(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジン内の部品を冷却する。【解決手段】一実施形態において、ガスタービンエンジンの圧縮機吐出ケーシング１２９は、圧縮機５８から排気を受け取って、排気の第１の部分をガスタービンエンジンの燃焼器５６へと送り、排気の第２の部分をガスタービンのノズルアセンブリへと送ることによって、ガスタービンの部品を冷却するように設計されている。伝熱装置１３８は、冷却流体を受け取り、この冷却流体で排気の第２の部分を冷却するように構成されている。【選択図】図３
2011236889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（６４）と、
圧縮機（５８）と、
燃焼器（５８）と、
前記圧縮機（５６）から排気を受け取って、前記排気の第１の部分を前記燃焼器へと送り、前記排気の第２の部分を前記ガスタービン（６４）のノズルアセンブリ（１０９）へと送ることによって、前記ガスタービン（６４）の部品を冷却するように構成された圧縮機吐出ケーシング（１２９）と、
冷却流体を受け取り、前記排気の第２の部分を前記冷却流体で冷却するように構成された伝熱装置（１３８、１４６、１５０、１５６）と、を有するシステム（１１）。
【請求項２】
前記伝熱装置（１３８、１４６）が、前記圧縮機吐出ケーシング（１２９）内へと延びた管であって、前記冷却流体を前記圧縮機吐出ケーシング（１２９）に注入することによって、前記圧縮機排気を冷却するように構成された管を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記伝熱装置が、前記圧縮機排気からの熱を前記冷却流体に伝達するように構成された熱交換器（１５０、１５６）を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記熱交換器（１５０）が、前記圧縮機吐出ケーシング（１２９）内に配置された、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記熱交換器（１５６）が、前記圧縮機吐出ケーシングの外側に配置された、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記冷却流体として窒素を供給するように構成された空気分離器（２８）を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記圧縮機（５８）からの初期段の抽気を前記冷却流体として供給するように構成された前記圧縮機（５８）内の抽気ポート（１０１）を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ノズルアセンブリ（１０９）が、前記排気の第２の部分を前記ノズルアセンブリ（１０９）の少なくとも１つのベーン（１４５）に送るように構成された少なくとも１つの外側のバンド（１４４）を有する、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の主題はガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン内の部品を冷却するシステムに関する。
【０００２】
一般に、ガスタービンエンジンでは、圧縮空気と燃料の混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生成する燃焼器を使用する。燃焼器は、圧縮空気を圧縮機から受け取り、圧縮空気を燃料と一緒に燃焼させて高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、１つ又は複数のタービン段を通って流れ、負荷及び／又は圧縮機用の動力を生成する。タービン内は高温なので、ガスタービンエンジン内の高温ガス通路及び／又は部品の冷却にあたり、ガスタービンには冷却流体が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６４８７８６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガスタービンエンジン内の部品を冷却する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下では、本発明の特許請求の範囲に本来含まれる幾つかの実施形態を要約する。これらの実施形態は、本発明の特許請求の範囲を限定するものではなく、むしろ、本発明の可能な態様を簡略に要約したものにすぎない。勿論、本発明は、下記の実施形態と同様の様々な態様、又は下記の実施形態とは異なる様様な態様も含み得る。
【０００６】
第１の実施形態において、システムは、ガスタービンと、圧縮機と、燃焼器と、圧縮機から排気を受け取り、排気の第１の部分を燃焼器へと送り、排気の第２の部分をガスタービンのノズルアセンブリへと送ることによって、ガスタービンの部品を冷却するように構成された圧縮機吐出ケーシングと、冷却流体を受け取り、この冷却流体で圧縮機排気の第２の部分を冷却するように構成された伝熱装置と、を含む。
【０００７】
第２の実施形態において、システムは、ガスタービンと、圧縮機と、燃焼器と、圧縮機から排気を受け取り、排気の第１の部分を燃焼器へと送り、排気の第２の部分をガスタービンのノズルアセンブリのベーンへと送るように構成された圧縮機吐出ケーシングと、圧縮機吐出ケーシング内へと延びる管であって、窒素をノズルアセンブリの近傍の圧縮機吐出ケーシングへと送ることによって、圧縮機排気の第２の部分を冷却するように構成された管と、を含む。
【０００８】
第３の実施形態において、システムは、ガスタービンと、排気と初期段の抽気とを生成するように構成された圧縮機と、燃焼器と、圧縮機からの排気を受け取り、排気の第１の部分を燃焼器へと送り、排気の第２の部分をガスタービンのノズルアセンブリへと送ることによって、ガスタービンの部品を冷却するように構成された圧縮機吐出ケーシングと、冷却流体を受け取り、この冷却流体で圧縮機排気又は初期段の抽気を冷却するように構成された熱交換器と、を含む。
【０００９】
全図面を通じて同様の符号で同様のパーツを示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンエンジン用の冷却システムを適用可能な統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムの実施形態の概略フローチャートである。
【図２】図１のガスタービンエンジンの実施形態の縦軸に沿った断面の断面図である。
【図３】図２のガスタービンエンジンの一部の、３−３線内の冷却システムの実施形態を示す詳細図である。
【図４】冷却システムの別の実施形態を示す、図２のガスタービンエンジンの一部の断面図である。
【図５】冷却システムの別の実施形態を示す、図２のガスタービンエンジンの一部の断面図である。
【図６】図１のガスタービンエンジンに適用可能な、熱交換器を含む冷却システムの実施形態の概略図である。
【図７】図１のガスタービンエンジンに適用可能な、熱交換器を含む冷却システムの別の実施形態の概略図である。
【図８】図１のガスタービンエンジンに適用可能な、熱交換器を含む冷却システムの別の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の１つ以上の実施形態を説明する。これらの実施形態の説明を簡単にするために、本明細書では、実際の実施形態の特徴の全てを記載しないこともある。いかなる実際の実施形態の開発においても、いかなる工学的又は設計上の計画においても、実施形態ごとに異なるシステム上並びにビジネス上の制約に合わせるといった、開発者の目的を達成するための多様な選択を個別に行う必要があることは、理解できよう。また、このような開発努力は、煩雑で時間がかかるものであるが、本開示による利益を享受する当業者にとっては、日常的な設計、製作、製造上の仕事であることも理解できよう。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を説明するにあたり、冠詞「ａ」「ａｎ」「ｔｈｅ」「ｓａｉｄ」を伴って単数表記されているものは、その要素が１つ以上存在し得ることを意図している。「備える」「含む」「有する」等の表現は、包括的な意味で、列挙した要素以外にも追加の要素が存在し得ることを意図している。
【００１３】
本開示は、ガスタービンエンジン用の冷却システムに関する。冷却システムによって、ガスタービンエンジンの高温ガス通路内の部品に冷却流体を供給して部品を冷却することで部品の寿命を延ばし、且つ／又はガスタービンエンジン内に更に高い動作温度を存在させることができる。ガスタービンエンジン内での燃焼用に用いられる圧縮空気の一部は、圧縮機から分流し、高温ガス部品を冷却するための冷却流体として用いられる。しかし、冷却用に圧縮空気を使用すると、燃焼用に使用可能な空気量が減少し、ひいてはガスタービンエンジンの効率が低下し、且つ／又はガスタービンエンジンの排出物が増加することがある。したがって、本開示は、圧縮機から分流した空気によってなされる冷却を補助し、且つ／又はその代用として窒素等の別の冷却流体を使用することに関する。或る実施形態によると、窒素を圧縮機吐出ケーシングに注入して圧縮機排気と混合することによって、この圧縮機排気を冷却する。窒素と圧縮機排気との混合物は、次いで、冷却流体として用いられる。別の実施形態においては、熱交換器を通して窒素を送ることによって圧縮機排気を冷却することで、より低温の圧縮機排気を供給できるので、その結果、冷却用に用いる圧縮機排気の量を削減できる。
【００１４】
図１は、ガスタービンエンジン１１の冷却部品用の冷却システムを含む統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム１０を示す。ＩＧＣＣシステム１０は、ガスタービンエンジン１１を含む発電システム１４に統合されたガス化システム１２を含む。ガス化システム１２内では、シンガスを生成するエネルギー源として炭素質燃料源１６を使用する。燃料源１６には、石炭、石油コークス、バイオマス、木材、農業廃棄物、タール、コークス炉ガス及びアスファルト、又はその他の炭素含有材料が含まれる。
【００１５】
燃料源１６は、原料調製システム１８を介してガス化システム１２に導入される。原料調製システム１８では、燃料源１６を、例えば、チョッピング、ミリング、破砕、粉砕、ブリケッティング、又はパレタイジングによって、燃料源１６のサイズを変えるか又は再成形して、燃料スラリ２０を作製する。或る実施形態によると、原料調製システム１８にグラインドミルを含む。更に、原料調製システム１８内では、水又はその他適宜の液体等の添加剤２２が燃料源１６に添加され、燃料スラリ２０が作製される。しかし、液体添加剤を使用しない別の実施形態においては、燃料源１６から乾燥材料が作製される。
【００１６】
原料調製システム１８から、燃料スラリ２０がガス化及びスクラビングシステム２４に送られる。ガス化及びスクラビングシステム２４は、ガス化装置を含み、そこで燃料スラリ２０が酸素２６と蒸気２７とに混合され、シンガスが生成される。空気３０を酸素２６と窒素３２とに分離する空気分離装置２８によって、酸素２６が供給される。蒸気２７は、ＩＧＣＣシステム１０内でリサイクルされ、下流側のガス冷却及び処理システム３４から供給される。
【００１７】
ガス化及びスクラビングシステム２４内では、ガス化装置が、上昇させた圧力（例えば約２０バール〜８５バールの絶対圧以上）及び温度（例えば約７００℃〜１６００℃）において、限定量の酸素（例えば部分酸化）で燃料スラリ２０を反応させて、燃料スラリ２０を部分的に酸化させ、シンガスを生成する。ガス化不能な灰材料、並びに転換されないか及び／又は不十分にしか転換されない燃料スラリ２０は、大きい粒子の溶融スラグ、及び微粒子とよばれる小さい粒子として存在するプロセスの副生成物である。
【００１８】
ガス化及びスクラビングシステム２４は、更に、放射性シンガス冷却器又は焼き入れユニット等の冷却器を含む。冷却器内ではシンガスが冷却されて飽和し、その結果、必要性が低い成分が固化する。特に溶融スラグは、急激に冷却されて固化し、ガス化及びスクラビングシステム２４から排出されてスラグ処理システム３８に供給される粗い粒子のスラグ３６になる。スラグ処理システム３８には、とりわけ開閉ホッパ、ドラグコンベヤ、及び／又はスラグ溜まり等の装置を含む。スラグ処理システム３８内でスラグ３６はスクリーニングされて湿気を減らした後、現場から離れた廃棄物処理場へと送られる。例えば、スラグ３６は、道路基盤又はその他の建設資材として使用される。
【００１９】
スラグ３６の生成に加えて、ガス化及びスクラビングシステム２４は、スラグの微粒子を含む廃水４０も生成する。この廃水４０は、焼き入れユニット内、及び／又はガス化及びスクラビングシステム２４のスクラッバ内において、シンガスから除去される。特に、スクラッバ内では、それ以外の微粒子、及び炭化水素等のその他の同伴ガスが除去される。廃水４０は、ガス化及びスクラビングシステム２４から排出され、廃水処理システム４２へと送られる。
【００２０】
廃水処理システム４２は、溶解ガス４３を分離して微粒子を凝集させる機能を果たす、とりわけフラッシュドラム、沈殿タンク、及び凝集器等の装置を含む。或る実施形態において、溶解ガス４３がシンガスを含むことがあるが、これはガス冷却及び処理システム３４によって回収される。廃水処理システム４２は更に、ガス化及びスクラビングシステム２４で再利用される、分離された微粒子４４及び雑廃水４５を生成する沈殿プロセスを含む。廃水処理システム４２は更に、必要性が低い成分を除去する処理のためにブローダウンされる、雑廃水ブローダウン４６とよばれる雑廃水の一部を生成する。分離された微粒子４４は、原料調製システム１４にリサイクルされ、そこで微粒子は、付加的な燃料供給に使用される。雑廃水ブローダウン４６は、雑廃水処理システム４８へと送られ、この雑廃水ブローダウン４６が更に、アンモニア等のガス及び固形物の除去処理にかけられ、処理済み排出物５０が生成される。
【００２１】
スラグ３６及び廃水４０の生成に加えて、ガス化及びスクラビングシステム２４は更に、洗浄されたシンガス５２を生成する。洗浄されたシンガス５２は、シンガス冷却及び処理システム３４へと送られ、そこで更に浄化されてスウィートシンガス５４が生成される。
【００２２】
スウィートシンガス５４は、発電システム１４内で発電に使用される。詳細には、スウィートシンガス５４が燃焼部５６へと送られ、スウィートシンガス５４はそこで、原料調製システム１８に送られた元の炭素質燃料よりも高い効率で燃焼する。更に、空気５７が圧縮機５８から燃焼部５６へと送られ、スウィートシンガス５４の燃焼を促進する燃料−空気比でスウィートシンガス５４に混合され、燃焼ガス６０が生成される。燃焼反応を鎮め、ガスタービンエンジンの高温ガス通路部品の冷却を行うために、窒素３２が空気分離器２８から希釈窒素圧縮機６２を介して燃焼部５６に供給される。図３〜７に関して以下に詳述するように、窒素３２の一部を冷却システム内で使用して、ガスタービンエンジン１１の冷却が行われる。
【００２３】
燃焼部５６からの燃焼ガス６０は、圧縮機５８及び／又は発電機６６を駆動させるガスタービン６４に送られる。ガスタービン６４からの排ガス６８は、次いで、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム７０に送られ、ここでは排ガス６８から、及びガス冷却及び処理システム３４から受け取った蒸気２７から、排熱が回収される。この回収された熱を使用して、蒸気タービン７４を駆動させ、ひいては発電機７６を駆動させて発電が行われる、蒸気７２が生成される。
【００２４】
蒸気タービン７４からの排出蒸気７８は、この蒸気７８が凝縮される凝縮器８０を通って導かれ、凝縮蒸気８２が得られる。蒸気７８を凝縮させるために、水等の冷却流体８４を冷却タワー８６から凝縮器８０を介して循環させる。凝縮器８０からの凝縮蒸気８２は、次いで、ＨＲＳＧシステム７０にリサイクルされ、そこで凝縮蒸気８２が再加熱され、蒸気タービン７４用の蒸気７２が生成される。
【００２５】
ＩＧＣＣシステム１０内では、空気分離器２８からの窒素３２を使用してガスタービンエンジン１１の部品を冷却する。更に、或る実施形態において、圧縮機５８からの初期段の抽気をガスタービンエンジン１１用の冷却流体として使用する。ガスタービンエンジン１１は、ＩＧＣＣシステム１０に関連して示されているが、ＩＧＣＣシステム１０の部品は例として示されており、限定の意図はない。例えば、或る実施形態において、とりわけバルブ、温度センサ、圧力センサ、コントローラ、及び／又は貯蔵タンクが、ＩＧＣＣシステム１０内に含まれる。更に、別の実施形態において、本明細書に記載の冷却システムを別の種類のガスタービンエンジンに適用できる。例えば、ガスタービンエンジン１１は、蒸気タービン７４を含まず、発電機６６を駆動させる動力を生成するスタンドアロン型のシステムの一部であってもよい。更に、或る実施形態において、ガスタービンエンジン１１は、ＩＧＣＣシステム１０の部分ではない別個の供給源から窒素３２を受け取る。
【００２６】
図２は、長手軸８８に沿った、図１のガスタービンエンジン１１の実施形態の側断面図である。以下に更に記載するように、ガスタービンエンジン６４になされる冷却を強化するために、ガスタービンエンジン１１内で冷却システムを使用する。例えば、冷却流体は、とりわけノズル、ベーン、シュラウド、ブレード、及びホイール等を通って、且つ／又はこれらを介して送られる。ガスタービンエンジン１１は、燃焼部５６内部に位置する１つ又は複数の燃料ノズル９０を含む。或る実施形態において、ガスタービンエンジン１１は、燃料部５６内に環状に配置された複数の燃焼器９２を含む。更に、各燃焼器９２は、環状配置又はその他の配置で各燃焼器９２のヘッド端部又はその近傍に取り付けられた複数の燃料ノズル９０を含む。
【００２７】
空気は、吸気部９４を通ってガスタービンエンジン１１に流入し、圧縮機５８で圧縮される。圧縮機５８は、空気を圧縮する一連の段９６、９８、１００を含む。各段９６、９８、１００は、回転して徐々に圧力を上昇させ、圧縮空気を提供する、１組又は複数組の静止ベーン及びブレードを含む。図２に示すように、圧縮機５８は、約８つの段を含むが、わかり易くするためにそのうちの３つの段９６、９８、１００を符号で示す。しかし、別の実施形態において、圧縮機５８内には任意の数の段を含めてよい。或る実施形態によると、空気が、例えば抽気ポート１０１を介して圧縮機段９６、９８、１００から抽出され、燃焼器９２内、及び／又はガスタービン６４内の部品の冷却に使用される。
【００２８】
圧縮機５８からの圧縮排気は、圧縮機５８のディフューザ部１０３を介して圧縮機５８を出て、燃焼部５６内に送られ、そこで圧縮空気が燃料と混合される。例えば、燃料ノズル９０は、適宜の最適な燃焼、排ガス、燃費、及び発電出力の比率で、燃料−空気混合物を燃焼器９２に噴射する。前述のように、燃焼部５６内には、複数の燃焼器９２が環状に配置される。各々の燃焼器９２は、高温燃焼ガスを燃焼器９２からガスタービン６４に送るトランジションピース１０２を含む。特に、各々のトランジションピース１０２は、基本的にガスタービン６４の燃焼器９２からノズルアセンブリまでの、ガスタービン６４の第１の段１０４内に含まれる高温ガス通路を画定する。圧縮機５８からの圧縮された排気の一部もまた、ガスタービン６４の部品の冷却を行うために、第１の段１０４に直接（即ち、第１の段のノズル内の冷却通路を介して）送られる。
【００２９】
図示のように、ガスタービン６４は、別個の３つの段１０４、１０６、１０８を含む。各々の段１０４、１０６、１０８は、シャフト１１４に回転自在に取り付けられたロータホイール１１２に結合された一組のブレード１１０を含む。各々の段１０４、１０６、１０８は更に、各組のブレード１１０の直ぐ上流側に配置されたノズルアセンブリ１０９を含む。ノズルアセンブリ１０９は、高温燃焼ガスをブレード１１０へと送り、そこで高温燃焼ガスがブレード１１０にブレード１１０を回転させる原動力を加え、それによってシャフト１１４を回転させる。高温燃焼ガスは、各々の段１０４、１０６、１０８を通り、各々の段１０４、１０６、１０８内のブレード１１０に原動力を加える。次いで、高温燃焼ガスは、排気部１１６を介してガスタービン６４を出る。
【００３０】
ガスタービン６４は、３段式タービンとして図示されているが、本明細書に記載の冷却システムは、任意の数の段及びシャフトを備えた、いかなる適宜の種類のタービンにも適用可能である。例えば、この冷却システムを単一段のガスタービンに備えても、低圧タービンと高圧タービンとを含むデュアルタービンシステムに備えてもよい。
【００３１】
図３は、図２の３−３線内に示した燃焼部５６の一部の詳細図であり、ガスタービン部品の冷却に使用される冷却システムの実施形態を示す。燃焼器９２は、基本的にはケーシング１２０、ライナ１２２、及びフロースリーブ１２４によって画定される燃焼室１１８を含む。燃焼器９２のヘッドエンドの近傍で、燃料ノズル９０が端部カバー１２６に取り付けられている。圧縮燃料が端部カバー１２６を介して各燃料ノズル９０に送られ、ここで燃料が燃焼室１１８に配分される。燃料ノズル９０内では、燃焼可能な任意の適宜の燃料が使用される。しかし、或る実施形態によると、燃料には、シンガス（シンガス）、或いは、水素、アセチレン、エチレン、又はこれらの化合物等、その他高反応性燃料（即ち、メタン及び不活性成分が少ない燃料）が含まれる。また、燃料ノズル９０内では、液相及び／又は気相の可燃燃料が使用される。
【００３２】
圧縮機５８からの圧縮された排気は、ディフューザ部１０３を通って圧縮機５８を出て、圧縮機吐出ケーシング１２９のプレナム１２８に流入する。圧縮機吐出ケーシング１２９は、各燃焼器９２用のトランジションピース１０２、並びにガスタービン６４の第１段１０４用のノズルアセンブリ１０９を囲む、環状構造のものである。基本的には圧縮機吐出ケーシング１２９によって画定されるプレナム１２８は、各燃焼器９２用のトランジションピース１０２、並びに第１段１０４用のノズルアセンブリ１０９を囲む環状プレナムである。
【００３３】
圧縮機吐出ケーシング１２９は、プレナム１２８からの排気の第１の部分を燃焼器９２に送るように設計されており、この第１の部分がここで燃料と結合され、燃焼ガスが生成される。圧縮機吐出ケーシング１２９は更に、プレナム１２８からの排気の第２の部分を第１段のノズルアセンブリ１０９を通して第１段１０４に送り、この第２の部分がここでガスタービン６４の部品の冷却に使用される。更に、第２の部分の一部は、圧縮機吐出ケーシング１２９を通して下流側（第２段、第３段等）のノズルアセンブリ１０９内に含まれる高温ガス通路部品に送られる。排気の第１の部分は、トランジションピース１０２のインピンジメントスリーブ１３０を通して燃焼器９２に送られる。或る実施形態において、インピンジメントスリーブ１３０は、トランジションピース１０２とインピンジメントスリーブ１３０との間の環状領域１３２内に空気を流入させる穴を含む。空気はすると、フロースリーブ１２４とライナ１２２との間に形成された環状領域１３２を通って端部カバー１２６の方向に流れる。空気が端部カバー１２６に到達すると、端部カバー１２６は、空気を燃焼室１１８の方向に戻し、空気は燃料ノズル９０を通って、そしてキャップアセンブリ１３４内に形成された穴を通って、燃焼室１１８に流入する。
【００３４】
燃焼室１１８内では、燃料と空気とが混合されて燃焼し、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、燃焼室１１８を通り、そして、トランジションピース１０２を通り、ガスタービン６４の第１段１０４に流入する。高温燃焼ガスが第１段１０４を流れると、ノズルアセンブリ１０９のベーンやブレード１１０（図１）等の第１段１０４の部品は、この高温燃焼ガスから熱を吸収する。したがって、ガスタービン６４の或る部品を冷却するための冷却システム１３６を含めてもよい。例えば、ノズルアセンブリ１０９内のベーン、及び／又はとりわけガスタービン６４のブレード１１０、ホイール１１２、及び／又はシュラウド等の部品の冷却に、冷却システム１３６を使用する。
【００３５】
冷却システム１３６は、圧縮機吐出ケーシング１２９を通ってプレナム１２８内に延びる管１３８等の伝熱装置を含む。管１３８は、図１に示すような空気分離器２８等の窒素供給源から窒素３２を受け取る供給線に連結された入口端部１４０を含む。或る実施形態において、入口端部１４０は、希釈窒素圧縮機６２（図１）から圧縮された窒素を受け取る。しかし、別の実施形態において、入口端部１４０を空気分離器２８に直接連結してもよい。更に、別の実施形態において、入口端部１４０を独立した窒素供給源に連結してもよい。
【００３６】
窒素は、入口端部１４０を介して管１３８に入り、管１３８を通ってプレナム１２８に流入する。次いで、窒素は、管１３８の出口端部１４２からプレナム１２８内に注入される。プレナム１２８内において、窒素をプレナム１２８内の圧縮機排気に混合して、プレナム１２８内の排気を冷却する。或る実施形態によると、ノズルアセンブリ１０９を通って第１段１０４に流入する排気の第２の部分の冷却を促進するために、管１３８が第１段１０４のノズルアセンブリ１０９に向けられている。例えば、管１３８は、排気の第２の部分を冷却するために、ノズルアセンブリ１０９の近傍のプレナム１２８内に延びており、且つ／又はノズルアセンブリ１０９の方向に傾斜している。
【００３７】
或る実施形態によると、窒素をノズルアセンブリ１０９内に送るために、管１３８の出口端部１４２をノズルアセンブリ１０９の近傍に配置する。こうした実施形態において、窒素がノズルアセンブリ１０９に流入する直前に排気の第２の部分と混合され、更に、窒素が排気の第２の部分と一緒にノズルアセンブリ１０９に流入するので、窒素と排気の第２の部分との混合が継続的に行われる。更に、図３には１本の管１３８だけが図示されているが、別の実施形態においては、複数の管１３８を圧縮機吐出ケーシング１２９の周囲に環状に配置する。例えば、或る実施形態において、圧縮機吐出ケーシング１２９内に収容された各々のトランジションピース１０２の近傍に管１３８を配置する。
【００３８】
ノズルアセンブリ１０９は、トランジションピース１０２からの燃焼ガスを第１段１０４に送るための、トランジションピース１０２がガスタービン６４の第１段１０４に連結された内側の及び外側のバンド１４３及び１４４を含む。ブレード１１０（図２）を通して燃焼ガスを送るために、ベーン１４５が内側及び外側のバンド１４３及び１４４の間に延在する。外側のバンド１４４は、排気の第２の部分をベーン１４５の内側に流入させる穴又は開口部を含む。排気の第２の部分は、ベーン１４５の内側を通り、ベーン１４５の冷却穴を介して排出される。空気がベーン１４５を通る際、この空気でベーン１４５を冷却するだけでなく、空気がノズルアセンブリ１０９を通る際に、ノズルアセンブリ１０９の別の部品も冷却できる。或る実施形態によると、管１３８から出た窒素と混合されたプレナム１２８からの最低温の空気が第１段１０４に流入して、ガスタービン６４の第１段のノズル１０９の部品が冷却されるように、管１３８を配置する。
【００３９】
プレナム１２８内において窒素は、トランジションピース１０２のインピンジメントスリーブ１３０内の開口部を通って燃焼器９２に送られる排気の第１の部分とも混合される。燃焼器９２に流入する窒素は、燃焼ゾーン内で生成される排ガスを削減するために、希釈剤として使用される。
【００４０】
図４に、冷却システム１３６の別の実施形態を示す。図４に示すように、冷却システム１３６は、管１３８と、空気分離器２８及び／又は窒素３２を受け取る希釈窒素圧縮機６２に連結された入口端部１４０とを含む。管１３８の出口端部１４２は、プレナム１２８内に位置する伝熱コイル１４６に連結される。このコイル形状によって、プレナム１２８内の排気と伝熱コイル１４６内を流れる窒素との間で熱交換を行うための、追加の伝熱領域がもたらされる。しかし、別の実施形態においては、伝熱コイル１４６の代わりに、とりわけ直管、複数の配管、ラジエター型熱交換器、又はプレートフィン熱交換器等の、別の形状の伝熱装置を使用してもよい。更に、或る実施形態において、管１３８は伝熱コイル１４６と一体の部品である。例えば、管１３８は、伝熱コイル１４６を形成するコイル状部分と、圧縮機吐出ケーシング１２９を通ってプレナム１２８内へと延びる直線的部分とから成る１つの連続部品である。別の実施形態においては、管１３８の全部又は一部が、ケーシング１２９と一体である。
【００４１】
窒素は、管１３８を通り、出口端部１４２を介して伝熱コイル１４６に流入する。窒素は、次いで、伝熱コイル１４６を通り、窒素が伝熱コイル１４６を通る際にはプレナム１２８内の排気が冷却される。排気の第２の部分の窒素による冷却を促進するために、伝熱コイル１４６がノズルアセンブリ１０９の近傍のプレナム１２８の領域で管１３８の出口端部１４２に連結される。しかし、図３に示すように、窒素をノズルアセンブリ１０９の近傍のプレナム１２８内に直に排出するのではなく、プレナム１２８を介して伝熱コイル１４６を延在させて、伝熱コイル１４６内の伝熱表面積及び／又は滞留時間を追加することによって、圧縮機排気を窒素で冷却してもよい。
【００４２】
また、伝熱コイル１４６によって、窒素を希釈剤として使用する燃焼器９２の近傍のプレナム１２８内に窒素を注入してもよい。例えば、伝熱コイル１４６の出口端部１４８を燃焼器９２のヘッド端部の方向に配置する。窒素は、出口端部１４８を介して伝熱コイル１４６から流出し、プレナム１２８内で空気と混合される。更に、或る実施形態においては、窒素が伝熱コイル１４６の長さに沿って中間開口部１４７を通り、伝熱コイル１４６を出る。しかし、別の実施形態においては、中間開口部１４７を省いて、窒素が出口端部１４８のみを介して、伝熱コイル１４６を出るようにしてもよい。窒素がプレナム１２８内で排気と混合される際、窒素によって排気が更に冷却される。窒素と空気の混合物は、次いで、ノズルアセンブリ１０９を通って燃焼器９２及び／又は第１段１０４に流入する。更に、或る実施形態において、窒素と空気の混合物の一部が、プレナム１２８を通って下流側のノズルアセンブリ１０９に送られる。
【００４３】
図示のように、伝熱コイル１４６は、プレナム１２８内をトランジションピース１０２の長さに沿って、第１段１０４の近傍の領域から燃焼器９２の方向に延びている。しかし、別の実施形態では、伝熱コイル１４６の長さ及び／又は形状を変更してもよい。例えば、別の実施形態では、伝熱コイル１４６に任意の数のコイルを含めてもよい。更に、或る実施形態では、出口端部１４８を第１段１０４により近い位置或いは燃焼器９２のヘッド端部により近い位置に配置するために、伝熱コイル１４６の長さを変更してもよい。
【００４４】
図５に、冷却システム１３６の別の実施形態を示す。冷却システム１３６は、圧縮機吐出ケーシング１２９内に配置された且つ／又はこれに取り付けられた、熱交換器１５０等の伝熱装置を含む。図示のように、熱交換器１５０は、圧縮機吐出ケーシング１２９を通って配管されている。この実施形態において、圧縮機吐出ケーシング１２９は、プレナム１２８からの排気を熱交換器１５０に通す内部通路を含む。別の実施形態では、排気流の熱交換器１５０の通過を促進するために、熱交換器１５０が圧縮機吐出ケーシング１２９の内側に取り付けられる。更に別の実施形態では、熱交換器１５０が圧縮機吐出ケーシング１２９の外側に取り付けられる。これらの実施形態において、熱交換器１５０は、管側に窒素を流し、シェル側に排気を流す、シェル及び管を有する熱交換器である。しかし、別の実施形態では、いかなる適宜の種類の熱交換器も使用してよい。
【００４５】
熱交換器１５０は、図１に示す空気分離器２８及び／又は希釈窒素圧縮機６２からの窒素等の冷却流体の供給源に連結された入口端部１５２を含む。別の実施形態では、例えば、図２に示すように、抽気ポート１０１を通って圧縮機段９６、９８、又は１００のうちの１つから抽気される空気等の初期段の抽気を、熱交換器１５０を通る冷却流体として使用する。この初期段の抽気は、熱交換器１５０を通過した後、後続段（低圧）のノズル／高温ガス通路を冷却するためにタービンに戻される。更に、別の実施形態では、冷却流体には、排気よりも低温の水又は燃料等、別の適宜の流体を含む。冷却流体は、熱交換器１５０を流れ、プレナム１２８内の排気から熱を吸収して排気を冷却する。冷却流体は、熱交換器１５０を通過した後、出口端部１５４を介して熱交換器１５０を出る。或る実施形態において、出口端部１５４は、例えば、燃焼器内の排出物を削減するために、窒素を燃焼器に送る供給管に連結される。別の実施形態では、出口端部１５４が、窒素が必要な、或いは窒素を大気に放出する、ガスタービンエンジン１１内の別の領域に向けられる。
【００４６】
図５に示すように、熱交換器１５０が圧縮機吐出ケーシング１２９内に取り付けられる。しかし、別の実施形態では、下流側の段１０６又は１０８を冷却するために、熱交換器がガスタービンエンジン１１の別の部分に取り付けられる。例えば、或る実施形態では、ガスタービン６４の第２の段１０６又は第３の段１０８を冷却するために、熱交換器１５０がガスタービン６４のシュラウド内に取り付けられる。
【００４７】
図６は、冷却システム１３６の別の実施形態の概略図である。この実施形態において、冷却システム１３６は、圧縮機吐出ケーシング１２９の外部にある熱交換器１５６を含む。或る実施形態において、熱交換器１５６は、シェル及び管型熱交換器、フィン型及び管型熱交換器、又はその他の適宜の種類の熱交換器である。熱交換器１５６は、ディフューザ部１０３を介して圧縮機５８を出る圧縮機排気１５８の冷却に、冷却流体１５７を使用する。或る実施形態によると、冷却流体１５７は、図１に示す空気分離器２８からの、及び／又は希釈窒素圧縮機６２からの窒素３２である。しかし、別の実施形態では、冷却流体は圧縮機５８からの初期段の抽気である。例えば、初期段の抽気は、抽気ポート１０１の１つを介して圧縮機５８から除去され、熱交換器１５６に供給される。初期段の抽気は、熱交換器１５６を通った後、後続の段（低圧）のノズル／高温ガス通路を冷却するためにタービンに戻される。更に、別の実施形態では、冷却流体は、排気よりも低温の水又は燃料等の別の適宜の流体である。
【００４８】
或る実施形態において、圧縮機排気１５８の全部又は一部が、熱交換器１５６を介して送られ、ここで圧縮機排気１５８が冷却流体１５７によって冷却されて、冷却された排気１６２が生成される。或る実施形態によると、圧縮機排気１５８は、ディフューザ部１０３内で熱交換器１５６へと分流される。しかし、別の実施形態では、圧縮機からの排気１５８は、プレナム１２８から熱交換器１５６へ分流される。
【００４９】
図３を参照して、冷却された排気１６２はプレナム１２８に送られ、この排気の第１の部分は燃焼器９２に流入し、この排気の第２の部分は第１段１０４に流入して、前述のように冷却が行われる。或る実施形態によると、冷却された排気１６２は、第１段１０４に流入する排気の第２の部分の冷却を促進するために、第１段１０４のノズルアセンブリ１０９の近傍のプレナム１２８に送られる。しかし、別の実施形態では、冷却された排気１６２は、プレナム１２８内の別の適宜の位置においてプレナム１２８に送られる。更に、或る実施形態において、冷却された排気１６２は、複数の流入ポイントでプレナム１２８に送られる。更に、別の実施形態において、冷却された排気１６２は、第１段のノズル及び／又はその他任意の高温ガス通路部品に直に配管される。
【００５０】
冷却流体１５７が熱交換器１５６を通過する際、冷却流体１５７が排気１５８から熱を吸収して、加温された冷却流体１６４が生成される。加温された冷却流体１６４は、ガスタービンエンジン１１内で使用されるか、又は大気中に放出される。例えば、冷却流体１６４が窒素３２である実施形態において、窒素は、希釈剤として作用し、且つ／又は排ガスを削減するために燃焼器９２に注入される。冷却流体１６４が圧縮機からの初期段排気である別の実施形態において、冷却流体１６４は、冷却を行うために又は別の目的のために、後続の段１０６及び／又は１０８に供給される。
【００５１】
図７は、熱交換器１５６を含む冷却システム１３６の別の実施形態の概略図である。この実施形態において、熱交換器１５６は、圧縮機５８からの初期段の抽気１６６の冷却に使用する窒素３２を受け取る。例えば、熱交換器１５６は、図１に示す空気分離器２８から、及び／又は希釈窒素圧縮機６２から窒素３２を受け取る。別の実施形態では、窒素３２の代わりに水や燃料等の別の冷却流体が、熱交換器１５６を通して送られる。初期段の抽気１６６は、圧縮機段９６、９８、又は１００のうちの１つから、抽気ポート１０１の１つ又は複数を介して抽出される。
【００５２】
抽気１６６は、熱交換器１５６を通して送られ、この抽気が窒素３２によって冷却されて、冷却された初期段の抽気１６８が生成される。ガスタービン６４内の別の部品の冷却にも、この冷却された初期段の抽気１６８を用いてよい。例えば、初期段の抽気１６８は、ガスタービン６４の第２段１０６及び／又は第３段１０８に送られ、これらの段１０６及び１０８内の部品が冷却される。或る実施形態において、冷却された初期段の抽気１６２は、第２段１０６及び第３段１０８のベーン、シュラウド、ホイール、ブレード、及び／又はエアフォイル等の部品内の冷却回路を通して送られる。
【００５３】
窒素３２が熱交換器１５６を通過する際、窒素３２が初期段の抽気１６６から熱を吸収して、加温された窒素１６９が生成される。加温された窒素１６９は、ガスタービンエンジン１１内の窒素源として使用される。例えば、或る実施形態において、窒素を希釈剤として作用させ、且つ／又は排ガスを削減するために、窒素を燃焼器９２に注入する。更に、或る実施形態において、加温された窒素１６４の全部又は一部が大気中に放出される。
【００５４】
代替実施形態では、抽気段に応じて、窒素冷却用に抽気を代わりに使用して、これをその後で別の冷却目的に使用する。例えば、図３及び４に関して前述したように、抽気が窒素の冷却に使用され、その後、管１３８に送られる。別の例では、冷却された窒素が、別の高温ガス部品及び／又は下流側のノズルアセンブリ１０９に送られる。
【００５５】
図８は、熱交換器１５６を含む冷却システム１３６の別の実施形態の概略図である。この実施形態において、熱交換器１５６は、冷却流体として初期段の抽気１７０を使用する。初期段の抽気１７０を用いて、初期段の抽気の後続の段から抽出される、下流側の初期段の抽気１７２を冷却する。例えば、図示のように、第２段９８の後続段の抽気１７２の冷却には、第１段９６からの初期段の抽気１７０を使用する。別の実施形態では、初期段と後続段の抽気が別の段から抽出され、このとき初期段の抽気が後続段の抽気の上流側の段から抽出される。初期段の抽気１７０と後続段の抽気１７２とは、ディフューザ部１０３の上流で抽気を抽出させる抽気ポート１０１を通って圧縮機５８から抽出される。
【００５６】
初期段の抽気１７０が熱交換器１５６を通過する際、この初期段の抽気１７０が後続段の抽気１７２を冷却して、冷却された後続段の抽気１７４が生成される。冷却された後続段の抽気１７４は、ガスタービン６４内の部品の冷却に使用される。例えば、冷却された後続段の抽気１７４は、ガスタービン６４の第２段１０６及び第３段１０８に送られ、これらの段１０６及び１０８内の部品を冷却する。或る実施形態によると、冷却された後続段の抽気１７４は、第２段１０６及び第３段１０８のベーン、シュラウド、ホイール、ブレード、及び／又はエアフォイル等の部品内の冷却回路を通して送られる。
【００５７】
熱交換器１５６内では、初期段の抽気１７０が後続段の抽気１７２から熱を吸収して、加温された初期段の抽気１７６が生成される。加温された初期段の抽気１７６は、ガスタービンエンジン１１内の圧縮空気源として使用される。例えば、或る実施形態において、加温された初期段の抽気１７６は、燃焼器９２、プレナム１２８、及び／又は第１段１０４、又は冷却するべき別の部品及び／又は領域に送られる。更に、或る実施形態において、加温された初期段の抽気１７６は、圧縮機５８に戻される。
【００５８】
本明細書では、最適な態様も含め、例を用いて本発明を開示しており、これによって当業者は、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、並びに付随するあらゆる方法の実行を含め、本発明を実施できる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に明示されると共に、当業者に想到可能なその他の例も含む。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を含む場合、又は請求項の文言と殆ど変わらない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５９】
１０  ＩＧＣＣシステム
１１  ガスタービンエンジン
１２  ガス化システム
１４  発電システム
１６  燃料源
１８  原料調製システム
２０  燃料スラリ
２２  添加剤
２４  ガス化及びスクラビングシステム
２６  酸素
２７  蒸気
２８  空気分離器
３０  空気
３２  窒素
３４  ガス冷却及び処理システム
３６  スラグ
３８  スラグ処理システム
４０  廃水
４２  廃水処理システム
４３  溶解ガス
４４  微粒子
４６  ブローダウン
４５  雑廃水
４８  雑廃水処理システム
５０  排出物
５２  洗浄されたシンガス
５４  スウィートシンガス
５６  燃焼部
５７  空気
５８  圧縮機
６０  燃焼ガス
６２  希釈窒素圧縮機
６４  ガスタービン
６６  発電機
６８  排気
７０  ＨＲＳＧシステム
７２  蒸気
７４  蒸気タービン
７６  発電機
７８  排出蒸気
８０  凝縮器
８２  凝縮された蒸気
８４  冷却流体
８６  冷却塔
８８  長手軸
９０  燃料ノズル
９２  燃焼器
９４  吸気部
９６  段
９８  段
１００  段
１０１  抽気ポート
１０２  トランジションピース
１０３  ディフューザ部
１０４  段
１０６  段
１０８  段
１０９  ノズルアセンブリ
１１０  ブレード
１１２  ホイール
１１４  シャフト
１１６  排気部
１１７  吸気部
１１８  燃焼室
１２０  ケーシング
１２２  ライナ
１２４  フロースリーブ
１２６  端部カバー
１２８  プレナム
１２９  ケーシング
１３０  インピンジメントスリーブ
１３２  環状領域
１３４  キャップアセンブリ
１３６  冷却システム
１３８  管
１４０  端部
１４２  端部
１４３  内側のバンド
１４４  外側のバンド
１４５  ベーン
１４６  伝熱コイル
１４７  開口部
１４８  端部
１５０  熱交換器
１５２  端部
１５６  熱交換器
１５７  冷却流体
１５８  排気
１６２  冷却された排気
１６４  加温された冷却流体
１６６  初期段の抽気
１６８  冷却された初期段の抽気
１６９  加温された窒素
１７０  初期段の抽気
１７２  後続段の抽気
１７４  冷却された後続段の抽気
１７６  加温された初期段の抽気
【図１】
2011236889.tif 000003
【図２】
2011236889.tif 000004
【図３】
2011236889.tif 000005
【図４】
2011236889.tif 000006
【図５】
2011236889.tif 000007
【図６】
2011236889.tif 000008
【図７】
2011236889.tif 000009
【図８】
2011236889.tif 000010