(57)【要約】【課題】抽気空気流量を増大させると共に、安定した運転を可能にした抽気式ガスタービンを提供する。【解決手段】  抽気式ガスタービンエンジン１は、空気を圧縮機１０に流入させ、圧縮機１０で圧縮した空気を燃焼器１１に流入させると共にエネルギとして取り出し、燃焼器１１における燃焼ガスによってタービン１２を回転させる装置であって、タービン１２に蒸気を噴射する蒸気噴射装置１８を備えている。蒸気噴射により、圧縮機の作動点は空気流量の増大方向に移動し、タービン流量特性ラインは空気流量の減少方向に移動することになるので、抽気空気流量を増大させることができる。【選択図】  図１
2010077930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮機に流入させ、前記圧縮機で圧縮した空気の一部を燃焼器に流入させ残りの圧縮空気をエネルギとして取り出し、前記燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させる抽気式ガスタービンエンジンにおいて、
前記タービンに蒸気を供給する蒸気供給手段が設けられていることを特徴とする抽気式ガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記蒸気供給手段は、前記燃焼器と前記タービンとを連通する連通経路に蒸気を供給する請求項１に記載の抽気式ガスタービンエンジン。
【請求項３】
空気を圧縮機に流入させ、前記圧縮機で圧縮した空気の一部を燃焼器に流入させ残りの圧縮空気をエネルギとして取り出し、前記燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させる抽気式ガスタービンエンジンにおいて、
前記タービンに水分を供給する水分供給手段が設けられていることを特徴とする抽気式ガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記水分供給手段は、前記燃焼器と前記タービンとを連通する連通経路に水分を供給する請求項３に記載の抽気式ガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機からの圧縮空気をエネルギとしてエンジンの外部に取り出す抽気式ガスタービンエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、抽気式ガスタービンエンジンとして、例えば特開２００６−２１３１６８号公報に記載されるように、圧縮機で圧縮された空気の一部を外部に取り出し、残りの圧縮空気を燃焼器に流入させ燃料とで燃焼させ、その燃焼ガスによってタービンを回転させるものが知られている。このガスタービンエンジンは、取り出した高圧空気をエネルギとして垂直離着機の推力発生器で推力を発生させ、装置の軽量化を図ろうとするものである。
【特許文献１】特開２００６−２１３１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した抽気式ガスタービンエンジンにあっては、外部に取り出す圧縮空気の流量（抽気空気流量）を増大させ、推力のアップを図ると、圧縮機の作動点がサージ領域に入るおそれがあり、安定した運転を確保し難い問題点があった。
【０００４】
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、抽気空気流量を増大させると共に、安定した運転を可能にした抽気式ガスタービンエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明に係る抽気式ガスタービンエンジンは、空気を圧縮機に流入させ、圧縮機で圧縮した空気の一部を燃焼器に流入させ残りの圧縮空気をエネルギとして取り出し、燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させる抽気式ガスタービンエンジンにおいて、タービンに蒸気を供給する蒸気供給手段が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、蒸気供給手段が設けられているので、蒸気は蒸気供給手段によってタービンに供給される。この蒸気の供給により、タービン流量特性ラインは空気流量の減少方向に移動し、圧縮機の作動点は同一タービン入口温度で大流量側に移動するので、抽気空気流量を増大させることができる。また、圧縮機の作動点が空気流量の増大方向に移動した結果、作動点はサージラインから離れることになり、サージを回避することができる。従って、安定した運転を確保することが可能となる。
【０００７】
また本発明に係る抽気式ガスタービンエンジンにおいて、蒸気供給手段は、燃焼器とタービンとを連通する連通経路に蒸気を供給することが好適である。
【０００８】
このように、蒸気供給手段は燃焼器とタービンとを連通する連通経路に蒸気を供給するので、蒸気は、タービンの上流に供給され、燃焼ガスと均一に混合しタービンに流入することができる。
【０００９】
本発明に係る抽気式ガスタービンエンジンは、空気を圧縮機に流入させ、圧縮機で圧縮した空気の一部を燃焼器に流入させ残りの圧縮空気をエネルギとして取り出し、燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させる抽気式ガスタービンエンジンにおいて、タービンに水分を供給する水分供給手段が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、水分供給手段が設けられているので、水分は蒸気供給手段によってタービンに供給される。水分の供給により、タービン流量特性ラインは空気流量の減少方向に移動し、圧縮機の作動点は同一タービン入口温度で大流量側に移動するので、抽気空気流量を増大させることができる。また、圧縮機の作動点が空気流量の増大方向に移動した結果、作動点はサージラインから離れることになり、サージを回避することができる。従って、安定した運転を確保することが可能となる。
【００１１】
また本発明に係る抽気式ガスタービンエンジンにおいて、水分供給手段は、燃焼器とタービンとを連通する連通経路に水分を供給することが好適である。
【００１２】
このように、水分供給手段は燃焼器とタービンとを連通する連通経路に水分を供給するので、水分は、タービンの上流に供給され、燃焼ガスと均一に混合しタービンに流入することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、抽気空気流量を増大させると共に、安定した運転を可能にした抽気式ガスタービンを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照し本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る抽気式ガスタービンエンジンの構成図である。図１に示すように、抽気式ガスタービンエンジン（以下、抽気式ガスタービンという）１は、圧縮機１０、燃焼器１１、タービン１２を備え、圧縮機１０とタービン１２とが回転軸１３によって連結されている。圧縮機１０は、大気中から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮するものである。そして、圧縮機１０は、圧縮された高圧空気を内部配管１４を介して燃焼器１１に供給すると共に、抽気配管１５を介して外部に取り出している。
【００１６】
燃焼器１１は、圧縮機１０から供給された圧縮空気と、燃料アクチュエータ２から供給された燃料とを混合し燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成するものである。この燃焼器１１は、連通経路である内部配管１６によって、タービン１２と連通されている。高温高圧の燃焼ガスは、この内部配管１６を経由し、タービン１２に供給される。タービン１２は、供給された燃焼ガスの流れによって回転する。タービン１２は、回転軸１３を介して圧縮機１０を駆動すると共に、燃焼ガスを外部に排気する。燃料アクチュエータ２は、エンジン制御ＥＣＵ（図示せず）からの燃料制御信号を受信し、燃料制御信号に応じて燃料を燃焼器１１内に供給するものである。
【００１７】
抽気式ガスタービン１は、蒸気噴射装置１８を更に備えている。蒸気噴射装置１８は、タービン１２に蒸気を噴射するものであって、噴射配管１７を介して内部配管１６に連通されている。従って、蒸気噴射装置１８からの蒸気は、噴射配管１７と内部配管１６とを経由し一定の圧力でタービン１２の上流に噴射され、燃焼ガスと混合してタービン１２に流入する。なお、ここでの蒸気は、水蒸気のみならず、その他の物質の蒸気も含む。また、この抽気式ガスタービン１では、図示されていない燃料ポンプ、潤滑油ポンプなどの補機類を駆動する以外は軸出力を発生しない。
【００１８】
以下、図２を参照し抽気式ガスタービンエンジン１の作動について説明する。その説明に先立ち、軸出力式ガスタービンエンジンの作動を簡単に説明する。
【００１９】
軸出力式ガスタービンエンジンを使用した高圧空気供給装置の負荷制御は、通常タービン入口ガス温度Ｔ４の制御によって行われる。タービン入口ガス温度Ｔ４にはタービンノズル、タービン翼の耐熱性によりその上限値Ｔ４ｍａｘが決まっているため、供給可能な空気量には限度がある。従って、更なる大量の高圧空気が必要な場合には、タービン入口ガス温度Ｔ４以外の別の方法で出力のアップを図る必要がある。
【００２０】
軸出力式ガスタービンエンジンの出力をアップさせる方法としては、タービン入口ガス温度Ｔ４の制御の他に、熱電併給コージェネレーションシステムのような蒸気噴射により出力増加を図る方法が考えられる。この蒸気噴射によって、タービン入口ガス温度上限値Ｔ４ｍａｘ以上の出力増加が可能であるが、圧縮機の作動点が圧縮機のサージラインに近づきサージ領域に入る危険を伴う。
【００２１】
図３は軸出力式ガスタービンエンジンの圧縮機の圧力比と流量との特性を示す図である。図３において、横軸を空気流量とし、縦軸を圧力比（圧縮機出口空気圧力Ｐ３／大気圧力Ｐ０）としている。ラインＬ７は回転速度一定時における圧縮機の圧力流量特性ラインであり、ラインＬ８は圧縮機のサージラインである。ラインＬ９は、蒸気噴射無しで、作動点ｂ′を通る圧縮機作動ラインであり、ラインＬ１０は、蒸気噴射無しで、タービン入口ガス温度Ｔ４が上限値Ｔ４ｍａｘであった時の圧縮機作動ラインであり、ラインＬ１１は、蒸気噴射有りで、タービン入口ガス温度Ｔ４が上限値Ｔ４ｍａｘであった時の圧縮機作動ラインである。これらの作動ラインＬ９〜Ｌ１１はタービン流量特性によって決められている。
【００２２】
単純サイクルの場合には、負荷に応じてタービン入口ガス温度Ｔ４を制御することにより、圧縮機は作動点ａ′と作動点ｂ′との間の範囲で運転される。作動点ａ′が最高出力点であり、このとき、タービン入口ガス温度Ｔ４は上限値Ｔ４ｍａｘになる。そして、この状態でタービンの上流に蒸気噴射を行うと、蒸気がタービンノズルを流れるので、圧縮機の空気流量が減少し、作動点は点ｃ′に移動する。
【００２３】
圧縮機の仕事が、空気流量の減少により減少する。この場合には、同一タービン入口ガス温度Ｔ４で出力が増加するが、作動点はサージラインＬ８に近づき、圧縮機がサージ領域に入る恐れがある。特に、飽和蒸気を噴射蒸気に使用する場合には、蒸気が凝縮することにより大量の蒸気が流入され、激しいサージでガスタービンエンジンが失火したり、破損したりする恐れがある。従って、サージを回避するために適切な蒸気噴射制御が必要になる。
【００２４】
図２は、抽気式ガスタービンエンジンの圧縮機の圧力比と流量との特性を示す図である。図２において、横軸を空気流量とし、縦軸を圧力比（圧縮機出口空気圧力Ｐ３／大気圧力Ｐ０）としている。ラインＬ５は回転速度一定時における圧縮機の圧力流量特性ラインであり、ラインＬ６はサージラインである。
【００２５】
ラインＬ１は、蒸気噴射有りで、タービン入口ガス温度Ｔ４が上限値Ｔ４ｍａｘであった時のタービン流量特性ラインであり、ラインＬ１′は、蒸気噴射無しで、タービン入口ガス温度Ｔ４が上限値Ｔ４ｍａｘであった時のタービン流量特性ラインである。ラインＬ２は、蒸気噴射有りで、タービン入口ガス温度Ｔ４が上限値Ｔ４ｍａｘであった時の圧縮機作動ラインであり、ラインＬ２′は、蒸気噴射無しで、タービン入口ガス温度Ｔ４が上限値Ｔ４ｍａｘであった時の圧縮機作動ラインである。
【００２６】
ラインＬ３は、作動点ｃを通る圧縮機作動ラインであり、このとき、タービン入口ガス温度Ｔ４＝Ｔ４ｃである。ラインＬ４は、蒸気噴射無しで、タービン入口ガス温度Ｔ４がＴ４ｃであった時のタービン流量特性ラインである。そして、圧力比が一定となった場合には、ラインＬ４と作動点ｃとの空気流量の差ΔＧ１は高圧空気の抽気流量となり、すなわち、このΔＧ１を高圧空気として抽気することができる。
【００２７】
高圧力域では、抽気式ガスタービンはチョーク状態にあるので、タービンの流入ガス流量Ｇ４、タービン入口ガス温度Ｔ４、及びタービン入口ガス圧力Ｐ４は式（１）の関係を満たす。
【００２８】
【数１】
2010077930.tif 000003
【００２９】
圧縮機の全空気流量Ｇは式（２）、タービンの流入ガス流量Ｇ４は式（３）で求められる。式（２）、（３）において、Ｇａは燃焼器に流れる空気流量であり、Ｇｂは抽気空気流量であり、Ｇｆは燃料流量である。流量の単位はｋｇ／ｓｅｃである。
【００３０】
【数２】
2010077930.tif 000004
【００３１】
また、タービン入口ガス圧力Ｐ４は式（４）で求めることができる。式（４）において、ΔＰは燃焼器圧力損失である。
【００３２】
【数３】
2010077930.tif 000005
【００３３】
そして、式（１）〜（４）を変形すると、式（５）、（６）が得られる。
【００３４】
【数４】
2010077930.tif 000006
【００３５】
式（５）は圧縮機作動ラインＬ３、式（６）はタービン流量特性ラインＬ４に相当する。Ｇｂは上述した抽気空気流量ΔＧ１に相当する。
【００３６】
軸出力式ガスタービンの場合には、抽気流量Ｇｂ＝０であるので、式（２）よりＧ＝Ｇａとなる。従って、圧縮機作動ラインとタービン流量特性ラインが一致し、圧縮機の作動ラインはタービンの流量特性によって決められる。これに対し、抽気式ガスタービンの場合は、タービン流量特性が軸出力式ガスタービンの場合より小さく、圧縮機の作動点とタービン流量との差を抽気することができる。
【００３７】
抽気式ガスタービンの場合も軸出力式ガスタービンと同様に、タービン入口ガス温度Ｔ４の上昇によって抽気量は増加する。図２において、タービン入口ガス温度Ｔ４を上昇させると、作動点は作動点ｃから大流量側（空気流量の増大方向）に移動し、タービン入口ガス温度Ｔ４上限値での作動点ａまで移動することができる。一方、タービン流量特性ラインはラインＬ４からラインＬ１′まで移動する。そして、ラインＬ１′と作動点ａとの空気流量の差ΔＧ２は高圧空気の抽気流量となり、このΔＧ２を高圧空気として抽気することができる。ΔＧ２とΔＧ１とを比べると、抽気空気流量が増えたことが明らかである。
【００３８】
タービン入口ガス温度Ｔ４の上昇に伴い、タービンの仕事が増加し、無出力のためには圧縮機の負荷も増加する必要がある。従って、圧縮機の回転速度が一定の場合には、圧縮機の作動点は、流量が増加する方向に移動する。ここで、無出力とは、タービンと圧縮機のバランスがとれていることを意味し、すなわち、タービンの仕事＝圧縮機動力+外部への仕事（ここでは０である）である。
【００３９】
次に、抽気式ガスタービン１に蒸気を噴射した場合の作動について説明する。
【００４０】
上述のように、ΔＧ２は、単純サイクルであってタービン入口温度Ｔ４＝Ｔ４ｍａｘ時に、作動点ａでの作動により得られる最大抽気量である。これより更に大量の高圧空気の抽気量が必要な場合には、軸出力式ガスタービンと同様にタービンの上流に蒸気を噴射することで、同一タービン入口温度で抽気量を増加させることが可能である。
【００４１】
すなわち、蒸気をタービンの上流に噴射すると、蒸気がタービンの入口に設置されたノズルを流れるので、図２に示すタービン流量特性ラインＬ１′は、噴射蒸気量の分だけ小流量側に移動し、ラインＬ１になる。噴射蒸気量をＧｓとした場合、Ｇａは式（７）により求められる。
【００４２】
【数５】
2010077930.tif 000007
【００４３】
式（７）と式（３）とを比較すると、ＧａがＧｓの量だけで小流量側に移動することが判る。
【００４４】
一方、同一タービン入口温度では、圧縮機の作動点は、蒸気噴射により作動点ａから作動点ｂ（すなわち、大流量側）へと移動する。これは、蒸気の比熱が燃焼ガスの比熱よりも大きく（蒸気の比熱は燃焼ガスの約２倍）、同一タービン入口温度の条件でもタービン仕事が増加することによるものである。そして、このタービン仕事の増加によって、無出力の条件から圧縮機負荷も増加する必要があり、同一回転速度において圧縮機流量が増加する方向に変化することになる。ラインＬ１と作動点ｂとの空気流量の差ΔＧ３は高圧空気の抽気流量となり、このΔＧ３を高圧空気として抽気することができる。
【００４５】
このように蒸気噴射によって、圧縮機の作動点は空気流量の増大方向に移動し、タービン流量特性ラインは空気流量の減少方向に移動した結果、抽気可能な空気量がΔＧ２からΔＧ３まで増加するので、抽気空気流量を確実に増大させることができる。また、圧縮機の作動点が空気流量の増大方向に移動した結果、作動点はサージラインから離れることになり、サージを回避することができる。すなわち、抽気式ガスタービンの場合は、軸出力式ガスタービンのように蒸気噴射によって作動点が小流量側に移動し、サージ領域に入る恐れがないので、安定した運転を確保することが可能となる。
【００４６】
また、このような高圧空気供給装置は、高圧空気を使用してファン等を駆動するシステムにおける急激な高圧空気増加に対しても制御を可能とする。更に、高圧空気源として産業上の利用にも可能である。
【００４７】
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態に係る抽気式ガスタービンエンジンについて説明する。
【００４８】
図４は第２実施形態に係る抽気式ガスタービンエンジンの構成図である。図４に示すように、第２実施形態に係る抽気式ガスタービン１ａと第１実施形態との相違点は、圧縮機２基が設けられていることである。すなわち、高圧空気生成用圧縮機１９と燃焼器１１との間には、エンジン用圧縮機２０が設置され、このエンジン用圧縮機２０は内部配管１４を介して燃焼器１１に連通され、燃焼器１１に圧縮空気を供給する。
【００４９】
一方、高圧空気生成用圧縮機１９は、空気を圧縮し、圧縮した空気を抽気配管１５を介して外部に取り出している。そして、高圧空気生成用圧縮機１９とエンジン用圧縮機２０とは、回転軸１３によって連結され、回転軸１３の回転によって回転駆動し空気を取り込み、その取り込んだ空気を圧縮する。なお、抽気式ガスタービン１ａの作動については第１実施形態と同様のため、重複説明を省略する。
【００５０】
このような構成により、抽気式ガスタービン１ａは、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、高圧空気生成用圧縮機１９を設けることにより、抽気空気流量を更に増加させることができる。
【００５１】
（第３実施形態）
図５は第３実施形態に係る抽気式ガスタービンエンジンの構成図である。図５に示すように、第３実施形態に係る抽気式ガスタービン１ｂと第１実施形態との相違点は、タービン１２の廃熱を回収する高圧空気・蒸気併給システムを用いることである。具体的には、蒸気噴射装置として排気ボイラー２１が設置され、排気ボイラー２１とタービン１２とは、配管２２により連通されている。そして、タービン１２から排出された高温の燃焼ガスは、配管２２を経由して排気ボイラー２１に流入し、排気ボイラー２１内の水蒸気を加熱した後に、配管２３を経由し外部に排気される。この抽気式ガスタービン１ｂの作動については第１実施形態と同様のため、重複説明を省略する。
【００５２】
このような構成により、抽気式ガスタービン１ｂは、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、圧縮機の安定作動域で蒸気噴射ができるので、蒸気の乾き度などを気にせずに余剰蒸気を利用して抽気空気流量を増加させることが可能である。
【００５３】
なお、上述した実施形態は本発明に係る抽気式ガスタービンエンジンの一例を説明したものであり、本発明に係る抽気式ガスタービンエンジ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。例えば上記の実施形態において、タービンに蒸気を噴射する蒸気噴射装置の例を挙げて説明したが、蒸気噴射装置に代えて、水分噴射装置を用いてもよい。
【００５４】
例えば、水分噴射装置は霧状の水を一定の圧力で内部配管１６に噴射する。この場合には、上記の実施形態と同様な効果が得られる。すなわち、水分の噴射により、圧縮機の作動点は空気流量の増大方向に移動し、タービン流量特性ラインは空気流量の減少方向に移動することになるので、抽気空気流量を増大させることができる。また、圧縮機の作動点が空気流量の増大方向に移動した結果、作動点はサージラインから離れることになり、サージを回避することができ、安定した運転を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る抽気式ガスタービンエンジンの構成図である。
【図２】抽気式ガスタービンエンジンの圧縮機の圧力比と流量との特性を示す図である。
【図３】軸出力式ガスタービンエンジンの圧縮機の圧力比と流量との特性を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る抽気式ガスタービンエンジンの構成図である。
【図５】第３実施形態に係る抽気式ガスタービンエンジンの構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１ａ，１ｂ…抽気式ガスタービンエンジン、１０…圧縮機、１１…燃焼器、１２…タービン、１８…蒸気噴射装置、２１…排気ボイラー。
【図１】
2010077930.tif 000008
【図２】
2010077930.tif 000009
【図３】
2010077930.tif 000010
【図４】
2010077930.tif 000011
【図５】
2010077930.tif 000012