JP2024014757A - 停止用ロータ冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】ブレード先端の摩擦を起こさずにホット再起動できるようにタービンブレードクリアランスを制御する停止作業用のロータ冷却システムを提供する。【解決手段】停止作業中のガスタービンエンジン（１０）のロータ（４５）を冷却するロータ冷却システム（１００）は、外部ブロワ（５８）と、外部ブロワ（５８）からロータ（４５）まで延在する配管（１３０）と、停止作業を開始したときに外部ブロワ（５８）からロータ（４５）に冷却空気（１１０）を送るために開かれる配管（１３０）上の弁（１４０）とを備える。【選択図】図４

Description

本出願及びその成果として特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、さらに具体的には、ブレード先端の摩擦を起こさずにホット再起動できるようにタービンブレードクリアランスを制御する停止作業用のロータ冷却システムに関する。

ガスタービンエンジンは、通常、周囲空気を圧縮する圧縮機と、空気と燃料を混合して高温の燃焼ガスを発生させる燃焼器とを備える。タービンは高温の燃焼ガスを受け取って、そこからエネルギーを抽出して、圧縮機を駆動し、発電機などのための出力を生成する。タービンは、通常、１段以上のステータノズル、ロータブレード及びこれらの部品の周囲でそれらと適切なクリアランスを維持するための環状シュラウドを含む。ガスタービンエンジンの全体的効率を向上させるためタービン入口温度の高温化が図られてきたが、タービンノズル、ブレード及びシュラウドの温度をそれらの材料が耐えられるレベルに維持するため、空気のような冷却流体が必要とされることがある。冷却は、通例、圧縮機から空気の一部を抽出してタービンの高温ガス経路部品に導くことによって達成される。圧縮機で圧縮された空気が、燃焼ガスの生成に使用されないと、必然的にガスタービンエンジンの全体的効率が低下してしまう。そのため、圧縮機から抽気される冷却空気の量を最小限にするのが望ましい。

ガスタービンの効率及び信頼性は、回転ハードウェアと静止ハードウェアの間で維持されるクリアランスによって強い影響を受ける。クリアランスが狭いほど効率は高まるが、摩擦による損傷の危険性も高まる（ホット再起動時など）。停止の際、ガスタービンエンジンのケーシングは、幾何形状の差のため、ロータよりも概して冷めるのが速い。ウォーム再起動又はホット再起動の際、ケーシングとロータの間の熱的ミスマッチのため、ロータが初期熱成長の大きい部品をもつおそれがある。そのため、ロータブレードとケーシングの間に過渡的なクリアランスピンチポイントが生じる。時間経過とともに、ケーシングは熱膨張してロータから離れ、広がった全速全負荷クリアランスをもたらす。ユニットのビルドクリアランスは、過渡的ピンチポイントでの摩擦を回避しつつ、全速全負荷で狭く保つように設定する必要がある。最小クリアランスと全速全負荷クリアランスとの差は「エンタイトルメント（entitlement）」と定義することができる。エンタイトルメントは、ロータとケーシングの間の熱的ミスマッチによって決まる。

ガスタービンエンジンの効率は作動温度にある程度依存するので、高温ガス経路に沿って又は高温ガス経路内に配置される部品について、劣化、故障又は全耐用年数の低下を伴わずに、さらに高い温度に耐えることができるようにすることが絶えず求められている。ガスタービン効率に悪影響を与えないようにかかる部品を冷却することは当技術分野で有益な進歩を表すであろう。

本出願及びその成果として特許は、停止作業中のガスタービンエンジンのロータを冷却するためのロータ冷却システムを提供する。本ロータ冷却システムは、外部ブロワと、外部ブロワからロータまで延在する配管と、停止作業を開始したときに外部ブロワからロータに冷却空気を送るために開かれる配管に設けられた弁とを含む。

本出願及びその成果として特許は、さらに、停止作業中にガスタービンエンジンのロータを冷却する方法を提供する。本方法は、ガスタービンエンジンの停止作業を開始するステップと、外部ブロワからロータまで延在する配管の弁を開くステップと、外部ブロワから配管を介してロータに冷却空気を供給するステップと、ロータを冷却してロータとガスタービンエンジンの外部ケーシングとの間の熱的ミスマッチを最小化するステップとを含む。

本出願及び得られた特許は、さらに、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、タービンと、タービンを貫通するロータと、ガスタービンエンジンの停止作業中にロータを冷却するロータ冷却システムとを含む。ロータ冷却システムは、外部ブロワと、外部ブロワからロータまで延在する配管と、停止作業を開始したときに外部ブロワからロータに冷却空気を送るために開かれる配管に設けられた弁とを含む。

本出願及びその成果として特許の上記その他の特徴及び改良については、以下の詳細な説明を図面及び特許請求の範囲の記載と併せて参照することにより、当業者には明らかとなるであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、排気フレーム及び外部負荷を含むガスタービンエンジンの概略図。 図１のタービンの部分断面図であり、タービンのノズル、ブレード及びホイールを示す。 図１の圧縮機又はタービンの断面図であり、外側ケーシング、内側シュラウド、複数のブレード及びロータを示す。 図１のガスタービンエンジンで使用するための本明細書に記載のロータ冷却システムの概略図。

以下、図面を参照するが、図面を通して同様の部材には同様の符号を付した。図１は、本発明で使用し得るガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含む。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気２０の流れを複数の燃焼器缶２５に送る。燃焼器缶２５は、空気２０の圧縮流と燃料３０の加圧流とを混合し、混合気に点火して高温の燃焼ガス３５の流れを生じる。燃焼器缶２５は１個しか示していないが、ガスタービンエンジン１０は、周方向配列などに配置された任意の数の燃焼器缶２５を含んでいてもよい。或いは、燃焼器２５は、アニュラ型燃焼器であってもよい。燃焼ガス３５の流れは、次いでタービン４０に送られる。燃焼ガス３５の流れはタービン４０を駆動して機械的仕事を生じる。タービン４０で発生する機械的仕事は、ロータシャフト４５を介して圧縮機１５及び発電機などの外部負荷５０を駆動する。

燃焼ガス３５の流れは、タービン４０からその下流に位置する排気フレーム５５に送られる。排気フレーム５５は、燃焼ガス３５の流れを封じ込め、ガスタービンエンジン１０の他の部品に導くことができる。排気フレームブロア５８などを使用してもよい。例えば、排気フレーム５５は、燃焼ガス３５の流れを排気プレナム又は排気ディフューザに導くことができる。他のタイプの外部ブロワも使用し得る。他の構成及び他の部品を本発明で用いてもよい。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、各種の合成ガス、液体燃料及び／又は他の種類の燃料及びそれらのブレンドを使用し得る。ガスタービンエンジン１０は、例えば限定されるものではないが、７シリーズ又は９シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジンなどを始めとして、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ニューヨーク州スケネクタディ）から提供される多種多様なガスタービンエンジンのいずれであってもよく、単純サイクル又はコンバインドサイクル発電システムの一部であってもよい。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成のものであってもよく、他の種類の部品を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンも本発明で使用し得る。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン及び他のタイプの発電設備も本発明で一緒に使用し得る。

図２及び図３に示すように、タービン４０は、複数の段に配置された多数のステータノズル６０，６２，６４及び多数の動翼（ブレード）７０，７２，７４を備える。例えば、第１段はステータノズル６０を含み、第２段はステータノズル６２を含み、第３段はステータノズル６４を含む。ブレードセクションでは、ブレード７０，７２，７４は、ロータ４５のロータホイール８０，８２，８４にそれぞれ接続されている。ホイール８０及びブレード７０は第１段を形成し、ホイール８２及びブレード７２は第２段を形成し、ホイール８４及びブレード７４は第３段を形成する。スペーサ８６，８８を、ロータホイールの各対の間に設けてもよい。いくつかの実施形態では、タービン４０は、４段の静止ノズル及び動翼を含む。タービン４０内で、運動エネルギーの一部がブレード７０，７２，７４に伝達されて機械的仕事に変換される。

ブレード７０，７２，７４は内側シュラウド９０内で回転するが、内側シュラウド９０は外側ケーシング９２内で同心であって外側ケーシング９２によって支持される。ブレード先端クリアランス９４は、ブレード７０，７２，７４の先端と内側シュラウド９０との間に望まれる。このクリアランスは、図３では、説明のため誇張されている。以下でさらに詳しく説明する通り、ロータ４５は、冷却媒体などを受け入れるための１以上のロータボアキャビティ９６を内部に有する。

図４に示すように、ガスタービンエンジン１０は、ロータ冷却システム１００と共に使用し得る。簡略化のため、圧縮機１５及びタービン４０のステータノズル及びロータブレードは省略してある。

具体的には、ロータ冷却システム１００は、停止作業中にロータ４５のロータボアキャビティ９６に冷却空気１１０の流れを供給し得る。ロータ冷却システム１００は、利用可能であれば、既存の冷却空気マニホールド１２０を使用し得る。冷却された冷却空気マニホールド１２０は、従来、圧縮機１５からの空気２０の抽気を高温ガス経路部品に運ぶ。この場合、ロータ冷却システム１００は、冷却された冷却空気マニホールド１２０を排気フレームブロワ５８その他のタイプの外部ブロワ（圧縮機抽出とは対照的に）に流体接続し、排気フレームブロワ５８から外側ケーシング９２を通ってロータボアキャビティ９６内に冷却空気１１０の流れを供給する配管１３０を含む。ロータ冷却システム１００は、配管１３０上に停止中しか開かない弁１４０（例えばオン／オフ弁）を有する。弁１４０はコントローラ１５０と通信しており、コントローラ１５０はガスタービンエンジン１０の全体的な制御システムの一部であってもよい。ガスタービンエンジン１０の運転中及び停止時に、排気フレームブロア５８は、弁１７０を介して排気フレーム冷却流１６０を排気フレームケーシング５５に供給する。コントローラ１５０は弁１７０と通信する。他の部品その他の構成を本発明で用いてもよい。

具体的には、ロータ冷却システム１００は、ガスタービンエンジン１０の全体的停止を示すフレームアウトその他のパラメータを検出したときにコントローラ１５０によって作動される。ロータ冷却システム１００の作動は、経過時間（例えば、停止作業開始後、弁１４０を所定時間開いたままにしておく）、決定された温度（例えば、停止作業開始後、ロータ４５が所定温度に達するまで、弁１４０を開いたままにしておく）、或いはガスタービンエンジン再始動時（例えば、停止作業開始後、ガスタービンエンジン１０を再始動するまで弁１４０を開いたままにしておく）に基づいて行うことができる。ロータ冷却システム１００は、こうして、ホット再起動時のピンチクロージャーを減少させることによって、第１段タービンブレード先端クリアランスを改善する。これは、ロータ４５の冷却増大によって停止中のロータ４５とケーシング９２の熱的ミスマッチを最小化することによって達成される。ロータ冷却システム１００は、停止時に、排気フレームブロア５８からの既存の流れ１４０を利用して、冷却空気をロータボアキャビティ９６に導く。このロータ冷却システム１００は、通常の全速運転中は作動しない（例えば、弁１４０は全速運転中は閉じたままである）が、停止の際だけに作動して、次回のホット再起動前にロータ温度を低下させておくために冷却空気１１０を第１段ホイール８０に供給する。これによって、第１段ブレード先端クリアランスが向上する。

定常状態での第１段タービンブレード先端の運用クリアランスは、ガスタービン全体の性能に大きく貢献する。運用クリアランスをどれだけ狭く設定できるかは、主にロータ４５とケーシング９２との間の熱的時定数ミスマッチによって制約される。タービンブレードは通例ホット起動時にピンチポイントを有するが、これは主に、停止中に熱を保持してケーシング９２ほど速くは冷却しないホットロータ４５に起因する。例えば、ケーシング９２がロータ４５よりも急速に冷却されて収縮するため、ブレード先端が内側シュラウド９０を擦ってしまうリスクがあり、ブレードの損傷を招きかねない。ロータ冷却システム１００をもたない既存のガスタービンエンジンでは、ホット再起動時の高いピンチクロージャーによって定まるアセンブリクリアランスは、定常状態でタービンブレード先端を広いクリアランスで作動させることになり、タービン効率を低下させてしまう。

本ガスタービンエンジン１０では、ロータ冷却システム１００は、停止時に、外部手段を介して外部冷却流１１０をロータボアキャビティ９６に供給することによってケーシング９２とロータ４５との間の熱的時定数ミスマッチを減少させる。この冷却流は、その後のホット再起動時のピンチクロージャーを減少させて、ブレード先端のクリアランスを狭く設定できるようにして、ガスタービン全体の性能を向上させる。ロータ冷却システム１００は、５０°Ｆ（約１０℃）の温度低下又は約１０ミル以上のクリアランス減少という利点をもたらす。さらに、冷却流１１０は、圧縮機１５からの抽気ではなく、排気ブロワ５８から生じるので、圧縮機１５を通る質量流量が維持され、ガスタービン効率は、ロータ４５を冷却するための流れの寄生的損失を起こさない。

以上の説明は、本出願及びその成果として特許の幾つかの実施形態に関するものにすぎない。当業者であれば、以下の特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想及び技術的範囲並びにその均等の範囲から逸脱せずに、様々な変更及び修正をなすことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器缶
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
７０，７２，７４ ブレード
９０ 内側シュラウド
９２ 外側ケーシング
９４ クリアランス
４５ ロータ
５０ 外部負荷
５５ 排気フレーム
５８ 外部ブロワ
６０，６２，６４ ノズル
８０，８２，８４ ホイール
８６，８８ スペーサ
９６ ロータボアキャビティ
１００ ロータ冷却システム
１１０ 冷却流
１２０ 冷却空気マニホールド
１３０ 配管
１４０ 弁
１５０ コントローラ
１６０ 排気フレーム冷却流
１７０ 弁

Claims (15)

1. 停止作業中のガスタービンエンジン（１０）のロータ（４５）を冷却するためのロータ冷却システム（１００）であって、当該ロータ冷却システム（１００）が、
   外部ブロワ（５８）と、
   前記外部ブロワ（５８）から前記ロータ（４５）まで延在する配管（１３０）と、
   停止作業を開始したときに、前記外部ブロワ（５８）から前記ロータ（４５）に冷却空気（１１０）を送るために開かれる配管（１３０）に設けられた弁（１４０）と
   を備える、ロータ冷却システム（１００）。
2. 前記ロータ（４５）が、前記配管（１３０）と連通する１以上のロータボアキャビティ（９６）を備える、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
3. 前記ロータ（４５）が、配管（１３０）と連通する第１段ホイール（８０）を備える、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
4. 第１段ホイール（８０）に結合した第１段ブレード（７０）をさらに備える、請求項３に記載のロータ冷却システム（１００）。
5. 前記配管（１３０）が冷却空気マニホールド（１２０）の一部をなす、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
6. 前記配管（１３０）が、前記ガスタービンエンジン（１０）の少なくとも一部を取り囲む外側ケーシング（９２）を通って延在する、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
7. 前記弁（１４０）がオン／オフ弁を備える、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
8. 前記弁（１４０）が、停止作業開始後、所定時間開いたままである、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
9. 前記弁（１４０）が、停止作業開始後、ロータ（４５）が所定の温度に達するまで開いたままである、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
10. 前記弁（１４０）が、停止作業開始後、ガスタービンエンジンを再始動するまで開いたままである、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
11. 当該ロータ冷却システム（１００）が、前記ロータに約５０°Ｆ（約４５℃）の温度低下をもたらす、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
12. 当該ロータ冷却システム（１００）が、前記ロータ（４５）に約１０ミル（０．２５４ｍｍ）のクリアランス減少をもたらす、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
13. 前記弁（１４０）が全速運転中に閉じられる、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
14. 前記外部ブロワ（５８）が排気フレームブロワを備える、請求項１に記載のロータ冷却システム（１００）。
15. 停止作業中にガスタービンエンジン（１０）のロータ（１００）を冷却する方法であって、
    ガスタービンエンジン（１０）の停止作業を開始するステップと、
    外部ブロワ（１４０）から前記ロータ（４５）まで延在する配管（１３０）の弁（４５）を開くステップと、
    前記外部ブロワ（５８）から前記配管（１３０）を介して前記ロータ（４５）に冷却空気（１１０）を供給するステップと、
    前記ロータ（４５）を冷却して、前記ロータ（４５）とガスタービンエンジン（１０）の外側ケーシング（９２）との間の熱的ミスマッチを最小限に抑制するステップと
    を含む方法。