JP2009185807A - タービン冷却装置及び関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より低い抽出段において抽出した空気の圧力を選択的に増圧することによって、ガスタービン（２１４）を冷却及び／又はシールするための装置及び方法を提供する。
【解決手段】タービン構成要素の冷却及び／又はシールに抽出空気（２２６）が使用可能とになる前に、抽出空気（２２６）の圧力を外部ブースタ圧縮機（２４２）によって増圧する。バイパス管路（２２８）は、タービンを冷却するための空気を供給するより高い抽出段を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスタービンを冷却及び／又はシールするための装置及び方法に関する。

ガスタービン（「ＧＴ」）は一般的に、主ＧＴ圧縮機の１つ又はそれ以上の段／ポートから抽気した空気（抽気）を使用して、ＧＴ内部の高温ガスの通路内における構成要素の冷却及び／又はシールを行う。空気は、圧縮機から抽出され、タービンセクション内の冷却を必要とする場所に外部から送られる。圧縮機内で加圧されるが燃焼ガスを発生させるのには使用されない空気は、エンジンの効率を低下させる。従って、圧縮機から抽気される冷却空気の量を減少させることが望ましい。

この空気は、冷却システム内への意図せぬ高温ガス進入を防止するために、ＧＴ内部の高温燃焼ガスの圧力と比べて十分に高い圧力（背圧マージン）を有しなくてはならない。タービン構成要素が必要とする圧力により、圧縮機から空気を抽出する段が決定される。十分な送給圧力を確保するためには、より高い圧力を有する抽気段／ポートを選択することが望ましい。ストール及びサージを排除するような抽気ポートの位置は、圧縮機段に沿った使用可能な抽気ポイントを限定するもう１つのパラメータである。しかしながら、圧縮機の可能な限り最早の段から空気を抽出することは、抽出空気内の仕事損失量を減少させることによって圧縮機効率を高めることになる。従って、圧縮機の可能な限り最低の段の抽気を使用して、十分な背圧マージンを有するタービン構成要素のための冷却流を得ることが望ましい。

圧縮機は、ガスタービンの全作動条件にわたってタービン冷却に適した圧力の空気を抽出するために、異なる段に設置された抽気ポートを有する。しかしながら、最悪の作動条件（つまり、作動負荷、周囲温度）における設計要件（例えば、最少流れ、背圧マージン、ソース対シンクの圧力比）を満たすようにシステムを寸法決めすることは、他の作動条件時において過剰な圧縮機抽気を招く。このことにより、有効出力及び効率の両方における低下が生じる。

図１は、ターボ機械における従来型の冷却システムの作動原理を示している。圧縮機１０は、周囲空気を引入れる入口１６を有する。圧縮機空気は、圧縮機の様々な位置から抽出しかつ冷却を必要とするタービン１４内の様々な場所に供給することができる。抽出位置は、必要な圧力で空気を供給するように選択される。残りの圧縮機空気１８は、燃焼器１２に供給され、燃焼器１２において、空気は燃料２０と混合される。次に、高温燃焼ガスが、ストリーム２２としてタービン構成要素１４に供給される。単一シャフト３４が、発電機３２を駆動する。流れストリーム２６、２８及び３０は、圧縮機からの抽出冷却空気を表しており、これら抽出冷却空気は、高温ガス通路構成要素を冷却するためにターボ機械のタービンセクションに送られる。ストリーム２６及び２８は、それぞれ低圧及び中圧冷却媒体を供給し、またそれらストリームは、外部配管を介して冷却を必要とする部分に送ることができる。ストリーム３０は、高圧冷却媒体を供給し、背圧マージン並びに質量流量要件を満たすために、より高い段ユニット（例えば、第１５段、第１６段、又は圧縮機吐出口）から抽出される。ストリーム３０は一般的に、ターボ機械の内部で、例えば圧縮機−タービンロータ間のボアを通して送られる。

中圧及び／又は低圧空気は、それら空気が例えばタービン段ノズルなどのタービン１４に流入する前に、従来型のオリフィスを通して流され、このオリフィスにより、送給される質量流量を冷却に合わせて調整しかつ過剰な圧力を低下させる。しかしながら、固定オリフィスでは、１日の周囲温度変動に合せた調整は行われない。周囲温度における変動は、空気圧力の変動を引き起こすので、この設計では、過剰な冷却流量抽出と付随した性能低下とを招く。

上記のシステムの改良として、一般的に中圧及び／又は低圧空気の通路内に流量調整弁を導入して、１日の周囲温度変動に合せて冷却質量流量を調整するのを助けるようにしている。しかしながら、これでは、スロットル操作の必要性が排除されない。

米国特許第６５５０２５３号に説明されているような更なる改良には、中間流路内におけるエジェクタの使用が含まれる。この改良型のシステムでは、より低い段流れ（例えば、第７段抽出空気）が、吸出し流れ（suction flow）として働き、また中間段抽出空気（例えば、第１３段からの）が、動力流れ（motive flow）として使用される。これにより、高価な中間段冷却空気及び関連する加圧仕事の節減が得られる。エジェクタの性能は、上流吸出し圧力並びに吐出圧力の変動に対して非常に敏感である。この理由により、性能は、１日の周囲温度変動によって大きく影響を受ける。

Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙ特許（米国特許第６３８９７９３号）は、別の冷却方法を開示しており、この方法では、周囲空気を吸入する外部圧縮機が主ＧＴ圧縮機と並列に取付けられる。これは、燃焼のために使用できる空気を増加させ、従ってＧＴの出力を増大させる。図２は、この別の方法の実施例を示している。便宜上、対応する構成要素について、図１で使用した参照符号と同様な、頭に「１」を付した参照符号を使用している。それぞれの低圧、中圧及び高圧冷却空気ストリーム１２６、１２８及び１３０は、モータ１３８によって駆動される別個の外部圧縮機１３６によって発生される。しかしながら、この方法は、高い圧力比を供給する外部圧縮機を必要とし、従ってそれ相応に設計しなくてはならない。加えて、この方法に必要な体積流量は高く、従って外部圧縮機寸法、重量、従ってまたコストが増大することになる。

Ｋｏｚａｋ特許（米国特許第４９０１５２０号）は、ＧＴエンジンのための冷却システムを開示しており、この冷却システムでは、空気は、最終段圧縮機から抽気され、その後にエンジンのタービンセクションに該空気が送給される前に二次圧縮機によって付加的に加圧してその圧力を増大させる。しかしながら、上記の冷却システムでは、二次圧縮機が、ガスタービンの内部、つまり第１の主圧縮機の延長部内に設けられる。抽出圧力が高いことに加えて、二次圧縮機後の空気の最終温度は、高いまま維持される。従って、冷却流量要件の低下及び関連する非充填空気減少の何らの利点も存在しないことになる。

米国特許第６５５０２５３号明細書 米国特許第６３８９７９３号明細書 米国特許第４９０１５２０号明細書 米国特許第５７２４８０６号明細書 米国特許第５７７８６７５号明細書 米国特許第５７８２０７６号明細書 米国特許第６０３８８４９号明細書

本明細書に記載しているのは、抽出段から抽出した流体流れの圧力を選択的に増圧することによってターボ機械内の流体流れを調整するための装置及び方法である。第１の流体流れは、ターボ機械の圧縮機において確立され、かつ該流体流れの圧力を選択的に増圧するためにターボ機械の外部構成要素に導かれる。得られた第２の流体流れは、ターボ機械の内部構成要素を冷却するために該内部構成要素に導かれる。本方法は、従来型の設計において行われているような、圧力を使用可能な圧縮機抽出ポートによって決定される供給ポイント圧力よりも遙かに高く上昇させる必要性を排除し、従って例えばガスタービンなどの冷却されるターボ機械の効率を高める。その結果生じた冷却空気の吐出温度の低下により、圧縮機から抽出される全質量が減少し、従ってターボ機械の燃焼室の下流で付加される充填空気を減少させることになる。燃焼器への質量流量の増加は、ガスタービン内でより多くの燃料を燃焼させることによって、より多くの出力を発生する。

１つの実施形態では、本装置は、そこから第１の流体流れが形成されかつターボ機械の外部における第１の部位に導かれる抽出ポートと、第１の流体流れの圧力よりも高い圧力を有する第２の流体流れを確立するターボ機械の外部の構成要素とを含む。その後、第２の流れは、ターボ機械内の構成要素を冷却及び／又はシールするために、該ターボ機械の内部における第２の部位に導かれる。

別の実施形態では、ターボ機械の内部に冷却及び／又はシール空気を供給する方法は、抽出段から第１の流体流れを抽出するステップと、該流れをターボ機械の外部における第１の部位に導きかつ第１の流体流れの圧力よりも高い圧力を有する第２の流体流れを形成するステップと、増圧した圧力を有する第２の流体流れをターボ機械の内部における構成要素に送給するステップとを含む。

ガスタービンのための従来型の冷却方法の概略図。 周囲空気を吸入する外部圧縮機を使用した従来型の冷却方法の変更形態を示す図。 本発明の実施形態による、ガスタービンのための冷却方法の概略図。

図３は、選択的増圧を使用してターボ機械内の流体流れの特性を制御するための例示的な実施形態を示している。ここでもまた、便宜上、対応する構成要素について、図１で使用した参照符号と同様な、頭に「２」を付した参照符号を使用している。選択的増圧という用語は、冷却空気として高圧の圧縮機空気をそのまま使用する代わりに、ターボ機械の圧縮機の抽出段から抽出した空気の圧力を少なくとも部分的に所望の値に上昇させ、かつこの空気をターボ機械のガスタービン構成要素の冷却及び／又はシールのために使用することを意味する。

１つの例示的な実施形態では、空気２２６は、比較的低い圧力の空気を有する圧縮機段（例えば、第９段）から抽出され、該空気２２６は、遮断弁２４０を通って流れた後に、外部ブースタ圧縮機２４２に達する。外部ブースタ圧縮機は、流入空気の圧力を必要な値まで上昇させ、かつ該流入空気を外部ブースタ圧縮機の下流でタービン２１４の例えばタービン段ノズル及び空洞などの構成要素の冷却及び／又はシールのために使用可能にする。これと対照的に、従来型の冷却システムでは、より低い段（例えば、圧縮機の第１３段）以外のより高い段からの抽出を使用して、背圧要件を満たす冷却空気を形成する。

別の例示的な実施形態では、中圧段（例えば、圧縮機の第１３段）から抽出した空気２２８でタービンを冷却するバイパス管路が形成される。空気２２８は、該空気２２８がタービン２１４に送給される前に調整弁２４４を通って流れる。バイパス管路として働く既存の管路（例えば、図１及びその中の管路２８を参照）を設けておくことは、外部圧縮機が故障した場合に冷却流れを可能にし、従ってタービンのための冷却及び／又はシール作用を回復して、冷却及び／又はシールシステムの信頼性を向上させかつ既存のシステムをこの設計に改造するのを容易にする。

主管路及びバイパス管路に加えて、主管路２２６から分岐した管路２３６を設けることができる。この管路２３６は、従来型の冷却システムにおけるのと同じ後方タービン段に供給する低圧抽出管路に相当する。空気２３６は、該空気２３６がタービンの異なる部位において使用可能になる前に調整弁２４４を通って流れる。さらに、管路２３０は、例えば圧縮機の第１５段又は第１６段或いは圧縮機吐出ポイントなどから抽出された比較的高圧の抽気を表している。この空気は、内部を通して送られ、例えば燃焼ライナ、第１段及び／又は第２段バケット、前方段及びノズルなどのタービンのその他の部位を冷却するために使用される。

より低い段の加圧空気の使用により、ブースタ圧縮機の高い圧縮比に対する必要性が排除される。さらに、体積流量は、従来型の周囲空気吸入冷却システムと比べて大幅にすなわち殆ど７分の１に低減され、従って所望の圧縮機寸法、重量及びコストを低下させる。

本明細書に示したこの例示的な実施形態の冷却方法は、タービン構成要素冷却のための供給ポイント圧力よりも遙かに高く圧力を上昇させるのに必要な圧縮機仕事を排除する。このことは、必要とされるブースタ圧縮機出力を調整した後であっても、ガスタービンの効率及び正味ガスタービン出力を高める。

加えて、吐出圧力の低下による冷却空気の吐出温度の低下は、圧縮機から抽出される全空気質量を減少させることになる。このことは、非充填空気使用可能性を増大させて、燃焼器への質量流量を増加させることになる。増加した空気は、ＧＴ内でより多くの燃料を燃焼させることによって出力を増大させるために使用することができる。

選択的増圧を使用する冷却及びシールシステムは、市場購入可能な外部圧縮機を利用するが、これらの外部圧縮機は、エジェクタのような装置と比較して遥かに効率が良い、例えば熱的、電気的、油圧的、化学的な動力源又はそれらの組合せを使用して動力供給することができる。さらに、それらの性能は、１日の周囲温度変動に対して極めて敏感ということはない。

本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、またさらに当業者があらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること並びにあらゆる組入れた方法を実行することを含む本発明の実施を行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

現時点で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連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属す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。

１０、１１０、２１０ 圧縮機
１２、１１２、２１２ 燃焼器
１４、１１４、２１４ タービン
１６、１１６、２１６ 入口空気
１８、１１８、２１８ 燃焼器に供給される圧縮機空気
１３６ 外部圧縮機
１３８ モータ
２０、１２０、２２０ 燃料
２２、１２２、２２２ タービンに供給される圧縮機空気
２６、１２６、２２６ 低圧抽気
２８、１２８、２２８ 中圧抽気
２２６ 主管路
２２８ バイパス管路
２３６ 低圧抽気管路
２４０ 遮断弁
２４２ 外部ブースタ圧縮機
２４４ 調整弁
３０、１３０、２３０ 高圧抽気
３２、１３２、２３２ 発電機
３４，１３４、２３４ シャフト

Claims (10)

1. ターボ機械内に冷却及び／又はシール用流体流れを供給する方法であって、
   ａ）前記ターボ機械内で第１の流体流れ（２２６）を確立しかつ該第１の流体流れを前記ターボ機械の外部における第１の部位に流すステップと、
   ｂ）前記第１の流体流れの圧力よりも高い圧力を有する第２の流体流れを前記第１の部位において確立するステップと、
   ｃ）前記第２の流体流れを前記ターボ機械の内部における第２の部位に送給するステップと、を含み、
   前記第１の流体流れ（２２６）を確立するステップが、前記ターボ機械の一部をなす圧縮機（２１０）の段から該第１の流体流れ（２２６）を抽出するステップを含み、
   前記第２の流体流れを確立するステップが、外部ブースタ圧縮機（２４２）を通して前記第１の流体流れ（２２６）を流すステップを含み、
   前記第２の流体流れを第２の部位に送給するステップが、前記ターボ機械の一部をなすガスタービン構成要素（２１４）に該第２の流体流れを供給するステップを含む、
   方法。
2. 前記第１の流体流れ（２２６）が前記外部ブースタ圧縮機（２４２）に流入する前に、第１の遮断弁（２４０）を通して該第１の流体流れ（２２６）を流すステップと、
   前記外部ブースタ圧縮機（２４２）から流出した流体流れが前記第２の部位に送給される前に、第２の遮断弁（２４０）を通して該流体流れを流すステップと、
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ターボ機械内で第３の流体流れ（２２８）を確立しかつ該第３の流体流れを前記ターボ機械の第２の部位内に送給するステップをさらに含み、
   前記ターボ機械内で第３の流体流れ（２２８）を確立するステップが、該ターボ機械の一部をなす前記圧縮機（２１０）の別の段から前記第１の流体流れ（２２６）の圧力よりも高い圧力で前記第３の流体流れ（２２８）を抽出するステップを含む、
   請求項１記載の方法。
4. 調整弁（２４４）を通して前記第３の流体流れ（２２８）を流すステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 前記第２の流体流れの温度が、前記第３の流体流れ（２２８）の温度よりも低く、
   それにより、冷却質量流量要件が低下し、前記ターボ機械の一部をなす燃焼器（２１２）への質量流量が増加し、かつ該ターボ機械の出力が増大する、
   請求項３記載の方法。
6. ターボ機械内に冷却及び／又はシール用流体流れを供給するための装置であって、
   ａ）前記ターボ機械内で第１の流体流れ（２２６）を確立しかつ該第１の流体流れを前記ターボ機械の外部における第１の部位に流すための第１の抽出ポートと、
   ｂ）前記第１の流体流れの圧力よりも高い圧力を有する第２の流体流れを前記第１の部位において確立するための該第１の部位における前記ターボ機械の外部の構成要素（２４２）と、を含み、
   前記第２の流体流れが、前記ターボ機械の内部における第２の部位に送給され、
   前記第１の流体流れ（２２６）が、前記ターボ機械の一部をなす圧縮機（２１０）の第１の抽出ポートから抽出されかつ外部ブースタ圧縮機（２４２）を通って流れて前記第２の流体流れを確立し、
   前記第２の流体流れが、前記ターボ機械の一部をなすガスタービン構成要素（２１４）に送給される、
   装置。
7. 前記第１の抽出ポートと前記外部ブースタ圧縮機（２４２）との間に配置された第１の遮断弁（２４０）と、
   前記外部ブースタ圧縮機（２４２）と前記第２の部位との間に配置された第２の遮断弁（２４０）と、
   をさらに含む、請求項６記載の装置。
8. 前記ターボ機械内で第３の流体流れ（２２８）を確立しかつ該第３の流体流れ（２２８）を前記ターボ機械の第２の部位内に送給して該ターボ機械システムの信頼性及び該現存システムの改造可能性を増大させるようになったバイパス管路（２２８）をさらに含む、請求項６記載の装置。
9. 前記第２の抽出ポートと前記第２の部位との間に配置された調整弁（２４４）をさらに含む、請求項８記載の装置。
10. 前記第２の流体流れの温度が、前記第３の流体流れ（２２８）の温度よりも低く、
    それにより、冷却質量流量要件が低下し、前記ターボ機械の一部をなす燃焼器（２１２）への質量流量が増加し、かつ該ターボ機械の出力が増大する、
    請求項８記載の装置。

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