JP2014005830A - ターボマシン用温水注入 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボマシンを提供すること。
【解決手段】このターボマシンは、第１の圧縮空気が燃料とともに燃焼可能であり水を受け入れ可能な燃焼器を含む。水が第２の圧縮空気を冷却するのに使用された後で、その水は、燃焼器に供給され、第２の圧縮空気が燃料を霧化するのに使用される前に、第２の圧縮空気を冷却するのに使用される。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示された主題は、ターボマシンに関し、より詳細には、排出制御および効率向上のために、噴霧用空気を冷却するのに水を用いるターボマシンに関する。

液体燃料モードで動作するガスタービンエンジンでは、液体燃料の適切な燃焼を促進できることから、噴霧用空気を、圧縮機の排気から引き出し、燃焼に先立って液体燃焼を霧化するのに用いることができる。圧縮機の排気から得た噴霧用空気は、初めは、華氏約７００度の非常に高い温度で供給され、そのため、液体燃料を霧化するのに用いることができるようにする前に、華氏約２２５度に冷却しなければならない。噴霧用空気の冷却は、現在、例えば冷却塔から得た冷却水を用いる噴霧用空気トリム冷却器を用いて実現している。

ガスタービンエンジンが液体燃料で動作する際、排出制御のために、しばしば水注入を用いる。水を、高圧であるが室温で燃焼器に注入する。注入した水は、燃焼器で水蒸気に変換され、相変化のための潜熱は、燃焼ガスから取り出されるため、ガスタービンエンジンの性能に影響を与える。

米国特許第ＲＥ４３，２５２号公報

本発明の一態様によれば、ターボマシンが提供され、このターボマシンは、第１の圧縮空気が燃料とともに燃焼可能であり水を受け入れ可能な燃焼器を備える。水が第２の圧縮空気を冷却するのに使用された後で、その水が燃焼器に供給され、第２の圧縮空気が燃料を霧化するのに使用される前に、第２の圧縮空気を冷却するのに使用される。

本発明の別の態様によれば、ターボマシンが提供され、このターボマシンは、作動流体を生成するように圧縮空気および燃料が燃焼可能であり水を注入することができる燃焼器と、燃料を霧化するように構成された噴霧用空気圧縮機と、噴霧用空気圧縮機に燃料の霧化に用いる圧縮空気を供給するように構成された供給回路と、供給回路および燃焼器に連続的に結合された冷却回路とを備える。冷却回路は、燃料の霧化に先立って噴霧用空気圧縮機に供給される圧縮空気を水で冷却し、その後、燃焼器内へ注入するためにその水を供給するように構成されている。

本発明のさらに別の態様によれば、ターボマシンが提供され、このターボマシンは、作動流体を生成するように第１の量の圧縮空気および燃料が燃焼可能であり排出制御および効率向上のために加熱水を注入可能な燃焼器と、霧化燃料を燃焼器に注入するように構成されたノズルと、噴霧用空気圧縮機に、燃料の霧化に用いる第２の量の圧縮空気を供給するように構成された供給回路と、供給回路および燃焼器に連続的に結合された冷却回路とを備える。冷却回路は、燃料の霧化に先立って第２の量の圧縮空気を水で冷却し、その後、排出制御および効率向上のために、加熱水である水を燃焼器に供給するように構成されている。

他の利点および特徴は、図面と併せて、以下の記載からより明らかになるであろう。

本発明とされる主題は、本明細書に添付の特許請求の範囲で具体的に指摘し、明瞭に主張する。本発明の以上および他の特徴および利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態によるターボマシンの回路図である。

発明を実施するための形態では、例として図面を参照して、利点および特徴とともに、本発明の実施形態を説明する。

唯一の図を参照すると、ターボマシン１０が提供されている。ターボマシン１０は、ガスタービンエンジン２０と、供給回路４０と、冷却回路６０とを含む。ガスタービンエンジン２０は、燃焼器２１と、タービン２２と、回転軸２３と、ジェネレータ２４と、圧縮機２５とを含む。燃焼器２１は、内部に少なくとも１つの燃焼域を画定し、注入可能な水を受け入れる容器として提供される。燃焼域内で、高温高圧の作動流体を生成するように、第１の量の圧縮空気２５０および液体燃料２５１（ガスタービンエンジン２０の液体燃料モードで）は燃焼可能である。さらに、以下に述べるように、排出制御および効率向上のため加熱水を燃焼器２１に注入することができる。

タービン２２は、燃焼器２１の下流に配置され、燃焼器２１から作動流体を受け入れる。タービン２２は、様々な段階の空力要素を含み、これらの要素は、空力的に作動流体と相互作用し、それによって、作動流体から力学的エネルギーを引き出し、ロータの周りを回転するように構成されている。この回転により、回転軸２３が回転駆動される。ジェネレータ２４は、回転軸２３上に配置され、回転軸２３の回転から電気を生成するように構成されている。圧縮機２５は、同様に、回転軸２３上に配置され、回転軸２３の回転によって、流入空気を圧縮し、それにより、第１の量の圧縮空気２５０を、第２の量の圧縮空気２５２とともに、生成するように構成されている。

第１の量の圧縮空気２５０および第２の量の圧縮空気２５２は、圧縮機２５から引き出される。実施形態によれば、第１および第２の量の圧縮空気２５０、２５２は、圧縮機２５の１つまたは複数の最終段階で引き出しうる。第１および第２の量の圧縮空気２５０、２５２は、圧縮機２５の同一の段階で引き出す必要はない。

ターボマシン１０はさらに、噴霧用空気圧縮機７０と燃料ノズル８０とを含む。燃料ノズル８０は、液体燃料２５１を、液体燃料の適切な燃焼を促進することができるように、霧化液体燃料２５１として燃焼器２１内に注入するように構成されている。噴霧用空気圧縮機７０は、液体燃料２５１に対して実行する霧化動作において、第２の量の圧縮空気２５２を使用するように構成されている。ターボマシン１０はさらに、制御バルブ９０を含みうる。制御バルブ９０は、燃料ノズル８０と噴霧用空気圧縮機７０の間に動作可能に配置され、霧化する液体燃料２５１および第２の量の圧縮空気２５２のそれぞれの量を調節することによって、燃料を霧化の量または霧化の程度を制御するように動作可能である。

供給回路４０は、噴霧用空気圧縮機７０に、液体燃料２５１の霧化動作に用いる第２の量の圧縮空気２５２を供給するように構成されている。実施形態によれば、供給回路４０は、噴霧用空気トリム冷却器４１を含む。噴霧用空気トリム冷却器４１内で、第２の量の圧縮空気２５２は、冷却回路６０を介して供給した水によって冷却される。したがって、噴霧用空気トリム冷却器４１は、管形熱交換器、またはプレートフィン熱交換器などの適切な任意のタイプの熱交換器を含みうる。供給回路４０はさらに、噴霧用空気トリム冷却器４１と噴霧用空気圧縮機７０の間に連続的に介在する湿分分離器４２およびフィルタ４３を含む。

冷却回路６０は、供給回路４０および燃焼器２１に連続的に結合されている。冷却回路６０は、液体燃料２５１の霧化動作の際、第２の量の圧縮空気２５２を用いるのに先立ち、第２の量の圧縮空気２５２を水で冷却するように構成されている。冷却回路６０はさらに、排出制御および効率向上のために、続いて加熱水である水を燃焼器２１に供給するように構成されている。

実施形態によれば、冷却回路６０によって使用される水は、冷却塔の水を含み、室温で、または室温近くで、噴霧用空気トリム冷却器４１に供給することができる。さらなる実施形態によれば、冷却回路６０は、供給回路４０の噴霧用空気トリム冷却器４１に、導管６２および第２の導管６３を介して水を注入するように構成されている水注入スキッド６１を含む。第２の導管６３は、第１の端部で、噴霧用空気トリム冷却器４１に、第２の端部で、燃焼器２１に結合されている。このように、第２の導管６３は、噴霧用空気トリム冷却器４１から燃焼器２１へ加熱水である水を輸送するように構成されている。

例示的な実施形態によれば、上記の構成では、噴霧用空気トリム冷却器４１に水を華氏約７０度で供給することができる。こうして、第２の量の圧縮空気２５２を、華氏７００度から華氏約２２５度まで冷却しうる。同時に、水を、燃焼器２１に供給するのに先立って、華氏約７０度まで加熱しうる。このように、水を華氏約７０度から華氏約３００度まで加熱するのに必要なエネルギーは、第１の量の圧縮空気２５０または燃焼器２１で生成した作動流体からではなく、第２の量の圧縮空気２５２から供給される。

本発明を限定された数の実施形態のみに関連させて詳述してきたが、本発明が開示したそのような実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、ここでは述べていないが本発明の精神および範囲に相応するような任意の数の変形形態、代替形態、置換形態、等価構成を組み込むように修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態を記載したが、本発明の態様は、記載した実施形態のうちの一部のみを含みうることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の記載によって限定されるものと理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されるものである。

１０ ターボマシン
２０ ガスタービンエンジン
２１ 燃焼器
２２ タービン
２３ 回転軸
２４ ジェネレータ
２５ 圧縮機
２５０ 第１の圧縮空気
２５１ 液体燃料
２５２ 第２の圧縮空気
４０ 供給回路
４１ 噴霧用空気トリム冷却器
４２ 湿分分離器
４３ フィルタ
６０ 冷却回路
６１ 水注入スキッド
６２ 導管
６３ 第２の導管
７０ 噴霧用空気圧縮機
８０ 燃料ノズル
９０ 制御バルブ

Claims (20)

1. 第１の圧縮空気が燃料とともに燃焼可能であり水を受け入れ可能な燃焼器を備え、
   前記水が第２の圧縮空気を冷却するのに使用された後で、前記水が前記燃焼器に供給され、
   前記第２の圧縮空気が前記燃料を霧化するのに使用される前に、前記水が前記第２の圧縮空気を冷却するのに使用される、ターボマシン。
2. 前記水が室温の冷却塔から供給される、請求項１記載のターボマシン。
3. 前記第２の圧縮空気が前記水で冷却される噴霧用空気冷却器をさらに備える、請求項１記載のターボマシン。
4. 噴霧用空気冷却器の下流に配置され、前記第２の圧縮空気が燃焼させるために前記燃料を霧化する噴霧用空気圧縮機をさらに備える、請求項３記載のターボマシン。
5. 作動流体を生成するように圧縮空気および燃料が燃焼可能であり水を注入することができる燃焼器と、
   前記燃料を霧化するように構成された噴霧用空気圧縮機と、
   前記噴霧用空気圧縮機に、燃料の霧化に用いる圧縮空気を供給するように構成された供給回路と、
   前記供給回路および前記燃焼器に連続的に結合された冷却回路であって、燃料の霧化に先立って前記噴霧用空気圧縮機に供給される前記圧縮空気を水で冷却し、その後、前記燃焼器内へ注入するために前記水を供給するように構成された冷却回路とを備えた、ターボマシン。
6. 前記燃焼器で生成された前記作動流体から力学的エネルギーを引き出して、軸を回転駆動させるタービンと、
   前記軸上に配置されて、前記軸の前記回転から電気を生成するジェネレータと、
   前記軸上に配置されて、前記軸の前記回転によって流入空気を圧縮する圧縮機とをさらに備え、前記圧縮空気が前記圧縮機から引き出される、請求項５記載のターボマシン。
7. 前記圧縮空気が前記圧縮機の最終段階から引き出される、請求項６記載のターボマシン。
8. 前記燃料の霧化の量を制御するように動作可能な制御バルブをさらに備える、請求項５記載のターボマシン。
9. 前記供給回路が、
   前記圧縮空気が前記水によって冷却される噴霧用空気冷却器と、
   前記噴霧用空気冷却器と前記霧化空気圧縮機の間に連続的に介在する湿分分離器およびフィルタとを備える、請求項５記載のターボマシン。
10. 前記水が冷却塔の水を含む、請求項５記載のターボマシン。
11. 前記水が室温で供給される、請求項５記載のターボマシン。
12. 前記冷却回路が、前記水を前記供給回路に注入する水注入スキッドを備える、請求項５記載のターボマシン。
13. 作動流体を生成するように第１の量の圧縮空気および燃料が燃焼可能であり排出制御および効率向上のために加熱水を注入可能な燃焼器と、
    霧化燃料を前記燃焼器に注入するように構成されたノズルと、
    噴霧用空気圧縮機に、燃料の霧化に用いる第２の量の圧縮空気を供給するように構成された供給回路と、
    前記供給回路および前記燃焼器に連続的に結合された冷却回路であって、前記燃料の霧化に先立って前記第２の量の圧縮空気を水で冷却し、その後、排出制御および効率向上のために、加熱水である前記水を前記燃焼器に供給するように構成された冷却回路とを備える、ターボマシン。
14. 前記燃焼器で生成された前記作動流体から力学的エネルギーを引き出して、軸を回転駆動させるタービンと、
    前記軸上に配置されて、前記軸の前記回転から電気を生成するジェネレータと、
    前記軸上に配置されて、前記軸の前記回転によって流入空気を圧縮する圧縮機とをさらに備え、
    前記第１および第２の量の圧縮空気が前記圧縮機から引き出される、請求項１３記載のターボマシン。
15. 前記第１および第２の量の圧縮空気が前記圧縮機の最終段階から引き出される、請求項１４記載のターボマシン。
16. 前記ノズルと前記噴霧用空気圧縮機の間に動作可能に配置され、前記燃料の霧化の量を制御するように動作可能である制御バルブをさらに備える、請求項１３記載のターボマシン。
17. 前記供給回路が、
    前記第２の量の圧縮空気が前記水によって冷却される噴霧用空気冷却器と、
    前記噴霧用空気冷却器と前記噴霧用空気圧縮機の間に連続的に介在する湿分分離器およびフィルタとを備える、請求項１３記載のターボマシン。
18. 前記水が冷却塔の水を含む、請求項１３記載のターボマシン。
19. 前記水が室温で供給される、請求項１３記載のターボマシン。
20. 前記冷却回路が、前記水を前記供給回路に注入する水注入スキッドを備える、請求項１３記載のターボマシン。