(57)【要約】【課題】プラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステムを提供すること。【解決手段】気流を圧縮するためのコンプレッサ部分を含むプラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステムであって、コンプレッサ部分は、コンプレッサ部分の吸気部の近くで気流を制御するための少なくとも１つの入口案内翼を含む。また、コンプレッサ部分に送られる気流を取り込むためのタービン吸気アセンブリも含まれている。気流の一部を操作するために制御可能に電界を作るための、コンプレッサ部分の吸気部およびタービン吸気アセンブリの少なくとも１つ内に配置されたプラズマアクチュエータがさらに含まれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気流を圧縮するためのコンプレッサ部分であって、前記コンプレッサ部分の吸気部の近くで前記気流を制御するための少なくとも１つの入口案内翼を含むコンプレッサ部分と、
前記コンプレッサ部分に送る前記気流を取り込むためのタービン吸気アセンブリと、
前記気流の一部を操作するために制御可能に電界を作るための、前記コンプレッサ部分の前記吸気部と前記タービン吸気アセンブリのうちの少なくとも１つの中に配置されたプラズマアクチュエータと
を含むプラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステム。
【請求項２】
前記タービン吸気アセンブリが、第１の方向に前記気流を送るための第１のダクト部と、第２の方向に前記気流を送るための第２のダクト部と、前記第１のダクト部から前記第２のダクト部に前記気流を移すためのエルボとを含み、前記プラズマアクチュエータが前記エルボ内に配置されている請求項１記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記タービン吸気アセンブリが、前記コンプレッサ部分の前記吸気部の上流かつ近くに配置された吸気プレナムを含み、前記プラズマアクチュエータが、前記吸気プレナム内に配置されている請求項１記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記吸気プレナムが、コンプレッサの吸気ベルマウスを含み、前記プラズマアクチュエータが、前記コンプレッサの吸気ベルマウスの近くに配置されている請求項３記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの入口案内翼が外表面を含み、前記プラズマアクチュエータが、前記外表面の近くに配置されている請求項１記載のガスタービンシステム。
【請求項６】
前記プラズマアクチュエータが、第１の側面および第２の側面、ならびに前記第１の側面の近くに配置された第１の電極および前記第２の側面の近くに配置された第２の電極を有する誘電体部品を含む請求項１記載のガスタービンシステム。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極が、少なくとも１つのエネルギー源に操作可能に接続されている請求項６記載のガスタービンシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つのエネルギー源が、前記第１の電極および前記第２の電極に直流（ＤＣ）電圧を提供する請求項７記載のガスタービンシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つのエネルギー源が、前記第１の電極および前記第２の電極に交流（ＡＣ）を提供する請求項７記載のガスタービンシステム。
【請求項１０】
コンプレッサ部分に送られる気流を取り込むためのタービン吸気アセンブリであって、気流の経路を囲む外部壁を含むタービン吸気アセンブリと、
前記気流の一部を操作するために制御可能に電界を作るための、前記タービン吸気アセンブリの前記外部壁の近くに配置されたプラズマアクチュエータと
を含むプラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステム。
【請求項１１】
前記タービン吸気アセンブリが、第１の方向に前記気流を送るための第１のダクト部と、第２の方向に前記気流を送るための第２のダクト部と、前記第１のダクト部から前記第２のダクト部に前記気流を移すためのエルボとを含み、前記プラズマアクチュエータが、前記エルボ内に配置されている請求項１０記載のガスタービンシステム。
【請求項１２】
前記タービン吸気アセンブリが、前記コンプレッサ部分の吸気部の上流かつ近くに配置された吸気プレナムを含み、前記プラズマアクチュエータが、前記吸気プレナム内に配置されている請求項１０記載のガスタービンシステム。
【請求項１３】
前記プラズマアクチュエータが、第１の側面および第２の側面、ならびに前記第１の側面の近くに配置された第１の電極および前記第２の側面の近くに配置された第２の電極を有する誘電体部品を含む請求項１０記載のガスタービンシステム。
【請求項１４】
前記第１の電極および前記第２の電極が、少なくとも１つのエネルギー源に操作可能に接続されている請求項１３記載のガスタービンシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのエネルギー源が、前記第１の電極および前記第２の電極に直流（ＤＣ）電圧を提供する請求項１４記載のガスタービンシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのエネルギー源が、前記第１の電極および前記第２の電極に交流（ＡＣ）を提供する請求項１４記載のガスタービンシステム。
【請求項１７】
気流を圧縮するためのコンプレッサ部分であって、吸気部を含むコンプレッサ部分と、
前記コンプレッサ部分の前記吸気部の近くに配置されたプラズマアクチュエータであって、前記気流の一部を操作するために制御可能に電界を作るプラズマアクチュエータと
を含むプラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステム。
【請求項１８】
前記コンプレッサ部分が、外表面を有する少なくとも１つの入口案内翼を含み、前記プラズマアクチュエータが、前記外表面の近くに配置されている請求項１７記載のガスタービンシステム。
【請求項１９】
前記コンプレッサ部分の前記吸気部が支柱を含み、前記プラズマアクチュエータが前記支柱上に配置されている請求項１７記載のガスタービンシステム。
【請求項２０】
前記プラズマアクチュエータが、第１の側面および第２の側面を有する誘電体部品を含み、第１の電極が前記第１の側面の近くに配置され、第２の電極が前記第２の側面の近くに配置され、前記第１の電極および前記第２の電極が、少なくとも１つのエネルギー源に操作可能に接続されている請求項１７記載のガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する対象はガスタービンシステムに関し、より詳細には、そのようなシステム内に配置されたプラズマアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムのための吸気アセンブリは、典型的には、気流が吸気アセンブリに入るための取り入れ経路を提供する取り入れ部を含み、取り入れ部は吸込雨よけまたはルーバーなどの調整機能を含むことが多い。ルーバーまたは雨よけの下流には、気流を処理するために、ろ過および気流調整のための様々な要素が含まれることがある。吸気ダクトは、処理された気流を収容し、ガスタービンの吸気プレナムに、次にコンプレッサの吸気部に送るように構成されている。吸気アセンブリを通して気流を送ると、典型的には、気流の形状の変化および／または急激な方向転換が生じるため、様々な領域で流れの分離が引き起こされて、結果として、不本意に気流の圧力が低下することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１２２５３６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様によると、気流を圧縮するためのコンプレッサ部分を含むプラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステムであって、コンプレッサ部分は、コンプレッサ部分の吸気部の近くに気流を制御するための少なくとも１つの入口案内翼を含む。また、コンプレッサ部分に送られる気流を取り込むためのタービン吸気アセンブリも含まれている。気流の一部を操作するために制御可能に電界を作るための、コンプレッサ部分の吸気部とタービン吸気アセンブリのうちの少なくとも１つの中に配置されたプラズマアクチュエータがさらに含まれている。
【０００５】
本発明の他の態様によると、コンプレッサ部分に送られる気流を取り込むためのタービン吸気アセンブリを含むプラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステムであって、タービン吸気アセンブリは、気流の経路を囲む外部壁を含む。気流の一部を操作するために制御可能に電界を作るための、タービン吸気アセンブリの外部壁の近くに配置されたプラズマアクチュエータも含まれる。
【０００６】
本発明のさらに他の一態様によると、気流を圧縮するためのコンプレッサ部分を含むプラズマアクチュエータ流れ制御構成物を有するガスタービンシステムであって、コンプレッサ部分は吸気部を含む。また、コンプレッサ部分の吸気部の近くに配置されたプラズマアクチュエータも含み、プラズマアクチュエータは、気流の一部を操作するために制御可能に電界を作る。
【０００７】
これらおよび他の利点および機能は、図面とともに以下の記述からより明白になるだろう。
【０００８】
本発明と見なされる対象については、明細書の結びにおいて特許請求の範囲で詳細に指摘し、明確に請求している。本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明白である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンシステムの概略図である。
【図２】ガスタービンシステムの吸気アセンブリの側面図である。
【図３】ガスタービンシステムの一部内に配置されたプラズマアクチュエータの概略図である。
【図４】ガスタービンシステムのコンプレッサ部分の吸気部の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明は、図面を参照して例示を目的として、利点および機能とともに、本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１を参照すると、ガスタービンシステムが参照番号１０を用いて概略的に示されている。ガスタービンシステム１０は、コンプレッサ１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８、および燃料ノズル２０を含む。コンプレッサ１２およびタービン１６は、シャフト１８によって結合されている。シャフト１８は、単一のシャフトでも、またはシャフト１８を形成するために相互に結合された複数のシャフト区分でもよい。さらに、タービン吸気アセンブリ２２は、フィルタされてコンプレッサ１２に送られる気流２４を取り込む。
【００１２】
燃焼器１４は、ガスタービンシステム１０を運転するために、天然ガスまたは水素が豊富な合成ガスなど、可燃性液体および／または気体燃料を使用する。たとえば、燃料ノズル２０は、空気源および燃料供給２６と流体的に連絡している。燃料ノズル２０は混合気を作り、混合気を燃焼器１４に放出するので、それによって、高温の加圧された排出ガスを生じる燃焼が引き起こされる。燃焼器１４は、連絡管を通してタービンノズル（または、「ステージ１ノズル」）、ならびに他のステージのバケットおよびノズルへと高温の加圧されたガスを導き、タービン１６を回転させる。タービン１６の回転によってシャフト１８が回転するため、コンプレッサ１２に流れ込むときに空気が圧縮される。
【００１３】
図２を参照すると、タービン吸気アセンブリ２２がより詳細に示されている。タービン吸気アセンブリ２２は、気流２４の入口部３０を含み、入口部３０は、典型的には１つまたは複数の吸込雨よけまたはルーバーを含む。入口部３０は、気流２４が周囲環境から吸込フィルタコンパートメント３２に入るための経路を提供する。より気温が低い運転環境では、タービン吸気アセンブリ２２内で氷が形成されたり、つまりが生じたりするのを防ぐために、入口部３０の近く、および／または下流に、様々な防氷デバイスを配置することができる。さらに、気流２４の乾球温度を下げるためにオプションの冷却要素を用いることができる。吸気ダクト３４は、気流を収容し、吸気プレナム３６に送るように構成されている。吸気ダクト３４は、向きおよび幾何学的構成を変動させることができる多数の部分を含む。たとえば、第１のダクト部分３８が、比較的垂直である第２のダクト部分４２に向けてエルボ４０を通じて方向転換する前に、比較的水平なものとして示されている。吸気プレナム３６は、気流２４がコンプレッサ１２にすぐに入るように、比較的乱流がない領域を提供するように構成されている。気流２４は、吸気プレナム３６を通じてコンプレッサ１２に入る間に、さらにもう１度、方向転換することになる。吸気プレナム３６は、コンプレッサ吸気用ラッパ口４６に気流２４を導く。
【００１４】
図３を参照すると、気流２４の経路の幾何学的構成が方向転換および／または変化する領域において、流れの分離が発生することがあり、タービン吸気アセンブリ２２の構造的要素の近くに境界層が形成される。タービン吸気アセンブリ２２内の流れの分離および関連する圧力低下を減らすために、プラズマアクチュエータ４４がタービン吸気アセンブリ２２内に配置される。単一のプラズマアクチュエータを記述しているが、複数のそのようなプラズマアクチュエータを用いることができ、用途によって決定されることを理解されたい。プラズマアクチュエータ４４は、気流２４を、向きおよび／または幾何学的構成で急激な変化にさらすタービン吸気アセンブリ２２の任意の領域に配置することができる。エルボ４０、吸気プレナム３６、およびコンプレッサの吸気ベルマウス４６の近くの領域は、プラズマアクチュエータ４４を配置することで、そのような領域で見られる流れの分離を減らすのに役立つことができる場所の例である。前述の領域は、プラズマアクチュエータ４４を使用することで利益を得られることが知られている代表的な場所であるが、プラズマアクチュエータ４４は、タービン吸気アセンブリ２２内の任意の場所に配置できることを理解されたい。
【００１５】
プラズマアクチュエータ４４は、たとえば限定することなく、タービン吸気アセンブリ２２の外部壁４８（図２）、気流２４の経路を規定し囲む外部壁４８、または吸気プレナム３６の壁５０上を含む、典型的に流れの分離に関連する領域の近くで、気流２４の一部を操作するために制御可能に電界を作る。プラズマアクチュエータ４４は、第１の電極５２、第２の電極５４、ならびに第１の電極５２および第２の電極５４がそれぞれ近くに配置されている、第１の側面５８および第２の側面６０を持つ誘電材料５６を含む。誘電材料５６は、非平面、および比較的平面を含む、様々な幾何学面に一致するように構成することができる。第１の電極５２および第２の電極５４は、エネルギー源６２に操作可能なように接続されている。たとえば、第１の電極５２および第２の電極５４の両方は、壁５０に埋め込んで取り付けられた直径が比較的小さいワイヤを含むが、上記のように、第１の電極５２および第２の電極５４は、タービン吸気アセンブリ２２内の多数の場所に配置することができる。エネルギー源６２は、第１の電極５２および第２の電極５４に交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）の電力を提供する。しきい値電圧に到達すると、気流２４は、電位が最大の領域でイオン化してプラズマを形成する。プラズマは、第１の電極５２と第２の電極５４のうちの１つの周りに形成され、電界の形で壁５０に接する領域全体に広がる。プラズマは、気流２４において力を作りだし、次に、プラズマアクチュエータ４４が近接して配置されているいかなる表面に沿っても、圧力分布を変化させる。プラズマアクチュエータ４４がエネルギー源６２によって作動されたときに、圧力分布の変化によって、流れの分離は全体的に減る、または実質的に防がれる。
【００１６】
次に図４を参照すると、コンプレッサ１２の吸気部７０が示されている。吸気部７０は、コンプレッサ１２の吸気ケーシング７４の近くに構造的な支持を提供する少なくとも１本の支柱７２を含む。さらに、吸気部７０は、少なくとも１つの、しかし典型的には複数の、変更可能な空気力学的な静翼の位置を有することができる入口案内翼７６を含む。少なくとも１つの入口案内翼７６の角度は、異なる範囲のコンプレッサの流れに基づいて変化することができるため（つまり、始動および様々なユニット電力の出力設定）、それによってコンプレッサ１２の運転効率を改善することができる。たとえば、ガスタービンシステム１０の動作が長時間低下している間は、入口案内翼７６の角度を減らすことができる。入口案内翼７６がそのように構成されている間は、気流２４の一部で流れの分離が生じる可能性が増し、それによってコンプレッサ１２の吸気部７０において流れ障害が引き起こされる。支柱７２および／または入口案内翼７６の近くの領域において、または、より具体的には、入口案内翼７６の外表面７８で流れの分離を減らすために、プラズマアクチュエータ４４を一方または両方の要素の近くに配置することができる。プラズマアクチュエータ４４については、詳細に上述しているため、これ以上の記述は必要ない。図示するように、プラズマアクチュエータ４４、または、複数のプラズマアクチュエータは、支柱７２および／または入口案内翼７６の様々な場所に配置することができる。
【００１７】
したがって、タービン吸気アセンブリ２２の領域およびコンプレッサ１２の吸気部７０における気流２４の流れ特性をより適切に制御することができ、その一方で、上流の障害のために発生する気流２４の変動を減らすことができる。ガスタービンシステム１０の総合的な効率は、リアルタイム制御に比較的少量の電力消費しか必要ないプラズマアクチュエータ４４を使用することで改善される。
【００１８】
本発明について、限定された数の実施形態に関してのみ詳細に記述したが、本発明はそのような開示した実施形態に限定されないことが容易に理解されるだろう。むしろ、本発明は、任意の数の変形形態、変更形態、置換形態、またはこれまでに記述していないが、本発明の精神および範囲に相応する等価の構成物を組み込むように修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について記述したが、本発明の態様は記述した実施形態の一部だけを含む場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものと見なされるべきではなく、添付した特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００１９】
１０  ガスタービンシステム
１２  コンプレッサ
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  シャフト
２０  燃料ノズル
２２  タービン吸気アセンブリ
２４  気流
２６  燃料供給
３０  入口部
３２  吸込フィルタコンパートメント
３４  吸気ダクト
３６  吸気プレナム
３８  第１のダクト部
４０  エルボ
４２  第２のダクト部
４４  プラズマアクチュエータ
４６  吸気ベルマウス
４８  外部壁
５０  壁
５２  第１の電極
５４  第２の電極
５６  誘電材料
５８  第１の側面
６０  第２の側面
６２  エネルギー源
７０  吸気部
７２  支柱
７４  吸込ケーシング
７６  入口案内翼
７８  外表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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