JPH08177521A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】使用燃料及び運転時の回転数の制約が少なく、
移動用内燃機関や中小形の汎用内燃機関に代えて適用可
能なガスタービンエンジンの提供。 【構成】動力軸１の回転駆動力を往復運動に変換して駆
動される複数のシリンダ１１及びピストン１２等からな
る空気圧縮部Ａと、空気圧縮部Ａによって圧縮された高
圧空気を蓄える空気溜り２３と、空気溜り２３からの高
圧空気を空気管２５を通じて導入し、燃焼室３１に噴射
する空気噴射ノズル２７と、燃料を燃焼室３１に噴射す
る燃料噴射ノズル３５と、燃焼室３１と、燃焼室３１の
燃焼ガスである高温高圧ガスを半径方向からそのタービ
ンブレード３４で受けて回転トルクを発生する半径流タ
ービンのタービンロータ３３であって、前記動力軸１に
取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種動力源として広い
用途に適用可能なガスタービンエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車、軌道車等の陸上運輸機関、船舶
等に搭載される動力源を始め、陸上での動力源として
は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに代表され
る往復動内燃機関、即ち、レシプロエンジンが未だ主役
となっている。

【０００３】このような往復動内燃機関では、たゆまぬ
改良が重ねられ、小形化、高出力化が図られている。ま
た、夥しい数の自動車用エンジンにあっては、環境汚染
防止のための排ガス浄化の改良も続けられている。更
に、往復動エンジンの損失を低減する高性能エンジンと
して、ロータリーエンジンも開発されているが、特殊な
ケースを除き普及するには至っていない。

【０００４】これらの内燃機関は、その殆ど全てを輸入
に頼る石油類を燃料とするものである。このような石油
類は、価格の点で貴重であるばかりでなく、地球上の石
油資源そのものが有限であり、可能な限り節約すべき要
請がある。

【０００５】現在実用化されている内燃機関の総合熱効
率は３０〜４０％であり、日夜厳しい研究開発を重ねて
いるにも拘らず、このような上限値を超えることはでき
ない。したがって、燃料保有エネルギーの１／２以上
は、熱や音に代表される損失となって浪費されている。

【０００６】また、在来の内燃機関にあっては、使用す
る燃料の面で大きな制約を受ける。例えば、ディーゼル
エンジンでは軽油又はＡ重油を燃料とするが、自動車用
エンジンでは一般に軽油を使用しなければならない。ガ
ソリンエンジンでは、当然ながらガソリンを使用する
が、エンジン設計の際の基準に基づき、レギュラーとか
ハイオクとかの使用範囲が定められており、このような
使用基準に従う必要がある。

【０００７】使用燃料の制限が少ないエンジンとしてス
ターリングエンジンが見直されてはいるが、いまだ実験
室レベルを脱してはいない。更にガスタービンエンジン
が知られているが、大規模な空気圧縮機が不可欠であ
り、相応する規模以上の容量、例えば、電力業界におけ
るピーク負荷対策として、あるいは突発停電の際の非常
用予備発電用等として、例えば、数百キロワット〜数千
キロワットのようなものが実用化されているにとどま
る。

【０００８】このような大型のガスタービン装置は、動
力軸に直結された軸流形空気圧縮機を備え、３０００又
は３６００回転毎分のような高速回転機となっている。
このような高速回転機にするのは、タービン本体よりも
大きな軸流空気圧縮機を利用して空気圧縮を行なうもの
であり、高速域でのみ高効率運転が可能となるためであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な従来技術の欠点を解消し、使用燃料並びに運転時の回
転数の制約が少なく、移動用内燃機関や中小型の汎用内
燃機関に代えて適用可能な小型のガスタービンエンジン
を提供することを解決の課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の構成の要旨とす
るところは、動力軸の回転駆動力によって駆動される空
気圧縮手段と、上記空気圧縮手段によって圧縮された高
圧空気を蓄える空気溜りと、上記空気溜りからの高圧空
気を導入するノズル及び燃料噴射ノズルが開口している
燃焼室と、上記燃焼室の燃焼ガスである高温高圧ガスを
半径方向から受けて回転トルクを発生する半径流タービ
ンのタービンロータであって、前記動力軸に取り付けら
れたタービンロータと、を備えたガスタービンエンジン
であり、これによって前記課題を解決することができ
る。

【００１１】前記空気圧縮手段は、コンパクトに構成で
きる種々の手段が採用可能であり、例えば、次のように
構成することができる。即ち、請求項２に記載したよう
に、前記空気圧縮手段は、動力軸に回転自在に外装した
スリーブ状回転体であって、該動力軸に減速機を介して
結合したスリーブ状回転体と、該スリーブ状回転体に構
成した運動変換手段であって、該スリーブ状回転体の回
転運動を往復直線運動に変換する運動変換手段と、該運
動変換手段で往復駆動されるピストンを備えた空気圧縮
用シリンダ装置とで構成することができる。

【００１２】以上の空気圧縮手段の構成中の運動変換手
段は、前記スリーブ状回転体に伝達された回転運動を往
復直線運動に変換できる構成であれば、特定のそれに限
定されない。例えば、請求項３に記載したように、前記
運動変換手段は、前記スリーブ状回転体の外周に固設し
た回転斜板であって、その周端に全周にわたったスライ
ド溝を有する回転斜板と、上記スライド溝にスライド回
転自在に内装したドーナツ状のスライド板と、上記スラ
イド板の外端にユニバーサルジョイントを介してその外
端を結合したコンロッドであって、前記空気圧縮用シリ
ンダ装置のピストンに結合したコンロッドと、で構成す
る弧とができる。しかして上記運動変換手段の直線往復
運動は該コンロッドを通じて前記空気圧縮用シリンダ装
置に伝達される。即ち、コンロッドの往復直線運動によ
って空気圧縮用シリンダ装置のピストンが往復動するこ
ととなる訳である。

【００１３】また前記空気圧縮手段は、前記のような構
成の外、ロータリー型のコンプレッサに構成しても不都
合ではない。

【００１４】更に請求項４に記載したように、前記ター
ビンロータを配したタービン室内壁に、該タービンロー
タで仕事をした作動ガスをそれに衝突させた後に排気管
より排気すべく、共鳴消音材を配するのが適当である。

【００１５】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、次のよ
うに動作する。先ず、動力軸の回転駆動力で駆動される
空気圧縮手段によって吸入空気の圧縮を行ない、圧縮空
気を生成させる。こうして得られた高圧圧縮空気を空気
溜りに蓄え、この高圧圧縮空気をノズルを通じて燃焼室
内に噴射させ、かつ同時に燃料噴射ノズルを通じて燃料
を燃焼室内に噴射させ、該燃料を燃焼室内で爆発燃焼さ
せる。

【００１６】このような爆燃によって得られた高温高圧
作動ガスが、衝動タービンの場合はガス案内のためのノ
ズルを経てタービンブレードに膨張しながら衝突する
際、そして反動タービンの場合はタービンロータから外
部に膨張しながら噴出する際に、それぞれタービンロー
タに対して回転力を与える。この回転力によってタービ
ンロータの動力軸は回転し、外部接続負荷に対して動力
を供給する。

【００１７】それと同時に、タービンブレードに於いて
仕事をした作動ガスは、タービン室内壁の共鳴消音材と
の衝突によって減音又は消音された後、消音・排気管か
ら放出される。

【００１８】このような作動に於いて、本発明のガスタ
ービンエンジンは、燃料はガソリン、軽油、重油等の従
来の内燃機関に於いて使用されている石油系液体燃料が
使用可能であることはもとより、石油液化ガス（ＬＰ
Ｇ）、硫黄酸化物や窒素酸化物の発生による大気汚染防
止の観点から液化天然ガス（ＬＮＧ）やメタノール等を
も単独で、あるいは燃料噴射ノズルを考慮することによ
り複数燃料を混合して使用することができる。

【００１９】また本発明のガスタービンエンジンは、特
に空気圧縮手段が小形化され、全体を小形かつ軽量に構
成することが可能である。したがって自動車や小形作業
機等に搭載する移動用途をはじめ、固定用途にも適用可
能である。

【００２０】

【実施例】以下、添付図を参照しつつ本発明を詳細に開
示する。図１は、本発明の一実施例のガスタービンエン
ジンを示した断面説明図である。このガスタービンエン
ジンは、全体を大きく分けて空気圧縮部Ａと、タービン
部Ｔとから構成され、両者は、動力軸１に沿って配設さ
れている。

【００２１】前記空気圧縮部Ａは、上記動力軸１の周囲
に９０度の角度間隔で配したシリンダ１１、１１…とこ
れらに各々往復動自在に内装したピストン１２とを主要
構成要素とする圧縮シリンダ部と、この圧縮シリンダ部
の各ピストン１２を往復動させるべく駆動する駆動部と
から構成される。

【００２２】上記駆動部は、動力軸１の回転を直線往復
運動に変換する運動変換手段であり、これは、前記動力
軸１に回転自在に外装したスリーブ状回転体２であっ
て、前記動力軸１に減速機３を介して結合したスリーブ
状回転体２と、該スリーブ状回転体２の外周に固設した
円板状の回転斜板１４であって、その周端に全周にわた
ってスライド溝１５を有する回転斜板１４と、該スライ
ド溝１５にスライド回転自在に内装したドーナツ状のス
ライド板１６と、該スライド板１６の外端に９０度の角
度間隔で前記シリンダ１１、１１…と対応させて配した
ユニバーサルジョイント１８、１８…と、これらのユニ
バーサルジョイント１８、１８…を介してその外端を結
合したコンロッド１３、１３…とで構成される。また該
四本のコンロッド１３、１３…の内端は各々前記シリン
ダ１１、１１…のピストン１２、１２…に接続されるも
のである。

【００２３】前記スライド板１６は、コンロッド１３、
１３…と結合しているため、回転斜板１４の回転に拘ら
ず、回転が不能であり、かつスライド溝１５の両面との
間にローラーベアリングが配してあるため、スムーズに
スライドして一定位置を保持する。勿論回転斜板１４の
回転にともない、一点に注目して横から見ると、軸方向
の直線往復運動を行なうものとなる。即ち、前記回転斜
板１４は、軸方向に対して直角以外の角度でスリーブ状
回転体２に取り付けられた円板であって、その一点に注
目して真横から見ると、該スリーブ状回転体２の回転に
ともない軸方向の直線往復運動を行なうものであり、ス
ライド板１６は、回転斜板１４の上記直線往復運動のみ
を取り出す手段である。

【００２４】こうして動力軸１の回転にともない、減速
機３及びスリーブ状回転体２を介して回転斜板１４が回
転し、これにともないスライド板１６の各一点に直線往
復運動が生じ、これによって各コンロッド１３、１３…
がその往復運動幅に相当するストロークの往復直線運動
を行ない、前記各ピストン１２、１２…に同様の往復直
線運動をさせることとなる。こうしてシリンダ１１、１
１…は、各々空気の圧縮動作を行なう。

【００２５】ところで前記減速機３は、固定比率で回転
数を変換し得る手段とすることができることはもとよ
り、二段又はそれ以上の可変段数あるいは無段変速の変
速機とすることができる。このような可変変速手段は、
ガスタービンエンジンを可変速負荷に適用する場合に特
に有効である。これは、回転数の変化する場合に於ける
空気圧縮部Ａの作動効率を可能な限り高め、例えばター
ビンを低速運転する場合にも常に十分な圧縮空気量を確
保するために有効である。

【００２６】前記シリンダ１１、１１…の底部端には、
図示されていないエアクリーナからの配管２０に対応し
て設けられた吸入弁２１及び排出弁２２の二つの弁が配
されている。これら吸入弁２１及び排出弁２２は、内燃
機関や往復動コンプレッサの吸排気弁と同じようにピス
トン１２の往復運動に同期して制御され、エアクリーナ
からの清浄空気を吸引し、加圧した後、環状の空気溜り
２３中に蓄える機能を有する。

【００２７】上記環状の空気溜り２３には圧力弁２４を
介して空気管２５が接続されており、その先端は、ター
ビン部Ｔの燃焼室３１に導かれる。環状の空気溜り２３
には圧力計２６を設けておく。

【００２８】タービン部Ｔは、タービン室３８の壁面を
消音壁に構成したケーシング３２及び該ケーシング３２
内に配したタービンロータ３３を有する。このタービン
ロータ３３の燃焼室３１に近接する部位にはタービンブ
レード３４が設けられている。この場合のタービンロー
タ３３は半径流タービンである。なお燃焼室３１には、
前記空気管２５の先端の空気噴射ノズル２７と共に燃料
噴射ノズル３５が連結されている。

【００２９】なおタービンロータ３３の内周よりには、
排ガス通過路を構成し、排ガス通過を促進する排気ファ
ン３６が形成されている。この排気ファン３６によって
タービン室３８内の排気を促進して減圧する。

【００３０】しかしてタービン部Ｔの燃焼室３１には、
空気圧縮部Ａに於いて圧縮され、かつ空気配管２５によ
って導かれ、空気噴射ノズル２７から噴射される圧縮空
気と燃料噴射ノズル３５から噴射される燃料とが供給さ
れる。この燃焼室３１に於いて、連続的な放電点火手段
により、爆発的な燃焼が生じた際に発生する高温・高圧
作動ガスは、矢印Ｇのように流動し、タービンブレード
３４を含むタービンロータ３３を回転させるために使用
される。

【００３１】このような構成に於いて、空気圧縮部Ａで
発生させられる圧縮空気と、燃料系統から供給される気
体又は液体の燃料とは、爆発的燃焼の際に発生する高温
高圧作動ガスによってタービンロータ３３に対して仕事
をし、動力軸１より動力を発生する。タービンロータ３
３を回転させ、仕事を終えた作動ガスは、タービン室３
８内の消音壁に衝突した後排気ファン３６の配してある
排ガス通過路を経由して外部に排出される。更に外部に
排出する際に外部消音機構を通過せしめることができ
る。

【００３２】ところでケーシング３２に於けるタービン
ブレード３４の両側付近には、ケーシング３２の異常過
熱を防止するための周知構造のウォータジャケット３７
を構成する。このようなウォータジャケット３７は、総
体的な熱損失を軽減し、したがって熱効率の向上に資す
ることができる。

【００３３】このガスタービンエンジンは、小形の空気
圧縮部Ａとタービン部Ｔとを組み合わせることによって
総体的に小形かつ軽量の汎用エンジンを構成することが
できる。特に、空気圧縮部Ａに往復動ピストンを適用す
ることにより、軸長を短縮しながら十分な量及び圧力の
空気圧縮効果が得られる。この場合のピストンは、動力
軸に沿って往復動するものである上、往復動内燃機関の
ようなシリンダ内での爆発を伴うものではないから、エ
ンジン全体に対する振動を軽減することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、現在のガスタービンに
於いて不可避とされていた、大形化に拘束されることな
く、小形かつ軽量の汎用エンジンが得られる。したがっ
て自動車や小形船舶、あるいは小形作業機等の小形エン
ジンに対する広い用途が期待できる。

【００３５】使用燃料に関しても、ガソリン、灯油、軽
油、重油等の化石燃料はもとより、石油ガス（LPG）
や、硫黄酸化物（SOX）や窒素酸化物（NOX）による大気
汚染に対して有利な液化天然ガス（LNG）等の気体燃
料、大気環境に悪影響を与えない排気ガスを発生するメ
タノール等を単独で、あるいは２種以上を組み合わせて
利用することができる。

【００３６】また構造上、燃焼室に近い位置にタービン
ブレードを配したタービンロータを採用することがで
き、高温高圧の作動ガスに対する損失が軽減され、した
がって高効率のエンジンを得ることができる。また、タ
ービン室自体が消音効果を有しており、汎用エンジンと
しての資質を具備している。

【００３７】更に本発明のガスタービンエンジンは、発
熱部分が燃焼室及びその周辺に限定されており、比較的
簡易な冷却系によって運転を行なうことができ、この点
からも熱効率の向上を図ることができる。

【００３８】ところで請求項２に記載したように、前記
空気圧縮手段を、動力軸に回転自在に外装したスリーブ
状回転体であって、該動力軸に減速機を介して結合した
スリーブ状回転体と、上記スリーブ状回転体に構成した
運動変換手段であって、該スリーブ状回転体の回転運動
を往復直線運動に変換する運動変換手段と、上記運動変
換手段で往復駆動されるピストンを備えた空気圧縮用シ
リンダ装置と、で構成した場合には、動力軸の回転運動
を容易に直線往復運動に変換し得るため、空気圧縮手段
を小型で簡易かつ効率的な構成とすることができる。

【００３９】また請求項３に記載したように、前記運動
変換手段を、前記スリーブ状回転体の外周に固設した回
転斜板であって、その周端に全周にわたって構成された
スライド溝を有する回転斜板と、上記スライド溝にスラ
イド回転自在に内装したドーナツ状のスライド板と、上
記スライド板の外端にユニバーサルジョイントを介して
その外端を結合したコンロッドであって、前記空気圧縮
用シリンダ装置のピストンに結合したコンロッドと、で
構成した場合には簡易な構成で回転運動を直線往復運動
に変換し得るため、空気圧縮手段を小型で簡易かつ効率
的な構成とすることができる。

【００４０】更にまた請求項４に記載したように、前記
タービンロータを配したタービン室内壁に、該タービン
ロータで仕事をした作動ガスをそれに衝突させた後に排
気管より排気すべく、共鳴消音材を配した場合には、作
動ガスを内壁の共鳴消音材に衝突させて減音又は消音さ
せた後、消音・排気管から放出させることができるの
で、騒音の小さなエンジンに構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例のガスタービンエンジンの好適な実施
例を示す断面説明図。

【符号の説明】

１ 動力軸 ２ スリーブ状回転体 ３ 減速機 １１ シリンダ １２ ピストン １３ コンロッド １４ 回転斜板 １５ スライド溝 １６ スライド板 １８ ユニバーサルジョイント ２０ 配管 ２１ 吸入弁 ２２ 排出弁 ２３ 空気溜り ２４ 圧力弁 ２５ 空気管 ２６ 圧力計 ２７ 空気噴射ノズル ３１ 燃焼室 ３２ ケーシング ３３ タービンロータ ３４ タービンブレード ３５ 燃料噴射ノズル ３６ 排気ファン ３７ ウォータジャケット ３８ タービン室 Ａ 空気圧縮部 Ｔ タービン部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動力軸の回転駆動力によって駆動される
   空気圧縮手段と、 上記空気圧縮手段によって圧縮された高圧空気を蓄える
   空気溜りと、 上記空気溜りからの高圧空気を導入するノズル及び燃料
   噴射ノズルが開口している燃焼室と、 上記燃焼室の燃焼ガスである高温高圧ガスを半径方向か
   ら受けて回転トルクを発生する半径流タービンのタービ
   ンロータであって、前記動力軸に取り付けられたタービ
   ンロータと、 を備えたガスタービンエンジン。
2. 【請求項２】 前記空気圧縮手段を、 動力軸に回転自在に外装したスリーブ状回転体であっ
   て、該動力軸に減速機を介して結合したスリーブ状回転
   体と、 上記スリーブ状回転体に構成した運動変換手段であっ
   て、該スリーブ状回転体の回転運動を往復直線運動に変
   換する運動変換手段と、 上記運動変換手段で往復駆動されるピストンを備えた空
   気圧縮用シリンダ装置と、 で構成した請求項１のガスタービンエンジン。
3. 【請求項３】 前記運動変換手段を、 前記スリーブ状回転体の外周に固設した回転斜板であっ
   て、その周端に全周にわたって構成されたスライド溝を
   有する回転斜板と、 上記スライド溝にスライド回転自在に内装したドーナツ
   状のスライド板と、 上記スライド板の外端にユニバーサルジョイントを介し
   てその外端を結合したコンロッドであって、前記空気圧
   縮用シリンダ装置のピストンに結合したコンロッドと、 で構成した請求項２のガスタービンエンジン。
4. 【請求項４】 前記タービンロータを配したタービン室
   内壁に、該タービンロータで仕事をした作動ガスをそれ
   に衝突させた後に排気管より排気すべく、共鳴消音材を
   配した請求項１のガスタービンエンジン。