JP2000087760A - ガスタービンの出力増強装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設計点を超えない部分負荷運転領域で熱効率
を高くする。設計点を超える運転領域で熱効率をほぼ同
程度にする。 【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、圧縮機１の
空気出口を燃焼器３の空気入口に接続し、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、圧縮機１の空気入口に吸入される空気を圧縮する予
圧用空気圧縮機２１を設け、設計点を超える運転領域で
予圧用空気圧縮機２１をタービン軸４に連結するクラッ
チ２３を設け、タービン軸４の回転速度を制御して所望
の出力を得る制御装置３０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】本発明者は、運転領域が広い自動車や、
発電量を需要に応じて変動させる小型発電機のような運
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
るガスタービンの出力増強装置を発明した。

【０００３】この発明は、特願平１０−２４９８９４号
に開示したように、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、圧縮機の空気出口
を燃焼器の空気入口に接続し、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使用頻度の高い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出力増強装置
である。

【０００４】この出力増強装置は、設計点を超えない部
分負荷運転領域で、熱効率が高くなる。設計点を超える
運転領域では、圧縮機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。全負荷運転が可能である。また、ガスタービン
は、小型軽量になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のガス
タービンの出力増強装置は、予圧装置の駆動装置や制御
方法に各種のものが考えられ、それに応じて、設計点を
超える運転領域での性能が異なる。

【０００６】一方、運転領域が広い自動車や、発電量を
需要に応じて変動させる小型発電機において、設計点を
超える運転領域での使用頻度が全負荷運転側の運転領域
と設計点側の運転領域でほぼ同程度であり、設計点を超
える運転領域の全領域で性能がほぼ同程度であることが
望まれる場合がある。

【０００７】このような場合、ガスタービンの出力増強
装置は、設計点を超える運転領域の全領域で、性能がほ
ぼ同程度のものが望まれる。

【０００８】

【課題を解決するための研究】上記のガスタービンの出
力増強装置において、設計点を超える運転領域で予圧装
置の空気圧縮機を回転駆動するに当たり、予圧用空気圧
縮機を電動機のような回転駆動装置で駆動し、予圧用空
気圧縮機の回転速度で予圧用空気圧縮機の圧力比を制御
してガスタービンの出力を所望の値にすることが考えら
れる。しかし、ガスタービンの出力が増加するに従っ
て、予圧用空気圧縮機を回転駆動する動力損失が増加
し、熱効率が低下する。設計点を超える運転領域の全領
域で、熱効率がほぼ同程度にならない。

【０００９】そこで、設計点を超える運転領域で、予圧
用空気圧縮機をクラッチでタービン軸に連結する構成が
考えられる。この構成の制御方法について研究した。

【００１０】ガスタービンは、最大出力を１５０ｋｗ、
設計点を１００ｋｗとする。予圧用空気圧縮機と連結し
たタービン軸の回転速度を一定に維持しつつ、出力を最
大の１５０ｋｗから設計点の１００ｋｗに減少させる。
すると、燃焼器への燃料供給量の減少により、図１に三
角付き実線で示すように、タービンのガス入口温度が１
３５０℃から１０５０℃に低下すると共に、熱効率が３
３％から２７％に低下する。設計点を超える運転領域
で、熱効率がほぼ同程度にならない。

【００１１】次に、タービンのガス入口温度を一定に維
持しつつ、出力を最大の１５０ｋｗから減少させる。す
ると、図１に四角付き実線で示すように、設計点の１０
０ｋｗの時点で、予圧用空気圧縮機と連結したタービン
軸の回転速度が最大出力時の８８％になり、熱効率が３
３％から３４％になる。

【００１２】即ち、設計点を超える運転領域で予圧用空
気圧縮機をクラッチでタービン軸に連結する構成におい
て、設計点を超える運転領域で、ガスタービンの出力を
制御するに当たり、タービン軸の回転速度を制御する
と、設計点を超える運転領域で、熱効率は、大きく変化
せず、ほぼ同程度になる。

【００１３】

【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、圧縮機の空気出口を燃焼器の空気入口に接続し、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、圧縮機の空気入口に吸入される空気を圧縮す
る予圧用空気圧縮機を設け、設計点を超える運転領域で
予圧用空気圧縮機をタービン軸に連結するクラッチを設
け、タービン軸の回転速度を制御して所望の出力を得る
制御装置を設けたことを特徴とする出力増強装置であ
る。

【００１４】

【発明の効果】本発明においては、設計点を超えない部
分負荷運転領域で、熱効率が高くなる。設計点を超える
運転領域では、熱効率が大きく変化せずほぼ同程度にな
る。

【００１５】従って、運転領域の大部分が部分負荷運転
であり、設計点を超える運転領域では全領域で熱効率が
ほぼ同程度であることが望まれる動力源に適している。

【００１６】

【発明の実施の態様】［第１例（図２と図３参照）］本
例のガスタービンは、図２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、３分の２負荷
運転時である。

【００１７】本例の出力増強装置は、図２に示すよう
に、予圧用のターボ式空気圧縮機２１と電動機２２及び
クラッチ２３、第１方向切換弁２４と第２方向切換弁２
５、温度センサ２６と回転速度センサ２７及び回転速度
調整装置２８、出力センサ２９と制御装置３０を備えて
いる。

【００１８】予圧用空気圧縮機２１は、軸の一端をター
ビン軸４にクラッチ２３を介して連結し、軸の他端を電
動機２２の軸に連結している。クラッチ２３は、油圧や
空圧で作動する駆動機構を備えている。電動機２２は、
クラッチ２３を連結し易くするため、予圧用空気圧縮機
２１をその起動時に駆動する補助装置である。油圧モー
タや空圧モータに変更してもよい。

【００１９】第１方向切換弁２４と第２方向切換弁２５
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２４の出口は、予圧空気吸入
通路３１で予圧用空気圧縮機２１の空気入口に接続して
いる。予圧用空気圧縮機２１の空気出口は、予圧空気通
路３２で第２方向切換弁２５の入口に接続している。

【００２０】回転速度調整装置２８は、タービン軸４に
取り付け、タービン軸４を減速する構成にしている。

【００２１】タービン２のガス入口温度を検出する温度
センサ２６、タービン軸４の回転速度を検出する回転速
度センサ２７と、発電機１１の出力状態を検出する出力
センサ２９は、それぞれ、制御装置３０の入力端子に接
続している。制御装置３０の出力端子は、燃焼器３の燃
料噴射弁７、クラッチ２３と電動機２２、第１方向切換
弁２４と第２方向切換弁２５、及び、回転速度調整装置
２８にそれぞれ接続している。

【００２２】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３分の２
負荷に達するまでの低負荷運転時には、クラッチ２３
は、連結しない。電動機２２は、回転駆動しない。ま
た、第１方向切換弁２４と第２方向切換弁２５が図２に
示す通路接続状態にある。予圧用空気圧縮機２１の空気
入口と空気出口が閉鎖される一方、圧縮機１の空気入口
が空気吸入通路５を経て大気に開放する。従って、予圧
用空気圧縮機２１は、作動しない。出力増強装置は、作
動しない。ガスタービンは、出力増強装置のない場合と
同様に運転される。

【００２３】発電機１１の出力がガスタービン設計点の
３分の２負荷を超える高負荷運転時には、制御装置３０
は、クラッチ２３を連結し、電動機２２を回転駆動す
る。また、第１方向切換弁２４と第２方向切換弁２５の
通路をそれぞれ図２に示す通路接続状態から切り換え
る。すると、予圧用空気圧縮機２１は、タービン軸４に
連結し、駆動する。また、空気吸入通路５の途中が閉鎖
される一方、予圧用空気圧縮機２１の空気入口が予圧空
気吸入通路３１、第１方向切換弁２４と空気吸入通路５
の上流部分を経て大気に開放し、予圧用空気圧縮機２１
の空気出口が予圧空気通路３２、第２方向切換弁２５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。

【００２４】圧縮機１の空気入口に吸入される空気は、
予圧用空気圧縮機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。

【００２５】発電機１１の出力を制御する場合、温度セ
ンサ２６が検出するタービン２のガス入口温度を一定に
維持しつつ、予圧用空気圧縮機２１と連結したタービン
軸４の回転速度を回転速度センサ２７と回転速度調整装
置２８で制御する。

【００２６】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３に実線で示す。

【００２７】ガスタービン設計点の３分の２負荷（１０
０ｋｗ）に達するまでの使用頻度の高い低負荷運転時に
は、熱効率が高い。ガスタービン設計点の３分の２負荷
運転時には、熱効率が最高の３９％になる。

【００２８】ガスタービン設計点の３分の２負荷を超え
る高負荷運転時には、熱効率が少し低下するが、全負荷
（１５０ｋｗ）運転は可能である。図３の線図から明ら
かなように、ガスタービン設計点を超える運転領域で
は、熱効率は、大きく変化せず、ほぼ同程度の３４ない
し３３％になる。

【００２９】予圧用空気圧縮機２１を起動する電動機２
２は、クラッチ２３を連結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、動力損失を減らすこと
ができる。

【００３０】本例のガスタービンは、スタータに代えて
予圧用空気圧縮機２１を駆動することにより起動が可能
であり、起動時間の短縮と動力損失の低減が可能にな
る。

【００３１】本例においては、予圧用空気圧縮機２１に
ターボ式を用いるが、ルーツ式やスクリュウ式を用いて
もよい。

【００３２】［第２例（図４参照）］本例の出力増強装
置は、第１例のそれが予圧用空気圧縮機２１をタービン
軸４に連結するのに対し、予圧用空気圧縮機２１を、タ
ービン軸４より低速回転する軸に連結する例である。

【００３３】タービン軸４は、図４に示すように、一対
の減速用歯車４１を介して低速回転軸４２の一端に連結
し、低速回転軸４２の途中にクラッチ２３を介在し、低
速回転軸４２の他端を一対の増速用歯車４３を介して予
圧用空気圧縮機２１の軸に連結している。その他の構成
は、第１例におけるのと同様である。

【００３４】クラッチ２３は、タービン軸４より低速回
転する低速回転軸４２を連結するので、クラッチ２３の
滑り損失と予圧用空気圧縮機２１起動用電動機２２の動
力損失が第１例の場合より少ない。

【００３５】［第３例（図５参照）］本例の出力増強装
置は、第１例のそれにおいて、図５に示すように、圧縮
機１の空気入口または予圧用空気圧縮機２１の空気出口
に空気冷却器５１を介在し、予圧用空気圧縮機２１で圧
縮されて圧縮機１の空気入口に流入する空気を冷却する
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。

【００３６】予圧用空気圧縮機２１で圧縮されて圧縮機
１に流入する空気が空気冷却器５１で冷却されるので、
圧縮機１の空気質量流量が増加し、ガスタービンの出力
が更に増強される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の出力増強装置を備えたガスタービンの
熱効率とガスタービンの出力の関係を各制御方法につい
て例示する線図。

【図２】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３】同ガスタービンの熱効率と出力の関係を示す線
図。

【図４】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。

【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 予圧用ターボ式空気圧縮機 ２３ クラッチ ３０ 制御装置

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、圧縮機の空気出口を燃焼
   器の空気入口に接続し、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、圧縮機
   の空気入口に吸入される空気を圧縮する予圧用空気圧縮
   機を設け、設計点を超える運転領域で予圧用空気圧縮機
   をタービン軸に連結するクラッチを設け、タービン軸の
   回転速度を制御して所望の出力を得る制御装置を設けた
   ことを特徴とする出力増強装置。