JPH0388903A

JPH0388903A - 複合エンジン

Info

Publication number: JPH0388903A
Application number: JP22306989A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Katayama; 片山　一三; Hiroshi Suefusa; 末房　博
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1989-08-31
Publication date: 1991-04-15
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: JP2665000B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、−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）。

ＩＩａ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１１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０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、蒸気タービンと
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ｌ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、前記従来の課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−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、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Ｉａ５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ｗｉ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ａ２の３本の回転軸のもう１本に
は、発電８１４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？＆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１
６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を設は軸推力を軽減する。

このバランスピストン３１に設置したラピンスパッキン
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、−Ｓ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円弧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３
０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。１６・・・軸車。２１・・・燃料ガス吸入口。２３・・・均圧管。２５・・・蒸気吸入口２７・・・軸受。２９・・・蒸気噴口３１・・・バランスピストン４１・・・内歯歯車。４４・・・太陽歯車。５１・・・二つ割れリング。５３・・・柔軟な材料５５・・・間隙部。５７・・・油溝。１５・・・遊星歯車装置２０・・・ケーシング。２２・・・燃料ガス吐出口。２４・・・軸シール体。２６・・・油供給孔。２８・・・推力軸受。３０・・・漏洩室。３２・・・動翼。４２・・・遊星歯車。４５・・・歯車軸。５２・・・回転軸。５４・・・固定ハウジング。５６・・・給油口。代　理　人　　弁理士板間　暁外２名第４図第５図第６図第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（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たことを特徴とする複
合エンジン。
（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。