２軸ガスタービン
【課題】シンプルサイクルのガスタービンに比べて燃焼器に流入する流体の流量が増加するようなシステムに２軸式ガスタービンを適用した場合に、ガスタービンの出力および効率の向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する、信頼性を向上した２軸式ガスタービンを提供する。
【解決手段】高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体の一部を、高圧タービン３Ｈに流入させることなく低圧タービン３Ｌに流入させる。
【解決手段】高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体の一部を、高圧タービン３Ｈに流入させることなく低圧タービン３Ｌに流入させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機駆動用の高圧タービンと出力用の低圧タービンとが別軸に構成されており、シンプルサイクルに比べて燃焼器に流入する流体の流量が増加するガスタービンシステム、例えば高湿分空気利用システム，蒸気注入システム，窒素注入システム，低カロリー燃料焚きシステムなどに適用した２軸ガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機を駆動する高圧タービンと、発電機やポンプ等を駆動する低圧タービンが別軸構成となっている２軸ガスタービンに関する技術としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。
【０００３】
２軸ガスタービンは、ポンプやスクリューなどの被駆動機（負荷）の回転数が低い場合でも、圧縮機と高圧タービンを高速回転させることが可能となるため、低圧タービンの低回転数域でのトルクを大きくすることができる。そのため、２軸ガスタービンはポンプやスクリューなどの機械駆動用として用いられるが、低圧タービンで発電機を駆動する発電用として用いることも可能であり、減速機なしで使用する場合には、圧縮機を高速回転させることで高効率化が図れる利点があり、また、減速機を使用する場合でも、減速比を小さくできるため、コスト低減，効率向上に利点がある。
【０００４】
なお、特許文献１の図５には、ガスタービン作動流体（たとえば空気）に湿分を添加して加湿し、再生熱交換器によってガスタービン排ガスの持つ熱エネルギーを回収することで、出力および効率の向上を図る高湿分利用ガスタービンシステムの技術が記載されている。
【０００５】
一方、ガスタービンの作動流体（例えば空気）に水分を添加して加湿し、この加湿空気によってガスタービンから排出される排ガスの持つ熱エネルギーを回収してガスタービンに供給するように構成することで、出力および効率の向上を図る高湿分利用ガスタービンシステムの技術が特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８３０８１号公報（図５）
【特許文献２】特開平５−１８２７１号公報
【特許文献３】ＷＯ００／２５００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高湿分利用ガスタービンシステムは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に湿分を添加して、燃焼器に供給する作動流体の流量を増加させることによってタービン出力を増加させるものである。しかし、２軸式ガスタービンにこの高湿分利用ガスタービンシステムの技術を適用すると、加湿によって圧縮機を駆動する高圧タービンの出力が大きくなり、そのままでは圧縮機を過大回転させることになる。圧縮機の過大回転は、圧縮機および高圧タービンの翼振動および軸振動と共振して回転部品の破損を招く可能性があるため好ましくない。
【０００８】
そこでこの圧縮機の過大回転を防止する第１の方策として、燃焼器に供給する燃料流量を減少させて圧縮機の回転数を所定の値に制御する方法が考えられるが、タービン入口温度の低下によりガスタービンの効率が低下し、高湿分利用ガスタービンシステムの本来の狙いである効率向上効果が低下する。
【０００９】
また上記圧縮機の過大回転を防止する第２の方策として、圧縮空気の加湿時に高圧タービンと低圧タービンの負荷配分が最適となるように両者の出力を機械的に予め設定しておく方法も考えられる。
【００１０】
しかしながら、ガスタービンの起動時など圧縮空気を加湿していないときには、逆に高圧タービンの出力が圧縮機の駆動に必要な動力よりも小さいため、圧縮機が過小回転となる。圧縮機の過小回転は、過大回転の場合と同様、圧縮機および高圧タービンの翼振動および軸振動と共振して回転部品の破損につながることに加え、ガスタービンの作動流体の流量および圧力比の減少，圧縮効率の低下につながるため好ましくない。また、上記のように高圧タービンと低圧タービンの負荷配分を予め設定したガスタービンの場合には、タービン翼は高湿分利用ガスタービン専用となり、シンプルサイクル用のタービン翼と共通化できないのでタービン翼の製造コストが高価となる。
【００１１】
上記と同様な課題は、燃焼器に供給される作動流体の流量がシンプルサイクルに対して増加するようなシステムに共通である。そのようなシステムとしては、例えば、ガスタービンの排ガスの熱を利用して蒸気を作り利用するコンバインドサイクルやコジェネレーションなどにおいて、余剰な蒸気をガスタービンの燃焼器に注入することによって効率を向上させるようなシステムが考えられる。また、空気分離装置等を備えたプラントで余剰となった窒素を、出力増加や低ＮＯｘ化のためにガスタービン燃焼器に注入するようなシステムでも同様の課題が生じる。さらに、低カロリー燃料焚きのガスタービンでは、多量の燃料を燃焼させる必要があり、その分、作動流体の流量が増加するため、２軸ガスタービンに適用する際には、上記と同様の課題が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、シンプルサイクルのガスタービンに比べて燃焼器に流入する流体の流量が増加するようなシステムに２軸式ガスタービンを適用した場合に、ガスタービンの出力および効率の向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する、信頼性を向上した２軸式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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明では、定格運転時の燃焼温度をシンプルサイクルにおける定格燃焼温度と同等にすると、圧縮機の回転数が定格回転数と比べて過回転となる場合に、高圧タービンを駆動する作動流体の一部を、高圧タービンに流入させることなく低圧タービンに流入させるように構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する、信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図５】本発明の第５実施例である２軸式ガスタービンで分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図６】本発明の第６実施例である２軸式ガスタービンで分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図７】本発明の第７実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である
【図８】本発明の第７実施例である２軸式ガスタービンの低圧タービンに設置された初段動翼の断面を示す翼断面図である。
【図９】本発明の第８実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図１０】本発明の第９実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の第１０実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図１２】本発明の第１１実施例である２軸式ガスタービンを備えたコンベンショナルなガスタービンシステムの全体構成を示す概略系統図である。
【図１３】本発明の第１２実施例である２軸式ガスタービンを備えたガスタービンシステムの全体構成を示す概略系統図である。
【図１４】本発明の第１３実施例である２軸式ガスタービンを備えたガスタービンシステムの全体構成を示す概略系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、圧縮機駆動用高圧タービンと出力用低圧タービンが別軸構成となっている２軸ガスタービンに、高湿分利用ガスタービンシステムなどを適用する際、圧縮機とタービンの動力マッチングを取りつつ、高効率に運用するための構成および制御方法に関するものである。
【００１７】
本発明は特に、定格運転時の燃焼温度をシンプルサイクルにおける定格燃焼温度と同等にすると、圧縮機の回転数が定格回転数と比べて過回転となる２軸ガスタービンに関するものである。以下各実施例にて説明するが、例えば、加湿により作動流体である空気が加湿されて作動流体の流量が増える高湿分利用ガスタービンや、余剰蒸気や窒素を燃焼器や作動媒体に注入するガスタービン、通常用いられる天然ガスよりも発熱量が少ない低カロリーガス焚きガスタービンなどがこれに相当する。これらのガスタービンは、シンプルサイクルのガスタービンに比べて燃焼器に流入する流体の流量が増加するようなシステムになっているからである。これらのガスタービンをシンプルサイクルと同等の燃焼温度で運転すると、燃焼器から高圧タービンに供給される流体の流量が増えることにより、高圧タービン及び圧縮機の回転数が増加し、定格回転数と比べて過回転となる。なお定格回転数とは、シンプルサイクルのガスタービンを定格燃焼温度で定格運転したときの回転数を意味する。
【００１８】
以下、図面を用いて、２軸式ガスタービンに本発明を適用した場合の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した２軸式ガスタービンの実施例について説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１実施例である高湿分ガスタービンシステムを構成する２軸式ガスタービンの全体構成を表すシステムフロー図である。
【００２１】
図１において、発電用の高湿分ガスタービンシステムに設置された２軸式ガスタービンは、空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機１と、供給された燃料２００を燃焼用空気と混合させて燃焼し高温の燃焼ガスを生成する燃焼器２と、この燃焼器２で生成した高温の燃焼ガスによって駆動される高圧タービン３Ｈと、高圧タービン３Ｈを流下した高圧タービン排ガスによって駆動される低圧タービン３Ｌと、圧縮機１で生成した高圧空気を加湿する増湿器４と、この増湿器４で加湿した加湿空気を前記低圧タービン３Ｌから排出した低圧タービン排ガスとの熱交換によって加熱して前記燃焼器２及び前記低圧タービン３Ｌの入口に供給する高温空気を生成する再生熱交換器５とを備えて構成され、前記低圧タービン３Ｌによって回転される発電機２０により発電して電力を得ている。
【００２２】
前記低圧タービン３Ｌの入口に設置された低圧タービンの初段静翼に供給されるパージ空気は、圧縮機１の途中段から抽気して空気流路４２ａを通じてタービンのケーシング内側に形成したキャビティに導かれるパージ空気４２を用いている。
【００２３】
圧縮機１と高圧タービン３Ｈとはシャフト２１Ｈで連結されており、両者の回転数は等しい。また低圧タービン３Ｌと発電機２０とはシャフト２１Ｌで連結されており、両者の回転数は等しい。
【００２４】
前記低圧タービン３Ｌと発電機２０は図示されていない減速機を介して連結されていてもよく、その場合は低圧タービン３Ｌの回転数は発電機２０の回転数に対し、減速機の持つ減速比分だけ大きくなる。
【００２５】
圧縮機１と高圧タービン３Ｈを連結するシャフト２１Ｈは、低圧タービン３Ｌと発電機２０を連結するシャフト２１Ｌと連結されていないため、圧縮機１の回転数と低圧タービン３Ｌの回転数は違っていても使用が可能であり、これらの回転数を自由に設定することができる。
【００２６】
このような構成の２軸式ガスタービンは、前記発電機２０をポンプやスクリューなどの被駆動機に替えてこれらの被駆動機の回転数が低い場合でも、圧縮機１と高圧タービン３Ｈを高速回転させることが可能となるため、被駆動機を駆動する低圧タービン３Ｌの低回転数域でのトルクを大きくすることができる。
【００２７】
次に図１に示した２軸式ガスタービンを備えた高湿分ガスタービンシステムの運転方法について説明すると、空気１００（大気圧）を圧縮機１で圧縮した高圧空気は抽気空気１０３として前記圧縮機１から抽気される。
【００２８】
この抽気空気１０３は圧縮機１から増湿器４に供給され、この増湿器４において水分を添加して加湿空気１０４を生成する。
【００２９】
増湿器４で抽気空気１０３を加湿する加湿方法としては濡壁塔或いは増湿塔による加湿を採用してもよく、或いは抽気空気１０３の流路中にスプレイノズルを配設して水を噴霧する加湿方法を採用してもよい。
【００３０】
前記増湿器４で湿分を添加された加湿空気１０４は再生熱交換器５に供給され、前記再生熱交換器５にて低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８との熱交換で加熱されて昇温した増湿空気１０５となり、再生熱交換器５からこの昇温した増湿空気１０５を燃焼器２に供給して前記燃焼器２にて燃料２００と混合して燃焼し、高温の燃焼ガス１０６を生成する。
【００３１】
上記した構成の高湿分ガスタービンシステムを採用することによって、再生熱交換器５において低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８の熱エネルギーを燃焼器２００で燃焼させる昇温した増湿空気１０５に回収できるため、前記燃焼器２に供給する燃料２００の供給量を減少させることが可能となり、ガスタービンサイクルの効率が向上する。
【００３２】
また、増湿器４で加湿空気１０４を生成する湿分を添加することによって昇温した増湿空気１０５となって前記燃焼器２で燃焼し、高温の燃焼ガス１０６となって高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌを駆動する作動流体が増加するので、ガスタービンサイクルの出力が増加する。
【００３３】
さらに、増湿器４での湿分添加によって加湿空気１０４の温度が低下した効果と、流量が増加した効果によって、再生熱交換器５にて低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８の熱エネルギーを昇温した増湿空気１０５に熱交換して回収する熱回収量を増加させることができるので、高湿分ガスタービンサイクルの効率が向上する。
【００３４】
前記高湿分ガスタービンシステムにおいては、再生熱交換器５から昇温した増湿空気１０５を燃焼器２に供給する高温空気の供給流路の途中に分岐流路１８が配設されており、燃焼器２に供給される増湿空気１０５の一部が分岐されて分岐流路１８を流下する分岐した増湿空気１１０となる。
【００３５】
この分岐した増湿空気１１０は後述するように低圧タービン３Ｌの上流側において、燃焼器２から供給された高温の燃焼ガス１０６によって駆動された高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【００３６】
また、分岐流路１８には流量制御機構となる流量調節弁１９が設置されていて、この流量調節弁１９を調節することにより分岐した増湿空気１１０の流量を制御可能としている。
【００３７】
燃焼器２で燃焼して生成された高温の燃焼ガス１０６は高圧タービン３Ｈに供給されてこの高圧タービン３Ｈを駆動する。
【００３８】
そしてこの高圧タービン３Ｈを流下した高圧タービン排ガス１０７は、上述した分岐流路１８を流下した分岐した増湿空気１１０と合流した後に、低圧タービン３Ｌに供給されてこの低圧タービン３Ｌを駆動し、低圧タービン排ガス１０８となって低圧タービン３Ｌから排出される。
【００３９】
低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８は、低圧タービン３Ｌの下流側に設置された再生熱交換器５に供給され、この再生熱交換器５にて増湿器４から供給される加湿空気１０４と熱交換して前記再生熱交換器５から燃焼器２及び低圧タービン３Ｌの入口側に供給される高温空気１０５に熱回収される。
【００４０】
再生熱交換器５を流下した低圧タービン排ガス１０８は、該再生熱交換器５の下流側にそれぞれ設置された給水加熱器２２，排ガス再加熱器２３，水回収装置２４を順次流下し、排気ガス１０９として排気塔２５から大気中に放出される。
【００４１】
前記水回収装置２４では流下する低圧タービン排ガス１０８に水をスプレーして低圧タービン排ガス１０８に含まれる水分を水として回収し、この回収した水をポンプ２９によって水処理装置２６に供給して浄化し、水処理装置２６で浄化した水をポンプ２８によって給水加熱器２２に補給水３０１として供給するように構成している。
【００４２】
また前記水回収装置２４にはスプレー水をポンプ２９によって循環させる循環流路が配設されており、この循環流路にスプレー水を冷却させる熱交換器２７が設置されている。
【００４３】
また前記給水加熱器２２では水処理装置２６から供給された補給水３０１を該給水加熱器２２を流下する低圧タービン排ガス１０８と熱交換させて熱回収し、この給水加熱器２２で昇温した補給水３０１を前記増湿器４に加湿水として供給するように構成している。
【００４４】
そして給水加熱器２２から増湿器４との間には流量調節弁３１１が設置されており、前記増湿器４供給する加湿水の流量を調節できるように構成している。
【００４５】
前記した高湿分ガスタービンサイクルに関して、その効率向上効果を排気ガスの側から見てみると、再生熱交換器５及び給水加熱器２２にて低圧タービン排ガス１０８から熱エネルギーを回収した結果、ガスタービンサイクルの効率が向上し、排気塔２５から排気ガス１０９となって大気中に放出される無駄な熱エネルギーが減少するので、その分だけ排気ガス１０９の温度を低くすることができる。
【００４６】
また前記した高湿分ガスタービンサイクルに備えられた２軸式ガスタービンでは、高圧タービン３Ｈで得られた駆動力はシャフト２１Ｈを通じて圧縮機１に伝えられて該圧縮機１を回転させ、この圧縮機１によって空気１００の加圧に用いられる。
【００４７】
また、低圧タービン３Ｌで得られた駆動力はシャフト２１Ｌを通じて発電機２０に伝えられて該発電機２０を駆動し、この発電機２０によって発電して電力を得ている。
【００４８】
尚、低圧タービン３Ｌによって駆動される被駆動機は、発電機２０に替えてポンプやスクリューなどであってもよい。
【００４９】
次に、この高湿分ガスタービンサイクルに設置した２軸式ガスタービンにおける圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力をバランスさせる方法について説明する。
【００５０】
まず、増湿器４に供給される加湿用の加湿水の流量がゼロで、かつ再生熱交換器５から供給された高温空気１０５は全量が燃焼器２に流入して高圧タービン３Ｈに供給されており、高温空気１０５のうち分岐流路１８を経由して低圧タービン３Ｌの入口に供給される増湿空気１１０の流量がゼロの場合を考える。
【００５１】
このような構成のガスタービンサイクルは再生サイクルに相当するが、圧縮機１と高圧タービン３Ｈとの間で作動流体の流量の増加が無いため、動力バランスの面から見るとシンプルサイクルの場合と同等である。
【００５２】
この場合、定格回転数かつ定格燃焼温度の条件で運転するガスタービンサイクルは、圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスするように設計されている。
【００５３】
次に、上記の圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスした状態から増湿器４に供給される加湿用の水分流量が高湿分ガスタービンシステムの所定の流量まで増加した場合を考える。
【００５４】
この場合、増湿器４での湿分添加によって流量が増加した作動流体の全量が燃焼器２に流入し、燃焼によって燃焼ガス１０６となって高圧タービン３Ｈを駆動する。
【００５５】
ところが、このままでは高圧タービン３Ｈの出力が増大して圧縮機１が過回転になってしまうので、過回転を防止するために燃焼器２に供給する燃料２００の流量を減少するように制御し、燃焼器２を定格燃焼温度よりも低い燃焼温度で燃焼することによって圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力をバランスさせる。
【００５６】
しかしながら燃焼温度が定格燃焼温度よりも低いとガスタービンの効率が低くなるため、２軸式ガスタービンを用いて高湿分ガスタービンシステムを構成しても、期待される効率向上が小さくなってしまうことになる。
【００５７】
そこで、再生熱交換器５から燃焼器２に供給する昇温された増湿空気１０５の一部を分岐した増湿空気１１０として分岐する分岐流路１８に設けた分岐流量制御機構の流量調節弁１９を操作して、該分岐流路１８を経由して低圧タービン３Ｌに供給する分岐した増湿空気１１０の流量を増加させた場合を考える。
【００５８】
例えば増湿器４で添加した湿分量に相当する流量の分岐した増湿空気１１０を低圧タービン３Ｌの上流に分岐して供給させると、高圧タービン３Ｈへ流入する流量が無加湿時の流量と同等になって圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスするため、燃焼器２での燃焼温度は定格燃焼温度まで上昇させることができて、ガスタービンの効率を高く維持させることができる。
【００５９】
分岐した増湿空気１１０の持つ圧力エネルギーは低圧タービン３Ｌで回収されるため、例えば湿分添加による作動流体増加分を放風してバランスさせる場合に比べて、圧縮機１によって分岐した増湿空気１１０の圧縮に費やした圧縮動力が無駄にならない。
【００６０】
すなわち、上述の高湿分ガスタービンシステムの場合、定格運転時の燃焼温度を、シンプルサイクルにおける定格燃焼温度とした場合に、圧縮機１の回転数が定格回転数と比べて過回転となってしまうが、これに対し、高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体である増湿空気１１０の一部を、高圧タービン３Ｈに流入させることなく低圧タービン３Ｌに流入させると、効率を向上させた上で、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【００６１】
なお、本実施例における高湿分ガスタービンサイクルに備えた２軸式ガスタービンにおいては、分岐した増湿空気１１０の質量流量は、圧縮機１の吸い込み空気１００の質量流量の１０〜２５％となる。
【００６２】
これは、分岐空気１１０の流量が、増湿器４で添加した湿分量に相当する流量とほぼ同等であるときに、高圧タービン３Ｈと流入する流量が無加湿時の流量と同等になって、圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスするためである。
【００６３】
添加湿分量はシステムの熱効率が最大となるように定められている。添加湿分量が少ないと、給水加熱器２２で回収した熱量のうち作動流体に加わる量が減少するため、熱効率は高くならない。逆に添加湿分量が多すぎると、排ガス１０８中に含まれる湿分が増えるため、その湿分の潜熱が有効に利用されない分、熱効率は高くならない。このように、添加湿分量には最適値が存在する。この添加湿分量に応じて決まる分岐空気１１０の流量は、１０〜２５％が望ましい。
【００６４】
かくして、２軸式ガスタービンを高湿分ガスタービンシステムに適用した場合でも、圧縮機１の過大回転や過小回転を防止しつつ、圧縮機１の駆動力と高圧タービン３Ｈの出力をバランスさせて２軸式ガスタービンを安定に運転することができ、回転部品の翼振動および軸振動に対する信頼性を高め、部品寿命を長くすることができる。
【００６５】
また、タービン入口温度はシンプルサイクルで想定した温度を保つことが可能となるため、高湿分利用ガスタービンシステムを適用することによるガスタービンの効率向上効果を、２軸ガスタービンでも享受することができる。
【００６６】
さらに、高圧タービン，低圧タービンの両方を、シンプルサイクルと高湿分利用ガスタービンシステムで共通にできるため、高温部品であるタービン翼の開発・製作コスト，部品管理コストを低減できる。
【００６７】
加えて、開発に労力，コスト，期間がかかるタービン翼を共通化したまま、シンプルサイクル，再生サイクルおよび高湿分利用ガスタービンシステムという出力，効率の異なる３種類の製品ラインナップをそろえることができる上、タービン翼は全製品共通なので、寿命等の信頼性評価を一元的に行うことができ、より信頼性の高い製品群が構築できる。
【００６８】
このような効果は、圧縮機で圧縮された空気を含む作動流体の流量を増加させる、増湿器４のような流量増加手段と、増加した作動流体と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２と、圧縮機１と同軸に接続され、燃焼器２で生成された燃焼ガスにより駆動する高圧タービン３Ｈと、高圧タービン３Ｈからの排ガス（高圧タービン３Ｈを駆動した燃焼ガス）により駆動する低圧タービン３Ｌとを備え、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌとをそれぞれ独立した軸構造とした２軸ガスタービンにおいて、流量増加手段である増湿器４で加湿され、流量を増加された増湿空気である作動流体の一部を、燃焼器２に供給される前に分岐して低圧タービン３Ｌに導く分岐経路である分岐流路１８を備えることにより得ることができる。後述するが、具体的に分岐流路１８は、高圧タービン３Ｈを駆動した後の排気ガスを、低圧タービン３Ｌに導く流路である、高圧タービン３Ｈの最終段動翼と、低圧タービン３Ｌの初段静翼の間のガスパス中に接続されていればよい。
【００６９】
ところで、分岐空気１１０を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力がその分高くなるため、高圧タービン３Ｈの出口圧力も高くなる。そのため高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなって、出力も若干低下する。そこで、より好ましくは、分岐空気１１０の流量は湿分添加相当量よりもやや少なくし、高圧タービン３Ｈに流入する空気量は、無加湿時に対してやや多くするほうがよい。したがって、このようにして定格燃焼温度において圧縮機と高圧タービンをバランスさせた際は、圧力比は無加湿時に比べてやや高くなる状態がより好ましい。
【００７０】
すなわち、分岐経路である分岐流路１８で分岐する流体の流量を、流量増加手段である増湿器４による流量増加分よりも少ない流量範囲で制御する分岐流量調節機構を備えていればよい。
【００７１】
また、上記説明した本実施例の２軸ガスタービンは、新設プラントのみに適用が限られるものではなく、既設の例えばシンプルサイクルガスタービンや再生サイクルガスタービンを、高湿分ガスタービンシステムを適用した２軸ガスタービンプラントに改造する場合にも好適である。以下、既設のシンプルサイクルの２軸ガスタービンを、高湿分ガスタービンシステムを適用したプラントに改造する場合について、図１を用いて説明する。
【００７２】
図１に示す２軸ガスタービンおいて、既設のシンプルサイクルガスタービンの基本構成としては、圧縮機１，燃焼器２，高圧タービン３Ｈ，低圧タービン３Ｌとなる。この既設のシンプルサイクルガスタービンを、高湿分ガスタービンシステムを適用したプラントに改造する場合、追加で設置される機器としては、増湿器４と再生熱交換器５である。そして、改造に際して、シンプルサイクルでは圧縮機１から燃焼器２に接続されていた抽気空気１０３の供給系統を、図示するように、圧縮機１から増湿器４及び再生熱交換器５を介して燃焼器２に供給するように変更する。なお、給水加熱器２２，排ガス再加熱器２３，水回収装置２４，水処理装置２６，冷却装置３０等の機器は、プラントの全体効率を向上させるため、増湿器４及び再生熱交換器５と合わせて追設することが望ましい。
【００７３】
ここで、高湿分ガスタービンシステムを適用した２軸ガスタービンに改造する上で問題となるのは、前述した圧縮機の過大回転や過小回転である。そこで、シンプルサイクルを改造する場合においても、再生熱交換器５から燃焼器２に高温高湿空気１０５を供給する流路から、高温高湿空気１０５の一部を分岐空気１１０として低圧タービン３Ｌの上流に分岐させる分岐流路１８を備えることにより、上記課題を解決することが可能となる。
【００７４】
次に、既設の再生サイクルガスタービンを改造する場合を説明する。再生サイクルの２軸ガスタービンの基本構成は、圧縮機１，燃焼器２，高圧タービン３Ｈ、低圧タービン３Ｌ、再生熱交換器５である。この既設の再生サイクルの２軸ガスタービンを改造する場合の追加機器は、圧縮機１と再生熱交換器５の間に設置する増湿器４である。この場合においても、再生熱交換器５から燃焼器２に高温高湿空気１０５を供給する流路から低圧タービン３Ｌの上流に分岐空気１１０を分岐させる分岐流路１８を備えることになる。
【００７５】
すなわちいずれの場合でも、流量増加手段である増湿器４で流量を増加された作動媒体の一部を、燃焼器２に供給される前に分岐して低圧タービン３Ｌに導く分岐経路である分岐流路１８とを追設すればよい。
【実施例２】
【００７６】
図２は本発明の第２の実施例について示した図であり、図１と共通する再生熱交換器５よりも下流の排ガス系統図は省略してある。
【００７７】
図２において図１に示した第１の実施例と異なる点は、圧縮機１の吸い込み空気入口に、微細な水滴を噴霧して蒸発させることにより、圧縮機内部の作動流体の温度を低下させる吸気噴霧装置２７を備えた点にある。
【００７８】
吸気噴霧装置２７において圧縮機１入口のガスタービン吸い込み空気１００に噴霧される噴霧水３００は、高圧ポンプ３２０で加圧された後、噴霧水量制御弁３１０で所定の流量に調整され、吸気噴霧装置２７内の噴霧ノズルで微細化される。微細液滴の一部は圧縮機に吸い込まれる前に蒸発して、作動流体の温度を低下させ、ガスタービン吸い込み空気１００をより低温・高密度な吸い込み空気１０１とする。これにより、大気温度が高い場合でも圧縮機吸い込み空気量が多くなるため、ガスタービン出力が増加する。
【００７９】
また、大気温度が高いほど吸気冷却効果が大きいため、吸気噴霧装置２７を使用することにより、年間を通した大気温度の変動に対して、ガスタービンの出力を一定に保つことができる。
【００８０】
一方、微細液滴のうち圧縮機に吸い込まれる前に蒸発し切れなかった分は、圧縮機の内部で蒸発して、圧縮途中の作動流体の温度を低下させる。これにより、圧縮特性が等温圧縮に近づくため、良く知られた中間冷却効果によって圧縮機駆動力が減少し、その結果ガスタービンの効率が向上する。
【００８１】
ここで、本実施例に至った課題である圧縮機と高圧タービンの動力バランスに対して、以上述べた、吸気噴霧装置２７による圧縮機駆動力の低減効果を適用すると、次のような効果が生じる。
【００８２】
すなわち、第１の実施例で述べたように、分岐空気１１０を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力が高くなることに起因して、定格燃焼温度において圧縮機と高圧タービンをバランスさせた際は、圧力比が無加湿時に比べてやや高くなる。しかし、本第２の実施例のように、吸気噴霧装置２７を用いて、中間冷却効果によって圧縮機駆動力を削減すると、高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなることによる出力低下と釣り合わせることができるため、分岐流量を若干増やすことで圧力比を無加湿時と同等にすることができる。
【００８３】
これにより、高圧空気が通る圧縮機１や燃焼器２の圧力隔壁の設計圧力、および燃料供給系の設計圧力をシンプルサイクルと同等にできる。これは、シンプルサイクル，再生サイクルおよび高湿分利用ガスタービンシステムで高圧部品およびその設計を共通化できることを意味し、高圧部品の設計・製作コスト，部品管理コストを低減できる。
【００８４】
次に、このような吸気噴霧装置２７を備えた場合の制御方法について説明する。増湿器４へ供給される水量はガスタービンへの出力指令値に応じて決められており、出力指令値が予め定められたしきい値以上になると、加湿が開始される。作動流体の分岐空気１１０の流量は、実際の加湿量（蒸発量）の増加に応じて増加する必要があるが、増湿器４へ供給される水量と実際の加湿量は過渡特性として必ずしも比例しない。蒸発量は、増湿器４へ供給される水温や圧縮空気の温度に依存し、それらの温度は、ガスタービン出力が大きいほど高温である。しかし、実際のガスタービン出力を知ることは、特にポンプやスクリューのような機械駆動用途の場合は、発電機に比べると容易ではない。そこで、制御系統を簡単化するためには、出力指令値の増加に応じて、作動流体の分岐空気１１０の流量を増加させるように、分岐流量調節機構１９を動作させることが望ましい。
【００８５】
一方、吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量が変化することによっても、最適な作動流体分岐空気１１０の流量は変化する。すなわち上述したように、吸気噴霧装置２７での噴霧量が増加した際は、分岐空気１１０の流量を増加させる必要がある。吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量は、出力指令値および大気温度によって制御される。
【００８６】
したがって、低圧タービンの出力指令値および吸気噴霧装置で噴霧される水の流量をもとに作動流体の分岐流量を制御すれば、高湿分利用ガスタービンシステムを適用することによる効率向上効果を、２軸ガスタービンでも享受しつつ、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせて、２軸ガスタービンを安定に運転することができる。
【００８７】
なお、この制御は図示しない制御装置によって行われる。この制御装置は、低圧タービン３Ｌや大気温度など適切な計測値や指令値に基づいて、分岐調節機構である分岐流量調節機構１９を制御する。
【実施例３】
【００８８】
図３は本発明の第３の実施例について示した図であり、図２と同様、再生熱交換器５よりも下流の排ガス系統図は省略してある。
【００８９】
図３において図２に示した第２の実施例と異なる点は、図３中に点線で示した圧縮機１の作動流体の流量を減少させるように製造された圧縮機１ｂ（実線）を用いたことにある。本実施例の圧縮機は、例えば特開２００５−１５５６１３号公報に開示された製造方法により、図２に示したシンプルサイクル用に設計されたガスタービン圧縮機１と部品，図面の共通化が図れることから、容易に製造することができる。
【００９０】
本実施例の圧縮機１ｂは、作動流体の流量がシンプルサイクルよりも減少するように製造されているため、圧縮機駆動力も減少する。
【００９１】
ここで、本発明に至った課題である圧縮機と高圧タービンの動力バランスに対して、本実施例による圧縮機駆動力低減効果を適用すると、実施例２の場合と同様な効果が生じる。
【００９２】
すなわち、第１の実施の形態で述べたように、分岐空気１１０を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力が高くなることに起因して、定格燃焼温度において圧縮機と高圧タービンをバランスさせた際は、圧力比が無加湿時に比べてやや高くなる。しかし、本第３の実施の形態のように、圧縮機の作動流体を減少させることよって圧縮機駆動力を削減すると、高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなることによる出力低下と釣り合せることができることに加え、分岐作動流体の流量減少により、高圧タービン３Ｈの膨張比の減少分自体が小さくなるため、実施例１の場合に比べて、高圧タービン入口圧力を燃焼器圧力隔壁や燃料系統などの高圧部品の設計圧力と同等にすることができる。
【００９３】
これにより、実施例２の場合と同様、高圧部品の設計圧力をシンプルサイクルと同等にできる。
【００９４】
一方、増湿器４に水を供給しない無加湿状態の時には、実施例２の場合と比較して、高圧ガスタービン３Ｈに流入する作動流体の流量が減少するため、圧縮機が過小回転になる。その場合は、実施例２で説明した吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量を増加させることにより、圧縮機動力を減少させて、出力バランスを取ることができる。
【００９５】
かくして、本発明により、２軸ガスタービンに高湿分サイクルを適用した際にも、圧縮機と高圧タービンの動力バランスを確保することができる。
【実施例４】
【００９６】
図４は本発明の第４の実施例について示した図であり、図２と同様、再生熱交換器５よりも下流の排ガス系統図は省略してある。
【００９７】
図４において図２に示した第２の実施例と異なる点は、圧縮機１の軸端にシャフト２１Ａを介して、ガス圧縮機２８が連結されていることであり、ガスタービンの燃料２００をガス圧縮機２８で加圧していることである。
【００９８】
増湿器４に供給される水分流量が高湿分ガスタービンシステム所定の流量まで増加した場合、実施例１で説明したように、湿分添加により流量が増加した作動流体の全量が高圧タービン３Ｈに流入すると、圧縮機１が過回転になってしまう。そこで過回転を防止するため、燃焼器に供給する燃料流量が小さくなるように制御されるが、本実施例のようにガス圧縮機２８が連結されている場合は、高圧タービンの出力の一部が、燃料ガスの圧縮動力に消費されるため、実施例１の場合に比べて、燃焼温度の低下が小さくなり、その分ガスタービンが高効率化する。また、実施例１と同様に、分岐空気１１０の流量を増加させて燃焼温度を高める場合でも、分岐流量が少なくてすむので、分岐流路１８をコンパクトにできてコストが低減できるうえ、実施例１の場合に比べて低圧タービン３Ｌ入口の作動流体温度が高くなるため、低圧タービン３Ｌの出力および効率が増加する。
【００９９】
一方、増湿器４に水を供給しない無加湿状態の時には、実施例３の場合と同様、吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量を増加させることにより、圧縮機１の駆動動力を減少させて、出力バランスを取ることができる。
【０１００】
本実施例のように、２軸ガスタービンの圧縮機側に連結したガス圧縮機を用いて燃焼ガスを加圧する方法は、石炭ガス化ガスや水素含有ガス燃料などのように、燃料発熱量の小さいガス燃料や密度の小さいガス燃料を利用する場合には、より大きなガス圧縮機２８を連結することができるため、効果が大きい。
【０１０１】
また、図４においては、圧縮機１とガス圧縮機２８がシャフト２１Ａによって直接連結されているが、減速機を介して連結されていてもよい。
【０１０２】
あるいは、ガスタービンシステムが油燃料焚きの場合には、油燃料用の加圧ポンプを連結しても、ガス燃料と比べて消費動力は小さいものの、同様の効果が得られる。また、燃料加圧機以外であっても、高圧タービン３Ｈの出力を消費する機械であれば、同様の効果が得られる。
【実施例５】
【０１０３】
次に図５を用いて本発明の第１実施例である２軸式ガスタービンについて、図１に示した高湿分ガスタービンシステムに適用した２軸式ガスタービンの具体的な構造である分岐した増湿空気１１０を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造について説明する。
【０１０４】
図５に示した本発明の第１実施例の２軸式ガスタービンにおいて、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌとは共通のケーシング３９の内部に設置されており、高圧タービン３Ｈを構成する最終段側の回転体は高圧タービンロータ３２と、この高圧タービンロータ３２の外周に複数個配設された高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５を備えており、低圧タービン３Ｌを構成する初段側の回転体は低圧タービンロータ３３と、この低圧タービンロータ３３の外周に複数個配設された低圧タービンの初段静翼３６を備えている。
【０１０５】
そして高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌの前記した各回転体は回転中心軸５０の周りを回転するように構成されている。
【０１０６】
また高圧タービン３Ｈと高圧タービン３Ｈとの間には両者を隔てる静止体の隔壁３４が設置されており、ケーシング３９の内周側には高圧タービン３Ｈを構成する高圧側静止シュラウド３８と、低圧タービン３Ｌを構成する低圧側静止シュラウド４６とがそれぞれ設置されている。
【０１０７】
そして前記隔壁３４の外周側には低圧タービン３Ｌの低圧タービンの初段静翼４０が高圧側静止シュラウド３８及び低圧側静止シュラウド４６の両者にそれぞれ係合するように複数個設置されている。
【０１０８】
高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５からこの高圧タービン３Ｈを駆動した作動流体３７はガスパスに沿って排出されるが、高圧タービン３Ｈの下流側に設置された低圧タービン３Ｌではこの排出された作動流体３７を導入してエネルギーを回収することで回転エネルギーを得て低圧タービン３Ｌを駆動し、この低圧タービン３Ｌに連結された被駆動体の発電機２０を回転させる。
【０１０９】
前記作動流体３７が流れるタービン静翼及びタービン動翼の存在する流路空間をガスパスと呼ぶ。
【０１１０】
前記低圧タービン３Ｌを構成する低圧タービンの初段静翼４０の内部にはパージ空気を流下させる空気流路４０ａが形成されており、圧縮機１の途中段から抽気して空気流路４２ａを通じて導いたパージ空気４２を、ケーシング３９を貫通して配設した該空気流路４２ａを通じてケーシング３９の内側に形成したキャビティ５３に導入し、このキャビティ５３からパ−ジ空気４２を前記初段静翼４０の空気流路４０ａを経由して隔壁３４の外周側に設置した部屋７３に導入する。
【０１１１】
低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の内周側で、前記高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５を備えた高圧タービンロータ３２の端面と隔壁３４との間の空間にはホイールスペース４８が形成され、また低圧タービン３Ｌの初段動翼３６を備えた低圧タービンロータ３３の端面と隔壁３４との間の空間にはホイールスペース４９が形成されている。
【０１１２】
前記部屋７３に導入されたパ−ジ空気４２は、部屋７３に形成した孔から前記ホイールスペース４８及びホイールスペース４９にそれぞれ流入した後に、高圧タービンロータ３２の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙、及び低圧タービンロータ３３の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙を通じてパージ空気４３及びパージ空気４４とに分岐してガスパスに流入する。
【０１１３】
そしてパージ空気４２の空気圧を高めてパージ空気４３，４４の空気圧力が作動ガス３７の圧力よりも高くなるように設定することで、高温の作動ガス３７がホイールスペース４８，４９に流入して高圧タービンロータ３２や低圧タービンロータ３３が高温の作動ガスによって損傷することを防止している。
【０１１４】
ケーシング３９の内周側に設置した高圧側静止シュラウド３８の内部にはキャビティ４７が形成されており、再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設した分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された高圧側静止シュラウド３８に形成したキャビティ４７に導き、前記高圧側静止シュラウド３８のガスパスに面した壁面に設けた分岐空気供給孔５６を通じてこの分岐した増湿空気１１０をガスパスに供給し、作動流体３７の燃焼ガスと合流させる。
【０１１５】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、ケーシング３９の外側から高圧側静止シュラウド３８の内部に形成したキャビティ４７内に図１に示した高湿分ガスタービンシステムで再生熱交換器５から供給される昇温した増湿空気１０５から分岐した増湿空気１１０を該ケーシング３９を貫通する分岐配管１８を通じて導入している。
【０１１６】
この分岐した増湿空気１１０は、図５に示した分岐配管１８のように配管などを通して導入する方法が考えられる。
【０１１７】
高圧側静止シュラウド３８の内部のキャビティ４７に流入した増湿空気１１０は、この高圧側静止シュラウド３８のガスパスに面した壁面の円周方向に沿って複数箇所設けた分岐空気供給孔５６を通じてガスパスに供給され、ガスパスを流下する作動流体３７と合流する。
【０１１８】
通常のガスタービンでは高圧側静止シュラウド３８の材料として耐熱材を使用するだけでなく、さらに高圧側静止シュラウド３８に冷却空気を流通させて該高圧側静止シュラウド３８を冷却している。
【０１１９】
冷却空気としては圧縮機１の途中段や最終段から圧縮した空気を外部に抽気し、配管を通じて冷却が必要な外筒箇所にこの抽気した圧縮空気を供給して冷却空気として使用することが多いが、この冷却空気の流量が大きくなるとガスタービンの効率低下が大きくなるため、冷却空気の質量流量は、通常、圧縮機１で吸い込む空気１００の吸い込み質量流量の１０％以下となるように設計される。
【０１２０】
本実施例の２軸式ガスタービンにおいては、前述したように低圧タービン３Ｌの入口側から供給する分岐した増湿空気１１０をケーシング３９を貫通して配設した分岐流路１８を通じて高圧側静止シュラウド３８内のキャビティ４７に流入させてガスパスに供給するようにしており、この増湿空気１１０の質量流量は圧縮機吸い込み流量の１０〜２５％である。
【０１２１】
この為、増湿空気１１０の流下によって高圧側静止シュラウド３８の冷却効果が発揮され、高圧側静止シュラウド３８の冷却用の空気を供給する冷却空気系統を別途設ける必要はない。
【０１２２】
また、この増湿空気１１０は通常のガスタービンで冷却に使用する冷却空気量より質量流量が大きいため、高い冷却効果を期待でき、高圧側静止シュラウドの材料に耐熱温度の低い低級材を採用することができ、製造コストを低減することができる。
【０１２３】
また、高圧側静止シュラウド３８の内部に分岐した増湿空気１１０を導入するキャビティ４７を設け、このキャビティ４７から増湿空気１１０を円周方向に複数箇所形成した分岐空気供給孔５６を通じてガスパスに供給しているので、周方向の偏差が少ない状態で増湿空気１１０と作動ガス３７をガスパスで合流させることができ、混合損失を抑制できることができる。
【０１２４】
さらに、ガスパスの外周側から増湿空気１１０を供給することによってガスパスの外周側の作動流体３７の温度を低下させることができ、この結果、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０、及び初段動翼３６のガスパス外周側に面した部分が高温の作動流体３７の熱による損傷の発生を抑制することができる。
【０１２５】
以上説明したことから明らかなように、本実施例の２軸式ガスタービンによれば、２軸式ガスタービンに高湿分利用ガスタービンシステムを適用した場合に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせて２軸式ガスタービンを安定に運転し、圧縮機過大回転や過小回転の防止が可能となるので、回転部品の翼振動および軸振動に対する信頼性を高めることができる。
【０１２６】
また、タービン入口温度はシンプルサイクルで想定した温度を保つことが可能となるため、高湿分利用ガスタービンシステムを適用することによるガスタービンの効率向上効果を、２軸式ガスタービンでも享受することができる。
【０１２７】
また、本実施例では高圧タービン，低圧タービンの両方を、シンプルサイクルと高湿分利用ガスタービンシステムで共通に使用できるため、高温部品であるタービン翼の開発・製作コスト，部品管理コストを低減できる。
【０１２８】
また、本実施例では分岐空気を高圧側静止シュラウド内のキャビティに流入させているため、分岐空気による高圧側静止シュラウドの冷却効果を期待でき、高圧側静止シュラウド冷却用の空気を別途設ける必要がない。
【０１２９】
また、本実施例では分岐空気は通常のガスタービンで冷却に使用する冷却空気量より質量流量が大きいため、高い冷却効果を期待でき、高圧側静止シュラウドの材料に耐熱温度の低い低級材を採用することができ、製造コストを低減することができる。
【０１３０】
また、本実施例では分岐空気を低圧タービン入口のガスパス外周側もしくは内周側に供給することで、ガスパス内に存在するタービン動翼，タービン静翼のそれぞれ外周側もしくは内周側の温度を下げることによる高温ガスによる翼の損傷を抑制できる為、製品の信頼性を向上させることができる。
【０１３１】
即ち、本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例６】
【０１３２】
次に図６を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第６実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１３３】
図６は本発明の第６実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐した増湿空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図５に示した第５実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第５実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１３４】
本実施例では図６に示すように、再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入するように構成している。
【０１３５】
このキャビティ５３に分岐流路１８を通じて導入された増湿空気１１０は、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して初段静翼４０を冷却し、隔壁３４の外周側に設置した部屋７３に導入される。
【０１３６】
そして前記部屋７３に導入された増湿空気１１０は、部屋７３に形成した孔から前記ホイールスペース４８及びホイールスペース４９にそれぞれ流入した後に、高圧タービンロータ３２の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙、及び低圧タービンロータ３３の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙を通じてパージ空気４３及びパージ空気４４とに分岐してガスパスに流入する。
【０１３７】
本実施例では第５実施例と異なり、高圧側静止シュラウド３８内のキャビティ４７に増湿空気１１０を供給していない為、高圧側静止シュラウド３８を冷却する為に該高圧側静止シュラウド３８に形成されたキャビティ４７内に別途冷却空気を供給する必要がある。
【０１３８】
そこで高圧側静止シュラウド３８の上流側の壁面に冷却空気供給孔５４を設けて別途導入した冷却空気をキャビティ４７内に供給して高圧側静止シュラウド３８を冷却する構造を採用している。
【０１３９】
尚、この冷却空気供給孔５４を設ける以外にもケーシング３９の外周側から冷却用の空気を導入する配管を通して冷却する方法などが考えられる。
【０１４０】
本実施例においては、ケーシング３９を貫通して配設した分岐流路１８を通じて導入した増湿空気１１０は、初段静翼４０の外周側に形成したキャビティ５３，低圧タービン初段静翼４０内の空気流路４０ａ，隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入させているため、ホイールスペース４８，４９の温度を低く抑えることができ、高圧タービンロータ３２及び低圧タービンロータ３３の温度を低く抑えることができる。
【０１４１】
その結果、前記高圧タービンロータ３２及び低圧タービンロータ３３の材料に耐熱温度の低い低級材を採用することが可能となり、ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【０１４２】
さらに、ホイールスペース４８，４９に導入された後に増湿空気１１０をガスパスの内周側に流入させることによってガスパス内周側の作動流体３７のガス温度が低下するので、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０、及び初段動翼３６のガスパス内周側部分に高温の作動流体３７の熱による損傷の発生を抑制することができる。
【０１４３】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例７】
【０１４４】
次に図７を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第７実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１４５】
図７は本発明の第７実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第６実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１４６】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図７に示すように再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入するように構成している。
【０１４７】
このキャビティ５３に分岐流路１８を通じて導入された増湿空気１１０は、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して初段静翼４０を冷却するが、この初段静翼４０内部で前記空気流路４０ａは複数の分岐空気流路９６に分岐されて該初段静翼４０の後縁に開口した該分岐空気流路９６の噴出口から増湿空気１１０の一部をガスパスに噴出させて作動媒体３７と合流するように構成されている。
【０１４８】
また初段静翼４０の空気流路４０ａを流下して初段静翼４０を冷却した大部分の増湿空気１１０は、初段静翼４０の外周側に形成したキャビティ５３，低圧タービン初段静翼４０内の空気流路４０ａ，隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入する。
【０１４９】
図８（ａ）、及び図８（ｂ）は、図７に示した低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の断面をそれぞれ示した断面図である。
【０１５０】
この初段静翼４０の内部に形成された空気流路４０ａから分岐した分岐空気流路９６は、図７に示した矢印３７は作動流体の流れ方向である。
【０１５１】
前記分岐空気流路９６の噴出孔は、図８（ａ）に示したように初段静翼４０の翼後縁側から増湿空気１１０の一部をガスパス中へ流出させるように開口させる方法や、図８（ｂ）に示すように初段静翼４０の翼前縁に近い部位から増湿空気１１０の一部をガスパス中へ流出させるように開口させる方法や、図８（ａ）と図８（ｂ）に示した構造を複合させた方法を採用しても良い。
【０１５２】
図７に示した本実施例の２軸式ガスタービンでは、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンにおける作用効果を享受することができると同時に、以下に述べる新たな作用効果を更に享受することができる。
【０１５３】
即ち本実施例の２軸式ガスタービンでは、初段静翼４０の内部の空気流路４０ａに導入した増湿空気１１０の一部を初段静翼４０に形成した分岐空気流路９６を通じてガスパスに流出する流れと、空気流路４０ａから隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してパージ空気４３，４４としてガスパスに流出する流れとに分けてガスパス中へ流出させている為、パージ空気４３，４４の空気流量は図３に示した第２実施例の２軸式ガスタービンにおけるパージ空気４３，４４の空気流量よりも分岐空気流路９６からガスパスに流出する流量分だけ少なくなる。
【０１５４】
このため、本実施例におけるパージ空気４３，４４がガスパスを流下する作動ガス３７に合流する際に、作動ガス３７の流れを乱すことによって発生する混合損失を低減できる。
【０１５５】
さらに、図８（ａ）に示すように、初段静翼４０の内部に形成した分岐空気流路９６を通じて初段静翼４０の翼後縁から作動ガス３７の流れ方向に近い翼の下流側の方向に増湿空気１１０の一部を流出させていることで、作動ガス３７とこの増湿空気１１０の一部とが混合する際の混合損失を低減させることができる。
【０１５６】
また、図８（ｂ）に示すように、初段静翼４０の内部に形成した分岐空気流路９６を通じて初段静翼４０の翼前縁近傍から増湿空気１１０の一部を翼の下流側の方向に流出させていることで、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の前縁近傍の冷却効果を高めることができる。
【０１５７】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例８】
【０１５８】
次に図９を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第８実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１５９】
図９は本発明の第８実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第６実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１６０】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図９に示すように再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入され、初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入し、作動流体３７の燃焼ガスと合流する。
【０１６１】
本実施例では低圧タービンロータ３３の内部にホイールスペース４９と初段動翼３６の根元のガスパスとを連通する空気流路９４が形成されており、このホイールスペース４９に流入したパージ空気４４の一部を低圧タービンロータ３３の前記空気流路９４を通じて初段動翼３６の根元側から分岐パージ空気４５としてガスパスに供給して前記初段動翼３６を冷却する。
【０１６２】
本実施例では、前記空気流路９４を通じて分岐パージ空気４５を初段動翼３６に供給し、低圧タービン３Ｌの初段動翼３６を冷却して初段動翼３６のメタル温度を低く抑えているので、ガスタービンの信頼性を高めることができる。
【０１６３】
また、低圧タービン３Ｌの初段動翼３６のメタル温度を低くすることで耐熱温度の低い低級材を初段動翼３６に採用することが可能となり、ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【０１６４】
さらに、低圧タービン３Ｌの初段動翼３６に前記空気流路９４を通じて増湿空気１１０の一部である分岐パージ空気４５を冷却空気として供給してこの初段動翼３６を冷却しているので、ガスタービンの燃焼器における燃焼温度を高くすることが可能となり、ガスタービンの出力上昇や、熱効率向上を図ることができる。
【０１６５】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例９】
【０１６６】
次に図１０を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第９実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１６７】
図１０は本発明の第９実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第６実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１６８】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図１０に示すようにケーシング３９の内部に、高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５の外周側に設けられた高圧側静止シュラウド３８の後流側でキャビティ５３との間の位置に、中間静止シュラウド７５を設置している。
【０１６９】
この中間静止シュラウド７５の内部にはキャビティ７４が形成されおり、このキャビティ７４のガスパスに面した壁面には該ガスパスと連通する分岐空気供給孔７６が一つないし複数形成されている。
【０１７０】
そして再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて前記中間静止シュラウド７５の内部のキャビティ７４に導入され、分岐空気供給孔７６を通じてこの増湿空気１１０をガスパスに供給し、作動流体３７の燃焼ガスと合流させる。
【０１７１】
また、圧縮機１の途中段から抽気して空気流路４２ａを通じて導いたパージ空気４２を、ケーシング３９を貫通して配設した該空気流路４２ａを通じてケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入し、このキャビティ５３から初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入し、作動流体３７の燃焼ガスと合流する。
【０１７２】
本実施例においては、高圧側静止シュラウド３８は、その内周側に高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５が存在する為、この最終段動翼３５の前側と後側で圧力差が大きく、その結果、高圧側静止シュラウド７１には圧力差による荷重によって大きな応力が発生している。
【０１７３】
しかしながら、高圧側静止シュラウド３８の後流側に設置した前記中間シュラウド７５には、その内周側にタービン動翼が存在しない為、この中間シュラウド７５の前側と後側で圧力差は小さく、中間シュラウド７５には大きな応力は発生しない。
【０１７４】
その結果、空気流路１８を通じてキャビティ７４に導いた増湿空気１１０をガスパスに供給する分岐空気供給孔７６を前記中間シュラウド７５の壁面に設けても、この中間シュラウド７５には小さな応力しか作用しない為に応力集中による最大応力を低く抑えることができ、ガスタービンの信頼性を高めることができる。
【０１７５】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例１０】
【０１７６】
次に図１１を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第１０実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１７７】
図１１は本発明の第１０実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図１０に示した第９実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第９実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１７８】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図１１に示すようにケーシング３９の内部の、高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５の外周側に設けられた高圧側静止シュラウド３８の後流側で、キャビティ５３を区画するケーシング壁部材８５の上流側となる位置に、ガスパスに連通したキャビティ８４を形成した構造となっている。
【０１７９】
このキャビティ８４のガスパスとの連通部は、周方向に連続した空間として形成されている。
【０１８０】
本実施例においては、再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じてキャビティ８４に導入され、このキャビティ８４を経由してガスパスに供給されて作動媒体３７の燃焼ガスと合流する。
【０１８１】
本実施例ではキャビティ８４とガスパスが周方向に連続した空間として形成されてキャビティ８４とガスパスとの連通部の面積を大きく形成できるため、大流量の増湿空気１１０をガスパスに供給することが可能となり、ガスタービンの運転可能範囲が増加するという利点がある。
【０１８２】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例１１】
【０１８３】
次に本発明をコンベンショナルなガスタービンシステムに適用した第１１実施例である２軸式ガスタービンの実施例について図１２を用いて説明する。
【０１８４】
図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムでは、ガスパス中に流入させる流体は昇温した増湿空気１０５の一部を分岐させた増湿空気１１０であったが、蒸気発生源を近傍に持つガスタービンシステムにおいては、増湿空気１１０の代わりに蒸気を注入することも考えられる。
【０１８５】
そこで本実施例のガスタービンシステムにおける２軸式ガスタービンにおいては、蒸気発生源としてガスタービンの排気ガスの熱量を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラを用いるように構成した。
【０１８６】
図１２にガスタービンの排気ガスの熱量を利用して排熱回収ボイラ１１５によって生成した蒸気を低圧タービン３Ｌの上流側に注入するガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図を示す。
【０１８７】
図１２に示した本実施例の発電用の２軸式ガスタービンでは、図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムと共通する構成は説明を省略している。
【０１８８】
図１２に示した発電用の２軸式ガスタービンにおいて、燃焼器２で発生した高温の燃焼ガスは高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌに順次供給されて前記高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌを駆動し、低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８はこのタービン排気ガス１０８の熱量を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１１５に供給される。
【０１８９】
排熱回収ボイラ１１５に供給される給水１１４は前記排熱回収ボイラ１１５での低圧タービン排ガス１０８との熱交換によって蒸気１１６を生成する。
【０１９０】
そして前記排熱回収ボイラ１１５を流下した温度が低下した低圧タービン排ガス１０８は排気ガス１０９として排気塔２５から大気中へ排出される。
【０１９１】
前記排熱回収ボイラ１１５で発生させた蒸気１１６は、ガスタービンに供給される蒸気１１７と別の蒸気利用設備に供給される蒸気１１８とに分岐され、このうちガスタービンに供給される蒸気１１７は、その一部、又は全量が流量調節弁１９を備えた分岐配管１８を通じて分岐蒸気１２０として前記低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給され、高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【０１９２】
即ち、本実施例で低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される分岐蒸気１２０は、図１に示した先の実施例における低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される増湿空気１１０に対応するものである。
【０１９３】
前記蒸気１１８が供給される別の蒸気利用設備としては、コンバインドサイクルガスタービンにおける蒸気タービン，コジェネシステムにおける蒸気利用設備などが考えられる。
【０１９４】
ところで本実施例の分岐蒸気１２０として用いられる蒸気は空気に比べて熱伝達係数が高いので冷却効果が高くなり、この分岐蒸気１２０が流れる近傍の低圧タービン３Ｌの材料温度を低下させることができる。
【０１９５】
このため、図１に示した先の実施例での前記増湿空気１１０の代わりにこの分岐蒸気１２０を使用することで、低圧タービン３Ｌを構成する材料として耐熱温度の低い低級材を使用することができ、２軸式ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【０１９６】
本実施例によれば、ガスタービン燃焼器中に蒸気を注入するシステムを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【０１９７】
すなわち、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された空気に蒸気を注入する蒸気注入手段である排熱回収ボイラ１１５と、この蒸気注入手段で蒸気を注入された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２と、圧縮機１と同軸に接続され、燃焼器２で生成された燃焼ガスにより駆動する高圧タービン３Ｈと、高圧タービン３Ｈからの排ガスにより駆動する低圧タービン３Ｌとを備え、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌとをそれぞれ独立した軸構造とした２軸ガスタービンにおいて、蒸気注入手段で蒸気を注入された空気の一部を、燃焼器２に供給される前に分岐して低圧タービン３Ｌに導く分岐経路である分岐流路１８を備えた２軸ガスタービンであれば、上記効果を得ることができる。
【０１９８】
また、図１２においては、ガスタービンの排ガスの熱量を利用した排熱回収ボイラ１１５で発生した蒸気を燃焼器およびガスパスに供給する例を示したが、この蒸気発生源は、ガスタービンとは別に設置されたボイラ等によっても構わない。蒸気を使用する各種プラント等において、蒸気使用量の変動がある際に、余剰の蒸気をガスタービンに注入することで熱効率を向上させることができるが、２軸式ガスタービンを適用する際には、本発明によって、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【実施例１２】
【０１９９】
次に、本発明を、別のガスタービンシステムに適用した第１２実施例である２軸式ガスタービンについて図１３を用いて説明する。
【０２００】
図１３に石炭ガス化ガスを発生させる際に生成した窒素を低圧タービン３Ｌの上流側に注入するガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図を示す。
【０２０１】
図１３に示した本実施例の発電用の２軸式ガスタービンでは、図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムと共通する構成は説明を省略している。
【０２０２】
図１３に示した発電用の２軸式ガスタービンにおいて、圧縮機１とは別の別置圧縮機（図示省略）等で圧縮されたガス化用空気２０２は空気分離器１２１に供給され、空気分離器１２１で酸素１２２と窒素１２３に分離される。酸素１２２はガス化炉１２４へ導かれ、石炭１２５とともに、ガス化炉１２４内で石炭ガス化ガス１２６を発生する。発生した石炭ガス化ガス１２６はガスタービンの燃料２００として使用される。
【０２０３】
一方、空気分離器１２１で分離された窒素１２３は、燃焼器２へ注入される。これにより、燃焼器内の局所的な火炎温度を低下させ、燃焼器内で生成する窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することができる。
【０２０４】
このようなガスタービンでは、燃焼器内に窒素を注入することによって、高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体の流量が増加している。すなわち、窒素吸収経路は、作動流体の流量を増加させる流量増加手段としての役割も有している。そのため、高圧タービンの出力が増加し、このままでは高圧タービンおよび圧縮機１が過回転となってしまう。
【０２０５】
そこで本実施例では、窒素１２３の一部が、流量調節弁である分岐流量調節機構１９を備えた分岐配管である分岐流路１８を通じて分岐窒素１２７として前記低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給されるようにしている。この分岐窒素１２７は、高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【０２０６】
即ち、本実施例で低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される分岐窒素１２７は、図１に示した先の実施例における低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される増湿空気１１０に対応するものである。
【０２０７】
分岐窒素１２７を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力がその分高くなるため、高圧タービン３Ｈの出口圧力も高くなる。そのため高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなって、窒素注入による高圧タービンの出力増加を相殺することができる。
【０２０８】
かくして、石炭ガス化システムに２軸ガスタービンを使用し、空気分離器から発生する窒素を燃焼器へ注入する際にも、本発明によって、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【０２０９】
ところで本実施例の分岐窒素１２７として用いられる窒素は圧縮空気１０１に比べて温度が低いので冷却効果が高くなり、この分岐窒素１２７が流れる近傍の低圧タービン３Ｌの材料温度を低下させることができる。
【０２１０】
このため、図１に示した先の実施例での前記増湿空気１１０の代わりにこの分岐窒素１２７を使用することで、低圧タービン３Ｌを構成する材料として耐熱温度の低い低級材を使用することができ、２軸式ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【実施例１３】
【０２１１】
最後に、本発明を、さらに別のガスタービンシステムに適用した第１３実施例である２軸式ガスタービンについて図１４を用いて説明する。
【０２１２】
図１４に低カロリーガスをガスタービン燃焼器の燃料として使用する際に、圧縮空気の一部を低圧タービン３Ｌの上流側に注入するガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図を示す。
【０２１３】
図１４に示した本実施例の発電用の２軸式ガスタービンでは、図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムと共通する構成は説明を省略している。
【０２１４】
図１４に示した発電用の２軸式ガスタービンにおいて、図１の燃料２００に相当するものは、低カロリーガス１２８である。低カロリーガスは、天然ガスなどの通常のガス燃料と比べて、発熱量が１／２以下、さらに低いものでは１／１０程度しかない。そのため、ガスタービンを所定の定格燃焼ガス温度で運転するためには、燃料を多量に供給しなければならない。
【０２１５】
しかし、燃焼器内に燃料を多量に供給することによって、高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体の流量が増加するため、高圧タービンの出力が増加し、このままでは高圧タービンおよび圧縮機１が過回転となってしまう。本実施例では、燃料として低カロリーガスを用いた２軸ガスタービンにおいて、圧縮機１で圧縮された圧縮空気１０２の一部が、燃焼器２に供給される前に、流量調節弁である分岐流量調節機構１９を備えた分岐配管である分岐流路１８を通じて分岐空気１２９として前記低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給され、高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【０２１６】
即ち、本実施例で低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される分岐空気１２９は、図１に示した先の実施例における低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される増湿空気１１０に対応するものである。
【０２１７】
分岐空気１２９を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力がその分高くなるため、高圧タービン３Ｈの出口圧力も高くなる。そのため高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなって、低カロリー燃料の燃焼による高圧タービンの出力増加を相殺することができる。
【０２１８】
かくして、低カロリーガス焚きガスタービンシステムに２軸ガスタービンを使用する際にも、本発明によって、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【０２１９】
ところで、低カロリーガスは、例えば空気を用いて石炭をガス化するプラントや、製鉄所、製油所などの各種プラントから発生するものが考えられる。また、油田やガス田などから副生的に発生するものも考えられる。これらの低カロリーガスは、その発生源の運転状況や季節変化などによって、燃料発熱量が変動することが考えられる。そのような場合にも、発熱量が大きい場合は分岐弁である分岐流量調節機構１９の開度を小さくして、分岐空気１２９の流量が小さくなるように調整し、逆に発熱量が小さい場合は分岐弁である分岐流量調節機構１９の開度を大きくして、分岐空気１２９の流量が大きくなるように調整することで、発熱量が変化しても圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２０】
本発明は高効率ガスタービンとして発電用のガスタービンに利用できるほか、熱と電力を併給可能なコジェネレーションシステム、又はポンプ，圧縮機，スクリュー等の機械駆動用エンジンのガスタービンとしても適用可能である。
【符号の説明】
【０２２１】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３Ｈ 高圧タービン
３Ｌ 低圧タービン
４ 増湿器
５ 再生熱交換器
６ 本体ケーシング
１８ 分岐流路
１９ 分岐流量調節機構
２０ 発電機
２１ シャフト
２２ 給水加熱器
２３ 排ガス再加熱器
２４ 水回収装置
２５ 排気塔
２６ 水処理装置
２７ 吸気噴霧装置
２８ ガス圧縮機
３０ 冷却装置
３２ 高圧タービンロータ
３３ 低圧タービンロータ
３５ 高圧タービンの最終段動翼
３６ 低圧タービンの初段動翼
３８ 高圧側静止シュラウド
３９ タービンケーシング
４０ 低圧タービンの初段静翼
４０ａ，４２ａ 空気流路
４２ パージ空気
４６ 高圧側静止シュラウド
４７，５３，７４，８４ キャビティ
５６，７６ 分岐空気供給孔
４８，４９ ホイールスペース
７３ 部屋
９４ 空気流路
１００ ガスタービン吸い込み空気
１０１ 吸い込み空気
１０２ 圧縮空気
１０３ 抽気空気
１０４ 低温高湿空気
１０５ 高温高湿空気
１０６ 燃焼ガス
１０７ 高圧タービン排気ガス
１０８ 低圧タービン排気ガス
１０９ 排気ガス
１１０ 分岐空気
１１４ 給水
１１５ 排熱回収ボイラ
１１６，１１７，１１８，１２０ 蒸気
１２１ 空気分離器
１２２ 酸素
１２３，１２７ 窒素
１２４ ガス化炉
１２５ 石炭
１２６ 石炭ガス化ガス
１２８ 低カロリーガス
１２９ 分岐圧縮空気
２００ 燃料
３００ 噴霧水
３０１ 増湿装置給水
３１０ 噴霧水量制御弁
３１１ 給水量制御弁
３２０ 高圧ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機駆動用の高圧タービンと出力用の低圧タービンとが別軸に構成されており、シンプルサイクルに比べて燃焼器に流入する流体の流量が増加するガスタービンシステム、例えば高湿分空気利用システム，蒸気注入システム，窒素注入システム，低カロリー燃料焚きシステムなどに適用した２軸ガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機を駆動する高圧タービンと、発電機やポンプ等を駆動する低圧タービンが別軸構成となっている２軸ガスタービンに関する技術としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。
【０００３】
２軸ガスタービンは、ポンプやスクリューなどの被駆動機（負荷）の回転数が低い場合でも、圧縮機と高圧タービンを高速回転させることが可能となるため、低圧タービンの低回転数域でのトルクを大きくすることができる。そのため、２軸ガスタービンはポンプやスクリューなどの機械駆動用として用いられるが、低圧タービンで発電機を駆動する発電用として用いることも可能であり、減速機なしで使用する場合には、圧縮機を高速回転させることで高効率化が図れる利点があり、また、減速機を使用する場合でも、減速比を小さくできるため、コスト低減，効率向上に利点がある。
【０００４】
なお、特許文献１の図５には、ガスタービン作動流体（たとえば空気）に湿分を添加して加湿し、再生熱交換器によってガスタービン排ガスの持つ熱エネルギーを回収することで、出力および効率の向上を図る高湿分利用ガスタービンシステムの技術が記載されている。
【０００５】
一方、ガスタービンの作動流体（例えば空気）に水分を添加して加湿し、この加湿空気によってガスタービンから排出される排ガスの持つ熱エネルギーを回収してガスタービンに供給するように構成することで、出力および効率の向上を図る高湿分利用ガスタービンシステムの技術が特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８３０８１号公報（図５）
【特許文献２】特開平５−１８２７１号公報
【特許文献３】ＷＯ００／２５００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高湿分利用ガスタービンシステムは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に湿分を添加して、燃焼器に供給する作動流体の流量を増加させることによってタービン出力を増加させるものである。しかし、２軸式ガスタービンにこの高湿分利用ガスタービンシステムの技術を適用すると、加湿によって圧縮機を駆動する高圧タービンの出力が大きくなり、そのままでは圧縮機を過大回転させることになる。圧縮機の過大回転は、圧縮機および高圧タービンの翼振動および軸振動と共振して回転部品の破損を招く可能性があるため好ましくない。
【０００８】
そこでこの圧縮機の過大回転を防止する第１の方策として、燃焼器に供給する燃料流量を減少させて圧縮機の回転数を所定の値に制御する方法が考えられるが、タービン入口温度の低下によりガスタービンの効率が低下し、高湿分利用ガスタービンシステムの本来の狙いである効率向上効果が低下する。
【０００９】
また上記圧縮機の過大回転を防止する第２の方策として、圧縮空気の加湿時に高圧タービンと低圧タービンの負荷配分が最適となるように両者の出力を機械的に予め設定しておく方法も考えられる。
【００１０】
しかしながら、ガスタービンの起動時など圧縮空気を加湿していないときには、逆に高圧タービンの出力が圧縮機の駆動に必要な動力よりも小さいため、圧縮機が過小回転となる。圧縮機の過小回転は、過大回転の場合と同様、圧縮機および高圧タービンの翼振動および軸振動と共振して回転部品の破損につながることに加え、ガスタービンの作動流体の流量および圧力比の減少，圧縮効率の低下につながるため好ましくない。また、上記のように高圧タービンと低圧タービンの負荷配分を予め設定したガスタービンの場合には、タービン翼は高湿分利用ガスタービン専用となり、シンプルサイクル用のタービン翼と共通化できないのでタービン翼の製造コストが高価となる。
【００１１】
上記と同様な課題は、燃焼器に供給される作動流体の流量がシンプルサイクルに対して増加するようなシステムに共通である。そのようなシステムとしては、例えば、ガスタービンの排ガスの熱を利用して蒸気を作り利用するコンバインドサイクルやコジェネレーションなどにおいて、余剰な蒸気をガスタービンの燃焼器に注入することによって効率を向上させるようなシステムが考えられる。また、空気分離装置等を備えたプラントで余剰となった窒素を、出力増加や低ＮＯｘ化のためにガスタービン燃焼器に注入するようなシステムでも同様の課題が生じる。さらに、低カロリー燃料焚きのガスタービンでは、多量の燃料を燃焼させる必要があり、その分、作動流体の流量が増加するため、２軸ガスタービンに適用する際には、上記と同様の課題が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、シンプルサイクルのガスタービンに比べて燃焼器に流入する流体の流量が増加するようなシステムに２軸式ガスタービンを適用した場合に、ガスタービンの出力および効率の向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する、信頼性を向上した２軸式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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明では、定格運転時の燃焼温度をシンプルサイクルにおける定格燃焼温度と同等にすると、圧縮機の回転数が定格回転数と比べて過回転となる場合に、高圧タービンを駆動する作動流体の一部を、高圧タービンに流入させることなく低圧タービンに流入させるように構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する、信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る高湿分利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図５】本発明の第５実施例である２軸式ガスタービンで分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図６】本発明の第６実施例である２軸式ガスタービンで分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図７】本発明の第７実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である
【図８】本発明の第７実施例である２軸式ガスタービンの低圧タービンに設置された初段動翼の断面を示す翼断面図である。
【図９】本発明の第８実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図１０】本発明の第９実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の第１０実施例である２軸式ガスタービンの分岐空気を供給する低圧タービンの上流側近傍の構造を示す部分断面図である。
【図１２】本発明の第１１実施例である２軸式ガスタービンを備えたコンベンショナルなガスタービンシステムの全体構成を示す概略系統図である。
【図１３】本発明の第１２実施例である２軸式ガスタービンを備えたガスタービンシステムの全体構成を示す概略系統図である。
【図１４】本発明の第１３実施例である２軸式ガスタービンを備えたガスタービンシステムの全体構成を示す概略系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、圧縮機駆動用高圧タービンと出力用低圧タービンが別軸構成となっている２軸ガスタービンに、高湿分利用ガスタービンシステムなどを適用する際、圧縮機とタービンの動力マッチングを取りつつ、高効率に運用するための構成および制御方法に関するものである。
【００１７】
本発明は特に、定格運転時の燃焼温度をシンプルサイクルにおける定格燃焼温度と同等にすると、圧縮機の回転数が定格回転数と比べて過回転となる２軸ガスタービンに関するものである。以下各実施例にて説明するが、例えば、加湿により作動流体である空気が加湿されて作動流体の流量が増える高湿分利用ガスタービンや、余剰蒸気や窒素を燃焼器や作動媒体に注入するガスタービン、通常用いられる天然ガスよりも発熱量が少ない低カロリーガス焚きガスタービンなどがこれに相当する。これらのガスタービンは、シンプルサイクルのガスタービンに比べて燃焼器に流入する流体の流量が増加するようなシステムになっているからである。これらのガスタービンをシンプルサイクルと同等の燃焼温度で運転すると、燃焼器から高圧タービンに供給される流体の流量が増えることにより、高圧タービン及び圧縮機の回転数が増加し、定格回転数と比べて過回転となる。なお定格回転数とは、シンプルサイクルのガスタービンを定格燃焼温度で定格運転したときの回転数を意味する。
【００１８】
以下、図面を用いて、２軸式ガスタービンに本発明を適用した場合の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した２軸式ガスタービンの実施例について説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１実施例である高湿分ガスタービンシステムを構成する２軸式ガスタービンの全体構成を表すシステムフロー図である。
【００２１】
図１において、発電用の高湿分ガスタービンシステムに設置された２軸式ガスタービンは、空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機１と、供給された燃料２００を燃焼用空気と混合させて燃焼し高温の燃焼ガスを生成する燃焼器２と、この燃焼器２で生成した高温の燃焼ガスによって駆動される高圧タービン３Ｈと、高圧タービン３Ｈを流下した高圧タービン排ガスによって駆動される低圧タービン３Ｌと、圧縮機１で生成した高圧空気を加湿する増湿器４と、この増湿器４で加湿した加湿空気を前記低圧タービン３Ｌから排出した低圧タービン排ガスとの熱交換によって加熱して前記燃焼器２及び前記低圧タービン３Ｌの入口に供給する高温空気を生成する再生熱交換器５とを備えて構成され、前記低圧タービン３Ｌによって回転される発電機２０により発電して電力を得ている。
【００２２】
前記低圧タービン３Ｌの入口に設置された低圧タービンの初段静翼に供給されるパージ空気は、圧縮機１の途中段から抽気して空気流路４２ａを通じてタービンのケーシング内側に形成したキャビティに導かれるパージ空気４２を用いている。
【００２３】
圧縮機１と高圧タービン３Ｈとはシャフト２１Ｈで連結されており、両者の回転数は等しい。また低圧タービン３Ｌと発電機２０とはシャフト２１Ｌで連結されており、両者の回転数は等しい。
【００２４】
前記低圧タービン３Ｌと発電機２０は図示されていない減速機を介して連結されていてもよく、その場合は低圧タービン３Ｌの回転数は発電機２０の回転数に対し、減速機の持つ減速比分だけ大きくなる。
【００２５】
圧縮機１と高圧タービン３Ｈを連結するシャフト２１Ｈは、低圧タービン３Ｌと発電機２０を連結するシャフト２１Ｌと連結されていないため、圧縮機１の回転数と低圧タービン３Ｌの回転数は違っていても使用が可能であり、これらの回転数を自由に設定することができる。
【００２６】
このような構成の２軸式ガスタービンは、前記発電機２０をポンプやスクリューなどの被駆動機に替えてこれらの被駆動機の回転数が低い場合でも、圧縮機１と高圧タービン３Ｈを高速回転させることが可能となるため、被駆動機を駆動する低圧タービン３Ｌの低回転数域でのトルクを大きくすることができる。
【００２７】
次に図１に示した２軸式ガスタービンを備えた高湿分ガスタービンシステムの運転方法について説明すると、空気１００（大気圧）を圧縮機１で圧縮した高圧空気は抽気空気１０３として前記圧縮機１から抽気される。
【００２８】
この抽気空気１０３は圧縮機１から増湿器４に供給され、この増湿器４において水分を添加して加湿空気１０４を生成する。
【００２９】
増湿器４で抽気空気１０３を加湿する加湿方法としては濡壁塔或いは増湿塔による加湿を採用してもよく、或いは抽気空気１０３の流路中にスプレイノズルを配設して水を噴霧する加湿方法を採用してもよい。
【００３０】
前記増湿器４で湿分を添加された加湿空気１０４は再生熱交換器５に供給され、前記再生熱交換器５にて低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８との熱交換で加熱されて昇温した増湿空気１０５となり、再生熱交換器５からこの昇温した増湿空気１０５を燃焼器２に供給して前記燃焼器２にて燃料２００と混合して燃焼し、高温の燃焼ガス１０６を生成する。
【００３１】
上記した構成の高湿分ガスタービンシステムを採用することによって、再生熱交換器５において低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８の熱エネルギーを燃焼器２００で燃焼させる昇温した増湿空気１０５に回収できるため、前記燃焼器２に供給する燃料２００の供給量を減少させることが可能となり、ガスタービンサイクルの効率が向上する。
【００３２】
また、増湿器４で加湿空気１０４を生成する湿分を添加することによって昇温した増湿空気１０５となって前記燃焼器２で燃焼し、高温の燃焼ガス１０６となって高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌを駆動する作動流体が増加するので、ガスタービンサイクルの出力が増加する。
【００３３】
さらに、増湿器４での湿分添加によって加湿空気１０４の温度が低下した効果と、流量が増加した効果によって、再生熱交換器５にて低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８の熱エネルギーを昇温した増湿空気１０５に熱交換して回収する熱回収量を増加させることができるので、高湿分ガスタービンサイクルの効率が向上する。
【００３４】
前記高湿分ガスタービンシステムにおいては、再生熱交換器５から昇温した増湿空気１０５を燃焼器２に供給する高温空気の供給流路の途中に分岐流路１８が配設されており、燃焼器２に供給される増湿空気１０５の一部が分岐されて分岐流路１８を流下する分岐した増湿空気１１０となる。
【００３５】
この分岐した増湿空気１１０は後述するように低圧タービン３Ｌの上流側において、燃焼器２から供給された高温の燃焼ガス１０６によって駆動された高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【００３６】
また、分岐流路１８には流量制御機構となる流量調節弁１９が設置されていて、この流量調節弁１９を調節することにより分岐した増湿空気１１０の流量を制御可能としている。
【００３７】
燃焼器２で燃焼して生成された高温の燃焼ガス１０６は高圧タービン３Ｈに供給されてこの高圧タービン３Ｈを駆動する。
【００３８】
そしてこの高圧タービン３Ｈを流下した高圧タービン排ガス１０７は、上述した分岐流路１８を流下した分岐した増湿空気１１０と合流した後に、低圧タービン３Ｌに供給されてこの低圧タービン３Ｌを駆動し、低圧タービン排ガス１０８となって低圧タービン３Ｌから排出される。
【００３９】
低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８は、低圧タービン３Ｌの下流側に設置された再生熱交換器５に供給され、この再生熱交換器５にて増湿器４から供給される加湿空気１０４と熱交換して前記再生熱交換器５から燃焼器２及び低圧タービン３Ｌの入口側に供給される高温空気１０５に熱回収される。
【００４０】
再生熱交換器５を流下した低圧タービン排ガス１０８は、該再生熱交換器５の下流側にそれぞれ設置された給水加熱器２２，排ガス再加熱器２３，水回収装置２４を順次流下し、排気ガス１０９として排気塔２５から大気中に放出される。
【００４１】
前記水回収装置２４では流下する低圧タービン排ガス１０８に水をスプレーして低圧タービン排ガス１０８に含まれる水分を水として回収し、この回収した水をポンプ２９によって水処理装置２６に供給して浄化し、水処理装置２６で浄化した水をポンプ２８によって給水加熱器２２に補給水３０１として供給するように構成している。
【００４２】
また前記水回収装置２４にはスプレー水をポンプ２９によって循環させる循環流路が配設されており、この循環流路にスプレー水を冷却させる熱交換器２７が設置されている。
【００４３】
また前記給水加熱器２２では水処理装置２６から供給された補給水３０１を該給水加熱器２２を流下する低圧タービン排ガス１０８と熱交換させて熱回収し、この給水加熱器２２で昇温した補給水３０１を前記増湿器４に加湿水として供給するように構成している。
【００４４】
そして給水加熱器２２から増湿器４との間には流量調節弁３１１が設置されており、前記増湿器４供給する加湿水の流量を調節できるように構成している。
【００４５】
前記した高湿分ガスタービンサイクルに関して、その効率向上効果を排気ガスの側から見てみると、再生熱交換器５及び給水加熱器２２にて低圧タービン排ガス１０８から熱エネルギーを回収した結果、ガスタービンサイクルの効率が向上し、排気塔２５から排気ガス１０９となって大気中に放出される無駄な熱エネルギーが減少するので、その分だけ排気ガス１０９の温度を低くすることができる。
【００４６】
また前記した高湿分ガスタービンサイクルに備えられた２軸式ガスタービンでは、高圧タービン３Ｈで得られた駆動力はシャフト２１Ｈを通じて圧縮機１に伝えられて該圧縮機１を回転させ、この圧縮機１によって空気１００の加圧に用いられる。
【００４７】
また、低圧タービン３Ｌで得られた駆動力はシャフト２１Ｌを通じて発電機２０に伝えられて該発電機２０を駆動し、この発電機２０によって発電して電力を得ている。
【００４８】
尚、低圧タービン３Ｌによって駆動される被駆動機は、発電機２０に替えてポンプやスクリューなどであってもよい。
【００４９】
次に、この高湿分ガスタービンサイクルに設置した２軸式ガスタービンにおける圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力をバランスさせる方法について説明する。
【００５０】
まず、増湿器４に供給される加湿用の加湿水の流量がゼロで、かつ再生熱交換器５から供給された高温空気１０５は全量が燃焼器２に流入して高圧タービン３Ｈに供給されており、高温空気１０５のうち分岐流路１８を経由して低圧タービン３Ｌの入口に供給される増湿空気１１０の流量がゼロの場合を考える。
【００５１】
このような構成のガスタービンサイクルは再生サイクルに相当するが、圧縮機１と高圧タービン３Ｈとの間で作動流体の流量の増加が無いため、動力バランスの面から見るとシンプルサイクルの場合と同等である。
【００５２】
この場合、定格回転数かつ定格燃焼温度の条件で運転するガスタービンサイクルは、圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスするように設計されている。
【００５３】
次に、上記の圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスした状態から増湿器４に供給される加湿用の水分流量が高湿分ガスタービンシステムの所定の流量まで増加した場合を考える。
【００５４】
この場合、増湿器４での湿分添加によって流量が増加した作動流体の全量が燃焼器２に流入し、燃焼によって燃焼ガス１０６となって高圧タービン３Ｈを駆動する。
【００５５】
ところが、このままでは高圧タービン３Ｈの出力が増大して圧縮機１が過回転になってしまうので、過回転を防止するために燃焼器２に供給する燃料２００の流量を減少するように制御し、燃焼器２を定格燃焼温度よりも低い燃焼温度で燃焼することによって圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力をバランスさせる。
【００５６】
しかしながら燃焼温度が定格燃焼温度よりも低いとガスタービンの効率が低くなるため、２軸式ガスタービンを用いて高湿分ガスタービンシステムを構成しても、期待される効率向上が小さくなってしまうことになる。
【００５７】
そこで、再生熱交換器５から燃焼器２に供給する昇温された増湿空気１０５の一部を分岐した増湿空気１１０として分岐する分岐流路１８に設けた分岐流量制御機構の流量調節弁１９を操作して、該分岐流路１８を経由して低圧タービン３Ｌに供給する分岐した増湿空気１１０の流量を増加させた場合を考える。
【００５８】
例えば増湿器４で添加した湿分量に相当する流量の分岐した増湿空気１１０を低圧タービン３Ｌの上流に分岐して供給させると、高圧タービン３Ｈへ流入する流量が無加湿時の流量と同等になって圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスするため、燃焼器２での燃焼温度は定格燃焼温度まで上昇させることができて、ガスタービンの効率を高く維持させることができる。
【００５９】
分岐した増湿空気１１０の持つ圧力エネルギーは低圧タービン３Ｌで回収されるため、例えば湿分添加による作動流体増加分を放風してバランスさせる場合に比べて、圧縮機１によって分岐した増湿空気１１０の圧縮に費やした圧縮動力が無駄にならない。
【００６０】
すなわち、上述の高湿分ガスタービンシステムの場合、定格運転時の燃焼温度を、シンプルサイクルにおける定格燃焼温度とした場合に、圧縮機１の回転数が定格回転数と比べて過回転となってしまうが、これに対し、高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体である増湿空気１１０の一部を、高圧タービン３Ｈに流入させることなく低圧タービン３Ｌに流入させると、効率を向上させた上で、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【００６１】
なお、本実施例における高湿分ガスタービンサイクルに備えた２軸式ガスタービンにおいては、分岐した増湿空気１１０の質量流量は、圧縮機１の吸い込み空気１００の質量流量の１０〜２５％となる。
【００６２】
これは、分岐空気１１０の流量が、増湿器４で添加した湿分量に相当する流量とほぼ同等であるときに、高圧タービン３Ｈと流入する流量が無加湿時の流量と同等になって、圧縮機１と高圧タービン３Ｈの動力がバランスするためである。
【００６３】
添加湿分量はシステムの熱効率が最大となるように定められている。添加湿分量が少ないと、給水加熱器２２で回収した熱量のうち作動流体に加わる量が減少するため、熱効率は高くならない。逆に添加湿分量が多すぎると、排ガス１０８中に含まれる湿分が増えるため、その湿分の潜熱が有効に利用されない分、熱効率は高くならない。このように、添加湿分量には最適値が存在する。この添加湿分量に応じて決まる分岐空気１１０の流量は、１０〜２５％が望ましい。
【００６４】
かくして、２軸式ガスタービンを高湿分ガスタービンシステムに適用した場合でも、圧縮機１の過大回転や過小回転を防止しつつ、圧縮機１の駆動力と高圧タービン３Ｈの出力をバランスさせて２軸式ガスタービンを安定に運転することができ、回転部品の翼振動および軸振動に対する信頼性を高め、部品寿命を長くすることができる。
【００６５】
また、タービン入口温度はシンプルサイクルで想定した温度を保つことが可能となるため、高湿分利用ガスタービンシステムを適用することによるガスタービンの効率向上効果を、２軸ガスタービンでも享受することができる。
【００６６】
さらに、高圧タービン，低圧タービンの両方を、シンプルサイクルと高湿分利用ガスタービンシステムで共通にできるため、高温部品であるタービン翼の開発・製作コスト，部品管理コストを低減できる。
【００６７】
加えて、開発に労力，コスト，期間がかかるタービン翼を共通化したまま、シンプルサイクル，再生サイクルおよび高湿分利用ガスタービンシステムという出力，効率の異なる３種類の製品ラインナップをそろえることができる上、タービン翼は全製品共通なので、寿命等の信頼性評価を一元的に行うことができ、より信頼性の高い製品群が構築できる。
【００６８】
このような効果は、圧縮機で圧縮された空気を含む作動流体の流量を増加させる、増湿器４のような流量増加手段と、増加した作動流体と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２と、圧縮機１と同軸に接続され、燃焼器２で生成された燃焼ガスにより駆動する高圧タービン３Ｈと、高圧タービン３Ｈからの排ガス（高圧タービン３Ｈを駆動した燃焼ガス）により駆動する低圧タービン３Ｌとを備え、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌとをそれぞれ独立した軸構造とした２軸ガスタービンにおいて、流量増加手段である増湿器４で加湿され、流量を増加された増湿空気である作動流体の一部を、燃焼器２に供給される前に分岐して低圧タービン３Ｌに導く分岐経路である分岐流路１８を備えることにより得ることができる。後述するが、具体的に分岐流路１８は、高圧タービン３Ｈを駆動した後の排気ガスを、低圧タービン３Ｌに導く流路である、高圧タービン３Ｈの最終段動翼と、低圧タービン３Ｌの初段静翼の間のガスパス中に接続されていればよい。
【００６９】
ところで、分岐空気１１０を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力がその分高くなるため、高圧タービン３Ｈの出口圧力も高くなる。そのため高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなって、出力も若干低下する。そこで、より好ましくは、分岐空気１１０の流量は湿分添加相当量よりもやや少なくし、高圧タービン３Ｈに流入する空気量は、無加湿時に対してやや多くするほうがよい。したがって、このようにして定格燃焼温度において圧縮機と高圧タービンをバランスさせた際は、圧力比は無加湿時に比べてやや高くなる状態がより好ましい。
【００７０】
すなわち、分岐経路である分岐流路１８で分岐する流体の流量を、流量増加手段である増湿器４による流量増加分よりも少ない流量範囲で制御する分岐流量調節機構を備えていればよい。
【００７１】
また、上記説明した本実施例の２軸ガスタービンは、新設プラントのみに適用が限られるものではなく、既設の例えばシンプルサイクルガスタービンや再生サイクルガスタービンを、高湿分ガスタービンシステムを適用した２軸ガスタービンプラントに改造する場合にも好適である。以下、既設のシンプルサイクルの２軸ガスタービンを、高湿分ガスタービンシステムを適用したプラントに改造する場合について、図１を用いて説明する。
【００７２】
図１に示す２軸ガスタービンおいて、既設のシンプルサイクルガスタービンの基本構成としては、圧縮機１，燃焼器２，高圧タービン３Ｈ，低圧タービン３Ｌとなる。この既設のシンプルサイクルガスタービンを、高湿分ガスタービンシステムを適用したプラントに改造する場合、追加で設置される機器としては、増湿器４と再生熱交換器５である。そして、改造に際して、シンプルサイクルでは圧縮機１から燃焼器２に接続されていた抽気空気１０３の供給系統を、図示するように、圧縮機１から増湿器４及び再生熱交換器５を介して燃焼器２に供給するように変更する。なお、給水加熱器２２，排ガス再加熱器２３，水回収装置２４，水処理装置２６，冷却装置３０等の機器は、プラントの全体効率を向上させるため、増湿器４及び再生熱交換器５と合わせて追設することが望ましい。
【００７３】
ここで、高湿分ガスタービンシステムを適用した２軸ガスタービンに改造する上で問題となるのは、前述した圧縮機の過大回転や過小回転である。そこで、シンプルサイクルを改造する場合においても、再生熱交換器５から燃焼器２に高温高湿空気１０５を供給する流路から、高温高湿空気１０５の一部を分岐空気１１０として低圧タービン３Ｌの上流に分岐させる分岐流路１８を備えることにより、上記課題を解決することが可能となる。
【００７４】
次に、既設の再生サイクルガスタービンを改造する場合を説明する。再生サイクルの２軸ガスタービンの基本構成は、圧縮機１，燃焼器２，高圧タービン３Ｈ、低圧タービン３Ｌ、再生熱交換器５である。この既設の再生サイクルの２軸ガスタービンを改造する場合の追加機器は、圧縮機１と再生熱交換器５の間に設置する増湿器４である。この場合においても、再生熱交換器５から燃焼器２に高温高湿空気１０５を供給する流路から低圧タービン３Ｌの上流に分岐空気１１０を分岐させる分岐流路１８を備えることになる。
【００７５】
すなわちいずれの場合でも、流量増加手段である増湿器４で流量を増加された作動媒体の一部を、燃焼器２に供給される前に分岐して低圧タービン３Ｌに導く分岐経路である分岐流路１８とを追設すればよい。
【実施例２】
【００７６】
図２は本発明の第２の実施例について示した図であり、図１と共通する再生熱交換器５よりも下流の排ガス系統図は省略してある。
【００７７】
図２において図１に示した第１の実施例と異なる点は、圧縮機１の吸い込み空気入口に、微細な水滴を噴霧して蒸発させることにより、圧縮機内部の作動流体の温度を低下させる吸気噴霧装置２７を備えた点にある。
【００７８】
吸気噴霧装置２７において圧縮機１入口のガスタービン吸い込み空気１００に噴霧される噴霧水３００は、高圧ポンプ３２０で加圧された後、噴霧水量制御弁３１０で所定の流量に調整され、吸気噴霧装置２７内の噴霧ノズルで微細化される。微細液滴の一部は圧縮機に吸い込まれる前に蒸発して、作動流体の温度を低下させ、ガスタービン吸い込み空気１００をより低温・高密度な吸い込み空気１０１とする。これにより、大気温度が高い場合でも圧縮機吸い込み空気量が多くなるため、ガスタービン出力が増加する。
【００７９】
また、大気温度が高いほど吸気冷却効果が大きいため、吸気噴霧装置２７を使用することにより、年間を通した大気温度の変動に対して、ガスタービンの出力を一定に保つことができる。
【００８０】
一方、微細液滴のうち圧縮機に吸い込まれる前に蒸発し切れなかった分は、圧縮機の内部で蒸発して、圧縮途中の作動流体の温度を低下させる。これにより、圧縮特性が等温圧縮に近づくため、良く知られた中間冷却効果によって圧縮機駆動力が減少し、その結果ガスタービンの効率が向上する。
【００８１】
ここで、本実施例に至った課題である圧縮機と高圧タービンの動力バランスに対して、以上述べた、吸気噴霧装置２７による圧縮機駆動力の低減効果を適用すると、次のような効果が生じる。
【００８２】
すなわち、第１の実施例で述べたように、分岐空気１１０を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力が高くなることに起因して、定格燃焼温度において圧縮機と高圧タービンをバランスさせた際は、圧力比が無加湿時に比べてやや高くなる。しかし、本第２の実施例のように、吸気噴霧装置２７を用いて、中間冷却効果によって圧縮機駆動力を削減すると、高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなることによる出力低下と釣り合わせることができるため、分岐流量を若干増やすことで圧力比を無加湿時と同等にすることができる。
【００８３】
これにより、高圧空気が通る圧縮機１や燃焼器２の圧力隔壁の設計圧力、および燃料供給系の設計圧力をシンプルサイクルと同等にできる。これは、シンプルサイクル，再生サイクルおよび高湿分利用ガスタービンシステムで高圧部品およびその設計を共通化できることを意味し、高圧部品の設計・製作コスト，部品管理コストを低減できる。
【００８４】
次に、このような吸気噴霧装置２７を備えた場合の制御方法について説明する。増湿器４へ供給される水量はガスタービンへの出力指令値に応じて決められており、出力指令値が予め定められたしきい値以上になると、加湿が開始される。作動流体の分岐空気１１０の流量は、実際の加湿量（蒸発量）の増加に応じて増加する必要があるが、増湿器４へ供給される水量と実際の加湿量は過渡特性として必ずしも比例しない。蒸発量は、増湿器４へ供給される水温や圧縮空気の温度に依存し、それらの温度は、ガスタービン出力が大きいほど高温である。しかし、実際のガスタービン出力を知ることは、特にポンプやスクリューのような機械駆動用途の場合は、発電機に比べると容易ではない。そこで、制御系統を簡単化するためには、出力指令値の増加に応じて、作動流体の分岐空気１１０の流量を増加させるように、分岐流量調節機構１９を動作させることが望ましい。
【００８５】
一方、吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量が変化することによっても、最適な作動流体分岐空気１１０の流量は変化する。すなわち上述したように、吸気噴霧装置２７での噴霧量が増加した際は、分岐空気１１０の流量を増加させる必要がある。吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量は、出力指令値および大気温度によって制御される。
【００８６】
したがって、低圧タービンの出力指令値および吸気噴霧装置で噴霧される水の流量をもとに作動流体の分岐流量を制御すれば、高湿分利用ガスタービンシステムを適用することによる効率向上効果を、２軸ガスタービンでも享受しつつ、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせて、２軸ガスタービンを安定に運転することができる。
【００８７】
なお、この制御は図示しない制御装置によって行われる。この制御装置は、低圧タービン３Ｌや大気温度など適切な計測値や指令値に基づいて、分岐調節機構である分岐流量調節機構１９を制御する。
【実施例３】
【００８８】
図３は本発明の第３の実施例について示した図であり、図２と同様、再生熱交換器５よりも下流の排ガス系統図は省略してある。
【００８９】
図３において図２に示した第２の実施例と異なる点は、図３中に点線で示した圧縮機１の作動流体の流量を減少させるように製造された圧縮機１ｂ（実線）を用いたことにある。本実施例の圧縮機は、例えば特開２００５−１５５６１３号公報に開示された製造方法により、図２に示したシンプルサイクル用に設計されたガスタービン圧縮機１と部品，図面の共通化が図れることから、容易に製造することができる。
【００９０】
本実施例の圧縮機１ｂは、作動流体の流量がシンプルサイクルよりも減少するように製造されているため、圧縮機駆動力も減少する。
【００９１】
ここで、本発明に至った課題である圧縮機と高圧タービンの動力バランスに対して、本実施例による圧縮機駆動力低減効果を適用すると、実施例２の場合と同様な効果が生じる。
【００９２】
すなわち、第１の実施の形態で述べたように、分岐空気１１０を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力が高くなることに起因して、定格燃焼温度において圧縮機と高圧タービンをバランスさせた際は、圧力比が無加湿時に比べてやや高くなる。しかし、本第３の実施の形態のように、圧縮機の作動流体を減少させることよって圧縮機駆動力を削減すると、高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなることによる出力低下と釣り合せることができることに加え、分岐作動流体の流量減少により、高圧タービン３Ｈの膨張比の減少分自体が小さくなるため、実施例１の場合に比べて、高圧タービン入口圧力を燃焼器圧力隔壁や燃料系統などの高圧部品の設計圧力と同等にすることができる。
【００９３】
これにより、実施例２の場合と同様、高圧部品の設計圧力をシンプルサイクルと同等にできる。
【００９４】
一方、増湿器４に水を供給しない無加湿状態の時には、実施例２の場合と比較して、高圧ガスタービン３Ｈに流入する作動流体の流量が減少するため、圧縮機が過小回転になる。その場合は、実施例２で説明した吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量を増加させることにより、圧縮機動力を減少させて、出力バランスを取ることができる。
【００９５】
かくして、本発明により、２軸ガスタービンに高湿分サイクルを適用した際にも、圧縮機と高圧タービンの動力バランスを確保することができる。
【実施例４】
【００９６】
図４は本発明の第４の実施例について示した図であり、図２と同様、再生熱交換器５よりも下流の排ガス系統図は省略してある。
【００９７】
図４において図２に示した第２の実施例と異なる点は、圧縮機１の軸端にシャフト２１Ａを介して、ガス圧縮機２８が連結されていることであり、ガスタービンの燃料２００をガス圧縮機２８で加圧していることである。
【００９８】
増湿器４に供給される水分流量が高湿分ガスタービンシステム所定の流量まで増加した場合、実施例１で説明したように、湿分添加により流量が増加した作動流体の全量が高圧タービン３Ｈに流入すると、圧縮機１が過回転になってしまう。そこで過回転を防止するため、燃焼器に供給する燃料流量が小さくなるように制御されるが、本実施例のようにガス圧縮機２８が連結されている場合は、高圧タービンの出力の一部が、燃料ガスの圧縮動力に消費されるため、実施例１の場合に比べて、燃焼温度の低下が小さくなり、その分ガスタービンが高効率化する。また、実施例１と同様に、分岐空気１１０の流量を増加させて燃焼温度を高める場合でも、分岐流量が少なくてすむので、分岐流路１８をコンパクトにできてコストが低減できるうえ、実施例１の場合に比べて低圧タービン３Ｌ入口の作動流体温度が高くなるため、低圧タービン３Ｌの出力および効率が増加する。
【００９９】
一方、増湿器４に水を供給しない無加湿状態の時には、実施例３の場合と同様、吸気噴霧装置２７で噴霧される水の流量を増加させることにより、圧縮機１の駆動動力を減少させて、出力バランスを取ることができる。
【０１００】
本実施例のように、２軸ガスタービンの圧縮機側に連結したガス圧縮機を用いて燃焼ガスを加圧する方法は、石炭ガス化ガスや水素含有ガス燃料などのように、燃料発熱量の小さいガス燃料や密度の小さいガス燃料を利用する場合には、より大きなガス圧縮機２８を連結することができるため、効果が大きい。
【０１０１】
また、図４においては、圧縮機１とガス圧縮機２８がシャフト２１Ａによって直接連結されているが、減速機を介して連結されていてもよい。
【０１０２】
あるいは、ガスタービンシステムが油燃料焚きの場合には、油燃料用の加圧ポンプを連結しても、ガス燃料と比べて消費動力は小さいものの、同様の効果が得られる。また、燃料加圧機以外であっても、高圧タービン３Ｈの出力を消費する機械であれば、同様の効果が得られる。
【実施例５】
【０１０３】
次に図５を用いて本発明の第１実施例である２軸式ガスタービンについて、図１に示した高湿分ガスタービンシステムに適用した２軸式ガスタービンの具体的な構造である分岐した増湿空気１１０を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造について説明する。
【０１０４】
図５に示した本発明の第１実施例の２軸式ガスタービンにおいて、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌとは共通のケーシング３９の内部に設置されており、高圧タービン３Ｈを構成する最終段側の回転体は高圧タービンロータ３２と、この高圧タービンロータ３２の外周に複数個配設された高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５を備えており、低圧タービン３Ｌを構成する初段側の回転体は低圧タービンロータ３３と、この低圧タービンロータ３３の外周に複数個配設された低圧タービンの初段静翼３６を備えている。
【０１０５】
そして高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌの前記した各回転体は回転中心軸５０の周りを回転するように構成されている。
【０１０６】
また高圧タービン３Ｈと高圧タービン３Ｈとの間には両者を隔てる静止体の隔壁３４が設置されており、ケーシング３９の内周側には高圧タービン３Ｈを構成する高圧側静止シュラウド３８と、低圧タービン３Ｌを構成する低圧側静止シュラウド４６とがそれぞれ設置されている。
【０１０７】
そして前記隔壁３４の外周側には低圧タービン３Ｌの低圧タービンの初段静翼４０が高圧側静止シュラウド３８及び低圧側静止シュラウド４６の両者にそれぞれ係合するように複数個設置されている。
【０１０８】
高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５からこの高圧タービン３Ｈを駆動した作動流体３７はガスパスに沿って排出されるが、高圧タービン３Ｈの下流側に設置された低圧タービン３Ｌではこの排出された作動流体３７を導入してエネルギーを回収することで回転エネルギーを得て低圧タービン３Ｌを駆動し、この低圧タービン３Ｌに連結された被駆動体の発電機２０を回転させる。
【０１０９】
前記作動流体３７が流れるタービン静翼及びタービン動翼の存在する流路空間をガスパスと呼ぶ。
【０１１０】
前記低圧タービン３Ｌを構成する低圧タービンの初段静翼４０の内部にはパージ空気を流下させる空気流路４０ａが形成されており、圧縮機１の途中段から抽気して空気流路４２ａを通じて導いたパージ空気４２を、ケーシング３９を貫通して配設した該空気流路４２ａを通じてケーシング３９の内側に形成したキャビティ５３に導入し、このキャビティ５３からパ−ジ空気４２を前記初段静翼４０の空気流路４０ａを経由して隔壁３４の外周側に設置した部屋７３に導入する。
【０１１１】
低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の内周側で、前記高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５を備えた高圧タービンロータ３２の端面と隔壁３４との間の空間にはホイールスペース４８が形成され、また低圧タービン３Ｌの初段動翼３６を備えた低圧タービンロータ３３の端面と隔壁３４との間の空間にはホイールスペース４９が形成されている。
【０１１２】
前記部屋７３に導入されたパ−ジ空気４２は、部屋７３に形成した孔から前記ホイールスペース４８及びホイールスペース４９にそれぞれ流入した後に、高圧タービンロータ３２の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙、及び低圧タービンロータ３３の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙を通じてパージ空気４３及びパージ空気４４とに分岐してガスパスに流入する。
【０１１３】
そしてパージ空気４２の空気圧を高めてパージ空気４３，４４の空気圧力が作動ガス３７の圧力よりも高くなるように設定することで、高温の作動ガス３７がホイールスペース４８，４９に流入して高圧タービンロータ３２や低圧タービンロータ３３が高温の作動ガスによって損傷することを防止している。
【０１１４】
ケーシング３９の内周側に設置した高圧側静止シュラウド３８の内部にはキャビティ４７が形成されており、再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設した分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された高圧側静止シュラウド３８に形成したキャビティ４７に導き、前記高圧側静止シュラウド３８のガスパスに面した壁面に設けた分岐空気供給孔５６を通じてこの分岐した増湿空気１１０をガスパスに供給し、作動流体３７の燃焼ガスと合流させる。
【０１１５】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、ケーシング３９の外側から高圧側静止シュラウド３８の内部に形成したキャビティ４７内に図１に示した高湿分ガスタービンシステムで再生熱交換器５から供給される昇温した増湿空気１０５から分岐した増湿空気１１０を該ケーシング３９を貫通する分岐配管１８を通じて導入している。
【０１１６】
この分岐した増湿空気１１０は、図５に示した分岐配管１８のように配管などを通して導入する方法が考えられる。
【０１１７】
高圧側静止シュラウド３８の内部のキャビティ４７に流入した増湿空気１１０は、この高圧側静止シュラウド３８のガスパスに面した壁面の円周方向に沿って複数箇所設けた分岐空気供給孔５６を通じてガスパスに供給され、ガスパスを流下する作動流体３７と合流する。
【０１１８】
通常のガスタービンでは高圧側静止シュラウド３８の材料として耐熱材を使用するだけでなく、さらに高圧側静止シュラウド３８に冷却空気を流通させて該高圧側静止シュラウド３８を冷却している。
【０１１９】
冷却空気としては圧縮機１の途中段や最終段から圧縮した空気を外部に抽気し、配管を通じて冷却が必要な外筒箇所にこの抽気した圧縮空気を供給して冷却空気として使用することが多いが、この冷却空気の流量が大きくなるとガスタービンの効率低下が大きくなるため、冷却空気の質量流量は、通常、圧縮機１で吸い込む空気１００の吸い込み質量流量の１０％以下となるように設計される。
【０１２０】
本実施例の２軸式ガスタービンにおいては、前述したように低圧タービン３Ｌの入口側から供給する分岐した増湿空気１１０をケーシング３９を貫通して配設した分岐流路１８を通じて高圧側静止シュラウド３８内のキャビティ４７に流入させてガスパスに供給するようにしており、この増湿空気１１０の質量流量は圧縮機吸い込み流量の１０〜２５％である。
【０１２１】
この為、増湿空気１１０の流下によって高圧側静止シュラウド３８の冷却効果が発揮され、高圧側静止シュラウド３８の冷却用の空気を供給する冷却空気系統を別途設ける必要はない。
【０１２２】
また、この増湿空気１１０は通常のガスタービンで冷却に使用する冷却空気量より質量流量が大きいため、高い冷却効果を期待でき、高圧側静止シュラウドの材料に耐熱温度の低い低級材を採用することができ、製造コストを低減することができる。
【０１２３】
また、高圧側静止シュラウド３８の内部に分岐した増湿空気１１０を導入するキャビティ４７を設け、このキャビティ４７から増湿空気１１０を円周方向に複数箇所形成した分岐空気供給孔５６を通じてガスパスに供給しているので、周方向の偏差が少ない状態で増湿空気１１０と作動ガス３７をガスパスで合流させることができ、混合損失を抑制できることができる。
【０１２４】
さらに、ガスパスの外周側から増湿空気１１０を供給することによってガスパスの外周側の作動流体３７の温度を低下させることができ、この結果、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０、及び初段動翼３６のガスパス外周側に面した部分が高温の作動流体３７の熱による損傷の発生を抑制することができる。
【０１２５】
以上説明したことから明らかなように、本実施例の２軸式ガスタービンによれば、２軸式ガスタービンに高湿分利用ガスタービンシステムを適用した場合に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせて２軸式ガスタービンを安定に運転し、圧縮機過大回転や過小回転の防止が可能となるので、回転部品の翼振動および軸振動に対する信頼性を高めることができる。
【０１２６】
また、タービン入口温度はシンプルサイクルで想定した温度を保つことが可能となるため、高湿分利用ガスタービンシステムを適用することによるガスタービンの効率向上効果を、２軸式ガスタービンでも享受することができる。
【０１２７】
また、本実施例では高圧タービン，低圧タービンの両方を、シンプルサイクルと高湿分利用ガスタービンシステムで共通に使用できるため、高温部品であるタービン翼の開発・製作コスト，部品管理コストを低減できる。
【０１２８】
また、本実施例では分岐空気を高圧側静止シュラウド内のキャビティに流入させているため、分岐空気による高圧側静止シュラウドの冷却効果を期待でき、高圧側静止シュラウド冷却用の空気を別途設ける必要がない。
【０１２９】
また、本実施例では分岐空気は通常のガスタービンで冷却に使用する冷却空気量より質量流量が大きいため、高い冷却効果を期待でき、高圧側静止シュラウドの材料に耐熱温度の低い低級材を採用することができ、製造コストを低減することができる。
【０１３０】
また、本実施例では分岐空気を低圧タービン入口のガスパス外周側もしくは内周側に供給することで、ガスパス内に存在するタービン動翼，タービン静翼のそれぞれ外周側もしくは内周側の温度を下げることによる高温ガスによる翼の損傷を抑制できる為、製品の信頼性を向上させることができる。
【０１３１】
即ち、本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例６】
【０１３２】
次に図６を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第６実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１３３】
図６は本発明の第６実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐した増湿空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図５に示した第５実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第５実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１３４】
本実施例では図６に示すように、再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入するように構成している。
【０１３５】
このキャビティ５３に分岐流路１８を通じて導入された増湿空気１１０は、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して初段静翼４０を冷却し、隔壁３４の外周側に設置した部屋７３に導入される。
【０１３６】
そして前記部屋７３に導入された増湿空気１１０は、部屋７３に形成した孔から前記ホイールスペース４８及びホイールスペース４９にそれぞれ流入した後に、高圧タービンロータ３２の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙、及び低圧タービンロータ３３の外周端の側面と、部屋７３のガスパスを区画する壁面との間隙を通じてパージ空気４３及びパージ空気４４とに分岐してガスパスに流入する。
【０１３７】
本実施例では第５実施例と異なり、高圧側静止シュラウド３８内のキャビティ４７に増湿空気１１０を供給していない為、高圧側静止シュラウド３８を冷却する為に該高圧側静止シュラウド３８に形成されたキャビティ４７内に別途冷却空気を供給する必要がある。
【０１３８】
そこで高圧側静止シュラウド３８の上流側の壁面に冷却空気供給孔５４を設けて別途導入した冷却空気をキャビティ４７内に供給して高圧側静止シュラウド３８を冷却する構造を採用している。
【０１３９】
尚、この冷却空気供給孔５４を設ける以外にもケーシング３９の外周側から冷却用の空気を導入する配管を通して冷却する方法などが考えられる。
【０１４０】
本実施例においては、ケーシング３９を貫通して配設した分岐流路１８を通じて導入した増湿空気１１０は、初段静翼４０の外周側に形成したキャビティ５３，低圧タービン初段静翼４０内の空気流路４０ａ，隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入させているため、ホイールスペース４８，４９の温度を低く抑えることができ、高圧タービンロータ３２及び低圧タービンロータ３３の温度を低く抑えることができる。
【０１４１】
その結果、前記高圧タービンロータ３２及び低圧タービンロータ３３の材料に耐熱温度の低い低級材を採用することが可能となり、ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【０１４２】
さらに、ホイールスペース４８，４９に導入された後に増湿空気１１０をガスパスの内周側に流入させることによってガスパス内周側の作動流体３７のガス温度が低下するので、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０、及び初段動翼３６のガスパス内周側部分に高温の作動流体３７の熱による損傷の発生を抑制することができる。
【０１４３】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例７】
【０１４４】
次に図７を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第７実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１４５】
図７は本発明の第７実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第６実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１４６】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図７に示すように再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入するように構成している。
【０１４７】
このキャビティ５３に分岐流路１８を通じて導入された増湿空気１１０は、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して初段静翼４０を冷却するが、この初段静翼４０内部で前記空気流路４０ａは複数の分岐空気流路９６に分岐されて該初段静翼４０の後縁に開口した該分岐空気流路９６の噴出口から増湿空気１１０の一部をガスパスに噴出させて作動媒体３７と合流するように構成されている。
【０１４８】
また初段静翼４０の空気流路４０ａを流下して初段静翼４０を冷却した大部分の増湿空気１１０は、初段静翼４０の外周側に形成したキャビティ５３，低圧タービン初段静翼４０内の空気流路４０ａ，隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入する。
【０１４９】
図８（ａ）、及び図８（ｂ）は、図７に示した低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の断面をそれぞれ示した断面図である。
【０１５０】
この初段静翼４０の内部に形成された空気流路４０ａから分岐した分岐空気流路９６は、図７に示した矢印３７は作動流体の流れ方向である。
【０１５１】
前記分岐空気流路９６の噴出孔は、図８（ａ）に示したように初段静翼４０の翼後縁側から増湿空気１１０の一部をガスパス中へ流出させるように開口させる方法や、図８（ｂ）に示すように初段静翼４０の翼前縁に近い部位から増湿空気１１０の一部をガスパス中へ流出させるように開口させる方法や、図８（ａ）と図８（ｂ）に示した構造を複合させた方法を採用しても良い。
【０１５２】
図７に示した本実施例の２軸式ガスタービンでは、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンにおける作用効果を享受することができると同時に、以下に述べる新たな作用効果を更に享受することができる。
【０１５３】
即ち本実施例の２軸式ガスタービンでは、初段静翼４０の内部の空気流路４０ａに導入した増湿空気１１０の一部を初段静翼４０に形成した分岐空気流路９６を通じてガスパスに流出する流れと、空気流路４０ａから隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してパージ空気４３，４４としてガスパスに流出する流れとに分けてガスパス中へ流出させている為、パージ空気４３，４４の空気流量は図３に示した第２実施例の２軸式ガスタービンにおけるパージ空気４３，４４の空気流量よりも分岐空気流路９６からガスパスに流出する流量分だけ少なくなる。
【０１５４】
このため、本実施例におけるパージ空気４３，４４がガスパスを流下する作動ガス３７に合流する際に、作動ガス３７の流れを乱すことによって発生する混合損失を低減できる。
【０１５５】
さらに、図８（ａ）に示すように、初段静翼４０の内部に形成した分岐空気流路９６を通じて初段静翼４０の翼後縁から作動ガス３７の流れ方向に近い翼の下流側の方向に増湿空気１１０の一部を流出させていることで、作動ガス３７とこの増湿空気１１０の一部とが混合する際の混合損失を低減させることができる。
【０１５６】
また、図８（ｂ）に示すように、初段静翼４０の内部に形成した分岐空気流路９６を通じて初段静翼４０の翼前縁近傍から増湿空気１１０の一部を翼の下流側の方向に流出させていることで、低圧タービン３Ｌの初段静翼４０の前縁近傍の冷却効果を高めることができる。
【０１５７】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例８】
【０１５８】
次に図９を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第８実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１５９】
図９は本発明の第８実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第６実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１６０】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図９に示すように再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて該ケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入され、初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入し、作動流体３７の燃焼ガスと合流する。
【０１６１】
本実施例では低圧タービンロータ３３の内部にホイールスペース４９と初段動翼３６の根元のガスパスとを連通する空気流路９４が形成されており、このホイールスペース４９に流入したパージ空気４４の一部を低圧タービンロータ３３の前記空気流路９４を通じて初段動翼３６の根元側から分岐パージ空気４５としてガスパスに供給して前記初段動翼３６を冷却する。
【０１６２】
本実施例では、前記空気流路９４を通じて分岐パージ空気４５を初段動翼３６に供給し、低圧タービン３Ｌの初段動翼３６を冷却して初段動翼３６のメタル温度を低く抑えているので、ガスタービンの信頼性を高めることができる。
【０１６３】
また、低圧タービン３Ｌの初段動翼３６のメタル温度を低くすることで耐熱温度の低い低級材を初段動翼３６に採用することが可能となり、ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【０１６４】
さらに、低圧タービン３Ｌの初段動翼３６に前記空気流路９４を通じて増湿空気１１０の一部である分岐パージ空気４５を冷却空気として供給してこの初段動翼３６を冷却しているので、ガスタービンの燃焼器における燃焼温度を高くすることが可能となり、ガスタービンの出力上昇や、熱効率向上を図ることができる。
【０１６５】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例９】
【０１６６】
次に図１０を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第９実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１６７】
図１０は本発明の第９実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図６に示した第６実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第６実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１６８】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図１０に示すようにケーシング３９の内部に、高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５の外周側に設けられた高圧側静止シュラウド３８の後流側でキャビティ５３との間の位置に、中間静止シュラウド７５を設置している。
【０１６９】
この中間静止シュラウド７５の内部にはキャビティ７４が形成されおり、このキャビティ７４のガスパスに面した壁面には該ガスパスと連通する分岐空気供給孔７６が一つないし複数形成されている。
【０１７０】
そして再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じて前記中間静止シュラウド７５の内部のキャビティ７４に導入され、分岐空気供給孔７６を通じてこの増湿空気１１０をガスパスに供給し、作動流体３７の燃焼ガスと合流させる。
【０１７１】
また、圧縮機１の途中段から抽気して空気流路４２ａを通じて導いたパージ空気４２を、ケーシング３９を貫通して配設した該空気流路４２ａを通じてケーシング３９内に設置された低圧タービン３Ｌの初段静翼４０外周側と前記ケーシング３９の内壁側との間に形成されたキャビティ５３に導入し、このキャビティ５３から初段静翼４０の内部に形成した空気流路４０ａを流下して隔壁３４の外周側に設置した部屋７３を経由してホイールスペース４８，４９に導入させた後にパージ空気４３，４４としてガスパスに流入し、作動流体３７の燃焼ガスと合流する。
【０１７２】
本実施例においては、高圧側静止シュラウド３８は、その内周側に高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５が存在する為、この最終段動翼３５の前側と後側で圧力差が大きく、その結果、高圧側静止シュラウド７１には圧力差による荷重によって大きな応力が発生している。
【０１７３】
しかしながら、高圧側静止シュラウド３８の後流側に設置した前記中間シュラウド７５には、その内周側にタービン動翼が存在しない為、この中間シュラウド７５の前側と後側で圧力差は小さく、中間シュラウド７５には大きな応力は発生しない。
【０１７４】
その結果、空気流路１８を通じてキャビティ７４に導いた増湿空気１１０をガスパスに供給する分岐空気供給孔７６を前記中間シュラウド７５の壁面に設けても、この中間シュラウド７５には小さな応力しか作用しない為に応力集中による最大応力を低く抑えることができ、ガスタービンの信頼性を高めることができる。
【０１７５】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例１０】
【０１７６】
次に図１１を用いて高湿分ガスタービンシステムに本発明を適用した第１０実施例の２軸式ガスタービンについて説明する。
【０１７７】
図１１は本発明の第１０実施例である高湿分ガスタービンシステムに備えられた２軸式ガスタービンにおいて、分岐空気を供給する低圧タービン３Ｌの入口側近傍の構造図を示すものであり、図１０に示した第９実施例の２軸式ガスタービンと基本的な構成が類似しているので、第９実施例と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１７８】
本実施例の２軸式ガスタービンでは、図１１に示すようにケーシング３９の内部の、高圧タービン３Ｈの最終段動翼３５の外周側に設けられた高圧側静止シュラウド３８の後流側で、キャビティ５３を区画するケーシング壁部材８５の上流側となる位置に、ガスパスに連通したキャビティ８４を形成した構造となっている。
【０１７９】
このキャビティ８４のガスパスとの連通部は、周方向に連続した空間として形成されている。
【０１８０】
本実施例においては、再生熱交換器５から供給された昇温した増湿空気１０５から分岐された増湿空気１１０は、ケーシング３９を貫通して配設された分岐流路１８を通じてキャビティ８４に導入され、このキャビティ８４を経由してガスパスに供給されて作動媒体３７の燃焼ガスと合流する。
【０１８１】
本実施例ではキャビティ８４とガスパスが周方向に連続した空間として形成されてキャビティ８４とガスパスとの連通部の面積を大きく形成できるため、大流量の増湿空気１１０をガスパスに供給することが可能となり、ガスタービンの運転可能範囲が増加するという利点がある。
【０１８２】
本実施例によれば、高湿分利用ガスタービンサイクルを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【実施例１１】
【０１８３】
次に本発明をコンベンショナルなガスタービンシステムに適用した第１１実施例である２軸式ガスタービンの実施例について図１２を用いて説明する。
【０１８４】
図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムでは、ガスパス中に流入させる流体は昇温した増湿空気１０５の一部を分岐させた増湿空気１１０であったが、蒸気発生源を近傍に持つガスタービンシステムにおいては、増湿空気１１０の代わりに蒸気を注入することも考えられる。
【０１８５】
そこで本実施例のガスタービンシステムにおける２軸式ガスタービンにおいては、蒸気発生源としてガスタービンの排気ガスの熱量を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラを用いるように構成した。
【０１８６】
図１２にガスタービンの排気ガスの熱量を利用して排熱回収ボイラ１１５によって生成した蒸気を低圧タービン３Ｌの上流側に注入するガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図を示す。
【０１８７】
図１２に示した本実施例の発電用の２軸式ガスタービンでは、図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムと共通する構成は説明を省略している。
【０１８８】
図１２に示した発電用の２軸式ガスタービンにおいて、燃焼器２で発生した高温の燃焼ガスは高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌに順次供給されて前記高圧タービン３Ｈ及び低圧タービン３Ｌを駆動し、低圧タービン３Ｌから排出された低圧タービン排ガス１０８はこのタービン排気ガス１０８の熱量を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１１５に供給される。
【０１８９】
排熱回収ボイラ１１５に供給される給水１１４は前記排熱回収ボイラ１１５での低圧タービン排ガス１０８との熱交換によって蒸気１１６を生成する。
【０１９０】
そして前記排熱回収ボイラ１１５を流下した温度が低下した低圧タービン排ガス１０８は排気ガス１０９として排気塔２５から大気中へ排出される。
【０１９１】
前記排熱回収ボイラ１１５で発生させた蒸気１１６は、ガスタービンに供給される蒸気１１７と別の蒸気利用設備に供給される蒸気１１８とに分岐され、このうちガスタービンに供給される蒸気１１７は、その一部、又は全量が流量調節弁１９を備えた分岐配管１８を通じて分岐蒸気１２０として前記低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給され、高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【０１９２】
即ち、本実施例で低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される分岐蒸気１２０は、図１に示した先の実施例における低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される増湿空気１１０に対応するものである。
【０１９３】
前記蒸気１１８が供給される別の蒸気利用設備としては、コンバインドサイクルガスタービンにおける蒸気タービン，コジェネシステムにおける蒸気利用設備などが考えられる。
【０１９４】
ところで本実施例の分岐蒸気１２０として用いられる蒸気は空気に比べて熱伝達係数が高いので冷却効果が高くなり、この分岐蒸気１２０が流れる近傍の低圧タービン３Ｌの材料温度を低下させることができる。
【０１９５】
このため、図１に示した先の実施例での前記増湿空気１１０の代わりにこの分岐蒸気１２０を使用することで、低圧タービン３Ｌを構成する材料として耐熱温度の低い低級材を使用することができ、２軸式ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【０１９６】
本実施例によれば、ガスタービン燃焼器中に蒸気を注入するシステムを２軸式ガスタービンに適用した場合に、ガスタービンの効率向上を図ると共に、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転する信頼性を向上した２軸式ガスタービンが実現できる。
【０１９７】
すなわち、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された空気に蒸気を注入する蒸気注入手段である排熱回収ボイラ１１５と、この蒸気注入手段で蒸気を注入された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２と、圧縮機１と同軸に接続され、燃焼器２で生成された燃焼ガスにより駆動する高圧タービン３Ｈと、高圧タービン３Ｈからの排ガスにより駆動する低圧タービン３Ｌとを備え、高圧タービン３Ｈと低圧タービン３Ｌとをそれぞれ独立した軸構造とした２軸ガスタービンにおいて、蒸気注入手段で蒸気を注入された空気の一部を、燃焼器２に供給される前に分岐して低圧タービン３Ｌに導く分岐経路である分岐流路１８を備えた２軸ガスタービンであれば、上記効果を得ることができる。
【０１９８】
また、図１２においては、ガスタービンの排ガスの熱量を利用した排熱回収ボイラ１１５で発生した蒸気を燃焼器およびガスパスに供給する例を示したが、この蒸気発生源は、ガスタービンとは別に設置されたボイラ等によっても構わない。蒸気を使用する各種プラント等において、蒸気使用量の変動がある際に、余剰の蒸気をガスタービンに注入することで熱効率を向上させることができるが、２軸式ガスタービンを適用する際には、本発明によって、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【実施例１２】
【０１９９】
次に、本発明を、別のガスタービンシステムに適用した第１２実施例である２軸式ガスタービンについて図１３を用いて説明する。
【０２００】
図１３に石炭ガス化ガスを発生させる際に生成した窒素を低圧タービン３Ｌの上流側に注入するガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図を示す。
【０２０１】
図１３に示した本実施例の発電用の２軸式ガスタービンでは、図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムと共通する構成は説明を省略している。
【０２０２】
図１３に示した発電用の２軸式ガスタービンにおいて、圧縮機１とは別の別置圧縮機（図示省略）等で圧縮されたガス化用空気２０２は空気分離器１２１に供給され、空気分離器１２１で酸素１２２と窒素１２３に分離される。酸素１２２はガス化炉１２４へ導かれ、石炭１２５とともに、ガス化炉１２４内で石炭ガス化ガス１２６を発生する。発生した石炭ガス化ガス１２６はガスタービンの燃料２００として使用される。
【０２０３】
一方、空気分離器１２１で分離された窒素１２３は、燃焼器２へ注入される。これにより、燃焼器内の局所的な火炎温度を低下させ、燃焼器内で生成する窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することができる。
【０２０４】
このようなガスタービンでは、燃焼器内に窒素を注入することによって、高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体の流量が増加している。すなわち、窒素吸収経路は、作動流体の流量を増加させる流量増加手段としての役割も有している。そのため、高圧タービンの出力が増加し、このままでは高圧タービンおよび圧縮機１が過回転となってしまう。
【０２０５】
そこで本実施例では、窒素１２３の一部が、流量調節弁である分岐流量調節機構１９を備えた分岐配管である分岐流路１８を通じて分岐窒素１２７として前記低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給されるようにしている。この分岐窒素１２７は、高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【０２０６】
即ち、本実施例で低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される分岐窒素１２７は、図１に示した先の実施例における低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される増湿空気１１０に対応するものである。
【０２０７】
分岐窒素１２７を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力がその分高くなるため、高圧タービン３Ｈの出口圧力も高くなる。そのため高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなって、窒素注入による高圧タービンの出力増加を相殺することができる。
【０２０８】
かくして、石炭ガス化システムに２軸ガスタービンを使用し、空気分離器から発生する窒素を燃焼器へ注入する際にも、本発明によって、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【０２０９】
ところで本実施例の分岐窒素１２７として用いられる窒素は圧縮空気１０１に比べて温度が低いので冷却効果が高くなり、この分岐窒素１２７が流れる近傍の低圧タービン３Ｌの材料温度を低下させることができる。
【０２１０】
このため、図１に示した先の実施例での前記増湿空気１１０の代わりにこの分岐窒素１２７を使用することで、低圧タービン３Ｌを構成する材料として耐熱温度の低い低級材を使用することができ、２軸式ガスタービンの製造コストを低減することができる。
【実施例１３】
【０２１１】
最後に、本発明を、さらに別のガスタービンシステムに適用した第１３実施例である２軸式ガスタービンについて図１４を用いて説明する。
【０２１２】
図１４に低カロリーガスをガスタービン燃焼器の燃料として使用する際に、圧縮空気の一部を低圧タービン３Ｌの上流側に注入するガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図を示す。
【０２１３】
図１４に示した本実施例の発電用の２軸式ガスタービンでは、図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンシステムと共通する構成は説明を省略している。
【０２１４】
図１４に示した発電用の２軸式ガスタービンにおいて、図１の燃料２００に相当するものは、低カロリーガス１２８である。低カロリーガスは、天然ガスなどの通常のガス燃料と比べて、発熱量が１／２以下、さらに低いものでは１／１０程度しかない。そのため、ガスタービンを所定の定格燃焼ガス温度で運転するためには、燃料を多量に供給しなければならない。
【０２１５】
しかし、燃焼器内に燃料を多量に供給することによって、高圧タービン３Ｈを駆動する作動流体の流量が増加するため、高圧タービンの出力が増加し、このままでは高圧タービンおよび圧縮機１が過回転となってしまう。本実施例では、燃料として低カロリーガスを用いた２軸ガスタービンにおいて、圧縮機１で圧縮された圧縮空気１０２の一部が、燃焼器２に供給される前に、流量調節弁である分岐流量調節機構１９を備えた分岐配管である分岐流路１８を通じて分岐空気１２９として前記低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給され、高圧タービン３Ｈから流下した高圧タービン排ガス１０７と合流する。
【０２１６】
即ち、本実施例で低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される分岐空気１２９は、図１に示した先の実施例における低圧タービン３Ｌの上流側からガスパスに供給される増湿空気１１０に対応するものである。
【０２１７】
分岐空気１２９を低圧タービン３Ｌに注入すると、低圧タービン入口圧力がその分高くなるため、高圧タービン３Ｈの出口圧力も高くなる。そのため高圧タービン３Ｈの膨張比が若干小さくなって、低カロリー燃料の燃焼による高圧タービンの出力増加を相殺することができる。
【０２１８】
かくして、低カロリーガス焚きガスタービンシステムに２軸ガスタービンを使用する際にも、本発明によって、圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【０２１９】
ところで、低カロリーガスは、例えば空気を用いて石炭をガス化するプラントや、製鉄所、製油所などの各種プラントから発生するものが考えられる。また、油田やガス田などから副生的に発生するものも考えられる。これらの低カロリーガスは、その発生源の運転状況や季節変化などによって、燃料発熱量が変動することが考えられる。そのような場合にも、発熱量が大きい場合は分岐弁である分岐流量調節機構１９の開度を小さくして、分岐空気１２９の流量が小さくなるように調整し、逆に発熱量が小さい場合は分岐弁である分岐流量調節機構１９の開度を大きくして、分岐空気１２９の流量が大きくなるように調整することで、発熱量が変化しても圧縮機駆動力と高圧タービン出力をバランスさせてガスタービンを安定に運転することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２０】
本発明は高効率ガスタービンとして発電用のガスタービンに利用できるほか、熱と電力を併給可能なコジェネレーションシステム、又はポンプ，圧縮機，スクリュー等の機械駆動用エンジンのガスタービンとしても適用可能である。
【符号の説明】
【０２２１】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３Ｈ 高圧タービン
３Ｌ 低圧タービン
４ 増湿器
５ 再生熱交換器
６ 本体ケーシング
１８ 分岐流路
１９ 分岐流量調節機構
２０ 発電機
２１ シャフト
２２ 給水加熱器
２３ 排ガス再加熱器
２４ 水回収装置
２５ 排気塔
２６ 水処理装置
２７ 吸気噴霧装置
２８ ガス圧縮機
３０ 冷却装置
３２ 高圧タービンロータ
３３ 低圧タービンロータ
３５ 高圧タービンの最終段動翼
３６ 低圧タービンの初段動翼
３８ 高圧側静止シュラウド
３９ タービンケーシング
４０ 低圧タービンの初段静翼
４０ａ，４２ａ 空気流路
４２ パージ空気
４６ 高圧側静止シュラウド
４７，５３，７４，８４ キャビティ
５６，７６ 分岐空気供給孔
４８，４９ ホイールスペース
７３ 部屋
９４ 空気流路
１００ ガスタービン吸い込み空気
１０１ 吸い込み空気
１０２ 圧縮空気
１０３ 抽気空気
１０４ 低温高湿空気
１０５ 高温高湿空気
１０６ 燃焼ガス
１０７ 高圧タービン排気ガス
１０８ 低圧タービン排気ガス
１０９ 排気ガス
１１０ 分岐空気
１１４ 給水
１１５ 排熱回収ボイラ
１１６，１１７，１１８，１２０ 蒸気
１２１ 空気分離器
１２２ 酸素
１２３，１２７ 窒素
１２４ ガス化炉
１２５ 石炭
１２６ 石炭ガス化ガス
１２８ 低カロリーガス
１２９ 分岐圧縮空気
２００ 燃料
３００ 噴霧水
３０１ 増湿装置給水
３１０ 噴霧水量制御弁
３１１ 給水量制御弁
３２０ 高圧ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記圧縮機と同軸に接続され、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動する高圧タービンと、
該高圧タービンからの排ガスにより駆動する低圧タービンとを備え、
該高圧タービンと該低圧タービンとをそれぞれ独立した軸構造とした２軸ガスタービンにおいて、
前記燃焼器に蒸気を供給する蒸気供給系統と、
該蒸気供給系統の蒸気の一部または全量を前記燃焼器に供給される前に分岐して前記低圧タービンに導く分岐経路を備え、
前記高圧タービン及び前記低圧タービンを駆動する作動流体が流れるガスパスを構成する部材によってガスパスから区画されたキャビティと、
前記タービンケーシングの外側から前記キャビティに、前記分岐経路で分岐された蒸気を導入する流路とを有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
ガスパスを構成する前記部材として、タービンケーシングと該高圧タービンの最終段動翼の外周側との間に高圧側静止シュラウドを有し、
前記キャビティが前記高圧側静止シュラウドの内部に形成され、
前記高圧側静止シュラウドが、前記ガスパスと連通する供給口を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
タービンケーシングと前記低圧タービンの初段静翼の外周側との間に前記キャビティが形成され、
前記初段静翼は、内部に流体が流通する内部流路が形成され、
前記分岐経路で分岐された蒸気を、前記タービンケーシングの外側から前記キャビティを経由して前記初段静翼の内部流路に導入する流路を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項４】
請求項３に記載の２軸ガスタービンにおいて、
前記初段静翼の内部流路は、前記ガスパスと連通する噴出孔を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項５】
請求項４に記載の２軸ガスタービンにおいて、
前記噴出孔は、前記初段静翼の前縁近傍に開口していることを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項６】
請求項３〜５の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該低圧タービンの初段静翼の内周側に、該高圧タービンのロータ端面と該低圧タービンのロータ端面とからホイールスペースが形成され、
前記初段静翼の内部流路に導入された蒸気を、前記ホイールスペースに導入する流路を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項７】
請求項６に記載の２軸ガスタービンにおいて、
低圧タービンロータに、該ホイールスペースと該低圧タービンの初段動翼の根元側とを連通する流路を備えたことを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項８】
請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
ガスパスを構成する前記部材として、タービンケーシングと該高圧タービンの最終段動翼の外周側との間に設けられた高圧側静止シュラウドと、前記高圧タービンの後流側で該タービンケーシングの内側に設けられた中間静止シュラウドを有し、
前記キャビティが前記中間静止シュラウドの内部に形成され、
前記中間静止シュラウドが、前記ガスパスと連通する供給口を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該分岐経路で分岐する流体の流量を制御する分岐流量調節機構を備えたことを特徴とする２軸タービン。
【請求項１０】
請求項９に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該低圧タービンの出力指令値に基づいて該分岐調節機構を制御する制御装置を備えたことを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該分岐経路は、該高圧タービンを駆動した後の排気ガスを該低圧タービンに導く流路に接続されていることを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該圧縮機の回転軸に、該燃焼器に供給する燃料を昇圧する燃料昇圧機を連結したことを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記圧縮機と同軸に接続され、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動する高圧タービンと、
該高圧タービンからの排ガスにより駆動する低圧タービンとを備え、
該高圧タービンと該低圧タービンとをそれぞれ独立した軸構造とした２軸ガスタービンにおいて、
前記燃焼器に蒸気を供給する蒸気供給系統と、
該蒸気供給系統の蒸気の一部または全量を前記燃焼器に供給される前に分岐して前記低圧タービンに導く分岐経路を備え、
前記高圧タービン及び前記低圧タービンを駆動する作動流体が流れるガスパスを構成する部材によってガスパスから区画されたキャビティと、
前記タービンケーシングの外側から前記キャビティに、前記分岐経路で分岐された蒸気を導入する流路とを有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
ガスパスを構成する前記部材として、タービンケーシングと該高圧タービンの最終段動翼の外周側との間に高圧側静止シュラウドを有し、
前記キャビティが前記高圧側静止シュラウドの内部に形成され、
前記高圧側静止シュラウドが、前記ガスパスと連通する供給口を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
タービンケーシングと前記低圧タービンの初段静翼の外周側との間に前記キャビティが形成され、
前記初段静翼は、内部に流体が流通する内部流路が形成され、
前記分岐経路で分岐された蒸気を、前記タービンケーシングの外側から前記キャビティを経由して前記初段静翼の内部流路に導入する流路を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項４】
請求項３に記載の２軸ガスタービンにおいて、
前記初段静翼の内部流路は、前記ガスパスと連通する噴出孔を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項５】
請求項４に記載の２軸ガスタービンにおいて、
前記噴出孔は、前記初段静翼の前縁近傍に開口していることを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項６】
請求項３〜５の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該低圧タービンの初段静翼の内周側に、該高圧タービンのロータ端面と該低圧タービンのロータ端面とからホイールスペースが形成され、
前記初段静翼の内部流路に導入された蒸気を、前記ホイールスペースに導入する流路を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項７】
請求項６に記載の２軸ガスタービンにおいて、
低圧タービンロータに、該ホイールスペースと該低圧タービンの初段動翼の根元側とを連通する流路を備えたことを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項８】
請求項１に記載の２軸ガスタービンにおいて、
ガスパスを構成する前記部材として、タービンケーシングと該高圧タービンの最終段動翼の外周側との間に設けられた高圧側静止シュラウドと、前記高圧タービンの後流側で該タービンケーシングの内側に設けられた中間静止シュラウドを有し、
前記キャビティが前記中間静止シュラウドの内部に形成され、
前記中間静止シュラウドが、前記ガスパスと連通する供給口を有することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該分岐経路で分岐する流体の流量を制御する分岐流量調節機構を備えたことを特徴とする２軸タービン。
【請求項１０】
請求項９に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該低圧タービンの出力指令値に基づいて該分岐調節機構を制御する制御装置を備えたことを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該分岐経路は、該高圧タービンを駆動した後の排気ガスを該低圧タービンに導く流路に接続されていることを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の２軸ガスタービンにおいて、
該圧縮機の回転軸に、該燃焼器に供給する燃料を昇圧する燃料昇圧機を連結したことを特徴とする２軸ガスタービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１５１４６（Ｐ２０１３−１５１４６Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３１２９８（Ｐ２０１２−２３１２９８）
【出願日】平成２４年１０月１９日（２０１２．１０．１９）
【分割の表示】特願２００９−５７２８１（Ｐ２００９−５７２８１）の分割
【原出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１９日（２０１２．１０．１９）
【分割の表示】特願２００９−５７２８１（Ｐ２００９−５７２８１）の分割
【原出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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