JP4465344B2 - 環状燃焼器を備えた発電システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、発電システムに関し、詳しくは、環状燃焼器と発電のためのタービンとを備えたコンパクトなシステムに関する。

環状燃焼器とタービンとを備えたコンパクトな発電システムが知られている。現在、これらのシステムは、２５ないし５０キロワットの電力を発電するのに使用されている。このようなシステムは、Ｃａｐｓｔｏｎｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍａｒｂａｉｘ，Ｂｏｗｍａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｌｔｄ．，Ａｌｌｉｅｄ−Ｓｉｇｎａｌ Ｃｏｒｐ．等のいくつかの会社によって製造されている。

上述の発電システムは、他の用途にも使用可能なものではあるが、その大半は戦場に於いて軍隊によって使用されるように構成されている。従って、それらは軍用仕様に従って構成されており、その結果、コスト高なものとなっている。

コンパクトな発電システムに対する軍需は減少したが、これらのシステムは、最近、非軍事用途、主として、コンピュータのバックアップ電源、として注目されている。しかしながら、その高いコストによって、これらのシステムの市場の受け入れはこれまで限定されたものであった。

従って、本発明の課題は、ディーゼル、ジェット、天然ガス、及びアルコールタイプの燃料等の炭化水素燃料を使用する環状燃焼器を備えた、安価、コンパクト、軽量、かつ、耐久性の高い発電システムを提供することにある。

通常、前記燃焼器から排出される（他のガスタービンの）排気ガスは、大気中に放出されるＮＯｘ放出量を制御するべく処理される。

従って、本発明の別の課題は、低ＮＯｘで総体的に低放出量の燃焼器を提供することにある。

更に、多くの用途に於いては、この種の発電システムは不連続的に使用されるが、これらのシステムのこのような使用法によって燃料ライン、燃焼器及び／又は燃料ポンプが詰まってしまうことがある。これらのシステムは、主として、一次電源のバックアップシステム及び／又は主電源として使用されるものである為、これらのシステムが必要な時に作動することが重要である。

従って、本発明の更に別の課題は、一貫した安定性で不連続作動が可能な信頼性の高い発電システムを提供することにある。

本体と、環状燃焼器と、タービンと、コンプレッサ・チャンバと、コンプレッサ・チャンバ内に配置されたコンプレッサとを有する発電システム。取り入れポートが前記コンプレッサ・チャンバと流体連通され、取り出しポートが、その間に燃焼器を介して、タービンと流体連通されている。複数のマグネットがロータに固定され、鉄等の磁気吸引性材から成るステータが前記本体に設けられている。前記ステータは、複数のマグネットの近傍に配置され、これによって、ロータが回転するとステータの周りの磁束が変化し、電気が発生する。燃料ポンプとオイルポンプとが設けられ、これらは共に一つのモータによって駆動される。燃料絞り弁が設けられ、これは、長手軸心に沿って延出するように構成されたプランジャを備えた比例ソレノイド弁を有する。前記ロータの一部を回転可能に受けるべく環状又は流体力学的形状のベアリングが設けられ、これは、ロック構造によって位置保持されている。コンプレッサ・ブレードとタービン・ブレードとは、これらコンプレッサ・ブレードからタービン・ブレードへ、又はその逆に直接にガスが流れることを防止するために、割りリングによって互いに分離されている。導入圧縮ガスを加熱し、流出排気ガスを冷却するために熱交換器が設けられている。換言すると、コンプレッサは、燃料消費を最小限にするために、燃焼器への供給の前に空気を排出する。

本発明は、更に、下記の工程を有する発電システムの運転方法にも関する。即ち、複数のコンプレッサ・ブレードを備えたロータとそれに取り付けられた複数のタービン・ブレードと、前記ロータの周りに配置された複数のマグネットとを回転させる工程、前記複数のマグネットはステータの近傍に配置され、これによって、前記ステータに電気が供給されて前記ロータの回転を起こす、
前記複数のコンプレッサ・ブレードを有するコンプレッサに空気を導入する工程、
前記コンプレッサによって導入された空気を圧縮する工程、
前記圧縮空気を燃焼チャンバに流す工程、
前記燃焼チャンバに流入する前記圧縮空気の少なくとも一部に燃料を混合し、燃料／空気混合物を作る工程、
前記燃料／空気混合物を前記燃焼チャンバ内で引火し、排気ガス又は熱エネルギを発生させる工程、
前記排気ガス又は熱エネルギと、前記圧縮空気の残りとを、前記複数のタービン・ブレードを有するタービンに通過させる工程、
前記排気ガス又は熱エネルギと、前記圧縮空気の残りとを排出する工程、
前記ロータが第１速度で回転する時に、前記ステータに供給される電気を停止する工程、そして
前記ステータと協動する前記ロータの周りに配置れた前記回転するマグネットによって電気を発生させる工程。
前記燃焼チャンバ内の燃料／空気混合物に点火することによって熱エネルギが発生し、これが前記タービンのホイールを駆動する。前記燃焼器内で発生した火炎は、タービンノズルと前記タービンホイールとを通過する時に、タービン入口温度を制御するべく希釈空気を受ける。

ここでの記載の目的の為に、「上方」、「下方」「右側」、「左側」、「後方」、「前方」、「垂直」、「水平」、という用語、及びそれらの派生語は、図面に於ける向きで本発明に係るものとする。しかしながら、本発明は、特に明記無き限り、様々な他の向き及び工程順序をとることが可能であると理解される。又、添付の図面に於いて図示され、下記の明細書に記載されている具体的な装置及びプロセスは、付随の請求項に定義された本発明の概念の、単なる例示的な実施例に過ぎないものであると理解される。従って、ここに開示されている実施例に関連する具体的寸法及びその他の物理的特徴は、請求項に明示的にそうではないと記載されていない限り、限定的なものと解釈されてはならない。

図１Ａ及び１Ｂは、本発明に依る発電システム１０を略示する図面である。該システム１０は、燃焼のガス生成物が取り出しポート２６を通って出る前に通過する燃焼チャンバを備えた環状燃焼器１４を有する発電プラント１２を備えている。二つの具体的な発電プラントの実施例が図１８及び図１９に図示されている。図面の図１９に図示されている実施例は、排気ガス熱の一部を埋め合わせ、システムの全体の熱効率を改善する熱交換器を備える。図１８に図示の実施例は、熱交換器を備えない。図面の図１Ａに戻って、前記環状燃焼器１４は、タービンロータ１６に流体接続され、該タービンロータは、長手軸心周りで回転可能となるべくベアリング２０及び２１によって両端部が回転可能に支持されたロータ１８を有する。電気ステータ２２が、前記ロータ１８と同軸状に配置され、前記タービンロータ１６には熱交換器２４が流体接続されている。空気取り入れポート２８が設けられている。

暖房用オイル等の液体燃料が、燃料タンク３０内に保持され、このタンクは、導管３２によって前記環状燃焼器１４に接続、及び流体連通されている。前記導管３２は、燃料フィルタ３４と、燃料ポンプ３６と、圧力開放弁３７と、燃料絞り弁３８とに接続され、これらは前記環状燃焼器１４に流体接続、又は、流体連通されている。前記導管３２は、前記環状燃焼器１４に設けられた複数の燃料噴射器４０を提供している。図面の図２は、燃料パージ弁３９を示し、これは前記燃料噴射器４０と前記燃料絞り弁３８との間の導管３２に接続されている。導管４１が、前記燃料パージ弁３９を前記燃料タンク３０に接続し、通常のエンジンのシャットダウン中に燃料を燃料リザーバにパージし、前記噴射器と燃料マニホルドの燃料をパージし、従って、燃料のコーキング／詰まりの傾向を防止する。

図面の図１Ａ及び３を参照すると、導管４４によって前記ベアリング２０及び２１に流体接続されたサンプ４２から、前記ベアリング２０、２１に対する潤滑のために潤滑油が供給される。（図面の図３は、図１Ａの別構成を図示し、図面の図１Ａには図示されていない、潤滑油システムと協動するいくつかの外部エンジンコンポーネントを示している。図３の構造には、図１Ａ及び１Ｂに図示した発電システムを備えさせることが可能である）。前記導管４４は、オイルフィルタ４６と、空気／オイル熱交換器４８と、潤滑オイルポンプ５０とに接続されている。前記ベアリング２０及び２１を通って流れた潤滑油は、前記オルタネータ・ステータ熱交換器２４からのオイルと共に、前記サンプ４２に戻る。オイル圧開放弁５１が、前記導管４４と流体接続、又は、流体連通されるとともに、前記サンプ４２に流体連通されている。尚、ここで使用される「．．に流体接続されている」という文言は、「．．と流体連通されている」という文言と交換可能である。

再び図１Ａ及び１Ｂを参照すると、燃料ポンプ３６と潤滑油ポンプ５０とは共に、２４ボルト電気モータ５２によって機械駆動される容積式ポンプである。潤滑油温度、潤滑油圧、燃料圧及びコンプレッサ取り出しポートガス圧、とをそれぞれ測定するためにトランスデューサー５４，５６，５８及び６０が設けられている。これらトランスデューサー５４，５６，５８及び６０は、マイクロプロセッサ制御エンジンコントローラ６２に電気的に接続されている。タービン排気ガスの温度を測定するために、前記タービンの下流側の取り出しポート２６には、熱電対６４が配置されている。この熱電対６４は、前記エンジンコントローラ６２に電気接続されている。

前記エンジンコントローラ６２は、出力インバータ６８とスタートインバータ７０を含むインバータ構成６６に電気接続されている。この構成は、本件と同時出願で、ここに参考文献として合体させる、スレッシュ・イー・グプタ(Suresh E．Gupta)、ダグラス・アール・バーナム(Douglas R．Burnham)、ジョン・ダブリュ・ティーツ(Jon W．Teets)、ジェイ・マイケル・ティーツ(J．Michael Teets)、ブレイ・バルガヴァ(Brij Bhargava)を発明者とする「共通軸上のタービン／オルタネータ用の電気システム」と称するＰＣＴ出願に開示されている。前記始動用インバータ７０は、２４ボルトＤＣバッテリ７２に電気接続されるとともに、更に入力ライン７４によって前記エンジンコントローラ６２に電気接続されている。前記出力ライン７６は、前記エンジンコントローラ６２を前記出力インバータ６８に電気接続している。前記出力インバータ６８は、ライン７９によって顧客電気サプライ８３に電気を供給するか、若しくは、コンピュータ等の電気コンポーネントに電気を供給するように構成されている。

図４は、前記燃料ポンプ３６と前記潤滑油ポンプ５０とに機械接続された前記電気モータ５２を示している。好ましくは、この電気モータ５２は、ブラシレス電気モータである。前記両ポンプ３６、５０は、それぞれ、回転駆動軸又は電気モータ軸７８及び８０によって前記電気モータ５２に作動接続又は連結されている。前記電気モータ５０を作動させることによって、前記両駆動軸７８、８０がそれぞれの長手軸心８１回りで回転する。

前記両ポンプ３６、５０は、容積式ポンプであり、好ましくは、ｇｅｒｏｔｏｒタイプポンプである。図５−７を参照すると、各燃料ポンプ３６は、ケーシング８６内に配置された外側ロータ８４内に配置された内側ロータ８２を有する。前記ケーシング８６には、弓形取り入れポート８８と弓形取り出しポート９０とが形成されている。電気モータ軸７８は、この軸の前記長手軸心８１周りでの回転によって、前記内側ロータ８２が前記外側ロータ８４に対して回転するように前記内側ロータ８２に接続されている。前記外側ロータ８４は、複数（Ｎ）のポンプチャンバ９２と、前記内側ロータ８２に形成されるとともに当該技術に於いて周知の方法で前記ポンプチャンバ９２に受けられた複数（Ｎ−１）の径方向延出ギア歯９４を形成している。具体的には、前記内側ロータ８２が前記外側ロータ８４とケーシング８６周りで回転又は移動すると、液体（潤滑油）が、前記ポンプチャンバ９２、取り出しポート９０及び排出管９６を通って、前記ケーシング８６を通り吸入管９５から取り入れポート８８へポンプ供給される。前記潤滑油ポンプ５０は、これは前記電気モータ軸８０によって駆動されることを除いて前記燃料ポンプ３６と同様に作動し、ここでこれ以上の説明は省略する。前記燃料ポンプは、メタン等の加圧ガス燃料が使用される場合には、不要である。メタンの流れは、電子−機械式弁によって制御することができる。

このオイルポンプ／燃料ポンプモータ構成の利点は、前記潤滑油ポンプ５０が故障すると（これは、通常は、前記内側ロータ８２がジャミングして長手軸心８１周りで回転出来ないことを意味する）、前記電気モータ５２が停止して、これによって両駆動軸７８及び８０が回転することを防止することにある。更に、もしも前記電気モータ又は燃料ポンプが故障すると、安全のためにシャットダウンが発生する。これによつて、前記電気モータ軸７８及び８０によって駆動される燃料ポンプ３６によって前記環状燃焼器１４に燃料が供給されないことから、システムが「シャットダウン」する。従って、回転するシステムパーツへの潤滑油の不適切な供給に依るシステムコンポーネントへのダメージが防止される。前記潤滑油ポンプ５０及び／又は電気モータ５２は、燃料が環状燃焼器１４に供給可能となる前に、修復されなければならない。

図１Ａ，８Ａ，８Ｂ及び９を参照すると、燃料は燃料ポンプ３６によってポンプ供給され、そのエンジンへの流量は、前記燃料絞り弁３８によって変えられる。好ましくは、前記燃料絞り弁３８は、バネ付勢式閉じ比例ソレノイド弁である。該ソレノイド弁の位置は、前記燃料絞り弁３８を通って流れる燃料の流量を変化させるソレノイドを通過する電流の関数として変化する。

図８Ａ（開放位置）と図８Ｂ（閉鎖位置）とは、前記燃料絞り弁３８の一実施例を図示し、ここで、前記弁は、Ｖとして示されている。該弁Ｖは、比例ソレノイドＳと、プランジャ凹部を形成した弁本体Ｂとを有する。長手軸心に沿って延出する長手方向に移動可能な筒状プランジャＰは、前記長手軸心に対して変化する直径可変先端部Ｔを有する。前記弁本体Ｂには、中心に位置するオリフィス又は穴Ｏを備えるオリフィスプレート又は流動プレートＦが配設されている。（或いは、前記オリフィスＯと協動するべく、前記筒状プランジャＰのみを使用することも可能である）。前記オリフィスプレートＦは、前記弁本体Ｂを、流入チャンバと流出チャンバとに分割している。燃料流入ラインＦＩが、前記流入チャンバに設けられた燃料流入口に接続され、燃料流出ラインＦＯが前記流出チャンバに設けられた燃料流出口に接続されている。前記ソレノイドＳの作動によって、筒状プランジャＰと先端部Ｔとが長手方向に移動する。前記先端部Ｔは、図８Ａに図示されているように、前記オリフィスプレートＦのオリフィスＯと協動して、それを通じて流れる燃料を許容する前記オリフィスＯのサイズを変化させる。図８Ｂは、前記先端部ＴがオリフィスＯを閉じて流入チャンバと流出チャンバとの間の燃料の流れを防止している状態を示している。従って、前記先端部ＴのオリフィスプレートＦに対する位置によって、前記環状燃焼器１４への燃料の流れが制御される。図８Ａ及び８Ｂから理解されるように、前記先端部Ｔは、前記オリフィスＯの直径よりも小さな直径から、該オリフィスＯの直径よりも大きな直径に変化し、これによって、前記筒状プランジャＰは、第１長手方向と第２長手方向との両方に移動可能に構成されている。前記筒状プランジャＰは、前記オリフィスＯを通って延出し、前記オリフィスプレートＦに接触して、前記筒状プランジャＰが前記第１長手方向に於いて第１距離だけ移動する時、阻止位置に於いて、前記オリフィスプレートＦを介した流れを阻止する。前記筒状プランジャＰがこの阻止位置から前記第２方向に移動する時、前記先端部Ｔは、前記オリフィスプレートＦから離間して位置し、オリフィスプレートＦを通る流れは、先端部Ｔの長手方向位置の関数として変化する。

図９は、前記燃料絞り弁３８の別実施例を示し、ここで、この弁はＶ’として示されている。この弁Ｖ’は、比例ソレノイドＳ’と、プランジャ凹部を形成した弁本体Ｂ’とを有する。長手軸心に沿って延出するように構成された長手方向に移動可能な筒状プランジャＰ’が設けられ、これは、前記弁本体Ｂ’の前記プランジャ凹部内に延出している。前記筒状プランジャＰ’は、マニホルド又は先端部Ｍに固定された前記筒状プランジャＰから成る。燃料は、前記弁本体Ｂ’に形成された流入口を通って燃料流入ラインＦＩから、前記筒状プランジャＰ’周りの連続リングＲ１である筒状プランジャＰ’の筒状チャンバに流入する。燃料の流れは、リングＲ１から、流出口を形成する軸穴Ｈ２に接続された流入口を形成する接続軸穴Ｈ２を通って、穴通路Ｈ３を介して前記弁本体Ｂ’によって形成された流出口ＦＯに至り、その後、環状リングＲ２を介して燃料流出ラインＦＯから出る。前記穴Ｈ１，Ｈ２及びＨ３は、前記流入口と流体連通された、前記流出口への流路を形成している。

前記閉鎖位置とは、図９に図示されているように、前記筒状プランジャＰ’が、完全に左側に位置する位置である。これによって、リングＲ２が燐料流出ラインＦＯから閉じられる。燃料の絞りは、リングＲ２を燃料流出ラインＦＯ側に位置させることによって起こる。逃がしラインＶＥ１，ＶＥ２も、前記プランジャの移動領域の端部に於いて前記凹部に接続されている。

前記絞り弁の作動に於いて、図９に示されているように、前記比例ソレノイドＳ’が作動されて、前記筒状プランジャＰ’を、前記弁本体ｂ’の凹部内で第１長手位置に移動させる。前記筒状プランジャＰ２’（リングＲ２を位置決めする）は、次に、前記流入ラインＦＩから燃料流入ラインＦＯへの流れを阻止するか、もしくは、燃料がそれを通ることを許容するべく、位置決めされる。燃料の流量は、燃料ポンプ圧が一定のままであるとすると、リングＲ２の燃料流出ラインＦＯに対する長手方向の位置によって決まる。前記絞り弁への燃料ポンプ圧は、圧力開放弁によって維持される。前記リングＲ１及びＲ２は、前記筒状プランジャＰに取り付けられたマニホルドＭに形成されている。これらリングＲ１及びＲ２を形成している前記マニホルドＭの外側部分は、前記燃料流入ラインＦＩと燃料流出ラインＦＯとの一方又は両方を通過する流れを阻止又は変化させる阻止部材として作用する。従って、前記マニホルドＭを長手方向に移動することによって、前記流入口と流出口と阻止部材とが、前記流入口と流出口と協動して流入口から流出口へと弁本体Ｂ’を通る流れを変化させる。

再び図１Ａ及び２を参照すると、導管４１内に位置する前記燃料パージ弁３９は、２４ボルトＤＣ双方向Ｎ．Ｃ．ソレノイド弁等の、常時閉鎖ソレノイド弁である。その作動に於いて、該燃料パージ弁３９は、（絞り弁を介した）エンジンへの燃料が閉じられている時に一定の時間のみ開放される。前記ロータ速度が、電気モータ５２の停止するゼロＲＰＭ（毎分回転数）に達するまでは、電気モータ５２は動き続ける。これによって、前記燃料噴射器４０又は、これに関連するマニホルド内に残っているすべての残留燃料が燃焼器圧によって燃料タンク３０へと吹き出すことが可能となる。このパージ作業によって、燃料配給に於いて問題を起こす可能性のある、燃料のコーキング、詰まり、或いは、燃料噴射器４０の目詰まりが最小限化／防止される。

図１０は、前記環状燃焼器１４の一部の一部断面を示している。この環状燃焼器１４は、コンプレッサ／タービン構成１００に接続されている。このコンプレッサ／タービン構成１００は、エンジンロータ又は回転駆動軸１０６周りに配置されたコンプレッサ・ブレード１０２とタービン・ブレード１０４とを有する。アウトボードベアリングから片持ち支持された状態で、前記エンジンロータ１０６は、長手Ｚ軸心周りで回転するように構成され、図１Ａに略示されているベアリング２０，２１によって支持されている。

環状外側ハウジング壁１０８が設けられ、これは、コンプレッサ・ブレード１０２の近傍に配置された吸気通路１１０を形成している。外側燃焼器ライナ壁１１２と、前方ハウジング壁又は内側ハウジング壁１１４とは、環状燃焼チャンバ１１６を形成する。前記前方ハウジング壁１１４と、前記外側ハウジング壁１０８の前方部分とは、前記環状燃焼チャンバ１１６と流体連通されたディフューザー出口の近傍から始まる、コンプレッサ／ディフューザー空気路又は通路１１８を形成する。この通路１１８にはコンプレッサディフューザーＣＤが設けられている。前記環状燃焼チャンバ１１６と、前記タービンと、前記空気路１１８とは互いに流体連通されている。環状冷却領域１１９が、前記前方ハウジング壁１１４の遠端部１２０と、前記外側燃焼器ライナ壁１１２の前方端部とによって形成されている。この環状冷却領域１１９は、冷却空気を環状タービンノズル１２８へと向ける。環状空気希釈ダクト又は空気希釈ノズル１２２が、前記外側燃焼器ライナ壁１１２の終端部に形成されている。前記空気希釈ダクト１２２には、波形揺動（ｗｉｇｇｌｅ）片１２４を設けてもよい。或いは、前記揺動片１２４を省略して、これを、前記外側燃焼器ライナ壁１１２に形成され、図中破線で示された穴Ｈによって、又は、外側燃焼器ライナ壁１１２を図中破線で示された、タービンノズル壁１２６’に近接させることによって、そして、前記環状燃焼チャンバ１１６内の火炎を希釈するために、前記外側燃焼器ライナ壁１１２に形成された、図中破線で示された複数の穴Ｈ及びＴ’を設けることによって、置き換えることができる。第２空気サプライに入る空気の量を制御し、これによって、火炎温度とＮＯｘ放出を一定に維持するべく、前記穴Ｔ’の断面領域を調節するべくリング（図示せず）を設けることが好ましい。

前記外側燃焼器ライナ壁１１２は、たとえば二つ等の、複数のボルトＢＯによって前記外側ハウジングに固定されている。これらボルトＢＯの内の一つは、液体燃料用の燃料システムを始動させるべく構成された点火装置ＧＰを受取るべく構成された穴を形成している。前記点火装置ＧＰは、前記各ボルトＢＯを通過して、前記環状燃焼チャンバ１１６内へと延出している。上方延出湾曲タービンノズル壁１２６が、空気希釈ノズル１２２から離間配置されている。或いは、前記タービンノズル壁１２６を、図中破線で図示され、１２６’として示されているように直線状に形成することも可能である。前記タービンノズル壁１２６と、前記前方ハウジング壁１１４とは、前記タービンを形成する前記タービン・ブレード１０４と流体連通された前記環状タービンノズル１２８を形成している。前記外側ハウジング壁１０８と前記外側燃焼器ライナ壁１１２との間には、空気流路又は通路１２９が形成されている。

複数の予混合チャンバ又は２次予混合チャンバ１３０が、前記環状燃焼チャンバ１１６の後方壁の近傍で前記外側燃焼器ライナ壁１１２の周りで周方向に互いに離間配置されるとともに、この壁に固定されている。複数の周方向に分配され径方向又は接線方向に配置された燃料噴射器又はノズル１３２が、図１１Ａの１次予混合チャンバ、流入領域又は第１端部１３８へ燃料を供給するべく、前記外側ハウジング壁１０８を通過して、前記空気流路１２９内へと延出している。

図１１Ａ及び１１Ｂを参照すると、前記燃料噴射器１３２は、前記外側ハウジング壁１０８を通過して、前記空気流路１２９内で終端している。複数の１次予混合導管１３４が、前記環状燃焼チャンバ１１６の後壁１３６の近傍で前記外側燃焼器ライナ壁１１２の周りで周方向に延出している。これら１次予混合導管１３４の流入領域１３８は前記燃料噴射器１３２の終端部の近傍で、かつ、これら終端部と流体連通されて配置されるとともに、これら流域は、矢印１４０の流れ方向に向くように、互いに角度を有して配置されている。前記１次予混合導管１３４のそれぞれには、燃料の気化と１次予混合導管１３４への液体燃料の分散を促進するべく、スワラ１４２が設けられている。或いは、これらスワラ１４２は省略することも可能である。１次予混合導管１３４は、前記環状燃焼チャンバ１１６の前方ハウジング壁１１４に向けて燃焼混合用の空気が追加される１次予混合チャンバ１３０内に於いて、主要周方向に出口又は第２端部から濃厚な（非燃焼性混合物）燃料／空気混合物を向けるべく、前記燃料噴射器１３２の流出端部に対して配置されている。前記点火装置ＧＰは、前記外側燃焼器ライナ壁１１２に設けられ、前記燃料／空気混合物を点火して自立火炎を作り出すべく、前記環状燃焼チャンバ１１６内に延出している。前記燃料噴射器１３２は、図１１Ａに図示されているように、前記流入領域１３８から、距離をもって離間配置されなければならない。図１１Ａは、角度を有する流入端部を備えた流入領域１３８と、前記外側ハウジング壁１０８に対して垂直に配置された前記燃料噴射器１３２とを図示している。１次予混合導管１３４’及び燃料噴射器１３２’として、その他の構成、たとえば、図１１Ａに於いて破線で示されたもの、も使用可能である。

次に、図１０、１１Ａ及び１１Ｂを参照しながら、前記燃焼器の作動について説明する。前記エンジンロータ１０６が回転されて、コンプレッサ・ブレード１０２を前記Ｚ軸心周りで回転させる。空気が前記取り入れポート１１０に吸引されて、圧縮されて、矢印１４０の方向に前記空気路１１８と空気流路１２９とを流れる。この案内された圧縮空気は、前記冷却ダクト１１９と、空気希釈ノズル１２２と穴Ｈとを通って前記環状燃焼チャンバ１１６に流れ込む。圧縮空気は、更に、前記１次予混合導管１３４の流入端部１３８にも入る。空気は、更に、各予混合チャンバ１３０の流入端部Ｅと流体連通している２次空気供給穴１４３にも入る。加圧燃料は、前記燃料噴射器１３２の端部を出て、前記圧縮空気によって（前記燃焼器ライナの両側に発生された差圧により）、前記１次予混合導管１３４の流入端部１３８に運ばれ、同時に濃厚な燃料／空気混合物を形成する。この燃料／空気混合物は、前記オプションとして設けられたスワラ１４２を通過して、高温壁燃料気化を促進し、一旦火炎が発生すると、これを、スワールさせる。又、濃厚な燃料／空気混合物の滞留時間を長くするべく、より長い１次予混合導管１３４を設けることも可能である。しかし、この構成でも、良好な気化と均一な燃料／空気混合を提供するのに十分である。図１２は、前記１次予混合導管１３４内に配置されたノズル１３２を備えたスワラ１４２を有する別実施例を図示している。図１０及び１１Ａに戻って、この濃厚燃料／空気混合物は、前記１次予混合導管１３４から予混合チャンバ１３０へと流れ、ここで、空気混合物が追加されて、燃焼用の希薄な燃料／空気混合物が生成され、流出端部を出て、火炎面へ向かう主要周方向に於いて前記環状燃焼チャンバ１１６に流れ込む。最初、前記点火装置ＧＰは、前記混合物に点火して、これが燃焼して電力用のエネルギを発生させる。点火後、前記点火装置ＧＰはオフし続ける。前記空気希釈ノズル１２２の下流側で、このノズルの手前側に於いて、希釈空気は火炎に入り、燃焼産物の温度を低下させる。これらの排出ガスは、次に、前記希釈空気が混合された後、発生された火炎を通過し、前記タービンノズルに流入し、これを通過して、前記タービン・ブレード１０４を介して関連するタービンホイール電力取り出しのための速度を作り出し、これが、図１８及び１９に図示されているように、前記コンプレッサ・ブレード１０２とオルタネータとを駆動する。

図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ及び１３Ｄは、前述した予混合チャンバ１３０の別の構成を図示している。具体的には、図１３Ａを参照すると、各１次予混合導管１３４は、燃焼前の２次予混合を促進するべく、捩じれローブ燃料２次予混合チャンバ１５０内に導かれている。各ローブ１５２は、燃料／空気混合物をスワールさせるべく捩じれ形状を有している。２次空気導管１５４が設けられ、前記空気流路１２９と流体連通された前記２次予混合チャンバ１５０の両端部の中間で各２次予混合チャンバ１５０に接続された排出端部を有する。前記外側燃焼器壁１１２に固定されている前記２次空気導管１５４の流入端部は、前記空気流路１２９内に位置している。図１３Ｂに図示された構成は、図１３Ａに図示された構成と類似しており、類似のパーツを示すのに類似の参照番号が使用されている。具体的には、１次予混合導管１３４と、２次予混合導管１５４とが、捩じれローブ構成とは反対に、筒状の２次予混合チャンバ１５０に入り込んでいる。図１３Ｃに図示されているように各１次予混合導管１３４、２次空気導管１５４及び前記２次予混合チャンバ１５０の接続部分に、これら導管１３４及び１５４からの流出物を混合するべく、混合ブロック１５６が配置されている。該混合ブロック１５６は、大きな質量を提供し、前記燃焼器ライナに取り付けられ、これに応じて、低減されたライナ加熱及び典型的な変形傾向を提供する。図１３Ｄは、図１３Ｂに図示された構成に類似しており、類似のパーツは類似の参照番号によって示されている。具体的には、前記１次予混合導管１３４及び２次空気導管１５４は、拡散２次予混合チャンバ１５０”へと入り込んでいる。

図１３Ｅ及び１３Ｆは、前述したように、複数の周方向に離間配置された穴Ｈと、１次予混合導管１３４と、２次予混合チャンバ１５０”と、２次空気導管とを備え、更に、前記空気流路１２９からの圧縮空気をそれを通して流れさせ、前記外側燃焼器ライナ壁１１２周りで周方向で前記環状燃焼チャンバ１１６へと流入させるように構成された補助２次空気供給導管１５７とを有する、外側燃焼器ライナ壁１１２の別実施例を図示している。この構造は、火炎面の圧力パルスの分割（ｂｒｅａｋ ｕｐ）を促進する。

その作動に於いて、本発明によれば、低ＮＯｘが達成され、全体の放出種が減少する。

１０ｐｐｍ以下の低ＮＯｘ（ＮＯ＋ＮＯ２）が燃焼器に於いて望ましいが、これは、低火炎温度で低酸化環境（燃料／空気が、前記１次予混合チャンバ内で長滞留時間留まる）とし、短い滞留時間で２次希薄燃料／空気混合物が燃焼した後、低いＮＯｘ火炎温度が発生することによって達成可能である。火炎の安定性を高めるために水素分子を放出させるために、窒素原子を最小限の酸素とともに放出させるべく１次予混合に於ける滞留時間を長くすることが好ましい（濃厚燃料／空気混合物、長滞留１次予混合）。酸化１次火炎領域温度が低すぎると、ＵＨＣ（未燃焼炭化水素）とＣＯ（一酸化炭素）とが過剰となる。従って、非火炎１次予混合が好ましい。低温度域火炎は、均一、希薄気化、予混合段階作業によって達成される。低火炎温度は、燃料濃厚又は燃料希薄条件によって達成可能であるが、後者は、ＣＯとＵＨＣとを増加させるため好ましくない。

好ましくは、華氏２５００°以下の低火炎温度と、低放出量とするべくたとえば、燃焼の前に、希薄燃料／空気比を達成するために、火炎無しの濃厚燃料／空気予混合予気化１次混合システムの後に、２次混合システムが行われる。前記濃厚燃料／空気比（非燃焼）混合物は、燃焼前に、長い滞留時間の２次希薄化工程を通過し、これによって、化学量論的火炎状態とこれに関連する高いＮＯｘ放出とが避けられる。周方向混合と、１次濃厚気化予混合と組み合わせた燃焼と、その後の、燃焼前の２次予混合チャンバ、希薄燃料／空気とによって、低い放出量の燃焼が提供される。低火炎温度によつて、図１４に図示されているように低いＮＯｘ放出が提供される。前記燃焼器を介した圧力又は圧力降下（ΔＰ）と組み合わされた濃厚燃料／空気１次予混合段階での放出水素によって、前記希薄２次チャンバでの短い滞留時間によって達成される希薄火炎の安定性が高められる。

最初、作動時に於いて、前記エンジンロータは、バッテリ電力によって駆動され、この間に、同時に燃料が前記燃焼チャンバに供給され、前記点火装置が作動される。空気は、徐々に接線方向に於いて前記コンプレッサディフューザーから出て、前記１次噴射混合管の方向に移動するが、ここで、一定量の空気が、低圧液体燃料と共に前記混合管又は１次予混合導管１３４の入口に注入される。単純な凹状スワラによって、燃料が二つの領域で受けられ、これによつて、一つ噴射燃料サプライからの均一な混合を促進する。燃料は、前記燃焼器ライナの前後の圧力変化によって、前記混合チャンバに流し込まれる。前記燃料は（もしもスワラが組み込まれている場合）には、前記１次混合管の内径壁で遠心回転され、ここで一旦火炎が発生されると気化される。次に、前記濃厚気化燃料／空気混合物は、前記２次予混合領域に入り、燃料／空気混合物は、前記点火装置、及び／又は前記燃料／空気混合物の通路の火炎領域に入る前に希薄化されて、前記混合物を点火する。前記管の外部で一旦火炎が発生すると、その熱によって前記管内に於いて燃料／空気混合物の気化が起こる。

前記２次チャンバで希薄化される、前記１次領域のこの濃厚な燃料／空気混合物は、エンジン動作速度に依存して濃度と火炎温度が変化するが、その温度は、ＮＯｘを最小限に抑制するため、華氏２７００°から１５００°の範囲である。

前記２次予混合領域後の燃焼は、高い希薄火炎温度と、低い当量比とを有し、低い温度による低い放出量と、低いＮＯｘ値を維持するための低い火炎温度のためにＣＯ放出量を好ましくは０．６ないし０．９φ（当量比）の間に低下させる（ＣＯ＋ＯＨ＝ＣＯ２＋Ｈ）の化学反応変化のためにより高い酸素反応を提供する。

前記燃焼生成物は、力学的エネルギ方向を、通常、前記燃料噴射器から流出する方向に維持しながら、前記燃焼器を周方向／接線方向に通過する。火炎は、希釈領域に入り、ここで、追加のコンプレッサ排出空気が前記燃焼器生成物と混合して、火炎温度を所定のタービン流入温度にまで低下させる。前記燃料／空気比は、所要電力と、空気流量とに依存するが、後者は、一定とすることができる。燃料流量は、前記タービンロータにかかる負荷によって変化する。その作動に於いて、前記エンジンロータ速度は、可変でもよいし、あるいは一定であってもよい。

図１４は、燃焼前の燃料／空気比に依存するいくつかの作動範囲を図示しており、ここで華氏３８００°の火炎温度の化学量論的温度は、過剰なＮＯｘを生成するであろう。好ましくは、前記作動温度は、華氏１５００°ないし２７００°であり、より好ましくは、華氏２６００°以下であり、その範囲では、０．４ないし０．６φのより低いレベルが最も好ましい。形状寸法（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）の変化が無い場合、φは、必要電力に依存する。燃焼によって作り出されたエネルギの５０％が、前記コンプレッサを駆動するのに使用され、そのエネルギの５０％が電気を発生するのに使用されると考えられている。排気ガス温度熱電対６４は、排出ガスの温度を測定する。この情報に基づくと、燃焼温度は、燃料流量に基づいて測定可能であると考えられる。好ましくは、ＮＯｘの発生は２００ｐｐｍ以下に制限されるべきである。

本発明のもう一つの重要な態様は、前記タービンロータを、１００，０００ＲＰＭを超える速度で支持する前記ベアリングである。図１５、図１６Ａ−１６Ｄ及び図１７は、ベアリング２０を示している。そのベアリングは、流体力学のオイル制振ベアリングであって、図１８に示す前記タービンロータ１６を回転自在且つ摺動自在に支持する。図１７は、エンジンメインケース２６３と、潤滑シール２６１と、Ｏリング１９８と、スナップリング又はロック部材２１６とを有する前記コンプレッサ／タービン構成１００の一部を図示している。

特に図１６Ａ−１６Ｄを参照すると、図１７に図示されている前記ベアリング２０は、エラストマ材から成るＯリング１９８を受ける二つの凹部１９６を有する、環状ワンピースパッド又は傾斜パッド支持部材２０’を有している。前記ベアリング部材２０’は、該ベアリング部材２０’によって形成された環状部によって、前記ロータ１８の筒状部分を回転可能に受ける。前記ベアリング部材２０’の一つの端部面には、軸心方向に延出するネジ穴が設けられている。前記ベアリング部材２０’は、前記発電プラントの本体に固定された前記タービンエンジンハウジング２０２に配置されたベアリングハウジング２００に形成された筒状穴に受けられている。前記ベアリング部材２０’は、下記のロック構造２０３によって前記ハウジングに固定されている。前記ベアリングハウジング２００の一端部から、軸心方向に二つの互いに離間した弓形リップ２０４が延出している。弓形溝又はスナップリング凹部２０６（その内の一つのみが図示されている）が、これらリップ２０４の内側周面に形成されている。これらリップ２０４の端部によって、互いに離間したラグ受け入れ凹部２０８が形成されており、前記ベアリングハウジング２００の外側面に沿って形成された終端ポイントで終端している。前記ネジ穴を有する前記ベアリング部材２０’の端部に近接して、環状保持ラグ（ｌｕｇｇｅｄ）リング２１０が設けられている。互いに１８０°離間した二つのラグ２１２が、前記ベアリング部材２０’の前記環状部から離間して、前記保持リング２１０から径方向に延出し、ネジ受け穴が前記保持リング２１０に配置されている。これは、前記保持リング２１０を、該保持リング２１０の前記穴を通って前記ベアリング部材２０’の前記端部の穴まで通過するネジ２１４によって、前記ベアリング部材２０’の前記端部に固定するためである。次に、ベアリング部材２０’は、前記ラグ２１２が前記ラグ受け入れ凹部２０８内に位置してベアリング部材２０’が前記ベアリングハウジング２００に対して長手軸心周りで回転することを防止する状態で、前記ベアリングハウジング２００に受け入れられる。前記スナップリング２１６が、前記ベアリングハウジング２００の前記弓形溝２０６に挿入されて、前記ラグ２１６を保持し、これによつて、前記保持リング２１０が、前記スナップリング２０６とベアリングハウジング２００との間に保持される。好ましくは、前記ベアリングハウジング２００と、ベアリング部材２０’の外径との間には僅かなクリアランスが設けられる。前記Ｏリング１９８は、前記ベアリング部材２０’の外面と、前記ベアリングハウジング２００の内面との間に挟持され、ダンパ及びシールとして作用する。この構成によれば、前記スナップリング２１６がベアリングを位置保持することから、ネジが緩む問題なく、完全に邪魔されないベアリング・フロートが提供される。前記スナップリング２１６は、更に、このスナップリング２１６と前記終端ポイントとが、前記ベアリング部材２０’を、前記ベアリングハウジング２００の軸心方向に於いて、更に、前記保持リング２１０と前記ラグ２１２との協動によって前記ベアリングハウジング２００に対して規制しながら、ベアリング部材２０’の制御された、又は規制された軸心及び周方向の移動を可能にする。

図１８及び１９は、前述した部材の多くを利用した二つの発電プラント構成１２’及び１２”の側面図である。具体的には、これら発電プラント１２’及び１２”のそれぞれは、前記環状燃焼器１４と、前記取り出しポート２６と、前記空気取り入れポート２８とを備えている。前記タービンロータ１６のそれぞれは、ベアリング２０及び２１によって回転可能に支持されたロータ１８を備えるそれぞれのタービンロータ１６に流体接続されている。

図１８を参照すると、ここには、前記環状燃焼器を含む本体１５９と、ロータと、前記ロータに固定されるとともに前記燃焼器に流体連通された複数のブレードから成るタービンと、前記燃焼器に流体接続され、その内部に配置されたロータに固定された複数のコンプレッサ・ブレードを有するコンプレッサ・チャンバと、前記コンプレッサ・チャンバに流体接続された空気取り入れポートと、前記タービンに流体接続された取り出しポートと、前記ロータに固定された複数のマグネットと、前記本体に設けられた磁気吸引性材から成り、前記複数のマグネットの近傍に配置されたステータコイルを有するステータとを有し、これによって、前記ロータの回転によつて、前記ステータ周りでの磁束が変化し、前記ステータコイルに電流を誘導することによって電気が発生される。流入空気は、前記空気吸引ポート２８から、流路１６０に沿って前記コンプレッサ・ブレード１０２へと流れる。前記流路１６０は、外側囲い板１６２と図１Ａ及び３に示されている前記サンプ４２との間に形成されている。図１８に図示された実施例に於いて、外気温度空気が、前記空気取り入れポート２８から、流路１６０に沿って前記サンプ４２の周りに引き込まれる。前記外気温度空気は、昇温オイル温度によってわずかに加熱され、これによって、前記サンプ４２内のオイルが冷却される。次に、空気は前記コンプレッサ・ブレード１０２によって圧縮される。この圧縮空気は、前述したように、前記環状燃焼器１４に流れ込み、燃焼生成物とガスとが取り出しポート２６から排出される。後述のシールプレートアセンブリ４００が、前記コンプレッサ・ブレード１０２と前記タービン・ブレード１０４との間に配置され、ヒートシールドとして作用する。筒状スリーブ１６９が設けられ、これは、カーボンファイバを含有する耐高温性ポリマ樹脂から成る。前記筒状スリーブ１６９は、前記複数のマグネットの周囲に配置され、これらマグネットを保持している。これらマグネットと前記筒状スリーブ１６９とは、前記ロータに固定されて、前記エンジンロータ５００に機械取り付けされたオルタネータロータを形成している。前記スリーブ１６９中のカーボンファイバによって、このスリーブ１６９は、高回転速度によって発生する力に耐えることができる。

図１８に類似し、類似の部材が類似の参照番号によって示されている図１９を参照すると、ここには、熱交換器１７０が図示されている。この熱交換器１７０は、外側囲い板１７２と、流入路１７４と、流出路１７６とを備えている。前記流入路１７４は、前記流出路１７６の近傍に位置して、流入空気が前記コンプレッサ内のコンプレッサ・ブレード１０２を通過した後、共通の壁を共有している。その後、流入空気は、前記流出路１７６を通過する複数の流管１７８を通って、前記環状燃焼チャンバ１１６に流入する。前記環状燃焼チャンバ１１６からの排出ガスは、前記タービン領域に流入し、ここで、排出ガスは、前記タービン・ブレード１０４を通過して、流入空気を加熱する前記流管１７８周りの流出領域１８０を有する熱交換器１７０に流入する。次に、これら排出ガスは、前記流出路１７６に流入するが、この流出路１７６は、該流出路１７６を通過する排気ガスからの熱が、前記流入路１７４を通過する圧縮空気へと流れて、これによって前記排出ガスを冷却するとともに、流入空気を加熱することができるように、前記流入路１７４の近傍に配置されている。その後、排出ガスは、前記取り出しポート２６を通って出る。前記高温の排出ガスによって流入ガスが予備加熱され、前記発電プラント１２”の効率が高まる。

図２０に図示された磁気プリロードシステムが提供されている。普通のオイル潤滑式ボールベアリングシステムは、ロータのスピン中に於ける相対的スリップと、本来的な材料の剥離ダメージとを防止するべく、ボールと、インナーレース及びアウターレースとの接触を確実なものにするために、軽い「プリロード」を必要とする。ガスタービンエンジンでは、通常、約３０％の設計ロータ速度でのエンジン作動圧によって安全なベアリング・スラスト負荷が発生するが、その時点までに於いては、ボールは、「剥離」ダメージをもたらす可能性のあるなんらかのレベルのスリップに晒される。小型のガスタービンの中には、機械スピンドルのように互いにプリロードされたボールベアリングバネ組を備えたものも存在するが、ガスタービンは、その他の問題を引き起こす本来的なロータ設計の不良によって、損なわれる可能性がある。

本実施例は、そのそれぞれの重心が互いに約２％軸心方向にオフセットされ、鉄を含むステータ３０３に対するロータ３０２の本来的な軸心方向前方への磁気吸引を作り出す、ロータ３０２とステータ３０３とを有するエンジンロータシステム３００を備える一体式オルタネータを有する。これによって、オルタネータの電気出力を損なうことなく、しかも、一つのボールベアリングのみを組み込むことによって、ボールベアリングに対して好適なプリロード条件が提供される。

具体的には、前記ロータ３０２は、前記ステータ３０３の近傍に配置された複数の周方向に配置された永久マグネットＭＧ（その内の一つのみが図示されている）を有する。前記ロータ３０２とステータ３０３のこれらのマグネットＭＧは、距離Ａだけオフセットされた質量中心Ｍ１，Ｍ２を有する。前記ロータ３０２は、エンジンロータ３０１（図１のロータ１８に対応する）に取り付けられている。前記ロータ３０２のベアリング受け部材を形成する前記エンジンロータ３０１の端部にボールベアリング３０４（前述のベアリング２１に対応する）が設けられている。このボールベアリング３０４は、前記エンジンロータ３０１に固定された環状インナーレース３０６と、前記環状インナーレース３０６と同軸状に配置されるとともに前記本体のステータハウジング３０７に固定された環状アウターレース３０５とを有している。これら環状インナーレース３０６と環状アウターレース３０５との間に形成されたボール受け凹部に、ボール３０８が受けられている。質量中心Ｍ１，Ｍ２によって表わされる方向に於ける前記ステータ３０３のロータ３０２に対する磁気吸引によって、剥離の防止に役立つ前記ボールベアリング３０４に対する連続的なプリロードが付与されるとともに、前記環状アウターレース３０５と環状インナーレース３０６との間の相対的な軸心方向のオフセットが提供される。

図２１及び２２は、本発明の別実施例を図示している。具体的には、図２１は、図１１Ａに図示した外側燃焼器ライナ壁１１２の後方部分に類似のライナ壁３１０の一部を示している。類似の参照番号によって類似の部材が示されている。前記ライナ壁３１０の一部は、図１１Ａに図示した構成の類似の複数の周方向に離間配置された予混合チャンバ３１２を備えた後壁を有してるが、但し、図１１Ａに図示されたものでは直線状であったのに対して、前記予混合チャンバ３１２の出口領域又は端部３１４は発散している。図２２は、これら予混合チャンバ３１２をより詳細に図示している。前記発散出口領域３１４は、前記環状燃焼チャンバ１１６へ流入する燃料／空気混合物のガス流出速度を低下させる。前記燃料／空気混合物は、周方向に発散する方向に前記環状燃焼チャンバに流入する。これら予混合チャンバ３１２の発散構成は、火炎安定性を高める火炎ホルダとして作用する。

図２３は、前記コンプレッサ／タービン構成１００の一部をより詳細に図示している。このコンプレッサ／タービン構成１００は、前記複数のタービン・ブレード１０４から離間した複数のコンプレッサ・ブレード１０２を備える一体構成である。前記コンプレッサ・ブレード１０２及びタービン・ブレード１０４は、タービンディスクとコンプレッサディスクとを介して前記回転駆動軸１０６に固定されており、前記コンプレッサ・ブレード１０２は、タービン・ブレード１０４よりも低温のガスに晒され、これらコンプレッサ・ブレード１０２は、もしも、タービン・ブレード１０４に接触してくる高温ガスに晒されたならば故障する可能性がある。従って、タービンノズル４０１とディフューザー４０３との間の後方位置に、又は、前記複数のコンプレッサ・ブレード１０２及び複数のタービン・ブレード１０４と回転駆動軸１０６の間の凹部分又はリング受け空間４０２に、シールプレートアセンブリ４００が保持されている。

図２４に示されているように、前記シールプレートアセンブリ４００は、実質的に円形形状で、二つの半円部分４０４から成る割りリングである。好ましくは、前記二つの半円部分４０４のそれぞれは、耐熱材から形成されている。シールプレートアセンブリ４００のこれら半円部分４０４は、図１９及び２３に示されているように、前記ディフューザー４０３と、前記本体に固定されたタービンノズル４０１との間の凹部フィットによって位置保持されている。図２３を参照すると、各半円部分４０４の断面は、傾斜部分４０８と、該傾斜部分４０８に接続されたカップ部分４１０と、該カップ部分４１０に接続されたリップ部分４１２とを有する。前記タービンノズル４０１は、シールリップ部４１２に当接して、前記シールプレートアセンブリ４００を位置保持している。前記シールプレートセンブリ４００は、貫通穴４１６を通過する前記リング受け空間４０２に近接して配置された前記回転駆動軸１０６の直径とほぼ等しいが、これよりも大きな外径を有する穴４１６を形成している。前記シールプレートアセンブリ４００の傾斜部分は、前記コンプレッサ・ブレード１０２によって形成されるコンプレッサホイール４１１の近傍に位置する。前記複数のコンプレッサ・ブレード１０２の縁部は、図１９に示されているように、軸心Ｖ”から測定した角度αに沿って延出し、かつ、前記傾斜部分４０８の近傍に配置されている。前記傾斜部４０８の表面４２０と前記カップ部４１０とによって空気又はガスギャップ４１８が形成されている。より具体的には、前記表面４２０とカップ部４１０とは、前記ガスギャップ４１８を形成する前記環状燃焼チャンバ１１６と流体連通された二つの互いに離間された壁を有する。前記シールプレートアセンブリ４００は、前記コンプレッサ・ブレード１０２をタービン・ブレード１０４から分離し、タービン・ブレードからコンプレッサ・ブレードへ、又は、その逆方向にガスが直接に流れることを防止する。ＨＡＳＴＡＬＬＯＹ−Ｘ（登録商標）材の低い熱伝導性と、前記ガスギャップ４１８と、前記複数のタービン・ブレード１０４の近傍に形成された開口部を有する前記リップ部４１２の小さな接触面積との組み合わせによって、複数のコンプレッサ・ブレード１０２に対して優れた断熱作用が提供される。前記シールプレートアセンブリ４００は、ＨＡＳＴＡＬＬＯＹ−Ｘ（登録商標）材の代りに、セラミック材やその他の断熱性が低く高耐酸化性の材料によって形成可能であると考えられる。

一般に、上述した発電システムを運転する方法は以下の通りである。先ず、前記ステータに対して、電気、即ち、バッテリからの電流、を供給することによってロータを回転させる。これによって、コンプレッサに空気が取り込まれ、圧縮空気となる。この圧縮空気は、前記燃焼チャンバに流入し、少なくともその一部が燃料と混合されて、燃料／空気混合物が生成される。この燃料／空気混合物が燃焼チャンバで点火されて排気ガスが発生する。これら排気ガスと、前記圧縮ガスの残りの部分とは、前記タービンのタービンノズルを通過して、ここから出る。前記ロータが、前記ステータと協動する前記ロータの周囲に配置された回転マグネットによって電気が発生される第１速度で回転する時、前記ステータに対して供給されていた電気を止める。好ましくは、前記ロータベアリングは、潤滑油によって潤滑され、この潤滑油と燃料とは、一つのモータによって駆動される複数のポンプから供給される。好ましくは、前記燃料／空気混合物は、分岐ノズルを通って前記燃焼チャンバに導入され、圧縮空気は排気ガスによって予熱される。

再び図１Ａと１Ｂを参照して、前記発電システム１０は以下の好適方法で運転される。先ず、ＤＣバッテリ７２からエネルギを取り出すことによって前記発電システム１０が始動され、電子機械式燃料弁が開放される。これを始動作業と称する。或いは、前記ＤＣバッテリ７２に代えて、ＡＣ電源を使用することも可能である。この弁は常時開放で、燃料供給を停止しなければならない緊急状況に於いてのみ閉じられる。次に、前記点火装置が作動される。前記ＤＣバッテリ７２からのバッテリ電力が点火装置にパルス供給される。このバッテリ電力によつて前記コンプレッサ軸が回転し、導入空気が前記環状燃焼器１４へと流れる。前記燃料パージ弁３９は、閉じ状態に維持され、シャットダウン時にのみコンプレッサの背圧によって燃料噴射器４０から供給タンク３０に燃料をパージするための期間、開放される。

次に、前記電気モータ５２が作動される。このモータは、前記潤滑油ポンプ５０と燃料ポンプ３６とを駆動する。前記ガスタービンエンジンオルタネータ／モータは、油圧が所定の最低値に達するまでは作動されない。前記油圧トランスデューサーは、油圧をモニタし、油圧が所定レベル以下に低下した場合に、緊急シャットダウン条件であると判断する。前記燃料ポンプ３６は、同時に制御された燃料供給圧を提供する。

上述の順序により、前記エンジンステータはエンジン回転を開始１し、空気をエンジンへと流す。

設計ロータ速度の約５％では、点火は継続して行われ、エンジンロータは、設計ロータ速度の約１０％になった時に、燃料がコンプレッサに供給される。前記点火装置ＧＰが、前記環状燃焼器１４内の燃料／空気混合物に点火する。前記設計ロータ速度の約４０％の時、前記点火装置とスタータの作動は停止される。エンジンは前記設計ロータ速度にまで加速し続ける。緩やかな燃料／空気混合物点火を許容するべく、この混合物の点火が早めに起こることが重要である。前記燃焼器に流れる燃料の最初の量は、前記比例ソレノイド燃料絞り弁３８をセットするのに使用される導入及び排出排気ガス温度に基づいて設定される。前記初期点火と十分な火炎エネルギ後に、ロータの速度は、設計ロータ速度にまで加速する。ロータの速度は、排気ガス温度に依存する。もしも排気温度が４秒間以上、所定の最高温度を上回った場合、前記電気モータ５２は停止される。

本システムは、約２，０００ポンド超の重量の現在の最新式ディーゼル発電機に置き換わるものであると考えられる。更に、本発明によって製造されたガスタービンによって動力供給される４５キロワットの発電機は、約３５０ポンドの重量となり、３０ｐｐｍ以下のＮＯｘを放出するものと考えられる。更に、本発明は、可変速度で効率的に作動可能であるが、一定速度で作動することが好ましい。

より詳しくは、前記システムのパワー／初期化中に於いて、２４ボルトのバッテリからエネルギが取り出される。電子機械式燃料バルブが開放される。次に、スパークプラグにパルス電力（．２５ないし．３４ボルトの電気エネルギを２５００Ｖで、毎秒４ない５回のスパーク）を供給することによって、点火装置が作動される。これは、システムが「冷間始動」されるか、又は、「熱間始動」されるかによるが、「冷間始動」は、コンプレッサが長時間に渡って作動されていない場合に行われ、「熱間始動」は、コンプレッサが最近に作動された場合に行われる。コンプレッサ導入温度又は残留排気温度は、過剰温度状態を避けるための、初期燃料流量に影響する。燃料流量は、比例ソレノイド弁設定によって制御される。上述したバネ付勢パージ弁は、常時閉鎖式であって、シャットダウン時に、コンプレッサの背圧によって残留燃料を燃料タンクにパージするべく１分間だけ開放される。前記オイルポンプは、前記ｇｅｒｏｔｏｒタイプオイルポンプと燃料ポンプへの前記電気モータによって前記燃料ポンプと共に作動される。前記ガスタービンエンジン電気モータは、油圧が最低圧レベルとなるまでは、スプールアップのために作動されない。もしも油圧が最低値を下回った時の緊急シャットダウン用に、油圧トランスデューサーも使用される。２４ボルトモータによって駆動される自動式燃料ポンプによって、所定値に設定された前記比例ソレノイド絞り弁に対して、６５ないし７５ｐｓｉｇの規制された燃料供給圧が提供される。好ましくは、前記オイルポンプと前記燃料ポンプとは同じモータによって駆動される。次に、前記ガスタービンロータが、電気モータによって回転され、ここで前記発電機は始動モータとして作用する。前記モータをスプールアップするのに必要なエネルギの量は、以下に基づいて予想される。１）前記コンプレッサを通る流量及び圧力、そして２）前記タービンを通して膨張する高温ガスから取り出されるエネルギ、これは、２０％ないし５０−６０％の速度及び／又は温度の設定ロータ速度の関数として増加する。前記設計ロータ速度の約４０％の時、前記電気モータエネルギは停止され、前記ロータは自立運転状態となる。前記燃焼器への燃料流は、前記１００％の設計ロータ速度の５％（たとえば、１００，０００ＲＰＭシステムの場合５，０００ＲＰＭ）で開始される。点火が早く起こる（着火時間）ことが重要である。これによって緩やかな点火が可能となる。前記燃焼器へ流れる燃料の初期量は前記比例ソレノイド弁を適切に設定するための入口温度及び残留排気ガス温度に基づいて設定される。前記ロータがその設計ロータ速度の１００％で回転するまで、燃焼器への燃料が増加される。前記初期着火後、制御システムは、華氏１０００°以上の排気ガス温度をモニタし、前記ロータ速度の加速度を、前記設計ロータ速度の約９０％に制御する。この時点に於いて、排気温度が華氏５００°ないし１０００°、より好ましくは、華氏５００°ないし７００°の範囲内となるように、燃料の制御が行われる。１００％設計ロータ速度までの始動時間は、１０秒間以内とすることができる。もしも排気温度が数秒間に渡って設定値を超えた場合に、燃料供給を停止するべく、過剰温度シャットオフスイッチが前記排気口の近傍に配置されている。前記単位ロータ速度の９０％設計ロータ速度に於いて、前記システムは、１００％設計ロータ速度を維持するべく閉鎖ルートループによって制御される。従って、燃料流量は、１００％設計ロータ速度を維持するために必要な負荷に応じて変化する。好ましくは、１００％設計ロータ速度での前記速度制御ルーブは、前記点火装置を停止し、システムから動力を除去することによって維持される。前記排気ガス温度は電力需要に応じて変化する。

本発明は、負荷及び無負荷状態中で１００％設計ロータ速度を維持する能力を有し、総タービン動力の約５０％が、前記コンプレッサを負荷状態で駆動するのに必要であると考えられる。更に、前記エンジンコントローラは、システムをモニタし、燃料ポンプ、オイルポンプ、又はこれらのポンプを駆動する電気モータ５２に故障が発生したか否かを判断する。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、添付の請求項の範囲内に於いてのその他の構成も実施可能であると理解される。

本発明に依る発電システムの略図である。 本発明に依る発電システムの略図である。 図１Ａに図示した発電システム用の液体燃料供給システムの略図である。 図１Ａに図示した発電システム用の代替オイルシステムの略図である。 図１Ａに図示した発電システムに使用されている、モータ、燃料ポンプ及びオイルポンプ構成の平面図である。 図４に図示した燃料ポンプの一部のエンド・ビューである。 図５に図示した燃料ポンプの側面図である。 図５及び図６に図示した燃料ポンプの一部の平面図である。 本発明に依る絞り弁の一部断面図である。 図８Ａに図示した絞り弁の一部断面図である。 本発明に依る絞り弁の別実施例の一部断面図である。 図１Ａに図示した発電システムの燃焼器の一部の断面図である。 図１０のＸＩＡ−ＸＩＡ線に沿った一部断面図である。 図１０に図示した外側燃焼器ライナ壁の上方斜視図である。 図１０に図示した燃焼器に類似の燃焼器の別実施例の一部の一部断面、上方斜視図である。 図１０に図示した燃焼器の１次／２次予混合チャンバの別構成の斜視図である。 図１０に図示した燃焼器の１次／２次予混合チャンバの別構成の斜視図である。 図１０に図示した燃焼器の１次／２次予混合チャンバの別構成の斜視図である。 図１０に図示した燃焼器の１次／２次予混合チャンバの別構成の斜視図である。 外側燃焼器ライナ壁の上方斜視図の別実施例である。 図１３ＥのＸＩＩＩＦ−ＸＩＩＩＦ線に沿った一部断面図である。 火炎温度対燃料空気混合物のグラフである。 本発明に依る前記タービンの一部分の一部長手方向断面図である。 本発明の前記タービンに使用されているベアリング保持システムの分解図である。 図１６Ａに図示したベアリング保持リングとベアリングとの一部の前方平面図である。 図１６ＡのＸＶＩＣ−ＸＶＩＣ線に沿った断面図である。 図１６Ｂに図示したベアリング保持リングとベアリングとの一部分の別の前方平面図である。 図１６Ａに図示されたベアリング保持システムを含む前記タービンの一部分の分解斜視図である。 図１Ａに略示された発電プラントの一部断面側面図である。 熱交換器を組み込んだ図１Ａに図示した発電プラントの別の実施例の一部断面側面図である。 本発明に依って構成された、磁気プリロード・ボールベアリングシステムの一部の一部断面側面図である。 本発明の別実施例のライナ壁の一部のエンド・ビューである。 図２１に図示した２次混合チャンバの断面図である。 回転駆動軸周りに配設されたコンプレッサ・ブレードとタービン・ブレードと、割りリング構造とを含むコンプレッサ／タービン構造の一部を断面図である。 図２３に図示した割りリング構造の前面図である。

Claims (7)

1. 本体と、
   前記本体に設けられた燃焼器と、
   ロータに固定された複数のタービン・ブレードから成り、前記本体に設けられ、かつ、前記燃焼器と流体連通されたタービンと、
   前記本体に設けられ、かつ、前記燃焼器と流体連通されたコンプレッサ・チャンバと、
   前記コンプレッサ・チャンバ内に配置され、前記ロータに固定された複数のコンプレッサ・ブレードと、
   前記コンプレッサ・チャンバと流体連通された空気取り入れポートと、
   前記タービンと流体連通された取り出しポートと、
   前記ロータに固定された複数のマグネットと、
   前記本体に設けられ、前記複数のマグネットの近傍に配置され、磁気吸引性材から成るステータと、
   前記本体に固定され、環状部が形成され、前記環状部によって前記ロータの筒状部を回転可能に受ける環状ベアリングと、
   前記ベアリングを前記本体に固定するロック構成とを有し、
   前記ベアリングは、前記ロータが長手方向軸心周りで回転可能となるべく前記ロータを支持するように構成され、
   前記ロック構成は、前記ベアリングに近接して設けられる環状保持リングから径方向に延出するラグと、前記本体に形成されて前記ベアリングを受ける筒状ベアリング受け穴と、前記本体に形成され、前記ラグを受け、前記ベアリングが前記本体に対して前記長手方向軸心周りで回転することを防止するラグ受け凹部と、前記保持リングを前記本体との間に保持するスナップリングとを有し、
   前記ラグ受け凹部は、終端ポイントに於いて前記本体で終端し、
   前記スナップリングと前記終端ポイントとは、前記保持リングと前記ラグとの協動で、前記ベアリングの前記本体に対する長手軸心方向の規制された移動を可能にし、
   前記ロータの回転によって前記ステータ周りの磁束が変化し、電気が発生する、
   発電システム。
2. 二つのラグ受け凹部が一対の互いに離間した弓形リップによって形成され、前記弓形リップのそれぞれは、開放向きラグ受け凹部を形成し、前記ラグ受け凹部は互いに離間し、二つの径方向に延出するラグを備えた環状保持ラグリングが、前記ベアリングに固定され、前記ラグがこれら各ラグ受け凹部によって受けられ、前記スナップリングは、前記弓形リップに形成されたスナップリング凹部内に受けられる、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記ベアリングの外面と前記本体との間にクリアランスが設けられ、前記クリアランス内に配置された円環状のダンパを有する、
   請求項１又は請求項２に記載の発電システム。
4. 本体と、
   前記本体に設けられた燃焼器と、
   ロータに固定された複数のタービン・ブレードから成り、前記本体に設けられ、かつ、前記燃焼器と流体連通されたタービンと、
   前記本体に設けられ、かつ、前記燃焼器と流体連通されたコンプレッサ・チャンバと、
   前記コンプレッサ・チャンバ内に配置され、前記ロータに固定された複数のコンプレッサ・ブレードと、
   前記コンプレッサ・チャンバと流体連通された空気取り入れポートと、
   前記タービンと流体連通された取り出しポートと、
   前記ロータに固定された複数のマグネットと、
   前記本体に設けられ、前記複数のマグネットの近傍に配置され、磁気吸引性材から成るステータと、
   前記本体に固定され、環状部が形成され、前記環状部によって前記ロータの筒状部を回転可能に受ける環状ベアリングと、
   前記ベアリングに近接して設けられる環状保持リングから径方向に延出するラグと、前記本体に形成され、前記ラグを受けるラグ受け凹部と、前記保持リングを前記本体との間に保持するスナップリングと、
   前記ベアリングの外面と前記本体との間に配置されたダンパとを有し、
   前記ベアリングは、前記ロータが長手方向軸心周りで回転可能となるべく前記ロータを支持するように構成され、
   前記ラグ受け凹部は、終端ポイントに於いて前記本体で終端し、
   前記ラグは前記ラグ受け凹部内に位置して前記ベアリングが前記本体に対して前記長手方向軸心周りで回転することを防止し、
   前記スナップリングと前記終端ポイントとは、前記保持リングと前記ラグとの協動で、前記ベアリングの前記本体に対する長手軸心方向及び前記長手方向軸心周りの規制された移動を可能にし、
   前記ロータの回転によって前記ステータ周りの磁束が変化し、電気が発生する、
   発電システム。
5. 前記ダンパは、エラストマ材から成るＯリングである、
   請求項３又は請求項４に記載の発電システム。
6. 前記ロータは、１００，０００ＲＰＭを超える速度で回転可能である、
   請求項４に記載の発電システム。
7. 前記ロータのベアリング支持部を有し、前記マグネットの質量中心と前記ステータの質量中心とは、軸心方向にオフセットされ、前記ステータと前記マグネットの磁気吸引に依り、前記ベアリングに対してプリロードを提供する、
   請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発電システム。

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