(57)【要約】【課題】燃料加熱を利用するクリアランス制御のための方法および装置を提供すること。【解決手段】圧縮された冷却空気をガスタービンの中のタービンケーシングへ提供するクリアランス制御装置であって、装置は、タービンケーシングの内側環状シェルを通って延在する冷却ガス通路と、ガスタービンの圧縮機、および、タービンケーシングに接続されている冷却ガス導管であって、圧縮機から圧縮空気を受け入れ、タービンケーシングに圧縮空気を送達し、冷却ガス導管は、冷却ガス通路に流体連通している、冷却ガス導管と、冷却ガス導管、および、ガスタービンの燃焼器に燃料を送達する燃料導管に接続されている熱交換器であって、熱交換器は、冷却ガスから燃料へ熱を伝達させる、熱交換器とを含む、クリアランス制御装置。【選択図】図１
2015200307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンであって、
前記ガスタービンの中の回転タービンを囲むタービンケーシングと、
燃料の供給部、および、前記ガスタービンの燃焼器に接続可能な燃料導管であって、燃料が、前記燃料供給部から前記燃焼器へ前記燃料導管を通って流れる、燃料導管と、
前記ガスタービンの圧縮機、および、前記タービンケーシングに接続されている冷却ガス導管であって、前記冷却ガス導管は、前記圧縮機から圧縮空気を受け入れ、前記タービンケーシングの中の内部通路に前記圧縮空気を送達する、冷却ガス導管と、
前記燃料導管および前記冷却ガス導管に接続されている熱交換器であって、前記熱交換器は、冷却ガスから前記燃料へ熱を伝達させる、熱交換器と
を含む、ガスタービン。
【請求項２】
前記燃料導管が、メイン導管およびバイパス導管を含み、前記バイパス導管は、前記熱交換器に連結され、前記熱交換器を通って流れる前記燃料のための通路を形成しており、前記バイパス導管は、前記燃料のための入口部および出口部を有しており、前記入口部および前記出口部は、両方とも、前記メイン導管に接続されている、請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
前記熱交換器が、ダブルチューブの熱交換器であり、前記ダブルチューブの熱交換器は、前記燃料導管に接続されており、前記熱交換器を通って流れる前記燃料のための通路を形成する第１のチューブと、前記冷却ガス導管に接続されており、前記熱交換器を通って流れる前記冷却ガスのための通路を形成する第２のチューブとを含む、請求項１記載のガスタービン。
【請求項４】
前記熱交換器が、前記熱交換器を通って流れる前記冷却ガスから、前記熱交換器を通って流れる前記燃料を分離する第１および第２の壁部を含む二重壁の熱交換器である、請求項１記載のガスタービン。
【請求項５】
前記ガスタービンが、空気を前記圧縮機の中へ方向付けするように構成されている出口部を有する入口ダクトと、前記圧縮機および前記入口ダクトに連結されている入口ブリード熱（ＩＢＨ）導管とをさらに含み、前記ＩＢＨ導管が、前記圧縮機から前記入口ダクトへ圧縮空気を方向付けするように構成されている、請求項１記載のガスタービン。
【請求項６】
前記内部通路が、前記タービンケーシングの内側環状シェルの中の通路である、請求項１記載のガスタービン。
【請求項７】
前記内部通路が、前記内側環状シェルの長さの少なくとも半分に延在している、請求項６記載のガスタービン。
【請求項８】
圧縮された冷却空気をガスタービンの中のタービンケーシングへ提供するクリアランス制御装置であって、
前記タービンケーシングの内側環状シェルを通って延在する冷却ガス通路と、
前記ガスタービンの圧縮機、および、前記タービンケーシングに接続されている冷却ガス導管であって、前記冷却ガス導管は、前記圧縮機から圧縮空気を受け入れ、前記タービンケーシングに前記圧縮空気を送達し、前記冷却ガス導管は、前記冷却ガス通路に流体連通している、冷却ガス導管と、
前記冷却ガス導管、および、前記ガスタービンの燃焼器に燃料を送達する燃料導管に接続されている熱交換器であって、前記熱交換器は、前記冷却ガスから前記燃料へ熱を伝達させる、熱交換器と
を含む、クリアランス制御装置。
【請求項９】
前記燃料導管が、メイン導管およびバイパス導管を含み、前記バイパス導管は、前記熱交換器に連結され、前記熱交換器を通って流れる前記燃料のための通路を形成しており、前記バイパス導管は、前記燃料のための入口部および出口部を有しており、前記入口部および前記出口部は、両方とも、前記メイン導管に接続されている、請求項８記載のクリアランス制御装置。
【請求項１０】
前記熱交換器が、ダブルチューブの熱交換器であり、前記ダブルチューブの熱交換器は、前記燃料導管に接続されており、前記熱交換器を通って流れる前記燃料のための通路を形成する第１のチューブと、前記冷却ガス導管に接続されており、前記熱交換器を通って流れる前記冷却ガスのための通路を形成する第２のチューブとを含む、請求項８記載のクリアランス制御装置。
【請求項１１】
前記熱交換器が、前記熱交換器を通って流れる前記冷却ガスから、前記熱交換器を通って流れる前記燃料を分離する第１および第２の壁部を含む二重壁の熱交換器である、請求項８記載のクリアランス制御装置。
【請求項１２】
前記ガスタービンが、空気を前記圧縮機の中へ方向付けするように構成されている出口部を有する入口ダクトと、前記圧縮機および前記入口ダクトに連結されている入口ブリード熱（ＩＢＨ）導管とをさらに含み、前記ＩＢＨ導管が、前記圧縮機から前記入口ダクトへ圧縮空気を方向付けするように構成されている、請求項８記載のクリアランス制御装置。
【請求項１３】
前記冷却ガス通路が、前記内側環状シェルの長さの少なくとも半分に延在している、請求項８記載のクリアランス制御装置。
【請求項１４】
圧縮機と、燃焼器と、タービンと、前記タービンを収容するタービンケーシングとを有するガスタービンの中のクリアランス制御のための方法であって、
圧縮空気を前記圧縮機から抽気するステップと、
前記圧縮空気を熱交換器の中で冷却するステップであって、前記圧縮空気からの熱が、前記燃焼器へ流れる燃料に伝達される、ステップと、
冷却された前記圧縮空気をタービンケーシングの中の通路を通過させることによって、前記タービンケーシングと前記タービンの回転セクションとの間のギャップを調節するステップと
を含む、ガスタービンの中のクリアランス制御のための方法。
【請求項１５】
前記タービンケーシングの中の前記通路が、内側環状シェルを通る通路であり、前記通路は、前記環状のシェルの長さの少なくとも半分に延在している、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記抽気するステップ、前記冷却するステップ、および前記調節するステップを行いながら、前記ガスタービンを無負荷定格速度条件から定格負荷定格速度条件へさらに移行させる、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記無負荷定格速度条件の間に、前記圧縮機によって出力される圧縮空気を、前記燃焼器から前記圧縮機のための入口ダクトへ方向転換させ、前記移行の間に前記圧縮空気を前記入口ダクトへ方向転換させないことをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記熱交換器を通って流れる前記燃料が、前記圧縮機から抽気されて前記熱交換器を通って流れる前記圧縮空気よりも、速い速度で増加する、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記圧縮空気の冷却が、前記燃焼器へ流れる前記燃料の一部分によって行われ、前記方法が、前記燃料の前記一部分を、メイン燃料導管からバイパス導管へ方向転換させることをさらに含み、前記バイパス導管は、前記熱交換器に連結され、前記熱交換器を通って流れる前記燃料のための通路を形成している、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
前記熱交換器へ方向転換させられる前記燃料の相対的部分が、前記ガスタービンの運転の間に一定のままである、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンなどのようなタービンの中のクリアランス制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンの中のクリアランスは、典型的に、ローターと、ローターを取り囲むステーターケーシングとの間のギャップの寸法を指す。ローターは、典型的に、タービンホイールの上にそれぞれ装着されているバケットの列を有する軸流タービンである。ホイールは、タービンのシャフトの上に装着されている。ステーターケーシングは、ローターを収容しており、バケットの列同士の間に位置付けされている静止ノズルの列を含む。クリアランスは、バケットの先端部とステーターケーシングとの間の環状のギャップを指すことが多い。
【０００３】
クリアランスは、バケットがステーターケーシングに擦ることなく回転することを可能にするために必要とされる。クリアランスが大き過ぎる場合には、燃焼ガスは、バケットの先端部を越えてリークし、タービンの回転を駆動しない可能性がある。クリアランスが小さ過ぎる場合には、先端部がステーターケーシングに擦る可能性があり、タービンを損傷させる振動を引き起こす可能性がある。
【０００４】
クリアランスは、その様々な運転局面の間に、タービンが加熱および冷却されるときに変動する。クリアランスの変動は、タービンのコンポーネントの熱膨張および熱収縮に起因する。タービンは、典型的に、異なる熱膨張率を有する金属コンポーネントから形成されている。タービンホイール、ホイールの上のバケット、および、バケットの周りの環状のシェルは、異なる速さで膨張および収縮する。異なる熱膨張の速さに起因して、クリアランスは、ガスタービンが加熱および冷却するにつれて、増加または減少し得る。
【０００５】
クリアランスは、タービンバケットが回転するときはいつでも必要とされる（起動のときにタービンが昇温する間、ガスタービンが無負荷定格速度（ＦＳＮＬ）運転から定格負荷定格速度（ＦＳＦＬ）運転へ移行するとき、および、定格負荷定格速度（ＦＳＦＬ）運転の間、ならびに、タービンが停止するときを含む）。ガスタービンの任意のおよびすべての運転局面の間に十分なクリアランスを維持することが、クリアランス制御システムによって実現される。
【０００６】
クリアランス制御システムおよび技法は、ガスタービン運転のすべての局面の間に、十分なクリアランスを提供する。従来のクリアランス制御システムおよび技法は、ガスタービンに隣接する外部スキッドの上に装着されている冷却システムと、圧縮機から抜き出され、タービン冷却のために使用される冷却フローを調整するための複雑な検出および作動システムと、冷却空気がタービンに進入する前に冷却空気を加熱または冷却するための外部熱伝達システムとを含む。従来のクリアランス制御システムおよび技法は、シェルまたはバケットを通って流れる冷却流体の量を調節するという点でアクティブであるという傾向がある。いくつかの従来のアクティブクリアランスシステムは、たとえば、クリアランスがその最も狭い状態にあるときに起こるピンチポイントにおいてなど、特定の運転条件に応答して作動させられる。たとえば、加熱した冷却空気が、タービンケーシングに加えられ、ケーシングの熱膨張を増加させ、したがって、ピンチポイントにおけるクリアランスを増加させることが可能である。
【０００７】
アクティブクリアランス制御システムは、機械的に複雑であり、高価であり、コンピューターまたは油圧制御装置を必要とすることが多い。パッシブクリアランス制御システムは、制御装置を必要とせず、相対的に、機械的に簡単で安価である傾向がある。しかし、パッシブ制御装置は、典型的に、タービンへ給送される冷却ガスの冷却容量を調節する能力を有していない。従来のクリアランス制御システムを考慮しても、ロバストであり、経済的であり、ガスタービン運転のすべての局面において十分なクリアランスを保証し、特にＦＳＦＬなどのような定常運転局面において過度のクリアランスを回避するクリアランス制御システムおよび技法が長きにわたって求められつづけている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
クリアランス制御において使用される冷却剤を冷却するために燃料が使用される、クリアランス制御へのアプローチが考え出された。冷却剤がタービン（たとえば、ステーターケーシングおよびノズル）を通って流れるときに、冷却剤は、タービンの熱膨張または熱収縮に影響を与える。熱膨張または熱収縮の量は、冷却剤の温度、および、具体的には、冷却剤温度とタービンの温度との間の差に依存する。クリアランス制御は、冷却剤の温度を調節することによって、少なくとも部分的に実現され得る。考え出されたアプローチは、冷却剤と、ガスタービンの燃焼器へ流れる燃料との間で熱を伝達させることによって、冷却剤の温度を調節するということである。
【０００９】
考え出されたアプローチは、熱交換器を用いて具現化することが可能であり、冷却剤および燃料フローの一部分がこの熱交換器を通過する。燃料は冷却剤（それは、ガスタービンの中の圧縮機の１つまたは複数の状態から抽気された圧縮空気とすることが可能である）よりも低い温度になっているので、一般的に、冷却剤は、燃料フローによって冷却される。熱交換器を通って流れる燃料の流量は、熱交換器を通ってタービンへ流れる冷却剤の冷却の量に影響を与える。燃料フローが大きければ大きいほど、タービンへ流れる冷却剤の温度は低くなる。
【００１０】
燃料の流量が増加し、無負荷定格速度（ＦＳＮＬ）から定格負荷定格速度（ＦＳＦＬ）へガスタービンを移行させる。燃料流量が増加するにつれて、冷却剤の冷却が同様に増加する（たとえば、温度が低減させられる）。冷却の増加は、冷却剤について、ＦＳＦＬ運転の間にタービンケーシングを加熱して熱膨張させる容量を低減させる。低減された容量は、冷却剤が燃料によって冷却されなければ起こることとなる、ＦＳＦＬにおけるクリアランスの低減を結果として生じさせる。
【００１１】
燃料フローが比較的に低い間には、冷却剤は、燃料フローが高いときよりもかなり少ない程度にしか冷却されない。低い燃料フローの間に、冷却剤は、比較的に高温のままであり、したがって、冷却剤がより大きい燃料フローによって冷却された場合よりも大きい程度に、タービンケーシングに熱膨張させる。低い燃料フローの間にタービンケーシングが熱膨張することを可能にすることは、ＦＳＮＬの間などのような燃料フローが低い間のクリアランスを増加させるために使用され得る。
【００１２】
タービンケーシングへ流れる冷却剤を冷却するために燃料フローを使用することによって、低い燃料フロー運転の間にクリアランスの増加を可能にし、高い燃料フロー運転の間にクリアランスの低減を可能にするパッシブクリアランス制御システムを構成させることが可能である。この能力は、低い燃料フロー運転の間にクリアランスピンチポイントを有するガスタービンにとって有用である可能性がある。
【００１３】
クリアランス制御システムは、熱交換器を提供することによって形成させることが可能であり、圧縮機から抽気された圧縮冷却剤フロー、および、燃料フローの一部分がこの熱交換器を通過する。クリアランス制御システムは、冷却剤フローの冷却の量を変化させるために、燃料フローの変動に頼る。クリアランス制御システムは、弁、アクチュエーター、または、他のアクティブ制御デバイスなしに、具現化させることが可能である。
【００１４】
圧縮された冷却空気をガスタービンの中のタービンケーシングへ提供するクリアランス制御装置であって、装置は、前記タービンケーシングの内側環状シェルを通って延在する冷却ガス通路と、前記ガスタービンの圧縮機、および、前記タービンケーシングに接続されている冷却ガス導管であって、前記冷却ガス導管は、前記圧縮機から圧縮空気を受け入れ、前記タービンケーシングに前記圧縮空気を送達し、前記冷却ガス通路に流体連通している、冷却ガス導管と、前記冷却ガス導管、および、前記ガスタービンの燃焼器に燃料を送達する燃料導管に接続されている熱交換器であって、前記熱交換器は、冷却ガスから前記燃料へ熱を伝達させる、熱交換器とを含む、クリアランス制御装置が考え出された。
【００１５】
ガスタービンであって、前記ガスタービンは、前記ガスタービンの中の回転タービンを囲むタービンケーシングと、燃料の供給部、および、前記ガスタービンの燃焼器に接続可能な燃料導管であって、燃料が、前記燃料供給部から前記燃焼器へ前記燃料導管を通って流れる、燃料導管と、前記ガスタービンの圧縮機、および、前記タービンケーシングに接続されている冷却ガス導管であって、前記冷却ガス導管は、前記圧縮機から圧縮空気を受け入れ、前記タービンケーシングの中の内部通路に前記圧縮空気を送達する、冷却ガス導管と、前記燃料導管および前記冷却ガス導管に接続されている熱交換器であって、前記熱交換器は、冷却ガスから前記燃料へ熱を伝達させる、熱交換器とを含む、ガスタービンが考え出された。
【００１６】
圧縮機と、燃焼器と、タービンと、前記タービンを収容するタービンケーシングとを有するガスタービンの中のクリアランス制御のための方法であって、前記方法は、圧縮空気を前記圧縮機から抽気するステップと、前記圧縮空気を熱交換器の中で冷却するステップであって、前記圧縮空気からの熱が、前記燃焼器へ流れる燃料に伝達される、ステップと、冷却された前記圧縮空気をタービンケーシングの中の通路を通過させることによって、前記タービンケーシングと前記タービンの回転セクションとの間のギャップを調節するステップとを含む、ガスタービンの中のクリアランス制御のための方法が考え出された。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】タービンおよびタービンシェルの破断図を示すガスタービンの概略線図である。
【図２】タービンケーシングの例示的な内側環状シェルの一部分の斜視図である。
【図３】産業用ガスタービンにおいて、無負荷定格速度（ＦＳＮＬ）から定格負荷定格速度（ＦＳＦＬ）への例示的な移行を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、圧縮機１２、燃焼器１４、およびタービン１６を有するガスタービン１０を示している。入口ダクト１７は、空気がガスタービンに進入するための通路を提供し、圧縮機への入口部に方向付けされている。
【００１９】
ガスタービンは、空気を圧縮すること、圧縮空気を燃料１５と混合させること、混合物を燃焼させること、および、燃焼ガスでタービンを駆動することによって、動力を発生させる。タービンは、シャフト２３の周りを回転するタービンバケット２０（ブレードとも称される）の列を収容する環状のケーシング１８を含む。それぞれの列のバケットは、タービンホイール２２の上に装着されている。バケットの列の間には、静止ノズル２４（ガイドベーンとも称される）の列がある。高温燃焼ガス２７（矢印を参照）は、環状の高温ガス通路２８の中を、バケット２０およびノズル２４の列を通って流れる。タービンケーシング１８は、高温ガス通路２８の外側表面を形成している。通路２８の内側壁部は、ホイール２２の外側リム部の近くにある。
【００２０】
圧縮機から抽気された圧縮空気のための導管２３は、圧縮機の出口部（最終段）から入口ダクト１７へ空気を方向付けする。導管２３は、ガスタービンが無負荷または低負荷条件で運転している間に使用される入口ブリード熱（ＩＢＨ）システムの中に含まれている。燃焼器から圧縮機の入口部へ圧縮空気を方向転換させることによって、ＩＢＨシステムは、圧縮機効率を低減させ、ガスタービンが、無負荷または最小負荷の状態で、自律的な様式で運転することとなるようになっている。ガスタービンは、燃焼器の中で形成される高温燃焼ガスだけによって駆動されるときに自律的である。圧縮機効率が低減されない場合には、望ましくないタービンの速度の増加を回避するために、かなり大きい負荷が、自律的なガスタービンに加えられることが必要になることとなる。圧縮空気を入口空気に加え、ＩＢＨシステム（導管２３）は、圧縮機に進入する圧縮空気を加熱する。
【００２１】
タービンケーシング１８は、内側環状シェル２６を収容して支持する外側環状シェル３２を含む。内側環状シェルは、バケットおよびノズルの列を取り囲んでいる。ノズル２４は、内側環状シェル２６に装着されている。シュラウド３０の環状の列が、内側タービンシェル２６に装着されており、バケットの先端部に整合させられている。シュラウド３０とバケット２０の先端部との間のギャップは、ガスタービンの「クリアランス」または「クリアランスギャップ」と称される。
【００２２】
小さいクリアランスは、最小量の高温燃焼ガスが、バケットの先端部からリークすることを確実にする。クリアランスが小さくなり過ぎる場合には、バケットの先端部が、シュラウドに擦れ、それは、バケットおよびシュラウドに摩耗を引き起こし、タービンの中に振動を生成させる可能性がある。摩耗は、クリアランスギャップを増加させるので一般的に望ましくなく、バケットおよびシュラウドに損傷をもたらす可能性がある。振動は、タービンを損傷させる可能性があるので、一般的に望ましくない。
【００２３】
環状のプレナム３４、３６が、タービンケーシング１８の外側および内側環状シェル３２、２６の間に形成されている。これらのプレナム３４、３６は、圧縮空気導管３７によって送達される圧縮空気を、内側環状シェル２６の中にありノズル２４を通って延在する冷却通路４０へ分配する。圧縮空気は、圧縮機１２の１つまたは複数の段から抽気され、導管３７を通って流れる。前方の段のバケットの周りのプレナム３４は、後方段タービンを取り囲むプレナム３６によって受け入れられる圧縮空気よりも高い程度に圧縮された空気を、圧縮機の後方の段から受け入れる。タービンシェル１８の中のプレナムの配置および数、ならびに、プレナムのそれぞれに連結されることとなる圧縮機の段の選択は、設計上の選択の問題である。
【００２４】
図２は、環状の内側環状シェル２６のセクションの斜視図である。内側環状シェルが、典型的に、金属材料から形成されている。シェルの外側表面は、外側環状シェル３２に係合する環状のレッジ部およびリブ部を有している。内側環状シェルの外側表面は、プレナム３４、３６の外側壁部を形成している（図１）。プレナムの内側壁部は、内側環状シェル２６によって形成されている。内側環状シェルの半径方向内向きの表面は、シュラウド３０のフックを受け入れるために、スロット３８の列を含む。
【００２５】
内部冷却通路４０（点線を参照）が、内側タービンシェルの中に配置されている。環状のプレナム３４、３６のうちの１つからの圧縮空気が、入口部４２に進入し、冷却通路（たとえば、冷却通路４０）へ至る。空気は、通路（曲がりくねった矢印４４を参照）および出口部４５を通って、スロット３８の中へ流れる。冷却通路４０は、ガスタービンの回転軸線に沿って長手方向に延在するように配置させることが可能である。冷却通路は、内側環状シェルの軸線方向の端部の近くにあるクロスオーバーポケットチャンバー４６において、方向を反転させることによって、曲がりくねった（たとえば、スイッチ−バック）コースを辿ることが可能である。いくつかの冷却通路４０は、タービンシェルの周囲部の周りに対称的に配置させることが可能である。クロスオーバーポケットチャンバーは、内側環状シェルの前方面において、プレート４７（図４）によってシールすることが可能である。シェルの中の冷却通路の配置は、設計上の選択の問題であり、設計タービンシェルの経験を積んだエンジニアの技能の範囲内にある。
【００２６】
空気が冷却通路４０を通って流れるときに、内側タービンシェル２６と圧縮空気との間で熱伝達が起こる。シェルが圧縮空気よりも高い温度である場合に、圧縮空気は、内側タービンシェルを冷却する。高温燃焼ガスが、高温ガス通路２８を通って流れ、内側タービンシェルを加熱するので、タービンシェルは、典型的に圧縮空気よりも高温である。
【００２７】
導管３７からの圧縮空気は、圧縮機１２から圧縮機抽気調節弁４８を通って流れ、圧縮機抽気調節弁４８は、圧縮機から取り出されてタービンケーシングへ方向付けされる圧縮空気のフローを調整する。調節弁は、調節可能な弁および固定式のオリフィスの従来の並列配置とすることが可能である。調節可能な弁は、ガスタービンの運転中に、固定された位置に設定することが可能である。または、調節可能な弁４８は、ガスタービン運転の間に制御され、多かれ少なかれ冷却空気をタービンケーシングに提供することが可能である。圧縮機抽気調節弁は、従来のものである。
【００２８】
空気がタービンケーシングへ流れるときに導管３７の中の圧縮空気は、熱交換器５０を通過する。また、燃料１５が、熱交換器を通って流れる。熱は、圧縮空気３７から燃料へ熱交換器を通して伝達される。燃料（特に、ガス燃料）を加熱することは、従来のものであり、燃焼器の中の所望のファイアリング温度に到達するために必要とされる燃料の量を低減させることによって、ガスタービンの効率を改善させるために使用される。タービンの中のクリアランス制御のために使用される圧縮空気で燃料を加熱することは、従来のものではない。
【００２９】
熱交換器５０は、ダブルチューブ熱交換器とすることが可能であり、それは、燃料の任意の漏出によって、燃料が、熱交換器を通って流れる圧縮空気と混合して燃焼する可能性が生じることが可能とならないことを確実にする。ダブルチューブ熱交換器は、従来のものであり、ガスタービンのための燃料と圧縮空気との間で熱を伝達することに十分に適している。ダブルチューブ熱交換器の中では、燃料および圧縮空気が、交換器の中の別々のチューブ５２、５４を通って流れることが可能である。熱交換器の中の伝導性の材料（たとえば、流体または金属）が、チューブ同士の間で熱を伝達させる。たとえば、熱交換器の中の凝縮流体は、圧縮空気によって蒸発させられ、燃料によって凝縮させられ得る。凝縮流体は、圧縮空気と燃料との間で熱を伝達させるための効果的で大容量の媒体を提供する。
【００３０】
また、二重壁の熱交換器を、熱交換器５０として使用することも可能である。二重壁の熱交換器は、圧縮空気から燃料を分離させる２つの壁部を有している。二重壁部に起因して、壁部のうちの１つにおけるリークは、熱交換器の中での圧縮空気および燃料の混合を結果として生じさせることとはならない。壁部同士の間の熱交換器の体積は、燃料を有するチューブと圧縮空気を有するチューブとの間で熱を伝導させる固体、液体、またはガスで充填することが可能である。
【００３１】
燃料１５の一部分は、熱交換器５０を通して方向付けされる。燃料は、燃料供給部１５から、導管５５を通って、ガスタービンの燃焼器１４へ流れる。燃料の一部分は、フローダイバーター５６（たとえば、１つの入口／２つの出口の弁など）によって方向転換させられる。フローダイバーターは、固定された運転位置に設定することが可能であり、ガスタービンのすべての運転局面の間に、燃料の一定の部分が、熱交換器を通して方向転換させられるようになっている。第２のフローダイバーター５８が、熱交換器の下流にあり、熱交換器を通って流れる燃料を、導管５２を通って流れる燃料と合流させる。第１および第２のフローダイバーター５６、５８は、燃料フローの一部分を方向転換させ、燃料導管６０を通し、燃料導管６０は、燃料導管５５から、熱交換器５０を通って、導管５５へ戻るように延在している。
【００３２】
図３は、無負荷定格速度（ＦＳＮＬ）から定格負荷定格速度（ＦＳＦＬ）へ移行する、例示的な産業用ガスタービンの燃料フローの流量を示すチャートである。この移行は、典型的に、ガスタービンの運転の中に含まれている。ガスタービンが起動された後に移行が起こり、燃料を燃焼させることによって自律的になる。例示的な移行において、ガスタービンの回転速度６０は、定格速度運転の約２０パーセント（２０％）から１００パーセント（１００％）へ加速される。移行の初期部分の間、負荷６２はガスタービンに加えられない。負荷６２は、ドライブシャフトに連結されている発電機によって加えることが可能である。発電機は、トルクをドライブシャフトに加え、それは、ガスタービンによって発生させられるトルクによって克服される。ガスタービンが定格速度６４に到達した直後に、負荷６２は、負荷が１００パーセント６６に到達するまで、徐々に増加することが可能である。６７の直前に、または、加速したガスタービンに負荷が加えられるときに、入口ブリード熱（ＩＢＨ）システムが、導管３７（図１）を通るガスタービンの入口部への圧縮機空気のフローを低減させるかまたは遮断する。
【００３３】
速度６０の増加は、燃料フローの流量６８を増加させる結果である。また、負荷６２がガスタービンに加えられるにつれて、燃料流量６８は増加する。燃料流量は、ガスタービンがＦＳＦＬ条件に到達するのに伴って、最大に到達する。また、燃料流量６８の増加とともに、冷却剤フローの流量７０も増加する。冷却剤フローは、圧縮機から抽気される。圧縮機速度が増加し、ガスタービンにかかる負荷が増加するにつれて、圧縮機から燃焼器の中へ流れる作動流体（たとえば、空気）の量が増加し、負荷を駆動するために、タービンに、より多くの仕事を生み出させる。ＦＳＮＬの間に負荷が加えられないとき、圧縮機出口空気の一部分が、入口ブリード熱（ＩＢＨ）として、圧縮機の前方へ方向転換させられる。ＩＢＨが止められると（点６７）、圧縮機から抽気される冷却剤の流量７０が増加する。この例では、冷却剤流量７０は、燃料フローが増加する速度６８のおおよそ半分で増加する。この速度の差は、熱交換器５０の中の冷却剤の冷却の量に影響を与える。燃料フローの流量が、冷却剤の流量よりも急速に増加するので、冷却剤を冷却する量が増加する。
【００３４】
タービンは、ＦＳＮＬからＦＳＦＬへの移行の間に、「ピンチポイント」７２を有することが可能である。ピンチポイントは、ガスタービンの運転の間に、回転コンポーネントの熱膨張と静止コンポーネントの熱膨張との間のクリアランスが、最も狭くなる場所である。冷却剤を冷却するために燃料を使用することは、ＦＳＮＬからＦＳＦＬへの移行の間にピンチポイント７２においてクリアランス制御を提供し、ＦＳＦＬの間にクリアランスを低減させるために、効果的で簡単な技法である。
【００３５】
ＦＳＮＬからＦＳＦＬへの移行の間に、ピンチポイントが、短期間しか発生しない場合であっても、ガスタービンは、ピンチポイントにおいて適切なクリアランスギャップを提供するように設計されている。ピンチポイントにおいて適切なクリアランスを有するという設計要件は、ピンチポイント以外の運転条件において、望まれるものよりも大きいクリアランスを結果として生じさせる可能性がある。たとえば、クリアランスがピンチポイントにおいて十分となるように、ＦＳＦＬにおけるクリアランスは、望まれるものよりも大きくなる可能性がある。ＦＳＦＬまたは他の定常状態運転条件の間の必要以上のクリアランスは、潜在的に、長期間の運転にわたって、ガスタービンの効率を低減させる可能性がある。
【００３６】
ＦＳＦＬにおいて燃料フローの流量６８が大きくなればなるほど、ＦＳＮＬおよびピンチポイント７２における冷却と比較して、より大きい冷却剤の冷却が、ＦＳＦＬにおいて提供される。圧縮空気３７を燃料で冷却することによって、ＦＳＦＬおよび他の運転条件におけるクリアランスが低減させられ得るということは、ガスタービンの静止コンポーネントと回転コンポーネントとの間のクリアランスを低減させることとなる。冷却通路４０の中へ流入する圧縮空気３７を冷却することは、内側環状シェルのより大きい冷却を結果として生じさせる。より大きい冷却は、環状のシェルの熱膨張を低減させ、タービンの環状のシェルと回転コンポーネントとの間のクリアランスを減少させることとなる。
【００３７】
圧縮空気の冷却の量は、熱交換器を通って流れる燃料の量に依存する。燃料フローが大きければ大きいほど、圧縮空気の冷却の量は大きくなる。燃料フローと圧縮空気の冷却の量との間の関係は、クリアランス制御の利益のために利用することが可能である。この利用は、燃料フローで冷却剤を冷却することによって具現化され、バケットの先端部と、内側環状シェルに取り付けられているシュラウドとの間のクリアランスギャップを調節することが可能である。この調節は、ＦＳＮＬの間などのように、燃料フローが比較的に低い間に、冷却剤の冷却を最小化することを含むことが可能である。ＦＳＮＬの間に冷却剤の冷却を最小化することが使用され、ピンチポイントにおいてギャップが狭くなり過ぎないことを確実にすることが可能である。また、この調節は、燃料フローが増加させられる間に、冷却剤の冷却を増加させることを含むことが可能であり、ＦＳＦＬの間にギャップが大きくなり過ぎないことを確実にする。
【００３８】
たとえば、ガスタービンが無負荷定格速度（ＦＳＮＬ）から定格負荷定格速度（ＦＳＦＬ）へ移行するときに、燃料フローは劇的に増加する。熱交換器の中の圧縮空気の冷却は、燃料フローの増加とともに増加する。ガスタービンがＦＳＦＬに接近し、ＦＳＦＬで稼働するときに、冷却を増加させることが適用され、ガスタービンがＦＳＮＬにある間およびＦＳＮＬの近くにある間の内側環状シェルの冷却と比較して、内側環状シェルのより大きい冷却を提供する。
【００３９】
燃料フローの増加に起因して、内側環状シェルの冷却が増加させられることは、ＦＳＮＬにおけるまたはＦＳＮＬの近くにおけるピンチポイントにおいて、十分なクリアランスを提供しながら、ＦＳＦＬにおいて、および、ＦＳＦＬの近くにおいて、所望のクリアランスを維持するように適用され得る。ＦＳＮＬにおいて、燃料フローの流量は比較的に低く、圧縮空気の熱交換器の中の冷却の量は小さい。ガスタービンが、ＦＳＮＬにおいてまたはＦＳＮＬの近くにおいて、ピンチポイントを有する場合には、圧縮空気の少量の冷却が望まれる。ピンチポイントにおいて十分なクリアランスを提供するために、ガスタービンがピンチポイントにある間に、内側環状シェルが熱的に膨張することを可能にすることが有用である。ガスタービンがピンチポイントを越えて移行するときには、増加する燃料フローは、内側環状シェルを冷却する圧縮空気のより大きい冷却を結果として生じさせる。より大きい冷却は、内側環状シェルの熱膨張を緩和し、ガスタービンがＦＳＦＬに到達するときのクリアランスを最小化する。
【００４０】
本発明は、現在最も実用的で好適な実施形態であると考えられるものとともに説明されてきたが、本発明は、開示されている実施形態に限定されず、それとは対照的に、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲の中に含まれる様々な修正例および均等構成をカバーすることが意図されているということが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１５  燃料
１６  タービン
１７  圧縮機への入口部
１８  タービンの環状ケーシング
２０  バケット
２２  タービンホイール
２３  ＩＢＨ−入口ブリード熱
２４  ノズル
２６  内側環状シェル
２７  燃焼ガス
２８  ガス通路
３０  シュラウド
３２  外側環状シェル
３４  プレナム
３６  プレナム
３７  圧縮空気導管
３８  スロット
４０  冷却通路
４２  通路への入口部
４４  通路を通る空気フロー
４５  通路への出口部
４６  ポケットチャンバー
４７  ポケットチャンバーをシールするためのプレート
４８  圧縮機抽気調節弁
５０  熱交換器
５２  熱交換器の中の燃料のためのチューブ
５４  熱交換器の中の圧縮空気のためのチューブ
５５  燃焼器への導管
５６  フローダイバーター
５８  フローダイバーター
６０  速度
６２  負荷
６４  定格速度
６６  定格負荷
６７  ＩＢＨが止められる
６８  燃料流量
７０  冷却剤流量
７２  ピンチポイント
【図１】
2015200307.tif 000003
【図２】
2015200307.tif 000004
【図３】
2015200307.tif 000005
【外国語明細書】
2015200307000001.pdf