(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機リグ（１５０）を試験するための動力伝達系（１００）であって、
電動機（１２０）と、
ガスタービン（１６０）と
を備え、前記圧縮機リグ（１５０）が、前記電動機（１２０）と前記ガスタービン（１６０）との間で前記動力伝達系（１００）に動作可能に接続され、前記動力伝達系（１００）が、前記圧縮機リグ（１５０）の作動の全範囲にわたって前記圧縮機リグ（１５０）を駆動するよう構成される、動力伝達系（１００）。
【請求項２】
前記動力伝達系（１００）が更に、トルクコンバータ（１３０）と、該トルクコンバータ（１３０）に動作可能に接続されたギアボックス（１４０）とを備え、前記トルクコンバータ（１３０）及びギアボックス（１４０）が、前記電動機（１２０）と前記圧縮機リグ（１５０）との間で前記動力伝達系（１００）に動作可能に接続されている、請求項１記載の動力伝達系（１００）。
【請求項３】
フルスケール圧縮機リグ（１５０）を試験する方法であって、
電動機（１２０）、トルクコンバータ（１３０）、ギアボックス（１４０）、及びガスタービン（１６０）を備えた動力伝達系（１００）を準備する段階と、
前記圧縮機リグ（１５０）を前記ギアボックス（１４０）と前記ガスタービン（１６０）との間で前記動力伝達系（１００）に動作可能に接続する段階と、
前記動力伝達系（１００）を用いて前記圧縮機リグ（１５０）の動作条件をシミュレートする段階と、
前記動作条件のシミュレーションに基づいて試験データを生成する段階と
を含む方法。
【請求項４】
前記動作条件をシミュレートする前記段階が、前記動力伝達系（１００）から前記ガスタービン（１６０）を結合解除する段階と、前記圧縮機リグ（１５０）にトルクを加え、前記圧縮機リグ（１５０）を部分速度で動作させる段階とを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記試験データが、前記圧縮機リグ（１５０）の８５％〜１１０％補正速度の範囲にある補正速度での部分速度の速度ラインマッピングを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記動作条件をシミュレートする前記段階が、前記ガスタービン（１６０）を前記圧縮機リグ（１５０）に結合する段階と、前記圧縮機リグ（１５０）にトルクを加え、前記圧縮機リグ（１５０）を部分速度で動作させる段階と、前記ガスタービン（１６０）が前記圧縮機リグ（１５０）の負荷として動作するように、前記ガスタービン（１６０）を未燃焼で動作させる段階とを含む、請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記試験データが、前記圧縮機リグ（１５０）の３０％〜５０％補正速度の範囲にある補正速度での部分速度の速度ラインマッピングを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記動作条件をシミュレートする前記段階が、前記ガスタービン（１６０）を前記圧縮機リグ（１５０）に結合する段階と、前記ガスタービン（１６０）を燃焼させる段階と、前記圧縮機リグ（１５０）が８５％〜１１０％の補正速度で動作するように前記圧縮機リグ（１５０）にトルクを加える段階と、前記圧縮機リグ（１５０）及び前記ガスタービン（１６０）のパラメータを変化させるよう適合された制御システム（２００）を用いて、前記圧縮機リグ（１５０）に加えられる負荷を変化させる段階とを含む、請求項３記載の方法。
【請求項９】
前記試験データが、前記圧縮機リグ（１５０）の８５％〜１１０％補正速度の範囲にある補正速度での出力ターンダウンの速度ラインを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記動作条件をシミュレートする前記段階が、前記ガスタービン（１６０）を前記圧縮機リグ（１５０）に結合する段階と、前記圧縮機リグ（１５０）にトルクを加え、８５％〜１１０％の補正速度で前記圧縮機リグ（１５０）を動作させる段階と、前記圧縮機リグ（１５０）及び前記ガスタービン（１６０）を前記動力伝達系（１００）から結合解除する段階とを含む、請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にガスタービンに関し、より詳細には、フルスケールの圧縮機リグ及びガスタービンを試験するための機械式動力伝達系組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電の商業運転で広く使用されている。ガスタービンは通常、前方に配置された圧縮機と、中央付近に１以上の燃焼器と、後方にタービンとを含む。圧縮機は、ロータに取り付けられた複数段の圧縮機ブレードを含むことができる。作動流体としての周囲空気は、圧縮機の入口に流入し、圧縮機ブレードの回転により作動流体を漸次的に加圧する。圧縮機は、入口案内翼（ＩＧＶ）と、可変静翼（ＶＳＶ）とを含むことができ、これらを用いて圧縮機への周囲空気の流れを制御することができる。
【０００３】
加圧された作動流体の一部は、他で使用するために圧縮機から抽出ポートを通じて抽出され、作動流体の残りが圧縮機から出て燃焼器に流れる。作動流体は燃焼器内で燃料と混合され、該混合気が点火して、高温、高圧、高速の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは燃焼器から出てタービンに流れ、ここで燃焼ガスが膨張されて仕事を生成する。設計サイクル中、新しい圧縮機リグ設計は通常、妥当性確認試験を行い、マッピングして、圧縮機リグ設計が品質規格の基準に達しているかどうかを判断しなければならない。例えば、種々の試験を実施し、圧縮機翼形部の定常状態及び過渡状態空力学を判断することができる。別の実施例として、種々の異なるシャフト速度及び負荷条件での圧縮機について圧縮機マップを生成することができる。圧縮機マップを用いて、圧縮機リグのサージマージン並びに圧縮機の空力設計点を求めることができる。
【０００４】
高いシャフト出力が求められていることに起因して、多くの場合、フルスケールの圧縮機リグの全運転範囲にわたって妥当性確認試験及びマッピングを実施することは困難である。例えば、ガスタービンは、全シャフト速度の比較的高い割合を達成するまで自立状態になることはない。従って、ガスタービンは、作動範囲外又は自立速度を下回って運転することになるので、圧縮機リグ又はガスタービンの部分速度マッピングを得ることが困難な可能性がある。加えて、ガスタービンは、圧縮機リグを始動させるのに十分な始動出力を提供できないことが多い。
【０００５】
圧縮機リグの妥当性確認試験及びマッピングは、多くの場合、サブスケールの圧縮機リグを用いて実施される。このようなサブスケールの圧縮機リグは、フルスケール圧縮機リグの１／３〜１／５スケールの範囲にわたることができる。サブスケール圧縮機リグの設計は通常、翼形部取り付け及び関連する減衰作用が損なわれないように、注意深く管理しなければならない。サブスケール圧縮機リグの試験はまた、例えば、レイノルズ数作用、ブレード先端クリアランス、及び熱的膨張差に対応するために性能測定を約１０５％修正速度する必要性を生じさせる場合がある。更に、サブスケールリグの設計は通常、フルスケールリグの設計の前に行われ、設計、製品定義及び調達の専用リソースを必要とする。実際に、サブスケールリグを設計することが必要になると、新製品の全体の設計サイクルが約２年延びる可能性がある。
【０００６】
また、ガスタービンを試験するための種々の方法が知られている。例えば、水ブレーキ又は他の負荷デバイスを用いて、ガスタービン試験中にガスタービンの種々の負荷条件をシミュレートすることが知られている。しかしながら、このような試験は、燃料流量要件が大きくなること、及びタービン温度がタービンハードウェアの限界を超える可能性があることから、高出力マッピングンにおいて制限される。この方法を用いた部分速度マッピングもまた、ガスタービンが作動範囲外又は自立速度を下回って運転することになるので、達成可能ではない場合がある。
【０００７】
ガスタービン及び圧縮機リグは、電力網に接続されている間に発電所にて妥当性試験及びマッピングを実施することができる。しかしながら、電力網に接続されている間は、ガスタービン及び圧縮機リグのオフ周波数（部分速度）試験を実施することはできない。その上、発電所でのガスタービン及び圧縮機リグの試験は、電力供給業者にとって不都合が生じることが多く、妥当性確認試験及び圧縮機マッピングの結果、ガスタービン又は圧縮機リグに関して潜在的問題があることが判った場合には、設計変更の能力に制限を設けている。
【０００８】
従って、速度及び負荷動作範囲全体にわたりフルスケールの圧縮機リグを試験するのに用いることができ、全負荷、部分負荷（出力ターンダウン）及び部分速度条件でチョークからストールまでのフル圧縮機マッピングを可能にする装置及び方法に対する必要性がある。また、発電所においてガスタービン及び圧縮機リグを電力網に接続することなく、圧縮機リグ及びガスタービンの作動性の全範囲にわたりガスタービン及び圧縮機リグを試験するのに用いることができる装置及び方法に対する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６３６４６０２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの例示的な実施形態は、フルスケール圧縮機リグを試験するための動力伝達系に関する。動力伝達系は、電動機及びガスタービンを含む。圧縮機リグは、電動機及びガスタービン間に接続される。動力伝達系は、圧縮機リグの作動の全範囲にわたって該圧縮機リグを駆動するよう構成される。
【００１２】
本発明のこの例示的な実施形態に対し様々な追加及び修正を行うことができる。
【００１３】
例えば、本発明の別の例示的な実施形態は、フルスケールの圧縮機リグを試験する方法に関する。本方法は、電動機、トルクコンバータ、ギアボックス、及びガスタービンを備えた動力伝達系を準備する段階を含む。本方法は更に、圧縮機リグをギアボックスとガスタービンとの間で動力伝達系に動作可能に接続する段階を含む。本方法は更に、動力伝達系を用いて圧縮機リグの動作条件をシミュレートする段階と、動作条件のシミュレーションに基づいて試験データを生成する段階とを含む。
【００１４】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照するとより理解できるであろう。本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１５】
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の１つの例示的な実施形態による、動力伝達系の概念的ブロック図。
【図２】例示的な圧縮機リグ及びガスタービンの全動作範囲を示すチャート。
【図３】例示的な圧縮機リグの例示的な圧縮機マップ。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、例示的な動力伝達系組立体の動作モードを示す概念的ブロック図。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、例示的な動力伝達系組立体の動作モードを示す概念的ブロック図。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、例示的な動力伝達系組立体の動作モードを示す概念的ブロック図。
【図７】本発明の例示的な実施形態による、例示的な動力伝達系組立体の動作モードを示す概念的ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、その１以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１８】
一般に、本発明は、シャフト速度及び負荷条件の全範囲にわたってフルスケール圧縮機リグを試験するシステム及び方法に関する。
【００１９】
図１は、本発明の１つの例示的な実施形態による、動力伝達系１００の概念的ブロック図を示す。図示のように、動力伝達系１００は、モータスタータ１１０、電動機１２０、トルクコンバータ１３０、ギアボックス１４０、圧縮機リグ１５０、及びガスタービン１６０を含むことができ、全て単一ライン系で接続される。動力伝達系１００の構成要素は、何らかの既知のシャフトカップリングデバイス又は方法を用いて共に結合することができる。動力伝達系１００は、該動力伝達系１００の構成要素の種々の状態及びパラメータを制御する制御システム２００を含むことができる。
【００２０】
図示のように、圧縮機リグ１５０は、ギアボックス１４０とガスタービン１６０との間で動力伝達系１００に接続される。６０Ｈｚ（３６００ｒｐｍ公称全シャフト速度）ガスタービンは、６０Ｈｚ圧縮機を試験するのに用いることができる。５０Ｈｚ（３０００ｒｐｍ公称全シャフト速度）ガスタービンは、５０Ｈｚ圧縮機を試験するのに用いることができる。ガスタービン１６０は、全シャフト速度の比較的高い割合を達成するまで自立状態になることはなく、動力伝達系１００を始動させるのに始動出力を提供することができない。
【００２１】
従って、電動機１２０を用いて動力伝達系１００に始動トルクを提供している。電動機１２０は、モータスタータ１１０によって制御することができ、或いは、制御システム２００により制御することができる。電動機１２０は、同期電動機又は可変速誘導電動機の何れかとすることができる。電動機１２０が可変速誘導電動機である場合、パワーエレクトロニクスシステムを用いて、可変速誘導電動機のトルク及び速度出力を制御することができる。このようなパワーエレクトロニクスシステムは、モータスタータ１１０の一部として含めることができ、或いは、モータスタータ１１０とは分離してもよい。他の実施形態では、パワーエレクトロニクスシステムは、制御システム２００の一部とすることができる。
【００２２】
電動機１２０はまた、超高出力の大型４極同期電動機サイズなどの同期電動機とすることができる。例えば、電動機１２０は、４極、５８ＭＷ、１８００ｒｐｍ同期電動機とすることができる。同期電動機は、モータの最大定格速度で連続動作することができる。１つの実施形態において、同期電動機は、可変周波数駆動装置を備え、圧縮機リグ１５０に所望のシャフト速度及びトルクを提供することができる。他の実施形態では、トルクコンバータ１３０及びギアボックス１４０を用いて、圧縮機リグ１５０に所望のシャフト速度及びトルクを提供することができる。
【００２３】
トルクコンバータ１３０は、トルク及びシャフト速度を電動機１２０から圧縮機リグ１５０に伝達するのに使用される。トルクコンバータ１３０は、ビスカスカップリングトルクコンバータのような、トルク及びシャフト速度を電動機１２０から圧縮機リグ１５０に伝達する何らかのデバイスとすることができる。例えば、トルクコンバータ１３０は、可変速トランスミッションを有するビスカスカップリングトルクコンバータとすることができる。
【００２４】
一般に、トルクコンバータ１３０の出力シャフト速度が低くなるほど、トルクコンバータ１３０の出力トルクが大きくなる。トルクコンバータ１３０の出力は、該トルクコンバータ１３０の種々の動作パラメータに依存することができる。例えば、１つの実施形態において、トルクコンバータ１３０は、出力シャフト速度及びトルクがトルクコンバータで使用される作動流体の量に依存する、ビスカスカップリングトルクコンバータとすることができる。このように、圧縮機リグ１５０に加わるシャフト速度及びトルクは、トルクコンバータ１３０の動作パラメータを変えることによって制御することができる。例えば、１つの実施形態において、ガスタービン１６０及び圧縮機リグ１５０は、トルクコンバータ１３０から作動流体を排出することにより、動力伝達系１００から結合解除することができる。
【００２５】
ギアボックス１４０は、トルクコンバータ１３０から圧縮機リグ１５０に最大のトルク及び効率をもたらすのに使用される。ギアボックス１４０は、例えば、トルクコンバータ１３０の出力速度を圧縮機リグ１５０及びガスタービン１６０の速度に転換するのに十分なギア比を有する工業用ギアボックスとすることができる。本明細書の教示内容に接した当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、トルクコンバータ１３０の出力速度を圧縮機リグ１５０の速度に変換するあらゆる好適なギア比を用いることができる点を理解されたい。
【００２６】
圧縮機リグ１５０は、ギアボックス１４０とガスタービン１６０との間で動力伝達系１００に動作可能に接続される。動力伝達系１００は、圧縮機リグ１５０についての速度及び負荷条件両方の作動性の全範囲を通じて圧縮機リグ１５０を駆動するよう構成される。例えば、動力伝達系１００は、動作速度及び負荷範囲全体にわたり圧縮機リグ１５０を駆動し、全負荷、部分負荷（出力ターンダウン）及び部分速度条件でチョークからストールまでのフル圧縮機性能マッピングを可能にするよう構成される。
【００２７】
制御システム２００（図１に示す）は、シャフト速度を制御し、負荷条件を制御するのに使用される。例えば、制御システム２００は、トルクコンバータ１３０のパラメータを変えることによってシャフト速度を制御することができる。別の実施例として、制御システム２００は、入口案内翼（ＩＧＶ）及び可変静翼（ＶＳＶ）を調整し、圧縮機リグへの周囲空気の流れを制御することによって負荷条件を制御することができる。制御システム２００はまた、燃料がガスタービン１６０に供給される速度を制御することができる。本明細書で提供される教示事項を使用する当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、制御システムにより他の種々の動作パラメータを調整し、負荷及びシャフト速度条件を制御することができる。
【００２８】
ここで、図２を参照し、例示的な圧縮機リグ及びガスタービンの全動作範囲を詳細に説明する。図２は、一般に、圧縮機リグ及びガスタービンを通じた質量流量に対する圧縮機リグ及びガスタービンのシャフト速度をプロットしている。図示するように、プロットは、２つの異なる典型的なガスタービン動作領域、すなわち、（１）全速度定常状態動作領域と、（２）部分速度過渡動作領域とを含む。
【００２９】
全速度動作領域は、圧縮機リグ及びガスタービンが、圧縮機及びガスタービンの公称全シャフト速度の±５％内など、圧縮機リグ及びガスタービンの公称全シャフト速度のほぼ１００％で動作しているときに発生する。６０Ｈｚガスタービンの公称全シャフト速度は、約３６００ｒｐｍシャフト機械速度である。５０Ｈｚガスタービンの公称全シャフト速度は、約３０００ｒｐｍシャフト機械速度である。
【００３０】
本明細書で使用される用語「機械速度（Ｎｍ）」は、圧縮機リグ及びガスタービンのシャフトの実回転速度を指すものとする。用語「補正速度（Ｎｃ）」は、温度に対して調整された圧縮機リグ及びガスタービンのシャフトの補正回転速度を指すものとする。加えて、本開示において速度のある割合が提供されるときは常に、このような速度の割合は、公称全速度の割合を指すものとする。例えば、５０％機械速度は、シャフトの実回転速度がガスタービン又は圧縮機リグの公称全速度の約５０％であることを示すものとする。
【００３１】
図示のように、全速度動作領域は、２つの境界動作点、すなわち、全速全負荷（ＦＳＦＬ）、及び（２）全速無負荷（ＦＳＮＬ）を含む。本発明の例示的な実施形態による動力伝達系は、圧縮機リグ及びガスタービンの種々の動作パラメータを調整することによって、ＦＳＦＬ及びＦＳＮＬ間でガスタービン及び圧縮機リグに加わる負荷を変化させることができる。例えば、動力伝達系１００の制御システム２００（図１には図示せず）は、入口案内翼（ＩＧＶ）及び可変静翼（ＶＳＶ）を調整し、圧縮機リグ１５０への周囲空気の流れを制御することができる。制御システム２００はまた、燃料がガスタービン１６０に供給される速度を制御することができる。本明細書で提供される教示を用いる当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、他の種々の動作パラメータを制御システム２００により調整できる点を理解されたい。種々の動作パラメータを調整することによって、動力伝達系１００は、圧縮機リグにおいてＦＳＮＬからＦＳＦＬまで負荷条件の全範囲にわたる動作条件をシミュレートすることができる。ＦＳＦＬよりも小さい出力の試験は、パワーターンダウン試験として知られている。
【００３２】
更に図２を参照すると、ガスタービン及び圧縮機リグの部分速度動作が過渡動作部分において図示されている。本発明の例示的な実施形態による動力伝達系は、該動力伝達系から圧縮機リグに加えられる速度を調整することによって、図２の部分速度部における動作条件をシミュレートすることができる。重要なことには、本発明の実施形態による動力伝達系は、圧縮機リグ及びガスタービンを長い時間期間の間部分速度で保持し、部分速度動作条件を用いて「定常状態」妥当性確認試験及び圧縮機マップを生成することができるようにする。
【００３３】
本発明の実施形態による動力伝達系を用いて、フルスケール圧縮機の異なる動作条件について圧縮機マップを生成することができる。図３は、流量に対する圧力比のプロットである典型的な圧縮機マップを示している。図示のように、圧縮機マップは、サージライン３０５及び動作ライン３１０を含む。サージライン３０５は、ブレードから流れが分離して方向を反転する圧力比を示し、所与の速度での圧縮機リグの絶対限界を表す。動作ライン３１０は、圧力比と流量の許容可能な組み合わせを示し、所望のサージマージンを提供するよう選択される。サージマージンは、所与の動作条件下での圧縮機リグの許容可能な圧縮機比率の相対範囲である。
【００３４】
図３に示す例示的な圧縮機マップは更に、複数の速度ライン３２０を含む。速度ライン３２０は、異なる補正シャフト速度における圧縮機のチョークからストールまでの種々の動作点を示している。１００％補正速度ラインと動作ライン３１０の交点には、空力設計点３３０がある。設計サイクル中、圧縮機マップは、圧縮機動作性能、効率、所望のサージマージン、及び圧縮機リグにおける空力設計点を求める際に有用である。
【００３５】
本発明の実施形態による動力伝達系を用いて、様々な異なる速度及び負荷条件についての圧縮機マップデータを生成することができる。例えば、動力伝達系を用いて、チョークからストールまで、約１００％補正速度、約１０５％補正速度、約１１０％補正速度、約９７．５％補正速度、約９５％補正速度、約９０％補正速度、又は約８５％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、圧縮機リグにおける約８５％〜約１１５％の補正速度での全負荷速度ラインを生成することができる。また、動力伝達系を用いて、チョークからストールまで、約８０％補正速度、約７０％補正速度、約６０％補正速度、約５０％補正速度、約４０％補正速度、約３０％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、圧縮機リグにおける約２０％〜約８５％の補正速度での部分負荷速度ラインを生成することができる。
【００３６】
また、動力伝達系を用いて、チョークからストールまで、約１００％補正速度、約１０５％補正速度、約１１０％補正速度、約９７．５％補正速度、約９５％補正速度、約９０％補正速度、又は約８５％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、圧縮機リグにおける約８５％〜約１１５％の補正速度で、約８０％負荷、６０％負荷、４０％負荷、又は他の何れかの負荷など、全負荷から無負荷条件の種々の出力ターンダウン速度ラインを生成することができる。
【００３７】
他の試験データは、動力伝達系１００を用いてシミュレートされる動作条件から生成することができる。品質規格に対する一般基準の非網羅的リストには、翼形部定常状態空力学、翼形部過渡状態空力学、ＩＧＶ及びＶＳＶ設計点性能及び最適化、ＩＧＶ及びＶＳＶターンダウン性能及び最適化、ある範囲の周囲温度及びＶＳＶ設定にわたる段特性定義、ＩＧＶ／ＶＳＶ及び始動ブリードストール軽減、ブリードバルブ位置に対する翼形部空力学感度、翼形部クリアランス測定値、始動ＩＧＶ／ＶＳＶ最適化に基づく性能、及びシャフトトルク測定値が挙げられる。上記の妥当性確認試験及びマッピングの何れかは、動力伝達系が圧縮機リグにおいて種々の動作条件をシミュレートしながら実施することができる。
【００３８】
ここで、図４〜図７を参照し、圧縮機リグ１５０に対して全速度及び負荷動作範囲にわたって異なる動作条件をシミュレートするために動力伝達系１００の種々の動作モードを説明する。本明細書で提供された開示事項を用いると、当業者であれば、以下で検討する動作モードが本発明の範囲を逸脱することなく、あらゆるシーケンスで動作することができ、或いは、動作しない場合があることを理解されるであろう。
【００３９】
図４には、圧縮機リグ１５０の動作条件をシミュレートするのに用いることができる第１の動作モードが示されている。図示のように、動力伝達系１００は、電動機１２０、トルクコンバータ１３０、ギアボックス１４０、圧縮機リグ１５０、及びガスタービン１６０を含む。このモードでは、ガスタービン１６０は、動力伝達系１００から結合解除されている。ガスタービン１６０は、例示的なシャフトカップリング１５５を係合解除することによって動力伝達系１００から結合解除することができる。この動作モードでは、電動機１２０は、圧縮機リグ１５０を圧縮機マッピング及び試験用の部分速度定常状態条件圧縮機リグ１５０に駆動するのに使用される。例えば、電動機１２０は、約５０％補正速度、約６０％補正速度、約７０％補正速度、又は約８０％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、約３０％〜約８０％の補正速度範囲にある補正速度まで圧縮機リグ１５０を駆動することができる。動力伝達系１００においてこのような動作条件で生成された試験データは、チョークからストールまで、約５０％補正速度、約６０％補正速度、約７０％補正速度、又は約８０％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、約３０％〜約８０％の補正速度範囲にある補正速度での部分速度の速度ラインマッピングを含むことができる。
【００４０】
図５には、圧縮機リグ１５０の動作条件をシミュレートするのに用いることができる第２の動作モードが示されている。このモードでは、ガスタービン１６０は、動力伝達系１００に結合される。図示のように、シャフトカップリング１５５は、圧縮機リグ１５０及びガスタービン１６０のそれぞれのシャフトを係合する。この動作モードでは、電動機１２０は、圧縮機リグ１５０を圧縮機マッピング及び試験用の部分速度定常状態条件に駆動するのに使用される。ガスタービンは、圧縮機リグ１５０の負荷として動作するように未燃焼状態で動作される。このように、圧縮機リグ１５０は、約２０％〜約５０％の補正速度の範囲にある補正速度などの低速度条件に駆動することができる。未燃焼ガスタービン１６０は、電動機１２０の大きなモータ出力並びに低シャフト速度条件でトルクコンバータ１３０から加えられる高トルクに起因した、圧縮機リグ１５０の過剰加速を阻止するために負荷を提供する。動力伝達系１００の第２の動作モード中に生成される試験データは、チョークからストールまで、約３０％補正速度、又は約４０％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、約２０％〜約５０％の補正速度範囲にある補正速度での部分速度の速度ラインマッピングを含むことができる。
【００４１】
図６には、圧縮機リグ１５０の動作条件をシミュレートするのに用いることができる第３の動作モードが示されている。このモードでは、ガスタービン１６０は、動力伝達系１００の全ての構成要素が共に結合されるように圧縮機リグ１５０に結合される。電動機１２０は、全速度で動作され、ガスタービン１６０は、通常の状態で燃焼（矢印１６５で示す）される。この動作モードは、ＦＳＮＬ条件及び他の全ての負荷条件での圧縮機リグの過渡速度試験、過速度試験及び低速度試験を可能にする。ガスタービン１６０及び電動機１２０の両方が圧縮機リグ１５０を駆動するトルクを提供する。
【００４２】
第３の動作モードの間、電動機１２０及びガスタービン１６０は、圧縮機リグ１５０にトルクを加え、圧縮機を約８５％〜約１１５％補正速度に駆動することができる。動力伝達系１００の第３の動作モード中に生成される試験データは、チョークからストールまで、約１００％補正速度、約１０５％補正速度、約１１０％補正速度、約９７．５％補正速度、約９５％補正速度、約９０％補正速度、又は約８５％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、約８５％〜約１１５％の補正速度範囲にある補正速度での全負荷速度ラインマッピングを含むことができる。第３の動作モード中に生成される試験データはまた、チョークからストールまで、約１００％補正速度、約１０５％補正速度、約１１０％補正速度、約９７．５％補正速度、約９５％補正速度、約９０％補正速度、又は約８５％補正速度、もしくは他の何れかの補正速度、或いはこれらの間の範囲の補正速度など、圧縮機リグの約８５％〜約１１５％の補正速度範囲で、約８０％負荷、６０％負荷、４０％負荷、又は他の何れかの負荷など、全負荷から無負荷条件の出力ターンダウン速度ラインを含むことができる。
【００４３】
図７には、圧縮機リグ１５０及びガスタービン１６０の動作条件をシミュレートするのに用いることができる第４の動作モードが示されている。このモードでは、動力伝達系１００は、圧縮機リグ及びガスタービンが約８０％〜約１１０％補正速度で動作するように、圧縮機リグ１５０及びガスタービン１６０にトルクを印加するのに使用される。次に、圧縮機リグ１５０及びガスタービン１６０は動力伝達系１００から結合解除され、圧縮機リグ１５０が負荷デバイスとして使用され、ガスタービン１６０が被試験体である。圧縮機リグ１５０及びガスタービン１６０は、例えば、トルクコンバータ１３０からの作動流体を排出することによって、動力伝達系１００から結合解除することができる。図７の矢印１３５は、電動機１２０からのガスタービン１６０及び圧縮機リグ１５０の結合解除を示している。
【００４４】
動力伝達系１００の第４の動作モードを用いて、新規又は既存のガスタービンを試験することができる。圧縮機リグ１５０は、ガスタービンの負荷デバイスとして機能し、負荷時のオフ周波数（低速度及び過速度）を含めた全ての負荷条件で、圧縮機、燃焼システム、及び高温ガス通路ハードウェアを含む、ガスタービン１６０の試験を可能にする。例えば、ガスタービンに関連する以下の例示的な試験データ、すなわち、タービン翼形部空力学、タービン翼形部温度分布、クリアランス、燃焼器妥当性確認、圧縮機翼形部妥当性確認、圧縮機性能検証、及びシャフトトルク測定値を第４の動作モード中に生成することができる。
【００４５】
第４の動作モードは、新規又は既存のガスタービン設計の試験に多くの利点を提供する。例えば、負荷中のオフ周波数試験は、ガスタービン及び発電機が電力網に同期されていないので、発電所では実施可能ではない。その上、発電所でのガスタービン試験は、電力供給業者に動作上の過大な負担又は制約をかける可能性がある。加えて、ガスタービン試験は、発電所におけるよりも早期のガスタービン開発サイクルで生じる可能性があり、解決するための再設計又は製造サイクルを必要とする潜在的な問題をより早く認識する場合がある。
【００４６】
各動作モード中に生成することができる他の妥当性確認試験は、翼形部定常状態空力学、翼形部過渡状態空力学、ＩＧＶ及びＶＳＶ設計点性能及び最適化、ＩＧＶ及びＶＳＶターンダウン性能及び最適化、ある範囲の周囲温度及びＶＳＶ設定にわたる段特性定義、ＩＧＶ／ＶＳＶ及び始動ブリードストール軽減、ブリードバルブ位置に対する翼形部空力学感度、翼形部クリアランス測定値、ロータ／ケーシング熱挙動測定値、始動ＩＧＶ及びＶＳＶ最適化に基づく性能、及び／又はシャフト始動トルク測定値などの何れかに関連することができる。
【００４７】
本発明は、速度及び負荷動作範囲全体にわたりフルスケールの圧縮機リグを試験する能力を提供し、全負荷、部分負荷（出力ターンダウン）及び部分速度条件でチョークからストールまでのフル圧縮機マッピングを可能にする。翼形部空力学は、通常はガスタービン試験の一部として達成可能ではないオフ周波数（部分速度）動作条件を含めて、全ての動作条件で確認することができる。本発明は、妥当性確認試験及びマッピングのサブスケール圧縮機を設計するステップを排除することにより設計を簡素化する。従って、設計及び調達チームは、最終製品として使用される１つの圧縮機翼形部設計にリソースを専念し、時間及びリソースを節減することができる。
【００４８】
本発明を特定の例示的な実施形態及びその方法に関して詳細に説明してきたが、上述の説明を理解することにより、当業者にはこのような実施形態に対する代替形態、変形形態、及び均等な形態を容易に提示することができることは理解されるであろう。従って、本発明の範囲は、限定ではなく例証の目的のものであり、本主題の開示は、当業者には容易に理解されるように、本主題に対するこのような修正、変形、及び／又は追加を含むことを排除するものではない。
【符号の説明】
【００４９】
１００  動力伝達系
１１０  モータスタータ
１２０  電動機
１３０  トルクコンバータ
１３５  矢印
１４０  ギアボックス
１５０  圧縮機リグ
１５５  シャフトカップリング
１６０  ガスタービン
１６５  燃焼ガスタービン
２００  制御システム
３０５  サージライン
３１０  動作ライン
３２０  速度ライン
３３０  空力設計点
【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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【図６】
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【図７】
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