JP2013148082A - ガスタービン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体の大型化、複雑化を抑制しつつ、効率の低下を抑制あるいは効率を向上させ、かつ、出力を向上するとともに、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制されるガスタービン装置を提供すること。
【解決手段】空気圧縮機１１０、燃焼室１６０、タービン１２０および排気デバイス１９０を有するガスタービン装置１００であって、タービン１２０と排気デバイス１９０の間に、副流空気供給部から供給される副流空気１０２とタービン１２０から排気される排気ガス１０３を混合排出するエジェクタ手段１５０を設けるとともに、副流空気１０２によって中間圧縮空気１０１を冷却する圧縮側中間熱交換器１８１を設けること。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気圧縮機、燃焼室、タービンおよび排気デバイスを有するガスタービン装置に関するものであり、特に、中小型の発電用に好適なガスタービン装置に関する。

ガスタービン装置は周知慣用され、特に定置型のガスタービン装置が発電用途に広く用いられている。
一般的に、ガスタービン装置の動力出力はタービンの出力と空気圧縮機の駆動動力の差であり、ガスタービン装置の出力を向上するには、空気圧縮機の駆動動力の低減とタービンの出力の増大を図る必要があることは周知である。
空気圧縮機の駆動動力の低減には、空気圧縮機の入口及び中間の中間圧縮空気の温度を低減することが効果的であり、空気圧縮機に中間冷却器を設置することが考えられる。
但し、空気圧縮機の中間冷却は空気圧縮機の出口空気温度も低減する影響を持つため、タービン入口(燃焼器出口)温度を同じレベルとするには、より多くの燃料を使用する必要があり、一般的には、熱効率の低下をもたらす。
また、中間冷却を水等を使用した外部冷却系統で実施しようとすれば、その設備に関連する敷地、設備、メンテナンス、運用費用(水補給や水処理)の増加が発生する。

この影響を低減するか、熱効率を向上する手段として、高温のタービン排気で空気圧縮機の出口空気を加熱する再熱熱交換器を設置することも考えられる。
しかし、これらの熱交換器を設置する場合、当然ながら空気圧縮機の空気流れやタービンの燃焼ガス流れに対して圧力損失が発生する為、タービン膨張比(タービン入口圧力と出口圧力の比)が低下し、タービン仕事が減少するデメリットが存在する。
ここで、一般のガスタービン装置では、タービンの出力に直結するタービン膨張比(タービン入口圧力と出口圧力の比)を増加する手段を持ち合わせておらず、前記、性能向上を実現するに至っていない。

火力発電所等の大規模な発電設備においては、大型かつ複雑な設備構成による高効率化、高出力化が推し進められているが、特に小規模なビル等の自家発電や非常用発電等に用いられる場合、高効率化、高出力化と同時に小型化、簡素化も強く要求されている。
これらの要求に対して、排気を減圧吸引することで効率、出力を向上させるもの（例えば、特許文献１等参照。）や、圧縮空気を冷却して温度や圧力の上昇を抑えてガスタービン装置自体の大型化、複雑化を抑制して出力を向上させるもの（例えば、特許文献２等参照。）が公知である。

特開２００４−８４６４２号公報 特開２０１０−３１８６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような公知のガスタービン装置では、排気を減圧吸引するための機構が水蒸気を利用するものとなっており、水の循環系統のために装置全体や関連設備が大型化、複雑化し、効率、出力は向上するものの、小型化、簡素化ができないという問題があった。
また、水や水蒸気の漏洩を高度に監視、防止する必要があるとともに、水や水蒸気に接触する部分の金属材料等の腐食や劣化は避けられないため、頻繁なメンテナンスが必要となるという問題があった。
特許文献２に記載のような公知のガスタービン装置では、熱交換器の追加のみで装置全体の大型化、複雑化を抑制しつつ温度の上昇を抑えて出力の向上を図ることは可能となるものの、圧縮空気の熱エネルギーの一部が利用されることなく排出されることとなり、全体の効率がその分だけ低下するという問題があった。
また、屋内等で使用する際には熱交換器からの排熱の処理が必要となり、関連設備が大型化、複雑化するという問題があった。

そこで、本発明は、装置全体の大型化、複雑化を抑制しつつ、効率の低下を抑制あるいは効率を向上させ、かつ、出力を向上するとともに、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制されるガスタービン装置を提供することを目的とするものである。

本請求項１に係る発明は、空気圧縮機、燃焼室、タービンおよび排気デバイスを有するガスタービン装置であって、前記タービンと排気デバイスの間に、副流空気供給部から供給される副流空気とタービンから排気される排気ガスを混合するエジェクタ手段を設け、前記空気圧縮機が複数段に分割され、該分割された中間の中間圧縮空気が通過する圧縮側中間熱交換器が設けられ、前記副流空気が、該圧縮側中間熱交換器を通過して前記中間圧縮空気を冷却することにより、前記課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、請求項１に係るガスタービン装置の構成に加え、前記副流空気の流速を加速するノズル部と、該ノズル部の後流で前記副流空気と排気ガスを混合するミキサ部とを有し、前記排気デバイスが、前記ミキサ部の後流に設けられ、前記副流空気と排気ガスの混合気の流速を減速するディフューザで構成されることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項３に係る発明は、請求項２に係るガスタービン装置の構成に加え、前記ノズル部が、前記排気ガスの流速を加速するよう構成されることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係るガスタービン装置の構成に加え、前記副流空気供給部が、前記タービンの出力軸により直接あるいは伝動手段を介して駆動される副流空気供給手段からなることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項５に係る発明は、請求項４に係るガスタービン装置の構成に加え、前記副流空気供給手段が、前記空気圧縮機の前段に吸入圧縮機で構成され、該吸入圧縮機の後流が、前記副流空気と前記空気圧縮機に吸入される主流空気に分流されることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項６に係る発明は、請求項５に係るガスタービン装置の構成に加え、前記吸入圧縮機が、前記空気圧縮機の前段に同軸に設けられたファンで構成され、該ファンの外周部が、前記副流空気供給手段として機能することにより、前記課題を解決するものである。

本請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに係るガスタービン装置の構成に加え、前記空気圧縮機が、低圧空気圧縮機と高圧空気圧縮機の２段からなり、前記タービンが、低圧タービンと高圧タービンの２段からなり、前記低圧空気圧縮機と低圧タービンが低圧側回転軸に設けられ、前記高圧空気圧縮機と高圧タービンが高圧側回転軸に設けられ、前記低圧側回転軸が、負荷を駆動する出力軸であることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに係るガスタービン装置の構成に加え、前記空気圧縮機と燃焼室の間に圧縮空気が通過する高圧側熱交換器が設けられ、前記タービンから排気される排気ガスが、前記高圧側熱交換器を通過して圧縮空気を加熱した後、前記エジェクタ手段に達するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項９に係る発明は、請求項１乃至請求項８のいずれかに係るガスタービン装置の構成に加え、前記副流空気が通過する排気側熱交換器が設けられ、前記タービンから排気される排気ガスが、前記排気側熱交換器を通過して副流空気を加熱した後、前記エジェクタ手段に達するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係るガスタービン装置によれば、中間圧縮空気が圧縮側中間熱交換器で副流空気によって冷却されるため、装置全体の大型化、複雑化を抑制しつつ温度や圧力の上昇を抑えて出力の向上を図ることが可能となるとともに、圧縮側中間熱交換器で中間圧縮空気により加熱された副流空気と排気ガスをエジェクタ手段で混合することにより、中間圧縮空気が副流空気によって冷却され、高圧空気圧縮機によって圧縮される圧縮空気の温度の上昇が抑えられ、燃焼室の耐圧、耐熱性を強化することなく、より多くの燃料の燃焼が可能となり、ガスタービン装置自体の大型化、複雑化を抑制して出力を向上させることが可能となる。
また、副流空気をエジェクタ手段で混合することにより、副流空気を効率良く供給可能となり、副流空気の供給のために消費するエネルギー以上のタービン出力の向上が可能となり、ガスタービン装置そのものを大型化することなく出力を向上させることができる。
また、簡単な構造のため、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制されるとともに、熱や圧力の損失も少ないため、効率の低下を抑制あるいは効率を向上しつつタービン出力を向上することができる。

本請求項２に記載の構成によれば、ノズル部において副流空気の高圧高速の空気流を製造してミキサ部で低圧の排気ガスと混合することで、可動部分を設けることなく簡単な構成で効率よく副流空気と排気ガスを混合することが可能となり、さらに、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。
本請求項３に記載の構成によれば、ノズル部において排気ガスを加速することで、副流空気と排気ガスの速度差を小さくして速度差に起因する混合時の損失を低下させることが可能となる。
本請求項４に記載の構成によれば、副流空気供給手段によって副流空気を積極的に供給でき、供給される副流空気の流量、流速、圧力、温度等を適宜設定可能となるため、これらを最適に設定することで効率や出力のさらなる向上が可能となる。
また、副流空気供給手段の駆動のための他の駆動源を設ける必要がないため、構成が簡素化され、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。
本請求項５に記載の構成によれば、副流空気供給手段の構成がさらに簡素化されるとともに空気圧縮機の小型化が可能となり、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。
本請求項６に記載の構成によれば、航空機用のいわゆるターボファンエンジンを少ない改造で定置型のガスタービン装置に転用することが可能となる。

本請求項７に記載の構成によれば、いわゆる同軸２軸２段の構成とすることで、燃焼室に供給される圧縮空気の圧縮比を高め、さらに小型で高出力とすることが可能となる。
本請求項８に記載の構成によれば、圧縮空気が高圧側熱交換器で排気ガスによりさらに加熱されるため、燃焼室における燃料を節約することが可能となり、かつ、高圧側熱交換器で排気ガスが冷却されることによりタービン出口圧力がさらに減少してタービン膨張比が増加し、タービンの出力をさらに向上することが可能となる。
本請求項９に記載の構成によれば、副流空気が排気側熱交換器で排気ガスにより加熱されてエジェクタ手段による排気ガスの吸引力がさらに向上し、タービンの出力をさらに向上することができるとともに、効率の向上も図ることができる。

本発明の第１実施形態であるガスタービン装置の概略説明図。 図１のエジェクタ手段の概略説明図。 本発明の第２実施形態であるガスタービン装置の概略説明図。 本発明の第３実施形態であるガスタービン装置の概略説明図。 本発明の第４実施形態であるガスタービン装置の概略説明図。 本発明の第５実施形態であるガスタービン装置の概略説明図。 本発明の第６実施形態であるガスタービン装置の概略説明図。

本発明のガスタービン装置は、空気圧縮機、燃焼室、タービンおよび排気デバイスを有するガスタービン装置であって、タービンと排気デバイスの間に、副流空気供給部から供給される副流空気とタービンから排気される排気ガスを混合排出するエジェクタ手段を設け、前記空気圧縮機が複数段に分割され、該分割された中間の中間圧縮空気が通過する圧縮側中間熱交換器が設けられ、前記副流空気が、該圧縮側中間熱交換器を通過して前記中間圧縮空気を冷却することにより、装置全体の大型化、複雑化を抑制しつつ、効率の低下を抑制あるいは効率を向上させ、かつ、出力を向上するとともに、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制されるものであれば、その具体的な実施形態はいかなるものであっても良い。
なお、以下に説明する各実施形態を示す図は、本発明の技術的特徴を概略的に示すものであり、図示された各構成要素の実際の機器類の形状、配置、寸法等を何ら規定するものではなく、また、本発明の実施形態が図示のものに限定されるものではない。
また、本発明の技術的特徴を変更しない限り、図示されていない他の構成要素が追加された実施形態を排除するものでもない。

本発明の第１、第２および第５実施形態であるガスタービン装置１００、２００、５００は、その基本的構造は一般的なガスタービン装置と同様であり、図１、図３、図５に概略的に示すように、出力軸１３０、２３０、５３０に空気圧縮機１１０、２１０、５１０とタービン１２０、２２０、５２０が設けられ、空気圧縮機１１０、２１０、５１０とタービン１２０、２２０、５２０の間には燃焼室１６０、２６０、５６０が設けられて、出力軸１３０、２３０、５３０によって発電機等の負荷機器１７０、２７０、５７０が駆動される。
また、本発明の第１、第２および第５実施形態に係るガスタービン装置１００、２００、５００の基本的な動作も、一般的なガスタービン装置と同様である。
すなわち、外気１０７、２０７、５０７が空気圧縮機１１０、２１０、５２０によって吸入圧縮されて圧縮空気１０４、２０４、５０４となり、圧縮空気１０４、２０４、５０４が燃焼室１６０、２６０、５６０に供給され、該燃焼室１６０、２６０、５６０内に燃料１６１、２６１、５６１を噴射して燃焼させ、その燃焼ガス１０６、２０６、５０６がタービン１２０、２２０、５２０に供給されて該タービン１２０、２２０、５２０を回転駆動して排気ガス１０３、２０３、５０３として排出される。
このタービン１２０、２２０、５２０による回転駆動力は、出力軸１３０、２３０、５３０を介して空気圧縮機１１０、２１０、５１０および負荷機器１７０、２７０、５７０に伝達される。

本発明の第１実施形態であるガスタービン装置１００においては、図１に示すように、上記の基本構造に加えて、空気圧縮機１１０が中間圧縮空気１０１を排出する低圧空気圧縮機１１１と中間圧縮空気１０１を吸入して圧縮空気１０４を排出する高圧空気圧縮機１１２の２段に分割されている。
また、副流空気１０２を供給する副流空気供給手段１４０と、中間圧縮空気１０１を副流空気１０２で冷却する圧縮側中間熱交換器１８１と、該圧縮側中間熱交換器１８１を通過した副流空気１０２によってタービン１２０から排出される排気ガス１０３を吸引するエジェクタ手段１５０が設けられ、該エジェクタ手段１５０の後流に副流空気１０２と排気ガス１０３の混合気１０８を排出する排気デバイス１９０が設けられている。
副流空気供給手段１４０は、ギア、チェーン等の伝動手段１４２を介して出力軸１３０によって駆動される。
なお、副流空気供給手段１４０は出力軸１３０により直接駆動されるものであっても良く、他の駆動手段により駆動されるものであっても良い。
また、他の駆動手段として電動モータ等を使用し、負荷機器１７０としての発電機からの電力で駆動しても良い。

エジェクタ手段１５０は、図２に示すように、副流空気１０２の流速を加速するノズル部１５１と、該ノズル部１５１の後流で副流空気１０２と排気ガス１０３を混合するミキサ部１５２とを有している。
本実施形態では、ノズル部１５１が、排気ガス１０３の流速も加速するように構成されている。
また、エジェクタ手段１５０の後流に排気デバイス１９０が設けられ、該排気デバイス１９０は、エジェクタ手段１５０のミキサ部１５２で混合された副流空気１０２と排気ガス１０３の混合気１０８の流速を減速するディフューザ１９１で構成されている。

以上の構成により、低圧空気圧縮機１１１によって圧縮された中間圧縮空気１０１は、圧縮側中間熱交換器１８１を通過することで、副流空気供給手段１４０から供給される副流空気１０２によって冷却される。
このことで、高圧空気圧縮機１１２によって圧縮される圧縮空気１０４の温度の上昇を抑えられ、燃焼室１６０の耐圧、耐熱性を強化することなく、より多くの燃料の燃焼が可能となり、ガスタービン装置自体の大型化、複雑化を抑制して出力を向上させることが可能となる。
また、副流空気１０２はノズル部１５１でほぼ音速まで加速されるとともに、排気ガス１０３もそれよりやや低い速度まで加速（温度が高いので音速の7割程度に調整）され、ミキサ部１５２で混合されることにより排気ガス１０３が吸引される。副流空気１０２は圧縮側中間熱交換器１８１を通過して中間圧縮空気１０１によって加熱されてエジェクタ１５０に導入されることで、十分な吸引力が得られる。

このことで、タービン１２０の出口圧力が減少してタービン膨張比（タービン１２０の入口圧力と出口圧力の比）が増加し、タービン１２０の回転出力が向上する。
タービン１２０の回転出力の一部は副流空気供給手段１４０の駆動力に消費されるが、該副流空気供給手段１４０の消費分を出力向上分以下とすることにより、負荷機器１７０を駆動する出力を向上させることが可能であり、エジェクタ手段１５０のない従来のガスタービン装置と比べて大型化することなく出力向上を図ることが可能となる。
また、これらの動作は全て外気のみを導入して行うものであり、水や水蒸気を使用しないため、水の循環系統の設備が不要であり、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。
なお、エジェクタ手段１５０は、副流空気１０２によって排気ガス１０３を吸引してタービン１２０の出口圧力を減少させることができるものであれば、ターボ機械等の別の構成であっても良い。

本発明の第２実施形態であるガスタービン装置２００においては、図３に示すように、上記の基本構造に加えて、第１実施形態であるガスタービン装置１００と同様に、空気圧縮機２１０が中間圧縮空気２０１を排出する低圧空気圧縮機２１１と中間圧縮空気２０１を吸入して圧縮空気２０４を排出する高圧空気圧縮機２１２の２段に分割されている。
また、副流空気２０２を供給する副流空気供給手段２４０として機能する吸入圧縮機であるファン２４１と、中間圧縮空気２０１を副流空気２０２で冷却する圧縮側中間熱交換器２８１と、該圧縮側中間熱交換器２８１を通過した副流空気２０２によってタービン２２０から排出される排気ガス２０３を吸引するエジェクタ手段２５０が設けられ、該エジェクタ手段２５０の後流に副流空気２０２と排気ガス２０３の混合気２０８を排出する排気デバイス２９０が設けられている。

本実施形態では、空気圧縮機２１０の前段に空気圧縮機２１０よりも径の大きなファン２４１が同軸に設けられており、吸入される外気２０７は、ファン２４１の外周部で吸入圧縮されたものが副流空気２０２となり、内周部で吸入圧縮されたものが主流空気２０９として空気圧縮機２１０に吸入されるように分流される。
エジェクタ手段２５０は、第１実施形態のエジェクタ手段１５０と同様である。
以上の構成により、第１実施形態の作用、効果に加え、副流空気供給手段２４０がファン２４１で構成されることにより装置全体の構造が簡素化され、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。

本発明の第３および第４実施形態であるガスタービン装置３００、４００は、２段２軸式であって、その基本的構造は一般的な２段２軸式の航空機用ターボファンエンジンの構造である。
すなわち、図４、図５に概略的に示すように、空気圧縮機３１０、４１０が低圧空気圧縮機３１１、４１１と高圧空気圧縮機３１２、４１２の２段で構成され、タービン３２０、４２０が低圧タービン３２２、４２２と高圧タービン３２１、４２１の２段で構成されており、低圧側回転軸３３１、４３１と高圧側回転軸３３２、４３２の２軸を有している。
低圧側回転軸３３１、４３１には、低圧空気圧縮機３１１、４１１と低圧タービン３２２、４２２が設けられ、高圧側回転軸３３２、４３２には、高圧空気圧縮機３１２、４１２と高圧タービン３２１、４２１が設けられている。
高圧空気圧縮機３１２、４１２と高圧タービン３２１、４２１の間には燃焼室３６０、４６０が設けられている。
低圧側回転軸３３１、４３１と高圧側回転軸３３２、４３２は同軸に設けられ、低圧側回転軸３３１、４３１が出力軸３３０、４３０として発電機等の負荷機器３７０、４７０が駆動される。
低圧空気圧縮機３１１、４１１の前段には、該低圧空気圧縮機３１１、４１１よりも径の大きなファン３４１、４４１が低圧側回転軸３３１、４３１と同軸に設けられている。

また、本発明の第３および第４実施形態に係るガスタービン装置３００、４００の基本的な動作も一般的な２段２軸式の航空機用ターボファンエンジンの動作と類似のものである。
すなわち、外気３０７、４０７がファン３４１、４４１で吸入圧縮され、外周部で吸入圧縮されたものが副流空気３０２、４０２となり、内周部で吸入圧縮されたものが主流空気３０９、４０９として低圧空気圧縮機３１１、４１１に吸入されるように分流される。
主流空気３０９、４０９は低圧空気圧縮機３１１、４１１によって吸入圧縮されて中間圧縮空気３０１、４０１として排出され、該中間圧縮空気３０１、４０１が、さらに高圧空気圧縮機３１２、４１２によって圧縮されて圧縮空気３０４、４０４となる。
圧縮空気３０４、４０４は燃焼室３６０、４６０に供給され、該燃焼室３６０、４６０内に燃料３６１、４６１を噴射して燃焼させ、その燃焼ガス３０６、４０６が高圧タービン３２１、４２１に供給されて該高圧タービン３２１、４２１を駆動する。

この高圧タービン３２１、４２１の駆動力は、高圧側回転軸３３２、４３２を介して高圧空気圧縮機３１２、４１２にのみ伝達される。
高圧タービン３２１、４２１から排出される中間膨張ガス３０５、４０５は、低圧タービン３２２、４２２に供給されて該低圧タービン３２２、４２２を駆動し、排気ガス３０３、４０３として排出される。
この低圧タービン３２２、４２２の駆動力は、低圧側回転軸３３１、４３１（出力軸３３０、４３０）を介して低圧空気圧縮機３１１、４１１、ファン３４１、４４１および負荷機器３７０、４７０に伝達される。

本発明の第３実施形態に係るガスタービン装置３００においては、図４に示すように、上記の基本的構造に加えて、中間圧縮空気３０１を冷却する圧縮側中間熱交換器３８１と、該圧縮側中間熱交換器３８１を通過した副流空気３０２によって低圧タービン３２２から排出される排気ガス３０３を吸引するエジェクタ手段３５０が設けられ、該エジェクタ手段３５０の後流に副流空気３０２と排気ガス３０３の混合気３０８を排出する排気デバイス３９０が設けられている。
エジェクタ手段３５０は、第１実施形態のエジェクタ手段１５０と同様である。

以上の構成により、第１実施形態および第２実施形態と同様に、低圧空気圧縮機３１１によって圧縮された中間圧縮空気３０１は、圧縮側中間熱交換器３８１を通過することで、副流空気供給手段３４０であるファン３４１の外周部から供給される副流空気３０２によって冷却される。
このことで、高圧空気圧縮機３１２によって圧縮される圧縮空気３０４の温度の上昇を抑えられ、燃焼室３６０の耐圧、耐熱性を強化することなく、より多くの燃料の燃焼が可能となり、ガスタービン装置自体の大型化、複雑化を抑制して出力を向上させることが可能となる。
さらに、圧縮側中間熱交換器３８１を通過して中間圧縮空気３０１によって加熱された副流空気３０２がエジェクタ３５０に導入されることで、排気ガス３０３の吸引力が向上して低圧タービン３２２の出口圧力が減少し、低圧タービン３２２のタービン膨張比（低圧タービン３２２の入口圧力と出口圧力の比）が増加し、低圧タービン３２２の回転出力が向上する。

このことで、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を奏するとともに、航空機用のいわゆるターボファンエンジンを少ない改造で、耐圧力や耐温度を強化することなく定置型のガスタービン装置に転用することが可能となる。

本発明の第４実施形態に係るタービン装置４００においては、図５に示すように、上記の基本的構造に加えて、第３実施形態と同様に、中間圧縮空気４０１を冷却する圧縮側中間熱交換器４８１と、該圧縮側中間熱交換器４８１を通過した副流空気４０２によって低圧タービン４２２から排出される排気ガス４０３を吸引するエジェクタ手段４５０が設けられ、該エジェクタ手段４５０の後流に副流空気４０２と排気ガス４０３の混合気４０８を排出する排気デバイス４９０が設けられている。
エジェクタ手段４５０は、第１実施形態のエジェクタ手段１５０と同様である。
本実施形態では、さらに、高圧空気圧縮機４１２で圧縮された圧縮空気４０４を加熱する高圧側熱交換器４８２と、圧縮側中間熱交換器４８１を通過した副流空気４０２を加熱する排気側熱交換器４８３が設けられている。

以上の構成により、本実施形態では、前記の第３実施形態に係るガスタービン装置３００の作用、効果に加え、高圧空気圧縮機４１２によって圧縮された圧縮空気４０４が高圧側熱交換器４８２を通過することで、低圧タービン４２２から排出される排気ガス４０３によって加熱されるため、排気ガス４０３に残存する熱エネルギーを圧縮空気４０４に移動させて高圧タービン４２１および低圧タービン４２２で該エネルギーを再利用可能となり、全体の熱効率を向上させることができる。

さらに、高圧側熱交換器４８２を通過した排気ガス４０３は排気側熱交換器４８３に導入され、圧縮側中間熱交換器４８１を通過して中間圧縮空気４０１によって加熱された副流空気４０２を排気側熱交換器４８３でさらに加熱される。
この副流空気４０２がエジェクタ４５０に導入されることで、排気ガス４０３の吸引力がさらに向上して低圧タービン４２２の出口圧力がさらに減少し、低圧タービン４２２のタービン膨張比（低圧タービン４２２の入口圧力と出口圧力の比）が増加し、低圧タービン４２２の回転出力がさらに向上する。

このことで、装置全体の大型化、複雑化を抑制しつつ、排気ガス４０３に残存する排熱エネルギーを再利用することで、さらに出力が向上するとともに、さらに効率の低下を抑制し、条件によって効率を向上させることも可能となる。
また、第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、上記動作は耐圧力や耐温度を強化させずに行うことが可能なため、装置全体の大型化、複雑化が抑制され、また、全て外気のみを導入して行うものであり、水や水蒸気を使用しないため、水の循環系統の設備が不要であり、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。

本発明の第５実施形態であるガスタービン装置５００においては、図６に示すように、前述した本発明の第１、第２および第５実施形態に係るガスタービン装置１００、２００、５００の基本構造に加えて、空気圧縮機５１０が中間圧縮空気５０１を排出する低圧空気圧縮機５１１と中間圧縮空気５０１を吸入して圧縮空気５０４を排出する高圧空気圧縮機５１２の２段に分割されている。
また、副流空気５０２を供給する副流空気供給部として副流空気取入口５４３と、中間圧縮空気５０１を副流空気５０２で冷却する圧縮側中間熱交換器５８１と、該圧縮側中間熱交換器５８１を通過した副流空気５０２をタービン５２０から排出される排気ガス５０３によって吸引するエジェクタ手段５５０が設けられ、該エジェクタ手段５５０の後流に副流空気５０２と排気ガス５０３の混合気５０８を排出する排気デバイス５９０が設けられている。
副流空気取入口５４３は、外気を少ない抵抗で取り込み可能であれば設備のいかなる場所に設けられても良い。
エジェクタ手段５５０は、第１実施形態のエジェクタ手段１５０と同様の構造であり、排気ガス５０３によって副流空気５０２が効率良く吸引されるように設定されている。

以上の構成により、低圧空気圧縮機５１１によって圧縮された中間圧縮空気５０１は、圧縮側中間熱交換器５８１を通過することで、副流空気取入口５４３から吸引される副流空気５０２によって冷却される。
このことで、高圧空気圧縮機５１２によって圧縮される圧縮空気５０４の温度の上昇を抑えられ、燃焼室５６０の耐圧、耐熱性を強化することなく、より多くの燃料の燃焼が可能となり、ガスタービン装置自体の大型化、複雑化を抑制して出力を向上させることが可能となる。
また、排気ガス５０３はノズル部１５１で加速されるとともに、副流空気５０２もそれよりやや低い速度まで加速され、ミキサ部１５２で混合されることにより排気ガス５０３によって副流空気５０２が吸引される。

また、上記中間圧縮空気５０１による出力の向上のための副流空気５０２が、排気ガス５０３に吸引されるため、余分なエネルギーを消費することなく負荷機器５７０を駆動する出力を向上させることが可能であり、エジェクタ手段５５０のない従来のガスタービン装置と比べて大型化することなく出力向上を図ることが可能となる。
また、これらの動作は全て外気のみを導入して行うものであり、水や水蒸気を使用しないため、水の循環系統の設備が不要であり、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。
なお、エジェクタ手段５５０は、排気ガス５０３によって副流空気５０２を吸引することができるものであれば、ターボ機械等の別の構成であっても良い。

本発明の第６実施形態であるガスタービン装置６００は、２段２軸式であって、その基本的構造は一般的な２段２軸式のガスタービン装置の構造である。
すなわち、図７に概略的に示すように、空気圧縮機６１０が低圧空気圧縮機６１１と高圧空気圧縮機６１２の２段で構成され、タービン６２０が低圧タービン６２２と高圧タービン６２１の２段で構成されており、低圧側回転軸６３１と高圧側回転軸６３２の２軸を有している。
低圧側回転軸６３１には、低圧空気圧縮機６１１と低圧タービン６２２が設けられ、高圧側回転軸６３２には、高圧空気圧縮機６１２と高圧タービン６２１が設けられている。
高圧空気圧縮機６１２と高圧タービン６２１の間には燃焼室６６０が設けられている。
低圧側回転軸６３１と高圧側回転軸６３２は同軸に設けられ、低圧側回転軸６３１が出力軸６３０として発電機等の負荷機器６７０が駆動される。

また、本発明の第６実施形態に係るガスタービン装置６００の基本的な動作も一般的な２段２軸式のガスタービン装置の動作と類似のものである。
すなわち、外気６０７が低圧空気圧縮機６１１によって吸入圧縮されて中間圧縮空気６０１として排出され、該中間圧縮空気６０１が、さらに高圧空気圧縮機６１２によって圧縮されて圧縮空気６０４となる。
圧縮空気６０４は燃焼室６６０に供給され、該燃焼室６６０内に燃料６６１を噴射して燃焼させ、その燃焼ガス６０６が高圧タービン６２１に供給されて該高圧タービン６２１を駆動する。

この高圧タービン６２１の駆動力は、高圧側回転軸６３２を介して高圧空気圧縮機６１２にのみ伝達される。
高圧タービン６２１から排出される中間膨張ガス６０５は、低圧タービン６２２に供給されて該低圧タービン６２２を駆動し、排気ガス６０３として排出される。
この低圧タービン６２２の駆動力は、低圧側回転軸６３１（出力軸６３０）を介して低圧空気圧縮機６１１および負荷機器６７０に伝達される。

本発明の第６実施形態に係るタービン装置６００においては、図７に示すように、上記の基本的構造に加えて、中間圧縮空気６０１を冷却する圧縮側中間熱交換器６８１と、該圧縮側中間熱交換器６８１を通過した副流空気６０２を、低圧タービン６２２から排出される排気ガス６０３によって吸引するエジェクタ手段６５０が設けられ、該エジェクタ手段６５０の後流に副流空気６０２と排気ガス６０３の混合気６０８を排出する排気デバイス６９０が設けられている。
エジェクタ手段６５０は、第１実施形態のエジェクタ手段１５０と同様である。
本実施形態では、さらに、高圧空気圧縮機６１２で圧縮された圧縮空気６０４を排気ガス６０３によって加熱する高圧側熱交換器６８２が設けられている。

以上の構成により、本実施形態では、前記の第５実施形態に係るガスタービン装置５００の作用、効果に加え、高圧空気圧縮機６１２によって圧縮された圧縮空気６０４が高圧側熱交換器６８２を通過することで、低圧タービン６２２から排出される排気ガス６０３によって加熱されるため、排気ガス６０３に残存する熱エネルギーを圧縮空気６０４に移動させて高圧タービン６２１および低圧タービン６２２で該エネルギーを再利用可能となり、全体の熱効率を向上させることができる。

このことで、装置全体の大型化、複雑化を抑制しつつ、排気ガス６０３に残存する排熱エネルギーを再利用することで、さらに出力が向上するとともに、さらに効率の低下を抑制し、条件によって効率を向上させることも可能となる。
また、第１実施形態乃至第５実施形態と同様に、上記動作は耐圧力や耐温度を強化させずに行うことが可能なため、装置全体の大型化、複雑化が抑制され、また、全て外気のみを導入して行うものであり、水や水蒸気を使用しないため、水の循環系統の設備が不要であり、メンテナンスが容易であり、関連設備の大型化、複雑化が抑制される。

本発明は、定置式のタービン装置に好適であり、特に小規模なビル等の自家発電や非常用発電等に用いられ、高効率化、高出力化と同時に小型化、簡素化も強く要求されている用途に好適である。
また、副流空気供給部をタービンの出力軸により駆動される副流空気供給手段とする場合には、低圧空気圧縮機の前方に一体に設けられたファンの外周部で構成することが可能なため、航空エンジン転用型の定置式タービン装置として使用する場合の改造のコストも抑制することでき好適である。

１００、２００、３００、４００、５００、６００ ・・・ ガスタービン装置
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１ ・・・ 中間圧縮空気
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２ ・・・ 副流空気
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３ ・・・ 排気ガス
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４ ・・・ 圧縮空気
３０５、４０５、 ６０５ ・・・ 中間膨張ガス
１０６、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６ ・・・ 燃焼ガス
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７ ・・・ 外気
１０８、２０８、３０８、４０８、５０８、６０８ ・・・ 混合気
２０９、３０９、４０９ ・・・ 主流空気
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０ ・・・ 空気圧縮機
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１ ・・・ 低圧空気圧縮機
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２ ・・・ 高圧空気圧縮機
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０ ・・・ タービン
３２１、４２１、 ６２１ ・・・ 高圧タービン
３２２、４２２、 ６２２ ・・・ 低圧タービン
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０ ・・・ 出力軸
３３１、４３１、 ６３１ ・・・ 低圧側回転軸
３３２、４３２、 ６３２ ・・・ 高圧側回転軸
１４０、２４０、３４０、４４０ ・・・ 副流空気供給手段
２４１、３４１、４４１ ・・・ ファン
１４２ ・・・ 伝動手段
５４３、６４３ ・・・ 副流空気取入口
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０ ・・・ エジェクタ手段
１５１ ・・・ ノズル部
１５２ ・・・ ミキサ部
１６０、２６０、３６０、４６０、５６０、６６０ ・・・ 燃焼室
１６１、２６１、３６１、４６１、５６１、６６１ ・・・ 燃料
１７０、２７０、３７０、４７０、５７０、６７０ ・・・ 負荷機器
１８１、２８１、３８１、４８１、５８１、６８１ ・・・ 圧縮側中間熱交換器
４８２、 ６８２ ・・・ 高圧側熱交換器
４８３ ・・・ 排気側熱交換器
１９０、２９０、３９０、４９０、５９０、６９０ ・・・ 排気デバイス
１９１ ・・・ ディフューザ

Claims (9)

1. 空気圧縮機、燃焼室、タービンおよび排気デバイスを有するガスタービン装置であって、
   前記タービンと排気デバイスの間に、副流空気供給部から供給される副流空気とタービンから排気される排気ガスを混合するエジェクタ手段を設け、
   前記空気圧縮機が複数段に分割され、
   該分割された中間の中間圧縮空気が通過する圧縮側中間熱交換器が設けられ、
   前記副流空気が、該圧縮側中間熱交換器を通過して前記中間圧縮空気を冷却することを特徴とするガスタービン装置。
2. 前記エジェクタ手段が、前記副流空気の流速を加速するノズル部と、該ノズル部の後流で前記副流空気と排気ガスを混合するミキサ部とを有し、
   前記排気デバイスが、前記ミキサ部の後流に設けられ、前記副流空気と排気ガスの混合気の流速を減速するディフューザで構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン装置。
3. 前記ノズル部が、前記排気ガスの流速を加速するよう構成されることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン装置。
4. 前記副流空気部が、前記タービンの出力軸により直接あるいは伝動手段を介して駆動される副流空気供給手段からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスタービン装置。
5. 前記副流空気供給手段が、前記空気圧縮機の前段に設けられた吸入圧縮機で構成され、
   該吸入圧縮機の後流が、前記副流空気と前記空気圧縮機に吸入される主流空気に分流されることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン装置。
6. 前記吸入圧縮機が、前記空気圧縮機の前段に同軸に設けられたファンで構成され、
   該ファンの外周部が、前記副流空気供給手段として機能することを特徴とする請求項５に記載のガスタービン装置。
7. 前記空気圧縮機が、低圧空気圧縮機と高圧空気圧縮機の２段からなり、
   前記タービンが、低圧タービンと高圧タービンの２段からなり、
   前記低圧空気圧縮機と低圧タービンが低圧側回転軸に設けられ、
   前記高圧空気圧縮機と高圧タービンが高圧側回転軸に設けられ、
   前記低圧側回転軸が、負荷を駆動する出力軸であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のガスタービン装置。
8. 前記空気圧縮機と燃焼室の間に圧縮空気が通過する高圧側熱交換器が設けられ、
   前記タービンから排気される排気ガスが、前記高圧側熱交換器を通過して圧縮空気を加熱した後、前記エジェクタ手段に達するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のガスタービン装置。
9. 前記副流空気が通過する排気側熱交換器が設けられ、
   前記タービンから排気される排気ガスが、前記排気側熱交換器を通過して副流空気を加熱した後、前記エジェクタ手段に達するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のガスタービン装置。

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