JP2004512449A - タービン出力増加装置と方法 - Google Patents

Abstract

第１シャフト（３５）、第１コンプレッサ（１３）、第２コンプレッサ（１７）およびタービン（２５）を含む発電方式。他の実施形態では本方式は第２タービン（２７）、第２シャフト（４７）および発電機（２９）をも含む。第１コンプレッサ（１３）、第２コンプレッサ（１７）およびタービン（２５）は各々第１シャフト（３５）に接続され、第１シャフト（３５）、第１コンプレッサ（１３）、第２コンプレッサ（１７）およびタービン（２５）は全て同速度で回転する。第１コンプレッサ（１３）と第２コンプレッサ（１７）は全く異種のフロー型のものとする。

Description

【０００１】
（関連出願参照）
本願は１９９８年１２月２４日出願し、本願において参照により組み込み、且つ本願と共に譲渡された出願第６０／１１３，８５１号に関与し且つその優先権を主張する。
【０００２】
（背景技術）
本発明は一般にマイクロタービンを含むタービン、特にタービンの出力を増加する方法と装置に関する。
【０００３】
マイクロタービンは多種の応用を有する多燃料、モジュラー分布発電ユニットである。マイクロタービンは末端使用者に電力を配送する高価な下部構造の設置を必要としない。そのため基礎的な電気的下部構造の送配電線のない世界の一部では、マイクロタービンの商業化は有望な応用である。適切な電気的下部構造を既に有する合衆国あるいは他の諸国においては分布された発電ユニットが電気消費者に電気サービスの最もコスト面で能率的な方法を選択し得るようにする。多くの場合エネルギー率または送電線損を考慮すればマイクロタービンはコスト面ではグリッド電力よりも能率的である。一次発電に加えて、マイクロタービンも支援電力あるいは連続電力の能率的な供給方法を提供する。他の応用として炎上ガスあるいは埋立ガスを用いた発電もある。また製造工程の結果として汚染される空気から有害化学物質を除去するためにも使用される。
【０００４】
技術の現況としてマイクロタービン設計は低圧比サイクル［３−４Ｐｒ（Ｐｅｘｉｔ／Ｐｉｎｌｅｔ）］を利用し、主として復熱に依存して熱力学的効率を高める。増進燃焼温度で達成し得る電力（代表的に、成分寿命の犠牲において１０−１５％の電力増加に帰結する）を越えてマイクロタービンの電力を増加するには、マイクロタービンは空気力学的気流寸法を大型化する必要がある。しかしながら大型化はコストを上げ、電力を増加するとしてもシステム上の能率向上への寄与は少ない。
【０００５】
インタークーリングと共に過給技術を用いることは電力増加に用い得る一の方法である。ファレル等の米国特許第５，５５３，４４８号は低圧圧縮器、その下流に置く高圧圧縮器、燃焼器、その下流とした高圧タービン、タービン下流とした低圧タービンを含むシステムを開示する。ファレル等がこの型の「標準形状」の方式として記載するものには、二重同心シャフトが含まれ、高圧タービンが第１のシャフトを介して高圧圧縮器を駆動し、低圧タービンが第２のシャフト（第１シャフトを通過）を介して低圧圧縮器を駆動する。ファレル等は二重の同心シャフトを除去し、高圧と低圧の両圧縮器を高速タービンで駆動することによってこの設計を改良することを主眼とする。高圧圧縮器は直接駆動し、低圧圧縮器は減速歯車列を介して駆動する。ファレル等はまた低圧圧縮器と高圧圧縮器との間にインタークーラを組み込み、ほぼ低圧圧縮器駆動に要する力分だけ高圧圧縮器の力を減じる。
【０００６】
上述のような多段式圧縮器はシャフト速度の異なる運転で好適に（即ち最高の能率と機械的完全性とで）動作する。当業に周知なように、第１段の圧縮が気流を圧搾し、下記の関係式で与えられるように空気力学的に修正されたフロー（Ｗｃ）を第２段に引き下げる：

ここにＷｃは圧縮の第１段の出口における修正されたフロー、Ｗａは実際の物理的フロー、Ｔｒ_１は圧縮の第１段両端間の温度比、Ｐｒ_１は圧縮第１段の両端間圧力比である。
【０００７】
所与の流寸について、この分野で周知の設計技術を用いて最適なシャフト速度が決定される。修正フローの比Ｗ_１／Ｗ_２が成長すると、両圧縮器の最適シャフト速度は累進的に異なって来る。第１段の圧力比が増加するとこの効果は悪くなる。第１段の温度比を増加すれば最適シャフト速度間の相違を少量だけ減じ得るが、第１段の温度比増加もまた第１段の熱力学的効率低下に至り、全エンジン効率が下がる。
【０００８】
インタークーリングはパワーを増加し、温度を入口前の第１圧縮段の排気から第２圧縮段まで下げることによってエンジン効率を増加する可能性がある。この温度低下は少なくとも３つの顕著な結果を示す。先ず低温側熱交換器の入口温度を下げ、熱交換器を高サイクル圧力比であっても低温下させる。第２に温度低下は最適シャフト速度間の相違を本質的に増加し、ギアボックスまたは他の機構を用いて第１段と第２段の圧縮器を異なる速度で回転させることが必要となり得る。第３に圧縮の仕事が減じる。そこでファレル他は第１段と第２段の間にギアボックスを用いて、第２段との相対で第１段のシャフト速度を減じることを記載する。同様にライスの米国特許第４，８９６，４９９号は高圧コンプレッサータービンスプール内に同心に位置させた別の低圧コンプレッサータービンスプールを用いることを開示し、これらの２つのスプールは異なる速度で回転し、低圧コンプレッサは高圧コンプレッサより低速で回転する。
【０００９】
ファレル等とライスが示す構成の型と、他のインタークーラ付ガスタービン発電方式とは付加的な可動部品（例えば同心シャフト、可変翼寸法配置、またはギアボックス）を包有し、第１段と第２段のコンプレッサシャフトの最適速度間の相違との関係の複雑さにおける不利益を生じる。これらの構成は漏れあるいは摩擦のような付加的、寄生的損失のために方式効率が減じられる。
【００１０】
従って本発明の目的は、大型化、同心シャフトの使用、可変翼構成、あるいはギアボックスの使用なしでタービン発電方式の出力と効率を増加する方法を提供することにある。特にマイクロタービンの場合、本発明は多大な出力増加（即ち現存マイクロタービンの３から１０倍）を可能とし、且つ比較的低コストで、マイクロタービンの大型化を必要とせず、サイクル効率改善（即ち、１０％から１５％）を提供する。
【００１１】
本発明の他の目的は、従来のマイクロタービン発電方式の出力と効率を増加しつつ単位出力当たりのコストを減じることにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は高圧コンプレッサ段と同心シャフトに過給コンプレッサ段を統合することによって従来のタービン発電方式を改善する方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は高圧コンプレッサと同心シャフトに低圧コンプレッサを加えることによって低圧コンプレッサと高圧コンプレッサを非類似の（互いに異なる）フロー型とすることによって従来のタービン発電方式またはマイクロタービン発電方式に過給段を設けることにある。
【００１４】
また本発明の目的は、遠心力高圧コンプレッサ段を使用するタービン発電方式またはマイクロタービン発電方式に付加した過給段において混合フローコンプレッサまたは軸流コンプレッサを用いることによってコンプレッサホイールの機械的限定を避けることである。
【００１５】
本発明の更に他の目的は、最小限の数の追加要素を用いて過給段とインタークーリングを付加することにより周知のマイクロタービンを改良することである。
【００１６】
上記した本発明の目的は例としてのみのもので、本発明の範囲を狭めるものと解釈すべきではない。上記の本発明の例と他の目的のいずれも下記の説明と請求の範囲の本発明から明らかである。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
図１および図２に示される実施形態を参照するに、マイクロタービン出力発生システム１１は過給気コンプレッサ段１３において外気が導入する。過給気コンプレッサ段１３はほぼ２対４の比で、エンジンの空気流が増大される。マイクロタービンコンプレッサ段１７への空気流は空気漏出のため同一の、僅かの放出損が必要となる。従って３：１の圧気比での過給段が行われ、且つ放出空気流がマイクロタービンコンプレッサ段１７の導入部と合致させ得るように設けられており、３回空気導入が過給コンプレッサ段によって先行されていないマイクロタービンコンプレッサ段が比較される。
【００１８】
圧縮された空気流は過給気段１３からインタークーラ１５に直接送られ、外部空気の状態近くに冷却する。そして冷却気はマイクロタービン１９のコンプレッサ１７の導入部（図示せず）に送られる。更にコンプレッサ１７において空気が圧縮され、外気熱に伴い熱回収器の冷サイド路（図示せず）が予熱され且つコンプレッサ２３が加熱されるが、このとき燃料が空気が混合され空燃混合物が燃焼される。高温燃焼ガスはラディカルタービン２５を経て膨張される。次にガスは出力スプールタービン２７に流通され、ガスからワークが取り出される。一の実施形態において取り出されたワークは電気装置（例えば高速永久磁石出力発生器）２９に移送され、電力が発生される。ワークは回転要素（例えば駆動車）または圧縮手段のような公知の手段を介し機械的ワークに交互に移送する。ワークを取り出した後高温ガスは熱回収器２１の高温側路（図示せず）を通過する。この場合熱回収器２１は廃熱が外気に放出される前に空気流から取り出される。
【００１９】
システム１１の基礎的要素の相関関係が図２に示されている。空気流は図１に開示したものと同一である。内部冷却器１５には通常ファンおよびモータ３１を具備する。本発明に示す実施形態においてはマイクロタービン１９にステータモータ３３が含まれる。且つこの実施形態においてステータモータ３３、コンプレッサ１７並びにタービン２５が全部同一のシャフト３５に装着される。また本発明によれば、過給するコンプレッサ１３もまたシャフト３５に装着されており、タービン２５の回転毎にコンプレッサ１７、モータ３３並びに過給のコンプレッサ１３が同様に回転する。図示のマイクロタービン１９には燃料弁３７、燃焼器２３に付設された燃料弁３７に連結された燃料路３９および（燃料源に連結された）燃料路４１が具備される。
【００２０】
過給のコンプレッサ１３，１７のような非同一のコンプレッサを用いる場合、中間的速度がギアボックスにより減少されることなく、過給のコンプレッサ１３およびシャフト３５を直接連結される。本発明によれば混合流を有する第１形態の過給のコンプレッサ並びに中心形態を有する第２形態のコンプレッサの使用によるガスタービンエンジンを内部冷却する形態で来す問題を克服し得、これらの両コンプレッサは同一のシャフトに沿い同一の速度で作動する。好適な過給コンプレッサ１３はドッジ等による米国特許第４，６７８，３９８９号に開示されるような音速に近い混合気の高効率コンプレッサになる。上記米国特許においては混合気コンプレッサを使用し得、基準に沿って作動するように採用される。
【００２１】
上記のドッジ等による米国等は有用であり、コンプレッサの特定の速度で最良の適合性を得ることができる。特定の速度は次の式で表わすことができる。
Ｎｓ＝Ｎ（Ｑ／（Ｈ）^７５）
ここにＮｓは特定の速度、Ｎはシャフトのｒｐｍ、Ｑは入口容量流／出口容量流、（Ｈ）^７５は圧縮のエンタルピー、Ｃｐ（Ｔ）ＢＴＵ／ｅｂｍに等しい。この場合Ｔは温度上昇（Ｔｅｘｉｔ−Ｔｉｎｌｅｔ）およびＣｐは特定の熱である。
【００２２】
多数の構成が提供され得、２つの遠心コンプレッサが圧縮比が９：１〜１３：１で同一のシャフトに沿って作動する。先行の段階では所望の入口領域および出口領域より大の移転において満足できる特定の速度より高速で駆動される。逆に後続の段階で所望の入口領域および出口領域より小の移転において望ましい特定の速度より低速で駆動される。幾何学上の効果が図３に示される。この特定の速度の分散および幾何学的な刃状動作の結果実行できる実圧力比に制限がある。殊に先行する段階で刃状体５１（影を施して示す）はチップにおいて所望の半径方向の変化より小さくされ、刃状体５３（影を施して示す）は後続の段階で激しい摩擦および間隙損失のある小さい刃状路並びに子午線方向の長流路を持つ。図示の如くＮｓ（先行の段階）＝８５並びにＮｓ（後続の段階）＝４８である。内部冷却体が２つの段階に対し配置される場合、特定の速度はより異なるものであり、一のシャフト上の２つの遠心段階で実行困難になる。Ｎｓ（後続の段階）は図３にダッシュを施して示すほぼ符号３５の領域に低減する。
【００２３】
上記ドッジ等の米国特許における混合体流はコンプレッサ段階１３および特定の速度に近い満足できる速度での遠心段階の両方で許容される特定の高速で満足する。このとき良好な幾何学的効果はなしで、内部冷却を良好に実現する。図４を参照するに入口領域６１、ディスク６３、拡散部６５、スクロール６９を含む過給のコンプレッサ段階１３の混合流コンプレッサである。ディスク６３自体は多数の刃状体６７を有する。スクロール６９には内部冷却体１５に連通される。マイクロタービンのコンプレッサ段部１７の遠心コンプレッサはプレナム７１、ディスク７３、散布部７５並びにスクロール７７を包有する。プレナム７１は内部冷却体１５からの空気を受入する。ディスク７３はブレード７９およびスプリッタブレード８１を包有する。スクロール７７は回復器２１に連結される。理想的な特定の速度は遠心コンプレッサ６５および混合流コンプレッサ１００を持つ。図４に表わされる過給コンプレッサ段階１３は遠心型のマイクロタービン段階１７の単一の段階で内部冷却体が過給されるように設けられ、圧力比はほぼ３：１となる。上述の好適な実施形態において過給コンプレッサ段階１３の出口部は幾分楕円形であり、内部冷却体１５に接続されるようスクロール６９を連係させる。ここで使用される「ダクト」はチャンネル、スクロール、拡散器、パイプ、管路に関連し、力発生システムの空気またはガスの流路であり、システムは力発生システムを介し空気、ガス流を保証する。ダクト連結する手段はダクト以外でも利用したい。
【００２４】
軸方向の段部（図示せず）は内部冷却器より高い速度を有する通過路にコンプレッサが配設される。このとき通常の測定比はほぼ１．５：１の相対的に小さい値になるような圧力比を有する。これは三軸仕様のコンプレッサ段部を備え、要求の多い他の圧縮比を得、要求される他のコンプレッサにより多数の部材が仕様可能になる。これはコストの増大が生じ得、且つ通常のマイクロタービン用で複雑に構成できる。軸方向の段階の出口部は軸方向に向けられ、且つスクロール内に再作成あるよう外方に向って移動される。この場合ロータの長さにおいて逆方向で衝突され、混合流コンプレッサの使用に比し実際上低いシャフト動作の機械的な配置がなされている。これらの事項にかかわらず、力発生システムの第１段階の非遠心コンプレッサと共に第２段階の遠心コンプレッサを用いることにより多くの利点を得ることができ、力発生システムは１以上の軸方向コンプレッサを共に非遠心の第１段階コンプレッサを用いれば全体は良好になる。
【００２５】
本発明の一実施形態によいてはマイクロタービン１９は現在ハネウェルパワーシステム社製商品名「パラロン７５」によって販売され、修飾が施されたものである。この実施形態においては原基的なパラロン７５のラディアルタービン２５は原基的マイクロタービンコンプレッサ１７と同様に過給のコンプレッサ１３を駆動する。原基的マイクロタービンシャフト３５上および周囲の電気的スタータ・発電機はスタータモータ３３並びに付加シャフト４７上および周囲に装着された大型の発電機２９により移動される。
【００２６】
図５に示されるようにタービン２７は好適な流路を介してマイクロタービンに連結される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は本発明によるマイクロタービン出力発生システムを経て空気流が流動することを示すブロックダイアグラムである。
【図２】
図２は本発明によるマイクロタービン出力発生システムの簡略説明図である。
【図３】
図３は第２段階の遠心コンプレッサの部分断面図である。
【図４】
図４は内部冷却体を具備する混合流体コンプレッサ・遠心コンプレッサの部分断面図である。
【図５】
図５は本発明によるマイクロタービン出力発生システムの部分側面図である。

Claims (1)

1. 第１のシャフト（３５）と、第１のコンプレッサ（１３）と、第１のコンプレッサ（１３）の下流に位置する第２のコンプレッサ（１７）と、タービン（２５）と、第１と第２のコンプレッサ（１３，１７）を連結する第１のダクトと、第２のコンプレッサ（１７）をタービン（２５）に連結する第２のダクトとを備え、第１のコンプレッサ（１３）と第２のコンプレッサ（１７）とタービン（２５）は第１のシャフト（３５）に接続されて第１のシャフト（３５）と第１のコンプレッサ（１３）と第２のコンプレッサ（１７）とタービン（２５）は全て同一の速度で回転し、第１と第２のコンプレッサ（１３，１７）は全く異種の型のものとし、第２のコンプレッサ（１７）は第１のコンプレッサ（１３）より高い圧力比を有する発電方式（１１）。

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