JP2000265855A

JP2000265855A - ガスタービンおよびガスタービン駆動システム

Info

Publication number: JP2000265855A
Application number: JP11108356A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hatanaka; 武史畑中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】次世代動力や超低燃費車に利用可能なガスタ
ービンおよびガスタービン駆動システムを提供すること
を目的とする。【構成】この発明のガスタービンおよびガスタービン駆
動システムにおいて、１次動力系（３０）および２次動
力系（３６）がそれぞれフライホイールからなる第１、
第２膨張タービン（２８、３２）を備え、フライホイー
ルに動翼部（１２０、１２２）を設け、１次動力系の排
熱で２次動力系を駆動することにより低燃費化と低公害
化を実現するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガスタービンに関し、
とくに、発電用もしくは推進用ガスタービンおよびガス
タービン駆動システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第４，１５７，０１１号には車
輌用ガスタービンの出力軸にフライホイールを連結し
て、車輌の停止時にコンプレッサーへの空気の供給とコ
ンバスタへの燃料を遮断するとともに、再起動時にフラ
イホイールのエネルギーを利用するハイブリッド推進シ
ステムが開示されている。この推進システムにおいて、
フライホイールはガスタービンとは独立して出力軸に連
結されており、しかも、出力軸を介して駆動されるた
め、ガスタービンのサイズが必然的に大きくなってい
た。

【０００３】米国特許第４，３３６，８５６号にはター
ビンハウジング内にタービン・フライホイールを内蔵し
てハウジングの外周に配置した複数のコンバスタで生成
した動力ガスによりタービン・フライホイールを駆動す
るようにした車輌用駆動推進システムが開示されてい
る。この推進システムにおいて、タービン・フライホイ
ールの外周面にローレット切りをし、対向するステータ
の円筒内面を円滑にして、フライホイールの外周とステ
ータの内面とのスペースにジェット流を供給する構造と
なっている。この構造において、タービン効率が悪く、
実用化が困難であった。

【０００４】米国特許第５，５８４，１７４号には２軸
構造のタービンエンジンにおいて、コンプレッサ・ター
ビンの排気ガスをフライホイール・タービンに供給する
ようにした構造が開示されている。この構造において、
フライホイール・タービンはフライホイールと、その両
側に配置されたタービン動翼を備えているため、タービ
ンエンジンが複雑な構造となり、しかも、サイズが大き
くなっていた。

【０００５】米国特許第５，７６２，１５６号および同
第５，８２６，６７３号には２軸構造のタービンエンジ
ンにおいて、モータ／発電機とフライホイールを組み合
わせたハイブリッド推進システムが開示されている。こ
の推進システムにおいて、プライマリ・タービン・アッ
セムブリ、パワータービン、モータ／発電機およびフラ
イホイールは軸方向に独立して配列されているため、必
然的に軸方向寸法が大きくなる。しかも、フライホイー
ルをタービンエンジンと独立させているため、フライホ
イール・アッセムブリのための余分の部品を必要とし、
製造コストが上昇する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のタービンエンジ
ンおよび車輌用推進システムではタービン効率が悪く、
システム構造が複雑となり、しかも、ガスタービンの運
転比率が高いため、燃料消費が大きく、大量の有害排出
物を排出していた。米国政府は温暖化対策を目的として
超低燃費車の開発を目指すＰＮＧＶ（次世代車開発協
力）プロジェクトをスタートさせて、１ガロンで８０マ
イル（１リットルで３４キロメートル）の走行が可能な
自動車の開発を進めている。次世代の低公害車の本命と
して燃料電池車その他のアイデアが提案されているが未
だ実用化に至っていない。

【０００７】本発明は１リットルで７０〜１００ｋｍの
走行が可能で劇的な排出削減を可能にする超低燃費車お
よび超低公害車を実用化するためのガスタービンおよび
ガスタービン駆動システムを提供することを目的とす
る。

【０００８】本発明はＣＯ_２や有害排出物を激減させる
ことのできる次世代動力や超低燃費車用のガスタービン
およびガスタービン駆動システムを提供することを目的
とする。

【０００９】

【問題を解決するための手段】本願第１の発明は、ガス
タービン駆動システムが、高温排ガスを放出する１次動
力系と、１次動力系の排熱を回収して高圧動力ガスを生
成する蓄熱型排熱回収装置を有する２次動力系と、１次
動力系を間欠運転して高温排ガスを排熱回収装置に選択
的に供給する制御装置と、１次動力系と２次動力系によ
り駆動される出力軸を備え、１次動力系がフライホイー
ルを備えることにより達成される。

【００１０】本願第２の発明は、ガスタービン駆動シス
テムが高温排ガスを排出する１次動力系と、１次動力系
の排熱を回収して高圧動力ガスを生成する排熱回収装置
を有する２次動力系と、１次および２次動力系のうちの
少くとも１つの回転エネルギーを蓄積するフライホイー
ル手段と、ピークパワーデマンド信号を入力するマニュ
アル手段と、１次動力系を間欠運転する制御装置とを備
え、制御装置がピークパワーデマンド信号に応答して１
次動力系を作動させることにより達成される。

【００１１】本願第３の発明は、第１および第２ステー
タ手段を有するタービンハウジングと、タービンハウジ
ング内に回転可能に収納されたコンプレッサーと、第１
動力ガスを発生させるコンバスタと、コンプレッサーに
連結されてタービンハウジングに回転可能に収納されて
いて第１動力ガスにより駆動される第１膨張タービン
と、タービンハウジングに回転可能に収納されていて第
２動力ガスにより駆動される第２膨張タービンと、第１
膨張タービンの排熱を回収して第２動力ガスを発生させ
る排熱回収装置と、第１および第２膨張タービンに駆動
連結された出力軸とを備え、第１および第２膨張タービ
ンがそれぞれ第１および第２動翼部を備え、第１および
第２ステータ手段がそれぞれ第１および第２動翼部に第
１および第２動力ガスを案内する第１および第２案内羽
根を有することにより達成される。

【００１２】本願第４の発明は、ガスタービンがステー
タ手段を有するタービンハウジングと、タービンハウジ
ング内に回転可能に収納されていて出力軸に連結されて
いるコンプレッサーおよび膨張タービンと、動力ガスを
発生するコンバスタとを備え、膨張ダービンが動力ガス
を周方向に通過させる環状溝と、環状溝に隣接する環状
動翼部を有するタービンロータを備えるフライホイール
からなり、ステータ手段が環状溝内で周方向に配置され
た複数の案内羽根を有することにより達成される。

【００１３】本願第５の発明は、ガスタービンが第１ス
テータおよび第２ステータを有するタービンハウジング
と、タービンハウジング内に回転可能に収納されたコン
プレッサーと、コンプレッサーに連結されてタービンハ
ウジング内に配置された第１膨張タービンと、タービン
ハウジング内で第１膨張タービンと同心的に回転可能に
配置された第２膨張タービンと、コンプレッサーに連通
していて動力ガスを発生するコンバスタとを備え、第１
および第２膨張タービンがそれぞれ第１および第２環状
溝と、第１および第２環状溝にそれぞれ隣接する第１お
よび第２環状動翼部を有する第１および第２ロータデイ
スクからなり、第１および第２ステータがそれぞれ第１
および第２環状溝内で周方向に配置された第１および第
２案内羽根を有することにより達成される。

【００１４】

【作用】本発明のガスタービンおよびガスタービン駆動
システムにおいて、タービンハウジング内にフライホイ
ールを回転可能に収納し、フライホイールをタービンロ
ータにより構成し、タービンロータの外周に作動流体の
流路としての環状溝と環状動翼部を形成することにより
タービン効率を飛躍的に向上させて１次動力系を構成
し、１次動力系の回転エネルギーをフライホイールに蓄
積するとともに、１次動力系の排熱エネルギーを回収し
て２次動力ガスを発生させ、２次動力ガスにより２次動
力系を作動させることにより、１次動力系の超低燃費化
を図るようにしたものである。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の望ましい実施例について図面
を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明によるガ
スタービン駆動システム１０を組み込んだ車輌１２を示
す。ガスタービン駆動システム１０はモータファン１４
により冷却されるラジエータ１６と、ガスタービン１８
と、ガスタービン１８により駆動される駆動装置２０と
を備える。

【００１６】ガスタービン１８は空気を圧縮するための
コンプレッサー２２と、第１動力ガスを生成するコンバ
スタ２４と、出力軸２６を介してコンプレッサ２２に連
結された第１膨張タービン２８からなる１次動力系３０
と、出力軸２６を介して１次動力系３０に連結された第
２膨張タービン３２と、１次動力系３０の高温排ガスの
排熱エネルギーを回収して第２動力ガスを生成するため
の蓄熱型排熱回収蒸発装置３４からなる２次動力系３６
とを備える。

【００１７】コンバスタ２４は燃料噴射ノズル３８と、
水噴射ノズル４０と、点火プラグ４２とを備える。燃料
ノズル３８は燃料供給弁４４を介して燃料タンク４５に
接続される。燃料はＤＭＥ（ジメチルエーテル）、天然
ガス、ＬＰＧ，ガソリン、軽油、灯油、水素等が利用さ
れる。水噴射ノズル４０は水供給弁４６および加圧ポン
プ４８を介して水タンク５０に接続される。一方、２次
動力系３６は第２膨張タービン３２の膨張ガスを凝縮す
るための凝縮器５２を備える。２次動力系３６の作動流
体として、例えば、１２重量％のアンモニアを混合した
メチルアルコールからなる低沸点混合溶液（融点−８５
℃、沸点５０℃）が利用される。この溶液は５０℃以下
で液相となり、５０℃以上でガス相となる。第２動力ガ
スは１３０℃で２０ｂａｒ、２１５℃で１００ｂａｒ、
２６０℃で３３０ｂａｒ、２７０℃で４００ｂａｒ、２
８０℃で５００ｂａｒの高圧蒸気となる。この溶液は低
温エネルギーで高圧蒸気となるため、排熱回収効率が高
い。凝縮器５２は循環ポンプ５４を介してラジエータ１
６に接続され、ラジエータ１６は冷媒を３０〜３５℃で
凝縮器５２に供給して膨張ガスを液化する。凝縮液は昇
圧ポンプ５６を介して蓄熱型排熱回収蒸発装置３４に加
圧下で供給され、そこで１３０°〜２８０℃の範囲で加
熱蒸発される。高圧蒸気からなる第２動力ガスは第２膨
張タービン３２に供給される。蓄熱型排熱回収蒸発装置
３４の排気側には蒸気回収装置６０が接続され、排気ガ
スに含まれる炭素質微粒子や蒸気を遠心力作用により、
後述の如く、回収し、蒸気を復水して水タンク５０に還
流させる。

【００１８】図１において、ガスタービン駆動システム
１０は蓄熱型排熱回収蒸発装置３４の作動温度を検出し
て温度信号を出力する温度センサ６２と、ピークパワー
デマンド時に指令信号を出力するためのアクセルペダル
等のマニュアルオペレータ６４と、温度に関する基準デ
ータを入力するための入力装置６６と、メインスイッチ
（図示せず）を介して電源（図示せず）に接続された制
御装置６８とを備える。制御装置６８は各種入力信号に
応答して点火プラグ４２、燃料供給弁４４、水供給弁４
６、加圧ポンプ４８およびシャッター駆動モータ７０
（図２参照）を後述の如く制御する。ポンプ５４、５６
はメインスイッチを介して電源に接続される。

【００１９】図２において、ガスタービン１８の具体的
構造を示す。タービンハウジング８０は組立てや分解を
容易にするために複数の分解可能なセクション８０ａ、
８０ｂ、８０ｃ、８０ｄからなり、各セクションはフラ
ンジ８２でボルト締めされる。タービンハウジング８０
の前端には環状エアフイルタ８４とドーム状ノイズサプ
レッサ８６が装着される。エアフイルタ８４はコンプレ
ッサ２２の空気導入口を形成するように外方に延びてい
るスカート部８８を囲むように配置される。コンプレッ
サ２２はラジアル・フロー型、アキシャルフロー型もし
くはその他適当な型式のもので良い。図２において、コ
ンプレッサ２２は第１段の圧縮手段として作用するラジ
アルブレード９０と、ラジアルブレード９０の外周に均
等間隔で形成されていて第２段の圧縮手段として機能す
る複数のチェンバブレード９２を備える。図２、図３に
おいて、ハウジングセクション８０ｂはラジアルブレー
ド９０により圧縮された空気をさらに圧縮するための断
面半円状の円弧状サイドチャンネル９４と、円弧状開口
部９６とを備える。円弧状開口部９６の空気通過面積を
小さくすると圧縮空気の圧力は高くなる。開口部９６の
開口度を調整するためのシャッターデイスク９８がハウ
ジングセクション８０ｂの軸部１００に回動可能に支持
されていて、デイスク９８の外周のギヤを介して駆動モ
ータ７０により回動される。ハウジングセクション８０
ｂ内には環状チェンバ１０２が形成され、その中にコン
バスタ２４が配置されている。

【００２０】図３、図４において、コンバスタ２４は環
状チェンバ１０１内に収納された半円状ライナーからな
る燃焼室２４ａを有する。燃焼室２４ａは前縁部１０
２、中間部１０３、後縁部１０４からなり、多数の空気
孔１０５を備える。前縁部１０２は燃料噴射ノズル３８
をスワーラー３９を介して支持している予蒸発予混合ダ
クト４１を備える。燃料噴射ノズル３８は環状チェンバ
１０１内に収納された加熱コイル３７を備え、環状チェ
ンバ１０１内の加熱空気Ｈにより加熱される。ダクト４
１は燃焼室２４ａ内部に延びていて複数の加熱空気供給
口４１を備える。コイルで加熱された燃料はダクト４１
の内壁に噴射されてガス化されて加熱空気によりさらに
均質に混合されて点火プラグ４２により点火される。燃
焼室２４の前縁部１０２において、ダクト４１から流出
した未燃生成物はダクト４１とライナーとのスペースな
らびに空気孔１０５から導入された高温圧縮空気と混合
して燃焼する。このとき、水噴射ノズル４０から加圧水
がスプレーされると、加圧水は前縁部１０２の高温ガス
と接触することにより高圧蒸気に変換され、燃焼室２４
ａ内の燃料燃焼質量を著しく増大して、エンジン出力を
大幅に増大する。しかも、ＮＯｘを大幅に低減する。こ
のようにして生成した第１動力ガスは後縁部１０４を経
て第１膨張タービン２８に供給される。図３、図４から
明らかなように、シャッターデイスク９８の開口部９６
より導入した圧縮空気は半円状ライナ２４の外面に接触
して加熱されながら加熱コイル３７を加熱する一方、ラ
イナ２４の前縁部１０２と空気孔１０５から燃焼室２４
ａ内に流入する。しかも、燃焼室２４ａの前縁１０２と
後縁１０４との間は比較的距離が長く、燃焼領域が大き
くなっている。このように燃料は常に高温空気と接触す
るため、燃料のガス化と混合が促進されて燃焼がより完
全に進行し、ＨＣ、ＣＯ等の有害な未燃焼生成物が著し
く減少して排出ガスがクリーン化される。

【００２１】図５、図６、図７に第１、第２膨張タービ
ン２８、３２の具体的構造を示す。第１、第２膨張ター
ビン２８、３２はそれぞれハウジングセクション８０
ｃ、８０ｄ内に装着された第１、第２ステータ１０６を
備える。第１、第２ステータ１０６はそれぞれ半径方向
内側に等間隔で延びている複数の案内羽根１０８を有す
る。第１、第２ステータ１０６の内側にはそれぞれ第
１、第２タービンロータ１１０が回転可能に収納されて
いてボルト１１２を介して出力軸２６のフランジ２６ａ
に固定されている。タービンロータ１１０はそれぞれフ
ライホイールを構成する一対のロータデイスク１１４、
１１６を備える。タービンロータ１１０はそれぞれ第
１、第２動力ガスを通過させる環状溝１１８を備え、そ
の中央部にステータ１０６の案内羽根１０８が配置され
る。ロータデイスク１１４、１１６はそれぞれ環状溝１
１８に隣接して周方向に延びる環状動翼部１２０、１２
２を備える。環状動翼部１２０、１２２はそれぞれ環状
溝１１８に対面するように周方向に等間隔で形成された
複数の動翼１２０ａ、１２２ａを有する。各動翼は環状
溝１１８に対して鋭角の入力角αで延びる入口縁Ａと、
入口縁Ａに連続していて動力ガスの衝動エネルギーを受
ける曲面状作用面Ｂと、出口縁Ｃとを備え、出口縁Ｃは
入口縁Ａより大きい鋭角θを有し、これにより作用面Ｂ
に衝突した動力ガスを環状溝１１８にスムーズに還流さ
せて主流と合流させるようにしている。図７において、
案内羽根１０８のピッチＰ_１は動翼１２０ａ、１２２ａ
のピッチＰ_２より大きく設定されているが、ピッチ
Ｐ_１、Ｐ_２はタービンの容量に応じて適切に定められ
る。図７において、動翼１２０ａ、１２２ａはタービン
ロータのコギング防止のため、案内羽根１０８に対して
位相がずれるように配置されている。

【００２２】図５に戻って、ステータ１０６にはインレ
ット１３２とアウトレット１３２との中間位置に案内片
１３４が支持されており、この案内片１３４は環状溝１
１８に嵌め込まれていて環状溝１１８に残留する動力ガ
スを強制的にアウトレット１３２へ排除する役目を有す
る。案内片１３４はインレット１３４の内面から環状溝
１１８の一端の接線方向に延びる導入面１３４ａと、環
状溝１１８の他端に配置されて動力ガスをアウトレット
１３２に強制的に排出させる曲面状案内面１３４ｂを備
える。案内片１３４の中央部近辺と環状溝１１８の底部
との間にラビリンスシール１３６が設けられ、インレッ
ト１３４とアウトレット１３２間を流体的に分離してい
る。図６において、ハウジングセクション８０ｂと出力
軸２６との間にラビリンスシール１３８が配置される。
出力軸２６の端部はベアリング１４０により支持され
る。シール１４２の内側にはスリーブ１４４が配置さ
れ、ナット１４６によりスリーブ１４４をベアリング１
４０に押圧している。ステータ１０８の両端部にはラビ
リンスシール１０８ａが配置してある。

【００２３】図８は図１の蓄熱型排熱回収蒸発装置３４
の具体的構造例を示す。図８において、蒸発装置３４は
円筒状ハウジング１８０と、その内側に収納された断熱
材１８２と、蒸発管１８４と、蓄熱装置１８６とを備え
る。ハウジング１８０は第１膨張タービン３０のアウト
レット１３２に接続されたインレット１８４ａと、排気
パイプ１９５に連結されたアウトレット１８４ｂとを備
え、第１膨張タービン２８の高温膨張ガスを後述の如く
インレット１８４ａからアウトレット１８４ｂ間に通過
させることにより蓄熱装置１８６を例えば２６０°〜２
６５℃の温度範囲に加熱する。蒸発管１８４はインレッ
ト１８４ａと、温度センサ６２を有するアウトレット１
８４ｂと、コイル状チューブ１８４ｃと、蓄熱装置１８
６の中央部に延びる中央蒸発部１８４ｄから構成され、
コイル状チューブ１８４ｃは蓄熱装置１８６の外周と接
触するように配置され、中央蒸発部１８４ｄは蓄熱装置
１８６内の蓄熱材１８８と接触するように構成される。
蓄熱装置１８６は円筒状ケーシング１８６ａと、その両
端に固定されたエンドプレート１８６ｂ、１８６ｃと、
中心軸に対して同心的に配置された複数の高温ガス通路
１８６ｄとを備える。蓄熱材１８８は固体のマグネシア
に液体の硝酸ナトリウムなどの溶融塩を混ぜたもので、
蓄熱量は同サイズの水蓄熱材の６０倍となる。また、蓄
熱材１８８はセラミックその他公知の蓄熱量の大きな材
料から構成しても良い。図８において、コイル状チュー
ブ１８４ｃは円筒状ケーシング１８６ａの外周に配置さ
れているが、ケーシング１８６ａの内部に配置して蓄熱
材１８８と直接接触させても良い。

【００２４】図９は図１の蒸気回収装置６０の具体例を
示す。蒸気回収装置６０は排気パイプ１９５の中間に配
置された冷却ケーシング１９６を備える。冷却ケーシン
グは排気パイプ１９５から径外方向に延びる円垂部１９
７と、その後方から端部に延びる複数の冷却フイン１９
８を有し、冷却ケーシング１９６の端部は円垂状トラッ
プ２００とアウトレット２０２を備える。円垂部１９７
の内側には円垂部材２０４が円垂通路２０６を形成する
ように配置され、円垂部材２０４の円筒部２０８の外周
には蒸気や微粒子等を含む排ガスにスパイラル流を生じ
させて蒸気や微粒子等の重い物質を遠心力により冷却ケ
ーシングの内壁に押圧しながら、蒸気を冷却して復水
し、同時に復水により排ガス中の微粒子を補促し、トラ
ップ２００に衝突させてアウトレット２０２に案内して
回収する。このように蒸気回収器６０は微粒子アレスタ
としても作用する。アウトレット２０２にはフイルタを
配置して微粒子をフイルタにより回収し、水タンク５０
には回収した水を還流させるようにしても良い。このよ
うに水や微粒子が取り除かれたクリーンな排ガスは円垂
部材２０４内に突出する円筒部２１２を介して排気パイ
プ１９５から大気へ放出される。

【００２５】図１０において、制御装置６８は入力装置
６６に接続された入力インターフェース２２０、ＲＡＭ
２２２、ＣＰＵ２２４、ＲＯＭ２２６、出力インターフ
ェース２２８を備える。入力装置６６は２次動力系３６
の作動温度１３０℃、２８０℃に対応したＴ_１、Ｔ_２の
温度信号に相当する基準データを入力インターフェース
２２０を通じてＲＡＭ２２２に入力する。温度センサ６
２の温度信号は入力インターフェース２２０を介してＣ
ＰＵ２２４に供給される。出力インターフェース２２８
にはリレーＲＬ１を駆動するためのトランジスタＴＲ１
が接続され、リレーＲＬ１は制御回路２３２の電源２３
４に点火プラグ３８、燃料供給弁４４および駆動モータ
７０を間欠的に接続する。出力インターフェース２２８
にはさらにリレーＲＬ２を駆動するトランジスタＴｒ２
が接続され、水供給弁４６および加圧ポンプ４８を間欠
的に駆動する。

【００２６】図１、図１０、図１１において、メインス
イッチ（図示せず）がオンされると制御装置６８からト
ライブ信号Ｄ１がトランジスタＴＲ１に印加されてリレ
ーＲＬ１がオンとなる。このとき、制御回路２３２によ
り点火プラグ３８、燃料供給弁４４および駆動モータ７
０がＯＮにされ、１次動力系３０が始動される。１次動
力系３０が起動するとフライホイール２８、３０が回転
エネルギーを蓄積する。このとき、１次動力系３０の高
温排気ガスが蓄熱型排熱回収蒸発装置３４を加熱して蒸
発装置３４内部の蓄熱装置１８６（図８参照）を加熱
し、２８０℃である温度Ｔ_２まで加熱する。この期間
に、蒸発装置３４では５０℃以上で上述の作動流体がガ
ス相となり、１３０℃〜２８０℃では２０ｂａｒ〜５０
０ｂａｒの高圧動力ガスとなる。この動力ガスは第２膨
張タービン３２内で膨張しながらこれを駆動して、第
１、第２膨張タービン３０、３６に回転エネルギーを蓄
積する。１次動力系３０および２次動力系３６の合計出
力は出力軸２６を経て、駆動装置２０から車輌１２の推
進手段に伝達される。時間ｔ１において、作動温度がＴ
２に達すると、温度センサ６２からの温度信号とＲＡＭ
２２２に入力されている基準温度値の偏差値はゼロとな
り、ＣＰＵ２２４はオフ指令信号を出力して出力インタ
ーフェース２２８を介してトランジスタＴＲ１をオフに
する。このとき、同時に点火プラグ３８、燃料供給弁４
４および駆動モータ７０がオフとなる。モータ７０がオ
フになると、シャッターデイスク９８は図示されないバ
ネその他適当な手段により閉塞位置に移動してコンプレ
ッサ２２の開口部９６を閉塞してコンプレッサ２２のポ
ンプ作用を遮断することによりコンプレッサ２２の駆動
エネルギーがミニマムとなる。このようにして、１次動
力系３０は遮断されて燃料消費が停止される。２次動力
系３６は１次動力系３０の燃料消費がオフとなった後で
も、蓄熱装置１８６で回収した排熱エネルギーにより第
２動力ガスを継続的に発生して第２膨張タービン３２を
連続的に駆動する。したがって、第１膨張タービン２８
のフライホイールに蓄積された回転エネルギーは第２膨
張タービン３２の出力とともに出力軸２６に伝達され
る。蓄熱装置１８６がＴ２からＴ１（１３０℃）の温度
まで低下するには長時間かかるため、一次動力系３０の
燃料消費とＣＯ_２、有害排出物は激減される。つぎに、
時間ｔ２において作動温度がＴ１に達すると、出力イン
ターフェース２２８からドライブ信号Ｄ２が出力され、
１次動力系３０は再びオンとなり、２次動力系３６が再
び排熱回収モードに入る。時間ｔ４、ｔ５の期間もドラ
イブ信号Ｄ３が出力される。このように、１次動力系３
０は制御装置６８により蓄熱型排熱回収蒸発装置３４を
予じめ定められたＴ１、Ｔ２の温度範囲になるように間
欠運転される。

【００２７】つぎに、マニュアルオペレータ６４が一定
量以上操作されると、ピークパワーデマンド信号が制御
装置６８に入力される。このとき、制御装置６８はＣＰ
Ｕ２２４および出力インターフェース２２８を介してト
ランジスタＴｒ１、Ｔｒ２をオンにする。したがって、
１次動力系３０が起動されるが、このとき同時に水噴射
システムを構成する水供給弁４６、加圧ポンプ４８が駆
動されて水噴射ノズル４０から水がコンバスタ２４内に
噴射される。ピークパワーデマンド時に水噴射弁４６が
開口して加圧水が燃焼室２４ａ内に噴射されると、水は
高温燃焼ガスにより高圧蒸気となり、第１動力ガスの質
量が大幅に増大してタービン出力が増大する。したがっ
て、車輌の加速性能が大幅に向上する。しかも、燃焼温
度が蒸気により抑えられるため、加速時や登坂走行時に
ＮＯｘが著しく低減する。

【００２８】本発明のガスタービンの望ましい変形例に
つき、図１２を利用して説明し、図６と同一部品には同
一符号が用いられる。図１２のガスタービンは航空機や
船舶の２重反転プロペラ駆動用に最適なもので簡単な構
造により、ギヤ機構を用いないで、直接２重反転プロペ
ラを駆動できる。とくに、航空機に利用した場合、１次
動力系のエンジンが故障した場合でも、ガスタービン駆
動システムがフライホイール効果と蓄熱エネルギーで長
時間継続運転が可能となるため、安全性が著しく向上す
る。この目的のため、第１膨張タービン２８’のタービ
ンロータ１１０は第１出力軸２４０にフランジ２４２お
よびボルトを介して固定されて第１方向に回転される。
第１出力軸２４０上にはスリーブ状第２出力軸２４６が
ベアリング２４８、２５０を介して支持され、第２出力
軸２４６の外周はハウジング８０ｄに固定されたベアリ
ング１４０により支持される。第２出力軸２４６はフラ
ンジ２５２を備え、これに対してタービンロータ１１
０’がボルト２５４により固定される。タービンロータ
１１０’の動翼１２０ａ’、１２２ａ’はタービンロー
タ１１０’の動翼１２０ａ、１２２ａとは反対方向に配
列され、同様にステータ１０６’の案内羽根１０８’は
ステータ１０６の案内羽根１０８と逆方向に配列され
る。このため、タービンロータ１１０、１１０’の動翼
は互いに逆方向の衝動エネルギーを受けて出力軸２４
０、２４６は逆方向に回転される。

【００２９】上記説明において、第１、第２膨張タービ
ンはそれぞれ単段式のものとして説明したが実際の使用
においては、各膨張タービンを多段式にしても良い。ま
た、蓄熱型排熱回収蒸発装置の高圧蒸気を直接第２膨張
タービンに供給するものとして示したが、高圧蒸気をア
キュムレータに蓄圧し、圧力制御弁を介してアキュムレ
ータから第２膨張タービンに供給しても良い。駆動装置
２０は公知のギヤトレイン、油圧装置もしくはモータ／
発電機等から構成しても良い。なお、コンプレッサと第
１膨張タービンもしくは第１、第２膨張タービンとの間
にクラッチを設けても良い。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、膨
張タービンによりフライホイールを構成し、フライホイ
ールに環状溝と環状動翼部を形成することにより、簡単
な構造で低コストの低公害のガスタービンで１次動力系
を構成し、１次動力系の回転エネルギーおよび排熱エネ
ルギーを利用することにより１次動力系の間欠運転を可
能としたため、超低燃費および超低公害の次世代動力を
提供できる。しかも２次動力系は低温度（たとえば、１
３０°〜２８０℃）の広範囲内で高圧動力ガスを発生す
ることができるため、１次動力系の運転を長時間にわた
ってＯＦＦにすることができ、超低燃費化と超低公害化
を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン駆動システムを組み込ん
だ車輌の系統図である。

【図２】図１のガスタービンの部分断面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線から見たハウジングセ
クションの側面図である。

【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線の部分断面図である。

【図５】図２のＶ−Ｖ線から見た第１膨張タービンの部
分断面図である。

【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線の部分断面図である。

【図７】図６の膨張タービンの原理を示す図である。

【図８】図１の蓄熱型排熱回収蒸発装置の断面図であ
る。

【図９】図１の蒸気回収装置の断面図である。

【図１０】図１の制御装置のブロック図である。

【図１１】蓄熱温度と時間との関係を示す図である。

【図１２】図６のガスタービンの変形例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０ガスタービン駆動システム、１２車輌、１４
モータファン、１６ラジエータ、１８ガスタ
ービン、２０駆動装置、２２コンプレッサ、２
４コンバスタ、２６出力軸、２８第１膨張ター
ビン、３０１次動力系、３２第２膨張タービン、
３４蓄熱型排熱回収蒸発装置、３６２次動力系、
３８燃料ノズル、４０水噴射ノズル、４２点
火プラグ、４４燃料供給弁、４５燃料タンク、
４６水供給弁、４８加圧ポンプ、５０水タン
ク、５２凝縮器、５４循還ポンプ、５６昇圧
ポンプ、６０蒸気回収装置、６２温度センサ、
６４アクセルペダル、６６入力装置、６８制御
装置、７０駆動モータ、８０ハウジング、８４
エアフイルタ、８６ノイズサプレッサ、１０６
ステータ、１１０タービンロータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温排ガスを放出する１次動力系と、１
次動力系の排熱を回収して高圧動力ガスを生成する蓄熱
型排熱回収装置を有する２次動力系と、１次動力系を間
欠運転して高温排ガスを排熱回収装置に選択的に供給す
る制御装置と、１次動力系と２次動力系により駆動され
る出力軸を備え、１次動力系がフライホイールを備える
ガスタービン駆動システム。
【請求項２】請求項１において、１次動力系がフライ
ホイールからなる膨張タービンを備えるガスタービン駆
動システム。
【請求項３】請求項１において、２次動力系がフライ
ホイールからなる膨張タービンを備えるガスタービン駆
動システム。
【請求項４】請求項１または２において、さらに、排
熱回収装置の作動温度を検出して温度信号を出力する温
度センサーを備え、制御装置が温度信号に応答して１次
動力系を間欠運転することにより排熱回収装置の作動温
度を制御するガスタービン駆動システム。
【請求項５】請求項１または２において、２次動力系
が膨張ガスを凝縮する凝縮器を備え、さらに、凝縮器に
冷却液を供給するためのラジエータを備えるガスタービ
ン駆動システム。
【請求項６】請求項２において、１次動力系が圧縮空
気を供給するコンプレッサーと、圧縮空気と燃料が供給
されるコンバスタとを備え、コンバスタが膨張タービン
に連通し、膨張タービンが高温排ガスを排熱回収装置に
供給するガスタービン駆動システム。
【請求項７】請求項６において、１次動力系がコンプ
レッサーと、膨張タービンの間に形成された環状チェン
バーを備え、コンバスタが環状チェンバー内に配置され
ているガスタービン駆動システム。
【請求項８】高温排ガスを排出する１次動力系と、１
次動力系の排熱を回収して高圧動力ガスを生成する排熱
回収装置を有する２次動力系と、１次および２次動力系
のうちの少くとも１つの回転エネルギーを蓄積するフラ
イホイール手段と、ピークパワーデマンド信号を入力す
るマニュアル手段と、１次動力系を間欠運転する制御装
置とを備え、制御装置がピークパワーデマンド信号に応
答して１次動力系を作動させるガスタービン駆動システ
ム。
【請求項９】請求項８において、排熱回収装置が蓄熱
手段を備えるガスタービン駆動システム。
【請求項１０】請求項８または９において、さらに、
１次動力系に水を噴射する水噴射システムを備え、制御
装置がピークパワーデマンド信号に応答して水噴射シス
テムを作動させるガスタービン駆動システム。
【請求項１１】請求項９において、さらに、排熱回収
装置の作動温度を検出して温度信号を出力する温度セン
サーを備え、制御装置が温度信号に応答して１次動力系
を間欠運転することにより蓄熱手段を予じめ定められた
温度範囲に制御するガスタービン駆動システム。
【請求項１２】第１および第２ステータ手段を有する
タービンハウジングと、タービンハウジング内に回転可
能に収納されたコンプレッサーと、第１動力ガスを発生
させるコンバスタと、コンプレッサーに連結されてター
ビンハウジングに回転可能に収納されていて第１動力ガ
スにより駆動される第１膨張タービンと、タービンハウ
ジングに回転可能に収納されていて第２動力ガスにより
駆動される第２膨張タービンと、第１膨張タービンの排
熱を回収して第２動力ガスを発生させる排熱回収装置
と、第１および第２膨張タービンに駆動連結された出力
軸とを備え、第１および第２膨張タービンがそれぞれ第
１および第２動翼部を備え、第１および第２ステータ手
段がそれぞれ第１および第２動翼部に第１および第２動
力ガスを案内する第１および第２案内羽根を有するガス
ータービン駆動システム。
【請求項１３】請求項１２において、第１膨張タービ
ンがフライホイールを備え、フライホイールが第１動翼
部を有するガスタービン駆動システム。
【請求項１４】請求項１２または１３において、第２
膨張タービンがフライホイールを備え、フライホイール
が第２動翼部を有するガスタービン駆動システム。
【請求項１５】請求項１２において、タービンハウジ
ングがコンプレッサーと第１膨張タービンとの間に環状
チェンバを備え、コンバスタが環状チェンバ内に配置さ
れた半円状燃焼室を備えるガスタービン駆動システム。
【請求項１６】請求項１２において、さらに水噴射シ
ステムを備え、コンバスタが水噴射システムに連通する
水噴射ノズルを有するガスタービン駆動システム。
【請求項１７】請求項１６において、さらに、排熱回
収装置の排出側に接続された蒸気回収システムを備え、
蒸気回収システムが水噴射システムに接続されているガ
スタービン駆動システム。
【請求項１８】請求項１２において、さらに、コンバ
スタを間欠運転する制御装置を備えるガスタービン駆動
システム。
【請求項１９】請求項１８において、排熱回収装置が
第１膨張タービンの排熱を回収する蓄熱手段を備え、さ
らに、排熱回収装置の作動温度を検出して温度信号を出
力する温度センサーを備え、制御装置が温度信号に応答
してコンバスタをオン・オフ制御することにより蓄熱手
段を予じめ定められた温度領域に制御するガスタービン
駆動システム。
【請求項２０】ステータ手段を有するタービンハウジ
ングと、タービンハウジング内に回転可能に収納されて
いて出力軸に連結されているコンプレッサーおよび膨張
タービンと、動力ガスを発生するコンバスタとを備え、
膨張ダービンが動力ガスを周方向に通過させる環状溝
と、環状溝に隣接する環状動翼部を有するタービンロー
タを備えるフライホイールからなり、ステータ手段が環
状溝内で周方向に配置された複数の案内羽根を有するガ
スタービン。
【請求項２１】請求項２０において、タービンロータ
は出力軸に固定された一対のロータデイスクからなるガ
スタービン。
【請求項２２】請求項２０または２１において、ター
ビンハウジングがコンプレッサーと膨張タービンとの間
に形成された環状チェンバを備え、コンバスタが環状チ
ェンバ内に配置された半円状燃焼室を備えるガスタービ
ン。
【請求項２３】請求項２２において、半円状燃焼室が
エアインレット開口部、燃料噴射ノズルを有する前縁部
と、中間部と、動力ガスを膨張タービンに供給する後縁
部とを備えるガスタービン。
【請求項２４】請求項２３において、燃焼室がさらに
前縁部に配置されて燃料噴射ノズルを内蔵する予蒸発予
混合部材を有するガスタービン。
【請求項２５】請求項２４において、燃焼室がさらに
水噴射ノズルを有するガスタービン。
【請求項２６】第１ステータおよび第２ステータを有
するタービンハウジングと、タービンハウジング内に回
転可能に収納されたコンプレッサーと、コンプレッサー
に連結されてタービンハウジング内に配置された第１膨
張タービンと、タービンハウジング内で第１膨張タービ
ンと同心的に回転可能に配置された第２膨張タービン
と、コンプレッサーに連通していて動力ガスを発生する
コンバスタとを備え、第１および第２膨張タービンがそ
れぞれ第１および第２環状溝と、第１および第２環状溝
にそれぞれ隣接する第１および第２環状動翼部を有する
第１および第２ロータデイスクからなり、第１および第
２ステータがそれぞれ第１および第２環状溝内で周方向
に配置された第１および第２案内羽根を有するガスター
ビン。
【請求項２７】請求項２６において、タービンハウジ
ングがコンプレッサーと、第１膨張タービンとの間に形
成された環状チェンバを備え、コンバスタが環状チェン
バ内に配置された半円状燃焼室を備えるガスタービン。
【請求項２８】請求項２６または２７において、第１
膨張タービンがコンバスタからの動力ガスにより駆動さ
れ、さらに、第１膨張タービンの排熱を回収して高圧ガ
スを発生する排熱回収装置を備え、第２膨張タービンが
高圧ガスにより駆動されるガスタービン。
【請求項２９】請求項２６または２７において、第１
および第２ロータデイスクの環状動翼部がそれぞれ反対
方向に衝動エネルギーを受けるように配置され、第１お
よび第２ステータの案内羽根がそれぞれ第１および第２
環状動翼部にそれぞれ反対方向の衝動エネルギーを与え
るように配置され、第１膨張タービンが第１の出力軸に
連結され、第２膨張タービンが第１出力軸と同心的で反
対方向に回転するスリーブ状第２出力軸を有するガスタ
ービン。
【請求項３０】請求項２９において、第２環状溝に第
１膨張タービンの膨張ガスを導入するガスタービン。