JP2013194740A - タービン排気フレームの冷却に使用される圧縮機抽出流の能動制御 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの燃焼器および排気フレームと、燃焼器に空気を供給し排気フレームにブリード空気を供給するように適合された圧縮機とを含むガスタービンを提供すること。
【解決手段】冷却用空気供給ダクトは、排気フレームに周囲空気を供給するように構成され、少なくとも１つのエゼクタは、排気フレームの上流において冷却用空気供給ダクトにブリード空気を供給するように構成されている。制御弁は、タービン排気温度および／またはタービン負荷状態、ならびに様々なタービン負荷状態における冷却要件に応じて、冷却用空気供給ダクトおよび排気フレームへの圧縮機ブリード空気供給を制御するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、ターボ機械の冷却構成に関し、より具体的には、圧縮機からのブリード空気を使用してタービンエンジンの排気フレームを冷却することに関する。

ガスタービンシステムにおいて、タービンの冷却流の管理は、耐用寿命を延ばし、部分負荷状態を含む全ての運転状態のもとでの性能を高めるうえで非常に重要である。排気温度は、ベース負荷状態に比べて、部分負荷状態とターンダウン状態の両方においてより高くなることが分かっている。結果的に、部分負荷およびターンダウンにおける排気フレームの冷却要求はより高くなる。

従来のシステムでは、部分負荷状態において、メイン流路における圧力がより高いことを考慮して二次流れ抵抗がより高いことから、冷却材の供給が減少する。あるいは、排気フレーム冷却システムのなかには、外部送風機を使用するものもあるが、送風機は、通常、ベース負荷運転状態に対して寸法設定されており、タービンの状態に関係なく実質的に一定の速度で冷却流を供給する。当然のことながら、このタイプの送風機は、冷却要求がベース負荷状態においてなされるよりも高い場合、所要の排気フレーム冷却を行うには不適当である。

他の既知の構成は、１つまたは複数のエダクタを使用して、圧縮機からまたはタービンケーシング内部から、空気をガス流へとまたはケーシング内に形成された冷却孔へと取り込む。例えば、米国特許第５，４５０，７１９号公報および米国特許第３，６３１，６７２号公報を参照されたい。しかし、それらにおいて、（１つまたは複数の）エダクタを通る空気流は、特定のエンジン状態に応じて調節されない。

米国特許第７４９３７６９号公報

したがって、排気フレームの耐用寿命を最適化するように、部分負荷状態およびターンダウン状態を含んだ全てのタービン状態における冷却要件に合う、タービン排気フレーム用の冷却構成を提供することが依然として必要とされている。

第１の例示的であるが非限定的な実施形態において、タービン排気フレーム冷却装置が提供され、このタービン排気フレーム冷却装置は、少なくとも１つの燃焼器および排気フレームと、少なくとも１つのタービン燃焼器に空気を供給し排気フレームにブリード空気を供給するように適合された圧縮機と、排気フレームに周囲空気を供給するように構成された冷却用空気供給ダクトと、排気フレームの上流において冷却用空気供給ダクトに圧縮機ブリード空気を供給するように構成された少なくとも１つのエゼクタと、タービン負荷状態およびその負荷状態における冷却要件に応じて、冷却用空気供給ダクトおよび排気フレームへの圧縮機ブリード空気供給を制御するように構成された制御弁とを備える。

さらに他の態様では、本発明は、ガスタービンを提供し、このガスタービンは、圧縮機と、少なくとも１つの燃焼器および排気フレームを有するタービンであり排気フレームが周囲空気および圧縮機からのブリード空気によって冷却されるタービンと、周囲空気を排気フレームに供給するように構成され断面積が減少するスロート領域付きで形成される冷却用空気供給ダクトと、スロート領域内に配置された少なくとも１つのエゼクタであり、圧縮機からのブリード空気を冷却用空気供給ダクトに供給するように構成された導管に連結される、少なくとも１つのエゼクタと、タービン負荷および／または排気ガス温度に応じて、圧縮機から少なくとも１つのエゼクタを通って冷却用空気供給ダクトに流れるブリード空気流を能動的に制御するように構成された制御弁とを備える。

さらに他の態様では、タービンの排気フレームを冷却する方法が提供され、この方法は、タービン排気フレームに周囲空気を供給するステップと、排気フレームの上流において圧縮機からのブリード空気を供給して周囲空気と混合するステップと、エンジン負荷状態および前記負荷状態における冷却要件に応じて圧縮機からのブリード空気流を制御するステップとを含む。

次に、以下に確認される図面に関連して、本発明を詳細に説明する。

本発明の例示的であるが非限定的な実施形態による、タービン排気フレーム用の冷却構成を含む、ガスタービンの簡略化された概略図である。 負荷および／または排気温度に無関係の従来の不変冷却流システムと比較した、タービン排気温度およびタービン負荷に基づいた冷却流を示す曲線グラフである。

図１を参照すると、タービン１０、圧縮機１２、１つまたは複数の燃焼器１４、およびタービンにより駆動される発電機１６を含む、簡略化された概略流れ図が示されている。タービン１０には圧縮機１２から流入空気が供給され、タービンを出た高温燃焼ガスは排気フレーム１８を通って排出されることが理解されよう。

排気フレーム１８の冷却を改善するために、１つまたは複数のエゼクタ２０が排気フレーム冷却回路に挿置される。各エゼクタ２０には、圧縮機１２からブリード空気が供給され、各エゼクタ２０は、冷却用空気を周囲空気冷却流導管２２内に噴出し、さらに、周囲空気冷却流導管２２は、２４で示される入口を介して周囲空気を導管に取り込む。エゼクタ２０は、排気フレーム１８上流において冷却流ダクト２２の断面積が減少するベンチュリすなわちスロート領域２８内に配置されるノズル２６を含む。圧縮機ブリード空気は、ノズル２６のところで冷却流方向に導入され、弁３０によって制御される。弁３０は、現在のタービン負荷状態に応じて１つまたは複数のエゼクタ２０に流れる圧縮機ブリード空気の流れを調節すなわち能動的に制御する。より具体的には、例えばスタートアップ、部分負荷、ベース負荷およびターンダウンである様々な負荷状態における冷却要件は、これらの状態ごとに排気ガス温度に基づいて決定することができる。冷却要件と負荷制御弁３０は相互に関連しているので、様々な負荷状態において、弁は、これらの冷却要件を満たすために応答して圧縮機ブリード空気流を供給する。様々な負荷状態における冷却要件の決定、現在の負荷状態に従って動作するように負荷制御弁を選択しプログラムすること、およびプラント運転制御システムへの統合は、当業者のよく知るところである。したがって、部分負荷状態およびターンダウン状態でも、制御弁によって確実に（１つまたは複数の）エゼクタ２０に十分な冷却流が流されて周囲空気と混合し、必要に応じて排気フレームが冷却され得る。

ベンチュリ２８には、導管２２内の冷却流を加速し、周囲空気入口２４を通ってより多くの空気を取り込むという望ましい効果があることが理解されよう。

エゼクタ２０の種類および数は可変であり、様々な流れパラメータは、例えば様々なフレーム寸法である特定の用途により異なることが理解されよう。

図２は、概して、タービンエンジン負荷、冷却要件および排気温度の関係を示している。グラフは、冷却流が様々な運転状態にわたって実質的に一定状態にある既知の冷却設計（既知の設計）を示している。タービン排気温度は、部分負荷のときに上昇し、部分負荷状態の間中、高いレベルの状態になり得る。

引き続き図２を参照すると、本明細書に記載の例示的であるが非限定的な実施形態により、冷却流は、約２０％負荷において、タービン排気温度に追従してより低い初速度からより高い速度へと増加する。次いで、部分負荷状態が増大する間、冷却速度は、従来の冷却速度を依然として上回るようにしながら、やはりまた排気温度に追従して実質的に一定のままであることが可能である。全負荷すなわちベース負荷（１００％）では、排気温度は低下し、したがって、ベース負荷状態に実質的に適合するように冷却要件も減少し得る。したがって、本発明によって、冷却要件は、部分負荷の間中増加し、それに応じて負荷制御弁３０により冷却流が増加され得ることが認められるようになる。排気温度をタービンエンジン負荷に応じて推測することによって、排気温度および／またはタービンエンジン負荷状態に応じて排気フレームに流れる冷却流を増加／減少させるように負荷制御弁３０をプログラムすることにより、冷却要件を満たすことが可能になる。

本発明を最も実用的な好ましい実施形態であると現時点で考えられている実施形態に関連して述べてきたが、本発明は、開示の実施形態に限定されるべきではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正形態および均等の構造を包含することを意図としていると理解すべきである。

１０ タービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ 発電機
１８ 排気フレーム
２０ エゼクタ
２２ 冷却流ダクト、周囲空気冷却流導管
２４ 空気入口
２６ ノズル
２８ スロート領域
３０ 負荷制御弁

Claims (20)

1. タービンであって、
   少なくとも１つの燃焼器および排気フレームと、
   前記少なくとも１つの燃焼器に空気を供給し、前記排気フレームにブリード空気を供給するように適合された圧縮機と、
   前記排気フレームに周囲空気を供給するように構成された冷却用空気供給ダクトと、
   前記排気フレームの上流において前記冷却用空気供給ダクトに圧縮機ブリード空気を供給するように構成された少なくとも１つのエゼクタと、
   タービン負荷状態および前記タービン負荷状態における冷却要件に応じて、前記冷却用空気供給ダクトおよび前記排気フレームへの前記圧縮機ブリード空気供給を制御するように構成された制御弁と
   を備える、タービン。
2. 前記少なくとも１つのエゼクタが、前記冷却用空気供給ダクト内において周囲空気流の方向に前記圧縮機ブリード空気を導くような向きに配置される、請求項１記載のタービン。
3. 前記冷却用空気供給ダクトが、断面積が減少するスロート領域付きで形成され、前記エゼクタの出口が前記スロート領域内に配置される、請求項２記載のタービン。
4. 前記冷却用空気供給ダクトが、断面積が減少するスロート領域付きで形成され、前記エゼクタの出口が前記スロート領域内に配置される、請求項１記載のタービン。
5. 前記タービンが、ガスタービンを含む、請求項１記載のタービン。
6. ガスタービンエンジンであって、
   圧縮機と、
   少なくとも１つの燃焼器および排気フレームを有するタービンセクションであり、前記排気フレームが周囲空気および前記圧縮機からのブリード空気によって冷却される、タービンセクションと、
   周囲空気を前記排気フレームに供給するように構成され、断面積が減少するスロート領域付きで形成される、冷却用空気供給ダクトと、
   前記断面積が減少するスロート領域内に配置された少なくとも１つのエゼクタであり、前記圧縮機からのブリード空気を前記冷却用空気供給ダクトに供給するように構成された導管に連結される、少なくとも１つのエゼクタと、
   タービン負荷および／または排気ガス温度に応じて、前記圧縮機から前記少なくとも１つのエゼクタを通って前記冷却用空気供給ダクトに流れるブリード空気流を能動的に制御するように構成された、制御弁と
   を備える、ガスタービンエンジン。
7. 前記エゼクタが、前記冷却用空気供給ダクト内において周囲空気流の方向に前記圧縮機ブリード空気を導くような向きに配置される、請求項６記載のガスタービンエンジン。
8. 前記導管が、前記冷却用空気供給ダクト内に径方向に突出し、前記少なくとも１つのエゼクタが、前記スロート領域内に軸方向に突出する、請求項６記載のガスタービンエンジン。
9. 前記制御弁が、前記圧縮機と前記少なくとも１つのエゼクタの間に配置される、請求項６記載のガスタービンエンジン。
10. タービン排気フレームを冷却する方法であって、
    （ａ）前記タービン排気フレームに周囲空気を供給するステップと、
    （ｂ）前記排気フレームの上流において圧縮機からのブリード空気を供給して前記周囲空気と混合するステップと、
    （ｃ）エンジン負荷状態および前記負荷状態における冷却要件に応じて、前記圧縮機からの前記ブリード空気の流れを制御するステップと
    を含む、方法。
11. 前記エンジン負荷状態が、部分負荷、ベース負荷およびターンダウン負荷を含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記ステップ（ｂ）が、圧縮機ブリード空気を、前記周囲空気を供給するダクトに導入することによって部分的に実施される、請求項１０記載の方法。
13. 前記圧縮機ブリード空気が、前記ダクトのスロート領域内に配置される少なくとも１つのエゼクタを使用して前記ダクトに導入される、請求項１２記載の方法。
14. 前記ステップ（ｃ）が、前記圧縮機からの前記ブリード空気を運ぶ導管内の負荷制御弁を使用して実施される、請求項１０記載の方法。
15. 前記ステップ（ｃ）が、前記圧縮機からの前記ブリード空気を運ぶ導管内の負荷制御弁を使用して実施される、請求項１２記載の方法。
16. 前記冷却要件が、前記負荷状態におけるタービン排気温度に基づいている、請求項１０記載の方法。
17. 前記ブリード空気が、前記排気フレームに向かう周囲空気流の方向に前記ダクトに供給される、請求項１２記載の方法。
18. 前記圧縮機ブリード空気が、前記ダクトのスロート領域内に配置される少なくとも１つのエゼクタを使用して前記ダクトに導入される、請求項１７記載の方法。
19. 前記圧縮機からの前記ブリード空気の流速が、前記部分負荷状態において増加される、請求項１１記載の方法。
20. 前記ブリード空気の前記流速が、ベース負荷において実質的に減少される、請求項１９記載の方法。