ガスタービン用の冷却システム及び対応する作動方法
【課題】ガスタービンの冷却システムに関して、比較的限定的なコストで冷却性能が更に向上したシステムを実現する。
【解決手段】冷却システムは、圧縮機３を用いて作動流体を加圧する段階と、この加圧作動流体を燃焼室５に送給し過熱する段階と、この過熱作動流体を膨張タービン９において膨張させてエネルギーを生成する段階と、圧縮機３からの加圧作動流体の第１のタッピングＦ５を実施して、タービン９の第１のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングＦ５から下流側で作動流体の第２のタッピングＦ６を実施して、第１のキャビティから上流側に置かれたタービン９の第２のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングＦ５を第２のタッピングＦ６に流体接続２２し、部分負荷作動状態中に第２のタッピングＦ６の一部を用いて第１のタッピングＦ５に選択的に送給し、第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持する段階とを含む。
【解決手段】冷却システムは、圧縮機３を用いて作動流体を加圧する段階と、この加圧作動流体を燃焼室５に送給し過熱する段階と、この過熱作動流体を膨張タービン９において膨張させてエネルギーを生成する段階と、圧縮機３からの加圧作動流体の第１のタッピングＦ５を実施して、タービン９の第１のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングＦ５から下流側で作動流体の第２のタッピングＦ６を実施して、第１のキャビティから上流側に置かれたタービン９の第２のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングＦ５を第２のタッピングＦ６に流体接続２２し、部分負荷作動状態中に第２のタッピングＦ６の一部を用いて第１のタッピングＦ５に選択的に送給し、第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持する段階とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンのための方法及びそのそれぞれの冷却システムに関し、本発明はまた、この冷却システムを備えたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、その主要機能において、軸方向圧縮機、複数の燃焼室、及び加圧ボックス内に封入された膨張タービンを備える。大気からの空気が圧縮機に流入し、加圧されて燃焼室に送給され、ここで可燃性燃料と反応して高温（通常、１０００〜１３００℃程度）のガスを形成し、次いで、高温ガスは、膨張経路に沿って膨張タービンに送給され、ここで膨張してブレードを作動させ、その固有熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。
【０００３】
一般に、燃焼室が構成される材料は、破壊を避けるために強力な冷却器を必要とする。これらの材料は、この機械の区域において極高温に曝される。高温ガスに直接曝される膨張タービン構成部品の冷却もまた、機械の効率及び信頼性にとって特に重要である。
【０００４】
実際に、タービンの最大分配可能出力は、基本的には、ガスと直接接触する構成部品が作られる材料の耐性によって実質的に制限されるプロセスガスにより達成可能な最大温度に依存する。
【０００５】
従って、場合によっては機械が壊損することになる破壊の可能性を低減しながら、最大分配出力を向上させるために、これらの構成部品を正確に冷却することが極めて重要である。
【０００６】
プロセスガスの温度は、膨張経路に沿って減少し、ここで高温に曝される構成部品は、燃焼室と近接した膨張経路から上流側に配列される点に留意されたい。実際に、これらの構成部品が冷却されない場合には、これらは、特別な材料で作られるか、又は熱障壁を備えないときでも、高温ガスに直接的には曝されない構成部品よりも劣化するのが遙かに早い。
【０００７】
詳細には、膨張経路から上流側に配列されたこれらの構成部品が重要であることを考慮して、幾つかの冷却技術が開発されてきたが、これらの技術は、当業者にはよく知られるように、とりわけ、フィルム冷却、衝突冷却、強制乱流又は熱障壁の利用など、生成及び維持のコストが高価である。
【０００８】
また、最大温度のガスに直接曝される構成部品の冷却システムは一般に、冷却空気の流れの調節をもたらし、更にこれらの構成部品の１つの冷却を修正して、システムに対するかなりの修正又は構成部品の交換が必要となる場合が多く、従って、メンテナンス及び修復コストが増大する結果となる点に留意されたい。
【０００９】
他方、プロセスガスに直接曝されない膨張タービンの構成部品及び区域が存在し、一般にこれらは、組み立てのために特別な材料を必要とせず、冷却されない場合、プロセスガスに直接曝される構成部品に比べてあまり迅速には劣化しない。従って、これらの構成部品はあまり重要ではなく、冷却に使用される技術は簡単で安価なものである。
【００１０】
現在のところ、このような技術が開発されたが、依然として問題があり、従って、比較的限定的なコストで性能が更に向上したガスタービンを実現する必要性があり、これらの機械は、一般に、より良好な性能を提供し、全負荷運転状態にて達成可能な最大温度に耐えることが企図される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、ガスタービンの冷却システムに対して幾つかの改善を実施し、上述の欠点の少なくとも一部に対処することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の特定の目的は、ガスタービンにおいて、特定の動作条件の間に機械の一定の構成部品又は区域の冷却をある程度まで改善する方法及び相対冷却システムを実施することにより提供される。これらの目的及び利点は、基本的に、請求項１による機能方法、請求項４による冷却システム、並びに請求項７によるガスタービンによって得られる。
【００１３】
第１の態様によれば、本発明の目的は、少なくとも以下の段階を含むガスタービンの機能方法であり、該段階は、圧縮機を用いて作動流体を加圧する段階と、この加圧作動流体を少なくとも１つの燃焼室に送給し、そこで過熱する段階と、この過熱作動流体を少なくとも１つの膨張タービンにおいて膨張させてエネルギーを生成する段階と、圧縮機からの加圧作動流体の第１のタッピング（tapping）を実施して、膨張タービンの第１のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングから下流側で作動流体の第２のタッピングを実施して、第１のキャビティから上流側に置かれた膨張タービンの少なくとも第２のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングを第２のタッピングに流体接続し、部分負荷作動状態中に第２のタッピングの一部を用いて第１のタッピングに選択的に送給し、第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持する段階と、を含む。
【００１４】
「膨張タービンのキャビティ」についての本明細書及び添付の請求項の範囲において、膨張タービン内を循環する高温流体には直接曝されることのない全てのキャビティ又はブレードを意図しており、特に、タービンボックス上に作られたステータキャビティ又はタービンのホイールスペースの何れかを意味するものと理解される。
【００１５】
ディスクキャビティ又はホイールスペースは、要するに、ステータ構造と膨張タービンのブレードの支持ディスクとの間のスペース、又は支持ディスクと隣接ディスクとの間のスペースを意味するものと理解され、従って、一般に、図示される機械の全ての構成要素又は部品を含む（以下の説明を参照されたい）。
【００１６】
作動流体は一般に、大気からの空気を圧縮機に吸入することにより作られ、従って、過熱作動流体は、大気と高温の燃焼ガスとの混合気をもたらす。
【００１７】
本発明に関連する特に有利な作用において、調節段階は、特定の用途を有し、例えば、分配出力の小部分だけが必要とされる場合、又は突発的に大気熱範囲が提示された場合、或いは機械始動時など、特定の設置不良か又は特定の大気条件に起因して、キャビティを冷却するのに十分に強い流体の流れを生成するには第１のタッピングの圧力が不十分であるときに有効にされる。
【００１８】
詳細には、一部の産業応用では、全負荷で常に作動して、発電機を誘導するのに使用されるタービンなど、広い一定の取り出しで利用可能な最大量のエネルギーを提供するように特に設計されたガスタービンがある点に留意されたい。この事例では、作動状態は、大部分は、機械の始動時又は遮断時の状態に相当し、或いは、不可避的な即座の機械遮断に相当する。
【００１９】
他方、他の産業応用では、タービンは、航空モータとして使用され、又は可変負荷（圧縮機又はその他）で機械を動作させるタービンなど、全負荷では作動せず、可変量のエネルギー取り出しを供給するよう特に設計される。
【００２０】
有利な作用形態によれば、同じベーンの内部の適切な位置に配置された温度センサを通じて、第１のキャビティの温度を常に直接監視する、或いは、１つ又はそれ以上の参照熱力学的パラメータを通じて、軸流圧縮機からの温度及び／又は圧力、無負荷ガスの温度、機械の出力、機械の負荷、並びに圧縮機内のあらゆる異なる形状のブレードの傾斜、又はその他を間接的に監視する追加の段が配置される。
【００２１】
別の態様によれば、本発明は、ガスタービンの冷却システムに関し、本発明はまた、ガスタービンに関し、圧縮機からの加圧作動流体の第１のタッピングを実施して、加圧作動流体を少なくとも第１のキャビティに送給して冷却するのに好適な第１のダクトと、第１のタッピングから下流側で作動流体の第２のタッピングを実施して、これを第１のキャビティから上流側に配列されたタービンの少なくとも第２のキャビティに送給して冷却するのに好適な第２のダクトと、部分負荷作動状態中に第１のタッピングの流れを選択的に増大させて、少なくとも第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するため、第１のタッピングを第２のタッピングと組み合わせるのに好適な流体力学システムと、作動パラメータの監視に基づいて部分負荷作動状態中に第２のタッピングからの作動流体の一部を第１のダクトに選択的に送給し、第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するように、流体力学システムに電気的に接続される制御システムとを備える。
【００２２】
制御システムは、同じベーンの内部の適切な位置に配置された温度センサを通じて、第１のキャビティの温度を常に直接監視できる、或いは、１つ又はそれ以上の参照熱力学的パラメータを通じて、軸流圧縮機からの温度及び／又は圧力、無負荷ガスの温度、機械の出力、機械の負荷、並びに圧縮機内のあらゆる異なる形状のブレードの傾斜、又はその他を間接的に監視することができるのが有利である。
【００２３】
好ましくは、上述の流体力学システムは、第１のダクトに流体的に関連付けられた排出装置と、第２のダクトと排出装置を流体的に接続するのに好適な接続バルブを有する接続ダクトとによって実施される。排出装置は、有利且つ好ましくは、第２のダクトから続く流体の突発的膨張によって第１のダクトからの流体の流れを増大させるように凹部を生成するのに好適であり、更に排出装置は、好ましくは、流れを実質的に一方向に向けて配光し、或いは、第１のダクトに流入することにより流体の逆流又は再循環を阻止するのに好適である。
【００２４】
第２のタッピングは、圧縮機において第１のタッピングから下流側で行われるので、第１のタッピングの圧力は、第２のタッピングよりも低く、同様に、少なくとも第２のキャビティは、膨張タービンにおいて第１のキャビティから上流に配列され、このため第２のキャビティは、第１のキャビティよりも高い温度のタービンの区域に配置される点に留意されたい。従って、低温の第１のキャビティは、低圧の第１のタッピングで冷却され、高温の第２のキャビティは、高圧の第２のタッピングで冷却され、このようにして機械性能の最適化が行われる。
【００２５】
別の態様によれば、本発明は、上述のタイプの冷却システムを含むガスタービンに関する。
【００２６】
本発明の利点は、全負荷での作動状態の間、或いは、極めて低い部分負荷時、すなわち、第１のバルブでの効果的な冷却を保証するには第１のタッピング圧力が不十分であるときの作動状態の間の何れでも、第１のキャビティを効果的に冷却することができることにより得られる。別の利点は、現行の機械に対して最小の低い流れ（圧縮機内の流体の）の状態で膨張タービンのキャビティを効果的に冷却することができることである。
【００２７】
特定の作用によれば、更なる計装器又は新規のセンサシステムの設置を制限し、容易且つ妥当なコストで新規及び既存の機械の両方にこの冷却システムを実施することができる。
【００２８】
明らかに、本方法及び冷却システムは、冷却流体の極めて信頼性があり且つ多様な規制を考慮すると共に、作動条件及び／又は大気条件に応じて機械の性能の完全且つ綿密な最適化を可能にする。
【００２９】
本発明による方法及び装置を実施する更なる有利な特徴及び手段は、添付の請求項で示され、非限定的な作用の一部の実施例を参照した以下で更に説明されることになる。
【００３０】
ここで見出されるものに制約される実施上の例証を示す添付の概略図を参照すると、本発明を更に実証することができ、その多数の目的及び利点が、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】本発明の作用の一形態による機械の一部の長手方向断面概略図。
【図１Ｂ】図１の実施において提供される装置の概略断面図。
【図２】図１の拡大詳細図。
【図３】図２の拡大詳細図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
同じ参照符号が異なる図全てに対し同じ要素に対応する図面において、タービンは参照符号１（図１を参照）で示され、その主要機能において、軸方向圧縮機２と、複数の燃焼室５（簡単にするために、その１つが図示されている）と、膨張タービン６とを備え、該タービンは、高圧の第１の部分７と低圧の後続部分９とによって形成され、加圧ボックス８内に封入され、最終的にこれらに関連する１つ又はそれ以上のシェルにより形成される。
【００３３】
大気からの空気は、圧縮機の上流側の吸入口に入り（矢印Ｆ１を参照）、ここで加圧されて適切な流れ１１により燃焼室５に送給され（矢印Ｆ２）、燃焼室５において、加圧空気が可燃性燃料と反応して通常は１０００〜１３００℃程度の高温ガスを形成する。高温ガスは、高圧部にある膨張タービン７に送給され（矢印Ｆ３）、続いて膨張経路に沿って（参照符号１２で全体的に示される）低圧タービン９に送給され、ここで膨張してその固有熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、最後に、膨張ガスが機械から流出する（Ｆ４）。
【００３４】
高圧の膨張タービン７は一般に、１つ又はそれ以上のロータ１３Ｒ及びステータブレード１３Ｓにより加圧されて、軸線Ｘ１の周りを第１の回転シャフト１７を通じて圧縮機３を作動させ、低圧の膨張タービン９はまた、１つ又はそれ以上のロータ１５Ｒ及びステータブレード１５Ｓ（同様に図２を参照）から構成され、第１の回転シャフト１７と同軸の第２の回転シャフト１８を通じて外部機械（一般に、限定ではないが、電流発生器、又は圧縮機（簡単にするために図示していない））を作動させる。特定の機械により作られた上述の第１及び第２のシャフト１７、１８の代わりに、単一の連続したシャフトを配置できる点は、当業者には明らかである。
【００３５】
膨張タービン７のロータブレード１３Ｒは、それぞれ組み込まれた回転ディスク１７Ａによりシャフト１７に機械的に接続され、ステータブレード１３Ｓは、共にシャフト１７が取り付けられるそれぞれの組み込みステータディスク１７Ｂから付随してシールされ、ディスク１７Ａ及び１７Ｂは、互いに交互に配列され、共に強固に結合されて単一の回転部品を形成する。同様に、低圧膨張タービン９のロータブレード１５Ｒは、それぞれ組み込まれた回転ディスク１８Ａによってシャフト１８に機械的に接続される。タービン９のステータブレード１５５は、共にシャフト１８が取り付けられるそれぞれの組み込みステータディスク１８Ｂから付随してシールされ、ディスク１８Ａ及び１８Ｂは、互いに交互に配列され、共に強固に結合される。以下の説明を参照されたい。
【００３６】
また、当業者には理解されるように、一般にシールは、ディスク１７Ａ、１７Ｂ及び１８Ａ、１８Ｂ、ブレード１３Ｒ、１３Ｓ及び１５Ｓ、１５Ｒと、ボックス８との間の所定位置にあり、膨張経路１１に沿ってガスを最大限隔離して機械性能を向上させるようにする点に留意されたい。
【００３７】
本発明の有利な作用に続いて、流体力学装置２７Ａを備えた第１のダクト２１が所定位置に配置され（図１Ｂと共に本説明を参照されたい）、該ダクト２１は、圧縮機３からの加圧作動流体の第１のタッピングを実施して第１のキャビティＳ１に送給するのに適切であり、更に、第１のタッピングから下流側で圧縮機３からの作動流体の第２のタッピングを実施して、冷却のため第１のキャビティＳ１から上流側の第２のキャビティＳ２及びＳ３に送給するのに好適な第２のダクト２３と、流体力学装置２７Ａ及び第２のダクト２３を流体接続するのに好適な接続バルブ２７Ｂを備えた接続ダクト２２が所定位置に配置されている。
【００３８】
制御システムＣは、バルブ２７Ｂに電気的に接続され、特定の作動状態の間に第２のタッピングの一部を第１のダクト２１に選択的に送給し、第１のキャビティＳ１の温度を材料耐性の許容限度内に維持する。
【００３９】
図１はまた、回転シャフト１７用の機械的支持パッド３３と、実質的に膨張経路１１に沿ったガス圧力に応じて、低圧タービン９から高圧膨張タービン７を分離すると予測されるサーマルプロテクタ２９とを示す。このプロテクタ２９は、プロジェクト仕様がこれを必要としない場合には、省略することができる。
【００４０】
次に、本図は、圧縮機３からシャフト１７内に同軸に描かれたベーン３７まで流れを流体的に接続したチャンネル３５を示しており、該チャンネル３５は、どのような形態の調節又は制御も行うことなくチャンネル３５内で遮断される（矢印Ｆ９）作動流体の一部を通じて定常冷却を行うよう高圧膨張タービン７の回転スペースと流体接続している。しかしながら、本発明と組み合わせて幾つかの公知の冷却システムを用いることができ、これらは簡単にするために、ここでは提示していない。
【００４１】
図１Ｂは、吸入口１２７Ａ、ノズル１２７Ｂ、モータ流体入口１２７Ｃ、蒸気チャンバ１２７Ｄ、及びディフューザ１２７Ｅを備えた、排出タイプの流体力学装置２７Ａを概略的に記載している。
【００４２】
要約すると、ダクト２１は、排出装置２７Ａ内で第１のタッピングの流体を送給（矢印Ｆ５）し、接続ダクト２２は、バルブ２７Ｂが開いているときに排出装置２７Ａを通じて第２のタッピングの流体を送給（矢印Ｆｃ）する。第２のタッピングの流体は、一般に、第１のタッピングからの流体よりも大きな運動量（換言すると圧力）を提供し、これにより、排出装置からの運動量（すなわち圧力）は、第１及び第２のタッピングの圧力に対し中間値に高められる。更に、排出装置２７Ａは、この圧力の結果として、流体が第１のダクト２１を通って圧縮機３に戻るのを阻止する。
【００４３】
明らかに、この排出装置２７Ａは、例証として本明細書で提示されており、目的に好適な他の何れかのタイプのものであってもよい。図２は、図１の膨張タービン９の拡大図であり、ここでは特に、第１の回転ディスク１８Ａと第２の回転ディスク１８Ａとの間（これらの間に第１のステータディスク１８Ｂが配置される）に形成された第１のホイールスペースＳ１と、サーマルプロテクタ２９と第１の回転ディスク１８Ａとの間に形成される第２のホイールスペースＳ２と、第２の回転ディスク１８Ａとボックス８との間に形成される第３の最後のホイールスペースＳ３とがあることが分かる。ホイールスペースＳ１〜Ｓ３は、ボックス８の横方向壁内に封入される。
【００４４】
上述の作用形態に続いて、第１のダクト２１は、ボックス８内に描かれた第２のステータブレード８Ｓ”を通り、続いて、膨張低圧タービン９の第２及び第３のホイールスペースＳ２及びＳ３にそれぞれ導入されることになる第２のステータブレード１５Ｓを通り、第２のダクト２３は、ボックス８内に描かれた第１のステータブレード８Ｓ’を通り、次いで、膨張低圧タービン９の第１のホイールスペースＳ１に導入されることになる第１のステータブレード１５Ｓを通る。
【００４５】
明らかに、ボックス８、ステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”、ブレード１３Ｒ、１３Ｓ、及び１５Ｒ、１５Ｓ、並びにホイールスペースＳ１、Ｓ２及びＳ３の形状は、例証として提示されたものであり、構造又は用途の特定要件に応じた異なる数及び形状を配置してもよく、例えば、ステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”を提示しなくてもよく、従って、ブレード１８Ｓ’及び１６Ｓ”は、ボックス８上に直接固定することができ、チャンネル２１及び２３もまた、異なる数又はその他で配列することができる。
【００４６】
有利には、第１のセンサ２９Ａ（図３を参照）は、好ましくは同じブレード１５Ｓに近接して最大温度を引き上げるような位置で第２のホイールスペースＳ２内に配置され、第２及び第３のセンサ２９Ｂ及び２９Ｃは同じブレード１５Ｓ内に配置され、第２及び第３のセンサ２９Ｂ及び２９Ｃは、第１のベーンホイールスペースＳ１内に配置され、この１つがまた機械作動時に最大温度を引き上げるような位置で配置され、第４のセンサ２９Ｄは、ホイールスペースＳ３内の適切な位置に配置される。これらのセンサ２９Ａ〜２９Ｄは、制御ユニットＣ（図１を参照）に電気的に接続され、これにより監視される。このようにして、制御ユニットＣは、ホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度変化を直接且つリアルタイムで監視し、必要な時にバルブ２７Ｂを作動させることができる。
【００４７】
別の有利な実施の形態において、外部温度用センサ２９Ｅ、軸流圧縮機３からの温度及び／又は圧力用センサ２９Ｆ、機械の排気管からのガスの温度用センサ２９Ｇ、機械の出力用センサ２９Ｈ、機械の負荷を測定するため、又は圧縮機３又はその他の内部に置かれた異なる形状のブレード（簡単にするために図示していない）の傾斜を監視（図示せず）するためのセンサ２９Ｉなど、１つ又はそれ以上の参照熱力学的パラメータを監視するのに好適な１つ又はそれ以上のセンサを用いて、各ホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度を間接的に監視することを可能にすることができる。この事例では、制御ユニットＣは、センサ２９Ｅ〜２９Ｉからのデータを受け取り、これのデータから必要に応じてバルブ２７Ｂを作動させる目的でホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度の変動を引き出す。このことは、センサ２９Ａ〜２９Ｉ以外の数及び／又は型式を提供できること、或いは、特定のタービン１内に従来通りに設置されたセンサの少なくとも一部を用いることができることを排除するものではない。図３は、従来のラビリンスシーラント３１を用いて第１のステータディスク１８Ｂの上端から付随してシールされた下端が提示されたステータブレード１５Ｓを詳細に示しており、ロータブレード１５Ｒは、各ホイールスペースＳ１〜Ｓ３と膨張チャンネル１２との間で、通常は冷却空気が排出される通過開口を制限する部分フラップを提供している。
【００４８】
ステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”では、ボックス８の外側に継手又は固定区域があり、これらはプロセスガスと直接接触せず、高温ガスの何れかの吸入を排除又は制限するメカニカルシール（簡単にするために図示していない）を提供することができ、従って、これらのステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”は、独立した冷却システムを提供することができる。これは、本発明が、特定の用途又は必要性に応じてこれらのステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”（上述のように）を少なくとも部分的に冷却するのに適用できることを排除するものではない。
【００４９】
特に、本発明による冷却システムは、膨張経路１２内を循環する高温流体には直接曝されることのない膨張タービンの他のキャビティを冷却する一手段として、以下の様々な無数の構成を実施することができる。図２及び図３を参照して示された実施の形態は、事実上例証として記載されており、この作用に本発明を限定するものではない。例えば、チャンネル２１及び／又は２３は、他のステータブレードを流体接続し、これを直接冷却することができ、又は、より多くのチャンネル２１、２３を機械内の様々なキャビティを冷却するのに設けることができ、或いは、単一の流体流を用いて、より多くのキャビティを冷却するのに特定の流体力学経路を用いることができる。
【００５０】
本発明による冷却システムの作動は、機械が高負荷作動状態で動作している場合、或いは、ダクト２１内の流体圧力が、ベーンＳ１を効率的に冷却するのに十分に高いときには、チャンネル２１及び２３がそれぞれのブレードＳ１、Ｓ２、Ｓ３内の冷却流体を独立して送給することができる。他方、機械が部分負荷作動状態で動作する場合、或いは、ダクト２１内の圧力がベーンＳ１を効率的に冷却するのに不十分である場合、チャンネル２３は、上述の装置を通じてチャンネル２１に流体接続される。
【００５１】
上述の部分負荷作動状態は、機械の分配出力が作動仕様に適合するよう低下されたとき、或いは、雰囲気条件が有意に変動した（例えば、地球の特定の地域における日中と夜間の間）ときなどに実施することができる。これらの事例では、冷却システムは、全てのホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度を許容値以内に維持するよう冷却流体を調節する。
【００５２】
上述の冷却システムは、ロータブレード及びステータブレードの冷却システム並びに機械的軸受のためのものなど、性能及び高い熱効率を備えた特定の有効な機械を得ることで知られた冷却と組み合わせて実施するのが好ましい。
【００５３】
更に、本明細書で記載されるシステムが請求項に記載される場合には、特定の応用に応じて一定量の冷却空気の流入を可能にする、ホイールスペース用の従来の冷却システムと組み合わせて実施することができる。
【００５４】
明らかに、冷却回路内の１つ又はそれ以上の冷却装置を連結し、又は、機械構成部品の性能の完全且つ綿密な最適化並びに有効寿命の相当な増加の様々な制御法を実施することができる。
【００５５】
例証の目的は、実施可能な作用の形態を単に提供することに過ぎず、これらは本発明を限定するものではなく、本発明の基本的範囲から逸脱することなく形態及び配置を変えることができる。添付の請求項において参照符号が存在することは、上記の明細書及び添付図面を参照した理解を容易にする目的に過ぎず、特許保護される範囲をどのようにも限定するものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１ タービン
２ 軸方向圧縮機
５ 燃焼室
６ 膨張タービン
８ 加圧ボックス
１３Ｒ ロータ
１３Ｓ ステータブレード
１７ 第１の回転シャフト
１８ 第２の回転シャフト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンのための方法及びそのそれぞれの冷却システムに関し、本発明はまた、この冷却システムを備えたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、その主要機能において、軸方向圧縮機、複数の燃焼室、及び加圧ボックス内に封入された膨張タービンを備える。大気からの空気が圧縮機に流入し、加圧されて燃焼室に送給され、ここで可燃性燃料と反応して高温（通常、１０００〜１３００℃程度）のガスを形成し、次いで、高温ガスは、膨張経路に沿って膨張タービンに送給され、ここで膨張してブレードを作動させ、その固有熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。
【０００３】
一般に、燃焼室が構成される材料は、破壊を避けるために強力な冷却器を必要とする。これらの材料は、この機械の区域において極高温に曝される。高温ガスに直接曝される膨張タービン構成部品の冷却もまた、機械の効率及び信頼性にとって特に重要である。
【０００４】
実際に、タービンの最大分配可能出力は、基本的には、ガスと直接接触する構成部品が作られる材料の耐性によって実質的に制限されるプロセスガスにより達成可能な最大温度に依存する。
【０００５】
従って、場合によっては機械が壊損することになる破壊の可能性を低減しながら、最大分配出力を向上させるために、これらの構成部品を正確に冷却することが極めて重要である。
【０００６】
プロセスガスの温度は、膨張経路に沿って減少し、ここで高温に曝される構成部品は、燃焼室と近接した膨張経路から上流側に配列される点に留意されたい。実際に、これらの構成部品が冷却されない場合には、これらは、特別な材料で作られるか、又は熱障壁を備えないときでも、高温ガスに直接的には曝されない構成部品よりも劣化するのが遙かに早い。
【０００７】
詳細には、膨張経路から上流側に配列されたこれらの構成部品が重要であることを考慮して、幾つかの冷却技術が開発されてきたが、これらの技術は、当業者にはよく知られるように、とりわけ、フィルム冷却、衝突冷却、強制乱流又は熱障壁の利用など、生成及び維持のコストが高価である。
【０００８】
また、最大温度のガスに直接曝される構成部品の冷却システムは一般に、冷却空気の流れの調節をもたらし、更にこれらの構成部品の１つの冷却を修正して、システムに対するかなりの修正又は構成部品の交換が必要となる場合が多く、従って、メンテナンス及び修復コストが増大する結果となる点に留意されたい。
【０００９】
他方、プロセスガスに直接曝されない膨張タービンの構成部品及び区域が存在し、一般にこれらは、組み立てのために特別な材料を必要とせず、冷却されない場合、プロセスガスに直接曝される構成部品に比べてあまり迅速には劣化しない。従って、これらの構成部品はあまり重要ではなく、冷却に使用される技術は簡単で安価なものである。
【００１０】
現在のところ、このような技術が開発されたが、依然として問題があり、従って、比較的限定的なコストで性能が更に向上したガスタービンを実現する必要性があり、これらの機械は、一般に、より良好な性能を提供し、全負荷運転状態にて達成可能な最大温度に耐えることが企図される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、ガスタービンの冷却システムに対して幾つかの改善を実施し、上述の欠点の少なくとも一部に対処することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の特定の目的は、ガスタービンにおいて、特定の動作条件の間に機械の一定の構成部品又は区域の冷却をある程度まで改善する方法及び相対冷却システムを実施することにより提供される。これらの目的及び利点は、基本的に、請求項１による機能方法、請求項４による冷却システム、並びに請求項７によるガスタービンによって得られる。
【００１３】
第１の態様によれば、本発明の目的は、少なくとも以下の段階を含むガスタービンの機能方法であり、該段階は、圧縮機を用いて作動流体を加圧する段階と、この加圧作動流体を少なくとも１つの燃焼室に送給し、そこで過熱する段階と、この過熱作動流体を少なくとも１つの膨張タービンにおいて膨張させてエネルギーを生成する段階と、圧縮機からの加圧作動流体の第１のタッピング（tapping）を実施して、膨張タービンの第１のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングから下流側で作動流体の第２のタッピングを実施して、第１のキャビティから上流側に置かれた膨張タービンの少なくとも第２のキャビティに送給し冷却する段階と、第１のタッピングを第２のタッピングに流体接続し、部分負荷作動状態中に第２のタッピングの一部を用いて第１のタッピングに選択的に送給し、第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持する段階と、を含む。
【００１４】
「膨張タービンのキャビティ」についての本明細書及び添付の請求項の範囲において、膨張タービン内を循環する高温流体には直接曝されることのない全てのキャビティ又はブレードを意図しており、特に、タービンボックス上に作られたステータキャビティ又はタービンのホイールスペースの何れかを意味するものと理解される。
【００１５】
ディスクキャビティ又はホイールスペースは、要するに、ステータ構造と膨張タービンのブレードの支持ディスクとの間のスペース、又は支持ディスクと隣接ディスクとの間のスペースを意味するものと理解され、従って、一般に、図示される機械の全ての構成要素又は部品を含む（以下の説明を参照されたい）。
【００１６】
作動流体は一般に、大気からの空気を圧縮機に吸入することにより作られ、従って、過熱作動流体は、大気と高温の燃焼ガスとの混合気をもたらす。
【００１７】
本発明に関連する特に有利な作用において、調節段階は、特定の用途を有し、例えば、分配出力の小部分だけが必要とされる場合、又は突発的に大気熱範囲が提示された場合、或いは機械始動時など、特定の設置不良か又は特定の大気条件に起因して、キャビティを冷却するのに十分に強い流体の流れを生成するには第１のタッピングの圧力が不十分であるときに有効にされる。
【００１８】
詳細には、一部の産業応用では、全負荷で常に作動して、発電機を誘導するのに使用されるタービンなど、広い一定の取り出しで利用可能な最大量のエネルギーを提供するように特に設計されたガスタービンがある点に留意されたい。この事例では、作動状態は、大部分は、機械の始動時又は遮断時の状態に相当し、或いは、不可避的な即座の機械遮断に相当する。
【００１９】
他方、他の産業応用では、タービンは、航空モータとして使用され、又は可変負荷（圧縮機又はその他）で機械を動作させるタービンなど、全負荷では作動せず、可変量のエネルギー取り出しを供給するよう特に設計される。
【００２０】
有利な作用形態によれば、同じベーンの内部の適切な位置に配置された温度センサを通じて、第１のキャビティの温度を常に直接監視する、或いは、１つ又はそれ以上の参照熱力学的パラメータを通じて、軸流圧縮機からの温度及び／又は圧力、無負荷ガスの温度、機械の出力、機械の負荷、並びに圧縮機内のあらゆる異なる形状のブレードの傾斜、又はその他を間接的に監視する追加の段が配置される。
【００２１】
別の態様によれば、本発明は、ガスタービンの冷却システムに関し、本発明はまた、ガスタービンに関し、圧縮機からの加圧作動流体の第１のタッピングを実施して、加圧作動流体を少なくとも第１のキャビティに送給して冷却するのに好適な第１のダクトと、第１のタッピングから下流側で作動流体の第２のタッピングを実施して、これを第１のキャビティから上流側に配列されたタービンの少なくとも第２のキャビティに送給して冷却するのに好適な第２のダクトと、部分負荷作動状態中に第１のタッピングの流れを選択的に増大させて、少なくとも第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するため、第１のタッピングを第２のタッピングと組み合わせるのに好適な流体力学システムと、作動パラメータの監視に基づいて部分負荷作動状態中に第２のタッピングからの作動流体の一部を第１のダクトに選択的に送給し、第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するように、流体力学システムに電気的に接続される制御システムとを備える。
【００２２】
制御システムは、同じベーンの内部の適切な位置に配置された温度センサを通じて、第１のキャビティの温度を常に直接監視できる、或いは、１つ又はそれ以上の参照熱力学的パラメータを通じて、軸流圧縮機からの温度及び／又は圧力、無負荷ガスの温度、機械の出力、機械の負荷、並びに圧縮機内のあらゆる異なる形状のブレードの傾斜、又はその他を間接的に監視することができるのが有利である。
【００２３】
好ましくは、上述の流体力学システムは、第１のダクトに流体的に関連付けられた排出装置と、第２のダクトと排出装置を流体的に接続するのに好適な接続バルブを有する接続ダクトとによって実施される。排出装置は、有利且つ好ましくは、第２のダクトから続く流体の突発的膨張によって第１のダクトからの流体の流れを増大させるように凹部を生成するのに好適であり、更に排出装置は、好ましくは、流れを実質的に一方向に向けて配光し、或いは、第１のダクトに流入することにより流体の逆流又は再循環を阻止するのに好適である。
【００２４】
第２のタッピングは、圧縮機において第１のタッピングから下流側で行われるので、第１のタッピングの圧力は、第２のタッピングよりも低く、同様に、少なくとも第２のキャビティは、膨張タービンにおいて第１のキャビティから上流に配列され、このため第２のキャビティは、第１のキャビティよりも高い温度のタービンの区域に配置される点に留意されたい。従って、低温の第１のキャビティは、低圧の第１のタッピングで冷却され、高温の第２のキャビティは、高圧の第２のタッピングで冷却され、このようにして機械性能の最適化が行われる。
【００２５】
別の態様によれば、本発明は、上述のタイプの冷却システムを含むガスタービンに関する。
【００２６】
本発明の利点は、全負荷での作動状態の間、或いは、極めて低い部分負荷時、すなわち、第１のバルブでの効果的な冷却を保証するには第１のタッピング圧力が不十分であるときの作動状態の間の何れでも、第１のキャビティを効果的に冷却することができることにより得られる。別の利点は、現行の機械に対して最小の低い流れ（圧縮機内の流体の）の状態で膨張タービンのキャビティを効果的に冷却することができることである。
【００２７】
特定の作用によれば、更なる計装器又は新規のセンサシステムの設置を制限し、容易且つ妥当なコストで新規及び既存の機械の両方にこの冷却システムを実施することができる。
【００２８】
明らかに、本方法及び冷却システムは、冷却流体の極めて信頼性があり且つ多様な規制を考慮すると共に、作動条件及び／又は大気条件に応じて機械の性能の完全且つ綿密な最適化を可能にする。
【００２９】
本発明による方法及び装置を実施する更なる有利な特徴及び手段は、添付の請求項で示され、非限定的な作用の一部の実施例を参照した以下で更に説明されることになる。
【００３０】
ここで見出されるものに制約される実施上の例証を示す添付の概略図を参照すると、本発明を更に実証することができ、その多数の目的及び利点が、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】本発明の作用の一形態による機械の一部の長手方向断面概略図。
【図１Ｂ】図１の実施において提供される装置の概略断面図。
【図２】図１の拡大詳細図。
【図３】図２の拡大詳細図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
同じ参照符号が異なる図全てに対し同じ要素に対応する図面において、タービンは参照符号１（図１を参照）で示され、その主要機能において、軸方向圧縮機２と、複数の燃焼室５（簡単にするために、その１つが図示されている）と、膨張タービン６とを備え、該タービンは、高圧の第１の部分７と低圧の後続部分９とによって形成され、加圧ボックス８内に封入され、最終的にこれらに関連する１つ又はそれ以上のシェルにより形成される。
【００３３】
大気からの空気は、圧縮機の上流側の吸入口に入り（矢印Ｆ１を参照）、ここで加圧されて適切な流れ１１により燃焼室５に送給され（矢印Ｆ２）、燃焼室５において、加圧空気が可燃性燃料と反応して通常は１０００〜１３００℃程度の高温ガスを形成する。高温ガスは、高圧部にある膨張タービン７に送給され（矢印Ｆ３）、続いて膨張経路に沿って（参照符号１２で全体的に示される）低圧タービン９に送給され、ここで膨張してその固有熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、最後に、膨張ガスが機械から流出する（Ｆ４）。
【００３４】
高圧の膨張タービン７は一般に、１つ又はそれ以上のロータ１３Ｒ及びステータブレード１３Ｓにより加圧されて、軸線Ｘ１の周りを第１の回転シャフト１７を通じて圧縮機３を作動させ、低圧の膨張タービン９はまた、１つ又はそれ以上のロータ１５Ｒ及びステータブレード１５Ｓ（同様に図２を参照）から構成され、第１の回転シャフト１７と同軸の第２の回転シャフト１８を通じて外部機械（一般に、限定ではないが、電流発生器、又は圧縮機（簡単にするために図示していない））を作動させる。特定の機械により作られた上述の第１及び第２のシャフト１７、１８の代わりに、単一の連続したシャフトを配置できる点は、当業者には明らかである。
【００３５】
膨張タービン７のロータブレード１３Ｒは、それぞれ組み込まれた回転ディスク１７Ａによりシャフト１７に機械的に接続され、ステータブレード１３Ｓは、共にシャフト１７が取り付けられるそれぞれの組み込みステータディスク１７Ｂから付随してシールされ、ディスク１７Ａ及び１７Ｂは、互いに交互に配列され、共に強固に結合されて単一の回転部品を形成する。同様に、低圧膨張タービン９のロータブレード１５Ｒは、それぞれ組み込まれた回転ディスク１８Ａによってシャフト１８に機械的に接続される。タービン９のステータブレード１５５は、共にシャフト１８が取り付けられるそれぞれの組み込みステータディスク１８Ｂから付随してシールされ、ディスク１８Ａ及び１８Ｂは、互いに交互に配列され、共に強固に結合される。以下の説明を参照されたい。
【００３６】
また、当業者には理解されるように、一般にシールは、ディスク１７Ａ、１７Ｂ及び１８Ａ、１８Ｂ、ブレード１３Ｒ、１３Ｓ及び１５Ｓ、１５Ｒと、ボックス８との間の所定位置にあり、膨張経路１１に沿ってガスを最大限隔離して機械性能を向上させるようにする点に留意されたい。
【００３７】
本発明の有利な作用に続いて、流体力学装置２７Ａを備えた第１のダクト２１が所定位置に配置され（図１Ｂと共に本説明を参照されたい）、該ダクト２１は、圧縮機３からの加圧作動流体の第１のタッピングを実施して第１のキャビティＳ１に送給するのに適切であり、更に、第１のタッピングから下流側で圧縮機３からの作動流体の第２のタッピングを実施して、冷却のため第１のキャビティＳ１から上流側の第２のキャビティＳ２及びＳ３に送給するのに好適な第２のダクト２３と、流体力学装置２７Ａ及び第２のダクト２３を流体接続するのに好適な接続バルブ２７Ｂを備えた接続ダクト２２が所定位置に配置されている。
【００３８】
制御システムＣは、バルブ２７Ｂに電気的に接続され、特定の作動状態の間に第２のタッピングの一部を第１のダクト２１に選択的に送給し、第１のキャビティＳ１の温度を材料耐性の許容限度内に維持する。
【００３９】
図１はまた、回転シャフト１７用の機械的支持パッド３３と、実質的に膨張経路１１に沿ったガス圧力に応じて、低圧タービン９から高圧膨張タービン７を分離すると予測されるサーマルプロテクタ２９とを示す。このプロテクタ２９は、プロジェクト仕様がこれを必要としない場合には、省略することができる。
【００４０】
次に、本図は、圧縮機３からシャフト１７内に同軸に描かれたベーン３７まで流れを流体的に接続したチャンネル３５を示しており、該チャンネル３５は、どのような形態の調節又は制御も行うことなくチャンネル３５内で遮断される（矢印Ｆ９）作動流体の一部を通じて定常冷却を行うよう高圧膨張タービン７の回転スペースと流体接続している。しかしながら、本発明と組み合わせて幾つかの公知の冷却システムを用いることができ、これらは簡単にするために、ここでは提示していない。
【００４１】
図１Ｂは、吸入口１２７Ａ、ノズル１２７Ｂ、モータ流体入口１２７Ｃ、蒸気チャンバ１２７Ｄ、及びディフューザ１２７Ｅを備えた、排出タイプの流体力学装置２７Ａを概略的に記載している。
【００４２】
要約すると、ダクト２１は、排出装置２７Ａ内で第１のタッピングの流体を送給（矢印Ｆ５）し、接続ダクト２２は、バルブ２７Ｂが開いているときに排出装置２７Ａを通じて第２のタッピングの流体を送給（矢印Ｆｃ）する。第２のタッピングの流体は、一般に、第１のタッピングからの流体よりも大きな運動量（換言すると圧力）を提供し、これにより、排出装置からの運動量（すなわち圧力）は、第１及び第２のタッピングの圧力に対し中間値に高められる。更に、排出装置２７Ａは、この圧力の結果として、流体が第１のダクト２１を通って圧縮機３に戻るのを阻止する。
【００４３】
明らかに、この排出装置２７Ａは、例証として本明細書で提示されており、目的に好適な他の何れかのタイプのものであってもよい。図２は、図１の膨張タービン９の拡大図であり、ここでは特に、第１の回転ディスク１８Ａと第２の回転ディスク１８Ａとの間（これらの間に第１のステータディスク１８Ｂが配置される）に形成された第１のホイールスペースＳ１と、サーマルプロテクタ２９と第１の回転ディスク１８Ａとの間に形成される第２のホイールスペースＳ２と、第２の回転ディスク１８Ａとボックス８との間に形成される第３の最後のホイールスペースＳ３とがあることが分かる。ホイールスペースＳ１〜Ｓ３は、ボックス８の横方向壁内に封入される。
【００４４】
上述の作用形態に続いて、第１のダクト２１は、ボックス８内に描かれた第２のステータブレード８Ｓ”を通り、続いて、膨張低圧タービン９の第２及び第３のホイールスペースＳ２及びＳ３にそれぞれ導入されることになる第２のステータブレード１５Ｓを通り、第２のダクト２３は、ボックス８内に描かれた第１のステータブレード８Ｓ’を通り、次いで、膨張低圧タービン９の第１のホイールスペースＳ１に導入されることになる第１のステータブレード１５Ｓを通る。
【００４５】
明らかに、ボックス８、ステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”、ブレード１３Ｒ、１３Ｓ、及び１５Ｒ、１５Ｓ、並びにホイールスペースＳ１、Ｓ２及びＳ３の形状は、例証として提示されたものであり、構造又は用途の特定要件に応じた異なる数及び形状を配置してもよく、例えば、ステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”を提示しなくてもよく、従って、ブレード１８Ｓ’及び１６Ｓ”は、ボックス８上に直接固定することができ、チャンネル２１及び２３もまた、異なる数又はその他で配列することができる。
【００４６】
有利には、第１のセンサ２９Ａ（図３を参照）は、好ましくは同じブレード１５Ｓに近接して最大温度を引き上げるような位置で第２のホイールスペースＳ２内に配置され、第２及び第３のセンサ２９Ｂ及び２９Ｃは同じブレード１５Ｓ内に配置され、第２及び第３のセンサ２９Ｂ及び２９Ｃは、第１のベーンホイールスペースＳ１内に配置され、この１つがまた機械作動時に最大温度を引き上げるような位置で配置され、第４のセンサ２９Ｄは、ホイールスペースＳ３内の適切な位置に配置される。これらのセンサ２９Ａ〜２９Ｄは、制御ユニットＣ（図１を参照）に電気的に接続され、これにより監視される。このようにして、制御ユニットＣは、ホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度変化を直接且つリアルタイムで監視し、必要な時にバルブ２７Ｂを作動させることができる。
【００４７】
別の有利な実施の形態において、外部温度用センサ２９Ｅ、軸流圧縮機３からの温度及び／又は圧力用センサ２９Ｆ、機械の排気管からのガスの温度用センサ２９Ｇ、機械の出力用センサ２９Ｈ、機械の負荷を測定するため、又は圧縮機３又はその他の内部に置かれた異なる形状のブレード（簡単にするために図示していない）の傾斜を監視（図示せず）するためのセンサ２９Ｉなど、１つ又はそれ以上の参照熱力学的パラメータを監視するのに好適な１つ又はそれ以上のセンサを用いて、各ホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度を間接的に監視することを可能にすることができる。この事例では、制御ユニットＣは、センサ２９Ｅ〜２９Ｉからのデータを受け取り、これのデータから必要に応じてバルブ２７Ｂを作動させる目的でホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度の変動を引き出す。このことは、センサ２９Ａ〜２９Ｉ以外の数及び／又は型式を提供できること、或いは、特定のタービン１内に従来通りに設置されたセンサの少なくとも一部を用いることができることを排除するものではない。図３は、従来のラビリンスシーラント３１を用いて第１のステータディスク１８Ｂの上端から付随してシールされた下端が提示されたステータブレード１５Ｓを詳細に示しており、ロータブレード１５Ｒは、各ホイールスペースＳ１〜Ｓ３と膨張チャンネル１２との間で、通常は冷却空気が排出される通過開口を制限する部分フラップを提供している。
【００４８】
ステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”では、ボックス８の外側に継手又は固定区域があり、これらはプロセスガスと直接接触せず、高温ガスの何れかの吸入を排除又は制限するメカニカルシール（簡単にするために図示していない）を提供することができ、従って、これらのステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”は、独立した冷却システムを提供することができる。これは、本発明が、特定の用途又は必要性に応じてこれらのステータブレード８Ｓ’及び８Ｓ”（上述のように）を少なくとも部分的に冷却するのに適用できることを排除するものではない。
【００４９】
特に、本発明による冷却システムは、膨張経路１２内を循環する高温流体には直接曝されることのない膨張タービンの他のキャビティを冷却する一手段として、以下の様々な無数の構成を実施することができる。図２及び図３を参照して示された実施の形態は、事実上例証として記載されており、この作用に本発明を限定するものではない。例えば、チャンネル２１及び／又は２３は、他のステータブレードを流体接続し、これを直接冷却することができ、又は、より多くのチャンネル２１、２３を機械内の様々なキャビティを冷却するのに設けることができ、或いは、単一の流体流を用いて、より多くのキャビティを冷却するのに特定の流体力学経路を用いることができる。
【００５０】
本発明による冷却システムの作動は、機械が高負荷作動状態で動作している場合、或いは、ダクト２１内の流体圧力が、ベーンＳ１を効率的に冷却するのに十分に高いときには、チャンネル２１及び２３がそれぞれのブレードＳ１、Ｓ２、Ｓ３内の冷却流体を独立して送給することができる。他方、機械が部分負荷作動状態で動作する場合、或いは、ダクト２１内の圧力がベーンＳ１を効率的に冷却するのに不十分である場合、チャンネル２３は、上述の装置を通じてチャンネル２１に流体接続される。
【００５１】
上述の部分負荷作動状態は、機械の分配出力が作動仕様に適合するよう低下されたとき、或いは、雰囲気条件が有意に変動した（例えば、地球の特定の地域における日中と夜間の間）ときなどに実施することができる。これらの事例では、冷却システムは、全てのホイールスペースＳ１〜Ｓ３の温度を許容値以内に維持するよう冷却流体を調節する。
【００５２】
上述の冷却システムは、ロータブレード及びステータブレードの冷却システム並びに機械的軸受のためのものなど、性能及び高い熱効率を備えた特定の有効な機械を得ることで知られた冷却と組み合わせて実施するのが好ましい。
【００５３】
更に、本明細書で記載されるシステムが請求項に記載される場合には、特定の応用に応じて一定量の冷却空気の流入を可能にする、ホイールスペース用の従来の冷却システムと組み合わせて実施することができる。
【００５４】
明らかに、冷却回路内の１つ又はそれ以上の冷却装置を連結し、又は、機械構成部品の性能の完全且つ綿密な最適化並びに有効寿命の相当な増加の様々な制御法を実施することができる。
【００５５】
例証の目的は、実施可能な作用の形態を単に提供することに過ぎず、これらは本発明を限定するものではなく、本発明の基本的範囲から逸脱することなく形態及び配置を変えることができる。添付の請求項において参照符号が存在することは、上記の明細書及び添付図面を参照した理解を容易にする目的に過ぎず、特許保護される範囲をどのようにも限定するものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１ タービン
２ 軸方向圧縮機
５ 燃焼室
６ 膨張タービン
８ 加圧ボックス
１３Ｒ ロータ
１３Ｓ ステータブレード
１７ 第１の回転シャフト
１８ 第２の回転シャフト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの作動方法であって、
圧縮機により作動流体を加圧する段階と、
少なくとも１つの燃焼室に加圧作動流体を送給することにより該加圧作動流体を過熱する段階と、
過熱作動流体を少なくとも１つの膨張タービンにおいて膨張させてエネルギーを生成する段階と、
前記圧縮機からの加圧作動流体を第１のキャビティに送給し、前記加圧作動流体の第１のタッピングにより前記膨張タービンを冷却する段階と、
前記圧縮機からの加圧作動流体を第２のキャビティに送給し、前記加圧作動流体の第２のタッピングにより前記膨張タービンを冷却する段階と、
を含み、
前記膨張タービンを冷却するための第２のキャビティが、前記膨張タービンを冷却するための第１のキャビティから上流側にあり、前記加圧作動流体の第２のタッピングが、前記加圧作動流体の第１のタッピングから下流側にあり、
前記方法が更に、
前記第１及び第２のタッピングを流体接続する段階と、
部分負荷作動状態の間に前記第２のタッピングの加圧作動流体の一部を前記第１のタッピングに選択的に送給し、前記第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記部分負荷作動状態の間に前記第２のタッピングの加圧作動流体の一部を前記第１のタッピングに選択的に送給する段階は、前記第１のキャビティを冷却するのに十分な流体束を生成するには前記第１のタッピングの圧力が不十分であるときに有効になる、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のキャビティの温度が、直接的又は間接的に常に監視される、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ガスタービン用冷却システムであって、
圧縮機からの加圧作動流体の第１のタッピングによる加圧作動流体を第１のキャビティに送給し、膨張タービンを冷却するよう構成された第１のダクトと、
圧縮機からの加圧作動流体の第２のタッピングによる加圧流体を第２のキャビティに送給し、膨張タービンを冷却するよう構成された第２のダクトと、
部分負荷作動状態中に前記第１のタッピングの作動流体の流れを選択的に増大させて、少なくとも前記第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するための一手段として、前記第１のタッピングからの作動流体を前記第２のタッピングの作動流体と組み合わせるよう構成された流体力学システムと、
作動パラメータの監視に基づいて部分負荷作動状態中に第２のタッピングからの作動流体の一部を第１のダクトに選択的に送給し、前記第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するよう構成された前記流体力学システムに電気的に接続される制御システムと、
を備える冷却システム。
【請求項５】
少なくとも前記第１のキャビティの温度を直接又は間接的に監視して前記膨張タービンの冷却をするよう更に構成される、
請求項４に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記流体力学システムが、前記第１のダクトに流体的に関連付けられた排出装置と、接続バルブを備えた接続ダクトとを含み、該接続バルブが、前記排出装置を前記接続ダクトと流体的に接続するよう構成される、
請求項４に記載の冷却システム。
【請求項７】
請求項４の冷却システムを備えるガスタービン。
【請求項１】
ガスタービンの作動方法であって、
圧縮機により作動流体を加圧する段階と、
少なくとも１つの燃焼室に加圧作動流体を送給することにより該加圧作動流体を過熱する段階と、
過熱作動流体を少なくとも１つの膨張タービンにおいて膨張させてエネルギーを生成する段階と、
前記圧縮機からの加圧作動流体を第１のキャビティに送給し、前記加圧作動流体の第１のタッピングにより前記膨張タービンを冷却する段階と、
前記圧縮機からの加圧作動流体を第２のキャビティに送給し、前記加圧作動流体の第２のタッピングにより前記膨張タービンを冷却する段階と、
を含み、
前記膨張タービンを冷却するための第２のキャビティが、前記膨張タービンを冷却するための第１のキャビティから上流側にあり、前記加圧作動流体の第２のタッピングが、前記加圧作動流体の第１のタッピングから下流側にあり、
前記方法が更に、
前記第１及び第２のタッピングを流体接続する段階と、
部分負荷作動状態の間に前記第２のタッピングの加圧作動流体の一部を前記第１のタッピングに選択的に送給し、前記第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記部分負荷作動状態の間に前記第２のタッピングの加圧作動流体の一部を前記第１のタッピングに選択的に送給する段階は、前記第１のキャビティを冷却するのに十分な流体束を生成するには前記第１のタッピングの圧力が不十分であるときに有効になる、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のキャビティの温度が、直接的又は間接的に常に監視される、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ガスタービン用冷却システムであって、
圧縮機からの加圧作動流体の第１のタッピングによる加圧作動流体を第１のキャビティに送給し、膨張タービンを冷却するよう構成された第１のダクトと、
圧縮機からの加圧作動流体の第２のタッピングによる加圧流体を第２のキャビティに送給し、膨張タービンを冷却するよう構成された第２のダクトと、
部分負荷作動状態中に前記第１のタッピングの作動流体の流れを選択的に増大させて、少なくとも前記第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するための一手段として、前記第１のタッピングからの作動流体を前記第２のタッピングの作動流体と組み合わせるよう構成された流体力学システムと、
作動パラメータの監視に基づいて部分負荷作動状態中に第２のタッピングからの作動流体の一部を第１のダクトに選択的に送給し、前記第１のキャビティの温度を材料耐性の許容限度内に維持するよう構成された前記流体力学システムに電気的に接続される制御システムと、
を備える冷却システム。
【請求項５】
少なくとも前記第１のキャビティの温度を直接又は間接的に監視して前記膨張タービンの冷却をするよう更に構成される、
請求項４に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記流体力学システムが、前記第１のダクトに流体的に関連付けられた排出装置と、接続バルブを備えた接続ダクトとを含み、該接続バルブが、前記排出装置を前記接続ダクトと流体的に接続するよう構成される、
請求項４に記載の冷却システム。
【請求項７】
請求項４の冷却システムを備えるガスタービン。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−６９３６８（Ｐ２０１１−６９３６８Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１２４５３（Ｐ２０１０−２１２４５３）
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（５０５３４７５０３）ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ (112)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（５０５３４７５０３）ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ (112)
【Ｆターム（参考）】
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