(57)【要約】【課題】省スペースでありながら、構成部材の熱伸び変形が吸収され、高圧側の内圧推力が維持されるガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】単缶式の燃焼器（７）を備えるガスタービンエンジン（ＧＴ）において、当該ガスタービンエンジンを構成する部材の熱伸び変形を吸収し、高圧側の内圧推力を維持可能な機構を設ける。【選択図】図１
2013133713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単缶式の燃焼器を備えるガスタービンエンジンであって、
当該ガスタービンエンジンを構成する部材の熱伸び変形を吸収し、高圧側の内圧推力を維持可能な機構を備える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、単缶型燃焼器を備えるガスタービンエンジンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの高効率化のため、エンジン内に熱交換器を設けた再生サイクルを採用することが提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ガスタービンエンジンに熱交換器を設ける場合、圧縮空気側（低温高圧側）と燃焼ガス側（高温低圧側）の作動流体の熱交換を行うため、熱交換器とガスタービン本体（圧縮機、タービン及び燃焼器）とを接続する配管が必要となる。これらの構成要素の配置を決める際には、省スペース、熱伸びによる変形、高圧側の内圧推力維持を考慮することが重要となる。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、省スペースでありながら、構成部材の熱伸び変形が吸収され、高圧側の内圧推力が維持されるガスタービンエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンは、単缶式の燃焼器を備えるガスタービンエンジンであって、当該ガスタービンエンジンを構成する部材の熱伸び変形を吸収し、高圧側の内圧推力を維持可能な機構を備えている。
【０００６】
この構成によれば、ガスタービンエンジンを省スペースに構成しつつ、構成部材の熱伸び変形が吸収され、高圧側の内圧推力が維持される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るガスタービンエンジンによれば、以上のように、ガスタービンエンジンを省スペースに構成しつつ、構成部材の熱伸び変形が吸収され、高圧側の内圧推力が維持される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１のガスタービンエンジンの構造を示す斜視図である。
【図３】図１のガスタービンエンジンを示す側面図である。
【図４】図１のガスタービンエンジンの熱交換器を示す底面図である。
【図５】図１のガスタービンエンジンを示す平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るガスタービンエンジンの概略構成を模式的に示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴを示す概略構成図である。このガスタービンエンジンＧＴは、圧縮機１、単缶式の主燃焼器３、タービン５および熱交換器７を備えている。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、発電機１１が駆動される。
【００１０】
本実施形態におけるガスタービンエンジンＧＴは、炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)などの低カロリーガスを空気と混合してエンジンに吸入し、含まれている可燃成分を燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンとして構成されており、主燃焼器３は、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器として構成されている。また、本実施形態における熱交換器７として、加熱媒体の流れ方向と冷却媒体の流れ方向とを直交させる直交流式の熱交換器を使用している。
【００１１】
このガスタービンエンジンＧＴで用いる低カロリーガスとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭと、これよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭのような、２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスを混合して得られた作動ガスＧ１が、圧縮機１の吸気入口を介してガスタービンエンジンＧＴ内に導入される。作動ガスＧ１は、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が、主燃焼器３に送られる。圧縮ガスＧ２は主燃焼器３の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン５に供給されて、タービン５を駆動する。タービン５は圧縮機１に回転軸１５を介して連結されており、タービン５により圧縮機１が駆動される。
【００１２】
熱交換器７は、タービン５からのタービン排ガスＧ４によって圧縮機１から主燃焼器３に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する。圧縮機１からの圧縮ガスＧ２は、圧縮ガス通路２１を介して熱交換器７に送られ、ここで加熱された後に高温圧縮ガス通路２５を介して主燃焼器３に送られる。主燃焼器３およびタービン５を経たタービン排ガスＧ４は、タービン排ガス通路２９を通って熱交換器７に流入する。熱交換器７から流出した排ガスＧ５は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、外部に放出される。
【００１３】
さらに、圧縮ガス通路２１と高温圧縮ガス通路２５とは、中途に開閉弁３１を備える熱交換器バイパス路３５によって連通されている。主燃焼器３が過度に加熱されて焼損が発生するのを防止するために、必要に応じて開閉弁３１を開いて圧縮ガスＧ２を熱交換器７から迂回させる。
【００１４】
また、ガスタービンエンジンＧＴは、主燃焼器３のほかに補助燃焼器３９を備えている。補助燃焼器３９は、ガスタービンエンジンＧＴの起動時から主燃焼器３が所定の作動温度に達するまで、熱交換器７に高温の燃焼ガスを供給して熱交換器７を暖機する。補助燃焼器３９には、専用の燃料供給路４１から燃料（本実施形態ではＣＭＭ）が供給されるとともに、圧縮ガス通路２１から分岐させて設けられた始動用抽気路４５から空気が供給される。
【００１５】
図２に、ガスタービンエンジンＧＴの具体的な構造を示す。圧縮機１、タービン５および熱交換器７は、ガスタービンエンジンＧＴの軸心Ｃ１方向に沿って、この順に並べて配置されている。なお、以下の説明において、軸心Ｃ１方向および鉛直方向のいずれにも直行する方向を横方向Ｔと呼ぶことがある。また、軸心Ｃ１方向における圧縮機１側を前側と呼び、タービン５側を後側と呼ぶ。
【００１６】
さらに、圧縮機１の、軸心Ｃ１方向におけるタービン５と反対側には、減速機４９が配置され、圧縮機１に複数のボルトによって直接連結されている。タービン５の上部には主燃焼器３が連結されており、また、タービン５と熱交換器７との間には、タービン排ガス通路２９を形成するタービン排気管５３が介在している。このタービン排気管５３の上部には、補助燃焼器３９が設置されている。
【００１７】
図３に示すように、減速機４９の下部には、減速機４９のオイルタンクを兼ねる減速機支持台５７が設けられている。一方、直方体形状の熱交換器本体部７ａの底部には、熱交換器７の設置面を形成する熱交換器支持台５９が後述する連結構造により連結されている。これら減速機支持台５７および熱交換器支持台５９によって、ガスタービンエンジンＧＴが軸心Ｃ１方向に位置決めされている。また、圧縮機１、主燃焼器３およびタービン５からなるガスタービン本体は、減速機４９によって片持ち支持されており、タービン排気管５３および補助燃焼器３９は、熱交換器７によって片持ち支持されている。したがって、減速機支持台５７上の減速機４９の圧縮機１に連結される部分の軸心方向位置が、前側の軸心方向基準位置（軸心方向に拘束する位置）ＳＰ１となる。
【００１８】
直交流式の熱交換器７は、その重心位置が、回転軸１５の軸心Ｃ１にほぼ合致するように配置されている。図２に示すように、加熱媒体となるタービン排ガスＧ４は、熱交換器７内を軸心Ｃ１方向に通過し、他方、冷却媒体となる圧縮ガスＧ２は、熱交換器７の一側方（図２の手前側）から他側方へ、横方向Ｔに熱交換器７内を移動する。
【００１９】
タービン５と熱交換器７とを連結するタービン排気管５３の中途には、軸心Ｃ１方向（すなわちタービン排気管５３の軸心方向）に伸縮可能な蛇腹状のフレキシブル管部５３ａが設けられている。このフレキシブル管部５３ａにより、減速機４９と熱交換器７との間で発生する軸心Ｃ１方向の熱伸びが吸収される。
【００２０】
また、図４の底面図に示すように、熱交換器支持台５９には、熱交換器支持台５９に熱交換器７をボルト固定するためのボルト孔が４箇所に設けられている。そのうち、前側の同一の軸心Ｃ１方向位置に配置された一組のボルト孔６５，６５が、横方向Ｔに長く延びる長孔として形成されている。これにより、熱交換器７の横方向Ｔの熱伸びが吸収され、熱交換器７の軸心Ｃ１に直交する平面内での振れが防止される。また、一組のボルト孔６５，６５間の中央位置には、熱交換器７を横方向Ｔに位置決めする位置決めピン６７が設けられている。これらボルト孔６５、位置決めピン６７の軸心方向位置が、後側の軸心方向基準位置（軸心方向に拘束する位置）ＳＰ２となる。
【００２１】
図２に示すように、タービン５の一方の側部と、熱交換器本体部７ａの同じ側（入口側）の側部７ｂとは、圧縮ガス通路２１の一部を形成する圧縮ガス送気管６９によって連結されている。タービン５のケーシング内部に形成された圧縮ガス通路２１から、圧縮ガス送気管６９内部の圧縮ガス通路２１を介して、圧縮機１からの圧縮ガスＧ２が熱交換器７に送られる。
【００２２】
図５に示すように、圧縮ガス送気管６９は、タービン５から横方向Ｔ外側に向けて排出される圧縮ガスＧ２（図１）を軸心Ｃ１に平行な方向に導くＬ字形状を有している。圧縮ガス送気管６９の軸心Ｃ１に平行な部分の中途には、圧縮ガス送気管６９の軸心方向に伸縮可能な蛇腹状のフレキシブル管部６９ａが設けられている。さらに、図３に示すように、圧縮ガス送気管６９の上部および下部には、それぞれ、長軸のタイボルト７１が挿通される一組のタイボルト挿通片７５が突設されており、これらタイボルト挿通片７５に挿通されたタイボルト７１、７１及びその一端部に螺合する各ナット７５によって、圧縮ガス送気管６９の軸心Ｃ１方向長さが固定され、内圧推力が支持されている。
【００２３】
より具体的には、一組のタイボルト挿通片７５のうちの一方（前側）が、主燃焼器３の軸心Ｃ２にほぼ一致する軸心Ｃ１方向位置に設けられており、他方（後側）が、図４に示すように、熱交換器本体部７のボルト孔６５の位置、すなわち基準位置ＳＰ２にほぼ一致する軸心Ｃ１方向位置に設けられている。圧縮ガス送気管６９のフレキシブル管部６９ａは、一組のタイボルト挿通片７５の間の軸心Ｃ１方向位置に設けられている。図３に示すように、タイボルト７１，７１は、タイボルト挿通片７５によって、圧縮ガス送気管６９から離間した位置、すなわち圧縮ガス送気管６９の熱の影響を受けにくい位置に配置される。
【００２４】
このように、高圧側の部材である圧縮ガス送気管６９に、管の所定部分の長さを固定する部材であるタイボルト７１を設けているので、圧縮ガス送気管６９周辺の内圧推力が維持される。なお、本実施形態では、作製上の便宜から、前側のタイボルト挿通片７５を、主燃焼器３の軸心Ｃ２にほぼ一致する軸心Ｃ１方向位置に設けたが、内圧推力を一層確実に維持する観点からは、前側のタイボルト挿通片７５は、その軸心Ｃ１方向の位置を、減速機４９の基準位置ＳＰ１に一致させることがより好ましい。
【００２５】
図２に示すように、熱交換器本体部７ａの他方（出口側）の側部７ｃと、主燃焼器３の上部とは、高温圧縮ガス通路２５を形成する高温圧縮ガス送気管７３によって連結されている。高温圧縮ガス送気管７３は、熱交換器７から鉛直方向上方に向けて排出される高温圧縮ガスＧ３（図１）を主燃焼器３に導くＬ字形状を有している。図５に示すように、高温圧縮ガス送気管７３の主燃焼器３に向かう部分は、軸心Ｃ１から離れた位置の熱交換器本体部７ａの出口側側部７ｃから、平面視で軸心Ｃ１上に位置する主燃焼器３に向かって、軸心Ｃ１に対して傾斜して延びている。
【００２６】
図３に示すように、高温圧縮ガス送気管７３の中途の複数箇所（この例では３箇所）に、蛇腹状のフレキシブル管部７３ａ，７３ｂ，７３ｃが設けられており、各フレキシブル管部７３ａ，７３ｂ，７３ｃを挟む両側が、可動連結機構によって連結されている。より具体的には、図３の例において、Ｌ字形状の高温圧縮ガス送気管７３の鉛直方向に延びる部分に１つのフレキシブル管部（第１フレキシブル管部）７３ａが設けられており、高温圧縮ガス送気管７３の主燃焼器３に向かう部分に２つのフレキシブル管部（第２，３フレキシブル管部）７３ｂ，７３ｃが設けられている。高温圧縮ガス送気管７３の第１フレキシブル管部７３ａを挟む両側は、平面内の（２次元的な）角度変位を支持可能なヒンジ式連結機構８１によって連結されている。一方、第２および第３フレキシブル管部７３ｂ，７３ｃを挟む両側は、それぞれ、３次元的な角度変位を支持可能なジンバル式連結機構８５によって連結されている。
【００２７】
また、熱交換器本体部７ａの入口側側部７ｂの上部と、高温圧縮ガス送気管７３の上流部とは、熱交換器バイパス路３５を形成するＬ字形状の熱交換器バイパス管８９によって連結されている。熱交換器バイパス管８９の中途には、熱交換器本体部７ａの入口側側部から鉛直方向上方に延びる部分に、ヒンジ式連結機構９３が１つ設けられており、横方向Ｔに延びる部分にジンバル式連結機構９７が２つ設けられている。
【００２８】
なお、上記で説明した熱伸び変形を吸収し、内圧推力を維持するための機構であるフレキシブル管部、タイボルト、ヒンジ式連結機構、ジンバル式連結機構等の種類、数および配置は、想定される熱伸びの程度、熱伸び変形の態様（二次元的か三次元的か）および高圧側の圧力の値に応じて適宜変更してよい。
【００２９】
このように、本実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴによれば、ガスタービンエンジンを省スペースに構成しつつ、構成部材の熱伸び変形が吸収され、高圧側の内圧推力が維持される。
【００３０】
図６は本発明の第２実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴを示す概略構成図である。図６は、第１実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴを構成する要素のうち、主燃焼器３、タービン５、熱交換器７、圧縮ガス送気管６９および高温圧縮ガス送気管７３の配置を模式的に示したものであり、そのほかの構成要素は省略している。以下、本実施形態の構成について、主として第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３１】
本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、圧縮ガスＧ２の熱交換器７への入口を、熱交換器７の底部に設け、高温圧縮ガスの出口を熱交換器７の上部に設けている。これに伴い、図６（ａ）に示すように、圧縮ガス送気管６９および高温圧縮ガス送気管７３を、軸心Ｃ１を含む同一平面に含まれるように配置している。したがって、ガスタービンエンジンＧＴの構成要素について発生する熱伸びによる変形が、この平面内に平行な方向の変形（つまり二次元的な変形）にほぼ限られるので、熱伸びを吸収する機構としてヒンジ式連結機構のみを使用すればよい。
【００３２】
このように、省スペース化という観点からは図２の第１実施形態のように構成することが好ましいが、本実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴによれば、熱延び変形を吸収し、高圧側の内圧推力を維持することが容易となる。
【００３３】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００３４】
１  圧縮機
３  主燃焼器
５  タービン
７  熱交換器
ＧＴ  ガスタービンエンジン
【図１】
2013133713.tif 000003
【図２】
2013133713.tif 000004
【図３】
2013133713.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013133713.tif 000007
【図６】
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