KR20160046910A - 제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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KR20160046910A
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피터 존 클레이톤
조셉 데이비드 헐리
앨버트 씨. 주니어 시스모우어
멜리사 에이. 바티스-카르버
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

제 1 샤프트 표시(shaft indicia)에 의해 규정되는 연관된 제 1 위치 위상 각도를 갖는 제 1 회전 샤프트(rotating shaft)를 포함하는 제 1 머신(machine)과 제 2 샤프트 표시에 의해 규정되는 연관된 제 2 위치 위상 각도를 갖는 제 2 회전 샤프트를 포함하는 제 2 머신 사이의 커플링(coupling)을 제어하기 위한 방법. 제 1 샤프트의 회전 속도 및 회전 각도가 모니터링되고(monitored), 제 2 샤프트의 회전은 제 2 샤프트가 제 1 샤프트 속도에 대해 미리 정해진 회전 속도가 되게 함으로써 제어된다. 제 2 샤프트의 가속은, 제 2 샤프트가 미리 정해진 회전 속도가 되자마자, 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도 내에 있도록 제어되며, 이 때 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도 내에 있도록 제 1 및 제 2 샤프트들이 커플링된다.

Description

제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법 {METHOD FOR CONTROLLING COUPLING BETWEEN A FIRST MACHINE AND A SECOND MACHINE}
본 발명은, 일반적으로 제 1 머신(machine)과 제 2 머신 사이의 커플링(coupling)을 제어하는 것, 그리고 보다 자세하게는, 복합 사이클 발전 플랜트(combined cycle power plant)에서 증기 터빈(steam turbine)의 회전 샤프트(rotating shaft)와 가스 터빈(gas turbine)의 회전 샤프트의 커플링을 제어하는 것에 관한 것이다.
복합 사이클 터빈 발전기(CCTG: combined cycle turbine generator)는 발전기를 구동하기 위해 가스 터빈(gas turbine) 및 증기 터빈(steam turbine) 양자 모두를 활용한다. 전형적인 CCTG의 일 유형에서, 가스 터빈으로부터의 배기 가스들(exhaust gases)은, 증기를 발생시키며, 이 증기는 증기 터빈에 동력을 전달하기(power) 위해 사용된다. 일부 CCTG들에서, 클러치(clutch) 장치는, 증기 터빈과 연관된 회전 샤프트를 가스 터빈과 연관된 회전 샤프트에 커플링하도록(couple) 사용되며, 여기서 복합 샤프트(combined shaft)는 전력 발전(production of electrical power)용 발전기에 워크 출력(work output)을 제공하도록 사용된다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 제 1 머신(machine)과 제 2 머신 사이의 커플링(coupling)을 제어하기 위한 방법이 제공되며, 제 1 머신은 제 1 샤프트 표시(shaft indicia)에 의해 규정되는 연관된 제 1 위치 위상 각도(positional phase angle)를 갖는 제 1 회전 샤프트(rotating shaft)를 포함하고, 제 2 머신은 제 2 샤프트 표시에 의해 규정되는 연관된 제 2 위치 위상 각도를 갖는 제 2 회전 샤프트를 포함한다. 이 방법은, 제 1 샤프트의 회전 속도 및 회전 각도를 모니터링(monitoring)하는 단계, 및 제 2 샤프트의 회전 속도를 제 1 샤프트의 모니터링된(monitored) 회전 속도에 대해 미리 정해진 회전 속도가 되게 함으로써 제 2 샤프트의 회전을 제어하는 단계를 포함한다. 제 2 샤프트의 가속은, 제 2 샤프트가 미리 정해진 회전 속도가 되자마자, 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도 내에 있도록 제어되며, 이 때 커플링(coupling)은 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도 내에 있도록 제 1 및 제 2 샤프트들을 기계적으로 함께 커플링하도록(couple) 활성화된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 복합 사이클 발전 플랜트(combined cycle power plant)에서 가스 터빈과 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 가스 터빈은 제 1 샤프트 표시에 의해 규정되는 연관된 제 1 위치 위상 각도를 갖는 제 1 회전 샤프트를 포함하며, 증기 터빈은 제 2 샤프트 표시에 의해 규정되는 연관된 제 2 위치 위상 각도를 갖는 제 2 회전 샤프트를 포함한다. 이 방법은, 제 1 샤프트의 회전 속도 및 회전 각도를 모니터링(monitoring)하는 단계, 및 제 2 샤프트가 미리 정해진 회전 속도가 되자마자 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도가 되도록 제 2 샤프트의 회전 속도를 제 1 샤프트의 모니터링된(monitored) 회전 속도에 대해 미리 정해진 회전 속도로 증가시킴으로써 제 2 샤프트의 회전을 제어하는 단계를 포함한다. 제 2 샤프트의 회전을 제어하는 단계 동안, 제 1 샤프트는 실질적으로 일정한 속도로 회전한다. 제 2 샤프트가 미리 정해진 회전 속도가 되자마자, 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도가 되도록 제 1 및 제 2 샤프트들을 기계적으로 커플링하도록 커플링이 활성화된다.
명세서가 특히 본 발명을 언급하고 그리고 명백하게 주장하는 청구항들로 결론을 내리고 있지만, 본 발명은 첨부 도면들과 함께 하기 설명으로부터 보다 양호하게 이해될 것이며, 이들 도면들에서는 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들로 인식된다.
도 1은 본 발명에 따른, 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)으로서 도 1에 예시된 제 1 머신(first machine)과 증기 터빈 엔진으로서 도 1에 예시된 제 2 머신의 맞물림을 제어하기 위한 제어 시스템(control system)을 포함하는 통합 사이클 터빈 발전기(combined cycle turbine generator)의 개략도이다.
도 2는 도 1의 통합 사이클 터빈 발전기의 선택적 컴포넌트들(select components)을 예시하는 개략도이다.
도 3은 도 1의 가스 터빈 샤프트와 도 1의 증기 터빈 샤프트(steam turbine shaft)의 맞물림을 제어하기 위한 방법을 예시하는 흐름 선도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1의 가스 터빈 샤프트와 도 1의 증기 터빈 샤프트 사이에 가능한 다양한 맞물림 각도들을 예시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 양태에 따른, 가스 터빈 샤프트와 증기 터빈 샤프트의 맞물림을 제어하기 위한 제어 시스템의 컴포넌트들의 개략적 예시이다.
바람직한 실시예들의 하기 상세한 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하며 예시로서 도시되며 제한으로서 도시되지 않은 첨부 도면들 그리고 본 발명이 실시될 수 있는 특정의 바람직한 실시예들이 참조된다. 다른 실시예들이 활용될 수 있으며, 변형들이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링(coupling)을 제어하기 위한 방법이 개시된다. 제 1 머신은 제 1 샤프트를 포함하는 가스 터빈일 수 있으며, 제 2 머신은 제 2 샤프트를 포함하는 증기 터빈일 수 있다. 가스 및 증기 터빈들은 통합 사이클 터빈 발전기의 컴포넌트들(components)이며, 여기서 증기 터빈은, 예컨대 종래의 증기 회수 시스템(steam recovery system)의 사용에 의해, 가스 터빈으로부터의 배기 가스들에 의해 구동될 수 있다. 각각의 머신들의 제 1 및 제 2 샤프트들은 함께 커플링되어, 샤프트들의 진동 벡터들(vibrational vectors)이 본원에서 설명될 것인 바와 같이, 소망하는 진동 응답(vibrational response)에 의해 통합 샤프트에 영향을 미치도록 함께 커플링될 때 서로 협동한다. 예컨대, 제 1 및 제 2 샤프트들의 진동 벡터들은 실질적으로 밸런스드 통합 샤프트(balanced combined shaft)에 영향을 미치도록 함께 커플링될 때 서로 오프셋(offset)될 수 있다.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 양태에 따른 복합 사이클 발전 플랜트(combined cycle power plant), 그리고 보다 자세하게는, 복합 사이클 터빈 발전기(combined cycle turbine generator)(이하, "CCTG")(10)가 개략적으로 도시된다. CCTG(10)는 가스 터빈(12)을 포함하는 제 1 머신 및 증기 터빈(14)을 포함하는 제 2 머신을 포함하며, 가스 및 증기 터빈들(12, 14)은 워크 출력(work output)을 전력 발전용 CCTG(10)의 발전기(16)에 제공하도록 협동한다. 가스 터빈(12)은, 종래의 압축, 연소 및 터빈 섹션들(sections)을 포함할 수 있으며, 증기 터빈(14)은 종래의 응축기(condenser), 보일러(boiler) 및 터빈 섹션들을 포함할 수 있다. 이들 섹션들 각각의 구성은, 당업자들에게 바로 명백할 것이며, 본원에서 자세히 논의되지 않을 것이다.
또한, 가스 터빈(12)은 본원에서 입력 샤프트(18)로서 또한 언급되는 회전가능 제 1 샤프트를 포함하고, 증기 터빈(14)은 본원에서 출력 샤프트(20)로서 또한 언급되는 회전가능한 제 2 샤프트를 포함한다. 본원에서 설명될 것인 바와 같이, 본 발명의 교시들에 따라 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)을 함께 커플링하도록, 싱크로-셀프 시프팅(synchro-self shifting) 클러치(clutch) 장치(이하, "클러치")(22)가 제공된다. 함께 커플링될 때, 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)은 통합 샤프트(24)로서 본원에서 언급될 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 통합 샤프트(24)는 발전기(16)에 커플링되며, 당업자들에게 명백할 것인 방식들로 전력 발전을 위해 발전기(16)를 구동한다.
이제, 도 2를 참조하면, 입력 및 출력 샤프트들(18, 20) 각각은 각각 제 1 및 제 2 샤프트 표시(26, 28)에 의해 규정되는 위치 위상 각도(positional phase angle)(PA1, PA2)를 갖는다. 각각의 샤프트(18, 20)의 위치 위상 각도(PA1, PA2)가 도 2에 도시된 바와 같이 각각 샤프트 표시(26, 28)로 원주 방향으로 직접 정렬될 수 있지만, 반드시 이 경우일 필요는 없다는 것에 주목한다. 각각의 위치 위상 각도(PA1, PA2)의 로케이션(location)이 각각 샤프트 표시(26, 28)의 로케이션에 대해 공지되어, 즉, 각각의 샤프트(18, 20)의 위치 위상 각도(PA1, PA2)의 로케이션이 각각 샤프트 표시(26, 28)의 로케이션에 기초하여 예측될 수 있는 것이 필요하다.
샤프트 표시(26, 28)는, 각각 샤프트(18, 20) 또는 임의의 다른 적절한 표시 상에 형성된 노치(notch) 또는 치형부(tooth)일 수 있다. CCTG(10)의 작동 중, 제 1 및 제 2 샤프트 표시(26, 28)는, 각각 제 1 및 제 2 원스 퍼 레볼루션 센서들(first and second once per revolution sensors)(30, 32)에 의해 감지된다. 센서들(30, 32)은 각각 샤프트들(18, 20)의 위치 위상 각도들(PA1, PA2)을 판정하기 위해서 샤프트들(18, 20)의 각각의 회전시에 각각 샤프트 표시(26, 28)의 통과를 감지한다. 센서들은, 키페이서(KEYPHASOR®) 센서들(KEYPHASOR는 BENTLY NEVADA, INC.의 등록상표임) 또는 각각 샤프트들(18, 20)의 위치 위상 각도들(PA1, PA2)을 검출할 수 있는 임의의 다른 적합한 유형의 센서들을 포함할 수 있다.
CCTG(10)는 또한, 각각 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 회전 속도들을 모니터링하기 위한 제 1 및 제 2 속도 센서들(34, 36)을 포함한다. 속도 센서들(34, 36)은, 예컨대, 각각 시간 기간 내에서 기어 치형부들(gear teeth)을 카운트하는(count), 주파수 변환기들(frequency transducers)을 포함할 수 있지만, 다른 회전 속도를 나타내는 센서들, 이를테면 타코메터들(tachometers)이 사용될 수 있다. 속도 센서들(34, 36)은 제어 시스템(38)(도 1 및 도 2를 참조)에 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 회전 속도들을 나타내는 신호들을 제공하며, 이 제어 시스템은 조셉 데이비드 헐리 등(Joseph David Hurley et al.)에게 2000년 10월 31일자로 허여되고 명칭이 "APPARATUS AND METHOD FOR SYNCHRONIZING A SYNCHRONOUS CONDENSER WITH A POWER GENERATION SYSTEM"인 미국 특허 제6,140,803호(이의 전체 개시는 본원에 참조로 병합됨)에 개시된 바와 같은 방식으로 신호들에 기초하여 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 회전 속도들 및 속도들의 변화율들을 판정한다. 제 1 및 제 2 원스 퍼 레볼루션 센서들(30, 32)은 또한 샤프트들(18, 20)의 회전 속도들을 판정할 수 있으며, 이에 따라 제 1 및 제 2 속도 센서들(34, 36)로서 작동할 수 있으며, 즉 본 발명은 별개의 원스 퍼 레볼루션 센서들(30, 32) 및 속도 센서들(34, 36)을 사용하는 것으로 제한되게 의도되는 것은 아니라는 점에 주목한다.
클러치(22)는, 예컨대 각각 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 각각에 연관된 다수의 기어 치형부들을 갖는 종래의 SSS 클러치 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 샤프트(18, 20)에 대한 기어 치형부들의 수는, 입력 샤프트(18)가 출력 샤프트(20)에 커플링될 수 있는 가능한 각 맞물림 위치들(angular engagement positions)의 수를 예측한다. 클러치(22)는, 대안으로, 임의의 적절한 유형의 클러치 또는 비슷한(comparable) 장치를 포함할 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 클러치(22)는 샤프트들(18, 20)을 함께 커플링하여 통합 샤프트(24)를 형성하도록 미리 정해진 조건들 하에서 샤프트들(18, 20)과 맞물림한다. 클러치(22)의 각각 기어 치형부들이 샤프트 커플링 절차 이전에 샤프트들(18, 20) 중 하나의 샤프트와 미리 맞물림될 수 있어, 클러치(22)가 샤프트 커플링에 영향을 미치도록 샤프트들(18, 20) 중 다른 하나와 단지 맞물릴 필요가 있거나 또는 클러치(22)의 각각 기어 치형부들이 샤프트 커플링에 영향을 미치도록 샤프트 커플링 절차 동안 샤프트들(18, 20)의 양자 모두와 맞물림할 수 있음에 주목한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 양태에 따른 CCTG(10)의 작동 방법(100)이 도시된다. 단계(102)에서, 가스 터빈(12)은 미리 정해진 작동 속도로 되어, 이에 의해 입력 샤프트(18)의 회전이 영향을 받는다. 미리 정해진 작동 속도는, 가스 터빈(12)의 정상 작동 속도 또는 일부 다른 미리 정해진 속도일 수 있다. 가스 터빈(12)은 이후, 전형적으로, 발전기(16)를 통해 파워 그리드(power grid)(도시 생략)에 동기화된다(synchronized). 후속하여, 가스 터빈(12)의 속도는 가스 터빈(12)의 파워 출력에 관계없이, 그리드의 주파수에 의해 실질적으로 일정하게 유지된다.
단계(104)에서, 가스 터빈(12)으로부터의 배기 가스들은, 출력 샤프트(20)의 회전에 영향을 미치도록 증기 터빈(14)으로 증기를 공급하기 위한 증기 발생기(도시 생략)에 동력을 전달하기(power) 위해 사용된다. 제어 시스템(38)은 증기 터빈(14)에 할당된 증기 유동의 양을 증기 터빈(14) 상의 밸브들을 통해 제어하도록밸브(valve) 시스템(40)(도 1 및 도 2 참조)을 제어하여, 출력 샤프트(20)의 회전 파라미터들(parameters), 예컨대, 회전 속도 및 가속을 제어한다.
단계(106)에서, 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 회전 속도들은 예컨대, 제 1 및 제 2 속도 센서들(34, 36)에 의해 또는 임의의 다른 적절한 속도 센서들에 의해 모니터링되며, 그리고 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 회전 각도들은 제 1 및 제 2 센서들(30, 32)에 의해 모니터링된다. 샤프트들(18, 20)의 회전 속도들은 미국 특허 제6,140,803호에서 설명된 바와 같은 샤프트들(18, 20)의 가속들을 판정하기 위해 사용되며,이 특허는 본원에 인용에 의해 병합된다. 샤프트들(18, 20)의 회전 각도들은 각각의 샤프트들(18, 20)의 위치 위상 각도들(PA1, PA2)을 예측하기 위해서 각각의 샤프트 표시(26, 28)의 감지된 위치들과 함께 사용된다.
단계(108)에서, 출력 샤프트(20)의 회전이 제어 시스템(38)에 의해 제어되어, 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)은 클러치(22)에 의해 기계적으로 함께 커플링되는데, 제 2 샤프트 표시(28)는 제 1 샤프트 표시(26)에 대해 미리 정해진 각도 내에 있으며, 예컨대, 각각의 샤프트들(18, 20)의 위치 위상 각도들(PA1, PA2)은 서로에 대해 미리 정해진 각도 내에 있다.
자세하게는, 단계(110)에서, 출력 샤프트(20)의 회전 속도가 입력 샤프트(18)의 모니터링된 회전 속도에 대해 미리 정해진 회전 속도가 되게 한다. 미리 정해진 회전 속도는, 바람직하게는 입력 샤프트의 속도에 매우 가깝다. 단계(110) 동안, 출력 샤프트(20)의 가속은, 출력 샤프트(20)가 미리 정해진 회전 속도가 되는 정확한 시간에서, 제 2 샤프트 표시(28)가 제 1 샤프트 표시(26)에 대해 미리 정해진 각도 내에 있도록 단계(112)에서 제어된다. 단계들(108 내지 112) 동안, 입력 샤프트(18)가 바람직하게는 가스 터빈(12)의 정상 작동 속도에 해당할 수 있는 실질적으로 일정한 속도로 회전하는 것에 주목한다.
출력 샤프트(20)가 미리 정해진 회전 속도가 되자마자, 커플링이 단계(114)에서 기계적으로, 예컨대 조작자에 의해, 또는 제어 시스템(38)에 의해 활성화되며, 여기서 클러치(22)는 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)과 맞물림하여 샤프트들(18, 20)을 기계적으로 함께 커플링한다. 예컨대, 출력 샤프트(20)와 연관된 클러치(22)의 클러치 치형부들은, 당업자들이 바로 알 수 있을 것인 공지된 방식으로 출력 샤프트(20) 상에서 대응하는 클러치 치형부들과의 맞물림을 위해 축방향으로 이동(shifted)될 수 있다. 단계(114)는, 단계들(108 내지 112)에서 취해진 작용들의 결과로서 제 1 샤프트 표시(26)에 대해 미리정해진 각도 내에 제 2 샤프트 표시(28)가 있는 정확한 시간에서 실행된다.
본원에서 설명된 바와 같이 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)을 함께 커플링하는 특히 유리한 하나의 결과는, 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 진동 벡터들이 소망하는 진동 응답에 의해 통합 샤프트(24)에 영향을 미치도록 서로 협동한다는 것이다. 예컨대, 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)은 가스 및 증기 터빈들(12, 14)에서 진동들의 감소에 영향을 미치도록 미리 정해진 각도로 함게 커플링될 수 있으며, 즉, 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)의 진동 벡터들은 실질적으로 밸런스드(balanced) 통합 샤프트(24)에 영향을 미치도록 함께 커플링될 때 서로 오프셋된다. 입력 및 출력 샤프트들(18, 20)이 실질적으로 밸런스드 통합 샤프트(24)에 영향을 미치는 것 이외의 이점들에 영향을 미치도록 미리 결정된 다른 각도들로 함께 커플링될 수 있다는 점에 주목한다.
본원에서 논의된 바와 같이 출력 샤프트(20)의 가속을 모니터링하고 제어함으로써, 출력 샤프트(20)의 회전 속도는, 클러치(22)가 샤프트들(18, 20) 사이 상대 위치 위상 각도가 0이거나 또는 소망하는 진동 응답에 의해 통합 샤프트(24)에 영향을 미치도록 미리 정해진 일부 다른 값인 정확한 시간에 입력 및 출력 샤프트들(18, 20) 양자 모두에 맞물림되도록, 제어되는 방식으로 미리 정해진 회전 속도가 될 수 있다.
방법(100)은 제어 시스템(38)이 출력 샤프트(20)의 회전을 자동으로 제어하는 것으로 본원에서 설명되고 있지만, 조작자는 출력 샤프트 회전 제어의 하나 또는 그 초과의 양태들을 제어할 수 있음에 주목한다.
이제 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 입력 샤프트(18)와 출력 샤프트(20) 사이의 예시적인 몇몇(a few) 맞물림 각도들이 도시된다. 도 4a에서, 입력 샤프트(18)의 제 1 샤프트 표시(26)는 출력 샤프트(20)의 제 2 샤프트 표시(28)와 바로 일치한다(directly in line with). 샤프트들(18, 20)의 위치 위상 각도들(PA1, PA2)이 각각 샤프트 표시(26, 28)에 정렬된다고 가정하면, 도 4a에 도시된 결과적인 통합 샤프트(24)는 가스 및 증기 터빈들(12, 14)에서의 진동 감소에 영향을 미치도록 실질적으로 밸런스드된다.
도 4b 내지 도 4d는, 또다시, 샤프트들(18, 20)의 위치 위상 각도들(PA1, PA2)이 각각 샤프트 표시(26, 28)에 정렬되는 것으로 가정한다면, 언밸런스드(unbalanced) 통합 샤프트들(24)을 예시한다(도 4d에서, 출력 샤프트(20)의 위치 위상 각도(PA2)는 출력 샤프트(20)의 대향측(opposite side) 상에 위치되는 것을 나타내도록 파선들로 도시되는 것에 주목한다).
이제, 도 5를 참조하면, 가스 터빈 샤프트(202)에 커플링되는 클러치, 이를테면 상기 설명된 클러치(22)는 소망하는 클러치 치형부 위치에서 증기 터빈 샤프트(204)과 맞물림할 수 있도록 터빈 제어 시스템(220)이 머신 작동 파라미터들을 제어하는 방법과 관련하여 예시적 상세들이 서술된다.
종래의 샤프트 커플링 절차들에서, 단지 샤프트 회전 속도들이 클러치 맞물림을 제어하기 위해 모니터링되는 양(quantity)(수동 제어를 위함)으로서 또는 피드백 신호들(feedback signals)(자동 제어를 위함)로서 사용된다. 그러나, 본 발명의 양태에 따르면, 터빈 제어 시스템(200)은, 클러치 맞물림을 제어하기 위해서 수동으로 또는 자동으로 작동되는지의 여부에 따라, 각각 샤프트들(202, 204)의 3 개의 양들, 자세하게는, 가속(A), 속도(S), 및 위상 각도(PA)를 사용하여, 클러치가 소망하는 상대 위상 각도(relative phase angle)(RPA)에 의해 샤프트들(202, 204)과 맞물림한다. 클러치 맞물림 이전에, 가스 터빈 샤프트(202)의 속도(S1)는 일반적으로 (파워 그리드에 동기화된 발전기와의) 동기 속도(synchronous speed)로 일정해질 것이며, 증기 터빈 샤프트(204)는 다소(some) 낮은 속도(S2)일 것이다. 증기 터빈 샤프트(204)의 속도(S2)가 가속에 관계없이 동기 속도로 증가된다면, 클러치는 랜덤(random) 치형부 상에서 맞물림할 수 있는 경향들이 있으며, 샤프트들(202, 204)은 소망하는 상대 위상 각도(RPA)로 맞물림되지 않을 것이다. 이러한 상황을 회피하기 위해서, 본 발명에서, 증기 터빈 샤프트(204)의 속도(S2)가 증가하여 동기 속도에 접근함에 따라, 터빈 제어 시스템(200)은 증기 터빈 샤프트(204)의 가속이 매우 낮은 값으로 감소되지 않도록 이를 제어한다. 이후, 증기 터빈 샤프트(204)의 속도(S2)가 가스 터빈 샤프트의 속도(S1) 바로 아래에 있는 속도, 예컨대 동기 속도에 도달하는 바와 같이, 터빈 제어 시스템(200)은 터빈 샤프트의 가속이 0이거나 또는 0에 매우 가깝도록 증기 터빈 샤프트(204)의 가속을 제어한다.
이 때, 각각 샤프트들(202, 204)과 연관된 원스 퍼 레볼루션 센서들이 활용될 수 있음에 따라, 위상 각도 검출기들(206, 208)이 본원에서 또한 언급된다. 각각의 샤프트(202, 204)는 본원에서 논의된 바와 같이 각각 제 1 및 제 2 샤프트 표시(210, 212)에 의해 규정된 위치 위상 각도(PA1, PA2)를 포함한다. 위치 위상 각도들(PA1, PA2)은 본원에서 설명된 바와 같은 위상 각도 검출기들(206, 208)에 의해 측정된다. 위상 각도 검출기들(206, 208)은 각각 제 1 및 제 2 샤프트 표시(210, 212)가 각각의 샤프트 회전 중 검출되는 시간 차이를 검출하고, 제어 모듈(module)(214)에 각각 신호(SPA1, SPA2)를 제공한다. 제어 모듈(214)은 감지된 제 1 및 제 2 샤프트 표시(210, 212) 사이에서 상대적 위상 각도(RPA)를 판정하기 위해서 신호들(SPA1, SPA2)을 사용한다.
증기 터빈 샤프트(204)의 속도(S2)가 동기 속도 약간 아래이고, 그의 가속이 0(또는 거의 0)일 때, 그의 위치 위상 각도(PA2)는 조금이기는 해도 느리게 변화할 것이다. 터빈 제어 시스템(200)(또는 조작자, 클러치 맞물림이 수동으로 제어된다면)은 증기 터빈 샤프트(204)의 위치 위상 각도(PA2)가 가스 터빈 샤프트(202)의 위치 위상 각도(PA1)에 대해 소망하는 값이 될 때까지 대기하며, 그리고 이 때, 터빈 제어 시스템(200)은 증기 터빈 샤프트(204)를 빠르게 가속하며 클러치와 맞물림하도록 작동할 것이다. 그 결과, 클러치가 소망하는 상대 위상 각도(RPA)에서, 즉, 클러치의 적절한 치형부 상에서 증기 터빈 샤프트(204)와 맞물림하여 실질적으로 밸런스드 통합 샤프트에 영향을 미친다.
본 발명의 특별한 실시예들이 예시되고 설명되어 있지만, 다양한 다른 변형들 및 수정들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 모든 변형들 및 수정들이 첨부된 청구항들에 포함되는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 제 1 머신(machine)과 제 2 머신 사이의 커플링(coupling)을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 제 1 머신은 제 1 샤프트 표시(shaft indicia)에 의해 규정되는 연관된 제 1 위치 위상 각도(positional phase angle)를 갖는 제 1 회전 샤프트(rotating shaft)를 포함하고, 상기 제 2 머신은 제 2 샤프트 표시에 의해 규정되는 연관된 제 2 위치 위상 각도를 갖는 제 2 회전 샤프트를 포함하며,
    상기 방법은:
    상기 제 1 샤프트의 회전 속도 및 회전 각도를 모니터링하는(monitoring) 단계;
    상기 제 2 샤프트의 회전 속도가 상기 제 1 샤프트의 모니터링된(monitored) 회전 속도에 대해 미리 정해진 회전 속도가 되게 하는 것을 포함하는 상기 제 2 샤프트의 회전을 제어하는 단계―상기 제 2 샤프트가 미리 정해진 회전 속도가 되자마자 상기 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도 내에 있도록 상기 제 2 샤프트의 가속이 제어됨―; 및
    상기 제 2 샤프트가 상기 미리 정해진 회전 속도가 되자마자, 상기 제 2 샤프트 표시가 상기 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도 내에 있도록 상기 제 1 및 제 2 샤프트들을 기계적으로 커플링하도록(couple) 커플링(coupling)을 활성화하는(actuating) 단계를 포함하는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 머신은 가스 터빈(gas turbine)이며, 상기 제 2 머신은 증기 터빈(steam turbine)인,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스들(exhaust gases)은 상기 제 2 샤프트의 회전에 영향을 미치도록 증기 터빈에 동력을 전달(power)하도록 사용되는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 샤프트의 회전을 제어하는 단계 동안, 상기 제 1 샤프트는 실질적으로 일정한 속도로 회전하며, 상기 제 2 샤프트의 속도는 증가되는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 회전 속도는 상기 제 1 샤프트의 정상 작동 속도를 포함하는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 샤프트 표시는 상기 제 1 샤프트의 제 1 위치 위상 각도를 판정하기 위해서 제 1 원스 퍼 레볼루션 센서(once per revolution sensor)에 의해 감지되는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 샤프트 표시는 상기 제 2 샤프트의 제 2 위치 위상 각도를 판정하기 위해서 제 2 원스 퍼 레볼루션 센서에 의해 감지되는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트 표시 각각은 노치(notch) 및 치형부(tooth) 중 하나를 포함하는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트들은 상기 제 1 및 제 2 머신들에서의 진동 감소에 영향을 미치도록 미리 정해진 각도로 함께 커플링되는(coupled),
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트들의 진동 벡터들(vibrational vectors)은 실질적으로 밸런스드 통합 샤프트(balanced combined shaft)에 영향을 미치도록 함께 커플링될 때 서로 오프셋되는(offset),
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트들의 진동 벡터들은, 소망하는 진동 응답(vibrational response)에 의해 통합 샤프트에 영향을 미치도록 함께 커플링될 때 서로 협동하는,
    제 1 머신과 제 2 머신 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  12. 복합 사이클 발전 플랜트(combined cycle power plant)에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링(coupling)을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 가스 터빈은 제 1 샤프트 표시(shaft indicia)에 의해 규정되는 연관된 제 1 위치 위상 각도를 갖는 제 1 회전 샤프트(rotating shaft)를 포함하고, 상기 증기 터빈은 제 2 샤프트 표시에 의해 규정되는 연관된 제 2 위치 위상 각도를 갖는 제 2 회전 샤프트를 포함하며,
    상기 방법은:
    상기 제 1 샤프트의 회전 속도 및 회전 각도를 모니터링하는(monitoring) 단계;
    제 2 샤프트가 미리 정해진 회전 속도가 되자마자 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도가 되도록 상기 제 2 샤프트의 회전 속도가 상기 제 1 샤프트의 모니터링된 회전 속도에 대해 미리 정해진 회전 속도로 증가되는 것을 포함하는 상기 제 2 샤프트의 회전을 제어하는 단계―상기 제 2 샤프트의 회전을 제어하는 단계 동안, 상기 제 1 샤프트는 실질적으로 일정한 속도로 회전함―; 및
    상기 제 2 샤프트가 상기 미리 정해진 회전 속도가 되자마자, 상기 제 2 샤프트 표시가 상기 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도가 되도록 상기 제 1 및 제 2 샤프트들을 기계적으로 커플링하도록 커플링을 활성화하는 단계를 포함하는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스들은 상기 제 2 샤프트의 회전에 영향을 미치도록 증기 터빈에 동력을 전달하도록 사용되는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 샤프트가 미리 정해진 회전 속도가 되자 마자 상기 제 2 샤프트 표시가 제 1 샤프트 표시에 대해 미리 정해진 각도가 되도록 상기 제 2 샤프트의 가속이 제어되는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 회전 속도는 상기 제 1 샤프트의 정상 작동 속도를 포함하는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 샤프트 표시는 상기 제 1 샤프트의 제 1 위치 위상 각도를 판정하기 위해서 제 1 원스 퍼 레볼루션 센서에 의해 감지되고, 상기 제 2 샤프트 표시는 상기 제 2 샤프트의 제 2 위치 위상 각도를 판정하기 위해서 제 2 원스 퍼 레볼루션 센서에 의해 감지되는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트 표시 각각은 노치 및 치형부 중 하나를 포함하는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트들은 상기 제 1 및 제 2 머신들에서의 진동 감소에 영향을 미치도록 미리 정해진 각도로 함께 커플링되는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트들의 진동 벡터들은 실질적으로 밸런스드 통합 샤프트에 영향을 미치도록 함께 커플링될 때 서로 오프셋되는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 샤프트들의 진동 벡터들은, 소망하는 진동 응답에 의해 통합 샤프트에 영향을 미치도록 함께 커플링될 때 서로 협동하는,
    복합 사이클 발전 플랜트에서 가스 터빈 및 증기 터빈 사이의 커플링을 제어하기 위한 방법.
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