JP5367592B2 - 軸受けオイルの廃熱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、軸受けオイルの廃熱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擦ることがある。擦ることにより、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 米国特許出願第２００６００４２２６６号公報 米国特許出願第２００７００３９３０５号公報 米国特許出願第２００７０２４０４００号公報 米国特許出願第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擦れ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（擦れ、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、オイルの流れを内部に有するオイル再循環系統と、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コンプレッサクリアランス制御システムを提供する。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、オイル再循環系統からのオイルの流れ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およびオイル再循環系統と連通したコンジットとを含むことができる。

本出願はさらに、オイルの流れを内部に有するオイル再循環系統と、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提供する。この方法は、ローターブレードをケーシング内で回転させるステップと、熱を内部に獲得するように軸受けハウジング中を通してオイルを流すステップと、オイルの流れをコンプレッサのケーシングの周りに向けるステップと、オイルの流れとケーシングとの間で熱交換するステップと、ケーシングを熱膨張させるかまたはケーシングが熱収縮するのを防止するステップとを含むことができる。

したがって、本出願はさらに、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を有する、ガスタービンエンジン用コンプレッサクリアランス制御システムを提供する。コンプレッサクリアランス制御システムは、コンプレッサと連通した、オイルの流れを内部に有するオイル再循環系統と、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、オイル再循環系統からのオイルの流れ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およびオイル再循環系統と連通した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、軸受けオイル再循環系統７０を用いることもできる。オイルストリームは、ローターと他の構成要素の周りの軸受けを潤滑にする。軸受けオイル再循環系統７０は、オイルが軸受けハウジング７５を通るときに得る、オイルストリームからの廃熱を取り出す。周知のように、軸受けオイル再循環系統７０は、コンプレッサ２０と連通した軸受けオイル熱交換器８０を含むことができる。軸受けオイル再循環系統７０は、軸受けハウジング７５および軸受けオイル熱交換器８０と連通したインプットコンジット８１およびアウトプットコンジット８２を有することができる。オイルストリーム８５が、軸受けハウジング７５を通るときに華氏約５０から約６０度（摂氏約１０から約１５．６度）上昇することができる。温度上昇量は変わることがある。この廃熱は、一般に比較的低位の熱であり、したがって、その熱は通常排出するかまたはそうでない場合は放散される。ここでは他の方法および構成を用いることができる。

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、入口２６周りのコンプレッサ２０のケーシング２４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、コンプレッサ２０の軸受けオイル再循環系統７０の軸受けハウジング７５と連通した１つまたは複数のコンジット１２０を含む。具体的には、高温の軸受けオイルストリーム８５が、コンプレッサ２０のケーシング２４を温めるようにケーシング熱交換器１１０中を通ることができる。ケーシング熱交換器１１０中を通った後で、オイルストリーム８５をポンプ輸送して軸受けオイル熱交換器８０に戻すことができる。必要な場合は、ポンプ１３０をコンジット１２０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１４０をコンジット１２０上に配置することができる。オイルストリーム８５は、ケーシング熱交換器１１０中を通ってどの方向にも流れることができる。

したがって、軸受けハウジング７５の高温の軸受けオイルストリーム８５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、タービニングまたは他の事柄によるローターブレードの擦れの可能性が小さい、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避けるように、軸受けハウジング７５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において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。この実施形態は、入口２６の周りのコンプレッサ２０のケーシング２４に配置されたケーシング熱交換器２１０も含む。この実施形態では、タービン４０は、タービン軸受けオイル熱交換器９２と連通した軸受けハウジング９１を有する軸受けオイル再循環系統９０も含む。コンプレッサクリアランス制御システム２００は、タービン４０の軸受けオイル再循環系統９０の軸受けハウジング９１と連通した１つまたは複数のコンジット２２０も含む。具体的には、高温の軸受けオイルストリームが、コンプレッサ２０のケーシング２４を温めるようにケーシング熱交換器２１０中を通ることができる。ケーシング熱交換器２１０中を通った後で、オイルストリーム８５をポンプ輸送して軸受けオイル熱交換器９２に戻すことができる。必要な場合は、ポンプ２３０をコンジット２２０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２４０をコンジット２２０上に配置することができる。オイルストリーム８５は、ケーシング熱交換器２１０中を通ってどの方向にも流れることができる。ここで、他のタイプの熱および／またはオイル循環系統を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均等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、当業者が本発明に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
５０ 外部負荷
６０ 入口案内翼
７０ 軸受けオイル再循環系統
７５ 軸受けハウジング
８０ 軸受けオイル熱交換器
８１ インプットコンジット
８２ アウトプットコンジット
８５ オイルの流れ
９０ 軸受けオイル再循環系統
９１ 軸受けハウジング
９２ 軸受けオイル熱交換器
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 コンジット
１３０ ポンプ
１４０ 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 コンジット
２３０ ポンプ
２４０ バルブ

Claims (10)

1. ケーシング（２４）と複数のローターブレード（２２）とを有するコンプレッサ（２０）を有するガスタービンエンジン（１０）用のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）であって、
   （ａ）前記コンプレッサ（２０）の前記ケーシング（２４）の周りに配置されたケーシング熱交換器（１１０）と、
   （ｂ）前記ケーシング熱交換器（１１０）と連通したオイル再循環系統（７０）であって、軸受けオイルハウジング（７５）と、該軸受けオイルハウジング（７５）内の熱が上昇するように、前記軸受けオイルハウジング（７５）を通過するオイルの流れ（８５）と、前記オイル再循環系統（７０）からの前記オイルの流れ（８５）で前記コンプレッサ（２０）の前記ケーシング（２４）を加熱するように前記ケーシング熱交換器（１１０）および前記オイル再循環系統（７０）の前記軸受けオイルハウジング（７５）と連通したコンジット（１２０）とを有するオイル再循環系統（７０）と
   を備えるコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
2. 前記１つまたは複数のコンジット（１２０）上に配置されたポンプ（１３０）をさらに備える、請求項１記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
3. 前記１つまたは複数のコンジット（１２０）上に配置されたバルブ（１４０）をさらに備える、請求項１記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
4. 前記コンプレッサ（２０）の周りに配置された複数の入口案内翼（６０）をさらに備える、請求項１記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
5. 前記軸受けオイルハウジング（７５）がコンプレッサ軸受けオイルハウジングである、請求項１記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
6. 前記軸受けオイルハウジング（７５）がタービン軸受けオイルハウジングである、請求項１記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
7. 前記軸受けオイルハウジング（７５）と連通した軸受けオイル熱交換器（８０）をさら に備える、請求項１記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
8. 前記軸受けオイル熱交換器（８０）がタービン軸受けオイル熱交換器である、請求項７記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
9. 前記軸受けオイル熱交換器（８０）がコンプレッサ軸受けオイル熱交換器である、請求項７記載のコンプレッサクリアランス制御システム（１００）。
10. オイルの流れ（８５）を内部に有するオイル再循環系統（９０）と、ケーシング（２４）および複数のローターブレード（２２）を有するコンプレッサ（２０）とを有する、ガスタービンエンジン（１０）のクリアランスを制御する方法であって、
    前記複数のローターブレード（２２）を前記ケーシング（２４）内で回転させるステップと、
    熱を内部に獲得するように軸受けハウジング（７５）中を通してオイル（８５）を流すステップと、
    前記オイルの流れ（８５）を前記コンプレッサ（２０）の前記ケーシング（２４）の周りに向けるステップと、
    前記オイルの流れ（８５）と前記ケーシング（２４）との間で熱交換するステップと、
    前記ケーシング（２４）を熱膨張させるかまたは前記ケーシング（２４）が熱収縮するのを防止するステップと
    を含むクリアランス制御方法。
    

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