(57)【要約】【課題】被変調燃焼及び再熱チャンバを備えたタービンエンジンを提供する。【解決手段】本タービンエンジン（２）は、圧縮機（４）と、該圧縮機（４）に流体連結された燃焼器（１０）と、該燃焼器（１０）内で生成した燃焼生成物（１６）によって作動される第１のタービン（２０）とを含む。本タービンエンジン（２）はまた、その内部で空気（８）と燃料（１２）と第１のタービン（２０）からの排出ガス（３０）とを燃焼させて、第２のタービン（４４）を駆動するために使用される燃焼生成物（４０）を形成する再熱チャンバ（３４）を含む。本エンジン（２）はさらに、コントローラ（１５０）を含み、該コントローラ（１５０）は、センサ（１５４）によって測定された１以上のタービンエンジンパラメータに基づいて、燃焼器（１０）に送給される燃料及び加圧空気の量並びに再熱チャンバ（３４）に送給される燃料、加圧空気及び排出ガスの量のうちの１以上を調整する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（４）と、
前記圧縮機（４）に流体連結されかつ前記圧縮機からの空気と燃料（１２）の燃焼によって生成した燃焼生成物（１６）を含有する燃焼器（１０）と、
第１の燃焼器（１０）内で生成した前記燃焼生成物（１６）によって作動されかつ排出ガス（３０）を発生する第１のタービン（２０）と、
前記圧縮機（４）及び第１のタービン（２０）に流体連結されかつ第１のタービン（２０）の排出ガスと前記圧縮機（４）からの空気と追加の燃料（３６）の燃焼によって生成した燃焼生成物（４０）を含有する１以上の再熱チャンバ（３４）と、
前記１以上の再熱チャンバ（３４）内で生成した前記燃焼生成物（４０）によって作動されかつ排出ガス（６０）を発生する第２のタービン（４４）と、
１以上のエンジン運転パラメータを測定するように配置された１以上のセンサ（１５４）と、
前記１以上のエンジン運転パラメータに基づいて、前記燃焼器に送給される燃料及び空気の量並びに前記１以上の再熱チャンバ（３４）に送給される追加の燃料、空気及び第１のタービン（２０）からの排出ガスの量のうちの１以上を選択的に調整するコントローラ（１５０）と、
を含むタービンエンジン（２）。
【請求項２】
前記圧縮機（４）及び第２のタービン（４４）に流体連結されかつ第２のタービンからの排出ガスと空気と追加の燃料の燃焼によって生成した燃焼生成物（７２）を含有する第２の再熱チャンバ（６５）をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン。
【請求項３】
第２の再熱チャンバ（６５）内で生成した前記燃焼生成物（７２）によって作動されかつ排出ガスを発生する第３のタービン（７６）をさらに含む、請求項２記載のタービンエンジン。
【請求項４】
前記コントローラ（１５０）が、前記１以上のエンジン運転パラメータに基づいて、第２の再熱チャンバ（６５）に送給される追加の燃料、空気及び第２のタービン（４４）からの排出ガスの量のうちの１以上を選択的に調整する、請求項３記載のタービンエンジン。
【請求項５】
前記圧縮機（４）及び第３のタービン（７６）に流体連結されかつ第３のタービン（７６）からの排出ガスと空気と追加の燃料の燃焼によって生成した燃焼生成物（１０４）を含有する第３の再熱チャンバ（９４）をさらに含む、請求項４記載のタービンエンジン。
【請求項６】
第３の再熱チャンバ（９４）内で生成した前記燃焼生成物（１０４）によって作動されかつ排出ガスを発生する第４のタービン（１０８）をさらに含む、請求項５記載のタービンエンジン。
【請求項７】
前記コントローラ（１５０）が、前記１以上のエンジン運転パラメータに基づいて、第３の再熱チャンバ（９４）に送給される追加の燃料、空気及び第３のタービン（７６）からの排出ガスの量のうちの１以上を選択的に調整する、請求項６記載のタービンエンジン。
【請求項８】
前記コントローラ（１５０）に作動接続されかつ前記１以上のエンジン運転パラメータに基づいてそれから空気を吸込む特定の圧縮機抽出を選択する抽出制御装置（２００）をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン。
【請求項９】
前記コントローラ（１５０）に作動接続されかつ前記燃焼器（１０）に送給される燃料の量を選択的に制御する１以上の燃料弁（１８０）をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン。
【請求項１０】
前記１以上の燃料弁（１８０）が、前記コントローラ（１５０）に作動接続されかつ前記再熱チャンバ（３４）に送給される前記燃料の量を選択的に制御する別の燃料弁（１８１）を含む、請求項９記載のタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンの技術に関し、より具体的には、被変調燃焼器及び被変調再熱チャンバを有するタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ガスタービンエンジンは、熱エネルギーを放出する燃料／空気混合気を燃焼させて高温度ガスストリームを形成し、この高温度ガスストリームは、高温ガス通路を介してタービンセクションに送られる。より具体的には、圧縮機は、流入空気を高い圧力に加圧する。この高い加圧空気は、燃焼チャンバに送給されて燃料と混合して可燃性混合気を形成する。可燃性混合気は次に、燃焼されて高圧力高速度ガスを形成し、この高圧力高速度ガスは、タービンに送給される。タービンは、高温度高速度ガスストリームによる熱エネルギーを、タービンシャフトを回転させる機械エネルギーに変換する。タービンシャフトは、圧縮機に結合されかつ該圧縮機を駆動し、またさらに発電機のような他の機械に結合されかつ該他の機械を駆動する。
【０００３】
高圧力高速度ガスによる熱エネルギーを機械エネルギーに変換した後に、排出ガスがタービンにより形成されかつ該タービンから排出される。
【特許文献１】米国特許第３０５４２５７号明細書
【特許文献２】米国特許第３３１５４６７号明細書
【特許文献３】米国特許第４０６４６９０号明細書
【特許文献４】米国特許第４２７２９５２号明細書
【特許文献５】米国特許第４４２１９８９号明細書
【特許文献６】米国特許第４８９６４９９号明細書
【特許文献７】米国特許第５６４７１９９号明細書
【特許文献８】米国特許第５８８１５４９号明細書
【特許文献９】米国特許第６８１７１８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排出ガスは、大気中に排出されるか又は燃焼チャンバを予熱してタービン効率を向上させるように使用されるかのいずれかとすることができる。排出ガスはまた、他の燃焼チャンバ又は再熱チャンバに送られ、空気及び追加の燃料と混合されかつ燃焼されて、別のタービンに対して動力を供給することができる。様々な運転条件、特にベース負荷においてタービン効率を最適化することは、常に関心事となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様によると、本発明は、タービンエンジンを提供する。本タービンエンジンは、圧縮機と、該圧縮機に流体連結された第１の燃焼器と、該第１の燃焼器からの燃焼生成物によって作動される第１のタービンとを含む。本タービンエンジンはまた、その内部で空気と燃料と第１のタービンからの排出ガスとを燃焼させて燃焼生成物を形成する再熱チャンバを含む。本タービンエンジンはさらに、再熱チャンバ内で生成した燃焼生成物によって作動される第２のタービンと、コントローラとを含む。コントローラは、センサによって測定された１以上のタービンエンジンパラメータに基づいて、第１の燃焼器に送給される燃料及び加圧空気の量並びに再熱チャンバに送給される燃料、加圧空気及び排出ガスの量のうちの１以上を調整する。
【０００６】
別の態様によると、本発明は、ガスタービンを運転する方法を提供する。本方法は、圧縮機からの加圧空気を第１の燃焼器に送給する段階と、加圧空気を燃料と混合する段階と、加圧空気と燃料とを燃焼させて燃焼生成物を形成する段階と、第１の燃焼器からの燃焼生成物で第１のタービンを作動させる段階とを含む。本方法はさらに、第１タービンからの排出ガスを再熱チャンバに送給して圧縮機からの空気と追加の燃料とを混合して可燃性混合気を形成する段階を含む。可燃性混合気は、燃焼されて燃焼生成物を形成し、この燃焼生成物は、第２のタービンを作動させるために使用される。第１の燃焼器に送給される燃料及び加圧空気の量並びに再熱チャンバに送給される燃料、加圧空気及び排出ガスの量のうちの１以上は、タービンエンジンの測定運転パラメータに応じて決まる。
【０００７】
本発明は、測定及び計算運転パラメータに基づいて様々な運転条件においてタービン効率を最適化することを理解されたい。いずれにせよ、本発明の更なる目的、特徴及び利点は、幾つかの図において同じ参照符号が対応する部分を表わしている図面と共になした図示の態様の以下の詳細な説明から一層容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
先ず図１を参照すると、本発明により構成したタービンエンジンを、その全体を参照符号２で示している。エンジン２は、周囲空気又は大気６を加圧して高圧空気８を形成する回転式圧縮機４を含む。高圧空気８は、第１の又は主燃焼器１０に流れて燃料１２と混合した後に、燃焼されて高圧力高温度燃焼生成物１６を形成する。高圧力高温度燃焼生成物１６は、第１のタービン２０を駆動するために使用され、該第１のタービン２０は、この図示した実施形態では、ガス発生タービンである。第１のタービン２０は主として、シャフト２４を介して圧縮機４を駆動するために使用される。
【０００９】
燃焼器１０に供給された高圧空気８は、燃料１２の完全燃焼に必要となるものよりも多い。従って、タービン２０からの排出ガス３０すなわち生成物は、第１の再熱チャンバ３４に送給される過剰空気を含有する。第１の再熱チャンバ３４に入ると、排出ガス３０内の過剰空気は、追加の燃料と圧縮機４からの高圧空気３８と混合しかつ燃焼されて、高圧力高温度燃焼成生物４０を形成する。上記したのと同様な方法で、燃焼成生物４０は、第２のタービン４４を駆動するために使用され、この第２のタービン４４は、シャフト４６を介して第１のタービン２０に作動連結されている。
【００１０】
高圧空気３８及び第１タービン２０からの排出ガス３０は、追加の燃料３６を完全燃焼させるために必要となるものよりも多い。従って、第２のタービン４４からの排出ガス６０すなわち生成物は、第２の再熱チャンバ６５に送給される過剰空気を含有する。第２の再熱チャンバ６５に入ると、排出ガス６０は、追加の燃料６８と圧縮機４からの高圧空気７０と混合しかつ燃焼されて、高圧力高温度燃焼生成物７２を形成する。燃焼生成物７２は、第３のタービン７６を駆動するために使用され、この第３のタービン７６は、この図示した実施形態では、出力タービンである。
【００１１】
上記したのと同様な状態で、高圧空気７０及び排出ガス６０は、燃料６８を完全燃焼させるために必要となるものよりも多い。従って、第３のタービン７６からの排出ガス９０すなわち生成物は、第３の再熱チャンバ９４に送給される過剰空気を含有する。第３の再熱チャンバ９４に入ると、排出ガス９０は、追加の燃料９６と圧縮機４からの高圧空気９８と混合しかつ燃焼されて、高圧力高温度燃焼生成物１０４を形成する。燃焼生成物１０４は、第４のタービン１０８を駆動するために使用され、この第４のタービン１０８は、シャフト１１０により第３のタービン７６にまたシャフト１１８により発電装置１１４に作動連結される。
【００１２】
本発明の１つの態様によると、エンジン２は、コントローラ１５０を含み、コントローラ１５０は、エンジンセンサ１５４によって測定されたエンジン運転パラメータに基づいて、主燃焼器１０の各々に対する空気及び燃料送給並びに再熱チャンバ３４、６５及び９４に対する空気、燃料及び排出ガス送給を選択的に調整する（変調させる）。より具体的には、コントローラ１５０は、センサ１５４からのフィードバックを受信しかつ該フィードバックをメモリ（図示せず）内に記憶されたベースライン運転パラメータと比較してオフセット値又は差異値を求める。ここにおいて、コントローラ１５０は、燃焼器１０に対する燃料及び／又は空気送給並びに／或いは再熱チャンバ３４、６５及び９４に対する空気、燃料及び／又は排出ガス送給を選択的に調整する。センサ１５４は、エンジン２の１以上の運転パラメータを測定するように構成することができる。例えば、センサ１５４は、排出ガス温度センサ、高温ガス通路温度センサ、キロワット（ｋＷ）センサ、流量センサ、シャフトトルクセンサ、周囲空気温度センサ及び速度センサとすることができる。さらに、センサ１５４は、エンジン２の複数運転パラメータをモニタしかつコントローラ１５０にフィードバックを提供するように構成した多重センサとすることができる。
【００１３】
いずれにせよ、コントローラ１５０は、圧縮機４から主燃焼器１０及び再熱チャンバ３４、６５及び９４のそれぞれの１つに対する空気送給を選択的に制御するように構成された第１の複数の弁１７０〜１７３に結合される。コントローラ１５０はまた、主燃焼器１０及び再熱チャンバ３４、６５及び９４のそれぞれの１つに対する燃料送給を選択的に制御するように構成された第２の複数の弁１８０〜１８３に結合される。さらに、コントローラ１５０は、再熱チャンバ３４、６５及び９４に対する排出ガス送給を選択的に制御するように構成された第３の複数の弁１９０〜１９２に結合される。上述のように、この構成の場合には、コントローラ１５０は、１以上のセンサ１５４から受信したフィードバックをベースラインパラメータ又は最適条件、例えば速度、負荷などのような運転条件及び空気温度、湿度などのような周囲条件と比較して、エンジン２の運転を最適化する空気、燃料及び／又は排出ガスを送給するように弁１７０〜１７３、１８０〜１８３及び１９０〜１９２の１以上の位置を調整する。
【００１４】
本発明の別の態様によると、コントローラ１５０は、抽出調整器（抽出制御装置）２００に結合される。抽出調整器２００は、測定エンジン運転パラメータに基づいて、いずれの圧縮機抽出により主燃焼器１０、再熱チャンバ３４、再熱チャンバ６５及び／又は再熱チャンバ９４に空気を送給するかを選択的に調整する。より具体的には、実際の運転条件及び／又は周囲条件をベースライン測定値と比較した時に、コントローラ１５０が、例えば主燃焼器１０にはより多量の空気が必要であると判定した場合には、より高い圧力抽出が選択される。コントローラ１５０が、より少量の空気が必要であると判定した場合には、より低い圧力抽出を使用することができる。このような方法で、コントローラ１５０は、空気送給を最適化してエンジン運転効率を向上させる。
【００１５】
ここにおいて、本発明の様々な態様は、測定エンジン運転パラメータに基づいて燃焼器に対する空気及び燃料投入並びに１以上の再熱チャンバに対する空気、燃料及び排出ガスを選択的に制御することによって様々な運転条件においてタービンエンジン効率を最適化することが分かるであろう。さらに、いずれの圧縮機抽出により燃焼器又は１以上の再熱チャンバに空気を吸込みかつ送給するかを調整することによって、タービン効率もまた高められる。本発明の図示した態様に関して説明したが、本発明の技術思想から逸脱することなく様々な変更及び／又は修正を行うことができることは、容易に理解される筈である。例えば、発電装置を作動させることに関連して示したが、エンジン２はまた、ポンプ等のような様々な他の形式の機械類を作動させるために使用することもできる。さらに、主燃焼器及び複数の再熱チャンバを制御することを示したが、本発明は、単一燃焼器及び単一再熱チャンバを作動させるために使用することができることは容易に理解される筈である。さらに、エンジン運転パラメータは、直接測定により又は計算により求めることができることが分かるであろう。終わりに、本エンジンは、複数のシャフトを含むものとして示しているが、本発明は、単一シャフトタービンにも同様に適用可能である。一般的に、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の態様により構成した、被変調燃焼チャンバ及び複数被変調再熱チャンバを備えた多軸タービンエンジンの概略図。
【符号の説明】
【００１７】
２  タービンエンジン
４  圧縮機
６  大気
８  高圧空気
１０  第１の又は主燃焼器
１２  燃料
１６  燃焼生成物（１０）
２０  第１のタービン
２４  シャフト（２０）
３０  排出ガス（２０）
３４  第１の再熱チャンバ
３６  追加の燃料
３８  高圧空気
４０  燃焼生成物（３４）
４４  第２のタービン
４６  シャフト（４４）
６０  排出ガス（４４）
６５  第２の再熱チャンバ
６８  追加の燃料
７０  高圧空気
７２  燃焼生成物
７６  第３のタービン
９０  排出ガス（７６）
９４  第３の再熱チャンバ
９６  追加の燃料
９８  高圧空気（４）
１０４  燃焼生成物
１０８  第４のタービン
１１０  シャフト（７６）―（１０８）
１１４  発電装置
１１８  シャフト（１０８）−（１１７）
１５０  コントローラ
１５４  エンジンセンサ
１７０〜１７３  弁―空気
１８０〜１８３  弁―燃料
１９０〜１９２  弁―排出ガス
２００  抽出調整器
【図１】
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