JP2008274950A - ターボ機械内で冷却流体をリアルタイムに調節するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械（１００）内で冷却流体をリアルタイムに調節するための方法及びシステムを提供する。
【解決手段】本システムは、入口部分（１７８）及び出口部分（１８８）を備えかつ冷却流体の少なくとも１つの特性を調整する外部フローコンディショニングシステム（１７６）を含むことができる。本システムはまた、１以上の熱交換器（１７０）と、１以上の制御弁（１８０）と、１以上のバイパスオリフィス（１８２）と、１以上の停止弁（１８４）と、制御システム（１８６）とを含むことができる。
【選択図】 図２Ａ

Description

本出願は、総括的にはターボ機械における冷却システムに関し、より具体的には、ターボ機械内で冷却流体を調節するためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンのような幾つかのターボ機械では、圧縮機で加圧された空気の一部分は一般的に、様々な固定及び回転構成要素を冷却するために或いはガスタービン内の空洞をパージするために、燃焼から流用される。流用された空気流（以下では、「冷却流体」などという）は、圧縮機によって加圧された総空気流の大きな量を消費する。流用冷却流体は燃焼されず、従ってガスタービンの性能を低下させる。冷却流体を調節及び制御することにより、タービンの性能を劇的に増大させることができる。

一般的に、冷却流体は、圧縮機から抽出され、燃焼システムを迂回し、かつ冷却回路を通って流れる。冷却回路は、タービンホイールスペース領域を含む様々なタービン構成要素に隣接して延びることができる。冷却回路は一般的に、シールシステムと一体である。

シールシステム構成要素とガスタービンロータとの間には、比較的緊密な間隙を存在させることができる。シールシステムの摩耗により、シールシステム間隙が拡大する可能性がある。この摩耗は、過剰な冷却流体がシールシステムの下流に流れるのを許し、これが、ガスタービンの全体効率を低下させる。摩耗は、「トリップ」（ターボ機械の緊急停止）によって引き起こされる可能性がある。シールはまた、長期にわたるガスタービン運転により摩耗する可能性がある。

幾つかの冷却回路は、冷却流体を特定のホイールスペース領域に導く複数の内部チャンバを含むことができる。さらに、内部チャンバの各々は、冷却流体が特定のホイールスペース領域内に流れるのを防止するプラグを含むことができる。シールシステムが摩耗するにつれて、プラグを移動又は再配置してシールの下流への冷却流体流量を減少させることができる。

現在公知の冷却回路には、発生可能性がある幾つかの問題が存在する。シールシステム摩耗の予測不能な性質により、冷却回路を通る冷却流体の確定的流量は不可能である。これは通常、冷却回路内の流路面積を一般的に過大寸法にすることを招き、それによって過剰な冷却流体が流れるのを許し、従ってガスタービンの全体効率を低下させることになる。プラグを組み込んだガスタービンは、各プラグを移動又は再配置することができるようにする前に、停止及び分解しなければならない。現在公知のシステムは、ガスタービンが運転中である間には、冷却流体の制御を可能にすることができない。

上述の理由で、ガスタービンが運転中である間に、ガスタービンの１以上のホイールスペース領域内に流れる冷却流体を調節するのを可能にするシステムに対する必要性が存在する。このシステムは、ガスタービンの効率を高めながら１以上のホイールスペース領域の適切な冷却を保証しなければならない。また、このシステムにより、冷却回路を通る確定的流量が得られなければならない。

本発明の実施形態によると、圧縮機セクション及び１以上のホイールスペース領域を備えたターボ機械内で冷却流体を調節するためのシステムを提供し、本システムは、冷却流体を受ける入口部分及び出口部分を備えかつ冷却流体の少なくとも１つの特性を調整する外部フローコンディショニングシステムと、その各々が傾斜部分を備えた複数のフローチャンバとを含み、複数のフローチャンバの各々の一部分は、外部フローコンディショニングシステムの出口部分から冷却流体を受け、複数のフローチャンバの各々は、冷却流体が１以上のホイールスペース領域に流れるのを可能にし、また傾斜部分は、冷却流体を該冷却流体に事前にスワールを与えるように導く。

本発明の別の実施形態によると、圧縮機セクション及び１以上のホイールスペース領域を備えたターボ機械内で冷却流体を調節するためのシステムを提供し、本システムは、１以上の熱交換器を含み、１以上の熱交換器は、１以上の抽出ポートから冷却流体を受けるための上流部分と、冷却流体が該１以上の熱交換器から流れるのを可能にするための下流部分とを含み、本システムはまた、外部フローコンディショニングシステムを含み、外部フローコンディショニングシステムは、１以上の熱交換器冷却流体を受ける入口部分及び出口部分と、１以上の制御弁と、１以上のバイパスオリフィスと、１以上の停止弁と、制御システムとを含み、本システムはさらに、複数のフローチャンバを含み、複数のフローチャンバの各々は、外部フローコンディショニングシステムの出口部分から冷却流体を受け、複数のフローチャンバの各々は、冷却流体を該冷却流体に事前にスワールを与えるように導く傾斜部分を含み、複数のフローチャンバの各々は、冷却流体がターボ機械の１以上のホイールスペース領域に流れるのを可能にする。

本発明のさらに別の実施形態によると、圧縮機セクション及び１以上のホイールスペース領域を備えたターボ機械内で冷却流体を調節する方法を提供し、本方法は、冷却流体を受ける入口部分及び出口部分を備えた外部フローコンディショニングシステムを設ける段階と、その各々が、冷却流体を該冷却流体に事前にスワールを与えるように導く傾斜部分を備え、その各々の一部分が、外部フローコンディショニングシステムの出口部分から冷却流体を受け、かつその各々が、冷却流体が１以上のホイールスペース領域に流れるのを可能にする複数のフローチャンバを設ける段階と、１以上のホイールスペース温度を含む複数の冷却流体データを受信する段階と、冷却流体データが、ホイールスペース温度を含む少なくとも１つの範囲を超えているか否かを判定する段階と、必要に応じて、外部フローコンディショニングシステムを使用して、冷却流体データが少なくとも１つの範囲内になるまで冷却流体を調整する段階とを含む。

特定の専門用語は、本明細書では便宜上のみで用いており、本発明に対する限定として解釈すべきではない。例えば、「上方の」「下方の」「左の」「前面の」「右の」「水平方向の」「垂直方向の」「上流の」「下流の」「前方の」及び「後方の」などの用語は、単に図に示す構成を説明するだけである。実際には、構成要素はあらゆる方向に配向することができ、従って専門用語は、特にそうでないことを指定しない限り、そのような変化形態を包含するものとして理解されたい。

次に、幾つかの図を通して様々な参照符号が同様の構成要素を表している図を参照すると、図１は、その中で本発明の実施形態が運転される環境を示す、ガスタービンの概略断面図である。図１はまた、熱交換器１７０及び外部フローコンディショニングシステム１７６の概略実施形態を示す。図１において、ガスタービン１００は、圧縮機セクション１０５、燃焼セクション１３０、タービンセクション１５０、熱交換器１７０、及び外部フローコンディショニングシステム１７６を含む。

一般的に、圧縮機セクション１０５は、流体を加圧するように構成された複数の回転ブレード１１０及び固定ベーン１１５を含む。圧縮機セクション１０５はまた、１以上の抽出ポート１２０と、連結ポート１２７を備えた圧縮機吐出ケーシング１２５とを含むことができる。

一般的に、燃焼セクション１３０は、複数の燃焼缶１３５（１つのみを示す）、複数の燃料ノズル１４０、及び複数の移行セクション１４５（１つのみを示す）を含む。複数の燃焼缶１３５は、燃料源（図示せず）に結合することができる。各燃焼缶１３５内において、圧縮機セクション１０５から加圧空気を受け、かつ燃料源から受けた燃料と混合する。空気及び燃料の混合気は、点火されかつ作動流体を形成する。作動流体は一般的に、複数の燃料ノズル１４０の後端部から移行セクション１４５を通って下流方向にタービンセクション１５０内に進む。

一般的に、タービンセクション１５０は、複数の回転構成要素１５５、複数の固定構成要素１６０、及び複数のホイールスペース領域１６５を含む。一般的に、タービンセクション１５０は、作動流体を機械的トルクに変換する。

図１はまた、熱交換器１７０を示す。熱交換器１７０は、抽出ポート１２０に直接的に又は間接的に連結することができる上流ポート１７２を含む。熱交換器１７０はまた、圧縮機吐出ケーシング１２５上の連結ポート１２７に直接的に又は間接的に結合することができる下流ポート１７４を含む。

図１はまた、外部フローコンディショニングシステム１７６を示す。本発明の実施形態では、外部フローコンディショニングシステム１７６は、入口ポート１７８、制御弁１８０、バイパスオリフィス１８２、停止弁１８４、制御システム１８６、及び出口部分１８８を含む。

一般的に、ガスタービン１００の運転時に、複数の構成要素は高温を受け、冷却又はパージを必要とする可能性がある。これらの構成要素には、複数のホイールスペース領域１６５を含むことができる。

本発明の実施形態では、抽出ポート１２０は、圧縮機セクション１０５から冷却流体を引き出す。冷却流体は次に、熱交換器１７０の上流ポート１７２に流れることができる。熱交換器１７０は、冷却流体の温度を変更させることができる。次に、外部フローコンディショニングシステム１７６の入口部分１７８は、熱交換器１７０の下流ポート１７４から冷却流体を受けることができる。外部フローコンディショニングシステム１７６の制御システム１８６は、制御弁１８０のストローク及び停止弁１８４のストロークを制御することによって冷却流体の流量を調整することができる。冷却流体は次に、外部フローコンディショニングシステム１７６の出口部分１８８を通って流れ、次に連結ポート１２７を介して圧縮機吐出ケーシング１２５に流入することができ、その後冷却流体は、複数のホイールスペース領域１６５の少なくとも１つを含む様々な構成要素を冷却又はパージする冷却回路（図２Ａに示す）を通って流れることができる。

次に、合わさって図２を構成する、本発明の実施形態によるガスタービンの一部分の部分概略断面図を示す図２Ａ及び図２Ｂ参照する。

図２Ａは、それに限定されないが、内部冷却回路２００を備えた本発明の実施形態の実施例を示す。内部冷却回路２００の流路は、連結ポート１２７で始まり、圧縮機吐出ケーシング１２５を通って流れ、次にホイールスペース領域１６５に流れることができる。

本発明の実施形態によると、内部冷却回路２００は、複数の冷却チャンバ２１０を含み、複数の冷却チャンバ２１０の各々は、少なくとも１つ傾斜部分２２０を含むことができる。

複数の冷却チャンバ２１０の各々は、圧縮機吐出ケーシング１２５の一部分を貫通して延びることができる。複数の冷却チャンバ２１０の各々は、所望の冷却流特性を可能にするあらゆる形状のものとすることができる。さらに、複数の冷却チャンバ２１０の各々は、ガスタービン１００内での冷却チャンバ２１０の費用効率のある形成方法を可能にするあらゆる形状を備えることができる。

本発明の１つの実施形態では、複数の冷却チャンバ２１０の一部分は、圧縮機吐出ケーシング１２５の上半分上に設置することができ、また複数の冷却チャンバ２１０の一部分は、圧縮機吐出ケーシング１２５の下半分上に設置することができる。

複数の冷却チャンバ２１０の各々はまた、１以上の傾斜部分２２０を含むことができる。傾斜部分２２０は、複数のホイールスペース領域１６５の少なくとも１つに隣接して冷却チャンバ２１０の一部分を含むことができる。

次に図２Ｂを参照すると、この図は、線２Ｂ−２Ｂに沿った傾斜部分２２０の断面図を示している。傾斜部分２２０は、ガスタービンロータの回転軸線（図示せず）に対して測定した角度αを有することができる。傾斜部分２２０は、内部冷却回路２００の流路を変更して、複数のホイールスペース領域１６５の少なくとも１つに流入する可能性がある冷却流体の事前の旋回を形成することができる。角度αの大きさは、ガスタービン１００の効率を増大させるように構成することができる。

使用中に、本発明の実施形態では、熱交換器１７０の上流ポート１７２は、抽出ポート１２０を介して圧縮機セクション１０５から冷却流体を受けることができる。ここで、上流ポート１７２は、連結ポート１２７に直接的に又は間接的に連結することができる。次に、熱交換器は、冷却流体の温度を特定の範囲に調整することができる。本発明では、ユーザが特定の範囲を設定又は変更することを可能とすることができる。冷却流体は次に、下流ポート１７４を介して熱交換器１７０から流出して、最終的には外部フローコンディショニングシステム１７６の入口部分１７８に流れることができる。下流ポート１７４は、入口部分１７８に直接的に又は間接的に連結することができる。

外部フローコンディショニングシステム１７６に流入する冷却流体の一部分は、１以上の制御弁１８０又はバイパスオリフィス１８２を通って流れることができる。制御システム１８６は、１以上の制御弁１８０を通って流れる冷却流体の量を決定することができる。制御システム１８６は、複数の冷却流体データを受信することができる。冷却流体データには、例えばそれに限定されないが１以上のホイールスペース温度データを含むことができる。さらに、制御システム１８６は、様々なソースから冷却流体データを受信することができる。これらのソースには、例えばそれに限定されないが、ホイールスペース熱電対のような１以上の熱電素子からのフィードバック、又は一次タービン制御システムなどのような別の制御システムを含むことができる。

次に、制御システム１８６は、例えばそれに限定されないが複数のホイールスペース領域１６５内の温度のような受信した冷却流体データが、少なくとも１つの特定の範囲内にあるか否かを判定することができる。冷却流体データが、少なくとも１つの特定の範囲を超えている場合には、制御システム１８６は、１以上の制御弁１８０のストロークを増大させて複数のホイールスペース領域１６５に流れる冷却流体の量を増加させることができる。その後、制御システム１８６は、複数のホイールスペース領域１６５を監視して、複数のホイールスペース領域１６５に流れる冷却流体の量における付加的調整が必要であるか否かを決定することができる。さらに、熱過渡１６５の可能性を減少させるために、制御システム１８６は、１以上の制御弁１８０のストロークを調整しながら、１以上の停止弁１８４のストロークを調整することができる。

外部フローコンディショニングシステム１７６で冷却流体を調整した後に、冷却流体は、出口部分１８８を介して圧縮機吐出ケーシング１２５に流れることができる。出口部分１８８は、停止弁１８４の比較的下流に設置することができ、連結ポート１２７に直接的に又は間接的に連結することができる。冷却流体は次に、前述のように連結ポート１２７を通って冷却回路２００に流れることができる。次に、冷却流体は、これもまた前述したように複数のホイールスペース領域１６５に関与することができる。

本発明により、ユーザは、ガスタービンが運転中である間に、圧縮機セクション１０５から抽出される冷却流体の量を柔軟に調整することが可能になる。前述の特徴により、ユーザは、シールシステム構成要素（図示せず）の摩耗を補償することによってガスタービン１００の性能及び効率を最大にすることを可能とすることができる。外部フローコンディショニングシステム１７６により、ユーザは、温度及び流量のような冷却流体の特性をリアルタイムで調整することが可能になる。前述の特徴により、内部冷却回路２００を通るほぼ確定的な流量を得ることができる。

その幾つかの例示的な実施形態のみに関して本発明を極めて詳細に示しかつ説明してきたが、本発明の新規な教示及び利点から大きく逸脱することなく特に前述の教示に照らして、開示した実施形態に様々な修正、省略及び付加を行うことができるので、本発明を実施形態に限定する意図はないことを当業者には理解されたい。従って、全てのそのような修正、省略、追加及び均等物は、特許請求の範囲によって定まる本発明の技術思想及び技術的範囲内に含ませることができるものとして保護されることを意図している。

その中で本発明の実施形態が運転される環境を示す、ガスタービンの概略断面図。 図２Ｂと合わさって図２を構成する、本発明の実施形態によるガスタービンの一部分の部分概略断面図。 図２Ａと合わさって図２を構成する、本発明の実施形態によるガスタービンの一部分の部分概略断面図。

符号の説明

１００ ガスタービン
１０５ 圧縮機セクション
１１０ 回転ブレード
１１５ 固定ベーン
１２０ 抽出ポート
１２５ 圧縮機吐出ケーシング
１２７ 連結ポート
１３０ 燃焼セクション
１３５ 燃焼缶
１４０ 燃料ノズル
１４５ 移行セクション
１５０ タービンセクション
１５５ 回転構成要素
１６０ 固定構成要素
１６５ ホイールスペース領域
１７０ 熱交換器
１７２ 上流ポート
１７４ 下流ポート
１７６ 外部フローコンディショニングシステム
１７８ 入口ポート
１８０ 制御弁
１８２ バイパスオリフィス
１８４ 停止弁
１８６ 制御システム
１８８ 出口部分
２００ 内部冷却回路
２１０ 冷却チャンバ
２２０ 傾斜部分

Claims (10)

1. 圧縮機セクション（１０５）及び１以上のホイールスペース領域（１６５）を備えたターボ機械（１００）内で冷却流体を調節するためのシステムであって、
   冷却流体を受ける入口部分（１７８）及び出口部分（１８８）を備え、かつ冷却流体の少なくとも１つの特性を調整する外部フローコンディショニングシステム（１７６）と、
   その各々が傾斜部分（２２０）を備えた複数のフローチャンバ（２１０）と、を含み、
   前記複数のフローチャンバ（２１０）の各々の一部分が、前記外部フローコンディショニングシステム（１７６）の出口部分（１８８）から冷却流体を受け、
   前記複数のフローチャンバ（２１０）の各々が、冷却流体が前記１以上のホイールスペース領域（１６５）に流れるのを可能にし、
   前記傾斜部分（２２０）が、冷却流体を該冷却流体に事前にスワールを与えるように導く、
   システム。
2. 前記傾斜部分（２２０）が、約３０度〜約７０度の角度を有する、請求項１記載のシステム。
3. 前記傾斜部分（２２０）が、約１インチ〜約１．５インチの長さを有する、請求項１記載のシステム。
4. 前記外部フローコンディショニングシステム（１７６）が、
   １以上の制御弁（１８０）と、
   １以上のバイパスオリフィス（１８２）と、
   １以上の停止弁（１８４）と、
   制御システム（１８６）と、をさらに含む、
   請求項１記載のシステム。
5. １以上の熱交換器（１７０）をさらに含み、前記１以上の熱交換器（１７０）が、
   １以上の抽出ポート（１２０）から冷却流体を受けるための上流部分と、
   冷却流体が前記外部フローコンディショニングシステム（１７６）の入口部分（１７８）に流れるのを可能にするための下流部分と、を含む、
   請求項２記載のシステム。
6. 前記制御システム（１８６）が、前記ターボ機械運転に関連する複数の冷却流体データを受信し、
   前記複数の冷却流体データが、１以上のホイールスペース温度を含む、
   請求項４記載のシステム。
7. 前記制御システム（１８６）が、前記１以上の制御弁（１８０）のストロークを制御する、請求項４記載のシステム。
8. 前記制御システム（１８６）が、前記１以上の停止弁（１８４）のストロークを制御する、請求項４記載のシステム。
9. 圧縮機セクション（１０５）及び１以上のホイールスペース領域（１６５）を備えたターボ機械（１００）内で冷却流体を調節する方法であって、
   冷却流体を受ける入口部分（１７８）及び出口部分（１８８）を備えた外部フローコンディショニングシステム（１７６）を設ける段階と、
   その各々が、冷却流体を該冷却流体に事前にスワールを与えるように導く傾斜部分（２２０）を備え、その各々の一部分が、前記外部フローコンディショニングシステム（１７６）の出口部分（１８８）から冷却流体を受け、かつその各々が、冷却流体が前記１以上のホイールスペース領域（１６５）に流れるのを可能にする複数のフローチャンバ（２１０）を設ける段階と、
   １以上のホイールスペース温度を含む複数の冷却流体データを受信する段階と、
   前記冷却流体データが、ホイールスペース温度を含む少なくとも１つの範囲を超えているか否かを判定する段階と、
   必要に応じて、前記外部フローコンディショニングシステム（１７６）を使用して、前記冷却流体データが前記少なくとも１つの範囲内になるまで冷却流体を調整する段階と、を含む、
   方法。
10. 前記外部フローコンディショニングシステム（１７６）が、
    冷却流体を受ける入口部分（１７８）及び出口部分（１８８）と、
    １以上の制御弁（１８０）と、
    １以上のバイパスオリフィス（１８２）と、
    １以上の停止弁（１８４）と、
    制御システム（１８６）と、をさらに含む、
    請求項９記載の方法。

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