JP2001221014A - Closed-cycle gas turbine and mover driven by it - Google Patents

Closed-cycle gas turbine and mover driven by it

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JP2001221014A
JP2001221014A JP2000067697A JP2000067697A JP2001221014A JP 2001221014 A JP2001221014 A JP 2001221014A JP 2000067697 A JP2000067697 A JP 2000067697A JP 2000067697 A JP2000067697 A JP 2000067697A JP 2001221014 A JP2001221014 A JP 2001221014A
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Japan
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turbine
gas
power
working fluid
expansion
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JP2000067697A
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Japanese (ja)
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Takeshi Hatanaka
武史 畑中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a completely clean, small, high-performance, long-life and low-cost closed-cycle gas turbine capable of preventing air pollution and global warming, and a machine system driven by the turbine. SOLUTION: As a power system 12 of the machine system 14, the closed-cycle gas turbine 10 is adopted. The gas turbine 10 is provided with a high pressure pump 24, and high temperature gas is electrically generated from two-phase liquid formed of a compound by an electric evaporator 16. The two-phase liquid is injected to the gas to generate high pressure steam in a mixing chamber 18, thereby driving an expansion turbine 22. Expansion gas is condensed by a condenser 22 and circulated to the high pressure pump 24.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】 この発明は密閉サイクルガスタ
ービンおよび動力システムに関し、とくに、密閉サイク
ル動力システムおよびこれにより駆動される機械システ
ムに関する。
The present invention relates to a closed cycle gas turbine and a power system, and more particularly, to a closed cycle power system and a mechanical system driven by the same.

【0002】[0002]

【従来技術】 石油資源の涸渇化、自動車、工場および
発電プラント等の各種産業分野から排出される有害ガス
による大気汚染ならびに炭酸ガス排出による地球温暖化
防止の有効な対策として、近年、密閉サイクルガスター
ビンが注目され、これを利用した動力システムが提案さ
れている。
2. Description of the Related Art In recent years, closed cycle gas has been used as an effective measure to prevent depletion of petroleum resources, air pollution caused by harmful gases emitted from various industrial fields such as automobiles, factories and power plants, and global warming caused by carbon dioxide emission. Attention has been paid to turbines, and power systems using the turbines have been proposed.

【0003】 米国特許第4,876,855号にはボ
イラー、タービンおよび凝縮器からなる密閉サイクルの
ランキンサイクルパワープラントが提案されている。こ
の技術において、第1に、ボイラーは大型で効率が悪
く、しかも製造コストが高く、第2に、2流体を利用し
た作動流体は蒸気圧が低く、発電効率が低い。
[0003] US Patent No. 4,876,855 proposes a closed cycle Rankine cycle power plant consisting of a boiler, a turbine and a condenser. In this technology, first, the boiler is large and inefficient, and the manufacturing cost is high. Second, the working fluid using the two fluids has a low vapor pressure and low power generation efficiency.

【0004】 米国特許第5,570,579号には第
1および第2タービンホイールからなる高速マシンによ
る密閉サイクルの動力システムが提案されている。この
技術において、第1および第2タービン用の配管系がい
ずれも大型の蒸発器内に延長され、都市ガスまたは石油
系燃料のバーナにより加熱されるシステムが採用されて
いる。このシステムでは構造上蒸発器が大型となり、し
かも、NOX、SOX、COの環境汚染物質を大量に
放出する。第2に、動力システムが大型化、高コストと
なる。さらに、システムにおいて多量の配管が採用さ
れ、管路が長いため、流路抵抗が大きくなって発電効率
が低下する。
[0004] US Patent No. 5,570,579 proposes a closed cycle power system with a high speed machine comprising first and second turbine wheels. In this technique, a system in which the piping systems for the first and second turbines are both extended into a large-sized evaporator and heated by a city gas or petroleum-based fuel burner is employed. Structural evaporator becomes large in this system, moreover, NOX, SOX, is released in large quantities of environmental pollutants CO 2. Second, the power system becomes large and expensive. Further, since a large number of pipes are used in the system and the pipes are long, the flow path resistance is increased and the power generation efficiency is reduced.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】 従来の密閉サイクル
動力システムはいずれも大型で効率が悪く、したがっ
て、小型高性能化、低コスト化が困難であった。したが
って、分散型の小型発電システムや、乗用車、トラッ
ク、バス等の車輛や、船舶、航空機用のコンパクトな動
力システムとして実用化することが困難であった。
The conventional closed cycle power systems are all large and inefficient, so it has been difficult to reduce the size and performance of the system and to reduce the cost. Therefore, it has been difficult to put it into practical use as a distributed small power generation system or a compact power system for vehicles such as passenger cars, trucks, buses, ships, and aircraft.

【0006】 本発明は小型高性能で低コスト、低ラン
ニングコストの次世代エネルギーシステムとして利用可
能な密閉サイクルガスタービンおよびこれにより駆動さ
れる機械システムを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a closed cycle gas turbine that can be used as a next-generation energy system having a small size, a high performance, a low cost, and a low running cost, and a mechanical system driven by the gas turbine.

【0007】 本発明の他の目的はコジェネ用の分散型
小型発電機から大型発電機まで、ならびに自動二輪車、
乗用車、トラック、バス、特殊車輛、建設機械、農業機
械、航空機、船舶、宇宙探査機、地中探査機、海中探査
機等の移動体からなる機械システム用に実用化が可能な
小型高性能、コンパクト、長寿命、低コストの密閉サイ
クルガスタービンを提供することを目的とする。
[0007] Other objects of the present invention are from distributed small generators for cogeneration to large generators, as well as motorcycles,
Small and high-performance that can be practically used for mechanical systems consisting of moving objects such as passenger cars, trucks, buses, special vehicles, construction machinery, agricultural machinery, aircraft, ships, space probes, underground probes, underwater probes, etc. An object of the present invention is to provide a compact, long-life, low-cost closed-cycle gas turbine.

【0008】[0008]

【問題を解決するための手段】 本願第1発明におい
て、密閉サイクルガスタービンは、(a)液相およびガ
ス相を有する化合物を含む作動流体が封入されたクロー
ズドシステムを備えたエンジンハウジングと; (b)エンジンハウジング内に収納されていて作動流体
を加熱して動力ガスを生成する電気蒸発手段と; (c)動力ガスを膨張させて動力を発生する膨張タービ
ンと; (d)膨張ガスを冷却して凝縮液を生成する凝縮器と; (e)エンジンハウジング内で膨張タービンに連結され
ていて凝縮液を加圧下で電気蒸発手段に供給する高圧ポ
ンプと; を備えることにより達成される。
[Means for Solving the Problems] In the first invention of the present application, the closed cycle gas turbine includes: (a) an engine housing including a closed system in which a working fluid containing a compound having a liquid phase and a gas phase is sealed; b) an electric evaporation means housed in the engine housing and heating the working fluid to generate a power gas; (c) an expansion turbine for expanding the power gas to generate power; and (d) cooling the expansion gas. And (e) a high-pressure pump coupled to the expansion turbine in the engine housing and supplying the condensate under pressure to the electric evaporation means.

【0009】 本願第2発明において、機械システム
は、(a)液相およびガス相を有する化合物を含む作動
流体が封入されたクローズドシステムを備えたエンジン
ハウジングと; (b)エンジンハウジング内に収納されていて作動流体
を加熱して動力ガスを生成する電気蒸発手段と; (c)動力ガスを膨張させて動力を発生する膨張タービ
ンと; (d)膨張ガスを冷却して凝縮液を生成する凝縮器と; (e)エンジンハウジング内で膨張タービンに連結され
ていて凝縮液を加圧下で電気蒸発手段に供給する高圧ポ
ンプと; (f)膨張タービンにより駆動される発電機と; (g)発電機の電気出力により駆動されるモータ手段
と; (h)モータ手段により駆動される推進手段と; を備えることにより達成される。
In the second invention of the present application, the mechanical system includes: (a) an engine housing including a closed system in which a working fluid containing a compound having a liquid phase and a gas phase is sealed; and (b) housed in the engine housing. And (c) an expansion turbine that expands the power gas to generate power; and (d) condenses to cool the expansion gas to generate a condensate. (E) a high-pressure pump connected to the expansion turbine in the engine housing and supplying condensate under pressure to the electric evaporation means; (f) a generator driven by the expansion turbine; (g) power generation Motor means driven by the electrical output of the machine; and (h) propulsion means driven by the motor means.

【0010】[0010]

【作用】 本発明の密閉サイクルガスタービンおよびこ
れにより駆動される機械システムにおいて、液相および
ガス相の二相液体からなる作動流体を電気蒸発手段にお
いて電熱素子と接触させることにより動力ガスを生成し
て膨張タービンにより動力を発生させ、タービン排気を
凝縮して凝縮液を生成し、凝縮液を高圧ポンプにより加
圧下で電気蒸発器に循還させることにより、小型高性能
化、高効率化、低コスト化を図るようにしたものであ
る。
In the closed cycle gas turbine of the present invention and the mechanical system driven by the same, a working fluid comprising a two-phase liquid of a liquid phase and a gas phase is brought into contact with an electric heating element in an electric evaporation means to generate a power gas. Power by the expansion turbine, condensing the turbine exhaust to generate condensate, and circulating the condensate to the electric evaporator under pressure by a high-pressure pump, resulting in compact, high-performance, high-efficiency, The cost is reduced.

【0011】[0011]

【実施例】 図1は本発明の望ましい実施例による密閉
サイクルガスタービン10を採用した動力システム12
を組み込んだハイブリッド移動体からなる機械システム
14を示す。ガスタービン10は電機蒸発器16、ミキ
シングチャンバ18、蒸気加減弁19、膨張タービン2
0、凝縮器22および高圧ポンプ24からなる密閉サイ
クル26を備える。密閉サイクル26内には水、アンモ
ニア、アルコール、アミン、フッソ化合物からなる群か
ら選ばれた単一または混合物からなるガス相および液相
の化合物の溶液が利用される。フッソ化合物はアルコー
ル系フッソ化物であるフルオリノール C
Hが耐熱性が高くて水と良く混合するので良い。とく
に、上記化合物の中でメチルアルコールCHOHにア
ンモニア10〜20%を添加した混合物は融点−80
℃、沸点50℃を有し、低温で極めて高圧となる。すな
わち、50℃以上でガス相となり、215℃で100b
ar、260℃で330bar、270℃で400ba
r、280℃で500barの高圧蒸気となり、小型高
性能化に有効であり、本実施例では1例としてこの有機
混合溶液を使用したものとして説明する。
FIG. 1 shows a power system 12 employing a closed cycle gas turbine 10 according to a preferred embodiment of the present invention.
1 shows a mechanical system 14 composed of a hybrid mobile body incorporating the same. The gas turbine 10 includes an electric evaporator 16, a mixing chamber 18, a steam control valve 19, and an expansion turbine 2.
0, a closed cycle 26 comprising a condenser 22 and a high-pressure pump 24. In the closed cycle 26, a solution of a gas phase and a liquid phase compound composed of a single substance or a mixture selected from the group consisting of water, ammonia, alcohol, amine, and fluorine compound is used. The fluorine compound is fluorinol C 2 F 3 H 2 O which is an alcoholic fluorine compound.
H is good because it has high heat resistance and mixes well with water. Particularly, a mixture obtained by adding 10 to 20% of ammonia to methyl alcohol CH 3 OH among the above compounds has a melting point of −80.
° C and a boiling point of 50 ° C. That is, it becomes a gas phase at 50 ° C. or higher and 100 b at 215 ° C.
ar, 330 bar at 260 ° C, 400ba at 270 ° C
It becomes high-pressure steam of 500 bar at 280 ° C., which is effective for miniaturization and high performance. In this embodiment, an example in which this organic mixed solution is used will be described.

【0012】 電気蒸発器16には後述の如く、三相交
流インバータからなる加熱電源28から50〜100v
olts、50〜400Hzの三相交流電力が断続的に
加熱用電力として供給される。このとき、電気蒸発器1
6には混合溶液39が循還系路40、42を介してそれ
ぞれ電気蒸発器16とミキシングチャンバ18に供給さ
れる。電気蒸発器16内で混合溶液は蒸発し、蒸気がミ
キシングチャンバ18に高温ガスとして噴射される。ミ
キシングチャンバ18には加圧下の凝縮液42が噴射さ
れて高温ガスと接触して瞬時に蒸発し、高温高圧作動流
体が動力ガスとして発生する。この作動流体は蒸気加減
弁19を介して膨張タービン20に供給され、出力軸3
4に動力を発生させる。出力軸34には回転センサ35
が連結されて、回転信号が制御装置37に供給される。
なお、電気蒸発器16には温度センサ33が装着され、
温度信号を制御装置37に出力し、制御装置37は電気
蒸発器16が300℃となるように加熱電源28をオン
オフ制御する。さらに、制御装置37は基準回転数に対
応したデータが記憶されていて、回転センサ35からの
出力信号と比較し、エラー信号に応じて出力信号37a
を発生し、蒸気加減弁19を制御して膨張タービン20
への作動流体の供給量を制御して膨張タービン20を定
速制御する。
The electric evaporator 16 is connected to a heating power supply 28 composed of a three-phase AC inverter from a heating power supply 50 to 100 V, as described later.
alts, three-phase AC power of 50 to 400 Hz is intermittently supplied as heating power. At this time, the electric evaporator 1
In 6, the mixed solution 39 is supplied to the electric evaporator 16 and the mixing chamber 18 via the circulation systems 40 and 42, respectively. The mixed solution evaporates in the electric evaporator 16 and the steam is injected into the mixing chamber 18 as a hot gas. The condensed liquid 42 under pressure is injected into the mixing chamber 18, evaporates instantaneously upon contact with the high-temperature gas, and a high-temperature high-pressure working fluid is generated as a power gas. This working fluid is supplied to the expansion turbine 20 through the steam control valve 19 and the output shaft 3
4 to generate power. A rotation sensor 35 is provided on the output shaft 34.
Are connected, and the rotation signal is supplied to the control device 37.
The electric evaporator 16 is provided with a temperature sensor 33,
A temperature signal is output to the control device 37, and the control device 37 controls on / off of the heating power supply 28 so that the temperature of the electric evaporator 16 becomes 300 ° C. Further, the control device 37 stores data corresponding to the reference rotation speed, compares the data with the output signal from the rotation sensor 35, and outputs the output signal 37a according to the error signal.
And controls the steam control valve 19 to control the expansion turbine 20
The expansion turbine 20 is controlled at a constant speed by controlling the supply amount of the working fluid to the expansion turbine 20.

【0013】 ハイブリッド移動体14は前部にラジエ
ータ43と、循還ポンプ41とを備え、冷却水22aが
凝縮器22内に循還されてタービン排気が冷却される。
出力軸34には高圧ポンプ24と膨張タービン20が連
結されていて、さらに、発電機GEが駆動連結される。
GEの交流出力は整整器44で直流変換されて一部はバ
ッテリに充電され、残部はパワーコンバータ48により
交流変換されてモータ/発電機50を駆動し、後輪等の
推進手段52を駆動する。パワーコンバータ48は公知
のインバータと整流機能の両方の機能を有するもので、
ハイブリッド車輛14のブレーキ時にモータ/発電機5
0で発生した交流の回生電力を直流変換してバッテリ4
6に貯蔵する機能を有する。なお、登坂時等の重負荷時
にはモータ/発電機50には発電機GEの出力とバッテ
リ46の出力とが同時に供給されて後輪52の駆動力を
アップする。なお、出力軸34に駆動軸54を介して前
輪56を連結して、これらを直接駆動するようにしても
良い。
The hybrid moving body 14 includes a radiator 43 and a circulation pump 41 at the front, and the cooling water 22 a is circulated into the condenser 22 to cool the turbine exhaust.
The high pressure pump 24 and the expansion turbine 20 are connected to the output shaft 34, and the generator GE is drive-connected.
The AC output of the GE is DC-converted by the adjuster 44 and a part of the battery is charged, and the remainder is AC-converted by the power converter 48 to drive the motor / generator 50 and drive the propulsion means 52 such as rear wheels. . The power converter 48 has both functions of a known inverter and a rectifying function.
Motor / generator 5 when braking hybrid vehicle 14
0, and converts the regenerative power of the AC
6 has the function of storing. At the time of heavy load such as climbing a hill, the output of the generator GE and the output of the battery 46 are simultaneously supplied to the motor / generator 50 to increase the driving force of the rear wheel 52. The front wheels 56 may be connected to the output shaft 34 via the drive shaft 54, and these may be directly driven.

【0014】 図2〜図5はガスタービン10の具体的
構造を示し、図1と同一部品には同一符号が用いられ
る。ガスタービン10は第1〜第3ゾーン60、62、
64を有するエンジンハウジング66を備える。エンジ
ンハウジング66は外筒68と、内筒70と、フロント
エンドプレート72と、絶縁性のリヤエンドプレート7
4とを備える。第1ゾーン60内には電気蒸発器16
と、ミキシングチャンバ18が収納される。第2ゾーン
62内にはフライホイール高圧ポンプ24が配置され、
第3ゾーン64内にフライホイール膨張タービン20が
配置される。図2、図3より明らかなように、第1ゾー
ン60内にアーチ状蒸発室76を有するアーチ状絶縁ケ
ーシング78と、アーチ状ミキシングチャンバ18と、
これらの中間部に形成された高圧流体供給チャンバ80
を備える。第1ゾーン60は高圧ポンプ24と連通する
ように外筒68と内筒70との間に形成された高圧流体
供給路82と連通する。一方、ミキシングチャンバ18
は高圧流体供給路82と隣接して外筒68と内筒70と
の間に形成されて膨張タービン20に高温高圧作動流体
を供給するためのジェット通路84と連通する。
FIGS. 2 to 5 show a specific structure of the gas turbine 10, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The gas turbine 10 includes first to third zones 60, 62,
An engine housing 66 having an engine 64 is provided. The engine housing 66 includes an outer cylinder 68, an inner cylinder 70, a front end plate 72, and an insulating rear end plate 7.
4 is provided. In the first zone 60, the electric evaporator 16
Then, the mixing chamber 18 is stored. The flywheel high-pressure pump 24 is arranged in the second zone 62,
The flywheel expansion turbine 20 is arranged in the third zone 64. As apparent from FIGS. 2 and 3, an arch-shaped insulating casing 78 having an arch-shaped evaporation chamber 76 in the first zone 60, an arch-shaped mixing chamber 18,
A high-pressure fluid supply chamber 80 formed in the middle of these
Is provided. The first zone 60 communicates with a high-pressure fluid supply path 82 formed between the outer cylinder 68 and the inner cylinder 70 so as to communicate with the high-pressure pump 24. On the other hand, the mixing chamber 18
Is formed between the outer cylinder 68 and the inner cylinder 70 adjacent to the high-pressure fluid supply passage 82 and communicates with a jet passage 84 for supplying a high-temperature and high-pressure working fluid to the expansion turbine 20.

【0015】 図2、図3において、電気蒸発器16は
アーチ状蒸発室76内に配置された電熱手段86を備え
る。電熱手段86は蒸発室76の中央部において周方向
に間隔をおいて配置されて加熱電源28(図1参照)に
接続された三相交流電極88、90、92と、蒸発室7
6の底部に固定されて端子93を介して加熱電源28の
中性点または接地される円弧状ニュートラル電極94と
を備える。電熱手段86は、さらに、タングステン等か
らなる固形状の電熱素子96と蓄熱体98との混合物か
らなる。実施例において、混合物は直径3〜20mmの
ボール状電熱素子と、これらと同一径のボール状蓄熱体
からなる。すきま100は混合溶液を通過させるための
微小通路としても機能し、混合流体を効率良く多量のボ
ールと接触させて混合溶液から効率良く高温ガスを生成
する。電気蒸発器16は絶縁ケーシング78に形成され
てアーチ状蒸発室76のアーチ状内壁に交差するように
混合流体を供給する複数の混合流体供給口102と、高
温ガス噴射口104とを備え、ミキシングチャンバ18
は絶縁体78に形成された複数の液噴射口106を備え
る。ミキシングチャンバ18でガス噴射口104から噴
射された高温ガスは液噴射口106から噴射された加圧
溶液と接触して瞬時に蒸発して高温高圧の作動流体がジ
ェット通路84から膨張タービン20に供給される。
In FIG. 2 and FIG. 3, the electric evaporator 16 includes an electric heating means 86 arranged in an arched evaporation chamber 76. The electric heating means 86 is provided at a central portion of the evaporating chamber 76 at intervals in the circumferential direction and is connected to the three-phase AC electrodes 88, 90, and 92 connected to the heating power supply 28 (see FIG. 1).
6 and a circular arc-shaped neutral electrode 94 fixed to the bottom of the heating power supply 28 via a terminal 93 and grounded. The electric heating means 86 further comprises a mixture of a solid electric heating element 96 made of tungsten or the like and a heat storage body 98. In the embodiment, the mixture is composed of a ball-shaped electric heating element having a diameter of 3 to 20 mm and a ball-shaped heat storage element having the same diameter as these. The clearance 100 also functions as a minute passage for allowing the mixed solution to pass therethrough, and efficiently brings the mixed fluid into contact with a large number of balls to efficiently generate a high-temperature gas from the mixed solution. The electric evaporator 16 includes a plurality of mixed fluid supply ports 102 formed in an insulating casing 78 to supply a mixed fluid so as to intersect the arched inner wall of the arched evaporation chamber 76, and a high-temperature gas injection port 104. Chamber 18
Has a plurality of liquid injection ports 106 formed in the insulator 78. The high-temperature gas injected from the gas injection port 104 in the mixing chamber 18 comes into contact with the pressurized solution injected from the liquid injection port 106 and instantaneously evaporates, and a high-temperature and high-pressure working fluid is supplied from the jet passage 84 to the expansion turbine 20. Is done.

【0016】 図2、図4において、フライホイール膨
張タービン20は内筒70内に圧入その他適宜手段で固
定支持されたステータ110と、この中に回転可能に収
納されて出力軸34に連結されたタービンロータ112
とを備える。ステータ110は環状ステータリング11
4と、その中央部から半径方向内側に延びる円弧状ステ
ータブレード116とを備える。一方、タービンロータ
112は第1、第2フライホイールロータデイスク11
8、120を備える。図4より明らかなように、ステー
タ110はそれぞれジェット通路84と連通するジェッ
トノズル122と、外筒68および内筒70の間に形成
された排気チャンバ124と連通するアウトレット12
6とを備える。ジェットノズル122とアウトレット1
26との間には仕切り部材128がステータリング11
4から半径方向内側に延びていてそれぞれジェットノズ
ル122とアウトレット126とに対面するジェットス
トリームガイド面130と、排気ガイド面132を備え
る。
In FIG. 2 and FIG. 4, the flywheel expansion turbine 20 is press-fitted into the inner cylinder 70 and fixedly supported by other appropriate means, and is rotatably housed therein and connected to the output shaft 34. Turbine rotor 112
And Stator 110 is annular stator ring 11
4 and an arc-shaped stator blade 116 extending radially inward from a central portion thereof. On the other hand, the turbine rotor 112 is connected to the first and second flywheel rotor disks 11.
8, 120. As is apparent from FIG. 4, the stator 110 has a jet nozzle 122 communicating with the jet passage 84 and an outlet 12 communicating with an exhaust chamber 124 formed between the outer cylinder 68 and the inner cylinder 70.
6 is provided. Jet nozzle 122 and outlet 1
26, the partition member 128 is connected to the stator ring 11.
4 includes a jet stream guide surface 130 extending radially inward and facing the jet nozzle 122 and the outlet 126, respectively, and an exhaust guide surface 132.

【0017】 図2、図4において、タービンロータ1
12は第1、第2ロータデイスク118、120との間
に形成されていてジェットノズル122とアウトレット
126とに連通する環状ジェット通路134を備え、そ
の中に円弧状ステータブレード116と仕切り部材12
8が収納される。図5より明らかなように、ステータブ
レード116はジェットノズル122に隣接してジェッ
ト流Sを第1、第2ロータデイスク118、120に偏
向させるウエッジ状のメインジェット流偏向ガイド部1
16aと、周期的にジェット流を遮断するためのブレー
ド開閉部116bと、周方向に間隔をおいて形成された
複数の補助偏向ガイド部116cとを備える。補助ガイ
ド部116cは第1、第2ロータデイスク118、12
0に対して、環状ジェット通路134を通過するジェッ
ト流を第1、第2ロータデイスク118、120に回転
方向において偏向させて何度も衝突させてタービン効率
を向上させるためのものである。メイン偏向ガイド部1
16aと、補助偏向ガイド部116cとはステータブレ
ード116を複数個のピースに分割して、それぞれ独立
したピース上に形成しても良い。ブレード開閉部116
bは周期的にジェット通路を瞬時に遮断して、第1、第
2ロータデイスク118、120にジェット流を撃突停
止させて慣性力と反作用による力を生じさせ、かつ、ロ
ータデイスク118、120内の圧力を急激に高めてト
ルクを増大させ、次いで、ブレード開閉部116bがそ
の圧力を急に開放したときにジェット流が慣性力をとも
なって補助偏向ガイド部116cから再度ロータデイス
ク118、120に強力な衝動力を与えるようにしてタ
ービン20の出力アップをねらったものである。
In FIG. 2 and FIG. 4, the turbine rotor 1
12 has an annular jet passage 134 formed between the first and second rotor disks 118 and 120 and communicating with the jet nozzle 122 and the outlet 126, in which the arc-shaped stator blade 116 and the partition member 12 are provided.
8 are stored. As is apparent from FIG. 5, the stator blade 116 is adjacent to the jet nozzle 122 and deflects the jet stream S to the first and second rotor disks 118 and 120.
16a, a blade opening / closing section 116b for periodically interrupting the jet flow, and a plurality of auxiliary deflection guide sections 116c formed at intervals in the circumferential direction. The auxiliary guide portion 116c includes first and second rotor disks 118 and 12
With respect to 0, the jet flow passing through the annular jet passage 134 is deflected in the rotational direction to the first and second rotor disks 118 and 120 to collide many times and improve the turbine efficiency. Main deflection guide 1
The stator blade 116a and the auxiliary deflection guide portion 116c may be formed on the independent pieces by dividing the stator blade 116 into a plurality of pieces. Blade opening / closing section 116
b instantaneously shuts off the jet passage periodically, stops the jet flow on the first and second rotor disks 118 and 120 to generate a force due to inertial force and reaction, and causes the rotor disks 118 and 120 to rotate. Then, when the blade opening / closing portion 116b suddenly releases the pressure, the jet flow is accompanied by inertia force from the auxiliary deflection guide portion 116c to the rotor disks 118 and 120 again. The purpose is to increase the output of the turbine 20 by giving a strong impulse.

【0018】 上記目的に沿うように、第1、第2ロー
タデイスク118、120はそれぞれ軸方向に間隔をお
いて配置されたフライホイールデイスク136、138
を備える。フライホイールデイスク136、138はそ
れぞれ出力軸34に装着された円筒基部140、142
を備え、これらの中に連結ボルト144が貫通してい
る。ボルト144は出力軸34のフランジ146と、押
えフランジ148との間に延びていて高圧ポンプ24
と、膨張タービン20とを所定位置に保持する。図2、
図4、図5において、フライホイールデイスク136、
138はそれぞれ周方向に間隔をおいて配置されて軸方
向に延びる複数の断面円弧状のタービンブレード15
0、152を備える。タービンブレード150、152
はそれぞれジェット流が衝突するアーチ状のブレード面
とアーチ状の背面とを備え、環状ジェット通路136に
沿って隣接するラジアル面またはバルブ面150a、1
52aを有する。前述したように、ロータデイスク11
8、120の回転時にステータブレード116のブレー
ド開閉部116bに対してタービンブレード150、1
52のバルブ面150a、152aが周期的に係合また
は重なり合うとジェット流が急激に遮断されてブレード
150、152内のジェット流の圧力が急激に上昇して
フライホイールデイスク136、138に回転エネルギ
ーを蓄積する。ブレード150、152内に滞溜した高
圧のジェット流はブレード開閉部116bからバルブ面
150a、152aが開口したときに、ジェット流は一
気に開放されて補助偏向ガイド116cによりガイドさ
れて次段のブレード150、152に撃突する。このよ
うに、ジェット流は環状ジェット通路134を通間する
間に順次複数段のタービンブレード150、152に強
力なトルクを与え、この回転エネルギーがフライホイー
ルデイスク136、138に蓄積される。このように、
ジェット流のエネルギー変換効率が極めて高くなり、タ
ービン効率が著しく上昇する。このように、ジェット流
は膨張してアウトレット126から排気チャンバ124
に排出され、排気ポート160から膨張ガス36は図1
の凝縮器22に送られ、そこで冷却されて凝縮水とヘリ
ウムガスとの混合流体38が生成される。混合流体38
はエンジンハウジング66に形成した導入ポート162
を介して高圧ポンプ24に導入される。
In order to meet the above purpose, the first and second rotor disks 118 and 120 are provided with flywheel disks 136 and 138 which are arranged at intervals in the axial direction, respectively.
Is provided. The flywheel disks 136 and 138 respectively have cylindrical bases 140 and 142 mounted on the output shaft 34.
, And the connection bolt 144 penetrates these. The bolt 144 extends between the flange 146 of the output shaft 34 and the holding flange 148 and
And the expansion turbine 20 are held at predetermined positions. FIG.
4 and 5, the flywheel disk 136,
138 are a plurality of turbine blades 15 having a plurality of arc-shaped cross sections which are arranged at intervals in the circumferential direction and extend in the axial direction.
0, 152. Turbine blades 150, 152
Each have an arcuate blade surface and an arcuate back surface against which the jet stream impinges, and adjacent radial or valve surfaces 150a, 150a, 150a along the annular jet passage 136.
52a. As described above, the rotor disk 11
8, 120 with respect to the blade opening / closing portion 116b of the stator blade 116, the turbine blades 150, 1
When the valve surfaces 150a and 152a of the 52 periodically engage or overlap with each other, the jet flow is suddenly cut off, and the pressure of the jet flow in the blades 150 and 152 rises sharply to transfer rotational energy to the flywheel disks 136 and 138. accumulate. When the valve surfaces 150a, 152a are opened from the blade opening / closing portion 116b, the high-pressure jet flow accumulated in the blades 150, 152 is released at a stretch and is guided by the auxiliary deflection guide 116c, so that the next stage blade 150 , 152. In this way, the jet stream gives a strong torque to the turbine blades 150, 152 sequentially while passing through the annular jet passage 134, and this rotational energy is stored in the flywheel disks 136, 138. in this way,
The energy conversion efficiency of the jet stream is extremely high, and the turbine efficiency is significantly increased. In this manner, the jet stream expands and extends from outlet 126 to exhaust chamber 124.
The expansion gas 36 is discharged from the exhaust port 160 in FIG.
Of the condensed water and the helium gas are produced there. Mixed fluid 38
Is an introduction port 162 formed in the engine housing 66.
Is introduced into the high-pressure pump 24.

【0019】 図2、図4、図6において、フライホイ
ール高圧ポンプ24は内筒70内にステータ110と同
心的に圧入されたステータ164と、この中に回転可能
に収納された一対のロータデイスク166、168から
なる羽根車170とを備える。ステータ164は環状ス
テータリング172と、その中央部から半径方向内側に
延びる円弧状ステータガイド174および仕切り部材1
76とを備える。ステータ164は仕切り部材176の
アーチ状ガイド面176aに隣接する吸入口178と、
アーチ状ガイド面176bに隣接する吐出口180とを
備える。吐出口180は流体供給チャンバ80を介して
前述のプラズマリアクタに連通する。図4、図6におい
て、ステータガイド174は吸入口178と吐出口18
0との間に延びていて、吸入口178に隣接していて吸
入した混合流体をロータデイスク166、168側に偏
向させる偏向ガイド部174aと、複数のバケット開閉
部174bと、複数のアーチ状バイパス通路174cと
を備える。ロータデイスク166、168はボルト14
4により出力軸34に固定支持されていて環状溝182
を備え、この中にステータガイド174が収納されてい
る。ロータデイスク166、168はそれぞれフライホ
イールデイスク184、186と、フライホイールデイ
スク184、186の周方向に間隔をおいて形成されて
いて軸方向に延びる複数の断面円弧状バケット184
a、186aを備える。バケット184a、186aの
凹部は回転方向に対面している。バケット184a、1
86aの軸方向端部は環状溝182に沿うように半径方
向に延びていて、周期的にバケット開閉部174bと係
合または重なり合って流体の逆戻りを防止する。羽根車
170の回転時に吸入口178の流体はバケット184
a、186aにより移動され、ガイド部174aから後
段のバケット184a、186aに指向されてその中に
流入してトラップされる。すなわち、流体はガイド部1
74aとバケット184a、186aとの相互作用によ
り強制的に流体を隣接するバケット間の空間に給送し、
そこから、バイパス通路174cを介して後段に送られ
る。このようにして、流体は連続的に高圧で吐出口18
0に圧送される。高圧ポンプ24はポンプ作用の他に膨
張タービン20の回転エネルギーを蓄積するフライホイ
ール効果も備える。
In FIG. 2, FIG. 4, and FIG. 6, the flywheel high-pressure pump 24 includes a stator 164 press-fitted concentrically with the stator 110 in an inner cylinder 70, and a pair of rotor disks rotatably housed therein. 166 and 168. The stator 164 includes an annular stator ring 172, an arc-shaped stator guide 174 extending radially inward from a central portion thereof, and a partition member 1.
76. The stator 164 has a suction port 178 adjacent to the arch-shaped guide surface 176a of the partition member 176,
A discharge port 180 adjacent to the arch-shaped guide surface 176b. The discharge port 180 communicates with the aforementioned plasma reactor via the fluid supply chamber 80. 4 and 6, the stator guide 174 has a suction port 178 and a discharge port 18.
0, a plurality of bucket opening / closing sections 174b, a plurality of bucket opening / closing sections 174b, and a plurality of arch-shaped bypasses. And a passage 174c. Rotor disks 166 and 168 are bolts 14
4 and fixedly supported on the output shaft 34 by the annular groove 182.
, In which the stator guide 174 is housed. Each of the rotor disks 166 and 168 includes a flywheel disk 184 and 186 and a plurality of axially extending arc-shaped buckets 184 formed at intervals in the circumferential direction of the flywheel disks 184 and 186.
a, 186a. The recesses of the buckets 184a, 186a face in the rotation direction. Bucket 184a, 1
The axial end of 86a extends radially along the annular groove 182 and periodically engages or overlaps the bucket opening and closing portion 174b to prevent fluid from returning. When the impeller 170 rotates, the fluid at the suction port 178
a, 186a, and are directed from the guide portion 174a to the buckets 184a, 186a at the subsequent stage, flow into them, and are trapped. That is, the fluid is applied to the guide 1
74a interacts with the buckets 184a, 186a to force fluid into the space between adjacent buckets,
From there, it is sent to the subsequent stage via a bypass passage 174c. In this way, the fluid is continuously supplied at high pressure to the discharge port 18.
It is pumped to zero. The high-pressure pump 24 has a flywheel effect for storing the rotational energy of the expansion turbine 20 in addition to the pump function.

【0020】[0020]

【効果】 以上より明らかなように、本発明の密閉サイ
クルガスタービンおよびこれにより駆動される機械シス
テムによれば、大気汚染や地球温暖化を効果的に防止で
き、しかも、石油資源の涸渇化問題を解決できる次世代
エネルギーシステムとしての貢献度が高い。
As is clear from the above, the closed cycle gas turbine and the mechanical system driven by the same according to the present invention can effectively prevent air pollution and global warming, and also have a problem of depleting petroleum resources. It has a high contribution as a next-generation energy system that can solve the problems.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の望ましい実施例による密閉サイクル
ガスタービンおよび機械システムのブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a closed cycle gas turbine and mechanical system according to a preferred embodiment of the present invention.

【図2】 図1のガスタービンの部分断面図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the gas turbine of FIG.

【図3】 図2のIII−III線の断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2;

【図4】 図2のIV−IV線の断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 2;

【図5】 図2の膨張タービンのステータとタービンロ
ータとの関係図である。
FIG. 5 is a relationship diagram between a stator and a turbine rotor of the expansion turbine of FIG. 2;

【図6】 図2の高圧ポンプのステータとロータとの関
係図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a stator and a rotor of the high-pressure pump of FIG. 2;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 密閉サイクルガスタービン、 12 動力システ
ム、14 機械システム、 16 電気蒸発器、 18
ミキシングチャンバ、20 膨張タービン、 22
凝縮器、 24 高圧ポンプ、26 密閉サイクル、
28 プラズマ電源、 43 ラジエータ、44 整流
器、 46 バッテリ、 48 パワーコンバータ、5
0 モータ発電機、 52 後輪、 54 駆動軸、
56 前輪
Reference Signs List 10 closed cycle gas turbine, 12 power system, 14 mechanical system, 16 electric evaporator, 18
Mixing chamber, 20 expansion turbine, 22
Condenser, 24 high pressure pump, 26 closed cycle,
28 plasma power supply, 43 radiator, 44 rectifier, 46 battery, 48 power converter, 5
0 motor generator, 52 rear wheel, 54 drive shaft,
56 Front Wheel

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a)液相およびガス相を有する化合物
を含む作動流体が封入されたクローズドシステムを備え
たエンジンハウジングと; (b)エンジンハウジング内に収納されていて作動流体
を加熱して動力ガスを生成する電気蒸発手段と; (c)動力ガスを膨張させて動力を発生する膨張タービ
ンと; (d)膨張ガスを冷却して凝縮液を生成する凝縮器と; (e)エンジンハウジング内で膨張タービンに連結され
ていて凝縮液を加圧下で電気蒸発手段に供給する高圧ポ
ンプと; を備える密閉サイクルガスタービン。
1. An engine housing having a closed system in which a working fluid containing a compound having a liquid phase and a gas phase is enclosed; and (b) heating the working fluid contained in the engine housing to heat the working fluid. (C) an expansion turbine that expands the power gas to generate power; (d) a condenser that cools the expansion gas to generate a condensate; (e) an engine housing A high pressure pump coupled to the expansion turbine and supplying condensate under pressure to the electric evaporator means.
【請求項2】 請求項1において、作動流体が水、アン
モニア、アミン、アルコール、フロン系化合物からなる
群から選択された単一または混合物を含む化合物からな
る密閉サイクルガスタービン。
2. The closed cycle gas turbine according to claim 1, wherein the working fluid is made of a compound containing a single substance or a mixture selected from the group consisting of water, ammonia, an amine, an alcohol, and a fluorocarbon compound.
【請求項3】 請求項1において、作動流体がメチルア
ルコールとアンモニア水との混合物からなる密閉サイク
ルガスタービン。
3. The closed cycle gas turbine according to claim 1, wherein the working fluid is a mixture of methyl alcohol and ammonia water.
【請求項4】 請求項2または3において、電気蒸発手
段が高圧ポンプに連通する蒸発室と、蒸発室内に充填さ
れた電熱手段とを備える密閉サイクルガスタービン。
4. The closed cycle gas turbine according to claim 2, wherein the electric evaporation means includes an evaporation chamber communicating with the high pressure pump, and an electric heating means filled in the evaporation chamber.
【請求項5】 請求項4において、電熱手段が蒸発室内
に配置された対向電極と、複数の固体状電熱素子と、固
体状蓄積体からなる密閉サイクルガスタービン。
5. The closed-cycle gas turbine according to claim 4, wherein the electric heating means comprises a counter electrode disposed in the evaporating chamber, a plurality of solid-state electric heating elements, and a solid-state accumulator.
【請求項6】 請求項2または3において、膨張タービ
ンが蒸発室と連通するフライホイールタービンを備え、
フライホイールタービンがエンジンハウジング内に支持
されたステータと、ステータ内に回転可能に収納された
フライホイール手段からなり、ステータが動力ガスのジ
ェット流偏向手段とブレード開閉手段を備え、フライホ
イール手段がジェット流偏向手段とブレード開閉に沿っ
て移動するタービンブレードを備える密閉サイクルガス
タービン。
6. The expansion turbine according to claim 2, wherein the expansion turbine includes a flywheel turbine communicating with the evaporation chamber.
A flywheel turbine includes a stator supported in an engine housing, and flywheel means rotatably housed in the stator. The stator includes means for deflecting a jet stream of power gas and blade opening / closing means, and the flywheel means comprises a jet. A closed cycle gas turbine comprising a flow deflecting means and a turbine blade moving along a blade opening and closing.
【請求項7】 (a)液相およびガス相を有する化合物
を含む作動流体が封入されたクローズドシステムを備え
たエンジンハウジングと; (b)エンジンハウジング内に収納されていて作動流体
を加熱して動力ガスを生成する電気蒸発手段と; (c)動力ガスを膨張させて動力を発生する膨張タービ
ンと; (d)膨張ガスを冷却して凝縮液を生成する凝縮器と; (e)エンジンハウジング内で膨張タービンに連結され
ていて凝縮液を加圧下で電気蒸発手段に供給する高圧ポ
ンプと; (f)膨張タービンにより駆動される被駆動手段と; を備える機械システム。
7. An engine housing having a closed system in which a working fluid containing a compound having a liquid phase and a gas phase is enclosed; and (b) heating the working fluid housed in the engine housing to heat the working fluid. (C) an expansion turbine that expands the power gas to generate power; (d) a condenser that cools the expansion gas to generate a condensate; (e) an engine housing A high pressure pump coupled to the expansion turbine and supplying condensate to the electric evaporation means under pressure; and (f) driven means driven by the expansion turbine.
【請求項8】 請求項7において、機械システムがラジ
エータを有する移動体からなり、被駆動手段が推進手段
からなり、凝縮器がラジエータに連通していてラジエー
タの冷却水により冷却される機械システム。
8. The mechanical system according to claim 7, wherein the mechanical system comprises a moving body having a radiator, the driven means comprises propulsion means, and the condenser communicates with the radiator and is cooled by cooling water of the radiator.
【請求項9】 請求項7または8において、さらに、
(g)膨張タービンにより駆動される発電機と、(h)
発電機に接続されて加熱用電力を電気的動力ガス発生手
段に供給する電源とを備える機械システム。
9. The method according to claim 7, further comprising:
(G) a generator driven by an expansion turbine, and (h)
A power supply connected to the generator for supplying heating power to the electric power gas generating means.
【請求項10】 (a)液相およびガス相を有する化合
物を含む作動流体が封入されたクローズドシステムを備
えたエンジンハウジングと; (b)エンジンハウジング内に収納されていて作動流体
を加熱して動力ガスを生成する電気蒸発手段と; (c)動力ガスを膨張させて動力を発生する膨張タービ
ンと; (d)膨張ガスを冷却して凝縮液を生成する凝縮器と; (e)エンジンハウジング内で膨張タービンに連結され
ていて凝縮液を加圧下で電気蒸発手段に供給する高圧ポ
ンプと; (f)膨張タービンにより駆動される発電機と; (g)発電機の電気出力により駆動されるモータ手段
と; (h)モータ手段により駆動される推進手段と;を備え
る機械システム。
10. An engine housing having a closed system in which a working fluid containing a compound having a liquid phase and a gas phase is enclosed; and (b) heating the working fluid housed in the engine housing to heat the working fluid. (C) an expansion turbine that expands the power gas to generate power; (d) a condenser that cools the expansion gas to generate a condensate; (e) an engine housing A high-pressure pump connected to the expansion turbine for supplying condensate to the electric evaporation means under pressure; (f) a generator driven by the expansion turbine; and (g) driven by the electrical output of the generator. A mechanical system comprising: motor means; and (h) propulsion means driven by the motor means.
【請求項11】 請求項21において、機械システムが
移動体からなり、モータ手段がモータ/発電機からな
り、さらに、(i)発電機の交流出力を直流出力に変換
する整流器と、(j)整流器とモータ手段との間に接続
されたパワーコンバータと、(k)整流器とパワーコン
バータに接続されていて移動体のブレーキ回生電力を貯
蔵するバッテリを備える機械システム。
11. A rectifier according to claim 21, wherein the mechanical system comprises a moving body, the motor means comprises a motor / generator, and (i) a rectifier for converting an AC output of the generator into a DC output; A mechanical system comprising: a power converter connected between the rectifier and the motor means; and (k) a battery connected to the rectifier and the power converter for storing brake regenerative power of the moving body.
【請求項12】 請求項10または11において、機械
システムがラジエータを有する移動体からなり、凝縮器
がラジエータに連通していてラジエータの冷却水が循還
される機械システム。
12. The mechanical system according to claim 10, wherein the mechanical system comprises a moving body having a radiator, wherein the condenser communicates with the radiator, and cooling water of the radiator is circulated.
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JP2015535319A (en) * 2012-08-13 2015-12-10 ソ、ヨンホSEO, Young Ho Electric generator using electric furnace

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