JP6184474B2 - 失火後のタービンエンジンの動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、概してタービンシステムまたはタービンエンジンに関し、特に、とりわけタービンシステムまたはタービンエンジンの機械的および熱機械的応力ならびに減速時間全体を低減するための、燃料フローの中断（すなわち、失火後）の最適化されたタービンロータの減速のための方法に関する。

タービン停止（shut-down）過程は重要であり、安全にかつ制御された信頼性有るやり方に従う必要のある、定期的に行われるプロセスである。エンジンの回転速度減少（rundown）過程では、タービンは生産的に動作しない。技術的および経済的理由から、結果生じるむだ時間は最小に維持されなければならない。

特許文献１には、ガスタービンエンジンシステムの停止方法が開示されており、この方法は、燃焼器への燃料フローを減少させるステップと、ロータにトルクを与えるために発電機の動作を逆転させるステップと、ガスタービンエンジンシステムへの空気のフローを制限するために、ロータの減速を増大させるステップと、を含む。特定目的のため、回転部分の起動回転速度（firing speed）への回転速度上昇（run-up）のためにタービンシステムに一般的に設けられている起動システムは、停止過程において燃料フローが低減される間にロータに負のトルクを与えるために、発電機の動作を逆転させるためのものである。

しかし、最終的には、時間をかけて燃料フローが徐々に低下された後、燃料フローは完全に中断（失火）され、停止スケジュールのある時点で、発電機が系統から切り離される（たとえば発電機ブレーカおよび／または高圧ブレーカが開かれる）。その後、エンジンは空転し、軸受の摩擦、タービンブレードおよびロータへの空力学的力ならびに発電機における電力損失および換気によってゆっくりと減速する。重要なことに、失火後（すなわち、燃料フローの中断の後）、タービンエンジンに保存された、未だに大量の運動（すなわち回転）エネルギー（たとえば、大型ガスタービンの場合には数メガワット時以下）が存在している。さらに、失火後、大型の産業用ガスタービンの回転速度減少プロセスは、目標速度（たとえば変速速度）まで、または、タービンロータの静止（stand-still）に最終的に達するまで、さらに約３０分間続くことがある。この最終段階、すなわち、失火後の空転するエンジンの回転エネルギーの低下に要する時間は、タービンエンジンの全体的なむだ時間に大きく加えられる。

ＵＳ２０１０／０２７５６０８Ａ１

タービンエンジンの回転速度減少過程に伴ういくつかの負の課題または問題については、以下のいくつかが挙げられる。

ｉ．タービンが回転速度減少中に即時に再起動できない。

ｉｉ．回転速度減少中、タービンまたは発電機の翼や他の部分に共振周波数が生じ、多数回の停止後に起こりうる損傷を伴う負荷サイクルを蓄積する。

ｉｉｉ．タービンが回転速度減少中にエンジン内の空気流によって冷却される。結果的に、ロータが各起動回転速度以下の回転速度となった後の、その後の（即時の）再起動で、タービンエンジンへの相当な熱機械的応力が生じる。

ｉｖ．回転速度減少中、ケーシングおよび翼板キャリアがタービンロータよりも早く冷却される（比較すると、タービンロータは材料厚がより大きく、すなわち、より遅い速度で冷却される）。これは、翼板キャリアのロータよりも大きい収縮、および、回転部分と静止部分との間のクリアランスの減少につながる。場合によっては、「負の」クリアランス（すなわち、過小なクリアランス）に起因するロータのブロッキングが観察される。したがって、これらの過渡的な熱状態に適応するよう、各部分のクリアランスは、一般的に、最小の冷えた構成の（cold-build）クリアランスに対して所望されるよりもより大きく設定される。当然、これは、エンジンの全体的パフォーマンスを犠牲にしている。

ｖ．自力（black）回転速度減少中（すなわち、系統からの供給状態（in-feed）が利用できない）、エンジンは、典型的にはバッテリ（または一般的にはバッテリ要素）により供給される補助電力を消費する。これらのバッテリ要素は、タービンエンジンに大きなコスト的影響がある。

したがって、本発明の課題は、失火後のタービンエンジンの低減された回転速度減少時間内でタービンエンジンの回転部分を減速するための方法を提供することである。別の課題は、回転速度減少過程で生じるタービンエンジンへの全体的負荷、特に、振動負荷を減少させることである。

本発明により上記課題は達成され、本発明によれば、タービンエンジン（または包括的にタービンエンジンの回転部分）のタービンロータの減速方法が提供され、タービンロータ（または回転部分）には少なくとも１つの電気モータが結合されており、少なくとも１つの電気モータによってタービンロータ（又は回転部分）に負のトルクを加えるように、制動システムは少なくとも１つの電気モータと結合されており（すなわち、電気モータは制動システムにより制御される）、該方法は、失火後、制動システムは、タービンエンジンにおいて失火後の利用可能な運動エネルギーを少なくとも１つの電気モータを用いて消費することを特徴としている。

以下では、回転部分の文脈での記載がタービンロータに関するものである場合、これは全ての回転部分（たとえば、蒸気タービンのロータも）が個別の部分としてまたはタービンロータと接続されて代替的に開示されることを意味している。

好ましくは、電気モータは発電機であり、発電機は、好ましくは、タービンエンジンの通常動作中に、高圧ネットワークに電力を供給するために設けられており、制動システムは、発電機によって運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる。多機能設計によって、製造コストを低減し、および、よりコンパクトなタービンエンジンとすることができる。

好ましくは、制動システムは、タービンロータの起動回転速度への回転速度上昇のための起動システムに設けられている。この記載において、記載が起動システムに関するものである場合、適切である場合には常に、より一般的な意味における制動システムにも関連しうる。

したがって、好ましくは、高圧ネットワークに電力を供給するために設けられた発電機がタービンロータに結合されており、ここで、起動システムはジェネレータとして（ロータに負のトルクを与えるために）、または、起動装置として（タービンロータに正トルクを与えるために）発電機を用いるために、起動システムは発電機に結合されており、失火後の停止スケジュールにおいて、起動システムは、タービンエンジンで利用可能な運動エネルギーを発電機によって消費するために用いることができ、起動システムは失火後のタービンエンジンで利用可能な運動エネルギーを発電機によって電気（制動）エネルギーに変換するために用いられる。

本発明にかかる方法は、概して、特にガスタービンの動作の場合に、発電機が系統に接続されていないとき、すなわち、発電機ブレーカが開かれているときには常に、軸トレーンの減速のための起動システムを用いることである。

典型的なタービンエンジンは、停止の際の軸トレーン（またはタービンロータ）の減速のためのサイリスタ起動装置（static starting device）（すなわち起動システム）の使用を有利に用いることができるものであるが、このタービンエンジンはたとえば約５０〜約３００メガワットの電力定格の大型の産業用ガスタービンである。しかし、任意の同様のガスタービンエンジンおよびその使用が、一般的な形で、本発明にかかる動作から有用でありえることが予測される。

タービンエンジンの運動エネルギーをいうとき、これは、タービン（すなわち、タービンロータ、または、多軸タービンの場合には複数のタービンロータ）のすべての回転部分、たとえば回転軸の運動エネルギーを意味し、ある場合には、各発電機のロータおよび／または蒸気タービンロータの回転エネルギーが含まれる。

制動システムとして使用されうる起動システム、あるいはサイリスタ起動装置は、一方で、一般的に知られているやり方での発電機の動作の逆転による起動回転速度へのタービンの回転速度上昇の加速のために、慣例的に用いられる。したがって、動作逆転された発電機は、タービンロータを駆動するモータとして機能する。これは、ロータが速度を上げる際に、ロータへの力行トルクを加えるためである。換言すれば、逆転モードの発電機はロータに正トルク、すなわち、タービンにとって特定的な好ましい方法で回転速度を上げるためにロータを加速するトルクを与える。

他方で、起動システムは、発電機によるロータへの負のトルクまたは制動トルクを与えることによる回生制動のために用いられる。この制動トルクは、一般的にタービンロータの減速割合を上昇させる。しかし、回生制動は、タービンロータ速度が所望の場合にのみ好ましく有効であるべきである。したがって、回生制動は、たとえば補助バスバーに生じる大きな電力動揺を避けるため、たとえば回転速度上昇中は好ましくは遮られる（下記参照）。

回生制動の間、起動システムは、発電機によるタービンモータへの所定の負のトルクまたは力を与えることができる。ここで、負のトルクは、好ましくは、タービンロータの回転速度に依存して与えられ、すなわち、負のトルクは、特定のタービンエンジンおよび起動システムに特定的な所定のパターンに従って減速プロセス時に変化する。

運動エネルギーの損失が補償されなければ、負のトルクは、当然に空転中のタービンロータの減速をもたらす。負の（制動）トルクは、たとえば、正の（力行）トルクの７０％〜９０％以下である。タービンエンジンの内蔵式発電機を用いることが有利であるが、しかし、追加の電気モータが、ロータの制動のために、すなわち減速のために設けられても良い。

好ましくは、制動システムおよび／または起動システムまたはサイリスタ起動システムは、４象限動作（four-quadrant operation）で動作し、この際、機械がタービン内でゼロ速度であった後の軸の負の回転が一般的に避けるべきであるとき、２つの象限（１つは力行象限、１つは制動象限）が用いられる。力行象限は、回転速度が増大される、回転速度プロットに対するトルクにおける象限として理解されるべきである。制動象限では、回転速度が低減される。

上述のように、空転中のタービンロータは、複数の影響によって、比較的低い割合で減速し、しかし、起動（または制動）システム（たとえば、発電機により加えられる、大型ガスタービンのための約１〜１０メガワットの制動力を有する起動システム）により与えられる付加的な制動力を用いて、タービンの軸回転の減速割合を大きく高めることができ、これは、事実上、失火時の回転速度から静止への減速時間を大きな係数で低減させる。この係数は、アルストム社のＧＴ１３Ｅ２のような典型的な産業用ガスタービンの場合には約３倍のオーダである（回生制動の無い約３０分の減速時間から回生制動による約１０分の減速時間へ。下記参照）。

好ましくは、起動システムはすでに一般に用いられている（または既存の装置にすでに内蔵されている）システムである。点火速度（ignition speed）または起動回転速度への回転部分の回転速度上昇のためにサイリスタ起動装置を用いることが知られており、起動装置は、切り離されるか、または、タービンエンジンの通常動作中に発電機により生成される電力から、補助電力を中圧ネットワークに供給するために用いられる。

したがって、中圧の系統は、たとえば、潤滑油ポンプ、エンクロージャ換気などのタービンエンジンの補助装置の補助サービスのための電力の需要を満たしうる。

タービンエンジンの回転部分、たとえばタービンおよび蒸気タービンのタービンロータの減速をさらに最適化するため、もしあれば、タービンロータに加えられる負のトルクはタービンロータの減速中に、以下の：タービンロータの回転速度、タービンエンジンに接続されたまたはこれに設けられた要素または要素群への振動負荷、制動システムの状態（特に、その温度）、電気モータの状態、または、発電機に接続されたネットワーク（たとえば高圧また中圧の系統）の状態からなる群から選択される少なくとも１つの主要パラメタに基づいて変更される。

勿論、制動システムにより回転部分に与えられる制動トルクを変えるため、複数の主要パラメタを用いても良い。１つの例は、振動負荷が高い間に（たとえば、タービンエンジンに接続されたまたは設けられた要素または要素群の振動共振の発生中）、制動システムは、ピーク負荷以下で（すなわち最大負のトルクを与えつつ）動作しうるが、しかし、制動システムがピーク負荷動作に起因する深刻な過熱損傷を受けるリスクがある場合には、負のトルクは、強い振動にもかかわらず当然低減されることとなる。したがって、この場合、たとえば、第１の主要パラメタは振動負荷であり、第２は制動システムの実際の状態（たとえば温度）である。たとえば振動負荷が回転部分の回転速度に直接関係している場合、代替的な第１の主要パラメタはこの回転速度である（さらなる説明については下記参照）。当業者には特定のタービンエンジン設計に依存した種々の主要パラメタを用いて解決策を計画し、作動させることがわかる。

回転速度上昇および／または回転速度減少中、タービンエンジンに設けられたまたは接続された回転部分の回転速度が単一要素（たとえばタービンロータ）または要素群の振動共振または共振帯域を経験する際に、高まる振動負荷によってタービンエンジンが損傷するという一般に知られた問題がある。以下では、「共振」の語は、各要素または要素群のねじり振動または曲げ振動として読むことができる。この現象は、ある場合には、たとえば、回転速度が変化する際の特定の時間にわたってエンジン全体が振動を開始するときに、オペレータに聞こえるものである。要素または要素群の共振または共振帯域（または回転速度に対する振動振幅の対応する分布）は、たとえば、オペレータには経験的に知られているか、および／または、有限要素ソフトウェアを用いて計算されており、キャンベル線図として図表で可視化されている。これらの共振は、当然、ロータの回転速度に依存して、全回転速度範囲内（すなわち、失火時の回転速度からゼロ速度までの回転速度範囲）で生じる。振動共振または共振帯域は、本明細書中では、限られた速度範囲（共振速度範囲）にわたって生じる共振として理解されるべきである。たとえば全速度範囲内で生じるいくつかの共振に起因した、タービンエンジンの全速度範囲内のいくつかの明確な共振速度範囲が存在する。振動共振は、タービンエンジン１の単一の要素（たとえば、タービンロータまたはステータ、軸受、…）に関連して生じるか、または、タービンエンジンに接続された単一の要素（たとえば、タービンケーシング、制御ユニット、…）、あるいは、振動共振はこのような要素群に関連して生じうる。このような単一の要素または要素群に関して、いくつかの異なる振動共振が全速度範囲内で生じうる。全体の共振スペクトルは、タービンエンジンおよびこれに接続された部分に依存する。

たとえばタービンロータの回転速度が主要パラメタとして用いられる。たとえば少なくとも１つの臨界回転速度範囲が、失火後のタービンロータの全回転速度範囲内に設けられており、当該少なくとも１つの臨界回転速度範囲内で、（増大した）振動負荷が、好ましくは、タービンエンジンに接続されたまたは設けられた要素または要素群の共振周波数の励起によって生じる。タービンロータの回転速度が臨界回転速度範囲内にある（かつ、制動システムがパフォーマンスを向上させる状態にある）場合に、たとえば、制動システムを用いて、タービンロータに加えられる負のトルクを第１のレベルから第２のレベルに増大させる（すなわち、減速割合を増大させるように）。（負荷の）第１のレベルで動作される場合、たとえば制動システムはそのピーク負荷以下で動作する。（負荷の）第１のレベルよりも高い（負荷の）第２のレベルで動作する場合、たとえば制動システムは第１のレベルの動作よりも高い負荷で動作する。負荷の第２のレベルでの制動システムの負荷は、好ましくは、制動システムのピーク負荷であってよい。

好ましくは、下限と上限との間で定められる臨界回転速度範囲は、複数の共振速度範囲のうちの１つに含まれるか、または、これに重なっている。臨界回転速度範囲内で、タービンエンジンの要素または要素群の固有のまたは共振周波数の励起に起因して、不所望の振動負荷が生じる。

タービンロータの全回転速度範囲内には、複数の臨界回転速度範囲が設けられていてよく、および／または、臨界回転速度範囲におけるタービンロータの減速中に少なくとも一時的に、負のトルクがタービンロータに加えられて制動システムがピーク負荷動作で用いられ、この際、ピーク負荷動作の後でかつ、好ましくは臨界回転速度範囲ではない回転速度範囲における減速中に、（応力緩和または回復のために）制動システムがそのピーク負荷動作以下の負荷動作で用いられる。

全速度範囲内に複数の臨界回転速度範囲が設けられている場合、これらはたとえば互いに少なくとも一部重なるように、または、互いに分かれているように選択される。

回転速度に対する振動振幅すなわち共振帯域（または略して共振）は、ガウス分布で近似できる。したがって、臨界回転速度の上限は、振動振幅が最大振動振幅のたとえば約５％〜２０％、好ましくは約１０％である回転速度に設定され、最大振動振幅は、臨界回転速度の上限よりも低い回転速度で生じる。臨界回転速度の下限は、振動振幅がたとえば最大振動振幅の約５％〜２０％、好ましくは約１０％である回転速度であり、最大振動振幅は、臨界回転速度の下限よりも高い回転速度で生じる。

制動システムをできるだけ長期にピーク負荷で、好ましくは、全共振速度範囲内で動作させることが好ましく、これはこのときに減速割合が最大化されるからである。しかし、制動システムは、たとえば、ピーク負荷動作が減速プロセスにおいて一時的にのみ可能であるように設計される。これによって、一般的に、制動システムをより低廉でより小型に設計できる。すなわち、制動システムのピーク負荷動作は、恒久動作に適していない場合があり（起動システムの過負荷のリスク）、負荷を大きく低減する必要の無い冷却期間を絶対に必要とする。換言すれば、たとえば、制動システムまたは制動システムとして動作する起動システムは、過熱した装置からの実際の熱移動および他のパラメタに依存して、減速時間中は限られた時間だけピーク負荷で動作し、その後、失火後の全減速時間よりもより短い時間で回復しなければならない。この短時間ピーク負荷（part-time peak-loading）動作は、能動的制動に使用可能な限られた能力を有する内蔵式起動システムとして必要な場合がある。

重ならない複数の臨界回転速度範囲を各共振速度範囲内に設定することができる。これらの重ならない臨界回転速度範囲の中間で、起動システムは、起こりうる過負荷損傷を受けないように、応力緩和できる。共振速度範囲が十分に狭い場合、全体範囲はピーク負荷動作に含まれうる。エンジンが非臨界速度範囲内で回転する間に起動システムが応力緩和できるので、これは有用である。

当業者には、特定のタービンエンジンの共振速度範囲を識別することがわかり、さらに、選択した起動システムおよび実際のタービンエンジンのパフォーマンスに依存してこれらの共振速度範囲内に臨界回転速度範囲を設定することもわかる。

理想的には、起動システムは回転速度減少の間中、ピーク負荷で動作する（最小の振動、最小の回転速度減少時間）。技術的または経済的あるいは他の理由から、これが不可能な場合、起動システムは、エンジンへの振動負荷を効率的に最少化しつつ起動システムの最高のパフォーマンスを用いることができるように、好ましくは共振速度範囲内で、回転速度減少時間の一部においてピーク負荷で動作する。全共振速度範囲に臨界回転速度範囲がある必要は無いが、起動システムによる能動的回生制動によって回転速度減少時間を短縮しつつ、タービンエンジンへの全振動負荷を低下させるよう、共振速度範囲内に最大の減速を有するようにするのがよい。

起動システムは、タービンロータの減速中にこのように用いられ、これにより、タービンロータの回転速度が臨界回転速度の上限以下であるとき、タービンロータに加えられる負のトルクは、好ましくは起動システムがピーク負荷に達するまで増大し、これにより、臨界回転速度範囲、すなわち、共振速度範囲内において減速割合は増大される。この際、タービンロータの回転速度が、好ましくはこれが経過する臨界回転速度範囲の下限以下まで低減されたとき、負のトルクが再度低減される（起動システムを応力緩和させるため）。この過程によって、タービンエンジンへの振動による全体の負荷が低減される。臨界回転速度範囲の幅およびその全速度範囲内での位置は、実際のタービンエンジンの設計および使用に依存する。モデル計算および／または経験値から、一般的なタービンエンジンの典型的な共振速度範囲は既知であり、臨界速度範囲は当業者によって設定される。

好ましくは、複数の重ならない臨界回転速度範囲がタービンロータの全回転速度範囲内に設けられ、および／または、臨界回転速度範囲を経過するタービンロータの減速中に少なくとも一時的に、起動システムはピーク負荷動作で用いられ、この際、このピーク負荷動作の後で、好ましくは臨界回転速度範囲ではない回転速度範囲を経過する減速中に、起動システムは、起動システムの過負荷の損傷を防ぐために、そのピーク負荷以下の負荷で用いられる。

実際のタービンエンジンに依存して、それは回転部分において利用可能な十分な運動エネルギーであり、これにより、発電機出力が供給状態の高圧ネットワークの要件を満たすとき（たとえば、タービンロータの回転速度が第１の回転速度、典型的には２０００ｒｐｍ超の回転速度より大きいとき）、発電機により生成される電気（制動）エネルギーが高圧ネットワークに供給される。

発電機出力が高圧ネットワークの要件を満たさないとき（たとえば、タービンロータの回転速度がこの第１の回転速度以下に降下した後）、たとえば、高圧ブレーカが高圧系統から発電機を切り果たすため開かれる。停止スケジュール中のこの時点では、（回転部分、たとえば、タービンロータ、発電機ロータ、蒸気タービンロータ、または他の部分の）タービンエネルギーに保存された運動エネルギーが未だ存在し、すなわち、能動的制動による発電機出力は他の目的にもさらに用いることができる。

発電機出力が供給状態の（in-feed）中圧ネットワークの要件を満たしているときに（たとえば、少なくとも、ロータが第１の回転速度よりも低い、典型的には１５００ｒｐｍ超の第２の回転速度に達するまで）、電気エネルギーは概して中圧ネットワークに供給される。

回生制動電力が高圧系統にも供給されている間、または、発電機出力が供給状態の高圧系統の要件を満たさなくなった後、たとえば、タービンロータの回転速度が第１の回転速度以下となった後、回生制動中に生成されたエネルギーのいくらかは中圧系統に供給されうる。

概して、本発明の有利な態様では、失火後にタービンエンジンに保存された運動エネルギーは少なくとも一部回収可能であり、これは、エンジンの全体的パフォーマンスを向上させ、様々な環境的および機械的設計に関連する利点がある。

自力回転速度減少中（すなわち系統からの供給状態が利用できない）、タービンエンジンはバッテリにより供給された補助電力を消費する。これらのバッテリは発電所に大きなコスト的影響がある。潤滑油ポンプ、エンクロージャ換気、冷却水ポンプ、露点ヒータ、トレースヒータなどからなる群から選択されるタービンエンジンの補助電力消費体の電力需要を満たさなければならない。

電気制動エネルギーの少なくとも一部が消費されるように、好ましくは中圧ネットワークを介して、タービンエンジンの外部負荷バンク（またはそのいくつか）に、バッテリ要素に、および／または、補助電力消費体に電気制動エネルギーが供給されてよく、この電気制動エネルギーは、好ましくは、バッテリ要素を再充電することによって、および／または、少なくとも１つの補助電力消費体による補助電力需要を少なくとも一部満たすことによって、消費されてよい。

バッテリ要素は典型的には直列接続された鉛蓄電池である。負荷バンクは典型的には電力を熱として発散する電気抵抗である。

サイリスタ起動装置または起動システムは、自力安全惰力ダウン（black safe coast down）中、補助電力消費（潤滑油ポンプ、エンクロージャ換気など）を少なくとも一部供給するために用いられてもよい。これによって、非常用電源またはバッテリシステムの小型化が可能となる。

発電機出力が中圧系統の要件を満たすとき、電気制動エネルギーは、外部負荷バンク、バッテリ要素、または、少なくとも１つの補助電力消費体に供給されてもよい。

最終的に、本発明によれば、たとえば、減速中に第２の回転速度以下に回転速度が降下したとき、発電機出力はシステム特性値以下に低下する場合があり、これは中圧ネットワークからの発電機の切り離しをも必要とする。回転速度減少スケジュール中のこの時点から、ロータの静止への減速中、負荷バンクはさらに発電機出力を消費しうる。当業者はそれに相応するタービンエンジンに関するしきい値を決定できることがわかる。本発明の方法は一軸形タービンロータに適しており、ここで、ガスタービン、および、ある場合には、対応する蒸気タービンの、発電機ロータの、ならびに／あるいは、タービンロータからの、タービンエンジンにおいて利用可能な運動エネルギーが消費される。

本方法は二軸形タービンエンジンにも適しており、両方のタービンモータからの、および、ある場合には、対応する蒸気タービンのエネルギーの、タービンエンジンで利用可能なエネルギーが、本発明によれば、消費される。

本方法は、タービンエンジンの起動に失敗した後に、タービンロータを点火速度に減速し、タービンエンジンをその後できる限り速やかに再起動すべき場合に特に適している。

本発明の方法を、産業用ガスタービンエンジンまたは別のタービンエンジンの停止のために、あるいは、タービンロータを起動回転速度まで減速するために用いることは、上述の多くの問題および／または課題が解決または緩和されるため、有利である。より詳細には、本発明の方法は、以下の少なくとも１つを可能とする。

（ｉ）空転するロータに保存された運動エネルギーは能動的に、より高速に消費可能であるため、タービンエンジンはより早く回転速度が減少される。典型的な産業用ガスタービン（たとえば、約１５０〜１７０メガワットの電力定格のアルストム社のＧＴ１３Ｅ２タービン）では、約０．５メガワット／時の運動エネルギーが利用可能であると推定される。対応するタービンロータは、静止まで減速するのにおおよそ３０分を要する場合がある。しかし、ロータが能動的に、本発明によって、たとえば約４メガワットの電力定格の起動システムによって減速される場合、その約９０％が典型的には制動目的で利用可能であり、ロータはわずか１／３の時間、すなわち、約１０分で減速される。したがって、停止過程はより高速であり、タービンエンジンはより高速な（温態（hot））再起動が可能である。タービンのアベイラビリティは、失火からより短時間で次回の起動の準備ができることにより、改善される（通常はエンジン速度に基づいた開放基準（release criteria）が存在する）。これは、頻繁に起動するタービンエンジン（いわゆるピーカ（peaker））および一般に任意の中間負荷動作の市場（intermediate load operation market）にとって特に重要である。本発明は全般的に効率を改善し、したがって、経済的および環境的視点で有益である。

（ｉｉ）翼配列または他の部分の共振帯域で、すなわち、エンジンタービンの要素または要素群、たとえば、タービンもしくは発電機の翼または他の部分の固有周波数または共振周波数で、エンジンが動作する期間が短くなり、すなわち、回転速度減少中のこれらの部分の負荷サイクル数が減少される。これにより、複数回の停止後の起こりうる損傷は回避または低減され、これはまた経済的にも技術的にも有利である。

（ｉｉｉ）本発明によれば、構造的エンジン部分の冷却が低減され、これにより、回転速度減少中の熱損失が低減され、エンジンは、停止後より長期間に温かく、これは、再起動中のより低い熱機械的応力、および、より信頼性の高い（温態）再起動過程を生じさせる。

（ｉｖ）本発明によって、上述の、タービンエンジンの個々の部分の異なる収縮、および、静止部分と非静止部分との間の起こりうるブロッキングの問題は、熱遷移がより少なくなるので、低減される。すなわち、エンジンの全体のパフォーマンスが向上される。さらに、本発明の方法によれば、回転速度減少中の静翼キャリアにおける摩擦の低減が実現され、これから、再調整コストの低減およびロータのブロッキングの結果のリスクの低減が可能となる。

さらに、系統（または高圧ネットワーク）への、中圧ネットワークへの、負荷バンクへの、バッテリ要素への、および／または、補助電力消費体への、失火後の減速中の電力の供給は、エンジンの全体のパフォーマンスをさらに向上させる。

本発明によれば、タービンエンジンは起動に失敗した後に再起動状態へとより早く戻ることができる。起動の信頼性が向上される。

一般的に、既存のタービンエンジンもこの回生制動オプションによってアップグレードされ、特に、サイリスタ起動システムにすでに依存したタービンエンジンがこのＧＴ制御システムによりプログラムされまたは制御されてもよい。

起動システムの４象限動作は大型ガスタービンに用いられる典型的システムにおける標準の設計特徴である。製造コストはあまり増加しないと予測される。制御システムへの適用は当業者（ＧＴ制御エンジニア）には自明である。

本発明の他の実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明の好ましい実施形態は、図面を参照して以下でより詳細に記載されているが、図面は、本発明の現在好ましい実施形態を示すためのものであり、これを限定するものではない。

本明細書に記載されるようなタービンエンジンの概略図を示す。 主要パラメタとして回転部分の回転速度に依存した制動システムの負荷またはタービンエンジンの回転部分に加えられる負のトルクの第１の概略図を示し、臨界回転速度範囲は重ならない。 図２に従う第２の例を示し、臨界回転速度範囲は重なる。 図１に従うタービンロータの回転速度の減速時間への依存の概略を示す。

例として、以下の説明は、大型ガスタービンエンジン１に基づいている。しかし、異なる構成または用途を有する他の類似したタービンシステムも、本発明の方法の利点を有することは明らかである。多くの変更および修正が本明細書において定められる本発明の全体的意図および範囲から逸脱すること無く当業者によってなし得ることは理解されるであろう。

図１に示される典型的な従来技術のタービンエンジン１は、流入空気流を圧縮するための少なくとも１つの圧縮機８を有する。圧縮空気は少なくとも１つの燃焼器（図示せず）に供給され、空気は燃料と混合され、点火後、燃焼ガス流は、回転軸２０を中心として回転可能なタービンロータ１２による機械的仕事を生成するよう、タービン１０内を膨張しつつ導かれる。ロータ１２は、圧縮機８と、同軸上の軸２０の周りを回転可能な発電機３０とを駆動する。発電機３０の出力は配線６２を介してトランス手段３５に供給され、さらに、配線６３、６８を介して高圧系統６０および／または中圧系統６１に供給される。別のプロセスでは、燃焼ガスは熱の回収のため、蒸気タービン（図示せず）に供給される。

本発明では、制動システムは失火後の回転しているタービンロータ１２の能動的な（回生）制動を目的として起動システム４０に設けられている。したがって、起動システム４０はタービンロータ１２の起動回転速度への回転速度上昇と、失火後の最終またはゼロ速度への回転速度減少を動作させるためのものである。したがって、起動システム４０は制御のために、配線６４を介して発電機３０と通信可能である。

起動システム４０が制動システムとしての要件を満たすよう、起動システム４０は、発電機３０を動作するための負荷交換インバータを有し、タービン１２の（起動回転速度への）回転速度上昇のための正の（力行）トルク、および、（失火後の）停止過程のための負の（制動）トルクを与える。

図２は、３つの例示的な起動システム４０のための概略動作スケジュール７１、７２、７３を示す。多くの変更および適応が特定のタービンエンジンのためのこれらのスケジュールに加えることができることは明らかである。

ここで、主要パラメタは、タービンロータ１２の回転速度である。この回転速度が図２の横軸７０１にプロットされている。さらに、第１および第２の臨界回転速度範囲７５、７６が重ならずに横軸７０１に記載されている。縦軸７０２には、タービンエンジン１２に加えられる制動トルクがプロットされている。代替的に、同じ図２は、横軸を、起動システム４０にかかる負荷または起動システム４０により供給される制動力として読むことができる。

第１の動作スケジュール７１は、それぞれ２つの臨界速度範囲７５、７６内の２つの縦軸値上昇部７１１、７１５を示している。曲線７１の右端に近い矢印から始まって、左方向に、第１の縦軸値上昇部７１１は、上昇端７１２と減少端７１３を有し、第２の縦軸値上昇部７１５は上昇端７１６と減少端７１７を有している。

第２の動作スケジュール７２は、それぞれ２つの臨界速度範囲７５、７６内の２つの縦軸値上昇部７２１、７２５を示している。曲線７２の右端の近くから始まって、左方向に、第１の縦軸値上昇部７２１は上昇端７２２と減少端７２３を有し、第２の縦軸値上昇部７２５は上昇端７２６と減少端７２７を有している。曲線７２から、異なる２つの縦軸値上昇部７２１、７２５は異なる高さを有しており、すなわち、平均縦軸値は２つの速度範囲７５、７６で異なっていても良いことが明らかである。さらに、図２および３において、縦軸値上昇は、曲線的な端を有してよく、すなわち、矩形でなくともよい。

第３の動作スケジュール７３は、それぞれ２つの臨界速度範囲７５、７６内に、２つの縦軸値上昇部７３１、７３５を示している。曲線７３の右端から始まって、左方向に、第１の縦軸値上昇部７３１は上昇端７３２と減少端７３３を有し、第２の縦軸値上昇部７３５は上昇端７３６と減少端７３７を有している。

図２中、上昇端７１２、７１６、７２２、７２６、７３２、７３６は、減少端７１３、７１７、７２３、７２７、７３３、７３７よりも急峻である。逆であっても良い。

全体的に、縦軸値上昇部７１１、７１５、７２１、７２５、７３１、７３５の最大付近で、起動システム４０は、ピーク負荷（タービンロータ１２の最大減速割合）で動作し、一方、縦軸値上昇部７１１、７１５、７２１、７２５、７３１、７３５以外で、起動システム４０は自身をピーク負荷動作から回復させうる負荷で動作する。縦軸値上昇部７１１、７１５、７２１、７２５、７３１、７３５の中間で、縦軸値は、当業者によって選択される所定パターンに従って変更されてもよい。本発明が関わる当業者は縦軸値上昇部７１１、７１５、７２１、７２５、７３１、７３５を所定の位置に設定すること（たとえば機械部分への高い振動負荷を伴う速度範囲を含むように）、および、所望の形状に設定することをわかる。

図２は、また、上述のような例示的な共振曲線９９を示している。この共振曲線９９は、タービンエンジン１２の回転速度に依存した、タービンエンジン１に接続されたまたはその一部の振動振幅を示す。臨界回転速度範囲７６は、ここでは共振曲線９９を含むように設定されており、ここで、対応する縦軸値上昇部７３５の端７３６、７３６はその最大振幅の約２０％の振幅において共振曲線９９と交差している。

図３は、起動システム４０のための２つの代替的動作スケジュール８０、８１を例示的に示している。ここで、主要パラメタはタービンロータ１２の回転速度である。この回転速度は、図３中、横軸７０３にプロットされている。さらに、第１および第２の臨界回転速度範囲８５、８６は、横軸７０３で重なっている。範囲８６は範囲８５内に存在している。縦軸７０４には、また、タービンロータ１２に加えられる制動トルクがプロットされている。代替的に、同じ図３は、縦軸が、起動システム４０にかかる負荷または起動システム４０により供給される制動力として読むことができる。

図３から明らかなように、縦軸値（たとえば起動システム４０に課される制動トルクまたは負荷）は、臨界回転速度範囲、ここでは臨界回転速度範囲８５内で変わってもよい。

図４は、非常に簡略化して、回転速度の時間的変化を示しており、回転速度は初期回転速度１１１からより低い最終回転速度１１２に変化している。横軸７０５には、失火後の減速時間が示されており、縦軸７０６には、タービンロータ１２の対応する回転速度が示されている。速度範囲内で、縦軸７０６には、２つの臨界速度範囲８５、８６が重ならずに存在している。範囲８５、８６内では、高い振動負荷が、たとえば、上述の共振現象によって生じうる。３つの減速曲線９０、９１、９２が図４中に示されている。わかりやすいように、空転しているタービンロータ１２は上述の効果によって（そして能動的な制動無しで）実質的に線形に減速すると仮定する。これは、図４中に曲線９０で示されている。タービンロータ１２が初期速度１１１（たとえば３０００ｒｐｍ）から最終速度１１２（たとえばゼロ速度またはそれ以上）に減速するには減速時間１１０を要する。この停止過程中、タービンエンジン１は、簡単に言うと、主として横軸７０５上の期間１０６、１０７の間に、高振動負荷を蓄積する。期間１０６および１０７は、それぞれ、ロータ１２が範囲８５および８６を通じて減速する期間である。

本発明の好ましい実施形態における回生制動を用いると、減速割合は曲線９０によって与えられる状態と比べて増大する。また、回生制動減速は、図４によるプロットの実質的に線形の曲線９１に従って簡略化される。曲線９１に従って、ロータ１２が初期速度１１１から最終速度１１２まで減速するには時間１０９を要する。曲線９１の平均傾きの絶対値は、曲線９０のものよりも大きく、すなわち、減速割合はより高い。図４中、時間１０９は、時間１１０の１／３である（上述の例に従えば）。タービンエンジン１は、主として範囲８５および８６内の回転中、すなわち、期間１０３および１０４に対応する間、再び高い振動負荷を蓄積している。図４から明らかなように、曲線９１に関連する期間１０３および１０４の合計は、曲線９０に関連する期間１０６および１０７の合計よりもはるかに短く、すなわち、タービンエンジン１（またはこれに接続された部分）への振動負荷は回転速度減少スケジュール９０からスケジュール９１への変化に基づき減少する。

本発明の他の実施形態では、回生制動は、上述のように、起動装置４０をこれらの範囲８５、８６においてピーク負荷で動作させるよう、臨界回転速度範囲８５、８６において増大される。典型的な期間の後、わかりやすいように、ここでは各臨界回転速度範囲と同じ期間の後、起動システム４０は損傷を受けないように応力緩和されなければならず、この際、減速割合は図４中の曲線９２で示されるように急降下する（対応する傾きは大きく減少する。これは曲線９１の平均傾きよりも小さい）。結果的に、タービンロータ１２が臨界回転速度範囲８５、８６内にとどまる時間は対応する期間１００および１０１の合計となる（図４参照）。曲線９２に従って、ロータ１２が初期速度１１１から最終速度１１２に減速するには時間１０９を要する。

まとめると、全減速時間１０９は、曲線９１、９２と同じであり、曲線９０の全減速時間１１０よりも短い。しかし、全体的な振動負荷は、曲線９１（および９０）と比較して曲線９２による過程では低減され、これは、曲線９２に関連する期間１００および１０１の合計は、曲線９１に関連する期間１０３および１０４の合計よりもはるかに短いためである。

したがって、本発明は、失火後のタービンエンジン１の停止プロセスを大きく短縮し、これは、本発明がタービンロータをより早く減速させるためである。さらに、本発明がタービンエンジン１またはタービンエンジン１に取り付けられた要素への振動負荷を低減させる。

１ タービンエンジン
８ 圧縮機
１０ ガスタービン
１２ タービンロータ
２０ タービンロータ軸
３０ 発電機
３５ トランス手段
４０ 制動／起動システム
５０ 補助電力消費体
６０ 高圧ネットワーク
６１ 中圧ネットワーク
６２〜６８ 配線
６９ 接続
９９ 共振帯域
７０１、７０３、７０５ 横軸
７０２、７０４、７０６ 縦軸
７１〜７３ 制動システム４０の動作スケジュール
７１１、７１５、７２１、７２５、７３１、７３５ 縦軸値上昇部
７１２、７１６、７２２、７２６、７３２、７３６ 上昇端
７１３、７１７、７３３、７３７、７２７ 減少端
７５、７６ 動作スケジュール７１〜７３の臨界回転速度範囲
８０、８１ 制動システム４０の動作スケジュール
８０１、８０５、８１１、８１５ 縦軸値上昇
８０２、８０６、８１２、８１６ 上昇端
８０３、８０７、８１３、８１７ 減少端
８５、８６ 動作スケジュールの臨界回転速度範囲
９０〜９３ 減速曲線
１００〜１１０ 期間
１１１ 初期回転速度
１１２ 最終回転速度

Claims (13)

1. タービンエンジン（１）のタービンロータ（１２）の減速方法であって、
   前記タービンロータ（１２）には少なくとも１つの電気モータ（３０）が結合されており、
   前記少なくとも１つの電気モータ（３０）によって前記タービンロータ（１２）に負のトルクを加えるように、制動システム（４０）は前記少なくとも１つの電気モータ（３０）と結合されており、
   失火後、前記制動システム（４０）は、前記タービンエンジン（１）において失火後の利用可能な運動エネルギーを前記少なくとも１つの電気モータ（３０）を用いて消費し、
   前記タービンロータ（１２）に加えられる前記負のトルクは前記タービンロータ（１２）の減速中に、以下の：
   前記タービンロータ（１２）の回転速度、
   前記タービンエンジン（１）に接続されたまたはこれに設けられた要素または要素群への振動負荷、
   前記制動システム（４０）の状態、特に、その温度、
   前記電気モータ（３０）の状態、または、
   高圧または中圧ネットワークの状態
   からなる群から選択される少なくとも１つの主要パラメタに基づいて変更される：
   ことを特徴とする方法。
2. 前記電気モータ（３０）は発電機（３０）であり、
   前記発電機（３０）は、好ましくは、前記タービンエンジン（１）の通常動作中に、高圧ネットワーク（６０）に電力を供給するために設けられており、
   前記制動システム（４０）は、前記発電機（３０）によって前記運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる、
   請求項１記載に方法。
3. 前記制動システム（４０）は、前記タービンロータ（１２）の起動回転速度への回転速度上昇のための起動システム（４０）に設けられている、請求項１または２記載の方法。
4. 前記タービンロータ（１２）の回転速度が前記主要パラメタとして用いられ、
   少なくとも１つの臨界回転速度範囲が、失火後の前記タービンロータ（１２）の全回転速度範囲内に設けられており、当該少なくとも１つの臨界回転速度範囲内で、振動負荷が、好ましくは、前記タービンエンジン（１）に接続されたまたはその一部である前記要素または要素群の共振周波数の励起によって生じ、
   前記タービンロータ（１２）の回転速度が前記臨界回転速度範囲内にある場合に、前記制動システム（４０）を用いて、前記タービンロータ（１２）に加えられる負のトルクを第１のレベルから第２のレベルに増大させる、
   請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記タービンロータ（１２）の全回転速度範囲内には、複数の臨界回転速度範囲が設けられており、および／または、
   前記臨界回転速度範囲における前記タービンロータ（１２）の減速中に少なくとも一時的に、前記負のトルクが前記タービンロータ（１２）に加えられて前記制動システム（４０）がピーク負荷動作で用いられ、この際、前記ピーク負荷動作の後でかつ、好ましくは臨界回転速度範囲ではない回転速度範囲における減速中に、前記制動システム（４０）が前記ピーク負荷動作以下の負荷動作で用いられる、
   請求項４記載に方法。
6. 前記複数の臨界回転速度範囲は、互いに重ならない、請求項５記載の方法。
7. 前記複数の臨界回転速度範囲は、互いに少なくとも一部重なっている、請求項５記載の方法。
8. 発電機出力が供給状態の高圧ネットワークの要件を満たしているときに、前記電気エネルギーが高圧ネットワーク（６０）に供給される、請求項２、または、請求項２を引用する請求項３から７のいずれか１項記載の方法。
9. 発電機出力が供給状態の中圧ネットワークの要件を満たしているときに、前記電気エネルギーが中圧ネットワーク（６１）に供給される、請求項２、または、請求項２を引用する請求項３から８のいずれか１項記載の方法。
10. 当該電気エネルギーの少なくとも一部が消費されるように、好ましくは前記中圧ネットワーク（６１）を介して、前記タービンエンジン（１）の外部負荷バンクに、バッテリ要素に、および／または、少なくとも１つの補助電力消費体（５０）に、前記電気エネルギーが供給され、
    前記電気エネルギーは、好ましくは、バッテリ要素を再充電することによって、および／または、前記少なくとも１つの補助電力消費体（５０）による補助電力需要を少なくとも一部満たすことによって、消費される、
    請求項９記載の方法。
11. 前記タービンエンジン（１）の前記少なくとも１つの補助電力消費体（５０）は、潤滑油ポンプ、エンクロージャ換気装置、冷却水ポンプ、露点ヒータ、トレースヒータからなる群から選択される、請求項１０記載の方法。
12. 前記タービンエンジン（１）は一軸形ガスタービンエンジン（１）であり、
    回転するタービン軸および、存在する場合には、前記ガスタービンエンジン（１）に設けられた各蒸気タービンに保存された運動エネルギーが消費される、
    請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
13. 産業用ガスタービンエンジンまたは別種のタービンエンジンが停止する過程の、請求項１から１２のいずれか１項記載の方法の使用。

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