(57)【要約】【課題】  本発明は、ガスタービンエンジン（１０）を運転する方法を提供する。【解決手段】  本方法は、第１の圧縮機（１４）から吐出された加圧空気流（５３）をその中を冷却媒体が流れる中間冷却器（５０）を通して流す段階と、中間冷却器を通して作動流体（７２）を流して該作動流体の作動温度を上昇させるのを可能にする段階と、吐出作動流体を燃焼器（１８）に流してガスタービンエンジンの運転効率を高めるのを可能にする段階とを含む。加熱システム（６３）は、中間冷却器（５０）を通して水を流して、該水の作動温度を上昇させる。【選択図】      図１
2005337261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の圧縮機（１４）、第２の圧縮機（１６）、燃焼器（１８）及びタービン（２０）を含むガスタービンエンジン（１０）用の中間冷却器システム（１２）であって、
前記第１の圧縮機の下流に結合されて該第１の圧縮機から吐出された加圧空気（５３）がそれを通して送られるようになった中間冷却器（５０）と、
前記中間冷却器と流れ連通状態になった加熱システム（６３）と、
を含み、前記加熱システムが、
前記中間冷却器を通して作動流体（７２）を流して該作動流体の作動温度を上昇させるのを可能にし、また
前記吐出作動流体を前記燃焼器に流してガスタービンエンジンの熱効率を高めるのを可能にする、ように構成されている、
中間冷却器システム（１２）。
【請求項２】
前記加熱システム（６３）が、前記中間冷却器（５０）を通して水を流して、該水の作動温度を上昇させるのを可能にするようさらに構成されている、請求項１記載の中間冷却器システム（１２）。
【請求項３】
前記加熱システム（６３）が、前記中間冷却器（５０）を通して前記燃焼器（１８）に水を流して、ガスタービンエンジン（１０）の運転効率を高めるのを可能にするようにさらに構成されている、請求項１記載の中間冷却器システム（１２）。
【請求項４】
それによって貯蔵タンクから前記中間冷却器（５０）に水を流して、ガスタービンエンジン（１０）の運転効率を高めるのを可能にするように構成されたポンプ（７４）をさらに含む、請求項１記載の中間冷却器システム（１２）。
【請求項５】
前記加熱システム（６３）が、前記中間冷却器（５０）を通して燃料（７６）を流して、該燃料の作動温度を上昇させるのを可能にするようにさらに構成されている、請求項１記載の中間冷却器システム（１２）。
【請求項６】
エンジン（１０）が、アニュラ型燃焼器（１８）をさらに含み、前記中間冷却器（５０）が、前記アニュラ型燃焼器に加熱した燃料（７６）を流して、ガスタービンエンジンの熱効率を高めるのを可能にするようにさらに構成されている、請求項５記載の中間冷却器システム（１２）。
【請求項７】
前記中間冷却器（５０）が、
前記第１の圧縮機吐出空気を用いて作動流体（７２）を加熱し、また
前記加熱した作動流体を前記燃焼器（１８）に流してガスタービンエンジン（１０）の熱効率を高めるのを可能にする、ようにさらに構成されている、
請求項１記載の中間冷却器システム（１２）。
【請求項８】
第１の圧縮機（１４）と、
前記第１の圧縮機の下流に配置された第２の圧縮機（１６）と、
前記第２の圧縮機の下流に配置された燃焼器（１８）と、
前記燃焼器と流れ連通状態で結合されたタービン（２０）と、
中間冷却器システム（１２）と、
を含み、前記中間冷却器システム（１２）が、
前記第１の圧縮機の下流に結合されて該第１の圧縮機から吐出された加圧空気がそれを通して送られるようになった中間冷却器（５０）と、
前記中間冷却器と流れ連通状態になった加熱システム（６３）と、
を含み、前記加熱システムが、
前記中間冷却器を通して作動流体（７２）を流して該作動流体の作動温度を上昇させるのを可能にし、また
前記吐出作動流体を前記燃焼器に流してガスタービンエンジンの熱効率を高めるのを可能にする、ように構成されている、
ガスタービンエンジン（１０）。
【請求項９】
前記加熱システム（６３）が、前記中間冷却器（５０）を通して水を流して、該水の作動温度を上昇させるのを可能にするようさらに構成されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記加熱システム（６３）が、前記中間冷却器（５０）を通して前記燃焼器（１８）に水を流して、ガスタービンエンジン（１０）の運転効率を高めるのを可能にするようにさらに構成されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には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エンジンを運転するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、一般的に直列流れ配置で、エンジンを通って流れる空気を加圧するための高圧圧縮機と、その中で燃料が加圧空気と混合されかつ点火されて高温ガスストリームを形成する燃焼器と高圧タービンとを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、ひとまとめにしてコアエンジンと呼ばれることもある。少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンはまた、加圧空気を高圧圧縮機に供給するための低圧圧縮機すなわちブースタを含む。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、航空機、発電及び舶用用途を含む多くの用途で用いられる。もちろん、所望のエンジン運転特性は、それぞれの用途によって変化する。より具体的には、幾つかの用途では、ガスタービンエンジンは、窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを低減するのを可能にする水噴射システムを備えた単一アニュラ型燃焼器を含むことができる。これに代えて、他の公知の用途では、ガスタービンエンジンは、乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器を含むことができる。
【０００４】
中間冷却式ガスタービンエンジンは、単一アニュラ型燃焼器、缶アニュラ型燃焼器又はＤＬＥ燃焼器のいずれかを含むことができるが、このようなエンジン内に水を噴射してＮＯｘエミッションを低減するのを可能にすることは、実際にはガスタービンエンジンの運転効率を低下させるおそれがある。さらに、中間冷却器を用いることは、高圧圧縮機によって行われる仕事量を減少させながら、エンジンの効率を高めるのを可能にするが、中間冷却器によって除去された熱はガスタービンエンジンには利用されない。
【特許文献１】特開２００２−５２２６９２号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、ガスタービンエンジンを運転する方法を提供する。本方法は、第１の圧縮機から吐出された加圧空気流をその中を冷却媒体が流れる中間冷却器を通して流す段階と、中間冷却器を通して作動流体を流して該作動流体の作動温度を上昇させるのを可能にする段階と、吐出作動流体を燃焼器に流してガスタービンエンジンの運転効率を高めるのを可能にする段階とを含む。
【０００６】
別の態様では、少なくとも第１の圧縮機、第２の圧縮機、燃焼器及びタービンを含むガスタービンエンジン用の中間冷却器システムを提供する。本中間冷却器システムは、第１の圧縮機の下流に結合されて該第１の圧縮機から吐出された加圧空気がそれを通して送られるようになった中間冷却器と、中間冷却器と流れ連通状態になった加熱システムとを含む。加熱システムは、中間冷却器を通して作動流体を流して該作動流体の作動温度を上昇させるのを可能にし、また吐出作動流体を燃焼器に流してガスタービンエンジンの熱効率を高めるのを可能にするように構成される。
【０００７】
さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に配置された第２の圧縮機と、第２の圧縮機の下流に配置された燃焼器と、燃焼器と流れ連通状態で結合されたタービンと、第１の圧縮機と流れ連通状態になった中間冷却器システムとを含む。中間冷却器システムは、第１の圧縮機の下流に結合されて該第１の圧縮機から吐出された加圧空気がそれを通して送られるようになった中間冷却器と、中間冷却器と流れ連通状態になった加熱システムとを含む。加熱システムは、中間冷却器を通して作動流体を流して該作動流体の作動温度を上昇させるのを可能にし、また吐出作動流体を燃焼器に流してガスタービンエンジンの熱効率を高めるのを可能にするように構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、中間冷却器システム１２を含むガスタービンエンジン１０のブロック線図である。ガスタービンエンジン１０は、直列流れ関係で、低圧圧縮機すなわちブースタ１４、高圧圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン２０、中間タービン２２及び出力タービンすなわちフリータービン２４を含む。低圧圧縮機すなわちブースタ１４は、入口２６と出口２８とを有し、また高圧圧縮機１６は、入口３０と出口３２とを含む。燃焼器１８は、高圧圧縮機出口３２に実質的に一致した入口３４と出口３６とを含む。１つの実施形態では、燃焼器１８は、アニュラ型燃焼器である。別の実施形態では、燃焼器１８は、乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器である。さらに別の実施形態では、燃焼器１８は、缶アニュラ型燃焼器である。
【０００９】
高圧タービン２０は、第１のロータシャフト４０で高圧圧縮機１６に結合され、また中間タービン２２は、第２のロータシャフト４２で低圧圧縮機１４に結合される。ロータシャフト４０及び４２は各々、エンジン１０の長手方向中心軸線４３に対してほぼ同軸に整列している。エンジン１０は、出力タービンシャフト４４に結合できる負荷（図示せず）を駆動するのに用いることが可能である。それに代えて、負荷は、ロータシャフト４２の前方延長部（図示せず）に結合することができる。
【００１０】
運転中、低圧圧縮機入口２６に吸込まれた周囲空気は、加圧され、下流方向に高圧圧縮機１６に流れる。高圧圧縮機１６は空気をさらに加圧し、高圧空気を燃焼器１８に送給し、燃焼器１８において高圧空気を燃料と混合し、混合気を点火して高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器１８から流れて、タービン２０、２２及び２４を駆動する。
【００１１】
エンジン１０の出力は、少なくとも部分的にガス流路に沿った様々な位置におけるガス流の作動温度に関係する。より具体的には、この例示的な実施形態では、高圧圧縮機出口３２におけるガス流の作動温度と燃焼器出口３６におけるガス流の作動温度とは、エンジン１０の運転時に精密にモニタされる。高圧圧縮機１６に流入するガス流の作動温度を低下させることにより、エンジン１０の出力を高めることが可能になる。
【００１２】
高圧圧縮機１６に流入するガス流の作動温度を低下させるのを可能にするために、中間冷却器システム１２は、低圧圧縮機１４と流れ連通状態で結合された中間冷却器５０を含む。低圧圧縮機１４からの空気流５３は、中間冷却器５０に流れて冷却された後に、冷却した空気５５が高圧圧縮機１６に戻される。
【００１３】
運転時、中間冷却器５０は、該中間冷却器５０を通って流れてガス流路から抽出したエネルギーを除去するようになった冷却流体５８を有する。１つの実施形態では、冷却流体５８は空気であり、中間冷却器５０は空気対空気式熱交換器である。別の実施形態では、冷却流体５８は水であり、中間冷却器５０は空気対水式熱交換器である。中間冷却器５０は、加圧空気流路５３から熱エネルギーを抽出し、冷却した加圧空気５５を高圧圧縮機１６に流す。より具体的には、この例示的な実施形態では、中間冷却器５０は、それを通して冷却流体５８が循環する複数の管（図示せず）を含む。熱は、複数の管壁（図示せず）を通して、加圧空気５３から入口６０を通して中間冷却器５０に供給された冷却流体５８に伝達される。従って、中間冷却器５０は、低圧圧縮機１４と高圧圧縮機１６との間で熱を除去するのを可能にする。高圧圧縮機１６に流入する空気の温度を低下させることは、空気を所望の作動圧力に加圧するのに高圧圧縮機１６によって消費されるエネルギーを減少させることを可能にし、それによって設計者がガスタービンエンジンの圧力比を増大させ、このことによりガスタービンエンジン１０から取り出されるエネルギー及びガスタービン１０の正味運転効率を高めることができるようになるのを可能にする。
【００１４】
１つの実施形態では、中間冷却器システム１２は、第２の出口６６と流れ連通状態で結合された第２の入口６４を有する加熱システム６３を含む。別の実施形態では、加熱システム６３は、第３の出口７０と流れ連通状態で結合された第３の入口６８を含む。さらに別の実施形態では、加熱システム６３は、第２の入口６４、第２の出口６６、第３の入口６８及び第３の出口７０を含む。
【００１５】
この例示的な実施形態では、加熱システム６３は、中間冷却器５０を通って流れてガス流路５３から抽出されたエネルギーを除去するようになった作動流体７２を含む。この例示的な実施形態では、作動流体７２は水である。作動流体７２は、加圧空気流路５３から熱エネルギーを抽出し、加熱した作動流体７２を燃焼器入口３４に流す。
【００１６】
運転時、周囲温度の作動流体７２は、例えばポンプ７４を用いて中間冷却器５０の入口６４に流される。比較的高温の加圧空気５３は、作動流体７２上を流れ、それによって加圧空気５３は冷却され、また作動流体７２は周囲温度よりも高い温度に加熱される。加熱した作動流体７２は、次に燃焼器入口３４に流され、燃焼器１８内に噴射される。
【００１７】
高圧圧縮機１６に流入する空気の温度を低下させることは、空気を所望の作動圧力に加圧するのに高圧圧縮機１６によって消費されるエネルギーを減少させることを可能にする。さらに、水を燃焼器１８内に噴射することにより、ガスタービンエンジン１０によって排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを低減することが可能になる。さらに、ガス流路５３と作動流体７２との間の熱伝達によってエネルギーを吸収することにより、アニュラ型燃焼器１８内に作動流体を噴射する前に該作動流体７２の効力を高めることによってガスタービン１０の燃料消費量が低減し、それによってガスタービン１０の高い正味運転効率を得ることが可能になる。
【００１８】
別の例示的な実施形態では、加熱システム６３は、中間冷却器５０を通って流れてガス流路５３から抽出したエネルギーを除去するようになった燃料７６を含む。燃料７６は、加圧空気流路５３からエネルギーを抽出し、加熱した燃料を燃焼器入口３４に流す。
【００１９】
運転時、周囲温度の燃料７６は、中間冷却器５０の入口６８に流される。比較的高温の加圧空気５３は、燃料７６上を流れ、それによって加圧空気５３は冷却され、また燃料７６は周囲温度よりも高い温度に加熱される。加熱した燃料７６は、次に燃焼器入口３４に流され、燃焼器１８内に噴射される。
【００２０】
高圧圧縮機１６に流入する空気の温度を低下させることは、空気を所望の作動圧力に加圧するのに高圧圧縮機１６によって消費されるエネルギーを減少させることを可能にする。さらに、燃焼器１８に流す燃料の温度を上昇させることにより、燃料７６をアニュラ型燃焼器１８内に噴射する前に該燃料７６の効力を高めることによってガスタービン１０の燃料消費量が低減し、それによってガスタービン１０の高い正味熱効率を得ることが可能になる。
【００２１】
１つの実施形態では、加熱した作動流体７２が、燃焼器１８内に噴射される。別の実施形態では、加熱した燃料７６が、燃焼器１８内に噴射される。別の実施形態では、加熱した作動流体７２及び加熱した燃料７６の両方が燃焼器１８内に噴射される。
【００２２】
図２は、本明細書に記載した方法及び装置を用いた場合のガスタービンエンジン１０の熱効率を示す例示的なグラフ図である。この例示的な実施形態では、また図２を参照すると、加熱した作動流体７２も加熱した燃料７６も燃焼器１８内に噴射しない場合には、ガスタービンエンジン１０は、基準熱効率で運転される。しかしながら、作動流体７２が中間冷却器５０内で加熱され、その後燃焼器１８に流された場合、ガスタービンエンジン１０の熱効率は、基準ガスタービンエンジン熱効率よりも大きくなる。さらに、作動流体７２及び燃料７６の両方が中間冷却器５０内で加熱され、その後燃焼器１８に流された場合、ガスタービン１０の熱効率は、基準ガスタービンエンジン熱効率よりも大きくなり、また加熱した作動流体７２のみが燃焼器１８に流された場合に得られる熱効率よりも大きくなる。
【００２３】
上記のシステムは、ガスタービンエンジンにおけるガス流冷却のための、費用効果がありかつ高い信頼性がある方法を提供する。さらに、加圧空気冷却サイクルの間に除去された熱は、作動流体及び燃料を燃焼器に流す前に該作動流体及び燃料の両方の温度を上昇させるのに利用することが可能である。従って、作動流体及び燃料を加熱することにより、ガスタービンエンジンの一酸化炭素エミッションを低減しながら同時にガスタービンエンジンの熱効率を高めることが可能になり、さらにガスタービンエンジン燃料ノズルの有効寿命を延ばすことが可能になる。従って、本明細書に記載した方法は、ガスタービン燃料効率を効果的に高め、その結果、運転費用を節減することを可能にする。さらに、中間冷却器内で廃棄する熱を減少させることにより、公知のガスタービンエンジン中間冷却器よりも小型の中間冷却器設計となる。
【００２４】
以上、ガスタービンシステムの例示的な実施形態を詳細に説明している。ガスタービンシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本システムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。各ガス通路構成要素はまた、他のガス通路構成要素と組合せて用いることもできる。
【００２５】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】冷却システムを含む例示的なガスタービンエンジンのブロック線図。
【図２】図１に示すシステムを用いて発生させたエンジン熱効率の例示的なグラフ図。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンエンジン
１２  中間冷却器システム
１４  低圧圧縮機
１６  高圧圧縮機
１８  燃焼器
２０  高圧タービン
２２  中間タービン
２４  出力タービン
５０  中間冷却器
５３  低圧圧縮機からの加圧空気
５５  冷却した空気
５８  冷却流体
６３  加熱システム
７２  作動流体
７４  ポンプ
７６  燃料
【図１】
2005337261.tif 000003
【図２】
2005337261.tif 000004