JPH01253531A - 機械的エネルギ発生装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明はガス状流体によって機械的エネルギを発生する
装置およびその運転方法に関し、該装置はガスタービン
と、少くとも１つの独立の圧縮機タービンによって開動
される圧縮機ユニツ１〜とから成る組立体を含み、該ガ
スタービンは接続導管によって圧縮機ユニットに直列に
接続された形式の装置に関する。

〈従来の技術および発明が解決しようとする課題〉 上述形式の装置は各種設計のものが公知である。

しかし、内燃機関、蒸気タービンなどの通常の原動機と
同等な許容可能な効率（±３５％）を有する装置は得ら
れていない。

これら従来の装置ではガスタービンからの有害な排気に
関し充分な注意が払われていない。ガス状流体の温度を
高めるために圧縮機タービンに燃焼室を設ける提案もな
されている。この対策は有害な燃焼生成物の排出を増加
する。

く課題を解決するための手段〉 本発明は上述従来技術の課題を解決し、５０ないし３０
００ｋＷの範囲で約４０％の効率を有し、有害な排出物
の発生を制限する装置を得ることを目的とする。この装
置の用途としては７００　ｋ、　Ｗ程度の出力で列車、
船舶の北動用がある。本発明の装置の１つの特徴はガス
タービンすなわち動力タービンに燃焼室が設けられ（最
後の）圧縮機タービンからの膨張空気の配管が該燃焼室
に接続され、圧縮機ユニットから圧縮機タービンへの接
続導管がガスタービンの排気系内の主熱交換器に接続さ
れる。

上述本発明の重要な１つの要件は圧縮機の院動タービン
がガスタービンの排気ガスによって供給されず、圧縮空
気自体が動力タービンに供給される前にこのために使用
される。本発明はこれによって従来技術によるものより
も理論的カルノーサイクルに近い作動を可能とする。こ
れは全装置の熱効率の基本的増大に基く。さらに、本発
明による装置の主要機器は既存のものを購入して使用可
能であり、これはコストを著しく低下させる。

米国特許第３，０５４，２５７号明細書には機械的エネ
ルギ発生装置の各タービンに付加的な燃焼室を設けてタ
ービンの流体温度を上昇せしめることが記載されている
。これに反して本発明は動力タービンのみに対して燃焼
室を設け、これによって動力タービンの排気に回収され
た熱を使用して圧縮機タービンに流れる前の流体を加熱
する。

本発明にはさらに２つの効果がある。カルノーサイクル
に近似する点と市販の機器を購入使用可能である点以外
に、本発明の装置は内部的にも外部的にも著しく清浄な
運転を可能とする。圧縮機およびタービンには完全な無
公害空気が流れ、従って内部汚染がない。動力タービン
の燃焼室に供給されるガス状流体は著しく低圧（２００
ｋＰａ程度）で、これに関連して動力タービンの入口温
度も比較的低い（９００℃程度）ものとする。この状態
でＮＯＸ排出量は著しく小で、環境汚染は減少する。

本発明による装置の圧縮機ユニットを少くとも２部分か
ら成るものとすると、圧縮機ユニットの部分間の導管に
少くとも１つの付加的な熱交換器を配置することによっ
て効率がさらに改善される。

熱交換器は回収型でも再熱型でもよい。

本発明の別の態様において動力タービンは単一流求心型
タービンとなされる。このタービンはタービンハウジン
グの入口とロータブレードの頂部との間で約１００℃の
温度低下を許容する。燃焼室内の比較的高い温度は急速
に低下し、ロータの冷却は必ずしも必要としない。

本発明の装置の重要な実施例において前述熱交換器に加
えて圧縮機ユニットの中間冷却器として少くとも１つの
別の外部熱交換器が既存の主熱交換器の下流のガスター
ビンの出口に、および動力タービンの燃焼室の上流の最
後の圧縮機タービンの出口導管に設けられる。この実施
例の装置は全エネルギシステムと通称される形式に特に
適しており、装置の全効率は著しく改善される。

動力タービンの排気のＮＯｘ低減の努力は燃焼室にイン
ジェクタを設けることによってさらに推進され、該イン
ジェクタはポンプを具えた導管を介して水の貯蔵タンク
に接続され、該タンクは熱交換器で冷却される接続導管
の一部に連結される。

ガスタービンの燃焼室の火焔に水または水蒸気を噴射す
ることは公知である。本発明によれば水は圧縮された燃
焼空気の凝縮物から得られる。凝縮物は絞弁とフィルタ
とを介して貯蔵タンクに集められる。そこからポンプが
適当量の凝縮物を熱交換器内で水蒸気に変換されまたは
されずにインジェクタに向けて送る。

本発明の態様として上述装置の運転方法がある。

該方法は特に花または野菜の温室に装置を適用する場合
に清浄燃料（例えば成る種の天然ガス）を燃焼室に供給
し、必要な外部熱交換器を切替えて熱および機械的動力
間に所望の比（Ｈ／Ｐ）を達成し、動力タービンからの
冷却した排気ガスを温室内に解放する。この場合Ｃｏ２
ガスは植物の二酸化炭素同化作用に有効である。所望の
機械的動力とは独立に熱出力を定めることが可能であり
、熱出力とは独立に機械的動力を定めることが可能であ
る。

従って本装置は機械的動力または熱出力の要求に関して
状況が変化する用途に適している。

〈実施例〉 以下に、図面を引用して本発明のいくつかの実施例を説
明する。

第１図に示す装置は単一の圧縮機から成る圧縮機ユニツ
１−〇を含む。さらに、利用可能な正味エネルギを与え
るガスタービン１を含み、これは動力タービンを構成す
る。ガスタービン１は排気２を有し、主熱交換器３を排
気２が通る。圧縮機ユニッ＋−Ｃには吸入導管５と排出
導管６とが設けられ、導管６は主熱交換器３と導管９と
を経て圧縮機タービンＴに導かれ、タービンＴの排気は
導管１０を経て燃焼室４に接続される。

圧縮機ユニットＣは接続導管６．８．９を介して圧縮機
タービンＴに直列に接続される。主熱交換器３を通るこ
とにより圧縮機ユニットＣからの圧縮空気の温度はさら
に上昇する。その結果タービンＴは圧縮機Ｃのために充
分な動力を供給する。

タービンＴを通った空気は圧縮状態で導管１ｏを経て燃
焼室４に供給され、ここで燃料が導管１１を通って燃焼
室４内に噴射され、燃焼せしめられる。このようにして
得られた低圧ガス混合気は導管１２を通って動力タービ
ン１に流れ、機械的エネルギが軸１３に伝達される。動
力タービン１の排気２は主熱交換器３を通り、導管１４
から放出される。

第１図の装置内の動作を第′２図のＴ−Ｓダイアグラム
について説明する。図は縦軸を温度Ｔに、横軸をエント
ロピＳとして示し、数字は第１図の数字に対応している
。第１図の装置において圧縮機タービンＴは動力タービ
ン１の排気によって運転されておらず、圧縮機Ｃによる
圧縮空気によって１康動されており、圧縮機Ｃからの圧
縮空気は動力タービン１の排気との熱交換によってさら
に加熱されていることが重要であることが判る。第２図
のグラフに示すように理想的カルノーサイクルに近い。

サイクルの膨張範囲は最高温度付近であり、効率が改善
されている。

第３図の実施例は圧縮機ユニノ１〜がそれぞれ独立にタ
ービンＴ工、Ｔ２によって湘動される低圧圧縮機Ｃ工、
高圧圧縮機Ｃ２を含む。圧縮機Ｃ４，Ｃ。

間の接続導管６に熱交換器すなわち冷却器７が設けられ
ている。第４図は関連する゛Ｆ−Ｓダイアグラムである
。

具体例として正味動カフ００ｋＷの第３図の形式の装置
のデータを下記に示す。

入口温度Ｃ２１５℃ 出口温度Ｃ２１１４℃ 出ロ圧力Ｃ□　　　　　　　　　　　２５０ｋＰａ入口
温度Ｃエ　　　　　　　　　　　　３００Ｃ出口温度Ｃ
□　　　　　　　　　　　１３９℃出ロ圧力Ｃ１６，１
１ｋＰａ 熱交換器３の空気温度上昇　　　　５６０℃熱交換器３
の排気温度低下　　　　５４５℃タービンＴ１の圧力比
　　　　　　　１．６０導管９の温度　　　　　　　　
　　６０５℃タービンＴ２の圧力比　　　　　　　１．
８２導管１０の温度　　　　　　　　　５１０℃導管１
２の温度　　　　　　　　　８９０℃導管１２の圧力　
　　　　　　　　２００ｋＰａ軸１３の動力　　　　　
　　　　約７００ｋＷ導管２の温度　　　　　　　　　
　７３０℃第３図において破線で付加的な設備を示すが
、これは燃焼室４に対するインジェクタ２１を含む。

ポンプ２３を具えた供給ダクト２２がインジェクタ２１
と貯蔵タンク２４とを連結し、タンク２４は濾過された
凝縮物を貯蔵する。この凝縮物は熱交換器７内にまたは
その下流における導管６の部分から導かれる。排出ダク
ト２５が絞弁２６を経て凝縮物を貯蔵タンク２４に導く
。燃焼室４に対する水または蒸気の噴射はＮＯＸの排出
をさらに減少させる。供給ダクト２２は主熱交換器３を
通ってもよく、これは凝縮物を水蒸気に変える。装置を
園芸産業に適用する場合、得られた凝縮物は散水用とし
て有用である。

第５図は特に全エネルギ運転に適した本発明の実施例を
示す。これは荊述実施例の圧縮機ユニットＣの中間冷却
器として作用する熱交換器７以外に複数の外部熱交換器
を設けて装置の効率をさらに高めたものである。第１の
付加的な外部熱交換器１７はガスタービン１の排気に熱
交換器３の下流に設けられ、第２の外部熱交換器１８は
最後の圧縮機タービンＴ２　の出口導管１０内でかつ動
力タービン１の燃焼室４の上流に設けられる。

導管１０内には三路弁１９も設けられる。この弁１９は
直接に動力タービンに供給される圧縮空気の量を制御し
、残りの空気は熱交換器１８に流れる。弁１９の一端位
置において圧縮空気はすべて直接に導管１０を経て燃焼
室４に流れ、他端位置においてすべての空気は熱交換器
１８を通った後に熱交換器４に流れる。弁１９の適切な
制御と導管１１における燃料供給の適切な制御と外部熱
交換器１７．１８を設けることとによって、熱交換器７
，１７．１８によって得られる熱出力と軸１３によって
得られる機械的出力との間に適切な比（ｈ／ｐ）が得ら
れる。

第５図には導管８．９内に設けられてタービンＴ１．Ｔ
２の温度に影響を与える手段２８，２９も示される。装
置が例えば病院などで電力発生用として使用される場合
、動力タービン１の軸１３における負荷変動が屡々生ず
る。負荷が増加すると導管１１の燃料供給が増加し排気
２の温度が上昇する。装置の熱的慣性値が大であるから
主熱交換器３はいくらかの遅れで排気の温度上昇を圧縮
機Ｃ工、Ｃ２で圧縮された流体に伝達する。従ってター
ビンＴ□、Ｔ２の回転速度および圧縮機ｃ１、Ｃ２の速
度はすぐには変化しない。圧縮機ユニットのこの反応の
遅れは装置の動作を不安定とする。この現象を防止する
ために手段２８．２９が負荷的な熱量を（例えば図示し
ない補助的燃焼器または電気ヒータによって）タービン
Ｔ１、Ｔ２に入る１官の流体に与える。圧縮機ユニット
の熱的慣性値は低いので、直ちに反応して上述不安定現
象は防止される。付加的手段２８．２９は動力タービン
１の軸１３の負荷の低下時の不安定現象も防止すること
ができる。

第６図は単一流求心型タービンの断面図を示し、第１図
、第３図、第５図の動力タービン１として使用可能であ
る。このタービンはガスを著しく高温で供給可能であり
、可動のプレー１く２０に到達するまでの温度降下は約
１００℃である点において有利である。

この形式のタービンは機械的出力が設計出力から約４０
％変動しても高い熱効率を維持することができる。この
ため案内ブレード２０’　の角度は可変となされる。前
述７００ｋＷの実施例においてほぼ同一の熱効率の４０
０ないし１ｏｏｏｋＷの装置を得ることができる。

本発明の装置の重要な適用例として温室があるが、下記
の組合わせとすることが望ましい。

ア）機械的動力を電力発生用またはポンプなどの駆動用
として使用する。

イ）発生熱量を温室の内部空間加熱用とする。

つ）付加的に発生するＣＯ２を植物成育用として利用す
る。

本発明による装置は排気中のＮＯｘ、−ｍ化炭素、未燃
焼炭化水素の含有量が著しく少く、これが前述適用を可
能としている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例として示す装置の概略図、第２
図は第１図の装置の動作を示す温度−エントロピ（Ｔ−
８）線図、第３図は第２の実施例を示す概略図、第４図
は第３図の装置のＴ−３線図、第５図は本発明のさらに
別の実施例を示す概略図、第６図は求心型タービンの縦
断面図。 Ｃ，Ｃ工、Ｃ２：圧縮機　　　１：動力タービンＴ、Ｔ
、、Ｔ２：圧縮機タービン　２：排気３：主熱交換器　
　　４：燃焼室 ６．８．９．１０．１２．１４：導管 ７．１７．１８：熱交換器　　　］３：軸２０：可動プ
レート　　２０′　：固定ブレード２１：噴射器 代理人弁理士　　中　村　純　之　助 、＝＝ア”、・２゜ ｊシロ己・！

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービンおよび、少くとも１つの独立の圧縮機
   タービン（Ｔ）によって駆動される圧縮機ユニット（Ｃ
   ）から成る組立体を含み、該ガスタービンは接続導管に
   よって圧縮機ユニットに直列に接続された形式の、ガス
   状流体によって機械的エネルギを発生する装置にして、
   ガスタービンには燃焼室（４）が設けられ、圧縮機ター
   ビンからの膨張空気の出口（１０）が該燃焼室（４）に
   接続され、前記圧縮機ユニットから圧縮機タービンへの
   接続導管はガスタービン（１）の排気管（２）内の主熱
   交換器（３）に導かれていることを特徴とする機械的エ
   ネルギ発生装置。 ２、請求項１に記載の機械的エネルギ発生装置にして、
   圧縮機ユニットが少くとも２部分からなり、少くとも１
   つの付加的な熱交換器（７）が圧縮機ユニットの部分（
   Ｃ＿１、Ｃ＿２）間の接続導管（６）に設けられている
   ことを特徴とする機械的エネルギ発生装置。３、請求項
   １または請求項２のいずれか１項に記載の機械的エネル
   ギ発生装置にして、動力タービン（１）が単一流求心型
   タービンであることを特徴とする機械的エネルギ発生装
   置。 ４、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の機
   械的エネルギ発生装置にして、熱交換器（７）に加えて
   、圧縮機ユニット（Ｃ）の中間冷却器として少くとも１
   つの別の外部熱交換器（１７、１８）が主熱交換器（３
   ）の下流のガスタービン（１）の排気（１４）内および
   ガスタービン（１）の燃焼室（４）の上流の最後の圧縮
   機タービン（Ｔ＿２）の出口導管（１７）内に設けられ
   ていることを特徴とする機械的エネルギ発生装置。 ５、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の機
   械的エネルギ発生装置にして、インジェクタ（２１）が
   燃焼室（４）に設けられ、該インジェクタはダクト（２
   ２）とポンプ（２３）とを介して水貯蔵タンク（２４）
   に接続され、該タンクは熱交換器（７）内で冷却される
   接続導管（６）の一部に接続されていることを特徴とす
   る機械的エネルギ発生装置。 ６、請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の機
   械的エネルギ発生装置にして、主熱交換器（３）の下流
   の接続導管（８、９）内に付加的な手段（２８、２９）
   が設けられて、該導管を通って圧縮機タービン（Ｔまた
   はＴ＿１、Ｔ＿２）に向うガス状流体の温度に影響を与
   えることを特徴とする機械的エネルギ発生装置。 ７、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の機
   械的エネルギ発生装置を運転する方法にして、温室内で
   の全エネルギ運転に適用する際に燃焼室の圧力および温
   度を該燃焼室に清浄燃料を供給することによって著しく
   低い値に維持し、同時に、所要の外部熱交換器の熱およ
   び機械的動力間に予め定めた比（Ｈ／Ｐ）を達成せしめ
   、動力タービンからの冷却された燃焼ガスが温室に供給
   されるようにすることを特徴とする前記方法。 ８、請求項７に記載の方法にして、該装置の圧縮機ユニ
   ットが、動力タービンの燃焼室内の圧力が２００ｋＰａ
   程度、温度が９００℃程度に維持されるように運転され
   ることを特徴とする前記方法。