JP2005163694A - タービンシステムおよびタービンシステムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、上記タービンから排出されたガスを有効に利用することを容易にする。
【解決手段】 衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジン３と、このパルスデトネーションエンジン３での燃焼により排出される流体によって駆動するタービン７とを備えたタービンシステム１において、上記タービン７から排出される流体を、高い温度の流体と、低い温度の流体とに分離する排出流体分離手段１５を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンシステムおよびタービンシステムの運転方法に係り、特に、タービンから排出される流体を、高温のものと低温のものとに分離するものに関する。

従来、パルスデトネーションエンジンから排出される流体によってタービンを回転駆動する構成のタービンシステムが提案されている（たとえば特許文献１参照）。

なお、上記従来のタービンシステムは、上記タービンの回転力によってたとえば発電機を回転し発電を行うものである。
特願２００３−３３３０１

上記従来のシステムにおいては、パルスデトネーションエンジンで間歇的な燃焼をするので、タービの出口からは、高温のガスと低温のガスとが、時刻の経過と共に交互に排出される。

しかし、上記タービンの出口から遠ざかるにつれて（上記タービンの出口から下流側になるにつれて）、上記高温のガスと上記低温のガスとが互いに交じり合う。

そして、上記交じり合ったガスでは、ガスの温度が下がってしまい、上記タービンから排出されたガスを有効に利用することが困難であるという問題がある。

たとえば、上記パルスデトネーションエンジンの燃料の改質のために、上記タービンから排出されたガスを利用しようとしても、温度が低いために利用することが困難であり、また、たとえば、ボイラで上記タービンから排出されたガスを利用しようとしても、温度が低いため利用することが困難である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、上記タービンから排出されたガスを有効に利用することが容易であるガスタービンシステムおよびガスタービンシステムの運転方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼により排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、上記タービンから排出される流体を、高い温度の流体と、低い温度の流体とに分離する排出流体分離手段を有するタービンシステムである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のタービンシステムにおいて、上記排出流体分離手段は、遠心分離器、流体素子、流体の流路を切り替えることが可能な弁のうちのいずれかを用いて構成されているタービンシステムである。

請求項３に記載の発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼により排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムの運転方法において、上記タービンから排出される流体を、高い温度の流体と、低い温度の流体とに分離する排出流体分離段階を有するタービンシステムの運転方法である。

本発明によれば、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、上記タービンから排出されたガスを有効に利用することが容易であるという効果を奏する。

図1は、本発明の実施形態に係るタービンシステム１の概略構成を示すブロック図である。

タービンシステム１は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジン３と、このパルスデトネーションエンジン３での燃焼により上記パルスデトネーションエンジン３のデトネーション管５から排出されるガス（流体）によって回転駆動するタービン７とを備えている。そして、タービン７によって発電機９を回転駆動し発電を行うようになっている。

上記デトネーション管５の上流側（閉端側）には、ブロア１１とガス冷却器１３とが接続されており、ブロア１１からは空気が、ガス冷却器１３からは燃料が、上記パルスデトネーションエンジン３へ供給されるようになっている。

ここで、パルスデトネーションエンジン３について説明する。

図２は、パルスデトネーションエンジン３の概略を示す図である。

パルスデトネーションエンジン３は、図２に示すように、一端部側が閉じられ他端部側が開放されている筒状のデトネーション管５を具備し、このデトネーション管５の閉端側に溜められた燃料に着火すると、この着火された燃料が開口端に向けて燃焼しデトネーションに発展するものである。

図３は、上記デトネーション管５で発生したデトネーション波が、管長の０．８の位置に達した瞬間の圧力、比体積、温度状態を示す図である。

たとえばデトネーション管５の長手方向の長さを１メートルとした場合、図３に示すように、閉口端から０．８メートル付近ＳＷでデトネーションの衝撃波等による圧力は突出している（ノイマンスパイクという。）。一方、デトネーション管５の閉口端から０．８メートル付近〜開口端である１メートル付近は初期状態Ａを保っている。また、閉口端〜閉口端から０．４メートル付近の管内膨張後の状態Ｂでは、管内の温度、圧力等は一定の値になる。

図４は、上述の状態でのデトネーション管５の圧力、比体積、温度等の変化を示している。

デトネーション波が超音速で伝播する性質から、通常の燃焼に比べて非常に高い圧力と温度を発生できる。

なお、パルスデトネーションエンジン３は、上記燃焼後にデトネーション管５内に残っている燃焼ガスをエアーパージして取り除き、続いて、水素等の燃料ガスと空気との混合気体を上記デトネーション管５内に供給して再び燃焼させる動作を繰り返して、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生することができるようになっている。

ここで、上記パルスデトネーションエンジン３に使用される可能性のある各燃料と常温常圧空気とのデトネーション特性値を図５に示す。

ここで、図５に示す「セルサイズ」とは、デトネーションのし易さの指標であり、この値が小さいほど反応性が高い。すなわち、デトネーションを起こし易い。なお、パルスデトネーションエンジンの燃料として使用するためには、セルサイズが「２０ｍｍ」以下であることが望ましい。

また、「ＤＤＴ距離」とは、デトネーションの開始距離をいい、この値が小さいほど、パルスデトネーションエンジンの燃料として使用し易く、ＤＤＴ距離は「０．２ｍ」以下であることが望ましい。

すなわち、図５に示す各燃料で、パルスデトネーションエンジンの燃料として望ましいものは、水素、エチレン、アセチレンであり、その他の燃料（たとえば、ケロシン；ＪｅｔＡ−１やＪＰ−１０）をそのままパルスデトネーションエンジンの燃料として使用することは難しい。

ここで、図１に戻り、タービンシステム１についてさらに説明する。

タービン７の回転駆動に使用され上記タービン７から排出されたガスは、排出流体分離手段１５に供給されるようになっている。上記排出流体分離手段１５は、上記タービン７から排出されるガスを、高い温度のガスと、低い温度のガスとに分離することができるものである。

なお、上記高い温度のガスは、たとえば約１１００℃の温度であり、 主として上記パルスデトネーションエンジン３での燃焼によって生じた燃焼ガスで構成されている。また、上記低い温度のガスは、たとえば、約３００℃であり、主として上記パルスデトネーションエンジン３での燃焼によって生じた燃焼ガスをエアーパージするための空気等の流体で構成されている。

上記排出流体分離手段１５によって分離された低温のガスは排気され、一方、上記排出流体分離手段１５によって分離された高温のガスは、燃料改質器１７の供給されて、パルスデトネーションエンジン３の燃料の改質に使用される。上記改質器１７によって、比較的安価なプロパン、メタン、ケロシン等が、パルスデトネーションエンジン３の燃料として適した水素やエチレンや一酸化炭素等を多く含む流体に改質される。

上記改質器１７で使用され上記改質器１７から出てきた高温ガスは、蒸気を発生可能なボイラ１９に供給されて使用された後、ボイラ１９から排気される。

一方、改質器１７から出てきた燃料は、上記ガス冷却器１３で冷却された後、上述したようにパルスデトネーションエンジン３に供給される。

また、上記ガス冷却器１３には、水が供給される。この供給された水は、上記改質器１７から出てきた燃料の冷却に使用される。そして、上記燃料を冷却することによって温まった水が、ガス冷却器１３から排出され、上記ボイラ１９に供給される。また、上記ボイラ１９で生成された蒸気は、改質器１７等に供給される。

次に、上記排出流体分離手段１５について詳しく説明する。

図６は、排出流体分離手段１５の例である遠心分離器２１の外観を示す斜視図である。

タービンシステム１では、排出流体分離手段１５として、たとえば、遠心分離器２１が使用されている。

遠心分離器２１のガス入口２１Ａは、図１に示すようにタービン７に接続されており、遠心分離器２１の高温ガス出口２１Ｂは、図１に示すように燃料改質器１７に接続されており、遠心分離器２１の低温ガス出口２１Ｃは、たとえば大気に開放されている。

そして、たとえば２０Ｈｚに相当する周期で高温ガスと低温ガスとが交互にガス入口２１Ａから遠心分離器本体２１Ｄ内に供給され、高温ガスと低温ガスとに分離されて、高温ガスは、高温ガス出口２１Ｂから排出され、低温ガスは、低温ガス出口２１Ｃから排出される。

すなわち、遠心分離器本体２１Ｄ内では、円筒状の遠心分離器本体２１Ｄの周辺部に設けられたガス入口２１Ａから入ってきたガスが渦を巻いて移動しており、遠心力によって、密度の小さい高温ガスが、遠心分離器本体２１Ｄ内の中心部に集まり、遠心分離器本体２１Ｄの中心部に設けられた高温ガス出口２１Ｂから排出され、一方、密度の大きい低温ガスが、遠心分離器本体２１Ｄ内の周辺部に集まり、遠心分離器本体２１Ｄの周辺部に設けられた低温ガス出口２１Ｃから排出される。

なお、遠心分離器２１が高温ガスと低温ガスとを分離できるように、遠心分離器２１は、パルスデトネーションエンジン３（タービン７）から排出されるガスの量や、パルスデトネーションエンジン３での燃焼の周期等に合った適宜の大きさのものが使用されているものとする。

タービンシステム１によれば、排出流体分離手段１５によって、タービン７から出てきたガスを、高温のものと低温のものとに分離できるので、高温のガスを用いて、たとえば、上記パルスデトネーションエンジン３の燃料の改質を効率良く行うことができ、また、たとえば、ボイラ１９で蒸気を効率良く生成することができ、上記タービン７から排出されたガスを有効利用することが容易になる。

また、タービンシステム１によれば、遠心分離器２１を用いて、タービン７から排出されるガスを分離するので、外部から別途エネルギーを加えることなく、また、外部から上記遠心分離器２１の操作を別途行うことなく、ガスを分離することができる。

また、遠心分離器２１自体には、動く部品が存在しないので、動くことによって擦れる部分が存在せず、部品同士の磨耗が起こらず、したがって、耐久性が高くなる。

なお、遠心分離器に代えて、流体素子（流体素子スイッチ）を用いて、タービン７から排出されるガスを分離してもよい。

この場合、たとえば、上記流体素子のガス入口近傍に、温度センサーを設けて、上記タービン７から排出されて上記流体素子に入る直前のガスの温度を検出し、この検出した温度に基づいて、上記流体素子によって、ガスの流路を切り替えるものとする。

なお、上記流体素子での流体の流路の切り替えに必要なパイロット流体として、たとえば、ボイラ１９で生成された蒸気を使用するものとする。

すなわち、たとえば、上記ボイラ１９の蒸気の出口と上記流体素子のパイロット圧供給口との間の蒸気の流路であって、上記パイロット圧供給口の近傍の流路に、上記流体素子への蒸気の供給を制御可能な電磁弁を設け、制御装置を用いて、上記温度センサーからの信号に基づき、上記電磁弁を動作することによって、ガスの流路を切り替えてもよい。

さらに、上記流体素子の代わりに、流体の流路を切り替えることが可能な弁の例であるロータリ弁（弁体を回転させることによって流路を切り替えることができる弁）２３を用いて、タービン７から排出されるガスを分離してもよい。

図７、図８は、ロータリ弁２３を用いたガスの分離の原理について説明する図である。

ロータリ弁２３は、円柱側面形状の内壁を具備した内部空間を有する筐体２５を備え、この筐体２５内には、円柱形状の弁体２７が設けられている。この弁体２７の外径は、上記筐体２５の内部空間の内径よりも極僅かに小さくなっており、上記内部空間に上記弁体２７が係合し、中心軸ＣＬ１を中心にして、回転自在になっている。

上記筐体２５には、タービン７から排出されたガスの入口２５Ａと、高温ガスの出口２５Ｂと、低温ガスの出口２５Ｃとが設けられている。なお、タービン７から排出されたガスの入口２５Ａは、図１に示すようにタービン７に接続されており、高温ガスの出口２５Ｂは、図１に示すように改質器１７に接続されており、低温ガスの出口２５Ｃは、たとえば大気に開放されている。

また、上記弁体２７の側面には、貫通孔２７Ａ、２７Ｂが設けられており、図７に示す状態では、貫通孔２７Ａがロータリ弁２３のガス入口２５Ａとロータリ弁２３の高温ガス出口２５Ｂとを互いにつなぎ、ガス入口２５Ａから高温ガス出口２５Ｂへガスが流れるようになっている。一方、図７に示す状態から弁体２７が回転すると、貫通孔２７Ａとは別の貫通孔２７Ｂがロータリ弁２３のガス入口２５Ａとロータリ弁２３の低温ガス出口２５Ｃとを互いにつなぎ、ガス入口２５Ａから低温ガス出口２５Ｃへガスが流れるようになっている。このようにして、ガスの流路を切り替えることができるようになっている。

なお、上記弁体２７は、サーボモータやパルスモータ等の制御モータの回転出力軸に連動連結されており、上記制御モータによって、回転するようになっている。

また、流体素子の場合と同様に、温度センサーを設け、制御装置を用いて、上記温度センサーからの信号に基づき、上記制御モータで上記弁体２７を回転させるようになっている。

本発明の実施形態に係るタービンシステムの概略構成を示すブロック図である。 パルスデトネーションエンジンの概略を示す図である。 デトネーション管で発生したデトネーション波が、管長の０．８の位置に達した瞬間の圧力、比体積、温度状態を示す図である。 図３に示す状態でのデトネーション管の圧力、比体積、温度等の変化を示している。 パルスデトネーションエンジンに使用される可能性のある各燃料と常温常圧空気とのデトネーション特性値を示す図である。 排出流体分離手段の例である遠心分離器の外観を示す斜視図である。 ロータリ弁を用いたガスの分離の原理について説明する図である。 ロータリ弁を用いたガスの分離の原理について説明する図である。

符号の説明

１ タービンシステム
３ パルスデトネーションエンジン
７ タービン
１５ 排出流体分離手段
２１ 遠心分離機
２３ ロータリ弁

Claims (3)

1. 衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼により排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、
   上記タービンから排出される流体を、高い温度の流体と、低い温度の流体とに分離する排出流体分離手段を有することを特徴とするタービンシステム。
2. 請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
   上記排出流体分離手段は、遠心分離器、流体素子、流体の流路を切り替えることが可能な弁のうちのいずれかを用いて構成されていることを特徴とするタービンシステム。
3. 衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼により排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムの運転方法において、
   上記タービンから排出される流体を、高い温度の流体と、低い温度の流体とに分離する排出流体分離段階を有することを特徴とするタービンシステムの運転方法。

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