JP2007182883A - エンジンターンダウンを可能にするための方法およびタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンのターンダウンを可能にする方法の提供
【解決手段】タービンエンジン（１０）のターンダウンを可能にする方法は、燃焼帯（２３）に入る前に作動流体経路（９４）から圧縮機放出空気（２５）を抽出することと、抽出された空気（２５）を燃焼器出口（４６）の下流にある作動流体経路（９４）に再導入することとを含む。ガスタービン（１０）に関係する装置は、圧縮機セクション（１４）、圧縮機セクション（１４）から下流にある燃焼器（３０）、圧縮機セクション（１４）から下流にあるタービンセクション（４４）、燃焼帯（２３）の前にある作業流体経路（９４）から圧縮機放出空気（２５）を抽出し、タービン（１０）がターンダウン状態に入ったことに応答して前記抽出された空気（２５）を燃焼器出口（４６）の下流にある前記作動流体経路（９４）に再導入するための導管（５４、７２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、回転機械に関するものであり、より具体的には、低負荷状態で動作する能力を改善する方法に関する。

知られている多くの内燃タービン機関は、燃焼器アセンブリ内で炭化水素空気混合気を燃焼させて、燃焼ガス流を生成し、燃焼ガス流は流路を通してタービンアセンブリに運ばれる。タービンアセンブリは、燃焼ガス流のエネルギーを、機械、例えば、発電機またはポンプに動力を供給するために使用できるトルクに変換する。多くの場合、エンジンは、回転速度が配電網の電力周波数により定められる一定速度である発電機に結合されている。燃焼ガス流の温度は、燃焼器出口温度と呼ばれる。燃焼ガス流の一般的な温度範囲は、１３１６℃（２４００°Ｆ）または１４２７℃（２６００°Ｆ）である。これらのエンジンのいくつかでは、燃焼器が低温で炭化水素燃料を完全燃焼させることができるため温度限界が低い場合がある。燃焼プロセスが完了していない場合、高レベルの一酸化炭素（ＣＯ）がタービン排気系統中に存在する。高レベルのＣＯ排出は、監督官庁により禁じられている。典型的には、タービンが高負荷で動作した場合、燃焼器出口温度は高く、ＣＯ排出は最低限に留められる。タービンの負荷が減少するにつれ、多くのガスタービンでは、燃焼器出口温度を下げる必要があり、その結果、ＣＯ排出量が増大する場合がある。このようなＣＯ排出量の増大を防ぐために、エンジンが低負荷状態にあるときに、高い燃焼器温度を維持することができる方法を採用することが望ましい。

排出量を望ましい限界値以下に維持するために、燃焼器排気温度は、特定の範囲内に維持されなければならない。ノズルおよび動翼などのタービン高温ガス経路コンポーネントの構造的完全性は、作動流体の流速および温度、ならびに冷媒温度および流量に関係しているため、ガスタービン発電機の負荷低減には、厳格な規制排出基準に適合しつつ耐用寿命が延びるという著しいメリットがあると考えられる。
米国特許第５，３７５，４１１号 米国特許第６，４４９，９５６ Ｂ１号 米国特許第６，５６８，１８８ Ｂ２号

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

本明細書には、タービンエンジンのターンダウンを可能にする方法が開示されており、これは、タービンエンジンの燃焼帯に入る前に作動流体経路から圧縮機放出空気を抽出することと、抽出された空気を燃焼器出口の下流にある作動流体経路に再導入することとを含む。

さらに本明細書では、ガスタービンに関係する装置が開示されており、これは、圧縮機セクション、圧縮機セクションから下流にある１つまたは複数の燃焼器、圧縮機セクションから下流にあるタービンセクション、および燃焼帯の前にある作業流体経路から圧縮機放出空気を抽出し、タービンがターンダウン状態に入ったことに応答して抽出された空気を燃焼器出口の下流にある作動流体経路に再導入するための少なくとも１つの導管を備えている。

以下の説明は、いかなる形でも制限するものであるとみなすべきではない。付属の図面を参照すると、類似の要素は類似の番号が振られている。

ガスタービンは、一般に、圧縮機セクション、燃焼セクション、およびタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、典型的には共通シャフト接続部を通じてタービンセクションにより駆動される。燃焼セクションは、典型的には、間隔をあけて並べられた燃焼器の配列を含む。燃料／空気混合気は、それぞれの燃焼器内で燃焼され、高温エネルギーガスを発生し、このガスは、トランジションピースを通じてタービンセクションに流れる。本発明の説明のために、１つの燃焼器についてのみ説明、例示するが、タービンの回りに配列されている任意の数の他の燃焼器は、互いに実質的に同一であるすべての燃焼器を含む最初のものと同一であることが意図されている。

当業者には、本発明の他の実施形態を、円環状であるか、または機械を中心に非対称的に配置できる、複数軸タービンを備える機械、および単一チャンバ燃焼器を備える機械に応用することができることが理解されるであろう。

図１を参照すると、本発明の一実施形態によるガスタービンエンジンは一般的に１０で示されている。圧縮機セクション１４からの、本明細書で圧縮機放出空気２０として例示されている、作動流体は、エンジンケーシング１８によりタービンエンジン１０内に封じ込められる。燃焼器空気２４と呼ばれる圧縮機放出空気２０の一部が、燃焼器３０内に流れ込む。燃焼器の空気は、軸方向に、燃焼器ライナ２２の外壁２１にそって、燃焼器ヘッド部２６に流れ込む。次いで、ヘッドエンドの空気の大半は、燃料噴射器３４内に入り、そこで、燃料と混合されてから、燃焼器ライナ２２の内側の燃焼帯２３内で燃焼が行われる。燃焼器ヘッド部２６内の空気の他の部分は、抽出空気２５としてここに例示されている冷たい流体となる。燃焼後、燃焼ガス９８は、トランジションピース３８および燃焼器出口４６と呼ばれる燃焼器の一セクションを通ってから、第１段ノズル４２を通り、タービンセクション４４に入る。

燃焼プロセスは、燃焼器３０内で発生し、所望の排出ガス規制に適合するために必要なパラメータは、燃焼器３０内で実質的に制御される。燃焼プロセスの温度は、エンジンが所望の排出ガス規制に適合するかどうかに重要な役割を果たすことが判明している。燃焼器出口４６の温度は、特に、燃焼器出口４６温度があるレベルを下回ると、排出物は急速に増大するという点で、排出物出力に対し強い相関関係を有する。燃焼器出口４６温度は、例えば、空気流および燃料流などの因子に依存する。空気流と燃料流の両方を少なくすることにより、燃焼器３０内で燃焼する空気と燃料の総量が減少し、その結果、タービンに入るエンタルピーのレベルが低下する。このようなエンタルピーの減少は、一定速度でエンジン出力を引き下げる。この場合、空燃比は、許容可能なレベルに維持されるため、燃焼器出口４６の温度も、維持され、それにより、許容可能な排出物レベルを保持する。

当業者であれば、本発明の実施形態は、タービン可変静翼構成、圧縮機可変ガイドステータ構成、およびガスタービンローター速度構成で負荷を低減する機械に適用できることを理解するであろう。

本発明の一実施形態では、ノズル３４に送出される所定のレベルの燃料について抽出された空気２５の量を変えることにより燃焼帯２３の空燃比を維持する。より具体的には、抽出された空気２５は、抽出スリーブ５０内に移すことにより燃焼帯２３の上流のどこかから取り除かれる。次いで、ブースターポンプに送られる前に複数の燃焼器ヘッド部２６で空気が抽出されている場合、絶縁されうる抽出導管５４、およびオプションの弁２７に通され、他の燃焼器ヘッド部２６からの抽出空気と組み合わされる。この実施形態では、ブースターポンプ５８の使用を例示しているが、ブースターポンプ５８なしの実施形態も、以下でさらに詳しく説明されるように利用することもできる。さらに、他の実施形態では、弁２７を使用して、ポンプ５８なしで抽出空気２５の量を変えることができ、またさらに他の実施形態では、弁２７およびポンプ５８を使用できるが、ただし、弁２７とポンプ５８の両方が使用される場合には、ポンプ５８は、非容積式とすべきであり、これにより、弁２７により流れの変化を制御することができる。当業者であれば、タービンエンジン１０のすべての燃焼器ヘッド部２６から空気を抽出する必要はないが、ただし、すべての燃焼器３０を通る空気流のバランスを取ることが所望される場合には、オプションであることを理解するであろう。ブースターポンプ５８は、エンジンケーシング１８の外側に配置され、ポンプドライバ６２により駆動される。ポンプドライバ６２は、任意のシステム、例えば、可変速度電気モーターまたは蒸気タービンとすることができる。蒸気タービンが使用される場合、図１に示されているように、例えば、複合サイクル火力発電所の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）から出る膨張蒸気を供給導管６６を通してＨＲＳＧから供給し、戻し導管６８を通してＨＳＲＧに戻すことができる。ブースターポンプ５８は、広い速度範囲にわたって動作可能である。ブースターポンプ５８として、回転速度に基づいて所定の体積流量を追い出すルーツポンプを使用することにより、ポンプ出口流６０を予測制御することができる。当業者であれば、複数のブースターポンプ５８を使用することにより、単一ブースターポンプ５８のダウンタイム時に空気の送り込みを続けさせることができることは理解するであろう。

次いで、加圧された出口流６０が、戻し導管７２を通して戻され、第１段ノズル４２を通して作動流体経路９４に入る。燃焼器出口４６の下流で、出口流６０を第１段ノズルエーロフォイル９６および翼台１０２に再導入することにより、空気は、ノズルトレーリングエッジの軸平面における温度プロフィールに著しい影響を及ぼすことなく作動流体経路９４に入る。エーロフォイル９６と翼台１０２の流れの適切な比を確立することにより、システム側で、臨界コア流温度プロフィールへの影響を最小に抑えることができる。高温ガス経路金物部分の温度プロフィールに変化があると（図２および３）、居所的温度スパイクが発生し、その結果、下流の高温ガス経路部品の寿命が縮まる。

本発明の一実施形態では、温度プロフィールへの影響を最小限に抑えつつタービン作動流体経路９４の平均温度を下げるような方法で、出口流６０を作動流体経路９４内に導入する。平均温度のこのような低下は、出口流６０が燃焼ガス９８と混合することで生じ、その結果、平均温度が低下し、タービンの金物の寿命が延びる。

そこで、図２および３を参照すると、ポンプ出口流６０は、第１の挿入部８０、第２の挿入部８２、第１段ノズルエーロフォイル９６としてこの実施形態では例示されている高温ガス経路コンポーネントを冷却し、それにより、その稼働寿命を延ばす。他の実施形態では、本発明の範囲内に留まりつつ、第１段よりも後にポンプ出口流６０をノズルに出すことができることが理解されるであろう。絶縁できる、戻り導管７２は、ポンプ出口流６０をエンジンケーシング１８に通し、第１段ノズル４２の外周でタービンエンジン１０を囲むマニホールド７６内に入る。クロスオーバー管８４は、マニホールド７６を第１段ノズル４２に流体で接続する。ポンプ出口流６０は、第１段ノズル４２のエーロフォイル９６の第１のキャビティ８８および第２のキャビティ９２のそれぞれに挿入された第１の挿入部８０と第２の挿入部８２の両方に流れ込む。挿入部８０、８２内に形成されたインピンジ孔１００およびエーロフォイル９６内に形成された冷却孔１０４、および翼台１０２内の冷却孔１０６を、ポンプ出口流６０が通り、燃焼器３０のトランジションピース３８から出る燃焼ガス９８と混合する。冷却孔１０４および１０６のサイズを変えて、高温ガス経路コンポーネントの一様な冷却が改善されるようにポンプ出口流６０の再導入が比例配分され、それにより、稼働寿命が延びる。上述のように、発明の一実施形態では、ポンプ５８を全く使わず、燃焼器ヘッド部２６から第１段ノズル４２までの差圧に頼ることができ、圧縮機放出空気２０を導管５４、７２に通して第１段ノズル４２に引き込むことができることも理解されるであろう。

示されている例示的な実施形態では、高温ガス経路コンポーネントの冷却を高めることに加えて、第１段ノズル４２に先立って、抽出空気２５（冷却流体）のすべてを燃焼ガス９８と再度組み合わせることで、すべての圧縮機放出空気２０（作動流体）がガスタービンエンジン１０のタービンセクション４４のすべてを通過するため最大出力発生が確実に得られる。

第１段ノズル４２を通るポンプ出口流６０を倍にすることで、エンジンのターンダウンの著しい延長が生じる。ポンプ出口流６０の２倍で第１段ノズル４２の内側の圧力増大を最小限に抑えるため、挿入部８０、８２内のインピンジ孔１００およびノズルエーロフォイル９６および／または翼台１０２内の冷却孔１０４の直径は、ブースターポンプ５８の逆圧要件を満たすようにサイズ変更すべきである。

本発明のいくつかの実施形態のいくつかの利点として、所望の排出ガス規制に適合しつつエンジンターンダウンの範囲の増大、高温ガス経路コンポーネントの改善された、一様な冷却、高温ガス経路コンポーネントの寿命延長、および低負荷状態での燃料消費低減が挙げられる。

開示されている方法および装置のいくつかの実施形態は、例示的な実施形態を参照しつつ説明されているが、当業者であれば、開示されている方法および装置の実施形態の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を加え、これらの要素の代わりに同等物を使用できることを理解するであろう。さらに、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、さまざまな修正を行って、特定の状況または材料を開示されている方法および装置の実施形態の教示に適合させることができる。したがって、開示されている方法および装置のいくつかの実施形態は、開示されている方法および装置を実施するために考えられた最良の様式として開示されている特定の実施形態に限定されないことが意図されているが、開示されている方法および装置のいくつかの実施形態は、付属の請求項の範囲内にあるすべての実施形態を含むことが意図されている。

本発明の一実施形態による、ガスタービンエンジンの部分断面図である。 第１段ノズル領域およびバイパス空気を図１のタービン流路に送る方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第１段ノズルおよび挿入部の分解図である。

符号の説明

１０ タービンエンジン
１４ 圧縮機セクション
１８ エンジンケーシング
２０ 圧縮機放出空気
２１ 外壁
２２ 燃焼器ライナ
２３ 燃焼帯
２４ 燃焼器空気
２５ 抽出空気
２６ 燃焼器ヘッド部
２７ 弁
３０ 燃焼器
３４ 燃料噴射器
３８ トランジションピース
４２ 第１段ノズル
４４ タービンセクション
４６ 燃焼器出口
５０ 抽出スリーブ
５４ 抽出導管
５８ ブースターポンプ
６０ ポンプ出口流
６２ ポンプドライバ
６６ 供給導管
６８ 戻し導管
７２ 戻し導管
７６ マニホールド
８０ 第１の挿入部
８２ 第２の挿入部
８８ 第１のキャビティ
９２ 第２のキャビティ
９４ 作動流体経路
９６ エーロフォイル
９８ 燃焼ガス
１００ インピンジ孔
１０２ 翼台
１０４ 冷却孔
１０６ 冷却孔

Claims (10)

1. タービンエンジン（１０）のターンダウンを可能にする方法であって、
   前記タービンエンジン（１０）の燃焼帯（２３）に入る前に作動流体経路（９４）から圧縮機放出空気（２５）を抽出することと、
   前記抽出された空気（２５）を燃焼器出口（４６）の下流にある前記作動流体経路（９４）に再導入することとを含む方法。
2. さらに、
   前記抽出された空気（２５）を、前記タービンエンジン（１０）で駆動されるポンプ（５８）により送ることと、
   前記ポンプ（５８）速度を変化させて、抽出された空気（２５）の流量を変化させ、空燃比を維持することとを含む請求項１記載の方法。
3. 前記ポンプ（５８）は、前記タービンエンジン（１０）と一体である請求項２記載の方法。
4. さらに、
   抽出された流量を弁（２７）により変化させて空燃比を維持することを含む請求項１記載の方法。
5. さらに、
   前記抽出された空気（２５）を燃焼器ヘッド部（２６）から取り出すことと、
   前記抽出された空気（２５）を前記ノズル（４２）のエーロフォイル（９６）内の孔（１０４）および翼台（１０２）内の孔（１０６）を通して第１段ノズル（４２）内に再導入することと、
   前記エーロフォイル（９６）内の前記孔（１０４）および前記翼台（１０２）内の前記孔（１０２）をサイズ変更し、中を通る空気流の割合を設定し、冷却の一様性を改善することと、
   所望排出レベルを満たすように適切な燃焼器（３０）温度を維持することとを含む請求項１記載の方法。
6. ガスタービンであって、
   圧縮機セクション（１４）と、
   前記圧縮機セクション（１４）から下流にある１つまたは複数の燃焼器（３０）と、
   前記圧縮機セクション（１４）から下流にあるタービンセクション（４４）と、
   燃焼帯（２３）の前にある作業流体経路（９４）から圧縮機放出空気（２５）を抽出し、前記タービン（１０）がターンダウン状態に入ったことに応答して前記抽出された空気（２５）を燃焼器出口（４６）の下流にある前記作動流体経路（９４）に再導入するための少なくとも１つの導管（５４，７２）とを備えるガスタービン。
7. ポンプ（５８）が前記抽出された空気（２５）を送り、
   前記ポンプ（５８）が前記ガスタービン（１０）により駆動され、
   前記ポンプ（５８）速度が前記抽出された空気（２５）の前記流量を変えるように可変であり、
   前記ポンプ（５８）が前記タービン（１０）と一体である請求項６記載のガスタービン。
8. 前記導管（５４、７２）は、少なくとも１つの燃焼器ヘッド部（２６）に流体により接続されている
   請求項６記載のガスタービン。
9. 前記抽出された空気（２５）は、ノズル（４２）を通して再導入される
   請求項６記載のガスタービン。
10. 前記抽出された空気（２５）は、前記ノズル（４２）の少なくとも１つのエーロフォイル（９６）内の孔（１０４）および少なくとも１つの翼台（１０２）内の孔（１０６）を通して再導入される
    請求項９記載のガスタービン。

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