JP2004324618A

JP2004324618A - 吸気流量制御機構付きガスタービンエンジン

Info

Publication number: JP2004324618A
Application number: JP2003124008A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Hosokawa; 恭史細川; Makoto Aida; 真琴合田; Masahiro Ogata; 正裕緒方
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18
Also published as: US7140188B2; US20040211165A1

Abstract

【課題】エンジンの負荷に応じて燃焼器での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内になるように空気流量を安定して制御できるガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を備えたガスタービンエンジンであって、前記圧縮機１に空気Ａを供給する吸気通路８０に設けた空気流量制御弁７と、エンジンの負荷に応じて前記燃焼器２での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内となるように前記流量制御弁７を駆動して吸気流量を制御する空気流量制御手段６Ｂとを備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転条件に応じて吸気流量を制御して燃焼させることができる吸気流量制御機構付きガスタービンエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンのＮＯｘ、ＣＯ等の大気汚染物質の排出抑制を実現するため、種々の形式の燃焼器が存在する。一方で、ガスタービン発電機のユーザー側からは、運転できる負荷範囲の拡大を求める要望が強い。しかしながら、運転できる負荷範囲を拡大すると、ガスタービンエンジンにおける大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲から外れた空燃比で運転されることになり、定められた排ガス基準を満たさなくなるおそれがある。
【０００３】
例えば希薄予混合燃焼器を搭載したガスタービンエンジン（以下、「予混合燃焼器型ガスタービンエンジン」という）では、希薄燃焼運転範囲を現在よりも広げたいとするユーザ側の要望がある。この要望に応えるためには、負荷が小さいときに燃焼器に入る燃焼用空気の流量を減らすことが必要となるが、発電機用のガスタービンエンジンは、負荷の大小にかかわらず一定回転数で運転されるので、空気流量も一義的に決まるため、排ガス基準を満たしながら運転範囲を拡大することは望めない。
【０００４】
また、触媒燃焼器を搭載したガスタービンエンジン（以下、触媒燃焼器搭載型ガスタービンエンジン）では、触媒燃焼のターンダウン比（空燃比と同義）を拡大するため、つまり、部分負荷時の空気流量を低減するため、触媒燃焼器内に空気が入り込まないように空気をバイパスさせる空気流量制御機構を触媒燃焼器に付設している。しかし、この空気流量制御機構は、複雑で高価であり、しかも燃焼器にバイパス流路を設けるため、構造が大きくなる。
【０００５】
なお、エンジンの排ガス温度を制御する目的で、空気流量を調整するインレットガイドベーンを設けたガスタービン制御装置は知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５７−６８５２６号公報（第１頁、第１図）
【０００７】
そこで、本発明の目的は、簡単な構造で、エンジンの負荷に応じて燃焼器での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内になるように空気流量を安定して制御できる吸気流量制御機構を備えたガスタービンエンジンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器およびタービンを備えたガスタービンエンジンであって、前記圧縮機に空気を供給する吸気通路に設けた空気流量制御弁と、エンジンの負荷に応じて前記燃焼器での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内となるように前記流量制御弁を駆動して吸気流量を制御する空気流量制御手段とを備えている。
【０００９】
この構成によれば、圧縮機への吸気流量を、エンジンの負荷に応じて安定して制御できる。しかも、吸気流量制御により、エンジンの負荷に応じて空燃比を大気汚染物質の排出抑制に適した範囲に制御されるので、排ガス基準を満たすことが可能となる。また、空気流量制御弁は、圧縮機への吸気通路に設けられているから、エンジン内部に配置する必要がないので、簡単な構造にできる。
【００１０】
本発明の実施形態では、さらに、前記圧縮機の入口に接続された吸気ダクトを有し、この吸気ダクトに前記空気流量制御弁が取り付けられている。
【００１１】
この構成によれば、吸気ダクトは、ガスタービンエンジンの本体である圧縮機、燃焼器およびタービンに対し、付属要素として前記圧縮機の入口に接続されるものであり、この吸気ダクトに空気流量制御弁を取り付けるだけでよいから、エンジン本体の構造を変更する必要がないので、簡単な構造で製作コストも低く抑えることができる。また、既存のガスタービンエンジンに対しても、吸気ダクトに簡単な改良を加えるだけで空気流量制御弁を装着できるので、改良にかかるコストが安価となる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態では、前記燃焼器が、触媒を内蔵した触媒燃焼器、または前記空燃比を予混合比とする予混合室を有する予混合燃焼器である。
【００１３】
この構成によれば、エンジンの負荷に応じて前記燃焼器での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内となるように、前記空気流量制御弁を駆動して吸気流量を制御するようにしたので、排ガス基準を満たすことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る吸気流量制御機構付きガスタービンエンジンの構成を示すブロック図である。この第１実施形態では、特に燃焼器が、触媒を内蔵した触媒燃焼器である場合を示している。
【００１５】
図１に示すガスタービンエンジンは、空気Ａを吸入して圧縮する圧縮機１と、触媒２ａを内蔵し前記圧縮機１で圧縮された圧縮空気ＣＡに燃料を供給して触媒２ａ中で燃焼させる触媒燃焼器２と、この触媒燃焼器２で発生させた燃焼ガスＧにより回転駆動されるタービン３とを備え、このタービン３の回転により、タービン３に回転軸４で連結されている前記圧縮機１と、回転負荷である例えば発電機５とが駆動されるようになっている。前記燃焼ガスＧはタービン３を通って排ガスとして外部に排出される。圧縮機１に空気Ａを供給する吸気通路には空気流量制御弁７が設けられている。
【００１６】
エンジン制御装置６は、前記触媒燃焼器２での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内の空燃比、つまり、触媒燃焼器２からの排ガス（燃焼ガスＧ）に含まれるＮＯｘ、ＣＯ等の大気汚染物質を抑制するのに最適な空燃比またはこれに近い空燃比となるように制御するもので、燃料制御手段６Ａと空気流量制御手段６Ｂとを備えている。
【００１７】
前記燃料制御手段６Ａは、ガスタービンエンジンの負荷信号を受けて制御動作するものである。この負荷信号は、ある大きさの出力（例えば工場内の需要電力）を要求する外部からの信号である。この出力を発生させるのに必要な燃料流量が燃料制御手段６Ａからの信号を受けて燃料噴射ノズル２０から触媒燃焼器２に供給される。回転軸４は負荷信号（出力）のレベルにかかわらず、一定回転数で回転する。
【００１８】
前記したように出力が決まると、燃焼に必要な燃料流量が決まり、目標の空燃比に応じた空気流量が圧縮機１側に吸入されるように、前記空気流量制御手段６Ｂにより、空気流量制御弁７の開度が調整される。この空気流量制御弁７の開度調整により空気流量が調整され、前記空燃比に応じた空気流量が圧縮機１側に送り込まれる。
【００１９】
前記触媒燃焼器２における燃焼状態は、触媒燃焼器２の出口に設けた温度計８で常時監視され、触媒出口温度が予め設定された目標値になるように空気流量制御弁７の開度を必要に応じて制御する。このとき、触媒出口温度が目標値より高ければ、空気流量制御弁７の開度を広げて触媒燃焼器２に供給される空気量を増やし、目標値より低ければ、空気流量制御弁７の開度を絞って触媒燃焼器２へ送り込まれる空気量を減らす。これによって、触媒燃焼器２での燃焼は、常に大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内の空燃比で安定して行われ、排ガス中の大気汚染物質を効果的に低減することができる。触媒燃焼器２内の触媒２ａの経時的な劣化により、前記適正範囲は若干変化する。
【００２０】
図２は、図１のガスタービンエンジンの縦断面図である。このガスタービンエンジンの本体は、空気吸入口ＩＮから空気Ａを吸入して圧縮する２段の遠心圧縮機１と、触媒燃焼器２と、タービン３とを有している。前記圧縮機１およびタービン３は、ハウジング１３内に収納され、触媒燃焼器２で発生した燃焼ガスＧは、タービン３に導かれてタービン３を回転させる。
【００２１】
前記触媒燃焼器２は、単缶型であって、タービン３のほぼ径方向に突出して設けられている。この燃焼器２は、触媒２ａを内蔵した内筒１１と、この内筒１１の外周部および頂部を覆う外筒１２とを有し、内筒１１と外筒１２との間に、圧縮機１からの圧縮空気ＣＡを内筒１１内の燃焼ガスＧの流れ方向と逆方向に導入する空気通路１３が形成されている。圧縮機１から供給された圧縮空気ＣＡは、空気通路１３内を燃焼器２の頂部側に向かって流れ、内筒１１の上部に設けた流入口１７から燃焼器２の中心側に向かって下方に導入される。内筒１１の上部には、燃料ｆを触媒２ａに向けて噴射するパイロットノズル１４が設けられている。
【００２２】
前記流入口１７の上流側には、メインの燃料ｆを噴射する複数の燃料噴射ノズル２０が設けられており、この燃料ノズル２０から負荷に応じた燃料ｆが燃焼器２に供給される。このようにして、流入口１７から空気と燃料ｆが供給され、流入口１７に続く流入通路１６を通って混合されながら触媒２ａに送られ、触媒２ａの触媒反応により燃焼する。
【００２３】
圧縮機１は１段目の圧縮段を構成する第１ロータ１ａと、２段目の圧縮段を構成する第２ロータ１ｂとを有し、ディフューザ１ｃを経て、空気Ａを燃焼器２へ送給する。圧縮機１の空気吸入口ＩＮには、吸気通路９を形成する吸気ダクト９０が接続されており、この内部に空気流量制御弁７が取り付けられている。
【００２４】
図３（Ａ）に示すように、この空気流量制御弁７は、吸気ダクト９０内に配置された複数の可変静翼７１を有し、その回転軸７２を軸受７６によってダクト壁に回転自在に支持している。この空気流量制御弁７の駆動装置７０として、回転軸７２の一端に図３（Ｂ）に示す従動ピニオン７３を取り付け、ラック７４に噛み合わせて、このラック７４を図３（Ａ）のモータ７５で駆動される駆動ピンオン７６に噛み合わせ、モータ７５の回転によってラック７４をその長手方向Ｐに往復移動させることで、可変静翼７１を回動させる。この回動によって前記可変静翼７１の角度を連続的に変更でき、この角度変更によって吸気ダクト９０を通過する空気流量を制御できるようになっている。例えば、前記可変静翼７１を、図３（Ａ）に実線で示すように、すべて縦方向（上下方向）に整列させると、全開状態となって吸気量は多くなり、可変静翼７１を、破線で示すように、すべて傾斜させると、吸気量が減少する。また、可変静翼７１をすべて横向きに整列させると、ほぼ全閉状態となり、エンジンの停止時に塵埃が圧縮機１に侵入するのを抑制できる。
【００２５】
前記空気流量制御弁７の開度調整による空気流量の制御は、図１のコントローラである空気流量制御手段６Ｂによりモータ７５（図３（Ａ））を回転制御することで行われ、エンジンの負荷に応じて前記燃焼器２での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内となるように前記流量制御弁７を駆動して吸気流量を制御する。
【００２６】
つぎに、上記構成にかかる吸気流量制御機構付きガスタービンエンジンの動作を説明する。外部からの負荷信号を受けて、その負荷に合致した出力でガスタービンエンジンを運転させるように、エンジン制御装置６の燃料制御手段６Ａが作動し、燃料流量を決め、この燃料流量となるように燃料ノズル２０を制御する。
他方、触媒燃焼器２の触媒出口温度を温度計８で監視し、触媒出口温度が目標値になるように、エンジン制御装置６内の空気流量制御手段６Ｂからの信号により、空気流量制御弁７の開度を制御する。このとき、触媒出口温度が目標値より高ければ、空気流量制御弁７の開度を広げて触媒燃焼器２へ送り込まれる空気量を増やし、目標値より低ければ、空気流量制御弁７の開度を絞って触媒燃焼器２へ送り込まれる空気量を減らす。これにより、触媒燃焼器２での燃焼は、エンジン負荷の変動にかかわらず、常に前記適正範囲内の空燃比の下で安定して行われ、大気汚染物質の排出を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、空気流量制御弁７は、圧縮機１への吸気通路９に設けられているから、エンジン内部、すなわち、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を含むエンジン本体の内方に配置する必要がないので、簡単な構造にできる。特に、圧縮機１の入口に接続された図３の吸気ダクト９０に空気流量制御弁７が取り付けられており、この吸気ダクト９０は、前記エンジン本体に対し、付属要素として接続されるものであるから、この吸気ダクト９０に空気流量制御弁７を取り付けるよう改良するだけで、エンジン本体の構造を変更する必要がない。つまり、既設のエンジン本体に対し、後付けで空気流量制御弁７を付加することができる。したがって、簡単な構造で製作コストも低く抑えることができる。
【００２８】
図４は、本発明の第２実施形態に係る吸気流量制御機構付きガスタービンエンジンの構成を示すブロック図である。この第２実施形態では、燃焼器を、希薄予混合燃焼器１０とした場合を示している。
【００２９】
予混合燃焼器１０は、図５に示すように、やはり単缶型であって、燃焼室Ｃを形成する内筒１１と、この内筒１１の外周部および頂部を覆う外筒１２とを有し、内筒１１と外筒１２との間に、圧縮機１からの圧縮空気ＣＡを内筒１１内の燃焼ガスＧの流れ方向と逆方向に導入する空気通路１３が形成されている。圧縮機１から供給された圧縮空気ＣＡは、空気通路１３内を燃焼器１０の頂部側に向かって流れ、内筒１１の上部に接続された仕切筒２１に設けた空気導入口２２から、燃焼器１０の中心側に向かって導入される。予混合燃焼器１０の頂部中央部には、燃料ｆを噴射するパイロットノズル１４が設けられ、このパイロットノズル１４の外周に環状の予混合室１５が設けられている。この予混合室１５は、前記内筒１１の径方向外方に向いて前記空気導入口２２に臨む環状の空気流入口１７ａを有している。この環状の空気導入口１７ａには、空気通路１３から空気導入口２２を経て流入する燃焼用空気ＣＡに旋回流を付与するためのラジアル・スワーラ１８が装着されている。予混合室１５の出口１７ｂは、内筒１１の軸方向、つまり、燃焼器の軸方向に向いており、軸心を含む縦断面でＬ字形を呈している。
【００３０】
予混合室１５の頂部における前記スワーラ１８の上流側には、予混合室１５内に予混合用のメインの燃料ｆを噴射する複数の燃料噴射ノズル１９が設けられている。この燃料噴射ノズル１９から予混合室１５内に噴射される燃料ｆの流量は、所要出力（エンジンの負荷）に基づき、図４のエンジン制御装置６の燃料制御手段６Ａにより決定される。同様に、空気流量制御手段６Ｂからの出力信号により、空気流量制御弁７を駆動して吸気流量を制御する。これにより、予混合室１５内に送りこまれる空気が、前記適正範囲の空燃比（予混合比）となる流量に制御される。
【００３１】
こうして、予混合燃焼器１０内で予混合比で混合された予混合気は、燃焼室Ｃに入って燃焼し、排ガスＧ中の大気汚染物質の排出抑制を実現する。
【００３２】
なお、上記各実施形態では、図１の発電機５を駆動するための一定回転数で運転されるガスタービンエンジンについて説明したが、エンジン負荷に応じて回転数が変化するガスタービンエンジンについても本発明を適用できる。また、燃焼器の形状について、単缶式に限られるものではなく、他の形状による燃焼器にも本発明を適用できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧縮機内への吸気流量は、エンジンの負荷に応じて燃焼器での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内となるように制御され、燃焼器で燃焼される。これにより、排ガス中の大気汚染物質を極力低減し、熱効率が良好な運転が行える。また、空気流量制御弁は、圧縮機への吸気通路に設けられているから、エンジン内部に配置する必要がないので、簡単な構造にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る吸気流量制御機構付きガスタービンエンジンの構成を示すブロック図である。
【図２】同ガスタービンエンジンを示す縦断面図である。
【図３】（Ａ）は流量制御弁の取付構造を正面から見た要部拡大断面図、（Ｂ）は流量制御弁を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る吸気流量制御機構付きガスタービンエンジンの構成を示すブロック図である。
【図５】同ガスタービンエンジンを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…圧縮機
２…触媒燃焼器
２ａ…触媒
３…タービン
６…エンジン制御装置
６Ａ…燃料制御手段
６Ｂ…空気流量制御手段
７…空気流量制御弁
９…吸気通路
１０…予混合燃焼器
１５…予混合室
１９，２０…燃料ノズル
９０…吸気ダクト
Ａ…空気
Ｇ…燃焼ガス（排ガス）
ＩＮ…圧縮機の入口

Claims

圧縮機、燃焼器およびタービンを備えたガスタービンエンジンであって、
前記圧縮機に空気を供給する吸気通路に設けた空気流量制御弁と、
エンジンの負荷に応じて前記燃焼器での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内となるように前記流量制御弁を駆動して吸気流量を制御する空気流量制御手段とを備えたガスタービンエンジン。
請求項１において、さらに、前記圧縮機の入口に接続された吸気ダクトを有し、この吸気ダクトに前記空気流量制御弁が取り付けられているガスタービンエンジン。
請求項１または２において、前記燃焼器は触媒を内蔵した触媒燃焼器であるガスタービンエンジン。
請求項１または２において、前記燃焼器は前記空燃比を予混合比とする予混合室を有する予混合燃焼器であるガスタービンエンジン。