JP2013130099A - 希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの燃焼ガス通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒燃焼器出口からタービン入口にかけての燃焼ガスの温度低下を抑制し、かつ、吸気燃料のスリップ量を抑制することにより、高い効率を有する希薄燃料吸入ガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用する希薄燃料吸入ガスタービンエンジン（ＧＴ）において、触媒式の燃焼器（３）の出口温度を、この燃焼器（３）から排出される燃焼ガスの通路（Ｐ）を構成する部材（７，１９）の冷却が不要である所定温度に設定し、前記燃焼ガス通路を構成する部材に断熱機構（４１，５１）を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)、ＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）などの低カロリーガスを燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの燃焼ガス通路の構造に関する。

炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)をＶＡＭまたは空気と混合するなどして、エンジンに吸入し、含まれている可燃成分を触媒燃焼器で燃焼させる、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンが提案されている。

しかし、一般に、触媒燃焼器では、触媒の寿命を考慮して、出口温度を一定の値以上に上昇させることは好ましくない。このため、触媒燃焼器出口からタービン入口にかけての燃焼ガスの温度低下による、ガスタービンエンジンの熱効率の低下が懸念される。

また、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンでは、圧縮機に導入される吸気ガスに燃料が含まれているので、燃焼器を通過しないガス量（スリップ量）が増えると、見かけの燃焼効率が低下する。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、触媒燃焼器出口からタービン入口にかけての燃焼ガスの温度低下を抑制し、かつ、吸気燃料のスリップ量を抑制することにより、高い効率を有する希薄燃料吸入ガスタービンエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンは、低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用する希薄燃料吸入ガスタービンエンジンであって、触媒式の燃焼器の出口温度が、この燃焼器から排出される燃焼ガスの通路を構成する部材の冷却が不要である所定温度に設定されており、前記燃焼ガス通路を構成する部材に断熱機構が設けられている。

本発明に係るガスタービンエンジンによれば、触媒燃焼器出口からタービン入口にかけての燃焼ガスの温度低下が抑制され、かつ、吸気燃料のスリップ量が抑制されるので、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンを高い効率で運転することができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンエンジンの構造を示す縦断面図である。 図１のガスタービンエンジンの要部を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービンエンジンの要部を示す縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴを示す縦断面図である。このガスタービンエンジンＧＴは、主要な構成要素として、圧縮機１、触媒式の燃焼器３およびタービン５を備えている。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、図示しない発電機のような負荷が駆動される。燃焼器３とタービン５との間には、燃焼器３からの燃焼ガスを回転軸心Ｃの回りに旋回させながらタービン５に導くスクロール７が設けられている。

本実施形態におけるガスタービンエンジンＧＴは、炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)などの低カロリーガスを、空気や炭鉱から排出されるＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）と混合してエンジンに吸入し、含まれている可燃成分を燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンとして構成されており、燃焼器３は、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器として構成されている。

圧縮機１およびタービン５はガスタービンエンジンＧＴのハウジング９内に収納され、燃焼器３は、タービン５の上部に、ハウジング９に突出して取り付けられている。本実施形態における燃焼器３は単缶式であり、ガスタービンエンジンＧＴの回転軸心Ｃから偏心した位置でタービン５の上部に配置されて、ほぼ鉛直方向に延びている。スクロール７の径方向外方および後方（軸心方向のタービン５側）は、ハウジング９の一部分を形成するスクロールハウジング１３により覆われている。圧縮機１は２段遠心式であり、第１および第２羽根車１１，１２のそれぞれ下流側に第１および第２ディフューザ１４，１５が配置されている。

圧縮機１で圧縮された圧縮ガスＣＧは、スクロールハウジング１３内に流入し、スクロール７の外側を通って燃焼器３に送られ、燃焼器３で燃料と混合されて燃焼される。燃焼器３で発生した燃焼ガスＢＧは、燃焼ガス通路Ｐを通って、つまりこの例では燃焼器３の燃焼ガス導出路を形成する遷移ダクト１９および燃焼ガスのタービン５への導入路を形成するスクロール７を介してタービン５の第１段タービンノズル２７に導かれる。その後、燃焼ガスＢＧはタービン５を回転させ、このタービン５に回転軸１０によって連結されている圧縮機１を駆動する。

スクロール７の外周壁７ａの外周面には、板状部材からなる複数の外周支持部材２１の軸方向の一端部が溶接により接合されている。この外周支持部材２１の軸方向の他端が、連結ボルトＢ１によって第２ディフューザ１５に軸方向に摺動可能に取り付けられている。また、スクロール７の内周壁７ｂは、内周支持部材２５を介して、タービン５の第１段タービンノズル２７の外周部に、軸心方向に摺動可能に連結されている。スクロール７の前壁７ｃは、環状のフランジ部材３１および環状の連結部材３５を介して、第２ディフューザ１５の内径側後端部にボルト連結されている。

本実施形態において、燃焼器３の出口温度は、燃焼器３の下流に配置される構成部材、つまり、この例では遷移ダクト１９、スクロール７、第１段タービンノズル２７が、燃焼ガスＢＧに曝されても冷却が不要である温度に設定されている。

さらに、図２に拡大して示すように、燃焼ガス通路Ｐを構成する部材の、圧縮機１からの圧縮ガスＣＧと接触して熱交換する部分に断熱機構が設けられている。具体的には、遷移ダクト１９（図１）、スクロール７および内周支持部材２５の、燃焼ガス通路Ｐに面する内面のみならず、燃焼ガス通路Ｐに面していない外面にも、遮熱コーティング４１が施されている。遮熱コーティング４１を形成する材料としては、例えば、ＴＢＣ（Thermal Barrier Coating）のようなセラミックコーティングが用いられる。

このように、本実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴによれば、触媒燃焼器である燃焼器３の出口からタービン５の入口にかけての燃焼ガスＢＧの温度低下が抑制され、かつ、冷却が不要となることから吸気燃料のスリップ量が抑制されるので、希薄燃料吸入式のガスタービンエンジンＧＴを高効率に運転することが可能となる。

図３は、本発明の第２実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴの要部を示す縦断面図である。本実施形態では、スクロール７のような燃焼ガス通路Ｐを構成する部材に対する断熱機構として、第１実施形態の遮熱コーティング４１の代わりに、遮熱板５１を設けている。そのほかの構成は第１実施形態と同様である。

遮熱板５１は、スクロール７の外周を覆う円筒状の板金構造を有しており、その一端部が溶接により外周支持部材２１に接合されている。遮熱板５１の他端部は、スクロール７の後壁７ｄを覆うように、内径側に向かって湾曲する湾曲部５１ａとして形成されており、湾曲部の先端部５１ｂがスクロールハウジング１３の内壁面に接触している。したがって、圧縮ガスＣＧは、遮熱板５１の外周面に案内されて、スクロール７に接触することなく燃焼器３内に導かれる。これにより、第２実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴにおいても、触媒燃焼器である燃焼器３の出口からタービン５の入口にかけての燃焼ガスＢＧの温度低下が抑制される。

なお、遮熱板５１の湾曲部５１ａの先端部５１ｂには、遮熱板５１の熱伸びによる変形を吸収する構造、例えば、ばね構造が設けられている。

また、上記各実施形態の説明においては、燃焼ガス通路Ｐを形成する部材として、スクロール７および遷移ダクト１９が設けられている例を説明したが、燃焼ガス通路Ｐを形成する部材はこれらに限られない。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 圧縮機
３ 燃焼器
５ タービン
７ スクロール
１９ 遷移ダクト
４１ 遮熱コーティング（断熱機構）
５１ 遮熱板（断熱機構）
ＢＧ 燃焼ガス
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｐ 燃焼ガス通路

Claims (1)

1. 低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用する希薄燃料吸入ガスタービンエンジンであって、
   触媒式の燃焼器の出口温度が、この燃焼器から排出される燃焼ガスの通路を構成する部材の冷却が不要である所定温度に設定されており、
   前記燃焼ガス通路を構成する部材に断熱機構が設けられているガスタービンエンジン。

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