JP2008281001A - タービン回転失速防止スケジュール - Google Patents

Abstract

【課題】入口案内翼（２０）、複数の抽気弁（４０）及び複数の動翼（３０）を有する圧縮機（１０）を備えたタービンを回転失速域（５０）を回避するように始動する方法を提供する。
【解決手段】本方法は、複数の動翼（３０）の回転を開始させるステップと、動翼（３０）の回転速度を増加させるステップと、１以上の抽気弁（４０）を閉じて回転失速域（５０）をより高速の回転速度にシフトせしめるステップと、入口案内翼（２０）を回転失速域（５０）外の位置まで部分的に開放するステップと、抽気弁（４０）を開くと同時に入口案内翼（２０）を部分的に閉鎖して回転失速域（５０）を通過せしめるステップとを含むことができる。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的にはガスタービンに関し、より具体的には、回転失速を防止するタービン始動及び停止スケジュールに関する。

ガスタービンは一般的に、特定の回転速度及び出力範囲内で運転するように設計される。かかるタービンは、限られた可変段ジオメトリ及び限られた空気抽出を有する。その結果、ガスタービンは、始動及び停止運転時に大幅な設計外空気力学的状態を有することが多い。これらの状態は、回転失速を引き起こすおそれがある。

回転失速は一般的に、図１に概略的に示すように、ロータ速度の約半分で回転する可能性がある幾つかの局所的失速セルを含む。失速セルは、ロータ動翼及びステータ動翼の両方に対してコヒーレント非定常空気力学的負荷を与えるおそれがある。セルの数及び形状は、異なる励振次数又は節直径を構成する。セルは、動翼の固有振動数と一致する可能性がありかつ共振を生じる可能性があるコヒーレント圧力波を形成する。共振は、非常に高い随伴振動応力を生じさせるおそれがある。かかる回転失速誘発共振は、非常に高い振動応力事象であることが判っている。

ロータ及びステータ動翼に作用するかかる振動共振は、通常の動翼損傷に対する感度の増大を招く可能性があり、従って早期故障を引き起こすおそれがある。回転失速誘発応力はまた、動翼上に割れを発生させるほど十分に高いものとなる可能性がある。かかる割れは、不可避的に伝播し、動翼破損に至ることになる。重大な圧縮機損傷はまた、同時に予定外のタービン停止時間及び修理費用を発生させ、かつ顧客の満足度を低下させるおそれがある。
米国特許第６３２８４２６号明細書 米国特許第４４２８１９４号明細書 米国特許出願公開第２００７／００３１２３８号明細書

従って、大半の回転失速状態を回避又は排除することができる改善型のガスタービン始動及び停止手順に対する要望がある。かかる手順は、広範な変更なしに既存の装置において実施することが容易でなければならない。

従って、本出願は、入口案内翼、複数の抽気弁及び複数の動翼を有する圧縮機を備えたタービンを回転失速域内の期間を制限するように始動する方法を提供する。本方法は、複数の動翼の回転を開始させるステップと、動翼の回転速度を増加させるステップと、１以上の抽気弁を閉じて回転失速域をより高速の回転速度にシフトせしめるステップと、入口案内翼を回転失速域外の位置まで部分的に開放するステップと、抽気弁を開くと同時に入口案内翼を部分的に閉鎖して複数の動翼が回転失速域を通過せしめるステップとを含むことができる。

抽気弁は、複数の動翼の目標運転速度の約５０％で閉じることができる。さらに複数の抽気弁は、目標運転速度の約６０％で閉じられる。入口案内翼は、最初は約２６度に位置決めされる。入口案内翼は、目標運転速度の約６９％での約２６度から該目標運転速度の約７４％での約３０度まで調整される。入口案内翼は次に、目標運転速度の約７４％で約３０度から約２３度に調整される。抽気弁の全ては、目標運転速度の約７４％で開かれる。

抽気弁を開くと同時に入口案内翼を部分的に閉鎖して複数の動翼が回転失速域を通過せしめるステップは、約１秒間続く。本方法はさらに、目標運転速度の約８４％で入口案内翼を開放するステップを含むことができる。本出願はさらに、上記のステップを逆にすることによって、入口案内翼、複数の抽気弁及び複数の動翼を有する圧縮機を備えたタービンを回転失速域内の期間を制限するように停止する方法について説明する。

本出願はさらに入口案内翼、複数の抽気弁及び複数の動翼を有する圧縮機を備えたタービンを回転失速域内の期間を制限するように始動する方法について説明する。本方法は、複数の動翼の回転を開始させるステップと、動翼の回転速度を増加させるステップと、１以上の抽気弁を閉じて回転失速域をより高速の回転速度にシフトせしめるステップと、入口案内翼を調整して動翼が回転失速域を通過せしめるステップとを含むことができる。

抽気弁を閉じて回転失速域をより高速の回転速度にシフトするようにステップは、同期回転失速範囲を超えて回転失速域をシフトするステップを含むことができる。本方法はさらに、抽気弁を開くと同時に入口案内翼を調整して動翼が回転失速域を通過せしめるステップを含むことができる。入口案内翼を調整して動翼が回転失速域を通過せしめるステップは、約１秒間続く。

抽気弁は、複数の動翼の目標運転速度の約５０％から約７４％まで閉じられる。入口案内翼は、目標運転速度の約６９％まで約２６度に位置決めされる。入口案内翼は、目標作動速度の約６９％から約７４％まで約３０度に調整される。入口案内翼は、目標作動速度の約７４％で約２３度に調整される。本方法はさらに、目標運転速度の約８４％で入口案内翼を開放するステップを含むことができる。本出願はさらに、上記のステップを逆にすることによって、入口案内翼、複数の抽気弁及び複数の動翼を有する圧縮機を備えたタービンを回転失速域内の期間を制限するように停止する方法について説明する。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させて行った以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図２は、圧縮機１０の概略図である。圧縮機１０は、入口端部に入口案内翼（「ＩＧＶ」）２０を含む。圧縮機１０は次に、可変数のロータ及びステータ動翼３０を有する。この実施例では、９対の動翼３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９を示している。本明細書では、あらゆる数の動翼３０を使用することができる。動翼３０の周りに、複数の抽気弁４０を配置することができる。この実施例では、４つの抽気弁４１、４２、４３、４４を示している。あらゆる数の抽気弁４０を使用することができる。この実施例では、抽気弁４０は、第３の対３３、第５の対３５、第７の対３７及び第９の対３９の後方に配置される。本明細書では、他の位置及び他の圧縮機構成を使用することもできる。

次に図３を参照すると、現在の制御論理を部分的に点線で示している。この実施例では、入口案内翼２０は、圧縮機１０が目標運転速度の約８５％に達するまで、一定の約２６度に保持される。この時点で、入口案内翼２０は、開放し始める。この実施例では、抽気弁４０の全てが、完全に開いている。回転失速「域（window）」５０は、回転失速開始から回転失速解消までの補正速度範囲として定義される。具体的には、失速域は、開始境界線６０から解消境界線７０まで延びる。この実施例における失速域５０は、その期間が約１分である。かかる失速域５０は、回転失速をコヒーレント圧力波にまとめるのに十分な時間を提供する。動翼共振の確率（発生可能性）は、回転失速域５０の速度範囲又は継続時間に直接関連する。回転失速域５０は幅が広くなればなるほど、共振及び応力の発生可能性が高くなる。

現在の論理は、入口案内翼２０の位置及び抽気弁４０の位置を変更することに焦点を当てる。抽気弁４０は、動翼３０の目標運転速度のほんの僅かで閉じることができる。抽気弁４０は、圧縮機１０の速度／サージ能力に応じて、所定の速度で全て閉じるか又は速度で交互に閉じることができる。タービン始動が開始されると、入口案内翼は、通常の始動位置に位置決めされる。公称回転失速域開始速度のすぐ下の速度で、入口案内翼２０は、開放するように調整することができる。入口案内翼調整の特定の開度は、圧縮機マッピングの間に定まるような回転失速開始境界線によって設定される。適正なサージマージンを維持しながら回転失速開始をより高速まで拡大することが可能な限り、入口案内翼２０を開放することが好ましい。一般的に、回転失速開始がその速度が減少し始めるか又はサージマージンが適正でなくなって入口案内翼調整の上限を示すようになる点に、達する。入口案内翼は次に、この開放位置からより閉鎖した位置（これもまた圧縮機マッピングにより定まる）に調整される。この閉鎖位置は、抽気弁４０の全てが開いている状態で最低回転失速解消速度を生じる入口案内翼２０の位置を表している。入口案内翼２０が閉鎖状態に調整されると、抽気弁４０の全ては、該入口案内翼２０が閉鎖状態に調整されたのとほぼ同じ速度において同時に開くことができる。

具体的には、１つの実施例は、失速域５０の可能な限り多くを回避しながら同期回転失速もまた回避するように最大開始抽気弁４０性能を備えた状態での最低入口案内翼２０角度性能を使用することに焦点を当てる。同期回転失速は、動翼３０が目標運転速度の約６４％に達するまでの約３３度を超え動翼３０が目標運転速度の約６１％に達するまでの約３７度までの入口案内翼２０の位置で、及びまた目標運転速度の約７０％に上昇するまでの２２度から目標運転速度の約７２％での約２０度に減少する入口案内翼２０の位置で発生する可能性がある。同期回転失速範囲は、主として圧縮機系統に特有なものである。他の範囲で、遭遇する可能性もある。

始動ステップＡにおいて、２つの抽気弁４１、４２は、動翼３０が目標運転速度の約５０％に達すると閉じられる。入口案内翼２０は、一定の約２６度に保持される。従って、回転失速開始境界線６０は、中間位置８０に移動し、失速域５０をより高速にシフトする。このシフトはまた、入口案内翼２０の角度の範囲を制限し、さらに同期回転失速の上限範囲を回避する。

ステップＢにおいて、２つの残りの抽気弁４３、４４は、動翼３０の目標運転速度の約６０％で閉じられる。入口案内翼２０の位置は、ここでもまた一定の約２６度に保持される。従って、回転失速開始境界線６０は、位置８０から位置９０に移動して、失速域５０をさらに高い運転速度にかつより狭い入口案内翼位置範囲にシフトするようになる。

ステップＣにおいて、入口案内翼２０は、その位置が目標運転速度の約６９％での約２６度から目標運転速度の約７４％での約３０度に増大するような開放状態に調整される。図示するように、入口案内翼２０の角度は、この時失速域５０以上である。

ステップＤにおいて、抽気弁４０の全ては、目標運転速度の約７４％で同時に開いた状態になる。入口案内翼２０は、約３０度から約２３度まで減少するように調整される。この速度において、同期回転失速の下限範囲が回避される。しかしながら、これら作用は、運転状態を短時間で、シフトした回転失速域５０内に押し込むことになる。具体的には、回転失速域５０は、およそ１秒以内で、すなわちステップＤからステップＥに或いは公称始動スケジュールに比べて時間又は速度範囲の１０％以下で移動される。

この短時間により、動翼共振及び関連する応力の発生可能性の減少をもたらすように回転失速域５０の影響が大幅に低減される。失速域５０の幅は同じままであるが、圧力波及び関連する共振の強度は、動翼３０が失速域５０内にあるこの短い時間で減少する。

ステップＥにおいて、入口案内翼２０は、目標運転速度の約７４．１％で約２３度に達する。抽気弁４０の全てが、開かれている。この点は、位置９０において回転失速解消境界線７０を超えている。

ステップＦにおいて、入口案内翼２０は、一般的な始動スケジュール通りに目標運転速度の約８５％で開放し始める。次に回転失速域５０を通過する。圧縮機１０はこのとき、目標運転速度に近づくように、安全に運転している。

上記のスケジュールは、圧縮機系統に特有なものである。本明細書に記載した方法は、入口案内翼２０及び始動抽気性能を備えたほぼあらゆるタービンに適用されるが、特定の時期及び位置は、異なる圧縮機のタイプで変更することができる。停止手順、部分速度運転及び同じタイプの条件で同様の操作を使用することができるが、入口案内翼２０の速度域及び位置は幾らか異なる可能性があることを理解されたい。具体的には、停止手順では、ステップは逆にすることができる。一部のタービン系統では、入口案内翼２０又は抽気弁４０のいずれかを調整するのみで失速域５０を回避することを可能にすることもできる。

上記の方法及び手順は、一般的な制御論理内で具現化される。かかる公知の制御装置は、一般的に当技術分野で知られているような始動及び停止ステップでプログラムすることができる。

上記の方法及び手順は、始動及び停止時にコヒーレント回転失速励振及び関連する振動応力の発生可能性を減少させることによって、動翼耐久性を改善しなければならない。有意義なことには、本明細書に記載した方法及び手順は、現在の圧縮機構成に適用することができ、改造部品として現在の装置に適用することができる。必要な変更は、現在の始動及び停止制御理論においてのみである。

前述の説明は本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること、また本明細書では特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに当業者には多くの修正及び変更を加えることができることは、明らかな筈である。

回転失速セルの概略図。 本明細書で使用することができるような圧縮機の概略図。 本明細書に記載する始動及び停止方法の１つの実施例を示すチャート。

符号の説明

１０ 圧縮機
２０ 入口案内翼（「ＩＧＶ」）
３０ ロータ及びステータ動翼
３１ 第１のロータ及びステータ動翼
３２ 第２のロータ及びステータ動翼
３３ 第３のロータ及びステータ動翼
３４ 第４のロータ及びステータ動翼
３５ 第５のロータ及びステータ動翼
３６ 第６のロータ及びステータ動翼
３７ 第７のロータ及びステータ動翼
３８ 第８のロータ及びステータ動翼
３９ 第９のロータ及びステータ動翼
４０ 抽気弁
４１ 第１の抽気弁
４２ 第２の抽気弁
４３ 第３の抽気弁
４４ 第４の抽気弁
５０ 失速域
６０ 開始境界線
７０ 解消境界線
８０ 位置
９０ 位置

Claims (9)

1. 入口案内翼（２０）、複数の抽気弁（４０）及び複数の動翼（３０）を有する圧縮機（１０）を備えたタービンを回転失速域（５０）内の期間を制限するように始動する方法であって、
   前記複数の動翼（３０）の回転を開始させるステップと、
   前記動翼（３０）の回転速度を増加させるステップと、
   １以上の抽気弁（４０）を閉じて前記回転失速域（５０）をより高速の回転速度にシフトせしめるステップと、
   前記入口案内翼（２０）を前記回転失速域（５０）外の位置まで部分的に開放するステップと、
   前記抽気弁（４０）の１以上を開くと同時に前記入口案内翼（２０）を部分的に閉鎖して前記複数の動翼が前記回転失速域（５０）を通過せしめるステップと
   を含む方法。
2. 前記複数の抽気弁（４０）が、前記複数の動翼（３０）の目標運転速度の約５０％で閉じられる、請求項１記載の方法。
3. さらに複数の抽気弁（４０）が、前記複数の動翼（３０）の目標運転速度の約６０％で閉じられる、請求項２記載の方法。
4. 前記入口案内翼（２０）が、目標運転速度の約６９％での約２６度から該目標運転速度の約７４％での約３０度まで調整される、請求項１記載の方法。
5. 前記入口案内翼（２０）が、前記目標運転速度の約７４％で約３０度から約２３度に調整される、請求項４記載の方法。
6. 前記複数の抽気弁（４０）の全てが、前記目標運転速度の約７４％で開かれる、請求項３記載の方法。
7. 前記抽気弁（４０）の１以上を開くと同時に前記入口案内翼（２０）を部分的に閉鎖して前記回転失速域（５０）を通過せしめるステップが約１秒間続く、請求項１記載の方法。
8. 入口案内翼（２０）、複数の抽気弁（４０）及び複数の動翼（３０）を有する圧縮機（１０）を備えたタービンを回転失速域（５０）内の期間を制限するように停止する方法であって、請求項１のステップを逆にするステップを含む方法。
9. 入口案内翼（２０）、複数の抽気弁（４０）及び複数の動翼（３０）を有する圧縮機（１０）を備えたタービンを回転失速域（５０）内の期間を制限するように始動する方法であって、
   前記複数の動翼（３０）の回転を開始させるステップと、
   前記動翼（３０）の回転速度を増加させるステップと、
   １以上の抽気弁（４０）を閉じて前記回転失速域（５０）をより高速の回転速度にシフトせしめるステップと、
   前記入口案内翼（２０）を調整して前記回転失速域（５０）を通過せしめるステップと
   を含む方法。