JP2014092157A - 統合エアナイフ／サイレンサパネルを有する吸入ブリード加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】空気流の均一性及び圧力低下を改善するための統合エアナイフ／サイレンサパネルを有するガスタービンエンジン用の吸入ブリード加熱システムを提供する。
【解決手段】本出願は、ガスタービンエンジンの圧縮機への流入空気の流れにブリード空気の流れを供給するための吸入ブリード加熱システムを提供する。吸入ブリード加熱システムは、エアナイフ及びサイレンサパネルを含む。エアナイフは、ブリード空気の流れと連通した圧縮機ブリード空気ポートと、流入空気の流れにブリード空気の流れを排出する排出ギャップとを含むことができる。エアナイフ及びサイレンサパネルは、統合エアナイフ／サイレンサパネルを形成することができる。
【選択図】 図１

Description

本出願及び結果として得られる発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、空気流の均一性及び圧力低下を改善するための統合エアナイフ／サイレンサパネルを有するガスタービンエンジン用の吸入ブリード加熱システムに関する。

ガスタービンエンジン圧縮機は、多くの場合、流入空気ストリームの温度を上昇させるための加熱装置を備えた空気吸入システムを含む。低温周囲条件及び／又は他のタイプの作動パラメータに起因して、圧縮機ＩＧＶ氷結、サージ／失速、燃焼希薄ブローアウト、その他を生じる可能性がある。従って、圧縮機の圧力比は、ある量の圧縮機吐出空気をブリード（抽気）して、空気を圧縮機入口に再循環して戻すことにより対応することができる。低温の周囲空気と高温の圧縮機吐出空気のブリード部分とを混合することにより、ガスタービンへの空気密度及び質量流量が低下する。現行の吸入ブリード加熱システムは、主空気流方向に垂直な方向で空気を注入するためにインピンジメント孔を使用することができる。他オン公知の吸入ブリード加熱システムは、空気流方向に空気を注入するためにフィルタハウス移行セクションにおいて音響ノズルを使用することができる。他の多くのタイプの吸入ブリード加熱制御システム及びブリード注入方法を用いることもできる。

これらの公知の吸入ブリード加熱制御システムは、圧縮機内への流入空気ストリームを加熱するのには十分とすることができるが、ブリード空気を注入するのに通常関連するノズル及び配管が、流入空気流を中断させ、ここでの圧力低下を増大させる結果となる可能性がある。この妨害は、吸入ブリード加熱システムが作動しているときの全体のガスタービンの作動及び効率に影響を及ぼす可能性がある。

従って、ガスタービンエンジンにおける吸入ブリード加熱システムの改善が望ましい。このような改善された吸入ブリード加熱システムは、圧力低下を低減して流入空気流を十分に加熱して温度及び流量の均一性を提供するようにすると共に、関連するノイズ制限及び他の作動パラメータに適合できるようにするのが好ましい。

米国特許第６，０２７，３０４号明細書

従って、本出願及び結果として得られる発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機への流入空気の流れにブリード空気の流れを供給する吸入ブリード加熱システムを提供する。吸入ブリード加熱システムは、エアナイフと、サイレンサパネルと、を含むことができる。エアナイフは、ブリード空気の流れと連通した圧縮機ブリード空気ポートと、ブリード空気の流れを流入空気の流れに排出する排出ギャップとを含むことができる。エアナイフ及びサイレンサパネルが統合エアナイフ／サイレンサパネルを形成することができる。

本出願及び結果として得られる発明は更に、ガスタービンエンジンにおける吸入ブリード加熱制御を提供する方法を記述することができる。本方法は、ガスタービンエンジンの圧縮機に向けた流入空気の流れを提供するステップと、流入空気の流れを複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルを通じて流すステップと、複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルにブリード空気の流れを提供するステップと、統合エアナイフ／サイレンサパネルの各々における排出ギャップにブリード空気の流れを押し込むステップと、流入空気の流れをブリード空気の流れと同伴させるステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる発明は更に、ガスタービンエンジンの圧縮機に流入空気の流れを提供するためのタービン吸入システムを提供する。タービン吸入システムは、圧縮機に通じた入口ダクトと、入口ダクト内に位置付けられた吸入ブリード加熱システムと、を含むことができる。吸入ブリード加熱システムは、ブリード空気の流れと連通することができる。吸入ブリード加熱システムは、ブリード空気の流れと連通した複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルを含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、及び負荷を備えたガスタービンエンジンの概略図。 図１のガスタービンエンジンと共に用いることができる 本明細書で説明することができる吸入ブリード加熱システムを備えたタービン吸入システムの概略図。 図３の吸入ブリード加熱システムの統合エアナイフ/サイレンサパネルの上面図。 図３の吸入ブリード加熱システムの統合エアナイフ/サイレンサパネルの斜視図。 本明細書で説明することができる統合エアナイフ/サイレンサパネルの代替の実施形態の上面図。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で用いることができるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、空気２０の流入流れを加圧する。圧縮機１５は、空気２０の加圧流を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、空気２０の加圧流を燃料３０の加圧流と混合して該混合気を点火させ、燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５だけが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動し、機械的仕事を産出するようになる。タービン４０において産出された機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５と、発電機などの外部負荷５０とを駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、各種のシンガス、及び／又は他のタイプの燃料を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの様々なガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を用いることができる。他のタイプのガスタービンエンジンも本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器も本明細書で共に使用することができる。

図２は、タービン吸入システム５５の概略図である。タービン吸入システム５５は、上述のガスタービンエンジン１０及び同様のものの圧縮機１５と一体化することができる。タービン吸入システム５５は、ウェザーフード６０を含むことができる。ウェザーフード６０は、空気２０の流れの中の雨、雪、雹及び同様のものなどの気象要素が圧縮機１５に侵入するのを防ぐことができる。次いで、空気２０の流れは、吸入フィルタハウス６５を通って流れることができる。吸入フィルタハウス６５は、空気２０の流れから異物及びデブリを除去することができる。吸入フィルタハウス６５の下流側に移行部品７０が延びて、入口ダクト７５に延びることができる。サイレンサセクション８０及び吸入ブリード加熱システム８５は、タービン吸入システム５５における入口ダクト７５内又は他の場所に位置付けることができる。サイレンサセクション８０は、圧縮機１５からの音響エネルギーを効果的に減衰、抑制、及び／又は反射させるあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。吸入ブリード加熱システム８５は、圧縮機ブリード空気９０の流れによって空気２０の流入流れを加熱することができる。上述のように、吸入ブリード加熱システム８５は、インピンジメント流及び同様のものを用いることができる。トラッシュスクリーン９５及び同様のものを入口ダクト７５の下流側に置いて、デブリが圧縮機１５に流入するのを防ぐようにすることができる。本明細書で記載されるタービン吸入システム５５は、単に例示に過ぎない。様々な構成要素と共に他の多くの構成のタービン吸入システムもまた、公知とすることができる。

図３は、本明細書で説明することができるタービン吸入システム１００を示す。上述と同様に、タービン吸入システム１００は、ウェザーフード１１０、吸入フィルタハウス１２０、移行部品１３０、及び入口ダクト１４０を含むことができる。これらの構成要素のサイズ、形状、及び構成は変えることができる。タービン吸入システム１００は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機１５及び同様のものと共に用いることができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることもできる。

タービン吸入システム１００はまた、吸入ブリード加熱システム１５０を含むことができる。吸入ブリード加熱システム１５０は、タービン吸入システム１００における入口ダクト１４０内又は他の場所に位置付けることができる。吸入ブリード加熱システム１５０は、複数のエアナイフ１６０を含むことができる。「エアナイフ」は、少量の加圧ブリード空気９０によって周囲から大量の空気を取り込む「コアンダ」効果を用いてその長さに沿ってほぼ層状の又は拡散空気流を生成する。一般的には、エアナイフは、可動部を持たず、電気ではなく空気によって駆動され、従って、極めて静かとすることができる。エアナイフの実施例は、品目名「Ｓｉｌｅｎｔ Ｘ−Ｓｔｒｅａｍ Ａｉｒ Ｂｌａｄｅ Ａｉｒ ｋｎｉｆｅ」でＮｅｘ Ｆｌｏｗ Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｃａｎａｄａ国オハイオ州Ｒｉｃｈｍｏｎｄ Ｈｉｌｌ所在）から販売されている。他のタイプの空気注入装置を本明細書で用いることもできる。

図４に示すように、エアナイフ１６０は、圧縮機ブリード空気９０の流れと連通した圧縮機ブリードポート１７０を含むことができる。エアナイフ１６０はまた、圧縮機ブリードポート１７０と連通した内部プレナム１８０を含むことができる。内部プレナム１８０は、排出ギャップ１９０に通じることができる。排出ギャップ１９０は、エアナイフ１６０の長さに沿って延びることができる。排出ギャップ１９０は、圧縮機ブリード空気９０の流れを加速するようなサイズにすることができる。排出ギャップ１９０のサイズ、形状、構成、及び角度は変わることができ、ここで最適にすることができる。排出ギャップ１９０は、１つ又はそれ以上の内向きに湾曲した端部２００の周りに位置付けることができる。湾曲端部２００の形状及び半径は変えることができる。エアナイフ１６０及びその要素は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。水平方向の向きで示されているが、垂直方向を用いることもできる。あらゆる数のエアナイフ１６０を本明細書で用いることができる。異なるサイズ及び構成のエアナイフ１６０もまた、本明細書で共に用いることができる。

従って、圧縮機ブリード空気９０は、圧縮器ブリードポート１７０を通ってエアナイフ１６０に流入し、内向きに湾曲した端部２００の周りの排出ギャップ１９０を通って流出する。すなわち、空気２０の流入流れは、加圧下で排出ギャップ１９０から流出する圧縮機ブリード空気９０によってエアナイフ１６０の内向きに湾曲した端部２００の周りに取り込まれ、同伴流２１０にすることができる。同伴流２１０は、明確に定義された主流においてより大きな速度及びポンプ力を有することができる。従って、同伴流２１０は、大部分は空気２０の流入流れに対する空気ポンプとして機能することができるので、そこでの圧力低下を低減することができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることもできる。

図４及び図５に示すように、空気ノズル１６０は、統合エアナイフ／サイレンサパネル２５０として下流側端部２４０にてサイレンサパネル２３０内に一体化することができる。サイレンサパネル２３０は、圧縮機１５からの音響エネルギーを効果的に減衰、抑制、及び／又は反射させるあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。統合エアナイフ／サイレンサパネル２５０は、あらゆる構成のほぼ曲線輪郭の形状２６０を有することができる。吸入ブリード加熱システム１５０は、あらゆる数の統合エアナイフ／サイレンサパネル２５０を含むことができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で用いることができる。

エアナイフ１６０は、圧縮機ブリード空気９０を約ゼロ度（０°）から約９０度（９０°）の主流入空気流方向で注入することができる。エアナイフ１６０は入口ダクト１４０の水平断面で図示されているが、タービン吸入システム１００の垂直断面又は他の位置を用いることもできる。サイレンサパネル２３０の後方の位置と仮定すると、エアナイフ１６０は一般に、吸入ブリード加熱システム１５０が作動していないときには空気２０の流れに対して悪影響を及ぼさないようにすることができる。

図６は、本明細書で用いることができる統合エアナイフ／サイレンサパネル３００の代替の実施形態を示す。この実施例において、エアナイフ３１０は、側部排出ギャップ３２０のペアを有することができる。側部排出ギャップ３２０は、内向きに湾曲した端部３３０のペアの直ぐ上流側に位置付けることができる。側部排出ギャップ３２０は、同様に流入空気流２０とブリード加熱流を取り込んで同伴流２１０にすることができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で用いることができる。

他の変形形態を本明細書で使用することもできる。例えば、ここで複数の排出ギャップを各段に位置付けることもできる。これらの排出ギャップは、独立して制御され、ブリード加熱流９０が変化している間、最大空気流速度を維持することができる。更に、排出ギャップは、サイレンサパネル２３０に沿った他の場所に位置付けることができる。

従って、統合エアナイフ／サイレンサパネル２５０のエアナイフ１６０を使用することで、大量の流入空気流２０をブリード空気９０と共に同伴流２１０として取り込み、そこでの圧力低下を低減するようにする。曲線輪郭形状２６０を有する統合エアナイフ／サイレンサパネル２５０の使用はまた、空気流の圧力低下の低減を助けることができる。従って、全体のガスタービンの効率及び出力を増大させることができる。エアナイフ１６０はまた、全体の圧力及び温度の均一性を提供する。更に、エアナイフ１６０は、既知のインピンジメント又は他のタイプのブリード加熱システムよりも発生するノイズを少なくすることができる。エアナイフ１６０はまた、可動部品が無いことを前提として、構成要素寿命が長くなるはずである。シンガスベースのタービンでは、流入空気流量は、ブリード空気流全体の減少を前提とした高効率の加熱効果によって低下することができる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ タービン吸入システム
６０ ウェザーフード
６５ 吸入フィルタハウス
７０ 移行部品
７５ 入口ダクト
８０ サイレンサ
８５ 吸入ブリード加熱システム
９０ 圧縮器ブリード空気
９５ スクリーン
１００ タービン吸入システム
１１０ ウェザーフード
１２０ 吸入フィルタハウス
１３０ 移行部品
１４０ 入口ダクト
１５０ 吸入ブリード加熱システム
１６０ エアナイフ
１７０ 圧縮機ブリードポート
１８０ 内部プレナム
１９０ 排出ギャップ
２００ 湾曲端部
２１０ 同伴流
２２０ 層状流
２３０ サイレンサパネル
２４０ 下流側端部
２５０ 統合エアナイフ／サイレンサパネル
２６０ 曲線輪郭形状
３００ 統合エアナイフ／サイレンサパネル
３１０ エアナイフ
３２０ 側部排出ギャップ
３３０ 湾曲端部

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの圧縮機への流入空気の流れにブリード空気の流れを供給する吸入ブリード加熱システムであって、
   ブリード空気の流れと連通した圧縮機ブリード空気ポートと、前記ブリード空気の流れを流入空気の流れに排出する排出ギャップとを含むエアナイフと、
   サイレンサパネルと、
   を備え、前記エアナイフ及び前記サイレンサパネルが統合エアナイフ／サイレンサパネルを形成する、吸入ブリード加熱システム。
2. 前記エアナイフが、前記ブリード空気ポートから前記排出ギャップに延びる内部プレナムを含む、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
3. 前記エアナイフが、前記排出ギャップの周りに１つ又はそれ以上の湾曲端部を含む、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
4. 前記エアナイフが、前記流入空気の流れと前記ブリード空気の流れとを取り込んで同伴流にする、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
5. 複数の排出ギャップを更に備える、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
6. 前記排出ギャップが、前記ブリード空気の流れを加速させる、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
7. 前記排出ギャップが、側部排出ギャップのペアを含む、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
8. 前記エアナイフが、前記サイレンサパネルの下流側端部の周りに位置付けられる、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
9. 統合エアナイフ／サイレンサパネルが、曲線輪郭形状を含む、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
10. 複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルを更に備える、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
11. 前記吸入ブリード加熱システムが、前記ガスタービンエンジンの圧縮機と連通したタービン吸入システムの入口ダクト内に位置付けられる、請求項１に記載の吸入ブリード加熱システム。
12. ガスタービンエンジンにおける吸入ブリード加熱制御を提供する方法であって、
    前記ガスタービンエンジンの圧縮機に向けた流入空気の流れを提供するステップと、
    前記流入空気の流れを複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルを通じて流すステップと、
    前記複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルにブリード空気の流れを提供するステップと、
    前記複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルの排出ギャップに前記ブリード空気の流れを押し込むステップと、
    前記流入空気の流れを前記ブリード空気の流れと同伴させるステップと、
    を含む、方法。
13. 前記排出ギャップに前記ブリード空気の流れを押し込むステップが、前記ブリード空気の流れを加速させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記流入空気の流れを複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルを通じて流すステップが、前記統合エアナイフ／サイレンサパネルの曲線輪郭形状に沿って前記流入空気の流れを流すステップを含む、請求項１２に記載の方法。
15. ガスタービンエンジンの圧縮機に流入空気の流れを提供するためのタービン吸入システムであって、
    前記圧縮機に通じた入口ダクトと、
    前記入口ダクト内に位置付けられた吸入ブリード加熱システムと、
    を備え、前記吸入ブリード加熱システムがブリード空気の流れと連通し、前記吸入ブリード加熱システムが、前記ブリード空気の流れと連通した複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルを含む、タービン吸入システム。
16. 前記複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルが、前記ブリード空気の流れと連通した圧縮機ブリード空気ポートと、前記ブリード空気の流れを排出する排出ギャップと、を含む、請求項１５に記載のタービン吸入システム。
17. 前記複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルが、前記排出ギャップの周りに１つ又はそれ以上の湾曲端部を含む、請求項１６に記載のタービン吸入システム。
18. 前記複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルが、前記流入空気の流れと前記ブリード空気の流れとを取り込んで同伴流にする、請求項１５に記載のタービン吸入システム。
19. 前記複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルが、サイレンサパネルの下流側端部の周りに位置付けられたエアナイフを含む、請求項１５に記載のタービン吸入システム。
20. 前記複数の統合エアナイフ／サイレンサパネルが、曲線輪郭形状を含む、請求項１５に記載のタービン吸入システム。