JP2012145109A - ロータを通る流れを制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータを通る流れを制御するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】本システムは、ロータ（１０）内に設けられた入口ポート（２４）と、ロータ（１０）内に設けられ出口ポート（２６）とを含む。出口ポート（２６）は、入口ポート（２４）と流体連通している。可変オリフィス（２８）が、入口又は出口ポート（２４、２６）の少なくとも１つに配置される。本方法は、プロセス流体を分流させるステップと、ロータ（１０）内に設けられた流体通路（２２）を通して分流プロセス流体を流すステップとを含む。本方法はさらに、ロータ（１０）内に設けられた流体通路を通る分流プロセス流体の流量を減少させるステップを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはロータを通る流れを制御するためのシステム及び方法に関連する。例えば、本発明の具体的な実施形態は、ロータを通るように分流される流体の量を制御して、ロータを暖機させることができる。

ガスタービンは、産業用及び商用運転において広く使用されている。一般的なガスタービンは、前部における圧縮機と、中間部の周りの１以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。圧縮機は、作動流体（例えば、空気）に運動エネルギーを与えて高エネルギー状態の加圧作動流体を生成する。加圧作動流体は、圧縮機から流出しかつ燃焼器に流れ、燃焼器において、加圧作動流体は燃料と混合されかつ点火されて、高い温度及び圧力を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに流れ、タービンにおいて、燃焼ガスが膨張して仕事を産生する。例えば、タービン内における燃焼ガスの膨張は、発電機に連結されたシャフトを回転させて、電気を生成する。

圧縮機及びタービンは一般的に、共通のロータを共有し、ロータは、圧縮機の前部付近から燃焼器セクションを通りタービンの後部付近まで延びる。ロータの長さ及び寸法のために、ロータの総重量は、１００トン近くになるか或いは１００トンを越える可能性がある。ガスタービンの始動時に、加圧作動流体が圧縮機を通って流れまた燃焼ガスがタービンを通って流れるので、ロータの外側部分は、ロータの内側部分よりも急速に加熱されてロータプロフィールにわたる温度勾配を生じる。ロータプロフィールにわたる温度勾配は、ロータにわたりＴ_max−Ｔ_aveにほぼ比例した大きな熱応力を生じさせる。Ｔ_maxは、ロータプロフィールにわたる最高温度である。圧縮機セクションでは、Ｔ_maxは圧縮機から流出する加圧作動流体の温度近くになる可能性があり、またタービンセクションでは、Ｔ_maxはタービンに流入する燃焼ガスの温度近くになる可能性がある。Ｔ_aveは、ロータプロフィールにわたる平均温度であり、またガスタービンの低温始動時には最初は周囲温度である。ロータにわたる熱応力は、ロータプロフィールにわたる温度が平衡状態に達するまで継続し、これは、１２時間又はそれよりも長くなる可能性がありかつロータの低サイクル疲労限界を大幅に低下させる。当技術分野では、ロータにわたる熱応力を減少させるための様々なシステム及び方法が知られている。例えば、圧縮機からプロセス流体を分流させかつロータを通して流して、Ｔ_maxとＴ_aveの間の示差温度を減少させかつロータがより短い時間の間に平衡温度に達するのを可能にすることができる。しかしながら、流体の分流は、圧縮機により形成される加圧作動流体の量を減少させることによって、圧縮機の効率を低下させる。加えて、流体の分流は、該流体を圧縮機空気流内に再導入する時に乱流を発生させ、またこの乱流は、圧縮機ブレードにわたり層流剥離を引起こすおそれがある。

従って、ロータを通る流れを制御するためのシステム及び方法の改良は、有用であると言える。

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１つの実施形態は、ロータを通る流れを制御するためのシステムである。本システムは、ロータ内に設けられた入口ポートと、ロータ内に設けられ出口ポートとを含む。出口ポートは、入口ポートと流体連通している。可変オリフィスが、入口又は出口ポートの少なくとも１つに配置される。

本発明の別の実施形態は、ロータを暖機させるためのシステムである。本システムは、ロータを通る流体通路を含む。流体通路内にバルブを配置して、該流体通路を通る流体の流量を制御する。

本発明はまた、ロータを通る流れを制御するあらゆる方法を含むことができる。本方法は、プロセス流体を分流させるステップと、ロータ内に設けられた流体通路を通して分流プロセス流体を流すステップとを含む。本方法はさらに、ロータ内に設けられた流体通路を通る分流プロセス流体の流量を減少させるステップを含む。

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。

本発明の１つの実施形態によるロータの簡略断面図。 線Ａ−Ａに沿って取った、図１に示すロータホイールの１つの側面の斜視図。 線Ｂ−Ｂに沿って取った、図１に示すロータホイールの別の側面の斜視図

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、１つの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。

本発明の技術的範囲内の実施形態は、ロータの期待寿命を強化しかつガスタービンの効率を向上させるためのシステム及び方法を提供する。様々な実施形態では、本発明は、ロータを通る流体の流量を制御してロータを暖機させ、それによってロータプロフィールにわたる熱応力を減少させることができる。熱応力の減少は、ロータの低サイクル疲労限界を強化する。加えて、本発明の技術的範囲内の実施形態は、ロータを通る流体流れの量及び／又は期間を制御することによって、ガスタービン効率を高める。

図１は、本発明の１つの実施形態によるロータ１０の上半分の簡略断面図を示している。図示するように、ロータ１０は、タイロッド１４によって軸方向に連結されて中心線１６の周りで共に回転する複数のロータホイール１２を含むことができる。圧縮機セクションでは、各ロータホイール１２は、図１に示すように回転ブレード１８又は固定ノズル２０と関連させることができる。同様に、タービンセクションでは、各ロータホイール１２は、回転バケット又はステータと関連させることができる。

図１に示すように、ロータ１０は、隣接するロータホイール１２間にかつそれらホイール内に複数の空洞２２を含む。空洞２２は、ロータ１０の総重量を低減する。加えて、空洞２２は、隣接するロータホイール１２間にかつそれらホイールの周りに１以上の流体通路を形成する。流体通路は、少なくとも１つの入口ポート２４と入口ポート２４と流体連通した少なくとも１つの出口ポート２６とを含む。入口及び／又は出口ポート２４、２６は、単一のロータホイール１２を貫通して又は隣接するロータホイール１２間にあらゆる好適な通路、プレナム又は径路を含むことができる。例えば、図２に示すように、入口ポート２４又は出口ポート２６は、隣接するロータホイール１２間に半径方向ボア孔を含むことができる。このようにして、流体は、図１に流れ矢印で示すように、入口ポート２４を通って流体通路内にまたロータホイール１２を通ってかつ／又はそれらホイールの周りを流れた後に、出口ポート２６を通って流体通路から流出することができる。

入口又は出口ポート２４、２６の少なくとも１つにおいて流体通路内に可変オリフィス２８を配置して、流体通路を通る流体流れを制御することができる。例えば、可変オリフィス２８は、流体流れが入口又は出口ポート２４、２６の少なくとも１つを通るのを可能にする第１の位置と、流体流れが入口又は出口ポート２４、２６の少なくとも１つを通るのを減少及び／又は阻止するのを可能にする第２の位置とを有することができる。可変オリフィス２８は、当業者には流体流れを減少又は阻止するものとして知られているあらゆる好適な機構を含むことができる。例えば、図３に示すように、可変オリフィス２８は、ロータホイール１２の温度変化に応答する熱作動バルブ３０を含むことができる。図３に示すように、バルブ３０は、該バルブ３０内部のダイアフラム３４に連結されたピストン３２又はディスクを含むことができる。より低温において、ダイアフラム３４は、ピストン３２又はディスクをバルブ３０内に後退させるように収縮して、流体流れが入口又は出口ポート２４、２６の少なくとも１つを通るのを許す又は可能にする第１の位置に可変オリフィス２８を位置させることができる。ロータホイール１２、従ってロータ１０が温度上昇すると、ダイアフラム３４は、ピストン３２又はディスクをバルブ３０から外方に強制的に移動させるように膨張して、関連する入口又は出口ポート２４、２６を妨害するか或いは完全にシールすることができる。ピストン３２又はディスクが関連する入口又は出口ポート２４、２６内に延び込むと、可変オリフィス２８は、流体流れが入口又は出口ポート２４、２６の少なくとも１つを通るのを減少及び／又は阻止する第２の位置に位置する。

図１に示すように、可変オリフィス２８は、本発明の技術的範囲内の別の実施形態では、該可変オリフィス２８を遠隔操作するために制御装置３６に接続することができる。本明細書に説明するように、制御装置３６の技術的効果は、信号３８を可変オリフィス２８に送信して、可変オリフィス２８を遠隔的に作動させることである。制御装置３６は、温度センサ又はタイマのような独立型構成要素、或いはラップトップコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ミニコンピュータ又は大型汎用コンピュータのような当技術分野で公知のあらゆるコンピュータシステム内に備えられた従属型構成要素とすることができる。本明細書に説明する様々な制御装置及びコンピュータシステムは、如何なる特定のハードウェアアーキテクチャ又は構成に限定されるものではない。本明細書に記載したシステム及び方法の実施形態は、あらゆる好適な方法で所望の機能をもたらす１以上の汎用或いは専用制御装置によって実施することができる。例えば、制御装置３６は、本主題を補完するか又は本主題に無関係であるかのいずれかの付加的機能をもたらすようにすることができる。ソフトウェアを使用する場合には、あらゆる好適なプログラミング、スクリプティング、或いはその他のタイプの言語又は言語の組合せを使用して、本明細書に含まれる教示を実施することができる。しかしながら、本明細書に記載しかつ開示した幾つかのシステム及び方法はまた、それに限定されないが特定用途向け回路を含むハードワイヤード論理又はその他の回路によって実施することができる。言うまでもなく、コンピュータ実行ソフトウェア並びにハードワイヤード論理又はその他の回路の様々な組合せは、同様に好適なものとすることができる。

制御装置３６により発生された信号３８は、監視されかつロータ１０の温度、ロータプロフィールにわたる温度勾配及び／又はロータ１０にわたる熱応力を反映した幾つかのパラメータのいずれかに基づくものとすることができる。例えば、信号３８は、ロータ１０にわたる温度プロフィールが平衡状態に達したことを示すロータ１０の温度を反映した又は該ロータ１０の温度に基づいたものとすることができる。同様に、信号３８は、圧縮機から流出する加圧作動流体、又はタービンを通って流れかつロータ１０の最高外側温度を示す燃焼ガスの温度を反映した又は該温度に基づいたものとすることができる。別の実施例として、信号３８は、計算又はテストにより求められかつロータ１０が平衡状態に達するのに十分である時間間隔を反映した又は該時間間隔に基づいたものとすることができる。

運転時において、可変オリフィス２８は、ガスタービンの始動時に第１のつまり開口位置に位置して、圧縮機を通って流れる作動流体のようなプロセス流体の一部分を入口ポート２４を通して分流させることができる。分流流体は次に、ロータ１０内の流体通路を通って流れ、出口ポート２６を通って流出しかつ圧縮機を通る加圧作動流体の流れ又はタービン内の燃焼ガスに戻る。分流流体はロータ１０を加熱するので、可変オリフィス２８は、最終的には閉鎖される。例えば、熱作動式の場合には、温度の上昇により、可変オリフィス２８は、流体通路を通る流体流れを減少又は阻止する第２のつまり閉鎖位置に位置し直される。それに代えて又はそれに加えて、制御装置３６は、必要に応じて可変オリフィス２８に対して、第１又は第２の位置間で該可変オリフィス２８を位置し直させる信号３８を発生することができる。

図１〜図３に関して説明しかつ図示したシステムはまた、ロータ１０を通る流れを制御する方法を提供する。本方法は、プロセス流体、例えば圧縮機からの加圧作動流体を分流させるステップと、分流プロセス流体をロータ１０内に設けられた流体通路を通して流すステップとを含むことができる。本方法はさらに、例えば所定の温度限界又は所定の時間限界に基づいて、ロータ１０内に設けられた流体通路を通る分流プロセス流体の流量を減少させるステップを含むことができる。特定の実施形態では、可変オリフィス２８又はバルブを使用して、ロータ１０内に設けられた通路を通る分流プロセス流体の流量を減少させることができ、また制御装置３６は、温度又は時間に基づいた信号３８を発生させることができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、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実施を行なうことを可能にもする。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り定めており、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含む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を意図している。

１０ ロータ
１２ ロータホイール
１４ タイロッド
１６ 中心線
１８ 回転ブレード
２０ 固定ノズル
２２ 空洞
２４ 入口ポート
２６ 出口ポート
２８ 可変オリフィス
３０ バルブ
３２ ピストン
３４ ダイアフラム
３６ 制御装置
３８ 信号

Claims (14)

1. ロータ（１０）を通る流れを制御するためのシステムであって、
   ａ．前記ロータ（１０）内に設けられた入口ポート（２４）と、
   ｂ．前記ロータ（１０）内に設けられかつ前記入口ポート（２４）と流体連通した出口ポート（２６）と、
   ｃ．前記入口又は出口ポート（２４、２６）の少なくとも１つに配置された可変オリフィス（２８）と
   を備えるシステム。
2. 前記入口ポート（２４）と出口ポート（２６）の間で前記ロータ（１０）内に設けられた複数の通路（２２）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記可変オリフィス（２８）がバルブ（３０）を含む、請求項１又は請求項２記載のシステム。
4. 前記可変オリフィス（２８）が第１の位置及び第２の位置を有し、前記第１の位置が前記入口又は出口ポート（２４、２６）の少なくとも１つを通る流れを可能にし、前記第２の位置が、前記入口又は出口ポート（２４、２６）の少なくとも１つを通る流れを阻止する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシステム。
5. 前記可変オリフィス（２８）に接続された制御装置（３６）をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム。
6. 前記制御装置（３６）が前記可変オリフィス（２８）に対して信号（３８）を発生し、前記信号（３８）が温度に基づく、請求項５記載のシステム。
7. 前記制御装置（３６）が、前記可変オリフィス（２８）に対して信号（３８）を発生し、前記信号（３８）が時間に基づく、請求項５乃至請求項６のいずれか１項記載のシステム。
8. ロータ（１０）を通る流れを制御する方法であって、
   ａ．プロセス流体を分流させるステップと、
   ｂ．前記ロータ（１０）内に設けられた流体通路（２２）を通して前記分流プロセス流体を流すステップと、
   ｃ．前記ロータ（１０）内に設けられた前記流体通路（２２）を通る前記分流プロセス流体の流量を減少させるステップと
   を含む方法。
9. 圧縮機から前記プロセス流体を分流させるステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記ロータ（１０）内に設けられた前記流体通路（２２）を通る前記分流プロセス流体の流量を所定の温度限界に基づいて減少させるステップをさらに含む、請求項８又は請求項９記載の方法。
11. 前記ロータ（１０）内に設けられた前記流体通路（２２）を通る前記分流プロセス流体の流量を所定の時間限界に基づいて減少させるステップをさらに含む、請求項８乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記ロータ（１０）内に設けられた前記流体通路（２２）を通る前記分流プロセス流体の流量を減少させるバルブ（３０）を作動させるステップをさらに含む、請求項８乃至請求項１１のいずれか１項記載の方法。
13. 前記バルブ（３０）に対して温度に基づいた信号（３８）を発生させるステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記バルブ（３０）に対して時間に基づいた信号（３８）を発生させるステップをさらに含む、請求項１２又は請求項１３記載の方法。

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