JP2002522692A - タービンエンジン内に水を噴射する方法および装置 - Google Patents
タービンエンジン内に水を噴射する方法および装置Info
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Abstract
Description
4,094の利益を請求するものである。
タービンエンジンにおける前ブースターおよび前圧縮機水噴射に関するものであ
る。
含んでいる。圧縮された空気は、流体を加熱してそれを膨脹させる燃焼機内に噴
射される。膨脹させられた流体はタービン内を通る。圧縮機は低圧圧縮機と高圧
圧縮機とを通常含んでいる。
3」と時に呼ばれる動作流体の温度と、燃焼機の出口における、温度「T41」
と時に呼ばれる動作流体の温度とによって制限されることがある。T3とT41
の温度を低くするために、低圧圧縮機と高圧圧縮機の間の流体流路内に配置され
た中間冷却機を使用することが知られている。定常動作においては、中間冷却機
は低圧圧縮機で圧縮された空気から熱が取り出される。それは高圧圧縮機に入る
空気の温度を低くし、体積を減少させる。そのように温度が低下するとT3とT
41の温度が低下する。したがって、圧縮機を通る流量を増加することにより出
力増加が達成される。
または冷却空気へ移転させられる。水または空気は熱を吸収し、加熱された水ま
たは空気はその後で除去される。加熱された水または空気の除去によって全サイ
クルの熱効率が低下する。したがって、中間冷却機は出力増大を容易にするが、
中間冷却機はエンジンの熱効率を低下する。中間冷却機は空気の除去と、その空
気の実際の冷却と、冷却された空気の圧縮機への導入とに伴う圧力損失をも導入
する。更に、中間冷却機が段間冷却も行うことは実際的でない。
して環境内に放出する水冷却機を用いて加熱された水は除去される。もちろん、
蒸気を環境中に放出することは環境に影響を及ぼす。また、そのような中間冷却
機によって多量の水が必要とされ、そのような多量の水消費によって運転費用が
増加する。
、出力を部分的にも高くすることが望ましいであろう。また、単一ロータガスタ
ービンに対しても増加したパワー出力をもたらすことが望ましいであろう。
かもいくつかの欠点を克服する前ブースターまたは前圧縮機水噴射を含んでいる
ガスタービンエンジンにより達成できる。一実施態様においては、霧状水噴射に
関連して使用するのに適するガスタービンエンジンは低圧圧縮機と、高圧圧縮機
と、燃焼機とを含んでいる。エンジンは高圧タービンと、低圧タービンと、パワ
ータービンとの少なくとも1つも含んでいる。高圧圧縮機の入口に水を噴射する
ために水噴射装置が設けられている。霧状水噴射装置は給水源に連通し、エンジ
ンの運転中に、水はその源から噴射装置を通って圧縮機の入口に供給される。
ら高圧圧縮機に供給される。また、霧状水が高圧圧縮機の入口に供給され、霧状
水がその入口を通って高圧圧縮機に入る。霧状水が噴射される場所における高温
のために霧状水は高圧圧縮機に入る前に部分的に蒸発する。霧状水は、その霧状
水が流れる少なくとも各圧縮段階のために、すなわち、それが蒸発するまで、高
圧圧縮機内の空気の流れを冷却する。高圧圧縮機の通常ほぼ中間段で、および水
の量に応じて、霧状水の大部分は蒸発する。
機に供給される。燃焼機からの空気流が高圧縮タービンと、低圧タービンと、パ
ワータービンとを駆動する。廃熱はボイラにより捕らえられ、ボイラからの蒸気
の形態の熱を上流側の構成部に供給できる。
口における空気流の温度(温度T41)が、定常運転では、霧状水なしのそのよ
うな温度と比較して低くされるという利点をもたらす。特に、霧状水は高圧圧縮
機に流れ込んで、その中を通る高温の空気から熱を奪い、空気流からそのような
熱を奪うことによって温度T3とT41は低下させられ、圧縮馬力が低下させら
れる。水が蒸発するにつれて熱が除去される。温度T3とT41が下がると、エ
ンジンはT3とT41に拘束されず、したがって、エンジンはそのような霧状水
なしで可能な出力レベルより高い出力レベルで動作できる。すなわち、上記霧状
水噴射で、同じ高圧圧縮機放出温度制御限界を用いて、高圧圧縮機はより多くの
空気を送り出すことができ、その結果として圧縮比が一層高くなり、かつ出力が
高くなる。
ある。最初に、特定の実現を示し、かつ説明するが、霧状水噴射を多数の代替構
造を用いて、かつ広範囲のエンジンで実施できることを理解すべきである。また
、以下により詳しく説明するように、霧状水噴射を高圧圧縮機の入口と、ブース
ターの入口と、または両方の場所で実施できる。
くの欠点を克服するものである。たとえば、中間冷却では、加熱された水(また
は空気)が除去され、そのような加熱された水(または空気)の除去はサイクル
の熱効率を低下し、環境に影響を及ぼす。中間冷却により達成される大きなパワ
ー増加は中間冷却に関連する欠点を通常克服し、その結果、余分のパワーが求め
られた時に、異なるまたはより大型の空気流ブースターおよび大型の高圧タービ
ン流れ機能を用いて、中間冷却がしばしば利用される。霧状水噴射は、下記のよ
うに、同様に配置されている中間冷却機により行われる最大パワー増加よりもい
くらか小さいことがあるパワー増加をもたらす。しかし、霧状水噴射でははるか
に少量の水が用いられ、水は排気温度の水蒸気としてサイクルを出る。
縮機14と、燃焼機16とを含んでいるガスタービンエンジン10の概略図であ
る。エンジン10は高圧タービン18と、低圧タービン20と、パワータービン
22も含んでいる。エンジン10は水を高圧圧縮機14の入口26に噴射するた
めの水噴射装置24も更に含んでいる。水噴射装置22の詳細については下で説
明する。しかし、図1では装置24が給水源(図示せず)に連通しており、水は
その源から装置24を通じて圧縮機14の入口14に供給される。装置24は圧
縮機14から抜き出し源を用いて空気を吸い込んで、微細な吹き付け霧を生ずる
。廃熱ボイラー28、30、および32がパワータービン22の下流側に配置さ
れている。この技術で知られているように、供給水は給水管34を通じてボイラ
ー28、30、32に供給され、蒸気の形態の水がボイラー28、30、32か
ら上流側の種々の構成部に供給される。特に、ボイラー28からの蒸気が燃焼機
16の入口36に供給され、ボイラー30からの蒸気が低圧タービン20の入口
とパワータービン22の入口とに供給され、ボイラー32からの蒸気がパワータ
ービン22の最後の段に供給される。霧状水噴射装置24を除き、タービン10
の種々の部品はこの技術において公知である。
圧圧縮機14に供給される。また、霧状水が入口26を通じて圧縮機14に供給
される。霧状水が噴射される場所では高温の環境であるために、霧状水は高圧圧
縮機14に入る前に部分的に蒸発する。霧状水は、高圧圧縮機14内の空気流を
、その霧状水が流れる圧縮機14の少なくとも各段ごとに冷却する、すなわち、
それが蒸発するまで冷却する。通常は圧縮機14の6番目の段まで、霧状水は完
全に蒸発させられる。
に供給される。燃焼機16からの空気流は高圧タービン18と、低圧タービン2
0と、パワータービン22を駆動する。廃熱がボイラー28、30、32により
捕らえられ、廃熱蒸気がボイラー28、30、32に連結されている上流側構成
部に上記のようにして供給される。
温度(温度T3)と、燃焼機16の出口における空気流の温度(温度T41)と
が、吹き付けなしの場合の温度と比較して低くされるという利点をもたらす。特
に、霧状水は圧縮機14に流れ込んでその中を流れる空気から熱を奪い、空気か
らそのような熱を奪うことによって、求められている圧縮機パワーと共にT3温
度とT41温度が低くされる。T3温度とT41温度が低くなると、エンジン1
0は拘束されたT3およびT41にされないという利点が得られ、したがって、
エンジン10はそのような水吹き付けなしの場合に可能であるものよりも高い出
力レベルで、スロットル押しにより、運転できる。パワー出力の増大に加えて、
上記霧状水噴射は、同じ条件の下で、中間冷却と比較して水消費量が少ないとい
う利点が得られる。
。エンジン50は低圧圧縮機52と、高圧圧縮機54と、燃焼機56とを含んで
いる。エンジン50は高圧タービン58と、低圧タービン60と、パワータービ
ン62も含んでいる。エンジン50は水を高圧圧縮機54の入口66に噴射する
ための水噴射装置64も含んでいる。図2の目的のために、装置64は給水源(
図示せず)に連通しており、その源から水が装置64を通って圧縮機54の入口
66に供給されることを理解すべきである。中間冷却機68もブースター52に
直列流れ関係で配置されて、ブースター52による空気流出力の少なくとも一部
または全部を受け、中間冷却機68の出口は圧縮機54の入口66に連結されて
いる。もちろん、冷却水は図示のように中間冷却機68に供給され、またはブロ
ワファンを空気冷却のために使用できる。中間冷却機68は、たとえば、米国特
許第4,949,544号明細書に記載されている中間冷却機の1つとすること
ができる。
る。この技術で知られているように、給水は、中間冷却機78Aを通って延長し
ている給水管76を通じてボイラー70、72、74に供給され、蒸気がボイラ
ー70、72、74から種々の上流側構成部に通じている。特に、ボイラー70
からの蒸気が燃焼機56の入口80に供給され、ボイラー72からの蒸気が低圧
タービン60の入口とパワータービン62の入口に供給され、ボイラー74から
の蒸気がパワータービン62の最後の段に供給される。霧状水噴射装置64を除
き、タービン50の種々の部品はこの技術で公知である。
から高圧圧縮機54に供給される。低圧圧縮機52からの圧縮空気流の少なくと
もいくらかまたは全てが分流されて中間冷却機68の第2の段を流れ、その分流
された空気は冷却されて高圧圧縮機54の入口66に供給される。また、霧状水
が高圧圧縮機54の入口66に供給され、その霧状水は入口66を通って圧縮機
54に入る。霧状水が噴射される場所における高温環境のために、霧状水は高圧
圧縮機54に入る前に部分的に蒸発する。霧状水は、高圧圧縮機54内の空気流
を、その霧状水が流れる圧縮機54の少なくとも各段ごとに冷却する、すなわち
、それが蒸発するまで冷却する。通常は圧縮機54の6番目の段まで、霧状水は
蒸発させられる。
に供給される。燃焼機56からの空気流は高圧タービン58と、低圧タービン6
0と、パワータービン62を駆動する。廃熱がボイラー70、72、74により
捕らえられ、廃熱が蒸気として、ボイラー28、30、32に連結されている上
流側構成部に上記のようにして供給される。
比較してエンジン50により増加したパワー出力が提供される。中間冷却機68
は、周囲の湿気から凝縮が現れることができるまで温度が下がっている流れの場
所を圧縮機内部にとることができる。そうすると、圧縮機54の出口におけるT
3を一層低くして、その圧縮機を運転するために求められるパワーを減少するた
めに、霧状水をその圧縮機に加えることができる。しかし、エンジン50はエン
ジン10と比較してより多くの水を要し、排出スタック温度の蒸気としてスタッ
クを出る付加霧状水と一緒の中間冷却機68の運転のために、エンジン50はい
くらかの水を環境中に放出する。しかし、エンジン50のパワー出力を達成する
ために中間冷却のみが用いられる場合にのみ得られる結果と比較して、霧状水噴
射と中間冷却の組合わせによって水消費量が多くなる結果となる。
ける霧状水噴射を行うよりも、またはそれに加えて、その噴射は低圧圧縮機すな
わちブースター52の入口において実行できる(ブースター霧状水噴射は図3に
示されている)。T3温度およびT41温度の低下におけるのと同様な利点をそ
の噴射により達成できる。
エンジン82の構成は、霧状水噴射装置24が低圧圧縮機すなわちブースター1
2の入口38に配置されていることを除き、図1に示されているエンジン10に
ほぼ類似する。エンジン82では、水はブースター12に噴射されて、ブースタ
ー12内を流れている空気を冷却する。ブースター12内を流れている空気を冷
却することにより、上記のようにT3温度とT41温度を低くするという利点が
得られる。たったおよそ1%の水をブースター12内に噴射でき、その水はブー
スターの終端までに蒸発する。
ーガスタービンエンジン84の概略図である。エンジン84は高圧圧縮機86と
、燃焼機88と、高圧タービン90とを含んでいる。軸92が高圧圧縮機86と
高圧タービン90を連結している。パワータービン94は高圧タービン90の下
流側にあり、軸96がパワータービン94に連結されて、そこから延長している
。霧状水噴射装置98が高圧圧縮機86の入口100に配置されている。
ジン160は、第1の軸166により連結されているブースター162およびパ
ワータービン164と、第2の軸172により連結されている高圧圧縮機168
および高圧タービン170と、燃焼機174とを含んでいる。エンジン160は
前ブースター霧状水噴射装置176と前圧縮機霧状水噴射装置178も含んでい
る。
ビンエンジン200の概略図である。エンジン200は低圧圧縮機202と高圧
圧縮機204を含んでいる。この実施形態では、低圧圧縮機202は5段圧縮機
であり、高圧圧縮機204は14段圧縮機である。燃焼機(図示せず)は圧縮機
204の下流側にある。エンジン200は高圧タービン(図示せず)と低圧ター
ビン(図示せず)も含んでいる。高圧圧縮機は2段タービンであり、低圧タービ
ンは5段タービンである。
噴射装置206も含んでいる。水噴射装置206は、水マニホールド212に連
通している水計量弁210を含んでいる。水は水源すなわち水溜めから計量弁2
10に供給される。空気は高圧圧縮機204の8段ブリード214から空気マニ
ホールド213に供給される。ブリード214は加熱された空気の源として機能
する。熱交換器216が、8段ブリード214から空気マニホールド213まで
延長している流管すなわちチューブ218に連結されている。供給チューブ22
0と221が空気マニホールド213と水マニホールド212から、半径方向に
隔てられて、外部ケーシング224を通じて延びている24個の噴霧ノズル22
2および223まで延びている。ノズル222はここでは短ノズル222と呼ぶ
ことがあり、ノズル223はここでは長ノズル223と呼ぶことがある。ノズル
222および223は、下記でより詳しく説明するように、ケーシング224の
周縁部の周囲に互い違いに半径方向に隔てられている。
の空気供給チューブ220が空気マニホールド213から延びている。一般に、
各ノズル222と223へ流れる水は、高圧圧縮機204の8段ブリード214
から取り出された高圧空気(たとえば、約11kg/cm2(約150psi)
)を用いて霧化される。この実施形態では、滴の直径は約20ミクロンに維持し
なければならない。そのような滴直径は、下記でより詳しく説明する水スケジュ
ールを用い、ブリード214からの高圧空気を用いて、弁210を通る水の流量
を制御することにより維持される。霧状水噴射装置206を除き、エンジン20
0の種々の構成部はこの技術で公知である。
られていて、それの最大パワー出力まで運転させられる。この運転モードでは、
空気は空気パイプ218を通ってノズル222および223まで流れる。その空
気は熱交換器216によって冷却される。しかし、水は弁210を流れることは
許されないので、水は高圧圧縮機204への流れ中に噴射されない。
22および223へ流れる。熱交換器216は動作を続けて、ノズル222およ
び223に供給されている空気の温度を下げる。特に、8段ブリード214から
の空気流は通常は約316〜343℃(約600〜650°F)である。放出さ
れた高温空気と水溜めからの水との間の温度差、または不一致を小さくするため
に、8段ブリード214からの空気の温度が熱交換器216により約121℃(
約250°F)まで下げられ、空気の圧力を約11kg/cm2(約150ps
i)に維持する。圧力を約11kg/cm2(約150psi)に維持すること
により、空気は水を霧化するために十分な圧力を有する。
れている)を高圧圧縮機204の入口208で流れ中に噴射し、その霧状水は入
口208を通って圧縮機204に入る。霧状水が噴射される場所における高温環
境のために、霧状水は高圧圧縮機204に入る前に部分的に蒸発する。その霧状
水は、高圧圧縮機204内の空気流を、その霧状水が流れる圧縮機204の少な
くとも各段ごとに冷却する、すなわち、それが蒸発するまで冷却する。通常は圧
縮機204の6番目の段で、霧状水は完全に蒸発させられる。空気は高圧圧縮機
204により更に圧縮され、高圧縮された空気は燃焼機に供給される。燃焼機か
らの空気流は高圧タービンと低圧タービンを駆動する。
T3)と、燃焼機の出口における空気流の温度(温度T41)が、吹き付けなし
のそれらの温度より低くされる。特に、霧状水は圧縮機204に流れ込んでそれ
を流れる高温空気から熱を奪い、空気流からそのような熱を奪うことによって、
T3温度とT41温度は求められる圧縮機パワーと共に低くされる。T3温度と
T41温度が低くなると、エンジン200はT3温度とT41温度に拘束されず
、したがって、スロットルを押すことにより、そのような水吹き付けなしで可能
であるものより高い出力レベルで運転できる。
圧縮機204の入口温度が大幅に低くされる。したがって、同じ圧縮放出温度制
御リミッタを用いることで、高圧圧縮機204はより多くの空気をポンプ送りし
て、より高い圧力比を達成できる。この結果として出力がより高くなり、効率が
向上する。パワー出力の増大に加えて、上記霧状水噴射は、同じ条件の下で、中
間冷却と比較して水消費が少ないという利点ももたらす。T3温度とT41温度
拘束よりもむしろ、水吹き付け構成により、エンジン拘束はもはやそのような温
度ではなく、たとえば、拘束は高圧タービンのタービン入口温度T48およびコ
ア速力にできる。
できる。そのような前低圧圧縮機霧状水噴射は中間冷却、または図9に関連して
上記で説明した前高圧圧縮機、水噴射と同じ利点の少なくとも多くをもたらすこ
とが信じられる。
ある。図10に示すように、エンジン200は高圧タービン230と、高圧圧縮
機204よりも下流側の低圧タービン232とを含んでいる。高圧圧縮機204
と高圧タービン230は第1の軸234を介して連結され、低圧圧縮機202と
低圧タービンが第2の軸236を介して連結されている。第2の軸236は発電
機228にも連結されている。エンジン200は、たとえば、オハイオ州シンシ
ナチ45215所在のゼネラル・エレクトリック社から、霧状水噴射装置206
を含むように改造された、商業的に入手できるLM6000ガスタービンエンジ
ンとすることができる。
既存のエンジンに後から取り付けることが可能である。噴射装置206はキット
の形で提供され、水マニホールド212と空気マニホールド213および計量弁
210を備えた配管218と220を含んでいる。ノズル222および223も
設けられている。霧状水噴射をおこないたい場合には、ノズル222および22
3は外部ケーシンgy224内に装着され、流管218が装着され、8段目のブ
リード214から空気マニホールド213まで延びている。弁210は水源と水
マニホールド212との間に連結されており、水マニホールド212は空気マニ
ホールド213に連結されている。
M6000エンジン250の側面図である。エンジン250は入口252と、低
圧圧縮機254と、前部フレーム256と、高圧圧縮機258とを含んでいる。
エンジン250は霧状水噴射装置260を含むように改造されている。霧状水噴
射装置260は、エンジン外部ケーシング268に装着されて、半径方向に隔て
られている24個のノズル266に連結されている空気マニホールド262と水
マニホールド264を含んでいる。ノズル266は、低圧圧縮機254と高圧圧
縮機258の間の場所で水をエンジン250内に噴射する。噴射装置260は高
圧圧縮機258の8段ブリード272に連結するための連結器270と、この連
結器270から空気マニホールド262まで延長しているパイプ274とを含ん
でいる。図8には示されていないが、空気マニホールド262に供給される空気
の温度を下げるために、熱交換器(空気−空気または水−空気)をパイプ274
に連結できる。図示の目的のために、ノズル276が低圧圧縮機254の入口2
52に固定されているのが示されている。前低圧圧縮機霧状水噴射を行うために
、空気マニホールドと水マニホールドをノズル276に連結することもできる。
上記の噴射装置260の構成部はステンレス鋼から製造されている。
んでいる。霧状水噴射に組合わせて使用される時は、霧状水に接触するようにな
るそのような羽根の少なくともいくつかを接地することが必要なことがあること
が判明している。求められる範囲まで、およびたとえば、黒鉛グリースを用いる
と、その羽根をケース268に接地できる。すなわち、黒煙グリースをそれらの
羽根の軸受け部に塗布できる。たとえば、そのような黒鉛グリースは第2の段を
通じて入口案内羽根と各下流側羽根のために使用できる。動作時には、グリース
の一部が加熱して消費され、黒鉛が残って羽根からケース268まで導電路を設
ける。
高圧空気をノズルに供給する必要はないかもしれないことも理解すべきである。
したがって、そのような高圧水を利用できるならば、8段ブリードを無くすこと
が考えられる。
斜視図である。連結器270はエンジンケーシング268にねじで係合するよう
に構成され、ボルト276により通常閉じられている開口部274を含んでいる
。ブリードされた空気が空気マニホールド262に供給することが望まれた時に
、ボルト276は外され、パイプ274はパイプ274の端部に、連結器270
の表面に結合する、結合フランジを用いて連結器270に連結される。ボルト穴
280はパイプ結合フランジを連結器270にボルト締めできるようにする。
。ノズル266は、高圧圧縮機258へのガス流中に噴射された水が、高圧圧縮
機258の出口でほぼ一様な半径方向および円周方向の温度低下を行うように構
成されている。ノズル266は長ノズルの集合282と、短ノズルの集合284
を含んでいる。図10に示されている構成では、少なくとも1つ短いノズル28
4が、半径方向に整列されている2つの長いノズル282の間の半径方向の中間
の場所に配置されている。短ノズル284は流路の周面とほぼ同じレベルであり
、長ノズル282が流路の中に約10cm(約4インチ)延長している。もちろ
ん、所望の動作結果に応じて他の長さのノズルを利用できる。1つの特定の実現
では、ノズル284は流路の中に約1.2cm(約0,436インチ)延び、ノ
ズル282は流路の中に約9.36cm(3.686インチ)延びている。圧縮
機出口における結果としての符号化を制御するために、短ノズル284と長ノズ
ル282との間の水比(たとえば、50/50)を選択することもできる。
サが長ノズル282に整列させられている。そのような温度センサを長ノズル2
82に整列させることにより、そのセンサを短ノズル284に整列させるよりも
正確な温度測定が得られる。
284は長さだけが異なる。ノズル266は、空気ノズル288と水ノズル29
0を有するヘッドノズル286を含んでいる。空気ノズル288は、ノズル28
8から空気マニホールド262まで延びる空気パイプ(図示せず)に連結する。
水ノズル290は、ノズル290から水マニホールド264まで延びる水パイプ
(図示せず)に連結する。ノズル266はステム292と、ノズル266をケー
ス262に連結するための装着フランジ294も含んでいる。ステム292の装
着部296がケース262へのノズル266の係合を容易にする。
部管状導管300とを含んでいる。空気はノズル288内に流れ込み、外部導管
298と内部導管300との間の環を通る。水はノズル290内に流れ込み、内
部導管300内を流れる。空気と水との混合は、単一の導管300により形成さ
れているステム部302内で起きる。水と空気の混合したものがノズル266の
端部306から流れ出て、流路内に入るように、その端部は開かれている。
方を見て)のために、エンジン250内のノズル282と284への水と空気の
供給を制御するための制御回路250の概略線図を示す。図13に示されている
ように、純水が、モータで駆動される水ポンプ352を通じてポンプ送りされる
。直線可変差動トランス、圧力センサ、および水計量弁などの水供給管にセンサ
354が連結されている。逃がし弁356がポンプ352と並列に連結され、流
量計358がポンプ352に直列に連結されている。空気追い出し管360も水
供給管に連結されている。常閉ソレノイド弁制御器364の制御器362が空気
追い出し動作を制御する。水供給管内にフィルタ366が設けられ、弁370(
手動弁固定フラッグ特徴(常開))がフィルタ366に並列に連結されている。
結されている常開弁372が設けられている。水供給管内の水が、高圧圧縮機2
58の8段ブリードから空気を受ける熱交換器376を通って流れる。
と284への水の供給を制御する。回路350は水溜め382も含んでいる。入
口水噴射のために、センサ378と制御弁384が水282への水の供給を制御
する。
ある。ボックスは給水装置とエンジンとの間のインタフェースを示す。水計量弁
286とその他の制御弁/測定弁288と、オリフィス290(水噴射のための
入口)とが回路350を流れる水の制御に関連して用いられる。
のための制御である。下記の説明では、表示Z SPRINTON、Z SPR
INT、およびZ RAISEは下記の意味を持つ。 Z SPRINTON= 装置供給者起動/エンジン停止のためのシーケンス制 御H2O供給。 Z SPRINT= 水噴射機能、閉鎖機能、および保護機能のために用い られる熱交換器排出に続くコア制御論理スケジュール リミットシーケンス。 Z RAISE= Z SPRINTプラス警報機能のために用いられる マニホールド充填タイマ終了。 また、*は選択された変数が同調可能であることを示す。
SPRINTON=T(TRUE=ON) 2.水ポンプオンおよび熱交換器追い出し弁をバイパスする(最小流量) 3.水熱交換器追い出し8段空気温度を<約セ氏149度(300F)まで下 げる(5分*) 4.Z SPRINT=T(TRUE=ON)SPRINT閉鎖弁開放(熱交 換器バイパスエンジンへ転換された),エンジンへの計画最小流量 5.流れが計画された最小水流量を60秒*充填するZ RAISET(TR UE=ON) 6.オペレータがSPRINT流量(0.5gpm/秒)を計画最大レベルま で増加する。 7.オペレータがパワーを所望のレベルまで増加し、またはMW、T3、T4 8、Ps3、XN25R3、またはXN25Rにより制限されるレベルま
で増加する。 8.パワーおよび水を計画限界の間で所望により低下する。 9.ベース計画限界より低いPS3約4.2kg/cm2(60psi)にお いてZ SPRINT=Fにセットし、SPRINTを最小計画流量まで 徐々に(−2gpm/sec)減少し、閉鎖する。 10.Z SPRINTONをOFF(FALSE=OFF)に起動し、SP RINTは弁を閉じて、水をエンジンからバイパスへ分流し、水ポンプ を停止し、熱交換器追い出し弁をバイパスし、空になるまで装置の排出 口と追い出し配管を開き、排出口を閉じる。
マを充填し、SPRINTが警報のために流れる。
り、図15は種々の周囲温度における出力と、熱レートと、流量と、図8に示さ
れているエンジンに供給される水とを示す図表である。ノズルに供給される水の
量は、たとえば、周囲温度と所望の滴の寸法に依存して変化する。少なくとも1
つの応用では滴の寸法が20ミクロンであることが判明しており、許容できる結
果を与えている。もちろん、霧状水噴射が用いられるエンジンの運転パラメータ
と、所望の運転パラメータと、当業者に知られているその他の要因とは霧状水噴
射装置の量に影響を及ぼす。
圧圧縮機出口修正された速度を示す図表である。高圧ガスタービンガス経路空気
取り入れの結果として高圧ガスタービン内部キャビティ温度が高くなり過ぎるこ
とを防止するために、図8に示されているエンジンに追加のエンジン制御限界が
用いられている。高圧タービンキャビティは高圧圧縮機からの適切な流量および
圧力レベルの空気で冷却されて、内部キャビティから高圧タービンガス経路内へ
の正空気流が常に存在し、したがって、取り込みの可能性をなくすようにする。
圧縮構成部への水噴射の目的はパワーを増大するためにエンジンをスロットルを
押すことができるように、温度T3を低くすることであるので、高圧装置は水噴
射なしで通常運転するよりも速く運転する。しかし、タービンキャビティを冷却
するために圧縮機によって供給される寄生空気が減少させられる。図16に示さ
れているカーブは、高圧圧縮機出口温度に修正された高圧圧縮機スピードの関数
としての、高圧圧縮機冷却空気流の関係を示す。高圧圧縮機出口修正された温度
は、 HP物理的速度* 平方根(国際標準温度/HPC出口温度) または XN25R3=XN25*(TSTD/T3)1/2 ここで、TSTD=518.670R(590F)である。
取り込みがないようにするために求められる、最小高圧タービンキャビティ流量
が存在する。この流量レベルおよび高圧圧縮機出口修正されたスピードに対する
それの関係が、最大限界としてエンジンを制御しなければならないXN25R3
を定める。
の腐食を阻止するために十分小さい滴寸法を保持するために、各流量における最
小滴寸法を生じなければならない。以下に説明するのは滴寸法を解析するための
やり方である。更に詳しくいえば、および予備解析のために、LM−6000ブ
ースターダクトの30°扇形の3Dモデルを用いて、ダクト内の速度および温度
の場を決定する。ダクト入口においては渦巻き回転は仮定されず、ノズル先端が
、半径方向内側に向けられているブースターダクトの入口における外部ケーシン
グ内に配置されている。ノズル軸は外部ケーシング表面に垂直であって、噴射点
はケーシング表面から半径方向内側に約0.51cm(約0.2インチ)であっ
た。ノズルが生じた滴の寸法値が、式1により与えられる、RR滴寸法の最小値
であるようにとられた。空気を霧化するノズルにより通常発生されるものよりも
小さい滴寸法の影響を決定するために、2つのより小さい値(すなわち、10.
5μmおよび7.5μm)も仮定された。結果が図17に示されている。おのお
の0.5GPMの36個のノズルが用いられる、すなわち3〜30°扇形が仮定
された。
示されている。
在しなければならない近似最大滴寸法を決定するために、図18におけるデータ
を使用できる。得られた滴寸法も図18に示されている。この計算は、湿ってい
る表面に再び取り込まれたことから得られる平均滴寸法が、付着した滴寸法と同
じであると仮定している。圧縮機に存在する空気の密度が高くなり、液体の量が
減少するために、実際の再び捕らえられた滴寸法は図18に示されているものよ
り小さい。再取り込みを介して圧縮機で発生されるものよりも小さい滴を噴射ノ
ズルで発生することが不必要であるようにみえるが、ノズルが発生する滴が小さ
くなると、HP入口案内羽根に付着する圧縮機入口流量の一部が少なくなるため
に、それはそうならない。また、湿りが示されている段における湿っている場所
の部分は、どのような精度でも決定できない。したがって、湿っているケーシン
グ温度により示されるものより少ない水がHP圧縮機内に存在することが可能で
ある。
算されたものよりおよそ20%多くの水噴射を所与の段で蒸発できることを示し
ている。
じノズル流量および最初の滴寸法がLP圧縮機への入口で探された。ノズルによ
り発生される滴の寸法が小さくなるほど、ノズル流れの一部のみをLP圧縮機の
入口案内羽根に付着させる。付着された流れは同じように挙動するが、付着しな
い部分はLP圧縮機およびブースターダクト内でより急速に蒸発する。
同じである。滴の形態の部分の蒸発が、滴の完全蒸発の場所を決定するモデルを
用いて計算された。後者は、付着されていない流れに対する小さいカットオフ寸
法のために、LP圧縮機内に配置された。このカットオフ寸法は、軌道解析を用
いて、LPへの入口において13μmであると計算された。図19における初め
の4つのノズルについての結果が図20に示されている。図20では、全部で1
8GPMが最初にノズル当り0.5GPMで再び噴射される。
て13μmのカットオフ寸法が図20におけるノズル3に対して用いられたとす
ると、HP圧縮機の9番目および10番目の段ではなくて、11番目の段で完全
な蒸発が起きる。LP入口における噴射でのブースターダクトにおける平均滴寸
法の増大のために、ブースターダクト入口における噴射と比較して、LP圧縮機
内での蒸発によってHP圧縮機内では早く蒸発する結果となる。
るノズル、およびHP圧縮機内での蒸発に及ぼすそれの影響が、その中でノズル
を採用すべき環境内のノズルによって発生される時間的な滴寸法分布についての
知識を必要とする。時間的な寸法分布は対象とする空気密度において測定しなけ
ればならない。時間的な滴寸法を計算するために、滴寸法と、液体体積部分と、
滴速度輪郭との空間的分布を測定する必要がある。
は、試験例では、約2.1kg/m3(0.13lb/ft3)のブースターダク
ト空気密度に一致するために十分な圧力で約3.2kg/s(7lb/s)まで
の空気により供給される。トンネル内の空気速度は約13.7m/sから22.
9m/sまで(45ft/sから75ft/sまで)変化されて、外部吹き付け
境界における吹き付けの逆循環を無くし、かつ、石英窓への滴入射を避けるため
に十分に小さい吹き付け直径を保持する。ノズルと測定場所との間の蒸発を考慮
する必要を無くすために、空気温度は95°F以下に保たれた。
量の空気速度の測定から得られる。RR滴寸法の半径方向値に、液体体積部分の
半径方向値と、軸線方向の滴速度とが乗ぜられ、その後でその結果の積を吹き付
け半径にわたって積分される。積分された平均液体体積部分と、吹き付け横断面
にわたる軸線方向速度とによって除した後で、平均流入RR滴寸法が得られる。
7kg/cm2(135psig)において、全部で24GPM噴射における2
4個の空気で霧化するノズルはHP圧縮機内で蒸発できるようにし、一方、約2
16kg/cm2(3000psig)の圧力で霧化するノズルは24GPMか
ら5GPMをHP圧縮機を通じてばらばらにする。ノズル当り1GPMの圧力で
霧化されるノズルでHP圧縮機内で24GPMを蒸発させるために、少なくとも
いくつかのノズル構成を約350kg/cm2(5000psig)で動作しな
ければならない。ノズル当りより低い水量で、空気で霧化するノズルの性能は向
上し、ノズル構成が変更されないとすると、圧力で霧化するノズルの性能は低下
する。ノズルはミシガン州ジーランド(Zeeland)49464所在のFS
T Woodwardから商業的に入手できる。
機放出温度制御限界を用いて得ることができるという重要な結果を提供する。す
なわち、ブースターと高圧圧縮機との少なくとも一方の前方に霧化された水を噴
射することにより、高圧圧縮機の入口温度が大幅に低くされる。したがって、同
じ圧縮機放出温度制御限界を用いて、高圧圧縮機はより多くの空気をポンプ送り
できて、より高い圧力比を達成する。この結果として出力が一層高くなり、効率
が向上する。パワー出力の増加に加えて、上記霧状水噴射は、同じ条件の下で、
中間冷却と比較して水消費量が少ないという利点をもたらす。
よび範囲内で変更して実施できることを当業者は認識するであろう。
表示である。
ンエンジンの概略表示である。
概略表示である。
エンジンの概略表示である。
含むガスタービンエンジンの概略表示である。
の概略表示である。
である。
ンジンの側面図である。
めの連結器の斜視図である。
の概略図である。
ート、流量、および水を示す図表である。
正された速力との関係を示す図表である。
Claims (48)
- 【請求項1】 高圧圧縮機と、 該高圧圧縮機の上流側の位置でガス流中に水を噴射する水噴射装置とを有し、
該水噴射装置は複数のノズルを有しており、該複数のノズルは該ノズルによって
前記ガス流中に噴射された水が前記高圧圧縮機の出口において前記ガス流の温度
を実質的に均等に低下させるように配置されているエンジン。 - 【請求項2】 前記ノズルは長ノズルと短ノズルとを有しており、前記ノズ
ルは、短ノズルの1つが各々の長ノズル対の半径方向中間に位置するように互い
違いになる構成で配置されている、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項3】 前記水噴射装置が、各前記ノズルに連通する水貯槽と前記水
貯槽から前記ノズルへの水の流れを制御する給水弁とをさらに有する、請求項1
に記載のエンジン。 - 【請求項4】 前記給水弁と前記ノズルとに連通し、これら給水弁とノズル
との間に設けられた水マニホルドをさらに有する、請求項3記載のエンジン。 - 【請求項5】 前記ノズルへ供給される水を微粒化するための加熱源をさら
に有する、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項6】 高圧圧縮機が複数の段を有し、前記加熱された空気の発生源
が前記高圧圧縮機の少くとも1段を有している、請求項5に記載のエンジン。 - 【請求項7】 前記加熱された空気の発生源と前記ノズルとの中間にある空
気マニホルドをさらに有する、請求項6に記載のエンジン。 - 【請求項8】 空気管が前記高圧圧縮機の前記段から前記空気マニホルドへ
延び、前記水噴射装置が、前記空気管を経て前記空気マニホルドへ流れる空気の
温度を下げるための、前記空気管に連結された熱交換器をさらに有している、請
求項7に記載のエンジン。 - 【請求項9】 低圧圧縮機と、該低圧圧縮機および前記高圧圧縮機と連続す
る流れ関係にある中間冷却器とをさらに有し、前記中間冷却器が、前記低圧圧縮
機の出口に連結されて、前記低圧圧縮機から流出するガスの少くとも一部を受取
る入口と、前記高圧圧縮機の入口に連結された出口とを有する、請求項1に記載
のエンジン。 - 【請求項10】 前記高圧圧縮機の下流に位置する燃焼器をさらに有する、
請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項11】 前記燃焼器の下流に高圧タービンと低圧タービンとをさら
に有する、請求項10記載のエンジン。 - 【請求項12】 前記高圧圧縮機と前記高圧タービンとが第1の軸により連
結され、前記低圧圧縮機と前記低圧タービンとが第2の軸により連結されている
、請求項11に記載のエンジン。 - 【請求項13】 前記低圧圧縮機が少くとも5段からなり、前記高圧圧縮機
が少くとも14段からなる、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項14】 少くとも2段からなる高圧タービンと、少くとも5段から
なる低圧圧縮機とを有する、請求項13に記載のエンジン。 - 【請求項15】 前記水噴射装置が、各前記ノズルに連通する水貯槽と、前
記水貯槽から前記ノズルへの水の流れを制御する給水弁とをさらに有する、請求
項1に記載のエンジン。 - 【請求項16】 低圧圧縮機をさらに有し、前記ノズルが前記低圧圧縮機と
前記高圧圧縮機との中間に位置している、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項17】 低圧圧縮機をさらに有し、前記ノズルが前記低圧圧縮機の
上流に位置している、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項18】 前記高圧圧縮機が複数の固定子を有し、前記固定子が電気
的に接地されている、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項19】 前記ノズルの各々が内側流路と外側流路とを有し、前記内
側流路が水貯槽に連結され、前記外側流路が加熱された空気の発生源に連結され
ている、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項20】 前記ノズルにおける水が、微粒化に必要な圧力がかけられ
ている、請求項1に記載のエンジン。 - 【請求項21】 前記ノズルからの水滴の直径が約20ミクロンである、請
求項20に記載のエンジン。 - 【請求項22】 低圧圧縮機と、 該低圧圧縮機の下流側にある高圧圧縮機と、 該高圧圧縮機の下流側に位置する燃焼器と、 該燃焼器の下流側にある高圧タービンと、 該高圧タービンの下流側にある低圧タービンと、 前記高圧圧縮機の上流においてガス流中へ水を噴射する水噴射装置とを有し、
前記水噴射装置が複数のノズルと、各前記ノズルに連通する水貯槽と、前記水貯
槽から前記ノズルへの水の流れを制御するため給水弁とを有し、前記ノズルが、
前記ノズルから前記ガス流中へ水を噴射することにより前記高圧圧縮機出口にお
ける前記ガス流の温度が実質的に均一に下がるように配置されているエンジン。 - 【請求項23】 前記ノズルは長ノズルと短ノズルとを有しており、前記ノ
ズルは、短ノズルの1つが各々の長ノズル対の半径方向中間に位置するように互
い違いになる構成で配置されている、請求項22に記載のガスタービンエンジン
。 - 【請求項24】 前記高圧圧縮機が複数の段を有しており、前記水噴射装置
が、前記高圧圧縮機の前記段の1つから延びている、加熱された空気を前記ノズ
ルへ供給するための流管を有し、前記水噴射装置が、前記管を径て前記空気マニ
ホルドへ流れる空気の温度を下げるための、前記流管に連結された熱交換器をさ
らに有する、請求項22に記載のエンジン。 - 【請求項25】 前記低圧圧縮機および前記高圧圧縮機と連続する流れ関係
にある中間冷却器をさらに有し、前記中間冷却器が、前記低圧圧縮機の出口に連
結され前記低圧圧縮機の出口から流出するガスの少くとも一部を受取る入口と、
前記高圧圧縮機の入口に連結された出口とを有する、請求項22に記載のエンジ
ン。 - 【請求項26】 前記高圧圧縮機と前記高圧タービンとが第1の軸により連
結され、前記低圧圧縮機と前記低圧タービンとが第2の軸により連結されている
、請求項22に記載のエンジン。 - 【請求項27】 前記低圧圧縮機が少くとも5段からなり、前記高圧圧縮機
が少くとも14段からなり、前記高圧タービンが少くとも2段からなり、前記低
圧圧縮機が少くとも5段からなる、請求項22に記載のエンジン。 - 【請求項28】 前記ノズルが前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との中間に
位置している、請求項22に記載のエンジン。 - 【請求項29】 前記ノズルが前記低圧圧縮機の上流に位置している、請求
項22に記載のエンジン。 - 【請求項30】 前記高圧圧縮機が複数の固定子を有し、前記固定子が電気
的に接地されている、請求項22に記載のエンジン。 - 【請求項31】 前記ノズルの各々が内側流路と外側流路とを有し、前記内
側流路が水貯槽に連結され、前記外側流路が加熱された空気の発生源に連結され
ている、請求項22に記載のエンジン。 - 【請求項32】 前記ノズルにおける水が、微粒化に必要な圧力がかけられ
ている、請求項22に記載のエンジン。 - 【請求項33】 前記ノズルからの水滴の直径が約20ミクロンである、請
求項32に記載のエンジン。 - 【請求項34】 高圧圧縮機を有するエンジンのガス流中に水を噴射する水
噴射装置であって、該水噴射装置は前記高圧圧縮機の上流で前記エンジンに固定
された複数のノズルを有しており、該ノズルが前記ノズルによりガス流中に噴射
された水によって前記高圧圧縮機の出口におけるガス流の温度が実質的に均等に
低下させられるように構成されている水噴射装置。 - 【請求項35】 ノズルが長ノズルと短ノズルとを有しており、前記ノズル
が、前記エンジンに固定されるときに、短ノズルの1つが各々の長ノズル対の半
径方向中間に位置するように互い違いになる配置に構成されている、請求項34
に記載の水噴射装置。 - 【請求項36】 各前記ノズルに連通する水貯槽と、前記水貯槽から前記ノ
ズルへの水の流れを制御するための給水弁とをさらに有する、請求項36に記載
の水噴射装置。 - 【請求項37】 前記給水弁と前記ノズルとに連通し、これら給水弁とノズ
ルとの間に設けられた水マニホルドをさらに有する、請求項36に記載の水噴射
装置。 - 【請求項38】 空気マニホルドと、前記高圧圧縮機の段から前記空気マニ
ホルドへ延びるように構成された流管とをさらに有する、請求項34に記載の水
噴射装置。 - 【請求項39】 前記管を経て前記空気マニホルドへ流れる空気の温度を下
げるために、前記流管に連結されるように構成された熱交換器をさらに有する、
請求項38に記載の水噴射装置。 - 【請求項40】 前記エンジンの低圧圧縮機および前記高圧圧縮機と連続し
た流れ関係にあるように構成された中間冷却器をさらに有する水噴射装置。 - 【請求項41】 前記ノズルが前記エンジンの低圧圧縮機と前記高圧圧縮機
との中間に配置されるように構成されている、請求項34に記載の水噴射装置。 - 【請求項42】 前記ノズルが、前記エンジンの低圧圧縮機の上流に位置す
るように構成されている、請求項34に記載の水噴射装置。 - 【請求項43】 前記ノズルの各々が内側流路と外側流路を有し、前記内側
流路が水貯槽に連結され、前記外側流路が加熱された空気の発生源に連結されて
いる、請求項34に記載の水噴射装置。 - 【請求項44】 高圧圧縮機と、該高圧圧縮機の上流のエンジンのガス流中
に水を噴射する水噴射装置とを備えたガスタービンエンジンの運転方法であって
、 前記エンジンの前記ガス流中に水を噴射せずに運転する工程と、 前記ガス流中に水を噴射せずに一旦最大パワーに到達したら、前記水噴射装置
を起動して前記ガス流中に水を噴射する工程とを有する、ガスタービンエンジン
の運転方法。 - 【請求項45】 前記水噴射装置が給水バルブを有し、前記水噴射装置を起
動して前記ガス流中に水を噴射する工程が前記給水弁を開く工程を有する、請求
項44に記載の方法。 - 【請求項46】 前記エンジンが低圧圧縮機を有し、前記水噴射装置が複数
のノズルを有し、該ノズルが前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との中間に位置し
ている、請求項44に記載の方法。 - 【請求項47】 前記エンジンが低圧圧縮機を有し、前記水噴射装置が複数
のノズルを有し、該ノズルが前記低圧圧縮機の上流に位置している、請求項44
に記載の方法。 - 【請求項48】 前記水噴射装置を起動して前記ガス流中に水を噴射する工
程の後に、前記エンジンの燃焼器への燃料の流量を増加する工程をさらに有する
、請求項44に記載の方法。
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