(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンの圧縮機失速を防止することなどの作動保護用のタービンシュラウド隙間を制御する。作動保護用のタービンシュラウド隙間を制御することに関係するコードを記憶するためのシステム、方法、及び記憶媒体を提供する。【解決手段】本開示は、マルチステージタービン及び保護システムを含む。マルチステージタービンは、遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージと、遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、遠位シュラウドとケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、隙間制御信号を受信することに基づいて隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、を含む。保護システムは、故障モードに関係する作動限界値を有し、隙間制御信号を隙間制御機構に提供する。保護システムは、マルチステージタービンに関係する作動データを受信して、作動限界値に基づいて隙間制御信号を修正し、隙間距離を増加させる。【選択図】図１
2018059503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージ（１）と、
前記遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、前記遠位シュラウドと前記ケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、
隙間制御信号（２２４）に基づいて前記隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、
前記隙間制御信号（２２４）を前記隙間制御機構に提供する保護システム（１００、５３０）と、
を含むマルチステージ（１）タービンを含むシステム（１００）であって、
前記保護システム（１００、５３０）は、前記マルチステージ（１）タービンに関係する作動データを受信して、故障モードに関係する作動限界値に基づいて前記隙間制御信号（２２４）を修正し、前記隙間制御信号（２２４）は、前記隙間距離を選択的に増加させて、前記システム（１００）を前記故障モードから保護する、システム（１００）。
【請求項２】
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルの前記ステージ（１）は、前記隙間距離によって制約されるチョークされた流れポイントを有する前記マルチステージ（１）タービンの第１のステージ（１）を含む、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項３】
前記マルチステージ（１）タービンに動作可能に連結される圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）を更に含み、前記故障モードは、圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）失速であり、前記作動限界値は、動作可能限界ラインである、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項４】
前記隙間制御機構は、前記隙間距離を減らすために前記マルチステージ（１）タービンの定常状態動作中に前記遠位シュラウドに隣接する前記ケーシングを冷却する送風機（３４０、４４０）を含み、前記保護システム（１００、５３０）は、前記隙間制御信号（２２４）を修正し、前記隙間距離を増加させて前記送風機（３４０、４４０）の流れを減らす、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項５】
前記隙間制御機構は、機械式アクチュエータ、液圧式アクチュエータ、又は気圧式アクチュエータから選択される、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項６】
前記保護システム（１００、５３０）は、前記作動限界値に基づいて複数の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）を含み、前記マルチステージ（１）タービンを通るエネルギの流れを減らすために燃料源抑制信号を提供し、前記保護システム（１００、５３０）は、第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記隙間距離を増加させるために前記隙間制御信号（２２４）を修正し、第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記燃料源抑制信号を修正し、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項７】
前記複数の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い少なくとも１つの行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）を更に含む、請求項６記載のシステム（１００）。
【請求項８】
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージ（１）と、
前記遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、前記遠位シュラウドと前記ケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、
隙間制御信号（２２４）を受信することに基づいて前記隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、
を含むマルチステージ（１）タービンの動作を制御することと、
前記マルチステージ（１）タービンに関係する作動データと前記マルチステージ（１）タービンを含むシステム（１００）の故障モードに関係する作動限界値とに基づいて定常状態動作中に第１の隙間距離を備えて前記マルチステージ（１）タービンを動作させるために前記隙間制御信号（２２４）を提供することと、
前記作動限界値と前記作動データの変化とに基づいて前記第１の隙間距離よりも長い第２の隙間距離を備えて前記マルチステージ（１）タービンを動作させるために前記隙間制御信号（２２４）を修正することと、
を含む方法。
【請求項９】
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルの前記ステージ（１）は、前記隙間距離によって制約されるチョークされた流れポイントを有する前記マルチステージ（１）タービンの第１のステージ（１）を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記マルチステージ（１）タービンに動作可能に連結される圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）を更に含み、前記故障モードは、圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）失速であり、前記作動限界値は、動作可能限界ラインである、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記隙間制御機構は、前記第１の隙間距離を維持するために前記マルチステージ（１）タービンの定常状態動作中に前記遠位シュラウドに隣接する前記ケーシングを冷却する送風機（３４０、４４０）であり、前記隙間制御信号（２２４）の修正は、前記隙間距離を前記第２の隙間距離まで増加させるために前記送風機（３４０、４４０）の流れを減らす、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記隙間制御機構は、機械式アクチュエータ、液圧式アクチュエータ、又は気圧式アクチュエータから選択される、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記マルチステージ（１）タービンを通るエネルギの流れを減らすために燃料源抑制信号を提供することを更に含み、前記隙間制御信号（２２４）の修正は、前記作動限界値に基づいて第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で誘発され、前記燃料源抑制信号の提供は、前記作動限界値に基づいて第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で誘発され、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い、請求項８記載の方法。
【請求項１４】
第３の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記故障モードの可能性を減らすために改善行動を起こすことを更に含み、前記第３の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般にターボ機械に関し、より詳細には、ガスタービンの圧縮機失速を防止することなどの作動保護用のタービンシュラウド隙間を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンなどのターボ機械は、ステータベーンと呼ばれる固定エーロフォイルと、ロータブレード又はバケットと呼ばれる回転型エーロフォイルと、を含む１つ又は複数のエーロフォイル列を含む。ガスタービンは、前部の軸流圧縮機、中間部の１つ又は複数の燃焼器、及び、後部のタービン、を含むことがある。典型的には、軸流圧縮機は、一連のステージを有し、各ステージは、一列の固定ステータベーンが後に続く一列のロータベーンを含む。したがって、各ステージは、一対のロータブレード及びステータベーンを一般に含む。典型的には、ロータブレードは、入口を通って軸流圧縮機に入る流体の運動エネルギを増加させ、ステータベーンは、流体の増加した運動エネルギを、拡散を介して静圧に変換する。したがって、両方のセットのエーロフォイルは、流体の圧力を増加させる際に決定的な役割を果たす。
【０００３】
ターボ機械の動作における１つの問題は、圧縮機失速として知られている現象である。圧縮機失速は、ターボ機械を通る空気流の崩壊であり、潜在的な破滅的結末を伴う圧縮機サージ又は圧縮の完全喪失を作り出す場合がある。ターボ機械の動作では、ターボ機械を通る速度修正した空気流及び圧縮機圧力比に基づいて、ターボ機械が圧縮機サージに近づくのを防止するために、限界が規定されることがあり、圧縮機動作可能限界ライン（ＯＬＬ）と時々呼ばれる。ターボ機械が圧縮機ＯＬＬに接近又は超過するとき、従来の制御システムは、作動パラメータを圧縮機ＯＬＬより下に元に戻す目的で、ターボ機械への燃料を減らすことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／００７６３８５号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本開示の第１の態様は、作動保護用のタービンシュラウド隙間を制御するためのシステムを提供する。システムは、マルチステージタービン及び保護システムを含む。マルチステージタービンは、遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージと、遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、遠位シュラウドとケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、隙間制御信号を受信することに基づいて隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、を含む。保護システムは、故障モードに関係する作動限界値を有し、隙間制御信号を隙間制御機構に提供する。保護システムは、マルチステージタービンに関係する作動データを受信して、作動限界値に基づいて隙間制御信号を修正し、隙間距離を増加させて、システムを故障モードから保護する。
【０００６】
本開示の第２の態様は、作動保護用のタービンシュラウド隙間を制御するための方法を提供する。方法は、マルチステージタービンの動作を制御することを含む。マルチステージタービンは、遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージと、遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、遠位シュラウドとケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、隙間制御信号を受信することに基づいて隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、を含む。方法は、更に、マルチステージタービンに関係する作動データと故障モードに関係する作動限界値とに基づいて定常状態動作中に第１の隙間距離を備えてマルチステージタービンを動作させるために隙間制御信号を提供することを含む。方法は、更にまた、作動限界値と作動データの変化とに基づいて第１の隙間距離よりも長い第２の隙間距離を備えてマルチステージタービンを動作させるために隙間制御信号を修正することを含む。
【０００７】
本開示の第３の態様は、作動保護用のタービンシュラウド隙間を制御するマルチステージタービン用の制御システムを代表するコードを記憶する非一時的なコンピュータ可読の記憶媒体を提供する。マルチステージタービンは、遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージと、遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、遠位シュラウドとケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、隙間制御信号を受信することに基づいて隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、を含む。制御システムは、故障モードに関係する作動限界値を備えて、隙間制御信号を隙間制御機構に提供する保護システムを含む。保護システムは、マルチステージタービンに関係する作動データを受信して、隙間距離を増加させるために作動限界値に基づいて隙間制御信号を修正する。
【０００８】
本開示の例示的な態様は、本明細書で説明する課題及び／又は議論していない他の課題を解決するように構成される。
【０００９】
本開示のこれらや他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と関連して解釈される本開示の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】シュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備えたコジェネレーションシステムの例のブロック図である。
【図２】シュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備えたガスタービンの例のブロック図である。
【図３】シュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備えたコジェネレーションシステムの他の例のブロック図である。
【図４】シュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備えたガスタービンの他の例のブロック図である。
【図５】シュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備えた制御システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
留意されたいことは、本開示の図面が必ずしも縮尺通りではないということである。図面は、本開示の典型的な態様を単に示すことだけを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定していると考えるべきではない。図面では、同様の番号付けは、図面間で同様の要素を表す。
【００１２】
実施形態によっては、本開示の態様は、ガスタービン、他のターボ機械、動力発生設備、又はその一部を管理するための既存の制御システムを介して実施されることがある。それらは、既存のシュラウド隙間制御機構を含む任意のガスタービンのために実施されることがあり、或いは、ケース温度管理送風機や空間調整用の機械式、液圧式、若しくは気圧式のアクチュエータなどのシュラウド隙間制御機構を含むために修正されることがある。実施形態によっては、シュラウド隙間制御機構は、フィードバック制御ループを含み、隙間制御信号を受信してシュラウド隙間を所望の距離に調整することがある。隙間距離は、任意の付加した遠位シュラウドを含めてエーロフォイルの遠位表面からケースの最寄りの表面までの距離として測定することができ、エーロフォイルの遠位表面とケースとの間の空間を通る流体の流れの最狭のチョークポイントを代表する。
【００１３】
本開示の態様は、特にステージ１、即ち、ガスタービンを通る流れ経路に沿った第１のステージに関係して実施されることがある。ガスタービンエンジンは、流れがステージ１バケットに入るので、ステージ１ノズルの出口でチョークされた流れで動作することがある。チョークされた流れが意味することは、流速がマッハ１で、その所与のジオメトリと圧力及び温度のせいで速度と質量流量が増加できないということである。それで、それが意味することは、圧縮機がそれ自体の流れ通過可能性と圧力比を確定させず、チョークされた流れポイントによって圧力が決定される（ベンチュリの原理）ということである。その圧力比は、スロート領域を増やすステージ１ノズルへのハードウエア変更によって減少することがある。このチョークされた流れポイントは、コンバージェント−ダイバージェントノズルのポイントでの流れ通過可能性の関数であり、それが意味することは、ステージ１ノズルスロート領域（コンバージェント領域の終部）、並びに、ステージ１バケット及びステージ１シュラウド間の隙間（ダイバージェント領域の始部）、と関連があり得るということである。
【００１４】
本開示の態様は、さもなければ燃料を抑制することなくユニットをオフラインにするトリップ状態を引き起こし得る動作限界をガスタービンが撤回できるようにすることによって、ガスタービン出力及び排出エネルギを増大させることができる。本開示の態様は、燃料の抑制がする程度ではないが関与時にエネルギ出力の観点から性能を低下させることがある。実施形態によっては、燃料の抑制は、依然として１つの選択肢であろうが、本開示の態様は、燃料の抑制に関与したり燃料の流れを減らすことが必要になる前に、圧縮機の動作可能限界ライン（ＯＬＬ）の近辺に大きめのマージンを提供することができる。圧縮機の圧力比をそれがＯＬＬに近づくように減らすための他の行動は、インレットブリードヒート又はインレットガイドベーンを制御することを含むことがある。しかしながら、それらの行動は、多くのシステムにおいて利用可能ではなく、その問題に対処するには不十分であるかもしれない。本発明の態様は、ある種の周囲条件及び負荷条件の間の圧縮機ＯＬＬからの保護、及び／又は、特定の周囲温度範囲などのある種の周囲条件の間の追加の電気出力を提供することができる。
【００１５】
本開示の態様は、合成ガスなどの低ＢＴＵ燃料で動作するガスタービン及び／又はコジェネレーションプラントに有利に適用することができる。ＯＬＬ保護用の追加の機構を持つことによって、コンバインド又はコジェネレーションサイクルへの発生器出力及び排出エネルギは、増加することがある。本開示の態様は、ある種の周囲条件の間にコジェネレーション又はエクスポートスチームプロダクション用の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に追加の排出エネルギを提供することがある。実施形態によっては、ガスタービンは、動作レベルを圧縮機ＯＬＬより低く維持するためにシュラウド隙間の調整に関与する定常状態を見つけることがある。
【００１６】
本開示の態様は、既存の圧縮機ＯＬＬ保護システム用の修正した制御ロジックを含むことがある。この修正した制御ロジックは、全ての燃料について適用可能にすることができ、また、インレットブリードヒート制御なしにシステムへの低ＢＴＵ燃料に関する特定の適用可能性を持つことができる。
【００１７】
図１は、シュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備えたコジェネレーションシステム１００の例を示す。制御システム１１０は、システム１００の動作を管理し、また、様々なセンサ、データチャネル、データベース、プロセスロジック、及び、動作のトラッキング用や様々なシステム、サブシステム、及びシステム１００の構成部品の制御用の制御システムを含む又はそれらと連通することができる。例えば、制御システム１１０は、コジェネレーションプラントなどのパワープラントの動作中における計測、ビジュアル化、自動化、パラメータ及び／又はサブシステム制御のためのパワープラント制御システムを含むことがある。示した例では、制御システム１１０は、システム１００の動作を管理し、ガスタービン１３０、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１４０、及び蒸気タービン１５０を含む。制御システム１１０は、センサ、及び／又は、ガスタービン１３０、ＨＲＳＧ１４０、及び蒸気タービン１５０などのシステム１００の構成部品の個々と関連する局在型の制御サブシステムからデータを受信するための複数の通信チャネルを含むことがある。
【００１８】
制御システム１１０は、ガスタービン１３０の破滅的な故障を防止するためにガスタービン１３０および関係するシステムに関係する複数の動作パラメータ及びセンサ出力をモニタする圧縮機保護システム１２０と連通又はそれを含む。例えば、圧縮機保護システム１２０は、圧縮機失速故障モードを防止するために、圧縮機圧力比（ＣＰＲ）１２２信号によって動作限界ライン（ＯＬＬ）値が到達又は超過するときに、トリップ状態を誘発することがある。圧縮機保護システム１２０は、トリップ状態を防止する目的でＣＰＲ１２２がＯＬＬに関係する１つ又は複数の閾値に到達するのに応答して、ガスタービン１３０の動作パラメータを変更するための１つ又は複数の制御出力を更に含むことがある。例えば、圧縮機保護システム１２０は、ガスタービン１３０の１つ又は複数のステージのシュラウド隙間を制御可能に調整するためのシュラウド隙間制御信号１２４を含むことがある。実施形態によっては、圧縮機保護システム１２０は、ＯＬＬに接近するＣＰＲ１２２に対処するために採用し得る一連の予防的な行動（動作パラメータ又は状態の修正）のための複数の制御出力を含むことがある。そういった保護システムについては、図５に関して以下に更に説明する。例えば、圧縮機保護システム１２０は、燃料制御信号、ブリードヒート制御信号、インレットガイドベーン制御信号、及び／又は、ガスタービン１３０の動作を修正するための同様の制御信号を含むことがある。実施形態によっては、圧縮機保護システム１２０は、ＯＬＬに接近するのに応答して作動の変化を算出及び制御するのに使用するための複数の値又は信号を受信することがある。例えば、圧縮機保護システム１２０は、圧縮機１３２からの圧縮機出力信号１２３、蒸気タービン１５０の出力蒸気１５２からのフロー値１２６、及び、蒸気タービン１５０からのエネルギ出力値１２８を受信することがある。これらの値は、故障モデル用の追加のコンテクスト値又は入力値、設定閾値、応答値若しくは応答状態、又は、ＯＬＬ及び現在の動作状態用のもたらされる限界値に沿った算出ポジションを提供することがある。注意されたいことは、複数の追加の動作パラメータ、値、及びセンサ信号が存在することがあり、それらがスタック１４２への排出など、圧縮機保護システム１２０によって使用されないが、制御システム１１０又はサブシステム制御の他の態様によって使用され得るということである。
【００１９】
ガスタービン１３０は、圧縮機１３２、燃焼器１３４、及びタービンセクション１３６を含む任意の種類の従来のターボ機械を含むことがある。タービンセクション１３６は、タービンセクション１３６を通る流体流れ経路に沿った第１のステージを含む複数のステージを含むことがある。ガスタービン１３０は、シュラウド隙間制御システム１３８を更に含むことがある。シュラウド隙間制御システム１３８は、シュラウド隙間制御信号１２４に応答してシュラウド隙間を調整する。１つの実施形態では、シュラウド隙間制御システム１３８は、システムのジオメトリ及び調整可能性に基づいて利用可能な最大距離と最小距離の間の隙間距離を調節可能に制御するためにアクチュエータ及びフィードバックループを含む。実施形態によっては、シュラウド隙間制御システム１３８は、隙間距離を最小化するために使用して、ガスタービン１３０の定常状態動作中に流体漏出を減少させてシステム効率を増加させることができる。
【００２０】
図２は、制御システム２１０、圧縮機保護システム２２０、及び、大きめのコジェネレーション若しくは同様の設備から独立して動作するガスタービン２３０を含むガスタービンシステム２００の例を示す。ガスタービン２３０は、圧縮機２３２、燃焼器２３４、及び、タービンセクション２３６、並びに、シュラウド隙間制御システム２３８及び燃料制御システム２４０を含む。図１及び制御システム１１０に関して上で説明したように、制御システム２１０は、単一のタービン、タービンのクラスタ、又は、大きめのエネルギ生産設備若しくは設備ネットワークを管理するためのコンピュータベースの産業制御システムの任意の様式にすることができる。同様に、圧縮機保護システム２２０は、制御システム２１０の構成部品にしてもよく、又は、それと連通してもよい。示した例では、圧縮機保護システム２２０は、圧縮機失速又は関係するトリップ状態などの故障モードを防止するためのＯＬＬなどの閾値に基づいた圧縮機保護の必要性をモニタするためのＣＰＲ信号２２２を受信する。圧縮機保護システム２２０は、ガスタービン２３０の動作を修正するための２つの動作制御信号、即ち、シュラウド隙間制御信号２２４及び燃料制御信号２２６を含む。示した例では、圧縮機保護システム２２０は、複数の閾値を含むことがあり、それらは、ＯＬＬからのオフセットを表すと共に、シュラウド隙間を修正（増加）してＣＰＲ２２２を減らすためのシュラウド隙間制御信号２２４と、燃料送達を修正（抑制）してＣＰＲ２２２を減らすための燃料制御信号２２６と、を誘発するための条件を決定する。隙間制御信号２２４の修正を誘発するための閾値は、燃料制御信号２２６の修正を誘発するための閾値よりも小さいことがあり、したがって、隙間増加は、燃料抑制を試みる前に試みられる。実施形態によっては、圧縮機保護システム２２０は、ＯＬＬに接近するのに応答して作動の変化を算出及び制御するのに使用するための複数の値又は信号を受信することがある。例えば、圧縮機保護システム２２０は、ＣＰＲ２２２に加えて圧縮機１３２からの圧縮機出力信号２２３を受信することがある。
【００２１】
図３は、シュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備え、隙間制御のために送風機システムが使用されている、コジェネレーションシステム３００の他の例である。コジェネレーションシステム３００は、制御システム３１０、圧縮機保護システム３２０、ガスタービン３３０、排出出力信号３５２を備えたＨＲＳＧ３５０、及び、蒸気出力信号３６２を備えた蒸気タービン３６０を含む。ガスタービン３３０は、圧縮機３３２、燃焼器３３４、及び、タービンセクション３３６、並びに、シュラウド隙間制御システム３３８及び関係する送風機システム３４０を含む。コジェネレーションシステム３００は、上の図１のコジェネレーションシステム１００と同様に説明することができる。圧縮機保護システム３２０は、ＣＰＲ信号３２２、圧縮機出力信号３２３、蒸気流れ信号３２６、及び、エネルギ出力信号３２８を受信して、シュラウド隙間制御信号３２４を発生させる。示した例では、シュラウド隙間制御信号３２４は、シュラウド隙間制御システム３３８を調整するために送風機３４０を制御する。シュラウド隙間制御システム３３８は、送風機３４０の動作に基づいて所望の隙間空間を達成するためのフィードバックループを含むことがある。送風機３４０の使用は、シュラウド隙間空間を調整するためのアクチュエータの使用と交換する又はそれを補完することがある。
【００２２】
図４は、制御システム４１０、圧縮機保護システム４２０、及び、大きめのコジェネレーション若しくは同様の設備から独立して動作するガスタービン４３０、を含むガスタービンシステム４００の他の例である。ガスタービン４３０は、圧縮機４３２、燃焼器４３４、及び、タービンセクション４３６、並びに、シュラウド隙間制御システム４３８、関係する送風機システム４４０、及び、燃料制御システム４４２を含む。ガスタービンシステム４００は、上の図２のガスタービンシステム２００と同様に説明することができる。圧縮機保護システム４２０は、ＣＰＲ信号４２２及び圧縮機出力信号４２３を受信して、シュラウド隙間制御信号４２４及び燃料制御信号４２６を発生させる。示した例では、シュラウド隙間制御信号４２４は、シュラウド隙間制御システム４３８を調整するために送風機４４０を制御する。シュラウド隙間制御システム４３８は、送風機４４０の動作に基づいて所望の隙間空間を達成するためのフィードバックループを含むことがある。送風機４４０の使用は、シュラウド隙間空間を調整するためのアクチュエータの使用と交換する又はそれを補完することがある。
【００２３】
図５は、上の図１、２、３及び４の制御システム１１０、２１０、３１０、４１０のために使用することのできるなどのシュラウド隙間制御及び圧縮機保護を備えた制御システム５００の例を示す。制御システム５００は、動作データを受信して様々な制御信号を提供するために１つ又は複数の通信及び制御インターフェースを介してガスタービンシステム５０２と連通することがある。例えば、ガスタービンシステム５０２は、図１〜４に関して上で説明したようなガスタービンにすることがあり、ＣＰＲ値及び他の動作値を受信するため、また、シュラウド隙間制御信号、燃料制御信号、及び／又は、他のサブシステム制御信号を提供するため、１つ又は複数のインターフェースを含むことがある。制御システム５００は、様々な機能、データソース、モジュール、及び／又は、ガスタービンシステムや関係するシステム、動作環境、及び、設備を、モニタする、管理する、及び、制御する、ための産業制御システム用のアプリケーションを含むことがある。示した例では、制御システム５００は、制御システムソフトウエア５１８の少なくとも一部であるコンピュータプログラムコード５２０に具体化され、追加の詳細は、コンピュータプログラムコード５２０に具体化され得る保護システム５３０に関して提供される。
【００２４】
制御システム５００は、コンピュータプログラムコード５２０を用いてコンピュータ５１０上に実装されて示される。そういった程度では、コンピュータ５１０は、メモリ５１４、プロセッサ５１２、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース５１６、及び、相互連結バスを含んで示される。更に、コンピュータ５１０は、外部Ｉ／Ｏデバイス／リソース５２４や記憶システム５２２と連通して示される。一般に、プロセッサ５１２は、コード５２０からの命令の下でメモリ５１４及び／又は記憶システム５２２に記憶される保護システム５３０などのコンピュータプログラムコードを実行する。コンピュータプログラムコードを実行する間、プロセッサ５１２は、メモリ５１４、記憶システム５２２、及びＩ／Ｏデバイス５２４、に／から、リード及び／又はライトすることができる。バスは、コンピュータ５１０の構成部品の個々間の通信リンクを提供し、Ｉ／Ｏデバイス５２４は、ユーザがコンピュータ５１０と相互作用できるようにする任意のデバイス（例えば、キーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイ等）を含むことができる。コンピュータ５１０は、ハードウエア及びソフトウエアの様々な可能な組み合わせを代表するだけである。例えば、プロセッサ５１２は、単一の処理ユニットを含むことがあり、又は、１つ又は複数の処理ユニットの全体にわたって、１つ又は複数のロケーションに、例えば、クライアント及びサーバ上に、分配されることがある。同様に、メモリ５１４及び／又は記憶システム５２２は、１つ又は複数の物理的ロケーションに帰属することがある。メモリ５１４及び／又は記憶システム５２２は、磁気メディア、光学メディア、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）等を含む非一時的なコンピュータ可読の記憶媒体の様々なタイプの任意の組み合わせを含むことができる。コンピュータ５１０は、ネットワークサーバ、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、ハンドヘルドデバイス、モバイルフォン、ポケットベル、パーソナルデータアシスタント等の任意のタイプのコンピューティングデバイスを含むことができる。
【００２５】
作動限界（例えば、ＯＬＬ）をモニタすること及び識別された故障モード（例えば、圧縮機失速）からガスタービンを保護することは、保護システム５３０を代表するコード５２０を記憶する非一時的なコンピュータ可読の記憶媒体（例えば、メモリ５１４、記憶システム５２２等）から始まることがある。コード５２０は、必要に応じて、異種フォーマット間で変換され、１セットのデータ信号にコンバートされ、伝達され、１セットのデータ信号として受信され、コードにコンバートされ、記憶等々をされることがある。保護システム５３０は、ＯＬＬなどの保護システムの基礎を提供する動作限界５３２を含む。動作限界５３２は、固定値でも従属値でもよい。例えば、ＯＬＬは、曲線によって表すことができ、したがって、動作限界５３２は、速度修正した空気流に基づいて変化する。他の実施形態では、動作限界５３２は、様々な入力及び変換関数に基づいて多変量の値にすることがある。保護システム５３０は、それに対して動作限界５３２が評価され得る、ＣＰＲなどの最新の作動入力を提供する入力値５３４も含む。実施形態によっては、入力値５３４は、経時的に変化する単一の値にすることがあり、また、直接信号値を含むか、又は、修正、標準化、フイルタ濾過のために処理されるかのどちらか、或いは、定義済み変換関数を含むことがある。実施形態によっては、入力値５３４は、動作限界５３２に対する作動条件を算出することに関連する異なった変量を表す複数の値を含むことがある。示した例では、オフセット５３６も提供され、保護システム５３０が、動作限界５３２と入力値５３４の間の算出される差異を調整することが可能である。実施形態によっては、オフセット５３６は、正確さ、遅延、変動性、又は、動作限界５３２を算出すること及び入力値５３４を検出することに関係する他のファクタに基づいて安全マージンを表すことがある。デファレンスロジック５３８は、入力値５３４と動作限界５３２の間の現在の差異を算出し、デファレンスロジック５４０は、オフセット５３６を用いて現在の差異から調整済みの現在の差異を算出する。もたらされる調整済みの現在の差異は、次いで、複数の行動閾値５５０、５５２、５５４、５５６に対して評価されることがある。例えば、行動閾値５５０、５５２、５５４、５５６の個々は、様々な改善行動が起こされる閾値の値を増加することを提供することがある。例えば、調整済みの現在の差異が、行動閾値５５０よりも小さい場合（入力値５３４が動作限界５３６に近接していることを意味）、そのときは第１の行動５６０が開始される。調整済みの現在の差異が、行動閾値５５０より小さい行動閾値５５２よりも小さい場合、そのときは第２の行動５６２が開始等される。行動閾値５５０、５５２、５５４、５５６は、０値（オフセット５３６を備えた入力値５３４が動作限界５２３に等しいことを意味）、或いは、負（オフセット５３６を備えた入力値５３４が動作限界５３２を超過するが、オフセット５３６又は他のファクタの提供するマージンのおかげで故障又はトリップを今まで引き起こさなかったかもしれないことを意味）を含むことがある。示した例では、行動閾値５５４が満たされるとき、シュラウド隙間制御５６４が関与し、シュラウド隙間制御信号がガスタービンシステム５０２に提供される。行動閾値５５６が満たされるとき、燃料制御５６６が関与し、燃料制御信号がガスタービンシステム５０２に提供される。実施形態によっては、行動閾値５５４は、行動閾値５５６よりも低い入力値を表し、したがって、シュラウド隙間制御は、燃料制御を誘発する前に試みられるであろう。示した例では、４つの行動閾値５５０、５５２、５５４、５５６と４つのもたらされる行動が存在する。他の実施形態では、任意の数の行動閾値及び行動が、ガスタービンシステム５０２に利用可能な改善行動の数に応じて実施されることがある。実施形態によっては、最後の行動は、ガスタービンシステム５０２をオフラインにするためにトリップにすることがある。
【００２６】
先の図面は、本開示の幾つかの実施形態に係る関連した作動処理の一部を示す。留意すべきことは、代替的な実施によっては、説明した行動が説明した順序でなくて起きることがある、即ち、関連する行動に応じて、事実上、実質同時に又は逆の順序で実行されることがある、ということである。
【００２７】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけであり、本開示を限定することを意図していない。本明細書で使用するとき、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈上別に規定することが明らかな場合を除いて、複数形を同じく含むことを意図している。更に理解されるであろうことは、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、本明細書での使用時に、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、及び／又はそれらを集めたものの存在や追加を除外するものではない、ということである。
【００２８】
以下の特許請求の範囲のミーンズプラスファンクション要素又はステッププラスファンクション要素の全ての対応する構造、材料、動作、及び等価物は、具体的に権利請求したように他の権利請求した要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、又は動作を包含することを意図している。本開示の説明は、図解及び説明の目的のために提示してきたが、開示した様式の開示内容に徹底することもそれに限定することも意図していない。多くの修正及び変形は、本開示の範囲及び精神から逸脱せずに当業者には明らかであろう。本実施形態は、選択して説明したが、その目的は、本開示の原理及び実用的な用途を最上に説明することであり、また、予期される特定の使用に適するように様々な修正を備えた様々な実施形態に関する開示内容を他の当業者が理解できるようにすることである。
【００２９】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージ（１）と、
前記遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、前記遠位シュラウドと前記ケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、
隙間制御信号（２２４）に基づいて前記隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、
前記隙間制御信号（２２４）を前記隙間制御機構に提供する保護システム（１００、５３０）と、
を含むマルチステージ（１）タービンを含むシステム（１００）であって、
前記保護システム（１００、５３０）は、前記マルチステージ（１）タービンに関係する作動データを受信して、故障モードに関係する作動限界値に基づいて前記隙間制御信号（２２４）を修正し、前記隙間制御信号（２２４）は、前記隙間距離を選択的に増加させて、前記システム（１００）を前記故障モードから保護する、システム（１００）。
［実施態様２］
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルの前記ステージ（１）は、前記隙間距離によって制約されるチョークされた流れポイントを有する前記マルチステージ（１）タービンの第１のステージ（１）を含む、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様３］
前記マルチステージ（１）タービンに動作可能に連結される圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）を更に含み、前記故障モードは、圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）失速であり、前記作動限界値は、動作可能限界ラインである、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様４］
前記隙間制御機構は、前記隙間距離を減らすために前記マルチステージ（１）タービンの定常状態動作中に前記遠位シュラウドに隣接する前記ケーシングを冷却する送風機（３４０、４４０）を含み、前記保護システム（１００、５３０）は、前記隙間制御信号（２２４）を修正し、前記隙間距離を増加させて前記送風機（３４０、４４０）の流れを減らす、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様５］
前記隙間制御機構は、機械式アクチュエータ、液圧式アクチュエータ、又は気圧式アクチュエータから選択される、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様６］
前記保護システム（１００、５３０）は、前記作動限界値に基づいて複数の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）を含み、前記マルチステージ（１）タービンを通るエネルギの流れを減らすために燃料源抑制信号を提供し、前記保護システム（１００、５３０）は、第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記隙間距離を増加させるために前記隙間制御信号（２２４）を修正し、第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記燃料源抑制信号を修正し、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様７］
前記複数の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い少なくとも１つの行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）を更に含む、実施態様６に記載のシステム（１００）。
［実施態様８］
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージ（１）と、
前記遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、前記遠位シュラウドと前記ケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、
隙間制御信号（２２４）を受信することに基づいて前記隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、
を含むマルチステージ（１）タービンの動作を制御することと、
前記マルチステージ（１）タービンに関係する作動データと前記マルチステージ（１）タービンを含むシステム（１００）の故障モードに関係する作動限界値とに基づいて定常状態動作中に第１の隙間距離を備えて前記マルチステージ（１）タービンを動作させるために前記隙間制御信号（２２４）を提供することと、
前記作動限界値と前記作動データの変化とに基づいて前記第１の隙間距離よりも長い第２の隙間距離を備えて前記マルチステージ（１）タービンを動作させるために前記隙間制御信号（２２４）を修正することと、
を含む方法。
［実施態様９］
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルの前記ステージ（１）は、前記隙間距離によって制約されるチョークされた流れポイントを有する前記マルチステージ（１）タービンの第１のステージ（１）を含む、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１０］
前記マルチステージ（１）タービンに動作可能に連結される圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）を更に含み、前記故障モードは、圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）失速であり、前記作動限界値は、動作可能限界ラインである、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１１］
前記隙間制御機構は、前記第１の隙間距離を維持するために前記マルチステージ（１）タービンの定常状態動作中に前記遠位シュラウドに隣接する前記ケーシングを冷却する送風機（３４０、４４０）であり、前記隙間制御信号（２２４）の修正は、前記隙間距離を前記第２の隙間距離まで増加させるために前記送風機（３４０、４４０）の流れを減らす、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１２］
前記隙間制御機構は、機械式アクチュエータ、液圧式アクチュエータ、又は気圧式アクチュエータから選択される、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１３］
前記マルチステージ（１）タービンを通るエネルギの流れを減らすために燃料源抑制信号を提供することを更に含み、前記隙間制御信号（２２４）の修正は、前記作動限界値に基づいて第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で誘発され、前記燃料源抑制信号の提供は、前記作動限界値に基づいて第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で誘発され、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１４］
第３の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記故障モードの可能性を減らすために改善行動を起こすことを更に含み、前記第３の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１５］
マルチステージ（１）タービン用の制御システムを代表するコードを記憶する非一時的なコンピュータ可読の記憶媒体であって、
前記マルチステージ（１）タービンは、
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルのステージ（１）と、
前記遠位シュラウドに隣接するケーシングであって、前記遠位シュラウドと前記ケーシングとの間の隙間距離を画定するケーシングと、
隙間制御信号（２２４）を受信することに基づいて前記隙間距離を制御可能に調整する隙間制御機構と、を含み、
故障モードに関係する作動限界値を備えて、前記隙間制御信号（２２４）を前記隙間制御機構に提供する保護システム（１００、５３０）を含み、
前記保護システム（１００、５３０）は、前記マルチステージ（１）タービンに関係する作動データを受信して、前記隙間距離を増加させるために前記作動限界値に基づいて前記隙間制御信号（２２４）を修正する、記憶媒体。
［実施態様１６］
遠位シュラウドを備えたエーロフォイルの前記ステージ（１）は、前記隙間距離によって制約されるチョークされた流れポイントを有する前記マルチステージ（１）タービンの第１のステージ（１）であり、前記保護システム（１００、５３０）は、前記作動限界値に基づいて前記マルチステージ（１）タービンを通るエネルギの流れを減らすために燃料源抑制信号を提供することを更に含む、実施態様１５に記載の記憶媒体。
［実施態様１７］
前記マルチステージ（１）タービンは、圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）に動作可能に連結され、前記故障モードは、圧縮機（１３２、２３２、３３２、４３２）失速であり、前記作動限界値は、動作可能限界ラインである、実施態様１５に記載の記憶媒体。
［実施態様１８］
前記隙間制御機構は、第１の隙間距離を維持するために前記マルチステージ（１）タービンの定常状態動作中に前記遠位シュラウドに隣接する前記ケーシングを冷却する送風機（３４０、４４０）であり、前記保護システム（１００、５３０）は、前記隙間制御信号（２２４）を修正し、前記送風機（３４０、４４０）の流れを減らして、前記隙間距離を第２の隙間距離まで増加させる、実施態様１５に記載の記憶媒体。
［実施態様１９］
前記保護システム（１００、５３０）は、前記作動限界値に基づいて複数の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）を含み、前記マルチステージ（１）タービンを通るエネルギの流れを減らすために燃料源抑制信号を提供し、前記保護システム（１００、５３０）は、第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記隙間距離を増加させるために前記隙間制御信号（２２４）を修正し、第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）で前記燃料源抑制信号を修正し、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第２の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い、実施態様１５に記載の記憶媒体。
［実施態様２０］
前記複数の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）は、前記第１の行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）よりも低い少なくとも１つの行動閾値（５５０、５５２、５５４、５５６）を更に含む、実施態様１９に記載の記憶媒体。
【符号の説明】
【００３０】
１００  コジェネレーションシステム
１１０  制御システム
１２０  圧縮機保護システム
１２２  ＣＰＲ
１２３  圧縮機出力信号
１２４  シュラウド隙間制御信号
１２６  フロー値
１２８  エネルギ出力値
１３０  ガスタービン
１３２  圧縮機
１３４  燃焼器
１３６  タービンセクション
１３８  シュラウド隙間制御システム
１４０  ＨＲＳＧ
１４２  スタック
１５０  蒸気タービン
１５２  出力蒸気
２００  ガスタービンシステム
２１０  制御システム
２２０  圧縮機保護システム
２２２  ＣＰＲ
２２３  圧縮機出力信号
２２４  隙間制御信号
２２６  燃料制御信号
２３０  ガスタービン
２３２  圧縮機
２３４  燃焼器
２３６  タービンセクション
２３８  シュラウド隙間制御システム
２４０  燃料制御システム
３００  コジェネレーションシステム
３１０  制御システム
３２０  圧縮機保護システム
３２２  ＣＰＲ信号
３２３  圧縮機出力信号
３２４  シュラウド隙間制御信号
３２６  蒸気流れ信号
３２８  エネルギ出力信号
３３０  ガスタービン
３３２  圧縮機
３３４  燃焼器
３３６  タービンセクション
３３８  シュラウド隙間制御システム
３４０  送風機
３５０  ＨＲＳＧ
３５２  排出出力信号
３６０  蒸気タービン
３６２  蒸気出力信号
４００  ガスタービンシステム
４１０  制御システム
４２０  圧縮機保護システム
４２２  ＣＰＲ信号
４２３  圧縮機出力信号
４２４  シュラウド隙間制御信号
４２６  燃料制御信号
４３０  ガスタービン
４３２  圧縮機
４３４  燃焼器
４３６  タービンセクション
４３８  シュラウド隙間制御システム
４４０  送風機
４４２  燃料制御システム
５００  制御システム
５０２  ガスタービンシステム
５１０  コンピュータ
５１２  プロセッサ
５１４  メモリ
５１６  入力／出力Ｉ／Ｏインターフェース
５１８  制御システムソフトウエア
５２０  コンピュータプログラムコード
５２２  記憶システム
５２４  Ｉ／Ｏデバイス
５３０  保護システム
５３２  動作限界
５３４  入力値
５３６  オフセット
５３８  デファレンスロジック
５４０  デファレンスロジック
５５０  行動閾値
５５２  行動閾値
５５４  行動閾値
５５６  行動閾値
５６０  第１の行動
５６２  第２の行動
５６４  シュラウド隙間制御
５６６  燃料制御
【図１】
2018059503.tif 000003
【図２】
2018059503.tif 000004
【図３】
2018059503.tif 000005
【図４】
2018059503.tif 000006
【図５】
2018059503.tif 000007
【外国語明細書】
2018059503000001.pdf