JP2000073782A - ガスタービンの出力増強装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部分負荷運転領域で熱効率を高くし、全負荷
運転を可能にする。 【解決手段】 圧縮機１とタービン２及び燃焼器３を備
え、圧縮機１とタービン２の軸４を連結し、燃焼器３に
圧縮機１の空気出口を接続し、燃焼器３のガス出口をタ
ービン２のガス入口に接続したガスタービンにおいて、
ガスタービンの設計点を部分負荷運転領域にし、設計点
を超える運転領域で、圧縮機１の空気入口に吸入される
空気を圧縮する予圧装置２１を設けた出力増強装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの出
力を増強する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、圧縮機とタービン及び
燃焼器を備えている。圧縮機とタービンは、それらの軸
を連結している。燃焼器には、圧縮機の空気出口を接続
している。燃焼器のガス出口は、タービンのガス入口に
接続している。タービン軸に負荷を連結する。

【０００３】ガスタービンは、空気流量当たりの出力が
高く、熱効率が高い。省エネルギーになる。また、振動
や騒音が低く、排気エミッションが少ない。クリーンエ
ンジンである。

【０００４】このようなガスタービンは、航空機や大型
発電機の動力源として広く用いられている。航空機や大
型発電機は、運転領域の大部分が全負荷運転である。従
って、航空機や大型発電機用のガスタービンは、全負荷
運転時が設計点であり、負荷が高いほど熱効率が高く、
全負荷運転時に熱効率が最高になる特性を有する。

【０００５】一方、発電量を需要に応じて変動させる小
型発電機や、運転領域が広い自動車は、全負荷運転の頻
度が少なく、運転領域の大部分が部分負荷運転である。
従って、全負荷運転時が設計点であるガスタービンは、
小型発電機や自動車の動力源として用いると、熱効率が
低く、省エネルギーにはならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】運転領域の大部分が部
分負荷運転である自動車や小型発電機の動力源にガスタ
ービンを用いる場合、ガスタービンの設計点を部分負荷
運転領域にすることが考えられる。すると、ガスタービ
ンは、使用頻度の高い部分負荷運転領域では、熱効率が
高くなって、省エネルギーになるが、全負荷運転では、
熱効率が著しく低くなったり、運転が不可能になるなど
の課題が発生する。

【０００７】

【課題を解決するための着眼】ガスタービンは、使用頻
度の高い部分負荷運転領域を設計点とし、設計点を超え
る運転領域では、ガスタービンの出力を増強する装置を
用いることとする。

【０００８】ガスタービンの出力増強には、回転数の増
加または流量の増加が考えられるが、回転数の増加に
は、軸や羽根の強度の問題が伴うので、圧力の増加によ
る流量の増加を採用することとする。

【０００９】また、圧力の増加による流量の増加は、高
温側のタービンまたは低温側の圧縮機において行うこと
が考えられるが、製造原価や信頼性を考慮して、低温側
の圧縮機において行うこととする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機とター
ビン及び燃焼器を備え、圧縮機とタービンの軸を連結
し、燃焼器に圧縮機の空気出口を接続し、燃焼器のガス
出口をタービンのガス入口に接続したガスタービンにお
いて、ガスタービンの設計点を部分負荷運転領域にし、
設計点を超える運転領域で、圧縮機の空気入口に吸入さ
れる空気を圧縮する予圧装置を設けたことを特徴とする
出力増強装置である。

【００１１】

【発明の効果】本発明においては、ガスタービンの設計
点を部分負荷運転領域にしたので、設計点を超えない部
分負荷運転領域で、設計点を全負荷運転時にした従来の
ガスタービンに比較して、熱効率が高くなる。

【００１２】設計点を超える運転領域では、圧縮機の空
気入口に吸入される空気が圧縮されて予圧されるので、
出力が増強され、熱効率が著しく低くならない。全負荷
運転を行うこともできる。

【００１３】また、ガスタービンは、設計点を部分負荷
運転領域にしたので、設計点を全負荷運転時にした従来
のガスタービンに比較して、小型軽量になる。

【００１４】従って、運転領域の大部分が部分負荷運転
である動力源に適している。

【００１５】

【発明の実施の態様】[第１例（図１と図２参照）]本例
のガスタービンは、図１に示すように、圧縮機１とター
ビン２及び燃焼器３を備えている。圧縮機１とタービン
２は、それらの軸４を連結している。圧縮機１の空気入
口は、空気吸入通路５を経て大気に開放している。圧縮
機１の空気出口は、空気通路６で燃焼器３の空気入口に
接続している。燃焼器３の燃料噴射弁７には、燃料供給
通路８を接続している。燃焼器３のガス出口は、ガス通
路９でタービン２のガス入口に接続している。タービン
２のガス出口は、ガス排出通路１０を経て大気に開放し
ている。タービン軸４には、負荷の小型発電機１１を連
結している。ガスタービンの設計点は、５０％負荷運転
時である。

【００１６】本例の出力増強装置は、図１に示すよう
に、ターボ式空気圧縮機の予圧装置２１、第１方向切換
弁２２と第２方向切換弁２３及び出力センサ２４と制御
装置２５を備えている。予圧装置２１の軸は、タービン
軸４に連結している。第１方向切換弁２２と第２方向切
換弁２３は、それぞれ、圧縮機１の空気吸入通路５の途
中に介在している。第１方向切換弁２２の出口は、予圧
空気吸入通路２６で予圧装置２１の空気入口に接続して
いる。予圧装置２１の空気出口は、予圧空気通路２７で
第２方向切換弁２３の入口に接続している。

【００１７】発電機１１の出力状態を検出する出力セン
サ２４は、制御装置２５の入力端子に接続している。制
御装置２５の出力端子は、燃焼器３の燃料噴射弁７、第
１方向切換弁２２と第２方向切換弁２３にそれぞれ接続
している。

【００１８】本例の出力増強装置を備えたガスタービン
は、発電機１１の出力がガスタービン設計点の５０％負
荷に達するまでの低負荷運転時には、第１方向切換弁２
２と第２方向切換弁２３が図１に示す通路接続状態にあ
り、予圧装置２１の空気入口と空気出口が閉鎖されると
共に、圧縮機１の空気入口が空気吸入通路５を経て大気
に開放している。従って、出力増強装置は、作動しな
い。ガスタービンは、予圧装置２１を空転させるが、出
力増強装置のない場合と同様に運転される。

【００１９】発電機１１の出力がガスタービン設計点の
５０％負荷を超える高負荷運転時には、制御装置２５
は、第１方向切換弁２２と第２方向切換弁２３の通路を
それぞれ図１に示す通路接続状態から切り換える。する
と、空気吸入通路５の途中が閉鎖されると共に、予圧装
置２１の空気入口が予圧空気吸入通路２６、第１方向切
換弁２２と空気吸入通路５の上流部分を経て大気に開放
し、予圧装置２１の空気出口が予圧空気通路２７、第２
方向切換弁２３と空気吸入通路５の下流部分を経て圧縮
機１の空気入口に接続する。圧縮機１の空気入口に吸入
される空気は、予圧装置２１において圧縮された状態で
圧縮機１の空気入口に流入する。圧縮機１に流入する空
気が予圧される、即ち、過給されるので、圧縮機１の空
気流量が増加し、ガスタービンの出力が増強される。な
お、タービン軸４の回転数は、増加させない。

【００２０】本例の出力増強装置を備えたガスタービン
について、熱効率と出力の関係を図２に実線で示す。比
較のため、ガスタービンの設計点を１００％負荷運転時
にした従来例について、一点鎖線で示す。

【００２１】図２の線図から明らかなように、本例の場
合、ガスタービン設計点の５０％負荷に達するまでの使
用頻度の高い低負荷運転時には、熱効率が従来例の場合
より高い。

【００２２】ガスタービン設計点の５０％負荷を超える
高負荷運転時には、１００％負荷側の一部の運転領域を
除き、熱効率が従来例の場合より高い。１００％負荷運
転は、熱効率が従来例の場合より若干低くなるが、可能
である。

【００２３】[第２例（図３と図４参照）]本例の出力増
強装置は、第１例のそれが予圧装置２１をガスタービン
軸４で駆動するのに対し、予圧装置２１を電動機、油圧
モータや空圧モータのような動力源で駆動する例であ
る。

【００２４】予圧装置２１は、図３に示すように、軸
を、タービン軸４に連結せずに、電動機３１の軸に連結
している。電動機３１は、制御装置２５で制御し、ガス
タービン設計点の５０％負荷に達するまでの低負荷運転
時には、回転駆動せず、５０％負荷を超える高負荷運転
時に、回転駆動する構成にしている。その他の構成は、
第１例におけるのと同様である。

【００２５】本例の出力増強装置を備えたガスタービン
について、熱効率と出力の関係を図４に実線で示す。比
較のため、第１例について、細い破線で示す。

【００２６】本例の場合、ガスタービン設計点の５０％
負荷に達するまでの使用頻度の高い低負荷運転時に、第
１例における、予圧装置２１を空転駆動する動力損失が
ないので、図４の線図から明らかなように、熱効率が第
１例の場合より高い。

【００２７】５０％負荷を超える高負荷運転時には、図
４の線図から明らかなように、熱効率が第１例の場合よ
り高い。しかし、予圧装置２１の電動機３１の性能が悪
い場合は、電動機３１を駆動する動力損失が増加するの
で、図４の線図の太い破線から明らかなように、１００
％負荷側の一部の運転領域で、熱効率が第１例の場合よ
り低くなる。

【００２８】本例のガスタービンは、起動時に、予圧装
置２１を空転駆動しないので、第１例の場合より、起動
が早くて加速が早くなる。また、スタータに代えて予圧
装置２１を駆動することにより起動が可能であり、起動
時間の短縮と消費動力の低減が可能になる。

【００２９】本例においては、予圧装置２１にターボ式
空気圧縮機を用いるが、ルーツ式空気圧縮機やスクリュ
ウ式空気圧縮機を用いてもよい。

【００３０】[第３例（図５と図６参照）]本例の出力増
強装置は、第２例のそれが予圧装置２１を予圧時に電動
機３１で駆動するのに対し、予圧装置２１を予圧時にク
ラッチでタービン軸４に連結し、クラッチを連結し易く
するため、予圧装置２１をその起動時に電動機、油圧モ
ータや空圧モータのような動力源で駆動する例である。

【００３１】予圧装置２１は、図５に示すように、軸の
一端を、クラッチ４１を介してタービン軸４に連結し、
軸の他端に電動機４２の軸を連結している。クラッチ４
１は、電気、油圧や空圧で作動する駆動機構を備えてい
る。このクラッチ４１は、制御装置２５で制御し、ガス
タービン設計点の５０％負荷に達するまでの低負荷運転
時には連結せず、５０％負荷を超える高負荷運転時に連
結する構成にしている。電動機４２は、制御装置２５で
制御し、クラッチ４１の連結時に回転駆動する構成にし
ている。その他の構成は、第１例におけるのと同様であ
る。

【００３２】本例の出力増強装置を備えたガスタービン
について、熱効率と出力の関係を図６に実線で示す。比
較のため、第１例について破線で、第２例について二点
鎖線で示す。

【００３３】本例の場合、５０％負荷に達するまでの使
用頻度の高い低負荷運転時に、第１例における、予圧装
置２１を空転駆動する動力損失がないので、図６の線図
から明らかなように、熱効率は、第１例の場合より高
く、第２例の場合と同一になる。

【００３４】５０％負荷を超える高負荷運転時には、５
０％負荷を超える際、クラッチ４１の滑り損失と予圧装
置２１起動用電動機４２の動力損失があるので、５０％
負荷側の一部の運転領域では、図６の線図から明らかな
ように、熱効率が第２例の場合より低いが、その領域以
外では、予圧装置２１を回転駆動する電動機の動力損失
がないので、熱効率が第２例の場合より高い。

【００３５】予圧装置２１起動用電動機４２は、クラッ
チ４１を接続する少し前に駆動する構成にすると、小型
にすることができ、動力損失を減少することができる。

【００３６】[第４例（図７参照）]本例の出力増強装置
は、第３例のそれが予圧装置２１を予圧時にタービン軸
４に連結するのに対し、予圧装置２１を予圧時に、ター
ビン軸４より低速回転する軸に連結する例である。

【００３７】タービン軸４は、図７に示すように、一対
の減速用歯車５１を介して低速回転軸５２の一端に連結
し、低速回転軸５２の途中にクラッチ４１を介在し、低
速回転軸５２の他端を一対の増速用歯車５３を介して予
圧装置２１の軸に連結している。その他の構成は、第３
例におけるのと同様である。

【００３８】クラッチ４１は、タービン軸４より低速回
転する低速回転軸５２を連結するので、クラッチ４１の
滑り損失と予圧装置２１起動用電動機４２の動力損失が
第３例の場合より少ない。

【００３９】[第５例（図８参照）]本例の出力増強装置
は、第１例乃至第４例のそれが空気圧縮機の予圧装置２
１で圧縮機１の流入空気を圧縮するのに対し、アキュム
レータの予圧装置に圧縮空気を蓄え、その圧縮空気をガ
スタービンの圧縮機に供給する例である。

【００４０】本例の出力増強装置は、図８に示すよう
に、アキュムレータからなる予圧装置６１、タービン６
２と圧縮機６３からなる排気ガスターボチャージャ、第
１開閉弁６４と第２開閉弁６５及び減圧弁６６、出力セ
ンサ６７と制御装置６８を備えている。

【００４１】タービン２のガス排出通路１０は、その途
中をガス通路６９で排気ガスターボチャージャ６２、６
３のガス入口に接続し、排気ガスターボチャージャ６
２、６３の空気出口を空気通路７０で予圧装置６１の空
気入口に接続し、予圧装置６１の空気出口を予圧空気通
路７１で圧縮機１の空気吸入通路５の途中に接続してい
る。

【００４２】ガス通路６９の途中には、第１開閉弁６４
を介在している。予圧空気通路７１の途中には、第２開
閉弁６５と減圧弁６６を介在している。

【００４３】発電機１１の出力状態を検出する出力セン
サ６７は、制御装置６８の入力端子に接続している。制
御装置６８の出力端子は、燃焼器３の燃料噴射弁７、第
１開閉弁６４と第２開閉弁６５及び減圧弁６６にそれぞ
れ接続している。

【００４４】本例のガスタービンは、設計点が部分負荷
運転時である。その他の構成は、第１例におけるのと同
様である。

【００４５】本例の出力増強装置を備えたガスタービン
は、予圧装置６１に圧縮空気が蓄えられていないとき
に、第１開閉弁６４を開放し、排気ガスターボチャージ
ャ６２、６３を作動して空気を圧縮し、予圧装置６１に
圧縮空気を蓄える。

【００４６】発電機１１の出力がガスタービン設計点の
負荷を超える高負荷運転になると、第２開閉弁６５を開
放し、予圧装置６１に蓄えている圧縮空気を圧縮機１の
空気入口に供給する。

【００４７】本例の出力増強装置は、予圧装置６１のア
キュムレータの容量から出力増強時間が制限されるの
で、自動車の加速時のような短時間の出力増強に有効で
ある。

【００４８】本例においては、タービン２の排気ガスの
エネルギーから圧縮空気を得るのに、ターボチャージャ
６２、６３を用いるが、タービン２の排気ガスエネルギ
ーを電気として蓄え、その電気で圧縮機を駆動して圧縮
空気を得る構成にしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施態様の第１例における出力増強装
置を備えたガスタービンの概略図。

【図２】同ガスタービンの熱効率と出力の関係を示す線
図。

【図３】実施態様の第２例の出力増強装置を備えたガス
タービンの概略図。

【図４】同ガスタービンの熱効率と出力の関係を示す線
図。

【図５】実施態様の第３例の出力増強装置を備えたガス
タービンの概略図。

【図６】同ガスタービンの熱効率と出力の関係を示す線
図。

【図７】実施態様の第４例の出力増強装置を備えたガス
タービンの概略図。

【図８】実施態様の第５例の出力増強装置を備えたガス
タービンの概略図。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ タービン ３ 燃焼器 ４ タービン軸 ２１ ターボ式空気圧縮機、予圧装置 ６１ アキュムレータ、予圧装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機とタービン及び燃焼器を備え、圧
   縮機とタービンの軸を連結し、燃焼器に圧縮機の空気出
   口を接続し、燃焼器のガス出口をタービンのガス入口に
   接続したガスタービンにおいて、 ガスタービンの設計点を部分負荷運転領域にし、設計点
   を超える運転領域で、圧縮機の空気入口に吸入される空
   気を圧縮する予圧装置を設けたことを特徴とする出力増
   強装置。