JP6012424B2 - ガスタービンエンジンのロックアウト低減 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、シャットダウン期間中のこのようなエンジンを作動させる方法に関する。

ガスタービンエンジンは、直列流れ関係で、高圧圧縮機、燃焼器、及び高圧又はガス発生器タービンを有するターボ機械コアを含む。コアは、一次ガス流を生成するよう公知の方法で動作可能である。ターボシャフトエンジンにおいて、コアの下流側に配置される別のタービン（低圧「作業」又は「出力」タービンと呼ばれる）が、一次流れからエネルギーを抽出して、シャフト又は他の機械的負荷を駆動する。１つの一般的な用途は、ポンプ、圧縮機、又は発電機のような外部負荷にガスタービンエンジンを結合することである。

効率的に運転するために、ガスタービンエンジンのターボ機械は、回転ブレードとこれを囲む固定環状ケーシングとの間に小さいが的確な半径方向クリアランスを維持することに左右される。ケーシングは、一般に、ロータよりも「熱に対する応答性」が高く、すなわち、一般に、エンジン出力の変化及び関連する温度変化の間にロータよりも大きな割合で膨張又は収縮する。結果として、ブレードのクリアランスは、エンジン出力の変化の間に開閉する傾向がある。このため、ガスタービンエンジンは、一般に、半径方向クリアランスが安定することができるように、出力レベルを漸次的に低下させることによってシャットダウンされる。

しかしながら、運転上の理由から、漸次的に出力を低下させることなく、外部負荷を取り外すこと、及びエンジンを直ちにシャットダウンすることが必要とされる場合がある。これは、「高温停止」と呼ばれる。高温停止が起こると、エンジン構成要素は急激に冷却される。一般に、ケーシングはロータよりも速く冷却され、ケースをロータブレードに対して加圧して、圧縮機の空気流クリアランスを縮めるようにする。また、エンジンが停止すると、回転する自然対流パターンにより、ロータの上側部分が加熱され、下側部分よりも膨張するようになる。これによりロータの曲げ又は湾曲が生じて、特定の位置で半径方向クリアランスが更に減少する。ケース収縮とロータの湾曲の複合作用によりロータが「ロック」され、ロータとケーシングが実際に互いに接触した状態になる。

エンジンが高温停止を生じると、エンジンは、シャットダウン後の短時間（例えば、約１０分）の内に再始動又は高温クランクを受けて、ロータがロックアップしないようにしなければならない。ロータがロックアップした場合、エンジンは、ロータ及びケーシングの損傷を回避するために「ロックアップ期間」が経過するまでは再始動することができない。この期間は、エンジンが供用されないコスト及び物理上の不都合さを含む、幾つかの理由で望ましいものではない。

米国特許第４，００３，２００号明細書

従って、高温停止後のロックアウト期間を最小限にする又は回避する、ガスタービンエンジン運転方法に対する必要性がある。

この必要性は、１つの態様による、ケーシングを加熱し及び／又はガスタービンエンジンのロータを冷却してロックアウト時間を短縮する方法を提供する本発明によって対処される。

本発明の１つの態様によれば、ガスタービンエンジンのロックアウト時間を低減する方法が提供され、該ガスタービンエンジンは、直列流れ連通で、入口と、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、排気ダクトとを含み、前記圧縮機及びタービンがターボ機械ロータ上に支持されて且つ各々が前記エンジンのケーシング内で回転するように装着されたブレードのアレイを含む。本方法は、第１の出力レベルでエンジンを作動させる段階と、事前に出力レベルを実質的に低下させることなく、エンジンの運転をシャットダウンする段階と、
を含み、シャットダウンの後に熱機械的変化がロータ及びケーシングにおいて発生して、ブレードの少なくとも１つとケーシングとの間の半径方向クリアランスを縮小する傾向となり、本方法が更に、エンジンのシャットダウン後、エンジンのケーシングを加熱して、ケーシングを膨張させ且つロータのブレードとケーシングとの間の半径方向クリアランスを増大させる段階と、を含む。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンのロックアウト時間を低減する方法が提供され、該ガスタービンエンジンは、直列流れ連通で、入口と、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、排気ダクトとを含み、前記圧縮機及びタービンがターボ機械ロータ上に支持されて且つ各々が前記エンジンのケーシング内で回転するように装着されたブレードのアレイを含む。本方法は、選択された出力レベルでエンジンを作動させる段階と、事前に出力レベルを実質的に低下させることなく、エンジンの運転をシャットダウンする段階と、を含み、シャットダウンの後に冷却に起因する熱機械的変化がロータ及びケーシングにおいて発生して、ブレードの少なくとも１つとケーシングとの間の半径方向クリアランスを縮小することによりロックアウト状態が生じる傾向となり、本方法が更に、エンジンのシャットダウン後、周囲空気の空気流を入口に送給し、該送給された空気をケーシングに流してロータを通過させ、次いで排気ダクトから流出させて、熱機械的変化を少なくとも部分的に軽減するようにする段階と、を含む。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本発明の１つの態様に従って構成された発電機セットモジュールの概略断面図。 図１に示すガスタービンエンジンの概略断面図。 図２に示すエンジンのロータの湾曲を示す概略図。 加熱素子の装着を示す、図２に示したエンジンの一部の半断面図。 図２のエンジンの入口に結合されたブロアを示す概略図。

種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、発電機セットモジュール１００を示している。モジュール１００は、エンジンエンクロージャ１４が装着されるベース１２と、発電機１６とを含む。発電機１６は、外部負荷装置の代表的な実施例として使用されている。ガスタービンエンジン２０（又は単に「エンジン」）は、エンジンエンクロージャ１４内部に配置される。エンジンエンクロージャ１４は、エンジン２０の入口２４と流れ連通して結合された燃焼空気入口２２と、エンジン２０の排気ダクト２８と流れ連通して結合された排気ガス出口２６とを含む。ガスタービンエンジン２０は、出力シャフト３０により発電機１６に結合される。

図２を参照すると、エンジン２０は、回転圧縮機ブレード３４の複数の段を支持する高圧圧縮機（「ＨＰＣ」）３２と、回転タービンブレード４０の複数の段を支持する高圧タービン（「ＨＰＴ」）３８とを含む。ＨＰＣ、燃焼器、及びＨＰＴは全て、線「Ａ」で表記される中心長手方向軸線に沿って直列の軸方向流れ関係で配列される。これら３つの構成要素を総称して「コア」と呼ばれる。高圧圧縮機３２は、燃焼器３６に流れる加圧空気を提供し、該燃焼器３６に燃料が導入されて燃焼し、高温の燃焼ガスを発生する。高温の燃焼ガスは、高圧タービン３８に排出され、ここで高温の燃焼ガスが膨張されてこれからエネルギーが抽出される。高圧タービン３８は、ロータシャフト４２を通じて圧縮機３２を駆動する。高圧タービン３８から流出する燃焼ガスは、下流側の出力タービン４４（場合によっては「低圧タービン」又は「作業タービン」とも呼ばれる）に排出される。出力タービン４４は、上述の出力シャフト３０を駆動する。

高圧圧縮機３２、ロータシャフト４２、及び高圧タービン３８を総称して「コアロータ」又は単に「ロータ」４６と呼ばれる。ロータ４６は、固定環状ケーシング４８内で回転し、該ケーシング４８は、この実施例では、高圧圧縮機ケース５０及び圧縮機後方フレーム５２を含む。圧縮機ブレード３４及びタービンブレード４０の半径方向先端は、ケーシング４８の内側表面から定められる半径方向クリアランスを有する。

定常エンジン運転中、燃焼器への燃料流量及びロータ４６の回転速度（ＲＰＭ）はほぼ一定である。その結果、種々の構成要素の温度がほぼ一定であり、ブレード先端とケーシング４８との間の半径方向クリアランスも一定である。エンジン出力が増大することは、ＲＰＭ、燃料流量、及び構成要素の温度が増大することを意味し、エンジン出力が低下することは、ＲＰＭ、燃料流量、及び構成要素の温度が低下することを意味する。出力の変化の間、ケーシング４８の物理的特性は、ロータ４６よりもより熱に対する応答性が高くなる傾向がある。換言すると、ケーシングは、温度変化に応答してロータ４６よりもより速い割合で半径方向に増大又は収縮する。この特性は、上述の高温停止中に特に問題となり、ロータロックアップにつながることが多い。

エンジン運転中、エンジン２０内の空気、ガス、及び構成要素の温度は、ロータ４６の周辺で比較的均一に分布される傾向がある。換言すると、前方から後方を見たときに、種々の時計位置での温度はほぼ等しいか、又は比較的狭い限度内で変化する。エンジン２０がシャットダウンされると、ロータ４６は減速して極めて短い時間期間（例えば、約２〜３分）で回転を停止する。ロータ４６が停止すると、自然対流の流れにより、ロータ４６の上半分が加熱され、下側部分よりも軸方向に膨張するようになる。その結果、ロータ４６が「湾曲」状態になる。図３は、この湾曲を概略的に示しており、ここでラインＡは、ロータ４６の中心長手方向軸線の位置を表し、エンジンの中心長手方向軸線と公称上同軸であり、ライン「Ａ’」は、湾曲したロータ４６の中心軸線を表している。湾曲の程度は、説明の目的で大きく強調されている。この湾曲は、ロータ４６に沿った特定の軸方向位置においてロータ４６とケーシング４８との間の半径方向クリアランスを縮小する傾向がある。湾曲とケーシング収縮とが共同してエンジン２０の熱機械的変化を構成する。

本発明は、半径方向クリアランスの損失と湾曲の両方を低減する装置及び方法を提供する。本発明の１つの態様によれば、ケーシング４８を選択的に加熱してこれを膨張させるようにするための手段を提供することができる。例えば、図４は、ケーシング４８の外部に適用される公知のタイプの一連の電気抵抗式加熱素子５４を示している。各加熱素子５４は、ケーシング４８の外側表面と接触して配置された環状リングの形態である。個々の加熱素子５４は、コントローラ５６に接続され、該コントローラは、バッテリ、発電機、又は電力網などの電源５８に接続される。抵抗式加熱素子５４の代わりに他のタイプの加熱装置を用いることができることも想定される。例えば、剛性素子の代わりに、可撓性の加熱ブランケットを用いることができる。別の実施例として、中空管体（図示せず）をケーシング４８の外側表面の周りに取り付けて、水、ブリード空気、オイル、又は蒸気などの加熱流体を管体に通して循環させることができる。

コントローラ５６は、電源５８からの電力を加熱素子５４に選択的に供給できる装置である。コントローラ５６は、例えば、幾つかのリレーを用いて実施することができ、或いは、プログラマブルロジックコントローラ又はマイクロプロセッサベースの汎用マイクロプロセッサを組み込むことができる。図示の実施例では、加熱素子５４は、個別に給電可能な複数のゾーンに区分され、一部のゾーンは単一の加熱素子５４を含み、他のゾーンは複数の加熱素子を含む。区分制御を用いることにより、ケーシング４８に沿った幾つかの位置において壁厚及び構成要素の構成に応じて加熱率が調整可能になる。

高温停止が生じた後、ケーシング４８（又はその選択された部分）が加熱されて膨張し、圧縮機ブレード３４とケーシング４８の内側表面との間の半径方向クリアランスが増大するようになる。例えば、ケーシング４８は、約２６０℃（５００°Ｆ）〜約３７０℃（７００°Ｆ）の範囲の温度まで加熱することができる。このような温度は、ケーシング４８の材料に損傷を与えるほど高温ではないが、半径方向クリアランスを増大させるには効果的であり、これによりロータ４６がロック解除されるので、エンジン２０を再始動することができる。エンジン２０が再始動されると、加熱を終了することができる。加熱素子５４の制御は、固定持続加熱サイクルを実施する簡易タイマーを通じて行うことができる。或いは、エンジン２０は、コントローラ５６（図４に概略的に示されている）に動作可能に結合された１つ又はそれ以上の歪みゲージ６０又は同様のセンサを備えることができ、加熱サイクルは、ケーシング４８が所定量膨張したときに終了することができる。

本発明の別の態様によれば、高温停止後のロータ４６を冷却するための手段を提供することができる。図示の実施例において、ブロア６４は、ベース６６、ファン６８（遠心ファンなど）、及びファン６８を駆動する電気モータ７０を含む。ファン６８の出口ダクト７２は、エンジン入口２４の正面に位置付けることができ、これら２つの間に末広アダプタダクト７４を配置することができる。ブロア６４は、エンジン入口２４を通じて実質的に軸対称パターンで空気を吐出するよう配列される。ブロア６４は、バッテリ、発電機、又は電力網（図示せず）などの好適な電源に接続される。

高温停止が生じた後、ブロア６４は、エンジン２０の入口２４の正面に位置付けられ、モータ７０が始動する。ブロア６４は、室温（例えば、約１５℃（５９°Ｆ））の周囲空気をケーシング４８に送り込み、ロータ４６を通過させる。ブロア６４によって生成される空気流は、低圧（例えば、約３〜４ｋＰａ（Ｈ₂Ｏ中１２〜１６））で比較的高容量流量（例えば、約２８〜５１ｍ３／ｍｉｎ.）（１０００〜１８００ＡＣＦＭ）を有する。空気流は、ロータ４６及びケーシング４８をある程度まで冷却するのに有効であり、また、ロータ４６の周りに自然対流パターンを分散させるのに効果的である。これにより、ロータ４６の周辺で温度の均一化がもたらされる。温度の均一化により、ロータ４６の湾曲が軽減される。ブロア６４の吐出圧は、ロックアップ状態のロータ４６を転回させるには十分ではないが、ロータ４６がロックアップ状態にない場合には、ロータ４６を転回又は「回転」させるのに十分である。従って、ブロア６４は、ロータ４６の回転速度を監視することにより制御することができる。ロータ４６がかなりの速度（例えば、数百ＲＰＭ）で回転し始めると、ブロア６４は停止され、入口２４から離すことができる。

上述の加熱及び冷却技法を組み合わせて用いて、ロックアウト時間を実質的に短縮し、場合によってはロックアウト時間を完全に排除することができる。上述の加熱及び冷却技法並びにこれらの組み合わせにより、ロックアウト期間を数時間から数分にまで短縮できることが試験によって示された。例えば、ロックアウト時間は、本技法の組み合わせを用いて約１０分〜約３０分にすることができる。

組み合わされた加熱及び冷却技法の制御は、統合することができる。例えば、高温停止後、加熱素子５４及びブロア６４は、ロータ速度を監視しながら同時に始動することができる。ロータ４６が所定の閾値速度に達すると、加熱及び冷却の両方を終了させることができる。

以上、ガスタービンエンジンにおけるロックアウトの低減方法について説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、添付の請求項によって定義される本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０
１２ ベース
１４ エンジンエンクロージャ
１６ 発電機
２０ エンジン
２２ 燃焼空気入口
２４ 入口
２６ 排気ガス出口
２８ 排気ダクト
３０ 出力シャフト

Claims (14)

1. ガスタービンエンジンのロックアウト時間を低減する方法であって、前記ガスタービンエンジンが、直列流れ連通で、入口と、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、排気ダクトとを含み、前記圧縮機及びタービンがターボ機械ロータ上に支持されて且つ各々が前記エンジンの固定ケーシング内で回転するように装着されたブレードのアレイを含み、
   前記方法が、
   第１の出力レベルで前記エンジンを作動させる段階と、
   事前に前記出力レベルを実質的に低下させることなく、前記エンジンの運転をシャットダウンする段階と、
   を含み、
   前記シャットダウンの後に冷却に起因する熱機械的変化が前記ロータ及び前記ケーシングにおいて発生して、前記ロータ及び前記ケーシングが互いに接触し、前記ブレードの少なくとも１つと前記ケーシングとの間の半径方向クリアランスを縮小することによりロックアウト状態が生じ、
   前記方法が更に、
   前記ロックアウト状態の間、前記エンジンのケーシングを該ケーシングの周囲で均一に加熱して、前記ケーシングを膨張させ、且つ前記ロータのブレードと前記ケーシングとの間の半径方向クリアランスを増大させ、前記熱機械的変化を少なくとも部分的に軽減するようにする段階
   を含む、方法。
2. 前記ケーシングの加熱を所定時間後に終了する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ケーシングの温度を決定する段階と、
   前記ケーシングが所定温度に達したときに前記ケーシングの加熱を終了する段階と、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ケーシングの物理的寸法を決定する段階と、
   前記寸法が所定量増大したときに前記ケーシングの加熱を終了する段階と、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ケーシングが、該ケーシングの外側表面と接触して配置される少なくとも１つの加熱素子を用いて加熱される、請求項１に記載の方法。
6. 複数の間隔を置いて配置される環状加熱素子が前記ケーシングの外側表面と接触して配置される、請求項５に記載の方法。
7. 前記加熱素子が、１つ又はそれ以上の加熱素子の複数のゾーンにグループ化され、各ゾーンが個々に制御可能である、請求項６に記載の方法。
8. 前記エンジンのシャットダウン後、周囲空気の空気流を前記エンジンの入口に送給し、該送給された空気を前記ケーシングに流して前記ロータを通過させ、前記排気ダクトから流出させることを可能にする段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ロータの回転速度を監視して、前記ロータが所定の回転速度を上回ったときに前記ケーシングの加熱を停止する段階を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記空気が、前記入口の正面に位置付けられ且つダクトにより前記入口に結合されたブロアによって送給される、請求項８に記載の方法。
11. 前記空気流は、前記エンジンがロックアウト状態にない場合には前記ロータを回転させるのに十分であるが、前記エンジンがロックアウト状態である場合には、前記ロータを転回させるには不十分である、請求項１０に記載の方法。
12. ガスタービンエンジンのロックアウト時間を低減する方法であって、前記ガスタービンエンジンが、直列流れ連通で、入口と、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、排気ダクトとを含み、前記圧縮機及びタービンがターボ機械ロータ上に支持されて且つ各々が前記エンジンの固定ケーシング内で回転するように装着されたブレードのアレイを含み、
    前記方法が、
    選択された出力レベルで前記エンジンを作動させる段階と、
    事前に前記出力レベルを実質的に低下させることなく、前記エンジンの運転をシャットダウンする段階と、
    を含み、
    前記シャットダウンの後に冷却に起因する熱機械的変化が前記ロータ及び前記ケーシングにおいて発生して、前記ブレードの少なくとも１つと前記ケーシングとの間の半径方向クリアランスを縮小することによりロックアウト状態が生じ、
    前記方法が更に、
    前記ロックアウト状態の間、周囲空気の空気流を前記入口に送給し、該送給された空気を前記ケーシングに流して前記ロータを通過させ、次いで前記排気ダクトから流出させて、前記熱機械的変化を少なくとも部分的に軽減するようにする段階
    を含み、
    前記空気流は、前記エンジンがロックアウト状態にない場合には前記ロータを回転させるのに十分であるが、前記エンジンがロックアウト状態である場合には、前記ロータを転回させるには不十分である、
    方法。
13. 前記空気が、前記入口の正面に位置付けられ且つダクトにより前記入口に結合されたブロアによって送給される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ロータの回転速度を監視して、前記ロータが所定の回転速度を上回ったときに前記空気流を停止する段階を含む、請求項１２に記載の方法。