(57)【要約】【課題】燃焼圧力利得が得られることで熱効率に優れるとともに、タービンの作動安定性や信頼性に優れるガスタービン装置を提供する。【解決手段】本発明のガスタービン装置１０は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、圧縮機１１とタービン１３とを同軸上に連結する回転軸１４と、燃焼器１２を制御する燃焼制御部１５と、を備える。燃焼器１２は、圧縮機１１から排出される圧縮空気Ｅ２と燃料との混合ガスを燃焼させ、燃焼後の生成ガスＥ３をタービン１３に排出する複数の燃焼室２５を有し、複数の燃焼室２５のうち、少なくとも一つの燃焼室２５は、燃焼制御部１５によって定圧定常燃焼と間欠燃焼とが切り換え可能に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、
燃焼器と、
タービンと、
前記圧縮機と前記タービンとを同軸上に連結する回転軸と、
前記燃焼器を制御する燃焼制御部と、を備え、
前記燃焼器は、前記圧縮機から排出される圧縮空気と燃料との混合ガスを燃焼させ、燃焼後の生成ガスを前記タービンに排出する複数の燃焼室を有し、
前記複数の燃焼室のうち、少なくとも一つの燃焼室は、前記燃焼制御部によって定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成されている、ガスタービン装置。
【請求項２】
前記少なくとも一つの燃焼室は、前記燃料を連続的に噴射可能とされた定圧定常燃焼用燃料噴射器と、前記燃料を間欠的に噴射可能とされた間欠燃焼用燃料噴射器と、を備える、請求項１に記載のガスタービン装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つの燃焼室は、定圧定常燃焼時に前記燃料に点火する定圧定常燃焼用点火器と、間欠燃焼時に前記燃料に点火する間欠燃焼用点火器と、を備える、請求項１または請求項２に記載のガスタービン装置。
【請求項４】
前記複数の燃焼室は、前記回転軸の周囲に環状に配置されている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のガスタービン装置。
【請求項５】
前記燃焼制御部は、前記回転軸の周方向において、前記間欠燃焼が行われる間欠燃焼室同士の間に前記定圧定常燃焼が行われる定圧定常燃焼室が配置されるように、前記燃焼器を制御する、請求項４に記載のガスタービン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン装置は、例えばジェットエンジン、火力発電機等を含む多くの分野で広く用いられている。ガスタービン装置は、圧縮機、燃焼器、タービンの３つの要素から概略構成されている。また、燃焼器として、カン型、マルチカン型、キャニュラ型、アニュラ型等の形態が知られている。上記の形態のうち、例えばキャニュラ型の燃焼器は、燃焼器の外装筐体をなすケーシングの内部に複数の燃焼缶が収容された構造を有し、各燃焼缶の内部空間が燃焼室として機能する。
【０００３】
複数の燃焼室を備えるガスタービン装置の一例として、下記の特許文献１には、空気と燃料とを燃焼させる複数の筒型燃焼器と、複数の筒型燃焼器の各々に接続され、各筒型燃焼器内で生成される熱ガス流を合流させる環状部と、を備えるガスタービン装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２４５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１には、排気ガス中の酸化窒素を低減する目的で希薄燃焼を行う際には不安定な炎が生じ易く、燃焼振動が生じるおそれがあるが、その場合でも、各筒型燃焼器で生成される熱ガス流を環状部で合流させることにより、タービン入口でのガスの温度と圧力を均一化させることができ、燃焼振動を抑制することができる、と記載されている。一方、ガスタービン装置においては、燃費向上、二酸化炭素の排出量削減等の観点から、熱効率を向上させることが重要であるが、特許文献１のガスタービン装置においては、燃焼振動の抑制は可能であっても、熱効率の向上は難しい。
【０００６】
熱効率向上のための一つの手法として、従来のガス高圧化・高温化技術とは別に、燃焼器での高圧化を実現することで燃焼圧力利得を得るという手法がある。しかしながら、現状では、燃焼圧力利得を得るための具体的な装置構成については未だ提案されていない。
【０００７】
なお、熱効率向上のための他のアプローチとして、衝撃波を伴う燃焼モードを利用したパルスデトネーションエンジン等の装置の研究が進められている。ところが、この種の装置では、タービンの作動安定性や信頼性の点で未だ不安がある。
【０００８】
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、燃焼圧力利得を得ることにより優れた熱効率が得られるとともに、タービンの作動安定性や信頼性にも優れるガスタービン装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様のガスタービン装置は、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、前記圧縮機と前記タービンとを同軸上に連結する回転軸と、前記燃焼器を制御する燃焼制御部と、を備え、前記燃焼器は、前記圧縮機から排出される圧縮空気と燃料との混合ガスを燃焼させ、燃焼後の生成ガスを前記タービンに排出する複数の燃焼室を有し、前記複数の燃焼室のうち、少なくとも一つの燃焼室は、前記燃焼制御部によって定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成されている。
【００１０】
本発明の一つの態様のガスタービン装置において、前記少なくとも一つの燃焼室は、前記燃料を連続的に噴射可能とされた定圧定常燃焼用燃料噴射器と、前記燃料を間欠的に噴射可能とされた間欠燃焼用燃料噴射器と、を備えていてもよい。
【００１１】
本発明の一つの態様のガスタービン装置において、前記少なくとも一つの燃焼室は、定圧定常燃焼時に前記燃料に点火する定圧定常燃焼用点火器と、間欠燃焼時に前記燃料に点火する間欠燃焼用点火器と、を備えていてもよい。
【００１２】
本発明の一つの態様のガスタービン装置において、前記複数の燃焼室は、前記回転軸の周囲に環状に配置されていてもよい。
【００１３】
本発明の一つの態様のガスタービン装置において、前記燃焼制御部は、前記回転軸の周方向において、前記間欠燃焼が行われる間欠燃焼室同士の間に前記定圧定常燃焼が行われる定圧定常燃焼室が配置されるように、前記燃焼器を制御してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一つの態様によれば、燃焼圧力利得が得られ、熱効率に優れるとともに、タービンの作動安定性や信頼性に優れるガスタービン装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態のガスタービン装置を示す概略構成図である。
【図２】図１のII−II線に沿う燃焼器の断面図である。
【図３】燃焼缶の断面図である。
【図４】燃焼室出口の圧力時間履歴を示すグラフである。
【図５】本実施形態のガスタービン装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のガスタービン装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本実施形態および従来のガスタービン装置の理論サイクルを示すＰ−Ｖ線図である。
【図８】本実施形態および従来のガスタービン装置の理論サイクルを示すＴ−ｓ線図である。
【図９】熱効率向上効果のシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図８を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態のガスタービン装置を示す概略構成図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００１７】
［本実施形態の装置構成］
図１に示すように、本実施形態のガスタービン装置１０は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、回転軸１４と、燃焼器１２を制御する燃焼制御部１５と、を備える。圧縮機１１とタービン１３とは、共通の回転軸１４によって同軸上に連結されている。以下、説明の都合上、ガスタービン装置１０のうち、圧縮機１１が設けられた側を前方と称し、タービン１３が設けられた側を後方と称する。ガスタービン装置１０は、例えばジェットエンジン、火力発電機等の用途に用いられるが、特にこれらの用途に限定されない。
【００１８】
圧縮機１１は、前方から吸引した空気Ｅ１を圧縮して圧縮空気Ｅ２を生成し、燃焼器１２に向けて送り込む。圧縮機１１は、複数のローター１７と複数のステーター１８とを有する軸流式圧縮機で構成されている。ローター１７は回転軸１４に固定され、回転軸１４の周方向に沿って複数のブレード１９が設けられている。ステーター１８は、圧縮機ケーシング２０の内部から回転軸１４に向けて配置されている。ローター１７とステーター１８とは、交互に配置されており、圧縮機ケーシング２０内に流入した空気Ｅ１は、１つのローター１７と１つのステーター１８からなる各段を通過する毎に断熱圧縮され、圧縮空気Ｅ２が生成される。
【００１９】
図２は、図１のII−II線に沿う燃焼器１２の断面図である。
図１に示すように、燃焼器１２は、回転軸１４の軸線Ｐ方向において、圧縮機１１とタービン１３との間に配置されている。図２に示すように、燃焼器１２は、円筒状に形成された内側ケーシング２２および外側ケーシング２３と、複数の燃焼缶２４と、を有する。複数の燃焼缶２４は、内側ケーシング２２と外側ケーシング２３との間の空間Ｓにおいて、回転軸１４の周囲に環状に配置されている。複数の燃焼缶２４は、同一の形状およびサイズを有する。図２の例では、１６個の燃焼缶２４を備えているが、燃焼缶２４の数は特に限定されない。
【００２０】
本実施形態において、複数の燃焼缶２４は全て同一の構成を有するため、以下、任意の１つの燃焼缶２４で代表して構成を説明する。
図３は、燃焼缶２４を軸線Ｐ方向に沿う平面で切断した断面図である。
図３に示すように、燃焼缶２４は、円筒状の容器で構成されている。燃焼缶２４は、圧縮機１１で生成される圧縮空気Ｅ２を流入させるための圧縮空気流入口２４ａと、燃焼後の生成ガスＥ３を排出するための燃焼ガス排出口２４ｂと、を有する。したがって、燃焼缶２４の内部空間は、燃料Ｆを圧縮空気Ｅ２とともに燃焼させるための燃焼室２５として機能する。図１に示すように、燃焼室２５内には、燃料タンク３５内に収容された燃料Ｆがポンプまたはガス圧縮機等の輸送手段３６を介して供給される。
【００２１】
本実施形態の燃焼室２５は、後述する燃焼制御部１５によって定圧定常燃焼と間欠燃焼とが切り換え可能に構成されている。なお、定圧定常燃焼は、連続した燃料供給によって定常的に生じる燃焼のことであり、燃焼缶２４の出口（燃焼ガス排出口２４ｂ）における圧力が時間的に変動することなく、一定となる。一方、間欠燃焼は、間欠的な燃料供給によって間欠的に生じる燃焼のことであり、燃焼缶２４の出口（燃焼ガス排出口２４ｂ）における圧力が短時間にパルス状に上昇する。
【００２２】
燃焼室２５は、定圧定常燃焼用燃料噴射器２７と、定圧定常燃焼用点火器２８と、間欠燃焼用燃料噴射器３０と、間欠燃焼用点火器３１と、を備える。定圧定常燃焼用燃料噴射器２７は、燃料Ｆを連続的に噴射可能に構成されている。定圧定常燃焼用点火器２８は、定圧定常燃焼時に連続的に噴射される燃料Ｆと圧縮空気Ｅ２との混合気体に点火する。また、間欠燃焼用燃料噴射器３０は、燃料Ｆを間欠的に噴射可能に構成されている。間欠燃焼用点火器３１は、間欠燃焼時に間欠的に噴射される燃料Ｆと圧縮空気Ｅ２との混合気体に点火する。すなわち、本実施形態の燃焼室２５は、定圧定常燃焼時に用いられる燃料噴射器２７および点火器２８と、間欠燃焼時に用いられる燃料噴射器３０および点火器３１と、の２組の燃料噴射器および点火器を備える。
【００２３】
定圧定常燃焼用燃料噴射器２７は、燃料Ｆを連続的に噴射可能なものであれば、特に具体的な装置構成は限定されない。また、定圧定常燃焼の場合、燃料Ｆが連続的に供給されることで燃焼が持続するため、定圧定常燃焼用点火器２８は、燃料Ｆと圧縮空気Ｅ２との混合気体に１回点火できるものであればよい。これに対して、間欠燃焼用燃料噴射器３０は、例えば１０〜１００回／秒程度の周波数で燃料Ｆを間欠的に噴射可能なものを用いることが望ましい。また、間欠燃焼用点火器３１は、間欠燃焼用燃料噴射器３０の燃料噴射に同期して、燃料Ｆと圧縮空気Ｅ２との混合気体に点火できる必要がある。
【００２４】
図３の例では、燃焼室２５の圧縮空気Ｅ２の流れ方向に沿って、上流側に、間欠燃焼用燃料噴射器３０および間欠燃焼用点火器３１が配置され、下流側に、定圧定常燃焼用燃料噴射器２７および定圧定常燃焼用点火器２８が配置されている。ただし、燃料噴射器および点火器の配置は、上記の配置に限ることはなく、上記と逆であってもよいし、圧縮空気Ｅ２の流れ方向と交差する方向、すなわち、燃焼缶２４の周方向に沿って配置されていてもよい。また、定圧定常燃焼用燃料噴射器２７と間欠燃焼用燃料噴射器３０とは、同じ仕様の燃料噴射器が用いられてもよいし、異なる仕様の燃料噴射器が用いられてもよい。同様に、定圧定常燃焼用点火器２８と間欠燃焼用点火器３１とは、同じ仕様の点火器が用いられてもよいし、異なる仕様の点火器が用いられてもよい。
【００２５】
また、図２に示すように、燃焼器１２の内側ケーシング２２と外側ケーシング２３との間の空間Ｓには、圧縮機１１から排出される圧縮空気Ｅ２が流通する構成となっている。これにより、複数の燃焼缶２４は、圧縮空気Ｅ２によって外側から冷却される。
【００２６】
図１に示すように、タービン１３は、燃焼器１２から排出される燃焼後の生成ガスＥ３のエネルギーによって回転軸１４を回転させ、圧縮機１１を駆動する。タービン１３は、複数のブレード３３を有し、生成ガスＥ３がブレード３３に衝突することにより自身が回転し、回転軸１４を回転させる。ガスタービン装置１０をジェットエンジンとして用いる場合には、タービン１３からの排気エネルギーによって排気自身を加速し、排気Ｅ４を後方に噴出することで推進力が得られる。また、ガスタービン装置１０を発電機として用いる場合には、タービン１３の回転力を発電機の軸回転に利用することで回転エネルギーから電力が得られる。
【００２７】
燃焼制御部１５は、燃焼器１２を制御する。具体的には、燃焼制御部１５は、燃焼器１２を構成する複数の燃焼室２５の各々について、定圧定常燃焼を行わせるか、間欠燃焼を行わせるかを決定し、その決定に応じて、各燃焼室２５に付帯する各燃料噴射器２７，３０の噴射弁の開閉タイミング、各点火器２８，３１の点火タイミング等の燃焼パラメーターを制御する。
【００２８】
なお、図示は省略するが、ガスタービン装置１０は、燃焼器１２以外の構成要素である圧縮機１１、タービン１３等の各部位を制御するため、装置全体としての制御部を備えている。
【００２９】
図２に、本実施形態のガスタービン装置１０を運転する際の燃焼パターンの一例を示す。
図２に示すように、本実施形態のガスタービン装置１０において、燃焼制御部１５は、１６個の燃焼室２５のうち、８個の燃焼室２５で定圧定常燃焼が行われ、他の８個の燃焼室２５で間欠燃焼が行われるように、燃焼器１２を制御する。以下、定圧定常燃焼が行われる燃焼室２５を定圧定常燃焼室２５Ａと称し、間欠燃焼が行われる燃焼室２５を間欠燃焼室２５Ｂと称する。すなわち、複数の燃焼室２５の内訳は、半数の燃焼室２５が定圧定常燃焼室２５Ａであり、残りの半数の燃焼室２５が間欠燃焼室２５Ｂである。ただし、定圧定常燃焼室２５Ａおよび間欠燃焼室２５Ｂの数は、特に限定されず、適宜変更が可能である。図２においては、定圧定常燃焼室２５Ａと間欠燃焼室２５Ｂとを区別するため、間欠燃焼室２５Ｂに点のハッチングを付した。
【００３０】
また、複数の定圧定常燃焼室２５Ａの各々は、回転軸１４の周方向に沿って１つおきに配置され、複数の間欠燃焼室２５Ｂの各々は、２つの定圧定常燃焼室２５Ａの間に回転軸１４の周方向に沿って１つおきに配置されている。換言すると、定圧定常燃焼室２５Ａは、２つの間欠燃焼室２５Ｂ同士の間に配置され、間欠燃焼室２５Ｂは、２つの定圧定常燃焼室２５Ａ同士の間に配置されている。すなわち、定圧定常燃焼室２５Ａおよび間欠燃焼室２５Ｂは、例えば燃焼器１２の上半分の燃焼室２５が全て定圧定常燃焼室２５Ａであり、下半分の燃焼室２５が全て間欠燃焼室２５Ｂであるというように、偏って配置されるのではなく、交互に分散されて配置されている。
【００３１】
上記のように、定圧定常燃焼室２５Ａと間欠燃焼室２５Ｂとは、できるだけ交互に配置されることが好ましいが、必ずしも１つずつ交互に配置されなくてもよく、例えば２つの定圧定常燃焼室２５Ａと２つの間欠燃焼室２５Ｂをそれぞれ隣接させ、各２つずつの定圧定常燃焼室２５Ａの組と間欠燃焼室２５Ｂの組とが交互に配置されてもよい。また、図２に示すように、定圧定常燃焼室２５Ａと間欠燃焼室２５Ｂとが１つずつ交互に配置される場合であっても、定圧定常燃焼室２５Ａおよび間欠燃焼室２５Ｂの位置が時間的に常に固定されていなくてもよく、例えば定圧定常燃焼室２５Ａと間欠燃焼室２５Ｂとが一定時間毎に入れ替わる構成としてもよい。このように、定圧定常燃焼室２５Ａおよび間欠燃焼室２５Ｂの配置についても、特に限定されず、定圧定常燃焼室２５Ａおよび間欠燃焼室２５Ｂの数の変更とともに、適宜変更が可能である。
【００３２】
［本実施形態の原理］
以下、本実施形態のガスタービン装置１０において、燃焼圧力利得が得られる原理について説明する。
図４は、燃焼室出口における圧力時間履歴の一例を示すグラフである。図４において、横軸は時間（ｍｓ）であり、縦軸は燃焼室出口での圧力（ｋＰａ）である。１点鎖線のグラフＪは、定圧定常燃焼時の圧力時間履歴を示し、実線のグラフＫは、間欠燃焼時の圧力時間履歴を示す。
【００３３】
図４に示すように、定圧定常燃焼においては、圧力が約１００ｋＰａで略一定の値を示す。定圧定常燃焼では、燃焼室２５の設計や燃焼条件等によって圧力を多少高めることができたとしても、圧力の上昇には限界がある。一方、間欠燃焼では、圧力は、約１２ｍｓの時間間隔で１４００ｋＰａを超える値まで急激にパルス状に上昇する。間欠燃焼では、燃焼室２５内の生成ガスＥ３の排出速度に対して燃焼速度が十分に速いため、燃焼室２５内で生じる燃焼はほぼ定積燃焼と見なすことができる。そのため、燃焼室出口における圧力は、定圧定常燃焼時の圧力に比べて大きく上昇する。
【００３４】
したがって、定圧定常燃焼室２５Ａから出力される圧力と、間欠燃焼室２５Ｂから出力される圧力と、を平均した燃焼器１２全体の出口圧力は、全てが定圧定常燃焼室から出力される圧力からなる従来の燃焼器全体の出口圧力と比べて、大きく上昇する。このように、本実施形態の燃焼器１２によれば、従来の燃焼器に比べて高圧の生成ガスＥ３が得られる結果、燃焼圧力利得を得ることができる。
【００３５】
なお、図示は省略するが、燃焼後の生成ガスＥ３の温度についても、圧力と同様の傾向を示す。すなわち、定圧定常燃焼室２５Ａから出力される温度と、間欠燃焼室２５Ｂから出力される温度と、を平均した燃焼器１２全体の出口温度は、全てが定圧定常燃焼室から出力される温度からなる従来の燃焼器全体の出口温度と比べて、大きく上昇する。
【００３６】
ここで、本実施形態のガスタービン装置１０と従来のガスタービン装置とで、熱効率を比較する。なお、熱効率は、燃料が有する熱エネルギーに対する当該熱エネルギーから取り出すことができる動力の割合と定義する。
図５は、本実施形態のガスタービン装置１０の構成を示すブロック図である。図６は、従来のガスタービン装置１１０の構成を示すブロック図である。
【００３７】
図６に示すように、従来のガスタービン装置１１０は、圧縮機１１１と、定圧定常燃焼室１２５Ａを有する燃焼器１１２と、タービン１１３と、を備える。圧縮機１１１の入口での気体の状態を符号Ａで示し、燃焼器１１２の入口での気体の状態を符号Ｂで示し、燃焼器１１２の出口での気体の状態を符号Ｃで示し、タービン１１３の出口での気体の状態を符号Ｄで示す。
【００３８】
これに対して、図５に示すように、本実施形態のガスタービン装置１０は、圧縮機１１と、定圧定常燃焼室２５Ａおよび間欠燃焼室２５Ｂを有する燃焼器１２と、タービン１３と、を備える。圧縮機１１の入口での気体の状態を符号Ａで示し、燃焼器１２の入口での気体の状態を符号Ｂで示し、燃焼器１２の出口での気体の状態を符号Ｃ’で示し、タービン１３の出口での気体の状態を符号Ｄ’で示す。
【００３９】
図７は、本実施形態のガスタービン装置１０と従来のガスタービン装置１１０とで、理論上の基本サイクルを比較したＰ−Ｖ線図である。図８は、本実施形態のガスタービン装置と従来のガスタービン装置とで、理論上の基本サイクルを比較したＴ−ｓ線図である。図７および図８において、従来のガスタービン装置１１０の値を１点鎖線Ｊで示し、本実施形態のガスタービン装置１０の値を実線Ｋで示した。
また、この例では、水素と空気との予混合気体を用い、圧縮機入口での圧力を０．１ＭＰａとし、温度を２９８Ｋとし、当量比を１．０とし、圧縮機の圧力比を１０として計算した。
【００４０】
図７に示すＰ−Ｖ線図において、ＤまたはＤ’→Ａは排気・吸気過程を示し、Ａ→Ｂは圧縮過程を示し、Ｂ→ＣまたはＣ’は燃焼過程を示し、ＣまたはＣ’→ＤまたはＤ’は膨張過程を示す。
従来のガスタービン装置１１０の場合、基本サイクルは、断熱圧縮、等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却の各過程を有するブレイトンサイクルである。すなわち、従来のガスタービン装置１１０では、定圧定常燃焼のみが行われるため、Ｂ→Ｃの燃焼過程は圧力が一定の等圧加熱となる。
【００４１】
これに対し、本実施形態のガスタービン装置１０の場合、上述したように、間欠燃焼室２５Ｂ内の燃焼速度が十分に速いため、基本サイクルがハンフリーサイクルで近似でき、間欠燃焼室２５Ｂ内で定積燃焼に近い燃焼が生じる。間欠燃焼室２５Ｂの出口圧力（符号Ｃ’の圧力）は、従来の出口圧力（符号Ｃの圧力）に比べて１０倍程度にまで大きく上昇する。
【００４２】
図７のＰ−Ｖ線図をＴ−ｓ線図に書き直すと、図８のようになる。
図８のＴ−ｓ線図において、各グラフＪ，Ｋの４本の直線で囲まれた領域の面積は、タービンで得られる出力の大きさ、すなわち、熱効率に相当する。
本実施形態のガスタービン装置１０の場合、燃焼器１２の出口圧力が従来に比べて上昇することに加えて、燃焼器１２の出口温度も従来に比べて上昇する。すなわち、燃焼過程Ｂ→Ｃ’の直線の傾斜は、燃焼過程Ｂ→Ｃの直線の傾斜に比べて大きく増大する。このように、本実施形態のガスタービン装置１０によれば、燃焼器１２の出口において、従来よりも高い圧力と高い温度が得られる結果、熱効率を向上することができる。
【００４３】
以上、本実施形態の構成により熱効率の向上効果が得られることを理論上説明したが、本発明者は、さらに熱効率の向上効果を実証するためのシミュレーションを行った。以下、シミュレーション結果について説明する。
シミュレーション条件としては、圧力比を１０とし、圧縮機の断熱効率を８８％とし、タービンの断熱効率を９０％とし、タービンの入口温度を１５５０Ｋとした。
【００４４】
図９は、熱効率の向上効果のシミュレーション結果を示すグラフである。
図９のグラフにおいて、横軸は質量流量比率Ｘ０［無単位］であり、縦軸は熱効率［％］である。また、質量流量比率Ｘ０は、全生成ガス中に占める間欠燃焼によって得られる生成ガスの割合を示す。具体的には、複数の燃焼室から排出される生成ガスの総質量流量をＭＴとし、間欠燃焼室から排出される生成ガスの質量流量をＭＰとしたとき、質量流量比率Ｘ０は、Ｘ０＝ＭＰ／ＭＴで表される。
【００４５】
図９に示すように、シミュレーション結果から、全ての燃焼室で定圧定常燃焼が行われた場合（質量流量比率Ｘ０＝０に相当）の熱効率は約２０％であり、全ての燃焼室で間欠燃焼が行われた場合（質量流量比率Ｘ０＝１に相当）の熱効率は約３９％であるのに対し、定圧定常燃焼と間欠燃焼とを組み合わせた場合には、熱効率は、約２０〜３９％の間の値を取り、質量流量比率Ｘ０の増加に伴って高くなることが判った。
【００４６】
本実施形態のガスタービン装置１０において、定圧定常燃焼のみを行った従来例に対して有意な熱効率向上効果が得られ、かつ、間欠燃焼のみを行った場合の問題点を回避する観点から、質量流量比率Ｘ０は０．２〜０．８の範囲に設定されることが好ましい。すなわち、１６個の燃焼室２５のうち、３〜１３個程度の燃焼室２５を間欠燃焼室２５Ｂに割り当てることが好ましい。その場合、上記のシミュレーション条件において、熱効率は、定圧定常燃焼のみを行った従来例に対して約５〜１６％向上する。例えば図２に示す燃焼パターンでは、質量流量比率Ｘ０が０．５であるため、熱効率は、従来例に対して約１０％向上する。
【００４７】
［本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態のガスタービン装置１０は、燃焼器１２に間欠燃焼室２５Ｂを備えることによって、従来のガスタービン装置に比べて高い熱効率を得ることができる。さらに、本実施形態のガスタービン装置１０に、例えば圧力比の向上、最高最低温度比の向上等、従来の高圧化、高温化技術を組み合わせることによって、熱効率をより一層高めることができる。
【００４８】
一方、間欠燃焼のみを行うパルスデトネーション燃焼器は、高い熱効率が得られる反面、以下の欠点を有している。すなわち、パルスデトネーション燃焼器は、燃焼が一瞬で終了することから、高圧の生成ガスが間欠的に発生する。したがって、パルスデトネーション燃焼器から排出される生成ガスの圧力変動は極めて大きく、タービンに出力する圧力が不安定であるため、タービンの回転も不安定である。また、高圧、高温の生成ガスがタービンのブレードに瞬間的に衝突することでブレードが常に大きな温度変動に晒されるため、タービンの信頼性が低下するおそれがある。
【００４９】
この種の問題に対して、本実施形態のガスタービン装置１０は、燃焼器１２に間欠燃焼室２５Ｂと定圧定常燃焼室２５Ａとを兼ね備えているため、燃焼器１２から排出される生成ガスの圧力は、複数の間欠燃焼室２５Ｂから排出される生成ガスの圧力と、複数の定圧定常燃焼室２５Ａから排出される生成ガスの圧力と、を平均したものとなる。これにより、間欠燃焼室２５Ｂに起因する圧力変動が、定圧定常燃焼室２５Ａから出力される一定の圧力によって緩和されるため、タービンの作動安定性を向上させることができる。また、タービンのブレードに生じる圧力変動や温度変動も緩和されるため、タービンの信頼性を確保することができる。このように、本実施形態によれば、燃焼圧力利得を得ることで優れた熱効率が得られるとともに、タービンの作動安定性や信頼性にも優れるガスタービン装置１０を実現することができる。
【００５０】
また、本実施形態のガスタービン装置１０は、単に燃焼器１２に定圧定常燃焼室２５Ａと間欠燃焼室２５Ｂとを兼ね備えるだけでなく、全ての燃焼室２５が定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成されている。そのため、定圧定常燃焼室２５Ａの数と間欠燃焼室２５Ｂの数との比率を適宜変更することもできる。したがって、例えば他の運転条件との兼ね合いや所望とする出力等に応じて、タービンの作動安定性や信頼性を優先する場合には間欠燃焼室２５Ｂの割合を減らす、熱効率を優先する場合には間欠燃焼室２５Ｂの割合を増やす、といった調整を行うことができる。
【００５１】
また、本実施形態のガスタービン装置１０においては、各燃焼室２５が定圧定常燃焼用燃料噴射器２７と間欠燃焼用燃料噴射器３０とを備えているため、各燃料噴射器２７，３０に、定圧定常燃焼用、間欠燃焼用として用いるのに最適な仕様の燃料噴射器を使用することができる。また、１つの燃料噴射器で定圧定常燃焼用、間欠燃焼用を兼ねることに伴う不具合を解消することができる。
【００５２】
同様に、本実施形態のガスタービン装置１０においては、各燃焼室２５が定圧定常燃焼用点火器２８と間欠燃焼用点火器３１とを備えているため、各点火器２８，３１に、定圧定常燃焼用、間欠燃焼用として用いるのに最適な仕様の点火器を使用することができる。また、１つの点火器で定圧定常燃焼用、間欠燃焼用を兼ねることに伴う不具合を解消することができる。
【００５３】
また、本実施形態のガスタービン装置１０においては、複数の燃焼室２５から排出される生成ガスＥ３が合流することなく、複数の燃焼室２５の各々の位置に対応するタービン１３のブレード３３に向けて噴射される構成となっている。そのため、仮に定圧定常燃焼室２５Ａと間欠燃焼室２５Ｂとが偏って配置されていたとすると、タービン１３の回転が不安定になるおそれがある。その点、本実施形態のガスタービン装置１０の場合、定圧定常燃焼室２５Ａと間欠燃焼室２５Ｂとが回転軸１４の周方向に沿って交互に配置され、タービン１３の周方向に沿って均等な圧力を付与できるため、タービン１３をより安定して回転させることができる。
【００５４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、複数の燃焼室２５の全てが定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成されているが、複数の燃焼室２５のうち、少なくとも一つの燃焼室２５が定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能に構成されていてもよい。具体的には、例えば複数の燃焼室２５のうち、一部の燃焼室２５は定圧定常燃焼専用の燃焼室であり、残りの燃焼室２５は定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能な燃焼室であってもよい。または、複数の燃焼室２５のうち、一部の燃焼室２５は間欠燃焼専用の燃焼室であり、残りの燃焼室２５は定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能な燃焼室であってもよい。または、複数の燃焼室２５は、一部の燃焼室２５は定圧定常燃焼専用の燃焼室２５と間欠燃焼専用の燃焼室２５であり、残りの燃焼室２５が定圧定常燃焼と間欠燃焼とを切り換え可能な燃焼室２５であってもよい。
【００５５】
また、上記実施形態では、各燃焼室２５が定圧定常燃焼用燃料噴射器２７と間欠燃焼用燃料噴射器３０とを備えていたが、１つの燃料噴射器で定圧定常燃焼用、間欠燃焼用を兼ねる構成としてもよい。同様に、上記実施形態では、各燃焼室２５が定圧定常燃焼用点火器２８と間欠燃焼用点火器３１とを備えていたが、１つの点火器で定圧定常燃焼用、間欠燃焼用を兼ねる構成としてもよい。これらの構成によれば、燃料噴射器や点火器の数を減らすことができ、燃焼室２５の構成を簡略化することができる。
【００５６】
また、ガスタービン装置１０を構成する各構成要素の形状、数、配置等の具体的な構成については、上記実施形態の例に限ることなく、適宜変更が可能である。また、上記実施形態では、キャニュラ型の燃焼器を備えるガスタービン装置に本発明を適用したが、複数の燃焼室の各々で定圧定常燃焼、間欠燃焼を独立に実施できるものであれば、キャニュラ型以外の燃焼器を備えるガスタービン装置に本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…ガスタービン装置
１１…圧縮機
１２…燃焼器
１３…タービン
１４…回転軸
１５…燃焼制御部
２５…燃焼室
２５Ａ…定圧定常燃焼室
２５Ｂ…間欠燃焼室
２７…定圧定常燃焼用燃料噴射器
２８…定圧定常燃焼用点火器
３０…間欠燃焼用燃料噴射器
３１…間欠燃焼用点火器
Ｅ２…圧縮空気
Ｅ３…生成ガス
Ｆ…燃料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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