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特表2016-510851多軸エンジンにおいて再熱燃焼器を用いることによるタービンの容量制御
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2016-510851(P2016-510851A)
(43)【公表日】2016年4月11日
(54)【発明の名称】多軸エンジンにおいて再熱燃焼器を用いることによるタービンの容量制御
(51)【国際特許分類】
F02C 9/28 20060101AFI20160314BHJP
F02C 3/073 20060101ALI20160314BHJP
F02C 3/14 20060101ALI20160314BHJP
F23R 3/34 20060101ALI20160314BHJP
F02C 9/00 20060101ALI20160314BHJP
F02C 7/00 20060101ALI20160314BHJP
F02C 9/16 20060101ALI20160314BHJP
F01D 25/00 20060101ALI20160314BHJP
【ＦＩ】
F02C9/28 Z
F02C3/073
F02C3/14
F23R3/34
F02C9/00 A
F02C7/00 A
F02C9/16 Z
F01D25/00 V
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2015-561602(P2015-561602)
(86)(22)【出願日】2014年3月5日
(85)【翻訳文提出日】2015年10月2日
(86)【国際出願番号】US2014020731
(87)【国際公開番号】WO2014189593
(87)【国際公開日】20141127
(31)【優先権主張番号】61/773,100
(32)【優先日】2013年3月5日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/773,103
(32)【優先日】2013年3月5日
(33)【優先権主張国】US
(81)【指定国】
AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US
(71)【出願人】
【識別番号】515243969
【氏名又は名称】インダストリアル タービン カンパニー （ユーケイ） リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙ （ＵＫ） Ｌｉｍｉｔｅｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100099483
【弁理士】
【氏名又は名称】久野 琢也
(72)【発明者】
【氏名】ジャン−フランソワ ルベル
(57)【要約】
一例のガスタービンエンジンは、第１の圧縮機と、第１のシャフトによって当該第１の圧縮機に接続された第１のタービンとを含むことができる。当該エンジンは、第１のタービンより下流に配置された再熱燃焼器と、当該再熱燃焼器より下流に配置された第２のタービンとを含むことができる。当該エンジンはさらに、第２のシャフトによって前記第２のタービンに接続された第２の圧縮機も含むことができ、当該第２の圧縮機は、第１の圧縮機より上流に配置されている。第１のタービンと第２のタービンとは相互に切り離すことができ、第１の圧縮機と第２の圧縮機とは相互に切り離すことができる。第２の圧縮機は、前記第１のタービンと前記第２のタービンとがシャフト仕事配分を実現するように、前記第１の圧縮機への流れを含む出口を有することができる。前記再熱燃焼器は、第２の圧縮機の複数のパラメータに基づいて第２のタービンの見かけ容量を制御するため、燃料を受け取って再熱出口温度を発生させるように構成することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の圧縮機と、
第１のシャフトによって前記第１の圧縮機に接続された第１のタービンと、
前記第１のタービンより下流にある再熱燃焼器と、
前記再熱燃焼器より下流にある第２のタービンと、
第２のシャフトによって前記第２のタービンに接続された、前記第１のタービンより上流に配置された第２の圧縮機と
を有するガスタービンエンジンであって、
前記第１のタービンと前記第２のタービンとは互いに切り離されており、かつ、前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機とは互いに切り離されており、
前記第１のタービンと前記第２のタービンとがシャフト仕事配分を実現するように、前記第２の圧縮機は、前記第１の圧縮機への流れを含む出口を有し、
前記再熱燃焼器は、前記第２の圧縮機の複数のパラメータに基づいて前記第２のタービンの見かけ容量を制御するため、燃料を受け取って再熱出口温度を発生させるように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
第１のシャフトによって前記第１の圧縮機に接続された第１のタービンと、
前記第１のタービンより下流にある再熱燃焼器と、
前記再熱燃焼器より下流にある第２のタービンと、
第２のシャフトによって前記第２のタービンに接続された、前記第１のタービンより上流に配置された第２の圧縮機と
を有するガスタービンエンジンであって、
前記第１のタービンと前記第２のタービンとは互いに切り離されており、かつ、前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機とは互いに切り離されており、
前記第１のタービンと前記第２のタービンとがシャフト仕事配分を実現するように、前記第２の圧縮機は、前記第１の圧縮機への流れを含む出口を有し、
前記再熱燃焼器は、前記第２の圧縮機の複数のパラメータに基づいて前記第２のタービンの見かけ容量を制御するため、燃料を受け取って再熱出口温度を発生させるように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項2】
前記ガスタービンエンジンは、前記複数のパラメータを検出するように構成された複数のセンサを更に有し、
前記複数のパラメータは、前記圧縮機の入口流量と、入口温度と、入口圧力と、回転速度と、出口圧力とのうち少なくとも１つを含む、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
前記複数のパラメータは、前記圧縮機の入口流量と、入口温度と、入口圧力と、回転速度と、出口圧力とのうち少なくとも１つを含む、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項3】
前記ガスタービンエンジンは、さらにコントローラを備えており、
前記コントローラは、
前記センサによって生成された、前記パラメータを表す複数の信号を受け取り、
前記パラメータの少なくとも一部に基づき、実圧力比と所要圧力比とを求め、
前記実圧力比と前記所要圧力比との比較に基づき、前記再熱燃焼器へ燃料流を供給するように燃料供給装置を駆動する
ように構成されている、
請求項２記載のガスタービンエンジン。
前記コントローラは、
前記センサによって生成された、前記パラメータを表す複数の信号を受け取り、
前記パラメータの少なくとも一部に基づき、実圧力比と所要圧力比とを求め、
前記実圧力比と前記所要圧力比との比較に基づき、前記再熱燃焼器へ燃料流を供給するように燃料供給装置を駆動する
ように構成されている、
請求項２記載のガスタービンエンジン。
【請求項4】
前記ガスタービンエンジンはさらに主燃焼器を有し、
前記第１のタービンは、前記主燃焼器より下流かつ前記再熱燃焼器より上流に配置された高圧タービンであり、
前記第１の圧縮機は、前記主燃焼器より上流に配置された高圧圧縮機であり、高圧シャフトによって前記高圧タービンに接続されている、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
前記第１のタービンは、前記主燃焼器より下流かつ前記再熱燃焼器より上流に配置された高圧タービンであり、
前記第１の圧縮機は、前記主燃焼器より上流に配置された高圧圧縮機であり、高圧シャフトによって前記高圧タービンに接続されている、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項5】
ガスタービンエンジンのコアパラメータの制御方法であって、
前記制御方法は、
再熱燃焼器より下流に配置されたタービンの見かけ容量を制御するように、当該再熱燃焼器への燃料流を供給するステップ
を有し、
前記タービンと圧縮機とが、シャフトによって互いに接続されており、
シャフト仕事配分を実現するため、前記タービンは他のタービンから切り離される
ことを特徴とする制御方法。
前記制御方法は、
再熱燃焼器より下流に配置されたタービンの見かけ容量を制御するように、当該再熱燃焼器への燃料流を供給するステップ
を有し、
前記タービンと圧縮機とが、シャフトによって互いに接続されており、
シャフト仕事配分を実現するため、前記タービンは他のタービンから切り離される
ことを特徴とする制御方法。
【請求項6】
前記燃料流は、前記圧縮機の実圧力比と所要圧力比との比較に基づく、
請求項５記載の制御方法。
請求項５記載の制御方法。
【請求項7】
前記実圧力比は、前記圧縮機の入口圧力と出口圧力との比である、
請求項６記載の制御方法。
請求項６記載の制御方法。
【請求項8】
前記制御方法はさらに、
中圧圧縮機の入口流量と、入口温度と、入口圧力と、出口圧力と、回転速度とを検出するステップ
を含む、
請求項５記載の制御方法。
中圧圧縮機の入口流量と、入口温度と、入口圧力と、出口圧力と、回転速度とを検出するステップ
を含む、
請求項５記載の制御方法。
【請求項9】
前記制御方法はさらに、
前記入口流量と、前記入口温度と、前記入口圧力とに基づいて、前記圧縮機の補正流量を求めるステップ
を含む、
請求項８記載の制御方法。
前記入口流量と、前記入口温度と、前記入口圧力とに基づいて、前記圧縮機の補正流量を求めるステップ
を含む、
請求項８記載の制御方法。
【請求項10】
前記制御方法はさらに、
前記圧縮機の補正流量と、前記入口温度と、当該圧縮機の回転速度とのうち少なくとも１つに基づき、コンピュータ可読の不揮発性媒体に記憶された参照ルックアップテーブルから、前記所要圧力比を求めるステップ
を含む、
請求項９記載の制御方法。
前記圧縮機の補正流量と、前記入口温度と、当該圧縮機の回転速度とのうち少なくとも１つに基づき、コンピュータ可読の不揮発性媒体に記憶された参照ルックアップテーブルから、前記所要圧力比を求めるステップ
を含む、
請求項９記載の制御方法。
【請求項11】
前記制御方法はさらに、
前記実圧力比が前記所要圧力比より低い場合、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を増大させること
を含む、
請求項５記載の制御方法。
前記実圧力比が前記所要圧力比より低い場合、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を増大させること
を含む、
請求項５記載の制御方法。
【請求項12】
前記制御方法はさらに、
主燃焼器への主燃焼器燃料流を低減させること
を含む、
請求項１１記載の制御方法。
主燃焼器への主燃焼器燃料流を低減させること
を含む、
請求項１１記載の制御方法。
【請求項13】
前記制御方法はさらに、
前記実圧力比が前記所要圧力比より高い場合、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を減少させること
を含む、
請求項５記載の制御方法。
前記実圧力比が前記所要圧力比より高い場合、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を減少させること
を含む、
請求項５記載の制御方法。
【請求項14】
前記制御方法はさらに、
主燃焼器への主燃焼器燃料流を増加させること
を含む、
請求項１３記載の制御方法。
主燃焼器への主燃焼器燃料流を増加させること
を含む、
請求項１３記載の制御方法。
【請求項15】
前記制御方法はさらに、
前記実圧力比が前記所要圧力比に等しい場合、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を維持すること
を含む、
請求項５記載の制御方法。
前記実圧力比が前記所要圧力比に等しい場合、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を維持すること
を含む、
請求項５記載の制御方法。
【請求項16】
前記制御方法はさらに、
エンジン入口質量流量を調整するため、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を調整することにより、前記下流のタービンの見かけ容量を調整するステップ
を含む、
請求項５記載の制御方法。
エンジン入口質量流量を調整するため、前記再熱燃焼器への再熱燃焼器燃料流を調整することにより、前記下流のタービンの見かけ容量を調整するステップ
を含む、
請求項５記載の制御方法。
【請求項17】
前記制御方法はさらに、
高シャフトによって互いに接続された高圧タービンと高圧圧縮機とを回転させることと、
前記高シャフトから切り離されている中シャフトによって互いに接続された中圧タービンと中圧圧縮機とを回転させることと、
を含む、
請求項５記載の制御方法。
高シャフトによって互いに接続された高圧タービンと高圧圧縮機とを回転させることと、
前記高シャフトから切り離されている中シャフトによって互いに接続された中圧タービンと中圧圧縮機とを回転させることと、
を含む、
請求項５記載の制御方法。
【請求項18】
前記制御方法はさらに、
低シャフトによって互いに接続された低圧タービンと低圧圧縮機とを回転させること
を含む、
ただし、前記高シャフトと前記中シャフトと前記低シャフトとは、互いに切り離されている、
請求項１７記載の制御方法。
低シャフトによって互いに接続された低圧タービンと低圧圧縮機とを回転させること
を含む、
ただし、前記高シャフトと前記中シャフトと前記低シャフトとは、互いに切り離されている、
請求項１７記載の制御方法。
【請求項19】
高圧圧縮機と、
高圧シャフトによって前記高圧圧縮機に接続された高圧タービンと、
前記高圧タービンより下流にある中圧タービンと、
中圧シャフトによって前記中圧タービンに接続された、前記高圧タービンより上流に配置された中圧圧縮機と、
前記中圧タービンより下流にある再熱加熱器と、
前記再熱燃焼器より下流に配置された低圧タービンと
を有するガスタービンエンジンであって、
前記高圧タービンと前記中圧タービンと低圧タービンとは互いに切り離されており、かつ、前記高圧圧縮機と前記中圧圧縮機とは互いに切り離されており、
前記中圧タービンと前記低圧タービンとがシャフト仕事配分を実現するように、低圧圧縮機は、前記中圧圧縮機への流れを含む出口を有し、
前記再熱燃焼器は、前記低圧タービンの見かけ容量を制御するために燃料を受け取って再熱出口温度を発生させるように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
高圧シャフトによって前記高圧圧縮機に接続された高圧タービンと、
前記高圧タービンより下流にある中圧タービンと、
中圧シャフトによって前記中圧タービンに接続された、前記高圧タービンより上流に配置された中圧圧縮機と、
前記中圧タービンより下流にある再熱加熱器と、
前記再熱燃焼器より下流に配置された低圧タービンと
を有するガスタービンエンジンであって、
前記高圧タービンと前記中圧タービンと低圧タービンとは互いに切り離されており、かつ、前記高圧圧縮機と前記中圧圧縮機とは互いに切り離されており、
前記中圧タービンと前記低圧タービンとがシャフト仕事配分を実現するように、低圧圧縮機は、前記中圧圧縮機への流れを含む出口を有し、
前記再熱燃焼器は、前記低圧タービンの見かけ容量を制御するために燃料を受け取って再熱出口温度を発生させるように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項20】
前記低圧タービンは、負荷および低圧圧縮機のうち少なくとも１つに接続されている、
請求項１９記載のガスタービンエンジン。
請求項１９記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互引用本願は、米国仮出願第６１／７７３，１００号および同第６１／７７３，１０３号（出願日：２０１３年３月５日）に係る優先権を主張するものであり、これらの開示内容はすべて、本願の開示内容に含まれることとする。
【0002】
本発明は、改善されたガスタービンエンジンを開示するものであり、具体的には、再熱燃焼器を備え当該再熱燃焼器内における燃料流をスケジューリングするガスタービンエンジンのコアパラメータを制御する方法および装置を開示するものである。前記コアパラメータは、ガスタービンカーカス内における任意の物理量を表すパラメータ、たとえば圧縮機圧力比、圧縮機流量、エンジン入口流量およびエンジン圧力比等を表すパラメータとすることができる。
【背景技術】
【0003】
多軸ガスタービンは、航空エンジン、発電プラントおよびパイプライン圧縮作業用途を含めた、数多くの用途に用いられる。多軸ガスタービンが、その設計出力の範囲を超えて動作すると、圧縮機は、意図された動作条件の範囲を超えて動作することとなり、圧縮機の動作点を合理的な値に復帰させるために操作ブリードバルブが用いられる。しかし、この操作ブリードバルブを用いると、サイクル効率が幾らか落ちてしまう。
【0004】
したがって、サイクル効率を低下させることなく、予め定められた合理的な値に圧縮機動作点を復帰させることができる多軸ガスタービンエンジンを実現することが望まれている。
【0005】
図面の簡単な説明特許請求の範囲は、特定の実施例に限定されることはないが、その複数の実施例についての説明を読めば、本発明の種々の対象を最も良好に理解することができる。図面を参照すると、実施例の詳細が示されている。図面に実施例を示しているが、本図面は必ずしも実寸の比率通りであるとは限らず、実施例の特徴的な構成をより分かりやすく説明するため、特定の構成を誇張して示している場合がある。さらに、ここで開示している実施例は、以下の詳細な説明および図面にて記載および図示した具体的な形状や配置構成に絶対的に限定または減縮等するものではない。以下、図面を参照して、実施例を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】ガス発生機、出力タービン、および、当該ガス発生機と当該出力タービンとの間に組み付けられた再熱燃焼器を備えた、一例のガスタービンエンジンの分解組立斜視図である。
【図3】ガス発生機、出力タービン、低圧側転がり軸受ホルダモジュール、当該ガス発生機と当該出力タービンとの間に組み付けられた再熱燃焼器、および、当該出力タービンの低圧タービンに接続された低圧圧縮機を備えた、他の一例のガスタービンエンジンの分解組立斜視図である。
【図5】ＨＰタービンとＩＰタービンとの間に再熱燃焼器を配置した、さらに他の一例のガスタービンエンジンの概略図である。
【図10】ＨＰタービンとＩＰタービンとの間に再熱燃焼器を配置した、さらに他の一例のガスタービンエンジンの概略図である。
【0007】
詳細な説明以下の記載と図面とを参照すれば、実施例の詳細が分かる。図面には、一部の実施可能な態様を示しているが、本図面は必ずしも実寸の比率通りであるとは限らず、本発明をより分かりやすく説明するため、特定の構成を誇張もしくは除去し、または特定の構成の一部断面のみを示している場合がある。さらに、ここで記載している説明は、特許請求の範囲を、以下の詳細な説明および図面にて記載および図示した具体的な形状や配置構成に絶対的に限定または減縮等するものではない。
【0008】
一例のガスタービンエンジンは、第１の圧縮機と、第１のシャフトによって当該第１の圧縮機に接続された第１のタービンとを含むことができる。当該エンジンは、第１のタービンより下流に配置された再熱燃焼器と、当該再熱燃焼器より下流に配置された第２のタービンとを含むことができる。当該エンジンはさらに、第２のシャフトによって前記第２のタービンに接続された第２の圧縮機も含むことができ、当該第２の圧縮機は、第１の圧縮機より上流に配置されている。第１のタービンと第２のタービンとは相互に切り離すことができ、第１の圧縮機と第２の圧縮機とは相互に切り離すことができる。第２の圧縮機は、前記第１のタービンと前記第２のタービンとがシャフト仕事配分を実現するように、前記第１の圧縮機への流れを含む出口を有することができる。前記再熱燃焼器は、第２の圧縮機の複数のパラメータに基づいて第２のタービンの見かけ容量を制御するため、燃料を受け取って再熱出口温度を発生させるように構成することができる。よって、本例のエンジンでは、相互に直列配置された２つの圧縮機間において仕事配分を制御してコアエンジンパラメータを制御するため、当該２つのタービンは相互に切り離され、それぞれ別個の圧縮機を駆動することができる。前記コアエンジンパラメータは、圧縮機圧力比およびエンジン入口流量を含むことができる。
【0009】
図１０を参照すると、一例のガスタービンエンジン１０００は、高圧部シャフトアセンブリ１０２２（「ＨＰシャフトアセンブリ」）と、中圧部シャフトアセンブリ１０１６（「ＩＰシャフトアセンブリ」）とを含むことができる。ＩＰシャフトアセンブリ１０１６は、ＩＰタービン１００２とＩＰ圧縮機１０１８とを含むことができ、これらは中圧部シャフト１０４１（「ＩＰシャフト」）によって相互に接続されている。さらに、ＨＰシャフトアセンブリ１０２２は、ＨＰタービン１０２４とＨＰ圧縮機１０２６とを含むことができ、これらは高圧部シャフト１０４０（「ＨＰシャフト」）によって相互に接続されている。エンジン１０００はさらに、低圧部シャフト１０４２（「ＬＰシャフト」）によって負荷１０３０に接続された低圧タービン１０３４（「ＬＰタービン」）も含むことができる。負荷１０３０の例には、発電機、推進ファン、パイプライン圧縮機、ポンプまたはプロペラが含まれる。
【0010】
ＨＰシャフト１０４０と、ＩＰシャフト１０４１と、ＬＰシャフト１０４２とは、相互に接続されていないが、相互に流体的に結合されている。具体的には、ＩＰ圧縮機の出口流はＨＰ圧縮機の入口流になり、ＨＰタービンの出口流はＩＰタービンの入口流となり、ＩＰタービンの出口流はＬＰタービンの入口流となる。本実施形態では再熱燃焼器１００４は、全圧縮仕事量の仕事配分の能動的制御を２つの圧縮機１０１８，１０２６間において行うために、ＨＰタービン１０２４とＩＰタービン１００２との間に配置されている。
【0011】
再熱燃焼器１００４より下流に配置されたＩＰタービン１００２（「下流タービン」）の見かけ容量Ｑ１（補正された流量）は、当該再熱燃焼器１００４への燃料をスケジューリングすることによって制御することができる。所与のタービンについての、ＩＰタービン１００２の下流タービンの入口の実容量Ｑ２（補正された流量）は、以下の数式１によって表すことができ、タービンが固定しており、かつ排気ガス成分が実質的に変化しない場合、当該実容量Ｑ２はタービン動作域全体にわたって全く平坦となる。
【0012】
（数式１） Ｑ２＝Ｗ２√Ｔ２／Ｐ２数式１の配置を変えたもの：
（数式２） Ｗ２＝Ｑ２Ｐ２√Ｔ２
ＨＰタービン１０２４の見かけ容量Ｑ１（補正した流量）または出口実容量（補正した流量）は、以下の数式３によって表すことができる。
【0013】
（数式３） Ｑ１＝Ｗ１√Ｔ１Ｐ１よって、Ｑ１は下流タービンの幾何学的態様にのみ依存するわけではない。というのも、これは固定された領域と、無視できない程度の熱が再熱燃焼器１００４により追加される部品との間に配置されており、この無視できない程度の熱により温度上昇が生じるからである。
【0014】
ここで、燃焼器内において冷却空気の取り出しまたは戻りが生じることを前提とし、燃料流によって更に質量流量が追加されることを考慮する。
【0015】
（数式４）Ｗ１＝Ｗ２−Ｗfuel−Ｗcooling air数式４を数式３に代入すると、数式５を以下のように定義することができる。
【0016】
（数式５） Ｑ１＝［Ｗ２−Ｗfuel−Ｗcooling air］√Ｔ１Ｐ１（数式６） Ｑ１＝（Ｗ２√Ｔ１／Ｐ１）−（Ｗfuel√Ｔ１／Ｐ１）−（Ｗcooling air√Ｔ１／Ｐ１）
数式２を数式６に代入すると、以下の数式が得られる：
（数式７） Ｑ１＝（（Ｑ２Ｐ２√Ｔ２）√Ｔ１Ｐ１）−（Ｗfuel√Ｔ１／Ｐ１）−（Ｗcooling air√Ｔ１／Ｐ１）
（数式８） Ｑ１＝（Ｑ２（Ｐ２／Ｐ１）（√Ｔ１／√Ｔ２））−（Ｗfuel√Ｔ１／Ｐ１）−（Ｗcooling air√Ｔ１／Ｐ１）
（数式９） Ｑ１＝［（Ｑ２Ｐ２√（Ｔ１／Ｔ２））−（Ｗfuel√Ｔ１）−（Ｗcooling air√Ｔ１）］／Ｐ１
比Ｔ１／Ｔ２は前記温度上昇に比例するので、再熱燃焼器内における燃料流量、ひいては数式９は、以下のように簡素化することができる：
（数式１０） Ｑ１＝［（Ｑ２Ｐ２ function（Ｗfuel））−（Ｗfuel√Ｔ１）−（Ｗcooling air√Ｔ１）］／Ｐ１
よって、数式１０を検討すると、下流タービンの実際のハードウェア構成によって決定される、下流タービンの固定の実容量Ｑ２（補正された流量）については、その結果として見かけ容量Ｑ１（補正された流量）に生じる変動は、たとえば燃焼器の圧力降下等、他の量が変化したときに少なくとも燃料流量を制御することによって、求めることができ、また、冷却空気の割合は無視できる程度になることが分かる。したがって、見かけ容量Ｑ１は、燃料流のスケジューリングによって制御することができ、このように見かけ容量Ｑ１を制御できることによって、コアエンジンパラメータを制御することができる。よって、本願にて以下開示する手法で燃料流を適切にスケジューリングすることにより、圧縮機圧力比またはエンジン入口流量等の選択したコアエンジンパラメータを制御することができる。
【0017】
ガスタービンエンジンのコアパラメータを制御する一例の方法は、上流タービンから見て再熱燃焼器より下流に配置されたタービンの見かけ容量を制御するため、当該再熱燃焼器へ燃料流を供給することを含むことができる。よって、再熱燃焼器１００４への燃料のアクティブスケジューリング（図６および図９）を使用することによって、上流タービン１０２４と下流ＩＰタービン１００２との圧力比を能動的に変化させることができ、この圧力比を能動的に変化できることにより、下流ＩＰタービン１００２により駆動される圧縮機１０１８が使用できる出力のアクティブ制御が可能になり、ひいては、下流ＩＰタービン１００２の動作点のアクティブ制御が可能になる。
【0018】
図７および図１０を参照すると、主燃焼器１００５と再熱燃焼器１００４との間で燃料配分の適切なスケジューリングを行うことにより、ＩＰ圧縮機１０１８の圧力比をアクティブ制御することができる。この構成は、高流量部分７０１におけるピーク効率を保証する流量において、または、部分出力７０２における圧縮機の適切なサージマージンを保証する流量において、最適な圧力比になるように圧縮機を制御するのに有利であり、このことによって、ブリード流の機外操作や、幾何学的態様が可変のタービンを用いる必要性を少なくするか、または無くすことができる。図８を参照すると、その結果として、圧縮機効率が上昇することと、比較的低い出力において圧縮機流出機外ブリード流量が少なくなることとによって、部分負荷効率を改善することができる。これは通常、サージマージンを遵守するのに必要とされるものである。たとえば航空エンジンでは、上記構成によって、圧縮機出口機外ブリード型バルブの進入口を閉弁状態に維持することができ、これにより、燃料消費量と騒音とを低減することができる。
【0019】
図６および図９に、制御方法の具体的な実施形態についての更なる詳細を示す。ステップ９０２において、ガスタービンエンジンは、ＩＰ圧縮機入口質量流量Ｗ２４と、ＩＰ圧縮機１０１８の入口温度Ｔ２４と、入口圧力Ｐ２４と、出口圧力Ｐ２５と、回転速度ＮＩとを測定または導出するために構成された複数のセンサ５４０（図６）を含むことができる。
【0020】
ステップ９０４において、制御ロジック５４１（図６）が、ＩＰ圧縮機１０１８のＩＰ圧縮機補正流量Ｑ２４および実圧力比 IPC_PR_ACTUAL と、当該ＩＰ圧縮機の空気力学的速度ＮＩＲＴ２４とを求める。制御ロジックは、これらの各値を求めるために以下の数式を使用することができる：Ｑ２４＝（Ｗ２４√Ｔ２４／Ｐ２４）
IPC_PR_ACTUAL ＝（Ｐ２５／Ｐ２４）
ＮＩＲＴ２４＝（ＮＩ２４／√Ｔ２４）
ステップ９０６において、前記ロジックは所要圧力比 IPC_PR_DEMAND を求める。このステップは、コントローラ５４２が、コンピュータ可読の不揮発性媒体に記憶された参照ルックアップテーブル５４４にアクセスして、Ｑ２４およびＮＩＲＴ２４の計算された値に基づいて前記所要圧力比を特定することによって実施することができる。
【0021】
ステップ９０８において、コントローラ５４２はＩＰ圧縮機実圧力比と前記ＩＰ圧縮機所要圧力比とを比較する。前記ＩＰ圧縮機実圧力比がＩＰ圧縮機所要圧力比より低い場合、本方法はステップ９１０へ移行する。前記ＩＰ圧縮機実圧力比がＩＰ圧縮機所要圧力比に等しい場合、本方法はステップ９１２へ移行する。前記ＩＰ圧縮機実圧力比がＩＰ圧縮機所要圧力比より高い場合、本方法はステップ９１４へ移行する。
【0022】
ステップ９１０において、再熱燃焼器１００４より下流に配置されたＩＰタービン１００２の見かけ容量（補正された流量）を低減するため、コントローラ５４２は、増加した燃料流を当該再熱燃焼器１００４へ供給する。ＩＰタービン（下流タービン）の見かけ容量を低減することにより、ＨＰタービン１０２４（上流タービン）における仕事量は下降し、ＩＰタービンにおける仕事量は増加し、これにより、これら２つのタービン間における仕事配分が変化する。この仕事配分の変化により、ＨＰタービンから動力を受ける圧縮機が使用可能な出力が減少し、ＩＰタービンから動力を受けるＩＰ圧縮機が使用可能な出力が増大する。このことにより、ＩＰタービンから動力を受けるＨＰ圧縮機とＩＰ圧縮機との圧力比が増大する。
【0023】
ステップ９１２において、再熱燃焼器１００４より下流に配置されたＩＰタービンの見かけ容量を維持するため、コントローラ５４２は、当該再熱燃焼器１００４への燃料流を一定に維持する。下流ＩＰタービンの見かけ容量を維持することにより、上流のタービンと当該下流タービンとの仕事配分が一定に維持され、このことにより、ＨＰ圧縮機とＩＰ圧縮機との間で分配される出力の比を維持することができる。このことにより、全圧縮出力が不変である場合、下流ＩＰタービンから動力を受けるＩＰ圧縮機の圧力比を一定にすることができる。
【0024】
ステップ９１４において、再熱燃焼器１００４より下流に配置されたＩＰタービンの見かけ容量を増加するため、コントローラ５４２は、低減した燃料流を当該再熱燃焼器１００４へ供給する。下流ＩＰタービンの見かけ容量が増加することにより、上流のＨＰタービンにおける仕事量は増大し、下流のＩＰタービンにおける仕事量は減少し、このことにより、これら２つのタービン間における仕事配分が変化する。この仕事配分の変化により、下流ＩＰタービンから動力を受ける圧縮機が使用可能な出力が減少し、上流ＨＰタービンから動力を受けるＨＰ圧縮機が使用可能な出力が増大する。このことにより、下流ＩＰタービンから動力を受けるＩＰ圧縮機とＩＰ圧縮機との圧力比が減少する。
【0025】
図５を具体的に参酌すると、同図の一例のエンジン５００の大部分は図１０のエンジン１０００と同様であり、同様の各構成要素には５００番台の符号を付している。しかし、エンジン５００はさらに、ＩＰ圧縮機５１８より上流に配置された追加のＬＰ圧縮機も有しており、これに対してエンジン１０００は、同様の追加のＬＰ圧縮機を有していない。エンジン５００は、ＨＰタービン５２４と、ＩＰタービン５１４と、ＬＰタービン５３４とを備えた３軸エンジンであり、これらの各タービンはそれぞれ別々の圧縮機を駆動する。具体的には、ＨＰシャフトアセンブリ５２２は、シャフト５２８によって互いに接続されたＨＰタービン５２４とＨＰ圧縮機５２６とを含むことができる。また、ＩＰシャフトアセンブリ５１６は、シャフト５２０によって互いに接続されたＩＰタービン５１４とＩＰ圧縮機５１８とを含むことができる。さらに、ＬＰシャフトアセンブリ５３８は、シャフト５３６によって互いに接続されたＬＰタービン５３４とＬＰ圧縮機５３２とを含むことができる。また、ＬＰシャフトアセンブリ５３８を負荷５３０に接続することもできる。この負荷５３０は、発電機、推進ファン５３９、パイプライン圧縮機、ポンプ、プロペラまたは他の適切な負荷とすることができる。
【0026】
ＨＰシャフトアセンブリと、ＩＰシャフトアセンブリと、ＬＰシャフトアセンブリとは、機械的には接続されていないが、ＬＰ圧縮機の出口流がＩＰ圧縮機の入口流となり、ＩＰ圧縮機の出口流がＨＰ圧縮機の入口流となるように、前記３つのシャフトアセンブリは互いに流体的に結合されている。また、主燃焼器の下流側では、ＨＰタービン出口流はＩＰタービン入口流となることができ、ＩＰタービン出口流はＬＰタービン入口流となる。
【0027】
再熱燃焼器５０４は、ＨＰタービン５２４とＩＰタービン５１４との間に配置することができ、また、図１０のエンジン１０００と同様、ＩＰ圧縮機５１８を圧縮機効率およびサージマージンの最適動作域に維持できるようにＩＰ圧縮機圧力比を制御するため、燃料をスケジューリングすることができ、このことにより、サージ制御機外ブリード流を最小限にすることができる。この最適動作域の例を図７および図８に示している。この最適動作域によって、最大出力未満における稼働性の利点とパフォーマンスの改善とを実現することができる。このプロセスは、ガスタービンの過渡状態および定常状態の双方の制御に及ぶものとすることができる。
【0028】
図４を参照すると、他の一例のガスタービンエンジン３００は、図５のガスタービンエンジン５００と同様とすることができ、当該ガスタービンエンジン３００の同様の各構成要素には、３００番台の符号を付している。しかし、ガスタービンエンジン３００の再熱燃焼器３０４は、ＩＰタービン３０２とＬＰタービン３３４との間に介挿されている。再熱燃焼器３０４は、ＬＰタービン３３４の見かけ容量を制御するために燃料を受け取って再熱出口温度を発生させるように構成されている。このようにして、再熱燃焼器３０４と３軸エンジンとを併用することができ、当該３軸エンジンは、ＩＰタービン３１４とＬＰタービン３３４との間に配置した当該再熱燃焼器３０４を包含することができる。本実施例では、ＨＰタービン３２４と、ＩＰタービン３１４と、ＬＰタービン３３４とは、それぞれ別々の圧縮機を駆動することができる。具体的には、ＩＰシャフトアセンブリ３１６は、シャフト３２０によって互いに接続されたＩＰタービン３１４とＩＰ圧縮機３１８とを含むことができる。また、ＨＰシャフトアセンブリ３２２は、シャフト３２８によって互いに接続されたＨＰタービン３２４とＨＰ圧縮機３２６とを含むことができる。さらに、ＬＰシャフトアセンブリ３３８は、シャフト３３６によって互いに接続されたＬＰタービン３３４とＬＰ圧縮機３３２とを含むことができる。また、ＬＰシャフトアセンブリ３３８を負荷３３０に接続することもできる。この負荷３３０は、発電機、推進ファン３３９、パイプライン圧縮機、ポンプ、プロペラまたは他の適切な負荷とすることができる。
【0029】
ＨＰシャフトアセンブリと、ＩＰシャフトアセンブリと、ＬＰシャフトアセンブリとを互いに接続しないこと、または、これら３つのシャフトアセンブリが機構を駆動しないことが可能であり、これら３つのシャフトアセンブリは互いに流体的に結合されている。具体的には、主燃焼器の上流側において、ＬＰ圧縮機の出口流がＩＰ圧縮機の入口流となることができ、かつ、ＩＰ圧縮機の出口流がＨＰ圧縮機の入口流となることができる。また、主燃焼器の下流側では、ＨＰタービン出口流はＩＰタービン入口流となることができ、ＩＰタービン出口流はＬＰタービン入口流となる。
【0030】
コアエンジン３０８に対するＬＰタービン３３４の見かけ容量を制御するために、再熱燃焼器３０４の燃料スケジューリングを用いることができる。出力が上昇したときにコアエンジン３０８に対するＬＰタービン３３４の見かけ容量を変化させることにより、ＩＰ圧縮機の入口質量流量を所望の値に制御することができる。回転速度が負荷によって固定されたＬＰ圧縮機３３２を含む工業用エンジンの場合、この燃料スケジューリングにより、ＬＰ圧縮機の出口質量流量を固定することによってＬＰ圧縮機の動力伝達ラインを制御することができる。ターボファンエンジンの場合、上述のスケジューリングにより、ファン３３９とコアエンジン３０８との空気バイパス比を変化させることができる。
【0031】
上述の構成に代わる択一的な実施形態では、図１および２に示したように、一例のガスタービンエンジン１００はガス発生機１０８を含むことができる。このガス発生機１０８は、シャフト１２０によって互いに接続されたＩＰタービン１１４とＩＰ圧縮機１１８とを有するＩＰシャフトアセンブリ１１６を包含することができる。このガス発生機１０８はさらに、シャフト１２８によって互いに接続されたＨＰタービン１２４とＨＰ圧縮機１２６とを有するＨＰシャフトアセンブリ１２２を包含することができる。ＨＰシャフトアセンブリおよびＩＰシャフトアセンブリ１１６，１２２は、構造的に互いに切り離しつつ、上流のシャフトアセンブリによって駆動される流体が下流のシャフトアセンブリを駆動できるように、両シャフトアセンブリを互いに流体的に結合または作用結合することができる。ＬＰタービン１１２は負荷１３０に結合されている。この負荷１３０は、発電機、推進ファン、パイプライン圧縮機、ポンプ、プロペラ、他の適切な負荷またはこれらの任意の組合せとすることができる。
【0032】
再熱燃焼器１０４の燃料スケジュールが、コアエンジンに対するＬＰタービン１１２の見かけ容量を制御することができる。動作条件が変化したときに、ガス発生機１０８に対するＬＰタービン１１２の見かけ容量を変化させることにより、機械的に切り離されたコアにおける見かけ容量が変化するという作用を利用して、エンジン入口質量流量を目標値に調整することができる。入口流を制御するために制御ロジックを用いることができる。コンバインドサイクル装置において適用する場合には、ボイラ内を通過するエンジン排気流を制御ロジックが制御することができる。しかし、他の１つの実施形態では、制御ロジックは１つのパラメータを制御する代わりに、複合コアパラメータのセットについてエンジンパフォーマンスを制御することも可能である。
【0033】
上記方法および装置は、一部の構成要素やステップを除くように変更することができ、または、他の構成要素やステップを追加して変更することも可能であり、これらの変更はすべて、本発明の思想の範囲内であるとみなされるものであることは明らかである。特定の実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の思想を逸脱することなく、これらの特定の実施形態に施すことが可能な改良や変更は、種々存在することが明らかである。本願明細書および図面は、本発明の思想を限定するものではなく、単なる一例の考え方であると解すべきものである。
【0034】
本願にて記載したプロセス、システム、方法等に関しては、このプロセス等の各ステップが特定の順序で実施されるように説明したが、当該プロセスは、ここで記載した各ステップを、本願にて記載した順序とは異なる順序で実施して実用可することも可能であると解すべきである。さらに、特定のステップは同時に実施できること、他のステップを追加できること、または、本願にて記載した特定のステップを省略できることは明らかである。換言すると、本願におけるプロセスの説明は、特定の実施形態を例示するためのものであり、特許請求の範囲を限定するものであるとは、決して解釈してはならない。
【0035】
よって、上記説明は例示のためのものであり、限定目的ではないと解すべきである。上記説明を読めば、本願にて開示した実施例とは異なる多くの実施形態や用途が明らかである。本発明の範囲は、上記説明によって特定すべきものではなく、添付の特許請求の範囲と、当該特許請求の範囲に含まれる等価的態様の全範囲とによって定めるべきものである。本願にて取り上げた技術では将来の開発も生じること、および、本願にて開示したシステムおよび方法はこの将来の実施形態に含まれることを想定および意図している。総じて、本願は改良および変更可能であると解すべきである。
【0036】
特許請求の範囲において使用されている用語はすべて、異なる意味を有すると明示的に特記しない限り、合理的な最も広い解釈と、本願にて記載した技術の通常の知識を有する者に知られている通常の意味とを与えられることを意図したものである。特に、請求項において、異なる意味に限定するとの言及が無い限りは、「１つの」、「その」、「前記」（“a”、“the”、“said”）等の単数形の冠詞を用いているときには、指し示している要素が１つまたは複数であることを意味していると解釈すべきである。
【0037】
本発明の要約は、読み手が技術的内容の性質を素早く特定できるようにするためのものであり、特許請求の範囲の保護範囲または意味を解釈または限定するのに用いるものではないという趣旨で提出したものである。また、上記の発明の詳細な説明では、本発明を簡略化するために、複数の構成をまとめて種々の実施形態としていることが明らかである。本発明の方法は、特許請求の範囲に記載の実施態様が、各請求項にて明示的に記載した複数の構成を要件とすることを意図したものとして解釈すべきものではない。むしろ、以下の特許請求の範囲から明らかであるように、本発明の対象に含まれる構成要件は、開示した１つの実施形態のすべての構成より少ない。よって、以下の特許請求の範囲は、発明の詳細な説明に包含されるものであり、かつ、各請求項は独立して、別個の対象を保護請求したものである。
【国際調査報告】