JP5346303B2 - タービンの排気を利用したコンプレッサクリアランス制御システム - Google Patents

Description

本出願は、概して、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンの排気ガスを利用して正面端部のローターブレードのクリアランスまたは他のタイプのクリアランスを制御するコンプレッサクリアランス制御システムに関する。

動力の総需要が低いときは、動力生成装置は、燃料を保存するために動力生成機器の動力レベルを低くすることが多い。ガスタービンエンジンの場合は、コンプレッサ入口周りの入口案内翼は、内部を通る空気流および全動力出力を減らすように、最小角度まで閉じることができる。具体的には、入口案内翼を通る空気は、入口案内翼の角度が小さい状態で大幅に圧力が降下することがある。コンプレッサの正面端部は、基本的に、タービンとして働き、タービニング（ｔｕｒｂｉｎｉｎｇ）と呼ばれる現象の空気流からエネルギーを抽出する。したがって、圧力が低いと、コンプレッサ入口ケーシングの周りの空気流の温度が急激に降下することがある。そのように低温になると、安定化を可能にするために、ケーシングとローターブレードとの間により定常状態のクリアランスが必要になることがある。

コンプレッサの金属製ケーシングはローターブレードより熱応答時間が遅いので、ローターブレードは、より高い負荷に移行するときまたは過回転状態のときに、ケーシングより速く膨張して、ローターブレードがケーシング上に近づき、場合によってはケーシングを摩擦することがある。摩擦により、ローターブレードが早く損傷し、場合によっては故障することがある。その結果、動作中のローターブレード／ケーシングのクリアランスは、これらの異なる膨張率を吸収しなければならない。こうしたクリアランスは、コンプレッサ中に引き込むことができるコア流量に影響を及ぼし、したがってその量を制限する。

米国特許第６０２７３０４号公報 米国特許公開出願第２００６００４２２６６号公報 米国特許公開出願第２００７００３９３０５号公報 米国特許公開出願第２００７０２４０４００号公報 米国特許公開出願第２００８０２６７７６９号公報

したがって、ガスタービンエンジンの全体の性能および効率を改善するように改善したコンプレッサ用クリアランス制御システムおよび方法に対する要望がある。好ましくは、改善したコンプレッサクリアランス制御システムおよび方法は、低負荷または無負荷状態の間のタービニングならびに負荷の移行中のローターブレードの摩擦にも対処すべきである。具体的には、動作の体制（ｒｅｇｉｍｅ）にわたるクリアランス範囲の低減は、クリアランスが十分でないときの危険性（摩擦、損傷）またはクリアランスが大きすぎるときの危険性（性能低下、ストール、損傷）なしに行われる。

したがって、本出願は、ガスタービンエンジン用のコンプレッサクリアランス制御システムを提供する。ガスタービンエンジンは、排気ガスを発生させるタービンと、ケーシングおよびいくつかのローターブレードを有するコンプレッサとを含む。コンプレッサクリアランス制御システムは、コンプレッサのケーシングの周りに配置されたケーシング熱交換器と、タービンからの排気ガスのための抽出口とを含むことができる。抽出口は、タービンからの排気ガスでコンプレッサのケーシングを加熱するようにケーシング熱交換器と連通する。

本出願はさらに、排気ガスを発生させるタービンと、ケーシングおよびいくつかのローターブレードを有するコンプレッサとを有するガスタービンエンジンのクリアランスを制御する方法を説明する。この方法は、ローターブレードを前記ケーシング内で回転させるステップと、タービンから熱を抽出するステップと、その熱をケーシングに伝達するステップと、ケーシングを熱膨張させるか、またはケーシングの熱収縮を防止するステップとを含む。

本出願はさらに、ガスタービンエンジン用のコンプレッサクリアランス制御システムを提供する。このガスタービンエンジンは、排気ガスを発生させるタービンと、ケーシングおよびいくつかのローターブレードを有するコンプレッサとを含む。コンプレッサクリアランス制御システムは、コンプレッサのケーシングの周りに配置されたケーシング熱交換器と、タービンからの排気ガスのための抽出口と、タービンからの排気ガスでコンプレッサのケーシングを加熱するように抽出口からケーシング熱交換器に延びる１つまたは複数のコンジットとを含むことができる。

本出願のこれらのおよび他の特徴および改善は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて解釈するときに以下の詳細な説明を考察すると当業者には明らかになるであろう。

周知のガスタービンエンジンの概略図である。 コンプレッサケーシングの周りに配置されたローターブレードの断面図である。 本明細書で説明するコンプレッサクリアランス制御システムを有するガスタービンエンジンの概略図である。 本明細書で説明するコンプレッサクリアランス制御システムの代替の実施形態を有するガスタービンエンジンの概略図である。

次に、複数の図を通して同様の参照番号が同様の要素を指す図面を参照すると、図１および図２に、ガスタービンエンジン１０の概略図が示されている。周知のように、ガスタービンエンジン１０は、流入する空気流を圧縮するコンプレッサ２０を含むことができる。そのコンプレッサ２０は、ケーシング２４内に配置された、いくつかのローターブレード２２を含む。コンプレッサ２０は圧縮空気流を燃焼器３０に運ぶ。燃焼器３０は、圧縮空気流を燃料の流れと混合し、その混合物に点火する。（１つの燃焼器３０しか示していないが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器３０を含むことができる。）次に、高温の燃焼ガスがタービン４０に送られる。高温の燃焼ガスがタービン４０を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン４０で生成された機械的仕事は、コンプレッサ２０および発電機などの外部負荷５０を駆動する。ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、および他のタイプの燃料を使用することができる。

ガスタービンエンジン１０は、Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、Ｎｅｗ ＹｏｒｋのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙが提供する９ＦＡタービンまたは同様の装置でよい。ここで他のタイプのガスタービンエンジン１０を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、他の構成を有してよく、他のタイプの構成要素を用いてよい。複数のガスタービンエンジン１０、他のタイプのタービン、および／または他のタイプの動力生成機器を一緒に用いることができる。

コンプレッサ２０の入口２６の周りに配置された、いくつかの入口案内翼６０を使用して、ガスタービンエンジン１０の負荷をある程度制御することが可能である。具体的には、コンプレッサ２０に入る空気の量を変更するように入口案内翼６０の姿勢を変えることによって、ガスタービンエンジン１０の出力を調整することができる。

ガスタービンエンジン１０は、給気を加熱するために入口抽気加熱系統７０を使用することもできる。入口抽気加熱系統７０は、コンプレッサ２０の入口の上流でフィルターハウジングまたは他の箇所に配置することができる。周知のように、入口抽気加熱系統７０は、コンプレッサ２０の入口２６の上流に配置された入口抽気加熱マニホールド８０を含むことができる。入口抽気加熱マニホールド８０は、コンプレッサ出口２８からの圧縮空気の抽出口９０と連通することができる。抽出口９０からの空気は、流入する空気流を暖めるように入口抽気加熱マニホールド８０中を通る。流入する空気流を暖めることは、タービニングの影響（すなわち、ケーシングの縮小によるブレードの摩擦）を制限する助けをする。ここでは他の方法および構成を用いることができる。

しかし、コンプレッサ２０の出口２８から圧縮空気を抽出し、その圧縮空気を用いて給気流を加熱することによって、コンプレッササイクル全体の効率を損なうことがある。したがって、全体のガスタービンエンジン効率も同様に低減することがある。同様に、他のタイプのタービンは入口抽気加熱系統７０を用いることができず、抑えられた入口温度は課題として残ることがある。

図３に、本明細書で説明するコンプレッサクリアランス制御システム１００を示す。コンプレッサクリアランス制御システム１００を、上記で説明したようにガスタービンエンジン１０内に取り付けることができる。コンプレッサクリアランス制御システム１００を、同様に、他のタイプのタービンシステムで使用することができる。

コンプレッサクリアランス制御システム１００は、コンプレッサケーシング熱交換器１１０を含むことができる。ケーシング熱交換器１１０は、コンプレッサ２０のケーシング２４のうち入口２６周りまたは他の箇所に熱を伝達するどんなタイプの熱交換器でもよい。コンプレッサケーシング熱交換器１１０を、どの段階でもどの位置でも用いることができる。コンプレッサクリアランス制御システム１００はさらに、タービンの全ての段階の下流に、タービン４０の出口４２の周りに抽出口１２０を含む。具体的には、タービン４０の出口４２からの高温の排気ガスを、抽出口１２０を介して取り出すことができる。抽出口１２０からの高温の排気ガスは、１つまたは複数のコンジット１３０を介してケーシング熱交換器１１０と連通することができる。ケーシング熱交換器１１０中を通した後で、そのガスを、タービン出口４２の排気に抜くかまたは送ることができ、全バルク排出温度に少し影響を与える。必要な場合は、ポンプ１４０をコンジット１３０の周りに配置することができる。同様に、必要な場合は、１つまたは複数のバルブ１５０をコンジット１３０上に配置することができる。

したがって、タービン４０の高温の排気ガスからの熱が、ケーシング２４のうちコンプレッサ２０の入口２６の周りの金属に伝達される。したがって、ローターブレード２２による摩擦を避けるようにコンプレッサ２０のケーシング２４の縮小または熱収縮を制御することができる。同様に、ケーシング２４の膨張を促進することができる。したがって、例えば低負荷または無負荷状態によって、入口案内翼６０が最小角度に近いかまたはほぼ最小角度になるときにコンプレッサクリアランス制御システム１００を用いることができる。同様に、コンプレッサクリアランス制御システム１００は、周囲条件が低温であり負荷を移行するときに用いることができる。したがって、ガスタービンエンジン１０は、タービニングによるローターブレードの摩擦の可能性が小さい、より低い動力まで下げることができる。同様に、入口案内翼６０は、さらに動力出力を下げるようにより小さい角度まで閉じることができる。

コンプレッサクリアランス制御システム１００は、全動力出力をより低くすることを可能にするだけでなく、より高くするように促進することもできる。より長いローターブレード２２によってケーシング温度の制御性が向上する場合は、全体の動作中のローターブレード先端のクリアランスを狭くすることができる。具体的には、ローターブレードクリアランスを狭くすることは、動力出力を増大させるはずである。改善は、タービンのタイプが異なると大きく変わる。さらに、コンプレッサクリアランス制御システム１００は、周知の入口ブリード加熱システムおよび他の周知の技術に関連する効率の損失を制限するように、タービン４０からの廃熱を利用する。

コンプレッサクリアランス制御システム１００を、新規または現行のガスタービンエンジン１０に取り付けることができる。コンプレッサクリアランス制御システム１００は、タービニングまたはアクティブクリアランス制御が課題となることがあるどんな機械でも用いることができる。

図４に、コンプレッサクリアランス制御システム２００のさらなる実施形態を示す。この実施形態も、コンプレッサ２０のケーシング２４のうち入口２６の周りに配置されたケーシング熱交換器２１０を含む。コンプレッサクリアランス制御システム２００は、タービン排気熱交換器２２０も含む。タービン排気熱交換器２２０、またはタービン４０と熱交換するための他のタイプの下流の排出系統を、タービン４０の出口の周りに配置することもできる。コンプレッサ２０のケーシング熱交換器２１０とタービン４０のタービン排気熱交換器２２０は、１つまたは複数のコンジット２３０を介して互いに連通することができる。コンジット２３０はその中に、タービン排気熱交換器２２０からケーシング熱交換器２１０までおよびその逆に循環するための、従来の冷却流体または他のタイプの作動流体２３５を有することができる。１つまたは複数のポンプ２４０をコンジット２３０の周りに配置することができる。同様に、１つまたは複数のバルブ２５０をコンジット２３０上に配置することができる。

作動流体２３５を、タービン排気熱交換器２２０中でタービンの排気を介して加熱し、次いでコンプレッサ２００のケーシング２４の周りのケーシング熱交換器２１０を通して循環させて、ケーシング２４の金属と熱交換することができる。次いで、作動流体２３５を循環させてタービン排気熱交換器２２０に戻すことができる。ここで、他のタイプの熱循環系統を同様に用いることができる。

前述の事項が本出願の特定の実施形態のみに関するものであり、以下の請求項およびそれらの等価物によって定義する本発明の全体的な精神および範囲から逸脱することなしに、当業者が多くの変更および修正を行うことができることが明らかであろう。

１０ ガスタービンエンジン
２０ コンプレッサ
２２ ローターブレード
２４ ケーシング
２６ 入口
２８ 出口
３０ 燃焼器
４０ タービン
４２ 出口
５０ 外部負荷
６０ 入口案内翼
７０ 入口抽気加熱系統
８０ 入口抽気加熱マニホールド
９０ 抽出口
１００ コンプレッサクリアランス制御システム
１１０ ケーシング熱交換器
１２０ 抽出口、抽出部
１３０ コンジット
１４０ ポンプ
１５０ バルブ
２００ コンプレッサクリアランス制御システム
２１０ ケーシング熱交換器
２２０ タービン排気熱交換器
２３０ コンジット
２３５ 冷却流体
２４０ ポンプ
２５０ バルブ

Claims (7)

1. 排気ガスを発生させるタービンと、ケーシングおよびいくつかのローターブレードを有するコンプレッサとを有するガスタービンエンジン用のコンプレッサクリアランス制御システムであって、
   前記コンプレッサの前記ケーシングの周りに配置されたケーシング熱交換器と、
   前記タービンからの熱を抽出するタービン排気熱交換器と、
   を備え、
   前記タービン排気熱交換器が前記ケーシング熱交換器と連通して、前記タービンから抽出した熱で前記コンプレッサの前記ケーシングを加熱する、
   コンプレッサクリアランス制御システム。
2. 前記ケーシング熱交換器と前記タービン排気熱交換器とが、１つまたは複数のコンジットを介して連通する、請求項１に記載のコンプレッサクリアランス制御システム。
3. 前記１つまたは複数のコンジット上に配置されたポンプをさらに備える、請求項２に記載のコンプレッサクリアランス制御システム。
4. 前記１つまたは複数のコンジット上に配置されたバルブをさらに備える、請求項２に記載のコンプレッサクリアランス制御システム。
5. 作動流体が、前記タービン排気熱交換器と、前記１つまたは複数のコンジットを介して前記ケーシング熱交換器と連通する、請求項２に記載のコンプレッサクリアランス制御システム。
6. 排気ガスを発生させるタービンと、ケーシングおよびいくつかのローターブレードを有するコンプレッサとを有するガスタービンエンジンのクリアランスを制御する方法であって、
   前記いくつかのローターブレードを前記ケーシング内で回転させるステップと、
   タービン排気熱交換器を介して前記タービンから熱を抽出するステップと、
   タービン排気熱交換器と連通し、前記コンプレッサの前記ケーシングの周りに配置されたケーシング熱交換器を介してその熱を前記ケーシングに伝達するステップと、
   前記ケーシングを熱膨張させるか、または前記ケーシングの熱収縮を防止するステップと
   を含む方法。
7. 前記タービンから熱を抽出する前記ステップが、前記タービンの出口の周りにタービン排気熱交換器を位置づけるステップを含む、請求項６に記載の方法。
   

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