A method and apparatus for operating a gas turbine engine

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンを運転するための方法及び装置に関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、直列流れ配置で、エンジンを通って流れる空気を加圧するための高圧圧縮機と、その中で燃料を加圧空気と混合しかつ点火して高温ガス流を形成する燃焼器と、高圧タービンとを含む。 高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、一括してコアエンジンと呼ばれることもある。 このようなガスタービンエンジンはさらに、加圧空気を高圧圧縮機に供給するための低圧圧縮機すなわちブースタを含むことができる。

ガスタービンエンジンは、航空機、発電及び船舶用途を含む多くの用途で使用される。 当然のこととして、所要のエンジン運転特性は、用途によって変わる。 より具体的には、エンジンを周囲温度が他の環境と比べて低い環境内で運転する場合には、エンジンは、コアエンジン温度を許容不能な高いレベルに上昇させずに、より高い軸馬力（ＳＨＰ）及び高い出力で運転することが可能になる。 しかしながら、周囲温度が上昇した場合には、コアエンジン温度は、高いＳＨＰ出力を供給し続ける場合に許容不能な高いレベルに上昇することになる。

エンジン周囲温度が高い時、例えば暑い日であっても運転要求を満たすのを可能にするために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、ブースタ圧縮機と高圧圧縮機との間に配置された、高圧圧縮機に流入する空気の温度を低下させるのを可能にするためのインタクーラ熱交換器を含む。 インタクーラを用いることにより、高圧圧縮機によって行われる仕事量を低減しながらエンジンの効率を増大させることが可能になる。 しかしながら、インタクーラを比較的暑い日に及び／又は湿度の高い運転条件で作動させた場合、インタクーラ空気流からインタクーラの底部内に水が凝縮する。 従って、水がエンジン冷却サイクルから除去され、そのことによってガスタービンエンジンの出力及び効率の両方が低下することになる。

特開２００１−３１７３７１号公報

１つの態様では、直列流れ配置で互いに結合された、第１の圧縮機、第２の圧縮機、燃焼器及びタービンを含むガスタービンエンジンを運転する方法を提供する。 本方法は、それを通って流れる作動流体を有するインタクーラを通して、第１の圧縮機から吐出された加圧空気流を流すステップと、復水がインタクーラ内で加圧空気流から形成されるようにインタクーラを作動させるステップと、第２の圧縮機の入口に復水を流してガスタービンエンジンの運転温度を低下させるのを可能にするステップとを含む。

別の態様では、少なくとも第１の圧縮機、第２の圧縮機及びタービンを含むガスタービンエンジン用の冷却システムを提供する。 本冷却システムは、第１の圧縮機から吐出された加圧空気がそれを通して送られるように該第１の圧縮機の下流に結合され、かつそれを通って流れる作動流体を有するインタクーラと、インタクーラと流れ連通状態で結合され、かつ該インタクーラ内で形成された復水を第２の圧縮機内に流してガスタービンエンジンの運転温度を低下させるのを可能にするように構成された噴射システムとを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。 本ガスタービンエンジンは、第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に配置された第２の圧縮機と、第２の圧縮機と流れ連通状態で結合されたタービンと、冷却システムとを含む。 冷却システムは、第１の圧縮機から吐出された加圧空気がそれを通して送られるように該第１の圧縮機の下流に結合され、かつそれを通って流れる作動流体を有するインタクーラと、インタクーラと流れ連通状態で結合されかつ該インタクーラ内で形成された復水を第２の圧縮機内に流してガスタービンエンジンの温度を低下させるのを可能にするように構成された噴射システムとを含む。

図１は、冷却システム１２を含むガスタービンエンジン１０のブロック図である。 この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、乾式低エミッション（ＤＬＥ）ガスタービンエンジンである。 エンジン１０は、後でより詳細に説明するガス流路空気冷却システム１２を除いて当技術分野では公知であるが、エンジン１０は、直列流れ関係で、低圧圧縮機すなわちブースタ１４、高圧圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン２０、低圧又は中間タービン２２及び出力タービンすなわちフリータービン２４を含む。 低圧圧縮機すなわちブースタ１４は入口２６と出口２８とを有し、また高圧圧縮機１６は入口３０と出口３２とを含む。 燃焼器１８は、高圧圧縮機出口３２にほぼ一致した入口３４と出口３６とを有する。

高圧タービン２０は、第１のロータシャフト４０で高圧圧縮機１６に結合され、また低圧タービン２２は、第２のロータシャフト４２で低圧圧縮機１４に結合される。 ロータシャフト４０及び４２は各々、エンジン１０の長手方向中心軸線４３に対してほぼ同心に整列される。 エンジン１０は、出力タービンシャフト４４に結合することができる負荷（図示せず）を駆動するのに用いることができる。 これに代えて、負荷は、ロータシャフト４２の前方延長部分（図示せず）に結合することができる。

運転中、低圧圧縮機入口２６内に吸入された周囲空気は、加圧され、下流方向に高圧圧縮機１６に流れる。 高圧圧縮機１６は、空気をさらに加圧して、高圧空気を燃焼器１８に供給し、該燃焼器１８において、空気が燃料と混合され、その混合気が点火されて高温燃焼ガスを発生する。 燃焼ガスは、燃焼器１８から流れてタービン２０、２２及び２４を駆動する。

エンジン１０の出力は、少なくとも一部はガス流路に沿った様々な位置でのガス流の作動温度に関係する。 より具体的には、この例示的な実施形態では、高圧圧縮機出口３２におけるガス流の作動温度及び燃焼器出口３６におけるガス流の作動温度が、エンジン１０の運転中に厳密にモニタされる。 高圧圧縮機１６に流入するガス流の作動温度を低下させることにより、エンジン１０の出力を増大させることが可能になる。

高圧圧縮機１６に流入するガス流の作動温度を低下させるのを可能にするために、冷却システム１２はインタクーラ５０を含み、インタクーラ５０はドレン５２を含み、また低圧圧縮機１４と流れ連通状態で結合される。 低圧圧縮機１４からの空気流５３は、インタクーラ５０に流されて付加的に冷却された後に、冷却された空気５５が高圧圧縮機１６に戻される。

冷却システム１２はさらに、ドレン弁５２を通してインタクーラ５０と流れ連通状態で結合された復水貯留タンク５４と、復水貯留タンク５４と流れ連通状態で結合されたポンプ５６と、ポンプ５６と流れ連通状態で結合された脱塩装置５８と、脱塩装置５８と流れ連通状態で結合された脱塩装置復水タンク６０と、脱塩装置復水タンク６０と流れ連通状態で結合されたポンプ６２とを含む。

インタクーラ５０は、ガス流路から取り出したエネルギーを除去するための、それを通って流れる作動流体７０を有する。 １つの実施形態では、作動流体７０は空気であり、インタクーラ５０は、空気対空気の熱交換器である。 別の実施形態では、作動流体７０は水であり、インタクーラ５０は、空気対水の熱交換器である。 インタクーラ５０は、流路加圧空気５３から熱エネルギーを取り出して、冷却した加圧空気５５を高圧圧縮機１６に流す。 より具体的には、この例示的な実施形態では、インタクーラ５０は、それを通して加圧空気５３、すなわち低圧圧縮機１４からの空気流が循環する複数の管（図示せず）を含む。 熱は、複数の管壁（図示せず）を通して加圧空気５３から、入口７２を通してインタクーラ５０に供給された作動流体７０に伝達される。 エンジン１０が暑い日又は湿度の高い日に運転される場合、高温の加圧空気から水が凝縮し、インタクーラ５０の底部分に蓄積される。

冷却システム１２はさらに、ポンプ６２と流れ連通状態で結合された復水噴射システム８０を含む。 復水噴射システム８０は、配管マニホルド８２と、配管マニホルド８２に結合された複数のインゼクタ８４とを含む。 配管マニホルド８２は、ガスタービン１０に取付けられ、ポンプ６２から復水を受ける。 この例示的な実施形態では、配管マニホルド８２は、環状でありかつ高圧圧縮機１６の周りで円周方向に延びて、ポンプ６２とインゼクタ８４との間のほぼ一定流量の復水を供給するのを可能にする。 噴霧インゼクタ８４は、ガスタービン中心軸線４３に向かって半径方向内向きに延びており、かつ該噴霧インゼクタ８４から高圧圧縮機１６に向かって微細ミスト状に復水を吐出するように構成される。 １つの実施形態では、復水の水滴は、約２０ミクロンの平均粒径でインゼクタ８４から出る。

運転時、復水がインタクーラ５０の空気側に形成されるのを可能にする温度で作動流体７０がインタクーラ５０に流される。 復水は、次にインタクーラ５０からドレン弁５２を通して貯留タンク５４に導かれる。 次にポンプ５６が、復水を貯留タンク５４から脱塩装置５８を通して脱塩装置貯留タンク６０内に流す。 この例示的な実施形態では、脱塩装置５８は、復水から微量元素を除去するのを可能にするように構成された逆浸透装置及びイオン交換装置の少なくとも１つである。 次にポンプ６２は、所定の率で、且つ、図２，３で示されているように、サイクル温度内へのＫＯ還流として知られている温度で噴射システム８０を通して脱塩復水を流す。 噴射システム８０から出る復水は、インゼクタ８４によって霧化され、微細ミストとして高圧圧縮機１６内に吐出される。 このミストは、ガスタービンエンジン１０内部の空気流の作動温度を低下させるのを可能にし、従って高圧圧縮機１６から流出する空気が大きな仕事能力を持つのを可能にするインタクーリング効果を生じる。 高圧圧縮機１６に流入する空気５５の温度が低下するので、高圧圧縮機１６に要求される仕事量が少なくなる。

図２は、冷却システム１２を用いることによって発生したエンジン１０の軸出力の例示的なグラフである。 図３は、冷却システム１２を用いることによって生じたエンジン１０の熱効率の例示的なグラフである。 この例示的な実施形態では、図２を参照すると、周囲空気温度が約６０°Ｆ（１５°Ｃ）より低い場合には、インタクーラ５０内には復水が形成されず、従って冷却システム５０は作動しない。 しかしながら、周囲温度が約６０°Ｆ（１５°Ｃ）以上に上昇しかつ所要の湿度レベルに達した場合には、冷却システム１２が作動して、出力を増大させることになる。 例えばまたより具体的には、周囲温度が約１００°Ｆ（３８°Ｃ）である場合には、冷却システム１２は、出力を約７メガワット（ＭＷ）、すなわち約８％増大させることを可能にする。 さらにまた図３を参照すると、周囲温度が約１００°Ｆである場合には、冷却システム１２を作動させることによって、熱効率が増大することになる。

図４は、冷却システム１００を含むガスタービンエンジン１０のブロック図である。 冷却システム１００は、冷却システム１２（図１に示す）とほぼ同じであり、冷却システム１２の構成部品と同一である冷却システム１００の構成部品は、図４において、図１で用いたのと同一の参照符号を用いて特定する。

冷却システム１００は、ポンプ６２と流れ連通状態で結合された復水噴射システム８０を含む。 復水噴射システム８０は、配管マニホルド８２と配管マニホルドに結合された複数のインゼクタ８４とを含む。 配管マニホルド８２は、ガスタービン１０に取付けられ、ポンプ６２から復水を受ける。 この例示的な実施形態では、配管マニホルド８２は、環状でありかつ低圧圧縮機１４の周りで円周方向に延びて、ポンプ６２とインゼクタ８４との間のほぼ一定流量の復水を供給するのを可能にする。 噴霧インゼクタ８４は、ガスタービン中心軸線４３に向かって半径方向内向きに延びており、かつ該噴霧インゼクタ８４から低圧圧縮機１４に向かって微細ミスト状に復水を吐出するように構成される。 １つの実施形態では、復水の水滴は、約２０ミクロンの平均粒径でインゼクタ８４から出る。

運転時、復水がインタクーラ５０の空気側に形成されるのを可能にする温度で作動流体７０がインタクーラ５０に流される。 復水は、次にインタクーラ５０からドレン弁５２を通して貯留タンク５４に導かれる。 次にポンプ５６が、復水を貯留タンク５４から脱塩装置５８を通して脱塩装置貯留タンク６０内に流す。 この例示的な実施形態では、脱塩装置５８は、復水から微量元素を除去するのを可能にするよう構成された逆浸透装置及びイオン交換装置の少なくとも１つである。 次にポンプ６２は、所定の率で噴射システム８０を通して脱塩復水を流す。 噴射システム８０から出る復水は、インゼクタ８４によって霧化され、微細ミストとして低圧圧縮機１４内に吐出される。 このミストは、ガスタービンエンジン１０内部の空気流の作動温度を低下させるのを可能にし、従って低圧圧縮機１４から流出する空気が大きな仕事能力を持つのを可能にするインタクーリング効果を生じる。

使用時に、冷却システム１２及び１００は、高圧圧縮機１６内で要求される加圧作業を低減するのを可能にする。 さらに、低圧圧縮機１４又は高圧圧縮機１６のいずれか内に復水を噴射することにより、ガスタービンエンジン１０内の質量流量を増大させることが可能になり、そのことにより、冷却システム１２又は１００を使用していないエンジンと比較してガスタービンエンジン１０が大きな出力量を発生しながらより効率的に運転されることが可能になる。 加えて、冷却システム１２及び１００はまた、単一アニュラ型燃焼エンジンで使用することもできることを理解されたい。 従って、冷却システム１２及び１００は、このようにして低圧圧縮機空気又は高圧圧縮機空気のいずれかを冷却するために復水を利用しながら、タービンエンジン１０からの出力を向上させかつエンジン１０の運転効率を増大させることを可能にする。

上述の冷却システムは、ガスタービンエンジン内のガス流冷却のための費用効果がありかつ高い信頼性がある方法を提供する。 本冷却システムは、最小量の復水を使用して高圧圧縮機入口空気を冷却して、エンジンの潜在出力を増大させるのを可能にする。 従って、ガス流路温度を低下させ、それによって費用効果がある方法でエンジン効率を向上させるのを可能にするガス流路冷却システムが得られる。

以上、ガス流路冷却システムの例示的な実施形態を詳述している。 ガス流路冷却システムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ個別に使用することができる。 さらに、各ガス流路冷却構成部品は、他のガス流路冷却構成部品と組み合わせて用いることもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは当業者には明らかであろう。 なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

冷却システムを含む例示的なガスタービンエンジンのブロック図。

図１に示す冷却システムを用いることによって発生したエンジン軸出力の例示的なグラフ。

図１に示す冷却システムを用いることによって生じたエンジン熱効率の例示的なグラフ。

冷却システムを含む例示的なガスタービンエンジンのブロック図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン １２ ガス流路空気冷却システム １４ 低圧圧縮機 １６ 高圧圧縮機 １８ 燃焼器 ２０ 高圧タービン ２２ 低圧タービン ２４ 出力タービン ５０ インタクーラ ５２ ドレン弁 ５３ 空気流 ５４ 復水貯留タンク ５５ 冷却された加圧空気 ５６、６２ ポンプ ５８ 脱塩装置 ６０ 脱塩装置復水タンク ７０ 作動流体 ８０ 復水噴射システム ８２ 配管マニホルド ８４ インゼクタ