(57)【要約】【課題】    小型ガスタービンは、携帯用電源、家庭用発電システム等への応用が期待されており、小型軽量で低コスト化が必須条件となっている。従来のマイクロガスタービンを都市ガス等の圧力の低い状態で貯蔵或いは供給される燃料を使う場合、燃料を加圧する高価な燃料圧縮機が必要であり、コスト上昇に主要因となっている。また、小型・軽量化のためにケーシングの肉厚を薄く、部品間の隙間を小さく設計されるため、燃料供給管路スペースが小さく、燃焼器のスワラーや予混合器も構造が複雑なものは製造コストが嵩んでいる。【解決手段】    小型ガスタービンに採用されている遠心圧縮機の入口からインデューサ部のシュラウド面に溝を設けて燃料を送入する。遠心圧縮機以前の流路における圧力損失と入口管路の狭まりによる増速により、生じる負圧によって燃料が吸引され、燃料ポンプ不要となる。【選択図】図１
2009287910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心圧縮機で空気を吸引圧縮して燃焼器で高温の燃焼ガス発生、燃焼ガスでタービンを駆動、回転軸で結合された発電機で発電を行う小型ガスタービンにおいて、燃料を圧縮機入口からインデューサ部に対応するシュラウドに少なくとも１個の溝を設けて燃料を送入することを特徴とする小型ガスタービン。
【請求項２】
請求項１において圧縮機ケーシングに孔を貫通させて前記溝とを接続することを特徴とする小型ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  燃焼器の燃料供給方法及び装置に関する技術分野
【背景技術】
【０００２】    ガスタービンの燃焼器は、燃焼効率の向上、排気ガスの清浄化のために、各種の工夫がなされている。最近の燃焼器はＮＯｘをはじめとする排気ガスの清浄化のために、燃焼器以前の空間に高い圧力で噴射され、空気と混合して燃焼器内部で着火する方法が採用されるようになっている。【０００３】    大型ガスタービンでは、燃焼筒と平行に配置された複数の予混合筒の出口に複数の羽根を設けたスワラーで構成された燃焼器（図３；特許文献１）などが用いられている。【０００４】    予混合燃焼器では、逆火が生じる可能性があるために、燃焼速度（火炎伝播速度）よりも早い流速で流れる部分が形成されている。【０００５】    燃料を燃焼器又は予混合器内の圧力よりも高めて送り込む必要がために、都市ガスを使用する場合は、高価な燃料圧縮機が設けられている。【０００６】    更に、燃料を所定の量、所定の速度で、所定の方向に吹き込むために、精密な加工を行った燃料ノズルが設けられている。【０００７】    最近、熱効率の改善を狙って、一つの圧縮機でほぼ大気圧まで圧縮し、タービンの排気を冷却後に圧縮機で吸引する負圧サイクルが考案され、ほぼ大気圧に保たれる燃焼器に都市ガスなどの低圧の燃料を投入することが示されている。（特許文献２；図４及び特許文献３；図５）
【特許文献１】特開２００３−０６５５３７公報
【特許文献２】特開２００２−２４２７００公報
【特許文献３】特開２００５−０５４６２２公報
【技術文献１】
高城敏美、燃焼と地球環境（２）、燃焼の基礎理論、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｈａｓｅｊ．ｏｒｇ／ｇａｋｋａｉｓｈｉ／０００６／０００６−ｋｏｚａ−０１．ｈｔｍｌ
【技術文献２】
佐藤保和、水素の普及における安全性と課題、季報エネルギー総合工学Ｖｏｌ２６  Ｎｏ．４（２００４．１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】    従来の大型ガスタービンの予混合燃焼器は予混合のための複数の小円筒と燃料ノズルが設けられた複雑な構造で小型のガスタービンに用いると加工が困難で、コストも高い。【０００８】    更に、燃料ノズルへ燃料を送り込む配管や着火のためのイグナイターへの電気配線の経路を設けることが困難であり、製作・組立の工数がコスト上昇を招く。【０００９】    小型のガスタービンでも都市ガスを使用する場合、燃料の圧力を高くするための高価な燃料圧縮機が必要である。【００１０】    前記の負圧サイクルでは、供給燃料圧力と燃焼器内部の圧力差を保つためには、多くの燃料供給を必要とする高負荷時に燃焼器の圧力を低くする必要があり、熱効率が低下することとなる。更に、軽量化や低コスト化が重要視される小型のガスタービンでは、負圧サイクルは、構成要素が全て大きくなり、熱交換器の数が多くなり、重くて高コストになるという欠点を有している。【００１１】    遠心圧縮機は、設計点で最高の効率が得られるように設計されており、部分負荷では、羽根車のインデューサのシュラウド側で負圧になり、効率の低下や失速の原因となるので、シュラウドの一部から羽根車入口に空気が戻るような構成（ケーシングトリートメント）が用いられている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】    小型ガスタービンを構成する遠心圧縮機の羽根車前縁前からインデューサ部のシュラウド面に設けられた孔に都市ガスなどのガス燃料を送り込む配管を施す。【００１３】    燃焼器入口に、スロートを有するスワラーなどを設ける。【００１４】    前記の燃料配管に、回転数や負荷によって、燃料流量を制御する制御弁を設ける。【００１５】    前記燃料弁を制御する制御装置を設け、設定回転数より回転数が上回れば、燃料を減じ、下回れば燃料を増加するように制御を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】    実施例１の全体構成を図１に、遠心圧縮機の羽根車付近の詳細図を図２に示す。図中の１点鎖線は空気の流れを、点線は、燃料ガスの流れを、実線は、空気と燃料の混合ガスの流れを示す。実施例１の小型ガスタービンの燃焼に必要な空気は、カバー（１０１）に設けられた孔（１０２）から内部へ吸引され、スラスト軸受（２１０）とジャーナル軸受（２２０）（２３０）部分、発電機のステータ（１２０）及びロータ（１３０）を冷却後、遠心圧縮機の羽根車（３１０）に吸引される。【００１７】    カバー（１０１）から羽根車（３１０）の入口までには、空気流路の曲がりや拡大縮小があるために圧力損失が生じて、羽根車（３１０）入口（３１１）の圧力は低下している。更に、羽根車（３１０）入口（３１１）では、羽根車（３１０）の入口（３１１）径に合わせて、径（面積）が小さくなっており、流速が早くなっている。前者の圧力損失と後者の流速増大に伴って羽根車入口（３１１）の圧力が低下している。【００１８】    遠心圧縮機の部分負荷時は、羽根車（３１０）のインデューサ部（３１２）で入口よりも更に圧力が低くなる。この圧力が低くなる場所に、溝（４１０）が設けられている。【００１９】    実施例１として示した小型ガスタービンは、遠心圧縮機の羽根車上流に始動モータを兼用する高速発電機のステータ（１２０）とロータ（１３０）が設けられ、その冷却を燃焼用空気で行うため、高周波電気による放電などが考えられるので、燃料の着火や燃料の逆流を防止するため、逆火の起こる速度、最も火炎伝播速度の速い水素の場合３．４６ｍ／ｓ（特許文献１による）よりも流速が早くなる位置に燃料供給の溝（４１０）を設けて、この火炎伝播速度より溝（４１０）付近の流速が速くなる運転条件で燃料供給を開始するように制御する。【００２０】    燃料供給管（４１１）は、小型ガスタービンの薄いケーシングを貫通させて設けるか、狭い空間を通すために細い管となる場合、複数の管が設けられる。【００２１】    溝（４１０）は、周方向に少なくとも１個設けられるか、円周方向に連続した形状に設けられる。
【発明の効果】
【００２２】    小型ガスタービンの遠心圧縮機の羽根車入口（３１１）からインデューサ（３１２）部のシュラウド（３１３）に溝（４１０）を設けて、燃料供給管（４１１）で燃料を送ることにより、燃料は溝（４１０）付近の負圧により吸引されるので、都市ガスなどの圧力の低い燃料でも、燃料圧縮機を設けなくても燃料供給が可能となり、高価な燃料圧縮機が不要なために、小型ガスタービンのコスト低減が可能となる。
【００２３】    図１に示した小型ガスタービンは発電出力１−３ｋＷであり、遠心圧縮機の羽根車外径が約４０ｍｍである。このような小型ガスタービンは、低コスト化と共に小型軽量化が要求されるため、全ての部品に余肉を設けるスペースが無く、燃料配管も極力小さくする必要がある。従来のように燃料を燃焼器内部に噴射する場合、図１に示すように二重壁となっている燃焼器内部に燃料供給管を配管し、且つ、燃料ノズルを設けることは非常に困難を伴う。本考案の方法を用いると燃料配管が簡素で、燃料ノズルが不要となる。
【００２４】    燃料を羽根車入口（３１１）からインデューサ（３１２）部に送入すると、逆火が懸念されるが、前述のごとく羽根車入口付近の流速は、火炎伝播速度より速く、羽根車出口、ディフューザ（３２０）入口の順に流速は更に早くなる。
【００２５】    更に、燃焼器入口にはスワラー（５４０）が設けられており、スワラー（５４０）には羽（５４１）が設けられスロートが形成されており、このスロートでの流速は火炎伝播速度よりも速く、逆火が起こる可能性はない。
【００２６】    燃料を羽根車入口付近に送入することにより、燃料は空気と良く混合され、遠心圧縮機とその後流の流路が予混合器の働きをすると共に、圧縮過程で燃料が加熱され、着火や燃焼が良くなる。同時に、空気は冷却されるために圧縮機の効率は向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料吸引型小型ガスタービンの組立断面図及び空気と燃料の流れを矢印で示した図
【図２】遠心圧縮機の断面図と空気と燃料の流れを矢印で示した図
【図３】予混合燃焼器（特許文献１より引用）
【図４】ウルトラタービン（特許文献２より引用）
【図５】開放サイクルガスタービン装置（特許文献３より引用）
【符号の説明】
【００２７】（１Ａ）燃焼器                        （２２０）ジャーナル軸受
（２Ａ）タービン                      （２３０）ジャーナル軸受
（３Ａ）圧縮機                        （３１０）羽根車
（４Ａ）熱交換器                      （３１１）入口
（５Ａ）熱交換器                      （３１２）インデューサ
（１）  給気圧縮機                    （３２０）ディフューザ
（２）  タービン                      （４１０）溝
（３）  燃焼器                        （４２０）燃料供給管
（４）  回転軸                        （４３０）燃料入口
（５）  水噴射式冷却器                （５１０）ケーシング
（６）  排気圧縮機                    （５２０）外筒
（１２）減速機                        （５３０）外周流路
（１３）発電機                        （５４０）スワラー
（１０１）カバー                      （５５０）内筒
（１０２）孔                          （５６０）燃焼室
（１１０）発電機ケース                （５７０）イグナイター
（１２０）ステータ                    （６１０）ノズル
（１３０）ロータ                      （６２０）動翼
（２１０）スラスト軸受                （６３０）排気管
（７００）シャフト
【図１】
2009287910.tif 000003
【図２】
2009287910.tif 000004
【図３】
2009287910.tif 000005
【図４】
2009287910.tif 000006
【図５】
2009287910.tif 000007