JP2004520523A - エネルギーを発生するための装置 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、請求項1のプリアンブルに記載されるエネルギーを発生するための装置に関する。
【背景技術】
【0002】
この種の装置については、例えば、US 5,669,217およびEP 1,039,115から知ることができる。これらの知られている装置においては、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間の空気を冷却するための冷却手段は、水噴射手段として構成される。
【0003】
従来技術からわかるように、この種の装置において、水噴射を使用するのにはいくつかの理由がある。1つの大きな理由は、水噴射によって、装置のより高い効率を達成することができるからである。もう1つの理由は、装置から汚染物質が排出されるのを減少させることができるからである。
【0004】
本発明に関しては、「水噴射」という用語は、水を噴射するあらゆる形態を含むことに注意されたい。すなわち、水の噴霧、予熱された水または水蒸気の噴射などを含む。
【0005】
今日までに知られている装置によれば、上述した有益な効果を満足できるほどに達成することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の第1の目的は、装置を改善するための手段を提案することである。
【0007】
とりわけ、本発明の目的は、プリアンブルに記載された種類の知られている装置よりも高い効率を備えた装置を提供することである。
【0008】
本発明のもう1つの目的は、噴射された水を加熱/気化させるために、装置からの排気ガスの熱を最適に使用する手段を提案することである。
【0009】
さらなる目的は、プリアンブルに記載された種類の知られている装置よりも汚染物質の排出が少ない装置を提供することである。
【0010】
さらにもう1つの目的は、装置の1つまたは複数の構成要素に最適な動作条件をもたらす装置を提供することであり、その装置は、例えば、関連する1つまたは複数の構成要素を技術的に実施するのに都合のよいものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、請求項1のプリアンブルに記載された装置を提供し、その装置は、副空気経路が設けられ、低圧圧縮機の出口から送り出される圧縮空気のうち、主空気流が高圧圧縮機へ流れ、かつ副空気流が副空気経路へ流れ込むように、前記副空気経路の入口端部が、低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の入口との間に接続され、副空気流中に水を噴射するための第1の水噴射手段が、副空気経路に存在し、副空気経路の出口端部が、圧縮機タービンアセンブリの出口と出力タービンの入口との間の接続部分に接続されたことを特徴とする。
【0012】
低圧圧縮機から送り出される空気流を、主空気流と副空気流とに分割することによって、高圧圧縮機のために最適な動作条件を実現することができ、一方、副空気流中に水を効果的に噴射することもできる。この場合、主空気流を冷却する冷却手段も、同様に、水噴射手段として構成されてもよいが、その水噴射手段は、副空気流のための水噴射手段とは無関係なものである。
【0013】
好ましくは、主空気流は、副空気流よりも量が多い。例として、主空気流は、低圧圧縮機から送り出される総空気流の70から90%であり、副空気流は、10から30%である。
【0014】
副空気流は、圧縮機タービンアセンブリの下流側において主空気流と合流し、そのために、この副空気流は、比較的に低い圧力に維持されることができる。2つの空気流の合流点における圧力が、低圧圧縮機の出口における圧力よりも高い場合、補助圧縮機であるファンが、設けられてもよく、そのファンは、副空気流をより高い圧力にする。例として、このファンは電動式のファンである。
【0015】
好ましくは、熱交換器が、好ましくは、第1の水噴射手段の下流側に設けられ、この熱交換器は、排気ガス配管内における排気ガスと副空気流との間の熱伝達を行う。これによって、できるだけ多くの水を副空気流中に導入し、かつ、排気ガスからの熱を用いて、その水を気化させることが可能となる。
【0016】
本発明による装置のさらなる好都合な実施形態が、請求項に記載され、かつ、図面に基づいて以下に説明される。
【0017】
請求項および以下の説明においては、例えば、第1、第2、第3などの数を表現する語が、使用されることに注意されたい。これらの数詞は、個々の構成要素を識別するためにだけ使用され、装置に存在しあるいは装置に存在すべき類似する構成要素の数を指示するものではない。例えば、以下で説明される第4の熱交換器が存在せず、それにもかかわらず、以下で詳細に説明される第5および第6の熱交換器が存在する装置を提供することも考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
図1は、本発明によるエネルギーを発生するための装置を示す。この装置は、空気を圧縮するための圧縮機アセンブリを備える。この例においては、圧縮機アセンブリは、空気入口2および空気出口3を備えた低圧圧縮機1と、入口5および出口6を備え、低圧圧縮機の出口3が高圧圧縮機4の入口5に接続された高圧圧縮機4と、低圧圧縮機1および高圧圧縮機4を駆動するための圧縮機タービンアセンブリとを備え、その圧縮機タービンアセンブリは、単一の圧縮機タービン7を含み、かつその圧縮機タービンアセンブリは、入口8および出口9を有し、入口8は高圧圧縮機4の出口に接続される。
【0019】
この例においては、圧縮機3、4および圧縮機タービン7は、単一の共通シャフト10上に配置される。
【0020】
主空気経路12は、出口3と入口5との間に延び、その主経路12を介して、主空気流が、低圧圧縮機1から高圧圧縮機4へ流れる。低圧圧縮機1の出口から送り出される圧縮空気のうち、主空気流は高圧圧縮機4へ流れ、副空気流は副空気経路13へ流れ込むように、副空気経路13の入口端部が、前記主空気経路12に接続される。
【0021】
低圧圧縮機1からの空気流は、好ましくは、主空気流が副空気流よりも量が多いように分割される。例としては、主空気流が総空気流の85%を占め、そして、副空気流が総空気流の15%を占める。副空気経路が、主空気経路12の通路面積に対して所定の通路面積を有することによって、2つの空気流の比を一定にすることができる。適切であるならば、副空気経路13を開閉し、および/または主空気経路12に対する副空気経路13の通路面積の大きさを制御するために、例えばバルブ手段のような制御手段が、好ましくは、副空気経路13に設けられてもよい。
【0022】
副空気経路13においては、水を副空気流中に噴射するための第1の水噴射手段15が、存在する。
【0023】
主空気経路12内を流れる主空気流を冷却するために、第4の水噴射手段17が設けられる。
【0024】
水の噴射に関連して一般的に知られているように、いずれにしても、空気を冷却し、装置における質量流量を増大させることが望ましく、それによって、様々な利点が得られる。
【0025】
この例においては、ファン18が、第1の水噴射手段15の上流側において、副空気経路13に設けられ、副空気流の圧力が増加するのを制限する。このファン18は、小さな出力を有するものであってもよく、かつ、適切であるならば、電気によって駆動されてもよい。
【0026】
図1に示される装置は、また、圧縮機タービン7の入口8の上流側に高圧燃焼装置20を備える。この例においては、さらに、低圧燃焼装置25が、図示される例では圧縮機タービン7の出口9の下流側に設けられる。
【0027】
燃焼装置20、25内では、毎回、圧縮空気(その中に水蒸気が存在する)と適切な燃料との混合物が、燃焼させられる。
【0028】
さらに、装置は、機械的なエネルギーを放出するための、例えば、発電機32を駆動するための回転可能なシャフト31を備えた出力タービン30を備える。出力タービン30は、入口33および排気ガス出口35を有し、この場合、その入口33は、低圧燃焼装置25の出口に接続される。
【0029】
また、装置は、排気ガス配管を有し、その配管の入口端部40は、出力タービン30の排気ガス出口35に接続される。
【0030】
この例においては、副空気経路13の出口端部は、圧縮機タービン7の出口9と低圧燃焼装置25の入口との間の接続部分に接続される。
【0031】
排気ガス配管は、主排気ガス経路41および副排気ガス経路42を備え、それらの2つの経路41、42は、出力タービン30の出口35に接続され、それによって、主排気ガス流は、主排気ガス経路41へ流れ込み、副排気ガス流は、副排気ガス経路42へ流れ込む。
【0032】
主排気ガス流は、好ましくは、副排気ガス流よりも量が多い。例として、これらの排気ガス流の比は、上述した主空気流および副空気流の比とほぼ同じである。
【0033】
第1の熱交換器50は、好ましくは、第1の水噴射手段15の下流側において、排気ガス配管内における排気ガスと副空気流との間の熱伝達を行う。
【0034】
第2の熱交換器60は、主経路41内における主排気ガス流と、高圧圧縮機4と圧縮機タービン7の入口との間の主空気流との間の熱伝達を行う。専門家の分野においては、この第2の熱交換器60は、しばしば、レキュペレータという用語で参照される。
【0035】
第3の熱交換器70は、副排気ガス経路42内における排気ガスと、第1の熱交換器50の下流側にある副空気経路13内における副空気流との間の熱伝達を行う。
【0036】
副排気ガス経路42の出口端部は、第2の熱交換器60の下流側にある主空気経路41に接続される。そして、この接続部分の下流側に、第1の熱交換器50が配置され、それによって、すべての排気ガスが、第1の熱交換器50を流れる。
【0037】
第4の熱交換器80は、第3の熱交換器70の下流側にある副排気ガス経路42内における排気ガスと、第1の熱交換器50の下流側にある副空気経路13内における副空気流との間の熱伝達を行う。
【0038】
第1の熱交換器50は、好ましくは、排気ガスが排出される前に、できるだけ多くの熱をそれらの排気ガスから取り出すように構成される。
【0039】
適切であるならば、排気ガス配管の出口の近くに水を噴射することによって、噴射された水が、回収されてもよく、その水は、それ以前に噴射された水とともに集められる。
【0040】
図示された変形においては、副空気経路13の出口端部は、圧縮機タービン7と低圧燃焼装置25との間の接続部分に接続される。
【0041】
1つの変形においては、副空気流と燃料との適切な混合物を燃焼させるために、低圧燃焼装置は、副空気経路13に配置される。これは、複数の低圧燃焼装置を備えた装置も当然ながら考えられるが、ここでは、例えば図1に破線で示されるように、副空気経路13に挿入された燃焼装置25を含むことによって、実現されてもよい。
【0042】
さらにまた、第5の熱交換器90および第6の熱交換器95が、図示される装置に設けられ、主排気ガス経路41内における排気ガスと、高圧圧縮機4と圧縮機タービン7との間の主空気流との間の熱伝達を行う。この場合、主空気流の方向で考えると、第5および第6の熱交換器は、第2の熱交換器60の上流側に配置される。
【0043】
また、第5の熱交換器90と第6の熱交換器95との間における主空気流中に水を噴射するために、第2の水噴射手段100が、設けられることがわかる。
【0044】
さらにまた、高圧圧縮機4と第6の熱交換器95との間における主空気流中に水を噴射するために、装置は、第3の水噴射手段110を備える。
【0045】
1つの変形においては、単一の圧縮機タービンの代わりに、例えば、1つの圧縮機タービンが、低圧圧縮機を駆動し、別の圧縮機タービンが、高圧圧縮機を駆動するように、複数の圧縮機タービンが設けられてもよい。
【0046】
さらに別の変形においては、圧縮機タービンが、発電機を駆動してもよく、また、圧縮機アセンブリの1つまたは複数の圧縮機を駆動するために、発電機に結合された電動モータが、設けられてもよい。
【0047】
また、副空気流中へ水を噴射し、排気ガスから取り出された熱を副空気流へ供給するのは、図面に示されたものとは異なる方法で実施されてもよい。例えば、1つまたは複数の熱交換器が、水噴射手段の上流側に配置されてもよく、あるいは、水噴射手段が、熱交換器と同じ位置に配置されてもよく、あるいは、水噴射手段が、熱交換器間に配置されてもよい。
【0048】
上述したように、水噴射は、状況に応じて様々な形で、例えば、霧、水蒸気などの形で実施されてもよい。
【0049】
噴射される水は、排気ガスから取り出された熱を用いて予熱されてもよいが、圧縮機の下流側において圧縮空気から取り出された水を用いて予熱されてもよい。
【0050】
また、高圧圧縮機の上流側において主ガス流を冷却するための冷却手段は、水噴射によってではなく、例えば、冷風またはその他の冷却媒体あるいは選択できる様々なものを組み合わせたものを、噴射することによってなされるように構成されてもよい。適切であるならば、例えば、装置が、高温環境中に配置されるのであれば、低圧圧縮機の入口において、あるいは低圧圧縮機内において、空気が冷却されてもよい。
【0051】
図1に示される装置における温度が、限定するものではない例として、以下に列挙される。
【0052】
低圧圧縮機から送り出される空気は、130℃であり、
第4の水噴射手段によって冷却された後の主空気流は、40℃であり、
高圧圧縮機の出口における主空気流は、165℃であり、
第3の水噴射手段によって冷却された後の主空気流は、90℃であり、
レキュペレータの下流側における主空気流は、640℃であり、
高圧燃焼装置の出口における主空気流は、850℃であり、
圧縮機タービンの出口における主空気流は、620℃であり、
低圧燃焼装置の出口における空気流は、900℃であり、
出力タービンの出口における排気ガス流は、640℃である。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明による装置の例としての実施形態の回路図を示す図である。
Claims (17)
- エネルギーを発生するための装置であって、
空気を圧縮するための圧縮機アセンブリを備え、該圧縮機アセンブリが、
空気入口および空気出口を有する低圧圧縮機と、
入口および出口を有する高圧圧縮機であり、低圧圧縮機の出口が、主空気経路を介して、高圧圧縮機の入口に接続された、前記高圧圧縮機と、
低圧圧縮機および/または高圧圧縮機を駆動するための圧縮機タービンアセンブリとを有し、前記圧縮機タービンアセンブリが、単一の圧縮機タービンまたは直列に配置された複数の圧縮機タービンからなり、かつ入口および出口を有し、圧縮機タービンアセンブリの前記入口が、高圧圧縮機の出口に接続され、
前記エネルギーを発生するための装置がさらに、
高圧圧縮機の出口の上流側にある位置において空気を冷却するための冷却手段と、
圧縮空気と燃料との適切な混合物を燃焼させるための燃焼装置と、
圧縮機タービンアセンブリの出口に接続された入口と排気ガス出口とを有する、機械的なエネルギーを伝達するための回転可能なシャフトを備えた出力タービンと、
入口端部が、出力タービンの排気ガス出口に接続された、前記排気ガス配管とを備え、
副空気経路が設けられ、低圧圧縮機の出口から送り出される圧縮空気のうち、主空気流が、主空気経路を経由して高圧圧縮機へ流れ、かつ副空気流が、副空気経路へ流れ込むように、前記副空気経路の入口端部が、低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の入口との間に接続され、
副空気流中に水を噴射するための第1の水噴射手段が、副空気経路に設けられ、
副空気経路の出口端部が、圧縮機タービンアセンブリの出口と出力タービンの入口との間の接続部分に接続されたことを特徴とする、装置。 - 副空気流の圧力を増大させるために、ファンが、副空気経路内に組み込まれた、請求項1に記載の装置。
- 第1の熱交換器が、好ましくは第1の水噴射手段の下流側に設けられ、前記第1の熱交換器が、排気ガス配管内における排気ガスと副空気流との間の熱伝達を行う、請求項1または2に記載の装置。
- 排気ガス配管が、主排気ガス経路および副排気ガス経路を備え、主および副排気ガス経路は、主排気ガス流が、主排気ガス経路に流れ込み、かつ副排気ガス流が、副排気ガス経路に流れ込むように、出力タービンの出口に接続され、
第2の熱交換器が設けられ、前記第2の熱交換器が、主排気ガス流と、高圧圧縮機と圧縮機タービンアセンブリの入口との間の主空気流との間の熱伝達を行い、
第3の熱交換器が設けられ、前記第3の熱交換器が、副排気ガス経路内における排気ガスと、副空気経路内における副空気流との間の熱伝達を行う、請求項3に記載の装置。 - 副排気ガス経路が、出口端部を、第2の熱交換器の下流側にある主排気ガス経路に接続され、第1の熱交換器が、該接続の下流側に配置された、請求項4に記載の装置。
- 第4の熱交換器が設けられ、前記第4の熱交換器が、第3の熱交換器の下流側の副排気ガス経路内における排気ガスと、第1の熱交換器の下流側の副空気経路内における副空気流との間の熱伝達を行う、請求項4または5に記載の装置。
- 低圧燃焼装置が、圧縮機タービンアセンブリの出口と出力タービンとの間に配置された、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
- 副空気経路の出口端部が、圧縮機タービンアセンブリと低圧燃焼装置との間の接続部分に接続された、請求項7に記載の装置。
- 副空気流と燃料との適切な混合物を燃焼させるために、低圧燃焼装置が、副空気経路内に配置された、請求項1から8のいずれか一項に記載の装置。
- 第5および第6の熱交換器が設けられ、第5および第6の熱交換器が、主排気ガス経路内における排気ガスと、高圧圧縮機と圧縮機タービンアセンブリとの間の主空気流との間の熱伝達を行う、請求項1から9のいずれか一項に記載の装置。
- 第5の熱交換器と第6の熱交換器との間の主空気流中に水を噴射するために、第2の水噴射手段が設けられた、請求項10に記載の装置。
- 高圧圧縮機の下流側における主空気流中に水を噴射するために、第3の水噴射手段が設けられた、請求項1から11のいずれか一項に記載の装置。
- 低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の出口との間の主空気流を冷却するための冷却手段が、第4の水噴射手段として構成された、請求項1から12のいずれか一項に記載の装置。
- 圧縮空気および燃料からなる適切な混合物を燃焼させるために、高圧燃焼装置が、高圧圧縮機の出口と圧縮機タービンアセンブリの入口との間に配置された、請求項1から13のいずれか一項に記載の装置。
- 圧縮機タービンアセンブリが、単一の圧縮機タービンを含み、前記単一の圧縮機タービンが、低圧圧縮機および高圧圧縮機と共有する共通シャフト上に配置された、請求項1から14のいずれか一項に記載の装置。
- 圧縮機タービンが、発電機を駆動し、圧縮機アセンブリの1つまたは複数の圧縮機を駆動するために、発電機に結合された電動モータが設けられた、請求項1から14のいずれか一項に記載の装置。
- 第1の熱交換器の下流側において、例えば、第3の熱交換器と第4の熱交換器との間において、副空気流中に水を噴射するために、第5の水噴射手段が設けられた、請求項3に記載の装置。
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