JP6324543B2 - ガスタービンエンジン用のエゼクタに基づく外部抽気システム - Google Patents

ガスタービンエンジン用のエゼクタに基づく外部抽気システム Download PDF

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Description

連邦政府による資金提供を受けた開発の記載
本発明のための開発は、米国エネルギ省によって与えられた契約番号DE−FC26−05NT42644によって部分的に支援された。従って、米国政府は本発明において一定の権利を有する場合がある。
発明の分野
本発明は、一般に、ガスタービンエンジンの効率改善に関し、特に、タービン構成要素を冷却するための抽気の効率的な使用の提供に関する。
高温のガスタービンでは、圧縮機から空気が抽気され、冷却空気及びシール空気を提供するために外部からタービンの段に供給される。空気圧縮に関する消費電力を最小限にし、空気をできるだけ低温でタービン段に供給するために、標準的な手段は、各タービン段に関して個別の抽気を供給することである。第1のタービン段は、燃焼器シェルから冷却されるので、抽気は下流の段のためだけに使用される。
図4には、産業用ガスタービンの概略図が示されており、このガスタービンは、圧縮機10と、タービン12と、燃焼器14と、典型的な二次空気システム16とを備える。燃焼器14は圧縮機10から圧縮空気を受け取り、燃料でこの空気を燃焼させ、高温の作動ガスを生成し、この作動ガスはタービン12に供給される。二次空気システムは圧縮機10からタービン12へと冷却空気を提供するための外部抽気を有している。この外部抽気は、圧縮機10の前方段20の近くの個所から空気を引き出す低圧抽気18と、圧縮機10の中間段24の近くから空気を引き出す中間抽気22と、圧縮機10の後方段28の近くから空気を引き出す高圧抽気26とを含む。低圧抽気18、中間抽気22、高圧抽気26は、冷却空気流をそれぞれ第4のタービン段34、第3のタービン段32、第2のタービン段30へと供給する。通常、調節弁を含む調節回路36も設けられており、各圧力抽気18,22,26による冷却空気流を調節する(絞る)。
どの圧縮機段から空気を引き出す必要があるかという選択は、圧縮機抽気源とタービン段シンクとの間の圧力比が最小である場合に記録されるような、悪条件により決定される。このようなことは通常、寒冷気候のもとで生じる部分負荷、典型的には−20Fで60%の負荷の場合に生じる。悪条件で運転されている間、圧縮機入口ガイドベーン(IGVs)38(図4)と全ての圧縮機可変ガイドベーンは閉じられて、圧縮機10の段1及び可変ベーンを有する後続の段における圧力上昇を減少させる。これにより、圧縮機における抽気18,22,26のソース圧力は減少する。しかしながら、タービン12の最初の3つの段の圧力比は、負荷が減少した際に殆ど変化しない。その他全ての状況では、例えばベース負荷では、必要な抽気量を最小化するために、圧縮機抽気に関与するバイパス回路において調節弁を作動させることができる。抽気によって供給される必要な冷却空気は、ベーン供給キャビティにおける圧力及び/又はディスクキャビティ温度の関数であってよい。
過剰な抽気が使用されないように流れを制御することができるが、外部抽気回路に圧力損失を導入することによって流れを減少させるプロセスは非効率的である。圧縮機は抽気個所へと空気を圧縮する作業をするが、抽気供給ラインにおける弁はその作業を無駄にする。
本発明の1つの態様によれば、ガスタービンエンジンの圧縮機からタービンへと冷却流を供給する方法が記載されている。この方法は、第1の冷却空気流を、圧縮機から第1のエゼクタを通してタービンの1つの段へと供給するステップと、第2の冷却空気流を、圧縮機から第2のエゼクタを通してタービンの別の段へと供給するステップと、を含む。第1のエゼクタは、圧縮機から引き出した第1の抽気流を、圧縮機から引き出した低圧空気流に混合して第1の冷却空気流を形成し、第2のエゼクタは、圧縮機から引き出した第2の抽気流を、第1の抽気流から引き出した二次部分に混合して第2の冷却空気流を形成する。
第3の冷却空気流を、圧縮機から第3のエゼクタを通してタービンのさらに別の段へと供給することができる。第3のエゼクタは、圧縮機から引き出した第3の抽気流を、第2の抽気流から引き出した二次部分に混合して第3の冷却空気流を形成することができる。
第1、第2、第3の抽気流を、圧縮機における連続して下流方向に位置する個所からそれぞれ引き出すことができる。
第1、第2、第3の冷却空気流を、タービンにおける連続して上流方向に位置する個所にそれぞれ供給することができる。
圧縮機から第1、第2、第3のエゼクタへの第1、第2、第3の抽気流はそれぞれ、エンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れであってよい。
第1、第2、第3の各エゼクタからタービンへの第1、第2、第3の冷却空気流は、エンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れであってよい。
圧縮機から第1、第2、第3のエゼクタへの、低圧空気流と、第1の抽気流から引き出した二次部分と、第2の抽気流から引き出した二次部分とはそれぞれ、可変に絞られる流れであってよい。
圧縮機から第1、第2のエゼクタへの第1、第2の抽気流はそれぞれ、エンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れであってよい。
第1、第2の各エゼクタからタービンへの第1、第2の冷却空気流は、エンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れであってよい。
圧縮機から第1、第2のエゼクタへの、低圧空気流と、第1の抽気流から引き出した二次部分とはそれぞれ、可変に絞られる流れであってよい。
本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンの圧縮機からタービンの複数の段へと冷却を提供するシステムが記載されている。このシステムは、圧縮機からの抽気を受け取る一次流体入口及び二次流体入口を有し、かつタービンの1つの段に第1の冷却空気流を案内する第1の冷却空気流ラインに接続された出口を有する、第1のエゼクタと、圧縮機からの抽気を受け取る一次流体入口及び二次流体入口を有し、かつタービンの別の段に第2の冷却空気流を案内する第2の冷却空気流ラインに接続された出口を有する、第2のエゼクタと、を備えている。第1の抽気ラインが、圧縮機から引き出された空気を第1のエゼクタの一次入口へと案内し、第1の二次空気ラインが、第1の抽気ラインの上流で圧縮機から引き出された空気を第1のエゼクタの二次入口へと案内する。第2の抽気ラインが、圧縮機から引き出された空気を第2のエゼクタの一次入口へと案内し、第2の二次空気ラインが、第1の抽気ラインから引き出された空気を第2のエゼクタの二次入口へと案内する。
圧縮機から引き出した空気を第3のエゼクタの一次入口へと案内するために、第3の抽気ラインが設けられていてよく、第3のエゼクタは、タービンのさらに別の段に第3の冷却空気流を案内する第3の冷却空気流ラインに接続された出口を有している。第3の二次空気ラインが、第2の抽気ラインから引き出された空気を第3のエゼクタの二次入口へと案内する。
第1、第2、第3の抽気ラインは、圧縮機における連続して下流方向に位置する個所からそれぞれ空気を引き出すことができる。
第1、第2、第3の冷却空気ラインは、タービンにおける連続して上流方向に位置する個所にそれぞれ冷却空気を供給することができる。
第1の二次空気ラインと、第2の二次空気ラインと、第3の二次空気ラインとはそれぞれ、第1、第2、第3のエゼクタへの可変に絞られた流れを形成する弁を備えていてよく、抽気ラインと冷却空気流ラインとはそれぞれ、空気流を変化させるための弁を有さないように構成されていてよい。
本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンエンジンの圧縮機からタービンの複数の段へと冷却を提供するシステムが記載されている。このシステムは、第1のエゼクタを備え、第1のエゼクタは、圧縮機からの抽気を受け取る一次流体入口及び二次流体入口を有し、かつタービンの第4の段に第1の冷却空気流を案内する第1の冷却空気流ラインに接続された出口を有している。システムは、第2のエゼクタをさらに備え、第2のエゼクタは、圧縮機からの抽気を受け取る一次流体入口及び二次流体入口を有し、かつタービンの第3の段に第2の冷却空気流を案内する第2の冷却空気流ラインに接続された出口を有している。システムは、第3のエゼクタをさらに備え、第3のエゼクタは、圧縮機からの抽気を受け取る一次流体入口及び二次流体入口を有し、かつタービンの第2の段に第2の冷却空気流を案内する第3の冷却空気流ラインに接続された出口を有している。第1の抽気ラインが、圧縮機から引き出された空気を第1のエゼクタの一次入口へと案内し、第1の二次空気ラインが、第1の抽気ラインの上流で圧縮機から引き出された空気を第1のエゼクタの二次入口へと案内する。第2の抽気ラインが、圧縮機から引き出された空気を第2のエゼクタの一次入口へと案内し、第2の二次空気ラインが、第1の抽気ラインから引き出された空気を第2のエゼクタの二次入口へと案内する。第3の抽気ラインが、圧縮機から引き出された空気を第3のエゼクタの一次入口へと案内し、第3の二次空気ラインが、第2の抽気ラインから引き出された空気を第3のエゼクタの二次入口へと案内する。
第1の二次空気ラインと、第2の二次空気ラインと、第3の二次空気ラインとはそれぞれ、第1、第2、第3のエゼクタへの可変に絞られた流れを形成する弁を有していてよく、抽気ラインと冷却空気流ラインとはそれぞれ、空気流を変化させるための弁を有さないように構成されていてよい。
明細書は、本発明を特に示しかつ本発明を明瞭に請求する請求項によって結論づけるが、本発明は、同じ参照符号が同じ要素を表している添付の図面に関連した以下の説明からよりよく理解されると考えられる。
タービンエンジンに組み込まれる本発明の構成を概略的に示す図である。 本発明に組み込むことができる一定面積のエゼクタを示す断面図である。 一定面積のエゼクタの圧縮比に対する連行比を示すグラフである。 公知の冷却システムを組み込んだタービンエンジンの概略図である。
好適な実施の形態の以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面には、例として、限定としてではなく、発明が実施可能である特定の好適な実施の形態が示されている。本発明の思想および範囲から逸脱することなく、その他の実施の形態が使用されてもよく、変更がなされてもよいことが理解されるべきである。
本発明の1つの態様によれば、ガスタービンエンジンの圧縮機からタービンの段へと冷却を提供する方法及びシステムが提供される。特別な態様によれば、冷却システムは、図4に示したような圧縮機における既存の抽気ポート位置から冷却空気を引き出してタービンの既存のポートに冷却空気流を提供することができ、この際に二次冷却空気をタービン内の構成要素に供給する。
図1には、冷却システムが概略的に示されていて、この冷却システムは、ガスタービンエンジン44の圧縮機40から、タービン42の複数の段へと冷却を提供するシステムを有している。本発明の全般的な態様によれば、この冷却システムには、タービン42における複数の段のそれぞれに制御された空気流を提供するために複数のエゼクタ46が組み込まれている。図2に示したように、各エゼクタ46は、一次流体入口48と、二次流体入口50と、ディフューザ出口52とを有している。より詳しく以下に説明するように、各エゼクタ46は、圧縮機40から一次流体入口48及び二次流体入口50への抽気流を受け取り、これらの抽気流を混合させ、この混合抽気流が、冷却空気流としてディフューザ出口52から出て各タービン段へと到る。
エゼクタは、低圧流を、より高圧の、より利用可能な圧力へと増幅するために通常使用される従来の装置であるとの理解でよい。これによりエネルギを無駄なく効率的に利用することができる。一次流体入口48は、一次空気流を、一次ノズル又は原動力ノズル54へと搬送し、このノズル54で一次空気流は加速され、その静圧は低下する。より低圧の二次空気流は二次入口50を通って、エゼクタ46の二次ノズル又は吸込ノズル56へと到る。二次流は、一次ノズル54を出た一次流に向かって引き寄せられ、2つの流れは混合され、ディフューザ出口52から排出され、結果として、出て行く冷却空気流は減速され、静圧は回復する。一次入口48へと供給された一次空気流は、二次入口50へと供給される二次空気流のために圧縮機40から引き出された低温の空気よりも高温で圧縮機40から取り出された空気を有している。従って、ディフューザ46から出る混合流は、一次流温度よりも低く、二次流温度よりも高い中間温度である。
図1に示したように、冷却システムは、第1、第2、第3の冷却回路59−1,59−2,59−3を有していて、これらの冷却回路は、それぞれ冷却空気を、後続のタービン42の第4、第3、第2の段74,84,94に供給する。この場合、タービン段は従来の形式で配置されていて、第3の段84は第2の段94の下流にあり、第4の段74は第3の段84の下流にあるものとの理解でよい。さらに、タービンは、第2の段94の上流に第1の段(図示せず)を備え、この第1の段は、ここで説明する冷却システムとは別個の冷却回路(図示せず)を通る冷却空気を受け取っているとの理解でよい。
第1の冷却回路59−1は第1のエゼクタ46−1を有し、この第1のエゼクタ46−1は圧縮機40にある第1の抽気ポート60に接続された第1の抽気ライン58−1を通る一次空気流を受け取る。第1の抽気ポート60は好適には圧縮機40の前方段62にある既存の抽気個所である。第1のエゼクタ46−1は、上流のポート66に接続された第1の二次空気ライン64−1を画定する上流の低圧抽気ラインを通る二次空気流を受け取る。上流のポート66は付加的なポート66であってよく、即ち、タービン段に冷却空気を供給するために従来設けられたポートに対して付加的なポートであってよく、圧縮機40のフロント段68に設けることができる。上流のポート66で供給された抽気は、第1の抽気ポート60で供給される抽気の温度及び圧力よりも低温低圧である。冷却空気流は第1のエゼクタ46−1を出て第1の冷却空気流ライン70を通り、タービン42の1つの段に所属のポート72に案内される。特に、ポート72は、タービン42の第4の段74に関連するもので、第4の段74の固定ベーンへと冷却空気を通すことを可能にする。
第2の冷却回路59−2は第2のエゼクタ46−2を有し、この第2のエゼクタ46−2は圧縮機40にある第2の抽気ポート76に接続された第2の抽気ライン58−2を通る一次空気流を受け取る。第2の抽気ポート76は好適には圧縮機40の中間段78にある既存の抽気個所である。第2のエゼクタ46−2は、第1の抽気ライン58−1に接続された第2の二次空気ライン64−2を通る二次空気流を受け取る。即ち、第2の二次空気ライン64−2は、圧縮機40の前方段62にある第1の抽気ポート60からの一次空気流の一部を受け取る。第1の抽気ライン58−1から提供された二次空気は、第2の抽気ポート76で供給される抽気の温度及び圧力よりも低温低圧である。冷却空気流は第2のエゼクタ46−2を出て第2の冷却空気流ライン80を通り、タービン42の別の段に所属のポート82に案内される。特に、ポート82は、タービン42の第3の段84に関連するもので、第3の段84の構成要素へと冷却空気を通すことを可能にする。第3の段84で冷却空気を受け取る上記構成要素は、エンジンの特別な構成に応じてベーンのみ又はベーンとブレードの両方を含む。
第3の冷却回路59−3は第3のエゼクタ46−3を有し、この第3のエゼクタ46−3は、圧縮機40にある第3の抽気ポート86に接続された第3の抽気ライン58−3を通る一次空気流を受け取る。第3の抽気ポート86は好適には圧縮機40の後方段88にある既存の抽気個所である。第3のエゼクタ46−3は、第2の抽気ライン58−2に接続された第3の二次空気ライン64−3を通る二次空気流を受け取る。即ち、第3の二次空気ライン64−3は、圧縮機40の中間段78にある第2の抽気ポート76からの一次空気流の一部を受け取る。第2の抽気ライン58−2から提供された二次空気は、第3の抽気ポート86で供給される抽気の温度及び圧力よりも低温低圧である。冷却空気流は第3のエゼクタ46−3を出て第3の冷却空気流ライン90を通り、タービン42のさらに別の段に所属のポート92に案内される。特に、ポート92は、タービン42の第2の段94に関連するもので、第2の段94の構成要素へと冷却空気を通すことを可能にする。第2の段94で冷却空気を受け取る上記構成要素は、エンジンの特別な構成に応じてベーンのみ又はベーンとブレードの両方を含む。
タービン段74,84,94の上述した冷却される構成要素は、例示目的で挙げられたものであって、本発明の説明した冷却システムを限定しようとするものではないことを理解されたい。従って、タービン段74,84,94についてこの明細書で記載されたもの以外の構成要素が、第1、第2、第3の冷却回路59−1,59−2,59−3から冷却空気を受け取ってもよい。
第1、第2、第3の冷却回路59−1,59−2,59−3は、公知のタービンエンジンの既存の冷却空気回路のための代替として設けられてよいことに注目することができる。例えば、冷却回路59−1,59−2,59−3は、図4につき上述した冷却空気抽気18,22,26及びこれに付随の調節回路36に置き換えることができる。
各冷却回路59−1,59−2,59−3に関して、二次空気ライン64−1,64−2,64−3それぞれに付随の静圧は、タービン42の各ポート72,82,92における静圧よりも低くすることができる。従って、各タービンポート72,82,92のために、通常、エゼクタ46−1,46−2,46−3を使用せずに得られるものよりも低温の冷却空気流を提供できる。
さらに、本発明の別の態様によれば、冷却回路59−1,59−2,59−3を通ってタービンポート72,82,92に供給される冷却空気の質量流の制御は、高圧抽気ライン58−1,58−2,58−3又は冷却空気流ライン70,80,90において弁なしで行われる(即ち、絞られていない流れ)。しかしながら、各冷却回路59−1,59−2,59−3における冷却空気流は、図1に示したように各二次空気ライン64−1,64−2,64−3に位置する弁96−1,96−2,96−3によって調節することができる。好適には、弁96−1,96−2,96−3を、必要な流れを最低温度で提供するように制御することができ、即ち、冷却空気流は、抽気ライン58−1,58−2,58−3からの最小限の高圧空気と、二次空気ライン64−1,64−2,64−3からの最大限の低圧空気とにより生成される。
エゼクタ46の一次入口48に入る一次空気は、タービンポート72,82,92の各1つにおける圧力によって設定され、これらのポートに属するベーンによって決定される背圧に抗して二次入口50に入る二次空気を連行する(引き込む)。特に、連行比G/Gは、圧縮比P/Pの関数であり、この場合、Gは二次入口50における質量流量であり;Gは一次入口48における質量流量であり、Pはエゼクタ46の出口における対応圧力を形成するタービンポートにおける静圧であり、Pは二次入口50における静圧である。連行比と圧縮比の関係は図3に示されている。図3は、圧縮比における変化の結果、連行比においては相対的により大きな変化が生じ得ることを示している。
弁96−1,96−2,96−3は、各エゼクタ46−1,46−2,46−3の二次流体ポート50を介して引き込まれて連行される低温の二次空気流しか制御せず、エゼクタ46−1,46−2,46−3のための原動力圧を提供する抽気ライン58−1,58−2,58−3、又は冷却空気流ライン70,80,90によって形成される主流ラインには位置していないので、弁により高圧流を絞ることに伴う損失は回避される。従って、この冷却システムの流れ制御装置により、タービン42の段74,84,94への外部抽気供給が行われ、これにより抽気を生成する際に圧縮機40により消費される無駄なエネルギをなくすか又は減じることができる。
エンジンにおける負荷は、エンジン44の部分負荷運転から全負荷運転又はベース負荷運転にまで変化することができる。本冷却システムは、エンジン運転の範囲全体にわたって十分な冷却を提供するように設計されている。例えば、圧縮機入口ガイドベーンと全ての圧縮機可変ガイドベーンが閉じられた、60%負荷及び−20Fの温度での運転を特徴とする従来の悪条件運転の間、この冷却システムは、全ての弁96−1,96−2,96−3を閉じて運転するように構成されていて、これによりエゼクタ46−1,46−2,46−3から冷却空気流ライン70,80,90への全ての冷却空気は、抽気ライン58−1,58−2,58−3からの一次空気として供給される。タービン運転が悪条件運転から脱して、例えば高出力かつ増大する利用可能な抽気圧力を伴う際には、弁96−1,96−2,96−3を開くことができ、低温二次空気流が提供されて一次空気と混合される。各冷却回路59−1,59−2,59−3における二次空気の使用を最良にするために、弁96−1,96−2,96−3は個別に調節することができ、即ちそれぞれ独立して操作可能である。上記記載からわかるように、エンジン44の全運転条件にわたって冷却回路59−1,59−2,59−3のために必要な全ての流れ制御を提供するために各エゼクタ46−1,46−2,46−3における利用可能な圧縮比に関して二次空気の質量流量を最大化するように、弁96−1,96−2,96−3を調節することができる。
上述したように、本冷却システムは、タービン42への外部抽気温度を低下させることができる。従って、タービン構成要素、例えばタービンベーンに供給される外部抽気冷却空気量を減じることができる。冷却空気を生成するために必要な圧縮機出力が減じられ、かつ冷却空気必要量が減じられた結果、本冷却システムにより、エンジン出力を増大させ、エンジン効率を向上させることができる。
本発明の特定の実施の形態が例示および説明されているが、本発明の思想および範囲から逸脱することなく様々なその他の変更および改変をなし得ることは当業者に明らかであろう。したがって、本発明の範囲に包含される全てのこのような変更および改変を添付の請求項において網羅しようとするものである。

Claims (9)

  1. ガスタービンエンジンの圧縮機からタービンへと冷却流を供給する方法であって、
    第1の冷却空気流を、前記圧縮機から第1のエゼクタを通して前記タービンの1つの段へと供給するステップと、
    第2の冷却空気流を、前記圧縮機から第2のエゼクタを通して前記タービンの別の段へと供給するステップと、
    第3の冷却空気流を、前記圧縮機から第3のエゼクタを通して前記タービンのさらに別の段へと供給するステップと、を含み、
    前記第1のエゼクタは、前記圧縮機から引き出した第1の抽気流を、前記圧縮機から引き出した低圧空気流に混合して前記第1の冷却空気流を形成し、
    前記第2のエゼクタは、前記圧縮機から引き出した第2の抽気流を、前記第1の抽気流から引き出した二次部分に混合して前記第2の冷却空気流を形成する、ガスタービンエンジンの圧縮機からタービンへと冷却流を供給する方法。
  2. 前記第3のエゼクタは、前記圧縮機から引き出した第3の抽気流を、前記第2の抽気流から引き出した二次部分に混合して前記第3の冷却空気流を形成する、請求項記載の方法。
  3. 前記第1、第2、第3の抽気流を、前記圧縮機における連続して下流方向に位置する個所からそれぞれ引き出す、請求項記載の方法。
  4. 前記第1、第2、第3の冷却空気流を、前記タービンにおける連続して上流方向に位置する個所にそれぞれ供給する、請求項記載の方法。
  5. 前記圧縮機から前記第1、第2、第3のエゼクタへの前記第1、第2、第3の抽気流はそれぞれ、前記ガスタービンエンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れである、請求項記載の方法。
  6. 前記第1、第2、第3の各エゼクタから前記タービンへの前記第1、第2、第3の冷却空気流は、前記ガスタービンエンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れである、請求項記載の方法。
  7. 前記圧縮機から前記第1、第2、第3のエゼクタへの、前記低圧空気流と、前記第1の抽気流から引き出した二次部分と、前記第2の抽気流から引き出した二次部分とはそれぞれ、可変に絞られる流れである、請求項記載の方法。
  8. 前記圧縮機から前記第1、第2のエゼクタへの前記第1、第2の抽気流はそれぞれ、前記ガスタービンエンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れである、請求項1記載の方法。
  9. 前記第1、第2の各エゼクタから前記タービンへの前記第1、第2の冷却空気流は、前記ガスタービンエンジンの全ての運転条件にわたって絞られない流れである、請求項記載の方法。
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