JP2014037831A - タービンシステムの温度勾配管理装置およびタービンシステムの温度勾配管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンシステムにおける温度勾配を管理する。
【解決手段】タービンシステムのための温度勾配管理装置は、ロータ３２に沿って軸線方向に延びるロータ孔３６を備えるロータ１８を含む。また、ロータ孔３６に流れる２次空気流５２のための入口およびタービンシステムのメイン流れ方向に対して入口の軸線方向上流に配置された出口５８を備える２次流路５６も含まれる。出口５８の近傍に配置されかつ第１のタービンシステム運転状態の間に２次空気流５６の流量を増加させるとともに第２のタービンシステム運転状態の間に２次空気流５６の流量を減少させるように構成された流量操作装置６２が更に含まれる。
【選択図】図２

Description

本願明細書に開示される主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、そのようなタービンシステムの温度勾配を管理する装置ならびに温度勾配を管理する方法に関する。

タービンシステムは、一般に、複数の積み重ねられたホイールを有するロータを含む。積み重ねられたホイールの半径方向中央領域が孔部分として知られるとともに、積み重ねられたホイールの半径方向外側領域がリム部分として知られている。タービンシステムの典型的な動作は高温を必然的に伴い、タービンの様々な構成部分を相対的に非常に厳しい熱的負荷にさらし得る。メイン流路の高温はタービンシステム内部の圧縮プロセスおよび燃焼プロセスの結果である。その結果、特にメイン流路の温度がロータの温度より大幅に高いタービンシステムの始動中に、積み重ねられたホイール内に大きい温度勾配がしばしば存在する。具体的には、大きな温度勾配は孔部分より大幅に高温であるリム部分によって生じる。

上述した大きい温度勾配は、遠心力および表面圧により機械的応力に重ね合せられる熱応力を与える。ロータの構成部品が受ける応力および温度履歴により、ロータの各作動サイクルにわたって累積する損傷、したがって寿命が決まる。

米国特許第７９０９５６５号明細書

本発明の一態様によれば、タービンシステムの温度勾配管理装置は、ロータに沿って軸線方向に延びるロータ孔を備えるロータを含む。ロータ孔に流れる２次空気流のための入口およびタービンシステムのメイン流れ方向に対して入口の軸線方向上流に配置された出口を備える２次流路もまた含まれる。出口の近傍に配置されかつ第１のタービンシステム運転状態の間に２次空気流の流量を増加させるとともに第２のタービンシステム運転状態の間に２次空気流の流量を減少させるように構成された流量操作装置が更に含まれる。

本発明の別の態様によれば、タービンシステムの温度勾配管理装置は、複数の積み重ねられたホイール、およびロータ孔を備えるロータを含む。複数の圧縮機段もまた含まれる。ロータ孔に流れる２次空気流のための少なくとも一つの入口を備える少なくとも一つの２次流路が更に含まれ、この少なくとも一つの２次流路は、少なくとも一つの入口からメイン流れ方向に対して上流方向に、複数の圧縮機段のうちの少なくとも一つの近傍に配置された少なくとも一つの出口に向かって延びる。少なくとも一つの出口の近傍に配置されるとともに、第１のタービンシステム運転状態の間に２次空気流の流量を増加させかつ第２のタービンシステム運転状態の間に２次空気流の流量を減少させるように構成された流量操作装置がなお更に含まれる。

本発明の更に別の態様によれば、タービンシステムの温度勾配管理方法が提供される。この方法は、ロータ内に配置されたロータ孔への入口を通して２次流路に沿って出口に２次空気流を送ることを含む。また、第１のタービンシステム運転状態の間に２次流路を通る２次空気流の流量を増加させるように、出口における流路隙間を増加させることも含まれる。第２のタービンシステム運転状態の間に２次流路を通る２次空気流の流量を減少させるように、出口における流路隙間を減少させることが更に含まれる。

これらのおよび他の利点および機能は、図面に関連してなされる以下の説明からより明らかになる。

発明と考えられる主題は、本明細書の結びにおける特許請求の範囲に特に指摘され明確に主張される。本発明の前述したおよび他の特徴および利点は、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明から明らかである。

タービンシステムの概略図である。 タービンシステムの部分的かつ概略的な側面図である。 タービンシステムの温度勾配を管理する方法を図示する流れ図である。

この詳細な説明は、図面を参照しつつ、利点および特徴と共に一例としての本発明の実施形態を説明する。

本出願では、「軸線方向」および「軸線方向に」という用語は、タービンシステムの中心の長手方向軸線と実質的に平行に延びる方向および向きを指す。本出願に用いる「半径方向」および「半径方向に」という用語は、タービンシステムの中心の長手方向軸線と実質的に直交して延びる方向および向きを指す。この出願に用いる「上流」および「下流」という用語は、タービンシステムの中心の長手方向軸線に関する軸線方向の流れ方向に対する方向および向きを指す。

図１を参照すると、例えばガスタービンシステムのようなタービンシステムが参照符号１０によって概略的に図示されている。このガスタービンシステム１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、タービンセクション１６、ロータ１８および燃料ノズル２０を含む。ガスタービンシステム１０の一実施形態が、複数の圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、ロータ１８、および燃料ノズル２０を含み得ることを理解されたい。圧縮機セクション１２およびタービンセクション１６はロータ１８によって連結されている。このロータ１８は、単一のシャフトあるいは互いに結合されてロータ１８を形成する複数のシャフト部分を含む。

燃焼器セクション１４は、ガスタービンシステム１０を作動させるために、天然ガスあるいは水素リッチな合成ガスといった可燃性の液体および／または気体の燃料を使用する。例えば、燃料ノズル２０は、圧縮機１２および燃料供給器２２から出るメイン流路２６と流体的に連通している。燃料ノズル２０は、混合気を作り出すとともに、この混合気を燃焼器セクション１４に排出し、それによって高温の加圧された排気２８を作り出す燃焼を生じさせる。燃焼器セクション１４は、トランジションピースを通してタービンノズル（あるいは「ステージ１ノズル」）や、バケットの他の段およびノズル内に高温の加圧ガスを導き、タービンセクション１６のアウタケーシング２４内のタービンブレードの回転を生じさせる。

ここで図２を参照すると、部分的な概略図が、ロータ１８によって作動可能に連結された圧縮機セクション１２およびタービンセクション１６をより詳細に示している。複数の積み重ねられたホイールは、複数の中実ホイール３０および複数の環状ホイール３２を含んでおり、複数の中実ホイール３０は複数の環状ホイール３２の間に交互に配置されている。複数の中実ホイール３０および複数の環状ホイール３２は、ロータ１８の一部の上に取り付けられ、かつロータ１８の一部を形成している。ロータ１８は、ロータ１８の半径方向外側の位置に配置されたリム部分３４、およびロータ１８の全体にわたって相対的に軸線方向に延びるロータ孔３６を含む。しかしながら、ロータ孔３６が半径方向および／または円周方向に延びる曲がりくねった経路を含み得ることを理解されたい。

複数の中実ホイール３０および複数の環状ホイール３２のそれぞれが、ロータ１８から半径方向外側に突出する動翼３８を含んでおり、複数の静翼４０がステータ（図示せず）に取り付けられている。複数の静翼４０のそれぞれは、一般に動翼３８の間に交互に配置されるが、図示を簡単にするために複数の静翼４０のうちの２つのみが示されている。動翼３８および複数の静翼４０は、圧縮機セクション１２内のメイン流路２６がそれを通る通路を形成している。圧縮機セクション１２を通って圧力が高まるに連れてメイン流路２６の温度は次第に高まる。したがって、ロータ１８のリム部分３４は次第に高温になるメイン流路２６にさらされるが、ロータ孔３６はメイン流路２６から遮蔽されたままとなる。ロータ孔３６は、ロータ１８の根元部分を形成しており、それによってロータの中心線４２の近傍に延びている。リム部分３４のメイン流路２６への曝露に基づいて、リム部分３４とロータ１８のロータ孔３６との間には多くの場合に温度勾配が存在する。上記した温度勾配を緩和するために、ロータ孔３６をガスタービンシステム１０の運転開始の間に加熱し運転停止の間に冷却できるが、それらは通常特に高い温度勾配に通じる２つの運転期間である。

図示のように、圧縮機セクション１２は、同じ軸線方向位置において円周方向に間隔を開けて配置された動翼の軸線方向に前方あるいは後方の列と共に、同じ軸線方向位置において一列に位置合わせされた一つまたは複数の円周方向に間隔を開けて配置された静翼を備える複数の圧縮機段４４を含む。複数の圧縮機段４４は、複数の圧縮機段４４のうち相対的に軸線方向の中央に配置された中間段４６を含む。複数の前方段４８は、圧縮機セクション１２内を流れるメイン流路２６の方向に対し中間段４６の上流に配置されている。加えて、複数の後方段５０がメイン流路２６の方向に対し中間段４６の下流に配置されている。

上述したように、ロータ孔３６の加熱あるいは冷却は、ロータ孔３６それ自体のようなロータ１８の半径方向内側部分とリム部分３４のようなロータ１８の半径方向外側部分との間に存在する温度勾配を有益に低下させることができる。したがって、圧縮機セクション１２を通ってロータ孔３６に流れる２次空気流５２がメイン流路２６から提供される。メイン流路２６の残りの部分は、典型的には、タービンセクション１６のための冷却／パージ流れ５３として燃焼器セクション１４に流れる。２次空気流５２は、中間段４６および／または複数の後方段５０のうちの少なくとも一つの近傍に配置された少なくとも一つの入口５４を通ってロータ孔３６に送られ、少なくとも一つの入口５４は２次流路５６の一部である。少なくとも一つの入口５４を通して２次空気流５２を送ることに続いて、２次空気流５２はロータ孔３６によって定められる２次流路５６に沿って（メイン流路２６に対し）上流に向けられる。２次空気流５２が上流に移動するので、ロータ孔３６、したがってロータ１８の半径方向内側部分が始動中に加熱され、ロータ孔３６とリム部分３４との間の温度勾配を低下させる。それに沿って２次空気流５２が送られる２次流路５６が、様々な経路寸法および形状を取り得ることを理解されたい。例えば、２次流路５６は、環状ホイール３２の周りにかつ中実ホイール３０を通って延び、それによってサーペンタイン流路と呼ばれる曲がった流路を形成することができる。

２次流路５６の正確な寸法および形状にかかわりなく、２次流路５６が、典型的には、少なくとも一つの入口５４から複数の前方段４８のうちの少なくとも一つの近傍に配置された少なくとも一つの出口５８に上流に延びることを理解されたい。少なくとも一つの出口５８は複数の前方段４８のうちの少なくとも一つの近傍にある様々な構成部品を通って延びることができるが、少なくとも一つの出口５８をロータ１８のリム部分３４の近傍の静翼ダイヤフラム６０に配置することも考えられる。

２次流路５６からの２次空気流５２の放出を容易にする隙間６４を制御するために、少なくとも一つの出口５８の内側にあるいはその近傍に流量操作装置６２が配置される。一実施形態において、流量操作装置６２は、２次流路５６の全体にわたって移動する２次空気流５２の流量を変える調節可能なシールを含む。典型的には、ガスタービンシステム１０の運転開始および運転停止の間、ロータの構成部品は、熱膨張および負荷応力に関連する温度差の組合せに起因してステータ部品に対し軸線方向のたわみを受け得る。この一時的に変化する相対的なたわみは、全負荷運転時間の間に最大に達し、定常状態あるいは定常状態に近いガスタービンシステム１０の運転の期間全体の間に一定のままとなる。したがって、運転開始の前およびその間には、少なくとも一つの出口５８を塞がないようにし、それによってロータ孔３６とメイン流路２６との間の圧力差に起因して２次流路５６を通る２次空気流５２が生じるように、流量操作装置６２を位置決めすることができる。流量操作装置６２が作動可能に接続されている静翼の構成部品が（第１の運転状態と呼ばれる）過渡状態運転の間にロータの構成部品に対し軸線方向に膨張すると、流量操作装置は相対的に移動して少なくとも一つの出口５８の少なくとも一部を覆いかつ塞ぎ始めることができ、それによって隙間６４を減少させて２次空気流５２の流れを制限すると、２次流路５６の内部をそれに沿って加熱する２次空気流５２の流量が減少する。ガスタービンシステム１０が、２次運転状態と呼ばれる定常状態あるいは定常状態に近い運転状態に達すると、流量操作装置６２は、ロータの構成部品に対するその動きが遅くなりあるいは停止し、少なくとも一つの出口５８の全部または一部を覆い続けることができる。

過渡状態の運転および定常状態の運転のそれぞれの間に２次空気流５２の流量を適切に増加させかつ減少させるように、様々な他の配置を使用し得ることが考えられる。

図３の流れ図に示したように、また図１および図２を参照すると、タービンシステムの温度勾配を管理する方法１００もまた提供される。ガスタービンシステム１０、より具体的には圧縮機セクション１２およびロータ１８については先に説明したが、特定の構造的な構成部品はより詳細に説明する必要はない。このタービンシステムの温度勾配を管理する方法１００は、ロータ１８の内部に配置されたロータ孔１０２への少なくとも一つの入口を通し、２次流路５６に沿って少なくとも一つの出口５８に、２次空気流を送ることを含む。第１のタービンシステム運転状態１０４の間に２次空気流５２の流量を増加させるように、流路隙間が少なくとも一つの出口において増加する。これとは反対に、第２のタービン運転状態１０６の間に２次空気流５２の流量を減少させるように、流路隙間が少なくとも一つの出口で減少する。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に記載してきたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解される。むしろ、これまで説明しなかったが本発明の趣旨および範囲と同程度の任意の数の変形、改変、置き換えあるいは等価な配置を組み込むために本発明を修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を記載してきたが、本発明の態様が記載した実施形態のうちのいくつかのみを含み得ることを理解されたい。したがって、本発明は、前述した記載により制限されると見なされるべきではなく、添付の請求の範囲のみによって限定される。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機（圧縮機セクション）
１４ 燃焼器（燃焼器セクション）
１６ タービン（タービンセクション）
１８ ロータ
２０ 燃料ノズル
２２ 燃料供給器
２４ アウタケーシング
２６ メイン流路
２８ 排気
３０ 中実ホイール
３２ 環状ホイール
３４ リム部分
３６ ロータ孔
３８ 動翼
４０ 静翼
４２ ロータの中心線
４４ 圧縮機段
４６ 中間段
４８ 複数の前方段
５０ 複数の後方段
５２ ２次空気流
５３ 冷却／パージ流れ
５４ 少なくとも一つの入口
５６ ２次流路
５８ 出口
６０ 静翼ダイヤフラム
６２ 流量操作装置
６４ 隙間
１００ タービンシステムの温度勾配を管理する方法
１０２ ロータ孔
１０４ 第１のタービンシステム運転状態

Claims (20)

1. タービンシステムの温度勾配管理装置であって、
   ロータに沿って軸線方向に延びるロータ孔を含むロータと、
   前記ロータ孔に流れる２次空気流のための入り口および前記タービンシステムのメイン流れ方向に対して前記入口の軸線方向上流に配置された出口を含む２次流路と、
   前記出口の近傍に配置され、かつ第１のタービンシステム運転状態の間に前記２次空気流の流量を増加させるとともに第２のタービンシステム運転状態の間に前記２次空気流の流量を減少させるように構成された流量操作装置と
   を備える温度勾配管理装置。
2. 前記第１のタービンシステム運転状態が、過渡状態の運転を含む、請求項１記載の温度勾配管理装置。
3. 前記第２のタービンシステム運転状態が、定常状態の運転を含む、請求項１記載の温度勾配管理装置。
4. 前記流量操作装置が、前記出口近傍の隙間を制御するように構成された少なくとも一つの調節可能なシールを含む、請求項１記載の温度勾配管理装置。
5. 前記流量操作装置が静翼ダイヤフラムの近傍に配置される、請求項４記載の温度勾配管理装置。
6. 複数の圧縮機段を更に備え、前記複数の圧縮機段が、中間段、前記中間段の上流に配置された複数の前方段、および前記中間段の下流に配置された複数の後方段を含む、請求項１記載の温度勾配管理装置。
7. 前記入口が、前記中間段および前記複数の後方段の少なくとも一つの近傍に配置される、請求項６記載の温度勾配管理装置。
8. 複数の入口を更に備える、請求項７記載の温度勾配管理装置。
9. 前記出口が前記複数の前方段のうちの少なくとも一つの近傍に配置される、請求項６記載の温度勾配管理装置。
10. 複数の出口を更に備える、請求項９記載の温度勾配管理装置。
11. タービンシステムの温度勾配管理装置であって、
    複数の積み重ねられたホイール、およびロータ孔を含むロータと、
    複数の圧縮機段と、
    前記ロータ孔に流れる２次空気流のための少なくとも一つの入口を含み、前記少なくとも一つの入口からメイン流れに対して上流方向に、前記複数の圧縮機段のうちの少なくとも一つの近傍に配置された少なくとも一つの出口に向かって延びる少なくとも一つの２次流路と、
    前記少なくとも一つの出口の近傍に配置され、第１のタービンシステム運転状態の間に前記２次空気流の流量を増加させるとともに第２のタービンシステム運転状態の間に前記２次空気流の流量を減少させるように構成された流量操作装置と
    を備える温度勾配管理装置。
12. 前記第１のタービンシステム運転状態が、過渡状態の運転を含む、請求項１１記載の温度勾配管理装置。
13. 前記第２のタービンシステム運転状態が、定常状態の運転を含む、請求項１１記載の温度勾配管理装置。
14. 前記流量操作装置が、前記少なくとも一つの出口の近傍の隙間を制御するように構成された少なくとも一つの調節可能なシールを含む、請求項１１記載の温度勾配管理装置。
15. 前記流量操作装置が静翼ダイヤフラムの近傍に配置される、請求項１４記載の温度勾配管理装置。
16. 前記複数の圧縮機段が、
    中間段、
    前記中間段の上流に配置された複数の前方段、
    前記中間段の下流に配置された複数の後方段を備え、
    前記少なくとも一つの入口が、前記中間段および前記複数の後方段のうちの少なくとも一つの近傍に配置され、
    前記少なくとも一つの出口が、前記複数の前方段のうちの少なくとも一つの近傍に配置される、請求項１１記載の温度勾配管理装置。
17. タービンシステムの温度勾配を管理する方法であって、
    ロータの内部に配置されたロータ孔への入口を通して２次流路に沿って出口に２次空気流を送るステップと、
    第１のタービンシステム運転状態の間に前記２次流路を通る前記２次空気流の流量を増加させるように、前記出口における流路隙間を増加させるステップと、
    第２のタービンシステム運転状態の間に前記２次流路を通る前記２次空気流の流量を減少させるように、前記出口における流路隙間を減少させるステップと
    を含む方法。
18. 前記２次空気流を送るステップが、前記２次流路に沿って前記出口に前記２次空気流を上流に向けることを更に含み、前記出口が静翼ダイヤフラムの近傍に配置される、請求項１７記載の方法。
19. 前記第１のタービンシステム運転状態が、過渡状態の運転を含む、請求項１７記載の方法。
20. 前記第２のタービンシステム運転状態が、定常状態の運転を含む、請求項１７記載の方法。