JP2004506115A

JP2004506115A - ガスタービンエンジン及び作動方法

Info

Publication number: JP2004506115A
Application number: JP2002517951A
Authority: JP
Inventors: ラフマイロフ　アナトリ
Original assignee: エーエルエム　ディベロップメント　インコーポレイテッド
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2004-02-26
Also published as: AU2001282869A1; WO2002012691A1; US6442945B1

Abstract

ガスタービンエンジン及びガスタービンエンジンをアイドル速度で作動させる方法が提供される。エンジンは、圧縮機を回転させる駆動モータと、モータ制御システムとを有し、モータ制御システムは、燃料供給制御システムに接続された入力を備えるモータパワーアップモジュールと、モータパワーアップモジュールに接続された第１の入力、圧縮機用タービンの出口のところに設けられている温度センサに接続された第２の入力及び駆動モータに接続された出力を備えるモータパワー出力制御モジュールとを有する。ガスタービンエンジンの作動方法は、ガスタービンが圧縮機用タービンの出口のところの予め設定された温度を維持するのに必要な量までアイドル運転する場合、燃焼のために供給される燃料の量を減少させる段階と、燃焼器内での燃料のために供給される燃料の量を減少させると、圧縮機を回転させる段階とを有する。

Description

【０００１】
本願は、９つの同時係属米国特許出願第０９／１６１，１０４号、第０９／１６１，１１４号、第０９／１６１，１１５号、第０９／１６１，１７０号（これらの出願日は全て、１９９８年９月２５日である）及び第０９／２６７，８９３号、第０９／２６７，８９４号、第０９／２６７，８９５号、第０９／２６７，８９６号、第０９／２６７，８９７号（これらの出願日は全て、１９９１年３月１１日である）並びに更に５つの同時係属米国仮特許出願第６０／１５８，９３５号、第６０／１５８，９２９号、第６０／１５９，０６５号、第６０／１５９，０６６号及び第６０／１５８，９３４号（これらはすべて１９９９年１０月１２日に出願された）を引照する。上記の技術文献の各々の開示内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。
【０００２】
本発明は、ガスタービンエンジンの分野、特に、無負荷運転制御システムを有するガスタービンに関する。
【０００３】
〔発明の背景〕
本発明は、発電機又は車両の駆動及び出力が中程度であること、小型であること及び応答速度の高いことが好ましい他の用途に特に有用な形式のガスタービンエンジンに関する。この種のガスタービンエンジンは、圧縮機、圧縮機の下流側に設けられた燃焼器及び燃焼器の下流側に設けられた出力タービンを有している。
【０００４】
出力タービンの回転方向と逆の方向に回転する圧縮機用タービンが、圧縮機を駆動するために出力タービンの下流側に設けられている。このエンジンは、係属中の米国特許出願第０９／２６７，８９３号で言及されているように圧縮機のタービンの出口のところの温度を制御する温度制御システムを有している。このガスタービンエンジンの圧縮機は、本出願人の先の米国特許出願第０９／１６１，１１５号に詳細に説明されているように、出力タービンとは無関係に回転し、圧縮機用タービンの排気部からのガスを圧縮してこのガスを燃焼器に送り戻し、そして出力タービンを冷却するための熱交換機中へ送る。
【０００５】
ガスタービンエンジンのアイドル運転時、圧縮機は、回転し続けてエンジンの流れダクト内の排気ガスの再循環を維持し続ける必要がある。というのは、もしそうでなければ、燃焼器内の燃焼を維持できず、エンジンは、負荷が再び加えられた場合には負荷を維持できないであろうからである。圧縮機を無負荷モードで回転させるため（出力タービンが回転せず、圧縮機の圧縮比が実質的に減少する場合）、効率は非常に低く、有用な仕事が全く行われない状態であまりにも多量の燃料が消費される。加うるに、発電を生じないであまりにも多量の燃料を燃やすことは、無駄で有害な放出物（熱的及び化学的の両方）と関連がある。このガスタービンは、出力領域の大部分にわたって非常に良好な効率を発揮するか、アイドル運転時には、技術の現状のレベルにある熱エンジンの大部分と同様、効率がかなり悪い。
この欠点は、以下に記載するような本発明のガスタービンエンジンでは生じない。
【０００６】
〔発明の概要〕
本発明の目的は、エンジンのアイドル運転時に燃料消費量を最小限に抑え又は無くすガスタービンエンジンを提供することにある。
【０００７】
本発明の別の目的は、上述した形式のガスタービンエンジンの総合的な燃料経済性を向上させることにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、エンジンのアイドル運転時、ガスタービンエンジンの有害な放出物を減少させることにある。
【０００９】
上記目的は、圧縮機、圧縮機の下流側に設けられた燃焼器及び燃焼器の下流側に設けられた出力タービンを有するガスタービンエンジンによって達成される。このエンジンは、出力を生じさせて圧縮機を駆動するために出力タービンの下流側に設けられた圧縮機用タービンを有し、この圧縮機用タービンは、出力タービンの回転方向とは逆の方向に回転する。ガスタービンエンジンは、圧縮機用タービンの出口のところの予め設定された温度を維持する温度制御システムと、燃料供給制御システムと、圧縮機を回転駆動する駆動モータと、燃料供給制御システムに接続された入力を備えるモータパワーアップモジュール、モータパワーアップモジュールに接続された第１の入力及び駆動モータに接続された出力を備えるモータ出力制御モジュールを有するモータ制御システムと、圧縮機用タービンの出口のところに設けられていて、モータ出力制御モジュールの第２の入力に接続された温度センサとを有している。
本発明の他の目的及び利点は、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明及び添付の図面から明らかになろう。
【００１０】
〔好ましい実施形態の説明〕
本発明のガスタービンエンジンが概略的に示された図１において、シャフトＳ１を介して出力を生じさせるよう設計された出力タービン１０が、燃焼器１０の下流側に設けられ、この燃焼器は、燃焼器内で燃焼器１２に供給された燃焼用空気（図示せず）で燃やすための燃料を送る燃料供給制御システム１４に連結されている。圧縮機用タービン１６は、出力タービンの回転方向とは逆の方向に回転可能に出力タービン１０の下流側に設けられている。圧縮機用タービン１６は、出力タービン１０からガスを受け取り、この圧縮機用タービン１６は、その排気ガスのための出口１６_１　を有している。シャフトＳ２を介して圧縮機用タービン１６に取り付けられた圧縮機１８が、圧縮機の回転のために用いるよう圧縮機用タービン１６によって生じた動力を受け取る。圧縮機１８は、圧縮機用タービン１６の出口１６_１　からの排気ガスを圧縮する。この排気ガスは、圧縮機用タービン１６の出口１６_１　から熱交換機２０の第１の回路の入口２０_１１に流れ、熱交換器２０の第１の回路の出口２０_１２から圧縮機１８の入口１８１に送られる。圧縮機１８の出口１８２からの圧縮ガスは、熱交換器２０の第２の回路の入口２０_２１に送られ、そして、熱交換器２０の出口２０_２２から圧縮機１２に送られる。係属中の米国特許出願第０９／１６１，１１５号に詳細に説明されているように、熱交換器２０の第２の回路の出口２０_２２からのガスの一部を引き出して（図示せず）これを冷却目的で出力タービン１６に供給する。
【００１１】
上述のガスタービンエンジンサイクルでは、出力領域全体にわたって出口１６_１　のところの温度を一定状態に保つために圧縮機用タービン１６の出口１６_１　のところでの温度制御が必要になる。この種のガスタービンエンジンに関して、圧縮機用タービンの出口のところの温度を維持する装置が、係属中の米国特許出願第０９／１６１，１７０号に詳細に説明されている。ガスタービンエンジンを負荷状態で作動させると、出力タービン１０は有用なエネルギをシャフトＳ１に生じさせるよう回転し、圧縮機１８に伝わる圧縮機用タービン１６のシャフトＳ２上の動力は、発電機（これについては以下に説明する）に加わる負荷を制御することによって制御され、この発電機は、シャフトＳ２からのエネルギの過剰分を除いて圧縮機用タービン１６の出口１６_１　のところの温度を一定に保つ。圧縮機用タービン１６の出口のところの温度は、温度センサ２２によって検出され、この温度センサは、圧縮機用タービンの排気ダクト内に据え付けられた熱電対であるのがよい。
【００１２】
ガスタービンエンジンのこの作動方法は、無負荷モードを除けば出力領域全体にわたって有用である。負荷を受けた状態での運転中、燃料供給制御システム１４は、燃焼器１２への燃料の量を計量し、この燃料の量は、出力タービン１０のシャフトＳ１上の出力需要を補償するのに必要である。圧縮機用タービン１６はガスタービンエンジンの流れダクト内の排気ガスの必要な循環状態を維持するようタービン１８を回転させ、上述の温度制御システムは、温度センサ２２からの信号を用いて圧縮機の吐出容量を制御し、それにより、圧縮機の作動状態を出力タービン１０の冷却の必要性に合わせて調節する。
【００１３】
エンジンのアイドル運転時における本発明のガスタービンエンジンの作動を図２を参照して説明するが、図中、以下の曲線が示されている。
η＝ガスタービンエンジンの効率
Ｑ_ｆ　＝燃料流量（燃料消費量）
Ｔ_２２＝圧縮機用タービン１６の出口１６_１　のところの温度
Ｐ_ｄ　＝駆動モータの出力
Ｐ_ｄ　＋Ｐ_ｈ　＝駆動モータ及び加熱器の全出力
【００１４】
ガスタービンエンジンが負荷状態、例えば、全負荷の約５％〜約１５％の出力範囲で稼動しているとき、効率ηは増大し（図２参照）、次に、出力領域の残部にわたって安定状態のままである。最高約５％の出力領域中の燃料消費量（Ｑ_ｆ　）は、或る最小レベルでほぼ安定状態のままであり、次に、最大値まで増大する。加うるに、圧縮機用タービン１６の出口のところの温度は、安定状態のままである（Ｔ_２２）。
【００１５】
ガスタービンエンジンのアイドル運転時（即ち、負荷が出力タービン１０のシャフトＳ１から除かれている場合）、燃料供給制御システム１４は、燃焼器１２に送られる燃料の量を実質的に減少させる。
【００１６】
従来型ガスタービンエンジンでは、燃焼器１２に送られる燃料の最小量は、エンジン流れダクト内の排気ガスの再循環を維持すると共に燃焼器内の燃焼を維持するよう圧縮機１８を作動させるレベルの状態にあることが必要である。これは、エンジンを高温待機モードに保つのに必要であり、これには、図２に曲線部分Ｑ_ｆ１で示す燃料消費量が必要になる。
【００１７】
燃料消費量は、無負荷状態では、５％〜約１５％の出力領域の燃料消費量と同程度である。これは、図２で分かるように無負荷状態中、エンジンの効率が低いということによって説明される。負荷をガスタービンエンジンから除くと、燃料供給制御システム１４は、燃焼器１２内で燃焼のために供給される燃料の量を、圧縮機用タービン１６の出口１６_１　のところに予め設定された温度Ｔ_２２を維持するのに必要な量Ｑ_ｆ２まで減少させる。この燃料の量は燃焼を維持するのに十分であるが、図２に示すように、出口１６_１　のところの温度は、レベルＴ′_２２まで増大することになる。これが起こる理由は、燃料供給制御システム１４が燃焼器１２に送る燃料の量が、圧縮機１８を運転状態に保つには不十分だからである。この状態の結果として、望ましくない過熱が生じることになる。
【００１８】
この過熱が生じないようにするため、例えばシャフトＳ３により圧縮機１８に機械的に結合された駆動モータ２４によって圧縮機１８を回転させるようにする。駆動モータは、任意の種類のエネルギによって動力供給されるのがよいが、この特定の実施形態の目的上、駆動モータ２４は電気エネルギで動力供給されると考えられる。駆動モータ２４は、圧縮機１６の出口１６_１　のところの温度をレベルＴ_２２（図２）に維持するような仕方で圧縮機を回転させなければならないことは明らかであろう。
【００１９】
ガスタービンエンジンは、負荷運転中、温度をレベルＴ_２２に維持するための温度制御システムを有している。この温度制御システムは、圧縮機１８に機械的に結合された発電機２５を有し、この発電機２５は、温度ピックアップ２２からの信号によって制御される電気負荷ユニット２６に接続されている。このシステムは、圧縮機用タービンが出力領域の大部分にわたり或るモードでは過剰の出力を生じる場合、圧縮機１８がエンジンシステムを過冷却するのを阻止する。この温度制御システムの詳細は、本出願人の係属中の米国特許出願第０９／１６１，１７０号に記載されている。動力源３０に連結された駆動モータ制御システム２８は、温度をレベルＴ_２２に保つ。動力源３０は、それ自体充電のために電気負荷ユニット２６に接続できる蓄電池であるのがよい。モータ制御システム２８は、燃料供給制御システム１４に接続されていて、エンジンの無負荷モードに相当する量（図２のＱ_ｆ２）まで燃料供給を減少させる信号を受け取る入力３２_１　を備えたモータパワーアップモジュール３２を有している。この信号が最も単純な場合では、スロットルレバー運動（図示せず）又は燃料制御モジュール（図示せず）の出力から得ることができる。
【００２０】
パワーアップモジュール３２の出力３２_２　は、モータ出力制御モジュール３４の第１の入力３４_１２に接続されていて、駆動モータ２４をオンにしなければならないことを指示する信号をこのモジュールに送るようになっている。この信号がモータ出力制御モジュール３４の第１の入力３４_１１のところで受け取られると、このモジュールは、蓄電池３０によって駆動モータ２４を付勢させる。かくして、駆動モータ２４により、圧縮機１８は、燃焼器１２への燃料供給が不適当なので静止状態のままである場合に回転するようになる。モータ出力制御モジュール３４の第２の入力３４_１２は、出力電圧をモータ出力制御モジュール３４の出力３４２のところで制御するために温度信号を受け取るよう温度センサ２２に接続されている。圧縮機用タービン１６の出力１６_１　のところの温度が減少すると（図２において、Ｔ_２２温度レベルとＴ′_２２温度レベルの相互間の点線で示されている）、モータ出力制御モジュール３４の出力３４_２　のところの電圧が増大し、モータ２４の出力は、増大して圧縮機１８の速度（及び吐出容量）を上昇させると共に温度をレベルＴ_２２に減少させることになる。
【００２１】
駆動モータ２４によって消費される動力は、図２において曲線Ｐ_ｄ　によって示されている。蓄電池３０の最大出力は、温度を最大レベルＴ′_２２まで増大させたときに引き出されることが分かる。温度がレベルＴ_２２まで減少すると、蓄電池３０から引き出される出力は０である。その結果、ガスタービンエンジンが稼働し、燃焼を維持すると共に圧縮機用タービン１６の出口のところの温度レベルＴ_２２を維持するのに必要な最小量（Ｇ_１２）の燃焼を消費する。
【００２２】
駆動モータ２４は、蓄電池３０で動作する。ガスタービンエンジンの負荷運転中、蓄電池３０は発電機２５によって充電される。発電機２５は、圧縮機用タービンの過剰の出力を吸収してエンジンが過冷却しないように保護する。このエネルギ消費は、エンジンにとって有用であり、したがって、蓄電池３０に蓄えられたエネルギが比較的安価に得られるようになっている。この貯蔵エネルギはエンジンのアイドリング中における燃料消費量を減少させるために使われるので、駆動モータの回転は、ガスタービンエンジンの内部資源を用いることによって確保される。これは、或るエンジン作動期間にわたり平均的な燃料の節約を評価すれば、ガスタービンエンジンの総合効率が向上することを意味している。無負荷における燃料消費量を少なくすることにより、エンジンのアイドリング中における放出物（熱的な面と化学的な面の両方）が減少する。
【００２３】
ガスタービンエンジンの無負荷運転のための駆動モータ２４及び温度制御のための発電機２５が上述の実施形態では別個独立のユニットとして示されているが、両方の機能、即ち、圧縮機の出力が高すぎる場合に圧縮機用タービン１６に負荷を加える電気的動力の発生と圧縮機用タービン１６の出力のところの温度が予め設定されたレベル（Ｔ_２２）に保たれなければならない場合に圧縮機１８を無負荷状態で確実に回転させるための機械的動力の発生の両方の機能を実行する単一のモータ／発電機ユニットを据え付けてもよい。かかるモータ／発電機がどのように動作するか及びこれをどのように接続して制御するかは、当業者には周知であり、これは本発明に関し重要なウェイトを占めないので、本明細書では記載しない。
【００２４】
上述のガスタービンエンジンのアイドル運転時、燃料供給制御システム１４及び駆動モータ制御システム２８が応動して駆動モータ２４を付勢するには或る程度の時間が必要である。この時間間隔の間、エンジン内の温度は安定状態のままである。というのは、熱交換機及びガスタービンエンジンの流れダクト内には或る程度の量の熱が蓄えられているからである。これは、半閉鎖サイクルの利点である。このことは、断熱ジャケットとして働くことによりエンジンの内部に熱を保存する巻付け形熱交換機を有するガスタービンエンジンについて特に当てはまる。
【００２５】
これ又、図１に示す別の実施形態では、エンジンのアイドル運転時、燃焼器１２への燃料供給を一段と減少させ又は完全に停止させるのがよい。これを達成するため、ガスタービンエンジンは、圧縮機用タービン１６の出口１６_１　のところの温度を予め設定されたレベル（Ｔ_２２）に維持するような仕方で熱を燃焼器１２に供給する装置を備えている。これは種々の方法で行うことができる。熱交換器の下流側、例えば、熱交換器２０の第２の回路の出口２０_２２の後ろでガスタービンエンジンの流れダクト内のガスを加熱することにより熱を燃焼器に供給することが好ましい。これは、熱交換機２０の第２の回路の出口２０_２２と燃焼器１２との間のライン中に設置された加熱器３６を用いることにより達成される。加熱器３６は例えば、流れダクト内に組み込まれる電気発熱体の形態に作られたものであるのがよい。加熱器３６を駆動モータ制御システム２８に連結し、ガスタービンエンジンがアイドリングを行ったときにモータパワーアップモジュール３２が燃料供給制御システム１４から信号を受け取るとこのシステムによって加熱器３６をパワーアップできる。加熱器３６は、同一の蓄電池３０又はモータ制御システム２８に接続された別の電源（図示せず）からの動力又は出力を用いる。また、圧縮機用タービン１６の出口１６_１　のところの温度を制御するために上述したように圧縮機１８の回転が駆動モータ２４によって行われることが理解される。この場合に蓄電池３２から引き出される出力は、図２に曲線Ｐ_ｄ　＋Ｐ_ｈ　によって示されているようなものになろう。第１の実施形態と同様、最大出力は、圧縮機用タービン１６の出口のところの温度が最大レベルＴ_２２に達すると蓄電池３０から引き出される。温度がレベルＴ_２２まで減少すると、駆動モータ２４は止められ、蓄電池３０から引き出される出力は０である。単一の蓄電池３０は、出力を加熱器３６と駆動モータ２４の両方について供給するのに必要な容量をもたない場合がある。かかる場合、追加の蓄電池を用いるのがよい。
【００２６】
種々の改造例及び設計変更例を想到できる。かくして、電気モータ２４に代えて油圧又は空気圧モータを用いてもよく、この場合、蓄電池３０に代えて油圧又は空気圧圧力アキュムレータを用いるのがよい。駆動モータ制御システム２８を、上述の制御機能を発揮することができるマイクロプロセッサを利用した制御装置として構成してもよい。加熱器３６をガスタービンエンジンの燃焼器内又は任意他の場所に据え付けてもよく、異なる加熱方式（誘導加熱等）を利用したものにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンエンジンの略図である。
【図２】エンジンのアイドル運転時、本発明のガスタービンエンジンの作動を概略的に示す組合せプロット図である。

Claims

圧縮機、前記圧縮機の下流側に設けられた燃焼器、前記燃焼器の下流側に設けられた出力タービン、前記圧縮機に機械的に結合された状態で前記出力タービンの下流側に設けられていて、前記出力タービンの回転方向とは逆の方向に回転する圧縮機用タービン、前記圧縮機用タービンの出口のところの温度を制御する温度制御システム及び燃料供給制御システムを有するガスタービンエンジンの作動方法であって、
（ａ）燃料を供給して前記燃焼器からの燃焼用空気で燃焼させる段階と、
（ｂ）前記出力タービンに加わる負荷に応じた出力需要を満足させるよう燃料を計量する段階と、
（ｃ）前記ガスタービンエンジンのアイドル運転時、燃料の量を、前記圧縮機用タービンの前記出口のところに予め設定された温度を維持するのに必要な量に減少させる段階と、
（ｇ）供給される燃料の量の前記減少に応答して前記圧縮機を回転させる段階とを有することを特徴とする方法。
圧縮機、前記圧縮機の下流側に設けられた燃焼器、前記燃焼器の下流側に設けられた出力タービン、前記圧縮機に機械的に結合された状態で前記出力タービンの下流側に設けられていて、前記出力タービンの回転方向とは逆の方向に回転する圧縮機用タービン、前記圧縮機用タービンの出口のところの温度を制御する温度制御システム及び燃料供給制御システムを有するガスタービンエンジンの作動方法であって、
（ａ）燃料を供給して前記燃焼器からの燃焼用空気で燃焼させる段階と、
（ｂ）前記出力タービンに加わる負荷に応じた出力需要を満足させるよう燃料を計量する段階と、
（ｃ）燃料供給を中断させる段階と、
（ｂ）燃料供給の前記中断時に熱を前記燃焼器に供給する段階とを有し、前記燃焼器に供給される熱の量は、前記圧縮機用タービンの前記出口のところに予め設定された温度を維持するのに十分な量であり、
前記方法は更に、
（ｅ）供給される燃料の量の前記減少に応答して前記圧縮機を回転させる段階を有することを特徴とする方法。
ガスタービンエンジンであって、圧縮機と、前記圧縮機の下流側に設けられた燃焼器及び前記燃焼器の下流側に設けられた出力タービンと、出口を備え、前記出力タービンの下流側に設けられていて、前記圧縮機を駆動する動力を生じさせる圧縮機用タービンとを有し、前記圧縮機用タービンは、前記動力を前記圧縮機に伝達するよう前記圧縮機に機械的に結合されており、前記圧縮機用タービンは、前記出力タービンの回転方向とは逆の方向に回転し、前記ガスタービンエンジンは、前記圧縮機用タービンの出口のところの温度を制御する温度制御システムと、燃料を供給して前記燃料を前記燃焼器内で燃焼させるようにするための燃料供給制御システムと、前記圧縮機に結合されていて、前記圧縮機を回転させる駆動モータと、モータパワーアップモジュールを備えたモータ制御システムとを有し、前記モータパワーアップモジュールは、前記燃料供給制御システムに接続された入力及び出力を有し、前記モータ制御システムは、モータ出力制御モジュールを更に有し、前記モータ出力制御モジュールは、前記モータパワーアップモジュールに接続された第１の入力、第２の入力及び前記駆動モータに接続された出力を有し、前記ガスタービンは、前記圧縮機用タービンの前記出口のところに設けられると共に前記モータ出力制御モジュールの前記第２の入力に接続された温度センサを更に有していることを特徴とするガスタービンエンジン。
前記ガスタービンエンジンは、熱を前記燃焼器に供給する加熱器及び前記加熱器を制御する手段を更に有していることを特徴とする請求項３記載のガスタービンエンジン。
前記加熱器を制御する前記手段は、前記加熱器に接続された第２の入力を有する前記モータパワーアップモジュールであることを特徴とする請求項４記載のガスタービンエンジン。
前記ガスタービンエンジンは、熱を前記燃焼器に供給する加熱器及び前記加熱器に接続されていて、前記加熱器を制御するモータパワーアップモジュールを更に有していることを特徴とする請求項３記載のガスタービンエンジン。