JP2008208760A - 予冷却ガスタービンシステムの除霜方法、及び除霜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重量の増加を最小限に抑えることができ、除霜時に冷却を中断することなく、簡単且つ効率的に除霜を行うことのできる予冷却ガスタービンシステムの除霜方法、及び、除霜装置を提供する。
【解決手段】予冷却ガスタービンシステムにおける圧縮機２の下流側から空気管路８を通して高圧空気の一部を圧縮機２の上流側にある予冷却器６に導き、予冷却器６の冷却面にノズル７から高圧空気を高速で噴射・衝突させることにより、冷却面に付着した霜を吹き飛ばして除霜する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機の上流側に予冷却器を配置して気流を冷却する予冷却ガスタービンシステムにおける除霜方法、及び除霜装置に関する。

従来、ガスタービンサイクルの熱効率を向上させる技術として、圧縮機の上流側に予冷却器（熱交換器）を配置して、圧縮機に流入する気流を予冷却する予冷却ガスタービンサイクルが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このような予冷却ガスタービンサイクルにおいては、サイクル効率を改善するために、ガスタービンの燃料となる液体水素やＬＮＧ（液化天然ガス）によって、吸入空気を冷却するようにしているが、その際、予冷却器の冷却面を構成している冷却管表面に付着する霜が悪影響を及ぼすことが知られており、特に、航空機に用いられる予冷却ターボジェットエンジンにおいては、予冷却器における着霜が大幅な性能低下につながるということが知られている。冷却管表面に発生した霜は、熱抵抗となって吸入空気の冷却を妨げるばかりでなく、冷却管周囲の流路断面積が狭まって、圧力損失の増大をもたらし、その結果、ガスタービンの性能を急激に悪化させる問題を生じる。

そこで、このような問題に対し、従来から種々の対処法が提案されており、例えば、非特許文献２には、予冷却器の除霜方法として不凍液の噴霧による除霜、電熱除霜、空気除霜などが紹介されている。

不凍液の噴霧によって除霜する方法は、アルコール等の凝固点の低い液体を冷却管に噴霧することによって冷却管表面に霜が発生することを防ぐものであり、非特許文献３には、特に航空機用予冷却ガスタービンシステムにおける実用化を目的として不凍液の噴霧による除霜が検討され、それに関連した特許文献１には空気吸い込み式予冷却エンジンに対しエタノールを噴霧することで着霜を防止することが記載されている。しかし、その場合新たに液体を用意する必要があり、特に重量の増加が大きなデメリットとなる航空機用のジェットエンジンでは採用が困難である。

また、電熱によって除霜する方法は、冷却管にある程度霜が付着した時点で冷却を一時的に停止し、冷却管の間に挿入した電熱管に通電して霜を溶かすものである。しかしこの場合、一時的に冷却することが出来なくなるため、これも航空機用エンジン等では大きなデメリットとなる。さらに、空気によって除霜する方法は、予冷却器を２台用意し、一方の予冷却器が冷却している間に、他方の予冷却器を外気によって除霜するものである。この方法も熱交換器を２台用意しなければならないため、重量増加の問題があり、航空機用エンジンにとっては不利である。さらに、予冷却エンジンに対して液体酸素を噴霧することにより、予冷却器に湿り空気が到達する前に水分を空気中で凝縮させて着霜を防止する技術（特許文献２参照）や、ガスタービンの廃熱を利用して着霜を除去する技術（特許文献３参照）も提案されている。

佐藤哲也，棚次亘弘，原田賢哉，小林弘明，富家純一郎：極超音速空気吸い込み式エンジン用予冷却器（プリクーラ）の開発研究，日本航空宇宙学会論文集，５０（２００２），ｐｐ．１９６・２０３． 日本冷凍協会冷凍空調便覧編集部会：冷凍空調便覧，日本冷凍協会，東京，１９８１． Harada,K.,Tanatsugu,N.,Sato,T.:Development Study of a Precooler for the Air-Turboramjet Expander-Cycle Engine,Jounrnal of Propulsion and Power,17(2001),pp.1233-1238. 特開２０００−２９７６５１号公報 特開２０００−２９７５６２号公報 特開２０００−３１７８４７号公報

前述したように従来の予冷却器の除霜技術において、不凍液や液体酸素の噴霧によって除霜する方法では、アルコール等の不凍液や液体酸素を用意する必要があり、特に重量の増加が大きなデメリットとなる航空用のジェットエンジンに採用することは困難である。また、電熱によって除霜する方法では、除霜時に冷却が中断されるため、これも航空用エンジンなどでは大きなデメリットになる。また、空気によって除霜するものでは、予冷却器を２台用意する必要があるため、これも重量が増加する問題がある。さらに、ガスタービンの廃熱を利用して着霜を除去するものも、構造が複雑で重量が増加する同様な問題がある。

そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決し、重量の増加を最小限に抑えることができ、除霜時に冷却を中断することなく、簡単且つ効率的に除霜を行ない、予冷却ガスタービンシステムの性能を改善することができる予冷却ガスタービンシステムの除霜方法、及び除霜装置を提供することを目的とする。

前記目的のため、本発明に係る予冷却ガスタービンシステムの除霜方法は、ガスタービンの圧縮機の上流側に、該圧縮機に吸入される空気を冷却するための予冷却器が配置された予冷却ガスタービンシステムにおける、予冷却器の冷却面に付着する霜を除去する方法であって、前記圧縮機下流側の高圧空気の一部を予冷却器側に導き、該高圧空気を前記予冷却器の冷却面に高速で噴射・衝突させることにより、前記冷却面に付着した霜を除去することを特徴とするものである。
前記高圧空気の前記予冷却器の冷却面への噴射は、間欠噴射が望ましく、より望ましくは１〜６０秒間間隔で０．０１〜１秒間噴射する間欠噴射であることが望ましい。
噴射間隔が短くて圧縮機下流側からの取り込み流量を多くし過ぎるとエンジン性能を悪化させるため、噴射間隔の下限は１秒以上が望ましい。また、噴射間隔を広げすぎると噴射時に一時的に熱交換量が急回復するものの、その後再び減少して全体として除霜効果が次第に減少するので、上限は６０秒程度が望ましい。本発明では噴射による衝撃で霜を吹き飛ばして除去しており、噴射時間は、噴射間隔の１０分の１以下である、０．０１〜１秒間であればよく、０．１秒程度のオーダーでも十分除霜効果を奏し望ましい。

また、本発明に係る予冷却ガスタービンシステムの除霜装置は、ガスタービンの圧縮機の上流側に、前記圧縮機に吸入される空気を冷却するための予冷却器が配置された予冷却ガスタービンシステムにおける、予冷却器の冷却面に付着する霜を除去する装置であって、前記予冷却器の冷却面に対向するように配置されたノズルと、一方の端部が圧縮機の下流側に開口し、他方の端部が前記ノズルに連通する空気管路とを備え、前記圧縮機下流側の高圧空気の一部を前記空気管路を通して前記ノズルに導き、当該ノズルから前記冷却器の冷却面に対して高速で噴射衝突させることにより、前記冷却面に付着した霜を除去することを特徴とするものである。前記除霜装置においては、空気管路の途中にアキュムレータが設けられているとともに、前記空気管路のアキュムレータとノズルとの途中に電磁弁が設けられ、前記電磁弁は、開閉制御手段により間欠的に開閉制御されるようにしてあることが望ましい。

請求項１記載の発明によれば、従来提案されていた除霜方法のように、除霜運転を行う際の予備の予冷却器を設けたり、不凍液を用意する必要がなく、予冷却ガスタービンシステムの重量増加を最小限に抑えて冷却器に付着する霜を効率的に除去することができ、ガスタービンの性能を改善することができる。請求項２及び３記載の発明によれば、連続噴射に比べて予冷却器の平均熱交換量が多くなり、除霜効率がより向上する。

また、請求項４記載の発明によれば、予冷却ガスタービンシステムの重量増加を最小限に抑えた、構造が簡単でガスタービンの能力を改善することのできる予冷却ガスタービンシステムの除霜装置を低コストで提供することができる。さらに、請求項５記載の発明によれば、アキュムレータを設けたことによって、冷却器の冷却面に対してノズルから噴射される空気の供給圧力の脈動を防ぐことができるとともに、アキュムレータに一旦蓄積した高圧空気を間欠的にノズルから噴射するため、圧縮機下流側の高圧空気から分岐させて取り込む空気流量を増大させてガスタービンの性能を低下させるようなこともなく、一度に多量の高圧空気を冷却面に対して噴射・衝突させて付着した霜を効率的に除去することができる。

以下、図面に基づいて本発明の１実施形態を説明する。
図１は、本発明の予冷却ガスタービンシステムの除霜方法を実施するための霜取装置を組み込んだ予冷却ターボジェットエンジンの概略構造を示す断面図であって、同図に示すように、予冷却ターボジェットエンジン１は、圧縮機２の後方に燃焼器３が配置され、そのさらに後方にタービン４が設けられている。

燃焼器３には、図示しない燃料タンクから配管５を経由して液体水素や液化天然ガス（ＬＮＧ）などの低温燃料が供給される。前記配管５の途中は、圧縮機２に吸入される空気を予冷するための予冷却器６（熱交換器）を構成し、図示のように圧縮機２の上流側近傍に配置されている。低温燃料は、配管５を通して燃焼器３に送られる途中において、予冷却器６を通過し、ここで、圧縮機２に吸入される空気と熱交換を行って吸入空気を予冷する。燃焼器３に送られた燃料は、ここで圧縮機２を通して送り込まれた高圧の空気と混合されて燃焼し、生成された燃焼ガスは、圧縮機２を駆動するタービン４を回転させながら後方に噴射され、推進力を発生する。

前記予冷却ターボジェットエンジン１には、ノズル７、空気管路８、電磁弁９、アキュムレータ１０から構成される除霜装置１１が設けられている。ノズル７は、予冷却器６の冷却面としての冷却管表面に対向するように配置されており、また、空気管路８は、その一方の端部が圧縮機２の下流側に開口し、他方の端部がノズル７に連通している。

前記除霜装置１１は、以上のように構成され、圧縮機２の下流側の高圧空気の一部を空気管路８を通して予冷却器６側へ導き、ノズル７で高速空気流にして予冷却器６の冷却面に噴射・衝突させることにより、冷却面に付着した霜を吹き飛ばして除霜を行う。この際アキュムレータ１０は、ノズル７への高圧空気の供給圧力の脈動を防止する。また、電磁弁９は、図示していない開閉制御手段によって、１〜６０秒程度の時間間隔で周期的に開かれるように開閉制御され、一旦アキュムレータ１０に蓄積された高圧空気が電磁弁の開によって一気にジェット噴射される。従って、電磁弁９が前記時間間隔で開閉されることによって、ノズル７から高圧空気が間欠的にジェット噴射される。

次に、本発明のガスタービンシステムの除霜方法及び装置の効果を確認するために実施したジェット噴射による予冷却器の除霜実験について説明する。
図２は、予冷却器の除霜実験装置の概略図であって、除霜実験装置２０は、一定の温度と湿度の空気を生成して供給する空気供給装置２１を有し、この空気供給装置２１は、吸気口２２から外気を吸い込み、設定した温度、湿度に調整した空気を吐出口２３から吐出する。なお、今回行った実験においては、吐出口２３から吐出される空気の温度は２３℃、湿度は５９％に設定した。

空気供給装置２１の吐出口２３から吐出された空気は整流塔２４に流入し、ここで整流されたのち試験部に流入する。試験部には、予冷却器として機能する熱交換器２５が設けられている。この熱交換器２５は、７本の直径４ｍｍのステンレス製の冷却管２６からなる単列の熱交換器として構成されており、これらの冷却管２６内を通す冷媒には液体窒素を用いた。前記冷媒は冷却管２６内を通過させた後はそのまま廃棄した。冷却管２６の表面温度を熱電対で計測した結果は、約９０Ｋであった。この熱交換器２５の熱交換量は、流速計２７で計測した空気の流速と、熱交換器２５の上流側と下流側にそれぞれ配置した熱電対２８、２９で計測した空気温度から算出した。

また、空気の主流の流速は、着霜を生じていない状態において１ｍ／ｓに設定した。実験を開始すると、冷却管２６の表面への着霜による流動抵抗によって圧力損失が生じるため、主流の流速は、着霜に伴って徐々に減少する。この実験においては、熱交換器２５の上流側に、高圧ガス源として、図示しない窒素ボンベに連結した配管３０を設置し、この配管３０の先端に設けたノズル３１から熱交換器２５の冷却管２６に向けて、元圧０．５ＭＰａの高圧窒素ガスを約０．５秒間ジェット噴射させ、冷却管２６の表面に付着する霜の除霜を行った。

図３は、前述した除霜実験装置２０における空気の流速と、熱交換器２５の上流側と下流側のそれぞれの主流の温度差から算出した熱交換器２５による熱交換量の時間変化を示すグラフであって、○でプロットしたグラフは、窒素ガスのジェット噴射による除霜を行わなかった場合を示している。この場合の熱交換量は、実験開始直後に５０Ｗ程度まで上昇するものの、その後は、着霜により減少している。この熱交換量の低下は、冷却管２６表面への着霜による流動抵抗で生じる圧力損失により、主流空気の流速が減少することと、着霜により熱交換が阻害されることの両方の原因によるものである。

一方、同図において、□でプロットしたグラフは、配管３０先端のノズル３１から実験開始後から５０秒毎に０．５秒間窒素ガスのジェットを噴射して除霜を行った場合を示している。この場合には、実験開始から低下傾向にあった熱交換量が一時的に急回復するものの、その後再び熱交換量は減少する。また、同図において、▲でプロットしたグラフは、窒素ガスの噴射間隔を実験開始後から２０秒毎に行った場合を示しており、この場合には、熱交換性能が小刻みに改善されて、平均化された場合の熱交換量が大きく回復している。

表１は、図３におけるそれぞれのケースの時間平均熱交換量を示しており、この表から明らかなように、２０秒間隔でのジェットの噴射で除霜を行った場合の平均熱交換量は、除霜を行わない場合に比較して１０％以上も改善されており、この除霜実験により、冷却管２６表面へのジェット噴射による除霜が有効であることが確認された。また、噴射間隔は、５０秒よりも２０秒の方が平均熱交換量が多く、小刻みにジェットの噴射を行った方がより効果的であることが確認された。

次に、本発明の予冷却ガスタービンシステムの除霜装置を超音速旅客機の予冷ターボジェットエンジンに搭載する例を説明する。この超音速旅客機は、液体水素を燃料とし、巡航マッハ数は３程度であると仮定する。

マッハ数が３の場合、大気から吸入された空気はインテークで減速されるため、約６００Ｋ程度まで加熱される。この高温になった空気をそのまま圧縮機に送り込むと、圧縮機でさらに温度が上昇するため、燃焼器に到達するまでにはかなりの高温になってしまう。ターボジェットエンジンでは、通常タービン翼の熱構造的限界によりタービン入口温度がある一定温度に制限されるため、燃焼器入口温度が高温になるにつれ、投入された燃料の燃焼により付加することのできるエネルギーは減少してエンジン性能は悪化する。

このような場合には、燃料である液体水素を用いて、圧縮機入口における吸入空気を冷却して温度を低下させることが有効になる。そこで、予冷却器の設置が必要になるが、大気中から吸入する空気は水蒸気を含んだ湿り空気であるため、予冷却器の冷却管表面に着霜が生じる。その結果、予冷却器の冷却性能が低下し、これに加えて冷却管の表面に成長した霜が吸入空気の流路を狭めることで圧力損失が増大するため、エンジン性能は急激に悪化する。このような理由から、予冷却ターボジェットエンジンはこれまで実用化には至っていない。

そこで、本発明による除霜装置を搭載した予冷却ターボジェットエンジンを採用する。湿り空気を冷却することで、予冷却器の冷却管表面には徐々に着霜が発生するが、これに圧縮機下流側から高圧空気の一部を予冷却器側に導いて、冷却管表面に噴射衝突させることによって除霜を行う。液体水素のような−１００℃以下の冷媒により生成される霜層は、水の凝固点付近で作り出される霜層よりも構造的に脆いため、高圧空気の噴射によって容易に吹き飛ばして除霜を行うことができる。

この場合、圧縮機下流側から予冷却器側に取り込む高圧空気の量が多くなると、エンジン性能を低下させてしまうため、冷却管への高圧空気の噴射は１〜６０秒間隔、望ましくは数十秒間隔で間欠的に行うことが望ましい。また、一回の噴射時間は、０．１秒のオーダーで十分であり、このような高圧空気の噴射によって予冷却器の熱交換性能が改善され、結果的にエンジン性能を向上させることができる。間欠噴射の噴射間隔及び噴射時間は、上記範囲内で選択されるが、着霜の進行速度は熱交換器における空気の流速、管の直径及び間隔、湿度などに影響されるため、間欠噴射の望ましい間隔はそれらの条件によって変化し、例えば空気側流速１ｍ／ｓ、管径４ｍｍ程度の熱交換器では５〜６０秒間間隔で０．０１〜０．５秒間噴射する間欠噴射であることが望ましい。

本発明の予冷却ガスタービンシステムの除霜方法及び除霜装置は、航空用ガスタービンエンジン、特に、空力加熱により、吸入空気の予冷却が必須となるような、高マッハ数の超高速ターボジェットエンジンに好適に利用することができ、また、発電等を目的とした地上設置型の予冷却ガスタービンシステムにおいても利用可能である。

本発明の予冷却ガスタービンシステムの除霜方法を実施するための霜取装置を組み込んだ予冷却ターボジェットエンジンの概略構造を示す断面図である。 本発明の予冷却ガスタービンシステムの除霜方法の実験に用いた除霜実験装置の概略構造図である。 除霜実験により得られた、熱交換量の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 予冷却ターボジェットエンジン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 配管
６ 予冷却器
７ ノズル
８ 空気管路
９ 電磁弁
１０ アキュムレータ
１１ 除霜装置
２０ 除霜実験装置
２１ 空気供給装置
２２ 吸気口
２３ 吐出口
２４ 整流塔
２５ 熱交換器
２６ 冷却管
２７ 流速計
２８、２９ 熱電対
３０ 配管
３１ ノズル

Claims (5)

1. ガスタービンの圧縮機の上流側に、該圧縮機に吸入される空気を冷却するための予冷却器が配置された予冷却ガスタービンシステムにおける、予冷却器の冷却面に付着する霜を除去する方法であって、
   前記圧縮機下流側の高圧空気の一部を予冷却器側に導き、該高圧空気を前記予冷却器の冷却面に高速で噴射・衝突させることにより、前記冷却面に付着した霜を除去することを特徴とする予冷却ガスタービンシステムの除霜方法。
2. 前記高圧空気の前記予冷却器の冷却面への噴射は、間欠噴射である請求項１に記載の予冷却ガスタービンシステムの除霜方法。
3. 高圧空気の前記間欠噴射は、１〜６０秒間隔で０．０１〜１秒間噴射する間欠噴射である請求項２に記載の予冷却ガスタービンシステムの除霜方法。
4. ガスタービンの圧縮機の上流側に、前記圧縮機に吸入される空気を冷却するための予冷却器が配置された予冷却ガスタービンシステムにおける、予冷却器の冷却面に付着する霜を除去する装置であって、
   前記予冷却器の冷却面に対向するように配置されたノズルと、
   一方の端部が圧縮機の下流側に開口し、他方の端部が前記ノズルに連通する空気管路とを備え、
   前記圧縮機下流側の高圧空気の一部を前記空気管路を通して前記ノズルに導き、当該ノズルから前記冷却器の冷却面に対して高速で噴射衝突させることにより、前記冷却面に付着した霜を除去することを特徴とする予冷却ガスタービンシステムの除霜装置。
5. 空気管路の途中にアキュムレータが設けられているとともに、前記空気管路のアキュムレータとノズルとの途中に電磁弁が設けられ、前記電磁弁は、開閉制御手段により間欠的に開閉制御されることを特徴とする請求項２記載の予冷却ガスタービンシステムの除霜装置。

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