JP2013522518A - 液封式回転ケーシング蒸気タービン及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

回転液封式回転ケーシングガスタービンは、隣接する羽根車の羽根間で連続的に増加する体積のチャンバー１５を形成するために包囲する液封１４内で回転するように構成された偏心して取付けられた羽根車１１を備える少なくとも１つの液封式回転ケーシング１３を有する。羽根車を回転させ、それによってガスを等エントロピー的に膨張させるため、高圧ガスによって形成された作動流体は、チャンバーが羽根車の静的軸線方向穴２３内の流体入口１９を経由して狭められた羽根車内に噴射される。羽根車の静的軸線方向穴内にあって、流体入口から流体的に分離された流体出口２０は、作動流体を低圧び低温で放出することを可能とする。

Description

本発明は、熱機関、特に液封式(Liquid Ring)回転ケーシングコンプレッサー（ＬＲＲＣＣ）熱機関に関する。

液封式エキスパンダーにおいて、取付けられた羽根を備える羽根車は、偏心してエキスパンダー本体に取付けられている。供給液体はエキスパンダー本体内にあり、羽根車の回転によって発生させられる遠心力によって、エキスパンダー本体の壁に対して偏移させられる。供給液体の体積は、エキスパンダー本体の体積よりも小さい。従って、エキスパンダー本体内の供給液体は、各場合において２つの羽根及び液封によって境界画成されたチャンバーを形成する、周縁の液封を形成する。エキスパンダー本体内の羽根車の偏心位置によって、チャンバーの大きさは羽根車の回転方向において増加し、こうしてガスが膨張し、それによって羽根車を回転させることができるようにするために高圧でエキスパンダーの狭められたチャンバーへと案内されることを可能とする。

液封式コンプレッサーは類似した方法で運転し、この場合においてのみ、ガスは、エキスパンダーの最大幅のチャンバーへと、羽根車の回転方向においてチャンバーの大きさが減少するように案内される。羽根車の回転及びチャンバーの大きさの減少により、引きこまれたガスは、高圧側の液封式エキスパンダーから圧縮されて出される。

本発明の発明者による（イスラエル特許出願公開第１６３２６３号明細書に対応した）米国特許出願公開第２００８／０３１４０４１号明細書は、流体入口及び流体出口を備える少なくとも１つの液封式回転ケーシングコンプレッサー（ＬＲＲＣＣ）を有する熱機関と、ＬＲＲＣＣの出口と流体連通する燃焼チャンバーと、流体入口及び流体出口を有する少なくとも１つのエキスパンダーと、を開示している。流体入口は、燃焼チャンバーと連通する。効果的なＬＲＲＣＣコンプレッサー／タービンも欧州特許出願公開第８０４６８７号明細書で公知である。

米国特許出願公開第２００８／０３１４０４１号明細書及び欧州特許出願公開第８０４６８７号明細書の両方の内容もここで参照して組み込むことができる。

米国特許出願公開第２００８／０３１４０４１号明細書において記載された熱機関において、ＬＲＲＣＣは、エキスパンダーと協働して使用されており、エキスパンダーは、従来のタービン又は上述した種類の液封式エキスパンダーであってもよい。タービンが回転ケーシングを有する液封式エキスパンダーである場合において、高圧且つ高温の空気は、羽根車を回転するためにケーシングへと噴射される。

液封式タービンは、ケーシングが羽根車と共に回転するときにのみ羽根車及び固定されたケーシング間の摩擦が抑制されるため、合理的な効率の獲得が実現可能となる。回転ケーシング回転液封式タービンは、文献上公知であるが、これまで、エキスパンダーがコンプレッサーと相補的な、物理的原理に基づいた理論的なものにすぎなかった。当然のことながらこの原理は正しいが、実際的な回転ケーシング液封式タービンは実現されておらず、現在使用されている多くのタービンは、タービンを高速で回転させるためにかなり高圧の蒸気を使用している。従来から十分に公知なように、様々なタービンは、カスケード利用されることが多く、１つのタービンから放出された蒸気が、次のタービンを回転させる等、蒸気の圧力が、有効利用できないほど小さくなるまで利用される。次いで蒸気は、川、海又は冷却タワーからの冷水を使用して冷却される。

回転ケーシング回転液封式タービンにおける蒸気の使用は、米国特許第４１１２６８８号明細書（ショー）によって提案されており、膨張するガスによって駆動され、回転ケーシングを有する回転液封式タービンについて説明している。ショーは、例えば水が蒸気に変換されて不可避なエネルギー損失を伴って再度戻され且つ運転効率を下げるランキンタービンサイクルの場合に生じる相変化が、エネルギー伝達媒体において生じないことを要求している。

しかしながら、この要求を満たすためには、膨張段階において作動媒体を蒸気のまま維持し、それによって凝縮を回避するために、エネルギーが連続的に供給されなければならない。これは、羽根車に熱交換器を設けることによって実現される。

例えばウィキペディア（登録商標）において説明されているように、ランキンサイクルの使用は、ガスの代わりに液体として凝縮器から受容した作動流体を加圧するためにポンプが使用された蒸気タービンにおいて、十分に確立されている。作動流体を完全サイクルを通してポンプ加圧する際の全てのエネルギーは、ボイラー内における作動流体の気化の全てのエネルギーとして消失される。このエネルギーは、そのような高速なサイクルのために失われ、タービンにおいて凝縮は全く行われず、サイクルから出された全ての気化エネルギーは、凝縮器を通る。しかしながら、液体としてのサイクルを通しての作動流体のポンプ加圧は、（カルノーサイクルにおけるような）コンプレッサー内のガスとしての作動流体の圧縮と比較して、輸送に必要な非常に小さなエネルギーのみを必要とする。

ランキンサイクルの作動流体は、閉じたループに従い、連続的に再利用される。発電装置からの渦巻いた煙で見られることの多い、取り込まれた液滴を含む水蒸気は、（閉ループランキンパワーサイクルからではなく、）冷却システムによって生成され、タービンにおいて有効仕事に変換不可能な排熱エネルギー（ポンプ加圧及び気化）を示す。

ランキンサイクルが他に勝って有利となる１つの原理は、圧縮段階の間、ポンプを駆動するために比較的小さな仕事が必要となるという事であり、作動流体は、このとき液相となる。流体を凝縮することによって、ポンプによって必要とされる仕事は、タービンのパワーの１％から３％のみ消費し、実際のサイクルの、より高い効率化に貢献する。この利点は、例えば付加される温度が１５００℃に至るタービンを有するガスタービンと比較すると、より低い付加熱温度であるために多少損なわれる。図１は、（ウィキペディア（登録商標）のオープンソース情報に基づいた）従来のランキンサイクルの温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）線図であり、以下に示す４つの工程があることを示している。

工程１−２：作動流体は、低圧から高圧へとポンプ加圧され、この段階において、流体が液体のとき、ポンプは多少の入力エネルギーを必要とする。

工程２−３：高圧液体がボイラーに入り、乾き飽和蒸気にするため、外部熱源によって定圧で加熱される。

工程３−４：乾き飽和蒸気がパワーを生成するタービンを通して膨張する。これは蒸気の温度及び圧力を減少させ、いくらかの凝縮が生じ得る。

工程４−１：次いで、湿り蒸気はタービンの外部にある凝縮器に入り、飽和液体にするため定圧で凝縮される。

理想ランキンサイクルにおいて、ポンプ及びタービンは、等エントロピーとなり、例えば、ポンプ及びタービンは、エントロピーを生成せず、そのため、正味の仕事出力を最大化する。工程１−２及び工程３−４は、Ｔ−Ｓ線図の鉛直な線によって示されており、より詳細にカルノーサイクルの線と類似している。図１に示すランキンサイクルは、タービン内の膨張後に蒸気が過熱領域において消失するのを防いでおり、凝縮器によってエネルギー消失を低減している。

点３は、蒸気とガスの間を示すＴ−Ｓ曲線の包絡線上にある。従って、作動流体が水の場合、点３の右、作動流体が純粋な蒸気の場合、左、例えばＴ−Ｓ曲線の包絡線内部において、湿り蒸気となり、点１の左で水となる。実際、蒸気が湿っており、液滴がタービンの羽根に高圧で作用する場合に孔食及び羽根の侵食のような損傷を生じかねないため、実際のタービンにおいては、３から４の作動流体の温度を下げるのは望ましくない。これは、タービンの性能を損ない、やがて、羽根を使用不可能としてしまう、修復不能な損傷を生じる。この問題は、侵食に強い特別な材料を使用することにより解決されるが、かなり費用がかかる。

従来の材料の使用において湿り蒸気によって生じる孔食を回避するため、タービンの羽根に作用する前に温度を１０００℃近くまで上昇させるべく、点３において蒸気の過熱が行われることが多い。一点鎖線によって示された過熱は、蒸気を乾燥させ、それによってタービンの羽根の孔食の問題を回避する。概して、蒸気は、Ｔ−Ｓ曲線上の５で示された点で凝縮を可能とし、そこで温度が大幅に減少し、次いで再び加熱され、再び乾いた蒸気としてタービンの羽根へと向けられ、熱を失い、点６においてＴ−Ｓ曲線にぶつかり、そのエントロピー（Ｓ）は、過熱なしで顕著に従来のランキンサイクルより高くなる。

要するに、ランキンサイクルは、タービンの羽根のため、等エントロピー熱エネルギー変換が可能だが高コストとなる特別な材料が使用されること、又は、熱エネルギー変換段階の間蒸気が乾燥され続けることを確実とするために過熱すること、のいずれかが必要となる。これは、機関の全体効率を減少させる。

本発明は、熱エネルギー変換段階の間、蒸気を乾燥させる必要なく、本質的に等エントロピーである、ランキンサイクルと類似の利点を提供することを目的とする。

本発明の１つの目的は、少なくとも、十分に仕事をすることにより燃料として有効となるまで蒸気の凝縮を回避しつつ、回転ケーシング回転液封式タービンにおいて蒸気を使用することである。

別の目的は、熱−エネルギー変換段階の間、本質的に等エントロピーだが蒸気を乾燥させることを要しない部分的ランキンサイクルを使用するガスタービンを、提供することにある。

本発明の１つの態様によれば、隣接する羽根車の羽根間で連続的に増加する体積のチャンバーを形成するために、包囲する液封内で回転するように構成された偏心して取付けられた羽根車を有する、少なくとも１つの液封式回転ケーシングと、羽根車を回転させ、それによって本質的に等エントロピー的に膨張させるため、ガスとしての流体をチャンバーが狭められた前記羽根車へと高圧で噴射するための、前記羽根車の静的軸線方向穴内の流体入口と、流体を低圧且つ低温で放出することを可能とするための、羽根車の静的軸線方向穴内にあって流体入口から流体的に分離された流体出口と、を具備する回転液封式回転ケーシングガスタービンが設けられている。

本発明の別の態様によれば、このようなタービンを有する熱機関が設けられている。

こうした試みの主な利点は、コンプレッサーが不要であるため、エネルギーを節約し、熱力学的効率を増すことである。同様にこれは、回転液封式回転ケーシングガスタービンを使用している熱機関が、より小さく、低温且つ低速で運転する比較的小さなパワーの適用に適していることを意味する。例えば、１３０℃超過で運転し約１２％の効率を有する従来のタービンと異なり、本発明に係るタービンは、１００℃ほどの低温でありながら１６％の効率を有して運転することができる。

しかしながら、更なる利点は、本発明に係るタービンが、蒸気タービンにおいて従来広く行われているように、凝縮後に蒸気形成のために冷水が再加熱されることを必要としない、開いた水サイクルに使用され得ることにある。従って必要であれば、本発明は閉じたサイクルを使用することもできるが、地熱で加熱された水の安定した熱源によって、より良い熱力学的性能が実現され、タービンから出た湿り蒸気は、凝縮され大気へと戻る。

本発明を理解するため且つ実際においてどのように実行され得るかを確認するため、添付の図面を参照しつつ限定しない例示のみの方法によって、実施形態がここで説明される。

本発明と従来の蒸気タービンとの差異を説明するのに有用な従来のランキンサイクルの温度−エントロピー線図を示す。 本発明に係る第１実施形態の外部蒸気凝縮器を有するＬＲＲＣ蒸気タービンの断面図を略図的に示す。 本発明の第１実施形態の内部蒸気凝縮器を有するＬＲＲＣ蒸気タービンの断面図を略図的に示す。 図１のＬＲＲＣ蒸気タービンを使用している熱機関のブロック図である。 図３のＬＲＲＣ蒸気タービンを使用している熱機関のブロック図である。 本発明に係る熱機関の写実的な斜視図である。

以下のいくつかの実施形態の説明において、１以上の図に示され又は類似した機能性を共有する同等の構成要素は、同等の参照記号によって参照される。

図２を参照すると、概略断面図において、径方向羽根１２を備える羽根車１１が静的ダクトの周りを反時計回りに回転する、回転液封式タービン１０が示されている。羽根車は、各場合において２つの羽根１６及び液封によって境界画成されたチャンバー１５を形成するため、液封１４を含み且つ羽根車の軸線に対し平行であるが偏心している軸線中心に回転する、回転ケーシング１３によって覆われている。羽根車及びケーシングを同等の速度で回転させるため、部分的に噛み合っている環状歯車列１７及び環状歯車列１８のような機械的結合部が、羽根車及びケーシング間に設けられてもよい。回転ケーシングにおける羽根車の偏心した位置のため、羽根車の回転方向において、チャンバーは大きさが増す。

羽根車の羽根がケーシングの内壁から最も遠い位置にある（図２の底部へ向かって示された）反対側端部において、流体出口が設けられている一方で、流体入口１９は、回転する液封に全体的に浸されるようにするためにチャンバーが狭められている、羽根車の羽根がケーシングの内壁に最も近い位置の近傍に設けられている。運転時、羽根車の羽根に衝突し、それによって羽根車を回転させるため、高圧の蒸気が狭められたチャンバー内の複数の入口と連結された流体入口１９へと噴射され、流体出口２０から低圧で放出される。その間蒸気は、液封の液体と接触し、その一部は流体出口２０から凝縮された蒸気と共に放出され得る。更に重要なことに、羽根車の羽根が、液体で完全に充填されることを確実とするため、羽根車がケーシングの内壁に最も近い羽根車近傍に配置された液体出口２１を介して、オイルが放出されることを可能とする。液体出口２１は、液封の深さが増加しないことを確実とすることによって、蒸気の受容を可能とするために空としておくべきチャンバー１５内の空間を確保する。同様に、液封内の液体の体積が適切に調節されることを確実とするために、液体をタービンケーシング１３内へとポンプ輸送するための液体入口２２が設けられている。液体入口２２及び液体出口２１は、オイルレベルと温度が動的に制御されることを可能とする。流体入口１９及び流体出口２０は、共に羽根車１１の静的軸線方向穴２３内に形成されており、互いに流体的に分離されている。

図２の右側における圧縮領域において、回転液体径方向流れは、液体がピストンコンプレッサーとして機能する羽根車の静的軸線方向穴２３へと向けられる。図２の左側において、径方向液体流れは、中央から回転ケーシングへと流れ、膨張領域を構成する。

米国特許出願公開第２００９／０２９０９９３号明細書に記載されたようなＬＲＲＣコンプレッサーにおいて、ガスは、圧縮領域近傍の底端部の中央ダクトから羽根車に入る。

それとは対照的に、図２に示されたＬＲＲＣタービン１０において、ガスは、流体入口１９を介して羽根車の狭められたチャンバーに入り、それから羽根車内部で、チャンバーが大きい側のタービンの羽根に向かって膨張する。この工程において、ガスが膨張し、気液相変化が生じ、それ故、ランキンサイクル熱機関の作動流体として機能することができ、こうして上述した米国特許出願公開第２００９／０２９０９９３号明細書において従来不可欠なコンプレッサーの必要性から逃れる。これは作動流体に、好適には凝縮され吐出された直後の有効仕事の完了後に、相変化を生じさせるようなことを要求する。適した作動流体は蒸気である。

図２及び図４は、フラッシュ蒸発器のような蒸気源３１によって蒸気が生成され、図２の１９に示された蒸気入口を介して、オイルから成る回転液封を有する上述した種類のタービン１０に供給される、第１実施形態によるＬＲＲＣ蒸気タービン３０を示す。それは、タービンの膨張区分に向かったその下方移動過程において、羽根車の内部で膨張する。膨張した蒸気は中央ダクト２２に入り、それによって図２の中央ダクトの右に矢印によって（図示された）流体出口を構成する。タンク３２に貯蓄されたオイルは、ポンプ３３によってオイル加熱器３４へとポンプ輸送され、加熱されたオイルは、図２の２１として示された液封式流体入口へと噴射される。タービンの液体出口２１から出たオイルは、タンク３２に再充填される。タービンの流体出口２０から出る蒸気は、外部蒸気凝縮器３５の流体入口へと高圧で案内されて外部蒸気凝縮器に入る。冷却タワー３６のような冷水源は、ポンプ３７によって凝縮器３５へと冷水を噴出し、それによってタービンの流体出口２０から出る蒸気を凝縮する。凝縮器内の水は、蒸気の凝縮によって加熱され、熱が大気に消散される冷却タワー３６へとポンプ３８輸送によって輸送して戻される。凝縮器３５は、凝縮効果を確実とするため、極めて低圧下で運転しなければならない。低い空気圧を維持するため、凝縮器３５に入ったガス及び凝縮できなかったガスは、バキュームポンプ３９によって取り除かれなければならない。

好適な実施形態において、液封は、水よりも密度が高いオイルの種類によって形成されており且つそれと混ざることがなく、液封における蒸気凝縮を避けるため、蒸気よりも高温で維持される。作動流体が液封のオイルと全く混合しないため、作動流体（例えば凝縮された蒸気）のみが、流体出口２０から図１の中央静的ダクト２１内へと放出される。

図３及び図５は、図４に示されものと等しい参照番号によって共通の特徴が示された熱機関４０の、別の実施形態について示しており、類似した方法で運転される。冷却タワー３６からの冷水は、ポンプ４１によって輸送されて（図３に示された）噴出ノズル４２を介してタービン１０の内部に噴出され、蒸気凝縮器として使用され、こうして、図４に示されたような外部凝縮器を不要とする。高温水は、水と高密度オイルの混合体としてオイルタンク３２において収集され、図５に示された液体分離器４３へと流れ、そこからオイルがポンプ４４によって輸送されてタービンへと戻されると共に、高温水がポンプ４５によって輸送されて冷却タワー３６へと戻されて冷却され、冷水として図３の冷水噴出ノズル４２へと戻される。フラッシュ蒸発器のような蒸気源３１によって生成された蒸気は、図３の１９で示された蒸気入口を介してタービン１０に供給される。

この実施形態においては、冷水噴出のための付加的な入口が必要であるため、タービンへの３つの入口が存在し、そのため前述したように、外部凝縮器は不要となる。同様に、いかなる場合においてもオイル加熱器を蒸気で加熱する必要がない。液封の液体が流入する作動流体より低温である限り、作動流体は液封で凝縮されかねない。作動流体は気体状態で羽根車を駆動するため、これは明らかに好適ではない。一方、当然のことながら、作動流体の凝縮の結果として、液封内の液体は加熱され、更なる凝縮を阻害する平衡状態が形成される。このため、水も液封として使用し得るものと考えられる。

上述した実施形態において、蒸気の凝縮を回避するために加熱された油封が提案されたが、これは望ましくない油−水エマルジョンの混合形成を増加させ得る。

更に図２に戻ると、蒸気は、タービンの上方左側において流体入口１９に入り、蒸気と接する水封を加熱する。加熱された液封は、２ラジアンから３ラジアン（約１８０°）回転してタービンの低端部区分に到達する２、３ミリ秒の間に冷却する。従って、蒸気の一部は液封によって吸収され、シャフト運動を生じさせない。

そのため、これらの両方の欠点を回避する、海水のような乾燥性液封を使用すると更に効果的である。前述したのと同様、蒸気は流体入口１９に入り、膨張領域の乾燥性液封と衝突直後に蒸気は流体接触面において凝縮する。塩水内の水の拡散は、極度に小さく（約１０^-9ｍ^２／ｓ）、塩水蒸気接触面における水の深さは、数ミクロンしかない。数ミリ秒しかない短時間の間に、液封接触面は（図３の低端部において）低圧蒸気に接触し、塩水液体接触面における水は蒸気を放出するために蒸発する。従って、わずかな蒸気のみが液封と共に移動し、蒸気の体積は膨張し、効果的な仕事を生じさせる。

本発明は、説明されたようなタービンを使用するシャフト運動を生じさせるための方法も想定している。

Claims (24)

1. 隣接する羽根車の羽根間で連続的に増加する体積のチャンバー（１５）を形成するために、包囲する液封（１４）内で回転するように構成された偏心して取付けられた前記羽根車（１１）を有する、少なくとも１つの液封式回転ケーシング（１３）と、
   前記羽根車を回転させ、それによって本質的に等エントロピー的に膨張させるため、ガスとしての流体を前記チャンバーが狭められた前記羽根車へと高圧で噴出するための、前記羽根車の静的軸線方向穴（２３）内の流体入口（１９）と、
   前記流体を低圧且つ低温で放出することを可能とするための、前記羽根車の前記静的軸線方向穴内にあって前記流体入口から流体的に分離された流体出口（２０）と、を具備する回転液封式回転ケーシングガスタービン（１０）。
2. 前記羽根車及び前記ケーシングを同等の速度で回転させるために前記羽根車と前記ケーシングとの間に機械的結合部（１７、１８）を有する請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記ガスが、当該ガスタービンの外部に配置された低温液体凝縮器（３５）に直接接触して凝縮されるように構成されている請求項１又は請求項２のいずれか１つに記載のガスタービン。
4. 前記ガスが、当該ガスタービン内の低温液体噴出において凝縮するように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１つに記載のガスタービン。
5. 前記ガスの凝縮を制御するために液封が前記ガスよりも高温である請求項３又は請求項４のいずれか１つに記載のガスタービン。
6. 前記流体が、運転時に圧縮する必要なくガスから液体へと相変化する請求項３から請求項５のいずれか１つに記載のガスタービン。
7. 前記液封が水と混合しない請求項３から請求項６のいずれか１つに記載のガスタービン。
8. 前記液封が、水よりも密度が高い液体によって形成された請求項７に記載のガスタービン。
9. 前記液封が水である請求項５に記載のガスタービン。
10. 前記液封がオイルである請求項７又は請求項８のいずれか１つに記載のガスタービン。
11. 前記液封が塩水である請求項７又は請求項８のいずれか１つに記載のガスタービン。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１つに記載の回転液封式回転ケーシングのガスタービン（１０）を具備する熱機関（４０）。
13. タービンを使用してシャフト運動を生じさせるための方法であって、
    隣接する羽根車の羽根間で連続的に増加する体積のチャンバー（１５）を形成するために、包囲する液封（１４）内で回転するように構成された偏心して取付けられた羽根車（１１）を有する、少なくとも１つの液封式回転ケーシング（１３）を設けることと、
    前記羽根車を回転させ、それによって本質的に等エントロピー的に膨張させるため、ガスとしての流体を前記チャンバーが狭められた前記羽根車へと前記羽根車の静的軸線方向穴（２３）内の流体入口（１９）を介して高圧で噴射することと、
    前記流体を低圧且つ低温で前記羽根車の前記静的軸線方向穴内にあって前記流体入口から流体的に分離された流体出口（２０）を介して放出することを可能とすることと、を含む方法。
14. 前記羽根車及び前記ケーシングを同等の速度で回転させることを含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記タービンの外部に配置された低温液体凝縮器（３５）に直接接触させることによって前記ガスを凝縮することを含む請求項１３又は請求項１４のいずれか１つに記載の方法。
16. 前記タービン内部における低温液体噴出において前記ガスを凝縮することを含む請求項１３又は請求項１４のいずれか１つに記載の方法。
17. 前記液封との接触時に前記ガスの凝縮を抑制するために前記液封を加熱することを含む請求項１５又は請求項１６のいずれか１つに記載の方法。
18. 前記流体が、圧縮する必要なく気体から液体へと相変化する請求項１５から請求項１７のいずれか１つに記載の方法。
19. 前記液封が水と混合しない請求項１５から請求項１８のいずれか１つに記載の方法。
20. 前記液封が、水よりも密度が高い液体から成る請求項１９に記載の方法。
21. 前記液封が水である請求項１７に記載の方法。
22. 前記液封がオイルである請求項１９又は請求項２０のいずれか１つに記載の方法。
23. 前記液封が塩水である請求項１９又は請求項２０の方法。
24. 前記流体が高温水の地熱源から生成される請求項１３から請求項２３のいずれか１つに記載の方法。

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