JP2015052319A - ガスタービンエンジンを冷却する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却に要する時間を短縮することができるガスタービンエンジンの冷却方法を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンを冷却する方法が提供される。本方法は、ガスタービンエンジンから負荷を取り除くステップを含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンの定格回転速度でガスタービンエンジンを動作させるステップを含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンのコンプレッサ部の入口に近接して配置された入口案内翼の少なくとも１つの段の角度を調整するステップをさらに含み、角度を調整するステップは、ガスタービンエンジンの冷却時間を短縮するために吸気流量を修正する。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される発明の主題は、ガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンを冷却する方法に関する。

ガスタービンエンジン動作の経済は、ガスタービンが可能な最大限度までパワーを発生するために利用できることを要求する。しかし、ガスタービンの保守および修理のための予定されたおよび予定されていない停止が機器の耐用期間を通じて必要となることが知られている。ガスタービンエンジンを迅速に停止し、保守を行うために必要となる条件を確立し、それから保守が完了した後に速やかに動作に戻ることが可能であることが有益である。

上記の概説したプロセスの一部は、特にガスタービンエンジンのためのクールダウン手順に関し、クールダウンサイクルと呼ばれる。クールダウンサイクルは、最高速度最大負荷（ＦＳＦＬ）の完全動作から完全なまたは一時的な停止へ移行する間のガスタービンエンジンの動作と関係する。ガスタービンエンジンのユーザーは、定期保守であるか、予定外の停止であるかにかかわらず、このプロセスが総停止時間を短縮するためにできるだけ速やかに行われることを望む。クールダウンサイクルに関連する１つの考慮すべき点は、部品寿命への影響に関する。具体的には、クールダウンプロセスの速さはガスタービンエンジンの様々な部品に加わる応力に影響を与え、このような熱サイクルは部品寿命に直接影響を与える。典型的には、部品に加わる許容できる応力についての保守的な決定に基づいて、単一の期間がユーザーに提供される。

米国特許出願公開第２０１２／０３０４６５１号明細書

本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジンを冷却する方法が提供される。本方法は、ガスタービンエンジンから負荷を取り除くステップを含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンの定格回転速度でガスタービンエンジンを動作させるステップを含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンのコンプレッサ部の入口に近接して配置された入口案内翼の少なくとも１つの段の角度を調整するステップをさらに含み、角度を調整するステップは、ガスタービンエンジンの冷却時間を短縮するために吸気流量を修正する。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンを冷却する方法が提供される。本方法は、ガスタービンエンジンの定格回転速度でガスタービンエンジンを動作させるステップを含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンのローター速度を第１の所定のクールダウンローター速度に減少させるステップを含む。本方法は、ローター速度を、第１の所定のクールダウンローター速度から第２の所定のクールダウンローター速度に増加させるステップをさらに含む。本方法は、吸気流量を修正するために、入口案内翼の少なくとも１つの段の角度を調整するステップをさらに含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンの領域に水を注入するステップを含む。本方法は、ローター速度を、周囲条件によって決定された期間に、前記第２の所定のクールダウンローター速度に保持するステップをさらに含む。

これらのおよび他の利点ならびに特徴は、図面と合わせて以下の説明からより明らかになろう。

本発明とみなされる発明の主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲において特に示され、明確に請求される。本発明の上述したおよび他の特徴ならびに利点は、添付した図面と合わせて以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンエンジンの概略図である。 ガスタービンエンジンを冷却する方法における、時間の関数としてのガスタービン速度のプロットである。 ガスタービンエンジンを冷却する方法を示すフローチャートである。

詳細な説明は、例として図面を参照しながら、本発明の実施形態を利点および特徴と共に説明する。

図１に示すように、ガスタービンエンジンなどのタービンシステムは、例えば、符号１０により模式的に示す。ガスタービンエンジン１０は、コンプレッサ部１２、燃焼器部１４、タービン部１６、ローター１８、および燃料ノズル２０を含む。ガスタービンエンジン１０の一実施形態は、複数のコンプレッサ部１２、複数の燃焼器部１４、複数のタービン部１６、複数のローター１８、および複数の燃料ノズル２０を含んでもよいことが理解されるべきである。コンプレッサ部１２およびタービン部１６は、ローター１８によって連結される。ローター１８は、単一の軸またはローター１８を形成するように互いに連結される複数の軸部分であってもよい。

燃焼器部１４は、ガスタービンエンジン１０を動作させるために、例えば天然ガスまたは水素を多く含む合成ガスなどの可燃性の液体燃料および／または気体燃料を用いる。例えば、燃料ノズル２０は、空気供給部および燃料供給部２２と流体連通する。燃料ノズル２０は空気燃料混合気を生成して、空気燃料混合気を燃焼器部１４に放出し、それによって、熱い加圧排気ガスを生成する燃焼を引き起こす。燃焼器部１４は、連絡管を通して熱い加圧ガスをタービンノズル（または「第１段のノズル」）に導き、動翼およびノズルの他の段によってタービン部１６の外部ケーシング２４内のタービン翼の回転が生じる。

図２に、ガスタービンエンジン１０の冷却方法３０を示す。冷却方法３０は、いくつかのシナリオに応じて用いることができる。１つの例は、定期保守によるガスタービンエンジン１０の予定された停止である。別の例は、様々な要因による予定外の停止である。冷却方法３０が予定された停止の結果として用いられるか、予定外の停止の結果として用いられるかどうかにかかわらず、冷却方法３０はガスタービンエンジン１０の部品を十分に冷却するために必要な時間を有利に短縮する。さらに、以下に詳述するように、冷却方法３０は、クールダウン期間に関するユーザーオプションを提供する。

図２のプロットは、冷却方法３０の期間の少なくとも一部の期間におけるローター速度３２を時間の関数として示す。説明の便宜上、ガスタービンエンジン１０は、最初は、１００％のローター速度３２であって負荷がそれに連結されるものとして示す。これは、期間３４において最高速度最大負荷（ＦＳＦＬ）の動作条件を表す。ガスタービンエンジン１０は、典型的には上記の最高速度（すなわち１００％）の約９０％より大きい定格回転速度と呼ばれる速度で、しばしば動作することが理解されるべきである。このように、本明細書で述べる速度および相対的な百分率は、最高速度または定格回転速度に関してもよい。

それから、ローター速度３２は、期間４４において、第１の所定のクールダウン速度４６まで減少４２する。時刻３８においてガスタービンエンジン１０から負荷が取り除かれ、期間４０においてガスタービンエンジン１０は最高速度無負荷（ＦＳＮＬ）または定格回転速度で一時的に動作する。場合によっては、期間４４において負荷が取り除かれてもよいことが理解されるべきである。第１の所定のクールダウン速度４６は、特定の用途に応じて変化する。一実施形態では、第１の所定のクールダウン速度４６は、「ラチェット速度」または「ターニングギヤ速度」と呼ばれるものを含む。ラチェット速度およびターニングギヤ速度という用語は、比較的遅いローター速度に各々対応し、ローター１８はローター１８に動作可能に連結される機械的装置によってその速度で駆動される。ローター速度３２は、ローター１８の極めて遅い一定の回転または断続的な回転によって規定されてもよい。一実施形態では、第１の所定のクールダウン速度４６は、１から５分毎のローター１８の約１／４回転に対応する。第１の所定のクールダウン速度４６の正確な速度は、用途に応じて変化する。図示するように、特定の実施形態では、ローター速度３２は、第１の所定のクールダウン速度４６に到達する前に、０％のローター速度で表される完全な停止まで実際に減少してもよい。一実施形態では、第１の所定のクールダウン速度４６は、ターニングギヤ速度に対応し、約０．１％から約１０％の範囲のローター速度である。

第１の所定のクールダウン速度４６に到達すると、ローター速度３２は、選択可能な期間において第１の所定のクールダウン速度４６で保持される。具体的には、ローター速度３２が第１の所定のクールダウン速度４６で保持される複数の期間のオプションがユーザーに提供される。第１の期間４８、第２の期間５０、および第３の期間５２と呼ばれる３つの期間を示す。これらの期間は、ローター速度３２を第２の所定のクールダウン速度５４に増加させる前に、第１の所定のクールダウン速度４６で保持する時間を表す。一実施形態では、第２の所定のクールダウン速度５４は、ローター１８の「クランク速度」に対応してもよい。このような実施形態では、ローター速度３２は、約１０％から約４０％の範囲である。

第１の期間４８は、第１の所定のクールダウン速度４６で約０分保持する時間を表す。言い換えれば、ローター速度３２は、第１の所定のクールダウン速度４６を通り越して、あるいは例えば１分未満の短い期間で保持されて、線４９に沿って直接第２の所定のクールダウン速度５４まで増加する。第３の期間５２は、線５３に沿ってローター速度３２を第２の所定のクールダウン速度５４に増加させる前に、第１の所定のクールダウン速度４６で保持する最も長い時間のオプションを表す。第２の期間５０は、第１の期間４８および第３の期間５２と比較して中間の保持時間を表す。第２の期間５０で保持した後、ローター速度３２は、第２の所定のクールダウン速度５４まで線５１に沿って増加する。本明細書には３つの保持時間を図示し記載してあるが、より多くのまたはより少ない保持時間オプションがユーザーに提供されてもよいことが理解されるべきである。下記の説明から分かるように、保守要因の影響に基づいてユーザーが期間オプションを決定し、複数の期間の各々は対応する保守要因の影響と関係する。

都合のよいことに、ユーザーは、ガスタービンエンジン１０の特定の動作に基づいて複数の期間から選択することが可能である。特に、いくつかのユーザーは、主としてベースロード（ＦＳＦＬ）で、周期的な方法でなくガスタービンエンジン１０を動作させる。このようなユーザーは、熱サイクルの間に加わる熱応力によって影響されるローターの周期的能力については、短縮された停止時間ほどには関心を持っていない。これらのユーザーは、第１の所定のクールダウン速度４６で保持する時間がほとんどないか、あるいは全くない、第１の期間４８を用いるオプションから最も利益を得る。反対に、ガスタービンエンジン１０の頻繁なサイクリングを行うユーザーは、第３の期間５２から最も利益を得る。第３の期間５２は、ガスタービンエンジン１０をＦＳＦＬに持ってくるのにより長い時間がかかるが、ローター１８に加わる熱応力を保守的に説明する。第２の期間５０は、上記の両極端の間のユーザーのための中間のオプションである。前述のように、記載した３つのオプションより多くのまたはより少ないオプションを用いてもよく、３つのオプションは限定することを意図しない。

ユーザーがどのオプションを選択するかに関係なく、ローター速度３２は第２の所定のクールダウン速度５４に増加され、ガスタービンエンジン１０と関係する様々なデバイスによって検出される周囲条件により決定される保持時間の間保持される。第１の所定のクールダウン速度４６に対応する複数の期間を決定するために、周囲条件を用いることもできると考えられる。このような条件は、例えば、温度、圧力および湿度を含んでもよい。第２の所定のクールダウン速度５４で保持するための保持時間を決定するために、周囲条件をローター解析モデルに自動的にまたは手動で入力する。保持期間の終わりに、ローター速度３２は、最高速度に向かって増加してもよいし、あるいは完全な停止に減少してもよい。あるいは、ローター速度３２は、高いクランク速度に対応する第３の所定のクールダウン速度６８まで増加してもよい。

第２の所定のクールダウン速度５４で動作中に、冷却方法３０は、ガスタービンエンジン１０の効率的で時間を短縮する冷却を容易にするために用いられる１つまたは複数の冷却動作を含む。１つの冷却動作は、少なくとも１つの入口案内翼セットの角度を調整することを含む。典型的には、複数の入口案内翼（ＩＧＶ）は、コンプレッサ部１２の入口に近接して配置される。ＩＧＶの少なくとも１つであるが、全段のＩＧＶまで、コンプレッサ部１２に入る吸気流に対するそれらのそれぞれの角度を変えるために調整されてもよい。吸気流に対する角度は、ガスタービンエンジン１０の特定の条件に応じて増加され、または減少されてもよい。一実施形態では、ＩＧＶは「完全に開いた」位置に調整され、それはコンプレッサ部１２に入る吸気流量を完全に増加させ、それによって、ガスタービンエンジン１０の様々な部品に対する冷却効果を強化する。ＩＧＶが調整される特定の角度は、異なる操作および／または周囲条件を説明するように微調整されてもよい。用いることができる別の冷却動作は、ガスタービンエンジン１０のクールダウン時間を短縮させる熱伝達目的のために、ガスタービンエンジン１０の少なくとも１つの領域へ水を注入することである。水が注入される領域は、変化することができる。一実施形態では、水はコンプレッサ部１２に注入される。このような実施形態は、コンプレッサ部１２を流れる空気を冷却し、それによって、空気がガスタービンエンジン１０からさらに熱を拾って、クールダウン時間をさらに短縮することができる。代替的実施形態では、ガスタービンエンジン１０、例えばタービン部１６、燃焼器部１４、またはタービン部１６、燃焼器部１４およびコンプレッサ部１２の組み合せなどの他の領域に水を注入することが考えられる。

代替的実施形態は、ローター速度３２をＦＳＮＬまたは定格回転速度から第２の所定のクールダウン速度５４に減少させる経路６０により表される。この実施形態は、ローター速度３２を、第１の所定のクールダウン速度４６に対応する速度に、または、第１の所定のクールダウン速度４６より遅い速度に減少させることを必要としない。本実施形態の第２の所定のクールダウン速度５４は、上記のクランク速度に対応してもよいし、あるいは、高いクランク速度６８であってもよいことが理解されるべきである。高いクランク速度６８は、最高速度または定格回転速度の約４０％より大きいクランク速度よりも大きい。

図３に示すように、フローチャートは冷却方法３０をさらに示す。冷却方法３０は、ガスタービンエンジンから負荷を取り除くステップ７０、およびガスタービンエンジンの定格回転速度でガスタービンエンジンを動作させるステップ７２を含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンのローター速度を第１の所定のクールダウンローター速度に減少させるステップ７４を含む。本方法は、ローター速度を、第１の所定のクールダウンローター速度から第２の所定のクールダウンローター速度に増加させるステップ７６をさらに含む。本方法は、吸気流量を修正するために、入口案内翼の少なくとも１つの段の角度を調整するステップ７８をさらに含む。また、本方法は、ガスタービンエンジンの領域に水を注入するステップ８０を含む。本方法は、ローター速度を、周囲条件によって決定された期間に、第２の所定のクールダウンローター速度に保持するステップ８２をさらに含む。冷却方法３０の付加的な特徴については、図２を参照して上記で詳細に説明している。

都合のよいことに、冷却方法３０は顕著な時間節約をクールダウンプロセスにもたらし、それによって、停止させるための労力をより速やかに開始するのを助ける。さらに、ユーザーは、ガスタービンエンジン１０の特定の操作の要求を満たすために、期間の各々と関係する保守要因の影響を特に強調して、上記の複数の期間から選ぶことができる。

本発明について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むために、本発明を修正することができ、それらは本発明の趣旨と範囲に相応している。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。

１０ ガスタービンエンジン
１２ コンプレッサ部
１４ 燃焼器部
１６ タービン部
１８ ローター
２０ 燃料ノズル
２２ 燃料供給部
２４ 外部ケーシング
３０ 冷却方法
３２ ローター速度
３４ 期間
３８ 時刻
４０ 期間
４２ 減少
４４ 期間
４６ 第１の所定のクールダウン速度
４８ 第１の期間
４９ 線
５０ 第２の期間
５１ 線
５２ 第３の期間
５３ 線
５４ 第２の所定のクールダウン速度
６０ 経路
６８ 第３の所定のクールダウン速度、高いクランク速度
７０ ステップ
７２ ステップ
７４ ステップ
７６ ステップ
７８ ステップ
８０ ステップ
８２ ステップ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）を冷却する方法（３０）であって、
   前記ガスタービンエンジンから負荷を取り除くステップ（７０）と、
   前記ガスタービンエンジンの定格回転速度で前記ガスタービンエンジンを動作させるステップ（７２）と、
   前記ガスタービンエンジンのコンプレッサ部（１２）の入口に近接して配置された入口案内翼の少なくとも１つの段の角度を調整するステップ（７８）であって、前記角度を調整するステップは、前記ガスタービンエンジンの冷却時間を短縮するために吸気流量を修正するステップ（７８）と、を含む方法。
2. 前記ガスタービンエンジンのローター速度を、前記ガスタービンエンジンの最高速度の約０．１％から約１０％の範囲の第１の所定のクールダウン速度に減少させるステップ（７４）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスタービンエンジンのローター速度を、１から５分毎に前記ローターの約１／４回転を含む第１の所定のクールダウン速度に減少させるステップ（７４）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ローター速度を、複数の期間のうちの１つの期間に前記第１の所定のクールダウン速度に選択的に保持するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
5. ユーザーは、前記複数の期間の各々に対応する保守要因の影響に基づいて、前記複数の期間から選択する、請求項４に記載の方法。
6. 前記複数の期間は第１の期間（４８）および第２の期間（５０）を含み、前記第２の期間は前記第１の期間より大きい、請求項５に記載の方法。
7. 前記ローター速度を、前記ガスタービンエンジンの最高速度の約１０％から約４０％の範囲の第２の所定のクールダウン速度に増加させるステップ（７６）と、
   前記ローター速度を、第２の速度期間に前記第２の所定のクールダウン速度に保持するステップ（８２）と、をさらに含む、請求項４に記載の方法。
8. 前記ガスタービンエンジンの環境の周囲条件を検出するステップと、
   前記周囲条件に基づいて、前記第２の速度期間および前記複数の期間のうちの少なくとも１つを決定するステップと、をさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記ガスタービンエンジンの環境の周囲条件を検出するステップと、
   前記ガスタービンエンジンのローター速度を、前記ガスタービンエンジンの第１のローター速度に減少させるステップと、
   前記ガスタービンエンジンの前記ローター速度を、前記ガスタービンエンジンのクランク速度に対応する第２のローター速度に増加させるステップと、
   前記ローター速度を、第１の期間には前記第１のローター速度で、第２の期間には前記クランク速度で保持するステップと、をさらに含み、前記第１の期間および前記第２の期間は、前記周囲条件によって決定される、請求項１に記載の方法。
10. ガスタービンエンジンを冷却する方法（３０）であって、
    前記ガスタービンエンジンの定格回転速度で前記ガスタービンエンジンを動作させるステップ（７２）と、
    前記ガスタービンエンジンのローター速度を第１の所定のクールダウンローター速度に減少させるステップ（７４）と、
    前記ローター速度を、前記第１の所定のクールダウンローター速度から第２の所定のクールダウンローター速度に増加させるステップ（７６）と、
    吸気流量を修正するために、入口案内翼の少なくとも１つの段の角度を調整するステップ（７８）と、
    前記ガスタービンエンジンの領域に水を注入するステップ（８０）と、
    前記ローター速度を、周囲条件によって決定された期間に、前記第２の所定のクールダウンローター速度に保持するステップ（８２）と、を含む方法。

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