JP2006519335A - 燃焼室とロータの統合モジュールを持つ小規模反動タービン - Google Patents

Abstract

【課題】損失（特に寸法が小さい場合に、比較的に大きい）が排除されるか、あるいは大幅に減らされる上述のタイプの装置を提供すること。
【解決手段】直径が２００ｍｍよりも短い連結された回転構成要素内で、作動媒体の圧縮、加熱、膨脹が行われるように小形の回転式ターボ機械を備え、次に、回転速度が５００００回転／分よりも速い、熱および動力を発生させる小規模装置が提示されている。このロータは、膨脹したガスまたは蒸気により形成される雰囲気の中で完全に、または部分的に回転する。述べられた付加的な特徴には、多段式の圧縮機、作動媒体の中間冷却、膨脹したガスからの残留熱の回収（再生）、作動媒体の外部加熱、および、作動媒体として二相の物質に基づく処理がある。

Description

本発明は、小さな動力規模（機械的動力の大きさは、１０Ｗ〜１５０ｋＷ）で、燃料から機械的仕事（動力）および熱エネルギー（熱）を発生させる装置に関する。

従来技術は、上述のタイプのタービンを開示してきた。ガスタービン（ブレイトン・サイクル）では、ガスは、圧縮機内で圧縮されて、燃焼室内で加熱され（その結果、ガスの体積が大きくなる）、次に、タービン内で膨脹する。膨脹の間、ガスの体積が大きくなると、要求される圧縮の仕事よりも多くの膨脹の仕事が供給されるようになり、動力の正味ゲインが得られる。蒸気タービン・サイクル（ランキン・サイクル）では、液体は、ポンプを用いて加圧され、ボイラ内で蒸発され、次に、タービン内で膨脹する。圧縮の仕事と膨脹の仕事との差は、この場合もまた、正味の動力ゲインがあることを意味しているが、ただし、その相の差異（液相／気相）は、圧縮の仕事と膨脹の仕事との差が、ガスタービン・サイクルの場合よりもずっと大きいことを意味している。

双方の場合に、ガスの運動エネルギーとポテンシャル（位置）エネルギー（圧力）が機械的エネルギーに変換された結果として、回転式ターボ機械に仕事が受け渡される。このような原理は、積分角運動量バランス（ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｂａｌａｎｃｅ）を用いて説明することができる。

ガス（または蒸気）は、この流れ媒体の局部圧力、および任意の変化する速度に関連づけられる力を、回転式ロータの流れ通路の壁面（ブレード）上に及ぼす。

一般に、圧縮および膨脹の間、以下の少なくとも３つの損失機械作用が生じる：
１．ロータの回転面と、固定ケーシングとの間のギャップ（隙間）を通るガス（または蒸気）の漏れ。
２．或る流れ通路から、別の流れ通路への流れの移行部分における衝撃損失。
３．摩擦損失（通路とロータの壁面にて、また内部では、流れる媒体中で）。

漏れ損失は、ギャップ幅に関連するものである。可動シールを設計する際の有限絶対寸法精度を考慮して（熱膨脹も考慮して）、シーリングの問題は、特に圧縮機とタービン・ロータの全体寸法が小さい場合に、重大である。

さらに、衝突損失が、流れ通路間の仕切板の厚さ（ブレードの厚さ）に比例する。この衝突損失もまた、ロータの全体サイズが小さければ、比較的に大きくなる。

最後に、寸法が小さい場合には、速度と、壁面の表面積は、通過表面積に対して大きくなる。

ＷＯ ００／３９４４０は、回転の中心軸付近に位置づけられた入口であって、実際は、いくつかの個別燃焼スペース（燃焼室、ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｐａｃｅ）に連結されたいくつかの入口通路と、その円周の所まで延びている出口通路とに分けられている入口を含む反動タービンを記載している。

ＷＯ ９０／０１６２５は、遠心効果により円周境界を成す水ジャケットによって境界が形成されている回転式燃焼室を開示している。

ＤＥ ４４１７３０は、圧縮機無しの装置を開示している。

上の説明を考慮して、本発明の目的は、損失（特に寸法が小さい場合に、比較的に大きい）が排除されるか、あるいは大幅に減らされる上述のタイプの装置を提供することである。

本発明により、この目的は、請求項１の性質により達成される。本発明により、従来技術に勝る改良が、以下により得られる：
１．入口と出口の開口を除き遮断されているが、タービン・ケーシングに対しては封止される必要のない単一の通路において、圧縮、加熱、膨脹をおこなうこと。
２．圧縮通路を、ブレード付きの移行部分無しに燃焼室に連結し、さらに、この燃焼室を、ブレード付きの移行部分なしに、膨脹通路に連結すること。
３．ロータ内で燃焼される、あらかじめ混合されたガスと空気の混合気をロータに供給すること。
４．可能である場合には（特に、圧縮機の下流側で）、その速度を比較的におそくしておき、その結果として、摩擦損失を減らすこと。
５．粘性が比較的に小さい高温ガスを流入すること。

このガスが、運動量と圧縮力の組合せで、ロータに力を及ぼすという理由で、このタービンは、反動タービンの部類に入る。

本発明の基本実施形態は、わずかに空気の方が多いガスと空気の混合気を、圧縮機翼車に吸い込ませて、圧縮し、圧縮機翼車に固定状態に連結された燃焼室内で燃焼し、次に、燃焼室に固定状態に連結された膨脹翼車（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｗｈｅｅｌ）内で膨脹させる、上記の特性（１〜５）を持つ装置を含む。

本発明の基本実施形態の１つの特徴は、ガスと空気の混合気において、空気の方がわずかに多いことである。このように空気の方がわずかに多いことから、高い燃焼温度を実現することが可能であり、これは、変換効率（カルノー効率）のためになる。

さらに他の特徴は、ロータが、膨脹燃焼ガス（なおも、比較的に高い温度である）中で回転することであり、その結果、壁面摩擦が比較的に小さい。

上記の特徴に関連して、本明細書では、本発明の基本実施形態は、回転式ターボ機械の高速使用であることに留意されたい。所期の回転速度は、５００００回転／分を超える。

この圧縮比（圧縮機の初圧に対する最終圧力）は、本発明の有効性には重要である。単段式の遠心圧縮機を持つ実施形態では、この圧力比、それゆえ変換効率が限定される。本発明では、複数の段を持つ圧縮機を使用できるようにしており、或る段からのガスの運動エネルギーが回収されて、ロータ・ディスクへの境界層流中の伝達運動量により、機械的エネルギーに変換される。このようにして、圧縮機の段は、その前の段から供給された静圧を受け取って、ガスの運動エネルギーを保持して動力を受け渡す。

ロータ全体が、高速の周速にて回転するという理由で、ロータの周りに高温の燃焼ガスがある状態で、充分な熱交換が可能である。さらに、放射熱を通じて、ロータのケーシングと熱を交換することができる。このようなロータの熱交換性により、以下の個々の実施形態が可能である。

まず第１に、燃焼ガスにおいて、なおも利用できる熱エネルギーを使用すれば、圧縮されたガスと空気の混合気を予熱した後で、その混合気を、燃焼室内で燃焼させることができる。このような残留熱の回収は、再生として知られている。これは、燃焼室から、或る温度を得るのに必要な燃料がさらに少ないことを意味し、ガスタービンの効率が高まる。

圧縮されたガスと空気の混合気と熱交換をする第２のオプションは、第１に、ロータからタービン・ケーシングへの放射熱により、また第２に、比較的に冷たい吸入空気を用いてロータを冷却することにより、ガスと空気の混合気を冷却することである。ガスと空気の吸入混合気を冷却すれば、さらに大きい圧縮率を実現することが可能であり、これは、熱機械変換効率のためになる。

このタイプの環境とのロータの充分な熱交換が用いられる第３の実施形態は、外部熱源を用いて、ロータ内の作動媒体を加熱することである。この外部熱源は、例えば、放射熱バーナ、またはロータ越しに案内される高温ガスにより形成されることがある。これは、燃焼を、制御されたやり方で実行できるようにするものであり、ロータ中の作動媒体が、その燃焼自体を、可能にする必要のないことを意味している。このようにして、圧縮機でガスを吸い込んで、そのガスを、外部熱源で加熱することが可能である。ガスではなくて、液体をロータで吸い込んで、ロータ内でその液体を加圧し、次に、その液体を、蒸発させるように外部熱源で加熱することも可能である。次に、形成された蒸気を、膨脹翼車内で膨脹させることができる。これにより、ランキン（蒸気）サイクルが得られる。ガスタービン・サイクルの場合と同様なやり方で、この場合もまた、膨脹した蒸気からの熱を利用して、処理媒体を予熱した後で、外部熱源により加熱することで、再生動作が可能である。

本発明はまた、中心軸付近に入口が配置され、外周付近に出口が配置されており、また、それぞれの圧縮スペース（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｐａｃｅ）が、中心軸付近に配置された入口と、タービン翼車の外周付近に配置された出口とを含む多段式の圧縮機から成る圧縮機が、上記入口と上記出口との間に配置されており、さらに、第１の圧縮段の出口と、第２の圧縮段の入口との間に連絡導管（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｃｏｎｄｕｉｔ）が配置されている回転可能に搭載されたタービン翼車を含む反動タービンに関わる。上記圧縮機のこの特定の実施形態は、随意に、（下流側の）燃焼室と組み合わせて使用されてもよい。上記燃焼室の特定の実施形態は、このような圧縮機の変形に不可欠ではない。結局、反動室なしで動作する公知の反動タービンの設計がある。

このような段式圧縮機の有利な実施形態により、この連絡導管は、第１の圧縮段のスペースの壁面と、第２の圧縮段のスペースの壁面により画成されている。この連絡導管により、ガスは、千鳥状に、あちこちに移動する。

この変形もまた、上述の燃焼室の特定の実施形態を用いずに使用できる。

本発明はまた、中心軸付近に入口が配置され、外周付近に出口が配置されており、また、上記入口と上記出口との間に、圧縮機と燃焼室が配置されている回転可能に搭載されたタービン翼車を含む反動タービンにも関わる。このような場合、本発明により、熱交換器手段を利用し、この熱交換器手段により、発生したガスからの熱を使用して、圧縮機から出てきたガスを加熱して、そのガスを燃焼室に送り、熱交換を直接に実行する。すなわち、流れ出すガスが、圧縮機から出てきたガスの流れを、熱交換器を介して、直接に加熱する。この圧縮機または燃焼室の実施形態は、熱交換が直接に用いられるこの変形には不可欠ではない。

本発明はまた、上述の反動タービン実施形態の１つを、発電機と組み合わせて使用する熱・動力複合式システムにも関わる。放出される熱は、好ましくは、建物を暖めるのに使用される。

図１は、ガスと空気の混合気を、開口３を通じて吸い込む圧縮機翼車２を持つ基本実施形態の形式のロータ１を示している。ガスの流れに作用する遠心加速により、ガスの圧力が高められる圧縮通路２は、単一の環状室として設計されている燃焼スペース４に固定状態に連結されている。あらかじめ混合されたガスと空気の混合気への初期点火は、電気エネルギーを、ケーシング２３からスパーク点火装置（スパークプラグ）２２に伝達して（これも、スパークを用いて）、このスパークプラグを利用する点火により、行うことができる。燃焼スペース４は、膨脹翼車５にも固定状態に連結されている。膨脹翼車５では、高温ガスが、噴射ノズル６を通って流れ出して、流れ出すガス噴射に対して、主に接線方向の速度を与える。この出てゆく流れは、純粋に接線方向である（ロータの円周にて）か、あるいは、圧縮機の方向に（図示されるように）、ロータから遠ざかる方向に、あるいは、これらの方向を組み合わせた方向に、軸方向の成分を含むことがある。

これらのガスが、吸い込まれるガスに対して、さらに速い速度、および／または、さらに大きい半径で流れ出すという理由で、使用できる正味トルクをロータ１に及ぼして、出力軸を介して装置、例えば発電機を、１０Ｗ〜１５０ＫＷの動力（出力）で駆動する。流れ出す作動媒体の絶対速度は、運動エネルギーの損失を表わすから、この絶対速度をできるだけ低く抑えるべきである。角運動量を維持する目的で、これは、ロータ１に、小さい機械トルクを及ぼすことを意味している。これは、好ましくは、小さい機械トルクと、速いロータ回転速度で、所要の機械的動力を発生させなければならないことを意味している。５００００回転数／分よりも速い回転速度が実現される。

単段式の圧縮機翼車が、圧力の上昇に関して不充分である用途では、図２は、多段式の圧縮機翼車（この場合には、２段の圧縮機翼車）を持つ一実施形態を示している。圧縮機のこの実施形態では、それぞれの（遠心）圧縮段（通路２）の後で、ガスが、運動量再生段９に送られる。そのガス（その接線方向の速度成分が圧縮機翼車２のものよりも大きい）は、このような場合、これらのディスクでの境界層中の摩擦の結果として、接線方向の運動量をロータに伝達し、その結果、機械的エネルギーが受け渡される。様々な段を直列に位置づけることにより、静的な圧力上昇が集積され、その結果、回転速度を非常に速くし、かつ／またはロータの寸法を非常に大きくする必要もなく、その圧力比が大きくなる。ディスク形圧縮機の特定の特性は、ガスの運動エネルギーが、それぞれの圧縮段の後で、主として機械的エネルギーに変換され（ディスクでの境界層中にて）、それにより、回収されることである。

図３は、なおも出口ガスに含まれている熱エネルギーを使用して、再生スペース１０内の圧縮されたガスと空気の混合気を予熱するタービンの基本実施形態を示している。再生スペース１０は、燃焼スペース４の上流側に連結され、かつ、燃焼スペース４に固定状態に連結されている。残留熱の再生により、このタービンの熱力学的効率が向上する。

図４は、圧縮されたガスと空気の混合気が、冷却流１１により冷却される基本形態の一実施形態を示している。冷却により、さらに高い最終圧縮圧を得ることが可能になるといっても、これは、作動媒体への望ましくない自動点火にはつながらない。作動媒体が、通路２中の圧縮後ではなく、むしろ、その圧縮の間に再び冷却される場合には、等温圧縮処理に取りかかる。これもまた、このシステムの効率には有利である。再生、等温圧縮、および膨脹のあるガスタービン・サイクルは、理想的なカルノー・サイクルに近いことが、熱力学の分野から知られている。

図５に示されるように、圧縮されたガスと空気の混合気もまた、熱を、ロータ壁面を介して加熱通路４中の空気に放出する外部熱源１２を用いて予熱することができる。外燃（ロータの外部にて）により、燃焼を、よりよく制御（点火）でき、かつ燃焼がさらに安定するという利点が与えられる。さらに、外燃は、（幾何形状の点で）自由度がさらに高いために、実現が容易となる。

外部熱源がランキン蒸気サイクルに基づいて働く一実施形態が、図６に示されている。この実施形態は、蒸発液体に基づいて働く。この液体は、液体送り管１４から、吸込み管１３を通って吸い込まれて、ポンプ・インペラ（羽根車）１５内で高圧まで圧縮される。回転軸を垂直に位置づけることは、ロータと、液体送り管１４との間に、回転シールが必要でないことを意味している。ポンプ通路１５に固定状態に連結されている蒸発スペース１６では、この液体は、外部熱流束（ｈｅａｔ ｆｌｕｘ）１７により供給される熱の影響を受けて蒸発する。形成された蒸気を噴射ノズル１８の周囲へと広げて、こうして、その運動量をロータに伝達する。

このランキン・サイクルの利点は、力率がさらに大きいことである（膨脹の仕事に対して必要となる圧縮の仕事はさらに少ない）。

最後に、図７は、膨脹後の蒸気の残留熱を再使用（再生）して、液体を予熱した後で、外部熱源１９を使用して、熱エネルギーを供給する一実施形態を示しており、この場合、外部熱源１９は、中空のローラ壁面上に位置づけられている。ガスタービンの場合のように、再生の結果として、このシステムのエネルギー効率が向上する。

基本実施形態によるガスタービンを示す。 多段式のディスク形圧縮機を持つ基本実施形態によるガスタービンを示す。 残留熱の再生が行われる基本実施形態によるガスタービンを示す。 圧縮ガスの冷却が行われる基本実施形態によるガスタービンを示す。 ガスの外部加熱が行われる基本実施形態によるガスタービンを示す。 外燃用の統合された液体ポンプ、蒸発器、膨脹翼車を有するガスタービンの基本実施形態による蒸気タービンを示す。 残留熱の再生が行われる、図６に図示される蒸気タービンを示す。

Claims (15)

1. 中心軸付近に配置された入口と、外周付近に配置された出口とを含み、また、前記出口と前記入口との間に、圧縮機と圧縮室が配置されている回転可能に搭載されたタービン翼車を備える反動タービンであって、前記燃焼室が、前記タービン翼車内に完全に画定されている開放環状室を含むことを特徴とする反動タービン。
2. 前記圧縮機は、それぞれの圧縮スペースが、前記中心軸付近に配置された入口と、前記タービン翼車の外周付近に配置された出口とを含む多段式の圧縮機から成っていることと、第１の圧縮段の出口と、第２の圧縮段の入口との間に、連絡導管があることを特徴とする請求項１に記載の反動タービン。
3. 前記連絡導管が、前記第１の圧縮段のスペースの壁面と、前記第２の圧縮段のスペースの壁面により画成されていることを特徴とする請求項２に記載の反動タービン。
4. 前記壁面が摩擦ディスクを含むことを特徴とする請求項２または３に記載の反動タービン。
5. 前記タービン翼車の外径が２００ｍｍよりも短いことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の反動タービン。
6. 前記圧縮機から出てきたガスを加熱する熱交換器手段を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の反動タービン。
7. 前記熱交換器手段の熱交換器表面が、一方では、前記タービン翼車の出口通路の出口を画成し、また他方では、圧縮機と燃焼スペースとの間の連絡部を画成していることを特徴とする請求項６に記載の反動タービン。
8. 前記圧縮機に送られ、かつ／または、圧縮されるガスを冷却する熱交換器手段を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の反動タービン。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の反動タービンと発電機を備えることを特徴とする熱・動力複合式システム。
10. 建物用の暖房装置に連結されている熱交換器手段があることを特徴とする請求項９に記載の熱・動力複合式システム。
11. 反動タービンのタービン翼車の入口を介してガスを導き入れるステップと、前記ガスを圧縮するステップと、前記ガスを燃焼室内で反応させて燃焼ガスを形成するステップと、前記燃焼ガスを出口を介して吐き出すステップとを含む、前記タービン翼車を回転駆動する方法であって、燃焼が、前記タービン翼車内のただ１つの場所で行われ、また、形成された燃焼ガスが部分流（細流、ｐａｒｔ−ｓｔｒｅａｍ）に分けられることを特徴とする方法。
12. 前記圧縮ステップが、少なくとも２つの段において実行され、また、これらの段の間に移送（運搬）の段が含まれていて、前記中間の段において、第１の圧縮の段からの作動媒体の運動エネルギーが、機械的エネルギーに変換され、また、前記作動媒体の静圧が保持されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記移送の段の間、前記ガスを、摩擦面に沿って通すことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記ガス／作動媒体が、あらかじめ混合されたガスと空気の混合気から成っていることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１つに記載の方法。
15. 前記ガス／作動媒体が二相の媒体から成っており、前記媒体が、液体として加圧され、また熱エネルギーの供給により蒸気に変換されて、膨脹蒸気として前記出口から出ることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１つに記載の方法。

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