JP2020532679A - Momentum-transporting turbopump with speed-variable device for closed circuits, especially Rankine cycle type, especially automobiles - Google Patents
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Abstract
本発明は、ポンプ軸(18,118)によって支持されたポンプロータ(14,114)を有するポンプ(16,116)と、タービン軸(24,124)によって支持されたタービンロータ(20,120)を収容するタービン(22,122)とを含む固定ケーシング(12、12’;112)を有するターボポンプに関する。本発明によれば、ポンプ軸(18,118)はタービン軸(24,124)から分離され、ターボポンプは、ポンプ軸(18,118)とタービン軸(24,124)との間に回転速度差を発生させるための速度変動装置(26,126)を備える。The present invention comprises a pump (16,116) having a pump rotor (14,114) supported by a pump shaft (18,118) and a turbine rotor (20,120) supported by a turbine shaft (24,124). The present invention relates to a turbo pump having a fixed casing (12, 12'; 112) including a turbine (22, 122) containing According to the present invention, the pump shaft (18,118) is separated from the turbine shaft (24,124), and the turbopump has a rotational speed between the pump shaft (18,118) and the turbine shaft (24,124). A speed fluctuation device (26,126) for generating a difference is provided.
Description
本発明は、閉回路、特にランキンサイクル型、とりわけ自動車のための運動量輸送式ターボポンプに関する。
運動量輸送式ターボポンプは、ポンプとタービンからなる組立体であると理解される。
The present invention relates to closed circuits, especially Rankine cycle type turbopumps, especially momentum transport turbopumps for automobiles.
A momentum-transporting turbopump is understood to be an assembly consisting of a pump and a turbine.
ポンプの特有の特徴によれば、そのロータは、インペラを形成する多数の半径方向のひれ状板を支持し、インペラは、液体状態の流体の回転及び加速を引き起こす効果を有する。ポンプのインペラの回転の効果を介して、流体は軸方向に吸引され、次いで、半径方向に加速され、ターボポンプが通常備えているボリュート(volute)を通して排出される。同一軸上のポンプに接続されるタービンは、蒸気状態の流体の圧力を運動エネルギーに変換することを意図したディフューザと呼ばれる固定ベーン組立体を含む固定子部分で構成されている。この運動エネルギーは、その後、タービンの回転子部分の可動ベーン組立体を介して機械的エネルギーに変換される。タービンのベーンは、排出される流体の膨張を可能にする半径方向のひれ状板からなる。
広く知られているように、ランキン(Rankine)サイクルは、外部熱源からの熱が作動流体を収容する閉ループに伝達される熱力学サイクルである。サイクル中、作動流体は相変化(液体/蒸気)を受ける。
この種のサイクルは、一般に、液体形態で使用される作動流体が等エントロピー的に圧縮される段階と、次いで、この圧縮された液体流体が熱源との接触により加熱されて気化する段階とに分解される。
次いで別の段階において、この蒸気を膨張装置において膨張させ、次いで、最終段階において、冷源との接触により、この膨張した蒸気を冷却させて凝縮させる。
According to the unique characteristics of the pump, the rotor supports a number of radial fins that form the impeller, which has the effect of causing the rotation and acceleration of the fluid in the liquid state. Through the effect of the rotation of the pump's impeller, the fluid is aspirated axially, then accelerated radially and expelled through the volute normally provided by the turbopump. A turbine connected to a pump on the same axis consists of a stator section that includes a stator assembly called a diffuser that is intended to convert the pressure of a vaporized fluid into kinetic energy. This kinetic energy is then converted into mechanical energy via a movable vane assembly of the rotor portion of the turbine. Turbine vanes consist of radial fins that allow expansion of the discharged fluid.
As is widely known, the Rankine cycle is a thermodynamic cycle in which heat from an external heat source is transferred to a closed loop containing the working fluid. During the cycle, the working fluid undergoes a phase change (liquid / vapor).
This type of cycle generally breaks down into a step in which the working fluid used in the liquid form is issentropically compressed and then a step in which the compressed liquid fluid is heated and vaporized by contact with a heat source. Will be done.
Then, in another step, the steam is expanded in an expansion device, and then in the final step, the expanded steam is cooled and condensed by contact with a cold source.
これらの種々の段階を実施するために、ループは、液体形態の流体を循環させ圧縮するための少なくとも1つのポンプと、圧縮された流体の少なくとも部分的な気化のための高温流体によって掃引される熱交換蒸発器と、この蒸気のエネルギーを機械的または電気的エネルギーのような別のエネルギーに変換するタービンのような、この蒸気を膨張させるための膨張装置と、熱交換凝縮器と、を備える。この蒸気を液体形態の流体に変換するため、熱交換凝縮器によって、蒸気に含まれる熱は、一般的には外気または冷却水回路であってこの凝縮器を掃引する冷源に移される。 To carry out these various steps, the loop is swept by at least one pump for circulating and compressing the fluid in liquid form and a hot fluid for at least partial vaporization of the compressed fluid. It comprises a heat exchange evaporator and an expansion device for expanding this steam, such as a turbine that converts the energy of this steam into another energy such as mechanical or electrical energy, and a heat exchange condenser. .. To convert this vapor into a fluid in liquid form, the heat exchange condenser transfers the heat contained in the vapor to a cold source, typically outside air or a cooling water circuit, that sweeps the condenser.
この種類の回路では、使用される流体は一般に水であるが、他の種類の流体、例えば、有機流体または有機流体混合物を使用することもできる。このサイクルを有機ランキンサイクル(ORC;Organic Rankine Cycle)と呼ぶ。 In this type of circuit, the fluid used is generally water, but other types of fluids, such as organic fluids or mixtures of organic fluids, can also be used. This cycle is called the Organic Rankine Cycle (ORC).
例として、作動流体は、ブタン、エタノール、ハイドロフルオロカーボン、アンモニア、二酸化炭素などであり得る。 As an example, the working fluid can be butane, ethanol, hydrofluorocarbons, ammonia, carbon dioxide and the like.
周知のように、圧縮流体の気化を行うための高温流体は、(燃焼エンジン、工業プロセス、炉などからの)液体冷却媒体、燃焼から生じる高温ガス(工業プロセスやボイラーからの排ガス、燃焼エンジンまたはタービンからの排気ガスなど)、太陽熱集熱器または地熱源からの熱流束などの種々の高温源からもたらされることができる。 As is well known, hot fluids for vaporizing compressed fluids are liquid cooling media (from combustion engines, industrial processes, furnaces, etc.), hot gases resulting from combustion (exhaust gas from industrial processes and boilers, combustion engines or It can come from a variety of hot sources such as (such as exhaust fumes from turbines), heat flux from solar collectors or geothermal sources.
一般に、そして、より詳しく文献WO 2013/046885(特許文献1)に記載されているように、ポンプとタービンとを組み合わせて一体のものとして形成し、かくして小型ターボポンプを形成する。
ポンプとタービンに共通するこのターボポンプの軸は、異なる方法で回転駆動することができる。
フランス特許出願公開第3002279号明細書(特許文献2)に記載されているように、軸は、内燃機関のクランクシャフト上に設けられたプーリとこの軸上に配置された別の連結プーリとに架け渡されたベルトによって、制御された連結器によって制御されながら、内燃機関のクランクシャフトと連結される。
In general and in more detail, as described in WO 2013/046885 (Patent Document 1), the pump and turbine are combined and formed as an integral unit, thus forming a small turbopump.
The shaft of this turbopump, which is common to pumps and turbines, can be rotationally driven in different ways.
As described in French Patent Application Publication No. 2003227 (Patent Document 2), the shaft is formed by a pulley provided on the crankshaft of an internal combustion engine and another connecting pulley arranged on the shaft. It is connected to the crankshaft of the internal combustion engine by a belt that is laid over and controlled by a controlled coupler.
米国特許出願公開第2015/0064039号明細書(特許文献3)は、ポンプ軸とタービン軸とが別体であるターボポンプを開示している。このターボポンプでは、タービンの回転方向を変えるために、ギヤ列のような機械的装置が、2つの軸の間に設けられている。
この装置は、ランキンサイクル動作配置のために、このターボポンプが備えているポンプに関連付けられている間はタービンとして動作するように、第1の回転方向でタービンを回転させ、また、空調回路動作配置のために、ターボポンプのポンプから切り離されている間はポンプとしてこのタービンが動作するように、逆の回転方向でタービンを回転させることができる。
U.S. Patent Application Publication No. 2015/0064039 (Patent Document 3) discloses a turbopump in which a pump shaft and a turbine shaft are separate bodies. In this turbopump, a mechanical device such as a gear train is provided between the two shafts in order to change the direction of rotation of the turbine.
This device rotates the turbine in the first rotational direction and also operates the air conditioning circuit so that it operates as a turbine while associated with the pump that the turbo pump is equipped with for the Rankin cycle operation arrangement. Due to the arrangement, the turbine can be rotated in the opposite direction of rotation so that the turbine operates as a pump while it is disconnected from the pump of the turbo pump.
従来技術のこれら全てのターボポンプは、タービンがポンプと同じ回転速度で作動するという意味で、重要ではないとは言えない問題点を含んでいる。したがって、タービン速度は、最適回転速度に関して低いことがあり、これは、その性能を低下させる可能性がある。 All of these prior art turbopumps have some non-essential issues in the sense that the turbine operates at the same rotational speed as the pump. Therefore, the turbine speed can be low with respect to the optimum rotational speed, which can reduce its performance.
本発明は、タービンが燃焼機関よりも著しく高い回転速度を有することを可能にし、その一方でポンプの回転速度はタービンの回転速度よりも低いターボポンプを提供する。
この適度な速度を用いることでポンプ効率が向上し、高速化によりタービン効率が向上する。
The present invention allows a turbine to have a significantly higher rotational speed than a combustion engine, while providing a turbopump in which the rotational speed of the pump is lower than the rotational speed of the turbine.
The pump efficiency is improved by using this appropriate speed, and the turbine efficiency is improved by increasing the speed.
したがって本発明は、ポンプ軸によって支持されたポンプロータを備える運動量輸送式ポンプと、タービン軸によって支持されたタービンロータを収容するタービンとを含む固定ケーシングを備えるターボポンプに関する。ポンプ軸は、タービン軸から分離され、前記ターボポンプは、ポンプ軸とタービン軸との間に回転速度差を発生させるための速度変動装置を備える。 Accordingly, the present invention relates to a turbopump comprising a momentum transport pump comprising a pump rotor supported by a pump shaft and a fixed casing including a turbine accommodating a turbine rotor supported by the turbine shaft. The pump shaft is separated from the turbine shaft, and the turbo pump includes a speed fluctuation device for generating a rotational speed difference between the pump shaft and the turbine shaft.
本発明の一実施態様によれば、前記ターボポンプは、タービン軸に対してポンプ軸の回転速度を減少させるか、またはポンプ軸に対してタービン軸の回転速度を増倍させるための速度変動装置を備える。 According to one embodiment of the present invention, the turbopump is a speed variable device for reducing the rotational speed of the pump shaft with respect to the turbine shaft or increasing the rotational speed of the turbine shaft with respect to the pump shaft. To be equipped.
有利には、ポンプ軸及びタービン軸は、互いに実質的に平行である。
一態様によれば、速度変動装置は、ポンプ軸によって支持される歯車と、タービン軸によって支持されるピニオンとを備える。
一実現例によれば、ポンプ及びタービン軸は、互いに実質的に同軸である。
特徴によれば、速度変動装置は遊星歯車機構を含む。
有利には、遊星歯車機構の太陽歯車は、タービン軸によって支持される。
有利には、遊星歯車機構の遊星歯車キャリヤは、ターボポンプのケーシングの固定壁によって支持される。
あるいは、遊星歯車機構の遊星歯車キャリヤは、ポンプ軸によって支持される。
一実施態様によると、遊星歯車機構のクラウンは、ターボポンプのケーシングの固定壁によって支持される。
あるいは、遊星歯車機構のクラウンは、ポンプ軸によって支持される。
一実現例によれば、ポンプ軸によって支持される連結プーリを備える。
特徴によれば、ターボポンプは、連結プーリとポンプ軸との接続のための制御された連結器を備える。
一態様によれば、ターボポンプは、タービン軸と連結プーリとの間に速度変動装置を備える。
有利には、ポンプ軸を駆動する電動機を備える。
Advantageously, the pump shaft and turbine shaft are substantially parallel to each other.
According to one aspect, the speed variable device comprises a gear supported by a pump shaft and a pinion supported by a turbine shaft.
According to one embodiment, the pump and turbine shafts are substantially coaxial with each other.
According to the feature, the speed variable device includes a planetary gear mechanism.
Advantageously, the sun gear of the planetary gear mechanism is supported by the turbine shaft.
Advantageously, the planetary gear carrier of the planetary gear mechanism is supported by the fixed wall of the turbopump casing.
Alternatively, the planetary gear carrier of the planetary gear mechanism is supported by a pump shaft.
According to one embodiment, the crown of the planetary gear mechanism is supported by a fixed wall in the casing of the turbopump.
Alternatively, the crown of the planetary gear mechanism is supported by the pump shaft.
According to one embodiment, a connecting pulley supported by a pump shaft is provided.
According to the features, the turbopump comprises a controlled coupler for the connection of the coupling pulley and the pump shaft.
According to one aspect, the turbopump comprises a speed variable device between the turbine shaft and the connecting pulley.
Advantageously, it comprises an electric motor that drives the pump shaft.
さらに、本発明は、閉ループ、とりわけランキン型またはORC(有機ランキンサイクル)型の閉ループへの上記特徴の1つに基づくターボポンプの適用に関する。 Furthermore, the present invention relates to the application of turbopumps based on one of the above features to closed loops, especially Rankine or ORC (Organic Rankine Cycle) closed loops.
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として与えられる以下の説明を読むことから明らかになるであろう。 Other features and advantages of the present invention will become apparent from reading the following description given as a non-limiting example with reference to the accompanying drawings.
図1は、閉ループ用、特にランキンサイクル型用、とりわけ自動車用のターボポンプ10を示す。
FIG. 1 shows a
ここでは運動量輸送式ターボポンプであるターボポンプ10は、ポンプ軸18によって支持されてポンプと呼ばれる、流体16を循環させ圧縮することを意図した手段の回転部14(またはロータ)を収容する固定ケーシング12と、タービン軸24によって支持されてタービンと呼ばれる、圧縮流体22を膨張させることを意図した手段の回転部20(またはロータ)を収容する別の固定ケーシング12’とを備える。
図1の例では、ターボポンプの特定の特徴によれば、2本の軸18,24は互いに分離されており、それらは互いに平行になって互いに上下方向に配置されている。
図1から詳しく分かるように、2本の軸は互いに分離(または区別)されており、それらは、ポンプ軸とタービン軸との間に回転速度差を発生させることを可能にする速度変動装置26によって互いに接続されている。
より具体的には、速度変動装置の目的は、明細書において以下に詳細に説明するように、ポンプ軸が回転速度パルスを与える場合に、ポンプ軸とタービン軸との間の回転速度を増加させること、またはタービン軸が回転速度を発生させる場合に、タービンとポンプとの間の回転速度を低下させることである。
Here, the
In the example of FIG. 1, according to a particular feature of the turbopump, the two
As can be seen in detail from FIG. 1, the two shafts are separated (or distinguished) from each other, and they allow a
More specifically, the purpose of the speed variable device is to increase the rotational speed between the pump shaft and the turbine shaft when the pump shaft gives a rotational speed pulse, as described in detail below. That is, or if the turbine shaft produces a rotational speed, the rotational speed between the turbine and the pump is reduced.
速度変動装置は、ポンプ軸18によって支持される大径の歯車30を備えた歯車列28を備え、歯車30は、タービン軸24によって支持される、歯車よりも小さな直径のピニオン32と協働する。有利なことに、歯車とピニオンとは同一の垂直面内に配置される。
歯車とピニオンとの間の直径差は、かくして2つの軸の間のギヤ比を達成することを可能にし、このギヤ比は、本発明の文脈内において、好ましくは2と6との間の範囲にある。
したがって、2本の軸18,24の間の所望のギヤ比を得るために、歯車及びピニオンの直径は、これらの比を達成するために、まさにパラメータ化される必要がある。
The speed variable device comprises a
The diameter difference between the gear and the pinion thus makes it possible to achieve a gear ratio between the two axes, which gear ratio is preferably in the range between 2 and 6 in the context of the present invention. It is in.
Therefore, in order to obtain the desired gear ratio between the two
またこのターボポンプは、ここでは電磁型のクラッチである制御された連結器36を介してポンプ軸18に回転接続された連結プーリ34を備えている。
このプーリは、チェーンまたは締結ベルト38のようなそれ自体が閉じたバンドによって回転制御される。
有利なことにこのバンドは、内燃機関(図示せず)のクランク軸に回転接続されるクランク軸プーリに接続される。
The turbopump also includes a
The pulley is rotationally controlled by a band that is itself closed, such as a chain or
Advantageously, this band is connected to a crankshaft pulley that is rotationally connected to the crankshaft of an internal combustion engine (not shown).
変形例は、ターボポンプ発電機を形成するように、機械的リンク(プーリ及び電磁クラッチ)を発電機に置き換えることで構成される。 A variant consists of replacing mechanical links (pulleys and electromagnetic clutches) with a generator to form a turbopump generator.
上記のようなターボポンプは、石油、航空、自動車分野などの、数多くの分野で使用することができる。 Turbo pumps such as those described above can be used in many fields such as petroleum, aviation, and automobile fields.
このターボポンプの適用例は、閉ループ、特に図1に例示されているようなランキンサイクル型の閉ループ40においてより具体的に見出される。
Examples of applications of this turbopump are found more specifically in closed loops, especially in the Rankine cycle closed
この閉じたランキンサイクルループは、有利にはORC(有機ランキンサイクル)型であり、ブタン、エタノール、ハイドロフルオロカーボンのような有機作動流体または有機流体混合物を使用する。 This closed Rankine cycle loop is advantageously of the ORC (Organic Rankine Cycle) type and uses an organic working fluid or organic fluid mixture such as butane, ethanol, hydrofluorocarbon.
閉ループは、アンモニア、水、二酸化炭素などの流体を用いて動作できることも理解される。 It is also understood that closed loops can operate with fluids such as ammonia, water and carbon dioxide.
したがって、ポンプ16の出口42は、蒸発器と呼ばれる熱交換器46の入口44に接続され、ポンプによって圧縮された作動流体は蒸発器を流れ、蒸発器によって作動流体が圧縮蒸気の形でこの蒸発器の出口48に到達する。
この蒸発器は、液体または気体の形態の熱源50によっても横断され、その熱を作動流体に与えることができる。この高温源は、流体の気化を可能にする。高温源は、燃焼機関や工業プロセス、炉からの冷却媒体、燃焼から生じる高温ガス(燃焼機関からの排気ガス、工業プロセス、ボイラーまたはタービンからの排ガスなど)、太陽熱集熱器または地熱源からの熱流束などの種々の高温源から生じるものであることができる。
蒸発器出口は、高圧圧縮蒸気の形態の作動流体を受け入れるようにタービン22の入口52に接続されており、この流体は、低圧膨張蒸気の形態でこのタービンの出口54を通ってタービンを出る。
タービンの出口は、冷却熱交換器58、すなわち凝縮器の入口56に接続されている。凝縮器は、低圧液体流体をポンプの入口に供給するために、受け取る低圧膨張蒸気を低圧液体流体に変換することを可能にする。この凝縮器は、膨張した蒸気が凝縮し液体になるようにその蒸気を冷却するために、一般に周囲の空気または冷却水の流れである冷源によって掃引される。
Therefore, the
The evaporator is also traversed by a
The evaporator outlet is connected to the
The outlet of the turbine is connected to the
もちろん、ループの種々の要素は、それらを連続的に接続することを可能にする流体循環ラインによって互いに接続される。 Of course, the various elements of the loop are connected to each other by fluid circulation lines that allow them to be connected continuously.
したがって、閉ループの作動時及び開始段階の間、内燃機関は作動可能であり、ターボポンプのポンプ16は始動を必要とする。したがって、軸18は、クラッチ36によってターボポンプの連結プーリ34に連結される。次いで、クランク軸の回転運動は、連結ベルト38を介して連結プーリ34に伝達される。次いで、この回転運動は、ポンプ軸38及びポンプロータに再伝達される。
回転運動発生要素であるポンプ軸のこの回転運動の間、歯車30はピニオン32と噛み合う。歯車とピニオンとの間の直径差から生じるギア比を考慮すると、タービン軸24はポンプ軸よりも大きな速度で回転し、したがって、タービンはポンプよりも大きな速度で回転する。
したがって、速度変動装置26は、ポンプとタービンとの間の速度増倍機能を果たす。
Therefore, the internal combustion engine is operable during the closed loop operation and during the start phase, and the
During this rotational movement of the pump shaft, which is a rotational movement generating element, the
Therefore, the
この始動段階の後、タービンは、ポンプによって消費されるよりも多くのパワーを生成し、したがってこのタービンは、ポンプによる損失に対する回転運動発生要素となる。 After this start-up stage, the turbine produces more power than is consumed by the pump, and thus the turbine becomes a rotational motion generating factor for the loss due to the pump.
内燃機関は依然として作動可能であり、軸18はクラッチ36によってターボポンプのプーリ34に接続されている。
タービン22によって発生したパワーは、そのパワーを歯車30に伝達するピニオン32に伝達され、次いでターボポンプのプーリ34に伝達される。プーリ34のパワーは、引き続いて、ベルト38によって、クランク軸に対してしたがって内燃機関に対してパワー増加を与えるクランク軸プーリに伝達される。これにより、エンジンから必要とされる仕事を支援することができ、したがってエンジンの燃料消費を低減することができる。
この構成では、速度変動装置26は、タービン軸とポンプ軸との間の減速装置として作用する。
実際、開始段階とは逆に、回転運動はピニオンから歯車に伝達される。ギア比を考慮すると、歯車、したがってポンプは、タービン軸のピニオンよりも遅い速度で回転する。したがってタービンは、エンジン及びポンプよりもはるかに高い回転速度を有することができ、これはタービン効率にとって好都合である。
The internal combustion engine is still operable, and the
The power generated by the turbine 22 is transmitted to the
In this configuration, the
In fact, contrary to the starting stage, the rotational motion is transmitted from the pinion to the gears. Given the gear ratio, the gears, and thus the pump, rotate at a slower speed than the pinion of the turbine shaft. Therefore, turbines can have much higher rotational speeds than engines and pumps, which is favorable for turbine efficiency.
図2は、本発明によるターボポンプの別の実施形態を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the turbo pump according to the present invention.
ここでも運動量輸送式ターボポンプでもあるターボポンプ110は、ポンプ軸118によって支持されたポンプ116のロータ114と、タービン軸124によって支持されたタービン122のロータ120とを収容する固定ケーシング112を備える。
図2の例では、ポンプの軸とタービンの軸は、互いに分離されているが、互いに一列に並んでいる、好ましくは同軸で並んでいる。
有利には、ポンプ軸118は、タービン軸124を介して同軸に通っており、タービンを越えて出てくる。したがって、タービン軸124は中空である。
The
In the example of FIG. 2, the pump shaft and the turbine shaft are separated from each other, but are aligned with each other, preferably coaxially.
Advantageously, the
図1の例のように、2本の軸は、速度変動装置126によって互いに接続されている。
As in the example of FIG. 1, the two shafts are connected to each other by the speed
この装置もポンプ軸とタービン軸との間に回転速度差を発生させることができる。
図1に記載された例と同様に速度変動装置の目的は、明細書の残りの部分で詳細に記載されているように、ポンプ軸が回転速度パルスを与えるときにはポンプ軸とタービン軸との間の回転速度を増加させること、またタービン軸が回転速度を発生するときにはタービンとポンプとの間の回転速度を減少させることである。
この速度変動装置は、太陽歯車130がタービンの中空軸124によって支持される遊星歯車機構128を含み、そのクラウン132はポンプ軸118によって支持され、その遊星歯車キャリア134はケーシング112の垂直壁135によって支持される。
このターボポンプは、チェーンまたは連結ベルト140のようなそれ自体が閉じたバンドによって回転制御される電磁クラッチ型の制御された連結器138を介してポンプ軸118に回転接続された連結プーリ136も備えている。
このバンドは、有利なことに、内燃機関(図示せず)のクランク軸に回転連結されるクランク軸プーリに接続される。
This device can also generate a rotational speed difference between the pump shaft and the turbine shaft.
Similar to the example described in FIG. 1, the purpose of the speed variable device is between the pump shaft and the turbine shaft when the pump shaft gives a rotational speed pulse, as detailed in the rest of the specification. It is to increase the rotational speed of the turbine and to decrease the rotational speed between the turbine and the pump when the turbine shaft generates the rotational speed.
The speed changer includes a
The turbopump also comprises a
This band is advantageously connected to a crankshaft pulley that is rotationally coupled to the crankshaft of an internal combustion engine (not shown).
図1の例のように、このターボポンプの適用例は、閉ループ、とりわけランキンサイクル型の閉ループにおいて、より具体的に見出される。
したがって、ポンプ116の出口142は、ポンプによって圧縮された作動流体が流れる蒸発器の入口に接続され、蒸発器の出口は、タービン122の入口144に接続される。タービン122の入口144を通って高圧圧縮蒸気の形態の作動流体が供給され、この流体は、低圧膨張蒸気の形態で出口146を通ってタービンから出る。
タービン出口は、凝縮器の入口に接続されており、凝縮器は、低圧液体流体をポンプの入口148に供給するように、受け取った低圧膨張蒸気を低圧液体流体に変換することができる。
As in the example of FIG. 1, applications of this turbopump are found more specifically in closed loops, especially in Rankine cycle closed loops.
Therefore, the
The turbine outlet is connected to the inlet of the condenser, which can convert the received low pressure expanded vapor into a low pressure liquid fluid so as to supply the low pressure liquid fluid to the
このターボポンプの動作は、図1のターボポンプと同様である。 The operation of this turbo pump is the same as that of the turbo pump of FIG.
したがって、閉ループの開始段階の間、内燃機関は作動可能であり、ターボポンプのポンプ116は始動を必要とする。したがって軸118は、クラッチ138によってターボポンプの連結プーリ136に連結される。次いでクランク軸の回転運動は、連結ベルト140を介して連結プーリに伝達される。次いでこの回転運動は、ポンプ軸及びポンプロータ、並びに遊星歯車機構128のクラウン132に再伝達される。
回転運動発生要素であるクラウンの回転運動中に、このクラウンは、固定された遊星歯車キャリアと噛み合う。この遊星歯車キャリヤの遊星歯車の回転運動は、太陽歯車130に伝達され、次いでタービン軸に伝達される。
この構成では、遊星歯車機構は、クラウンに対して太陽歯車速度を増加させることを可能にするギア比を有する。したがってタービンは、ポンプよりも大きな速度で回転する。
したがって遊星歯車機構128は、クラウン、遊星歯車キャリヤ及び太陽歯車の間の回転速度伝達機構を備えれタービンに対する第1の速度増倍比を有する、ポンプとタービンとの間の速度増倍器の機能を果たす。
この始動段階の後、タービンは、ポンプによって消費されるよりも多くのパワーを生成し、したがってこのタービンは、ポンプによる損失に対する回転運動発生要素となる。
内燃機関は依然として作動可能であり、軸118は、クラッチ138によってターボポンプのプーリ136に接続されている。
タービン122によって生成されたパワーは太陽歯車130に伝達され、太陽歯車130は、遊星歯車キャリヤ134を介してクラウン132にパワーを伝達する。クラウンのパワーは、タービン軸及びターボポンプのプーリ136に伝達される。
次いで、プーリのパワーは、ベルト140によって、クランク軸に対してしたがって内燃機関に対してパワー増加を与えるクランク軸プーリに伝達される。
この構成では、速度変動装置126は、太陽歯車、遊星歯車キャリヤ及びクラウンの間の回転伝達を伴って、ポンプに対する第1の減速比を有する、タービン軸とポンプ軸との間の減速器として作用する。この構成の利点は、タービン効率に好都合な、エンジン及びポンプよりもはるかに高い回転速度をタービンが有することを可能にすることである。
Therefore, during the start phase of the closed loop, the internal combustion engine is operable and the
During the rotational movement of the crown, which is a rotational movement generating element, the crown meshes with a fixed planetary gear carrier. The rotational motion of the planetary gears of this planetary gear carrier is transmitted to the
In this configuration, the planetary gear mechanism has a gear ratio that allows the sun gear speed to be increased relative to the crown. Therefore, the turbine rotates at a higher speed than the pump.
The
After this start-up stage, the turbine produces more power than is consumed by the pump, and thus the turbine becomes a rotational motion generating factor for the loss due to the pump.
The internal combustion engine is still operable, and the
The power generated by the
The power of the pulley is then transmitted by the
In this configuration, the speed
図3の変形例は、図2と同じ要素を含むが、特定構成の遊星歯車機構128を有する。
この構成では、太陽歯車130はタービンの中空軸124によって支持され、クラウン132はケーシング112の垂直壁135によって支持され、遊星歯車キャリア134はポンプ軸118によって支持される。
この遊星歯車機構の構成の動作は、遊星歯車キャリア、クラウン及び太陽歯車の間の回転速度伝達に応じてポンプとタービンとの間の速度増倍機能を有する図2のものと同様であり、タービンのための第2の速度増倍比を有する。
The modified example of FIG. 3 includes the same elements as in FIG. 2, but has a
In this configuration, the
The operation of the configuration of this planetary gear mechanism is similar to that of FIG. 2 having a speed multiplying function between the pump and the turbine in response to the transmission of rotational speed between the planetary gear carrier, crown and sun gear, and the turbine. Has a second speed multiplication ratio for.
図4の変形例もまた、図2または図3と同じ要素を備えるが、タービンとポンプとの間に収容される、遊星歯車機構128の特定の配置を備える。
この変形例では、遊星歯車機構は、タービンの中空軸124によって支持された太陽歯車130と、ポンプ軸118によって支持されたクラウン132と、ケーシング112の垂直壁135によって支持された遊星歯車キャリア134とを備える、図2と同じ配置を有する。
この遊星歯車機構の構成の動作は、遊星歯車キャリア、クラウン及び太陽歯車の間の回転速度伝達を有する、タービンのための第1の速度増倍比でのポンプとタービンの間の速度増倍機能と、太陽歯車、遊星歯車キャリア及びクラウンの間での第1の速度減少比を有するタービンとポンプの間の速度減少機能とを備える、図2のものと同一である。
この変形例の主な利点は、ポンプとタービンとの間の距離にあり、この距離は、タービンの高温部分とポンプの高温部分との間の熱交換を制限することができ、その結果、効率が向上する。
A variant of FIG. 4 also comprises the same elements as FIG. 2 or 3, but with a particular arrangement of
In this variant, the planetary gear mechanisms include a
The operation of the configuration of this planetary gear mechanism is the speed multiplication function between the pump and the turbine at the first speed multiplication ratio for the turbine, which has rotational speed transmission between the planetary gear carrier, crown and sun gear. And the same as that of FIG. 2 with a speed reduction function between the turbine and the pump having a first speed reduction ratio between the sun gear, the planetary gear carrier and the crown.
The main advantage of this variant is the distance between the pump and the turbine, which can limit the heat exchange between the hot part of the turbine and the hot part of the pump, resulting in efficiency. Is improved.
図5の変形例でも、遊星歯車機構は、図4の変形例のようにパイプとタービンとの間に配置されるが、遊星歯車機構128の特定の配置を有する。
この構成では、太陽歯車130はタービンの中空軸124によって支持され、クラウン132はケーシング112の垂直壁135によって支持され、遊星歯車キャリア134はポンプ軸118によって支持される。
この遊星歯車機構の構成の動作は、遊星歯車キャリア、クラウン及び太陽歯車の間の回転速度伝達に応じてポンプとタービンとの間の速度増倍機能を有する図4のものに類似しており、タービンのための第2の速度増倍比を有する。
Also in the modified example of FIG. 5, the planetary gear mechanism is arranged between the pipe and the turbine as in the modified example of FIG. 4, but has a specific arrangement of the
In this configuration, the
The operation of the configuration of this planetary gear mechanism is similar to that of FIG. 4, which has a speed multiplying function between the pump and the turbine in response to rotational speed transmission between the planetary gear carrier, crown and sun gear. It has a second speed multiplication ratio for the turbine.
図6の変形例は、タービンの入口144が遊星歯車機構128の側にあり、出口146がポンプ116の側にある、反転されたタービン122の配置においてのみ、図2と異なる。この変形例の実施形態は、大きなタービン直径と遊星歯車機構とを並置することを可能にし、したがって、よりコンパクトな設計を提供する。
この構成の動作は、遊星歯車キャリヤ、クラウン及び太陽歯車の間の回転速度伝達によるタービンのための第1の速度増倍比を有するポンプとタービンの間の速度増倍機能と、太陽歯車、遊星歯車キャリヤ及びクラウンの間の第1の減速比を有するタービンとポンプの間の速度減少機能とを備える、図2のものと同一である。
A variant of FIG. 6 differs from FIG. 2 only in an
The operation of this configuration is the speed-up function between the pump and the turbine, which has a first speed-boosting ratio for the turbine by rotational speed transmission between the planetary gear carrier, crown and sun gears, and the sun gears, planets. It is identical to that of FIG. 2 with a speed reduction function between the turbine and the pump having the first reduction ratio between the gear carrier and the crown.
図7の変形例でも、遊星歯車機構128がポンプ116とタービン122との間に配置される。この変形例では、ポンプ116は、歯車機構128と連結プーリ136の間に収容され、一方、タービンは、この歯車機構の下に配置される。
図7の例では、ポンプ軸118及びタービン軸124は互いに分離されているが、同軸であって相互に一列に並んでいる。遊星歯車機構128は、ポンプ軸118によって支持されたクラウン132と、タービン軸124によって支持された太陽歯車130と、ケーシング112の固定壁150によって支持された遊星歯車キャリア134とを有して、これら2つの軸の間に取り付けられている。
Also in the modified example of FIG. 7, the
In the example of FIG. 7, the
図8の変形例は、クラウン132がケーシング112の固定壁150によって支持され、太陽歯車130がタービン軸124によって支持され、遊星歯車キャリア134がポンプ軸118によって支持される点で図7と異なる。
図7のこの変形例も、遊星歯車キャリヤ、クラウン及び太陽歯車の間の回転速度伝達によるタービンのための第2の速度増倍比を有するポンプとタービンの間の速度増倍機能と、太陽歯車、遊星歯車キャリヤ及びクラウンの間の第1の速度減少比を有するタービンとポンプの間の速度減少機能とを達成することを可能にする。
A modification of FIG. 8 differs from FIG. 7 in that the
This variant of FIG. 7 also has a speed multiplying function between the pump and the turbine having a second speed multiplying ratio for the turbine by rotational speed transmission between the planetary gear carrier, crown and sun gear, and the sun gear. It makes it possible to achieve a speed reduction function between the turbine and the pump, which has a first speed reduction ratio between the planetary gear carrier and the crown.
Claims (16)
前記ポンプ軸(18,118)は前記タービン軸(24,124)から分離され、前記ターボポンプは、前記ポンプ軸(18,118)と前記タービン軸(24,124)との間に回転速度差を発生させるための速度変動装置(26,126)を備えることを特徴とするターボポンプ。 A momentum transport pump (16,116) with a pump rotor (14,114) supported by a pump shaft (18,118) and a turbine rotor (20,120) supported by a turbine shaft (24,124). In a turbopump with a fixed casing (12,12'; 112) including a turbine (22,122) to accommodate.
The pump shaft (18,118) is separated from the turbine shaft (24,124), and the turbopump has a rotational speed difference between the pump shaft (18,118) and the turbine shaft (24,124). A turbo pump characterized by being provided with a speed fluctuation device (26,126) for generating the above.
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