JP5099967B2 - ガスタービンエンジンを作動させるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンを作動させるための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、直列流れ配列状態で、エンジンを通って流れる空気を加圧するための高圧圧縮機と、その中で燃料が加圧空気と混合されかつ点火されて高温ガス流を形成する燃焼器と、高圧タービンとを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、まとめてコアエンジンと呼ばれることもある。このようなガスタービンエンジンはさらに、加圧空気を高圧圧縮機に供給するための低圧圧縮機又はブースタを含む場合もある。

ガスタービンエンジンは、航空機、発電及び船舶用途を含む多くの用途で用いられる。もちろん、所望のエンジン作動特性は用途毎に異なる。より具体的には、周囲温度が他の環境に比べて低いような環境でエンジンを作動させる場合、エンジンは、コアエンジン温度を許容不能な高レベルにまで上昇させずに、より大きいシャフト馬力（ＳＨＰ）及び高い出力で作動させることが可能になる。しかしながら、周囲温度が高い場合には、コアエンジン温度は、高いＳＨＰ出力を供給している場合に、許容不能な高レベルまで上昇するおそれがある。

作動要求を満たすのを可能にするために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、エンジン周囲温度が例えば暑い日などのように高い時でも入口空気温度を低下させるのを可能にする入口システム蒸発冷却器又は冷却システムを含む。少なくとも一部の公知のシステムは、水スプレーフォギング又はインジェクション装置を用いて水をブースタか又は圧縮機のいずれか内に噴射してエンジンの作動温度を低下させるのを可能にしている。

例えば、少なくとも１つのガスタービンは、高圧圧縮機に入る空気の圧力を増大させるのを可能にするブースタ圧縮機を含み、このブースタ圧縮機によってガスタービンエンジンの出力及び効率を高めている。ブースタ圧縮機と高圧圧縮機との間に中間冷却器熱交換器を配置して、高圧圧縮機に入る空気の温度を低下させるのを可能にすることができる。中間冷却器を用いることにより、高圧圧縮機によって行われる仕事量を低減しながらエンジンの効率を高めることが可能になる。少なくとも１つの公知の中間冷却器熱交換器は、周囲空気又は水を冷却媒体として用いてブースタ圧縮機を出る空気流を冷却する。冷却媒体として水を用いる場合には、水からの熱は、水冷式の冷却タワーを用いて排除される。従って、温度の低下には、空冷式熱交換器の場合の乾球周囲空気温度による、また水冷式熱交換器の場合の湿球温度による限界がある。しかしながら、空気対水式熱交換器は一般的に、より乾燥した領域では入手できないほどの比較的大量の水を用いる。さらに、空気対空気式熱交換器は一般的に、暑い日に使用する場合にはより低い空気密度及び中間冷却器出口温度の上昇のためにそれほど有効ではなく、従ってガスタービン出力の低下をもたらす。
特開２００１−３１７３７１号公報

１つの態様では、本発明は、直列流れ配列で結合された第１の圧縮機、第２の圧縮機、燃焼器及びタービンを含むガスタービンエンジンを作動させる方法を提供する。本方法は、第１の圧縮機から吐出された加圧空気流を、それを通り抜けて流れる空気ストリームを有する熱交換器に導く段階と、蒸発冷却された空気ストリームを熱交換器に流して該熱交換器の作動温度を低下させるのを可能にする段階と、熱交換器空気ストリームを用いて加圧空気流からエネルギーを取り出して該加圧空気流の温度を低下させるのを可能にする段階と、加圧空気流を熱交換器から第２の圧縮機に導く段階とを含む。

別の態様では、少なくとも第１の圧縮機、第２の圧縮機、燃焼器及びタービンを含むガスタービンエンジン用の冷却システムを提供する。本冷却システムは、第１の圧縮機からの加圧吐出空気がその中を通って導かれるように該第１の圧縮機の下流に結合された熱交換器と、熱交換器と流れ連通した状態で結合され、かつ冷却された空気を熱交換器空気ストリーム内に流して第２の圧縮機に導かれる加圧空気の温度を低下させるのを可能にするように構成にされた蒸発冷却器とを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に配置された第２の圧縮機と、第２の圧縮機と流れ連通した状態で結合されたタービンと、第１の圧縮機からの加圧吐出空気がその中を通って導かれるように該第１の圧縮機の下流に結合され、かつ空気ストリームがそれを通り抜けて流れて加圧吐出空気からの熱エネルギーを該空気ストリームに伝達するのを可能にする熱交換器と、熱交換器と流れ連通した状態で結合され、かつ冷却された空気を熱交換器空気ストリーム内に流して第２の圧縮機に導かれる加圧空気の温度を低下させるのを可能にするように構成にされた蒸発冷却器とを含む。

図１は、冷却システム１２を含むガスタービンエンジン１０のブロック図である。後でより詳細に説明するガス流路空気冷却システム１２を除いて、エンジン１０は、本技術分野では公知であり、直列流れ関係で、低圧圧縮機又はブースタ１４、高圧圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン２０、低圧又は中間タービン２２及び出力タービン又はフリータービン２４を含む。低圧圧縮機又はブースタ１４は、入口２６及び出口２８を有し、また高圧圧縮機１６は、入口３０及び出口３２を備える。燃焼器１８は、高圧圧縮機出口３２に実質的に一致する入口３４と出口３６とを有する。

高圧タービン２０は、第１のロータシャフト４０で高圧圧縮機１６に結合され、また低圧タービン２２は、第２のロータシャフト４２で低圧圧縮機１４に結合される。ロータシャフト４０及び４２は各々、エンジン１０の長手方向中心軸線４３に対して実質的に整列される。エンジン１０は、出力タービンシャフト４４に結合することができる負荷（図示せず）を駆動するのに用いることができる。それに代えて、負荷は、ロータシャフト４２の前方延長部（図示せず）に結合することもできる。

作動中、低圧圧縮機入口２６内に吸い込まれた周囲空気は加圧され、下流方向に高圧圧縮機１６に流れる。高圧圧縮機１６は、空気をさらに加圧して、高圧空気を燃焼器１８に供給し、燃焼器において空気は燃料と混合され、混合気は点火されて高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、圧縮機１８から流れてタービン２０、２２及び２４を駆動する。

エンジン１０の出力は、少なくとも部分的にはガス流路に沿った様々な位置におけるガス流の温度に関連する。より具体的には、高圧圧縮機出口３２におけるガス流の温度と燃焼器出口３６におけるガス流の温度とは、エンジン１０の作動時に綿密にモニタされる。高圧圧縮機１６に流入するガス流の温度を低下させることは、一般的にエンジン１０の出力の増大させることになる。

高圧圧縮機１６に入るガス流の温度を低下させるのを可能にするために、冷却システム１２は、低圧圧縮機１４と流れ連通した状態で結合された熱交換器４６を含む。低圧圧縮機１４からの空気流は、熱交換器４６に導かれて追加の冷却を行った後に高圧圧縮機１６に戻される。

冷却システム１２はさらに、熱交換器４６と流れ連通した状態で結合された蒸発冷却器４８と、熱交換器４６と流れ連通した状態で結合されたファン５０とを含む。蒸発冷却器４８は、周囲空気を受けるための第１の入口５２と、それに限定されないが、水のような作動流体を受けるための第２の入口５４とを含む。周囲空気は水と混合されて、周囲空気が冷却される。次に冷却された空気は、出口５６を通して蒸発冷却器４８から吐出され、次に熱交換器４６の熱交換器空気ストリーム５８内に流される。

熱交換器４６は、ガス流路から取り出したエネルギーを収容するための、熱交換器を通り抜けて流れる作動流体を有する。１つの実施形態では、この作動流体は空気であり、熱交換器４６は空気対空気式熱交換器である。熱交換器４６は、加圧空気流路から熱エネルギーを取り出し、冷却した加圧空気を高圧圧縮機１６に導く。より具体的には、熱交換器４６は、高温加圧空気、すなわち低圧圧縮機１４からの空気流がそれを通って循環する複数のチューブ（図示せず）を含む。熱は、循環する空気からチューブ壁（図示せず）を通して、ファン５０によって発生したチューブ壁の外側を流れる空気ストリームに伝達される。

作動中、周囲空気は入口５２を通して蒸発冷却器４８に供給され、また水は入口５４を通して蒸発冷却器４８に供給される。水は、周囲空気と混合されて周囲空気を冷却する。冷却された周囲空気は、次にファン５０を用いて熱交換器空気ストリーム５８内に引き込まれ又は流れ込んで、熱交換器４６で用いられる冷却媒体の温度を低下させるのを可能にする。

図２は、正常作動時における冷却システム１２のグラフ説明図である。比較的涼しい日での作動時には、アプローチ空気、すなわち周囲空気温度（Ｔ２）と所望の中間冷却器空気出口温度（Ｔ２３）との間の温度差が、設計において熱交換器４６を使用する必要があると認めた最小値よりも大きいので、水噴射は全く使用されない。この例示的な実施形態では、設計最小差は、およそ１５°Ｆである。実例として、７５°Ｆの日には、冷却システム１２は、蒸発器４８内に水を噴射せずに中間冷却器空気出口温度（Ｔ２３）をおよそ９０°Ｆまで低下させるのに充分な熱を作動流体から取り出すことができる。しかしながら、比較的暖かい日には、日中の周囲空気温度は簡単に９０°Ｆを超えて、中間冷却器空気出口温度（Ｔ２３）はおよそ１０５°Ｆになり、そのことによってエンジン１０の出力が低下することになるおそれがある。このような作動条件時に出力を増大させるのを可能にするために、水が蒸発器４８に供給される。その水は、周囲空気と混合されて水を冷却する。冷却された水は、蒸発出口５６を通して吐出され、熱交換器空気ストリーム５８内に微細なミストとして噴霧される。ファン５０は、冷却された水を、例えば微細なミストとして熱交換器空気ストリーム５８内に分散するのを可能にする。この例示的な実施形態では、空気の有効温度は、湿球温度、すなわち乾球温度よりもおよそ１０°Ｆ〜２０°Ｆ低い温度まで低下させることができる。

使用中、冷却システム１２は、熱交換器４６で用いる冷却媒体の温度をおよそ７０°Ｆ〜８０°Ｆまで低下させ、それによって中間冷却器空気出口温度（Ｔ２３）をおよそ９０°Ｆ〜９５°Ｆまで低下させることを可能にする。従って、比較的より涼しい日には、冷却システム１２は、水が蒸発器４８内には全く噴射されない「ドライシステム」として作動する。これと対照的に、比較的暖かい日には、水が、蒸発器４８に導入され、周囲空気と混合されて周囲空気を冷却する。次に冷却された空気は、上述のように熱交換器空気ストリーム５８内に流される。従って、冷却システム１２は、タービンエンジン１０からの出力及びエンジン１０の作動効率の増大を改善するのを可能にする。１つの実施形態では、冷却システム１２により、およそ５％〜８％ほど出力を向上させることが可能になる。

図３は、冷却システム１００を含むガスタービンエンジン１０のブロック図である。冷却システム１００は、冷却システム１２（図１に示す）と実質的に類似しており、冷却システム１２の構成部品と同一である冷却システム１００の構成部品は、図３において図１で用いたのと同じ参照符号を用いて特定する。

冷却システム１００は、複数のバッフル１０２を備えかつ低圧圧縮機１４に流れ連通した状態で結合された熱交換器４６を含む。低圧圧縮機１４からの空気流は、熱交換器４６に導かれて冷却された後に高圧圧縮機１６に戻される。

冷却システム１００もまた、熱交換器４６と流れ連通した状態で結合された蒸発冷却器４８と、熱交換器４６と流れ連通した状態で結合されたファン５０とを含む。蒸発冷却器４８は、周囲空気を受けるための第１の入口５２と、それに限定されないが、水のような作動流体を受けるための第２の入口５４とを含む。蒸発冷却器４８の出口５６から吐出された冷却空気は、次に熱交換器空気ストリーム５８の一部分内に流される。熱交換器４６は、ガス流路から取り出したエネルギーを収容するための、熱交換器を通り抜けて流れる作動流体を有する。１つの実施形態では、作動流体は空気であり、熱交換器４６は、空気対空気式熱交換器である。熱交換器４６は、低圧圧縮機１４からの高温空気の空気流がそれを通って循環する複数のチューブ（図示せず）を含む。熱は、空気からチューブ壁（図示せず）を通して、ファン５０によって発生した空気ストリームに伝達される。

作動中、周囲空気は入口５２を通して蒸発冷却器４８に供給され、また水は入口５４を通して蒸発冷却器４８に供給される。水は、周囲空気と混合されて周囲空気を冷却する。冷却された周囲空気は、次にバッフル１０２を通して熱交換器４６の一部分１０４上で熱交換器空気ストリーム５８内に引き込まれ又は流れ込み、従って熱交換器４６用の冷却媒体として用いられる空気の空気温度を低下させる。

図４は、正常作動時における冷却システム１００のグラフ説明図である。比較的暖かい日での作動時には、日中の周囲空気温度は簡単に９０°Ｆを超えて、中間冷却器空気出口温度（Ｔ２３）がおよそ１０５°Ｆになり、そのことによってエンジン１０の出力が低下することになるおそれがある。このような作動条件時に出力を増大させるのを可能にするために、水が蒸発器４８に供給され、周囲空気と混合されて周囲空気を冷却する。冷却された空気は、蒸発冷却器出口５６を通して吐出され、微細なミストとしてバッフル１０２を通して熱交換器４６の一部分１０４上に噴射される。従って、バッフル１０２は、バッフル１０２を通して熱交換器４６の一部分１０４上に供給された蒸発器冷却された空気と熱交換器４６の一部分１０６上に供給された周囲空気とを分離するのを可能にする。ファン５０は、周囲空気を部分１０６全体にわたって分散し、また第２の量の冷却された水を例えば微細なミストとして熱交換器４６の部分１０４全体にわたって分散するのを可能にする。

使用中、冷却システム１００は、第２の量の空気をその湿球温度まで低下させるのを可能にする。従って、冷却システム１００は、周囲空気を冷却するために用いる水の量を減少させながらも、タービンエンジン１０からの出力及びエンジン１０の作動効率の増大の両方を改善するのを可能にする。１つの実施形態では、冷却システム１００により、およそ５％〜８％ほど出力を向上させることが可能になる。

上記の冷却システムは、ガスタービンエンジン内のガス流冷却に対する、費用効果がありかつ高い信頼性がある方法を提供する。この冷却システムは、最小量の水を用いて周囲空気を冷却し、次に冷却された空気を用いて中間冷却器を冷却してエンジンの潜在出力を増大させるのを可能にする。従って、費用効果がある方法でガス流路温度を低下させ、それによってエンジン効率を向上させるのを可能にするガス流路冷却システムを提供する。

以上、ガス流路冷却システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本ガス流路冷却システムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本システムの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に用いることが可能である。各ガス流路冷却構成部品はまた、他のガス流路冷却構成部品と組み合わせて用いることもできる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

冷却システムを含む例示的なガスタービンエンジンのブロック図。 ガスタービン正常作動時における、図１に示す冷却システムの例示的なグラフ説明図。 冷却システムの別の実施形態を含む例示的なガスタービンエンジンのブロック図。 ガスタービン正常作動時における、図３に示す冷却システムのグラフ説明図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 冷却システム
１４ 低圧圧縮機
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器
２０ 高圧タービン
２２ 中間タービン
２４ 出力タービン
４０ 第１のロータシャフト
４２ 第２のロータシャフト
４３ エンジンの長手方向中心軸線
４４ 出力タービンシャフト
４６ 熱交換器
４８ 蒸発冷却器
５０ ファン
５８ 熱交換器空気ストリーム

Claims (9)

1. 少なくとも第１の圧縮機（１４）、第２の圧縮機（１６）、燃焼器（１８）及びタービン（２０）を含むガスタービンエンジン（１０）用の冷却システム（１２）であって、
   前記第１の圧縮機からの加圧吐出空気がその中を通って導かれるように該第１の圧縮機の下流に結合され、かつそれを通り抜けて流れる空気ストリームを有する熱交換器（４６）と、
   前記熱交換器と流れ連通した状態で結合され、かつ蒸発冷却された空気ストリーム（５８）を前記熱交換器に流して前記第２の圧縮機に導かれる加圧空気の温度を低下させるのを可能にするように構成にされた蒸発冷却器（４８）と、
   を含む冷却システム（１２）。
2. 前記熱交換器（４６）と流れ連通した状態で結合されたファン（５０）をさらに含み、前記ファンが、前記熱交換器を通り抜けるように熱交換器空気ストリームを向ける、請求項１記載の冷却システム（１２）。
3. 前記蒸発冷却器（４８）内に導かれかつ該蒸発冷却器内の水によって冷却された周囲空気ストリームと、
   前記熱交換器（４６）に結合され、かつ前記冷却された空気ストリーム（５８）を受けて該熱交換器の一部分（１０４）内の作動温度を低下させるのを可能にするように構成された複数のバッフル（１０２）と、
   をさらに含む、請求項１記載の冷却システム（１２）。
4. 前記熱交換器（４６）が、前記熱交換器空気ストリームと流れ連通した複数のバッフル（１０２）を含み、前記バッフルが、前記熱交換器の一部分（１０４）の作動温度を低下させるのを可能にする、請求項１記載の冷却システム（１２）。
5. 前記熱交換器（４６）と流れ連通した状態で結合されたファン（５０）をさらに含み、前記蒸発冷却器（４８）が、冷却された空気を前記熱交換器空気ストリームの一部分内に流すように構成にされ、前記ファンが、前記熱交換器空気ストリームの一部分を周囲空気と混合するように構成されている、請求項１記載の冷却システム（１２）。
6. 前記蒸発冷却器（４８）が、周囲空気流を受けるように構成された第１の入口（５４）と水を受けるように構成された第２の入口（５２）とを含み、前記蒸発冷却器が、前記周囲空気流を用いて水からエネルギーを取り出して、前記蒸発冷却された空気ストリームを熱交換器空気ストリーム内に流す前に該空気ストリームの温度を低下させるのを可能にするように構成されている、請求項１記載の冷却システム（１２）。
7. 前記蒸発冷却器（４８）がさらに、冷却された空気を前記熱交換器空気ストリーム内に流してエンジン（１０）の出力を増大させるのを可能にするように構成されている、請求項１記載の冷却システム（１２）。
8. 第１の圧縮機（１４）と、
   前記第１の圧縮機の下流に配置された第２の圧縮機（１６）と、
   前記第２の圧縮機と流れ連通した状態で結合されたタービン（２０）と、
   前記第１の圧縮機からの加圧吐出空気がその中を通って導かれるように該第１の圧縮機の下流に結合され、かつ空気ストリームがそれを通り抜けて流れて前記加圧吐出空気からの熱エネルギーを該空気ストリームに伝達するのを可能にする熱交換器（４６）と、
   前記熱交換器と流れ連通した状態で結合され、かつ冷却された空気を前記熱交換器空気ストリーム内に流して前記第２の圧縮機に導かれる加圧空気の温度を低下させるのを可能にするように構成にされた蒸発冷却器（４８）と、
   を含むガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記蒸発冷却器（４８）がさらに、蒸発冷却された空気ストリームを前記熱交換器（４６）の一部分に流して前記加圧空気流と熱交換器空気ストリームとの間の温度勾配を維持するように構成されている、請求項８記載のガスタービンエンジン。
   

Images