JP2665000B2 - 複合エンジン - Google Patents

複合エンジン

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JP2665000B2
JP2665000B2 JP1223069A JP22306989A JP2665000B2 JP 2665000 B2 JP2665000 B2 JP 2665000B2 JP 1223069 A JP1223069 A JP 1223069A JP 22306989 A JP22306989 A JP 22306989A JP 2665000 B2 JP2665000 B2 JP 2665000B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

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  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、都市ガス等の低圧可燃性ガスを燃料とする
ガスタービンと蒸気タービンとの複合エンジンに関す
る。また本発明におけるガス圧縮機の技術は、一般に化
学工業等で多用されるガス圧縮機にも適用できる。
〔従来の技術〕
第8図および第9図は、いずれもガス燃料を用いた従
来の小容量熱併給発電装置の例を示す系統図であって、
第8図は燃料用ガスを昇圧する圧縮機を発電機軸端より
駆動する一軸式の例、第9図は、燃料用ガスを昇圧する
圧縮機を別の電動機等により駆動する例である。図中破
線矢印は燃料ガスの流れ、実線の矢印は空気または燃焼
ガスの流れ、一点鎖線の矢印は水または水蒸気の流れを
それぞれ示す(後記第10図および第2図も同様)。
機器構成とその作用を説明すれば、1はガスタービン
(空気圧縮機を含む)、2は減速機、3はガスタービン
に付属する燃焼器、4は発電機、5は燃料ガス圧縮機、
6は電動機等の駆動機、7は排熱ボイラである。ガスタ
ービン1で発生した動力は、減速機2を介して発電機4
に伝えられて電力となる。一方、ガスタービン1の排気
は、排熱ボイラ7に導かれて、蒸気を発生するために熱
交換し、大気に放出される。
供給される燃料用ガスは一般に低圧であり、ガスター
ビンの燃焼器3の中に導くためには充分に高圧に圧縮す
る必要があるので、燃料ガス圧縮機5が使用される。こ
れを駆動するために、第8図に示す一軸方式では、発電
機4の軸端を燃料ガス圧縮機5の被駆動軸と連結して、
駆動する。また第9図に示す多軸方式では、この燃料ガ
ス圧縮機5を別個の駆動機6によって駆動する。
第10図は、大規模発電所における、従来のガスタービ
ンと蒸気タービンの複合サイクルによる発電装置の一例
を示す系統図である。機器構成と作用を説明すれば、1
はガスタービン、3は燃焼器、4は発電機、5は燃料ガ
ス圧縮機、6は電動機等の駆動機、7は排熱ボイラ、8
は復水式の蒸気タービン、9は復水器である。この例で
は、大容量であるから、ガスタービン、蒸気タージンと
も発電機と同じ回転数で設計され、回転軸は減速機を介
さずに直接接手を介して連結されている。
ガスタービン1および蒸気タービン8で発生した動力
は、発電機4を直接駆動して電力に変換される。燃料ガ
スは別に駆動される燃料ガス圧縮機5により昇圧されて
燃焼器3に供給されて燃焼される。ガスタービン1の排
気は排熱ボイラ7に導かれ、復水に熱を与えて水蒸気に
変換する。この水蒸気により蒸気タービン8を回転さ
せ、その回転動力を発電機4に伝達する。このようにし
て、ガスタービンの排気エネルギーは有効に電力に変換
されるしたがって、前記第8図および第9図に示した例
と比べて、発電効率は格段に高い。
〔発明が解決しようとする課題〕
前記第8図に示される小容量熱併給発電装置は、ガス
タービン1、減速機2、発電機4、燃料ガス圧縮機5の
全体の長さが長大となり、ビル等で設置スペースが制約
される場所には設置困難である。また発電機4の軸は両
端に接手を必要とし、通常市場に出廻っている標準型が
利用できないから、特別に製作しなければならず、装置
全体が安価に供給できない欠点があった。
また前記第9図に示されるものは、燃料ガス圧縮機5
を駆動する駆動機6を必要とするから高価となり、また
上記同様に広い設置スペースが必要である。
そして上記2例は、いづれもガスタービン1から排出
される熱エネルギーはボイラー7で回収して熱利用され
るが、動力としては回収されないから、発電効率が低い
欠点があった。
さらに前記第10図に示される複合サイクルにおいて
は、発電効率は大幅に向上するものの、構成機器はさら
に多くなり、全体として広い設置スペースを必要とする
欠点があった。この構成は、広い敷地に設置される大型
発電所には適しているが、そのまま、小容量の発電装置
に適用することはできなかった。
上記のように、熱サイクル上の観点からは発電効率が
高くできる筈のガスタービン・蒸気タービン複合エンジ
ンではあっても、小容量でかつ低圧のガスを燃料とする
場合には、装置全体をコンパクトにして安価な製品を供
給することは困難であった。この困難性は、複合エンジ
ンであるから装置を構成する機器が多くなることと、燃
料ガス圧縮機が液体燃料用ポンプに比べると大型とな
り、その駆動にも大きな動力を必要とすることに起因し
ている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、前記従来の問題を解決するために、燃料ガ
ス圧縮機で圧縮された燃料ガスを燃焼させて、その燃焼
ガスによりガスタービンを駆動するとともに、同ガスタ
ービンの排気を排熱ボイラに導いて、同排熱ボイラで発
生する蒸気により蒸気タービンを駆動し、それらガスタ
ービンおよび蒸気タービンにより発電機および上記燃料
ガス圧縮機を駆動するものにおいて、上記蒸気タービン
と上記燃料ガス圧縮機とを同軸に結合して1つのケーシ
ングに収めるとともに、上記燃料ガス圧縮機と上記ガス
タービンと上記発電機とを1つの歯車装置の3本の回転
軸にそれぞれ結合し、同歯車装置の歯面で軸系を構成し
たことを特徴とする複合エンジン、ならびに上記要件に
加えて、上記歯車装置の燃料ガス圧縮機結合部に遊星歯
車装置が用いられ、かつ上記燃料ガス圧縮機の羽根車軸
の両端に2円弧軸受による油圧を利用した軸シール装置
が設けられたことを特徴とする複合エンジンを提案する
ものである。
〔作用〕
本発明においては、蒸気タービンと燃料ガス圧縮機と
を同軸に結合して1つのケーシングに収めるとともに、
燃料ガス圧縮機とガスタービンと発電機とを1つの歯車
装置の3本の軸にそれぞれ結合したので、装置全体が小
型化され、安価になる。
そして、上記歯車装置の燃料ガス圧縮機結合部に遊星
歯車装置を用いることにより、同遊星歯車装置の歯車歯
面が軸受機能を受け持ち、この歯車側には軸受の設置を
不要とする等、装置全体を更に小型化し、加えて損失を
減少することができる。
また、通常多段のガス圧縮機はガスをシールする装置
を必要とするため、蒸気タービンと同軸に結合して、し
かも1つのケーシングに収めることは困難視されていた
が、本発明においては、燃料ガス圧縮機の羽根車軸の両
端に油圧を利用した軸シール装置を設けることにより、
蒸気タービンとコンパクトに結合できる。
〔実施例〕
第1図は本発明の一実施例の構造を示す平面図、第2
図は同じく全体系統線図、第3図は同実施例における蒸
気タービン、燃料ガス圧縮機および遊星歯車装置を示す
縦断面図、第4図は同じく遊星歯車装置を示す正面図、
第5図は同じく軸シール装置を示す横断面図、第6図は
同じく縦断面図、第7図は同軸シール装置の二つ割れリ
ングの形状を示す斜視図である。
まず、第2図について説明すれば、本実施例ではガス
タービン(空気圧縮機を含む)1の高温排気ガスを排熱
ボイラ7に導いて高圧・高温の蒸気を発生させ、これを
蒸気タービン8に導いて膨脹させる。そしてこれにより
発生した動力の一部は燃料ガス圧縮機5に使用され、残
余の動力は減速機2の中の歯車装置を介して、ガスター
ビンの発生動力と合わせ発電機4を駆動する。また蒸気
タービン8で膨脹した蒸気は、さらに他の熱利用システ
ムに供給される。外部から供給される燃料ガスは、一般
に低圧なので、ガスタービンの燃焼器3に充分供給でき
る圧力まで、燃料ガス圧縮機5により昇圧される。
次に第1図において、ガスタービン1の回転軸は減速
機2の3本の回転軸の1本に結合され、かつ上記ガスタ
ービン1のケーシング端面が上記減速機2の1端面に固
着されている。上記減速機2の3本の回転軸のもう1本
には、発電機4の回転軸が結合されている。したがっ
て、ガスタービン1の出力は、回転軸を介して、その内
歯歯車の外形のみを示している遊星歯車装置11により減
速され、さらに平歯車12,13で減速されて、その動力は
最終的には発電機4に伝達される。
一方、燃料ガス圧縮機5の回転軸の一端が上記減速機
2の回転軸の残りの1本に結合され、かつ同燃料ガス圧
縮機5のケーシングは上記減速機の他の端面に固着され
ている。更に、この燃料ガス圧縮機5のケーシング内に
は、第1図には示されていないが、蒸気タービンも収め
られていて、それら燃料ガス圧縮機5と蒸気タービンと
は、同軸に結合されている。そして、蒸気タービンの出
力の一部が燃料ガス圧縮機5に吸収される。残余の動力
はその軸車16に伝えられて、前記とは別の遊星歯車装置
15を介して減速され、さらに平歯車14を介して、前記平
歯車12の軸に伝達される。
次に燃料ガス圧縮機5、蒸気タービン8、および遊星
歯車装置15の構造と作用を第3図により説明する。
第3図において、燃料ガス圧縮機5と蒸気タービン8
とは、同一の軸車16で結合され、1つのケーシング20に
収められている。そのケーシング20は端面の接手を介し
て減速機2のケーシングに固着されており、軸車16の一
端部には遊星歯車装置15が結合されている。歯車軸45は
別の軸受で支承されている。軸車16の他端部には、軸受
27および推力軸受28が公知の方法で設置されて、軸中心
まわりに高速回転が可能となっている。
蒸気吸入口25から蒸気タービン8に流入した高圧高温
蒸気は、蒸気噴口29に導かれ、軸車に取り付けられた動
翼32に噴射されて回転動力を発生する。一方、燃料ガス
吸入口21から燃料ガス圧縮機5に吸入まれた燃料ガス
は、複数段の遠心羽根車の作用により昇圧されて、燃料
ガス吐出口22より吐出され、ガスタービンの燃焼器に送
給される。
燃料ガス圧縮機5の高圧側(第3図では左側)にはバ
ランスピストン31を設け軸推力を軽減する。このバラン
スピストン31に設置したラビンスパッキンから漏洩する
燃料ガスは、均圧管23を通し吸込側(第3図では右側)
の通路に導かれる。ここの燃料ガスは、更に別のラビリ
ンス間隙を通過して洩れようとするが、圧縮機部の両側
に設置された軸シール体24により、洩れが防止される。
この軸シール体24については、後に詳しく説明する。蒸
気タービン8の軸シールには公知のラビリンスシールを
採用する。
上記のような構成の軸車16は、直径に対して長さが長
いから、一般に高速回転させるためには剛性が不足す
る。即ち危険速度が低いため、安定運転を実現するのが
困難である。そこで本実施例においては細長い軸であっ
ても高速運転ができるよう、次のような構造とした。
軸車16の一端には、遊星歯車装置15を構成する太陽歯
車44が取り付けられ、他端は通常の軸受27によって支持
される。遊星歯車装置15の内歯歯車41は歯車軸45に固着
される。遊星歯車装置15を介して動力が伝達されている
時には、第4図に示されるように、中心に配設された太
陽歯車44は、複数の遊星歯車42を支承している各軸受43
の中心を頂点とする多角形46の中心に支持される性質が
あるので、回転動力の伝達のみならず、軸受としての作
用がある。
一方軸シール体24は、第5ないし第7図に示されるよ
うに、内側は例えば2円孤軸受を構成する形状の回転し
ない二つ割れリング51とする。そしてこのリング51の外
周は、固定ハウジング54との間をゴム等の柔軟な材料53
で支持し、さらにその間隙部55には、第3図の油供給孔
26から供給されるシール油が満たされるようにする。そ
うすると、回転軸52が振れ回りを起こそうとした時に
は、二つ割れリング51がそれに追従し、その振動は外周
部の油膜の粘性効果により減衰させられる。このように
して、細長い軸でも充分安定に高速回転させることがで
き、高効率の蒸気タービンおよびガス圧縮機が実現でき
る。なお56は給油口、57は油溝である。
上記軸シール体24に供給されるシール油は、漏洩室30
の圧力よりも少し高めの圧力で供給する。そうすると、
供給された油の一部は軸シール体24の中央から漏洩室30
へ流入し、それにより燃料ガスが外部に洩れるのが防が
れる。ここで燃料ガス圧縮機5内から洩れた燃料ガスと
軸シール体24から洩れた油とは、合流して混合流体とな
り、図示しない油処理装置に流出する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、小容量のガスタービン・蒸気タービ
ン複合エンジンにおいて、装置全体が小型化され、しか
も機器の数も少ない、安価で高性能かつ安定運転できる
複合エンジンが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構造を示す平面図、第2図
は同じく全体系統線図、第3図は同実施例における蒸気
タービン、燃料ガス圧縮機および遊星歯車装置を示す縦
断面図、第4図は同じく遊星歯車装置を示す正面図、第
5図は同じく軸シール装置を示す横断面図、第6図は同
じく縦断面図、第7図は同軸シール装置の二つ割れリン
グの形状を示す斜視図である。第8図および第9図はい
ずれもガス燃料を用いた従来の小容量熱併給発電装置の
例を示す系統図、第10図は大規模発電所における従来の
ガスタービンと蒸気タービンの複合サイクルによる発電
装置の一例を示す系統図である。 1…ガスタービン,2…減速機,3…燃焼器,4…発電機,5…
燃料ガス圧縮機,6…駆動機,7…排熱ボイラ,8…蒸気ター
ビン,9…復水器,11…遊星歯車装置,12,13,14…平歯車,1
5…遊星歯車装置,16…軸車,20…ケーシング,21…燃料ガ
ス吸入口,22…燃料ガス吐出口,23…均圧管,24…軸シー
ル体,25…蒸気吸入口,26…油供給孔,27…軸受,28…推力
軸受,29…蒸気噴口,30…漏洩室,31…バランスピストン,
32…動翼,41…内歯歯車,42…遊星歯車,44…太陽歯車,45
…歯車軸,51…二つ割れリング,52…回転軸,53…柔軟な
材料,54…固定ハウジング,55…間隙部,56…給油口,57…
油溝。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料ガス圧縮機で圧縮された燃料ガスを燃
    焼させて、その燃焼ガスによりガスタービンを駆動する
    とともに、同ガスタービンの排気を排熱ボイラに導い
    て、同排熱ボイラで発生する蒸気により蒸気タービンを
    駆動し、それらガスタービンおよび蒸気タービンにより
    発電機および上記燃料ガス圧縮機を駆動するものにおい
    て、上記蒸気タービンと上記燃料ガス圧縮機とを同軸に
    結合して1つのケーシングに収めるとともに、上記燃料
    ガス圧縮機と上記ガスタービンと上記発電機とを1つの
    歯車装置の3本の回転軸にそれぞれ結合し、同歯車装置
    の歯面で軸系を構成したことを特徴とする複合エンジ
    ン。
  2. 【請求項2】歯車装置の燃料ガス圧縮機結合部に遊星歯
    車装置が用いられ、かつ上記燃料ガス圧縮機の羽根車軸
    の両端に2円弧軸受による油圧を利用した軸シール装置
    が設けられたことを特徴とする請求項(1)記載の複合
    エンジン。
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