JP2004360700A - ガスタービンエンジンを作動させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、圧縮機（１４）及びタービン（２２）を含むガスタービンエンジン（１０）用の冷却システム（１２）を提供する
【解決手段】 本冷却システム（１２）は、圧縮機（１４）の下流に連結された熱交換器（４６）を含み、圧縮機（１４）からの加圧吐出空気が熱交換器（４６）を通って送られるようになっている。熱交換器（４６）は、その内部を循環する作動流体を有する。チラー（４８）が、流れ連通状態で熱交換器（４６）に連結され、作動流体からエネルギーを抽出して圧縮機（１４）に流れる吸入空気の温度を低下させるのを可能にする。
【選択図】 図１

Description

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作動させる方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、直列の流れ配列で、エンジンを通って流れる空気を加圧する高圧圧縮機と、その中で燃料が加圧空気と混合され点火され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、全体と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、高圧圧縮機に加圧空気を供給する低圧圧縮機又は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、発電及び船舶への適用などを含む多くの用途で用いられる。もちろん、望ましいエンジン作動特性は、用途に応じて変化する。より具体的には、エンジンが他の環境に比べて周囲温度が低いような環境で作動している場合、エンジンは、コアエンジン温度が許容不能な高レベルに上昇することなく、より高い軸馬力（ＳＨＰ）及び高出力で作動することができる。しかしながら、周囲温度が高い場合、コアエンジン温度は、高ＳＨＰ出力を発生している場合には許容不能な高レベルに上昇するおそれがある。

例えば真夏日のようにエンジンの周囲温度が高いときであっても作動の要求を満たすことができるようにするために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンでは、吸入空気温度を低下させるのを可能にするために吸気系蒸発クーラ又は冷凍システムを含む。公知の冷凍システムには、吸気チリングが含まれる。他のシステムでは、エンジンの作動温度を低下させるのを可能にするために、水をブースタ又は圧縮機のいずれか内に噴射する水スプレー噴霧又は噴射装置を使用している。しかしながら、公知のガスタービンエンジンでは、ガス経路空気を冷却する間に作動流体又はガス経路空気から取除かれた熱エネルギーは、タービンの効率をさらに改善するために使用されるのではなく、結局は大気中に喪失される。

１つの態様では、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作動させる方法を提供し、本方法は、圧縮機からの加圧空気流を、内部を循環してエネルギーを抽出しその結果該加圧空気流の温度を低下させる作動流体を有する熱交換器に導く段階を含む。熱交換器からの作動流体はチラーに導かれ、作動流体からエネルギーを抽出してチラーに動力を供給し、吸気チラーを通してガスタービンエンジンに入る空気流を導いて、空気流が圧縮機に入る前に該空気流の温度を低下させるようにする。

別の態様では、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。本システムは、圧縮機の下流に連結された熱交換器を含み、圧縮機からの加圧吐出空気が熱交換器を通って送られるようになっている。熱交換器は、内部を循環する作動流体を有する。チラーは、熱交換器に流れ連通状態で連結され、作動流体からエネルギーを抽出して圧縮機に流れる吸入空気の温度を低下させるのを可能する。

図１は、全体を符号１２で表したガス経路空気を冷却するシステムを含むガスタービンエンジン１０のブロック図である。ガス経路空気冷却システム１２については後で説明するが、このガス経路空気冷却システム１２を除いては、エンジン１０は当該技術において公知であり、直列の流れ関係で、低圧圧縮機又はブースタ１４、高圧圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン２０、低圧又は中圧タービン２２及び出力タービン又はフリータービン２４を含む。低圧圧縮機又はブースタ１４は、入口２６及び出口２８を有する。高圧圧縮機１６は、入口３０及び出口３２を含む。燃焼器１８は、高圧圧縮機出口３２にほぼ一致する入口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によって高圧圧縮機１６に連結され、また低圧タービン２２は第２のロータシャフト４２によって低圧圧縮機１４に連結される。ロータシャフト４２は、エンジン１０の長手方向中心軸線の周りで第１のロータシャフト４０内に同軸に配置される。エンジン１０は負荷（図示せず）を駆動するのに使用できるが、負荷は、エンジン１０の後方に設置することができ、さらに出力タービンシャフト４４に駆動連結される。これに代えて、負荷は、エンジン１０の前方に配置し、第２のロータシャフト４２の前方延長部（図示せず）に連結することができる。

作動中、外気は低圧圧縮機１４の入口２６に吸い込まれ、加圧された空気が低圧圧縮機１４から高圧圧縮機１６に供給される。高圧圧縮機１６は、空気をさらに圧縮し、高圧空気を燃焼器１８に供給し、該燃焼器１８において高圧空気は燃料と混合され該燃料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、ガス流経路に沿った様々な位置でのガス流の温度に関係する。より具体的には、高圧圧縮機出口３２における温度及び燃焼器出口３６の温度は、エンジン１０の作動中に厳密にモニタされる。圧縮機に入るガス流の温度を低下させることは、一般的にエンジン１０の出力の上昇をもたらす。

冷却システム１２は、低圧圧縮機１４に流れ連通状態で連結された熱交換器４６と、この熱交換器４６に流れ連通状態で連結されたチラー（ｃｈｉｌｌｅｒ）４８とを含む。熱交換器４６は、その中を流れる、ガス流経路から抽出されたエネルギーを蓄積するための作動流体を有する。１つの実施形態では、作動流体は、それに限定するのではないが、蒸気又は水のうちの少なくとも１つである。より具体的には、熱交換器４６はガス流経路から熱エネルギーを抽出し、この抽出したエネルギーを使用してチラー４８に動力を供給する。具体的には、作動流体はチラー４８に送られ、該チラー４８において作動流体からエネルギーを抽出して該チラー４８に動力を供給する。チラー４８は、圧縮機入口２６に供給される吸入空気を冷却するのを可能にする。１つの実施形態では、熱交換器４６は、熱回収蒸気発生器である。別の実施形態では、熱交換器４６は、水対空気式熱交換器である。１つの実施形態では、チラー４８は吸収式チラーである。

冷却システム１２はさらに、熱交換器４６と流れ連通しかつ該熱交換器４６の下流に位置するインタクーラ５０を含む。熱交換器４６からのガス流は、インタクーラ５０に流れて、高圧圧縮機１６に戻る前にさらに冷却される。１つの実施形態では、インタクーラ５０は熱交換器である。

作動中、圧縮機吐出流は、低圧圧縮機１４から熱交換器４６に導かれる。熱交換器４６は、チラー４８に動力を供給するのに十分な熱エネルギーを流れから抽出し、同時にその過程で吐出流を冷却する。抽出されたエネルギーは作動流体内に蓄積され、この作動流体が次ぎにチラー４８に導かれ、チラー４８に動力を供給するために用いられる。チラー４８は、低圧圧縮機１４に入る吸入空気の作動温度を低下させる。チラー４８は、当該技術では公知の方法で作動して冷却を行い、ガスタービン吸入空気の作動温度を低下させる。

例えば、４３°Ｃ（１１０°Ｆ）の日、作動流体として蒸気又は温水を備えた冷却システム１２は、低圧圧縮機入口において少なくとも１５°Ｃ（５９°Ｆ）に吸入空気をチル作用で冷却するのに十分なエネルギーを抽出でき、従ってタービンエンジン１０の出力とエンジン１０の作業効率の増大との両方における改善を可能にする。１つの実施形態では、本明細書で記載した方法を用いることによって、低圧圧縮機吐出空気は少なくとも３８°Ｃ（１００°Ｆ）に低下する。

熱交換器４６はインタクーラ５０と流れ連通しており、該インタクーラ５０は、熱交換器４６から冷却された吐出空気を受ける。吐出空気は、高圧圧縮機１６に戻される前に、インタクーラ５０を用いて望ましい温度までさらに冷却されることができる。ガス流の作動温度のこのような低下は、高圧圧縮機１６に必要な出力を低下させるのを可能にし、このことが、出力タービン２４が使用できるエネルギーをより多く残すことになる。さらに、高圧圧縮機出口３２における温度を低下させて、エンジン１０を温度設計限界に対してより大きな温度マージンで作動させるようにできる。

上記の冷却システムは、ガスタービンエンジンにおける費用効果がありかつ高い信頼性があるガス流冷却方法を提供する。冷却システムは、ガス経路空気を冷却しながらガス経路から取除いた熱エネルギーを使用して、エンジンの潜在的出力を増大させるのを可能にする。従って、ガス経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及び信頼性を改善するのを可能にするガス経路冷却システムが得られる。

以上、ガス経路冷却システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。ガス経路冷却システムは、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要素は本明細書に記載した他の構成要素から独立して別個に使用することができる。各ガス経路冷却構成要素はまた、他のガス経路冷却構成要素と組み合わせて使用することができる。

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できることは、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。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ガス経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
２６ 低圧圧縮機の入口
２８ 低圧圧縮機の出口
３０ 高圧圧縮機の入口
３２ 高圧圧縮機の出口
４０ 第１のロータシャフト
４２ 第２のロータシャフト
４４ 出力タービンシャフト
４６ 熱交換器
４８ チラー
５０ インタクーラ

Claims (6)

1. 少なくとも圧縮機（１４）及びタービン（２２）を含むガスタービンエンジン（１０）用の冷却システム（１２）であって、
   前記圧縮機（１４）からの加圧吐出空気がそれを通って送られるように該圧縮機（１４）の下流に連結され、その中を循環する作動流体を有し熱エネルギーを前記加圧吐出空気から該作動流体に移送する熱交換器（４６）と、
   前記熱交換器（４６）に流れ連通状態で連結され、前記作動流体からエネルギーを抽出して圧縮機（１４）に流れる吸入空気の温度を低下させるのを可能するチラー（４８）と、
   を含む冷却システム（１２）。
2. ガスタービンエンジン（１０）が、低圧圧縮機（１４）と該低圧圧縮機（１４）の下流の高圧圧縮機（１６）とを含み、前記熱交換器（４６）が、低圧圧縮機（１４）と高圧圧縮機（１６）との間に配置されている、請求項１記載の冷却システム（１２）。
3. 前記熱交換器（４６）の下流に連結されたインタクーラ（５０）をさらに含み、前記インタクーラ（５０）が、熱交換器（４６）から空気流を第１の温度で受けかつ該第１の温度よりも低い第２の温度で空気流を圧縮機（１４）に流すように構成されている、請求項１記載の冷却システム（１２）。
4. ガスタービンエンジン（１０）が、低圧圧縮機（１４）と該低圧圧縮機（１４）の下流の高圧圧縮機（１６）とを含み、前記熱交換器（４６）及びインタクーラ（５０）が、低圧圧縮機（１４）と高圧圧縮機（１６）との間に配置されている、請求項３記載の冷却システム（１２）。
5. 前記熱交換器作動流体が、水、蒸気及びアンモニアと水との混合物のうちの少なくとも１つである、請求項１記載の冷却システム（１２）。
6. 前記熱交換器（４６）が熱回収蒸気発生器である、請求項１記載の冷却システム（１２）。

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