JP7477867B2 - ガスタービン装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態のガスタービン装置を示す概略構成図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
図1に示すように、本実施形態のガスタービン装置10は、圧縮機11と、燃焼器12と、タービン13と、回転軸14と、燃焼器12を制御する燃焼制御部15と、を備える。圧縮機11とタービン13とは、共通の回転軸14によって同軸上に連結されている。以下、説明の都合上、ガスタービン装置10のうち、圧縮機11が設けられた側を前方と称し、タービン13が設けられた側を後方と称する。ガスタービン装置10は、例えばジェットエンジン、火力発電機等の用途に用いられるが、特にこれらの用途に限定されない。
図1に示すように、燃焼器12は、回転軸14の軸線P方向において、圧縮機11とタービン13との間に配置されている。図2に示すように、燃焼器12は、円筒状に形成された内側ケーシング22および外側ケーシング23と、複数の燃焼缶24と、を有する。複数の燃焼缶24は、内側ケーシング22と外側ケーシング23との間の空間Sにおいて、回転軸14の周囲に環状に配置されている。複数の燃焼缶24は、同一の形状およびサイズを有する。図2の例では、16個の燃焼缶24を備えているが、燃焼缶24の数は特に限定されない。
図3は、燃焼缶24を軸線P方向に沿う平面で切断した断面図である。
図3に示すように、燃焼缶24は、円筒状の容器で構成されている。燃焼缶24は、圧縮機11で生成される圧縮空気E2を流入させるための圧縮空気流入口24aと、燃焼後の生成ガスE3を排出するための燃焼ガス排出口24bと、を有する。したがって、燃焼缶24の内部空間は、燃料Fを圧縮空気E2とともに燃焼させるための燃焼室25として機能する。図1に示すように、燃焼室25内には、燃料タンク35内に収容された燃料Fがポンプまたはガス圧縮機等の輸送手段36を介して供給される。
図2に示すように、本実施形態のガスタービン装置10において、燃焼制御部15は、16個の燃焼室25のうち、8個の燃焼室25で定圧定常燃焼が行われ、他の8個の燃焼室25で間欠燃焼が行われるように、燃焼器12を制御する。以下、定圧定常燃焼が行われる燃焼室25を定圧定常燃焼室25Aと称し、間欠燃焼が行われる燃焼室25を間欠燃焼室25Bと称する。すなわち、複数の燃焼室25の内訳は、半数の燃焼室25が定圧定常燃焼室25Aであり、残りの半数の燃焼室25が間欠燃焼室25Bである。ただし、定圧定常燃焼室25Aおよび間欠燃焼室25Bの数は、特に限定されず、適宜変更が可能である。図2においては、定圧定常燃焼室25Aと間欠燃焼室25Bとを区別するため、間欠燃焼室25Bに点のハッチングを付した。
以下、本実施形態のガスタービン装置10において、燃焼圧力利得が得られる原理について説明する。
図4は、燃焼室出口における圧力時間履歴の一例を示すグラフである。図4において、横軸は時間(ms)であり、縦軸は燃焼室出口での圧力(kPa)である。1点鎖線のグラフJは、定圧定常燃焼時の圧力時間履歴を示し、実線のグラフKは、間欠燃焼時の圧力時間履歴を示す。
図5は、本実施形態のガスタービン装置10の構成を示すブロック図である。図6は、従来のガスタービン装置110の構成を示すブロック図である。
また、この例では、水素と空気との予混合気体を用い、圧縮機入口での圧力を0.1MPaとし、温度を298Kとし、当量比を1.0とし、圧縮機の圧力比を10として計算した。
従来のガスタービン装置110の場合、基本サイクルは、断熱圧縮、等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却の各過程を有するブレイトンサイクルである。すなわち、従来のガスタービン装置110では、定圧定常燃焼のみが行われるため、B→Cの燃焼過程は圧力が一定の等圧加熱となる。
図8のT-s線図において、各グラフJ,Kの4本の直線で囲まれた領域の面積は、タービンで得られる出力の大きさ、すなわち、熱効率に相当する。
本実施形態のガスタービン装置10の場合、燃焼器12の出口圧力が従来に比べて上昇することに加えて、燃焼器12の出口温度も従来に比べて上昇する。すなわち、燃焼過程B→C’の直線の傾斜は、燃焼過程B→Cの直線の傾斜に比べて大きく増大する。このように、本実施形態のガスタービン装置10によれば、燃焼器12の出口において、従来よりも高い圧力と高い温度が得られる結果、熱効率を向上することができる。
シミュレーション条件としては、圧力比を10とし、圧縮機の断熱効率を88%とし、タービンの断熱効率を90%とし、タービンの入口温度を1550Kとした。
図9のグラフにおいて、横軸は質量流量比率X0[無単位]であり、縦軸は熱効率[%]である。また、質量流量比率X0は、全生成ガス中に占める間欠燃焼によって得られる生成ガスの割合を示す。具体的には、複数の燃焼室から排出される生成ガスの総質量流量をMTとし、間欠燃焼室から排出される生成ガスの質量流量をMPとしたとき、質量流量比率X0は、X0=MP/MTで表される。
以上説明したように、本実施形態のガスタービン装置10は、燃焼器12に間欠燃焼室25Bを備えることによって、従来のガスタービン装置に比べて高い熱効率を得ることができる。さらに、本実施形態のガスタービン装置10に、例えば圧力比の向上、最高最低温度比の向上等、従来の高圧化、高温化技術を組み合わせることによって、熱効率をより一層高めることができる。
例えば上記実施形態では、複数の燃焼室25の全てが定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成されているが、複数の燃焼室25のうち、少なくとも一つの燃焼室25が定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成されていてもよい。具体的には、例えば複数の燃焼室25のうち、一部の燃焼室25は定圧定常燃焼専用の燃焼室であり、残りの燃焼室25は定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能な燃焼室であってもよい。または、複数の燃焼室25のうち、一部の燃焼室25は間欠燃焼専用の燃焼室であり、残りの燃焼室25は定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能な燃焼室であってもよい。または、複数の燃焼室25は、一部の燃焼室25は定圧定常燃焼専用の燃焼室25と間欠燃焼専用の燃焼室25であり、残りの燃焼室25が定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能な燃焼室25であってもよい。
11…圧縮機
12…燃焼器
13…タービン
14…回転軸
15…燃焼制御部
25…燃焼室
25A…定圧定常燃焼室
25B…間欠燃焼室
27…定圧定常燃焼用燃料噴射器
28…定圧定常燃焼用点火器
30…間欠燃焼用燃料噴射器
31…間欠燃焼用点火器
E2…圧縮空気
E3…生成ガス
F…燃料
Claims (4)
- 圧縮機と、
燃焼器と、
タービンと、
前記圧縮機と前記タービンとを同軸上に連結する回転軸と、
前記燃焼器を制御する燃焼制御部と、を備え、
前記燃焼器は、前記圧縮機から排出される圧縮空気と燃料との混合ガスを燃焼させ、燃焼後の生成ガスを前記タービンに排出する複数の燃焼室を有し、
前記複数の燃焼室のうち、少なくとも一つの燃焼室は、前記燃焼制御部によって定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成され、
前記少なくとも一つの燃焼室は、前記燃料を連続的に噴射可能とされた定圧定常燃焼用燃料噴射器と、前記燃料を間欠的に噴射可能とされた間欠燃焼用燃料噴射器と、を備え、
前記間欠燃焼用燃料噴射器は、前記定圧定常燃焼用燃料噴射器に比べて前記圧縮空気の流れ方向の上流側に配置されている、
ガスタービン装置。 - 前記少なくとも一つの燃焼室は、定圧定常燃焼時に前記燃料に点火する定圧定常燃焼用点火器と、間欠燃焼時に前記燃料に点火する間欠燃焼用点火器と、を備える、請求項1に記載のガスタービン装置。
- 前記複数の燃焼室は、前記回転軸の周囲に環状に配置されている、請求項1または請求項2に記載のガスタービン装置。
- 前記燃焼制御部は、前記回転軸の周方向において、前記間欠燃焼が行われる間欠燃焼室同士の間に前記定圧定常燃焼が行われる定圧定常燃焼室が配置されるように、前記燃焼器を制御する、請求項3に記載のガスタービン装置。
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