(57)【要約】  圧縮機（２）、バーナ（３）、高圧タービン（４）、および低圧タービン（５）を備えるガスタービンエンジン（１）における部分負荷効率を改善するための方法が使用され；方法は、少なくとも：空気質量流量および火炎温度を調節することによってガスタービンエンジンを運転するステップを含み；調節は、少なくとも：圧縮機から燃焼チャンバに供給される空気質量流量および運転中バーナの数および空気質量流量を制御するための高圧タービンと低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化を制御することによって実施される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２）、バーナ（３）、高圧タービン（４）、および低圧タービン（５）を備えるガスタービンエンジン（１）における部分負荷効率を改善するための方法であって、
少なくとも、
ａ．前記圧縮機から前記燃焼チャンバに供給される空気質量流量、および、
ｂ．運転中バーナの数、および、
ｃ．前記空気質量流量を制御するための前記高圧タービンと前記低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化
を制御することにより、
少なくとも、
−前記空気質量流量、および、
−火炎温度
を調節することによって、前記ガスタービンエンジンを運転させるステップを含む、方法。
【請求項２】
−ステップａは、仕事の損失を制限するため、排出部のより上流の圧縮機段において前記圧縮機の流体の流量の一部を抽出する抽気を含み、前記抽気おいて、前記燃焼チャンバに供給される前記抽気流量が修正され、および／または、
−ステップｂは、運転中バーナの数が修正される環状燃焼器ステージングを含み、および／または、
−ステップｃは、前記高圧タービンと前記低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化が修正され、空気質量流量調節を可能にするノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
−第１の分離負荷値より小さい下限負荷範囲において、前記ガスタービンエンジンは、仕事の損失を制限するため、前記抽気流量（ＡＳＶ）を制御することによって運転され、
−前記第１の分離負荷値より大きくかつ第２の分離負荷値より小さい中間負荷範囲において、前記ガスタービンエンジンは、高温ガス経路成分の熱歪を制限するため、前記環状燃焼器ステージングを制御することによって運転され、
−前記第２の分離負荷値より大きくかつ全運転負荷値より小さい上限負荷範囲において、前記ガスタービンエンジンは、空気質量流量を調節するため、前記ノズルガイドベーン（ＮＧＶ）を制御することによって運転される、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
−前記第１の分離負荷値は、最大タービンエンジン負荷の、好ましくは１５％と２５％の間からなる範囲内で、より一層好ましくは実質的に２０％に等しい値に調整可能であり、および／または、
−前記第２の分離負荷値は、最大タービンエンジン負荷の、好ましくは３５％と４５％の間からなる範囲内で、より一層好ましくは実質的に４０％に等しい値に調整可能であり、および／または、
−前記上限負荷範囲は、最大タービンエンジン負荷の、好ましくは実質的に９８％に等しい値に調整可能である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記圧縮機の前記抽気流量の前記制御は、流体の流量であって、減少する、好ましくは、０％（アイドル状態）と前記第１の分離負荷値との間で線形に減少する、流体の流量を前記圧縮機から抽気することを少なくとも可能にする、請求項３または４記載の方法。
【請求項６】
前記環状燃焼器ステージングの前記制御は、運転中バーナの数を前記第１の分離負荷値における運転中バーナの最小数から前記第２の分離負荷値における運転中バーナの最大数まで増大させること、好ましくは線形に増大させることを少なくとも可能にし、運転中バーナの前記最大数は、好ましくは前記タービンエンジン内の前記バーナの最大数に等しい、請求項３または４記載の方法。
【請求項７】
ノズルガイドベーン（ＮＧＶ）の前記制御は、前記高圧タービン内のエンタルピー降下を、前記第２の分離負荷値の最小値から前記上限負荷範囲の最大値まで増大させること、好ましくは線形に増大させることを少なくとも可能にし、前記エンタルピー降下は、出力タービンの上流に位置するノズルののど面積を回転エアフォイルによって調節することによって調節される、請求項３または４記載の方法。
【請求項８】
前記抽気流は、前記圧縮機の主出口と異なる前記圧縮機の中間段からのものであり、好ましくは、前記圧縮機の前記中間段はアンチサージ弁システムを備える、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
圧縮機（２）、バーナ（３）、高圧タービン（４）、および低圧タービン（５）を備えるガスタービンエンジン（１）であって、
−前記高圧タービン（４）に動作可能に接続された前記圧縮機の抽気流パイピング（２１）、
−前記バーナ（３）を備える環状燃焼器ステージングデバイス、
−ノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御デバイス
を備える、ガスタービンエンジン（１）。
【請求項１０】
前記圧縮機の前記抽気流パイピング（２１）は、前記圧縮機（２）の主出口と異なる前記圧縮機の中間段（２２）に動作可能に接続され、好ましくは、前記圧縮機の前記中間段（２２）はアンチサージ弁システムを備え、前記アンチサージ弁システムは調節弁を備える、請求項９記載のガスタービンエンジン（１）。
【請求項１１】
前記環状燃焼器ステージングデバイスは、バーナの少なくとも一部、好ましくは全て用の起動デバイスを備える、請求項９記載のガスタービンエンジン（１）。
【請求項１２】
前記ノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御デバイスは、アクチュエータ、リング、ピン、およびエーロフォイルを備え、前記アクチュエータは、前記リングおよび前記ピンによって前記ノズルエーロフォイルに結合される、請求項９乃至１１のいずれか１項記載のガスタービンエンジン（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題の実施形態は、ガスタービンエンジン（しばしば、単に「ガスタービン（ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ）」と呼ばれる）における部分負荷効率を改善するための方法および改善された部分負荷効率を有するガスタービンエンジンに対応する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年、部分負荷において高い効率および／または低エミッションを得ながらガスタービン運転を制御することが益々重要になってきた。
【０００３】
こうした運転条件において、知られているガスタービンは、比較的低い効率および／または高いエミッション、特にＮＯｘエミッションを示す。
【０００４】
低エミッション予混合式燃焼器が使用されると、反応温度は、設計値に対してできる限り近く維持されなければならない：そうするため、燃焼チャンバに入る空気流のある種の制御を開発することが必要である。
【０００５】
ガスタービンの部分負荷運転を制御するための解決策が知られている。
【０００６】
１つの知られている解決策は、ガスタービン運転中に、（タービンの部分負荷運転範囲内の）２つの自由度を制御することである；特に、圧縮機抽気および燃焼器ステージングについて制御を提供することが知られている。
【０００７】
簡潔に言えば、「抽気」は、燃焼チャンバの上流で圧縮空気の一部を吐出する圧縮機排出部に通常位置する弁である。このシステムは、圧縮において費やされる仕事の一部を消散させる。
【０００８】
次に、燃焼器ステージングを制御することは、バーナの一部を選択的にターンオフして、アクティブなバーナを適切な燃料／空気比で動作させることを意味する。高出力レベルで実施されると、このアプローチは、高温ガス経路成分に対して熱歪をもたらす。
【０００９】
したがって、ガスタービンにおける部分負荷効率を改善するための方法および改善された部分負荷効率を有するタービンについての一般的な必要性が存在する。
【００１０】
重要な考えは、３つの自由度、すなわち、仕事の損失を制限するため圧縮機の流体の抽気流量（圧縮機排出部よりさらに上流）を制御すること、燃焼器ステージング、およびノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御に関してガスタービンエンジンを制御して、部分負荷におけるガスタービンエンジン運転を提供することである。
【００１１】
こうして、部分負荷における高効率および／または低エミッションを達成するため、主ガスタービンエンジンパラメータを制御するときの大きな多用途性を達成することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００７４５１６号明細書
【発明の概要】
【００１３】
本明細書で開示される主題の第１の実施形態は、圧縮機、バーナ、高圧タービン、および低圧タービンを備えるガスタービンエンジンにおける部分負荷効率を改善するための方法に対応し、方法は、少なくとも、空気質量流量および火炎温度を調節することによってガスタービンエンジンを運転するステップを含む。
【００１４】
こうしたパラメータ（空気質量流量および火炎温度）は、少なくとも：
ａ．圧縮機から燃焼チャンバに供給される空気質量流量、および、
ｂ．運転中バーナの数、および、
ｃ．空気質量流量を制御するための高圧タービンと低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化
を制御することによって調節される。
【００１５】
より一層好ましくは、ステップａは、仕事の損失を制限するため、排出部のより上流の圧縮機段において圧縮機の流体の流量の一部を抽出する抽気を含み、抽気において、燃焼チャンバに供給される抽気流量が修正され、および／または、ステップｂは、運転中バーナの数が修正される環状燃焼器ステージングを含み、および／または、ステップｃは、高圧タービンと低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化が修正され、空気質量流量調節を可能にするノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御を含む。
【００１６】
換言すれば、ガスタービンエンジンにおける部分負荷効率を改善するための方法は、部分負荷において、２つの自由度：
ａ．燃焼チャンバに供給される抽気流量が修正される、圧縮機の流体の抽気流量（ＡＳＶ）、および、
ｂ．運転中バーナの数が修正される、環状燃焼器ステージング
を制御することを可能にし、方法は、少なくとも第３の自由度を制御するステップを更に含み、前記第３の自由度は；
ｃ．高圧タービンと低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化が修正され、空気質量流量調節を可能にするノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御
である。
【００１７】
本明細書で開示される主題の第２の実施形態は、圧縮機、バーナ、高圧タービン、および低圧タービンを備えるガスタービンエンジンに対応し、前記ガスタービンエンジンは、高圧タービンに動作可能に接続された圧縮機の抽気流パイピング、前記バーナを備える環状燃焼器ステージングデバイス、およびノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御デバイスを更に備える。
【００１８】
本明細書に組込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の例示的な実施形態を示し、詳細な説明と共に、これらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本明細書で開示される例示的な方法の制御図である。
【図２】簡略化したガスタービンエンジンスキームを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
例示的な実施形態の以下の説明は添付図面を参照する。
【００２１】
以下の説明は、本発明を制限しない。代わりに、本発明の範囲は、添付特許請求の範囲によって規定される。
【００２２】
本明細書全体を通しての「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「或る実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する参照は、実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。そのため、本明細書全体を通した種々の場所におけるフレーズ「一実施形態において（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「或る実施形態において（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の出現は、必ずしも同じ実施形態を参照しない。更に、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適した方法で組合されてもよい。
【００２３】
本明細書で述べる部分負荷効率を改善するための方法の一実施形態は、図２に示すガスタービンエンジンに当てはまる。
【００２４】
見てわかるように、ガスタービンエンジン１、本明細書で述べる主題の実施形態は、圧縮機２、バーナ３、高圧タービン４、および高圧タービン４の下流の低圧タービン５を備える。
【００２５】
本明細書で与えられる教示によれば、タービンエンジン１は、同様に、高圧タービン４に動作可能に接続される圧縮機の抽気流パイピング２１を備える。
【００２６】
好ましくは、抽気流パイピング２１は、圧縮機の主出口と異なる、圧縮機の中間段２２に動作可能に接続され、したがって、抽気流パイピング２１は、圧縮機自体の排出部（主出口）のより上流で圧縮機段に動作可能に接続される。
【００２７】
好ましくは、圧縮機２の前記中間段２２がアンチサージ弁ＡＳＶシステムを備える場合、抽気流パイピング２１は、アンチサージ弁ＡＳＶシステムと異なるパイピングであり得る、または、アンチサージ弁ＡＳＶシステムと同じパイピングであり得る。
【００２８】
同じパイピングである場合、前記アンチサージ弁システムは、同様に、（抽気流パイピング２１用の）質量流量調節のためとアンチサージのための両方のために設けられる調節弁（図示せず）を備える。
【００２９】
更に、ガスタービンエンジン１は、同様に、それ自体よく知られているタイプの前記バーナ３を備える環状燃焼器ステージングデバイスを備える；簡潔に言えば、前記デバイスは、バーナの少なくとも一部、好ましくは全て用の起動デバイスを備え、前記起動デバイスは、各バーナについての少なくとも１つの弁である。
【００３０】
更に、ガスタービンエンジン１は、同様に、当技術分野でそれ自体知られているノズルガイドベーン（ＮＧＶ：ｎｏｚｚｌｅ  ｇｕｉｄｅ  ｖａｎｅ）制御デバイスを備え；このデバイスは、簡潔に言えば、リングに作用するアクチュエータを備え、アクチュエータは、次に、ノズルエーロフォイルに結合されるピンを移動させ、ピンは、各ノズルののど面積を開閉し、それにより、エンタルピー降下を調節する。
【００３１】
図１を参照すると、主題の別の実施形態は、圧縮機２、バーナ３、高圧タービン４、および低圧タービン５を備えるガスタービンエンジン１における部分負荷効率を改善するための方法であり、方法は、少なくとも：
ａ．圧縮機から燃焼チャンバに供給される空気質量流量、
ｂ．運転中バーナの数、
ｃ．空気質量流量を制御するための高圧タービンと低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化
を制御することにより、
少なくとも：
−空気質量流量
−火炎温度
を調節することによってガスタービンエンジンを運転するステップを含む。
【００３２】
好ましくは、ステップａは、仕事の損失を制限するため、排出部のより上流の圧縮機段において圧縮機の流体の流量の一部を抽出する抽気を含み、抽気において、燃焼チャンバに供給される抽気流量が修正される。
【００３３】
好ましくは、ステップｂは、運転中バーナの数が修正される環状燃焼器ステージングを含む。
【００３４】
好ましくは、ステップｃは、高圧タービンと低圧タービンとの間のエンタルピー降下の変化が修正され、空気質量流量調節を可能にするノズルガイドベーン（ＮＧＶ）制御を含む：高圧タービンに関するエンタルピー降下の調節は、シャフト速度、したがって、空気質量流量を修正することを可能にする。
【００３５】
これらの制御は、好ましくは、図２に示すように、タービンの異なる負荷において実施される。
【００３６】
オプションの特徴によれば、第１の分離負荷値Ｌ１より小さい下限（ｌｏｗｅｒ）負荷範囲において、ガスタービンエンジンは、仕事の損失を制限するため、抽気流量（ＡＳＶ）を制御することによって運転され、一方、第１の分離負荷値より大きくかつ第２の分離負荷値Ｌ２より小さい中間負荷範囲において、ガスタービンエンジンは、高温ガス経路成分の熱歪を制限するため、環状燃焼器ステージングを制御することによって運転され、一方、第２の分離負荷値より大きくかつ全（上限）運転負荷値Ｌ３より小さい上限負荷範囲において、ガスタービンエンジンは、空気質量流量を調節するため、ノズルガイドベーン（ＮＧＶ）を制御することによって運転される。
【００３７】
第１の分離負荷値Ｌ１、第２の分離負荷値Ｌ２、および上限負荷値Ｌ３に関して、原理上、それらは、調整可能であり、また、運転のために変更され得る。
【００３８】
好ましい実施形態において、図１を参照すると、第１の分離負荷値Ｌ１は、最大タービンエンジン負荷の、好ましくは１５％と２５％の間からなる範囲内にあり、より一層好ましくは実質的に２０％に等しく、第２の分離負荷値Ｌ２は、最大タービンエンジン負荷の、好ましくは３５％と４５％の間からなる範囲内にあり、より一層好ましくは実質的に４０％に等しい。
【００３９】
上限負荷範囲値Ｌ３は、最大タービンエンジン負荷の、好ましくは実質的に９８％に等しい。
【００４０】
圧縮機の抽気流量の制御に関して、その制御は、流体の流量であって、図１においてＢＦＲとして参照され、減少する、好ましくは、０％（アイドル状態）と第１の分離負荷値Ｌ１との間でエンジン負荷間を線形に減少する、流体の流量を圧縮機から少なくとも抽気するために提供される。
【００４１】
抽気流は、圧縮機の主出口と異なる圧縮機の中間段、好ましくは、上述したように、アンチサージ弁システムＡＳＶを備える圧縮機の中間段からのものであり；この点で、図１において、その制御は、「ＡＳＶ制御（ＡＳＶ  ｃｏｎｔｒｏｌ）」として示される。
【００４２】
環状燃焼器ステージングの制御に関して、その制御は、図１においてＯＢとして参照される運転中バーナの数を第１の分離負荷値における運転中バーナの最小数から第２の分離負荷値における運転中バーナの最大数まで、少なくとも増大させるため、好ましくは線形に増大させるために提供され；この点で、図１において、その制御は、「ステージング制御（ｓｔａｇｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌ）」として示される。
【００４３】
好ましくは、運転中バーナの前記最大数は、好ましくはタービンエンジン内のバーナの最大数に等しい。
【００４４】
次に、ノズルガイドベーン（ＮＧＶ）の制御は、高圧タービン内のエンタルピー降下を、第２の分離負荷値の最小値から上限負荷範囲の最大値まで、少なくとも増大させること、好ましくは線形に増大させることを可能にし；この調節は、好ましくは図１に示すように線形であり、「ＴＮＨ」と呼ばれる。
【００４５】
こうしたエンタルピー降下は、例えば、出力タービンの上流に位置するノズルののど面積を回転エアフォイルによって調節することによって調節される。
【符号の説明】
【００４６】
１  ガスタービンエンジン
２  圧縮機
３  バーナ
４  高圧タービン
５  低圧タービン
２１  抽気流パイピング
２２  圧縮機の中間段
【図１】
2018513295.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
2018513295.tif 000005
2018513295.tif 000006