JP4523876B2 - ガスタービン及び空気供給制御方法、並びに空気供給制御用コンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに関するものである。

ガスタービンは、燃焼器によって発生した高温のガスをタービンに噴射することで運転される。ガスタービンの運転停止後、高温のガスは燃焼器が格納される車室に滞留し、車室の上半分と下半分とで温度差が生ずる。そして、温度の高い車室の上側は膨張し、温度の低い車室の下側は相対的に収縮することによる車室の変形、いわゆるキャットバック現象が発生する。このキャットバック現象を抑制するため、例えば特許文献１には、車室５の温度差を低減させるため、ガスタービンの運転停止後にタービン翼を回転させて車室内に気流を発生させ、車室内の温度分布を低減させる技術（以下スピン冷却という）が開示されている。

特開２００４−２１８５６９号公報、段落番号 ０００４

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、ガスタービンの運転停止後にタービン翼を回転させるための動力が必要であり、このためのエネルギー消費が大きいという問題があった。また、特許文献１には、ガスタービンの運転終了後に、車室内へパージ空気を流し続ける技術も開示されているが、この技術では、長時間パージ空気を流し続ける必要があり、エネルギー消費の低減という点では改善の余地がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、いわゆるキャットバック現象を抑制しつつ、エネルギー消費を低減することのできるガスタービン及び空気供給制御方法、並びに空気供給制御用コンピュータプログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るガスタービンは、燃料と、圧縮機で圧縮された空気とを燃焼させて発生した燃焼ガスをタービンに噴射する燃焼器を格納する車室と、前記車室の鉛直方向上部に設けられ、前記車室の内部の前記圧縮機側に向かって空気を放出する第１空気供給手段と、前記車室の鉛直方向上部に設けられ、前記車室の内部であって、前記第１空気供給手段とは異なる方向に空気を放出する第２空気供給手段と、を備えることを特徴とする。

このガスタービンは、ガスタービンの車室に、圧縮機側に向かって空気を放出する第１空気供給手段と、これとは異なる方向に空気を放出する第２空気供給手段とを備える。これによって、車室を構成するケーシングの全体にわたって温度の偏りを抑制できるので、少ないエネルギーでキャットバックを効果的に抑制できる。

次の本発明に係るガスタービンは、前記ガスタービンにおいて、前記第２空気供給手段は、前記車室の鉛直方向下部に向かって空気を放出することを特徴とする。

この発明のように、前記第２空気供給手段は、前記車室の鉛直方向下部に向かって空気を放出することが好ましい。このようにすれば、車室内の空気をより効果的に攪拌できるので、車室を構成するケーシングの温度分布をより効果的に低減できる。その結果、少ないエネルギーでキャットバックを効果的に抑制できる。

次の本発明に係るガスタービンは、前記ガスタービンにおいて、前記第１空気供給手段は、複数備えられる前記燃焼器の間に向かって空気を放出することを特徴とする。

この発明のようにすれば、車室の上部側に滞留する高温空気が攪拌されるとともに、圧縮機側における車室の内壁近傍の空気も攪拌される。その結果、車室を構成するケーシングの全体にわたって温度の偏りを低減できるので、少ないエネルギーで、キャットバック現象を効果的に抑制することができる。

次の本発明に係るガスタービンは、前記ガスタービンにおいて、前記ガスタービンの運転停止後、前記ガスタービンの機関回転数が予め定めた所定の回転数よりも小さくなった場合には、前記第１空気供給手段又は前記第２空気供給手段のうち少なくとも一方は、前記車室に空気を放出することを特徴とする。

ガスタービンでは、ローター軸の回転数が低くなると、ケーシングの上下温度差が急激に大きくなるが、この発明のようにすれば、早い時期からケーシングの上下温度差を小さく抑えることができる。これによって、キャットバック現象の発生をより効果的に抑制できるので、車室へ空気を供給するために要するエネルギーもより低減できる。

次の本発明に係るガスタービンは、前記ガスタービンにおいて、前記第１空気供給手段又は前記第２空気供給手段のうち少なくとも一方から前記車室に放出される空気の量は、
前記車室の鉛直方向上部における前記車室の温度と、前記車室の鉛直方向下部における前記車室の温度とに基づいて変化することを特徴とする。

これによって、より確実かつ迅速にキャットバック現象を抑制できる。また、キャットバック現象を抑制するために必要十分な量の空気を供給することにより、過剰な空気を供給することが回避できるので、空気供給に要するエネルギーも低減できる。

次の本発明に係る空気供給制御方法は、前記ガスタービンの運転停止後に、前記燃焼器を格納する前記車室へ空気を供給するにあたり、前記車室の鉛直方向上部の温度と、前記車室の鉛直方向下部の温度とを取得する手順と、前記車室の鉛直方向上部の温度と、前記車室の鉛直方向下部の温度との差を求める手順と、前記車室の鉛直方向上部の温度と、前記車室の鉛直方向下部の温度との差が、予め定めた所定範囲内となるように、前記車室へ放出する空気の量を調整する手順と、調整された空気の量で、前記第１空気供給手段又は前記第２空気供給手段の少なくとも一方から、前記車室内へ空気を放出する手順と、を含むことを特徴とする。

このように、車室の鉛直方向上部の温度と、車室の鉛直方向下部の温度との差が、予め定めた所定範囲内となるように、車室へ放出する空気の量を調整するので、より確実かつ迅速にキャットバック現象を抑制できる。また、過剰な空気を供給することが回避できるので、空気供給に要するエネルギーも低減できる。

次の本発明に係る空気供給制御方法は、前記空気供給制御方法において、前記ガスタービンの機関回転数が予め定めた所定の回転数よりも小さくなった後に、前記車室へ空気を放出することを特徴とする。

ガスタービンでは、ローター軸の回転数が低くなると、ケーシングの上下温度差が急激に大きくなるが、この発明のようにすれば、早い時期からケーシングの上下温度差を小さく抑えることができる。これによって、キャットバック現象の発生をより効果的に抑制できるので、車室へ空気を供給するために要するエネルギーもより低減できる。

次の本発明に係る空気供給制御用コンピュータプログラムは、前記空気供給制御方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。

これにより、前記空気供給制御用コンピュータプログラム方法が、コンピュータを利用して実現できる。

この発明に係るガスタービン及び空気供給制御方法、並びに空気供給制御用コンピュータプログラムは、いわゆるキャットバック現象を抑制しつつ、エネルギー消費を低減できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

（実施形態１）
この実施形態は、ガスタービンの車室の鉛直方向上部に設けた第１空気供給手段から、車室の内部の圧縮機側に向かって空気を放出するとともに、同じく車室の鉛直方向上部に設けた第２空気供給手段から、第１空気供給手段とは異なる方向に空気を放出する点に特徴がある。

図１は、ガスタービンを示す説明図である。このガスタービン１は、いわゆる横置きで設置される。すなわち、このガスタービン１では、ローターディスクや動翼が取り付けられるローター軸９が、鉛直方向、すなわち重力の作用方向（図１中矢印Ｇ方向）に対してほぼ直交して配置される。空気取り入れ口２から取り込まれた空気は、圧縮機３によって圧縮されて高温かつ高圧の圧縮空気となって、車室５内に配置される燃焼器４へ送り込まれる。燃焼器４では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、あるいは軽油等の液体燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスは、燃焼器尾筒６へ導かれた後、タービン７に噴射される。

図２は、いわゆるキャットバック現象を示す説明図である。図２のＺｃ₁、Ｚｃ₂は、ケーシング１Ｃの中心軸を示し、Ｚｃ₁はガスタービン１の運転中におけるもの、Ｚｃ₂はガスタービン１の運転終了後におけるものである。ガスタービン１の運転中においては、圧縮機３やタービン７の回転により、ガスタービン１のケーシング（筺体）１Ｃの温度分布は比較的小さい。

一方、ガスタービン１の運転が終了すると、圧縮機３やタービン７の回転が停止する。その結果、ガスタービン１の鉛直方向上部Ｕに温度の高い気体が集まり、反対にガスタービン１の下部Ｌには相対的に温度の低い気体が集まる。これによって、鉛直方向上部Ｕの方が鉛直方向下部Ｌよりもケーシング１Ｃの長さが大きくなって、ケーシング１Ｃの鉛直方向上部Ｕが反り上がり、いわゆる猫の背中のような形状になる。これをキャットバック現象という。

キャットバック現象が発生すると、ガスタービン１の運転後におけるケーシング１Ｃの中心軸Ｚｃ₂は、ガスタービン１の運転中におけるケーシング１Ｃの中心軸Ｚｃ₁に対して湾曲し、ずれることになる。ガスタービン１の運転中におけるケーシング１Ｃの中心軸Ｚｃ₁は、ガスタービン１の回転軸とほぼ平行であるため、キャットバック現象が発生すると、ローターに取り付けられる動翼とケーシング１Ｃとが接触するおそれがある。ここで、鉛直方向とは、重力の作用方向をいう。そして、鉛直方向上部Ｕは、重力の作用方向Ｇの反対側であり、鉛直方向下部Ｌは重力の作用方向側である。以下、必要に応じて、鉛直方向上部を単に上部、鉛直方向下部を単に下部という。

このキャットバック現象を抑制するため、実施形態１に係るガスタービン１では、次のような構成を採用する。図３は、実施形態１に係るガスタービンの車室部分を示す一部断面図である。図４は、図３の矢印Ｄ方向から車室内を見た説明図である。図３、図４に示すように、このガスタービン１は、車室５内に空気を放出する第１空気供給手段（以下第１空気供給通路）１１と、第２空気供給手段（以下第２空気供給通路）１２とを、車室５の上部Ｕ側に備える。

図３に示すように、第１空気供給通路１１は、通路の形成される方向（通路軸方向）が、ガスタービン１のローター軸９に対して傾斜している。そして、第１空気供給通路１１は、車室ケーシング５Ｃの外側から内側に向かって、圧縮機３側に向かって形成される。一方、第２空気供給通路１２は、通路の形成される方向（通路軸方向）が、ガスタービン１のローター軸９とほぼ直交するように形成される。なお、図４に示すように、第１及び第２空気供給通路１１、１２は、通路の形成される方向（通路軸方向）が、前記ローター軸９の回転中心軸Ｚ（すなわちタービン７の回転中心軸）に向かうように形成される。

図３、図４に示すように、第２空気供給通路１２は車室の下部（すなわち重力の作用方向側）Ｕに向かって空気Ａを放出する。この空気Ａが、車室５の上部Ｕ側に滞留する高温空気を攪拌することによって、車室ケーシング５Ｃに発生する温度の偏りを低減する。なお、この作用は、第２空気供給通路１２が設けられている断面内において、特に効果が高い。

一方、第１空気供給通路１１は、圧縮機３側に向かい、燃焼器４に向かって空気Ａを放出する。ここで、図４に示すように、ローター軸９の回転中心軸Ｚに垂直な断面内において、第１空気供給通路１１は、燃焼器４の間に向かって空気Ａを放出するように配置される。このようにすることで、第１空気供給通路１１から車室５内へ放出される空気Ａは、燃焼器４の間を通過して、車室５の圧縮機３側における車室内壁（圧縮機側車室内壁）５ｗｃへ到達する。すなわち、第１空気供給通路１１が車室５内へ空気を放出する方向と、第２空気供給通路１２が車室５内へ空気を放出する方向とは異なる。

これによって、車室５の上部Ｕ側に滞留する高温空気が攪拌されるとともに、圧縮機側車室内壁５ｗｃ近傍の空気も攪拌される（図３中の矢印Ｊ）。そして、第１及び第２空気供給通路１１、１２が設けられている断面から離れた場所においても、車室ケーシング５Ｃに発生する温度の偏りを低減することができる。その結果、車室ケーシング５Ｃの全体にわたって温度の偏りを低減できるので、少ないエネルギーで、キャットバック現象を効果的に抑制することができる。

この実施形態に係るガスタービン１では、車室５の圧縮機３側の断面（図３の矢印Ａで示す断面）において、車室５の上部Ｕと下部Ｌとの温度差（上下温度差）は、スピン冷却と比較して１５℃程度低くできた。また、車室５のフランジ近傍における断面（図３の矢印Ｂで示す断面）では、スピン冷却と比較して、上下温度差を４０℃程度低くできた。また、車室５のタービン側における断面（図３の矢印Ｃで示す断面）では、スピン冷却と比較して、上下温度差を８０℃程度低くできた。

以上、この実施形態では、ガスタービンの車室に、圧縮機側に向かって傾斜して形成される第１空気供給手段と、ガスタービンのローター軸とほぼ直交するように形成される第２空気供給手段とを備える。これによって、車室ケーシングの全体にわたって、温度の偏りを抑制できるので、少ないエネルギーでキャットバックを効果的に抑制できる。なお、この実施形態においては、車室の上部側から車室内へ空気を放出するが、車室の下部側、すなわち燃焼器の下部側から車室内へ空気を放出してもよい。

（実施形態２）
実施形態２は、車室内壁面に沿って空気を流す空気層形成手段を備える点に特徴がある。次の説明においては、実施形態１と同一の構成には同一の符号を付する。図５は、実施形態２に係るガスタービンの車室部分を示す一部断面図である。図６は、図５の矢印Ｄ方向から車室内を見た説明図である。

図５、図６に示すように、このガスタービン１ａは、車室５内へ空気を放出する第１空気供給手段（以下第１空気供給通路）１１と、第２空気供給手段（以下第２空気供給通路）１２とを、車室５の上部Ｕ側に備える。図５に示すように、第１空気供給通路１１は、通路の形成される方向（通路軸方向）が、ガスタービン１のローター軸９に対して傾斜している。そして、第１空気供給通路１１は、車室ケーシング５Ｃの外側から内側に向かって、圧縮機３側に向かって形成される。

一方、第２空気供給通路１２は、通路の形成される方向（通路軸方向）が、ガスタービン１のローター軸９とほぼ直交するように形成される。なお、図４に示すように、第１及び第２空気供給通路１１、１２は、通路の形成される方向（通路軸方向）が、前記ローター軸９の回転中心軸Ｚに向かうように形成される。

図５、図６に示すように、第１空気供給通路１１が車室５内へ開口する部分には、空気層形成手段である第１ノズルブロック１３が設けられている。また、第２空気供給通路１２が車室５内へ開口する部分には、空気層形成手段である第２ノズルブロック１４が設けられている。ここで、第１空気供給通路１１が車室５内へ開口する部分は、第２空気供給通路１２が車室５内へ開口する部分よりも圧縮機３側である。これによって、第１ノズルブロック１３と第２ノズルブロック１４とを、ガスタービンのローター軸９と平行な方向に対して、ずらして配置することができる。

その結果、車室５の上部Ｕ側における内壁面（上部側車室内壁面）５ｗｔに沿って第１、第２ノズルブロック１３、１４から放出される空気Ａ（図５中の矢印Ｉ）は、上部側車室内壁面５ｗｔの広い範囲を流れる。その結果、車室ケーシング５Ｃの温度分布をより小さくして、キャットバック現象をより効果的に抑制できる。

図７−１、図７−２は、実施形態２に係るガスタービンが備える空気層形成手段を示す説明図である。図８は、実施形態２に係るガスタービンの車室内から空気層形成手段を見た状態を示す説明図である。図８は、紙面上側が圧縮機３側である。図７−１、図８に示すように、第１ノズルブロック１３は、略コップ形状の構造体である。第１ノズルブロック１３の外周部には、圧縮機３側に圧縮機側空気放出口１３ｈｃが開口し、また、タービン７側にタービン側空気放出口１３ｈｔが開口する。

第１ノズルブロック１３は、第１空気供給通路１１を流れる空気の流れ方向を変更して、上部側車室内壁面５ｗｔに沿って、圧縮機３側とタービン７側とに放出する。すなわち、空気Ａは、タービン７の回転中心軸と平行な方向に放出される。車室ケーシング５Ｃの上部が、その下部に対してタービン７の回転中心軸と平行な方向に相対的に長くなることによってキャットバック現象が発生する。空気Ａをタービン７の回転中心軸と平行な方向に放出することで、車室ケーシング５Ｃの下部に対して相対的に長くなる部分を効率よく冷却できるので、少ないエネルギーでキャットバック現象を効果的に抑制できる。

図７−２、図８に示すように、第２ノズルブロック１４は、略コップ形状の構造体である。第２ノズルブロック１４には、壁面側空気放出口１４ｈが開口している。そして、第２空気供給通路１２を流れる空気Ａの流れ方向を変更して、上部側車室内壁面５ｗｔに沿って放出する。

また、図７−１、図７−２に示すように、第１及び第２ノズルブロック１３、１４には、車室５のローター軸９側に、空気放出口１３ｏ、１４ｏが設けられている。実施形態２において、空気放出口１３ｏ、１４ｏは、プラグ１３ｐ、１４ｐで閉じられている。プラグ１３ｐ、１４ｐを取り外すと、第１及び第２ノズルブロック１３、１４は、第１及び第２空気供給通路１１、１２から供給される空気Ａの流れ方向を変更しないで、車室５のローター軸９側へ向かって放出することもできる。

このような構成により、実施形態２に係るガスタービン１ａでは、第１及び第２ノズルブロック１３、１４によって、第１及び第２空気供給通路１１、１２から供給される空気Ａを、上部側車室内壁面５ｗｔに沿って流すことができる（図５の矢印Ｉ、図７−１、図７−２）。これによって、上部側車室内壁面５ｗｔにおける熱伝達率を大きくすることができるので、実施形態１に係るガスタービン１（図３等参照）よりも効率的に上部側車室内壁面５ｗｔを冷却できる。これによって、より少ないエネルギーでキャットバックを抑制できる。

すなわち、実施形態１に係るガスタービン１と同じ空気量を流す場合には、より早い時間で車室ケーシング５Ｃの上部Ｕ側と下部Ｌ側との温度差を低減できる。また、実施形態１に係るガスタービン１と同程度の冷却効果を得るためには、第１及び第２空気供給通路１１、１２から供給する空気量を、実施形態１に係るガスタービン１よりも低減することができる。その結果、より少ないエネルギーでキャットバックを抑制できる。

また、少なくともプラグ１３ｐを除去して、少なくとも第１ノズルブロック１３の空気放出口１３ｏを開放し、第１ノズルブロック１３から車室５のローター軸９側かつ圧縮機３側へ向かっても空気を放出してもよい。そして、圧縮機側空気放出口１３ｈｃや壁面側空気放出孔１４ｈ等と、空気放出口１３ｏ、１４ｏとの空気放出割合を適切に設定することにより、上部側車室内壁面５ｗｔの冷却効果と、圧縮機側車室内壁５ｗｃ近傍における空気の攪拌効果との両方を得ることができる。さらに、第１ノズルブロック１３を用いず、第１空気供給通路１１からは車室５内の圧縮機３側に向かって空気Ａを放出して圧縮機側車室内壁５ｗｃ近傍の空気を攪拌するとともに、第２ノズルブロック１４によって上部側車室内壁面５ｗｔを冷却してもよい。このようにしても、効果的に車室５の温度分布を低減できる。

この実施形態に係るガスタービン１ａでは、車室５の圧縮機３側の断面（図５の矢印Ａで示す断面）において、車室５の上部Ｕと下部Ｌとの温度差（上下温度差）は、スピン冷却と比較して１０℃程度低くできた。また、車室５のフランジ近傍における断面（図５の矢印Ｂで示す断面）では、スピン冷却と比較して、上下温度差を８０℃程度低くできた。また、車室５のタービン側における断面（図５の矢印Ｃで示す断面）では、スピン冷却と比較して、上下温度差を１００℃程度低くできた。

以上、実施形態２では、車室ケーシングの上部側車室内壁面５ｗｔに沿って空気を流すことができる。これによって、上部側車室内壁面５ｗｔにおける熱伝達率を大きくすることができ、効率的に車室ケーシングの上部側を冷却することができる。その結果、より効果的にキャットバックを抑制できるので、車室へ空気を供給するために要するエネルギーもより低減できる。なお、この実施形態においては、車室の上部側から車室内へ空気を放出するが、車室の下部側、すなわち燃焼器の下部側から車室内へ空気を放出してもよい。

（実施形態３）
実施形態３では、実施形態１及び実施形態２に係るガスタービンの運転停止後における空気供給制御を説明する。図９は、空気供給系の一例を示す概念図である。この空気供給系においては、ブロアやファン、圧縮機等の送風手段から吐出される空気の吐出量を調整することによって、ガスタービン１や１ａの車室５内に送り込む空気の量を調整する。

図９に示す空気供給系は、モータ２４により駆動されるブロア２５により、第１及び第２空気供給通路１１、１２へ空気Ａを供給する。そして、ガスタービン１あるいはガスタービン１ａの車室５内へ空気Ａを送り込む。ブロア２５にはエアクリーナ２６が取り付けられており、エアクリーナ２６によって塵や埃が取り除かれた空気Ａは、ブロア２５から送り出される。

ブロア２５にはエアクリーナ２６が取り付けられており、エアクリーナ２６によって塵や埃が取り除かれた空気Ａは、ブロア２５から送り出される。ブロア２５から送り出された空気Ａは、調整弁２７、遮断弁２８を通って第１及び第２空気供給通路１１、１２へ送られる。そして、第１及び第２空気供給通路１１、１２から車室５内へ放出される。ブロア２５から送り出される空気の流量は、この実施形態に係る空気供給制御装置２０が、インバータ２３を介してブロア２５を駆動するモータ２４を制御することによって調整される。

ここで、空気供給制御装置２０は、処理部２１と記憶部２２とによって構成される。処理部２１は、メモリ及びＣＰＵにより構成されている。処理部２１は、この実施形態に係る空気供給方法のコンピュータプログラム及び取得したデータ等に基づき、処理部２１が前記コンピュータプログラムを処理部２１に組み込まれたメモリに読み込んで演算する。その際に処理部２１は、適宜記憶部２２へ演算途中の数値を格納し、また格納した数値を取り出して演算を進める。なお、この処理部２１は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて構成してもよい。

記憶部２２には、この実施形態に係る空気供給方法のコンピュータプログラム等が格納されている。ここで、記憶部２２は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、又はフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ等のような読み出しのみが可能な記憶媒体）や、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

また、上記コンピュータプログラムは、コンピュータシステムにすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施形態に係る空気供給方法を実現できるものであってもよい。また、処理部２１の機能を実現するためのコンピュータプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、この実施形態に係る空気供給方法を実行してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器などのハードウェアを含むものとする。

第１及び第２空気供給通路１１、１２へ供給される空気Ａの流量は、調整弁２７で制御される。遮断弁２８は、通常開放されており、第１及び第２空気供給通路１１、１２へ供給する空気Ａを停止するときに閉じる。また、ドレン弁２９により、車室５内の不要な空気Ａを大気中へ放出する。調整弁２７、遮断弁２８及びドレン弁２９は、この実施形態に係る空気供給制御装置２０によって制御される。

空気供給制御装置２０は、処理部２１と、記憶部２２とを含んで構成される。処理部２１には、車室ケーシング５Ｃの上部Ｕに取り付けられる上部温度計４０、車室ケーシング５Ｃの下部Ｌに取り付けられる下部温度計４１、及びガスタービン１の機関回転数ＮＥを取得する回転数計４２が接続されている。また、記憶部２２には、この実施形態に係る空気供給制御を実行するためのコンピュータプログラムが格納されている。処理部２１は、記憶部２２に格納されている前記コンピュータプログラム及び前記上部温度計４０等から取得した情報に基づいて、調整弁２７等の動作やインバータ２３の出力値を制御する。

次に、空気供給系の他の例を説明する。図１０は、空気供給系の他の例を示す概念図である。この空気供給系においては、ガスタービン１や１ａの車室５内に送り込まれる空気の量は、ブロアやファン、圧縮機等の送風手段と、車室５との間に設けた空気量調整手段によって、ガスタービン１や１ａの車室５内に送り込む空気の量を調整する。図１０に示す空気供給系は、モータ２４により駆動されるブロア２５により、第１及び第２空気供給通路１１、１２へ空気Ａを供給する。そして、ガスタービン１あるいはガスタービン１ａの車室５内へ空気Ａを送り込む。

ブロア２５から送り出された空気Ａは、流量調整弁３１、遮断弁３３を通って第１及び第２空気供給通路１１、１２へ送られる。そして、第１及び第２空気供給通路１１、１２から車室５内へ放出される。ブロア２５から送り出され、車室５へ供給される空気の量は、この実施形態に係る空気供給制御装置２０が、空気量調整手段である流量調整弁３１の開度を制御することによって調整される。

流量調整弁３１は、第１及び第２空気供給通路１１、１２へ供給する空気Ａの圧力を調整する。遮断弁３３は通常開放されており、第１及び第２空気供給通路１１、１２へ供給する空気Ａを停止するときに閉じられる。また、ドレン弁３２により、車室５内の不要な空気Ａを大気中へ放出する。上記空気供給制御装置２０が備える処理部２１は、記憶部２２に格納されているコンピュータプログラム及び上部温度計４０等から取得した情報に基づいて、流量調整弁３１等の動作を制御する。なお、空気供給制御装置２０の構成は上記の通りなので、説明を省略する。次に、実施形態３に係る空気供給制御方法について説明する。

図１１は、実施形態３に係る空気供給制御方法の手順を示すフローチャートである。この空気供給制御方法は、実施形態１に係るガスタービン１、実施形態２に係るガスタービン１ａ、実施形態３の図９、図１０で説明した空気供給系いずれに対しても適用できる。この空気供給制御方法は、ガスタービン１、１ａの運転が停止する際に実行される。

ガスタービン１、１ａの運転を停止するとき、すなわち、ガスタービン１、１ａへの燃料供給が停止され、ガスタービン１、１ａが出力を発生しなくなると、空気供給制御装置２０は、実施形態３の空気供給制御を開始する。空気供給制御装置２０の処理部２１は、回転数計４２からガスタービン１、１ａの機関回転数ＮＥを取得する（ステップＳ１０１）。このとき、ガスタービン１、１ａは、出力を発生しないが運転中の慣性でローター軸９が回転を続ける。

処理部２１は、取得した機関回転数ＮＥと予め定めた空気供給開始回転数ＮＥｃとを比較して、ＮＥ≦ＮＥｃであるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ＮＥｃは、例えば１００ｒｐｍ〜２００ｒｐｍ程度に設定する。ＮＥ＞Ｎｅｃである場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ＮＥ≦ＮＥｃとなるまで待機する。ＮＥ≦ＮＥｃである場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、処理部２１は、ガスタービン１、１ａの車室５内へ、空気の供給を開始する（ステップＳ１０３）。

図９に示す空気供給系を用いる場合、ＮＥ≦ＮＥｃとなったら、処理部２１は、例えば、ブロア２５を駆動するとともに、調整弁２７、遮断弁２８を開き、ドレン弁２９を閉じる。図１０に示す空気供給系を用いる場合も、ＮＥ≦ＮＥｃとなったら、処理部２１は、例えば、ブロア３０を駆動するとともに、流量調整弁３１、遮断弁３３を開き、ドレン弁３２を閉じる。なお、いずれの空気供給系であっても、第１空気供給通路１１又は第２空気供給通路１２のうち、少なくとも一方から車室５内へ空気を供給すればよい。

ガスタービンでは、ローター軸の回転数が低くなると、ケーシングの上下温度差が急激に大きくなるが、上述したように、ガスタービン１、１ａのローター軸９が完全に停止する前に、車室５へ空気を供給すれば、早い時期からケーシングの上下温度差を小さく抑えることができる。これによって、キャットバック現象の発生をより効果的に抑制できるので、車室へ空気を供給するために要するエネルギーもより低減できる。

次に、処理部２１は、上部及び下部温度計４０、４１からガスタービン１、１ａのケーシングの上部Ｕにおける温度（上部温度）Ｔ_U及び下部Ｌにおける温度Ｔ_L（下部温度）を取得する（ステップＳ１０４）。次に処理部２１は、上部温度Ｔ_Uと下部温度Ｔ_Lとの差（上下温度差）ΔＴ（＝Ｔ_U−Ｔ_L）を算出し、予め定めた所定の基準温度差ΔＴｃと比較する。所定の基準温度差ΔＴｃは、例えば、１０℃〜２０℃程度とすることができる。

ΔＴ≧ΔＴｃである場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、処理部２１は、車室５内へ供給する空気の量を増加する（ステップＳ１０６）。そして、処理部２１は、ΔＴ＜ΔＴｃとなるまで、車室５内へ供給する空気の量を変化（増加）させる。なお、第１空気供給通路１１又は第２空気供給通路１２のうち少なくとも一方から車室５内へ供給される空気の量を変化（増加）すればよい。

このように、上下温度差ΔＴを予め定めた所定範囲（すなわち予め定めた所定の基準温度差ΔＴｃ）内に抑えるようにフィードバック制御するので、キャットバック現象を効果的に抑制できる。また、運転環境の変化やガスタービン停止時における初期温度、あるいは車室内の空気温度低下等によって必要な空気供給量が変化するが、この制御方法によれば、キャットバック現象の抑制に必要な空気供給量に対応できる。

その結果、より確実かつ迅速にキャットバック現象を抑制して、車室へ空気を供給するために要するエネルギー消費も低減できる。また、キャットバック現象を抑制するために必要十分な量の空気を供給することにより、過剰な空気を供給することが回避できるので、空気供給に要するエネルギーも低減できる。

なお、車室５内へ供給する空気の量を増加させる際には、第１空気供給通路１１と第２空気供給通路１２との空気供給量に差を設けてもよい。また、実施形態２に係るガスタービン１ａのように、車室内壁面近傍に空気の層を形成する場合には、空気の層を形成する方向によって、空気供給量を異ならせてもよい。このときには、圧縮機３側（図３、図５のＡ）と車室中央部（図３、図５のＢ）、タービン７側（図３、図５のＣ）とでケーシングの上下温度を取得し、その測定結果に基づいて空気供給量に差を設けてもよい。このようにすれば、より効率的に空気を利用して、より迅速に上下温度差ΔＴを所定の基準温度差ΔＴｃ内に収めることができる。

ΔＴ＜ΔＴｃである場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、車室５に供給する空気の量をそれまでよりも少なくしても、上下温度差ΔＴが所定の基準温度差ΔＴｃに収まる可能性がある。このため、処理部２１は、インバータ２３（図９）又は流量調整弁３１（図１０）を調整して、車室５に供給する空気の量を減少させる（ステップＳ１０７）。これによって、空気供給に要するエネルギーを低減できる。なお、ステップＳ１０７は設けなくてもよい。

次に、処理部２１は、取得した上部温度Ｔ_Uと下部温度Ｔ_Lとが、いずれも停止時における温度Ｔｍ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。前記Ｔｍは、例えば、室温＋α℃のように設定できる。上部温度Ｔ_U又は下部温度Ｔ_Lの少なくとも一方がＴｍよりも高い場合には（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、上部温度Ｔ_U及び下部温度Ｔ_Lの両方がＴｍ以下になるまで、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５を繰り返す。

上部温度Ｔ_Uと下部温度Ｔ_Lとの両方がＴｍ以下になったら（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、処理部２１は、上部側における車室内の空気温度Ｔ_WU及び下部側における車室内の空気温度Ｔ_WLを取得する（ステップＳ１０９）。そして、処理部２１は、Ｔ_WU及びＴ_WLが、予め定めた規定の車室内空気温度Ｔｍａ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。Ｔ_WU又はＴ_WLの少なくとも一方がＴｍａよりも高い場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、Ｔ_WU及びＴ_WLの両方がＴｍ以下になるまで、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５等を繰り返す。Ｔ_WU及びＴ_WLの両方がＴｍ以下になったら（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、この制御は終了する。

以上、実施形態３では、ガスタービンのケーシングの上部と下部とにおける温度差を所定の範囲に抑えるようにフィードバック制御するようにしたので、キャットバック現象を効果的に抑制できる。また、運転環境変化やガスタービン停止時における初期温度、あるいは車室内の空気温度低下等によって必要な空気供給量が変化した場合でも、必要な空気供給量に対応できる。その結果、より確実にキャットバック現象を抑制でき、また、過剰な空気を供給することも回避できるので、空気供給に要するエネルギーも低減できる。さらに、過剰な空気を供給することにより、車室の上部が車室の下部に対して相対的に縮むことも抑制できる。

以上のように、本発明に係るガスタービン及び空気供給制御方法、並びに空気供給制御用コンピュータプログラムは、ガスタービンを停止させるときに有用であり、特に、いわゆるキャットバック現象を抑制しつつ、エネルギー消費を低減することに適している。

ガスタービンを示す説明図である。 いわゆるキャットバック現象を示す説明図である。 実施形態１に係るガスタービンの車室部分を示す一部断面図である。 図３の矢印Ｄ方向から車室内を見た説明図である。 実施形態２に係るガスタービンの車室部分を示す一部断面図である。 図５の矢印Ｄ方向から車室内を見た説明図である。 実施形態２に係るガスタービンが備える空気層形成手段を示す説明図である。 実施形態２に係るガスタービンが備える空気層形成手段を示す説明図である。 実施形態２に係るガスタービンの車室内から空気層形成手段を見た状態を示す説明図である。 空気供給系の一例を示す概念図である。 空気供給系の他の例を示す概念図である。 実施形態３に係る空気供給制御方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１、１ａ ガスタービン
３ 圧縮機
４ 燃焼器
５ 車室
５Ｃ 車室ケーシング
５ｗｔ 上部側車室内壁面
５ｗｃ 圧縮機側車室内壁
７ タービン
９ ローター軸
１１ 第１空気供給通路
１２ 第２空気供給通路
１３ 第１ノズルブロック
１３ｈｃ 圧縮機側空気放出口
１３ｈｔ タービン側空気放出口
１４ 第２ノズルブロック
１４ｈ 壁面側空気放出孔
２０ 空気供給制御装置
２１ 処理部
２２ 記憶部
２３ インバータ
２４ モータ
２５、３０ ブロア
３１ 流量調整弁
４０ 上部温度計
４１ 下部温度計
４２ 回転数計

Claims (8)

1. 燃料と、圧縮機で圧縮された空気とを燃焼させて発生した燃焼ガスをタービンに噴射する燃焼器を格納する車室と、
   前記車室の鉛直方向上部に設けられ、前記車室の内部の前記圧縮機側に向かって空気を放出する第１空気供給手段と、
   前記車室の鉛直方向上部に設けられ、前記車室の内部であって、前記第１空気供給手段とは異なる方向に空気を放出する第２空気供給手段と、
   を備えることを特徴とするガスタービン。
2. 前記第２空気供給手段は、前記車室の鉛直方向下部に向かって空気を放出することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記第１空気供給手段は、複数備えられる前記燃焼器の間に向かって空気を放出することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. 前記ガスタービンの運転停止後、前記ガスタービンの機関回転数が予め定めた所定の回転数よりも小さくなった場合には、
   前記第１空気供給手段又は前記第２空気供給手段のうち少なくとも一方は、前記車室に空気を放出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービン。
5. 前記第１空気供給手段又は前記第２空気供給手段のうち少なくとも一方から前記車室に放出される空気の量は、
   前記車室の鉛直方向上部における前記車室の温度と、前記車室の鉛直方向下部における前記車室の温度とに基づいて変化することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスタービン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスタービンの運転停止後に、前記燃焼器を格納する前記車室へ空気を供給するにあたり、
   前記車室の鉛直方向上部の温度と、前記車室の鉛直方向下部の温度とを取得する手順と、
   前記車室の鉛直方向上部の温度と、前記車室の鉛直方向下部の温度との差を求める手順と、
   前記車室の鉛直方向上部の温度と、前記車室の鉛直方向下部の温度との差が、予め定めた所定範囲内となるように、前記車室へ放出する空気の量を調整する手順と、
   調整された空気の量で、前記第１空気供給手段又は前記第２空気供給手段の少なくとも一方から、前記車室内へ空気を放出する手順と、
   を含むことを特徴とする空気供給制御方法。
7. 前記ガスタービンの機関回転数が予め定めた所定の回転数よりも小さくなった後に、前記車室へ空気を放出することを特徴とする請求項６に記載の空気供給制御方法。
8. 請求項６又は７に記載の空気供給制御方法をコンピュータに実行させることを特徴とする空気供給制御用コンピュータプログラム。

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