ガスタービン
【課題】車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止しながら、車室内の燃焼器に排空気を供給しうるガスタービンを提供する。
【解決手段】ガスタービン（１０，１００）は、圧縮機１２を通過した圧縮空気が流入する車室内空間２０において燃焼器１６を収納する車室１８を有する。車室内空間２０は、燃焼器１６を覆う隔壁（３０，７０）によって、車室１８の内壁面１９に接し圧縮機１２からの圧縮空気が流れる第１空間２０Ａと燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに隔てられる。隔壁（３０，７０）と燃焼器１６との間には、シール部材４０が設けられる。また、第１空間２０Ａから圧縮空気を抽気して車室１８の外部の加熱部に導く抽気管５０と、加熱部を通過した排空気を第２空間２０Ｂに導く供給管（６０，８０）とが設けられている。
【解決手段】ガスタービン（１０，１００）は、圧縮機１２を通過した圧縮空気が流入する車室内空間２０において燃焼器１６を収納する車室１８を有する。車室内空間２０は、燃焼器１６を覆う隔壁（３０，７０）によって、車室１８の内壁面１９に接し圧縮機１２からの圧縮空気が流れる第１空間２０Ａと燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに隔てられる。隔壁（３０，７０）と燃焼器１６との間には、シール部材４０が設けられる。また、第１空間２０Ａから圧縮空気を抽気して車室１８の外部の加熱部に導く抽気管５０と、加熱部を通過した排空気を第２空間２０Ｂに導く供給管（６０，８０）とが設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに係り、特に、圧縮機を通過した圧縮空気を車室外の加熱部に導き、該加熱部からの排空気を燃焼用空気として利用するガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化や化石燃料の枯渇等の問題に対する解決策として、発電効率が高く二酸化炭素を排出しない燃料電池をガスタービンと組み合わせた複合発電システムが注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ガスタービンと固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）とを組み合わせた複合発電システムが開示されている。この複合発電システムでは、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を固体酸化物形燃料電池の空気極に供給するとともに、固体酸化物形燃料電池からの排空気および排燃料ガスをガスタービンの燃焼器で燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るようになっている。
【０００４】
また特許文献２には、燃料電池とともに複合発電システムを構成するガスタービン用の燃焼器が開示されている。この燃焼器は、バーナ及び燃焼ライナがケーシングに収納された構成を有する。燃焼器のケーシングは、仕切壁によってバーナ近傍の空間とバーナ下流の空間とに分割されている。そして、バーナ近傍の空間には、燃焼用空気供給ラインを介して圧縮機から供給される圧縮空気と、排ガスラインを介して燃料電池から供給される排ガスの一部との混合気が供給される。一方、バーナ下流の空間には、燃料電池からの排ガスの残部が供給される。このように、燃料電池の排ガスの一部を圧縮空気と混合してバーナ近傍に供給するとともに、燃料電池の排ガスの残部をバーナより下流側に希釈空気として供給することで、酸素濃度が低い燃料電池の排ガスの燃焼器への供給に起因する燃焼状態の不安定化を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０５９３２号公報
【特許文献２】特開２００２−１０６８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ガスタービンには、燃焼器を車室内に収納して省スペース化を図ったものがある。このタイプのガスタービンを用いて燃料電池との複合発電システムを構築しようとすると、燃料電池の空気極を通過した高温かつ低酸素濃度の排空気を車室内の燃焼器に供給する際、次のような要求に直面する。
【０００７】
すなわち、燃料電池からの排空気は非常に高温（例えば、５００〜６００℃）で、車室の耐熱温度を超えることもあるから、排空気を燃焼器に供給する際に排空気が車室に直接触れないような対策が求められる。
また、燃料電池からの排空気は圧縮機を通過した圧縮空気に比べて酸素濃度が低い一方、圧縮機を通過した圧縮空気は燃料電池からの排空気に比べて低温（例えば４００℃前後）である。このため、車室内において、燃料電池からの排空気と圧縮機を通過した圧縮空気とが混合してしまうと、燃料電池の空気極に流入する圧縮空気の酸素濃度が低くなり燃料電池の発電効率が低下するとともに、燃焼器に導かれる燃料電池からの排空気の温度が低くなり複合発電システム全体としての発電効率が低下してしまう。よって、排空気を燃焼器に供給する際、上記の観点から、排空気と圧縮機を通過した圧縮空気とを車室内において混合させないような対策が求められる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の複合発電システムでは、そもそも、燃料電池からの排空気を燃焼器に供給する具体的な装置構成が明らかでない。よって、特許文献１は、燃焼器を車室内に収納したガスタービンにおいて必要となる上記対策を提示したものではない。
また特許文献２の燃焼器は、圧縮機からの圧縮空気を燃焼用空気供給ラインを介して燃焼器側に導いていることから、車室内に収納されておらず、車室外部に設けられていることが明らかである。そして、燃焼器を車室外部に設ける場合には、単に圧縮機、燃料電池、燃焼器をこの順で直列に接続するだけで、燃焼器からの高温の排空気に車室が曝されることはないし、圧縮機からの圧縮空気と燃焼器からの排空気とが混合することもあり得ない。よって、特許文献２は、燃焼器を車室内に収納したガスタービンにおいて必要となる上記対策を提示したものではない。
【０００９】
また、圧縮機を通過した圧縮空気をガスタービンの排気ガスにより再熱して、これを燃焼用空気として車室内の燃焼器に戻す場合にも、燃料電池とガスタービンとの複合発電システムと同様に、上記対策が必要となる。すなわち、車室の耐熱性の考慮すれば再熱後の燃焼用空気に車室が曝されないようにする必要があることに加えて、発電効率の向上の観点から燃焼用空気と圧縮空気とが車室内で混合しないような工夫が必要となる。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止しながら、車室内の燃焼器に排空気を供給しうるガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るガスタービンは、圧縮機を通過した圧縮空気を車室外の加熱部により加熱し、該加熱部からの排空気と燃料とを燃焼器に供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンであって、前記圧縮機を通過した圧縮空気が流入する車室内空間において前記燃焼器を収納する車室と、前記燃焼器を覆うように前記車室内空間に設けられ、前記車室内空間を、前記車室の内壁面に接し前記圧縮機からの圧縮空気が流れる第１空間と前記燃焼器に接する第２空間とに隔てる隔壁と、前記隔壁と前記燃焼器との間に設けられたシール部材と、前記第１空間に連通し、該第１空間から圧縮空気を抽気して前記加熱部に導く圧縮空気抽気管と、前記第２空間に連通し、前記加熱部を通過した排空気を前記第２空間に導く排空気供給管とを備え、前記第２空間に導かれた前記排空気が、前記燃焼器に取り込まれて燃料の燃焼に用いられることを特徴とする。
【００１２】
このガスタービンでは、燃焼器を覆う隔壁によって車室内空間が車室内壁面に接する第１空間と燃焼器に接する第２空間とに隔てられ（言い換えると、車室内壁面に接する第１空間が隔壁を挟んで燃焼器周囲の第２空間を包んでいる）、燃焼器と隔壁との間にシール部材が設けられている。したがって、第２空間内の排空気の車室内壁面に接する第１空間への移動を隔壁およびシール部材によって阻んで、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されることを防止できる。また、第１空間と第２空間との間の流体の行き来は、隔壁およびシール部材によって阻害されるので、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００１３】
ここで、前記加熱器は、前記ガスタービンとともに複合発電システムを構成する燃料電池の空気極であってもよい。上述のように、前記ガスタービンでは、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合が防止されるので、燃料電池との複合発電システムを適切に実現することができる。
【００１４】
上記ガスタービンにおいて、前記シール部材は、前記燃焼器と前記隔壁との伸び差を吸収するようになっていてもよい。
【００１５】
これにより、燃焼器と隔壁との間の伸び差を吸収して、各部材の変形や破壊等を防止できる。例えば、燃焼による発熱で燃焼器が隔壁に比べて高温になって、両者の間に熱伸び差が発生しても、熱応力による各部材の変形や破壊等を防止できる。
【００１６】
このように伸び差を吸収可能なシール部材は、弾性力によって前記隔壁と前記燃焼器との間の隙間をシールするスプリングクリップであってもよい。あるいは、熱伸び差を吸収可能なシール部材として、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなり、前記燃焼器および前記隔壁のいずれか一方に固定され、他方に対して押し付けられているようなシール部材を用いてもよい。カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料は、耐熱性に優れ、１０００℃程度まで粘弾性を維持できるので、燃焼による発熱で高温になる燃焼器近傍の過酷な環境下でも十分に用いることができる。
なお、スプリングクリップ等のシール部材は、隔壁によって隔てられた第１空間と第２空間との間における流体の行き来を阻害可能であればよく、必ずしも隔壁と燃焼器との間の隙間を完全に密封する必要はない。
【００１７】
なお、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を主成分とする粘弾性材料は、例えば、スパッタリングによりシリコン基板上に鉄触媒を付着させ、アルゴンイオンによる反応性イオンエッチングにより触媒を調製した後、この基板上にスーパーグロース法によってＣＮＴを合成して得たＣＮＴ構造体を圧縮することで作製できる。なお、ＣＮＴを主成分とする粘弾性材料は、参考文献「Ming Xu, Don N. Futaba, Takao Yamada, Motoo Yumura and Kenji Hata, "Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Viscoelasticity from -196℃ to 1000℃,"Science, Vol. 330, No. 6009, pp.1364-1368 (2010), Published online 3 December 2010. DOI:10.1126/science.1194865」に記載された手法により作製してもよい。
【００１８】
また、上記ガスタービンにおいて、前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、前記隔壁は各燃焼器を個別に覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は各燃焼器を収納する略円筒状の空間であってもよい。
これにより、複数の燃焼器が車室内に収納されるガスタービンであっても、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００１９】
この場合、前記排空気供給管は、各燃焼器の周囲の前記第２空間にそれぞれ連通する複数の枝管と、該枝管と前記加熱部との間に介在して前記加熱部を通過した前記排空気を前記枝管に供給するマニホールドとを備え、前記マニホールドは、前記車室の周りに設けられていてもよい。
これにより、マニホールド及び枝管によって加熱部からの排空気を各燃焼器に確実に分配することができる。
【００２０】
あるいは、上記ガスタービンにおいて、前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、前記隔壁は複数の前記燃焼器を一括して覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は複数の前記燃焼器を収納する略環状の空間であってもよい。
これにより、複数の燃焼器が車室内に収納されるガスタービンであっても、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００２１】
また、上記ガスタービンにおいて、前記隔壁を補強するリブを設けてもよい。
圧縮空気が第１空間から圧縮空気抽気管を介して加熱部に流入し、該加熱部からの排空気が排空気供給管を介して第２空間に流入するのであるから、上流側に位置する第１空間内の圧縮空気は下流側に位置する第２空間内の排空気に比べて少し圧力が高い。このため、隔壁は第１空間側から第２空間側に押圧される。そこで、上述のように、リブを設けて隔壁を補強することで、隔壁の変形を防止できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃焼器を覆う隔壁によって車室内空間を車室内壁面に接する第１空間と燃焼器に接する第２空間とに隔てて、燃焼器と隔壁との間にシール部材を設けたので、第２空間内の排空気の車室内壁面に接する第１空間への移動を隔壁およびシール部材によって阻んで、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されることを防止できる。また、第１空間と第２空間との間の流体の行き来は、隔壁およびシール部材によって阻害されるので、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るガスタービンの燃焼器周辺の車室内部構造を示す断面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】燃焼器を覆う隔壁の構成例を示す図であり、（ａ）は燃焼器の長手方向に沿った断面図、（ｂ）は図４（ａ）のＢ方向から視た平面図である。
【図５】図２におけるＣで示した領域の拡大図である。
【図６】図５に示すシール部材の平面図である。
【図７】第２実施形態に係るガスタービンの燃焼器周辺の車室内部構造を示す断面図である。
【図８】図７に示すガスタービンの隔壁周辺を示す図であり、燃焼器長手方向に直交する方向に沿った断面図である。
【図９】補強用リブが立設された隔壁の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２５】
［第１実施形態］
図１は、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電システムの一例を示す概略構成図である。
なお、ここでは、ガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気が燃料電池の空気極によって加熱してガスタービン燃焼器に戻す例（すなわち、「加熱部」が燃料電池の空気極である場合）について説明するが、圧縮空気をガスタービン車室の外部で加熱する「加熱部」は燃料電池の空気極に限られない。例えば、圧縮機を通過した圧縮空気を「加熱部」としての再熱器でガスタービン排気との熱交換により再熱し、これを燃焼用空気として燃焼器に戻すようにしてもよい。
【００２６】
複合発電システム１は、燃料電池２とガスタービン１０とで構成される。
燃料電池２は、反応温度が比較的高い燃料電池（いわゆる高温型燃料電池）であり、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）を用いることができる。燃料電池２は、燃料極４と空気極６との間に電解質８が設けられている。一方、ガスタービン１０は、同軸に連結された圧縮機１２及びタービン１４と燃焼器１６とが車室１８内に設けられている。
【００２７】
燃料電池２では、燃料極４に燃料ガスが供給され、空気極６にガスタービン１０の圧縮機１２からの圧縮空気が供給される。これにより、空気極６で生成されたイオン（ＳＯＦＣの場合はＯ２−、ＭＣＦＣの場合はＣＯ３２−）が電解質８を介して燃料極４に移動し、このイオンが燃料極４において燃料ガス中の水素と反応し、起電力が発生する。燃料極４を通過した排燃料ガスは、ガスタービン１０の燃焼器１６に導かれ、別途供給される燃料と混合されて、燃焼器１６における燃焼用の燃料として用いられる。また、圧縮空気は、空気極６を通過する際に昇温され、燃焼用空気として車室１８内の燃焼器１６に供給される。
【００２８】
なお、圧縮機１２を通過した圧縮空気は、必要に応じて予め加熱してから燃料電池２の空気極６に導くようにしてもよい。例えば、圧縮機１２を通過した圧縮空気を、ガスタービン排気との熱交換によって温めた後、燃料電池２の空気極６に供給してもよい。
【００２９】
図２は、図１の複合発電システム１におけるガスタービン１０の燃焼器１６周辺の車室内部構造を示す図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図４は、燃焼器１６を覆う隔壁の構成例を示す図であり、図４（ａ）は燃焼器１６の長手方向に沿った断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ方向から視た平面図である。図５は、図２におけるＣで示した領域の拡大図である。図６は、図５のシール部材の一部を示す平面図である。
【００３０】
図２に示すように、車室１８は、圧縮機１２側の第１ケーシング１８Ａとタービン１４側の第２ケーシング１８Ｂとで構成され、ロータ１１周囲の略環状の車室内空間２０を囲んでいる。この車室内空間２０には燃焼器１６が収納されている。
【００３１】
燃焼器１６は、圧縮機１２とタービン１４との間において、ロータ１１の周囲に複数設けられ、隣接する燃焼器１６同士が連結管１７によって連結されている。各燃焼器１６は、燃料供給管２２から燃料供給室２３を介して導入された燃料を噴射する燃料ノズル２４と、燃焼ノズル２４から供給された燃料が燃焼される内筒（燃焼器ライナ）２６と、内筒２６で生成した燃焼ガスをタービン１４側に導く尾筒（トランジションピース）２８とを有する。なお、燃料供給室２３を形成する管状壁２５は、そのフランジ部において、燃料供給管２２及び後述する枝管６６と連結されている。
【００３２】
各燃焼器１６の周囲には、図２及び３に示すように、燃焼ノズル２４及び内筒２６を覆うように隔壁３０が設けられている。すなわち、隔壁３０は、各燃焼器１６（具体的には各燃焼器１６の燃焼ノズル２４及び内筒２６）を個別に覆っている。
この隔壁３０によって、燃焼器１６が収納された車室内空間２０は、車室内壁面１９に接する第１空間２０Ａと各燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに隔てられている。言い換えると、車室１８の内壁面１９に接する第１空間２０Ａが隔壁３０を挟んで燃焼器１６の周囲の第２空間２０Ｂを包んでいる。なお、隔壁３０によって囲まれた第２空間２０Ｂは、図３に示すように、略円筒状の空間である。
【００３３】
隔壁３０には、図３及び４に示すように、連結管１７が貫通する長孔３２が形成されている。長孔３２は、燃焼器１６の長手方向（燃焼器長手方向）に沿って延在している。
このように連結管１７が隔壁３０を貫通する部分に長孔３２を設けることで、燃焼器１６の熱伸びによって、内筒２６に取り付けられた連結管１７が隔壁３０に対して相対的に燃焼器長手方向に動いても、連結管１７と隔壁３０とが干渉することはない。
【００３４】
この場合、図３及び４に示すように、隔壁３０に当接して長孔３２を覆うカバープレート３４を連結管１７に取り付けてもよい。カバープレート３４は、連結管１７から燃焼器長手方向の両側にＬ２だけ延びている。カバープレート３４の連結管１７からの延在量Ｌ２は、Ｌ２≧Ｌ１−Ｄの関係を満たすように決定されている。ここで、Ｌ１は燃焼器長手方向における長孔３２の長さであり、Ｄは連結管１７の外径である。
このように、Ｌ２≧Ｌ１−Ｄの関係を満たすカバープレート３４を連結管１７に取り付けることで、長孔３２によって規制された燃焼管１７の可動範囲のいずれの位置においても、長孔３２をカバープレート３４で覆うことができる。よって、長孔３２を介した第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとの間の流体の行き来をカバープレート３４によって確実に防止できる。
【００３５】
また、カバープレート３４によるシール部材性を向上させる観点から、カバープレート３４の表面と長孔３２の周囲の隔壁３０の外周面との間に、スプリングクリップやカーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなるシール部材を設けてもよい。これにより、カバープレート３４の表面と隔壁３０の外周面との間の隙間を介した流体の行き来を確実に防止できる。
なお、図４（ａ）及び（ｂ）にはカバープレート３４を隔壁３０の外周面側に配置した例を示したが、カバープレート３４は隔壁３０の内周面側に設けてもよい。
【００３６】
図２及び５に示すように、隔壁３０と燃焼器１６の内筒２６との間には、シール部材４０が設けられている。シール部材４０は、弾性力によって隔壁３０と内筒２６とを結合し、両者間の隙間をシールするいわゆるスプリングクリップである。シール部材４０の各部の詳細は、次のとおりである。
【００３７】
シール部材４０は、内筒２６の外周面に固定される固定部４２と、この固定部４２から内筒２６の径方向外方に屈曲した付勢部４４と、隔壁３０の内周面に当接する当接部４６とを有する。
シール部材４０の固定部４２は、溶接位置４１において内筒２６の外周面にスポット溶接され、内筒２６に固定されている。シール部材４０の付勢部４４は、固定部４２と当接部４６との間に設けられ、固定部４２から離れるにつれて内筒２６の径方向外方に向かうように屈曲した形状を有する。シール部材４０の取付状態において、付勢部４４は、内筒２６の径方向内方に向かって縮径するように弾性変形している。このため、付勢部４４の弾性力によって、当接部４６は内筒２６の径方向外方に付勢され、当接部４６が隔壁３０の内周面に密着する。
【００３８】
このように、当接部４６は、隔壁３０の内周面に当接しているものの固定されておらず、隔壁３０の内周面上を摺動しうるから、燃焼器１６と隔壁３０との熱伸び差を吸収できる。よって、燃焼による発熱で燃焼器１６が隔壁３０に比べて高温になって、両者の間に熱伸び差が発生しても、熱応力による各部材の変形や破壊等を防止できる
【００３９】
なお、図５には、シール部材４０の固定部４２を内筒２６の外周面に固定する例を示したが、固定部４２は隔壁３０の内周面に固定してもよい。この場合、付勢部４４の弾性力によって当接部４６を内筒２６の径方向内方に付勢し、当接部４６を内筒２６の外周面に密着させることで、隔壁３０と内筒２６との間の隙間をシールしながら両者を結合できる。
【００４０】
また、付勢部４４及び当接部４６には、図６に示すように、シール部材４０の全周に亘って複数のスリット４８を形成してもよい。スリット４８は、当接部４６から付勢部４４にかけて燃焼器長手方向に沿って延在している。このようにスリット４８を設けることで、付勢部４４及び当接部４６の径方向の変形量（縮径量）を大きくとることができ、付勢部４４の弾性力を増大させて、当接部４６と隔壁３０の内周面との密着状態をより一層確実に維持できる。
なお、固定部４２と付勢部４４との間には複数の穴４９が設けられており、それぞれの穴４９は対応するスリット４８に連通している。スリット４８の固定部４２側の端部周辺は、シール部材４０のうち応力が集中しやすい箇所である。そこで、この箇所に集中する応力を穴４９によって分散させることで、シール部材４０のクラックを防止できる。
【００４１】
上記構成の隔壁３０の外周側に位置する第１空間２０Ａには、図２に示すように、抽気管（「圧縮空気抽気管」に相当）５０が連通している。抽気管５０は、一端が車室１８内部の第１空間２０Ａに接続されており、他端が燃料電池２の空気極６（図１参照）に接続されている。これにより、圧縮機１２を通過した圧縮空気は、抽気管５０を介して燃料電池２の空気極６に導かれる。
【００４２】
また、隔壁３０の内周側に位置する第２空間２０Ｂには、図２に示すように、供給管（「排空気供給管」に相当）６０が連通している。燃料電池２の空気極６から排出された高温・高圧の排空気は、供給管６０を介して、各燃焼器１６の周囲の第２空間２０Ｂに供給される。
【００４３】
供給管６０は、燃料電池２の空気極６に接続された上流側管路６２と、上流側管路６２に連通するマニホールド６４と、マニホールド６４から分岐した複数の枝管６６とで構成される。マニホールド６４は、車室１８の周囲に設けられている環状の管路であり、マニホールド６４の上部には上流側管路６２が接続されている。マニホールド６４を形成する環状管路の中心は、ロータ１１の回転中心とほぼ一致している。また、枝管６６は、マニホールド６４から分岐して、ロータ１１の径方向内方に向かって延びた後、途中で屈曲し、燃焼器１６に向かって燃焼器長手方向に延びている。そして、枝管６６の燃焼器１６側のフランジ部は、ボルト６１によって圧縮機１２側の第１ケーシング１８Ａと連結されるとともに、ボルト６３によって隔壁３０と連結されている。マニホールド６４から分岐した複数の枝管６６は、それぞれ、各燃焼器１６周囲の第２空間２０Ｂに連通している。
供給管６０では、マニホールド６４及び枝管６６によって、上流側管路６２を流れる排空気が各燃焼器１６に確実に分配されるようになっている。
【００４４】
本実施形態のガスタービン１０では、燃焼器１６を覆う隔壁３０によって車室内空間２０を車室１８の内壁面１９に接する第１空間２０Ａと燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに隔てるとともに、燃焼器１６と隔壁３０との間にシール部材４０を設けている。このため、第２空間２０Ｂ内の排空気の第１空間２０Ａへの移動を隔壁３０およびシール部材４０によって阻んで、車室１８の内壁面１９が高温の排空気に直接曝されることを防止できる。また、第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとの間の流体の行き来は、隔壁３０およびシール部材４０によって阻害されるので、車室１８内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００４５】
なお、上述の実施形態では、シール部材４０の具体例としてスプリングクリップを示したが、シール部材４０は、第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとの間の流体の行き来を隔壁３０とともに阻害しうる構成であれば特に限定されない。例えば、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなり、燃焼器１６および隔壁３０のいずれか一方に固定され、他方（「他方部材」という。）に対して押し付けられているようなシール部材４０を用いてもよい。このとき、シール部材４０が他方部材（シール部材４０が固定されていない部材）に対して燃焼器長手方向に摺動しうる程度に、シール部材４０を他方部材に押し付けることで、燃焼器１６と隔壁３０との熱伸び差を吸収することも可能である。また、この場合のシール部材４０として、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料を好適に用いることができる。この粘弾性材料は、耐熱性に優れ、１０００℃程度まで粘弾性を維持できるので、燃焼による発熱で高温になる燃焼器近傍の過酷な環境下でも十分に用いることができる。
【００４６】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係るガスタービンについて説明する。本実施形態のガスタービンは、第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとを隔てる隔壁とその周辺の構造を除けば第１実施形態に係るガスタービン１０と同様である。よって、以下では、ガスタービン１０と共通の箇所には同一の符号を用い、ガスタービン１０と異なる点を中心に説明する。
【００４７】
図７は、本実施形態に係るガスタービンの燃焼器周辺の車室内部構造を示す断面図である。図８は、図７に示すガスタービンの隔壁周辺を示す図であり、燃焼器長手方向に直交する方向に沿った断面図である。
【００４８】
図７及び８に示すように、ガスタービン１００では、隔壁７０は、複数の燃焼器１６の内周側に配置される内周側壁７２と、複数の燃焼器１６の外周側に配置される外周側壁７４とで構成される。これら内周側壁７２及び外周側壁７４によって、車室内空間２０は、車室１８の内壁面１９に接する第１空間２０Ａと、燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに仕切られている。すなわち、本実施形態では、隔壁７０は複数の燃焼器１６を一括して覆っており、隔壁７０によって囲まれる第２空間２０Ｂは複数の燃焼器１６を収納する略環状の空間である。
このように、複数の燃焼器１６を一括して隔壁７０で覆う場合、第１実施形態のように各燃焼器１６を隔壁３０で個別に覆う場合とは異なり、隣接する燃焼器１６同士を連結する連結管１７の隔壁貫通部が存在しない。よって、燃焼器１６に取り付けられた連結管１７と隔壁７０との熱伸びを吸収するための複雑な構造（図３及び４に示す長孔３２及びカバープレート３４）が不要になり、装置構成を簡素化できる。
【００４９】
略環状の第２空間２０Ｂには供給管（「排空気供給管」に相当）８０が連通している。供給管８０は、燃料電池２の空気極６に接続された上流側管路８２と、上流側管路８２に連通する環状管８４とで構成される。環状管８４は、車室１８の周囲に設けられており、その中心はロータ１１の回転中心とほぼ一致している。
これにより、燃料電池２の空気極６から排出された高温・高圧の排空気は、上流側管路８２と環状管８４とをこの順で通過して、略環状の第２空間２０Ｂに排空気が導かれるようになっている。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００５１】
例えば、上述の実施形態では、隔壁３０と隔壁７０（具体的には隔壁７０を構成する各壁７２及び７４）が燃焼器長手方向に延びる円筒状である例について説明したが、隔壁３０又は内周側壁７２及び外周側壁７４の表面に補強用リブを立設してもよい。
図９は、補強用リブが立設された隔壁３０の構成例を示す斜視図である。同図に示すように、燃焼器長手方向に沿った複数本の補強用リブ３１を隔壁３０の外表面（内表面でもよい）に立設してもよい。
圧縮空気が第１空間２０Ａから抽気管５０を介して燃料電池２の空気極６に流入し、空気曲６からの排空気が供給管（６０，８０）を介して第２空間２０Ｂに流入するのであるから、上流側に位置する第１空間２０Ａ内の圧縮空気は下流側に位置する第２空間２０Ｂ内の排空気に比べて少し圧力が高い。このため、隔壁（３０，７０）は第１空間２０Ａ側から第２空間２０Ｂ側に押圧される。そこで、上述のように、補強用リブ３１を設けて隔壁（３０，７０）を補強することで、隔壁（３０，７０）の変形を防止できる。
【００５２】
また、上述の実施形態では、シール部材４０を隔壁（３０，７０）と内筒２６との間に設けた例について説明したが、シール部材４０は隔壁（３０，７０）と尾筒２８との間に設けてもよい。
【００５３】
さらに、上述の実施形態では、複数の燃焼器１６が車室１８内に収納された多缶型のガスタービン（１０，１００）を例に挙げたが、燃焼器１６は車室１８内に収納されている限りその個数は限定されず、単缶であってもよい。例えば、ロータ１１の全周に亘って環状に設けられた単缶の燃焼器１６を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１ 複合発電システム
２ 燃料電池
４ 燃料極
６ 空気極
８ 電解質
１０ ガスタービン
１１ ロータ
１２ 圧縮機
１４ タービン
１６ 燃焼器
１７ 連結管
１８ 車室
１８Ａ 第１ケーシング
１８Ｂ 第２ケーシング
１９ 内壁面
２０ 車室内空間
２０Ａ 第１空間
２０Ｂ 第２空間
２２ 燃料供給管
２３ 燃料供給室
２４ 燃料ノズル
２５ 管状壁
２６ 内筒
２８ 尾筒
３０ 隔壁
３１ 補強用リブ
３２ 長孔
３４ カバープレート
４０ シール部材
４１ 溶接位置
４２ 固定部
４４ 付勢部
４６ 当接部
４８ スリット
４９ 穴
５０ 抽気管（圧縮空気抽気管）
６０ 供給管（排空気供給管）
６１ ボルト
６２ 上流側管路
６３ ボルト
６４ マニホールド
６６ 枝管
７０ 隔壁
７２ 内周側壁
７４ 外周側壁
８０ 供給管（排空気供給管）
８２ 上流側管路
８４ 環状管
１００ ガスタービン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに係り、特に、圧縮機を通過した圧縮空気を車室外の加熱部に導き、該加熱部からの排空気を燃焼用空気として利用するガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化や化石燃料の枯渇等の問題に対する解決策として、発電効率が高く二酸化炭素を排出しない燃料電池をガスタービンと組み合わせた複合発電システムが注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ガスタービンと固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）とを組み合わせた複合発電システムが開示されている。この複合発電システムでは、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を固体酸化物形燃料電池の空気極に供給するとともに、固体酸化物形燃料電池からの排空気および排燃料ガスをガスタービンの燃焼器で燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るようになっている。
【０００４】
また特許文献２には、燃料電池とともに複合発電システムを構成するガスタービン用の燃焼器が開示されている。この燃焼器は、バーナ及び燃焼ライナがケーシングに収納された構成を有する。燃焼器のケーシングは、仕切壁によってバーナ近傍の空間とバーナ下流の空間とに分割されている。そして、バーナ近傍の空間には、燃焼用空気供給ラインを介して圧縮機から供給される圧縮空気と、排ガスラインを介して燃料電池から供給される排ガスの一部との混合気が供給される。一方、バーナ下流の空間には、燃料電池からの排ガスの残部が供給される。このように、燃料電池の排ガスの一部を圧縮空気と混合してバーナ近傍に供給するとともに、燃料電池の排ガスの残部をバーナより下流側に希釈空気として供給することで、酸素濃度が低い燃料電池の排ガスの燃焼器への供給に起因する燃焼状態の不安定化を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０５９３２号公報
【特許文献２】特開２００２−１０６８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ガスタービンには、燃焼器を車室内に収納して省スペース化を図ったものがある。このタイプのガスタービンを用いて燃料電池との複合発電システムを構築しようとすると、燃料電池の空気極を通過した高温かつ低酸素濃度の排空気を車室内の燃焼器に供給する際、次のような要求に直面する。
【０００７】
すなわち、燃料電池からの排空気は非常に高温（例えば、５００〜６００℃）で、車室の耐熱温度を超えることもあるから、排空気を燃焼器に供給する際に排空気が車室に直接触れないような対策が求められる。
また、燃料電池からの排空気は圧縮機を通過した圧縮空気に比べて酸素濃度が低い一方、圧縮機を通過した圧縮空気は燃料電池からの排空気に比べて低温（例えば４００℃前後）である。このため、車室内において、燃料電池からの排空気と圧縮機を通過した圧縮空気とが混合してしまうと、燃料電池の空気極に流入する圧縮空気の酸素濃度が低くなり燃料電池の発電効率が低下するとともに、燃焼器に導かれる燃料電池からの排空気の温度が低くなり複合発電システム全体としての発電効率が低下してしまう。よって、排空気を燃焼器に供給する際、上記の観点から、排空気と圧縮機を通過した圧縮空気とを車室内において混合させないような対策が求められる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の複合発電システムでは、そもそも、燃料電池からの排空気を燃焼器に供給する具体的な装置構成が明らかでない。よって、特許文献１は、燃焼器を車室内に収納したガスタービンにおいて必要となる上記対策を提示したものではない。
また特許文献２の燃焼器は、圧縮機からの圧縮空気を燃焼用空気供給ラインを介して燃焼器側に導いていることから、車室内に収納されておらず、車室外部に設けられていることが明らかである。そして、燃焼器を車室外部に設ける場合には、単に圧縮機、燃料電池、燃焼器をこの順で直列に接続するだけで、燃焼器からの高温の排空気に車室が曝されることはないし、圧縮機からの圧縮空気と燃焼器からの排空気とが混合することもあり得ない。よって、特許文献２は、燃焼器を車室内に収納したガスタービンにおいて必要となる上記対策を提示したものではない。
【０００９】
また、圧縮機を通過した圧縮空気をガスタービンの排気ガスにより再熱して、これを燃焼用空気として車室内の燃焼器に戻す場合にも、燃料電池とガスタービンとの複合発電システムと同様に、上記対策が必要となる。すなわち、車室の耐熱性の考慮すれば再熱後の燃焼用空気に車室が曝されないようにする必要があることに加えて、発電効率の向上の観点から燃焼用空気と圧縮空気とが車室内で混合しないような工夫が必要となる。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止しながら、車室内の燃焼器に排空気を供給しうるガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るガスタービンは、圧縮機を通過した圧縮空気を車室外の加熱部により加熱し、該加熱部からの排空気と燃料とを燃焼器に供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンであって、前記圧縮機を通過した圧縮空気が流入する車室内空間において前記燃焼器を収納する車室と、前記燃焼器を覆うように前記車室内空間に設けられ、前記車室内空間を、前記車室の内壁面に接し前記圧縮機からの圧縮空気が流れる第１空間と前記燃焼器に接する第２空間とに隔てる隔壁と、前記隔壁と前記燃焼器との間に設けられたシール部材と、前記第１空間に連通し、該第１空間から圧縮空気を抽気して前記加熱部に導く圧縮空気抽気管と、前記第２空間に連通し、前記加熱部を通過した排空気を前記第２空間に導く排空気供給管とを備え、前記第２空間に導かれた前記排空気が、前記燃焼器に取り込まれて燃料の燃焼に用いられることを特徴とする。
【００１２】
このガスタービンでは、燃焼器を覆う隔壁によって車室内空間が車室内壁面に接する第１空間と燃焼器に接する第２空間とに隔てられ（言い換えると、車室内壁面に接する第１空間が隔壁を挟んで燃焼器周囲の第２空間を包んでいる）、燃焼器と隔壁との間にシール部材が設けられている。したがって、第２空間内の排空気の車室内壁面に接する第１空間への移動を隔壁およびシール部材によって阻んで、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されることを防止できる。また、第１空間と第２空間との間の流体の行き来は、隔壁およびシール部材によって阻害されるので、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００１３】
ここで、前記加熱器は、前記ガスタービンとともに複合発電システムを構成する燃料電池の空気極であってもよい。上述のように、前記ガスタービンでは、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合が防止されるので、燃料電池との複合発電システムを適切に実現することができる。
【００１４】
上記ガスタービンにおいて、前記シール部材は、前記燃焼器と前記隔壁との伸び差を吸収するようになっていてもよい。
【００１５】
これにより、燃焼器と隔壁との間の伸び差を吸収して、各部材の変形や破壊等を防止できる。例えば、燃焼による発熱で燃焼器が隔壁に比べて高温になって、両者の間に熱伸び差が発生しても、熱応力による各部材の変形や破壊等を防止できる。
【００１６】
このように伸び差を吸収可能なシール部材は、弾性力によって前記隔壁と前記燃焼器との間の隙間をシールするスプリングクリップであってもよい。あるいは、熱伸び差を吸収可能なシール部材として、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなり、前記燃焼器および前記隔壁のいずれか一方に固定され、他方に対して押し付けられているようなシール部材を用いてもよい。カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料は、耐熱性に優れ、１０００℃程度まで粘弾性を維持できるので、燃焼による発熱で高温になる燃焼器近傍の過酷な環境下でも十分に用いることができる。
なお、スプリングクリップ等のシール部材は、隔壁によって隔てられた第１空間と第２空間との間における流体の行き来を阻害可能であればよく、必ずしも隔壁と燃焼器との間の隙間を完全に密封する必要はない。
【００１７】
なお、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を主成分とする粘弾性材料は、例えば、スパッタリングによりシリコン基板上に鉄触媒を付着させ、アルゴンイオンによる反応性イオンエッチングにより触媒を調製した後、この基板上にスーパーグロース法によってＣＮＴを合成して得たＣＮＴ構造体を圧縮することで作製できる。なお、ＣＮＴを主成分とする粘弾性材料は、参考文献「Ming Xu, Don N. Futaba, Takao Yamada, Motoo Yumura and Kenji Hata, "Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Viscoelasticity from -196℃ to 1000℃,"Science, Vol. 330, No. 6009, pp.1364-1368 (2010), Published online 3 December 2010. DOI:10.1126/science.1194865」に記載された手法により作製してもよい。
【００１８】
また、上記ガスタービンにおいて、前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、前記隔壁は各燃焼器を個別に覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は各燃焼器を収納する略円筒状の空間であってもよい。
これにより、複数の燃焼器が車室内に収納されるガスタービンであっても、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００１９】
この場合、前記排空気供給管は、各燃焼器の周囲の前記第２空間にそれぞれ連通する複数の枝管と、該枝管と前記加熱部との間に介在して前記加熱部を通過した前記排空気を前記枝管に供給するマニホールドとを備え、前記マニホールドは、前記車室の周りに設けられていてもよい。
これにより、マニホールド及び枝管によって加熱部からの排空気を各燃焼器に確実に分配することができる。
【００２０】
あるいは、上記ガスタービンにおいて、前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、前記隔壁は複数の前記燃焼器を一括して覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は複数の前記燃焼器を収納する略環状の空間であってもよい。
これにより、複数の燃焼器が車室内に収納されるガスタービンであっても、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されず、かつ、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００２１】
また、上記ガスタービンにおいて、前記隔壁を補強するリブを設けてもよい。
圧縮空気が第１空間から圧縮空気抽気管を介して加熱部に流入し、該加熱部からの排空気が排空気供給管を介して第２空間に流入するのであるから、上流側に位置する第１空間内の圧縮空気は下流側に位置する第２空間内の排空気に比べて少し圧力が高い。このため、隔壁は第１空間側から第２空間側に押圧される。そこで、上述のように、リブを設けて隔壁を補強することで、隔壁の変形を防止できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃焼器を覆う隔壁によって車室内空間を車室内壁面に接する第１空間と燃焼器に接する第２空間とに隔てて、燃焼器と隔壁との間にシール部材を設けたので、第２空間内の排空気の車室内壁面に接する第１空間への移動を隔壁およびシール部材によって阻んで、車室内壁面が高温の排空気に直接曝されることを防止できる。また、第１空間と第２空間との間の流体の行き来は、隔壁およびシール部材によって阻害されるので、車室内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るガスタービンの燃焼器周辺の車室内部構造を示す断面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】燃焼器を覆う隔壁の構成例を示す図であり、（ａ）は燃焼器の長手方向に沿った断面図、（ｂ）は図４（ａ）のＢ方向から視た平面図である。
【図５】図２におけるＣで示した領域の拡大図である。
【図６】図５に示すシール部材の平面図である。
【図７】第２実施形態に係るガスタービンの燃焼器周辺の車室内部構造を示す断面図である。
【図８】図７に示すガスタービンの隔壁周辺を示す図であり、燃焼器長手方向に直交する方向に沿った断面図である。
【図９】補強用リブが立設された隔壁の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２５】
［第１実施形態］
図１は、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電システムの一例を示す概略構成図である。
なお、ここでは、ガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気が燃料電池の空気極によって加熱してガスタービン燃焼器に戻す例（すなわち、「加熱部」が燃料電池の空気極である場合）について説明するが、圧縮空気をガスタービン車室の外部で加熱する「加熱部」は燃料電池の空気極に限られない。例えば、圧縮機を通過した圧縮空気を「加熱部」としての再熱器でガスタービン排気との熱交換により再熱し、これを燃焼用空気として燃焼器に戻すようにしてもよい。
【００２６】
複合発電システム１は、燃料電池２とガスタービン１０とで構成される。
燃料電池２は、反応温度が比較的高い燃料電池（いわゆる高温型燃料電池）であり、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）を用いることができる。燃料電池２は、燃料極４と空気極６との間に電解質８が設けられている。一方、ガスタービン１０は、同軸に連結された圧縮機１２及びタービン１４と燃焼器１６とが車室１８内に設けられている。
【００２７】
燃料電池２では、燃料極４に燃料ガスが供給され、空気極６にガスタービン１０の圧縮機１２からの圧縮空気が供給される。これにより、空気極６で生成されたイオン（ＳＯＦＣの場合はＯ２−、ＭＣＦＣの場合はＣＯ３２−）が電解質８を介して燃料極４に移動し、このイオンが燃料極４において燃料ガス中の水素と反応し、起電力が発生する。燃料極４を通過した排燃料ガスは、ガスタービン１０の燃焼器１６に導かれ、別途供給される燃料と混合されて、燃焼器１６における燃焼用の燃料として用いられる。また、圧縮空気は、空気極６を通過する際に昇温され、燃焼用空気として車室１８内の燃焼器１６に供給される。
【００２８】
なお、圧縮機１２を通過した圧縮空気は、必要に応じて予め加熱してから燃料電池２の空気極６に導くようにしてもよい。例えば、圧縮機１２を通過した圧縮空気を、ガスタービン排気との熱交換によって温めた後、燃料電池２の空気極６に供給してもよい。
【００２９】
図２は、図１の複合発電システム１におけるガスタービン１０の燃焼器１６周辺の車室内部構造を示す図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図４は、燃焼器１６を覆う隔壁の構成例を示す図であり、図４（ａ）は燃焼器１６の長手方向に沿った断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ方向から視た平面図である。図５は、図２におけるＣで示した領域の拡大図である。図６は、図５のシール部材の一部を示す平面図である。
【００３０】
図２に示すように、車室１８は、圧縮機１２側の第１ケーシング１８Ａとタービン１４側の第２ケーシング１８Ｂとで構成され、ロータ１１周囲の略環状の車室内空間２０を囲んでいる。この車室内空間２０には燃焼器１６が収納されている。
【００３１】
燃焼器１６は、圧縮機１２とタービン１４との間において、ロータ１１の周囲に複数設けられ、隣接する燃焼器１６同士が連結管１７によって連結されている。各燃焼器１６は、燃料供給管２２から燃料供給室２３を介して導入された燃料を噴射する燃料ノズル２４と、燃焼ノズル２４から供給された燃料が燃焼される内筒（燃焼器ライナ）２６と、内筒２６で生成した燃焼ガスをタービン１４側に導く尾筒（トランジションピース）２８とを有する。なお、燃料供給室２３を形成する管状壁２５は、そのフランジ部において、燃料供給管２２及び後述する枝管６６と連結されている。
【００３２】
各燃焼器１６の周囲には、図２及び３に示すように、燃焼ノズル２４及び内筒２６を覆うように隔壁３０が設けられている。すなわち、隔壁３０は、各燃焼器１６（具体的には各燃焼器１６の燃焼ノズル２４及び内筒２６）を個別に覆っている。
この隔壁３０によって、燃焼器１６が収納された車室内空間２０は、車室内壁面１９に接する第１空間２０Ａと各燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに隔てられている。言い換えると、車室１８の内壁面１９に接する第１空間２０Ａが隔壁３０を挟んで燃焼器１６の周囲の第２空間２０Ｂを包んでいる。なお、隔壁３０によって囲まれた第２空間２０Ｂは、図３に示すように、略円筒状の空間である。
【００３３】
隔壁３０には、図３及び４に示すように、連結管１７が貫通する長孔３２が形成されている。長孔３２は、燃焼器１６の長手方向（燃焼器長手方向）に沿って延在している。
このように連結管１７が隔壁３０を貫通する部分に長孔３２を設けることで、燃焼器１６の熱伸びによって、内筒２６に取り付けられた連結管１７が隔壁３０に対して相対的に燃焼器長手方向に動いても、連結管１７と隔壁３０とが干渉することはない。
【００３４】
この場合、図３及び４に示すように、隔壁３０に当接して長孔３２を覆うカバープレート３４を連結管１７に取り付けてもよい。カバープレート３４は、連結管１７から燃焼器長手方向の両側にＬ２だけ延びている。カバープレート３４の連結管１７からの延在量Ｌ２は、Ｌ２≧Ｌ１−Ｄの関係を満たすように決定されている。ここで、Ｌ１は燃焼器長手方向における長孔３２の長さであり、Ｄは連結管１７の外径である。
このように、Ｌ２≧Ｌ１−Ｄの関係を満たすカバープレート３４を連結管１７に取り付けることで、長孔３２によって規制された燃焼管１７の可動範囲のいずれの位置においても、長孔３２をカバープレート３４で覆うことができる。よって、長孔３２を介した第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとの間の流体の行き来をカバープレート３４によって確実に防止できる。
【００３５】
また、カバープレート３４によるシール部材性を向上させる観点から、カバープレート３４の表面と長孔３２の周囲の隔壁３０の外周面との間に、スプリングクリップやカーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなるシール部材を設けてもよい。これにより、カバープレート３４の表面と隔壁３０の外周面との間の隙間を介した流体の行き来を確実に防止できる。
なお、図４（ａ）及び（ｂ）にはカバープレート３４を隔壁３０の外周面側に配置した例を示したが、カバープレート３４は隔壁３０の内周面側に設けてもよい。
【００３６】
図２及び５に示すように、隔壁３０と燃焼器１６の内筒２６との間には、シール部材４０が設けられている。シール部材４０は、弾性力によって隔壁３０と内筒２６とを結合し、両者間の隙間をシールするいわゆるスプリングクリップである。シール部材４０の各部の詳細は、次のとおりである。
【００３７】
シール部材４０は、内筒２６の外周面に固定される固定部４２と、この固定部４２から内筒２６の径方向外方に屈曲した付勢部４４と、隔壁３０の内周面に当接する当接部４６とを有する。
シール部材４０の固定部４２は、溶接位置４１において内筒２６の外周面にスポット溶接され、内筒２６に固定されている。シール部材４０の付勢部４４は、固定部４２と当接部４６との間に設けられ、固定部４２から離れるにつれて内筒２６の径方向外方に向かうように屈曲した形状を有する。シール部材４０の取付状態において、付勢部４４は、内筒２６の径方向内方に向かって縮径するように弾性変形している。このため、付勢部４４の弾性力によって、当接部４６は内筒２６の径方向外方に付勢され、当接部４６が隔壁３０の内周面に密着する。
【００３８】
このように、当接部４６は、隔壁３０の内周面に当接しているものの固定されておらず、隔壁３０の内周面上を摺動しうるから、燃焼器１６と隔壁３０との熱伸び差を吸収できる。よって、燃焼による発熱で燃焼器１６が隔壁３０に比べて高温になって、両者の間に熱伸び差が発生しても、熱応力による各部材の変形や破壊等を防止できる
【００３９】
なお、図５には、シール部材４０の固定部４２を内筒２６の外周面に固定する例を示したが、固定部４２は隔壁３０の内周面に固定してもよい。この場合、付勢部４４の弾性力によって当接部４６を内筒２６の径方向内方に付勢し、当接部４６を内筒２６の外周面に密着させることで、隔壁３０と内筒２６との間の隙間をシールしながら両者を結合できる。
【００４０】
また、付勢部４４及び当接部４６には、図６に示すように、シール部材４０の全周に亘って複数のスリット４８を形成してもよい。スリット４８は、当接部４６から付勢部４４にかけて燃焼器長手方向に沿って延在している。このようにスリット４８を設けることで、付勢部４４及び当接部４６の径方向の変形量（縮径量）を大きくとることができ、付勢部４４の弾性力を増大させて、当接部４６と隔壁３０の内周面との密着状態をより一層確実に維持できる。
なお、固定部４２と付勢部４４との間には複数の穴４９が設けられており、それぞれの穴４９は対応するスリット４８に連通している。スリット４８の固定部４２側の端部周辺は、シール部材４０のうち応力が集中しやすい箇所である。そこで、この箇所に集中する応力を穴４９によって分散させることで、シール部材４０のクラックを防止できる。
【００４１】
上記構成の隔壁３０の外周側に位置する第１空間２０Ａには、図２に示すように、抽気管（「圧縮空気抽気管」に相当）５０が連通している。抽気管５０は、一端が車室１８内部の第１空間２０Ａに接続されており、他端が燃料電池２の空気極６（図１参照）に接続されている。これにより、圧縮機１２を通過した圧縮空気は、抽気管５０を介して燃料電池２の空気極６に導かれる。
【００４２】
また、隔壁３０の内周側に位置する第２空間２０Ｂには、図２に示すように、供給管（「排空気供給管」に相当）６０が連通している。燃料電池２の空気極６から排出された高温・高圧の排空気は、供給管６０を介して、各燃焼器１６の周囲の第２空間２０Ｂに供給される。
【００４３】
供給管６０は、燃料電池２の空気極６に接続された上流側管路６２と、上流側管路６２に連通するマニホールド６４と、マニホールド６４から分岐した複数の枝管６６とで構成される。マニホールド６４は、車室１８の周囲に設けられている環状の管路であり、マニホールド６４の上部には上流側管路６２が接続されている。マニホールド６４を形成する環状管路の中心は、ロータ１１の回転中心とほぼ一致している。また、枝管６６は、マニホールド６４から分岐して、ロータ１１の径方向内方に向かって延びた後、途中で屈曲し、燃焼器１６に向かって燃焼器長手方向に延びている。そして、枝管６６の燃焼器１６側のフランジ部は、ボルト６１によって圧縮機１２側の第１ケーシング１８Ａと連結されるとともに、ボルト６３によって隔壁３０と連結されている。マニホールド６４から分岐した複数の枝管６６は、それぞれ、各燃焼器１６周囲の第２空間２０Ｂに連通している。
供給管６０では、マニホールド６４及び枝管６６によって、上流側管路６２を流れる排空気が各燃焼器１６に確実に分配されるようになっている。
【００４４】
本実施形態のガスタービン１０では、燃焼器１６を覆う隔壁３０によって車室内空間２０を車室１８の内壁面１９に接する第１空間２０Ａと燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに隔てるとともに、燃焼器１６と隔壁３０との間にシール部材４０を設けている。このため、第２空間２０Ｂ内の排空気の第１空間２０Ａへの移動を隔壁３０およびシール部材４０によって阻んで、車室１８の内壁面１９が高温の排空気に直接曝されることを防止できる。また、第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとの間の流体の行き来は、隔壁３０およびシール部材４０によって阻害されるので、車室１８内における排空気と圧縮空気との混合を防止できる。
【００４５】
なお、上述の実施形態では、シール部材４０の具体例としてスプリングクリップを示したが、シール部材４０は、第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとの間の流体の行き来を隔壁３０とともに阻害しうる構成であれば特に限定されない。例えば、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなり、燃焼器１６および隔壁３０のいずれか一方に固定され、他方（「他方部材」という。）に対して押し付けられているようなシール部材４０を用いてもよい。このとき、シール部材４０が他方部材（シール部材４０が固定されていない部材）に対して燃焼器長手方向に摺動しうる程度に、シール部材４０を他方部材に押し付けることで、燃焼器１６と隔壁３０との熱伸び差を吸収することも可能である。また、この場合のシール部材４０として、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料を好適に用いることができる。この粘弾性材料は、耐熱性に優れ、１０００℃程度まで粘弾性を維持できるので、燃焼による発熱で高温になる燃焼器近傍の過酷な環境下でも十分に用いることができる。
【００４６】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係るガスタービンについて説明する。本実施形態のガスタービンは、第１空間２０Ａと第２空間２０Ｂとを隔てる隔壁とその周辺の構造を除けば第１実施形態に係るガスタービン１０と同様である。よって、以下では、ガスタービン１０と共通の箇所には同一の符号を用い、ガスタービン１０と異なる点を中心に説明する。
【００４７】
図７は、本実施形態に係るガスタービンの燃焼器周辺の車室内部構造を示す断面図である。図８は、図７に示すガスタービンの隔壁周辺を示す図であり、燃焼器長手方向に直交する方向に沿った断面図である。
【００４８】
図７及び８に示すように、ガスタービン１００では、隔壁７０は、複数の燃焼器１６の内周側に配置される内周側壁７２と、複数の燃焼器１６の外周側に配置される外周側壁７４とで構成される。これら内周側壁７２及び外周側壁７４によって、車室内空間２０は、車室１８の内壁面１９に接する第１空間２０Ａと、燃焼器１６に接する第２空間２０Ｂとに仕切られている。すなわち、本実施形態では、隔壁７０は複数の燃焼器１６を一括して覆っており、隔壁７０によって囲まれる第２空間２０Ｂは複数の燃焼器１６を収納する略環状の空間である。
このように、複数の燃焼器１６を一括して隔壁７０で覆う場合、第１実施形態のように各燃焼器１６を隔壁３０で個別に覆う場合とは異なり、隣接する燃焼器１６同士を連結する連結管１７の隔壁貫通部が存在しない。よって、燃焼器１６に取り付けられた連結管１７と隔壁７０との熱伸びを吸収するための複雑な構造（図３及び４に示す長孔３２及びカバープレート３４）が不要になり、装置構成を簡素化できる。
【００４９】
略環状の第２空間２０Ｂには供給管（「排空気供給管」に相当）８０が連通している。供給管８０は、燃料電池２の空気極６に接続された上流側管路８２と、上流側管路８２に連通する環状管８４とで構成される。環状管８４は、車室１８の周囲に設けられており、その中心はロータ１１の回転中心とほぼ一致している。
これにより、燃料電池２の空気極６から排出された高温・高圧の排空気は、上流側管路８２と環状管８４とをこの順で通過して、略環状の第２空間２０Ｂに排空気が導かれるようになっている。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００５１】
例えば、上述の実施形態では、隔壁３０と隔壁７０（具体的には隔壁７０を構成する各壁７２及び７４）が燃焼器長手方向に延びる円筒状である例について説明したが、隔壁３０又は内周側壁７２及び外周側壁７４の表面に補強用リブを立設してもよい。
図９は、補強用リブが立設された隔壁３０の構成例を示す斜視図である。同図に示すように、燃焼器長手方向に沿った複数本の補強用リブ３１を隔壁３０の外表面（内表面でもよい）に立設してもよい。
圧縮空気が第１空間２０Ａから抽気管５０を介して燃料電池２の空気極６に流入し、空気曲６からの排空気が供給管（６０，８０）を介して第２空間２０Ｂに流入するのであるから、上流側に位置する第１空間２０Ａ内の圧縮空気は下流側に位置する第２空間２０Ｂ内の排空気に比べて少し圧力が高い。このため、隔壁（３０，７０）は第１空間２０Ａ側から第２空間２０Ｂ側に押圧される。そこで、上述のように、補強用リブ３１を設けて隔壁（３０，７０）を補強することで、隔壁（３０，７０）の変形を防止できる。
【００５２】
また、上述の実施形態では、シール部材４０を隔壁（３０，７０）と内筒２６との間に設けた例について説明したが、シール部材４０は隔壁（３０，７０）と尾筒２８との間に設けてもよい。
【００５３】
さらに、上述の実施形態では、複数の燃焼器１６が車室１８内に収納された多缶型のガスタービン（１０，１００）を例に挙げたが、燃焼器１６は車室１８内に収納されている限りその個数は限定されず、単缶であってもよい。例えば、ロータ１１の全周に亘って環状に設けられた単缶の燃焼器１６を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１ 複合発電システム
２ 燃料電池
４ 燃料極
６ 空気極
８ 電解質
１０ ガスタービン
１１ ロータ
１２ 圧縮機
１４ タービン
１６ 燃焼器
１７ 連結管
１８ 車室
１８Ａ 第１ケーシング
１８Ｂ 第２ケーシング
１９ 内壁面
２０ 車室内空間
２０Ａ 第１空間
２０Ｂ 第２空間
２２ 燃料供給管
２３ 燃料供給室
２４ 燃料ノズル
２５ 管状壁
２６ 内筒
２８ 尾筒
３０ 隔壁
３１ 補強用リブ
３２ 長孔
３４ カバープレート
４０ シール部材
４１ 溶接位置
４２ 固定部
４４ 付勢部
４６ 当接部
４８ スリット
４９ 穴
５０ 抽気管（圧縮空気抽気管）
６０ 供給管（排空気供給管）
６１ ボルト
６２ 上流側管路
６３ ボルト
６４ マニホールド
６６ 枝管
７０ 隔壁
７２ 内周側壁
７４ 外周側壁
８０ 供給管（排空気供給管）
８２ 上流側管路
８４ 環状管
１００ ガスタービン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機を通過した圧縮空気を車室外の加熱部により加熱し、該加熱部からの排空気と燃料とを燃焼器に供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンであって、
前記圧縮機を通過した圧縮空気が流入する車室内空間において前記燃焼器を収納する車室と、
前記燃焼器を覆うように前記車室内空間に設けられ、前記車室内空間を、前記車室の内壁面に接し前記圧縮機からの圧縮空気が流れる第１空間と前記燃焼器に接する第２空間とに隔てる隔壁と、
前記隔壁と前記燃焼器との間に設けられたシール部材と、
前記第１空間に連通し、該第１空間から圧縮空気を抽気して前記加熱部に導く圧縮空気抽気管と、
前記第２空間に連通し、前記加熱部を通過した排空気を前記第２空間に導く排空気供給管とを備え、
前記第２空間に導かれた前記排空気が、前記燃焼器に取り込まれて燃料の燃焼に用いられることを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
前記加熱器は、前記ガスタービンとともに複合発電システムを構成する燃料電池の空気極であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記シール部材が、前記燃焼器と前記隔壁との伸び差を吸収することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン。
【請求項４】
前記シール部材は、弾性力によって前記隔壁と前記燃焼器との間の隙間をシールするスプリングクリップであることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
【請求項５】
前記シール部材は、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなり、前記燃焼器および前記隔壁のいずれか一方に固定され、他方に対して押し付けられていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
【請求項６】
前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、
前記隔壁は各燃焼器を個別に覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は各燃焼器を収納する略円筒状の空間であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項７】
前記排空気供給管は、各燃焼器の周囲の前記第２空間にそれぞれ連通する複数の枝管と、該枝管と前記加熱部との間に介在して前記加熱部を通過した前記排空気を前記枝管に供給するマニホールドとを備え、
前記マニホールドは、前記車室の周りに設けられることを特徴とする請求項６に記載のガスタービン。
【請求項８】
前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、
前記隔壁は複数の前記燃焼器を一括して覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は複数の前記燃焼器を収納する略環状の空間であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項９】
前記隔壁を補強するリブを設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項１】
圧縮機を通過した圧縮空気を車室外の加熱部により加熱し、該加熱部からの排空気と燃料とを燃焼器に供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンであって、
前記圧縮機を通過した圧縮空気が流入する車室内空間において前記燃焼器を収納する車室と、
前記燃焼器を覆うように前記車室内空間に設けられ、前記車室内空間を、前記車室の内壁面に接し前記圧縮機からの圧縮空気が流れる第１空間と前記燃焼器に接する第２空間とに隔てる隔壁と、
前記隔壁と前記燃焼器との間に設けられたシール部材と、
前記第１空間に連通し、該第１空間から圧縮空気を抽気して前記加熱部に導く圧縮空気抽気管と、
前記第２空間に連通し、前記加熱部を通過した排空気を前記第２空間に導く排空気供給管とを備え、
前記第２空間に導かれた前記排空気が、前記燃焼器に取り込まれて燃料の燃焼に用いられることを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
前記加熱器は、前記ガスタービンとともに複合発電システムを構成する燃料電池の空気極であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記シール部材が、前記燃焼器と前記隔壁との伸び差を吸収することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン。
【請求項４】
前記シール部材は、弾性力によって前記隔壁と前記燃焼器との間の隙間をシールするスプリングクリップであることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
【請求項５】
前記シール部材は、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなり、前記燃焼器および前記隔壁のいずれか一方に固定され、他方に対して押し付けられていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
【請求項６】
前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、
前記隔壁は各燃焼器を個別に覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は各燃焼器を収納する略円筒状の空間であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項７】
前記排空気供給管は、各燃焼器の周囲の前記第２空間にそれぞれ連通する複数の枝管と、該枝管と前記加熱部との間に介在して前記加熱部を通過した前記排空気を前記枝管に供給するマニホールドとを備え、
前記マニホールドは、前記車室の周りに設けられることを特徴とする請求項６に記載のガスタービン。
【請求項８】
前記燃焼器は前記車室内空間に複数設けられており、
前記隔壁は複数の前記燃焼器を一括して覆い、該隔壁によって囲まれる前記第２空間は複数の前記燃焼器を収納する略環状の空間であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項９】
前記隔壁を補強するリブを設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のガスタービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２０７５８８（Ｐ２０１２−２０７５８８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３８９５（Ｐ２０１１−７３８９５）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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