JP2009047167A - 圧縮機クリアランスを監視しかつガスタービンを制御するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機（２）を含むガスタービン（１）を提供する。
【解決手段】本ガスタービン（１）は、圧縮機（２）内のブレード（２７）のクリアランス（２０）を測定するためのセンサ（２２）と、クリアランス（２０）情報を受信しかつ該クリアランス情報を使用してサージ及びブレード（２７）の摩擦の少なくとも１つを防止するように該ガスタービン（１）を制御するためのコントローラ（４１）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本明細書に開示した本発明は、ガスタービンの分野に関し、具体的には、ガスタービンの効率を増大させることに関する。

ガスタービンは、運転条件が変化すると、その各々が膨脹又は収縮する可能性がある多くの部品を含む。ガスタービンは、燃焼チャンバ内での燃焼のための空気を加圧する圧縮機を含む。圧縮機は、圧縮機ブレードを使用して空気を加圧する。

圧縮機ブレードは一般的に、翼形部としての形状になっている。圧縮機ブレードは、円形形状を有するケーシング内部で回転する。圧縮機ブレードが回転すると、圧縮機ブレードは、その翼形部形状を使用してケーシング内部で空気を加圧する。圧縮機ブレード及びケーシングは、加圧空気を拘束するために使用される。

圧縮機ブレードの外側先端とケーシングとの間の距離は、「クリアランス」と呼ばれる。クリアランスが増大すると、ブレードの先端を越えて逸出するより多くの空気に関連する大きい混合損失のために圧縮機の効率は低下する。従って、大き過ぎるクリアランスは、ガスタービンの全体効率の低下を招く可能性がある。さらに、運転条件に応じて、大き過ぎるクリアランスは、圧縮機にサージを引き起こす可能性がある。小さ過ぎるクリアランスもまた、問題を引き起こす可能性がある。

クリアランスが小さ過ぎる場合には、圧縮機ブレード、ケーシング及びその他の構成要素の熱的膨脹及び収縮並びに動的変化は、ケーシングに対して圧縮機ブレードを摩擦させる可能性がある。圧縮機ブレードがケーシングと摩擦すると、ガスタービン全体に対する損傷が発生する可能性がある。従って、多様な運転条件の間に適切なクリアランス量を維持することが重要である。

先行技術では、適切なクリアランス量を維持するために、詳細な分析及び試験が一般的に行われる。この分析及び試験を使用して、ガスタービンの「低温」組立て時におけるクリアランス目標が設定される。このクリアランス目標は、製作公差並びに始動、停止、全出力及び部分出力のような多様な運転条件に適応しなければならない。公差及び運転条件に適応させる必要性のために、このクリアランス目標は、特定の運転モードの間には非効率になる可能性がある。例えば、始動のための時間分は、摩擦を防止するように圧縮機を適切に加熱することを保証するのに十分なほど長くしなければならない可能性がある。
米国特許第６，３６４，６０２号公報 Pyrotenax High Temperature Clearnace Measurement [onine]; [retrieved on July 25, 2007]; Retrieved on the Internet:http://www.tycothermal.com/uk/english/temperature#measurement/industries/gas#turbine#...

従って、必要なものは、様々な運転モードの間に圧縮機ブレードとケーシングとの間のクリアランスを監視する方法である。さらに、この方法は、クリアランスに関してガスタービンを制御することができなければならない。

開示しているのは、圧縮機を含むガスタービンであり、本ガスタービンは、圧縮機内のブレードのクリアランスを測定するためのセンサと、クリアランス情報を受信しかつ該クリアランス情報を使用してサージ及びブレードの摩擦の少なくとも１つを防止するように該ガスタービンを制御するためのコントローラとを含む。

開示しているのはまた、圧縮機を含むガスタービンであり、本ガスタービンは、圧縮機内のブレードのクリアランスを測定するための複数のセンサと、クリアランス情報を受信しかつ該クリアランス情報を使用して、サージ及びブレードの摩擦の少なくとも１つを防止するように該ガスタービンへの燃料流及び圧縮機への入口ブリード加熱空気の少なくとも１つを制御するためのコントローラとを含む。

開示しているのはさらに、圧縮機を含むガスタービンを制御する方法であり、本方法は、圧縮機内のブレードのクリアランスに関連する情報を受信する段階と、サージ及びブレードの摩擦の少なくとも１つを防止するようにガスタービンを制御する段階とを含む。

本教示は、ガスタービンにおける複数の圧縮機ブレードとケーシングとの間のクリアランスを監視するための装置及び方法の実施形態を提供するものである。本教示では、ガスタービンの運転の間にクリアランスを測定しかつ測定クリアランスに従ってガスタービンのパラメータを制御する。パラメータは、ガスタービンの運転において本装置及び方法なしで生じることになるよりも高い効率が得られるような方法で制御される。

一般的に、クリアランスはセンサで測定され、センサは、クリアランスに関連する情報を制御システムに提供する。ガスタービンエンジンコントローラ内に含むことができる制御システムは、情報を受信しかつ該情報に従ってガスタービンの特定のパラメータを制御する。制御するパラメータの２つの実施例は、入口ブリード加熱空気と燃料流とである。実施形態について詳細に説明する前に、一部の定義を示しておく。

「ガスタービン」という用語は、連続燃焼エンジンを指す。ガスタービンは一般的に、圧縮機、燃焼チャンバ及びタービンを含む。圧縮機は、燃焼チャンバ内での燃焼用の空気を加圧する。「圧縮機ブレード」という用語は、圧縮機内のブレードを指す。各圧縮機ブレードは、空気を加圧するために使用する翼形部形状を有する。「圧縮機段」という用語は、シャフトのセクションの周りに円周方向に配置された複数の圧縮機ブレードを指す。ガスタービンは、圧縮機内に１つ又はそれ以上の圧縮機段を含むことができる。「ケーシング」という用語は、圧縮機段を囲んで圧縮機ブレードの外側先端の周りで空気が移動するのを制限する構造体を指す。「クリアランス」という用語は、１つの圧縮機ブレードの外側先端とケーシングとの間の距離の量を指す。「摩擦」という用語は、少なくとも１つの圧縮機ブレードがケーシングと接触を生じることを指す。摩擦は一般的に、ガスタービンに損傷を発生させる。「入口ブリード加熱空気」という用語は、燃焼チャンバに送られる前に圧縮機から抽出された空気を指す。抽出空気は一般的に、加圧により加熱されかつ圧縮機の入口に導かれる。

「サージ」という用語は、ガスタービンの圧縮機を通る空気流の中断を指す。サージ状態は、燃焼チャンバへの空気流の停止を引き起こしかつガスタービンの不安定運転又は命令外運転停止を引き起こす可能性がある。サージ状態の間には、空気流は一般的に、圧縮機の入口の方向に導かれる。サージは、圧縮機の幾つかの運転パラメータに関してさらに説明することができる。１つの運転パラメータは、「圧力比」（Ｐ_exit／Ｐ_inlet）であり、該「圧力比」は、圧縮機の出口圧力対圧縮機の入口圧力の比である。別の運転パラメータは、「圧縮機空気流量」であり、該「圧縮機空気流量」は、圧縮機を通って流れる空気の量である。圧力比及び圧縮機空気流量の特定の組合せにより、ガスタービンにおいてサージ状態を招くか又は引き起こす可能性がある条件を記述することができる。これらの組合せは、例えば表、データセット及びアルゴリズムのような多くの方法で表すことができる。１つの一般的表現では、圧力比対圧縮機空気流量のマップ又はグラフが使用される。

「サージライン」及び「運転リミットライン」という用語は、圧力比対圧縮機空気流量のグラフ上のラインを指す。サージラインは、そのラインから上ではガスタービンの運転がそのガスタービンにサージ状態を招くか又は引き起こすことになる運転リミットを表わす。運転リミットラインは、サージラインに対する十分なマージンが維持されることを保証するためのガスタービンの制御限界を指す。クリアランスは、サージ状態を引き起こす可能性がある運転パラメータを決定する上での要素とすることができる。例えば、幾つかのガスタービンでは、運転の間にクリアランス量が減少した場合には、サージラインに対するマージンは、増加することになる。一般的に、運転リミットライン（すなわち、サージラインに対するマージン）上の運転条件でガスタービンを運転することにより、サージ状態が発生することが防止される。

図１は、ガスタービン１の例示的な実施形態を示している。ガスタービン１は、圧縮機２、燃焼チャンバ３及びタービン４を含む。圧縮機２は、シャフト５によってタービン４に結合される。図１の実施形態では、シャフト５はまた、発電機６に結合される。ガスタービン１は、圧縮機段７及びケーシング８を含む。次に圧縮機２についてより詳細に説明する。

図２は、圧縮機２の１つの圧縮機段７の例示的な実施形態の端面図を示している。図２を参照すると、クリアランス２０を示している。図２に示すケーシング８は、フランジ２８によって互いに結合された２つの１８０度セグメントを含む。図２に示すケーシング８は、約３６０度にわたって複数の圧縮機ブレード２７を囲む。図２にはまた、ケーシング８の周りに配置した複数のセンサ２２を示している。センサ２２は、クリアランス２０を測定するために使用される。

センサ２２は一般的に、ケーシング８の周りで円周方向に配置されて、クリアランス２０に関連する特定の様相を測定する。例えば、圧縮機段７の１つの領域におけるクリアランス２０は、軸受移動に起因して他の領域におけるクリアランスよりもより大きくなる可能性がある。軸受摩耗及び製作公差により生じる軸受移動により、シャフト５０が移動するのを許すおそれがある。別の実施例として、円周方向測定値は、ケーシング８が非真円になった時点を検出する。一般的に、センサ２２は、フランジ２８の近傍にかつ該フランジ２８から離れて設置される。ケーシング８は一般的に、フランジ２８の近傍により多くの質量を有するので、ケーシング８は、該ケーシング８が均一に加熱されるまで、真円度がなくなる可能性がある。センサ２２はまた、他の圧縮機段７におけるクリアランス２０も測定することができる。

１つよりも多い圧縮機段７におけるクリアランス２０を測定することにより、シャフト５のサギング及びバウンシングの少なくとも１つを検出することができる。図３は、圧縮機２の例示的な実施形態の側面図である。図３を参照すると、センサ２２は、第１圧縮機段７に及び最終圧縮機段７に配置されてシャフト５のあらゆるサギング及びバウンシングを測定する。

一般的に、センサ２２は、最大少なくとも０．７６２ｃｍ（０．３インチ）までの距離を測定することができる。センサ２２は、クリアランス検知の技術分野において知られている様々な方法を用いてクリアランス２０を測定することができる。１つの実施形態では、センサ２２は、静電容量検知の技術分野において知られている静電容量プローブであり、静電容量プローブは、クリアランス２０に静電容量を相互に関連付ける。静電容量プローブは、該プローブと誘電体としての周囲空気とによって形成されたコンデンサの静電容量を測定する。プローブの近傍の空気中で移動する圧縮機ブレードは、コンデンサの静電容量に影響を与える。測定静電容量は、クリアランス２０と相互に関連付けられる。これらのセンサ２２は、カリフォルニア州メンロパーク所在のＴｙｃｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ ＬＬＣからＰＹＲＯＴＥＮＡＸセンサとして入手可能である。別の実施形態では、センサ２２は、マイクロ波を使用してクリアランス２０を測定するマイクロ波プローブである。マイクロ波検知の技術分野において知られているように、マイクロ波プローブは、マイクロ波を放射し、このマイクロ波を使用して通過（ｍｏｔｉｏｎｓ）又は閉塞（ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）を測定することができる。測定した通過及び閉塞は、クリアランス２０と相互に関連付けることができる。これらのセンサは、カリフォルニア州サンファンカピストラーノ所在のＥｎｄｅｖｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能である。

センサ２２は、ガスタービン１の特定のパラメータを制御するために使用する情報を提供する。図４は、ガスタービン１用の制御システム４０の例示的な実施形態を示す。制御システム４０は、「ｎ」個のセンサ２２を含む。「ｎ」個のセンサ２２は、ガスタービンエンジンコントローラ４１にクリアランス情報を提供する。図４の非限定的な実施形態では、ガスタービンエンジンコントローラ４１は、クリアランス情報を使用して燃料流４２及び入口ブリード加熱空気４３の少なくとも１つを制御する。他の実施形態では、ガスタービンエンジンコントローラ４１はまた、ガスタービン１の他のパラメータを制御してサージ状態及びブレードの摩擦の少なくとも１つを防止することができる。他の実施形態では、ガスタービンエンジンエンジンコントローラ４１は、ガスタービン１の一部ではなく該ガスタービン１に関連した装置を制御して、該装置の制御により、サージ状態及びブレードの摩擦の少なくとも１つを防止することができるようにすることができる。

始動時に、制御システム４０は、燃料流４２の流量を増加させて全出力運転までの時間を短縮することができる。制御システム４０は、クリアランス２０を監視して適接なクリアランス２０の量が存在することを保証することによって、流量を増加させることができる。制御システム４０はまた、部分出力運転時におけるガスタービン１の効率を向上させることができる。

一般的に、入口ブリード加熱空気４３は、部分出力運転時にサージラインに対する十分なマージンを保証するために使用される。入口ブリード加熱空気４３を使用することにより、加圧空気の全てが燃焼のために使用されることにならないので、ガスタービン１の効率が低下する。制御システム４０は、適切なクリアランス２０の量が存在することを判定することによって、小さいマージン（すなわち、サージラインに対するより少ないマージンを有する運転リミットライン）及び入口ブリード加熱空気４３の遅延起動での運転を可能にすることができる。制御システム４０によりまた、幾つかのその他の利点を得ることができる。

一般的に、サージラインから運転リミットラインまでのマージンは、ガスタービン１の経年と関連する劣化を考慮して増大させることができる。制御システム４０は、劣化がクリアランス２０に悪影響を与えているかどうかを判定することができる。劣化がクリアランス２０に悪影響を与えていない場合には、制御システム４０は、サージラインに対してマージンを増大させずにガスタービン１を運転することができる。制御システム４０は、ガスタービン１から大きな出力を発生させて増大した需要を満たすことができる。

ガスタービン１は、発電機を回転させて電力網システムに電力を供給するために使用することができる。一般的に、電力網システムに接続した商業電力供給者は、電力網規約のような特定の規格に従わなければならない。電力網規約では、電力網周波数が低下し始めた場合には電力出力を増大させるように商業電力供給者に要求することができる。制御システム４０を使用して、適切なクリアランス２０の量が存在するかどうかを判定して、サージリスクを増加させずに電力出力を増大させることができる。

図５は、ガスタービン１を制御する方法５０を表している。本方法５０は、クリアランス２０に関連する情報を受信する段階５１を必要とする。本方法５０はまた、サージ及びブレードの摩擦の少なくとも１つを防止するようにガスタービン１を制御する段階５２を必要とする。

本明細書の教示の態様を得るために、様々な構成要素を含みまた要求することができる。例えば、ガスタービンエンジンコントローラ４１は、アナログシステム及びデジタルシステムの少なくとも１つを含むことができる。デジタルシステムは、プロセッサ、メモリ、記憶装置、入力／出力インタフェース、入力／出力装置及び通信インタフェースの少なくとも１つを含むことができる。一般的に、機械可読媒体に記憶されかつ機械実行可能命令を含むコンピュータプログラム製品は、デジタルシステムにインプットすることができる。コンピュータプログラム製品は、クリアランス２０を監視しかつサージ及び圧縮機ブレード２７の摩擦を防止するようにガスタービン１を制御するための、プロセッサによって実行することができる命令を含むことができる。本明細書に説明した様々な態様を支援するのに又はこの開示を越えたその他の機能を支援するのに様々な構成要素を含むことができる。

コンピュータプログラム製品の技術的効果は、ガスタービン１の効率を向上させかつサージリスクの増加を防止することである。

様々な構成要素又は方法により、特定の必要な又は有益な機能又は機構を得ることができることが分かるであろう。従って、特許請求の範囲及びその変形形態を支援するのに必要となる可能性があるようなそれらの機能及び機構は、本明細書の教示の一部分及び開示した本発明の一部分として本来的に含まれていると認識されたい。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなくその要素に対して様々な変更を加えることができまたその要素を均等物で置き換えることができることを理解されたい。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく特定の装置、状況又は材料を本発明の教示に適合させるような多くの改良が、当業者には分かるであろう。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

ガスタービンの例示的な実施形態を示す図。 圧縮機段の例示的な実施形態の端面図。 圧縮機の例示的な実施形態の側面図。 ガスタービン用の制御システムの例示的な実施形態を示す図。 ガスタービンを制御する例示的な方法を示す図。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼チャンバ
４ タービン
５ シャフト
６ 発電機
７ 圧縮機段
８ ケーシング
２０ クリアランス
２８ フランジ
２７ 圧縮機ブレード
２２ センサ
４０ 制御システム
４１ ガスタービンエンジンコントローラ
４２ 燃料流
４３ 入口ブリード加熱空気
５０ 方法
５１ 受信する段階
５２ 制御する段階

Claims (10)

1. 圧縮機（２）を含むガスタービン（１）であって、
   前記圧縮機（２）内のブレード（２７）のクリアランス（２０）を測定するためのセンサ（２２）と、
   クリアランス（２０）情報を受信しかつ該クリアランス情報を使用してサージ及び前記ブレード（２７）の摩擦の少なくとも１つを防止するように該ガスタービン（１）を制御するためのコントローラ（４１）と、を含む、
   ガスタービン（１）。
2. 前記コントローラ（４１）が、該ガスタービン（１）への燃料流（４２）及び前記圧縮機（２）への入口ブリード加熱空気（４３）の少なくとも１つを制御する、請求項１記載のガスタービン（１）。
3. 前記センサ（２２）が、静電容量プローブ及びマイクロ波プローブの少なくとも１つである、請求項１記載のガスタービン（１）。
4. 前記センサ（２２）が、軸受の移動、ケーシング（８）の非真円度、シャフト（５）のサギング及び該シャフト（５）のバウンシングの少なくとも１つを検出する、請求項１記載のガスタービン（１）。
5. 圧縮機（２）を含むガスタービン（１）であって、
   前記圧縮機（２）内のブレード（２７）のクリアランスを測定するための複数のセンサ（２２）と、
   クリアランス（２０）情報を受信しかつ該クリアランス情報を使用して、サージ及び前記ブレード（２７）の摩擦の少なくとも１つを防止するように該ガスタービン（１）への燃料流（４２）及び前記圧縮機（２）への入口ブリード加熱空気（４３）の少なくとも１つを制御するためのコントローラ（４１）と、を含む、
   ガスタービン（１）。
6. 圧縮機（２）を含むガスタービン（１）を制御する方法であって、
   前記圧縮機（２）内のブレード（２７）のクリアランス（２０）に関連する情報を受信する段階と、
   サージ及び前記ブレードの摩擦の少なくとも１つを防止するように前記ガスタービン（１）を制御する段階と、を含む、
   方法。
7. 軸受の移動、ケーシング（８）の非真円度、シャフト（５）のサギング及び該シャフト（５）のバウンシングの少なくとも１つを検出する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
8. サージ条件に対するマージンを表示する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
9. 前記ガスタービン（１）が、付加的なサージリスクがない状態で生成することができる付加的な出力量を表示する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
10. 該方法が、機械可読媒体に記憶されかつ前記圧縮機（２）を含むガスタービン（１）を運転するための機械実行可能命令を含むコンピュータプログラム製品によって実施され、前記製品が、
    前記圧縮機（２）内のブレード（２７）のクリアランス（２０）に関連する情報を受信するための命令と、
    サージ及び前記ブレード（２７）の摩擦の少なくとも１つを防止するように前記ガスタービン（１）を制御するための命令と、を含む、
    請求項６記載の方法。

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