JPH01208524A - 蒸気噴射形ガスタービン機関 - Google Patents

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】 この発明はガスタービン機関、更に具体的に云えば、機
関から追加の馬力出力を抽出して、サイクルの熱効率を
改善する小形の補助高圧蒸気タービンを持つ蒸気噴射形
ガスタービン機関に関する。

発明の背景 ガスタービン機関の性能を改善する為に蒸気の噴射を利
用することは周知である。典型的には、こう云う機関は
、機関から放出された廃熱から蒸気を発生し、その蒸気
をサイクルに噴射して、ガスタービンの性能を改善する
。この様な典型的な１つの構成が、米国特許節４，５６
９，１９５号に記載されている。この米国特許では、機
関の排気熱だけから、又は排気装置内に配置された１つ
又は更に多くの補助燃焼器又はバーナーからの熱と組合
せて、排気熱交換器内で蒸気が発生される。

発生された蒸気が機関の中に噴射される。この噴射は、
主燃焼器を含めた機関の種々の部分、又は低圧タービン
、高圧タービン又は動力タービンを含めた種々のタービ
ンの内の任意の所で行なうことが出来る。

動力タービンより下流側に種々のボイラーを配置し、そ
こで中圧及び低圧の蒸気を発生し、その後その蒸気を機
関の種々の部分に噴射することが出来る。

それでも、機関内を流れる大量の蒸気は、非凝縮の蒸気
として、開放サイクルの機関を出て行き、これは損失で
あり、機関の熱効率を下げる。従って、蒸気の噴射を利
用することによって、ガスタービンの運転が改善された
が、この蒸気の多くが機関を出て行き、効率及び動力出
力は可能である程の値に達していない。

発明の要約 この発明は動力タービンの下流側に高圧ボイラーを利用
して、非常に高い圧力及び温度の蒸気を発生することに
より、蒸気噴射形ガスタービン機関の装置としての動力
出力並びにサイクルの熱効率の両方を改善する。この後
、蒸気が非凝縮形の高圧蒸気タービン（以下これを補助
蒸気タービンと呼ぶ）を通り、この為この過熱蒸気から
馬力が抽出され、その結果蒸気はずっと低温になるが、
それでも飽和状態より高く、依然として燃焼器に噴射す
るのに十分な圧力を持っている。この低温の蒸気は、燃
焼器に直接的に噴射してもよいし、或いはずっと高い過
熱温度に再熱してから燃焼器に噴射してもよい。低温の
蒸気は、再熱する代りに、静止ベーン部分を冷却する為
に使うことも出来る。非常に高い圧力を効率よく発生す
ると云うボイラーの能力を利用することにより、こう云
う機関装置に対する合計燃料流量が一定の時、開放サイ
クルから出て行く非凝縮の蒸気は少なくなる。

表１は、高圧タービンの回転子の入口温度が一定で、機
関装置に対する燃料流量を増加した時、同じ量の非凝縮
の蒸気が開放サイクルから出て行くことを示している。

これはサイクルの熱効率をかなり改善する。同時に、補
助蒸気タービンからの出力を補助タービン歯車箱を介し
て動力タービンの直接的な出力と合せることにより、装
置の馬力出力も改善される。補助蒸気タービンを使うに
は、高圧タービン、低圧タービン又は動力タービンのノ
ズルのダイヤフラム面積の様な機関の制御面積の変更を
必要としない。然し、熱交換器又はボイラー装置は、補
助蒸気タービンを使う様に設計しなければならない。

従って、この発明の目的は、動力出力を増加し、熱効率
を改善する様なガスタービン、並びに機関を運転する方
法を提供することである。

この発明の別の目的は、動力タービンの下流側にある高
圧ボイラーで発生された蒸気から、馬力を抽出する為に
、補助蒸気タービンを利用する蒸気噴射形ガスタービン
機関を提供することである。

この発明の別の目的は、動力タービンより下流側に高圧
タービンを持っていて、非常に高い圧力の過熱蒸気を発
生し、この蒸気が補助蒸気タービンを通過して、その後
機関に噴射される様なガスタービン機関を提供すること
である。

この発明の別の目的は、機関装置に対する所定の燃料流
量に対し、機関から排気中に失われる非凝縮蒸気を少な
くした蒸気噴射形ガスタービン機関を提供することであ
る。

簡単に云うと、この発明の１形式では、圧縮機、燃焼器
及び高圧タービンを直列の組合せとして持つガスタービ
ン機関を提供する。機関の出力を動力タービンから抽出
する。動力タービンの下流側に高圧ボイラーがあって、
非常に高い圧力の過熱蒸気を発生する。補助蒸気タービ
ンが高圧ボイラーからの蒸気を受取り、動力タービンを
通じて抽出される動力の出力の他に、この蒸気から動力
を抽出し、こうして機関の出力動力及び熱効率を高める
。この後蒸気を噴射によって機関に戻す。

この発明の１実施例では、蒸気は、燃焼器に噴射して戻
す前に、過熱器内で再熱される。この発明の別の実施例
では、更に動力タービンの下流側に、中圧ボイラー及び
／又は低圧ボイラーを設けて、タービンの様な機関の他
の部分に噴射する為の蒸気を発生する。

補助蒸気タービンからの蒸気を利用して、過熱器内で再
熱する代りに、静止ベーン部分を冷却することが出来る
。この代りに、燃焼器を冷却する為に直接的に燃焼器の
中に噴射してもよい。

好ましい実施例の説明 この発明は、排気中の熱を回収する為に、ボイラー装置
を用いた陸上用又は舶用ガスタービン機関を対象とする
。典型的には、ガスタービンは、低圧及び高圧圧縮機の
様な圧縮機を持ち、その後に燃焼器が続き、その後に低
圧及び高圧タービンの様なタービンがある。動力タービ
ンから出力を取出す。更にこの発明は、非常に高い圧力
の過熱蒸気を発生する様に設計された高圧ボイラーを動
力タービンの下流側に持っている。この蒸気が補助蒸気
タービンを通り、このタービンがこの蒸気から馬力を抽
出する。この蒸気は未だ十分な圧力及び飽和状態より高
い温度が残っており、この為、それを機関の燃焼器又は
その他の部分の中に噴射して戻すことが出来る。

この構成にすると、機関の動力出力と共に、そのサイク
ルの熱効率が高くなる。この様に高くなるのは、基準の
燃料流量で排気中に失われる非凝縮蒸気が減少するから
である。更に、ボイラーは非常に小さいポンプ損失で、
非常に高い圧力を発生することが出来る。更に、ボイラ
ーは、蒸気の温度又は質量流量の僅かな損失を伴うだけ
で、容易に圧力を出すことが出来るから、補助蒸気ター
ビンに於ける圧力損失は問題ではない。別の利点は、過
熱蒸気の特性として、それが完全なガスではないことで
ある。運転に使う温度範囲内の一定の温度では、そのエ
ンタルピーは流れを絞るにつれて増加する。従って、温
度を下げた場合、補助蒸気タービンの出力では、圧力は
、補助蒸気タービンを通過する間にかなり低下し、この
時、不完全ガスは、同じ温度で、但し一層高い圧力で、
それが完全なガスであった場合よりも、−層大きなエン
タルピーを持つ。

第１図には、ガスタービン機関を全体的に１０で示しで
ある。これは、作業流体の順序で見て、低圧圧縮機手段
（ＬＰＧ）１２と、その後に続く高圧圧縮機手段（ＲＰ
Ｃ）１４．とを含む。周知の様に、燃焼器１６が燃料を
受取り、燃焼器の出力生成物を発生し、それが高圧ター
ビン手段（ＨＰＴ）１８に送られる。この後に低圧ター
ビン手段（ＬＰＴ）２０が続く。２軸装置を利用し、低
圧タービンからの内側軸２２が低圧圧縮機を駆動し、高
圧タービンからの外側軸２４が高圧圧縮機を駆動する。

この後、作業流体が低圧タービンから動力タービン１」
へ通過してその中で膨張し、この動力タービンを使って
、その出力軸２８を通じて出力装置を駆動する。典型的
には、蒸気が機関の燃焼器又はその他の部分の中に噴射
される。若干の蒸気がこの装置から排出され、非凝縮の
蒸気として、開放サイクルを出てゆく。これは装置の損
失であり、その為、サイクルの熱効率を下げる。

この発明では、動力タービンの下流側にある高圧（ＨＰ
）ボイラー３Ｇを機関に追加する。典型的には、この高
圧ボイラーは、非常に高い圧力の過熱蒸気を発生する様
に設計される。例として云うと、圧力は１．５００乃至
３．　５００ｐｓｉａの範囲にすることが出来、過熱蒸
気は少なくとも７５０”Ｆである。

全体を３２で示した補助蒸気タービンが高圧ボイラーか
らの蒸気出力を受取る。蒸気が補助蒸気タービン３２を
通過し、その後配管３４から、燃焼器の中に噴射される
。典型的には、補助タービンは約４対１の圧力比で運転
することが出来る。

その時でも、蒸気は飽和状態より高く、依然として燃焼
器に噴、射するのに十分な圧力を持っている。

この構成の利点は、過熱蒸気が完全なガスではなく、そ
の結果、動作温度では、そのエンタルピーが流れを絞る
につれて増加することである。補助タービンの出力では
、蒸気の温度はその入力よりも下がっている。圧力もか
なり下がっている。

その結果、不完全なガスである蒸気は、この時、同じ温
度で、但し一層高い圧力の完全なガスであった場合より
も、エンタルピーが一層大きい。

補助タービン３２からの出力は、歯車箱３５を介して送
出し、又は所望の速度を得る為に、可変速低周波装置等
に送出すことが出来る。例として云うと、歯車箱は、３
，６００又は３．００ＯＲＰＭ　　（６０１１ｚ又は５
０１１ｚ）の速度を得る為に、６対１の比を使うことが
出来る。図示の様に、歯車箱３５が、補助タービンから
の出力を主軸２８の出力と合体して、６０１１ｚの発電
機３６を運転する様に作用する。

高圧ボイラー３０の他に、配管３Ｂに蒸気を送出す一層
低圧の（Ｌ　Ｐ）ボイラー３７の様な他のボイラーを含
めることが出来る。配管３８の蒸気が１つのタービン、
図では低圧タービン２０に噴射されることが示されてい
る。

第１図に示す様に、補助蒸気タービン３２からの蒸気出
力が直接的に燃焼器に噴射される。この蒸気は比較的低
い温度であるから、これは燃焼器を冷却するのに役立つ
。

第２図でも、同様な部分には同じ参照記号を用いてるが
、高圧ボイラー３ｏからの出力が、前と同じく、補助蒸
気タービン３２に送られる。然し、蒸気を燃焼器に噴射
する前に、最初に過熱器４゜に通す。この過熱器が動力
タービン２６と高圧ボイラー３０の間に配置されている
。その結果、蒸気がずっと高い過熱温度に再熱され、そ
の後燃焼器に噴射される。動力タービンの後に補助パー
ナ−を設ける場合、この過熱器は更に用途がある。

この様な補助バーナーは動力タービンの出力の温度を高
めるが、これは実質的に高圧ボイラーの入口の温度を高
める。この様な高い温度は、ボイラーに特別の材料を必
要とする。高圧過熱器４０は、ボイラーより手前で、こ
の熱を奪い、この温度を下げる。

過熱器を使う代りに、補助蒸気タービンから直接的に発
生される様な低温の蒸気を、再熱する代りに、静止ベー
ン部分の様な機関の種々の部分を冷却する為に実際に使
うことが出来る。

第２図には、中圧（ＩＰ）ボイラー４２及び低圧ボイラ
ー４４も示されている。これらのボイラーからの出力を
使って、種々のタービン又は機関のその他の部分に供給
を行なうことが出来る。図示の様に、中圧ボイラー４２
からの蒸気が配管４６から低圧タービン２０に噴射され
、配管４８から動力タービン２６に噴射される。同様に
、動力タービンが配管５０を介して低圧ボイラー４４か
らの蒸気の噴射を受ける。第２図は全体を５２に示す様
な中間冷却器を使うことも示している。

補助蒸気タービン３２からの出力を使って、補助圧縮機
を駆動することが出来る。これは、ボイラー４２．４４
からの中圧及び低圧ボイラーの蒸気を加圧する。その後
、この蒸気も直接的に燃焼器に噴射することが出来る。

こうすることにより、補助圧縮機の損失は燃焼器で埋合
わされる。

表１に示す様に、補助蒸気タービンを用いて運転すると
、補助蒸気ター　ビンを追加した時に、熱効率は２．８
％と云うかなりの増加が得られる。

更に馬力が１４％改善される。この表では、ボイラーの
ポンプ馬力又は動力タービンの回転子のスラスト軸受の
損失を性能に考慮していないことに注意されたい。また
高圧圧縮機の動作線も増加させない。

補助蒸気タービンの寸法は非常に小さい。長さ約７吋、
直径１４吋で、１吋の羽根を設けたタービンは、０．８
７５の効率で、大体６，６００馬力を出すことが出来る
。表Ｉの例では、上に述べたタービンの蒸気流量は３倍
にしなければならない。補助蒸気タービンの出力を第１
図に示す様に発電機の主軸に歯車結合することが出来る
。第１図に示す様に、３．６０ＯＲＰＭまで６対１の減
速を利用することが出来る。反対廻りの動力タービンで
は、１，８００ＲＰＭまでの２段の減速を利用する。

第３図は、前に第１図に示した機関を通過する時のラン
キン・サイクルに対するＴ−Ｓ　（温度−エントロピー
）線図を示す。主燃焼器に噴射された蒸気は線６０を辿
って、点ａに達する。その後、蒸気が線６２に示す様に
、温度及び圧力の低下を伴って、種々のタービンを通過
して、点すに達する。動力タービンの後に補助バーナー
を設けた場合、蒸気の温度が点Ｃに高くなり、その後、
蒸気出力が点ｆで排気煙道から排出される。

この発明を使わないと、蒸気は最初に線６４から入り、
線６６に沿って進んで、主燃焼器に噴射される。高圧ボ
イラーが存在すると、蒸気は、補助蒸気タービンの入口
の点ｄに達するまで、曲線６８に沿って進む。その後、
温度及び圧力が線６９に沿って補助蒸気タービン内で低
下して、点ｅに達する。この点でも、温度及び圧力は主
燃焼器を加熱するのに依然として適切である。

線６６．６８．６９の間の区域が、曲線の下にある余分
の面積を表わすことが理解されよう。周知の様に、曲線
の下のこの様な余分の面積は、排気煙道温度が同じレベ
ルである限り、サイクルの効率を改善する。

従って、この発明を使うと、サイクルの全体的な熱効率
が改善される。更に、補助蒸気タービンと共に高圧ボイ
ラーを使うことにより、馬力を直接的に回収することが
出来、その為、所定の燃料流量で排気から出る非凝縮の
蒸気が少なくなる。

この発明を特定の例及び実施例について説明したが、当
業者であれば、特許請求の範囲によって定められたこの
発明の範囲内でこの他の実施例及び変更を加えることが
出来ることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例の略図、 第２図はこの発明の別の実施例の略図、第３図はランキ
ン・サイクルのＴ−３（温度−エントロピー）線図で、
補助蒸気タービン及び高圧ボイラーを使うことによって
得られる効率の増加を示している。 主な符号の説明 １２．１４二圧縮機 １６：燃焼器 １８：高圧タービン ２６：動力タービン ３０：高圧ボイラー ３２：補助蒸気タービン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び当該機関からの
   出力を発生する出力動力タービンを直列の組合せとして
   持ち、更に前記動力タービンより下流側にあって、当該
   機関に噴射する為の過熱蒸気を供給する高圧ボイラー手
   段と、当該機関にその蒸気を噴射する前に、前記高圧ボ
   イラー手段からの蒸気を受取って、当該機関から追加の
   動力出力を抽出して、機関の出力動力並びに熱効率を高
   める補助蒸気タービンとを有する蒸気噴射形ガスタービ
   ン機関。 ２、前記燃焼器に過熱蒸気を噴射する手段を有する請求
   項１記載の蒸気噴射形ガスタービン機関。 ３、燃焼器に噴射する前に、前記蒸気を再熱する過熱器
   を有する請求項２記載の蒸気噴射形ガスタービン機関 ４、前記過熱器が前記動力タービンより下流側、そして
   高圧ボイラー手段より上流側にある請求項３記載の蒸気
   噴射形ガスタービン機関。 ５、機関の高温部分を冷却する為に前記蒸気を利用する
   手段を有する請求項１記載の蒸気噴射形ガスタービン機
   関。 ６、前記高温部分が静止ベーン部分を含む請求項５記載
   の蒸気噴射形ガスタービン機関。 ７、前記補助蒸気タービンに結合されていて、所望の速
   度の出力を求める補助タービン歯車箱を有する請求項１
   記載の蒸気噴射形ガスタービン機関。 ８、所望の速度の出力を求める為に前記蒸気タービンに
   結合された可変速一定周波数装置を有する請求項１記載
   の蒸気噴射形ガスタービン機関。 ９、機関が反対廻りの動力タービンを含んでいて、更に
   、所望の速度の出力を求める為に、前記補助蒸気タービ
   ンに結合された２段変速手段を有する請求項１記載の蒸
   気噴射形ガスタービン機関。 １０、前記高圧ボイラー手段より下流側にあって、一層
   低い圧力で動作し、機関の一部分に噴射する為の蒸気を
   発生する追加のボイラー手段を有する請求項１記載の蒸
   気噴射形ガスタービン機関。 １１、機関が低圧タービンを含んでいて、前記追加のボ
   イラー手段が、前記高圧タービン及び前記低圧タービン
   の内の少なくとも一方に噴射する為の蒸気を発生する中
   圧ボイラーを有する請求項１０記載の蒸気噴射形ガスタ
   ービン機関。 １２、前記動力タービンに噴射する為の蒸気を発生する
   低圧ボイラー手段を有する請求項１記載の蒸気噴射形ガ
   スタービン機関。 １３、前記補助蒸気タービンによって駆動される補助圧
   縮機を有し、該補助圧縮機は前記追加の低圧ボイラーか
   らの蒸気を加圧し、更に、該補助圧縮機からの蒸気を燃
   焼器に噴射する手段を有する請求項１０記載の蒸気噴射
   形ガスタービン機関。 １４、前記高圧ボイラー手段が１，５００乃至３，５０
   ０ｐｓｉａの範囲内の圧力を持つ過熱蒸気を発生する請
   求項１記載の蒸気噴射形ガスタービン機関。 １５、前記高圧ボイラー手段が少なくとも飽和状態より
   ５０゜高い温度の過熱蒸気を発生する請求項１記載の蒸
   気噴射形ガスタービン機関。 １６、圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び動力タービン
   を直列の組合せとして持つ、蒸気噴射形ガスタービン機
   関の動力出力及び熱効率を改善する方法に於て、前記動
   力タービンより下流側の高圧ボイラー内で過熱蒸気を発
   生し、こうして発生された蒸気から補助蒸気タービンで
   馬力を抽出し、該補助蒸気タービンから出て来る蒸気を
   機関に噴射する工程を含む方法。 １７、前記蒸気が燃焼器に噴射される請求項１６記載の
   方法。 １８、開放サイクルを出て行く非凝縮蒸気量を減少する
   為に、機関に噴射する前に、前記蒸気を再熱する工程を
   含む請求項１６記載の方法。 １９、前記蒸気が機関の静止ベーン部分を冷却する為に
   使われる請求項１６記載の方法。 ２０、前記補助蒸気タービンの出力が補助タービン歯車
   箱を介して直接的に動力タービンの主出力に対して作用
   する請求項１６記載の方法。