JP2014196079A - ガスタービンの圧縮機シュラウドが水冷される車輌 - Google Patents

Abstract

【課題】車輌に搭載されて駆動源の少なくとも一部を構成するガスタービンの熱効率を、ガスタービンが極小型であることから、圧縮機の静翼内に冷却水を通す通路を設けたり、圧縮機の翼列段の中間部に空気冷却用熱交換器を設けたりするのでは空気冷却効果は冷却構造の規模に対比して相対的に低いが、処理空気量に対比した圧縮機シュラウドの表面積の比は大きいことに着目して向上させる。【解決手段】ガスタービンの圧縮機のシュラウドを水で冷却する圧縮機シュラウド水冷手段を設け、該圧縮機シュラウド水冷手段に通す冷却水を車輌の走行風により冷却されるラジエータに通して循環させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンを駆動源の少なくとも一部とする車輌に係り、特にそのような車輌用ガスタービンの熱効率を向上させることに係る。

ガスタービンに於いては、圧縮機にて圧縮されることにより温度が上昇する燃焼用空気を冷却してその密度を高め、圧縮機の作動効率を高めることが、ガスタービンの熱効率を向上させる一つの手段であることから、軸流圧縮機の静翼内に冷却水を通す通路を設け、それを通って冷却水を循環させることにより圧縮機にて圧縮される空気を冷却すること、また軸流圧縮機の翼列段の中間位置に空気を水で冷やす熱交換器を設け、軸流圧縮機翼列段の前半部にて圧縮された空気をここで一旦冷却して軸流圧縮機翼列段の後半部へ導入することが、下記の特許文献１に記載されている。また下記の特許文献２には、ポンプにより水を圧縮機へ注入し、圧縮機を冷却することにより圧縮機を含む熱作動システムの熱効率を向上させることが記載されている。

特開平９−３１７４９４号公報 特表２００７−５２１９５８号公報

車輌に於ける駆動源の少なくとも一部とされるような車輌用ガスタービンは、ガスタービンとしては極小型の部類に属するので、圧縮機を通って流れる空気流に関するレイノズル数は相対的に低く、上記特許文献１に記載されているように軸流圧縮機の静翼内に冷却水を通す通路を設けたり、軸流圧縮機の翼列段の中間部に空気を水で冷やす熱交換器を設けても、空気に対する冷却効果は、冷却構造の規模に対比して相対的に低い。しかも、車輌にガスタービンを組み込む場合、スペース上の制約を受けることから、圧縮機の周りに空気冷却のために格別の熱交換器を組み込むことは非常に困難である。一方、車輌用ガスタービンがガスタービンとしては極小型の部類に属するということは、中型〜大型のガスタービンと対比して、圧縮機の大きさ（一次元寸法）の比の３乗に比例して小さい処理空気量に対比してその２乗の比に比例して小さい圧縮機シュラウドの表面積の比が、中型〜大型のガスタービンに比して大きいことを意味する。また車輌に於いては、走行風により冷却されるラジエータが冷却水等の冷却媒体を冷却する手段として得られる。

本発明は、車輌に於いて駆動源の少なくとも一部とされるガスタービンに関する上記の事情に着目して、そのようなガスタービンの熱効率を向上させることを課題としている。

上記の課題を解決すべく、本発明は、ガスタービンを駆動源の少なくとも一部とする車輌にして、前記ガスタービンは圧縮機のシュラウドを水で冷却する圧縮機シュラウド水冷手段を備え、該圧縮機シュラウド水冷手段に通す冷却水が車輌の走行風により冷却されるラジエータを通って循環されるようになっていることを特徴とする車輌を提案するものである。

前記圧縮機シュラウド水冷手段は、圧縮機シュラウドとその周りに設けられた円筒状のハウジングとにより形成されて両端が閉じた円環状の圧縮機シュラウド冷却用ジャケットを含んでいてよい。

前記ガスタービンは車輌搭載のバッテリを充電するようになっており、前記圧縮機シュラウド水冷手段による圧縮機シュラウドの冷却は前記ガスタービンが定格運転に達してから行われるようになっていてよい。

前記ラジエータを通って循環される冷却水は前記バッテリからの電流により車輌を駆動する電動機をも冷却するようになっていてよい。

上記の如く、ガスタービンを駆動源の少なくとも一部とする車輌に於いて、前記ガスタービンが圧縮機のシュラウドを水で冷却する圧縮機シュラウド水冷手段を備え、該圧縮機シュラウド水冷手段に通す冷却水が車輌の走行風により冷却されるラジエータを通って循環されるようになっていれば、かかるガスタービンは、ガスタービンとしては極小型の部類に属することから、上記の通り、軸流圧縮機の静翼内に冷却水を通す通路を設けたり、軸流圧縮機の翼列段の中間部に空気を水で冷やす熱交換器を設けたりすることの空気に対する冷却効果が冷却構造の規模に対比して相対的に低という車輌用ガスタービンが小型であることによる不利益や、車輌に於いては圧縮機の周りに空気冷却のために格別の熱交換器を組み込むことがスペース上の制約から非常に困難であるという問題を回避しつつ、ガスタービンが小型であれば中型〜大型のガスタービンと対比して、圧縮機シュラウドの大きさ（一次元寸法）の比の３乗に比例して小さい処理空気量に対比してその２乗の比に比例して小さい圧縮機シュラウドの表面積の比は、中型〜大型のガスタービンに比して大きいという、ガスタービンが小型であることによる利点を生かし、この利点に車輌に於いては、走行風により冷却されるラジエータが冷却水等の冷却媒体を冷却する手段として得られるということを組み合わせて、車輌搭載ガスタービンに於ける圧縮機による圧縮空気の合理的な冷却を図り、車輌搭載ガスタービの熱効率の合理的な向上を図ることができる。

前記圧縮機シュラウド水冷手段が、圧縮機シュラウドとその周りに設けられた円筒状のハウジングとにより形成されて両端が閉じた円環状の圧縮機シュラウド冷却用ジャケットを含んでいれば、圧縮機シュラウドの大きさ（一次元寸法）の２乗に比例する空気冷却用熱交換面積を最大限に広げ、ガスタービンが小型になるほど処理空気量に対比した圧縮空気冷却面の面積の比が大きくなる利点を最大限に発揮させることができる。

前記ガスタービンが車輌搭載のバッテリを充電するようになっていれば、ガスタービンの運転を必要とする時間帯の選択にはかなりの余裕が得られるので、前記圧縮機シュラウド水冷手段による圧縮機シュラウドの冷却は前記ガスタービンが定格運転に達してから行われるようになっていれば、ガスタービンが定格運転に達する以前のロータやシュラウドの温度が不安定な間はシュラウドの冷却による縮小によりロータや動翼とシュラウドや静翼の間のクリアランスが縮小することを避け、ガスタービンが定格運転に達し、ロータや動翼およびシュラウドや静翼の温度が安定したところで、圧縮機シュラウドを冷却し、圧縮機により圧縮される空気を冷却することによる圧縮機の作動効率の向上と共に、圧縮機シュラウドの冷却によりロータや動翼とシュラウドや静翼の間のクリアランスを安定的に縮小させることによる圧縮機の作動効率の向上をも図ることができる。

ガスタービンがバッテリを充電し、このバッテリからの電流により車輌を駆動する電動機が設けられている場合には、前記ラジエータを通って循環される冷却水が該電動機をも冷却するようになっていれば、圧縮機シュラウドとラジエータの間に配設される冷却水循環手段をかかる電動機の冷却にも利用することができる。

本発明による車輌を本発明に関与する構成についてのみ示す概略図である。

図示の車輌は電動駆動乗用車の例であり、車輌はバッテリ１０からの電流により電動機１２を作動させて車輪を駆動するようになっており、その航続距離を伸ばすために、ガスタービン１４とそれによって駆動される発電機１６とを備え、発電機１６をガスタービン１４により駆動して得られた電流によりバッテリ１０が充電されるようになっている。

ガスタービン１４は、圧縮機部１８と燃焼器部２０とタービン部２２とを含む軸流型のガスタービンであり、圧縮機部１８よりタービン部２２にわたって延在するロータ２４を備えている。ロータ２４は圧縮機部１８に３段の動翼２６を担持しており、これらの動翼の各々の下流側に位置する静翼２８が、これらの動翼および静翼の列を包み込む円筒状の圧縮機シュラウド３０の内側に担持されている。

圧縮機シュラウド３０の周りには、円筒状のハウジング３２が設けられ、圧縮機シュラウド３０と円筒状ハウジング３２とにより両端が閉じた円環状の圧縮機シュラウド冷却用ジャケット３４が形成されている。ジャケット３４の一端部には冷却水流入ポート３６が設けられ、ジャケット３４の他端部には冷却水流出ポート３８が設けられている。

冷却水流出ポート３８は、途中に冷却水循環ポンプ４０を備えた冷却水導管４２により電動機１２の図には示されていない冷却用ジャケットの冷却水入口ポートに接続され、電動機１２の図には示されていない冷却用ジャケットの冷却水出口ポートは冷却水導管４４により車輌の走行中に走行風を受ける位置に配置されたラジエータ４６の冷却水入口ポートに接続され、ラジエータ４６の冷却水入口ポートは冷却水導管４８により圧縮機シュラウド冷却用ジャケット３４の冷却水流入ポート３６に接続され、こうして、圧縮機シュラウド冷却用ジャケット３４とラジエータ４６の間に、図示の実施例では電動機１２の図には示されていない冷却用ジャケットを介して、冷却水を循環させる冷却水循環回路が形成されている。

電動機１２、ガスタービン１４、ポンプ４０は、車輌に搭載されて運転者による車輌の運転をアシストする電子制御装置（ＣＰＵ）５０によりその作動を制御される。電子制御装置５０はバッテリ１０の充電状態と車輌の運転状態とに応じてガスタービン１４の運転を制御し、バッテリ１０を適宜充電するが、ガスタービン１４は、それが運転される時には、ある時間持続して定格出力にて運転される。ポンプ４０はガスタービン１４が運転される時作動されて上記の冷却水循環回路を通る冷却水の流れを付勢するが、その際、ガスタービン１４が冷温状態から始動されたときには、ガスタービン１４が定格運転に達したときから作動される。

以上に於いて本発明は一つの実施例について詳細に説明したが、図示の実施例ついて本発明の範囲内にて種々の修正が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

１０…バッテリ，１２…電動機，１４…ガスタービン，１６…発電機，１８…圧縮機部，２０…燃焼器部，２２…タービン部，２４…ロータ，２６…動翼，２８…静翼，３０…圧縮機シュラウド，３２…円筒状ハウジング，３４…圧縮機シュラウド冷却用ジャケット，３６…冷却水流入ポート，３８…冷却水流出ポート，４０…冷却水循環ポンプ，４２，４４…冷却水導管，４６…ラジエータ，４８…冷却水導管，５０…電子制御装置

Claims (4)

1. ガスタービンを駆動源の少なくとも一部とする車輌にして、前記ガスタービンは圧縮機のシュラウドを水で冷却する圧縮機シュラウド水冷手段を備え、該圧縮機シュラウド水冷手段に通す冷却水が車輌の走行風により冷却されるラジエータを通って循環されるようになっていることを特徴とする車輌。
2. 前記圧縮機シュラウド水冷手段は、圧縮機シュラウドとその周りに設けられた円筒状のハウジングとにより形成されて両端が閉じた円環状の圧縮機シュラウド冷却用ジャケットを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の車輌。
3. 前記ガスタービンは車輌搭載のバッテリを充電するようになっており、前記圧縮機シュラウド水冷手段による圧縮機シュラウドの冷却は前記ガスタービンが定格運転に達してから行われるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の車輌。
4. 前記ラジエータを通って循環される冷却水は前記バッテリからの電流により車輌を駆動する電動機をも冷却するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の車輌。

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