豊田中央研究所R&Dレビュー＞号別リスト＞Vol.41No.1＞要旨集（特集）
　 電子ジャーナル　技報R&Dレビュー

要旨集●Vol.41 No.1（2006年3月発行）
特集：Core Technology of Micro Gas Turbine for Cogeneration System
（コージェネレーション用マイクロガスタービン要素技術）
　Review
P.1

大久保陽一郎

　

With the aim of preventing global warming, the Kyoto Protocol demands that Japan reduces its emissions of carbon dioxide (CO2) to a level that is 6 % lower than 1990 levels. To this end, it is necessary to further promote energy conservation. One means of doing so is by introducing cogeneration systems. In addition, it is important to develop a technology that can make use of recyclable energy such as biomass fuel instead of fossil fuel. For Japan, moreover, it is good policy to have an optimum mix of energy sources, given that the country has meager energy resources of its own. In other words, there is a huge demand for energy-efficient and environmentally friendly technologies. The development of small-size independent distributed electricity generating systems is therefore important both technically and socially in order to promote the spread of cogeneration systems.

A gas turbine is a promising power source in that it can cleanly burn a range of fuel types and be used as the basis of a high-efficiency system. Therefore, using the technology accumulated from the development of gas turbines for automobiles, we developed a micro gas turbine for a cogeneration system that realizes an overall energy efficiency (electricity and heat) of 70 %. In this article, we will consider the past and present state of micro gas turbine technology, and consider its future prospects.

　地球温暖化防止の観点から，京都議定書では日本に，1990年のCO2排出量に対して6％の排出削減を求めている。それを達成するための1つの方策として，コージェネレーションシステムの導入による省エネルギーを一層促進することが必要である。さらに，化石燃料に依存するエネルギーから脱却して，バイオマス燃料のような再生可能なエネルギーを使用できるようにすることも重要なことである。また，資源の乏しい日本にとって，エネルギー資源のベストミックスを持つことが本質的なことである。つまり，エネルギー効率が良く，しかも環境にやさしい技術が求められているということである。技術的または社会的には小型自立分散型システムの構築が必要である。それを実現するには，様々な燃料をクリーンに燃焼できる動力源の中でガスタービンが有望と考えられる。そこで，我々は自動車用ガスタービンで蓄積した技術を基にして，70％の総合熱効率を実現するコージェネレーションシステム用マイクロガスタービンを開発した。本稿ではマイクロガスタービンに関して，過去と現在から今後を概観する。

(468k)

TOP▲

　
　Research Reports
P.12

大久保陽一郎

　

Simple-cycle and recuperated-cycle micro gas turbines (MGT) were developed for use in cogeneration systems. A simple-cycle MGT is better suited to applications that require steady heat energy (steam) more than electric power. A recuperated-cycle MGT, however, can be used for those applications that need both electricity and heat energy.

Firstly, lean premixed combustion with a multistage fuel supply was investigated for a 300-kWe class simple-cycle MGT. An NOx emission level of less than 15 ppm (O2 = 16 %) with town gas as the fuel was demonstrated when the equivalence ratio of the primary lean pre-mixture was held at a constant value of less than 0.6 and the pilot fuel constituted about 10 % of the total fuel flow rate. Secondly, to investigate low-NOx combustion for a 50-kWe class recuperated-cycle MGT, we examined lean premixed combustion that produces a NOx level of less than 10 ppm (O2 = 16 %) with town gas and also lean premixed, pre-vaporized combustion with kerosene that produces a NOx level of less than 20 ppm (O2 = 16 %).

　コージェネレーション用ガスタービンとして単純サイクルと再生サイクルを開発した。単純サイクルガスタービンは排気熱が多く，主に多くの蒸気を利用するユーザーに最適である。熱と電気を主に使用するユーザーには再生サイクルガスタービンが適している。そこで，300kWe級単純サイクルガスタービン用低NOx燃焼器として，多段燃料供給の希薄予混合燃焼器を開発し，都市ガスに対してNOx排出が15ppm (O2 = 16 %) 未満を実証した。さらに，50kWe級再生式ガスタービン用低NOx燃焼器として，都市ガスに対してNOx排出が10ppm (O2 = 16 %) 未満の希薄予混合燃焼器と，灯油に対してNOx排出が20ppm (O2 = 16 %) 未満の予蒸発予混合燃焼器を開発した。

(692K)

TOP▲

　

　
P.24

大塚正義

　

One of the advanced technologies incorporated into a micro gas turbine (MGT) is the dynamic air-lubricated (no oil lubrication) bearing. We investigated the performance characteristics of a self-acting air-lubricated bearing in a 50-kWe MGT. From the results of our experiments, we were able to clarify the following.

(1) The thrust load of 300 N incurred by a 50-kWe MGT cannot be supported by the dynamic air pressure generated by a pocket-type bearing with a micro-meter size groove.

(2) The target performance (a film thickness of at least 20 μm at a load of 300 N) can be achieved by introducing compressed air (air pressure of equal to or more than 120 kPa) into the rotor disc surface through a pocket-groove.

(3) The performance characteristics of the self-acting air-lubricated bearing were improved when a new structure featuring a rear-mounted thrust bearing with a sheet-spring was adopted.

　マイクロガスタービン (MGT) の先進的な技術として，オイルレスの動圧型空気軸受がある。そこで，我々は50kW級MGTを対象に動圧型空気軸受の特性を検討した。その結果，スラスト軸受について以下のことがわかった。(1) ポケット溝により発生する空気動圧のみでは荷重300Nを支持できない。(2) 空気導入 (入口圧120kPa以上) により，目標性能 (荷重300Nで軸受すきま20μm以上) をクリアできる。(3) スラスト軸受面を板ばねで支持する構造を採用することで，空気軸受の特性が改善した。

(1.8MB)

TOP▲

　
P.36
畦上修

A hybrid power system consisting of a pressurized molten carbonate fuel cell (MCFC) and a micro gas turbine (MGT) has been developed to demonstrate the system's high power generation efficiency (target of 55 %), very low NOx emissions, and the ability to use high-temperature gasification gas (biogas) as its fuel.
The MCFC generator is pressurized, and is powered by reformed fuel and process air supplied by the compressor of the MGT. The MGT is a single-shaft gas turbine that powers a high-speed direct-drive alternator. The MGT generator offers increased power output and thermal efficiency thanks to its utilization of thermal energy from the pressurized MCFC exhaust gas. The heat exhausted from the MGT is recovered by a heat recovery steam generator (HRSG) and the low-temperature heat exchanger of a hot water driven absorption refrigeration machine.

The MGT combustor plays an important role during system start-up. The system is able to operate, however, without any combustor firing within a load range of 75 % to 100 %. Therefore the NOx emissions are almost zero.

This system was demonstrated at the Aichi World Exposition held in 2005, Japan. The MCFC/MGT hybrid system can use both high-temperature gasification gas (biogas) as well as town gas as its fuel. A maximum efficiency of 52 % at 300 kW was obtained, and the total on-site operating time reached about 5,200 hours with no failures.

　溶融炭酸塩形燃料電池 (MCFC) とマイクロガスタービン (MGT) を組み合わせた加圧型ハイブリッドシステムを用いて，大型発電設備に匹敵する高い発電効率とNOx等の排出がない優れた環境調和性を兼ね備えた小型自立分散型コージェネレーションシステムの開発を行っている。このシステムは，MCFCの特徴である高温運転による排熱 (排ガス温度は約650℃) を利用してMGTで発電を行うハイブリッドシステムである。またMCFCの作動圧力を上げる (4気圧程度) ことにより燃料電池の効率を向上させることができる。MGT下流には蒸気ボイラ，温水ボイラを設置し，排熱回収を行っている。さらに，新たなMGT制御方法を開発することで，高負荷発電時にMGT燃焼器を消火させるので，NOxがゼロのクリーンな排気を実現した点もこのシステムの特徴である。愛知万博会場で行った実証試験において，最大負荷303kW，最高効率52 %を達成した。期間中，5,200h以上の運転時間を記録したが，トラブルなく運転を行うことができた。

　

(1.9MB)

TOP▲