(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一レベルの出力（２４０）を維持するように、変動する周囲温度下で圧縮機（１００）を動作する方法であって、
所定の周囲設計条件温度に達するまで、複数の吸気案内羽根（１８０）を伸長位置に位置決めするステップと、
周囲温度が所定の周囲設計条件温度を超えると、複数の吸気案内羽根（１８０）を開放位置に移行させるステップと、
周囲温度が所定の周囲設計条件温度を超えると、湿り圧縮装置（１９０）を作動させるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記湿り圧縮装置（１９０）を作動させる前記ステップは、複数の噴霧ヘッド（２００）から水を噴霧するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記湿り圧縮装置（１９０）を作動させる前記ステップは、前記複数の吸気案内羽根（１８０）を開放位置に位置決めする前記ステップの後に実施する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
圧縮機吐出圧力及び温度をモニターするステップをさらに含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
低合金ロータホイール（１２０）を設置するステップをさらに含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記圧縮機（１００）は、
圧縮機後部セクション（１７０）周辺に配置される複数のロータホイール（１２０）であって、低合金材料を含む前記複数のロータホイール（１２０）と、
圧縮機入口セクション（１６０）周辺に配置される複数の吸気案内羽根（１８０）と、
前記圧縮機入口セクション（１６０）周辺に配置される湿り圧縮装置（１９０）とを備える、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記複数の吸気案内羽根（１８０）は、開放位置及び完全伸長位置を取ることが可能である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記圧縮機（１００）が、
前記湿り圧縮装置（１９０）は複数の噴霧ヘッド（２００）を備える、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記圧縮機（１００）が、
複数の吸気案内羽根（１８０）及び湿り圧縮装置（１９０）と連通した制御装置（２１０）をさらに備える、請求項６乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記低合金材料はＮｉＣｒＭｏＶ材料を含む、請求項６乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記低合金材料は耐クリープ材料を含む、請求項６乃至９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービン圧縮機と、同一レベルの出力を提供するように、変動する温度下で圧縮機を動作する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの圧縮機からの空気質量流量は、一般に周囲温度に応じて変動する。高温日の空気の密度は、約５９°Ｆ（約１５℃）の標準ＩＳＯ日（「国際標準化機構」）と比較して、約１０％〜約２０％低下する可能性がある。同様に、ガスタービンエンジンにより発電される総電力も、約１０％〜約２０％前後減少する可能性がある。しかし、この出力減少は一般に、空調負荷の増大などによる、消費者と産業電力需要の増加と一致する。その結果、電力需要の上昇と発電能力の低下が重なり、気温が低い日の通常の電力需要及び発電能力と比較して、電力価格が１０倍以上に高くなることもある。
【０００３】
高温日に発電量を増加する試みとして、損失流量を補償するために発電機のサイズを大きくするものがあった。しかし、規模を大きくすると、費用も増大する。さらに、より温暖な日に温度が上昇すると、圧縮機の圧力上昇と温度上昇を招き得る。このように圧力と温度が上昇すると、一般に、低サイクル疲労に対する耐久性を付与するために、少なくとも圧縮機の後部セクションに高価なニッケル基合金を使用する必要がある。しかし、このような合金は、標準的なガスタービン部品に比べかなり高価になる。
【０００４】
また、様々なタイプの水冷方法も用いられてきた。例えば、圧縮機入口周辺での吸気水噴霧冷却により、圧縮機吸気温度を下げることができる。このように空気温度が低下すると、一般に質量流量が回復し、発電電力も回復する。しかし、吸気水噴霧冷却は一般に、湿球温度に達するまでしか有用ではないため、湿度の高い日に実施しても有用性が限られる。圧縮機入口内での水噴霧を含む湿り圧縮も用いられている。水を蒸発させる潜熱は吸気流を冷却し、吸気の圧縮に必要な仕事が減少するため、利用可能な電力が増加する。しかし、水蒸気を添加すると、熱応力及び／又は浸食の問題を呈する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３１０９５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、特に高温日に、周囲温度動作範囲を通じて一定レベルの発電を提供するように、改良した圧縮機及びその動作方法が求められている。一定に発電することにより、電力生産者は、需要が高くて採算性が高い期間中にも、発電要件を満たすことができる。従って、圧縮機及び方法は、高レベルの効率及び耐久性を維持しながら、温度に適応するものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ガスタービンの圧縮機を提供する。圧縮機は、低合金材料を有する圧縮機後部セクション周辺に配置される複数のロータホイールと、圧縮機入口セクション周辺に配置される複数の吸気案内羽根と、圧縮機入口セクション周辺に配置される湿り圧縮装置とを含む。
【０００８】
本発明はさらに、同一レベルの出力を維持するように、変動する周囲温度下で圧縮機を動作する方法も提供する。この方法は、所定の周囲設計条件温度に達するまで、複数の吸気案内羽根を伸長位置に位置決めするステップと、周囲温度が所定の周囲設計条件温度を超えると、吸気案内羽根を開放位置に移行させるステップと、周囲温度が所定の周囲設計条件温度を超えると、湿り圧縮装置を作動させるステップとを含む。
【０００９】
本発明はさらに、ガスタービンの圧縮機を提供する。圧縮機は、圧縮機後部セクション周辺に配置される複数の大型ロータブレードを備える複数のロータホイールと、圧縮機入口セクション周辺に配置される複数の吸気案内羽根と、圧縮機入口セクション周辺に配置される湿り圧縮装置とを含んでも良い。
【００１０】
本発明の上記及びその他の特徴と改良点は、図面と特許請求の範囲とを併せて以下の詳細な説明をよく読むと、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】圧縮機を通る圧縮機流路の例示的透視図である。
【図３】本明細書に記載する圧縮機の概略図である。
【図４】本明細書に記載する圧縮機を用いて達成できる同一レベルの出力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
複数の図面を通して同じ数字が同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示す。周知のように、ガスタービンエンジン１０は、流入する空気流を圧縮する圧縮機１２を含む。圧縮機１２は、燃焼器１４に圧縮した空気流を送る。燃焼器１４は、この圧縮空気流を圧縮した燃料流と混合し、この混合物を燃焼させる。単一の燃焼器１４のみを示したが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器を含む。次に、高温の燃焼ガスがタービン１６に送られる。この高温燃焼ガスがタービン１６を駆動することにより、力学的仕事を生成する。タービン１６で生成された力学的仕事は、圧縮機１２及び発電機などのような外部負荷１８を駆動する。
【００１３】
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、各種の合成ガス、液体燃料、及びその他の種類の燃料を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ｏｆ  Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ（ニューヨーク）により提供されるＦクラスエンジン、又は類似設計のもので良い。ガスタービンエンジン１０は、別の構成であっても良く、他の種類の部品を用いても良い。本発明では、別の種類のガスタービンエンジンを用いても良い。また本発明では、複数のガスタービンエンジン１０、他の種類のタービン、及び別の種類の発電設備を一緒に用いても良い。
【００１４】
図２は、圧縮機１２の実施例を示す。圧縮機１２は、ロータホイール２２に取り付けられて円周方向に間隔を置いて配置された複数のロータブレード２０を含む。ロータホイール２２の各々を駆動軸２４に取り付ける。駆動軸２４はタービン１６と連結する。円周方向に間隔を置いて配置された複数のステータブレード２６を、固定された圧縮機ケーシング２８に取り付ける。ロータブレード２０とステータブレード２６は、圧縮機入口３２から始まる流路３０内に交互に位置する。
【００１５】
図３は、本明細書に記載の圧縮機１００の概略図である。前述の圧縮機１２と同様に、圧縮機１００は、ロータホイール１２０に取り付けられた複数のロータブレード１１０と、圧縮機ケーシング１４０に取り付けられた複数のステータブレード１３０とを含む。圧縮機１００は、圧縮機入口セクション１６０から圧縮機後部セクション１７０まで圧縮機を通って延在する流路１５０も画定する。本発明では、他の様々なタイプの圧縮機１００の設計及び部品を用いても良い。圧縮機１００は、所望するいかなるサイズのものでも良い。本明細書に記載する圧縮機１００は、他のタイプの単サイクル又は複合サイクルの発電装置を用いても良い。
【００１６】
圧縮機１００は、「大型」であると考えられる。すなわち、高温日にガスタービンエンジン１０全体の動作が約１０％〜約２０％低下するならば、圧縮機１００のサイズは、圧縮機を通じて約１０％〜約２０％多い空気流量を供給するように大きくしても良い。従って、ロータブレード１１０、ステータブレード１３０、及び圧縮機１００全体の他の部品は、典型的な圧縮機部品と比較して大きくなり得る。
【００１７】
圧縮機１００は、圧縮機入口セクション１６０周辺に配置される複数の吸気案内羽根１８０を備える。吸気案内羽根１８０の角度は変動可能である。角度は、閉塞又は旋回がほとんどない完全に開放した位置から、完全に伸長した、若しくは約５°〜約１５°までの角度を成す位置まで変動する。本発明ではこれ以外の角度を用いても良い。従って、吸気案内羽根１８０の角度は、周囲条件、及び以下に詳述するような所望の動作条件に応じて変動する。本発明では、任意の数又はサイズの吸気案内羽根１８０を用いる。圧縮機１００は、流量を調節するために用いられる可変静翼を備えていてもよい。明確にするために、本図面では、吸気案内羽根１８０のみを示す。
【００１８】
圧縮機１００は、湿り圧縮装置１９０を含む。湿り圧縮装置１９０は、圧縮機入口セクション１６０周辺に配置される複数の噴霧ヘッド２００を備える。任意の数の噴霧ヘッドを用いる。湿り圧縮装置１９０及び噴霧ヘッド２００は、任意のタイプの水噴射装置である。湿り圧縮装置１９０は、圧縮機入口セクション１６０内などに水粒子噴霧を噴射して、水の蒸発により、圧縮機入口温度が低下して、圧縮に必要な仕事が減少するようにする。また、本発明では圧縮機中央噴射を用いても良い。具体的には、数段階の圧縮後に水噴射を実施する。
【００１９】
使用に際し、吸気案内羽根１８０は、設計条件日には完全に伸長している（すなわち曲がっている）。設計条件は、最大効率が得られるように圧縮機１００を設計した、所定の周囲温度である。設計条件日は、ＩＳＯ標準である約５９°Ｆ（約１５℃）などである。高温日の条件下で、吸気案内羽根１８０は完全に開くことができる。高温日の条件は約１１０°Ｆ（約４３．３℃）であるか、あるいは上記設計条件日の温度を超える温度である。吸気案内羽根１８０は一般に、設計条件日には、大型圧縮機１００への気流を低減するように完全に伸長し、高温日には可能な限り気流を供給するように完全に開く。従って、吸気案内羽根１８０の角度は、周囲温度、及び圧縮機１００の全体的な動作条件に応じて変動する。
【００２０】
圧縮機１００は、吸気案内羽根１８０が高温日及び設計条件日の温度を超える温度で完全に開かれたとき、水圧縮装置１９０を用いる。湿り圧縮装置１９０の噴霧ヘッド２００は、圧縮機入口セクション１６０内、中央セクション内などに、水粒子噴霧を噴射することにより、圧縮の仕事を低下させ、従って圧縮機吐出温度を低下させる。
【００２１】
圧縮機１００も同様に、高温日の空気密度の低下により生じる電力の減少を克服するために、公知の圧縮機と比較して大型であって良い。前述のように、圧縮機吐出圧力及び吐出温度が上昇すると、一般に、その部品にニッケル基合金を使用する必要がある。高温日に水圧縮装置１９０を使用することにより、ロータホイール１２０に低価の「低合金」材料を用いることができ、恐らく圧縮機１００の他の部品、特に圧縮機後部セクション１７０は最低圧縮機吐出温度になる。例えば、低合金ＮｉＣｒＭｏＶ材料、すなわち合金含量の低い材料、及び優れた耐クリープ性を有する類似の種類の材料を本発明で用いる。
【００２２】
さらに多くの気流を得るために吸気案内羽根１８０を開放することによりもたらされる電力増加と、湿り圧縮装置１９０による増加量との間に均衡を達成することができる。一般に、吸気案内羽根１８０が完全に開くまで、吸気案内羽根１８０の角度を調節する。吸気案内羽根１８０を調節している間、あるいは羽根が開いているとき、湿り圧縮装置１９０を同様に使用しても良い。水圧縮装置１９０は、湿り圧縮に伴う応力及び浸食の問題を制限するのに役立つ。しかし、湿り圧縮なしで気流が多すぎると、圧縮機吐出圧力及び温度の上昇を招く可能性があり、これによりクリープが促進される恐れがある。従って、圧縮機吐出圧力と温度の範囲に照らして、吸気案内羽根１８０の角度と、湿り圧縮装置１９０の動作を調整する。
【００２３】
ガスタービンエンジン１０全体の標準的なマイクロ制御装置２１０又は既存の制御装置が、周囲条件に照らして吸気案内羽根１８０及び湿り圧縮装置１９０の動作を制御して、総発電を最大限にする、又は一定にすることができる。マイクロ制御装置２１０は、通常の設計のもので良い。例えば、吸気案内羽根１８０は、周囲の設計条件日には伸長位置にあるが、周囲条件が高温日の条件に近づくと開放位置に移行する。また、湿り圧縮装置１９０は、周囲条件が高温日の条件に近づき始めるか、又は設計条件日の温度を超えたら用いる。
【００２４】
従って、本発明において圧縮機１００は、大型圧縮機１００、吸気案内羽根１８０、及び湿り圧縮装置１９０を使用することにより、電力価格が最も高くなる高温日であっても同一レベルの発電を維持する。また、湿り圧縮装置１９０を用いることにより、複合サイクル熱消費率を損なうことなく、単サイクル熱消費率を改善することもできる。圧縮機１００は、高価なニッケル合金を使用する必要がない。
【００２５】
図４は、流量、温度及び出力に関して、本明細書で説明する圧縮機１００の動作を示す。第１の出力線２２０は、公知の圧縮機１２の動作を示す。温度が上昇するにつれ、出力は、流量の減少とともに低下する。第２の出力線２３０が示すように、圧縮機１００のサイズを大きくすると、電力が増加する。しかし、このように増加した出力は、圧縮機の温度と圧力を高くし、さらに高価な合金部品が必要になる。
【００２６】
本発明における制御装置２１０は、出力と、吸気案内羽根１８０及び湿り圧縮装置１９０の動作とのバランスをとることにより、同一レベルの出力線２４０をもたらす。具体的には、設計条件日に吸気案内羽根１８０を閉じて所望の流量を維持する。そして温度が上昇すると、吸気案内羽根１８０を開放状態に調節する。制御装置２１０も同様に、温度が上昇すると、湿り圧縮装置１９０を作動させて同一レベルの出力線２４０を維持する。本発明では、別のタイプの出力目標も圧縮機１００などで達成できる。
【００２７】
さらに、制御装置２１０は、圧縮機吐出温度の抑制及びその結果起こる出力増加と、ブレードの浸食の可能性及び別の種類の損傷の可能性とのバランスをとることができる。さらに具体的には、制御装置は、現在の電力価格に照らして、出力利益と、起こり得る損傷の不利益とのバランスをとることができる。言い換えれば、出力の価格は、損傷のリスク増加を埋め合わせて、送電網の安定性を維持することができる。本発明において他のパラメーターを評価しても良い。
【００２８】
前述の記載は本発明の特定の実施形態のみに関して説明しているが、下記の特許請求の範囲及びその等価物に規定されるように、本発明の一般的な精神及び範囲から逸脱することなく、当業者が多数の変更及び修正を行うことができるのは明らかである。
【図１】
0005855821.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005855821.tif 000004
【図４】
0005855821.tif 000005