JP2010174886A - 停止中のガスタービンからの熱損失を低下させるシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの動作サイクル中、特に停止サイクル中に、ステータとロータの構成要素の間の熱応答における差を低下させること。
【解決手段】方法が、コンプレッサ区画（２０２）、タービン区画（２０４）、および抽気冷却システム（２０１）を備えるガスタービン（２００）を動作させる。方法は、ガスタービン（２００）の動作を監視するステップと、ガスタービン（２００）の通常の動作に応答して、冷却空気流を抽気冷却システム（２０１）を通してコンプレッサ区画（２０２）からタービン区画（２０４）へ導くステップと、ガスタービン（２００）の停止に応答して、加温空気流を抽気冷却システム（２０１）を通してコンプレッサ区画（２０２）およびタービン区画（２０４）へ導くステップとを含む。
【選択図】図３

Description

本開示は、一般にガスタービンに関し、より詳細には、停止中のガスタービンからの熱損失を低下させるシステムおよび方法に関する。

典型的なガスタービンは、一般に、コンプレッサ、少なくとも１つの燃焼器、およびタービンを含む。コンプレッサは、圧縮された空気を燃焼器に供給する。燃焼器は、圧縮された空気を燃料によって燃焼し、加熱された気体を生成する。加熱されたガスは、タービンによって膨張され、有用な仕事を生成する。

特に、ガスタービンは、機械の外面を画定するステータケースを備えることができ、ロータは、機械の内部でステータケースを貫通して長手方向に延出することができる。タービン内では、いくつかのタービンブレードが、ロータと結合されたディスクの周囲に配置され、加熱された気体が膨張すると、エネルギーがタービンブレードに伝達される。その結果生じるロータの回転は、有用な仕事が得られるように、発電機または他の負荷に伝達できる。ロータの回転は、圧縮された空気を生成するために、コンプレッサにおいても使用できる。この目的で、いくつかのコンプレッサブレードを、コンプレッサ内でロータの周りに配置できる。

ガスタービンの動作中に、タービンの様々な構成要素が膨張および収縮する。たとえば、タービンの動作に関連した比較的高い温度のために、熱膨張が起こる可能性があり、また、内部の構成要素の回転に関連した向心力のために、機械的膨張が起こる可能性がある。

ガスタービンに伴う１つの問題として、異なる様々な比率で様々な構成要素が膨張および収縮する。材料、ジオメトリ、位置、および目的における構成要素間の違いから、様々な比率が生じる。膨張率および収縮率における不一致に対応するために、ガスタービンにはブレードの先端とシュラウドの間に隙間が設計導入されている。隙間は、ブレードがシュラウドに接触せずに膨張することができるようにすることによって、タービンが損傷する危険を低下させる。しかし、隙間により、加熱されたガスの一部分が有用な仕事を行うことなくブレードを通って逃げてしまい、そうでない場合に抽出が可能なエネルギーが無駄になることで、タービンの効率がかなり低下する。コンプレッサには、同様の隙間がコンプレッサブレードとコンプレッサケースの間に設計導入され、それによって空気が圧縮せずにコンプレッサブレードを通って逃げる可能性がある。

隙間の大きさは、これらの段の間にガスタービン内の熱的および機械的な条件が変わるため、ガスタービンの動作サイクルにおける段の間で変わる可能性がある。ガスタービンの動作サイクルの１つの例が、図１に概略的に示される。図示されるように、一般に、ガスタービンは、ロータ速度を上昇させることによって「コールドスタート」から始動し、次いで負荷を引き込み、その負荷はタービンブレードの先端とタービンシュラウドの間の隙間に例示された効果を有する。次いでガスタービンは、知られた問題を補正するなどのため、短い期間の間、停止することができる。停止中に、負荷が解除される可能性があり、ロータ速度が低下する可能性があり、構成要素が収縮および冷却し始める可能性がある。その後「ホットリスタート」が生じる可能性があり、構成要素が低温ビルドの状態に戻る前に、ガスタービンが再始動する。

これらの動作段階の間、隙間が、様々な「ピンチポイント」において比較的最小になる可能性がある。たとえば、タービンは、最高速度、無負荷（ＦＳＮＬ）かつ最高速度、およびタービンが定常状態（ＳＳ ＦＳＦＬ）を達成する前の最大負荷（ＦＳＦＬ）でピンチポイントになる可能性がある。これらのピンチポイントのそれぞれにおける隙間は、コールドスタートサイクル中とホットリスタートサイクル中とで異なる可能性があり、最高速度、最大負荷におけるホットリスタートサイクル中に生じる隙間は最小である。こうした理由で、ガスタービンは、ホットリスタート、最高速度、最大負荷における限界点に対応するために選択された、低温ビルドの隙間を有して設計され、それによってタービンが定常状態において非効率な大きな隙間を伴って稼働することになる。言い換えれば、低温ビルドの隙間は、ホットリスタートサイクル中に先端が擦れるのを防止するのを考慮して選択され、コールドスタート中および定常状態の動作中に最大効率を得ることを考慮して選択されてはいない。

ホットリスタートサイクル中に観察される、余裕のない隙間は、部分的にはガスタービンが、停止中に内側（ロータ）よりも外側（ステータ）で比較的より速く冷却するためである可能性がある。たとえば、タービンの内側の構成要素は、暖かいままになる可能性があり、一方、ステータケースは、内側に向かって冷却し、収縮する可能性がある。ステータケースの冷却は、停止中にガスタービンの長手に沿って移動する冷却空気流によって悪化する可能性がある。より具体的には、ガスタービンは、コンプレッサに沿って配置された一連の入口案内静翼を有することができ、それによって圧縮およびそれに続く膨張のために空気がガスタービンに入ることができる。これらの入口案内静翼は、停止中に開いたままになる可能性があるので、空気がコンプレッサに流れ込み続ける可能性がある。連続するロータの回転によってガスタービンの長手方向に沿って空気を引く可能性があり、それはその質量のため必ず起こることである。それによって生じるドラフトは、停止中にさらにステータケースを冷却する可能性があり、それによってホットリスタート時に、より余裕のない隙間になる。

米国特許第５６０５４３７号公報 米国特許第５６６７３５８号公報

ガスタービンの動作サイクル中、特に停止サイクル中に、ステータとロータの構成要素の間の熱応答における差を低下させるシステムおよび方法が、当技術分野によって求められている。当技術分野では、大幅な数の部品を加えず、または大幅に高温ガス経路（ｈｏｔ ｇａｓ ｐａｔｈ）を再設計せずに、既存のガスタービンに実施できるシステムおよび方法をさらに必要とされている。

方法は、コンプレッサ区画、タービン区画、および抽気冷却システム（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を備えるガスタービンを動作させる。方法は、ガスタービンの動作を監視するステップと、ガスタービンの通常の動作に応答して、冷却空気流を抽気冷却システムを通してコンプレッサ区画からタービン区画に導くステップと、ガスタービンの停止に応答して、加温空気流を抽気冷却システムを通してコンプレッサ区画およびタービン区画に導くステップを含む。

ガスタービンからの熱損失および／または温度差を低下させる開示されたシステムおよび方法の他のシステム、デバイス、方法、特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明を検討すれば、当業者に明らかになるであろう。全てのそのような追加されたシステム、デバイス、方法、特徴、および利点は、明細書の中に含まれるものとし、添付の特許請求の範囲によって保護されるものとする。

本開示は、以下の図面を参照することによってよりよく理解できる。図面全体を通して、一致する参照番号が対応する部品を示し、図の中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではない。

隙間、ロータ速度、および従来技術のガスタービンに関する負荷を示すグラフである。 抽気冷却システムの実施形態を示す、従来技術のガスタービンの断面図である。 停止中のガスタービンのステータケースからの熱損失を低下させるシステムの実施形態を示す、ガスタービンの断面図である。 停止中のガスタービンのステータケースからの熱損失を低下させるシステムの別の実施形態を示す、ガスタービンの断面図である。 停止中のガスタービンのステータケースからの熱損失を低下させるシステムの別の実施形態を示す、ガスタービンの断面図である。 停止中のガスタービンのステータケースからの熱損失を低下させるシステムの別の実施形態を示す、ガスタービンの断面図である。 停止中のガスタービンのステータケースからの熱損失を低下させるシステムの別の実施形態を示す、ガスタービンの断面図である。

停止サイクル中にガスタービンのステータケースから熱損失を低下させるシステムおよび方法が下記に説明される。停止時に外側からの熱損失を低下させることによって、システムおよび方法は、ホットリスタートサイクル中のブレード先端とステータケースの間の隙間を増加させることができる。したがって、ホットリスタート中に先端が擦れるのを防止することが、定常状態の動作中の効率を上昇させるように低温ビルドの隙間を調整できるように、ガスタービンを設計することにおける制約要因が少ないものになることができる。言い換えれば、停止サイクル中にステータケースを加熱することによって、より大きな隙間がホットリスタートサイクル中に達成でき、それによって、効率を上昇させるために、定常状態サイクル中に隙間を密接させることができる。

これらの効果が、図１を参照して示される。停止サイクル中にステータケースからの熱損失を低下させることによって、システムおよび方法は、ホットリスタートのピンチポイントを図１の上方に移動させることができる。したがって、ガスタービンは、定常状態点を含む、全ての点を下方に移動させるように再設計することができる。定常状態点が下方に移動することは、定常状態サイクル中に隙間がより密接することを表し、それによって、タービンブレードの周りを逃げるガスの体積を低下させることにより、効率が上昇する。

システムおよび方法は、ガスタービンの既存の構成要素を使用することができ、高温ガス経路に必要な修正が比較的少なく、既存のガスタービンモデルに対する設計、実装、および維持の費用を低下させることができ、比較的容易に既存のガスタービンユニットに後付けを可能にすることができる。システムおよび方法は、下記に説明するようにタービンおよびコンプレッサの両方についてステータケースからの熱損失を低下させることができるが、一方またはもう一方が所望するように扱うことができない。

図２は、抽気冷却システム２０１の実施形態を示す、従来技術のガスタービン２００の断面図である。抽気冷却システム２０１は、コンプレッサ区画２０２からの空気によって、ガスタービン２００のタービン区画２０４を直接的に冷却することができる。抽気冷却システム２０１は、通常の動作中にタービン区画２０４内で達成された比較的高い温度を緩和するように設計される。高い温度は、コンプレッサ区画２０２から空気を抽気し、この空気をノズル、シュラウド、タービンロータ、およびバケットなどのタービン区画２０４における外側および内部構成要素に適用することによって低下させることができる。図示されるように、空気は、コンプレッサ区画２０２内の抽気ポート２０８から抽気され、抽気ライン２１０に入る。抽気ライン２１０は、外部構成要素冷却ポート２１３を通ってタービン区画２０４内のステータケース２０６の上に空気を導くことができる、外部構成要素供給ライン２１２と流体連結できる。それによって、タービンシュラウドおよびノズルを冷却することができる。抽気ライン２１０は、ガスタービン２００の内側の空気グランド２１６に空気を導くことができる、内部構成要素供給ライン２１４と流体連通することもできる。それによって、ロータおよびバケットを冷却することができる。実施形態では、熱交換器２１８が抽気ライン２１０と供給ライン２１２、２１４との間に配置できる。熱交換器２１８は、空気が冷却の目的に使用される前に、抽気された空気の温度を低下させることができる。

上記の説明は、抽気冷却システムの１つの実施形態に関するものであり、その他のものが可能である。実際に、抽気冷却システムの設計は、十分に知られた技術である。ある範囲の設計が上記に説明した構成要素の様々な組合せを利用するが、その他の構成要素が可能である。たとえば、いくつかの抽気回路を設けることができ、その場合、空気が複数の抽気点から抽気され、複数の冷却ポートに入ることができる。同時に、いくつかの場合には、熱交換器２１８を除外することができ、または追加の熱交換器２１８を設けることができる。さらに、抽気システムは、ステータケース２０６のみを冷却することができ、その場合には、内部供給ライン２１４および空気グランド２１６を除外することができる。

図３は、停止サイクル中のガスタービン３００からの熱損失を低下させるシステム３０１を示す、ガスタービン３００の実施形態の断面図である。図示されるように、システム３０１は、全体的に、外部空気供給源３２０、外部熱源３２２、熱交換器３１８、いくつかのコンプレッサ供給ライン３１０およびコンプレッサ供給ポート３０８、いくつかのタービン供給ライン３１２およびタービン供給ポート３１３、ならびに制御装置３２４を備える。

外部空気供給源３２０は、適切な圧力で空気を熱交換器３１８に押し流すように構成された任意の構成を有することができる。たとえば、外部空気供給源３２０は、周囲の空気を熱交換器３１８に導く送風機、または加圧された空気の供給源であることができる。熱交換器３１８は、外部空気供給源３２０、および供給ライン３１０、３１２の両方と流体連通することができる。熱交換器３１８は、とりわけ電気熱源、ガス熱源、地熱熱源、太陽熱源、またはバイオマス熱源、あるいはその組合せであることができる、外部熱源３２２と熱的に連通することもできる。たとえば、外部熱源３２２は、外部のバーナーであることができる。供給ライン３１０、３１２は、熱交換器３１８、およびステータケース３０６の両方と流体連通することができる。たとえば、コンプレッサ供給ライン３１０は、コンプレッサケースの周りのコンプレッサ供給ポート３０８を通るなどの、コンプレッサ区画３０２の周りでステータケース３０６と流体連通することができる。同様に、タービン供給ライン３１２は、タービン区画の周りのタービン供給ポート３１３を通るなどの、タービン区画３０４の周りでステータケース３０６と流体連通することができる。任意の数の供給ライン３１０、３１２が使用できることに留意されたい。さらに、熱交換器３１８は、内部熱源を備えることができ、その場合、外部熱源３２２を除外できる。

制御装置３２４は、ガスタービン３００の動作サイクルを監視できる。たとえば、制御装置３２４は、ガスタービン３００が停止サイクルにいつ入るか知ることができる。停止サイクルは、トリップ状態に応答して、またはオペレータによる開始などの様々な理由で誘発できる。理由にかかわらず、制御装置３２４は、ガスタービン３００が停止するのに応答して、ステータケース３０６へ加熱された空気の流れを開始するように動作可能であることができる。

より具体的には、制御装置３２４によって、外部熱源３２２が熱交換器３１８を加熱することができる。制御装置３２４によって、外部空気供給源３２０が、熱交換器３１８を通して空気を供給ライン３１０、３１２に押し流すこともできる。熱交換器３１８内で、空気を暖めることができ、供給ライン３１０、３１２は、暖められた空気をステータケース３０６の上に導くことができる。それによって、ガスタービン３００の停止に関連する熱損失を低下させるためにステータケース３０６を暖めることができる。制御装置３２４は、停止が起こらない限り、または停止が起こるまで外部熱源３２２または外部空気供給源３２０を動作させることができず、それによってシステム３０１を動作させる費用を削減することができる。制御装置３２４は、ガスタービン３００の停止以外の状態に応答してシステム３０１を動作させることができ、それによって他の動作サイクル中に所望の隙間を達成するためにステータケース３０６の収縮率または膨張率を変えることができることにも留意されたい。

実施形態では、システム３０１は、図２を参照して上記に説明した抽気冷却システムなどのガスタービン３００の冷却システムとともに実施できる。たとえば、各コンプレッサ供給ポートおよびライン３０８、３１０は、タービンの動作中に、コンプレッサ区画３０２から冷却空気を抽気するために使用される抽気ポートおよびラインのうちの１つであることができる。同様に、各タービン供給ポートおよびライン３１２、３１３は、タービンの動作中に、タービン区画３０４の外側に冷却空気を供給するために使用される外部構成要素供給ポートおよびラインのうちの１つであることができる。同時に、熱交換器３１８は、タービン区画３０４に適用する前に、冷却空気の温度を低下させる熱交換器であることができる。

ガスタービン３００が動作される場合、図２を参照して上記に説明したように、供給ライン３１０、３１２を通してコンプレッサ区画３０２からタービン区画３０４へ冷却空気を導くことができる。ガスタービン３００が停止された後に、図３を参照して上記に説明したように、供給ライン３１０、３１２を通してコンプレッサ区画３０２およびタービン区画３０４へ暖められた空気を導くことができる。したがって、動作中に冷却が達成され、停止中に熱損失を低下させることができる。同時に、システム３０１が抽気冷却システムを暖める目的に再利用するとき、停止中にタービン区画３０４への冷却空気流を中断できる。

空気がコンプレッサ区画３０２から流れる代わりにコンプレッサ区画３０２へ流れるように、コンプレッサライン３１０を通る空気の移動方向を停止中に逆にできることに留意されたい。さらに、熱交換器３１８が空気を冷却する代わりに空気を暖めるように、熱交換器３１８の機能を停止中に逆にできる。同時に、空気がコンプレッサ区画３０２から流れる代わりに、外部空気供給源３２０から流れるように、空気の供給源を停止中に変えることができる。

システム３０１が、抽気冷却システムと共通の構成要素を使用する実施形態では、システム３０１を実施および維持することが比較的安価になることができる。システム３０１のかなりの部分が、既にガスタービン３００の定位置にある可能性があるので、現場で既存のガスタービン３００にシステム３０１を後付けすることが、比較的容易かつ安価であることもできる。たとえば、ガスタービン３００を後付けすることにより、制御装置３２４、外部空気供給源３２０、および外部熱源３２２を熱交換器３１８と関連付けることが必要になる可能性がある。また、熱交換器３１８は、既存の抽気冷却システムがそれを備えるかどうかに応じて、後付けする間に設けることもできる。

上記に示したように、既存の抽気冷却システムも、ガスタービン３００の内側の空気グランド３１６と連通する内部構成要素供給ライン３１４を含むことができる。そのような場合には、システム３０１は、内部構成要素供給ライン３１４に配置された内部構成要素供給バルブ３２６をさらに含むことができる。内部構成要素供給バルブ３２６は、空気流を内部構成要素供給ライン３１４を通って空気グランド３１５へ選択的に通過可能にし、または防止することができる。制御装置３２４は、加熱された空気がガスタービン３００の内側に向かって導かれないように、停止サイクルに応答して、内部構成要素供給バルブ３２６を閉鎖するように動作できる。ガスタービン３００の内側は、さらに熱を加えることなく、暖かいままであることができる。実施形態では、内部構成要素供給バルブ３２６は、抽気冷却システムの既存の構成要素であることができる。そのような場合には、ガスタービン３００にシステム３０１を後付けすることにより、停止時に閉鎖を可能にするために、制御装置３２４を既存のバルブと関連付けることが必要になる可能性がある。その他の実施形態では、内部構成要素供給バルブ３２６は存在せず、その場合には、後付けする間にバルブを付け加えることができる。

システム３０１は、全体的に、暖められた空気をコンプレッサおよびタービン区画コンプレッサ区画３０２、３０４の両方に供給するものとして上記に説明されている。しかし、区画３０２、３０４のうちの１つは、いくつかの実施形態では、暖められない、または部分的にしか暖められない可能性がある。したがって、供給ライン３１２、３１４のうちの１つまたは複数が除外できる。同時に、所望するように暖められた空気の流れを選択的に供給し、または防止するために、バルブを供給ライン３１２、３１４に設けることができる。

実施形態では、システム３０１は、ガスタービン３００のステータケース３０６の周りに配置された絶縁層３２８をさらに備えることができる。絶縁層３２８は、停止サイクル中にステータケース３０６からの熱損失をさらに低下させることができる。絶縁層３２８は、全体的にまたは部分的にステータケース３０６の任意の部分を覆うことができる。たとえば、ステータケース３０６は、実施形態に応じて、コンプレッサ区画３０２でなくタービン区画３０４の周りを絶縁できる。絶縁層３２８は、新しいガスタービン３００に設けて、現場で既存のガスタービン３００の上に後付けし、または完全に除外できる。

実施形態では、システム３０１は、いくつかの閉鎖可能な入口案内静翼３３０、およびいくつかの閉鎖可能なドア３３１をさらに含むことができる。閉鎖可能な入口案内静翼３３０は、コンプレッサ区画３０２内のステータケース３０６に沿って配置できる。閉鎖可能なドア３３１が、それぞれ、コンプレッサ区画３０２およびタービン区画３０４配置された入口および出口プレナム３３３内に配置できる。閉鎖可能なドア３３１は、例示の目的で概略的に示される。閉鎖可能な入口案内静翼３３０は、閉鎖可能でない従来の案内静翼とは異なり、開放位置と閉鎖位置との間で作動できる。たとえば、閉鎖可能な入口案内静翼３３０は、完全に閉鎖できる。同様に、閉鎖可能なドア３３１は、開放位置と閉鎖位置の間で作動できる。制御装置３２４は、ガスタービン３００が停止するのに応答して、閉鎖可能な入口案内静翼３３０および／または閉鎖可能なドア３３１のうちの１つまたは複数を閉鎖するように動作できる。閉鎖可能な入口案内静翼３３０および／または閉鎖可能なドア３３１を閉鎖することは、ガスタービン３００を通る冷却気流（ａｉｒ ｄｒａｆｔ）の流れを低下させることができ、それによりステータケース３０６からの熱損失を低下させるのを補助することができる。その結果、ステータケース３０６は、熱を通過する気流に伝達することができない。さらに、ステータケース３０６は、内部構成要素から熱をよりよく受けることができる。しかし、閉鎖可能な入口案内静翼３３０および閉鎖可能なドア３３１のうちの１つまたは複数は、システム３０１が既存のガスタービン３００の上に後付けされる実施形態でのような、全ての実施形態において設けることはできない。

実施形態では、システム３０１は、ロータ３３４と結合された回転ギア３３２をさらに備えることができる。制御装置３２４は、停止中に回転ギア３３２の速度を制御するように動作できる。たとえば、回転ギア３３２は、ロータ３３４がそうしないと回転を止める場合に、ロータ３３４を回転させ続けることができ、それによって、他の場合にはロータ３３４の均衡を妨げる反りやたるみを減少させることができる。実施形態では、回転ギア３３２は、実質的にドラフトを形成せずに、ガスタービン３００内に残るいかなる空気も層化するのを制限または防止するように選択された速度で、ロータ３３４を回転させることができる。したがって、ガスタービン３００の水平長さに沿った温度変化を悪化させずに、ガスタービン３００の垂直断面に沿った温度変化が低下できる。言い換えれば、ステータケース３０６からの熱損失は、熱プルームがガスタービン３００の内側に発生することなく、さらに低下させることができる。たとえば、回転ギア３３２は、約１分当たり６回転より大きな速度でロータ３３４を回転させることができる。システム３０１が既存のガスタービン設計またはユニットを参照して使用される実施形態では、システム３０１を実施することにより、既にある可能性のある制御装置３２４を既存の回転ギア３３２に関連付けることが必要になる。

実施形態では、システム３０１は、複合サイクル発電プラントとともに実施することができる。当技術分野で知られているように、複合サイクル発電プラントは、ガスタービンおよび蒸気タービンの両方を備えることができる。複合サイクル発電プラントは、補助ボイラも備えることができる。開始動作中に、補助ボイラは、蒸気タービン内で膨張するための蒸気を生成するために、熱回収蒸気発生器に熱を供給することができる。そのような実施形態では、補助ボイラからの蒸気も、システム３０１内の外部熱源３２２として使用することができ、その場合、制御装置３２４は、蒸気が補助ボイラから熱交換器３１８へ通過するのを選択的に可能にし、または防止するように動作可能である。たとえば、制御装置３２４は、補助ボイラから熱交換器３１８への供給ラインに配置されたバルブを制御することができる。

図４は、ガスタービン４００のステータケース４０６からの熱損失を低下させるシステム４０１の別の実施形態を示す、ガスタービン４００の断面図である。システム４０１は、全体的に図３を参照して上記に説明したシステム３０１と同じであることができる。たとえば、システム４０１は、いくつかの供給ライン４１０、４１２およびポート、熱交換器４１８、外部空気供給源および熱源４２０、４２２、および制御装置４２４を備えることができる。さらに、システム４０１は、送風機４３６およびロータ抽気ライン４１４を備えることができる。

ロータ抽気ライン４１４は、ガスタービン４００の内部構成要素と流体連通することができる。供給ライン４１０、４１２は、ロータ抽気ライン４１４、およびステータケース４０６と流体連通することができる。たとえば、コンプレッサ供給ライン４１０は、コンプレッサ区画４０２の周りでステータケース４０６と流体連通することができ、タービン供給ライン４１２は、タービン区画４０４の周りでステータケース４０６と流体連通することができる。

送風機４３６は、ロータ抽気ライン４１４に配置できる。制御装置４２４は、ガスタービン４００の動作サイクルを監視することができ、ガスタービン４００が停止サイクルに入ったことに応答して、送風機４３６を始動できる。それによって、送風機４３６は、停止中に加熱された空気の流れをガスタービン４００の内側からステータケース４０６へ導くことができる。流れは、供給ライン４１０、４１２を通してステータケース４０６に適用するために、ロータ４３４などのガスタービン４００の内部構成要素から、熱を除去できる。したがって、ロータ４３４は冷却することができ、ステータケース４０６は加熱することができ、それによって隙間を増加させることができる。

実施形態では、システム４０１は、全体的に上記に説明したように、ガスタービン４００の抽気冷却システムとともに実施できる。たとえば、供給ライン４１０、４１２は、上記に説明した既存のラインであることができる。同時に、ロータ抽気ライン４１４は、ロータバケットを冷却するために、ガスタービン４００の動作中にロータ４３４に冷却空気を供給する既存のラインであることができる。そのような実施形態では、図２を参照して上記に説明したように、ガスタービン４００が動作された場合に、ライン４１０、４１２、４１４を通してコンプレッサ区画４０２から冷却空気を導くことができる。ガスタービン４００が停止された後に、ライン４１４、４１２、４１０を通してステータケース４０６に、ロータ４３４の内側から暖められた空気を導くことができる。ロータ抽気ライン４１４を通る空気の移動方向は、空気がガスタービン４００の内側へ流れる代わりに、ガスタービン４００の内側から流れるように、停止中に逆になることに留意されたい。熱交換器４１８、外部空気供給源４２０、外部熱源４２２のうちの１つまたは複数が、そのような実施形態では、除外することができることにも留意されたい。存在すれば、これらの構成要素は、一般に、図３を参照して上記に説明したように機能することができる。

図５は、停止サイクル中のガスタービン５００のステータケース５０６からの熱損失を低下させるシステム５０１の別の実施形態を示す、ガスタービン５００の断面図である。図示されるように、システム５０１は、全体的に、図２を参照して図示され、上記に説明したものと同様の、抽気冷却システムの実施形態を含む。具体的には、システム５０１は、抽気ライン５１０と流体連通するコンプレッサ区画５０２内の抽気ポート５０８を備えることができ、それによって、タービン区画５０４内でステータケース５０６と流体連通する外部構成要素供給ライン５１２に通じる。システム５０１は、抽気ライン５１０または外部構成要素供給ライン５１２に配置された、制御装置５２４およびバルブ５３８も備えることができる。バルブ５３８は、冷却空気が、コンプレッサ区画５０２からタービン区画５０４へライン５１０、５１２を通って移動するのを選択的に可能にし、または防止できる。制御装置５２４は、ガスタービン５００の停止に応答してバルブ５３８を閉鎖するように動作可能であることができ、それによって、抽気された空気が冷却する目的でタービン区画５０４に移動するのを防止できる。したがって、タービン区画５０４は、コンプレッサ区画５０２からの冷却空気流を除去することにより、熱損失の低下させることができる。たとえば、１つだけの抽気回路が示されるが、ラインおよびポートの任意の構成を使用することができる。そのような場合、１つまたは複数のバルブ５３８を、停止中の冷却流れを防止するために、制御装置５２４によって適切に配置し、制御することができる。

図６は、停止サイクル中のガスタービン６００のステータケース６０６からの熱損失を低下させるシステム６０１の別の実施形態を示す、ガスタービン６００の断面図である。システム６０１は、全体的に、制御装置６２４と結合された、加熱されたカバー６４０を備えることができる。加熱されたカバー６４０は、ガスタービン６００のステータケース６０６の周りに配置できる。加熱されたカバー６４０は、全体的にまたは部分的にステータケース６０６の任意の部分を覆うことができる。たとえば、加熱されたカバー６４０は、実施形態に応じてコンプレッサ区画６０２およびタービン区画６０４の一方または両方に沿ってステータケース３０６の周りに延出できる。

加熱されたカバー６４０は、実施形態に応じて、様々な様式で機能することができる。たとえば、加熱された空気は、加熱されたカバー６４０を通って循環できる。同時に、加熱された流れは、ガスタービンが上記に説明したような複合サイクル発電プラントの一部分である実施形態などでの加熱されたカバー６４０を通って循環できる。とりわけ、電気または気体加熱要素などの、その他の加熱デバイスも使用できる。

制御装置６２４によって、ガスタービン６００の動作サイクルに応答して、加熱されたカバー６４０が加熱し始め、加熱を止め、または所定の温度を達成することができる。たとえば、制御装置６２４は、停止サイクル中に、加熱されたカバー６４０がステータケース６０６からの熱損失を低下させるのを開始させることができる。同時に、制御装置６２４は、コールドスタートサイクル前に加熱されたカバー６４０がステータケース６０６を予加熱するのを開始させることができる。制御装置６２４は、ガスタービン６００が動作している場合など、特定のサイクル中に、加熱されたカバー６４０が加熱するのを防止することもできる。たとえば、制御装置６２４は、ホットリスタートサイクル中に加熱されたカバー６４０が加熱するのを阻止することができる。

いくつかの場合には、制御装置６２４は、加熱されたカバー６４０を所定の温度に維持できる。所定の温度は、ステータケース６０６の温度を制御することによって所望の隙間を達成するように選択できる。

実施形態では、制御装置６２４は、ガスタービン６００の場所または位置に従って加熱されたカバー６４０を可変に制御できる。たとえば、制御装置６２４は、隙間が比較的密接し、またはステータケース６０６が比較的歪んでいる領域を低下または除去するために、ステータケース６０６の特定の位置にある加熱されたカバー６４０を開始し、停止し、または温度変更することができる。ステータケース６０６の周囲の幾何学的形状および温度の変化により、そのような密接した隙間の領域が生じる可能性がある。たとえば、ステータケース６０６は、ボルト止めフランジ、偽フランジ（ｆａｌｓｅ ｆｌａｎｇｅ）、ならびにその他の円周方向の変形などの不均一な特徴を含む可能性があり、それによって、ステータケース６０６が円形から外れたものになる可能性がある。もっと小さな隙間を有するステータケース６０６の円周方向の場所を加熱することにより、知られたピンチポイントが軽減できる。

実施形態では、システム６０１は、図３を参照して上記に説明したように、絶縁層６２８をさらに備えることができる。加熱されたカバー６４０は、絶縁層６２８とステータケース６０６の間に配置できるが、絶縁層６２８は必要でなく、除外することができる。

図７は、ガスタービン７００のステータケース７０６からの熱損失を低下させるシステム７０１の別の実施形態を示す、ガスタービン７００の断面図である。システム７０１は、上記に説明したシステムの構成要素を備えることができる。たとえば、システム７０１は、コンプレッサ区画７０２の周りのステータケーシング７０６と連通したポート７０８およびライン７１０、ならびにガスタービン７００の内側の空気グランド７１６と連通したライン７１４を備えることができる。これらの構成要素のうちのいくつかまたは全ては、上記に説明したような抽気冷却システムの構成要素であることができる。システム７０１は、上記に説明したような、いくつかの閉鎖可能な案内静翼７３０、いくつかの閉鎖可能なドア７３１、および熱損失を低下させるためにこれらの案内静翼７３０およびドア７３１を開閉するように動作可能な制御装置７２４も備えることができる。さらに、システム７０１は、コンプレッサ区画７０２内のポート７０８のうちの１つから下流側の直近に配置された追加の閉鎖可能な案内静翼７３７、およびロータ７３４の回転を制御するように動作可能な回転ギア７３２を備えることができる。ガスタービン７００の停止に応答して、制御装置７２４は、回転ギア７３２が選択された速度でロータ７３４を回転させながら、追加の閉鎖可能な案内静翼７３７を閉鎖するように動作可能であることができる。ロータ７３４は、コンプレッサ区画７０２内で圧縮された空気を形成するように選択された速度で回転できる。閉鎖可能な案内静翼７３７は、閉鎖されると、圧縮された空気がタービン区画７０４、またはポート７０８Ｂおよびライン７１０Ｂのような図７に示される任意の下流側の抽気ポート７０８およびライン７１０に流入するのを防止するように、空気が追加の閉鎖可能な案内静翼７３７の下流側に流れるのを防止できる。したがって、空気圧をコンプレッサ区画７０２内に生成することができ、それによってポート７０８Ａおよびライン７１０Ａのような、図７に示すようなコンプレッサ区画７０２から任意の上流側の抽気ポート７０８およびライン７１０を通して冷却流れを押し流すことができる。冷却流れは、ロータ７３４を冷却する目的で、ライン７１４を通して空気グランド７１６へ導くことができる。いくつかの場合に、制御装置７２４は、回転ギア７３２が比較的低い速度でロータ７３４を回転させながら、案内静翼７３０を閉鎖することもでき、それによって上記に説明したように、タービン区画７０４における空気の層化を防止しながら、ガスタービン７００を通る流れが低下することにより、ステータケース７０６からの熱損失を低下させることができる。したがって、ステータケース７０６とロータ７３４の間の温度差をさらに低下させることができる。システム７０１は、いくつかの実施形態では、図５に示されるシステム５０１と組み合わせることができることに留意されたい。

上記に説明したシステムおよび方法は、様々な様式で修正し、組み合わせることができる。たとえば、閉鎖可能な入口案内静翼が、上記に説明した任意の実施形態を参照して実施できる。別の例として、停止中のロータの回転を低下させる回転ギアが、任意の実施形態を参照して実施できる。上記の開示を読めば、当業者は、さらなる修正および組合せを思いつくであろう。

上記に説明したシステムおよび方法は、ホットリスタートの間、またはエンジンサイクルにおける他のピンチポイントの間の、ブレード先端とステータケースの間の運転クリアランス（ｒｕｎｎｉｎｇ ｃｌｅａｒａｎｃｅ）を縮小させることによってガスタービンの効率を上昇可能にすることができる。停止サイクル中のステータケースからの熱損失を低下させることによって、ガスタービンは、ホットリスタートサイクル中の受け入れ可能な隙間を維持することができる。したがって、ホットリスタートサイクル中のピンチポイントは、ガスタービンの設計における制約要因がより少ないものになることができ、低温ビルドの隙間が、定常状態の動作に最適化された隙間に適合するように調整できる。ガスタービンが最初に設計されるときに、最適化を想起することができる。あるいは、既存のガスタービンに熱損失を低下させるシステムを後付けすることができ、定常状態の動作中に観察される運転クリアランス低下させるために、それに続いて相当する構成要素を最適化することができる。システムおよび方法は、高温ガス経路への変更がある場合でも、変更を比較的少なくすることができ、それによって設計および実施費用を低下させることができる。さらに、既存のガスタービンには、費用および尽力を比較的少なくして、システムおよび方法の実施形態を後付けすることができる。

この記載された説明は、最良の形態を含む本発明を開示し、同時に、任意のデバイスおよびシステムを作製および使用し、任意の組み込まれた方法を行うことを含む、任意の当業者が本発明を実施することを可能にするための例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者に思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例が、それらが特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的な要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言から実質的に異ならない等価の構造的な要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図される。

２００ ガスタービン
２０１ 抽気冷却システム
２０２ コンプレッサ区画
２０４ タービン区画
２０６ ステータケース
２０８ 抽気ポート
２１０ 抽気ライン
２１２ 外部構成要素供給ライン
２１３ 外部構成要素冷却ポート
２１４ 内部構成要素供給ライン
２１６ 空気グランド
２１８ 熱交換器
３００ ガスタービン
３０１ システム
３０２ コンプレッサ区画
３０４ タービン区画
３０６ ステータケース
３０８ コンプレッサ供給ポート
３１０ コンプレッサ供給ライン
３１２ タービン供給ライン
３１３ タービン供給ポート
３１４ 内部構成要素供給ライン
３１６ 空気グランド
３１８ 熱交換器
３２０ 外部空気供給源
３２２ 外部熱源
３２４ 制御装置
３２６ 内部構成要素供給バルブ
３２８ 絶縁層
３３０ 閉鎖可能な入口案内静翼
３３１ 閉鎖可能なドア
３３２ 回転ギア
３３３ プレナム
３３４ ロータ
４００ ガスタービン
４０１ システム
４０２ コンプレッサ区画
４０４ タービン区画
４０６ ステータケース
４１０ コンプレッサ供給ライン
４１２ タービン供給ライン
４１４ ロータ抽気ライン
４１６ 空気グランド
４１８ 熱交換器
４２０ 外部空気供給源
４２２ 外部熱源
４２４ 制御装置
４３４ ロータ
４３６ 送風機
５００ ガスタービン
５０１ システム
５０２ コンプレッサ区画
５０４ タービン区画
５０６ ステータケース
５０８ 抽気ポート
５１０ 抽気ライン
５１２ 外部構成要素供給ライン
５２４ 制御装置
５３８ バルブ
６００ ガスタービン
６０１ システム
６０６ ステータケース
６２４ 制御装置
６２８ 絶縁層
６４０ 加熱されたカバー
７００ ガスタービン
７０１ システム
７０２ コンプレッサ区画
７０４ タービン区画
７０６ ステータケース
７０８ 下流側抽気ポート
７０８Ａ ポート
７０８Ｂ ライン
７１０ ライン
７１０Ａ ライン
７１０Ｂ ライン
７１４ ライン
７１６ 空気グランド
７２４ 制御装置
７３０ 案内静翼
７３１ ドア
７３２ 回転ギア
７３７ 閉鎖可能な案内静翼

Claims (10)

1. ガスタービン（２００）を動作させる方法であって、前記ガスタービン（２００）が、コンプレッサ区画（２０２）、タービン区画（２０４）、および抽気冷却システム（２０１）を備える方法において、
   前記ガスタービン（２００）の動作を監視するステップと、
   前記ガスタービン（２００）の通常の動作に応答して、冷却空気流を前記抽気冷却システム（２０１）を通して前記コンプレッサ区画（２０２）から前記タービン区画（２０４）へ導くステップと、
   前記ガスタービン（２００）の停止に応答して、加温空気流を前記抽気冷却システム（２０１）を通して前記コンプレッサ区画（２０２）および前記タービン区画（２０４）へ導くステップとを含む方法。
2. 加温空気の流れを前記抽気冷却システム（２０１）を通して導くステップが、加温空気流を前記タービン区画（２０４）の周りのステータケース（２０６）の一部分の上に導くステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 加温空気の流れを前記抽気冷却システム（２０１）を通して導くステップが、加温空気流を前記コンプレッサ区画（２０２）の周りの前記ステータケース（２０６）の一部分の上に導くステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 加温空気流を前記抽気冷却システム（２０１）を通して導くステップが、前記抽気冷却システム（２０１）を通る冷却空気流を中断するステップを含む、請求項１記載の方法。
5. 加温空気流を前記抽気冷却システム（２０１）を通して導くステップが、加温空気流を前記抽気冷却システム（２０１）の一部分を通して逆方向に導くステップを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記停止に応答して前記コンプレッサ区画（２０２）内の入口案内静翼（３３０）を閉鎖するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. 前記停止に応答して、前記抽気冷却システム（２０１）を通る前記ガスタービン（２００）の内側への空気流を中断するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
8. 前記停止に応答して、前記抽気冷却システム（２０１）を通して前記ガスタービン（２００）の内側からステータケース（２０６）へ加温空気流を導くステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
9. 停止サイクル中にガスタービン２００のステータケース２０６からの熱損失を低下させるシステムであって、
   熱交換器（３１８）と、
   空気を前記熱交換器（３１８）内に導くように動作可能である外部空気供給源（３２０）と、
   熱を前記熱交換器（３１８）に供給するように動作可能である外部熱源（３２２）と、
   前記熱交換器および前記ステータケース（２０６）と流体連通する少なくとも１つの供給ラインと、
   前記停止サイクルに応答して、前記外部空気供給源（３２０）を誘発するように動作可能な制御装置（３２４）とを備えるシステム。
10. 前記外部空気供給源（３２０）が、周囲空気を前記熱交換器（３１８）内に導くようになされた送風機を備える、請求項９記載のシステム。