JP4472224B2

JP4472224B2 - ターボマシン及びこのターボマシンを作動させる方法

Info

Publication number: JP4472224B2
Application number: JP2001503789A
Authority: JP
Inventors: トムクツュク、フーベルト
Original assignee: ディロ・コンストルクツィオーンス・ゲーエムベーハー・ウント・コンパニー・カーゲー
Priority date: 1999-06-12
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: DE19926891A1; US6487843B1; EP1301695A1; ATE351974T1; EP1301695B1; DE19926891C2; DE50013988D1; AU5963600A; WO2000077363A1; JP2003502551A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボマシンを作動する方法とこの方法を実施する装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発動機では、燃料の全熱エネルギのうち約３分の１が冷却水の中で、約３分の１が排気ガスの中で失われる。冷却されていない発動機の場合、エネルギ収量は例えば３４％から最大限３８．５％に僅かに増えるが、これは排気損失の増大を背負い込むことでのみ可能である。
【０００３】
排気エネルギを部分的に回収するために、例えば遠心過給機を設けることが知られている。しかし、このような遠心過給機によっては、結局、容積形機関の場合にのみ体積効率が増大されるが、排気エネルギは完全には利用されない。
【０００４】
CH 464 604はスクリュー形発動機(Schraubenkraftmaschine)を冷却する方法を開示している。この方法では、圧縮機と燃焼室との間の新鮮な空気を排気ガスによって逆流法で加熱する。この公報における圧縮機は、新鮮な空気を熱交換器中に運ぶべく、圧力差を発生させるために必要である。
【０００５】
DE 94 01 804 U1及びDD 276 512 A1は、平行な、櫛形に噛み合う２つのスクリュースピンドルを有する内燃機関を開示している。これらのスクリュースピンドルによって、新鮮な空気は、燃焼室へ運ばれ、続いて、燃焼ガスは膨張段に供給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、前記熱損失を減らす方法と、その方法を実施するためにターボマシンとを開発するという課題が本発明の基礎になっている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、方法に関しては、本発明に基づいて、作動媒体として新鮮な空気を吸引し、この新鮮な空気を搬送方向に連続し、閉じられた複数の搬送・加熱室によって搬送方向に連続的に運んで、そのとき、等容で加熱し、特に等容での加熱によって発生された空気超過圧力が出力によって著しく低下されてなる作業機械に導入し、前記作業機械への導入前の空気、及び／又は前記作業機械から排出する空気を、燃料と混合して燃焼が開始され、続いて、燃焼によって一層加熱された燃焼ガスを逆流で、すなわち前記搬送・加熱室の搬送方向と逆方向に該搬送・加熱室の傍らを案内して、吸引された新鮮な空気を、搬送方向での新鮮な空気の連続的な搬送中に、前記搬送・加熱室内で連続して等容で加熱すること、によって解決される。
【０００８】
前記課題は、装置に関して、本発明に基づいて、軸線に平行で、逆方向にしかし同じ回転速度で駆動可能な、櫛形に噛み合い、夫々中空軸として形成された少なくとも２つのスクリュースピンドルを有し、これらのスクリュースピンドルは、該スクリュースピンドルをジャケット側で密に囲繞しており、かつ外側に対し断熱手段を有するスタータと共に、ねじ部分に沿って延びており、かつ効果的に閉じられた複数の空気室を形成し、これらの空気室は、前記スクリュースピンドルの回転中に、空気取入管から、軸の前記搬送方向に、前記スクリュースピンドルと回転不能に結合された作業機械の空気流入領域へと移動され、前記作業機械の給気口前、及び／又は該作業機械の排気口の後方には、燃料供給・点火手段を有する燃焼室が設けられており、排気ガスは排気ガス用管によって、軸内中空空間の、前記空気取入管に対向する端部に導入され、この軸内中空空間は、前記空気室に対し、逆流形熱交換器として形成されており、前記空気取入管の領域で排気口に通じている装置によって、解決される。
【０００９】
従って、本発明に基づいて、燃焼によって発生された熱エネルギの一部は再度圧力に変換される。このことは、空気室に混入された作動媒体を等容で過熱することによって生じる。次に、かくて得られた空気圧は、例えばスクリュー圧縮機と逆の方向に作動することができる作業機械内で、作動を行なう。このことによって発生された軸の回転を、好ましい実施の形態では、例えばスクリュー圧縮機内の軸の始め部分における空気予備圧縮のために用いることができる。
【００１０】
空気圧は、作業機械内での膨張後には、流れ抵抗の克服のために熱交換器内で必要である程度まで低下する。これに対し、空気温度は、ポリトロープ膨張に関する熱力学的法則に従ってすぐには下がらない。それ故に、アフターバーナによる空気の更なる加熱が、既に高い温度レベルを前提として、なされることができる。この場合、逆流形熱交換器では、例えば５０℃乃至１００℃の温度差で作業を行なうことができる。
【００１１】
本発明に係わる装置の場合、装置を外側に対し覆う絶縁手段には、僅かな熱損失のみが発生する。排気ガス損失も非常に低く保たれる。本発明に係わる装置は耐熱性の材料を必要とする。しかし、これらの材料には、例えばノズルジェットタービンの羽根程には強く応力が掛けられない。従って、本発明に係わる装置は、特に、効率の良い発電機、自動車エンジン及び船舶用エンジン等にとって適切である。
【００１２】
本発明に基づいて、燃焼ガスの温度を、逆流形熱交換器の区間で、ほぼ、吸引された新鮮な空気の温度まで下げ、これによって、効率を効果的に高めることは、適切である。
【００１３】
出力は、燃料の少なくとも一部分量を、作業機械の手前で、等容で加熱された新鮮な空気に入れて、少なくとも一部分の燃焼を既に作業機械の手前で開始することによって、なお幾らか高められる。更に、搬送・加熱室のうちの少なくとも幾つかに水を吸い込むか又は注入すること、を提案することができる。
【００１４】
作業機械は、各スクリュースピンドルに前置された圧縮機で同軸上に作動することができるタービンであってもよい。この場合、前置された圧縮機の代わりに、しかしまた追加的に、吸引された新鮮な空気の圧縮は、各スクリュースピンドルが、搬送方向に減じるリードを持つ少なくとも１つの軸方向部分を有することによって、なされることができる。
【００１５】
CH 464 604と異なり、本発明に基づいて、新鮮な空気は、加熱がなされる別個の搬送・過熱室に運ばれる。従って、圧縮機の使用が圧力差の発生のためには必要でない。しかし、本発明に基づき、圧縮された新鮮な空気を運ぶために、圧縮機を前置することができる。
【００１６】
DE 94 01 804 U1及びDD 276 512 A1とは異なり、本発明に基づき、軸内中空空間は空気室用の逆流形熱交換器として用いられる。このことによって、軸方向に作業機械へ運ばれる、効果的に閉じられた複数の空気室、この空気室の本発明に基づく等容の加熱が、可能となる。
【００１７】
本発明の他の特徴は従属請求項の主題である。これらの特徴を、本発明の他の特徴に関連して、１つの実施の形態に基づいて詳述する。図面には、例として用いられる本発明の実施の形態が示される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、軸線に平行な、逆方向にしかし同じ回転速度で駆動可能な、櫛形に噛み合う２つのスクリュースピンドル１，２を有するターボマシンを略示している。これらのスクリュースピンドルは、ジャケット側でスタータ３によって密に囲繞されており、このスタータ３は、外側に対し断熱手段４を有する（図５も参照せよ）。
【００１９】
各スクリュースピンドル１，２と回転不能に結合された圧縮機５はこのスクリュースピンドル１，２に前置されており、このスクリュースピンドルと同様に回転不能に結合された作業機械６が後置されている。この作業機械６は、図示の実施の形態では、タービンとして略示されている。圧縮機５によって吸引された新鮮な空気の搬送方向は、矢印７によって示されている。
【００２０】
搬送方向７に見て、スクリュースピンドル１，２によって運ばれる空気のための作業機械６の手前には、予備燃焼室８がある。この予備燃焼室８は、燃料注入用ノズル９及び点火プラグ１０を有する。作業機械６の排気口は後燃焼室１１に通じており、この後燃焼室１１は、同様に燃料注入用ノズル９及び点火プラグ１０を有し、排気ガス用管１２によって、中空軸として夫々形成されたスクリュースピンドル１，２の、それの軸内中空空間１３の隣接端と接続されている。
【００２１】
図５は、２つのスクリュースピンドル１，２が、これらのスクリュースピンドル１，２を密に囲繞するスタータ３と共に、ねじ部分１４に沿って延びており、かつ効果的に閉じられた各々の空気室１５を形成することを示している。これらの空気室１５は、スクリュースピンドル１、２の回転中に、空気取入管１６（図１及び３を参照せよ）から、軸の搬送方向７に、各スクリュースピンドル１，２と回転不能に結合された作業機械６の、詳細に示さない空気流入領域へと移動される。スクリュースピンドル１，２によって運ばれる空気を、搬送途中で、前置された圧縮機５に追加して、圧縮しようとするとき、ねじ部分１４として、搬送方向７に減じるリードを備えることができる。図５は、スクリュースピンドル１，２の右部分にリード１７を示し、これに対して、左部分に減じられたリード１８を示している。
【００２２】
各スクリュースピンドル１，２の軸内中空空間１３は、空気室１５に対し、逆流形熱交換器として形成されており、この逆流形熱交換器は空気取入管１６の領域で排気口１９に通じている。この場合、各軸内中空空間１３は排気ガス案内手段２０を有する。この排気ガス案内手段２０は、図示の実施の形態では、共通軸２１に設けられた案内羽根上にある。
【００２３】
一端に圧縮機５を、他端に作業機械６を有する２つのスクリュースピンドル１，２が、詳細に示さない始動機によって、相対して回転されるとき、圧縮機５は、空気取入管１６を通して新鮮な空気を吸引する。次に、この新鮮な空気は、圧縮後に、スクリュースピンドル１，２の、図１，２及び４で右側の端部に供給される。ここでは、予め圧縮された新鮮な空気は、いわば部分ずつ、軸搬送方向７に前進する空気室１５へ順次送り込まれる。空気室では、予め圧縮された新鮮な空気は、作業機械６への搬送途中に、逆流形熱交換器を貫流する排気ガスによって、等容で、すなわち室の容積が一定の場合に、加熱される。かくて、排気ガスの熱エネルギは、作業機械へ運ばれる新鮮な空気の温度上昇及び増圧に変換される。この実施の形態において設けられている予備燃焼室８では、次に、部分的な空気燃焼がなされる。次に、作業機械６内での出力によって応力除去されたがまだ高温である空気は、後燃焼室１１で更に一層加熱される。次に、かくて加熱された排気ガスは、後燃焼室１１から排気ガス用管１２を通って各スクリュースピンドル１，２の軸内中空空間１３の中を流れ、スクリュースピンドルの、内側のジャケット面に沿って、熱を、空気室１５に混入された空気に放出する。このことによって、空気は前述の如く等容に加熱される。排気ガスの温度が、逆流形熱交換器の区間で、ほぼ、吸引された新鮮な空気の温度に下げられた後、排気ガスは排気口１９から出る。
【００２４】
逆流形熱交換器の区間ｌ_２０（図６を参照）では、実施の形態ではウォームとして示された排気ガス案内手段２０は、熱を空気室１５に放出するとき熱が通る壁面を拡大するために用いられる。良好な熱伝導を達成するためには、例えばウォーム状に形成された排気ガス案内手段２０の、外側のジャケット面は、軸内中空空間１３のジャケット面にしっかり接触していなければならない。製造技術では、組込みは、排気ガス案内手段２０全体が、共通の軸２１上に設けられている案内羽根からなり、過冷却後に軸内中空空間１３へ共通の軸に押し込まれるようにして、なされることができる。軸内中空空間では、次に、室温での排気ガス案内手段の加熱の際に、案内羽根の外縁が、応力下で軸内中空空間１３のジャケット面に接触される。
【００２５】
図４には、２つのスクリュースピンドル１，２の代わりに、軸受２２と、２つのスクリュースピンドルを回転結合するための歯車２３とが示されている。
【００２６】
方法の経過に関しては、図１は、参照符号１６で吸引を、参照符号５で圧縮を、搬送方向７に第１の点火プラグ１０で外部燃焼を、作業機械６によって表わされた作業工程を、これに続く燃料注入用ノズル９及び点火プラグ１０で内部燃焼を、参照符号１９で、熱交換器内での排気ガスの温度降下後の排出を示している。
【００２７】
図６は本発明に係わる方法に関する温度ダイヤグラム及び圧力ダイヤグラムを示している。この図では、温度及び圧力は、夫々、スクリュースピンドルの有効長ｌ_１，２の上に略示されている。この長さｌ_１，２は圧縮機５用の部分長ｌ_５と、逆流形熱交換器用のｌ_２０と、作業機械用のｌ_６とからなる。Ｑ_Ｋは燃料から得られた熱を、Ｑ_Ｔは熱交換を、Ｐは機関軸出力すなわち作業機械６の出力を表わす。
【図面の簡単な説明】
【図１】良く見えるように部分的に切り欠かれたスタータハウジングを有するターボマシンの立体図を示している。
【図２】図１に示した描写の垂直方向縦断面図を示している。
【図３】図２の左端の垂直方向横断面図を示している。
【図４】図１に示したターボマシンの水平方向断面図を示している。
【図５】２つの互いに噛み合うスクリュースピンドルの拡大平面略図を示している。
【図６】本発明に係わる方法に関する温度図及び圧力図を示している。

Claims

ターボマシンを作動させる方法であって、作動媒体として新鮮な空気を吸引し、この新鮮な空気を搬送方向（７）に連続し、閉じられた複数の搬送・加熱室（１５）によって搬送方向に連続的に運んで、そのとき、等容で加熱し、等容での加熱によって発生された空気超過圧力が出力によって著しく低下されてなる作業機械（６）に導入し、前記作業機械（６）への導入前の空気、又は前記作業機械（６）から排出する空気を、燃料と混合して燃焼が開始され、続いて、燃焼によって一層加熱された燃焼ガスを逆流で、すなわち前記搬送・加熱室（１５）の搬送方向（７）と逆方向に該搬送・加熱室（１５）の傍らを案内して、吸引された新鮮な空気を、搬送方向での新鮮な空気の連続的な搬送中に、前記搬送・加熱室（１５）内で連続して等容で加熱する方法。
前記ターボマシンを外部に対し断熱された装置内で作動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記吸引された新鮮な空気を、等容での加熱前に、圧縮することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記燃焼ガスの温度を、逆流形熱交換器の区間で、前記吸引された新鮮な空気の温度まで下げることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の方法。
前記燃料の少なくとも一部分量を、前記作業機械（６）の手前で、前記等容で加熱された新鮮な空気に入れて、少なくとも一部分の燃焼が既に前記作業機械（６）の手前で開始されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の方法。
前記搬送・加熱室（１５）のうちの少なくとも幾つかに、水が吸い込まれるか又は注入されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の方法。
軸線に平行で、逆方向にしかし同じ回転速度で駆動可能な、櫛形に噛み合い、夫々中空軸として形成された少なくとも２つのスクリュースピンドル（１，２）を有し、これらのスクリュースピンドル（１，２）は、該スクリュースピンドル（１，２）をジャケット側で密に囲繞しており、かつ外側に対し断熱手段（４）を有するスタータ（３）と共に、ねじ部分（１４）に沿って延びており、かつ閉じられた複数の空気室（１５）を形成し、これらの空気室（１５）は、前記スクリュースピンドル（１、２）の回転中に、空気取入管（１６）から、軸の前記搬送方向（７）に、前記スクリュースピンドル（１，２）と回転不能に結合された作業機械（６）の空気流入領域へと移動され、前記作業機械の給気口前、又は該作業機械の排気口の後方には、燃料供給・点火手段（９，１０）を有する燃焼室（８，１１）が設けられており、排気ガスは排気ガス用管（１２）によって、軸内中空空間（１３）の、前記空気取入管（１６）に対向する端部に導入され、この軸内中空空間（１３）は、前記空気室（１５）に対し、逆流形熱交換器として形成されており、前記空気取入管（１６）の領域で排気口（１９）に通じていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の方法を実施する装置。
前記作業機械（６）は、タービンであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
前記作業機械（６）と同軸上に作動する圧縮器（５）が、各スクリュースピンドル（１，２）に前置されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。
前記各スクリュースピンドル（１，２）は、前記搬送方向（７）に減じるリード（１７，１８）を持つ少なくとも１つの軸方向部分を有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１に記載の装置。
前記各軸内中空空間（１３）は、複数の排気ガス案内手段（２０）を有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１に記載の装置。
前記排気ガス案内手段（２０）は、ウォーム状に形成されており、この排気ガス案内手段（２０）の外側のジャケット面は、前記軸内中空空間（１３）のジャケット面にしっかり接触していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
前記スクリュースピンドル（１，２）によって運ばれる空気のための前記作業機械（６）の手前には、前記燃料供給・点火手段（９，１０）を有する燃焼室（８）が設けられていることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか１に記載の装置。
前記逆流形熱交換器（１３，２０，２１）は、前記断熱手段（４）と前記スタータ（３）の外壁との間を貫通しており、かつ前記排気口（１９）に通じている排気ガス用導管をも有することを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１に記載の装置。