圧力増大燃焼で作動する高効率ガスタービンの実証研究

パルス燃焼と定圧燃焼の2本の燃焼室を組み合わせて使用する本研究の燃焼器では，各燃焼室の燃焼ガスが合流する燃焼器出口において圧力増大を評価することが課題であった．そのため，本年度は燃焼器出口における燃焼ガスの圧力や流速，温度を計測できる観測部を新たに製作した．流速計測には水蒸気の赤外波長吸収特性を応用した半導体レーザ吸収法（TDLAS）の適用を試み，計測光学系を構築した．パルス燃焼が圧縮機やタービンの作動に与える影響を調査した．40サイクル毎秒でパルス燃焼するときのタービン回転数と燃焼サイクル速度を比較したところ，燃焼1サイクルの間にタービン翼は60回転していることがわかった．これはパルス燃焼で生じた高温高圧の燃焼ガスがタービンを駆動しているのはわずかであり，熱効率向上への寄与が非常に小さいことを意味する．パルス燃焼時の圧縮機の作動状態を調べたところ，圧縮機の圧力や流量はパルス燃焼時の圧力上昇によりせき止めのような作用を受けていることがわかった．圧力や流量の変動は燃焼サイクルと同じ周期で非常に大きく変動しており，圧縮機断熱効率が悪化していることが示唆された．圧縮機やタービンの断熱効率が圧力増大燃焼を応用したガスタービンにどのような影響を持つか調べるためにサイクル解析を行った．圧力増大燃焼では燃焼圧力に加えて燃焼温度も同一の当量比で定圧燃焼した値より高くなる．これが熱効率の向上に寄与していることを明確にした．一方，圧縮機やタービンの断熱効率を考慮し，タービン入口温度の制限を加えると，圧力増大燃焼による熱効率向上の効果は小さくなり，また低い圧力比の場合に限定されることが明らかとなった．

パルス燃焼と定圧燃焼の2本の燃焼室を組み合わせて使用する本研究の燃焼器では，各燃焼室の燃焼ガスが合流する燃焼器出口において圧力増大を評価することが課題であった．そのため，本年度は燃焼器出口における燃焼ガスの圧力や流速，温度を計測できる観測部を新たに製作した．流速計測には水蒸気の赤外波長吸収特性を応用した半導体レーザ吸収法（TDLAS）の適用を試み，計測光学系を構築した．パルス燃焼が圧縮機やタービンの作動に与える影響を調査した．40サイクル毎秒でパルス燃焼するときのタービン回転数と燃焼サイクル速度を比較したところ，燃焼1サイクルの間にタービン翼は60回転していることがわかった．これはパルス燃焼で生じた高温高圧の燃焼ガスがタービンを駆動しているのはわずかであり，熱効率向上への寄与が非常に小さいことを意味する．パルス燃焼時の圧縮機の作動状態を調べたところ，圧縮機の圧力や流量はパルス燃焼時の圧力上昇によりせき止めのような作用を受けていることがわかった．圧力や流量の変動は燃焼サイクルと同じ周期で非常に大きく変動しており，圧縮機断熱効率が悪化していることが示唆された．圧縮機やタービンの断熱効率が圧力増大燃焼を応用したガスタービンにどのような影響を持つか調べるためにサイクル解析を行った．圧力増大燃焼では燃焼圧力に加えて燃焼温度も同一の当量比で定圧燃焼した値より高くなる．これが熱効率の向上に寄与していることを明確にした．一方，圧縮機やタービンの断熱効率を考慮し，タービン入口温度の制限を加えると，圧力増大燃焼による熱効率向上の効果は小さくなり，また低い圧力比の場合に限定されることが明らかとなった．