JP2010007663A - ターボ機械においてホイールスペース温度アラームを設定するための方法、システム及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械（１０）においてホイールスペース温度アラームを設定する方法（１００）を提供する。
【解決手段】本方法（１００）は、運転条件に基づいて予測ホイールスペース温度を計算するステップ（１０４）と、実ホイールスペース温度を測定するステップ（１０６）と、実ホイールスペース温度が予測ホイールスペース温度を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせるステップ（２００）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明の例示的な実施形態は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械においてホイールスペース温度アラームを設定する方法に関する。

燃焼タービンは、加圧空気流を形成する複数の段を有する圧縮機と、シャフトを駆動するタービンロータを有するタービンとを含む。運転時に、タービンロータにおける温度は、大幅に上昇する。タービンロータの周りに延びるホイールスペース内に圧縮機吐出空気を導くことによって、冷却が行われる。ホイールスペース温度は、圧縮機吐出空気温度と高温ガス通路温度との間の材料限界値に維持される。万一ホイールスペース温度が材料限界値を超えた場合には、アラーム音を発して、過昇温度状態を知らせる。材料限界値を超えた場合には、ターボ機械を運転停止しかつボアプラグを取外して、付加的な冷却流を供給する。様々な要因が、圧縮機吐出空気温度に影響する可能性がある。例えば、外気吸入空気温度が上昇するにつれて、圧縮機吐出空気温度が上昇する。従来型のホイールスペース温度モニタでは、外気温度又は運転温度の変化を考慮に入れない単一の柔軟性がない材料限界値が設定されている。

本発明の１つの例示的な実施形態によると、ターボ機械においてホイールスペース温度アラームを設定する方法は、運転条件に基づいて予測ホイールスペース温度を計算するステップと、実ホイールスペース温度を測定するステップと、実ホイールスペース温度が予測ホイールスペース温度を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせるステップとを含む。

本発明の別の例示的な実施形態によると、ターボ機械においてホイールスペース温度アラームを設定するためのシステムは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）を含み、ＣＰＵは、システムバスを介して、取外し可能データ記憶装置、プログラム記憶装置及び大容量データ記憶装置の少なくとも１つに接続した入力／出力（Ｉ／Ｏ）アダプタと、キーボード及びマウスに接続したユーザインタフェースアダプタと、表示装置に接続した表示アダプタと、その上に命令セットを記憶した少なくとも１つのメモリ装置とに機能的に相互接続される。ＣＰＵによって実行された時に、命令セットにより、本システムは、運転条件に基づいて予測ホイールスペース温度を計算し、実ホイールスペース温度を測定し、かつ実ホイールスペース温度が予測ホイールスペース温度を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせるようになる。

本発明のさらに別の例示的な実施形態によると、制御装置は、コンピュータ可読プログラムを含むコンピュータ使用可能媒体を備える。コンピュータ可読プログラムは、実行されると、運転条件に基づいて予測ホイールスペース温度を計算し、実ホイールスペース温度を測定し、かつ実ホイールスペース温度が予測ホイールスペース温度を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせる。

本発明の例示的な実施形態の技術によると、付加的な特徴及び利点が実現される。本明細書には、本発明のその他の実施形態及び態様を詳細に説明しており、それら実施形態及び態様は、特許請求した本発明の一部と考えられる。本発明をその利点及び特徴と共に一層良好に理解するためには、以下の説明及び図面を参照されたい。

本発明の例示的な実施形態による、ホイールスペース温度アラームを設定するためのシステムを備えたターボ機械のタービンセクションの概略断面図。 本発明の例示的な実施形態による、ホイールスペース温度アラームを設定する方法を示すフローチャート。 本発明の例示的な実施形態を実施するのに適した汎用コンピュータの概略ブロック図。

最初に図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成したガスタービンエンジンをその全体を参照符号１０で示している。タービンエンジン１０は、ホイールスペース１４に通じている軸方向流路１２を含み、ホイールスペース１４内には、バケット及びノズルを用いた複数のタービン段が配置される。図示するように、タービンエンジン１０は、第１段ノズル１６及び第１段バケット２０を有する第１タービン段１５と、第２段ノズル２２及び第２段バケット２６を有する第２タービン段２１と、第３段ノズル２８及び第３段バケット３２を有する第３タービン段２７とを含む。各タービン段１５、２１及び２７は、タービンホイール（図示せず）に連結される。言うまでもなく、タービン１０は、関連するノズル及びバケット（図示せず）を有する付加的なタービン段を含むことを理解されたい。

タービン１０は、その全体を参照符号３４で示した、ホイールスペース温度アラームを設定するためのシステムを含む。システム３４は、制御装置４０を含み、制御装置４０は、以下で説明するように、現在の運転条件を反映した計算予測ホイールスペース温度を実ホイールスペース温度と比較することに少なくとも部分的に基づいて、ホイールスペース内の過昇温度状態を判定する。その目的のために、制御装置４０は、外気温度センサ４８及び複数のホイールスペース温度センサ５０〜５４に接続される。本発明の例示的な実施形態によると、各温度センサ４８及び５０〜５４は、サーモカップルの形態になっているが、本発明の技術思想から逸脱せずに様々な形式の温度検知装置を使用することができることを理解されたい。加えて、制御装置４０は、アラーム６０及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置６５に接続され、入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置６５は、プログラミング、データレコーディングなどを可能にするユーザインタフェースを提供する。

次に、タービン１０においてホイールスペース温度アラームを設定する方法１００を説明するのに、図２を参照する。図示するように、ブロック１０２で示すようにオンボード性能モデルを作動させる。オンボード性能モデルは、エンジンデータを測定しかつ時間の経過と共に運転パラメータを測定パラメータに一致するようさせる、ガスタービン１０の熱力学モデルである。このようにして、オンボード性能モデルは、直接測定することができない運転パラメータ／状態を評価しかつ予測する。この時点で、制御装置４０は、ブロック１０４で示すように、現在の運転条件に基づいて予測ホイールスペース温度を計算する。制御装置４０は、センサ４８負荷状態並びに履歴データ／トレンドにより外気空気温度を評価して、タービン１０の現在の運転条件に基づいて予測ホイールスペース温度を求める。制御装置４０はまた、ブロック１０６に示すように、センサ５０〜５４によって実ホイールスペース温度を測定する。この時点で、ブロック１０６で取得した実温度は、ブロック１１０に示すように、ブロック１０４で取得した予測／計算温度と比較される。

ブロック１１０において、実温度と予測／計算温度とを比較した後に、過昇温度アラームの信号を発すべきであるか否かの判定を行う。より具体的には、ブロック１２０において、ブロック１０６で取得した測定温度が所定の限界値を超えているか否かの判定を行う。本発明の例示的な態様によると、この所定の限界値は変化することになる。それに限定されないが、エンジンモデル及びホイールスペースのような様々な要因が、所定の限界値を設定する一因となることになる。ブロック１３０において、予測／計算温度が測定温度よりも規定量だけ高いか否かの判定が行われる。本発明の例示的な態様によると、この規定量は変化することになる。それに限定されないが、設置場所のような様々な要因が、予測／計算温度からの許容可能な偏差を設定する一因となることになる。ブロック１４０において、規定の暑い日についての予測温度が計算され、かつブロック１４５において、その暑い日についての予測／計算温度が所定の限界値以上であるか否かの判定を行う。言うまでもなく、暑い日を定義する温度レベル及び所定の限界値は、例えばエンジン部位、負荷などに基づいて変化することになる。加えて、各センサ５０〜５４によって検知される温度についての限界値は、センサ位置に応じて変化させることができる。ブロック１５０において、様々な温度での合計運転時間を追跡し、かつ特定の温度すなわちいずれの温度での合計時間が所定の限界値以上であるか否かの判定を行う。ブロック１２０、１３０、１４５及び１５５において判定した状態のいずれかがそうである場合には、過昇温度アラームの信号を発する。この時点で、運転状態をパラメータ外のホイールスペース温度に適応させるような是正策が取られる。例えば、ホイールスペース内に付加的な冷却空気を導いて、温度をパラメータ内の範囲に戻すことができる。

所定の限界値に対して及び現在の運転条件に基づいた計算予測温度に対して実温度を比較することによって並びに様々な温度状態での稼動時間を追跡することによって、過昇温度状態を示す警報は、リアルタイム運転状態を一層緊密に反映したものになる。より具体的には、より寒い日における暑い日の温度を予測すること及び特定の温度での又は温度範囲内での稼動時間を追跡することによって、本発明の例示的な実施形態は、外気温度の変動を考慮しない確定／固定単一ポイント限界値ではなくて確率的限界値に基づいて過昇温度警報を設定する。このようにして、本発明の例示的な実施形態は、タービンが冷却空気を必要とする時期を予測することによって運転コストを低下させかつさらに必要に応じての予防保全作業を減少させる。

この時点で、本発明の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はそれらのある組合せとして実施することができることを理解されたい。１つの実施例として、制御装置４０は、適当な高出力固体スイッチ装置の形態を取ることができる。この図示した例示的な実施形態では、制御装置４０は、中央演算処理装置又はＣＰＵとなっている。しかしながら、これは、本発明の技術的範囲内にある適当な高出力制御装置の単なる実施例に過ぎない。それに限定されないが、本発明の実施例では、制御装置４０は、シリコン制御整流器(ＳＣＲ)、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）及び絶縁ゲートバイポーラトランジスタの少なくとも１つを含むことができる。制御装置４０はまた、ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡなどの離散要素回路又はプログラマブル論理デバイスを含む配線電子又は論理回路のような様々な分離専用又はプログラマブル集積又はその他の電子回路又は装置を使用して、実施することができることが、当業者には分かるであろう。

制御装置４０はまた、図３に参照符号４００で示すようなマイクロプロセッサ又はマイクロ制御装置或いはその他の処理装置などの適当なプログラム汎用コンピュータを使用して、実施することができる。コンピュータ４００は、少なくとも１つのマイクロプロセッサ又は中央演算処理装置（ＣＰＵ）４０５を含む。ＣＰＵ４０５は、バス４１０を介して、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４１５と、リードオンリメモリ(ＲＯＭ)４２０と、取外し可能データ及び／又はプログラム記憶装置４３０並びに大容量データ及び／又はプログラム記憶装置４３５を接続するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ４２５と、キーボード４４５及びマウス４５０を接続するためのユーザインタフェースアダプタ４４０と、データポート４６０を接続するためのポートアダプタ４５５と、表示装置４７０を接続するための表示アダプタ４６５とに相互接続される。

ＲＯＭ４２０は、コンピュータシステム４００用の基本オペレーティングシステムを含む。それに代えて、オペレーティングシステムは、当技術分野では公知であるようにＲＡＭ４１５又はその他の場所に常駐させることができる。取外し可能データ及び／又はプログラム記憶装置４３０の実施例には、フロッピドライブ及びテープドライブのような磁気媒体、並びにＣＤ ＲＯＭドライブのような光媒体が含まれる。大容量データ及び／又はプログラム記憶装置４３５の実施例には、ハードディスクドライブ及びフラッシュメモリのような非揮発性メモリが含まれる。キーボード４４５及びマウス４５０に加えて、ユーザインタフェース４４０には、トラックボール、ライティングタブレット、圧力パッド、マイクロフォン、ライトペン及び位置検知スクリーン表示装置を接続することができる。表示装置の実施例には、ブラウン管（ＣＲＴ）及び液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が含まれる。

適切なアプリケーションインタフェースを備えたコンピュータプログラムは、当業者によって作成しかつシステム或いはデータ及び／又はプログラム記憶装置上に記憶させて、本発明の実施を単純化することができる。動作中、本発明を実行するように作成したコンピュータプログラム用の情報並びにコンピュータプログラムは、適切な取外し可能データ及び／又はプログラム記憶装置４３０上にロードさせ、データポート４６０を通して供給し或いはキーボード４４５を使用して打ち込むことができる。一般的に、その上で有限状態機械が本出願に示したフローチャートを実行することができる何らかのデバイス又は同様のデバイスを制御装置として使用することができる。図示するように、分散型処理アーキテクチャが、最大データ及び／又は信号処理性能及び速度において好ましい。

さらに、本明細書に記載したフロー図は、単に実施例であることを理解されたい。フロー図に記載したこのダイアグラム或いはステップ（又は工程）に対しては、本発明の技術思想から逸脱せずに多くの変形形態が存在することができる。例えば、それらステップは、異なる順序で実行することができ、或いはステップを追加し、削除し又は修正することができる。これらの変形形態は、特許請求発明の一部と考えられる。

本発明の要約の結果として、ターボ機械においてホイールスペース温度の柔軟性がある追跡を可能にする解決策を技術的に達成した。運転条件に基づいた計算予測温度に対して実温度を比較することによって、過昇温度状態を示す警報は、リアルタイム運転状態を一層緊密に反映したものになる。より具体的には、より寒い日における暑い日の温度を予測すること及び特定の温度での又は温度範囲内での稼動時間を追跡することによって、本発明の例示的な実施形態は、外気温度の変動を考慮しない確定／固定単一ポイント限界値ではなくて確率的限界値に基づいて過昇温度警報を設定する。このようにして、本発明の例示的な実施形態は、タービンが冷却空気を必要とする時期を予測することによって運転コストを低下させかつさらに必要に応じての予防保全作業を減少させる。

全体として、本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、さらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の当業者による実施を可能にする。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、また当業者が想到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。

１０ タービンエンジン
１２ 軸方向流路
１４ ホイールスペース
１５ 第１タービン段
１６ 第１段ノズル
２０ 第１段バケット
２１ 第２タービン段
２２ 第２段ノズル
２６ 第２段バケット
２７ 第３タービン段
２８ 第３段ノズル
３２ 第３段バケット
３４ ホイールスペース温度アラームシステム
４０ 制御装置
４８ 外気温度センサ
５０−５４ ホイールスペースセンサ
６０ アラーム
６５ 入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置
１００ 方法
１０２ オンボード性能モデルを稼働させる
１０４ 予測ホイールスペース温度を計算する
１０６ 実ホイールスペース温度
１２０ 測定＞限界
１３０ 計算＞測定
１４５ 暑い日＞限界
１５０ Ｔでの稼働時間を追跡する
１５５ Ｔでの稼働時間＞限界
２００ アラーム
４００ コンピュータ
４０５ ＣＰＵ
４１５ ＲＡＭ
４２０ ＲＯＭ
４２５ Ｉ／Ｏアダプタ
４３０ 取外し可能記憶装置
４３５ プログラム記憶装置
４４０ ユーザインタフェースアダプタ
４４５ キーボード
４５０ マウス
４５５ ポートアダプタ
４６０ データポート
４６５ 表示アダプタ
４７０ 表示装置

Claims (6)

1. ターボ機械（１０）においてホイールスペース温度アラームを設定する方法（１００）であって、
   サイクル条件に基づいて予測ホイールスペース温度を計算するステップ（１０４）と、
   実ホイールスペース温度を測定するステップ（１０６）と、
   前記実ホイールスペース温度が前記予測ホイールスペース温度を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせるステップ（２００）と、を含む、
   方法（１００）。
2. 前記ホイールスペースについて所定の材料限界値を設定するステップ（１２０）と、
   前記実ホイールスペース温度が前記所定の材料限界値を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせるステップ（２００）と、
   をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
3. 複数のホイールスペース温度の各々でのターボ機械（１０）稼働時間を求めるステップ（１５０）と、
   前記複数のホイールスペース温度の各々について稼働時間限界値を設定するステップ（１５５）と、
   前記ターボ機械が前記複数のホイールスペース温度の１つについて前記稼働時間限界値を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせるステップ（２００）と、
   をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
4. ターボ機械（１０）においてホイールスペース温度アラームを設定するためのシステム（４００）であって、
   制御装置（４０５）を含み、前記制御装置（４０５）が、システムバス（４１０）を介して、
   取外し可能データ記憶装置、プログラム記憶装置（４３０）及び大容量データ記憶装置（４３５）の少なくとも１つに接続した入力／出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ（４２５）と、
   キーボード（４４５）及びマウス（４５０）に接続したユーザインタフェースアダプタ（４４０）と、
   表示装置（４７０）に接続した表示アダプタ（４６５）と、
   その上に命令セットを記憶した少なくとも１つのメモリ装置（４１５、４２０）と、に機能的に相互接続され、
   前記制御装置（４０５）によって実行された時に、前記命令セットにより、該システムが、
   運転条件に基づいて予測ホイールスペース温度を計算し（１０４）、
   実ホイールスペース温度を測定し（１０６）、かつ
   前記実ホイールスペース温度が前記予測ホイールスペース温度を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせる（２００）、ようになる、
   システム（４００）。
5. 前記制御装置によって実行された時に、前記命令セットにより、該システムが、
   前記ホイールスペース（１４）について所定の材料限界値を設定し（１２０）、かつ
   前記実ホイールスペース温度が前記所定の材料限界値を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせる（２００）、ようになる、
   請求項４記載のシステム（４００）。
6. 前記制御装置によって実行された時に、前記命令セットにより、該システムが、
   複数のホイールスペース温度の各々でのターボ機械（１０）稼働時間を求め（１５０）、
   前記複数のホイールスペース温度の各々について稼働時間限界値を設定し（１５５）、かつ
   前記ターボ機械が前記複数のホイールスペース温度の１つについて前記稼働時間限界値を超えた場合に過昇温度状態を信号で知らせる（２００）、ようになる、
   請求項４記載のシステム（４００）。

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