KR20080099805A - 터빈 시동 방법 - Google Patents

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KR20080099805A
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 회전 스톨 윈도우(stall window)(50)를 회피하기 위해 입구 가이드 베인(vane)(20)과, 다수의 블리드(bleed) 밸브(40), 및 다수의 블레이드(30)를 구비하는 압축기(10)로 터빈을 시동하는(starting up) 방법에 관한 것이다. 이 방법은 블레이드(30)의 회전을 시작하는 단계와, 이 블레이드(30)의 회전 속도를 증가시키는 단계와, 회전 스톨 윈도우(50)를 더 높은 회전 속도로 변위시키기 위해 하나 이상의 블리드 밸브(40)를 폐쇄하는 단계와, 상기 회전 스톨 윈도우(50) 외측의 위치에 대해 입구 가이드 베인(20)을 부분적으로 개방하는 단계와, 상기 회전 스톨 윈도우(50)를 통과하도록 입구 가이드 베인(20)을 부분적으로 폐쇄하는 동안 블리드 밸브(40)를 개방하는 단계를 포함한다.
압축기, 입구 가이드 베인, 블레이드, 블리드 밸브, 회전 스톨 윈도우

Description

터빈 시동 방법{TURBINE ANTI-ROTATING STALL SCHEDULE}
본 발명은 일반적으로 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 회전 스톨(stall)을 방지하는 터빈 시동(start-up) 및 차단(shutdown) 스케줄에 관한 것이다.
가스 터빈은 일반적으로 특정 회전 속도와 출력 범위 내에서 작동하도록 설계된다. 이러한 터빈은 제한된 가변 스테이지 형상과 제한된 공기 추출(extraction)을 갖는다. 그 결과, 가스 터빈은 종종 시동 및 차단 작동 중에 공기역학적 상태를 의미 없게 만든다. 이들 상태가 회전 스톨로 초래될 것이다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 회전 스톨은 일반적으로 로터 속도의 약 절반의 속도로 회전할 수 있는 다수의 로컬 스톨 셀(local stall cell)을 포함한다. 스톨 셀은 로터와 스테이터 블레이드 양자 상에 간접하는 불안정한 공기역학적 하중을 제공한다. 셀의 수와 형상은 여자(excitation) 또는 노드(nodal) 직경의 상이한 순서로 설정된다. 셀은 블레이드의 고유 주파수로 정렬될 수 있고 공명(resonance)으로 초래될 수 있는 간섭 압력파(coherent pressure wave)를 제공한 다. 상기 공명은 매우 높은 동반하는 진동 응력을 발생할 것이다. 상기 회전 스톨 유도식 공명은 매우 높은 진동 응력 이벤트로 증명된다.
로터와 스테이터 블레이드 상에서 상기 진동 공명은 통상적인 블레이드 손상에 대한 감도를 증가시킬 수 있고, 따라서 조기 손실로 초래될 수 있다. 회전 스톨 유도식 응력은 블레이드 상에서 크랙(crack)을 개시하기에 충분히 높을 수 있다. 상기 크랙은 반드시 전파되어 블레이드 파손으로 유도된다. 중대한 압축기 손상이 발생할 수 있어서, 터빈 고장 기간과, 수리 비용을 예측할 수 없으며, 고객 만족도를 감소시킨다.
따라서, 최상의 회전 스톨 상태를 회피 또는 배제할 수 있는 가스 터빈 시동 및 차단 절차를 향상시키는 것이 바람직하다. 이러한 절차는 광범위한 변경 없이 기존의 설비 상에서 용이하게 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명은 회전 스톨 윈도우(stall window)에서 지속기간을 제한하기 위해 입구 가이드 베인과, 다수의 블리드(bleed) 밸브, 및 다수의 블레이드를 구비하는 압축기로 터빈을 시동하는(start-up) 방법을 제공한다. 이 방법은 상기 블레이드의 회전을 시작하는 단계와, 상기 블레이드의 회전 속도를 증가시키는 단계와, 상기 회전 스톨 윈도우를 더 높은 회전 속도로 변위시키기 위해 하나 이상의 블리드 밸브를 폐쇄하는 단계와, 상기 회전 스톨 윈도우 외측의 위치에 대해 상기 입구 가이드 베인을 부분적으로 개방하는 단계, 및 상기 다수의 블레이드가 상기 회전 스톨 윈도우를 통과하도록 상기 입구 가이드 베인을 부분적으로 폐쇄하는 동안 상기 블리드 밸브를 개방하는 단계를 포함한다.
상기 블리드 밸브는 상기 다수의 블레이드의 계획된 작동 속도의 약 50%에서 폐쇄될 수 있다. 부가적인 다수의 블리드 밸브는 계획된 작동 속도의 약 60%에서 폐쇄된다. 상기 입구 가이드 베인은 최초로 약 26도에 위치 설정된다. 상기 입구 가이드 베인은 상기 계획된 작동 속도의 약 69%에서 약 26도로부터 상기 계획된 작동 속도의 약 74%에서 약 30도까지 변조된다. 그런 다음, 상기 입구 가이드 베인은 상기 계획된 작동 속도의 약 74%에서 약 30도에서 약 23도까지 변조된다. 상기 블리드 밸브 모두는 상기 계획된 작동 속도의 약 74%에서 개방된다.
상기 다수의 블레이드가 상기 회전 스톨 윈도우를 통과하도록 상기 입구 가이드 베인을 부분적으로 폐쇄하면서 상기 블리드 밸브를 개방하는 단계는 약 1초간 지속된다. 상기 방법은 계획된 작동 속도의 약 84%에서 입구 가이드 베인을 개방하는 단계를 부가로 포함한다. 본 발명은 상술한 단계들을 역전시킴으로써, 회전 스톨 윈도우에서 지속기간을 제한하기 위해 입구 가이드 베인과, 다수의 블리드 밸브, 및 다수의 블레이드를 구비하는 압축기로 터빈을 차단하는 방법을 부가로 포함한다.
본 발명은 회전 스톨 윈도우에서 지속기간을 제한하기 위해 입구 가이드 베인과, 다수의 블리드 밸브, 및 다수의 블레이드를 구비하는 압축기로 터빈을 시동하는 방법을 부가로 포함한다. 이 방법은 상기 다수의 블레이드의 회전을 시작하는 단계와, 상기 블레이드의 회전 속도를 증가시키는 단계와, 상기 회전 스톨 윈도 우를 더 높은 회전 속도로 변위시키기 위해 하나 이상의 블리드 밸브를 폐쇄하는 단계, 및 상기 블레이드가 상기 회전 스톨 윈도우를 통과하도록 상기 입구 가이드 베인을 변조하는 단계를 포함한다.
상기 회전 스톨 윈도우를 더 높은 회전 속도로 변위시키기 위해 상기 블리드 밸브를 폐쇄하는 단계는 상기 회전 스톨 윈도우를 동기식 회전 스톨 윈도우를 지나서 변위시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 블레이드가 상기 회전 스톨 윈도우를 통과하도록 입구 가이드 베인을 변조하면서 상기 블리드 밸브를 개방하는 단계를 부가로 포함한다. 상기 블레이드가 상기 회전 스톨 윈도우를 통과하도록 상기 입구 가이드 베인을 변조하는 단계는 약 1초간 지속된다.
상기 블리드 밸브는 다수의 블레이드의 계획된 작동 속도의 약 50%에서 약 70%까지 폐쇄된다. 상기 입구 가이드 베인은 계획된 작동 속도의 약 69%까지 약 26도에 위치 설정된다. 상기 입구 가이드 베인은 계획된 작동 속도의 약 69%에서 약 74%까지 약 30도로 변조된다. 상기 입구 가이드 베인은 계획된 작동 속도의 약 74%에서 약 23도까지 변조된다. 상기 방법은 계획된 작동 속도의 약 84%에서 입구 가이드 베인을 개방하는 단계를 부가로 포함한다. 본 발명은 상술한 단계들을 역전시킴으로써, 회전 스톨 윈도우에서 지속기간을 제한하기 위해 입구 가이드 베인과, 다수의 블리드 밸브, 및 다수의 블레이드를 구비하는 압축기로 터빈을 차단하는 방법을 부가로 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 몇몇 도면들과 첨부된 청구범위와 관련하여 하기 상세한 설명을 판독함으로써 당업자들에 의해 명백하게 될 것이다.
본 발명에 따른 방법 및 절차는 시동 및 차단 중에 간섭 회전 스톨 여자(excitation) 및 관련된 진동 응력의 가능성을 감소시킴으로써 블레이드 내구성을 향상시킨다. 특히, 본 명세서에 기재되는 방법 및 장치는 전류 압축기 형상에 적용될 수 있고, 갱신(retrofit)을 위한 전류 장치에 적용될 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 동일한 참조부호가 여러 도면에서 동일한 요소로 참조된다. 도 2는 압축기(10)의 개략도이다. 압축기(10)는 입구 단부에서 입구 가이드 베인(inlet guide vane ; "IGV")(20)을 포함한다. 그런 다음, 압축기(10)는 가변 수의 로터 및 스테이터 블레이드(30)를 갖는다. 본 실시예에서는, 9쌍의 블레이드(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39)가 도시되어 있다. 임의 수의 블레이드(30)가 본 명세서에서 사용될 수 있다. 다수의 블리드 밸브(40)는 이 블레이드(30)에 관해서 위치 설정된다. 본 실시예에서는 4개의 블리드 밸브(41, 42, 43, 44)가 도시되어 있다. 임의 수의 블리드 밸브(40)가 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 블리드 밸브(40)는 제 3 쌍의 블레이드(33), 제 5 쌍의 블레이드(35), 제 7 쌍의 블레이드(37), 및 제 9 쌍의 블레이드(39) 뒤에 위치 설정된다. 다른 위치 및 다른 압축기 형상이 본 명세서에서 사용될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 전류 제어 논리가 일부에서 점선으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 입구 가이드 베인(20)은 압축기(10)가 계획된 작동 속도의 약 85%에 도달할 때까지 일정한 약 26도로 유지된다. 그 지점에서, 입구 가이드 베인(20)은 개방되기 시작한다. 본 실시예에서, 블리드 밸브(40) 모두는 처음부터 끝까지 개방되어 있다. 회전 스톨 "윈도우"(50)는 회전 스톨 개시부터 회전 스톨 클리어링(clearing)까지 정정된 속도 범위로 한정된다. 특히, 상기 윈도우는 개시 경계(60)로부터 클리어링 경계(70)까지 연장한다. 본 실시예에서 상기 윈도우(50)는 지속시간이 약 1분이다. 상기 윈도우(50)는 간섭성 압력파를 조직하기 위해 회전 스톨을 위한 충분한 시간을 제공한다. 블레이드 공명(resonance) 가능성은 회전 스톨 윈도우(50)의 지속기간 또는 속도 범위와 직접적으로 관련이 있다. 회전 스톨 윈도우(50)가 넓으면, 공명 가능성과 응력 가능성이 더 높다.
전류 논리가 입구 가이드 베인(20)의 위치와 블리드 밸브(40)의 위치를 교대로 초점을 맞춘다. 블리드 밸브(40)는 블레이드(30)의 계획된 작동 속도의 일부분에서 폐쇄될 것이다. 블리드 밸브(40)는 압축기(10)의 속도/서지(surge) 성능에 따라 주어진 속도에서 모두 폐쇄되거나 또는 상기 속도와 어긋날 것이다. 터빈 시동이 개시되면, 입구 가이드 베인은 통상적인 시동 위치에 위치 설정된다. 통상적인 회전 스톨 윈도우 개시 속도 바로 이하의 속도에서, 입구 가이드 베인(20)은 개방이 변조될 것이다. 입구 가이드 베인 변조의 특정 정도는 압축기 맵핑(mapping) 중에 한정되는 바와 같이 회전 스톨 개시 경계에 의해 설정된다. 한가지 선택은 적합한 서지 마진(margin)을 유지하면서 회전 스톨 개시를 더 높은 속도로 연장하도록 입구 가이드 베인(20)을 개방하는 것이다. 통상적으로, 회전 스톨 모방이 속 도를 감소시키기 시작하는 지점 또는 서지 마진이 입구 가이드 베인 변조에서 상부 경계를 지시하는 것이 적합하지 않은 지점에 도달한다. 그런 다음, 입구 가이드 베인은 이러한 개방 위치로부터 더 폐쇄된 위치까지 변조된다(압축기 맵핑으로부터 다시 결정됨). 이러한 폐쇄 위치는 블리드 밸브(40) 모두가 개방되어 최저 회전 스톨 클리어링 속도를 산출하는 입구 가이드 베인(20)의 위치를 나타낸다. 블리드 밸브(40) 모두는 입구 가이드 베인(20)이 대략 동일한 속도에서 폐쇄로 변조될 때에 동시에 개방될 수 있으며, 이 속도에서 입구 가이드 베인(20)이 폐쇄로 변조된다.
특히, 일 실시예는 가능한 윈도우(50) 만큼 회피하는 한편, 또한 동기식 회전 스톨을 회피하기 위해 최대 시작 블리드 밸브(40) 성능을 갖는 최하 입구 가이드 베인(20) 각도 성능을 사용하여 초점을 맞출 수 있다. 동기식 회전 스톨은 블레이드(30)가 계획된 작동 속도의 약 61%에 도달할 때까지 약 37도에서 블레이드(30)가 계획된 작동 속도의 약 64%에 도달할 때까지 약 33도 이상의 입구 가이드 베인(20) 위치에서 발생하고, 또한 계획된 작동 속도의 약 70%까지 22도에서 계획된 작동 속도의 약 72%에서 약 20도로 떨어지는 입구 가이드 베인(20) 위치에서 발생할 수 있다. 동기식 회전 스톨 범위는 주로 압축기류의 상세이다. 다른 범위들이 마주칠 수 있다.
시동 단계(A)에서, 두개의 블리드 밸브(41, 42)는 블레이드(30)가 계획된 작동 속도의 약 50%에 도달하자 마자 폐쇄된다. 입구 가이드 베인(20)은 일정한 약 26도로 유지된다. 따라서 회전 스톨 개시 경계(60)는 중간 위치(80)로 이동하여 상기 윈도우(50)를 더 높은 속도로 변위시킨다. 또한, 이 시프트(변위)는 동기식 회전 스톨의 상부 범위를 회피할 뿐만 아니라 입구 가이드 베인(20) 각도의 범위를 제한한다.
단계(B)에서, 두개의 나머지 블리드 밸브(43, 44)는 상기 블레이드(30)의 예정된 작동 속도의 약 60%에서 폐쇄된다. 입구 가이드 베인(20)의 위치는 약 26도에서 일정하게 다시 유지된다. 따라서, 회전 스톨 개시 경계(60)는 상기 윈도우(50)를 보다 더 높은 작동 속도와 보다 더 좁은 입구 가이드 베인 위치 범위로 변위시키기 위해 위치(80)로부터 위치 90으로 이동한다.
단계(C)에서, 입구 가이드 베인(20)은 상기 위치가 계획된 작동 속도의 약 69%에서 약 26도로부터 계획된 작동 속도의 약 74%에서 약 30도까지 증가하도록 개방을 변조한다. 도시된 바와 같이, 입구 가이드 베인(20)의 각도는 지금 스톨 윈도우(50) 위에 있다.
단계(D)에서, 블리드 밸브(40) 모두는 계획된 작동 속도의 약 74%에서 동시에 개방된다. 입구 가이드 베인(20)은 약 30도에서 약 23도까지 떨어지게 변조된다. 이러한 속도에서, 동기식 회전 스톨의 더 낮은 범위가 회피된다. 그러나, 이러한 작용은 상기 작동 상태를 간단한 주기 동안 상기 변위된 회전 스톨 윈도우(50)로 눌려지게 한다. 특히, 회전 스톨 윈도우(50)는 대략 1초에서, 즉 단계(D)에서 단계(E)로, 또는 통상적인 시동 스케줄과 비교하여 시간 또는 속도 범위의 10% 미만으로 가로지른다.
이러한 간단한 시간 주기는 블레이드 공명과 관련된 응력의 감소 가능성을 제공하기 위해 회전 스톨 윈도우(50)의 영향을 충분하게 감소시킨다. 비록 스톨 윈도우(50)의 폭이 동일하게 유지될지라도, 압력파와 관련된 공진의 강도는 블레이드(30)가 윈도우(50) 내에 있을 때에 간단한 시간 주기에 의해 감소된다.
단계(E)에서, 입구 가이드 베인(20)은 계획된 작동 속도의 약 74.1%에서 약 23도에 도달한다. 블리드 밸브(40) 모두가 개방된다. 이 지점은 위치(90)에서 회전 스톨 클리어링 경계(70)를 지나는 지점이다.
단계(F)에서, 입구 가이드 베인(20)은 통상적인 시동 스케줄에 따라 계획된 작동 속도의 약 85%에서 개방되기 시작한다. 회전 스톨 윈도우(50)가 지금 통과된다. 압축기(10)는 지금 계획된 작동 속도에 접근할 때에 안전하게 작동한다.
상술한 스케줄은 압축기류의 상세이다. 비록 본 명세서에 기재된 기술이 입구 가이드 베인(20)과 시작 블리드 성능을 갖는 거의 모든 터빈에 적용될지라도, 특정 타이밍과 위치는 압축기의 다른 형태를 위해서 변화할 수 있다. 유사한 작용은 차단 절차에서 부분 속도 작동을 사용할 수 있고, 유사한 형태의 상태에서 속도 윈도우와 입구 가이드 베인(20)의 위치가 다소 다를 수 있는 것을 인식할 수 있다. 특히, 상기 단계들은 차단 절차를 위해 역전될 수 있다. 또한 입구 가이드 베인(20) 또는 블리드 밸브(40) 중 어느 하나의 변조만을 통해서 상기 윈도우(50)를 회피하기 위한 임의의 터빈류일 가능성이 있다.
상술한 방법과 절차는 통상적인 제어 논리 내에서 실시될 수 있다. 상기 공지된 제어 장치는 본 기술 분야에 공통적으로 공지된 바와 같이 시동 및 차단 단계로 프로그램될 수 있다.
상술된 방법 및 절차는 시동 및 차단 중에 간섭 회전 스톨 여자(excitation) 및 관련된 진동 응력의 가능성을 감소시킴으로써 블레이드 내구성을 향상시킨다. 특히, 본 명세서에 기재된 방법 및 장치는 전류 압축기 형상에 적용될 수 있고, 갱신(retrofit)을 위한 전류 장치에 적용될 수 있다. 상술된 변경은 전류 시동 및 차단 제어 논리에 포함된다.
상기 설명은 본 발명의 적합한 실시예에만 관련되고, 다양한 변경과 수정은 하기 청구범위와 그 균등물에 의해 한정되는 발명의 일반적인 정신과 범주로부터 벗어남 없이 당업자들에 의해 본 명세서내에서 이루어질 수 있다.
도 1은 회전 스톨 셀의 개략도,
도 2는 본 명세서에서 사용되는 압축기의 개략도,
도 3은 본 명세서에 개시된 시동 및 차단 방법의 일 실예를 도시하는 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 압축기 20 : 입구 가이드 베인(IGV)
30 : 로터 및 스테이터 블레이드 31 : 제 1 로터 및 스테이터 블레이드
32 : 제 2 로터 및 스테이터 블레이드 33 : 제 3 로터 및 스테이터 블레이드
34 : 제 4 로터 및 스테이터 블레이드 35 : 제 5 로터 및 스테이터 블레이드
36 : 제 6 로터 및 스테이터 블레이드 37 : 제 7 로터 및 스테이터 블레이드
38 : 제 8 로터 및 스테이터 블레이드 39 : 제 9 로터 및 스테이터 블레이드
40 : 블리드 밸브 41 : 제 1 블리드 밸브
42 : 제 2 블리드 밸브 43 : 제 3 블리드 밸브
44 : 제 4 블리드 밸브 50 : 윈도우
60 : 개시 경계 70 : 클리어링 경계
80 : 위치 90 : 위치

Claims (9)

  1. 회전 스톨 윈도우(stall window)(50)에서 지속기간을 제한하기 위해 입구 가이드 베인(20)과, 다수의 블리드(bleed) 밸브(40), 및 다수의 블레이드(30)를 구비하는 압축기(10)로 터빈을 시동하는(start-up) 방법에 있어서,
    상기 다수의 블레이드(30)의 회전을 시작하는 단계와,
    상기 블레이드(30)의 회전 속도를 증가시키는 단계와,
    상기 회전 스톨 윈도우(50)를 더 높은 회전 속도로 변위시키기 위해 하나 이상의 블리드 밸브(40)를 폐쇄하는 단계와,
    상기 회전 스톨 윈도우(50) 외측의 위치에 대해 상기 입구 가이드 베인(20)을 부분적으로 개방하는 단계와,
    상기 다수의 블레이드가 상기 회전 스톨 윈도우(50)를 통과하도록 상기 입구 가이드 베인(20)을 부분적으로 폐쇄하는 동안 하나 이상의 상기 블리드 밸브(40)를 개방하는 단계를 포함하는
    터빈 시동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 블리드 밸브(40)는 상기 다수의 블레이드(30)의 계획된 작동 속도의 약 50%에서 폐쇄되는
    터빈 시동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    부가적인 다수의 블리드 밸브(40)는 상기 다수의 블레이드(30)의 계획된 작동 속도의 약 60%에서 폐쇄되는
    터빈 시동 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구 가이드 베인(20)은 계획된 작동 속도의 약 69%에서 약 26도로부터 상기 계획된 작동 속도의 약 74%에서 약 30도까지 변조되는
    터빈 시동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입구 가이드 베인(20)은 상기 계획된 작동 속도의 약 74%에서 약 30도로부터 약 23도까지 변조되는
    터빈 시동 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    모든 상기 다수의 블리드 밸브(40)가 상기 계획된 작동 속도의 약 74%에서 개방되는
    터빈 시동 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 스톨 윈도우(50)를 통과하도록 상기 입구 가이드 베인(20)을 부분적으로 폐쇄하면서 하나 이상의 상기 블리드 밸브(40)를 개방하는 단계는 약 1초간 지속되는
    터빈 시동 방법.
  8. 회전 스톨 윈도우(stall window)(50)에서 지속기간을 제한하기 위해 입구 가이드 베인(20)과, 다수의 블리드 밸브(40), 및 다수의 블레이드(30)를 구비하는 압축기(10)로 터빈을 시동하는 방법에 있어서,
    제 1 항에 기재된 단계들을 역전시키는 단계를 포함하는
    터빈 시동 방법.
  9. 회전 스톨 윈도우(50)에서 지속기간을 제한하기 위해 입구 가이드 베인(20)과, 다수의 블리드 밸브(40), 및 다수의 블레이드(30)를 구비하는 압축기(10)로 터빈을 시동하는 방법에 있어서,
    상기 다수의 블레이드(30)의 회전을 시작하는 단계와,
    상기 블레이드(30)의 회전 속도를 증가시키는 단계와,
    상기 회전 스톨 윈도우(50)를 더 높은 회전 속도로 변위시키기 위해 하나 이상의 블리드 밸브(40)를 폐쇄하는 단계와,
    상기 회전 스톨 윈도우(50)를 통과하도록 상기 입구 가이드 베인(20)을 변조하는 단계를 포함하는
    터빈 시동 방법.
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