JPH1026029A - ガスタービンエンジンの熱交換装置 - Google Patents

ガスタービンエンジンの熱交換装置

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JPH1026029A
JPH1026029A JP18057396A JP18057396A JPH1026029A JP H1026029 A JPH1026029 A JP H1026029A JP 18057396 A JP18057396 A JP 18057396A JP 18057396 A JP18057396 A JP 18057396A JP H1026029 A JPH1026029 A JP H1026029A
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JP
Japan
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air
heat exchanger
compressor
temperature
heat
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Withdrawn
Application number
JP18057396A
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English (en)
Inventor
Kenta Kawasaki
健太 川崎
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換器における燃焼用空気の予熱をタービ
ンからの排気ガスの熱を利用することなく行い得るよう
にして、熱効率を向上するとともに、排気ガスエネルギ
を推力として利用可能としたガスタービンエンジンの熱
交換装置を提供する。 【解決手段】 圧縮機からの高圧空気を上記熱交換器へ
導くための高圧空気路から分岐された高圧空気が導入さ
れ、この空気を高温空気と低温空気とに分離するボルテ
ックスチューブを設け、同ボルテックスチューブからの
上記高温空気を上記熱交換器に導き、同熱交換器にて同
高温空気により上記圧縮機からの空気を加熱するように
して、排気ガスによる燃焼用空気の予熱を廃止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンエンジ
ンにおいて、タービンの排気ガスの熱を利用することな
く燃焼用空気を予熱する熱交換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図2には、一般的なガスタービンエンジ
ンの主要部系統図が示されている。図2において、4は
圧縮機、9は同圧縮機4への供給空気が通流する給気
路、5はタービン、6は同タービン5と上記圧縮機4と
を連結するロータシャフトである。
【0003】2は上記タービン5から排気管8を経た排
気ガスにより圧縮機4にて圧縮され高圧空気路7を経た
燃焼用空気を加熱する熱交換器、3は同燃焼用空気中に
燃料を噴射して燃焼せしめる燃焼器、10は上記燃焼器
3からの燃焼ガスを上記タービンに導くための燃焼ガス
路である。
【0004】上記ガスタービンエンジンにおいてタービ
ン5により駆動される圧縮機4で高圧に加圧された燃焼
用空気は高圧空気路7を経て熱交換器2に入り、ここで
上記タービン5からの排気管8を経て導入される排気ガ
スと熱交換することにより昇温され、高温・高圧の燃焼
用空気となって燃焼器3に送られる。同燃焼器3にて上
記燃焼用空気中に燃料を噴射することにより燃焼せしめ
られた燃焼ガスは、燃焼ガス路10を通ってタービン5
に導入されてこれを駆動する。同タービン5を駆動した
後の排気ガスは、上記のようにして排気管8を通って熱
交換器2に導かれる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図2に示されるような
従来のガスタービンエンジンにあっては、タービン5を
駆動した後の排気ガスは、その全量が排気管8を経て熱
交換器2に導かれ、圧縮機4出口の燃焼用空気の予熱
(加熱)に供されることにより、降温され、またある程
度降圧されるため、この排気ガスを推力として利用する
ことは不可能となる。
【0006】このため、上記従来の熱交換システムを備
えたガスタービンエンジンは、タービン5からの排気ガ
スを推力として利用するターボジェットエンジンに適用
することはできない。
【0007】本発明の目的は、熱交換器における燃焼用
空気の予熱をタービンからの排気ガスの熱を利用するこ
となく行い得るようにして、熱効率を向上するととも
に、排気ガスエネルギを推力として利用可能としたガス
タービンエンジンの熱交換装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するもので、その要旨とする手段は、圧縮機から送出
される高圧の燃焼用空気を熱交換器にて予熱して燃焼器
に送り、同燃焼器にて上記燃焼用空気中に燃料を噴射し
て生成された燃焼ガスにより上記圧縮機と同軸のタービ
ンを駆動するように構成されたガスタービンエンジンに
おいて、上記圧縮機からの高圧空気を上記熱交換器へ導
くための高圧空気路から分岐された高圧空気が導入さ
れ、この空気を高温空気と低温空気とに分離するボルテ
ックスチューブを設け、同ボルテックスチューブからの
上記高温空気を上記熱交換器に導き、同熱交換器にて同
高温空気により上記圧縮機からの空気を加熱するように
構成されたことを特徴とするガスタービンエンジンの熱
交換装置にある。
【0009】上記手段によれば、ガスタービンエンジン
の圧縮機から流出した高圧空気の一部はボルテックスチ
ューブへ導かれ、同ボルテックスチューブにおいて圧縮
機から流出したときよりも高温の空気と低温の空気とに
分離される。このうち、上記高温の空気は、熱交換器へ
導かれ、圧縮機から同熱交換器へ直接導かれた空気と熱
交換してこれに熱を与える。
【0010】これにより、タービンからの排気ガスの熱
を利用することなく、燃焼器へ流入する空気の予熱を行
なうことが可能となり、ガスタービンエンジンの熱効率
の向上が得られる。
【0011】また、タービン駆動後の排気ガスは熱交換
器を通さないので、高い排気エネルギを有し、これを大
気中に噴出せしめて推力を得ることができる。
【0012】尚、上記手段に加えて、上記ボルテックス
チューブへの高圧空気が上記圧縮機の中間段から抽気さ
れるように構成することも可能である。
【0013】
【発明の実施の形態】以下図1を参照して本発明の実施
形態につき詳細に説明する。図1には本発明の実施形態
に係るガスタービンエンジンの主要部の系統図が示され
ている。
【0014】図1において、4は給気路9を経て供給さ
れる空気(燃焼用空気)を圧縮する圧縮機、5はタービ
ン、6は同タービン5と圧縮機4とを連結するロータシ
ャフトである。2は後述する手段により、上記圧縮機4
にて加圧され高圧空気路7を経て導入される燃焼用空気
を予熱(加熱)する熱交換器、3は同熱交換器2にて予
熱された燃焼用空気中に燃料を噴射して燃焼ガスを生成
する燃焼器、10は同燃焼器3からの燃焼ガスを上記タ
ービンに導くための燃焼ガス路である。
【0015】以上の構成は図2に示される従来のものと
同様である。
【0016】1はボルテックスチューブであり、同ボル
テックスチューブ1には、上記圧縮機4から熱交換器2
に接続される高圧空気路7から分岐された高圧空気路7
1を経て、上記圧縮機出口の高圧空気の一部が導入され
るようになっている。
【0017】そして、同ボルテックスチューブ1は、そ
の詳細構造は周知であるので説明を省略するが、入口a
から流入される気体(高圧空気)を、この流入空気より
も高温の気体と低温の気体とに分離し、高温の気体を出
口cから、低温の気体を出口bから流出せしめる機能を
備える。
【0018】12は上記ボルテックスチューブ1の低温
出口bに接続される低温側空気路である。11は上記ボ
ルテックスチューブ1の高温出口cと上記熱交換器2と
を接続する高温側空気路であり、上記ボルテックスチュ
ーブ1にて分離された高温空気がこの空気路11を通っ
て熱交換器2に導かれるようになっている。上記のよう
に構成された熱交換システムを備えたガスタービンエン
ジンの運転時において、上記圧縮機4から導出された高
圧の空気は、高圧空気路71、及び7に分流されてボル
テックスチューブ1及び熱交換器2へ夫々導かれる。こ
のうちボルテックスチューブ1へ導かれた空気は、同チ
ューブ1の入口aから流入したときよりも低温の空気と
高温の空気とに分離される。このうち、出口cより流出
する高温の空気は熱交換器2へ導かれ、上記圧縮機4か
ら高圧空気路7を経て熱交換器2へ直接導かれた空気と
熱交換してこれを加熱する。
【0019】従って、上記燃焼器3へ流入する空気は、
上記のようにして熱交換器2において、ボルテックスチ
ューブ1からの高温空気によって熱を与えられているた
め、圧縮機4出口よりも高温になっている。このため、
タービン5の入口における所定のガス温度まで燃焼器3
で加熱するのに必要となる燃料の量は、図2のもののよ
うに圧縮機4出口の空気をそのまま熱交換器2に導く場
合よりも少なくて済む。これによって、タービン5の排
気ガスの熱を利用することなく、次式で定義されるガス
タービンエンジンの熱効率ηを向上させることができ
る。
【0020】熱効率η=(75×有効出力)/(42
6.8×燃料流量×燃料の低位発熱量) 一方、タービン5を駆動後の排気ガスは、熱交換器2を
通さないので、降温されてない高温の排気ガスであり、
高い排気エネルギを有するので、排気管8を経て噴出口
から後方に噴出せしめることによって、推力を得ること
ができる。
【0021】一方、ボルテックスチューブ1の出口bよ
り流出する低温側の空気は低温側空気路12を経て所定
の使用先に送られ、圧縮空気として利用される。
【0022】尚、上記圧縮機4の圧力比によっては、同
圧縮機4の中間段からの抽気をボルテックスチューブ1
に導くようにしてもよい。
【0023】(実施例)次に上記実施形態に係るボルテ
ックスチューブ1を用いたガスタービンエンジンの熱交
換装置についての熱効率を図2に示す従来のものと比較
した計算例を、図3を参照して説明する。
【0024】上記のように、ガスタービンエンジンは、
空気を圧縮機4で圧縮し、これを加熱して生じた高温・
高圧ガスでタービン5を駆動するもので、タービン出力
と圧縮機駆動動力との差が有効出力となる。上記加熱の
方法としては、通常のガスタービンエンジンでは、圧縮
機4からの高温・高圧の燃焼用空気に燃焼器3にて燃料
を噴射し、燃焼させることによって、より高温の燃焼ガ
スを作り出し、これをタービン5に導いている。上記圧
縮機出口の空気温度T1 は、圧縮機の設計条件及び運転
時の外気温度によって決定され、また、タービン5の入
口ガス温度T2は、タービンの材質によって決定され
る。圧縮機4から出て、タービン5に入るまでにガスの
温度を上記T2 −T1 だけ上昇させる必要があることか
ら、温度T 1 が高いほど燃料の燃焼によって加熱する温
度差は小さくなり、燃料の消費量は少なくなる。
【0025】上記知見に基づき、等エントロピ流れを仮
定した、ガスタービンエンジンのサイクル計算によっ
て、熱交換器2での圧力損失を5%、またその熱交換効
率は0.90と仮定し、上記有効出力W及び熱効率ηを
算出した結果を図3に示す。図3において、ボルテック
スチューブ1(以下VTという)による熱効率の向上が
成立する範囲、例えば図3の流量比35%での温度上昇
は18℃となる。
【0026】上記圧縮機4によって圧縮された高圧空気
をVT1に導くことによって、タービン5への空気流量
が減少し、タービンから取り出せる有効出力Wが低下す
るが、これを許容できる、部分負荷運転時に上記VT1
によるガスタービンエンジンの熱効率向上が成立する。
前述のように図3の計算例の場合、熱効率η1 が従来の
ものの効率η2 よりも向上する範囲は、VT1へ導く空
気の割合(図1の流量比)が35%以上である。またV
T1へ導く空気の割合が、40%及び45%の時の熱効
率向上は、次のようになる。 VT1への空気流量 熱効率ηの向上 VT無し(従来のもの)の熱 効率に対する効率向上の割合 40% +0.00323 1.204972% 45% +0.00694 2.585525%
【0027】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されており、
本発明によれば、圧縮機からの高圧空気からボルテック
スチューブにて高温空気を分離、抽出し、この高温空気
により圧縮機から直接熱交換器へ導かれる空気を予熱す
るので、従来のもののようにタービンの排気ガスの熱に
よる空気の予熱が不要となり、ガスタービンエンジンの
熱効率が向上するとともに、タービン出口の排気ガスを
推力発生用として利用することが可能となり、ターボジ
ェットエンジンにも適用可能なガスタービンエンジンが
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るガスタービンエンジン
の熱交換装置の要部系統図。
【図2】従来の熱交換装置を示す要部系統図。
【図3】ガスタービンエンジンの熱効率及び有効出力の
比較図。
【符号の説明】
1 ボルテックスチューブ 2 熱交換器 3 燃焼器 4 圧縮機 5 タービン 7、71高圧空気路 8 排気管 10 燃焼ガス路 11 高温側空気路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮機から送出される高圧の燃焼用空気
    を熱交換器にて予熱して燃焼器に送り、同燃焼器にて上
    記燃焼用空気中に燃料を噴射して生成された燃焼ガスに
    より上記圧縮機と同軸のタービンを駆動するように構成
    されたガスタービンエンジンにおいて、上記圧縮機から
    の高圧空気を上記熱交換器へ導くための高圧空気路から
    分岐された高圧空気が導入され、この空気を高温空気と
    低温空気とに分離するボルテックスチューブを設け、同
    ボルテックスチューブからの上記高温空気を上記熱交換
    器に導き、同熱交換器にて同高温空気により上記圧縮機
    からの空気を加熱するように構成されたことを特徴とす
    るガスタービンエンジンの熱交換装置。
JP18057396A 1996-07-10 1996-07-10 ガスタービンエンジンの熱交換装置 Withdrawn JPH1026029A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100428368B1 (ko) * 2001-09-11 2004-04-30 현대자동차주식회사 엔진 냉각 및 공기 조화 겸용 시스템
JP2017015077A (ja) * 2015-06-30 2017-01-19 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ ガスタービン用の空気供給及び調和システム
CN111852602A (zh) * 2020-06-22 2020-10-30 西安交通大学 一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统
JP2023072686A (ja) * 2021-11-12 2023-05-24 エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド 燃料電池装置及びその制御方法
JP7725755B1 (ja) * 2025-05-13 2025-08-19 日機装株式会社 ポンプシステム

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Effective date: 20031007