JP4987427B2 - 作動ガス流入路の冷却構造を備える常圧燃焼タービンシステム - Google Patents

Description

本発明は、常圧燃焼で得られた常圧の高温ガスを作動ガスとして利用する常圧燃焼タービンシステムに関し、より具体的には、高温の作動ガスが流入する流入路の冷却構造に関する。

従来のガスタービンエンジンにおいては、大気圧の空気を圧縮機で昇圧して燃焼器に導き、燃料と混合して燃焼させ、その後タービンで動力を回収するため、燃料の圧力を圧縮機出口空気圧力よりも高くする必要があり、常圧排熱、常圧燃焼利用ができないことから、ガス化燃料、固形燃料、未利用高温ガスなどを利用することが困難である。

一方、近年では、常圧・高温のガスを利用できるタービン装置として、常圧燃焼で得られた常圧の高温ガスを作動ガスとしてタービンに導入して膨張させ、負圧の状態の作動ガスを熱交換器により冷却した後、圧縮機により圧力を大気圧に戻して大気中に排気する常圧燃焼タービンが知られている（特許文献１参照）。この常圧燃焼タービンシステムは、熱源として、常圧環境下で燃料を燃焼させて得た常圧高温ガス、若しくは工業炉・ボイラなどから得られた常圧高温排ガスを利用する。燃料については、通常の内燃機関では処理に手間を要する各種ガス化燃料や、直接燃料として利用することのできない固形燃料を、低コストかつ比較的簡単な設備で利用できる利点がある。また、常圧高温排ガスの廃熱利用においては、蒸気タービンなどに比べて小規模でより簡単な設備を用いて発電できる利点がある。

常圧燃焼タービンシステムにおいて、作動ガスである上記の常圧・高温ガスの温度は、システム内への流入時に１０００℃を超える場合がある。その場合、常圧・高温ガスを外部からシステム内に取り入れてタービンへと導く通路である、流入ダクトやスクロールは、作動時において常に１０００℃以上の高温にさらされることになり、これらの通路を構成する部材の劣化が激しい。
特開２０００−２４０４７１号公報

そこで、前記流入ダクトやスクロールを冷却するための追加の冷却装置を設けることも考えられるが、その場合にはシステムが大型化・複雑化してしまい、また製造コスト増にもつながり、さらには外部から冷媒を供給するためにエネルギを要するので、システム全体の効率が低下する。一方、常圧燃焼タービンシステムにおいて圧縮機の出口からの排気ガスは、約１００℃という低温であるが、従来この排気ガスは有効に再利用されることなく外部に排出されていた。

そこで、本発明は、冷却装置を追加することなく低温の排気ガスを再利用して、システムの効率低下および大型化・複雑化を避けつつ、高温にさらされる流入ダクト・燃焼器などの部材を冷却することにより、当該部材の耐久性を向上させる常圧燃焼タービンシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の常圧燃焼タービンシステムは、高温常圧の作動ガスを膨張させるタービンと、前記タービンにより駆動され、前記タービンからの膨張した作動ガスを圧縮する圧縮機と、前記高温常圧の作動ガスを前記タービンに流入させる流入路とを備え、前記流入路は、前記圧縮機から排出される排気ガスによって冷却され、該排気ガスは、前記流入路を冷却した後、外部に排出される。

この構成の常圧燃焼タービンシステムにおいては、１０００℃程度の高温の作動ガスが通過する流入路を冷却することにより、流入路を構成する部材の高温劣化を防止し、流入路の耐久性が向上する。しかも、この流入路の冷却は系内の排気ガスによって行われるため、外部の冷媒を導入するための装置を追加する必要がないので、常圧燃焼タービンシステム全体が大型化・複雑化することがなく、製造コストを低減することができる。

本発明において、例えば、前記流入路が前記高温常圧の作動ガスをタービンへ向ける流入ダクトにより形成され、前記流入ダクトと、この流入ダクトを覆う第１ケーシングとの間に、前記排気ガスが通る冷却通路が形成されている。この構成によれば、追加の冷却通路を設ける必要がなく、従来の部品の軽微な設計変更によって前記流入路を容易に冷却することができる。

好ましくは、さらに、前記高温常圧の作動ガスを旋回させながら前記タービンに導くスクロールと、このスクロールを覆う第２ケーシングとの間に、前記排気ガスが通る冷却通路が形成されている。この構成によれば、前記流入ダクトのみならず、スクロールをも冷却することができるので、スクロールの耐久性も向上する。

前記常圧燃焼タービンシステムは、さらに前記高温常圧の作動ガスを生成する燃焼器を備え、前記燃焼器における、前記流入ダクトに作動ガスを導く導出ダクトの外周に冷却通路が形成されている構成とすることができる。この構成によれば、常圧燃焼タービンシステムが燃焼器を備える場合には、この燃焼器を冷却することも可能であるので、燃焼器を構成する部材の高温劣化を防ぎ、燃焼器の耐久性が向上する。

以上のように、本発明の常圧燃焼タービンシステムによれば、排気ガスを再利用することによって、追加の冷却装置等を設けることなく作動ガスの流入路を冷却することができるので、システム全体が大型化・複雑化することなく、製造コストの増加を抑えつつ、流入路の耐久性を向上させることが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る常圧燃焼タービンシステムの縦断面図である。このシステムに含まれる常圧燃焼タービンエンジンＡＰＴは、作動ガスとなる常圧・高温のガスＧ１をシステム内に取り入れる流入ダクト１１、流入ダクト１１からの高温作動ガスＧ１を旋回させるスクロール２９、このスクロール２９を経た常圧・高温の作動ガスＧ１を負圧にまで膨張させるタービン２、この膨張した作動ガスＧ２を排出する第１排出ダクト１２、第１排出ダクト１２と吸引通路１０を介して連通する吸引ダクト１３、吸引通路１０の中途に設けられた冷却器５、吸引ダクト１３を介して導入した作動ガスＧ２を昇圧する圧縮機４、および圧縮機の出口に連通して排気ガスＧ３が排出される第２排出ダクト１６を備えている。流入ダクト１１は、高温作動ガスＧ１をタービン２に流入させる流入路９の上流部を形成するもので、その外周は第１ケーシング７により覆われ、前記流入路９の下流部を形成するスクロール２９の外周は、第２ケーシング８により覆われている。第１ケーシング７と第２ケーシング８は、ボルトＢにより接続されているが、一体形成された単一物としてもよい。第１ケーシング７と第２排出ダクト１６は、排気ガス還流路４１により連通している。前記冷却器５は、例えば外部から導入した冷水を冷媒とする水冷式冷却器である。

圧縮機４のインペラ４ａの径方向外方は圧縮機ケーシング１５によって覆われ、圧縮機ケーシング１５と第２ケーシング８が、中間ハウジング２５を介してボルト連結されている。ラジアルタービン２および遠心圧縮機４は、中空の回転軸である中空軸２１の両端に、タービン２のタービン翼車２ａと圧縮機４のインペラ４ａが背面合わせになる向きで配置されて、タービン２、圧縮機４および中空軸２１の回転軸心上にあって軸心方向に貫通している連結シャフト２３を介して、一体回転するように連結されている。中空軸２１は、中間ハウジング２５に固定されたジャーナル軸受２７によって径方向に支持され、また中間ハウジング２５の側壁に受けられているスラスト軸受２８によって軸方向に支持されている。

タービン２は、径方向の外方が、前記第１排出ダクト１２に連なるタービンケーシング１４によって覆われ、軸方向の中央側が隔壁２０により覆われている。これらタービンケーシング１４および隔壁２０は第２ケーシング８の内方に配置されている。

連結シャフト２３と圧縮機４は、圧縮機４の中心部に貫通して設けた圧入孔に連結シャフト２３を圧入することにより、互いに固定される。この連結シャフト２３の基端部（図１の左端部）は圧縮側ハウジング２６を貫通して、負荷である発電機ＧＥに連結される。

流入ダクト１１は、この実施形態では、タービンシステムの回転軸心に垂直な軸心を有する円筒状の部材である。流入ダクト１１の下流にはスクロール２９が連なるが、図１のII−II線に沿った断面概略図である図２に示すように、流入ダクト１１とスクロール２９の相対位置は、効率よく旋回流を生成するように、流入ダクト１１の軸心Ｃ１がスクロール２９の軸心Ｃ２、つまり常圧燃焼タービンシステムの回転軸心と交わらないように設定されている。

第１ケーシング７と、これより小径の流入ダクト１１の間には環状の隙間が形成される。この隙間は、図１に示すように、圧縮機４の第２排出ダクト１６と、排気ガス還流路４１を介して連通しており、第２排出ダクト１６からの排気ガスＧ３である冷却ガスＧ４を通して流入ダクト１１を冷却するための、ダクト冷却通路４３として機能する。

図２に示すように、スクロール２９と第２ケーシング８との間には隙間が形成されるが、この隙間が、流入ダクト１１のダクト冷却通路４３に連通しており、ダクト冷却通路４３からの冷却ガスＧ４を通過させることによりスクロール２９を冷却するための、スクロール冷却通路４５として機能する。このスクロール冷却通路４５の下流には、冷却ガスＧ４を外部に排出するための排気ダクト１９が連結されている。

次に、前記構成に係る常圧燃焼タービンシステムの作用について説明する。図１において、図示しない浸炭炉のような熱処理炉から排出された約１０００℃の常圧・高温ガスＧ１が、流入ダクト１１から、スクロール２９および固定のタービンノズル１８を通ってタービン２に送られてこのタービン２を駆動し、その発生動力により圧縮機４と発電機ＧＥが駆動される。また、常圧・高温ガスＧ１は、タービン２を通過することにより負圧まで膨張し、この膨張した負圧・中温の作動ガスＧ２が吸引通路１０を通って、吸引ダクト１３から圧縮機４に送られる。吸引通路１０の中途に設けられた冷却器５により、圧縮機４に送られる作動ガスＧ２を冷却して低温化し、これによって圧縮機４での圧縮効率を高める。圧縮機４に送られた作動ガスＧ２は、常圧まで昇圧された後、排気ガスＧ３となって圧縮機４の出口から第２排出ダクト１６および排気ガス還流路４１を経て、流入ダクト１１のダクト冷却通路４３へ送られる。この実施形態では、ダクト冷却通路４３に到達した排気ガスＧ３の温度は約１００℃である。

排気ガス還流路４１からダクト冷却通路４３に流入した排気ガスＧ３である冷却ガスＧ４は、流入ダクト１１の外周面に接触しながら、下流側（図１の下側）であるスクロール２９へ向かって流れる。したがって、内周面が約１０００℃の高温作動ガスＧ１にさらされている流入ダクト１１が、冷却ガスＧ４によって冷却される。

ダクト冷却通路４３において流入ダクト１１を冷却した冷却ガスＧ４は、次いでスクロール冷却通路４５に流入し、スクロール２９の外周面に接触しながら、下流側の排気ダクト１９に向かって流れる。したがって、内面が高温作動ガスＧ１にさらされているスクロール２９が、冷却ガスＧ４によって冷却される。

このように、本願発明の第１実施形態に係る常圧燃焼タービンシステムによれば、圧縮機４の第２排出ダクト１６と流入ダクト１１とを連通する排気ガス還流路４１を設けるという簡単な構造によって、当該システムの排気ガスＧ３を再利用して流入ダクト１１およびスクロール２９を冷却することができるので、冷却器を追加してシステム全体が大型化・複雑化することなく、流入ダクト１１およびスクロール２９の耐久性向上が可能となる。したがって、製造コストの増加が抑制され、耐久性向上によって保守・点検の負担も軽減される。また、本実施形態においては、流入ダクト１１の上流部のほうがより高温であるところ、冷却ガスＧ４よりも温度の低い排気ガスＧ３が当該流入ダクト１１の上流部に接触することにより、流入ダクト１１全体として高温による劣化の低減を図ることができ、耐久性の向上を図る効果が期待できる。

図３は本発明の第２実施形態に係る常圧燃焼タービンシステムを示す縦断面図である。この実施形態に係る常圧燃焼タービンシステムは、前記第１実施形態と類似の構造を有するが、図１に示す構造に追加して、流入ダクト１１の上流側で流入ダクト１１に連結され、作動ガスとしての燃焼ガスＧＢを生成する燃焼器５０を設け、吸入通路１０に燃焼器５０の燃焼用空気を予熱する再生器６を設けている。燃焼器５０は、再生器６から、高温ガスＧＨを導入するための燃焼器流入ダクト３５を備えている。その他の構成は図１の構成と同様である。すなわち、第１実施形態においては、システムに導入する高温作動ガスＧ１として浸炭炉のような熱処理炉から排出された約１０００℃の常圧・高温ガスを利用するが、この第２実施形態においては、再生器からの約６００℃の高温ガスＧＨを、燃焼器流入ダクト３５を介して燃焼器５０に取り込み、この燃焼器５０で燃焼させた約１０００℃の燃焼ガスＧＢを、システムの作動ガスとして利用する。燃焼器５０は、高温高圧の作動ガスを使用する一般的なガスタービンの燃焼器と同様な構造である。

燃焼器５０は、燃焼器の外筒となる燃焼器ケーシング６０と、燃焼器ケーシング６０を支持し燃焼器流入ダクト３５が支持される円筒状の空気導入ボックス６１と、燃焼器ケーシング６０の内部に収納されて高温ガスを燃焼させる燃焼器内筒５１と、燃焼器内筒５１の下流側に連なって、燃焼器内筒５１で生成された燃焼ガスＧＢを流入ダクト１１へ導出する導出ダクト５９とからなる。空気導入ボックス６１は、その下壁が第１ケーシング７の上端部に連結されている。燃焼器内筒５１および導出ダクト５９は同一の軸心を有する、円筒状の外周面をそれぞれ有しており、流入ダクト１１の内径にほぼ等しい外径を有する導出ダクト５９の下流部である連結嵌合部５９ａを、流入ダクト１１の上流部の内周面に嵌合することによって、流入ダクト１１の上流側に導出ダクト５９が接続されている。

燃焼器内筒５１は、その頂壁部（上流端壁５１ａ）に、燃料ノズル５５が配置されている。燃焼器内筒５１と燃焼器ケーシング６０の間を通って上昇した高温ガスＧＨが、上流端壁５１ａに設けた複数の固定羽根であるスワーラ５３を通って燃焼器内筒５１内に導入され、燃料ノズル５５から供給された燃料と混合されて燃焼し、燃焼ガスＧＢが空気導入ボックス６１の下壁を貫通する導出ダクト５９を通って流入ダクト１１に流入する。

導出ダクト５９の連結嵌合部５９ａの下端５９ａａの軸方向位置は、図３に示すように、流入ダクト１１の外周面に直交して連結されている円筒状の排気ガス還流路４１の出口に臨む位置に設定されており、この実施形態では、排気ガス還流路４１の出口の最上点位置Ｌｔよりも下方に設定され、好ましくは、この最上点位置Ｌｔと最下点位置Ｌｂの中間位置Ｌｏよりも下方に設定される。なお、連結嵌合部５９ａの下端５９ａａの軸方向位置を、排気ガス還流路４１の出口の最下点位置Ｌｂより下方に設定してもよい。

次に、この構成に係る常圧燃焼タービンシステムの作用について説明する。図３において、再生器６から排出された約６００℃の常圧・高温ガスＧＨが、燃焼器流入ダクト３５を介して燃焼器５０に導入される。この燃焼器５０で生成された１０００℃程度の燃焼ガスＧＢが導出ダクト５９を経て流入ダクト１１に流入する。

一方、図１の第１実施形態と同様にして、図３排気ガスＧ３である約１００℃の冷却ガスＧ４が、排気ガス還流路４１を経てダクト冷却通路４３に流入し、流入ダクト１１の外周面に接触して流入ダクト１１を冷却する。このとき、流入ダクト１１の冷却ガスＧ４が接触する部分の内周面に接触している、燃焼器５０の連結嵌合部５９ａも同時に冷却され、この連結嵌合部５９ａを介して導出ダクト５９が冷却されることとなる。第１実施形態の場合と同様、冷却ガスＧ４はこの後、スクロール２９を冷却してから排気ダクト１９を通って外部に排出される。

このように、システム内に燃焼器５０を備える本願発明の第２実施形態に係る常圧燃焼タービンシステムにおいては、燃焼器５０の導出ダクト５９を冷却ガスＧ４が接触する位置まで延ばすことにより、第２排出ダクト１６と流入ダクト１１とを連通する排気ガス還流路４１を設けるという簡単な構造によって、当該システムの排気ガスＧ３を再利用して、流入ダクト１１およびスクロール２９のみならず燃焼器５０の導出ダクト５９をも冷却することができる。したがって、冷却器を追加してシステム全体が大型化・複雑化することなく、燃焼器５０、流入ダクト１１およびスクロール２９の耐久性向上が可能となる。

なお、上記各実施形態において、排気ガスＧ３を冷却用に還流させる排気ガス還流路４１を、第２排出ダクト１６と流入ダクト１１との間にのみ設けたが、この排気ガス還流路４１を、流入ダクト１１側とスクロール２９側に分岐させて２本設けてもよい。あるいは、システム設計上の都合により、排気ガス還流路４１を流入ダクト１１に接続させることが困難な場合や、流入ダクト１１が短い場合には、排気ガス還流路４１は、スクロール２９にのみ接続させてもよい。

本発明の第１実施形態に係る、流入路の冷却構造を備えた常圧燃焼タービンシステムの縦断面図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態に係る、流入路の冷却構造を備えた常圧燃焼タービンシステムの縦断面図である。

符号の説明

２ タービン
４ 圧縮機
５ 冷却器
７ 第１ケーシング
８ 第２ケーシング
９ 流入路
１１ 流入ダクト
１４ タービンケーシング
１５ 圧縮機ケーシング
１６ 第２排出ダクト
１９ 排気ダクト
２９ スクロール
４１ 排気ガス還流路
４３ ダクト冷却通路
４５ スクロール冷却通路
５０ 燃焼器
５１ 燃焼器内筒
５９ 導出部
５９ａ 連結嵌合部

Claims (4)

1. 高温常圧の作動ガスを膨張させるタービンと、
   前記タービンにより駆動され、前記タービンからの膨張した作動ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記高温常圧の作動ガスを前記タービンに流入させる流入路と
   を備え、
   前記流入路は、前記圧縮機から排出される排気ガスによって冷却され、該排気ガスは、前記流入路を冷却した後、外部に排出されるものであり、
   前記流入路が前記高温常圧の作動ガスをタービンへ向ける流入ダクトにより形成され、前記流入ダクトと、この流入ダクトを覆う第１ケーシングとの間に、前記排気ガスが通る冷却通路が形成されており、この冷却通路が、前記圧縮機からの排気ガスを排出する排出ダクトに、排気ガス還流路を介して連通している
   常圧燃焼タービンシステム。
2. 請求項１において、さらに、前記高温常圧の作動ガスを旋回させながら前記タービンに導くスクロールと、このスクロールを覆う第２ケーシングとの間に、前記排気ガスが通る冷却通路が形成されている常圧燃焼タービンシステム。
3. 請求項１または２において、さらに前記高温常圧の作動ガスを生成する燃焼器を備え、前記燃焼器における、前記流入ダクトに作動ガスを導く導出ダクトの外周に冷却通路が形成されている常圧燃焼タービンシステム。
4. 請求項２または３において、前記流入ダクトが、前記スクロールの軸心に垂直な軸心を有する円筒状部材で形成されており、前記流入ダクトの軸心が、前記スクロールの軸心に交わらないように設定されている常圧燃焼タービンシステム。

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