JP2012026425A

JP2012026425A - 内燃機関と外燃機関の複合推進システム

Info

Publication number: JP2012026425A
Application number: JP2010178053A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Daiho; 輝彦大保
Original assignee: SAN WORLD KK
Current assignee: SAN WORLD KK
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】船舶等の内燃機関から排気される約３００℃の排気熱を利用する場合、熱交換器から得られる蒸気の圧力や温度条件に制限があり、中小規模の軸流蒸気タービンでは熱効率が悪くなる。
【解決手段】蒸気タービンの作動蒸気の流れる方向が内周から外周への、アウトフロー型半径流蒸気タービンは、ディーゼル機関の約３００℃の排気ガスの熱源でも熱効率が良い。特に回転板が複数枚、回転軸に固着できる方式（図６）を採用することにより、該排熱エネルギーを有効に蒸気タービンの駆動エネルギーに変換でき、主機を加勢し、又は副機として駆動させる。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関と外燃機関の複合推進システムであって、更に詳しくは船舶等のディーゼルン機関と蒸気タービンの複合推進システムに関する。

船舶に用いられる大型２サイクルディーゼル機関の熱効率は他の用途に用いられるディーゼル機関の約４０％に比べ良い方であるが、それでも約５０パーセントの燃焼エネルギーは約３００℃の高温の排気ガスとして大半は大気へ廃棄される。しかし、地球環境問題がクローズアップされる現在、少しでも熱効率を上げＣＯ２やＮＯＸの排出を極力減少させる努力が求められている。

内燃機関は機関内部で燃料を燃焼し、不要な熱を放出する必要があり、一方外燃機関は熱エネルギーを機関の外部から得る必要がある。その為、内燃機関の高温排気ガスを利用し蒸気を得て、蒸気タービンと発電機を組み合わせ、排熱エネルギーを使用効率の良い電気エネルギーに変換し、次に電動モーターを用いて主機であるディーゼル機関の回転運動や推進力を加勢する試みは既に何件か公開されている。（特許文献１、２及び３）

特開Ｈ１０−８９０１５号広報特開２００７−１３３９号広報特開２０１０−５０１４０９号広報特開２００５−４２５６７号公報実開Ｈ０５−１０１９９号公報特願２０１０−１３６５７４号（申請時点未公開）

火力発電所等の大規模発電施設では蒸気供給条件が良く、高温・高圧の蒸気を大型の蒸気タービンに供給できる。これらの蒸気タービンは作動蒸気がタービン内で回転軸方向に流れる軸流蒸気タービンである。しかし、船舶等の内燃機関から排気される約３００℃の排気熱を利用する場合、熱交換器から得られる蒸気の圧力や温度条件に制限があり、中小規模の軸流蒸気タービンでは熱効率が悪くなり（特許文献４）、そのため特許文献１、２及び３での技術では従来の軸流蒸気タービンを使用するため内燃機関からの排気ガスの熱源だけでは高圧蒸気を得ることが難しく、他に熱源を設けて新たなボイラーから高圧蒸気を生成するという問題がある。

図４は既知の技術の１例の概念図である。内燃機関であるディーゼル機関１から高温の排気ガスは熱交換器である排ガスエコノマイザー２に送られ、該排ガスエコノマイザー２内を通る水を加熱し蒸気を生成する。生成された蒸気は、蒸気の流れる方向が蒸気タービンの回転軸に沿って流れる、軸流蒸気ターンビン３ｂへ送られ、排熱エネルギーは回転運動エネルギーに変換され、該軸流蒸気タービン３ｂに連結されている発電機７を駆動し発電する。発電された電力で、例えば主機１の推進軸５に取り付けられた電動モーター８を回転させ、主プロペラ６の回転を加勢する。図４は電動モーター８を直接推進軸５に取り付けてあるが、減速器等を介して推進軸５の回転運動を加勢することも当然出来る。しかし、発電機やモーターを設置することは経済的に大きなコストに成り、又限られた空間に制約を与えることに成り、実用化が憚れるという問題がある。（特許文献１、２及び３）

近年、ディーゼル機関の高熱効率化により排気ガス温度が低下する傾向であり（特許文献５）、生成される蒸気供給条件（温度、圧力、量等）が悪化している。

本発明は以上の問題を鑑み、具体的には複合推進システム自体を単純化することで、経済的なコストを安くし、内燃機関から排気される熱エネルギーを有効に活用できる技術を提供する。

蒸気タービンの作動蒸気の流れる方向が回転軸に沿って流れる、軸流蒸気タービンの中小型は大型に比べ、タービン効率が劣る。しかし、蒸気タービンの作動蒸気の流れる方向が内周から外周への、アウトフロー型半径流蒸気タービンは、ディーゼル機関の約３００℃の排気ガスの熱源でも熱効率が良い。特に回転板が複数枚、回転軸に固着できる方式（図６）を採用することにより、該排熱エネルギーを有効に蒸気タービンの駆動エネルギーに変換でき、主機を加勢し、又は副機として駆動させる。（特許文献６）

内燃機関であるディーゼル機関より排気される高温の排ガスから排ガスエコノマイザー等の熱交換器を用い高温高圧の蒸気を得て、蒸気タービンを駆動し、該蒸気タービンの回転運動エネルギーを直接、又は減速器等を用い間接に主機の推進軸に伝たり、または副機として副プロペラを駆動させ、発電機と電動モーターを介さない。

更に排熱エネルギーが比較的小さい場合、作動液体にアンモニアや二酸化炭素等の冷媒を用いる蒸気タービンを用いることで、比較的低温でも作動体積流量を確保できるため、タービン効率を上げ、船舶等の推進を加勢することが出来る。

船舶等の内燃機関であるディーゼル機関から大気へ排出される、約５０％の熱エネルギーを、排ガスエコノマイザー等を用い蒸気を生成し、半径流蒸気タービンを駆動し、主機であるディーゼル機関を加勢し、又は副機として副プロペラを回転駆動し、船舶等の推進を加勢することができ、化石燃料等の消費を抑え、地球環境負荷を削減できる。更に高価な推進加勢用発電機や電動モーターが不要に成り、コストが下がり、普及が図れる。またバイナリーサイクル等で用いられる冷媒を蒸気タービンで使用することにより、熱源の温度が１００℃−２００℃と低くても効率よくタービン効率を上げる事が出来、低い排熱エネルギーも有効に使うことが出来る。

モーターで主又は副プロペラを援助する概念図。蒸気タービンで主プロペラを加勢する概念図。蒸気タービンで副プロペラを駆動する概念図。発電された電力でモーターを駆動し、主プロペラを加勢する概念図。半径流蒸気タービンの回転板の１部の概念図。（特願２０１０−１３６５７４号より）複数の回転板を有する半径流蒸気タービンの概念図。

図１は本発明の技術の請求項１を示す１例の概念図である。主機のディーゼル機関１から排出された高温の排気ガスを熱交換器である排ガスエコノマイザー２に送り、該排ガスエコノマイザー２内を通る水を加熱し、蒸気を生成する。生成された蒸気は、タービン内で蒸気の流れる方向が内周から外周の半径方向に流れる、アウトフロー型の半径流蒸気タービン３ａに送られ回転運動に変換される。半径流蒸気タービン３ａを出た蒸気は復水器４を通り復水として再び排ガスエコノマイザー２に帰り、循環する。該半径流蒸気タービン３ａの回転運動エネルギーは回転軸に取り付けられた発電機７で電気エネルギーに変換される。発電された電気は推進軸５に取り付けられた電動モーター８ａを駆動し、主プロペラ６の回転を加勢する。又は副機とする電動モーター８ｂを駆動し副プロペラ９を回転させる。

図２及び３は本発明の技術の請求項２を示す２例の概念図である。図２は主機であるディーゼル機関１から排出された排気ガスを排ガスエコノマイザー２に送り、該排ガスエコノマイザー２内を通る水を加熱し、蒸気を生成し、生成された蒸気をアウトフロー型の該半径流蒸気タービン３ａの回転軸の先に減速器７を取り付け、推進軸５の回転を加勢し、主プロペラ６の推進を加勢する。

図３は主機であるディーゼル機関１から排出された排気ガスを排ガスエコノマイザー２に送り、該排ガスエコノマイザー２内を通る水を加熱し、蒸気を生成し、生成された蒸気をアウトフロー型の該半径流蒸気タービン３ａの回転軸の先に副プロペラ９を船外に取り付け、主プロペラ６の推進を加勢する。以上の２例の如く、発電機や電動モーターを介せず、ディーゼル機関の推進を加勢することが出来る。

図５及び６は該半径流蒸気タービン３ｂを説明する概略図である。図５は半径流蒸気タービンのドーナッツ状の回転板１１の一部を示してある。該回転板１１は複数の支持体１３を介して回転軸１２に固着されてあり、該回転板１１の両面には動翼１４が環状に単段、又は複数段取り付けられてある。排ガスエコノマイザー２から送られる蒸気は蒸気流入口１８から供給され（図６）、一部は回転板１１の蒸気通路１５を通り半径流蒸気タービン奥部へ流れ入り、次に内周部から外周部へと半径方向に流れ、静翼１６と動翼１４間を通り抜ける。蒸気が膨張しながら動翼１４間を流れる反動で、動翼１４は旋回エネルギーを得て、回転板１１を回転させる。既知の半径流蒸気タービンは１回転軸に対して回転板は１枚であるが、該半径流蒸気タービンは１回転軸に対して複数枚の回転板が取り付けられるため、更に大きなトルクを得ることができ、主機関の推進をより効果的に加勢することが出来る。（特許文献６）

次に請求項４の実施の形態を説明する。ディーゼル機関１から直に熱源を得られる排ガスエコノマイザー２や二次的な熱交換器を介する場合で熱源が低くなる場合、蒸気を得るのに効率が上がらない場合がある（特許文献５）。このような場合にはアンモニアや二酸化炭素等の冷媒を用い（ランキンサイクル）、又は水と混合し（カリーナサイクル）、熱交換器を介して蒸気を生成する。このように冷媒を用いるバイナリーサイクルでは液体の沸点が低くなり、熱源が１００℃から１５０℃近辺でも充分な蒸気条件を得ることができるため、タービン効率を上げることができ、主機関の推進を加勢することができる。この様な冷媒を用いるサイクルでは半径流蒸気タービンの方が有利であるが、軸流蒸気タービンでも良い。更に該サイクルの蒸気タービンに発電機を取り付けでも良い。

本発明は、以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

記号の説明

１ディーゼル機関
２排ガスエコノマイザー（熱交換器）
３ａ蒸気タービン（半径流）
３ｂ蒸気タービン（軸流）
４復水器
５推進軸
６主プロペラ（船外）
７減速器（ギアーボックス）
８副プロペラ（船外）
９発電機
１０電動モーター
１１回転板（ドーナッツ型）
１２回転軸
１３支持体
１４動翼
１５蒸気通路
１６静翼
１７固定板
１８蒸気流入口
１９ラビリンス（蒸気漏れ防止）

Claims

船舶等の内燃機関であるディーゼル機関と外燃機関である蒸気タービンの複合推進システムであって、ディーゼル機関からの高温排気ガスを排ガスエコノマイザー等の熱交換器を用い蒸気を得て蒸気タービンを駆動し、該蒸気タービンの駆動力で発電機を用いて排熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、電動モーターを用いてディーゼル機関の駆動力を加勢する複合推進システムにおいて、該蒸気タービンはタービン内の作動蒸気の流れ方向が半径方向である半径流蒸気タービンであって、特に内周から外周へ蒸気が流れるアウトフロー型の半径流蒸気タービンであることを特徴とする内燃機関と外燃機関の複合推進システム。
請求項１の複合推進システムであるが、発電機と電動モーターを用いず、該半径流蒸気タービンの駆動力で主機の推進（回転）軸を加勢し、又は該半径流蒸気タービンを副機として副プロペラを駆動し、船舶等の推進を加勢する事を特徴とする内燃機関と外燃機関の複合推進システム。
請求項１又は２の複合推進システムであって、該半径流蒸気タービンは、該半径流蒸気タービンの回転軸に固着されている回転板はドーナッツ状の回転板であり、複数の支持体を介して該回転軸に固着され、該回転板の両面に動翼を配置し、該回転板が単数又は複数該回転軸に固着されている半径流蒸気タービンであることを特徴とする内燃機関と外燃機関の複合推進システム。
請求項１、２及び３のいずれかの複合推進システムであって、蒸気タービンの作動媒体はアンモニアや二酸化炭素等の水よりも沸点の低い作動媒体を用いる蒸気タービンである事を特徴とする内燃機関と外燃機関の複合推進システム。