JP5060120B2 - ガスタービンエンジン組立体 - Google Patents

Description

本発明は一般的にガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンを動作させるための方法と装置に関する。

少なくとも一つのガスタービンエンジンは、連続した流れで構成された、低圧圧縮機と、低圧圧縮機から導かれる空気を圧縮するための高圧圧縮機と、燃料が圧縮された空気と混合されて高温のガス流を形成するために点火される燃焼器と、高圧圧縮機と結合された高圧タービンとを含む。高圧圧縮機、燃焼器および高圧タービンは、しばしば集合的にコアエンジンと呼称される。さらに、少なくとも一つの周知のガスタービンエンジンは、低圧圧縮機に結合された中圧タービンと、高圧タービンおよび中圧タービンから放出されるガスにより駆動される自由タービンまたは出力タービンを含む。

動作中には、空気は低圧圧縮機により圧縮され、複数のパイプとスクロールにより集められて、ガスタービンエンジンから離されて結合された中間冷却器を通って導かれる。冷却された空気は次に、他のパイプとスクロールの組を通って、高圧圧縮機に戻される。高圧タービンは、シャフトを介して高圧圧縮機を駆動する。中圧タービンは第２のシャフトを介して低圧圧縮機を駆動し、出力タービンは第３のシャフトを介して、例えば発電機である負荷を駆動する。

しかしながら、ガスタービンエンジンは、３つの別個のシャフトを含み、また圧縮された空気を低圧圧縮機から中間冷却器を経て高圧圧縮機に戻して導くための複数のパイプとスクロールを含んでいるので、ガスタービンエンジンは相対的に複雑であり、そのために製造するには付随的な時間とコストを必要とする。

ここでは、ガスタービンエンジン組立体の組立方法が開示される。その方法は、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンとを含むコアガスタービンエンジンを用意して、低圧圧縮機がモーターによってのみ駆動されるように、コアガスタービンエンジンとモーターの間に低圧圧縮機を結合することを含む。

本発明のひとつの態様においては、ガスタービンエンジン組立体が提供される。このガスタービンエンジン組立体は、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、モーターと、モーターによってのみ駆動されるようにコアガスタービンエンジンとモーターの間に結合された低圧圧縮機とを有するコアガスタービンエンジンを含む。

図１は、コアガスタービンエンジン１０を含む、例示的なガスタービンエンジン組立体８のブロック図である。コアガスタービンエンジン１０は、連続した流れの関係にある、高圧圧縮機１６と、燃焼器１８と、高圧タービン２０とを含む。高圧タービン２０は、コアガスタービンエンジン１０の長さ方向中心軸２４に対して実質的に同軸に整列している第１のローターシャフト２２を有する、高圧圧縮機１６に結合されている。一実施形態では、コアガスタービンエンジン１０は、ＬＭＳ１００コアガスタービンエンジンである。

ガスタービンエンジン組立体８はまた、吸気口３２と排気口３４を有する低圧圧縮機または昇圧器３０と、吸気口３８と排気口４０を有する昇圧ダクト３６とを含む。上記の例示的な実施形態では、昇圧圧縮機の排気口３４から放出された空気が直接昇圧ダクトの吸気口３８に導かれるように、昇圧ダクト３６は、昇圧圧縮機３０から下流に同軸で結合されている。さらに昇圧ダクト３６は、コアガスタービンエンジン１０の長さ方向中心軸２４に対して実質的に同軸に整列されている。

ガスタービンエンジン組立体８はまた、空気流入口５２と空気流出口５４を有する中間冷却器５０と、吸気口６２と排気口６４を有する高圧圧縮機吸気ダクト６０とを含む。上記の例示的な実施形態では、昇圧ダクトの排気口４０から放出された空気が直接中間冷却器の入口５２に導かれるように、中間冷却器５０は、昇圧ダクト３６から下流に同軸で結合されている。

上記の例示的な実施形態では、低圧圧縮機３０から放出された空気流は、追加冷却のために中間冷却器５０を通って導かれた後に、冷却された空気が高圧圧縮機１６に導かれる。従って、上記の例示的な実施形態では、中間冷却器５０は熱交換機７０を含み、熱交換機は、作動流体を熱交換機７０を通して導くために使用されるポンプ７４と流れが接続するように結合されている作動流体入口７２と、作動流体を熱交換機７０から放出するために使用される作動流体出口７６とを有する。ここでは１つのみの熱交換機７０が記載されているが、中間冷却器５０は、その内部に収納された複数の熱交換機７０を有してもよいことが認識されるべきである。

上記の例示的な実施形態では、中間冷却器５０から放出される冷却された空気流は、吸気口６２を経由して高圧圧縮機のダクト６０に直接導かれ、次いで排気口６４を経由して高圧圧縮機１６に直接導かれる。従って、昇圧ダクト３６は、空気流を中間冷却器５０に直接導くように構成され、また高圧圧縮機吸気ダクト６０は、冷却された空気流を中間冷却器５０から高圧圧縮機１６に直接導くように構成されている。これにより、圧縮空気を低圧圧縮機から中間冷却器に導き、次に高圧圧縮機に戻すように構成されている、既知の複数のパイプとスクロールが除去されている。

ガスタービンエンジン組立体８はさらに、昇圧ダクト３６と流れが接続するように結合され、所定の動作条件の際に空気流を昇圧ダクト３６から大気に放出するように構成されている、少なくとも一つの可変バイパス弁（ＶＢＶ）７８を含む。上記の例示的な実施形態では、低圧圧縮機３０から高圧圧縮機１６まで流れる空気の量を制御するために、ＶＢＶ７８が使用されている。特にＶＢＶ７８は、低圧圧縮機３０から出力される空気流と、高圧圧縮機１６に入力される空気流の適合を容易にする。

ガスタービンエンジン組立体８はさらに、自由タービンまたは出力タービン８０を含み、これは、高圧タービン２０、発電機８２、および出力タービン８０を発電機８２に結合させるシャフト８４の後部に、同軸で結合されている。動作の際には、高圧タービン２０から放出される燃焼ガスは、出力タービン８０、従ってシャフト８４を介して発電機８２を駆動するために使用される。

ガスタービンエンジン組立体８はさらに、シャフト９２を介して低圧圧縮機３０に結合されたモーター９０を含み、またモーター９０を制御して、それにより低圧圧縮機３０の回転速度を制御するために使用される制御装置１００を含む。

図２は、図１に示されるガスタービンエンジンの制御装置１００のブロック図である。上記の例示的な実施形態では、モーター９０は可変周波数モーターであり、また制御装置１００は、モーター９０の速度および／または周波数を変更するために使用される可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）である。上記の例示的な実施形態では、ＶＦＤ１００は、ダイオードブリッジ整流器１２０、直流電流（ＤＣ）フィルタ回路１２２、インバータ１２４および制御レギュレータ１２６を含む。ＶＦＤ１００は、電動モーター９０を制御するために、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用している。モーター９０は、固定子９２と回転子９４を含む。回転子９４は、磁場を誘導する高エネルギー密度の複数の永久磁石（図示せず）を含む。ＰＷＭの特徴は、固定子９２の電圧の大きさと周波数をインバータ１２４を介して変更させることを可能にする。固定子９２に伝えられる電力の電圧と周波数の変更は、回転子９４の速度とトルクを制御する。

使用において整流器１２０は、固定子９２に通電するために、発電機８２からの主入力電力として三相の交流電流（ＡＣ）入力信号１２８を受領する。整流器１２０は、ＡＣ信号１２８を、ＤＣ成分に加えて高周波数成分を含むＤＣ信号１３０に整流する。ＤＣ信号１３０は、高周波数成分を除去して、濾波された平滑なＤＣ出力信号１３２をインバータ１２４に送るフィルタ回路１２２により受領される。レギュレータ１２６は、複数の基準信号１３８と複数のフィードバック信号１４０を処理して、信号１３６を生成する。一実施形態では、基準信号１３８は所望のモーターの回転子９４の速度を表わし、フィードバック信号１４０は実際のモーターの回転子９４の速度を表わしている。信号１３８、１４０に対する代替の実施形態は、モーターの回転子速度の代わりに、またはそれに加えて、固定子電流、回転子位置および固定子周波数を含んでもよく、または選択的に高圧圧縮機１６内に導かれる空気流の質量流量を含んでもよい。

インバータ１２４は、レギュレータ１２６からの複数の入力制御信号１３６を受領する。制御信号１３６は、インバータ１２４を制御する複数のコマンドを含む。受領した信号１３６に基づいて、インバータ１２４は、信号１３４の電圧パルス幅と固定子９２への周波数を変調することにより、固定子９２に伝えられる複数の出力パルス１３４を生成するために、信号１３２を修正し、それにより、所定の電圧対周波数の比を維持するために必要な固定子９２の電磁場を調整する。固定子９２と回転子９４の磁場の作用により生成される出力トルクは、回転子９４に伝えられる。回転子９４に伝えられた出力トルクは、回転子９４の回転に変換され、そこで回転子９４へのトルクの変調が回転子９４の速度を制御する。レギュレータ１２６は、モーター９０を所望の速度で動作させるために、固定子９２の巻回電圧のパルス幅と周波数を計算する。インバータ１２４から固定子９２に伝えられた電力信号１３４は、モーター９０の出力トルクと回転子９４の速度を実質的に増加させる、伸長されたパルス幅と共に増加する。ここでは例示的な可変周波数モーター９０と、可変周波数ドライブ１００が記載されているが、低圧圧縮機３０の駆動を容易にするために、ガスタービンエンジン組立体８は、種々の可変速度モーターと、コントローラを使用してもよいことが認識されるべきである。

動作においては、コアガスタービンエンジン１０が始動される。特に、高い圧力で圧縮された空気が、高圧圧縮機１６から燃焼器１８の内部に導かれ、そこで圧縮された空気は燃料と混合されて点火される。燃料と空気の混合物は、加圧された空気の温度とエネルギーレベルを上昇させるために点火される。エネルギーの高い燃焼物は、ドライブシャフト２２を介して高圧圧縮機１６を駆動するために、高圧タービン２０に、次いでシャフト８４を介して発電機８２の駆動を容易にするために、低圧タービン８０に流れる。

発電機８２からの電力の出力は、種々の電気部品の駆動に使用するために変圧器１５０へ、また可変周波数モーター９０を駆動するためにＶＦＤ１００に伝えられる。特に、低圧圧縮機３０はコアガスタービンエンジン１０によっては駆動されず、むしろシャフト９２を介してモーター９０により駆動され、ＶＦＤ１００はモーター９０の速度、またそれにより低圧圧縮機３０の速度の変更を容易にするために使用される。

低圧圧縮機３０は次に、昇圧ダクト３６に導かれる圧縮された空気流を生成する。一実施形態では、この空気流は次いで中間冷却器５０に導かれる。この空気流の一部は選択的に、以上に議論された所望の空気流の圧力の維持を容易にするために、ＶＢＶ７８を介して導かれて排気される。この空気流が次に中間冷却器から導かれる場合には、吸気ダクト６０を通って高圧圧縮機１６に導かれる。

以上に記載されたガスタービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンと、低圧圧縮機を駆動するように構成された可変周波数電動モーターを含む。それにより、低圧圧縮機は現在周知であるように、コアガスタービンエンジンの後部に同軸で結合された中圧タービンによっては駆動されておらず、むしろ低圧圧縮機は、出力タービンを介してコアガスタービンエンジンにより駆動される発電機から電力を供給される電動モーターにより駆動されている。その結果として、低圧圧縮機とＶＦＤモーターは、別個のスキッドとして製造され、整列されて、工場から最終消費者に完全に機能的に出荷される。

さらに、以上に記述されたガスタービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンの中心軸と実質的に同軸に整列された中間冷却器を含む。それにより、中間冷却器へのおよび／またはそれからの圧縮された空気は、同様にエンジンの中心軸と実質的に同軸に整列された円形のパイプを通って高圧圧縮機に導かれる。従ってこの空気流は、実質的にエンジンの中心軸に沿って整列された経路沿いに、低圧圧縮機から高圧圧縮機に導かれる。その結果、遠くからおよび／または遠くへ空気流を向け直すために、少なくとも一つの既知のガスタービンエンジンで使用されている余分なパイプとスクロールは空気の流路から除外されている。

加えて低圧圧縮機が可変周波数モーターを使用して駆動されるので、以上に記載されたガスタービンエンジン組立体は、中圧タービンまたはタービンのミッドフレームを含んでいない。そのため、ドライブシャフトの数を削減することにより、設計の複雑さは削減され、ガスタービンエンジン組立体を製造するためのコストの削減に帰結する。さらに、高圧圧縮機、高圧タービン、出力タービンは、第２のスキッド上に搭載されている。

その結果、以上に記述されたエンジンを製造するコストは、低圧圧縮機を駆動するために可変周波数駆動モーターを使用していることにより、実質的に削減される。さらに、圧縮機のスクロール、昇圧ドライブシャフト、中圧タービン、タービンのミッドフレームは、全て除去されている。加えて、中間冷却器を低圧タービンと高圧タービンの間に同軸で結合することは、低圧圧縮機と高圧圧縮機の間の圧縮された空気の体積の顕著な削減と、それによる大気に放散される負荷の過渡的損失での流れの体積の減少に帰結する。さらに、低圧圧縮機がタービンから外れているので、コアガスタービンエンジンまたは出力タービンの回転速度とは異なる回転速度で低圧タービンが動作される。

ガスタービンエンジン組立体の例示的な実施形態は、以上に詳細に記述されている。ガスタービンエンジン組立体は、以上に記述された特定の実施形態に限定されることはなく、むしろシステムの部品は以上に記述された部品とは独立して別個に使用されてよい。特に、以上に記述された可変周波数電動モーターは、幅広い多様なガスタービンエンジンで使用されてよい。

本発明が種々の特定の実施形態に関して記述されているが、特許請求の範囲とその精神の範囲内で本発明が変形して実施されることを、当業者は認識するであろう。

例示的なガスタービンエンジン組立体のブロック図である。 図１に示されるガスタービンエンジン組立体と共に使用される例示的な可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）のブロック図である。

符号の説明

８ ガスタービンエンジン組立体
１０ コアガスタービンエンジン
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器
２０ 高圧タービン
２２ 第１ローターシャフト
２４ 長さ方向中心軸
３０ 低圧圧縮機
３２ 吸気口
３４ 排気口
３６ 昇圧ダクト
３８ 昇圧ダクト吸気口
４０ 昇圧ダクト排気口
５０ 中間冷却器
５２ 空気流入口
５４ 空気流出口
６０ 高圧圧縮機吸気ダクト
６２ 吸気口
６４ 排気口
７０ 熱交換機
７２ 流体入口
７４ ポンプ
７６ 流体出口
７８ ＶＢＶ
８０ 低圧タービン
８２ 発電機
８４ シャフト
９０ モーター
９２ 固定子
９４ 回転子
１００ 制御装置
１２０ 整流器
１２２ フィルタ回路
１２４ インバータ
１２６ レギュレータ
１２８ ＡＣ信号
１３０ ＤＣ信号
１３２ ＤＣ出力信号
１３４ 出力パルス
１３６ 制御信号
１３８ 基準信号
１４０ フィードバック信号
１５０ 変圧器

Claims (9)

1. 高圧圧縮機（１６）と、燃焼器（１８）と、高圧タービン（２０）とを有するコアガスタービンエンジン（１０）と；
   モーター（９０）と；
   前記モーターによってのみ駆動されるように前記コアガスタービンエンジンと前記モーターの間に結合された低圧圧縮機（３０）と
   を含み、
   前記モーター（９０）がさらに可変周波数モーターを含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン組立体（８）。
2. 前記低圧圧縮機（３０）と前記コアガスタービンエンジン（１０）の間に結合された中間冷却器（５０）をさらに含み、前記中間冷却器が前記コアガスタービンエンジンの中心軸（２４）と実質的に同軸に整列されている、請求項１に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
3. 前記低圧圧縮機（３０）と前記中間冷却器（５０）の間に結合された昇圧ダクト（３６）をさらに含み、前記昇圧ダクトが前記コアガスタービンエンジン（１０）の中心軸（２４）と実質的に同軸に整列されている、請求項２に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
4. 前記低圧圧縮機（３０）と前記コアガスタービンエンジン（１０）の間に結合された可変バイパス弁（７８）をさらに含み、所定の閾値を超えた場合に、前記可変バイパス弁が前記昇圧ダクト（３６）から大気へ空気流を放出するように構成されている、請求項１に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
5. 前記中間冷却器（５０）と前記高圧圧縮機（１６）の間に結合された高圧圧縮機吸気ダクト（６０）をさらに含み、前記吸気ダクトが前記コアガスタービンエンジン（１０）の中心軸（２４）と実質的に同軸に整列されている、請求項３に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
6. 前記モーター（９０）に結合された可変周波数駆動装置をさらに含み、前記駆動装置が前記モーターの回転速度を変更するように構成されている、請求項１に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
7. 前記モーター（９０）に結合された可変周波数駆動装置をさらに含み、前記駆動装置が前記低圧圧縮機（３０）の回転速度を変更するように構成されている、請求項１に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
8. 前記コアガスタービンエンジン（１０）に結合された低圧タービン（８０）と；
   前記低圧タービンに結合され、前記低圧タービンにより駆動される発電機（８２）と
   をさらに含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
9. 前記低圧圧縮機（３０）の回転速度の変更を容易にするために前記モーター（９０）に結合された可変周波数駆動装置と；
   低圧タービン（８０）に結合され、前記モーターの駆動を容易にするために前記可変周波数駆動装置に電力を伝えるように構成された発電機（８２）と
   をさらに含む、請求項８に記載のガスタービンエンジン組立体（８）。
   

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