(57)【要約】【課題】低損失ディフューザより全長の短いディフューザの採用が可能となり、再生器における排気側通路の速度分布が均一化され、再生器の温度交換効率が向上する再生サイクルガスタービン及びガスタービンの再生器を得る。【解決手段】再生サイクルガスタービンにおいて、空気を導入して圧縮する圧縮機と、燃焼ガスの熱エネルギーにより発電機と圧縮機を駆動して排気ガスを排出するタービンと、圧縮機から空気を導入し導入された空気をタービンの排気ガスと熱交換して燃焼用空気として出力する再生器２１と、燃料と再生器２１からの燃焼用空気を燃焼させて燃焼ガスをタービンに送給する燃焼器と、タービンと再生器２１との間に介装されタービンからの排気ガスを減速させて再生器２１に導入するディフューザ１５と、再生器２１に設けられ排気ガスの流速を、当該流速に応じて減衰させる減衰手段２３とを設けた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を導入して圧縮する圧縮機と、
燃焼ガスの熱エネルギーにより発電機と該圧縮機を駆動して排気ガスを排出するタービンと、
前記圧縮機から空気を導入し導入された空気を前記タービンの排気ガスと熱交換して燃焼用空気として出力する再生器と、
燃料と前記再生器からの燃焼用空気を燃焼させて燃焼ガスを前記タービンに送給する燃焼器と、
前記タービンと前記再生器との間に介装され前記タービンからの排気ガスを減速させて前記再生器に導入するディフューザと、
前記再生器に設けられ前記排気ガスの流速を、当該流速に応じて減衰させる減衰手段と
を具備したことを特徴とする再生サイクルガスタービン。
【請求項２】
請求項１記載の再生サイクルガスタービンであって、
前記減衰手段が、
前記再生器の排気側通路の入口に設けられた金網又は多孔板のいずれか一方であることを特徴とする再生サイクルガスタービン。
【請求項３】
請求項１記載の再生サイクルガスタービンであって、
前記減衰手段が、
前記再生器の排気側通路の出口に設けられた金網又は多孔板のいずれか一方であることを特徴とする再生サイクルガスタービン。
【請求項４】
圧縮機から導入された空気を、ディフューザを介して導入されたタービンからの排気ガスと熱交換して燃焼用空気として出力するガスタービンの再生器であって、
前記排気ガスの流速を当該流速に応じて減衰させる減衰手段が備えられたことを特徴とするガスタービンの再生器。
【請求項５】
請求項４記載のガスタービンの再生器であって、
前記減衰手段が、
排気側通路の入口に設けられた金網又は多孔板のいずれか一方であることを特徴とするガスタービンの再生器。
【請求項６】
請求項４記載のガスタービンの再生器であって、
前記減衰手段が、
排気側通路の出口に設けられた金網又は多孔板のいずれか一方であることを特徴とするガスタービンの再生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機から導入された空気がタービンの排気ガスと熱交換して燃焼用空気として出力される再生サイクルガスタービン及びガスタービンの再生器に関し、更に詳しくは、全長の短いディフューザの採用が可能となる改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、発電システムに用いられるガスタービンには再生器を備えた再生サイクルガスタービンがある。図３は再生サイクルガスタービンの概略の構成を表したブロック図である。この種の再生サイクルガスタービン１では、圧縮機３の排気側に再生器５が配管接続される。圧縮機３の吸気口から吸い込まれた空気が圧縮機３の回転により圧縮され、高温高圧の状態となって再生器５に導入される。再生器５に導入された空気は、タービン７の排気ガスと熱交換して燃焼器９に導かれ、供給燃料と混合して燃焼され、高温高圧の燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、タービン７で膨張し、そのエネルギーがタービン７の回転力に変換される。回転力の一部は圧縮機３の動力となり、他の一部は再生サイクルガスタービン１の出力となって、減速機１１を介して発電機１３を駆動する。タービン７で回転力に変換された後の排気ガスは再生器５を通過して外部に排出される。このように再生器５を備えた再生サイクルガスタービン１では、再生器５に圧縮された燃焼用空気とタービン７からの排気ガスとが別系統で通過され、これら燃焼用空気と排気とが熱交換されることで、排気ガス中の熱エネルギーを有効利用可能としている。
【０００３】
ところで、この再生サイクルガスタービン１では、タービン７の出口７ｂの排気ガスが高温、高速であることから、再生器５を効率良く作動させるために、タービン７と再生器５との間に、ディフューザ１５を介装している。ディフューザ１５は、排気ガス流路を徐々に拡径させたテーパ管であり、タービン７の出口７ｂからの高温、高速の排気ガスをスムースに減速させ、再生器５の内部熱交換器の排気側通路（図示せず）へ導く。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、テーパ管内において排気ガス流の剥離発生の生じない図４（ａ）に示す低損失ディフューザ１５は、再生器５の入口５ａにおける速度分布が例えば６５０℃で最大２０ｍ／ｓ、出口５ｂにおける速度分布が例えば２５０℃で最大８ｍ／ｓ程度と滑らかであり、図４（ｂ）に示すようにＡ断面温度分布も広い領域で均一となるが、全長Ｌが長くなるため、再生サイクルガスタービン全体が大型化する短所があった。
これに対し、図５（ａ）に示す短ディフューザ１５は、全長Ｌが短くなるが、ディフューザ１５の内部に流れの剥離、逆流等が発生し、損失が大きくなる。ここで損失とは、タービン出口全圧損失を言う。タービン出口全圧損失が増えると、タービン出口静圧（背圧）が上昇するため、タービン入口−出口の圧力差（膨張比）が減少し、タービン発生動力が低下する。すると、出力が低下し、エンジン熱効率の低下をもたらす。即ち、例えばタービン入口圧力をＰｉｎ、タービン出口圧力をＰｏｕｔ  とすると、タービン膨張比＝（Ｐｉｎ）／（Ｐｏｕｔ  ）の式がなりたつ。ここで、Ｐｉｎは定まっているので、Ｐｏｕｔ  が大きくなると、タービン膨張比が小さくなって、エンジン熱効率の低下をもたらすことになる。
これに加え、再生器５の入口５ａにおける速度分布が例えば６５０℃で最大５０ｍ／ｓ、出口５ｂにおける速度分布が例えば２５０℃で最大１８ｍ／ｓ程度と不均一となるため、図５（ｂ）に示すようにＢ断面温度分布も流速の速い部分を中心に温度が局所的に高くなり、再生器の温度交換効率が低下した。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低損失ディフューザより全長の短いディフューザの採用が可能となり、しかも、再生器における排気側通路の速度分布が均一化され、再生器の温度交換効率が向上する再生サイクルガスタービン及びガスタービンの再生器を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
この発明の請求項１記載の再生サイクルガスタービンは、空気を導入して圧縮する圧縮機３と、燃焼ガスの熱エネルギーにより発電機１３と該圧縮機３を駆動して排気ガスを排出するタービン７と、前記圧縮機３から空気を導入し導入された空気を前記タービン７の排気ガスと熱交換して燃焼用空気として出力する再生器２１又は３１と、燃料と前記再生器２１又は３１からの燃焼用空気を燃焼させて燃焼ガスを前記タービン７に送給する燃焼器９と、前記タービン７と前記再生器２１又は３１との間に介装され前記タービン７からの排気ガスを減速させて前記再生器２１又は３１に導入するディフューザ１５と、前記再生器２１又は３１に設けられ前記排気ガスの流速を、当該流速に応じて減衰させる減衰手段２３とを具備したことを特徴とする。
【０００６】
この再生サイクルガスタービンでは、排気ガスの流速を当該流速に応じて減衰させる減衰手段２３が再生器２１又は３１に設けられ、再生器２１又は３１における排気側通路２１ｃ又は３１ｃの速度分布が均一化され、低損失ディフューザより全長の短いディフューザ１５が採用可能となる。これにより、再生サイクルガスタービン全体の全長Ｌが短縮可能となり、更に、再生器２１又は３１における排気側通路の速度分布が均一化されるので、再生器２１又は３１の温度交換効率が向上し、再生サイクルガスタービンの燃費削減効果が更に高められる。
【０００７】
請求項２記載の再生サイクルガスタービンは、請求項１記載の再生サイクルガスタービンであって、前記減衰手段２３が、前記再生器２１の排気側通路２１ｃの入口２１ａに設けられた金網又は多孔板（金網等２５）のいずれか一方であることを特徴とする。
【０００８】
この再生サイクルガスタービンでは、再生器２１の排気側通路２１ｃの入口２１ａに設けられた減衰手段２３である金網又は多孔板（金網等２５）によって、排気ガスの流速に比例した減衰力（ブレーキ）特性が発揮される。即ち、流速が小さい領域では減衰作用が小さく、流速が大きい領域では減衰作用が大きくなる。これにより、排気側通路入口２１ａの速度分布が均一化され、再生器２１の温度交換効率が向上し、再生サイクルガスタービンの燃費削減効果が高められる。
【０００９】
請求項３記載の再生サイクルガスタービンは、請求項１記載の再生サイクルガスタービンであって、前記減衰手段２３が、前記再生器３１の排気側通路３１ｃの出口３１ｂに設けられた金網又は多孔板（金網等２５）のいずれか一方であることを特徴とする。
【００１０】
この再生サイクルガスタービンでは、再生器３１の排気側通路３１ｃの出口３１ｂに設けられた減衰手段２３である金網又は多孔板（金網等２５）によって、排気ガスの流速に比例した減衰力（ブレーキ）特性が発揮される。これにより、請求項３の作用と同様に、排気側通路出口３１ｂの速度分布が均一化され、再生器の温度交換効率が向上し、再生サイクルガスタービンの燃費削減効果が高められる。また、この際、排気側通路出口３１ｂの速度分布が均一化されるのと同時に、排気側通路入口３１ａの速度分布も均一化される。これに加え、金網又は多孔板（金網等２５）が、温度の低い排気側通路出口３１ｂに設けられた場合は、排気側通路入口３１ａに設けられた場合と比較して熱的な環境が緩和され、材料コストの安い金網又は多孔板（金網等２５）の採用が可能となる。
【００１１】
請求項４記載のガスタービンの再生器２１又は３１は、圧縮機３から導入された空気を、ディフューザ１５を介して導入されたタービン７からの排気ガスと熱交換して燃焼用空気として出力するガスタービンの再生器２１又は３１であって、前記排気ガスの流速を当該流速に応じて減衰させる減衰手段２３が備えられたことを特徴とする。
【００１２】
このガスタービンの再生器２１又は３１では、排気ガスの流速を当該流速に応じて減衰させる減衰手段２３が備えられ、再生器２１又は３１における排気側通路２１ｃ又は３１ｃの速度分布が均一化され、低損失ディフューザより全長の短いディフューザ１５の採用が可能となり、更に、再生器２１又は３１における排気側通路２１ｃ又は３１ｃの速度分布が均一化されるので、再生器２１又は３１の温度交換効率が向上する。
【００１３】
請求項５記載のガスタービンの再生器２１は、請求項４記載のガスタービンの再生器２１であって、前記減衰手段２３が、排気側通路２１ｃの入口２１ａに設けられた金網又は多孔板（金網等２５）のいずれか一方であることを特徴とする。
【００１４】
このガスタービンの再生器２１では、再生器２１の排気側通路２１ｃの入口２１ａに設けられた減衰手段２３である金網又は多孔板（金網等２５）によって、排気ガスの流速に比例した減衰力（ブレーキ）特性が発揮される。即ち、流速が小さい領域では減衰作用が小さく、流速が大きい領域では減衰作用が大きくなる。これにより、排気側通路入口２１ａの速度分布が均一化され、再生器２１の温度交換効率が向上する。
【００１５】
請求項６記載のガスタービンの再生器３１は、請求項４記載のガスタービンの再生器３１であって、前記減衰手段２３が、排気側通路３１ｃの出口３１ｂに設けられた金網又は多孔板（金網等２５）のいずれか一方であることを特徴とする。
【００１６】
このガスタービンの再生器３１では、再生器３１の排気側通路３１ｃの出口３１ｂに設けられた減衰手段２３である金網又は多孔板（金網等２５）によって、排気ガスの流速に比例した減衰力（ブレーキ）特性が発揮される。これにより、請求項５の作用と同様に、排気側通路出口３１ｂの速度分布が均一化され、再生器３１の温度交換効率が向上する。また、この際、排気側通路出口３１ｂの速度分布が均一化されるのと同時に、排気側通路入口３１ａの速度分布も均一化される。これに加え、金網又は多孔板（金網等２５）が、温度の低い排気側通路出口３１ｂに設けられるので、排気側通路入口３１ａに設けられた場合と比較して熱的な環境が緩和され、材料コストの安い金網又は多孔板（金網等２５）の採用が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る再生サイクルガスタービン及びガスタービンの再生器の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る再生サイクルガスタービンの再生器の説明図である。なお、図３〜図５に示した部材と同一の部材には同一の符号を付して説明する。
本実施の形態による再生サイクルガスタービンは、再生器２１を除き、その基本構成は従来の再生サイクルガスタービンと略同様となっている。
【００１８】
即ち、その基本構成は、図３を参照して説明すれば、圧縮機３の排気側に再生器（本実施の形態では図１に示す再生器２１）が配管接続され、圧縮機３の吸気口から吸い込まれた空気が圧縮機３の回転により圧縮され、高温高圧の状態となって再生器２１（図１参照）に導入される。再生器２１に導入された空気は、タービン７の排気ガスと熱交換して燃焼器９に導かれ、供給燃料と混合して燃焼され、高温高圧の燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、タービン７で膨張し、そのエネルギーがタービン７の回転力に変換される。回転力の一部は圧縮機３の動力となり、他の一部はガスタービンの出力となって、減速機１１を介して発電機１３を駆動する。タービン７で回転力に変換された後の排気ガスは再生器２１を通過して外部に排出される。このように再生器２１を備えた再生サイクルガスタービンでは、圧縮された燃焼用空気とタービン７からの排気ガスとが再生器２１に別系統で通過され、これら燃焼用空気と排気とが熱交換されることで、排気ガス中の熱エネルギーを有効利用可能としている。そして、タービン７の出口７ｂの排気ガスが高温、高速であることから、再生器２１を効率良く作動させるために、タービン７と再生器２１との間に、ディフューザ１５を介装している。ディフューザ１５は、排気ガス流路を徐々に拡径させたテーパ管であり、タービン７の出口７ｂからの高温、高速の排気ガスをスムースに減速させ、再生器２１の内部熱交換器の排気側通路２１ｃへ導く。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態による再生サイクルガスタービンに備えられる再生器２１は、タービン７から流入する排気ガスの流速を、当該流速に応じて減衰させる減衰手段２３を有している。本実施の形態において、減衰手段２３は、再生器２１における排気側通路２１ｃの入口２１ａに設けられている。なお、再生器２１には、図示は省略するが、排気側通路２１ｃとは別配管系統で空気側熱交換器が接続されており、排気側通路２１ｃを通過する排気ガスと熱交換可能とされている。空気側熱交換器は、入口が上流の空気側配管によって圧縮機３と接続され、出口が下流の空気側配管によって燃焼器９と接続されている。また、排気側熱交換器を構成する排気側通路２１ｃは、入口２１ａがディフューザ１５を介してタービン７と接続され、出口２１ｂが排ガス出口へ接続されている。
【００２０】
減衰手段２３としては、例えば金網又は多孔板のいずれか一方（以下、「金網等２５」と称す。）を好適に用いることができる。この金網等２５は、排気ガスの流速に比例した減衰力（ブレーキ）特性を発揮する。即ち、金網等２５の全領域のうち、排気ガスの流速が小さい領域では減衰作用が小さく、流速が大きい領域では減衰作用が大きくなる。これにより、排気側通路入口２１ａの速度分布が均一化され、再生器２１の温度交換効率が向上するようになっている。
【００２１】
このような構成を有する再生器２１を再生サイクルガスタービンに搭載して作動させた結果、タービン７の出口となるディフューザ１５の入口における排気ガスが６５０℃で最大７０ｍ／ｓであった場合、再生器２１の入口２１ａにおける速度分布が６５０℃で最大２４ｍ／ｓ、出口２１ｂにおける速度分布が２５０℃で最大８ｍ／ｓ程度と滑らかであり、且つ温度分布も広い領域で均一となることが知見できた。
【００２２】
従って、この再生器２１を備えた再生サイクルガスタービンによれば、再生器２１における排気側通路２１ｃの速度分布が均一化され、低損失ディフューザより全長の短いディフューザが採用可能となる。これにより、再生サイクルガスタービン全体の全長が短縮可能となり、更に、再生器２１における排気側通路２１ｃの速度分布が均一化されるので、再生器２１の温度交換効率が向上し、再生サイクルガスタービンの燃費削減効果が更に高められることになる。
【００２３】
また、排気側通路２１ｃの速度分布が均一化されると同時に、熱交換器自体の温度分布も均一化が促進されるので、熱交換器全体の熱応力が緩和されることになり、その結果、低サイクル疲労及びクリープ寿命の延長が可能となる副次的な効果も得ることができる。
【００２４】
次に、本発明に係る再生サイクルガスタービンにおける再生器の他の実施の形態を説明する。
図２は本発明に係る他の実施の形態による再生器の説明図である。
この実施の形態による再生サイクルガスタービンは、再生器３１に設けられる金網等２５の位置が上記の再生器２１の場合と異なっている。即ち、再生器３１では、金網等２５が排気側通路３１ｃの出口３１ｂに設けられている。他の構成は、上記の実施の形態と同様となっている。
【００２５】
この再生器３１では、排気側通路３１ｃの出口３１ｂに設けられた金網等２５によって、排気ガスの流速に比例した減衰力（ブレーキ）特性が発揮される。これにより、排気側通路出口３１ｂの速度分布が均一化され、再生器３１の温度交換効率が向上する。また、この際、排気側通路出口３１ｂの速度分布が均一化されるのと同時に、排気側通路入口３１ａの速度分布も均一化される。
【００２６】
このような構成を有する再生器３１を再生サイクルガスタービンに搭載して作動させた結果、タービン７の出口となるディフューザ１５の入口における排気ガスが６５０℃で最大７０ｍ／ｓであった場合、再生器３１の入口３１ａにおける速度分布が６５０℃で最大２４ｍ／ｓ、出口３１ｂにおける速度分布が２５０℃で最大８ｍ／ｓ程度と滑らかであり、且つ温度分布も広い領域で均一となることが知見できた。
【００２７】
従って、この再生器３１を備えた再生サイクルガスタービンによれば、再生器３１の排気側通路の出口３１ｂに設けられた減衰手段２３である金網等２５によって、排気ガスの流速に比例した減衰力（ブレーキ）特性が発揮される。これにより、排気側通路出口３１ｂの速度分布が均一化され、再生器３１の温度交換効率が向上し、再生サイクルガスタービンの燃費削減効果が高められる。これに加え、金網等２５が、温度の低い排気側通路出口３１ｂに設けられるので、排気側通路入口３１ａに設けられた場合と比較して熱的な環境が緩和され、材料コストの安い金網等２５の採用が可能となる。
【００２８】
また、この実施の形態による再生器３１においても、排気側通路３１ｃの速度分布が均一化されると同時に、熱交換器自体の温度分布も均一化が促進されるので、熱交換器全体の熱応力が緩和されることになり、その結果、低サイクル疲労及びクリープ寿命の延長が可能となる副次的な効果を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る再生サイクルガスタービンによれば、タービンからの排気ガスを減速させて再生器に導入するディフューザが設けられる再生サイクルガスタービンにおいて、排気ガスの流速を当該流速に応じて減衰させる減衰手段を、再生器に設けたので、再生器における排気側通路の速度分布を均一化させることができ、低損失ディフューザより全長の短いディフューザの採用が可能となる。この結果、再生サイクルガスタービン全体の全長を短くできるとともに、再生器における排気側通路の速度分布を均一化できるので、再生器の温度交換効率を向上させ、再生サイクルガスタービンの燃費削減効果を更に高めることができる。
【００３０】
本発明に係るガスタービンの再生器によれば、圧縮機から導入された空気を、ディフューザを介して導入されたタービンからの排気ガスと熱交換し、燃焼用空気として出力する再生器において、排気ガスの流速を当該流速に応じて減衰させる減衰手段を備えたので、再生器における排気側通路の速度分布を均一化させ、低損失ディフューザより全長の短いディフューザの採用が可能となり、更に、再生器における排気側通路の速度分布が均一化されるので、再生器の温度交換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る再生サイクルガスタービンの再生器の説明図である。
【図２】本発明に係る他の実施の形態による再生器の説明図である。
【図３】再生サイクルガスタービンの概略の構成を表したブロック図である。
【図４】従来の再生器における低損失ディフューザの説明図である。
【図５】従来の再生器における短ディフューザの説明図である。
【符号の説明】
３…圧縮機
７…タービン
９…燃焼器
１３…発電機
１５…ディフューザ
２１、３１…再生器
２１ａ、３１ａ…入口
２１ｂ、３１ｂ…出口
２１ｃ、３１ｃ…排気側通路
２３…減衰手段
２５…金網等（金網又は多孔板）
【図１】
2004360561.tif 000003
【図２】
2004360561.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004360561.tif 000006
【図５】
2004360561.tif 000007