(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス・タービン・エンジンの圧縮機および高温ガス経路における、特にタービンの後部段に沿って設けられた冷却コンポーネントに対する能動冷却システムを提供する。【解決手段】ガス・タービン・エンジン１０の圧縮機１５およびタービン４０に対する能動冷却システムは、圧縮機からタービンまで延びる空気抽出パイプと、空気抽出パイプの辺りに位置する熱交換器と、空気抽出パイプと連絡している外部空気冷却システムと、を備えていても良い。【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・エンジンの圧縮機およびタービンに対する能動冷却システムであって、
前記圧縮機から前記タービンまで延びる空気抽出パイプと、
前記空気抽出パイプの辺りに位置する熱交換器と、
前記空気抽出パイプと連絡している外部の空気冷却システムと、を備える能動冷却システム。
【請求項２】
前記空気抽出パイプには、前記タービンに向かって延びる複数の空気抽出パイプが含まれる請求項１に記載の能動冷却システム。
【請求項３】
前記空気抽出パイプには、前記タービンまで延びる中段の抽出パイプが含まれる請求項１に記載の能動冷却システム。
【請求項４】
前記空気抽出パイプには、前記タービンの第２段まで延びる第１３段の抽出パイプが含まれる請求項１に記載の能動冷却システム。
【請求項５】
前記空気抽出パイプ上に流れ・温度センサを備える請求項１に記載の能動冷却システム。
【請求項６】
前記外部空気冷却システムは、外部空気の流れと連絡している外部空気取入ラインを備える請求項１に記載の能動冷却システム。
【請求項７】
前記外部空気冷却システムは、永続的な空気の流れおよび前記空気抽出パイプと連絡している段外部空気ラインを備える請求項６に記載の能動冷却システム。
【請求項８】
前記段外部空気ライン上に流れ・温度センサを備える請求項７に記載の能動冷却システム。
【請求項９】
前記タービンの下流に流れ・温度センサをさらに備える請求項１に記載の能動冷却システム。
【請求項１０】
前記タービンの周りに位置する赤外線カメラをさらに備える請求項１に記載の能動冷却システム。
【請求項１１】
前記タービンは、内部に複数の高温ガス経路構成部品を備え、前記赤外線カメラは、前記複数の高温ガス経路構成部品の周りに位置する請求項１０に記載の能動冷却システム。
【請求項１２】
タービン内の高温ガス経路構成部品を能動的に冷却する方法であって、
前記高温ガス経路構成部品の温度を決定することと、
前記タービン上の負荷を決定することと、
前記タービンへの空気抽出を状態調整することと、
外部空気の流れを前記空気抽出に供給することと、を含む方法。
【請求項１３】
前記決定ステップに基づいて前記高温ガス経路構成部品に対する動作履歴を形成するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記動作履歴に基づいて前記高温ガス経路構成部品の寿命を予測するステップをさらに備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記予測された寿命に基づいて前記空気抽出の前記温度を変えるステップをさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記高温ガス経路構成部品の前記温度を決定する前記ステップは、排気ガス温度を測定することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記高温ガス経路構成部品の前記温度を決定する前記ステップは、その温度分布を光学的に捕らえることを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記温度分布に基づいて状態指数を形成するステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ガス・タービン・エンジンの圧縮機およびタービンに対する能動冷却システムであって、
前記圧縮機の中段から前記タービンの段まで延びる１または複数の空気抽出パイプと、
前記１または複数の空気抽出パイプの辺りに位置する１または複数の熱交換器と、
前記１または複数の空気抽出パイプと連絡している外部空気冷却システムと、を備える能動冷却システム。
【請求項２０】
前記１または複数の空気抽出パイプは、前記圧縮機の第９段から前記タービンの第３段まで延びる第９段の空気抽出パイプと、前記圧縮機の第１３段から前記タービンの第２段まで延びる第１３段の空気抽出パイプとを含み、
前記１または複数の熱交換器は、前記第９の空気抽出パイプの辺りに位置する第９段の熱交換器と、前記第１３の空気抽出パイプの辺りに位置する第１３段の熱交換器とを含む請求項１９に記載の能動冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願および結果として得られる特許は一般的に、ガス・タービン・エンジンに関し、より詳細には、能動的構成部品寿命管理システム、ならびに最大、低、および超低負荷動作および他のタイプの動作パラメータを補償するための付加的な冷却を実現する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・タービン・エンジンは一般的に、圧縮機の１または複数の段からの抽気を用いて、タービン内の高温ガス経路に沿って設けられた構成部品の冷却および／またはシールを行なっている。空気が圧縮機から抽出されて、タービン内の冷却が必要な箇所に、外部または内部から送られる場合がある。本明細書ではこれを、タービン冷却回路と規定する。しかし、圧縮機内で圧縮されて、燃焼ガスの発生に用いられない空気がわずかでもあると、一般的に、ガス・タービン・エンジンの全体的効率が低下する。逆に、タービン内の温度が上昇すると、高温ガス経路に沿っておよび他の場所に位置する構成部品の排出レベルおよび寿命に影響が出る場合がある。概略的に述べると、動作がベース負荷を上回っている場合、高温ガス経路構成部品の寿命が短くなり、一方で、動作がベース負荷を下回っていると一般的に構成部品の寿命が延びる。
【０００３】
しかし、この関係に対する例外が、第１のタービン段の後部の段のノズルおよびバケットに関して見出される場合がある。これらの後部段の入口ガス温度は、ベース負荷よりも最大燃焼における方が高い場合があり、また拡張されたターンダウンまたは非常に低負荷および燃焼温度においてもやはり高い場合がある。ガス・タービン・エンジンは通常、熱効率を最大にするために、段に対する冷却流を最小限にして連続的なベース負荷動作が得られるようにデザインされている。このようなことを考えると、低負荷動作は、後部段における構成部品に対して有害な場合がある一方で、最大負荷動作は、タービンのすべての段における構成部品に対して有害な場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，７９６，７０９号明細書
【発明の概要】
【０００５】
したがって、高温ガス経路における、特に後部段に沿って設けられた、冷却コンポーネントに対するシステムおよび方法を改善して、構成部品の寿命を増加させることが望まれている。また、全体的な動作がある特定のタイプの動作条件における現状の限界を超えて広がるように、すべての段に対する能動冷却管理を実現することが望まれている。
【０００６】
したがって、本出願および結果として得られる特許によって、ガス・タービン・エンジンの圧縮機およびタービンに対する能動冷却システムが提供される。能動冷却システムは、圧縮機からタービンまで延びる空気抽出パイプと、空気抽出パイプの辺りに位置する熱交換器と、空気抽出パイプと連絡している外部空気冷却システムとを備えていても良い。
【０００７】
本出願および結果として得られる特許によってさらに、タービン内の高温ガス経路構成部品を能動的に冷却する方法が提供される。本方法は、高温ガス経路構成部品の温度を決定するステップと、タービンに対する負荷を決定するステップと、タービンへの空気抽出を状態調整するステップと、外部空気の流れを空気抽出に供給するステップとを含んでいても良い。
【０００８】
本出願および結果として得られる特許によってさらに、ガス・タービン・エンジンの圧縮機およびタービンに対する能動冷却システムが提供される。能動冷却システムは、圧縮機の中段からタービン段まで延びる１または複数の空気抽出パイプと、空気抽出パイプの辺りに位置する１または複数の熱交換器と、空気抽出パイプと連絡している外部空気冷却システムとを備えていても良い。
【０００９】
本出願および結果として得られる特許のこれらおよび他の特徴および改善は、以下の詳細な説明を複数の図面および添付の請求項とともに検討すれば、当業者には明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧縮機、燃焼器、タービン、および負荷を示すガス・タービン・エンジンの概略図である。
【図２】本明細書で説明される場合がある能動冷却システムの概略図である。
【図３】赤外線カメラを伴うタービンの一部の概略図である。
【図４】本明細書で説明される場合がある能動冷却方法における方法ステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面（複数の図の全体に渡って同様の数字は同様の要素を指す）を参照して、図１は、本明細書で用いても良いガス・タービン・エンジン１０の概略図を示す。ガス・タービン・エンジン１０は、圧縮機１５を備えていても良い。圧縮機１５によって、流入する空気流２０が圧縮される。圧縮機１５によって、圧縮された空気流２０が燃焼器２５に送出される。燃焼器２５では、圧縮された空気流２０が加圧された燃料流３０と混合され、混合気が点火されて燃焼ガス流３５が形成される。単一の燃焼器２５のみを示しているが、ガス・タービン・エンジン１０は任意の数の燃焼器２５を備えていても良い。燃焼ガス流３５は次に、タービン４０に送出される。燃焼ガス流３５によってタービン４０が駆動されて機械仕事が発生する。タービン４０内で発生した機械仕事によって、圧縮機１５が、シャフト４５を介して駆動され、外部負荷５０たとえば発電機などが駆動される。
【００１２】
ガス・タービン・エンジン１０では、天然ガス、液体燃料、種々のタイプのシンガス、および／または他のタイプの燃料を用いても良い。ガス・タービン・エンジン１０は、種々の製造業者によって世界的に供給される複数の異なるガス・タービン・エンジンのいずれか１つであっても良い。ガス・タービン・エンジン１０は、異なる構成を有していても良く、また他のタイプの構成部品を用いていても良い。本明細書では、複数のガス・タービン・エンジン、他のタイプのターボ機械、および他のタイプの発電機器を共に用いても良い。
【００１３】
前述したように、圧縮機１５は、複数の圧縮機段５５を内部に備えていても良い。同様に、タービン４０は、任意の数のタービン段６０を内部に備えていても良い。したがって、ガス・タービン・エンジン１０は、複数の空気抽出６５を用いて、冷却用空気を圧縮機１５からタービン４０に供給しても良い。この例では、第９段の抽出パイプ７０が、圧縮機１５の第９段７２からタービン４０の第３段７４まで延びていても良い。第９段の抽出制御バルブ７６が、その上に位置していても良い。同様に、ガス・タービン・エンジン１０は、第１３段の抽出パイプ８０が、圧縮機１５の第１３段８２からタービン４０の第２段８４まで延びていても良い。第１３段の抽出制御バルブ８６が、その上に位置していても良い。圧縮機吐出抽出パイプ９０が、圧縮機吐出９２から入口抽気熱マニフォールド９４または他の箇所まで延びていても良い。入口抽気熱マニフォールド９４は、圧縮機１５の入口の辺りに位置していても良い。入口抽気熱マニフォールド・バルブ９６を用いて、そこへの流れを制御しても良い。抽出パイプは、タービン・ケーシングの内部にあっても良いし、または外部にあっても良い。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。
【００１４】
図２に、本明細書で用いても良い能動冷却システム１００を示す。能動冷却システム１００は、前述したようなガス・タービン・エンジン１０などとともに用いても良い。能動冷却システム１００によって、タービン４０を通る高温ガス経路に沿って設けられたタービン４０の構成部品（特に第３段７４および第２段８９の辺りの構成部品）が能動的に冷却される場合がある。
【００１５】
能動冷却システム１００は、第９段の抽出パイプ７０の辺りに位置する第９段の流れ・温度センサ１１０を備えていても良い。同様に、能動冷却システム１００は、第１３段の抽出パイプ８０の辺りに位置する第１３段の流れ・温度センサ１２０を備えていても良い。流れ・温度センサ１１０、１２０は、従来のデザインであっても良い。こうして、流れ・温度センサ１１０、１２０によって、抽出パイプ７０、８０内の空気流２０の流量および温度が決定される。
【００１６】
また能動冷却システム１００は、第９段の抽出パイプ７０の辺りに位置する第９段の熱交換器１３０を備えていても良い。同様に、能動冷却システム１００は、第１３段の抽出パイプ８０の辺りに位置する第１３段の熱交換器１４０を備えていても良い。熱交換器１３０、１４０は、従来のデザインであっても良い。熱交換器１３０、１４０は、任意の供給源からの任意の加熱または冷却媒体と連絡していても良い。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。
【００１７】
また能動冷却システム１００は、外部冷却システム１５０を備えていても良い。外部冷却システム１５０は、１または複数の外部冷却空気源１６０を備えていても良い。外部冷却空気源１６０は、暖かいおよび／または冷たい外部空気１６５の流れの任意の供給源であっても良い。外部の冷却用空気供給源１６０は、外部空気取入ライン１７０と連絡していても良い。外部空気取入ライン１７０は、外部空気取入バルブ１８０と、その上に位置する外部空気流れ・温度センサ１９０とを有していても良い。
【００１８】
外部空気取入ライン１７０は取入バルブ２００まで延びていても良い。取入バルブ２００は、従来のデザインであっても良い。本明細書では、他のタイプの多方向バルブを用いても良い。取入バルブ２００によって、外部空気取入ライン１７０が圧縮機吐出抽出パイプ９０と接続されていても良い。外部空気圧縮機吐出バルブ２１０が、その下流に位置していても良い。また取入バルブ２００はタービン流れライン２２０まで達していても良い。タービン流れライン・ブロック・バルブ２３０およびタービン流れ・温度センサ２４０が、その上に位置していても良い。
【００１９】
タービン流れライン２２０は、第２段の外部空気ライン２５０まで延びていても良い。第２段の外部空気ライン２５０の上に、第２段の制御バルブ２６０と第２段の流れ・温度センサ２７０とが位置していても良い。第２段の外部空気ライン２５０は、第１３段の熱交換器１４０の上流にある第１３段の抽出パイプ８０まで延びていて良いし、または第１３段の熱交換器１４０まで直接延びていても良い。またタービン流れライン２２０は、第３段の外部空気ライン２８０まで延びていても良い。第３段の外部空気ライン２８０の上に、第３段の制御バルブ２９０と第３段の流れ・温度センサ３００とが位置していても良い。第３段の外部空気ライン２８０は、第９段の熱交換器１３０の上流にある第９段の抽出パイプ７０まで延びていても良いし、または第９段の熱交換器１３０まで直接延びていても良い。またタービン流れライン２２０は、サイレンサ外部空気ライン３１０まで延びていても良い。サイレンサ外部空気ライン３１０の上に、サイレンサ制御バルブ３２０とサイレンサ・ブロック・バルブ３３０とが位置していても良い。サイレンサ外部空気ライン３１０はサイレンサ３４０につながっていても良い。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。
【００２０】
能動冷却システム１００は冷却コントローラ３５０によって動作されても良い。冷却コントローラ３５０は、ガス・タービン・エンジンの全体的制御システムと連絡していても良いし、または統合されていても良い。冷却コントローラ３５０は、種々の流れセンサからフィードバックを受け取って、種々の制御バルブおよびブロック・バルブを必要に応じて動作させ、空気抽出６５の温度ならびに高温ガス経路構成部品の温度を制御しても良い。
【００２１】
したがって、本明細書で説明した能動冷却システム１００の冷却コントローラ３５０は、第９段の抽出パイプ７０および第１３段の抽出パイプ８０内の流量および温度、ならびにタービン４０内の高温ガス経路構成部品の温度およびそれに対する負荷状態をモニタする。その結果、空気抽出６５の温度を、熱交換器１３０、１４０を介して変えても良い。同様に、空気抽出６５の温度を、そこに外部空気流１６５を供給する外部冷却システム１５０を介して変えても良い。あるいは、外部冷却システム１５０によって、外部空気流１６５をサイレンサ３４０または他の場所に送っても良い。
【００２２】
また冷却コントローラ３５０によって、能動冷却システム１００から供給される可変の冷却流を補償しても良い。排気流れ・温度センサ３６０がタービン４０の下流に位置して、排気ガス温度を決定しても良い。ガス・タービン・エンジン１０は、排気温度制御スケジュールに合わせて制御しても良いため、冷却コントローラ３５０は、入力を、排気流れ・温度センサ３６０、ならびに第１３段の流れ・温度センサ１２０、および第９段の流れ・温度センサ１１０から受け取って、付加的な冷却用空気に対する適切な補償係数を得ても良い。したがって、冷却コントローラ３５０によって、温度追跡および管理における段レベル時間が得られても良い。
【００２３】
また、本明細書では他のタイプの温度および構成部品センサを用いても良い。たとえば、図３に示すのは、高温ガス経路構成部品３８０の辺りに位置する光学系たとえば赤外線カメラ３７０である。高温ガス経路構成部品３８０は、ブレード３９０、静翼４００、または他のタイプの構成部品であって、タービン４０内に位置する構成部品であっても良い。赤外線カメラ３７０は、従来のデザインであっても良い。赤外線カメラ３７０は、高温ガス経路構成部品３８０に沿っての温度分布を捕らえても良い。赤外線カメラ３７０または他のタイプの装置は、冷却コントローラ３５０と連絡していても良い。診断アルゴリズムを用いて、構成部品表面の全体的状態または表面に沿っての特定の箇所の状態を反映する状態指数を発生させても良い。局所的な欠陥（たとえば酸化および破砕）は、構成部品表面上の箇所の辺りの収差として現れる場合がある。したがって、状態指数を、構成部品またはその一部の状態に対する表示器として用いても良い。赤外線カメラ３７０は、回転する高温ガス経路構成部品とともに用いるトリガ４１０を備えていても良い。また本明細書では、同様のタイプのパイロメータ・システムおよび他のタイプの光学系を同様の方法で用いても良い。本明細書では、他の構成部品および他の構成を用いても良い。
【００２４】
図４に、長時間の使用に渡って能動冷却システム１００を実施する際の種々のステップを示すフローチャートを示す。ステップ４２０では、前述したように、能動冷却システム１００から、能動的に制御および測定された空気抽出６５を供給して、高温ガス経路構成部品３８０を冷却する。ステップ４３０では、能動冷却システム１００によって、高温ガス経路構成部品３８０に対する表面温度推定を得ても良い。推定は、排気ガス温度を排気ガス流れ・温度センサ３６０を用いて測定することによって、タービン冷却流を第９段の流れ・温度センサ１１０と第１３段の流れ・温度センサ１２０とを介して測定することによって、光学系たとえば赤外線カメラ３７０によって等々、決定しても良い。ステップ４４０では、能動冷却システム１００によって、高温ガス経路構成部品３８０の温度を長期に渡ってモニタしても良く、また高温ガス経路構成部品の動作履歴を構築しても良い。ステップ４５０では、能動冷却システム１００によって、高温ガス経路構成部品３８０の寿命を、推定された高温ガス経路構成部品温度の動作履歴を用いて予測しても良い。このステップは、たとえば、前述した状態指数ならびに診断アルゴリズムに基づいて、赤外線カメラ３７０および他の装置の出力を用いて行なっても良い。構成部品寿命を、動作時間と動作サイクルとの間の相関関係によって、高温ガス経路構成部品３８０と同様の疲労構成および同様の疲労規模を有する高温構成部品の評価に基づいて決定しても良い。
【００２５】
ステップ４６０では、能動冷却システムによって、空気抽出６５を調整して、推定された高温ガス経路構成部品温度を増加または減少させ、高温ガス経路構成部品の寿命を増加または減少させて、所望の高温ガス経路構成部品寿命を達成しても良い。したがって、高温ガス経路構成部品３８０の寿命の全体的な増加が、構成部品を能動的に冷却することによって達成されて、ある特定の動作パラメータが補償される場合がある。本明細書で説明した方法ステップは、順番を変えて行なっても良い。本明細書ではすべての方法ステップを用いることがなくても良い。また、本明細書ではさらなる方法ステップを用いても良い。
【００２６】
したがって、能動冷却システム１００は、高温ガス経路構成部品３８０の温度制御を、特に最大負荷および低負荷などの動作条件で行なって、必要に応じて冷却を増大させても良い。能動冷却システム１００によって、影響を受けた構成部品の選択的な過冷却を、本明細書で説明した温度補償方式に基づく可変の冷却流を用いて行なって、全体的な負荷を適切に制御することが可能になる。また、タービン４０のすべての段を選択的に過冷却することで、能動的な構成部品寿命管理を行なって、全体的なガス・タービン・エンジン性能を現状の限界を超えて広げることを、最大過燃焼に対するさらなる権限に関連する時間の間、行なっても良い。
【００２７】
したがって、能動冷却システム１００によって、高温ガス経路構成部品３８０の寿命を向上させることが、最大動作の間に発生した熱増加、拡張されたターンダウン動作、および他のタイプの動作パラメータを補償することによって行なわれる。また、能動冷却システム１００によって、限られた時間の間、通常の最大負荷を超えて動作する能力が、加えられる。したがって、能動冷却システム１００によって、全体的なガス・タービン・エンジンのライフスタイル経済学が改善される一方で、運転柔軟性が比較的低コスト・システムで得られる場合がある。
【００２８】
当然のことながら、前述したことは、本出願および結果として得られる特許のある特定の実施形態のみに関している。本明細書において、多くの変形および変更を、以下の請求項およびその均等物によって規定される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく当業者が行なっても良い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2014139429000001.pdf