JP2898290B2 - 機械的エネルギ発生装置 - Google Patents

機械的エネルギ発生装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は機械的エネルギを発生する装置に関する。
＜従来の技術および発明が解決しようとする課題＞ 上述形式の装置は各種設計のものが公知である。しか
し、内燃機関、蒸気タービンなどの通常の原動機と同等
な許容可能な効率（±35％）を有する装置は得られてい
ない。
従来の装置ではガスタービンからの有害な排気に関し
充分な注意が払われていない。
＜課題を解決するための手段＞ 本発明は上述従来技術の課題を解決し、例えば50ない
し3000kWの範囲で約40％の効率を有し、有害な排出物の
発生を制限する装置を得ることを目的とする。この装置
の用途としては700kW程度の出力で列車、船舶の駆動用
がある。本発明の装置の１つの特徴はガスタービンすな
わち動力タービンのために燃焼室が設けられ、（最後
の）圧縮機タービンからの膨張空気の配管が該燃焼室に
接続され、圧縮機ユニットから圧縮機タービンへの接続
導管がガスタービンの排気系内の主熱交換器に接続され
る。
本発明の重要な１つの要件は圧縮機を駆動する駆動タ
ービンが動力タービンの排気ガスによって供給されず、
圧縮ガス例えば圧縮空気自体が動力タービンに供給され
る前にこのために使用される。本発明はこれによって従
来技術によるものよりも理論的カルノーサイクルに近い
作動を可能とする。これは全装置の熱効率の基本的増大
に基く。さらに、本発明による装置の主要機器は既存の
ものを購入して使用可能であり、これはコストを著しく
低下させる。
米国特許第3,054,257号明細書には機械的エネルギ発
生装置の各タービンに付加的な燃焼室を設けてタービン
の流体温度を上昇せしめることが配置されている。これ
に反して本発明は動力タービンに対する燃焼室の適用を
制限し、これによって動力タービンの排気ガスから回収
される熱を使用して圧縮機を駆動するタービンに流れる
前のガスを加熱する。
本発明にはさらに２つの効果がある。カルノーサイク
ルに近似する点の市販の機器を購入使用可能である点以
外に、本発明の装置は内部的にも外部的にも著しく清浄
な運転を可能とする。圧縮機およびタービンには完全な
無公害空気が流れており、従って内部汚染がない。燃焼
室に供給される燃料は著しく低圧（200kPa程度）であ
り、これに関連して入口温度も比較的低い（900℃程
度）ものとする。この状態でNOx排出量は著しく小で、
環境汚染は減少する。
熱交換器は回収型でも再熱型でもよい。
動力タービンは単一流求心型タービンとしてよい。こ
のタービンはタービンハウジングの入口とロータブレー
ドの頂部との間で約100℃の温度低下を許容する。燃焼
室内の比較的高い温度は急速に低下し、ロータの冷却は
必ずしも必要としない。
主熱交換器に加えて少くとも１つの外部熱交換器が主
熱交換器の下流の動力タービンの出口に設けられ、動力
タービンの燃焼室の上流の最後の圧縮機タービンの出口
導管にも設けられる。この実施例の装置は全エネルギシ
ステムと通称される形式に特に適しており、装置の全効
率は著しく改善される。
動力タービンの排気ガスのNOx低減の努力は燃焼室に
インジェクタを設けることによってさらに推進され、該
インジェクタは水の貯蔵タンクに接続される。燃焼室の
火焔に水または水蒸気を噴射することは公知である。本
発明によれば水は圧縮された燃焼空気の凝縮物から得ら
れる。凝縮物は絞弁とフィルタとを介して貯蔵タンクに
集められる。そこからポンプが適当量の凝縮物を熱交換
器内で水蒸気に変換され又はされずにインジェクタに向
けて送る。
本発明の装置は特に花または野菜の温室に適用可能で
あり、燃料（例えば天然ガス）を燃焼室に供給し、必要
な外部熱交換器を切替えて熱および機械的動力間に所望
の比（H/P）を達成し、動力タービンからの冷却した排
気ガスを温室内に解放する。この場合CO2ガスは植物の
二酸化炭素同化作用に有効である。所望の機械的動力と
は独立に熱出力を定めることが可能であって、熱出力と
は独立に機械的動力を定めることが可能である。逆に機
械的動力とは独立に熱出力を定めることも可能である。
従って本装置は機械的動力または熱出力の要求に関して
状況が変化する用途に適している。
＜実施例＞ 以下に、図面を引用して本発明のいくつかの実施例を
説明する。
第１図は装置装置の概略図を示し、第２図は動力ター
ビンの縦断面図を示す。
第１図は低圧ガス圧縮機C2と高圧ガス圧縮機C1とがそ
れぞれ独立にガスタービンT2、T1によって駆動されるこ
とを示す。圧縮機C1、C2の間の連結導管６内に冷却器７
が設けられる。
第１の外部熱交換器18が最後のガスタービンT2の出口
導管10内でかつ動力タービン１の燃焼室４の上流に設け
られる。
導管10内には三路弁19も設けられる。この弁19は直接
に燃焼室４に供給される圧縮空気の量を制御し、残りの
空気は熱交換器18に流れる。弁19の一端位置において圧
縮空気はすべて直接に導管10を経て燃焼室４に流れ、他
端位置においてすべての空気は熱交換器18を通った後に
熱交換器４に流れる。弁19の適切な制御と導管11におけ
る燃料供給の適切な制御と外部熱交換器17、18を設ける
こととによって、熱交換器７、17、18によって得られる
熱出力と軸13によって得られる機械的出力との間に適切
な比（h/p）が得られるようになる。
第１図には導管８、９内に設けられてタービンT1、T2
の温度に影響を与えるヒータ28、29も示される。図に示
す装置が例えば病院などで電力発生用として使用される
場合、動力タービン１の軸13における負荷変動が屡々生
ずる。負荷が増加すると導管11の燃料供給が増加し排気
２の温度が上昇する。装置の熱的慣性値が大であるから
主熱交換器３はいくらかの遅れで排気の温度上昇を圧縮
機C1、C2で圧縮された流体に伝達する。従ってタービン
T1、T2の回転速度および圧縮機C1、C2の速度はすぐには
変化しない。圧縮機ユニットのこの反応の遅れは装置の
動作を不安定とする。この現象を防止するために、ヒー
タ28、29が付加的な熱量を（例えば図示しない補助的燃
焼器または電気ヒータによって）タービンT1、T2に入る
前の流体に与える。圧縮機ユニットの熱的慣性値は低い
ので、直ちに反応して上述不安定現象は防止される。ヒ
ータ28、29は動力タービン１の軸13の負荷の低下時の不
安定現象も防止することができる。
第２図は単一流求心型タービンの断面図を示し、第１
図の動力タービン１として使用可能である。このタービ
ンはガスを著しく高温で供給可能であって、可動のブレ
ード20に到達するまでの温度降下が約100℃である点に
おいて有利である。
この形式のタービンは機械的出力が設計出力から約40
％変動しても高い熱効率を維持することができる。この
ため案内ブレード20′の角度は可変となされる。１つの
実施例において400ないし1000kWの出力をほぼ同一の熱
効率で得ることができる。
本発明の装置の重要な適用例として温室があるが、下
記の組合わせとすることが望ましい。
ア）機械的動力を電力発生用またはポンプなどの駆動用
として使用する。
イ）発生熱量を温室の内部空間加熱用とする。
ウ）付加的に発生するCO2ガスを植物成育用として利用
する。
本発明による装置は排気中のNOx、一酸化炭素、未燃
焼炭化水素の含有量が著しく少く、これが前述適用を可
能としている。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例として示す装置の概略図、第２
図は求心型タービンの縦断面図。 C1、C2:圧縮機 T1、T2:圧縮機タービン 1:動力タービン 2:排気 3:主熱交換器 4:燃焼室 ６、８、９、10、12、14:導管 ７、17、18:熱交換器 13:軸 20:可動ブレード 20′：固定ブレード

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】機械的エネルギを発生する装置にして、低
    圧ガス圧縮機（C2）と該低圧ガス圧縮機に直列に連結さ
    れガスを圧縮する高圧ガス圧縮機（C1）と、高圧ガス圧
    縮機（C1）を駆動するタービン（T1）と低圧ガス圧縮機
    （C2）を駆動するタービン（T2）とを含み、高圧ガス圧
    縮機（C1）を駆動するタービン（T1）は高圧ガス圧縮機
    に直列に接続され、前記低圧ガス圧縮機（C2）を駆動す
    るタービン（T2）は高圧ガス圧縮機（C1）を駆動するタ
    ービン（T1）に直列に連結され、低圧ガス圧縮機（C2）
    を駆動するタービン（T2）に直列に燃焼室（４）が連結
    されて膨張したガスが燃焼室に供給されるようになさ
    れ、燃料を該燃焼室（４）に噴射する燃料噴射手段（1
    1）が設けられて燃料が膨張したガスと共に燃焼するよ
    うになされ、燃焼室には排気ガスのための出口が設けら
    れ、該燃焼室の出口は燃焼室（４）からの排気ガスによ
    って駆動される動力タービン（１）に連結され、動力タ
    ービン（１）は機械的エネルギを出力する回転可能の軸
    （13）を有し、動力タービン（１）は排気ガスのための
    出口を有し、主熱交換器（３）が動力タービン（１）の
    出口に連結されて且つ高圧ガス圧縮機（C1）と関連する
    タービン（T1）との間にあるガス導管（８）に連結され
    て動力タービン排気ガスからの熱を前記ガス導管（８）
    内のガスに伝達し、主熱交換器（３）は排気ガスのため
    の出口を有し、低圧および高圧ガス圧縮機（C1、C2）を
    連結する導管（６）内に冷却器（７）が配置されてい
    る、前記機械的エネルギを発生する装置において、 第１の外部熱交換器（17）が主熱交換器の排気ガス出口
    に配置され、 第２の外部熱交換器（18）が、低圧ガス圧縮機（C2）に
    関連するタービン（T2）と燃焼室（４）とを連結する導
    管（10）内に配置され、 第１および第２の外部熱交換器（17、18）が冷却器
    （７）と第１及び第２の外部熱交換器（17、18）との中
    で取り去られる熱的動力（ｈ）と動力タービン（１）の
    軸（13）に出力する機械的動力（ｐ）との間に予め定め
    たh/p比を達成することを可能とし、 ガス圧縮機（C1、C2）を駆動するそれぞれのタービン
    （T1、T2）のために付加的な加熱器（28、29）が設けら
    れて、タービンに供給される圧縮ガスの温度に影響を与
    えて、これらタービン（T1、T2）の回転速度の制御を可
    能とする、ことを特徴とする機械的エネルギ発生装置。
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