(57)【要約】【課題】コンプレッササージングをアクティブに防ぎつつ、ガスタービンを改善された効率で運転可能にする、ガスタービンのためのサージング制御方法を提供する。【解決手段】コンプレッサ２０と、コンプレッサ２０の下流側に位置していて高温ガス経路を有する燃焼器３０と、燃焼器３０の下流側に位置していて高温ガス経路を有するタービン４０とを有するガスタービンエンジン１０を提供するステップと、潜在的なサージング条件に関してガスタービンエンジン１０をモニタリングするステップと、モニタリングに基づいて、サージング条件を回避する制御目的のために、コンプレッサ２０からのブローオフ流を制御するステップと、ブローオフ流を、複数の高温ガス経路のうちの少なくとも１つに方向付け、燃焼器３０の少なくとも一部をバイパスするステップとを含むことを特徴とするガスタービンエンジンのサージング制御方法。【選択図】図１
2014020373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンのサージング制御方法であって、
ガスタービンエンジン（１０）を提供するステップであって、該ガスタービンエンジン（１０）が、
コンプレッサ（２０）と、
該コンプレッサ（２０）の下流側に位置していて、高温ガス経路を有する燃焼器（３０）と、
該燃焼器（３０）の下流側に位置していて、高温ガス経路を有するタービン（４０）とを有する、ステップと、
潜在的なサージング条件に関して前記ガスタービンエンジン（１０）をモニタリングするステップと、
該モニタリングに基づいて、サージング条件を回避する制御目的のために、前記コンプレッサ（２０）からのブローオフ流を制御するステップと、
該ブローオフ流を、前記複数の高温ガス経路のうちの少なくとも１つに方向付け、燃焼器（３０）の少なくとも一部をバイパスするステップとを含むことを特徴とするガスタービンエンジンのサージング制御方法。
【請求項２】
前記ブローオフ流が、設けられた調整弁（５２）によって、全流量と無流量との両極端の間で制御される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記制御が閉ループ制御であり、かつ前記モニタリングが前記制御装置のためのフィードバックとして使用される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記制御が、前記ガスタービンエンジン（１０）の始動時に行われる、請求項１または３記載の方法。
【請求項５】
前記制御ステップが、前記ガスタービンエンジン（１０）を停止する際に行われる、請求項１または３記載の方法。
【請求項６】
前記制御ステップが、前記ガスタービンエンジン（１０）の負荷変動時に行われる、請求項１または３記載の方法。
【請求項７】
前記タービン（４０）に、前記高温ガス経路にさらされるタービン構成部品を冷却するための冷却系を設けるステップを含み、前記ブローオフ流が前記冷却系に方向付けられる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記ガスタービンエンジン（１０）に、前記コンプレッサ（２０）の下流側に流体接続的に位置する第１の燃焼器（３０ａ）と、前記第１の燃焼器（３０ａ）の下流側に流体接続的に位置していて、高温ガス経路を有する第２の燃焼器（３０ｂ）とを設けることと、
前記第１の燃焼器（３０ａ）がオンラインで、かつ前記第２の燃焼器（３０ｂ）がオフラインのときに、前記ブローオフ流を、前記第２の燃焼器の前記高温ガス経路に方向付けることをさらに含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記タービン（４０ａ，４０ｂ）に、該タービン（４０ａ，４０ｂ）の下流側端部においてディフューザを設けるステップと、
前記サージング条件を回避する前記目的のための前記モニタリングに基づき、前記コンプレッサ（２０）からのさらなるブローオフ流を制御するステップと、
前記さらなるブローオフ流を前記ディフューザに方向付けるステップとをさらに含む、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
ガスタービンエンジン（１０）であって、
コンプレッサ（２０）と、
該コンプレッサ（２０）の下流側に流体接続的に位置する第１の燃焼器（３０ａ）と、
該第１の燃焼器（３０ａ）の下流側に流体接続的に位置する第１のタービン（４０ａ）と、
該第１のタービン（４０ａ）の下流側に流体接続的に位置していて、高温ガス経路を有する第２の燃焼器（３０ｂ）と、
該第２の燃焼器（３０ｂ）の下流側に流体接続的に位置する第２のタービン（４０ｂ）と、
前記コンプレッサ（２０）と流体接続する第１の端部を有するブローオフライン（５０ａ）とを備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
前記ブローオフライン（５０ａ）が、前記第２の燃焼器（３０ｂ）と流体接続する第２の端部を有しており、かつ前記ブローオフライン（５０ａ）が、前記コンプレッサ（２０）からのブローオフ流を前記高温ガス経路に方向付けることができるように配置かつ構成されていることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１１】
前記ブローオフライン（５０）を通るガス流を調節するための制御弁（５２）を前記ブローオフライン（５０）にさらに備える、請求項１０記載の前記ガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１２】
前記第２の燃焼器（３０ｂ）が冷却系を有し、かつ前記ブローオフライン（５０ａ）が、前記冷却系をバイパスし、ブローオフ流を前記冷却系から独立して前記高温ガス経路に放出できるように構成かつ配置される、請求項１０または１１記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッササージング制御のための方法および装置、特にガスタービンエンジンのサージング制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、航空エンジンとして設計されていようと、発電のために産業用に設計されていようと、一般的に、コンプレッサと、燃焼器と、タービンとを備える。独国特許出願公開第２７０２４４０号明細書に装置の例が記載されている。記載されているガスタービンエンジンは、第１および第２の連続燃焼器と、その燃焼器の間に配置された高圧タービンと、第２の燃焼器の後ろに配置された低圧タービンとを備える。高温ガス経路内の燃焼器構成部品内で達せられる燃焼温度のため、通常、冷却系が設けられる。これらの冷却系の１つの特徴は、冷却媒体が通常は少なくとも部分的に高温ガス経路に放出され、そして燃焼ガスと混ざることである。
【０００３】
効率的な運転のためには、ガスタービンがコンプレッササージングポイント付近で運転する必要があることが多い。その結果、例えば負荷変動時、特に始動時および停止時などの不安定な状態の過渡運転時に、サージングのリスクが高くなる。サージングの発生に関して、コンプレッサ条件を測定するための方法が当技術分野でよく知られている。これらの手段は、通常、修正措置を取り、サージングの発生を防ぐために使用される。
【０００４】
米国特許出願番号第４７５６１５２号明細書でサージング制御の例が論じられている。論じられている方法は、不安定な状態の運転時にコンプレッサからの抽気を調節することによりサージングを防ぐことを含む。しかし、通常、この抽気は、系からのエネルギの損失を意味し、これによってガスタービンエンジンの効率の全体的な損失の一因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第２７０２４４０号明細書
【特許文献２】米国特許出願番号第４７５６１５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コンプレッササージングをアクティブに防ぎつつ、ガスタービンを改善された効率で運転可能にする、ガスタービンのためのサージング制御方法が開示される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、独立請求項の主題を用いてこの問題に取り組もうとするものである。有利な実施の形態は、従属請求項に示される。
【０００８】
本開示は、モニタリングされたサージング条件に基づいて、コンプレッサからのブローオフ空気をガスタービンエンジンの冷却系に制御可能に方向付けるという一般的な概念に基づく。
【０００９】
１つの態様は、ガスタービンサージング制御方法を提供する。この方法は、コンプレッサと、そのコンプレッサの下流側に位置していて、高温ガス経路を有する燃焼器と、その燃焼器の下流側に位置し、かつ同様に高温ガス経路を有するタービンとを有するガスタービンエンジンを提供することを含む。燃焼器の高温ガス経路は流路のセクションであって、そこで高温燃焼ガスは、燃焼器内において、火炎または化学熱の放出反応から燃焼器出口へと流れる。タービンの高温ガス経路は、燃焼器出口に接続されているタービン入口からタービン出口までの高温ガスのための流路である。この方法は、潜在的なサージング条件に関してガスタービンエンジンをモニタリングすることと、モニタリングに基づいて、サージング条件の回避という制御を目的としてコンプレッサからのブローオフ流を制御することと、ブローオフ流を高温ガス経路に方向付け、燃焼器の少なくとも一部をバイパスすることをさらに含む。
【００１０】
この方法のさらなる態様では、ブローオフ流が、調整弁によって、全流量と無流量との両極端の間で制御される。
【００１１】
制御のさらなる態様は、閉ループ制御であり、モニタリングが、閉ループ制御のためのフィードバックとして使用される。
【００１２】
さらなる態様において、ガスタービンエンジンの始動時に制御ステップが行われる。
【００１３】
別の態様では、ガスタービンエンジンを停止する際に制御ステップが行われる。
【００１４】
また別の態様では、ガスタービンエンジンの負荷変動時に制御ステップが行われる。
【００１５】
さらなる態様には、高温ガス経路にさらされるタービン構成部品を冷却するための冷却系をタービンに設けるステップが含まれ、その場合、ブローオフ流が冷却系に方向付けられる。
【００１６】
別の態様では、この方法は、ガスタービンエンジンに、コンプレッサの下流側に流体接続的に位置する第１の燃焼器と、第１の燃焼器の下流側に流体接続的に位置していて、高温ガス経路を有する第２の燃焼器とを設けることをさらに含む。この設けられたガスタービンエンジンのために、制御ステップは、第１の燃焼器がオンラインで、第２の燃焼器がオフラインのときに、ブローオフの少なくとも一部を高温ガス経路に方向付けることを含む。
【００１７】
１つの態様では、この方法は、タービンに、このタービンの下流側端部においてディフューザを設けることと、サージング条件を回避する目的のためのモニタリングに基づき、コンプレッサからのさらなるブローオフ流を制御することと、そのさらなるブローオフ流をディフューザに方向付けることをさらに含む。
【００１８】
別の態様は、ガスタービンエンジンであって、
コンプレッサと、
そのコンプレッサの下流側に流体接続的に位置する第１の燃焼器と、
その第１の燃焼器の下流側に流体接続的に位置する第１のタービンと、
その第１のタービンの下流側に流体接続的に位置していて、高温ガス経路を有する第２の燃焼器と、
第２の燃焼器の下流側に流体接続的に位置する第２のタービンとを備える、ガスタービンエンジンを提供する。加えて、ガスタービンエンジンはブローオフラインを備える。ブローオフラインは、コンプレッサと流体接続する第１の端部と、第２の燃焼器と流体接続する第２の端部とを有しており、その場合、コンプレッサからのブローオフ流が高温ガス経路へバイパスすることができるように、ブローオフラインが配置かつ構成される。
【００１９】
さらなる態様は、ブローオフラインを通るガス流を調節するための制御弁をブローオフラインに備える。
【００２０】
さらなる態様では、第２の燃焼器は冷却系を有し、ブローオフラインは、冷却系をバイパスし、それによってブローオフ流を冷却系から独立して高温ガス経路に放出できるように構成かつ配置される。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、従来技術の不都合および欠点を解消または少なくとも改善するか、もしくは有用な代替案を提供することである。
【００２２】
本開示のほかの態様および利点は、本発明の例示的な実施の形態を例として示す添付の図面に関連して、以下の記載から明らかになるであろう。
【００２３】
例として、本開示の実施の形態をより詳細に添付の図面を参照にして以下に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の例示的な方法を適用してもよいガスタービンエンジン装置の模式図である。
【図２】２つの燃焼器、２つのタービン装置および任意の２重ブローオフ流を追加的に示す、図１のガスタービンエンジンの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
ここで、本開示の例示的な実施の形態を、図面を参照にして説明する。図面を通じて、同じ参照符号は同じ要素を示す。以下の説明では、説明のために、本開示を十分理解できるように多くの具体的な詳細が示される。しかしながら、本開示は、これらの具体的な詳細がなくとも実施してもよく、本明細書において開示される例示的な実施の形態および方法に限定されない。
【００２６】
図１は、例示的な方法を適用してもよい一般的なガスタービンエンジン１０装置を示す。ガスタービンエンジン１０は、燃焼空気を圧縮するためのコンプレッサ２０を備える。コンプレッサ２０の下流側には流体接続的に燃焼器３０が接続されている。燃焼器３０において、コンプレッサ２０からの空気が、図示しない燃料と混ぜられる。次いで、燃焼器３０からの高温燃焼ガスは、タービン４０を通じて膨張する。燃焼器３０内で達せられる高温のために、この構成のよく知られたガスタービンエンジン１０は、燃焼ガス流路（本明細書において、高温ガス経路と呼ぶ）内の構成部品のための冷却系を備えている。一般的に、これらの冷却系は、冷却空気を放出することを含み、冷却空気ははじめに内部冷却通路を通過し、多くの冷却孔を通じて高温ガス経路に入り、そこで燃焼ガスと混ざる。本明細書において、冷却系を参照するとき、具体的には、高温ガス経路にさらされる構成部品を通じて冷却媒体を高温ガス経路に放出するという特徴を含む系を指し、ここで、さらされるとは、高温ガス経路を流れるガスに直接的に伝熱的に接触しているという条件を指す。
【００２７】
図１は、ブローオフライン５０をさらに示し、このブローオフライン５０から、圧縮ガス、つまり、圧縮の第１段の後ろの、中間段から最終段の後ろまでの任意の位置において得られるガスが、少なくとも部分的に取り出され、図示しない冷却系に方向付けられ、これにより燃焼器３０の少なくとも一部をバイパスする。この文脈において、バイパスとは、作動流体の大部分が、コンプレッサ２０から燃焼器３０およびタービン４０へと流れるときに通る流路の一部を迂回することを意味する。冷却系の構成の結果として、バイパスガスは、冷却系を通じて、エンジン１０のガスタービン４０の高温ガス流路に入り、燃焼ガスと混ざる。ラインの構成およびコンプレッサ２０と冷却系運転圧力との相対的圧力差によってのみ制限されるブローオフライン５０に配置される制御弁５２は、ブローオフライン５０を流れるブローオフ流を無流量から全流量に至るまでの任意の流量に徐々に調節するように使用してもよい。
【００２８】
図１のエンジン１０のガスタービン４０に使用してもよい例示的なサージング制御方法は、潜在的なサージング条件に関してガスタービンエンジン１０をモニタリングすることを含む。この文脈において、モニタリングは、ガスタービンエンジン１０のコンプレッサ２０がサージングする潜在的なリスクのための、任意の周知の直接的および／または間接的判定を含む。そのため、モニタリングは、流量および組成、圧縮比などの圧力、ならびに温度などの物理的条件をモニタリングすることと、潜在的なサージングを特定するために、経験的または実験的に開発されてきた、当技術分野ではよく知られたアルゴリズムを適用することとを含む。モニタリングは、ガスタービンエンジン１０のオペレータ／設計者の経験を通じて知られる、サージング現象をもたらす可能性がある運転条件の単純な特定も含む。そのような運転は、始動、停止または大幅な負荷／流量の変動などの不安定な状態の運転を含むが、これらに限定されるわけではない。
【００２９】
モニタリングしたサージング条件に基づき、例示的なサージング方法は、サージング条件を回避するという制御を目的として、コンプレッサ２０からタービン冷却系へのブローオフ流を制御することをさらに含む。制御は、ブローオフ流量を変化させることを含む。図１の例示的なエンジン１０のガスタービン４０に適用すると、ブローオフ流は、ブローオフライン５０，５０ａを通るように方向付けられる。
【００３０】
ブローオフ流を冷却系に方向付けることによって、ブローオフ流は、タービン４０の高温ガス経路に放出され、それによりブローオフ流はタービン４０を通じて膨張することができる。このようにしてブローオフ流を膨張させることによって、ブローオフ流の圧力エネルギの一部が回収され、これによりガスタービンエンジン１０の全体的な効率が改善される。例示的な方法では、ブローオフ流は、タービン４０の冷却系に方向付けられる。
【００３１】
例示的な方法では、制御は、ブローオフライン５０に配置される調整弁５２により達成される。調整弁５２は、流量を全流量と無流量との両極端の間で制御可能かつ予測可能に徐々に変化させることができるので、オンオフ弁または開閉弁とは異なる。調整弁５２の利点は、ブローオフ流の量を、サージングを防ぐのに必要とされる最小値まで制限することができることである。結果として、オンオフ制御に比べてより円滑な運転となり、かつエネルギ損失が減少する。ブローオフ流がタービン４０を通じて膨張したとしても、ブローオフライン５０を経由させるよりも、エンジン１０のガスタービン４０の流路を通じて圧縮ガスを膨張させるほうがより効率的であり、そのため、効率性のためには、ブローオフ流量を減らすほうが好ましい。
【００３２】
さらなる例示的な方法では、制御は、調整弁５２を制御変数として利用し、かつモニタリングされたサージング条件をプロセス変数として利用する閉ループ制御によって行われる。これは、ブローオフ流の量を潜在的に減らす利点を有し、これによって上述のより円滑な運転および改善された効率がもたらされる。
【００３３】
例示的な方法では、サージング制御は、コンプレッサ２０のサージング条件をもたらすことがある任意の不安定な状態の運転時に使用される。そのような運転は、始動、停止および負荷変動を含むが、これらに限定されるわけではない。
【００３４】
図２は、本発明の例示的な方法が適用されるガスタービンエンジン１０の例示的な実施の形態の追加の特徴を示す。図１に示されるガスタービンエンジン１０の基本的な構成部品に加えて、図２に示される例示的な実施の形態の燃焼器３０は、第１の燃焼器３０ａと、第２の燃焼器３０ｂとをさらに備える。加えて、第２の燃焼器３０ｂは、高温ガス経路と、高温ガス経路にさらされる構成部品を冷却するための冷却系とを備える。この冷却系は、図１に示されるタービン４０に使用されるものと同じ種類のものである。つまり、冷却系は、冷却媒体を高温ガス経路に放出する。例示的な実施の形態のタービン４０は、第１の燃焼器３０ａとその第１の燃焼器３０ａの下流側に流体接続的に配置される第２の燃焼器３０ｂとの間に流体接続的に配置される第１のタービン４０ａをさらに備える。例示的な実施の形態は、ブローオフ流を、第１のタービン４０ａの冷却系、第２の燃焼器３０ｂの冷却系および／または第２のタービン４０ｂの冷却系に任意に方向付けるように構成されたブローオフライン５０ａを備える。
【００３５】
任意の例示的な冷却系装置に適用してもよい図２に示されるさらなる例示的な実施の形態では、制御弁５２ａ，５２ｂ，５２ｃがブローオフライン５０ａに配置され、これによって、接続された各冷却系に方向付けられたブロー量の個別制御が可能になる。これによって、コンプレッササージング制御という目的を維持しつつ、それぞれの冷却系の相対的負荷のバランスをとることが可能になる。
【００３６】
図２に含まれる実施の形態に適用されている例示的な方法では、第１の燃焼器３０ａがオンラインで、かつ第２の燃焼器３０ｂがオフラインのとき、サージング制御は、第２の燃焼器の冷却系への制御されたブローオフ流によって少なくとも部分的に達成される。本明細書において、オンラインの燃焼器３０とは、燃料が供給されている燃焼器３０として定義され、オフラインの燃焼器３０とは、燃料が供給されていない燃焼器３０として定義される。
【００３７】
さらなる例示的な方法は、追加のブローオフライン５０ｂを通じて達成される追加のブローオフ流のステップを含む。例示的な実施の形態では、この追加のブローオフ流は、ガスタービンエンジン１０のタービン４０のディフューザに方向付けられる。追加のブローオフ流は、運転上の懸念から、単に冷却系にブローオフ流を方向付けることができないときに、ブローオフ流の総量を増やし、それにより潜在的なサージング条件を回避することを可能にする。さらなる例示的な方法は、追加のブローオフライン５０ｂに制御弁５２ｄを設けることである。
【００３８】
本開示は、本明細書において、最も実用的と考えられる例示的な方法および実施の形態において示し、かつ説明してきたが、当業者には、本開示が、その必須の特徴から逸脱することなくほかの特定の形態において具現化し得ることが理解されよう。そのため、ここで開示された実施の形態および方法は、あらゆる点において例示にすぎず、限定的に解釈されない。本開示の範囲は、上述の説明ではなく、特許請求の範囲によって示すものであって、特許請求の範囲の意味、範囲および均等物に属するすべての変更は、本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ガスタービンエンジン
２０  コンプレッサ
３０ａ，３０ｂ  燃焼器
４０ａ，４０ｂ  タービン
５０ａ，５０ｂ  ブローオフライン
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ  制御弁
【図１】
2014020373.tif 000003
【図２】
2014020373.tif 000004
【外国語明細書】
2014020373.tif 000005
2014020373.tif 000006
2014020373.tif 000007
2014020373.tif 000008
2014020373.tif 000009
2014020373.tif 000010
2014020373.tif 000011
2014020373.tif 000012
2014020373.tif 000013
2014020373.tif 000014
2014020373.tif 000015
2014020373.tif 000016
2014020373.tif 000017