JP2017137858A - マイクロガスタービンシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】熱効率を高めるのに有利なマイクロガスタービンシステムを提供する。【解決手段】本開示のマイクロガスタービンシステム（１０ａ）は、マイクロガスタービン装置（１ａ）と、抽気サイクル装置（２）とを備えている。マイクロガスタービン装置（１ａ）は、第一圧縮機（１１）、燃焼器（１５）、及び第一タービン（１２）を含む。第一タービン（１２）は、燃焼器（１５）で発生した燃焼ガスを膨張させる。抽気サイクル装置（２）は、第二圧縮機（２１）及び第二タービン（２２）を含む。第二圧縮機（２１）は、第一圧縮機（１１）から吐出された作動流体の一部を抜き出すことによって発生した抽気を流入させる。第二タービン（２２）は、第二圧縮機（２１）から吐出された作動流体を膨張させる。第二タービン（２２）から吐出された作動流体が第一タービン（１２）を冷却する。【選択図】図１
Description
本開示は、マイクロガスタービンシステムに関する。
従来、低温熱源を得ることができる小型ガスタービン装置が知られている。例えば、特許文献１には、図７に示す通り、小型ガスタービン装置３００が記載されている。小型ガスタービン装置３００は、第１コンプレッサ３０３と第１膨張タービン３０７とから構成される第１回転機構に加えて、第２コンプレッサ３１３及び第２膨張タービン３１６からなる第２回転機構を備えている。第２コンプレッサ３１３は、第１コンプレッサ３０３で圧縮され出力された空気の一部を受け入れて圧縮する。第２膨張タービン３１６は、第２コンプレッサ３１３にて圧縮された空気を膨張させる。第２膨張タービン３１６の排気を低温熱源として利用できる。
また、特許文献２には、図８に示す通り、車両への搭載に適したガスタービンシステム５００が記載されている。ガスタービンシステム５００は、ガスタービン装置５０２と、冷却流体生成装置５０５と、空調ユニット５０６と、熱交換器５０７とを備えている。ガスタービン装置５０２は、第１シャフト５２２により連結された第１圧縮機５２１及び第１膨張タービン５２３と、燃焼器５２６と、再生熱交換器５２７とを含む。さらに、ガスタービン装置５０２は、第１シャフト５２２に連結された発電機５２４を含む。冷却流体生成装置５０５は、第２シャフト５５２により互いに連結された第２圧縮機５５１及び第２膨張タービン５５３と、冷却器５５５と、水分離器５５６とを含む。さらに、冷却流体生成装置５０５は、第２シャフト５５２に連結された発電機５５４を含む。冷却流体生成装置５０５には、冷却器５５５よりも上流側に、気化器５５７が設けられている。空調ユニット５０６は、混合器５６２と、ブロア５６１とを含む。
第１圧縮機５２１は、大気中から取り込まれた空気を吸入して圧縮する。第１圧縮機５２１から吐出された高圧の空気は、再生熱交換器５２７に流入した後に、燃焼器５２６に流入する。燃焼器５２６で発生した燃焼ガスは、第１膨張タービン５２３に流入し、ここで膨張して大気圧程度まで圧力が減少する。第１膨張タービン５２３から吐出された燃焼ガスは、再生熱交換器５２７に流入する。再生熱交換器５２７では、燃焼ガスと燃焼器５２６に流入する前の高圧の空気との間で熱交換が行われる。第２圧縮機５５１には、第１圧縮機５２１により昇圧された空気（抽気）をガスタービン装置５０２から抜き出すための抽気路５０４の一端が接続されている。第２圧縮機５５１は、抽気を吸入して圧縮する。第２圧縮機５５１から吐出された高圧の空気は、気化器５５７及び冷却器５５５を通過する。気化器５５７では、燃料の蒸発熱により第２圧縮機５５１から吐出された高圧の空気の温度が低下する。冷却器５５５から流出した高圧の空気は、第２膨張タービン５５３に流入し、ここで膨張して大気圧程度まで圧力が減少する。第２膨張タービン５５３での空気の膨張により、冷気（冷却流体）が生成される。第２膨張タービン５５３から吐出された空気は、水分離器５５６を通過した後に、空調ユニット５０６に送られる。水分離器５５６は、第２膨張タービン５５３から吐出された空気から水分を分離する。
第２膨張タービン５５３から吐出された空気は、混合器５６２においてブロア５６１から供給された空気と混合されて、所望の温度に調整される。この調整空気が熱交換器５０７に送られる。熱交換器５０７は、混合器５６２から流出した調整空気と上述した再生熱交換器５２７から流出した燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより、混合器５６２から流出した調整空気を空調に適した温度に加熱する。そして、熱交換器５０７で加熱された空気が車室内に供給される。ただし、冷房時には、空調ユニット５０６で空調要求温度に応じた温度に調整した調整空気を、熱交換器５０７を経由せずに車室内に直接供給することもできる。このように、ガスタービンシステム５００において、第２膨張タービン５５３から吐出された空気が車室内の空調に利用されている。
特許文献１及び２に記載の技術は、熱効率を高める観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、熱効率を高めるのに有利なマイクロガスタービンシステムを提供する。
本開示は、
作動流体を流入させて圧縮する第一圧縮機、前記第一圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼ガスを生成する燃焼器、及び第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結され、前記燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させる第一タービンを含むマイクロガスタービン装置と、
前記第一圧縮機から吐出された前記作動流体の一部である抽気を流入させ、流入した前記抽気を作動流体として圧縮する第二圧縮機及び第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結され、前記第二圧縮機から吐出された前記作動流体を膨張させる第二タービンを含む抽気サイクル装置と、を備え、
前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンで膨張して前記第二タービンから吐出された前記作動流体を用いて、前記第一タービンの少なくとも一部を冷却し、又は、前記第一圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却する、
マイクロガスタービンシステムを提供する。
作動流体を流入させて圧縮する第一圧縮機、前記第一圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼ガスを生成する燃焼器、及び第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結され、前記燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させる第一タービンを含むマイクロガスタービン装置と、
前記第一圧縮機から吐出された前記作動流体の一部である抽気を流入させ、流入した前記抽気を作動流体として圧縮する第二圧縮機及び第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結され、前記第二圧縮機から吐出された前記作動流体を膨張させる第二タービンを含む抽気サイクル装置と、を備え、
前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンで膨張して前記第二タービンから吐出された前記作動流体を用いて、前記第一タービンの少なくとも一部を冷却し、又は、前記第一圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却する、
マイクロガスタービンシステムを提供する。
上記のマイクロガスタービンシステムは、熱効率を高めるうえで有利である。
＜本発明者らの検討に基づく知見＞
特許文献１には、第２膨張タービン３１６の排気を低温熱源として利用できることが記載されているものの、第２膨張タービン３１６の排気の利用方法に関する具体的な検討はなされていない。また、特許文献２には、第２膨張タービン５５３での空気の膨張により生成された冷気を車両の空調に利用することは記載されているものの、その冷気を車両の空調以外の用途に利用することは検討されていない。
特許文献１には、第２膨張タービン３１６の排気を低温熱源として利用できることが記載されているものの、第２膨張タービン３１６の排気の利用方法に関する具体的な検討はなされていない。また、特許文献２には、第２膨張タービン５５３での空気の膨張により生成された冷気を車両の空調に利用することは記載されているものの、その冷気を車両の空調以外の用途に利用することは検討されていない。
ガスタービンは、ガスタービン入口温度（ガスタービンに流入する燃焼ガスの温度）が高くなるほど、高い熱効率を発揮する。しかし、ガスタービン入口温度が高すぎると、燃焼ガスの流れにおいて燃焼器より下流に位置するタービンが焼損する可能性がある。そこで、大型のガスタービンでは、作動流体を用いてタービンを冷却することによりタービンの焼損を防いでいる。大型のガスタービンは、多くの場合、多段の軸流圧縮機と多段の軸流タービンとを備えている。この場合、冷却対象のタービンを流れる作動流体の圧力に適した圧縮機から特定の割合の作動流体を抽気し、抽気された作動流体が燃焼器をバイパスして抽気の圧力に適したタービンに流入することによりタービンが冷却される。例えば、多段の軸流タービンのうち燃焼器の直後に配置された高圧のタービンは、多段の軸流圧縮機において後段側に位置する高圧段より抽気された作動流体を高圧のタービンに流入させることにより冷却される。この場合、必要に応じて、高圧段より抽気された作動流体が冷却される。また、例えば、多段の軸流タービンの後段側に存在する低圧のタービンの冷却は、多段の軸流圧縮機の前段側に位置する低圧段より抽気された作動流体を低圧のタービンに流入させることにより冷却される。なぜなら、低圧タービンを通過する作動流体の状態量が高圧タービンを通過する作動流体よりも低圧になるからである。
一方、マイクロガスタービンは、発電出力が概ね２００ｋＷ以下であり、回転数が毎分８０，０００〜１２０，０００回の高速発電機を備えた小型且つ簡易な構造を有する安価な超小型ガスタービンであり、平易な取扱いにより発電を行う用途に通常用いられる。マイクロガスタービンは、大型のガスタービンとは異なり、製造コストの低廉化及び寸法の極小化を図る必要性が極めて高いので、典型的には、遠心圧縮機及びラジアルタービンにより単段の圧縮機及び単段のタービンによって構成される。マイクロガスタービンを用いて専ら発電を行う場合、大型のガスタービンと同様に、熱効率を向上させるためにタービン入口温度を高める必要がある。しかし、マイクロガスタービンにおけるタービン入口温度は、大型のガスタービンのタービン入口温度と比較すると低く抑えられている。なぜなら、マイクロガスタービンでは、大型のガスタービンのようにタービンの冷却が行われていないからである。マイクロガスタービンにおいてタービンの冷却が行われていない理由の一つとして、遠心圧縮機の特性を挙げることができる。遠心圧縮機は、軸流圧縮機と比較して、単一の段で高い圧力比を実現しやすい。しかし、同一吸込み条件かつ同一の圧力比の遠心圧縮機と軸流圧縮機とを対比した場合、遠心圧縮機の作動流体の質量流量は軸流圧縮機の作動流体の質量流量よりも小さくなりやすい。このため、遠心圧縮機を通過した作動流体の一部をタービンの冷却のために抽気してしまうと、タービンの出力が不足してマイクロガスタービンにおいて所望のサイクル効率を維持できない。遠心圧縮機を通過した作動流体の一部をタービンの冷却のために抽気するとしても抽気される作動流体の流量は低くならざるを得ない。また、従来のマイクロガスタービンは、抽気された作動流体をタービンを冷却するために適切に冷却する装置又は構造を備えていない。これらの理由により、仮に遠心圧縮機を通過した作動流体の一部を抽気しても、抽気された作動流体は、タービンを冷却するのに必要な流量、流速、圧力、及び温度を有さず、タービンを適切に冷却することはできないと考えられていた。しかし、本発明者らは、抽気サイクル装置におけるタービンから吐出された作動流体を用いてマイクロガスタービンのタービンの部品を冷却することが可能であることを見出した。また、本発明者らは、抽気サイクル装置におけるタービンから吐出された作動流体を用いたマイクロガスタービンのタービンの部品の冷却により、マイクロガスタービンシステムの熱効率を飛躍的に高めることができることを見出した。加えて、本発明者らは、抽気サイクル装置におけるタービンから吐出された作動流体を用いて、マイクロガスタービンの圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却することによってもマイクロガスタービンシステムの熱効率を高めることができることを見出した。本開示のマイクロガスタービンシステムは、本発明者らのこのような知見に基づいて案出されたものである。
本開示の第１態様は、作動流体を流入させて圧縮する第一圧縮機、前記第一圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼ガスを生成する燃焼器、及び第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結され、前記燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させる第一タービンを含むマイクロガスタービン装置と、
前記第一圧縮機から吐出された前記作動流体の一部である抽気を流入させ、流入した前記抽気を作動流体として圧縮する第二圧縮機及び第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結され、前記第二圧縮機から吐出された前記作動流体を膨張させる第二タービンを含む抽気サイクル装置と、を備え、
前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンで膨張して前記第二タービンから吐出された前記作動流体を用いて、前記第一タービンの少なくとも一部を冷却し、又は、前記第一圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却する、
マイクロガスタービンシステムを提供する。
前記第一圧縮機から吐出された前記作動流体の一部である抽気を流入させ、流入した前記抽気を作動流体として圧縮する第二圧縮機及び第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結され、前記第二圧縮機から吐出された前記作動流体を膨張させる第二タービンを含む抽気サイクル装置と、を備え、
前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンで膨張して前記第二タービンから吐出された前記作動流体を用いて、前記第一タービンの少なくとも一部を冷却し、又は、前記第一圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却する、
マイクロガスタービンシステムを提供する。
本開示の第１態様の別の表現は、
マイクロガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる第１の経路と、
前記第１の経路上に現われる第一圧縮機と、
前記第１の経路上に現れ、第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結されている前記第一タービンと、
前記第１の経路上における前記第一圧縮機と前記第一タービンとの間に現われる燃焼器と、
前記作動流体が流れ、前記第１経路上における前記第一圧縮機と前記燃焼器との間に位置する分岐点から分岐する、第２の経路と、
前記第２の経路上に現われる第二圧縮機と、
前記第２の経路上に現われ、第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結されている第二タービンと、を備え、
前記第一タービンは、
前記第一シャフトに回転可能に固定されたタービンホイールと、
前記タービンホイールの半径方向外側に位置し、前記タービンホイールの周囲に配置されているノズル翼を有し、
前記ノズル翼は内部に経路を規定しており、
前記経路は前記第２の経路を構成し、
前記ノズル翼は、前記第二タービンを通過した前記作動流体によって冷却される、ものである。
マイクロガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる第１の経路と、
前記第１の経路上に現われる第一圧縮機と、
前記第１の経路上に現れ、第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結されている前記第一タービンと、
前記第１の経路上における前記第一圧縮機と前記第一タービンとの間に現われる燃焼器と、
前記作動流体が流れ、前記第１経路上における前記第一圧縮機と前記燃焼器との間に位置する分岐点から分岐する、第２の経路と、
前記第２の経路上に現われる第二圧縮機と、
前記第２の経路上に現われ、第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結されている第二タービンと、を備え、
前記第一タービンは、
前記第一シャフトに回転可能に固定されたタービンホイールと、
前記タービンホイールの半径方向外側に位置し、前記タービンホイールの周囲に配置されているノズル翼を有し、
前記ノズル翼は内部に経路を規定しており、
前記経路は前記第２の経路を構成し、
前記ノズル翼は、前記第二タービンを通過した前記作動流体によって冷却される、ものである。
本開示の第１態様の更なる別の表現は、
マイクロガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる第１の経路と、
前記第１の経路上に現われる第一圧縮機と、
前記第１の経路上に現れ、第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結されている前記第一タービンと、
前記第１の経路上における前記第一圧縮機と前記第一タービンとの間に現われる燃焼器と、
前記作動流体が流れ、前記第１経路上における前記第一圧縮機と前記燃焼器との間に位置する分岐点から分岐する、第２の経路と、
前記第２の経路上に現われる第二圧縮機と、
前記第２の経路上に現われ、第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結されている第二タービンと、
前記第１の経路の第一部分及び前記第２の経路の第二部分とを跨いで存在する熱交換器とを備え、
前記第１の経路の前記第一部分は、前記第１の経路における前記第一圧縮機の前記作動流体の流れ方向上流側に位置し、
前記第２の経路の前記第二部分は、前記第２の経路における前記第二タービンの前記作動流体の流れ方向下流側に位置する、ものである。
マイクロガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる第１の経路と、
前記第１の経路上に現われる第一圧縮機と、
前記第１の経路上に現れ、第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結されている前記第一タービンと、
前記第１の経路上における前記第一圧縮機と前記第一タービンとの間に現われる燃焼器と、
前記作動流体が流れ、前記第１経路上における前記第一圧縮機と前記燃焼器との間に位置する分岐点から分岐する、第２の経路と、
前記第２の経路上に現われる第二圧縮機と、
前記第２の経路上に現われ、第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結されている第二タービンと、
前記第１の経路の第一部分及び前記第２の経路の第二部分とを跨いで存在する熱交換器とを備え、
前記第１の経路の前記第一部分は、前記第１の経路における前記第一圧縮機の前記作動流体の流れ方向上流側に位置し、
前記第２の経路の前記第二部分は、前記第２の経路における前記第二タービンの前記作動流体の流れ方向下流側に位置する、ものである。
本開示の第１態様の更なる別の表現は、
マイクロガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる第１の経路と、
前記第１の経路上に現われる第一圧縮機と、
前記第１の経路上に現れ、第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結されている前記第一タービンと、
前記第１の経路上における前記第一圧縮機と前記第一タービンとの間に現われる燃焼器と、
前記作動流体が流れ、前記第１経路上における前記第一圧縮機と前記燃焼器との間に位置する分岐点から分岐する、第２の経路と、
前記第２の経路上に現われる第二圧縮機と、
前記第２の経路上に現われ、第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結されている第二タービンと、
前記第１の経路及び前記第２の経路は、合流点において合流し、
前記合流点は、前記第１の経路において前記第一圧縮機の前記作動流体の流れ方向上流側に位置し、かつ前記第２の経路において、前記第二タービンの前記作動流体の流れ方向下流側に位置している、ものである。
マイクロガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる第１の経路と、
前記第１の経路上に現われる第一圧縮機と、
前記第１の経路上に現れ、第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結されている前記第一タービンと、
前記第１の経路上における前記第一圧縮機と前記第一タービンとの間に現われる燃焼器と、
前記作動流体が流れ、前記第１経路上における前記第一圧縮機と前記燃焼器との間に位置する分岐点から分岐する、第２の経路と、
前記第２の経路上に現われる第二圧縮機と、
前記第２の経路上に現われ、第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結されている第二タービンと、
前記第１の経路及び前記第２の経路は、合流点において合流し、
前記合流点は、前記第１の経路において前記第一圧縮機の前記作動流体の流れ方向上流側に位置し、かつ前記第２の経路において、前記第二タービンの前記作動流体の流れ方向下流側に位置している、ものである。
第１態様によれば、第二タービンで膨張して第二タービンから吐出された作動流体を用いて、第一タービンの少なくとも一部を冷却し、又は、第一圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却する。第二タービンで膨張して第二タービンから吐出された作動流体を用いて第一タービンの少なくとも一部を冷却する場合、第一タービンのタービン入口温度を高めやすく、その結果、マイクロガスタービンシステムの熱効率を高めることができる。また、第二タービンで膨張して第二タービンから吐出された作動流体を用いて第一圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却する場合、第一圧縮機に吸入される作動流体の温度が低い。これにより、第一圧縮機の運転に必要な動力が小さくなる。その結果、マイクロガスタービンシステムの熱効率を高めることができる。このように、第１態様のマイクロガスタービンシステムは、熱効率を高めるうえで有利である。
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記第二タービンは、前記第一タービンを流れる前記燃焼ガスの少なくとも一部の圧力よりも高い圧力の前記作動流体を吐出し、前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンから吐出された前記高い圧力の前記作動流体を用いて、前記第一タービンの少なくとも一部を冷却する、マイクロガスタービンシステムを提供する。第２態様によれば、第二タービンから吐出された高い圧力の作動流体を用いて第一タービンの少なくとも一部を冷却するので、第一タービンのタービン入口温度を高めやすい。また、第二タービンは、第一タービンを流れる燃焼ガスの少なくとも一部の圧力よりも高い圧力の作動流体を吐出するので第二タービンから吐出された作動流体を燃焼ガスの流れに流出させることができる。
本開示の第３態様は、第２態様に加えて、前記第一タービンは、前記第一シャフトに固定されたタービンホイールと、前記タービンホイールの半径方向外側で前記タービンホイールの周囲に配置されているノズル翼を有するタービンノズルとを含むラジアルタービンであり、前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンから吐出された前記高い圧力の前記作動流体を用いて、前記ノズル翼を冷却する、マイクロガスタービンシステムを提供する。第３態様によれば、ラジアルタービンのタービンノズルのノズル翼が冷却されるので、第一タービンのタービン入口温度を高めやすい。
本開示の第４態様は、第３態様に加えて、前記ノズル翼は、当該ノズル翼の内部に形成された、前記第二タービンから吐出された前記高い圧力の前記作動流体の流路と、当該ノズル翼の内周面から前記タービンホイールを向いている当該ノズル翼の外周面のみに延びて前記流路及び当該ノズル翼の外部に連通しているフィルム冷却流路とを有する、マイクロガスタービンシステムを提供する。第４態様によれば、ノズル翼の内部に形成された流路を流れる作動流体によって、ノズル翼の内周面を衝突冷却できる。フィルム冷却流路は、ノズル翼の内周面からタービンホイールを向いているノズル翼の外周面のみに延びている。タービンホイールを向いているノズル翼の外周面の付近において燃焼ガスの圧力は低くなりやすい。このため、流路を流れる作動流体がフィルム冷却流路を通ってノズル翼の外部に流出しやすい。これにより、ノズル翼の外周面がフィルム冷却されやすい。
本開示の第５態様は、第４態様に加えて、前記第一タービンは、前記流路に連通し、かつ、前記タービンホイールの背面の半径方向の端よりも半径方向内側に位置する前記背面の部分に向かって延びている背面流路をさらに有する、マイクロガスタービンシステムを提供する。第５態様によれば、背面流路を通過した作動流体によってタービンホイールの背面を冷却できる。このため、ラジアルタービンにおけるタービンホイールも冷却されるので、第一タービンのタービン入口温度を高めやすい。
本開示の第６態様は、第１態様に加えて、前記マイクロガスタービン装置は、当該マイクロガスタービン装置における作動流体の流れにおいて前記第一圧縮機の入口よりも上流側に配置され、かつ、前記第一圧縮機に流入されるべき前記作動流体と前記第二タービンから吐出された前記作動流体とを熱交換させる熱交換器をさらに含み、前記第二タービンは、前記第一圧縮機に流入されるべき前記作動流体の温度よりも低い温度を有し、かつ、前記第一圧縮機に流入されるべき前記作動流体の圧力よりも高い圧力を有する前記作動流体を吐出する、マイクロガスタービンシステムを提供する。第６態様によれば、熱交換器において、第一圧縮機に流入されるべき作動流体が第二タービンから吐出された作動流体によって冷却されるので、第一圧縮機に流入されるべき作動流体の温度が低い。このため、第一圧縮機の運転に必要な動力が小さい。その結果、マイクロガスタービンシステムの熱効率を高めることができる。
本開示の第７態様は、第１態様に加えて、前記マイクロガスタービン装置は、当該マイクロガスタービン装置における作動流体の流れにおいて前記第一圧縮機の入口よりも上流側に配置され、かつ、前記マイクロガスタービンシステムの外部から供給される作動流体を前記第二タービンから吐出された前記作動流体と混合させたうえで通過させる混合器をさらに含み、前記第二タービンは、前記マイクロガスタービンシステムの外部から前記混合器に供給された前記作動流体の温度よりも低い温度を有し、かつ、前記マイクロガスタービンシステムの外部から前記混合器に供給された前記作動流体の圧力よりも高い圧力を有する前記作動流体を吐出する、マイクロガスタービンシステムを提供する。第７態様によれば、混合器において、マイクロガスタービンシステムの外部から混合器に供給された作動流体が第二タービンから吐出された作動流体と混合されて冷却されるので、第一圧縮機に流入されるべき作動流体の温度が低い。このため、第一圧縮機の運転に必要な動力が小さい。その結果、マイクロガスタービンシステムの熱効率を高めることができる。
本開示の第８態様は、第１態様〜第７態様のいずれか１つの態様に加えて、前記抽気サイクル装置は、前記第二シャフトにより前記第二タービンに連結された電動機を含み、前記電動機は、負荷の調整により第二タービンの回転数を調整することによって、前記第二タービンから吐出される前記作動流体の圧力を調整する、マイクロガスタービンシステムを提供する。第８態様によれば、抽気サイクル装置の電動機の負荷の調整により、第二タービンから吐出される作動流体の圧力を適切に調整できる。
本開示の第９態様は、第１態様〜第８態様のいずれか１つの態様に加えて、前記作動流体として大気圧の空気を流入させる、マイクロガスタービンシステムを提供する。第９態様によれば、マイクロガスタービンを運転するための作動流体を容易に得ることができる。
本開示の第１０態様は、第１態様〜第９態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一圧縮機は、遠心圧縮機である、マイクロガスタービンシステムを提供する。第１０態様によれば、マイクロガスタービンシステムを小型化しつつ、第１態様〜第９態様について述べた効果を奏することができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示のマイクロガスタービンシステムの一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態に係るマイクロガスタービンシステム１０ａについて説明する。図１に示すように、マイクロガスタービンシステム１０ａは、マイクロガスタービン装置１ａと、抽気サイクル装置２とを備えている。マイクロガスタービン装置１ａは、第一圧縮機１１、燃焼器１５、及び第一タービン１２を含む。第一圧縮機１１は、作動流体を流入させて圧縮する。燃焼器１５は、第一圧縮機１１から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼ガスを生成する。第一タービン１２は、第一シャフト１７により第一圧縮機１１と連結され、燃焼器１５で生成した燃焼ガスを膨張させる。抽気サイクル装置２は、第二圧縮機２１及び第二タービン２２を含む。第二圧縮機２１は、第一圧縮機１１から吐出された作動流体の一部である抽気を流入させ、流入した抽気を作動流体として圧縮する。第二タービン２２は、第二シャフト２７により第二圧縮機２１と連結され、第二圧縮機２１から吐出された作動流体を膨張させる。マイクロガスタービン装置１ａは、第二タービン２２で膨張して第二タービン２２から吐出された作動流体を用いて、第一タービン１２の少なくとも一部を冷却する。これにより、第一タービン１２のタービン入口温度（第一タービン１２に流入する燃焼ガスの温度）を高めることができる。例えば、第一タービン１２の入口温度を１３００Ｋ以上に高めることができる。このため、マイクロガスタービンシステム１０ａは、熱効率を高めるうえで有利である。
まず、第１実施形態に係るマイクロガスタービンシステム１０ａについて説明する。図１に示すように、マイクロガスタービンシステム１０ａは、マイクロガスタービン装置１ａと、抽気サイクル装置２とを備えている。マイクロガスタービン装置１ａは、第一圧縮機１１、燃焼器１５、及び第一タービン１２を含む。第一圧縮機１１は、作動流体を流入させて圧縮する。燃焼器１５は、第一圧縮機１１から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼ガスを生成する。第一タービン１２は、第一シャフト１７により第一圧縮機１１と連結され、燃焼器１５で生成した燃焼ガスを膨張させる。抽気サイクル装置２は、第二圧縮機２１及び第二タービン２２を含む。第二圧縮機２１は、第一圧縮機１１から吐出された作動流体の一部である抽気を流入させ、流入した抽気を作動流体として圧縮する。第二タービン２２は、第二シャフト２７により第二圧縮機２１と連結され、第二圧縮機２１から吐出された作動流体を膨張させる。マイクロガスタービン装置１ａは、第二タービン２２で膨張して第二タービン２２から吐出された作動流体を用いて、第一タービン１２の少なくとも一部を冷却する。これにより、第一タービン１２のタービン入口温度（第一タービン１２に流入する燃焼ガスの温度）を高めることができる。例えば、第一タービン１２の入口温度を１３００Ｋ以上に高めることができる。このため、マイクロガスタービンシステム１０ａは、熱効率を高めるうえで有利である。
第一圧縮機１１は、例えば、作動流体として大気圧の空気を流入させる。第一圧縮機１１は、例えば、遠心圧縮機である。
図１に示すように、マイクロガスタービン装置１ａは、例えば、電動発電機１３をさらに備えている。電動発電機１３は、第一シャフト１７に連結されている。電動発電機１３は、マイクロガスタービン装置１ａの起動時には電動機として機能し、第一シャフト１７を回転させることにより第一圧縮機１１を動作させる。マイクロガスタービン装置１ａは、例えば、再生熱交換器１４をさらに備えている。この場合、第一圧縮機１１から吐出された高圧の作動流体は、再生熱交換器１４に流入する。再生熱交換器１４に流入した作動流体は、再生熱交換器１４において、第一タービン１２を通過した燃焼ガスとの熱交換により加熱される。再生熱交換器１４を通過した作動流体は、燃焼器１５に流入する。
図１に示すように、燃料は、燃料供給路５１を通って燃焼器１５に供給され、燃焼器１５において作動流体中に噴射される。燃焼器１５の内部には、例えばスパーク電極（図示省略）が配置されており、スパーク電極によるスパークにより燃焼器１５において燃焼が生じ、高温の燃焼ガスが発生する。燃料は、例えば、液体燃料又は気体燃料である。液体燃料としては、例えば、ガソリン、灯油、軽油、及び重油等の石油系燃料、メタノール及びエタノール等のアルコール系燃料、並びにアルコール燃料を含有するアルコール系混合燃料を用いることができる。また、気体燃料としては、例えば、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）、ＭＴＢＥ（Methyl Tertiary Butyl Ether）、及び水素などを用いることができる。
燃焼器１５で発生した燃焼ガスは、第一タービン１２に流入し、第一タービン１２において膨張する。第一タービン１２において膨張する燃焼ガスから回転トルクとして動力が発生する。この動力によって第一圧縮機１１が動作するとともに、余剰の動力によって電動発電機１３で発電が行われる。第一タービン１２から吐出された燃焼ガスは、再生熱交換器１４に流入する。上記の通り、再生熱交換器１４において、燃焼器１５に流入する前の高圧の作動流体と燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、燃焼ガスの温度が低下する。再生熱交換器１４から流出した燃焼ガスは、マイクロガスタービン装置１ａの外部に排出される。
第一圧縮機１１から吐出された作動流体の一部が抜き出されることによって抽気が発生する。図１に示すように、抽気は、抽気路５２を通って第二圧縮機２１に供給される。抽気路５２の入口は、第一圧縮機１１の出口と燃焼器１５の作動流体の入口とをつないでいる作動流体の流路の途中に形成されている。マイクロガスタービン装置１ａが再生熱交換器１４を備えている場合、抽気路５２の入口は、典型的には、第一圧縮機１１の出口と再生熱交換器１４の作動流体の入口とをつないでいる作動流体の流路の途中に形成されている。抽気路５２を流れる抽気の流量は特に制限されないが、例えば、第一圧縮機１１から吐出された作動流体の２０質量％〜５０質量％が抽気として抜き出される。
図１に示すように、マイクロガスタービンシステム１０ａは、例えば、中間冷却器１６をさらに備えている。中間冷却器１６は抽気路５２の途中に配置されており、中間冷却器１６において抽気が冷却水などの熱媒体によって冷却される。このため、中間冷却器１６において冷却された低温の抽気が第二圧縮機２１に作動流体として供給される。これにより、第二圧縮機２１を運転するのに必要な動力を小さくできる。
第二圧縮機２１に流入した作動流体は、第二圧縮機２１において圧縮されて第二圧縮機２１から吐出される。図１に示すように、抽気サイクル装置２は、例えば、熱交換器２４をさらに備えている。熱交換器２４において、第二圧縮機２１から吐出された作動流体と燃焼器１５に流入する前の燃料との間の熱交換が行われる。これにより、熱交換器２４を通過することによって作動流体の温度が低下し、第二圧縮機２１から吐出された作動流体が低温高圧の状態に変化する。低温高圧となった作動流体は、第二タービン２２に流入する。第二タービン２２に流入した作動流体の圧力は、第二タービン２２において作動流体が膨張することにより低下する。第二タービン２２から吐出された作動流体を用いて第一タービン１２の少なくとも一部が冷却される。例えば、図１に示すように、第二タービン２２の出口から第一タービン１２の少なくとも一部まで作動流体の流路５３が延びている。
第二タービン２２において作動流体の圧力は低下するものの、第二タービン２２は、例えば、第一タービン１２を流れる燃焼ガスの少なくとも一部の圧力よりも高い圧力の作動流体を吐出する。この場合、マイクロガスタービン装置１ａは、第二タービン２２から吐出された高い圧力の作動流体を用いて、第一タービン１２の少なくとも一部を冷却する。第二タービン２２は、第一タービン１２を流れる燃焼ガスの少なくとも一部の圧力よりも高い圧力の作動流体を吐出するので、第二タービン２２から吐出された作動流体を燃焼ガスの流れに流出させることができる。
図１に示す通り、抽気サイクル装置２は、電動機２３を含む。電動機２３は第二シャフト２７により第二タービン２２に連結されている。電動機２３は、典型的には発電電動機の一部として構成されている。電動機２３は、負荷の調整により第二タービン２２の回転数を調整することによって、第二タービン２２から吐出される作動流体の圧力を調整する。例えば、このような電動機２３の働きにより、第二タービン２２は、第一タービン１２を流れる燃焼ガスの少なくとも一部の圧力よりも高い圧力の作動流体を吐出できる。電動機２３の負荷の調整には、インバーターによる制御などの電動機の負荷の調整方法に関する公知の技術を適用できる。
図２に示す通り、第一タービン１２は、例えば、タービンホイール１２ａ及びタービンノズル１２ｂを含むラジアルタービンである。タービンホイール１２ａは、第一シャフト１７に固定されている。タービンノズル１２ｂは、タービンホイール１２ａの半径方向外側でタービンホイール１２ａの周囲に配置されているノズル翼１２ｃを有する。第一タービン１２は、例えば、ケーシング１２ｊ及びケーシング１２ｋをさらに含む。ケーシング１２ｊの内部にタービンホイール１２ａ及びタービンノズル１２ｂが収容されており、ケーシング１２ｊはタービンホイール１２ａに向かって半径方向内側に燃焼ガスを流すための流路を形成している。第一タービン１２に流入した燃焼ガスは、タービンホイール１２ａに向かってタービンノズル１２ｂを通過して流れる。また、ケーシング１２ｋは、タービンホイール１２ａを通過した燃焼ガスを流すための流路を形成している。燃焼ガスがタービンホイール１２ａを流れることによってタービンホイール１２ａが回転して動力が発生する。マイクロガスタービン装置１ａは、例えば、第二タービン２２から吐出された高い圧力の作動流体を用いて、タービンノズル１２ｂのノズル翼１２ｃを冷却する。これにより、第一タービン１２の入口温度を高めることができる。図２における矢印は、第二タービン２２から吐出された作動流体の流れる方向を概念的に示している。
図３に示す通り、タービンノズル１２ｂは、例えば、タービンノズルリング１９によって形成されている。タービンノズルリング１９は、第一環状板１９ａと、第二環状板１９ｂと、周方向に配置された所定の数のノズル翼１２ｃとを含む。ノズル翼１２ｃは、第一環状板１９ａと第二環状板１９ｂとの間に配置されている。タービンノズルリング１９は、例えば、ケーシング１２ｊに固定されている。これにより、タービンホイール１２ａの半径方向外側でタービンホイール１２ａを取り囲むように所定の数のノズル翼１２ｃが周方向に配置されている。
図４に示す通り、ノズル翼１２ｃは、流路ｒ１と、フィルム冷却流路ｒ２とを有する。流路ｒ１は、ノズル翼１２ｃの内部に形成された、第二タービン２２から吐出された高い圧力の作動流体の流路である。また、フィルム冷却流路ｒ２は、ノズル翼１２ｃの内周面からタービンホイール１２ａを向いているノズル翼１２ｃの外周面のみに延びて流路ｒ１及びノズル翼１２ｃの外部に連通している流路である。ノズル翼１２ｃは、例えば、タービンノズルリング１９の軸線方向に延びる筒状の構造を有する。また、図２に示す通り、ケーシング１２ｊの内部には連通路１８が形成されている。連通路１８によって、ノズル翼１２ｃの内部空間が流路５３に連通している。第一環状板１９ａは、タービンノズルリング１９の周方向及び半径方向において各ノズル翼１２ｃの内部空間と重なる位置に貫通孔を有している。これにより、第二タービン２２から吐出された高い圧力の作動流体が、流路５３、連通路１８、及び第一環状板１９ａの貫通孔を通過して、ノズル翼１２ｃの内部の流路ｒ１に供給される。流路ｒ１に供給された作動流体によってノズル翼１２ｃの内周面が衝突冷却される。また、流路ｒ１に供給された作動流体は、フィルム冷却流路ｒ２を通ってノズル翼１２ｃのタービンホイール１２ａを向いているノズル翼１２ｃの外周面で吐出される。これにより、タービンホイール１２ａを向いているノズル翼１２ｃの外周面がフィルム冷却される。タービンホイール１２ａを向いているノズル翼１２ｃの外周面の付近において燃焼ガスの圧力は低くなりやすいので、流路ｒ１を流れる作動流体がフィルム冷却流路ｒ２を通ってノズル翼１２ｃの外部に流出しやすい。これにより、ノズル翼１２ｃの外周面がフィルム冷却されやすい。
例えば、図３及び図４に示す通り、各ノズル翼１２ｃにおいて、タービンノズルリング１９の軸線方向に並んだ複数のフィルム冷却流路ｒ２の複数のグループがタービンノズルリング１９の周方向に並んでいる。隣り合う２つのフィルム冷却流路ｒ２のグループは、一方のグループのフィルム冷却流路ｒ２がタービンノズルリング１９の軸線方向において他方のグループのフィルム冷却流路ｒ２とずれているように配置されている。これにより、ノズル翼１２ｃの外周面が均一にフィルム冷却されやすい。
図４に示す通り、ノズル翼１２ｃの内部には、例えば、内筒１２ｄが配置されている。流路ｒ１は、内筒１２ｄによってノズル翼１２ｃの内部で二つの空間に隔てられている。内筒１２ｄは複数の貫通孔を有し、これらの貫通孔により、ノズル翼１２ｃの内周面と内筒１２ｄとの外周面との間に形成された空間が内筒１２ｄの内部空間と連通している。第一環状板１９ａは、例えば、タービンノズルリング１９の周方向及び半径方向において各ノズル翼１２ｃの内部に配置された内筒１２ｄの内部空間と重なる位置に貫通孔を有している。このため、流路５３を通過した作動流体の一部は、内筒１２ｄの内部空間に流入した後、内筒１２ｄの貫通孔を通過してノズル翼１２ｃの内周面と内筒１２ｄとの外周面との間に形成された空間に供給される。例えば、流路５３を通過した作動流体の約５０％がノズル翼１２ｃの内周面と内筒１２ｄとの外周面との間に形成された空間に供給される。内筒１２ｄの貫通孔は、例えば、内筒１２ｄの外周面のうちフィルム冷却路ｒ２が形成されていないノズル翼１２ｃの内周面と向かい合っている部分に形成されている。この場合、流路ｒ１に供給された作動流体によってフィルム冷却されにくいノズル翼１２ｃの外周面に対応するノズル翼１２ｃの内周面を衝突冷却できる。このため、衝突冷却とフィルム冷却との組み合わせにより、ノズル翼１２ｃを適切に冷却できる。フィルム冷却流路ｒ２が形成されていないノズル翼１２ｃの外周面の温度は、燃焼ガスによって高くなりやすい。このため、望ましくは、フィルム冷却流路ｒ２が形成されていないノズル翼１２ｃの外周面には、窒化ケイ素などによる断熱コーティング（thermal barrier coating（ＴＢＣ））が形成されている。
図２に示す通り、第一タービン１２は、例えば、背面流路ｒ３をさらに有する。背面流路ｒ３は、流路ｒ１に連通し、かつ、タービンホイール１２ａの背面ｂｆの半径方向の端よりも半径方向内側に位置する背面ｂｆの部分に向かって延びている。このため、背面流路ｒ３を通過した作動流体によってタービンホイール１２ａの背面ｂｆを冷却できる。これにより、ラジアルタービンにおけるタービンホイール１２ａも冷却されるので、第一タービン１２のタービン入口温度を高めやすい。
第一タービン１２は、例えば、バックプレート１２ｍ及び遮熱プレート１２ｎをさらに含む。バックプレート１２ｍによって、第一圧縮機１１と第一タービン１２とが隔てられている。遮熱プレート１２ｎは、タービンホイール１２ａの背面ｂｆと向かい合うように配置されている。背面流路ｒ３の少なくとも一部は、バックプレート１２ｍ及び遮熱プレート１２ｎによって形成されている。第二環状板１９ｂは、タービンノズルリング１９の周方向及び半径方向において各ノズル翼１２ｃの内部空間と重なる位置に貫通孔を有している。例えば、第二環状板１９ｂは、タービンノズルリング１９の周方向及び半径方向において各ノズル翼１２ｃの内部に配置された内筒１２ｄの内部空間と重なる位置に貫通孔を有している。例えば、第二環状板１９ｂに形成された貫通孔によって、背面流路ｒ３が流路ｒ１に連通している。背面流路ｒ３には、流路５３を通過した作動流体の約５０％が流路ｒ１を通過して供給される。遮熱プレート１２ｎの半径方向内側の端部には複数の貫通孔が形成されている。背面流路ｒ３を流れる作動流体は遮熱プレート１２ｎの複数の貫通孔を通過して、タービンホイール１２ａの背面ｂｆに吹き付けられる。これにより、タービンホイール１２ａが衝突冷却される。タービンホイール１２ａの背面ｂｆに吹き付けられた作動流体はタービンホイール１２ａを流れる燃焼ガスに混じって第一タービン１２の外部に吐出される。タービンホイール１２ａの背面ｂｆには、望ましくは、応力低減のためのスカラップが形成されている。
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係るマイクロガスタービンシステム１０ｂについて説明する。マイクロガスタービンシステム１０ｂは、特に説明する場合を除き、マイクロガスタービンシステム１０ａと同様に構成されている。マイクロガスタービンシステム１０ａの構成要素と同一又は対応するマイクロガスタービンシステム１０ｂの構成要素には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、第２実施形態にもあてはまる。
第２実施形態に係るマイクロガスタービンシステム１０ｂについて説明する。マイクロガスタービンシステム１０ｂは、特に説明する場合を除き、マイクロガスタービンシステム１０ａと同様に構成されている。マイクロガスタービンシステム１０ａの構成要素と同一又は対応するマイクロガスタービンシステム１０ｂの構成要素には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、第２実施形態にもあてはまる。
マイクロガスタービンシステム１０ｂは、第二タービン２２で膨張して第二タービン２２から吐出された作動流体を用いて、第一圧縮機１１に流入されるべき作動流体を冷却する。このため、第一圧縮機１１に吸入される作動流体の温度が低い。これにより、第一圧縮機１１の運転に必要な動力が小さくなる。このように、マイクロガスタービンシステム１０ｂは、熱効率を高めるうえで有利である。
図５に示す通り、マイクロガスタービンシステム１０ｂは、マイクロガスタービン装置１ａに代えて、マイクロガスタービン装置１ｂを備えている。マイクロガスタービン装置１ｂは、熱交換器３０をさらに含み、流路５３に代えて流路５５を有する点を除いて、マイクロガスタービン装置１ａと同様に構成されている。熱交換器３０は、マイクロガスタービン装置１ｂにおける作動流体の流れにおいて第一圧縮機１１の入口よりも上流側に配置され、かつ、第一圧縮機１１に流入されるべき作動流体と第二タービン２２から吐出された作動流体とを熱交換させる。第二タービン２２は、第一圧縮機１１に流入されるべき作動流体の温度よりも低い温度を有し、かつ、第一圧縮機１１に流入されるべき作動流体の圧力よりも高い圧力を有する作動流体を吐出する。これにより、第一圧縮機１１に流入されるべき作動流体が第二タービン２２から吐出された作動流体によって冷却される。
流路５５は、第二タービン２２の出口と熱交換器３０とをつないでおり、第二タービン２２から吐出された作動流体を熱交換器３０に供給するための流路である。熱交換器３０は、特に制限されないが、例えばプレート型熱交換器である。
流路５５を通過して熱交換器３０に供給された作動流体は、マイクロガスタービン装置１ｂの外部に排出される。第一圧縮機１１に吸入されるべき作動流体の圧力は、例えば、マイクロガスタービン装置１ｂが置かれた環境の圧力と等しい。例えば、マイクロガスタービン装置１ｂは、大気圧下に置かれており、第一圧縮機１１に吸入されるべき作動流体の圧力が大気圧である。このような場合、第二タービン２２は、第一圧縮機１１に吸入されるべき作動流体の圧力よりも高い圧力の作動流体を吐出する。例えば、抽気サイクル装置２の電動機２３は、負荷の調整により第二タービン２２の回転数を調整する。これにより、第二タービン２２から吐出される作動流体の圧力が流路５５及び熱交換器３０における圧力損失を大気圧に加えた圧力以上となるように調整される。このようにして、第二タービン２２から吐出された作動流体が熱交換器３０に連続的に供給される。
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係るマイクロガスタービンシステム１０ｃについて説明する。マイクロガスタービンシステム１０ｃは、特に説明する場合を除き、マイクロガスタービンシステム１０ａと同様に構成されている。マイクロガスタービンシステム１０ａの構成要素と同一又は対応するマイクロガスタービンシステム１０ｃの構成要素には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、第３実施形態にもあてはまる。
第３実施形態に係るマイクロガスタービンシステム１０ｃについて説明する。マイクロガスタービンシステム１０ｃは、特に説明する場合を除き、マイクロガスタービンシステム１０ａと同様に構成されている。マイクロガスタービンシステム１０ａの構成要素と同一又は対応するマイクロガスタービンシステム１０ｃの構成要素には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、第３実施形態にもあてはまる。
マイクロガスタービンシステム１０ｃは、第二タービン２２で膨張して第二タービン２２から吐出された作動流体を用いて、第一圧縮機１１に流入されるべき作動流体を冷却する。このため、第一圧縮機１１に吸入される作動流体の温度が低い。これにより、第一圧縮機１１の運転に必要な動力が低くなる。このように、マイクロガスタービンシステム１０ｃは、熱効率を高めるうえで有利である。
マイクロガスタービンシステム１０ｃは、マイクロガスタービン装置１ａに代えて、マイクロガスタービン装置１ｃを備えている。マイクロガスタービン装置１ｃは、混合器３１をさらに含み、流路５３に代えて流路５９を有する点を除いて、マイクロガスタービン装置１ａと同様に構成されている。混合器３１は、マイクロガスタービン装置１ｃにおける作動流体の流れにおいて第一圧縮機１１の入口よりも上流側に配置されている。また、混合器３１は、マイクロガスタービンシステム１０ｃの外部から供給される作動流体を第二タービン２２から吐出された作動流体と混合させたうえで通過させる。第二タービン２２は、マイクロガスタービンシステム１０ｃの外部から混合器３１に供給された作動流体の温度よりも低い温度を有する作動流体を吐出する。また、第二タービン２２は、マイクロガスタービンシステム１０ｃの外部から混合器３１に供給された作動流体の圧力よりも高い圧力を有する作動流体を吐出する。これにより、第一圧縮機１１に流入されるべき作動流体の温度が低くなる。このため、第一圧縮機１１を動作させるのに必要な動力が低下し、マイクロガスタービンシステム１０ｃの熱効率が高まる。
例えば、抽気サイクル装置２の電動機２３は、負荷の調整により第二タービン２２の回転数を調整する。これにより、第二タービン２２から吐出される作動流体の圧力が、マイクロガスタービンシステム１０ｃの外部から混合器３１に供給された作動流体の圧力よりも高くなる。これにより、第二タービン２２から吐出される作動流体が混合器３１に連続的に供給される。第二タービン２２から吐出される作動流体の圧力は、例えば、マイクロガスタービンシステム１０ｃの外部から混合器３１に供給された作動流体の圧力の１２０％〜１５０％である。
本開示のマイクロガスタービンシステムは、小規模事業体の定置非常用発電システム並びに移動体用の主発電システム及び補助発電システムなどに適用できる。
１ａ、１ｂ、１ｃ マイクロガスタービン装置
２ 抽気サイクル装置
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ マイクロガスタービンシステム
１１ 第一圧縮機
１２ 第一タービン
１２ａ タービンホイール
１２ｂ タービンノズル
１２ｃ ノズル翼
１５ 燃焼器
１７ 第一シャフト
２１ 第二圧縮機
２２ 第二タービン
２３ 電動機
２７ 第二シャフト
３０ 熱交換器
３１ 混合器
ｂｆ タービンホイールの背面
ｒ１ 流路
ｒ２ フィルム冷却流路
ｒ３ 背面流路
２ 抽気サイクル装置
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ マイクロガスタービンシステム
１１ 第一圧縮機
１２ 第一タービン
１２ａ タービンホイール
１２ｂ タービンノズル
１２ｃ ノズル翼
１５ 燃焼器
１７ 第一シャフト
２１ 第二圧縮機
２２ 第二タービン
２３ 電動機
２７ 第二シャフト
３０ 熱交換器
３１ 混合器
ｂｆ タービンホイールの背面
ｒ１ 流路
ｒ２ フィルム冷却流路
ｒ３ 背面流路
Claims (10)
- 作動流体を流入させて圧縮する第一圧縮機、
前記第一圧縮機から吐出された作動流体中に燃料を噴射して燃焼ガスを生成する燃焼器、及び
第一シャフトにより前記第一圧縮機と連結され、前記燃焼器で生成した燃焼ガスを膨張させる第一タービンを含むマイクロガスタービン装置と、
前記第一圧縮機から吐出された前記作動流体の一部である抽気を流入させ、流入した前記抽気を作動流体として圧縮する第二圧縮機、及び
第二シャフトにより前記第二圧縮機と連結され、前記第二圧縮機から吐出された前記作動流体を膨張させる第二タービンを含む抽気サイクル装置と、を備え、
前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンで膨張して前記第二タービンから吐出された前記作動流体を用いて、前記第一タービンの少なくとも一部を冷却し、又は、前記第一圧縮機に流入されるべき作動流体を冷却する、
マイクロガスタービンシステム。 - 前記第二タービンは、前記第一タービンを流れる前記燃焼ガスの少なくとも一部の圧力よりも高い圧力の前記作動流体を吐出し、
前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンから吐出された前記高い圧力の前記作動流体を用いて、前記第一タービンの少なくとも一部を冷却する、
請求項１に記載のマイクロガスタービンシステム。 - 前記第一タービンは、前記第一シャフトに固定されたタービンホイールと、前記タービンホイールの半径方向外側で前記タービンホイールの周囲に配置されているノズル翼を有するタービンノズルとを含むラジアルタービンであり、
前記マイクロガスタービン装置は、前記第二タービンから吐出された前記高い圧力の前記作動流体を用いて、前記ノズル翼を冷却する、請求項２に記載のマイクロガスタービンシステム。 - 前記ノズル翼は、当該ノズル翼の内部に形成された、前記第二タービンから吐出された前記高い圧力の前記作動流体の流路と、当該ノズル翼の内周面から前記タービンホイールを向いている当該ノズル翼の外周面のみに延びて前記流路及び当該ノズル翼の外部に連通しているフィルム冷却流路とを有する、請求項３に記載のマイクロガスタービンシステム。
- 前記第一タービンは、前記流路に連通し、かつ、前記タービンホイールの背面の半径方向の端よりも半径方向内側に位置する前記背面の部分に向かって延びている背面流路をさらに有する、請求項４に記載のマイクロガスタービンシステム。
- 前記マイクロガスタービン装置は、当該マイクロガスタービン装置における作動流体の流れにおいて前記第一圧縮機の入口よりも上流側に配置され、かつ、前記第一圧縮機に流入されるべき前記作動流体と前記第二タービンから吐出された前記作動流体とを熱交換させる熱交換器をさらに含み、
前記第二タービンは、前記第一圧縮機に流入されるべき前記作動流体の温度よりも低い温度を有し、かつ、前記第一圧縮機に流入されるべき前記作動流体の圧力よりも高い圧力を有する前記作動流体を吐出する、請求項１に記載のマイクロガスタービンシステム。 - 前記マイクロガスタービン装置は、当該マイクロガスタービン装置における作動流体の流れにおいて前記第一圧縮機の入口よりも上流側に配置され、かつ、前記マイクロガスタービンシステムの外部から供給される作動流体を前記第二タービンから吐出された前記作動流体と混合させたうえで通過させる混合器をさらに含み、
前記第二タービンは、前記マイクロガスタービンシステムの外部から前記混合器に供給された前記作動流体の温度よりも低い温度を有し、かつ、前記マイクロガスタービンシステムの外部から前記混合器に供給された前記作動流体の圧力よりも高い圧力を有する前記作動流体を吐出する、請求項１に記載のマイクロガスタービンシステム。 - 前記抽気サイクル装置は、前記第二シャフトにより前記第二タービンに連結された電動機を含み、
前記電動機は、負荷の調整により第二タービンの回転数を調整することによって、前記第二タービンから吐出される前記作動流体の圧力を調整する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロガスタービンシステム。 - 前記第一圧縮機は、前記作動流体として大気圧の空気を流入させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロガスタービンシステム。
- 前記第一圧縮機は、遠心圧縮機である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロガスタービンシステム。
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