JPH01208523A - ガスタービン機関とその動力出力を増加する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は蒸気噴射形ガスタービン機関、更に具体的に
云えば、水を噴射することによっそ蒸気の噴射を増強し
、こうして蒸気噴射形ガスタービン機関の動力出力を高
める装置及び方法に関する。

プレイトン・サイクルに従ってその中を通るガスを使う
と共に、ランキン・サイクルに従つてその中を通り抜け
る蒸気を用いる蒸気噴射形ガスタービン機関は公知であ
る。この様な蒸気噴射装置関には航空機用から転用した
機関を使う場合が多い。航空機用機関は、その出力の追
加の固定復熱ボイラーと共に出力動力タービンを含む様
に変更する。復熱排気ボイラーが、機関の種々の場所、
特に燃焼器に噴射する為の蒸気を供給する。蒸気を外部
の源から供給してもよいが、−船釣に蒸気噴射形ガスタ
ービン機関は、それ自体の排気ボイラー装置から蒸気が
供給される。

蒸気噴射形機関の動力出力の１つの制約は、それ自体の
固定ボイラーからの蒸気が、ガスタービンをその最大能
力まで運転することが出来る様な適切な低い過熱でない
ことがあることである。例えば、燃焼器はそのドームで
も、圧縮機の吐出部から流れる側路希釈空気でも、より
多くの水蒸気を取込むことが出来る。然し、燃焼器に流
れ込む蒸気噴射配管が存在する為、水蒸気の量番増やす
為に、燃焼器に対する水を更に増強する可能性が全くな
い。

発明の要約 従って、この発明の目的は、従来の蒸気噴射形機関の上
に述べた問題を避ける様な蒸気噴射形ガスタービン機関
を提供することである。

この発明の別の目的は、水を噴射する蒸気噴射形機関で
蒸気を増強する手段を設けることである。

この発明の別の目的は、機関の動力出力を増加する為に
、ガスタービン機関の燃焼器に於ける水蒸気の量を増や
す方法を提供することである。

この発明の別の目的は、蒸気噴射形ガスタービン機関の
蒸気噴射装置に水を添加する水エゼクタ及び混合装置を
提供することである。

この発明の別の目的は、転用機関装置の利用し　　〜得
るボイラー又は常設ハードウェアに異なる又は等級を高
めた排気流のパラメータを使う融通性を持たせることで
ある。送出される高度に過熱された蒸気は水の噴射によ
って、更に多くの蒸気を作り、機関の動力出力を最大に
することが出来る。

この発明の別の目的は、蒸気配管に於ける水の噴射を動
力条件と合せることが出来る様にする、即ち、水の噴射
を増やすと、−層低い熱効率で更に大きな動力が得られ
、水の噴射を少なくすると、−層高い熱効率で一層低い
動力条件に合わすことが出来ると云う点で、ボイラーの
ハードウェアを使う際の融通性を持たせることである。

これは、ボイラーが機関の復熱器として又は外部の源の
設備として取付けられた時、高度に過熱された蒸気を送
出すことが出来ると仮定している。

この発明の別の目的は、動力を最大にする為に、過熱の
少ない蒸気を送出す復熱ボイラーと合せた機関装置が、
利用し得る外部の熱源をも利用して、その蒸気を過熱し
、こうしてその後、水の噴射を利用して、更に多くの蒸
気を発生することによって、機関装置の動力出力を更に
増加することが出来る様にすることである。

この発明の別の目的は、機関の動力出力を増加する為に
、蒸気噴射形機関の燃焼器に対して追加の蒸気を添加す
る装置を提供することである。

簡単に云うと、この発明では、蒸気噴射形ガスタービン
機関の動力出力を増加する装置を提供する。機関が直列
の組合せとして、圧縮機、燃焼器及びタービンを持ち、
この機関の中をガス流路が通り抜けている。蒸気噴射装
置を設け、これが過熱蒸気をガス流路に噴射する。更に
、蒸気噴射装置に水を吹付ける装置も設ける。これによ
って水が蒸気噴射装置内の過熱蒸気によって蒸発し、こ
の蒸気と混合されて、その生成物が依然として過熱蒸気
になる様にする。然し、ガス流路に噴射される過熱蒸気
の質量流量が増加する。

この発明の１実施例では、水吹付はエゼクタ及び混合器
を含む蒸気噴射装置を分流ボートに向け、この分流ボー
トから流れが燃焼器の殻体に流れる。

この発明の別の実施例では、水吹付はエゼクタ及び混合
器を持つ蒸気噴射装置を燃料ボートに向け、燃焼器のド
ームに供給される水蒸気を増加する。

燃焼器に対する水を増強する為に水エゼクタ及び混合器
装置を設ける他に、高圧タービン、低圧タービン又は動
力タービンの様な機関内の他の蒸気配管に対しても、水
を増強することが出来る。

この発明は、復熱ボイラー装置が、所定の圧力に於ける
飽和温度より数百度高い過熱蒸気を機部に送出す時、又
は蒸気がやはり過熱された高温レベルにある外部の源か
らのものである時に役立つ。

更に不適合ボイラー（最大の動力出力に対する最低の過
熱ではない）を使う機関が、そのボイラーがそれ自体の
復熱装置であっても外部の源のボイラーであっても、機
関の赤線又は限界の動作パラメータの範囲内で、最大動
力出力を達成することが出来る様にする。所定の圧力で
＋５０″濾過熱の蒸気を機関に送出す復熱ボイラーは、
蒸気配管を利用し得る外部の熱源に通し、この熱源が蒸
気を過熱して、これらの蒸気配管の下流側で水を噴射す
ることが出来る様にする場合、この考えを利用すること
が出来る。この為、常設のボイラー装置は転用蒸気噴射
形機関に使う様に改造することが出来、給水ポンプが所
要の圧力及び流量を供給し、ボイラーの伝熱面があるレ
ベルの過熱蒸気を発生することが出来る。この時、この
装置は、動作限界内で、機関装置の動力出力を最大にす
る為に、蒸気配管に於ける水の噴射によって増強するこ
とが出来る。

この発明の上に述べた目的、特徴及び利点は、一部分は
これから具体的に説明するし、一部分は図面についてこ
の発明を以下詳しく説明する所から明らかになろう。図
面全体にわたり、同じ部分には同じ参照数字を用いてい
る。

好ましい実施例の説明 第１図に蒸気噴射形機関１０を全体的に示す。

この機関は、圧縮機１２を持つコア・エンジンを含み、
この圧縮機が相互接続軸１６を介してタービン１４に結
合されている。圧縮機とタービンの間にバーナー又は燃
焼装置１８を設ける。コア・エンジンはケーシング２０
の中に囲い込まれている。典型的には、コア・エンジン
は航空機の転用機関であってよい。

出力動力タービン２２がコア・エンジンに空気力学的に
接続されて、エンジンから動力出力を抽出する。機関か
らの空気及び蒸気の混合物が排気煙道２４から排出され
る。排気装置２６には復熱排気ボイラー２８が含まれて
おり、これがエンジンに噴射する為の高圧蒸気３０を供
給する。この噴射は、３２に示す様に燃焼器とか、或い
は３４に示す様に、任意のタービンのベーンとかの様な
種々の場所に対して行なうことが出来る。燃焼器に入る
燃料配管を３６に示しである。

一般的に蒸気の噴射は、固定ボイラーからの供給によっ
て制限される。外部の源から蒸気を供給することも出来
るが、大抵の場合、機関の効率を高める為に、供給は固
定ボイラー装置から直接的に行なう。それでも、外部の
廃蒸気又は廃熱は機関装置の熱効率を改善する。

燃焼器に噴射することが出来る蒸気の量は、設計に応じ
て、炎ドーム蒸気又は水と燃料との約２６７５の比、又
はそれより若干大きな値に制限される。この比より高く
なると、一般的に炎が消える。

燃焼器に噴射される蒸気は、一般的に窒素酸化物（ＮＯ
Ｘ）の放出を制御する様な寸法である。典型的には、こ
の蒸気を燃焼器のドームに設けた燃料ポートに供給する
。典型的には二重流れノズル装置を用い、燃料は中心か
ら供給し、蒸気は燃料ボートの周りから同軸に供給する
。

機関は典型的には分流ポートをも備えている。

普通こう云う分流ポートは、航空機用機関では、航空機
の乗員室内で使う為の空気を抽出する為に使われる。蒸
気噴射形機関として使われる転用機関の場合、分流ポー
トは蒸気を噴射する為に使われる。こう云う分流ポート
は、圧力損失を最小限にして、出来るだけ多くの蒸気を
取込む様な寸法になっている。

一般的に、蒸気噴射形機関に供給される蒸気の量は、タ
ービン機関がその能力の最大限まで使うことが出来る量
よりも少ない。一般的に、蒸気の量は、固定ボイラー装
置から利用し得る蒸気の量によって制限される。追加の
外部蒸気が得られる場合でも、この様な追加の蒸気のコ
ストは、それが何等かの廃蒸気である場合を除き、機関
の一層の増強を行なうだけの値打ちがない様なものであ
る。

水の増強を行なうことが出来るが、蒸気噴射配管が機関
の燃焼器及び分流ポートに対して使われているので、ガ
スタービンはこの水の増強を行なう手段を備えていない
。

この発明は、燃焼器に対して直接的に水の増強を行なう
代りに、蒸気噴射配管に水を吹付けることによって、水
の増強を行なう。この水が蒸気配管に添加され、直ちに
水蒸気に変換される。水蒸気と蒸気が混合し、全体とし
ての生成物は少なくとも５０＠過熱温度の過熱蒸気のま
−である。この後、増加した質量流量の過熱蒸気をガス
タービンの燃焼器又はその他の場所に導入する。

質量流量を増加した過熱蒸気は、燃焼器に供給する為に
、種々の場所で添加することが出来る。

燃料ボートに添加して、ドームに噴射し、蒸気の量を、
水対燃料の一約２．７５／１の比の限界まで増加するこ
とが出来る。増加した質量の水は、混合後、燃焼器の側
路希釈空気中で相対湿度１００％未満の限界まで、分流
ボート過熱蒸気に添加することも出来る。今述べたこと
は、機関内のこの他の燃焼以外のボートに於ける蒸気配
管の水の噴射についても当てはまる。即ち、局部的な圧
力に於て、混合物は少なくとも＋５０１：の過熟になっ
ていなければならない。

蒸気配管に対する水の噴射の結果として、装置内の蒸気
の量が増加する。この結果、質量流量が増えたことによ
り、動力出力が増加する。全体的な熱効率の低下はある
が、動力の増強により、装置のキロワット出力当たりの
コストか大幅に低下する。

熱効率の低下は、高い圧力に於ける水の気化熱を排気装
置内で回収することが出来ないことによる。燃料ボート
装置に燃焼効率が低下する程の水を添加した場合も、熱
効率のもう１つの原因による低下が起り得る。

水の噴射を加える１番目の場所は、分流ボートであるの
が好ましい。更に、蒸気に水を噴射するのは、燃焼効率
が低下しなければ、燃料ボートに対する導入であってよ
い。

第２図にはドーム４２を持つ燃焼器４０が略図で示され
ている。二重流れノズル４４から燃料及び蒸気がこのド
ームに噴射される。燃料は中心の通路４６から噴射され
、外側の同軸の通路４８が蒸気を供給する。蒸気は過熱
されていて、機関の出力にある高圧固定ボイラー装置か
ら来て、５０に示した蒸気噴射配管に入る。

蒸気配管４８に沿って、全体を５２で示した水エゼクタ
及び混合装置が設けられている。エゼクタ及び混合装置
５２が入口管５４を持ち、この中で高圧の熱水が過熱蒸
気管４８内に直接的に吹付けられる。熱水が直ちに蒸発
し、管の中を流れる蒸気と混合されることにより、その
合成も少なくとも５０＠過熱の過熱蒸気である。然し、
蒸気の質量流量が増加する。この蒸気が、ドームに噴射
する為に、管４８に沿って送られる。

通路４Ｂに沿って補助出口５６を設けることが出来る。

これによって若干の蒸気が殻体のドームの周りを線５８
に沿って流れ、最終的にライナー４３に入り込んで、更
に希釈を行なう。

ドームに通ずる蒸気配管４８にエゼクタ及び混合器を設
ける他に、この発明のエゼクタ及び混合器は、分流装置
に供給する蒸気噴射配管内に設けることも出来る。具体
的に云うと、航空機用分流装置が、燃焼器４０を取巻く
部分６０−を持っている。高圧ボイラーからの過熱蒸気
が分流装置の分流ボート６２に供給され、分流装置及び
入口６４に通って燃焼器の殻体に入る。高圧の熱水のエ
ゼクタ及び混合器６６が、分流装置に供給する蒸気配管
６８に追加される。熱水が入口管７０を介して装置内に
吹付けられ、やはり直ちに蒸発し、この為、合成蒸気は
少なくとも５０″過熱になる。

この流量が増加した蒸気が分流装置に送られ、燃焼器の
ライナに入る。

例として云うと、典型的には、高い過熱状態の固定ボイ
ラー又は外部の源のボイラーで運転され、ＮＯＸ放出物
を抑える機関は、更に２％の水を燃料ボートに、そして
別の２．５％を分流ボートに取込むことが出来る。これ
は、低圧タービンの入口温度を一定に保ち、機関のこの
他の限界の制約作用がない時、動力出力を約２８％増加
するが、熱効率は約−１，４ポイント低下する。

添加する水は約７０ミクロンの寸法又はそれより小さな
滴にすべきであり、これは過熱蒸気内で直ちに蒸発する
。この様な寸法の滴を使うと、タービンの羽根又は燃焼
器自体の侵食の問題が避けられる。

添加する水量は蒸発するだけ多くすることが出来る。典
型的には、これは、蒸気を空気中に噴射する点の静圧で
局部的に１００％未満の湿度と云う限界までにすべきで
ある。水蒸気と存在する蒸気との合成物は、蒸気の混合
物全体の内で、少なくとも５０″過熱の過熱蒸気にすべ
きである。

蒸気配管に水を噴射する利点は、添加した水が殆んど直
ちに蒸発して、滴としてではなく、蒸気として燃焼器に
入ることである。更に、燃料及び蒸気の両方が二重流れ
ノズルから送出されるから、これが余分の水を燃料ドー
ムに添加する唯一の方法である。別の特徴は、今度は水
が、蒸気として入るので、圧縮機からの側路希釈流に添
加することも出来ることである。従来の水増強装置は、
燃焼器ドーム区域に対して水を添加するだけであり、燃
焼器に対して直接的に添加していた。

水噴射装置を使って、それ自体の復熱ボイラーから来る
蒸気と混合する様に、少なくとも＋５０″ｌ熱の外部の
源の蒸気を送出すことが出来る。

即ち、利用し得る配管を使って、廃蒸気を機関装置に導
入すれば、動力出力及び熱効率の両方が高くなる。廃蒸
気による熱効率の分は、廃棄される部分の約０．１５で
ある。

第３図には、軸８６によってタービン８４に接続された
圧縮機８２を含む機関８０が全体的に示されている。燃
焼器８８が圧縮機とタービンの間に配置される。出力動
力タービン９０がコア・エンジンに空気力学的に接続さ
れ、動力を抽出する。

出力煙道内に収容された復熱ボイラー装置９２を使って
、配管９４を介して装置に噴射する為の蒸気を作る。供
給される蒸気は５０度過熱の温度であり、これは燃焼器
装置に噴射するのに通常適切である。然し、この場合、
追加の水の増強が出来る様にする為、蒸気を最初は外部
の廃熱源９５に通し、過熱蒸気の温度を高める。−旦更
に過熱した時、今度は水を９６の所から全体を９８で示
した水吹付はエゼクタ装置に添加することが出来る。

この装置を使うと、機関自体の復熱ボイラーから出て来
る蒸気に熱を追加する為に利用し得る様な外部の廃熱を
利用することによって、余分の水の増強を行なうことが
出来る。

第４図には第３図の機関が再掲されており、同じ部分に
は同じ参照数字を用いている。この場合も、蒸気が配管
９４を介して復熱ボイラー９２から供給される。この蒸
気は少なくとも５０度過熱の温度である。この場合、や
はり少なくとも５０度過熱の外部の源の廃蒸気を水吹付
はエゼクタ及び混合装置に噴射する。第３図に示す様に
、水を供給して、水が直ちに蒸気に変る代りに、外部の
源から直接的に蒸気を供給する。

この発明の水吹付はエゼクタ及び混合装置を利用出来る
為に、水でも蒸気でも噴射して、増強を行なうことが出
来る。こうすることにより、機関を所望の動力条件に合
せることが出来る。−層低い熱効率でより多くの動力を
発生する為に、より多くの水の噴射を行なうことが出来
る。水の噴射を一層少なくして、高い熱効率で、−層低
い動力条件に合せることが出来る。

燃焼器に対する質Ｑ流量を増やす為に使う方法を示した
が、この方法を使って、低圧タービン又は高圧タービン
又は動力タービンに対する蒸気配管の様に、機関に対す
る任意の蒸気配管を通じて、動力を増強することが出来
る。更に、その圧力で温度が飽和温度より高いま＼であ
れば、蒸気に水の吹付けを加えることにより、任意のベ
ーンの蒸気冷却を強めることが出来る。

以上、現在考えられるこの発明の最もよい実施例を説明
した。然し、この発明の範囲内で、種々の変更を加える
ことが出来ることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気噴射形ガスタービン機関の略図で、蒸気は
機関の出力にある復熱排気ボイラーから供給される。 第２図は蒸気噴射装置に追加したこの発明の水吹付はエ
ゼクタ装置の略図で、機関の燃焼器に対する水を増強す
る。 第３図は機関のボイラーの出力に対して、過熱温度を高
める為に外部の熱源を用いて、蒸気噴射装置に供給を行
なう水吹付はエゼクタ配管内に余分の水の増強を行なう
ことが出来る様にした蒸気噴射形ガスタービン機関の略
図、 第４図は機関に対して蒸気を追加する為に、蒸気噴射装
置に噴射する外部の源の廃蒸気を利用する蒸気噴射形ガ
スタービン機関の略図である。 主な符号の説明 １２：圧縮機 １４：タービン １ｇ、４０：燃焼器 ｓｏ、６ｓ：蒸気噴射配管 ５２：水エゼクタ及び混合装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機、燃焼器及びタービンをそれらを通るガス流
   路に対する直列の組合せとして持つと共に、該ガス流路
   に過熱蒸気を噴射する装置を持つ蒸気噴射形ガスタービ
   ン機関の動力出力を増加する方法に於て、蒸気噴射装置
   に水を吹付けて該水が過熱蒸気によって蒸発する様にし
   、蒸発した水を蒸気噴射装置内に存在する蒸気と混合し
   て、ガス流路に噴射する為の過熱蒸気混合物の増大した
   合成質量流量を達成する工程を含む方法。 ２、合成蒸気が少なくとも５０゜の温度の過熱状態にな
   る請求項１記載の方法。 ３、蒸気噴射装置に吹付ける水の滴寸法が７０ミクロン
   未満である請求項１記載の方法。 ４、蒸気噴射装置に吹付ける水の圧力が、少なくともこ
   の装置内の過熱蒸気の圧力と同じである請求項１記載の
   方法。 ５、水を予熱する請求項１記載の方法。 ６、蒸気噴射装置が燃焼器に対して供給を行ない、この
   為蒸気噴射装置に対する水の吹付けにより、燃焼器に更
   に多くの蒸気が追加される請求項１記載の方法。 ７、燃焼器が二重流れノズルから燃料及び蒸気を受取る
   ドームを持ち、蒸気噴射装置が該ノズルに対する蒸気を
   供給し、水が蒸気噴射装置の中に吹付けられることによ
   り、二重流れノズルから前記ドームに追加の蒸気が加え
   られる様にする請求項６記載の方法。 ８、ドーム内の燃料に対する蒸気の比が約２．７５／１
   に保たれる請求項７記載の方法。 ９、燃焼器が圧縮機の吐出部から希釈空気を受取り、蒸
   気噴射空気が合成蒸気を希釈空気に添加する請求項６記
   載の方法。 １０、合成過熱蒸気が希釈空気内の相対湿度１００％未
   満のレベルに保たれる請求項９記載の方法。 １１、蒸気噴射装置が燃焼器の入口の分流ポートに供給
   を行ない、該分流ポートに水が吹付けられる請求項１記
   載の方法。 １２、分流ポートからの合成過熱蒸気が圧縮機の吐出部
   からの燃焼器側路希釈空気と混合される請求項１１記載
   の方法。 １３、更にガスタービンが蒸気噴射装置に対する蒸気を
   供給する復熱排気ボイラー装置を有する請求項１記載の
   方法。 １４、蒸気噴射装置に対する蒸気がガスタービンの外部
   の源から供給される請求項１記載の方法。 １５、合成蒸気がタービンのベーンに加えられ、合成蒸
   気の温度がベーンに加えられた時の圧力で飽和温度より
   高い請求項１記載の方法。 １６、更に、外部の源からの廃熱を加えて、復熱排気ボ
   イラー装置からの過熱蒸気の温度を高める工程を含み、
   こうして蒸気噴射装置に更に多くの水を加えても、合成
   蒸気混合物を過熱蒸気の状態に保つことが出来る様にす
   る請求項１３記載の方法。 １７、更に、外部の源からの廃熱を蒸気噴射装置に加え
   る工程を含む請求項１記載の方法。 １８、流れに対して直列に、圧縮機、燃焼器及びタービ
   ンを持つと共に、当該機関を通るガス流路と、該ガス流
   路に過熱蒸気を噴射する蒸気噴射装置と、その中を流れ
   る過熱蒸気によって水を蒸発させる為に、過熱蒸気の中
   に水を吹付け、水蒸気を過熱蒸気と混合して、前記ガス
   流路に噴射する為の、質量流量が一層大きい合成過熱蒸
   気混合物を作る水吹付けエゼクタ及び混合手段とを有す
   るガスタービン機関。 １９、前記ガス流路に結合されていて分流ポートを持つ
   機関分流装置を有し、前記蒸気噴射装置が前記分流ポー
   トに結合されて、前記ガス流路に過熱蒸気を供給し、前
   記水吹付けエゼクタ及び混合手段が前記分流装置に結合
   されている請求項１８記載のガスタービン機関。 ２０、前記分流装置が燃焼器に結合されて、燃焼器内の
   側路希釈空気に合成蒸気混合物を供給する請求項１９記
   載のガスタービン機関。 ２１、燃焼器のドームに対して燃料及び蒸気を供給する
   二重流れノズルを持つ燃料及び蒸気装置を有し、前記蒸
   気噴射装置及び前記水吹付けエゼクタ及び混合手段が前
   記燃料及び蒸気装置に結合され、合成蒸気混合物が燃焼
   器のドームに加えられる請求項１８記載のガスタービン
   機関。 ２２、タービンのベーンを有し、前記蒸気噴射装置及び
   水吹付けエゼクタ及び混合手段が該ベーンに結合される
   ことにより、合成蒸気混合物がベーンに加えられる請求
   項１８記載のガスタービン機関。 ２３、ガスタービン機関には接続されていないで、前記
   蒸気噴射装置に対する蒸気を供給する分離ボイラーを有
   する請求項１８記載のガスタービン機関。 ２４、流れに対して直列に圧縮機、燃焼器及び及びター
   ビンを持ち、その中を通り抜けるガス流路を有すると共
   に、該ガス流路に過熱蒸気を噴射する蒸気噴射装置、及
   び過熱蒸気によって水が蒸発する様に、過熱蒸気の中に
   水を吹付ける水吹付けエゼクタ及び混合手段を有するガ
   スタービン機関で、機関の動力出力を所要条件に釣合わ
   せる方法に於て、蒸気噴射装置に吹付ける水量を調節し
   、こうして水噴射率が低下した場合の熱効率を高める工
   程を含む方法。