JP2012122379A - ガスタービン発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び軽量化が可能なガスタービン発電装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るガスタービン発電装置１は、電力を発生する発電機２と、発電機２を駆動するエンジン３と、エンジン３から排出される排気ガスを外部に導出する排気ガス流路５と、を備え、排気ガス流路５は、当該排気ガス流路をエンジン方向に折り返す排気ガス流路（第１屈曲部）５ｂと、第１屈曲部によりエンジン方向に折り返された当該排気ガス流路をエンジンから離れる方向に折り返す排気ガス流路（第２屈曲部）５ｄと、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン発電装置に関するものである。

従来、吸排気系からの高周波騒音を低減するための消音装置と、発電装置本体からの直接放射音を低減するための吸音材及び遮音材と、を備えたガスタービン発電装置が知られている。例えば、下記の特許文献１には、排気管に連結された消音装置を備えたガスタービン発電装置が記載されている。

図２は、従来のガスタービン発電装置の一例を示す図である。図２に示すように、従来のガスタービン発電装置９０は、発電機９２と、ガスタービンエンジン９３と、排気管９４と、消音器９５と、遮音材９６と、エゼクター９７と、拡大管９８と、を含んで構成されている。消音器９５は、排気からの高周波騒音を低減するために排気管９４に設けられている。また、遮音材９６は、所定の厚さ及び耐熱性を有し、ガスタービンエンジン９３の外壁からの直接放射音を低減するために、ガスタービンエンジン９３を囲むように設けられている。エゼクター９７及び拡大管９８は、ガスタービンエンジン９３から排出される排気ガスの温度を低減するために排気管９４に設けられている。

特開２００２−４８８１号公報

ここで、上記特許文献１に記載のガスタービン発電装置及び図２に示したガスタービン発電装置９０では、消音装置、吸音材及び遮音材が大きなスペースを占めることから、ガスタービン発電装置の小型化及び軽量化が困難であった。特に、図２に示したガスタービン発電装置９０では、エゼクター及び拡大管が大きなスペースを占めることからも、ガスタービン発電装置の小型化及び軽量化が困難であった。

そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、小型化及び軽量化が可能なガスタービン発電装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るガスタービン発電装置は、電力を発生する発電機と、発電機を駆動するエンジンと、エンジンから排出される排気ガスを外部に導出する排気ガス流路と、を備え、排気ガス流路は、当該排気ガス流路をエンジン方向に折り返す第１屈曲部と、第１屈曲部によりエンジン方向に折り返された当該排気ガス流路をエンジンから離れる方向に折り返す第２屈曲部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、第１屈曲部及び第２屈曲部により排気ガス流路を複数回折り返すことで、排気による高周波騒音を低減することができる。このため、排気系に消音装置を設ける必要性を低減でき、ガスタービン発電装置を小型化及び軽量化することが可能となる。

また、本発明に係るガスタービン発電装置において、外気をエンジンに吸気として導入する吸気流路と、燃料を蓄積する燃料蓄積部と、をさらに備え、吸気流路は、当該吸気流路を折り返す第３屈曲部を有し、燃料蓄積部は、吸気流路の外周を囲んで配置されていることが好ましい。

本発明によれば、燃料蓄積部及び燃料蓄積部に蓄積された燃料によって、ガスタービン発電装置の吸気による高周波音及びエンジンからの放射音を遮蔽して低減することが可能となる。その結果、ガスタービン発電装置の遮音材を減らすことができ、ガスタービン発電装置の一層の小型化及び軽量化が可能となる。また、第３屈曲部により吸気流路を折り返すことで、吸気による高周波騒音を低減することができるため、吸気系に消音装置を設ける必要性を低減でき、ガスタービン発電装置の一層の小型化及び軽量化が可能となる。

また、本発明に係るガスタービン発電装置において、排気ガス流路中には、エゼクター部が形成されているのが好ましい。これによれば、エゼクターを別途設ける必要がなくなり、省スペース化を図ることができる。その結果、ガスタービン発電装置の一層の小型化及び軽量化が可能となる。

また、本発明に係るガスタービン発電装置において、排気ガス流路は、エンジンの外面を利用して構成されているのが好ましい。このように、エンジンの外面を用いて排気ガス流路を形成することで、排気ガス流路用の部材を削減することができる。その結果、ガスタービン発電装置の一層の小型化及び軽量化が可能となる。

このとき、排気ガス流路を構成するエンジンの外面には、複数の突起部が設けられているのが好ましい。これによれば、排気ガスからエンジンへ排熱回収を行うことができ、排気ガスの温度を低減することが可能となる。

また、本発明に係るガスタービン発電装置において、吸気流路は、発電機の外面を利用して構成されているのが好ましい。これによれば、外気は、発電機の外面を利用して構成される吸気流路を通ってエンジンに供給される。このため、専用の冷却装置を設けることなく発電機を冷却することができる。その結果、発電機専用のファンなどの冷却装置の必要性を低減でき、ガスタービン発電装置の一層の小型化及び軽量化が可能となる。

本発明によれば、ガスタービン発電装置の小型化及び軽量化が可能となる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン発電装置の中心軸に沿った端面図である。 従来のガスタービン発電装置の中心軸に沿った端面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態のガスタービン発電装置の中心軸に沿った概略端面図である。ガスタービン発電装置は、例えば自動車などの車両に搭載され、ガスタービンエンジンにより発電機が駆動される発電装置である。図１に示すように、本実施形態のガスタービン発電装置１は、中心軸Ｉを有する略柱状外形を呈しており、発電機２と、エンジン３と、吸気流路４と、排気ガス流路５と、燃料タンク６（燃料蓄積部）と、補機部７と、換気流路８と、を含んで構成されている。

発電機２は、エンジン３によって駆動され、電力を発生する装置である。この発電機２は、その回転軸を中心軸Ｉと同軸にして配置されている。エンジン３は、ガスタービンエンジンであって、発電機２を駆動する装置である。このエンジン３は、その回転軸を中心軸Ｉと同軸にして、発電機２に対し中心軸Ｉ方向の一方側（図示右側：以下、単に「一方側」という。）に隣接配置されている。また、エンジン３の回転軸は、発電機２の回転軸と連続するよう一体化されている。エンジン３は、吸気口３１と、コンプレッサ３２と、点火プラグ３３と、燃焼部３４と、タービン３５と、排気口３６と、を備え、これらがエンジンハウジング３７に収容されて構成されている。

吸気口３１は、エンジン３内部に空気を導入する部分であり、エンジン３における中心軸Ｉ方向の他方側（図示左側：以下、単に「他方側」という。）に設けられている。排気口３６は、エンジン３内部から排気ガスを排出する部分であり、エンジン３における一方側に設けられている。コンプレッサ３２は、吸気口３１から導入された空気を高圧空気として燃焼部３４に供給する回転翼である。このコンプレッサ３２は、エンジン３の回転軸の他方側に設けられている。タービン３５は、燃焼部３４で燃焼され生成された高温高圧の燃焼ガスによって回転駆動され、当該燃焼ガスを排気ガスとして排気口３６から排出する回転翼である。このタービン３５は、エンジン３の回転軸の一方側に設けられている。

燃焼部３４は、コンプレッサ３２から供給された高圧空気と燃料ノズル（不図示）から噴射された燃料とを混合して燃焼する領域である。燃焼部３４は、排気口３６の外周を囲むようにエンジン３の一方側に延設されている。点火プラグ３３は、燃焼部３４内にて噴射された燃料に点火する装置であり、例えばガスタービン発電装置１の一方側から燃焼部３４まで貫設されている。

エンジンハウジング３７は、内周板３７１と、先端板３７２と、外周板３７３と、を含んで構成されている。内周板３７１は、中心軸Ｉ方向に延在する管状の板材であり、その他方側が排気口３６を覆うように配設されている。外周板３７３は、中心軸Ｉ方向に延在する管状の板材であり、内周板３７１の外側において当該内周板３７１との間に燃焼部３４が位置するよう配設されている。先端板３７２は、一方側に凸の断面Ｕ字状で中心軸Ｉ回りに沿って延びる環状の板材である。先端板３７２は、その内周縁が内周板３７１の一方側に連接されていると共に、その外周縁が外周板３７３の一方側に連接されている。

吸気流路４は、ガスタービン発電装置１の外部に存在する外気を、エンジン３の吸気口３１に吸気として導入する部分である。吸気流路４は、外気導入部４１と、仕切壁４２と、吸気外壁４３と、後述の補機部ハウジング７２と、上記発電機２の外面と、により形成されている。

外気導入部４１は、例えばガスタービン発電装置１の側面に設けられた開口であり、外気をガスタービン発電装置１の内部に導入する部分である。仕切壁４２は、中心軸Ｉ方向に延在する略円筒状の部材であり、発電機２及びエンジン３の吸気口３１を囲むように配設されている。仕切壁４２の一方側の端部は、その周縁がエンジンハウジング３７に取り付けられている。仕切壁４２の他方側の端部は、内側に延伸するように屈曲している。

吸気外壁４３は、中心軸Ｉ方向に延在する略円筒状の部材であり、仕切壁４２の全部又は一部を囲むように配設されている。吸気外壁４３の一方側の端部は、外側に延伸するよう屈曲し、これにより、外気導入部４１を形成している。また、吸気外壁４３は、その外周に燃料タンク６が嵌合可能とされている。吸気外壁４３の他方側の端部は、その周縁が後述の補機部ハウジング７２に接合されており、当該補機部ハウジング７２によって閉塞されている。

このように形成された吸気流路４にあっては、吸気流路４ａと、吸気流路４ｂと、吸気流路４ｃ（第３屈曲部）と、吸気流路４ｄと、を含んで構成されている。吸気流路４ａは、外気導入部４１により形成され、外部からガスタービン発電装置１の内部に向かって延びている。吸気流路４ｂは、仕切壁４２の外周面と吸気外壁４３の内周面との間に形成され、他方側に向かって延びている。吸気流路４ｃは、補機部ハウジング７２と仕切壁４２との間に形成され、仕切壁４２の内部に向かって延びている。吸気流路４ｄは、発電機２の外面と仕切壁４２の内周面との間に形成され、エンジン３の吸気口３１まで延びている。すなわち、吸気流路４は、ガスタービン発電装置１内で発電機２及びエンジン３の吸気口３１を取り囲むように配置されている。

排気ガス流路５は、エンジン３から排出される排気ガスをガスタービン発電装置１の外部に導出する部分である。排気ガス流路５は、上記エンジンハウジング３７と、屈曲壁５２と、屈曲板５４と、排気外壁５５と、により形成されている。

屈曲壁５２は、中心軸Ｉ方向に延在し且つ一方側が閉塞された略有底筒状に形成されており、エンジン３の燃焼部３４を覆うように設けられている。この屈曲壁５２は、底面を形成する底部５２１と、側面を形成する側面部５２２とを有している。底部５２１の中央部分は、タービン３５と対面するように他方側に向かって隆起している。

屈曲板５４は、他方側に凸の断面Ｕ字状で中心軸Ｉ回りに沿って延びる環状の板材である。屈曲板５４は、屈曲壁５２の側面部５２２の他方側端部を覆うように、エンジンハウジング３７の外周板３７３に取り付けられている。

排気外壁５５は、中心軸Ｉ方向に延在する略円筒状に形成されており、屈曲板５４及び屈曲壁５２を囲むように配設されている。排気外壁５５の他方側の端部は、その周縁が後述の連絡壁８１に連接されている。排気外壁５５の一方側の端部は、屈曲壁５２の底部５２１よりも一方側に突出したダクト５ｇを有している。このダクト５ｇは、突出方向に進むにつれ排気外壁５５の内側に湾曲するように構成されている。

この排気外壁５５の内周面は、屈曲板５４の周囲において、一方側に進むにつれ滑らかに小径化するように形成されている。そして、屈曲板５４の外周縁から屈曲壁５２の底部５２１の周囲において、一方側に進むにつれ滑らかに大径化するように形成されている。

このように形成された排気ガス流路５にあっては、排気ガス流路５ａと、排気ガス流路５ｂ（第１屈曲部）と、排気ガス流路５ｃと、排気ガス流路５ｄ（第２屈曲部）と、排気ガス流路５ｅと、排気ガス流路５ｆとを含んで構成されている。排気ガス流路５ａは、エンジンハウジング３７の内周板３７１により形成され、一方側に向かって延びている。排気ガス流路５ｂは、屈曲壁５２の底部５２１とエンジンハウジング３７の先端板３７２との間に形成され、一方側から中心軸Ｉに対して外側方向に延び、他方側（エンジン方向、すなわちエンジン３に向かう方向）に折り返されている。

排気ガス流路５ｃは、エンジンハウジング３７の外周板３７３と屈曲壁５２の側面部５２２の内周面との間に形成され、他方側に向かって延びている。排気ガス流路５ｄは、屈曲壁５２の側面部５２２の先端部と屈曲板５４との間に形成され、他方側から中心軸Ｉに対して外側方向に延び、一方側（エンジン３から離れる方向）に折り返されている。排気ガス流路５ｅは、排気外壁５５の内周面と屈曲壁５２の側面部５２２の外周面との間に形成され、一方側に向かって延びている。排気ガス流路５ｆは、排気外壁５５の一方側の端部によって形成され、外部まで延びている。

燃料タンク６は、ガソリンなどの燃料を蓄積する容器である。この燃料タンク６は、リング状（環状）外形を呈しており、吸気外壁４３の外周に外挿されて嵌合されている。補機部７は、補機類７１と、補機類７１を覆う補機部ハウジング７２と、を備えている。補機類７１は、エンジン３を作動させるために必要な周辺機器であって、例えば燃料ポンプや潤滑油ポンプなどが含まれる。補機部ハウジング７２は、吸気外壁４３内を閉塞するように当該吸気外壁４３の他方側の端部に接合されている。

換気流路８は、外気導入部４１から吸気流路４ａに沿って導入された低温の外気を、排気ガス流路５に供給する部分である。換気流路８は、連絡壁８１と、上記屈曲板５４とにより形成されている。連絡壁８１は、中心軸Ｉ方向に延在する略円筒状の部材であり、外気導入部４１と排気外壁５５の他方側の端部とを連接する。

また、本実施形態の排気ガス流路５は、その流路中にエゼクター５７（エゼクター部）を備えている。エゼクター５７は、例えば、屈曲板５４と屈曲壁５２の側面部５２２の外周部との間隙を、排気ガス流路５の上流側より下流側の方が狭くなるようにすることで形成される。エゼクター５７は、排気ガス流路５ｄから排気ガス流路５ｅへの排気ガスの噴出を利用して負圧を発生させ、外気導入部４１から導入された低温の外気を、換気流路８を介して排気ガス流路５ｅに引き込む。これによって排気ガスの温度を下げることができる。

続いて、ガスタービン発電装置１に導入された外気の流れについて、説明を行う。

外気は、まず、外気導入部４１を介して吸気流路４ａに沿って流入され、その後、仕切壁４２によって一方側及び他方側に流入方向が変えられて分流される。一方側に流入方向が変えられた外気は、換気流路８に沿って流れて排気ガス中に流入される（詳しくは、後述）。他方側に流入方向が変えられた外気は、吸気流路４ｂに沿って流れ、補機部ハウジング７２によって仕切壁４２の内側方向に流入方向が変えられ、吸気流路４ｃに沿って仕切壁４２の内側に供給される。そして、この外気は、吸気流路４ｄを通って、エンジン３の吸気口３１に供給される。

続いて、ガスタービン発電装置１のエンジン３から排出された排気ガスの流れについて、説明を行う。

排気ガスは、タービン３５から排気口３６を介して一方側に排出され、排気ガス流路５ａに沿って流れる。排気ガスは、屈曲壁５２の底部５２１の中央部分によってエンジン３の外周方向に排出方向が変えられ、排気ガス流路５ｂに沿って外側方向に流れる。そして、この排気ガスは、屈曲壁５２の底部５２１及び側面部５２２によって他方側に折り返される。他方側に折り返された排気ガスは、排気ガス流路５ｃに沿って流れた後、排気ガス流路５ｄに沿って流れ、屈曲板５４によって他方側から一方側に折り返される。

次に、排気ガスは、エゼクター５７を通過し、排気ガス流路５ｅに噴出される。この排気ガスの噴出によって負圧が発生すると、吸気流路４ａに沿って流入した低温の外気が、換気流路８を通って排気ガス流路５ｅに排出される。これによって、排気ガスが外気によって希釈され、排気ガスの温度を下げることができる。

希釈後の排気ガスは、排気ガス流路５ｅに沿って一方側に流れた後、排気ガス流路５ｆに沿って、ガスタービン発電装置１の外部に排出される。その結果、排気ガスは、スリット状になって外部へ排出されることとなり、これによって、排気ガスが拡散して大気との接触面積が大きくなる。

次に、本実施形態のガスタービン発電装置１の作用効果について説明を行う。ガスタービン発電装置１は、吸気流路４を備えることで以下の作用効果が得られる。

吸気流路４を複数箇所で屈曲することにより、吸気による高周波騒音を低減することができる。このため、吸気系に消音装置を設ける必要性を低減でき、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。

外気導入部４１から導入された外気が、発電機２の外周部と仕切壁４２の内周部との間に形成された吸気流路４ｄを通って、エンジン３の吸気口３１に供給されることにより、ファンなどの専用の冷却装置を設けることなく発電機２を冷却することができる。このため、発電機２専用の冷却装置の必要性を低減でき、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。また、発電機２のフィンによる騒音低減効果も得られる。

燃料タンク６は、吸気外壁４３の外周面に配置され、補機部７は、吸気外壁４３の他方側の端部に接合されている。このように配置することで、燃料タンク６及び補機部７とエンジン３及び排気ガス流路５との間に吸気流路４が設けられる。これにより、燃料タンク６及び補機部７をエンジン３及び排気ガス流路５などの高温部から隔離することができる。その結果、燃料タンク６及び補機部７に対して専用の断熱材の必要性を低減でき、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。

さらに、燃料タンク６はリング状に形成されており、吸気外壁４３の外周部に配置されている。このため、燃料タンク６及び燃料タンク６に蓄積された燃料によって、ガスタービン発電装置１の吸気による高周波音及びエンジンからの放射音を遮蔽して低減することが可能となる。その結果、ガスタービン発電装置１の遮音材を減らすことができ、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。すなわち、燃料タンク６を遮音材として利用することができる。

また、ガスタービン発電装置１は、排気ガス流路５を備えることで以下の作用効果が得られる。

排気ガス流路５を複数箇所で屈曲することにより、排気による高周波騒音を低減することができる。このため、排気系に消音装置を設ける必要性を低減でき、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。また、排気をスリット状にすることで、大気との接触面積を増やすことができる。このため、排気ガスの熱拡散を促進することができ、熱害を抑制することができる。なお、ガスタービン発電装置１の外部に排気を排出する出口である排気出口には、必ずしもダクト５ｇを設ける必要はなく、これに代えて、例えば、ルーバ又はこれに類する部材を設けて排気の拡散を促進させてもよいし、他の排気ダクトを設けてこれを延伸させてもよい。

エゼクター５７を排気ガス流路５中に形成することで、エゼクターを別途設ける必要性を低減でき、省スペースで効率的なエゼクター効果を得ることができる。その結果、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。

エンジンハウジング３７の内周板３７１を用いて排気ガス流路５ａを形成し、エンジンハウジング３７の先端板３７２を用いて屈曲壁５２の底部５２１との間に排気ガス流路５ｂを形成し、エンジンハウジング３７の外周板３７３を用いて屈曲壁５２の側面部５２２との間に排気ガス流路５ｃを形成することで、排気ガス流路５用の部材を削減することができる。その結果、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。

さらに、ガスタービン発電装置１では、エンジン３を吸気流路４及び排気ガス流路５の最内周に配置することで、これら吸気流路４及び排気ガス流路５によってエンジン３からの放射音を低減することができる。その結果、エンジン３専用の遮音材を減らすことができ、ガスタービン発電装置１の小型化及び軽量化が可能となる。

以上、本実施形態のガスタービン発電装置１によれば、エンジン３の吸気及び排気からの高周波音の低減と、エンジン３本体からの高周波音の低減と、排気熱害の低減と、を、小型軽量のパッケージで一挙に実現することができる。

上述した実施形態は本発明に係るガスタービン発電装置の最良な実施形態を説明したものであり、本発明に係るガスタービン発電装置は本実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明に係るガスタービン発電装置は、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係る上記ガスタービン発電装置１を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態におけるガスタービン発電装置１の吸気流路４及び排気ガス流路５は、上述した作用効果が得られる構成のうち、必要な構成を適宜組み合わせてもよい。

また、排気ガス流路５ａ〜５ｃを形成するエンジンハウジング３７は、その外面の一部に複数の突起部（ひだ）を有する構成としてもよい。これによれば、排気ガスからの排熱回収を行うことができる。このため、熱効率を向上でき、排気ガスの温度を低減することができ、さらに熱害を抑制することが可能となる。

また、仕切壁４２の他方側の端部は、外気導入部４１から導入された外気が仕切壁４２の内側に流入可能に形成されていればよく、内側に延伸するよう屈曲しているものに限定されるものではない。

１…ガスタービン発電装置、２…発電機、３…エンジン、４…吸気流路、４ｃ…吸気流路（第３屈曲部）、５…排気ガス流路、５ｂ…排気ガス流路（第１屈曲部）、５ｄ…排気ガス流路（第２屈曲部）、６…燃料タンク（燃料蓄積部）、３７…エンジンハウジング（エンジンの外面）、５７…エゼクター（エゼクター部）

Claims (6)

1. 電力を発生する発電機と、
   前記発電機を駆動するエンジンと、
   前記エンジンから排出される排気ガスを外部に導出する排気ガス流路と、
   を備え、
   前記排気ガス流路は、当該排気ガス流路を前記エンジン方向に折り返す第１屈曲部と、前記第１屈曲部により前記エンジン方向に折り返された当該排気ガス流路を前記エンジンから離れる方向に折り返す第２屈曲部と、を有する
   ガスタービン発電装置。
2. 外気を前記エンジンに吸気として導入する吸気流路と、
   燃料を蓄積する燃料蓄積部と、をさらに備え、
   前記吸気流路は、当該吸気流路を折り返す第３屈曲部を有し、
   前記燃料蓄積部は、前記吸気流路の外周を囲んで配置されている
   請求項１に記載のガスタービン発電装置。
3. 前記排気ガス流路中には、エゼクター部が形成されている
   請求項１又は２に記載のガスタービン発電装置。
4. 前記排気ガス流路は、前記エンジンの外面を利用して構成されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービン発電装置。
5. 前記排気ガス流路を構成する前記エンジンの外面には、複数の突起部が設けられている
   請求項４に記載のガスタービン発電装置。
6. 前記吸気流路は、前記発電機の外面を利用して構成されている
   請求項２〜５のいずれか一項に記載のガスタービン発電装置。

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