JP2675732B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明はガスタービンに関する。特に本
発明は、圧縮機から吐出された空気の一部分から放出さ
れた熱を獲得して、その熱を燃焼部に噴射される気体燃
料等の流体に伝達することによって、ガスタービンのタ
ービン部の冷却に使用するガスタービン装置及び冷却方
法に関する。

【０００２】ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機
部、燃料を燃焼することによって該圧縮空気が加熱され
る燃焼部、該燃焼部からの高温の圧縮ガスが膨張させら
れるタービン部の３つの主たる構成要素を備える。ガス
タービンの最大限の出力を達成するためには、燃焼部を
貫流するガスを実現可能な限り高い温度まで加熱するこ
とが望ましい。その結果、その高温ガスに曝されるター
ビン部の各構成要素は十分に冷却され、それらの温度が
許容限度内に維持されるようにしなければならない。

【０００３】従来、この冷却はタービン構成要素を一面
におおって或はその内部に比較的低温の空気を流すこと
によって達成されている。このような冷却空気は、効果
的なものとすべく加圧されなければならないので、圧縮
機部から吐出された空気の一部分を取り出してそれをタ
ービン構成要素の方へ冷却のために偏向することが通常
行われている。この冷却空気はタービンで膨張している
高温ガスと最終的に混合されるが、該冷却空気は燃焼工
程を迂回するので、冷却空気の圧縮のために費やされた
仕事の多くは膨張工程において回収されない。その結
果、ガスタービンの出力及び効率を最大にするために、
使用される冷却空気の量を最少にすることが望ましい。

【０００４】残念ながら、圧縮機内の圧力の上昇を伴う
温度上昇の結果として、圧縮機から取り出された空気は
比較的に高温、即ち圧縮比に依存して３１５〜４２５゜
Ｃ（６００〜８００゜Ｆ）の高温である。その結果、圧
縮機から取り出された空気はその温度がタービン構成要
素を適切に冷却するのに十分に低くなることを確保すべ
く、しばしば冷却されなけれならない。更に、当技術分
野では周知の如く、冷却目的で圧縮機から取り出された
空気の量は、タービン構成要素にその空気を指向させる
前に該空気を冷却して、その熱吸収の能力を増大するこ
とによって低減することができる。

【０００５】過去において、空気対空気型の冷却器が冷
却空気を冷却するためにしばしば用いられた。この構成
においては、圧縮機から取り出された空気がフィン付き
管に貫流させられ、該フィン付き管の一面をおおって、
モータ駆動のファンによって周囲空気が圧送されること
によって、熱を圧縮空気から大気に伝達している。この
方法は適切な冷却を達成するが、冷却空気を圧縮するた
めに費やされた仕事に関連する熱エネルギーが大気中に
失われるために、ガスタービンの効率は損なってしま
う。

【０００６】従って、冷却目的のために圧縮機から取り
出された空気を冷却し、該冷却空気から除去された熱が
そのサイクルに戻されることになるようなガスタービン
装置及び冷却方法を提供することが望ましい。

【０００７】

【発明の概要】従って、本発明の一般的な目的は、ガス
タービンの圧縮機から取り出された空気を冷却し、その
冷却空気から除去された熱が特にガスタービンの燃焼部
に噴射されることになる気体燃料或は水等の流体を介し
てそのサイクルに戻される燃焼装置を提供することであ
る。

【０００８】簡略に述べれば、この目的は本発明の他の
目的と同様に、（ａ）圧縮空気を発生する圧縮機部と、
（ｂ）その圧縮空気の第１部分内で燃料を燃焼すること
によって加熱圧縮ガスを発生する燃焼部と、（ｃ）その
加熱圧縮ガスを膨張させるタービン部と、（ｄ）その圧
縮空気の第２の部分を冷却する第１の熱交換器と、
（ｅ）その燃料を燃焼に先立ち加熱する第２の熱交換器
と、（ｆ）その第１及び第２の熱交換器の両方を通じて
水又はグリコールと水の混合物を熱伝達流体として循環
し、該熱伝達流体が第１の熱交換器において圧縮空気の
第２の部分から熱を吸収し、第２の熱交換器において燃
料に熱を放出するようにする循環手段と、（ｇ）その熱
伝達流体の圧力を燃料の圧力及び圧縮空気の圧力よりも
低く保持する手段とを備えてなるガスタービン装置によ
って達成される。

【０００９】

【実施例】図面を参照すれば、図１にはガスタービン装
置１の長手方向における断面図が示されている。ガスタ
ービンは３つの主たる構成要素、即ち圧縮機部２と、燃
焼部３と、タービン部４とを備える。ロータ５はこのガ
スタービン内に中央配置されおり、これ等の３つの部を
通って延びている。圧縮機部２は静翼７及び動翼８の交
互列を取り囲む円筒体６を備える。静翼７は円筒体６に
固着され、動翼８はロータ５に固着されている。

【００１０】燃焼部３はチャンバーを形成する円筒体９
を備え、そのチャンバー内には複数の燃焼器１０及びダ
クト１１が配置されており、該ダクトは該燃焼器をター
ビン部４に連結している。燃料供給管２３が、各燃焼器
１０におけるノズル２５に燃料を分配する燃料マニホル
ド２４に連結されている。ロータ５の一部が燃焼部３を
通って延在し、該燃焼部３内でハウジング１２によって
取り囲まれている。以下に更に詳述する冷却空気戻り管
１３及び１４が上記円筒体９を貫いて上記チャンバーに
延在し、上記ハウジング１２の一部を囲むマニホルド１
５で終了している。

【００１１】タービン部４は内筒１７を取り囲む外筒１
６を備える。内筒１７は静翼１８及び動翼１９の交互列
を取り囲んでいる。静翼１８は内筒１７に固着され、動
翼１９はタービン部のロータ５を形成する複数の回転円
板２０に固着されている。

【００１２】作動に際し、圧縮機は周囲空気２１をその
入口内に導き、圧縮空気２２を円筒体９によって形成さ
れたチャンバー内へ放出する。チャンバー内における空
気の殆ど全ては、燃焼器１０へ複数の穴（図示せず）を
通って入る。燃焼器１０内では、後述する如くに加熱さ
れた燃料２６が圧縮空気２２中に噴射されて同圧縮空気
と混合され、燃焼されて、高温の圧縮ガス２７を形成す
る。この高温の圧縮ガス２７はダクト１１を貫流し、タ
ービン部４における静翼１８及び動翼１９の交互列を通
って流れ、そこで同圧縮ガスは膨張して、ロータ５に連
結された負荷（図示せず）を駆動する動力を発生する。
膨張ガス２８はそれからタービン部を出て大気中に排気
されるか、或は、後述する熱回収蒸気発生器へ指向され
ることができる。

【００１３】タービン部における動翼１９及び回転円板
２０は、燃焼器１０からの１，０９０゜Ｃ（２，０００
゜Ｆ）以上となり得る高温の圧縮ガス２７に曝され、そ
れらの回転によってそれらに働く遠心力の結果として、
高い応力を受ける。動翼及び回転円板を応力に耐えるよ
うに形成する材料の能力は温度の上昇と共に劣化するの
で、これ等の構成要素の温度を許容レベル以内に維持す
るような適切な冷却を行うことが重要である。好ましい
実施例においては、この冷却は、円筒体９によって形成
されたチャンバーからの圧縮空気２２の一部分２９をロ
ータ５のタービン部へ偏向することによって達成され
る。この偏向は、円筒体９から出ている外部ブリード管
３０（管路手段）を通して空気を取り出すことによって
達成される。以下に説明する如く、冷却された後、冷却
済み冷却空気３１は戻り管１３及び１４を通じてガスタ
ービンに再び入る。これ等の戻り管は冷却空気をマニホ
ルド１５へ指向させるものであり、その後、該冷却空気
は複数の穴５０を通じてハウジング１２の内部に入り、
該ハウジング１２とロータ５の間に形成された環状ギャ
ップ５２に入り込む。それから冷却空気は複数の穴５１
を通じてロータ５に入り込み、所望の冷却を達成するた
めに回転円板及び動翼における複数の複雑な冷却通路
（図示せず）を貫流することになる。

【００１４】冷却空気２９が燃焼器１０を迂回すること
に注目することは重要である。たとえこの冷却空気がタ
ービン部において膨張する高温の圧縮ガスと最終的に混
合されるとしても、圧縮された冷却空気の膨張から回収
される仕事は燃焼器内で加熱された圧縮空気の膨張から
回収される仕事に比べほんの僅かである。事実、圧力降
下及び機械的効率による損失の結果として、冷却空気か
ら回収される仕事は圧縮機において空気を圧縮するに必
要とされる仕事に比べより少ない。よって、冷却空気を
より多量に用いれば、ガスタービンの正味の出力はより
少ないものとなる。

【００１５】本発明に従えば、圧縮機から吐出された空
気２２から取り出される冷却空気２９の量は該空気を冷
却することによって低減され、それによって、サイクル
から放出された熱を失うことなくタービン構成要素から
熱を吸収し且つ該タービン構成要素を冷却するその空気
の能力を増大することになる。このことは、高温の冷却
空気２９を、図１に示すような多管円筒形とし得る冷却
空気用の熱交換器５３（伝熱手段）へ指向させることに
よって達成され、その場合、以下に詳述する如く、円筒
体７７は冷却空気２９の流路を形成し、複数の管７５は
中間伝熱流体５７の流路を形成する。冷却空気用のこの
熱交換器５３は閉ループ配管系統５５（循環手段）によ
って、非加熱状態の気体燃料５６が供給される燃料用の
熱交換器５４（伝熱手段）に連結される。図１に示され
るように、燃料用の熱交換器５４もまた多管円筒形でよ
く、その場合、円筒体７８は気体燃料５６の流路を形成
し、複数の管７６は中間伝熱流体５７の流路を形成す
る。注目されるべきことは、両方の熱交換器５３及び５
４は複数の管７５及び７６が該熱交換器を貫流する各流
体の間の流通を妨げる間接形であることである。

【００１６】本質的には水であり或は少なくとも実質的
に水であり得る中間伝熱流体５７、即ちグリコール／水
の混合物は、配管系統５５におけるポンプ６３（循環手
段）によって熱交換器５３及び５４を通るように循環さ
せられる。従って、冷却空気２９は熱を中間伝熱流体５
７に放出することによって冷却され、次いで該中間伝熱
流体は熱を燃料５６に放出することによって冷却され、
それによって該燃料を加熱する。加熱された燃料２６は
燃焼器１０に噴出されて燃焼されるので、該燃料が冷却
空気２９から中間伝熱流体５７を介して間接的に吸収し
た熱はサイクルに戻されて、タービンに入る圧縮ガス２
７の所望温度を得るために燃やされなければならない燃
料の量を減じることになる。その結果、前述したように
冷却空気を冷却する従来の方法とは異なり、本発明によ
れば、上述の冷却の結果、ガスタービンの熱効率を著し
く低下させることにはならない。

【００１７】熱交換器５３及び５４に漏れが発生した場
合、複数のタービン構成要素を損傷することがないよ
う、水が冷却空気３１或は燃料２６に入り込まないよう
に確保することが重要である。従って、好適な実施例に
おいて、中間伝熱流体５７の圧力は冷却空気２９や燃料
５６の圧力以下に維持されるので、熱交換器内に形成さ
れる如何なる漏れ路も空気或は燃料の中間伝熱流体５７
への流入となって、その逆となることがない。本発明に
従えば、中間伝熱流体５７の温度変化によるその体積種
々の振れによって該中間伝熱流体の圧力が冷却空気及び
燃料の圧力以上に上昇しないように、配管系統５５に膨
張タンク６２を組み込むことによって圧力維持が確保さ
れている。

【００１８】図１に示される実施例では、気体燃料２６
だけが燃焼器１０に噴射されている。しかしながら、他
の多くの適用例においては、水或は蒸気等の他の流体を
燃焼器１０へ注入して大気汚染物と考えられる高温の圧
縮ガス２７中における窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成を低
減する必要がある。従って、図２に示されるように、本
発明は気体燃料５６よりもむしろ水６９を熱交換器５４
に通すよう向かわせることによって利用され得る。ＮＯ
ｘを低減すべく加熱された水７０が燃焼部３内に注入さ
れると、その水が中間伝熱流体５７から吸収した熱はサ
イクルに戻される。

【００１９】ＮＯｘ制御のための水７０をガスタービン
に注入することが望ましくないか或は不必要である場合
が時々あり得る。そのような場合、中間伝熱流体５７か
らの熱が放出され得る熱交換器５４を貫流する流体が全
くなくなることになる。しかしながら、それにもかかわ
らず冷却空気２９は依然冷却されなければならないの
で、該冷却空気の熱が伝達され得る代替的な媒体を見い
出さなければならない。本発明に従えば、この問題は補
助的な熱交換器６６の使用によって解決され、該補助的
な熱交換器は図２に示されるように熱交換器５４と並列
となるべく連結され得る。配管系統における複数の弁６
７を作動することによって、ポンプ６３は熱交換器５４
よりはむしろ補助的な熱交換器６６を通るように中間伝
熱流体５７を循環させることになる。第２のポンプは、
発電所用の補助的な冷却水であり得る第２の伝熱流体６
８を補助的な熱交換器６６に通すように循環させている
ので、中間伝熱流体５７からの熱はこの第２の伝熱流体
６８に放出される。

【００２０】多くのガスタービンは気体燃料での運転か
ら、液体燃料、典型的にはＮｏ．２留出油での運転へ切
り替わる能力を有する。遺憾ながらそのような液体燃料
を加熱することは不適当であるかもしれない。更に、多
くの発電所では液体燃料を用いての操業は年間のうちた
った数週間しかないので、液体燃料の使用に適する追加
的な熱交換器に出資することは不経済であるかもしれな
い。従って、図２に示されたような補助的な熱交換器６
６を図１に示された実施例に組み入れることができるの
で、ガスタービンが液体燃料で作動している際、中間伝
熱流体５７からの熱は第２の伝熱流体６８に放出される
ことが可能であろう。

【００２１】本発明は、図２にその一部が示されている
複合サイクルのガス及び蒸気タービン発電所で作動する
ガスタービンにおいて使用するのに特に有利である。そ
のようなシステムで典型的なように、ガスタービンのタ
ービン部４から吐出されたガスは熱回収蒸気発生器６３
を貫流し、そこでは吐出ガスがその熱の多くを給水６８
に放出して蒸気タービン（図示せず）に使用される蒸気
６５を生産する。本発明に従えば、図１に示された実施
例に関して議論されたような気体燃料２６か、或は図２
に示されたようにＮＯｘ制御のための水７０であり得る
燃焼部噴射流体の加熱が望まれない場合、補助的な熱交
換器６６が中間伝熱流体５７を冷却するために使用され
る。この実施例において、熱交換器６６には図２に示さ
れるように熱回収蒸気発生器６３用の給水６８が供給さ
れる。従って、中間伝熱流体５７から放出された熱は給
水６８の加熱に供されるので、冷却空気から伝達された
熱は、ガスタービン側というよりは蒸気タービン側へで
あるが、前述のようにサイクルに戻される。

【００２２】冷却空気３１を冷却することは、タービン
構成要素の平均温度を低減する利点を有しており、従っ
て、タービン構成要素の強度を改善するが、過度に低い
冷却空気温度は、その冷却空気に直接に露出されたター
ビン構成要素の各種の部分で、望ましくないほど高い局
部的な熱応力となる熱勾配を生じさせる。従って、冷却
空気３１の温度を所定の範囲内に維持するように該冷却
空気温度を制御することが往々にして望ましい。従っ
て、以上で議論したように、燃焼部噴射流体が加熱され
ない場合、補助的な熱交換器６６を熱交換器５４の代わ
りに単に用いるというよりは、この補助的な熱交換器６
６は中間伝熱流体５７の温度、それ故にタービンに戻る
冷却空気３１の温度を制御すべく、熱交換器５４と共に
用いることもできる。これは、補助的な熱交換器６６を
熱交換器５４と少なくとも部分的に直列に連結するよう
に、且つ中間伝熱流体５７の制御量が、熱交換器５４を
通るのと同様に、補助的な熱交換器６６を貫流するよ
う、配管系統における複数の弁６７を調整を調節するこ
とによって達成される。流量調節の技術分野において周
知の如く、図２に示されるように冷却された冷却空気３
１の温度を検知するためにセンサ８２を利用することが
できる。センサ８２からの信号は、冷却空気３１の温度
を上記所定範囲内に維持するように弁６７を調節するコ
ントローラ８１に伝達される。

【００２３】図３はヒートパイプ７１が冷却空気及び燃
料の両方のための熱交換器を形成している本発明の他の
実施例を示す。図４に示すように、ヒートパイプ７１は
その流れ領域を上方通路７９及び下方通路８０とに分割
する仕切り板７３を有するダクト７２を備える。冷却空
気２９は下方通路８０を貫流し、気体燃料５６は上方通
路７９を貫流する。複数のフィン付き伝熱管７４がダク
ト７２内に配置され、上方及び下方通路の両方を貫いて
延びている。これ等の伝熱管７４は自然循環によって各
管内を循環する水等の流体を含む。特に高温の冷却空気
２９は、熱を各伝熱管７４の下方通路８０の部分におけ
るその流体に放出することによって冷却され、それによ
って流体を気化する。その気化ガスは上方通路７９まで
伝熱管を上昇して、低温の気体燃料５６に熱を放出する
ことによって、該燃料を加熱し且つ気化ガスを凝縮す
る。その復水はそれから各伝熱管７４の下方通路８０の
部分にしたたり落ち、サイクルが繰り返される。こうし
た受動的な循環方法を利用することは、図１及び図２に
示されたようなポンプ６３によって行われる積極的な循
環とは反対に、この伝熱装置に更なる信頼性を与える。

【００２４】図３は、もし燃焼部内に噴射されるべき流
体が加熱されてはならない場合、図２に示される補助的
な熱交換器６６に加えて、冷却空気２９を冷却する他の
方法を示す。特に冷却空気２９は、前述したフィン対フ
ァンタイプのものでよく且つ上記の一次的な冷却空気用
の熱交換器と並列に連結されている二次的な冷却空気用
の熱交換器６１を流れることが許容されている。ファン
５８は周囲空気５９をこの二次的な冷却空気用の熱交換
器６１に貫流させるようにしており、それによって該周
囲空気に、直接、冷却空気２９から熱を吸収させるよう
にしている。この方法は図１及び図２の実施例にも同じ
ように適用することができる。

【００２５】本発明は「多管円筒形」及び「ヒートパイ
プ」のタイプの熱交換器を参照して説明したが、螺旋状
の熱交換器等の他のタイプの熱交換器もまた利用可能で
ある。更に本発明はその精神或は本質的な特徴から逸脱
することなしに他の特殊な形態で実施することが可能で
あり、従って、本発明の範囲を示すものとしては、上述
の説明よりはむしろ、特許請求の範囲を参照すべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の伝熱装置を組み入れているガスタービ
ン装置の長手方向に沿っての断面図である。

【図２】図１に示されたガスタービン装置の第２の実施
例の概略図であり、熱回収蒸気発生器がこのガスタービ
ン装置に組み入れられると共に、水が燃焼部に注入され
ている。

【図３】図１に示されるガスタービン装置のヒートパイ
プを用いての第３の実施例の概略図である。

【図４】図３に示されたヒートパイプの斜視図である。

【符号の説明】

１ ガスタービン装置 ２ 圧縮機部 ３ 燃焼部 ４ タービン部 ２２ 圧縮空気 ２６ 加熱された燃料 ２７ 高温圧縮ガス（加熱圧縮ガス） ２９ 冷却空気（圧縮空気の一部分） ３０ 外部ブリード管（管路手段） ５３ 第１の熱交換器（伝熱手段） ５４ 第２の熱交換器（伝熱手段） ５５ 閉ループ配管系統（循環手段） ５６ 燃料 ５７ 中間伝熱流体 ６３ ポンプ（循環手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・アーサー・ハインドル アメリカ合衆国、フロリダ州、ココア・ ビーチ、オーシャン・ビーチ・ブールヴ ァード 4000 (72)発明者 スティーブン・ウォルター・ブラウン アメリカ合衆国、フロリダ州、オビエ ド、エカナ・ドライブ 2563 (56)参考文献 特開 昭50−133314（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−176323（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−61886（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮空気を発生するために空気が圧縮さ
   れる圧縮機部と、該圧縮機部から圧縮空気を受け入れる為に該圧縮機部に
   連結されると共に燃料が圧縮空気と混合されて燃焼し高
   温圧縮ガスを発生する燃焼部と 、該高温圧縮ガスが膨張して動力を発生するタービン部と
   を有し 、更に 前記圧縮機部と前記タービン部とに連通し前記圧縮機部
   からの前記圧縮空気の一部を偏向して前記タービン部に
   導き該タービン部内のタービン部材を冷却する管路手段
   と 、前記圧縮機部からの前記圧縮空気の偏向部分から熱を受
   け取るために連結された伝熱手段と 、前記伝熱手段及び前記燃焼部に連結され前記燃焼部の前
   記圧縮空気内に第１の流体を噴出する流体供給手段と を
   有し 、前記伝熱手段は 、熱伝達流体として水又は水とグリコー
   ルとの混合体を含有し、更に前記第１の流体と前記熱伝
   達流体との接触を防止し且つ前記圧縮空気の前記偏向部
   分から前記熱伝達流体への熱伝達並びに前記第１の流体
   が前記燃焼部に流入する前の前記熱伝達流体からの熱伝
   達をさせる手段を有し、前記伝熱手段は 、前記圧縮機部からの前記圧縮空気の前
   記偏向部分を受け入れるために接続された第１の熱交換
   器と、前記第１の流体を受け入れるため前記流体供給手
   段に連結された第２の熱交換器とを有し、前記第１及び第２の熱交換器は 、該第１の熱交換器にお
   いて前記圧縮空気の前記偏向部分から熱を受け取り且つ
   該第２の熱交換器において該熱を前記第１の流体に伝達
   する前記熱伝達流体を含んでいる中間熱伝達回路によっ
   て連絡されていて、前記圧縮機部から偏向された前記圧
   縮空気又は前記燃焼部へ供給される前記第１の流体のい
   ずれよりも低い圧力に前記中間熱伝達回路を維持する手
   段を有する ことを特徴とする燃焼装置。