JPH0585734B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 圧縮機装置と、該圧縮機装置に機械的に結合
されて該圧縮機装置を駆動するコアタービンと、
該コアタービンから独立しているパワータービン
と、該コアタービンおよび該パワータービンに加
熱された作動流体を与える燃焼室と、蒸気を該作
動流体に添加する蒸気添加装置と、を含むフリー
タービン型ガスタービンにおいて、蒸気添加によ
り前記コアタービンと前記圧縮機との間に生ずる
不整合を防ぐための、出力負荷を前記圧縮機に結
合する結合装置を含む不整合防止装置を有するこ
とを特徴とする前記ガスタービン。 ２ 前記蒸気添加装置が蒸気を発生するための廃
熱ボイラーを含むことを特徴とする、請求の範囲
第１項に記載のガスタービン。 ３ 前体記廃熱ボイラーがさらに工程用蒸気を与
えることを特徴とする、請求の範囲第２項に記載
のガスタービン。 ４ 前記蒸気添加装置による蒸気発生のために前
記パワータービンからの作動流体排気ガスを利用
する装置を含む、請求の範囲第１項に記載のガス
タービン。 ５ 少なくとも圧縮機、該圧縮機に機械的に連結
されたコアタービン、およびパワータービンを有
するフリータービンを蒸気噴射により運転する方
法であつて、コアタービン／圧縮機の不整合を防
ぐために前記コアタービン／圧縮機に負荷を選択
的に付加することを含む方法。 ６ 少なくとも圧縮機、該圧縮機に機械的に連結
されたコアタービン、およびパワータービン、を
有するフリータービン・エンジンを蒸気噴射によ
り運転する方法であつて、１つは前記パワーター
ビンにより、１つは前記圧縮機／コアタービンに
より、２つの負荷を運転することと、コアタービ
ン／圧縮機の不整合を防ぐように前記二つの負荷
の量を制御することと、を含む方法。 ７ 少なくとも圧縮機、該圧縮機に機械的に連結
されたコアタービン、およびパワータービン、を
有するフリータービン・エンジンを蒸気噴射によ
り運転する方法であつて、１つは前記パワーター
ビンにより、１つは前記圧縮機／コアダービンに
より、２つの負荷を運転することと、前記圧縮
機／コアタービンの無負荷の時の整合運転ライン
の上方で、圧縮最高rpm限界値とサージ余裕ライ
ンのみによる境界内で前記圧縮機／コアタービン
が運転されるように前記二つの負荷の量を制御す
ることと、を含む方法。 技術分野 本発明はフリータービンまたはパワータービン
を有する型式の蒸気噴射ガスタービンエンジンに
関し、特にフリータービンを有するチエン・サイ
クル・エンジンに蒸気を噴射する方法に関する。 背景技術 従来から種々の蒸気噴射ガスタービンエンジン
系が存在する。米国特許第4128994号及び第
4248039号に記載されているようにチエン・サイ
クルまたは２元流体チエン・サイクル・エンジン
の高効率の可能性は、出力および熱効率の双方を
最大にするように特定量の蒸気をガスタービンに
噴射する時に実現される。蒸気はタービン排気の
廃熱の回収により得られる。実用上最高の蒸気の
熱力学的ポテンシヤルにおいて最高効率が得られ
る。 ガスタービンは２つの部類、つまり単軸タービ
ン型といわゆるフリー、つまりパワータービン型
とに分けられる。単軸タービンは圧縮機、燃焼器
およびタービンを有し、圧縮機とタービンが機械
的軸により一体ユニツトとして連結される。微量
の損失を無視するならば、圧縮機の必要量を供給
した後の、余剰動力が正味の軸出力となる。この
ようなガスタービンにおいては、タービン出力の
およそ３分の２が圧縮機の要求する仕事を供給す
るのに消費される。単軸設計の機械的結合が出力
と圧縮機要求との間の動力分割の問題を解決す
る。これはエンジンへの蒸気噴射による動力再配
分の問題をも解決する。しばしば単軸ガスタービ
ンは負荷の要求に無関係に一定rpmで運転され
る。この場合、燃料流はタービン入口温度、ひい
ては出力と共に変化する。 フリータービン型ガスタービンにおいては、圧
縮機はコア、つまりガス発生タービンに連結さ
れ、通常フリーまたはパワー・タービンと称せら
れる別個のタービン部が出力を発生する。この形
態の一利点は、負荷に動力を供給するフリーター
ビンをコアタービン／圧縮機のローター系と異な
る回転速度で運転できることである。この場合、
コアタービンは圧縮機の動力要求量の事実上全て
を供給する。この要求から圧縮機とコアタービン
は動力バランスがとれた状態に整合されることを
強いられるので、ユニツトはかなり狭い既定の運
転径路をとらなければならない。この径路は圧縮
機およびコアタービンの性能特性を或る限界値内
に整合させる必要によつて画成される。それぞれ
駆動要素と被駆動要素であるタービンおよび圧縮
機の整合は或る回転速度、マスフロー（質量流
量）および圧力の状態において維持されない。整
合の可能性を拡げるために、よく圧縮機に可変案
内静翼またはガス放出弁が取付けられ、これらは
始動および低回転の条件下で、より近い整合の状
態を生ずる。 このようなタービンエンジンに蒸気を噴射する
場合、添加は任意に行うことができない。フリー
タービンエンジンに例えばチエン・サイクルを用
いるように改修を施こした場合、排気の廃熱によ
り生ずる蒸気の全量を燃焼器に噴射すると、圧縮
機が整合状態で吸収し得るよりもはるかに高いコ
アタービンの出力増加が生ずる。これは圧縮機が
必要とする動力が実質的に一定のままであつて、
余分のコアタービン出力をコアタービンからパワ
ーつまりフリー・タービンに伝達するのに便利な
方法がなく、それには複雑な機械系を用いるか、
コアタービンを全く再設計する必要があるからで
ある。 発明の開示 よつて本発明の一つの目的はフリータービン設
計の改良形蒸気噴射ガスタービンを与えることに
ある。 本発明のいま一つの目的は、フリータービン設
計の改良形蒸気噴射チエン・サイクル・エンジン
を与えることにある。 本発明のいま一つの目的は、コアタービン部お
よびパワータービン部に最少限の設計変更しか必
要としない、フリータービン型ガスタービンまた
はチエン・サイクル・エンジンに蒸気噴射を行う
方法を与えることである。 本発明によれば、出力軸が選択的にコアタービ
ン／圧縮機に結合される。エンジンに蒸気を添加
したためにコアタービンにより発生する余剰動力
はこのようにして有効な出力を生ずるために使わ
れる。同時に、さもないと生ずるであろう圧縮
機／コアの不整合を防ぐ。 フリータービン・エンジン設計の運転特性は複
雑な熱力学的フイードバツク・リンク（つなが
り）と要素整合の点から決定しなければならな
い。タービンの大きな改造なしで、フリータービ
ン型ガスタービン・エンジンの燃焼室に大量の蒸
気を噴射したとすると、単軸ガスタービンの場合
のように、整合状態を大幅に狂わせることであろ
う。 本発明によれば、チエン・サイクルがフリータ
ービン型エンジンに取入れられる。タービンの廃
熱により発生し得る高エンタルピーの蒸気は、米
国特許第4128994号に定義されるように、適正な
量が用いられるならば実用上最高のサイクル効率
を与えるけれども、圧縮機／タービンの整合状態
を狂わせてはならず、全体系は最大rpm、サージ
ライン、およびタービン入口温度の限界内で作動
しなければならない。これは負荷を圧縮機に結合
することによりなされる。 大きな設計変更およびび基本タービン要素の改
造を行うことなく高いサイクル効率の目標を保つ
ために、例えばチエン・サイクルを用いるように
現用のフリータービン・ガスタービン系を改修す
るとした場合、単軸タービンの場合のように単に
燃焼器内に蒸気を噴射するだけで改修を終ること
はできない。前記のように、基本的な困難性はコ
アタービン／圧縮機の整合の問題の性質に帰す
る。単軸チエン・サイクル・エンジンにおいて最
高効率を生ずるのに必要な臨界量に相当する蒸気
が未改造のフリータービン・エンジンの燃焼室に
噴射されると、コアタービンとパワータービンの
双方が出力を増大する。圧縮機に必要な動力は実
質的に一定のままであり、複雑な機械系を用いる
ことなく過剰なコアタービン出力をコアタービン
からパワータービンに伝達する便利な方法はない
から、圧縮機が整合状態にて吸収し得る動力をは
るかに超える程にコアタービンの出力が増大す
る。コアタービンの出力増加分は圧縮機にとつて
必要でなく、またパワータービン出力軸に容易に
伝達することができないという事実から困難性が
生ずる。 図面の説明 第１図は単軸ガスタービンのブロツク説明図 、第２図はフリータービン型ガスタービンのブ
ロツク説明図、 第３図は第２図のガスタービンにおける整合運
転径路を示す代表的な圧縮機性能曲線図、 第４図は第２図のフリータービン・エンジンの
代表的制御系およびそのフイードバツク・ループ
のブロツク線図、 第５図は第２図のフリータービン・エンジンの
代表的な加速および減速の過程をグラフで示す性
能曲線図、 第６図は第２図のガスタービン・エンジンにお
いて圧縮機に結合された負荷を用いる、本発明の
いま一つの実施例のブロツク説明図、 第７図は第６図の実施例の制御系のブロツク
図、 第８図は蒸気噴射を有する代表的フリータービ
ンについて本発明を取入れた場合と取入れない場
合の運転特性および運転領域を比較する性能曲線
図。

【発明の詳細な説明】

第１図に代表的な単軸ガスタービン１０の説明
図が示される、該タービンは圧縮機１２、燃焼室
１４、および単軸１８により圧縮機に堅固に連結
され負荷に結合されているタービン１６から成
る。タービンは運転点において圧縮機に整合して
いる必要はなく、余剰出力能力は単軸１８を介し
て負荷を駆動する。 代表的なフリータービン型ガスタービン２０が
第２図に説明図で示される。ガスタービン２０
は、圧縮機１２′、燃焼室１４′、機械軸またはロ
ーター２４を介して圧縮機１２′に連結されるコ
アつまりガス発生タービン２２、および負荷に結
合されるパワー、つまりフリー・タービン２６か
ら成る。しかしコアタービン２２または圧縮機１
２′に機械的に連結されていないパワータービン
２６は熱力学的にエンジン全体系に連結される。
コアタービン２２は圧縮機１２′に必要な動力の
実質的に全てを発生する。 パワータービン２６とコアタービン２２／圧縮
機１２′組合せとのインターフエイはマスフロー
とタービン入口温度を介して特有なやり方で行わ
れる。コアタービン入口温度が上がると、コアタ
ービン２２の出力が増し、圧縮機１２′はより高
いrpmに加速してより高い圧縮比でより大量のマ
スフローを吐出する。同時にパワータービン２６
を通過すマスフローを増加するためには、通過す
る際の膨張のためにより高い圧力比が必要とな
る。そのためコアタービン２２を通過する作用流
体の圧力比が減じてその出力能力を制限する。こ
の空気−熱力学的フイードバツクがコアタービン
とパワータービンとの間の非機械的な結合にな
る。 コアタービン２２と圧縮機１２′は動力整合運
転平衡径路上で、またはその近傍で作動するよう
に設計上で整合されなければならない。平衡運転
径路よりも上のコアタービン圧力比ではタービン
２２の回転速度が増す。この増大した速度により
圧縮機１２′の発生する圧力比は高くなる。コア
タービン背圧により追加空気流が制限されている
と、圧縮機１２′はそのサージ領域近傍で運転す
ることを余儀なくされる。サージ領域では、圧縮
機静翼に空気流の剥離が生じて不安定な流れとな
る。この領域で運転する時、圧縮機動翼に過度の
過渡的荷重がかかるから、圧縮機１２′をサージ
領域で運転することは禁止される。 第３図はフリータービン・エンジン２０の代表
的な圧縮機性能曲線である。圧縮機性能曲線はそ
れぞれのパラメータを無次元の変数で修正した圧
力比対空気流量をプロツトした曲線で表わされ
る。修正空気流量は、空気流量Waに、大気温度
と520゜Rとの比である絶対温度比θの平方根を乗
じ、大気圧を基準点としての海面上標準大気圧
14.7psiで標準化した大気圧比δで除したもので
ある。他の運転パラメータは再ば√により修正
したコアタービン／圧縮機定回転速度ライン（32
〜57.5）である。圧縮機のサージが起きる条件は
一本の線で画成される程に精密ではないが、一般
にサージ・ライン８２と称せされる圧縮機サージ
領域により高圧力比・低流量の圧縮機運転の限界
が示される。一定の圧縮機効率の曲線が破線７１
〜７７により示される。 圧縮機性能曲線８０は或る設計rpmにて接いだ
整合コア／圧縮機運転ライン８６の２つの部分を
示す。整合ラインの下方部分８４は、抽気弁を開
いて、圧縮機１２′により加圧される空気の全部
でない部分がタービン２２を通つて膨張されるよ
うにした運転に相当する。抽気運転はエンジンの
始動および運転速度への加速を容易にする。点８
８に始まる、抽気弁が閉じた運転を表わす整合ラ
インの上方部分８７はフリータービン・エンジン
の運転における出力発生領域を含む。この後者の
領域は通常はエンジン出力を発生する為の関係領
域である。コアタービン２２／圧縮機１２′の最
高rpmは点８９において生ずる。タービンrpmは
このrpmを100％rpmとしてそれに対する比で表
わすのが普通である。 第４図はフリータービン・エンジン２０の代表
的な制御系９０を示す。制御系９０の重要要素は
負荷レベル制御である。パワータービン２６から
のフイードバツク信号９２はrpmまたはトルクを
感知することにより発生し燃料管制系９４に送ら
れて、該管制系９４がコアタービン２２のための
燃料流量９６を調節する。通常、これが単軸ガス
タービン制御に必要なすべてである。しかし、フ
リータービンの場合、２つのタービンの回転速度
は機械的に独立している。そのため、燃料流量に
補足的なプログラムによる管制が必要となる。コ
アタービン２２と圧縮機１２′とは、圧縮機性能
曲線上のサージ領域に加速の限界をおいて整合さ
れるから、管制系９４はまたコアローターのrpm
またはトルクをフイードバツク信号９６として必
要とする。圧縮機１２′の圧力は通常rpmに直接
に関しているから、圧縮機圧力を測定してもこの
フイードバツクを行うことができる。 第５図はフリータービン・エンジン２０の代表
的な加減速過程を図解する。初期の運転点が平衡
整合径路８６上のM₁にあり、その点にてコアタ
ービン２２の出力が圧縮機１２′の動力要求量に
合つているとする。燃料を追加すると作動流体の
温度が上がり、従つて同量の空気のマスフローに
て体積流量（そして動力ポテンシヤル）が増す。
この時、より大きな体積を占めている流体をター
ビン２２に押し通すためには、より高い圧力比が
必要となる。このため、運転点は定rpmライン１
００にそつて点１まで動く。この点はそのrpmに
て圧縮機が必要とするよりも高いタービン出力ポ
テンシヤルを表わす。そのため、コアタービン・
ロータ２４はrpmがより高い新しい平衡位置M₂
まで加速する。エンジンのコアローター２４が最
高設計rpmまたは最高設計タービン入口温度の何
れかに達するまでこの過程は続き、この点にて或
る形での制御機構がそれ以上の速度増加を制限し
なければならない。 点Ｄが最高設計rpm点を表わすとすると、減速
過程は逆のやり方で生ずる。燃料流量を減ずる
時、作動流体の温度が下がる。そのため、同量の
空気マスフローにおいて体積流量が減ずる。作動
流体がコアタービン２２を通過するのに必要な圧
力（比）は小さくなる。ローター２４の慣性によ
り、運転点は定rpm曲線１０２にそつて点d₁まで
一時的に下がる。この点は平行整合運転ライン８
６より下方にある。よつてコアタービン２２は圧
縮機１２′の動力要求量を与えることはできない。
従つて運転条件は、動力不足および回転系の慣性
により決まる速さで運転径路８６上のより低い
rpm運転点d₂に向つて移動する。 第６図は本発明によるフリータービン２０′を
示す。出力軸１６０が圧縮機１２′に追加されて
いる。クラツチのような適当な結合装置１６２が
圧縮機１２′の出力軸１６０を負荷に選択的に結
合する。既述のように、コアタービン２２の前、
例えば燃焼室１４′に蒸気が導入されると、コア
タービン２２は圧縮機１２′が必要とするよりも
大きな動力を発生する。負荷を圧縮機１２′に結
合することにより、この余剰動力は有用な仕事の
ための出力にかわる。その上、圧縮機１２′とコ
アタービン２２の間の非整合が防止される。燃焼
室１４′内に噴射される蒸気の量を増すにつれて、
圧縮機１２′に結合される負荷が追加される。 第６図のフリータービン２０′のための制御系
１００が第７図に図解される。制御系１００は適
当なサーモカツプル型温度変換器１０２を用いて
パワータービン入口温度（TIT）を感知し、該
変換器はライン１０４を介して制御系１００に信
号を送る。パワータービン２６の＃１出力側にお
ける負荷およびトルクはパワータービン２６の
rpm、N₂、と共にガバナー１０６により感知さ
れフイードバツク・ライン１０８を介して制御系
１００に与えられる。同様に圧縮機とコアタービ
ンの不整合を避けるために圧縮機１２′を介して
コアタービン２２により与えられる＃２出力は、
フイードバツク・ライン１１０を介して制御系１
００にトルク／負荷の情報を与えるために監視さ
れる。コアタービン／圧縮機rpm，N₁、もライ
ン１１０を介してガバナー１１２から与えられ
る。 制御系１００は、燃料流量弁１１８を制御する
燃料管制ライン１１６を介して適当な燃料源１１
４からの燃焼室１４′への燃料流量を調節し、制
御する。制御系１００はまた、蒸気流量弁１２４
を制御する蒸気管制ライン１２２を介して適当な
蒸気源１２０から燃焼室１４′への蒸気噴射量を
制御する。適当な蒸気源は例えば、本発明の譲受
人に譲渡された米国特許第4128994号及び第
4248039号に記載されるチエン・サイクル・エン
ジンに用いられるような熱交換器または廃熱ボイ
ラーであることができる。また上記２つの特許の
教訓を用いることにより、チエン・サイクルによ
りフリータービン・エンジン２０′を運転するこ
とができる。 蒸気源１２０が廃熱ボイラーである場合、蒸発
器と過熱器の間に蒸気制御弁１２４を設けると有
利である。かかる蒸気制御弁の位置は本発明の譲
受人に譲渡された米国特許第4393649号に記載さ
れている。 制御系１００の一形態は本発明の譲受人に譲渡
された米国特許第4297841号及び第4417438号に記
載されている。エンジン２０′がチエン・サイク
ルとして用いられるか、工程用蒸気を発生するの
に用いられる場合、この制御モードは特に適して
いる。 エンジン運転者は制御系１００に負荷要求情報
を与える。制御系１００は系の平衡を維持するの
に必要な適当な負荷を与えるように＃２出力にラ
イン１２６を介して負荷制御指令信号を与える。
種々の負荷の形態が使用される。例えば＃２出力
はクラツチを含む普通のギヤボツクスを介して結
合される負荷を含む。いま一つの例として、エン
ジン２０′がボートの動力装置として用いられる
ならば、＃２出力はボートのスクリユのピツチ角
度を変更することを含む。負荷は天然ガスのガス
圧縮機であることができ、その場合、制御弁は負
荷に従つて圧縮されるガスの容積を調節する。ま
た負荷の大きさに従つて＃２出力を調節すること
は発電機の磁界の励磁電流を調節することを含む
ことができる。 運転において、タービン２０′の始動は単軸タ
ービン１０の場合と同じである。パワータービン
rpm，N₂、が増すにつれて、この情報はライン
１０８を介して制御系１００にフイードバツク
（帰還）される。燃焼室１４′に蒸気が追加される
と、パワータービン２６のrpm，N₂と圧縮機の
rpm，N₁とが増す。また設計rpm限界値N₁を超
えないように適正な量の蒸気が追加される。同時
に追加の負荷が＃２負荷に加えられて、圧縮機１
２′を減速する。タービン入口温度および圧縮機
サージ余裕値を設計限界値以内に維持するために
燃料流量および蒸気流量を制限するように、この
追加の負荷が制御される。 パワータービン２６から動力を発生させている
時、エンジン２０′は通常一定rpmにて運転され、
出力発生限界は圧縮機１２′のサージ・ラインで
ある。パワータービン負荷、＃２出力が可変rpm
のものであるならば、制御弁１００はエンジン２
０′のrpmおよびサージ余裕値の双方を制限する。
この限界値に達したならば、制御系１００は許容
蒸気流量を決定して、過回転限界および圧力余裕
値の双方ともを超えないようにする。 第８図は代表的なフリータービン・エンジンと
して、アリソン（Allison）501KFエンジンの圧
縮機性能曲線である。蒸気を噴射すると、エンジ
ン２０′のコアタービンrpm，N₁、が径路ａ−ａ
にそつて最大rpmライン１２８に達するまで増大
する。比較のために、アリソン（Allison）
501KBのような単軸エンジンの径路ｃ−ｃを示
す。 エンジン２０′が本発明により運転される時、
運転ラインａ−ａの限界が克服される。追加の蒸
気が噴射される時、圧縮機／コアタービンへの負
荷を追加することによりエンジン２０′は一定
rpm径路ｂ−ｂにそつて作動し、サージ余裕ライ
ン１３０のみにより制限される。事実、エンジン
２０′はサージ余裕ライン１３０、最大rpm限界
ライン１２８、および標準の蒸気噴射エンジンの
整合運転ラインであるラインａ−ａ、に囲まれる
領域内のどこででも運転することができる。 次の第１表は本発明を採用した場合と採用しな
い場合の蒸気噴射型501KFエンジンの性能を蒸気
噴射なしの501エンジンの性能と比較したもので
ある。

【表】 蒸気噴射
正味の差異 27％ 22％ 2.2