JP2006177219A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 設備費を低減させることができるとともに、設備の小型化を図ることのできるガスタービン設備を提供することを目的としている。
【解決手段】 ガスジェネレータ２と、該ガスジェネレータ２から出力されるガスのエネルギによって被駆動機４を駆動するパワータービン３と、前記ガスジェネレータ２、前記パワータービン３、および前記被駆動機４に潤滑油を循環させる潤滑油ライン５と、を具備するガスタービン設備１であって、前記潤滑油ライン５が、前記パワータービン３および前記被駆動機４に潤滑油を供給する第１の潤滑油ライン５ａと、前記ガスジェネレータ２に潤滑油を供給する第２の潤滑油ライン５ｂとを備えており、前記第２の潤滑油ライン５ｂを循環する潤滑油が、熱交換器２４を介して、前記第１の潤滑油ライン５ａを循環する潤滑油により冷却されるように構成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワータービンにより被駆動機を駆動するガスタービン設備に関するものであり、特に、ガスタービン設備の潤滑油ラインに関するものである。

ガスタービン設備としては、燃焼器、この燃焼器に加圧した燃焼用空気を供給する圧縮機、およびこの圧縮機と同軸に連結され、燃焼器から供給される燃焼ガスにより圧縮機を駆動するタービンを備えたガスジェネレータと、このガスジェネレータから出力されるガスのエネルギによって被駆動機を駆動するパワータービンとを具備したものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−１４７２５１号公報（図１）

上記特許文献１に記載されているようなガスタービン設備には、たとえば図２に示すような潤滑油ライン１０１が設けられており、このガスタービン設備１００を構成する主たる要素であるガスジェネレータ２、パワータービン３、被駆動機４、および増速機(あるいは減速機)６に潤滑油が供給されて、これらガスジェネレータ２、パワータービン３、被駆動機４、および増速機６に収められたギア、ベアリング、スプラインなどが潤滑および冷却されるようになっている。

潤滑油ライン１０１は、被駆動機４および減速機６に潤滑油を供給するとともに、これら被駆動機４および増速機６から出た潤滑油を回収して、再びこれら被駆動機４および増速機６に潤滑油を供給するための第１の潤滑油ライン１０１ａと、ガスジェネレータ２およびパワータービン３に潤滑油を供給するとともに、これらガスジェネレータ２およびパワータービン３から出た潤滑油を回収して、再びこれらガスジェネレータ２およびパワータービン３に潤滑油を供給するための第２の潤滑油ライン１０１ｂとを有するものである。

第１の潤滑油ライン１０１ａは、第１の油タンク７と、第１の送油ポンプ８と、第１の油冷却器９と、第１の油フィルタ１０と、第１の油供給管１１と、第１の油戻り管１２ａと、バイパス管１４と、リリーフバルブ１５とを主たる要素として構成されたものである。
第１の油タンク７、第１の送油ポンプ８、第１の油冷却器９、第１の油フィルタ１０、被駆動機４、および増速機６は、第１の油供給管１１により連通されており、第１の油タンク７からの潤滑油が、第１の送油ポンプ８、第１の油冷却器９、および第１の油フィルタ１０を介して、圧縮機４および減速機６のぞれぞれに供給されるようになっている。
また、第１の油冷却器９と第１の油フィルタ１０との間に位置する第１の油供給管１１、および第１の油タンク７は、バイパス管１４により接続されているとともに、このバイパス管１４にはリリーフバルブ（安全弁）１５が設けられており、第１の油供給管１１内の潤滑油圧力が所定値以上になった場合に、第１の油供給管１１内の潤滑油を油タンク７に戻し、第１の油供給管１１内の潤滑油圧力が所定値よりも低くなるようになっている。
一方、圧縮機４および増速機６にはそれぞれ、第１の油戻り管１２ａが接続されており、圧縮機４および増速機６の潤滑および冷却を終えた（たとえば、６０℃の）潤滑油が、この第１の油戻り管１２ａを通って第１の油タンク７に戻されるようになっている。

第２の潤滑油ライン１０１ｂは、第２の油タンク１７と、第２の送油ポンプ１８と、第２の油フィルタ２０と、第２の油供給管２１と、第３の油戻り管２２と、第２の排油ポンプ２３と、第２の油冷却器１９と、第３の送油ポンプ２５と、第３の油供給管２６と、第１の排油ポンプ１３と、第２の油戻り管１２ｂとを主たる要素として構成されたものである。
第２の油タンク１７、第２の送油ポンプ１８、第２の油フィルタ２０、およびガスジェネレータ２は、第２の油供給管２１により連通されており、第２の油タンク１７からの潤滑油が、第２の送油ポンプ１８および油フィルタ２０を介して、ガスジェネレータ２の圧縮機２ａおよびタービン２ｂのぞれぞれに供給されるようになっている。
また、ガスジェネレータ２には、第３の油戻り管２２が接続されており、ガスジェネレータ２の潤滑および冷却を終えた（たとえば、１３０℃の）潤滑油が、第２の排油ポンプ２３および第２の油冷却器１９を通って第２の油タンク１７に戻されるようになっている。
一方、第２の油タンク１７、第３の送油ポンプ２５、およびパワータービン３は、第３の油供給管２６を介して連通されており、第２の油タンク１７からの潤滑油が、第３の送油ポンプ２５を介して、パワータービン３に供給されるようになっている。
また、パワータービン３には第２の油戻り管１２ｂが接続されており、パワータービン３の潤滑および冷却を終えた（たとえば、５５℃の）潤滑油が、第１の排油ポンプ１３、第２の油戻り管１２ｂ、第３の油戻り管２２、および第２の油冷却器１９を通って第２の油タンク１７に戻されるようになっている。
第２の油冷却器１９は、クーリングファン１９ａにより、ガスジェネレータ２およびパワータービン３を潤滑および冷却した潤滑油の温度を強制的に下げる（たとえば、１３０℃で送られてきた潤滑油の温度を９０℃にする）空冷式の熱交換器であり、エンクロージャ２７の外側に配置されている。
なお、図２に示すように、エンクロージャ２７内には、ガスジェネレータ２、パワータービン３、第１の排油ポンプ１３、第２の送油ポンプ１８、第２の油フィルタ２０、および第２の排油ポンプ２３が収められている。

しかしながら、このような潤滑油ライン１０１では、ガスジェネレータ２およびパワータービン３を潤滑および冷却した潤滑油の温度が、高価で大型の空冷式熱交換器（第２の油冷却器１９）により下げられるようになっているので、設備費が高騰してしまうとともに、この空冷式熱交換器をエンクロージャ２７内に収めることができず、設備が大型化してしまい、また見栄えも良くないといった問題点があった。
また、ガスジェネレータ２として航空用のガスタービン・エンジンが使用される場合には、ガスジェネレータ２およびパワータービン３を潤滑および冷却する第２の潤滑油ライン１０１ｂの潤滑油として高価な合成基油が多量に必要となるため、設備費がさらに高騰してしまうといった問題点もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、設備費を低減させることができるとともに、設備の小型化を図ることのできるガスタービン設備を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載のガスタービン設備は、燃焼器、該燃焼器に加圧した燃焼用空気を供給する圧縮機、および該圧縮機と同軸に連結され、前記燃焼器から供給される燃焼ガスにより前記圧縮機を駆動するタービンを備えたガスジェネレータと、前記ガスジェネレータから出力されるガスのエネルギによって被駆動機を駆動するパワータービンと、前記ガスジェネレータ、前記パワータービン、および前記被駆動機に潤滑油を循環させる潤滑油ラインと、を具備するガスタービン設備であって、前記潤滑油ラインが、前記パワータービンおよび前記被駆動機に潤滑油を供給する第１の潤滑油ラインと、前記ガスジェネレータに潤滑油を供給する第２の潤滑油ラインとを備えており、前記第２の潤滑油ラインを循環する潤滑油が、熱交換器を介して、前記第１の潤滑油ラインを循環する潤滑油により冷却されるように構成されていることを特徴とする。
このようなガスタービン設備によれば、熱負荷の高いガスジェネレータを潤滑および冷却する潤滑油の熱が、熱負荷の低いパワータービンおよび被駆動機を潤滑および冷却する潤滑油により奪われる（すなわち、第２の潤滑油ラインを循環する潤滑油が、第１の潤滑油ラインを循環する潤滑油により冷却される）ようになっており、従来のように第２の潤滑油ラインを循環する潤滑油を、高価で大型の空冷式熱交換器により冷却する必要がなくなる。

請求項２に記載のガスタービン設備は、前記ガスジェネレータとして、航空用のガスタービン・エンジンが使用されていることを特徴とする。
このようなガスタービン設備によれば、ガスタービン設備として効率が良く、かつエンクロージャ２７の省スペース化が図れることとなる。

請求項３に記載のガスタービン設備は、前記第１の潤滑油ラインを循環する潤滑油として、鉱物油が使用されていることを特徴とする。
このようなガスタービン設備によれば、パワータービンおよび被駆動機を潤滑および冷却するのに多量に必要となる潤滑油として、比較的安価な鉱物油が使用されることとなる。

本発明によるガスタービン設備によれば、熱負荷の高いガスジェネレータを出た温度の高い潤滑油が、熱交換器を介して、熱負荷の低いパワータービンを出た温度の低い潤滑油により冷却されるようになっているので、従来必要であった、高価でかつ大型の空冷式熱交換器を省略することができて、設備費の削減を図ることができるとともに、設備の小型化を図ることができる。
また、多量に必要となる第１の潤滑油ラインの潤滑油に、比較的安価な鉱物油を使用することにより、設備費および運用コストをさらに低減することができる。

以下、本発明によるガスタービン設備の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、ガスタービン設備１は、ガスジェネレータ２と、パワータービン３と、圧縮機（被駆動機）４と、潤滑油ライン５とを主たる要素として構成されたものである。
ガスジェネレータ２は、いわゆるガスタービン・エンジンであり、圧縮機２ａ、燃焼器（図示せず）、およびタービン２ｂを具備するものである。
圧縮機２ａは、下流側に位置する燃焼器に加圧した燃焼用空気を供給するものであり、タービン２ｂと同軸に連結されたものである。
燃焼器は、圧縮機２ａより送られる圧縮空気の供給を受けて図示しないノズルより燃料を噴射燃焼させ、下流側に位置するタービン２ｂの要求する高温高圧の燃焼ガスを作り出すものである。
タービン２ｂは、図示しない回転軸を介して圧縮機２ａを駆動させるものであり、この駆動力は、燃焼器から出た高温高圧の燃焼ガスをタービン２ｂにより膨張させ、熱エネルギを吸収することにより得られる。

出力軸３ａを有するパワータービン３は、ガスジェネレータ２から出力される燃焼ガスのエネルギによって回転するとともに、増速機（あるいは減速機）６を介して圧縮機４を駆動するものである。
出力軸３ａは、増速機６の入力軸（図示せず）に連結され、増速機６の出力軸（図示せず）は、圧縮機４に連結されており、この圧縮機４に出力軸３ａの回転が増速（あるいは減速）して入力されるようになっている。
圧縮機４は、たとえば、天然ガス井戸における天然ガスを昇圧し、パイプラインでつながれた中継所（あるいは貯蔵所もしくは天然ガス精製所など）に天然ガスを送る、圧送用の圧縮機である。

潤滑油ライン５は、パワータービン３、圧縮機４、および増速機６に潤滑油を供給するとともに、これらパワータービン３、圧縮機４、および増速機６から出た潤滑油を回収して、再びこれらパワータービン３、圧縮機４、および増速機６に潤滑油を供給するための第１の潤滑油ライン５ａと、ガスジェネレータ２に潤滑油を供給するとともに、このガスジェネレータ２から出た潤滑油を回収して、再びこのガスジェネレータ２に潤滑油を供給するための第２の潤滑油ライン５ｂとを有するものである。

第１の潤滑油ライン５ａは、第１の油タンク７と、第１の送油ポンプ８と、第１の油冷却器９と、第１の油フィルタ１０と、第１の油供給管１１と、第１の油戻り管１２ａと、第２の油戻り管１２ｂと、第１の排油ポンプ１３と、バイパス管１４と、リリーフ弁１５とを主たる要素として構成されたものである。
第１の油タンク７には、パワータービン３、圧縮機４、および増速機６に収められたギア、ベアリング、スプラインなどを潤滑および冷却する潤滑油が溜められている。
第１の送油ポンプ８は、第１の油タンク７内の潤滑油を、第１の油冷却器９、第１の油フィルタ１０、および第１の油供給管１１を介してパワータービン３、圧縮機４、および増速機６に圧送するためのものである。
第１の油冷却器９は、クーリングファン９ａにより第１の送油ポンプ８から送られてきた潤滑油の温度を強制的に下げる（たとえば、６０℃で送られてきた潤滑油の温度を４０℃にする）空冷式の熱交換器であり、第１の送油ポンプ８と第１の油フィルタ１０との間の第１の油供給管１１に接続されている。
第１の油フィルタ１０は、第１の油冷却器９により温度の下げられた潤滑油が、パワータービン３、圧縮機４、および増速機６に流入する前に潤滑油中から異物（たとえば、金属粉など）を取り除くものであり、これにより、パワータービン３、圧縮機４、および増速機６に常に清潔な潤滑油が供給されるようになっている。
第１の油タンク７、第１の送油ポンプ８、第１の油冷却器９、第１の油フィルタ１０、パワータービン３、圧縮機４、および増速機６は、第１の油供給管１１により連通されており、第１の油タンク７からの潤滑油が、第１の送油ポンプ８、第１の油冷却器９、および第１の油フィルタ１０を介して、パワータービン３、圧縮機４、および増速機６のぞれぞれに供給されるようになっている。
また、第１の油冷却器９と第１の油フィルタ１０との間に位置する第１の油供給管１１、および第１の油タンク７は、バイパス管１４により接続されているとともに、このバイパス管１４にはリリーフバルブ（安全弁）１５が設けられており、第１の油供給管１１内の潤滑油圧力が所定値以上になった場合に、第１の油供給管１１内の潤滑油を油タンク７に戻し（逃がし）、第１の油供給管１１内の潤滑油圧力が所定値よりも低く保たれるようにするものである。

圧縮機４および増速機６にはそれぞれ、第１の油戻り管１２ａが接続されており、圧縮機４および増速機６の潤滑および冷却を終えた（たとえば、６０℃の）潤滑油が、この第１の油戻り管１２ａを通って第１の油タンク７に戻されるようになっている。
一方、パワータービン３には第２の油戻り管１２ｂが接続されており、パワータービン３の潤滑および冷却を終えた（たとえば、５５℃の）潤滑油が、第１の排油ポンプ１３および後述する熱交換器２４を通って第１の油タンク７に戻されるようになっている。
第１の排油ポンプ１３は、パワータービン３を出た潤滑油を熱交換器２４に圧送するとともに、熱交換器２４で熱交換された（たとえば、６０℃の）潤滑油を第１の油タンク７に戻すようにするものである。

また、第２の潤滑油ライン５ｂは、第２の油タンク１７と、第２の送油ポンプ１８と、第２の油フィルタ２０と、第２の油供給管２１と、第３の油戻り管２２と、第２の排油ポンプ２３と、熱交換器２４とを主たる要素として構成されたものである。
第２の油タンク１７には、ガスジェネレータ２に収められたギア、ベアリング、スプラインなどを潤滑および冷却する潤滑油が溜められている。
第２の送油ポンプ１８は、第２の油タンク１７内の潤滑油を、第２の油フィルタ２０および第２の油供給管２１を介してガスジェネレータ２に圧送するためのものである。
第２の油フィルタ２０は、第２の送油ポンプ１８により圧送された潤滑油が、ガスジェネレータ２に流入する前に潤滑油中から異物（たとえば、金属粉など）を取り除くものであり、これにより、ガスジェネレータ２に常に清潔な潤滑油が供給されるようになっている。
第２の油タンク１７、第２の送油ポンプ１８、第２の油フィルタ２０、およびガスジェネレータ２は、第２の油供給管２１により連通されており、第２の油タンク１７からの潤滑油が、第２の送油ポンプ１８および第２の油フィルタ２０を介して、ガスジェネレータ２の圧縮機２ａおよびタービン２ｂのぞれぞれに供給されるようになっている。

ガスジェネレータ２には、第３の油戻り管２２が接続されており、ガスジェネレータ２の潤滑および冷却を終えた（たとえば、１３０℃の）潤滑油が、第２の排油ポンプ２３および熱交換器２４を通って第２の油タンク１７に戻されるようになっている。
熱交換器２４では、第３の油戻り管２２を通過する潤滑油の熱エネルギが、第２の油戻り管１２ｂを通過する潤滑油に奪われて、潤滑油の温度が、たとえば、１３０℃から９０℃へ下げられる（冷却される）ようになっている。

このように、熱負荷の高いガスジェネレータ２を出た温度の高い潤滑油が、熱交換器２４を介して、熱負荷の低いパワータービン３を出た温度の低い潤滑油により冷却されるようになっているので、ガスジェネレータ２（およびパワータービン３）を出た潤滑油を冷却するのに従来必要であった、高価でかつ大型の空冷式熱交換器（第２の油冷却器１９）を省略することができて、設備費の削減を図ることができるとともに、設備の小型化を図ることができる。
また、この熱交換器２４は、第２の油冷却器１９よりも寸法的に小さいので、エンクロージャ２７内に収容することができて、設備の簡素化を図ることができるとともに、設備の美観を向上させることができる。
さらに、第２の潤滑油ライン５ｂは、ガスジェネレータ２のみを潤滑および冷却すればよく、従来のようにパワータービン３を潤滑および冷却する必要がないので、第２の潤滑油ライン５ｂを循環する潤滑油の量を減らすことができ、第２の油タンク１７の容積を減少させることができて、第２の油タンク１７の小型化を図ることができる。
さらにまた、第２の油タンク１７が小型化されることにより、この第２の油タンク１７をエンクロージャ２７内に収容することができるようになるので、設備の簡素化を図ることができるとともに、設備の美観を向上させることができる。

なお、本実施形態において、ガスジェネレータ２として、いわゆる航空用のガスタービン・エンジン（以下、「ジェット・エンジン」という）が使用されていると好適である。
ジェット・エンジンは、一般的なガスタービン・エンジンに比べて効率が非常に良く、また、小型、軽量のためエンクロージャ２７の省スペース化が図れる。
ジェットエンジンを使用する場合、第２の潤滑油ライン５ｂには、潤滑油として（高価な）合成基油（たとえば、MILL規格による低粘度合成油など）が使用されることになる。
またこの場合、第１の潤滑油ライン５ａの潤滑油に、鉱物油（たとえば、ISOのVG32あるいはVG46）が使用されるとさらに好ましい。
鉱物油は合成基油に比べて安価であるため、設備費および運用コストをさらに低減することができるようになる。

本発明によるガスタービン設備の一実施形態を示す概略構成図である。 従来のガスタービン設備の一具体例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ ガスタービン設備
２ ガスジェネレータ
２ａ 圧縮機
２ｂ タービン
３ パワータービン
４ 圧縮機（被駆動機）
５ 潤滑油ライン
５ａ 第１の潤滑油ライン
５ｂ 第２の潤滑油ライン
２４ 熱交換器
１００ ガスタービン設備
１０１ 潤滑油ライン
１０１ａ 第１の潤滑油ライン
１０１ｂ 第２の潤滑油ライン

Claims (3)

1. 燃焼器、該燃焼器に加圧した燃焼用空気を供給する圧縮機、および該圧縮機と同軸に連結され、前記燃焼器から供給される燃焼ガスにより前記圧縮機を駆動するタービンを備えたガスジェネレータと、
   前記ガスジェネレータから出力されるガスのエネルギによって被駆動機を駆動するパワータービンと、
   前記ガスジェネレータ、前記パワータービン、および前記被駆動機に潤滑油を循環させる潤滑油ラインと、を具備するガスタービン設備であって、
   前記潤滑油ラインが、前記パワータービンおよび前記被駆動機に潤滑油を供給する第１の潤滑油ラインと、前記ガスジェネレータに潤滑油を供給する第２の潤滑油ラインとを備えており、
   前記第２の潤滑油ラインを循環する潤滑油が、熱交換器を介して、前記第１の潤滑油ラインを循環する潤滑油により冷却され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設備。
2. 前記ガスジェネレータとして、航空用のガスタービン・エンジンが使用されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン設備。
3. 前記第１の潤滑油ラインを循環する潤滑油として、鉱物油が使用されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン設備。

Images