(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する第１コンプレッサと、前記第１コンプレッサと直結されて空気を膨張させる第１膨張タービンとから構成される第１回転機構と、前記第１コンプレッサで圧縮され出力された空気が第１流路及び第２流路に分割され、前記第２流路の空気を受け入れてこれを圧縮する第２コンプレッサと、この第２コンプレッサと直結され第２コンプレッサにて圧縮された空気を膨張する第２膨張タービンとからなる第２回転機構と、前記第１流路の空気を受け入れるとともに、前記第１、第２のコンプレッサとは別個に設けられた小型の容積型コンプレッサからの圧縮空気を得て内部で燃焼しその熱エネルギを前記第１膨張タービンに導く燃焼機構と、前記第２流路と前記第２コンプレッサから前記第２膨張タービンまでの流路および前記第１膨張タービンの排気流路の各流路にそれぞれ介設された熱交換器とを備え、これら各熱交換器を高温熱源として冷水を加熱して熱水として、前記第２膨張タービンの排気を冷却空気として利用できるようにしたことを特徴とする小型ガスタービン装置。
【請求項２】
空気を圧縮する第１コンプレッサと、前記第１コンプレッサと直結されて空気を膨張させる第１膨張タービンとから構成される第１回転機構と、前記第１コンプレッサで圧縮され出力された空気が第１流路及び第２流路に分割され、新規な空気を受け入れてこれを圧縮する第２コンプレッサと、この第２コンプレッサと直結され第２コンプレッサにて圧縮された空気と前記第２流路の空気を混合して膨張する第２膨張タービンとからなる第２回転機構と、前記第１流路の空気を受け入れるとともに、前記第１、第２のコンプレッサとは別個に設けられた小型の容積型コンプレッサからの圧縮空気を得て内部で燃焼しその熱エネルギを前記第１膨張タービンに導く燃焼機構と、前記第２流路と前記第２コンプレッサの出力流路が混合する前の前記第２流路と前記第２コンプレッサの出力流路および前記第１膨張タービンの排気流路の各流路にそれぞれ介設された熱交換器とを備え、これら各熱交換器を高温熱源として冷水を加熱して熱水として、前記第２膨張タービンの排気を冷却空気として利用できるようにしたことを特徴とする小型ガスタービン装置。
【請求項３】
小型の容積型コンプレッサがレシプロ方式で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば災害などの緊急時や、電力供給が安定しないへき地で、高温熱源や低温熱源を提供するガスタービン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
災害時や停電時の緊急発電装置や、電力供給が安定しないへき地での電力確保を目的として、ガスタービン装置（発電装置）が開発され提供されている。このガスタービン発電装置は、図３に示すようにコンプレッサと膨張タービンとを直結しガスを圧縮、膨張させる回転機構を主体とするものである。
【０００３】
すなわち、図３においてＣＭは遠心翼車やスクロール等から構成されているコンプレッサで、フィルタＦＴを介して導入された空気を圧縮し、高温、高圧の空気を出力する。Ｒ１はこのコンプレッサＣＭからの空気を膨張タービンＴＲに導く流路で再生器ＴＣを貫通し、かつ燃焼室ＦＲを介して膨張タービンＴＲに接続されている。膨張タービンＴＲも翼車やスクロール等より構成されているもので、高温、高圧の空気を膨張させ回転力を得る。ＳＴはコンプレッサＣＭと膨張タービンＴＲを直結する回転軸で、膨張タービンＴＲからの回転力によりコンプレッサＣＭを回転させる。ＳＢはこの回転軸ＳＴを支持する回転軸受である。
【０００４】
燃焼室ＦＲでは燃焼ガスＧの供給により燃焼し、高温、高圧の空気を更に加熱する。膨張タービンＴＲからの排気は流路Ｒ２を介して再生器ＴＣにて熱交換された後に排熱回収装置ＨＴに導かれ最終的には排出される。ＧＥは発電機で、膨張タービンＴＲの回転力を電気エネルギに変換し取り出すようになっている。したがって、コンプレッサＣＭで圧縮された空気は燃焼室ＦＲに導かれ、ここで高温にされた後、膨張タービンＴＲで膨張される。
【０００５】
このときの発生動力のうち、コンプレッサＣＭの圧縮で使用される動力との差が、回転軸力として取り出され、この軸（減速機を介して接続される場合も含む）に取り付けられた発電機ＧＥを回すことによって、電機エネルギとして取り出されるようになっている。発電された電気は、インバータ回路ＩＶを介し商用周波数の交流として供給されることになる。これらは比較的小形に構成され小形ガスタービン装置として利用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような小形なガスタービン装置は、発電装置としての有用性が追求されている。これは各種施設に並設され、緊急時の非常用電源装置として利用されるためである。ところが、災害時や停電時に電力が必要となるものは、情報を管理するコンピュータ関係、照明、食料などを保冷したり生活環境を整える空調が主体となる。このうち、情報関連機器は、消費電力の大きなＣＲＴをカットする等で省電力モードでの運用が可能であり、照明は夜間や地下は非常灯に、外光が利用できる所はカットすることで、バッテリ駆動で十分に賄うことができる。
【０００７】
これに対して保冷や空調などのエネルギを扱う機器の作動には大きな電力が必要であり、発電機の電力の消費はこのような機器に集中する。しかしながら、これらの機器では高温や低温を生成することが主たる目的となることから、ガスタービン装置で得られたエネルギはこれを一度電気エネルギに変換し、保冷や空調装置を作動させるとその間の変換効率の分だけロスを発生するという問題がある。本発明はこのような問題を解決するガスタービン装置を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供するガスタービン装置は、上記課題を解決するために、ガスタービンで得られたエネルギを回転力や電気エネルギに変換することなく、直接高低温のガス生成とするものである。
【０００９】
すなわち、空気を圧縮する第１コンプレッサと、前記第１コンプレッサと直結されて空気を膨張させる第１膨張タービンとから構成される第１回転機構と、前記第１コンプレッサで圧縮され出力された空気が第１流路及び第２流路に分割され、前記第２流路の空気を受け入れてこれを圧縮する第２コンプレッサと、この第２コンプレッサと直結され第２コンプレッサにて圧縮された空気を膨張する第２膨張タービンとからなる第２回転機構と、前記第１流路の空気を受け入れるとともに、前記第１、第２のコンプレッサとは別個に設けられた容積型コンプレッサからの圧縮空気を得て内部で燃焼しその熱エネルギを前記第１膨張タービンに導く燃焼機構と、前記第２流路と前記第２コンプレッサから前記第２膨張タービンまでの流路および前記第１膨張タービンの排気流路の各流路にそれぞれ介設された熱交換器とを備えたものである。
【００１０】
したがって、燃焼機構によって回転機構の回転立ち上げが行われるとともに各熱交換器を高温熱源として冷水を加熱して熱水として、前記第２膨張タービンの排気を冷却空気として利用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるガスタービン装置を図１、図２に示す実施例にしたがって説明する。
まず、図１に示す実施例を説明する。図において、空気取り入れ口１から流入した空気は、エアフィルタ２を通り、第１コンプレッサ３に導かれる。第１コンプレッサ３は遠心翼車３Ａ、デフューザ３Ｂ、スクロール３Ｃから構成され、ほぼ断熱的に圧縮するので圧縮された空気は温度と圧力が上昇する。そして、この空気は抽気部４に導かれる。この抽気部４は出力路の分岐路で、第１コンプレッサ３で圧縮された空気が分割されるが、その分割された空気の一方は後述する第２コンプレッサに導かれ、その他方は燃焼室に導かれる。
【００１２】
すなわち、この他方の空気は分割された後再生熱交換器５に入り、この再生熱交換器５によって燃焼ガスと熱交換された後燃焼室６に入る。なお、この燃焼室６の入り口には逆止弁６Ａが設けられており、逆流を防止する構造となっている。また、燃焼室６には回転立上げ用の空気を注入するための流路も接続されており、ここにも逆止弁６Ｂが取付けられている。燃焼室６は外壁６Ｃの内側に内壁６Ｄが設けられていて、送られてきた空気は内壁６Ｄの外側に流れ込む。一方、内壁６Ｄの内側にはバーナ６Ｅがあり、燃料ガスがバーナ６Ｅのノズルから噴出するようになっている。また、内壁６Ｄには多数の小穴が開いており、空気は燃料ガスと徐々に混合するようになっている。さらに、バーナ６Ｅには点火用スパーク電極６Ｆが付設されていて、点火できるよう構成されている。
【００１３】
燃焼室６で発生した燃焼ガスは、前記再生熱交換器５に送られ、第１コンプレッサ３から送られてくる空気を暖めた後に第１膨張タービン７に導かれる。第１膨張タービン７は翼車７Ａ、ノズル７Ｂ、スクロール７Ｃとで構成される。スクロール７Ｃに入った燃焼ガスはノズル７Ｂから翼車７Ａに吹き付けられてこの翼車７Ａを回転させる。すると、燃焼ガスはほぼ断熱的に膨張して出口に向い、廃熱回収用熱交換器８を通って消音機能を持つ排気ダクト９から排出される。
【００１４】
なお、第１コンプレッサ３と第１膨張タービン７の間はコモンシャフト１０で直結されている。このコモンシャフト１０は従来のガスタービンと異なり、発電機やギヤ等が取付けられていないため、空気力のみの外力となり偏心要素が少なく、フォイル状の動圧ガス軸受１１Ａ、１１Ｂによる保持が可能である。このため、無給油でメンテナンスフリーの長寿命の回転体が実現できる。この第１コンプレッサ３と第１膨張タービン７およびこれらを直結するコモンシャフト１０そしてその軸受等にて第１回転機構が構成される。
【００１５】
さて、第１コンプレッサ３の後に設けられた抽気部４にて空気は分割されるが、その分割された空気の一方は第２コンプレッサ側に送られる。すなわち、抽気された空気は流量制御弁４Ａを通り、第２流路の第１熱交換器１２に導かれる。そして、ここで冷却された後、第２コンプレッサ１３に導かれて圧縮される。第２コンプレッサ１３は第１コンプレッサ３と同じく、遠心翼車１３Ａ、デフューザ１３Ｂ、スクロール１３Ｃから構成され、空気はほぼ断熱的に圧縮され温度と圧力が上昇する。
【００１６】
この空気は第２熱交換器１４でさらに冷却された後、一部凝結した水分を遠心型水滴分離器１５で取り除いた上、第２膨張タービン１６でほぼ断熱的に膨張される。この第２膨張タービン１６も第１膨張タービン７と同じく翼車１６Ａ、ノズル１６Ｂ、スクロール１６Ｃとで構成されるとともに、動圧ガス軸受１７Ａ、１７Ｂで保持されたコモンシャフト１８によって第２コンプレッサ１３と直結されている。この第２コンプレッサ１３と第２膨張タービン１６そしてこの両者を直結するコモンシャフト１８等によって第２回転機構が構成される。
【００１７】
ところで、第１コンプレッサ３と第１膨張タービン７が回転を開始しなければ、この装置は機能しない。そこで、本発明においてはこの回転立ち上げのための機構が設けられている。すなわち、小型のレシプロ式コンプレッサ２０とこの圧縮空気を溜める空気溜タンク２１が装備されている。回転立上げ時に空気溜タンク２１の出口バルブ２１Ａを開くと、ここの空気は燃焼室６の逆止弁６Ｂの部分に導かれることによって、最初に燃焼室６の内圧が高まり、これが第１膨張タービン７を回転させる。
【００１８】
その結果、第１コンプレッサ３に圧縮機能が働き、昇圧された空気が燃焼室６に供給されるようになり、空気溜タンク２１より圧力が高くなった時点で、逆止弁６Ａが開き、６Ｂが閉じるため、第１コンプレッサ３からの空気に切換えられる。この切換えられる前に、燃焼室３のバーナ６Ｅに点火しておくことによって、定常的な運転モードに立ち上げられる。第１の流路が安定すれば、第２の流路に空気を流すことで、第２の流路も安定した動作状態になる。このように本発明においては前記燃焼室６、バーナ６Ｅ、点火用スパーク電極６Ｆとともにさらに上記したレシプロ式のコンプレッサ２０等によって燃焼機構が構成されていて、これらを装備している点にも特徴を有する。
【００１９】
この発明によると、第２膨張タービン１６では膨張前にすでに常温近くまで冷却された空気からほぼ断熱的に膨張をさせるため、膨張後の空気は低温でかつ高湿度の空気を得ることができる。また、廃熱回収用熱交換器８、第２流路の第１熱交換器１２・第２の熱交換器１４を熱源としてそれぞれから高温熱を得ることができる。そこで、冷水の供給管１９を通し、これと熱交換させることにより、熱水を得ることができる。この熱水は給湯・暖房に利用できる。
【００２０】
図２に示される実施例は、供給すべき冷気が０℃を大幅に下回るような温度ではなく、一方冷気の流量を必要とする場合の機器の構成を示している。この実施例では、第１コンプレッサ３からの空気は更に圧縮されるのではなく、第２膨張タービン１６に導かれる。また、この第２膨張タービン１６の動力は第２コンプレッサ１３に伝えられるが、ここで圧縮された空気は、第２の流路の空気流量を増大させる。
【００２１】
本発明が提供するガスタービン装置の特徴は以上説明したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく、種々の変形実施例を挙げることができる。すなわち、第１、第２の回転機構や燃焼機構についての具体的な構成は図示例に限定されるものではない。たとえば、回転機構におけるコモンシャフト１０、１８を支承する軸受について図示例ではフォイル式の動圧軸受としたが他の空気軸受を採用することも可能である。また燃焼機構については、燃焼室の形状、逆止弁や吸気口の配置の仕方、内壁の設置等について変形例が考えられ、これら図示例に限定されない。また、本発明による高温、低温流体の供給については温水・冷水・高温空気・低温空気のいずれかまたはその組み合わせでもよく、多様な形で出力できる。
【００２２】
また、燃焼機構における燃焼室の入り口側には逆止弁が設けられているが、シーケンシャルに動作することが可能なバルブで構成することも可能である。さらに、小形のコンプレッサ２０の再立上げのためには、バッテリを備えてもよい。また、全体の制御をプログラマブルコントローラ等によって行う構成とすることもできる。さらに、図１の方式と図２の方式のいずれも実現できる流路を設け、バルブの切替えによって両方式を実現できる構成とすることも可能である。さらに、第１コンプレッサと第１膨張タービン、第２コンプレッサ、第２膨張タービンを同一軸上になるよう結合し、機器を小型化することも可能である。この発明はこれら全ての変形実施例を包含する。
【００２３】
【発明の効果】
本発明が提供するガスタービン装置は以上詳述したとおりコンプレッサと膨張タービンを主体とする回転機構を簡略に構成するとともに、この回転機構の立上げを保障する燃焼機構を設けたこと、回転機構を第１、第２と並設し両機構間における流路系に熱交換器を有機的に介設したことを特徴としており、この熱交換器を直接的に利用することによって高温・低温の熱源を容易かつ効率よく得ることができる。したがって、熱効率もよく小形なガスタービン装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービン装置の構成を示す図である。
【図２】本発明によるガスタービン装置の別の方式による構成を示す図である。
【図３】従来の構成を示す図である。
【符号の説明】
１……空気取り入れ口
２……エアフィルタ
３……第１コンプレッサ
４……抽気部
５……再生熱交換器
６……燃焼室
７……第１膨張タービン
８……廃熱回収用熱交換器
９……排気ダクト
１０……コモンシャフト
１１……動圧ガス軸受
１２……第１熱交換器
１３……第２コンプレッサ
１４……第２熱交換器
１５……遠心型水滴分離器
１６……第２膨張タービン
１７……動圧ガス軸受
１８……コモンシャフト
１９……供給管
２０……レシプロ式コンプレッサ
２１……空気溜タンク
【図１】
0004324716.tif 000002
【図２】
0004324716.tif 000003
【図３】
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