(57)【要約】  ガスタービンプラントの二次空気回路の解析方法は、ガスタービンプラント（５）の二次空気回路（７）の等価流力ネットワーク（２５）を定義する工程を備える。等価流力ネットワーク（２５）は、ブランチ（２１）に組織され、ノード（２２）に接続された、複数の要素（１８、２０）を備える。二次空気回路（７）の少なくとも１つの要素（１８、２０）に対して、主流れ成分（ＶP）と、少なくとも１つの二次流れ成分（ＶA1，ＶA2）とが計算される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンプラントにおける二次空気回路の解析方法であって、前記方法が、
ガスタービンプラント（５）の二次空気回路（７）の等価流力ネットワーク（２５）を定義する工程を備え、前記等価流力ネットワーク（２５）が、ブランチ（２１）に組織され、ノード（２２）に接続された、複数の要素（１８、２０）を備え、
二次空気回路（７）の少なくとも１つの要素（１８、２０）に対して、主流れ成分（ＶP）と、少なくとも１つの二次流れ成分（ＶA1，ＶA2）と、を計算する工程を備えることを特徴とする、
方法。
【請求項２】
前記二次流れ成分（ＶA1，ＶA2）が、前記主流れ成分（ＶP）に対して垂直である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記二次流れ成分（ＶA1，ＶA2）が、ガスタービン（５）の軸（６）の、角速度（ω）に関係付けられている、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
第１の二次流れ成分（ＶA1）と第２の二次流れ成分（ＶA2）とを計算する工程を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記等価流力ネットワーク（２５）に関する動的システム（Ｓ）を定義する工程を備え、前記動的システムが、前記等価流力ネットワーク（２５）の前記ブランチ（２１）の流量（Ｑ）と前記ノード（２２）の圧力（Ｐ）とを、状態変数として使用する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
動的システム（Ｓ）を定義する前記工程が、
‐非動的拘束を定義する工程（２３０）と、
‐各非動的拘束に少なくとも１つの架空の特異点（τ）を導入する工程（２４０）と、
を備える、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
‐各等価流力パラメータ（Ｌ、Ｃ）を、前記等価流力ネットワーク（２５）の各要素（１８、２０）と関係付ける工程と、
‐前記等価流力パラメータ（Ｌ、Ｃ）を使用して、前記等価流力ネットワーク（２５）の前記ブランチ（２１）の前記流量（Ｑ）と前記ノード（２２）の前記圧力（Ｐ）とを繰返し計算する工程と、
‐各繰返しで、前記等価流力パラメータ（Ｌ、Ｃ）の値を更新する工程と、
を備える、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記更新する工程が、
‐前記等価流力パラメータ（Ｌ、Ｃ）の変動幅を決定する工程と、
‐前記等価流力パラメータ（Ｌ、Ｃ）の変動幅を、あらかじめ決定した繰返し回数の間、順次適用する工程と、
を備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記等価流力パラメータ（Ｌ、Ｃ）が、等価流力インダクタンス（Ｌ）と等価流力キャパシタンス（Ｃ）とを備え、それぞれが、前記二次空気回路（７）の管（１８）とチャンバー（２０）に関連付けられる、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法であって、
‐前記二次空気回路（７）を、互いに結合されたコンプレッサー（２）とタービン（５）に関係付ける工程と、
‐コンプレッサー（２）の出口のコンプレッサー圧力（ＰC）と、タービン（５）の入り口のタービン圧力（ＰT）とを決定する工程と、
‐前記二次空気回路（７）の二次空気流量（ＱSA）を、コンプレッサー圧力（ＰC）とタービン圧力（ＰT）との間の差圧に基づいて計算する工程と、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンプラントの二次空気回路の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のように、ガスタービンプラントにおいて、二次空気回路は、空気圧縮ラインから空気の流れの一部を取り出し、高温ガスの作用に晒されたタービンの機械要素、特に固定翼と動翼、の冷却に利用する、流体ネットワークである。
【０００３】
二次空気回路の効率は、ガスタービンの全体性能と汚染物質の排出の両方に顕著な影響を与える。二次空気ネットワークの挙動、及び、二次空気ネットワークとプラントの他の部分（コンプレッサー及びタービン）との相互作用、の研究と解析を可能にする方法の重要性は明らかである。
【０００４】
しかしながら、現在利用できる解析方法は、二次空気回路の十分なモデル化を可能とするものではないため、理論的に不満足なものである。特に、タービンのホットパーツに発生する、特有な損失要素と仕事と熱交換とを、十分考慮することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、上述の限界を克服する、ガスタービンプラントの二次空気回路の解析方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、ガスタービンプラントの二次空気回路の解析方法が、請求項１に記載のように提供される。
【０００７】
本発明は、以下、添付図面を参照して説明されるが、添付図面は、実施形態の例示であって、限定を意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガスタービンプラントの簡略化したブロックダイヤグラムである。
【図２】図１に概略を示したガスタービンプラントの一部の、長手方向の断面図である。
【図３】本発明の方法を使用する手順の、簡略化したフローチャートである。
【図４】図１及び図２に示したガスタービンプラントの一部を上から見た、簡略化した４分の３斜視図である。
【図５】図２の拡大詳細図である。
【図６】本発明に関する、簡略化したフローチャートである。
【図７】図１に示したガスタービンプラントの一部の、等価流力ダイヤグラムである。
【図８】本発明による方法の計算に関する図３のフローチャートの一部の、より詳細なフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の記述では、発電用ガスタービンプラントを参照するに際し、図１の全体を参照符号１として参照する。プラント１は、コンプレッサー２と、燃焼室３と、コンプレッサー２と同軸に嵌め込まれたタービン５と、二次空気回路７と、を備える。
【００１０】
コンプレッサー２は、あらかじめ設定した入口圧力、入口温度、ＰI、ＴIの条件で、入り口流量ＱIの空気を、外から吸い込む。本明細書で二次空気流量ＱSAという、入口流量ＱIのうちの少量が、二次空気回路７によって抽出され、高温ガスと接触するプラント１の機械要素の冷却とシールに使用される。この場合、簡略化のために、コンプレッサー（図１）の出口で二次空気を１つだけ抽出するガスタービンプラントを考える。入り口流量ＱIの残りは、以下で仕事流量ＱLというが、燃焼室３（燃料流量ＱCOMBが供給される）とタービン５へ送られ、プラント１に予定された熱力学サイクルに従った仕事を発生する。タービン５は、排気ガスの出口流れＦOを排出する。
【００１１】
以下、次の定義が更に使用される：
‐コンプレッサー圧力ＰCとコンプレッサー温度ＴC：これらは、コンプレッサー２の出口で、仕事流量ＱLの（同様に二次空気流量ＱSAの）圧力と温度を示す。
‐タービン圧力ＰTとコンプレッサー温度ＴT：これらは、タービン５の入口で仕事流量ＱLの圧力と温度を示す。
‐出口圧力ＰOと出口温度ＴO：これらは、タービン５の出口で、出口流量ＦOの圧力と温度を示す。
【００１２】
図２に示すように、二次空気回路７は、特に管と燃焼室において、相互に接続された複数の要素を備える。二次空気回路７ａの第一の部分は、基本的に固定部を備え、燃焼室３と、タービン５のブレードホルダーと、の周りを延び、更に、タービン５の静翼１０の中に設けられた冷却管９内に空気を輸送する静翼通路８、を備える。二次空気回路７の第二の部分７ｂは、シャフト６内の一部に設けられ、動翼１３に設けられた冷却管１２内に空気を輸送する回転通路１１を備える。従って、二次空気回路７の第二の部分７ｂを形成する要素は、シャフト６の回転軸周りを回転する。
【００１３】
図３は、プラント１の主な流体力学量の解析の繰返し計算手順の、フローチャートを示す。計算は、各繰返しの間一定値である、プラントの異なったセクションの流体の圧力及び温度を考慮して、行われる。
【００１４】
第一の場所（ブロック１００）で、コンプレッサー圧力ＰC、コンプレッサー温度ＴC、タービン圧力ＰT、タービン温度ＴTが、各値を割り当てられ、初期化される。
【００１５】
次に（ブロック１１０）、コンプレッサー２の入口流量ＱIが、コンプレッサー圧力ＰCと入口圧力ＰIの間の差から出発して計算される。計算は、意図的に設けられた解法のモジュール（図示せず）を利用して、公知の方法で行われる。
【００１６】
次に（ブロック１２０）、二次空気流量ＱSAが、二次空気回路７の差圧、すなわちタービン圧力ＰTとコンプレッサー圧力ＰCとの差、をもとに計算される（複雑な二次空気回路の場合には、ブランチで接続された様々な抽出点と入口点を備え、異なったブランチでの差圧が考慮される可能性がある）。この目的のために、後で詳述するが、タービン圧力ＰTの特定の計算手順が作動される。
【００１７】
二次空気流量ＱSAは、次に、入口流量ＱIから減じられ、タービン５に供給される仕事流量ＱＬを決定する（ブロック１３０）。差ＱI−ＱSAに加え、燃焼室３に噴射される燃料の流量（簡略化のためにここでは明示しない）もまた、当然考慮される。
【００１８】
仕事流量ＱLは、このように決定され、次に、公知の方法でタービン圧力ＰTの新しい値（ブロック１４０）を得るのに使用され、この値は、繰返し計算に利用される。特に、複雑な二次空気回路の場合には、タービン圧力ＰTの計算は、二次空気流量ＱSA全体に対する個々の比率を導入することを考えるが、ここでは、簡略化のために考慮しない。コンプレッサー圧力ＰCは、燃焼室３の作動を記述する式をもとに、タービン圧力ＰTから誘導される。
【００１９】
二次空気流量ＱSA（ブロック１２０）と仕事流量ＱL（ブロック１３０）とは、第１の収束テストが通過するまで（ブロック１５０）繰返し再計算される。収束テストが通過したら（ブロック１５０からＹＥＳが出力されたら）、コンプレッサー圧力ＰCが計算され（ブロック１６０）、計算の新たな繰返しに利用される。
【００２０】
次に、第２の収束テストが行われる（ブロック１７０）。例えば、あらかじめ決められた繰返し回数で計算されたコンプレッサー圧力ＰCの値の安定性が、チェックされる。もし収束テストが通過したら（ブロック１７０からＹＥＳ出力）、計算手順は終了する（ブロック１８０）。さもなければ（ブロック１７０からＮＯ出力）、新たな繰返しが、計算されたばかりのタービン圧力ＰTとコンプレッサー圧力ＰCの新たな値を使用して、行われる。
【００２１】
二次空気流量ＱSAの計算手順は、二次空気回路７と二次空気回路を構成する要素に関係しており、以下で、より詳細に説明される。
【００２２】
計算は、二次空気回路７が、熱交換の場所であることに加えて、固定部分（プラント１の静止部分に関して）と、軸Ａ周りの回転運動部分（コンプレッサー２のローターとタービン５のローターに関して）と、の両方を備えることを考慮して行われる。特に、計算は、各要素に対して、主流れ方向（流量を定義する速度ベクトルの成分に関して）のみならず、流量に関与しない、主流れ方向に対して直角方向の、１つ、又は、好ましくは２つの二次流れ方向を考慮する。
【００２３】
この目的のために、例として、中空軸又はドラム１５の内部に形成された二次空気回路７（特に、第２の回転部分７ｂ）を説明する、図４を考える。ドラム１５は、コンプレッサー２とタービン５との間で、燃焼室３に近接して、配置されている。更に、ドラム１５の壁面は、角速度ωのタービン５によって回転するように設定され、この場合の主流れ方向は、軸Ａに平行であるので、ドラム１５は、主流が軸方向流の、回転空洞である。第１の二次流れ方向と、第２の二次流れ方向とは、図４の場合には、回転軸Ａに関して、それぞれ、半径方向と、円周方向すなわち接線方向と、によって定義され、相互に垂直である。図４は、主流れ成分ＶP、第１の二次流れ成分ＶA1、第２の二次流れ成分ＶA2、を示す。以下では、「主流れ成分」とは、主流れ方向の、冷却剤の角速度成分を意味し、「第１の二次流れ成分」と「第２の二次流れ成分」とは、それぞれ、第１の二次流れ方向、第２の二次流れ方向の、冷却剤の角速度成分を意味する。第１の二次流れ成分ＶA1は、タービン５の軸６の角速度ωに関係している。１つ又は２つの二次流れ成分の導入は、いわゆる「準３Ｄ」（準３次元）流れモデルの定義を可能にし、二次空気流量ＱSAに対する回転の影響の評価と二次空気回路７自身の効率に対する回転の影響の評価を可能にする。
【００２４】
図５は、二次空気回路７の第２の回転部分７ｂの異なった断面を示し、特に、環状チャンバー１７、ローター通路１１、ローターブレード１３内に延設された冷却管１２を示す。環状チャンバー１７は回転空洞であり、環状チャンバー１７内で、流体は、半径方向に拡がる。従って、主流れ成分は、半径方向で、第１と第２の二次流れ成分は、主流れ成分に対して垂直である。
【００２５】
ローター通路１１と冷却管１３については、主流れ方向は、これらのそれぞれの断面の軸に対して平行である。第１と第２の二次流れ方向は、主流れ方向に対して、また、互いに対して垂直である。
【００２６】
二次流れ成分の計算は、二次空気回路の回転要素内に形成される複雑な運動領域によって発生するヘッド損失の、正確な数量化を可能とする。
【００２７】
二次空気流量ＱSAの計算は、二次空気回路７の各要素に対する流量と圧力の計算を含み、図６を参照して説明するように事前に形成された、等価電気ネットワークに基づいて行われる。
【００２８】
はじめに（ブロック２００）、二次空気回路７の等価流力ネットワーク２５が定義される。即ち、現存する要素と、対応する接続（ノード２１とブランチ２２、図７）が、認識される。
【００２９】
次に、各等価流力パラメータが、二次空気回路７の要素と関連付けられる（ブロック２１０）。前述のように、特に、二次空気回路７は、主として管とチャンバーとを備える（図７で、それぞれ符号１８、２０で示す）。管１８は、直径よりも長い長さを有するが、流体力学的見地からは、運動量の蓄積として特徴付けられる要素であり、等価流力インダクタンスＬとしてモデル化される。一方、チャンバー２０は、質量の蓄積として特徴付けられ、等価流力キャパシタンスＣとしてモデル化される。等価流力パラメータＬ、Ｃの値は、管１８とチャンバー２０とに関係しているが、二次空気回路７の瞬時の条件に依存し、事象の変動と熱交換とによって影響される。特に、等価流力キャパシタンスＣの値は、温度に敏感に依存し、計算の各繰返しで更新されるが、これについては後述する。
【００３０】
静翼１０内と動翼１３内に形成される冷却管１８は、等価流力ネットワークの最終要素を形成するが、特性カーブと表面（点で特性カーブと表面とを表現する場合には、運転の主要熱流体力学パラメータ、例えば、翼への冷却剤の供給圧力と温度、軸の回転速度、高温ガスの温度等、の関数である）とによって、模式的かつ統合された方法で、表現される。
【００３１】
次の工程（ブロック２２０）では、動的システムＳの定義を行い、二次空気回路７の挙動を、二次空気回路７の各要素に対する流れの主流れ成分と二次流れ成分との両方を考慮して、全体的に記述する。状態変数は、等価流力ネットワーク２５のブランチ２１内の流量Ｑとノード２２での圧力Ｐとであり、数学モデルは、エネルギーバランスの方程式と、連続の方程式と、運動量保存の方程式と、から導かれる。
【００３２】
非動的拘束条件が定義され（ブロック２３０）、代数方程式又は超越方程式によって表され、状態変数の領域を制限する（例えば、冷却と作動流体の構成方程式によって置き換えられる拘束条件、又は、二次空気回路の特殊要素、例えばタービン翼、の損失の特性カーブによって置き換えられる拘束条件）。
【００３３】
非動的拘束条件は、二次空気回路７を記述する動的システムに対する特異点よりも、より高次の周波数での架空の特異点（極）の導入によって、様々な大きさで、修正される（ブロック２４０）。例として、二次空気回路７の要素に対する代数的拘束条件は、完全ガスの状態方程式によって置き換えることができる。
【数１】
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ここで、ＶとＴは、それぞれ冷却剤の比容積と温度であり、Ｒは、一般完全ガス定数である。この場合、架空の極が、時定数τによって導入される。ラプラス変換領域では、式（１）は、次のように修正される（ｓは、複素変数）。
【数２】
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【００３４】
架空の特異点の導入は、関連する架空の過渡計算が、動的システムの状態変数の過渡計算に対して十分すばやく終了するならば、動的システムの挙動を変えることはない。一方、拘束方程式は、動的システムに組み込まれて、代数的な拘束のない修正動的システムを形成することができる。修正動的システムの収束は、動的システムが相互に同次の方程式に作成されているので、良好である。
【００３５】
図８は、上述のモデルに基づいた、二次空気流量ＱSAの計算（図３のブロック１２０）の、第２の繰返し手順を示す。第２の繰返し手順は、図３に示す第１の繰返し手順の中の入れ子（ブロック１２０）になっており、シミュレーションの各時点で実施される。
【００３６】
初期工程（ブロック３００）では、各初期値が、二次空気回路７の要素に関する状態変数と等価流力パラメータの両方に対して設定される（管１８の等価流力インダクタンスＬと、チャンバー２０の等価流力キャパシタンスＣ）。
【００３７】
次に（ブロック１３０）、二次空気回路７の各ブランチ２２において、単一要素（ヘッドの分散された損失の要素、例えば管１８、又は集中損失要素）が選択され、その流量Ｑ（各ブランチ２２の流量に等しい）が計算される。各ブランチ２２の残りの要素において、損失の要素の上流又は下流の圧力が計算される。
【００３８】
このようにして決定された流量は、ノード２１の圧力の計算に使用される（ブロック３２０）。
【００３９】
ブランチ２２の流量とノード２１の圧力の計算の工程は、上述の修正動的システムの利用に基づいており、第２の繰返し手順のブランチ２２の流量（ブロック３１０）とノード２１の圧力（ブロック３２０）の計算の各工程の間、冷却剤の温度は一定であることを考慮している。
【００４０】
次に、二次空気回路７の様々なセクションにおける冷却剤の温度Ｔが、計算される（ブロック３３０）。
【００４１】
チャンバー２０の等価流力キャパシタンスの値が、次に、その前に計算された（ブロック３１０、３２０、３３０）熱力学と流体力学の条件（流量Ｑ、圧力Ｐ、温度Ｔ）を使用して、更新される（ブロック３４０）。
【００４２】
次に、収束テスト（ブロック３５０）が、計算された流量と圧力の値の、あらかじめ設定された繰返し回数での安定性をコントロールすることによって、実施される。繰返しテストが通過すると（ブロック３５０からＹＥＳの出力）、この手順は終了する（ブロック３６０）。さもなければ（ブロック３５０からＮＯの出力）、新たな繰返しが、流量、圧力、及び等価流力パラメータ、の更新された値を使用して、実施される。各回に決定された等価流力インダクタンスＬと等価流力キャパシタンスＣの変動は、あらかじめ設定された繰返し回数の間、順次使用されることが好ましい。例えば、Ｋ番目の繰返しで、等価流力キャパシタンスＣの変動幅ΔＣが減少したら、対応する値は、Ｎ回の連続する繰返しの間、各繰返しＫ＋１、…、Ｋ＋Ｎにおいて、ΔＣ／Ｎに等しい補正を加えることによって、順次修正される。
【００４３】
説明した方法は、ガスタービンの二次空気回路の解析を、自動的に、迅速な信頼性の高い方法で、実施することを可能にする。従って、ガスタービンの二次空気回路の設計と最適化が、簡単になる。特に、流れの主流れ成分に加えて、更に二次成分を計算することは、二次空気回路の可動部分の影響と、軸６内の損失の特徴的な要素、例えば回転流路、における圧力の変動の、正しい評価を可能とする。
【００４４】
パラメーターカーブと表面の利用は、ブラックボックス形式の要素によって実施できるが、二次空気回路の等価流体ネットワークの要素の数を制限しつつ、冷却されたタービン翼の作動の正しい表現を可能にする。
【００４５】
また、本発明によって、解析の精度が向上した。このことは、二次空気回路の最適化を高度化し、ガスタービンプラント全体の性能を向上させることができるので、特に有利である。
【００４６】
更に、本発明の方法は、状態変数と等価流力パラメータの、過渡状態と静止状態の変化の観察を可能とする。
【００４７】
最後に、本明細書に記載した方法に対して、請求項に記載した本発明の範囲を逸脱することなく修正を加え、変形を行いうることは、明らかであることを指摘しておく。
【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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【図８】
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【国際調査報告】
2009545694.tif 000013
2009545694.tif 000014