JP6928004B2

JP6928004B2 - 半径流タービンヒートエンジン

Info

Publication number: JP6928004B2
Application number: JP2018563136A
Authority: JP
Inventors: サイモン・ロイド・ジョーンズ; ドラモンド・ワトソン・ヒスロップ; キース・ロバート・プーレン
Original assignee: ハイエタ・テクノロジーズ・リミテッド
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2019517637A; GB2551181A; GB201610089D0; US20190292984A1; EP3469201A1; WO2017212211A1; US10808614B2; EP3469201B1

Description

本開示は、半径流タービンヒートエンジンに関する。より具体的には、本開示は、伝熱式熱交換器を含んだ半径流タービンヒートエンジン内における構成要素の配置構成に関する。

たとえば、発電機の駆動などの仕事を行うために、燃料を燃焼させるための半径流タービンヒートエンジンを設けることが知られている。大規模なタービンヒートエンジンは通常、発電所および航空機または船舶の推進などの用途において使用される。出力のより低い小規模なタービンまたはマイクロタービンは、電気車両内におけるバックアップ充電(距離の拡張)を備えることなど、他の用途において望ましい。マイクロタービンは、同等の出力を有する内燃機関と比較して、相対的に小型でかつ軽量であるという利点を有している。

そのようなマイクロタービンに伴う問題は、効率を改善する一方で、それと同時にその小型の寸法および軽量性を維持することである。さらに、そのようなマイクロタービンは比較的、安価に製造されることが望ましい。

一態様から見ると、本開示は、
シャフトと、
吸気を圧縮して圧縮ガスを形成するための、前記シャフトに結合された圧縮器と、
前記圧縮ガスを加熱して加熱圧縮ガスを形成するための伝熱式熱交換器と、
前記加熱圧縮ガスを燃料と混合するための、また前記燃料と前記加熱圧縮ガスを燃焼させて燃焼ガスを形成するための燃焼器と、
前記燃焼ガスを膨張させて排気ガスを形成するための、前記シャフトに結合されたタービンと、
複数の圧縮器出口を通じて前記圧縮器から前記圧縮ガスを収集するための圧縮器出口マニホールドと、
複数のタービン入口を通じて前記タービンに前記燃焼ガスを供給するためのタービン入口マニホールドと、を備える半径流タービンヒートエンジンであって、
前記圧縮器出口マニホールドは、前記複数の圧縮器出口に連結された複数の圧縮器出口マニホールドダクトを備え、
前記タービン入口マニホールドは、前記複数のタービン入口に連結された複数のタービン入口マニホールドダクトを備え、
前記複数の圧縮器出口マニホールドダクトは前記シャフトの周りで前記複数のタービン入口マニホールドダクトと円周方向に互いにかみ合わされて、
(i)前記半径流タービンのうちの前記タービンの近位側の部分にある前記燃焼ガスの流路に対して、前記シャフトの回転軸線を基準として半径方向内向きに配置された前記伝熱式熱交換器を通じた前記圧縮ガスの流路と、
(ii)前記複数のタービン入口の近位側にある前記圧縮ガスの流路に対して、前記回転軸線を基準として半径方向内向きに配置された前記複数のタービン入口への前記燃焼ガスの流路と、
を設けるようになっている半径流タービンヒートエンジンを提供する。

本開示は、圧縮器およびタービンのためのマニホールド配置構成を提供するものであり、このマニホールド配置構成は、伝熱式熱交換器の使用および/またはタービンケーシングからの熱を吸収することなどによって、タービンのうちの加熱され得る部分に接近して圧縮ガスを送ることを可能にする一方で、それと同時に燃焼ガスをタービンに送ることを可能にするものである。本開示によって認知されることとして、ガスを送るためのダクトがタービンのシャフトから半径方向外向きに移動するとき、ダクトは断面積を増大させ続ける必要がなく、また複数のダクトに分割され、それによってこれらの複数のダクトの間に交差させるための間隙が設けられてもよく、それらの間隙の間で、圧縮器出口マニホールドダクトおよびタービン入口マニホールドダクトの一方が半径方向に最も内側に、また半径方向に最も外側にある。このようにして、タービンの小型でかつ軽量の形態が保持され得る一方で、燃焼に先立って加熱圧縮ガスを形成するために圧縮ガスを効率的に加熱することを可能にし、それによってタービン効率を向上させる、圧縮ガスのための流路が可能となる。圧縮器から流出しタービンに流入するガスは、タービンまたは圧縮器内の旋回流と調和するように、半径方向以外の、たとえば接線方向および/または軸方向の流動成分を有してもよい。

半径流タービンヒートエンジンは、単に半径方向ではない圧縮器からタービンへのガス流動方向を利用してもよく、また、圧縮器出力部および/またはタービン入口において軸方向の何らかの流動成分を含んでもよいことが理解されよう。そのような配置構成は依然として、圧縮ガスが圧縮器から半径方向に出力されたガス流動成分を伴う流路を有し、燃焼ガスがタービンに向かう半径方向内向きのガス流動成分を伴う流路を有する半径流タービンヒートエンジンである。

少なくともいくつかの実施形態では、タービンから排気ガスを受け取るために、またこの排気ガスを膨張させるために、ディフューザが設けられる。そのようなディフューザは、ディフューザを去る排気ガスの温度および圧力を変化させることによって、タービンの効率を改善するのを支援し得る。そのようなディフューザは通常、タービンの動作中に加熱されることになり、本開示のマニホールド配置構成は、ディフューザから熱を受け取るために、またタービン入口マニホールドによって与えられる燃焼ガスのための流路の半径方向内向きに伝熱式熱交換器を配置することを可能にするために、ディフューザと当接し且つディフューザを少なくとも部分的に囲繞するように伝熱式熱交換器を配置することを可能にすることを支援する。この配置構成のさらなる利点として、伝熱式熱交換器からタービン入口マニホールドへと進む熱が有利な方式で燃焼ガス温度をさらに上昇させるように働くことになり、したがって、タービン入口マニホールドの半径方向外向きに保温が単純にもたらされ得るため、伝熱式熱交換器およびタービン入口マニホールドのための保温が別々に供される必要がない。

ディフューザから伝導される熱を受け取ることに加えて、伝熱式熱交換器はまた、タービンディフューザから排気ガスを受け取り、その排気ガスから圧縮ガスに熱を伝達して加熱圧縮ガスを形成してもよい。実際に、排気ガスから圧縮ガスへのそのような熱伝達は、伝熱式熱交換器が圧縮ガスを加熱して加熱圧縮ガスを形成する主要な仕組みとなり得る。それにもかかわらず、ディフューザと当接するように伝熱式熱交換器を配設して、伝熱式熱交換器がディフューザからの熱を(たとえば、伝導および放射によって)吸収し得るようにすることによって得られるさらなる熱伝達は好都合であり、タービンの効率をさらに改善する。いくつかの実施形態では、伝熱式熱交換器は環状であり、ディフューザを完全に囲繞するものであってもよい。そのような実施形態は、より多くの熱量がディフューザから伝熱式熱交換器へと伝導によって移ることを可能にし得る。

他の実施形態では、伝熱式熱交換器は、タービンディフューザの周囲に配設された複数の別個の伝熱式熱交換器部分を備えてもよい。これにより、たとえば、別個の伝熱式熱交換器部分のうちのそれぞれの1つに圧縮ガスを供給する別個の圧縮器出口マニホールドダクトなどの複数の圧縮器出口マニホールドダクトとの流路の整合が場合によってはより良好となり得る。伝熱式熱交換器部分の間隙は、タービンの全体としての小型の寸法を保つことを助ける方式で、別個の燃焼器部分を収容するように働き得る。さらに、燃焼器部分からの熱は、伝導によって円周方向に燃焼器部分を囲繞する隣接する伝熱式熱交換器部分の中に移り得るが、それにより、燃焼器部分の外への伝導に起因する全体としてのシステムからのエネルギー損失が低減される。

他の実施形態では、燃焼器は、タービンディフューザを囲繞するのではなく、タービンディフューザの出力端部に対して近位側のシャフトの軸線上に配設されてもよい。

提案する技術のマニホールド配置構成は、圧縮器を離れる圧縮ガスが、ヒートエンジンのうちのタービンに対して近位側の部分において燃焼ガスの流路の半径方向内向きにある流路に従うことを可能にする。これにより、いくつかの実施形態では、回転タービンを囲繞するタービンケーシングを通じて、あるいはこのタービンケーシングと当接するダクトを通じて、圧縮ガスを流動させることが可能となる。したがって、タービンの効率を向上させる方式でタービンケーシングから圧縮ガスへと熱が伝達され得る。さらに、圧縮ガスでタービンケーシングを冷却することによってタービンケーシングから熱を除去することで、たとえば、ピーク温度がより低くなるために安価な材料をタービンケーシングに用いることが可能となるなど、タービンケーシングに対する設計制約条件が緩和され得る。

燃焼器は様々な異なる形態を有し得る。たとえば燃焼器は、ディフューザに対してタービンの反対側でシャフトの中心軸線上に配置され得る。しかしながら、燃焼器が(たとえば、環状の形態または周囲に配列された複数の燃焼器部分に対応する形態を有する)伝熱式熱交換器と同様の方式でシャフトを囲繞し、タービンから遠位側の(タービンから最も遠い)伝熱式熱交換器の出口部分から加熱圧縮ガスを受け取る場合、より小型の設計が達成され得る。

圧縮器出口マニホールドダクトとタービン入口マニホールドダクトとが円周方向で互いにかみ合うことにより、ガス流動を著しく妨げることなく、これらのうちで半径方向に最も内側/最も外側での交差を達成することが可能となる。この互いのかみ合わせは、様々な異なる方式で配列され得るものであり、1:1の互いのかみ合わせに必ずしも対応する必要はなく、すなわち、回転シャフトを基準としてタービンの周囲を進むと、圧縮器出口マニホールドダクトとタービン入口マニホールドダクトとが厳密に交互に並ぶ必要はない。たとえば、各タイプのダクトは、1対の圧縮器出口マニホールドダクトに1対のタービン入口マニホールドダクトが、次いで次の1対の圧縮器出口マニホールドダクトが続くなどといった、2:2の配置構成をもたらすように対にされ、互いにかみ合わされてもよい。また、圧縮器出口マニホールドダクトの個数がタービン入口マニホールドダクトの個数に等しくなる必要がないことも考えられる。たとえば、1対の圧縮器出口マニホールドダクトに円周方向において単一のタービン入口マニホールドダクトが続き、次いでこのタービン入口マニホールドダクトに、別の1対の圧縮器出口マニホールドダクトが続くなどといった、2:1の互いのかみ合わせが用いられてもよい。

圧縮器がその全周に自然に圧縮ガスを放出し、タービンが典型的にはその全周に燃焼ガスを投入すると仮定すると、周囲に均等に離間配置された比較的多数のダクトが設けられ、これらのダクトがそれに応じて断面積においてより小さい場合、タービンは一般的に、流動の方向を変えるための要件をより少なくして、ガス流を生成することになる。しかしながら、流路の抵抗はより小さなダクトにおいては一般により高くなり、したがって、互いにかみ合わされたダクトを過度に多く有する実施形態は全体的な効率を失い始めることになるため、バランスが必要となる。また、より少数の大型のダクトと比較して、多数の小さなダクトを備えたヒートエンジンを製造することは、より困難/コスト高となり得るという問題もある(ただし、このことは付加製造技法では問題とならないこともある)。また、多数の小さなダクトが用いられるとき、より大きな表面積を原因とする圧力損失による潜在的な問題もある。

圧縮ガスの好都合な流路方向は、圧縮器出口マニホールドダクトがシャフトから半径方向外向きに、次いで圧縮器から離れてタービンに向かって(すなわち、シャフト軸線に沿った成分によって)流動するように圧縮ガスを案内するものである。同様に、タービン入口マニホールドダクトは、タービンに向かって(すなわち、シャフト軸線に沿った成分によって)、次いでシャフトに向かって半径方向内向きに流動するように燃焼ガスを案内すべく配置構成されてもよい。

前述したように、本開示のマニホールド配置構成は、後により多くの熱をタービンから圧縮ガスへと回収するために利用され得る方式で、圧縮器出口マニホールドダクトおよびタービン入口マニホールドダクトのどちらかが半径方向に最も内側にあるかを切り替えることを可能にする。タービンを小さな全体的寸法に保ち、それによってダクトをシャフトから半径方向外向きに過度に離して配管しないことが望まれるため、利用可能な物理空間ではダクトの交差が制限され得る。この状況では、利用可能な空間の全体としてより良好な利用は、交差が生じるところで、圧縮器出口マニホールドダクトがタービン入口マニホールドダクトの全断面積よりも小さい全断面積を有するときに達成され得る。燃焼ガスは圧縮ガスよりも高温であり、そのため、燃焼ガスが流動し得るより大きな断面積を設けることは、タービンのガス流動抵抗を全体として低く保つ上で、利用可能な面積を全体としてより良好に利用することになる。

圧縮器は、半径方向外向きの流動成分を有する圧縮ガスを出力する。圧縮ガスはまた、圧縮器から出力されるときに回転成分を有してもよい。圧縮器出口マニホールドダクトが圧縮ガスを収集する(流動抵抗を低く保つ)効率は、圧縮器出口マニホールドダクトが、それらの出口における圧縮ガスの流出の方向と整列された中心軸線を圧縮器出口に有する実施形態において改善され得る。

圧縮器出口マニホールドダクトを圧縮器出口における圧縮ガスの流動方向と整列させることは、いくつかの実施形態における圧縮器出口マニホールドダクトが、圧縮ガスを収集するディフューザとして働くことを可能にし、したがって、圧縮器の圧縮ガス出口にディフューザを別個に設ける必要性を排除することになり得る。ディフューザとしての圧縮器出口マニホールドダクトの作用は、圧縮器出口マニホールドダクトの少なくとも第1の部分内に流動案内静翼を設けることによっていくつかの実施形態においてさらに強化され得る。

圧縮器の圧縮ガスの出力に関連して上記で説明した方式と同様に、タービン入口マニホールドダクトは、タービンの回転方向に対応し、したがってタービン動作と一致する方向に、シャフトの周りの回転成分を有する燃焼ガスの流入方向を与えるように整列された中心軸線をタービン入口に有するように配置構成され得る。したがって、タービン入口マニホールドダクトは、いくつかの実施形態では、適切な角度でタービンの中に燃焼ガスを噴射するためのノズルとして働き、それによって、タービン入口にノズルを別個に設ける必要性を排除し得る。タービン入口マニホールドダクトは、たとえば、タービン入口の隣のタービン入口マニホールドダクトの少なくとも一部分内に流動案内静翼を設けることによって、強化されたノズルとして働く機能を有してもよい。

上記で既に述べたように、燃焼器は、直接、伝熱式熱交換器から加熱圧縮ガスを受け取ってもよい。燃焼器内における燃料燃焼の効率は、燃焼器への入力が流動の旋回成分を有するように、伝熱式熱交換器を通る流動ダクトが付形される配置構成によって改善され得る。

種々の材料から作製された個別の構成要素として形成するなど、様々な異なる方式でタービンの様々な構成要素を形成することが可能であるが、本開示の配置構成は、伝熱式熱交換器と、燃焼器と、タービン入口マニホールドと、圧縮器出口マニホールドの少なくとも一部分と、が一体的に形成される実施形態を可能にすることに特に適している。この組み合わせの構成要素は、たとえば、付加製造法などによって、固結物から一体的に形成されてもよい。一例として、一体化された構成要素を形成するために、粉末床付加製造機械におけるチタン合金または他の金属合金などの金属粉末のエネルギービーム溶融が用いられてもよい。

この付加製造プロセスは、製造される設計の特徴を表す電子的設計ファイルを供給し、製造装置に供給される命令へと設計ファイルを変換するコンピュータに、その設計ファイルを入力することによって制御され得る。たとえば、コンピュータは、3次元設計を連続的な2次元層へとスライスしてもよく、各層を表す命令が、たとえば、粉末床の全体にわたるレーザーの走査を制御して対応する層を形成するために、付加製造機械に供給されてもよい。それゆえに、いくつかの実施形態では、物理的な熱交換器構成要素を設けるのではなく、コンピュータ可読データ構造(たとえば、上記で説明したような半径流タービンヒートエンジンの設計を表すコンピュータ自動設計(CAD)ファイル)として技法が実装されてもよい。したがって、熱交換器構成要素を物理的な形態で販売するのではなく、そのようなエンジンを形成するように付加製造機械を制御するデータの形態で販売されてもよい。データ構造を記憶する記憶媒体が提供されてもよい。

例示的な実施形態について、単に一例として、添付の図面を参照しながらこれから説明することにする。

半径流タービンヒートエンジンの断面を概略的に示す図である。圧縮器出口マニホールドダクトおよびタービン入口マニホールドダクトがタービンの周りで円周方向に交差するところを概略的に示す図である。圧縮器出口マニホールドの一例を概略的に示す図である。タービン入口マニホールドの一例を概略的に示す図である。ヒートエンジンの低温部分と高温部分の両方におけるダクト配置構成を概略的に示す図である。

図1は半径流タービンヒートエンジン2の断面を概略的に示している。半径流タービンヒートエンジン2は回転シャフト4を含んでおり、この回転シャフト4上に圧縮器6およびタービン8が装着されている。発電機などの負荷がシャフト4に取り付けられてもよい。半径流タービンヒートエンジン2はまた、伝熱式熱交換器10と、燃焼器12と、圧縮器出口マニホールド14と、タービン入口マニホールド16と、を含んでいる。動作の際、圧縮器6とタービン8がシャフト4上で高速にて回転することにより、吸気が圧縮器6の中に引き込まれ、ここで圧縮されて圧縮ガスを形成する。この圧縮ガスは圧縮器出口18を通じて圧縮器出口マニホールド14の中へと進む。圧縮器6からの圧縮ガスの流れは、シャフト4から外向きの半径方向成分と、シャフト4の周りの回転成分とを有している。圧縮器出口マニホールド14は、(たとえば、シャフト4に対して垂直な平面内に)圧縮器6の周りに円周方向に配列された複数の圧縮器出口マニホールドダクトを備えている。これらの圧縮器出口マニホールドダクトは、それぞれの対応する圧縮器出口18を通じて圧縮ガスが抜け出す流体流動の方向に各中心軸線が対応するように整列されている。圧縮器出口マニホールドダクトはしたがって、圧縮器6から圧縮ガスを収集するためのディフューザとして働くことができ、そのため、半径流タービンヒートエンジン2内に別個の圧縮器ディフューザを設ける必要性が排除され得る。システムにおける別個の圧縮器ディフューザに代わる圧縮器出口マニホールドダクトのこの時点での作用は、圧縮器出口マニホールドダクトの少なくとも第1の部分内に流動案内静翼または他の流動案内構造を設けることによって強化され得る。

圧縮ガスは、圧縮器出口マニホールドダクトを通じて流動し、タービン入口マニホールド16のタービン入口マニホールドダクトの間を通過する。このようにして、圧縮器出口マニホールドダクトとタービン入口マニホールドダクトは互いにかみ合わされている(たとえば、順番に交替するかあるいはそれらが順に組み合わされる何らかの他の順序に従い、半径流タービンヒートエンジン2の周りを進行する)。圧縮ガスはしたがって、半径流タービンヒートエンジン2の高温部分において、すなわち、タービン8と、伝熱式熱交換器10と、燃焼器12と、ディフューザ20と、を含む部分において、燃焼ガスの流路の半径方向内向きに送られることが可能である。

圧縮器出口マニホールドダクトは、タービン8の周りに配設されたタービンケーシング22を通過してもよい。代替的に、圧縮器出口マニホールドダクトは、タービンケーシング22と当接するようにタービンケーシング22の外側表面に固定されてもよい。いずれの場合も、タービンケーシング22を通じてあるいはタービンケーシング22と接触するダクトを通じて流動する圧縮ガスは、タービンケーシング22からの熱を吸収し、圧縮ガスが加熱されることによって、タービンケーシング22を冷却するように働く。圧縮器出口マニホールドダクト内の圧縮ガスは、タービン8を越えてシャフト4に沿って軸方向に移動するときに、伝熱式熱交換器10の中に供給され、ここでさらに加熱されて加熱圧縮ガスを形成する。伝熱式熱交換器10内で加熱圧縮ガスを形成するためのさらなる加熱は、同様に種々のチャネルにおいて伝熱式熱交換器10を通じて送られる排気ガスとの熱交換によって(すなわち、伝熱式熱交換器10は熱交換器である)、またそれに加えて、ディフューザ20から伝熱式熱交換器10への熱伝導によって達成されてもよい。

ディフューザ20はタービン8からの排気ガスを収容するが、この排気ガスが高温である結果として、ディフューザ20が高温となり、このエネルギーの一部は、伝熱式熱交換器10によって加熱燃焼ガスへと回収され得る。伝熱式熱交換器10は、環状の形状を有し、ディフューザ20を完全に囲繞してもよい。他の考えられる実施形態では、伝熱式熱交換器10は、ディフューザ20の周囲に配設された複数の別個の伝熱式熱交換器部分として形成されてもよい。この場合、複数の別個の燃焼器部分は、伝熱式熱交換器部分の間の間隙に、ディフューザの周囲に配設されてもよい。図1に示す例では、燃焼器12は、タービン8に対して遠位側にある(タービン8から最も遠い)伝熱式熱交換器10の出口部分に配設されている。伝熱式熱交換器10からのガスの流出は、燃焼器12の中に噴射される燃料の効率的な燃焼を支援するように、伝熱式熱交換器10の少なくとも最終部分内におけるダクト形状を制御してガスの流動に渦流を付与することによって制御されてもよい。

伝熱式熱交換器10を抜け出した加熱圧縮ガスは燃焼器12に進入し、ここで燃料(たとえば、可燃性の液体またはガス)と混合され、燃焼を支援して高温燃焼ガスを生成するように働き、この高温燃焼ガスは燃焼器12の外に案内され、タービン入口マニホールド16を通じて流動して、タービン入口24においてタービン8に進入する。燃焼器12は、形状において環状であってもよく、また燃焼ガスをさらに加熱する方式でディフューザ20からの熱を吸収するようにディフューザ20を完全に囲繞していてもよい。保温(断熱)がタービン入口マニホールド16の外部の周りにもたらされ得るが、それは、この保温部分内の圧縮ガスおよび燃焼ガスの中に入り込む熱が、半径流タービンヒートエンジン2における熱エネルギー回収の増大を支援することになるからである。

タービン入口マニホールド16を通じてタービン8に向かって逆流する燃焼ガスはまず、シャフト4の軸線に対して平行な成分によってタービン8および圧縮器6に向かう方向に進んだ後に、半径方向内向きに方向転換して圧縮器出口マニホールドダクトと交差し、その後にタービン入口24に到達する。

前述のように、タービン入口マニホールドダクトおよび圧縮器出口マニホールドダクトは、互いに交差することが可能となるように円周方向に互いにかみ合わされており、そのため、燃焼ガスのタービン入口24への流路は、タービン入口24に対して近位側にある圧縮ガスの流路と比較して、シャフト4を基準として半径方向内向きに配置され、すなわち、タービン入口24において、タービン入口マニホールドダクト(またはタービン入口マニホールドダクトの一体部分であるタービン入口ノズル)は圧縮器出口マニホールドダクトから半径方向内向きにある。

タービン入口マニホールドダクトは、燃焼ガスをタービン8の中に噴射するためのノズルとして働くように、ある方向において中心軸線と整列されてもよい。これにより、燃焼ガスをタービン8の中に噴射するために、ノズルを別個に設ける必要性が排除され得る。ノズルとして働くタービン入口マニホールドダクトの作用は、タービン入口マニホールドダクトのうちのタービン入口24に近い部分に、翼または他の流動案内構造を設けることによって強化されてもよい。

タービン8に進入する燃焼ガスは、タービン8を通過するときに膨張されてタービン8から仕事を引き出し、次いで排気ガスとしてディフューザ20の中に入る。タービン8はしたがって、圧縮器6およびシャフト4に取り付けられた任意の負荷の回転を駆動する。ディフューザ20に進入する排気ガスは、速度を低下させかつその静圧を増大させるように膨張される。排気ガスは次いで、伝熱式熱交換器10を通じて流動するように案内され、ここで、加熱圧縮ガスが燃焼器12に到達するのに先立って、排気ガスからの熱が圧縮器6からの圧縮ガスを加熱する。ディフューザ20の使用は、タービン8の全体にわたるより大きな圧力降下を確立して燃焼ガスからより多くの仕事を引き出す一方で、排気ガスを大気への吐出しに適した圧力にすることを促進する。

圧縮器出口マニホールドダクトがタービン入口マニホールドダクトと交差する配置構成は、利用可能な空間の制約が存在する、すなわち、一方のマニホールドのダクトが、もう一方のダクトの間の利用可能な間隙に入り込まなければならない配置構成である。半径流タービンヒートエンジン2のサイズにおける不利な増大を回避するために、圧縮器出口マニホールドダクトおよびタービン入口マニホールドダクトがシャフト4から過度に離れて半径方向外向きに延びないことが望ましい。したがって、半径流タービンヒートエンジン2の全体的なサイズおよび重量が増大するという条件を受け入れることなく、シャフト4からさらに外に半径方向にダクトを配管することによって、より多くの空間を単純に作ることはできない。したがって、一方のマニホールドのダクトがもう一方のマニホールドのダクトと交差しなければならないという、限られた寸法の状況下で、圧縮器出口マニホールドダクトがタービン入口マニホールドダクトよりも小さい全断面積を有するとき、系を通じたガスの全体的な流動抵抗が改善され得る。タービン入口マニホールドダクト内のより高温の燃焼ガスは、圧縮器出口マニホールドダクト内のより低温の圧縮ガスと比べて、所与の流動抵抗に対して流動するのにより大きな断面積を必要とする。

小型の形態の半径流タービンヒートエンジン2は、製造およびコストの利点を達成するために、伝熱式熱交換器10と、燃焼器12と、タービン入口マニホールド16と、圧縮器出口マニホールド14の少なくとも一部分と、を一体的に形成することによって利用されてもよく、たとえば、これらの要素は壁を共通にして形成されてもよい。たとえば、これらの要素は、たとえば粉末床3Dプリンタにおいて金属粉末のエネルギービーム溶融を用いる付加製造法によって、固結物から形成されてもよい。これらの一体的に形成される部分はすべて、半径流タービンヒートエンジン2の高温部分内にあり、したがって、チタン合金などの材料を使用することが適切となり得る。圧縮器ハウジングと、圧縮器出口マニホールド14の少なくとも一部分とを含む半径流タービンヒートエンジン2の低温部分では、アルミニウム合金などの異なる安価な金属が用いられてもよい。タービンのこれら2つの部分は次いで、互いに締結されてもよい。

図2は、A-A線に沿った図1の半径流タービンヒートエンジン2の例示的な断面を概略的に示している。この例では、タービン入口マニホールドダクトと圧縮器出口マニホールドダクトとは、1:1の互いのかみ合わせで示されている。タービン8の周囲が2:2の互いのかみ合わせで横切られるとき、1対のタービン入口マニホールドダクトに1対の圧縮器出口マニホールドダクトが続くなど、他の互いのかみ合わせの配置構成も考えられることが諒解されよう。また、タービン入口マニホールドダクトの個数が圧縮器出口マニホールドダクトの個数に等しくなる必要がないことも考えられる。たとえば、圧縮器出口マニホールドダクトの2倍の個数のタービン入口マニホールドダクトが存在してもよく、またその互いのかみ合わせは、1対のタービン入口マニホールドダクトに単一の圧縮器出口マニホールドダクトが、次いで別の1対のタービン入口マニホールドダクトが順に続いて2:1の互いのかみ合わせが設けられるというものであってもよい。図2に示すように、タービン入口マニホールドダクトの断面積は、圧縮器出口マニホールドダクトの断面積よりも大きい。相対的に高温の圧縮ガスは、相対的に低温の圧縮ガスと比べて、所与の程度の流動抵抗に対して流動するために、より大きな空間を必要とする。他の実施形態では、断面積のそのような関係はもたらされないこともあり、より高度な流動抵抗を伴ったより高度な流速が許容される。

図2はその互いのかみ合わせを概略的に示しており、実際に、タービン入口マニホールドダクトと圧縮器出口マニホールドダクトは通常、半径流タービンヒートエンジン2の全体的なサイズを低減するために、それらの間に比較的小さな自由空間を伴って互いに対してより緊密に適合されることが諒解されよう。

図3は圧縮器出口マニホールド14を概略的に示している。この例では、8つの圧縮器出口マニホールドダクトが形成されており、これらの圧縮器出口マニホールドダクトは、まず圧縮器6のシャフトから半径方向外向きに流れ、次いで、タービン8に向かって、圧縮器6のシャフトに対して実質的に平行な方向に進んでいる。8つの別個の圧縮器出口マニホールドダクトを用いると、前のマニホールドの周囲で測定して、約45度の角度がこれらの圧縮器出口マニホールドダクトの各々の間に存在する。圧縮器出口マニホールドダクトの間の間隙は、これらの圧縮器出口マニホールドダクトの間の間隙を通じて圧縮器出口マニホールドダクトの外側の半径方向外方の位置からタービン8のタービン入口へとタービン入口マニホールドダクトを配管するために用いられており、タービン入口マニホールドダクトは燃焼ガスをタービン8の中に噴射するためのノズルとして働く。

図4はタービン8のタービン入口マニホールド16を概略的に示している。ここでも、8つのタービン入口マニホールドダクトがあり、タービン8の周囲に45度回転するたびに1つのタービン入口マニホールドダクトが設けられている。これら8つのタービン入口マニホールドダクトは、マニホールド14、16の間に約22.5度の回転オフセットを設けることによって、図3の8つの圧縮器出口マニホールドダクトと互いにかみ合わされ得る。

図5は、高温部分(より暗色の陰影が付され左側にある)と低温部分(より明色の陰影を付され右側にある)とを含んだヒートエンジン2の図を概略的に示している。伝熱式熱交換器10は、開放型の(実際には環状のコレクタが使用され得る)排気ダクト26の下方の燃焼器12の間に配置されている。ダクト28は、伝熱式熱交換器10から加熱圧縮ガスを取り出し、次いでこれを燃焼器12に送る。

いくつかの例示的な実施形態は、タービンディフューザを含む必要がなく、したがって、効率の低下を犠牲にして、より小型のヒートエンジンを生産するものである。そのような実施形態では、伝熱式熱交換器は、伝熱式熱交換器の下流側に配置された燃焼器と共にタービンケーシングからの熱を吸収するように、タービンケーシングの周りに巻き付けられてもよい。そのような実施形態では、伝熱式熱交換器は、ディフューザの代わりとなる/ディフューザの仕事を行うものである。

2 半径流タービンヒートエンジン
4 回転シャフト
6 圧縮器
8 タービン
10 伝熱式熱交換器
12 燃焼器
14 圧縮器出口マニホールド
16 タービン入口マニホールド
18 圧縮器出口
20 ディフューザ
22 タービンケーシング
24 タービン入口
26 排気ダクト

Claims

シャフトと、
吸気を圧縮して圧縮ガスを形成するための、前記シャフトに結合された圧縮器と、
前記圧縮ガスを加熱して、加熱圧縮ガスを形成するための伝熱式熱交換器と、
前記加熱圧縮ガスを燃料と混合するための、また前記燃料と前記加熱圧縮ガスを燃焼させて燃焼ガスを形成するための燃焼器と、
前記燃焼ガスを膨張させて排気ガスを形成するための、前記シャフトに結合されたタービンと、
複数の圧縮器出口を通じて前記圧縮器から前記圧縮ガスを収集するための圧縮器出口マニホールドと、
複数のタービン入口を通じて前記タービンに前記燃焼ガスを供給するためのタービン入口マニホールドと、を備えた半径流タービンヒートエンジンであって、
前記圧縮器出口マニホールドは、前記複数の圧縮器出口に連結された複数の圧縮器出口マニホールドダクトを備え、
前記タービン入口マニホールドは、前記複数のタービン入口に連結された複数のタービン入口マニホールドダクトを備え、
前記複数の圧縮器出口マニホールドダクトは、前記シャフトの周りで前記複数のタービン入口マニホールドダクトと円周方向に互いにかみ合わされて、
(i)半径流タービンのうちの前記タービンの近位側の部分にある前記燃焼ガスの流路に対して、前記シャフトの回転軸線を基準として半径方向内向きに配置された前記伝熱式熱交換器を通じた前記圧縮ガスの流路と、
(ii)前記複数のタービン入口の近位側にある前記圧縮ガスの流路に対して、前記回転軸線を基準として半径方向内向きに配置された前記複数のタービン入口への前記燃焼ガスの流路と、
を設けており、
前記タービンから前記排気ガスを受け取るための、および前記排気ガスを膨張させるためのタービンディフューザを備え、
前記燃焼器は、環状でありかつ前記タービンディフューザを囲繞しているか、または、前記タービンディフューザの周囲に配設された複数の別個の燃焼器部分を備えることを特徴とする半径流タービンヒートエンジン。
前記伝熱式熱交換器は、前記タービンディフューザと当接し、前記タービンディフューザを少なくとも部分的に囲繞して、前記タービンディフューザから熱を受け取るようになっており、および前記燃焼ガスの前記流路に対して、前記回転軸線を基準として半径方向内向きに配置されている、請求項1に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記伝熱式熱交換器は、前記タービンディフューザから前記排気ガスを受け取り、前記排気ガスから前記圧縮ガスに熱を伝達して前記加熱圧縮ガスを形成する、請求項2に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記伝熱式熱交換器は環状であり、前記タービンディフューザを完全に囲繞する、請求項2または3に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記伝熱式熱交換器は、前記タービンディフューザの周囲に配設された複数の別個の伝熱式熱交換器部分を備え、前記燃焼器は、前記伝熱式熱交換器部分の間の前記タービンディフューザの前記周囲に配設された複数の別個の燃焼器部分を備える、請求項2または3に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記燃焼器は環状であり、前記タービンディフューザを囲繞し、前記伝熱式熱交換器のうちの前記タービンから遠位側にある部分から前記加熱圧縮ガスを受け取る、請求項2から5のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記タービンはタービンケーシングを備え、前記圧縮器出口マニホールドダクトの少なくともいくつかは、前記タービンケーシングを通過しており、前記タービンケーシングから前記圧縮ガスに熱を伝達する、請求項1から6のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記タービンはタービンケーシングを備え、前記圧縮器出口マニホールドダクトの少なくともいくつかは、前記タービンケーシングと当接して、前記タービンケーシングから前記圧縮ガスに熱を伝達する、請求項1から6のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記圧縮器出口マニホールドダクトは、前記シャフトから半径方向外向きに、次いで前記圧縮器から離れ、前記タービンに向かって流動するように、前記圧縮ガスを案内する、請求項1から8のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記タービン入口マニホールドダクトは、前記シャフトに対して平行な成分を伴って圧縮器および前記タービンに向かって、次いで前記シャフトに向かって半径方向内向きに流動するように前記燃焼ガスを案内する、請求項1から9のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記圧縮器出口マニホールドダクトと前記タービン入口マニホールドダクトとが、前記シャフトに対して半径方向に交差する周囲において、前記圧縮器出口マニホールドダクトは、前記タービン入口マニホールドダクトよりも小さい全断面積を有する、請求項1から10のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記圧縮器出口マニホールドダクトは、前記圧縮器の回転方向に対応した方向に、前記シャフトの周りの回転成分を有する前記圧縮ガスの流出の方向と整列された前記圧縮器出口において、中心軸線を有する、請求項1から11のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記圧縮器出口マニホールドダクトは、前記圧縮器からの前記圧縮ガスを収集するためのディフューザとして寄与する、請求項12に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記タービン入口マニホールドダクトは、前記タービンの回転方向に対応した方向に、前記シャフトの周りの回転成分を有する前記燃焼ガスの流入の方向を与えるように整列された前記タービン入口において、中心軸線を有する、請求項1から13のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記タービン入口マニホールドダクトは、前記タービン内へと前記燃焼ガスを噴射するためのノズルとして寄与する、請求項14に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記伝熱式熱交換器を通じた流動ダクトは、前記伝熱式熱交換器から出力されて前記燃焼器に入力される加熱圧縮ガスが、流動の旋回成分を有するように、付形されている、請求項1から15のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記伝熱式熱交換器と、前記燃焼器と、前記タービン入口マニホールドと、前記圧縮器出口マニホールドの少なくとも一部分と、が一体的に形成されている、請求項1から16のいずれか一項に記載の半径流タービンヒートエンジン。
前記伝熱式熱交換器、前記燃焼器、前記タービン入口マニホールド、および少なくとも一部の前記圧縮器出口マニホールドが固結物から形成されている、請求項17に記載の半径流タービンヒートエンジン。