JP2011033035A

JP2011033035A - ロータスラストを修正するためのシステム及び方法

Info

Publication number: JP2011033035A
Application number: JP2010173273A
Authority: JP
Inventors: Dipankar Pal; ディパンカール・パル; Andres Jose Garcia-Crespo; アンドレス・ホゼ・ガルシア−クレスポ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2011-02-17
Also published as: CH701613A2; US8434994B2; US20110027064A1; DE102010036525A1; CN101994524A

Abstract

【課題】ロータスラストを修正するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】タービン（３６）は、ステータ（６２）及びロータ（３８）を含み、ロータ（３８）は、ロータ空洞（６８、７０）を含む。プロセス副生ガス（４２）を収容しかつ制御弁（４４）を内蔵した供給プレナム（４０）は、ロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つに連結されて、ロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つにプロセス副生ガス（４２）を供給する。タービン（３６）を運転する方法は、ロータ（３８）にタービン（３６）を連結するステップと、ロータ（３８）内に空洞（６８、７０）を形成するステップと、空洞（６８、７０）の少なくとも１つにプロセス副生ガス（４２）を注入するステップとを含む。本方法はさらに、予めプログラムされたパラメータに応じて空洞（６８、７０）の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス（４２）の流量を調整するステップを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、総括的にはロータに作用する軸方向スラストを修正するためのシステム及び方法に関連する。具体的には、本発明は、ロータ空洞にプロセス副生ガスを供給して、ガスタービンのロータに作用する軸方向スラストを発生させる。

ガスタービンは、発電用の商業運転において広く使用されている。図１は、当技術分野で公知の一般的なガスタービン１０を示す。図１に示すように、ガスタービン１０は一般に、前部に圧縮機１２、中央部あたりに１以上の燃焼器１４、また後部にタービン１６を含む。圧縮機１２及びタービン１６は一般に、共通のロータ１８を共有する。

圧縮機１２は、ロータ１８に取付けられた複数段の圧縮機ブレード２０を含む。周囲空気が、圧縮機１２の入口２２に流入し、圧縮機ブレード２０の回転は、作動流体（空気）に運動エネルギーを与えて、作動流体を高エネルギー状態にする。作動流体は、圧縮機１２から流出しかつ燃焼器１４に流れる。

作動流体は燃焼器１４内で燃料と混合され、この混合気は、点火燃焼されて、高温、高圧かつ高速を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器１４から流出しかつタービン１６に流れ、タービン１６において、これら燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。

圧縮機１２内での周囲空気の加圧は、ロータ１８に対して前方方向のすなわち圧縮機入口２２に向かう軸方向力を生成する。タービン１６内での燃焼ガスの膨張は、ロータ１８に対して後方方向のすなわちタービン排出口２４に向かう軸方向力を生成する。ガスタービン１０の前部におけるスラスト軸受２６は、ロータ１８を所定の位置に保持しかつロータ１８の軸方向移動を防止する。ロータ１８に作用する正味軸方向力を減少させるために、従ってスラスト軸受２６の寸法及び関連する費用を低減するために、ガスタービン１０は一般に、圧縮機１２及びタービン１６によって発生する軸方向力が同等になるように設計される。

図１は、正味軸方向ロータ力を制御する１つの設計を示す。空気抽出管路２８は、圧縮機１２をタービン１６に連結している。空気抽出管路２８は、作動流体が燃焼器１４を迂回しかつタービン１６に直接流れる経路を構成する。別個の空気抽出管路２８は、より前段の圧縮機１２をより後段のタービン１６に連結する。この構成により、抽出作動流体は、注入タービン段における燃焼ガスよりも大きな圧力を有し、従って抽出作動流体が燃焼ガスと同じ方向に移動することを保証する。抽出作動流体は、タービン１６に流入しかつタービン１６を通る燃焼ガスの流れに合流し、従ってロータ１８に作用する後方方向のすなわちタービン排出口２４に向かう軸方向力を増大させる。

図１に示す設計は、幾つかの欠点を有する。例えば、抽出作動流体は、燃焼器１４を迂回し、従って燃焼ガスの体積を減少させまたガスタービン１０の全体効率及び出力を低下させる。

加えて、圧縮機１２は、ロータ１８によってタービン１６に対して回転結合されているので、使用可能な抽出作動流体の量及び圧力は、ガスタービン１０の作動レベルに直接左右される。この設計は、定常状態運転時には許容可能であるが、圧縮機１２の作動レベル、従って圧縮機の軸方向スラストがタービン１６の作動レベルと大幅に異なっていて、スラスト軸受２６に作用する軸方向力に不均衡を生じ、これが振動及び不安定さを引き起こすおそれがあるような部分負荷運転又は過渡運転時には理想を下回るものとなる。その結果、スラスト軸受２６は、過渡運転状態時又は様々な運転レベルでの軸方向ロータ力におけるより大きな変動に適応するために、より大きくなくてはならない。さらに、抽出作動流体の量及び圧力が直接ガスタービンの運転レベルに応じて変化するので、タービンロータの設計形状寸法は、あらゆる所定の運転レベルにおいて所望の軸方向スラストを生じるように制約される必要性がある。

米国特許第６４８７８６３号明細書

従って、圧縮機又はタービンのいずれかの運転レベルとは関係なく軸方向ロータ力を制御するシステム及び方法に対する必要性が存在する。このシステム及び方法は、定常運転状態及び過渡運転レベルの両方の間にスラスト軸受に加わる正味軸方向スラストを最小化することになり、ガスタービンの全体効率を低下さることがなく、かつ最適なロータ形状寸法に適応して部品重量及びコストを低減することになるのが理想的である。

本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、ガスタービンであり、本ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流のタービンであって複数のステータを備えるタービンと、圧縮機をタービンに連結するロータとを含む。ロータは、複数のロータ空洞を含む。本ガスタービンはさらに、プロセス副生ガスを収容した供給プレナムを含む。供給プレナムは、制御弁を備えていてロータ空洞の少なくとも１つに連結されて、ロータ空洞の少なくとも１つにプロセス副生ガスを供給する。

本発明の別の実施形態では、本ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流のタービンであって複数のステータを備えるタービンと、圧縮機をタービンに連結したロータとを含む。ロータは、複数のロータ空洞を含む。本ガスタービンはさらに、プロセス副生ガスを収容した供給プレナムを含む。供給プレナムは、ロータ空洞の少なくとも１つに連結されて、ロータ空洞の少なくとも１つにプロセス副生ガスを供給する。制御装置が、ロータ空洞の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガスの流量を調整する。

本発明のさらに別の実施形態は、圧縮機及びタービンを有するガスタービンを運転する方法である。本方法は、ロータによって圧縮機をタービンに連結するステップと、ロータ内に複数の空洞を形成するステップと、複数の空洞の少なくとも１つにプロセス副生ガスを注入するステップとを含む。本方法はさらに、予めプログラムされたパラメータに従って複数の空洞の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガスの流量を調整するステップを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

正味軸方向ロータ力を制御する先行技術の設計を示す図。本発明の一実施形態のシステム線図。図２に示すガスタービンの簡略断面図。本発明の一実施形態による、図３に示すタービンの簡略断面図。本発明の別の実施形態による、図３に示すタービンの簡略断面図。

次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

図２は、本発明の一実施形態によるガスタービン３０のブロック線図を示す。図２に示すように、ガスタービン３０は一般に、前部に圧縮機３２、中央部あたりに１以上の燃焼器３４、また後部にタービン３６を含む。圧縮機３２及びタービン３６は、共通のロータ３８を共有する。

ガスタービン３０はさらに、プロセス副生ガス４２を収容した供給プレナム４０を含む。供給プレナム４０は、１以上の制御弁４４を含むことができかつロータ３８内の空洞に連結されて、ロータ空洞の少なくとも１つにプロセス副生ガスを供給する。プロセス副生ガス４２は、圧縮機３２によって生成されたガスつまり作動流体以外の商用システムによって生成されたあらゆる排出ガスとすることができる。例えば、統合ガス化複合サイクル発電（ＩＧＣＣ）プラントは一般に、空気から酸素を生成する空気分離ユニットを含んでいる。空気分離ユニットは、プロセス副生ガスとして大量の排出窒素を発生する。窒素は、それが作動流体と同じ分子量を有するので、本発明で使用するのに適したプロセス副生ガスである。しかしながら、その他の排出プロセス副生ガスも使用することができ、それらもまた本発明の技術的範囲内に属する。

図３は、図２に示すガスタービン３０の簡略断面図を示す。圧縮機３２は、ロータ３８に取付けられた複数段の圧縮機ブレード４６を含む。周囲空気が、圧縮機３２の入口４８に流入し、圧縮機ブレード４６の回転は、作動流体（空気）に運動エネルギーを与えて、作動流体を高エネルギー状態にする。作動流体は、圧縮機３２から流出しかつ燃焼器３４に流れる。

作動流体は燃焼器３４内で燃料と混合され、この混合気は、点火燃焼されて、高温、高圧かつ高速を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器３４から流出しかつタービン３６に流れ、タービン３６において、これら燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。

圧縮機３２内での周囲空気の加圧は、ロータ３８に対して前方方向のすなわち圧縮機入口４８に向かう軸方向力を生成する。タービン３６内での燃焼ガスの膨張は、ロータ３８に対して後方方向のすなわちタービン排出口５０に向かう軸方向力を生成する。ガスタービン３０の前部におけるスラスト軸受５２は、ロータ３８を所定の位置に保持しかつロータ３８の軸方向移動を防止する。図３は、ガスタービン３０の前部におけるスラスト軸受５２を示すが、スラスト軸受５２は、ロータ３８に沿ってあらゆる位置に設置することができる。ロータ３８に作用する正味軸方向力を減少させるために、従ってスラスト軸受５２の寸法及び関連する費用を低減するために、ガスタービン３０は一般に、圧縮機３２及びタービン３６によって発生する軸方向力がほぼ等しいが対向するように設計されるのが理想的である。

スラスト軸受センサ５４を使用して、ロータ３８によってスラスト軸受５２に加えられている軸方向スラストの量及び方向を測定することができる。センサ５４は、スラスト軸受５２に加えられる力及びその方向を測定するように構成された圧電ブリッジとすることができる。

図４は、本発明の一実施形態による、図３に示すタービン３６の簡略断面図を示す。タービンケーシング５６が、回転翼形部５８、回転スペーサ６０及び固定ノズルつまりステータ６２の交互列を囲む。翼形部５８は、ホイール６４に取付けられ、またボルト６６が、ホイール６４及び回転スペーサ６０をロータ３８に連結する。ステータ６２は、ケーシング５６に取付けられる。

燃焼器３４からの燃焼ガスは、タービン３６に流れる。燃焼ガスが翼形部５８上を流れると、燃焼ガスは、膨張して翼形部５８、ホイール６４、スペーサ６０及びロータ３８を回転させる。燃焼ガスは次に、ステータ６２に流れ、ステータ６２は、燃焼ガスを次の回転翼形部５８の列に向け直し、後続する段に対してこのプロセスが反復される。

ロータ３８は、ロータ−ロータ空洞６８及びロータ−ステータ空洞７０とも呼ばれる様々な空洞を含む。ステータ６２及び回転スペーサ６０間のダイアフラムシール７２が、ロータ−ステータ空洞７０のための境界を形成し、かつ隣り合うロータ−ステータ空洞７０間の流れを防止又は制限する。同様に、ホイール６４の内部におけるバリヤ７４が、ロータ３８内の隣り合うロータ−ロータ空洞６８間の流れを防止又は制限する。その結果、隣り合うロータ−ロータ空洞６８は、異なる内圧を有し、それによってロータ３８に作用する軸方向力を形成することができる。

図４に示すように、プロセス副生ガス４２を収容した供給プレナム４０は、ロータ３８の両側面に連結することができる。制御装置７６が、各供給プレナム４０内の制御弁４４の位置を指令して、ロータ−ロータ空洞６８に供給されるプロセス副生ガス４２の流量を調整する。プロセス副生ガス４２は、ロータ−ロータ空洞６８内の圧力を増大させて、ロータ−ロータ空洞６８間に圧力差を形成しかつ制御装置７６の指令に従ったいずれかの方向のロータ３８に作用する軸方向スラストを生成する。加えて、プロセス副生ガス４２は、あらゆる高温燃焼ガスのロータ−ロータ空洞６８をパージし、それによってロータ−ロータ空洞６８内の温度を低下させる。

制御装置７６は、複数信号源のいずれかから信号を受けて、ロータ−ロータ空洞６８間に所望の圧力差を達成するのに適した制御弁４４の位置を決定することができる。例えば、スラスト軸受センサ５４（図３に示す）は、スラスト軸受５２に加えられている正味軸方向力の方向及び量を反映した信号を制御装置７６に送ることができ、次に制御装置７６は、制御弁４４の位置を調整して、スラスト軸受５２に作用する所望の正味軸方向力を達成することができる。別の実施形態では、ロータ３８は、ロータ−ロータ空洞６８内にセンサ７８を含むことができる。センサ７８は、ロータ−ロータ空洞６８内の圧力又は温度を反映した信号を制御装置７６に送ることができ、次に制御装置７６は、制御弁４４の位置を調整して、ロータ−ロータ空洞６８間に所望の圧力差を又はロータ−ロータ空洞６８内に所望の温度を達成することができる。さらに別の実施形態では、制御装置７６は、圧縮機３２、燃焼器３４又はタービン３６の作動レベルを反映した信号を受けかつ予めプログラムされたスケジュールに従って制御弁４４を調整して、所定の出力レベルについてのロータ３８に作用する所望の軸方向スラストを達成することができる。

図５は、本発明の別の実施形態による、図３に示すタービンの簡略断面図である。タービン３６の構成要素は、図４に関して説明したものと同様である。この実施形態では、プロセス副生ガス４２を収容した供給プレナム４０は、ケーシング５６及びステータ６２を貫通してプロセス副生ガス４２をロータ−ステータ空洞７０に供給する。この場合も同様に、制御装置７６は、各供給プレナム４０内の制御弁４４の位置を指令して、ロータ−ステータ空洞７０に供給されるプロセス副生ガス４２の流量を調整する。プロセス副生ガス４２は、ロータ−ステータ空洞７０内の圧力を増大させて、スペーサ６０に、従ってロータ３８に作用する、制御装置７６の指令に従ったいずれかの方向の軸方向スラストを形成する。加えて、プロセス副生ガス４２は、あらゆる高温燃焼ガスのロータ−ステータ空洞をパージし、かつ運転時にあらゆる高温燃焼ガスがロータ−ステータ空洞に流入するのを防止し、従って高温燃焼ガスがロータ３８の温度を上昇させるのを防止する。

図４に示す実施形態に関して前述したように、制御装置７６は、スラスト軸受センサ５４（図３に示す）、温度又は圧力センサ７８、或いは圧縮機３２、燃焼器３４又はタービン３６の作動レベルのような複数信号源のいずれかから信号を受けて、ロータ−ステータ空洞７０間に所望の圧力差を達成して所望の軸方向スラストを生成するのに適した制御弁４４の位置を決定することができる。

本発明はさらに、前述した実施形態のいずれかによるガスタービンを運転する方法を含む。例えば、図３、図４及び図５を参照すると、本方法は、ロータ３８によって圧縮機３２をタービン３６に連結するステップを含む。本方法はさらに、ロータ３８内に複数の空洞６８、７０を形成するステップと、複数の空洞６８、７０の少なくとも１つにプロセス副生ガス４２を注入するステップとを含む。プロセス副生ガス４２は、図４に示すようにロータ３８を貫通して直接注入するか、又は図５に示すようにステータ６２を通して注入することができる。本方法は、予めプログラムされたパラメータに従って複数の空洞６８、７０の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス４２の流量を調整する。予めプログラムされたパラメータには、例えばロータ３８に作用する所望の軸方向スラスト、或いはロータ空洞６８、７０内の所望の温度又は圧力を含むことができる。

特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かるであろう。

１０ガスタービン
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
１８ロータ
２０圧縮機ブレード
２２圧縮機入口
２４タービン排出口
２６スラスト軸受
２８抽出管路
３０ガスタービンシステム
３２圧縮機
３４燃焼器
３６タービン
３８ロータ
４０供給プレナム
４２副生ガス
４４制御弁
４６圧縮機ブレード
４８圧縮機入口
５０タービン排出口
５２スラスト軸受
５４スラスト軸受センサ
５６タービンケーシング
５８翼形部
６０回転スペーサ
６２ステータ
６４ホイール
６６ボルト
６８ロータ−ロータ空洞
７０ロータ−ステータ空洞
７２ダイアフラムシール
７４バリヤ
７６制御装置
７８センサ

Claims

ガスタービン（３０）であって、
圧縮機（３２）と、
上記圧縮機（３２）の下流のタービン（３６）であって複数のステータ（６２）を備えるタービン（３６）と、
上記圧縮機（３２）をタービン（３６）に連結するロータ（３８）であって複数のロータ空洞（６８、７０）を含むロータ（３８）と、
プロセス副生ガス（４２）を収容した供給プレナム（４０）であって、制御弁（４４）を備えていて、ロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つに連結されて該ロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つにプロセス副生ガス（４２）を供給する供給プレナム（４０）と
を備えるガスタービン（３０）。
前記供給プレナム（４０）が複数のロータ空洞（６８、７０）に連結される、請求項１記載のガスタービン（３０）。
前記供給プレナム（４０）が、１以上のステータ（６２）を通してロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つに連結される、請求項１又は請求項２記載のガスタービン（３０）。
前記ロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス（４２）の流量を調整する制御装置（７６）をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン（３０）。
前記制御装置（７６）が、ロータ空洞圧力又は温度に応じてロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス（４２）の流量を調整する、請求項４記載のガスタービン（３０）。
前記制御装置（７６）が、タービン（３６）の出力レベルに応じてロータ空洞（６８、７０）の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス（４２）の流量を調整する、請求項４記載のガスタービン（３０）。
圧縮機（３２）及びタービン（３６）を有するガスタービン（３０）を運転する方法であって、
圧縮機（３２）をタービン（３６）にロータ（３８）で連結するステップと、
ロータ（３８）内に複数の空洞（６８、７０）を形成するステップと、
複数の空洞（６８、７０）の少なくとも１つにプロセス副生ガス（４２）を注入するステップと、
予めプログラムされたパラメータに応じて複数の空洞（６８、７０）の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス（４２）の流量を調整するステップと
を含む方法。
前記タービン（３６）内のステータを通して複数の空洞（６８、７０）の少なくとも１つにプロセス副生ガス（４２）を流入させるステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
前記空洞（６８、７０）内の圧力又は温度に応じて複数の空洞（６８、７０）の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス（４２）の流量を調整するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
前記ロータ（３８）に作用する力に応じて複数の空洞（６８、７０）の少なくとも１つに供給されるプロセス副生ガス（４２）の流量を調整するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。