(57)【要約】【課題】熱交換器内の温度分布の不均一化が抑制され、これにより熱交換器における熱応力が低減されるガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】タービン（５）からの高温の排ガス（Ｇ４）と圧縮機（１）からの低温の圧縮ガス（Ｇ２）の間で熱交換を行う熱交換器（７）を備え、該熱交換器（７）内に流入する前記高温の排ガス（Ｇ４）に不均一な温度分布が生じるように構成されたガスタービンエンジン（ＧＴ）において、前記熱交換器（７）の前記低温の圧縮ガスの導入口を、前記温度分布における高温となる部分に前記低温の圧縮ガス（Ｇ２）を導入する位置に設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンからの高温の排ガスと圧縮機からの低温の圧縮ガスの間で熱交換を行う熱交換器を備え、該熱交換器内に流入する前記高温の排ガスに不均一な温度分布が生じるように構成されたガスタービンエンジンであって、
前記熱交換器の前記低温の圧縮ガスの導入口が、前記温度分布における高温となる部分に前記低温の圧縮ガスを導入する位置に設けられてい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、熱交換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設けられる熱交換器では、圧縮機からの圧縮ガス側（低温高圧側）と燃焼ガス側（高温低圧側）との作動流体の熱交換を行うため、熱交換器内の温度分布が不均一になる場合があり、これにより熱交換器に熱応力が発生することが懸念される。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、熱交換器内の温度分布の不均一化が抑制され、これにより熱交換器における熱応力が低減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、タービンからの高温の排ガスと圧縮機からの低温の圧縮ガスの間で熱交換を行う熱交換器を備え、該熱交換器内に流入する前記高温の排ガスに不均一な温度分布が生じるように構成されたガスタービンエンジンであって、前記熱交換器の前記低温の圧縮ガスの導入口が、前記温度分布における高温となる部分に前記低温の圧縮ガスを導入する位置に設けられている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係るガスタービンエンジンによれば、熱交換器内の温度分布の不均一化が抑制されるので、熱交換器における熱応力が低減される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一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平面図である。
【図３】図１のガスタービンエンジンのタービン排気管の構造を示す断面図であり、（ａ）が縦断面図、（ｂ）が（ａ）のIII（ｂ）−III（ｂ）線に沿った横断面図である。
【図４】図１のガスタービンエンジンの動作を模式的に示す熱交換器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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は本発明の一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。
【０００９】
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、空気や炭鉱から排出されるＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）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。
【００１０】
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の吸気入口から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。本実施形態では、回転軸１５は、圧縮機１側から見て左回り（反時計回り）に回転する。
【００１１】
熱交換器７は、タービン５からの高温・低圧のタービン排ガスＧ４によって、圧縮機１から主燃焼器３に導入される低温・高圧の圧縮ガス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。
【００１２】
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。
【００１３】
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（始動用燃焼ガス）Ｇ６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から圧縮ガスＧ２が供給される。補助燃焼器３９は、始動用ガス通路４７を介してタービン排ガス通路２９に接続されており、始動用燃焼ガスＧ６は、これら始動用ガス通路４７およびタービン排ガス通路２９を通って熱交換器７に流入する。
【００１４】
平面図である図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、軸心方向Ｃ１に沿った方向における圧縮機１側を「前側」、タービン５側を「後側」と呼び、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。
【００１５】
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、補助燃焼器３９が設置されている。図３に示すように、タービン排気管５３の内部における、始動用ガス通路４７が接続する部分の近傍には、タービン排ガスＧ４と始動用燃焼ガスＧ６の混合を促進するための、円柱状の混合促進体５９が設けられている。図３（ｂ）に示すように、混合促進体５９は、その径方向に延びる、円周方向に等間隔に配置された複数の支持部材６１によってタービン排気管５３に支持されて、円筒状のタービン排気管５３と同心状に配置されている。
【００１６】
図２に示すように、熱交換器７一方の側部に、圧縮ガスＧ２を整流して導入する導入口となる入口側ヘッド７ａが設けられており、タービン５の同じ側の側部と、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。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。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の一側方から他側方へ、横方向Ｔに沿って熱交換器７内を移動する。本実施形態では、熱交換器７の入口側ヘッド７ａは、タービン排ガスＧ４の進行方向から見て左側に設けられている。
【００１７】
次に、上記のように構成された本実施形態に係るガスタービンエンジンＧＴの作用について説明する。
【００１８】
図１に示すガスタービンエンジンＧＴは、始動時において、定格回転数よりも低い部分回転数で動作する。このため、タービン排ガスＧ４は、軸心Ｃ１回りの旋回流としてタービン排ガス通路２９から熱交換器７に流入する。上述のように、ガスタービンエンジンＧＴの回転軸１５は、図４に示すように、前側から見て左回りの回転方向（エンジン回転方向）Ｒ１に回転するよう設定され、定格回転数ではタービン排ガスＧ４の旋回がゼロとなるように設定されている。したがって、部分回転数で運転される始動時には、タービン排ガスＧ４の旋回方向Ｒ２は、エンジン回転方向Ｒ１と逆方向の右回りとなる。
【００１９】
一方、ガスタービンエンジンＧＴの始動時に流れる始動用燃焼ガスＧ６は、混合促進体５９の両側にほぼ等分されて流れる。したがって、始動用燃焼ガスＧ６のうち混合促進体５９の右側に分岐する成分、つまりタービン排ガスＧ４の旋回方向Ｒ２と同じ方向に流れる成分は、タービン排ガスＧ４に引っ張られる。他方、始動用燃焼ガスＧ６のうち混合促進体５９の左側に分岐する成分は、タービン排ガスＧ４の旋回方向Ｒ２に対向する方向に流れることになる。その結果、熱交換器７に流入する高温・低圧のガス（タービン排ガスＧ４および始動用燃焼ガスＧ６）による熱交換器７内の温度分布は、左側および下側が高く、右側および上側が低い不均一な分布となる。
【００２０】
一方、圧縮ガスＧ２は入口側から出口側にかけて熱交換により加熱されるため、低温・高圧のガス（圧縮ガスＧ２）の熱交換器７内の温度分布は、入口側が低く、出口側が高くなる。本実施形態では、低温の圧縮ガスＧ２の導入口である入口側ヘッド７ａが熱交換器７の左側、つまり高温・低圧のガスの温度分布における高温側に設けられているので、熱交換器７内の不均一な温度分布の発生が抑制される。この例では、入口側ヘッド７ａを熱交換器７の下側に設けてもよい。
【００２１】
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、熱交換器７内の温度分布の不均一化が抑制されるので、熱交換器７における熱応力が効果的に低減される。
【００２２】
なお、本実施形態では、図２に示すように、ガスタービンエンジンＧＴに補助燃焼器３９を設け、これに伴ってタービン排気管５３の内部に図３の混合促進体５９を設けたことにより熱交換器７に流入する高温ガスの温度分布が不均一になる例を説明したが、本発明は、熱交換器７に流入する高温ガスの温度分布が不均一になるいかなる構成のガスタービンエンジンにも適用することができる。例えば、熱交換器７に高温の排ガスを導くタービン排気管５３が湾曲する部分を有している場合にも、熱交換器７に流入する高温ガスの温度分布が不均一となる場合がある。
【００２３】
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】
【００２４】
１  圧縮機
３  主燃焼器
５  タービン
７  熱交換器
７ｂ  熱交換器の入口側ヘッド（導入口）
３９  補助燃焼器
５９  混合促進体
Ｇ２  圧縮ガス
Ｇ４  タービン排ガス
Ｇ６  始動用燃焼ガス
ＧＴ  ガスタービンエンジン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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