JP2013227977A - ガスタービン入口システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスターボ機械用の入口システムを提供すること。
【解決手段】ガスターボ機械の入口システムは、中間部分を通って出口部分に流体結合された入口部分を有するダクト部材を含む。入口部分、出口部分及び中間部分が流体流れゾーンを定める。スロットルシステムは、入口部分、出口部分及び中間部分のうちの１つにおいてダクト部材内に配列される。スロットルシステムは、流体流れゾーンを通じて圧力低下を選択的に確立するよう構成され配置される。ガスターボ機械の入口システムを通じた入口圧力低下を制御する方法も記載される。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械の分野に関し、より詳細には、ガスターボ機械用の入口システムに関する。

ターボ機械において、空気が圧縮機の入口に入る。空気は、圧縮機の種々の段を通って加圧空気流を形成する。加圧空気流の一部は燃焼組立体に入り、加圧空気流の別の部分がタービン部分に入り、冷却に使用される。燃焼組立体において、加圧空気流が燃料と混合されて燃焼し、高温のガスストリームと排出ガスを形成する。高温ガスストリームは、移行部品を介してタービン部分に送られる。移行部品は、高温ガスストリームをタービン部分の高温ガス経路に案内する。高温ガスストリームは、タービン部分の種々の段を通って膨張し、熱エネルギーを機械エネルギーに変換してタービンシャフトを回転させる。タービン部分は、ポンプ、発電機、車両、又は同様のものへの動力供給を含む、様々な用途で使用することができる。

米国特許出願公開第２０１００１７５３８５号明細書

例示的な実施形態の１つの態様によれば、ガスターボ機械の入口システムは、中間部分を通って出口部分に流体結合された入口部分を有するダクト部材を含む。入口部分、出口部分及び中間部分が流体流れゾーンを定める。スロットルシステムは、入口部分、出口部分及び中間部分のうちの１つにおいてダクト部材内に配列される。スロットルシステムは、流体流れゾーンを通じて圧力低下を選択的に確立するよう構成され配置される。

例示的な実施形態の別の態様によれば、ガスターボ機械の入口システムを通じた入口圧力低下を制御する方法は、ガスターボ機械の作動モードを確立するステップと、入口システムのダクト部材に設けられたスロットルシステムを調整して、作動モードに基づいてガスターボ機械への入口圧力を制御するステップとを含む。

例示的な実施形態の更に別の態様によれば、ガスターボ機械は、圧縮機入口を有する圧縮機部分と、圧縮機部分に機械的に結合されたタービン部分と、圧縮機部分及びタービン部分に流体接続された燃焼器組立体と、圧縮機入口に流体接続された入口システムとを含む。入口システムは、中間部分を通って出口部分に流体結合された入口部分を有するダクト部材を含む。入口部分、出口部分及び中間部分は、流体流れゾーンを定める。スロットルシステムは、入口部分、出口部分及び中間部分のうちの１つにおいてダクト部材内に配列される。スロットルシステムは、流体流れゾーンを通じて圧力低下を選択的に確立するよう構成され配置される。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

例示的な実施形態による、スロットルシステムを有する入口システムを含むガスターボ機械の概略図。 例示的な実施形態の１つの態様によるスロットルシステムの側面図。 第１の低い圧力低下位置で示される図２のスロットルシステムの平面図。 第２の高い圧力低下位置で示される図２のスロットルシステムの平面図。 第１の低い圧力低下位置で示される例示的な実施形態の別の態様による、スロットルシステムの側面図。 第２の高い圧力低下位置で示される図５のスロットルシステムの側面図。 第１の低い圧力低下位置で示される例示的な実施形態の更に別の態様による、スロットルシステムの側面図。 図７のスロットルシステムの平面図。 第２の高い圧力低下位置で示される図７のスロットルシステムの側面図。 図９のスロットルシステムの平面図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

例示的な実施形態によるガスターボ機械が、図１において全体的に参照符号２で示されている。ガスターボ機械２は、燃焼器組立体８を通ってタービン部分６に流体接続された圧縮機部分４を含む。燃焼器組立体８は、複数の燃焼器を含み、その１つが符号１０で示されている。圧縮機部分４はまた、共通の圧縮機／タービンシャフト１２を通じてタービン部分６に機械的に連結されている。圧縮機部分４は、入口システム２０に結合された圧縮機入口１７を含めて図示されている。入口システム２０は、中間部分３４を通って出口部分３２に延びた入口部分３０を有するダクト部材２４を含む。入口部分３０、出口部分３２、及び中間部分３４は全体として流体流れゾーン３７を定める。入口システム２０は、圧縮機入口１７に空気流を送給する。

空気は、入口システム２０を通って圧縮機入口に入る。空気は、流入して通過し、圧縮機部分４によって加圧されて加圧ガスを形成する。加圧ガスの第１の部分は、冷却の目的でタービン部分６の種々の部分に流入する。加圧ガスの第２の部分は、燃焼器組立体８に入る。加圧ガスの第２の部分は、燃料と混合して可燃性流体を形成する。可燃性流体は、燃焼器１０内で燃焼して燃焼生成物を形成し、該燃焼生成物は、タービン部分６に送られる。燃焼生成物は、タービン部分６を通って膨張して熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーを用いて、例えば、発電機又はポンプを駆動し、或いは、機関車又は航空機などの移動体に動力を供給する。燃焼生成物は、様々な政府の規制を受けるエミッションを含む。燃焼生成物中におけるエミッションの量は、ガスターボ機械２の作動パラメータに依存する。例えば、低出力設定では発生する熱が少なく、一酸化炭素（ＣＯ）などのエミッションレベルを増大させる。しかしながら、種々の期間の間は低出力設定で作動することが望ましい。低出力設定でのエミッションを低減するために、ガスターボ機械２は、入口システム２０に配置されたスロットルシステム４０を含む。スロットルシステム４０は、ガスターボ機械２の作動パラメータに適合するよう構成された圧力低下を流体流れゾーン３７内で選択的に確立する。

図２に示す例示的な実施形態の１つの態様によれば、スロットルシステム４０は、入口部分３０に配置され、複数のルーバー４４〜４９を含む。各ルーバー４４〜４９は、対応する中央枢動部５４〜５９を含む。中央枢動部５４〜５９は、図３に示すような複数の流体通路６７を有する実質的に制限のない入口ゾーン６５を形成する第１の低い圧力低下位置６４と、複数の流体通路７７を有する実質的に制限された入口ゾーン７５を形成する第２の高い圧力低下位置７４との間で各ルーバー４４〜４９が回転できるようにする。流体通路７７は、流体通路６７よりも実質的に小さい。このようにして、ガスターボ機械２が全出力モードで作動している場合には、スロットルシステム４０は、低い圧力低下位置６４に配列され、圧縮機部分４に対し通常入口圧力をもたらすようにする。しかしながら、低出力作動中、スロットルシステム４０は、高い圧力低下位置７４にむけて又は高い圧力低下位置７４までシフトされ、圧縮機部分４に対する入口圧力を低下させることができる。圧縮機部分４に対する入口圧力の低下は、燃焼基準温度の上昇、ひいてはガスターボ機械２からのエミッションの低減につながる。この点に関して、スロットルシステム４０は、ダクト部材２４の他の場所に配置することができる点は理解されたい。例えば、複数のルーバー４４ａ〜４４ａを有するスロットルシステム４０ａは、中間部分３４に沿って配置することができる。

ここで図５〜６を参照して、例示的な実施形態の別の態様によるスロットルシステム９０を説明する。スロットルシステム９０は、ダクト部材２４内に枢動可能に取り付けられたリストリクタ部材９４の形態をとる。リストリクタ部材９４は、中間セクション１０４を通って第２の端部セクション１０２に延びる第１の端部セクション１００を含む。第１の端部セクション１００は、リストリクタ部材９４用の枢動軸１０８を定める。アクチュエータ部材１１１は、中間部分１０４に結合される。アクチュエータ部材１１１は、実質的に制限のない流路１１５を形成する第１の低い圧力低下位置１１４（図５）と、実質的に制限された流路１１８を形成する第２の高い圧力低下位置１１６（図６）との間でリストリクタ部材９４を選択的にシフトさせる。上述と同様にして、ガスターボ機械２が全出力モードで作動している場合には、リストリクタ部材９４は、低い圧力低下位置１１４に配列され、圧縮機部分４に対し通常入口圧力をもたらすようにする。ガスターボ機械２が低出力モードで作動している場合には、リストリクタ部材９４は、高い圧力低下位置１１６にむけて又は高い圧力低下位置１１６までシフトされ、圧縮機部分４に対する入口圧力を低下させるようにする。

図７〜１０は、例示的な実施形態の別の態様による、スロットルシステム１３０を示している。スロットルシステム１３０は、流量制限装置１３４を含む。流量制限装置１３４は、出口部分３２の内側周囲１４０の回りに設けられた可膨張性流量制限装置又はダイアフラム１３７の形態をとる。可膨張性流量制限装置１３７は、実質的に制限のない流出口ゾーン１４７を形成する第１の低い圧力低下位置１４４（図７及び８）と、全体的により制限された出口ゾーン１５４を形成する第２の高い圧力低下位置１５０（図９及び１０）との間で選択的に膨張可能である。上述と同様にして、ガスターボ機械２が全出力モードで作動している場合には、可膨張性流量制限装置１３７は、低い圧力低下位置１４４に配列され、圧縮機入口１７に対し通常入口圧力をもたらすようにする。ガスターボ機械２が低出力モードで作動している場合には、可膨張性流量制限装置１３７は、ある量の空気を充填し、圧縮機入口１７に対する入口圧力を低下させるようにする。

別の例示的な実施形態によれば、入口システム２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１６７を有するコントローラ１６５を含む。コントローラ１６５は、ガスターボ機械２からのエミッションを検出するセンサ１８０に動作可能に結合される。センサ１８０は、コントローラ１６５にエミッションデータを提供し、該コントローラは、スロットルシステム４０、４０ａ、９０、及び１３０の１つ又はそれ以上に動作可能に接続される。ガスターボ機械２がエミッション準拠限界に十分に近接していることをセンサ１８０及びＣＰＵ１６７が示した場合には、コントローラ１６５は、スロットルシステム４０、４０ａ、９０、及び１３０の１つ又はそれ以上を選択的に調整し、圧縮機入口１７の入口圧力を低下させるようにする。一定出力では、入口圧力の低下は、高い燃料流量を犠牲にして、燃焼温度の上昇及びエミッション低減をもたらす。しかしながら、入口圧力の低下によって、ガスターボ機械２を低出力レベルまでターンダウンさせ、通常作動に比べて燃料消費量を減少させながら、エミッション準拠を維持することができる。このようにして、例示的な実施形態によるスロットルシステムは、ガスターボ機械２のエミッションに準拠した全作動エンベロープにまで拡張される。従って、オペレータは、政府によって命じられたエミッションレベルを超えることなく、燃料を節減するよう低出力でガスターボ機械２を稼働することができる。

例示的な実施形態の１つの態様によれば、ガスターボ機械２は、作動条件に基づいて推定エミッション又は推定燃焼基準温度を算出するよう構成されたリアルタイムエンジンシミュレーションモデル（ＲＥＳＭ）１９０を含むことができる。リアルタイムエンジンシミュレーションモデル１９０は、直接エミッション測定値の代りに算出エミッション又は算出燃焼基準温度をコントローラ１６５に提供する。ガスターボ機械２がエミッション準拠限界に十分に近接していることをＲＥＳＭ１９０が示した場合には、コントローラ１６５は、スロットルシステム４０、４０ａ、９０、及び１３０の１つ又はそれ以上を選択的に調整し、圧縮機入口１７に供給される圧力を低下させるようにする。例示的な実施形態の別の態様によれば、ＲＥＳＭ１９０は、センサ１８０からの直接エミッション測定値と併せて作動し、ガスターボ機械２の動作効率を更に高めることができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

２ ガスターボ機械
４ 圧縮機部分
６ タービン部分
８ 燃焼器組立体
１０ 複数の燃焼器
１２ 圧縮機／タービンシャフト
１７ 圧縮機入口
２０ 入口システム
２４ ダクト部材
３０ 入口部分
３２ 出口部分
３４ 中間部分
３７ 流体流れゾーン
４０ スロットルシステム
４０ａ スロットルシステム
４４ ルーバー
４４ａ 複数のルーバー
４５ ルーバー
４５ａ 複数のルーバー
４６ ルーバー
４６ａ 複数のルーバー
４７ ルーバー
４８ ルーバー
４９ ルーバー
５４ 対応する中心枢動部
５５ 対応する中心枢動部
５６ 対応する中心枢動部
５７ 対応する中心枢動部
５８ 対応する中心枢動部
５９ 対応する中心枢動部
６４ 低い圧力低下位置
６５ 実質的に制限のない入口ゾーン
６７ 複数の流体通路
７４ 高い圧力低下位置
７５ 実質的に制限された入口ゾーン
７７ 複数の流体通路
９０ スロットルシステム
９４ リストリクタ部材
１００ 第１の端部セクション
１０２ 第２の端部セクション
１０４ 中間セクション
１０８ 枢動軸
１１１ アクチュエータ部材
１１４ 第１の低い圧力低下位置
１１５ 実質的に制限のない流路
１１６ 第２の高い圧力低下位置
１１８ より制限された流路
１３０ スロットルシステム
１３４ 流量制限装置
１３７ 可膨張性流量制限装置又はダイアフラム
１４０ 内側周囲
１４４ 第１の低い圧力低下位置
１４７ 実質的に制限のない 出口ゾーン
１５０ 第２の高い圧力低下位置
１５４ より制限された出口ゾーン
１６５ コントローラ
１６７ 中央処理装置（ＣＰＵ）
１８０ センサ
１９０ リアルタイムエンジンシミュレーションモデル（ＲＥＳＭ）

Claims (20)

1. ガスターボ機械入口システムであって、
   中間部分を通って出口部分に流体結合された入口部分を有し、前記入口部分、前記出口部分及び前記中間部分が流体流れゾーンを定めるダクト部材と、
   前記入口部分、前記出口部分及び前記中間部分のうちの１つにおいて前記ダクト部材内に配列され、前記流体流れゾーンを通じて圧力低下を選択的に確立するよう構成され配置されたスロットルシステムと
   を備える、ガスターボ機械入口システム。
2. 前記スロットルシステムが、前記ダクト部材の入口部分に配列された複数のルーバーを含み、該複数のルーバーが、前記ダクト部材の実質的に制限のない入口ゾーンを提供する第１の低い圧力低下位置と、前記ダクト部材の実質的に制限された入口ゾーンを提供する第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフト可能であるよう構成されている、請求項１に記載のガスターボ機械入口システム。
3. 前記複数のルーバーの各々が、枢動軸を定める中央枢動部を含む、請求項２に記載のガスターボ機械入口システム。
4. 前記スロットルシステムが、前記ダクト部材の中間部分に配列された複数のルーバーを含み、該複数のルーバーが、前記中間部分を通る実質的に制限のない流路を提供する第１の低い圧力低下位置と、前記中間部分を通る実質的に制限された流路を提供する第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフト可能であるよう構成されている、請求項１に記載のガスターボ機械入口システム。
5. 前記スロットルシステムが、前記ダクト部材の中間部分に沿って取り付けられたリストリクタ部材を含み、該リストリクタ部材が、第１の低い圧力低下位置と、第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフト可能であるよう構成され配置されている、請求項１に記載のガスターボ機械入口システム。
6. 前記リストリクタ部材が、第２の端部セクションに延びる第１の端部セクションを含み、該第１の端部セクションが、前記リストリクタ部材の枢動軸を定める、請求項５に記載のガスターボ機械入口システム。
7. 前記スロットルシステムが、前記第１及び第２の位置の間で前記リストリクタ部材を枢動するよう構成され配置されたアクチュエータ部材を含む、請求項６に記載のガスターボ機械入口システム。
8. 前記スロットルシステムが、前記ダクト部材の出口部分に位置づけられた流量制限装置を含み、該流量制限装置が、前記ダクト部材の実質的に制限のない出口ゾーンを提供する第１の低い圧力低下位置と、前記ダクト部材の実質的に制限された出口ゾーンを提供する第２の高い圧力低下位置との間で移動するよう構成され配置されている、請求項１に記載のガスターボ機械入口システム。
9. 前記流量制限装置が、前記ダクト部材の出口部分の内側周囲の回りに延びている、請求項８に記載のガスターボ機械入口システム。
10. 前記流量制限装置が、可膨張性ダイアフラムを含む、請求項９に記載のガスターボ機械入口システム。
11. ガスターボ機械の入口システムを通じた入口圧力低下を制御する方法であって、
    前記ガスターボ機械の作動モードを確立するステップと、
    前記入口システムのダクト部材に設けられたスロットルシステムを調整して、前記作動モードに基づいて前記ガスターボ機械への入口圧力を制御するステップと
    を含む、方法。
12. 前記スロットルシステムを調整するステップが、前記ダクト部材に配列された複数のルーバーを第１の低い圧力低下位置と第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフトするステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記スロットルシステムを調整するステップが、前記ダクト部材に配列されたリストリクタ部材を第１の低い圧力低下位置と第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフトするステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記スロットルシステムを調整するステップが、前記ダクト部材に配列された流量制限装置を第１の低い圧力低下位置と第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフトするステップを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記作動モードで作動している前記ガスターボ機械の排気エミッションを検知するステップと、
    前記検知した排気エミッションに基づいて前記スロットルシステムを調整し、前記作動モードを変えることなく前記排気エミッションを低減するステップと
    を更に含む、請求項１１に記載の方法。
16. リアルタイムエンジンシミュレーションモデルを通じて推定ガスターボ機械エミッション及び推定燃焼基準温度のうちの一方を算出するステップと、
    前記推定ガスターボ機械エミッション及び推定燃焼基準温度のうちの一方に基づいて前記スロットルシステムを調整するステップと
    を更に含む、請求項１１に記載の方法。
17. 圧縮機入口を有する圧縮機部分と、
    前記圧縮機部分に機械的に結合されたタービン部分と、
    前記圧縮機部分及び前記タービン部分に流体接続された燃焼器組立体と、
    前記圧縮機入口に流体接続された入口システムと
    を備えるガスターボ機械であって、前記入口システムが、
    中間部分を通って出口部分に流体結合された入口部分を有し、前記入口部分、前記出口部分及び前記中間部分が流体流れゾーンを定めるダクト部材と、
    前記入口部分、前記出口部分及び前記中間部分のうちの１つにおいて前記ダクト部材内に配列され、前記流体流れゾーンを通じて圧力低下を選択的に確立するよう構成され配置されたスロットルシステムと
    を含む、ガスターボ機械。
18. 前記スロットルシステムが、前記ダクト部材の入口部分及び中間部分の一方に配列された複数のルーバーを含み、該複数のルーバーが、前記ダクト部材の実質的に制限のない入口ゾーンを提供する第１の低い圧力低下位置と、前記ダクト部材の実質的に制限された入口ゾーンを提供する第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフト可能であるよう構成されている、請求項１６に記載のガスターボ機械。
19. 前記スロットルシステムが、前記ダクト部材の中間部分に沿って取り付けられたリストリクタ部材を含み、該リストリクタ部材が、第１の低い圧力低下位置と、第２の高い圧力低下位置との間で選択的にシフト可能であるよう構成され配置されている、請求項１６に記載のガスターボ機械。
20. 前記スロットルシステムが、前記ダクト部材の出口部分に位置づけられた流量制限装置を含み、該流量制限装置が、前記ダクト部材の実質的に制限のない出口ゾーンを提供する第１の低い圧力低下位置と、前記ダクト部材の実質的に制限された出口ゾーンを提供する第２の高い圧力低下位置との間で移動するよう構成され配置されている、請求項１６に記載のガスターボ機械。