(57)【要約】【課題】１つ又はそれ以上の流体熱切替装置（１８）によって熱応答速度整合が行なわれるようになったタービン発電システム及び高温再始動時における再始動ピンチを軽減する方法を提供する。【解決手段】本タービン発電システムは、ステータと該ステータのケーシング（１２）内に配置されたロータ（１０）とを含む。運転停止時に、再始動ピンチを生じるステータケーシングの部分に局部加熱を行うように構成された１つ又はそれ以上の流体熱切替装置（１８）を介して、熱源からステータケーシングに補助熱を供給する。流体熱切替装置（１８）は、断熱容器（２４）内で空間的に分離された流体接触要素（２６、２８）を有する２つの個体熱導体（２０、２２）を含む。局部加熱が必要な時には、高伝導性かつ高容量性流体が、断熱容器（２４）に提供される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内表面（１６）を有するケーシング（１２）を備えたステータと、
前記ケーシング（１２）内に回転可能に配置され、回転軸線の周りで回転するようになっており、かつ該ケーシング（１２）の内表面（１６）に近接した先端を有するブレード（１４）を備えたロータ（１０）と、
前記ケーシング（１２）に熱を選択的に供給するのを可能にするようになった流体熱切替装置（１８）と、
を含み、前記流体熱切替装置（１８）が、
内部（３０）を有する容器（２４）と、
前記ケーシング（１２）と熱伝導接触状態になった第１の端部及び前記容器（２４）の内部（３０）内に延びた第２の端部を有する第１の熱導体（２０）と、
前記容器（２４）の内部（３０）と流体連通状態になっており、かつ必要に応じて選択的に該容器（２４）に流体を供給しまたそれに代えて該容器（２４）から該流体を排出させるように構成された流体回路と、を含む、
タービン発電システム。
【請求項２】
前記流体熱切替装置（１８）が、熱源と熱伝導接触状態になった第１の端部及び前記容器（２４）の内部（３０）内に延びた第２の端部を有する第２の熱導体（２２）をさらに含み、
前記第２の熱導体（２２）の第２の端部が、前記第１の熱導体（２０）の第２の端部から空間的に分離される、
請求項１記載のタービン発電システム。
【請求項３】
前記容器（２４）の内部（３０）が、断熱される、請求項１記載のタービン発電システム。
【請求項４】
前記容器（２４）に前記流体が供給された時に、前記第１の熱導体（２０）に熱を伝達するように構成された熱源をさらに含む、請求項１記載のタービン発電システム。
【請求項５】
前記流体が、高温液相熱伝導流体である、請求項１記載のタービン発電システム。
【請求項６】
前記流体熱切替装置（１８）が、運転停止時に前記ケーシング（１２）に十分な熱量を供給して、前記ブレード（１４）の先端が該ケーシング（１２）の内表面（１６）と接触するのを防止するようになっている、請求項１記載のタービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービン発電システムの分野に関する。より具体的には、本発明は、ロータ及びステータ間の熱応答速度を整合させる方法及びそこで使用する流体熱切替装置を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンは、発電ユニットの一部であることが多い。そのような発電システムの構成要素には通常、タービン、圧縮機及び発電機が含まれる。それら構成要素は、機械的に連結されるが、ユニットの効率を高めるために複数のシャフトを使用することが多い。発電機は一般的に、別個のシャフト駆動機械である。燃焼タービンの寸法及び出力に応じて、ギアボックスを使用して、発電機を燃焼タービンシャフトの出力に結合することもある。
【０００３】
一般的に、燃焼タービンは、ブレイトンサイクルとして知られているサイクルで作動する。ブレイトンサイクルは、４つの主要過程、つまり圧縮、燃焼、膨張、及び排熱を含む。空気が圧縮機内に吸込まれ、圧縮機において、空気は加熱及び加圧の両方を行なわれる。空気は次に、圧縮機から流出しかつ燃焼器に流入し、燃焼器において、燃料が空気に加えられかつ混合気が点火され、従って付加的な熱を発生する。発生した高温かつ高圧ガスは、燃焼器から流出しかつタービンに流入し、タービンにおいて、加熱かつ加圧ガスは、タービンのベーンを通って流れて、タービンホイールを回転させかつタービンシャフトを回転させる。発電機が同じシャフトに結合されている場合には、発電機は、タービンシャフトの回転エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する。
【０００４】
ガスタービンエンジンの効率は、部分的にはロータブレードの先端とステータケーシングの内表面との間の間隙によって決まる。これは、圧縮機及びタービンの両方に当てはまる。間隙が増大すると、エンジン空気のより多くが、有用な仕事を行わない状態でタービン又は圧縮機のブレード先端とケーシングとの間を流れて、エンジンの効率を低下させる。間隙が小さすぎると、特定の運転条件においてロータとステータとの間に接触が生じる。
【０００５】
ステータ及びロータは、異なる熱負荷に曝されまた一般に異なる材料及び厚さで作られるので、ステータ及びロータは、運転時に異なる量で膨張及び収縮する。それによって、ブレード及びケーシングは、運転状態によって変化する間隙を有することになる。一般的に、ブレード及びケーシング間の低温間隙（低温かつ静止運転状態における間隙）は、定常状態運転時に先端間隙を最小にするように、かつ運転停止及び始動のような過渡運転時に先端摩擦を回避するように設計される。これら２つの考慮事項は、低温間隙設計においてバランスをさせなければならないが、過渡運転状態が通常、最小低温組立間隙を決定する。従って、定常状態ブレード間隙は、殆どの場合に可能な最小間隙よりも大きい。
【０００６】
熱応答速度不整合は、運転停止時における多くのガスタービンエンジンにとって最も深刻である。これは、ロータパージ回路が冷却流を駆動するのに十分な圧力差を有しないことに起因する。その結果、ステータケーシングがロータよりも非常に早く低温になることになる。熱膨張により、ケーシングは、その直径がロータよりも早く収縮する。ケーシングがロータよりも著しく低温になっている時点の間に再始動させようとした場合には、ロータの回転によって生じた機械的撓みが、ロータの直径を増大させ、回転部品と固定部品との間の間隙を閉鎖する（「再始動ピンチ」として知られている状態）。
【０００７】
熱応答速度不整合は、圧縮機及びタービンの両方の設計問題を引き起こす。圧縮機及びタービンは、非常に異なる熱負荷を受けるので、最小及び最大間隙は、過渡負荷状態時における異なる時点で得られることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、ステータ及びロータの熱応答速度を整合させるための装置及び方法を提供することは、望ましいと言える。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、タービン発電システムを含み、本タービン発電システムは、ケーシングを備えたステータと、ケーシング内に回転可能に配置されロータとを含む。本タービン発電システムはさらに、ケーシングに熱を選択的に供給するのを可能にするようになった流体熱切替装置を含む。流体熱切替装置は、容器と、ケーシングと熱伝導接触状態になった第１の端部及び容器の内部内に延びた第２の端部を有する熱導体とを含む。流体回路が、容器の内部と流体連結されて、必要に応じて選択的に該容器に流体を供給しまたそれに代えて該容器から流体を排出させる。
【００１０】
別の態様では、本発明は、タービン発電システムを含み、本タービン発電システムは、熱源と、ヒートシンクと、熱源及びヒートシンク間で熱を選択的に伝達するようになった流体熱切替装置とを含む。流体熱切替装置は、容器と２つの熱導体とを含む。第１の熱導体は、ヒートシンクと熱伝導接触状態になった第１の端部と、容器の内部内に延びた第２の端部とを有する。第２の熱導体は、熱源と熱伝導接触状態になった第１の端部と容器の内部内に延びた第２の端部とを有する。第２の熱導体の第２の端部は、第１の熱導体の第２の端部から空間的に分離される。流体回路が、容器の内部と流体連結されかつ指令された時に選択的に該容器に熱伝導流体を供給しまた該容器から流体を排出させるように構成される。
【００１１】
別の態様では、本発明は、高温再始動時における再始動ピンチを軽減する方法を含む。本方法は、（１）ステータ及び該ステータのケーシング内に回転可能に配置されロータを含むガスタービンエンジンを準備するステップと、（２）ケーシングに補助熱を選択的に供給することができる外部熱源を設けるステップと、（３）ケーシングに補助熱を供給せずに第１の時間にわたってガスタービンエンジンを定常状態で運転するステップと、（４）第１の時間にわたって定常状態で運転した後にガスタービンを運転停止する時に第２の時間にわたってケーシングに補助熱を供給するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ロータ及びステータの概略図。
【図２】流体熱切替装置の概略図。
【図３】ガスタービンエンジンと統合した一連の流体熱切替装置の概略図。
【図４】ロータ及びステータ間の間隙の時間の経過による変化を示すグラフ。
【図５】流体熱切替装置によって熱応答整合を行った状態でのロータ及びステータ間の間隙の時間の経過による変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、１つ又はそれ以上の流体熱切替装置によって熱応答速度整合が行なわれるようになったタービン発電システムを含む。本タービン発電システムは、ステータと該ステータのケーシング内に配置されたロータとを含む。運転停止時に、再始動ピンチ状態を生じるステータケーシングの部分に局部加熱を行うように構成された１つ又はそれ以上の流体熱切替装置を介して、熱源からステータケーシングに補助熱を供給する。
【００１４】
図１は、ステータケーシング内に配置された単純なロータの描写である。ロータ１０は、該ロータ１０の周りに円周方向に配置された複数のブレード１４を含むことができる。ブレード１４は、ロータ１０の回転軸線からステータ１２のケーシングの内表面１６に向かって半径方向に延びる。内表面１６に最も近接するブレード１４の部分は、「先端」と呼ばれる。ブレード１４と内表面１６との間の間隙は、図１において矢印によって示している。前述したように、最大効率は、最小間隙で運転している時に達成される。この間隙は、タービンが過渡運転している時にステータ１２とロータ１０との異なる熱応答速度のために変化する。具体的には、運転停止時には、ケーシング１２は、ロータ１０よりも速い速度で冷却する（低温になる）。このことにより、内表面１６の内径をロータ１０よりも速い速度で収縮させる。ロータ１０は、より遅い速度で回転しているので、ブレード１４の機械的撓みは少ない。
【００１５】
しかしながら「高温再始動」は、重大な問題を提示する。高温再始動は、ガスタービンを運転停止後に直ぐに点火させる場合に発生する。様々な状況が高温再始動を促す可能性がある。高温再始動は、エラー状態がガスタービンを停止させかつエラー状態を迅速に修正した場合に発生することが多い。高温再始動はまた、運転停止直後に又は運転停止を開始した直後に予期せぬエネルギー需要が生じた場合に発生する。高温再始動時には、ロータ１０は、完全には冷却しておらず、そこでロータ１０の回転を増速させることにより、ブレード１４の大きな機械的撓みが生じる。ステータ１２は、その内径が減少している（冷却により）ので、ブレード１４は、「再始動ピンチ」と呼ばれる状況において内径１６に接触する可能性がある。同様に、再始動ピンチはまた、タービンを夜間に運転停止させかつ８時間後の翌朝にタービンを再始動させる場合のような「温暖再始動」時に発生する可能性もある。
【００１６】
図４は、ガスタービンエンジンにおける通常運転過程を示している。グラフの頂部線Ｄｃは、過渡及び定常状態運転時におけるケーシング１２の内表面１６の直径を示している。底部線Ｄｒは、過渡及び定常状態運転時におけるロータ１０のブレード１４の外側先端の直径の変化を示している。時点ｔｃｓにおいて、ロータ１０は、低温でありかつ静止している。「低温間隙」は、時点ｔｃｓにおけるＤｃ及びＤｒ間の分離度（距離間隔）によって表される。時点ｔｃｓにおいて、低温始動が開始される。ロータ１０の回転によりブレード１４の機械的撓みが生じると、Ｄｒは直ちに増大し始める。ガスタービンが定常状態熱平衡まで暖機される過渡運転が、継続される。過渡運転のこの期間の間に、ケーシング１２及びロータ１０は、それらが熱負荷を受けるにつれて、異なる速度で膨張する。時点ｔｓｓにおいて、定常状態運転状況が達成され、Ｄｒ及びＤｃは実質的に変化しない状態を維持する。時点ｔｓｄにおいて、運転停止操作が開始される。この時点において、ロータ１０の回転速度の低下により、ブレード１４の機械的撓みの減少が生じる。ケーシング１２は、ロータ１０よりも速い速度で冷却し始めて、間隙を減少させる。時点ｔｈｒにおいて、高温再始動が開始される。これによって、ロータ１０の機械的撓みの増大及びロータ１０の熱膨張の増加が生じる。時点ｔｐにおいて、ＤｒがＤｃよりも速い速度で増大するので、ピンチ状況が発生する。
【００１７】
１つの実施形態では、本発明は、運転停止時に流体熱切替装置を使用してステータケーシングに選択的に熱を付加してロータの熱応答速度を整合させるようにする方法を含む。熱を付加することにより、ステータケーシング収縮速度がロータの収縮速度により緊密に整合するようになる。そのような方法の実施では、運転停止過程の間においてブレード１４の先端と内表面１６との間の間隙を一定に維持するか又は増大させることが好ましい。さらに、十分な量でかつ十分な継続時間にわたって熱を加えて、任意な時点でピンチ状況を引き起こすことなしに再始動を行うことができるようにすることが好ましい。必要とする正確な熱量及びそのような熱がこれらの目的を達成するために加えられるべき時間の長さは、使用中のガスタービンエンジン設計の特定の設計及び運転停止における運転条件により決まるが、そのような計算は、当業者には容易に行うことができる。
【００１８】
図２は、ステータケーシングに選択的に熱を加えるために使用することができる流体熱切替装置の１つの実施形態を示している。流体熱切替装置１８は、容器２４内で空間的に分離された流体接触要素２６及び２８を有する第１の固体熱導体２０及び第２の固体熱導体２２を含む。熱導体２０は、ステータケーシングと熱伝導接触状態になっている。熱導体２２は、熱源と熱伝導接触状態になっている。１つの実施形態では、熱伝導流体内に蓄積された熱によって、加熱が行なわれる。伝導流体は、タービンエンジンの排気ガスによって加熱され、次に必要となるまで蓄積される。容器２４は、該容器２４の壁を通しての熱伝達を最小にするように断熱することができる。
【００１９】
２つの導管３２及び３４を設けて、高伝導性かつ高容量性流体を選択的に容器２４内に供給しかつ該容器２４から排出させるようにする。流体は、流体接触要素２８に接触して、熱が該流体に伝達されるようにする。流体は次に、流体接触要素２６に熱を伝達し、流体接触要素２６は、ステータケーシングに熱を伝導する。あらゆる高温液相熱伝達流体で容器２４を満たすようにすることができるが、Ｓｏｌｕｔｉａ  Ｉｎｃ．製のＴｈｅｒｍｉｎｏｌ６６は、そのような用途に用いることができる熱伝導流体の実施例である。流体接触要素２８及び２６は、流体と導体との間の伝導及び対流熱伝達を高める拡大表面積を有するようになっているのが好ましい。図２に示す指状の突出部に代えて、熱導体２０及び２２は、リブ、フィン、折り目、又は一般的に熱交換設計で使用して伝熱率を増加させる特徴形状を有することができる。
【００２０】
ここにおいて、流体熱切替装置１８は、ステータケーシングに対して／から補助熱を選択的に加えかつ／又は除去するようになった簡単な機構を構成することを当業者には認識されたい。流体は、局部加熱が必要な時に容器２４に供給される。流体は次に、加熱がもはや所望されない時に容器２４から排出させることができる。熱導体２２と熱導体２０との間の熱伝達は、流体が容器２４の内部３０から排出された時に最小でなければならない。熱導体２２及び２０間の放射型熱伝達はさらに、材料選択によって又は反射表面皮膜の使用によって減少させることができる。
【００２１】
図３には、本発明の実施形態を示す概略図を示している。この実施形態では、ステータ１２の円周方向の周りで複数の流体熱切替装置１８を使用して、再始動ピンチ状況に曝されるステータ１２の部分に熱を供給する。流体熱切替装置１８はまた、長手方向にタービンエンジンの全長に沿って使用することができる。熱導体２０は、ステータ１２のケーシングと熱伝導接触状態になっている。分配マニホルド３６が、熱伝導流体の大型の供給源を含む。導管３２は、補助熱が必要な時に熱伝導流体を分配マニホルド３６から容器２４に導く。導管３４は、加熱がもはや必要でない時に、熱伝導流体を容器２４からタンク３８に排出する。
【００２２】
流体熱切替装置１８を介して供給された熱は、それに限定されないが、高い熱容量を有する様々な金属及び流体を含む様々な形態の熱質量体内に蓄積することができることを理解されたい。熱質量体は、タービンが運転している間にタービンによって発生した熱を蓄積することが好ましい。流体熱切替装置１８は次に、運転停止時にステータに熱を選択的に供給するように使用することができる。１つの実施例では、熱は、伝導流体自体内に蓄積される。この実施例では、伝導流体自体が熱源であるので、流体熱切替装置１８は、単一の導体（図３の導体２０）を必要とするのみである。高い熱容量を有する流体は非常に高価である可能性があるので、熱エネルギーを別の供給源内に蓄積し、かつ図２及び図３の実施例に示すように２つの導体２０及び２２間の熱結合器として容量性流体を使用することが望ましいと言える。
【００２３】
１つの実施形態では、タンクと容器２４との間の熱伝導流体の流れを制御するようになった自動制御システムが設けられる。そのような自動制御システムは、熱伝導流体を容器２４に供給しまた容器２４かる排出するようになった１つ又はそれ以上の制御弁及び／又はポンプを含むことになる。ポンプ及び／又は制御弁は、運転停止時に自動的に作動してステータ１２のケーシングに熱を供給することができる。ある時間の後に容器２４から流体を抜取ることができる。継続時間は、制御装置に与える入力に基づいて調整することができる。例えば、流体熱切替装置１８によってステータ１２に補助熱を供給する時間は、運転停止時におけるロータ及びステータの作動温度に応じたものとすることができる。
【００２４】
図５は、ガスタービンにおける改善した運転過程を示している。この改善した過程は、運転停止操作を開始した時点ｔｓｄ後において通常過程とは変化している。定常運転状況を停止すると同時に、熱Ｑｆｓが、流体熱切替装置１８からステータに供給される。これにより、ステータの冷却が緩やかになり、従ってＤｃの減少速度が遅くなる。従って、時点ｔｈｒにおいて、ピンチ状況の危険性がない状態で、高温再始動を開始することができる。ｔｈｒの後には、Ｄｒは、時点ｔｓｓ２において第２の定常状態運転が達成されるまで回転及び熱負荷と共に増大し続ける。
【００２５】
本発明の１つ又はそれ以上の実施形態を使用することによって、多くの利点を実現することができる。前述したように、本発明の実施形態は、高温再始動時における再始動ピンチの事例を防止するように使用することができる。また、高温再始動状況がもはや重大な設計制限とはならないので、定常状態運転間隙はさらに最小にすることができる。このことは、極く少量のエネルギーコストでタービン効率の大幅な増加を発電所にもたらす。
【００２６】
さらに、運転停止時に補助熱を使用する本発明の方法は、始動時に単に予熱することによって高温運転間隙を減少させる方法に優る利点を有する。１つの利点は、定常状態運転の直後に使用可能な大型の補助熱の供給源が不要でありかつ容易にアクセス可能な補助熱の供給源が存在することである。また、補助熱が再始動時ではなく運転停止時に供給される場合には、高温再始動は、再始動ピンチの事例が殆どない状態でより迅速に開始させることができる。
【００２７】
本発明は、上記に開示した特定の実施形態に限定されるものではない。本明細書に記載した方法及び装置の修正及び変更は、前述の詳細な説明から当業者には明らかであろう。そのような修正及び変更は、特許請求の範囲の技術的範囲内にあることを意図している。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ロータ
１２  ケーシング
１４  ブレード
１６  内表面
１８  流体熱切替装置
２０  熱導体
２２  熱導体
２４  容器
２６  流体接触要素
２８  流体接触要素
３０  内部
３２  導管
３４  導管
３６  分配マニホルド
３８  タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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