(57)【要約】【課題】ターボ機械及びターボ機械の出力効率を高めること。【解決手段】ターボ機械（２）は、冷却空気を発生する圧縮機部分（４）を含む。圧縮機部分（４）は複数の圧縮機段（６）を含む。ターボ機械は更に、圧縮機部分（４）に動作可能に接続されたタービン部分（１４）を含む。タービン部分は複数のタービン段（１８）を含む。導管（４７）は、複数の圧縮機段（６）の少なくとも１つを複数のタービン段（１８）の少なくとも１つと流体接続し、冷却空気流の一部を圧縮機部分（４）からタービン部分（１４）に供給する。噴射ポート（６０）が、導管（４７）及び２次流体発生システム（６２）に接続される。２次流体発生システム（６２）は、ある量の乾燥２次流体を圧縮機部分（４）からタービン部分（１４）に通る冷却空気流に供給する。タービン部分（１４）に通る冷却空気の一部をある量の２次流体が置き換える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧縮機段を含む、冷却空気流を発生する圧縮機部分と、
複数のタービン段を含む、前記圧縮機部分に動作可能に接続されたタービン部分と、
前記複数の圧縮機段の少なくとも１つを前記複数のタービン段の少なくとも１つと流体接続し、前記冷却空気流の一部を前記圧縮機部分から前記タービン部分に供給する導管と、
前記導管に流体接続された噴射ポートと、
前記噴射ポートに流体接続された２次流体発生システムと、
を備え、
前記２次流体発生システムが、ある量の乾燥２次流体を前記圧縮機部分から前記タービン部分に通る前記冷却空気流に供給し、前記タービン部分に通る前記冷却空気の一部を前記ある量の２次流体が置き換えるようにし、これにより冷却空気の供給に必要な前記圧縮機部分により必要とされる仕事量が低減される、
ターボ機械。
【請求項２】
前記噴射ポートが前記導管の上流側に位置付けられる、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
前記噴射ポートが前記導管内に位置付けられる、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記噴射ポートが前記導管の下流側に位置付けられる、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記圧縮機部分が、前記２次流体発生システムに流体接続された主流路を含み、該主流路内に乾燥２次流体が噴射される、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記２次流体発生システムが、熱回収蒸気発生器の一部である、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記乾燥２次流体が乾き飽和蒸気を構成する、請求項６に記載のターボ機械。
【請求項８】
前記乾燥２次流体が過熱蒸気を構成する、請求項６に記載のターボ機械。
【請求項９】
ターボ機械の出力効率を向上させる方法であって、
複数の圧縮機段を有する前記ターボ機械の圧縮機部分を動作させて冷却空気流を発生させる段階と、
前記圧縮機部分の複数の段の１つから前記冷却空気流を抽出する段階と、
前記冷却空気流を前記ターボ機械のタービン部分に配向する段階と、
乾燥２次流体を前記冷却空気流に噴射し、前記冷却空気流の一部を前記乾燥２次流体が置き換えることにより、前記タービン部分の冷却に必要な前記圧縮機部分によって必要とされる仕事量を低減し、ターボ機械の出力効率を向上させるようにする段階と、
を含む方法。
【請求項１０】
前記乾燥２次流体が前記ターボ機械の圧縮機部分において前記冷却空気流に噴射される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記乾燥２次流体が前記ターボ機械のタービン部分において前記冷却空気流に噴射される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記乾燥２次流体が、前記圧縮機部分及び前記タービン部分を流体接続する導管内に噴射される、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
追加の乾燥２次流体を前記圧縮機部分の主流路に噴射する段階を更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記乾燥２次流体を噴射する段階が、乾き飽和蒸気を前記冷却空気流に噴射する段階を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記乾燥２次流体を噴射する段階が、過熱蒸気を前記冷却空気流に噴射する段階を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記乾燥２次流体を前記圧縮機部分の主流路に噴射する段階を更に含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械の分野に関し、より詳細には、ターボ機械及びターボ機械の出力効率を高めるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新のターボ機械は、２０：１以上の断熱圧縮比を用いることによって、高効率及び高出力を達成している。高い圧縮比は高効率をもたらし、出力を増大させる。断熱圧縮は、高効率の軸流圧縮機を用いて行われ、圧縮効率の低下につながる温度上昇を常に伴う。この温度上昇を低下させるために、空気予冷装置が熱を吸収し、よって幾らかの効率ゲインが部分的に相殺される。また、燃焼タービンの高温ガス通路構成部品を冷却するために、部分的に加圧された空気が抽出される。冷却空気を生じる仕事はタービンには伝達されず、よって更なる効率損失に相当する。この仕事の損失と出力増大に対処するために、多くの最新の乾式ターボ機械は、外部圧縮機を利用しており、圧縮機吐出（ＣＤＣ）ディフューザ出口又は該ディフューザ出口の下流側で空気をより多く注入し又は蒸気噴射を供給する。しかしながら、外部圧縮機は、追加の出力消費物に相当し、従って、効率の損失をもたらす。蒸気噴射により熱伝導率が高くなり、出力が上昇するが、高品質の高圧（ＨＰ）蒸気が必要とされる。高品質のＨＰ蒸気を使用すると、有用なボトミングサイクルの熱損失から得られる効率に悪影響を及ぼす。更に、ＣＤＣディフューザ出口又はディフューザ出口の下流側で蒸気を噴射することにより、圧縮機効率で達成できる幾らかのゲインを空気流冷却が相殺する。また、ターボ機械のこの特定のポイントで蒸気を噴射するには、何らかの燃焼劣化を軽減するために点火前に混合を行う効率的な燃焼室が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第３６９３３４７号明細書
【特許文献２】米国特許第５０５４２７９号明細書
【特許文献３】米国特許第３７４７３３６号明細書
【特許文献４】米国特許第５６９７２０９号明細書
【特許文献５】米国特許第５９３０９９０号明細書
【特許文献６】米国特許第６２７９３１２号明細書
【特許文献７】米国特許第６３４３４６２号明細書
【特許文献８】米国特許第６３９８５１８号明細書
【特許文献９】米国特許第６４４６４４０号明細書
【特許文献１０】米国特許第６５０２４０３号明細書
【特許文献１１】米国特許第６８２０４３０号明細書
【特許文献１２】特開２００２−０９６２９９号公報
【特許文献１３】欧州特許出願公開第１０６９２８２号明細書
【特許文献１４】欧州特許出願公開第０９９５０６９号明細書
【特許文献１５】欧州特許出願公開第０７１８４８３号明細書
【特許文献１６】欧州特許出願公開第０７１８４８３号明細書
【特許文献１７】欧州特許出願公開第１６４０５８７号明細書
【特許文献１８】欧州特許出願公開第１６５９２２７号明細書
【特許文献１９】欧州特許出願公開第１６５９２７７号明細書
【特許文献２０】国際公開第２００６／１２３３８８号パンフレット
【発明の概要】
【０００４】
本発明の例示的な実施形態に従って構成されたターボ機械は、冷却空気を発生する圧縮機部分を含む。圧縮機部分は複数の圧縮機段を含む。ターボ機械は更に、圧縮機部分に動作可能に接続されたタービン部分を含む。タービン部分は複数のタービン段を含む。導管は、複数の圧縮機段の少なくとも１つを複数のタービン段の少なくとも１つと流体接続する。導管は、冷却空気流の一部を圧縮機部分からタービン部分に供給する。噴射ポートが導管に流体接続され、２次流体発生システムが噴射ポートに流体接続される。２次流体発生システムは、ある量の乾燥２次流体を圧縮機部分からタービン部分に通る冷却空気流に供給する。タービン部分に通る冷却空気の一部をある量の２次流体が置き換えることにより、冷却に必要な圧縮機により必要とされる仕事量を低減する。
【０００５】
本発明の別の例示的な実施形態によれば、ターボ機械の出力効率を向上させる方法は、ターボ機械の圧縮機部分を動作させて冷却空気流を発生させる段階を含む。本方法は更に、圧縮機部分の複数の段の１つから冷却空気流を抽出し、冷却空気流をターボ機械のタービン部分に配向する段階を必要とする。加えて、本方法は、乾燥２次流体を冷却空気流に噴射する段階を含む。乾燥２次流体が冷却空気流の一部を置き換えることにより、タービン部分の冷却に必要な圧縮機部分によって必要とされる仕事量を低減し、ターボ機械の出力効率を向上させるようにする。
【０００６】
追加の特徴及び利点は、本発明の例示的な実施形態の教示によってもたらされる。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書で詳細に説明され、クレームに記載された発明の一部とみなされる。特徴及び利点に関して本発明をより理解するために、本明細書及び図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の例示的な実施形態に従って構成されたターボ機械の概略図。
【図２】本発明の別の例示的な実施形態に従って構成されたターボ機械の概略図。
【図３】本発明の更に別の実施形態に従って構成されたターボ機械の概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
最初に図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態に従って構成されたターボ機械が全体的に符号２で示されている。図示のように、ターボ機械２は、主流路５及び複数の圧縮機段６を有する圧縮機部分４を含む。圧縮機段６は、少なくとも低圧段８、中圧段９、及び高圧段１０を含む。圧縮機部分４は、シャフト１６を介してタービン部分１４に動作可能に接続される。タービン部分１４は、少なくとも低圧段２０、中圧段２１、及び高圧段２２を有する複数のタービン段１８を含む。圧縮機部分４はまた、燃焼器３０を通じてタービン部分１４に連結されている。
【０００９】
作動中、圧縮機部分４は、周囲空気３２を受け取って加圧し、加圧空気流を形成する。加圧空気流３３の一部は、燃焼器３０に配向され、燃料３４と混合されて点火され、高温／高圧空気流を形成し、これがタービン部分１４に供給される。高温／高圧空気流は、圧縮機部分４からの加圧空気と共に利用され、タービン部分１４を駆動する。次いで、タービン部分１４は、シャフト３７を介して発電機３５を駆動する。作動中、タービン部分１４内に高温が生じ、高温ガス通路（ＨＧＰ）構成部品（図示せず）の温度を上昇させる。ＨＧＰ構成部品での高温を低下させるために、圧縮機部分４から冷却空気が抽出されて、タービン部分１４に噴射される。冷却のために必要ではあるが、加圧空気を冷却媒体として利用することは、決して効率的ではない。すなわち、加圧空気は燃焼で使用されず、よって引き続いてタービン部分１４を駆動するのに使用されないので、冷却空気を加圧するのに費やすあらゆる仕事は、無駄にされ、せいぜい遙かに低効率で利用されるものである。加圧空気を冷却に利用することに関連するあらゆる効率損失を軽減するために、ターボ機械２は２次流体噴射システムを含み、これは、例示的な実施形態による、蒸気噴射システム４５の形態をとる。
【００１０】
蒸気噴射システム４５は、低圧圧縮気段８を低圧タービン段２０と流体接続する第１の導管４７と、中圧圧縮機段９を中圧タービン段２１と流体接続する第２の導管４８と、高圧圧縮気段１０を高圧タービン段２２と流体接続する第３の導管４９とを含む。蒸気噴射システム４５はまた第１の噴射ポート６０を含む。図示の例示的な実施形態による、第１の噴射ポート６０は、第１の導管４７の上流側端部上に装着される。第１の噴射ポート６０は、蒸気発生システムに導管６５を介して流体接続され、該システムは、図示の例示的な実施形態による熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）６２の一部である。ＨＲＳＧ６２は、蒸気生成のために低温熱を利用する。蒸気噴射システム４５は更に、導管７５を介してＨＲＳＧ６２に流体接続された第２の噴射ポート７０を含む。第２の噴射ポート７０は、中圧段９で圧縮機部分４に装着される。
【００１１】
この構成では、乾き飽和蒸気又は過熱蒸気などの乾燥２次流体が噴射ポート６０及び／又は噴射ポート７０に噴射され、タービン部分１４を通る圧縮機冷却空気と混合される。「乾燥」とは、２次流体に含まれる湿気がゼロ又は存在しないことを意味する。乾燥２次流体は、圧縮機冷却空気の一部を置き換える。このようにして、圧縮機部分４は、もはやこの量と同じだけの冷却空気を生成する必要はなく、従って効率の損失が最小になる。また、蒸気の重量は、蒸気の比熱容量を考慮すると冷却空気のほぼ２．２５ｌｂｓに相当し、よって、少量の蒸気でタービン部分１４において同じ冷却効果をもたらすことができ、これにより、タービン部分１４の冷却空気の必要性に対応するために、圧縮機部分４によって必要とされる仕事量が更に低減される。加えて、蒸気を使用した場合、熱伝導率が高いことにより、タービン部分１４からの熱伝導も改善される。更に、過熱蒸気の熱伝導率が高いことによりタービン部分１４からの熱伝導が改善されることで、冷却効果の向上がもたらされる。
【００１２】
次に、同じ参照符号がそれぞれの図における対応する要素を示す図２について説明する。ここでは、第２の例示的な実施形態による蒸気噴射システム８５の形態をとる２次流体噴射システムを記述している。図示のように、蒸気噴射システム８５は、低圧圧縮気段８を低圧タービン段２０と流体接続する第１の導管８７と、中圧圧縮機段９を中圧タービン段２１と流体接続する第２の導管８８と、高圧圧縮気段１０を高圧タービン段２２と流体接続する第３の導管８９とを含む。蒸気噴射システム８５はまた第１の噴射ポート１００を含む。図示の例示的な実施形態によれば、第１の噴射ポート１００は、第１の導管８７に沿って装着される。より具体的には、第１の噴射ポート１００は、圧縮機部分４の下流側に装着される。第１の噴射ポート１００は、導管１０５を介してＨＲＳＧ６２に流体接続される。蒸気噴射システム８５は更に、導管１１５を介してＨＲＳＧ６２に流体接続された第２の噴射ポート１１０を含む。第２の噴射ポート１１０は、圧縮機部分４の下流側の導管８８に沿って装着される。上述のものに類似した様態で、乾き飽和蒸気又は過熱蒸気などの乾燥２次流体が第１の噴射ポート１００及び／又は第２の噴射ポート１１０に噴射され、圧縮機部分４により発生された冷却空気と混合されて、その一部を置き換えて出力効率が向上する。
【００１３】
次に、同じ参照符号がそれぞれの図における対応する要素を示す図３について説明する。ここでは、本発明の別の例示的な実施形態に従って構成された蒸気噴射システム１２５の形態をとる、別の例示的な実施形態による２次流体噴射システムを記述している。蒸気噴射システム１２５は、低圧圧縮気段８を低圧タービン段２０と流体接続する第１の導管１２７と、中圧圧縮機段９を中圧タービン段２１と流体接続する第２の導管１２８と、高圧圧縮気段１０を高圧タービン段２２と流体接続する第３の導管１２９とを含む。蒸気噴射システム１２５はまた、第１の噴射ポート１４０を含む。
【００１４】
図示の例示的な実施形態によれば、第１の噴射ポート１４０は、第１の導管１２７の下流側に装着される。より具体的には、第１の噴射ポート１４０は、第１の導管１２７の終端部でタービン部分１４に装着される。第１の噴射ポート１４０は、導管１４５を介してＨＲＳＧ６２に流体接続される。蒸気噴射システム１２５は更に、導管１５５を介してＨＲＳＧ６２に流体接続される第２の噴射ポート１５０を含む。第２の噴射ポート１５０は、中圧圧縮機段９でタービン部分１４に装着される。上述と更に類似した様態で、乾き飽和蒸気又は過熱蒸気などの乾燥２次流体が第１の噴射ポート１４０／第２の噴射ポート１５０に噴射され、圧縮機部分４により発生された冷却空気と混合されて、その一部を置き換える。上記で検討したように、圧縮機部分４から抽出するのに必要な冷却空気の量を低減することにより、より多くの仕事がタービン部分１４を駆動するのに入力され、これによりターボ機械２の全体効率が高くなる。上記で検討したように、圧縮機部分４から引き出される冷却空気の量を低減することにより、圧縮を行うための有用な仕事損失が最小になり、シャフト３７におけるタービン部分１４から利用可能な網出力が増大し、これによりターボ機械２の全体効率が高くなる。
【００１５】
冷却空気を補完することに加えて、乾燥２次流体は、図３の符号２００で示すように、圧縮機部分４の主流路５に直接又は間接的に噴射することができる。より具体的には、乾燥２次流体は、乾燥２次流体の比体積並びに温度が対応する圧縮機パラメータよりも小さいポイントで噴射される。加圧された２次流体の噴射は、別の場合には流体圧力を噴射ポイントレベルまで引き上げることが必要になる圧縮仕事を節約する。蒸気の空気に対する比体積が小さくなることで、噴射後の混合気の単位質量当たりの圧縮仕事が確実に小さくなる。これにより、低温空気の可用性に起因して抽出冷却流れが低減されると共に、低温混合気温度に起因して後続の熱除去容量が大きくなる。乾燥２次流体は、流体圧力が正の質量流勾配を十分に成立させるポイントで噴射される。簡単なサイクルシステムでは、圧縮機吐出ポイント（別途表記していない）に近接し且つ上流側で噴射が起こり、従って、圧縮機ポイント４により必要とされるあらゆる圧縮仕事を更に最小にする。すなわち、噴射は、２次流体を導入するのに必要な正の勾配要件を満足しながら、圧縮機吐出に近接し且つその上流側のポイントで行われる。
【００１６】
この点において、本発明は、出力効率を向上させるよう構成された２次流体噴射システムを有するターボ機械を提供する点を理解されたい。上述のように、乾き飽和蒸気又は過熱蒸気などの乾燥２次流体は、圧縮機部分４上の冷却空気抽出ポイントで、又はその前或いは後、並びにタービン部分で又は直前で噴射することができる点を理解されたい。乾燥２次流体はまた、圧縮機部分からタービン部分にタービン冷却空気を移送する配管に噴射することができる。流体噴射の特定の位置は、タービンモデル間で異なる背圧要件に依存する。加えて、乾燥２次流体の発生源及びタイプが異なる可能性がある点を理解されたい。
【００１７】
一般に、本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００１８】
２  ターボ機械
４  圧縮機分部
５  主流路
６  複数の圧縮機形状
８  低圧段
９  中圧段
１０  高圧段
１４  タービン部分
１６  シャフト
２０  低圧段
２１  中圧段
２２  高圧段
３０  燃焼器
３２  周囲空気
３３  加圧空気流
３４  燃料
３５  発電機
３７  シャフト
４５  蒸気噴射システムＩ
４７  第１の導管
４８  第２の導管
４９  第３の導管
６０  第１の  噴射ポート
６２  蒸気発生システム（ＨＲＳＧ）
６５  導管
７０  第２の噴射ポート
７５  導管
８０  主流路導管
８５  蒸気噴射システムＩＩ
８７  第１の導管
８８  第２の導管
８９  第３の導管
１００  第１の噴射ポート
１０５  導管
１１０  第２の噴射ポート
１１５  導管
１２５  蒸気噴射システムＩＩＩ
１２７  第１の導管
１２８  第２の導管
１２９  第３の導管
１４０  第１の噴射ポート
１４５  導管
１５０  第２の噴射ポート
１５５  導管
【図１】
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【図２】
2009270571.tif 000004
【図３】
2009270571.tif 000005