JPS5948293B2 - ガスタ−ビン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は燃焼ガスなどの高温ガス中に霧化した水ある
いは水蒸気等を吹き込み、高温ガスの温度を所定の温度
に下げるとともにその水分の膨張エネルギーによってタ
ービンを同転させるガスタービンに関するものである。

従来動力源として内燃機関、蒸気タービン、ガスタービ
ン等が知られているが、内燃機関は機構が複雑であり、
その効率は第１表のように機械効率と熱効率とがあり、
上記機械効率にはピストン及び軸受等の摩擦損失、ポン
プ作用による損失、補助機械（マグネト−、ポンプ等）
の損失がありこれらの損失は第２表に示されるように回
転速度の増大と共に増大する。

上記第１表のη１・η２は最小値の組合せど最大値の掛
合せであり実際は機械損の小さい時は熱効率は悪い（低
速運転時）から、この中間の全効率となり、ガソリン機
関でη１・７２２０％、ディーゼル機関で２５％位とな
る。

またディーゼル機関は馬力当りの寸法が大きくなる等の
欠点がある。

これに対しタービン運動部分は回転運動しかなく、振動
も少なく、摩擦損も少ないので、機械効率９８〜９９％
は容易であり、蒸気タービンは機械効率と熱効率と含め
て３８〜４０％である。

またガスタービンは燃焼温度を高くとると効率は向上す
るがタービン材料の点で制約がある。

そのため２０００℃以上になっている燃焼ガスを６５０
〜９００℃に下げるために余分な圧縮空気を混入する必
要があり、コンプレッサー損失が全出力の６４％にもな
り結局圧縮空気を得るために加圧用コンプレッサーに費
される動力が大きく本来高かるべき効率が３６％位とな
る。

以上から見れば蒸気タービンが最も良いこととなるが、
これには大きなボイラを必要とする等欠点がある。

この発明はこのような欠点を解消するためなされたもの
でボイラを必要とせず、かつ低温で（−かも効率が高い
ガスタービンを提供するものである。

以下第１図に示すこの発明の一実施例について説明する
。

図において、１はタービンであり、第２図に示されるよ
うにタービン軸１ａ、とこのタービン軸１ａに固着され
たタービン翼１ｂと燃焼ガス水蒸気混合ガス人口ａおよ
び出Ｌ］ ｂを有するタービンケーシング１ｃとで構成
されている。

２は上記タービン１０回転速度を検出する速度検出装置
、３は予熱装置であり、上記タービン１を覆う外囲器３
ａと、この外囲器３ａに導管３ｂを介し結合され内部に
燃料、空気、水等をそれぞれ通すパイプ３ｄを有する予
熱タンクとで構成されている。

なお上記パイプ３ｄの１部を第２図および第３図に示さ
れるようにタービンケーシング１Ｃに１重または多重に
巻きつけてもよい。

４は燃料・空気混合装置、５は電気点火器５ａを備えた
燃焼室、５１は完全燃焼検出装置、６は電気点火用電源
、７は霧化された水または水蒸気と燃焼ガスとを混合す
る混合装置、８は点火器８ａを備えた再点火装置、８１
は混合ガス温度検出装置、９は補助モータ１８によって
始動され、あとタービン１によって駆動され燃焼用空気
を加圧して予熱器３に送るコンプレッサ、１０はタービ
ン１の回転軸１ａに結合された発電機、ｌｌａは始動時
はオフ、定常状態でオンとなるカップリング、ｌｌｂは
始動時オン定常状態でオフとなるカップリング、１２は
重油、原油、灯油等の液体燃料１２ａを収納する燃料タ
ンク、１３は水１３ａを供給する水供給源、１４は燃料
を供給するポンプ、１５は水を供給するポンプ、１６は
浄水器２６によって浄水される復水器２３がら出た水を
送給するポンプ、１７は復水器冷却用の冷却媒体を供給
するポンプであり、上記冷却用媒体として例えば予熱前
の混合用の上記燃料１２ａ、水１３ａまたは空気を用い
、これらの予熱に利用しても良い。

１８は始動時のみ作動する補助モータ、１９．２０．２
１は自動制御用の電子コイル１９ａ、２０ａ、２１ａを
それぞれ備えた空気流量調節制御弁、燃料流量調節制御
弁、水流量調節制御弁、２２は逆止弁、２３は冷却媒体
を通す冷却パイプを内蔵する復水器、２４は排気口、２
５は水を霧化する超音波霧化器等の霧化器を内蔵し、供
給される水がまだ余熱されて水蒸気になっていないとき
は霧化し、この霧化された水を放射するとともに水蒸気
となっている場合はその水蒸気を放射する放射器、２６
は苛性ソーダ、炭酸ソーダの滴加、またはイオン交換、
バクハン石等の層の通過等により浄化する浄水器である
。

次に動作について説明する。

補助モータ１３を作動し、コンプレッサ９、ポンプ１４
〜１７を回転するとコンプレッサ９によって加圧され効
率良く予熱できる状態となった空気が、燃料タンク１２
より燃料１２ａが、また水供給源１３より水１３ａがそ
れぞれ空気、燃料、水流量調節制御弁１３．２０．２１
を介し予熱装置３へ送られる。

この予熱装置３で予熱された燃料１２ａと空気は燃料空
気混合装置４で２〜１５気圧程度になるようにして混合
され燃焼室５において、点火燃焼される。

燃焼室５で生成された高温の燃焼ガスは混合装置７にお
いて、放射器２５から放射される霧化された水または水
蒸気と混合される。

上記混合装置７内で熱分解によってＨ２゜０゜ガスが発
生すると熱効率上無７駄となるので上記Ｈ２，０２ガス
は再点火装置８にお・いて再点火され可燃物も含め完全
に燃焼される。

なお・、上記説明では燃焼ガスに水を混入することにつ
いて述べたが、燃料の中に予め水分を混入したり、燃料
、空気、水分を同時混合したり、あるいは燃焼時は燃料
と空気のみで行ない、燃焼後直ちに水分を混入してもよ
い。

また、これらを併用してもよい。例えば、燃料の中に予
じめ１０〜３０％の水分を混入させた（エマルジョン又
はゲル状）燃料を燃焼させ、その燃焼ガス中に更に露化
された水又は水蒸気を混入させてもよい。

」−記燃焼ガス水蒸気混合ガスによってタービン１は同
転され発電機１０を駆動する。

なお上記タービン１の回転速度は速度検出装置２で検出
されこの検出信号は第４図（図中第１図と同一符号は同
一または相当部分を示す。

）に示されるように速度制御装置３０に導入される。

速度制御装置３０ば上記検出信号と基準値とを比較し、
その比較値に応じて燃料流量調節バルブ２０を制御し、
タービン１の回転速度を負荷の変動に関係なく一定速度
に制御する。

また燃料に対応する空気量の制御が中心となる燃焼室５
における完全燃焼のための制御は完全燃焼検出装置５１
にて完全燃焼度を検出し、例えば一酸化炭素濃度を検出
し、この検出信号と設定値とを燃焼制御装置３１にて比
較し、この比較値に応じて空気調節バルブ１９を制御す
ることにより行なわれる。

また霧化した水、または水蒸気化した水の供給量の制御
が中心となるタービン入力前の燃焼ガス水蒸気混合ガス
温度の制御は混合ガス温度検出器８１で検出された混合
ガス温度の検出信号と設定値とをガス温度制御装置３２
により比較し、この比較値に応じて水流量調節弁２１を
制御することにより行なわれる。

さらに上記各制御装置３０〜３２はそれぞれ接続され関
連して異常状態の発生等をも含め調節制御する。

この発明は上述のように霧化または水蒸気化した水を高
温ガスに混入しているのでガス温度をタービン材料の強
度が耐え得る所定の温度（例えば５００〜９００℃程度
）に容易に下げることができる。

これを通常のガスタービンについて考察すると、通常燃
焼に都合のよい燃料に対する空気混合量では２０００℃
以上の燃焼温度になり、通常のガスタービンではこれを
６００℃〜９００℃に押えるために大量の空気を燃焼後
混入するが、この場合の空気量は通常の内燃機関の約５
〜１０倍である。

一般的にＣｎＨｉｎなる炭化水素（石油系燃料）１ｋｇ
を完全に燃焼させるに要する空気量は で示される。

例えばヘプタン（Ｃ７Ｈ１６）ではＡ ＝ １５．２ｋ
ｇ となる。

実際にはこれより１．２〜１．５倍の空気量を混入する
のを常とする。

この時燃焼温度は２６００℃程度となる。

これをもし従来の通常ガスタービンのように空気で冷却
し、５００〜９００℃にする場合は概略の計算で常温に
ある空気量７０ｋｇを要し、結局トータルとして９０〜
１００ｋｇの空気を要することになる。

これをこの発明による霧化または水蒸気化した水で上記
温度に下げるには常温の水９〜１０ｋｇで充分であり、
従来のコンプレッサ及びポンプの損失を％程度に減らす
ことができ、特に６４％であったコンプレッサ損失を１
０〜１５％程度に減少させることができた。

なお以上の数値の中では、水の熱解離によって酸素と水
素を生じる為に温度が低下すると、燃料の燃焼によって
生じたＨ２ＯとＣＯ２が熱解離によって温度を下げる作
用（吸熱反応）は省略しているが、いずれにしても水の
量を少なくしても良い方向に作用するものであり、これ
らは恐らく１０〜１５％熱を下げる方向に影響すると考
えられる。

また前述のようにガスの高温により注入された水がＨ２
と０□とに解離したま・では、システム全般の熱効率向
上の点で不経済なので、点火器とガス温度検出器を備え
た再点火装置を混合装置の後段に設け、Ｈ２，０゜以外
の可燃物も含めての完全燃焼を計っている。

この結果この再点火装置をコントロールすることによっ
て、ガス温度と熱効率とのバランスを計ることが可能と
なりガスタービンシステム全般の効率向上に極めて有効
である。

さらにこの発明の重要な効果は、水蒸気が燃焼ガス中に
大量に存在することによって、タービン等の構成材料の
防錆ができることである。

これは、高温水蒸気が常温金属に触れることによって緻
密な酸化被膜を形成して腐蝕の内部への進行を防止する
ものであり、この水の量は、消費燃料とほぼ等量以上で
あればよい。

第５図〜第９図はこの発明の一部の具体例を示し、図中
第１図と同一符号は同一または相当部分を示ｔ。

第５図はコンプレッサ９からの空気流に対し燃料をエゼ
クタ作用で吸引するようにすると共に、点火後水蒸気を
混入する時もエゼクタ作用を利用し水蒸気が容易に入り
易い形状とし、かつ燃焼室５等からなる燃焼系を２系統
設けたものである。

第６図、第７図はそれぞれ燃焼室５、タービン１の周囲
を囲み水の予熱室を形成したものである。

第８図はカップリングｌｌａを発電機１０とタービン１
との間に設は始動時発電機１０を補助モータ１８で駆動
するようにすると共にタービン１の外周部を囲み予熱す
る水または燃料の予熱室５０を形成し、か一つ復水器２
３への燃焼ガス水蒸気混合ガス入口部２４を絞って拡げ
断熱膨張により上記混合ガスを冷却し気液分離し、復水
器２３の下部に形成された水をポンプ２５でとり出すよ
うにしたものである。

なおこの復水器２３は第９図のように排出される混合ガ
スをパイプで水槽中に導き排ガスの保有する熱を水に吸
収させて復水させるとともに気体分を気泡として排気孔
へ導くようにしてもよい。

この場合、燃焼ガス中に硫黄酸化物、窒素酸化物が含ま
れるときには、水タンクの中あるいは燃焼ガスとの混合
室までの間に上記酸化物を吸収または反応する物質中を
通過させたり混合したりすることにより処理する。

なお、また第１図において、燃焼ガスを所定温度に冷却
する大量の空気を送給できる大型コンプレッサを設はカ
ップリングｌｌａ、ｌｌｂを介しタービン１補助モータ
１８の動力が伝達され、コンプレッサ９燃料供給用のポ
ンプ１４、水供給用のポンプ１５、１６およびポンプ１
７等を回転する動力伝達軸２６に上記大型コンプレッサ
と上記水供給用のポンプ１５、１６とを切換可能に接続
し、水系の故障その池水の供給が不可となった場合に上
記大型コンプレッサ側に切換えるようにしても良い。

さらに上記水供給用ポンプ１５．１６で供給される水は
海水であっても良く燃焼ガス中に超音波霧化装置などに
より霧化した海水を供給した場合、食塩等は排気の中へ
そのまま放出される。

さらにまたタービン構成金属材料の防錆保護のため上記
水に炭酸ソーダ、苛性ソーダ等を微量添加し１．あるい
は石灰質の物質の中を通過させて弱アルカリ性を保つよ
うにしたり、燃焼ガス中に混入する水分を調整して、す
なわち燃料と等重量以上の水を混入して腐蝕による劣化
を防止する温度、湿度条件を保つようにしても良い。

以上のようにこの発明はタービン駆動用の高温ガス中に
霧化した水または水蒸気を吹き込みガス温度を下げると
ともにその混入された水分の膨張エネルギをタービンの
駆動に利用しており、さらにコンプレッサおよびポンプ
損失を極めて小さくすることができるため従来のガスタ
ービンでは期待できなかった高効率化を計ることができ
かつタービン構成材料としてステンレス、鉄鋼、アーム
スブロンス等の廉価でしかも加工しやすい材料を使用す
ることができる等の利点がある。

また、高温の水蒸気が高温のタービンプレートなどに触
れて酸化物の被覆を表面に形成するためプレードなどの
金属性構成部品が内部まで酸化されてしまうことを防止
することができる。

尚、この発明の方式は、燃料中に水分を１０〜３０％混
入させた（エマルジョン又はゲル状）ものを使用する公
知の燃焼方式とは技術思想及び目的が根本的に異なって
いる。

すなわち公知の方式は少量の水分の添加によって燃焼自
体を改善しようとするのに対し、本発明は燃焼ガス温度
を下げてその熱で水蒸気を膨張させるものであると共に
タービン材料の腐蝕防止を目的とするものであり、水の
混入量が本発明では燃料の重量の数倍〜士数倍程度とな
り、公知の方式に比へてはるかに多い点が特徴となって
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図およ
び第３図は第１図の一部詳細を示す図、第４図は第１図
に示されてる空気、燃料、水流量調節制御弁の制御の一
例を示す系統図、第５図〜第９図は第１図の一部具体例
を示す図である。 図において、１はタービン、３は予熱装置、４は燃料空
気混合装置、５は燃焼室、７は混合装置、９はコンプレ
ッサ、ｌｌａ、ｌｌｂカップリング、１４゜１５はポン
プ、１８は補助モータである。 なお図中同一符号は同一または相当部分を示すものとす
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高温ガスを送給してタービンを駆動する装置の上記
   タービンより前段に水蒸気化した水または霧化された水
   を発生する手段を設け、この手段により高温ガス中に上
   記水蒸気化または霧化された水を混入させで、高温ガス
   の温度を所定温度まで下げるとともに、その水分の膨張
   エネルギも上記タービンを回転させるのに利用するガス
   タービン装置にお・いで、この水分混入状態のガスを再
   燃焼させるための再点火装置を備えたことを特徴とする
   ガスタービン。