(57)【要約】【課題】ガスタービンの冷却装置及び方法を提供すること。【解決手段】タービン（２）の冷却システムは、タービン（２）のロータキャビティを流れる冷却ガス流（２２，２４）を生成するように構成されたブロア（１２）と、冷却ガス流（２２，２４）をタービン（２）に送給するように構成された配管（１４，１８）と、冷却ガス流（２２，２４）を制御するように構成された１以上の弁（１５、１７、２１、１９）とを備える。配管（１４，１８）は、タービン（２）のロータ（３４，３６，３８）に動作可能に接続される。タービン（２）の冷却方法は、ブロア（１２）を用いてタービン（２）のロータキャビティを流れる冷却ガス流（２２，２４）を生成する段階と、タービン（２）に冷却ガス流（２２，２４）を送給する段階とを含む。【選択図】      図１
2010065699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（２）のロータキャビティを流れる冷却ガス流（２２，２４）を生成するように構成されたブロア（１２）と、
冷却ガス流（２２，２４）をタービン（２）に送給するように構成された配管（１４，１８）と、
前記冷却ガス流（２２，２４）を制御するように構成された１以上の弁（１５、１７、２１、１９）と
を備えるタービン（２）用冷却システムであって、上記配管（１４，１８）がタービン（２）のロータ（３４，３６，３８）に動作可能に接続されている、冷却システム。
【請求項２】
前記１以上の弁（１５、２１）が、前記タービン（２）の定格負荷定格速度運転中に閉じるように構成され、前記１以上の弁（１５、２１）が、前記タービン（２）の非ベース負荷運転中に開放されるように構成される、請求項１記載の冷却システム。
【請求項３】
前記ブロアなしでの運転に比べてロータの冷却速度を増大させる空気流を与えるように、前記ブロア（１２）の運転を制御するように構成されたコントローラ（４８）を更に備える、請求項１又は請求項２記載の冷却システム。
【請求項４】
前記コントローラ（４８）が、１以上の弁（１５、１７、２１、１９）の動作を制御するよう構成される、請求項３記載の冷却システム。
【請求項５】
前記冷却システムが、外部冷却供給回路（１０）に接続される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の冷却システム。
【請求項６】
前記ブロア（１２）が、前記タービン（２）内部から冷却ガスを脱気する真空装置として動作する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の冷却システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の冷却システムを備えるタービン。
【請求項８】
タービン（２）の冷却方法であって、
ブロア（１２）を用いてタービン（２）のロータキャビティを流れる冷却ガス流（２２，２４）を生成する段階と、
タービン（２）に冷却ガス流（２２，２４）を送給する段階と
を含む方法。
【請求項９】
前記冷却ガス流（２２，２４）を生成する段階が、前記タービンのケーシングの外で前記ガス流を生成する段階を含み、前記冷却ガス流（２２，２４）を送給する段階が、前記タービン（２）のロータ（３４，３６，３８）に接続された配管（１４，１８）を通して前記冷却ガス流（２２，２４）を送給する段階を含み、冷却ガス流の送給が１以上の弁によって制御される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却ガス流が、前記ブロアなしでの運転と比較して前記ロータの冷却速度が増すように、前記タービンの非ベース負荷運転中に生成される、請求項８又は請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンの冷却装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは通常は周囲空気を圧縮する圧縮機を備えていて、空気を燃料と混合して点火し、燃焼器で燃焼ガスを生成する。タービンは、高温燃焼ガスを受け取り、そこからエネルギーを抽出して圧縮機を駆動し、更に、例えば発電機を駆動するための出力を生成する。タービンは通常は１段以上のステータノズル又はベーンと、ロータブレードと、タービンブレードの周りで適切なクリアランスを維持するための環状シュラウドを含む。タービン入口温度は、ガスタービンエンジンの効率向上のため高温化しているので、タービンベーン、ブレード及びシュラウドに対して空気のような冷却流体を供給して、これら部品の温度を材料が耐え得るレベルに維持し、部品の満足できる耐用年数を確保することが必要となる。冷却は通常、圧縮機で圧縮された空気の一部を圧縮機から抽出し、これをタービンの部品に供給して冷却することにより達成される。圧縮機で圧縮されるが燃焼ガスの生成に使用されない空気は、必然的にエンジン効率を低下させる。従って、圧縮機から抽気される冷却空気の量を最小限にするのが望ましい。
【０００３】
ターボ機械の性能及び信頼性は、回転ハードウェアと静止ハードウェアの間のクリアランスによって影響される。クリアランスが小さいほど効率は向上するが、摩擦による損傷のおそれも高まる。運転中、ガスタービンのケーシングは、典型的なタービンロータのロータよりも格段に速く冷える。ウォーム又はホットリスタート中、ケーシングとロータの間の熱的な不整合により、ロータがステータよりも大きな初期熱膨張成分をもつようになることがあり、ユニットの速度が増すと、機械的膨張成分が加わる。これは、過渡的クリアランスピンチポイントの原因となる。時間経過とともにステータが加熱されると、ケーシングがロータから離れて膨張し、拡大した定格負荷定格速度（ＦＳＦＬ）クリアランスを生じる。ユニットの構造クリアランスは、過渡的ピンチポイントの際の摩擦を回避しつつ、ＦＳＦＬで依然として小さくなるように設定しなければならない。最小クリアランスとＦＳＦＬクリアランスとの差は、「定格性能」として定義される。定格性能は、ロータとケーシングの間の熱的不整合によって決まる。
【０００４】
この問題に対処する従前の取り組みとしては、アクティブクリアランス制御システムが挙げられる。例えば、内側タービンシェルを、始動時に媒体（例えば、空気、Ｎ2、蒸気）で加熱してロータから離れるように膨張させるか、或いはＦＳＦＬで冷却してシェルがロータに近づくようにする。別の例として、油圧ラムを用いて、ユニットがＦＳＦＬに到達した後の位置に軸方向にロータを移動させることができる。タービンにおけるバケット先端とケーシングシュラウドとの角度は、関連する角度よりも大きくなり、圧縮機及びこの角度の不整合により、過渡的ピンチポイントの際のバケット先端とケーシングシュラウドの間の摩擦を排除することができる。
【０００５】
過渡的ピンチポイントの際の摩擦を回避する従前の取り組みでは、バケットとケーシングの間の比較的大きなクリアランスが必要とされるか、及び／又はＦＳＦＬでのガスタービンの運転中にクリアランスを達成するために高価なシステムを連続稼働させる必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５０５４９９６号明細書
【特許文献２】米国特許第６３８２９０３号明細書
【特許文献３】米国特許第６３９３８２５号明細書
【特許文献４】米国特許第６４１８８０４号明細書
【特許文献５】米国特許第６４６４４６１号明細書
【特許文献６】米国特許第６４７７７７３号明細書
【特許文献７】米国特許第６５０５５２６号明細書
【特許文献８】米国特許第６５０６０２１号明細書
【特許文献９】米国特許第６７１０４７９号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態では、タービンの冷却システムは、タービンのロータキャビティを流れる冷却ガス流を生成するように構成されたブロアと、冷却ガス流をタービンに送給するように構成された配管と、冷却ガス流を制御するように構成された１以上の弁とを備える。配管は、タービンのロータに動作可能に接続される。
【０００８】
タービンを冷却する方法は、ブロアを用いてタービンのロータキャビティを流れる冷却ガス流を生成する段階と、タービンに冷却ガス流を送給する段階とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンの冷却装置を備えるタービンの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、ガスタービン２は、圧縮機セクション４と燃焼器６とを備える。圧縮機は、ステータベーンとロータブレードの交互の列を複数の段に配列して空気を順次圧縮する軸流圧縮機とすることができ、最大圧力で圧縮機出口から吐出されるまで、下流側の段の圧力が次第に高くなる。燃焼器６は、圧縮機部分４で圧縮された出口空気を受け取る。従来の燃料供給導管及び噴射装置（図示せず）が更に設けられ、好適な燃料を圧縮出口空気と混合して、燃焼器６内での燃焼を経て高温燃焼ガスを生成する。
【００１１】
タービンセクション８は燃焼器６の下流にあり、高温燃焼ガスのエネルギーをタービンセクション８によって仕事に変換する。高温ガスが膨張し、熱エネルギーの一部が、タービンセクション８のノズルセクションで運動エネルギーに変換される。ノズルセクションは、複数のステータブレード又はノズル２８，３０，３２を含む。例えば、第１段のノズルはステータブレード２８を含み、第２段のノズルはステータブレード３０を含み、第３段はステータブレード３２を含む。
【００１２】
タービンセクション８はバケットセクションも含む。バケットセクションでは、運動エネルギーの一部は、ロータホイール３４，３６，３８にそれぞれ接続したバケット４０，４２，４４に伝達され、仕事に変換される。ホイール３４及びバケット４０が第１段を形成し、ホイール３６及びバケット４２が第２段を形成し、ホイール３８及びバケット４４が第３段を形成する。ロータホイールの各ペア間にスペーサ５０，５２を設けることができる。
【００１３】
タービン２の運転停止中に、タービンセクション８のロータを冷却するために、ブロア１２が設けられる。ブロア１２は、第１段と第２段の間に空気の流れを供給するよう構成された第１段配管１４、及び第２段と第３段の間に空気の流れを供給するよう構成された第２段配管１８によって、後方ディスクの後方シャフト２６の内径に接続することができる。ブロア逆止弁１５及び配管逆止弁１７を含む逆止弁の第１のセットを第１段配管１４に設けてもよい。ブロア逆止弁２１及び配管逆止弁１９を含む逆止弁の第２のセットを第２段配管１８に設けてもよい。混合Ｔ字部１６，２０をそれぞれ第１段及び第２段配管に設けてもよい。或いは、ブロア１２を、タービン２から出る空気を引き出す真空装置で置き換えてもよい。
【００１４】
ブロア１２は、例えば、バケット供給システムとすることができる外部送給ボア（ＥＦＢ）回路１０によりガスタービン２に接続される。既存のガスタービンでは、ブロアは、後方シャフト２６の下にあるボアプラグを後付けすることによって、ガスタービン２に後付けすることができる。ブロア配管１４，１８は、後方シャフト２６の内径に接続され、逆止弁１５、１７、１９、２１と共に用いることができる。正常運転中、すなわち非運転停止条件では、ブロア１２はオフにされ、ブロア逆止弁１５、２１が閉じられて、配管逆止弁１７、１９が開放される。
【００１５】
ガスタービン２の運転停止、トリップ間、パージ中などの、任意の速度での運転中に、ブロア１２は、タービンセクション８のロータを冷却するように動作するとともに、ブロア１２は、ロータの冷却速度をガスタービン２のケーシングの冷却速度以上にするサイズ及びタイミングにされる。これにより、ガスタービン２は、常に再始動が可能であり、ステータ温度に等しい又はより低温のロータを有することが可能になる。ブロア１２の運転は、コントローラ４８により制御することができる。コントローラ４８は、特別にプログラムされた汎用コンピュータ又はマイクロコンピュータとすることができる。コントローラ４８はまた、ＡＳＩＣであってもよい。コントローラ４８は、タービンセクション（例えば、ロータ及びケーシング）内の温度センサからコントローラ４８に送られる信号に基づいて、ブロア１２の運転を制御することができる。ブロア１２は、排気フレーム／ケーシングなどのＦＳＦＬ運転中に他のプラントハードウェアを冷却するのに用いることができる。
【００１６】
第１のブロア逆止弁１５及び第２のブロア逆止弁２１は、所定のガス流がブロア１２で生成したときに開くように構成される。同時に、第１の配管逆止弁１７及び第２の配管逆止弁１９が閉じて、全てのブロアの流れがタービンセクション８に向けられるように構成される。第１の逆止弁セット１５、１７及び第２の逆止弁セット１９、２１は、同じガス流又は異なるガス流で開くように構成することができる点に留意されたい。例えば、第１の逆止弁セット１５、１７は、第１のガス流で開くように構成してもよく、第２の逆止弁セット１９、２１は、第１のガス流よりも高温の第２のガス流で開くように構成してもよい。逆止弁以外の他の弁を用いることができる点は理解されたい。更に、コントローラ４８で弁の動作を制御するように構成できる点に留意されたい。
【００１７】
図１では、第１段の冷却流２２を実線で示し、第２段の冷却流２４は破線で示し、タービンのパージ５４流れは点線で示す。
【００１８】
ＥＦＢ回路１０及びブロア１２の使用は、機械的膨張時にガスタービン２に十分なクリアランスを与え、従来技術のシステムのアクティブクリアランス制御に比べて低コストで真円度を可能にする。ブロア１２とＥＦＢ回路１０とを備えるガスタービン２は小さなクリアランスで稼働することができ、所要のクリアランスを達成するのに連続稼働させる高価なシステムを必要としない。ブロア１２は、ロータがケーシングよりも高温であるときには、非ＦＳＦＬ条件で稼働される。また、ブロア１２を用いて、ＦＳＦＬ中の排気フレーム冷却など他のプラント機能を実施することができる。
【００１９】
運転停止中にタービンセクション８のロータを冷却するブロアをシミュレートする熱伝導解析を実施し、ステータ時定数を一致させて、ロータの冷却速度をガスタービン２のケーシングの冷却速度と一致させるためにどれほどの空気流が必要とされるかを求めることができる。従って、クリアランスは、運転停止時定数をロータ増大と一致させることにより制御される。始動又はＦＳＦＬ中のステータの運動に対処するクリアランス制御システムを用いた従来技術のシステムとは違って、ブロア１２及びＥＦＢ回路１０を備えたガスタービン２は、非設計ポイント中のロータに対して作用するので製品コストの点で比較的安価であり、ＦＳＦＬ中にガスタービン２の性能に関して負担をかけないという利点がある。
【００２０】
上述の実施形態はガスタービンに関連しているが、上述の冷却装置及び方法は蒸気タービンにも適用できることを理解されたい。
【００２１】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２２】
２  ガスタービン
４  圧縮機セクション
６  燃焼器
８  タービンセクション
１０  外部送給ボア（ＥＦＢ）回路
１２  ブロア
１４  配管
１５  ブロア逆止弁
１６  混合Ｔ字部
１７  配管逆止弁
１８  配管
１９  配管逆止弁
２０  混合Ｔ字部
２１  ブロア逆止弁
２２  冷却ガス流
２４  冷却ガス流
２６  後方シャフト
２８  ノズル（ステータブレード）
３０  ノズル（ステータブレード）
３２  ノズル（ステータブレード）
３４  ロータ
３６  ロータ
３８  ロータ
４０  バケット
４２  バケット
４４  バケット
４８  コントローラ
５０  スペーサ
５２  スペーサ
５４  パージ
【図１】
2010065699.tif 000003