JP6894197B2 - ガスタービン用の空気供給及び調和システム - Google Patents

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Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービンの吸入システムの自浄フィルタに圧縮空気を供給するための空気供給及び調和システムに関する。
ガスタービンは、直列流れ順に、圧縮機、燃焼セクション、及びタービンを含む。特定の構成において、ガスタービンは、圧縮機への入口から上流側に位置付けられた吸入システムを含む。吸入システムは一般に、種々のフィルタ、冷却コイル、湿分分離器、及び/又はガスタービンに流入する空気又は他の作動流体を浄化又は他の方法で調和させるのに用いることができる他の装置を含む。特定の構成において、フィルタは、自浄式とすることができる。
ガスタービンシステムは、自浄フィルタにわたって及び/又は通過して圧縮空気を脈動させるための供給空気を提供する空気処理ユニット(APU)を含むことが多い。加えて、APUは、計装用空気として1又はそれ以上のバルブに供給空気を提供することができる。APUに供給される空気は通常、圧縮機から直接取り出される。例えば、空気は、圧縮機の特定の段に配置された抽出ポートから、及び/又は圧縮機から下流側にある排出ケーシングから取り出すことができる。
圧縮機から取り出される空気は、比較的高温(すなわち、400〜800°F)であり、フィルタハウジング内に注入される前に実質的に冷却及び圧力降下を必要とする。吸入口及び/又は計装設備の上流側で供給空気を冷却しその圧力を低下させるために、空気対空気熱交換器及び減圧バルブなどの様々な装置がAPU内に設けられる。しかしながら、温暖気候においては、空気対空気熱交換器は、吸入システムの上流側で空気に十分な冷却を提供するよう稼働する場合がある。従って、ガスタービンシステムにおいて改善された空気供給及び調和システムが有用となる。
米国特許第8,628,602号明細書
本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
本発明の1つの実施形態は、ガスタービンの吸入システムのための空気供給及び調和システムである。空気供給及び調和システムは、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を受け取るように構成された入口を有する空気処理ユニットを含む。空気処理ユニットは、入口から下流側に熱交換器を含む。ボルテックスクーラーが空気処理ユニットの入口から下流側に配置される。ボルテックスクーラーは、熱交換器並びに空気処理ユニットの出口と流体連通している。システムは更に、吸入システムのダクト内に配置された自浄フィルタを含む。自浄フィルタは、空気処理ユニットの出口又はボルテックスクーラーの出口の少なくとも一方と流体連通している。
本発明はまた、ガスタービンを含む。ガスタービンは、吸入システムと、吸入システムの下流側にある圧縮機と、圧縮機の下流側にある燃焼セクションと、燃焼セクションの下流側にあるタービンと、を備える。吸入システムは、入口ダクトと、該入口ダクト内に配置される少なくとも1つの自浄フィルタとを含む。ガスタービンは更に、圧縮機及び1又はそれ以上の自浄フィルタのうちの少なくとも1つの自浄フィルタと流体連通した空気供給及び調和システムを備える。空気供給及び調和システムは、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を受け取るように構成された入口を有し、該入口から下流側に熱交換器を含む空気処理ユニットを備える。ボルテックスクーラーは、空気処理ユニットの入口から下流側に配置され、熱交換器並びに空気処理ユニットの出口と流体連通している。自浄フィルタは、ボルテックスクーラーの出口と流体連通している。
当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示を説明する。
本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンの機能ブロック図。 本発明の少なくとも1つの実施形態による、空気供給及び調和システムの例示的な実施形態を含む、図1に示すガスタービンの概略ブロック図。 本発明の少なくとも1つの実施形態による、空気供給及び調和システムの例示的な実施形態を含む、図1に示すガスタービンの概略ブロック図。 本発明の少なくとも1つの実施形態による、空気供給及び調和システムの例示的な実施形態を含む、図1に示すガスタービンの概略ブロック図。
ここで、その1つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。本明細書で使用される用語「第1」、「第2」、及び「第3」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味し、用語「軸方向」は、軸線に平行に移動又は位置することを意味する。
各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、1つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。本発明の例示的な実施形態は、例示の目的で陸上用発電ガスタービンにおける空気供給及び調和システムに関して全体に説明しているが、請求項に別途規定のない限り、本発明の実施形態は、海上又は航空機用ガスタービンのようなあらゆるタイプのガスタービンにおけるあらゆる吸入システムに適用することができ、陸上用発電ガスタービンに限定されないことは、当業者であれば容易に理解されるであろう。
ここで、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、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン10の機能ブロック図を示す。図示のように、ガスタービン10は、一般に、一連のフィルタ、冷却コイル、湿分分離器、及び/又はガスタービンに流入する空気又は他の作動流体を浄化又は他の方法で調和させるのに用いることができる他の装置を含む。空気14は、吸入システム12から圧縮機セクションに流れ、ここで圧縮機16は、空気14に運動エネルギーを漸次的に与えて、圧縮空気18を生成する。
圧縮空気18は、1又はそれ以上の燃焼器24内で燃料供給システム22からの燃料20と混合されて、可燃性混合気を形成する。可燃性混合気が燃焼して、高温高圧高速度の燃焼ガス26を発生する。燃焼ガス26は、タービンセクションのタービン28を通って流れて仕事を生成する。例えば、タービン28は、シャフト30に接続され、タービン28の回転によって圧縮機16が駆動されて、圧縮空気18を生成するようにすることができる。代替として又はこれに加えて、シャフト30は、タービン28を発電機(図示せず)に接続して電気を生成することができる。タービン28からの排気ガス32は、排気セクション34を通って流れ、該排気セクション34は、タービン28を該タービン28から下流側にある排気スタック36に接続する。排気セクション34は、例えば、環境に放出する前に排気ガス32を清浄化し該排気ガスから追加の熱を抽出するため熱回収蒸気発生器(図示せず)を含むことができる。
図2は、本明細書ではガスタービンの吸入システム12の自浄フィルタに空気を供給するための「システム」と呼ばれる空気供給及び調和システム100の概略図である。図2に示すように、吸入システム12は、1又はそれ以上のウェザーフード又はルーバー40を含むことができる入口部分38を含む。入口部分38は、空気14が周囲環境から入口フィルタ区画42に流入するための流路を提供する。入口ダクト44は、空気14を収容して入口プレナム46に送るよう構成されている。
入口ダクト44は、方向及び幾何学的構成が異なることができる多くのセクションを含むことができる。例えば、第1のダクト部分48は、比較的水平方向の向きを有し、その後で肘部50を通って比較的垂直方向の向きを有する第2のダクト部分52に方向転換するように図示されている。他の種々の構成要素は、第1のダクト部分48内又は第2のダクト部分52内の何れかに配置することができる。このような構成要素は、サイレンサ54及び/又は吸入抽気熱装置56を含むことができる。入口プレナム46は、圧縮機16への空気14の直近の流入のために比較的乱流の無い領域を提供するよう構成することができる。種々の実施形態において、入口フィルタ区画42は、自浄式の少なくとも1つの、典型的には複数のフィルタ58を含む。
図2を更に参照すると、空気供給及び調和システム100の第1の実施形態が例示されている。図2に示すように、システム100は、圧縮機16と流体連通した空気処理ユニット(APU)102と、APU102の下流側で且つ複数のフィルタ58から上流側に配置されたボルテックスクーラー104とを含む。
APU102の吸入口106は、1又はそれ以上の抽出ポート108及び種々の流体カップリング及び/又は導管(図示せず)を介してガスタービン10と流体連通している。例えば、1つの実施形態において、抽出ポート108は、圧縮機16の中間部分又は中間段からAPU102の吸入口106までの流体連通を提供することができる。加えて、又は代替として、抽出ポート108は、圧縮機16の下流側に位置付けられた圧縮機吐出ケーシング110からAPU102の吸入口106までの流体連通を提供することができる。このようにして、矢印60で概略的に示される、圧縮機16を通って又は圧縮機吐出ケーシング110内を流れる圧縮空気18の一部がそこから取り出されてAPU102の吸入口106に送ることができる。
APU102は、抽出ポート108からの圧縮空気60を調和するための様々な構成要素及び/又はバルブを含むことができる。例えば、APU102は、APU102の吸入口106に流体結合された熱交換器112を含むことができる。特定の実施形態において、熱交換器112は、空気対空気又は空気対液体型熱交換器とすることができる。APU102はまた、水分離器114、1又はそれ以上の圧力調整バルブ116,118及び/又はヒートレス式エアドライヤ120を含むことができる1又はそれ以上の他の構成要素を含むことができる。APU102の出口122は、ボルテックスクーラー104をAPU102に流体接続する。
作動時には、図2に全体的に示されるように、圧縮空気60は、抽出ポート108から吸入口106を介して熱交換器112に流入する。圧縮空気60は、第1の温度及び第1の圧力でAPU102の吸入口106に流入することができる。第1の圧力は、約250psiaとすることができ、同様に抽出ポート108の位置によって決まる。
1つの実施形態において、図2に示すように、熱交換器112は、比較的一定の圧力に維持しながら、圧縮空気60を第2の温度まで冷却し、従って、圧縮空気60に対して低温の圧縮空気(矢印62で概略的に示される)をAPU102の種々の他の構成要素に提供する。例えば、圧縮空気62は、減圧バルブ116,118、水分離器114及びヒートレス式エアドライヤ120のうちの1又はそれ以上を通って流れることができる。次いで、圧縮空気62は、APU102の出口122から、種々の流体カップリング及び/又は導管(図示せず)を介してボルテックスクーラー104の入口124に送ることができる。
次に、圧縮空気62は、発電機(図示せず)を通ってボルテックスクーラー104内に、及びボルテックスクーラー104のボルテックススピンチャンバ126内に接線方向に注入される。圧縮空気62は、ボルテックスジェネレータ(渦発生機構)104の高温端128に向けて外渦にスピンし、圧縮空気62の一部は、制御バルブ(図示せず)を通って放出することができる。更にスピンし続けると、残りの圧縮空気62が方向を反転して内渦を形成し、この内渦は、高温端128に向けて流れる圧縮空気62によって形成される外渦の中心を通って逆方向に送り込まれる。内渦は、運動エネルギーを熱の形態で外渦に対して放出し、APU102から流出する圧縮空気62の温度及び圧力よりも低い第3の温度及び圧力で冷却圧縮空気(矢印64で概略図的に示される)として出口130を介してボルテックスクーラー104から流出する。例えば、圧縮空気64は、約70°F〜約150°Fで及び好ましくは約100psiaでボルテックスクーラーから流出することができる。
残りの圧縮空気62は、出口130と反対側にある高温端128に配置された出口132を通って高温空気(矢印66で概略的に示される)として流出する。冷却圧縮空気64の一部は、計装用空気として1又はそれ以上のバルブ134に分配することができる。次いで、冷却圧縮空気64の別の部分は、種々の流体カップリング(図示せず)を介して自浄フィルタ58に送られる。自浄フィルタ58と流体連通した種々のバルブ(図示せず)は、作動又は開放することができ、従って、冷却圧縮空気64がフィルタにわたって流れ及び/又はフィルタから吹き込み、これによりデブリをそこから取り除くことができる。
図3及び4は、それぞれ第2及び第3の例示的な実施形態による空気供給及び調和システム100の概略図を示す。特定の実施形態において、図3及び4に示すように、ボルテックスクーラー104は、APU102の吸入口106と出口122との間に配置することができる。例えば、図3に示す1つの実施形態において、ボルテックスクーラー104は、吸入口106から下流側で、熱交換器112から上流側且つAPU102の出口122から上流側に配置することができる。
作動時には、図3に示すように、圧縮空気60は、ボルテックスクーラー104の入口124に流入する。次いで、圧縮空気60が冷却され、圧力が低下する。低温の圧縮空気62は、熱交換器112内に流入して更に冷却され後、圧縮空気62がAPU102の種々の他の構成要素にわたされる。圧縮空気62は、矢印64で概略的に示されるように、冷却圧縮空気としてAPU102の出口から流出する。冷却圧縮空気64の一部は、計装用空気として1又はそれ以上のバルブ134に分配することができる。次に、冷却圧縮空気64の別の部分が、種々の流体カップリング(図示せず)を介して自浄フィルタ58に送られる。自浄フィルタ58と流体連通した種々のバルブ(図示せず)は、作動又は開放することができ、従って、冷却圧縮空気64が自浄フィルタにわたって流れ及び/又はフィルタから吹き込み、これによりデブリをそこから取り除くことができる。
第3の実施形態において、図4に示すように、ボルテックスクーラー104は、熱交換器112から下流側で且つAPU102の出口122から上流側に配置することができる。作動時には、圧縮空気60は熱交換器112に流入し、ここで冷却される。次いで、冷却圧縮空気62は、ボルテックスクーラー104の入口124に流入する。次に、冷却圧縮空気62は、更に冷却され、圧力が低下する。冷却圧縮空気64は、ボルテックスクーラー104の出口130からAPU102の種々の他の構成要素に流れる。次に、冷却圧縮空気64の一部は、種々の流体カップリング(図示せず)を介して自浄フィルタ58に送られる。自浄フィルタ58と流体連通した種々のバルブ(図示せず)は、作動又は開放することができ、従って、冷却圧縮空気64がフィルタにわたって流れ及び/又はフィルタから吹き込み、これによりデブリをそこから取り除くことができる。特定の実施形態において、冷却圧縮空気64の一部は、計装用空気として1又はそれ以上のバルブ134に分配することができる。
図2〜4に示され本明細書で記載されるシステム100は、吸入システム12の自浄フィルタ58に圧縮空気を供給する方法を提供する。例えば、方法は、圧縮機からの圧縮空気60をAPU102の入口に流入させるステップと、APU102からの圧縮空気62をボルテックスクーラー104の入口に流入させるステップと、冷却圧縮空気64を1又はそれ以上の自浄フィルタ58に送るステップと、を含むことができる。本方法はまた、圧縮空気60の温度を約400〜800°Fから、約50〜150°Fまで低下させ、圧縮空気60の圧力をボルテックスクーラー104の出口の下流側且つ自浄フィルタ58から上流側にて約250psiaから約100psiaまで低下させるステップを含む。
図2、3及び4に示され本明細書で記載されるシステム100は、圧縮空気を吸入システムに、詳細には自浄フィルタに提供するのに使用される既知の空気供給及び調和システムよりも優れた様々な技術的利点をもたらす。このことは、周囲温度が高い区域及び熱交換器112が空気対空気型熱交換器である場合に特に有利とすることができる。
特定の実施形態において、図3に示すように、ボルテックスクーラー104が熱交換器112から上流側に配置される場合、より小型の熱交換器112を使用することで、コストを節減することができる。これに加えて、又は代替として、上流側に設置された場合には、ボルテックスクーラー104は、空気60の湿分を除去し、圧縮空気60の圧力を低減することにより、熱交換能力を改善することができる。ボルテックスクーラー104を熱交換器112から下流側に設置することにより、熱交換器能力は、特に周囲温度が高い区域及び熱交換器112が空気対空気型熱交換器である場合に特に向上させることができる。
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を含む場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
10 ガスタービン
12 吸入セクション(吸入システム)
14 作動流体
16 圧縮機
18 圧縮作動流体
20 燃料
22 燃料供給源
24 燃焼器
26 燃焼ガス
28 タービン
30 シャフト
32 排気ガス
34 排気セクション
36 排気スタック
38 入口部分
40 フード/ルーバー
42 入口フィルタ区画
44 入口ダクト
46 入口プレナム
48 第1のダクト部分
50 肘部
52 第2のダクト部分
54 サイレンサ
56 吸入抽気熱装置
58 フィルタ
60 圧縮空気
62 圧縮空気
64 圧縮空気
66 圧縮空気
100 空気供給及び調和システム
102 空気処理ユニット
104 ボルテックスクーラー
106 入口/APU
108 抽出ポート
110 圧縮機吐出ケーシング
112 熱交換器
114 水分離器
116 圧力調整バルブ
118 圧力調整バルブ
120 ヒートレス式エアドライヤ
122 出口/APU
124 入口/ボルテックスクーラー
126 ボルテックススピンチャンバ
128 高温端
130 出口/ボルテックスクーラー
132 出口−高温端/ボルテックスクーラー
134 バルブ/計装

Claims (9)

  1. ガスタービン(10)の吸入システム(12)のための空気供給及び調和システム(100)であって、当該空気供給及び調和システム(100)が、
    前記ガスタービン(10)の圧縮機(16)からの圧縮空気を受け取るように構成された入口(106)を有する空気処理ユニット(102)であって、該空気処理ユニット(102)が、前記入口(106)から下流側熱交換器(112)、及び該空気処理ユニット(102)の入口(106)から下流側に配置されたボルテックスクーラー(104)であって前記熱交換器(112)及び該空気処理ユニット(102)の出口(122)と流体連通したボルテックスクーラー(104)を含む空気処理ユニット(102)と、
    前記吸入システム(12)のダクト内に配置され、前記空気処理ユニット(102)の出口(122)と流体連通した自浄フィルタ(58)
    を備えており、前記ボルテックスクーラー(104)が、前記熱交換器(112)のすぐ下流側且つ前記空気処理ユニット(102)の出口(122)から上流側に配置される、空気供給及び調和システム(100)。
  2. 前記熱交換器(112)が空気対空気熱交換器である、請求項1に記載の空気供給及び調和システム(100)。
  3. 前記空気処理ユニット(102)が、水分離器(114)、圧力調整バルブ(116)、又はヒートレス式エアドライヤ(120)のうちの少なくとも1つを含む、請求項1又は請求項2に記載の空気供給及び調和システム(100)。
  4. 前記空気処理ユニット(102)の入口(106)が、1又はそれ以上の抽出ポート(108)を介して前記圧縮機(16)に流体接続され、前記1又はそれ以上の抽出ポート(108)のうちの少なくとも1つの抽出ポート(108)が、前記圧縮機(16)の中間部分に沿って又は前記圧縮機(16)から下流側に位置付けられた圧縮機吐出ケーシング(110)に沿って配置される、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の空気供給及び調和システム(100)。
  5. 前記圧縮空気が、00°F(204℃)00°F(427℃)の間の温度で前記空気処理ユニット(102)の入口(106)に流入して、0°F(10℃)50°F(66℃)の間の温度で前記ボルテックスクーラー(104)の出口(130)から流出する、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の空気供給及び調和システム(100)。
  6. 前記圧縮空気が、50psia(1724kPa)の圧力で前記空気処理ユニット(102)の入口(106)に流入して、00psia(689kPa)の圧力で前記ボルテックスクーラー(104)の出口(130)から流出する、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の空気供給及び調和システム(100)。
  7. 前記ボルテックスクーラー(104)から下流側に配置された1又はそれ以上の計装装置を更に備える、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の空気供給及び調和システム(100)。
  8. ガスタービン(10)であって、当該ガスタービン(10)が、
    吸入システム(12)と、
    前記吸入システム(12)の下流側にある圧縮機(16)と、
    前記圧縮機(16)の下流側にある燃焼セクションと、
    前記燃焼セクションの下流側にあるタービン
    を備えており、前記吸入システム(12)が、入口ダクト(44)と、該入口ダクト(44)内に配置される少なくとも1つの自浄フィルタ(58)とを有しており、前記ガスタービン(10)が更に、
    前記圧縮機(16)及び前記少なくとも1つの自浄フィルタ(58)と流体連通した請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の空気供給及び調和システム(100)
    を備えている、ガスタービン(10)。
  9. 前記空気処理ユニット(102)の入口(106)が、1又はそれ以上の抽出ポート(108)を介して前記圧縮機(16)に流体接続され、前記1又はそれ以上の抽出ポート(108)のうちの少なくとも1つの抽出ポート(108)が、前記圧縮機(16)の中間部分に沿って又は前記圧縮機(16)から下流側に位置付けられた圧縮機吐出ケーシング(110)に沿って配置される、請求項に記載のガスタービン(10)。
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