより、ガスタービンの吸気流量に対する冷却空気流量の比が高くなり、圧縮機から燃焼器に流入する空気流量が減少する。そのため、燃焼器における燃焼温度が高くなり、ガスタービンの排気に含まれる一酸化炭素等の物質の量が少ない状態(低エミッション)を保ったまま、ターンダウン運転を行うことが可能である。
According to the present invention, when the gas turbine is operated at a load lower than the full load, that is, when the gas turbine is turned down, the flow rate of the cooling air flowing through the rotor blade cooling system is The flow rate is higher than when the load is operated.
As a result, the ratio of the cooling air flow rate to the intake flow rate of the gas turbine increases, and the air flow rate flowing from the compressor into the combustor decreases. Therefore, the combustion temperature in the combustor becomes high, and it is possible to perform the turn-down operation while maintaining a state where the amount of substances such as carbon monoxide contained in the exhaust of the gas turbine is small (low emission).

その一方で、ターンダウン運転時には、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量が、全負荷運転時の流量よりも増やされる。そのため、動翼冷却系統にブースト圧縮機を配置することなく、ターンダウン運転時に冷却空気を動翼に供給することができる。
さらに、ターンダウン運転時に動翼を冷却する冷却空気は複数の段に属する動翼に供給されるため、特定の段に属する動翼(例えば1段動翼)のみが過度に冷却されることが防止され、動翼の信頼性低下を防ぐことができる。さらに、静翼への冷却空気の供給圧低下が抑制されることから、静翼におけるBFM低下の問題を回避でき、静翼の焼損発生を抑制することができる。
On the other hand, at the time of turndown operation, the flow rate of the cooling air flowing through the rotor blade cooling system is increased more than the flow rate at the time of full load operation. Therefore, cooling air can be supplied to the moving blades during the turndown operation without arranging a boost compressor in the moving blade cooling system.
Furthermore, since the cooling air that cools the moving blades during turn-down operation is supplied to the moving blades belonging to a plurality of stages, only the moving blades belonging to a specific stage (for example, one-stage moving blades) may be excessively cooled. This prevents the blade reliability from being lowered. Furthermore, since the supply pressure drop of the cooling air to the stationary blade is suppressed, the problem of BFM decrease in the stationary blade can be avoided, and the occurrence of burning of the stationary blade can be suppressed.

上記発明においては、前記動翼冷却系統には、前記冷却空気に対して前記動翼の回転方向に回転する流速成分を与える予旋回部が設けられ、該予旋回部における前記冷却空気の流路断面積が最も狭いスロート面積は、前記全負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きいことが望ましい。   In the above invention, the moving blade cooling system is provided with a pre-swirl unit that applies a flow velocity component that rotates in the rotation direction of the moving blade to the cooling air, and the flow path of the cooling air in the pre-swivel unit It is desirable that the throat area with the smallest cross-sectional area be larger than the flow-path cross-sectional area determined based on the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system during operation at the full load.

本発明によれば、予旋回部におけるスロート面積を、ガスタービンが全負荷運転されている場合に動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼に供給される冷却空気の流量を確実に増やすことができる。   According to the present invention, the throat area in the pre-swirling portion is made larger than the flow path cross-sectional area determined based on the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system when the gas turbine is operating at full load. Thus, the flow rate of the cooling air supplied to the moving blades during the turndown operation can be surely increased.

例えば、スロート面積が全負荷運転時を基準に定められた流路断面積と同等である場合には、動翼冷却系統に供給される冷却空気の流量を増やそうとしても、スロート面積の部分が絞りとなり、動翼に供給される冷却空気の流量を効果的に増やすことができない。言い換えると、動翼に供給される冷却空気の流量に対するスロート面積の影響が大きい。そこで、スロート面積を大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼に供給される冷却空気の流量を確実に増やすことができる。   For example, if the throat area is equivalent to the cross-sectional area of the flow passage determined based on the full load operation, the throat area will be reduced even if the flow rate of cooling air supplied to the rotor blade cooling system is increased. It becomes a throttle, and the flow rate of the cooling air supplied to the moving blade cannot be effectively increased. In other words, the influence of the throat area on the flow rate of the cooling air supplied to the moving blade is large. Therefore, by increasing the throat area, it is possible to reliably increase the flow rate of the cooling air supplied to the moving blades during the turndown operation.

上記発明においては、前記動翼冷却系統には、前記冷却空気に対して前記動翼の回転方向に回転する旋回成分を与える予旋回部が設けられ、該予旋回部における前記冷却空気の流路面積が最も狭いスロート面積は、運転状態に応じて制御されているように構成することも望ましい。   In the above invention, the moving blade cooling system is provided with a pre-swirl unit that applies a swirling component that rotates in the rotation direction of the moving blade to the cooling air, and the flow path of the cooling air in the pre-swirling unit It is also desirable that the throat area with the smallest area be controlled in accordance with the operating state.

本発明によれば、ガスタービンの運転状態に応じてスロート面積を変化させることにより、動翼冷却系統を介して動翼に供給される冷却空気の流量を調節することができる。
具体的には、タービンが全負荷で運転されている場合、ターンダウン運転されている場合のように、それぞれのガスタービン出力における適切な冷却空気流量に合わせてスロート面積を変化させることができる。そのため、全負荷運転時におけるガスタービンの性能低下を抑制するとともに、ターンダウン運転時にも低エミッションを保つことができる。
According to the present invention, the flow rate of the cooling air supplied to the moving blades via the moving blade cooling system can be adjusted by changing the throat area according to the operating state of the gas turbine.
Specifically, when the turbine is operating at full load, the throat area can be changed in accordance with the appropriate cooling air flow rate at each gas turbine output, as in the case of the turndown operation. For this reason, it is possible to suppress the performance degradation of the gas turbine during full load operation and to maintain low emission even during turndown operation.

例えば、予旋回部が複数の翼が並んで配置された構成を有し、翼のスパン方向を軸として複数の翼を回動させることにより、スロート面積を変化させる場合には、ガスタービンのターンダウン運転時に、スロート面積を大きくすることにより、ガスタービンの回転軸から供給される出力を低減させることができる。言い換えると、ターンダウン運転が容易となる。   For example, when the pre-swivel part has a configuration in which a plurality of blades are arranged side by side and the throat area is changed by rotating the plurality of blades around the span direction of the blades, the turn of the gas turbine By increasing the throat area during the down operation, the output supplied from the rotating shaft of the gas turbine can be reduced. In other words, turndown operation becomes easy.

具体的には、冷却空気に対して与える回転する流速成分を小さくする方向に複数の翼を回動させると、スロート面積は大きくなる。この場合、動翼系に供給される冷却空気量が増加するとともに、冷却空気が回転している動翼系に流入する際に、動翼と回転軸をつなぐロータディスクから不足する回転する流速成分が冷却空気に与えられる。言い換えると、回転軸の回転駆動力の一部を用いて冷却空気に回転する流速成分が与えられるため、ポンピングロスが増加し、回転軸から外部へ供給される出力が減少する。
すなわち、冷却空気量増加とポンピングロス増加の効果により、低エミッションを保ったままで、より低負荷でのターンダウン運転が可能となる。
Specifically, when a plurality of blades are rotated in a direction to reduce the rotating flow velocity component applied to the cooling air, the throat area increases. In this case, the amount of cooling air supplied to the moving blade system increases, and when the cooling air flows into the rotating moving blade system, the rotating flow velocity component that is insufficient from the rotor disk that connects the moving blade and the rotating shaft Is supplied to the cooling air. In other words, since a flow velocity component that rotates is supplied to the cooling air by using a part of the rotational driving force of the rotating shaft, the pumping loss increases and the output supplied from the rotating shaft to the outside decreases.
That is, the effect of the increase in the amount of cooling air and the increase in the pumping loss makes it possible to perform a turn-down operation with a lower load while maintaining a low emission.

本発明のガスタービンによれば、全負荷よりも低い負荷での運転時に、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量を調節する調節部を設け、動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量を、全負荷での運転時の冷却空気の流量と比較して多くすることにより、ガスタービンの信頼性を確保しつつ、簡素な系統で低エミッションのターンダウン運転を行うことができるという効果を奏する。   According to the gas turbine of the present invention, the adjustment unit for adjusting the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system is provided during operation at a load lower than the full load, and the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system is adjusted. By increasing the flow rate of the cooling air during operation at full load, it is possible to perform a low emission turn-down operation with a simple system while ensuring the reliability of the gas turbine. .

本発明の第1の実施形態に係るガスタービンの構成を説明する系統図である。It is a distribution diagram explaining the composition of the gas turbine concerning a 1st embodiment of the present invention. 図1のタービン部および動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the turbine part of FIG. 1, and a moving blade cooling system. 図2のTOBIノズルの周辺構成を説明する部分拡大図である。FIG. 3 is a partially enlarged view illustrating a peripheral configuration of the TOBI nozzle of FIG. 2. 図3のTOBIノズルの構成を説明する展開図である。FIG. 4 is a development view illustrating the configuration of the TOBI nozzle in FIG. 3. ROBIノズルの構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of a ROBI nozzle. 本発明の第2の実施形態の動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the moving blade cooling system of the 2nd Embodiment of this invention. 図6のTOBIノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。FIG. 7 is a partially enlarged perspective view illustrating the configuration of the TOBI nozzle in FIG. 6. 従来のガスタービンの構成を説明する系統図である。It is a systematic diagram explaining the structure of the conventional gas turbine.

〔第1の実施形態〕
以下、本発明の第1の実施形態に係るガスタービンについて、図1から図5を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係るガスタービンの構成を説明する系統図である。
本実施形態に係るガスタービン1は、全負荷運転やターンダウン運転が行われるものであって、発電機などの外部機器に回転駆動力を供給するものである。
ガスタービン1には、図1に示すように、圧縮機2と、燃焼器(燃焼部)3と、タービン部4と、回転軸5と、動翼冷却系統6と、が主に設けられている。
[First Embodiment]
Hereinafter, a gas turbine according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
FIG. 1 is a system diagram illustrating the configuration of the gas turbine according to the present embodiment.
The gas turbine 1 according to the present embodiment performs full load operation and turndown operation, and supplies rotational driving force to an external device such as a generator.
As shown in FIG. 1, the gas turbine 1 is mainly provided with a compressor 2, a combustor (combustion unit) 3, a turbine unit 4, a rotating shaft 5, and a moving blade cooling system 6. Yes.

圧縮機2は、燃焼に用いられる空気を外部から吸入して圧縮し、燃焼器3に供給するものである。さらに圧縮機2は、動翼冷却系統6に供給される冷却空気を供給するものでもある。圧縮機2は回転軸5により回転可能に支持されるとともに、回転軸5によって回転駆動されるものである。
なお圧縮機2としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
The compressor 2 sucks air used for combustion from the outside, compresses it, and supplies it to the combustor 3. Further, the compressor 2 supplies cooling air supplied to the moving blade cooling system 6. The compressor 2 is rotatably supported by the rotating shaft 5 and is rotationally driven by the rotating shaft 5.
In addition, as the compressor 2, the thing of a well-known structure can be used and it does not specifically limit.

燃焼器3は、圧縮機2から供給された圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させるものであって、高温の燃焼ガスを発生させて燃焼ガスをタービン部4に供給するものである。燃焼器3は、圧縮機2とタービン部4との間に配置されている。
なお燃焼器3としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
The combustor 3 injects fuel into the compressed air supplied from the compressor 2 and burns it. The combustor 3 generates high-temperature combustion gas and supplies the combustion gas to the turbine unit 4. The combustor 3 is disposed between the compressor 2 and the turbine unit 4.
In addition, as a combustor 3, the thing of a well-known structure can be used and it does not specifically limit.

図2は、図1のタービン部および動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。
タービン部4は、燃焼器3から供給された燃焼ガスから回転駆動力を抽出するものである。さらに、タービン部4は回転軸5により回転可能に支持されるとともに、抽出した回転駆動力を回転軸5に伝達するものである。
タービン部4には、動翼41および静翼42から構成される段が、回転軸5の軸線方向に沿って並んで設けられている。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the turbine unit and the rotor blade cooling system in FIG. 1.
The turbine unit 4 extracts rotational driving force from the combustion gas supplied from the combustor 3. Further, the turbine unit 4 is rotatably supported by the rotating shaft 5 and transmits the extracted rotational driving force to the rotating shaft 5.
In the turbine unit 4, stages including a moving blade 41 and a stationary blade 42 are provided side by side along the axial direction of the rotating shaft 5.

動翼41は、回転軸5に設けられた円板状のロータディスク43の外周面に並んで配置されているものであって、周囲を流れる燃焼ガスによって回転軸5まわりに回転駆動されるものである。静翼42は、タービン部4を構成するケーシングの内周面から回転軸5に向かって延びるものであって、動翼41とともに周囲を流れる燃焼ガスから回転駆動力を抽出するものである。
なおタービン部4の構成としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
The rotor blades 41 are arranged side by side on the outer peripheral surface of a disk-like rotor disk 43 provided on the rotary shaft 5 and are driven to rotate around the rotary shaft 5 by the combustion gas flowing therearound. It is. The stationary blade 42 extends from the inner peripheral surface of the casing constituting the turbine unit 4 toward the rotating shaft 5, and extracts the rotational driving force from the combustion gas flowing along with the moving blade 41.
In addition, as a structure of the turbine part 4, the thing of a well-known structure can be used and it does not specifically limit.

回転軸5は、圧縮機2およびタービン部4を回転可能に支持するものであって、タービン部4により抽出された回転駆動力を圧縮機2や外部機器に伝達するものである。
なお回転軸5としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものである。
The rotating shaft 5 rotatably supports the compressor 2 and the turbine unit 4, and transmits the rotational driving force extracted by the turbine unit 4 to the compressor 2 and external devices.
In addition, as the rotating shaft 5, a well-known structure can be used and it is specifically limited.

動翼冷却系統6は、圧縮機2により圧縮された空気を冷却空気として動翼41に供給するものである。
動翼冷却系統6には、冷却空気流路61と、冷却空気熱交換器62と、流量調節弁(調節部)63と、TOBIノズル(予旋回部)64が設けられている。
The moving blade cooling system 6 supplies air compressed by the compressor 2 to the moving blade 41 as cooling air.
The moving blade cooling system 6 is provided with a cooling air flow path 61, a cooling air heat exchanger 62, a flow rate adjusting valve (adjusting unit) 63, and a TOBI nozzle (pre-rotating unit) 64.

冷却空気流路61は、圧縮機2により圧縮された空気の一部を冷却空気として抽気し、抽気された冷却空気を動翼41に導くものである。
冷却空気流路61の一方の端部は、燃焼器3を覆うタービン車室31に接続され、他方の端部は、動翼41のロータディスク43と対向する位置に配置されている。そのため、冷却空気流路61の一方の端部には、圧縮機2により圧縮され、燃焼器3に流入する前の圧縮空気が流入する。また、冷却空気流路61の他方の端部から流出した冷却空気は、ロータディスク43に形成された冷却空気の流路を介して動翼41に導かれる。
冷却空気流路61の途中には、流量調節弁63が配置されている。さらに、冷却空気流路61における他方の端部には、TOBIノズル64が配置されている。
The cooling air flow path 61 extracts a part of the air compressed by the compressor 2 as cooling air, and guides the extracted cooling air to the moving blade 41.
One end of the cooling air flow path 61 is connected to the turbine casing 31 that covers the combustor 3, and the other end is disposed at a position facing the rotor disk 43 of the rotor blade 41. Therefore, the compressed air before being compressed by the compressor 2 and flowing into the combustor 3 flows into one end of the cooling air channel 61. The cooling air flowing out from the other end of the cooling air flow path 61 is guided to the moving blade 41 through the cooling air flow path formed in the rotor disk 43.
A flow rate adjustment valve 63 is arranged in the middle of the cooling air flow path 61. Further, a TOBI nozzle 64 is disposed at the other end of the cooling air flow path 61.

冷却空気熱交換器62は、冷却空気流路61に設けられた熱交換器であって、動翼41に供給される冷却空気の熱を外部に放出させるものである。なお、冷却空気熱交換器62としては公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。   The cooling air heat exchanger 62 is a heat exchanger provided in the cooling air flow path 61, and releases the heat of the cooling air supplied to the moving blade 41 to the outside. In addition, as the cooling air heat exchanger 62, a well-known configuration can be used, and it is not particularly limited.

流量調節弁63は、冷却空気流路61を流れる冷却空気の流量を調節するものであって、ガスタービン1の運転状態に基づいて、冷却空気の流量を調節する弁である。
具体的には、前記流量調節弁63は、車室空気を抽気してからガスタービン1に再導入するまでの配管の途中に設けられており、ガスタービン1が定格運転されている場合に冷却空気流路61を流れる冷却空気の流量と比較して、ターンダウン運転されている場合に冷却空気流路61を流れる冷却空気の流量を増やすものである。
The flow rate adjusting valve 63 is a valve that adjusts the flow rate of the cooling air flowing through the cooling air flow path 61 and adjusts the flow rate of the cooling air based on the operating state of the gas turbine 1.
Specifically, the flow rate control valve 63 is provided in the middle of the piping from the extraction of the passenger compartment air to the reintroduction into the gas turbine 1, and cooling when the gas turbine 1 is in rated operation. Compared with the flow rate of the cooling air flowing through the air flow path 61, the flow rate of the cooling air flowing through the cooling air flow path 61 is increased when the turn-down operation is performed.

図3は、図2のTOBIノズルの周辺構成を説明する部分拡大図である。図4は、図3のTOBIノズルの構成を説明する展開図である。
TOBIノズル64は、冷却空気流路61から動翼41およびロータディスク43に流入する冷却空気に、動翼41等の回転方向に回転する流速成分を与えるものである。
TOBIノズル64には、円筒状に構成されたプラットフォーム64Aと、プラットフォーム64Aの外周面から径方向外側に延びて配置されるとともに、周方向に等間隔に配置された複数のノズル翼64Bと、が設けられている。さらに、TOBIノズル64は、周方向に等間隔に分割された複数のセグメントSGから構成されている。セグメントSGは一体に形成されたものである。
複数のノズル翼64Bは、冷却空気がロータディスク43に向かって流れた際に、動翼41およびロータディスク43の回転方向に旋回するように配置された翼型状のものである。
FIG. 3 is a partially enlarged view illustrating the peripheral configuration of the TOBI nozzle of FIG. FIG. 4 is a development view illustrating the configuration of the TOBI nozzle of FIG.
The TOBI nozzle 64 gives the cooling air flowing into the moving blade 41 and the rotor disk 43 from the cooling air flow path 61 with a flow velocity component that rotates in the rotating direction of the moving blade 41 and the like.
The TOBI nozzle 64 includes a platform 64A configured in a cylindrical shape, and a plurality of nozzle blades 64B arranged to extend radially outward from the outer peripheral surface of the platform 64A and arranged at equal intervals in the circumferential direction. Is provided. Furthermore, the TOBI nozzle 64 is composed of a plurality of segments SG divided at equal intervals in the circumferential direction. The segment SG is integrally formed.
The plurality of nozzle blades 64 </ b> B have a blade shape arranged so as to turn in the rotation direction of the moving blade 41 and the rotor disk 43 when the cooling air flows toward the rotor disk 43.

TOBIノズル64における最も狭い流路断面積、つまりスロート面積は、ガスタービン1が定格運転されている場合に動翼41の冷却に必要とされる冷却空気の流量に基づいて定められる面積よりも大きく設定されている。
より具体的には、一般のガスタービンにおけるスロート面積は、ガスタービンの運転条件が厳しい状態(高大気温度、かつ、ガスタービン入口温度が高い状態)における定格運転時に、動翼41のクリープ強度、疲労強度の確保、高温酸化の防止のために必要な翼冷却空気量と、各部の隙間をパージするために必要なシール空気量の合計に基づいて定められる必要動翼系冷却空気流量を流すために必要十分な面積として定められる。本実施形態に係るガスタービン1では、スロート面積は前述の必要十分な面積よりも大きく設定されている。
The narrowest channel cross-sectional area in the TOBI nozzle 64, that is, the throat area is larger than the area determined based on the flow rate of cooling air required for cooling the rotor blades 41 when the gas turbine 1 is rated. Is set.
More specifically, the throat area in a general gas turbine is the creep strength of the moving blade 41 during rated operation in a state where the operating conditions of the gas turbine are severe (high atmospheric temperature and high gas turbine inlet temperature), To flow the required airfoil system cooling air flow rate determined based on the total amount of blade cooling air required to ensure fatigue strength and prevent high-temperature oxidation and the amount of seal air required to purge the gaps between each part It is determined as a necessary and sufficient area. In the gas turbine 1 according to the present embodiment, the throat area is set larger than the necessary and sufficient area described above.

例えば、TOBIノズル64におけるスロート面積を、前述の必要十分なスロート面積よりも20%大きく設定した場合、定格運転時には流量調節弁63を絞り、冷却空気の流量を前述の必要動翼系冷却空気流量とする。その一方で、ターンダウン運転時には前述の流量調節弁63を開き、動翼冷却系統6を流れる冷却空気の流量を前述の必要動翼系冷却空気量よりも約10%増加させることができる。これにより、ターンダウン運転における負荷率を約1%abs低下させる効果がある。より具体的には、約60%負荷で運転されていたガスタービン1を、同じ条件下において約59%負荷で運転することが可能となる。   For example, when the throat area in the TOBI nozzle 64 is set to be 20% larger than the above-mentioned necessary and sufficient throat area, the flow rate control valve 63 is throttled during rated operation, and the flow rate of the cooling air is set to the above-described required moving blade system cooling air flow rate. And On the other hand, during the turn-down operation, the flow rate control valve 63 is opened, and the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system 6 can be increased by about 10% from the required moving blade system cooling air amount. This has the effect of reducing the load factor in turndown operation by about 1% abs. More specifically, the gas turbine 1 that has been operated at about 60% load can be operated at about 59% load under the same conditions.

ここで、TOBIとは(Tangential On Board Injection)の頭文字を取ったものである。本実施形態では冷却空気流路61を流れる冷却空気に回転する流速成分をTOBIノズル64で与える例に適用して説明したが、その他に、図5に示すように、ROBI(Radial On Board Injection)ノズル64Rによって回転する流速成分を与えてもよく、特に限定するものではない。
図5は、ROBIノズルの構成を説明する模式図である。図5では、ROBIノズルの約1/4を拡大した部分が記載されている。
Here, TOBI is an acronym for (Tangential On Board Injection). In the present embodiment, the description has been made by applying to the example in which the rotational speed component rotating to the cooling air flowing through the cooling air flow path 61 is given by the TOBI nozzle 64. However, as shown in FIG. 5, ROBI (Radial On Board Injection) is used. A flow velocity component rotating by the nozzle 64R may be given, and is not particularly limited.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the configuration of the ROBI nozzle. In FIG. 5, a portion in which about 1/4 of the ROBI nozzle is enlarged is shown.

次に、上記の構成からなるガスタービン1の運転について説明する。まず、ガスタービン1の定格運転について図1を参照しながら説明する。   Next, the operation of the gas turbine 1 having the above configuration will be described. First, the rated operation of the gas turbine 1 will be described with reference to FIG.

回転軸5によって圧縮機2が回転駆動されると、外部の空気が圧縮機2に吸入される。吸入された空気は圧縮機2により圧縮されて高圧の空気となって、燃焼器3に供給される。燃焼器3では、圧縮された空気に対して燃料が噴射され、空気と燃料との混合気が燃焼される。燃焼により発生した高温の燃焼ガスは、燃焼器3からタービン部4に供給される。   When the compressor 2 is rotationally driven by the rotating shaft 5, external air is sucked into the compressor 2. The sucked air is compressed by the compressor 2 to become high-pressure air and is supplied to the combustor 3. In the combustor 3, fuel is injected into the compressed air, and an air-fuel mixture is combusted. High-temperature combustion gas generated by the combustion is supplied from the combustor 3 to the turbine unit 4.

タービン部4では、燃焼ガスによって動翼41が回転駆動され、ロータディスク43を介して回転軸5に回転駆動力が伝達される。回転軸5は回転駆動力の一部を圧縮機2に伝達し、圧縮機2における空気の圧縮に用いられる。その他の回転駆動力は発電機などの外部機器に供給される。   In the turbine unit 4, the moving blade 41 is rotationally driven by the combustion gas, and the rotational driving force is transmitted to the rotary shaft 5 through the rotor disk 43. The rotating shaft 5 transmits a part of the rotational driving force to the compressor 2 and is used for air compression in the compressor 2. The other rotational driving force is supplied to an external device such as a generator.

ここで、本実施形態の特徴であるガスタービン1のターンダウン運転について説明する。
本実施形態のガスタービン1におけるターンダウン運転では、排気に含まれる一酸化炭素の量の増加を防止するために、燃焼器3における燃空比(燃料と空気との比率)を高い状態に保たれている。
Here, the turndown operation of the gas turbine 1 which is a feature of the present embodiment will be described.
In the turndown operation in the gas turbine 1 of the present embodiment, the fuel-air ratio (fuel / air ratio) in the combustor 3 is kept high in order to prevent an increase in the amount of carbon monoxide contained in the exhaust gas. I'm leaning.

ガスタービン1のターンダウン運転時には、定格運転時と同様に、回転軸5によって回転駆動された圧縮機2により外部の空気が圧縮機2に吸入される。吸入された空気は圧縮機2により圧縮されて高圧の空気となって、燃焼器3に供給される。
ここで、圧縮機2に吸入された空気の全量が燃焼器3に供給されると、燃焼器3における燃空比が低下する。
During the turn-down operation of the gas turbine 1, external air is sucked into the compressor 2 by the compressor 2 that is rotationally driven by the rotary shaft 5 as in the rated operation. The sucked air is compressed by the compressor 2 to become high-pressure air and is supplied to the combustor 3.
Here, when the entire amount of air sucked into the compressor 2 is supplied to the combustor 3, the fuel-air ratio in the combustor 3 decreases.

そのため、燃焼器3における燃空比を所定の値に保つために必要な量の圧縮された空気のみを燃焼器3に供給し、残りの圧縮された空気を動翼冷却系統6に流入させるために、流量調節弁63が開かれる。燃焼器3に供給された圧縮空気における以後の流れおよび作用については定格運転時における流れおよび作用と同様であるため、その説明を省略する。   Therefore, in order to supply only the amount of compressed air necessary for maintaining the fuel-air ratio in the combustor 3 to a predetermined value, the remaining compressed air flows into the rotor blade cooling system 6. In addition, the flow control valve 63 is opened. Since the subsequent flow and action of the compressed air supplied to the combustor 3 are the same as the flow and action during rated operation, description thereof will be omitted.

流量調節弁63が開かれると、冷却空気流路61の燃焼器3側の開口端から、上述の圧縮された空気が動翼を冷却する空気として流入する。冷却空気流路61を流れる冷却空気は、冷却空気熱交換器62においてその熱が外部に放熱されて冷却される。冷却された冷却空気は流量調節弁63を通過してTOBIノズル64に流入する。   When the flow control valve 63 is opened, the compressed air described above flows from the opening end of the cooling air passage 61 on the combustor 3 side as air for cooling the moving blades. The cooling air flowing through the cooling air channel 61 is cooled by the heat being radiated to the outside in the cooling air heat exchanger 62. The cooled cooling air passes through the flow rate adjustment valve 63 and flows into the TOBI nozzle 64.

TOBIノズル64は、冷却空気に対して、動翼41およびロータディスク43の回転方向に回転する流速成分を与える。具体的には、冷却空気は、TOBIノズル64におけるノズル翼64Bの間を回転軸5に沿ってロータディスク43に向かって流れ、動翼41およびロータディスク43の回転方向に旋回する旋回流れとなる。   The TOBI nozzle 64 gives a flow velocity component that rotates in the rotation direction of the moving blade 41 and the rotor disk 43 to the cooling air. Specifically, the cooling air flows between the nozzle blades 64 </ b> B of the TOBI nozzle 64 along the rotation axis 5 toward the rotor disk 43 and becomes a swirl flow that swirls in the rotation direction of the rotor blades 41 and the rotor disk 43. .

TOBIノズル64から噴出された冷却空気は、ロータディスク43に形成された冷却空気の流路を介して動翼41に導かれる。動翼41に導かれた冷却空気は、動翼41を冷却した後、タービン部4の内部、つまり燃焼ガスが流れる流路に流出し、排気ガスとして外部に放出される。   The cooling air ejected from the TOBI nozzle 64 is guided to the moving blade 41 through a cooling air flow path formed in the rotor disk 43. The cooling air guided to the moving blade 41 cools the moving blade 41, then flows out into the turbine section 4, that is, the flow path through which the combustion gas flows, and is discharged to the outside as exhaust gas.

上記の構成によれば、全負荷よりも低い負荷が出力として回転軸5から供給されている場合、つまり、ガスタービン1がターンダウン運転されている場合には、流量調節弁63を開くことによって、動翼冷却系統6を流れる冷却空気の流量は、ガスタービン1が定格運転(全負荷運転)されている場合の流量よりも多くなる。
そのため、動翼冷却系統6にブースト圧縮機を配置することなく、ターンダウン運転時に冷却空気を動翼に供給することができる。
According to the above configuration, when a load lower than the full load is supplied as an output from the rotating shaft 5, that is, when the gas turbine 1 is in a turn-down operation, the flow control valve 63 is opened. The flow rate of the cooling air flowing through the rotor blade cooling system 6 is larger than the flow rate when the gas turbine 1 is in rated operation (full load operation).
Therefore, cooling air can be supplied to the moving blades during the turndown operation without arranging a boost compressor in the moving blade cooling system 6.

ターンダウン運転時に動翼41を冷却する冷却空気の流量が増えることで、複数の段に属する動翼41に冷却空気が供給されることとなり、特定の段に属する動翼41(例えば1段動翼41)のみが過度に冷却されることが防止され、動翼41の信頼性を損なわずにターンダウン運転ができる。さらに、静翼42への冷却空気の供給圧低下が抑制されることから、静翼42におけるBFM低下の問題が起こらず、動翼41の焼損発生を抑制することができる。つまり、ガスタービンの信頼性を確保しつつ、簡素な系統でターンダウン運転を行うことができる。   By increasing the flow rate of the cooling air that cools the moving blades 41 during the turn-down operation, the cooling air is supplied to the moving blades 41 that belong to a plurality of stages. Only the blade 41) is prevented from being excessively cooled, and the turndown operation can be performed without impairing the reliability of the moving blade 41. Furthermore, since the supply pressure drop of the cooling air to the stationary blade 42 is suppressed, the problem of BFM decrease in the stationary blade 42 does not occur, and the occurrence of burning of the moving blade 41 can be suppressed. That is, the turndown operation can be performed with a simple system while ensuring the reliability of the gas turbine.

TOBIノズル64におけるスロート面積を、ガスタービン1が定格運転(全負荷運転)されている場合に動翼冷却系統6を流れる冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼41に供給される冷却空気の流量を確実に増やすことができる。
例えば、スロート面積が定格運転時を基準に定められた流路断面積と同等である場合には、動翼冷却系統6に供給される冷却空気の流量を増やそうとしても、スロート面積の部分が絞りとなり、動翼41に供給される冷却空気の流量を効果的に増やすことができない。言い換えると、動翼41に供給される冷却空気の流量に対するスロート面積の影響が大きい。そこで、スロート面積を大きくすることにより、ターンダウン運転時に動翼41に供給される冷却空気の流量を効果的に増やすことができる。
By making the throat area in the TOBI nozzle 64 larger than the cross-sectional area of the flow path determined based on the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system 6 when the gas turbine 1 is in rated operation (full load operation). In addition, the flow rate of the cooling air supplied to the moving blade 41 during the turndown operation can be reliably increased.
For example, when the throat area is equal to the cross-sectional area of the flow path determined based on the rated operation, even if an attempt is made to increase the flow rate of the cooling air supplied to the rotor blade cooling system 6, the portion of the throat area is It becomes a throttle and the flow rate of the cooling air supplied to the moving blade 41 cannot be increased effectively. In other words, the influence of the throat area on the flow rate of the cooling air supplied to the moving blade 41 is large. Therefore, by increasing the throat area, it is possible to effectively increase the flow rate of the cooling air supplied to the moving blade 41 during the turndown operation.

〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について図6および図7を参照して説明する。
本実施形態のガスタービンの基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、動翼冷却系統を流れる冷却空気の流量を調節する構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図6および図7を用いて冷却空気の流量を調節する構成のみを説明し、その他の構成要素の説明を省略する。
図6は、本実施形態の動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The basic configuration of the gas turbine of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration for adjusting the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system is different from that of the first embodiment. Therefore, in this embodiment, only the structure which adjusts the flow volume of cooling air is demonstrated using FIG. 6 and FIG. 7, and description of another component is abbreviate | omitted.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the configuration of the moving blade cooling system of the present embodiment.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

本実施形態のガスタービン201における動翼冷却系統206は、圧縮機2により圧縮された空気を冷却空気として動翼41に供給するものである。
動翼冷却系統206には、冷却空気流路61と、TOBIノズル(予旋回部)264が設けられている。
The moving blade cooling system 206 in the gas turbine 201 of the present embodiment supplies air compressed by the compressor 2 to the moving blade 41 as cooling air.
The moving blade cooling system 206 is provided with a cooling air flow path 61 and a TOBI nozzle (pre-rotation part) 264.

TOBIノズル264は、冷却空気流路61を流れる冷却空気の流量を調節するものであって、ガスタービン201の運転状態に基づいて、冷却空気の流量を調節するものである。
さらに、TOBIノズル264は、冷却空気流路61から動翼41およびロータディスク43に流入する冷却空気に、動翼41等の回転方向に回転する流速成分を与えるものである。
The TOBI nozzle 264 adjusts the flow rate of the cooling air that flows through the cooling air flow path 61, and adjusts the flow rate of the cooling air based on the operating state of the gas turbine 201.
Further, the TOBI nozzle 264 gives the cooling air flowing from the cooling air passage 61 to the moving blade 41 and the rotor disk 43 with a flow velocity component that rotates in the rotating direction of the moving blade 41 and the like.

図7は、図6のTOBIノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。
TOBIノズル264には、図7に示すように、円筒状に形成されたプラットフォーム264Aと、プラットフォーム264Aの外周面から径方向外側に延びて配置されるとともに、周方向に等間隔に配置された複数のノズル翼264Bと、が設けられている。
FIG. 7 is a partially enlarged perspective view illustrating the configuration of the TOBI nozzle of FIG.
As shown in FIG. 7, the TOBI nozzle 264 includes a platform 264A formed in a cylindrical shape and a plurality of radially arranged outer circumferential surfaces of the platform 264A and at equal intervals in the circumferential direction. Nozzle blades 264B.

プラットフォーム264Aは、ノズル翼264Bを回動可能に支持するものである。
ノズル翼264Bは、冷却空気がロータディスク43に向かって流れた際に、動翼41およびロータディスク43の回転方向に旋回するように配置された翼型状のものである。さらにノズル翼264Bには、スパン方向(径方向)に延びる回動軸264Cが設けられ、ノズル翼264Bは回動軸264Cまわりに回動可能とされている。
The platform 264A supports the nozzle blade 264B so as to be rotatable.
The nozzle blades 264 </ b> B are airfoil-shaped so as to turn in the rotation direction of the rotor blades 41 and the rotor disk 43 when the cooling air flows toward the rotor disk 43. Further, the nozzle blade 264B is provided with a rotation shaft 264C extending in the span direction (radial direction), and the nozzle blade 264B is rotatable around the rotation shaft 264C.

このように構成することで、TOBIノズル264はスロート面積を調節することができる。つまり、ノズル翼264Bを回動軸264Cまわりに回動させることにより、ノズル翼264Bの間の冷却空気が流れる流路断面積を調節することができる。例えば、冷却空気の流れ方向(回転軸5が延びる方向)に対するノズル翼264Bの角度を小さくすることにより、TOBIノズル264におけるスロート面積を大きくすることができる。逆に、ノズル翼264Bの角度を大きくすることにより、スロート面積を小さくすることができる。   By configuring in this way, the TOBI nozzle 264 can adjust the throat area. That is, the flow passage cross-sectional area through which the cooling air between the nozzle blades 264B flows can be adjusted by rotating the nozzle blades 264B around the rotation shaft 264C. For example, the throat area in the TOBI nozzle 264 can be increased by reducing the angle of the nozzle blade 264B with respect to the flow direction of the cooling air (the direction in which the rotating shaft 5 extends). Conversely, the throat area can be reduced by increasing the angle of the nozzle blade 264B.

具体的には、ガスタービン201が定格運転されている場合には、動翼41の最低限必要とされる強度を確保する観点から定まる動翼41の温度を保つのに必要とされる冷却空気の流量に基づいて定められる面積がスロート面積となるようにノズル翼264Bの角度が調節される。   Specifically, when the gas turbine 201 is rated, the cooling air required to maintain the temperature of the moving blade 41 determined from the viewpoint of ensuring the minimum required strength of the moving blade 41. The angle of the nozzle blade 264B is adjusted so that the area determined based on the flow rate of the nozzle becomes the throat area.

その一方で、ガスタービン201がターンダウン運転されている場合には、燃焼器3における燃空比が所定の範囲内に収めるために必要な、動翼冷却系統206に流入させる冷却空気の流量に基づいて定められる面積がスロート面積となるようにノズル翼264Bの角度が調節される。   On the other hand, when the gas turbine 201 is in a turn-down operation, the flow rate of the cooling air flowing into the moving blade cooling system 206 necessary to keep the fuel-air ratio in the combustor 3 within a predetermined range. The angle of the nozzle blade 264B is adjusted so that the area determined based on the throat area becomes the throat area.

上記の構成によれば、TOBIノズル264におけるスロート面積を変化させることにより、動翼冷却系統206を介して動翼41に供給される冷却空気の流量を調節することができる。
具体的には、ガスタービン201が定格運転されている場合、ターンダウン運転されている場合のぞれぞれの冷却空気の流量に合わせてスロート面積を変化させることができ、特にターンダウン運転時には定格運転時よりもスロート面積を大きくすることができる。そのため、定格運転時におけるガスタービン201の性能低下を抑制するとともに、ターンダウン運転時にも低エミッションを保つことができる。
According to the above configuration, the flow rate of the cooling air supplied to the moving blade 41 via the moving blade cooling system 206 can be adjusted by changing the throat area in the TOBI nozzle 264.
Specifically, when the gas turbine 201 is in rated operation, the throat area can be changed in accordance with the flow rate of each cooling air in the case of turn-down operation. The throat area can be made larger than during rated operation. For this reason, it is possible to suppress the performance degradation of the gas turbine 201 during rated operation and to maintain low emission even during turndown operation.

つまり、ガスタービンのターンダウン運転時に、TOBIノズル264のノズル翼264Bを回動させることにより、スロート面積を大きくすることで、ガスタービン201の回転軸5から供給される出力を低減させることができる。言い換えると、ターンダウン運転を行うことができる。   That is, the output supplied from the rotating shaft 5 of the gas turbine 201 can be reduced by increasing the throat area by rotating the nozzle blade 264B of the TOBI nozzle 264 during the turndown operation of the gas turbine. . In other words, turndown operation can be performed.

具体的には、冷却空気に対して与える回転する流速成分を小さくする方向に複数の翼を回動させると、スロート面積は大きくなる。この場合、動翼系への冷却空気量が増加するとともに、冷却空気が回転している動翼系に流入する際に、動翼と回転軸5をつなぐロータディスク43から不足する回転する流速成分が冷却空気に与えられる。言い換えると、回転軸5の回転駆動力の一部を用いて冷却空気に回転する流速成分が与えられるため、ポンピングロスが増加し、回転軸5から外部へ供給される出力が減少する。すなわち、冷却空気量増加とポンピングロス増加の効果により、低エミッションを保ったままで、より低負荷でのターンダウン運転が可能となる。   Specifically, when a plurality of blades are rotated in a direction to reduce the rotating flow velocity component applied to the cooling air, the throat area increases. In this case, the amount of cooling air to the moving blade system increases, and when the cooling air flows into the rotating moving blade system, the rotating flow velocity component that is deficient from the rotor disk 43 that connects the moving blade and the rotating shaft 5 is reduced. Is supplied to the cooling air. In other words, since a flow velocity component that rotates is supplied to the cooling air using a part of the rotational driving force of the rotating shaft 5, the pumping loss increases, and the output supplied from the rotating shaft 5 to the outside decreases. That is, the effect of the increase in the amount of cooling air and the increase in the pumping loss makes it possible to perform a turn-down operation with a lower load while maintaining a low emission.

1,201 ガスタービン
2 圧縮機
3 燃焼器(燃焼部)
4 タービン部
5 回転軸
6,206 動翼冷却系統
63 流量調節弁(調節部)
64,264 TOBIノズル(予旋回部)
1,201 Gas turbine 2 Compressor 3 Combustor (combustion section)
4 Turbine part 5 Rotating shaft 6,206 Rotor cooling system 63 Flow rate regulating valve (regulating part)
64,264 TOBI nozzle (pre-rotation part)

Claims (3)

燃焼に用いられる空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる燃焼部と、
前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービン部と、
前記圧縮された空気の一部を冷却空気として抽気し、該冷却空気を、前記タービン部を構成する複数の段に属する動翼の内部に導く動翼冷却系統と、
を有するガスタービンであって、
前記動翼冷却系統には、内部を流れる前記冷却空気の流量を調節する調節部が設けられ、
全負荷よりも低い負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量は、前記全負荷での運転時の前記冷却空気の流量と比較して多いことを特徴とするガスタービン。
A compressor for compressing air used for combustion;
A combustion section that injects fuel into the compressed air and burns it to generate high-temperature combustion gas;
A turbine section that is rotationally driven by the combustion gas;
A blade cooling system for extracting a part of the compressed air as cooling air, and guiding the cooling air to the inside of the blades belonging to a plurality of stages constituting the turbine unit;
A gas turbine comprising:
The moving blade cooling system is provided with an adjusting unit for adjusting the flow rate of the cooling air flowing through the interior thereof,
A gas turbine characterized in that a flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system during operation at a load lower than a full load is larger than a flow rate of the cooling air during operation at the full load.
前記動翼冷却系統には、前記冷却空気に対して前記動翼の回転方向に回転する流速成分を与える予旋回部が設けられ、
該予旋回部における前記冷却空気の流路断面積が最も狭いスロート面積は、前記全負荷での運転時に前記動翼冷却系統を流れる前記冷却空気の流量に基づいて定められる流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1記載のガスタービン。
The rotor blade cooling system is provided with a pre-swirl unit that gives a flow velocity component that rotates in the rotation direction of the rotor blade to the cooling air,
The throat area with the narrowest flow passage cross-sectional area of the cooling air in the pre-swirling portion is smaller than the flow passage cross-sectional area determined based on the flow rate of the cooling air flowing through the moving blade cooling system during operation at the full load. The gas turbine according to claim 1, wherein the gas turbine is large.
前記動翼冷却系統には、前記冷却空気に対して前記動翼の回転方向に回転する旋回成分を与える予旋回部が設けられ、
該予旋回部における前記冷却空気の流路面積が最も狭いスロート面積は、運転状態に応じて制御されていることを特徴とする請求項1記載のガスタービン。
The moving blade cooling system is provided with a pre-swirl unit that gives a swirl component that rotates in the rotational direction of the moving blade to the cooling air,
2. The gas turbine according to claim 1, wherein a throat area having the narrowest flow area of the cooling air in the pre-turning portion is controlled according to an operation state.
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