(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-17
(45)【発行日】2022-11-28
(54)【発明の名称】二軸式ガスタービン
(51)【国際特許分類】
F02C 7/18 20060101AFI20221118BHJP
F02C 9/00 20060101ALI20221118BHJP
F01K 23/10 20060101ALI20221118BHJP
F02C 3/10 20060101ALI20221118BHJP
【ＦＩ】
F02C7/18 E
F02C9/00 A
F01K23/10 A
F02C3/10
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018217379
(22)【出願日】2018-11-20
(65)【公開番号】P2020084841
(43)【公開日】2020-06-04
【審査請求日】2021-06-03
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】前川 隼人
(72)【発明者】
【氏名】七瀧 健治
【審査官】所村 陽一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－２３１７４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０３１７２７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｃ ７／１８
Ｆ０２Ｃ ９／００
Ｆ０１Ｋ ２３／１０
Ｆ０２Ｃ ３／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を燃料と共に燃焼する燃焼器と、
ケーシング及びタービン動翼を有し前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動される高圧タービンと、
前記高圧タービンとは独立して回転し前記高圧タービンからの排気ガスで駆動される低圧タービンと、
前記高圧タービンのケーシングを冷却する冷却空気を通す冷却空気配管とを備えた二軸式ガスタービンにおいて、
前記冷却空気配管に設けた流量調整弁と、
圧縮機風量に関する情報を検出する第１センサと、
高圧タービン入口温度に関する情報を検出する第２センサと、
前記第１センサ及び前記第２センサの信号を基に前記流量調整弁を制御する制御コンピュータとを備え、
前記圧縮機風量と前記高圧タービン入口温度のうち前記圧縮機風量のみがその定格値に到達している場合に、前記制御コンピュータが、前記第２センサで検出された高圧タービン入口温度とその定格値との差に応じて前記流量調整弁の開度の減少量を演算し、前記流量調整弁の開度を基準開度よりも前記減少量だけ下げて冷却空気流量を減少させ、前記高圧タービンの前記ケーシングと前記タービン動翼との隙間を拡大するように構成されている二軸式ガスタービン。
【請求項2】
請求項１の二軸式ガスタービンにおいて、前記圧縮機風量と前記高圧タービン入口温度のうち前記高圧タービン入口温度のみがその定格値に到達している場合に、前記制御コンピュータが、前記第１センサで検出された圧縮機風量とその定格値との差に応じて前記流量調整弁の開度の増加量を演算し、前記流量調整弁の開度を基準開度よりも前記増加量だけ上げて冷却空気流量を増加させ、前記高圧タービンの前記ケーシングと前記タービン動翼との隙間を縮小するように構成されている二軸式ガスタービン。
【請求項3】
請求項１の二軸式ガスタービンにおいて、シンプルサイクルを構成する二軸式ガスタービン。
【請求項4】
請求項１の二軸式ガスタービンにおいて、コンバインドサイクルを構成する二軸式ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は二軸式ガスタービンに関する。
【背景技術】
【0002】
ガスタービンにおけるタービンロータとケーシングの熱容量には差があり、負荷変動時の両者の熱変形には時間差が生じる。タービン動翼とケーシングとの間の隙間が広いとガスタービンの熱効率が低下するが、狭すぎると時間差でタービンロータとケーシングが熱変形する際にタービン動翼がケーシングに接触してしまう。そこで、ケーシングを冷却する冷却空気の流量調整によりケーシングの熱変形を制御しタービン動翼とケーシングとの間の隙間を適切に維持する隙間調整機構を備えたガスタービンが提唱されている（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１３－１４２３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一般に二軸式ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを備えたガスジェネレータと、負荷機器に接続される低圧タービンとを有している。低圧タービンとガスジェネレータの回転軸は分離されている。ガスジェネレータでは、圧縮機で生成した圧縮空気を燃焼器で燃料と共に燃焼し、燃焼器で生成された燃焼ガスによって高圧タービンを駆動して圧縮機の駆動力を得る。低圧タービンは高圧タービンを駆動した燃焼ガスによって駆動されて負荷機器の動力となる。こうした二軸式ガスタービンにおいても、例えばガスジェネレータの高圧タービンに特許文献１に記載されているような間隙調整機構を適用することで、信頼性や熱効率を向上させることができる。
【0005】
ところで、通常、二軸式ガスタービンでは、圧縮機風量（圧縮機を流れる圧縮空気の流量）又は高圧タービン入口温度が定格値に到達した状態を定格運転状態としている。一般に設計温度よりも気温が低い場合には、高圧タービン入口温度が定格値に達する前に圧縮機風量が定格値に到達し、高圧タービン入口温度が定格値に満たない状態で定格運転状態となる。反対に設計温度よりも気温が高い場合には、圧縮機風量が定格値に到達する前に高圧タービン入口温度が定格値に到達し、圧縮機風量が定格値に満たない状態で定格運転状態となる。このことに起因して、吸気温度が設計温度と異なる条件下では、吸気温度が設計条件に等しい（高圧タービン入口温度及び圧縮機風量が共に定格値に到達する）場合に比べてガスタービンの出力が低下してしまう。
【0006】
本発明の目的は、吸気温度によらず高圧タービン入口温度及び圧縮機風量を定格値まで上昇させることができる二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】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を燃料と共に燃焼する燃焼器と、ケーシング及びタービン動翼を有し前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンとは独立して回転し前記高圧タービンからの排気ガスで駆動される低圧タービンと、前記高圧タービンのケーシングを冷却する冷却空気を通す冷却空気配管とを備えた二軸式ガスタービンにおいて、前記冷却空気配管に設けた流量調整弁と、圧縮機風量に関する情報を検出する第１センサと、高圧タービン入口温度に関する情報を検出する第２センサと、前記第１センサ及び前記第２センサの信号を基に前記流量調整弁を制御する制御コンピュータとを備え、前記圧縮機風量と前記高圧タービン入口温度のうち前記圧縮機風量のみがその定格値に到達している場合に、前記制御コンピュータが、前記第２センサで検出された高圧タービン入口温度とその定格値との差に応じて前記流量調整弁の開度の減少量を演算し、前記流量調整弁の開度を基準開度よりも前記減少量だけ下げて冷却空気流量を減少させ、前記高圧タービンの前記ケーシングと前記タービン動翼との隙間を拡大するように構成されている。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、吸気温度によらず高圧タービン入口温度及び圧縮機風量を定格値まで上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係る二軸式ガスタービンの模式図
【図4】本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンの出力についての吸気温度に対する特性を示した図
【図5】本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンの効率についての吸気温度に対する特性を示した図
【図6】本発明の一実施形態に係るコンバインドサイクルの模式図
【図7】本発明の一実施の形態に係るコンバインドサイクルの出力についての吸気温度に対する特性を示した図
【図8】本発明の一実施の形態に係るコンバインドサイクルの効率についての吸気温度に対する特性を示した図
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【0011】
【0012】
同図に示した二軸式ガスタービン１（以下、ガスタービン１と略称する）はシンプルサイクルであり、ガスジェネレータ１０、低圧タービン（出力タービン）２０、隙間調整機構３０及び制御コンピュータ４０を備えている。
【0013】
－ガスジェネレータ－
ガスジェネレータ１０は、圧縮機１１、燃焼器１２及び高圧タービン１３を主な要素として備えている。
ガスジェネレータ１０は、圧縮機１１、燃焼器１２及び高圧タービン１３を主な要素として備えている。
【0014】
圧縮機１１は、大気中から取り込んだ空気を圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮機１１の入口（吸気口）には、ＩＧＶ（入口案内翼）１４が設けられている。ＩＧＶ１４はＩＧＶ駆動装置（図示せず）により駆動される。ＩＧＶ１４の開度調整により圧縮機１１の吸気量が変化する。
【0015】
燃焼器１２は、圧縮機１１からの圧縮空気と共に燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する。なお、燃焼器１２への燃料供給量は、ＩＧＶ１４の開度と共に、所定のプログラムに従って制御コンピュータ４０（又は他の制御装置）によって制御される。燃料供給量やＩＧＶ１４の開度は、低圧タービン２０に接続した負荷機器５０の目標動力、上位の制御装置（不図示）からの発電出力指令（ＭＷＤ）、低圧タービン２０の回転数等に基づいて制御される。
【0016】
高圧タービン１３は、燃焼器１２からの燃焼ガスで駆動される。高圧タービン１３は回転軸１５を介して圧縮機１１に接続されており、高圧タービン１３の出力で圧縮機１１が駆動される。高圧タービン１３の出力は圧縮機１１の動力に等しい。高圧タービン１３はまた、タービン動翼１６（図２）の環状翼列を備えたタービンロータと、タービンロータの外周を包囲するケーシング１７を備えている。ケーシング１７は一般に圧縮機１１や低圧タービン２０のケーシングを兼ねるが、図１では高圧タービン１３の部分にのみ模式的にケーシング１７を図示してある。回転体であるタービンロータと静止体であるケーシング１７との間、つまりタービン動翼１６とケーシング１７との間には、図２に示したようにタービン半径方向に隙間Ｇが確保されている。この隙間Ｇが小さい程ガスタービン１の熱効率は上がるが、隙間Ｇはガスタービン１の運転状況によって変化するため、隙間Ｇが過小であるとタービン動翼１６とケーシング１７とが接触し得る。
【0017】
－低圧タービン－
低圧タービン（出力タービン）２０はガスジェネレータ１０の回転軸１５と分離された回転軸２１を持ち、高圧タービン１３からの排気ガスで駆動されて高圧タービン１３とは別個独立して回転する。この低圧タービン２０には回転軸２１を介して負荷機器５０が接続されている。低圧タービン２０は、例えば全段落の静翼に非可動型の固定静翼を用いた固定翼低圧タービンである。高圧タービン１３を駆動して降圧した燃焼ガスが高圧タービン１３から低圧タービン２０に送られ、この燃焼ガスによって低圧タービン２０が駆動される。低圧タービン２０の出力は回転軸２１を介して負荷機器５０に伝達され、これにより負荷機器５０が駆動される。低圧タービン２０の出力がガスタービン１の出力となる。負荷機器５０の代表例は発電機であるが、ポンプ等も適用され得る。低圧タービン２０を駆動した燃焼ガスは排気ガスとして排出される。
低圧タービン（出力タービン）２０はガスジェネレータ１０の回転軸１５と分離された回転軸２１を持ち、高圧タービン１３からの排気ガスで駆動されて高圧タービン１３とは別個独立して回転する。この低圧タービン２０には回転軸２１を介して負荷機器５０が接続されている。低圧タービン２０は、例えば全段落の静翼に非可動型の固定静翼を用いた固定翼低圧タービンである。高圧タービン１３を駆動して降圧した燃焼ガスが高圧タービン１３から低圧タービン２０に送られ、この燃焼ガスによって低圧タービン２０が駆動される。低圧タービン２０の出力は回転軸２１を介して負荷機器５０に伝達され、これにより負荷機器５０が駆動される。低圧タービン２０の出力がガスタービン１の出力となる。負荷機器５０の代表例は発電機であるが、ポンプ等も適用され得る。低圧タービン２０を駆動した燃焼ガスは排気ガスとして排出される。
【0018】
－第１センサ－
ＩＧＶ１４には、ＩＧＶ１４の開度（ＩＧＶ１４を構成する可変静翼であるベーンの角度）を検出する第１センサ５１が設けられている。このように、本例では角度センサを第１センサ５１に用い、ＩＧＶ１４の開度を圧縮機風量（圧縮機１１を流れる圧縮空気の流量）に関する情報として検出する場合を例示している。但し、例えば圧縮機１１の圧縮空気流路（例えばその入口）に第１センサ５１として風量計を設置し、圧縮機風量を直接検出する構成としても良い。また、ＩＧＶ１４の開度は制御コンピュータ４０により制御されるため、制御コンピュータ４０からＩＧＶ１４に出力される電気信号を測定する電流計或いは電圧計を第１センサ５１として用いることも考えられる。
ＩＧＶ１４には、ＩＧＶ１４の開度（ＩＧＶ１４を構成する可変静翼であるベーンの角度）を検出する第１センサ５１が設けられている。このように、本例では角度センサを第１センサ５１に用い、ＩＧＶ１４の開度を圧縮機風量（圧縮機１１を流れる圧縮空気の流量）に関する情報として検出する場合を例示している。但し、例えば圧縮機１１の圧縮空気流路（例えばその入口）に第１センサ５１として風量計を設置し、圧縮機風量を直接検出する構成としても良い。また、ＩＧＶ１４の開度は制御コンピュータ４０により制御されるため、制御コンピュータ４０からＩＧＶ１４に出力される電気信号を測定する電流計或いは電圧計を第１センサ５１として用いることも考えられる。
【0019】
－第２センサ－
低圧タービン２０の排気通路２２には第２センサ５２が設けられている。本例における第２センサ５２は温度計であり、高圧タービン１３の入口温度（以下、高圧タービン入口温度と略称する）に関する情報として排気通路２２を流れる排気ガスの温度が第２センサ５２により検出される。このように、本例では温度センサを第２センサ５２に用い、高圧タービン入口温度に関する情報として排気温度を検出する場合を例示している。但し、例えば高圧タービン１３と低圧タービン２０を繋ぐガス通路に第２センサ５２として温度計を設置し、このガス通路の温度を高圧タービン入口温度に関する情報として検出する構成も考えられる。また、例えば高圧タービン１３の入口に第２センサ５２として温度計を設置し、高圧タービン入口温度を直接検出する構成としても良い。
低圧タービン２０の排気通路２２には第２センサ５２が設けられている。本例における第２センサ５２は温度計であり、高圧タービン１３の入口温度（以下、高圧タービン入口温度と略称する）に関する情報として排気通路２２を流れる排気ガスの温度が第２センサ５２により検出される。このように、本例では温度センサを第２センサ５２に用い、高圧タービン入口温度に関する情報として排気温度を検出する場合を例示している。但し、例えば高圧タービン１３と低圧タービン２０を繋ぐガス通路に第２センサ５２として温度計を設置し、このガス通路の温度を高圧タービン入口温度に関する情報として検出する構成も考えられる。また、例えば高圧タービン１３の入口に第２センサ５２として温度計を設置し、高圧タービン入口温度を直接検出する構成としても良い。
【0020】
－隙間調整機構－
隙間調整機構３０はタービン動翼１６とケーシング１７との間の上記隙間Ｇを調整する機構であり、冷却空気配管３１及び流量調整弁３２を含んで構成されている。冷却空気配管３１は高圧タービン１３のケーシング１７を冷却する冷却空気を通す配管であり、冷却空気源とケーシング１７を接続している。ケーシング１７の壁内には冷却空気通路が設けられており、冷却空気配管３１を介して供給された冷却空気はケーシング１７の冷却空気通路を通ってケーシング１７から排出される。本例では冷却空気源は圧縮機１１であり、圧縮機１１の例えば低圧段又は中圧段から圧縮空気が圧縮空気として抽気されて冷却空気配管３１に導入される。但し、冷却空気源は圧縮機１１には限定されず、別途設けたブロワや送風機等を適用することもできる。流量調整弁３２は冷却空気配管３１に設けられており、流量調整弁３２の開度によって高圧タービン１３のケーシング１７を冷却する冷却空気の流量が調整される。
隙間調整機構３０はタービン動翼１６とケーシング１７との間の上記隙間Ｇを調整する機構であり、冷却空気配管３１及び流量調整弁３２を含んで構成されている。冷却空気配管３１は高圧タービン１３のケーシング１７を冷却する冷却空気を通す配管であり、冷却空気源とケーシング１７を接続している。ケーシング１７の壁内には冷却空気通路が設けられており、冷却空気配管３１を介して供給された冷却空気はケーシング１７の冷却空気通路を通ってケーシング１７から排出される。本例では冷却空気源は圧縮機１１であり、圧縮機１１の例えば低圧段又は中圧段から圧縮空気が圧縮空気として抽気されて冷却空気配管３１に導入される。但し、冷却空気源は圧縮機１１には限定されず、別途設けたブロワや送風機等を適用することもできる。流量調整弁３２は冷却空気配管３１に設けられており、流量調整弁３２の開度によって高圧タービン１３のケーシング１７を冷却する冷却空気の流量が調整される。
【0021】
－制御コンピュータ－
制御コンピュータ４０はＣＰＵやメモリを備えており、第１センサ５１及び第２センサ５２の信号に基づいて流量調整弁３２を制御するようにプログラムされている。メモリに格納されたプログラムをＣＰＵにロードして、第１センサ５１及び第２センサ５２の信号に基づいて流量調整弁３２を制御する構成である。具体的には、制御コンピュータ４０は、第１センサ５１に基づく高圧タービン入口温度及び第２センサ５２に基づく圧縮機風量のいずれか一方の値が他方の値に先行して定格値に到達した場合に、流量調整弁３２を駆動して他方の値を定格値に近付ける機能を持つ。第１センサ５１に基づく高圧タービン入口温度とは、第１センサ５１で検出された高圧タービン入口温度、又は第１センサ５１の信号を基に計算された高圧タービン入口温度である。第２センサ５２に基づく圧縮機風量とは、第２センサ５２で検出された圧縮空気風量、又は第２センサ５２の信号を基に計算された圧縮空気風量である。
制御コンピュータ４０はＣＰＵやメモリを備えており、第１センサ５１及び第２センサ５２の信号に基づいて流量調整弁３２を制御するようにプログラムされている。メモリに格納されたプログラムをＣＰＵにロードして、第１センサ５１及び第２センサ５２の信号に基づいて流量調整弁３２を制御する構成である。具体的には、制御コンピュータ４０は、第１センサ５１に基づく高圧タービン入口温度及び第２センサ５２に基づく圧縮機風量のいずれか一方の値が他方の値に先行して定格値に到達した場合に、流量調整弁３２を駆動して他方の値を定格値に近付ける機能を持つ。第１センサ５１に基づく高圧タービン入口温度とは、第１センサ５１で検出された高圧タービン入口温度、又は第１センサ５１の信号を基に計算された高圧タービン入口温度である。第２センサ５２に基づく圧縮機風量とは、第２センサ５２で検出された圧縮空気風量、又は第２センサ５２の信号を基に計算された圧縮空気風量である。
【0022】
例えば設計温度よりも気温（圧縮機１１の吸気温度）が低い場合のように、圧縮機風量がその定格値に到達しても、高圧タービン入口温度がその定格値に満たない場合がある。制御コンピュータ４０は、このように圧縮機風量と高圧タービン入口温度のうち圧縮機風量のみがその定格値に到達している場合には、流量調整弁３２を制御して冷却空気流量を減少させ、ケーシング１７とタービン動翼１６との隙間Ｇを拡大する制御を実行する。この場合の流量調整弁３２に対する指令値（流量調整弁３２の開度の減少量）としては、高圧タービン入口温度とその定格値との差を０にする（又は差を所定値以下とする）値がメモリに格納されたプログラムに従って演算される。
【0023】
反対に、設計温度よりも気温が高い場合のように、高圧タービン入口温度がその定格値に到達しても、圧縮機風量がその定格値に満たない場合もある。制御コンピュータ４０は、このように圧縮機風量と高圧タービン入口温度のうち高圧タービン入口温度のみがその定格値に到達している場合には、流量調整弁３２を制御して冷却空気流量を増加させ、上記隙間Ｇを縮小する制御を実行する。この場合の流量調整弁３２に対する指令値（開度の増加量）としては、圧縮機風量とその定格値との差を０にする（又は差を所定値以下とする）値がメモリに格納されたプログラムに従って演算される。
【0024】
高圧タービン入口温度と圧縮機風量が共に各定格値に到達している場合には、流量調整弁３２の開度は維持される。流量調整弁３２を制御することなく高圧タービン入口温度と圧縮機風量が共に各定格値に到達する場合、流量調整弁３２の開度は基準開度で維持される。基準開度とは、気温が設計温度に等しい条件下で定格運転に移行した場合に目標流量（設定値）の冷却空気がケーシング１７に供給されるように設定した流量調整弁３２の開度であり、流量調整弁３２の開度の最大値と最小値の中間の値である。従って、制御コンピュータ４０の実行する制御により、例えば圧縮機風量が先に定格値に到達した場合には、流量調整弁３２の開度は基準開度よりも低い状態で定格運転状態に移行する。反対に高圧タービン入口温度が先に定格値に到達した場合には、流量調整弁３２の開度は基準開度よりも高い状態で定格運転状態に移行する。
【0025】
なお、設計温度とは、ガスタービン１の設計段階で圧縮機１１の標準的な吸気温度として設定された値である。本実施形態におけるガスタービン１は、図３で後述する流量調整弁３２の制御をしなくても、設計温度下で圧縮空気風量と高圧タービン入口温度がそれぞれ定格値に到達するように設計されている。また、定格値とは高圧タービン入口温度及び圧縮機風量についてそれぞれ設定された値であり、定格運転状態におけるガスタービン１の高圧タービン入口温度及び圧縮機風量である。これら定格値には、高圧タービン入口温度及び圧縮機風量についてそれぞれ単一の数値を設定することができるが、所定の範囲（上限値及び下限値を持つ値）を設定することもできる。
【0026】
－動作－
図３は制御コンピュータ４０による流量調整弁３２の制御手順を表すフローチャートである。ガスタービン１の運転開始後、制御コンピュータ４０は同図の手順を開始し、第１センサ５１及び第２センサ５２の信号を入力し（ステップＳ１）、圧縮機風量Ｆ及び高圧タービン入口温度Ｔを演算する（ステップＳ２，Ｓ３）。ステップＳ２，Ｓ３の順序は逆であっても良い。次に制御コンピュータ４０は、圧縮機風量Ｆがその定格値に達しているか（ステップＳ４）、高圧タービン入口温度Ｔがその定格値に達しているか（ステップＳ５，Ｓ６）を順次判定する。圧縮機風量Ｆと高圧タービン入口温度Ｔに関する判定の順序は逆でも良い。
図３は制御コンピュータ４０による流量調整弁３２の制御手順を表すフローチャートである。ガスタービン１の運転開始後、制御コンピュータ４０は同図の手順を開始し、第１センサ５１及び第２センサ５２の信号を入力し（ステップＳ１）、圧縮機風量Ｆ及び高圧タービン入口温度Ｔを演算する（ステップＳ２，Ｓ３）。ステップＳ２，Ｓ３の順序は逆であっても良い。次に制御コンピュータ４０は、圧縮機風量Ｆがその定格値に達しているか（ステップＳ４）、高圧タービン入口温度Ｔがその定格値に達しているか（ステップＳ５，Ｓ６）を順次判定する。圧縮機風量Ｆと高圧タービン入口温度Ｔに関する判定の順序は逆でも良い。
【0027】
ステップＳ４－Ｓ６の判定の結果、圧縮機風量Ｆと高圧タービン入口温度Ｔのいずれもが定格値に達していない場合、制御コンピュータ４０は、流量調整弁３２の開度を維持して手順をステップＳ１に戻す（ステップＳ４→Ｓ６→Ｓ１）。圧縮機風量Ｆと高圧タービン入口温度Ｔのうち高圧タービン入口温度Ｔのみが定格値に達した状態である場合、制御コンピュータ４０は流量調整弁３２の開度を上げて隙間Ｇを縮小し（ステップＳ７）手順をステップＳ１に戻す（ステップＳ４→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ１）。圧縮機風量Ｆ及び高圧タービン入口温度Ｔのうち圧縮機風量Ｆのみが定格値に達した状態である場合、制御コンピュータ４０は流量調整弁３２の開度を下げて隙間Ｇを拡大し（ステップＳ８）手順をステップＳ１に戻す（ステップＳ４→Ｓ５→Ｓ８→Ｓ１）。
【0028】
そして、以上の制御手順を実行することで、圧縮機風量Ｆ及び高圧タービン入口温度Ｔの双方がそれぞれ定格値に到達する。これによって起動運転が完了し、ガスタービン１が定格運転状態に移行する。圧縮機風量Ｆ及び高圧タービン入口温度Ｔの双方が定格値に到達した状態でも、運転停止又は負荷減少の指令が入力されるまでは、制御コンピュータ４０は手順をステップＳ１に戻して図３の制御を継続する（ステップＳ４→Ｓ５→ＲＥＴＵＲＮ→Ｓ１）。例えば運転状況の変化によって圧縮機風量Ｆ及び高圧タービン入口温度Ｔのいずれか一方がその定格値を下回った場合には、流量調整弁３２の開度調整が再度実行される。
【0029】
－効果－
図４は本実施の形態に係る二軸式ガスタービンの出力についての吸気温度に対する特性を示した図である。図５は本実施の形態に係る二軸式ガスタービンの効率についての吸気温度に対する特性を示した図である。これらの図中の実線は発明を適用した場合（図３の手順で流量調整弁３２を制御する場合）の特性、点線は発明を適用しない場合の特性を表している。既に述べた通り、圧縮機１１の吸気温度が設計温度である条件下で高圧タービン入口温度及び圧縮機風量の双方が定格値に達するように、ガスタービン１は設計されている。従来の二軸式ガスタービンにおいては、高圧タービン入口温度及び圧縮機風量の一方が定格値に達した場合に他方を定格値まで上げる手段が一般にないため、一方が定格値に到達することで定格運転状態とされていた。従って、例えば吸気温度が設計温度より低い条件下では、通常は圧縮機風量が先に定格値に到達し、定格運転中も高圧タービン入口温度が定格値に満たないままであった。反対に吸気温度が設計温度より高い条件下では、高圧タービン入口温度が先に定格値に到達し、定格運転中も圧縮機風量が定格値に満たないままであった。その結果、吸気温度が設計温度と異なる条件下では、吸気温度が設計温度に等しい場合に比べてガスタービンの出力が低下する傾向にあった。
図４は本実施の形態に係る二軸式ガスタービンの出力についての吸気温度に対する特性を示した図である。図５は本実施の形態に係る二軸式ガスタービンの効率についての吸気温度に対する特性を示した図である。これらの図中の実線は発明を適用した場合（図３の手順で流量調整弁３２を制御する場合）の特性、点線は発明を適用しない場合の特性を表している。既に述べた通り、圧縮機１１の吸気温度が設計温度である条件下で高圧タービン入口温度及び圧縮機風量の双方が定格値に達するように、ガスタービン１は設計されている。従来の二軸式ガスタービンにおいては、高圧タービン入口温度及び圧縮機風量の一方が定格値に達した場合に他方を定格値まで上げる手段が一般にないため、一方が定格値に到達することで定格運転状態とされていた。従って、例えば吸気温度が設計温度より低い条件下では、通常は圧縮機風量が先に定格値に到達し、定格運転中も高圧タービン入口温度が定格値に満たないままであった。反対に吸気温度が設計温度より高い条件下では、高圧タービン入口温度が先に定格値に到達し、定格運転中も圧縮機風量が定格値に満たないままであった。その結果、吸気温度が設計温度と異なる条件下では、吸気温度が設計温度に等しい場合に比べてガスタービンの出力が低下する傾向にあった。
【0030】
それに対し、本実施形態では、圧縮機風量が定格値に到達して高圧タービン入口温度が定格値に満たない場合、流量調整弁３２の開度を下げて高圧タービン１３のケーシング１７とタービン動翼１６との間の隙間Ｇを拡大する。これにより図５に示したようにガスタービン１の効率は低下するが、高圧タービン入口温度に対して釣り合う圧縮機風量が減少し、圧縮機風量を維持しつつ高圧タービン入口温度を上昇させることができる。よって吸気温度が設計温度より低い条件下でも高圧タービン入口温度を定格値まで上昇させることができ、定格運転時において高圧タービン入口温度及び圧縮機風量が共に定格値に達した状態としてガスタービン１の出力を上げることができる。ガスタービン１の出力を上げるために熱効率をあえて低下させる、ケーシング冷却空気の特殊な制御態様である。熱効率よりも出力が重視される場合に有用である。
【0031】
反対に高圧タービン入口温度が定格値に到達して圧縮機風量が定格値に満たない場合、流量調整弁３２の開度を上げて高圧タービン１３のケーシング１７とタービン動翼１６との間の隙間Ｇを縮小する。これにより圧縮機風量に対して釣り合う高圧タービン入口温度が下がり、高圧タービン入口温度を維持しつつ圧縮機風量を増加させることができる。よって吸気温度が設計温度より高い条件下でも圧縮機風量を定格値まで上昇させることができ、定格運転時において高圧タービン入口温度及び圧縮機風量が共に定格値に達した状態としてガスタービン１の出力を上げることができる。ガスタービン１の効率も向上する。
【0032】
ここで、例えば低圧タービン２０の初段静翼を可動翼（可変静翼）とし、可動翼の開度を調整することにより、高圧タービン１３及び低圧タービン２０の出力割合を変更することができる。このような方法でも、大気温度によらず高圧タービン入口温度及び圧縮機風量を定格値まで上昇させることができる。しかし、近年の燃焼温度の上昇に伴って低圧タービンの入口温度は上昇してきており、低圧タービンの初段静翼を冷却翼化する必要性が生じてきている。そのため、低圧タービン２０の初段静翼を可動翼とすることが難しくなってきている。それに対し本実施形態では、低圧タービン２０の初段に可変静翼を用いることができない場合においても、隙間Ｇの調整機構があれば同様の技術的効果を得ることができる強みがある。
【0033】
なお、本実施形態では高圧タービン入口温度のみが定格値に到達し圧縮機風量が定格値に満たない場合に隙間Ｇを減少させる制御を実行する場合を例示した。しかし、例えばプラント運用の観点から、圧縮機風量のみが定格値に到達し高圧タービン入口温度が定格値に満たない状態で隙間Ｇを拡大する制御機能があれば足りる場合には、隙間Ｇを減少させる制御は省略することができる。
【0034】
－コンバインドサイクル－
図６は本発明の一実施形態に係るコンバインドサイクルの模式図である。同図に示したコンバインドサイクル２は、図１に示したガスタービン１に、ボイラ（排廃熱回収ボイラ）６０、蒸気タービン７０及び復水器８０を主な構成要素として追加して構成されている。ボイラ６０は、ガスタービン１（低圧タービン２０）の排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させるものであり、復水器８０から供給される水をガスタービン１の排気ガスで加熱して蒸気を生成する。ボイラ６０には助燃装置（不図示）が設けられる場合もある。蒸気タービン７０はボイラ６０で発生した蒸気により回転駆動される。蒸気タービン７０の回転軸７１には負荷機器（発電機等）９０が連結され、蒸気タービン７０の出力で負荷機器９０（負荷機器５０や圧縮機１１とは別個の負荷機器）が駆動される。但し、負荷機器５０を負荷機器９０としても良い（負荷機器５０を低圧タービン２０及び蒸気タービン７０で駆動する構成としても良い）。また蒸気タービン７０を圧縮機１１に連結し、圧縮機１１を低圧タービン２０及び蒸気タービン７０で駆動する構成とすることもできる。蒸気タービン７０を駆動した蒸気は復水器８０に導かれて凝縮され、再びボイラ６０に送られる。その他の構成は図１に示したガスタービンプラントと同様である。
図６は本発明の一実施形態に係るコンバインドサイクルの模式図である。同図に示したコンバインドサイクル２は、図１に示したガスタービン１に、ボイラ（排廃熱回収ボイラ）６０、蒸気タービン７０及び復水器８０を主な構成要素として追加して構成されている。ボイラ６０は、ガスタービン１（低圧タービン２０）の排気ガスの熱を回収して蒸気を発生させるものであり、復水器８０から供給される水をガスタービン１の排気ガスで加熱して蒸気を生成する。ボイラ６０には助燃装置（不図示）が設けられる場合もある。蒸気タービン７０はボイラ６０で発生した蒸気により回転駆動される。蒸気タービン７０の回転軸７１には負荷機器（発電機等）９０が連結され、蒸気タービン７０の出力で負荷機器９０（負荷機器５０や圧縮機１１とは別個の負荷機器）が駆動される。但し、負荷機器５０を負荷機器９０としても良い（負荷機器５０を低圧タービン２０及び蒸気タービン７０で駆動する構成としても良い）。また蒸気タービン７０を圧縮機１１に連結し、圧縮機１１を低圧タービン２０及び蒸気タービン７０で駆動する構成とすることもできる。蒸気タービン７０を駆動した蒸気は復水器８０に導かれて凝縮され、再びボイラ６０に送られる。その他の構成は図１に示したガスタービンプラントと同様である。
【0035】
図７は本実施の形態に係るコンバインドサイクルの出力についての吸気温度に対する特性を示した図である。図８は本実施の形態に係るコンバインドサイクルの効率についての吸気温度に対する特性を示した図である。図７及び図８は図４及び図５に対応する図である。
【0036】
ガスタービン１は、コンバインドサイクルを構成する場合においても、圧縮機風量が定格値に到達する一方で高圧タービン入口温度が定格値に満たない場合、間隙Ｇを拡大することで高圧ガスタービン入口温度を上昇させることができる。特に図６のようにコンバインドサイクル２を構成するガスタービン１を対象とすることで、高圧タービン入口温度と共にガスタービン１の排気温度が上昇するため、図１の例と異なりプラント出力に加えて熱効率も向上する（図８）。高圧タービン入口温度が定格値に到達する一方で圧縮機風量が定格値に満たない場合、冷却空気流量を増加させて間隙Ｇを縮めることで図１の例と同様の効果が得られる。このようにコンバインドサイクルを構成する二軸式ガスタービンにも本発明は適用可能であり、効果を奏する。本例においても、圧縮機風量のみが定格値に到達し高圧タービン入口温度が定格値に満たない状態で隙間Ｇを拡大する制御機能があれば足りる場合には、隙間Ｇを減少させる制御は省略することができる。
【0037】
－変形例－
各実施の形態に例示した構成は代表例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、軸流型の二軸式ガスタービンに発明を適用した場合を例示して説明したが、例えば遠心型の二軸式ガスタービンに発明を適用することもできる。但し、遠心型の二軸式ガスタービンではＩＧＶは一般に用いられず、圧縮機風量は圧縮機の回転数に依存する。従って、圧縮機風量が定格値に達したか否かについては、例えば圧縮機に回転数検出器を設け、回転数検出器の検出信号によって圧縮機の回転数が定格値に達したか否かを制御装置で判断することができる。
各実施の形態に例示した構成は代表例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、軸流型の二軸式ガスタービンに発明を適用した場合を例示して説明したが、例えば遠心型の二軸式ガスタービンに発明を適用することもできる。但し、遠心型の二軸式ガスタービンではＩＧＶは一般に用いられず、圧縮機風量は圧縮機の回転数に依存する。従って、圧縮機風量が定格値に達したか否かについては、例えば圧縮機に回転数検出器を設け、回転数検出器の検出信号によって圧縮機の回転数が定格値に達したか否かを制御装置で判断することができる。
【符号の説明】
【0038】
１…二軸式ガスタービン、２…コンバインドサイクル、１１…圧縮機、１２…燃焼器、１３…高圧タービン、１６…タービン動翼、１７…ケーシング、２０…低圧タービン、３１…冷却空気配管、３２…流量調整弁、４０…制御コンピュータ、５１…第１センサ、５２…第２センサ、Ｆ…圧縮機風量、Ｇ…ケーシングとタービン動翼との隙間、Ｔ…高圧タービン入口温度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】