JP6745079B2 - 排熱を動力とする能動的クリアランス制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents

排熱を動力とする能動的クリアランス制御のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本明細書で開示する主題はガスタービンエンジンに関し、例えば、排熱を動力とする能動的クリアランス制御のためのシステムおよび方法に関する。
ガスタービンシステムは一般に、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。燃焼器は、圧縮空気と燃料の混合気を燃焼させて高温燃焼ガスを発生させ、これをタービンに導いて発電機を駆動するなどの仕事をする。圧縮機は吸気口からの空気を圧縮したあと、この圧縮空気を燃焼器に導く。
ほとんどの能動的クリアランス制御装置は、タービンブレードのクリアランス制御のために、ガスタービンの圧縮機セクションからの加圧抽気を利用する。しかしながら、ガスタービンの圧縮機セクションの抽気を加圧するためのエネルギーは、熱力学サイクルから失われる。
米国特許第８７９４００８号明細書
出願時に特許請求された発明に範囲が相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求する本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡潔な概要を提供することのみを意図する。実際、本発明は、下記に説明する実施形態と同様であるか、または異なる様々な形態を含むことができる。
第１の実施形態では、システムは、ガス流を膨張させるように構成されたタービン、および冷却マニホールドを含む。タービンは、タービンロータおよびタービンケーシングを含む。膨張ガス流は、軸周りにタービンロータを回転させるように構成され、タービンケーシングは、タービンロータ周りに配置される。冷却マニホールドは、低圧冷却流体をタービンケーシングの方へ導くように構成される。低圧冷却流体は、タービンケーシングを冷却するように構成される。
第２の実施形態では、システムは、ガス流を膨張させるように構成されたタービンと、蒸気流を発生させるように構成された蒸気源と、冷却マニホールドとを含む。タービンは、タービンロータおよびタービンケーシングを含む。膨張ガス流は、軸周りにタービンロータを回転させるように構成され、タービンケーシングは、タービンロータ周りに配置される。冷却マニホールは、蒸気流の一部分を受け入れて、蒸気流のこの部分をタービンケーシングの方へ導くように構成される。蒸気流のこの部分は、タービンケーシングを冷却するように構成される。
第３の実施形態では、方法は、タービンケーシング内のガス流を膨張させて、そのガス流がタービンロータを駆動するステップを含む。本方法はまた、タービンロータとタービンケーシングとの間のクリアランスを制御するステップを含む。クリアランスを制御するステップは、第１の蒸気流をタービンケーシングに導いて、タービンケーシングを所望の温度に冷却することを含む。
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表わす添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。
ガスタービンシステムおよび能動的クリアランス制御回路の実施形態のブロック図である。 ガスタービンシステムおよび能動的クリアランス制御回路の実施形態のブロック図である。 タービンセクションおよび能動的クリアランス制御回路の冷却マニホールドの実施形態の断面図である。 ガスタービンケーシング内に収められた運動部品に対するガスタービンケーシングのクリアランスを能動的に制御するための方法の実施形態を示すフローチャートである。
以下に、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書で説明するわけではない。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わり得る開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを理解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、それらの要素のうちの１つまたは複数があることを意味することを意図する。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。
本明細書で説明する、ガスタービンのクリアランスを能動的に制御するためのシステムおよび方法は、ガス流を膨張させるように構成されたガスタービン、および冷却流体をタービンケーシングの方へ導くように構成された冷却マニホールドを含む。いくつかの実施形態では、能動的クリアランス制御のためのシステムおよび方法で用いられるガスタービンは、航空転用ガスタービンエンジンを含む場合がある。タービンケーシングの一部分を冷却流体で冷却すると、タービンケーシングのその部分の熱膨張および熱収縮を制御して、タービンケーシング内に収められた内部構成部品がタービンケーシングの内面と衝突することを防ぐのに役立つ場合がある。しかしながら、クリアランス制御のために、タービンケーシングをガスタービンセクションの圧縮機セクションからの高圧の抽気で冷却することは、ガスタービンの効率を低下させる場合がある。なぜならば、高圧の抽気からガスタービンのタービンセクション内で仕事が取り出されず、しかも、抽気を圧縮機セクション内で加圧するための仕事が消費されるためである。いくつかの実施形態では、冷却流体（例えば、蒸気）は、下流のシステム（例えば、蒸気タービン）からの排出流（例えば、高圧の抽気に対して低圧の流れ）とすることができる。この排出流は、このようにしない場合には、外部環境または貯槽に排出または放出される場合がある。冷却流体は、対流および／または衝突によってタービンケーシングを冷却することができる。本明細書で論じるとき、用語「冷却流体」は、外部環境の大気圧より高い圧力の流体（例えば、空気、二酸化炭素、蒸気、低質蒸気、低質廃蒸気）として定義することができる。以下で論じる冷却流体のいくつかの実施形態は蒸気を使用するが、冷却流体を蒸気に限定することは意図されていない。さらに、本明細書で説明するシステムおよび方法は、圧縮機など他の機器の能動的クリアランス制御のために利用することができる。
いくつかの実施形態では、蒸気は、複数のタービンブレードおよび／または他の機器が延在するロータの下流のガス（例えば、排気）流によって加熱または発生させることができる。例えば、タービンのガス流は、蒸気流を発生させることができる排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に導くことができる。蒸気流は、コンバインドサイクル発電プラントまたは別の適切なプロセスで利用するための蒸気タービンを駆動するために使用することができる。蒸気タービンを通るように導かれる蒸気流は、発電プラントの負荷に動力を与えるために、または別の運用での使用のために用いることができる、あるいは大気に排出することができる。本明細書で論じるように、蒸気タービンを出る蒸気流の一部分は、タービンケーシングの外面を冷却するために冷却マニホールドへ導かれる低圧蒸気（例えば、低質蒸気、低質廃蒸気）とすることができる。用語「低圧蒸気」は、ＨＲＳＧを出る蒸気より低圧であるが、外部環境の大気圧よりも高い圧力の蒸気（例えば、低質蒸気、低質廃蒸気）として定義することができる。蒸気タービンを通って導かれる蒸気は膨張して、所望のクリアランス制御を維持するのに適する低圧蒸気の圧力を下げることができる。低圧蒸気の圧力は、約０．００１から５０ｐｓｉｇ（約０．００７から３４５ｋｐａ）の間、約０．０１から４０ｐｓｉｇ（約０．０６７から２７６ｋｐａ）の間、約０．１から３０ｐｓｉｇ（約０．６８９から２０７ｋｐａ）の間、約１から２０ｐｓｉｇ（約６．８９５から１３８ｋｐａ）の間とすることができる。冷却マニホールドは、ＨＲＳＧ、蒸気タービン、または別の蒸気源に連結されて、低圧蒸気の一部分を冷却流体として受け入れることができる。冷却マニホールドは、冷却マニホールドに配置された複数の穴または開口を通して低圧蒸気をガスタービンケーシングに導くように構成することができる。低圧蒸気の流れを制御することによって、複数の静止構成部品と回転構成部品との間のクリアランス制御を強化することができる。冷却マニホールドの様々な穴または開口は、すべて同時に、または一度に１つまたは複数を使用してケーシングの複数の区域のクリアランスを制御することができる。タービン排気以外にも、任意の他の利用できる排熱源によって、冷却流体を加圧することができる。理解されるように、用語「低質蒸気」または「低質廃蒸気」は、周囲環境よりは高圧であるが、これ以外には有意義な仕事（例えば、蒸気タービンの駆動）には使われない蒸気流を示す。例えば、「低質蒸気」または「低質廃蒸気」流は、流れから仕事を取リ出す下流のシステム（例えば、蒸気タービン、熱交換器）からの流れとすることができる。
次に図を参照すると、図１は、排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４２によって発生した低圧蒸気を受け入れるガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図を示している。ガスタービンシステム１０は、大気に開放されているか、または音響エンクロージャなどのエンクロージャ１１内に収めることができる。圧縮機１２は、吸気口１６を通じてガスタービンシステム１０に大気１４を吸い込む。大気１４は、低温空気取入口などの適切な機構を経て、吸気口１６によってガスタービンシステム１０内に取り込まれ、そのあと、入口空気１８が圧縮機１２内に入る。圧縮機１２は、圧縮機１２内の回転ブレードによって入口空気１８を圧縮して加圧空気２０を生成する。圧縮機１２が入口空気１８を圧縮すると、圧縮機１２は入口空気１８にエネルギーを付加し、それによって、温度および圧力を上昇させ、その結果、加圧空気２０の温度および圧力は大気１４よりも高くなる。加圧空気２０は、１つまたは複数の燃料ノズル２２内に吐出することができ、燃料ノズル２２は、加圧空気２０と燃料２４（例えば、液体燃料および／または天然ガスなどのガス燃料）を混合して、燃焼に適する空気−燃料混合気２６を生成する。
図示のように、加圧空気２０は燃料ノズル２２に入り、燃料２４と混合する。燃料ノズル２２は空気−燃料混合気２６を燃焼器２８内に導く。燃焼器２８は、空気−燃料混合気２６を点火、燃焼して燃焼生成物３０を生成する。燃焼生成物３０はガスタービン３２に導かれ、そこで、燃焼生成物３０は膨張してガスタービン３２のブレードをシャフト３４周りに駆動する。
ガスタービン３２は共通のシャフト３４によって圧縮機１２に連結されて第１の負荷３６を駆動する。圧縮機のベーンまたはブレードは、圧縮機１２の構成部品として含まれる。圧縮機１２内のブレードはシャフト３４に連結され、シャフト３４はガスタービン３２によって駆動される。シャフト３４は、ガスタービンシステム１０全体で、いくつかの構成部品（例えば、圧縮機１２、ガスタービン３２、第１の負荷３６）に連結される。理解されるように、第１の負荷３６には、発電機、圧縮機、飛行機のプロペラなどが含まれる。最終的に、燃焼生成物３０は、排気ガス３８としてガスタービン３２を出て、次いで、排気出口４０を経てガスタービンシステム１０を出る。
いくつかの実施形態では、排気ガス３８は、排気出口４０を経てＨＲＳＧ４２に入る。ＨＲＳＧ４２は排気ガス３８から熱を回収して加圧蒸気４４を発生させる。理解されるように、水が液体から気体に相変化するときの水の体積膨張によって、発生する蒸気を加圧することができる。蒸気４４は、コージェネレーションプロセスまたは他の適切なプロセスで、あるいは蒸気タービン４６で利用することができる。理解されるように、蒸気タービン４６は、第２の負荷４８を駆動するように第２のシャフト４７によって連結され得る。第２の負荷４８には、発電機、ポンプ、他のシャフト駆動機器などが含まれる。いくつかの実施形態では、第２の負荷４８は第１の負荷３６と同じ負荷となる。蒸気タービンに入った蒸気４４のうちのいくらかは、大気５０に排出することができる、または、下流のプロセス５２で利用することができる。本明細書で論じるように、下流のプロセス５２からの低圧蒸気５４は、冷却システム５６に導かれてガスタービン３２のロータ９２の能動的クリアランス制御において役立つことができる。低圧蒸気５４を、ガスタービンケーシング５８の対象場所に（例えば、高速で）衝突させて、局所的な対流熱伝達率を増大させ、ガスタービンケーシング５８からの熱伝達を増大させることができる。タービンケーシング５８は、タービンケーシング５８の温度に基づいて熱膨張または熱収縮し、それによって、ガスタービン３２に収められた回転構成部品と静止構成部品との間のクリアランスに影響を与える。タービンケーシング５８に当てられる低圧蒸気５４は、タービンケーシング５８の温度に影響を与える。理解されるように、航空転用ガスタービンシステム１０は、産業用ガスタービンシステム１０よりもタービンケーシング５８が薄い場合がある。したがって、航空転用ガスタービンシステムのタービンケーシングの外面を冷却する場合、産業用ガスタービンシステムのタービンケーシングの外面を冷却する場合よりも、クリアランスへの影響が速い。
図２は、ガスタービンシステム１０および能動的クリアランス制御回路の実施形態のブロック図を示す。上記のように、大気１４は吸気口１６に供給され、入口空気１８を圧縮機１２に送る。圧縮機１２は、圧縮機ブレードおよびベーンを含むその内部構成部品を使用して入口空気１８を加圧して加圧空気２０を生成する。燃料２４と加圧空気２０がいっしょになって空気−燃料混合気２６を生成する。空気−燃料混合気２６は燃焼器２８に送られる。燃焼器２８は、空気−燃料混合気２６を点火、燃焼して燃焼生成物３０を生成する。燃焼生成物３０はガスタービン３２に送られて膨張してシャフト３４に連結された第１の負荷を駆動する。
排気ガス３８は、排気出口４０を経てＨＲＳＧ４２に入ることができる。ＨＲＳＧ４２は排気ガス３８から熱を回収して加圧蒸気４４を発生させる。蒸気４４は、蒸気タービン４６を通って流れる際、蒸気タービン４６内で膨張する。蒸気タービン４６は、第２の負荷４８を駆動するように第２のシャフト４７によって連結され得る。第２の負荷４８には、発電機、ポンプ、他のシャフト駆動機器などが含まれる。蒸気タービン４６に入った蒸気４４のうちのいくらかは、蒸気タービン４６の出口４９を通って低圧蒸気５４として出ることができる。低圧蒸気５４の一部分６０は、冷却システム５６に導くことができ、残りの部分６１は、上記と同様に、下流のプロセス５２に導かれる、または周囲環境５０に排出される。低圧蒸気５４の部分６０は、ガスタービンケーシング５８とロータ９２および内部部品（例えば、ブレード９０）との間のクリアランスを能動的に制御するために利用することができる。これは、冷却マニホールド７６を経て低圧蒸気５４の部分６０をタービンケーシング５８に導くことによって行われる。
冷却マニホールド７６は、ＨＲＳＧ４２からの低圧蒸気５４の部分６０を受け入れるように構成される。ここで、低圧蒸気５４はＨＲＳＧ４２からの蒸気４４よりも圧力が低い。いくつかの実施形態では、低圧蒸気５４の部分６０は、蒸気タービン４６から受け取る低圧蒸気５４の全流量、または低圧蒸気５４のゼロでない任意の部分を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、部分６０は、低圧蒸気５４のうちのほぼ１／８、１／４、１／３、３／８、１／２、５／８、２／３、３／４、または７／８を含むことができる。
いくつかの実施形態では、冷却システム５６は部分６０をさらに膨張させて、低圧蒸気５４の圧力を下げる。例えば、いくつかの実施形態では、低圧蒸気５４の部分６０を、ほぼ０．００１から５０ｐｓｉｇ（約０．００７から３４５ｋｐａ）、約０．０１から４０ｐｓｉｇ（約０．０６７から２７６ｋｐａ）、約０．１から３０ｐｓｉｇ（約０．６８９から２０７ｋｐａ）、または約１から２０ｐｓｉｇ（約６．８９５から１３８ｋｐａ）に膨張することができる。例えば、冷却システム５６は、弁組立体６２を利用して低圧蒸気５４の部分６０を膨張させることができる。これに加えて、またはこれに代えて、弁組立体６２は、部分６０のうちのいくらかを排出して、タービンケーシング７８に導かれる低圧蒸気５４の圧力を下げる、かつ／または流量を減じるように構成することができる。
いくつかの実施形態では、弁組立体６２は同じタイプまたは異なるタイプの１つまたは複数の弁６３を含むことができる。例えば、弁組立体６２は、１つまたは複数の仕切弁、バタフライ弁、玉形弁、ボール弁、逆止め弁、または他のタイプの弁を含むことができる。さらに、１つまたは複数の弁組立体６２は、弁の組合せを含むことができる。弁組立体６２は、冷却マニホールド７６を通ってタービンケーシング５８に流れる全体積流量を調節するように構成することができる。さらに、弁組立体６２は、１つまたは複数の弁６３を経て冷却マニホールド７６へ行く流れの分配を制御するように構成することができる。冷却マニホールド７６は、複数の開口を含むことができ、これらは冷却マニホールド７６の周りに配置することができる。開口は、すべて同時に、またはセンサ７４が開口に対して要求するように使用することができる。すなわち、タービンケーシング５８の区域へ冷却マニホールド７６内の流れを分配することを制御するように、１つまたは複数の開口を制御することができる。
１つの実施形態では、弁組立体６２は、低圧蒸気５４を２つの別々の冷却マニホールド７６に導くように構成された２つの弁６３を含むことができる。別々の冷却マニホールド７６は、その場所の状態に対応する出力信号を与える別々のセンサ７４を利用することができる。タービンケーシング５８の異なる領域に別々の冷却マニホールド７６を使用することによって、タービンケーシング５８の温度がより高い区域は、タービンケーシング５８を冷却するためにより多量の低圧蒸気５４を受け取って、ガスタービン３２の内面８２とブレード９０を含むロータ９２との間のクリアランスを制御することができる。理解されるように、量が多くなれば、タービンケーシング５８の外面８０での熱伝達率が増大し、それによって、タービンケーシング５８から低圧蒸気５４への熱伝達を増大させることができる。
弁組立体６２の各弁６３は、ガスタービン３２の内部構成部品（例えば、ロータ９２、ブレード９０）とタービンケーシング５８との間のクリアランスを調節するために、低圧蒸気５４を受け取り、ガスタービン３２に導くように構成される。いくつかの実施形態では、弁組立体６２は、低圧蒸気５４を膨張させて低圧蒸気５４の圧力を下げるように構成することができる。低圧蒸気５４（例えば、冷却流体）の流れに影響を与える別の例として、弁組立体６２は、低圧蒸気５４の流れを所望の質量流量、温度、圧力、またはそれらの組合せに調節するように構成することができる。
現在考えられる実施形態は、冷却システム５６に連結された制御器６４を含むことができる。制御器６４は、制御ライン６６を介して、弁組立体６２に連結されて１つまたは複数の弁６３を制御することができる。制御器６４は、弁組立体６２を通る低圧蒸気５４の流れを制御するために弁を開閉するように構成することができる。特定の実施形態では、制御器６４は、命令を記憶するためのメモリ６８を、かつ命令を処理するように構成されたプロセッサ７０を含むことができる。制御器６４は、所望のクリアランス閾値、冷却流体の所望の組成、またはそれらの組合せなどの操作者の入力を受け取るように構成された操作者インターフェース７２を含むことができる。いくつかの実施形態では、制御器６４は、１つまたは複数のセンサ７４から受け取る信号の結果として、低圧蒸気５４の流れを制御するように構成することができる。センサ７４は、温度、クリアランス距離、圧力、回転速度、またはガスタービンシステム１０の他の運転状態を測定するように構成することができる。センサ７４は、ガスタービン３２内に、ガスタービンケーシング５８上に、または上記のような運転状態を測定するのに適した任意の他の場所に配置することができる。センサ７４は、限定するものではないが、熱電対、動き検出器、近接センサ、レベルセンサ、圧力センサ、またはガスタービン３２の回転構成部品と静止構成部品との間のクリアランスを決定、または測定するのに適した任意の他のセンサを含むことができる。回転構成部品には、限定するものではないが、ガスタービン３２のブレード９０、ベーン、またはロータ９２が含まれる。ガスタービン３２の静止構成部品には、限定するものではないが、ガスタービン３２のケーシング５８、ステータ、またはベーンが含まれる。
図３は、タービンセクションおよび能動的クリアランス制御回路の冷却マニホールドの実施形態の断面図である。上記のように、冷却流体（例えば、低圧蒸気５４）は、ガスタービンケーシング７８とガスタービン３２の内部部品との間のクリアランスを制御するためにガスタービン３２に導かれる。本明細書で論じるとき、用語「冷却流体」は、外部環境の大気圧より高い圧力の流体（例えば、空気、二酸化炭素、蒸気、低質蒸気、低質廃蒸気）として定義することができる。さらに、用語「低圧冷却流体」は、流体から利用可能な仕事を取り出した、システム（例えば、蒸気タービン、熱交換器）から冷却マニホールド７６によって受け入れられる流体として定義することができ、その結果、冷却マニホールドによって受け入れられる流体は前もってこのシステムによって処理されている。いくつかの実施形態では、用語「冷却流体」は、圧縮機から直接受け入れられる圧縮機抽気流を除く。以下で論じる冷却流体のいくつかの実施形態は蒸気を使用するが、冷却流体は蒸気に限定することを意図しない。冷却流体（例えば、低圧蒸気５４）の部分６０は、冷却マニホールド７６の冷却通路７９を通ってガスタービンケーシング７８に導かれる。冷却通路は、冷却流体（例えば、低圧蒸気５４）の部分６０を冷却マニホールド７６に導く。冷却マニホールド７６は、ガスタービンケーシング７８に取り付ける、または他の方法で固定することができる。
ガスタービンケーシング７８は、外面８０および内面８２を含む。ケーシング内部構成部品８４（例えば、サポート、ストラット、スペーサ）は、ガスタービンケーシング７８の外面８０と内面８２との間に配置することができる。冷却流体（例えば、低圧蒸気５４）の部分６０は、複数の冷却マニホールド開口８６を通って外面８０に導かれる。冷却マニホールド開口８６のうちのすべて、あるいは１つまたは複数は、冷却流体の部分６０を外面８０に分配するために一度に使用することができる。タービンケーシング５８、およびガスタービン３２のロータ９２から延在するタービンブレード９０は温度が上がらず、一様に膨張することができる。したがって、タービンケーシング５８のいくつかの区域は、ロータ９２およびタービンブレード９０周りで所望のクリアランスを維持するために、他の区域よりも多量の冷却流体を使用する場合がある。例えば、燃焼ガス３０の最も近くに配置されたタービンブレード９０は、さらに下流に配置されたタービンブレード９０よりも燃焼器２８を出るより高温の燃焼ガス３０に曝されるであろう。ガスタービン３２の最も高温の領域は、内面８２とタービンブレード９０との間のクリアランスが狭くなる可能性が最も高くなり、したがって、より多くの冷却流体の流量を使用する場合がある。冷却流体の温度はガスタービンシステム１０周りの周囲環境よりも高いが、冷却流体の温度はガスタービン３２を通る排気ガス流３８よりも低い。さらに、冷却流体（例えば、低圧蒸気５４）の比熱は、周囲環境の空気または圧縮機抽気よりも大きい場合がある。したがって、冷却流体は外面８０を冷却し、それによって、ケーシング内部構成部品８４および／またはガスタービンケーシング７８の内面８２を収縮させる。冷却流体は、外面８０を直接的に（衝突によって）冷却することができ、また、冷却流体は、ケーシング内部構成部品８４および内面８２を間接的に冷却することができる。さらに、冷却流体は、外面８０において対流熱伝達率を増大させることができ、それによって、外面８０の冷却を強化することができる。理解されるように、タービンケーシング７８（例えば、外面８０、内面８２、ケーシング内部構成部品８４）の温度は、ガスタービンケーシング７８内に収められた回転部品（例えば、ロータ９２、ブレード９０）と内面８２との間のクリアランス９４に影響を与える。したがって、冷却流体によってタービンケーシング７８の温度を制御することによって、クリアランス９４を制御することができる。
ガスタービン３２の冷態起動時、内面８２とロータ９２およびブレード９０との間のクリアランス９４は、ガスタービン３２が通常運転温度に暖機されるときよりも大きいであろう。ガスタービン３２が通常運転温度に達すると、燃焼生成物３０がタービンロータ９２を通って流れて、それを駆動するにつれて、ガスタービンケーシング７８の外面８０および内面８２は熱収縮および／または熱膨張し始める。したがって、ガスタービンが通常運転状態に達すると、クリアランス９４は運転クリアランス９５まで小さくなる。本明細書で説明するように、冷却マニホールド開口８６を通して冷却流体（例えば、低圧蒸気５４）を導くと、内面８２とロータ９２（ブレード９０を含む）が所望の最小の分離距離９７を維持するようにクリアランス９４を制御することができる。いくつかの実施形態では、制御器６４は、クリアランス９４を、ほぼ０．２０ｍｍから１ｍｍ（約８ｍｉｌから４０ｍｉｌ）、約０．２５ｍｍから０．７６２ｍｍ（約１０ｍｉｌから３０ｍｉｌ）、約０．３８ｍｍから０．５０８ｍｍ（約１５ｍｉｌから２０ｍｉｌ）の間に制御するように冷却流体を制御することができる。
冷却システム５６に連結された制御器６４は、１つまたは複数のセンサ７４からの信号を受け取るように構成される。制御器６４は、制御ライン６６を介して、弁組立体６２に連結されて１つまたは複数の弁６３を制御する。制御器６４は、冷却マニホールド開口８６を通る冷却流体の流れを制御するために弁組立体６２の弁６３を開閉するように構成することができる。特定の実施形態では、制御器６４は、メモリ６８を使用して命令を記憶し、プロセッサ７０を使用して命令を処理することができる。いくつかの実施形態では、制御器６４は、メモリ６８内に記憶された命令によって、タービンケーシング７８（例えば、外面８０）の温度、および冷却流体の温度に少なくとも部分的に基づいて、冷却流体の所望の流量を決定することができる。いくつかの実施形態では、制御器６４は、メモリ６８内に記憶された命令によって、冷却流体の所望の圧力、または内面８２とロータ９２（ブレード９０を含む）との間の所望のクリアランス９４を決定することができる。いくつかの実施形態では、制御器６４は、１つまたは複数のセンサ７４から受け取った信号の結果として、冷却流体の流れを制御するように構成することができる。例えば、ガスタービン３２の初期段階では、タービンブレード９０は高圧の燃焼生成物３０を受ける。燃焼生成物３０がタービンブレード９０を通って流れると、この流れからエネルギーが様々なタービン段において取り出されるにつれて、燃焼生成物３０は膨張する。燃焼生成物３０がガスタービン３２の様々な段を通って流れるにつれて、燃焼生成物３０が機械的エネルギーを生成するように膨張すると、タービンケーシング５８の温度は下流方向に下がっていく。したがって、燃焼器２８からより遠くの下流に配置されたタービンケーシング５８の区域は、燃焼器２８近くのタービンケーシング５８の区域よりも少ない冷却流体を使用して、内面８２とロータ９２およびタービンブレード９０との間のクリアランスを制御することができる。
センサ７４は、様々な制御要素を制御するためにガスタービンシステム１０内の様々な地点に配置される。センサ７４は、限定するものではないが、温度、クリアランス距離、圧力、回転速度、または他の運転状態を含む様々な制御要素を測定するように構成することができる。例えば、１つの実施形態では、センサ７４は、内面８２の様々な地点に配置することができる。内面８２に配置されたセンサ７４は、内面８２に対する、ロータ９２に配置された複数のタービンブレード９０などのガスタービンケーシング７８内に収められた部品の接近度を測定することができる。これに加えて、または、これに代えて、センサ７４は外面８０に配置することができる。センサ７４は、冷却流体の流量を測定することができ、それを、冷却システム５６の制御器６４によって特定の流量範囲内に留めるように調節することができる。冷却マニホールド７６内（例えば、冷却通路７９内）のセンサ７４は、冷却流体の温度を測定するように構成することができる。いくつかの実施形態では、制御器６４は、メモリ６８内に記憶された命令によって、タービンケーシング７８（例えば、外面８０）の温度、および冷却流体の温度に少なくとも部分的に基づいて、冷却流体の所望の流量を決定することができる。この冷却システム５６を適合させると、タービン内部部品とガスタービンケーシング７８との間のクリアランス９４が制御される。
図４は、ガスタービンケーシング内に収められた運動部品（例えば、ロータ、ブレード）に対するガスタービンケーシングのクリアランスを能動的に制御するための方法１００の実施形態を示すプロセスフロー図である。ガスタービンは、ロータおよび複数のタービンブレードを通るガス流（例えば、排気ガス）を膨張させる（ブロック１０２）。複数のタービンブレードの下流のガス流はＨＲＳＧに導かれ、ＨＲＳＧが蒸気流を発生させる（ブロック１０４）。いくつかの実施形態では、蒸気タービンは蒸気流を膨張させて（ブロック１０６）、蒸気タービンに連結された第２の負荷を駆動する。これに加えて、またはこれに代えて、蒸気流は、ガスタービンシステムの構成部品および／または流れを予熱するなど、蒸気流を利用する下流のシステムに導かれる。理解されるように、蒸気タービンおよび／または下流のシステムは、蒸気流の圧力および／または温度を下げることによって蒸気流のエネルギーを減少させる。冷却システムは、蒸気流（例えば、低圧蒸気）の一部分を冷却システムに導く（ブロック１０８）。冷却システムの制御器は、センサフィードバックを利用して（ブロック１１０）、蒸気流のこの部分を１つまたは複数の冷却マニホールドに分配することができる。制御器は、低圧蒸気流のこの部分の、１つまたは複数の冷却マニホールドへの分配を制御するように、弁組立体の弁を制御することができる。１つまたは複数の冷却マニホールドは、低圧蒸気流をタービンケーシングの方へ導いて、ロータとタービンブレードおよびタービンケーシングとの間のクリアランスを制御する（ブロック１１２）。上記では、冷却流体として低圧蒸気を使用したが、外部環境の大気圧より高い圧力を有する任意の冷却流体（例えば、空気、二酸化炭素、蒸気、低質蒸気、低質廃蒸気）を現在考えられる実施形態に利用することができることは理解される。
本発明の技術的効果には、複数の冷却マニホールド開口を通して冷却流体（例えば、低圧蒸気、低質蒸気、低質廃蒸気）をガスタービンケーシングの方へ導いてガスタービンケーシングを冷却することが含まれる。複数の冷却マニホールド開口は、ロータとガスタービンの内面との間のクリアランスを制御するように構成される。
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例も含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。
１０ ガスタービンシステム
１１ エンクロージャ
１２ 圧縮機
１４ 大気
１６ 吸気口
１８ 入口空気
２０ 加圧空気
２２ 燃料ノズル
２４ 燃料
２６ 空気−燃料混合気
２８ 燃焼器
３０ 燃焼生成物
３２ ガスタービン
３４ シャフト
３６ 第１の負荷
３８ 排気ガス
４０ 排気出口
４２ 排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
４４ 蒸気
４６ 蒸気タービン
４７ 第２のシャフト
４８ 第２の負荷、蒸気タービン負荷
４９ 蒸気タービンの出口
５０ 蒸気タービン排気（下流のプロセスへ）
５２ 下流のプロセス
５４ 低圧蒸気
５６ 冷却システム
５８ ガスタービンケーシング
６０ 低圧蒸気の一部分
６１ 低圧蒸気の残りの部分
６２ 弁組立体
６３ 弁
６４ 制御器
６６ 制御ライン
６８ メモリ
７０ プロセッサ
７２ 操作者入力
７４ センサ
７６ 冷却マニホールド
７８ ガスタービンケーシング
７９ 冷却通路
８０ 外面
８２ 内面
８４ ケーシング内部構成部品
８６ 冷却マニホールド開口
９０ タービンブレード
９２ ロータ
９４ クリアランス
９５ 運転クリアランス
９７ 所望の最小の分離距離

Claims (16)

  1. ガス流を膨張させるように構成されたタービン（３２）であって、
    前記膨張ガス流が軸周りにタービンロータ（９２）を回転させるように構成される、タービンロータ（９２）、および
    前記タービンロータ（９２）周りに配置されたタービンケーシング（５８、７８）
    を備えるタービン（３２）と、
    前記タービン（３２）から前記ガス流を受け入れて、蒸気流を発生させるように構成された排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（４２）と、
    前記ＨＲＳＧ（４２）からの前記蒸気流を前記タービンケーシング（５８、７８）の方へ導くように構成された冷却マニホールド（７６）であって、前記蒸気流が前記タービンケーシング（５８、７８）を冷却するように構成される、冷却マニホールド（７６）と
    を備えるシステム。
  2. ガス流を膨張させるように構成されたタービン（３２）であって、
    前記膨張ガス流が軸周りにタービンロータ（９２）を回転させるように構成される、タービンロータ（９２）、および
    前記タービンロータ（９２）周りに配置されたタービンケーシング（５８、７８）
    を備えるタービン（３２）と、
    前記タービン（３２）から前記ガス流を受け入れて、蒸気流を発生させるように構成された排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（４２）と、
    前記蒸気流の一部分を受け入れて、前記蒸気流の前記部分を前記タービンケーシング（５８、７８）の方へ導くように構成された冷却マニホールド（７６）であって、前記蒸気流の前記部分が前記タービンケーシング（５８、７８）を冷却するように構成される、冷却マニホールド（７６）と
    を備えるシステム。
  3. 前記タービン（３２）が航空転用ガスタービンを含む、請求項１または２に記載のシステム。
  4. 前記タービン（３２）に連結された圧縮機（１２）を備え、前記タービン（３２）が、前記圧縮機（１２）を駆動するように構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
  5. 前記タービンロータ（９２）と前記タービンケーシング（５８、７８）との間のクリアランスに少なくとも部分的に基づいて、前記タービンケーシング（５８、７８）へ向かう前記蒸気流の前記部分（６０）の流れを制御するように構成された制御器（６４）を備える請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
  6. 前記制御器（６４）が、前記クリアランスをほぼ０．２５４ｍｍ（１０ｍｉｌ）より大きく維持するように前記蒸気流の前記部分（６０）の流れを制御するように構成される、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記ＨＲＳＧ（４２）と前記冷却マニホールド（７６）との間に連結された蒸気タービン（４６）を備え、前記蒸気タービン（４６）が、前記ＨＲＳＧ（４２）からの前記蒸気流を受け入れるように構成され、前記蒸気流が、前記蒸気タービン（４６）を駆動するように構成され、かつ、前記蒸気タービン（４６）の出口（４９）が、前記蒸気流の前記部分（６０）を前記冷却マニホールド（７６）に導くように構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
  8. 前記タービン（３２）により駆動される第１の発電機（３６）と、前記蒸気タービン（４６）により駆動される第２の発電機（４８）とを備える、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記冷却マニホールド（７６）が、前記蒸気流の前記部分（６０）を前記タービンケーシング（５８、７８）の外面（８０）に導くように構成される、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
  10. 前記蒸気流を膨張させる弁組立体（６２）を備える、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
  11. 前記タービンケーシング（５８、７８）上に配置された複数のセンサ（７４）を備え、前記冷却マニホールド（７６）は、前記複数のセンサ（７４）に対応する開口を備える、請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム。
  12. タービンケーシング（５８、７８）内のガス流を膨張させるステップであって、前記ガス流がタービンロータ（９２）を駆動する、ステップと、
    排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（４２）が前記タービンケーシング（５８、７８）から前記ガス流を受け入れて、蒸気流を発生するステップと、
    前記タービンロータ（９２）と前記タービンケーシング（５８、７８）との間の第１のクリアランスを制御するステップとを含み、前記第１のクリアランスを制御するステップが、
    前記ＨＲＳＧ（４２）からの前記蒸気流を前記タービンケーシング（５８、７８）に導くことと、
    前記タービンケーシング（５８、７８）を第１の所望温度に冷却することと
    を含む、方法。
  13. 蒸気タービン（４６）によって前記蒸気流を膨張させるステップであって、前記蒸気タービン（４６）の下流の前記蒸気流の少なくとも一部分が、前記タービンケーシング（５８、７８）に導かれる、ステップを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 圧縮ロータと圧縮機ケーシングとの間の第２のクリアランスを制御するステップを含み、前記第２のクリアランスを制御するステップが、
    前記蒸気流を前記圧縮機ケーシングに導くことと、
    前記圧縮機ケーシングを第２の所望の温度に冷却することと
    を含む、請求項１２または１３に記載の方法。
  15. 前記蒸気流が大気圧より高く、１３８ｋＰａ（２０ｐｓｉ）より低い圧力を有する、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の方法。
  16. 前記蒸気流を前記タービンケーシング（５８、７８）に導くことが、前記蒸気流を前記タービンケーシング（５８、７８）の外面（８０）に導くことを含む、請求項１２乃至１５のいずれかに記載の方法。
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