JP2014520998A - 一軸ガスタービンの拡張された範囲での低排出燃焼のために空気流量を削減する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部分負荷条件を含む拡張された運転範囲を有する一軸ガスタービンエンジンにおいて、低排出燃焼を提供するために、圧縮機を通過する空気量流を削減する装置。
【解決手段】本装置は、圧縮機の入口領域に圧縮空気を吹き込むために配置された１つ以上のノズルを備える。ノズルは、圧縮空気を、回転方向の接線方向に且つ回転方向と同じ角度方向に向けるよう方向づけられ、圧縮機インデューサへの吸気流において渦を発生させる。また、本装置は、圧縮機ディフューザとノズルとの間を流体連通する導管と、作動的に接続されてディフューザからノズルへの圧縮空気の流れを制御する１つ以上の弁と、弁に作動的に接続されて部分負荷条件での運転中にノズルへの圧縮空気流を引き起こすコントローラと、をも備える。
【選択図】図１

Description

本願は、２０１１年６月２９日に出願された米国特許出願第１３／１７１，５３８号に基づく優先権を主張する。当該出願の内容は参照によりここに組み込まれる。

[001] 本発明は一軸ガスタービンエンジンに関する。より詳細には、本発明は、全（１００％）負荷と部分負荷とを含む負荷範囲の全域に亘って運転可能な低排出一軸ガスタービンエンジンに関する。

[002] １００％（「全負荷」）から部分負荷（例えば全負荷の約７０％）までの通常運転範囲の全域に亘って低排出を要するガスタービンエンジンは、これを、燃焼器への空気量流を削減し許容可能な燃料／空気比を維持することによって、超希薄燃焼に起因する有毒な一酸化炭素（ＣＯ）ガスを過度に発生させることなく、３つの基本的な方法で達成することができる。

[003] 第一に、別々の回転自在に独立した軸をそれぞれ備えたガス発生モジュールと出力モジュールとを有する二軸タービンエンジンを用いることによって、ガス発生モジュールは、部分負荷では、押さえた速度を有するよう、そしてその結果自動的に削減された空気量流を有するよう、意図的に制御される。

[004] 第二に、一軸タービンエンジンは、全体効率を犠牲にして、燃焼器の上流で、圧縮機から外部へわずかな空気量流を放出するように、あるいは、空気量流の一部を燃焼器を迂回してタービンの前で再注入するように構成可能であり、それによって圧縮空気のエネルギーを保全する。

[005] 部分負荷条件での空気量流を削減する第三の方法は、可動の入口案内翼を用いることによって圧縮機に流入する空気を絞り、吸気を、遠心式圧縮機のインデューサ位置又は軸流式圧縮機の１段目の回転方向の渦に向けるというものである。

本発明は、圧縮機入口に隣接する領域に、入口案内翼を用いることなく、回転方向の概ね接線方向に空気噴流を吹き込むことによって、燃焼器に流入する空気量流の削減を空気力学的に達成する。図１を参照のこと。噴流は、空気取入口の周囲又はハブ領域のいずれか、もしくは両方に配置可能である。図２。１つ以上の弁がエンジン制御からの指令により噴流への空気を開閉する。噴流を通過した空気量流は圧縮機出口領域から取り出され、どのくらいの量のＣＯ削減が必要とされるかに応じて可変で、合計すると名目上はエンジンの総空気量流の１０％乃至１５％の範囲内となるであろう。本発明は圧縮機の仕事を軽減するが、圧縮される空気と混ざり合う噴流空気の温度が高くなることに起因して、いくらかの損失を伴うであろう。しかしながらこれは、追加的なハードウェアの費用、故障部品の巻き込みのリスク、ならび不使用時、例えば全負荷条件のときの案内翼に関連した空気力学的損失を低減する装置及び方法の代償としては小さな犠牲である。

[006] 本発明の一態様によれば、部分負荷条件を含む拡張された運転範囲を有する一軸ガスタービンエンジンにおける空気量流を削減する装置が提供される。ここで、ガスタービンエンジンは、回転軸と入口領域と出口領域とを有する回転空気圧縮機を備える。装置は、圧縮空気を入口領域に吹き込むために配置された少なくとも１つのノズルを含む。ノズルは、圧縮空気を、回転方向の接線方向に且つ回転方向と同じ角度方向に向けるように方向づけられ、圧縮機への吸気流において渦を発生させる。装置は、この１つ以上のノズルと、該１つ以上のノズルに作動的に接続されて該１つ以上のノズルへの圧縮空気の流れを制御する１つ以上の弁に連通する圧縮空気源と、も含んでいる。装置はさらに、該１つ以上の弁に作動的に接続されて指定の部分負荷条件での運転中に該１つ以上のノズルへの圧縮空気流を引き起こすコントローラを含んでいる。

[007] 本発明の別の態様によれば、部分負荷条件を含む拡張された運転範囲に亘って一軸ガスタービンエンジンにおける空気量流を削減する方法は、部分負荷条件での運転中に、回転方向の概ね接線方向に且つ回転方向と同じ角度方向に、圧縮空気を圧縮機入口領域へ制御可能に吹き込むことによって、吸気量流に渦を発生させることを含む。

[008] 本発明の追加的な態様は、一部は以下の説明に記述されるであろうし、また一部は以下の説明から明らかとなるか、あるいは本発明を実行することにより確認されるであろう。

[009] 先の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、単に例示的及び説明的なものであって、添付の特許請求の範囲に定義される本発明を限定するものではないことが理解されるべきである。

[010] 本明細書に組み込まれ本明細書の一部を構成している添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を図示しており、説明とともに本発明の原理を明らかにすることに資するものである。

[011] 一軸ラジアルガスタービンエンジンの圧縮機部分の概略垂直断面図であって、空気量流を圧縮機入口に絞り込む装置を示す。 [012] 図１の図２(FIG.2)−図２(FIG.2)線における圧縮機の軸を通る概略断面図である。 [013] 図１の図３(FIG.3)−図３(FIG.3)線における圧縮機の軸を通る概略断面図である。

[014] 添付の図面に図示された本発明の例示的な実施形態を詳細に参照する。同一又は同様の部分の参照には、図面を通して可能な限り同一の参照番号を用いる。

[015] 本発明の装置及び方法は、一軸ガスタービンエンジンとともに使用すること、すなわち、圧縮機の構成要素が駆動タービンと同一の速度（ＲＰＭ）で駆動される場合を対象としている。図１は、そのような一軸エンジンの圧縮機１０を概略的に図示している。図１には示されていないが、当業者であれば、圧縮機１０が燃料との燃焼のために（図示していない）燃焼器に圧縮空気を供給し、それによって生じる燃焼ガスがタービンの構成要素部品に導かれることがわかるであろう。タービンの（図示していない）構成要素はこのガスから出力を抽出して、圧縮機１０及び適当な動力取出装置、例えば、（同じく図示していない）発電機又は油圧／空気圧モータを駆動するであろう。

[016] 具体的には、図１に示す圧縮機１０は、ステータ部１４及びロータ部１６を備えたハブ１２を有する種類の遠心式圧縮機である。ロータ部１６は回転軸２２回りに軸２０を中心に回転する圧縮機翼１８を搭載している。圧縮機１０は、翼１８のインデューサ部２６の上流の入口領域２４及びディフューザ３０を備えた出口領域２８も含んでいる。圧縮機１０はさらに、圧縮機翼１８のそばを通る空気流路３４及び翼１８の吸気領域３８からインデューサ部２６への空気流路３６を部分的に定義する圧縮機シュラウド３２も備えている。

[017] 図１に図示された圧縮機１０は、半径流タービン（図示せず）を有するガスタービンエンジンにおいて任意で使用され得る遠心式圧縮機であるが、以下に説明される、部分負荷での空気量流を削減する本発明は、軸流式ガスタービンエンジンにおいて軸流式圧縮機とともに用いられてもよい。よって、本発明は、遠心式圧縮機又は遠心式圧縮機を有するエンジンに限定されることを意図したものではない。

[018] 本発明によれば、部分負荷条件を含む拡張された運転範囲を有する一軸ガスタービンエンジンにおける空気量流を削減する装置は、入口領域に圧縮空気を吹き込むために配置された少なくとも１つのノズルを含む。ノズルは、圧縮空気を回転方向の接線方向に、且つ回転方向と同じ角度方向に向けるよう方向づけられ、圧縮機への吸気流において渦を発生させる。ここに具現化されるように、また図１及び図２を参照すると、１つ以上のノズル４０は、インデューサ２６のすぐ上流の圧縮機入口領域２４の位置「Ａ」でシュラウド３２に取り付けられている。理論的には単一のノズル４０が使用可能であるが、２乃至８個のノズルをシュラウド３２上に角度的に分散させて用いるのが好ましい場合がある。ノズル４０は、図２に図示されるように、空気を入口領域２４に接線方向に、ロータ１６の回転と同じ角度方向に向けるよう方向づけられる。

[019] さらに本発明によれば、装置は、１つ以上のノズルと連通する圧縮空気源と、作動的に接続されて該１つ以上のノズルへの圧縮空気の流れを制御する１つ以上の弁と、該１つ以上の弁に作動的に接続されて部分負荷条件でのエンジン運転中に圧縮空気を該１つ以上のノズルへと流れさせるコントローラと、を含んでいる。

[020] 図示された実施形態においては、圧縮空気はディフューザ３０等の圧縮機出口領域２８から取り出され、ディフューザ３０からの主導管４４と、個々のノズル４０への供給用の１つ以上の分岐導管４６とを含む導管４２を通じて、ノズル４０に導かれる。導管４４には単一の弁４８が配置されているが、導管４６においては複数の弁が用いられてもよい。弁４８は開閉式又は比例式の弁であってもよく、エンジン負荷を表す信号５２を入力として有するコントローラ５０によって制御される。コントローラ５０はエンジンコントローラ又は別個の制御装置であってもよい。

[021] 例えば全負荷の約９０％から約７０％の範囲のように、部分負荷運転体制の全期間中又は一部の期間中、ノズル４０への圧縮空気を制御することが好ましい場合がある。この範囲においては、圧縮空気流量は、全負荷条件での圧縮機空気質量流量の約１０％から約１５％に及ぶものと予測される。

[022] 圧縮空気吹き込みにより意図される効果は、ロータ１６のインデューサ部２６に入射する吸気において渦を発生させることである。翼１８の態様は、典型的には軸２２に対して所定の角度（一般的には０度）で流入空気を受けるよう設定されるので、渦を介して流入空気の入射角を変化させることは、圧縮機の効率を悪化させるとともに、それによって空気量流を絞るよう作用する。それでもなお、エンジン部分負荷出力範囲の全域にわたる全体的な運転性能は、本発明の利用によって向上することが見込まれる。さらに、例えば弁４８に比例弁を用いることにより所望の渦を得るために吹き込まれる圧縮空気の量を変更することで、効率の悪さを低減してもよい。

[023] 図１及び図３に注目すると、部分負荷エンジン運転中の圧縮機を通過する空気量流を削減する装置の代替的又は追加的な構成が示されている。このような構成では、１つ以上のノズル６０が図１の位置「Ｂ」においてハブステータ１４に取り付けられている。ここでも、単一のノズル６０を使用可能であるが、２乃至８個の角度的に分散させたノズル６０を用いることが好ましい場合がある。圧縮空気は、ディフューザ３０から単一の導管６２を介して、次いで別々の分岐導管６４を介して、個々のノズル６０へと供給されてもよい。導管６２には単一の弁６６が配置されているが、導管６４においては別々の弁を用いて流れを制御することが可能である。圧縮空気の流量は、コントローラ５０からの信号を経て、弁６６の負荷に従って制御される。圧縮機１０が（図３に図示される固定された入口案内翼７０のように）固定された入口案内翼を有する取入口を含む場合には、ノズル６０の位置は、好ましくは入口案内翼７０の下流であるべきである。ここでもやはり、図３に図示されたノズル６０は、図２に図示されたノズル４０の代替物として、あるいはノズル４０と併せて用いられてもよい。装置がノズル４０及び６０の両方を含む場合には、図１に概略的に図示されているコントローラ５０のような単一のコントローラを用いて、両組のノズルを同時に制御してもよい。

[024] 本発明の他の実施形態は、当業者には、本明細書の検討及びここに開示された本発明の実行により明らかとなるであろう。本明細書及び実施例は単なる例示として考えられることを意図したものであり、本発明の実際の範囲及び精神は添付の特許請求の範囲により示される。

Claims (20)

1. 部分負荷条件を含む拡張された運転範囲に亘って一軸ガスタービンエンジンにおける空気量流を削減する方法であって、前記ガスタービンエンジンは、回転軸と入口領域と出口領域とを有する回転空気圧縮機を備え、
   前記方法は、部分負荷条件での運転中に、回転方向の概ね接線方向に且つ前記回転方向と同じ角度方向に、圧縮空気を前記圧縮機の前記入口領域へ制御可能に吹き込むことによって、吸気量流に渦を発生させることを含む、方法。
2. 前記圧縮機の前記出口領域から吹き込まれるべき前記圧縮空気を抽出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧縮空気は、全負荷の約９０％から約７０％のエンジン運転中に吹き込まれる、請求項１に記載の方法。
4. 吹き込まれた前記圧縮空気の流量は、タービンエンジンガスコントローラに応答して作用する少なくとも１つの弁により制御される、請求項１に記載の方法。
5. 前記弁は、開閉弁又は比例弁である、請求項４に記載の方法。
6. 前記圧縮空気を前記圧縮機の前記出口領域のディフューザから抽出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 吹き込まれた前記圧縮空気の流量は、全負荷条件での前記圧縮機を通過する前記空気量流の０％より大きく約１５％以下である、請求項１に記載の方法。
8. 前記圧縮機は、入口シュラウドを有し、
   前記制御可能に吹き込むことは、前記入口シュラウドに配置された１つ以上のノズルを通して前記圧縮空気を流すことを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記圧縮機は、入口ステータハブを有し、
   前記圧縮空気を制御可能に吹き込むことは、前記入口ステータハブに配置された少なくとも１つのノズルを通して前記圧縮空気を流すことを含む、請求項１に記載の方法。
10. ２乃至８個の角度的に相隔たったノズルを用いて前記圧縮空気を吹き込む、請求項８に記載の方法。
11. ２乃至８個の角度的に相隔たったノズルを用いて前記圧縮空気を吹き込む、請求項９に記載の方法。
12. 前記圧縮機は、さらに入口ステータハブを有し、
    前記圧縮空気を制御可能に吹き込むことは、前記入口ステータハブに配置された少なくとも１つのノズルを通して前記圧縮空気を流すことをも含む、請求項８に記載の方法。
13. 部分負荷条件を含む拡張された運転範囲を有する一軸ガスタービンエンジンにおける空気量流を削減する装置であって、前記ガスタービンエンジンは、回転軸と入口領域と出口領域とを有する圧縮機を備え、
    前記装置は、
    前記入口領域に圧縮空気を吹き込むために配置された少なくとも１つのノズルであって、前記圧縮空気を、回転方向の接線方向に且つ前記回転方向と同じ角度方向に向けるよう方向づけられ、前記圧縮機への吸気流において渦を発生させる、ノズルと、
    前記１つ以上のノズルに連通する圧縮空気源と、
    前記１つ以上のノズルに作動的に接続されて前記１つ以上のノズルへの圧縮空気の流れを制御する１つ以上の弁と、
    前記１つ以上の弁に作動的に接続されて部分負荷条件でのエンジン運転中に前記１つ以上のノズルへの前記圧縮空気の流れを引き起こすコントローラと、
    を備える、装置。
14. 前記ガスタービンエンジンは、エンジンコントローラを含み、
    前記エンジンコントローラもまた、前記圧縮空気の流れを制御する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記圧縮空気源は、前記圧縮機の前記出口領域にあるディフューザである、請求項１３に記載の装置。
16. 前記１つ以上の弁は、開閉弁又は比例弁である、請求項１３に記載の装置。
17. 前記コントローラは、約９０％から約７０％の部分負荷条件で圧縮空気の吹き込みを提供するよう構成されている、請求項１３に記載の装置。
18. 前記１つ以上のノズルを通過する前記圧縮空気の質量流量は、全負荷ガスタービンエンジン空気質量流量の約１０％から約１５％である、請求項１３に記載の装置。
19. 前記圧縮機は、入口シュラウドを有し、
    前記１つ以上のノズルは、前記入口シュラウドに取り付けられた２乃至８個のノズルを有する、請求項１３に記載の装置。
20. 前記圧縮機は、ハブを含む入口ステータを有し、
    前記１つ以上のノズルは、前記ステータハブに取り付けられた２乃至８個のノズルを有する、請求項１３に記載の装置。

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