(57)【要約】【課題】フローモニタリングシステムを有するターボ機械及びターボ機械において流れを監視する方法を提供すること。【解決手段】ターボ機械は、１以上のタービン段を密閉するハウジングを有するタービン部分を含む。１以上のタービン段の各々は、複数のタービンバケットを含む。複数のタービンバケットは、上流側部分及び下流側部分を含む。第１のセンサは、複数のタービンバケットの上流側部分にてタービン部分に装着され、第２のセンサは、複数のタービンバケットの下流側部分にてタービン部分に装着される。コントローラは、第１及び第２のセンサに動作可能に結合される。コントローラは、上流側部分と下流側部分との間の流れの変化を検出し、流れの変化が所定閾値を下回った場合にアラームを信号送信するよう構成され且つ配置される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械であって、
１以上のタービン段を密閉するハウジングを含み、該１以上のタービン段の各々が上流側部分及び下流側部分を有する複数のタービンバケットを含むタービン部分と、
前記複数のタービンバケットの上流側部分にて前記タービン部分に装着された第１のセンサと、
前記複数のタービンバケットの下流側部分にて前記タービン部分に装着された第２のセンサと、
前記第１及び第２のセンサに動作可能に結合されて、前記上流側部分と前記下流側部分との間の流れの変化を検出し、前記流れの変化が所定閾値を下回った場合にアラームを信号送信するよう構成され且つ配置されたコントローラと
を備える、ターボ機械。
【請求項２】
前記第１及び第２のセンサの各々が圧力センサであり、前記コントローラが、前記複数のタービンバケットの先端部分にわたる圧力変化を検出するよう構成され且つ配置されている、請求項１記載のターボ機械。
【請求項３】
前記１以上のタービン段が、前記タービン部分の最後方段タービンバケットを含む、請求項１記載のターボ機械。
【請求項４】
前記第１及び第２のセンサの各々が、前記ハウジングの内側表面に装着される、請求項１記載のターボ機械。
【請求項５】
前記ハウジングの内側表面が、タービンシュラウドを含む、請求項４記載のターボ機械。
【請求項６】
前記タービン部分が蒸気タービンを含む、請求項１記載のターボ機械。
【請求項７】
複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）であって、
圧縮機部分と、タービン部分と、前記圧縮機部分及び前記タービン部分に流体接続された燃焼器組立体とを含むガスターボ機械と、
前記タービン部分に流体接続された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、
前記排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に流体接続され且つ１以上のタービン段を密閉するハウジングを含み、該１以上のタービン段の各々が上流側部分及び下流側部分を有する複数のタービンバケットを含む蒸気タービンと、
前記複数のタービンバケットのうちの１つの上流側部分にて前記タービン部分に装着された第１のセンサと、
前記複数のタービンバケットの下流側部分にて前記タービン部分に装着された第２のセンサと、
前記第１及び第２のセンサに動作可能に結合されて、前記上流側部分と前記下流側部分との間の流れの変化を検出して、前記流れの変化が所定閾値を下回った場合にアラームを信号送信するよう構成され且つ配置されたコントローラと
を備える、複合サイクル発電プラント。
【請求項８】
前記第１及び第２のセンサの各々が圧力センサであり、前記コントローラが、前記複数のタービンバケットの先端部分にわたる圧力変化を検出するよう構成され且つ配置されている、請求項７記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項９】
前記１以上のタービン段が、前記蒸気タービンの最後方段タービンバケットを含む、請求項７記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１０】
前記第１及び第２のセンサの各々が、前記ハウジングの内側表面に装着される、請求項７記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１１】
前記ハウジングの内側表面が、タービンシュラウドを含む、請求項１０記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１２】
ターボ機械における流れを監視する方法であって、
タービンバケットの上流側で第１の流れパラメータを検知する段階と、
前記タービンバケットの下流側で第２の流れパラメータを検知する段階と、
前記第１の流れパラメータと前記第２の流れパラメータとの間の差違を計算する段階と、
前記第１の流れパラメータと前記第２の流れパラメータとの間の差違が所定閾値を下回った場合にアラームを作動させる段階と
を含む、方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２の流れパラメータを検知する段階が、前記タービンバケットの上流側の第１の圧力と、前記タービンバケットの下流側の第２の圧力とを検知する段階を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記タービンバケットの上流側の第１の圧力を検知する段階が、前記タービンバケットの先端部分の上流側の第１の圧力を検知する段階を含み、前記タービンバケットの下流側の第２の圧力を検知する段階が、前記タービンバケットの先端部分の下流側の第２の圧力を検知する段階を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第１及び第２の流れパラメータを検知する段階が、蒸気タービンにおける最後方段のタービンバケットの第１及び第２の流れパラメータを検知する段階を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記第１及び第２の流れパラメータを検知する段階が、蒸気タービンにおけるタービンバケットの第１及び第２の流れパラメータを検知する段階を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記アラームを作動させる段階が、前記第１及び第２の流れパラメータの差違が負の値である場合に、視覚的表示及び音響的表示のうちの一方を提供する段階を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の流れパラメータと前記第２の流れパラメータとの間の差違が所定閾値を下回った場合に、前記ターボ機械の動作モードを調整する段階を更に含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
前記ターボ機械の動作モードを調整する段階が、前記ターボ機械の排気圧力を低減する動作モードを確立させる段階を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の流れパラメータと前記第２の流れパラメータとの間の差違が所定閾値を下回ることに相関付けられる、前記ターボ機械の振動の増大を検出する段階を更に含む、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ターボ機械の分野に関し、より詳細には、フローモニタリングシステムを有するターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのターボ機械は、共通の圧縮機／タービンシャフト又はロータ並びに燃焼器組立体を通じてタービン部分に連結された圧縮機部分を含む。圧縮機部分は、加圧された空気流を複数の連続する段を通って燃焼器組立体に誘導する。燃焼器組立体では、加圧空気流は、燃料と混合されて可燃性混合気を形成する。可燃性混合気は、燃焼器組立体において燃焼して高温ガスを形成する。高温ガスは、トランジションピースを通じてタービン部分に誘導される。高温ガスは、タービン回転タービンブレードを通って膨張して仕事を生成し、これが出力されて、例えば、発電機又はポンプを駆動し、或いは移動体に動力を提供する。燃焼用に加圧空気を提供することに加えて、加圧空気流の一部は、冷却の目的でタービン部分を通過する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８１２６６６２号明細書
【発明の概要】
【０００４】
例示的な実施形態の１つの態様によれば、ターボ機械は、１以上のタービン段を密閉するハウジングを有するタービン部分を含む。１以上のタービン段の各々は、複数のタービンバケットを含む。複数のタービンバケットは、上流側部分及び下流側部分を含む。第１のセンサは、複数のタービンバケットの上流側部分にてタービン部分に装着され、第２のセンサは、複数のタービンバケットの下流側部分にてタービン部分に装着される。コントローラは、第１及び第２のセンサに動作可能に結合される。コントローラは、上流側部分と下流側部分との間の流れの変化を検出し、流れの変化が所定閾値を下回った場合にアラームを信号送信するよう構成され且つ配置される。
【０００５】
例示的な実施形態の別の態様によれば、複合サイクル発電プラントは、圧縮機部分と、タービン部分と、圧縮機部分及びタービン部分に流体接続された燃焼器組立体とを含むガスターボ機械とを含む。排熱回収ボイラがタービン部分に流体接続される。蒸気タービンは、排熱回収ボイラに流体接続される。蒸気タービンは、１以上のタービン段を密閉するハウジングを含む。１以上のタービン段の各々が、複数のタービンバケットを含む。複数のタービンバケットは、上流側部分及び下流側部分を含む。第１のセンサが、複数のタービンバケットのうちの１つの上流側部分にてタービン部分に装着される。第２のセンサが、複数のタービンバケットのうちの下流側部分にてタービン部分に装着される。コントローラは、第１及び第２のセンサに動作可能に結合される。コントローラは、上流側部分と下流側部分との間の流れの変化を検出して、流れの変化が所定閾値を下回った場合にアラームを信号送信するよう構成され且つ配置される。
【０００６】
例示的な実施形態の更に別の態様によれば、ターボ機械を作動させる方法は、タービンバケットの上流側で第１の流れパラメータを検知する段階と、タービンバケットの下流側で第２の流れパラメータを検知する段階と、第１の流れパラメータと第２の流れパラメータとの間の差違を計算する段階と、第１の流れパラメータと第２の流れパラメータとの間の差違が所定閾値を超過した場合にアラームを作動させる段階とを含む。
【０００７】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な１つの実施形態による、フローモニタリングシステムを含むターボ機械の概略図。
【図２】図１のターボ機械における流れを監視する方法を例示するフローチャート。
【図３】図１のターボ機械における流れの変化を例示するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【００１１】
図１及び２を参照すると、例示的な実施形態に従って構成された複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）が、全体的に参照符号２で示されている。ＣＣＰＰ  ２は、圧縮機部分６及びタービン部分８を有するガスターボ機械４を含む。圧縮機部分６は、燃焼器組立体１０を通じてタービン部分８に流体接続される。燃焼器組立体１０は、複数の燃焼器を含み、その１つが符号１１で示されている。燃焼器１１は、ガスターボ機械４の周りに缶アニュラ型アレイで配列することができる。勿論、燃焼器１１の他の配列も利用できることは理解されたい。圧縮機部分６はまた、共通の圧縮機／タービンシャフト１２を通じてタービン部分８に機械的に連結される。タービン部分８からの排気ガスは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１４に送られる。排気ガスは、水と熱を交換して蒸気を形成し、該蒸気は、蒸気タービン２０に誘導される。
【００１２】
蒸気タービン部分２０は、複数のタービン段２５を密閉するハウジング２２を含む。タービン段２５は、第１タービン段２６、第２タービン段２７、第３タービン段２８、及び第４タービン段２９を含む。第１タービン段２６は、第１の複数のベーン又はノズル３３と、ブレード又はバケット３４の形態の第１の複数の回転構成要素とを含む。バケット３４は、第１のロータ部材（図示せず）に装着され、該第１のロータ部材はシャフト１２に結合される。第２タービン段２７は、第２の複数のベーン又はノズル３７と、第２の複数のブレード又はバケット３８とを含む。バケット３８は、第２のロータ部材（同様に図示せず）に結合される。第３タービン段２８は、第３の複数のベーン又はノズル４１と、第３のロータ部材（同様に図示せず）に結合された第３の複数のブレード又はバケット４２とを含む。第４のタービン段２９は、第４の複数のベーン又はノズル４５と、第４のロータ部材（図示せず）に結合された第４の複数のブレード又はバケット４６とを含む。バケット４６は、蒸気タービン２０における最終段又は最後方バケットを表す。勿論、タービン段の数は変更することができる点は理解されたい。蒸気タービン２０はまた、ハウジング２２に支持される複数の固定タービンシュラウド８６〜８９を含めて図示されている。タービンシュラウド８６〜８９は、ハウジング２２の内側表面（別途符号を表記せず）と、バケット３４、３８、４２、４６の対応するバケットの先端部分（別途符号を表記せず）との間に望ましいクリアランスを設けている。タービンシュラウド８６〜８９は、タービン段２５〜２９の対応するものを囲むリング形態で配列される。
【００１３】
例示的な実施形態によれば、蒸気タービン２０は、バケット４６の上流側に配列された第１のセンサ１００と、バケット４６の下流側に配列された第２のセンサ１０４とを含む。センサ１００、１０４は、バケット４６をわたる流れを決定するようプログラムされたコントローラ１１０に信号を提供する。より具体的には、コントローラ１１０は、バケット４６の先端部分１１４の前後の圧力差（ΔＰ）を計算するようプログラムされている。センサ１００は、圧力Ｐ１を表す信号を提供し、センサ１０４は、Ｐ２を表す信号を提供する。コントローラ１１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１２４及びメモリ１２５を含めて図示されている。メモリ１２５は、ある時間期間にわたってセンサ１００及び１０４から得られた圧力値を記憶するよう構成することができる。以下で完全に明らかになるように、コントローラ１１０は、ΔＰが所定閾値を下回った場合にアラーム１３０に出力を提供する。例示的な実施形態の１つの態様によれば、蒸気タービン部分２０の通常動作中は、ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２は正の値であるはずである。正の値は、タービンモード、すなわち、圧力が蒸気タービン部分２０を通るガスの流れ方向で低下するモードでの作動を表している。しかしながら、ΔＰが所定閾値を下回り、すなわち、負の値に向かう傾向にある場合には、アラーム１３０が作動して、蒸気タービン２０において関心のある状態の存在を信号で送信する。関心のある状態は、圧縮機モード、すなわち、圧力が先端部分１１４にわたる流れ方向で増大するモードの作動を表している。この関心のある状態は、ブレードフラッタ（異常振動）、流れ不安定性に起因する振動、又は同様のものをもたらす可能性がある。
【００１４】
ここで図２を参照して、蒸気タービン２０における流れを監視する方法２００について説明する。コントローラ１１０は、ブロック２０２において示すように、センサ１００から受け取ったデータに基づいて第１の圧力値Ｐ１を決定する。コントローラ１１０はまた、ブロック２０４に示すように、センサ１０４から受け取ったデータに基づいて第２の圧力値Ｐ２を決定する。次いで、コントローラ１１０は、ブロック２０６に示すように、ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）を決定する。ΔＰが所定閾値２０７（図３を参照）を上回ったままである場合、コントローラ１１０は、ブロック２０８に示すように、何らかの動作を示す信号を送ることなく、引き続き圧力を検出する。しかしながら、ΔＰが所定閾値２０７を下回った場合には、ブロック２１０に示すようにアラーム１３０が起動される。アラーム１３０は、オペレータに対する音響アラーム又は視覚的アラームとすることができる。アラームを受信後、オペレータは、ブロック２１２に示すような是正措置を取ることができる。是正措置は、流れの増大又は排気圧力の減少につながる対策を講じることを含む。値２０７を下回るΔＰでは、バケット４６の先端部分１１４は、圧縮機ブレードと同様の挙動をし始めることが分かっている。バケット４６にわたる空気流／燃焼生成物（ガスタービン）又は蒸気流（蒸気タービン）は、翼形部表面（別途符号を表記せず）から剥離し始めて、望ましくない振動又はフラッタが生成される。振動又はフラッタは、望ましくない異音又は内部損傷をもたらす可能性がある。
【００１５】
この点に関して、例示的な実施形態は、ターボ機械を通る流れ特性を監視するシステムを提供する点は理解されたい。例示的な実施形態に従って監視される流れパラメータは、タービンにおける可能性のある振動又はフラッタの早期表示又はワーニングであることが分かっている。例示的な実施形態の監視システムによって提供される早期ワーニングによって、振動／フラッタが望ましくないレベルに到達する前にオペレータが是正措置を取ることができるようになる。この点に関して、最後方又は最終段のタービンバケットの厚六を監視するよう図示され説明されているが、例示的な実施形態は、タービンの他の場所に位置付けられてもよい点は理解されたい。更に、蒸気タービンに関連して利用されるよう図示され説明されているが、例示的な実施形態は、ガスタービン及び／又は圧縮機に組み込むことができる。
【００１６】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００１７】
２  複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）
４  ガスターボ機械
６  圧縮機部分
８  タービン部分
１０  燃焼器組立体
１１  複数の燃焼器
１２  共通の圧縮機／タービンシャフト
１４  排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
２０  蒸気タービン
２２  ハウジング
２５  複数のタービン段
２６  第１タービン段
２７  第２タービン段
２８  第３タービン段
２９  第４タービン段
３３  第１の複数のベーン又はノズル
３４  第１の複数のブレード又はバケット
３７  第２の複数のベーン又はノズル
３８  第２の複数のブレード又はバケット
４１  第３の複数のベーン又はノズル
４２  第３の複数のブレード又はバケット
４５  第４の複数のベーン又はノズル
４６  第４の複数のブレード又はバケット
８６  複数の固定タービンシュラウド
８７  複数の固定タービンシュラウド
８８  複数の固定タービンシュラウド
８９  複数の固定タービンシュラウド
１００  第１のセンサ
１０４  第２のセンサ
１１０  コントローラ
１１４  先端部分
１２４  中央処理ユニット（ＣＰＵ）
１２５  メモリ
１３０  アラーム
２００  方法
２０２  ターボ機械バケットの上流側の圧力を検出する
２０４  ターボ機械バケットの下流側の圧力を検出する
２０６  ΔＰを決定
２０７  所定閾値
２０８  ΔＰが閾値を超過したか？
２１０  アラームを信号送信
２１２  是正措置を取る
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2014051978000001.pdf