JP3353259B2 - タ−ビン - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
- F01D25/10—Heating, e.g. warming-up before starting
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
- F02C3/36—Open cycles
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
- F02C6/003—Gas-turbine plants with heaters between turbine stages
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Description
使用される発電用タ−ビンに関するものである。
例は、図9に示すようにタ−ビンロ−タ軸8の同軸上に
軸流圧縮機1とタ−ビン3と負荷10とが形成され、該
軸流圧縮機1の空気入口4より入つた空気を圧縮して図
示しない圧送管を経て矢印で示されたように、 空気流
入口12の入口から燃焼器2に送り、別に燃焼器2には
燃料入口11より燃料を注入して燃焼させて出来た作動
ガスをノズル17よりタ−ビン静翼15、15′を介し
てタ−ビン動翼16に作動させてタ−ビンロ−タ軸を回
転させている。図9に記載した符号は、明細書の全文で
同じものには同じ符号を用いて説明しており、タ−ビン
3、空気流入矢印5、ガス流出矢印6、ダクト7、圧縮
機ランナ−9、負荷10、圧縮機静翼13、圧縮機動翼
14である。図10は従来の発電用タ−ビンの一例のシ
ステム図である。図10に示されるように作動ガスは空
気流入5より軸流圧縮機1に入り高圧となつて通路の空
気圧送管18の空気流入口12より燃焼器2に入り、
又、燃料は燃料入口11より入る。燃焼器2で燃焼ガス
となつた作動ガスは高温高圧となりノズル17よりタ−
ビン3に入りタ−ビンロ−タ軸8を回転して負荷10を
駆動し、作動ガスは排出口のガス流出6より排出され
る。図9に示されるようにタ−ビン静翼15はガスの圧
力エネルギ−を速度エネルギ−に変換し、タ−ビン動翼
16はガス速度エネルギ−をタ−ビンロ−タ軸8の回転
エネルギ−に変換し、この運動エネルギ−は負荷10に
より電気エネルギ−に変換されているものであつた。前
記タ−ビン静翼15内での作動ガスによる仕事エネルギ
−は、図5の圧力−比体積線図で説明される。図5にお
いて、縦軸は圧力、横軸は比体積である。なお、図5は
従来のタ−ビンの場合と後述の本発明の場合の状態を同
一の図面上で対比して説明している。前記タ−ビン静翼
15内で作動ガスによる仕事エネルギ−は図5に示すA
BCDの面積で表される。Bは燃焼器2からタ−ビン静
翼15に入るときの状態、Dはタ−ビン静翼15を出た
ときの状態であり、ABCDの面積に匹敵する仕事が作
動ガスの速度エネルギ−に変換していると考えられるの
である。図11は作動流体を加熱流体により加熱器で加
熱してタ−ビンを回転する外燃式と言われる従来のタ−
ビンの一例をシステム図で示したものである。図11に
示されるように、作動ガスは作動ガス入口34から加熱
器28内のパイプを経て加熱され作動ガス出口31から
図示のパイプを経てタ−ビン3に入りタ−ビンロ−タ軸
を回転して負荷10を駆動し、タ−ビン3のガス流出排
出口6から排出される。この場合も作動流体の仕事エネ
ルギ−は図5に示す前記ABCDの面積で表される。
体積線図におけるABCDの面積を大きくして、負荷に
よる電気エネルギ−を大きく取り出すためには、今まで
は圧力P2の線上でBCの長さを大きくする方法が採用
されていた。即ち、燃焼器によりCの温度をBの温度と
比較して大きくすることである。大きくすることにより
比体積を増加できる。そのためタ−ビンの材料に耐熱材
料が開発されて、Cの温度が上昇した。現在はBの温度
が常温で約300°K(27℃)とすると、Bの温度
は、1600°Kぐらいまで可能となつているが、これ
以上上げることは容易でないことがわかる。
状態から膨脹過程CDを改善することによりCD″で膨
脹を行わせることによりC点の温度を上げず面積を大き
くすることにより能率のよい発電が行えるタ−ビンを提
供することである。
に、本発明は、請求項1において「負荷10を直結した
タ−ビンロ−タ軸8に接続された軸流圧縮機1と燃料入
口11を有する燃焼器2とタ−ビンで形成された内燃式
のタ−ビンにおいて、前記燃焼器2から流出した作動ガ
スを導く収集管19と分配器37を設け、該タ−ビン静
翼15の流入口に導き、且つ、該タ−ビン静翼個々内部
を順次該作動ガスが通過する流入口と内部通路と流出口
とを有する作動ガスによる加熱手段を設け、該タ−ビン
静翼内部通路流出口より吐出された作動ガスをタ−ビン
静翼15間に導いてタ−ビン動翼16に作用させタ−ビ
ンロ−タ軸を回転させるように構成したことを特徴とす
るタ−ビン」を構成した。
れた内燃式のタ−ビンにおいて、タ−ビン静翼15と別
体にタ−ビン静翼内部通路流出口より吐出された作動ガ
スを圧送する圧送管と該圧送管に接続された再燃焼手段
を設け、該作動ガスを該再燃焼手段で再加熱するように
構成したことを特徴とするタ−ビン」を構成した。
れたタ−ビン3と、該タ−ビン3に接続され、冷却器3
2と圧送機33とを有する圧送管18と、該圧送管18
の所定の内蔵して作動ガス通路46を加熱するようにし
た加熱器28とにより形成され該加熱器28により加熱
された作動ガスをタ−ビン3に導入し運転される外燃式
のタ−ビンにおいて、前記加熱器28から流出した作動
ガスをタ−ビン静翼15の流入口21に導く手段と該タ
−ビン静翼個々内を順次該作動ガスが通過する内部通路
20、30と流出口とを設けた静翼加熱器をタ−ビン内
部に設け該静翼内部通路流出口より吐出された加熱器に
より加熱された作動ガスをタ−ビン静翼15とタ−ビン
動翼16に作用させ、タ−ビンロ−タ軸を回転させるよ
うに構成したことを特徴とするタ−ビン」を構成した。
された外燃式のタ−ビンにおいて、前記タ−ビン静翼流
入口21に接続されると共に前記加熱器26の入口と出
口に接続された他の圧送管18を設けて構成したことを
特徴とするタ−ビン」を構成した。
された外燃式のタ−ビンにおいて、前記加熱器28 に
作動ガス出口と作動ガス入口で接続された他の圧送管と
静翼加熱器26を設けて構成したことを特徴とするタ−
ビン」を構成した。
においては、燃焼器から流出した作動ガスをタ−ビン静
翼内部通路の流入口より静翼の内部を通過して静翼内部
通路の流出口を出た作動ガスをタ−ビン静翼間に導きタ
−ビン動翼に作用させて、タ−ビンロ−タ軸を回転させ
る。静翼間を通過する作動ガスは従来の場合は断熱膨脹
により温度が下がり、図5のC点より断熱膨脹したガス
はCDで表されるが、本発明い於いては静翼により加熱
されるので、等温膨脹に近いCD″で表され、膨脹した
体積は従来の断熱膨脹のD点よりDD″だけ増加するの
で、膨脹による仕事もCDD″の面積だけ増加するので
タ−ビンロ−タ軸の回転エネルギ−は増加し、負荷によ
り多くのエネルギ−を与えることが出来る。なお、タ−
ビン静翼内部通路は、高温高圧ガスをほとんど膨脹なし
で通路となつているので、作動ガスはタ−ビンの第一静
翼のところでは温度は下がるけれども圧力はほとんど下
がらずに第一静翼に入ることが出来る。この場合の膨脹
線図はABC′D′となるがその面積はABCDより大
きい。
翼内部通路を通過した作動ガスは、静翼間を通過する作
動ガスに熱を与えるのでその温度は下がる。それ故、図
6に示す様に静翼内部を加熱する静翼加熱器26より再
燃焼器27を経て静翼加熱器26′に入る様にすれば、
静翼表面の温度は常に高温に保たれ静翼間を通過する作
動ガスに十分の熱量を与えることにより作動ガスの膨脹
仕事を増加し、タ−ビンロ−タ軸を能率よく回転出来
る。この場合の膨脹線図はABCD″に近くなる。
タ−ビンの高温加熱用流体を静翼内部通路を通すことに
よって、静翼を加熱することにより作動ガスの膨脹低下
を増加し、タ−ビンロ−タ軸の回転エネルギ−を増加出
来る。
タ−ビンの高温作動流体を静翼内部通路を通して静翼間
を通過する作動流体を加熱させることにより、作動流体
の膨脹低下を増加し、タ−ビンロ−タ軸の回転エネルギ
−を大きく出来る。
翼内部通路を通すことにより、温度の下がった作動流体
を再び加熱器で加熱することにより作動流体の温度を高
め、膨脹低下を大きくすることにより、タ−ビンロ−タ
軸の回転エネルギ−を増大することが出来る。
実施例について説明する。図1は本発明の内燃式タ−ビ
ンの一実施例の中央軸方向に切断された切断面と共に示
した側面図。図2は本発明の実施例のタ−ビン静翼の説
明図。図4(a)は本発明の一実施例のタ−ビン静翼、
タ−ビン動翼並びに静翼内部通路の部分を切断して示し
た側面説明図。図4(b)は本発明の一実施例のタ−ビ
ン静翼、タ−ビン動翼の円周面の断面の一例の説明図。
図3、図6、図7、図8は本発明の実施例に係るタ−ビ
ンのシステム図。図5は本発明のタ−ビンと従来のタ−
ビンとを比較して示した圧力−比体積線図である。
式タ−ビンは、タ−ビン3のタ−ビンロ−タ軸8に同軸
に軸流圧縮機1と負荷10とが接続して構成されてお
り、図1に示すように、軸流圧縮機1の空気流入口5よ
り入った空気は圧縮されて圧送管18の通路を通り、矢
印で示した入口12より燃焼器2に入り、又、燃料が燃
料入口11より注入され、燃焼して高温高圧の作動ガス
となり、後記する図2、図4(a)に詳記される、作動
ガス入口ノズル24及び収集管19と分配器37と静翼
内部通路43で形成されるタ−ビン静翼内部加熱手段に
入り、即ち、作動ガスはタ−ビン静翼内部通路43に入
り、静翼を加熱して、矢印の流れ方向23に沿って、次
の収集管19に入り、次の静翼内部通路43を通り静翼
を加熱して、更に次の収集管19に入り、静翼内部通路
43に入り、加熱するとゆうように、次の収集管19に
入り、更に次の静翼内部通路43に入るように構成され
ている。最後に第一のタ−ビン静翼15′の内部を通っ
て収集管19′に入った作動ガスはタ−ビン入口25よ
り第一のタ−ビン静翼15′の間を通り加速されて、第
一のタ−ビン動翼16′に入り、次々にタ−ビン静翼、
タ−ビン動翼に入り次々にタ−ビン静翼、タ−ビン動翼
の間を通つてタ−ビンロ−タ軸を回転させ、負荷10を
回転させるものである。
5の一例の斜視説明図であって、その概要が示されるよ
うに、タ−ビン静翼15に作動ガスの内部通路20と内
部通路入口21と内部通路出口22とが設けられてお
り、作動ガスが内部通路入口21から内部通路20に入
り内部通路出口22から出て、図示しない次のタ−ビン
静翼に入るもので内部通路20で高温高圧の作動ガスに
よりタ−ビン静翼を加熱する。点線で示した内部47は
通路でない部分である。静翼の外を流れる作動ガスに熱
を与え易くするためなるべく表面近くに通路を設ければ
効果がよい。
示すように、前記タ−ビン静翼内部加熱手段は、図示の
パイプ状の作動ガス入口ノズル24に接続された収集管
19に分配器37が設けられ、該分配器37に設けた静
翼内部通路の流入口21からタ−ビン静翼15内の作動
ガスの通路43を通り内部流出口22から分配器37に
戻る流路に前記作動ガスが通ることによりタ−ビン静翼
15を加熱するもので作動ガスは流れ方向23を流れ
る。タ−ビン動翼16は前記加熱手段を設けたタ−ビン
静翼15をはさんで形成されている。
(a)の側面説明図に一部が対応しており、矢印44は
回転方向である。タ−ビン静翼15は図示のように、作
動ガスの通路20を夫々設けて形成されている。45は
静翼表面である。タ−ビン静翼15の隣にタ−ビン動翼
16が配置されている。前記タ−ビン静翼15の加熱手
段による加熱が能率よく行うためには、タ−ビン静翼1
5の翼面積はなるべく大きいのが望ましい。静翼表面4
5と静翼間を流れる作動ガスとの間の熱の移動は静翼表
面45が膨脹面となっているので能率よく熱の授受がな
されるのである。
のシステム図である。図3において、軸流圧縮機1と前
記加熱手段の静翼加熱器26を有するタ−ビン3と負荷
10が同軸上で接続されると共に、軸流圧縮機1と前記
静翼加熱器26とは、図示の如く、燃料入口11を設け
た燃焼器2にパイプで接続されている。空気流入5より
流入した空気を軸流圧縮機1で高圧にし燃焼器2で高温
にして静翼加熱器26を通つてタ−ビン3を作動させて
タ−ビンロ−タ軸8と負荷10を駆動するのである。
施例のシステム図である。図3に示した実施例の構成に
加えて、タ−ビン3に静翼加熱器26及び26′が設け
られ、該静翼加熱器26′に燃料入口11を設けた再燃
機27、27′が接続されて構成されている。燃焼器2
よりでた作動ガスを静翼加熱器26を通した後再燃機2
7に入れて再び温度を上げ次に又静翼加熱器26′に入
れて後再び再燃機27′に入れて高温にした後、タ−ビ
ン3に入れれば作動ガスは温度の大きな降下はなく、十
分に膨脹して出力の大きいタ−ビンが得られる効果があ
る。
例のシステム図である。図7に示すように、負荷10を
直結したタ−ビン3に前記の加熱手段である静翼加熱器
26が設けられ、該静翼加熱器26と別体の加熱器28
が設けられて、該静翼加熱器26に接続されたパイプに
より、作動ガスが導入されると共に、加熱器28とタ−
ビン3とを接続する冷却器32と圧送機33とを有する
パイピング手段により構成されている。加熱ガスは、加
熱器28に加熱ガス入口29から入り加熱ガス出口30
より放出されるがその間作動ガス通路46を加熱し作動
ガス入口34より入った作動ガスを高温にして作動ガス
出口31より流出し、タ−ビン3を駆動し放出口のガス
流出6より放出され、冷却器32、圧送機33を経て再
び作動ガス入口34に入るが、別に加熱ガス出口38よ
り加熱ガスを静翼加熱器26に入れ加熱ガス入り39で
再び加熱器28に入れて、加熱ガス出口30より放出す
ることにより静翼の温度を高温に保って、タ−ビンの出
力を大きくしている実施例である。
実施例のシステム図である。該実施例は図7の実施例の
構成に加えて、図示のように、静翼加熱器26への作動
ガスのパイプ手段を加熱器28に加えて構成している。
即ち、静翼加熱器26に入った作動ガスを再び加熱器2
8に作動ガス入口41から入れ、高温にして作動ガス出
口31から出して、タ−ビン3を回転し、冷却器32、
圧送機33を通して作動ガス入口34に導き、加熱器で
加熱して作動ガス出口40より静翼加熱器26に入るよ
うにしたものである。
の位置例とを対比して記載したタ−ビンの圧力−比体積
線図である。図において、従来のタ−ビンは、Aの位置
(圧力P1、比体積Va)より圧縮機でBよりC(P
2、Vc)まで加熱されて体積を増加し、次にタ−ビン
内でCからD(P1、Vd)まで膨脹する間、作動ガス
により行われる仕事は面積ABCDである。これに対
し、本発明の場合は、前記の通り、加熱手段を有する静
翼加熱器26を設けて、作動ガスを該静翼加熱器26を
通すことによりタ−ビンの第一静翼に入る温度はCより
C′に下がるが、従来のタ−ビンのCDが断熱変化にあ
るのに反して、本発明の場合の変化は等温変化CD″に
近い傾斜C′D′となり、ABCDの面積よりABC′
D′の面積の方が大きくなっていることが示されてい
る。
ガスを静翼内部通路43を通し、圧力を殆ど降下させず
にタ−ビンに流入させるので、又、静翼による作動ガス
はその膨脹中加熱されるので膨脹は断熱膨脹より等温膨
脹に近いものとなり、圧力差は略同じであるから従来の
タ−ビンより余分に仕事を行うことが出来、能率のよい
タ−ビンを得ることが出来る。
1記載のタ−ビンにより、内燃式タ−ビンにおいて燃焼
器から流出した作動ガスをタ−ビン静翼の内部通路を通
して後、タ−ビンに作動させタ−ビンを回転するので、
作動ガスは静翼により熱せられて等温膨脹に近い膨脹を
させるのでタ−ビンの駆動エネルギ−を増大できる。
又、従来は駆動力を大きくするために、燃焼器による作
動ガスの温度を適度にあげることにより出力を大きくし
ているので、この方法は、そんなに温度を上げないで、
むしろ温度の下げる分を熱する程度でより大きい出力を
得ることが出来るという効果がある。
項記載のタ−ビンにおいて、静翼内部通路吐出口より吐
出された作動ガスを再燃器で加熱するので前記の様に等
温膨脹に近い膨脹が行える様になるので能率のよいタ−
ビンが得られるという効果がある。
式タ−ビンにおいて、作動流体を加熱する加熱用流体を
タ−ビン静翼内部通路の流入口に導き、内部通路を通り
流出口より流出するので静翼が加熱されることにより、
タ−ビンの出力が増大する効果がある。
式タ−ビンにおいて、加熱された作動流体を静翼内部通
路の流入口に導き、静翼内部通路を通って流出口に導
き、該作動流体をタ−ビンの第一静翼に入れてタ−ビン
を駆動するものであるから、前記の様に、作動流体の膨
脹が等温膨脹に近づくことにより、タ−ビンの駆動力を
増大することが出来るという効果がある。
項4記載のタ−ビンで、静翼内部通路の流出口より出た
作動流体を加熱器で加熱するので、膨脹線は図5のC
D″となり更に駆動力を増大させることができるという
効果がある。
膨脹を基本としていたが、本発明のタ−ビンは等温膨脹
に近く膨脹させることにより、同圧力、同温度の作動ガ
スを使用した場合において、従来に比較して、はるかに
大きい出力を得ることが出来る効果を奏する。
様に、作動ガスの温度を過度に高温にしないでも、材料
の安定した温度で高出力を得ることが出来るという効果
がある。
断図と共に示した側面図
図
翼、静翼内部通路の説明図
積線図
テム図
図
テム図
断と共に示した側面図
Claims (5)
- 【請求項1】負荷(10)を直結したタ−ビンロ−タ軸
(8)に同軸上で接続された軸流圧縮機(1)と、燃料
入口(11)を有し、且つ、該軸流圧縮機(1)と空気
圧送管(18)により接続された燃焼器(2)と該燃焼
器(2)からの作動ガスを導く手段とタ−ビン(3)と
により構成された内燃式のタ−ビンにおいて、 前記燃焼器(2)から流出した作動ガスを導く作動ガス
入口ノズル(24)に接続され、収集管(19)と該収
集管(19)に接続された分配器(37)よりなる複数
の管路をタ−ビン静翼(15)の外側に設けると共に、
分配器(37)からタ−ビン静翼(15)の内部通路入
口(21)から通路(20)、(35)を通り、流出口
(22)から、次の収集管(19)を経て隣接する次の
分配器(37)に流入するような複数組の管路を有して
なる加熱手段の静翼加熱器(26)をタ−ビン静翼(1
5)内に設け、前記燃焼器(2)より流出した高温高圧
の作動ガスを作動ガス入口ノズル(24)より収集管
(19)に導き、該収集管(19)に接続された分配器
(37)から通路(20)、(35)を通り次の収集管
(19)に入り、次々この動作を繰り返し、最後のタ−
ビン静翼(15´)の内部を通った作動ガスをタ−ビン
入口(25)より、前記タ−ビン静翼(15´)の間を
通り加速されて、タ−ビン動翼(16´)に作用させタ
−ビンロ−タ−軸(8)を回転するように構成したこと
を特徴とする内燃式のタ−ビン。 - 【請求項2】請求項1に記載された内燃式のタ−ビンに
おいて、タ−ビン静翼(15)と別体に、タ−ビン静翼
内部通路流出口より吐出された作動ガスを圧送する圧送
管と該圧送管とに接続された再燃焼手段を設け、該作動
ガスを該再燃焼手段で再加熱するように構成したことを
特徴とするタ−ビン。 - 【請求項3】負荷(10)に直結されたタ−ビン(3)
と、該タ−ビン(3)に接続され、冷却器(32)と圧
送機(33)とを有する圧送管(18)で、該圧送管
(18)の所定の部分を内蔵し形成した作動ガス通路
(46)を加熱するようにした加熱器(28)とにより
構成され、該加熱器(28)により加熱された作動ガス
をタ−ビン(3)に導入し運転される外燃式のタ−ビン
において、前記加熱器(28)から流出した作動ガスを
タ−ビン静翼(15)の流入口(21)に導く手段と該
タ−ビン静翼(15)内に導く手段とを該作動ガスが通
過する内部通路(20)、(35)と流出口とを、複数
設けた静翼加熱器(26)をタ−ビン(3)に設け、該
静翼内部通路流出口(22)より吐出された加熱器(2
8)により加熱された作動ガスを、タ−ビン静翼(1
5)とタ−ビン動翼(16)に作用させ、タ−ビンロ−
タ−軸(8)が回転されるように構成したことを特徴と
するタ−ビン。 - 【請求項4】請求項3に記載された外燃式のタ−ビンに
おいて、前記タ−ビン静翼流入口(21)に接続される
と共に、前記静翼加熱器(26)の入口と出口に接続さ
れた他の圧送管(18)と加熱器(28)を設けて構成
したことを特徴とするタ−ビン。 - 【請求項5】請求項4に記載された外燃式のタ−ビンに
おいて、前記静翼加熱器(26)より吐出された作動流
体を加熱器(28)に接続された圧送機(42)を設け
た他の圧送管を加熱器(28)で加熱するように構成し
たことを特徴とするタ−ビン。
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