(57)【要約】【課題】ピーク負荷、低負荷及び超低負荷動作並びに別のタイプの動作パラメータに関して補償するために追加の冷却を提供する。【解決手段】システムは、所望の高温気体経路温度を得るために空気フローに追加すべき水または蒸気の量を推定するためのサブシステムを含む。本システムは、湿り空気フローを生成するように空気フローに対して該量の水または蒸気を噴射するように適合させた水または蒸気噴射構成要素と、さらに該湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射するように適合させた噴射サブシステムと、を含む。本システムは、タービン段に配置させた温度センサと、該タービン段における所望の高温気体経路温度を決定するためのサブシステムと、を含む。圧縮器段に対して抽出コンジットを結合させ、これを空気フローを抽出するように適合させている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンを動作させるための方法であって、
タービン段において所望の状態を決定する工程と、
目下の高温気体経路温度を決定する工程と、
タービン段において所望の高温気体経路温度を決定する工程と、
圧縮器段から空気フローを抽出する工程と、
タービン段において所望の高温気体経路温度を得るように空気フローに対して追加すべき流体の推定量を推定する工程と、
湿り空気フローを生成するために空気フローに対して該流体推定量と実質的に等しい量で流体を追加する工程と、
該湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記流体は水または蒸気である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
目下の高温気体経路温度を決定する前記工程は、目下の高温気体経路温度を光学的トランスジューサによって計測する工程を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンの動作方法。
【請求項４】
目下の高温気体経路温度を決定する前記工程は、燃焼器排出温度を計測する工程を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンの動作方法。
【請求項５】
目下の高温気体経路温度を決定する前記工程は、第１タービン段において目下の高温気体経路温度を決定する工程と、第２タービン段において目下の高温気体経路温度を決定する工程と、を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンの動作方法。
【請求項６】
タービン段において所望の高温気体経路温度を決定する前記工程は、
第１タービン段において所望の高温気体経路温度を決定する工程と、
第２タービン段において所望の高温気体経路温度を決定する工程と、
を含む、請求項５に記載のガスタービンエンジンの動作方法。
【請求項７】
空気フローを抽出する前記工程は、
第１の圧縮器段から第１の空気フローを抽出する工程と、
第２の圧縮器段から第２の空気フローを抽出する工程と、
を含む、請求項６に記載のガスタービンエンジンの動作方法。
【請求項８】
空気フローに追加すべき流体量を推定する前記工程は、
第１の空気フローに追加すべき第１の流体量を推定する工程と、
第２の空気フローに追加すべき第２の流体量を推定する工程と、
を含む、請求項７に記載のガスタービンエンジンの動作方法。
【請求項９】
タービン段に配置させた温度センサと、
タービン段で所望の高温気体経路温度を決定するためのサブシステムと、
圧縮器段に結合させた空気フローを抽出するように適合させた抽出コンジットと、
所望の高温気体経路温度を得るために空気フローに追加すべき水または蒸気の量を推定するためのサブシステムと、
湿り空気フローを生成するために空気フローに対して該量の水または蒸気を噴射するように適合させた水または蒸気噴射構成要素と、
該湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射するように適合させた噴射サブシステムと、
を備えるシステム。
【請求項１０】
前記温度センサは光学的トランスジューサである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記水または蒸気噴射構成要素は水または蒸気噴射チェンバを備えている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
第２タービン段に配置させた第２の温度センサと、
第２の圧縮器段に結合させた第２の空気フローを抽出するように適合させた第２の抽出コンジットと、
第２タービン段で所望の高温気体経路温度を決定するための第２のサブシステムと、
第２タービン段で所望の高温気体経路温度を得るために第２の空気フローに対して追加すべき水または蒸気の第２の量を推定するための第２のサブシステムと、
第２の湿り空気フローを生成するために第２の空気フローに該第２量の水または蒸気を噴射するように適合させた第２の燃料噴射構成要素と、
第２タービン段において第２の湿り空気フローをノズル内に噴射するように適合させた第２の噴射サブシステムと、
をさらに備える請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
圧縮器と、
タービンと、
圧縮器の段に結合させた空気フローを抽出するように適合させたコンジットと、
タービンの段において高温気体経路温度を計測するように適合させた温度センサと、
湿り空気フローを生成するためにコンジットに結合させると共に空気フローに対して所定量の水または蒸気を噴射するように適合させた水または蒸気噴射チェンバと、
コンジットに結合させると共に該湿り空気フローをタービン段内に噴射するように適合させた噴射器と、
を備えるガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記温度センサは光学的トランスジューサを備える、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
圧縮器の第２段に結合させた第２の空気フローを抽出するように適合させた第２の抽出コンジットをさらに備える請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
タービンの第２段において第２の高温気体経路温度を計測するように適合させた第２の温度センサをさらに備える請求項１５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
第２の湿り空気フローを生成するために第２の抽出コンジットに結合させると共に第２の所定量の水または蒸気を噴射するように適合させた第２の水または蒸気噴射チェンバと、
第２の抽出コンジットに結合させると共に該第２の湿り空気フローを第２のタービン段内に噴射するように適合させた第２の噴射器と、
をさらに備える請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
圧縮器及びタービンを有するガスタービンの出力を改善するための方法であって、
目下の出力を決定する工程と、
所望の出力を決定する工程と、
圧縮器段から空気フローを抽出する工程と、
所望の出力を得るために該空気フローに対して追加すべき流体の推定量を推定する工程と、
湿り空気フローを生成するように空気フローに対して該流体推定量と実質的に等しい量で流体を追加する工程と、
湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射する工程と、
目下の出力を所望の出力に合わせて調整する工程と、
を含む方法。
【請求項１９】
前記流体は水または蒸気である、請求項１８に記載のガスタービンの出力改善方法。
【請求項２０】
湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射する前記工程は、複数のタービン段において複数のノズル内に湿り空気フローを噴射する工程を含む、請求項１８に記載のガスタービンの出力改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は全般的にはガスタービンエンジンに関し、またより詳細にはピーク負荷、低負荷及び超低負荷動作並びに別のタイプの動作パラメータに関して補償するような追加の冷却を提供するための能動構成要素寿命管理システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの高温気体経路部品寿命は、単純サイクルまたは複合サイクルの発電所における全体的ライフサイクル経済性に大きな影響を有する。ガスタービンエンジンは一般に、１段または複数段の圧縮器からの抽気を用いてタービン内部の高温気体経路に沿った構成要素の冷却及び／または封止を提供している。空気は圧縮器から抽出され、外部または内部のルートでタービン内の冷却を必要とする箇所に至る（本明細書ではタービン冷却回路と定義）ことがある。しかし、圧縮器内で圧縮されたが燃焼ガスの生成には用いられない空気はすべて、ガスタービンエンジンの全体的効率を低下させるのが一般的である。逆にタービンの温度上昇は排出レベル並びに高温気体経路に沿ってまたどこか別の箇所に位置決めされた構成要素の寿命に影響を及ぼすことがある。一般的に言って、基底負荷を超える動作は高温気体経路構成要素の寿命を短くする一方、基底負荷未満の動作は一般に構成要素寿命を延ばすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願第１３／６７０，５０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしこの関係に対する例外の１つが、第１タービン段より後方にある段のノズル及び動翼に関して見出されることがある。これらの後方段の入口ガス温度は基底負荷時と比べてピークファイア時においてより高く、また拡張ターンダウン時や極めて低い負荷及び燃焼温度でも依然として高い。ガスタービンエンジンは典型的には、熱効率を最大化するために各段に対する冷却フローを最小化させた連続基底負荷動作向けに設計されている。このことから、低負荷動作は後方段の構成要素に対して有害となり得る一方、ピーク負荷動作はタービンのすべての段の構成要素に対して有害となり得る。
【０００５】
ガスタービンエンジンの高温気体経路部品寿命に関する物理学ベースの知見から、定格公称燃焼温度（Ｔ−ｆｉｒｅ）を超える動作は高温気体経路部品寿命を短くしかつ定格公称Ｔ−ｆｉｒｅ未満での動作は部品寿命を延ばすことが実証されている。この関係は、利用可能なメンテナンス係数（Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ  Ｆａｃｔｏｒ：ＭＦ）としての定量化される。しかし最終段ノズル及び最終段動翼に対する影響はさらに複雑であると共に、該段でのガス温度が出力及びＴ−ｆｉｒｅに対する関係でバスタブ形状を成すようなＴ−ｆｉｒｅ及び出力に対する関係を有する。この最終段ガス温度は基底負荷時と比べてピークファイア時においてより高く、また拡張ターンダウン時または極めて低い負荷及びＴ−ｆｉｒｅにおいても依然として高い。この現象は最終段構成要素に対して、拡張ターンダウンレベルや超低負荷時の動作によって部品寿命に最大のマイナスの影響が課されるという直観に反する影響を及ぼしている。
【０００６】
ガスタービンエンジンは連続基底負荷動作向けに設計されるのが典型的であり、またこのためガスタービンエンジン熱効率の最大化のために冷却フローを最小化するあらゆる努力がなされている。しかし、この典型的な方針はピーク負荷動作及び超低負荷動作下では有害となる可能性がある。排出温度制御スケジュールに合わせた制御（従来型制御）または修正型排出温度制御スケジュールに合わせた制御を受けるガスタービンエンジンでは、外部可変のタービン区画冷却フローによって排出温度制御に別の問題が課せられており、計測される排出温度を可変冷却フローの影響を見込むように補償しなければならない。
【０００７】
従来の高温気体経路温度管理システムは、ピーク時及び拡張ターンダウン時（または、超低負荷動作時）における動作に対するマイナスの部品寿命影響に対処するための十分な手段を提供できない。さらに従来の高温気体経路温度管理システムは、タービンピーク負荷を公称能力を超えて増大させるための高温気体経路構成要素に対する選択的過冷却の提供は不十分である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
非限定の例示的な一実施形態では、本発明はガスタービンエンジンを動作させるための方法に関する。本方法は、タービン段において高温気体経路温度を決定する工程と、タービン段における所望の高温気体経路温度を決定する工程と、を含む。圧縮器段から空気フローが抽出され、タービン段における所望の高温気体経路温度の達成のために、該空気フローに対して追加すべき流体量が推定される。本方法は、湿り空気フローの生成のためにこの推定量の流体を空気フローに追加する工程と、この湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射する工程と、を含む。
【０００９】
別の実施形態では、高温気体経路構成要素の寿命を延ばすためのシステムを開示する。本システムは、タービン段に配置させた温度センサと、タービン段における所望の高温気体経路温度を決定するためのサブシステムと、を含む。圧縮器段に抽出コンジットが結合されており、またこれを空気フローを抽出するように適合させている。本システムは、所望の高温気体経路温度を得るために空気フローに追加すべき水または蒸気の量を推定するためのサブシステムを含む。さらに、湿り空気フローを生成するために該量の水または蒸気を空気フローに噴射するように適合させた水または蒸気噴射構成要素と、この湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射するように適合させた噴射サブシステムと、を含む。
【００１０】
別の実施形態では、圧縮器と、タービンと、空気フローを抽出するように適合させた圧縮器の段に結合させたコンジットと、を有するガスタービンエンジンを開示する。本ガスタービンエンジンはさらに、タービンの段における高温気体経路温度を計測するように適合させた温度センサを含む。本ガスタービンエンジンはさらに、コンジットに結合させると共に、湿り空気フローを生成するために空気フローに所定量の水または蒸気を噴射するように適合させた水または蒸気噴射チェンバと、コンジットに結合させると共に湿り空気フローをタービンの段内に噴射するように適合させた噴射器と、を含む。
【００１１】
別の実施形態では圧縮器及びタービンを有するガスタービンの出力を改善するための方法を開示する。本方法は、目下の出力及び所望の出力を決定する工程を含む。本方法はさらに、圧縮器段から空気フローを抽出する工程と、所望の出力を達成するために空気フローに追加すべき流体の推定量を推定する工程と、を含む。追加の工程について本方法は、湿り空気フローを生成するために空気フローに対して流体の推定量と実質的に等しい量で流体を追加する工程を含む。本方法はさらに、湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射する工程と、所望の出力に合わせて目下の出力を調整する工程と、を含む。
【００１２】
本発明の別の特徴及び利点は、本発明のある種の態様の原理を一例として図示している添付の図面と連携して取り上げた好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】圧縮器、燃焼器、タービン及び負荷を示しているガスタービンエンジンの概要図である。
【図２】本明細書に記載したような湿り空気冷却システムの一実施形態の概要図である。
【図３】湿り空気冷却システムで用いられる制御システムの一実施形態の機能概要図である。
【図４】赤外線カメラを備えたタービンの一部の概要図である。
【図５】湿り空気冷却システムを用いてガスタービンエンジンを動作させるための方法の一実施形態の流れ図である。
【図６】ガスタービンの出力を改善させるための方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書に記載したシステム及び方法は、排出温度制御補償と結合させて湿り空気による高温気体経路ノズルの過冷却を提供することができる。別の実施形態では光学的トランスジューサ（例えば、赤外線カメラ）による高温気体経路構成要素の直接金属温度計測を提供する。さらに別の実施形態では、光学的トランスジューサ（例えば、赤外線カメラ）による高温気体経路の直接気体ストリーム温度計測を用いることがある。冷却ストリーム温度が計測されると共に、この冷却ストリーム温度は冷却空気「湿度」及びマスフローを増大するために脱塩した水または蒸気を追加することによって所望レベルに制御される。タービン内のすべてのノズル段の過冷却は、ピーク過燃焼に関する追加の認可のコンテキストの域内でその目下の境界を超えたマシン動作の拡張のために利用可能な能動部品寿命管理を可能にする。
【００１５】
ここで幾つかの図面全体を通じて同じ要素を同じ番号で示している図面を見ると、図１は本発明で使用し得るガスタービンエンジン１０の概要図を表している。ガスタービンエンジン１０は圧縮器１５を含むことがある。圧縮器１５は流入する空気フロー２０を圧縮する。圧縮器１５はこの圧縮空気フロー２０を燃焼器２５に送る。燃焼器２５はこの圧縮空気フロー２０を燃料３０の加圧フローと混合すると共にこの混合物に点火して燃焼ガスのフロー３５を生成する。燃焼器２５を１つだけしか示していないが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器を含むことがある。燃焼ガスフロー３５は次いでタービン４０に送られる。燃焼ガスフロー３５は機械的仕事を発生させるようにタービン４０を駆動させる。タービン４０で発生させたこの機械的仕事はシャフト４５を介して圧縮器１５をまた発電機その他などの外部負荷５０を駆動させる。
【００１６】
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々なタイプの合成ガス及び／または別のタイプの燃料を用いることがある。ガスタービンエンジン１０は、様々な製造者が全世界的に提供する様々な多数のガスタービンエンジンのうちの任意の１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は様々な構成を有することがあり、また別のタイプの構成要素を用いることもある。本発明では、複数のガスタービンエンジン１０、別のタイプのターボマシン、別のタイプの発電装置も一緒に用いることができる。
【００１７】
上述したように圧縮器１５はその中に多数の圧縮器段５５を含むことがある。同様に、タービン４０もまたその中に任意の数のタービン段６０を有することがある。ガスタービンエンジン１０はしたがって、圧縮器１５からの冷却空気をタービン４０に提供するために多数の空気抽出６５を用いることがある。この例では、第１の抽出コンジット７０によって第１の圧縮器段７２から第１タービン段７４への空気が抽出される。本明細書で用いる場合に、「第１の」や「第２の」の表現をある段を別の段と区別するために用いており、必ずしも圧縮器１５やタービン４０の当該段を含意するために用いたものではない。例えば第１の圧縮器段７２が圧縮器１５の段９を指すことがあり、また第２の圧縮器段が圧縮器１５の段１３を指すことがある。第１の抽出コンジット７０上に第１の抽出制御弁７６を位置決めすることがある。同様にガスタービンエンジン１０は、第２の圧縮器段８２から第２タービン段８４まで延びる第２の抽出コンジット８０を有することがある。第２の抽出コンジット８０上に第２の抽出制御弁８６を位置決めすることがある。圧縮器排気９２から入口抽気熱マニホールド９４または別の箇所まで圧縮器排気抽出コンジット９０が延びることがある。入口抽気熱マニホールド９４は、圧縮器１５の入口の周りに位置決めされることがある。入口抽気熱マニホールド弁９６を用いてこれに対するフローを制御することがある。抽出コンジットはタービンケーシングに対して内部とすることも外部とすることもある。本発明では別の構成要素や別の構成を用いることもある。
【００１８】
図２は一実施形態による湿り空気冷却システム１００を表している。湿り空気冷却システム１００は上述のようなガスタービンエンジン１０と共に用いられることがある。湿り空気冷却システム１００は、特に第１タービン段７４（一実施形態ではタービンの段３とすることがある）及び第２タービン段８９（一実施形態ではタービンの段２とすることがある）の周りでその中を通る高温気体経路に沿ってタービン４０の構成要素を能動的に冷却することがある。
【００１９】
湿り空気冷却システム１００は、第１のフローと、第１の抽出コンジット７０の周りに位置決めされた温度センサ１１０と、を含むことがある。同様に湿り空気冷却システム１００は、第２のフローと、第２の抽出コンジット８０の周りに位置決めされた温度センサ１２０と、を含むことがある。第１のフローと温度センサ１１０並びに第２のフローと温度センサ１２０は従来の設計のものとすることができる。したがって第１のフローと温度センサ１１０並びに第２のフローと温度センサ１２０によって、空気フロー２０の流量及び温度が第１の抽出コンジット７０内（第１の空気フロー）及び第２の抽出コンジット８０内（第２の空気フロー）で決定される。
【００２０】
湿り空気冷却システム１００はさらに、第１の抽出コンジット７０の周りに位置決めされた第１の水／蒸気噴射チェンバ１３０を含むことがある。第１の水／蒸気噴射チェンバ１３０は、空気中でエネルギーによって水を蒸発させるために蒸留水が吸収性媒体に供給されると共に該媒体を通じて空気フローにこれが曝露されるような蒸発冷却システムとすることがある。代替形態として複数のマニホールド及びノズルによって微細の霧状にした水または蒸気の噴霧を空気フローに提供することがある。
【００２１】
同様に湿り空気冷却システム１００は、第２の抽出コンジット８０の周りに位置決めされた第２の水／蒸気噴射チェンバ１４０を含むことがある。第１の水／蒸気噴射チェンバ１３０及び第２の水／蒸気噴射チェンバ１４０は任意のソースからの任意の加熱媒体または冷却媒体と連通させることがある。本発明では別の構成要素や別の構成を用いることもある。
【００２２】
湿り空気冷却システム１００は、第１の水／蒸気噴射チェンバ１３０から下流側で第１の抽出コンジット７０上に配置させた第１の制御弁１５０を含むことがある。第１の制御弁１５０は、第１タービン段７４内に噴射させる湿り空気の量を制御する。さらに第１の水／蒸気噴射チェンバ１３０から下流側に第１の下流側センサ１７０を配置させ、これを用いて第１タービン段７４内に噴射させる湿り空気フローの温度及び流量を決定する。同様に、湿り空気冷却システム１００は、第２の水／蒸気噴射チェンバ１４０から下流側で第２の抽出（８０）上に配置させた第２の制御弁１６０を含むことがある。第２の制御弁１６０は第２タービン段８４内に噴射させる湿り空気の量を制御する。さらに、第２の水／蒸気噴射チェンバ１４０から下流側に第２の下流側センサ１８０を配置させ、これを用いて第２タービン段８４内に噴射させる湿り空気の温度及び流量を決定している。
【００２３】
水／蒸気噴射によるタービンノズル冷却フローに対する湿度の追加は、冷却空気の比熱（Ｃｐ）を改善させ、またこれより程度は小さいが主フローについても改善させる。さらに、水／蒸気噴射によるタービンノズル冷却フローに対する湿度の追加は、段動作温度を低下させ、部品寿命を改善させ、かつ各段における噴射調節による能動部品寿命管理を可能にする。タービンノズル冷却フローに対する湿り空気の追加による別の恩恵は、これによって段マスフローが増大することによってピーク出力が増大することである。湿り空気の追加はさらに、低負荷動作中の排出ガス温度を低下させ、これによりガスタービン定格向上（ｕｐｒａｔｅｓ）に関する熱回収蒸気発生器等温線限界を満足させる能力が改善される。
【００２４】
湿り空気冷却システム１００は、冷却制御器３５０によって操作されることがある。冷却制御器３５０は、ガスタービンエンジン１０の制御システム全体と連絡させることやこれと一体化させることがある。冷却制御器３５０は様々な制御弁及び締切弁を適当に動作させるためのフィードバックを様々なフローセンサから受け取り、空気抽出６５の温度並びに高温気体経路構成要素の温度を制御することがある。さらに、第１の水／蒸気噴射チェンバ１３０（第１の流体量）及び第２の水／蒸気噴射チェンバ１４０（第２の流体量）に対する追加すべき流体量を冷却制御器３５０によって制御させることがある。
【００２５】
本明細書に記載した湿り空気冷却システム１００の冷却制御器３５０はしたがって、第１の抽出コンジット７０及び第２の抽出コンジット８０内部の流量と温度、並びにタービン４０内部の高温気体経路構成要素の温度とこれに関する負荷条件を監視する。空気抽出６５の温度はしたがって第１の水／蒸気噴射チェンバ１３０及び第２の水／蒸気噴射チェンバ１４０を経て様々となり得る。
【００２６】
冷却制御器３５０はさらに湿り空気冷却システム１００が提供する可変の冷却フローに対する補償を行う。タービン４０の下流側には排出ガス温度を決定するために排出温度センサ３６０が位置決めされることがある。ガスタービンエンジン１０は排出温度制御スケジュールに合わせて制御されることがあるため、冷却制御器３５０は排出温度センサ３６０から並びに第２のフローと温度センサ１２０及び第１のフローと温度センサ１１０から入力を受け取り、これにより追加冷却用の湿り空気に関する適当な補償係数を提供する。冷却制御器３５０はしたがって、段レベルでのタイムアットテンペラチャ（ｔｉｍｅ  ａｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）のトラッキング及び管理を提供することがある。
【００２７】
冷却制御器３５０は、スタンドアロンプロセッサとすることや、例えばＧＥ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ＆  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ；Ｎ．Ｙ．）により出版されたＲｏｗｅｎ，Ｗ．Ｉ．「ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ  ＴＭ  Ｍａｒｋ  Ｖ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」（ＧＥ−３６５８Ｄ）に記載されているようなＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ  ＴＭ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍなどの大型の制御システムの一部とすることがある。冷却制御器３５０は、プログラムに対してセンサ入力や人間のオペレータからの指令を用いたガスタービンの動作制御をさせるプロセッサ（複数のこともある）を有するコンピュータシステムとすることがある。冷却制御器３５０が実行するこのプログラムは、燃焼器２５への燃料フローを調節するためのスケジュール管理アルゴリズムを含むことがある。冷却制御器３５０が発生させるコマンドは、湿り空気冷却システム１００上のアクチュエータに対して例えば、第１の制御弁１５０及び第２の制御弁１６０の調整を行わせている。
【００２８】
図３は、冷却制御器３５０の一実施形態の機能概要図である。排出温度センサにより計測した排出温度値４２０は第１の処理モジュール４４０によって処理することがある。第１の処理モジュール４４０は、線形２次推定アルゴリズム（カルマンフィルタ）を用いるモデルベースの制御アルゴリズムとすることがある。第１の下流側センサ１７０及び第２の下流側センサ１８０によって計測した冷却噴射フロー値４３０はまた、カルマンフィルタを用いたモデルベースの制御アルゴリズムとし得る第２の処理モジュール４５０に提供されることがある。第１の処理モジュール４４０及び第２の処理モジュール４５０からの出力は第３の処理モジュール４６０に提供されており、ここで排出温度、得られた燃焼温度、並びに高温気体経路の段レベル温度が計算されると共に能動ノズル冷却フローが補償される。トラッキング及び管理の目的のために様々な段についてタイムアットテンペラチャの記録を別のモジュール４７０によってメンテナンスさせることがある。
【００２９】
図４は、高温気体経路構成要素３８０の周りに位置決めされた赤外線カメラ３７０などの光学系を表している。高温気体経路構成要素３８０は、ブレード３９０、ベーン（ｖａｎｅ）４００、あるいはタービン４０内部に位置決めされた別のタイプの構成要素とすることがある。赤外線カメラ３７０は従来設計のものとすることができる。赤外線カメラ３７０は高温気体経路構成要素３８０に沿った温度分布を取り込むことがある。赤外線カメラ３７０や別のタイプのデバイスを冷却制御器３５０と連絡させることがある。構成要素表面の全体的条件あるいは該表面に沿った指定の箇所の条件のいずれかを反映した条件指標を生成するために診断アルゴリズムを用いることがある。酸化やスポレーション（ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ）などの局所的な欠陥は、構成要素表面上の箇所の周りの光行差として現出されることがある。したがってこの条件指標は、構成要素またはその一部分の条件に関するインジケータとして用いることができる。赤外線カメラ３７０は、回転性の高温気体経路構成要素に用いるためのトリガ４１０を含むことがある。本発明では、同様のタイプの高温計システムや別のタイプの光学系を同様の方式で用いることもある。本発明では別の構成要素や別の構成を用いることもある。
【００３０】
図５は、ガスタービンエンジン１０を動作させるための方法５００を表した流れ図を示している。
【００３１】
工程５１０において方法５００は、あるタービン段における所望の出力または目下の高温気体経路温度などの目下の状態を決定する。
【００３２】
工程５２０において方法５００は、そのタービン段における所望の出力または高温気体経路温度などの所望の状態を決定する。
【００３３】
工程５３０において方法５００は、圧縮器段から空気フローを抽出する。
【００３４】
工程５４０において方法５００は、そのタービン段における所望の高温気体経路温度を得るために空気フローに対して追加すべき水または蒸気の量を推定する。
【００３５】
工程５５０において方法５００は、湿り空気フローを生成するために該量の水または蒸気を空気フローに追加する。
【００３６】
工程５６０において方法５００は、この湿り空気フローをタービン段においてノズル内に噴射する。
【００３７】
高温気体経路温度のこの決定は、光学的トランスジューサによる高温気体経路温度の計測または燃焼器排出温度の計測によって実現させることがある。この高温気体経路温度の決定は複数のタービン段について実施されることがある。所望の高温気体経路温度に関しても同様の決定が複数のタービン段について実施されることがある。この空気フローの抽出は複数の圧縮器段からの空気フローの抽出によって実現させることがある。追加すべき水または蒸気の量の推定は、複数の空気フローのそれぞれに対して追加すべき水または蒸気の量の推定を含むことがある。同様に空気フローに対する水または蒸気の追加は、水または蒸気の複数の空気フローに対する追加を含むことがある。
【００３８】
湿り空気冷却システム１００はしたがって、必要に応じた冷却の増大を提供するように、高温気体経路構成要素３８０の温度の制御（特に、ピーク負荷や低負荷などの動作条件における制御）を行うことができる。湿り空気冷却システム１００は、全体的負荷を適当に制御するように本明細書に記載した温度補償スキームに基づいて可変の冷却フローによる影響を受けた構成要素に対する選択的な過冷却を可能にする。さらに、タービン４０のすべての段に対する選択的な過冷却によってピーク過燃焼に関する追加的認可のコンテキストにおいてガスタービンエンジン１０の全体性能を目下の時間長境界を越えて延長するための能動構成要素寿命管理を提供することができる。
【００３９】
したがって湿り空気冷却システム１００によれば、ピーク動作、拡張ターンダウン動作時に生成される熱の増大や別のタイプの動作パラメータに対する補償によって高温気体経路構成要素３８０の寿命が向上する。さらに湿り空気冷却システム１００によって、制限された時間の間に正常なピーク負荷を超えて動作する能力が追加される。したがって、湿り空気冷却システム１００は比較的低コストのシステムでの動作柔軟性を提供する一方で、ガスタービンエンジンの全体的ライフスタイル経済性を向上させることができる。
【００４０】
図６は、ガスタービンの出力を向上させるための方法６００の一実施形態の流れ図である。
【００４１】
工程６１０において方法６００は、目下の出力を決定する。
【００４２】
工程６１５において方法６００は、所望の出力を決定する。
【００４３】
工程６２０において方法６００は、圧縮器段から空気フローを抽出する。
【００４４】
工程６２５において方法６００は、所望の出力を得るために空気フローに対して追加すべき流体の推定量を推定する。
【００４５】
工程６３０において方法６００は、湿り空気フローを生成するために空気フローに対して流体の推定量と実質的に等しい量で流体を追加する。
【００４６】
工程６３５において方法６００は、タービン段において湿り空気フローをノズル内に噴射する。このことは、複数のタービン段において複数のノズル内に湿り空気フローを噴射することによって実現させることがある。
【００４７】
工程６４０において方法６００は、目下の出力を所望の出力に合わせて調整する。
【００４８】
用語の定義が該用語の通常使用される意味から逸れる場合に、特に具体的に指定しない限りは本出願人は次に記載の定義を利用するように意図している。
【００４９】
本明細書で用いる用語法は、具体的な実施形態の記述のみを目的としたものであり、本発明の限定を意図していない。用語の定義が当該用語の通常使用される意味から逸脱している場合、出願人は以下に示した定義を利用するように意図している（ただし、特に指定する場合を除く）。単数形で「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」としていてもその複数形も同様に含むように意図している（ただし、コンテキストから含まないことが明瞭に指示される場合を除く）。様々な要素の記述において第１の、第２の、その他の用語を用いることがあるが、要素をこれらの用語により限定すべきでないことが理解されよう。これらの用語は単に、ある要素を別の要素と区別するために用いたものである。用語「及び／または」には、列挙した関連する１つまたは複数の項目のうちのいずれかのみ、全部、これらの組み合わせが含まれる。「に結合させ（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」及び「と結合させ（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗｉｔｈ）」という表現は、直接的な結合や間接的な結合を企図している。
【００５０】
この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。
【符号の説明】
【００５１】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮器
２０  空気
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス
４０  タービン
４５  シャフト
５０  外部負荷
５５  圧縮器段
６０  タービン段
６５  空気抽出
７０  第１の抽出パイプ
７２  第１の圧縮器段
７４  第１タービン段
７６  第１の抽出制御弁
８０  第２の抽出パイプ
８２  第２の圧縮器段
８４  第２タービン段
８６  第２の抽出制御弁
８９  第２タービン段
９０  圧縮器排気抽出パイプ
９２  圧縮器排気
９４  入口抽気熱マニホールド
９６  入口抽気熱マニホールド弁
１００  湿り空気冷却システム
１１０  温度センサ
１２０  温度センサ
１３０  第１の水／蒸気噴射チェンバ
１４０  第２の水／蒸気噴射チェンバ
１５０  第１の制御弁
１６０  第２の制御弁
１７０  第１の下流側センサ
１８０  第２の下流側センサ
３５０  冷却制御器
３６０  温度センサ
３７０  赤外線カメラ
３８０  高温気体経路構成要素
３９０  ブレード
４００  ベーン
４１０  トリガ
４２０  排出温度値
４３０  冷却噴射フロー値
４４０  第１の処理モジュール
４５０  第２の処理モジュール
４６０  第３の処理モジュール
４７０  モジュール
５００  方法
５１０  工程
５２０  工程
５３０  工程
５４０  工程
５５０  工程
５６０  工程
【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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【外国語明細書】
2014145357000001.pdf