ガスタービン操作方法
【課題】軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動を低減又は解消することが可能なガスタービン操作方法を提供すること。
【解決手段】ガスタービンの停止作業中における該ガスタービンの操作方法において、コンプレッサを減速するとともに、最大振幅が生じる軸速度より少なくとも５％大きな軸速度において前記コンプレッサのインレットガイドベーン１の閉鎖を開始し、該閉鎖を１秒間に５〜１０°の割合で１５〜３５°の範囲で行う。
【解決手段】ガスタービンの停止作業中における該ガスタービンの操作方法において、コンプレッサを減速するとともに、最大振幅が生じる軸速度より少なくとも５％大きな軸速度において前記コンプレッサのインレットガイドベーン１の閉鎖を開始し、該閉鎖を１秒間に５〜１０°の割合で１５〜３５°の範囲で行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン発電所の操作方法に関するものであり、特に、多段の軸流圧縮機の静翼を制御することにより発電所を停止する際のガスタービンの操作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの停止作業時には、コンプレッサに不安定が生じ得ることが一般に知られている。特に、コンプレッサが一度低速に陥ると、失速が起こり得る。このような失速は翼や軸の振動を引き起こし、寿命を短縮させたり、コンプレッサの損傷につながるおそれがある。
【０００３】
例えば、特許文献１にはコンプレッサの失速状態とこのような状態を静翼の様々な配置によって防止することが開示されている。しかし、翼の配置の設定をロータ回転速度の関数として保持することによって満足し得ない操作が生じてしまう。このようなことは、特にコンプレッサのバイパスバルブの制御と共に静翼の位置を設定する方法において生じる。なお、この方法は、コンプレッサの圧力比に基づくフィードバック制御を含むものであり、圧力比が基準圧力比と比較されるものとなっている。この方法は、特に閉ループ制御又は開ループ制御による航空用エンジンに直接応用されるものである。
【０００４】
また、部分負荷におけるガスタービン操作方法が記載された特許文献２には、２つの燃焼室への燃料の流れを制限することと、定格負荷の５０％までの負荷低下開始時にコンプレッサの案内翼の角度を調整することとが記載されている。そして、定格負荷の５０％となった時点では、燃料の流れはその質量流量及びタービン入口温度に応じて制御される。
【０００５】
また、ガスタービンの停止作業時のコンプレッサの減速による不安定は回転の失速を含んだものであり、１つ又は複数のコンプレッサがこれに隣接するコンプレッサよりも早く失速することになる。そして、この状態によって、軸の回転方向に対して反対方向への翼の失速及び軸の回転方向への翼の加速が生じ得る。これにより、最高軸速度の約５０％での回転が生じ、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動が起こり得る。
【特許文献１】米国特許第５，０４２，２４５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６３４，３２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的とするところは、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動を低減又は解消することが可能なガスタービン操作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、
１）ガスタービンの減速に伴いコンプレッサを減速するとともに、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる最大振幅が生じる軸速度より少なくとも５％大きな軸速度において前記コンプレッサのインレットガイドベーンの閉鎖を開始し、
２）前記閉鎖を１５〜３５°の範囲で行う
ことを特徴としている。
【０００８】
上記本発明による方法によれば、回転の失速を減少させ、コンプレッサに損傷が生じるおそれがないレベルを達成することが可能である。
【０００９】
また、本発明によれば、ガスタービンの停止作業時に、コンプレッサの翼によって軸に制動作用が生じ、これによりコンプレッサ圧力が翼を横断する形で上昇する。この際、ガスタービンの軸の回転エネルギーによりコンプレッサが動作すると効果的である。そして、ガスタービンの停止作業時、すなわち上記１）及び２）のステップによるインレットガイドベーンの閉鎖動作時の流体力学的な制動力の減少によって、翼を横断する圧力の入口圧力と出口圧力の一時的な比が減少することになる。
【００１０】
その結果、コンプレッサにおける回転失速が生じうる危険域である前面段への流体力学的な負荷により、失速の危険が大きく減少する。これにより、翼の失速に対する影響が減少し、失速に関連して生じるコンプレッサの流れ領域内における大きな非対称性によって誘起される軸振動も減少することになる。
【００１１】
また、本発明による方法によれば、インレットガイドベーンをガスタービンの停止作業中に比較的長く開放していることによる比較的大きな質量流量により、流路及び金属部材（特にタービン翼）の対流冷却が促進されるという効果が得られる。さらに、同様に振動も低減される。
【００１２】
また、本発明の一実施形態は、インレットガイドベーンの閉鎖を１秒間に５〜１０°の割合で行うことを特徴としている。ここで、本発明によるインレットガイドベーンの閉鎖開始時期及び閉鎖角度は失速の危険性を減少させるものであり、閉鎖割合（°／秒）がこの効果を更に高めるようになっている。
【００１３】
また、本発明の一実施形態は、最大振幅が生じる軸速度より５〜１０％大きな軸速度においてインレットガイドベーンの閉鎖を開始することを特徴としている。
【００１４】
さらに、本発明の一実施形態は、最大振幅が生じる軸速度より１０〜１５％大きな軸速度においてインレットガイドベーンの閉鎖を開始することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動を低減又は解消することが可能なガスタービン操作方法を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
本実施の形態においては、ガスタービンが最大速度から減速し、最大振幅が生じる軸速度より５％、特に１０％大きな軸速度においてインレットガイドベーン１の閉鎖が開始される。このインレットガイドベーン１の閉鎖が開始される軸速度は最高軸速度の４４〜６０％の範囲となっているが、実際の上記軸速度は、周囲の空気温度及びガスタービンのタイプに依存し、例えば最高軸速度の４８％である。
【００１８】
また、インレットガイドベーン１の閉鎖開始は、失速が生じる前におけるできる限り遅い時点に設定されるのが好ましい。この際、インレットガイドベーン１の閉鎖を、軸速度が失速の起こり得る危険速度へ至る前に完了させるのが効果的である。
【００１９】
そして、インレットガイドベーン１の閉鎖を行うために、コンプレッサの第１段におけるインレットガイドベーン１を、ロータの減速が開始される前にその初期位置から翼弦角度が増大する方向へ回転させる。ここで、「翼弦角度」とは、インレットガイドベーン１の前端部２と後端部３を結ぶ線とタービンの軸中心線とがなす角度である。初期位置において、この翼弦角度は例えば−４５°であり、閉鎖状態においてはこれが例えば−６０°となる。なお、本実施の形態において、閉鎖角度は例えば３５°であり、最終的な翼弦角度は−７５〜−８０°となる。
【００２０】
図１ａ及び図１ｂには、矢印Ａで示すコンプレッサ回転方向へ並べられたインレットガイドベーン列が示されている。なお、矢印Ｂはコンプレッサを通過して流れる空気流の方向を示している。
【００２１】
しかして、各インレットガイドベーン１は前端部２及び後端部３を有しており、この前端部２と後端部３を結ぶ線とタービンの軸中心線とがなす角度が翼弦角度αとなっている。図１ａには例えばα＝４５°で配置されたインレットガイドベーン１の初期位置が示されており、図１ｂにはΔα＝１５°の閉鎖角度で閉鎖され、翼弦角度α＝６０°となったインレットガイドベーン１が示されている。なお、この閉鎖角度は、コンプレッサのタイプに応じて１つの１段目、２つの１段目又は３つの一段目に適用される。
【００２２】
また、回転失速の危険を更に低減するために、従来の方法に比して閉鎖割合を高めるようにしている。閉鎖動作は、機械的な限界の範囲内においてできる限り迅速に、例えば１秒間に５〜１０°の範囲、特に１秒間に８〜１０°の範囲で行われる。失速直前（最大振幅が生じる軸速度より約５〜１０％大きな軸速度において）に行われるこのようなインレットガイドベーン１の迅速な閉鎖により、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動（共振）を低減又は解消することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１ａ】本発明の一実施形態における初期状態のインレットガイドベーン列を示す図である。
【図１ｂ】閉鎖状態における図１と同様なインレットガイドベーン列を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ インレットガイドベーン
２ 前端部
３ 後端部
Ａ コンプレッサ回転方向
Ｂ 空気流の流通方向
α 翼弦角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン発電所の操作方法に関するものであり、特に、多段の軸流圧縮機の静翼を制御することにより発電所を停止する際のガスタービンの操作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの停止作業時には、コンプレッサに不安定が生じ得ることが一般に知られている。特に、コンプレッサが一度低速に陥ると、失速が起こり得る。このような失速は翼や軸の振動を引き起こし、寿命を短縮させたり、コンプレッサの損傷につながるおそれがある。
【０００３】
例えば、特許文献１にはコンプレッサの失速状態とこのような状態を静翼の様々な配置によって防止することが開示されている。しかし、翼の配置の設定をロータ回転速度の関数として保持することによって満足し得ない操作が生じてしまう。このようなことは、特にコンプレッサのバイパスバルブの制御と共に静翼の位置を設定する方法において生じる。なお、この方法は、コンプレッサの圧力比に基づくフィードバック制御を含むものであり、圧力比が基準圧力比と比較されるものとなっている。この方法は、特に閉ループ制御又は開ループ制御による航空用エンジンに直接応用されるものである。
【０００４】
また、部分負荷におけるガスタービン操作方法が記載された特許文献２には、２つの燃焼室への燃料の流れを制限することと、定格負荷の５０％までの負荷低下開始時にコンプレッサの案内翼の角度を調整することとが記載されている。そして、定格負荷の５０％となった時点では、燃料の流れはその質量流量及びタービン入口温度に応じて制御される。
【０００５】
また、ガスタービンの停止作業時のコンプレッサの減速による不安定は回転の失速を含んだものであり、１つ又は複数のコンプレッサがこれに隣接するコンプレッサよりも早く失速することになる。そして、この状態によって、軸の回転方向に対して反対方向への翼の失速及び軸の回転方向への翼の加速が生じ得る。これにより、最高軸速度の約５０％での回転が生じ、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動が起こり得る。
【特許文献１】米国特許第５，０４２，２４５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６３４，３２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的とするところは、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動を低減又は解消することが可能なガスタービン操作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、
１）ガスタービンの減速に伴いコンプレッサを減速するとともに、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる最大振幅が生じる軸速度より少なくとも５％大きな軸速度において前記コンプレッサのインレットガイドベーンの閉鎖を開始し、
２）前記閉鎖を１５〜３５°の範囲で行う
ことを特徴としている。
【０００８】
上記本発明による方法によれば、回転の失速を減少させ、コンプレッサに損傷が生じるおそれがないレベルを達成することが可能である。
【０００９】
また、本発明によれば、ガスタービンの停止作業時に、コンプレッサの翼によって軸に制動作用が生じ、これによりコンプレッサ圧力が翼を横断する形で上昇する。この際、ガスタービンの軸の回転エネルギーによりコンプレッサが動作すると効果的である。そして、ガスタービンの停止作業時、すなわち上記１）及び２）のステップによるインレットガイドベーンの閉鎖動作時の流体力学的な制動力の減少によって、翼を横断する圧力の入口圧力と出口圧力の一時的な比が減少することになる。
【００１０】
その結果、コンプレッサにおける回転失速が生じうる危険域である前面段への流体力学的な負荷により、失速の危険が大きく減少する。これにより、翼の失速に対する影響が減少し、失速に関連して生じるコンプレッサの流れ領域内における大きな非対称性によって誘起される軸振動も減少することになる。
【００１１】
また、本発明による方法によれば、インレットガイドベーンをガスタービンの停止作業中に比較的長く開放していることによる比較的大きな質量流量により、流路及び金属部材（特にタービン翼）の対流冷却が促進されるという効果が得られる。さらに、同様に振動も低減される。
【００１２】
また、本発明の一実施形態は、インレットガイドベーンの閉鎖を１秒間に５〜１０°の割合で行うことを特徴としている。ここで、本発明によるインレットガイドベーンの閉鎖開始時期及び閉鎖角度は失速の危険性を減少させるものであり、閉鎖割合（°／秒）がこの効果を更に高めるようになっている。
【００１３】
また、本発明の一実施形態は、最大振幅が生じる軸速度より５〜１０％大きな軸速度においてインレットガイドベーンの閉鎖を開始することを特徴としている。
【００１４】
さらに、本発明の一実施形態は、最大振幅が生じる軸速度より１０〜１５％大きな軸速度においてインレットガイドベーンの閉鎖を開始することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動を低減又は解消することが可能なガスタービン操作方法を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
本実施の形態においては、ガスタービンが最大速度から減速し、最大振幅が生じる軸速度より５％、特に１０％大きな軸速度においてインレットガイドベーン１の閉鎖が開始される。このインレットガイドベーン１の閉鎖が開始される軸速度は最高軸速度の４４〜６０％の範囲となっているが、実際の上記軸速度は、周囲の空気温度及びガスタービンのタイプに依存し、例えば最高軸速度の４８％である。
【００１８】
また、インレットガイドベーン１の閉鎖開始は、失速が生じる前におけるできる限り遅い時点に設定されるのが好ましい。この際、インレットガイドベーン１の閉鎖を、軸速度が失速の起こり得る危険速度へ至る前に完了させるのが効果的である。
【００１９】
そして、インレットガイドベーン１の閉鎖を行うために、コンプレッサの第１段におけるインレットガイドベーン１を、ロータの減速が開始される前にその初期位置から翼弦角度が増大する方向へ回転させる。ここで、「翼弦角度」とは、インレットガイドベーン１の前端部２と後端部３を結ぶ線とタービンの軸中心線とがなす角度である。初期位置において、この翼弦角度は例えば−４５°であり、閉鎖状態においてはこれが例えば−６０°となる。なお、本実施の形態において、閉鎖角度は例えば３５°であり、最終的な翼弦角度は−７５〜−８０°となる。
【００２０】
図１ａ及び図１ｂには、矢印Ａで示すコンプレッサ回転方向へ並べられたインレットガイドベーン列が示されている。なお、矢印Ｂはコンプレッサを通過して流れる空気流の方向を示している。
【００２１】
しかして、各インレットガイドベーン１は前端部２及び後端部３を有しており、この前端部２と後端部３を結ぶ線とタービンの軸中心線とがなす角度が翼弦角度αとなっている。図１ａには例えばα＝４５°で配置されたインレットガイドベーン１の初期位置が示されており、図１ｂにはΔα＝１５°の閉鎖角度で閉鎖され、翼弦角度α＝６０°となったインレットガイドベーン１が示されている。なお、この閉鎖角度は、コンプレッサのタイプに応じて１つの１段目、２つの１段目又は３つの一段目に適用される。
【００２２】
また、回転失速の危険を更に低減するために、従来の方法に比して閉鎖割合を高めるようにしている。閉鎖動作は、機械的な限界の範囲内においてできる限り迅速に、例えば１秒間に５〜１０°の範囲、特に１秒間に８〜１０°の範囲で行われる。失速直前（最大振幅が生じる軸速度より約５〜１０％大きな軸速度において）に行われるこのようなインレットガイドベーン１の迅速な閉鎖により、軸の固有振動数と一致する失速状態により軸のアンバランスが生じた際に起きる大きな振動（共振）を低減又は解消することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１ａ】本発明の一実施形態における初期状態のインレットガイドベーン列を示す図である。
【図１ｂ】閉鎖状態における図１と同様なインレットガイドベーン列を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ インレットガイドベーン
２ 前端部
３ 後端部
Ａ コンプレッサ回転方向
Ｂ 空気流の流通方向
α 翼弦角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの停止作業中における該ガスタービンの操作方法において、
コンプレッサを減速するとともに、最大振幅が生じる軸速度より少なくとも５％大きな軸速度において前記コンプレッサのインレットガイドベーン（１）の閉鎖を開始し、該閉鎖を１秒間に５〜１０°の割合で１５〜３５°（Δα）の範囲で行うことを特徴とするガスタービン操作方法。
【請求項２】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、最大振幅が生じる軸速度より１０〜１５％大きな軸速度において開始することを特徴とする請求項１記載のガスタービン操作方法。
【請求項３】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を１秒間に８〜１０°の割合で行うことを特徴とする請求項１記載のガスタービン操作方法。
【請求項４】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、−４５°の角度（α）から−６０°の角度（α＋Δα）まで行うことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項５】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、−４５°の角度（α）から−７５〜−８０°の角度（α＋Δα）まで行うことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項６】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、最大振幅が生じる軸速度より５〜１０％大きな軸速度において開始することを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項７】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、軸速度が最高軸速度の４４〜６０％の範囲で開始することを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項８】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、軸速度が最高軸速度の４８％の時点で開始することを特徴とする請求項７記載のガスタービン操作方法。
【請求項９】
最大振幅を生じる軸速度に到達する前に前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を完了することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のガスタービン操作方法。
【請求項１】
ガスタービンの停止作業中における該ガスタービンの操作方法において、
コンプレッサを減速するとともに、最大振幅が生じる軸速度より少なくとも５％大きな軸速度において前記コンプレッサのインレットガイドベーン（１）の閉鎖を開始し、該閉鎖を１秒間に５〜１０°の割合で１５〜３５°（Δα）の範囲で行うことを特徴とするガスタービン操作方法。
【請求項２】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、最大振幅が生じる軸速度より１０〜１５％大きな軸速度において開始することを特徴とする請求項１記載のガスタービン操作方法。
【請求項３】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を１秒間に８〜１０°の割合で行うことを特徴とする請求項１記載のガスタービン操作方法。
【請求項４】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、−４５°の角度（α）から−６０°の角度（α＋Δα）まで行うことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項５】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、−４５°の角度（α）から−７５〜−８０°の角度（α＋Δα）まで行うことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項６】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、最大振幅が生じる軸速度より５〜１０％大きな軸速度において開始することを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項７】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、軸速度が最高軸速度の４４〜６０％の範囲で開始することを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン操作方法。
【請求項８】
前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を、軸速度が最高軸速度の４８％の時点で開始することを特徴とする請求項７記載のガスタービン操作方法。
【請求項９】
最大振幅を生じる軸速度に到達する前に前記インレットガイドベーン（１）の閉鎖を完了することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のガスタービン操作方法。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｂ】
【公表番号】特表２００９−５３１５９２（Ｐ２００９−５３１５９２Ａ）
【公表日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０１９９９（Ｐ２００９−５０１９９９）
【出願日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０５２１８３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１１０３０８
【国際公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【出願人】（５０３４１６３５３）アルストム テクノロジー リミテッド (394)
【氏名又は名称原語表記】ＡＬＳＴＯＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ７， ＣＨ−５４０１ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０５２１８３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１１０３０８
【国際公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【出願人】（５０３４１６３５３）アルストム テクノロジー リミテッド (394)
【氏名又は名称原語表記】ＡＬＳＴＯＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ７， ＣＨ−５４０１ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
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