KR101399822B1 - 시일 에어 공급 장치 및 이 시일 에어 공급 장치를 이용한 배기 가스 터빈 과급기 - Google Patents

시일 에어 공급 장치 및 이 시일 에어 공급 장치를 이용한 배기 가스 터빈 과급기 Download PDF

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Abstract

배기 가스 터빈 과급기(27)와는 별도로 시일 에어용 압축기(73)를 마련하여 가압 공기를 생성하고, 상기 가압 공기를 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 에어로서, 시일 에어 공급부(79)로 공급하는 시일 에어 공급로(77)와, 상기 시일 에어 공급로(77)로부터 분기하여 시일 에어의 잉여 공기를 가스 터빈 과급기의 급기측 컴프레서(27a)의 출구측으로 인도하는 잉여 공기 도입로(81)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

시일 에어 공급 장치 및 이 시일 에어 공급 장치를 이용한 배기 가스 터빈 과급기{SEAL AIR SUPPLY APPARATUS AND EXHAUST GAS TURBINE SUPERCHARGER USING SEAL AIR SUPPLY APPARATUS}
본 발명은 시일 에어 공급 장치 및 이 시일 에어 공급 장치를 이용한 배기 가스 터빈 과급기에 관한 것이며, 특히 공기와 연료 가스의 일부 또는 전부를 예혼합한 혼합 가스를 배기 가스 터빈 과급기를 거쳐서 실린더에 공급하는 가스 엔진에 있어서의 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급 장치에 관한 것이다.
종래부터, 엔진에 구비된 배기 가스 터빈 과급기에 있어서, 엔진으로부터의 배기가 배기 가스 터빈 과급기의 급기측에 침입하는 것을 방지하기 위해서, 또한 배기 가스 터빈 과급기의 배기 터빈의 스러스트력의 균형 유지를 위해서, 또한 급기측 컴프레서나 배기측 터빈의 배면 냉각을 위해서, 상기 배기 가스 터빈 과급기의 급기측 컴프레서에 공급되는 급기의 일부, 또는 급기측 컴프레서로 가압된 급기의 일부를 추출하여 배기 터빈 배면 공간이나 베어링부 등에 공급하고 있다(이하, "시일 에어"라고 함). 그리고, 공급 후에는 상기 시일 에어는 대기로 방출되도록 되어 있다.
예를 들면, 특허문헌 1(일본 특허 공개 제 1994-346749 호 공보)에는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 과급기(01)에 의해서 가압되고, 그 후 쿨러(02)에 의해서 냉각된 주기관 소기실 2차측(03)의 저온 공기를, 시일 에어로서 과급기(01)의 터빈(04)측에 마련한 터빈 디스크 측면으로 공급하고, 본래의 기능(스러스트 밸런스, 오일 시일 및 가스 시일)에 부가하여, 터빈 날개 및 터빈 디스크부를 냉각하도록 한 것이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2(일본 특허 공개 제 1999-117753 호 공보)에 있어서도, 과급기의 컴프레서로부터의 압축 공기를, 시일 공기 통로를 지나 터빈의 배부(背部)로 인도하여 로터축의 밸런스 작용 및 배기 가스의 침입이나 윤활유의 누출을 시일하는 동시에, 시일 공기 통로의 도중에, 컴프레서의 출구측의 공기 압력이 터빈 배측 공간측의 압력보다 높을 때, 상기 공기 통로를 여는 자동 밸브가 장착되는 구성이 개시되어 있다.
한편, 탄광 메탄 가스 등의 저칼로리 가스를 연료 가스로서 사용하는 가스 엔진에 있어서는, 예를 들면, 특허문헌 3(일본 특허 공개 제 2009-144626 호 공보)에 나타내는 바와 같이, 연료 가스의 일부를 또는 전량을 급기 에어에 미리 혼합하고 나서 해당 혼합 가스를 과급기에 의해서 가압하여, 실린더 내에 공급하도록 한 과급기 사전 예혼합의 급기 시스템이 알려져 있다.
일본 특허 공개 제 1994-346749 호 공보 일본 특허 공개 제 1999-117753 호 공보 일본 특허 공개 제 2009-144626 호 공보
그러나, 특허문헌 3에 개시되어 있는 과급기 사전 예혼합의 급기 시스템과 같이, 공기에 대하여 연료 가스의 일부 또는 전량을 예혼합하는 가스 엔진에 있어서는, 특히, 공기에 메탄 가스 등의 연료 가스를 예혼합하는 가스 엔진에 있어서는, 특허문헌 1, 2에서 나타내는 바와 같은 엔진에 공급되는 급기의 일부를 이용하여 시일 에어로 하여 과급기에 공급하면, 급기에 메탄 가스가 포함되어 있기 때문에, 메탄 가스가 과급기 내부의 고온 부품이나 고온 부위와 접촉할 가능성이 있다.
또한, 시일 에어를 터빈 배면 공간이나 베어링 등에 공급 후, 상기 시일 에어를 대기로 방출하면, 연료 가스의 일부가 대기로 방출되어, 특히 메탄 가스에 있어서는 온실 효과가 커서 대기 환경의 악화를 초래하는 동시에, 연료 소비 효율의 악화를 초래할 가능성이 있다.
그래서, 본 발명은 이들 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 배기 가스 터빈 과급기의 상류측에서 공기와 연료 가스의 일부 또는 전량을 예혼합한 급기 혼합 가스를, 배기 가스 터빈 과급기를 거쳐서 급기하는 가스 엔진의 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급 장치에 있어서, 배기 가스 터빈 과급기의 고온부에, 급기 혼합 가스가 직접 접촉하는 것을 회피하는 동시에, 급기 혼합 가스의 대기 방출량을 삭감하여 대기 오염을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 배기 가스 터빈 과급기의 상류측에서 공기와 연료 가스의 일부 또는 전량을 예혼합한 급기 혼합 가스를, 배기 가스 터빈 과급기를 거쳐서 연소실로 공급하는 가스 엔진의 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급 장치에 있어서, 상기 배기 가스 터빈 과급기와는 별도로 시일 에어용 압축기를 마련하여, 상기 시일 에어용 압축기에 의해서 생성되는 가압 공기를 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어로서, 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급부로 인도하는 시일 에어 공급로와, 상기 시일 에어 공급로로부터 분기하여 마련되어 상기 시일 에어 공급부로의 시일 에어의 잉여 공기를 상기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측으로 인도하는 잉여 공기 도입로를 구비한 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면, 메탄 가스 등을 연료 가스로 하는 가스 엔진의 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어로서, 배기 가스 터빈 과급기와는 별도로 마련한 시일 에어용 압축기로부터의 가압 공기를, 시일 에어 공급로를 거쳐서 시일 에어 공급부에 공급하므로, 메탄 가스 등의 연료 가스가 예혼합된 급기 혼합 가스가 시일 에어로서 이용되는 일이 없으며, 상기 급기 혼합 가스가 배기 가스 터빈 과급기의 고온부에 직접 접촉할 가능성이 회피된다.
또한, 시일 에어 공급부에 공급되는 것이 공기이기 때문에, 그 시일 에어 공급부에 공급된 상기 공기가 대기로 방출되어도, 메탄 가스와 같이 온실 효과 작용이 크지 않기 때문에 대기 오염도 억제된다.
또한, 시일 에어용 압축기에 의해서 생성된 시일 에어를 시일 에어 공급부로 인도하는 시일 에어 공급로로부터 분기하여 마련되고 시일 에어의 잉여 공기를 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측으로 인도하는 잉여 공기 도입로를 구비했으므로, 상기 시일 에어용 압축기에 의해서 생성되는 가압 공기에, 시일 에어에 의한 소비량을 상회하는 잉여분이 생겼을 경우에는, 상기 잉여분을 배기 가스 터빈 과급기의 토출 급기에 합류시킴으로써, 배기 가스 터빈 과급기의 과급기 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 시일 에어 공급부를 경유한 시일 에어를 상기 배기 가스 터빈의 컴프레서 입구측으로 되돌리는 시일 에어 방출로를 구비하면 좋다.
이와 같이, 시일 에어 공급부에 공급된 시일 에어는, 엔진의 배기가 배기 가스 터빈 과급기의 급기측에 침입하는 것을 방지하고, 배기 터빈의 스러스트력의 균형을 유지하며, 또한 급기측 컴프레서나 배기측 터빈의 배면 냉각 등을 실행하고, 시일 에어 방출로를 통과하여 배기 가스 터빈의 컴프레서 입구측에 합류시키므로, 배기 가스 터빈 과급기의 과급기 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 대기로 방출되지 않기 때문에, 온실 효과에 의한 대기 환경의 악화도 억제된다.
또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 시일 에어용 압축기가 상기 가스 엔진의 배기 가스의 흐름에 대하여 상기 배기 가스 터빈 과급기와 병렬로 마련되며, 상기 배기 가스로 구동되는 배기 가스 터빈 압축이라도 좋다.
이와 같이, 시일 에어용 압축기는, 시일 에어용 배기 가스 터빈 압축기로서, 가스 엔진의 배기 가스의 흐름에 대하여 배기 가스 터빈 압축기와 병렬로 설치되고, 시일 에어를 생성하는 만큼 마련되기 때문에, 주가 되는 배기 가스 터빈 과급기보다 소용량의 압축기이면 좋다.
그리고, 가스 엔진의 배기 가스에 의해서 배기 가스 터빈 과급기와 시일 에어용 배기 가스 터빈 압축기의 쌍방이 구동된다. 이것에 의해, 시일 에어의 생성이 가스 엔진의 운전 상태와 연동하므로, 배기 가스 터빈 과급기에 시일 에어가 공급되지 않고, 가스 엔진이 계속 운전하여, 배기 가스 터빈 과급기의 시일 불량이나 스러스트력 밸런스 불량이나, 냉각 불량에 의해서 과급기 성능 저하를 일으켜, 엔진 성능 저하가 생길 가능성을 회피할 수 있다. 이것에 의해서, 시일 에어의 공급 장치의 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 시일 에어용 압축기가 상기 가스 엔진과는 별도로 마련된 구동 수단에 의해서 구동되면 좋으며, 예를 들면 전기 모터, 별도의 엔진 등의 구동원에 의한다.
이와 같이 가스 엔진과는 별도의 구동 수단에 의해서 시일 에어용 압축기를 구동하고, 그 가압 공기를 배기 가스 터빈 과급기에 시일 에어로서 공급 가능하게 하기 때문에, 시일 에어용 압축기의 설치를 위해서 엔진측의 구조 변경을 수반하는 일이 없이, 시일 에어의 공급 장치를 간단, 저비용으로 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 잉여 공기 도입로에 시일 에어를 상기 배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측으로의 흐름만을 허용하는 역지 밸브가 마련되면 좋다.
배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측의 고압의 급기 혼합 가스가, 잉여 공기 도입로에 역류하지 않게 하므로, 시일 에어용 압축기에 의해서 생성되는 가압 공기에, 시일 에어에 의한 소비량을 상회하는 잉여분이 생겼을 경우에 있어서, 또한 배기 가스 터빈 과급기의 출구측보다 고압이 되었을 때만, 잉여분을 배기 가스 터빈 과급기의 출구측에 합류시킬 수 있어서, 배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서의 출구측의 급기 혼합 가스로의 잉여 공기의 도입을 확실히 실행할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 배기 가스 터빈 과급기와는 별도로 시일 에어용 압축기를 마련하여, 상기 시일 에어용 압축기에 의해서 생성되는 가압 공기를 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어로서, 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급부로 인도하는 시일 에어 공급로와, 상기 시일 에어 공급로로부터 분기하여 마련되고 상기 시일 에어 공급부로의 시일 에어의 잉여 공기를 상기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측으로 인도하는 잉여 공기 도입로를 구비했으므로, 메탄 가스 등의 연료 가스가 예혼합된 급기 혼합 가스가 시일 에어로서 이용되는 일이 없으며, 상기 급기 혼합 가스가 배기 가스 터빈 과급기의 고온부에 직접 접촉할 가능성이 회피된다.
또한, 시일 에어 공급부에 공급되는 것이 공기이기 때문에, 그 시일 에어 공급부로 된 상기 공기가 대기에 방출되어도, 메탄 가스와 같이 온실 효과 작용이 크지 않기 때문에 대기 오염도 억제된다.
도 1은 본 발명의 가스 엔진을 도시하는 전체 구성도이다.
도 2는 시일 에어 공급 장치의 제 1 실시형태를 도시하는 구성도이다.
도 3은 시일 에어 공급 장치의 제 2 실시형태를 도시하는 구성도이다.
도 4는 시일 에어 공급로를 도시하는 개략 단면도이다.
도 5는 종래 기술을 도시하는 전체 구성도이다.
이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시형태를 이용하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특히 특정적인 기재가 없는 한 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지는 아니다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급 장치가 적용되는 가스 엔진의 전체 구성을 설명한다.
가스 엔진(1)은 과급기 부착의 발전용 가스 엔진이며, 탄광 근방에 배설되어 연료 가스 및 흡기 가스로서 탄광 갱내로부터 배출되는 메탄 함유 가스가 이용되는 형태에 대하여 설명한다.
탄광 갱내로부터 배출되는 메탄 함유 가스에는, 석탄층 중에 혼재하며, 보안을 위해서 가스 빼냄 보링 구멍으로부터 진공 펌프로 회수하는 회수 메탄 함유 가스 CMM(Coal　Mine　Methane, 메탄 농도 30 내지 50중량%)과, 갱도(坑道) 및 막장으로부터 환기를 위해서 배출되는 환기 메탄 함유 가스 VAM(Ventilation　Air　Methane, 메탄 농도 0.3 내지 0.7중량%)가 있다.
본 실시형태에 있어서는, 상기 회수 메탄 함유 가스 CMM을 연료 가스로서 이용하여 가스 공급관(3)에 공급하고, 또한 대기(공기)에 상기 환기 메탄 함유 가스 VAM을 혼합한 것, 또는 VAM을 혼합하지 않고 대기뿐인 것을 대기 도입관(5)에 공급한다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 탄광 근방에 배설된 가스 엔진(1)에 대하여 설명하고 있지만 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 연료 가스로서 바이오 매스 가스 등을 이용하여 대기와의 예혼합 연료 가스로서 쓰레기 처리 처분장에서 발생하는 매립 가스(landfill gas) 등의 메탄 농도가 가연 한계보다 낮은 가스를 이용해도 좋다.
도 1에 있어서, 발전용의 가스 엔진(1)은, 내부에 연소실이 형성되는 복수(도 1에서는 3개)의 연소 실린더를 가진 엔진 본체(7)를 구비하고, 발전기(9)가 엔진 본체(7)의 출력축(11)에 연결된다. 출력축(11)에는 플라이휠(13)이 장착되고, 상기 플라이휠(13)의 외측에는 엔진 회전 센서(15)가 마련되며, 또한 발전기(9)의 부하를 부하 센서(17)로 검출하여 엔진 부하를 검출하고 있다.
가스 엔진(1)의 실린더 헤드(19)에는, 급기 지관(21)이 각각의 실린더 헤드(19)에 접속되고, 이들 급기 지관(21)은 급기관(23)에 접속되고, 급기관(23)은 급기를 냉각하는 급기 냉각기(25)에 접속되며, 또한 배기 가스 터빈 과급기(27)(배기 가스 터빈 과급기)의 급기측 컴프레서(27a)의 급기 출구에 접속된다. 이 배기 가스 터빈 과급기(27)는, 급기측 컴프레서(27a)와 배기 터빈(27b)이 회전축(29)으로 연결되며, 배기 가스류에 의해서 배기 터빈(27b)이 구동되어 혼합 가스를 급기측 컴프레서(27a)로 가압하여 엔진 본체(7)의 연소 실린더에 공급한다.
또한, 각각의 실린더 헤드(19)에는 배기관(31)이 접속되고, 각 배기관(31)은 배기 집합관(33)에 접속되며, 배기 집합관(33)으로부터의 배기 가스는 배기 가스 터빈 과급기(27)의 배기 터빈(27b)에 도입되어, 배기 출구관(35)을 통하여 배출된다. 또한, 배기 터빈(27b)의 입구측으로부터 분기하고 배기 터빈(27b)을 바이패스하여 배기 터빈(27b)의 출구측과 접속하는 배기 바이패스관(37)이 마련되어 있다. 그리고, 배기 바이패스관(37)에는, 상기 배기 바이패스관(37)의 통로 면적을 변화시키는 배기 바이패스 밸브(39)가 마련되어 있다.
배기 가스 터빈 과급기(27)에 급기 혼합 가스를 공급하는 과급기 입구관(41)과 대기 도입관(5) 사이에는 믹서(43)가 설치되어 있다. 이 믹서(43)에 있어서, 대기 도입관(5)으로부터의 공기 또는 공기와 VAM 가스의 혼합 대기에 대하여, 가스 공급관(3)으로부터 공급되는 연료 가스의 CMM 가스의 일부가 혼합한다. 그리고, 이 급기 혼합 가스를 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)로 가압하도록 되어 있다.
가스 공급관(3)은 도중에 분기하며, 가스 공급관(3)으로부터 과급기측 가스 공급관(45)과 실린더측 가스 공급관(47)으로 분기되어 있다. 과급기측 가스 공급관(45)은 믹서(43)에 접속되며, 과급기측 가스 공급관(45)에는 가스 유량계(49), 믹서(43)로의 가스 공급량을 제어하는 믹서 가스 조정 밸브(51)가 마련되어 있다. 또한, 본 실시형태와 같이, 반드시 믹서(43)에 가스 공급관(3)으로부터 연료 가스의 CMM 가스를 공급하지 않아도 좋지만, 믹서(43)에 가스 공급관(3)으로부터 연료 가스의 CMM 가스를 공급함으로써, 후술하는 가스 공급 지관(69)에 마련되는 실린더마다의 가스 조정 밸브(63)를 소형화할 수 있다.
또한, 실린더측 가스 공급관(47)은, 각 실린더의 급기 지관(21)에 접속하여, 실린더 내의 연소실에 공급되기 전에 급기 지관(21) 내를 흐르는 배기 가스 터빈 과급기(27)로 가압된 혼합 가스에 대하여 추가로 혼합하고 연소실에 유입한다. 또한, 실린더측 가스 공급관(47)에는, 가스 유량계(53), 실린더로의 가스 공급량을 제어하는 실린더 가스 조정 밸브(55)가 마련되어 있다. 또한, 가스 공급관(3)에는, 스트레이너(57) 및 연료 디미스터(59)가 마련되어 있다.
제어 장치(61)가 마련되고, 회전수 센서(15)로부터의 엔진 회전수 신호에 근거하여 목표 회전수가 되도록 각각의 가스 공급 지관(69)에 마련된 실린더마다의 가스 조정 밸브(63)의 개방도 및 과급기측 가스 공급관(45)에 마련된 믹서 가스 조정 밸브(51)의 개방도가 제어된다.
또한, 제어 장치(61)에 있어서, 회전수 센서(15)로부터의 엔진 회전수 신호, 부하 센서(17)로부터의 엔진 부하 신호, 급기 압력 센서(65)로부터의 급기 압력 신호 및 급기 온도 센서(67)로부터의 급기 온도 신호에 근거하여, 배기 바이패스 밸브(39)의 개방도가 제어되어 소정의 공연비로 제어되도록 되어 있다.
이러한 가스 엔진(1)의 운전시에 있어서, 가스 공급관(3)으로부터의 연료 가스는, 가스 공급관(3)에 마련된 스트레이너(57) 및 연료 디미스터(59)를 통과하여, 탄광으로부터 배출될 때에 포함되는 많은 먼지, 수증기 등의 불순물이 제거된다. 그리고, 연료 디미스터(59)를 통과한 연료 가스는 도중에 분기되며, 분기된 연료 가스의 한쪽은 과급기측 가스 공급관(45)을 통과하여 믹서(43)에 도입하고, 상기 믹서(43)에 있어서 대기 도입관(5)으로부터의 공기 또는 공기와 VAM 가스의 혼합 대기와 혼합하며, 이 혼합 가스는 급기 혼합 가스로서 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)에 도입한다. 급기측 컴프레서(27a)로 고온, 고압으로 가압된 급기 혼합 가스는 급기 냉각기(25)로 냉각되어 강온하여, 급기관(23)을 통하여 각 실린더의 급기 지관(21) 내에 유입한다.
또한, 분기된 연료 가스의 다른쪽은 실린더측 가스 공급관(47)에 들어가고, 각 실린더의 가스 공급 지관(69)으로부터, 각 실린더의 급기 지관(21)에 들어가며, 상기 급기 지관(21) 내의 급기 혼합 가스에 혼입되어 각 실린더 내에 송입된다.
그리고, 가스 엔진(1)의 각 실린더로부터의 배기 가스는 배기관(31)을 통하여 배기 집합관(33)에서 합류되고, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 배기 터빈(27b)에 공급되어 상기 배기 터빈(27b)을 구동한 후, 배기 출구관(35)을 통하여 외부로 배출된다. 이 배기 가스의 배출은 제어 장치(61)로부터의 제어 조작 신호에 의해서 배기 바이패스 밸브(39)가 제어되고, 배기 집합관(33) 내의 배기 가스의 일부는 배기 터빈(27b)을 바이패스하여 배기 출구관(35)으로 배출됨으로써, 배기 가스 터빈 과급기(27)에 의한 가압 유량이 제어된다.
(제 1 실시형태)
이상의 구성을 가진 가스 엔진(1)에 있어서, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 에어 공급 장치(71)의 제 1 실시형태를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 시일 에어 공급 장치(71)의 구성도이며, 도 1의 A부분의 상세 설명도이다.
주과급기인 배기 가스 터빈 과급기(27)와는 별도로, 부과급기로서 시일 에어용 압축기(73)가 배기 가스 터빈 과급기(27)의 근방에 배기 가스 터빈 과급기(27)와 가스 엔진의 배기 가스의 흐름에 대하여 병렬적인 배치 관계로 설치되어 있다. 이 시일 에어용 압축기(73)는 배기 집합관(33)으로부터 배출된 배기 가스의 일부에 의해서 구동되는 배기 터빈(73b)과, 상기 배기 터빈(73b)과 회전축(75)에 의해서 결합된 컴프레서(73a)에 의해서 구성되는 배기 가스 터빈 압축기이다. 그리고, 컴프레서(73a)에는 대기(공기)가 유입되도록 되어 있다.
또한, 시일 에어용 압축기(73)의 배기 터빈(73b)을 통과한 배기 가스는 배기 가스 터빈 과급기(27)의 배기 터빈(27b)을 통과한 배기 가스와 합류하여 배출되도록 되어 있다.
또한, 시일 에어용 압축기(73)의 컴프레서(73a)에 의해서 가압된 가압 공기는, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 에어로서, 시일 에어 공급로(77)를 거쳐서 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 에어 공급부(79)[터빈 디스크(99)의 배면측 공간, 도 4 참조]에 공급된다. 또한, 시일 에어 공급로(77)는 도중에 분기하여, 시일 에어 공급부(79)로의 시일 에어의 잉여 공기를 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)의 출구측으로 인도하는 잉여 공기 도입로(81)가 형성되고, 잉여 공기 도입로(81)에는, 급기측 컴프레서(27a)의 출구측으로의 흐름만을 허용하는 역지 밸브(83)가 마련되어, 급기측 컴프레서(27a)의 출구측으로부터의 역류를 방지하고 있다.
이와 같이, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)의 출구측의 고압의 급기 혼합 가스가, 잉여 공기 도입로(81)에 역류하지 않게 하므로, 시일 에어용 압축기(73)에 의해서 생성된 가압 공기에, 시일 에어에 의한 소비량을 상회하는 잉여분이 생겼을 경우에 있어서, 또한, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 출구측보다 고압이 되었을 때만, 잉여분을 급기측 컴프레서(27a)의 출구측에 합류시킬 수 있어서, 급기측 컴프레서(27a)의 출구측의 급기 혼합 가스에의 잉여 공기의 도입을 확실히 실행할 수 있다.
시일 에어 공급부(79)에 공급된 시일 에어는, 그 후, 베어링(85)(도 4 참조)의 부분을 냉각 및 시일 등을 하고, 시일 에어 방출구(89)(도 4 참조)로부터 방출되며, 그 후, 방출된 방풍 공기는 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)의 입구측에 시일 에어 방출로(89)를 통하여 공급되도록 되어 있다. 또한, 이 시일 에어 방출로(89)에는 오일 미스트 필터(91)가 마련되어 있다.
시일 에어가 시일 에어 공급부(79)나 베어링(85) 등을 경유하는 것에 의해서, 배기 가스의 침입이나, 배기 터빈(27b)의 스러스트 밸런스나, 윤활유의 누출을 방지함으로써, 오일분이 포함되기 때문에 시일 에어로부터 오일 미스트분을 제거한 청정 에어로서, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)의 상류측에 유입된다.
도 4에 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 에어 공급부(79), 베어링(85) 등의 개요를 도시한다. 컴프레서 케이싱(93), 베어링대(95) 및 터빈 케이싱(97) 내에, 급기측 컴프레서(27a) 및 배기 터빈(27b)을 구비한 회전축(29)이 베어링(85)에 의해서 지지되고 수납되어 있다. 시일 에어 공급로(77)는, 급기측 컴프레서(27a)의 배면측의 베어링대(95)에 직경 방향으로 축 중심을 향하여 연장하고 급기측 컴프레서(27a)의 배면측의 냉각을 실행하며, 그 후 축 중심 부분에 축 방향으로 연장하고, 배기 터빈(27b)의 터빈 디스크(99)의 배면측 공간인 시일 에어 공급부(79)에 시일 에어를 인도하도록 형성되어 있다. 시일 에어 공급부(79)에 인도된 시일 에어에 의해서, 터빈 디스크(99)의 스러스트력을 균형맞추고, 또한 베어링(85)을 통하여, 베어링(85)의 냉각이나 윤활유의 시일을 실행하고, 시일 에어 방출로(89)로부터 방출되게 되어 있다.
다음에, 배기 가스 터빈 과급기(27)와는 별도로 마련된 시일 에어용 압축기(73)에 대하여, 이 시일 에어용 압축기(73)가 배기 가스 터빈 과급기(27)와 병렬적으로 배치되고, 가스 엔진(1)의 배기 가스 에너지에 의해서 구동되는 경우에, 엔진의 부하 변동이 있고, 부하에 의존하지 않고 소망으로 하는 급기 및 에어 시일이 얻어지는 것을 도 2를 참조하여 설명한다.
가스 엔진(1)으로부터 배출되는 배기 가스 에너지는, 배기 가스의 배기 압력(Pg)과 배기 가스 유량(Q)의 적(積)에 의해서 구해지고, 이 Pg×Q는 엔진의 부하에 의해서 일의적으로 정해진다. 또한, 상기 에너지에 의해 과급기가 달성할 수 있는 일량도, 과급기 출구측의 배기 압력(Ps)과 배기 가스 유량(Q')의 적에 의해, Ps×Q'도 일의적으로 정해진다.
즉, 엔진 부하에 의존하지 않고, (Ps×Q')/(Pg×Q')=Const.로 된다. 또한, Pg×Q를 분압한 각각의 에너지 Pg1×1 및 Pg2×2에 의해 달성할 수 있는 일량 Pg1'×Q1 및 Pg2'×2'의 각각의 합도 동일해진다.
즉, Pg×Q=(Pg1×Q1)＋(Pg2×Q2), Ps×Q'=(Ps1×Q1')＋(Ps2×Q2')가 되며, 엔진(1)의 부하 변동에 대하여, 각각의 과급기의 분담 일의 비율은 항상 일정하여, 부하에 의존하지 않고 소망의 급기 및 시일 에어가 얻어진다.
따라서, 임의의 부하 상태라도 시일 에어가 생성되기 때문에, 가스 엔진(1)이 운전되고 있으면, 자동적으로 연동하여 시일 에어가 발생하므로, 시일 에어가 공급되지 않고 가스 엔진(1)이 계속 운전하여 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 불량이나 스러스트력 밸런스 불량이나, 냉각 불량을 일으키고 과급기 성능 저하를 일으켜, 엔진 성능 저하를 일으킬 우려를 회피할 수 있어서, 시일 에어의 공급 장치의 신뢰성을 향상할 수 있다.
이상과 같은 제 1 실시형태에 의하면, 메탄 가스를 연료 가스로 하는 가스 엔진(1)의 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 에어용으로서 마련한 시일 에어용 압축기(73)로부터의 가압 공기를, 시일 에어 공급로(77)를 거쳐서 시일 에어 공급부(79)에 공급하므로, 메탄 가스가 예혼합된 급기 혼합 가스가 시일 에어로서 이용되는 일이 없기 때문에, 급기 혼합 가스가 배기 가스 터빈 과급기(27)의 고온부에 직접 접촉하는 위험성을 회피할 수 있다.
또한, 시일 에어 공급부(79)에 공급되는 것이 공기이기 때문에, 시일 에어 공급부(79)에 인도된 시일 에어에 의해서, 터빈 디스크(99)의 스러스트력을 균형맞추고, 또한, 베어링(85)을 통하여, 베어링(85)의 냉각이나 윤활유의 시일을 실행하고, 시일 에어 방출로(89)로부터 대기 방출되어도, 메탄 가스와 같이 온실 효과 작용이 크지 않기 때문에 대기 환경의 악화도 방지된다.
또한, 시일 에어용 압축기(73)에 의해서 생성된 시일 에어를 시일 에어 공급부(79)에 공급하는 시일 에어 공급로(77)로부터 분기하여 마련되고 시일 에어의 잉여 공기를 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)의 출구측으로 인도하는 잉여 공기 도입로(81)를 구비했으므로, 시일 에어에 의한 소비량을 상회하는 잉여분이 생겼을 경우에는, 배기 가스 터빈 과급기(27)에 의해서 생성되는 가압 공기에, 상기 잉여분을 합류시킴으로써, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 과급기 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제어 장치(61)는, 시일 에어용 압축기(73)에 의한 시일 에어의 공급이 시일 에어용 압축기(73)의 고장 등에 의해 시일 에어의 공급이 불가가 되었을 경우에는, 종래대로 배기 가스 터빈 과급기(27)가 자급(自給)으로 시일 에어를 공급하고, 상기 믹서(43)로의 가스 공급량을 제어하는 믹서 가스 조정 밸브(51)를 닫고, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 상류측에 있어서의 CMM 가스의 혼합을 정지하여, 각 실린더의 가스 공급 지관(69)으로부터, 각 실린더의 급기 지관(21)으로의 연료 가스의 공급에만 의해서 가스 엔진(1)의 운전 계속이 가능하도록 제어하고 있다. 이것에 의해서, 시일 에어가 공급되어 있지 않은 상태가 되지 않으며, 또한 배기 가스 터빈 과급기(27)에 메탄 가스가 혼합한 급기 혼합 가스를 공급하지 않도록 하고, 안전성을 확보하여 시일 에어의 공급이 불가시에 있어서의 일시적인 운전의 계속을 가능하게 한다.
(제 2 실시형태)
다음에, 제 2 실시형태의 시일 에어 공급 장치(110)에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.
제 2 실시형태는, 제 1 실시형태의 시일 에어용 압축기(73)를 대신하여, 가스 엔진(1)과는 별도로 마련된 구동 모터(112)에 의해서 구동되는 에어 컴프레서(114)가 마련된다. 또한, 구동 모터(112)가 아니고 가스 엔진(1)과는 별도의 엔진에 의한 구동이라도 좋다.
도 3과 같이, 구동 모터(112)로 구동되는 에어 컴프레서(114)로부터의 가압 공기는 제어 공기조(116)에 일시적으로 저장된다. 그 제어 공기조(116)에서는, 조압 밸브(118)에 의해서 일정한 압력[예를 들면, 배기 가스 터빈 과급기(27)의 터빈 디스크(99)의 스러스트력을 균형있게 하는데 적합한 압력 등]으로 조압되고, 그 후, 시일 에어 유량 조정 밸브(119)에 의해서 유량 조정되어, 시일 에어 공급로(77)를 통하여 배기 가스 터빈 과급기(27)의 시일 에어 공급부(79)로 공급된다.
또한, 시일 에어 공급로(77)로부터 분기하여 잉여 공기 도입로(81)가 형성되고, 잉여 공기 도입로(81)에는 잉여 공기 유량 조정 밸브(120)가 마련되어 있다. 이 잉여 공기 유량 조정 밸브(120)를 개방함으로써, 시일 에어의 일부를 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)의 출구측으로 배출할 수 있도록 되어 있다. 잉여 공기 유량 조정 밸브(120)는 시일 에어압이 급기측 컴프레서(27a)의 출구측 압력보다 높은 상태이며, 또한 시일 에어에 의한 소비량을 상회하는 잉여분이 생겼을 경우에 개방 작동하여, 시일 에어의 잉여분을 배기 가스 터빈 과급기(27)의 급기측 컴프레서(27a)의 출구측의 혼합 가스에 도입 가능하게 하고 있다. 제어 공기조(116)의 조압 밸브(118)의 제어나, 시일 에어 유량 조정 밸브(119) 및 잉여 공기 유량 조정 밸브(120)의 각각의 제어는, 급기측 컴프레서(27a)의 출구측의 압력 신호, 제어 공기조(116)의 압력 신호를 기초로 제어 장치(122)에 의해서 실행되고 있다.
이와 같이, 제 2 실시형태에 의하면, 가스 엔진(1)과는 별도로 마련된 구동원에 의해서 에어 컴프레서(114)를 구동하고, 그 가압 공기를 배기 가스 터빈 과급기(27)에 시일 에어로서 공급 가능하게 하므로, 엔진 본체에 에어 시일용 압축기의 설치를 위한 구조 변경을 실행하는 일이 없이, 기존의 외부 구동원에 의해서 생성된 가압 공기를 이용할 수 있기 때문에, 시일 에어의 공급 장치를 간단하고 저비용으로 설치할 수 있다. 그 이외의 작용 효과에 대해서는, 상기 제 1 실시형태와 동일한 작용 효과를 갖는다.
본 발명에 의하면, 가스 엔진의 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어로서, 배기 가스 터빈 과급기와는 별도로 마련한 시일 에어용 압축기로부터의 가압 공기를, 시일 에어 공급로를 거쳐서 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급부에 공급하므로, 메탄 가스 등의 연료 가스가 예혼합한 급기 혼합 가스가 시일 에어로서 이용되는 일이 없고, 상기 급기 혼합 가스가 배기 가스 터빈 과급기의 고온부에 직접 접촉하는 위험성이 회피되며, 또한, 시일 에어 공급부에 공급되는 것이 공기이기 때문에, 그 공급 후에 대기로 방출되어도, 메탄 가스와 같이 온실 효과 작용이 크지 않기 때문에 대기 오염도 방지되므로, 메탄 가스를 연료로 하는 가스 엔진에 있어서의 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급 장치에 적절하다.

Claims (8)

  1. 배기 가스 터빈 과급기의 상류측에서 공기와 연료 가스의 일부 또는 전량을 예혼합한 급기 혼합 가스를, 상기 배기 가스 터빈 과급기를 거쳐서 연소실로 공급하는 가스 엔진의 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급 장치에 있어서,
    상기 배기 가스 터빈 과급기와는 별도로 시일 에어용 압축기를 마련하고, 상기 시일 에어용 압축기에 의해서 생성되는 가압 공기를 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어로서, 상기 배기 가스 터빈 과급기의 시일 에어 공급부로 인도하는 시일 에어 공급로와, 상기 시일 에어 공급로로부터 분기하여 마련되고 상기 시일 에어 공급부로의 시일 에어의 잉여 공기를 상기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측으로 인도하는 잉여 공기 도입로를 구비하고,
    상기 잉여 공기 도입로는, 상기 잉여 공기 도입로 안의 시일 에어의 압력이 상기 배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서의 출구측 압력보다 높은 경우에, 시일 에어의 잉여 공기가 상기 배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구 측으로 흐르는 것을 허용하는 잉여 공기 배출 조정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는
    시일 에어 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일 에어 공급부를 경유한 시일 에어를 상기 배기 가스 터빈의 컴프레서 입구측으로 되돌리는 시일 에어 방출로를 구비한 것을 특징으로 하는
    시일 에어 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일 에어용 압축기가 상기 가스 엔진의 배기 가스의 흐름에 대하여 상기 배기 가스 터빈 과급기와 병렬로 마련되며, 상기 배기 가스로 구동되는 배기 가스 터빈 압축기인 것을 특징으로 하는
    시일 에어 공급 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 시일 에어용 압축기가 상기 가스 엔진의 배기 가스의 흐름에 대하여 상기 배기 가스 터빈 과급기와 병렬로 마련되며, 상기 배기 가스로 구동되는 배기 가스 터빈 압축기인 것을 특징으로 하는
    시일 에어 공급 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일 에어용 압축기가 상기 가스 엔진과는 별도로 마련된 구동 수단에 의해서 구동되는 것을 특징으로 하는
    시일 에어 공급 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉여 공기 배출 조정 수단은 시일 에어의 상기 배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측으로의 흐름만을 허용하는 역지 밸브인 것을 특징으로 하는
    시일 에어 공급 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 시일 에어 공급 장치를 이용한
    배기 가스 터빈 과급기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉여 공기 배출 조정 수단은 상기 잉여 공기 도입로 안의 시일 에어의 압력이 상기 배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측 압력보다 높은 상태이고, 시일 에어에 의한 소비량을 상회하는 잉여분이 생겼을 경우에 개방 작동하여, 시일 에어의 상기 잉여분을 상기 배기 가스 터빈 과급기의 컴프레서 출구측에 도입 가능하게 구성된 잉여 공기 유량 조정 밸브인 것을 특징으로 하는
    시일 에어 공급 장치.
KR1020127028498A 2010-07-02 2011-06-16 시일 에어 공급 장치 및 이 시일 에어 공급 장치를 이용한 배기 가스 터빈 과급기 KR101399822B1 (ko)

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JP2010152374A JP5449062B2 (ja) 2010-07-02 2010-07-02 排ガスタービン過給機のシールエア供給装置
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PCT/JP2011/063823 WO2012002161A1 (ja) 2010-07-02 2011-06-16 シールエア供給装置及び該シールエア供給装置を用いた排ガスタービン過給機

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