JPH0626400A - デュアル圧力タービン - Google Patents

デュアル圧力タービン

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JPH0626400A
JPH0626400A JP3346133A JP34613391A JPH0626400A JP H0626400 A JPH0626400 A JP H0626400A JP 3346133 A JP3346133 A JP 3346133A JP 34613391 A JP34613391 A JP 34613391A JP H0626400 A JPH0626400 A JP H0626400A
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stage
pressure turbine
dual pressure
nozzle
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John R Barrett
アール バレット ジョン
Richard A Cemenska
エイ セメンスカ リチャード
John R Gladden
アール グラッデン ジョン
Mark D Moeckel
ディー モッケル マーク
Philip H Schneider
エイチ シュナイダー フィリップ
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Caterpillar Inc
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】エンジンの発生する熱を利用して，有効な仕事
を行うためのデュアル圧力タービンを駆動するガスを発
生させる，排気装置の熱交換器内部のすすや酸化物の層
を殆ど除去し得る熱回収装置の提供。 【構成】エンジンのオイル冷却装置からの熱エネルギ
を，排気装置の熱交換器に到達する前の，デュアル圧力
タービン駆動用流体の全てを予熱するのに利用する。さ
らに，エンジンのジャケットウオータからの熱エネルギ
は，予熱された流体の一部をガスに転換するのに使用さ
れる。上記熱交換器は残りの流体をガスに転換し，その
ガスをより高い設定温度まで過熱する。デュアル圧力タ
ービン１００の第１の段１２０は，過熱されたガスを受
け入れて，このガスを超音速でローター１２４のブレー
ド１２６に向けて送り出す。第１の段から排出されるガ
スとより低い設定温度で過熱されたガスは，制御可能な
状態で且つほぼ分離された状態で，ほぼ同一の流速で第
２の段１５０に送り出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、一般には、エンジンが発生した
熱を利用して、（有役な仕事を行なうためのデュアル圧
力タービンを駆動する）ガスを発生させるように構成さ
れた熱回収装置に関する。更に詳しくは、本発明は、デ
ュアル圧力タービンの構成部分に取り付けられた、その
ような熱回収装置の構成部およびこれら構成部相互間の
構造に関するものである。
【０００２】熱回収装置は、エンジンから発生した全エ
ネルギを完全利用するように、所定の装置内に組み込ま
れる。エンジン内で生じたエネルギのうち多量のもの
が、排気装置およびウォータジャケットの冷却作用によ
って、失なわれる。公知の熱回収装置では、排気装置内
に各種の形式の熱交換器を設置して、排気中の熱を、後
に有役な仕事を形成するような形態に変換している。ラ
ンキンサイクル熱回収理論は、良く知られており、その
サイクルにおいては、排気を利用して有役な仕事を行な
わせることによって、エンジンの全性能を増加させるポ
テンシャルが存在している。頻繁に用いられる工程は、
水を蒸気に変換し、その蒸気を、ヒータなどの多種の用
途に利用し、また蒸気タービンを駆動するために用いる
ことである。エンジンの排気装置を用いて水を蒸気に変
換する場合に生ずる問題の１つには、排気装置内に位置
する熱交換器やボイラーのすす汚染がある。この問題
は、ディーゼルエンジンに組み込まれる装置において
は、より強調されている。このすすの付着厚さは、ボイ
ラ内の排気装置内に位置する管の壁面温度に強く左右さ
れるということが知られている。より低い温度で使用す
る管が多くなれば、それだけすすの堆積も増加すること
は当然である。すすの堆積に起因した損失が５％となる
ように装置を最適化するためには、全装置の寸法および
価格が３０％も嵩んでしまう。
【０００３】上記のような排気装置内に位置するボイラ
ー内の管が低温であることによって生ずる別の重要な問
題としては、この管の低すぎる温度に起因して排気ガス
中から多種のガスを発生させる傾向が生ずるということ
がある。これらのガスは、酸化物を形成し、それが排気
装置内の各種の金属に付着して、これらの金属の有効寿
命が短かくなってしまう。
【０００４】各種のタービンが、ランキンサイクルシス
テムにおいて用いられてきている。このようなタービン
の種類は、単一あるいは多段の高圧タービンから単一あ
るいは多段の低圧タービンにまでわたっており、また、
低圧および高圧タービンの混合形態にまで及んでいる。
使用タービンの形式を決定するにあたり考慮する主なこ
とは、性能を最大化し、性能に対するコストを調整し、
装置の全体寸法を調整することである。タービンの段を
多くすればするほど、装置の効率は良くなることが一般
に知られている。しかし、使用する段の数の増加に伴な
って、タービンのコストが高くなり、しかも寸法も増大
してしまう。多くの場合において、付加された段のコス
トは、それによって装置に付加された性能よりも割高に
なってしまう。
【０００５】デュアル圧力タービンにおいて、そのうち
のあるものは、高圧蒸気を高圧側へのみ向けて供給し、
これに対して低圧蒸気を低圧側へ向けて供給し、その後
出口ポートへ向わせるようになっている。これらのもの
は、蒸気中に存在する利用可能な仕事の全てを効率良く
利用できず、こうしようとすればタービンの段を多数使
用しなければならないので、全コストが大幅に高くなっ
てしまう。他のデュアル圧力タービンのなかには、単一
の高圧力段あるいは複数の高圧力段からの排出蒸気が、
混合室に向けられ、そこにおいて、排出蒸気と低圧蒸気
が混合され、それらが低圧力段内へ供給されるようにな
ったものがある。上記の混合室を配置する主な目的は、
高圧力段からの蒸気の温度、圧力および流速のそれぞれ
を、低圧力段に供給するのに先立って、低圧蒸気の温
度、圧力および流速に等しくするためである。通用使用
されるかかる混合室は、装置の寸法を増加させてしまう
と共に、その室内に不所望の乱流が生ずるおそれもあ
る。
【０００６】本発明の目的は、上述した問題点を解消す
ることにある。本願の第１発明は、熱エネルギをエンジ
ンおよび排気装置から取り出して伝達するための液体冷
却装置を備えたエンジンに用いる熱回収装置を提供する
ことにある。本発明の装置は、第１、第２および第３の
熱交換器を有している。第１の熱交換器は、入口ポート
および出口ポートを有し、液体冷却装置に対して熱を伝
達する配置関係となっている。第２の熱交換器は、入口
ポートと出口ポートとを有し、排気装置に対して、熱を
伝達する配置関係となっている。また、第３の熱交換器
も入口ポートおよび出口ポートを有し、排気装置に対し
て、熱を伝達する配置関係となっている。上記の第１お
よび第３の熱交換器に対しては、圧力流体源が接続され
ている。本発明は、この流体源から供給される流体を予
熱するための手段が配置されており、この手段は、流体
源、第１および第２の熱交換器の間に位置している。本
発明は、上記の予熱された流体の一部を予め設定した圧
力で、第１の熱交換器の入口ポートへ向けて制御可能に
供給するための第１の手段が配置されており、これによ
って予熱した流体の一部が予め設定した圧力でガスに変
換されるようになっている。また、この第１の手段は、
その後そのガスを第１の熱交換器の出口ポートから第２
の熱交換器の入力ポートに向けて供給するためのもので
あり、これによって、ガスは予め設定した圧力の下で過
熱されて、予め設定した温度まで上昇する。また、本発
明は、第２の手段を有し、この手段によって、予め加熱
した流体の残りの部分を、上記第１の手段からのガス圧
力よりも高い設定圧力の下で、第３の熱交換器の入口ポ
ートへ向けて供給し、これによって、この流体の残りの
部分をこの高い設定圧力の下でガスに変換し、過熱し、
第１の手段からのガス温度よりも高い設定温度にする。
本発明の装置は、更にデュアル圧力タービンを有してお
り、このタービンは、第３の熱交換器の出口ポートに接
続された高温高圧入口ポートと、第２の熱交換器の出口
ポートに接続された低温低圧入口ポートと、排出ガスを
流体に変換するように構成された圧縮器に接続した出口
ポートと、出力軸とを有している。この出力軸は、第２
および第３の熱交換器を通って方向付けされ、そこから
出された過熱ガスに応じて、デュアル圧力タービンから
出力される仕事力を伝達するように構成されている。
【０００７】本願の第２の発明は、内部を流通するガス
流量に応じて、出力を発生するデュアル圧力タービンを
提供することにある。本発明のデュアル圧力タービン
は、ハウジングを有しており、このハウジングは、設定
高圧値の下で、設定高温まで過熱されたガスを発するガ
ス源に接続するように構成した第１の入口ポートを備え
ている。このハウジングの内部において、第１の段が設
定され、この第１の段は、第１のローター室と、この第
１のローター室内に回転可能に配置され、外周に複数の
ブレードを有する第１のローターと、第１の入口ポート
と定められた数の第１のブレード群に隣接した第１のロ
ーター室とを相互に接続する複数個の第１のノズル群
と、少なくとも設定された数のブレード群に隣接した第
１のローター室に接続した出口通路とを有している。ま
た、上記のハウジング内において第２の段が設定され、
この第２の段は、第２のローター室と、外周に複数個の
第２のブレード群を有し、第２のローター室内に回転可
能に配置され、第１のローターに連結された第２のロー
ターと、複数の第２のブレード群に隣接配置され、第２
のローター室のまわりに等しい間隔で開口した複数個の
第２のノズル群と、第２のローター室に接続された出口
通路とを有している。上記ハウジング内には、第２の入
口ポートが配置され、このポートは、設定高圧よりも低
い設定圧力の下で、過熱されて設定高温よりも低い温度
とされる第２のガス源に接続されるように構成されてい
る。この第２の入口ポートを複数の第２のノズルに接続
するための第１の通路手段が配置されており、これによ
って、第２のガス源からのガスは、設定流速で複数個の
第２のノズル群に対して、ほぼ軸方向の向きに供給され
る。また、第２の通路手段が配置され、これにより第１
の段の出口通路が複数の第２のノズル群に接続され、第
１の段の出口通路からのガスは、第２のガス源からのガ
ス流速とほぼ同一の流速で、複数の第２のノズル群に対
して、ほぼ軸方向の向きに供給される。
【０００８】本発明によって提供される熱回収装置によ
れば、エンジンの発生熱を完全利用してデュアル圧力タ
ービンが駆動され、有役な仕事が行なわれる。本発明の
冷却装置、更に特定すると、エンジンのジャケットウォ
ータは、熱エネルギを十分に吸収した後、熱交換器を通
過して、流体をガスに変換し、その後このガスをタービ
ンにおいて効率良く用いられるように過熱している。エ
ンジンから発生する他の熱源、例えばオイル潤滑装置に
より、十分な熱が供給されて流体の予熱が行なわれ、そ
の後その予熱された流体が、排気装置に対して熱を伝達
する配置関係にある第３の熱交換器内に導入される。こ
の配置関係によって、熱交換器の入口ポートにおける温
度の上昇状態が保持され、それによって、すすの堆積問
題が解決され、また、酸性ガスの発生問題が解決され
る。本発明のデュアル圧力タービンにおける第１および
第２の通路手段によって、第１の段の出口通路および第
２のガス源からの各ガスの温度、圧力、および流速が、
第２の段に入る前にほぼ等しくされる。このような本発
明の構成により、第１および第２の段の間に混合室が不
要となり、これによって、この混合室内に生ずる乱流の
おそれも解消される。
【０００９】図面を参照するに、特に図１から明らかな
ように、熱回収装置１０はエンジン１２に取り付けて使
用するようになっている。このエンジン１２は、液体冷
却装置１４と排気装置１６とを有している。上記の液体
冷却装置は、エンジン内のウォータジャケット（図示せ
ず）を介して冷却流体を循環させるためのポンプ１８
と、冷却流体の温度制御を行なうように構成されたサー
モスタット２０とを有し、また、冷却ライン２２が取り
付けられている。上記の排気装置１６は、エンジンに接
続した排気マニホールド・パイプ２４を有している。
【００１０】また、エンジン１２はオイル冷却装置２６
を有しており、この装置２６はオイルポンプ２８を有し
ている。このオイルポンプ２８によって、エンジン１２
の高温潤滑油をオイルクーラー３０、およびそこに接続
した接続ライン３２、３４に循環させる。これらの接続
ライン３２、３４によって、オイルを連続してエンジン
１２からオイルクーラー３０を介して再びエンジン１２
へ戻す循環路が形成される。
【００１１】本例の装置１０は、圧力流体源として、例
えばポンプ４０を有している。このポンプ４０は、流体
例えば水を導管４４を介してリザーバ４２から吸い上げ
る。ライン４４内には、流体ポリシャー４６が配置さ
れ、水から鉱物およびその他の析出物を除去するように
なっている。また、補給水源４８が配置されており、こ
れによってリザーバ４２の水位が低下したときにはそこ
に水を補給する。
【００１２】手段５０は、ポンプ４０から吐出された水
を予熱するために配置されている。この予熱手段５０
は、オイル冷却装置２６と、導管５６を介してポンプ４
０に接続した第１の流体通路５４を備えたハウジング５
２とを有している。この導管５６にリリーフバルブ５７
が接続されており、これによって、導管５６内の最大流
体圧が制御される。ハウジング５２は、オイル冷却装置
２６の導管３２内に位置し、このハウジング内において
導管３２と相互に接続した第２の流体通路５８を形成し
ている。この第２の流体通路５８は、第１の流体通路に
対して、熱伝達を行なう配置関係に取り付けられ、エン
ジン１２の高温オイルが有する熱エネルギを、第１の流
体通路５４を流れる水に伝達する。
【００１３】第１の熱交換器６０は、導管６２によって
上記の予熱手段５０に接続されている。この第１の熱交
換器６０は、入口ポート６４と、出口ポート６６と蒸発
器６８を有している。蒸発器６８は、これら入口ポート
６４と出口ポート６６とを連通する第１の流体通路７０
を有している。第２の流体通路７２は、蒸発器６８内に
位置し、冷却ライン２２に接続されており、これによっ
て、エンジン冷却流体がポンプ１８により連続して循環
される。この第２の流体通路７２は第１の流体通路に対
して、熱伝達を行なう配置関係となるように取り付けら
れ、第２の流体通路７２のエンジン冷却流体に保持され
た熱エネルギが、第１の流体通路７０内の流体、すなわ
ち水に伝達されるようになっている。かかる熱エネルギ
は、第１の流体通路７０内の水を蒸気に変化させるのに
十分な高さを有している。
【００１４】第２の熱交換器７４は、入口ポート７６と
出口ポート７８を有し、排気マニホールド・パイプ２４
内に位置している。導管８０によって、この第２の熱交
換器７４の入口ポートが第１の熱交換器６０の出口ポー
ト６６に接続されている。第３の熱交換器８２は入口ポ
ート８４と出口ポート８６を有し、排気マニホールド・
パイプ２４内に位置している。導管８８によって、この
第３の熱交換器８２の入口ポート８４が導管６２に接続
されている。
【００１５】第１の手段９０は、設定圧力下で予熱され
た流体の一部を第１の熱交換器６０の入口ポート６４へ
向けて供給し、この流体を設定圧力にほぼ等しい圧力の
蒸気に変換するためのものである。また、この第１の手
段は、変換後の蒸気を第１の熱交換器６０の出口ポート
６６から第２の熱交換器７４の入口ポート７６へ向けて
供給し、この設定圧力を有する蒸気を設定温度にまで過
熱するためのものである。この供給方向を制御するため
の第１の手段９０は、流量調整弁９２を有し、この弁
は、第１の熱交換器の入口ポート６４と、導管８８と６
２との接続点との間に位置する導管６２に配置されてい
る。
【００１６】第２の手段９４は、予熱した流体の残りの
部分を、第１の手段９０から供給される予熱した流体の
設定圧力よりも高い設定圧力で、第３の熱交換器８２の
入口ポート８４に向けて供給し、この流体を高い設定圧
力の下で、蒸気に変換し、第１の手段９０からの蒸気温
度よりも高い設定温度となるまで過熱させるためのもの
である。この第２の方向制御手段は、導管８８に取り付
けた第２の流量調整弁９６を有している。
【００１７】デュアル圧力タービン１００は、熱回収装
置１０に取り付けられており、導管１０４を介して第３
の熱交換器８２の出口ポート８６に接続した第１の入口
ポート１０２を備えたハウジング１０１と、導管１０８
を介して第２の熱交換器の出口ポート７８に接続した第
２の入口ポート１０６と、導管１１４を介して復水器１
１２に接続した出口ポート１１０を有している。復水器
１１２から送り出される凝縮流体は、直接にリザーバ４
２に戻されて、熱回収装置１０における再利用に供され
る。
【００１８】出力軸１１６は、デュアル圧力タービン１
００を、エンジン１２によって駆動される共通負荷１１
８に連結するためのものである。図２において最も良く
示してあるように、第１の段１２０は、ハウジング１０
１内に位置し、第１のローター室１２２と、この第１の
ローター室１２２内に回路可能に位置する第１のロータ
ー１２４と、このローター１２４の外周に等しい間隔毎
に固着された複数個の第１のブレード群１２６と、第１
の入口ポート１０２と第１のローター室１２２とを相互
接続する複数個の第１のノズル１２８と、出口通路１３
０を有している。
【００１９】図示が簡単となるように、ノズル１３２
は、図２においてはその本来の位置から９０°回転させ
た位置に示してある。従って、図示のノズル１３２は、
９０°回転させて、図４にその本来の位置を示すよう
に、頂面内に位置させる必要がある。第１のノズル群を
構成する各ノズル１３２は、図４により分り易く示され
ているように、鐘形の口をした入口１３４を有してお
り、この入口１３４の形状は、スロート部１３６の直径
の１／２に等しい曲率半径によって規定されている。ス
ロート部１３６は、このスロートの直径の１／２に等し
い材軸方向の直線長さを有している。出口部１３８は円
錐面を有し、この面は約１０°の夾角を有している。図
２および図３にも示すように、各ノズル１３２の出口部
１３８は、第１のローター室１２２内に開口している。
複数個のノズル群１２８は、約１３６°の円弧にわたっ
て配列されており、複数個のブレード群１２６に隣接し
た第１のローター室１２２内に開口している。
【００２０】複数個のブレード群１２６を構成する各ブ
レード１４０の形状は、各ブレード間の通路１４２が一
定の幅となるように形成されている。各ブレード１４０
の高さと幅は、ノズル群１２８の出口部１３８の小さい
方の直径の高さとほぼ等しい。第２の段１５０は、ハウ
ジング１０１内に位置し、第２のローター室１５２と、
このローター室１５２内に回転可能に配置された第２の
ローター１５４と、このローター１５４の外周囲に等し
い間隔毎に固着された複数個の第２のブレード群１５６
と、この第２のブレード群に隣接した第２のローター室
１５２内に開口した、等しい間隔をおいて配置された複
数個の第２のノズル群１５８と、出口通路１６０とを有
している。
【００２１】第１の通路手段１６２は、第２の入口ポー
ト１０６を第２のノズル群１５８に接続するためのもの
であり、この手段によって、供給源、例えば第２の熱交
換器７４から送り出される蒸気は、複数個の第２のノズ
ル群１５８のノズルにおける第１の部分に向けて、設定
流速で材軸方向に供給される。この第１の通路手段１６
２は、図５および図６に更に良く表わされているよう
に、第２の入口ポート１０６に接続した円弧状のスロッ
ト１６４を有している。この第２の入口ポート１０６と
の接続領域において、スロット１６４は定められた断面
積を有し、約２００°にわたる弧を形成している。この
スロット断面積は、スロットがノズル群１５８へ向って
延びるのに伴なって、減少している。２００°の円弧角
は、ほぼ一定に維持され、このスロットは複数個の第２
のノズル群１５８に対して、ほぼ軸方向に向って開口し
ている。
【００２２】第２の通路手段１７０は、第１の段１２０
の出口通路１３０を複数本の第２のノズル群１５８にお
ける他の部分に接続するためのものであり、この手段に
よって、第１の段階１２０の出口通路１３０から送り出
される蒸気が、第２の入口ポート１０６から送り出され
る蒸気の設定流速とほぼ同一の流速で、第２のノズル群
１５８の他の部分に対して、材軸方向に方向付けされて
供給される。この第２の通路手段１７０は、図５および
図６に更に良く表わされているように、第２の第１の段
階１２０の出口通路１３０に接続した円弧状のスロット
１７２を有している。この出口通路１３０との接続領域
において、スロット１７２は定められた断面積を有し、
約１６０°にわたる弧を形成している。このスロット断
面積は、スロットがノズル群１５８へ向って伸びるのに
伴なって、増加している。１６０°の円弧角は、ほぼ一
定に維持され、このスロットは複数個の第２のノズル群
１５８に対して、ほぼ材軸方向に向って開口している。
【００２３】第３の段１８０は、ハウジング１０１内に
位置し、第３のローター室１８２と、このローター室内
に回転可能に配置された第３のローター１８４と、この
ローター１８４の外周囲に等しい間隔毎に固着された複
数個の第３のブレード群１８６と、この第３のブレード
群に隣接した第３のローター室１８２内に開口し、等し
い間隔をおいて配置され、しかも第２の段１５０の出口
通路に接続された複数個の第３のノズル群１８８と、出
口ポート１１０に接続した出口通路１９０とを有してい
る。
【００２４】なお、本発明から逸脱することなく、本例
の熱回収装置においては、各種の流体を用いることが可
能であることは明らかである。しかるに水は利用しやす
く、しかも多量のエネルギを吸収可能なので、特に好ま
しい。本例の熱回収装置１０の動作中においては、リザ
ーバ４２から送出された水は、ポンプ４０に吸い上げら
れた後、リリーフ弁５７によって規定される設定圧力、
例えば２１４０ kPa（３１０psi ）の圧力で、導管５６
内へ向けて送出される。この水は、ポリシャー４６によ
って十分な清浄が行なわれるので、不純物や析出物が通
過してしまうことはない。これらの不純物が通過してし
まうと、それらによって石灰等が装置内に生成され、そ
れによって、熱回収装置の性能が減少してしまうおそれ
がある。
【００２５】導管５６内の加圧水は、予熱手段５０の第
１の通路５４を通って流れ、潤滑装置の高温オイルによ
って、予熱される。このオイルの温度により、第１の通
路５４内の水は、約１０５℃（２２０°F ）まで予熱さ
れる。ここに、この管５６内の水は加圧状態にあるの
で、蒸気には変換されることはない。このように予熱さ
れた水は、導管６２を通って、第１の熱交換器６０の蒸
発器６８に向けて供給される。導管６２に配置した流量
調整弁９２によって、第１の熱交換器６０内への流量が
制御され、また、その流体圧がほぼ１３０kPa （１９ps
i ）に制御される。予熱水が蒸発器６８の第１の流体通
路７０を通過していくあいだに、エンジン１２のジャケ
ット・ウォータから発生した第２の流体通路７２内の熱
により、その予熱水に熱エネルギが加えられ、これによ
って、予熱水が蒸気に変換される。ウォータ・ジャケッ
ト内の流体温度が約１２１℃（２５０°F ）であり、ま
たその流体圧が約１３０kPa であるので、蒸気に変換さ
れた水は、温度１２０℃、圧力が１３０kPa で送り出さ
れる。第１の熱交換器６０から送り出された蒸気は、第
２の熱交換器７４へ向けて供給され、その交換器７４に
おいて過熱されて、その温度が約１８２℃（３６０°F
）になる。
【００２６】エンジン排気は、第２の熱交換器７４内に
おいて蒸気を過熱するために利用される。エンジンから
排出されるときの排気の温度は、約４６０℃（８６０°
F ）である。この第２の熱交換器７４の大きさを選ぶこ
とによって、蒸気は、設定温度にまで加熱され、また設
定圧力値である１３０kPa に維持される。導管６２内に
おける残りの予熱水は、導管８８を通って、第３の熱交
換器８２へ向けて供給される。この導管の流量調整弁９
６によって、この熱交換器８２内への流量が制御され、
またその流体圧が約１７２４kPa （２５０psi ）に制御
される。第３の熱交換器８２の大きさを適切に設定する
ことにより、第３の熱交換器内へ流入した予熱水が蒸気
に変換されると共に、約４１５℃（７８０°F ）まで加
熱され、またその圧力が１７２４kPa の値に維持され
る。
【００２７】排気が第２および第３の両熱交換器７４、
８２を通過し終えた後においては、その排気中の多量の
熱エネルギが使用されたことになり、従って、排気温は
排気マニホールド・パイプから放出されるときに約２０
４℃（４００°F ）となる。ポンプ４０から吐出された
水の予熱をオイル冷却装置２６内の熱エネルギを利用し
て行なうことにより、また、予熱水の一部の蒸気への変
換をエンジンのジャケット・ウォータ内の熱エネルギを
利用して行なうことにより、排気装置内に存在する熱エ
ネルギーの量は、残りの水を蒸気に変換し、また多量の
蒸気をそれぞれ予め設定した温度まで加熱するのに十分
なものとなっている。このような構成によって、エンジ
ン１２の保有熱エネルギが最も効率良く利用される。更
には、ジャケット・ウォータの発生熱エネルギは消散さ
れるので、本例の装置においては通常はラジエタが不要
となる。第２および第３の熱交換器７４、８２に流入す
る全流体の温度を設定値よりも確実に高くなるようにす
ることにより、すすの発生、酸化物の生成という問題は
ほとんど解消される。この結果、装置の性能が改善さ
れ、また、排気装置１６内に位置する第２および第３の
熱交換器７４、８２を構成する各部分の寿命が長くな
る。
【００２８】デュアル圧力タービン１００は、過熱蒸気
を有用な仕事に変換するために利用される。圧力が１７
２４kPa で、４６０℃に過熱された蒸気は、デュアル圧
力タービン１００の第１の入口ポート１０２に供給さ
れ、一方、圧力が１３０kPa で、１２１℃に過熱さた蒸
気は第２の入口ポート１０６に供給される。第１の入口
ポート１０２において、過熱蒸気は、複数本の第１のノ
ズル群１２８を通って、第１のローター室１２２へ向け
て供給される。発生した過熱蒸気の量および圧力に基づ
いて、７本のノズル１３２が使用されて、過熱蒸気が第
１の段のローター１２４のブレード群１２６に向けて供
給される。
【００２９】９本の各ノズルの形状に応じて、蒸気の流
速が増加されて、超音速でブレードに衝突する。第１の
段における効率を最良にするには、過熱蒸気の流速を高
め、ノズル出口の間隔を非常に狭くし、ローター１２４
上のブレード１２６間の一定間隔を調整すれば良い。ま
た、各ブレード１２６の高さと幅は、各ノズル出口１３
８の小さい側の直径の高さとほぼ同一である。これらの
構成関係によって、５０，０００rpm という好ましい速
度が得られる。
【００３０】第１の段のローター１２４のブレード１２
６から送り出される過熱蒸気は、その流速が約１３７ｍ
／sec （４５０ft／sec ）、温度が約１８２℃（３６０
°F）であり、また圧力が約１３０kPa （１９psi ）と
なっている。第１の段に入る側の蒸気とそこから送り出
される側の蒸気との間の圧力差によって、第１の段のタ
ービンは約１３：１の圧力比を有することになる。次
に、過熱蒸気は円弧状スロット１７２に入り、複数本の
第２のノズル群１５８に向けて供給される。この円弧状
スロットの断面積が増大することに起因して、過熱流体
は、複数本の第２のノズル群１５８内に入るのに先立っ
て、その流速が約７６ｍ／sec （２５０ft／sec ）にま
で減速される。また、この円弧状スロット１７２の円弧
角が約１６０°であるので、第１の段から送り出された
過熱蒸気は、この円弧状スロット１７２の円弧角に対応
する第２ノズル群１５８の一部分に向けて供給される。
【００３１】第２の入口ポート１０６において過熱蒸気
は、円弧状スロット１６４を通って複数本の第２のノズ
ル群１５８に供給される。この第２の入口ポートでの過
熱蒸気の流速は約３０ｍ／sec （１００ft／sec ）であ
り、その温度は約１８２℃である。円弧状スロット１６
４の断面積は、複数本の第２のノズル群１５８へ向かう
につれて減少しているので、蒸気の流速は、第２のノズ
ル群１５８へ入るのに先立って、約７６ｍ／sec （２５
０ft／sec ）まで増加される。円弧状スロット１６４の
円弧角は約２００°であるので、第２の入口ポートから
送り出された過熱蒸気は、このスロット１６４の円弧角
に対応した第２のノズル群１５８の残りの部分に向けて
供給される。
【００３２】蒸気流に乱れが生ずることを解消するため
に、過熱流を、第２のノズル群１５８に対して、材軸方
向に向けて供給することが好ましい。また、タービン１
００の性能の最大化を図るために、第２の入口ポート１
０６および第１の階１２０の出口通路１３０から送り出
されるそれぞれの過熱蒸気の温度、圧力および流速を、
第２のノズル群１５８に供給する前にほぼ等しくすべき
である。
【００３３】第１の段１２０が単に、進入率が約３７．
８％の一部進入段である場合には、第２の段１５０は、
２つの異なる供給源から送出される過熱蒸気を受け入れ
る全進入段である。第２の段階１５０から放出された過
熱蒸気は、第３の全進入段１８０における第３のノズル
群１８８に入る。この第３の段１８０から出た過熱蒸気
は出口ポート１１０を通って、復水器１１２へ向けて供
給され、そこにおいて、水に還元されてリザーバ４２へ
戻される。
【００３４】上述したように、本例の熱回収装置によれ
ば、作業能率が２０％を超える装置が実現でき、この装
置のデュアル圧力タービン１００は、８０％を超える作
業能率を有し、エンジン１２の発生熱エネルギを最大の
効率で利用することができる。３つの段を有するデュア
ル圧力タービン１００によれば、第１の段のローターブ
レードに対して蒸気が超音速で衝突する第１のインパル
ス段を用いることにより、エンジン１２の熱エネルギを
利用して発生させた過熱蒸気を最大の効率で利用でき
る。また、第１の段から放出される蒸気および第２の入
口ポートに入る蒸気の流速は、それらが第２の段階に入
るときにほぼ等しくなるように制御される。第２および
第３の段階は、全進入遷音速反応段である。上記の３つ
の段を有するデュアル圧力タービンによれば、過熱蒸気
が、各段階の全ての通路部分において、過熱状態に維持
される。これらの各段のいずれかにおいて水滴が生じた
場合には、その水滴によって、部材が腐食して損傷が生
じ、デュアル圧力タービンの有効寿命が短かくなってし
まう。
【００３５】本発明の他の形態、目的および利点は、図
面、明細書および添付した請求の範囲から理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に組み込まれる熱回収装置の
一部を示す概略構成図である。
【図２】図１の構成部分の一部を拡大して示す部分断面
図である。
【図３】図２のIII-III 線で切断した部分を示す部分断
面図である。
【図４】図２の第１のローターの３個のブレードと１本
のノズルとを実際の配置関係を示す拡大部分断面図であ
る。
【図５】図２のＶ−Ｖ線で切断した部分を示す部分断面
図である。
【図６】図５のVI−VI線で切断した部分を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
１０ 熱回収装置 １２ エンジン １４ 液体冷却装置 １６ 排気装置 １８ ポンプ ２０ サーモスタット ２２ 冷却ライン ２４ 排気マニホールド・パイプ ２６ オイル冷却装置 ２８ オイルポンプ ３０ オイルクーラー ３２ 接続ライン ３４ 接続ライン ４０ ポンプ ４２ リザーバ ４４ ライン ４６ ポリシャー ４８ 補給水源 ５０ 予熱手段 ５２ ハウジング ５４ 第１の通路 ５６ 導管 ５７ リリーフ弁 ５８ 第２の流体通路 ６０ 第１の熱交換器 ６２ 導管 ６４ 入口ポート ６６ 出口ポート ６８ 蒸発器 ７０ 第１の流体通路 ７２ 第２の流体通路 ７４ 第２の熱交換器 ７６ 入口ポート ８２ 第３の熱交換器 ８４ 入口ポート ８６ 出口ポート ９０ 第１の手段 ９２ 流量調整弁 ９４ 第２の手段 ９６ 流量調整弁 １００ デュアル圧力タービン １０１ ハウジング １０２ 第１の入口ポート １０４ 導管 １０６ 第２の入口ポート １０８ 導管 １１０ 出口ポート １１２ 復水器 １１４ 導管 １１６ 出力軸 １１８ 共通負荷 １２０ 第１の段 １２２ 第１のローター室 １２４ 第１のローター １２６ 第１のブレード群 １２８ 第１のノズル群 １３０ 第１の段の出口通路 １３２ 第１のノズル群の各ノズル １３４ 入口 １３６ スロート部 １３８ 出口部 １４０ 各ブレード １４２ 各ブレード間の通路 １５０ 第２の段 １５２ 第２のローター室 １５４ 第２のローター １５６ 第２のブレード群 １５８ 第２のノズル群 １６０ 第２の段の出口通路 １６２ 第１の通路手段 １６４ 第１の円弧状スロット １７０ 第２の通路手段 １７２ 第２の円弧状スロット １８０ 第３の段 １８２ 第３のローター室 １８４ 第３のローター １８６ 第３のブレード群 １８８ 第３のノズル群 １９０ 出口通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン アール グラッデン アメリカ合衆国 イリノイ州 61548 メ タモラ ジョー ストリート 136 ルー ラル ルート ４ (72)発明者 マーク ディー モッケル アメリカ合衆国 イリノイ州 61614 ピ オーリア ノース プリザント リッジ コート 4511 (72)発明者 フィリップ エイチ シュナイダー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92037 ラ ジョラ チェルシー アベニ ュー 5559

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部を流通するガス流量に応じて出力を
    発生するデュアル圧力タービンであって：設定高圧力で
    設定高温に過熱されたガスの供給源に接続するように構
    成された第１の入口ポートを有するハウジングと；第１
    のローター室と，外周に複数のブレード群が固着され，
    回転可能に第１のローター室内に配置された第１のロー
    ターと，複数の第１のブレード群のうちの設定された数
    のブレードに隣接した第１のローター室と第１の入口ポ
    ートとを相互接続する複数本の第１のノズル群と，少な
    くとも設定された数のブレードに隣接した第１のロータ
    ー室に接続された出口通路とを備え，ハウジング内に形
    成されている第１の段と；第２のローター室と，外周に
    複数のブレード群が固着され，回転可能に第２のロータ
    ー室内に配置され，第１のローターに駆動的に接続され
    た第２のローターと，複数の第２のブレード群に隣接し
    た第２のローター室に開口し，等しい間隔に配列された
    複数本の第２のノズル群と，第２のローター室に接続さ
    れた出口通路とを備え，ハウジング内に形成されている
    第２の段と；ハウジング内に配置され，設定高圧より低
    い設定圧力で設定高温よりも低い温度まで過熱されたガ
    スの供給源に接続するように構成された第２の入口ポー
    トと；第２の入口ポートを複数本の第２のノズル群に接
    続して，第２のガス供給源からのガスを，設定流速で第
    ２のノズル群に対してほぼ材軸方向に向けて供給するよ
    うになっている第１の通路手段とを備え，前記第１の通
    路手段は，ハウジング内に形成されて第２の入口ポート
    を複数本の第２のノズル群に接続する円弧状のスロット
    を有しており；さらに，第１の段の出口通路を複数本の
    第２のノズル群に接続して，第１の段の出口通路からの
    ガスを，第２の供給源からのガスの設定流速とほぼ同一
    の流速で，複数本の第２のノズル群に向けてほぼ材軸方
    向に供給するようになっている第２の通路手段を備え，
    前記第２の通路手段は，ハウジング内に形成されて第１
    の段の出口通路を複数本の第２のノズル群に接続する第
    ２の円弧状スロットを有しており，前記第１及び第２の
    円弧状スロットは，ガスを複数本の第２のノズル群に向
    けてほぼ材軸方向に供給するように構成されており，こ
    の材軸方向においては，第２の入口ポートからのガスの
    流速がほぼ設定流速に至るまで加速されるように，第１
    の円弧状スロットの断面積が第２の入口ポートと第２の
    ノズル群の間で連続的に減少しており，また，第１の段
    からのガスの流速がほぼ設定流速に至るまで減速される
    ように，第２の円弧状スロットの断面積が第１の段の出
    口通路と第２のノズル群の間で増加していることを特徴
    とするデュアル圧力タービン。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のデュアル圧力タービン
    において，第１の円弧状スロットによって，第２の入口
    ポートから送り出されたガスが，複数本の第２のノズル
    群の一部分の本数のノズルにのみ向けて供給され，ま
    た，第２の円弧状スロットによて，第１の段の出口通路
    から送り出されたガスが，複数本の第２のノズル群の残
    り本数のノズルにのみ向けて供給されるようになってい
    ることを特徴とするデュアル圧力タービン。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のデュアル圧力タービン
    において，第１の円弧状スロットは，ほぼ２００度の円
    弧を形成していることを特徴とするデュアル圧力タービ
    ン。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のデュアル圧力タービン
    において，第２の円弧状スロットは，ほぼ１６０度の円
    弧を形成していることを特徴とするデュアル圧力タービ
    ン。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載のデュアル圧力タービン
    において，ハウジング内に形成された第３の段を有し，
    この第３の段は，第３のローター室と，この第３のロー
    ター室内に回転可能に配置された第３のローターとを有
    し，この第３のローターは，外周に固着された複数の第
    ３のブレード群を備えているとともに，第２のローター
    に駆動的に接続されており，また，第３の段は，第２の
    段の出口通路に接続された複数本の第３のノズル群を有
    し，この第３のノズル群は，複数の第３のブレード群に
    隣接した第３のローター室に開口しているとともに，等
    しい間隔で配列されていることを特徴とするデュアル圧
    力タービン。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載のデュアル圧力タービン
    において，第１及び第２のガス供給源のガスは，蒸気で
    あることを特徴とするデュアル圧力タービン。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載のデュアル圧力タービン
    において，複数本の第１のノズル群の各ノズルは，高温
    高圧ガスの流速を増加させて，それを超音波で第１のブ
    レード群のブレードに衝突させるように構成され配設さ
    れていることを特徴とするデュアル圧力タービン。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のデュアル圧力タービン
    において，第１及び第２の通路手段は，第１の段の出口
    通路及び第２の入口ポートから送り出される各ガスの流
    速，圧力及び温度を制御し，複数本の第２のノズル群に
    流入する全てのガスの流速，圧力及び温度がそれぞれほ
    ぼ等しくなるように，構成され配設されていることを特
    徴とするデュアル圧力タービン。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載のデュアル圧力タービン
    において，第１及び第２のガス供給源から供給されるガ
    スは，蒸気であることを特徴とするデュアル圧力タービ
    ン。
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