JP2020183733A - ターボクラスターガスタービンシステム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトの自由度が高いターボクラスターガスタービンシステムを提供する。【解決手段】燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するように構成された少なくとも一つの燃焼器と、少なくとも一つの燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるように構成された出力タービンと、少なくとも一つの燃焼器に供給するための圧縮空気を供給するように構成された複数の過給システムと、を備え、過給システムの各々は、出力タービンの回転軸とは別体で構成された回転軸を有し、燃焼器からの燃焼ガスによって駆動するように構成された第１ターボチャージャと、第１ターボチャージャのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を燃焼器に供給するための第１空気ラインと、燃焼器からの燃焼ガスを第１ターボチャージャのタービンに供給するための第１燃焼ガスラインと、を含む。【選択図】 図１

Description

本開示は、ターボクラスターガスタービンシステム及びその起動方法に関する。

例えば特許文献１に記載されるように、従来のガスタービンは、コンプレッサと出力タービンとが同軸上で一体的に回転するように構成されている。

特開２０００−７３７８２号公報

しかしながら、コンプレッサと出力タービンとが同軸上で一体的に回転するようにガスタービンを構成すると、ガスタービンが軸方向に大型化してガスタービンのレイアウト上の制約が生じやすくなる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、レイアウトの自由度が高いターボクラスターガスタービンシステム及びその起動方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボクラスターガスタービンシステムは、
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するように構成された少なくとも一つの燃焼器と、
前記少なくとも一つの燃焼器からの前記燃焼ガスによって駆動されるように構成された出力タービンと、
前記少なくとも一つの燃焼器に供給するための圧縮空気を供給するように構成された複数の過給システムと、
を備え、
前記過給システムの各々は、
前記出力タービンの回転軸とは別体で構成された回転軸を有し、前記燃焼器からの前記燃焼ガスによって駆動するように構成された第１ターボチャージャと、
前記第１ターボチャージャのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を前記燃焼器に供給するための第１空気ラインと、
前記燃焼器からの前記燃焼ガスを前記第１ターボチャージャのタービンに供給するための第１燃焼ガスラインと、
を含む。

上記（１）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、第１ターボチャージャの回転軸と出力タービンの回転軸とが別体で構成されているため、複数の第１ターボチャージャを出力タービンとは別軸上に配置することができ、レイアウトの自由度が高いターボクラスターガスタービンシステムを実現することができる。また、コンプレッサと出力タービンとが一軸上で一体的に回転するように構成された従来のガスタービンと比較して、出力タービンの軸方向において出力タービンを含む出力タービンと一体で構成される機器を小型化しつつ、複数の第１ターボチャージャを利用して出力タービンの所望の出力を得ることができる。また、複数の第１ターボチャージャのうち駆動する第１ターボチャージャの個数を調節することによって、柔軟な部分負荷運転を実現することができる。また、複数の過給システムのうち一部の過給システムが何等かの理由により一時的に使用できなくなっても、他の過給システムにより出力タービンの運転を維持できるため、運転の安定性の点で高い信頼性を実現することができる。また、複数の第１ターボチャージャとして小型のターボチャージャを用いれば、良好なメンテナンス性を実現することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記過給システムの各々は、
前記出力タービンの回転軸及び前記第１ターボチャージャの回転軸の各々とは別体で構成された回転軸を有する少なくとも一つの第２ターボチャージャと、
前記第２ターボチャージャのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を前記第１ターボチャージャのコンプレッサに供給するための第２空気ラインと、
前記第１ターボチャージャのタービンから排出された前記燃焼ガスを前記第２ターボチャージャのタービンに供給するための第２燃焼ガスラインと、
を含む。

上記（２）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、第１ターボチャージャの回転軸と第２ターボチャージャの回転軸と出力タービンの回転軸とが別体で構成されているため、複数の第１ターボチャージャと複数の第２ターボチャージャと出力タービンとを別軸上に配置することができ、レイアウトの自由度が高いターボクラスターガスタービンシステムを実現することができる。第１ターボチャージャ及び第２ターボチャージャで圧縮された高圧の空気を燃焼器に供給することにより、高い燃焼エネルギーを得ることができ、出力タービンの高い出力を実現することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記ターボクラスターガスタービンシステムは、複数の前記燃焼器を含み、
前記複数の過給システムは、前記複数の燃焼器に圧縮空気をそれぞれ供給するように構成される。

上記（３）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、一つの燃焼器（一つの燃焼筒）に対して一つの第１ターボチャージャのコンプレッサから圧縮空気が第１空気ラインを介して供給される。このため、各過給システムの第１空気ラインを他の過給システムの第１空気ラインと合流させることなく対応する燃焼器に接続することができるため、スムーズな過給によって圧力損失を低くして高効率な燃焼を実現することができる。複数の第１ターボチャージャのうち駆動する第１ターボチャージャの個数を調節することによって、柔軟な部分負荷運転を実現することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）に記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記出力タービンは、前記第１燃焼ガスラインに設けられる。

上記（４）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、出力タービンを通って温度が低下した燃焼ガスを第１ターボチャージャに供給することができる。このため、燃焼器の出口における燃焼ガスの温度を通常の舶用ガスタービンの燃焼器の出口における燃焼ガスの温度と同レベルの温度である１３００℃程度に設定しても、第１ターボチャージャのタービンの入口における燃焼ガスの温度は９６０℃程度まで低下する。したがって、耐熱性の観点において、ニッケル基合金等が構成部品の材料に使用される自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャ（ライン生産による低コスト化が可能なターボチャージャ）を第１ターボチャージャとして使用することができ、ターボクラスターガスタービンシステムの低コスト化を実現することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）に記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記過給システムの各々は、前記第２ターボチャージャのタービンを通過した前記燃焼ガスを前記出力タービンに供給するための第３燃焼ガスラインを含む。

上記（５）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、燃焼器の出口における燃焼ガスの温度を適切に調節することにより、ニッケル基合金等の材料が使用される自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャ（ライン生産による低コスト化が可能なターボチャージャ）を第１ターボチャージャとして使用することができ、ターボクラスターガスタービンシステムの低コスト化を実現することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（５）の何れかに記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記過給システムの各々は、前記第２空気ラインに設けられたインタークーラーを含む。

上記（６）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、燃焼器に供給する圧縮空気の密度を高めて燃焼器における燃焼効率を高めることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（６）の何れかに記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記第１ターボチャージャの個数と前記第２ターボチャージャの個数の合計は、１０以上である。

上記（７）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、１０以上の多数の第１ターボチャージャを利用して出力タービンの所望の出力を得ることができる。また、１０以上の第１ターボチャージャのうち駆動する第１ターボチャージャの個数を調節することによって、柔軟な部分負荷運転を実現することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（７）の何れかに記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記第１空気ラインを流れる圧縮空気と前記第２ターボチャージャの前記タービンから排出された燃焼ガスとの熱交換を行うための熱交換器を更に備える。

上記（８）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、第２ターボチャージャの排熱を熱交換器を用いて回収することができ、システム全体の効率を高めることができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（７）の何れかに記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記第２ターボチャージャのタービンから排出された燃焼ガスと熱媒体との熱交換を行うための熱交換器と、
前記熱交換器から排出された熱媒体によって駆動されるように構成されたタービンと、
を更に備える。

上記（９）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、第２ターボチャージャの排熱を熱交換器及びタービンを介して回収することができ、システム全体の効率を高めることができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかに記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
レシプロエンジンと、
前記レシプロエンジンの出口と前記第１燃焼ガスラインとを接続する起動ラインと、
前記第１燃焼ガスラインと前記起動ラインとの接続位置よりも前記第１燃焼ガスラインの上流側に設けられた第１バルブと、
前記起動ラインに設けられた第２バルブと、
を更に備える。

上記（１０）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、当該システムの起動時には第１バルブを閉状態とし第２バルブを開状態として、レシプロエンジンから排出される圧縮空気を起動ライン及び第１燃焼ガスラインを介して第１ターボチャージャのタービンに供給して第１ターボチャージャの回転を開始する。第１ターボチャージャのタービンを通過した圧縮空気は第２ターボチャージャのタービンに供給されて第２ターボチャージャが回転を開始する。これにより、第２ターボチャージャのコンプレッサによって圧縮された空気が第１ターボチャージャのコンプレッサによってさらに圧縮され、コンプレッサから排出された圧縮空気は、第１空気ラインを通って燃焼器へ供給され、燃焼器は供給された圧縮空気を用いて燃料に着火する。

これにより、簡素な構成で燃焼器における速やかな着火を実現し、燃焼器で生成された燃焼ガスにより出力タービンを駆動することで、ターボクラスターガスタービンシステムを迅速に起動することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかに記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記第１ターボチャージャは、前記燃焼ガスに対する耐熱性を満たすように構成される。

上記（１１）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、第１ターボチャージャに冷却機構を設けなくとも燃焼ガスの熱による第１ターボチャージャの損傷を抑制することができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の何れかに記載のターボクラスターガスタービンシステムにおいて、
前記第１ターボチャージャは、自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャである。

上記（１２）に記載のターボクラスターガスタービンシステムによれば、ターボクラスターガスタービンシステムの低コスト化を実現することができる。

（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボクラスターガスタービンシステムの起動方法は、
レシプロエンジンから排出される圧縮空気を第１ターボチャージャのタービンに供給して前記第１ターボチャージャの回転を開始するステップと、
回転を開始した前記第１ターボチャージャのコンプレッサから排出された圧縮空気を燃焼器へ供給するステップと、
前記燃焼器に供給された前記圧縮空気を用いて燃料に着火するステップと、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスを出力タービンに供給して前記出力タービンの回転を開始するステップと、
を備える。

上記（１３）に記載のターボクラスターガスタービンシステムの起動方法によれば、レシプロエンジンを用いた簡素な構成で燃焼器における速やかな着火を実現し、燃焼器で生成された燃焼ガスにより出力タービンを迅速に起動することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）に記載のターボクラスターガスタービンシステムの起動方法において、
前記第１ターボチャージャのタービンを通過した圧縮空気を第２ターボチャージャのタービンに供給して前記第２ターボチャージャの回転を開始するステップと、
回転を開始した前記第２ターボチャージャのコンプレッサから排出された圧縮空気を前記第１ターボチャージャのコンプレッサへ供給するステップと、
を更に備える。

上記（１４）に記載のターボクラスターガスタービンシステムの起動方法によれば、レシプロエンジンを用いた簡素な構成で燃焼器における速やかな着火を実現し、燃焼器で生成された燃焼ガスにより出力タービンを迅速に起動することができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、レイアウトの自由度が高いターボクラスターガスタービンシステム及びその起動方法が提供される。

一実施形態に係るターボクラスターガスタービンシステム２の概略的な全体構成図である。 各過給システム８の概略構成を示す図である。 図１及び図２に示したターボクラスターガスタービンシステム２について、出力タービン６の入口における燃焼ガスの温度を１３００℃に設定した場合のサイクル評価を示す図である。 図３に示す構成における出力タービン６の入口における燃焼ガスの温度（タービン入口温度）と出力タービンに連結された発電機９の出力との関係を示す図であり、タービン入口温度を１０５０℃、１３００℃及び１４５０℃に設定した場合について示している。 上記ターボクラスターガスタービンシステム２における燃焼器４と過給システム８の第１ターボチャージャ１０との対応関係の一例を示す模式図である。 図５に示した構成について、出力タービン６の軸方向視における燃焼器４と過給システム８の第１ターボチャージャ１０の配置を示す模式図である。 図３に示した構成の変形例を示す模式図である。 図３に示した構成の変形例を示す模式図である。 出力タービン６の起動方法を説明するための図である。 図３に示した構成の変形例を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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、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。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
また、以下で説明する幾つかの実施形態において、同一の符号は、特記しない限り同様の機能を有する構成を示すものとし、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係るターボクラスターガスタービンシステム２の概略的な全体構成図である。

図１に示すように、ターボクラスターガスタービンシステム２は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するように構成された複数の燃焼器４と、複数の燃焼器４から排出された燃焼ガスによって駆動されるように構成された出力タービン６と、複数の燃焼器４に圧縮空気を供給するように構成された複数の過給システム８と、を備える。出力タービン６には、発電機９が接続されており、出力タービン６が回転することによって発電機９が電力を生成する。出力タービン６の出力は特に限定されないが、例えば１０ＭＷ以上であってもよい。なお、図１に示す例示的形態では、ターボクラスターガスタービンシステム２は、１６個の過給システム８を備えている。

図２は、過給システム８の各々の概略構成を示す図である。
図２に示すように、過給システム８の各々は、第１ターボチャージャ１０と、第１空気ライン１５と、第１燃焼ガスライン１６と、複数の第２ターボチャージャ２４と、第２空気ライン３０と、第２燃焼ガスライン３２と、第１マニホールド３４と、第２マニホールド３６とを含む。

第１ターボチャージャ１０は、回転軸２０を共有するコンプレッサ１２及びタービン１４を含み、燃焼器４（図１参照）から排出された燃焼ガスによって駆動するように構成されている。第１ターボチャージャ１０の回転軸２０は、出力タービン６（図１参照）の回転軸１８（図１参照）とは別体で構成されており、回転軸１８とは異なる軸線上に配置される。第１ターボチャージャ１０として、例えば自動車用ガソリンエンジン向けにライン生産されている小型のターボチャージャを使用することにより、通常のガスタービンと比較して非常に低コストなターボクラスターガスタービンシステム２を実現することができる。

第１空気ライン１５は、第１ターボチャージャ１０のコンプレッサ１２によって圧縮された圧縮空気を燃焼器４に供給するように構成される。

第１燃焼ガスライン１６は、燃焼器４から排出された燃焼ガスを第１ターボチャージャ１０のタービン１４に供給するように構成される。

第２ターボチャージャ２４の各々は、回転軸２２を共有するコンプレッサ２６及びタービン２８を含み、燃焼器４から排出された燃焼ガスによって駆動するように構成されている。また、第２ターボチャージャ２４の回転軸２２は、出力タービン６の回転軸１８及び第１ターボチャージャ１０の回転軸２０の各々とは別体で構成されており、回転軸１８及び回転軸２０の各々とは異なる軸線上に配置される。第２ターボチャージャ２４として、例えば自動車用ガソリンエンジン向けにライン生産されている小型のターボチャージャを使用することにより、通常のガスタービンと比較して非常に低コストなターボクラスターガスタービンシステム２を実現することができる。

なお、図示する例示的形態では、燃焼ガスの流れ方向において４つの第２ターボチャージャ２４が並列に設けられている。したがって、図１及び図２に示す例示的形態では、ターボクラスターガスタービンシステム２は、１つの出力タービン６に対して、１６個の第１ターボチャージャ１０と、６４個の第２ターボチャージャ２４とを備えており、合計８０個のターボチャージャからなるクラスター２５（ターボクラスター）を含む。

第２空気ライン３０は、各第２ターボチャージャ２４のコンプレッサ２６によって圧縮された圧縮空気を第１ターボチャージャ１０のコンプレッサ１２に供給するように構成される。第２空気ライン３０の下流端側は第１ターボチャージャ１０のコンプレッサ１２の入口に接続し、第２空気ライン３０の上流端側は第１マニホールド３４を介して複数に分岐して各第２ターボチャージャ２４のコンプレッサ２６の出口に接続する。

第２燃焼ガスライン３２は、第１ターボチャージャ１０のタービン１４から排出された燃焼ガスを各第２ターボチャージャ２４のタービン２８に供給するように構成される。第２燃焼ガスライン３２の上流端側は第１ターボチャージャ１０のタービン１４の出口に接続し、第２燃焼ガスライン３２の下流端側は第２マニホールド３６を介して複数に分岐して各第２ターボチャージャ２４のタービン２８の入口に接続する。

かかる構成によれば、第１ターボチャージャ１０の回転軸２０と出力タービン６の回転軸１８とが別体で構成されているため、複数の第１ターボチャージャ１０を出力タービン６とは別軸上に配置することができ、レイアウトの自由度が高いターボクラスターガスタービンシステム２を実現することができる。

また、コンプレッサと出力タービンとが一軸上で一体的に回転するように構成された従来のガスタービンと比較して、出力タービン６の軸方向において出力タービン６を含む出力タービン６と一体で構成される機器（図１に示す構成では、燃焼器４、出力タービン６及び発電機９が一体で構成された機器）を小型化しつつ、複数の第１ターボチャージャ１０を利用して出力タービン６の所望の出力を得ることができる。

また、複数の第１ターボチャージャ１０のうち駆動する第１ターボチャージャ１０の個数を調節することによって、柔軟な部分負荷運転を実現することができる。また、複数の過給システム８のうち一部の過給システム８が何等かの理由により一時的に使用できなくなっても、他の過給システム８により出力タービン６の運転を維持できるため、運転の安定性の点で高い信頼性を実現することができる。また、複数の第１ターボチャージャ１０及び複数の第２ターボチャージャ２４として小型のターボチャージャを用いることにより、良好なメンテナンス性を実現することができる。

図３は、図１及び図２に示したターボクラスターガスタービンシステム２について、出力タービン６の入口における燃焼ガスの温度を１３００℃に設定した場合のサイクル評価を示す図である。

図３に示す例では、第２空気ライン３０にインタークーラー３８が設けられており、第２空気ライン３０を流れる圧縮空気はインタークーラー３８で冷却媒体との熱交換により冷却される。図３に示す例では、コンプレッサ２６の入口における空気の温度及び圧力は２０℃及び０．１Ｍｐａであり、インタークーラー３８の入口における圧縮空気の温度は２２２℃であり、コンプレッサ１２の入口における圧縮空気の温度は５９℃であり、燃焼器４の入口における圧縮空気の温度は２７１℃である。また、燃焼器４の出口における燃焼ガスの温度及び圧力（出力タービン６の入口における燃焼ガスの温度及び圧力）は１３００℃及び１．７９Ｍｐａであり、タービン１４の入口における燃焼ガスの温度は９６８℃であり、タービン２８の入口における燃焼ガスの温度は８０２℃であり、タービン２８の出口における燃焼ガスの温度及び圧力は６４４℃及び０．１ＭＰａである。

図３に示す構成では、出力タービン６が第１燃焼ガスライン１６に設けられているため、出力タービン６を通って温度が低下した燃焼ガスを第１ターボチャージャ１０に供給することができる。このため、燃焼器４の出口における燃焼ガスの温度を通常の舶用ガスタービンの燃焼器の出口における燃焼ガスの温度と同レベルの温度である１３００℃程度に設定しても、第１ターボチャージャ１０のタービン１４の入口における燃焼ガスの温度は９６０℃程度まで低下する。したがって、耐熱性の観点において、ニッケル基合金等が構成部品の材料に使用される自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャ（ライン生産による低コスト化が可能なターボチャージャ）を第１ターボチャージャ１０として使用することができ、ターボクラスターガスタービンシステム２の低コスト化を実現することができる。

図４は、図３に示す構成における出力タービン６の入口における燃焼ガスの温度（タービン入口温度）と出力タービンに連結された発電機９の出力との関係を示す図であり、タービン入口温度を１０５０℃、１３００℃及び１４５０℃に設定した場合について示している。なお、図３及び図４に示す例では、第１ターボチャージャ１０及び第２ターボチャージャ２４の各々には冷却機構は設けられていない。

図４に示すように、タービン入口温度が高くなるにつれて発電機の出力が増大する。また、タービン入口温度が１０５０℃、１３００℃及び１４５０℃の何れの場合であっても、第１ターボチャージャ１０及び第２ターボチャージャ２４の各々に冷却機構を設けることなく上記自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャを第１ターボチャージャ１０及び第２ターボチャージャ２４として使用することができ、低コストなターボクラスターガスタービンシステム２を実現することができる。また、タービン入口温度が１０５０℃の場合には、出力タービン６の各翼にも冷却機構を設ける必要が無く、より低コストなターボクラスターガスタービンシステム２を実現することができる。

図５は、上記ターボクラスターガスタービンシステム２における燃焼器４と過給システム８の第１ターボチャージャ１０との対応関係の一例を示す模式図である。図６は、図５に示した構成について、出力タービン６の軸方向視における燃焼器４と過給システム８の第１ターボチャージャ１０の配置を示す模式図である。

幾つかの実施形態では、図５及び図６に示すように、複数の過給システム８は、複数の燃焼器４に圧縮空気をそれぞれ供給するように構成される。図５及び図６に示す例示的形態では、燃焼器４の個数（燃焼筒の個数）は１６個であり、過給システム８の個数（第１ターボチャージャ１０の個数）は１６個であり、燃焼器４の個数と過給システム８の個数は一致している。このため、一つの燃焼器４（一つの燃焼筒）に対して一つの第１ターボチャージャ１０のコンプレッサ１２から圧縮空気が第１空気ライン１５を介して供給される。

図５及び図６に示す実施形態では、各過給システム８の第１空気ライン１５は他の過給システム８の第１空気ライン１５と合流することなく対応する燃焼器４に接続されるため、スムーズな過給によって圧力損失を低くして高効率な燃焼を実現することができる。

また、複数の第１ターボチャージャ１０のうち駆動する第１ターボチャージャ１０の個数を調節することによって、柔軟な部分負荷運転を実現することができる。図５及び図６に示す例では、最大負荷の１／１６から出力を得ることができる。

幾つかの実施形態では、図５及び図６に示すように、出力タービン６は、出力タービン６の車室４０を燃焼器４と出力タービン６の１段静翼４２との間で周方向に複数の車室部４４に仕切るように径方向に沿って延在する複数の仕切部４６を備える。車室部４４の各々には、複数の燃焼器４から排出された燃焼ガスが供給される。図示する例示的形態では、出力タービン６は、出力タービン６の車室４０を燃焼器４と出力タービン６の１段静翼４２との間で周方向に４つの車室部４４に仕切る４つの仕切部４６を備え、車室部４４の各々には４つの４つの燃焼器４から燃焼ガスが供給される。

かかる構成によれば、車室部４４毎に該車室部４４に対応する複数の第１ターボチャージャ１０の駆動又は停止を制御することによって、複数の車室部４４のうち燃焼ガスを流入させる車室部４４の割合（部分挿入率）を容易に調節することができる。図示する例示的形態では、部分挿入率を２５％、５０％、７５％、及び１００％に容易に切り替えることができ、全ての負荷帯で高性能なロバスト特性を得ることができる。

幾つかの実施形態では、例えば図５に示す構成において、出力タービン６は、１段静翼４２及び１段動翼４３を有するラトー段４８を含む。ターボクラスターガスタービンシステム２の出力タービン６の回転軸１８にはコンプレッサは連結されていないため、部分挿入タービンとして高性能なラトー段４８を採用することにより、スラスト荷重を低減しつつ高性能化を実現でき、一石二鳥の効果がある。

幾つかの実施形態では、例えば図７に示すように、第１空気ライン１５には、熱交換器５０が設けられる。図７に示す構成では、第１空気ライン１５を流れる圧縮空気は、第２ターボチャージャ２４のタービン２８から排出された燃焼ガスと熱交換器５０にて熱交換を行って昇温され、その後燃焼器４に供給される。

これにより、燃焼器４から排出された燃焼ガスの熱エネルギーを回収してターボクラスターガスタービンシステム２の高効率化を実現することができる。

幾つかの実施形態では、例えば図８に示すように、第２ターボチャージャ２４のタービン２８から排出された燃焼ガスのエネルギーをランキンサイクルとの組み合わせにより回収してもよい。図８に示す構成では、ターボクラスターガスタービンシステム２は、発電機５２が接続されたタービン５４と、凝縮器５６と、ポンプ５８と、熱交換器６０とを含む。ポンプ５８によって熱交換器６０に供給された熱媒体は、第２ターボチャージャ２４のタービン２８から排出された燃焼ガスとの熱交換により昇温されて気化し、タービン５４を駆動する。

これにより、タービン２８から排出された燃焼ガスのエネルギーを発電機５２から得られる電力により回収することができる。例えば客船、商船、又は発電バージ等の付帯設備においてはタービン５４として蒸気タービンを好適に用いることができ、コンパクト化が重要な艦艇等においては熱交換器のコンパクト化が可能な超臨界ＣＯ_２タービンをタービン５４として好適に用いることができる。

また、ターボクラスターガスタービンシステム２では、各ターボチャージャ１０，２４の配管経路がそれぞれ分かれているため、例えば図７又は図８に示す熱交換器３８，５０，６０に多方向から熱媒体を入れることが可能であり、熱交換器３８，５０，６０周りのレイアウトの自由度が向上し、コンパクト化が可能である。また、例えばミストセパレータや熱交換器、排気設備等もある程度クラスター化して自動車のように各ターボチャージャ１０，２４に合わせて設置すれば、レイアウトの自由度が向上する。

幾つかの実施形態では、例えば図９に示すように、ターボクラスターガスタービンシステム２は、燃焼器４の着火のためのスタータとしてのレシプロエンジン６２を備える。レシプロエンジン６２は、複数の過給システム８のうち例えば１つ又は２つのみに設けられる。レシプロエンジン６２は起動ライン６４を介して第１燃焼ガスライン１６に接続されており、第１燃焼ガスライン１６には起動ライン６４との接続位置よりも上流側にバルブ６６が設けられており、起動ライン６４にはバルブ６８が設けられている。

当該システム２の起動時にはバルブ６６を閉状態としバルブ６８を開状態として、レシプロエンジン６２から排出される圧縮空気を起動ライン６４及び第１燃焼ガスライン１６を介して第１ターボチャージャ１０のタービン１４に供給して第１ターボチャージャ１０の回転を開始する。第１ターボチャージャ１０のタービン１４を通過した圧縮空気は第２ターボチャージャ２４のタービン２８に供給されて第２ターボチャージャ２４が回転を開始する。回転を開始した第２ターボチャージャ２４のコンプレッサ２６によって圧縮された空気は、コンプレッサ２６から排出されて第１ターボチャージャ１０のコンプレッサ１２に供給され、コンプレッサ１２によってさらに圧縮される。コンプレッサ１２から排出された圧縮空気は、第１空気ライン１５を通って燃焼器４（図１参照）へ供給され、燃焼器４は供給された圧縮空気を用いて燃料に着火する。そして、燃焼器４から排出された燃焼ガスを出力タービン６（図１参照）に供給して出力タービン６の回転を開始する。

これにより、レシプロエンジン６２を用いた簡素な構成で燃焼器４における速やかな着火を実現し、燃焼器４で生成された燃焼ガスにより出力タービン６を駆動することで、ターボクラスターガスタービンシステム２を迅速に起動することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した幾つかの実施形態では、出力タービン６が第１燃焼ガスライン１６に設けられた構成を例示したが、他の実施形態では、例えば図１０に示すように、出力タービン６は第２ターボチャージャ２４のタービン２８の下流側に設けられていてもよい。図１０に示す構成では、過給システム８の各々は、第２ターボチャージャ２４のタービン２８を通過した燃焼ガスを出力タービン６に供給するための第３燃焼ガスライン７０を含む。

かかる構成においても、燃焼器４の出口における燃焼ガスの温度を１０５０℃程度に調節することにより、耐熱性の観点において、ニッケル基合金等が構成部品の材料に使用される自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャを第１ターボチャージャ１０及び第２ターボチャージャ２４として使用することができ、ターボクラスターガスタービンシステム２の低コスト化を実現することができる。

また、上述した幾つかの実施形態では、出力タービンが発電機に連結された構成を例示したが、出力タービンは、例えば船舶の推進力を得るためのプロペラに連結されてもよい。第１ターボチャージャ及び第２ターボチャージャとして自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャを使用する場合、自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャの高応答性の点で、上記プロペラの駆動に好適に使用することができる。

また、上述した幾つかの実施形態では、複数の燃焼器を備えるターボクラスターガスタービンシステムを例示したが、ターボクラスターガスタービンシステムが備える燃焼器の数は１つであってもよい。この場合、複数の過給システムで生成された圧縮空気が１つの燃焼器に供給される。

また、上述した幾つかの実施形態では、複数の第２ターボチャージャを備える過給システムを例示したが、過給システムが備える第２ターボチャージャの数は１つであってもよい。

また、他の実施形態ではターボクラスターガスタービンシステム自体が複数設けられていてもよい。

２ ターボクラスターガスタービンシステム
４ 燃焼器
６ 出力タービン
８ 過給システム
９ 発電機
１０ 第１ターボチャージャ
１２ コンプレッサ
１４ タービン
１５ 第１空気ライン
１６ 第１燃焼ガスライン
１８ 回転軸
２０ 回転軸
２２ 回転軸
２４ 第２ターボチャージャ
２５ クラスター
２６ コンプレッサ
２８ タービン
３０ 第２空気ライン
３２ 第２燃焼ガスライン
３４ 第１マニホールド
３６ 第２マニホールド
３８ インタークーラー（熱交換器）
４０ 車室
４２ １段静翼
４３ １段動翼
４４ 車室部
４６ 仕切部
４８ ラトー段
５０ 熱交換器
５２ 発電機
５４ タービン
５６ 凝縮器
５８ ポンプ
６０ 熱交換器
６２ レシプロエンジン
６４ 起動ライン
６６ バルブ
６８ バルブ
７０ 第３燃焼ガスライン

Claims (14)

1. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するように構成された少なくとも一つの燃焼器と、
   前記少なくとも一つの燃焼器からの前記燃焼ガスによって駆動されるように構成された出力タービンと、
   前記少なくとも一つの燃焼器に供給するための圧縮空気を供給するように構成された複数の過給システムと、
   を備え、
   前記過給システムの各々は、
   前記出力タービンの回転軸とは別体で構成された回転軸を有し、前記燃焼器からの前記燃焼ガスによって駆動するように構成された第１ターボチャージャと、
   前記第１ターボチャージャのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を前記燃焼器に供給するための第１空気ラインと、
   前記燃焼器からの前記燃焼ガスを前記第１ターボチャージャのタービンに供給するための第１燃焼ガスラインと、
   を含む、ターボクラスターガスタービンシステム。
2. 前記過給システムの各々は、
   前記出力タービンの回転軸及び前記第１ターボチャージャの回転軸の各々とは別体で構成された回転軸を有する少なくとも一つの第２ターボチャージャと、
   前記第２ターボチャージャのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を前記第１ターボチャージャのコンプレッサに供給するための第２空気ラインと、
   前記第１ターボチャージャのタービンから排出された前記燃焼ガスを前記第２ターボチャージャのタービンに供給するための第２燃焼ガスラインと、
   を含む、請求項１に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
3. 前記ターボクラスターガスタービンシステムは、複数の前記燃焼器を含み、
   前記複数の過給システムは、前記複数の燃焼器に圧縮空気をそれぞれ供給するように構成された、請求項２に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
4. 前記出力タービンは、前記第１燃焼ガスラインに設けられた、請求項２又は３に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
5. 前記過給システムの各々は、前記第２ターボチャージャのタービンを通過した前記燃焼ガスを前記出力タービンに供給するための第３燃焼ガスラインを含む、請求項２又は３に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
6. 前記過給システムの各々は、前記第２空気ラインに設けられたインタークーラーを含む、請求項２乃至５の何れか１項に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
7. 前記第１ターボチャージャの個数と前記第２ターボチャージャの個数の合計は、１０以上である、請求項２乃至６の何れか１項に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
8. 前記第１空気ラインを流れる圧縮空気と前記第２ターボチャージャの前記タービンから排出された燃焼ガスとの熱交換を行うための熱交換器を更に備える、請求項２乃至７の何れか１項に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
9. 前記第２ターボチャージャのタービンから排出された燃焼ガスと熱媒体との熱交換を行うための熱交換器と、
   前記熱交換器から排出された熱媒体によって駆動されるように構成されたタービンと、
   を更に備える、請求項２乃至７の何れか１項に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
10. レシプロエンジンと、
    前記レシプロエンジンの出口と前記第１燃焼ガスラインとを接続する起動ラインと、
    前記第１燃焼ガスラインと前記起動ラインとの接続位置よりも前記第１燃焼ガスラインの上流側に設けられたバルブと、
    前記起動ラインに設けられたバルブと、
    を更に備える、請求項１乃至９の何れか１項に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
11. 前記第１ターボチャージャは、前記燃焼ガスに対する耐熱性を満たすように構成される、請求項１乃至１０の何れか１項に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
12. 前記第１ターボチャージャは、自動車用ガソリンエンジン向けのターボチャージャである、請求項１乃至１１の何れか１項に記載のターボクラスターガスタービンシステム。
13. レシプロエンジンから排出される圧縮空気を第１ターボチャージャのタービンに供給して前記第１ターボチャージャの回転を開始するステップと、
    回転を開始した前記第１ターボチャージャのコンプレッサから排出された圧縮空気を燃焼器へ供給するステップと、
    前記燃焼器に供給された前記圧縮空気を用いて燃料に着火するステップと、
    前記燃焼器から排出された燃焼ガスを出力タービンに供給して前記出力タービンの回転を開始するステップと、
    を備える、ターボクラスターガスタービンシステムの起動方法。
14. 前記第１ターボチャージャのタービンを通過した圧縮空気を第２ターボチャージャのタービンに供給して前記第２ターボチャージャの回転を開始するステップと、
    回転を開始した前記第２ターボチャージャのコンプレッサから排出された圧縮空気を前記第１ターボチャージャのコンプレッサへ供給するステップと、
    を更に備える、請求項１３に記載のターボクラスターガスタービンシステムの起動方法。

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