JPH04232333A

JPH04232333A - ガスタービン装置内で作業ガスを処理するための方法

Info

Publication number: JPH04232333A
Application number: JP3180726A
Authority: JP
Inventors: Jakob Keller; ヤーコプ　ケラー
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-22
Publication date: 1992-08-20
Also published as: KR920002911A; DE59009885D1; EP0468083B1; US5197276A; EP0468083A1; CA2046539A1; ATE130401T1

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮機と、該圧縮機に
後置接続された圧力波発生器と、該圧力波発生器に後置
接続されたガスタービンとから主に成るガスタービン装
置内で、それも前記圧力波発生器が、セルを備えたロー
タと、該ロータの周囲及び端面を取り囲むケーシングと
から主に成っており、該ケーシングが、少なくとも１つ
の通路を介して圧縮機に接続されていて、少なくとも１
つの別の通路を介してガスタービンに接続されている形
式のガスタービン装置内で作業ガスを処理するための方
法に関する。また本発明は、この方法を実施するための
、一定の容積で燃焼させる圧力波発生器の構成に関する
。

【０００２】

【従来の技術】ヨーロッパ特許第０２１２１８１号明細
書には、ガスタービン装置の高圧圧縮機として圧力波発
生器を設けることが提案されている。この圧力波発生器
において、圧力波発生器のケーシングに設けられた燃料
ノズルから、低圧通路の範囲でロータに噴射若しくは吹
き込まれる燃料が自動点火されることによって高圧ガス
が生ぜしめられる。これによって生じた圧力波は、一方
ではロータ内室の相応の範囲内で高圧空気を生ぜしめ、
この高圧空気が、高圧空気通路を通って、ガスタービン
のための駆動ガスを生ぜしめるために燃焼室に供給され
る。またこの圧力波は他方では、ロータ内室内でロータ
が回転する際にロータ内室の別の範囲で、中位の圧力（
中圧）の駆動ガスと低圧の駆動ガスとを生ぜしめ、これ
らの駆動ガスは、中圧ガス通路及び高圧ガス通路を通っ
て、ケーシングの燃料噴射ノズルに供給されるか、若し
くはタービンの中圧部分若しくは低圧部分に供給される
。

【０００３】高圧段としての圧力波発生器を備えたガス
タービンは、従来のガスタービンに対して、次のような
重要な利点を有している１．圧力波発生器は、ピストンモータと同様に非常に高
いガス温度を許容する。

【０００４】２．圧力波発生器は、一定の容積での燃焼
を可能にする。

【０００５】３．圧力波発生器は、瞬間的な過程（爆発
移行“Ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｓｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｎ
”）の最適な利用が可能である。

【０００６】内燃機関の過給機として使用される従来の
圧力波発生器は第１の効果しか利用していないのに対し
て、前記ヨーロッパ特許第０２１２１８１号明細書に開
示された圧力波発生器は、前述した効果のすべての組み
合わせに基づいている。しかしながら、この公知の圧力
波発生器で要求される、点火爆発させるための圧力及び
温度に関する条件は、多くの燃料、例えば天然ガスによ
っては極端な状態においてしか得られず、これは従来の
構造では一般的でないので、発電装置の高圧圧縮機とし
て使用される圧力波発生器の有利な効率に関する基本的
なポテンシャルは事実上得られない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題は
、冒頭に述べた形式の圧力波発生器を有する発電装置で
効率を最高にすると共に、爆発燃焼が行われない圧力波
発生器を使用する際に証明される、少なくともそれぞれ
最適な結果が得られるようにすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の方法によれば、圧縮機内で処理した空気を、この空
気が圧力波発生器内に侵入する前に燃料と混合させ、次
いで燃料／空気混合気を通路の端部の手前で回転するセ
ル内に導入させ、該燃料／空気混合気を、セルの大きさ
によって規定された一定の容積で点火させ、このセル内
で燃焼させることによって形成された作業ガスによって
ガスタービンを負荷するようになっている。

【０００９】

【効果】本発明の方法によれば、圧力波発生器を使用し
たことによって一定の容積での燃焼が可能となったとい
う利点が得られた。従って、前記第２の利点を利用する
ことができ、しかも、非常に高い温度を許容するという
第１の利点も、一部有効となる。燃焼が閉鎖されたセル
内、つまり一定の容積において行われるという事実に基
づいて、本発明による圧力波発生器を備えたガスタービ
ンの効率は、従来の一定圧力燃焼と比較して著しく高め
られた。

【００１０】

【実施例】以下に図面に示した実施例について本発明の
方法を詳しく説明する。図面においては本発明を理解す
るために必要でない部分は省略した。種々異なる媒体の
流過方向は矢印で示されている。各図において同一の部
材には度内の符号を記した。

【００１１】図１に概略的に示されたガスタービン装置
においては、低圧圧縮機１が、前圧縮された空気を低圧
導管２を介して圧力波発生器に供給する。低圧導管２は
、燃料４が供給されている前混合通路３内にあらかじめ
開口している。図４に詳しく示されているように、高圧
タービン７及び低圧タービン９は、圧力波発生器５内で
処理された適当なガスによって、高圧駆動ガス導管６を
介して又は低圧駆動ガス導管８を介して負荷される。このガスタービン装置は低圧タービン９の設けられてい
ない簡略化された変化例によっても実現できる。このよ
うな低圧タービン９の設けられていない変化例は、まず
第１に、新鮮蒸気を処理するために高い温度の排ガスが
利用されるような組み合わせプロセスにおいて使用され
る。

【００１２】図２には、圧力波発生器５のロータ１０の
概略的な展開図が示されている。この展開図は、圧力波
発生プロセスを説明するためのものである。図２ではこ
のロータ１０の、図２でロータ１０の回転方向１２に対
して直角方向に延びる幾つかのセル１１しか示されてい
ない。これらのセルは勿論、例えばヨーロッパ特許第０
２１２１８１号明細書に開示されているように、ロータ
１０の回転方向に対して傾斜して配置してもよい（その
場合の構造については、前記ヨーロッパ特許第０２１２
１８１号明細書参照）。ロータ１０自体は、略示された
ケーシング２２ａ，２２ｂ内で非常に小さい遊びを保っ
て回転し、ケーシング２２ａ，２２ｂのロータ両端部側
には種々異なる通路３，３ａ；６，６ａ；８，８ａが形
成されている。図２に概略的に示されているように、ロ
ータ１０は、回転方向１２で回転して、直径方向で互い
に向き合う左右対称の２つのプロセスを行う。これら２
つのプロセスは、点火部材１３Ａ，１３Ｂ及び２１Ａ，
２１Ｂの範囲の、２重に図示された燃焼ゾーンで概略的
に示されている。このような構成は、ロータの均一な温
度配分を得るために選択されている。プロセスの左右対
称性は、２つのプロセスの構成的及び方法技術的な要素
が同一の番号を有していて、付加的なアルハベットだけ
が異なっていることによっても表されている。従って、
以下においてはプロセス周期の一部だけについて説明す
る。圧縮機から送られて来る低圧空気は、図２に示され
ていない前混合区分（図３参照）を通過し、燃料／空気
混合気の形状で前混合通路３を通ってセル１１の作用範
囲内に流入する。ここで低圧空気とは、絶対的な低圧で
はなく、装置のその他の圧力レベルと比較して相対的に
低いという意味である。空気は、前混合通路３の前部分
を通ってセル１１内に侵入する。この時に、前混合通路
３の手前で回転するセル１１は、相応の量の燃料／空気
混合気を受け入れる。セル１１を一定の容積で充てんす
ることは、ケーシング２２ａ内に設けられた前混合通路
３の閉鎖縁部によって行われる。符号１４によって、ケ
ーシング２２ａの前混合通路３の閉鎖縁部とケーシング
２２ｂの低圧−駆動ガス導管８の閉鎖縁部との間におけ
る衝撃波の形が示されている。セル１１内で一定の容積
で収容される混合気の点火は、ケーシング２２ａ，２２
ｂによって端面側が閉鎖されたロータ１０に沿って行わ
れる。つまり、１列に配置された点火部材１３Ａ，１３
Ｂ若しくは２２Ａ，２２Ｂ（反対側）によって点火され
る。この場合に、これらの点火部材は、ロータ１０の回
転方向１２に対して平行な方向で複数のセル１１をブリ
ッジしている。図２には、例えば５つの点火部材（ｎ０
１〜ｎ０５）が示されている。これらの点火部材は、一
様な間隔を保ってロータ１０の幅全部を覆っていて、相
当する回数の点火段階を提供する。この点火部材の作動
形式は及び構成は図４に示されていて、図４に関連して
詳しく説明されている。セル１１毎に行おうとする点火
段階の回数は、各セルの長さ及び各圧力波発生器の運転
条件に基づいている。一定の容積で閉鎖された室内での
混合気の一回及び複数回点火によって生ぜしめられる駆
動ガスは、それに続く周期部分で高圧−駆動ガス導管６
ａを通ってガスタービンの高圧部分に達する（図１参照
）。燃焼によって形成された駆動ガスは、別の範囲１５
ａ（低圧駆動ガス導管の手前の範囲）で低圧駆動ガス導
管８ａを通って、ガスタービンの低圧部分に達する（図
１参照）。勿論、ガスタービンが、駆動ガスを部分的に
放圧する中位の圧力を有していてもよい（図示せず）。このためには、ヨーロッパ特許第０２１２１８１号明細
書参照。次いでこの駆動ガスは、低圧部分で、雰囲気圧
に相当する対抗圧力に放圧される。速度の方向転換によ
って、駆動ガス内で移動する膨張波２０ａ，１７ａは高
すぎる流過速度にならず、それにも拘らず十分に強い圧
力低下が生じるように保証される。ケーシング２２ａ内
の低圧駆動ガス導管８ａの開放縁部から、膨張波がケー
シング２２ｂの高圧駆動ガス導管６ａの閉鎖縁部まで移
動し、駆動ガスは圧力ｐ２から圧力ｐ１に膨張し、次い
で低圧駆動ガス導管８ａを介してガスタービンの低圧部
分に供給される（図１参照）。ケーシング２２ｂ内の前
混合通路３ａの開放縁部からケーシング２２ａ内の低圧
駆動ガス通路８ａの閉鎖縁部まで移動する媒体境界１６
ａは、ロータ１０の幅全体に亙って延びており、この媒
体境界１６ａは膨張波と交差しない。これはつまり、駆
動ガスの全部がセル１１から押し出され、流出されるこ
とを意味する。次いで、前記と同様に、手前で回転する
セル１１に前混合通路３ａを介して燃料／空気混合気が
満たされて、新たな段階が開始される。従ってセル１１
は、一定の容積を有する“燃焼室”を形成する。この燃
焼室は、この燃焼室内で形成された駆動ガスの最大負荷
時において、ガスタービンの高圧部分の入口で許容され
るタービン羽根−限界温度が得られるように設計されて
いる。高圧部分の後で、部分放圧及びそれに応じて冷却
された駆動ガスに、圧力ｐ１を有する、低圧駆動ガス導
管８，８ａから供給される場合によっては熱い駆動ガス
が混合される。つまり、加熱された駆動ガス混合物が、
ガスタービンの低圧部分の第１段の境界温度に達する（
図１２参照）ように、混合される。ガスタービンが中位
の圧力（中圧）の圧力部分を有している場合は、混合は
前記と同様に行われる。この考え方の目的は、ガスター
ビンのために、カルノー（Ｃａｒｎｏｔ）の循環プロセ
スの等温線的な膨張にほぼ近付けるようにするというこ
とである。

【００１３】図３には前混合通路３（前混合通路３ａで
あってもよい）の一部が示されている。圧縮機から低圧
導管２を通って送られてくる低圧空気は、インジェクタ
ノズル２３（前混合通路３全体に亙って均一に分配され
ている）を介して、燃料４（例えば天然ガス）と混合さ
れて燃料／空気混合気が形成される。部分負荷運転の要
求を満たすことができるようにするために、インジェク
タノズル２３は燃料分配装置として段階的にスイッチオ
ン可能となっている。このような運転形式は、ＮＯＸ／
ＣＯ／ＵＨＣに関連した低いエミッションを考慮しても
非常に重要である。低いエミッションを達成するために
、全負荷時において完全に均一な混合気が生ぜしめられ
得るようになっている。その他の図は、図２に示した圧
力波発生器のロータの概略的な展開図である。

【００１４】図４は、セル１１内に収容された燃料／空
気混合気の連続的な点火がどのようにして行われるかの
可能性を示しているこ。この図４で示された可能性にお
いて、機械はまず、点火部材１３の一端部の範囲内で点
火プラグの点火によって始動される。点火部材１３は、
ロータの周方向で、均一な燃料／空気混合気が中位の圧
力にあるセル１１ａと、燃焼されたガスを高圧で搬送す
るセル１１ｂとの間の範囲内を覆っているので、点火は
次のようにして自動的に行われる。つまり、この点火部
材１３が、高圧駆動ガス導管６内で燃焼されたガスを、
中位の圧力を有する均一な燃料／空気混合気が支配する
セル内に搬送する移行通路の役割を果すことによって、
自動的に点火が行われる。高圧駆動ガス導管６内で燃焼
されたガスは、この導管６の手前で回転するセル内の可
燃混合気をこのセルの入口で連続的に点火させるために
役立つ。

【００１５】図５及び図６に示されているように、各セ
ル１１に小さい点火通路２４を設け、該点火通路２４が
、幾つかの点火孔２５を介してセル１１に接続されてい
て、該セル１１自体とは別の形式で供給されるようにな
っていることによって、自動点火の別の可能性が提供さ
れている。点火通路２４とセル１１との接続形式は図６
に示されている。点火通路は高圧タービンへの出口開口
を通って排出される。この出口開口は相応の寸法で構成
される。図６にはさらにオーバーフロー通路２６が示さ
れており、該オーバーフロー通路２６はセル１１と点火
通路２４との接続を形成する。

【図面の簡単な説明】

【図１】一定容積で燃焼を行うことのできる圧力波発生
器とガスタービンとの組み合わせを示した概略図である
。

【図２】本発明の１実施例による圧力波発生器の圧力波
発生プロセスを示した概略図である。

【図３】前混合通路を通っての燃料の取り入れを示した
概略図である。

【図４】ロータのセル内の燃料を連続的に点火する可能
性を示した概略図である。

【図５】点火の別の可能性を示した斜視図である。

【図６】点火の別の可能性を示した斜視図である。

【符号の説明】

１　　低圧圧縮機、　　２　　低圧導管、　　３，３ａ
　　前混合通路、　　４　　燃料、５　　圧力波発生器
、　　６，６ａ　　高圧−駆動ガス導管、　　７　　高
圧タービン、８，８ａ　　低圧−駆動ガス導管、　　９
　　低圧タービン、　　１０　　セル付きロータ、　　
１１，１１ａ，１１ｂ　　セル、　　１２　　ロータの
回転方向、　　１３Ａ，１３Ｂ　　点火部材、　　　　
１４，１４ａ　　衝撃波、　　１５，１５ａ　　低圧−
駆動ガス導管、　　１６，１６ａ　　媒体境界、　　１
７，１７ａ；２０，２０ａ　　膨張波、２１Ａ，２１Ｂ
　　点火部材、　　２２ａ，２２ｂ　　ケーシング、　
　２３　　インジェクタノズル、　　２４　　点火通路
、　　２５　　点火孔、　　２６　　オーバーフロー通
路、　　ｎ０１，ｎ０２，ｎ０３，ｎ０４，ｎ０５　　
点火段階

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　圧縮機（１）と、該圧縮機（１）に後
置接続された圧力波発生器（５）と、該圧力波発生器（
５）に後置接続されたガスタービン（７，９）とから主
に成るガスタービン装置内で作業ガスを処理するための
方法であって、前記圧力波発生器（５）が、セル（１１
）を備えたロータ（１０）と、該ロータ（１０）の周囲
及び端面を取り囲むケーシング（２２ａ，２２ｂ）とか
ら主に成っており、該ケーシング（２２ａ，２２ｂ）が
、少なくとも１つの通路（３，３ａ）を介して圧縮機（
１）に接続されていて、少なくとも１つの別の通路（６
，６ａ；８，８ａ）を介してガスタービン（７，９）に
接続されている形式のものにおいて、圧縮機（１）内で
処理した空気を、この空気が圧力波発生器（５）内に侵
入する前に燃料（４）と混合させ、次いで燃料／空気混
合気を通路（３，３ａ）の端部の手前で回転するセル（
１１）内に導入させ、該燃料／空気混合気を、セル（１
１）の大きさによって規定された一定の容積で点火させ
、このセル（１１）内で燃焼させることによって形成さ
れた作業ガスによってガスタービン（７，９）を負荷す
ることを特徴とする、ガスタービン装置内で作業ガスを
処理するための方法。
【請求項２】　　セル（１１）内の燃料／空気混合気の
点火を少なくとも１回の点火時点（ｎ０１，ｎ０２，ｎ
０３，ｎ０４，ｎ０５）で行う、請求項１記載の方法。
【請求項３】　　セル（１１）内の燃料／空気混合気の
点火を、運転エネルギ供給の自動的な連続のプロセスに
よって及び／又は点火補助手段によって行う、請求項１
記載の方法。
【請求項４】　　セル（１１）内の燃焼によって形成さ
れた作業ガスの一部によって高圧ガスタービン（７）を
負荷し、セル（１１）内の作業ガスの残りの部分によっ
て低圧ガスタービン（９）を負荷する、請求項１記載の
方法。
【請求項５】　　高圧ガスタービンの排ガスの一部を、
低圧ガスタービン（９）を負荷するための作業ガスに混
合する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法
。