(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに流通関係にある複数の熱交換器（５０、５２）を含んだ再循環ループ（４６）を備え且つガスタービンエンジン（１０）と流通関係にある冷却装置（４０）を用いて、エンジンコアケーシング（７０）を有する前記ガスタービンエンジンに冷却用空気（４２）を供給する方法において、
前記再循環ループを通して流体を循環させる工程と、
前記ガスタービンエンジンに空気を送るのに先立ち、前記複数の熱交換器の少なくとも一つである第１の熱交換器（５０）に前記空気を通すことによって前記空気を冷却する工程と、
前記ガスタービンエンジン（１０）に燃料（４４）を送るのに先立ち、前記複数の熱交換器の少なくとも一つである第２の熱交換器（５２）に前記燃料を通すことによって前記燃料を加熱する工程と、
前記エンジン（１０）が定格エンジン出力の所定割合より高い出力で運転されている場合に、熱伝達流体を前記再循環ループ（４６）に循環させて、該熱伝達流体を前記第２の熱交換器（５２）を通らせて流すための複数の第１の通路を備える前記第２の熱交換器（５２）に通す工程と、
を含み、
前記第２の熱交換器（５２）は、熱伝達流体を前記第２の熱交換器（５２）を通らせて流すための複数の第１の通路と、前記複数の第１の通路の回りに液体燃料を流す第２の通路とを備え、前記第１の通路は複数の近接する燃料通路を規定して、前記第２の熱交換器（５２）内における燃料のガム沈着物を低減するための前記燃料通路を通って流れる液体燃料レイノルズ数を増大させ、前記第１の熱交換器（５０）が前記エンジンコアケーシング（７０）の内面（７２）に取付けられ、且つ前記第２の熱交換器が前記エンジンコアケーシングの外面（７４）に取付けられている
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記複数の熱交換器（５０、５２）の少なくとも一者に空気（４２）を通す前記工程が、空気−蒸気熱交換器に空気を通すことによって前記ガスタービンエンジン（１０）に供給される空気を冷却する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記複数の熱交換器（５０、５２）の少なくとも一者に燃料（４４）を通す前記工程が、蒸気−燃料熱交換器に燃料を通すことによって燃焼器に供給される燃料を加熱する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記再循環ループを通して流体を循環させる前記工程が、前記エンジンコアケーシングの内部に取付けられた少なくとも１台の熱交換器を通して流体を循環させる工程と、前記エンジンコアケーシングの外部に取付けられた少なくとも１台の熱交換器を通して流体を循環させる工程とを含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
内面（７２）及び外面（７４）を備えるエンジンコアケーシング（７０）を有するガスタービンエンジン（１０）用の冷却装置（４０）であって、
互いに流通関係にある複数の熱交換器（５０、５２）を含んだ再循環ループ（４６）を有していて、
前記複数の熱交換器の少なくとも一つである第２の熱交換器（５２）が近接する複数の管の間に形成された複数の燃料通路を含んで前記ガスタービンエンジンが定格エンジン出力の所定割合より高い出力で運転されている場合に前記第２の熱交換器（５２）内における燃料のガム沈着物を低減するために前記燃料通路を通って流れる液体燃料のレイノルズ数を増大させ、
前記エンジンコアケーシング（７０）の内面（７２）に第１の熱交換器が取り付けられ、且つ前記第２の熱交換器が前記エンジンコアケーシングの外面（７４）に取付けられている
ことを特徴とする冷却装置（４０）。
【請求項６】
前記第１の熱交換器（５０）が空気−蒸気熱交換器であり、且つ前記第２の熱交換器（５２）が蒸気−燃料熱交換器である請求項５記載の冷却装置（４０）。
【請求項７】
水とメタノールとの混合物が前記再循環ループ（４６）中を循環する請求項５記載の冷却装置（４０）。
【請求項８】
前記再循環ループ（４６）が前記再循環ループから熱エネルギーを引出して加圧を行うように構成された加圧用蓄圧器（６０）を更に含む請求項５記載の冷却装置（４０）。
【請求項９】
前記再循環ループ（４６）が変速再循環ポンプ（６２）を更に含む請求項５記載の冷却装置（４０）。
【請求項１０】
前記再循環ループ（４６）が定格エンジン出力の所定割合より低い出力におけるガスタービンエンジンの運転に際して選択的に運転可能である請求項５記載の冷却装置（４０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービンエンジンに関するものであって、更に詳しく言えば、タービンエンジン用の冷却装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンは、通例、多段の軸流又は遠心圧縮機、燃焼器及びタービンを含んでいる。圧縮機に入った空気の流れは圧縮され、そして燃焼器に送られる。そこにおいて、圧縮空気は燃料と混合されて点火され、それによって生じた高温の燃焼ガスがタービンを駆動するために使用される。タービンには高温の燃焼ガスが流入するから、圧縮機からの空気がタービン冷却回路に流され、そしてタービンを冷却するために使用されることがある。
【０００３】
冷却装置を通して圧縮機抽気を抜取り、そしてタービン冷却回路に流すための冷却用空気源として使用することができる。とは言え、圧縮機から多量の冷却用空気を抜取ると、ガスタービンエンジンの総合性能が影響を受けることがある。エンジン性能の低下を最少限に抑えるため、冷却装置は熱交換器を通って流れる燃料を利用して圧縮機抽気から熱を吸収することがある。しかし、燃料を吸熱源として使用することは、火災安全性及び燃料沈着物に関する問題を引起こす可能性がある。高温の圧縮機抽気が熱交換器を通過すると、燃料の流れは圧縮機抽気から熱を吸収する。
【０００４】
しかるに、燃料が加熱されると、熱交換器を通して燃料を輸送する管の内部には炭素、ガム及びコークス沈着物がしばしば生成する。時間の経過に伴い、かかる沈着物が凝集して個々の管内の通路を閉塞し、そして冷却用空気の温度上昇を引起こす。冷却用空気の温度が上昇するから、圧縮機抽気から吸収される熱は減少し、従って圧縮機抽気を受取るタービン部品は効果的に冷却されない。その結果、かかる部品は低サイクル疲労（ＬＣＦ）応力の増大及び熱応力の増大に暴露されることになる。更にまた、タービン部品が効果的に冷却されないため、総合的なエンジン性能、寿命及び信頼度も低下する。
【０００５】
【発明の概要】
実施の一態様に従えば、ガスタービンエンジンが定格エンジン出力の所定割合より高い出力で運転されている場合に冷却装置内における燃料からのガム沈着物を低減させるため選択的に運転可能な冷却装置が提供される。かかる冷却装置は、再循環ループと流通関係にある複数の熱交換器を含む再循環ループを有している。第１の熱交換器は、伝熱流体を使用してガスタービンエンジンに供給される冷却用空気を冷却する空気−蒸気熱交換器である。第２の熱交換器は、主たる燃焼器燃料の流れを利用して再循環ループ中を循環する伝熱流体を冷却する蒸気−燃料熱交換器である。
【０００６】
定格エンジン出力の所定割合より高い出力でのガスタービンエンジンの運転に際しては、第２の熱交換器内において十分な沈着物消散力が得られる場合に冷却装置が運転される。第２の熱交換器を通過する燃料は、伝熱流体から燃料への熱伝達を容易にするための燃料流路を通って流れる。かかる燃料流路を通って流れる結果、燃料の流れは大きい流体撹乱力及び流体剪断力を生じる。かかる流体力が第２の熱交換器内における燃料沈着物を低減させるのである。
【０００７】
【好適な実施の態様の詳細な説明】
図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８及び低圧タービン２０をも含んでいる。エンジン１０は、通常の燃焼器又は低排出物型の燃焼器である。圧縮機１２及びタービン２０は第１の軸２１によって連結されており、また圧縮機１４及びタービン１８は第２の軸２２によって連結されている。実施の一態様に従えば、負荷（図示せず）もまた第１の軸２１によってガスタービンエンジン１０に連結される。実施の一態様に従えば、ガスタービンエンジン１０はアメリカ合衆国オハイオ州シンシナティ市所在のゼネラル・エレクトリック社のエアクラフト・エンジン部門から商業的に入手可能なＬＭ２５００又はＬＭ６０００のごとき航空用由来の陸用−船用エンジンである。
【０００８】
運転に際しては、空気が低圧圧縮機１２を通って流入し、そして圧縮された空気が低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。こうして高度に圧縮された空気が燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの気流はタービン１８及び２０を駆動した後、ノズル２４を通ってガスタービンエンジン１０を出る。
【０００９】
図２は、ガスタービンエンジン１０と共に使用される冷却装置４０の略図である。冷却装置４０は、選択的に運転し得ると共に、圧縮機抽気４２を用いてタービン１８及び２０への空気を冷却するような間接冷却装置（ＩＣＳ）である。圧縮機からの排出抽気４２を冷却するため、燃焼器燃料の流れ４４又はファンからの吐出し空気（図示せず）が吸熱源として使用される。実施の一態様に従えば、冷却装置４０はそれの重量が６５ポンド未満となるように製造され且つ寸法決定される。
【００１０】
再循環ループ４６は閉ループであって、第１の熱交換器５０及び第２の熱交換器５２を含んでいる。再循環ループ４６は閉ループであるから、補給水は使用されない。第１の熱交換器５０は、再循環ループ４６中を循環する適当な伝熱流体に圧縮機抽気４２からの熱を伝達する空気−蒸気熱交換器である。実施の一態様に従えば、伝熱流体は水−メタノール混合物である。この場合、水は実験室用の純粋な脱イオン水であり、またメタノールはガスタービンエンジン１０が運転されていない時や伝熱流体が循環していない時に伝熱流体の凍結を防止するためのものである。一実施例においては、伝熱流体は約０．２２２モルのメタノール及び０．７７８モルの水を含有する溶液であって、約−４０°Ｆの凍結温度を有している。水の化学的性質を調整して再循環ループ４６内の腐食を防止するため、再循環ループ４６に緩衝化合物を添加することができる。別の実施の態様に従えば、熱交換器５２の燃料通路は化学蒸着された金属酸化物被膜で被覆されるが、これはガム及びコークス沈着物の剥離を容易にすると共に、燃料沈着物の生成を防止するためである。
【００１１】
第１の熱交換器５０を出た蒸気は、直接に第２の熱交換器５２に送られる。本明細書中において使用される「蒸気」という用語は、伝熱流体の臨界圧力よりも高い規定圧力下において該流体の温度がそれの臨界温度より高く且つ相の変化が存在しないような単一相の超臨界流体又は気体、あるいは伝熱流体の臨界圧力よりも高い規定圧力下において該流体の温度がそれの臨界温度より低く且つ相の変化が存在しないような単一相の超臨界液体を指す。第２の熱交換器５２は、燃焼器１６に供給される主たる燃焼器燃料の流れ４４に伝熱流体からの熱を伝達する蒸気−燃料熱交換器である。主たる燃焼器燃料の流れ４４は、伝熱流体から熱を吸収してそれを蒸気状態から液体状態に戻す吸熱源である。第２の熱交換器５２は、第１の通路（図示せず）及び第２の通路（図示せず）を含んでいる。第１の通路は、第２の熱交換器５２を通して第１の熱交換器５０からの伝熱流体を流すための複数の管（図示せず）を含んでいる。第２の通路は、第２の熱交換器５２内において主たる燃焼器燃料の流れ４４を複数の管の回りに流すためのものである。複数の管は互いに近接して配置され、そして第２の熱交換器５２を貫通する多数の燃料通路を規定している。主たる燃焼器燃料の流れ４４が互いに近接して配置された燃料通路を通って管の回りを流れると、流体撹乱力及び流体剪断力が発生する。更にまた、流体撹乱力及び流体剪断力の結果として、伝熱流体のレイノルズ数が増大する。レイノルズ数の増大及び流体に加わる力は、管の外面（図示せず）上に生成された沈着物の破片を和らげる。かかる破片は管から容易に剥離され、そして主たる燃焼器燃料の流れ４４と混合される。従って、管内における沈着物の凝集及び閉塞は低減することになる。
【００１２】
再循環ループ４６はまた、蓄圧器６０及びポンプ６２をも含んでいる。蓄圧器６０は、冷却装置４０の系統圧力を維持するための、気体状窒素を充填した蓄圧器である。あるいはまた、再循環ループ４６は圧力調整器（図示せず）を含んでいる。蓄圧器６０は、後記に一層詳しく説明されるごとく、再循環ループ４６から熱エネルギーを引出す。実施の一態様に従えば、蓄圧器６０は複合材料で作製され、そしてアルミニウム−青銅製のピストンを含んでいる。ポンプ６２は、再循環ループ４６内の系統圧力を調整する変速再循環ポンプである。ポンプ６２は、電子制御装置（図示せず）を含むモータ６４に連結されている。実施の一態様に従えば、モータ６４は電動機である。ポンプの電子制御装置は、エンジン制御装置（図示せず）に対して電気的に接続されている。実施の一態様に従えば、ポンプの電子制御装置はアメリカ合衆国オハイオ州シンシナティ市所在のゼネラル・エレクトリック社のエアクラフト・エンジン部門から入手可能なフル・オーソリティ・ディジタル・エレクトロニック・コントロール（ＦＡＤＥＣ）として知られるエンジン制御装置に対して電気的に接続されている。
【００１３】
ポンプの電子制御装置はポンプ６２への給電を調整すると共に、バイパス弁（図示せず）の動作をも調整する。バイパス弁は、バイパス６６を通る伝熱流体の流れを制御する。バイパス６６がポンプの電子制御装置と協働することにより、ポンプ６２への給電を調整すると共に、ガスタービンエンジンの起動運転時に伝熱流体の流れが第２の熱交換器５２を迂回するようにすることができる。このようにして、ポンプの電子制御装置は再循環ループ４６の圧力及び冷却能力を調整する。
【００１４】
ガスタービンエンジン１０は、内面７２及び外面７４を有するエンジンコアケーシング７０を含んでいる。ケーシング７０は、圧縮機１４、燃焼器１６並びにタービン１８及び２０の回りにおいて円周方向に沿って延びている。第１の熱交換器５０はケーシングの内面７２に取付けられ、そしてエンジンの冷却用空気流路（図示せず）内に延びている。従って、第１の熱交換器５０は第１の熱交換器に出入りする空気を送るためのダクトを含んでいない。第１の熱交換器５０を通過する冷却用空気の圧力降下は比較的小さいから、エンジン性能が第１の熱交換器５０によって悪影響を受けることはない。第２の熱交換器５２はケーシングの外面７４に取付けられている。
【００１５】
ガスタービンエンジン１０の起動運転時には、十分な燃料沈着物消散力は存在せず、また冷却装置４０は運転されない。かかる運転条件下では、再循環ループ４６内の伝熱流体は循環せず、また燃料は抽気４２の冷却が不要であるような低出力運転時にエンジン１０が要求する低い流量で第２の熱交換器５２を通して供給される。
【００１６】
低出力運転時には、エンジン１０の運転温度は増加出力運転時におけるエンジン１０の運転温度に比べて相対的に低い。このようなエンジンの運転に際しては、圧縮機１４を出る圧縮機の抽気４２（図１には示さず）は第１の熱交換器５０を通過すると共に冷却装置４０によって冷却されなくてもエンジン１０を冷却するのに十分な温度を有している。従って、冷却装置４０は選択的に運転可能であるから、十分な沈着物消散力が得られなければ冷却装置４０は使用されない。更にまた、エンジン１０が冷却用空気を要求しない低出力レベルの運転に際しては冷却装置４０は運転されないから、燃料沈着物の生成は更に低減する。
【００１７】
空気及び燃料に対して別個の熱交換器５０及び５２が使用されているから、第１の熱交換器５０は冷却用空気の圧力降下が小さくなるように最適化されるのに対し、第２の熱交換器５２は沈着物消散速度が大きくなるように最適化される。詳しく述べれば、第２の熱交換器５２は燃料のレイノルズ数を大きくして燃料の剪断応力を増大させるように最適化される。燃料流量の大きい運転に際しては、燃料の剪断応力が第２の熱交換器の管に付着したガム沈着物を和らげる。実施の一態様に従えば、沈着物消散応力は管列の数に有効横断面積を掛けてから管の表面積で割って得られる値を越えるような圧力降下として推定される。
【００１８】
最初、蓄圧器６０は約２７５ｐｓｉａに与圧される。エンジン出力がアイドル運転出力からガスタービンエンジン１０の定格エンジン出力の所定割合まで増加すると、冷却装置４０が運転状態となり、そして第１の熱交換器５０内の伝熱流体が沸騰する。伝熱流体が沸騰すると、蓄圧器６０は伝熱流体の密度の変化を利用して圧力を約８００ｐｓｉａに上昇させる。蓄圧器６０は、伝熱流体の圧力に応じて自己加圧を行う。エンジンの起動運転中及び起動運転後には、ポンプ６２が再循環ループの圧力を維持する。
【００１９】
エンジン１０の運転速度が定格エンジン出力の所定割合を越えると、冷却装置４０内を循環する伝熱流体は規定の圧力下で循環することになる。伝熱流体の規定の流量は、第１の熱交換器５０及び第２の熱交換器５２内において適切な熱伝達が起こることを保証するものである。ガスタービンエンジンが定格エンジン出力の所定割合より高い出力で運転される場合、伝熱流体の規定の流量と第２の熱交換器５２内で生じる流体力との組合せによって燃料からのガム沈着物が和らげられる。その結果、管の外面（図示せず）上に生成した沈着物の破片は管の外面から容易に剥離し、そして主たる燃焼器燃料の流れ４４に混入する。冷却装置４０の運転が停止されると、第２の熱交換器５２内の燃料は熱入力を受けず、従って低エンジン出力運転時における過熱やエンジンの運転停止後の高温ソークバックによる過熱を受けることがない。主たる燃焼器燃料の流れ４４は、第２の熱交換器５２を通って流れ続け、そしてそれを冷却し続ける。従って、高温ソークバックの問題は抑制され、そして燃料沈着物の生成は更に低減される。
【００２０】
再循環ループ４６の圧力は、冷却装置４０内に漏れが起こった場合、漏れがもはや起こらなくなるレベルに圧力が降下するまでに限られた量の伝熱流体しか漏れ出ないように調整される。エンジン制御装置が再循環ループの圧力の低下を感知した場合、エンジン制御装置は絞り弁の限界値を設け、それによって冷却用空気が不要となるような出力方式でエンジン１０を運転することを可能にする。更にまた、再循環ループ４６内を流れるメタノールと水との混合物は通常のエンジン運転条件下では燃焼せず、且つ第２の熱交換器５２はエンジンケーシング７０の外部に取付けられているから、火災の危険も少ない。詳しく述べれば、水とメタノールとの混合物は引火限界の上限値と下限値との間の範囲が狭い。その結果、第２の熱交換器５２内で燃料の漏れが生じても、第２の熱交換器５２はエンジン１０の外部に取付けられているため、燃料はエンジン１０内に導入されずにエンジン１０の外部に留まることになる。
【００２１】
図３は、ガスタービンエンジン１０と共に使用するための冷却装置１００の略図である。実施の一態様に従えば、冷却装置１００は地上に設置されたエンジン１０と共に使用される。冷却装置１００は（図２に示された）冷却装置４０と同様なものであって、熱交換器５０及び５２、蓄圧器６０、ポンプ６２、バイパス６６並びにモータ６４を含んでいる。冷却装置１００はまた、（図２に示された）再循環ループ４６と同様な閉じた再循環ループ１０２を含んでいるが、それはガスタービンエンジン１０の各種部品（たとえば、燃焼器１６、タービン１８又はタービン１６）の閉ループ蒸気冷却を可能にする。第１の熱交換器５０を出た蒸気は、再循環ループ１０２内の第２の熱交換器５２に直接には送られない。その代り、第１の熱交換器５０を出た蒸気はガスタービンエンジン１０の各種部品に送られ、そして空気及び蒸気の併用によるガスタービンエンジン１０の冷却が行われる。蒸気は各種のガスタービンエンジン部品に沿って流され、次いで第２の熱交換器５２に戻される。
【００２２】
再循環ループ１００はまた、追加の熱交換器１１０をも含んでいる。熱交換器１１０は、ガスタービンエンジン１０が天然ガス燃料を利用する場合に使用される蒸気−水熱交換器である。使用のために加圧された場合、天然ガスの温度は第２の熱交換器５２内の温度が抑制されるような高い温度に上昇する。かかる運転に際しては、第２の熱交換器５２は使用されずに熱交換器１１０が使用される。熱交換器１１０は蒸気−水熱交換器であるから、伝熱流体を蒸気から液体に変換するのに十分なだけの熱を伝熱流体から吸収するための吸熱源として水が使用される。
【００２３】
上記の冷却装置は原価効率が良いばかりでなく、高い信頼性を有している。かかる冷却装置は、冷却装置内における燃料からのガム沈着物を低減させると共に、ガスタービンエンジンに冷却用空気を供給する。かかる冷却装置は選択的に運転可能であって、ガスタービンエンジンが定格エンジン出力の所定割合より高い出力で運転される場合に使用される。主たる燃料の流れが吸熱源として使用されるとは言え、かかる冷却装置は有害な高温燃料沈着物が熱交換器内に生成するのを防止する。
【００２４】
以上、様々な特定の実施の態様に関連して本発明を説明したが、前記特許請求の範囲内において変更を加えながら本発明をし得ることは当業者にとって自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの略図である。
【図２】図１に示されたガスタービンエンジンと共に使用される冷却装置の略図である。
【図３】図１に示されたガスタービンエンジンと共に使用される冷却装置の別の実施例を示す略図である。
【符号の説明】
１０  ガスタービンエンジン
１２  低圧圧縮機
１４  高圧圧縮機
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２４  ノズル
４０  冷却装置
４２  圧縮機抽気又は冷却用空気
４４  燃焼器燃料の流れ
４６  再循環ループ
５０  第１の熱交換器
５２  第２の熱交換器
６０  蓄圧器
６２  ポンプ
６４  モータ
６６  バイパス
７０  エンジンコアケーシング
７２  内面
７４  外面
１０２  再循環ループ
１１０  熱交換器
【図１】
0004728493.tif 000002
【図２】
0004728493.tif 000003
【図３】
0004728493.tif 000004