JP4118684B2 - エネルギーを発生するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載されるエネルギーを発生するための装置に関する。

この種の装置については、例えば、ＵＳ ５，６６９，２１７およびＥＰ １，０３９，１１５から知ることができる。これらの知られている装置においては、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間の空気を冷却するための冷却手段は、水噴射手段として構成される。

従来技術からわかるように、この種の装置において、水噴射を使用するのにはいくつかの理由がある。１つの大きな理由は、水噴射によって、装置のより高い効率を達成することができるからである。もう１つの理由は、装置から汚染物質が排出されるのを減少させることができるからである。

本発明に関しては、「水噴射」という用語は、水を噴射するあらゆる形態を含むことに注意されたい。すなわち、水の噴霧、予熱された水または水蒸気の噴射などを含む。

今日までに知られている装置によれば、上述した有益な効果を満足できるほどに達成することはできない。

本発明の第１の目的は、装置を改善するための手段を提案することである。

とりわけ、本発明の目的は、プリアンブルに記載された種類の知られている装置よりも高い効率を備えた装置を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、噴射された水を加熱／気化させるために、装置からの排気ガスの熱を最適に使用する手段を提案することである。

さらなる目的は、プリアンブルに記載された種類の知られている装置よりも汚染物質の排出が少ない装置を提供することである。

さらにもう１つの目的は、装置の１つまたは複数の構成要素に最適な動作条件をもたらす装置を提供することであり、その装置は、例えば、関連する１つまたは複数の構成要素を技術的に実施するのに都合のよいものである。

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載された装置を提供し、その装置は、副空気経路が設けられ、低圧圧縮機の出口から送り出される圧縮空気のうち、主空気流が高圧圧縮機へ流れ、かつ副空気流が副空気経路へ流れ込むように、前記副空気経路の入口端部が、低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の入口との間に接続され、副空気流中に水を噴射するための第１の水噴射手段が、副空気経路に存在し、副空気経路の出口端部が、圧縮機タービンアセンブリの出口と出力タービンの入口との間の接続部分に接続されたことを特徴とする。

低圧圧縮機から送り出される空気流を、主空気流と副空気流とに分割することによって、高圧圧縮機のために最適な動作条件を実現することができ、一方、副空気流中に水を効果的に噴射することもできる。この場合、主空気流を冷却する冷却手段も、同様に、水噴射手段として構成されてもよいが、その水噴射手段は、副空気流のための水噴射手段とは無関係なものである。

好ましくは、主空気流は、副空気流よりも量が多い。例として、主空気流は、低圧圧縮機から送り出される総空気流の７０から９０％であり、副空気流は、１０から３０％である。

副空気流は、圧縮機タービンアセンブリの下流側において主空気流と合流し、そのために、この副空気流は、比較的に低い圧力に維持されることができる。２つの空気流の合流点における圧力が、低圧圧縮機の出口における圧力よりも高い場合、補助圧縮機であるファンが、設けられてもよく、そのファンは、副空気流をより高い圧力にする。例として、このファンは電動式のファンである。

好ましくは、熱交換器が、好ましくは、第１の水噴射手段の下流側に設けられ、この熱交換器は、排気ガス配管内における排気ガスと副空気流との間の熱伝達を行う。これによって、できるだけ多くの水を副空気流中に導入し、かつ、排気ガスからの熱を用いて、その水を気化させることが可能となる。

本発明による装置のさらなる好都合な実施形態が、請求項に記載され、かつ、図面に基づいて以下に説明される。

請求項および以下の説明においては、例えば、第１、第２、第３などの数を表現する語が、使用されることに注意されたい。これらの数詞は、個々の構成要素を識別するためにだけ使用され、装置に存在しあるいは装置に存在すべき類似する構成要素の数を指示するものではない。例えば、以下で説明される第４の熱交換器が存在せず、それにもかかわらず、以下で詳細に説明される第５および第６の熱交換器が存在する装置を提供することも考えられる。

図１は、本発明によるエネルギーを発生するための装置を示す。この装置は、空気を圧縮するための圧縮機アセンブリを備える。この例においては、圧縮機アセンブリは、空気入口２および空気出口３を備えた低圧圧縮機１と、入口５および出口６を備え、低圧圧縮機の出口３が高圧圧縮機４の入口５に接続された高圧圧縮機４と、低圧圧縮機１および高圧圧縮機４を駆動するための圧縮機タービンアセンブリとを備え、その圧縮機タービンアセンブリは、単一の圧縮機タービン７を含み、かつその圧縮機タービンアセンブリは、入口８および出口９を有し、入口８は高圧圧縮機４の出口に接続される。

この例においては、圧縮機３、４および圧縮機タービン７は、単一の共通シャフト１０上に配置される。

主空気経路１２は、出口３と入口５との間に延び、その主経路１２を介して、主空気流が、低圧圧縮機１から高圧圧縮機４へ流れる。低圧圧縮機１の出口から送り出される圧縮空気のうち、主空気流は高圧圧縮機４へ流れ、副空気流は副空気経路１３へ流れ込むように、副空気経路１３の入口端部が、前記主空気経路１２に接続される。

低圧圧縮機１からの空気流は、好ましくは、主空気流が副空気流よりも量が多いように分割される。例としては、主空気流が総空気流の８５％を占め、そして、副空気流が総空気流の１５％を占める。副空気経路が、主空気経路１２の通路面積に対して所定の通路面積を有することによって、２つの空気流の比を一定にすることができる。適切であるならば、副空気経路１３を開閉し、および／または主空気経路１２に対する副空気経路１３の通路面積の大きさを制御するために、例えばバルブ手段のような制御手段が、好ましくは、副空気経路１３に設けられてもよい。

副空気経路１３においては、水を副空気流中に噴射するための第１の水噴射手段１５が、存在する。

主空気経路１２内を流れる主空気流を冷却するために、第４の水噴射手段１７が設けられる。

水の噴射に関連して一般的に知られているように、いずれにしても、空気を冷却し、装置における質量流量を増大させることが望ましく、それによって、様々な利点が得られる。

この例においては、ファン１８が、第１の水噴射手段１５の上流側において、副空気経路１３に設けられ、副空気流の圧力が増加するのを制限する。このファン１８は、小さな出力を有するものであってもよく、かつ、適切であるならば、電気によって駆動されてもよい。

図１に示される装置は、また、圧縮機タービン７の入口８の上流側に高圧燃焼装置２０を備える。この例においては、さらに、低圧燃焼装置２５が、図示される例では圧縮機タービン７の出口９の下流側に設けられる。

燃焼装置２０、２５内では、毎回、圧縮空気（その中に水蒸気が存在する）と適切な燃料との混合物が、燃焼させられる。

さらに、装置は、機械的なエネルギーを放出するための、例えば、発電機３２を駆動するための回転可能なシャフト３１を備えた出力タービン３０を備える。出力タービン３０は、入口３３および排気ガス出口３５を有し、この場合、その入口３３は、低圧燃焼装置２５の出口に接続される。

また、装置は、排気ガス配管を有し、その配管の入口端部４０は、出力タービン３０の排気ガス出口３５に接続される。

この例においては、副空気経路１３の出口端部は、圧縮機タービン７の出口９と低圧燃焼装置２５の入口との間の接続部分に接続される。

排気ガス配管は、主排気ガス経路４１および副排気ガス経路４２を備え、それらの２つの経路４１、４２は、出力タービン３０の出口３５に接続され、それによって、主排気ガス流は、主排気ガス経路４１へ流れ込み、副排気ガス流は、副排気ガス経路４２へ流れ込む。

主排気ガス流は、好ましくは、副排気ガス流よりも量が多い。例として、これらの排気ガス流の比は、上述した主空気流および副空気流の比とほぼ同じである。

第１の熱交換器５０は、好ましくは、第１の水噴射手段１５の下流側において、排気ガス配管内における排気ガスと副空気流との間の熱伝達を行う。

第２の熱交換器６０は、主経路４１内における主排気ガス流と、高圧圧縮機４と圧縮機タービン７の入口との間の主空気流との間の熱伝達を行う。専門家の分野においては、この第２の熱交換器６０は、しばしば、レキュペレータという用語で参照される。

第３の熱交換器７０は、副排気ガス経路４２内における排気ガスと、第１の熱交換器５０の下流側にある副空気経路１３内における副空気流との間の熱伝達を行う。

副排気ガス経路４２の出口端部は、第２の熱交換器６０の下流側にある主空気経路４１に接続される。そして、この接続部分の下流側に、第１の熱交換器５０が配置され、それによって、すべての排気ガスが、第１の熱交換器５０を流れる。

第４の熱交換器８０は、第３の熱交換器７０の下流側にある副排気ガス経路４２内における排気ガスと、第１の熱交換器５０の下流側にある副空気経路１３内における副空気流との間の熱伝達を行う。

第１の熱交換器５０は、好ましくは、排気ガスが排出される前に、できるだけ多くの熱をそれらの排気ガスから取り出すように構成される。

適切であるならば、排気ガス配管の出口の近くに水を噴射することによって、噴射された水が、回収されてもよく、その水は、それ以前に噴射された水とともに集められる。

図示された変形においては、副空気経路１３の出口端部は、圧縮機タービン７と低圧燃焼装置２５との間の接続部分に接続される。

１つの変形においては、副空気流と燃料との適切な混合物を燃焼させるために、低圧燃焼装置は、副空気経路１３に配置される。これは、複数の低圧燃焼装置を備えた装置も当然ながら考えられるが、ここでは、例えば図１に破線で示されるように、副空気経路１３に挿入された燃焼装置２５を含むことによって、実現されてもよい。

さらにまた、第５の熱交換器９０および第６の熱交換器９５が、図示される装置に設けられ、主排気ガス経路４１内における排気ガスと、高圧圧縮機４と圧縮機タービン７との間の主空気流との間の熱伝達を行う。この場合、主空気流の方向で考えると、第５および第６の熱交換器は、第２の熱交換器６０の上流側に配置される。

また、第５の熱交換器９０と第６の熱交換器９５との間における主空気流中に水を噴射するために、第２の水噴射手段１００が、設けられることがわかる。

さらにまた、高圧圧縮機４と第６の熱交換器９５との間における主空気流中に水を噴射するために、装置は、第３の水噴射手段１１０を備える。

１つの変形においては、単一の圧縮機タービンの代わりに、例えば、１つの圧縮機タービンが、低圧圧縮機を駆動し、別の圧縮機タービンが、高圧圧縮機を駆動するように、複数の圧縮機タービンが設けられてもよい。

さらに別の変形においては、圧縮機タービンが、発電機を駆動してもよく、また、圧縮機アセンブリの１つまたは複数の圧縮機を駆動するために、発電機に結合された電動モータが、設けられてもよい。

また、副空気流中へ水を噴射し、排気ガスから取り出された熱を副空気流へ供給するのは、図面に示されたものとは異なる方法で実施されてもよい。例えば、１つまたは複数の熱交換器が、水噴射手段の上流側に配置されてもよく、あるいは、水噴射手段が、熱交換器と同じ位置に配置されてもよく、あるいは、水噴射手段が、熱交換器間に配置されてもよい。

上述したように、水噴射は、状況に応じて様々な形で、例えば、霧、水蒸気などの形で実施されてもよい。

噴射される水は、排気ガスから取り出された熱を用いて予熱されてもよいが、圧縮機の下流側において圧縮空気から取り出された水を用いて予熱されてもよい。

また、高圧圧縮機の上流側において主ガス流を冷却するための冷却手段は、水噴射によってではなく、例えば、冷風またはその他の冷却媒体あるいは選択できる様々なものを組み合わせたものを、噴射することによってなされるように構成されてもよい。適切であるならば、例えば、装置が、高温環境中に配置されるのであれば、低圧圧縮機の入口において、あるいは低圧圧縮機内において、空気が冷却されてもよい。

図１に示される装置における温度が、限定するものではない例として、以下に列挙される。

低圧圧縮機から送り出される空気は、１３０℃であり、
第４の水噴射手段によって冷却された後の主空気流は、４０℃であり、
高圧圧縮機の出口における主空気流は、１６５℃であり、
第３の水噴射手段によって冷却された後の主空気流は、９０℃であり、
レキュペレータの下流側における主空気流は、６４０℃であり、
高圧燃焼装置の出口における主空気流は、８５０℃であり、
圧縮機タービンの出口における主空気流は、６２０℃であり、
低圧燃焼装置の出口における空気流は、９００℃であり、
出力タービンの出口における排気ガス流は、６４０℃である。

本発明による装置の例としての実施形態の回路図を示す図である。

Claims (17)

1. エネルギーを発生するための装置であって、
   空気を圧縮するための圧縮機アセンブリを備え、該圧縮機アセンブリが、
   空気入口および空気出口を有する低圧圧縮機と、
   入口および出口を有する高圧圧縮機であり、低圧圧縮機の出口が、主空気経路を介して、高圧圧縮機の入口に接続された、前記高圧圧縮機と、
   低圧圧縮機および／または高圧圧縮機を駆動するための圧縮機タービンアセンブリとを有し、前記圧縮機タービンアセンブリが、単一の圧縮機タービンまたは直列に配置された複数の圧縮機タービンからなり、かつ入口および出口を有し、圧縮機タービンアセンブリの前記入口が、高圧圧縮機の出口に接続され、
   前記エネルギーを発生するための装置がさらに、
   高圧圧縮機の出口の上流側にある位置において空気を冷却するための冷却手段と、
   圧縮空気と燃料との適切な混合物を燃焼させるための燃焼装置と、
   圧縮機タービンアセンブリの出口に接続された入口と排気ガス出口とを有する、機械的なエネルギーを伝達するための回転可能なシャフトを備えた出力タービンと、
   入口端部が出力タービンの排気ガス出口に接続された排気ガス配管とを備え、
   副空気経路が設けられ、低圧圧縮機の出口から送り出される圧縮空気のうち、主空気流が、主空気経路を経由して高圧圧縮機へ流れ、かつ副空気流が、副空気経路へ流れ込むように、前記副空気経路の入口端部が、低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の入口との間に接続され、
   副空気流中に水を噴射するための第１の水噴射手段が、副空気経路に設けられ、
   副空気経路の出口端部が、圧縮機タービンアセンブリの出口と出力タービンの入口との間の接続部分に接続されたことを特徴とする、装置。
2. 副空気流の圧力を増大させるために、ファンが、副空気経路内に組み込まれた、請求項１に記載の装置。
3. 第１の熱交換器が、好ましくは第１の水噴射手段の下流側に設けられ、前記第１の熱交換器が、排気ガス配管内における排気ガスと副空気流との間の熱伝達を行う、請求項１または２に記載の装置。
4. 排気ガス配管が、主排気ガス経路および副排気ガス経路を備え、主および副排気ガス経路は、主排気ガス流が、主排気ガス経路に流れ込み、かつ副排気ガス流が、副排気ガス経路に流れ込むように、出力タービンの出口に接続され、
   第２の熱交換器が設けられ、前記第２の熱交換器が、主排気ガス流と、高圧圧縮機と圧縮機タービンアセンブリの入口との間の主空気流との間の熱伝達を行い、
   第３の熱交換器が設けられ、前記第３の熱交換器が、副排気ガス経路内における排気ガスと、副空気経路内における副空気流との間の熱伝達を行う、請求項３に記載の装置。
5. 副排気ガス経路が、出口端部を、第２の熱交換器の下流側にある主排気ガス経路に接続され、第１の熱交換器が、該接続の下流側に配置された、請求項４に記載の装置。
6. 第４の熱交換器が設けられ、前記第４の熱交換器が、第３の熱交換器の下流側の副排気ガス経路内における排気ガスと、第１の熱交換器の下流側の副空気経路内における副空気流との間の熱伝達を行う、請求項４または５に記載の装置。
7. 低圧燃焼装置が、圧縮機タービンアセンブリの出口と出力タービンとの間に配置された、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 副空気経路の出口端部が、圧縮機タービンアセンブリと低圧燃焼装置との間の接続部分に接続された、請求項７に記載の装置。
9. 副空気流と燃料との適切な混合物を燃焼させるために、低圧燃焼装置が、副空気経路内に配置された、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 第５および第６の熱交換器が設けられ、第５および第６の熱交換器が、主排気ガス経路内における排気ガスと、高圧圧縮機と圧縮機タービンアセンブリとの間の主空気流との間の熱伝達を行う、請求項４から６のいずれか一項に記載の装置。
11. 第５の熱交換器と第６の熱交換器との間の主空気流中に水を噴射するために、第２の水噴射手段が設けられた、請求項１０に記載の装置。
12. 高圧圧縮機の下流側における主空気流中に水を噴射するために、第３の水噴射手段が設けられた、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の出口との間の主空気流を冷却するための冷却手段が、第４の水噴射手段として構成された、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 圧縮空気および燃料からなる適切な混合物を燃焼させるために、高圧燃焼装置が、高圧圧縮機の出口と圧縮機タービンアセンブリの入口との間に配置された、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 圧縮機タービンアセンブリが、単一の圧縮機タービンを含み、前記単一の圧縮機タービンが、低圧圧縮機および高圧圧縮機と共有する共通シャフト上に配置された、請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 圧縮機タービンが、発電機を駆動し、圧縮機アセンブリの１つまたは複数の圧縮機を駆動するために、発電機に結合された電動モータが設けられた、請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。
17. 第１の熱交換器の下流側において、副空気流中に水を噴射するために、第５の水噴射手段が設けられた、請求項３に記載の装置。

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