(57)【要約】【課題】    タービンの全体性能を向上させることが必要である。【解決手段】  タービン冷却システムが提供され、本システムは、冷却空気を供給する圧縮機、前方タービンロータホイール空間、高圧パッキングシール（ＨＰＰＳ）バイパスキャビティ、及び計量装置を有する。前方タービンロータホイール空間は、圧縮機から供給される冷却空気で冷却される。ＨＰＰＳバイパスキャビティは、圧縮機からの冷却空気の一部と流体連通して受け入れ、冷却空気と流体連通して前方タービンロータホイール空間に供給する。計量装置は、前方タービンロータホイール空間及びＨＰＰバイパスキャビティと作動可能に連通して、タービンの少なくとも１つの運転状態に基づいて、ＨＰＰＳバイパスキャビティから前方タービンロータホイール空間へ供給される冷却空気を調節する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンのためのタービン冷却システムにおいて、
冷却空気を供給する圧縮機と、
前記圧縮機から供給される前記冷却空気で冷却される前方タービンロータホイール空間と、
前記圧縮機からの前記冷却空気の一部と流体連通して受け入れ、前記冷却空気と流体連通して前記前方タービンロータホイール空間に供給する、高圧パッキングシール（ＨＰＰＳ）バイパスキャビティと、
前記前方タービンロータホイール空間及び前記ＨＰＰバイパスキャビティと作動可能に連通して、前記タービンの少なくとも１つの運転状態に基づいて、前記ＨＰＰＳバイパスキャビティから前記前方タービンロータホイール空間へ供給される前記冷却空気を調節する計量装置と、
を備える、タービン冷却システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの運転状態は、環境温度、前記タービンの全逆流マージン、複数のタービン翼のバルク金属温度、前方タービンロータホイール空間の温度、タービンエミッション要件、及び圧縮機吐出圧力のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のタービン冷却システム。
【請求項３】
前記計量装置の調節は、前記計量装置と通信する制御モジュールによって制御される、請求項１に記載のタービン冷却システム。
【請求項４】
前記制御モジュールは、前記計量装置に制御信号を送信して、環境温度に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項３に記載のタービン冷却システム。
【請求項５】
前記制御モジュールは、複数のタービン翼のバルク金属温度に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項３に記載のタービン冷却システム。
【請求項６】
前記制御モジュールは、前記前方タービンロータホイール空間の空気温度に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項３に記載のタービン冷却システム。
【請求項７】
前記制御モジュールは、エミッション要件に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項３に記載のタービン冷却システム。
【請求項８】
前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節して、前記圧縮機に対する圧縮機サージ保護をもたらす制御ロジックを含む、請求項３に記載のタービン冷却システム。
【請求項９】
高圧パッキングシール（ＨＰＰＳ）を更に備え、前記前方タービンロータホイール空間からの前記冷却空気の一部は前記ＨＰＰＳを通って漏れて、前記前方タービンロータホイール空間へ流れるＨＰＰＳ漏れ流れを生成する、請求項１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１０】
前記計量装置は、バルブ、ソレノイド、及びピントル式バルブの１つである、請求項１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１１】
タービンのためのタービン冷却システムにおいて、
冷却空気を供給する圧縮機と、
前記圧縮機から供給される前記冷却空気で冷却される前方タービンロータホイール空間と、
前記圧縮機からの前記冷却空気の一部と流体連通して受け入れ、前記冷却空気と流体連通して前記前方タービンロータホイール空間に供給する、高圧パッキングシール（ＨＰＰＳ）バイパスキャビティと、
前記前方タービンロータホイール空間及び前記ＨＰＰバイパスキャビティと作動可能に連通して、前記タービンの少なくとも１つの運転状態に基づいて、前記ＨＰＰＳバイパスキャビティから前記前方タービンロータホイール空間へ供給される前記冷却空気を調節する計量装置と、
前記計量装置に制御信号を送信して、前記タービンの少なくとも１つの運転状態に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、制御モジュールと、
を備える、タービン冷却システム。
【請求項１２】
前記制御モジュールは、前記計量装置に制御信号を送信して、環境温度に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項１１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１３】
前記制御モジュールは、複数のタービン翼のバルク金属温度に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項１１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１４】
前記制御モジュールは、前記前方タービンロータホイール空間の空気温度に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項１１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１５】
前記制御モジュールは、エミッション要件に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、請求項１１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１６】
前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節して、前記圧縮機に対する圧縮機サージ保護をもたらす制御ロジックを含む、請求項１１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１７】
高圧パッキングシール（ＨＰＰＳ）を更に備え、前記前方タービンロータホイール空間からの前記冷却空気の一部は前記ＨＰＰＳを通って漏れて、前記前方タービンロータホイール空間へ流れるＨＰＰＳ漏れ流れを生成する、請求項１１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１８】
前記計量装置は、バルブ、ソレノイド、及びピントル式バルブの１つである、請求項１１に記載のタービン冷却システム。
【請求項１９】
タービンのためのタービン冷却システムにおいて、
冷却空気を供給する圧縮機と、
前記圧縮機から供給される前記冷却空気で冷却される前方タービンロータホイール空間と、
前記圧縮機からの前記冷却空気の一部と流体連通して受け入れ、前記冷却空気と流体連通して前記前方タービンロータホイール空間に供給する、高圧パッキングシール（ＨＰＰＳ）バイパスキャビティと、
前記前方タービンロータホイール空間及び前記ＨＰＰバイパスキャビティと作動可能に連通して、前記タービンの少なくとも１つの運転状態に基づいて、前記ＨＰＰＳバイパスキャビティから前記前方タービンロータホイール空間へ供給される前記冷却空気を調節する計量装置と、
前記計量装置に制御信号を送信して、前記タービン冷却システムの少なくとも１つの運転状態に基づいて、前記前方タービンロータホイール空間に供給される前記冷却空気を調節する制御ロジックを含む、制御モジュールと、
を備え、前記制御モジュールは、前記計量装置に制御信号を送信して、前記前方タービンロータホイール空間への前記冷却空気量を増加させる制御ロジックを含む、タービン冷却システム。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの運転状態は、環境温度、前記タービンの全逆流マージン、複数のタービン翼のバルク金属温度、前方タービンロータホイール空間の温度、タービンエミッション要件、及び圧縮機吐出圧力のうちの少なくとも１つである、請求項１９に記載のタービン冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン冷却システムに関し、詳細には、前方タービンロータホイール空間への冷却空気を調節するための計量装置を有するタービン冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、１つ又はそれ以上の燃料ノズル、及びタービンを含む。空気は、吸気口を通ってガスタービンに流入し、圧縮機で加圧される。次に、加圧空気は、燃料ノズルから供給される燃料と混合される。空気−燃料混合気は、燃焼のための特定の混合比で燃焼器に供給される。燃焼によりタービン翼を駆動する加圧排気ガスが発生する。
【０００３】
タービンは、回転ディスクに取り付けられた複数のタービン翼をもつロータ組立体を含む。作動時、タービンのタービン翼、回転ディスク、及び他の構成要素は、高温にさらされる。タービンの内部構成要素の温度を許容レベルに維持する目的で、冷却空気が導入される。例えば、冷却空気は、燃焼器プレナムから供給でき、前方タービンロータホイール空間を冷却するのに利用できる。前方タービンロータホイール空間は、ノズル組立体とタービンの圧縮機出口ディフューザの間に位置し、タービンが受ける一部の高温にさらされる場合がある。冷却空気は、構成要素の長期耐久性に適する所定の温度範囲で作動するように、前方タービンロータホイール空間に供給される。この高い環境温度の特定の運転状態において、冷却空気の容積は、構成要素の長期耐久性のための望ましい温度範囲に前方タービンロータホイール空間を維持するのに不十分な場合がある。
【０００４】
１つの手法として、前方タービンロータホイール空間に供給される冷却空気量は、圧縮機吐出ケーシングからボアプラグを取り外すことで増加する。ボアプラグを取り外すと、圧縮機から流出する高圧空気の一部が、前方タービンロータホイール空間に分流するという結果につながる。しかしながら、この手法により、冷却空気は、流れ制御なしで全ての運転状態で前方タービンロータホイール空間に流入することができる。従って、ボアプラグを取り外すと、要求運転条件以下では冷却空気が必要以上に供給されるのでタービンの全体性能の低下につながる。更に、この手法では、ガスタービンを運転停止して、ボアプラグにアクセスするために燃焼システムを取り外す必要もあり、このことは面倒で不便である。他の手法では、オリフィスを設けて一部の冷却空気を前方タービンロータホイール空間へバイパスさせることができる。しかしながら、オリフィスは、一般に、最悪の状態で前方タービンロータホイール空間を適切に冷却するような大きさである。従って、オリフィスにより、要求運転条件以下では多くの冷却空気が供給されるので、やはりタービンの全体性能の低下につながる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タービンの全体性能を向上させることが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様において、タービン冷却システムが提供され、本システムは、冷却空気を供給する圧縮機、前方タービンロータホイール空間、高圧パッキングシール（ＨＰＰＳ）バイパスキャビティ、及び計量装置を有する。前方タービンロータホイール空間は、圧縮機から供給される冷却空気で冷却される。ＨＰＰＳバイパスキャビティは、圧縮機からの冷却空気の一部と流体連通して受け入れ、冷却空気と流体連通して前方タービンロータホイール空間に供給する。計量装置は、前方タービンロータホイール空間及びＨＰＰバイパスキャビティと作動可能に連通して、タービンの少なくとも１つの運転状態に基づいて、ＨＰＰＳバイパスキャビティから前方タービンロータホイール空間へ供給される冷却空気を調節する。
【０００７】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的なガスタービンシステムの概略図。
【図２】図１に示す圧縮機及びタービンセクションの一部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【００１１】
本明細書で使用する場合、用語「モジュール」及び「サブモジュール」は、１つ又はそれ以上のソフトウェア又はファームウェアプログラム、組み合わせロジック回路、及び／又は説明され機能性をもたらす他の適切な構成要素を実行する、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、プロセッサ（共有、専用、又はグループ）及びメモリを呼ぶ。
【００１２】
図１は、参照番号１０で示す例示的な動力発生システムの概略図を示す。動力発生システム１０は、圧縮機２０、燃焼器２２、及びタービン２４を有するガスタービンシステムである。空気は、圧縮機２０に配置される吸気口３０を通って動力発生システム１０に流入して、圧縮機２０で圧縮される。次に、圧縮空気は、燃焼器２２の端部カバー（図示せず）に配置される燃料ノズル３４によって燃料と混合される。燃料ノズル３４は、空気−燃料混合気を燃焼用の混合比で燃焼器２２に噴射する。燃焼によりタービン２４内に配置されるタービン翼（図示せず）を駆動する高温加圧排気ガスが発生する。１つの例示的な実施形態において、タービン２４は、高温加圧排気ガスを流すために軸方向に配置された６列の翼形部（図示せず）を有する３段として構成される。１つの実施形態において、タービン２４は、ノズル組立体（図示せず）を形成する第１段のステータベーンを含む。
【００１３】
図２は、圧縮機２０及びタービン２４の一部の拡大図であり、計量装置４６の例示的な実施形態を示す。高圧の圧縮機吐出空気又は冷却空気は、圧縮機２０から供給され、プレナム４８内に存在して、ここを通って流れる。前方タービンロータホイール空間５０は、ノズル組立体（図示せず）と圧縮機出口ディフューザ（図示せず）との間に配置される。プレナム４８の冷却空気の温度は、前方タービンロータホイール空間５０にある空気の温度よりも低い。特に、前方タービンロータホイール空間５０は、燃焼器２２等の動力発生  システム１０のいくつかの他の構成要素との関連で前方タービンロータホイール空間５０の特有の位置に起因して、タービン２４のいくらか高い温度を受ける傾向にある。従って、プレナム４８に存在する冷却空気は、前方タービンロータホイール空間５０を冷却するために使用される。計量装置４６は、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節するために使用される。
【００１４】
さらに図２を参照すると、プレナム４８からの冷却空気は、冷却通路  ５２を通って流れる。冷却通路５２からの冷却空気の一部は、圧力パッキングシール（ＨＰＰＳ）５６を通って漏れて、ＨＰＰＳ漏れ流れ５８を生じる。ＨＰＰＳ漏れ流れ５８は、前方タービンロータホイール空間５０に流れ、前方タービンロータホイール空間５０を冷却するために用いられる。ＨＰＰＳ５６を通って漏れない残りの冷却空気は、ＨＰＰＳバイパスキャビティ６０に流れる。計量装置４６は、ＨＰＰＳバイパスキャビティ６０から前方タービンロータホイール空間５０へ供給される冷却空気量を調節するために用いられる。
【００１５】
一般に、計量装置４６は、前方タービンロータホイール空間に供給される冷却空気量を調節できる、例えば、バルブ又はソレノイド等の可変オリフィスの任意の形式である。図２に示す例示的な実施形態において、計量装置４６は、ピントル式バルブ６２であるが、他の計量装置も同様に使用できることを理解されたい。バルブ６２は、ニードル又はピントル６４を含む。ＨＰＰＳバイパスキャビティ６０の壁６８に配置されるオリフィス６６と協働する細長い部材であり、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節するようになっている。特に、図示の例示的な実施形態において、ピントル６２は、傾斜外面７０を含む、オリフィス６６は、対応する傾斜面７２を含む。ピントル６２は、ピントル式バルブ６２のバルブ部７４によってＤ１及びＤ２の方向に選択的に作動される。１つの実施形態において、バルブ部７４は、電流に基づいてピントル６２を作動させるピエゾ素子であるが、他の手法も同様に使用できることを理解されたい。
【００１６】
ピントル６２の傾斜外面７０は、対応するオリフィス６６の傾斜面７１と協働して、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節する。すなわち、ピントル６２が第１の方向Ｄ１に作動されると、ピントル６２はオリフィス６６に向かって作動し、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量が減少する。ピントル６２が第２の方向Ｄ２に作動されると、ピントル６２はオリフィス６６から離れる方向に作動し、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量は増加する。
【００１７】
計量装置４６の調節は、データリンク８２を経由して計量装置４６と通信する制御モジュール８０によって制御される。データリンク８２は、制御信号を計量装置４６に伝送する有線式又は無線周波数式（ＲＦ）データリンクとすることができる。制御モジュール８０は、制御信号を計量装置４６に送信して、特定の運転状態に基づいて前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を増加又は低減させる制御ロジックを含む。例えば、図２に示す例示的な実施形態において、制御モジュール８０は、制御信号を計量装置４６に送信してピントル６２をＤ１及びＤ２方向に作動させる、制御ロジックを含む。特に、制御モジュール８０は、限定されるものではないが、環境温度、タービン２４の全逆流マージン、タービン翼のバルク金属温度、前方タービンロータホイール空間の温度、タービンエミッション要件、及び圧縮機吐出圧力のうちの少なくとも１つの運転状態に基づいて、冷却空気量を増加又は減少させる。
【００１８】
１つの実施形態において、制御モジュール８０は、環境センサ（図示せず）に接続して温度データを受信する。環境温度が変化する場合、制御モジュール８０は、制御信号を計量装置４６に送信して前方タービンロータホイール空間５０への冷却空気量を増加又は減少させる制御ロジックを含む。例えば、環境温度が上昇する場合、制御モジュール８０は、制御信号を計量装置４６に送信して前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を増加させる制御ロジックを含む。
【００１９】
また、制御モジュール８０は、タービン２４の全逆流マージンに基づいて前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節するための制御ロジックを含むことができる。全逆流マージンは、冷却空気の圧力と、タービン２４のガス流の圧力との間の差圧であり、一般に正の全逆流マージンが維持される。逆流マージンは、計算値又は計測値とすることができる。１つの実施例において、逆流マージンが不十分な場合、制御モジュール８０は、計量装置４６に制御信号を送信して、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を増加させる制御ロジックを含む。
【００２０】
制御モジュール８０は、タービン翼（図示せず）のバルク金属温度に基づいて前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節するための制御ロジックを含むことができる。特に、１つの実施形態において、タービン翼のバルク金属温度が予め定められた温度限界を超える場合、制御モジュール８０は、計量装置４６に制御信号を送信して、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を増加させる制御ロジックを含む。
【００２１】
制御モジュール８０は、前方タービンロータホイール空間５０の空気温度に基づいて、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節するための制御ロジックを含むことができる。例えば、１つの実施形態において、前方タービンロータホイール空間５０の空気温度が予め定められた温度限界を超える場合、制御モジュール８０は、計量装置４６に制御信号を送信して、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を増加させる制御ロジックを含む。
【００２２】
また、制御モジュール８０は、エミッション要件に基づいて、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節するための制御ロジックを含むことができる。例えば、１つの実施形態において、動力発生システム１０のターンダウンモード時に、プレナム４８から外への大きな空気流量抽出を利用して負荷遮断時に主燃焼ゾーンをバイパスすることができ、燃焼器２２（図１に示す）に流入する空気に質量流量の低減をもたらし、結果的に燃焼温度が低下してエミッションが減少する。従って、計量装置４６は、前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を増加させるように調節される。
【００２３】
また、制御モジュール８０は、前方タービンロータホイール空間５０への冷却空気量を調節して圧縮機サージ保護をもたらす制御ロジックを含むことができる。特に、動力発生システム１０が比較的大きな圧縮機圧力比で作動する場合、圧縮機２０の圧力比は最終的に限界値を超える場合があり、圧縮機吐出圧力の急激な低下につながる。圧縮機吐出圧力の低下により、圧縮機サージとして知られる流れ剥離がもたらされる。従って、前方タービンロータホイール空間５０への冷却空気量は、圧縮機２０のサージ限界から離れた特定マージンの圧縮機吐出比をもたらすように調節される。前方タービンロータホイール空間５０に供給される冷却空気量を調節すると、圧縮機吐出空気の一部を吸入抽気バルブによって圧縮機入口に再循環させる必要性が低下する、実質的に低下する、又は無くなる。圧縮機吐出空気の一部を圧縮機入口に再循環することは、吸入抽気加熱システムと呼ばれる。
【００２４】
前方タービンロータホイール空間５０への冷却空気量は、タービンロータ冷却を管理して、タービンの内部構成要素の部品寿命を延ばす目的で調節される。前方タービンロータホイール空間５０への冷却空気量を能動的に調節すると、前方タービンロータホイール空間５０への冷却空気を増加させるために現在用いられているいくつかの手法に比べて、動力発生システム１０の全体性能が高くなる。例えば、冷却空気を増加させる１つの手法として、圧縮機吐出ケーシングからボアプラグを取り除くことを挙げることができる。しかしながら、これにより、冷却空気が、全ての運転状態で流れ制御されずに前方タービンロータホイール空間に流入することになり、タービンの全体性能が低下する。対照的に、前方タービンロータホイール空間５０への冷却空気量を能動的に調節することで、冷却空気量を特定の運転状態に基づいて調節でき、結果的に、動力発生システム１０の全体性能が向上する。
【００２５】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２６】
２０  圧縮機
２２  燃焼器
２４  タービン
３０  吸気口
３４  燃料ノズル
【図１】
2013139783.tif 000003
【図２】
2013139783.tif 000004
【外国語明細書】
2013139783000001.pdf