JP2008180220A - 高馬力ガスタービン用の予測モデル式制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】タービン動翼（１２２）とタービンケーシング（１２０）との間の間隙（１２８）を制御するためのシステムを提供する。
【解決手段】本システムは、タービンケーシング（１２０）に取付けられたインピンジメント冷却マニホルド（１４０）と、タービンケーシング（１２０）の温度を測定するための温度検知装置と、送風機（１３０）と、ケーシング（１２０）の設定温度を決定するための制御システム（７００）論理と、送風機（１３０）がインピンジメント冷却マニホルド（１４０）に空気を強制的に送ってケーシング（１２０）を設定温度に向かって冷却しかつ間隙（１２８）を制御するように該送風機（１３０）を制御するための制御装置（７１０）とを含む。
【選択図】 図３

Description

空気インピンジメント冷却は、小型ガスタービンのケーシング温度を管理しまた回転動翼と関連する内部ケーシング表面との間の間隙を減少させかつ維持するために用いられてきた。高馬力ガスタービンの空気インピンジメント冷却システムの１つの問題は、大型の一様でなくかつ標準的でないケーシング表面にわたって均一な熱伝達率を達成する能力である。小型のガスタービンでは、小さいインピンジメント孔及び短いノズル−表面距離が通常使用される。これら要素は、ケーシングにおける所要のより高い熱伝達率を生成する。小型のインピンジメント冷却孔を使用する１つの有害な影響は、孔の両側における高い差圧低下で作動させることが必要なことである。このことは、高馬力ガスタービンの正味効率に悪影響を与える望ましくない高い冷却空気供給圧力を必要とすることになる。

インピンジメント冷却は、タービン間隙制御の方法として航空機エンジンに使用されてきた。しかし、航空機エンジンで用いるインピンジメントシステムは、高馬力タービン用途で用いることができない。航空機エンジンに使用するシステムは、冷却媒体として圧縮機から抽出した空気を利用する。設計熱伝達率がより低温の空気温度を必要とするので、高馬力ガスタービンで圧縮機抽出空気を用いることは適していない。高馬力ガスタービンは、航空機エンジンに比べて複雑なマニホルド設計を必要とする非常に大型の一様でないケーシング表面を有する。またケーシング厚さ及びケーシング厚さ変動は、高馬力ガスタービンではかなり大きい。

回転動翼と関連する内部ケーシング表面との間の間隙は、常設の計装を用いて容易に測定することはできない。さらに所望の間隙は、高温又は低温のインピンジメント冷却を可能にすることによって制御すべきである

従って、当技術分野においては、高馬力ガスタービンにおける間隙制御を行うことができるインピンジメント冷却制御システムに対する必要性が存在する。

一実施形態では、本発明は、タービン動翼とタービンケーシングとの間の間隙を制御する方法を提供し、本方法は、ケーシングの温度を測定する段階と、伝達関数に基づいてケーシングの設定温度を、該設定温度が間隙を制御するための該ケーシングの所望の温度になるように決定する段階と、制御装置を用いて設定温度に基づいてケーシングの温度を変更する段階とを含むことができる。

別の実施形態では、本発明は、タービンケーシングの温度を制御するためのシステムを提供し、本システムは、タービンケーシングの温度を測定するための温度検知装置と、送風機と、ケーシングの設定温度を決定するための制御システム論理と、送風機がケーシング上に空気を強制的に送って該ケーシングを設定温度に向かって冷却するように該送風機を制御するための制御装置とを含むことができる。

さらに別の実施形態では、本発明は、タービン動翼とタービンケーシングとの間の間隙を制御するためのシステムを提供し、本システムは、タービンケーシングに取付けられたインピンジメント冷却マニホルドと、タービンケーシングの温度を測定するための温度検知装置と、送風機と、ケーシングの設定温度を決定するための制御システム論理と、送風機がインピンジメント冷却マニホルドに空気を強制的に送ってケーシングを設定温度に向かって冷却しかつ間隙を制御するように該送風機を制御するための制御装置とを含むことができる。

本発明の例示的な実施形態を示す添付図面を参照して、以下で本発明をさらに十分に説明する。しかし、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書で説明した実施形態に限定されるものとして解釈すべきでなく、むしろこれら実施形態は、この開示が徹底しかつ完全なものとなりまた本発明の技術的範囲を当業者に伝えることになるようにするために提示している。

図１は、高馬力タービン１１０の例示的な実施形態を示している。高馬力タービンエンジンは、圧縮機セクション１１２、燃焼器セクション１１４及びタービンセクション１１６を含む。タービン１１０はまた、圧縮機ケーシング１１８及びタービンケーシング１２０を含む。タービン及び圧縮機ケーシング１１８、１２０は、高馬力タービンの大部分を囲む。タービンセクション１１６は、シャフト並びに複数の組の回転及び固定タービン動翼を含む。

図１及び図２を参照すると、タービンケーシング１２０は、ケーシング１２０の内部表面に取付けられたシュラウド１２６を含むことができる。シュラウド１２６は、回転タービン動翼１２２の先端に近接して配置して動翼先端を通る空気漏れを最少にすることができる。動翼先端１２３とシュラウド１２６との間の距離は、間隙１２８と呼ばれる。各タービン段の間隙１２８は、動翼及びケーシングの異なる熱膨張特性のために、一定値を常に保つものではないことに注目されたい。

高馬力ガスタービンの効率における極めて重要な貢献要因は、動翼先端−ケーシング間隙１２８を通る空気／排出ガス漏れの量である。タービン動翼１２３及びタービンケーシング１２０の異なる熱膨張特性により、タービンが点火からベース負荷定常状態条件への過渡状態を通って移行すると、間隙１２８は大きく変化する。その作動シーケンスを備えた間隙制御システムを実装して、全ての運転条件の間に特定の間隙特性に対処することができる。制御システムの不適切な設計及び／又はシーケンスは、タービン動翼１２３先端のケーシングシュラウド１２６との過度の摩擦を招く可能性があり、それにより、間隙の増大及び性能の低下を生じるおそれがある。

図３の例示的な実施形態に示すように、インピンジメント空気冷却システム２００を用いて、タービンシュラウド１２６と関連する動翼先端１２３との間の間隙を減少させかつ維持することができる。図３を参照すると、インピンジメント空気冷却システム２００は、送風機１３０、流量制御ダンパ１３２、相互接続パイプ１３４、分配ヘッダ１３６、絞り弁又はオリフィス１３８、及び一連のインピンジメント冷却マニホルド１４０で構成することができる。インピンジメント冷却マニホルドは、タービンケーシングに取付けられる。図３の例示的な実施形態では、複数のインピンジメントマニホルド１４０は、タービンケーシング１２０の外周部の周りに取付けられる。インピンジメント冷却送風機１３０は、周囲空気から吸気し、流量制御ダンパ１３２、相互接続パイプ１３４、分配ヘッダ１３６、絞り弁又はオリフィス１３８を通して空気をインピンジメント冷却マニホルド１４０内に吹き込む。送風機１３０は、ファン又はジェットを含むあらゆる送風装置とすることができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０に対して均一な熱伝達率が実現されることを保証する。インピンジメント空気冷却システムは、本明細書に開示した構成要素に限定されるものではなく、インピンジメント冷却マニホルドに沿って空気を流すのを可能にするあらゆる構成要素を含むことができることを理解されたい。

図４及び図５に示す例示的な実施形態を参照すると、インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０のターゲット領域の外形に合わせて設計することができる。各インピンジメント冷却マニホルド１４０は、供給管１４４を備えた上板１４２、複数のインピンジメント孔１４８を備えた下板１４６、サイドピース、支持脚部１５０、及びホールドダウン支持体１５２を含むことができる。インピンジメント孔１４８により、空気がインピンジメント冷却マニホルドからタービンケーシングに流れてタービンケーシングを選択的に冷却することが可能になる。

インピンジメント孔１４８は、アレイの形態で配置することができる。この例示的な実施形態では、インピンジメント孔１４８は、１．２５〜２．５インチの範囲で間隔を置いて配置することができる。例示的な実施形態では、個々のインピンジメント孔１４８は、０．１２〜０．２インチの範囲の寸法とすることができる。タービンケーシング幾何学形状の不均一性を補償するためには、可変孔寸法及び間隙が必要である。下板１４６上でのインピンジメント孔１４８の寸法及び配置は、インピンジメント空気冷却システムがターゲットとするケーシング全体にわたる均一な熱伝達率を生成する。しかし、インピンジメント孔は、これら寸法又は間隔に限定されるものではない。上板１４２と下板１４６との間の距離もまた、内部圧力変動を最小にするような寸法とすることができ、これにより、均一な冷却孔圧力比を得ることができる。

インピンジメント冷却マニホルド下板１４６とタービンケーシング１２０との間のギャップ距離は、熱伝達率に影響する。大き過ぎるギャップは、最適でない熱伝達率を生じさせる可能性がある。小さ過ぎるギャップは、最適でなくかつ不均一な熱伝達率を生じさせる可能性がある。例示的な実施形態では、０．５〜１．０インチの範囲のギャップにより、適当な熱伝達率が得られる。しかし、ギャップは、この範囲に限定されるものではなく、また適当な熱伝達率をもたらすあらゆる距離とすることができる。

図６に示すように、例示的な実施形態は、複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０を含むことができる。複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０は、ターゲット冷却領域の真上でタービンのケーシング１２０に取付けることができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、その端縁部とケーシングからのあらゆる突出部との間に十分な間隔が存在するように配置することができる。このことにより、インピンジメント孔１４８を通って流れてインピンジメント冷却マニホルド１４０の下方から周囲に排出する空気の自由行路が得られる。例示的な実施形態では、２つの隣接するインピンジメント冷却マニホルド間の間隔は、１〜３０インチ範囲とすることができ、ケーシング突出部及びフランジ継手に応じて決まる。この間隔は、これらの寸法に限定されるものではなく、あらゆる適当な距離での間隔とすることができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０はまた、水平分割継手を含む軸方向フランジのいずれかにインピンジメント冷却を与えることができる。

間隙の制御
制御システム７００を実装して、間隙を制御することができる。間隙は、それに限定されないが、タービンのケーシング内部のマイクロ波及び静電容量間隙センサを含む広範なセンサを用いて運転の間に直接測定することができる。しかし、これらセンサの故障率は、極めて高い。ケーシング内のセンサの交換を回避するために、ケーシングの温度を用いて間隙を制御することができる。所定のケーシング温度において、間隙は、概算することができる。従って、制御システム７００は、部分的にケーシングの温度に基づくことができる。図７は、制御システムの実施形態を示している。

本発明の実施形態に係るシステム、方法、装置及びコンピュータプログラム製品のブロック図を参照して、制御システム７００の制御システム論理の例示的な実施形態を以下に説明する。ブロック図の各ブロック及びブロック図内のブロックの組合せはそれぞれ、コンピュータプログラム命令によって実行することができることが解るであろう。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置にロードして機械を構成して、コンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置上で実行する命令により、以下の説明で詳細に説明するブロック図の各ブロック又はブロック図内のブロックの組合せの機能を実行するための手段を形成するようにすることができる。

これらコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置に命令して特定の方法で機能させることができるコンピュータ可読メモリに記憶させて、コンピュータ可読メモリに記憶された命令が、１以上のブロックで特定した機能を実行する命令手段を含む製品を構成するようにすることができる。コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置上にロードして一連の動作ステップをコンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置上で実行させてコンピュータ実行処理を構成して、これによってコンピュータその他のプログラマブル装置上で実行した命令が、１以上のブロックで特定した機能を実行するためのステップを提供するようにすることができる。

制御システム７００は、コンピュータのオペレーティングシステム上で動くアプリケーションプログラムを通して実行することができる。制御システム７００はまた、携帯装置、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベース又はプログラマブル家庭用電化製品、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む他のコンピュータシステム構成で実施することができる。

制御システム７００の構成要素であるアプリケーションプログラムは、ある抽象データ型を実行し、あるタスク、作用又は課題を実行するルーチン、プログラム、構成要素、データ構造などを含むことができる。分散コンピューティング環境において、アプリケーションプログラムは（全体的に又は部分的に）、ローカルメモリその他の記憶装置内に置くことができる。加えて又はそれとは別に、アプリケーションプログラムは（全体的に又は部分的に）、発明の実施を可能にする遠隔メモリ内又は記憶装置内に置いて、通信ネットワークを通して連結された遠隔処理装置によってタスクを実行するようにすることができる。幾つかの図面全体を通して同じ参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照して、以下に本発明の例示的な実施形態をより完全に説明する。実際には、これら発明は多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に説明した実施形態に限定されるものとして解釈すべきでなく、むしろこれら実施形態は、本開示が適用法的要件を満たすことになるようにするために提示している。

図７の例示的な実施形態に示すように、タービン内の間隙１２８を調整する制御システム７００は、ケーシング１２０の温度に基づくことができる。制御システム７００は、タービンの運転条件を変更するための制御装置７１０を使用して高馬力タービンに対する冷却レベルを制御することによってケーシング１２０の温度を変化させることができる。

ケーシング１２０の温度を変化させるように変更することができる運転条件は、空気の流量及び冷却媒体温度を含むことができる。説明のために、図７の例示的な実施形態では、制御装置７１０は、ブロック７２０において空気の流量を変更してケーシングの温度を変化させる。

前に図３に示したように、送風機１３０その他のあらゆる空気移動装置を用いてタービンケーシング上に周囲空気を強制的に送ってケーシング１２０を冷却することができる。例示的な実施形態では、空気は、ケーシングに取付けられたインピンジメント冷却マニホルド１４０内に強制的に送り込んでケーシング１２０を冷却することができる。空気はまた、ケーシング１２０の外周部の周りに配置された複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０内に強制的に送り込むことができる。

ケーシング１２０上に強制的に送られた周囲空気の温度は、ブロック７３０において測定することができる。タービンケーシング１２０の温度は、ブロック７４０において測定される。周囲空気及びケーシングの温度は、当業者には公知のあらゆる温度測定装置で測定することができる。

ブロック７６０において、伝達関数を実行して、現在の運転条件に基づいて設定温度を決定することができる。設定温度は、ケーシングの温度とすることができ、所望の間隙１２８に従って設定される。間隙測定値は、現在の運転条件の関数とすることができ、それら運転条件には、ガスタービン負荷、時間、周囲温度、ロータ温度、ケーシング温度を含むことができる。伝達関数は、運転条件と現在の運転条件によるケーシングの膨張をモデル化した間隙モデルとから生成することができる。例示的な実施形態では、設定温度は、周囲温度、ロータ温度及びガスタービン負荷条件の関数とすることができる。

間隙１２８が最小許容値以下であると間隙モデルが判定した場合には、システムは、タービンの運転を休止又は停止することができる。そうでなければ、ブロック７６０における伝達関数の出力が、設定温度である。

設定温度及びケーシング温度は、制御装置７１０に入力することができる。制御装置７１０は、送風機１３０に制御信号を出力して、ブロック７２０においてケーシング１１８上に吹き付けられる周囲空気の流量を変更する。例示的な実施形態では、制御装置７１０は、比例積分微分（「ＰＩＤ」）制御装置である。比例制御装置、積分制御装置又は微分制御装置を単独で又は組合せて用いて、タービンの運転条件を制御することができることは、当業者には分かるであろう。

多数のインピンジメント冷却マニホルド１４０を含むこの例示的な実施形態の場合には、制御システムは、インピンジメント冷却マニホルド１４０の１以上への空気流を制御（６００）することができる。また、各インピンジメント冷却マニホルド１４０に対して別個に制御システム６００を実装して、ケーシング１２０の局所的間隙を制御することができることも考えられる。さらに、複数の送風機１３０を用いて、複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０に空気を強制的に送ることができることも考えられる。

本発明が本明細書に示した制御システム７００の構成に限定されるものではないことは、当業者には分かるであろう。ケーシングの温度が最終的に制御されるように、多くの制御システムの変形例を実施することができることは、当業者には分かるであろう。例えば、制御システムは、ガスタービン負荷条件に基づいた開ループシステムその他のあらゆる許容可能モデルとすることができる。

前述の説明及び関連する図面に提示した教義の利点を有する本発明の多くの修正及び他の実施形態が、本発明に関連する当業者は想起されるであろう。従って、本発明は開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また修正及び他の実施形態は特許請求の範囲の技術的範囲内に含まれることを意図していることを理解されたい。本明細書では特定の用語を使用しているが、それらは一般的及び記述的意味のみで用いており、限定を目的として用いているものではない。

本発明の実施形態に係る高馬力ガスタービンの断面図。 本発明の実施形態に係るタービン動翼−シュラウド間隙のクローズアップ図。 本発明の実施形態に係るインピンジメント冷却システムを示す図。 本発明の実施形態に係るインピンジメント冷却マニホルドの斜視図。 本発明の実施形態に係るインピンジメント冷却マニホルドの断面図。 本発明の実施形態に係る、タービンケーシング上の設置インピンジメント冷却マニホルドの斜視図。 本発明の実施形態に係る制御システムを示す図。

符号の説明

１１０ 高馬力タービン
１１２ 圧縮機セクション
１１４ 燃焼器セクション
１１６ タービンセクション
１１８ 圧縮機ケーシング
１２０ タービンケーシング
１２２ タービン動翼
１２３ 動翼先端
１２６ シュラウド
１２８ 間隙
１３０ 送風機
１３２ 流量制御ダンパ
１３４ 相互接続パイプ
１３６ 分配ヘッダ
１３８ オリフィス
１４０ インピンジメント冷却マニホルド
１４２ 上板
１４４ 供給管
１４６ 下板
１４８ インピンジメント孔
１５０ 支持脚部
１５２ ホールドダウン支持体
２００ インピンジメント空気冷却システム
７００ 制御システム
７１０ 制御装置
７２０ 流量変更ブロック
７３０ 周囲空気の温度測定ブロック
７４０ ケーシングの温度測定ブロック
７６０ 伝達関数ブロック

Claims (10)

1. タービン動翼（１２２）とタービンケーシング（１２０）との間の間隙（１２８）を制御する方法であって、
   前記ケーシング（１２０）の温度を測定する段階と、
   伝達関数（７６０）に基づいて前記ケーシング（１２０）の設定温度を、該設定温度が前記間隙（１２８）を制御するための該ケーシング（１２０）の所望の温度になるように決定する段階と、
   制御装置（７１０）を用いて前記設定温度に基づいて前記ケーシング（１２０）の温度を変更する段階と、
   を含む方法。
2. 前記ケーシング（１２０）の温度が、該ケーシング（１２０）上に空気を強制的に送る送風機（１３０）によって変更される、請求項１記載の方法。
3. 前記ケーシング（１２０）にインピンジメント冷却マニホルド（１４０）を設ける段階をさらに含み、
   前記送風機（１３０）が、前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に空気を強制的に送って前記ケーシング（１２０）の温度を変更する、
   請求項１記載の方法。
4. 前記制御装置（７１０）が、前記送風機（１３０）から吹き付けられる空気量（７２０）を制御して、前記ケーシング（１２０）の温度を前記設定温度に向かって変更する、請求項３記載の方法。
5. 前記制御装置（７１０）が、前記送風機（１３０）から複数のインピンジメント冷却マニホルド（１４０）内に吹き込まれる空気量（７２０）を制御する、請求項３記載の方法。
6. 前記伝達関数（７６０）が、負荷、時間、周囲温度及びケーシング（１２０）温度からなる群から選択された入力に基づいている、請求項１記載の方法。
7. 前記制御装置（７１０）が、ＰＩＤ制御装置である、請求項１記載の方法。
8. タービンケーシング（１２０）の温度を制御するためのシステムであって、
   前記タービンケーシング（１２０）の温度を測定するための温度検知装置と、
   送風機（１３０）と、
   前記ケーシング（１２０）の設定温度を決定するための制御システム（７００）論理と、
   前記送風機（１３０）が前記ケーシング（１１８）上に空気を強制的に送って該ケーシング（１１８）を前記設定温度に向かって冷却するように該送風機（１３０）を制御するための制御装置（７１０）と、
   を含むシステム。
9. タービン動翼（１２２）とタービンケーシング（１２０）との間の間隙（１２８）を制御するためのシステムであって、
   前記タービンケーシング（１２０）に取付けられたインピンジメント冷却マニホルド（１４０）と、
   前記タービンケーシング（１２０）の温度を測定するための温度検知装置と、
   送風機（１３０）と、
   前記ケーシング（１２０）の設定温度を決定するための制御システム（７００）論理と、
   前記送風機（１３０）がインピンジメント冷却マニホルド（１４０）に空気を強制的に送って前記ケーシング（１２０）を前記設定温度に向かって冷却しかつ前記間隙（１２８）を制御するように該送風機（１３０）を制御するための制御装置（７１０）と、
   を含むシステム。
10. 前記ケーシング（１２０）の冷却温度を低下させかつ前記間隙（１２８）を制御する複数のインピンジメント冷却マニホルド（１４０）をさらに含む、請求項９記載のシステム。

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