(57)【要約】【課題】ターボ機械におけるアクティブシールを作動させるための加圧ガス供給及び制御システムを提供する。【解決手段】本ガス供給及び圧力制御システムは、電気的指令に従って制御加圧ガスを送給する。本システムは、連続的高圧ガス供給を出力するガス供給サブシステムを含む。圧力制御サブシステムは、ガス供給サブシステムと流体連通状態で設けられかつ連続的高圧ガス供給を受ける。圧力制御サブシステムは、電気的指令に基づいてターボ機械環境内におけるアクティブシール用のアクチュエータのような下流側ボリュームに対して調整圧力を供給する。【選択図】      図１
2008008289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的指令に従って制御加圧ガスを送給するためのガス供給及び圧力制御システムであって、
連続的高圧ガス供給を出力するガス供給サブシステム（１０）と、
前記ガス供給サブシステムと流体連通状態でありかつ前記連続的高圧ガス供給を受ける圧力制御サブシステム（５０）と、を含み、
前記圧力制御サブシステムが、前記電気的指令に基づいて下流側ボリュームに対して調整圧力を供給する、
ガス供給及び圧力制御システム。
【請求項２】
前記ガス供給サブシステムが、
圧縮機（１２）と、
前記圧縮機と流体連通状態になった蓄圧タンク（１４）と、
前記圧縮機と前記蓄圧タンクとの間に結合された圧力スイッチ（１８）と、を含み、
前記圧力スイッチが、前記蓄圧タンク圧力が所定の最小圧力以下に低下した時に前記圧縮機を起動させ、また前記蓄圧タンク圧力が所定の最大圧力に達した時に前記圧縮機を作動停止させる、
請求項１記載のガス供給及び圧力制御システム。
【請求項３】
前記圧縮機（１２）が、該圧縮機の入口に空気フィルタユニット及び空気ドライヤユニット（２０）を含み、
前記蓄圧タンク（１４）が、該蓄圧タンクから凝縮物を排出するドレン弁（２２）を含む、
請求項２記載のガス供給及び圧力制御システム。
【請求項４】
前記ガス供給サブシステム（１０）が、前記圧力制御サブシステム（５０）に対して前記連続的高圧ガス供給を選択的に行うための、加圧ガスを貯蔵した少なくとも１つのバックアップ・ガスボトル（２８）をさらに含む、請求項２記載のガス供給及び圧力制御システム。
【請求項５】
前記ガス供給サブシステム（１０）が、前記圧縮機（１２）と前記少なくとも１つのバックアップ・ガスボトル（２８）との間を切換えて前記連続的高圧ガス供給を行うための手動又は自動弁（１２）を含む、請求項４記載のガス供給及び圧力制御システム。
【請求項６】
前記ガス供給サブシステム(１０)が、圧力ガスを貯蔵する少なくとも１つのガスボトル（２８）を含む、請求項１記載のガス供給及び圧力制御システム。
【請求項７】
前記圧力制御サブシステム(５０)が、前記電気的指令に基づいて瞬時圧力調整を行う圧力制御弁（５２）を含む、請求項１記載のガス供給及び圧力制御システム。
【請求項８】
前記ガス供給サブシステム（１０）が、連続的高圧清浄乾燥ガス供給を出力する、請求項１記載のガス供給及び圧力制御システム。
【請求項９】
電気的指令に従って制御加圧ガスを送給する方法であって、
ガス供給サブシステム（１０）によって、連続的高圧ガス供給を出力する段階と、
圧力制御サブシステム（５０）によって、前記連続的高圧ガス供給を受けかつ前記電気的指令に基づいて下流側ボリュームに対して調整圧力を供給する段階と、
を含む方法。
【請求項１０】
前記圧力制御サブシステム(５０)が、圧力制御弁（５２）を含み、
該方法が、前記電気的指令に基づいて前記下流側ボリューム内での瞬時圧力調整を行う段階をさらに含む、
請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には回転機械に関し、より具体的には、ターボ機械におけるアクティブシールを作動させるための加圧ガス供給及び制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械には、それに限定されないが、蒸気タービン、ガスタービン及び圧縮機が含まれる。蒸気タービンは、一般的に直列流れ関係で、蒸気入口、タービン及び蒸気出口を含む蒸気流路を有する。ガスタービンは、一般的に直列流れ関係で、ガス吸入口(又は、入口)、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口(又は、排気ノズル)を含むガス流路を有する。より高い圧力の領域からより低い圧力の領域へのガス又は蒸気流路から外方への或いはガス又は蒸気流路内へのいずれかのガス又は蒸気の漏洩は一般的に、望ましくない。例えば、ガスタービンのタービン又は圧縮機領域におけるタービン又は圧縮機のロータと円周方向の周囲タービン又は圧縮機ケーシングとの間のガス流路の漏洩は、ガスタービンの効率を低下させて燃料コストの上昇を招くことになる。また、蒸気タービンのタービン領域におけるタービンのロータと円周方向の周囲ケーシングとの間の蒸気流路の漏洩は、蒸気タービンの効率を低下させて燃料コストの上昇を招くことになる。
【０００３】
蒸気タービンの技術分野では、タービンのロータと円周方向の周囲ケーシングとの間に円周方向配列の形態でブラシシールがない状態で単独で又はブラシシールと組合せてラビリンスシールセグメントを配置して蒸気流路の漏洩を最少にすることは公知である。スプリングが、ケーシング上の表面に対してセグメントを半径方向内向きに保持して、シールとロータとの間に半径方向間隙を設定するがロータ接触が発生した場合にはセグメントを半径方向外向きに移動させるのを可能にする。単独での又はブラシシールと組合せたラビリンスシールは、十分に信頼性があることが分かっているが、ラビリンスシール性能は、固定及び回転構成部品が干渉してラビリンスシール歯を「マッシュルーム」輪郭に摩滅させかつシール間隙を広げるような過渡事象の結果として、時間の経過と共に低下する。摩擦に起因した性能低下を少なくする１つの方法は、「正圧」可変間隙ラビリンスパッキンを採用することであり、この「正圧」可変間隙ラビリンスパッキンでは、その間にそのような摩擦が最も起こりやすい無流量又は低流量条件下でスプリングを使用してパッキンリングセグメントを開状態に保持していた。内部蒸気の力は、より高負荷時にはスプリングに打ち勝ってリングを閉じた運転位置に閉じるように作用する。しかしながら、「アクティブ制御」可変間隙装置は望ましいものであり、この「アクティブ制御」可変間隙装置では、パッキンリングセグメントは、その条件下では摩擦が最も起こりやすい条件時にはスプリング及び蒸気の力に抗して内部アクチュエータによって開状態に保持される。その条件下では摩擦が起こることがない運転条件時には、アクチュエータの力を減少させ、スプリング及び蒸気の力がセグメントをその閉じた運転位置に移動させるのを可能にする。そのような「アクティブ制御」可変可能間隙装置もまた、アクティブシールと呼ばれる。
【０００４】
しかしながら、１つの用途では、ターボ機械におけるアクティブシールは、作動用のガス又は液体のような高圧流体媒体を必要とする。この作動流体は、幾つかの要件を満たさなければならない。具体的には、作動流体圧力は、アクチュエータ両端間での差圧を所望の位置にシールを開き、閉じ又は維持するのに必要な最低レベルに設定することができるように調整可能であることが必要である。アクチュエータの加圧過剰及び加圧不足は両方とも、アクチュエータの寿命にとって有害である。従って、機械の運転条件に応じて瞬時に変更可能な作動圧力を供給することができる流体供給及び制御システムが、必要である。
【０００５】
さらに、このシステムは、アクチュエータ内の圧力を迅速に調整することができるような十分な作動流体流量を供給することができなければならない。少ない流量では、アクティブシールの応答時間が不十分なものになり、このことは望ましくないことになる。
【０００６】
さらに、作動流体としてガスを使用する場合には、供給する加圧ガスが、システム温度において凝縮水分をもっていないことが必要である。水分は、シール作動中にアクチュエータ内に望ましくない高圧をもたらす可能性があり、このことは、システム内の空気アクチュエータ又は他の構成部品に損傷を与えるおそれがある。
【０００７】
結局、供給する加圧流体は清浄であることが必要である。流体は、幾つかの弁及びオリフィスを通って流れなければならず、流体が清浄でない場合には、これらの弁及びオリフィスが、閉塞状態になるおそれがある。ガス流路における閉塞は、アクチュエータの加圧過剰又は加圧不足を招くおそれがある。
【特許文献１】米国特許第６，５０２，８２３号公報
【特許文献２】米国特許第６，５７２，１１５号公報
【特許文献３】米国特許第７，０６６，４７０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の例示的な実施形態では、ガス供給及び圧力制御システムは、電気的指令に従って制御加圧ガスを送給する。本システムは、連続的高圧（清浄乾燥）ガス供給を出力するガス供給サブシステムと、ガス供給サブシステムと流体連通状態でありかつ連続的高圧ガス供給を受ける圧力制御サブシステムとを含む。圧力制御サブシステムは、電気的指令に基づいて下流側ボリュームに対して調整圧力を供給する。
【０００９】
本発明の別の例示的な実施形態では、電気的指令に従って制御加圧ガスを送給する方法は、連続的高圧ガス供給を出力する段階と、圧力制御サブシステムにより連続的高圧ガス供給を受けかつ電気的指令に基づいて下流側ボリュームに対して調整圧力を供給する段階とを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の例示的な実施形態では、本システムは、ガス供給サブシステム及び圧力制御サブシステムと共にあらゆる単一の箇所又は単一の構成部品の故障が発生した場合にシステムの故障の可能性を排除する冗長手段を含み、この冗長手段は、制御加圧ガス送給を中断せずに個々の構成部品を点検整備することを可能にする構成を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照すると、本システムは一般的に、ガス供給サブシステム１０と圧力制御サブシステム５０とを含む２つの基本的サブシステムで構成される。ガス供給サブシステム１０は、圧力制御サブシステム５０に対して連続的高圧清浄乾燥ガス供給を行う働きをする。圧力制御サブシステム５０は、電気的指令ごとに、例えば空気アクチュエータ１００、１０１のような下流側ボリュームに対して調整圧力を供給する。
【００１２】
ガス供給サブシステム１０は、複合構成で配置することができる。好ましい構成では、加圧ガス供給の主供給源は、蓄圧タンク１４を所定の圧力に充填した状態に維持する圧縮機１２である。圧縮機１２を駆動するモータ１６は、圧力スイッチ１８と通信し、圧力スイッチ１８は、蓄圧タンク１４内の圧力が所定のレベル以下に低下した時に圧縮機１２を起動する。圧力スイッチ１８は、蓄圧タンク１４内の圧力が、第２の所定のレベルに達した時に圧縮機１２を作動停止する。
【００１３】
圧縮機入口には、空気ドライヤ及び空気フィルタユニット２０が装備される。さらに、蓄圧タンク１４には、該蓄圧タンク１４内に集積したあらゆる凝縮物を排出する手動又は自動ドレン弁２２が装備される。蓄圧タンク１４にはまた、ガス供給システムを加圧過剰から保護する安全逃し弁２４が装備される。圧縮機１２が作動していない時に該圧縮機内への逆流を防止するために、逆止弁２６が組み込まれる。
【００１４】
圧縮機１２によって充填状態に連続的に保たれる蓄圧タンク１４に加えて、ガス供給システムには、１つ又は複数のバックアップ・ガスボトル２８が装備される。下流側の圧力制御サブシステム５０へのガス供給は、２つの一方弁又は単一の三方弁を含むことができる手動又は自動弁装置３０によって蓄圧タンク１４とバックアップ・ガスボトル２８との間で切換えることができる。
【００１５】
この構成は、圧縮機又はシステム故障が発生した場合に、信頼性がある作動ガス供給源を構成する。「システム故障」というのは、加圧ガス供給及び制御システムが、アクチュエータ１００，１０１に対して電気的指令ごとのものとして調整した加圧ガスを供給することができなくなった場合の事象である。この状況では、最初に蓄圧タンク１４が必要な加圧ガスを供給し、蓄圧タンク１４が枯渇状態になった後にバックアップ・ガスボトル２８が使用される。バックアップ・ガスボトル２８には、自動又は手動遮断弁３２と共通の又は独立の圧力調整器３４(複数ボトルの場合に)とが装備される。
【００１６】
引き続き図１を参照すると、圧力制御サブシステム５０は、ガス供給サブシステム１０によって供給された高圧ガスを受けかつその高圧ガスを例えばアクティブシールにおけるアクチュエータのような下流側ボリュームを作動させるための指令レベルに調整する。瞬時圧力調節／調整は、圧力制御弁組立体５２によって達成される。圧力制御弁組立体５２への入力は、ガス供給サブシステム１０からの高圧ガス及び電気的指令であり、出力は、電気的指令に対応した所望の圧力のガスである。
【００１７】
上述のアクティブシールに関する例示的な用途では、コンピュータ制御装置が、ターボ機械の現在の作動状態を判定しかつ所望のシール構成(例えば、開いた状態を維持する、開く、閉じた状態を維持する、閉じるなど)を決定することができ、制御装置は、この情報に基づいて望ましい又は目標の作動圧力を表わす電気的指令を生成する。次に、この同じ制御装置又は第２の制御装置(図１においてＩ／Ｐブロックで示す)が、目標圧力を実際の調整圧力の測定値と比較し、圧力制御弁組立体５２が、フィードバック制御によって実際値を目標値に合わせるように作用する。
【００１８】
圧力制御サブシステム５０は、独立して作動させなければならない幾つかのアクチュエータ及び／又はシールセグメント(この例示的な用途では)が必要とするのに応じて、各下流側ボリュームに対する少なくとも２つの独立した管路を利用するのが好ましい。図１に示すように、管路（１）及び管路（２）５４、５６は、管路５５を介して第１のアクチュエータ１００と選択的に結合され、また管路(３)及び管路（４）５８、６０は、管路５９を介して第２のアクチュエータ１０１と選択的に結合される。各管路５５、５９には、システムを個々の構成部品故障に対して鈍感にするために単一の又は複数の冗長圧力制御組立体を組み込むことができる。
【００１９】
可能な限り多数の冗長圧力制御弁組立体５２が、切換えスイッチ６２を介して下流側アクチュエータ１００、１０１に接続される。冗長管路が用いられる場合のあらゆる任意の時点において、ただ１つの圧力制御組立体のみが、管路ごとに作動可能である。１つの圧力制御弁組立体が故障したことを制御装置が検出した場合、制御装置は、切換えスイッチ６２を別の圧力制御弁組立体に自動的に切り換えることになる。
【００２０】
さらに下流側において、本システムには、単一の又は複数の逃し弁６４が装備される。逃し弁６４は、圧力制御サブシステム５０の故障が発生した場合に加圧過剰からのさらなる保護をもたらす。圧力逃し弁６４はさらに、本システムに対して、例えばガス中の水分により生じた予期しない圧力スパイクが発生した場合における損傷からの保護をもたらす。本システムにはさらに、手動及び自動分離弁６６の組み合わせが組み込まれており、これらの弁６６は、圧力制御サブシステム５０又はガス供給サブシステム１０が全く修理できないほどに故障した場合に及び／又は例えばアクチュエータ１００、１０１のような下流側ボリュームの故障が発生した場合に、システム全体をアクチュエータ１００、１０１から分離する。
【００２１】
本システムは、ターボ機械からの圧力測定値、機械運転条件などのような信号を受信して処理し、圧力制御弁組立体５２に送信する適切な指令を生成しかつ故障検出及び適応処置を行うコンピュータ／制御装置によって制御される。制御装置は、アクチュエータ１００、１０１内の圧力を連続的に監視又は評価して圧力が指令値に一致することを保証する。
【００２２】
図２は、圧縮機１２を排除しかつガス供給サブシステム１０’が、ガスボトル２８のマニホルド又は単一のボトル２８を含むような別の実施形態を示す。マニホルドには、下流側システムが加圧過剰から保護されることを保証する圧力調整装置が装備される。空気ボトル２８は、必要に応じて本システムを中断させないでオンライン及び運転状態のままで、必要に応じて個別に交換することができる。この構成は、ユーザによる定期的なガスボトル交換を必要とするが、圧縮機、蓄圧タンク、空気ドライヤ及びフィルタを排除する。
【００２３】
この例示的なターボ機械環境では、本システムは、調整圧力で清浄乾燥ガスを供給し、それによってアクチュエータの寿命と信頼性があるアクティブシール作動とが確保される。さらに、本システムには、構成部品及びアクチュエータを損傷させ、最終的にはシールを損傷させる可能性がある該システム内の埃及び水分の可能性を最少にするという機能が組み込まれている。この設計により、ユーザは２つの独立したガス供給システム間で選択することが可能になる。さらに、本システムにより、単一の箇所の損傷に対してシステムを鈍感にする幾つかのレベルの冗長度を利用した高度の信頼性が得られる。これに関連して、ターボ機械内の位置(例えば、ＰＴ２３３Ｈ、ＰＴ２３３Ｉ、ＰＴ２３３Ｊ)並びに各下流側ボリューム内の位置(例えば、ＰＴ２３３Ｄ、ＰＴ２３３Ｅ)における各圧力測定のために３つの変換器を使用するのが好ましい。変換器装置は、トリプル冗長度をもたらす。正確な圧力測定は、システムの信頼性がある作動のために重要である。制御装置が、所定の圧力測定において、１つの変換器が他の２つの変換器とは幾分異なる測定値であることを検出した場合には、制御装置は、異常な測定値を無視する。この冗長度により、単一の箇所又は構成部品の故障に対する信頼性が維持される。
【００２４】
個々の構成部品は、アクチュエータへの加圧ガス供給を中断せずに本システムがオンラインの状態で、分離しかつ点検整備することができる。さらに、本システムは、該システムが決して過剰加圧されないことを保証する逃し弁及び圧力調整器と、該システムをアクチュエータから遮断することができかつ望ましくない逆流が全く発生しないことを保証する分離弁及び逆止弁とを含む安全機構を有するように設計されている。
【００２５】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な改良及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ガス供給及び圧力制御用の１つのシステム及びハードウェアの概略図。
【図２】別の実施形態の概略図。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガス供給サブシステム
５０  圧力制御サブシステム
１００、１０１  空気圧アクチュエータ
１２  圧縮機
１４  蓄圧タンク
１６  モータ
１８  圧力スイッチ
２０  空気ドライヤ及び空気フィルタユニット
２２  ドレン弁
２４  安全逃し弁
２６  逆止弁
２８  バックアップ・ガスボトル
３０  弁装置
３２  遮断弁
３４  圧力調整器
５２  圧力制御弁組立体
５４  管路（１）
５５  中間管路
５６  管路（２）
５８  管路（３）
５９  中間管路
６０  管路（４）
６２  切換えスイッチ
６４  逃し弁
【図１】
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【図２】
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