(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン・圧縮機組立体におけるブレード先端の間隙を制御するためのアクティブブレード先端間隙制御システム（８０）であって、
圧縮機ブリード空気流を、内側タービンシェル（ＩＴＳ）内での前記ブレード先端間隙をアクティブ制御するために内側タービンシェル（ＩＴＳ）内に形成された通路（８６）及び次いで圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）内での前記ブレード先端間隙をアクティブ制御するために圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）内に形成された通路（８８）を通して循環させるように導く第１の流路（８２）と、
使用済み制御用空気を（ｉ）ガスタービンの外側壁空洞及び（ｉｉ）ガスタービン排気のうちの少なくとも１つに吐出（９０、９２）するように導くための第２の流路と、
を含むアクティブブレード先端間隙制御システム。
【請求項２】
前記圧縮機ブリード空気流を導くための第１の流路（８２）が、前記ガスタービンの冷却及びシール用空気回路（７４）内の圧縮機ブリード空気のための流路（７６）と流れ連通していて、前記冷却及びシール用空気回路（７４）内の圧縮機ブリード空気の一部を、ブレード先端間隙をアクティブ制御するための通路（８６、８８）を通して循環させるために導く、請求項１記載のアクティブブレード先端間隙制御システム。
【請求項３】
前記圧縮機ブリード空気流（８２）の温度を選択的に制御するための熱交換器（８４）をさらに含む、請求項１記載のアクティブブレード先端間隙制御システム。
【請求項４】
圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）を含む圧縮機（７０）及びタービン段の一部を形成した軸方向に間隔を置いて配置されたバケット（２０、２２）を備え、該バケットを支持するロータ（１２）と、
外側閉込めシェル（３４）と、
前記タービン段の他の部分を形成するノズル（２８、３０、３２）及び該タービン段のバケットのそれぞれの先端の周りのシュラウド（４２、４４）を備え前記ノズルを支持する、前記ロータの周りの内側シェル（３６）と、
熱媒体を流して前記内側シェル（３６、７２）の熱的移動を制御するように該内側シェル内に形成された通路（８６）とを有するタービンのための統合型アクティブ間隙制御システム（８０）であって、
前記圧縮機からの圧縮機ブリード空気を前記タービンシェルに導いてバケット冷却作用及びシール作用（７８）のうちの少なくとも１つを行うための冷却及びシール用空気流路（７６）と、
前記圧縮機ブリード空気の一部を、（ｉ）その一部が前記タービンの第１段及び第２段のうちの少なくとも１つの軸方向位置に対応する第１の軸方向位置における前記内側シェル内の通路（８６）及び次いで（ｉｉ）前記圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）への通路（８８）を通して循環させるように導いて、その内部のブレード先端間隙をアクティブ制御するために前記冷却及びシール用空気流路（７６）と選択的に流れ連通するアクティブ間隙制御流路（８２）と、
を含む統合型アクティブ間隙制御システム。
【請求項５】
前記圧縮機ブリード空気（７６）の一部（８２）の温度を目標レベルに選択的に制御するための熱交換器（８４）をさらに含む、請求項４記載の統合型アクティブ間隙制御システム。
【請求項６】
前記内側シェル内の通路（８６）及び前記圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）内の通路（８８）のうちの少なくとも１つを通って循環した空気を（ｉ）前記ガスタービンの外側壁空洞及び（ｉｉ）前記タービン排気のうちの少なくとも１つ内に吐出するための通路（９０、９２）をさらに含む、請求項４記載の統合型アクティブ間隙制御システム。
【請求項７】
前記間隙制御用空気のための流路（８２）及び前記冷却及びシール用空気のための流路（７６）に沿って配置されて該それぞれの通路を通る流量を選択的に制御するための複数の制御弁（９４）をさらに含む、請求項４記載の統合型アクティブ間隙制御システム。
【請求項８】
ガスタービン・圧縮機組立体においてブレード先端間隙を制御する方法であって、
圧縮機ブリード空気流を、内側タービンシェル内での前記ブレード先端間隙をアクティブ制御するために内側タービンシェル内に形成された通路（８６）及び次いで圧縮機吐出ケーシング内での前記ブレード先端間隙をアクティブ制御するために圧縮機吐出ケーシング内に形成された通路（８８）を通して循環させるように導く段階と、次いで、
使用済み制御用空気を（ｉ）前記ガスタービンの外側壁空洞及び（ｉｉ）前記ガスタービン排気のうちの少なくとも１つに吐出（９０、９２）するように導く段階と
を含む方法。
【請求項９】
前記圧縮機ブリード空気流（８２）が、冷却及びシール用空気回路（７４）内の圧縮機ブリード空気流（７６）から取出される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記圧縮機ブリード空気流が、その温度を選択的に制御するための熱交換器（８４）を通して循環される、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブ間隙制御システムを有するガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
その開示内容をその参考文献として本明細書に組入れている米国特許第５，６８５，６９３号には、段の幾つかの非回転部品を支持した内側シェルを囲むタービン外側シェル有する工業用ガスタービンが開示されている。具体的には、内側シェルは、第１及び第２段ノズル並びに第１及び第２段シュラウドを支持する。外側シェルは、付加的な段のノズル及びシュラウドも直接支持する。内側及び外側シェルの各々は、ロータ軸線の周りに円周方向に延びるセクションの形態で、一般的には各々１８０°の２つの円周方向半体（上部及び下部）の形態で形成されることが分かるであろう。上記特許では、内側シェルは、内側及び外側シェル間で延びるピンによって、互いに対する該シェルの円周方向、軸方向及び半径方向移動を阻止すると同時に外側シェルに対する内側シェルの半径方向の膨張及び収縮を可能にしてシュラウドとバケット先端と間の間隙を制御するような方法で支持されている。
【０００３】
上記の特許では、間隙制御システムは、内側シェル半体の各々内に一対のプレナムを含み、これらプレナムは、通路によって互いに結合される。具体的には、各内側シェル半体について、第１段シュラウド及びバケット先端の上方に位置する第１の又は前方プレナムは、冷却用空気を受ける入口を有し、冷却用空気はプレナムの周りで円周方向に内側シェル半体の中線まで流れる。正対する中線に沿って軸方向に延びる通路が、前方プレナムから後方に第２段シュラウド及びバケットの上方に位置する同様の円周方向に延びる後方プレナムまで延びる。後方プレナムには出口が設けられる。従って、定常運転時には、外部空気源からの冷却用空気は、第１段プレナム入口に供給されて、該第１段プレナムの周りに流れ、軸方向に中線に沿って流れ、また第２段プレナムの周りに流れて出口に至る。この記載した熱回路内に熱媒体を流すことによって、内側シェルは、熱媒体の流量に応じて半径方向に収縮及び膨張させることができる。その結果、第１及び第２段バケットの先端に対する内側シェルの半径方向における熱膨張又は収縮を制御することによって、先端間隙制御が得られる。しかしながら、出願人によるさらに最新式のガスタービン設計の出現に伴い、内側シェルの冷却回路を強化する必要性が存在することが確認された。
【０００４】
その開示内容をその参考文献として本明細書に組入れている米国特許第６，４２２，８０７号には、別の間隙制御システムが開示されている。そのガスタービン設計は、互いに連通されたプレナムを含む前方及び後方セクションをその各々が備えた内側シェル半体を有し、熱媒体を一方のセクションに供給して他方のセクションまで軸方向に流しかつ一方のセクションまで戻すことができるようになった内側シェルを含む。具体的には、各内側シェル半体について、熱媒体は入口を介して供給されて、第１の内側シェル半体セクションの第１のプレナム内で円周方向に流れ、第２のセクションの第１のプレナムと連通した第１の組の通路に沿ってほぼ軸方向に流れ、第２のセクション内で円周方向に流れるようになる。第２のセクションの第１のプレナムは、第２のセクションの第２のプレナムと連通しており、それによって流れは方向を反転して第２のセクションの周りで円周方向に流れ、次に内側シェル半体の中線に沿った第２の組の軸方向通路に沿って第１のセクションの第２のプレナムに流れる。この流れは、第１のセクションの第２のプレナム内の円周方向に延びる第２の通路部分に流入して流出し、熱媒体供給源に戻るようになる。
【特許文献１】米国特許第５，６８５，６９３号
【特許文献２】米国特許第６，４２２，８０７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複合サイクルの最大出力及び効率は、ガスタービンブレード先端間隙が負荷及び周囲温度範囲内で可能な限り緊密に維持された時に達成される。従って、ガスタービン及び圧縮機ブレード先端間隙をアクティブ制御したシステムを有することは有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本発明は、ガスタービン・圧縮機組立体におけるブレード先端間隙を制御するためのアクティブブレード先端間隙制御システムとして具現化することができ、本アクティブブレード先端間隙制御システムは、圧縮機ブリード空気流を（ｉ）内側タービンシェル及び（ｉｉ）圧縮機吐出ケーシングのうちの少なくとも１つに形成された通路を通して循環させるように導いて、その内部のブレード先端間隙をアクティブ制御するための流路と、使用済み制御用空気を（ｉ）ガスタービンの外側壁空洞及び（ｉｉ）ガスタービン排気のうちの少なくとも１つ内に吐出するように導くための流路とを含む。
【０００７】
本発明はまた、ガスタービン・圧縮機組立体においてブレード先端間隙を制御する方法として具現化することができ、本方法は、圧縮機ブリード空気流を（ｉ）内側タービンシェル及び（ｉｉ）圧縮機吐出ケーシングのうちの少なくとも１つを通して循環させるように導いてその内部のブレード先端間隙をアクティブ制御する段階と、次ぎに使用済み制御用空気を（ｉ）ガスタービンの外側壁空洞及び（ｉｉ）ガスタービン排気のうちの少なくとも１つ内に吐出する段階とを含む。
【０００８】
本発明の別の実施例としての実施形態では、ガスタービン冷却及びシール用空気システムと統合されてガスタービン及び圧縮機ブレード先端間隙を制御する間隙制御システムを提供する。より具体的には、本発明のこの別の実施例としての実施形態では、圧縮機吐出ケーシングを含む圧縮機及びそれによって支持されてタービン段の一部を形成した軸方向に間隔を置いて配置されたバケットを含むロータと、外側閉込めシェルと、それによって支持されて該タービン段の他の一部を形成したノズル及び該タービン段のバケットのそれぞれの先端の周りのシュラウドを含む該ロータの周りの内側シェルと、熱媒体を流して内側シェルの熱的移動を制御するように該内側シェル内に形成された通路とを有するタービンのための統合型タービンシール用空気・アクティブ間隙制御システムを提供し、本システムは、圧縮機からの圧縮機ブリード空気をタービンシェルに導いてバケット冷却作用及びシール作用のうちの少なくとも１つを行うための冷却及びシール用空気流路と、（ｉ）その一部がタービンの第１段及び第２段のうちの少なくとも１つの軸方向位置に対応する第１の軸方向位置における内側シェル内の通路並びに（ｉｉ）圧縮機吐出ケーシングへの通路のうちの少なくとも１つに対してかつそれを通して圧縮機ブリード空気の一部を循環させるように導き、それによってその内部のブレード先端間隙をアクティブ制御するために冷却及びシール用空気流路と選択的に流れ連通するアクティブ間隙制御流路とを含む。
【０００９】
本発明のこれら及びその他の目的及び利点は、添付図面と共に行う本発明の現時点での好ましい例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を注意深く検討することによってより完全に理解されかつ納得されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次ぎに図面、特に図１を参照すると、本発明を組み込むことになるガスタービンの一部分を示している。タービンは、その一部分だけを図示しているロータ１２を含み、ロータ１２は、その各々が円形のバケットアレイを支持したタービンホイール１４、１６及び１８を含み、ホイール１４及び１６のバケット２０及び２２を図示している。ホイール間にはスペーサ又はディスク２４、２６が挿置され、ホイール及びスペーサの積重ね体は、ボルト２３によって互いにボルト止めされてロータ１２を形成する。同様に、ホイールのバケットと交互になった状態で、ノズルが円周方向アレイの形態で配置されており、ノズル２８、３０及び３２を図示している。タービンの第１段はノズル２８及びバケット２０を含み、第２段はノズル３０及びバケット２２を含み、第３段はノズル３２及びホイール１８のバケットを含み、ガスタービンの段数に応じて以下同様になる。
【００１１】
ガスタービンは、外側構造閉込めシェル３４及び内側シェル３６を含む。各外側シェル及び内側シェルは、水平中線に沿って接合された半円形セクションの形態で形成されており、外側及び内側シェルの上部半体を図示している。内側シェル３６は、ピン５２によってそれぞれ外側シェル３４に対して半径方向に収縮及び膨張するように取付けられた前方及び後方シェルセクション３８及び４０を含む。内側シェル及び外側シェルを互いに取付けるためのピンの配置は、米国特許第５，６８５，６９３号に記載されている。内側シェルは、制御された状態でロータに対して半径方向に膨張及び収縮して、それぞれ前方及び後方シェルによって支持したシュラウド４２及び４４との間の間隙を調整するようにすることができると言えば十分であろう。従って、内側シェルは、対応する段のバケット、すなわちそれぞれのバケット２０及び２２の先端に対して半径方向に調整可能である。
【００１２】
従って、例えば、タービン始動時には、内側シェル半体の様々な通路内で循環するように加熱空気を供給して内側シェルを半径方向に膨張させ、従ってシュラウドをバケットの先端よりもさらに半径方向外側に移動させることができる。従って、内側シェルがロータよりも早い速度でヒートアップして、始動時にシュラウドとバケット先端間に適切な間隙が維持されることを保証することが分かるであろう。定常状態運転時には、内側シェルに供給される空気の温度は、バケット先端に対して内側シェルを収縮又は膨張させるように調整し、それによってシュラウドとバケット先端との間に最小間隙を与えて、タービン運転効率を高めることができる。タービン運転停止時には、内側シェルの収縮速度をロータ及びバケットの収縮速度よりも遅く維持してタービン先端とシュラウドとの間の接触を回避することが重要である。この目的のために、タービン運転停止時において熱媒体の温度を調整して、制御先端間隙を維持するようにすることができる。
【００１３】
従来技術による間隙制御システムは、周囲空気を規定圧力まで充填し、それをガスタービンモードに基づいて設定温度まで加熱し、かつその空気を内側タービンシェル及び圧縮機吐出ケーシングを通して循環させる。そのようなシステムを図２に概略的に示しており、このシステムを使用してガスタービン及び圧縮機のブレード先端間隙を制御している。上述のように、このシステムは、周囲空気を取入れ、それを充填圧縮機５４により加圧する。周囲空気は、特定のシステム出口温度において質量流量が設定値に達するまで、連続的に加圧されかつシステムに付加される。次に、循環圧縮機５８により内側タービンシェル（ＩＴＳ）及び圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）を含む閉ループシステムを通して、この空気を循環させる。ＣＤＣから流出した空気は、熱交換器６０において循環圧縮機５８の入口温度要件に適合するように冷却され、次に加熱器６２においてガスタービンの圧縮機吐出温度に基づいてシステム温度設定値まで再加熱される。
【００１４】
図２の概略図から分かるように、この図に示した間隙制御システムは、充填圧縮機５４、循環圧縮機５８、加熱器６２、熱交換器６０及び水分分離器６４を含むモジュールの形態になっている。より高温かつ高圧の空気源をアクティブ間隙制御に使用すると特定した場合には、図２のシステムに含まれる大半の構成部品を排除することができる。高温加圧空気を使用してアクティブ間隙制御を達成するより簡単な解決方法を採用することによって上記に提案したようにこのシステムから複雑なハードウェアを排除することで、システムの信頼性を高めることになる。さらに、ガスタービン始動時及びベース負荷時においては、図２に示すような間隙制御システムは大量の補助動力を消費することになり、このことにより性能低下が生じる。本明細書で提案したように大半の構成部品を排除することができた場合には、補助動力の消費は著しく低減されることになる。
【００１５】
本明細書では、ガスタービン冷却及びシール用空気システムと統合してガスタービン及び圧縮機ブレード先端間隙を制御するようにする間隙制御システム構成を提案する。本発明の実施例としての実施形態の構成は、図３に概略的に示している。
【００１６】
図３をより具体的に参照すると、この図には、圧縮機７０及び内側タービンシェル７２を概略的に示しており、冷却及びシール用空気システム７４は、符号７８で示すようにバケット冷却作用及びシール作用のために、冷却用空気流路７６を通して圧縮機ブリード空気を導くように構成される。符号８０で概略的に示す間隙制御システムは、一般的な冷却及びシール用空気回路７４から取出した圧縮機ブリード空気流８２を受けかつそれをアクティブ間隙制御のために使用する。ベース負荷運転を達成するために、熱交換器８４を設けて抽出空気を必要温度に冷却する。
【００１７】
ブリード空気が、内側タービンシェル７２が所望の熱伝達量を得るのに必要な温度に達すると、温度制御用空気を符号８６で概略的に示すように内側タービンシェル（ＩＴＳ）を通して、また次に符号８８で概略的に示すように圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）に循環させて’８０７特許におけるのと同様にガスタービンブレード先端間隙をアクティブ制御する。一旦この空気が内側タービンシェル及び圧縮機吐出ケーシングを通って循環すると、この空気は、符号９０で示すようにガスタービンの外側壁空洞（ＯＳＷＣ）内に及び／又は符号９２で示すように排気内に吐出される。図示するように、一般的な冷却及びシール用空気回路７４並びに本発明のこの実施例としての実施形態により付加された間隙制御システム８０の両方において複数の制御弁９４を設けて、圧縮機ブリード空気の流量並びにタービンの外側壁空洞及び排気内への空気の流量を調整することができる。
【００１８】
本発明の間隙制御システムの考察から分かるように、この新規な設計は、複雑な間隙制御スキッドの必要性を排除して、高価なハードウェアに対する必要性を減少させる。さらに、図３に示すシステム内に組み込んだ熱交換器８４は、比較的小型にすることができ、その結果として提案したシステムは、スキッドを収容するために必要となる動力プラントにおける付加的スペースを浪費しない。さらに、図３に示す設計はより少数の複雑なハードウェア構成部品及び僅かな計装ハードウェアを有するので、間隙制御システムの信頼性が高められる。最後に、本発明を具現化した間隙制御システムでは、ベース負荷時に該間隙制御システムによって消費される補助動力量が減少するので、ガスタービン性能が高められる。
【００１９】
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変更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】
【００２０】
【図１】内側及び外側シェルの一部分を示すガスタービンの一部分の部分断面図。
【図２】従来技術による間隙制御システム設計の概略図。
【図３】本発明を具現化した間隙制御システムの概略図。
【符号の説明】
【００２１】
１２  ロータ
１４、１６、１８  タービンホイール
２０、２２  バケット
２３  ボルト
２４、２６  スペーサ又はディスク
２８、３０、３２  ノズル
３４  外側構造閉込めシェル
３６  内側シェル
３８  前方シェルセクション
４０  後方シェルセクション
４２、４４  シュラウド
５２  ピン
５４  充填圧縮機
ＩＴＳ  内側タービンシェル
ＣＤＣ  圧縮機吐出ケーシング
５８  循環圧縮機
６０  熱交換器
６２  加熱器
６４  水分分離器
７０  圧縮機
７２  内側タービンシェル
７４  冷却及びシール用空気システム
７６  冷却用空気流路
７８  バケット冷却作用及びシール作用
８０  間隙制御システム
８２  圧縮機ブリード空気流
８４  熱交換器
８６  内側タービンシェル（ＩＴＳ）を通しての循環
８８  圧縮機吐出ケーシング（ＣＤＣ）を通しての循環
９０  外側壁空洞（ＯＳＷＣ）内への吐出
９２  排気への吐出
９４  制御弁
【図１】
0005179045.tif 000002
【図２】
0005179045.tif 000003
【図３】
0005179045.tif 000004