タービン装置

专利摘要:
本発明は、ガス・タービン・エンジン３７をガス／蒸気複合タービン装置を備えたタービン・エンジン３３に変更する方法に関する。また、本発明は、同軸状に配置されたガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４とを含むタービン装置１、特にタービン翼７、１７、９、１９についての改善に関する。さらに、このようなタービン装置を備えるタービン・エンジンを調節する方法が提案される。
公开号:JP2011516780A
申请号:JP2011503340
申请日:2008-04-08
公开日:2011-05-26
发明作者:エリクソン、トルビョルン；ストランド、トルステン
申请人:エリクソン ディベロップメント アンド イノベーション エービー；
IPC主号:F01D5-14

专利说明:

[0001] 本発明は、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを含むタービン装置の改善に関するものである。本発明は、さらに、このようなタービン装置を含むタービン・エンジンを調節する方法に関するものである。]
背景技術

[0002] ガス・タービン・エンジンは、多くの状況において、燃料の化学的エネルギーを機械的エネルギーに変換するために使用される。この場合、ガス・タービンは、燃料の燃焼によって発生するガスの流れによって駆動される。ガス・タービンは、通常、圧縮機を駆動し、空気を圧縮し、より多くの量の酸素を燃焼室に供給する。]
[0003] 一般に、ガス・タービン・エンジンの利点は、エンジンが低重量で高い出力を供給できるということである。従来から、効率、すなわち燃料の化学的エネルギーの利用率が低いという欠点がある。]
[0004] 同軸状のガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備える高効率のタービン装置が、スウェーデン国特許ＳＥ５３０１４２Ｃ２、米国仮特許出願第６０／９６９９９７号、及びＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＳＥ２００８／０５０２５８から知られている。]
[0005] 上述の従来技術において述べられているように、このようなタービン装置は、多くの用途において従来のタービンに取って代わることができる。既存のガス・タービン・エンジンが改良され、同軸状のガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えるタービン装置が設置される場合、利用率を最大にするために、一定の設計事項を考慮に入れなければならない。]
先行技術

[0006] スウェーデン国特許第ＳＥ５３０１４２Ｃ２号
米国仮特許出願第６０／９６９９９７号
ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＳＥ２００８／０５０２５８号]
発明が解決しようとする課題

[0007] 本発明の目的は、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを含むタービン装置に改良されたタービン・エンジンを最適化する方法を提供することである。]
課題を解決するための手段

[0008] この目的は、ガス・タービン・エンジンを、ガス／蒸気複合タービン装置を備えたタービン・エンジンに変更する方法によって達成される。ここでは、ガス・タービン・エンジンは、圧縮機と、圧縮機から空気を供給される燃焼室と、圧縮タービンと、出力タービンとを含む。圧縮タービンは圧縮機を駆動し、出力タービンは出力を供給する。圧縮タービンは、複数のガス段を含むガス・タービンである。変更時には、圧縮タービンは、ガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを含むタービン装置に置き換えられる。ガス・タービン部分と蒸気タービン部分とは同軸状に配置されている。このとき、タービン装置内のガス・タービン部分の段数は、置き換えられる圧縮タービンの段数より少なくなるように選定される。さらに、蒸気タービン部分内の段数は、タービン装置内に構成されたガス・タービン部分の段数よりも多い。]
[0009] 圧縮タービン内のガス段を少なくすることによって、出力タービンのためのより大量のエネルギーが燃焼ガスの中にとどまる。さらに、圧縮タービンの蒸気部分の入口における蒸気圧力は、圧縮タービンのガス部分の入口におけるガス圧力よりも高くなり得る。こうして、蒸気タービン部分の出力分担が増加し得る。]
[0010] 本発明は、さらに、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置の利用率を増加させるという問題に関するものである。また、タービン翼の効率的な冷却も望まれる。]
[0011] これは、ガス・タービン部分と同軸状に配置された蒸気タービン部分とを備えるタービン装置の動翼によって得られる。タービン動翼は、チャネルを動翼の中に含む。チャネルは、蒸気を、蒸気タービン部分からガス・タービン部分へと導き、蒸気タービン部分へと戻すように構成されている。この結果、単純な翼の構成、翼の効率的な冷却、及び蒸気タービン部分へのエネルギー供給も達成される。]
[0012] この目的は、また、ガス・タービン部分、及び同軸状に配置された蒸気タービン部分、及び蒸気発生器を備えるタービン装置のためのタービン静翼によって達成される。この場合、タービン静翼は、蒸気チャネルを含む。蒸気チャネルは、蒸気発生器からガス・タービン部分を通して蒸気タービン部分へ蒸気を導くように構成されている。このようにして、静翼は効率的に冷却される。]
[0013] 同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置では、タービン装置のハブから空気を放出させることが望ましい。これは、ハブから蒸気タービン部分を通してガス・タービン部分へ空気を導くように構成された空気チャネルによって達成可能である。]
[0014] 同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置では、同じ翼が両方の部分を通して延在するので、タービン翼にかかる負荷が増加する。この問題は、蒸気タービン部分からガス・タービン部分を分離する仕切壁を導入することによって解決可能である。ガス・タービン動翼が仕切壁に取り付けられた場合、ガス・タービン動翼の回転に起因する遠心力が、仕切壁によって部分的に支持され打ち消される。]
[0015] さらに、本発明によれば、異なる断面の蒸気タービン動翼及びガス・タービン動翼を使用することによって、同軸状に配置されたガス・タービン部分と蒸気タービン部分とを備えたタービン装置の利用率を増加させることが可能である。また、蒸気タービン動翼の断面は、蒸気タービン部分の中の蒸気の流れに対して最適化可能であり、ガス・タービン動翼の断面は、ガス・タービン部分の中のガスの流れに対して最適化可能である。]
[0016] 蒸気タービン動翼が第１及び第２の動翼部分に分割され、それによって動翼の中に貫流チャネルが形成され得る。または、蒸気タービン動翼がより小さい断面のものであり、それによってガス・タービン動翼より多くの蒸気タービン動翼が配置できるようになる。]
[0017] 翼の効率的な冷却は、圧縮機、燃焼室、圧縮タービン及び出力タービンを備えるタービン・エンジンを調節する方法によって確実となる。圧縮タービン及び／又は出力タービンは、ガス・タービン部分と同軸状に配置された蒸気タービン部分とを備えるタービン装置である。圧縮タービン及び／又は出力タービンは、流体チャネルを備えた動翼及び静翼と蒸気発生器とをさらに含む。蒸気発生器は、翼を冷却し蒸気タービン部分を駆動するために流体チャネルへ向けて蒸気を発生させる。本方法によれば、起動時に圧縮機からの圧縮空気がタービン装置の翼に導かれる。]
[0018] 効率的な冷却も確実となり、そして過速度運転が防止され、停止時には、タービン装置の蒸気タービン部分への蒸気供給が遮断され、比較的少量の空気が圧縮機からタービン装置の蒸気タービン部分へ導かれる。]
[0019] ここで、添付の図面を参照してさらに詳細に本発明を説明する。]
図面の簡単な説明

[0020] ガス・タービン部分２及び蒸気タービン部分４を含む既知のタービン装置１の軸線方向の断面図である。
圧縮機４５、燃焼室４３、圧縮タービン３１及び出力タービン４１を含むタービン・エンジン３７を示す概略図である。
従来の圧縮タービン３１及び出力タービン４１を示す図である。
ガス・タービン部分２及び蒸気タービン部分４を備える、変更された圧縮タービン３２及び出力タービン４１を示す図である。
圧縮タービン３３内においてガス・タービン部分２及び蒸気タービン部分４の段数が最適化された、変更された圧縮タービン３３及び出力タービン４１を示す図である。
蒸気を蒸気タービン部分４からガス・タービン部分２へ導き、蒸気タービン部分４へと戻すチャネル１０１、１０３を含むタービン動翼７、１７を示す図である。
タービン装置の蒸気タービン部分４へ蒸気を供給する蒸気チャネル２０１と、タービン装置のハブ２０５からガス・タービン部分２へ空気を導く空気チャネル２０３とを含むタービン静翼９、１９を示す図である。
複数のタービン動翼７、１７、及び、ガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４との間に配置される仕切壁３０１を示す図である。
蒸気タービン動翼とガス・タービン動翼に異なる断面が使用されるときの蒸気タービン動翼を設計する２つの代替例を示す図である。
ガス部分と蒸気部分とを有するタービン装置を備えたタービン・エンジンを調節する方法を示すブロック図である。]
[0021] 図面及び以下の説明のいずれも、本発明の範囲を限定するものではない。図面を通して、同じ参照番号が同じ構成要素に使用される。]
[0022] 図１は、ガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４とを含むタービン装置１を示している。ガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４とは同軸状に配置されている。この原理は、スウェーデン国特許第ＳＥ５３０１４２Ｃ２号、米国仮特許出願第６０／９６９９９７号及びＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＳＥ２００８／０５０２５８号によって知られている。] 図１
[0023] 燃焼室からの燃焼ガスは、タービン装置１のガス・タービン部分２に入る（矢印３によって指示されている）。図１において、燃焼ガスはガス・タービン部分２を通って左から右へ通過する（矢印３及び矢印５によって指示されている）。それによって、ガスが複数のガス・タービン動翼７に作用することによってタービン軸６を駆動する。また、ガス・タービン部分２は、複数の案内翼すなわちガス・タービン静翼９を含む。動翼７及び静翼９は、長手方向のタービン軸線１１に沿って断続的に配置されている。] 図１
[0024] 流体チャネル１３が、ガス・タービン動翼７及びガス・タービン静翼９の中に配置されている。前記チャネル１３内の流体の流れによって、ガス・タービン部分２内の燃焼ガスから熱が吸収される。流体チャネル１３は、蒸気タービン部分４の入口１５に導かれている。このようにして、ガス・タービン部分２内を通る流体の温度が上昇し、高圧流体が蒸気タービン部分４の入口１５に噴射される。この時点では、流体は、通常、蒸気状態である。]
[0025] 蒸気タービン部分４は、図１から分かるように、ガス・タービン部分２の半径方向内側に配置されている。蒸気が、蒸気タービン部分４を通って左から右へと通過する（蒸気入口１５にある矢印、及び矢印１６によって指示されている）。それによって、蒸気が複数の蒸気タービン動翼１７に作用することによってタービン軸６を駆動する。このように、蒸気及び燃焼ガスは、両者とも同じタービン軸６を駆動する。蒸気タービン部分４は、複数の案内翼すなわち蒸気タービン静翼１９をさらに含む。ガス・タービン部分２と同様に、蒸気タービン動翼１７及び蒸気タービン静翼１９は、断続的に配置されている。] 図１
[0026] 動翼７、１７はロータ２１に取り付けられ、静翼９、１９は静止部２３に取り付けられている。]
[0027] 図１の概略図では、最も上流の翼は動翼７、１７である。それに続いて、次に静翼９、１９となっている。この状況を逆にすることもできる。すなわち、最も上流の翼を静翼とすることもできる（図３参照）。] 図１
[0028] ここで図２及び図３を参照する。本発明の一態様は、ガス・タービン・エンジン３７をガス／蒸気複合タービン装置３３を備えたタービン・エンジンに変更する方法に関するものである。これによって、ガス・タービン３１を含むタービン・エンジンの利用率が増加し得る。] 図２
[0029] タービン・エンジン３７の従来のガス・タービン３５は、圧縮タービン３１と出力タービン４１とにそれぞれ分けることができる。圧縮タービン３１は、燃焼室４３からの燃焼ガスによって駆動され、その結果、燃焼室４３に空気を供給する圧縮機４５を駆動する。出力タービン４１は、圧縮タービン３１の下流に配置され、燃焼ガスの残りのエネルギーを軸動力に変換する。これに関連して、圧縮タービン３１は、第１タービン軸４７によって圧縮機４５に連結され得る。出力タービン４１は、第２タービン軸４９を介して発電機又は変速機ボックス（図示せず）に連結され得る。このようなタービン・エンジンは、一般に２軸（ｔｗｉｎ ｓｐｏｏｌ）エンジンと称される。]
[0030] 本実施例の圧縮タービン３１は、最初は２段式ガス・タービンである。すなわち、圧縮タービン３１は、軸方向に分離されたガス・タービン翼のセットを２セット含んでいる（図３ａ参照）。図３ａ、図３ｂ及び図３ｃにおいては、ガス・タービン段はＧと示され、蒸気タービン段はＳと示されている。] 図３ａ 図３ｂ 図３ｃ
[0031] タービン・エンジン３７の出力を増加させる直接的な方法は、圧縮タービン３１及び出力タービン４１の両方を変更して、ガス・タービン部分２と同軸状の蒸気タービン部分４とを備えたタービン装置１に置き換えることである。そのような変更の結果は図３ｂに示されている。このとき圧縮タービン３２は、２つのガス段Ｇ及び２つの蒸気段Ｓを含んでいる。しかしながら、圧縮タービン３２の増加された出力は、圧縮機４５の駆動には必要とされず、したがって最適には利用されていない。] 図３ｂ
[0032] タービン・エンジン３７の出力を増加させる本発明の方法が、図３ｃに示されている。ここでは、１つのガス・タービン段Ｇ及び３つの蒸気タービン段Ｓを含んだ圧縮タービン３３が使用されている。３段の蒸気タービン部分４を導入することによって、ガス段の１つが余分になる。圧縮機によって必要とされる出力を発生させためには、１つのガス段Ｇと３つの蒸気段Ｓとで十分である。したがって、圧縮タービン３１、３２のガス・タービン段のうちの１つが除去可能である。１つのタービン段の除去は、１つの動翼及び１つの静翼の除去を意味する。] 図３ｃ
[0033] 既存のタービン・エンジン３７がこのように変更された場合、すなわち図３ａの構成から図３ｃの構成に変更された場合、圧縮タービン３３の出口におけるガス温度及びガス圧力が上昇する。結果として、出力タービン４１の入口におけるガス温度及びガス圧力が上昇する。それによって、出力タービン４１はより多くの出力を発生させることができる。] 図３ａ 図３ｃ
[0034] 同軸状に配置されたガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４とを備えたタービン装置１において、ガス・タービン部分２のガス圧力が、長手方向のタービン軸線１１に沿って蒸気タービン部分４の蒸気圧力と本質的に等しくなるように、装置を構成することが望ましい。ガス・タービン部分２及び蒸気タービン部分４が、入口及び出口が軸線方向に一致されて配置される場合（図１参照）、それぞれのガス及び蒸気の圧力は一致しなければならない。しかしながら、図３ｂ及び図３ｃを参照して説明したように、ガス・タービン段数及び蒸気タービン段数を変えることができる。たとえば、所望する場合は、ガス・タービン段よりも多数の蒸気タービン段を使用することができる（図３ｃ）。] 図１ 図３ｂ 図３ｃ
[0035] 燃焼室４３の燃焼ガス圧力、したがって、ガス・タービン部分２の入口圧力は、典型的に、約１．５ＭＰａである。したがって、蒸気タービン部分４の入口蒸気圧力も約１．５ＭＰａとなるようにタービン装置１は設計されるべきである。しかしながら、より多くの蒸気タービン段を追加すると（図３ｃ）、蒸気タービン部分４の入口蒸気圧力は、たとえば５ＭＰａまで上昇し得る。それによって、蒸気タービンの出力分担が大幅に上昇する。各タービン段は圧力の低下を伴う。したがって、追加された蒸気タービン段によって、蒸気圧力は、ガス・タービン部分２の入口が配置された軸線方向の位置において、所望の１．５ＭＰａまで下げられる。] 図３ｃ
[0036] 蒸気圧力は、流体チャネル１３の構成によって影響を及ぼされる。十分な蒸気を所定の圧力で発生させるために、別個の蒸気発生器を使用することもできる。]
[0037] 図３ｂ及び図３ｃの出力タービン４１は、従来のガス・タービンか、又は、ここに図示されるように、ガス・タービン部分２と同軸状の蒸気タービン部分４とを含んだタービン装置１とすることができる。出力タービン４１がガス・タービン部分２と同軸状の蒸気タービン部分４とを含んだタービン装置１である場合、蒸気タービン部分４の端部に蒸気タービン段を追加することによって蒸気タービン部分４を延長することができる。このような構成によって、より多くの蒸気エネルギーが利用可能となる。] 図３ｂ 図３ｃ
[0038] 図３ｃに示されるように、ガス段が除去されると、ガス・タービン部分の半径方向内側には配置されていない蒸気タービン部分に対して、静止部の内側の壁３４が外側の壁を構成するように配置され得る。静止部の内側の壁３４は、静止部の壁から半径方向内向きに延在する棒（図示せず）によって保持され得る。追加の蒸気段がタービン装置の前及び／又は後に追加される場合、同様の解決策が適用される。] 図３ｃ
[0039] 図４は、本発明の別の態様を示す。同軸状のガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４とを備えたタービン装置１（図１）を想定する。ここで、蒸気は、動翼７、１７の中のチャネル１０１、１０３によって、蒸気タービン部分４からガス・タービン部分２へ導かれ、蒸気タービン部分４へと戻される。このようにして、翼７、１７が冷却され、蒸気タービン部分４内の蒸気が過熱される。チャネル１０１、１０３を通る流れは、翼の前縁と後縁との間の圧力差によって推進される。] 図１ 図４
[0040] 蒸気タービン部分４において、蒸気は、翼１７の前縁、すなわち上流側の縁部において、入口開口部１０５を通って蒸気タービン動翼１７へ入る。蒸気は、蒸気タービン部分４からガス・タービン部分２へ、外側チャネル（ｉｎｂｏａｒｄ ｃｈａｎｎｅｌ）１０１を通って、翼７、１７の長手方向において半径方向外向きに広がる。]
[0041] 他の実施形態も考えられるが（たとえば図７参照）、図４においては、蒸気タービン動翼１７及びガス・タービン動翼７のそれぞれの断面は等しい。外側チャネル１０１は、蒸気タービン動翼１７からガス・タービン動翼７へ延在している。ガス・タービン動翼７内では、外側チャネル１０１は、複数の内側チャネル（ｉｎｂｏａｒｄ ｃｈａｎｎｅｌ）１０３に分割されている。内側チャネルは、蒸気を半径方向内向きに導き、蒸気タービン動翼１７へ戻す。そして、内側チャネルは、出口開口部１０７において終端している。出口開口部１０７は、蒸気タービン動翼１７の後縁、すなわち下流側の縁部に位置付けられている。この実施例においては、１つの外側チャネル１０１及び４つの内側チャネル１０３が使用されているが、高い熱伝達をもたらす任意の所望の流れの幾何学的形態を使用することができる。] 図４ 図７
[0042] 燃焼ガスからガス・タービン動翼７への熱伝達を最大にするために、したがって外側チャネル１０１及び内側チャネル１０３を流れる蒸気への熱伝達を最大にするために、前記チャネルは、本質的に、ガス・タービン動翼７の全長に沿って延在する。]
[0043] ガス・タービン部分２から熱を集め、蒸気タービン部分４へ前記熱を供給する構成１０５、１０１、１０３、１０７は、蒸気タービン部分４の入口１５において蒸気が噴射されるという意味を含んでいる。この蒸気は、以下に説明する別個の蒸気発生器において発生され得る。]
[0044] また、１０５、１０１、１０３、１０７の構成は、上述の流体チャネル１３と組み合わせて使用され得る。この場合、各タービン動翼７、１７は、外側チャネル１０１、内側チャネル１０３、及び流体チャネル１３を含む。代替として、タービン動翼７、１７は、図４に示すように外側チャネル１０１及び内側チャネル１０３を備え、一方、タービン静翼９、１９のみが、図１に示すような流体チャネル１３を備えることもできる。] 図１ 図４
[0045] 図５は、本発明のさらに別の態様に関するものである。この態様は、たとえば静翼９、１９の冷却の問題に対処する。同軸状に配置されたガス・タービン部分２及び蒸気タービン部分４を備えたタービン装置（図１参照）において、ガス・タービン部分２内の静翼９は、図５に従って、翼９の内部を流れる蒸気によって冷却され得る。蒸気は、ガス・タービン部分２を通って蒸気タービン部分４へ流れる。この目的のために、蒸気チャネル２０１が、タービン静翼９、１９の中に配置され得る。蒸気は、以下に述べる別個の蒸気発生器において発生させることが可能である。代替として、蒸気は、タービン翼の流体チャネル１３の中で発生させることが可能である。] 図１ 図５
[0046] 図５から分かるように、タービン静翼９、１９は蒸気チャネル２０１を含む。前記チャネル２０１は静翼９、１９を通って延在する。そして、前記チャネル２０１は、蒸気を、静止部の壁の外側からガス・タービン部分２を通って蒸気タービン部分４へ導くように構成されている。このようにして、蒸気が加熱され、翼９、１９が冷却される。蒸気タービン部分４において、蒸気は、蒸気タービン静翼１９の後縁の開口部（図示せず）を通って翼１９から出ることができる。代替として、蒸気は、管（図示せず）によって上流に導かれ、静翼９、１９よりも前に蒸気タービン部分４へ放出され得る。矢印２０７は、静翼１９を通る蒸気の流れを例示的な方法で示している。] 図５
[0047] 蒸気チャネル２０１は、タービン装置１の最も上流のタービン翼の中に配置され得る。タービン軸線１１に沿って次に続く静翼は、類似の蒸気チャネル２０１を備えるか、又は図１に示すような流体チャネル１３を備え得る。翼の中の蒸気の流れの幾何学的形態は、高い熱伝達をもたらすように最適化される。] 図１
[0048] 図５では、タービン・ハブが参照番号２０５によって示されている。圧縮された空気は、たとえば軸４７のシール（図示せず）及び後部軸受（図示せず）を通って圧縮機４５からタービン装置１のハブ２０５へ漏れることがある。この空気は、静翼９、１９の中の空気チャネル２０３を用いて排出され得る。代替として、このような空気チャネル２０３は、図示されないが、動翼７、１７の中に配置され得る。] 図５
[0049] 空気チャネル２０３の目的は、空気をハブ２０５から蒸気タービン部分４を通ってガス・タービン部分２へ導くことである。これによって、タービン翼７、１７、９、１９の後縁が冷却される。タービン翼の後部又は後縁に配置される複数の出口開口部２０９又は溝穴２０９において、空気チャネルが終端するようにすると有利である。このような溝穴２０９は、本質的に、タービン翼の縁部全体に沿って配置可能である。これによって、有効な冷却が縁部全体に沿って得られる。]
[0050] 図６は、本発明の別の態様を概略的に示す。この態様は、動翼７、１７を高い機械的負荷にさらすことを回避しながら、同軸状に配置されたガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４とを備えたタービン装置を構成するという問題に対処する。同軸状に配置されたタービン部分２、４は、動翼７、１７が、従来のガス・タービン動翼よりも長くなるということを意味する。それによって、翼７、１７の半径方向内側の部分に作用する遠心力が増す。この負荷の増加は、動翼７、１７の上述の冷却によってある部分まで埋め合わせされる。温度が低くなればなるほど、強度が高くなる。図６において、動翼７、１７にかかる機械的負荷を低減するための追加の対策が示されている。] 図６
[0051] 仕切壁３０１が、ガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４との間に配置されている。仕切壁すなわち外側シールリング３０１は、ガス・タービン部分２を蒸気タービン部分４から分離する働きをし、（図４及び図５に示されている通り）翼に取り付けられた複数の板によって形成され得る。しかしながら、仕切壁３０１を完全なリングとして作製し、前記仕切壁３０１にガス・タービン動翼７を取り付けることによって、ロータの周囲のそれぞれのガス・タービン動翼７によって引き起こされる遠心力の一部を、仕切壁３０１に受け止めさせることもできる。] 図４ 図５
[0052] 図６はさらに、静止部の壁３０３、内側シールリング３０５、及びタービン翼根部３０７を示す。ガス・タービン部分４は、仕切壁３０１及び内側シールリング３０５によって区切られる。対応する仕切壁及び内側シールリングが、静翼９、１９によって支持される。] 図６
[0053] 図７は、本発明のさらなる態様に関するものである。ここでは、ガス・タービン翼７、９及び蒸気タービン翼１７、１９が、タービン装置１のガスの流れ及び蒸気の流れに対してそれぞれ最適化されている。同軸状のガス・タービン部分２と蒸気タービン部分４とを備えたタービン装置１（図１）が想定されている。] 図１ 図７
[0054] たとえば図６に示されている通り、蒸気タービン部分４の容積はガス・タービン部分２の容積よりかなり小さい。これは、仕切壁３０１の半径方向の位置によって示される。実際、蒸気部分４を通る蒸気の流れは、ガス部分２を通るガスの流れのおよそ１０％にしかならない。したがって、蒸気タービン翼１７、１９の半径方向の長さは、ガス・タービン翼７、９の半径方向の長さよりも短い。] 図６
[0055] 蒸気タービン動翼１７がガス・タービン動翼７の遠心力負荷を支持できる場合（すなわち、負荷を支持する仕切壁３０１が使用されない場合）、蒸気タービン翼１７の断面は、ガス・タービン翼７の断面と本質的に同じでなければならない。]
[0056] 蒸気タービン動翼１７及びガス・タービン動翼７に同じ断面が使用されるとすると、蒸気タービン動翼１７は、翼長に対する翼弦４０１の比が比較的大きくなる。翼長とは、動翼１７の半径方向の長さを意味する。翼長に対する翼弦４０１の比が大きいということは、流動抵抗が高いということを意味するので好ましくない。]
[0057] したがって、蒸気タービン動翼１７及びガス・タービン動翼７に異なる構成を使用することが望ましい。その結果、それぞれの翼１７、７が、蒸気タービン部分４及びガス・タービン部分２の流れに対して最適化される。特に、翼長に対する翼弦４０１の比が大きいということは、回避されるべきである。]
[0058] 図７の左側部分には、蒸気タービン動翼の断面に対する第１の設計提案が示されている。ガス・タービン動翼７の断面も示されている。各蒸気タービン動翼は、第１翼部分１７ａと第２翼部分１７ｂとに分割されている。これにより、貫流チャネル４０３が動翼に形成されている。貫流チャネル４０３は、蒸気タービン動翼１７ａ、１７ｂの流動抵抗を低減する。さらに、翼長に対する翼弦の比が小さくなる。] 図７
[0059] 図７の右側には、さらに蒸気タービン動翼の断面に対する第２の可能な設計が示されている。比較のために、ガス・タービン動翼７の断面が再び示されている。ここでは、複数のより小さい蒸気タービン翼１７ｃ、１７ｄ、１７ｅが、より大きい１つのタービン翼の代わりに使用されている。したがって、蒸気タービン動翼の半径方向の長さは不変であるが、翼弦が低減される。これは翼長に対する翼弦の比が小さくなることを意味する。] 図７
[0060] 本発明によると、対応するガス・タービン翼について２つから５つのより小さい蒸気タービン翼を使用することによって、翼長に対する翼弦の比が適切となる。とりわけ、３つのより小さい蒸気タービン翼１７ｃ、１７ｄ、１７ｅが、翼長に対する翼弦の比を適切にする。]
[0061] 蒸気タービン動翼の最適化は、図６を参照して説明された仕切壁３０１の使用と併せて実現され得る。この方法においては、蒸気タービン翼１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅは、ガス・タービン翼７によって引き起こされる全ての遠心力負荷を支持する必要はない。しかしながら、前記最適化は、仕切壁３０１なしでも行うことができる。その場合には、蒸気タービン翼１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅは、ガス・タービン翼７によって引き起こされる遠心力を支持することができるように設計されなければならない。] 図６
[0062] 図８のブロック図は、ガス部分２及び蒸気部分４を備えたタービン装置１を含む、発電プラントのタービン・エンジンを制御する方法を示す。このブロック図は図２の概略図と一致しているが、図８は、さらに蒸気発生器５１、復水器５３、発電機５５及び弁Ｖ１〜Ｖ５を開示している。圧縮タービン３１及び出力タービン４１は、図１に示される種類のタービン装置である。] 図１ 図２ 図８
[0063] 蒸気発生器５１は、出力タービン４１のガス・タービン部分２の出口に接続されている。さらに、蒸気発生器５１は、弁Ｖ１を介して、圧縮タービン３１の蒸気部分の入口に接続されている。また、蒸気発生器５１は、弁Ｖ２を介して出力タービン４１の蒸気部分の入口に接続されている。これによって、蒸気発生器５１は、蒸気を発生させるために燃焼ガスからの熱を利用している。この蒸気は、圧縮タービン３１及び出力タービン４１に供給される。図８の蒸気発生器５１の上部の矢印は、燃焼ガスの出口を示す。また、蒸気発生器５１は、別個のバーナー又は電気的手段によって動力を供給され得る。] 図８
[0064] 弁Ｖ１、Ｖ２は、最大量の蒸気が、圧縮タービン３１及び出力タービン４１の蒸気タービン部分４に確実に供給されるようにする調節弁である。それぞれのタービン３１、４１の蒸気部分４からガス部分２へ蒸気が本質的に漏れることはない。弁Ｖ１、Ｖ１は、圧縮タービン３１及び出力タービン４１の前の燃焼ガス圧力によってそれぞれ調節される。ブロー弁Ｖ４が、蒸気発生器５１の蒸気出口に配置されている。]
[0065] 復水器５３が、蒸気発生器５１に接続され、水などの凝縮された流体を蒸気発生器５１に供給することができる。前記蒸気は、出力タービン４１の蒸気タービン部分４との接続部を通って復水器５３に導かれる。図８から分かるように、出力タービン４１と復水器５３との間の前記接続部は、ブロー弁Ｖ５を備える。凝縮時に発生する熱は、加熱目的に使用可能である。] 図８
[0066] 図８の復水器の左側への矢印は、たとえば地域暖房システムへの接続部を示す。] 図８
[0067] 発電機５５が、第２タービン軸４９を介して出力タービン４１に接続される。]
[0068] 圧縮機４５の出口は、圧縮タービン３１の蒸気入口に接続される。図８から分かるように、弁Ｖ３が、圧縮機４５から圧縮タービン３１に向かう空気の流れを調節するように配置されている。また、圧縮機４５は、出力タービン４１の蒸気入口に接続され得る。] 図８
[0069] 本発明のタービン・エンジンの調節は、ガス・タービンと蒸気タービンとの組み合わせた従来のエンジンの調節と原理的に一致している。しかしながら、（圧縮タービン３１及び出力タービン４１のそれぞれの中の）ガス・タービン部分２及び蒸気タービン部分４は、同じハウジングの中に配置されており、同じロータを共有しているので、ガス・タービン部分２によって蒸気が発生されていない場合においても、蒸気タービン部分４は作動することになる。これは、起動時又は緊急停止時などの過渡的な状態の場合である。このような状態の間、蒸気が不足するということは、圧縮タービン３１及び出力タービン４１の冷却が不十分になることを意味する。]
[0070] 起動時に十分な冷却を得るために、蒸気発生器５１と圧縮タービン３１と出力タービン４１との間の弁Ｖ１、Ｖ２が閉じられる。圧縮機４５からの空気が、圧縮タービン３１及び出力タービン４１を通して導かれ、これらを冷却するように、残りの弁Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５は開いている。空気は、タービン３１、４１のタービン翼の中に配置された流体チャネル１３（図１参照）を通って導かれる。スターター・モータが、タービン３１、４１を無負荷運転にもっていくのを助けるように使用され、それには概ね約２〜３分かかる。続いて、蒸気が、蒸気発生器５１によって発生させられ、そして圧縮タービン３１及び出力タービン４１の中の流体チャネル１３を用いて発生させられる。ここで、蒸気発生器５１と圧縮タービン３１と出力タービン４１との間の弁Ｖ１、Ｖ２が開かれ、残りの弁Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５は閉じられ得る。] 図１
[0071] たとえば軸４９にかかる負荷が突然失われることによって起こる緊急停止時には、タービン３１、４１の過速度運転が防止されなければならない。これに関して、燃料の供給が直ちに遮断される。圧縮タービン３１及び出力タービン４１の蒸気タービン部分４への蒸気の供給は、蒸気発生器５１とタービン３１、４１との間の弁Ｖ１、Ｖ２を閉じることによって遮断される。蒸気発生器５１の蒸気出口のブロー弁Ｖ４が、蒸気発生器５１から排気するために開けられる。残りの弁Ｖ３及びＶ５は、冷却のために、タービン３１、４１の蒸気タービン部分４を介して圧縮機から空気を導くために徐々に開かれる。空気が、タービン３１、４１のタービン翼の中に配置された流体チャネル１３（図１参照）を介して導かれる。このように徐々に開くことによって、空気の流れは冷却には十分である。しかし、空気の流れは、タービン３１、４１に望まれない駆動力を与えるほど強くはない。] 図１

权利要求:

請求項1
ガス・タービン・エンジン（３７）をガス／蒸気複合タービン装置を備えたタービン・エンジン（３３）に変更する方法であって、前記ガス・タービン・エンジン（３７）が、圧縮機（４５）と、前記圧縮機（４５）から空気を供給される燃焼室（４３）と、圧縮タービン（３１）と、出力タービン（４１）とを含み、前記圧縮タービン（３１）が前記圧縮機（４５）を駆動し、前記出力タービン（４１）が出力を供給し、前記圧縮タービン（３１）が複数のガス段（Ｇ）を含むガス・タービンである、前記方法において、前記圧縮タービン（３１）を、ガス・タービン部分（２）と蒸気タービン部分（４）とを含むタービン装置（３３）に置き換えるステップであって、前記タービン装置（３３）内には、前記ガス・タービン部分（２）と前記蒸気タービン部分（４）とが同軸状に配置されている、ステップを含み、前記タービン装置（３３）内の前記ガス・タービン部分（２）の段（Ｇ）数を、置き換えられる前記圧縮タービン（３１）の段（Ｇ）数よりも少なくなるように選定し、前記蒸気タービン部分（４）内の段（Ｓ）数を、前記タービン装置（３３）内に構成されたガス・タービン部分（２）の段（Ｇ）数よりも多くすることを特徴とする方法。
請求項2
最初は、前記圧縮タービン（３１）が２つのガス段（Ｇ）を含み、変更の後、前記圧縮タービン（３３）が１つのガス段（Ｇ）及び３つの蒸気段（Ｓ）を含む、請求項１に記載された方法。
請求項3
前記蒸気段のうちの少なくとも１つを、前記ガス・タービン部分（２）の入口の軸線方向前方に配置し、前記蒸気タービン部分（４）の入口圧力が前記ガス・タービン部分（２）の入口圧力より高くなるようにする、請求項１又は請求項２に記載された方法。
請求項4
タービン装置（１）のためのタービン動翼（７、１７）であって、前記装置（１）が、ガス・タービン部分（２）と、同軸状に配置された蒸気タービン部分（４）とを含む、タービン動翼において、前記タービン動翼（７、１７）が、前記動翼（７、１７）の中にチャネル（１０１、１０３）を含み、前記チャネル（１０１、１０３）は、蒸気を、前記蒸気タービン部分（４）から前記ガス・タービン部分（２）へ導き、前記蒸気タービン部分（４）へと戻すように構成されている、ことを特徴とするタービン動翼。
請求項5
前記チャネル（１０１、１０３）が、少なくとも１つの外側チャネル（１０１）と複数の内側チャネル（１０３）とを含み、前記外側チャネル（１０１）は、前記蒸気タービン部分（４）から前記ガス・タービン部分（２）へ延在しており、前記内側チャネル（１０３）は、前記ガス・タービン部分（２）から前記蒸気タービン部分（４）へ延在している、請求項４に記載されたタービン動翼。
請求項6
タービン装置（１）のためのタービン静翼（９、１９）であって、前記装置（１）が、外側のガス・タービン部分（２）と、同軸状に配置された内側の蒸気タービン部分（４）と、蒸気発生器とを含む、タービン静翼において、前記タービン静翼（９、１９）が、蒸気チャネル（２０１）を含み、前記蒸気チャネル（２０１）は、前記蒸気発生器から前記ガス・タービン部分（２）を通して前記蒸気タービン部分（４）へ蒸気を導くように構成されていることを特徴とするタービン静翼。
請求項7
タービン装置（１）のためのタービン翼（７、１７、９、１９）であって、前記装置（１）が、外側のガス・タービン部分（２）と同軸状に配置された内側の蒸気タービン部分（４）とを含み、前記蒸気タービン部分（４）が前記タービン装置（１）のハブ（２０５）を囲んでいる、タービン翼において、前記タービン翼（７、１７、９、１９）は、空気チャネル（２０３）をさらに含み、前記空気チャネル（２０３）は、前記ハブ（２０５）から前記蒸気タービン部分（４）を通して前記ガス・タービン部分（２）へ空気を導くように構成されていることを特徴とするタービン翼。
請求項8
前記空気チャネル（２０３）が、前記タービン翼の後縁に配置されている複数の溝穴（２０９）において終端している、請求項７に記載された翼。
請求項9
タービン装置（１）であって、ガス・タービン部分（２）と、同軸状に配置された蒸気タービン部分（４）と、前記装置（１）のタービン・ハブから前記蒸気タービン部分（４）を介して及び前記ガス・タービン部分（２）を介して延在する、蒸気タービン動翼（１７）及びガス・タービン動翼（７）とを含むタービン装置において、前記ガス・タービン部分（２）を前記蒸気タービン部分（４）から分離する仕切壁（３０１）を含み、前記ガス・タービン動翼（７）が前記仕切壁（３０１）に取り付けられており、その結果、前記ハブの回転、従って前記ガス・タービン動翼（７）の回転に起因する遠心力が、前記仕切壁（３０１）によって部分的に支持され打ち消されるようになっている、ことを特徴とするタービン装置。
請求項10
タービン装置（１）であって、ガス・タービン部分（２）と、同軸状に配置された蒸気タービン部分（４）と、前記装置（１）のタービン・ハブから前記蒸気タービン部分（４）を介して及び前記ガス・タービン部分（２）を介して延在する、蒸気タービン動翼（１７）及びガス・タービン動翼（７）とを含むタービン装置において、前記蒸気タービン動翼（１７）及び前記ガス・タービン動翼（７）が異なる断面を有しており、それによって、前記蒸気タービン動翼（１７）の断面が、前記蒸気タービン部分（４）の中の蒸気の流れに対して最適化され、前記ガス・タービン動翼（７）の断面が、前記ガス・タービン部分（２）の中のガスの流れに対して最適化されていることを特徴とするタービン装置。
請求項11
それぞれの蒸気タービン動翼（１７）が、第１及び第２の動翼部分（１７ａ、１７ｂ）に分割され、それによって、貫流チャネル（４０３）が前記動翼（１７）の中に形成されている、請求項１０に記載されたタービン装置。
請求項12
前記蒸気タービン動翼（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）が、前記ガス・タービン動翼（７）より小さい断面を有しており、それによって、ガス・タービン動翼（７）より多くの蒸気タービン動翼（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）が配置できるようになっている、請求項１０に記載されたタービン装置。
請求項13
タービン・エンジンを調節する方法であって、前記タービン・エンジンが、圧縮機（４５）、燃焼室（４３）、圧縮タービン（３１）及び出力タービン（４１）、並びに蒸気発生器（５１）を含み、前記圧縮タービン（３１）及び／又は前記出力タービン（４１）が、ガス・タービン部分（２）と、同軸状に配置された蒸気タービン部分（４）と、流体チャネル（１３）を有する動翼（７、１７）及び静翼（９、１９）とを含んでおり、前記蒸気発生器（５１）が、前記翼（７、１７、９、１９）を冷却し、前記蒸気タービン部分（４）を駆動するために、前記流体チャネル（１３）へ向けて蒸気を発生させる、タービン・エンジンを調節する方法において、過熱を防ぐために、起動時に、すなわち前記蒸気発生器（５１）が前記翼（７、１７、９、１９）を冷却するのに十分な蒸気を供給する前に、前記圧縮機（４５）からの圧縮空気を前記タービン装置（１）の前記翼（７、１７、９、１９）に導くことを特徴とする方法。
請求項14
タービンの過速度運転を防ぐために、停止時に、前記タービン装置（１）の前記蒸気タービン部分（４）への蒸気の供給を遮断し、過熱を防ぐために、比較的少量の空気を、前記圧縮機（４５）から前記タービン装置（１）の前記蒸気タービン部分（４）へ導くことを特徴とする、請求項１３の前文に記載された方法。